(57)【要約】【課題】  独立して駆動される２つの誘導コイルによる誘導加熱により、一対の金型のそれぞれを独立して加熱する誘導加熱装置を提供する。【解決手段】  連続的かつ個別に発生させた上磁束および下磁束によって、互いに対向して用いられる上型および下型を誘導加熱し、金型セット内に挿入された光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置において、上誘導コイルは上型の周囲に巻回されて上磁束を発生させ、下誘導コイルは下型の周囲に巻回されて下磁束を発生させ、磁束遮断材は上誘導コイルと下誘導コイルの間に設けられて、相互干渉磁束の作用を打ち消す。【選択図】  図１
2005179085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的かつ個別に発生させた第１の磁束および第２の磁束によって、互いに対向して用いられる第１の成形型および第２の成形型を誘導加熱し、当該第１および第２の成形型内に挿入された光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置であって、
前記第１の成形型の周囲に設けられて前記第１の磁束を発生させる第１の磁束発生手段と、
前記第２の成形型の周囲に設けられて前記第２の磁束を発生させる第２の磁束発生手段と、
前記第１の磁束発生手段と、前記第２の磁束発生手段の間に設けられて、前記第１の磁束と前記第２の磁束とで互いに干渉しあう磁束成分の作用を打ち消す磁束干渉防止手段とを備える誘導加熱成形装置。
【請求項２】
前記磁束干渉防止手段は、前記磁束成分を電流および熱に変換して消費する磁束吸収手段である請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項３】
前記磁束干渉防止手段は、前記第１の成形型および前記第２の成形型の周囲にリング状に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項４】
前記磁束干渉防止手段は、銅などの非磁性体で構成されることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項５】
前記磁束干渉防止手段は、前記磁束成分を第３の磁束で打ち消す磁束消去手段である請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項６】
前記第３の磁束の向きは、前記第１の磁束および前記第２の磁束の向きと逆方向であることを特徴とする請求項５に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項７】
第１の磁束発生手段は前記第１の成形型の周囲に第１の向きに巻回された第１の誘導コイルを含み、
第２の磁束発生手段は前記第２の成形型の周囲に前記第１の向きに巻回された第２の誘導コイルを含み、
前記磁束消去手段は、前記第１の向きと逆向きに巻回された第３の誘導コイルであることを特徴とする請求項６に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項８】
前記第１の磁束によって、前記第１の成形型を加熱する第１の加熱制御手段と、
前記前記第２の磁束によって、前記第２の成形型を加熱する第２の加熱制御手段とを備え、
前記第１の加熱制御手段は、前記第１の成形型を前記光学素子材料に非接触の状態で加熱することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項９】
前記第２の加熱制御手段は、前記第２の成形型を前記光学素子材料に非接触および部分接触の状態で加熱することを特徴とする請求項８に記載の誘導加熱成形装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の誘導加熱成形装置において、光学素子材料を溶融加圧成形する成形方法であって、
前記光学素子材料から所定距離だけ離間させた状態で前記第１の成形型を第１の温度に第１の所定時間だけ加熱する第１の加熱ステップと、
前記光学素子材料を載置した状態で前記第２の成形型を、前記第１の温度より低い第２の温度に前記第１の所定時間だけ加熱する第２の加熱ステップとを備え、前記光学素子材料は熱軟化していることを特徴とする成形方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の加熱ステップの後に、
前記第１の成形型を第２の所定時間にわたって、前記第２の温度に降温すると共に第１の圧力で前記光学素子材料に押しつける降温加圧ステップと、
