JP2020082137A - プレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】高品質かつ安定品質のプレス成形品を得ることができるプレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラムを提供する。【解決手段】プレス材料（Ｐ）をプレスしてプレス成形品（Ｌ）を得る一対の成形型（１０、２０）と、前記一対の成形型（１０、２０）が離間した初期位置から前記一対の成形型（１０、２０）が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型（１０、２０）によるプレス成形パラメータを制御する制御部（５０）と、を有することを特徴とするプレス成形装置（１）。【選択図】図５

Description

本発明は、プレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラムに関する。

特許文献１には、プレス軸を移動させて光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形装置及び成形方法が開示されている。特許文献１では、加圧成形中のプレス軸の加速度を監視して、プレス軸が所定の加速度になったときにプレス圧力を変化させている。

特開２００８−１１５０２２号公報

しかしながら、特許文献１の光学素子の成形装置及び成形方法では、光学素子の成形精度が不十分になるおそれがある。例えば、光学素子に、放射キズ、不均一な干渉縞、レンズ発泡、面不（割れや欠け）が発生するおそれがある。

本発明は、以上の問題意識に基づいて完成されたものであり、高品質かつ安定品質のプレス成形品を得ることができるプレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラムを提供することを目的とする。

本実施形態のプレス成形装置は、プレス材料をプレスしてプレス成形品を得る一対の成形型と、前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御する制御部と、を有することを特徴としている。

前記制御部は、前記初期位置から前記押切位置に至るまでの複数ポイントにおいて、現在移動時間と現在移動位置が、前記予定移動時間と前記予定移動位置に追従するように、前記プレス成形パラメータを変動させてもよい。

前記複数ポイントは、前記一対の成形型による前記プレス材料のプレス開始時又はプレス開始位置である第１ポイントと、前記一対の成形型の前記押切位置への到達時又は到達位置である第２ポイントとの少なくとも一方を含んでいてもよい。

前記複数ポイントとして、前記第１ポイントと前記第２ポイントの少なくとも一方を含む領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントが含まれており、前記第１ポイントと前記第２ポイントを含まない領域に相対的に少ない時間的・位置的なポイントが含まれていてもよい。

前記複数ポイントとして、前記初期位置から前記第１ポイントまでの領域に相対的に少ない時間的・位置的なポイントが含まれており、前記第１ポイントから前記押切位置までの領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントが含まれていてもよい。

前記プレス成形パラメータは、プレス荷重、プレス速度及びプレス加速度の少なくとも１つを含んでいてもよい。

本実施形態のプレス成形方法は、一対の成形型によってプレス材料をプレスしてプレス成形品を得るプレス成形方法であって、前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御するステップを有することを特徴としている。

本実施形態のプレス成形プログラムは、一対の成形型によってプレス材料をプレスしてプレス成形品を得るプレス成形プログラムであって、前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御するステップをコンピュータに実行させることを特徴としている。

本発明によれば、高品質かつ安定品質のプレス成形品を得ることができるプレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラムを提供することができる。

本実施形態によるプレス成形装置の構成の一例を示す図である。 品質が良好なレンズと品質が悪化したレンズの一例を示す図である。 予定移動時間と予定移動位置を含んだ最適軌跡データの一例を示す図である。 本実施形態によるプレス成形装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。 制御部によるプレス成形パラメータの変動制御の一例を示す第１の図である。 制御部によるプレス成形パラメータの変動制御の一例を示す第２の図である。 本実施形態によるプレス成形装置を使用した４つのサンプルの移動時間と移動位置の関係の一例を示す図である。 比較例によるプレス成形装置を使用した５つのサンプルの移動時間と移動位置の関係の一例を示す図である。

図１〜図８を参照して、本実施形態によるプレス成形装置、プレス成形方法及びプレス成形プログラムについて詳細に説明する。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、本実施形態によるプレス成形装置１は、一対の成形型を構成する上型１０と下型２０を有し、上型１０と下型２０の上下にそれぞれプレス上部１１とプレス下部２１を有している。プレス上部１１は、上基部１２と、上基部１２の下方に形成されたプレスヘッド１３を有している。プレス下部２１は、下基部２２と、下基部２２の上方に設けられた台座２３とを有しており、台座２３の上に上型１０と下型２０が載置されている。なお、上型１０と下型２０の側方には、上型１０と下型２０を取り囲む胴型１５が設けられている。

