KR100818394B1

KR100818394B1 - 유리 소자 성형 장치

Info

Publication number: KR100818394B1
Application number: KR1020020056788A
Authority: KR
Inventors: 무라코시히로시; 마쯔무라슈사쿠
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2008-04-01
Also published as: US20030056545A1; KR20030025829A; US6848274B2; TWI225849B

Abstract

본 발명은 유리 소자 성형 장치에 관한 것으로,

코어 금형과, 이 코어 금형을 지지하는 금형 다이와, 다이 플레이트를 구비하며, 상부 코어 금형과 하부 코어 금형 사이에 유리 재료가 개재되는 것인 상부 및 하부 다이 조립체와; 상기 하부 다이 조립체의 금형 다이와 하부 다이 플레이트를 함께 체결하는 제1 체결 부재와; 상기 하부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제2 체결 부재와; 상기 상부 다이 조립체의 금형 다이와 다이 플레이트를 함께 체결하는 제3 체결 부재와; 상기 상부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제4 체결 부재를 포함한다. 상기 제1 내지 제4 체결 부재는 각각 탄소 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조된다.

Description

유리 소자 성형 장치{APPARATUS FOR FORMING GLASS ELEMENT}

도 1은 본 발명의 예에 따른 성형 장치의 개략적인 단면도이고,

도 2는 도 1의 하부 다이 조립체의 확대 단면도이고,

도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 성형 장치의 개략적인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 또 다른 예에 따른 성형 장치의 개략적인 단면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

2 : 고정 샤프트

3, 10 : 단열 실린더

4 : 상부 다이 조립체

5, 12 : 다이 플레이트

6, 13 : 코어 금형

9 : 이동 샤프트

11 : 하부 다이 조립체

14 : 금형 다이

17 : 성형 챔버

20 : 적외선 램프

21 : 반사경

본 발명은 유리 렌즈 및 프리즘과 같은 유리 소자를 성형하는 성형 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 서로 맞물릴 수 있으며 개폐 가능한 한 쌍의 다이 사이에 유리 재료를 개재하고, 다이와 유리 재료를 가열하고, 유리 재료를 프레스 가공함으로써 유리 소자를 성형하는 성형 장치에 관한 것이다.

고정밀도가 요구되는 유리 렌즈와 같은 유리 소자를 제조하는 제조 방법은 크게 둘로 분류된다. 첫번째 방법은 용융 유리 재료를 최종 성형품과 근접한 형상으로 형성하고, 이에 의해 성형된 물품을 연삭 및 연마하여 유리 소자를 완성하는 것이다. 두번째 방법은, 최종의 성형품에 상응하는 중량과 형상으로 성형된 유리 재료를 가열하고, 정밀 다이를 사용하여 재가열 프레스 가공을 행함으로써 완성하는 것이다.

연삭 및 연마에 의한 첫번째 제조 방법에 있어서, 만곡된 표면을 형성하기 위하여 십여 단계가 필요하다. 아울러, 작업자에게 해로운 대량의 유리 연삭 가루가 발생된다. 또한, 이 제조 방법은 부가가치가 높은 비구면 형상의 광학 표면을 갖는 유리 소자를 동일한 정밀도로 대량으로 제조하기 어렵다는 다른 단점을 갖는다.

이와 달리, 재가열 프레스 가공에 의한 두번째 제조 방법에서는, 유리 재료에 다이의 형상을 전사(轉寫)함으로써 유리 소자가 형성된다. 이러한 이유로, 만 곡된 표면을 형성하는 데에 단지 한 단계만 필요한 동시에, 청정 환경에서 제조 작업을 수행하는 것이 가능하게 된다. 더욱이, 이러한 제조 방법은 일단 다이를 제작하면 다이의 정밀도에 따라 대량의 유리 소자를 제조할 수 있다는 다른 장점을 갖는다.

부수적으로, 일반 광학 유리 소자가 재가열 프레스 가공에 의해 형성되는 경우에, 성형 온도는 기껏해야 700 ℃이며, 초경합금이 일반적으로 다이 재료로서 사용된다. 그러므로, 열팽창과 관련하여, 초경합금 또는 세라믹과 근사한 선팽창 계수를 갖는 재료가 전술한 다이와 단열 실린더를 체결하는 볼트에 사용되며, 상기 단열 실린더는 다이에 인접하고 일반적으로 세라믹으로 제조된다. 일반적으로, 초경합금, 텅스텐 합금 등이 사용된다.

그러나, 약 1400 ℃의 성형 온도를 필요로 하는 실리카 유리와 같은 고융점의 유리 재료의 경우에, 통상의 광학 유리 소자 성형 시와 동일 재료의 체결 볼트를 사용하는 경우 볼트에 느슨함이 발생한다. 더욱이, 내열성과 관련하여, 이러한 체결 볼트의 사용에는, 강도가 극도로 저하되어 조기 파손이 초래되는 문제가 있었다.

유리 소자 성형 장치에 있어서, 상부 및 하부 다이 조립체로부터 방출된 열이 이동 샤프트 및 고정 샤프트로 전달되는 것을 방지하기 위하여, 열 전도성이 낮은 세라믹으로 제조된 단열 실린더가 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 샤프트들 사이에 개재된다. 통상의 광학 유리를 성형하는 경우, 성형 온도는 기껏해야 약 700 ℃이며, 열은 세라믹으로 제조된 단열 실린더를 개재함으로써 충분하게 단열된 다. 그러나, 약 1400 ℃의 성형 온도를 필요로 하는 실리카 유리와 같은 고융점의 유리 재료의 경우에, 단열 실린더는 유리 재료의 가열 중에 다이와 함께 가열되는데, 이것은 단열 실린더의 내구성이 저하되거나, 단열 실린더가 파손되는 단점을 가졌다.

