JP3608768B2 - ガラス光学素子用プレス成形装置及びガラス光学素子の成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス光学素子の成形装置及び成形方法、特に複数のガラス光学素子を同時に成形するための成形装置及び成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟化ガラスが融着せず、鏡面加工が可能な型材料を精密加工した成形型を用いて、高精度のレンズ等のガラス光学素子を成形する方法が近年注目され、種々開発されている。この方法において、生産効率を向上させるために、複数の成形型を用いて複数のガラス光学素子を同時にプレス成形することが検討されている。
【０００３】
例えば、特開昭６３−１７０２２５ 号公報には、円盤形の上、下の金型に４個の上下キャビティダイを、各キャビティダイの中心が金型の中心から同一半径上で、等間隔になるように配置し、各下キャビティダイ上に被成形ガラス素材をセットして、金型の周縁に巻回した誘導加熱コイルにより金型を誘導加熱し、金型からの熱伝導でキャビティダイおよび被成形ガラス素材を加熱し、プレス成形することが示されている。
一方、特開平７−３３４５２ 号公報には、図１２に示すように、直列に配列したガラス材料成形用の上型部材５０２ 及び下型部材５０３ を備えた胴型５０１ を、該上型部材５０２ 及び下型部材５０３ の列に並行に配した熱源５０７ により加熱し、プレス成形をするように構成した光学素子の成形装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高精度のレンズ等のガラス光学素子をプレス成形するには、成形型の成形面における温度が均一であることが重要であり、例えば２〜３℃以内の温度分布であることが必要とされる。しかしながら、特開昭６３−１７０２２５ 号の方法では金型の周縁部が誘導加熱され、その熱が金型中心方向へ伝導して金型全体を加熱することになるため、金型の周縁部が高く中心部が低い温度分布が生じ、キャビティダイ成形面の温度分布も、金型の周縁部側で高く中心部側で低いものとなる。その結果、成形時に成形材料が金型の周縁部側に伸び、キャビティダイからはみ出すという問題があった。また、中心部側では逆にのび不良が生じやすく、結果として不良品を生じることがあった。また、成形品はこの温度分布のためにアスが生じやすい問題があった。
【０００５】
特開平７−３３４５２ 号の装置は、図１２に示すように、２列に配列した成形型をこれに平行な加熱源を用いて胴型を加熱することにより加熱するものであるため、加熱源側は高温となり胴型の中心側は低温となり、上記と同様の問題があった。また、特開平７−３３４５２ の装置では密閉容器内でガラス素材の自動供給および成形品の取出しが行えるものの、加熱ゾーンで型と被成形ガラス素材を加熱するものであるため、必ずしも成形のサイクルタイムは短いものではなかった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を解決し、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造し得るプレス成形装置及びプレス成形方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、上型及び下型からなる成形型と、該成形型を支持する母型と、前記母型の周囲に巻回された前記成形型を加熱するための加熱手段を有する成形装置において、
前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、
該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、かつ
少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることを特徴とするガラス光学素子用成形装置が提供される。
さらに、本発明においては、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数個の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法において、
前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱が、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に熱せられるように行われることを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の成形装置は、成形型を支持する母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることが特徴である。本発明では、このような構造とすることにより、各成形型の成形面に加熱手段からの距離の違いによる温度分布が生じることを極力防止でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。上記長尺形状の母型は、好ましくは両端部が略半円状になっていることが、両端部に近い成形型への加熱が均一にできるという観点から好ましい。
【０００９】
１つの母型に設けられる成形型の数は、特に制限はなく、ガラス光学素子の形状や寸法等を考慮して適宜決定できる。但し、生産効率と生産技術とを考慮すると、２個以上、１０個以下程度であることが好ましい。しかし、１０個以上であっても勿論良い。
本発明の成形装置において、成形型の形状や構造及び材質は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。具体的には、成形型として炭化ケイ素焼結体にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を形成した後、イオンプレーティング法によりｉ−カーボン膜を形成したものを用いることができる。さらに、ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムと炭化チタンのサーメットや、これらの表面にダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、或いは炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などのセラミックスなどを被覆したものも使用することができる。但し、ｉ−カーボン膜等の炭素系膜は離型性がよい点で特に有利である。
【００１０】
加熱手段は公知の種々のものから選択でき、成形時に母型の周囲に接触状態または非接触状態で位置するように母型の周囲に巻回される。加熱手段は、誘導加熱コイルのような誘導加熱手段であり、成形時に母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されているのが好ましい。尚、誘導加熱コイル等の誘導加熱手段は公知のものから適宜選択できる。
加熱手段として誘導加熱手段を用いることにより、繰り返し成形する場合に、成形型の昇温を素早く行うことが出来るため、成形のサイクルタイムを短くできるという利点がある。さらには、誘導加熱手段は、温度の再現性が極めて良いため、精密な温度制御が可能であるという利点もある。
【００１１】
本発明の成形装置において、加熱手段が誘導加熱コイルである場合、少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることで、誘導加熱コイルからの母型へのエネルギーを均一に与えることができ、成形型の均一加熱を可能にする。さらに、長尺形状であって、かつ一定の幅を有す母型に、成形型を各成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設けるることで、誘導加熱コイルにより母型の発熱を長手方向で左右対照にすることができる。さらに、母型の長手方向に一列に設けられた成形型を等間隔にすることで、成形型の間で母型から受け取る熱量を均一にすることができる。
そして、本発明の成形装置では上記要件を満たすことで、特に、加熱手段が誘導加熱コイルである場合であっても、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造することがでるようになる。
【００１２】
また、本発明のプレス成形装置は、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつける手段を設けることができる。成形型３０１ｂの長手方向の両方に気体を吹きつける手段３０８を設けた場合を図９に示す。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。
【００１３】
