JP3143575B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラスレンズやプリズ
ム等に代表される光学素子をプレス成形する光学素子の
成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な光学素子のプレス成形装
置の駆動源には、油・空圧シリンダが主に用いられてい
た。しかし、駆動源から発生する騒音や汚れ、成形品の
形状や精度の安定性、再現性が悪いといった問題点があ
るため、現在、駆動源としてサーボモータが注目されて
きている。

【０００３】しかし、サーボモータを用いても、位置制
御とトルク制御を同時に行なうことはできない。このこ
とは、粘度の低いものを、位置で制御して押している場
合、設定トルクまで出そうとすると、位置が移動してし
まうし、逆にトルクで制御しておいて、設定位置まで移
動させようとすると、トルクが変動してしまう。という
ことから考えても明らかである。また、仮にトルク制御
で行なっていても設定位置に到達すると位置が優先して
次のプログラムに移行してしまうという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上下型一対の型間にガ
ラス素材を配置し、前記型およびガラス素材を加熱し
て、光学素子をプレス成形するサーボモータを駆動源と
した成形装置において、例えば、上下型を最終密着位置
まで至らせないで前記ガラス素材をプレスし、その後冷
却して、光学素子をプレス成形する場合、位置制御とト
ルク制御は同時に行なえない。

【０００５】このため、上下型が最終密着位置まで至ら
ないような設定位置まで、位置制御で行なうと、設定位
置に到達後直ぐに次のプログラムに移行してしまい、仮
に、タイマー設定で設定位置を保持したとしても、冷却
工程で、前記型が接続されているプレス軸が収縮したと
すると、位置制御であるから位置は保持するが、温度の
変化には追従できないため、前記ガラス素材との密着状
態は保持できないことになる。

【０００６】すなわち、前記ガラス素材にかかるプレス
力が変動すると共に、プレス軸の収縮量だけ上下型間に
隙間を生じ、ガラス素材を上下型で保持していないた
め、その隙間の中のガラス素材が動いたとすると、最終
プレスを行なった時にガラス素材が「ずれた」状態でプ
レスをしてしまうという結果となり、良品が得られない
という問題がある。

【０００７】また、最終プレスを行なうとき大きなトル
クで成形型を密着させれば問題はないが、成形型を密着
させない場合、成形品の厚さにばらつきが出てしまう。
次に、移動金型の制御をトルク制御で行なう場合、前述
したように、仮にトルク制御で行なっていても設定位置
に到達すると位置が優先して次のプログラムに移行して
しまう。

【０００８】この解決策として、設定位置を実際の型密
着位置よりもさらに上方の位置（仮想密着位置）に設定
しておき、いつまでも設定した位置には到達できないよ
うにしておけば、温度の変化には追従する。しかし、設
定トルク値まで押し切ってしまうため、プレス力の制御
ができず、ガラス素材の粘度が低かった時には、抵抗が
ないので前記型が最終密着位置まで移動してしまうこと
になり、ガラス成形品の厚さを制御できないといった問
題がある。

【０００９】以上のように、サーボモータを駆動源とし
た光学素子のプレス成形装置において、上下型を最終密
着位置まで至らせないで前記ガラス素材をプレスし、そ
の後冷却して、光学素子を成形する場合、成形中のガラ
スの厚さを変化させず、しかも型とガラスが離れないよ
うにすることは不可能であった。すなわち、成形品の厚
さに再現性があり、しかも高精度なプレス成形品（光学
素子）を得ることはできなかった。

