JPH1135334A - 制御方法、および、これを用いた成形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】対象物の周囲に存在する部材の状態から制御量
を求め、かつ、この周囲部材の特性が経時変化するよう
な制御系に最適な制御方法等を提供する。 【解決手段】成形型の温度の実測値である測定温度と、
目標値である設定温度（設定温度Ａ）の差に基づいて制
御出力を算出すると共に、任意の時点で、その制御出力
に対応する設定温度を、予め定めた変換情報を用いて求
め、求めた設定温度（設定温度Ｆ）を、新たな設定温度
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、実測値と目標値の
差に基づいて制御出力を算出する制御方法、および、温
度制御を行なうための制御装置を有する成形装置に関
し、特に、研削、研磨を必要としない高精度成形に用い
られる温度制御方法、および、成形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、非球面レンズやフライアイレンズ
等の特殊形状を有する光学素子の製造に、研削、研磨を
必要としない高精度成形が用いられるようになってき
た。

【０００３】これにより、従来行われてきた複雑な工程
が省かれ、同一形状の光学素子を大量かつ安価に生産で
きるようになった。

【０００４】この成形方法では、成形する光学ガラス材
料の種類に合わせて最適な成形温度を設定し、その温度
を一定時間保持するようにしてから、最適な圧力で加圧
成形を開始し、所定の加圧保持時間が経過した後、除
圧、冷却を行い、十分温度が下がった状態で成形型から
光学素子を取り出している。

【０００５】また、この成形方法では、普通、光学素子
の大量生産を行なえるよう、光学ガラス材料や成形型を
温度に関して非定常な状態にしたまま成形を行なう。つ
まり、光学ガラス材料や成形型の隅々まで同一温度とな
るような均熱状態を待つことなく、温度測定器で検出し
た温度を現在の内部温度として扱い、成形を制御する。
成形型等が非定常な状態にあっても、その状態が再現さ
れれば、安定した光学素子形状を得ることが可能であ
る。

【０００６】温度検出は、加熱変形を行なう光学ガラス
材料そのものの測温は事実上不可能であるため、光学ガ
ラス材料の近傍に位置する成形型を測定することにな
る。成形型は、例えば、上型、下型、および、スリーブ
から構成される。スリーブは、上型、下型や光学ガラス
材料を納める筒状の容器である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
成形型は、使用していくうちに劣化・変質し、その伝熱
特性が経時変化する。すなわち、検出される温度が一定
で、その値に即した温度制御を繰り返し行なったつもり
でも、成形型内部では、予定している非定常な状態が常
に再現されるとは限らないということである。また、成
形型を複数用いる場合は、それぞれが同一の伝熱特性を
有するわけではない。

【０００８】このように、予め想定していた状態と異な
る状態で成形が行なわれると、光学素子が所望の形状か
らずれ、結果的に不良品を作ることになる。そこで、従
来では、定期的に成形品の形状測定を行い、異常が認め
られれば、成形型等に伝熱特性の経時変化が生じたとし
て、制御装置にセットする設定温度を微調整する等して
対応していた。

【０００９】しかし、この作業は、非常に煩雑であり、
また、その作業内容も経験や勘に頼らざるを得なかっ
た。

【００１０】このような問題点に鑑み、本発明の目的
は、対象物の周囲に存在する部材の状態から制御量を求
め、かつ、この周囲部材の特性が経時変化するような制
御系に最適な制御方法、および、これを用いた成形装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の一態様によれば、実測値と目標値の差に基づ
いて制御出力を算出する制御方法において、任意の時点
で、制御出力に対応する目標値を、予め定めた変換情報
を用いて求め、求めた目標値を新たな目標値とすること
を特徴とする制御方法が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図面を用いて詳細に説明する。

【００１３】図１は、本実施形態の成形装置の構成図、
図２は、この成形装置で使用される成形型と放射温度計
の構成図である。図３、図４は、加工前後の成形素材の
様子を示した外観図である。

【００１４】本成形装置では、図２に示すように、上型
２と下型３の間に、光学ガラス材料から成るガラスブラ
ンク１を配置して、これらをスリーブ４内に納め、該光
学ガラス材料を加熱軟化してプレスする。