プレス成形装置１は、サーボモータユニット３０を有している。サーボモータユニット３０は、プレス下部２１をプレス上部１１に向けて上昇させることにより、下型２０の成形面に載置されたプリフォーム（プレス材料）を上型１０でプレスして、レンズ（プレス成形品）を形成する。図１Ａは、上型１０と下型２０によるプレス前のプリフォーム（プレス材料）Ｐを描いており、図１Ｂは、上型１０と下型２０によるプレス後のレンズ（プレス成形品）Ｌを描いている。

なお、上記の例では、上型１０と下型２０を接近させるためにプレス下部２１を上昇させているが、上型１０と下型２０を接近させるためにプレス上部１１を下降させてもよい。さらに、上型１０と下型２０を接近させるために、プレス上部１１を下降させるとともに、プレス下部２１を上昇させてもよい。

図１Ａは上型１０と下型２０（一対の成形型）が離間した「初期位置」に対応しており、図１Ｂは上型１０と下型２０（一対の成形型）が接近した「押切位置」に対応している。この初期位置と押切位置は、例えば、メカ的なストッパ機構によって規定されている。本実施形態の「押切位置」は、プレスヘッド１３の下端が胴型１５の上端に当接することによって規定される。「押切位置」を規定するためのメカ的なストッパ機構はこれに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。

本発明者等は、鋭意研究の結果、上型１０と下型２０（一対の成形型）が離間した初期位置から上型１０と下型２０（一対の成形型）が接近した押切位置に至るまでの移動時間と移動位置がばらつくと、レンズ（プレス成形品）Ｌの成形精度が悪化する（放射キズ、不均一な干渉縞、レンズ発泡、面不（割れや欠け）が発生する）おそれがあることを見出した。

すなわち、上型１０と下型２０（一対の成形型）の初期位置における移動時間と移動位置をゼロとしたときに、上型１０と下型２０（一対の成形型）が押切位置に至るまでの任意の位置に到達する移動時間は早すぎても遅すぎてもレンズ成形に悪影響を与え、上型１０と下型２０（一対の成形型）が押切位置に至るまでの任意の時点での移動位置は前すぎても後すぎてもレンズ成形に悪影響を与えることが分かった。

初期位置から押切位置に至るまでの移動時間と移動位置のばらつきは、例えば、プリフォーム（プレス材料）Ｐのサイズや形状や姿勢や硬度の他、温度や湿度等の外部環境要因によって引き起こされる。

図２Ａは、初期位置から押切位置に至るまでの移動時間と移動位置が適正範囲であるために品質が良好なレンズＬの一例を示している。図２Ｂは、初期位置から押切位置に至るまでの移動時間と移動位置が適正範囲でないために品質が悪化したレンズＬの一例を示している。図２Ａのレンズは全体に均一な干渉縞が形成されているが、図２Ｂのレンズは放射キズと不均一な干渉縞が目立っている。

本発明者等は、予め、上型１０と下型２０（一対の成形型）によってプリフォームＰをプレスしてレンズＬを得る実験やシミュレーションを行って、上型１０と下型２０（一対の成形型）が初期位置から押切位置に至るまでの移動時間と移動位置をモニタリングしておき、レンズＬの成形精度が優れていたときの移動時間と移動位置のグラフを「最適軌跡データ」として取得することを着想した。

この最適軌跡データは、例えば、プレス成形開始（成形型移動開始）から○秒後には一対の成形型は△の位置にいなければならない、あるいは、逆に、プレス成形開始（成形型移動開始）から一対の成形型が△の位置に到達するのは○秒後でなければならない、というような内容を示している。以下では、最適軌跡データによって示される移動時間と移動位置の関係を「予定移動時間」と「予定移動位置」と呼ぶことがある。

図３は、予定移動時間と予定移動位置を含んだ最適軌跡データの一例を示している。図３の最適軌跡データでは、プレス成形開始後の移動時間（予定移動時間）が１ｓｅｃのときに、プレス成形開始後の移動位置（予定移動位置）が１０ｍｍであることが規定されており、プレス成形開始後の移動時間（予定移動時間）が２ｓｅｃのときに、プレス成形開始後の移動位置（予定移動位置）が２０ｍｍであることが規定されている。同様の規定が繰り返されて、プレス成形開始後の移動時間（予定移動時間）が１１ｓｅｃのときに、プレス成形開始後の移動位置（予定移動位置）が１１０ｍｍであることが規定されている。勿論、図３に示したものは一例であり、プレス成形開始後の移動時間（予定移動時間）が１１ｓｅｃ以降、且つ、プレス成形開始後の移動位置（予定移動位置）が１１０ｍｍ以降の最適軌跡データが含まれていてもよい。

