(57)【要約】【課題】金型及び素材の加熱を制御応答性の高い赤外線ランプを使用し、加熱中及び成形中の金型温度の均一性を達成し、光学的均質性及び残留応力の低減化を図ること。【解決手段】上軸２０，下軸３０と、これらの先端に取り付けられ、金型Ｐを構成する上型２２及び下型２３と、下軸３０を上下動させる駆動部５０と、金型Ｐを収容し、赤外線を透過する材料で形成された筒状の石英管６０と、石英管６０の外部に配置され、コイル状に巻かれた赤外線ランプ１１０を有する加熱部１００とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下１対のプレス軸と、
これらプレス軸先端に取り付けられ、金型を構成する上型及び下型と、
上部及び下部いずれか一方の前記プレス軸を上下動させるアクチュエータと、
上記金型の周囲に配置され、コイル状に巻かれた赤外線ランプを有する赤外線加熱部とを備えていることを特徴とする成形装置。
【請求項２】
上記赤外線加熱部は、上下一対の赤外線ランプからなることを特徴とする請求項１に記載の成形装置。
【請求項３】
上記赤外線ランプの外周側には前記赤外線を反射する反射材が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された成形装置。
【請求項４】
上記赤外線ランプは、同一の半径で巻かれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項５】
上記赤外線ランプは、単位長さ当たりの巻数が高さ方向で異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項６】
上記赤外線ランプは、巻き半径が高さ方向で異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項７】
上記赤外線加熱部を上下方向に移動させる駆動機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項８】
上記赤外線加熱部は、上記上型と上記下型にそれぞれ対応するコイル状に巻かれた一対の赤外線ランプを有する赤外線加熱部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の成形装置。
【請求項９】
上記赤外線加熱部は、上記一対の赤外線ランプを独立して上下方向に移動させる駆動機構を備えていることを特徴とする請求項２に記載の成形装置。
【請求項１０】
上記赤外線加熱部は、上型と下型の温度を、それぞれ独立して制御することを特徴とする請求項２に記載の成形装置。
【請求項１１】
金型と、
この金型の周囲に配置され、コイル状に巻かれた赤外線ランプを有する赤外線加熱部とを備えていることを特徴とする成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス等の素材を加熱・プレス成形することにより光学ガラス素子等の成形品を成形する成形装置に関し、特に高精度に成形を行えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス等の素材を加熱軟化・プレス成形することにより光学ガラス素子を成形するガラス成形装置が知られている（例えば、特許文献１）。近年、デジタルカメラに代表される非球面ガラスレンズ等の高精度の光学ガラス素子を成形する需要が高まっている。
【０００３】
ガラス成形装置は例えば図１１に示すような構成がとられている。すなわち、フレーム１０と、このフレーム１０に支持された上軸２０と下軸３０とを備えている。上軸２０は、上スペーサ２１を介して下端に上型２２を備え、下軸３０は、下スペーサ３１を介して上端に下型３２とを備えている。上型２２と下型３２とにより金型が形成され、ガラス素材等の被成形体Ｗが下型３２上に載置されている。
【０００４】
下軸３０の下には、プレス力検知ユ二ット４０、下軸３０を上下方向に駆動する駆動部５０が設けられている。
【０００５】
上型２２と下型３２及び上スペーサ２１と下スペーサ３１の周囲には筒状の石英管６０が配置され、上フランジ５１、下フランジ５２により両開口部が支持されている。なお、図１１中６１，６２は金型温度を計測する温度センサを示している。石英管６０の周囲には加熱部７０が配置されている。加熱部７０は、赤外線ランプ（ハロゲンヒータ）７１と、その外周面に設けられたミラー７２とを備えている。
【０００６】
赤外線ランプ７１は、ランプ管内部にフィラメントが内蔵されたものであり、フィラメントに電流を流すことで発光し、赤外線を照射するものである。さらに配置形式として、２通りのヒータ配置があった。例えば、図１２に示すような半円弧状の赤外線発光部７１ａを相対向させるとともに、石英管６０外周に囲むように配置して、擬似円環状を構成する。なお、図１２中７１ｂは赤外線発光部７１ａの合わせ部、７１ｃは端子部を示している。そして、１段または多段数配置する。多段数配置する場合は、上型と下型に対応して２つのグループに分けて、２ゾーン制御を行うことも可能である。
