JP6221745B2 - ガラス筐体の成形装置、成形方法及び製造方法並びにガラス素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形により連続的にガラス筐体を製造可能な成形装置及び成形方法に係り、特に、一度のプレス成形で複数のガラス筐体を成形する際に、形状不良の発生を抑制する成形装置及び成形方法に関する。

近年、成形型内に収容したガラス素材を、加熱軟化させてプレスし、ガラス製のプレス成形品を製造する方法が種々用いられるようになっており、製造コストを低減するために、成形型を各処理ステージに搬送しながら複数のプレス成形品を連続的に成形する製造装置が提案されている。このような製造装置は、光学素子の製造によく用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、光学素子の成形型を同軸上に位置合わせするために転動部材を用いたプレス成形も知られている（特許文献４参照）。

これらプレス成形品の製造装置において、ガラス素材の加熱軟化時とプレス時には、成形型を所定の温度にして、ガラス素材を加工するのに十分な加熱温度を維持し、成形後は、ガラス素材を冷却して固化させ、最終的には、成形型が酸化されないような２００℃以下の温度にまで冷却する。上記のように、プレス時に成形型の形状を正確にガラス素材に転写して、これを冷却、固化させることで成形形状を保持し、形状精度の高いプレス成形品とする。

一方、電子製品の進歩は目覚ましく、様々な携帯型の電子製品が開発され、その形状は小型化、薄型化しており、このようなコンパクトな電子製品の筐体として、樹脂製、金属製、ガラス製等の素材を用いたものが知られている。このような電子製品の筐体をガラス製の筐体とできると、意匠性に優れた外観や高い質感を備えることが可能となる、という利点があり、一部では切削、研磨等の手法により製造され、プレス成形による製造も検討されている。

特開平８−２５９２４０号公報 特開２００８−６９０１９号公報 特開２００９−９６６７６号公報 国際公開第２００８／０５３８６０号

ところで、ガラス筐体をプレス成形により製造するにあたって、効率性の観点から、一度のプレス成形で多数個のガラス筐体を製造できるように、同一形状の成形面が複数個整列した成形型が考えられる。

ところが、このように複数個整列した成形型を用いた場合には、成形するガラスと成形型との熱膨張率が異なるため、その熱膨張率差によるガラス筐体の形状への影響を考慮しなければならない。すなわち、このような成形型の個々の成形面において、特に冷却する際にガラス側の収縮量が大きいことで、成形面とプレスされたガラスとの間がずれてワレが生じたり、収縮方向が成形面の位置によって異なるため、歪が生じてバラツキの大きい製品となったりして、歩留まり良く製造するには問題となる場合があった。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたもので、ガラス筐体の製造にあたって、プレス時のガラスと成形型との熱膨張率差に起因する形状不良の発生を防止し、ガラス筐体製品を歩留まり良く効率的に製造するガラス筐体の成形装置及び成形方法の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、本発明のガラス筐体の成形装置及び成形方法により、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明のガラス筐体の成形装置は、板状のガラス素材を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送し、前記プレスステージにおいて、上型を複数個有する上型ユニット及び下型を複数個有する下型ユニットからなる成形型ユニットで前記ガラス素材をプレス成形して複数個のガラス筐体を同時成形可能なガラス筐体の成形装置において、前記上型ユニット及び下型ユニットが、前記上型及び前記下型を各ユニット内でそれぞれ独立して水平移動可能に保持するとともに、プレス時に前記上型及び下型を水平移動させて前記上型及び下型の成形面を所定の位置関係に合わせる位置合わせ手段を有することを特徴とする。

また、本発明のガラス筐体の成形方法は、上記した本発明のガラス筐体の成形装置を用い、前記下型ユニット上に前記板状のガラス素材を載置し、前記下型ユニット及びガラス素材を加熱ステージにおいて加熱する加熱工程と、前記加熱され軟化したガラス素材を、前記プレスステージにおいて、一対のプレスプレートからなるプレス手段の少なくとも一方を上下動させて、上型ユニット及び下型ユニットに設けられた上型及び下型の成形面の位置合わせをした後、前記上型及び下型で加圧して成形面形状を転写するプレス工程と、プレス工程後、前記下型ユニット及び成形面形状が転写されたガラス素材を、前記冷却ステージにおいて冷却し、前記ガラス素材の収縮に合わせて前記下型を水平移動させる冷却工程と、を有することを特徴とする。

本発明のガラス筐体の成形装置及び成形方法によれば、一度のプレス操作により複数個のガラス筐体を成形する際に、余肉部の変形や、ガラス素材及び成形型との熱膨張率差による収縮時のワレを抑制でき、ガラス筐体の製造歩留まりの向上に寄与し、製品の生産性が高められる。

本発明の一実施形態であるガラス筐体の成形装置の概略構成図である。 図１の成形装置を平面的に見た概略構成図である。 図１の成形装置に用いる下型ユニットの平面図である。 図３のＡ−Ａ断面における、図１の上型ユニット及び下型ユニットの側断面図である。 本発明の他の実施形態であるガラス筐体の成形装置の概略構成図である。

