JP5317962B2 - ガラス成形体の製造方法およびモールドプレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、任意形状の成形面を有する上型及び下型と、これらの型が互いの成形面が向き合うように対向配置されて同軸状に挿入される胴型とを含む成形型を用いて、ガラス素材をプレス成形するガラス成形体の製造方法およびモールドプレス成形装置に関する。さらに詳しくは、成形型およびガラス素材を別々に予熱してプレス成形する際における熱変形などに起因する成形型の偏心（シフトおよびティルト）を防止して、光学ガラスレンズなどのような高い形状精度が要求されるモールドプレスを行うためのガラス成形体の製造方法、およびモールドプレス成形装置に関する。

ガラス素材を用いて非球面レンズなどの光学素子を製造する方法として、得ようとする成形体の形状に対応した、互いに対向する成形面を有する一対の上下型によって、加熱して軟化状態とした成形素材をプレス成形し、これらの型の成形面を転写するモールドプレス成形法が知られている。

また、モールドプレス成形を実施するために用いる成形型の成形面の劣化を防止するとともに、成形サイクルタイムを短縮化するために、成形型と成形素材とをそれぞれ別々に予熱し、予熱された成形素材を成形型に供給して直ちにプレス成形を行う方法（非等温プレス成形法）が知られている。

これらの方法は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１や特許文献２に開示された方法では、ガラス素材及び成形型を予熱しておくことにより、ガラス素材を下型に供給後、直ちに上下型の型閉めを開始してプレス成形を行っている。そして、成形型をガラス転移点以下まで冷却し、型開きを行ってガラス成形体を取り出すようにしている。このような方法によれば、サイクルタイムを短縮して生産性を維持しつつ、面精度の優れたガラス成形体の成形が可能である。
特開平１１−１７１５６４号公報 特開２００４−３３９０５９号公報

デジタルカメラなどの撮像機器や、光ピックアップ装置、カメラ付き携帯電話器等に用いられる光学素子は、その光学的要求性能が極めて高い。このような光学素子を、精密モールドプレス成形により、かかる要求を満すように成形するためには、上下型の同軸性を、連続プレス工程の間を通じて極めて高く維持することが求められる。例えば、上型成形面と下型成形面との相互の水平方向のズレ（シフト）は、１０μｍ以内、好ましくは、５μｍ以内、相互の傾き（ティルト）は、２分以内、好ましくは、１分以内であることが要求される。

したがって、胴型と上下型との間に許容されるクリアランスは、最大でも１０μｍ以下となり、この状況下で確実に上下型の接近が連続的に行われなくてはならない。しかしながら、このような狭いクリアランスでの摺動を維持して、数百〜数万回もの連続プレスを行うことは一般に困難である。

上記の特許文献１に開示されている成形装置では、上型及び下型は、それぞれ上母型及び下母型によって支持され、上母型が成形装置に固定されるとともに下母型が上下動可能なシリンダに取り付けられ、下母型の上昇に伴って下型が胴型内に挿入される。更に下母型が下型を押し上げると、ガラス素材を介して上型がわずかに上昇するが、上母型に上型が当接することで上型のプレス軸方向の移動が規制され、下型の上昇に伴って、下型と上型により軟化したガラス素材をプレス成形する。

このようなプレス成形動作は、３５０℃〜８００℃の温度環境下で行われるので、成形装置や駆動軸、あるいは各母型などに熱変形が生じ、上下型の同軸性を精度高く維持することは極めて困難である。また、上下型を挿入した胴型は、単にガイドとしての機能を果たすだけであるため、上下型および胴型の位置関係が必ずしも保持されず、胴型の内周面と上下型の外周面とのクリアランスの範囲内で、胴型および上下型が相対的に傾いたり、センターずれを起こしたりするおそれがある。

また、生産効率を向上するためには、特許文献１の図６等に開示されているように、上型と下型を複数組支持し、これらを同時にプレス成形することが望ましい。しかしながら、特許文献１に記載の成形装置の場合、複数組の成形型の高さにバラツキがあっても、共通の押圧ヘッドで各成形型を同時に押し付けるため、当該バラツキに起因して成形されるガラス成形体の肉厚のバラツキが生じてしまい、極めて高精度のガラス成形体を同時に生産することが困難である。

次に、特許文献２に開示されている成形装置では、下型の成形面上に加熱軟化したガラス素材を供給し、下母型及び下型を上昇させて案内型内に下型を挿入し、上母型により上方への移動を規制された上型と、下母型を介して上昇する下型とによりガラス素材に対して一次加圧を行い、しかる後に押し棒によって上型に比較的弱い荷重（二次加圧）をかけながら所定温度まで冷却し、ガラス成形体を成形している。

しかしながら、かかる成形装置によれば、下型および案内型がそれぞれ下母型、上母型により殆ど身動きできない状態で保持されているため、高温環境下で上母型と下母型の相対的な軸ずれや傾きが生じた場合であっても、下型を案内型内に強引に挿入することになり、下型と案内型同士の擦れやかじりが発生するおそれがある。その結果、成形されるレンズの偏心精度が悪化する。

モールドプレス成形において、成形型の同軸性が精度良く維持されていないと、下型と胴型の間に擦れやかじりが生ずる。プレス時には大きな荷重が作用するので、擦れやかじりが発生すると、成形体にかかるべき荷重が胴型、下型間に吸収され、プレス圧力が成形体に不均一に作用し、面精度、肉厚精度の劣化や、胴型、下型の破損などが生じる。

