JP4504857B2

JP4504857B2 - 加熱装置及び方法

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Publication number: JP4504857B2
Application number: JP2005087679A
Authority: JP
Inventors: 啓介吉國
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006269310A

Description

本発明は、主に光学素子等の製造工程で用いられる成形型等を均一に加熱する加熱装置及び方法に関する。

近年、光学素子の需要が増加しており、それに応じて光学素子の精度は年々高まっている。光学素子を、成形型を用いて成形する際に、成形型を均一に加熱することは光学素子の高精度化には欠かせない条件となっている。

成形型等の被加熱物を均一に加熱するには、例えばカートリッジヒーターが挿入されているステンレス鋼平板の側部から放熱される放熱量を温度センサで管理し、中心部の温度センサの値と比較して、ステンレス鋼平板が均一な熱量となるように側部に設置したヒーターで側部を発熱させ、ステンレス鋼平板の表面温度を均一にして被加熱物を加熱する手法がある。（例えば、特許文献１参照。）
また、カートリッジが挿入されるステンレス鋼平板のうち最も放熱量の大きいコーナー部分に、温度降下を補うための補助的なヒーターを設置してステンレス鋼平板の表面温度を均一にする手法もある。（例えば、特許文献２参照。）
特開２０００−８１９１８号公報特開２００３−１４２２３８号公報

しかし、特許文献１の技術では、非常に複雑な温度制御を必要とするためにコストが上がってしまうばかりでなく、側部ヒーターのＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御の設定が困難で実際はステンレス鋼平板側部の温度が安定しない等の問題があった。

また、特許文献２の技術では、コーナー部分に設置したヒーターにより設置スペースが広くなってしまうと共に温度制御の最適化が非常に難しく、さらにコストが上がってしまう等の問題があった。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、設置コスト及び消費電力をかけずに省スペースで被加熱物を均一に加熱可能な加熱装置及び方法を提供することである。

本発明の第１の加熱装置は、被加熱物を加熱するブロック部材と、上記ブロック部材を加熱する加熱手段とを有する加熱装置において、上記ブロック部材と上記加熱手段との間に、上記加熱手段から発生する熱を上記ブロック部材に拡散する熱拡散層を備えることを特徴とする。

本発明の第２の加熱装置は、上記第１の加熱装置であって、上記熱拡散層は、上記ブロック部材よりも熱伝導率が低い熱拡散部材であることを特徴とする。
本発明の第３の加熱装置は、上記第２の加熱装置であって、上記熱拡散部材は、上記加熱手段の高温部に配置されることを特徴とする。

本発明の第４の加熱装置は、上記第１の加熱装置であって、上記熱拡散層は、上記加熱手段の高温部に配置される、上記ブロック部材よりも熱伝導率の低い熱拡散部材と、上記加熱手段の上記高温部以外の領域に配置される、上記熱拡散部材よりも熱伝導率の高い伝熱部材とからなることを特徴とする。

本発明の第５の加熱装置は、上記第１の加熱装置であって、上記熱拡散層は、上記ブロック部材と上記加熱手段との間に設けられた空間であることを特徴とする。
本発明の第６の加熱装置は、上記第５の加熱装置であって、上記空間は、上記加熱手段の凹凸形状により生じることを特徴とする。

本発明の第７の加熱装置は、上記第５又は第６の加熱装置であって、上記空間は、上記加熱手段の高温部に設けられることを特徴とする。
本発明の第１の加熱方法は、熱源を有する加熱部材により被加熱物と接するブロック部材を加熱し、上記ブロック部材により被加熱物を加熱する加熱方法において、上記加熱部材と上記ブロック部材との間で、上記加熱部材から発生する熱を上記ブロック部材に拡散させることを特徴とする。

本発明の第２の加熱方法は、上記第１の加熱方法であって、上記ブロック部材よりも熱伝導率が低い熱拡散部材により熱拡散させることを特徴とする。
本発明の第３の加熱方法は、上記第１の加熱方法であって、上記ブロック部材と上記加熱部材との間に設けられた空間により熱拡散させることを特徴とする。

本発明によれば、被加熱物を加熱するブロック部材と加熱手段との間に、上記加熱手段から発生する熱を上記ブロック部材に拡散する熱拡散層を備えたことで、加熱手段の熱がブロック部材に拡散され、ブロック部材が均一に加熱されるため、設置コスト及び消費電力をかけずに省スペースで被加熱物を均一に加熱可能となる。

上記熱拡散層には、例えばブロック部材としてステンレス鋼を用いた場合は、熱伝導率がステンレス鋼平板よりも低い熱拡散部材（マイカ、セラミックス等）が採用可能であり、熱拡散部材の熱伝導率は低い（例えばマイカの熱伝導率０．６［Ｗ／ｍ・Ｋ］）ため、熱拡散部材の温度が徐々に均一になり、加熱手段の熱をブロック部材に均一に拡散し、被加熱物が均一に加熱される。

