JP2012012235A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光学素子のプレス成形時の加熱処理において、ガラス素材の加熱状態を均一にして、得られる光学素子を所望の形状に成形する光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。
【解決手段】ガラス素材を収容した成形型を順次移動させて、加熱、プレス、冷却の各処理を施すために、円周方向に順番に並べて配置された加熱室Ｐ２〜Ｐ４、プレス室Ｐ５及び冷却室Ｐ６〜Ｐ８からなる複数の処理室と、複数の処理室の下方に配置され、間歇的に回転して成形型を回転移動できる回転テーブルと、回転テーブル上に載置され、上部に前記成形型を固定可能で、前記スリットを通して前記成形型を前記処理室内に保持できる突起部を有する試料台と、加熱室において、回転テーブル上に載置された成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることができる回転手段と、を有する光学素子の成形装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形型を回転テーブルで周方向に移動させながらプレス成形する光学素子の成形装置及び成形方法に係り、特に、加熱処理時に、ガラス素材を均一に加熱させるようにした光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

現在、ガラスレンズなどの光学素子を製造する方法として、ガラス素材をプレス成形し、成形面を研磨せずにそのまま使用可能としたプレス成形方法が、簡便な操作により光学素子を得られることからよく用いられている。

例えば、ガラス素材及び成形型を回転テーブル上に載せ、回転テーブルを回転させながら、ガラス素材を加熱軟化させる加熱室、加熱軟化したガラス素材をプレス成形するプレス室、プレス成形されたガラス素材を冷却する冷却室、という円周方向に順番に配置された各処理室で所定の処理を順次行うようにした光学素子の成形装置が知られている（特許文献１参照）。

この成形装置は、処理室を取り囲むケース内側側面全体にヒータを配置するとともに、ケースの底板に形成されたスリットを通って試料台が処理室内に位置するように構成することで、処理室からスリットを通って外側へ逃げる熱量を少なくしている。そして、このような装置構成とすることで、処理室内の成形型とガラス素材を均一に加熱し、プレス後の、ガラスの熱収縮によるくぼみ（ヒケ）の発生を防止でき、高い形状精度の光学素子を得ようとするものである。

特公平７−２９７７９号公報

特許文献１記載の成形装置における加熱室内の加熱手段は、回転テーブル上の成形型を側面から加熱できるように、その加熱室を形成する側壁に沿って配置されている。言い換えれば、この加熱手段は成形型の進行方向に沿って成形型の両脇に設けられている。

このような加熱手段の配置から成形型を加熱すると、成形型において、進行方向に対する左右部分は加熱されやすく、進行方向に対する前後部分は加熱が十分になされない場合がある。その場合、成形型の加熱が一様に行われず、その内部に収容されているガラス素材においても、その左右前後に対応する位置の加熱状態が成形型の加熱状態を反映し、ガラス素材を一様に加熱できず温度分布が生じてしまうことがあった。

ガラス素材が一様に加熱されず温度分布が生じてしまうと、ガラス素材の温度が不均一な状態で、プレス、冷却が行われることとなり、その影響により、得られる光学素子の形状不良が生じる等の問題があった。

そこで、本発明は、上記問題を解消するために、光学素子のプレス成形時の加熱処理において、ガラス素材の加熱状態を均一にして、得られる光学素子を所望の形状に成形する光学素子の成形装置及び成形方法の提供を目的とする。

本発明の光学素子の成形装置は、ガラス素材を収容した成形型を順次移動させて、加熱、プレス、冷却の各処理を施すために、円周方向に順番に並べて配置され、それぞれ下部にスリットを有する、加熱室、プレス室及び冷却室を含む複数の処理室と、前記複数の処理室の下方に配置され、間歇的に回転して、前記成形型を前記複数の処理室内に順に配設可能とした回転テーブルと、前記回転テーブル上に載置され、上部に前記成形型を固定可能で、前記スリットを通して前記成形型を前記処理室内に保持できる突起部を有する試料台と、前記加熱室において、前記回転テーブル上に載置された前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることができる回転手段と、を有することを特徴とする。

