JP4445841B2

JP4445841B2 - 光学素子の成形装置

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Publication number: JP4445841B2
Application number: JP2004337641A
Authority: JP
Inventors: 剛司夏目
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-11-22
Also published as: JP2006143546A

Description

本発明は、加熱軟化させた光学素子素材を一対の成形型によってプレス成形する光学素子の成形装置に関し、特に、成形型に接触する不活性ガスの温度分布を是正することにより熱効率の向上を図り、成形型の温度を迅速に均一化することができるとともに、プレス成形の省エネルギー化を図ることができる光学素子の成形装置に関する。

近年、レンズ等の光学素子を高精度かつ安価に製造する成形装置として、例えば、特開平８−２５９２４０号（特許文献１）で開示されているようなものが提案されている。該光学素子の成形装置は、上下金型とスリーブ及び光学素子素材からなる型セット（成形型）を、複数個同時に加熱炉である成形室内に投入し、該型セットを、前記光学素子素材が変形可能な温度まで加熱する加熱ステージ、加圧変形させて上下金型の光学有効面を転写するプレスステージ、転写を保ちながらガラス転移点以下まで冷却させる冷却ステージへと順次搬送させて、光学素子を成形する構成となっていた。

また、このような従来の光学素子の成形装置では、各ステージを構成する上下ヒータブロックの表面に、ＷＣを主成分とする超硬合金からなる均熱手段を設けるとともに、各型セットの大きさ（熱容量）を変えることにより、複数個の型セットに必要な成形温度制御を短時間で遂行し、異なる光学面形状の光学素子を複数個同時に成形可能としている。
特開平８−２５９２４０号公報

ところが、上述した従来の光学素子の成形装置では、各型セットの上下ヒータブロックと接触しない外周面から熱が不均一に奪われてしまい、実際に各型セットを短時間で均熱化することが困難であるという問題があった。

すなわち、一般に、型セットの酸化防止等を図るために、加熱炉である成形室内に窒素ガス等不活性ガスを循環させて、該成形室内に元々存在していた酸素と置換しているが、該不活性ガスに温度分布があるために、これに曝された型セットの温度も不均一となってしまう。また、上下ヒータブロックにより加熱した型セットの温度が、不活性ガスにより奪われてしまうので熱効率が悪いという問題もあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、成形型に接触する不活性ガスの温度分布を是正することにより熱効率の向上を図り、成形型の温度を迅速に均一化することができるとともに、プレス成形の省エネルギー化を図ることができる光学素子の成形装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学素子の成形装置は、成形室内で加熱軟化させた光学素子素材を一対の成形型によってプレス成形する光学素子の成形装置において、前記成形型を加熱又は冷却するための昇降自在な上プレス板に、前記成形型の外周面を覆う略筒状の保護ブロックを取り付け、該保護ブロック内面と前記成形型外周面との隙間に前記成形室内の不活性ガスを流入させ、前記保護ブロックの上部に不活性ガス置換用孔を設ける構成としてある。

好ましくは、前記不活性ガス置換用孔と、前記保護ブロック下端と前記成形型が載置された下プレス板上面との隙間とをほぼ同じ開口面積となるように設定した構成、又は、前記保護ブロック内面と前記成形型の外周面との隙間量と、前記保護ブロック下端と前記成形型が載置された下プレス板上面との隙間量とをほぼ同じに設定した構成とする。

好ましくは、前記保護ブロックを、加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの少なくともいずれか一つを形成する前記上プレス板に取り付けた構成とする。より好ましくは、前記保護ブロックを上プレス板と一体化するとともに、該保護ブロックに温度センサを設け、前記上プレス板の温度制御を行う構成とする。

本発明の光学素子の成形装置によれば、保護ブロック内の酸素を不活性ガスに置換して上プレス板により均一に加熱することにより、成形型に接触する不活性ガスの温度分布を是正することができ、これにより保護ブロック内の熱効率の向上を図り、成形型の温度を迅速に均一化することができるとともに、プレス成形の省エネルギー化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る光学素子の成形装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置を示す概略図である。図２は上記光学素子の成形装置の主要部を示す部分拡大図である。

図１において、１は、本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置であり、筐体１０によって閉鎖された成形室１１内に型セット２０を搬送し、加熱ステージＳ１，プレスステージＳ２，冷却ステージＳ３を経て、図示しないレンズ等の光学素子のプレス成形を行う構成としてある。また、型セット２０は、略円柱状の上型２１及び下型２２と、略円筒状のスリーブ２３と、略球状の光学素子素材（例えば、ボール研磨硝材）２とからなっている。