【０００７】
一方、直線上の赤外線ランプを、金型円筒軸方向と平行に金型外周部に複数本配置する。例えば、金型の周辺に１２本の赤外線ランプ７１ｄが金型（不図示）に対して同心円状に並んで設置されている。この場合、赤外線ランプ７１ｄの左右でフィラメント抵抗を変化させて、それぞれ交互に配置することにより、２ゾーン制御を行うことも可能である。なお、図１４中７１ｅは端子部を示している。
【０００８】
このようなガラス成形装置の加熱部７０には、上述したような赤外線ランプの他、高周波誘導加熱等の非接触加熱、熱板による接触加熱等があった。
【０００９】
また、高周波誘導加熱（ＲＦ）で加熱する場合は、金型外周部に、コイル状のＲＦコイルを配置して、金型自身に誘導電流（うず電流）を発生させて、金型を加熱する。なお、２つの金型を個別に制御したい場合は、温度をフィードバックさせることにより、ＲＦコイル自身を上下動させることにより、コントロールすることも可能である。
【００１０】
さらに、熱板による接触加熱を行う場合は、ヒータ等を埋め込んだ熱板上に金型を接触させて加熱する。この場合、２つ以上の熱板で金型を挟み込むことにより、２ゾーン制御を行うことも可能である。
【特許文献１】特開２００４−１３７１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した成形装置における加熱方法では、次のような問題があった。すなわち、高精度なガラスレンズ等を成形する上で、金型及びガラス素材の加熱には、金型内の温度ムラを生じさせないで均一に加熱させることが必要である。また、生産性確保においては、高速に加熱することが必要で、かつ、制御応答性も必要である。
【００１２】
しかしながら、半円状の赤外線ランプの場合は、合わせ部７１ｂの周辺で加熱されない部分が生じ、金型２２，３２上の図１２中Ｈの部分は温度が高く，図１２中Ｌの部分は温度が低くなり、金型２２，３２の円周方向に温度ムラが生じる。すなわち、加熱中及び成形中に金型表面温度に不均一性が生じる。この結果、レンズの成形品にアスが発生する精度上の不具合が生じた。
【００１３】
一方、図１４に示す赤外線ランプ７１ｄの場合は、低温となる端子部７１ｅは、金型から離れた位置にあるため、金型の温度均一性に影響することはない。しかしながら、フィラメントの長さが長く確保できないとともに、赤外線ランプ７１ｄの設置密度に限界があるため、昇温速度が遅くなる傾向がある。また、金型から見た赤外線ランプ７１ｄの立体角があまりにも小さいため，図１５中Ｋの部分は．赤外線の照射密度が高く、温度上昇は大きくなる。これに対し、図１５中Ｅの部分は赤外線の照射密度が小さく、温度上昇が小さい。このため、温度ばらつきが発生する。
【００１４】
さらに、金型上下方向の温度分布を確保するための、位置調整が難しく、金型上下方向の温度分布にムラが生じる傾向があった。このため、生産スループットが遅くなることと、レンズ上下面の精度にバラツキが生じる虞がある。
【００１５】
図１２及び図１４のいずれの赤外ランプにおいても、、成形温度域ではガラス粘度の温度依存性が非常に大きいため、数℃異なるだけでも大きく流動の様子が大きく異なり、成形品において密度の粗密による屈折率分布の発生や複屈折等が生じ、光学的な均一性が得られなくなる。また、密度の相違による残留応力のため，冷却時の変形も均一ではなくなり、冷却後の形状変化も非対称で修正困難な形状となる。
【００１６】
高周波誘導加熱の場合は、金型外周面のみの加熱になり、そこからの伝熱により、金型全体及びガラス素材が加熱されることになる。このため、金型内外径の温度ムラが大きく生じやすい。また、金型外径とＲＦコイルとの距離は、マッチングにより限定され、様々な金型外径に対応することは困難であった。
【００１７】
また、熱板による加熱の場合、熱板自身に熱容量があるため、その制御応答性が非常に悪い。このため、通常熱板は常に成形温度付近に加熱された状態で待機しているような使い方であるため、熱板や金型の酸化防止のためのチャンバにロードロック室等を設ける必要があり、装置が大掛かりになる。
【００１８】
また、金型全体を包括して加熱するのではなく、金型の一部に熱板を接触させて加熱するため、金型の均一加熱が難しく、高精度な成形品を安定的に生産するには、障害となっていた。
【００１９】
そこで本発明は、金型及び素材の加熱を制御応答性の高い赤外線ランプを使用して行いつつ、加熱中及び成形中の金型温度の均一性を達成し、光学的均質性及び残留応力の低減化を図ることができる成形装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の成形装置は次のように構成されている。
【００２１】