【００１０】本発明は、上記事情に基づきなされたもの
で、厚さの再現性があり、しかも高精度な光学素子を得
ることができる光学素子の成形方法を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するための手段として、上下型一対の型間にガラス素
材を配置し、前記型およびガラス素材を加熱して、光学
素子をプレス成形する成形方法であって、プレス軸の駆
動源にサーボモータを用い、そのトルクをウォームジャ
ッキなどの伝達機構を介してプレス軸の直線運動推力と
してプレスを行なう工程と、位置検出器を用いてプレス
軸に取り付けられた移動金型の位置を制御する位置制御
工程と、荷重検出器により実際の荷重であるプレス力を
検出し、該プレス力と予め設定しておいた設定プレス力
との差により、サーボモータに加える電流値を閉ループ
でトルク制御するトルクフィードバック工程とを具備
し、プレス成形時に、上下型が最終型閉じ状態の若干手
前の設定位置までトルク制御を行いながら金型を移動さ
せて設定位置に到達するようにし、設定位置に到達後直
ちに前記ガラス素材が変形しないような小さな力のトル
ク制御に切り換え、成形中のガラスの厚さを変形させ
ず、かつガラスと型とが離れないような状態を保持しな
がら冷却工程に移り、設定温度に到達あるいは設定時間
保持後、前記ガラス素材が変形可能なプレス力で最終プ
レスを行なうようにしたものである。なお、この最終プ
レスを行なう前記設定温度は、ガラス転移点（Ｔｇ）付
近とすることが望ましい。

【００１２】

【作用】上記手段の光学素子の成形方法によれば、型を
加熱して型の間に配置されたガラス素材を、転移点以上
軟化点以下の温度に加熱した後、上下型が最終型閉じ状
態の若干手前の設定位置間でトルク制御を行いながら金
型（軸）を移動させ、設定位置まで到達させる。この
時、金型（軸）の移動をサーボモータで制御しているた
め、正確に、しかも再現性良く行なうことができる。設
定位置に到達後、直ちに前記ガラス素材が変形しないよ
うな小さな力のトルク制御に切り換え、トルクフィード
バック制御を行なうことにより、その後冷却工程に移っ
たとしても、成形中のガラスの厚さを変化させず、しか
も型とガラスが密着した状態を保持できるため、結果と
して、厚さの再現性があり、しかも高精度な光学素子を
得ることができる。

【００１３】なお、前記ガラス素材の温度がガラス転移
点（Ｔｇ）付近になった時に、最終プレスを行なうこと
により、型とガラス素材との転写性が高められ、成形さ
れた光学素子の精度をよりいっそう向上させることがで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１を参照
して説明する。フレーム１の上部から固定軸２が下方に
向かって伸びており、その下端にセラミック製の断熱筒
３を介して上型組立４が図示しないボルトなどにより取
り付けられている。

【００１５】上型組立４は、金属製のダイプレート５、
セラミックや超硬合金などで作られた上型６、ならびに
この上型６をダイプレート５に取り付けると共に型の一
部を形成する固定ダイ７からなっている。

【００１６】フレーム１の下部には、サーボモータ８ａ
を駆動源とし、サーボモータ８ａの回転運動を直進運動
推力に変換するスクリュージャッキなどの駆動装置８が
設けられ、駆動装置８には荷重検出器８ｂを介してプレ
ス軸である移動軸９が取り付けられている。

【００１７】移動軸９は、制御装置２８に入力したプロ
グラムにより、速度、位置、およびトルク制御可能に上
下動し、固定軸２と対向して上方に向かって伸びてい
る。移動軸９の上端には、断熱筒３と同様の断熱筒１０
を介して下型組立１１が図示しないボルトなどにより取
り付けられている。

【００１８】下型組立１１は、ダイプレート１２、下型
１３および移動ダイ１４からなっている。また、固定軸
２には、図示しない駆動装置によって上下動されるブラ
ケット１５が移動可能に外嵌されている。このブラケッ
ト１５には、対をなす上型組立４，下型組立１１の周囲
を囲む透明石英管１６が取り付けられている。

【００１９】透明石英管１６の下端は、移動軸９が貫通
している中間プレート１ａに気密に当接し、上型組立
４，下型組立１１の周囲に大気から遮断される成形室１
７を形成するようになっている。

