JP4573678B2

JP4573678B2 - ガラス成形装置

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Publication number: JP4573678B2
Application number: JP2005077769A
Authority: JP
Inventors: 克彦岩野
Original assignee: Olympus Imaging Corp
Current assignee: Olympus Imaging Corp
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: JP2006256917A

Description

本発明は、一対の型の相対移動によりガラス素材を成形するガラス成形装置、および、ガラス成形方法。

従来、鏡面仕上げを行った成形面をもつ成形型によってガラス素材である光学素材を加熱軟化した状態でプレス成形によりガラスレンズ等の光学素子（ガラス成形体）を製造するガラス成形装置がある。該ガラス成形装置において、所定温度に冷却した成形光学素子を安定して確実に成形型から離型し、さらに、離型した上記光学素子をオートローダーで搬出できるようにすることが重要である。

特許文献１に開示されたプレス成形用成形装置（ガラス成形装置）は、成形精度の高い光学素子を成形可能であって、成形後、安定した状態で光学素子を離型することができる成形装置である。この成形装置においては、成形後、上型側に密着している光学素子の周縁部を押圧して離型させる強制離型手段が設けらている。上記強制離型手段は、上記上型に対して弾性部材としてのバネ部材を介して付勢された状態で取り付けられており、型開き時に上記バネ部材の付勢力によって上記光学素子を押圧して、離型させるものである。なお、上記バネ部材は、各種のバネ形状のものが適用できるが、その材質としてガラス成形が可能な温度に耐える耐熱性をもつ材料、例えば、ジルコニア等のセラミックスを用いる必要がある。
特許文献１は、特開２００４−１９６６３６号公報である。

しかしながら、上述した特許文献１のプレス成形用成形装置の上記強制離型手段に組み込まれるバネ部材は、高耐熱性のある高価なバネ部材であって、必要とする付勢力として上記光学素子を型から引き離すに十分な強い付勢力を有することを要求される。例えば、上記光学素子の外径を１０ｍｍ程度とした場合、大気圧による静圧として８Ｎ程度が上記光学素子に作用し、その光学素子を確実に離型させるためには、上記光学素子の収縮による吸着力を加算した非常に大きな離型力で上記光学素子を押圧する必要がある。従って、上記バネ部材の外径も大きくなり成形装置として大型化する。同時に高価な部材を使用することになる。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、成形型に貼り付いたガラス成形体を容易に、かつ、確実に剥離することが可能なガラス成形装置、または、ガラス成形方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のガラス成形装置は、一対の型の相対移動によりガラス素材を成形するガラス成形装置において、テーパ部を有し、上記一対の型の一方の型に固着され、該一方の型と該固着された部分以外は該一方の型と干渉することなく内径側に収縮可能となっていて、上記一対の型の一方の型と共に上記一対の型の他方の型に対して相対的に移動可能であって、上記ガラス素材から成形されたガラス成形体を上記一方の型から剥離するため、上記ガラス成形体が転移点以下になると熱収縮により上記内径側に収縮し上記ガラス成形体を押圧して上記一方の型に貼りついた上記ガラス成形体を剥離する離型部材を具備する。

本発明によれば、成形型に貼り付いたガラス成形体を容易に、かつ、確実に剥離することが可能なガラス成形装置を提供することができる。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるガラス成形装置の主要部を示す断面図である。図２，３は、上記ガラス成形装置における成形動作前後状態を示す型まわりの要部断面図であって、図２は、成形前の状態、図３は、押圧成形状態を示す。図４（Ａ）〜（Ｂ）は、上記ガラス成形装置における成形，離型動作状態を示す型まわりの要部断面図であって、図４（Ａ）は、型閉じ状態での押圧成形直後の状態を示し、図４（Ｂ）は、型開き状態で離型動作中の状態を示し、図４（Ｃ）は、離型後の状態を示す。