上下１対のプレス軸と、これらプレス軸先端に取り付けられ、金型を構成する上型及び下型と、上部及び下部いずれか一方の前記プレス軸を上下動させるアクチュエータと、上記金型の周囲に配置され、コイル状に巻かれた赤外線ランプを有する赤外線加熱部とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
金型と、この金型の周囲に配置され、コイル状に巻かれた赤外線ランプを有する赤外線加熱部とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、金型及び素材の加熱を制御応答性の高い赤外線ランプを使用して行いつつ、加熱中及び成形中の金型温度の均一性を達成し、光学的均質性及び残留応力の低減化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガラス成形装置１を示す縦断面図、図２はガラス成形装置１に組み込まれた加熱部１００を示す斜視図、図３は加熱部１００に組み込まれた赤外線ランプ１１０を示す斜視図、図４は加熱部１００を模式的に示す平面図である。なお、これらの図において、図１１と同一機能部分には同一符号を付した。
【００２５】
ガラス成形装置１は、バッチ式成形装置である。ガラス成形装置１は、フレーム１０と、このフレーム１０に支持されプレス軸を形成する上軸２０と下軸３０とを備えている。上軸２０は、上スペーサ２１を介して下端に上型２２を備え、下軸３０は、下スペーサ３１を介して上端に下型３２とを備えている。上型２２と下型３２とにより金型Ｐが形成され、ガラス素材等の被成形体Ｗが下型３２上に載置されている。
【００２６】
下軸３０の下には、プレス力検知ユ二ット４０、下軸３０を上下方向に駆動する駆動部（アクチュエータ）５０が設けられている。
【００２７】
上型２２と下型３２及び上スペーサ２１と下スペーサ３１の周囲には筒状の石英管６０が配置され、上フランジ５１、下フランジ５２により両開口部が支持されている。なお、図１中６１，６２は金型温度を計測する温度センサを示している。石英管６０の周囲には加熱部１００が配置されている。加熱部１００は、赤外線ランプ１１０と、その外周面に設けられたミラー１２０とを備えている。
【００２８】
赤外線ランプ１１０は、図３に示すコイル状のランプ管１１０ａを上型２２と下型３２にそれぞれ対応させ、独立した一対のランプ管１１０ａを備えている。なお、図４に示すように、一対のランプ管１１０ａの端子部１１１はそれぞれ１８０度異なる位置に配置されている。
【００２９】
このランプ管１１０ａは、コイル状に成形された石英ガラス管の内部に微量のハロゲンガスを封入し、発熱フィラメントを組込んで形成されたハロゲンヒータである。
【００３０】
また、図１中１３０は、これら各部を連係制御し、成形動作を行わせる制御部を示している。
【００３１】
このようなガラス成形装置では、次のようにして成形を行う。ここでは、被成形品Ｗとして、φ７５ｍｍの両凸レンズを成形する。また、ガラス材料は、屈折率（Ｎｄ）が１.５１６３３、歪点が５３２℃、徐冷点が５６３℃、転移点が５７６℃、屈伏点が６２５℃、軟化点が７１８℃である。
【００３２】
成形が開始されると、加熱部７０が石英管６０とともに上方に移動し、上型２２及び下型３２が露出される。上型２２と下型３２との間に、被成形品Ｗが手動あるいはロボットハンド等で挿入される。
【００３３】
次に、加熱部１００及び石英管６０が降下し、気密な成形室Ｑが形成される。次に成形室Ｑ内の空気が真空ポンプ（不図示）により排気され、その後、乾燥した窒素ガスが供給孔５２ａを介して成形室Ｑ内に供給される。過剰の窒素ガスは図１中排気孔５１ａから排出される。
【００３４】
成形室Ｑ内が窒素ガスで置換され、酸素がなくなったことを確認後、赤外線ランプ１１０を点灯させ、上型２２と下型３２の加熱を開始する。なお、加熱プロファイルは、予めプログラムされており、上型２２と下型３２に設置された温度センサ６１，６２で測温しつつ、赤外線ランプ１１０の出力が調整される。制御部１３０では、赤外線ランプ１１０が金型Ｐの上下で異なる制御を行う２ゾーン制御を行う。なお、１本で構成されている場合には１ゾーン制御で行ってもよい。
【００３５】
予め設定された成形可能な温度まで達すると、赤外線ランプ１１０は一定温度を保持し、所定時間経過後、下軸３０を上昇させる。
【００３６】
被成形品Ｗが上型２２に接し、プレス力が発生し、これをプレス力検知ユニット４０にて検知され、やはり予め設定されたプレス力になるまで駆動部５０により下軸３０を上方へ移動させる
所定のプレス時間が終了した後、下軸３０を下方へ移動し、窒素ガスにより上型２２と下型３２及び被成形品Ｗの冷却を開始する。冷却後、被成形品Ｗを取り出せる温度になったら、赤外線ランプ１１０、ミラー１２０及び石英管６０を、被成形品Ｗが取り出せる位置まで上方へ移動し、被成形品Ｗの取り出しと、新しい被成形体Ｗのセッティングを行う。以下、上記したシーケンスを繰り返す。