【００２０】また、ブラケット１５には、透明石英管１
６を囲む外筒１８が取り付けられ、外筒１８にはランプ
ユニット１９が取り付けられている。ランプユニット１
９は、赤外線ランプ２０とその後方に配置された反射ミ
ラー２１、さらに反射ミラー２１などを冷却するための
水冷パイプ２２から構成されており、上型組立４，下型
組立１１を加熱するようになっている。

【００２１】固定軸２、移動軸９、および、ブラケット
１５には、成形室１７内を不活性ガス雰囲気にしたり、
上型組立４，下型組立１１を冷却するためのガス供給路
２３，２４，２５が設けられ、図示しない流量コントロ
ール計を介して不活性ガスを所定流量で成形室１７へ供
給するようになっている。成形室１７へ供給された不活
性ガスは、排気口２６から排気される。なお、２７は下
型組立１１の温度検出用熱電対である。

【００２２】次に上記成形装置を用いた本発明の光学素
子の成形方法について、制御装置部２８に組み込んだプ
ログラムと、その時の成形プロファイルを示す図２を用
いて具体的に説明する。

【００２３】ブラケット１５を固定軸２に沿って上昇さ
せ、成形室１７を開き下型１３の上にガラス素材３０を
搬入する。ガラス素材３０は、硝種がＢＫ−７（転移点
＝５５７℃、軟化点＝７１９℃）、形状が外径９ｍｍの
球を用いた。

【００２４】次に、ブラケット１５を下降させて透明石
英管１６によって、成形室１７を閉じ、ガス供給路２
３，２４，２５から不活性ガスを供給して成形室１７内
を不活性ガス雰囲気にする。不活性ガスの供給時間は制
御装置部２８から設定するが、成形室１７内の容積と供
給流量を考えて１０秒間とした。

【００２５】供給時間のタイムアップにより、図２に示
すプログラム例の１００行の指令 Ｇ０１Ｚ２４．０００Ｆ５００ が実行される。ここで、Ｇ０１とは、通常のＮＣ装置で
いう直線補間コード（位置制御コード）であり、Ｚの位
置まで、Ｆなる速度で移動軸９が移動する。なお、Ｚは
原点からのアブソリュート量（ｍｍ）であり、Ｆは移動
速度（ｍｍ／ｍｉｎ）である。

【００２６】すなわち、１００行の指令により、移動軸
９は、原点から２４．０００ｍｍの位置へ、上昇速度５
００ｍｍ／ｍｉｎの速度で上昇する。移動軸９の上昇量
はサーボモータ８ａに組み込まれた図示しないエンコー
ダによってカウントされ、予め確認しておいたガラス素
材３０と上型６とが僅かな隙間を有する位置（＝２４．
０００ｍｍ）に位置制御によって定められる。

【００２７】通常、位置制御で行なうと、設定位置に到
達した信号により次プログラムに移行するが、前記位置
は、ガラス素材３０をプレス可能な温度に加熱する予熱
位置であるため、後述するＳｏａｋ ｔｉｍｅのタイム
アップまで、前記位置を保持するように、制御装置部２
８に設定されている。

【００２８】次にランプユニット１９により透明石英管
１６を通して上型組立４，下型組立１１およびガラス素
材３０を加熱する。上型組立４，下型組立１１およびガ
ラス素材３０の加熱は、温度検出用の熱電対２７の出力
と、それに基づく赤外線ランプ２０の出力を制御装置部
２８でコントロールし、ガラス素材３０の温度が７０５
℃になるようにした。

【００２９】なお、ガラス素材３０の温度は直接測定で
きず、下型組立１１の温度で代用しているため、ガラス
素材３０の温度が７０５℃になるまで、ある程度の時間
（Ｓｏａｋ Ｔｉｍｅ）を設定しておくことが望まし
い。前記型の材質、熱容量などを考慮し、今回はＳｏａ
ｋ Ｔｉｍｅ＝１２０秒間とした。