또한, 적외선 램프를 사용하여 유리 재료를 가열하는 경우, 적외선 램프 자체에서 발생된 열로부터 적외선 램프를 보호하기 위하여 적외선 램프 자체를 냉각하는 것이 필요하다. 이 목적을 위해서는, 상부 및 하부 다이 조립체 등이 내장되는 성형 챔버의 외측에 적외선 램프를 배치함으로써 적외선 램프와, 상부 및 하부 다이 조립체를 서로 단열시키는 것이 효과적이다. 성형 챔버의 외측에 적외선 램프를 배치하기 위하여, 적외선이 성형 챔버를 투과하고, 통상적으로 적외선 투과율이 높은 실리카 유리를 사용할 필요가 있다.

또한, 금속 등으로 제조된 다이의 산화를 방지하기 위하여, 다이 근처의 산소를 제거할 필요가 있다. 그리고, 다이와 유리 재료를 성형 챔버 내에 구속하고, 성형 챔버를 불활성 가스로 충만시킴으로써 산소를 퍼지하는 것을 포함하는 방법, 또는 성형 챔버의 내부를 진공으로 되게 하는 것을 포함하는 방법이 채용되고 있다.

그러나, 실리카 유리로 전체 성형 챔버를 제조하는 것은 어렵다. 그러므로, 성형 챔버는, 상부 및 하부 다이 조립체에 적외선을 조사(照射)하는 측면 부분을 실리카 유리 튜브로 덮고, 적외선이 조사되지 않는 다른 부분은 금속 등으로 제조하는 방식으로 설계되며, 성형 챔버의 밀봉 성능을 증가시키도록 실리카 유리와 금 속 사이의 공간이 O 링으로 밀봉된다.

실리카 유리와 같이 높은 성형 온도를 필요로 하는 유리 재료를 성형하는 경우에, 성형 온도는 1350 ℃ 내지 1600 ℃ 정도로 높아, 실리카 튜브는 공기 냉각되더라도 부분적으로는 500 ℃ 이상의 온도로 가열된다. 그러므로, 실리카 유리 튜브로부터의 열전달로 인하여, 실리카 유리 튜브와 접촉하는 O 링도 가열된다. 또한, 적외선이 실리카 유리 내에서의 반사 중에 O 링에 도달하기 때문에, O 링은 적외선 램프로부터 떨어진 위치에 설치되더라도 가열된다. 이러한 이유로, O 링 재료로서 비싼 내열 재료를 사용할 필요가 있다. 그러나, 이 경우에도, 짧은 수명과 잦은 교체로 인하여 비용 측면에서 불리하다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 실리카 유리의 경우와 같은 1000 ℃ 이상의 성형 온도에서도, 코어 금형과 이 코어 금형 근처의 부재를 체결하는 체결 부재의 느슨해짐이 없는 동시에, 체결 부재가 파손되지 않는 유리 소자 성형 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 실리카 유리와 같이 높은 성형 온도를 필요로 하는 유리 재료가 재가열 프레스 가공에 의해 형성될 때 단열 실린더의 내구성의 저하를 방지하는 유리 소자 성형 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 실리카 유리의 경우와 같은 1000 ℃ 이상의 성형 온도에서도, O 링의 수명을 연장시킴으로써 성형 챔버가 장시간 동안 밀봉될 수 있는 유리 소자 성형 장치를 제공하는 것이다.

이들 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 특징을 갖는다.

1. 서로에 대해 연직 방향 위치 관계로 배치되어 있는 이동 샤프트 및 고정 샤프트와; 상기 샤프트들에 부착되어 있는 단열 실린더와; 상기 각각의 단열 실린더들에 각각 부착되어 있는 상부 다이 조립체 및 하부 다이 조립체로서, 코어 금형과, 이 코어 금형을 지지하는 금형 다이와, 다이 플레이트를 각각 구비하며, 상부 코어 금형과 하부 코어 금형 사이에 유리 재료가 개재되는 것인 다이 조립체와; 상기 하부 다이 조립체의 금형 다이와 다이 플레이트를 함께 체결하는 제1 체결 부재와; 상기 하부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제2 체결 부재와; 상기 상부 다이 조립체의 금형 다이와 다이 플레이트를 함께 체결하는 제3 체결 부재와; 상기 상부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제4 체결 부재를 포함하는 유리 소자 성형 장치가 제공된다. 상기 제1 내지 제4 체결 부재는 각각 탄소 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조된다.

2. 상기 1의 성형 장치는, 상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 단열 실린더를 에워싸도록 형성되는 성형 챔버와; 상기 성형 챔버의 외측 둘레를 따라 배치되어 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 둘레를 에워싸는 적외선 가열 수단과; 상기 적외선 가열 수단으로부터 방출된 열을 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 방향으로 반사하는 반사경을 더 포함한다.

3. 상기 1의 성형 장치에 있어서, 상기 각각의 단열 실린더와 상기 각각의 샤프트 사이에 단열 스페이서(spacer)가 개재된다. 각각의 단열 실린더는 탄화규 소로 제조되고, 각각의 단열 스페이서는 질화규소로 제조된다.