筐体１０の搬入口と搬出口は、それぞれ搬入用シャッター１２と搬出用シャッター１３により閉鎖してあり、成形室１１内の酸素濃度が５０ｐｐｍ以下となるように窒素ガス等の不活性ガスで置換している。また、筐体１０の搬入側と搬出側には、それぞれ搬送台１４，１４が固定してあり、これら搬送台１４，１４は、成形室１１内の各ステージＳ１〜Ｓ３と面一になっている。なお、図示しないが、筐体１０の搬出側の搬送台１４の内部には冷却水を循環させている。

加熱ステージＳ１，プレスステージＳ２，冷却ステージＳ３には、それぞれ上下一対の上ヒータブロック３１，３２，３３と下ヒータブロック４１，４２，４３が配設してあり、各上ヒータブロック３１，３２，３３には上プレス板３１ａ，３２ａ，３３ａが取り付けてあり、各下ヒータブロック４１，４２，４３には下プレス板４１ａ，４２ａ，４３ａが取り付けてある。

各上ヒータブロック３１，３２，３３には、筐体１０の天壁を貫通する各プレス軸５１ａ，５２ａ，５３ａに連結してあり、これらプレス軸５１ａ，５２ａ，５３ａは、駆動源である各エアーシリンダ５１，５２，５３の図示しないピストンにより進退させられる。なお、各プレス軸５１ａ，５２ａ，５３ａは図示しない直進ガイドに固定してある。

ここで、図２に示すように、加熱ステージＳ１を形成する上ヒータブロック３１の上プレス板３１ａには、型セット２０の外周面を覆う略筒状の保護ブロック６０が取り付けてある。該保護ブロック６０は、円筒状のブロック本体６１の上端に円環状のフランジ部６２を一体成形した構成としてある。

保護ブロック６０内の酸素を、成形室１１（図１参照）内を循環する窒素ガス等の不活性ガスと置換するために、保護ブロック６０下端と型セット２０が載置された下プレス板４１ａ上面との隙間Ａ（以下、単に隙間Ａ又は隙間量Ａという）を形成するとともに、保護ブロック６０内面と型セット２０の外周面との隙間Ｂ（以下、単に隙間Ｂ又は隙間量Ｂという）を形成してある。

このような保護ブロック６０は、耐熱性を有する素材によって形成してあり、好ましくは、熱容量、熱伝導率の低いステンレス、ニッケルアルミ合金又はセラミック等により形成する。

また、保護ブロック６０のブロック本体６１には、放射状に複数の不活性ガス置換用孔６１ａが穿設してある。該不活性ガス置換用孔６１ａは、型セット２０を構成する上型２１と上プレス板３１ａとの間における気体の淀みを防止して、酸素を流出しやすくするために、ブロック本体６１の上部に位置させてある。

さらに、隙間量Ａ及び隙間量Ｂを、保護ブロック６０内の酸素濃度が５０ｐｐｍ以下となるように設定してある。このように保護ブロック６０内の酸素濃度を５０ｐｐｍ以下にするのは、型セット２０を構成する上型２１，下型２２及びスリーブ２３にコーティングした成形膜を酸化させないためである。

保護ブロック６０内の酸素濃度を５０ｐｐｍ以下にする具体的手段として、保護ブロック６０の不活性ガス置換用孔６１ａと隙間Ａとをほぼ同じ開口面積となるように設定してある。これにより、隙間Ａから保護ブロック６０内に不活性ガスが流入しやすくなるとともに、不活性ガス置換用孔６１ａから保護ブロック６０内の酸素が流出しやすくなり、置換効率が向上する。

また、隙間量Ａと隙間量Ｂとをほぼ同じに設定してある。これら隙間量Ａと隙間量Ｂとが異なると、保護ブロック６０内を流れる不活性ガスの流速、圧力が部分的に異なってしまうため、不活性ガスの置換効率と熱効率が低下してしまう。

さらに、隙間量Ａを１ｍｍ以上としてある。隙間量Ａを１ｍｍ未満とすると、不活性ガスの保護ブロック６０内への流入速度が下がってしまい、置換効率及び熱効率が低下してしまう。また、上述した型セット２０を構成する上型２１と上プレス板３１ａとの間における気体の淀みが生じやすくなってしまう。

