(57)【要約】【課題】  プレス成形後の製品の冷却工程で発生する収縮に対して用いられる従来のアクチュエータは、設備コストなどの点で無駄であり、装置自体も大きくなってしまう。【解決手段】  本発明によるガラス成形装置は、相互に対向する成形面１３ａ，１４ａをそれぞれ有する２つのインサート１３，１４と、これら２つのインサート１３，１４の間に供給されたガラス材料Ｗを加熱する第１の加熱手段と、一方のインサート１４にプレス軸１５を介して連結され、この一方のインサート１４を他方のインサート１３との対向方向に沿って駆動し、２つの成形面１３ａ，１４ａの間に供給されるガラス材料Ｗをプレス成形するためのアクチュエータ１９と、２つのインサート１３，１４の少なくとも一方に連結されたプレス軸１５と、このプレス軸１５を加熱する第２の加熱手段とを具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のインサートに形成された第１の成形面と、第２のインサートに形成された第２の成形面との間にガラス材料を介在させ、このガラス材料を少なくともガラス転移点以上に加熱しつつこれら第１および第２のインサートが相互に近づくようにアクチュエータを駆動して少なくとも一方のインサートを移動させることにより、前記ガラス材料をプレス成形するガラス成形方法であって、
前記第１および第２のインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸を加熱してこれを熱膨張させることにより、前記ガラス材料をさらにプレス成形するステップを具えたことを特徴とするガラス成形方法。
【請求項２】
前記プレス軸の熱膨張によって前記ガラス材料をさらにプレス成形するステップは、アクチュエータを駆動して少なくとも一方の前記インサートを移動させることにより成形された前記ガラス材料の冷却に伴って行われることを特徴とする請求項１に記載のガラス成形方法。
【請求項３】
加熱される前記プレス軸の熱膨張率が１５×１０-6／℃以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガラス成形方法。
【請求項４】
相互に対向する成形面をそれぞれ有する２つのインサートと、
これら２つのインサートの間に供給されたガラス材料を加熱する第１の加熱手段と、
一方の前記インサートに連結され、この一方のインサートを他方のインサートとの対向方向に沿って駆動し、２つの前記成形面の間に供給されたガラス材料をプレス成形するためのアクチュエータと、
前記２つのインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸と、
このプレス軸を加熱する第２の加熱手段と
を具えたことを特徴とするガラス成形装置。
【請求項５】
前記第２の加熱手段によって加熱される前記プレス軸は、その熱膨張率が１５×１０-6／℃以上のステンレス鋼にて形成されていることを特徴とする請求項４に記載のガラス成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス材料から光学要素をプレス成形して研磨などの後加工を不要とし得るガラス成形方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス製のレンズ，プリズム，フィルタなどの光学素子を製造するに際し、研削や研磨などの後加工を施すことなく、加熱軟化させたガラス材料を精密プレス成形加工するだけで高い形状精度および面精度を持った光学素子を得るガラスモールド法が知られている。このガラスモールド法は、成形可能温度、一般にはガラス転移点温度以上かつガラス軟化点温度以下に加熱したガラス材料を、所定の成形面を有する一対のインサートの間に供給し、この一対のインサートを相互に近づけるように駆動してガラス材料を所望の光学素子形状にプレス成形するものである。このガラスモールド法は、特に非球面光学系を大量生産する場合に有効であるが、その製造コストを左右する要素の一つに成形装置の投資額を挙げることができる。
【０００３】
特許文献１は、このような従来の成形装置の代表的な形態を開示しており、これを模式的に図５および図６に示す。すなわち、バックアッププレート１上に設置された筒状をなす金型本体２の上下に上部インサート３と下部インサート４とがそれぞれ摺動自在に嵌合されている。上部インサート３の下面および下部インサート４の上面には、これらの間に供給されるガラス材料Ｗを所定形状に成形するための成形面３ａ，４ａがそれぞれ形成されている。上部インサート３にはこれを下部インサート４との対向方向に沿って変位させ得る上部アクチュエータ５が連結され、下部インサート４にはこれを上部インサート３との対向方向に沿って変位させ得る下部アクチュエータ６が連結されている。なお、これら２つのアクチュエータ５，６は、流体圧シリンダやサーボモータなどを用いるのが一般的である。
【０００４】