【００１５】ガラスブランク１として、本実施形態で
は、ホウ珪クラウン光学ガラスを使用する。ガラスブラ
ンク１は、図３に示すように角柱状（３０ｍｍ×３０ｍ
ｍ×２０ｍｍ）に形成され、上下２面（面１ａ、１ｂ）
を研磨加工してある。

【００１６】上型２、下型３は、それぞれ、ＷＣ合金製
の部材である。

【００１７】そして、これらを用いてガラスブランク１
の成形を行ない、図４に示すようなフライアイレンズ７
を製作する。

【００１８】なお、以下の文章では、特に断らない限
り、成形型と記載した場合は、上型２、下型３、およ
び、スリーブ４から成る構成品を指すものとする。一般
の成形型の中には、もちろん、上型と下型のみから成る
ようなものも存在する。

【００１９】図１には、装置全体が示されている。

【００２０】上型２、下型３やガラスブランク１は、ス
リーブ４内に納められ、これらは、スリーブ載せ台５の
上に置かれている。スリーブ４の周囲には、ガラスブラ
ンク１を加熱軟化するためのヒータ１２が配置されてい
る。ヒータ１２は、通電によって発熱するコイル形状の
ヒータである。上型２には、プレス軸１１が連結されて
いる。プレス軸１１は、シリンダ１４によって上下に駆
動される。プレス軸１１の途中には、プレス軸１１のシ
ーリング部を熱から保護するための断熱板１３が設けら
れている。チャンバー１５には、真空計１０と排気手段
８が連結している。排気手段８は、配管と、バルブ１
８、１９、２０、２１と、チャンバー１５内を低真空状
態にするための油回転ポンプ１６と、チャンバー１５内
を、中、高真空状態にするための油拡散ポンプ１７を有
して構成される。バルブ１８〜２１、ポンプ１６、１
７、シリンダ１４等は、図示省略した制御装置が制御す
る。

【００２１】なお、以上説明した構成は、従来からも使
用されており、よく知られたものばかりであるため、詳
細な説明は省くこととする。

【００２２】本成形装置の特徴とするところは、制御装
置９が行なう温度制御や、温度測定器として放射温度計
（具体的にはカメラ型の放射温度計）２３を備えている
点にある。図１では省略されているが、チャンバー１５
にはガラス窓１５ａが取り付けられており、カメラ型放
射温度計２３は、窓越しにスリーブ４の中央付近を測温
できるようになっている。放射温度計２３の検出結果
は、制御装置９に送られる。制御装置９は、この検出結
果と各種情報を用いてヒータ１２を制御する。

【００２３】放射温度計２３を設けた理由は、以下の通
りである。

【００２４】従来、成形作業では、温度検出素子として
熱電対を使用し、この熱電対で成形型の温度を測るのが
普通であった。

【００２５】しかし、熱電対は、室温において被測定物
と接触状態にあっても、加熱により各部が熱変形した後
は被測定物に対して非接触な状態になることもあり、温
度測定に関して不安定要素が多かった。

【００２６】この対策として、成形型に熱電対を溶着し
て固定する方法も考えられるが、この場合、装置のメン
テナンス時や、光学ガラス材料を設置する際の作業性が
悪くなる。また、スリーブが移動するような機構を持つ
成形装置の場合は、熱電対を成形型に固定することはで
きず、被測定物からの距離が遠いスリーブ載せ台等を測
温しなければならない。また、誘導加熱を用いるような
成形装置の場合は、熱電対自体が誘導加熱されるといっ
た弊害が生じる。

【００２７】このようなことに鑑み、本実施形態では、
放射温度計を用いることにした。

【００２８】放射温度計を用いれば、測温対象物に対す
る接触、非接触を問題にすることなく温度測定を行なう
ことができる。また、スリーブが移動する機構をもつ成
形装置の場合においても、光学ガラス材料に近い部分の
スリーブ表面温度を計測することが可能となる。さら
に、誘導加熱時の影響を受けることもない。

【００２９】また、放射温度計として、例えば、２色放
射温度計を用いれば、ある程度の視野欠けや測定光学系
の汚れ等があっても、温度測定に大きな影響はない。

【００３０】なお、放射温度計では、本来、測温対象物
の正確な温度値を検出しようとした場合に、測温対象物
の放射率が既知であることが条件となるが、安定した成
形を行なう上で重要なのは温度条件の再現性であり、温
度の真値を知ることではない。