本発明の光学素子の成形方法は、上記光学素子の成形装置を用い、ガラス素材を収容した成形型を固定した試料台を回転テーブル上に載置し、前記回転テーブル上の成形型を、回転テーブルを回転させることで前記複数の処理室に順次移動させて、加熱、プレス、冷却の各処理を行う光学素子の成形方法において、前記加熱処理の際に、前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることを特徴とする。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、ガラス素材の加熱処理を、ガラス素材に温度分布が生じさせないように均一に行うことができ、その後のプレス、冷却処理において形状不良の発生を抑制し、光学素子の製造歩留まりを向上できる。

本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成を示した平面透視図である。 図１の光学素子の成形装置の取出し・挿入室の断面図である。 図１の光学素子の成形装置で用いた成形型の断面図である。 図１の光学素子の成形装置の第１の加熱室の断面図である。 第１の加熱室における回転手段を説明する図である。 第１の加熱室における他の回転手段を説明する図である。 本発明に用いる他の試料台の側面図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。本発明の光学素子の成形装置の概略構成を示した平面透視図を図１に示した。

図１に示したように、本発明の光学素子の成形装置は、ガラス素材を収容した成形型を装置内外へ出し入れする取出し・挿入室Ｐ１、該成形型を順次移送させて、加熱、プレス、冷却の各処理を施すために、円周方向に順番に並べて配置された加熱室Ｐ２〜Ｐ４、プレス室Ｐ５及び冷却室Ｐ６〜Ｐ８からなる複数の処理室を有し、これらの各処理室は炉体１の内部に設けられている。

また、各処理室は常時非酸化性ガスの雰囲気下となるようにされており、これら処理室の内部を、ガラス素材が収容された成形型が回転テーブルに載って順次移動するように構成されている。

ここで、Ｐ２は第１の加熱室、Ｐ３は第２の加熱室、Ｐ４は第３の加熱室、Ｐ５はプレス室、Ｐ６は第１の冷却室、Ｐ７は第２の冷却室、Ｐ８は第３の冷却室である。これらの処理室はシャッターによってそれぞれ区画して、他の部屋の温度に影響を受けないような設計が好ましい。なお、取出し・挿入室Ｐ１及び第３の冷却室Ｐ８は、ガラス素材の温度が室温付近の温度で良いため、特別に区画されていなくてもよい。ここで、第１の加熱室Ｐ２、第２の加熱室Ｐ３、第３の加熱室Ｐ４、第１の冷却室Ｐ６、第２の冷却室Ｐ７及び第３の冷却室Ｐ８は、ガラス素材の温度を調整するための部屋である。

次に、上記取出し・挿入室、処理室及び成形型の構造と作用を順を追って説明する。

取出し・挿入室Ｐ１は、Ｐ２〜Ｐ８と共通の炉体１に覆われて形成されており、この取出し・挿入室Ｐ１の炉体上部には、成形型を炉体内に挿入及び取出しできる取出し・挿入口が設けられている。また、炉体１内部には、回転テーブル２が設けられており、この回転テーブル２はその中央に回転軸とインデックスマシンを備えている。このとき、回転軸は、図１に示した複数の処理室が配置された円周の中心に位置する。

回転テーブル２上には試料台３が、回転テーブル２の外周部に形成された穴２ａに嵌め込まれて、所定の位置に配置されるようになっている。また、試料台３はガラス素材を収容した成形型４を固定する突起部を有し、その突起部の上部に成形型４が固定されている。このとき、試料台３は、成形型４が炉体１内の処理室のほぼ中央に保持されるように、背の高い台として形成されている。

成形型４の出し入れは、試料台３を持ち上げるためのピストンロッド５により、下方から試料台３を昇降可能とし、試料台３の突起部を取出し・挿入口６から炉体１外へ突出させることで行う。このとき、回転テーブル２における試料台３を載置位置には、ピストンロッド５が通過できる穴が設けられている。