ガラス材料Ｗをプレス成形する場合、図５に示すように、上下のインサート３，４をそれぞれ退避位置に移動させてこれらの間にガラス材料Ｗを供給し、この状態にてガラス材料Ｗと共に金型全体を加熱し、ガラス材料Ｗが所定温度に達した時点で上部アクチュエータ５を作動させ、上部インサート３の上端に形成されたフランジ部７が金型本体２の上端面２ａに当接するまで上部インサート３を下部インサート４側へ押し下げる。この過程において、ガラス材料Ｗが２つのインサート３，４の成形面３ａ，４ａに挟まれた状態となって所定形状にプレス成形される。
【０００５】
次いで、このように成形された製品Ｗ′の冷却工程に移行する。この冷却工程においては、プレス成形された製品Ｗ′の冷却に伴ってひけが発生し、インサート３，４の成形面３ａ，４ａと製品Ｗ′の表面との間に生ずる隙間によって製品Ｗ′の面精度が低下する。このような不具合を防止するため、冷却工程中に下部アクチュエータ６を作動させ、図６に示すように下部インサートの下端に形成されたフランジ部８をバックアッププレート１から浮き上がらせて下部インサート４を所定圧で上部インサート３側に付勢し、上下のインサート３，４の成形面３ａ，４ａと製品Ｗ′との間に隙間が発生しないようにする。このようにして製品Ｗ′の温度が所定温度まで低下した時点で冷却工程を停止し、上下のアクチュエータ５，６を逆に作動させて上下のインサート３，４を再び図５に示す退避位置まで退避させ、製品Ｗ′を金型から取り出す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガラスモールド法によって得られる製品のコストを低減させるためには、ガラス成形装置自体の投資額を低減することも有効であり、可能な限り無駄を省いてよりシンプルかつコンパクトな構成にすることが効果的である。
【０００７】
このような観点から、図５，図６に示す従来のガラス成形装置に組み込まれた下部アクチュエータ６は、成形後の製品Ｗ′の冷却工程で発生する収縮に対して用いられるものであるが、この下部アクチュエータ６によって作動する下部インサート４の押し込み量は、たかだか数十〜数百マイクロメートルにしか過ぎない。このような微小量の移動を下部インサート４に与えるだけのために高価なアクチュエータ６を組み込むことは、それに付随する構成部品やそれらの設置スペースなども確保しなければならず、非常な無駄であるということが言えよう。もちろん、装置自体も大きくなってしまう問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、より低コストにて製品をプレス成形し得ると共に装置全体をコンパクト化し得るガラス成形方法およびその装置を提供することにある。
【０００９】
この目的を達成する本発明の第１の形態は、第１のインサートに形成された第１の成形面と、第２のインサートに形成された第２の成形面との間にガラス材料を介在させ、このガラス材料を少なくともガラス転移点以上に加熱しつつこれら第１および第２のインサートが相互に近づくようにアクチュエータを駆動して少なくとも一方のインサートを移動させることにより、前記ガラス材料をプレス成形するガラス成形方法であって、前記第１および第２のインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸を加熱してこれを熱膨張させることにより、前記ガラス材料をさらにプレス成形するステップを具えたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、アクチュエータを駆動して少なくとも一方のインサートを移動させることによってガラス材料を成形するのに加え、プレス軸を積極的に熱膨張させることにより、このガラス材料をさらにプレス成形している。
【００１１】
本発明の第１の形態によるガラス成形方法において、プレス軸の熱膨張によってガラス材料をさらにプレス成形するステップは、アクチュエータを駆動して少なくとも一方のインサートを移動させることにより成形されたガラス材料の冷却に伴って行われるものであってよい。
【００１２】
加熱されるプレス軸の熱膨張率が１５×１０-6／℃以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の形態は、相互に対向する成形面をそれぞれ有する２つのインサートと、これら２つのインサートの間に供給されたガラス材料を加熱する第１の加熱手段と、一方の前記インサートに連結され、この一方のインサートを他方のインサートとの対向方向に沿って駆動し、２つの前記成形面の間に供給されたガラス材料をプレス成形するためのアクチュエータと、前記２つのインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸と、このプレス軸を加熱する第２の加熱手段とを具えたことを特徴とするガラス成形装置にある。
【００１４】
本発明においては、２つのインサートの相互に対向する成形面の間にガラス材料を供給し、第１の加熱手段によってガラス材料を所定温度まで加熱し、この状態にてアクチュエータを作動して一方のインサートを他方のインサートとの対向方向に駆動し、２つの成形面の間に供給されるガラス材料をプレス成形する。一方、第２の加熱手段によりプレス軸を加熱し、このプレス軸を熱膨張させることによってガラス材料をさらにプレス成形する。
