(57)【要約】【課題】被成形材の流動を防ぐことができるとともに、加圧精度及び成形精度の高い成形装置及び成形品の製造方法。を提供する。【解決手段】  本発明の一例にかかる成形装置１は、上下プレス軸１１、２１によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、上下一対の金型１４，２４を備えている。成形装置１には、上金型１４の成形面１５を加熱するヒータユニット１６が設けられている。金型１４，２４の間に配されたガラス基板３０及び金型１４，２４を加熱するランプユニット４０が設けられている。また、一対の型１４，２４の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化したガラス基板３０を加圧成形するサーボモータ４５やスクリュージャッキ４６が設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、一対の型と、
前記一対の型の成形面を加熱する第１加熱手段と、
前記一対の型の間に配された被成形材及び前記型を加熱する第２加熱手段と、
前記一対の型の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化した前記被成形材を加圧成形する加圧手段と、
を備えたことを特徴とする成形装置。
【請求項２】
前記第１加熱手段は前記一対の型のいずれか一方又は両方の型の内部に配され、前記第２加熱手段は前記型の外周部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
【請求項３】
前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに、前記加圧によって弾性変形可能な弾性断熱部材と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の成形装置。
【請求項４】
前記弾性断熱部材は、熱伝導率が方向によって異なる黒鉛シートであり、前記支持部材と前記型との間に設けられていることを特徴とする請求項３記載の成形装置。
【請求項５】
第１加熱手段によって前記一対の型のいずれか一方又は両方の型の成形面を加熱するとともに、第２加熱手段によって、一対の型の間に配された被成形材及び前記一対の型を加熱し、前記一対の型のいずれか一方または両方を移動させることにより熱軟化した前記被成形材を加圧成形することを特徴とする成形品の製造方法。
【請求項６】
前記一対の型と、この型を支持する支持部材の間に、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに加圧されることにより弾性変形可能な弾性断熱部材を介在させた状態で前記加熱及び前記加圧成形を行うことを特徴とする請求項５記載の成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形装置及び成形品の製造方法に係り、特に、ガラス素材等の被成形材を熱軟化させた状態で加圧成形するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス素材等を熱軟化させるとともに加圧成形する成形装置及び成形品の製造方法において、一対の型を備え、この型を相対移動させることにより型の間に配置されたガラス素材などを加圧成形するものが知られている（例えば特許文献１参照）。このような成形装置では、一対の型及びこれらの型の間に配された被成形材は、密封されたチャンバ内に配されている。このチャンバの周りに赤外線ランプヒータや高周波誘導加熱などによる加熱手段が配置されている。この加熱手段によりチャンバを全体的に加熱することで一対の型及び被成形材を全体的に加熱し、被成形材が全体的に熱軟化した状態において一対の型のいずれか一方又は両方を移動させることで、被成形材が加圧成形される。  
【特許文献１】特開２００３−１３７５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の技術では、以下のような問題があった。すなわち上記の成形装置及び成形品の製造方法では、被成形材が全体的に熱軟化するため、加圧に伴って被成形材が加圧方向と垂直な方向に流動する場合がある。このような場合には高い加圧精度及び成形精度を維持することが困難となる。
【０００４】