【００３７】
ここで、加熱部１００の赤外線ランプ１１０は、コイル状に形成されている。例えば、赤外線ランプ１１０は、ランプ直径がφ５ｍｍ、７ｍｍピッチで５１巻であり、コイル長は３５０ｍｍとなる。なお、両端は端子部１１１を有してるが、金型Ｐからは離れた場所に設置されることになるため、金型Ｐの温度分布には影響しない。すなわち金型Ｐの温度分布はより均一になる。例えば、図１１に示すガラス成形装置では、金型内部で３℃の温度差が生じていたが、本実施の形態に係るガラス成形装置１では、１℃以内に抑えることができる。したがって、温度分布は改善され、成形品精度も良好になった。また、昇温速度を確保しつつ上下金型温度の温度ムラが少なくなり、成形品上下面の精度バラツキを少なくすることができた。
【００３８】
上述したように、本実施の形態に係るガラス成形装置１によれば、金型Ｐ及び被成形品Ｗを均一に加熱することができ、高精度なガラスレンズを成形することができる。さらに、発生する温度分布が金型Ｐの中心に対して対称に生じるために、補正が容易にできるようになった。
【００３９】
また、赤外線ランプ１１０を用いているので、生産性確保においては、高速に加熱することができるとともに、制御応答性も高いため、生産性を向上させることができる。
【００４０】
上述したように本発明の実施の形態に係るガラス成形装置１においては、コイル状ヒータを用いることにより、ガラス成形の金型及びガラス素材を加熱する場合、高速昇温性、制御応答性を十分確保した上で、従来のヒータに対して、成形品精度を向上することが可能となった。
【００４１】
なお、赤外線ランプ１１０として、ハロゲンヒータの代わりに、高純度力ーボンワイヤを組込んだヒータを用いてもよい。例えば、ハロゲンヒータの場合、高いワット密度（単位長さあたりの電力）と素早い応答性が得られるが、石英ガラス管がφ１０ｍｍ程度必要であり、かつ、小さい曲率半径で加工しにくいという性質を有している。すなわち、石英ガラス管が太いことと、タングステンフィラメントが石英ガラス管に接触しないようにサポートリングが存在し、石英ガラス管のなかにタングステンフィラメントを挿入する際に障害になるためである。したがって、あまり高い密度でコイル状に加工することはできない。
【００４２】
これに対して、高純度カーボンワイヤを用いた場合は、サポートリング等が存在しないので、石英ガラス管をφ５ｍｍ以下に細くすることが可能である。このため、ハロゲンヒータほど、高いワット密度と素早い応答性は得られにくい特性を有しているものの、ハロゲンヒータに対して、高い密度でコイル状に加工することが可能であることから、ハロゲンヒータと同様に、金型Ｐを均一に加熱することが可能となる。また、赤外線ランプの直径を小さくすることができると、コイルの巻数密度も自由に変更することが可能となり、より細かな調整ができるようになる。
【００４３】
なお、加熱部１００を上下方向に移動させる駆動機構１０１をさらに設けることで、金型Ｐの加熱位置を調整するようにしてもよい。また、赤外線ランプ１１０が一対の赤外線ランプから構成されている場合は、それぞれを一体又は独立して上下方向に移動させるようにしてもよい。
【００４４】
図５は本発明の第２の実施の形態に係るガラス成形装置１Ａを示す縦断面図である。なお、図５において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
ガラス成形装置１Ａでは、加熱部１００の赤外線ランプ１１０の代わりに赤外線ランプ１１２、ミラー１２０の代わりにミラー１２１を用いている。赤外線ランプ１１２は金型Ｐに対応する位置の内径が大径に、金型Ｐを基準として軸方向に離間した位置の内径が小径になるように形成され、ミラー１２１も同様に形成されている。
【００４６】
このように構成することで、金型Ｐの温度分布を均一にすることができるとともに、金型Ｐに向けて赤外線が集まるため加熱効率が向上する。このため、コイルの巻数及びコイル長Ｌを短くでき、しかも加熱速度を２０％程度高めることができる。さらに、必要箇所に赤外線パワーを集中できるようになったため、赤外線の照射が不要な部分への加熱量が減り、冷却部位を低減できるようになった。
【００４７】
図６はガラス成形装置１Ａの変形例を模式的に示す要部断面図である。本変形例は、石英管６０に対して、赤外線ランプ１１０の上下方向の巻線密度を変えた赤外線ランプ１１３を用いたものであり、被成形品Ｗの位置が最も密となるように巻回し、被成形品Ｗの位置から離れるにつれて疎となるように巻回している。
【００４８】
このように構成した場合であっても、金型Ｐに対して、加熱効率を向上させることができ、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