【００３１】つまり、測温対象物の放射率がある程度一
定になるように予めメンテナンスさえしておけば、温度
の真値がわからなくとも、安定した光学素子の成形が可
能である。

【００３２】つぎに、本成形装置の温度制御について、
従来の成形装置による試験結果等を踏まえながら説明す
る。

【００３３】従来の成形装置として、ここでは、図１の
点線で囲む部分を基本構成とする装置を使用する。ただ
し、温度測定は、図６に示すように熱電対６を用いて行
なう。制御装置は、図示省略するが、従来のものを使用
する。

【００３４】まず、図１、図５を用いて従来装置の動作
を説明する。

【００３５】最初に、バルブ２０を開き、油回転ポンプ
１６により、チャンバー１５内を粗引きする。粗引き
後、バルブ２０を閉じる。その後、バルブ１８、１９を
開き、油拡散ポンプ１７にて本引きする。真空計１０に
て、チャンバー１５内の真空度が５×１０^-3Ｐａ以下に
なったことを確認したら、図５のスケジュールを実行す
る。すなわち、３０分間で目的の成形温度（ここでは６
５０℃）まで加熱し、光学ガラス材料の成形面が十分均
熱化したところで、加圧加重１００ｋｇｆ／ｃｍ２で１
０分間成形を行う。その後、除圧し、室温まで急冷す
る。

【００３６】そして、ここでは、このような工程に基づ
いて、つぎの２つの成形作業を試みた。

【００３７】第１の作業として、新品の上型、下型と、
新品のスリーブを用意して、これらを組み合わせ、中古
品の温度条件下で成形を行なった。中古品の温度条件と
は、使用回数が約１０００回の中古の上型、下型と、同
じく使用回数が約１０００回の中古のスリーブの組み合
わせを用いて求めた、これらの中古品に最適な温度条件
である。

【００３８】しかし、中古品に最適な温度条件下で、新
品の上型、下型、スリーブを用いて成形を行なうと、ガ
ラスブランクが成形型に融着して、型の成形面が著しく
損傷した。

【００３９】第２の作業として、前述の中古の上型、下
型、スリーブを用意して、これらを組み合わせ、新品の
温度条件下で成形を行なった。新品の温度条件とは、前
述の新品の上型、下型、スリーブの組み合わせを用いて
求めた、これらの組み合わせに最適な温度条件である。

【００４０】しかし、新品に最適な温度条件下で、中古
品の上型、下型、スリーブを用いて成形を行なうと、局
所的な成形面不足が見受けられた。

【００４１】以上の結果は、新しい成形型では、熱が伝
わりやすく、古い成形型では、熱が伝わりにくいことを
表わしているに他ならない。

【００４２】つまり、所望の成形面を得ようとした場
合、制御の点から見れば、古い成形型の方が新しい成形
型より制御出力が必要となる。例えば、制御装置に対し
て、６５０℃という成形温度を目標値として設定した場
合、新しい成形型では、６０％の制御出力で対応可能で
あったが、古い成形型では、７０％の制御出力が必要に
なることもある。これらの値は、もちろん一例に過ぎな
いが、端的に言えば、このようになる。

【００４３】本願の発明者らは、この点に着目し、制御
装置の制御出力から、成形型の経時変化の度合いを判定
し、これを実際の成形作業に役立てる方法を見出した。

【００４４】具体的には、図７のフローを実行する。Ｓ
７０１〜Ｓ７０５では、制御出力−設定温度変換情報を
作成し、Ｓ７０６では、この変換情報を用いて実際の温
度制御を行なう。

【００４５】まず、Ｓ７０１では、新品の上型、下型と
新品のスリーブを用意して、これらを組み合わせ、最適
な温度条件を求める。最適な温度条件は、実際には、昇
温時の温度勾配、成形温度、その保持時間等、さまざま
な要素を含んで決定されるが、話をわかりやすくするた
めに、ここでは、成形温度のみに着目して話を進めるこ
ととする。また、「成形温度」なる用語は、成形時にお
ける光学材料そのものの温度（この値を知ることは事実
上不可能である）、成形時において温度測定器で測定さ
れた温度、制御装置にセットする目標値としての温度
等、様々な解釈が可能であるが、ここでは、制御装置に
セットする値、すなわち、設定温度を意味するものとし
て扱う。

