(57)【要約】【課題】上型および下型の繰り返し可動により特性が劣化する温度センサの設置を無くすことができ、温度センサ劣化による加熱特性の悪化を防止して、精度良く上型および下型の良好な誘導加熱特性を維持することができる誘導加熱成形装置及び誘導加熱成形方法を提供する。【解決手段】可動部である成形用の上型１４ａおよび下型１４ｂに従来取り付けられていた温度センサにより型の実際の温度を測定することなく、電流検出手段１３により計測した誘導コイル１５を流れる共振電流を基に、温度推定手段１８により、成形対象材料１６の温度を推定し、その推定温度を基に温度制御装置１２から指令値を出力し、この指令値に従って、インバータ１１から誘導コイル１５に高周波電力を供給することにより、成形用の上型１４ａおよび下型１４ｂの温度を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に磁性材料が溶射された成形用上型および成形用下型と、前記成形用上型および前記成形用下型に巻回された誘導コイルと、前記誘導コイルに電力を供給する電力供給手段と、前記誘導コイルに接続され、前記誘導コイルとで、前記電力供給手段から出力される高周波信号に共振する共振手段と、前記誘導コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電力供給手段から出力される電力を制御するための制御指令を出力する制御手段と、前記誘導コイルに流れる共振電流値から成形対象物の温度を推定する温度推定手段とを備えたことを特徴とする誘導加熱成形装置。
【請求項２】
表面に磁性材料が溶射された成形用上型および成形用下型に巻回された誘導コイルに流れる共振電流を検出し、前記検出された共振電流値から、成形処理されている加熱対象の温度を推定し、前記推定された温度に基づいて前記誘導コイルへの電力の供給を制御することを特徴とする誘導加熱成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子材料等を加熱成形する誘導加熱成形装置及び誘導加熱成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、デジタルカメラやビデオカメラなどの光学電子機器のうち特にカメラ付携帯電話のカメラ用として、またＣＤ装置やＤＶＤ装置などの光ディスク利用機器に組込まれる光ピックアップ用として、多く使用されるようになった小型レンズ等の光学素子を製造する場合には、それらの材料となる樹脂やガラスなどの光学素子材料を成形装置により加熱成形しており、その加熱の際には、成形材料を間接的に加熱して成形するために、誘導加熱が可能なように構成された誘導加熱成形装置がよく利用されている。
【０００３】
このような従来の誘導加熱成形装置においては、成形用型として表面に磁性材料が溶射された成形用上型および成形用下型が独立して設けられ、それら成形用上型および成形用下型を組み合わせた型内に挿入された光学素子材料を溶融して成形するように構成され、この光学素子材料の溶融成形の際には、その成形用上型および成形用下型が、それぞれ高周波電力により誘導加熱される。
【０００４】
以上のような従来の誘導加熱成形装置（例えば、特許文献１を参照）を用いた光学素子材料の成形方法について、図面を用いて以下に説明する。
図５は従来の誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、光学素子材料１６を成形するための成形型を上下に分割し、上型１４ａおよび下型１４ｂとして構成し、上型１４ａおよび下型１４ｂを誘導加熱するため上型１４ａおよび下型１４ｂに巻回された誘導コイル１５と、誘導コイル１５により誘導加熱するための高周波電力を供給するインバータ１１と、光学素子材料１６を型１４内に挿入したり、成形後に取り出したりするため、上型１４ａおよび下型１４ｂを移動（図中の矢印方向）させる機構と、所望の成形プロセスを実現させるために、誘導コイル１５に流れる電流を検出する電流検出手段１３と、上型１４ａおよび下型１４ｂの温度をそれぞれセンシングする温度センサ１７ａ、１７ｂと、温度センサ１７ａ、１７ｂにより測定された型温度を基に、上型１４ａおよび下型１４ｂの加熱温度を制御する温度制御装置１２とを備えている。
【０００５】
上記の誘導加熱成形装置においては、誘導コイル１５による誘導加熱により、加熱された型１４ａ、１４ｂからの熱伝導を利用して、型１４ａ、１４ｂ内に封入された成形対象となる光学素子材料１６を加熱しながら、型１４ａ、１４ｂの加熱温度を直接制御することにより、高効率かつ高精度な成形を実現しようとするものである。なお、型１４ａ、１４ｂの材料には、誘導加熱により型を加熱しやすくするように、磁性体を用いている。
【０００６】