4. 서로에 대해 연직 방향 위치 관계로 배치되어 있는 이동 샤프트 및 고정 샤프트와; 상기 샤프트들에 부착되어 있는 단열 실린더와; 상기 각각의 단열 실린더들에 각각 부착되어 있는 상부 다이 조립체 및 하부 다이 조립체로서, 코어 금형과, 이 코어 금형을 지지하는 금형 다이와, 다이 플레이트를 각각 구비하며, 상부 코어 금형과 하부 코어 금형 사이에 유리 재료가 개재되는 것인 다이 조립체와; 상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 유리 재료를 가열하는 가열 수단과; 상기 각각의 샤프트와 상기 각각의 단열 실린더 사이에 개재되는 단열 스페이서를 포함하는 유리 소자 성형 장치가 제공된다.

5. 상기 4의 성형 장치에 있어서, 상기 단열 스페이서는 상기 상부 및 하부 다이 조립체와 유리 재료가 가열되는 온도에서 강도를 유지할 수 있고 내열성을 갖는 세라믹 재료로 제조된다.

6. 상기 4의 성형 장치에 있어서, 상기 단열 실린더는 탄화규소로 제조되고, 상기 단열 스페이서는 질화규소로 제조된다.

7. 상기 5의 성형 장치는, 상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 단열 실린더를 에워싸도록 형성되는 성형 챔버와; 상기 성형 챔버의 외측 둘레를 따라 배치되어 상부 및 하부 다이 조립체의 둘레를 에워싸는 적외선 가열 수단과; 상기 적외선 가열 수단으로부터 방출된 열을 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 방향으로 반사하는 반사경을 더 포함한다.

8. 투명한 석영 튜브와 이 튜브의 위와 아래에 마련된 판에 의해 형성된 폐 쇄 공간을 갖는 성형 챔버와; 상기 성형 챔버 내에 배치되는 상부 및 하부 다이 조립체로서, 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 사이에 유리 재료가 배치되는 것인 다이 조립체와; 상기 투명한 석영 튜브의 외측 둘레에 배치되어 상기 유리 재료와, 상기 상부 및 하부 다이 조립체를 가열하는 적외선 가열 수단과; 상기 각각의 판에 각각 마련되며, 상기 투명한 석영 튜브와 상기 판 사이의 공간을 밀봉함으로써 공기가 성형 챔버로 유입되는 것을 방지하는 밀봉 부재와; 상기 적외선 가열 수단과 밀봉 부재 사이에 각각 배치되어 상기 적외선 가열 수단으로부터 밀봉 부재로의 복사열을 차단하는 차폐판과; 공기를 강제로 흐르게 함으로써 상기 차폐판과 각각의 판 사이에 존재하는 투명한 석영 튜브의 외측 둘레면을 냉각하는 냉각 수단을 포함하는 유리 소자 성형 장치가 제공된다.

9. 상기 8의 성형 장치에 있어서, 상기 밀봉 부재는 탄화불소 수지 및 실리콘 수지로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료의 O 링이다.

본 발명의 추가의 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명에서 기술되고, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백하며, 본 발명에 실행함으로써 알 수 있다. 본 발명의 목적과 장점은 이하에 특별히 지시된 조합체와 수단에 의해 실현 및 달성될 수 있다.

본 명세서에 채용되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 전술한 일반적 설명 및 이하의 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 있으며, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예를 이하에 설명하기로 한다. 도 1은 전체 성형 장치의 단면도이다. 이 성형 장치에서는, 나사 잭과 같은 구동 유닛(8; 다이 개폐 장치)이 프레임(1)의 하부에 부착되어 있다. 이 구동 유닛은 구동원으로서 서보모터(8a)를 사용하고, 서보모터(8a)의 회전 운동을 선형 운동 추진력으로 변환시킨다. 구동 유닛(8)에는 하중 검출 센서(8b)를 매개로 이동 샤프트(9)가 부착되어 있다. 이동 샤프트(9)의 상단부에는 세라믹으로 제조된 단열 실린더(10)를 매개로 하부 다이 조립체(11)가 부착되어 있다. 이 하부 다이 조립체(11)는 다이 플레이트(12), 하부 코어 금형(13) 및 금형 다이(14)를 구비한다.

프레임(1)의 상부에는 고정 샤프트(2)의 상단이 부착되어 있고, 고정 샤프트(2)의 바닥 단부에는 세라믹으로 제조된 단열 실린더(3)를 매개로 상부 다이 조립체가 부착되어 있다. 이 상부 다이 조립체는 다이 플레이트(5), 상부 코어 금형(6) 및 금형 다이(7)를 구비한다.

구동 유닛(도시 생략)에 의해 상하로 이동되는 브래킷(15)이 전술한 고정 샤프트(2)에 이동 가능하게 맞물려 있다. 브래킷(15)에는 상부 다이 조립체(4) 및 하부 다이 조립체(11)와 단열 실린더(3, 10)를 둘러싸는 투명한 석영 튜브(16)의 상단 플랜지 부분이 O 링(30)을 매개로 부착되어 있다. 이 투명한 석영 튜브(16)의 하단 플랜지 부분은 O 링(31)을 매개로 중간의 브래킷(1a)에 부착된 장착 시트(1b)의 상면에 대하여 맞닿는다. 투명한 석영 튜브(16), 브래킷(15) 및 장착 시트(1b)는 함께 단열 실린더(3, 10)와 상부 다이 조립체(4) 및 하부 다이 조립체(11)의 둘레에 기밀한 성형 챔버(17)를 형성한다. 수냉식 튜브(도시 생략)가 브래킷(15)과 장착 시트(1b)에 설치되어 밀봉 O 링(30, 31)을 냉각한다.