そこで本発明は、被成形材の流動を防ぐことができるとともに、加圧精度及び成形精度の高い成形装置及び成形品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一例にかかる成形装置は、支持部材によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、一対の型と、前記一対の型の成形面を加熱する第１加熱手段と、前記一対の型の間に配された被成形材及び前記型を加熱する第２加熱手段と、前記一対の型の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化した前記被成形材を加圧成形する加圧手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記第１加熱手段は前記一対の型のいずれか一方又は両方の型の内部に配され、前記第２加熱手段は前記型の外周部に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに、前記加圧によって弾性変形可能な弾性断熱部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記弾性断熱部材は、熱伝導率が方向によって異なる黒鉛シートであり、前記支持部材と前記型との間に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の一例にかかる成形品の製造方法は、第１加熱手段によって前記一対の型のいずれか一方又は両方の型の成形面を加熱するとともに、第２加熱手段によって、一対の型の間に配された被成形材及び前記一対の型を加熱し、前記一対の型のいずれか一方または両方を移動させることにより熱軟化した前記被成形材を加圧成形することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の一例にかかる成形品の製造方法は、上記に加え、前記一対の型と、この型を支持する支持部材の間に、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに加圧されることにより弾性変形可能な弾性断熱部材を介在させた状態で前記加熱及び前記加圧成形を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被成形材の流動を防ぐとともに、加圧精度及び成形精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［第１実施形態］  
以下に本発明の第１実施形態について、図１乃至図５を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して示している。
【００１３】
図１は本実施形態に係る成形装置１を概略的に示す断面図である。この成形装置１は、リヒートプレスにより、デジタルカメラ等に代表される非球面ガラスレンズや、ガラス基板上に微細パターンを形成した次世代光波制御素子等の高精度ガラス素子等を成形するガラス素子用成形装置である。
【００１４】
成形装置１は、フレーム１０と、フレーム１０上部に固定された上プレス軸１１と、フレーム１０下部において上下移動可能に設けられた下プレス軸２１を備えている。上プレス軸１１の下端には、上断熱軸１２を介して上金型１４が取り付けられている。この上金型１４の内部に第１加熱手段としてのヒータユニット１６が設けられている。下プレス軸２１の上端には、下断熱軸２２を介して下金型２４が取り付けられている。一対の型としての上金型１４と下金型２４との間には被成形材としてのガラス基板３０が配置されている。上金型１４、下金型２４、ガラス基板３０、は気密に構成されたチャンバ３１内に収容されている。このチャンバ３１の周りに第２加熱手段としてのランプユニット４０が配されている。
【００１５】
チャンバ３１は石英等から円筒状に構成された石英管３２を備え、フレーム１０内において上下に延設されている。チャンバ３１の内部は、周囲の大気から遮断され、不活性ガス雰囲気下に保ち得る成形室３３を構成する。このチャンバ３１によって上下の金型１４，２４の周りの雰囲気を加熱及び成形中は真空雰囲気とし、冷却中は不活性雰囲気とすることで、上下の金型１４，２４が長寿命化される。
【００１６】
フレーム１０の上部に固定された支持部材としての上プレス軸１１は、チャンバ３１の中心部において上下方向に延びている。固定軸となる上プレス軸１１は、チャンバ３１の上面に形成された孔３１ａに挿通され、チャンバ３１を気密に維持するようにＯリング３４を介して固定されている。
【００１７】
上断熱軸１２は、上プレス軸１１の下端部から下方に延びている。上断熱軸１２は、例えば熱伝導率が１３Ｗ／ｍ・ｋ程度と低い窒化珪素等のセラミックから、内部に空間を有する筒状に構成されている。この上断熱軸１２は、上金型１４からの熱が上プレス軸１１に伝わるのを防ぐ断熱機能を有する。
【００１８】
上断熱軸１２の下端に、上金型１４が設けられている。すなわち、上金型１４は、背面側である上方向から、断熱軸を介して上プレス軸１１によって支持されている。上金型１４は、上金型１４は、サブミクロンからナノメータレベルの微細パターンを形成可能な所定の成形面１５を下面に有し、金属製又はセラミック・カーボン製のダイプレート、セラミックや超硬合金などで作られたコア、このコアをダイプレートに取り付けると共に型の一部を形成する固定ダイ等を備えて構成されている。
【００１９】
上金型１４の内部には、第１加熱手段としてのヒータユニット１６が設けられている。このヒータユニット１６は、例えば上金型１４の内部に埋設された複数のシースヒータ１７を備え、成形面１５である上金型１４の下面を局所的に加熱する機能を有する。
