JPWO2007063734A1 - 成形品の製造方法、保持部材および成形装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法に関する。前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる。本発明によれば、熱垂下成形法により、所望形状の成形品を高精度で製造することができる。
Description
本発明は、熱垂下成形法による成形品の製造方法、ならびに前記方法に使用され得る保持部材および成形装置に関する。
眼鏡レンズ用ガラスモールドの成形方法としては、機械的研削研磨法や、機械的研削法や放電加工等の電気的加工法により作成した耐熱性母型を用い、これにガラスブランクスを接触加熱軟化させて母型の面形状を転写する方法等、得ようとする面形状ごとに研削プログラムを用いたり、対応する面形状を有する母型を成形する方法が採用されている。
近年、軸対称の非球面レンズ設計を組み入れることにより、薄肉軽量化を図った多焦点眼鏡レンズの需要が増大している。そのため、このような複雑な形状の眼鏡レンズを得るためのモールドの成形法として、熱垂下成形法が提案されている（特開平６−１３０３３３号公報、特開平４−２７５９３０号公報参照）。
熱垂下成形法は、ガラス等の熱軟化性物質からなる成形素材を型の上に載せ、その軟化点以上の温度に加熱することにより成形素材を軟化させて型と密着させることにより、型形状を成形素材の上面に転写させて所望の面形状を有する成形品を得る成形法である。
熱垂下成形法では、型成形面の面形状を成形素材上面に転写するため、高い面精度を得るためには、成形素材の載置位置を正確に制御することが好ましい。
そこで、例えばリング状の保持部材を用いて成形型上の成形素材を保持し、位置決めを行うことが考えられる。しかし、保持部材がガラス等の成形素材と接触したまま加熱軟化されると、保持部材と成形素材の熱膨張係数の違いにより、接触部に圧力や変形が生じ、成形精度を低下させる要因となる。また、保持部材が成形素材と接触したまま加熱軟化されると、成形素材と保持部材の間に融着が発生するという問題もある。
そこで、例えばリング状の保持部材を用いて成形型上の成形素材を保持し、位置決めを行うことが考えられる。しかし、保持部材がガラス等の成形素材と接触したまま加熱軟化されると、保持部材と成形素材の熱膨張係数の違いにより、接触部に圧力や変形が生じ、成形精度を低下させる要因となる。また、保持部材が成形素材と接触したまま加熱軟化されると、成形素材と保持部材の間に融着が発生するという問題もある。
そこで、上記融着を防止するため、位置決め後に保持部材を除去することも考えられる。しかし、成形型上に配置した成形素材の位置をまったく変えずに保持部材を成形素材から除去することは困難であり、また、熱軟化がある程度進行するまで成形素材を保持しなければ、搬送等により成形素材が位置ずれを起こすおそれもある。
かかる状況下、本発明は、熱垂下成形法において、成形型上の成形素材を正確に位置決めするとともに、加熱軟化時の位置ずれを防ぐことにより、高い成形精度をもって成形品を製造することを目的とする。
本発明は、
熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法であって、
前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、
前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる、前記方法
に関する。
熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法であって、
前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、
前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる、前記方法
に関する。
更に、本発明は、
成形型成形面上に配置した熱軟化性物質からなる成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形法において、前記成形面上に配置された成形素材を保持するために使用される保持部材であって、
環状部を有し、かつ、
環状部内周に、前記加熱前の成形面上に配置された成形素材の側面上端部の少なくとも一部と当接する保持領域と、該成形素材と非接触状態にある非保持領域とを有する、前記保持部材
に関する。
成形型成形面上に配置した熱軟化性物質からなる成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形法において、前記成形面上に配置された成形素材を保持するために使用される保持部材であって、
環状部を有し、かつ、
環状部内周に、前記加熱前の成形面上に配置された成形素材の側面上端部の少なくとも一部と当接する保持領域と、該成形素材と非接触状態にある非保持領域とを有する、前記保持部材
に関する。
更に、本発明は、
熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法に使用される成形装置であって、
成形面を有する成形型と前記保持部材とを含み、