【００４６】そして、Ｓ７０１では、新品の上型、下
型、スリーブの組み合わせに最適な設定温度を求める。
最適な設定温度か否かは、成形装置を用いて実際に成形
を行ない、光学素子の成形面の状態を観察することで判
断する。

【００４７】何回かの実験の末、ここでは、設定温度Ａ
（℃）が求められたとする。

【００４８】Ｓ７０２では、制御装置に設定温度Ａ
（℃）をセットして実際の成形を行ない、成形時の制御
出力をサンプリングして記録する。この記録は、昇温期
間ではなく、保持期間（図５参照）の初期に行なう。昇
温期間では、制御出力が大きく振れていることが多く、
このように一定の温度に保持させた後に記録を行うこと
が望ましい。本実施形態では、保持期間に到達してから
記録を開始し、１分間が経過したのち、記録を終了し
た。

【００４９】何回かの実験の末、ここでは、平均値とし
て制御出力Ｂ（％）が求められたとする。なお、制御出
力は、０〜１００（％）で行なわれるものとする。

【００５０】Ｓ７０３では、十分使い込んだ上型、下
型、スリーブを用意して、これらを組み合わせ、最適な
設定温度を求める。最適か否かは、先程と同様、成形装
置を用いて実際に成形を行ない、光学素子の成形面の状
態を観察することで判断する。何回かの実験の末、ここ
では、設定温度Ｃ（℃）が求められたとする。

【００５１】Ｓ７０４では、 先程の、十分使い込んだ
上型、下型、スリーブを組み合わせ、あえて新品の最適
温度、すなわち、設定温度Ａ（℃）を制御装置にセット
して成形を行なう。成形は、数回を行ない、先程と同様
の期間（保持期間の初期）の制御出力をサンプリングし
て記録する。ここでは、平均値として制御出力Ｄ（％）
が求められたとする。

【００５２】なお、Ｓ７０３において、十分使い込んだ
上型、下型等が用意できない場合は、数十回繰り返し成
形を行なって、新しい上型、下型等を劣化させ、これを
用いるようにしてもよい。数百回以上、もしくは、数千
回以上使い込んだ古い上型、下型等があれば、一層正確
な調整が可能となるが、数十回程度であっても、その効
果は十分に得ることができる。

【００５３】Ｓ７０５では、設定温度Ａ、Ｃ、制御出力
Ｂ、Ｄをもとに、変換情報を作成する。なお、本実施形
態では、設定温度と制御出力に線形性があるものとして
扱い、この変換情報は、図８に示すように、一次関数と
して表わされるものとする。

【００５４】Ｓ７０６では、本実施形態の成形装置を用
いた実際の成形が行なわれる。

【００５５】具体的には、生産工程で用いる上型、下
型、スリーブ（使用回数に関する履歴が不明な上型、下
型、スリーブ）を取り付け、図９の制御装置９には、設
定温度Ａ（℃）をセットする。これ以降、制御装置９の
制御が開始される。

【００５６】制御装置９は、昇温期間の経過後、保持期
間に到達すると、設定温度Ａ（℃）を目標値とすると共
に、温度測定器の検出結果を入力してＰＩＤ演算を実行
し、ヒータに対する制御出力を行なう。なお、保持期間
以外でも、このようなＰＩＤ演算は当然行なわれる。図
９（ｂ）には、このときの制御出力の変化の様子が実線
で示されている。また、同図には、参考として、Ｓ７０
４における制御出力も破線で図示されている。これらの
制御出力の波形は、もちろん一例に過ぎない。

【００５７】保持期間に到達したら、一定期間（先程、
制御出力の記録を行なった期間）、制御出力を記録し、
その平均値を算出する。ここでは、平均値として制御出
力Ｅ（％）が求められたとする。図９（ｂ）に示すよう
に、ここでの制御出力は、参考として図示した制御出力
に対し、ずれが生じている。このずれは、先程も述べた
ように、成形型の劣化に起因して発生する。具体的に
は、この差が小さい程、成形型が新しいことになる。

