(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質が等方性カーボンの上モールドダイと、この上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの上コアモールドとを備えている上型組立と、
材質が等方性カーボンの下モールドダイと、この下モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの下コアモールドとを備えている下型組立と、
上記上下型組立及び石英ガラス素材を加熱する加熱手段と、
加熱された石英ガラス素材を前記上下型組立間でプレス成形して、石英ガラス素子とするプレス手段とを具備し、
上記上下型組立の上下コアモールド間には、石英ガラス素材が配置される石英ガラス素子の成形装置。
【請求項２】
上型組立は、上モールドダイ及び上コアモールドが取り付けられる上ダイプレートを更に備え、
下型組立は、下モールドダイ及び下コアモールドが取り付けられる下ダイプレートを更に備え、
成型装置は、更に、
上型組立の上ダイプレートの上端に取り付けられている上型断熱筒と、
上型断熱筒の上端に取り付けられている固定軸と、
下型組立の下ダイプレートの下端に取り付けられている下型断熱筒と、
断熱筒の下端に取り付けられている移動軸と、
を具備している請求項１の装置。
【請求項３】
移動軸を軸方向に移動させる移動手段と、
移動手段による移動軸の移動速度、位置、及びトルクを制御する制御手段とを更に、具備している請求項２の装置。
【請求項４】
更に、上下型組立の周囲を囲む筒を備えることにより、上下型組立を大気から遮断する成形室を備えている請求項１〜３のいずれか記載の装置。
【請求項５】
前記筒は石英ガラス管であり、前記加熱手段は赤外線による加熱手段で、前記石英ガラス管の周囲に配置されている請求項４の装置。
【請求項６】
更に、ガス供給路を備え、このガス供給路は、固定軸及び/又は移動軸に形成され、成形室内に不活性ガスを供給して、成形室内を不活性ガス雰囲気にし及び/又は上下型組立を冷却するものである請求項２〜５のいずれかの装置。
【請求項７】
材質が等方性カーボンの上モールドダイ及びこの上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの上コアモールドを備えている上型組立と、材質が等方性カーボンの下モールドダイ及びこの下モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの下コアモールドとを備えている下型組立とを用意する工程と、
上下型組立の上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工程と、
上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が上下コアモールドから伝熱可能な密接した状態になるように、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程と、
この挟み込んだ状態で上下型組立及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程と、
所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形する工程と
を具備している石英ガラス素子の成形方法。
【請求項８】
上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程は、加熱状態にあるとき、上下型組立間に０．０１〜１ｋＮのプレス力で石英ガラス素材を押圧する工程を備えている請求項７に記載の方法。
【請求項９】
材質が等方性カーボンの胴型と、この胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カーボンの上下コアモールドとを備え、
更に、上記胴型、上下コアモールド及び石英ガラス素材を加熱する加熱手段と、
加熱された石英ガラス素材を上記上下コアモールド間でプレス成形して、石英ガラス素子とするプレス手段と、
を具備し、上記上下コアモールド間には、石英ガラス素材が配置される石英ガラス素子の成形装置。
【請求項１０】
材質が等方性カーボンの胴型と、この胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カーボンの上下コアモールドとを用意する工程と、
上記上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工程と、
上記上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が上下コアモールドから伝熱可能に密接した状態になるように、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程と、
この挟み込んだ状態で、胴型、上下コアモールド、及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程と、
所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形する工程と、
