JP3854113B2

JP3854113B2 - 石英ガラス素子の成形方法および成形装置

Info

Publication number: JP3854113B2
Application number: JP2001298088A
Authority: JP
Inventors: 聡福山; 洋村越; 修作松村
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003104733A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に石英ガラス素子をプレス成形するための型の長寿命化を図る石英ガラス素子の成形方法及び成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスレンズなどの高精度が要求されるガラス素子の製造方法としては、研削・研磨により製造されるものと、リヒートプレスにより製造されるものの二種類に大別される。
【０００３】
一般に光学ガラス素子の製造方法としてガラス素材を研削・研磨して光学面を形成する方法が多く用いられる。しかし、研削・研磨による曲面形成には十数工程が必要であるうえに、作業者に有害なガラス研削粉が多量に発生する問題点、さらに、研削・研磨では、付加価値の高い非球面形状の光学面を持つガラスレンズを同じ精度で大量に製作することが困難であるという問題点を持っている。
【０００４】
それに対してリヒートプレスは、溶融したガラスを一度冷却して製作したガラス素材を加熱し、プレスすることにより型の形状をガラス素材に転写させ、ガラスレンズなどのガラス素子を成形する方法であり、曲面形状に必要な工程はプレス成形の一工程のみであるという利点がある。また、型を一度製作すれば、型の精度に準じた成形品がいくつも製作することも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信分野や医療分野で、ガラス素子は非常に注目されている。中でも、熱膨張が少ない、不純物が少ない、紫外線透過率が良い等の理由から、石英ガラス素子が注目されている。そのため石英ガラス素子は、マイクロレンズアレイ等形状の複雑なもの、また、大きさも超小型のものから大型のものまで各種必要となってくる。
【０００６】
上述したリヒートプレスでは、型の間にガラス素材を置き、型の酸化を防止する目的で型およびガラス素材を含む成形室内を不活性ガス雰囲気にしたうえで、高周波加熱装置や赤外線ランプ等により加熱し、ガラス素材を型によりプレスした後、成形品を冷却して取り出す方法が取られる。しかしながら、石英ガラスのように成形温度が約１４００〜１５００℃と高いガラス素材では、型の長寿命化を図ることが困難である問題がある。すなわち、型素材にはカーボンやセラミックスが使用され、特に石英ガラスとの離型性を考慮してカーボンが使用される。しかし、カーボンを使用すると、石英ガラス素材を加熱させる際に不活性ガス内に含まれる不純物によりカーボンの酸化が起こり、この結果、型の内面が削り取られてしまい、型の寿命が短いという問題がある。そこで、本発明は、石英ガラス素子をリヒートプレスにより成形する際に、型の酸化を防ぎ、型の寿命を長くする、石英ガラス素子成形方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるために、本発明では以下の構成を備えている。
【０００９】
（１）一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する工程とを備えたガラス素子の成形方法において、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記型の外周部に沿って不活性ガスを流す工程を備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形方法。
【００１０】
（２）一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する工程とを備えたガラス素子の成形方法において、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記型の外周部に沿って不活性ガスを流す工程と、型外周部に当たる前に不活性ガスを被酸化物質の部材に接触させて被酸化物質部材を酸化させる工程とを備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形方法。
【００１１】
（３）加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに不活性ガスを流すように制御することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の石英ガラス素子の成形方法。
【００１２】
（４）一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する加熱工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする成形工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する徐冷工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する急冷工程とを実施するためのガラス素子の成形装置であって、石英ガラス素材が配置される一対の型と、この型の外周部に沿って不活性ガスを流すことが可能な不活性ガス流通経路と、加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記不活性ガス流通経路に不活性ガスを流すように制御する制御部を備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形装置。
【００１３】
（５）一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する加熱工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする成形工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する徐冷工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する急冷工程とを実施するためのガラス素子の成形装置であって、石英ガラス素材が配置される一対の型と、この型の外周部に沿って不活性ガスを流すことが可能な不活性ガス流通経路と、加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記不活性ガス流通経路に不活性ガスを流すように制御する制御部と、この不活性ガス流通経路の不活性ガスが型外周部に当たる前に配置された被酸化物質の部材とを備え、被酸化物質部材を酸化させることにより型の酸化を防止するようにたことを特徴とする石英ガラス素子の成形装置。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明では、成形室をＯ−リング等で大気から遮断したうえで、一対の型間に石英ガラス素材を配置し、プレス成形して石英ガラス素子を成形する方法で、特に、型および石英ガラス素材の加熱・成形時および徐冷時に、前記型の外周部に沿って不活性ガスを流し、型が高温時に、型内に高温の不活性ガスが直接当たることを防止し、型の酸化を防ぐ。さらに、不活性ガスの流路内に、型に不活性ガスが当たる前段にカーボン等の被酸化物質の部材（プレートなど）を配置し、この部材に不活性ガスが当たるようにして、被酸化物質が不活性ガス中に含まれる不純物により犠牲的に酸化されることにより型の酸化をより防ぐ。その結果、型の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００１６】