前記第２の所定時間にわたって、前記第２の成形型を前記第２の温度で保持すると共に前記第１の圧力に抗して前記光学素子材料に押しつける保温加圧ステップとを備え、当該光学素子材料は前記第１の成形型および第２の成形型との接触部の形状に成形されることを特徴とする請求項１０に記載の成形方法。
【請求項１２】
前記降温加圧ステップおよび保温加圧ステップの後に、
第３の所定の時間にわたって、前記第１および第２の成形型を前記第２の温度から第３の温度に降温すると共に、前記光学素子材料に押しつける圧力を前記第１の圧力から第２の圧力に減圧する第１の降温減圧ステップとを備え、前記成形された光学素子材料に前記第１および第２の成形型との接触部の形状が転写されることを特徴とする請求項１１に記載の成形方法。
【請求項１３】
前記第１の降温減圧ステップの後に、
第４の所定の時間にわたって、前記第１の成形型を第４の温度に降温し、前記光学素子材料に押しつける圧力を前記第２の圧力から第３の圧力に減圧すると共に、前記第２の成形型を前記第２の温度に保持する第２の降温減圧ステップとを備え、前記光学素子材料は前記第１の成形型から分離されることを特徴とする請求項１２に記載の成形方法、
【請求項１４】
前記第２の降温減圧ステップの後に、
第５の所定の時間にわたって、前記第１および第２の成形型を互いに離間させると共に、それぞれを前記第４の温度および前記第３の温度に保持する離間ステップを備える請求項１３に記載の成形方法。
【請求項１５】
前記離間ステップの後に、
第６の所定の時間にわたって、前記第１および第２の成形型のそれぞれを前記第４の温度および前記第３の温度に保持する温度保持ステップを備え、前記光学素子材料の内部歪みは除去されることを特徴とする請求項１４に記載の成形方法。
【請求項１６】
温度保持ステップの後に、
第７の所定の時間にわたって、前記第２の成形型を前記第３の温度から第５の温度に降温させる降温ステップを備え、前記光学素子材料は当該第２の成形型から分離されることを特徴とする請求項１５に記載の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立して駆動される２つの誘導コイルによる誘導加熱により、一対の金型のそれぞれを独立して加熱する誘導加熱装置であって、より詳細には、当該誘導加熱装置および金型を用いて光学素子材料を所望の温度に加熱すると共に所望の形状に成形して光学素子製品を製造する誘導加熱成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に、従来の誘導加熱成形装置の構成を示す。同誘導加熱成形装置Ｆｃは、光学素子材料ＯＭ（図示せず）を成形するための上成形面ＦＳ１を有する上型４ａと、下成形面ＦＳ２を有する下型４ｂから成る一対の金型セット４が用いられる。上型４ａは上誘導コイル３ａで誘導加熱され、下型４ｂは下誘導コイル３ｂによって誘導加熱される。誘導加熱された金型セット４の熱が成形面ＦＳを介して光学素子材料ＯＭに伝えられる。つまり、光学素子材料ＯＭの温度は、上型４ａおよび下型４ｂの温度を制御することで実現される。言い換えれば、上誘導コイル３ａから照射される上磁束Φａ、および下誘導コイル３ｂから照射される下磁束Φｂの量を変化させて、上型４ａおよび下型４ｂの温度が制御される。このために、金型セット４は、誘導加熱により加熱され易いように、磁性体材料が用いられる。
【０００３】
金型セット４を誘導加熱するための磁束Φを生成させる電力を供給するインバータ１と、上変圧器２ａおよび下変圧器２ｂとが備えられる。さらに、光学素子材料ＯＭの金型セット４内への挿入、加圧成形、および成形後の取り出しのために、上型４ａおよび下型４ｂのそれぞれを移動させる上型アクチュエータ６ａおよび下型アクチュエータ６ｂが備えられる。上変圧器２ａおよび下変圧器２ｂは、それぞれ、インバータ１から供給される加熱電力を上誘導コイル３ａおよび上誘導コイル３ａに適した電圧に変換する。さらに、所望の成形プロセスを実現させるために、金型セット４の温度を制御すると共にアクチュエータ６を制御する制御器８が更に設けられている。
【０００４】
そして光学素子製品を金型セット４から取り外す際の離型性を向上させるためには、上型４ａおよび下型４ｂと、光学素子製品との熱膨張をコントロールする必要がある。そのためには、上型４ａおよび下型４ｂの温度を独立に温度調整する必要がある。この観点からは、上誘導コイル３ａおよび下誘導コイル３ｂを共通のインバータ１で駆動するのではなく、それぞれ別のインバータで独立して連続的に駆動制御することが望ましい。