を具備している石英ガラス素子の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に成形用ガラス素材の加熱時間の短縮を図った石英ガラス素子の成形装置及び成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスレンズなどの高精度が要求されるガラス素子の製造方法は、ガラス素材を研削・研磨して光学面を形成する方法と、リヒートプレスによる製造方法との二種類に大別され、前者の方法によりガラス素子を製造することが多い。
【０００３】
しかし、前者の方法では、研削・研磨による曲面形成に十数工程が必要であるうえに、作業者に有害なガラス研削粉が多量に発生する問題点がある。さらに、前者の方法は、付加価値の高い非球面形状の光学面を持つガラスレンズを同じ精度で大量に製作することが困難であるという問題点を持っている。
【０００４】
それに対して後者のリヒートプレスによる製造方法は、予め所定形状に製作したガラス素材を加熱し、プレスすることにより型の形状をガラス素材に転写させ、ガラスレンズなどのガラス素子を成形する方法であり、曲面形状に必要な工程はプレス成形の一工程のみであるという利点がある。また、型を一度製作すれば、型の精度に準じた成形品がいくつも製作することも可能であるという利点がある。
【０００５】
近年、石英ガラス素子は、ガラス素子の中でも、熱膨張が少ない、不純物が少ない、紫外線透過率が良い等の理由から非常に注目され、光通信分野や医療分野での用途が期待されている。そのため、石英ガラス素子は、マイクロレンズアレイ等形状の複雑なもの、または、大きさも超小型のものから大型のものまで各種要求されるようになっている。
【０００６】
しかし、上述したリヒートプレスによる製造方法で石英ガラス素子を成形する場合、以下の問題が残されている。リヒートプレスによる製造方法では、型の間にガラス素材を置き、型の酸化を防止する目的で型およびガラス素材を含む成形室内を不活性ガス雰囲気もしくは真空雰囲気にしたうえで、抵抗加熱装置、高周波加熱装置や赤外線ランプ等により加熱し、ガラス素材を型によりプレスした後、成形品を冷却して取り出す方法が取られる。通常の光学ガラスを成形する場合は、成形温度が高くても約７００℃であり、型材料としては、一般的に超硬合金（ＷＣ）が用いられている。しかし、石英ガラス素材のように成形温度が約１４００℃と高いガラス素材では、高温での耐熱性のある型材が必要となる。さらに、石英ガラス素材は長時間１２００℃以上の高温にさらされると結晶化のため失透するという問題があり、失透したガラス素子は光学素子としては使用不可能なため、加熱・プレス時間の短縮がリヒートプレスには必要不可欠となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形温度の高い石英ガラス素子をリヒートプレスにより成形する際に、加熱・プレス時間を短縮することを目的としている。
【０００８】
本発明は、さらに、加熱・プレス時間を短縮するために、上下型から石英ガラス素材への熱伝導性を改良することを目的としている。
【０００９】
本発明は、上下型から石英ガラス素材への熱伝導性を改良するために、上下型を構成する上下コアモールド及びこれらの周囲を囲む上下モールドダイの材質の組み合わせを改良することを目的としている。
【００１０】
本発明は、上下型から石英ガラス素材への熱伝導性を改良するために、上下型と石英ガラス素材との接触状態を改良することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
これらの目的を達成するために、本発明に係る石英ガラス素子の成形装置は以下の構成要素を備え、本発明に係る石英ガラス素子の成形方法は以下の工程を備える。
１．  石英ガラス素子の成形装置であって、以下の構成要素を備えている。
▲１▼上型組立、この上型組立は、材質が等方性カーボンの上モールドダイと、この上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの上コアモールドとを備えている。
▲２▼下型組立、この下型組立は、材質が等方性カーボンの下モールドダイと、この下モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの下コアモールドとを備えている。
上記上下型組立の上下コアモールド間には、石英ガラス素材が配置される、
▲３▼加熱手段、この加熱手段は、上記上下型組立及び石英ガラス素材を加熱する。
▲４▼プレス手段、このプレス手段は、加熱された石英ガラス素材を前記上下型組立間でプレス成形して、石英ガラス素子とする。
２．  石英ガラス素子の成形装置の上型組立は、上モールドダイ及び上コアモールドが取り付けられる上ダイプレートを更に備えている。
【００１２】
下型組立は、下モールドダイ及び下コアモールドが取り付けられる下ダイプレートを更に備えている。
【００１３】
この装置は、更に、
上型組立の上ダイプレートの上端に取り付けられている上型断熱筒と、
上型断熱筒の上端に取り付けられている固定軸と、
下型組立の下ダイプレートの下端に取り付けられている下型断熱筒と、
断熱筒の下端に取り付けられている移動軸と、
を具備している。
【００１４】
３．  石英ガラス素子の成形装置であって、更に、
移動軸を軸方向に移動させる移動手段と、
移動手段による移動軸の移動速度、位置、及びトルクを制御する制御手段と、
を具備している。
【００１５】
４．  石英ガラス素子の成形装置は、更に、
上下型組立の周囲を囲む筒を備え、上下型組立を大気から遮断する成形室を備えている。
【００１６】
５．  石英ガラス素子の成形装置であって、前記筒は石英ガラス管であり、前記加熱手段は赤外線による加熱手段で、前記石英ガラス管の周囲に配置されている。
【００１７】