さらに型がある程度冷えてから、すなわち型および石英ガラス素材の急冷時には、型を通して不活性ガスを流して型を直接冷却することが可能なため、型の均熱性が悪化せず、冷却時間を短縮することもできる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照し説明する。
【００１８】
図１において、ガラス素子成形装置の１例を示す。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を介して上型組み立て４が図示しないボルト等により取り付けられている。上型組み立て４は、金属製、セラミック製もしくはカーボン製のダイプレート５、カーボン製の上型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。
【００１９】
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の回転運動を直線運動推力に変換するスクリュージャッキ等の駆動装置８が設けられ、駆動装置８には荷重検出装置８ｂを介して移動軸９が取り付けられている。移動軸９は制御装置２９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が取り付けられている。下型組み立て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。
【００２０】
固定軸２には図示しない駆動装置によって上下動させるブラケット１５が移動可能に結合されている。ブラケット１５には対をなす型組み立て４，１１の周囲を囲むフランジ付透明石英管１６と外筒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１９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を冷却するための図示しない水冷パイプから構成されており、型組み立て４，１１を加熱するようになっている。
【００２１】
フランジ付透明石英管１６の上端はブラケット１５に、はめ込まれたＯ−リングに気密当接している。また、フランジ付透明石英管１６の下端は移動軸９が貫通している中間プレート１ｂのＯ−リングに気密当接し、型組み立て４，１１の周囲に大気から遮断される成形室１７を形成するようになっている。
【００２２】
固定軸２、移動軸９、中間プレート１ａには、成形室１７内を不活性ガス雰囲気にしたり、型組み立て４、１１内を冷却するための不活性ガス供給路及び型組立て体の外周を冷却するための不活性ガス供給路が設けられ、これらはライン切換バルブ３７（図２，３参照）により切換可能となっている。
【００２３】
型組み立て４、１１内を冷却するための不活性ガス供給路は、図２に示すように、固定軸２側に、型組み立て４内に不活性ガスを流すための経路２２，３５，２６を形成し、移動軸９側に、型組み立て１１内に不活性ガスを流すための経路２３，３６，２６を形成している。
【００２４】
型組立て体の外周を冷却するための不活性ガス供給路は、図３に示すように、経路２４，２５，２６を形成し、型組み立て４、１１の外周を通して型内に高温の不活性ガスが直接当たることを防止している。これら不活性ガス供給路には、不活性ガスを図示しない流量コントロール計を介して所定流量供給され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、ガス排出路２６から排気される。また前記制御装置２９は温度検出用熱電対２８からの信号を受けて赤外線ランプ２０、駆動装置８、及びライン切換バルブ３７等を制御するものである。２７は真空排気口、３０は真空バルブ、３１はガス排気バルブ、３２は真空排気装置、３３は真空計である。
【００２５】
この実施例では、ガラス素材３４を型組み立て４、１１とともに所定温度まで加熱し、プレス成形し、その後、徐冷し、急冷する。その際、制御装置２９で加熱・成形時及び徐冷時を検出し、切換バルブ３７を切り替えて、不活性ガスを２４，２５から流し、不活性ガスが図３に示す経路（型組み立て内を通らないで型の外周部に沿う経路）を通るようにし、急冷時には、切換バルブ３７を切り替えて、不活性ガスを２２，２３から流し、不活性ガスが図２に示す経路（型組み立て内を通る経路）を通るようにした。若しくは、いずれの場合も不活性ガスが図３に示す経路（型組み立て内を通らないで型の外周部に沿う経路）を通るようにした。
【００２６】
また、本発明の他の実施例では、図４に示すように、型組立て体の外周を冷却するための不活性ガス供給路の、型組立て体の前段に、カーボンプレート３８などの被酸化物質を配置し、不活性ガスの不純物によりこの被酸化物質が犠牲的に酸化されるようにしている。
【００２７】
次に、図１に示す装置を用いて従来の石英ガラス素子成形方法と本発明による石英ガラス素子成形方法との比較を行った。
【００２８】
石英ガラス（ＥＳ：日本石英ガラス）を、金型温度２００℃から加熱し、加熱温度１４００℃、プレス時間１２０ｓｅｃで成形し、６５０℃まで徐冷し、２００℃まで急冷した場合、図４に示すような温度線図を描くが、それに準じた温度線図を描くように加熱テストを行った。
【００２９】
方法としては、図２に示すように、加熱時間Ａ・プレス時間Ｂ・徐冷時間Ｃ・急冷時間Ｄともに、型内を通るように、型組み立て４、１１内を冷却するための不活性ガス経路のみを使用した場合（パターン１：従来方法）と、図５に示す加熱制御において、加熱時間Ａ・プレス時間Ｂ・徐冷時間Ｃには、図３に示す型組立て体の外周を冷却するための不活性ガス供給路を用い、急冷時間Ｄのみ図２に示す型組み立て４、１１内を冷却するための不活性ガス経路を使用した場合（パターン２：実施例１）、図４に示すように、ガス供給路と型間にカーボンプレート３８を配置し、加熱時間Ａ・プレス時間Ｂ・徐冷時間Ｃには型組立て体の外周を冷却するための不活性ガス供給路を用いて、カーボンプレート３８を通して不活性ガスを流し、急冷時間Ｄのみ図２に示すように、型内を通るように、型組み立て４、１１内を冷却するための不活性ガス経路を使用した場合（パターン３：実施例２）とでそれぞれ５０回ずつテストを行った。
【００３０】
その結果、パターン１：従来例の場合、型内部が酸化により削られ、型重量も初期の１２５．０７ｇから１２４．９３ｇに減少した。それに比べ、パターン２：実施例１の場合は、型外周部は酸化により削られたものの、型内部には異常が無かった。さらに、パターン３：実施例２の場合、型重量が初期の１２４．６４ｇから１２４．６０ｇと殆ど変化がなかった。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の石英ガラス素子の成形方法によれば、型内部の酸化を押さえることができ、型の寿命を長くすることができるため、ガラス素子の製作コストの削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る石英ガラス素子の成形装置の実施例を示す概略断面図。
【図２】本発明に係るガラス成形方法の１例を示す図。
【図３】本発明に係るガラス成形方法の他の例を示す図。
【図４】本発明に係るガラス成形方法の更に異なる例を示す図。
【図５】本発明に係るガラス成形の温度制御を示す図。
【符号の説明】
１…フレーム、２…固定軸、３…断熱筒、４…上型組み立て、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、１０…断熱筒、１１…下型組み立て、１２…ダイプレート、１３…下型、１４…移動ダイ、１５…ブラケット、１６…フランジ付透明石英管、１７…成形室、１８…外筒、１９…ランプユニット、２０…赤外線ランプ、２１…反射ミラー、２２，２３…ガス供給路１、２４，２５…ガス供給路２、２６…ガス排出路、２７…真空排気口、２８…温度検出用熱電対、２９…制御装置、３０…真空バルブ、３１…ガス排気バルブ、３２…真空排気装置、３３…真空計、３４…ガラス素材、３５…上型ガス流路、３６…下型ガス流路、３７…ライン切替バルブ、３８…カーボンプレート（被酸化物質の部材）。