また、本発明のプレス成形装置では、加熱手段としての誘導加熱コイルは、母型の長手方向の端部を除き、母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されることもできる。このような態様の例を図１０に模式的に示す。例えば、長手方向端部での加熱手段と母型との距離が、短手方向端部での加熱手段と母型との距離より大きくすることができる。図１０の（ａ）は、母型の長手方向の端部付近では、誘導加熱コイル３０７ｂを母型から遠ざけ、母型の長手方向の端部３０９ｂが加熱されないようにした。また、図１０の（ｂ）では、母型の長手方向の端部３０９ｂを除く側部のみに誘導加熱コイル３０７ｂを配置した。これにより、長手方向の端部に近い成形型の加熱と中央部の成形型の加熱とをより均一化することができる。尚、図１０の（ｂ）の場合、２つの誘導加熱コイルは、同一または別々の回路で温度調節することができる。
【００１４】
上記と同様の理由から、成形型との接触部から端部までの母型の幅を、短手方向より長手方向で大きくすることができる。この状態を図１１に示す。図中、母型の長手方向の端部３０９ｂを長めにすることで、誘導加熱コイル３０７ｂにより加熱された母型の熱が、両端の成形型３０３１及び３０３６に伝わりにくくすることもできる。
尚、上記の図に基づく説明は下型についてのものであるが、上型についても同様とすることができる。
【００１５】
長尺形状の母型は、一の母型で上型及び下型を支持するものであってもよく、また、上型を支持する上母型と下型を支持する下母型に分割されているものであっても良い。一の母型で支持する場合、上型及び下型の少なくとも一方は該母型に対して上下動可能である。この場合、例えば、母型をプレスの下軸上に位置し、上型の上面をプレスの上軸に取り付けたプレスへッドで押圧することにより、プレスを行い得る。上下に分割されている母型の場合、上母型及び下母型を、少なくとも一方が上下動可能であるプレスの上軸及び下軸に取り付けてプレスを行い得る。
【００１６】
誘導加熱コイルは、成形時の母型の位置に配置されるが、母型が上下に分割されている場合、好ましくは各々の母型の周囲に位置するように２個設けられる。上下のコイルは、被成形材料の供給及び成形品の取り出しが可能なように、適当な間隔を開けて配置するのが好ましい。
尚、成形型を支持する母型の材質は公知のものであることができる。成形型を支持する母型の材質は、例えば、ステンレス合金、鋳鉄、タングステン合金、モリブデン合金等を挙げることができる。
【００１７】
本発明の装置において、好ましくは、上型と下型との軸ずれを防止するためのスリーブが、前記上型、下型、上母型及び下母型のいずれかに設けられる。例えば、下型の外周にスリーブ部材を装着し、スリーブ部材の内側に上型が挿入し得る構成とすることができる。
【００１８】
本発明の成形装置は、前記複数の成形型に複数の被成形用ガラス素材を同時に供給するための割型皿をさらに設けることができる。さらに、この割型皿は気体を上方に吹き出し、被成形用ガラス素材を浮上させるための細孔を有するものであることができる。このような被成形用ガラス素材浮上用の割型皿は、特開平８−１３３７５８号に浮上治具として記載のものを挙げることができる。
本発明の成形装置については、実施例においてさらに具体的に説明する。
【００１９】
本発明の成形方法は、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法である。本発明の成形方法に用いる成形型の形状や構造及び材質等、さらには、成形条件等は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。
複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、複数の成形型で同時に加圧成形する場合、複数の成形型の間で熱的条件が同一であり、かつ各成形型において、成形面の温度が成形面の中心から等距離にある位置においては同一であることが好ましい。
【００２０】
本発明の成形方法では、複数の成形型が長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列され、かつ前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって、各成形型が加熱されることから、複数の成形型の間での熱的条件を同一にすることを可能にしている。
さらに、本発明の成形方法では、前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱は、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように行われることを特徴とする。
【００２１】
このような成形型の加熱を可能にする成形装置として、前記本発明の成形装置を挙げることができる。即ち、前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定である装置を用いることができる。
【００２２】
加熱手段は、母型をより均一に加熱できるという観点から誘導加熱コイルであることが好ましい。成形型はその周囲を母型で覆われており、母型からの熱伝導によって過熱される。母型から伝えられる熱が１つの成形型について水平断面における対向する２つの位置で異なると、成形型の成形面の中心から等距離にある位置において温度分布（温度差）が生じることになり、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を得ることは困難である。そこで、本発明の方法では、各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように成形型の加熱を行う。このような成形型の加熱方式とすることで、各成形型の成形面の中心から等距離にある位置においての温度の違いを極力抑制でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００２３】
さらに、複数の成形型の間での熱的条件を同一にするという観点からは、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、成形型の加熱時に母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつけることもできる。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。さらに、図１０及び１１に示すようにな装置を用いることで複数の成形型の加熱を均一に行うこともできる。
【００２４】
本発明のプレス成形は、例えばプレスの上軸及び／又は下軸を駆動して成形型を誘導加熱コイル内に配置した後、誘導加熱を行い、被成形材料が成形温度まで昇温した後、上軸及び／又は下軸を駆動してさらに上型と下型をプレスすることにより行い得る。
被成形ガラス素材は、成形型に供給した後に加熱軟化しても良いが、好ましくは予め加熱軟化した状態で成形型に供給する。加熱軟化した状態で供給する場合は、成形型を予め加熱しておくことが好ましい。
特に本発明の成形方法においては、予め加熱軟化した被成形ガラス素材が、成形型に供給され、成形型に供給される被成形ガラス素材の温度が成形型の温度より高いことが、表面欠陥等のないガラス光学素子を、比較的短いサイクル時間で製造できるという観点から好ましい。
【００２５】
例えば、ガラス素材を該ガラス素材の粘度が１０９ ポアズ未満に相当する温度加熱して軟化させることができる。ガラス素材の粘度が１０９ ポアズ未満であるとで、１０９ ポアズ以上の粘度に相当する温度に予熱した成形型でガラス素材を分に変形させて成形することが可能である。成形型の温度を比較的低温にして成するには、ガラス素材は、好ましくは１０５．５ 〜１０７．６ ポアズに相当する温度加熱して軟化させることが適当である。
成形型の予熱の温度は、前記ガラス素材の粘度が１０９ 〜１０１２ポアズに相当る温度とすることができる。粘度が１０１２ポアズに相当する温度未満では、ガラ素材を大きく伸ばして、コバ厚の薄いガラス成形体を得ることが難しくなり、ま、高面精度が得にくく、粘度が１０９ ポアズに相当する温度を超える温度では、形のサイクルタイムが必要以上に長くなり、また、成形型の寿命が短くなる。
【００２６】
被成形ガラスの成形型への供給は、吸着パッド等公知の供給手段を用いうるが、被成形ガラスを加熱軟化した状態で供給する場合は、浮上皿、好ましくは割型式浮上皿を用い得る。例えば、支持アーム上に長手方向一列に配置された複数の割型式浮上皿上に、下方から噴出する気流により浮上させて、加熱軟化した複数の被成形ガラス素材を、浮上させて搬送し、前記下型の直上で該浮上皿を分割して被成形ガラス素材を落下させることによりガラス素材を供給し得る。このような浮上皿は、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載の物を用いることができる。