まずは、試料台３を取出し・挿入口６から突出させた状態で、その突き出た試料台３の突起部上部に成形型４を固定し、ピストンロッド５を下降させて、成形型４の固定された試料台３を回転テーブル上に載置する。

このとき、炉体１内部に空気等が侵入しないように、取出し・挿入口６の外部には、窒素等の非酸化性ガスが充填される空間７を設けておく。この空間７には、成形型４の取出し・挿入を行わないときにも、非酸化性ガスで満たされるようにしておき、炉体１内部に空気等が侵入しないようにしておく。なお、取出し、挿入の操作時には、試料台３の成形型４固定部分を、空間７を通過しさらに上部に突出させて成形型４の取り外し及び固定ができるようになっている。

試料台３に固定された成形型４の状態を図３に示した。成形型４はスリーブ４１、その中で滑動可能である上型４２、及び下型４３からなり、上型４２と下型４３の間にガラス素材４４が挿入されている。このガラス素材４４は最終製品に近似した形に予備成形したプリフォームでもよいし、このような予備成形をしていないガラス成形素材でもよい。下型４３の底部に形成された凹部４３ａを、試料台３の上面に形成された凸部３ａに嵌め込むことにより、成形型４が試料台３にセットされる。この嵌め込み部の寸法を一定にすることにより、成形型４の大きさ、種類等が変わっても同一の試料台３を使用できる。

この取出し・挿入室Ｐ１において、成形型４が炉体１内部に導入されたら、回転テーブル２を間歇的に回転させ、次のように順次各処理室の処理を行って、ガラス素材に光学素子形状を付与する。

取出し・挿入室Ｐ１において成形型４が挿入されたら、まず、シャッターＳ１を開いて（このときＳ１〜Ｓ６の全部が開く）、回転テーブル２を所定角度回転させる。この所定角度は、成形型４が第１の加熱室Ｐ２の所定位置に配置されるように回転させるものであり、図１の配置である場合には４５度である。このとき、各処理室は同一の大きさに設けられている。

第１の加熱室Ｐ２に移動した成形型４は、所定時間加熱処理が施され、これにより成形型４及びその内部に収容されたガラス素材を加熱する。

図４は第１の加熱室Ｐ２のIV-IV線に沿った断面図であり、第２の加熱室Ｐ３、第３の加熱室Ｐ４、第１の冷却室Ｐ６、第２の冷却室Ｐ７も温度が違うのみで全く同じ構造となっている。この第１の加熱室Ｐ２は周囲をケース１２によって取り囲まれており、このケース１２は炉体１に固定されている。ケース１２の底板１２ａには周方向に延びるスリット１２ｂが形成され、このスリット１２ｂを通して、試料台３の突起部がその上部に固定した成形型４を第１の加熱室Ｐ２内に保持している。ケース１２内には、ヒータ１３とリフレクター１４が配置されている。スリット１２ｂは、複数の処理室の底面に、成形型の進行を妨げないように進行路に沿って設けられている。言い換えれば、スリット１２は、回転テーブルの回転動作により水平移動する試料台３の突起部の回転移動を妨げないように設けられている。

このように、試料台３を通過させるためのスリット１２ｂがケース１２の底板１２ａに形成されているので、ケース１２の内側側面全体にヒータ１３を配置でき、したがって、成形型４及びその中に収容されたガラス素材４４を均一に加熱できる。また、第１の加熱室Ｐ２内で最も温度が低い場所である、ケース１２内の底板１２ａに、試料台３通過用スリット１２ｂを形成しているため、ケース１２内の第１の加熱室Ｐ２からケース外側へ逃げる熱量か少ない。したがって、第１の加熱室Ｐ２内の温度分布が均一になる。さらに、成形型４を第１の加熱室Ｐ２のほぼ中央に配置してヒータ１３の熱輻射を均一に受けるようにするために、成形型４を載せる試料台３の背の高さが高くなっている。