투명한 석영 튜브(16)와 함께 외부 실린더(18)가 브래킷(15)에 부착되고, 상부 코어 금형(6), 하부 코어 금형(13) 및 유리 재료(35)를 가열하는 램프 유닛(19)이 외부 실린더(18)에 부착되어 투명한 석영 튜브(16)를 둘러싼다. 전술한 램프 유닛(19)은 적외선 램프(20), 이 램프(20)의 뒤에 배치된 반사경(21), 및 이 반사경(21)을 냉각하는 수냉식 파이프(도시 생략)를 구비한다.

전술한 고정 샤프트(2)와 이동 샤프트(9)는 가스 공급 라인(22)과 가스 공급 라인(23)을 각각 구비한다. 이들 가스 공급 라인(22, 23)은 성형 챔버(17)의 내부에 불활성 가스를 공급하여, 성형 챔버의 내부를 불활성 가스 분위기로 만들고 및/또는 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)을 냉각한다. 성형 챔버(17)로부터 공기 또는 불활성 가스를 배출하는 배출 포트(24)가 장착 시트(1b)에 마련되어 있다.

도 1에서, 도면 부호 26은 콘트롤러를 지시하고 있다. 콘트롤러(26)는 하중 검출 센서(8b)로부터의 출력과, 하부 다이 조립체(11)에 부착된 온도 감지용 열전대(25)로부터의 출력을 수신하고, 이들 출력과 미리 저장된 프로그램을 기초로 서보모터(8a)를 구동하여, 이동 샤프트(9)의 속도, 위치 및 프레싱 힘을 제어하고, 또한 원하는 성형을 행하도록 불활성 가스의 공급 및 램프 유닛(19)의 출력을 제어한다.

도 2는 하부 다이 조립체(11)의 확대도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 금형 다이(14)는 하부 코어 금형(13)을 적소에 유지하고, 금형 다이(14)와 다이 플레이트(12)는 체결 부재로서의 볼트(36)에 의해 함께 체결된다. 다이 플레이트(12) 와 단열 실린더(10)는 체결 부재로서의 볼트(37)와 와셔(38)에 의해 함께 체결된다.

금형 다이(14)와 다이 플레이트(12)는 탄소로 제조되며, 이 탄소는 우수한 내열성, 고온 강도 및 내열충격성(thermal shock resistance)을 갖는 재료이다. 단열 실린더(10)는 고경도, 우수한 내열성 및 내식성을 갖는 재료인 탄화규소로 제조된다. 볼트(36, 37)와 와셔(38)는 우수한 내열성과 고온 강도를 갖는 재료인 탄소 또는 몰리브덴으로 제조된다.

도 1로부터 명백한 바와 같이, 상부 다이 조립체(4)의 구성은 하부 다이 조립체(11)의 상부 및 하부가 역전된 것이며, 상부 다이 조립체의 체결 부재의 구성은 하부 다이 조립체의 경우와 동일한 것이다. 상부 다이 조립체(4)의 금형 다이(7), 다이 플레이트(5), 단열 실린더(3), 와셔 및 볼트의 재료는 하부 다이 조립체(11)의 금형 다이(14), 다이 플레이트(12), 단열 실린더(10), 볼트(36, 37) 및 와셔(38)와 동일한 재료이다. 그러므로, 상부 다이 조립체(4)의 확대도의 설명은 생략한다.

이러한 구성의 성형 장치는 다음과 같이 사용된다. 이동 샤프트(9)가 하강 위치에 유지된 상태에서, 유리 재료(35)는 하부 코어 금형(13)에 배치되고, 불활성 가스가 가스 공급 라인(22, 23)으로부터 공급되며, 이에 의하여 성형 챔버(17)의 내부가 불활성 분위기로 되고, 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)과, 유리 재료(35)는 램프 유닛(19)의 사용에 의해 가열된다.

상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)의 온도가 미리 설정된 소정의 프 레스 작업 온도에 도달하여 안정화된 경우에, 이동 샤프트(9)가 상승되고, 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)는 폐쇄되어, 프레스 작업이 수행된다. 서보모터(8a)는 콘트롤러(26)에 입력된 프로그램에 의해 구동되고, 이동 샤프트(9)는 속도, 위치 및 프레싱 힘이 제어된 상태로 상하로 이동한다.

계속해서, 램프 유닛(19)의 출력이 낮아지고, 가스 공급 라인(22, 23)으로부터의 불활성 가스의 공급 용적이 제어되며, 이에 의하여 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)의 온도는 미리 정한 온도 구배로 낮아지고, 냉각 단계로 이행된다. 또한, 이러한 냉각 단계 중에, 이동 샤프트(9)에 의한 프레싱 힘을 제어함으로써 프레스 작업이 계속된다.

하부 코어 금형(13)의 온도가 전이점 온도 근처로 강하되는 경우, 이동 샤프트(9)의 프레싱 힘은 해제된다. 하부 코어 금형(13)의 온도가 더욱 강하되는 경우, 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)이 개방되는 동시에, 성형 챔버(17)로의 불활성 가스 공급이 정지되며, 유리 재료(35)를 성형함으로써 얻은 유리 소자를 추출하도록 성형 챔버(17)가 개방된다.