【００３０】Ｓｏａｋ ｔｉｍｅがタイムアップする
と、プログラム１１０行の指令 Ｇ１００Ｚ２９．０００Ｆ２０Ｉ７００Ｐ１００００Ｅ１ が実行される。

【００３１】ここで、Ｇ１００コードについて説明す
る。Ｇ１００コードは、光学素子成形装置用に開発した
トルク制御コードであり、設定したＺ（原点からのアブ
ソリュート量；ｍｍ）の位置まで、Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）
なる速度で移動軸を移動させ、Ｉ（ｋｇｆ）なるプレス
力でトルク制御を行なう指令である。設定プレス力を保
持するようトルクフィードバック制御を行なうことが可
能である。

【００３２】具体的には、プログラムにＥ１コードを書
き込むことにより、実際のプレス力を、荷重検出器８ｂ
で検出し、その出力をフィードバック信号として制御装
置２８に取り込み、設定プレス力を保持するように、駆
動源であるサーボモータ８ａへ加える電流値を、閉ルー
プで制御するようになっている。また、次のプログラム
行へは、設定位置に到達するか、あるいは、Ｐ（ｍｓｅ
ｃ）なる時間設定でも移行させることができる。

【００３３】なお、位置については、７０５℃に加熱
し、成形時の荷重を掛けた状態で、上下金型の密着位置
が３０．０００ｍｍであったので、それより１．０ｍｍ
下方の２９．０００ｍｍとした。

【００３４】制御装置部２８により駆動装置８を駆動さ
せ、移動速度２０ｍｍ／ｍｉｎで、上下型が最終型閉じ
状態から１．０ｍｍ下方の位置２９．０００ｍｍになる
まで、移動軸９をトルク制御によって上昇させた。これ
によりガラス素材３０は、上下型６，１３によりプレス
され成形が行なわれる。

【００３５】設定速度に関しては、トルク制御が優先さ
れるので設定トルクで押せる速度となる。なお、プレス
後の前記ガラスの厚さは、上下型の隙間から計算した結
果３．５００ｍｍになるものと予想される。

【００３６】前記指令で、位置に到達したことにより、
直ちに次のトルク制御命令である１２０行の指令 Ｇ２００Ｚ４０．０００Ｆ２０Ｉ１０Ｅ１Ｖ１ が実行される。

【００３７】ここで、Ｇ２００コードについて説明す
る。Ｇ２００コードは、光学素子成形装置用に開発した
トルク制御コードであり、設定したＺ（原点からのアブ
ソリュート量；ｍｍ）の位置まで、Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）
なる速度で移動軸を移動させ、Ｉ（ｋｇｆ）なるプレス
力でトルク制御を行なう指令である。設定プレス力を保
持するようトルクフィードバック制御を行なうことが可
能である。

【００３８】具体的には、プログラムにＥ１コードを書
き込むことにより、実際のプレス力を、荷重検出器８ｂ
で検出し、その出力をフィードバック信号として制御装
置２８に取り込み、設定プレス力を保持するように、駆
動源であるサーボモータ８ａへ加える電流値を、閉ルー
プで制御するようになっている。また、次のプログラム
行へは、設定位置に到達するか、あるいは、Ｖなる強制
歩進コードによっても移行させることができる。

【００３９】さて、トルク制御の指令で行なっていて
も、設定位置に到達すると、位置が優先してしまい、次
のプログラム行に移ってしまうため、１２０行のプログ
ラムでは設定位置を、実際の型密着位置よりもさらに上
方の位置（仮想密着位置）４０．０００ｍｍに設定して
おき、次プログラム行へは、強制歩進コードＶ１により
移行させるようにした。

【００４０】つまり、強制歩進コードＶ１が出力される
までは、成形中のガラス素材３０が変形しないような、
予め設定しておいたプレス力＝１０ｋｇｆで、トルクフ
ィードバック制御により保持されているため、成形中の
ガラス素材３０の厚さは変化することはない。