図４は、プレス成形装置１の構成要素を示す機能ブロック図である。図４に示すように、プレス成形装置１は、最適軌跡データ保持部４０と、制御部５０とを有している。本実施形態によるプレス成形方法及びプレス成形プログラムは、制御部５０を構成するコンピュータ（ＣＰＵ）に各種の処理ステップを実行させることによって実現される。

最適軌跡データ保持部４０は、図３を参照して説明したような最適軌跡データ（予定移動時間と予定移動位置）を保持（記憶）する。

制御部５０は、最適軌跡データ保持部４０が保持（記憶）する最適軌跡データ（予定移動時間と予定移動位置）に基づいて、上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプレス成形パラメータを制御する。制御部５０は、プレス成形パラメータとして、プレス荷重（プレス圧力）、プレス速度及びプレス加速度の少なくとも１つを制御する。本実施形態では、プレス成形時にプレス下部２１がプレス上部１１に向かって上昇するので、制御部５０は、主に、プレス下部２１（具体的には台座２３の位置）によるプレス成形パラメータを制御する。

制御部５０には、最適軌跡データ保持部４０の他に、サーボモータユニット３０と、タイマ６０と、エンコーダ７０とが接続されている。タイマ６０は、プレス成形開始後（成形型移動開始後）における上型１０と下型２０（一対の成形型）の現在移動時間（実測移動時間）を計測する。エンコーダ７０は、例えば、サーボモータユニット３０のサーボモータの回転角度（回転位置）や回転速度（移動速度）を検出することにより、プレス成形開始後における上型１０と下型２０（一対の成形型）の現在移動位置（実測移動位置）を計測する。制御部５０は、タイマ６０が計測した現在移動時間（実測移動時間）と、エンコーダ７０が検出した現在移動位置（実測移動位置）を参照することができる。

本実施形態では、プレス成形時にプレス下部２１がプレス上部１１に向かって上昇するので、上型１０と下型２０（一対の成形型）の現在移動時間（実測移動時間）及び現在移動位置（実測移動位置）、並びに最適軌跡データにより示される予定移動時間及び予定移動位置は、プレス下部２１の台座２３の移動時間と移動位置を対象としている。

制御部５０は、上型１０と下型２０（一対の成形型）が初期位置（図１Ａ）から押切位置（図１Ｂ）に至るまでの複数ポイント（時間と位置の双方を含む概念で使用する）において、タイマ６０が計測した現在移動時間とエンコーダ７０が検出した現在移動位置が、最適軌跡データ保持部４０が保持する最適軌跡データの予定移動時間と予定移動位置に追従するように、上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプレス成形パラメータを変動させる。

図５、図６は、制御部５０によるプレス成形パラメータの変動制御の一例を示す第１、第２の図である。図５、図６では、プレス成形開始後（成形型移動開始後）の経過時間が、１ｓｅｃ、２ｓｅｃ、・・・、１１ｓｅｃとなる１１つのポイントを上述の複数ポイントとして規定している。

図５、図６に示すように、プレス成形開始後の経過時間が１ｓｅｃ〜４ｓｅｃに到達するポイントまでは、現在移動位置が予定移動位置に一致（追従）している。しかし、プレス成形開始後の経過時間が５ｓｅｃに到達するポイントでは、現在移動位置が５５ｍｍであるのに対して予定移動位置が５０ｍｍであり、現在移動位置が予定移動位置に対してオーバーしている。この段階で、制御部５０は、例えば、サーボモータユニット３０のサーボモータの回転速度（移動速度）を下げることにより、上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプレス成形パラメータを制御する（例えば台座２３の上昇速度を低減させる）。その結果、プレス成形開始後の経過時間が６ｓｅｃに到達するポイントでは、現在移動位置と予定移動位置がともに６０ｍｍで一致する。

その後、プレス成形開始後の経過時間が６ｓｅｃ〜９ｓｅｃに到達するポイントまでは、現在移動位置が予定移動位置に一致（追従）している。しかし、プレス成形開始後の経過時間が１０ｓｅｃに到達するポイントでは、現在移動位置が９５ｍｍであるのに対して予定移動位置が１００ｍｍであり、現在移動位置が予定移動位置に対してショートしている。この段階で、制御部５０は、例えば、サーボモータユニット３０のサーボモータの回転速度（移動速度）を上げることにより、上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプレス成形パラメータを制御する（例えば台座２３の上昇速度を増大させる）。その結果、プレス成形開始後の経過時間が１１ｓｅｃに到達するポイントでは、現在移動位置と予定移動位置がともに１１０ｍｍで一致する。