【０００５】
しかしながら、上誘導コイル３ａの磁束Φａと下誘導コイル３ｂの磁束Φｂが同一軸上にあるため、別個のインバータで上誘導コイル３ａと下誘導コイル３ｂを独立して連続駆動制御すると、上誘導コイル３ａで発生する上磁束Φａと下誘導コイル３ｂで発生する下磁束Φｂとが相互干渉（Φａ＋Φｂ）して、誘導結合により相手方のインバータ回路素子に誘導起電力がかかる。この誘導起電力は、消費できずに、インバータ素子などの回路素子を破損させてしまうことがある。
【０００６】
このような事態を防止するために、誘導加熱成形装置Ｆｃにおいては、２つの上誘導コイル３ａと下誘導コイル３ｂと共通のインバータ１とを排他的に接続するべく上切替スイッチ７ａおよび下切替スイッチ７ｂを設けている。つまり、上誘導コイル３ａと下誘導コイル３ｂを排他的且つ断続的に駆動させることによって、上磁束Φａと下磁束Φｂを同時に発生させないで、相互干渉（Φａ＋Φｂ）の発生を防止している。
【０００７】
また、上磁束Φａと下磁束Φｂの相互干渉を抑えながら、上誘導コイル３ａと下誘導コイル３ｂを同時に駆動させる誘導加熱成形装置（特許文献２）も提案されている。同誘導加熱成形装置においては、上型と下型の共振周波数を異なる値に設定する。そして、共振周波数を中心にインバータの発振周波数を可変させることで、上型に巻回された上誘導コイルおよび下型に巻回された下誘導コイルに流れる電流を制御し、上下型温度を独立に制御する。
【特許文献１】特開平４−５８４９１号公報
【特許文献２】特開平６−６４９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の上誘導コイルと下誘導コイルを排他的且つ断続的に駆動制御する誘導加熱成形装置（特許文献１）においては、上型および下型の発熱量は交互且つ断続的にしか制御できない。つまり、上型および下型の温度は不連続且つ、温度差の大きな粗密な制御しかできない。このような粗密な温度制御では、光学素子材料ＯＭの加熱時の対流などによる成分の均質化や、また冷却時の内部応力の抑制など得られる光学素子製品の品質管理が非常に困難である。
【０００９】
また、上述の共振周波数を中心にインバータの発振周波数を可変させることで、上誘導コイルおよび下誘導コイルを連続的に駆動させる誘導加熱成形装置（特許文献２）においては、回路の共振点を外れた部分でインバータ駆動をする必要があるため、電力反射などが定常的に発生しインバータの効率が低下するなどの問題がある。
【００１０】
よって、本発明は、光学素子製品の加熱成形に用いられる上型と下型を個々に誘導加熱させる独立した上誘導コイルおよび下誘導コイルを連続駆動させると共に、それぞれのコイルから発生する磁束の相互干渉によるインバータへの負担を防止して、連続的で緻密且つ効率的な温度制御が可能な誘導加熱成形装置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】
【００１１】
連続的かつ個別に発生させた第１の磁束および第２の磁束によって、互いに対向して用いられる第１の成形型および第２の成形型を誘導加熱し、当該第１および第２の成形型内に挿入された光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置は、前記第１の成形型の周囲に設けられて前記第１の磁束を発生させる第１の磁束発生手段と、前記第２の成形型の周囲に設けられて前記第２の磁束を発生させる第２の磁束発生手段と、前記第１の磁束発生手段と、前記第２の磁束発生手段の間に設けられて、前記第１の磁束と前記第２の磁束とで互いに干渉し合う磁束成分の作用を打ち消す磁束干渉防止手段（２０、１３ｃ）とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
上述にように、本発明にかかる誘導加熱装置においては、上誘導コイルおよび下誘導コイルを連続的かつ緻密に駆動制御させて上磁束と下磁束と同時に発生させることによって、上型および下型の連続的且つ緻密な温度制御を可能している。さらに、発生した上磁束と下磁束との相互干渉を防止してインバータへの負担を防止している。結果、光学素子材料の温度を連続的、迅速、且つ緻密に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について詳述する前に、本発明に係る誘導加熱成形装置の基本的概念について説明する。上述のように、光学素子製品の加熱成形においては、上型と下型を個々に、連続且つ緻密に発熱制御することが非常に望ましい。つまり、光学素子材料を加熱溶融させた時の対流や熱分布に起因する成分の均一性や、また加圧成型時の圧力の影響、さらに冷却時の残留応力や成分分布などの要因は、主に金型の発熱状態の管理精度のみで決まるといっても過言ではない。