また、回転テーブル２がケース１２の外側下方に配置され、ケース１２によって取り囲まれた高温雰囲気の第１の加熱室Ｐ２内に配置挿入されていないので、回転テーブル２が熱によって変形しない。そのため、後述のプレス時に成形型を所定のプレス位置に正確に移動できる。

なお、上記試料台３に遮熱効果をもたせるために、試料台３を中空に形成し、その中に熱絶縁物を挿入したり、遮熱板を試料台３のフランジ部上面に配置したりできる。さらに、回転テーブル２の中に水冷機構を設けてもよい。さらに、本図では省略してあるが、試料台３の先端突起部３ａ（図３参照）内に熱電対を配し、その導線を回転テーブル２の回転軸に導いて、試料台先端部、すなわち成形型４の底部の温度測定をしてもよい。

第１の加熱室での加熱が終了した後は、シャッターＳ２が開いて回転テーブル２が所定角度で回転し、第２の加熱室Ｐ３に達する。この第２の加熱室での加熱により、成形型４とガラス素材４４はプレス温度に近づく。次いで、第３の加熱室Ｐ４で成形型４とガラス素材４４をプレス温度まで昇温し軟化させ、プレス室Ｐ５に移動させる。

ここで、第１の加熱室Ｐ２はヒータ１３により高温に保たれているため、成形型４及びガラス素材４４は急速に加熱される。ところが、ヒータ１３は成形型４の進行方向に対して左右の位置にのみ配置されているため、その前後方向の加熱が不十分となる場合があり、成形型４及びその内部に収容されているガラス素材４４に温度分布が生じることもあった。これは、第２の加熱室Ｐ３及び第３の加熱室Ｐ４も第１の加熱室Ｐ２と同構造で構成されているから同じ問題が生じる。

そこで、本発明の光学素子の成形装置においては、さらに、加熱室内で回転テーブル２上に載置された成形型４を、鉛直軸を回転軸として自転させることができる回転手段が設けられている。ここで、自転とは、回転テーブル上に載置された成形型４の場所を移動させずに、その場で回転させることをいう。このような自転は、円柱形状をした成形型４の中心を通る鉛直軸又はそれに近い鉛直軸を回転軸として、成形型４を回転させることで達成できる。

なお、この回転手段は、プレス直前においてガラス素材を均熱化できていればよいため、第３の加熱室Ｐ４に設けることが必須であり、さらに、第１の加熱室Ｐ２及び第２の加熱室Ｐ３にも設けることが好ましい。

このような回転手段としては、試料台３自体を自転させるか、又は試料台３のうち成形型４を固定した突起部を自転させることができ、成形型４をその場で回転可能とするものであれば何ら制限なく使用できる。例えば、歯車、ベアリング等を利用して、試料台３又はその突起部へ回転力を与えて成形型４を自転させることができるものであればよい。

図５には、歯車としてかさ歯車を適用した回転手段を例示したが、この回転手段は、試料台３の台座部分３ｂに設けられた歯車形状と、その歯車の駆動手段として用いられる駆動用歯車１５と、から構成されている。駆動用歯車１５を、側方から台座部分３ｂの歯車形状に接近させて噛み合わせ、駆動用歯車１５の軸を回転させることで、試料台３を自転させる。このとき試料台３に固定された成形型４も自転することとなる。また、ここではかさ歯車を例示したが、平歯車等の形状であってもよい。

さらに、図６には、他の回転手段として、ベアリングを利用したものを例示した。図６では、回転テーブル２と、試料台３との間にベアリング１６を設けることで、試料台３が自由に自転できるようになっている。試料台３を載せたベアリング１６は回転テーブル２上に載置される。このとき、外部から試料台３が自転する回転力を与える駆動手段として回転ロッド１７を設ける。この回転ロッド１７を、回転テーブル２の穴２ａとベアリング１６の中央部の穴を通して試料台３の下面に接触させ、先端の凹凸と試料台３の下面に対応して形成された凹凸とを合わせて、回転ロッド１７の軸を回転させることで、試料台３を自転させる。このとき試料台３に固定された成形型４も自転することとなる。