【００４１】次に赤外線ランプ２０をＯＦＦし、冷却工
程に移るが、この間、前記ガラス素材３０が変形しない
ような１０ｋｇｆなるプレス力で、トルクフィードバッ
ク制御を行なっているため、冷却工程で生じる軸の収縮
量を吸収するようにして移動軸９が移動し、この移動量
は、軸の収縮量に等しい量であるため、前記上下型６，
１３間の隙間は変化することはない。

【００４２】すなわち、成形中のガラス素材３０の厚さ
は変化せず、しかも、前記ガラス素材３０には、常に１
０ｋｇｆのプレス力が加わっていると共に、前記上下型
６，１３が接触しているため、ガラス素材３０に加わる
プレス力および、ガラス内部の冷却の均一化を図ること
ができる。さらに、ガラス素材３０が動くことがないの
で、後述する最終プレスを、ガラス素材３０が「ずれ
た」状態で行なうことはない。

【００４３】次に温度が、予め設定しておいた、転移点
よりも若干高い５６５℃に達すると、強制歩進コードＶ
１が出力され、プログラム行１３０の指令 Ｇ１００Ｚ２９．１５０Ｆ２０Ｉ５００Ｐ３００００Ｅ１ が実行される。この指令は、最終プレスを行なうもの
で、前記１２０行と同様のトルクフィードバック制御で
あるため、設定プレス力５００ｋｇｆで、前記ガラスに
前記型の転写面を再度押し付け、その転写性をより確実
なものにすることができる。

【００４４】なお、この工程で移動軸９が、０．１５ｍ
ｍ上昇することが確認されたため、結果として得られる
光学素子の厚さは、３．３５０ｍｍになると予想され
る。この命令は、移動軸９の設定位置到達、または、設
定時間がタイムアップするまで実行する。

【００４５】次に設定位置に到達と同時に１４０行 Ｇ２００Ｚ４０．０００Ｆ２０Ｉ５０Ｅ１Ｖ２ が実行され成形中のガラスが変形しないような、予め設
定しておいたプレス力＝５０ｋｇｆでトルクフィードバ
ック制御により保持する。前記ガラスの温度が５５７℃
（＝ガラス転移点）に到達するまで実行される。

【００４６】５５７℃に到達し、強制歩進コードＶ２が
出力されると、プログラム１５０行 Ｇ２００Ｚ４０．０００Ｆ２０Ｉ３０Ｅ１Ｖ３ が実行され、設定プレス力３０ｋｇｆでのトルクフィー
ドバック制御に切り換えられる。この工程は、上下型と
ガラスとの接触を保持し、ガラスに加わるプレス力およ
び、ガラス内部の冷却の均一化を図るために設けたもの
である。なお、転移点以下の温度で行なっているため、
前記ガラスの形状は変形しない。

【００４７】そして、設定温度２２０℃に到着すると、
強制歩進コードＶ３によって、１６０行のプログラム Ｇ０１Ｚ０．０００Ｆ５００ が実行され、移動軸９は原点まで移動速度５００ｍｍ／
ｍｉｎで移動し、型開きが行なわれ、成形終了となる。

【００４８】以上のような成形プロファイルで、３５回
のプレス成形を行なった。予想される光学素子の厚さ
は、３．３５０ｍｍ。面精度については、上下型６、１
３の面精度が両者とも約λ／１０（λ＝約６３３ｎｍ）
であったので、この値を基準に転写性を確認することに
した。

【００４９】結果として得られた光学素子は、いずれも
厚さ＝３．３５０ｍｍ±５μｍ以内、面精度＝約λ／１
０であり、予想通りの厚さを備えた高精度な光学素子を
得ることができた。