【００１４】
この観点から、本発明においても、金型の迅速な加熱および温度の制御のし易さから、上型と下型を独立して駆動される上誘導コイルと下誘導コイルで誘導加熱装置が採用されている。誘導加熱装置においては、上述の如く、上誘導コイルと下誘導コイルの間で発生する磁束干渉の問題がある。従来の誘導加熱成形装置においては、温度制御品質および温度制御効率を犠牲にして、磁束干渉の発生自体を防止している。しかしながら、本発明に係る誘導加熱成形装置においては、磁束干渉の発生を許容し、発生した磁束干渉を熱エネルギーに変換することによって、温度制御品質および温度制御効率を確保している。以下に、本発明の様々な実施形態に係る誘導加熱成形装置について具体的に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
以下に、図１および図２を参照して、本実施形態に係る誘導加熱成形装置について説明する。図１に示すように、誘導加熱成形装置Ｆ１は、光学素子材料ＯＭ（図示せず）を成形するための上成形面ＦＳ１を有する上型１４ａと、下成形面ＦＳ２を有する下型１４ｂから成る一対の金型セット４が用いられる。誘導電力を供給する上インバータ１１ａが、上変圧器１２ａを介して上誘導コイル１３ａに接続されている。同様に、下インバータ１１ｂは下変圧器１２ｂを介して下誘導コイル１３ｂに接続されている。
【００１６】
上型１４ａは上誘導コイル１３ａで誘導加熱され、下型１４ｂは下誘導コイル１３ｂによって誘導加熱される。誘導加熱された金型セット１４の熱が成形面ＦＳを介して光学素子材料ＯＭに伝えられる。つまり、光学素子材料ＯＭの温度は、上型１４ａおよび下型１４ｂの温度を制御することで実現される。言い換えれば、上誘導コイル１３ａから照射される上磁束Φａ、および下誘導コイル１３ｂから照射される下磁束Φｂの量を変化させて、上型１４ａおよび下型１４ｂの温度が制御される。
【００１７】
このために、金型セット１４の材料としては、型内部を所望の温度に、例えば光学素子材料ＯＭがガラス素材の場合には、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が用いる。また光学素子材料ＯＭと接触する成形面ＦＳにはセラミックを用い、ガラス材料が溶けても接着しにくい構成としている。
【００１８】
さらに、光学素子材料ＯＭの金型セット１４内への挿入、加圧成形、および成形後の取り出しのために、上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれを移動させる上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂが備えられる。上変圧器１２ａおよび下変圧器１２ｂは、それぞれ、上インバータ１１ａおよび下インバータ１１ｂから供給される加熱電力を上誘導コイル１３ａおよび上誘導コイル１３ａに適した電圧に変換する。さらに、所望の成形プロセスを実現させるために、金型セット１４の上型１４ａおよび下型１４ｂ温度を個別に連続的に制御すると共にアクチュエータ１９を制御する制御器１７が更に設けられている。
【００１９】
図２に示すように、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂとの間には、磁束遮断材２０が設けられている。具体的には、磁束遮断材２０は、上誘導コイル１３ａから発生する上磁束Φａと、下誘導コイル１３ｂから発生する下磁束Φｂが重なりあって、相互干渉（Φａ＋Φｂ）する位置に設けられる。つまり、磁束は電流が流れる導線からの距離に反比例して弱まることに着目し、最も磁束密度が高く、互いの干渉が問題となる上下のコイル１３ａおよび１３ｂの間に磁束遮蔽材を挿入することで、磁束干渉を防ぐことが可能となり、２つのインバータ１１ａおよび１１ｂで独立して上下の型１４ａおよび１４ｂの温度を連続して調整することを可能としている。この機能を満たすために、磁束遮蔽材２０は、例えば１０ｍｍ程度の厚みの円板で中をくり貫いたドーナツ状に構成される。これは、加熱対象である光学素子材料ＯＭが、上型１４ａおよび下型１４ｂの間に挿入されるため、金型セット１４の光学素子材料ＯＭに接する部分以外を、磁束Φから極力遮蔽できるようにしている。このような効果を得られる形状であれば、磁束遮断材２０は他のいかなる形状に構成してもよい。