【００２７】
ガラス素材が、その自重によって変形する程の低粘性域においては、加熱の際にガラス素材を保持する治具とガラスの融着を防止するのは容易ではない。治具の内部からガスを噴出する浮上皿を用い、ガラス素材を気流により浮上させると、治具面とガラス両面にガスのレイヤーが形成され、このため治具とガラスが反応することなく、加熱軟化することが可能となる。更にガラス素材がプリフォームの場合、プリフォームの形状を概ね維持しつつ加熱軟化することができる。また、ガラス素材がガラスゴブであり、不規則な形状で表面にシワ等の表面欠陥がある場合でも、加熱軟化しながら気流により浮上させることで、形状を整え、表面欠陥を消去することも可能である。
【００２８】
ガラス素材の浮上のために用いる気流となるガスとしては、特に制限はない。但し、加熱したガラス素材が治具と反応しないこと、さらに、加熱した治具の酸化による劣化を防止するという観点から、非酸化性ガスであることが好ましく、例えば窒素等であることが適当である。還元性のガス、例えば水素ガス等を添加することもできる。
気流の流量は、気流を吹き出す口の形状やガラス素材の形状及び重量等を考慮して適宜変更できる。通常の場合、ガス流量は０．００５〜２０リットル／分の範囲がガラス素材の浮上に適している。但し、ガス流量が０．００５リットル／分未満であると、ガラス素材の重量が３００ｍｇ以上の場合、ガラス素材を十分に浮上させることができない場合がある。また、ガス流量が２０リットル／分を超えると、ガラス重量が２０００ｍｇ以上の場合でも、浮上治具上のガラスが大きく揺れて、加熱の際にガラス素材がプリフォームの場合、その形状が変化することがあるからである。
さらにガラス素材の加熱軟化の条件は、ガラスの種類等により適宜変えることができ、軟化したガラス素材に必要とされる粘度となるように調整される。
【００２９】
プリフォームの気流による浮上は、例えば、プリフォームの径より小さいか、等しいか、または大きい開口径を有する上方開口部から上方に流出する気流により行うことができる。
【００３０】
さらに、上記のように割型式浮上皿を用いる場合、下型の中央部に心ずれせずに落下させるために、前記被成形ガラス素材を、前記浮上皿と下型の間に配置した心ずれ防止ファンネル部材の開口を通して落下させることもできる。
また、落下した被成形ガラス素材の下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段により幅寄せを行うことにより心ずれを補正することもできる。
【００３１】
本発明の成形方法において適用できる被成形ガラス素材の形状としては、例えば、球形状、マーブル形状等を挙げることができる。また、被成形ガラス素材の材質や成形により得られる光学素子の形状等には特に制限はない。本発明の成形方法により得られるガラス光学素子としては、例えば、非球面または球面の両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ等を挙げることができる。
【００３２】
本発明の成形方法において、押圧成形の条件等には特に制限はなく、ガラス素の温度及び成形型の温度等を考慮して適宜決定することができる。通常３０〜２０ｋｇ／ｃｍ２ の圧力で、３〜６０秒間、好ましくは５〜３０秒間押圧すること成形することができる。又、プリフォーム及びゴブの温度、成形型の温度、並び離型の温度も適宜選択できる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の装置及び方法を実施例により、図面に基づいてさらに説明する。
実施例１
図１は本実施例のプレス成形装置の上型、下型及び母型の組み付け状態を示す断面図であり、図に示すように本実施例のプレス成形装置においては、長尺形状の母型１により上下動可能に支持された４組の上型２、下型３からなる成形型を用いる。上型２および下型３は超硬合金製であり、成形面には貴金属合金薄膜が被覆されている。母型１はタングステン合金製であり、超硬合金よりわずかに大きい熱膨張係数を有する。５は上型２及び下型３を備えた母型１をプレス成形室内に搬送するためのトレーである。６は各々の成形型において成形品の肉厚が一定になるように、各成形型の寸法に応じて厚さを調整するために、下型の下面に設けられたスペーサーである。本実施例のプレス成形装置は、さらに図２に示すように、上型と下型をプレスするためのプレス手段の上主軸９及び下主軸８と、成形時の誘導加熱を行うための誘導加熱コイル７を有する。誘導加熱コイル７は長尺形状の母型の周囲を取り巻く形状で巻回されている。
【００３４】
上記成形装置により、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点５１４ ℃、屈伏点５４５ ℃）の球状プリフォーム４を用いて、外径１５ｍｍの両凸レンズを成形した。
球状プリフォーム４を、母型１内の上型２と下型３の間にセットし、この母型１をトレー５に載置して、不活性雰囲気に保たれた成形装置内に入れ、成形装置の下主軸８上にトレー５と共に配置した。その後、下主軸８を上昇させ、下型３を成形装置の誘導加熱コイル７の内側に上昇させた（図２ａ、ｂ）。高周波のパワーを入れ、タングステン合金製の母型１を誘導加熱し、被成形ガラス素材を５９６ ℃（ガラス粘度が１０８ ポアズに相当する温度）に加熱した後、下主軸を更に上昇し、上型の上面を上主軸のヘッド９に押し当てることにより、軟化したプリフォームを加圧した（図２ｃ）。その後、ガラス転移点以下まで冷却した後、下主軸を下降させ、成形品を成形用型と共に成形装置の外へ取り出した。
各型の成形面の温度分布は良好であり、偏ったのび方をすることがなく、アスの少ない面精度の良好なレンズが得られた。
【００３５】
実施例２
炭化珪素製の上下型を用い、成形面に炭素系薄膜を被覆し、図３に示すように下型１０３ 外周面にスリーブ１１０ を設けた以外は実施例１と同様の成形装置により、実施例１と同様の両凸レンズを成形した。スリーブ１１０ は、プレス時に上型１０２ と嵌合して上下型の軸ずれを防止すると共にレンズの側面を形成するためのものであり、上下型と同様炭化珪素に炭素系薄膜を被覆してある。実施例１と同様の条件で成形を行ったところ、熱伝導のよいスリーブが上下型の外周を取り囲むことによって、成形面の温度分布がより良くなるため、実施例１以上に高精度のレンズが得られた。
【００３６】
実施例３
本実施例の成形装置においては、図４に示すように、長尺形状の上母型２０１ａ及び下母型２０１ｂが、各々プレスの上主軸２０９ 及び下主軸２０８ に取り付けられており、上母型２０１ａ及下母型２０１ｂには、各々４個の上型２０２ 及び下型２０３ が取り付けられている。さらに、上型２０２ の外周には、下型と狭いクリアランスで嵌合して滑動することによりレンズの上下面の軸ずれを防止するスリーブ２１０ が設けられている。上母型２０１ａの両側には、ガイドピン２１１ が突設され、これに対応して下母型２０１ｂには、ガイド孔２１２ が設けられている。上母型２０１ａ及び下母型２０１ｂは、タングステン合金により形成し、上型２０２ 及び下型２０３ 並びにスリーブ２１０ は実施例２と同様の材質により形成した。
【００３７】
この装置を用いて、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点５１４ ℃、屈伏点５４５ ℃）をプレスして外径１５ｍｍの両凸形状のレンズ（１面が球面、他の１面が非球面）を成形した。マーブル形状に熱間成形された表面欠陥のないプリフォーム２０４ を４７０ ℃に予熱し、成形室の下方にて約４７０ ℃に予熱された下母型２０１ｂの４個の下型２０３ 上に吸着パッド（図示せず）を用いて４個同時に移送した。直ちに、下母型２０１ｂを上昇し４７０ ℃の上母型に組み込んだ（図４ａ）。この時、下型２０３ がガイドピン２１１ とガイド孔２１２ にガイドされ、その後各スリーブ２１０ が各下型２０３ に嵌合する。高周波誘導加熱により上下母型２０１ａ，２０１ｂ をガラス粘度１０８ ポアズに相当する５９６ ℃に昇温した。均熱化した後、下母型２０１ｂを上昇させて７０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスした（図４Ｃ）。次に、型および成形されたレンズをガラスの転移点以下になるまで５０℃／ 分の冷却速度で冷却した。このときガラスの収縮に対して上型２０２ が追随し、上型自重のみかかった状態で冷却された。すなわち冷却中はレンズの上面と上型の接触が保たれていた。
【００３８】
各型において、加熱及び冷却がほぼ均等に行われた。４９０ ℃で下母型２０１ｂを下降させて離型し、そのまま下母型２０１ｂを成形室の下まで下降させ、吸着パッドを用いて４個のレンズを取り出した。取り出したレンズは必要に応じ、その後アニールする場合もある。得られたレンズは高面精度で、表面品質も良好で、心取り後の偏心も良好であった。