制御部５０による上型１０と下型２０（一対の成形型）のプレス成形パラメータの制御、すなわち下型２０の位置制御は、例えば、次のようにして実行する。サーボモータユニット３０のサーボモータの回転角度（回転位置）や回転速度（移動速度）が位置指令によって決定され、当該位置指令に従って制御部５０が動作する。例えば、所定時間間隔で、位置指令信号とエンコーダ７０の検出結果の差分が演算されて、当該差分に基づくフィードバック制御が実行される（サーボモータへの出力信号を増幅又は減衰させる）。なお、サーボモータの停止中は、台座２３の現在位置を保持するための電気的ブレーキ（サーボクランプ）が掛けられる。

また、制御部５０は、上述の位置制御に代えて／加えて、サーボモータユニット３０のサーボモータに流す電流を制御して発生トルクを制御するトルク制御を実行してもよい。例えば、所定時間間隔で、トルク指令信号と当該トルク指令信号をパワー増幅した信号の差分を演算する処理ループを実行し、当該処理ループの出力をエンコーダ７０からコントローラ（図示略）にフィードバックしてもよい。

また、制御部５０は、上述の位置制御とトルク制御に代えて／加えて、速度指令電圧に応じて無段階に速度を変える速度制御を実行してもよい。例えば、所定時間間隔で、速度指令信号と当該速度指令信号をパワー増幅した信号の差分を演算する処理ループを実行し、当該処理ループの出力をエンコーダ７０からコントローラ（図示略）にフィードバックしてもよい。

このように、制御部５０が、タイマ６０が計測した現在移動時間とエンコーダ７０が検出した現在移動位置が、最適軌跡データ保持部４０が保持する最適軌跡データの予定移動時間と予定移動位置に追従するように、上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプレス成形パラメータを変動させる。これにより、高品質かつ安定品質のレンズ（プレス成形品）Ｌを得ることが可能になる。

ところで、本発明者等の鋭意研究によると、現在移動時間と予定移動時間の乖離、及び、現在移動位置と予定移動位置の乖離は、とりわけ、以下の２つの時間的ポイントと位置的ポイント及びその近傍で発生しやすいことが判明した。
（１）上型１０と下型２０（一対の成形型）によるプリフォーム（プレス材料）Ｐのプレス開始時又はプレス開始位置（上型１０の上面にプレスヘッド１３の下面が接触する時又は位置）である第１ポイント（第１変曲ポイント）。これは、プリフォームＰのプレス前であればプレス下部２１（台座２３）を障壁なく上昇させることができるので比較的高精度な制御が可能である反面、プリフォームＰのプレスタイミングは、プリフォームＰのサイズや形状や姿勢や硬度の他、温度や湿度等の外部環境要因によって微妙に前後する（せざるを得ない）からである。第１ポイント（第１変曲ポイント）又はその近傍における現在移動時間と予定移動時間の乖離、及び、現在移動位置と予定移動位置の乖離は、押切時間のバラツキひいてはレンズＬの成形精度の悪化に直結する。
（２）上型１０と下型２０（一対の成形型）の押切位置への到達時又は到達位置である第２ポイント（第２変曲ポイント）。これは、プリフォームＰを押切位置に到達するまでプレスするときの時間や位置は、プリフォームＰのサイズや形状や姿勢や硬度の他、温度や湿度等の外部環境要因によって微妙に前後する（せざるを得ない）からである。第２ポイント（第２変曲ポイント）又はその近傍における現在移動時間と予定移動時間の乖離、及び、現在移動位置と予定移動位置の乖離は、押切時間のバラツキひいてはレンズＬの成形精度の悪化に直結する。

制御部５０は、現在移動時間及び現在移動位置、並びに、予定移動時間及び予定移動位置を比較する複数ポイントとして、上述した第１ポイント（第１変曲ポイント）及び２ポイント（第２変曲ポイント）の少なくとも一方を含ませることが好ましい。これにより、より高品質かつ安定品質のレンズ（プレス成形品）Ｌを得ることが可能になる。

上記着眼に基づいて、複数ポイントとして、第１ポイント（第１変曲ポイント）と２ポイント（第２変曲ポイント）の少なくとも一方を含む領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントを含ませるとともに、第１ポイント（第１変曲ポイント）と２ポイント（第２変曲ポイント）を含まない領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントを含ませてもよい。