また、上記熱拡散部材を、上記加熱手段の高温部に配置することで、主に高温部の熱をブロック部材に拡散することができ、加熱手段に温度ばらつきがあっても、より均一に被加熱物を加熱可能となる。

なお、上記熱拡散層を、上記加熱手段の高温部に配置される、上記ブロック部材よりも熱伝導率の低い熱拡散部材と、上記加熱手段の上記高温部以外の領域に配置される、上記熱拡散部材よりも熱伝導率の高い伝熱部材とから構成することで、加熱手段の高温部の熱を拡散し、低温部の熱を伝熱できるため、加熱手段の温度分布にばらつきが大きくとも、均一に被加熱物を加熱可能である。

また、上記熱拡散層を、加熱手段等に凹凸形状を加えることにより設けられた空間とすることでも上記熱拡散部材と同様な効果が得られる。
上記空間は、上記熱拡散部材と同様に、上記加熱手段の高温部に配置することで、主に高温部の熱をブロック部材に拡散することができ、加熱手段に温度ばらつきがあっても、より均一に被加熱物を加熱可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１における加熱装置を示す概略斜視図であり、同図（ａ）は分解した状態、同図（ｂ）は使用時の状態を示している。ブロック部材としての耐熱鋼平板１は、平板状の熱拡散部材２を挟んで、加熱手段としてのステンレス鋼平板３に設置される。ステンレス鋼平板３には、例えば３つのカートリッジヒーター３ａが挿入されており、熱拡散部材２と接する面には温度センサ４が設けられている。なお、耐熱鋼平板１には高温でも変形しない例えば超硬合金を用いる。また、熱拡散部材２には耐熱鋼平板１よりも熱伝導率が低い、例えばマイカや炭化珪素、チッ化珪素、チッ化アルミニウムなどのセラミックス等が採用可能であり、その厚さは、カートリッジヒーター３ａによる加熱作用や熱拡散部材２による熱拡散作用等を考慮して適宜設定されるものであり、例えば１００乃至５００［μｍ］程度とすることが望ましい。加熱手段としても、耐熱鋼平板１を加熱すればよいため、カートリッジヒーター３ａを挿入したステンレス鋼平板３に限定されない。

次に、実施の形態１における加熱の流れを説明する。
耐熱鋼平板１に成形型等の被加熱物を設置し、カートリッジヒーター３ａによりステンレス鋼平板３を加熱する。この際のカートリッジヒーター３ａの放熱量は、温度センサ４が検出するステンレス鋼平板３の温度を基に不図示の温度制御装置が制御している。ここで、熱拡散部材２は、熱伝導率が低い（例えばマイカの熱伝導率０．６［Ｗ／ｍ・Ｋ］）ため、ステンレス鋼平板３の熱により均一な温度となり、ステンレス鋼平板３の熱を耐熱鋼平板１に均一に拡散する。これにより、被加熱物も均一に加熱される。なお、成形型を加熱する際には、成形型を構成する一対の上下型の上面及び下面のそれぞれを加熱するように一対の加熱装置を設けることが好ましい。実施の形態１では、耐熱鋼平板１上に設置した被加熱物の下面が下型の下面に相当することになる。

以上のように、実施の形態１によれば、成形型等の被加熱物を加熱する耐熱鋼平板１と、カートリッジヒーター３ａを挿入したステンレス鋼平板３との間に、例えば厚さ１００乃至５００［μｍ］程度の熱伝導率が低い（例えばマイカの熱伝導率０．６［Ｗ／ｍ・Ｋ］）熱拡散部材２を備えたことで、ステンレス鋼平板３の熱により熱拡散部材２が均一な温度となり、熱拡散部材２が耐熱鋼平板１に均一に熱拡散することにより、設置コスト及び消費電力をかけずに省スペースで被加熱物を均一に加熱可能となる。

図２は、実施の形態２における加熱装置を示す概略斜視図であり、同図（ａ）は分解した状態、同図（ｂ）は使用時の状態を示している。本実施の形態の特徴は熱拡散部材をステンレス鋼平板３の高温部に設置したことであり、その他の構成は実施の形態１と同様であるため、同じ記号を付して説明を省略する。ブロック部材としての耐熱鋼平板１は、熱拡散部材２を挟んで、加熱手段としてのステンレス鋼平板３に設置される。ステンレス鋼平板３には、例えば３つのカートリッジヒーター３ａが挿入されており、熱拡散部材２と接する面には温度センサ４が設けられている。ここで、熱拡散部材２は、ステンレス鋼平板３の高温部（カートリッジヒーター３ａ部分）にのみ配置されるものとする。なお、熱拡散部材２は、装置内空間（互いに隣り合った熱拡散部材間に生じる空間）よりも熱伝導率が低いものとする。