前記成形面は、前記加熱前に成形素材下面周縁部の少なくとも一部と密着する周縁密着部と成形素材下面中心部と離間する中心離間部を含む、前記成形装置
に関する。
熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法に使用される成形装置であって、
成形面を有する成形型と前記保持部材とを含み、
前記成形面は、前記加熱前に成形素材下面周縁部の少なくとも一部と密着する周縁密着部と成形素材下面中心部と離間する中心離間部を含む、前記成形装置
に関する。
本発明によれば、熱垂下成形法により、所望形状の成形品を高精度で製造することができる。
以下、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形品の製造方法に関する。前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる。本発明では、上記のように成形素材の配置および保持部材による保持を行うことにより、成形素材と保持部材の融着を起こすことなく、保持部材によって成形型上の成形素材の位置決め、保持を行うことができる。以下、この点について図１および図２に基づき説明する。
本発明は、熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形品の製造方法に関する。前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる。本発明では、上記のように成形素材の配置および保持部材による保持を行うことにより、成形素材と保持部材の融着を起こすことなく、保持部材によって成形型上の成形素材の位置決め、保持を行うことができる。以下、この点について図１および図２に基づき説明する。
図１は、軟化前後の成形素材と成形型との接触状態の模式図である。図１に示す態様では、下面が凸面、上面が凹面のメニスカス形状の成形素材を、凸面形状の成形型成形面に配置している。図２は、軟化前後の保持部材と成形素材側面の接触状態の拡大模式図である。
本発明では、成形開始にあたり、成形素材を保持部材によって保持した状態で成形型成形面上に配置する。図２（ａ）に示すように、保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することにより行われる。ここで、成形素材側面上端部は、例えば、成形素材側面の上側４／５の範囲であり、好ましくは、上側１／２の範囲であり、成形素材側面下方部とは、上記のように保持部材によって保持される部分より下に位置する部分をいう。
更に、本発明では、成形開始にあたり、図１（ａ）に示すように、成形素材を、成形素材下面周縁部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態となるように、成形型成形面上に配置する。ここで、成形素材下面中心部とは、例えば、成形面中心から半径１／２までの位置をいい、好ましくは、成形面中心から半径５０ｍｍまでの位置をいう。また、成形面と密着する成形素材下面周縁部は、上記成形素材下面中心部より外側に位置する部分である。成形開始時には、成形型成形面との接触部は成形素材下面周縁部のみであり、周縁部より内側の成形素材幾何中心へ向かうすべての範囲で、載置された成形素材下面と成形面とは離間した状態にあり、空間を形成する。
本発明では、成形開始にあたり、成形素材を保持部材によって保持した状態で成形型成形面上に配置する。図２（ａ）に示すように、保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することにより行われる。ここで、成形素材側面上端部は、例えば、成形素材側面の上側４／５の範囲であり、好ましくは、上側１／２の範囲であり、成形素材側面下方部とは、上記のように保持部材によって保持される部分より下に位置する部分をいう。
更に、本発明では、成形開始にあたり、図１（ａ）に示すように、成形素材を、成形素材下面周縁部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態となるように、成形型成形面上に配置する。ここで、成形素材下面中心部とは、例えば、成形面中心から半径１／２までの位置をいい、好ましくは、成形面中心から半径５０ｍｍまでの位置をいう。また、成形面と密着する成形素材下面周縁部は、上記成形素材下面中心部より外側に位置する部分である。成形開始時には、成形型成形面との接触部は成形素材下面周縁部のみであり、周縁部より内側の成形素材幾何中心へ向かうすべての範囲で、載置された成形素材下面と成形面とは離間した状態にあり、空間を形成する。