【００１５】
この第２の加熱手段によってガラス材料に与えることができる変形量はごく僅かであるので、一般的にはアクチュエータによるプレス成形後の製品の冷却工程において、製品のひけによってインサートの成形面と製品との間に微小な隙間が形成されるのを解消するために用いて特に有効である。具体的には、成形時の冷却工程で発生する製品のひけを補うためのインサートの押し込み量は、ガラス材料、つまり硝材の種類やプレス成形によって得られる製品の形状や大きさを含めた厚みなどによっても差はあるが、一般的には１０〜１００μm程度であり、この時のプレス圧の大半が９８０Ｎ〜４９００Ｎ程度である。これに対し、直径が５mmで長さが５０mmのステンレス鋼を２００℃昇温した場合、その長さ方向の膨張量は約１７０μm、その熱応力、つまりプレス圧は約１３７２０Ｎにも達する。
【００１６】
本発明の第２の形態によるガラス成形装置において、第２の加熱手段によって加熱されるプレス軸は、その熱膨張率が１５×１０-6／℃以上のステンレス鋼にて形成されているものであってよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のガラス成形方法によると、アクチュエータを駆動して少なくとも一方のインサートを移動させることによってガラス材料を成形するのに加え、２つのインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸を積極的に熱膨張させることにより、このガラス材料をさらにプレス成形するようにしたので、図５，図６に示す従来のガラス成形装置に組み込まれていた下部アクチュエータ６を省略することができ、ガラス成形装置の設備コストの削減およびコンパクト化が可能となり、これによって製造される光学素子などのコストをより低減させることができる。
【００１８】
このように、冷却工程にてプレス軸を熱膨張させることにより、従来のように高価なアクチュエータを用いることなく、極めて容易に製品のひけを補うことができる。
【００１９】
本発明のガラス成形装置によると、２つのインサートの少なくとも一方に連結されたプレス軸を加熱する第２の加熱手段を設けたので、図５，図６に示す従来のガラス成形装置に組み込まれていた下部アクチュエータ６を省略して極めて容易に製品のひけを補うことができ、ガラス成形装置の設備コストの削減およびコンパクト化が可能となり、これによって製造される光学素子などのコストをより低減させることができる。
【００２０】
なお、加熱されるプレス軸の熱膨張率が１５×１０-6／℃以上の場合、成形された製品の冷却工程で生ずる製品のひけを充分補償し得る膨張をプレス軸に与えることかできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明によるガラス成形方法を両凸レンズのプレス成形に応用した一実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。
【００２２】
本実施形態におけるガラス成形装置の概念を図１〜図４に示す。すなわち、バックアッププレート１１上には筒状をなす金型本体１２と、上端面に成形面１３ａを形成した下部インサート１３とが取り付けられている。下部インサート１３と一直線状をなすように金型本体１２に対して上下方向に摺動自在に嵌め込まれる上部インサート１４の下端面には、下部インサート１３の成形面１３ａと対向する成形面１４ａが形成されている。本実施形態では、金型本体１２および下部インサート１３内にそれぞれ図示しないカートリッジヒータが組み込まれ、上部インサート１４と下部インサート１３との間に供給されるガラス材料Ｗを所定温度にまで加熱することができるようになっている。本実施形態では、ガラス転移点温度が５０６℃のクラウン系ガラスを用い、これを５８０℃に加熱して直径が１０mmで厚みが３.５mmの両凸レンズを製品Ｗ′としてプレス形成する。
【００２３】
上部インサート１４の上端には、内部に図示しないカートリッジヒータを組み込んだステンレス鋼製のプレス軸１５の下端が継手１６を介して連結され、このプレス軸１５の上端には断熱板１７を介して連結部材１８が取り付けられている。プレス軸１５を構成するステンレス鋼は、その線膨張率が１５×１０-6／℃以上のものを採用することにより、図１の上下方向に沿ったプレス軸１５の長さを必要最小限に抑えて装置全体のコンパクト化を企図することができる。本実施形態のプレス軸１５は、直径が１０mmで長さが５０mmのステンレス鋼（ヤング率が２０５８００Ｎ/mm2）にて形成され、内部に３００Ｗのカートリッジヒータが埋設され、図示しない温度制御装置によってプレス軸１５の加熱温度を任意に制御できるようになっている。プレス軸１５の実質的な断面積は約３０mm2であり、１００度Ｃ昇温すると、その膨張量、つまり図１の上下方向に沿ったプレス軸１５の伸び量が約１７０μmとなるが、これが膨張しないように拘束したと仮定した場合、約９８００Ｎの熱応力が発生することとなる。