이러한 유리 소자 성형 공정에서, 볼트(36)는 하부 코어 금형(13)을 적소에 유지하는 금형 다이(14)와 다이 플레이트(12)를 분해 및 결합 가능하게 견고히 체결한다. 또한, 볼트(37)는 다이 플레이트(12)와 단열 실린더(10)를 분해 및 결합 가능하게 견고히 체결한다. 그러나, 하부 다이 조립체(11)가 가열되고, 볼트(36, 37)의 선팽창 계수가 다이 플레이트(12), 금형 다이(14) 및 단열 실린더(10)의 선팽창 계수보다 큰 경우에, 볼트(36, 37)의 신장은 보다 커지게 되어, 볼트(36, 37) 가 느슨하게 된다. 다른 한편으로, 볼트(36, 37)의 선팽창 계수가 다이 플레이트(12), 금형 다이(14) 및 단열 실린더(10)의 선팽창 계수보다 작은 경우에, 다이 플레이트(12), 금형 다이(14) 및 단열 실린더(10)의 신장은 보다 커지게 되어, 볼트(36, 37)에 인장력이 작용한다. 인장력이 반복적으로 작용하는 경우, 볼트는 신장되어 느슨하게 된다.

볼트(36, 37)에 인장력이 작용하는 경우, 온도는 성형된 물품의 추출 시의 약 200 ℃와 성형 온도인 약 1400 ℃ 사이에서 반복적으로 상승 및 하강되므로, 인장력이 볼트(36, 37)에 반복적으로 작용한다. 통상적인 재료의 볼트가 사용되는 경우, 고온에서 볼트의 강도가 저하되므로, 볼트(36, 37)는 단시간 내에 파손된다. 1400 ℃의 온도에서, 내열성 및 고온 강도를 갖지 않는 통상의 볼트는 변형된다. 이와 달리, 1400 ℃의 고융점을 갖는 유리의 성형 중에 내열성 및 고온 강도를 갖는 탄소 또는 몰리브덴이 본 발명에서 볼트용 재료로서 사용되는 경우, 볼트의 느슨해짐은 발생하지 않고 단시간 내의 파손도 발생하지 않는데, 이는 내열 문제에 기인한 강도의 급격한 저하가 발생하지 않기 때문이다.

예 1

볼트(36)의 체결 효과를 확인하기 위하여, 실리카 유리의 성형을 상정하여, 상부 다이 조립체(4)와 하부 다이 조립체(11)를 1400 ℃로 가열하고, 이들 조립체를 200 ℃로 냉각하는 방식으로 시험을 행하였다. 시험을 각각 200회 행하였으며, 볼트(36)의 느슨해짐 및 파손의 유무를 확인하였다. 표 1은 본 발명의 볼트(36)의 시험 결과를 표시하고 있다.

표 1에 표시된 바와 같이, 시험에서는 다이 플레이트(12), 금형 다이(14) 및 이들을 체결하는 볼트(36)를 탄소 재료로 제조하였다.

비교의 목적으로, 다이 플레이트(12)와 금형 다이(14)에 대해서는 표 1에서와 동일한 재료를 사용하고, 체결 볼트(36)에 대한 재료는 표 2에 표시된 바와 같이 텅스텐 합금으로 변경하여 유사한 시험을 행하였다.

표 2에 표시된 시험 결과로부터 명백한 바와 같이, 텅스텐 합금으로 제조된 볼트(36)의 경우에, 볼트(36)의 형상이 변형되었고, 느슨해짐이 발생되었다. 그러나, 탄소로 제조된 볼트(36)의 경우에는 표 1에 표시된 바와 같이 느슨해짐도 파손도 발생하지 않았다.

다이 플레이트(12)와 금형 다이(14)를 체결하는 볼트(36)는 탄소 재료가 사용될 때 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.

예 2

볼트(37)의 체결 효과를 확인하기 위하여, 상부 다이 조립체(4)와 하부 다이 조립체(11)를 1400 ℃로 가열하고, 이들 조립체를 200 ℃로 냉각하는 방식으로 예 1과 동일한 방식으로 시험을 행하였다. 시험을 각각 200회 행하였으며, 볼트(37)의 느슨해짐 및 파손 유무를 확인하였다. 표 1은 본 발명의 볼트(37)의 시험 결과를 표시하고 있다.

표 1에 표시된 바와 같이, 시험에서는 다이 플레이트(12)를 탄소로 제조하고, 단열 실린더(10)를 탄화규소로 제조하고, 이들 다이 플레이트(12)와 단열 실린더(10)를 함께 체결하는 볼트(37)를 몰리브덴 재료로 제조하였다.

비교의 목적으로, 다이 플레이트(12)와 단열 실린더(10)에 대해서는 표 1에서와 동일한 재료를 사용하고, 와셔(38)와 체결 볼트(37)에 대한 재료에 대해서는 표 2에 표시된 바와 같이 텅스텐 합금으로 변경하여 유사한 시험을 행하였다.

표 2에 표시된 시험 결과로부터 명백한 바와 같이, 텅스텐 합금으로 제조된 볼트(37)의 경우에는 느슨해짐이 발생하였다. 그러나, 몰리브덴으로 제조된 볼트(37)의 경우에는 표 1에 표시된 바와 같이 느슨해짐도 파손도 발생하지 않았다.