以下、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガラス筐体の成形装置の概略構成図であり、図２は、図１の成形装置を平面的に見た概略構成図である（共に、チャンバー２のみ断面で示している。また、図２は各ステージの下側のプレートのみを表わし、各ステージにおけるプレートの位置関係を示している。）。

本発明のガラス筐体の成形装置１は、ガラス筐体を成形するための成形室となるチャンバー２と、該チャンバー２の内部に設けた、板状のガラス素材５０及び該ガラス素材を載置した下型ユニット１２を加熱してガラス素材５０を軟化させる加熱ステージ３と、加熱軟化した板状のガラス素材５０をプレスするプレスステージ４と、プレスによりガラス筐体形状を付与されたガラス素材を冷却する冷却ステージ５と、を有する。

ここで、成形室であるチャンバー２は、その内部において、ガラス筐体を成形操作する場を提供する。このチャンバー２には、ガラス素材５０及び下型ユニット１２を内部に取り入れる取入れ口６と、プレス成形が終了した後、成形されたガラス素材５０及び下型ユニット１２を取り出す取出し口７が設けられ、この取入れ口６及び取出し口７には、それぞれ取入れシャッター６ａ及び取出しシャッター７ａが設けられている。必要に応じて、これらシャッターを開閉し、下型ユニット１２をチャンバー２から出し入れでき、チャンバー２内の雰囲気が維持される。また、この取入れ口６及び取出し口７には、そのチャンバー２外部にそれぞれ下型ユニット１２を載置できる成形型載置台８及び９が設けられている。

このチャンバー２の内部には、ガラス筐体をプレス成形するために加熱ステージ３、プレスステージ４及び冷却ステージ５が設けられており、これらの各ステージにより順次処理してガラス素材を所望の形状とする。実際には、板状のガラス素材５０を載置した下型ユニット１２が、取入れ口６からチャンバー２内に取り入れられ、上記の各ステージにおいて所定の処理を施されながら順番に移動し、所定の処理が終了したら下型ユニット１２は、取出し口７からチャンバー２の外部に取出される。

このチャンバー２の内部は、板状のガラス素材５０を軟化して変形を容易にするため、高温に加熱されるので、下型ユニット１２及び上型ユニット１１が酸化されないように、窒素等の不活性ガス雰囲気に維持されている。不活性ガス雰囲気とするには、チャンバー２を密閉構造として内部雰囲気を置換して達成できるが、チャンバー２を半密閉構造として、不活性ガスを常時チャンバー２内に供給して、チャンバー内を陽圧にしながら外部の空気が流入しないように不活性ガス雰囲気を維持するようにしてもよい。上記した取入れシャッター６ａ及び取出しシャッター７ａは、チャンバー２内部を簡便な構成で半密閉状態とするのに効果的である。なお、これらチャンバー２及びシャッター６ａ，７ａは、ステンレス、合金鋼等の素材で形成し高温下におけるガス、不純物が析出しない素材が好ましい。また、シャッター６ａ、７ａの外周（成形型載置台８、９を含む）を密閉構造にして、チャンバー２への外部からの空気流入をさらに抑えることも可能である。

次に、本発明の成形操作を行う各ステージについて説明する。なお、本発明においてガラス素材５０のプレス成形に用いる成形型は、上面の筐体形状を形成する上型を複数個有する上型ユニット１１と、下面の筐体形状を形成する下型を複数個有する下型ユニット１２とで構成される一組の成形型ユニットである。本発明においては、上型ユニット１１はプレスステージ４において固定されており、下型ユニット１２はガラス素材５０を載置したまま各ステージ上を移動するようになっている。ここで、本発明に用いる成形型ユニットは、それぞれ対応する一対の上型及び下型を複数組有し、一度のプレス操作により複数個のガラス筐体を成形可能となっている。さらに、上型及び下型はそれぞれが、水平方向への微小移動が可能なように配置されている。

本発明の加熱ステージ３は、下型ユニット１２に載置されたガラス素材５０を軟化させるため、その内部にヒータ３ａが埋め込まれた加熱プレート３ｂを有する。この加熱プレート３ｂは、下型ユニット１２に接触することで下型ユニット１２を加熱し、さらに下型ユニット１２上に載置されているガラス素材５０も間接的に加熱できる。

また、この加熱ステージ３は、ガラス素材５０を直接加熱して軟化させるためのヒータ３ｄを有する。このヒータとしてはカートリッジヒータ、セラミックスヒータ、ＳｉＣヒータ、カーボンヒーター等の輻射加熱可能な発熱体が挙げられる。これらヒータを、例えば、ステンレス、アンビロイ等の金属板や石英などのガラス管の内部に埋め込んで構成してもよい。