実施の形態２における加熱の流れを説明する。
耐熱鋼平板１に成形型等の被加熱物を設置し、カートリッジヒーター３ａによりステンレス鋼平板３を加熱する。この際のカートリッジヒーター３ａの放熱量は、温度センサ４が検出するステンレス鋼平板３の温度を基に不図示の温度制御装置が制御している。ここで、ステンレス鋼平板３と耐熱鋼平板１との間の高温部にのみ設けられた熱拡散部材２が、主にステンレス鋼平板３の高温部の熱を耐熱鋼平板１に伝える。その他の低温部では、空気等の装置内空間によって熱拡散部材２よりも早く熱が耐熱鋼平板１に伝わる。これらのバランスにより、均一に加熱された耐熱鋼平板１により、被加熱物も均一に加熱される。

以上のように、実施の形態２によれば、熱拡散部材２を、ステンレス鋼平板３の高温部にのみ配置することで、主としてステンレス鋼平板３の高温部の熱を耐熱鋼平板１に拡散できるため、ステンレス鋼平板３に温度ばらつきがあっても、より均一に被加熱物を加熱可能となる。

図３は、実施の形態３における加熱装置を示す概略斜視図であり、同図（ａ）は分解した状態、同図（ｂ）は使用時の状態を示している。本実施の形態の特徴は、熱拡散層が、加熱手段の高温部に配置される、熱伝導率の低い熱拡散部材２と、高温部以外の領域に配置される、熱拡散部材２よりも熱伝導率の高い伝熱部材５とからなることであり、その他の構成は実施の形態１又は２と同様であるため、同じ記号を付して説明を省略する。ブロック部材としての耐熱鋼平板１は、熱拡散部材２及び伝熱部材５を挟んで、加熱手段としてのステンレス鋼平板３に設置される。ステンレス鋼平板３には、例えば３つのカートリッジヒーター３ａが挿入されており、熱拡散部材２と接する面には温度センサ４が設けられている。ここで、熱拡散部材２は高温部（カートリッジヒーター３ａ部分）にのみ設置され、伝熱部材５はその他の領域に設置されるのが望ましい。なお、伝熱部材５は、少なくとも熱拡散部材２及び装置内空間よりも熱伝導率が高い部材を用いればよく、例えば超硬合金が採用可能である。この際、伝熱部材５は、耐熱鋼平板１又はステンレス鋼平板３と一体化していてもよい。

実施の形態３における加熱の流れを説明する。
耐熱鋼平板１に成形型等の被加熱物を設置し、カートリッジヒーター３ａによりステンレス鋼平板３を加熱する。この際のカートリッジヒーター３ａの放熱量は、温度センサ４が検出するステンレス鋼平板３の温度を基に不図示の温度制御装置が制御している。ここで、ステンレス鋼平板３と耐熱鋼平板１との間の高温部にのみ設けられた熱拡散部材２は、主にステンレス鋼平板３の高温部の熱を耐熱鋼平板１に均一に拡散し、その他の領域に設けられた伝熱部材５がステンレス鋼平板３の熱を耐熱鋼平板１に伝熱する。これにより、ステンレス鋼平板３の高温部で熱拡散部材２により耐熱鋼平板１に熱拡散し、その他の領域では伝熱部材５により伝熱するため、これらのバランスにより耐熱鋼平板１が均一に加熱され、被成形物も均一に加熱される。

以上のように、実施の形態３によれば、熱拡散層を、ステンレス鋼平板３の高温部に配置される、耐熱鋼平板１よりも熱伝導率の低い熱拡散部材２と、ステンレス鋼平板３の高温部以外の領域に配置される、熱拡散部材２よりも熱伝導率の高い伝熱部材５とから構成することで、ステンレス鋼平板３の高温部の熱を拡散し、低温部の熱を伝熱できるため、ステンレス鋼平板３の温度分布にばらつきが大きくとも、均一に被加熱物を加熱可能である。