【００３９】
実施例４
本実施例の成形装置においては、長尺形状の上母型及び下母型に各々６個の上型及び下型が組み込まれている以外は実施例３と同様の構造の母型及び成形型を用いて、直径１０ｍｍの両凸レンズを成形した。
本実施例の装置においては、図６ に示すように上母型３０１ａ（ 不図示） 及び下母型３０１ｂの長尺形状を倣った形に巻回された誘導加熱コイルが２箇所（３０７ａ（不図示） 、３０７ｂ） 、即ち上母型３０１ｂ（ 不図示） 及び下母型３０１ｂの周囲に設けられている。高周波パワーは、下側を制御し、上側は下側に対して何％かを設定できるようにした。上側のコイルと下側のコイルの間には２０ｍｍの隙間を設けた。
【００４０】
６個の球状プリフォーム３０４ を、図５に示す開閉可能な支持アーム３１４ 上に直線上に１列配置（上下型の間隔と等間隔に配置）された６ 個の割型式浮上皿３１５ （グラッシーカーボン製）上で、下方から噴出する気流により、浮上させて加熱、軟化（特開平８−１３３７５８号参照）させた（図７ａ参照）。その後、支持アーム３１４ を上下の誘導加熱コイル３０７ の間に挿入し、複数の下型３０３ の直上に配置して、支持アーム３１４ を素早く開くことにより、複数の浮上皿３１５ を左右に分割し、複数のプリフォーム３０４ を、浮上皿３１５ からそれぞれに対応する下型３０３ 上に同時に落下させることにより、下型３０３ 上に供給した（図７ｂ）。プリフォーム３０４ が各下型３０３ の中央部に心ずれせずにより確実に落下するように、浮上皿３１５ と下型３０３ の間に図６に平面形状を、また図７に断面形状を示すファンネル状部材３１６ を挟んで落下させることが好ましい。
【００４１】
その後、直ちに支持アームおよびファンネルを下型上から後退させ、高周波パワーを切り、下母型を上昇させて７０Ｋｇ／ｃｍ2の圧力でプレスした。ガラスにかかる圧力は上型自重のみとし、ガラスの転移点以下まで冷却し、その後下母型を約２０ｍｍ下降して離型し、吸着パット（図示せず）を上下の誘導加熱コイルの間に挿入し成形品を同時に取り出した。そして上下の母型温度は高周波パワーにより直ちにプレス開始温度に回復させ、次の成形を同様にして行った。本実施例の成形条件の例を表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
いずれの成形条件においても品質の良好なレンズが連続して得られた。本実施例の方法によると、非常に速い生産速度で、高い効率で、多量のレンズが連続生産できる。
【００４４】
実施例５
本実施例ではプリフォームとして、マーブル形状に熱間成形されたプリフォーム４０４ を用いた。球状プリフォームの場合は、実施例４で説明したように落下時にファンネルでガイドすることが非常に有効であったが、マーブル形状のプレイフォームの場合、下型中心からずれる場合がある。そこで、落下したプリフォームの下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段４１７ により幅寄せを行った。ガイド手段４１７ としては、プリフォーム径よりわずかに大きい内径の円形開口４１８ を有する部材が用いられた。このガイド手段４１７ を、開口４１８ の中心が下型４０３ の中心と合うように被せた（図７参照）。ずれたプリフォーム４０４ の周縁部に部材が当たることにより、プリフォーム４０４ は中心位置に滑り、これにより幅寄せが行われる。その後、プレス成形を行うことにより、偏肉の少ないレンズが得られた。他の条件については実施例４と同様である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のプレス成形装置においては、複数の成形型を直線状一列に配列し、これに対して両側から誘導加熱を生じさせるため、各成形型を均一に加熱してプレス成形を行うことができる。このため、部分的なのび不良等の問題が生じることなく、面精度が高く、かつ表面品質の良好なガラス光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のプレス成形装置の組み付け状態を示す断面図。
【図２】図１のプレス成形装置の成形時の状態を示す説明図。
【図３】本発明の他の実施例のプレス成形装置の組み付け状態を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施例のプレス成形装置の成形時の状態を示す説明図。
【図５】本発明の他の実施例に用いる成形材料供給手段を示す上面図。
【図６】本発明の他の実施例の装置を示す上面図。
【図７】図６の装置を示す断面図。
【図８】本発明の他の実施例の成形材料供給方法を示す断面図。
【図９】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１０】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１１】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１２】従来例のプレス成形装置を示す図。
【符号の説明】
１ 母型
２ 上型
３ 下型
７ 誘導加熱コイル
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス光学素子の成形装置及び成形方法、特に複数のガラス光学素子を同時に成形するための成形装置及び成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟化ガラスが融着せず、鏡面加工が可能な型材料を精密加工した成形型を用いて、高精度のレンズ等のガラス光学素子を成形する方法が近年注目され、種々開発されている。この方法において、生産効率を向上させるために、複数の成形型を用いて複数のガラス光学素子を同時にプレス成形することが検討されている。
【０００３】
例えば、特開昭６３−１７０２２５ 号公報には、円盤形の上、下の金型に４個の上下キャビティダイを、各キャビティダイの中心が金型の中心から同一半径上で、等間隔になるように配置し、各下キャビティダイ上に被成形ガラス素材をセットして、金型の周縁に巻回した誘導加熱コイルにより金型を誘導加熱し、金型からの熱伝導でキャビティダイおよび被成形ガラス素材を加熱し、プレス成形することが示されている。
一方、特開平７−３３４５２ 号公報には、図１２に示すように、直列に配列したガラス材料成形用の上型部材５０２ 及び下型部材５０３ を備えた胴型５０１ を、該上型部材５０２ 及び下型部材５０３ の列に並行に配した熱源５０７ により加熱し、プレス成形をするように構成した光学素子の成形装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高精度のレンズ等のガラス光学素子をプレス成形するには、成形型の成形面における温度が均一であることが重要であり、例えば２〜３℃以内の温度分布であることが必要とされる。しかしながら、特開昭６３−１７０２２５ 号の方法では金型の周縁部が誘導加熱され、その熱が金型中心方向へ伝導して金型全体を加熱することになるため、金型の周縁部が高く中心部が低い温度分布が生じ、キャビティダイ成形面の温度分布も、金型の周縁部側で高く中心部側で低いものとなる。その結果、成形時に成形材料が金型の周縁部側に伸び、キャビティダイからはみ出すという問題があった。また、中心部側では逆にのび不良が生じやすく、結果として不良品を生じることがあった。また、成形品はこの温度分布のためにアスが生じやすい問題があった。
【０００５】
特開平７−３３４５２ 号の装置は、図１２に示すように、２列に配列した成形型をこれに平行な加熱源を用いて胴型を加熱することにより加熱するものであるため、加熱源側は高温となり胴型の中心側は低温となり、上記と同様の問題があった。また、特開平７−３３４５２ の装置では密閉容器内でガラス素材の自動供給および成形品の取出しが行えるものの、加熱ゾーンで型と被成形ガラス素材を加熱するものであるため、必ずしも成形のサイクルタイムは短いものではなかった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を解決し、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造し得るプレス成形装置及びプレス成形方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、上型及び下型からなる成形型と、該成形型を支持する母型と、前記母型の周囲に巻回された前記成形型を加熱するための加熱手段を有する成形装置において、
前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、
該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、かつ
