JP2017119302A

JP2017119302A - ゲルマニウムレンズ成形用型装置

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Publication number: JP2017119302A
Application number: JP2015257721A
Authority: JP
Inventors: 育弘藤井; Yasuhiro Fujii; 一剛荒井; Kazutaka Arai
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-07-06

Abstract

【課題】型の温度変化に対して、中心軸のズレが小さいゲルマニウムレンズ成形用型装置の提供。【解決手段】高温成形に用いるゲルマニウムレンズ成形用型装置であって、成形型１０，２０と、成形型１０，２０を裏面側から支持するための支持部材１１，２１と、成形型１０，２０及び支持部材１１，２１を周囲側から保持するためのホルダー部材１２，２２とを備え、成形型１０，２０の熱膨張係数は支持部材１１，２１及びホルダー部材１２，２２との熱膨張係数に差があるが、支持部材１１，２１とホルダー部材１２，２２との熱膨張係数は同一であり、成形型１０，２０は支持部材１１，２１に嵌合支持されているとともに成形型１０，２０の外周部とホルダー部材１２，２２の内周部との間に所定のクリアランスｄ２２を形成し、且つ支持部材１１，２１の外周部はホルダー部材１２，２２の内周部に保持されているゲルマニウムレンズの成形用型装置。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばゲルマニウムの高温溶融液等の高温材料を用いて製品を成形するのに用いられる型装置（型構造）に関する。

例えば、ゲルマニウムの溶融成形は、外部ヒーターによって常温から約１０００℃の高温状態まで加熱し、下型に載置されたゲルマニウム固体材料が溶融するまで温度保持された後、上型を下型に向けて加圧して加圧成形する。
しかる後に冷却を行い、成形品を取り出すサイクルを繰り返すことになるが、この成形型は、常温状態で型あわせ等の組み付けを行うため、約１０００℃での高温状態では型の製作材料に基づく熱膨張による寸法差が生じる。

例えば、図５に示すような従来の型構造にて成形した場合には、次のような問題点があった。
上型１１０と下型１２０を上下に対向配置した成形型を用いて、ゲルマニウム等の高温溶融材を用いてレンズを加圧成形する場合に、型は常温から約１０００℃への昇温と約１０００℃から常温への冷却のヒートサイクルにさらされる。

この場合に、型の成形面（キャビィティ面）は、鏡面仕上げ加工が施されていて、成形品は表面仕上げが不要な鏡面レンズとなる。
このような型材としては、ガラス状カーボン等の非晶質（アモルファス）で、気体不透過性の特殊材料が適している。

しかし、このようなガラス状カーボンを用いて型の支持部材等の周辺部材も製作するとなると、その加工性や材料コストの面でやや難がある。

そこで図５に示すように、上型１１０と下型１２０とをガラス状カーボンで製作し、上下型をそれぞれ裏面側から支持するための支持部材１１１，１２１と、型の周囲を保持するホルダー部材１１２，１２２を加工性が良好な高純度カーボンで製作することが行われる。

しかし、ガラス状カーボンは熱膨張係数が２．１×１０^−６／℃程度に対して、灰分７〜８ｐｐｍの高純度カーボンの熱膨張係数は４．８×１０^−６／℃と約２倍も大きい。
このように、型の製作に用いた材料の熱膨張係数と、この型を支持する周辺部材の製作に用いた材料の熱膨張係数に差があると約１０００℃の高温になる際に、型１１０，１２０とそれを支持する支持部材１１１，１２１との間に矢印に示したような横方向のズレが生じてしまう問題があった。

製品がレンズ等の分野にあっては、図５に示すように上型の中心Ｏ_１と、下型の中心Ｏ_２とにズレが生じると、それはレンズの上面の光軸中心と下面の光軸中心にズレが生じ、レンズの偏心が大きくなる原因となる。

特許文献１には、ガラス光学素子のガラスモールド法において、４００〜５００℃程度の成形温度に対して、上型と下型のズレを抑えるために一方の型に位置決めピンを設け、他方の型に位置決め穴を設けて相互の位置決めを行う型構造が開示されている。
しかし、同公報に開示する上下型の位置決め構造では、ゲルマニウムレンズの成形等の高温成形で、型材と支持部材等が異質材で熱膨張係数が異なる場合におけるズレを抑えるには不充分であった。