なお、加熱ステージ３において、加熱プレート３ｂは、プレート自体の熱をそのままチャンバー２に伝えないように断熱板３ｃを介してチャンバー２の底板に固定されている。

本発明のプレスステージ４は、上下一対のプレスプレート４ｂを有する。これら上下一対のプレスプレート４ｂ間の距離を狭めることにより上型ユニット１１と下型ユニット１２とを接近させて、下型ユニット１２上に載置された板状のガラス素材５０を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型ユニット１１及び下型ユニット１２の有する上型及び下型の成形面形状をガラス素材５０に転写しガラス筐体を成形する。このプレスステージ４は、具体的構成としては、その内部にヒータ４ａが埋め込まれた上下一対のプレスプレート４ｂから構成される。このプレスプレート４ｂを用いたプレスは前段階の加熱温度を維持しながら行われる。この上下一対のプレスプレートと断熱板との間には、プレートと成形型の冷却速度を制御できるように（冷却を速くすることができるように）冷却機構を設けてもよい。冷却手段としては、空冷方式または水冷方式等を用いることができる。

より具体的には、このプレスステージ４において、上下のプレスプレート４ｂがシャフト４ｄと接続され、このシャフト４ｄは図示しないシリンダーによってプレスプレート４ｂの上下動を可能とする。このようにプレスプレート４ｂの上下プレート両方（又は上側及び下側のいずれか一方のプレート）を上下動させることにより、上型ユニット１１及び下型ユニット１２間の距離を狭めることで成形型によってガラス素材５０をプレスできる。このときプレスは所定の圧力で行われ、板状のガラス素材に高精度にガラス筐体形状を付与できる。

なお、これら上下のプレスプレート４ｂは、それ自体の熱をそのままチャンバー２に伝えないように断熱板４ｃを介して、シャフト４ｄと接続される。なお、上側又は下側の一方のプレスプレートのみを可動とし、他方をチャンバー２に固定することもでき、その際には、固定するプレスプレート４ｂは、加熱プレート３ｂと同様に、プレスプレート４ｂの熱をチャンバー２にそのまま伝達しないように断熱板４ｃを介してチャンバー２上に固定すればよい。

本発明の冷却ステージ５は、ガラス筐体形状が付与されたガラス素材５０を冷却、固化するため、その内部にヒータ５ａが埋め込まれた冷却プレート５ｂを有する。この冷却プレート５ｂは、プレス処理を経た下型ユニット１２に接触させることで下型ユニット１２を冷却でき、さらに下型ユニット１２上に載置されているガラス素材５０も間接的に冷却できる。冷却プレート５ｂ上の下型ユニット１２に載置されたガラス筐体の上部は開放状態となり冷却速度が速くなりすぎるケースがあるため、ガラス素材５０の上部に加熱ステージで説明したヒータ３ｄのような加熱源を設けてガラス単体の冷却速度をコントロールすることもできる。

なお、冷却ステージ５において、冷却プレート５ｂは、それ自体の熱をそのままチャンバーに伝えないように断熱板５ｃを介してチャンバー２の底板に固定されている。

この板状のガラス素材５０の固化は、その素材のガラス転移点以下、より好ましくは歪点以下に冷却して達成できる。十分に冷却されると、板状のガラス素材のガラス筐体形状は安定し、変形が抑制される。ここで冷却とは、ガラス筐体形状を安定して付与できるように板状のガラス素材５０が固化するまで温度を下げることをいう。その温度は、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低いだけで、依然として高温であるため、この冷却プレート５ｂにもその内部にヒータ５ａが埋め込まれている。

また、プレスプレート４ｂは、上記したように断熱板を介してシャフト４ｄに固定されており、このシャフト４ｄがシリンダーに接続されている。ここでシリンダーは、各プレートを上下動できればよく、例えば、電動サーボシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダー等のシリンダーを使用できる。

上記した、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂは、基本的にその成形型との接触面が水平面と平行となっている。特に、プレスプレート４ｂにおいては、プレスプレート４ｂの成形型ユニットとの接触面が傾いていた場合、上型及び下型の成形面位置が一致しなくなり、このとき製造されるガラス筐体は形状不良となってしまうことがある。したがって、これら各ステージにおけるプレートの管理、下型ユニット１２の位置合わせは厳格に行われる。

これらの各ステージにおいて、プレートはステンレス鋼、超硬合金、合金鋼等の素材の内部にカートリッジヒータを挿入し、固定したものである。このカートリッジヒータを加熱してプレートの温度を上昇させ、所望の温度に維持できる。

また、各ステージの断熱板３ｃ，４ｃ，５ｃは、セラミックス、ステンレス鋼、ダイス鋼、高速度鋼（ハイス鋼）等の公知の断熱板を用いればよく、硬度が高くプレス時の圧力等によっても変形しにくく、ズレを生じることが少ないセラミックス製が好ましい。金属系の材料を用いる場合は、表面にＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮのコーティング処理を施すことが好ましい。

以上、説明した加熱ステージ３、プレスステージ４、冷却ステージ５は、それぞれ所定の処理が行われる場（ステージ）を形成する。各ステージによる処理が順次円滑になされるように、下型ユニット１２は、搬送手段（図示せず）により所定のタイミングで各ステージに移動、搭載される。この移動のタイミングは制御手段によって制御されている。