上記したような回転手段により、成形型４及びガラス素材４４は第１の加熱室Ｐ２で所定時間静止した後、試料台３ごと所定角度で回転され、さらに、そこで前記と同じ時間静止させることを繰り返して、成形型４を３６０度回転させた後、次の処理室へ移動するようにすればよい。また、ここでの回転回数は４回以上の回数が好ましく、回転角度、速度、回数、静止時間は、ガラス素材４４の温度分布が生じなくなる条件となるように適宜設定すればよい。例えば、回転角度９０度の場合、この９０度回転の移動速度を５秒、９０度回転させた後の静止時間も５秒とし、４回回転させることで成形型４を３６０度回転できる。この回転角度、速度、回数、静止時間は、タクトタイムを考慮し、３６０度回転させるのにかかる時間をタクトタイムとなるように調整する。

また、成形型内に収容されているガラス素材が回転初期に金型内で位置ずれを起こさないよう、ガラス素材や金型の形状、ガラス素材の質量などによる動き易さに合わせ、回転体の角加速度を適宜調整することが好ましい。

第１〜第３の加熱室での加熱が終了した後、成形型４はプレス室Ｐ５に移動させる。
プレス室Ｐ５においては、第１の加熱室Ｐ２と同様にケース１２の中に設けられたヒータ１３及びリフレクター１４が配置されており、それらに加え、回転テーブル２を下側から支えるための支持棒と、成形型４及び光学素子成形材料４４をプレスする加圧棒が設けられている。この支持棒と加圧棒はピストンシリンダ装置のピストンロッドとして形成されている。

第３の加熱室Ｐ４から移動してきた成形型４と試料台３がプレス室Ｐ５内で静止したら、支持棒を上昇させて回転テーブル２を下方から支え、加圧棒を下降させて、上型４２の上部から押圧することで、成形型内部に収容され、軟化したガラス素材４４を所定圧力で加圧するようになっている。

所定時間加圧した後、加圧棒を上昇させて圧力を解除し、支持棒を下降させ、シャッターＳ４を開いて成形型４と試料台３を回転テーブル２によって第１の冷却室Ｐ６に移送する。このプレス直後の移動に際し、ショックが加わるとガラス素材４４の形状にゆがみを生ずることがあるが、本発明の装置ではインデックスマシンによりスムースな回転移送が行われ、ショックは発生しない。ここでいうインデックスマシンとは、回転テーブルを所定角度回転させ、所定時間静止する動作を繰り返して、回転テーブル上の成形型４を各処理室に順次移送させる装置である。この装置により、各処理室における処理時間も十分に確保でき、所定の処理が施される。

加圧後直ちに成形型４を成形体から離して分解しようとすると、成形体は成形型４に密着しているために弱い力では離型ができない。強い力で離型すると成形体の形状にゆがみを生じ、また成形体が割れることが多い。そこで本発明ではさらに、第１と第２の冷却室Ｐ６，Ｐ７へ成形型４を移して少なくともガラスの転移温度より低くなる温度まで成形型４と共に成形体を冷却し、成形素材自体の収縮によって成形型４と成形体の間に隙間ができるようにする。このとき、ガラスの収縮に対して上型４２がその自重によって追随するため、良好な形状精度が得られる。

本実施形態では、さらに、ガスによる急冷機構を設けた第３の冷却室Ｐ８で急冷し、成形型４の酸化防止のために２５０℃以下にして、取出し・挿入室Ｐ１に移す。なお、第１〜第３の冷却室Ｐ６〜Ｐ８においても、上記した回転手段により試料台３ごと成形型４を同様に回転してガラス素材の温度分布を少なくして冷却すると、得られる光学素子の形状不良を抑制でき好ましい。

回転テーブル２の回転により、試料台３に載って処理室内を１周して成形の終わった成形型４が取り出し・挿入室Ｐ１に戻って来たら、ピストンロッド５によって試料台３の成形型４を処理室Ｐ１から取出し・挿入口６へ上昇させ、試料台３の上部を炉体１外へ突出させ、装置外で処理の終わった成形型４を取り外し、成形された成形素材を取り出す（図１）。