例えば、第１ポイント（第１変曲ポイント）を含む領域と第２ポイント（第２変曲ポイント）を含む領域では、現在移動位置と予定移動位置の乖離をモニタリングする時間間隔を相対的に小さく（例えば０．５秒）して、第１ポイント（第１変曲ポイント）と２ポイント（第２変曲ポイント）のいずれも含まない領域では、現在移動位置と予定移動位置の乖離をモニタリングする時間間隔を相対的に大きく（例えば２秒）してもよい。

あるいは、複数ポイントとして、初期位置から第１ポイント（第１変曲ポイント）までの領域に相対的に少ない時間的・位置的なポイントを含ませるとともに、第１ポイント（第１変曲ポイント）から押切位置までの領域（この領域は第２ポイント（第２変曲ポイント）を含む）に相対的に多い時間的・位置的なポイントを含ませてもよい。

例えば、初期位置から第１ポイント（第１変曲ポイント）までの領域では、現在移動位置と予定移動位置の乖離をモニタリングする時間間隔を相対的に大きく（例えば２秒）して、第１ポイント（第１変曲ポイント）から押切位置までの領域では、現在移動位置と予定移動位置の乖離をモニタリングする時間間隔を相対的に小さく（例えば０．５秒）してもよい。

以上により、制御部５０のコンピュータの演算量と演算時間を削減しながら、高品質かつ安定品質のレンズ（プレス成形品）Ｌを得ることが可能になる。

図７は、本実施形態によるプレス成形装置１を使用した４つのサンプルの移動時間と移動位置の関係の一例を示す図である。図７に明らかなように、移動時間と移動位置においてサンプル毎のバラツキが小さいので、押切時間のバラツキを抑制して、再現性高く、高品質かつ安定品質のレンズ（プレス成形品）Ｌを得ることが可能になる。

図８は、比較例によるプレス成形装置を使用した５つのサンプルの移動時間と移動位置の関係の一例を示す図である。図８に明らかなように、移動時間と移動位置においてサンプル毎のバラツキが大きいので、押切時間のバラツキを助長して、レンズ品質の悪化（放射キズ、不均一な干渉縞、レンズ発泡、面不（割れや欠け））を招くおそれがある。

以上の実施形態では、プリフォームＰをプレスすることでレンズＬを得る場合を例示して説明したが、例えば、レンズＬ以外の光学要素をプレス成形する態様も可能である。

１ プレス成形装置
１０ 上型（一対の成形型）
１１ プレス上部
１２ 上基部
１３ プレスヘッド
１５ 胴型
２０ 下型（一対の成形型）
２１ プレス下部
２２ 下基部
２３ 台座
３０ サーボモータユニット
４０ 最適軌跡データ保持部
５０ 制御部
６０ タイマ
７０ エンコーダ
Ｐ プリフォーム（プレス材料）
Ｌ レンズ（プレス成形品）

Claims (8)

1. プレス材料をプレスしてプレス成形品を得る一対の成形型と、
   前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御する制御部と、
   を有することを特徴とするプレス成形装置。
2. 前記制御部は、前記初期位置から前記押切位置に至るまでの複数ポイントにおいて、現在移動時間と現在移動位置が、前記予定移動時間と前記予定移動位置に追従するように、前記プレス成形パラメータを変動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレス成形装置。
3. 前記複数ポイントは、前記一対の成形型による前記プレス材料のプレス開始時又はプレス開始位置である第１ポイントと、前記一対の成形型の前記押切位置への到達時又は到達位置である第２ポイントとの少なくとも一方を含んでいる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のプレス成形装置。
4. 前記複数ポイントとして、前記第１ポイントと前記第２ポイントの少なくとも一方を含む領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントが含まれており、前記第１ポイントと前記第２ポイントを含まない領域に相対的に少ない時間的・位置的なポイントが含まれている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のプレス成形装置。
5. 前記複数ポイントとして、前記初期位置から前記第１ポイントまでの領域に相対的に少ない時間的・位置的なポイントが含まれており、前記第１ポイントから前記押切位置までの領域に相対的に多い時間的・位置的なポイントが含まれている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のプレス成形装置。
6. 前記プレス成形パラメータは、プレス荷重、プレス速度及びプレス加速度の少なくとも１つを含んでいる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のプレス成形装置。
7. 一対の成形型によってプレス材料をプレスしてプレス成形品を得るプレス成形方法であって、
   前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御するステップを有することを特徴とするプレス成形方法。
8. 一対の成形型によってプレス材料をプレスしてプレス成形品を得るプレス成形プログラムであって、
   前記一対の成形型が離間した初期位置から前記一対の成形型が接近した押切位置に至るまでの予定移動時間と予定移動位置に基づいて、前記一対の成形型によるプレス成形パラメータを制御するステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプレス成形プログラム。