これに加え、隙間量Ａ及び隙間量Ｂを１０ｍｍ未満としてある。隙間量Ａを１０ｍｍ以上とすると、保護ブロック６０内に流入する不活性ガスの体積が増大して熱効率が低下してしまう。一方、隙間量Ｂを１０ｍｍ以上とすると、保護ブロック６０からの輻射熱が減少してしまい、熱効率が低下してしまう。

なお、各上プレス板３１ａ，３２ａ，３３ａ、及び各下プレス板４１ａ，４２ａ，４３ａにはそれぞれ図示しない温度センサが設けてあり、同じく図示しない制御回路によって独立に温度制御している。

次に、上記構成からなる成型装置１を用いた本実施形態に係る光学素子の成形方法について説明する。

［加熱工程］
図１において、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下となるように成形室１１内を不活性ガスで置換し、該成形室１１内の加熱ステージＳ１を構成する下ヒータブロック４１の下プレス板４１ａ上に、型セット２０を図示しない搬送アームにより搬送する。そして、エアーシリンダ５１で上ヒータブロック３１を下降させ、図２に示すように、上プレス板３１ａに取り付けた保護ブロック６０により型セット２０の外周面を覆う。

すると、成形室１１内の不活性ガスが隙間Ａから隙間Ｂを通って保護ブロック６０内に流入するとともに、該保護ブロック６０内の酸素が不活性ガス置換用孔６１ａから流出して置換が行われる。その後、上プレス板３１ａ及び保護ブロック６０の輻射熱により、保護ブロック６０内の不活性ガス及び型セット２０が加熱されるとともに、下プレス板４２ａの熱伝導により、型セット２０がさらに加熱される。

ここで、本実施形態では、光学素子素材２として、低融点光学ガラス（ガラス転移点Ｔｇ：５１０℃）からなるφ４．６４ｍｍのボール研磨硝材を使用しており、加熱ステージＳ１では、上下プレス板３１ａ，４１ａの加熱温度を光学素子素材２のガラス転移点Ｔｇ：５１０℃以上に設定してある。このような加熱温度で型セット２０を１００秒間加熱して温度を安定させる。

［プレス工程］
上記加熱ステージＳ１で型セット２０の温度が安定した後、該型セット２０をプレスステージＳ２に搬送する。なお、成形室１１内での型セット２０の搬送は、図示しない櫛歯状の搬送装置によって行っている。該プレスステージＳ２で型セット２０の温度が安定した後（４０秒）、光学素子素材２のプレス成形を行う。該プレスステージＳ２では、上下プレス板３２ａ，４２ａを光学素子素材２の屈伏点Ａｔ：５４０℃以上に設定してあり、エアーシリンダ５２で上ヒータブロック３２を下降させ、上下プレス板３２ａ，４２ａによって型セット２０を加熱しながら、成形圧力１２０Ｋｇｆで６０秒間プレスする。

［冷却工程］
上記プレスステージＳ２におけるプレス成形後、冷却ステージＳ３に型セット２０を搬送する。冷却ステージＳ３では、上下プレス板３３ａ，４３ａを光学素子材料２のガラス転移点Ｔｇ：５１０℃以下に設定してあり、エアーシリンダ５３で上ヒータブロック３３を下降させ、上下プレス板３３ａ，４３ａによって型セット２０を１００秒間、５０Ｋｇｆの力で加圧し、該型セット２０の温度を安定させる。

次いで、型セット２０を成形室１１内における搬送台１４上に搬送して１００秒間放置して１５０℃以下に冷却する。その後、該型セット２０を成形室１１外における搬送台１４に搬出する。

上述した本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置によれば、保護ブロック６０内の酸素を不活性ガスに置換して上プレス板３１ａにより均一に加熱することにより、型セット２０に接触する不活性ガスの温度分布を是正することができ、これにより保護ブロック６０内の熱効率の向上を図り、型セット２０の温度を迅速に均一化することができるとともに、プレス成形の省エネルギー化を図ることができる。

加熱ステージＳ１において、ヒータ出力を一定にして保護ブロック６０の有無で設定温度まで加熱するのに要する時間を２０秒短縮することができ、型セット２０の熱容積が大きい場合でも、サイクルタイムを延ばしたり、加熱ステージＳ１を増やしたりする必要がなく、コスト削減の効果がある。

次に本発明の第２実施実施に係る光学素子の成形装置について、図３を参照しつつ説明する。図３は本発明の第２実施実施に係る光学素子の成形装置の主要部を示す部分拡大図である。なお、上述した第１実施形態に係る光学素子の成形装置と同一箇所については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