【００２４】
連結部材１８の上方には、本発明におけるアクチュエータとしての流体圧シリンダ１９が下向きに設けられ、そのピストンロッド２０が上述した連結部材１８に連結されている。本実施形態における連結部材１８は、プレス軸１５を囲むカップ状断面を有し、その下端が金型本体１２の上端面１２ａに当接して上部インサート１４の下降端位置を規制するようになっている。換言すれば、上部インサート１４の下降端位置が規制されているため、プレス成形されるガラス材料Ｗの体積を可能な限り一定にする必要がある。
【００２５】
実際の成形作業に際しては、図１に示すように上部インサート１４をその上昇端、つまり退避位置まで移動させ、下部インサート１３の成形面１３ａの上にガラス材料Ｗを載置した後、ガラス材料Ｗの上端と上部インサート１４の成形面１４ａとの間に１〜２mm程度の隙間が形成されるように、流体圧シリンダ１９を作動し、上部インサート１４を下部インサート１３側に下降する。この状態にて金型本体１２および下部インサート１３に組み込まれたカートリッジヒータに通電を行い、金型全体が５８０℃となるまで加熱する。
【００２６】
この状態にてガラス材料Ｗの昇温完了を待ち、プレス成形作業に移行する。すなわち、流体圧シリンダ１９を作動して上部インサート１４に２９４０Ｎのプレス圧力を印加し、連結部材１８の下端が金型本体１２の上端面１２ａに突き当たるまで上部インサート１４を下部インサート１３側に向けて下降させ、下部インサート１３の成形面１３ａと上部インサート１４の成形面１４ａとの間に挟まれたガラス材料Ｗのプレス形成を行い、得られる製品Ｗ′にこれら２つのインサート１３，１４の成形面１３ａ，１４ａの形状を転写する。なお、連結部材１８の下端が金型本体１２の上端面１２ａに突き当たることにより、製品Ｗ′の肉厚も同時に規定される（図２参照）。
【００２７】
次に、図示しない冷却ガス供給源から冷却用の不活性ガスを金型本体１２の周囲に吹き付け、金型本体１２および下部インサート１３，上部インサート１４と共に製品Ｗ′の冷却を開始する。これと同時に製品Ｗ′の収縮が始まるため、プレス軸１５に組み込まれたカートリッジヒータに通電を行い、プレス軸１５を加熱してこれを熱膨張させる。この結果、製品Ｗ′のひけに応じて上部インサート１４がさらに下部インサート１３側に押し込まれ、下部および上部インサート１３，１４の成形面１３ａ，１４ａと製品Ｗ′の表面との密着状態が保持される（図３参照）。本実施形態では、図１の上下方向に沿った製品Ｗ′の収縮量が約２０μmであるのに対し、先にも述べたように、プレス軸１５の膨張量が約１７０μmとなるため、その差、すなわち約１５０μmだけ連結部材１８が金型本体１２の上端面から浮き上がった状態となる（図４参照）。
【００２８】
このようにして、金型の温度が４８０℃になった時点で冷却処理を終了し、同時にプレス軸１５に対する加熱も停止して上部インサート１４を図１に示す退避位置に上昇させ、製品Ｗ′を下部インサート１３の上から取り出す。得られた製品Ｗ′は直径が１０mm、厚みが３.５mmの両凸レンズであり、その光学面の精度も良好であって従来のガラス成形装置でプレス成形したものと何ら変わらないことを確認できた。
【００２９】
上述した実施形態では、上部インサート１４にプレス軸１５を連結するようにしたが、下部インサート１３を金型本体１２に対して上下に摺動可能に嵌合すると共にバックアッププレート１１と下部インサート１３との間に熱源を組み込んだプレス軸を介装し、製品Ｗ′の冷却工程でこのプレス軸を加熱することで、上述した実施形態と同様な効果を得ることができる。この場合、上部インサート１４の上端にフランジ部を一体的に形成し、このフランジ部を金型本体１２の上端面に押し当てることで、上部インサート１４の下降端を規制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるガラス成形装置の一実施形態の概念図であり、成形前の状態を表す。
【図２】図１に示した実施形態において、アクチュエータの作動によるプレス成形状態を表す。
【図３】図１に示した実施形態において、製品の冷却中にプレス軸を加熱膨張させた状態を表す。
【図４】図１に示した実施形態において、製品に対する冷却完了状態を表す。
【図５】従来のガラス成形装置の一例を表す概念図であり、成形前の状態を表す。
【図６】図５に示した一例において、アクチュエータの作動によるプレス成形状態を表す。
【符号の説明】
【００３１】
１１  バックアッププレート
１２  金型本体
１２ａ  上端面
１３  下部インサート
１３ａ  成形面
１４  上部インサート
１４ａ  成形面
１５  プレス軸
１６  継手
１７  断熱板
１８  連結部材
１９  流体圧シリンダ
２０  ピストンロッド
Ｗ  ガラス材料
Ｗ′  製品
【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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