【００２０】
さらに、上金型１４には、少なくとも２つの熱電対が設けられている。これら二つの熱電対のうち一方の熱電対は、ヒータユニット１６を制御するための温度検出に用いられ、他方の熱電対は、ランプユニット４０を制御するための温度検出に用いられる。
【００２１】
支持部材としての下プレス軸２１は、上プレス軸１１に対向するように、チャンバ３１の中心部において上向きに延びている。下プレス軸２１は、チャンバ３１の下面に形成された孔３１ａに挿通され、上下方向移動可能に、かつ、チャンバ３１内を気密に維持するようＯリング３４を介してチャンバ３１に取り付けられている。移動軸である下プレス軸２１の下端部は、荷重検出器３５を介して後述する加圧手段としてのスクリュージャッキ４６等の駆動装置に接続されている。
【００２２】
下断熱軸２２は、下プレス軸２１の上端から、上方に延びている。下断熱軸２２は、上断熱軸１２と同様にセラミック製で筒状に構成され、断熱機能を有し、下金型２４の熱が下プレス軸２１に伝わるのを防止する。
【００２３】
下断熱軸２２の上端に、下金型２４が設けられている。すなわち、下金型２４は、背面側である下方向から、下断熱軸２２を介して下プレス軸２１によって支持されている。下金型２４は移動ダイや、温度測定用の熱電対などを備えて構成されている。
【００２４】
上プレス軸１１及び下プレス軸２１の内部には、成形室３３の内部にＮ２ガスなどの不活性ガスを充満させ、あるいは上金型１４及び下方を冷却するためのガス供給路３６が設けられている。また、フレーム１０の上部プレートにもガス供給路３６が設けられ、成形質の内部に不活性ガスが供給される。成形室３３の内部に供給された不活性ガスは、成形室３３の下部を形成する中間プレートに形成された排気口３７から排出される。
【００２５】
下金型２４の上面にガラス基板３０が配置されている。すなわち、ガラス基板３０は上金型１４と下金型２４の間に配置され、下金型２４の運動に伴って上下に移動可能となっている。
【００２６】
フレーム１０の下部には、駆動源となるサーボモータ４５及びサーボモータ４５の回転運動を直線運動推力に変換するスクリュージャッキ４６が収容されている。サーボモータ４５は、制御装置４７により駆動される。このとき、予め設定されたプログラムに従って速度、トルク及び回転量が制御される。
【００２７】
チャンバ３１の外側には、第２加熱手段としてのランプユニット４０が配されている。ランプユニット４０は、上下方向において上金型１４、下金型２４、及びガラス基板３０に対応する位置におけるチャンバ３１の外周部に配置された赤外線ランプ４１、赤外線ランプ４１の後方すなわち外周側に配置された反射ミラー４２、反射ミラー４２を冷却するための水冷パイプ４３、及び透明な石英管３２の外周面に向けて冷却用の空気を噴出させるための空冷手段（図示せず）等を備えている。このランプユニット４０によって、チャンバ３１ごと加熱されることによりチャンバ３１の内部に配された上下の型１４，２４及びガラス基板３０が全体的に加熱される。
【００２８】
次に本実施形態にかかる成形品の製造方法について説明する。  
ガラス基板３０が下金型２４上にセットされた状態で、熱電対を用いて上下の金型１４，２４の温度を検出しつつ、制御装置４７により出力を制御しながらランプユニット４０及びヒータユニット１６を作動させる。ランプユニット４０によりチャンバ３１が全体的に加熱され、上金型１４、下金型２４、及びガラス基板３０が加熱される。これに加え、ヒータユニット１６によって上金型１４の成形面１５が局所的に加熱される。このため、成形面１５が４００度〜７５０度程度に加熱されるとともに、ヒータユニット１６と離れている下金型２４やガラス基板３０の温度は上金型１４の成形面１５よりも低温のまま保たれる。
【００２９】
この状態で、制御装置４７により、上下の金型１４，２４の検出温度と関連させてサーボモータ４５の速度、トルク及び回転量を制御することにより、下プレス軸２１を予め設定されたプログラムに従って移動させる。このとき、荷重検出器３５によりスクリュージャッキ４６に伝達される荷重を検出し、この値が所定の値になるように、上金型１４と下金型２４の押圧力が制御される。下金型２４の移動に伴いガラス基板３０の表面が成形面１５に接触あるいは近接すると、成形面１５の熱によりガラス基板３０の表面が軟化する。一方で、ガラス基板３０のうち、表面以外は表面と比べて低温、かつ硬い状態に維持される。さらに上金型１４と下金型２４が近づくことによりこの押圧力でガラス基板３０が成形されることによりガラス基板３０のうち、高温かつ軟らかい表面部分に微細パターンが精度よく転写される。一方で、表面以外の部位は表面に比べて低温、かつ、硬く保たれているため、加圧によってガラス基板３０が加圧方向に流動することが防止される。したがって、流動に起因する加圧力の偏りが生じることがなく正確な力及び方向で加圧されるとともに、高い成形精度を確保することができる。
【００３０】