다이 플레이트(12)와 단열 실린더(10)를 체결하는 볼트(37)는 몰리브덴이 사용될 때 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.

전술한 예들로부터, 실리카 유리와 같은 고융점의 유리를 성형하는 경우에도, 탄소 재료의 볼트와 코어 금형의 둘레 부분을 위한 체결 부재로서 몰리브덴의 볼트를 사용함으로써, 내열성 문제로 인해 강도의 극심한 저하로 인하여 볼트가 느슨해지거나 파손될 가능성이 없는 유리 소자 성형 장치를 제공할 수 있다는 것을 확인하였다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 성형 장치를 도시하고 있다. 도 1의 성형 장치와 동일 부품은 도 1에서와 동일한 도면 부호를 부여하고, 그들 부품에 대한 설명은 생략한다. 도 1의 성형 장치와 특징적으로 상이한 것은, 도 3의 성형 장치에 있어서는 이동 샤프트(9)와 단열 실린더(10) 사이와, 고정 샤프트와 단열 실린더(3) 사이에 각각 단열 스페이서(40, 41)가 개재되어 있다는 점이다. 이들 단열 스페이서(40, 41)는 질화규소 및 탄화규소와 같은 내열 재료와 고강도 재료인 세라믹 재료로 제조된다.

본 발명에 따른 유리 소자 성형 장치에 있어서, 실리카 유리와 같이 높은 성형 온도를 필요로 하는 재료의 프레스 성형에서도, 단열 실린더와 단열 스페이서를 채용함으로써, 다이 조립체와 샤프트 사이의 단열 효과가 발생될 수 있으므로, 단열 실린더에 이상이 발생되지 않는다. 이 경우에, 다이 조립체는 세라믹 또는 탄소로 제조되고, 단열 실린더와 단열 스페이서는 질화규소 및 탄화규소와 같은 내열 재료와 고강도 재료인 세라믹 재료로 제조된다. 특히, 단열 실린더는 탄화규소로 제조되고, 단열 스페이서는 질화규소로 제조된다.

본 발명에 따르면, 샤프트와 단열 실린더 사이에 존재하는 스페이서로 인하여, 단열 실린더는 다이 조립체와 함께 가열되지 않고, 유리 재료의 가열 중에 쉽게 가열되지 않는다. 이에 대해서는, 단열 실린더가 탄화규소로 제조되고, 단열 스페이서는 질화규소로 제조되는 경우에서 이하에 구체적으로 설명한다. 1200 ℃ 이상에서 탄화규소의 강도가 질화규소의 강도보다 높기 때문에, 단열 실린더는 탄화규소로 제조된다. 그러나, 탄화규소의 열 전도성은 63.0 W/m·K 만큼 높다. 따라서, 샤프트가 단열 실린더에 직접 연결되면, 다이 조립체로부터 단열 실린더를 통하여 샤프트로의 열의 흐름이 많아지고, 단열 실린더의 코너 부분 등에 응력 집중이 발생되며, 그 결과 상기 부분은 파손되기 쉽다. 그러므로, 질화규소로 제조된 단열 스페이서가 단열 실린더와 샤프트의 사이에 개재된다. 900 ℃ 이하에서 질화규소의 강도는 탄화규소의 강도보다 크며, 질화규소의 열 전도성은 12.6 W/m·K 만큼 낮다. 그러므로, 다이 조립체로부터 샤프트로의 열의 흐름은 열 전도성이 낮은 단열 스페이서에 의해 억제되고, 단열 실린더로의 부하가 감소되며, 이에 의하여 단열 실린더의 파손을 방지할 수 있다. 부수적으로, 단열 스페이서가 열화되면, 단열 스페이서만을 교체하는 것만이 요구된다.

부수적으로, 도 3에 있어서, 진공 밸브는 43으로 지시되고, 가스 배출 라인은 44로 지시되고, 가스 배출 밸브는 45로 지시되고, 배기 장치는 46으로 지시되고, 진공 게이지는 47로 지시되어 있다.

예 3

이 장치에 대한 시험을 행하였다. 이 시험에서, 다이 플레이트 및 금형 다이용 재료로 탄소를, 단열 실린더용 재료로서 탄화규소를, 단열 스페이서용 재료로서 질화규소를 사용하였다.

시험에서, 실리카 유리(ES : Nippon Silica Glass Co., Ltd.)의 성형 온도인 1400 ℃에서, 불활성 가스 분위기 및 감압 분위기(5×10^-1 Pa)에서 20 kN의 프레싱 힘으로 프레스 성형을 행하였으며, 단열 실린더가 파손되지 않는 것을 확인하였다. 더욱이, 전술한 조건하에서 연속 성형을 200회 행하였으며, 단열 실린더가 파손되지 않고, 단열 실린더의 내구성이 개선된 것을 확인하였다.

이 실시예로부터, 본 발명에 따르면, 실리카 유리와 같은 고융점의 유리가 불활성 가스 분위기 또는 감압 분위기에서 성형되는 경우에도, 단열 실린더의 파손 방지 및 단열 실린더의 내구성의 개선이 달성될 수 있으며, 그에 따라 실리카 유리와 같은 고융점 유리의 유리 소자가 쉽게 형성될 수 있다는 것을 확인하였다.