少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることを特徴とするガラス光学素子用成形装置が提供される。
さらに、本発明においては、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数個の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法において、
前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱が、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に熱せられるように行われることを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の成形装置は、成形型を支持する母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることが特徴である。本発明では、このような構造とすることにより、各成形型の成形面に加熱手段からの距離の違いによる温度分布が生じることを極力防止でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。上記長尺形状の母型は、好ましくは両端部が略半円状になっていることが、両端部に近い成形型への加熱が均一にできるという観点から好ましい。
【０００９】
１つの母型に設けられる成形型の数は、特に制限はなく、ガラス光学素子の形状や寸法等を考慮して適宜決定できる。但し、生産効率と生産技術とを考慮すると、２個以上、１０個以下程度であることが好ましい。しかし、１０個以上であっても勿論良い。
本発明の成形装置において、成形型の形状や構造及び材質は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。具体的には、成形型として炭化ケイ素焼結体にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を形成した後、イオンプレーティング法によりｉ−カーボン膜を形成したものを用いることができる。さらに、ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムと炭化チタンのサーメットや、これらの表面にダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、或いは炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などのセラミックスなどを被覆したものも使用することができる。但し、ｉ−カーボン膜等の炭素系膜は離型性がよい点で特に有利である。
【００１０】
加熱手段は公知の種々のものから選択でき、成形時に母型の周囲に接触状態または非接触状態で位置するように母型の周囲に巻回される。加熱手段は、誘導加熱コイルのような誘導加熱手段であり、成形時に母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されているのが好ましい。尚、誘導加熱コイル等の誘導加熱手段は公知のものから適宜選択できる。
加熱手段として誘導加熱手段を用いることにより、繰り返し成形する場合に、成形型の昇温を素早く行うことが出来るため、成形のサイクルタイムを短くできるという利点がある。さらには、誘導加熱手段は、温度の再現性が極めて良いため、精密な温度制御が可能であるという利点もある。
【００１１】
本発明の成形装置において、加熱手段が誘導加熱コイルである場合、少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることで、誘導加熱コイルからの母型へのエネルギーを均一に与えることができ、成形型の均一加熱を可能にする。さらに、長尺形状であって、かつ一定の幅を有す母型に、成形型を各成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設けるることで、誘導加熱コイルにより母型の発熱を長手方向で左右対照にすることができる。さらに、母型の長手方向に一列に設けられた成形型を等間隔にすることで、成形型の間で母型から受け取る熱量を均一にすることができる。
そして、本発明の成形装置では上記要件を満たすことで、特に、加熱手段が誘導加熱コイルである場合であっても、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造することがでるようになる。
【００１２】
また、本発明のプレス成形装置は、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつける手段を設けることができる。成形型３０１ｂの長手方向の両方に気体を吹きつける手段３０８を設けた場合を図９に示す。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。
【００１３】
また、本発明のプレス成形装置では、加熱手段としての誘導加熱コイルは、母型の長手方向の端部を除き、母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されることもできる。このような態様の例を図１０に模式的に示す。例えば、長手方向端部での加熱手段と母型との距離が、短手方向端部での加熱手段と母型との距離より大きくすることができる。図１０の（ａ）は、母型の長手方向の端部付近では、誘導加熱コイル３０７ｂを母型から遠ざけ、母型の長手方向の端部３０９ｂが加熱されないようにした。また、図１０の（ｂ）では、母型の長手方向の端部３０９ｂを除く側部のみに誘導加熱コイル３０７ｂを配置した。これにより、長手方向の端部に近い成形型の加熱と中央部の成形型の加熱とをより均一化することができる。尚、図１０の（ｂ）の場合、２つの誘導加熱コイルは、同一または別々の回路で温度調節することができる。
【００１４】
上記と同様の理由から、成形型との接触部から端部までの母型の幅を、短手方向より長手方向で大きくすることができる。この状態を図１１に示す。図中、母型の長手方向の端部３０９ｂを長めにすることで、誘導加熱コイル３０７ｂにより加熱された母型の熱が、両端の成形型３０３１及び３０３６に伝わりにくくすることもできる。
尚、上記の図に基づく説明は下型についてのものであるが、上型についても同様とすることができる。
【００１５】
長尺形状の母型は、一の母型で上型及び下型を支持するものであってもよく、また、上型を支持する上母型と下型を支持する下母型に分割されているものであっても良い。一の母型で支持する場合、上型及び下型の少なくとも一方は該母型に対して上下動可能である。この場合、例えば、母型をプレスの下軸上に位置し、上型の上面をプレスの上軸に取り付けたプレスへッドで押圧することにより、プレスを行い得る。上下に分割されている母型の場合、上母型及び下母型を、少なくとも一方が上下動可能であるプレスの上軸及び下軸に取り付けてプレスを行い得る。
【００１６】
誘導加熱コイルは、成形時の母型の位置に配置されるが、母型が上下に分割されている場合、好ましくは各々の母型の周囲に位置するように２個設けられる。上下のコイルは、被成形材料の供給及び成形品の取り出しが可能なように、適当な間隔を開けて配置するのが好ましい。
尚、成形型を支持する母型の材質は公知のものであることができる。成形型を支持する母型の材質は、例えば、ステンレス合金、鋳鉄、タングステン合金、モリブデン合金等を挙げることができる。
【００１７】
本発明の装置において、好ましくは、上型と下型との軸ずれを防止するためのスリーブが、前記上型、下型、上母型及び下母型のいずれかに設けられる。例えば、下型の外周にスリーブ部材を装着し、スリーブ部材の内側に上型が挿入し得る構成とすることができる。
【００１８】
本発明の成形装置は、前記複数の成形型に複数の被成形用ガラス素材を同時に供給するための割型皿をさらに設けることができる。さらに、この割型皿は気体を上方に吹き出し、被成形用ガラス素材を浮上させるための細孔を有するものであることができる。このような被成形用ガラス素材浮上用の割型皿は、特開平８−１３３７５８号に浮上治具として記載のものを挙げることができる。
本発明の成形装置については、実施例においてさらに具体的に説明する。
【００１９】
本発明の成形方法は、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法である。本発明の成形方法に用いる成形型の形状や構造及び材質等、さらには、成形条件等は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。
複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、複数の成形型で同時に加圧成形する場合、複数の成形型の間で熱的条件が同一であり、かつ各成形型において、成形面の温度が成形面の中心から等距離にある位置においては同一であることが好ましい。