連続的に処理する場合には、さらに未処理のガラス素材が収容された成形型４を試料台３に固定し、炉体１内へ導入し、同様に各処理室での処理をすればよい。この装置において、回転テーブル２上に８個の試料台３を配置し、９〜１０個の成形型４を用いて連続的にこの動作を繰り返すことにより、所定間隔で１個のきわめて速い製造速度で成形体が成形される。

なお、上記説明は、試料台３には、その中央の一か所でプレス成形ができるように、成形型を固定できる突起部が一つ設けられているが、これを、複数箇所でプレス成形ができるように、成形型を固定できる突起部を複数個有する試料台を用いてもよい。

例えば、図７には、成形型の固定箇所が２つの試料台３１を例示したが、このとき、成形型の固定箇所である突起部３１ａは、回転テーブルによる成形型の進行方向に整列して配置されている。これは、突起部が３つ以上になっても同様である。また、これら突起部はそれぞれ独立して自転可能に設けられており、図７では突起部３１ａの下部側面に歯車形状３１ｂが施され、突起部３１ａが独立して自転可能となっている。

このように複数の成形型を固定できるようにした場合、同一のガラス素材を用いる場合にはそれらを同時にプレスして成形してもよい。このとき、その成形型の配置状態に応じて、先端が複数に分岐した加圧棒にしたり、それら複数の成形型を同時に押圧できる幅の広い押し板形状としたりしてもよい。または、それぞれの成形型を独立した加圧棒により押圧できるようにしてもよい。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法は、回転移動方式のプレス成形により光学素子を製造する際に用いることができる。

１…炉体、２…回転テーブル、３…試料台、４…成形型、５…ピストンロッド、６…取出し・挿入口、１２…ケース、１２ａ…ケースの底板、１２ｂ…スリット、１３…ヒータ、１４…リフレクター、１５…歯車、１６…ベアリング、１７…回転ロッド

Claims (8)

1. ガラス素材を収容した成形型を順次移動させて、加熱、プレス、冷却の各処理を施すために、円周方向に順番に並べて配置され、それぞれ下部にスリットを有する、加熱室、プレス室及び冷却室を含む複数の処理室と、
   前記複数の処理室の下方に配置され、間歇的に回転して、前記成形型を前記複数の処理室内に順に配設可能とした回転テーブルと、
   前記回転テーブル上に載置され、上部に前記成形型を固定可能で、前記スリットを通して前記成形型を前記処理室内に保持できる突起部を有する試料台と、
   前記加熱室において、前記回転テーブル上に載置された前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることができる回転手段と、
   を有することを特徴とする光学素子の成形装置。
2. さらに、前記冷却室において、前記回転テーブル上に載置された前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることができる回転手段を有する請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記回転手段が、前記試料台又は突起部の下部側面に設けられた歯車と、前記歯車の駆動手段と、からなる請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記回転手段が、前記試料台又は突起部を自転可能にするベアリングと、前記試料台又は突起部を自転させる駆動手段と、からなる請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
5. 前記試料台が、前記成形型を固定する突起部を独立して回転可能に複数個有し、
   該複数個の突起部が、前記成形型の進行方向に整列して配置されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の成形装置を用い、ガラス素材を収容した成形型を固定した試料台を回転テーブル上に載置し、前記回転テーブル上の成形型を、回転移動させることで前記複数の処理室に順次移動させて、加熱、プレス、冷却の各処理を行う光学素子の成形方法において、
   前記加熱処理の際に、前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させることを特徴とする光学素子の成形方法。
7. さらに、前記冷却処理の際に、前記成形型を、鉛直軸を回転軸として自転させる請求項６記載の光学素子の成形方法。
8. 前記試料台又は突起部の自転を所定時間毎に行う請求項６又は７記載の光学素子の成形方法。

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