도 4는 본 발명의 다른 예의 성형 장치를 도시하고 있다. 도 1의 성형 장치와 동일 부품에는 도 1에서와 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들 부품의 설명은 생략한다. 도 4의 성형 장치는 이하의 점에서 도 1의 성형 장치와 특징적으로 상이하다. 도 4의 성형 장치에 있어서는, 투명한 석영 튜브(16)의 둘레에 배치된 램프 유닛(19)의 위와 아래에는 투명한 석영 튜브(16)로부터 작은 간극을 두고 O 링(30, 31)으로의 복사열을 차폐하는 차폐판(50, 51)이 마련되어 있다.

브래킷(15)과 차폐판(50) 사이에 상부 스페이서(52)가 마련되어 있고, 이 상부 스페이서(52)의 주위에 복수의 공기 공급 라인(53)이 마련되어 있다. 이들 공기 공급 라인(53)으로부터, 석영 튜브 냉각 공기(54)는 O 링(30)에 맞닿는 투명한 석영 튜브(16)의 상부 플랜지 부분 근처의 영역과 브래킷(15)으로 송풍된다. 장착 시트(1b)와 차폐판(51) 사이에 하부 스페이서(55)가 마련되어 있고, 하부 스페이서(55)의 주위에 복수의 공기 공급 라인(56)이 마련되어 있다. 이들 공기 공급 라인(56)으로부터, 석영 튜브 냉각 공기(57)는 O 링(31)에 맞닿는 투명한 석영 튜브(16)의 하부 플랜지 부분 근처의 영역과 장착 시트(1b)로 송풍된다. 상부 스페이서(52) 및 하부 스페이서(55)는 각각 공기를 배출하는 배출 포트(78, 59)를 갖추고 있다.

예 4

램프 유닛(19)의 위와 아래에 마련된 차폐판(50, 51)과 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)의 효과를 확인하기 위하여, 실리카 유리의 성형을 상정하여, 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)과 유리 재료(35)를 1400 ℃로 가열하고, 120초 동안 유지한 후에 상부 코어 금형(6) 및 하부 코어 금형(13)과 유리 재료(35)를 200 ℃로 냉각하는 방식으로 시험을 행하였다. 시험에서, 백색 실리콘 수지와 흑색 탄화불소 수지를 O 링(30, 31) 재료로서 사용하였다. 차폐판이 부착된 상태로 시험을 수행하였다. 석영 냉각 공기(54, 57)가 사용되는 경우와 사용되지 않는 경우로 나누어 시험을 행하였다.

시험을 각각 200회 행하였고, O 링(30, 31)의 외관의 변화와, 성형 챔버(17)의 누설 발생을 조사하였다. 표 3 및 표 4는 본 발명에 따른 석영 튜브 냉각 공기의 효과를 조사하기 위한 시험의 결과를 표시하고 있다.

표 3에 표시된 바와 같이, 흑색 탄화불소 수지의 O 링을 사용하고 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)를 사용하지 않은 경우에는, 시험을 5회 반복한 때에 연기가 발생하고 용융이 발생되었다. 이와 달리, 흑색 탄화불소 수지의 O 링을 사용하고 석 영 튜브 냉각 공기(54, 57)를 사용한 경우에는, 시험을 200회 반복한 때에도 이상이 발견되지 않았다. 따라서, 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)의 사용이 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.

다른 한편으로, 백색 실리콘 수지의 O 링을 사용하고, 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)를 사용하지 않은 경우에는, 표 4에 표시된 바와 같이, 시험을 100회 반복한 때에 약간의 변색이 발견되었으며, 시험을 200회 반복한 때에 변색 및 누설이 발생되었다. 이와 달리, 백색 실리콘 수지의 O 링을 사용하고, 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)를 사용한 경우에는, 시험을 200회 반복한 때에도 이상이 발견되지 않았다. 따라서, 석영 튜브 냉각 공기(54, 57)의 사용이 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다. 전술한 시험 결과로부터, 투명한 석영 튜브(16)의 플랜지 부분 근처의 영역을 공기 냉각하는 것이 O 링(30, 31)의 재료 및 색상과 관계 없이 효과적이라는 것을 확인하였다.

전술한 결과로부터 명백하듯이, 본 발명에 따르면, 적외선 램프의 위와 아래의 O 링으로의 복사 열을 차단하는 차폐판을 설치하는 동시에, 투명한 석영 튜브의 위 아래에 마련된 판과, O 링과 접촉하는 투명 석영 튜브의 상부 및 하부 플랜지 근처의 영역을 강제 냉각함으로써, O 링의 수명이 연장되며, 실리카 유리의 성형에서와 같이 1000 ℃ 이상의 성형 온도에서도 성형 챔버가 장시간 밀봉될 수 있는 유리 소자 성형 장치를 제공할 수 있다는 것을 확인하였다.

당업자는 추가의 장점 및 변형을 쉽게 알 수 있다. 그러므로, 넓은 측면에서 본 발명은 본 명세서에 설명 및 예시된 대표적인 실시예 및 상세한 설명으로 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위와 그 균등물에 의해 한정되는 바와 같은 발명의 개념의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형이 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 실리카 유리 등의 고융점 유리를 불활성 가스 분위기 또는 감압 분위기로 성형하는 경우에도, 단열 실린더의 파손 방지 및 단열 실린더의 내구성 향상을 달성할 수 있으므로, 실리카 유리 등의 고융점 유리의 유리 소자를 용이하게 성형할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실리카 유리 등의 고융점 유리를 성형하는 경우에, 탄소재의 볼트 및 몰리브덴재의 볼트를 다이 주변의 부재 체결에 사용함으로써, 볼 트의 느슨해짐 또는, 내열성의 문제에 의해 강도가 극단적으로 저하되어 파손되는 위험이 없는 유리 소자 성형 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 적외선 램프의 위와 아래에 O 링으로의 복사열을 차단하는 차폐판을 설치하는 동시에, 투명한 석영 튜브의 상하로 설치된 플레이트와, O 링에 접촉하는 투명한 석영 튜브의 상하 플랜지부 근처를 강제적으로 냉각하기 때문에, O 링의 수명이 연장되고, 실리카 유리의 경우와 같은 1000° C 이상의 성형 온도에서도, 장기간 성형 챔버를 밀봉하는 것이 가능한 유리 소자 성형 장치가 제공된다.