【００２０】
本誘導加熱成形装置Ｆ１における、光学素子製品の製造方法について簡単に説明する。光学素子材料ＯＭを金型セット１４に充填する時には、アクチュエータユニット１９を駆動させて、上型１４ａと下型１４ｂとを離間させて、その間に光学素子材料ＯＭを充填できる程度の空間が生じさせる。この離間間隔は、例えば直径１０ｍｍ程度のガラス球を成形する場合には、上型１４ａと下型１４ｂとの最短距離は３０ｍｍ程度でよい。
【００２１】
光学素子材料ＯＭとしてガラス球を充填した後に、上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を狭めていく。間隔を狭めるときは、上型１４ａ、下型１４ｂのいずれか一方の位置を固定させた状態で、他方の型をガラス球と当接するまで移動させ、一定の荷重、例えば２０ｋｇｆ程度をかけた状態の金型セット１４を誘導加熱する。発熱成形体ＦＨで発生した熱により、ガラス球（光学素子材料ＯＭ）が加熱軟化される。具体的には、上誘導コイル１３ａは上型１４ａの外周に巻回され、上誘導コイル１３ａに高周波電力、例えば２３ｋＨｚが投入されたとき、上誘導コイル１３ａ内部に磁束が発生し、上型１４ａを上磁束Φａが貫通することで加熱材料内部に誘導電流Ｉが流れ、加熱材料内部の電気抵抗によるジュール熱によって誘導加熱される。下型１４ｂは外周に巻回された下誘導コイル１３ｂによって、上型１４ａと同様に誘導加熱される。
【００２２】
上磁束Φａと下磁束Φｂの相互干渉を起こす相互干渉磁束△（Φａ＋Φｂ）は、磁束遮断材２０によって吸収される。つまり、上誘導コイル１３ａから発生した上磁束Φａの干渉成分、つまり下誘導コイル１３ｂを貫通する成分△（Φａ）は、磁束遮断材２０に吸収遮断されて、下誘導コイル１３ｂには到達しない。同様に、下誘導コイル１３ｂから発生した下磁束Φｂの干渉成分、つまり上誘導コイル１３ａを貫通する成分△（Φｂ）は、磁束遮断材２０によって吸収遮断されて、上誘導コイル１３ａには到達しない。吸収された干渉磁束△（Φａ＋Φｂ）は磁束遮断材２０によって熱に変換されて消費される。
【００２３】
このようにして、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂを同時に連続的に駆動させても、発生する上磁束Φａと下磁束Φｂによる相互干渉磁束△（Φａ＋Φｂ）は、上インバータ１１ａおよび下インバータ１１ｂに悪影響を与えることがない。また上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂの共振周波数は同一であるので加熱効率も低下しない。なお、吸収された相互干渉磁束△（Φａ＋Φｂ）による磁束遮断材２０の発熱は、自然空冷によって、誘導加熱成形装置Ｆ１の外部に放出される。しかしながら、自然空冷で不十分な場合には、強制空冷或いは強制水冷、または冷媒などを流通させる冷却機構を設けても良い。
【００２４】
加熱軟化、つまり溶融されて弾性を持った光学素子材料ＯＭは、アクチュエータユニット１９により加えられる３５０ｋｇｆ程度での圧力によって加圧変形される。さらに、金型の成形面ＦＳによって、光学素子材料ＯＭに光学素子製品の形状を転写させるため、金型セット１４を５５０℃程度まで降下させると同時に、成形のための押圧荷重を５０ｋｇｆ程度に減圧させて、光学素子製品として成形する。
【００２５】
金型セット１４の温度は、上型１４ａの温度Ｔ１（以降、「上型温度Ｔ１」と称する）と、下型１４ｂの温度Ｔ２（「上型温度Ｔ２」と称する）とに基づいて判断される。上型１４ａの内部に挿入された上型温度計測手段１８ａによって、上成形面ＦＳ１の温度が測定されて上型温度Ｔ１として制御器１７に入力される。同様に、下型１４ｂの内部に挿入された下型温度計測手段１８ｂによって、下成形面ＦＳ２の温度が測定されて下型温度Ｔ２として制御器１７に入力される。制御器１７は、入力される上型温度Ｔ１および下型温度Ｔ２と目標となる温度とに基づいて、一般的に知られるＰＩＤ制御方式を用いて所望の操作量を算出する。そして制御器１７はさらに、算出された操作量に応じて、上インバータ１１ａおよび下インバータ１１ｂの出力電力を調整して、目標温度への温度追従制御を実現している。
【００２６】
このような一連の成形プロセスにより成形された光学素子製品は、アクチュエータユニット１９によって、上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を広げ、金型セット１４から取り出される。この際に、一定の手順で離型させることで作業性を高め、金型から成型品を安全に取り出すため、光学素子製品を先ず上型１４ａから離型させ、次に下型１４ｂを離型させる。このためには、例えば上型温度Ｔ１を、下型温度Ｔ２より１００℃程度高く維持した状態で、上型温度Ｔ１を降下させる。