本実施形態のガラス成形装置２０は、ガラス素材（光学素材）３を加熱軟化させ、一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を有するガラス成形体のガラスレンズ３Ａを得るガラス成形方法を適用可能な成形装置である。このガラス成形装置２０は、主要構成部材として図１に示すように一対の成形型である上型１，下型２と、上型１に支持される離型部材である離型リング４と、上型１，下型２を覆うスリーブ５と、上型１を支持する上軸６と、下型２を支持する下軸７と、上型１，下型２，スリーブ５の周囲に配される型加熱用熱源の１つである複数の赤外線ランプヒータ１１と、密閉炉８と、ベース板９と、図示しないフレームに支持されて、上軸６を上下方向に移動させるサーボモータ、または、エアーシリンダからなる駆動装置１０とを有してなる。

なお、駆動装置１０と密閉炉８との嵌合部は、シール用のＯリング１６を介して嵌合しており、駆動装置１０が密閉炉８に対して上下方向に可動状態となっている。

上型１，下型２は、ガラス素材３からガラスレンズ３Ａを成形するに足る温度領域で十分な強度を有する材料であって、超硬合金、または、ＳＩＣ等によって形成され、その線膨張係数は、超硬合金の場合、およそ４．８×１０^−６／℃であり、ＳＩＣの場合、４．０×１０^−６／℃である。上型１の凸状成形面１ａと下型２の凹状成形面２ａは、それぞれ鏡面になっている。また、上型１，下型２内部には、それぞれ型加熱用熱源であるカートリッジヒータ１２，１３、および、型温度検出用の熱電対１４，１５が埋め込まれている。

離型リング４は、リング形状の部材であって、ガラス素材３を成形するに足る温度領域で十分な強度を有した超硬合金からなる。その線膨張係数は、上型１のそれより大きい値であって、５．４〜６．８×１０^−６／℃である。この離型リング４は、上端側が上型１の軸部に嵌入して固着されており、離型リング４の下部には、上型１の凸状成形面１ａの上方部周囲位置に円状開口部が配される。該開口部の内径先端部４ｃは、上型１，離型リング４の膨張収縮時、図２，図４（Ａ）に示すように上型１の凸状成形面１ａ上部側方に対して当接することはなく、接近して位置する。

そして、離型リング４には、開口部内径先端部４ｃから下面側外方に向けて下方に傾斜する円錐内面状のテーパ部であるテーパ面４ａが形成されている。すなわち、テーパ面４ａは、上型１の凸状成形面１ａの周囲に沿って該凸状成形面１ａと逆向きになるテーパ面を形成している。上型１でガラス素材３を押圧成形したとき、テーパ面４ａでガラス素材３の周縁上面が押圧され、テーパ面４ａに沿った形状にガラス素材３（ガラスレンズ３Ａ）の周縁部３ａが形成される。なお、形成された周縁部３ａの内径側が離型リング４の内径先端部４ｃの上方側に凸状に膨らむことがないようにテーパ面４ａによるガラス素材３の押圧量を設定する必要がある。これは、後述する離型動作時、離型リング４が内径側に収縮しようとするとき、内径先端部４ｃがガラスレンズ３Ａに干渉することなく、テーパ面４ａが上型１，ガラスレンズ３Ａに対して内径側に相対移動できるようにするためである。

さらに、離型リング４の上端側上型固着部から上記開口部までの間は、筒状部が形成されており、その内周面４ｂは、上型１の軸部に対して収縮時に干渉しないだけの隙間のある状態で上型１の軸部に挿入されている。従って、上型１と離型リング４が成形後、冷却したとき、離型リング４の上型１との固着部以外は、上型１と干渉することなく収縮変形が可能である。

上軸６は、駆動装置１０によって駆動され、上型１を下方向Ｄ1 、または、上方向Ｄ2 に移動させる。上軸６の上端部は密閉炉８の嵌合部よりも径が大きく、駆動装置１０を上昇させると密閉炉８の嵌合部に引っ掛かり、密閉炉８を上昇させ、駆動装置１０を下降させると、密閉炉８はベース板９に載置された後は駆動装置１０の下降動作の影響を受けないようになっている。

下軸７は、本成形装置２０のベース板９の上部に固定支持されている。なお、上軸，下軸６，７には、それぞれ型冷却用の冷媒である純水が流通可能な冷却経路（図示せず）が設けられている。