６．  石英ガラス素子の成形装置は、更に、
固定軸及び/又は移動軸に形成され、成形室内に不活性ガスを供給して、成形室内を不活性ガス雰囲気にし及び/又は上下型組立を冷却するガス供給路、を備えている。
【００１８】
７．  石英ガラス素子の成形方法であって、
▲１▼材質が等方性カーボンの上モールドダイ及びこの上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの上コアモールドを備えている上型組立と、材質が等方性カーボンの下モールドダイ及びこの下モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの下コアモールドとを備えている下型組立とを用意する工程と、
▲２▼上下型組立の上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工程と、
▲３▼上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が上下コアモールドから伝熱可能な密接した状態になるように、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程と、
▲４▼この挟み込んだ状態で上下型組立及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程と、
▲５▼所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形する工程と
を具備している石英ガラス素子の成形方法。
【００１９】
８．  上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程は、加熱状態にあるとき、上下型組立間に０．０１〜１ｋＮのプレス力で石英ガラス素材を押圧する工程を備えている。
【００２０】
９．  材質が等方性カーボンの胴型と、この胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カーボンの上下コアモールドとを備え、
上記上下コアモールド間には、石英ガラス素材が配置される、さらに
上記胴型、上下コアモールド及び石英ガラス素材を加熱する加熱手段と、
加熱された石英ガラス素材を上記上下コアモールド間でプレス成形して、石英ガラス素子とするプレス手段と、
を具備している石英ガラス素子の成形装置。
【００２１】
１０．  材質が等方性カーボンの胴型と、この胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カーボンの上下コアモールドとを用意する工程と、
上記上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工程と、
上記上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が上下コアモールドから伝熱可能に密接した状態になるように、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工程と、
この挟み込んだ状態で、胴型、上下コアモールド、及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程と、
所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形する工程と、
を具備している石英ガラス素子の成形方法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照し説明する。
本発明に係る石英ガラス素子の成形装置の１例を図１（全体図）及び図２（要部の拡大図）に示す。この装置はフレーム１の上部から固定軸２が下方に向かって伸びており、その下端にセラミックス製の上型断熱筒３を介して上型組立４が図示しないボルト等により取り付けられている。上型組立４は、金属製又はセラミックス・カーボン製の上ダイプレート５、ガラス状カーボンで作られ成形される石英ガラス素子の成形表面を成形するための上コアモールド６、及び等方性カーボンからなり上コアモールド６の周囲を囲む上モールドダイ７を備えている。上モールドダイ７及び上コアモールド６は上ダイプレート５に取り付けられており、上ダイプレート５は上型断熱筒３に取り付けられている。
【００２３】
フレーム１の下部にはサーボモータ８ａを駆動源とし、サーボモータ８ａ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等の駆動装置８が設けられ、駆動装置８には荷重検出装置８ｂを介して移動軸９が取り付けられている。移動軸９は固定軸２と対向して上方に向かって伸びており、制御装置２７に入力したプログラムにより、速度、位置およびトルク制御可能に上下動するものである。移動軸９の上端には上型断熱筒３と同様の下型断熱筒１０が取り付けられている。下型断熱筒１０を介して下型組立１１が図示しないボルト等により取り付けられている。下型組立１１は、金属製又はセラミックス・カーボン製の下ダイプレート１２、ガラス状カーボンで作られた下コアモールド１３および等方性カーボンからなる下モールドダイ１４を備えている。下モールドダイ１４及び下コアモールド１３は下ダイプレート１２に取り付けられており、下ダイプレート１２は下型断熱筒１０に取り付けられている。
【００２４】