より具体的には、下型ユニット１２を、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂの順序で、各プレート上へと搬送移動させながら順次所定の処理を行う。ここで、下型ユニット１２が次のステージに移動すると、処理の終わったステージは空くため、さらに、そこに別の板状のガラス素材を載置した下型ユニット１２を搬送すれば、連続的に複数個のガラス筐体の成形操作を同時に進行できる。

この処理を行うための上記搬送手段は、図示していないが、例えば、ロボットアーム等が挙げられる。このような搬送手段により、成形型載置台８から加熱ステージ３へ、加熱ステージ３からプレスステージ４へ、プレスステージ４から冷却ステージ５へ、冷却ステージ５から成形型載置台９へ、とそれぞれ移動できるものであればよい。

なお、この制御手段は、成形型の移動、加熱・プレス・冷却の各ステージにおけるプレートの温度や、上下移動のタイミング等をも制御し、一連の成形操作を円滑に、かつ、連続的に行えるように制御している。このとき、取入れシャッター６ａ及び取出しシャッター７ａの開閉も制御する。また、チャンバー２内の雰囲気が不活性ガスで満たされるように窒素の供給量やタイミング等を制御することが好ましい。

すなわち、このガラス筐体の成形装置１は、１以上のポジションで温度の上げ下げを行いながら所定の処理を行う、成形型の搬送によるガラス筐体の成形装置である。

そして、本発明のガラス筐体の成形装置１の特徴部分は、上記の通り、成形型を複数組有する成形型ユニットを用い、成形型についてそれぞれ水平移動可能とし、対応する成形面の位置合わせを可能としたものである。

この成形型ユニットの構成について、図３及び４を参照しながら説明する。図３は、図１で用いた下型ユニット１２がプレスプレート４ｂ上に載置されているときの平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面で見たときの成形型ユニットの断面図を示したものである。

まず、下型ユニット１２の構成について説明する。下型ユニット１２は、複数個の下型１２ａと、該下型１２ａをそれぞれ独立して水平移動可能に保持する下型支持部材１２ｂと、で構成されている。

下型支持部材１２ｂは、その内部に複数個の下型１２ａを、それぞれ所定の位置に整列して収容する小室が設けられた構成となっている。この小室は、その小室を仕切る壁が下型１２ａの水平方向への移動を規制する働きも有し、それぞれの下型１２ａがある範囲での移動しかできないようにして、上型との位置関係が所定の範囲に収まるようになっている。また、このとき、下型ユニット１２は、プレス動作を妨げないように、上方に向いている下型１２ａの成形面を開放するように開口部を有している。なお、この開口部は、図４に示したように、下型１２ａを区画する壁１２ｅにより形成され、その壁１２ｅの上部を断面Ｔ字形として、下型１２ａを小室内に保持できるようにしている。この形状とすることで、プレス後、下型１２ａとガラス素材５０とが密着したままの状態となるのを防ぎ、確実に離型できる。

そして、下型支持部材１２ｂは、転動部材１２ｃを介して下型１２ａを下方から支持する。この転動部材１２ｃは、直径が均一な球状部材とすることが好ましい。転動部材１２ｃとしては、ベアリング鋼と呼ばれる高炭素高クロム鋼材や、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、又は炭化タングステン（ＷＣ）等を含むサーメット、その他の金属などの高硬度の素材によって形成された、直径０．１ｍｍ〜５ｍｍの真球状の部材が用いられる。

これらの素材からなる転動部材１２ｃは、上記したもののうち１種を用いて構成することが好ましいが、下型１２ａを水平に固定された状態を維持できるものであれば異なる種類の素材からなる複数種を混合して構成してもよい。

なお、転動部材１２ｃの形状は、真球状のほかに、円柱状、扁平球状などとしてもよいが、転動部材１２ｃの加工の容易性、高さ（直径）精度の出し易さ、転がり易さの点から、真球状のものが最も好ましい。

なお、本実施形態では、水平移動を可能とするために、転動部材１２ｃによる構成を説明したが、下型１２ａをそれぞれ独立して水平移動可能とする構成であればよい。水平移動を可能とするには、例えば、下型１２ａと下型支持部材１２ｂとの接触面に、摩擦係数を小さくして互いの滑りを良好にする素材で薄膜を形成してもよい。このとき、薄膜の素材としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、アモルファスＳｉＣ、ＳｉＣ、窒化炭素等が挙げられる。

この水平移動は、３６０度いずれの方向にも移動可能なようにしておくと、ガラスの収縮方向に合わせて移動が可能となり好ましい。すなわち、ガラスの収縮は、ガラス素材５０の中心（成形型ユニットの中心部分でもある）付近が一番少なく、ガラス素材５０の外周へ行くほど収縮量が長くなり、また、成形型ユニットの中心部へ向かって収縮する傾向が大きくなるというように、成形面の位置によって収縮方向が異なるためである。

下型１２ａの移動は、下型１２ａとこれを収容する下型ユニット１２の小室の壁１２ｅとの間に設けた隙間の分だけ可能となる。ここで、隙間の大きさは、ガラス素材５０の収縮量よりも大きくして下型１２ａがガラスの収縮に十分に追従可能とするものである。追従が不十分となると、ガラスに不要の応力がかかってしまい形状不良の原因となる恐れがある。