また、擦れやかじりによって生じた磨耗粉が成形体に付着すると、成形体は外観不良となる。さらに、こうした擦れやかじりが発生すると、胴型と下型間のクリアランスが所定範囲を超え、結果として胴型による下型の位置規制が緩くなる。これは、上型と下型の同軸性が失われることを意味し、上型と下型間の水平方向の軸ずれ（シフト）や、上型と下型の相対的な傾き（ティルト）が生じる。特に、成形体が光学素子である場合には、深刻な性能劣化となる。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、所定温度に予熱したガラス素材を上下型および胴型を含む成形型に供給してプレス成形するにあたり、胴型内に下型を挿入して成形型を組み立てガラス素材に荷重を加える前までは、胴型や上型を上母型に対して移動可能な状態に保持でき、プレス成形開始後は上下型および胴型が正しい姿勢を維持しながらプレス成形することができ、これによって、高精度の光学素子などの成形体を効率良く安定して製造できるようにしたガラス成形体の製造方法およびモールドプレス成形装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、成形面を有する上型及び下型と、これら上型及び下型を挿入して両者の軸ずれを規制する胴型とを含む成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス成形するガラス成形体の製造方法において、
上母型によって前記胴型を支持し、この胴型内に挿入した前記上型を、前記上母型によってプレス軸方向の移動が規制されない状態で当該胴型によって支持し、前記上型を押圧するための上型押圧手段を配置し、前記上型と同軸状態となるように下母型によって前記下型を支持しておき、
前記ガラス素材を前記下型の成形面に供給し、
前記下母型を前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に接近させ、当該下母型に支持されている前記下型を前記胴型内に挿入して、前記下型の成形面に載せた前記ガラス素材が当該下型の成形面と前記上型の成形面の間に挟まれた状態を形成し、
この状態で、前記下母型を前記上母型に対して更に相対的にプレス軸方向に接近させることにより、前記上型を前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に押し上げると共に、前記胴型の胴型側当接面を前記下型の下型側当接面にプレス軸方向から当接させた状態を形成し、
前記下母型の前記上母型に対する相対的な移動を止めた後に、前記上型押圧手段によって前記上型を押圧して、前記ガラス素材を変形させて前記上型及び前記下型の各成形面形状に対応する光学機能面を有するガラス光学素子を製造することを特徴としている。

本発明の方法では、上母型に対して、上型がプレス軸方向に移動可能であり、上型のプレス軸方向の移動が上母型によって拘束あるいは規制されていない。また、胴型も上母型によってプレス軸方向に移動可能に保持されるが、胴型の移動範囲を上母型によって規制することもできる。加熱軟化したガラス素材を配した下型を胴型に挿入する際には、上型は上母型に拘束されずプレス軸方向に移動可能な状態にあるので、下型挿入時には、上型がプレス軸方向あるいは、上型と胴型の間のクリアランスおよび胴型と上母型の間のクリアランス分だけプレス軸方向に直交する横方向に自由に移動して、これらの間にかじりや擦れを生ずることなく、これら胴型と下型の軸ずれ、傾きが補正された状態で組み付けられる。また、胴型が下型にプレス軸方向から当接することにより、これらの相対的な位置が規定されるので、胴型と下型が傾きの無い組み付け状態になる。そして、このような成形型の組み付けが完了するまでは、成形型内のガラス素材にはプレス荷重がかからないため、ガラス素材が軟化状態にあっても実質的な変形はしない。

このように上型が挿入された胴型と下型が当接して精度良くこれらが組み付けられた後に、上型押圧手段によって上型が押圧されることにより、はじめてガラス素材のプレス成形が行われる。上型は胴型内にプレス軸方向に移動可能な状態で挿入されており、上母型によって直接支持されていない。したがって、高温環境下で上母型と下母型の相対的な軸ずれや傾きが生じている場合であっても、このような軸ずれ、傾きの影響を受けることなく、胴型に沿って上型を押圧することができる。換言すると、上下の型および胴型の正しい姿勢が維持されながらプレス成形を行うことができる。

また、下型を胴型に挿入する工程において、下型の成形面に載せたガラス素材によって上型がプレス軸方向に押し上げられるため、ガラス素材に実質的な押圧力が加わらずに上下型および胴型を含む成形型を高精度に組み立てることができる。また、胴型と下型とが当接した状態で、押し上げられた前記上型を上型押圧手段で押圧することによって初めてガラス素材の実質的な変形が始まる。したがって、高精度のガラス成形体を製造することができる。

したがって、本発明の方法によれば、下型と胴型の擦れやかじりが発生することなく、また、上型と胴型の擦れやかじりが発生することなく、高精度の光学素子などの成形体を効率良く安定して製造できる。

ここで、本発明の方法では、前記下母型を前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に接近させる動作を、前記胴型を前記下型に当接させた状態が形成された後に、前記下母型が前記上母型に当接するまで行い、これら下母型および上母型が当接した状態で、前記上型押圧手段により前記上型を押圧することを特徴としている。上下の母型を当接状態に保持することにより、上下の母型が位置ずれを生じることなく一体化されるため、プレス動作を安定して行うことができる。