【００２７】
例えば、上型温度Ｔ１が４５０℃、下型温度Ｔ２が５５０℃になった時点で、アクチュエータ２０ａを駆動して上型１４ａを上側に移動させて、光学素子材料を離型させる。上型１４ａを離型させたのち、下型温度Ｔ２を常温ＲＴ近傍まで下降させ、下型１４ｂから光学素子製品を取り出す。
【００２８】
上述のように、本実施形態においては、磁束は電流が流れる導線からの距離に反比例して弱まることに着目し、最も磁束密度が高く且つ互いの干渉が問題となる上下コイルの間に磁束遮蔽材を挿入して磁束干渉を防いでいる。結果、２つのインバータで独立して上下型温度調整でき、上下型を所望の温度差に保ち、成形後の離型を容易としている。
【００２９】
（第２の実施形態）
以下に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る誘導加熱成形装置について説明する。図３に示すように、本実施形態に係る誘導加熱成形装置Ｆ２は、図１に示した誘導加熱成形装置Ｆ１において、磁束遮断材２０が磁束干渉防止誘導コイル１３ｃに交換されると共に、下変圧器１２ｂが下変圧器１２ｃに交換されている。下変圧器１２ｃは、下変圧器１２ｂにおいて、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃを駆動するための二次コイルが設けられている。その他の部分は、誘導加熱成形装置Ｆ１と同様に構成されているので、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃおよび下変圧器１２ｃについて重点的に説明する。
【００３０】
図４に示すように、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃは、磁束遮断材２０と同様に上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂの間に設けられる。これは、上誘導コイル１３ａから発生する上磁束Φａと、下誘導コイル１３ｂから発生する下磁束Φｂによる相互干渉磁束△（Φａ＋Φｂ）を磁束干渉防止誘導コイルΔΦｃで打ち消すことを目的としている。
【００３１】
具体的には、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂが接近する中央部分の磁束を弱めるために、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃは、上誘導コイル１３ａおよび下誘導コイル１３ｂと逆向きの磁束を発生するように、トランス１２の部分でコイルを互いに逆方向に巻回されている。結果、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃを貫通する磁束は、上誘導コイル１３ａおよび下誘導コイル１３ｂと向きが逆であるので、互いに打ち消し合う。なお、この場合は、磁束干渉防止誘導コイル１３ｃにおける発熱が問題になる場合には、誘導加熱成形装置Ｆ１におけるのと同様に、必要に応じて、適当な冷却手段を設ければ良い。
【００３２】
上述のように、本実施形態においては、最も磁束密度が高く互いの干渉が問題となる上誘導コイルおよび下誘導コイルの間に、電流を流す向きが逆である第３の誘導コイルを挿入することで、磁束干渉が発生しやすい上下誘導コイルの接近個所における磁束を弱めることが可能となり、２つのインバータで独立して上下型温度調整する事ができ上下型に温度差を付けることができ離型が容易となる。
【００３３】
上述のように本発明に係る誘導加熱成形装置においては、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂ間で発生する磁束干渉を防止して、連続的で緻密且つ効率的な温度制御が可能となる。特に成型品を金型から取り外す際、成型品の落下破損を防止するため、この温度制御が重要となる。以下に、図１及び図５を参照して本発明に係る誘導加熱成形方法について具体的に説明する。
【００３４】
図５に、加熱成形して光学製品を作製する光学素子材料ＯＭの熱成形プロセスを示す。同図において、縦軸Ｔは金型セット１４の温度を示し、縦軸ｄは光学素子材料ＯＭと金型セット１４の成形面ＦＳとの離間距離を示し、横軸ｔは成形プロセスにおける各時刻を示す。さらに、実線Ｌａは上型温度Ｔ１を示し、二点鎖線Ｌｂは下型温度Ｔ２を示し、実線Ｌｇは加熱距離ｄを示している。なお、加熱距離ｄは、現実には上型１４ａの上成形面ＦＳ１と光学素子材料ＯＭとの上面との間隔に相当する。