【００５８】そこで、制御装置９では、図８に示すよう
に、変換情報を参照して、制御出力Ｅに対応する設定温
度（設定温度Ｆ（℃））を求め、現時点の設定温度を、
この値にシフトさせる。シフトの様子は、図９（ａ）に
示す通りである。 このようにすれば、現在使用してい
る成形型に最適な設定温度がセットされることになる。

【００５９】以上、本実施形態の温度制御について述べ
たが、ここでは、便宜上、成形温度の設定温度に着目し
た。しかし、本発明は、これに限定されることなく、昇
温期間や冷却期間等をはじめ、あらゆる期間の設定温度
を調整することが可能である。

【００６０】また、本実施形態では、Ｓ７０４にて、中
古品の成形型に最適な設定温度ではなく、新品の成形型
に最適な設定温度をセットしている。中古品の成形型に
最適な設定温度をセットした場合、必要以上に高い温度
が設定され、ガラス材料が成形型の成形面に融着して損
傷させる可能性があるからである。一方、新品の成形型
に最適な温度条件で古い成形型を成形した場合には、仮
に予測が不完全であっても成形が不十分になるだけであ
り、成形型の損傷は発生しない。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、対象物の周囲に存在す
る部材（例えば成形型）の特性が経時変化しても、的確
な目標値が常にセットされることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の成形装置の概略構成図。

【図２】図１の成形装置の成形型の構成図。

【図３】図１の成形装置で使用する光学ガラス材料の成
形前の様子を示した外観図。

【図４】図１の成形装置で使用する光学ガラス材料の成
形後の様子を示した外観図。

【図５】図１の成形装置の成形スケジュール。

【図６】従来の成形装置の測温方法を示す図。

【図７】図１の成形装置で使用する変換情報を作成する
ための処理フローを示す図。

【図８】本発明の一実施形態の変換情報の一例を示すグ
ラフ。

【図９】図１の成形装置による温度制御の様子を示す
図。

【符号の説明】

１：ガラスブランク、２：上型、３：下型、４：スリー
ブ、５：スリーブ載せ台、６：熱電対、７：フライアイ
レンズ、８：排気手段、９：制御装置、１０：真空計、
１１：プレス軸、１２：ヒータ、１３：断熱板、１４：
シリンダ、１５：チャンバー、１６：油回転ポンプ、１
７：油拡散ポンプ、１８、１９、２０、２１：バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北沢 和雄 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実測値と目標値の差に基づいて制御出力を
   算出する制御方法において、 任意の時点で、制御出力に対応する目標値を、予め定め
   た変換情報を用いて求め、求めた目標値を新たな目標値
   とすることを特徴とする制御方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の制御方法において、 前記実測値と前記目標値は、成形型の温度の実測値と目
   標値であることを特徴とする制御方法。
3. 【請求項３】請求項２に記載の制御方法において、 前記変換情報を作成する際に、 予め定めた第一の成形型を用いて成形を行ない、その
   際、該成形型に対して定められる第一の設定温度を求め
   ると共に、該設定温度が設定された場合の、予め定めた
   期間内における制御出力をサンプリングする第一のステ
   ップと、 前記成形型と使用回数の異なる第二の成形型を用いて成
   形を行ない、その際、該成形型に対して定められる第二
   の設定温度を求める第二のステップと、 前記第二の成形型と前記第一の設定温度を用いて成形を
   行ない、その際、前記期間と同一期間内において制御出
   力をサンプリングする第三のステップと、 前記第一、第二の設定温度、および、前記第一、第三の
   ステップで取得した各制御出力を用いて前記変換情報の
   内容を規定する第四のステップを実行することを特徴と
   する制御方法。
4. 【請求項４】温度制御を行なうための制御装置を有する
   成形装置において、 前記制御装置は、 成形型の温度の実測値である測定温度と、目標値である
   設定温度の差に基づいて制御出力を算出すると共に、任
   意の時点で、その制御出力に対応する設定温度を、予め
   定めた変換情報を用いて求め、求めた設定温度を、新た
   な設定温度とする手段を有することを特徴とする成形装
   置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の成形装置において、 前記成形型の温度を測定するための放射温度計をさらに
   備えることを特徴とする成形装置。