このように、下面周縁部でのみ成形型成形面と接触させた状態で、成形素材を加熱軟化すると、加熱に伴い、軟化した成形素材中心部が自重により鉛直方向に変形し、図１（ｂ）に示すように、下面中心部が成形面と接触した状態となる。この下面の形状変化により、成形素材上面は微小量収縮する形状変化を起こす。本発明では、成形素材を側面上端部でのみ保持部材によって保持するため、上記の成形素材上面の収縮により、成形素材と保持部材との接触が解除され、図２（ｂ）に示すように、保持部材が成形素材と離間する。一方、成形素材周縁部は、成形開始時から成形面と接触した状態にあるため、熱膨張による拡大が抑制されるので、成形素材側面下方部と保持部材との非接触状態を維持することができる。こうして、少なくとも成形素材下面全面が成形型成形面に密着したときには、成形素材は保持部材と離間した状態とすることができる。このように、本発明によれば、成形素材と保持部材との融着を起こすことなく、成形型上の成形素材の位置決めを行い、加熱軟化時の位置ずれを防止することにより、高精度で成形を行うことができる。また、成形中、成形素材側面下方部は保持部材と接触しないため、熱膨張の違いにより圧迫されることはなく歪み等の発生を防ぐこともできる。
なお、本発明によれば、成形素材の加熱軟化による形状変化（成形素材下面中心部の成形面と接触する方向への移動、およびそれに伴う成形素材上面の収縮）に伴い、成形素材と保持部材との接触が解除されるため、融着回避のために保持部材を除去する必要はない。よって、本発明では、保持部材を成形型上から除去することなく、成形素材と保持部材との融着を起こさずに成形を行うことができる。本発明では、少なくとも成形素材側面上端部と保持部材が離間するまでの間、更には成形素材上面の成形が完了するまでの間、成形型上での保持部材の固定状態を維持することが好ましい。これにより、正確な位置決めを行い成形精度を高めることができる。
次に、上記保持部材および保持部材による保持の詳細について説明する。
前述のように、本発明において使用される保持部材は、成形素材側面下方部との非接触状態を維持しつつ、成形素材側面上端部の少なくとも一部を保持することが可能な形状を有する。そのような保持部材の一例としては、図１に断面図を示すように、成形素材外周端面に沿って円形状をなし、成形素材を載置する部分が空間となる環状部材を挙げることができる。図１に示す環状部材の上面図を図３（ａ）に、図３（ａ）のＩ−Ｉ線断面図を図３（ｂ）に示す。
前述のように、本発明において使用される保持部材は、成形素材側面下方部との非接触状態を維持しつつ、成形素材側面上端部の少なくとも一部を保持することが可能な形状を有する。そのような保持部材の一例としては、図１に断面図を示すように、成形素材外周端面に沿って円形状をなし、成形素材を載置する部分が空間となる環状部材を挙げることができる。図１に示す環状部材の上面図を図３（ａ）に、図３（ａ）のＩ−Ｉ線断面図を図３（ｂ）に示す。
前記保持部材は、成形素材側面上端部の少なくとも一部を保持すればよいが、成形素材を安定に保持するためには、成形素材側面上端部の少なくとも３点と当接することにより成形素材を保持することが好ましく、成形素材側面上端部全周と当接することにより成形素材を保持することが更に好ましい。例えば、図１に示す環状部材は、図２に示すように、その内周に突起部１１０１と端面１１０２を有し、突起部１１０１が成形素材側面上端部と当接することにより、成形素材を保持する。端面１１０２は、成形素材側面に面するが、該側面とは非接触状態にある面である。なお、上記突起部は、必ずしも保持部材内周全周に配置する必要はなく、部分的に配置することも可能である。例えば、保持部材内周上に、例えば３つ以上の突出部を、好ましくは等角度で配置することも可能である。但し、確実な位置決め保持を行うためには、前記突起部を保持部材内周全周に環状に形成することが好ましい。
突起部１１０１の形状は、位置決め保持する成形素材の寸法および形状を考慮して決定することができる。例えば、保持部材内周全周に突起部１１０１を形成する場合、突起部１１０１の内径は、例えば、外径６０〜９０ｍｍの成形素材を用いる場合、成形素材の外径を基準として、成形素材の外形に対して公差−０〜＋０．０５ｍｍの範囲とすることができる。突起部１１０１の成形素材側面上端部との接触部の幅（図２中のｄ）は、成形素材を保持可能であり、かつ軟化後に離間可能な程度の幅とすることが好ましく、例えば、成形素材側面の幅（図２中のＤ）が３〜２０ｍｍの場合には、例えばＤの１０〜２０％程度とすることが好ましい。なお、突起部１１０１の上縁部が、成形素材上縁端部と接触するように配置することが好ましい。
図１および図２に示すように、保持部材は、成形型周縁の上部に嵌合して配置することができる。そして成形型と嵌合する端面１１０５の形状は、成形型の形状にあわせて設定することが好ましく、例えば、上記外径の成形素材を用いる場合、成形型の外径を基準として公差＋０．１ｍｍ〜０．２ｍｍとすることができる。また、成形型側面に段付け部を設け、保持部材外周底面と嵌合させることにより、保持部材をより安定に支持することができる。
本発明では、図１に示すように、成形素材を配置した成形型上に、防塵用の蓋をかぶせ、成形時の異物（塵、埃等）混入を防止することもできる。防塵蓋を使用する場合には、例えば、図２に示すように、成形素材外周の段差部にある端面１１０３と防塵蓋の開口部を嵌合させて防塵蓋を配置する。端面１１０３の幅は、防塵蓋の開口部に対して十分な面積があればよく、例えば６〜８ｍｍ程度とすることができる。なお、端面１１０３の表面は、防塵蓋との密着性を高めるため、鏡面加工することができる。
前記保持部材は、内周部に設けた突起部１１０１で載置される成形素材側面上端部の少なくとも一部、好ましくは成形素材側面上端部全周囲を保持し、成形素材を成形型成形面の所望の位置に配置するための位置決めを行う。上記所望の位置とは、例えば、成形型成形面の幾何中心と成形素材の光学中心又は幾何中心とが一致する位置である。