同図において、本実施形態に係る光学素子の成形装置では、保護ブロック７１を上プレス板７２と一体化し、該保護ブロック７１に温度センサ７３を埋設し、上プレス板７２の温度制御を行う構成としてある。

このような構成によれば、保護ブロック７１と上プレス板７２とを一体化したことにより、上プレス板７２から保護ブロック７１への熱伝導が良好となる。したがって、該保護ブロック７１の温度を上プレス板７２の温度とみなすことができる。そして、型セット２０により近接した該保護ブロック７１の温度を温度センサ７３により検出し、該検出結果に基づいて、上プレス板７２をより精度良く温度制御することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形装置について、図４を参照しつつ説明する。図４は本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形装置の主要部を示す斜視図である。

同図において、本実施形態に係る光学素子の成形装置では、二つの円筒状の保護ブロック８１Ａ，８１Ｂを、上プレス板８２と一体化した構成としてある。このような構成によれば、二つの型セット２０を同時に加熱ステージＳ１の下プレス板４１ａ（図１参照）上に搬送し、同時に均一温度に加熱することができ、生産効率の向上を図ることができる。

なお、本発明の光学素子の成形装置は、上述した第１〜第３実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、保護ブロック６０，７１，８１Ａ及び８１Ｂを加熱ステージＳ１に設けた構成としたが、これに限定されるものではなく、間隔Ａ（図２参照）を確保すれば、保護ブロック６０，７１，８１Ａ及び８１ＢをプレスステージＳ２、冷却ステージＳ３に設けることもできる。また、光学素子素材２は、ガラス素材に限定されるものではなく、光学プラスチック等の樹脂素材を用いることも可能である。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置を示す概略図である。上記光学素子の成形装置の主要部を示す部分拡大図である。本発明の第２実施実施に係る光学素子の成形装置の主要部を示す部分拡大図である。本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形装置の主要部を示す斜視図である。

符号の説明

１成形装置
２光学素子素材
１０筐体
１１成形室
１２搬入シャッター
１３搬出シャッター
１４搬送台
２０型セット
２１上型
２２下型
２３スリーブ
３１，３２，３３上ヒータブロック
３１ａ，３２ａ，３３ａ上プレス板
４１，４２，４３下ヒータブロック
４１ａ，４２ａ，４３ａ下プレス板
５１，５２，５３エアーシリンダ
５１ａ，５２ｂ，５３ｃプレス軸
６０保護ブロック
６１ブロック本体
６１ａ不活性ガス置換用孔
６２フランジ部
７１保護ブロック
７１ａ不活性ガス置換用孔
７２上プレス板
７３温度センサ
８１Ａ，８１Ｂ保護ブロック
８２上プレス板
Ｓ１加熱ステージ
Ｓ２プレスステージ
Ｓ３冷却ステージ

Claims

成形室内で加熱軟化させた光学素子素材を一対の成形型によってプレス成形する光学素子の成形装置において、
前記成形型を加熱又は冷却するための昇降自在な上プレス板に、前記成形型の外周面を覆う略筒状の保護ブロックを取り付け、該保護ブロック内面と前記成形型外周面との隙間に前記成形室内の不活性ガスを流入させ、
前記保護ブロックの上部に不活性ガス置換用孔を設けることを特徴とする、光学素子の成形装置。
請求項１記載の光学素子の成形装置において、
前記不活性ガス置換用孔と、前記保護ブロック下端と前記成形型が載置された下プレス板上面との隙間とをほぼ同じ開口面積となるように設定したことを特徴とする、光学素子の成形装置。
請求項１又は２記載の光学素子の成形装置において、
前記保護ブロック内面と前記成形型の外周面との隙間量と、前記保護ブロック下端と前記成形型が載置された下プレス板上面との隙間量とをほぼ同じに設定したことを特徴とする、光学素子の成形装置。
請求項１〜３いずれか記載の光学素子の成形装置において、
前記保護ブロックを、加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの少なくともいずれか一つを形成する前記上プレス板に取り付けたことを特徴とする、光学素子の成形装置。
請求項１〜４いずれか記載の光学素子の成形装置において、
前記保護ブロックを上プレス板と一体化するとともに、該保護ブロックに温度センサを設け、前記上プレス板の温度制御を行うことを特徴とする、光学素子の成形装置。