特開平６−３０５７４８号公報

本発明は、型の温度変化に対して、中心軸のズレが小さいゲルマニウムレンズ成形用型装置の提供を目的とする。

本発明は、高温成形に用いるゲルマニウムレンズ成形用型装置であって、成形型と、前記成形型を裏面側から支持するための支持部材と、前記成形型及び支持部材を周囲側から保持するためのホルダー部材とを備え、前記成形型の熱膨張係数は前記支持部材及びホルダー部材の熱膨張係数と異なり、前記支持部材と前記ホルダー部材との熱膨張係数は同一であり、前記成形型は前記支持部材に嵌合支持されているとともに前記成形型の外周部と前記ホルダー部材の内周部との間に所定のクリアランスを形成し、且つ前記支持部材の外周部は前記ホルダー部材の内周部に保持されていることを特徴とする。
ここで、支持部材とホルダー部材との熱膨張係数が同一であるとは成形型の熱膨張係数との差に比較して、小さいかもしくは実質的に同一とする。
ここで、「実質的に同一」とは、両方の熱膨張係数の値の差が、０．５×１０^−６／℃未満であることを含む。

このように、成形型を支持部材で裏面側（成形面を有する面とは反対側の面）から支持させるとともに、周囲側をホルダー部材で保持させた場合に成形型が支持部材に嵌合支持され、この成形型の外周部とホルダー部材の内周部との間にクリアランスを設けたので、次のように作用する。

成形型の熱膨張係数が他の支持部材及びホルダー部材の熱膨張係数とに差があっても、成形型を高温にした場合に、この成形型が支持部材に嵌合支持されているので、成形型の軸中心がそのまま維持されながら熱膨張する。
また、成形型とホルダー部材との熱膨張差は、その間に設けたクリアランス代にて吸収される。

よって、成形型と支持部材との嵌合部は、成形型の中心側に設けるのが好ましく、一方に凹部，他方に凸部を設けるのがよい。
また、嵌合部の形状は、円柱状，半円状，放射状等の点対称形状が好ましい。

成形品が例えばゲルマニウムレンズのように、高温の溶融液を加圧成形する場合には、上型と下型とを対向配置するのがよい。
その場合には、上記型構造からなる上型装置と、下型装置を上下に対向配置させるとよい。
このようにすると、詳細は後述するが、図１に示すように上型装置の成形型中心と、下型装置の成形型中心とのズレを抑えることができ、レンズの偏心を小さく抑えることができる。

本発明において、成形型と、支持部材及びホルダー部材との熱膨張係数に差があるとは、常温から約１０００℃の高温までに成形型が温度変化した場合に、成形型と周辺部材との寸法変化における差が成形品の偏心に影響を与えるレベルまで大きいことをいう。

例えば、成形型の製作にガラス状カーボンを用いた場合に、ガラス状カーボンは灰分２ｐｐｍ以下、非晶質の気体不透過性であり、その熱膨張係数は２．１×１０^−６／℃である。
これに対して、支持部材及びホルダー部材の製作に高純度カーボンを用いた場合に、この高純度カーボンは灰分７〜８ｐｐｍであり、熱膨張係数は４．８×１０^−６／℃である。
このように、熱膨張係数に２倍以上の差がある場合をいう。

本発明において、支持部材とホルダー部材とは同一材料で製作されているのが好ましいが、異なる材料である場合は支持部材とホルダー部材との熱膨張係数の差が、成形型の熱膨張係数との差に比較して小さいか、実質的に同一（差，０．５×１０^−６／℃未満）のものがよい。

本発明に係る型装置は、ホルダー部材に保持された支持部材に成形型が嵌合支持されているので、成形温度が約１０００℃の高温になっても成形型の中心がずれるのを防止しながら、熱膨張する。
これにより、ゲルマニウムレンズ等を成形する場合に、レンズの偏心を抑えることができる。

本発明に係るゲルマニウムレンズ成形用型装置の構造例を示す。（ａ）はホルダー部材を取り外した状態、（ｂ）はこのホルダー部材を取り付けた状態のそれぞれ上下の型装置を示す。（ａ）はホルダー部材を取り外した状態の斜視図、（ｂ）はこのホルダー部材を取り付けた状態の斜視図を示す。（ａ）は上型装置の分解図、（ｂ）は下型装置の分解図を示す。従来の型装置の構造例を示す。

本発明に係る型装置の構造例を、以下図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１，２にゲルマニウムレンズ成形用型装置の断面図，図３，４に斜視図を示す。
型装置１は、固体ゲルマニウム原料をキャビティＣに投入し加熱溶解後、上型装置１ａを下型に向けて加圧し下型装置１ｂにはめ合せて冷却後、成形品を得る成形例である。

ゲルマニウムは、凝固する際に体積膨張する性質を有し、上型装置１ａと下型装置１ｂとの間で押圧力調整が可能に配置されている。
本実施例では、上下の型装置が対向配置されている以外は概ね同一の構造であるので、符号を対応させることで上下型装置を合せて説明する。

上下型１０，２０は、レンズの成形面を表側と表現すると、その反対側の裏面に円筒状の凹部１０ａ，２０ａを形成し、支持部材１１，２１に形成した円柱状の凸部１１ａ，２１ａに嵌合支持させてある。
この際に上下方向の位置決めをするために、支持部材１１，２１の凸部の周囲に段差部１１ｂ，２１ｂを形成し、上下型１０，２０の底部をこの段差部１１ｂ，２１ｂに接触させてある。