Claims

서로에 대해 연직 방향 위치 관계로 배치되어 있는 이동 샤프트 및 고정 샤프트와,

상기 샤프트들에 부착되어 있는 단열 실린더와,

상기 각각의 단열 실린더들에 각각 부착되어 있는 상부 다이 조립체 및 하부 다이 조립체로서, 코어 금형과, 이 코어 금형을 지지하는 금형 다이와, 다이 플레이트를 각각 구비하며, 상부 코어 금형과 하부 코어 금형 사이에 유리 재료가 개재되는 것인 다이 조립체와,

상기 하부 다이 조립체의 금형 다이와 다이 플레이트를 함께 체결하는 제1 체결 부재와,

상기 하부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제2 체결 부재와,

상기 상부 다이 조립체의 금형 다이와 다이 플레이트를 함께 체결하는 제3 체결 부재와,

상기 상부 다이 조립체의 다이 플레이트와 단열 실린더를 함께 체결하는 제4 체결 부재

를 포함하며,

상기 제1 내지 제4 체결 부재는 각각 탄소 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 유리 소자 성형 장치.
제1항에 있어서,

상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 단열 실린더를 에워싸도록 형성되는 성형 챔버와,

상기 성형 챔버의 외측 둘레를 따라 배치되어 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 둘레를 에워싸는 적외선 가열 수단과,

상기 적외선 가열 수단으로부터 방출된 열을 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 방향으로 반사하는 반사경

을 더 포함하는 유리 소자 성형 장치.
제1항에 있어서, 상기 각각의 단열 실린더와 상기 각각의 샤프트 사이에 단열 스페이서(spacer)가 개재되며, 각각의 단열 실린더는 탄화규소로 제조되고, 각각의 단열 스페이서는 질화규소로 제조되는 것인 유리 소자 성형 장치.
서로에 대해 연직 방향 위치 관계로 배치되어 있는 이동 샤프트 및 고정 샤프트와,

상기 샤프트들에 부착되어 있는 단열 실린더와,

상기 각각의 단열 실린더들에 각각 부착되어 있는 상부 다이 조립체 및 하부 다이 조립체로서, 코어 금형과, 이 코어 금형을 지지하는 금형 다이와, 다이 플레이트를 각각 구비하며, 상부 코어 금형과 하부 코어 금형 사이에 유리 재료가 개재 되는 것인 다이 조립체와,

상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 유리 재료를 가열하는 가열 수단과,

상기 각각의 샤프트와 상기 각각의 단열 실린더 사이에 개재되는 단열 스페이서

를 포함하는 유리 소자 성형 장치.
제4항에 있어서, 상기 단열 스페이서는 세라믹 재료로 제조되는 것인 유리 소자 성형 장치.
제4항에 있어서, 상기 단열 실린더는 탄화규소로 제조되고, 상기 단열 스페이서는 질화규소로 제조되는 것인 유리 소자 성형 장치.
제5항에 있어서,

상기 상부 및 하부 다이 조립체와 상기 단열 실린더를 에워싸도록 형성되는 성형 챔버와,

상기 성형 챔버의 외측 둘레를 따라 배치되어 상부 및 하부 다이 조립체의 둘레를 에워싸는 적외선 가열 수단과,

상기 적외선 가열 수단으로부터 방출된 열을 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 방향으로 반사하는 반사경

을 더 포함하는 유리 소자 성형 장치.
투명한 석영 튜브와 이 튜브의 위와 아래에 마련된 판에 의해 형성된 폐쇄 공간을 갖는 성형 챔버와,

상기 성형 챔버 내에 배치되는 상부 및 하부 다이 조립체로서, 상기 상부 및 하부 다이 조립체의 사이에 유리 재료가 배치되는 것인 다이 조립체와,

상기 투명한 석영 튜브의 외측 둘레에 배치되어 상기 유리 재료와, 상기 상부 및 하부 다이 조립체를 가열하는 적외선 가열 수단과,

상기 각각의 판에 마련되며, 상기 투명한 석영 튜브와 상기 판 사이의 공간을 밀봉함으로써 공기가 성형 챔버로 유입되는 것을 방지하는 밀봉 부재와,

상기 적외선 가열 수단과 밀봉 부재 사이에 각각 배치되어 상기 적외선 가열 수단으로부터 밀봉 부재로의 복사열을 차단하는 차폐판과,

공기를 강제로 흐르게 함으로써 상기 차폐판과 각각의 판 사이에 존재하는 투명한 석영 튜브의 외측 둘레면을 냉각하는 냉각 수단

을 포함하는 유리 소자 성형 장치.
제8항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 탄화불소 수지 및 실리콘 수지로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료의 O 링인 것인 유리 소자 성형 장치.