スリーブ５は、円筒形状のセラミックス材料で形成され、上方部が上型１に固着され、かつ、精密嵌合（隙間５μｍまたはそれ以下の極めて少ない状態）し、下型２に対してスライド可能に精密嵌合（隙間５μｍ程度の極めて少ない状態）している。従って、赤外線ランプヒータ１１による照射熱は、スリーブ５を介して上型１，下型２に効率よく伝達される。

カートリッジヒータ１２，１３は、上型１，下型２を熱伝導により加熱する。かつ、上記型を介してガラス素材３を加熱する。

赤外線ランプヒータ１１は、密閉炉８の内側壁に固定支持されており、スリーブ５の外周に沿って位置する。

カートリッジヒータ１２，１３や赤外線ランプヒータ１１、また、上記冷媒は、熱電対１４，１５によって検出される型温度に基づいて成形装置２０の図示しない制御部により制御され、各工程時におけるガラス素材３および上，下型１，２の温度制御が行われる。

密閉炉８は、上型１，下型２，スリーブ５の周囲空間を密閉、または、開放可能な炉であって、成形中、密閉状態にあるとき、真空または非酸化雰囲気で充満できるようにそれぞれの接触部にはシールが施されている。また、ガスの排気口と導入口とか設けてあり、成形中、該排気口，導入口を介して炉内は真空排気、さらに、非酸化性ガス導入が可能である。

ガラスレンズ３Ａは、例えば、ランタン系ガラス等のガラス素材３により成形されるガラス成形体であって、上面側が非球面の凹形状を有し、下面側が非球面の凸形状をもつメニスカスレンズである。ガラス素材３は、予め研削研磨でガラスレンズ３Ａの近似形状に加工されている。

上述した構成を有するガラス成形装置２０によりガラスレンズ３Ａを成形し、離型する工程について、図２，３，４（Ａ）〜４（Ｃ）を用いて説明する。

まず、ガラス素材３をオートローダ（図示せず）によって搬送し、下型２上に載置する。そして、密閉炉８を密閉状態とする。

上型１をＤ1 方向に降下させ、ガラス素材３の表面近傍に上型１の凸状成形面１ａが到達したとき、上型１を一旦停止させる（図２）。そこで、密閉炉８内を真空状態とし、非酸化性ガスである窒素ガスで置換する。そして、ガラス成形装置２０の上記制御部のコントロールのもとでカートリッジヒータ１２，１３や赤外線ランプヒータ１１に通電し、上型１，離型リング４，下型２，スリーブ５、および、ガラス素材３の加熱を開始する。ねらいの温度（ガラス素材の転移点を上回る温度、例えば、５００°Ｃ〜６００°Ｃ）に到達したら上型１をＤ1 方向に再降下させて型閉じ状態とし、凸状成形面１ａ，凹状成形面２ａによりガラス素材３を押圧する。そして、所定量の押圧後、カートリッジヒータ１２，１３および赤外線ランプヒータ１１の通電を停止させる。一方、冷却経路に冷媒としての純水を通して冷却工程に入り、型の冷却を開始する。上記冷却により上，下型およびガラスレンズの熱は、上記冷媒を介して系外に放出される。ガラス素材３は、押圧成形されてガラスレンズ３Ａの形状となる。また、ガラスレンズ３Ａの周縁上側には、離型リング４のテーパ面４ａで押圧され、周縁部３ａが形成される。

図３，図４（Ａ）は、上述した型閉じ状態（加熱状態）でのガラス素材３の押圧成形終了状態を示している。この状態では、上型１の凸状成形面１ａと離型リング４のテーパ面４ａは、ともに外周方向に温度上昇分だけ膨張しており、その膨張量の差δは、前述した上型１と離型リング４との線膨張係数の差に比例した量であり、離型リング４の方が大きく外径側に膨張する。

上，下型温度が所定の温度（転移点以下）まで下がったとき、押圧を終了し、上型１を駆動装置１０によって上昇させて型開きを行うが、その上昇量は、成形初期に上型１を降下させた距離よりも少なく、上軸６の上端部分で密閉炉８を引き上げない程度とする。この状態では、図４（Ｂ）に示すようにガラスレンズ３Ａは、一時的に上型１に貼り付いた状態でともに上方に移動する。この現象は、上型１の鏡面である凸状成形面１ａがガラスレンズ３Ａの凹面が収縮作用によってさらに強力に吸着されるために生じる。