【００２０】
本発明の成形方法では、複数の成形型が長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列され、かつ前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって、各成形型が加熱されることから、複数の成形型の間での熱的条件を同一にすることを可能にしている。
さらに、本発明の成形方法では、前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱は、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように行われることを特徴とする。
【００２１】
このような成形型の加熱を可能にする成形装置として、前記本発明の成形装置を挙げることができる。即ち、前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定である装置を用いることができる。
【００２２】
加熱手段は、母型をより均一に加熱できるという観点から誘導加熱コイルであることが好ましい。成形型はその周囲を母型で覆われており、母型からの熱伝導によって過熱される。母型から伝えられる熱が１つの成形型について水平断面における対向する２つの位置で異なると、成形型の成形面の中心から等距離にある位置において温度分布（温度差）が生じることになり、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を得ることは困難である。そこで、本発明の方法では、各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように成形型の加熱を行う。このような成形型の加熱方式とすることで、各成形型の成形面の中心から等距離にある位置においての温度の違いを極力抑制でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００２３】
さらに、複数の成形型の間での熱的条件を同一にするという観点からは、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、成形型の加熱時に母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつけることもできる。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。さらに、図１０及び１１に示すようにな装置を用いることで複数の成形型の加熱を均一に行うこともできる。
【００２４】
本発明のプレス成形は、例えばプレスの上軸及び／又は下軸を駆動して成形型を誘導加熱コイル内に配置した後、誘導加熱を行い、被成形材料が成形温度まで昇温した後、上軸及び／又は下軸を駆動してさらに上型と下型をプレスすることにより行い得る。
被成形ガラス素材は、成形型に供給した後に加熱軟化しても良いが、好ましくは予め加熱軟化した状態で成形型に供給する。加熱軟化した状態で供給する場合は、成形型を予め加熱しておくことが好ましい。
特に本発明の成形方法においては、予め加熱軟化した被成形ガラス素材が、成形型に供給され、成形型に供給される被成形ガラス素材の温度が成形型の温度より高いことが、表面欠陥等のないガラス光学素子を、比較的短いサイクル時間で製造できるという観点から好ましい。
【００２５】
例えば、ガラス素材を該ガラス素材の粘度が１０９ ポアズ未満に相当する温度加熱して軟化させることができる。ガラス素材の粘度が１０９ ポアズ未満であるとで、１０９ ポアズ以上の粘度に相当する温度に予熱した成形型でガラス素材を分に変形させて成形することが可能である。成形型の温度を比較的低温にして成するには、ガラス素材は、好ましくは１０５．５ 〜１０７．６ ポアズに相当する温度加熱して軟化させることが適当である。
成形型の予熱の温度は、前記ガラス素材の粘度が１０９ 〜１０１２ポアズに相当る温度とすることができる。粘度が１０１２ポアズに相当する温度未満では、ガラ素材を大きく伸ばして、コバ厚の薄いガラス成形体を得ることが難しくなり、ま、高面精度が得にくく、粘度が１０９ ポアズに相当する温度を超える温度では、形のサイクルタイムが必要以上に長くなり、また、成形型の寿命が短くなる。
【００２６】
被成形ガラスの成形型への供給は、吸着パッド等公知の供給手段を用いうるが、被成形ガラスを加熱軟化した状態で供給する場合は、浮上皿、好ましくは割型式浮上皿を用い得る。例えば、支持アーム上に長手方向一列に配置された複数の割型式浮上皿上に、下方から噴出する気流により浮上させて、加熱軟化した複数の被成形ガラス素材を、浮上させて搬送し、前記下型の直上で該浮上皿を分割して被成形ガラス素材を落下させることによりガラス素材を供給し得る。このような浮上皿は、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載の物を用いることができる。
【００２７】
ガラス素材が、その自重によって変形する程の低粘性域においては、加熱の際にガラス素材を保持する治具とガラスの融着を防止するのは容易ではない。治具の内部からガスを噴出する浮上皿を用い、ガラス素材を気流により浮上させると、治具面とガラス両面にガスのレイヤーが形成され、このため治具とガラスが反応することなく、加熱軟化することが可能となる。更にガラス素材がプリフォームの場合、プリフォームの形状を概ね維持しつつ加熱軟化することができる。また、ガラス素材がガラスゴブであり、不規則な形状で表面にシワ等の表面欠陥がある場合でも、加熱軟化しながら気流により浮上させることで、形状を整え、表面欠陥を消去することも可能である。
【００２８】
ガラス素材の浮上のために用いる気流となるガスとしては、特に制限はない。但し、加熱したガラス素材が治具と反応しないこと、さらに、加熱した治具の酸化による劣化を防止するという観点から、非酸化性ガスであることが好ましく、例えば窒素等であることが適当である。還元性のガス、例えば水素ガス等を添加することもできる。
気流の流量は、気流を吹き出す口の形状やガラス素材の形状及び重量等を考慮して適宜変更できる。通常の場合、ガス流量は０．００５〜２０リットル／分の範囲がガラス素材の浮上に適している。但し、ガス流量が０．００５リットル／分未満であると、ガラス素材の重量が３００ｍｇ以上の場合、ガラス素材を十分に浮上させることができない場合がある。また、ガス流量が２０リットル／分を超えると、ガラス重量が２０００ｍｇ以上の場合でも、浮上治具上のガラスが大きく揺れて、加熱の際にガラス素材がプリフォームの場合、その形状が変化することがあるからである。
さらにガラス素材の加熱軟化の条件は、ガラスの種類等により適宜変えることができ、軟化したガラス素材に必要とされる粘度となるように調整される。
【００２９】
プリフォームの気流による浮上は、例えば、プリフォームの径より小さいか、等しいか、または大きい開口径を有する上方開口部から上方に流出する気流により行うことができる。
【００３０】
さらに、上記のように割型式浮上皿を用いる場合、下型の中央部に心ずれせずに落下させるために、前記被成形ガラス素材を、前記浮上皿と下型の間に配置した心ずれ防止ファンネル部材の開口を通して落下させることもできる。
また、落下した被成形ガラス素材の下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段により幅寄せを行うことにより心ずれを補正することもできる。
【００３１】
本発明の成形方法において適用できる被成形ガラス素材の形状としては、例えば、球形状、マーブル形状等を挙げることができる。また、被成形ガラス素材の材質や成形により得られる光学素子の形状等には特に制限はない。本発明の成形方法により得られるガラス光学素子としては、例えば、非球面または球面の両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ等を挙げることができる。
【００３２】
本発明の成形方法において、押圧成形の条件等には特に制限はなく、ガラス素の温度及び成形型の温度等を考慮して適宜決定することができる。通常３０〜２０ｋｇ／ｃｍ２ の圧力で、３〜６０秒間、好ましくは５〜３０秒間押圧すること成形することができる。又、プリフォーム及びゴブの温度、成形型の温度、並び離型の温度も適宜選択できる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の装置及び方法を実施例により、図面に基づいてさらに説明する。
実施例１