【００３５】
図５に示すように、光学製品は、溶融ステップＳ１、成形ステップＳ２、転写ステップＳ３、上型離型ステップＳ４、上下型分離ステップＳ５、ひずみ除去ステップＳ６、下型離型ステップＳ７、取り出しステップＳ８の８つのステップを経て完成される。なお、溶融ステップＳ１に先だって、光学素子材料ＯＭは金型セット１４の内部に以下の要領にて載置される。先ず、上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂによって上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を光学素子材料ＯＭが挿入できる程度に広げておく。この間隔は、例えば直径１０ｍｍ程度のガラス球（光学製品）を成形する場合は３０ｍｍ程度でよく、作製する光学製品の大きさに応じて適宜決めることができる。この場合、上成形面ＦＳ１と下成形面ＦＳ２の曲率にもよるが、加熱距離ｄは２０ｍｍ（３０−１０ｍｍ）以上である。
次に光学素子材料ＯＭが上型１４ａと下型１４ｂに間に挿入される。この場合は、光学素子材料ＯＭは上型１４ａの上成形面ＦＳ１とは接触しておらず、また下型１４ｂに下成形面ＦＳ２上に部分接触状態で載置される。
【００３６】
溶融ステップＳ１において、光学素子材料ＯＭが挿入された上型１４ａ及び下型１４ｂがそれぞれ５８０℃、５６０℃程度に個別に誘導加熱される。上述のように、光学素子材料ＯＭは上型１４ａの上成形面ＦＳ１とは非接触であり、下型１４ｂの下成形面ＦＳ２とは部分接触である。よって、上型１４ａの熱は輻射によって光学素子材料ＯＭに供給され、下型１４ｂの熱は点接触部分からの直接伝導と共に輻射によって供給される。このように、光学素子材料ＯＭは主に金型セット１４からの輻射熱（一部伝導熱）によって全体が同時に加熱されるので、光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２に接触させた状態で、主に金型セット１４からの伝導熱（一部輻射熱）によって部分的に加熱される場合に比べて、遙かに均一に加熱される。結果、光学素子材料ＯＭは、部分加熱の際に生じる成分比変動や歪み発生を大幅に低減でき、より均質に熱軟化される。つまり、加熱の最終段階において、光学素子材料ＯＭに熱軟化していない部分が残ってしまう事態を防止できる。より均質な加熱の観点から、光学素子材料ＯＭは下型１４ｂと非接触であることがあることが望ましい事は言うまでもない。しかしながら、現実的には、接触面積が出来るだけ小さく、点接触に近づくような形状に光学素子材料ＯＭを準備すればよい。
【００３７】
成形ステップＳ２においては、下型温度Ｔ２（Ｌｂ）を維持した状態で、上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂによって上型１４ａおよび下型１４ｂは互いに接近させられる。結果、熱軟化された光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２に倣って変形して、光学製品の形状に成形される。この際、光学素子材料ＯＭには大凡３５０ｋｇｆの圧力（押圧荷重）が印可される。また、上型１４ａおよび下型１４ｂの双方、或いはいずれか一方を移動させても良いが、好ましくは成型時の光学素子材料ＯＭの安定のためには下型１４ｂの位置を固定した状態で上型１４ａを移動させる。
【００３８】
転写ステップＳ３においては、上型温度Ｔ１及び下型温度Ｔ２が５６０℃から５５０℃程度まで降下される共に、押圧荷重を３５０ｋｇｆ程度から５０ｋｇｆ程度まで減少される。型温度（Ｔ１、Ｔ２）の降下につれて、光学素子材料ＯＭの温度も降下することにより、熱軟化状態から通常の剛体状態に変化する。よって、押圧荷重の変化にも関わらず、加熱距離ｄは概ね変化しない。結果、光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２の形状に完全に変形されて、光学製品の外形状が転写される。なお、本ステップにおいて得られる光学素子材料ＯＭを、以降必要に応じて転写成型品ＯＭと呼ぶ。
【００３９】
また、加熱距離ｄにおいて上型１４ａ、および下型１４ｂを加熱する際にガラス球を均一に、かつ、高速に加熱するため、型温度上昇よりガラス球温度上昇が遅れることが想定される。そこで、上下型それぞれにおいて、ＰＩＤ制御方式などを用いて、目標温度よりもオーパーシュートして制御することも可能である。さらに、型とガラス球との距離に応じて、型温度を変化させ、ガラス球の温度を一定に保つように制御することも可能である。