また、上型ユニット１１は、上記した下型ユニット１２と類似の構造を有し、複数個の上型１１ａと、該上型１１ａを水平移動可能に保持する上型支持部材１１ｂと、で構成されている。なお、上型ユニット１１は、上型１１ａと下型１２ａの成形面が互いに対向するように配置されるため、下型ユニット１２とは逆に、開口部を下方に向け、その内部に収容される上型１１ａの成形面も下方を向くよう支持する。すなわち、上型ユニット１１は、丁度、下型ユニット１２を表裏逆にしたようにして使用される。

上型支持部材１１ｂは、その内部に複数個の上型１１ａを、それぞれ所定の位置に整列して収容する小室が設けられた構成となっている。この小室は、その小室を仕切る壁が上型１１ａの水平方向への移動を規制する働きも有し、それぞれの上型１１ａがある範囲での移動しかできないようにして、下型１２ａとの位置関係が所定の範囲に収まるようになっている。また、このとき、上型ユニット１１は、プレス動作を妨げないように、上型１１ａの成形面を開放するように開口部を有している。なお、この開口部は、図４に示したように、上型１１ａを区画する壁１１ｅにより形成され、その壁１１ｅの下部を断面Ｔ字形として、上型１１ａを小室内に保持できるようにしている。この形状とすることで、上型１１ａが落下しないように小室内に保持できる。

そして、上型支持部材１１ｂは、転動部材１１ｃを介して上型１１ａの外周を下方から支持する。転動部材１１ｃは、下型ユニット１２で使用する転動部材と同様である。なお、上型１１ａは、その成形面を下方に向けるため、支持位置は、成形を妨げないように成形面と重ならない外周部分とする。

そして、上記した上型ユニット１１及び下型ユニット１２に収容されている上型１１ａ及び下型１２ａには、それぞれ対応する成形面の位置が合うように、一方に位置合わせ用の凹部が、他方に位置合わせ用の凸部が設けられている。図３及び４では、上型１１ａに位置合わせ用の凸部１１ｄが、下型１２ａに位置合わせ用の凹部１２ｄが設けられた図を示しているが、この凹凸は逆に設けてもよい。

この位置合わせ用の凹部１２ｄと凸部１１ｄは、互いの成形面を合わせるためのもので、それぞれ対応した位置に設けられる。例えば、図３に示したように、矩形状の成形面に対して対向する両辺の外側にそれぞれ２箇所ずつ設けられる。なお、凹部及び凸部を設ける位置はこれに限られず、隣接する辺に２箇所ずつ設ける場合や、それ以外でも成形面の位置を合わせられる配置であれば、どのような配置でもよい。

この凹部１２ｄと凸部１１ｄは、プレスの際に、上型ユニット１１と下型ユニット１２を接近させたときに、ガラス素材５０のプレス前に嵌合して、上型１１ａ及び下型１２ａの成形面の位置を所定の配置とする。なお、凹部１２ｄと凸部１１ｄとの嵌合を容易に、かつ、確実にするために、凹部１２ｄの凸部１１ｄ挿入側の開口部に傾斜を設けて広げ、挿入していくほど狭まるようにした傾斜を設けるのが好ましい。

凹部１２ｄは、上型１１ａと下型１２ａの成形面について、十分に位置合わせができればよく、下型１２ａに貫通孔として設けた例を図４に示しているが、これに限られるものではない。例えば、下型１２ａに貫通してない孔として形成してもよいし、さらに十分に位置合わせをするために、下型支持部材１２ｂにまで凹部を設け、上型１１ａの位置合わせ用の凸部１１ｄを、十分に長く設けてもよい。なお、下型保持部材１２ｂにまで凹部を設け、凸部をそこまで挿入させて位置合わせを行う場合、転動部材１２ｃは、その凸部１１ｄの挿入を妨げないよう、その通過部分を除いて敷き詰めるようにするのが好ましい。

なお、上型１１ａ及び下型１２ａからなる成形型は、超硬合金、セラミックス、ステンレス鋼、カーボン等の素材で構成される。また、上型１１ａ及び下型１２ａは、成形するガラス筐体の面形状を転写するための成形面をそれぞれ有しており、この成形面の形状は製品の筺体とできる形状であれば特に限定されない。この筐体の形状としては、特に、自由曲面を有する形状が好ましく、さらに、得られる筐体が軸非対称の形状が好ましい。従来の研磨等による製造によっては、このような複雑な形状の筐体の製造は困難であったり、高コストになったりしていたが、本発明においては、プレス成形により容易に、低コストで製造できる。