前記保持部材は、耐熱性材料から形成することが好ましい。耐熱性材料としては、耐熱ステンレス材が好ましく、例えばオーステナイト系が適している。オーステナイト系ステンレス材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏを含む組成よりなるものである。含有する化学成分の割合（質量％）は、例えばＣが０．０８％以下、Ｓｉが１．５０％以下、Ｍｎが２．００％以下、Ｐが０．０４５％以下、Ｓが０．０３０％以下、Ｎｉが１９．００〜２２．００％、Ｃｒが２４．００〜２６．００％である。具体的には、高クロム・高ニッケル系のＳＵＳ３１０Ｓを用いることができる。
保持部材の形状加工は、マシニングセンタまたはＮＣフライス盤を用いて行うことができる。保持部材表面には、耐久性向上のため酸化被膜を形成することが好ましい。被膜形成のための表面処理としては、例えば電解研磨仕上、または静電塗装等を用いることができる。
次に、本発明において使用される成形素材について説明する。
本発明では、熱軟化性物質からなる成形素材を用いる。前記熱軟化性物質としては、ガラスを用いることができる。中でも、クラウン系、フリント系、バリウム系、リン酸塩系、フッ素含有系、フツリン酸系等のガラスが適している。ガラス材料素材の構成成分として、第一には、例えばＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3を含み、ガラス材料組成はモル百分率でＳｉＯ2が４５〜８５％、Ａｌ2Ｏ3が４〜３２％、Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏが８〜３０％（但しＬｉ2ＯはＮａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏの７０％以下）、ＺｎＯおよび／またはＦ2の合計量が２〜１３％（但しＦ2＜８％）、Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ／Ａｌ2Ｏ3が２／３〜４／１、ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3＋Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏ＋ＺｎＯ＋Ｆ2＞９０％なるガラスが適している。
本発明では、熱軟化性物質からなる成形素材を用いる。前記熱軟化性物質としては、ガラスを用いることができる。中でも、クラウン系、フリント系、バリウム系、リン酸塩系、フッ素含有系、フツリン酸系等のガラスが適している。ガラス材料素材の構成成分として、第一には、例えばＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3を含み、ガラス材料組成はモル百分率でＳｉＯ2が４５〜８５％、Ａｌ2Ｏ3が４〜３２％、Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏが８〜３０％（但しＬｉ2ＯはＮａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏの７０％以下）、ＺｎＯおよび／またはＦ2の合計量が２〜１３％（但しＦ2＜８％）、Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ／Ａｌ2Ｏ3が２／３〜４／１、ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3＋Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏ＋ＺｎＯ＋Ｆ2＞９０％なるガラスが適している。
また第２には、例えばガラス材料組成はモル百分率でＳｉＯ2が５０〜７６％、Ａｌ2Ｏ3が４．８〜１４．９％、Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏが１３．８〜２７．３％（但しＬｉ2ＯはＮａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏの７０％以下）、ＺｎＯおよび／またはＦ2の合計量が３〜１１％（但しＦ2＜８％）、Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ／Ａｌ2Ｏ3が２／３〜４／１、ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3＋Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｌｉ2Ｏ＋ＺｎＯ＋Ｆ2＞９０％なるガラスは好適である。
加えて第３には例えば、
ＳｉＯ2（４７．８％）、Ａｌ2Ｏ3（１４．０％）、Ｎａ2Ｏ（１２．１％）、Ｂ2Ｏ3（％）、ＺｎＯ（６．０％）、Ｆ2（２％）、ＭｇＯ（２％）、Ｌｉ2Ｏ（１６．１％）、Ａｓ2Ｏ3（０．３％）よりなるガラス組成：
さらに第４には例えば、