図４（Ａ）の押圧成形後から図４（Ｂ）に型開き状態での冷却期間において、ガラスレンズ３Ａ，上型１の凸状成形面１ａ，離型リング４のテーパ面４ａともに収縮するが、その収縮量は、上述した押圧成形時までに膨張した量に相当する量であり、離型リング４のテーパ面４ａは、上型１の凸状成形面１ａに対して前述した膨張量の差δに対応した収縮量差だけ内径方向に微少量相対移動する。このようにテーパ面４ａが凸状成形面１ａに対して内径側に相対移動することによってガラスレンズ３Ａは、周縁部３ａを介して離型方向である下方への押圧力を受ける。この押圧力は、離型リング４を収縮量の差だけ変形させる強い力であって、ガラスレンズ３Ａを上型１から離型させるに足る力である。

このとき、上型１と離型リング４とは軸方向に収縮するが、上，下型１，２側から冷却を行っているために上，下型１，２の方から先に収縮し、離型リング４の収縮は遅れる。従って、テーパ面４ａによるガラスレンズ３Ａへの離型方向の押圧力がさらに作用することになる。

図４（Ｂ）の型開き状態で所定の時間、放置後、図４（Ｃ）に示すように上述した収縮作用による押圧力でガラスレンズ３Ａは、上型１から離型され、下型２の凹状成形面２ａ上に落下する。その後、上，下型１，２の型温度が酸化しない温度（２００°Ｃ）まで下がったとき、駆動装置１０によって上軸６を上昇させ、上軸６の上端部分で密閉炉８を引っ掛けて持ち上げる。ガラスレンズ３Ａは、オートローダー（図示せず）によって外部に取り出される。

上述した本実施形態のガラス成形装置２０によれば、成形されたガラスレンズ３Ａに対して衝撃や引き離し外力を与えることなく上型１から容易に、かつ、確実に離型させることができ、成形品の歩留まりや生産性を向上させることができる。

なお、本実施形態のガラス成形装置２０では、上型１側を可動型としてが、これに限らず、上型１側を固定型とし、下型２側を可動型として、他は同様な構成を適用することも可能である。

この発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明によるガラス成形装置、または、ガラス成形方法は、成形型に貼り付いたガラス成形体を容易に、かつ、確実に剥離することが可能なガラス成形装置、または、ガラス成形方法として適用できる。

本発明の一実施形態であるガラス成形装置の主要部を示す断面図である。図１のガラス成形装置における成形前の状態での型まわりの要部断面図である。図１のガラス成形装置における押圧成形後の状態での型まわりの要部断面図である。図１のガラス成形装置における成形，離型動作状態を示す型まわりの要部断面図であって、図４（Ａ）は、型閉じ状態であって、押圧成形直後の状態を示し、図４（Ｂ）は、型開き状態で離型動作中の状態を示し、図４（Ｃ）は、離型後の状態を示す。

符号の説明

１ …上型（一対の型，一方の型）
２ …下型（一対の型）
３ …ガラス素材
３Ａ…ガラスレンズ（ガラス成形体）
４ …離型リング（離型部材）
４ａ…テーパ面（テーパ部）

代理人弁理士伊藤進

Claims

一対の型の相対移動によりガラス素材を成形するガラス成形装置において、
テーパ部を有し、上記一対の型の一方の型に固着され、該一方の型と該固着された部分以外は該一方の型と干渉することなく内径側に収縮可能となっていて、上記一対の型の一方の型と共に上記一対の型の他方の型に対して相対的に移動可能であって、上記ガラス素材から成形されたガラス成形体を上記一方の型から剥離するため、上記ガラス成形体が転移点以下になると熱収縮により上記内径側に収縮し上記ガラス成形体を押圧して上記一方の型に貼りついた上記ガラス成形体を剥離する離型部材を具備することを特徴とするガラス成形装置。