また、上型支持部材１１ｂ及び下型支持部材１２ｂも、超硬合金、セラミックス、ステンレス鋼、カーボン等の素材で構成される。

次に、このガラス筐体の成形装置１を用いたガラス筐体の成形方法について説明する。

まず、取入れ口６側の成形型載置台８に下型ユニット１２を載置し、この下型ユニット１２の上部に板状のガラス素材５０を載置する。取入れシャッター６ａを開けて取入れ口を開口させ、この下型ユニット１２を搬送手段により加熱プレート３ｂ上に搬送する。搬送されると、下型ユニット１２は下側の加熱プレート３ｂに接触するため加熱プレート３ｂと同じ温度まで昇温される。これと同時に、加熱ステージにおいて搬送された下型ユニット１２の上方にはヒータ３ｄが配置されており、下型ユニット１２に載置されたガラス素材５０を、このヒータ３ｄで輻射加熱により加熱する。

このとき加熱プレート３ｂの温度は、下型ユニット１２をガラス素材５０のガラス転移点から軟化点の温度範囲、及びヒータ３ｄの温度は、ガラス素材５０を屈伏点から融点の温度範囲に加熱できる温度に設定する。このように加熱する温度範囲を、それぞれ異なる範囲に個別に制御することで、ガラス素材５０は、加熱工程からプレス工程において、プレスするのに十分な軟化状態でありながら、だれることなく搬送可能となる。そして、下型ユニット１２は次のプレス工程で、安定してプレス動作を行うことができるため、所望の形状のガラス筐体が得られる。このとき、昇温速度は５〜２００℃／分程度が好ましい。

このようにして加熱ステージ３で十分に加熱された下型ユニット１２及び板状のガラス素材５０は、搬送手段により、下側のプレスプレート４ｂ上に搬送され載置される。このとき、プレスプレート４ｂも加熱プレート３ｂと同程度の温度に加熱されており、すぐにプレスできるようになっている。

上側のプレスプレート４ｂを下降させてプレスプレート４ｂ間の距離を狭めると、まず、上型１１ａの位置合わせ用の凸部１１ｄが、下型１２ａの凹部１２ｄに挿入される。このとき、凸部１１ｄと凹部１２ｄとは、プレスプレートに載置された時点で大体の位置は合っているが、少なからずずれている場合が少なくない。しかしながら、凹部１２ｄの開口部はテーパ状の開口となっているため、多少のずれがあっても位置を合わせられる。そして、さらに凸部１１ｄを挿入していくと、凸部１１ｄと凹部１２ｄが嵌合するようになっており、互いの成形面の位置が正確に合うようにでき、個々の成形型における形状精度が高められる。

さらに、上型ユニット１１と下型ユニット１２との距離を狭め、下型ユニット１２の上部に載置された板状のガラス素材５０に、上型１１ａ及び下型１２ａで圧力をかけて変形させる。このプレス工程では、上記したように上型ユニット１１及び下型ユニット１２を接近させ、ガラス素材５０の上下から圧力をかけることでプレスを行う。このプレスにより板状のガラス素材５０には上型１１ａ及び下型１２ａの成形面形状が転写され、複数のガラス筐体形状が一度に付与される。なお、ガラス素材５０が、凸部１１ｄ及び凹部１２ｄに対応した位置に被っている場合には、ガラス素材５０には貫通孔を形成し、成形面の位置合わせを妨げないようにする。ガラス素材５０に貫通孔を設ける場合、位置合わせ用の凸部１１ｄが水平移動しても触れないように、大きさに余裕をもたせて形成する必要がある。

また、このプレス工程におけるプレスは、上型１１ａ及び下型１２ａの温度をガラス転移点から屈伏点の間、輻射加熱により軟化したガラス素材５０の温度を軟化点程度の温度にすることが望ましい。また、プレス時の板状のガラス素材にかかる圧力は０．０１ｋＮ／ｍｍ^２〜２ｋＮ／ｍｍ^２が好ましく、ガラス素材の厚さ、成形形状、変形量などを考慮して適宜決定する。

そして、このようなプレス工程で、上型ユニット１１と下型ユニット１２を所定の位置まで接近させたら、成形したガラス素材５０が上型ユニット１１から離型するように、上下のプレスプレート４ｂの温度を下げて伝熱により上型ユニット１１及び下型ユニット１２の温度を低下させる。プレスプレート４ｂの温度はヒータ４ａにより変動でき、プレスした後、ガラス素材５０を上型ユニット１１から離型させるには、プレスプレート４ｂの温度を、使用したガラス素材５０の屈伏点未満に下げて上型１１ａの温度も同程度に低下させる。この温度の低下により、主に、上型１１ａとガラス素材５０の収縮率の差を利用して離型させる。また、強制的に離型させる機構を上型ユニット１１側に設け、離型させてもよい。

離型したガラス素材５０は、下型ユニット１２上に再び載置され、下型ユニット１２と共に搬送手段によりプレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへと搬送される。この搬送手段は、上記した搬送手段と同様のものである。

次に、冷却プレート５ｂにより下型ユニット１２を冷却するが、これは、上記加熱工程と同様に、下型ユニット１２を下側の冷却プレート５ｂと接触させることで冷却する。この下型ユニット１２の冷却により、プレスされて下型ユニット１２の成形面との接触面積が増大したガラス素材５０は、下型ユニット１２と共に冷却される。

この冷却のときに、ガラス素材５０の収縮量が一番大きいが、本発明で用いる下型ユニット１２の有する複数の下型１２ａは、それぞれが独立して水平移動を可能としているため、ガラスの収縮に追従して下型１２ａが移動しながら冷却される。