【００５０】また、別のプログラム例として、プログラ
ムの１２０行と１３０行の切り換え（プレス力１０ｋｇ
ｆと１００ｋｇｆとの切り換えを）を、Ｓｏａｋ Ｔｉ
ｍｅのタイムアップ時を基準として、ある時間を設定し
ておき、前記設定時間経過後に行っても良く、また、前
述した実施例は、加熱源に赤外線ランプ２０を用いた
が、高周波加熱など他の加熱源を使用しても良く、ま
た、荷重検出器８ｂは駆動装置８と移動軸９との間に限
らず、サーボモータ８ａと下型１２との間のいずれに設
けても良い。さらに、ガラス素材３０の冷却工程で、徐
冷区間を設けても良いなど、様々変更実施可能なことは
勿論である。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、ガラ
ス素材を、転移点以上軟化点以下の温度に加熱した後、
上下型が最終型閉じ状態の若干手前の設定位置に、トル
ク制御によって軸（金型）を移動させ、過大なプレス力
での成形をせずに設定位置まで到達させる。この時、軸
（金型）の移動をサーボモータで制御しているため、正
確に、しかも再現性良く位置決めを行なうことができ
る。

【００５２】トルク制御を行ないながら設定位置に到達
後、直ちに微少な力のトルク制御に切り換え、前記ガラ
ス素材が変形しないような小さな力でトルクフィードバ
ック制御を行なうことにより、見掛上、位置制御とトル
ク制御を同時に行なうことを可能とし、その後冷却工程
に移ったとしても、成形中のガラスの厚さを変化させ
ず、しかも、型とガラスが密着した状態を保持すること
ができるため、結果として、厚さの再現性があり、しか
も高精度な光学素子を得ることができる。

【００５３】なお、前記ガラス素材の温度がＴｇ付近に
なった時に、最終プレスを行なうことにより、型とガラ
ス素材との転写性がより高められ、成形された光学素子
の精度をよりいっそう向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する光学素子の成形装置の一具体
例を示す概略断面図。

【図２】本発明を実現するためのプログラム例と成形プ
ロファイル例を示す図。

【符号の説明】

２…固定軸、４…上型組立、５…ダイプレート、６…上
型、７…固定ダイ、８…駆動装置、８ａ…サーボモー
タ、８ｂ…荷重検出器、９…移動軸、１１…下型組立、
１２…ダイプレート、１３…下型、１４…移動ダイ、１
５…ブラケット、１６…透明石英管、１７…成形室、１
９…ランプユニット、２０…赤外線ランプ、２３，２
４，２５…ガス供給路、２７…温度検出用熱電対、２８
…制御装置部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 漆畑 和則 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株 式会社沼津事業所内 (56)参考文献 特開 平８−208243（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−208247（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C03B 11/16 C03B 11/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下型一対の型間にガラス素材を配置し、
   前記型およびガラス素材を加熱して、光学素子をプレス
   成形する成形方法であって、 プレス軸の駆動源にサーボモータを用い、そのトルクを
   ウォームジャッキなどの伝達機構を介してプレス軸の直
   線運動推力としてプレスを行なう工程と、 位置検出器を用いてプレス軸に取り付けられた移動金型
   の位置を制御する位置制御工程と、 荷重検出器により実際の荷重であるプレス力を検出し、
   該プレス力と予め設定しておいた設定プレス力との差に
   より、サーボモータに加える電流値を閉ループでトルク
   制御するトルクフィードバック工程と、を具備し、 プレス成形時に、上下型が最終型閉じ状態の若干手前の
   設定位置までトルク制御を行いながら金型を移動させて
   設定位置に到達するようにし、設定位置に到達後直ちに
   前記ガラス素材が変形しないような小さな力のトルク制
   御に切り換え、成形中のガラスの厚さを変形させず、か
   つガラスと型とが離れないような状態を保持しながら冷
   却工程に移り、設定温度に到達あるいは設定時間保持
   後、前記ガラス素材が変形可能なプレス力で最終プレス
   を行なうようにしたことを特徴とする光学素子の成形方
   法。
2. 【請求項２】最終プレスに至らせる設定温度を、ガラス
   転移点（Ｔｇ）付近としたことを特徴とする請求項１記
   載の光学素子の成形方法。