図７は本発明の第３の実施の形態に係るガラス成形装置２００を模式的示す説明図、図８はガラス成形装置２００に用いる金型組Ｐを示す斜視図、図９は金型組３００を示す縦断面図、図１０は金型組３００を示す縦断面図である。ガラス成形装置２００は、金型移動式の成形装置である。
【００５０】
ガラス成形装置２００は、チャンバ２０１を備えている。チャンバ２０１内には、金型Ｐを搬送する搬送機構２１０が設けられている。チャンバ２０１には、さらに金型３００を搬入するローダ２２０、加熱部２３０、冷却部２４０、加圧部２５０、金型３００を搬出するアンローダ２６０が搬送機構２１０の搬送方向に沿って並設されている。また、チャンバ２０１内の空気を排出する排気ユニット２７０と、窒素ガスを供給する窒素ガス供給ユニット２８０が設けられている。
【００５１】
加熱部２３０は、円筒状のミラー２３１と、このミラー２３１内の内部に配置されたコイル状の赤外線ランプ２３２とを備えている。なお、赤外線ランプ２３２は、上述した赤外線ランプ１１０と同様に構成されている。
【００５２】
図８及び図９に示すように、金型組３００は、上型３０１、下型３０２、円筒状のスリーブ３０３とから構成されている。スリーブ３０３の側面には空気抜け用穴３０４が設けられている。
【００５３】
このように構成されたガラス成形装置２００は、排気ユニット２７０により空気を排出し、窒素ガス供給ユニット２８０により窒素ガスを導入して、チャンバ２０１内を窒素雰囲気に置換する。ローダ２２０によって金型Ｐを搬送機構２１０に移載する。搬送機構２１０は、金型Ｐを加熱部２３０、冷却部２４０、加圧部２５０、アンローダ２６０へと順次移動させる。金型Ｐは、加熱部２３０で赤外線ランプ２３２により一定温度まで加熱され、冷却部２４０で均一化される。そして、加圧部２５０で上型３０１に上部から圧力が加えられ、図７に示すように、被成形品Ｗが変形する。
【００５４】
本ガラス成形装置２００においても、コイル状の赤外線ランプ２３２を用いていることから、金型Ｐを均一に加熱することがでい、被成形品Ｗを高精度に成形することができる。
【００５５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、成形対象の素材がガラスであることを前提に説明したが、素材はガラス等には限らないで、金属やプラスチックなどの成形や、粉末焼結のような成形でも構わない。また、被成形品として両凸レンズで説明したが、片凹片凸のメニスカスレンズでもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガラス成形装置を示す縦断面図。
【図２】同ガラス成形装置に組み込まれた加熱部を示す斜視図。
【図３】同加熱部に組み込まれた赤外線ランプを示す斜視図。
【図４】同加熱部を模式的に示す平面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るガラス成形装置を示す縦断面図。
【図６】同ガラス成形装置の変形例を模式的に示す要部断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るガラス成形装置を模式的示す説明図。
【図８】同ガラス成形装置に用いる金型組を示す斜視図。
【図９】同金型組を示す縦断面図。
【図１０】同金型組を示す縦断面図。
【図１１】ガラス成形装置の一例を示す縦断面図。
【図１２】同ガラス成形装置に組み込まれた赤外線ランプの一例を示す斜視図。
【図１３】同赤外線ランプを模式的に示す平面図。
【図１４】同ガラス成形装置に組み込まれた赤外線ランプの別の例を示す斜視図。
【図１５】同赤外線ランプを模式的に示す平面図。
【符号の説明】
【００５７】
１，１Ａ，２００…ガラス成形装置、２０…上軸、２２…上型、３０…下軸、３２…下型、４０…プレス力検知ユ二ット、５０…駆動部（アクチュエータ）、６０…石英管、１００…加熱部、１１０…赤外線ランプ、１２０…ミラー、１３０…制御部、Ｗ…被成形品、Ｐ…金型、Ｑ…成形室。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010150092.tif 000007
【図６】
2010150092.tif 000008
【図７】
2010150092.tif 000009
【図８】
2010150092.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2010150092.tif 000012
【図１１】
2010150092.tif 000013
【図１２】
2010150092.tif 000014
【図１３】
2010150092.tif 000015
【図１４】
2010150092.tif 000016
【図１５】
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