ＳｉＯ2（６３．６％）、Ａｌ2Ｏ3（１２．８％）、Ｎａ2Ｏ（１０．５％）、Ｂ2Ｏ3（１．５％）、ＺｎＯ（６．３％）、Ｌｉ2Ｏ（４．８％）、Ａｓ2Ｏ3（０．３％）、Ｓｂ2Ｏ3（０．２％）よりなるガラス組成はさらに好適である。
そして１０％を越えない範囲で他の金属酸化物、例えばＭｇＯ、ＰｂＯ、ＣｄＯ、Ｂ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2や着色金属酸化物等をガラスの安定化、溶融の容易、着色等のために加えることができる。
ＳｉＯ2（４７．８％）、Ａｌ2Ｏ3（１４．０％）、Ｎａ2Ｏ（１２．１％）、Ｂ2Ｏ3（％）、ＺｎＯ（６．０％）、Ｆ2（２％）、ＭｇＯ（２％）、Ｌｉ2Ｏ（１６．１％）、Ａｓ2Ｏ3（０．３％）よりなるガラス組成：
さらに第４には例えば、
ＳｉＯ2（６３．６％）、Ａｌ2Ｏ3（１２．８％）、Ｎａ2Ｏ（１０．５％）、Ｂ2Ｏ3（１．５％）、ＺｎＯ（６．３％）、Ｌｉ2Ｏ（４．８％）、Ａｓ2Ｏ3（０．３％）、Ｓｂ2Ｏ3（０．２％）よりなるガラス組成はさらに好適である。
そして１０％を越えない範囲で他の金属酸化物、例えばＭｇＯ、ＰｂＯ、ＣｄＯ、Ｂ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2や着色金属酸化物等をガラスの安定化、溶融の容易、着色等のために加えることができる。
またガラス材料の他の特徴として、例えば熱的性質は、歪点４６０℃、除冷点４９０℃、軟化点６５０℃、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４８５℃、屈伏点（Ｔｓ）が５３５℃、比重は２．４７（ｇ／ｃｍ3）、屈折率は、Ｎｄ１．５２３００、熱拡散比率は０．３５７６ｃｍ2＊ｍｉｎ、ポアソン比０．２１４、光弾性定数２．８２×１０Ｅ−１２、ヤング率８３４０ｋｇｆ／ｍｍ2、線膨張係数８．５×１０Ｅ−６／℃である。
但し、本発明は、上記ガラス以外にも適用可能であり、上記態様に限定されるものではない。
但し、本発明は、上記ガラス以外にも適用可能であり、上記態様に限定されるものではない。
前記成形素材は、熱軟化性物質を所望の形状に加工することにより得ることができる。成形素材の加工は、公知の方法で行うことができる。成形素材の形状は、平板状、球状、楕円形状、回転対称形状（トーリックレンズ、非球面回転対称屈折力レンズ）、自由曲面形状（累進屈折力レンズ、非球面型両面屈折力レンズ）等であることができ、好ましくは、両面に球面の研磨面を有するメニスカス形状である。特に、前述のように、成形開始時に成形素材下面中心部と成形面とを離間状態とするとともに、加熱軟化に伴い成形素材上面を収縮させて保持部材との接触を解除するためには、下面が凸面、上面が凹面のメニスカス形状の成形素材を、凹面形状の成形型成形面上に配置すること、および、下面が凹面、上面が凸面のメニスカス形状の成形素材を、凸面形状の成形型成形面に配置することが好ましい。
本発明では、加熱軟化により成形素材上面を収縮させ、保持部材と成形素材を離間させ得るように、成形開始時に成形素材下面と成形面との間に空間を設けることが好ましく、この点を考慮して成形素材下面および成形型成形面の曲率半径等を設定することが好ましい。成形開始時における成形素材下面中心と成形型成形面中心との距離（間隔）は、成形素材の寸法等によっても異なるが、例えば０．２〜５ｍｍとすることができる。成形素材下面と成形型成形面とは、前述の離間状態が維持できる範囲で、近似する表面形状を有することが好ましい。但し、例えば、累進屈折力レンズ用モールド作製のために、成形型成形面を自由曲面とし、成形素材下面を球面形状とする場合等は、成形素材下面と成形型成形面との表面形状は完全には一致しない。例えば成形型成形面は所望の自由曲面形状とし、成形素材下面は成形型上に載置した状態で成形素材下面の周縁部では成形面に接触し、周縁部以外では成形素材下面と成形面との間に空間を形成できる範囲の曲率半径とすることが好ましい。更に、成形素材下面の曲率半径は、成形面との接触が周縁部のみで、周縁部以外では成形面と所定の間隔を形成する曲率半径の中で、成形素材下面中心と成形面中心との間隔が最小となる値を選択することが好ましい。
更に、本発明では、図１において、成形素材下面と成形型成形面との接触部の最外周の任意の１点をＥ、Ｅと対向する１点をＥ’とし、ＥとＥ’を結ぶ線（図１中の点線部）と成形面中心との鉛直方向の距離をｄｈ（ｍｍ）、Ｅ−Ｅ’間の距離をＤ（ｍｍ）、成形素材下面中心と成形面中心との距離をＨ（ｍｍ）、成形素材下面の曲率をｒ、成形面の曲率（自由曲面の場合は平均曲率）をＲとした場合、下記式：
を満たすように、成形素材および成形型を設計することが好ましい。
なお、成形素材の表面は、鏡面とすることが好ましく、その表面粗度は、粗さ最大高さＲｍａｘ０．０４μｍ以下であることが好ましく、算術平均粗さＲａは０．００５μｍ以下であることが好ましい。成形素材の粗さの下限値は、例えば、最大粗さＲｍａｘで０．０７μｍ、算術平均粗さＲａで０．００６μｍである。