この誘導加熱成形装置では、温度センサ１７ａ、１７ｂにより測定された型温度が所望温度になるように、温度制御装置１２において指令値を出力し、そして電流検出手段１３における計測値が、温度制御装置１２から出される指令値通りになるようにインバータ１１を駆動制御することで行っている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−３１０４３４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような従来の誘導加熱成形装置及び誘導加熱成形方法では、光学素子材料１６を加熱した後、冷却し、さらに取り出すことを容易とするために、成形型を、加熱対象である光学素子材料１６に対して上型１４ａ、下型１４ｂに分離する可動機構とした場合に、温度センサ１７ａ、１７ｂをそれぞれ可動機構である上型１４ａおよび下型１４ｂの内部に挿入しているため、温度センサ１７ａ、１７ｂから温度制御装置１２へのセンサ信号線が、上型１４ａおよび下型１４ｂに対する可動の繰り返し動作により劣化して破損し、それに伴う加熱特性の劣化が発生することがあるという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、上型および下型の繰り返し可動により機械的特性および電気的特性が劣化する温度センサの設置を無くすことができ、成形装置に対して、温度センサ劣化による加熱特性の悪化を防止して、精度良く上型および下型の良好な誘導加熱特性を維持することができる誘導加熱成形装置及び誘導加熱成形方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、表面に磁性材料が溶射された成形用上型および成形用下型と、前記成形用上型および前記成形用下型に巻回された誘導コイルと、前記誘導コイルに電力を供給する電力供給手段と、前記誘導コイルに接続され、前記誘導コイルとで、前記電力供給手段から出力される高周波信号に共振する共振手段と、前記誘導コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電力供給手段から出力される電力を制御するための制御指令を出力する制御手段と、前記誘導コイルに流れる共振電流値から成形対象物の温度を推定する温度推定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
以上により、従来のように可動部である上型および下型に取り付けられていた温度センサにより型の実際の温度を測定することなく、成形対象物の温度を推定することにより、その推定温度を基に上型および下型に対して温度制御することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す誘導加熱成形装置及び誘導加熱成形方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
図１は本実施の形態の誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図である。図１において図６と同一物については同一番号を付し詳細な説明を省略する。図１において従来と異なるところは、誘導コイル１５に直列接続され、誘導コイル１５とで、インバータ１１から出力される高周波信号に共振する共振手段としてのコンデンサＣ１と、誘導コイル１５とコンデンサＣ１とによる共振時に電流検出手段１３で検出した誘導コイル１５に流れる共振電流値から、成形装置の内部で成形対象物として成形処理される加熱対象である光学素子材料１６の温度を推定する温度推定手段１８とを備えているところである。
【００１４】
また、上型１４ａおよび下型１４ｂからなる成形型に用いる加熱材料としては、型内部を所望の温度、例えば光学素子材料１６がガラス素材の場合、６００℃に加熱するため、誘導加熱しやすい磁性材料、例えばステンレスＳＵＳ４１０やＮｉＡｌを用いる。加熱材料は型材料であるセラミックと溶射接合されている。また、光学素子材料１６と接触する成形型表面にはセラミックを用い、光学素子材料１６であるガラス材料が溶けても接着しにくい構成としている。
【００１５】
なお、成形装置は、成形工程の生産性を高める目的で、成形型内への成形材料の挿入および成形後の成形品の取り出しを容易にするため、光学素子材料１６に対して上型１４ａおよび下型１４ｂを上下に移動させるようにしており、この移動のための駆動機構として、モータ等の駆動手段で駆動される直動機構（図示せず）が成形型に接続されている。
【００１６】
このように成形装置を移動駆動する直動機構の動作について説明する。
成形材料を挿入する時には、直動機構と接続された上型１４ａ、下型１４ｂは成形材料１６を挿入できる程度の間隔、例えば直径１０ｍｍ程度のガラス球を成形する場合は３０ｍｍ程度の間隔を隔ててある。ガラス球を挿入後、上型１４ａおよび下型１４ｂ間の間隔を狭めていく。間隔を狭めるときは、上型１４ａあるいは下型１４ｂのいずれか一方の位置を固定させた状態で、他方型をガラス球と当接するまで移動させる。
【００１７】
ここで、一定の荷重、例えば２０ｋｇｆ程度をかけた状態で型を誘導加熱し成形材料を溶融させ、溶融され弾性を持った成形材料は、この駆動手段により３５０ｋｇｆ程度で押圧され、さらに、型形状を成形材料に転写させるため、型温度を５５０℃程度まで降下させると同時に駆動手段により、押圧荷重を５０ｋｇｆ程度に減圧させる。
【００１８】
このような一連の成形プロセスにより成形された成形品は、上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を広げ、型から取り出すが、型から成形品を離型する際に、一定の手順で離型させることで作業性を高め、取り出しを容易にするため、上型１４ａから離型させ、次に下型１４ｂを離型させる。
【００１９】