以上のように形成された基板は、例えばサブ波長深溝周期構造によって実現する屈折率異方性を利用した変更分離素子や、屈折機能と回折機能を同時に実現するレンズ、さらには、表面にサブ波長錐形が二次元的に形成された広帯域無反射レンズなどに適用可能である。図２乃至図５に、本実施形態にかかる成形装置及び成形品の製造方法によりガラス基板３０が成形された成形品の一例としての基板３０ａ、他の一例としての基板３０ｂ、及び基板３０ｃを示す。なお、基板３０ｃの全体図は図３に示す基板３０ｂの斜視図と同様であるため省略する。
【００３１】
本実施形態にかかる成形装置１は以下に掲げる効果を奏する。  
第１加熱手段を設け、成形面１５を集中して加熱し、成形面１５を特に軟化させることにより、ガラス基板３０のうち、成形加工部分となる表面のみを他の部分よりも軟化させることが可能となる。したがって、ガラス基板３０全体の熱軟化を抑えて加圧の際の流動を防ぐとともに、ガラス基板３０の表面のみを集中して熱軟化させることで微細なパターンであっても精度よく、かつ、確実に転写させることが可能となる。
【００３２】
また、ヒータユニット１６に加え、チャンバ３１毎全体を加熱する第１加熱手段としてのランプユニット４０を設けたことにより、ガラス基板３０における極端な温度差が生じるのを防ぐことができる。この結果、熱応力等によるガラス基板の破損等の不具合を防止することができる。
【００３３】
［第２実施形態］  
次に本発明の第２実施形態に係る成形装置２について図６を参照して説明する。図６は、成形装置１を概略的に示す断面図である。なお、説明のため、適宜、構成を拡大、縮小または省略して示している。本実施形態の成形装置２において、黒鉛シート１３、２３の以外の構成については、上記第１実施形態の成形装置１と同様であるため、同符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態における成形装置２では、上金型１４と上断熱軸１２との間に黒鉛シート１３が介在している。また、下金型２４と下断熱軸２２との間にも黒鉛シート２３が配置されている。
【００３５】
黒鉛シート１３は、天然黒鉛に特殊処理を施して成形され、上金型１４の背面と同形状であって１ｍｍ程度の厚さに構成されている。また、黒鉛シート２３は、天然黒鉛に特殊処理を施して成形され、下金型２４の背面と同形状であって１ｍｍ程度の厚さに構成されている。これら黒鉛シート１３，２３は、可撓性を有し、熱的、電気的に異方性を有している。具体的には、厚さ方向すなわちプレス方向における熱伝導率が５ｗ/ｍ・ｋ程度に低く、厚さ方向と垂直な面の方向における熱伝導率は２００ｗ／ｍ・ｋ程度に高く構成されている。この黒鉛シート１３は、上金型１４の熱が上プレス軸１１に伝わらないようにする断熱部材としての機能を有するとともに、上金型１４の面方向における加熱を均一にする熱伝導体としての機能を有する。さらに、この黒鉛シート１３，２３は、弾性変形可能であり、耐冷耐熱性、柔軟性及び圧縮復元性を有している。したがって、上下の金型１４，２４の組み合わせ状態が悪い場合には、その加圧工程において一部が適宜圧縮されることにより上下の金型１４，２４の平行度を修正する機能を有する。
【００３６】
上断熱軸１２と上金型１４とは、例えば、黒鉛シート１３の周縁４箇所あるいは８箇所において、段付ネジ１８によって、黒鉛シート１３を介して固定されている。この段付ネジ１８によって、黒鉛シート１３は、上断熱軸１２との間にわずかな隙間が形成された状態で、圧縮されることなく、上金型１４と上断熱軸１２との間に取り付けられる。なお、プレス時には段付ネジ１８の頭部が突出するとともに、黒鉛シート１３が、上断熱軸１２及び上金型１４に対して密着し、圧縮される。なお、黒鉛シート２３も同様に段付ネジ１８を介して下金型２４と下断熱軸２２との間に取り付けられる。
【００３７】
この成形装置２においても上記第１実施形態の成形装置１と同様の手順で成形工程が行われる。このとき、黒鉛シート１３の厚さ方向と垂直な面の方向における熱伝導率は高いため、金型はこの面方向において均一に加熱される。すなわち、上下の金型１４，２４における部位毎の温度のばらつきを極力小さく抑えられる。一方で黒鉛シート１３の厚み方向における熱伝導率は低いため、上下の金型１４，２４の熱はプレス軸１１，２１に伝わり難くなる。
【００３８】
ここで、成形装置１の本体の熱膨張やプレス力によるフレーム１０の歪み等によって、上下の金型１４，２４の姿勢に微小な傾斜がある場合でも、加圧に伴って適宜黒鉛シート１３が部分的に圧縮変形することにより、上下の金型１４，２４の平行度が確保される。すなわち、例えば、黒鉛シート１３のうち、より荷重がかかる部分が圧縮されることで黒鉛シート１３が上下の金型１４，２４の傾きが金型面に倣うように変形する。この結果傾きが黒鉛シート１３に吸収され、上下の金型１４，２４の平行度が確保される。
【００３９】
本実施形態にかかる成形装置２及び成形品の製造方法においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、第１及び第１加熱手段で加熱し、ガラス基板３０の表面を特に軟化させることにより、成形精度及び加圧精度を向上することができる。