本発明では、前述のように、保持部材によって保持した状態で成形型成形面上に成形素材を配置した後、この成形素材を、成形型上で変形可能な温度まで加熱する。変形可能な温度とは、成形素材がガラスからなるものである場合には、ガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度であることが好ましい。加熱は、公知の方法、例えば成形型を電気炉内に配置して行うことができる。成形素材が設定した温度となるように電気炉内の雰囲気温度を制御することにより、成形素材を所望の温度に加熱することができる。なお、温度制御の詳細については後述する。こうして加熱軟化することにより、成形素材の下面前面が成形面に密着する。これにより、成形面形状が、成形素材上面に転写され、成形素材上面を所望形状に成形することができる。特に、本発明では、自由曲面形状の成形面を有する成形型を用いることが好ましい。これにより、球面形状をした研磨面を有する高精度な球面形状成形素材と自由曲面形状型との組み合わせにより、成形素材上面に、自由曲面の光学面を容易に形成することができる。
前記成形型としては、一般に熱垂下成形法に使用される公知の成形型を用いることができる。但し、金属は、軟化加工の一般的な最高温度８００℃での耐久性に乏しく、また熱膨張率が大きいため、８００℃近い温度変化では熱膨張により形状が大きく変形する。変形量が大きいと成形材料と成形型の接触面では冷却時に収縮差に耐えられず成形材料または成形型の少なくとも一方が破損するおそれがある。そこで、本発明において使用される成形型は、膨張係数が成形素材に近く、耐久性に優れた耐熱性材料から形成したものであることが好ましい。耐熱性材料としては、例えばアルミナ系（Ａｌ2Ｏ3）、アルチック系（Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化ケイ素系（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム系（ＡｌＮ）、炭化ケイ素系（ＳｉＣ）、二酸化ケイ素系（ＳｉＯ2）等のＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3またはＭｇＯを主成分とするセラミックが適している。ここで、「主成分とする」とは、上記成分が、成形型構成成分の５０質量％以上を占めることをいう。
成形型素材として好適な耐熱性材料は、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯを９９％以上、その他にＫ2Ｏ等を含むセラミックである。
成形型素材として好適な耐熱性材料は、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯを９９％以上、その他にＫ2Ｏ等を含むセラミックである。
成形型素材としては、例えば、第１には硬さ（ビッカーズ硬さ）７〜２４、曲げ強度４００〜２０００ＭＰａ、ヤング率１８０〜４１０ＧＰａ、熱伝導率３．０〜１７０Ｗ／ｍｋ、線膨張係数４．３０〜１０．８×１０Ｅ−６、耐熱温度７５０〜８５０℃、密度３．１０〜１０．７０ｇ／ｃｍ3のものが適している。さらに第２には、特に硬さ（ビッカーズ硬さ）７〜１５、ヤング率１９０〜２１０ＧＰａ、線膨張係数６．０〜７．０×１０Ｅ−６、耐熱温度７７５〜８２５℃のものが好適である。加えて第３には、硬さ（ビッカーズ硬さ）９〜１５、ヤング率１８０〜４０２ＧＰａ、線膨張係数４．３０〜１０．８×１０Ｅ−６、耐熱温度８００℃以上のものが特に好適である。さらに、成形型素材は疎水性であることが好適である。
更に、本発明は、成形型成形面上に配置した熱軟化性物質からなる成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形法において、前記成形面上に配置された成形素材を保持するために使用される保持部材に関する。本発明の保持部材は、環状部を有し、かつ、環状部内周に、前記加熱前の成形面上に配置された成形素材の側面上端部の少なくとも一部と当接する保持領域と、該成形素材と非接触状態にある非保持領域とを有する。本発明の保持部材の詳細は、先に説明した通りである。
更に、本発明は、熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法に使用される成形装置に関する。本発明の成形装置は、成形面を有する成形型と本発明の保持部材とを含む。前記成形面は、前記加熱前に成形素材下面周縁部の少なくとも一部と密着する周縁密着部と成形素材下面中心部と離間する中心離間部を含む。本発明の成形装置の詳細は、先に説明した通りである。
次に、本発明の成形品の製造方法の具体的態様について説明する。但し、本発明は下記態様に限定されるものではない。
まず、好ましくはクリーンルーム内で、成型面を上にして成形型を設置する。その後、成型面周縁部および側面の段付け部に保持部材を嵌合させる。そして保持部材に沿って成形素材を成型面の所定の位置に載置する。水平方向には成形素材側面上端部が保持部材によって支持固定され、一方垂直方向には成形素材下面の周縁部が、成形型の成型面と接触して保持固定される。そして成形素材の成形型との接触面側の中央部は、型成型面より離間している。
まず、好ましくはクリーンルーム内で、成型面を上にして成形型を設置する。その後、成型面周縁部および側面の段付け部に保持部材を嵌合させる。そして保持部材に沿って成形素材を成型面の所定の位置に載置する。水平方向には成形素材側面上端部が保持部材によって支持固定され、一方垂直方向には成形素材下面の周縁部が、成形型の成型面と接触して保持固定される。そして成形素材の成形型との接触面側の中央部は、型成型面より離間している。