また、本発明の方法では、前記上型を押圧する工程の終了時点において、前記上型押圧手段によって前記上型と共に前記胴型を押圧して、前記胴型を前記下型にプレス軸方向から押し付けた状態を形成することを特徴としている。押圧の最終段階において、胴型が下型に押し付けられて、これらの相対的な位置が保持される。この結果、上型、下型および胴型は、軸ずれおよび傾きの無い状態で相互に位置決めされた状態に拘束されるので、ガラス素材のプレス成形を極めて高い偏心精度で行うことができる。

さらに、本発明の方法では、前記胴型を所定の力でプレス軸方向に沿って下型側に付勢した状態に保持することを特徴としている。胴型に下型が挿入されて、当該胴型が下型に当接した状態が形成された後は、当該付勢力によって当接状態が保持される。よって、胴型と下型が傾きの無い位置決め状態に保持される。

また、本発明の方法では、前記上型は前記胴型の端部を押圧可能な大きさのフランジ部を有し、前記ガラス素材を載せた下型を前記胴型に挿入したとき、前記フランジ部と前記胴型の端部とが離間した状態が形成され、しかる後、前記上型押圧手段によって前記フランジ部を押圧することを特徴としている。

また、本発明の方法では、前記ガラス素材を前記下型の成形面に供給する工程では、１０^６〜１０^１０ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度に加熱した前記ガラス素材を、当該ガラス素材が１０^７〜１０^１２ｄＰａ・ｓの粘度となる温度に相当する温度に予熱された前記下型上に供給することを特徴としている。なお、ガラス素材の温度が下型の温度よりも高い方が好ましい。

次に、本発明の方法では、前記成形型を複数組配置しておき、各成形型における前記上型を押圧する工程では、各成形型にそれぞれ配置した個別の上型押圧手段を用いて各上型を個別に押圧することを特徴としている。

このように、複数組の成形型を同時に用いることにより、プレス成形の生産効率を向上させることができる。また、個別の上型押圧ヘッドによって各成形型の上型を押圧しているので、複数組の成形型の高さにバラツキが影響されることなく、各成形型において肉厚にバラツキの無い極めて高精度のガラス成形体を同時に生産することができる。

次に、本発明は、成形面を有する上型及び下型と、これら上型及び下型を挿入して両者の軸ずれを規制する胴型とを含む成形型を備え、加熱軟化したガラス素材を当該成形型に供給してプレス成形するモールドプレス成形装置において、
前記胴型は、上母型によって支持され、
前記胴型内に挿入した前記上型は、前記上母型によってプレス軸方向の移動が規制されない状態で当該胴型によって支持され、
前記下型は、前記上型と同軸状態となるように、下母型によって支持され、
前記胴型および前記下型には、前記下母型を前記上母型に対してプレス軸方向に相対的に接近させると、プレス軸方向から相互に当接可能な胴型側当接面および下型側当接面がそれぞれ形成されており、
前記胴型にガラス素材を載せた前記下型を挿入すると、前記下型の成形面に載せた前記ガラス素材によって前記上型が前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に押し上げられる状態が形成されるようになっており、
前記上型を押圧するための上型押圧手段は、これら胴型側当接面および下型側当接面が当接した後に前記上型を押圧するようになっていることを特徴としている。

ここで、胴型の端面と上型の端面を同一平面上もしくは胴型の端面よりもわずかに低い位置に位置させておけば、胴型にガラス素材を載せた下型を挿入すると、前記下型の成形面に載せた前記ガラス素材によって前記上型の端面が胴型の端面よりもプレス軸方向に押し上げられた状態を形成することができる。その際、ガラス素材にはプレス荷重がかからないため、ガラス素材は実質的に変形しない。したがって、前記上型押圧手段の押圧面を、前記上型の端面および前記胴型の端面を押圧可能な大きさの平坦面としておけば、前記上型を押圧して胴型に押し込むと、前記胴型も前記上型押圧手段によって同時に下方に押圧された状態になる。この結果、胴型および下型の間では、胴型側当接面が下型側当接面に押し付けられて、これらの相対位置が規定される。これにより、上型、下型および胴型の３部品が相対的に位置決めされた状態が確保される。

次に、前記胴型をプレス軸方向に沿って下型側に付勢している付勢手段を配置しておけば、胴型に下型が挿入されて胴型側当接面と下型側当接面の当接状態が形成された後は、付勢手段の付勢力によって当該当接状態が確実に保持される。

また、前記下母型を前記上母型に対して相対的に上昇させて前記胴型側当接面および前記下型側当接面が当接した後に、前記上母型および前記下母型を当接させるようにすることが望ましい。このようにすれば、上下の母型の位置が固定された状態でプレス成形を行うことができる。

次に、生産性を高めるために前記成形型を複数組配置した場合には、各成形型に前記上型押圧手段をそれぞれ配置し、各上型押圧手段により各成形型の上型を個別に押圧することが望ましい。各成形型の高さにバラツキがあった場合においても、各成形型において一定の肉厚のガラス成形品を高精度で同時生産することができる。