図１は本実施例のプレス成形装置の上型、下型及び母型の組み付け状態を示す断面図であり、図に示すように本実施例のプレス成形装置においては、長尺形状の母型１により上下動可能に支持された４組の上型２、下型３からなる成形型を用いる。上型２および下型３は超硬合金製であり、成形面には貴金属合金薄膜が被覆されている。母型１はタングステン合金製であり、超硬合金よりわずかに大きい熱膨張係数を有する。５は上型２及び下型３を備えた母型１をプレス成形室内に搬送するためのトレーである。６は各々の成形型において成形品の肉厚が一定になるように、各成形型の寸法に応じて厚さを調整するために、下型の下面に設けられたスペーサーである。本実施例のプレス成形装置は、さらに図２に示すように、上型と下型をプレスするためのプレス手段の上主軸９及び下主軸８と、成形時の誘導加熱を行うための誘導加熱コイル７を有する。誘導加熱コイル７は長尺形状の母型の周囲を取り巻く形状で巻回されている。
【００３４】
上記成形装置により、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点５１４ ℃、屈伏点５４５ ℃）の球状プリフォーム４を用いて、外径１５ｍｍの両凸レンズを成形した。
球状プリフォーム４を、母型１内の上型２と下型３の間にセットし、この母型１をトレー５に載置して、不活性雰囲気に保たれた成形装置内に入れ、成形装置の下主軸８上にトレー５と共に配置した。その後、下主軸８を上昇させ、下型３を成形装置の誘導加熱コイル７の内側に上昇させた（図２ａ、ｂ）。高周波のパワーを入れ、タングステン合金製の母型１を誘導加熱し、被成形ガラス素材を５９６ ℃（ガラス粘度が１０８ ポアズに相当する温度）に加熱した後、下主軸を更に上昇し、上型の上面を上主軸のヘッド９に押し当てることにより、軟化したプリフォームを加圧した（図２ｃ）。その後、ガラス転移点以下まで冷却した後、下主軸を下降させ、成形品を成形用型と共に成形装置の外へ取り出した。
各型の成形面の温度分布は良好であり、偏ったのび方をすることがなく、アスの少ない面精度の良好なレンズが得られた。
【００３５】
実施例２
炭化珪素製の上下型を用い、成形面に炭素系薄膜を被覆し、図３に示すように下型１０３ 外周面にスリーブ１１０ を設けた以外は実施例１と同様の成形装置により、実施例１と同様の両凸レンズを成形した。スリーブ１１０ は、プレス時に上型１０２ と嵌合して上下型の軸ずれを防止すると共にレンズの側面を形成するためのものであり、上下型と同様炭化珪素に炭素系薄膜を被覆してある。実施例１と同様の条件で成形を行ったところ、熱伝導のよいスリーブが上下型の外周を取り囲むことによって、成形面の温度分布がより良くなるため、実施例１以上に高精度のレンズが得られた。
【００３６】
実施例３
本実施例の成形装置においては、図４に示すように、長尺形状の上母型２０１ａ及び下母型２０１ｂが、各々プレスの上主軸２０９ 及び下主軸２０８ に取り付けられており、上母型２０１ａ及下母型２０１ｂには、各々４個の上型２０２ 及び下型２０３ が取り付けられている。さらに、上型２０２ の外周には、下型と狭いクリアランスで嵌合して滑動することによりレンズの上下面の軸ずれを防止するスリーブ２１０ が設けられている。上母型２０１ａの両側には、ガイドピン２１１ が突設され、これに対応して下母型２０１ｂには、ガイド孔２１２ が設けられている。上母型２０１ａ及び下母型２０１ｂは、タングステン合金により形成し、上型２０２ 及び下型２０３ 並びにスリーブ２１０ は実施例２と同様の材質により形成した。
【００３７】
この装置を用いて、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点５１４ ℃、屈伏点５４５ ℃）をプレスして外径１５ｍｍの両凸形状のレンズ（１面が球面、他の１面が非球面）を成形した。マーブル形状に熱間成形された表面欠陥のないプリフォーム２０４ を４７０ ℃に予熱し、成形室の下方にて約４７０ ℃に予熱された下母型２０１ｂの４個の下型２０３ 上に吸着パッド（図示せず）を用いて４個同時に移送した。直ちに、下母型２０１ｂを上昇し４７０ ℃の上母型に組み込んだ（図４ａ）。この時、下型２０３ がガイドピン２１１ とガイド孔２１２ にガイドされ、その後各スリーブ２１０ が各下型２０３ に嵌合する。高周波誘導加熱により上下母型２０１ａ，２０１ｂ をガラス粘度１０８ ポアズに相当する５９６ ℃に昇温した。均熱化した後、下母型２０１ｂを上昇させて７０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスした（図４Ｃ）。次に、型および成形されたレンズをガラスの転移点以下になるまで５０℃／ 分の冷却速度で冷却した。このときガラスの収縮に対して上型２０２ が追随し、上型自重のみかかった状態で冷却された。すなわち冷却中はレンズの上面と上型の接触が保たれていた。
【００３８】
各型において、加熱及び冷却がほぼ均等に行われた。４９０ ℃で下母型２０１ｂを下降させて離型し、そのまま下母型２０１ｂを成形室の下まで下降させ、吸着パッドを用いて４個のレンズを取り出した。取り出したレンズは必要に応じ、その後アニールする場合もある。得られたレンズは高面精度で、表面品質も良好で、心取り後の偏心も良好であった。
【００３９】
実施例４
本実施例の成形装置においては、長尺形状の上母型及び下母型に各々６個の上型及び下型が組み込まれている以外は実施例３と同様の構造の母型及び成形型を用いて、直径１０ｍｍの両凸レンズを成形した。
本実施例の装置においては、図６ に示すように上母型３０１ａ（ 不図示） 及び下母型３０１ｂの長尺形状を倣った形に巻回された誘導加熱コイルが２箇所（３０７ａ（不図示） 、３０７ｂ） 、即ち上母型３０１ｂ（ 不図示） 及び下母型３０１ｂの周囲に設けられている。高周波パワーは、下側を制御し、上側は下側に対して何％かを設定できるようにした。上側のコイルと下側のコイルの間には２０ｍｍの隙間を設けた。
【００４０】
６個の球状プリフォーム３０４ を、図５に示す開閉可能な支持アーム３１４ 上に直線上に１列配置（上下型の間隔と等間隔に配置）された６ 個の割型式浮上皿３１５ （グラッシーカーボン製）上で、下方から噴出する気流により、浮上させて加熱、軟化（特開平８−１３３７５８号参照）させた（図７ａ参照）。その後、支持アーム３１４ を上下の誘導加熱コイル３０７ の間に挿入し、複数の下型３０３ の直上に配置して、支持アーム３１４ を素早く開くことにより、複数の浮上皿３１５ を左右に分割し、複数のプリフォーム３０４ を、浮上皿３１５ からそれぞれに対応する下型３０３ 上に同時に落下させることにより、下型３０３ 上に供給した（図７ｂ）。プリフォーム３０４ が各下型３０３ の中央部に心ずれせずにより確実に落下するように、浮上皿３１５ と下型３０３ の間に図６に平面形状を、また図７に断面形状を示すファンネル状部材３１６ を挟んで落下させることが好ましい。
【００４１】
その後、直ちに支持アームおよびファンネルを下型上から後退させ、高周波パワーを切り、下母型を上昇させて７０Ｋｇ／ｃｍ2の圧力でプレスした。ガラスにかかる圧力は上型自重のみとし、ガラスの転移点以下まで冷却し、その後下母型を約２０ｍｍ下降して離型し、吸着パット（図示せず）を上下の誘導加熱コイルの間に挿入し成形品を同時に取り出した。そして上下の母型温度は高周波パワーにより直ちにプレス開始温度に回復させ、次の成形を同様にして行った。本実施例の成形条件の例を表１に示す。
【００４２】
【表１】
いずれの成形条件においても品質の良好なレンズが連続して得られた。本実施例の方法によると、非常に速い生産速度で、高い効率で、多量のレンズが連続生産できる。
【００４４】
実施例５
本実施例ではプリフォームとして、マーブル形状に熱間成形されたプリフォーム４０４ を用いた。球状プリフォームの場合は、実施例４で説明したように落下時にファンネルでガイドすることが非常に有効であったが、マーブル形状のプレイフォームの場合、下型中心からずれる場合がある。そこで、落下したプリフォームの下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段４１７ により幅寄せを行った。ガイド手段４１７ としては、プリフォーム径よりわずかに大きい内径の円形開口４１８ を有する部材が用いられた。このガイド手段４１７ を、開口４１８ の中心が下型４０３ の中心と合うように被せた（図７参照）。ずれたプリフォーム４０４ の周縁部に部材が当たることにより、プリフォーム４０４ は中心位置に滑り、これにより幅寄せが行われる。その後、プレス成形を行うことにより、偏肉の少ないレンズが得られた。他の条件については実施例４と同様である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のプレス成形装置においては、複数の成形型を直線状一列に配列し、これに対して両側から誘導加熱を生じさせるため、各成形型を均一に加熱してプレス成形を行うことができる。このため、部分的なのび不良等の問題が生じることなく、面精度が高く、かつ表面品質の良好なガラス光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のプレス成形装置の組み付け状態を示す断面図。