次いで、好ましくは防塵蓋を保持部材と嵌合させて載置する。防塵蓋で成形素材を密閉した後、クリーンルームから電気炉へ搬送し、電気炉内に成形型、保持部材、成形素材、防塵蓋の組み合わせを載置して電気炉によって加熱処理を行う。
電気炉において、あらかじめ設定された温度プログラムに基づいて温度制御をしながら加熱軟化処理を行うことができる。電気炉としては、バッチ型電気炉、連続投入型電気炉のいずれを用いてもよい。まずバッチ型電気炉について説明する。
バッチ型電気炉は、比較的小さい閉じた空間内に被加工物を設置し、予め決められた温度プログラムに従って炉内の温度を変化させる装置である。複数のセンサーを備え、複数のセンサーにより温度を計測し、各ヒーターを制御して温度管理をすることができる。バッチ型の熱軟化炉は、内部に被加工物を保持する支持部がある。更に支持部は炉内で可動する。支持部が稼働することによって炉内の場所による温度分布の不均衡を平均化することができる。
次に連続投入型電気炉について説明する。
連続投入型電気炉は入り口と出口を有しており、設定された温度分布の電気炉内部を、コンベアー等の搬送装置によって被加工物を一定時間で通過させて熱処理を行う装置である。連続投入型電気炉では、発熱と放熱を考慮した複数のヒーターと炉内空気循環の制御構造によって、炉内部の温度分布を均一化することができる。
連続投入型電気炉は入り口と出口を有しており、設定された温度分布の電気炉内部を、コンベアー等の搬送装置によって被加工物を一定時間で通過させて熱処理を行う装置である。連続投入型電気炉では、発熱と放熱を考慮した複数のヒーターと炉内空気循環の制御構造によって、炉内部の温度分布を均一化することができる。
電気炉の各センサーとヒーターの温度制御には、ＰＩＤ制御を用いることができる。なお、ＰＩＤ制御は、プログラムされた所望の温度と実際の温度との偏差を検出し、所望の温度との偏差が０になるように戻す（フィードバック）ための制御方法である。そしてＰＩＤ制御とは、偏差から出力を計算するときに、「比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）」、「積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）」、「微分（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」的に求める方法である。ＰＩＤ制御の一般式を次に示す。
上記式中、ｅは偏差、Ｋはゲイン（添字Ｐのゲインを比例ゲイン、添字Ｉのゲインを積分ゲイン、添字Ｄのゲインを微分ゲイン）、Δｔはサンプル時間（サンプリング時間、制御周期）、添字ｎは現在の時刻を示す。
ＰＩＤ制御を用いることにより、投入された処理物形状および数量による熱量分布の変化に対する炉内温度の温度制御精度を高くすることができる。また電気炉内における搬送は、無摺動方式（例えばウォ―キングビーム）を採用することができる。
ＰＩＤ制御を用いることにより、投入された処理物形状および数量による熱量分布の変化に対する炉内温度の温度制御精度を高くすることができる。また電気炉内における搬送は、無摺動方式（例えばウォ―キングビーム）を採用することができる。
本発明において使用可能な連続投入型電気炉の具体的態様は、搬送方式が無摺動方式、温度制御がＰＩＤ制御、温度測定器は“プラチナ製 Ｋ熱電対 ３０ポイント“、最高使用温度は８００℃、常用使用温度は５９０〜６５０℃、内部雰囲気はドライエアー（オイルダストフリー）、雰囲気制御は入り口エアーカーテン、炉内パージ、出口エアーカーテン、温度制御精度は±３℃、冷却方法は空冷である。
電気炉内の温度は、成形素材としてガラス材料を用いる場合、加熱昇温により室温からガラス転移点を越えて、ガラス軟化点未満まで上昇させることができる。ガラス軟化点未満で一定時間温度を保持した後、徐冷して室温まで温度を下げることが好ましい。
電気炉内の温度制御は、所定時間を１サイクルとして行われる。
以下に、成形素材としてガラス材料を用いて１７時間を１サイクルとする温度制御の一例を説明する。但し、本発明は以下に示す態様に限定されるものではない。
以下に、成形素材としてガラス材料を用いて１７時間を１サイクルとする温度制御の一例を説明する。但し、本発明は以下に示す態様に限定されるものではない。
炉内の温度制御は、７つの工程で行うことができる。第一の工程は（Ａ）予備昇温工程、第二の工程は（Ｂ）急速加熱昇温工程、第三の工程は（Ｃ）低速加熱昇温工程、第四の工程は（Ｄ）定温保持工程、第五の工程は（Ｅ）低速冷却工程、第六の工程は（Ｆ）急速冷却工程、第七の工程は（Ｇ）自然冷却工程である。
第一の工程である（Ａ）予備昇温工程においては、室温付近の一定温度で９０分間固定する。ガラス材料各部の温度分布を均一にし、加熱軟化加工の温度制御によるガラス材の熱分布が容易に再現できるようにするためである。固定する温度は室温程度（約２０〜３０℃）の何れかの温度にて行う。
第二の工程は（Ｂ）急速加熱昇温工程であり、室温（例えば２５℃）からガラス転移温度（以降Ｔｇともいう）−５０℃（以降Ｔ１ともいう）まで、例えば４℃／ｍｉｎの速度で約９０分加熱する。そして第三の工程である（Ｃ）低速加熱昇温工程は、温度Ｔ１からガラス軟化点より約−５０℃（以降Ｔ２ともいう）まで、例えば２℃／ｍｉｎで１２０分間加熱する。第四の工程である（Ｄ）定温保持工程は、温度Ｔ２で約６０分温度一定にする。