本実施例の形態では、上下型をガラス状カーボンにて製作してあり、支持部材１１，２１は灰分７〜８ｐｐｍの高純度カーボンで製作したので、上下型の方が支持部材よりも熱膨張係数が小さいので、その分を考慮して凹凸嵌合部のクリアランス代を調整してある。

支持部材１１，２１は、上下方向に移動制御されたベース部材１３，２３に取り付けてある。
本実施例の形態では、ベース部材１３，２３に凸部１３ａ，２３ａを設け、支持部材１１，２１の凹部１１ｃ，２１ｃに上記凸部１３ａ，２３ａを嵌め合せてある。
ホルダー部材１２，２２は、支持部材と同じ高純度カーボンを用いて製作してあり、ホルダー部材１２，２２の内周部に形成した内側方向の段差部１２ａ，２２ａと、上下型の外周部に形成した外側方向の段差部１０ｂ，２０ｂとを相互に当接させることで、上下方向に保持してある。

また、ホルダー部材１２，２２と支持部材１１，２１とは、同じ材質を用いて製作してあるため、熱膨張差が問題にならない。
そこで、支持部材１１，２１の外周部を図２に示すようにホルダー部材１２，２２の内周面部１２ｂ，２２ｂに嵌合してある。
これに対して、上下型１０，２０とホルダー部材１２，２２とは、上記のように異なる材質で製作してあるので、図２で示したホルダー部材１２，２２の段差状の内周面部のうち、支持部材１１，２１を嵌合した内径の大きい内周部１２ｂ，２２ｂと、上下型１０，２０の段差部の形成した部分の外周部との間に図１に示すように、所定のクリアランスｄ_１２，ｄ_２２を設けるとともに、ホルダー部材１２，２２内径が小さい方の内周部１２ｃ，２２ｃと、上下型１０，２０の外周部との間に所定のクリアランスｄ_１１，ｄ_２１を設けた。

なお、本実施例の形態では、ベース部材１３，２３も支持部材１１、２１及びホルダー部材１２、２２と同じ高純度カーボンを用いて製作してある。
また、図３に示すようにホルダー部材１２，２２の一方に位置決めピン１２ｅ、他方に位置決め孔２２ｅを形成し、この位置決めピン１２ｅが位置決め孔２２ｅに嵌まり込むことで相互に位置決めされる。

本発明に係る上記型装置と、図５に示した従来の型装置を用いて、それぞれ５個のゲルマニウムレンズを成形し、比較評価したので以下説明する。

成形したゲルマニウムレンズの芯取り外形加工を行い、反射式偏心測定機（オリンパス製，ＬＣＴＲ−Ｍ）で、芯取り外径に対するレンズ凸面の振れ量（偏り量）を測定し、外径とレンズ凸面の同軸が出ていること（振れ量が５μm以下）を確認する。
その後、外径に対するレンズ凹面の振れ量（偏り量）を測定し、その振れ量（偏り量）をレンズ両面の相対偏り量に近似して評価を行った。

その結果、それぞれ５個の成形品の個々の相対偏り量（以下、相対偏芯量）では、従来の型装置で製作した５個のレンズの相対偏心量の最大値の平均値が３４μｍあったのに対して、本発明に係る型装置ではその値が２２μｍと低減していた。

また、５個の成形品の相対偏心量のバラツキ範囲の平均値では、従来の型装置では１７μｍであったのに対して、本発明に係る型装置では９μｍまで低減していた。
以上より、本発明に係る型装置は、ホルダー部材に保持された支持部材に成形型が嵌合支持されているので、成形温度が約１０００℃の高温になっても成形型の中心がずれるのを防止しながら、熱膨張する。
そのため、ゲルマニウムレンズを成形する場合にはレンズの偏心を抑える効果を有していることがわかった。

１型装置
１ａ上型装置
１ｂ下型装置
１０上型
１１支持部材
１２ホルダー部材
１３ベース部材
２０下型
２１支持部材
２２ホルダー部材
２３ベース部材

Claims

成形型と、前記成形型を裏面側から支持するための支持部材と、前記成形型及び支持部材を周囲側から保持するためのホルダー部材とを備え、
前記成形型の熱膨張係数は、前記支持部材及びホルダー部材の熱膨張係数と異なり、前記支持部材と前記ホルダー部材との熱膨張係数は同一であり、
前記成形型は前記支持部材に嵌合支持されており、且つ前記支持部材の外周部は前記ホルダー部材の内周部に保持されていることを特徴とするゲルマニウムレンズ成形用型装置。
前記成形型はガラス状カーボン製であり、
前記支持部材とホルダー部材は高純度カーボン製であることを特徴とする請求項１記載のゲルマニウムレンズ成形用型装置。