Claims

一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する工程とを備えたガラス素子の成形方法において、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記型の外周部に沿って不活性ガスを流す工程を備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形方法。
一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する工程とを備えたガラス素子の成形方法において、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記型の外周部に沿って不活性ガスを流す工程と、型外周部に当たる前に不活性ガスを被酸化物質の部材に接触させて被酸化物質部材を酸化させる工程とを備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形方法。
加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに不活性ガスを流すように制御することを特徴とする請求項 1 または２に記載の石英ガラス素子の成形方法。
一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する加熱工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする成形工程、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する徐冷工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する急冷工程とを実施するためのガラス素子の成形装置であって、石英ガラス素材が配置される一対の型と、この型の外周部に沿って不活性ガスを流すことが可能な不活性ガス流通経路と、加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記不活性ガス流通経路に不活性ガスを流すように制御する制御部とを備えたことを特徴とする石英ガラス素子の成形装置。
一対の型及びこれら型間に配置された石英ガラス素材を加熱する加熱工程と、石英ガラス素材をプレス成形して石英ガラス素子とする成形工程と、一対の型及び石英ガラス素子を徐冷する徐冷工程と、一対の型及び石英ガラス素子を急冷する急冷工程とを実施するためのガラス素子の成形装置であって、石英ガラス素材が配置される一対の型と、この型の外周部に沿って不活性ガスを流すことが可能な不活性ガス流通経路と、加熱工程、成形工程、徐冷工程及び急冷工程をそれぞれ検出し、加熱工程、成形工程、徐冷工程のみに前記不活性ガス流通経路に不活性ガスを流すように制御する制御部と、この不活性ガス流通経路の不活性ガスが型外周部に当たる前に配置された被酸化物質の部材とを備え、被酸化物質部材を酸化させることにより型の酸化を防止するようにたことを特徴とする石英ガラス素子の成形装置。