図４は、実施の形態４における加熱装置を示す概略斜視図であり、同図（ａ）は分解した状態、同図（ｂ）は使用時の状態を示している。本実施の形態の特徴は、熱拡散層として空間を設置したことであり、その他の構成は実施の形態１乃至３と同様であるため、同じ記号を付して説明を省略する。ブロック部材としての耐熱鋼平板１は、加熱手段としての表面が凹凸形状のステンレス鋼平板３に設置される。この凹凸は、外周部が凸であり、内周部が凹である。ステンレス鋼平板３の表面の凹凸形状により、ステンレス鋼平板３と耐熱鋼平板１の間に空間６が生じ、この空間内に例えば空気、Ｈ₂、Ｏ₂等の気体が封入されている。なお、この空間５の厚さは、カートリッジヒーター３ａによる加熱作用や空間５による熱拡散作用等を考慮して適宜設定されるものであり、例えば２００乃至６００［μｍ］程度とすることが望ましい。また、空間６はステンレス鋼平板３の表面の凹凸形状により生じるものに限定されず、耐熱鋼平板１の表面の凹凸形状によるものでもよく、外周部に何らかの部材を挟み込んで空間を設けてもよい。

実施の形態４における加熱の流れを説明する。
耐熱鋼平板１に成形型等の被加熱物を設置し、カートリッジヒーター３ａによりステンレス鋼平板３を加熱する。この際のカートリッジヒーター３ａの放熱量は、温度センサ４が検出するステンレス鋼平板３の温度を基に不図示の温度制御装置が制御している。ここで、ステンレス鋼平板３と耐熱鋼平板１との間に設けられた熱伝導率が低い空間６により、ステンレス鋼平板３の熱を耐熱鋼平板１に均一に拡散する。これにより、耐熱鋼平板１が均一に加熱されるため、被加熱物も均一に加熱される。

以上のように、実施の形態４によれば、熱拡散層を、ステンレス鋼平板３に凹凸形状を加えること等により設けられた空間（例えば空気、Ｈ₂、Ｏ₂等）とすることで、ステンレス鋼平板３の熱が均一に耐熱鋼平板１に拡散されるため、設置コスト及び消費電力をかけずに省スペースで被加熱物を均一に加熱可能となる。

図５は、実施の形態５における加熱装置を示す概略斜視図であり、同図（ａ）は分解した状態、同図（ｂ）は使用時の状態を示している。本実施の形態の特徴は、熱拡散層として設けた空間を、加熱手段の高温部にのみ配置することにあり、その他の構成は実施の形態１乃至４と同様であるため、同じ記号を付して説明を省略する。ブロック部材としての耐熱鋼平板１は、加熱手段としての表面が凹凸形状のステンレス鋼平板３に設置される。ステンレス鋼平板３の表面の凹凸形状は、凹部がステンレス鋼平板３の内部に挿入された高温部（カートリッジヒーター３ａ部分）になるよう設けられる。こうして、ステンレス鋼平板３の高温部にのみ空間６が設けられる。

実施の形態５における加熱の流れを説明する。
耐熱鋼平板１に成形型等の被加熱物を設置し、カートリッジヒーター３ａによりステンレス鋼平板３を加熱する。この際のカートリッジヒーター３ａの放熱量は、温度センサ４が検出するステンレス鋼平板３の温度を基に不図示の温度制御装置が制御している。ここで、ステンレス鋼平板３の凹部による空間６は、高温部（カートリッジヒーター３ａ部分）に設けられるため、主として高温部の熱を耐熱鋼平板１に拡散し、空間６よりも熱伝導率が高いステンレス鋼平板３は低温部の熱を高温部よりも早く耐熱鋼平板１に伝熱する。これらのバランスにより、ステンレス鋼平板３に高温部があっても耐熱鋼平板１に均一に熱拡散されるため、被加熱物も均一に加熱される。

以上のように、実施の形態５によれば、ステンレス鋼平板３よりも熱伝導率の低い空間６をステンレス鋼平板３の高温部にのみ配置することで、主に高温部の熱を耐熱鋼平板１に拡散することができ、ステンレス鋼平板３に温度ばらつきがあっても、より均一に被加熱物を加熱可能となる。

実施の形態１における加熱装置を示す概略斜視図である。実施の形態２における加熱装置を示す概略斜視図である。実施の形態３における加熱装置を示す概略斜視図である。実施の形態４における加熱装置を示す概略斜視図である。実施の形態５における加熱装置を示す概略斜視図である。

符号の説明

１耐熱鋼平板
２熱拡散部材
３ステンレス鋼平板
３ａカートリッジヒーター
４温度センサ
５伝熱部材
６空間

Claims

光学素子を成形する成形型を加熱するブロック部材と、該ブロック部材を加熱する加熱手段とを有する加熱装置において、
前記ブロック部材と前記加熱手段とのうち、少なくとも一方の外周が凸形状、内周が凹形状を備え、当該凸形状及び凹形状により前記ブロック部材と前記加熱手段との間に厚さ２００μｍ乃至６００μｍの空間を設け、当該空間により前記加熱手段から発生する熱を前記ブロック部材に拡散することを特徴とする加熱装置。
前記空間に、空気、Ｈ _２、Ｏ _２のうちいずれかの気体が封入されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。