本発明を適用した実施の形態１に係るモールドプレス成形装置の概略構成図である。 図１のモールドプレス成形装置の成形動作を示す動作説明図であり、ガラス素材の供給時点の状態を示す。 図１のモールドプレス成形装置の成形動作を示す動作説明図であり、胴型に下型が組み込まれた状態を示す。 図１のモールドプレス成形装置の成形動作を示す動作説明図であり、プレス状態を示す。 図１のモールドプレス成形装置の成形動作を示す動作説明図であり、プレス終了時点の状態を示す。 本発明を適用した実施の形態２に係るモールドプレス成形装置の概略構成図である。 本発明を適用した実施の形態３に係るモールドプレス成形装置の概略構成図である。 図１のモールドプレス成形装置と従来構成の成形装置により成形した成形品のティルトとシフトに関する評価グラフである。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したモールドプレス成形装置の実施の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１にかかるモールドプレス成形装置の概略断面図であり、図２〜図５はその動作を示す動作説明図である。モールドプレス成形装置１は、そのプレス軸方向１ａが上下方向となるように配置されている。したがって、以下の説明ではプレス軸方向１ａを上下方向として説明する。

（主要部の構造）
実施の形態１に係るモールドプレス成形装置１は、それぞれの成形面２ａ、３ａが対向配置された上型２および下型３と、円筒状の胴型４とを備えている。胴型４は、プレス軸方向１ａ（上下方向）に移動可能な状態で、上母型５に支持されている。胴型４内には、上側から上型２が挿入されており、当該上型２は上下方向に移動可能な状態で当該胴型４によって支持されている。胴型４の下方には、上型２と同軸状態となるように下型３が配置されており、下型３は下母型６によって支持されている。

上型２の真上には当該上型２を下方にプレスするための上型押圧手段７が配置されている。また、上母型５は支持部材８を介してプレス装置の筐体１００の側に固定されている。一方、下型３を支持している下母型６は下型支持手段９によって支持されており、下型支持手段９は上下方向（プレス軸方向１ａ）に昇降可能となっている。

これら主要部の構造を詳しく説明する。まず、支持部材８および上母型５には同軸状に中心穴８ａ、５ａが形成されており、この中を上型押圧手段７のプレスヘッド７ａが昇降可能である。上母型５の中心穴５ａの下端部分は小径内周面５ｂとされ、ここを通って胴型４の下側部分が上母型５の下端面５ｃから下方に突出している。胴型４は、その円形外周面４ａに形成した大径のフランジ部４ｂが上母型５の小径内周面５ｂの上側に形成されている上向きの円環状段面５ｄに当接している。胴型４の円形外周面４ａと上母型５の小径内周面５ｂとの間には所定のクリアランスが設けられており、胴型４の水平方向（プレス軸方向１ａに直交する方向）へのわずかな移動を許容している。

本実施の形態では、上母型５の中心穴５ａの内周面に沿って配置した圧縮コイルばね１１によって、胴型４のフランジ部４ｂが上母型５の円環状段面５ｄに付勢された状態に保持されている。この圧縮コイルばね１１を省略することも可能である。

胴型４は、その軸線方向の両側に形成された円形の内周面部分４ｃ、４ｄと、これらの間に形成された円形の小径内周面部分４ｅとを備えており、上側の内周面部分４ｃと小径内周面部分４ｅの間には上向きの円環状段面４ｆが形成されている。胴型４に上側から挿入されている上型２は、先端面が成形面２ａとなっている上型本体部分２ｂと、この後端に形成された大径のフランジ部２ｃとを備えており、上型本体部分２ｂとフランジ部２ｃの間には下向きの円環状段面２ｄが形成されている。上型２の上型本体部分２ｂが胴型４の小径内周面部分４ｅに移動可能に挿入され、その円環状段面２ｄが胴型４の円環状段面４ｆに上側から当接している。この状態においては、上型２の上端面２ｅは、胴型４の上端面４ｇと同一平面上に位置している。なお、上型２の上端面２ｅを胴型４の上端面４ｇよりも数１０μｍ〜数ｍｍ程度低くなるようにしても良い。また、上型２と胴型４の間には所定のクリアランス（例えば、１〜５μｍ）が設けられており、これらは相対的に水平方向にわずかな移動が可能である。

下型３は、上端面に成形面３ａが形成されている下型本体部分３ｂと、この下端側に形成された大径のフランジ部３ｃとを備えており、これら下型本体部分３ｂおよびフランジ部３ｃの間には上向きの円環状段面３ｄが形成されている。この形状の下型３は、下母型６に形成した下型装着穴６ａにプレス軸方向１ａの移動が拘束された状態で装着されている。下型装着穴６ａの開口側の円形内周面６ｂと、下型３の下型本体部分３ｂの外周面３ｅとの間には円環状凹部１２が形成されており、ここには、胴型４の下側部分を、その下端面４ｈが円環状段面３ｄに当接するまで挿入可能である。下型３のフランジ部３ｃと、これを取り囲んでいる下母型６の内周面部分６ｃとの間には所定のクリアランスが設けられており、下型３は下母型６に対して水平方向に僅かに移動が可能である。

次に、上型押圧手段７は、プレスヘッド７ａを駆動するためのサーボモータ、油圧シリンダ、エアシリンダ等からなる駆動手段（不図示）を備えている。プレスヘッド７ａのプレス面７ｂは円形の平坦面であり、上型２の上端面２ｅよりも一回り大きく、胴型４の上端面４ｇにも当接可能となっている。下型支持手段９は、下型３が装着されている下母型６を支持している支持部９ａと、この支持部９ａをプレス軸方向１ａに沿って昇降する昇降機構（図示せず）とを備えている。