【００４０】
さらに本実施形態においては黒鉛シート１３，２３を設けたことで上下の金型１４，２４の間の平行度を確保することができる。さらに、プレス力が均一にかかるため、上金型１４と下金型２４の組み合わせ精度を確保するとともに成形品の品質を向上することができる。
【００４１】
また、面方向と厚み方向で熱伝導率が異なる黒鉛シート１３を用いたことにより、単純な構成で、均一な加熱を可能とするとともに、断熱効果も得ることができる。すなわち、一般に赤外線ランプ４１からの距離に応じて生じる上下の金型１４，２４における部位毎の温度のばらつきを抑えつつ、成形装置の本体への熱影響を防止するとともに、上下の金型１４，２４の熱がプレス軸方向に逃げることも防止される。例えば、黒鉛シート１３を介在させない場合においては、金型の外周部を７００度に加熱した際に、外周部と中心部との間で約５℃の温度差が生じていたが、本実施形態においては黒鉛シート１３を介在させたことによりその温度差を０．５℃以内に抑えることが可能である。したがって、図２乃至図５に示すような基板３０ａ、基板３０ｂ、又は基板３０ｃのように、微細パターンの形状を有する成形品であっても全面にムラなく転写することができる。
【００４２】
さらに、黒鉛シート１３を用いることで上記複数の効果を１つの部材で実現可能としたため、製造費用を低く抑えることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態においては第１加熱手段としてシースヒータ１７を用いた場合について例示したが、他に、赤外線ランプヒータ、高周波誘導加熱、セラミックやカーボン等を電気抵抗体としたヒータでもよい。また、ヒータユニット１６は、金型内に配置されている場合について例示したが、上金型１４の成形面１５を集中して加熱するものであれば上金型１４の外側や他の位置に配置されているものも適用可能である。
【００４４】
また、上記実施形態では上金型１４のみが成形面１５を構成するとともにヒータユニット１６を備える場合について例示したが、上金型１４に代えて下金型２４に成形面形成してもよいし、上金型１４に加えて下金型２４にも成形面を形成することにより両面成形可能としても良い。なおこの場合には下金型２４にも第１加熱手段としてのヒータユニットを設置することが望ましい。上記各実施形態において、被成形材としてガラス基板３０を例示したが、金属、樹脂、セラミックなどの他の材料も適用可能である。また、型として金型１４，２４を例示したが、他の材質も適用可能である。さらに第２加熱手段として、上記赤外線ランプヒータによるものの他に、シースヒータや高周波誘導加熱、セラミックやカーボンを電気抵抗体としたもの等も適用可能である。第２実施形態における黒鉛シート１３、２３の枚数や位置等も上記に限られるものではない。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】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る成形装置を概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る成形品の製造方法により成形される基板の一例を示す斜視図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る成形品の製造方法により成形される基板の一例を示す斜視図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る成形品の製造方法により成形される基板の一例を拡大して示す断面図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る成形品の製造方法により成形される基板の一例を拡大して示す断面図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る成形装置を概略的に示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１，２…成形装置、１０…フレーム、１１…上プレス軸（支持部材）、２１…下プレス軸（支持部材）、１２…上断熱軸、２２…下断熱軸、１３．２３…黒鉛シート（弾性断熱部材）、１４…上金型（型）、１５…成形面、１６…ヒータユニット（第１加熱手段）、２４…下金型（型）、３０…ガラス基板（被成形材）、３１…チャンバ、３３…成形室、４０…ランプユニット（第２加熱手段）、４５…サーボモータ、４６…スクリュージャッキ（加圧手段）、４７…制御装置。
【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】
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【図６】
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