【図２】図１のプレス成形装置の成形時の状態を示す説明図。
【図３】本発明の他の実施例のプレス成形装置の組み付け状態を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施例のプレス成形装置の成形時の状態を示す説明図。
【図５】本発明の他の実施例に用いる成形材料供給手段を示す上面図。
【図６】本発明の他の実施例の装置を示す上面図。
【図７】図６の装置を示す断面図。
【図８】本発明の他の実施例の成形材料供給方法を示す断面図。
【図９】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１０】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１１】本発明のプレス成形装置を示す上面図。
【図１２】従来例のプレス成形装置を示す図。
【符号の説明】
１ 母型
２ 上型
３ 下型
７ 誘導加熱コイル
Claims (23)
- 上型及び下型からなる成形型と、該成形型を支持する母型と、前記母型の周囲に巻回された前記成形型を加熱するための加熱手段を有する成形装置において、
前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、
該母型に前記成形型複数個を一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、かつ
少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることを特徴とするガラス光学素子用成形装置。 - 母型に成形型複数個が長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設けられることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
- 前記加熱手段が誘導加熱コイルであることを特徴とする請求項1又は２に記載の成形装置。
- 前記母型の長手方向端部に、気体を吹きつけるための手段を有することを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の成形装置。
- 気体の吹付け量を、流量調節器によって調節することを特徴とする請求項４に記載の成形装置。
- 長手方向端部での加熱手段と母型との距離が、短手方向端部での加熱手段と母型との距離より大きいことを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の成形装置。
- 成形型との接触部から端部までの母型の幅が、短手方向より長手方向で大きいことを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の成形装置。
- 長尺形状の母型が、上型を支持する上母型と下型を支持する下母型に分割されており、少なくとも一方が上下動可能であることを特徴とする請求項1〜７のいずれか１項に記載の成形装置。
- 母型が上母型と下母型が分割されており、加熱手段が上型と下型をそれぞれ加熱するように配置されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形装置。
- 上型、下型、上母型及び下母型のいずれかに、上下型の軸ずれを防止するためのスリーブが設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の成形装置。
- 複数の成形型に複数の被成形用ガラス素材を同時に搬送し、供給するための割型皿をさらに設け、前記皿を分割することによって供給が行われることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形装置。
- ガラス光学素子の成形方法において、
上型及び下型からなる成形型と、該成形型を支持する母型と、前記母型の周囲に巻回された前記成形型を加熱するための加熱手段を有する成形装置であって、
前記母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、
該母型に前記成形型複数個を一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、かつ
少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であるガラス光学素子用成形装置を用いて成形することを特徴とする、前記方法。 - 複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数個の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法において、
前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱が、少なくとも各成形型の成形面の中心に対し、対向する2つの位置が実質的に均等に熱せられるように行われることを特徴とする光学素子の成形方法。 - 加熱手段が誘導加熱コイルであることを特徴とする請求項１３に記載の成形方法。
- 被成形用ガラス素材を成形型に供給し、各成形型の成形面の中心に対し 、対向する２つの位置が、実質的に均等に加熱されるように加熱手段によって成形型と共に加熱することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の成形方法。
- 予熱することによって軟化された被成形用ガラス素材が、加熱手段によって加熱された成形型に供給され、加圧成形開始時に、軟化された被成形用ガラスの温度が加熱された成形型の温度よりも高く、かつ各成形型の成形面の中心に対し、対向する２つの位置が、実質的に均等に加熱されるように成形型の加熱が行われ、その後加圧されて光学素子が成形されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の成形方法。
- 複数の成形型への複数の被成形用ガラス素材の供給が、成形型上に被成形用ガラス素材を同時に落下させることによって行われることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の成形方法。
- 被成形用ガラス素材を、成形型の数と同数の開口部を有し、浮上皿と下型の間に設けた心ずれ防止のファンネル部材を通して下型に落下させることを特徴とする請求項１７に記載の成形方法。
- 複数個の加熱軟化した被成形用ガラス素材を上型及び下型を含む複数個の成形型に供給し、次いで該複数個の成形型で同時にプレス成形することにより複数個のガラス光学素子を成形する方法であって、
前記複数個の被成形用ガラス素材を一列に配置して加熱軟化する工程、
一列に配置された前記複数個の成形型の各下型に、前記加熱軟化した被成形用ガラス素材を同時に落下させることにより、下型上に被成形用ガラス素材を供給する工程、及び
前記供給されたガラス素材を、前記成形型でプレス成形する工程
を含むガラス光学素子の成形方法。 - 複数個の加熱軟化した被成形用ガラス素材を上型及び下型を含む複数個の成形型に供給し、次いで該複数の成形型で同時にプレス成形することにより複数個のガラス光学素子を成形する方法であって、
前記複数個の被成形用ガラス素材を一列に配置した割型皿上で加熱軟化する工程、
一列に配置された前記複数個の成形型の下型上で前記割型皿を分割して、前記加熱軟化した複数個の被成形用ガラス素材を同時に落下させることにより、各下型上に被成形用ガラス素材を供給する工程、及び
前記供給された被成形用ガラス素材を、前記成形型でプレス成形する工程
を含むガラス光学素子の成形方法。 - 前記割型皿が割型式浮上皿であり、
前記複数個の被成形用ガラス素材を加熱軟化する工程は、複数個の被成形用ガラス素材を一列に配置した割型式浮上皿上で、気流により浮上させながら行い、
かつ、前記下型上に被成形用ガラス素材を供給する工程は、前記浮上皿を分割することにより行う請求項１９または２０に記載のガラス光学素子の成形方法。 - 前記プレス成形は、１０9ポアズ未満の粘度に相当する温度に加熱軟化した被成形用ガラス素材を、１０9ポアズ以上の粘度に相当する温度に加熱した前記成形型でプレス成形することにより行う請求項１９〜２１のいずれか１項に記載のガラス光学素子の成形方法。
- 前記複数個の成形型は母型に一列に配列され、該成形型は、該母型を巻回する誘導加熱コイルにより誘導加熱された母型からの熱伝導により加熱される請求項１９〜２２のいずれか１項に記載のガラス光学素子の成形方法。
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