このようにするため、例えば下型温度を上型温度より１００℃程度高く維持した状態で上型温度を降下させ、例えば上型温度が４５０℃、下型温度が５５０℃になった時点で上型１４ａに接続された直動機構を上側に移動させ、上型１４ａを離型させる。上型１４ａを離型させたのち、下型温度を常温近傍まで下降させ、下型１４ｂから成形品を取り出す。
【００２０】
この場合には、誘導加熱成形装置としては、図１に示す構成を、上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれに個別に設け、上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれを個別に温度制御可能なように構成する。また、誘導コイル１５およびコンデンサＣ１による直列共振負荷のみを上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれに個別に設け、その他の構成要素は単一として、直列共振負荷をそれぞれを個別に駆動することにより、上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれを個別に温度制御可能なように構成してもよい。
【００２１】
次に、上型１４ａおよび下型１４ｂの温度制御を行う誘導加熱方式について説明する。
上記の誘導加熱方式においては、型温度と加熱材表皮抵抗とは、図２に示すような関係があり、また、加熱材表皮抵抗と、インバータ１１に接続された電流検出手段１３により計測される共振電流とは、図３に示すような関係がある。
【００２２】
型温度と加熱材表皮抵抗との関係と、加熱材表皮抵抗と共振電流の関係とは、予め実験を行うことで求められる。例えば、それぞれ（数式１）、（数式２）のようになる。
Ｔｗ＝ｂＲｓ２＋ｃ    …（数式１）
ここで、Ｔｗ：型温度
Ｒｓ：加熱材表皮抵抗
ｂ，ｃ：実数の定数
Ｒｓ＝ｄＩｉ＋ｅ    …（数式２）
ここで、Ｉｉ：共振電流
ｄ，ｅ：実数の定数
なお、（数式２）に用いたｄ，ｅは共振周波数や誘導コイル１５のインダクタンス等から決定され、これらの関係式から、実際の運転時に共振電流値から型温度を推定する。そして、その推定値に対し温度制御を行う。
【００２３】
この場合の温度制御のブロック線図は、図４のようになり、温度制御は次のように行う。成形対象物を加熱するための誘導負荷（誘導コイル）１５において計測された共振電流値を基に、温度推定手段１８で予め求められている型温度と加熱材表皮抵抗との関係式、および加熱材表皮抵抗と共振電流の関係式から型の温度を推定し、その推定温度と温度設定値の偏差を算出し、温度制御装置１２でインバータ１１の電流指令値を出力する。
【００２４】
そして、この電流指令値と共振電流値からインバータ１１内で電力指令値を求め、この電力指令値をＰＷＭ制御コントローラ１９へ出力し、誘導負荷１５を通じて型の加熱を行う。ここで、ＰＷＭとは、ＰＵＬＳＥ  ＷＩＤＴＨ  ＭＯＤＵＲＡＴＩＯＮ（パルス幅可変制御）の略であり、インバータ駆動の一般的手法であり、周波数固定で、スイッチング幅を可変にすることで、可変電圧を生み出すものである。
【００２５】
このようにして、従来のように可動部である上型１４ａおよび下型１４ｂに取り付けられていた温度センサ１７ａ、１７ｂにより、上型１４ａおよび下型１４ｂの実際の温度を測定することなく、成形対象物である成形材料１６の温度を推定することにより、その推定温度を基に上型１４ａおよび下型１４ｂに対して温度制御することができる。
【００２６】
その結果、上型１４ａおよび下型１４ｂの繰り返し可動により機械的特性および電気的特性が劣化する従来のような温度センサ１７ａ、１７ｂの設置を無くすことができ、温度センサ劣化による加熱特性の悪化を防止して、精度良く上型１４ａおよび下型１４ｂの良好な誘導加熱特性を維持することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来のように可動部である上型および下型に取り付けられていた温度センサにより型の実際の温度を測定することなく、成形対象物の温度を推定することにより、その推定温度を基に上型および下型に対して温度制御することができる。
【００２８】
そのため、上型および下型の繰り返し可動により機械的特性および電気的特性が劣化する温度センサの設置を無くすことができ、温度センサ劣化による加熱特性の悪化を防止して、精度良く上型および下型の良好な誘導加熱特性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図
【図２】同実施の形態の誘導加熱成形装置における型温度と加熱材表皮抵抗の関係説明図
【図３】同実施の形態の誘導加熱成形装置における加熱材表皮抵抗と共振電流の関係説明図
【図４】同実施の形態の誘導加熱成形装置における温度制御時のブロック線図
【図５】従来の誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１１    インバータ
１２    温度制御装置
１３    電流検出手段
１４ａ    成形用上型
１４ｂ    成形用下型
１５    誘導コイル
１６    光学素子材料（成形材料）
１８    温度推定手段
【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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