【００４０】
上型離型ステップＳ４においては、下型温度Ｔ２を５５０℃が維持されて状態で上型温度Ｔ１が５５０℃から４５０℃まで降下される。金型と光学素子材料ＯＭとの熱膨張率の違いにより、転写成型品ＯＭは上型１４ａから離反する。
【００４１】
上下型分離ステップＳ５においては、上型温度Ｔ１が４５０℃、下型温度Ｔ２が５５０℃に制御した状態で、転写成型品を取り出せるように上型１４ａと下型１４ｂとの間隔が広げられる。
【００４２】
ひずみ除去ステップＳ６においては、上下型の間隔（ｄ）および上下型の温度（Ｔ１、Ｔ２）を一定に保った状態で一定期間（t5〜ｔ6）保持される。結果、成形ステップＳ２および転写ステップＳ３において、転写成型品ＯＭの内部に生じた歪みが除去される。
【００４３】
下型離型ステップＳ７においては、下型温度Ｔ２を５５０℃から常温ＲＴ近傍まで下降される。金型セット１４と光学素子材料ＯＭとの熱膨張率の違いにより、転写成型品ＯＭは下型１４ｂから離反される。その際、上型温度Ｔ１も４５０℃から常温ＲＴ近傍まで下降される。結果、光学製品が完成する。
【００４４】
取り出しステップＳ８においては、光学製品が上型１４ａおよび下型１４ｂのいずれにも固着することなく、下成形面ＦＳ２上に安定的に載置された状態にある。よって、金型から成型品を取り出すことができる。
【００４５】
上述の温度制御は以下の如く実現される。つまり、上金型温度Ｔ１および下金型温度Ｔ２は、それぞれに挿入された上型温度計測手段１８ａおよび下型温度計測手段１８ｂによって測定されて、制御装置１７に入力される。制御装置１７にて設定された目標となる温度と上型１４ａおよび下型１４ｂの測定温度をもとに、一般的に知られるＰＩＤ制御方式などの制御方式を用いて所望の操作量を算出し、算出された操作量をインバータ出力電力調整用の外部入力手段に入力することで、目標温度への温度追従制御を上下個別に実現している。
【００４６】
また、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂの間に挿入されている磁束遮蔽材２０によって、上誘導コイル１３ａによる磁束と、下誘導コイル１３ｂとの磁束との干渉を防止することによって、上述の温度制御を高精度且つ効率的に実現している。また、磁束遮蔽材２０としては、銅、真鍮などの低抵抗の非磁性材料が用いられる。加熱対象は上型１４ａと下型１４ｂの間に挿入されているため、図２に示すように、磁束遮蔽材２０の形状は加熱対象以外の部分を極力遮蔽できるように、例えば１０ｍｍ程度の厚みの円板で中をくり貫いたドーナツ状のものを用いる。吸収された磁束によって遮蔽材が発熱する場合は、この磁束遮蔽材２０に冷却機構を設けて、例えば冷媒などを流通させればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
光学素子材料を誘導加熱により加熱成形するに際し、成形部を重点的に誘導加熱することによって、より迅速且つ効率的な温度制御が可能な誘導加熱成形装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図
【図２】図１に示した金型セット、誘導コイル、および磁束遮断材の位置関係の説明図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱成形装置の構成を示すブロック図
【図４】図３に示した金型セット、誘導コイル、および磁束干渉防止誘導コイルの位置関係の説明図
【図５】誘導加熱成形工程を示すタイムチャート
【図６】従来例における誘導加熱成形装置の構成ブロック図
【符号の説明】
【００４９】
Ｆｃ、Ｆ１、Ｆ２  誘導加熱成形装置
１１ａ  上インバータ
１１ｂ  下インバータ
１２ａ  上変圧器
１２ｂ  下変圧器
１３ａ  上誘導コイル
１３ｂ  下誘導コイル
１３ｃ  磁束干渉防止誘導コイル
１４  金型セット
１４ａ  上型
１４ｂ  下型
ＦＳ  成形面
ＦＳ１  上成形面
ＦＳ２  下成形面
１７  制御器
１９  アクチュエータユニット
１９ａ  上型アクチュエータ
１９ｂ  下型アクチュエータ
２０  磁束遮断材
【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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