上母型５および下母型６の周囲には、これら上母型５および下母型６、したがって、それらによって支持されている上型２、下型３、胴型４を加熱する加熱手段１３が配置されている。この加熱手段１３は、高周波加熱コイル、赤外線ランプヒータ、抵抗加熱コイル等任意の加熱手段とすることができる。

なお、上型２、下型３、胴型４の素材としては、例えば、炭化珪素、珪素、炭化タングステン、酸化アルミニウムや炭化チタンのサーメット等を用いることができる。これらの素材からなる型の表面に、ダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などの離型膜を被覆してもよい。特に、炭化珪素焼結体上にＣＶＤ法により炭化珪素膜を形成して、仕上がり形状に加工した後に、ガラス素材と成形面との離型性を向上させるために、例えば、炭素系膜を成形面に形成することが望ましい。上母型５および下母型６の素材としては、超硬合金、炭化タングステン、タングステン合金、窒化珪素等のような加熱手段１３によって効率的に加熱されやすい材料を用いることができる。

（成形動作）
図１〜図５を参照してモールドプレス成形装置１によるガラス素材のモールドプレス成形動作を説明する。

まず、図１に示す待機状態において加熱手段１３によって上型２、下型３および胴型４を含む成形型を予熱する。次に、図２に示すように、下型支持手段９を下降させて上下型２、３を大きく離し、この状態で両凸曲面形状に予備成形したガラス素材ＰＦを下型３の成形面３ａ上に供給する。ガラス素材ＰＦの供給に際しては、任意の搬送治具を用いて、下型３上にガラス素材ＰＦを搬送し、配置することができる。

このとき、ガラス素材ＰＦは、プレス成形に適した粘度に予め予熱されていることが好ましい。例えば、粘度で１０^６〜１０^１０ｄＰａ・ｓ相当の温度に予熱しておくことが好ましい。また、上下型２、３も、例えば、プレス成形の対象とするガラス素材ＰＦの粘度で１０^７〜１０^１２ｄＰａ・ｓ相当の所定温度に予熱しておくことが好ましい。さらに、ガラス素材ＰＦの予熱温度は、上下型２、３の予熱温度より高いことが好ましい。このような温度条件を充足すると、成形サイクルタイムが短く、また、成形するレンズの面精度も良好であり、量産上極めて有利である。

ガラス素材ＰＦの搬送、供給方法に特に限定は無い。ただし、ガラス素材ＰＦを上記のように予熱した場合、ガラス素材ＰＦの搬送時に、搬送治具との接触によって表面欠陥が生じることがあるため、ガスによって搬送治具上でガラス素材ＰＦを浮上させ、実質的に治具との非接触状態を維持して搬送、供給することが好ましい。

次に、図３に示すように、下型支持手段９を上昇させて、上母型５と下母型６とを接近させる。図３は上母型５の下端面５ｃと下母型６の上端面６ｄとが当接しきった状態を示している。

両母型５、６が接近する過程では、胴型４内に下型３の下型本体部分３ｂが挿入される。胴型４の下端面４ｈの内周縁にはテーパー面４ｉが形成されているため、胴型４と下型３の軸心が多少ずれていても、このテーパー面４ｉにガイドされながら、下型３が水平方向にスライドして胴型４内に下側から挿入される。なお、胴型４と下型３のクリアランス（ラジアルギャップ）は１μｍ〜５μｍ程度に設定されている。

さらに、下型３が上昇すると、圧縮コイルばね１１によって下方に付勢されている胴型４の下端面４ｈ（胴型側当接面）が下型３のフランジ部３ｃの円環状段面３ｄ（下型側当接面）に当接する。この時点では、まだ上母型５と下母型６とは当接していない。胴型４の下端面４ｈが下型３の円環状段面３ｄに上側から当接することにより、これら胴型４と下型３が傾き無く位置決めされた状態が形成される。

この後は、下型３が上昇するにしたがって胴型４は上方に押し上げられるが、圧縮コイルばね１１の付勢力により下型３を下母型６の側に押さえ付ける力が徐々に増加する。これにより下型３と胴型４の位置が保持される。

また、下型３の成形面３ａに載せたガラス素材ＰＦは上型２の成形面２ａに当接した後は上型２を押し上げる。このとき、ガラス素材ＰＦは加熱軟化された状態にあるが、上型２には圧力がかかっておらず、上方への移動を規制する部材もないため、上型２の自重のみがガラス素材ＰＦに作用する。しかしながら、ガラス素材ＰＦは上型２の自重程度ではほとんど変形しない粘度にあるため、下型３の上昇に伴い上型２が押し上げられる。

圧縮コイルばね１１が収縮しきる前に上母型５と下母型６が当接し、この時点で、下型支持手段９の上昇が停止する。なお、この時点においても、上型押圧手段７のプレスヘッド７ａのプレス面７ｂは、押し上げられた上型２の上端面２ｅよりも上方に位置しており、上型２には接触していない。

このように、胴型４に下型３を挿入して組み込む下型組込工程においては、上型２が上下動可能に胴型４内に挿入され、胴型４が上母型５に対して（ばね力で付勢されてはいるものの）上下動可能に支持されている。よって、下型３が胴型４内に挿入されるに際し、上下型２、３および胴型４に無理な力が加わらず同軸状態となる。よって、胴型４および下型３に擦れやかじりが生ずることなく、型閉めが行われる。