温度Ｔ２で加熱されたガラス材料は定温保持工程で３０分加熱する。更に温度Ｔ２で３０分加熱を行う。これにより、成形素材を軟化変形させ、成形素材下面全面を成形面に密着させ、成形素材上面を所望形状に成形することができる。
次いで、熱軟化変形完了後、冷却を行う。冷却工程である第五の工程（Ｅ）低速冷却工程は、Ｔｇ−１００℃（以降Ｔ３ともいう）まで、例えば１℃／ｍｉｎの速度で約３００分間冷却し、軟化による形状変化を定着させる。またこの低速冷却工程は、ガラスの歪みを除くアニールの要素も含んでいる。
次いで、第六の工程である（Ｆ）急速冷却工程において、速度約１．５℃／ｍｉｎで約２００℃程度まで冷却する。軟化加工を終了したガラスと成形型は、自らの熱収縮や温度変化に対する相互の熱膨張係数の違いにより破損するおそれがある。従って破損しない程度に温度の変化率を小さくすることが好ましい。
さらに、温度が２００℃以下になると、第七の工程である（Ｇ）急速冷却工程を行う。（Ｇ）急速冷却工程において、２００℃以下になると以降は自然冷却により室温まで冷却する。
軟化加工が完了すると、ガラス材料下面と型成形面が互いに雌雄の関係になる。一方ガラス材料上面は、ガラス材料下面の形状変形に応じて変形し、所望の光学面が形成される。以上の工程によりガラス光学面を形成した後、ガラス材料を成形型から除去し、成形品を得ることができる。こうして得られた成形品は、眼鏡レンズ用モールドとして用いることができる。特に、本発明の方法は、成形型成形面の面形状を成形素材上面に高精度で転写することができるため、複雑な面形状を有する眼鏡レンズ用モールドを得るための方法として好適である。そのような眼鏡レンズ用モールドとしては、累進屈折力レンズを挙げることができる。
本発明の成形型は、眼鏡レンズ用モールド、特に多焦点眼鏡レンズ用モールド成形のために好適に用いることができる。
Claims (12)
- 熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法であって、
前記成形素材の配置は、前記成形素材を保持部材によって保持し、かつ成形素材下面周縁部の少なくとも一部が成形面と密着し、成形素材下面中心部が成形面と離間した状態になるように行われ、
前記保持部材による保持は、成形素材側面下方部は保持部材と離間した状態で、成形素材側面上端部の少なくとも一部を前記保持部材によって保持することで行われる、前記方法。 - 少なくとも前記成形素材下面密着時以降、前記成形素材側面上端部と保持部材が離間する、請求項１に記載の成形品の製造方法。
- 前記加熱により成形素材上面が収縮することにより、成形素材側面上端部と保持部材が離間する、請求項２に記載の成形品の製造方法。
- 少なくとも成形素材側面上端部と保持部材が離間するまでの間、前記保持部材の固定状態を維持する、請求項２または３に記載の成形品の製造方法。
- 前記保持部材は、前記保持において成形素材側面上端部の少なくとも３点と当接する請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
- 前記保持部材は、前記保持において成形素材側面上端部全周と当接する請求項５に記載の成形品の製造方法。
- 前記保持部材は、内周に突起部を有する環状部材であり、該突起部が成形素材側面上端部と当接することにより、前記成形素材を保持する請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
- 成形型成形面上に配置した熱軟化性物質からなる成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形する成形法において、前記成形面上に配置された成形素材を保持するために使用される保持部材であって、
環状部を有し、かつ、
環状部内周に、前記加熱前の成形面上に配置された成形素材の側面上端部の少なくとも一部と当接する保持領域と、該成形素材と非接触状態にある非保持領域とを有する、前記保持部材。 - 前記保持領域は、前記加熱前の成形面に配置された成形素材の側面上端部の少なくとも３点と当接する請求項８に記載の保持部材。
- 前記保持領域は、前記加熱前の成形面に配置された成形素材の側面上端部の全周と当接する請求項９に記載の保持部材。
- 前記保持領域は、前記環状部の内周に形成された突起部である請求項８〜１０のいずれか１項に記載の保持部材。
- 熱軟化性物質からなる成形素材を成形型成形面上に配置し、前記成形素材を変形可能な温度まで加熱し、該成形素材の下面全面を前記成形面に密着させることにより、前記成形素材の上面を所望の形状に成形することを含む成形品の製造方法に使用される成形装置であって、
成形面を有する成形型と請求項８〜１１のいずれか１項に記載の保持部材とを含み、
前記成形面は、前記加熱前に成形素材下面周縁部の少なくとも一部と密着する周縁密着部と成形素材下面中心部と離間する中心離間部を含む、前記成形装置。
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