ガラス素材５０が充分に冷却されたところで、チャンバー２から取出しシャッター７ａを開けて取出し口７を開口させ、この下型ユニット１２を搬送手段により装置外部へ取出し、取出し口７側の成形型載置台９に載置する。

このとき、冷却は、板状のガラス素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下に冷却させることが好ましく、板状のガラス素材の歪点以下の温度にまで冷却させることがより好ましい。このとき、降温速度は５〜１５０℃／分程度が好ましい。

以上説明したように、ガラス素材５０は、加熱、プレス、冷却の各プロセスからなる一連の動作を経て、ガラス筐体形状に成形されるものであり、特に、本発明は複数個の成形型をそれぞれ独立して水平移動可能とした点に特徴を有する。これによりプレスの際には位置合わせが容易で、冷却時には、ガラス素材の収縮に追従してガラス素材にかかる応力を減じて、ガラス筐体のワレ等の形状不良の発生を抑制できる。

なお、上記した加熱工程及び冷却工程は、それぞれ段階的に温度を変化させることが好ましく、加熱工程において１以上の加熱ステージを設けることにより、段階的に板状のガラス素材の温度を上昇させて、プレスステージの直前の加熱ステージで、成形温度にまで加熱する。また、冷却工程においても１以上の冷却ステージを設けることにより、段階的に板状のガラス素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度とする。このように、加熱及び冷却を段階的に行うことで、板状のガラス素材の急激な温度変化を抑制できる。この温度変化の抑制により、ワレや歪の発生を抑制する等のガラス筐体の特性を悪化させないようにできる。

このような、加熱工程及び冷却工程を実施するために、それぞれ複数の加熱ステージ及び冷却ステージを有するガラス筐体の成形装置の一例を図５に示した。この図５に示したガラス筐体の成形装置２１は、チャンバー２２、第１の加熱ステージ２３、第２の加熱ステージ２４、第３の加熱ステージ２５、プレスステージ２６、第１の冷却ステージ２７、第２の冷却ステージ２８、第３の冷却ステージ２９を有する装置構成となっている。さらに、チャンバー２２にはガラス筐体の成形装置１と同様に、下型ユニット１２の取入れ口３０とそれを開閉可能とする取入れシャッター３０ａ、取出し口３１とそれを開閉可能とする取出しシャッター３１ａ、それら取入れ口３０及び取出し口３１の外側には成形型載置台３２及び３３が設けられている。

このガラス筐体の成形装置２１は、加熱ステージを３つ、冷却ステージを３つ設けて、段階的に加熱及び冷却する以外は、図１のガラス筐体の成形装置１の構成と同様である。

第１の加熱ステージ２３では、板状のガラス素材をガラス転移点以下、好ましくはガラス転移点よりも５０〜２００℃程度低い温度に一旦加熱する予備加熱を行い、第２の加熱ステージ２４ではガラス転移点と屈伏点の間の温度にまで、第３の加熱ステージ２５ではガラスの屈伏点以上、好ましくは軟化点または軟化点よりも５〜１５０℃程度高い温度にまで加熱する。また、プレスステージ２６では成形温度を維持しながら、成形型による成形操作を行ってガラス筐体形状を付与する。そして、第１の冷却ステージ２７では成形素材のガラス転移点以下、好ましくは歪点以下まで冷却し、第２の冷却ステージ２８では、さらに２００℃以下の成形型が酸化されない温度にまで冷却し、第３の冷却ステージ２９では、室温にまで冷却する。

ここで、第３の冷却ステージは、用いるプレートを、他のステージにおけるヒータの代わりに冷却水が循環するように配管を設けた水冷プレートとすることで、効率的に冷却できる。

その後、冷却して得られたガラス素材は、ガラス筐体形状が複数整列して転写されており、個々のガラス筐体形状とするために、切断、研磨等の加工処理を施して最終的な製品とされる。

以上に示したように、本発明のガラス筐体の成形装置及び成形方法により、プレス成形という簡易な操作で形状精度の高いガラス筐体を、一度のプレス成形により複数個得られるため、成形品の生産性を向上でき、最終製品であるガラス筐体を安定して低コストで製造できる。

本発明のガラス筐体の成形装置は、プレス成形によりガラス筐体を製造する際に広く使用できる。

１…ガラス筐体の成形装置、２…チャンバー、３…加熱ステージ、４…プレスステージ、５…冷却ステージ、６…取入れ口、７…取出し口、８，９…成形型載置台、１１…上型ユニット、１２…下型ユニット、５０…ガラス素材、３ａ，４ａ，５ａ…ヒータ、３ｂ…加熱プレート、４ｂ…プレスプレート、５ｂ…冷却プレート、３ｃ，４ｃ，５ｃ…断熱板、３ｄ…ヒータ、４ｄ…シャフト、１１ａ…上型、１１ｂ…上型支持部材、１１ｃ…転動部材、１２ａ…下型、１２ｂ…下型支持部材、１２ｃ…転動部材