次に、上型押圧手段７によるプレス動作が開始する。図４は上型押圧手段７により上型２を押圧してガラス素材ＰＦをプレス成形する初期の動作説明図であり、図５はプレス成形終了時点の動作説明図である。

まず、図４において、上母型５と下母型６が当接し、かつ胴型４の下端面４ｈが下型３のフランジ部３ｃの円環状段面３ｄに当接した状態で、上型押圧手段７により上型２を押圧する。

上型押圧手段７のプレスヘッド７ａのプレス面７ｂは、先に述べたように、上型２の上端面２ｅよりも大きく、胴型４の上端面４ｇの外径と同等もしくはそれ以下に設定されている。プレス成形初期の段階では、上型２が胴型４の上端面４ｇから上方に突出しているため、上型押圧手段７は上型２の上端面２ｅにのみ当接し、当該上型２のみを押圧する。上型押圧手段７によるプレス圧は、たとえば数ｋｇｆ〜数百ｋｇｆとすることができる。このとき、下型支持手段９は、移動動作は停止しているものの、上型押圧手段７の荷重を受けて上母型５と下母型６が離間しないように、所定の圧力で下母型６を支持している。

上型押圧手段７により上型２を押圧し続け、やがて上型２の上端面２ｅが胴型４の上端面４ｇと同一高さ位置になると、図５に示すように、上型押圧手段７のプレス面７ｂは胴型４の上端面４ｇにも接触し、上型２と共に胴型４を下型３に向けて所定の荷重で押圧する。この結果、プレス成形終了時点では、胴型４が下型３に押し付けられ、すなわち、胴型４の下端面４ｈが下型３のフランジ部３ｃの円環状段面３ｄに上側から押し付けられ、それらの相対位置が保持される。よって、上下型２、３および胴型４の同軸状態を維持しながらプレス成形が行われるため、偏心の極めて少ない高精度の成形品を成形することができる。

次に、図５の状態において、加熱手段１３による加熱を停止するとともに、冷却ガスを両母型５、６内に流入すると共に外からも吹き付けて、成形型２、３、４および成形体Ｐを冷却する。そして、成形型２、３、４の温度がガラスの転移点以下になったところで、下型３を下降して離型し、成形体Ｐ（光学ガラス）を搬出可能とする。

なお、プレス成形対象の光学ガラスの形状については、特に制限はなく、両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、両凹レンズなどの成形を行うことができる。成形体Ｐの大きさについても特に制限はないが、一般には直径２ｍｍ程度から４０ｍｍ程度のものを成形できる。２ｍｍ以下の場合にはガラス素材が冷え易いので、割れ易くなり、４０ｍｍ以上では成形に時間を要すると共に、良好な面を得ることが著しく困難となるからである。さらに、光学ガラスの形状は球面、非球面、あるいはこれらの組み合わせとすることができる。

［実施の形態２］
図６は、複数組の成形型を用いて同時に複数のガラス成形体をプレス成形するモールドプレス成形装置の実施の形態２を示す概略構成図である。

実施の形態２に係るモールドプレス成形装置１Ａの基本的な装置構造は、上述の実施の形態１に係るモールドプレス成形装置１と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施の形態２では、共通の上母型５Ａおよび下母型６Ａで複数組、例えば２組の成形型２１（２（１）、３（１）、４（１））および２２（２（２）、３（２）、４（２））を支持し、各成形型２１、２２に対応して、個別に上型２（１）、２（２）を押圧する上型押圧手段７（１）、７（２）を設置してある。

かかる構成のモールドプレス成形装置１Ａを用いることにより、高精度の光学素子を効率的に製造することができる。すなわち、各成形型２１、２２の高さにバラツキがあった場合においても、各成形型２１、２２において一定の肉厚のガラス成形品を高精度で同時生産することができる。また、プレス成形中の加圧速度、荷重の大きさ、圧力タイミングを各成形型２１、２２について任意に設定することができ、各成形型２１、２２に最適なプレス成形条件を設定して、偏心精度の良好な成形品を同時生産することができる。

［実施の形態３］
図７は、実施の形態３に係るモールドプレス成形装置の概略構成図であり、このモールドプレス成形装置１Ｂの基本的な装置構造は、上述の実施の形態１に係るモールドプレス成形装置と同様であるので、詳細な説明は省略する。

実施の形態３では、胴型４０は上母型５の中心穴５ａ内に配置され、所定の範囲内でプレス軸方向１ａ（上下方向）に移動可能な状態で、上母型５に支持されている。すなわち、胴型４０の端部４１と上母型５との間にはプレス軸方向１ａに所定寸法（数百μｍ〜数ｍｍ）の隙間が設けられ、この範囲内で胴型４０は移動可能な状態にある。換言すれば、胴型４０は上母型５によってプレス軸方向１ａの移動範囲を規制されている。このように構成することで、上下母型５、６を相対的に接近させて胴型４０内に下型３を挿入する際、上下型２、３に極端な軸心ずれが生じた場合であっても、胴型４０を必要以上に上方に押し上げてプレスヘッド７ａを破壊するようなトラブルが生じることを未然に防止できる。

なお、胴型４０は所定寸法の範囲でプレス軸方向１ａに移動可能であり、かつ上型２も上母型５に対してフリーな状態で保持されているので、胴型４０内に下型３を挿入する際、上型２や胴型４０がプレス軸方向に移動して、これらの型間にかじりや擦れを生ずることなく、胴型４０、上型２、下型３の軸ずれや傾きが補正された状態で組み付けられる。

また、実施の形態３では、上型２に胴型４０の端部４１を押圧可能な大きさのフランジ部２ｃを設けてある。ガラス素材ＰＦを載せた下型３を胴型４０に挿入したとき、ガラス素材ＰＦが下型３の成形面と上型２の成形面とに接触した状態で、上型２がプレス軸方向１ａの上側に押し上げられ、上型２のフランジ部２ｃと胴型４０の端部４１とが離間した状態が形成される。図７は、このときの状態を表している。

しかる後、上型押圧手段７（プレスヘッド７ａ）によって上型２のフランジ部２ｃを押圧し、フランジ部２ｃが胴型４０の端部４１に当接するまで荷重を加え続ける。この当接によって、ガラス成形体の肉厚を均一に制御できる。また、フランジ部２ｃが胴型４０の端部４１に当接した状態でさらに上型２を押圧し続けることで、胴型４０が下型３を押し、上型２、胴型４０、下型３が一体となるように型閉めが行われる。したがって、高精度のガラス成形体（光学素子）を安定して製造することができる。

［各実施形態の効果］
以上説明したように、上記各実施の形態では、ガラス素材を上下型および胴型を用いてプレス成形するにあたり、胴型内に下型を挿入して成形型を組み立て、ガラス素材に荷重を加える前までは、上型を上母型に対して移動可能な状態に保持でき、プレス成形開始後は、上下型および胴型が正しい姿勢に維持しながらプレス成形を行うことができる。また、上型は上母型に対してフリーな状態で保持されているので、上母型が固定されているプレス装置の筐体などの変位に起因する偏心精度の悪化がなく、また、成形体の肉厚の変化を生じることがない。

したがって、装置の高温化や元来の装置設計公差などに起因する上下軸のずれや傾きがある場合でも、プレス成形時に上下型および胴型間に擦れやかじりが発生せず、偏心が極めて少ない高精度のガラス成形体を製造できる。

また、プレス終了時点で、胴型が下型に対してプレス荷重により上側から押し付けられるようにした場合には、予め下型と胴型の直角度等を高精度に仕上げておけば、胴型と下型との相対位置が変化せず、常に安定して偏心精度の良好な成形品を得られる。

さらに、複数組の成形型により複数の成形体を同時にプレス成形する場合において、成形型と上型押圧手段が１対１に対応するように構成すれば、プレス成形中の加圧速度、荷重の大きさ、圧力タイミングを各成形型について任意に設定することができる。よって、各成形型に最適なプレス成形条件を設定して、偏心精度の良好な成形品を同時生産することができる。

図１のモールドプレス成形装置１を用いて、片面が非球面の凹メニスカスレンズ（径１２．８ｍｍ、中心厚２．０ｍｍ）を成形した。成形用のガラスプリフォーム（ガラス素材ＰＦ）は、転移点温度Ｔｇが５００℃、屈伏点温度Ｔｓが５４０℃であるバリウム硼珪酸塩系ガラスを予め両凸曲面形状に熱間成形したものであり、その表面に炭素系膜をつけたものを使用した。上型２、下型３及び両者を規制する円筒状の胴型４から構成されている成形型は炭化珪素（ＳｉＣ）製であり、上型２と下型３の成形面２ａ、３ａには炭素系離型膜を施してある。

ガラスプリフォームを６１０℃に予熱し、成形型２、３の予熱温度を５８０℃として、予熱されたガラスプリフォームを下型３の成形面３ａに落下供給した後、直ちに下型３を、位置制御を繰り返しながら上昇させ上型２に近接させた。

下型３が胴型４内に挿入され、下母型６と上母型５が当接した時点で下型３の上昇を停止し、上型押圧手段７を降下して上型２を押圧することにより、ガラスプリフォームをプレス成形した。プレス開始から約数秒後、上型押圧手段７が胴型４の上端面４ｇに当接するまで押し切った。

上型押圧手段７により胴型４に荷重をかけた状態で８０℃／ｍｉｎで冷却した。冷却の過程でガラスの収縮に追従して上型２が上型押圧手段７から離間し、上型自重がガラスにかかる状態が維持された。成形型２、３、４の温度が４８０℃になった時点で下型３を下降させ成形されたレンズを取り出した。

以上のようなプレス成形を１００回繰り返し、得られた凹メニスカスレンズの中から２０個サンプリングし、各レンズのティルトとシフトを測定した。その結果を図８に示す評価グラフに黒丸で示してある。ティルトは平均０．６３分、最大１．１分であり、シフトは平均２．８μｍ、最大５．０μｍであり、いずれも高精度で基準値を満たしていた。また、成形されたレンズの中心肉厚は予定寸法２．０ｍｍに対していずれも±１０μｍ以内にあり、基準値を満たしていた。

［比較例］
特許文献２の成形装置を用いて、上記実施例と同様のレンズを成形した。成形部とガラス素材の温度条件も上記実施例と同様とした。比較例によって得られた１００個の凹メニスカスレンズの中から２０個サンプリングし、各レンズのティルトとシフトを測定した。その結果を図８の評価グラフにベタ黒の三角で示してある。ティルトは平均１．６１分、最大１．９４分であり、シフトは平均７．８μｍ、最大１１．２μｍであり、いずれも上記実施例と比較してティルト、シフトともに精度が悪化していた。また、中心肉厚は予定寸法２．０ｍｍに対していずれも±１８μｍ以内にあり、基準値を満たしていたものの、上記実施例と比較して肉厚精度も劣っていた。