Claims (15)

1. 一枚の板状のガラス素材を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送し、前記プレスステージにおいて、上型を複数個有する上型ユニット及び下型を複数個有する下型ユニットからなる成形型ユニットで前記ガラス素材をプレス成形してガラス筐体を得る成形装置において、
   前記上型ユニット及び下型ユニットが、前記上型及び下型を各ユニット内で、それぞれ独立して水平移動可能に保持するとともに、プレス時に前記上型及び下型を水平移動させて対応する前記上型及び下型の成形面を所定の位置関係に合わせる位置合わせ手段を有し、
   前記一枚の板状のガラス素材に前記上型及び下型の各ユニットにより複数のガラス筐体形状を一度に付与できる、
   ことを特徴とするガラス筐体の成形装置。
2. 前記成形装置は、前記加熱、プレス及び冷却の各ステージにおいて前記ガラス素材を載置した下型ユニットを搭載し、搭載された前記ガラス素材に対して、それぞれ加熱、プレス及び冷却の各プロセスを行う加熱手段、プレス手段及び冷却手段と、前記加熱、プレス及び冷却の各プロセスを制御する制御手段と、を備えるとともに、
   前記プレス手段は、前記加熱手段から移送される前記下型ユニットをその上面に搭載する下プレスプレートと、その下面に前記上型ユニットが固定された上プレスプレートと、で構成される一対のプレスプレートである請求項１記載のガラス筐体の成形装置。
3. 前記下型ユニットが、複数個の下型と、前記複数個の下型の成形面を上方に向け、前記下型の底面を下方から転動部材により支持する下型支持部材と、を有する請求項１又は２記載のガラス筐体の成形装置。
4. 前記上型ユニットが、複数個の上型と、前記複数個の上型の成形面を下方に向け、前記上型の外周を下方から転動部材により支持する上型支持部材と、を有する請求項３記載のガラス筐体の成形装置。
5. 前記転動部材が、球状のＳｉＮ製である請求項３又は４記載のガラス筐体の成形装置。
6. 前記位置合わせ手段が、前記上型及び下型のいずれか一方に設けられた凹部と、他方に設けられた前記凹部に嵌合する凸部と、からなる請求項１乃至５のいずれか１項記載のガラス筐体の成形装置。
7. 前記凹部が、下型又は上型に貫通孔として設けられている請求項６記載のガラス筐体の成形装置。
8. 前記ガラス筐体が、自由曲面形状を有する成形品である請求項１乃至７のいずれか１項記載のガラス筐体の成形装置。
9. 前記ガラス筐体が、軸非対称の形状である請求項８記載のガラス筐体の成形装置。
10. 前記加熱手段は、前記下型を伝熱により加熱する加熱プレートと前記ガラス素材を輻射により加熱するヒータとから構成される請求項２乃至９のいずれか１項記載のガラス筐体の成形装置。
11. 前記加熱手段は、前記加熱プレートの温度と前記ヒータの温度とを個別に管理する請求項１０記載のガラス筐体の成形装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載のガラス筐体の成形装置を用い、前記下型ユニット上に前記板状のガラス素材を載置し、前記下型ユニット及びガラス素材を加熱ステージにおいて加熱する加熱工程と、
    前記加熱され軟化したガラス素材を、前記プレスステージにおいて、一対のプレスプレートからなるプレス手段の少なくとも一方を上下動させて、上型ユニット及び下型ユニットに設けられた上型及び下型の成形面の位置合わせをした後、前記上型及び下型で加圧して成形面形状を転写するプレス工程と、
    プレス工程後、前記下型ユニット及び成形面形状が転写されたガラス素材を、前記冷却ステージにおいて冷却し、前記ガラス素材の収縮に合わせて前記下型を水平移動させる冷却工程と、
    を有することを特徴とするガラス筐体の成形方法。
13. 前記加熱工程において、前記下型を前記ガラス素材のガラス転移点から軟化点までの温度範囲に、前記ガラス素材を屈伏点から融点の温度範囲に個別に加熱制御する請求項１２記載のガラス筐体の成形方法。
14. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載のガラス筐体の成形装置を用い、前記下型ユニット上に一枚の板状のガラス素材を載置し、前記下型ユニット及びガラス素材を加熱ステージにおいて加熱し、
    前記加熱され軟化したガラス素材を、前記プレスステージにおいて、一対のプレスプレートからなるプレス手段の少なくとも一方を上下動させて、上型ユニット及び下型ユニットに設けられた上型及び下型の成形面の位置合わせをした後、前記上型及び下型で加圧して成形面形状を転写し、
    前記下型ユニット及び成形面形状が転写されたガラス素材を、前記冷却ステージにおいて冷却し、前記ガラス素材の収縮に合わせて前記下型を水平移動させ、前記一枚の板状のガラス素材に対して複数のガラス筐体形状を付与したガラス素材を得る、ガラス筐体形状を付与したガラス素材の製造方法。
15. 請求項１４に記載の複数のガラス筐体形状を付与したガラス素材を切断し、複数個のガラス筐体を得る、ガラス筐体の製造方法。

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