Claims (12)

1. 成形面を有する上型及び下型と、これら上型及び下型を挿入して両者の軸ずれを規制する胴型とを含む成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス成形するガラス成形体の製造方法において、
   上母型によって前記胴型を支持し、この胴型内に挿入した前記上型を、前記上母型によってプレス軸方向の移動が規制されない状態で当該胴型によって支持し、前記上型をプレスするための上型押圧手段を配置し、前記上型と同軸状態となるように下母型によって前記下型を支持しておき、
   前記ガラス素材を前記下型の成形面に供給し、
   前記下母型を前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に接近させ、当該下母型に支持されている前記下型を前記胴型内に挿入して、前記下型の成形面に載せた前記ガラス素材が当該下型の成形面と前記上型の成形面の間に挟まれた状態を形成し、
   この状態で、前記下母型を前記上母型に対して更に相対的にプレス軸方向に接近させることにより、前記上型を前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に押し上げると共に、前記胴型の胴型側当接面を前記下型の下型側当接面にプレス軸方向から当接させた状態を形成し、
   前記下母型の前記上母型に対する相対的な移動を止めた後に、前記上型押圧手段によって前記上型を押圧して、前記ガラス素材を変形させて前記上型及び前記下型の各成形面形状に対応する光学機能面を有するガラス光学素子を製造することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
2. 請求項１に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記下母型を前記上母型に対して相対的に移動させる動作を、前記胴型を前記下型に当接させた状態が形成された後に、前記下母型が前記上母型に当接するまで行い、
   これら下母型および上母型が当接した状態で、前記上型押圧手段により前記上型を押圧することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
3. 請求項１に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記上型を押圧する工程の終了時点において、前記上型押圧手段によって前記上型と共に前記胴型を押圧して、当該胴型を前記下型に対してプレス軸方向に押し付けた状態を形成することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
4. 請求項１に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記胴型をプレス軸方向に沿って前記下型の側に所定の力で付勢した状態に保持することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
5. 請求項１に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記上型は前記胴型の端部を押圧可能な大きさのフランジ部を有し、
   前記ガラス素材を載せた前記下型を前記胴型に挿入したとき、前記フランジ部と前記胴型の端部とが離間した状態が形成され、
   しかる後、前記上型押圧手段によって前記フランジ部を押圧することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
6. 請求項１に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記ガラス素材を前記下型の成形面に供給する工程では、
   １０^６〜１０^１０ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度に加熱した前記ガラス素材を、当該ガラス素材が１０^７〜１０^１２ｄＰａ・ｓの粘度となる温度に相当する温度に予熱された前記下型上に供給することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載のガラス成形体の製造方法において、
   前記成形型を複数組配置しておき、
   各成形型における前記上型を押圧する工程では、
   各成形型にそれぞれ配置した個別の上型押圧手段を用いて各上型を個別に押圧することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
8. 成形面を有する上型及び下型と、これら上型及び下型を挿入して両者の軸ずれを規制する胴型とを含む成形型を備え、加熱軟化したガラス素材を当該成形型に供給してプレス成形するモールドプレス成形装置において、
   前記胴型は、上母型によって支持され、
   前記胴型内に挿入した前記上型は、前記上母型によってプレス軸方向の移動が規制されない状態で当該胴型によって支持され、
   前記下型は、前記上型と同軸状態となるように、下母型によって支持され、
   前記胴型および前記下型には、前記下母型を前記上母型に対してプレス軸方向に相対的に接近させると、プレス軸方向から相互に当接可能な胴型側当接面および下型側当接面がそれぞれ形成されており、
   前記胴型にガラス素材を載せた前記下型を挿入すると、前記下型の成形面に載せた前記ガラス素材によって前記上型が前記上母型に対して相対的にプレス軸方向に押し上げられる状態が形成されるようになっており、
   前記上型を押圧するための上型押圧手段は、前記胴型側当接面および前記下型側当接面が当接した後に前記上型を押圧することを特徴とするモールドプレス成形装置。
9. 請求項８に記載のモールドプレス成形装置において、
   前記上型押圧手段によって押圧される前記上型の端面は胴型の端面と同一平面上もしくは前記胴型の端面よりも低い位置に位置しており、
   前記上型押圧手段の押圧面は、前記上型の端面および前記胴型の端面を押圧可能な大きさの平坦面であることを特徴とするモールドプレス成形装置。
10. 請求項８に記載のモールドプレス成形装置において、
    前記胴型をプレス軸方向に沿って前記下型の側に付勢している付勢手段が配置されていることを特徴とするモールドプレス成形装置。
11. 請求項８に記載のモールドプレス成形装置において、
    前記下母型を前記上母型に対して相対的に接近させて前記胴型側当接面および前記下型側当接面が当接した後に、前記上母型および前記下母型の当接状態が形成されることを特徴とするモールドプレス成形装置。
12. 請求項８ないし１１のうちのいずれかの項に記載のモールドプレス成形装置において、
    前記成形型が複数組配置され、
    各成形型に前記上型押圧手段がそれぞれ配置され、
    各上型押圧手段により各成形型の上型が個別に押圧されることを特徴とするモールドプレス成形装置。

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