前記固定軸２にはブラケット１５が移動可能に結合され、このブラケット１５は図示しない駆動装置によって上下動されるものである。ブラケット１５には対をなす上下型組立４，１１の周囲を囲むフランジ付の好ましくは透明な石英ガラス等から成る筒（以下、石英ガラス管という）１６と、石英ガラス管の周囲に設けられた外筒１８が取り付けられている。外筒１８の内周にはランプユニット１９が取り付けられている。ランプユニット１９は、赤外線ランプ２０とその後方に配置された反射ミラー２１、さらに反射ミラー２１を冷却するための図示しない水冷パイプから構成されている。ランプユニット１９により上下型組立４，１１及び上下型組立間に配置される石英ガラス素材３２を加熱するようになっている。
【００２５】
石英ガラス管１６の上端のフランジ部分は、ブラケット１５にはめ込まれたＯ−リングに気密当接している。また、フレーム１は中間プレート１ａを備え、この中間プレート１ａには、Ｏ−リングを配置した移動軸貫通孔が形成され、この貫通孔を移動軸９がＯ−リングに気密当接して貫通している。石英ガラス管１６の下端のフランジ部分は、中間プレート１ａ上に取り付けられた取付座１ｂのＯ−リングに気密当接している。上下型組立４，１１の周囲に、ブラケット１５、石英ガラス管１６、取付座１ｂ及び中間プレート１ａで囲まれた成形室１７が形成され、この成形室１７は大気から遮断されている。
【００２６】
前記固定軸２及び移動軸９には、成形室１７内を不活性ガス雰囲気にしたり、及び/又は上下型組立４，１１を冷却するためのガス供給路２２，２３がそれぞれ設けられている。これらガス供給路２２，２３を通して不活性ガスを成形室１７へ供給するようになっている。不活性ガスの流量は、図示しない流量コントロール計により所定流量となるように制御される。成形室１７へ供給された不活性ガスは、ガス排出路２４から排気される。なお、２５は真空排気口、２６は下型組立１１の温度検出用熱電対、２８は真空バルブ、２９はガス排気バルブ、３０は真空排気装置、３１は真空計である。
【００２７】
次に本発明の実施例について説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
石英ガラス素材
石英ガラスは非常に赤外線透過率が良いため、石英ガラス自体を赤外線ランプで加熱することは難しい。このため、型からの伝熱により石英ガラス素材を加熱することが望ましい。本実施例では、石英ガラス素材として溶融石英を用いてテストを行った。素材形状はφ２０ｍｍ×ｔ２ｍｍである。溶融石英の成形温度は１５００℃であるが、１２００℃以上の高温状態に置かれる時間が長いと（３００ sec程度以上）石英ガラス素子が結晶化し始め、白濁が起こる。
【００２９】
モールドダイの素材
上下モールドダイ７，１４の素材として、等方性カーボン（ＳＦＧ−２：ポコカーボン（POCO GRAPHITE）；商品名）を用いた。この等方性カーボンは熱伝導率が１２１Ｗ／ｍＫと良く、耐熱衝撃性も良好である。なお、比較として、モールドダイ素材としてＳｉＣを使用した場合、耐熱性および熱伝達率は良好（６３Ｗ／ｍＫ）だが耐熱衝撃性が悪く、加熱速度を５℃／ｓｅｃ以上にすると、熱衝撃で破損してしまった。このようにＳｉＣは熱衝撃により破損しやすいため、昇温速度を低くする必要があり、加熱速度を上げることができない。
【００３０】
コアモールドの素材
石英ガラス素材３２を成形する上下コアモールド６，１３の素材としてガラス状カーボンを用いた。この素材は、耐熱性が良い、硬い、鏡面を出すことができる、石英ガラスとの反応を起こしにくい等の特長を持つ。反面、この素材は、熱伝達率が悪い（５．８Ｗ／ｍＫ）ため、上下モールドダイ（等方性カーボン）７，１４からの熱伝達が悪いという欠点を持っている。
【００３１】
上下コアモールドと石英ガラス素材との密着
そこで、石英ガラス素材３２を加熱するためには石英ガラス素材３２が上下コアモールド６，１３に接触している面積が大きいことが必要となる。ここで、上下コアモールド６，１３及びガラス素材３２の破損がないように、かつ、石英ガラス素材３２を上下コアモールド６，１３から伝熱可能な密接した状態に挟み込むようにトルク制御をして上下コアモールド６，１３と石英ガラス素材３２を密着させ、赤外線ランプ２０による加熱を行った。具体的には、上下型間に０．０１〜１ｋＮのプレス力がかかるようにトルク制御して、成形可能な温度である１５００℃まで加熱し、その後５ｋＮのプレス力を加えて石英ガラス素子に成形した。この結果、１２００℃以上の高温状態の時間が３００ sec程度と短くなり、成形後の石英ガラス素子に失透は起こらなかった。
これに対し、モールドダイの素材としてガラス状カーボンを用い、他の構成は実施例と同じ従来の装置を用い、上下コアモールドと石英ガラス素材を密着させない点を除き上記実施例と同じ方法により、石英ガラス素子を成形した場合、１２００℃以上の高温状態の時間が５００ secを要し、成形された石英ガラス素子に失透が生じた。
【００３２】
以上の実施例からわかるように、本発明の石英ガラス素子の成形方法によれば、石英ガラスを成形する場合でも、石英ガラスの失透を起こさず、成形を行うことができる。さらに成形時間も短くなるため、製作コストの削減が可能となる。
【００３３】
本発明は、前述した実施例に限定されるものではなく、抵抗加熱装置や高周波加熱装置を用いてモールドダイ、さらにはコアモールドを加熱する方式の成形装置にも適用することができる。また、図３に示すようなコアモールド４１，４２と、胴型４３とからなる公知の型構成を用いる成形装置にも適用することができ、この装置においては胴型４３を等方性カーボンとし、コアモールド４１，４２をガラス状カーボンとする。
【００３４】
【発明の効果】
本発明では、石英ガラス素材を加熱・プレス成形する装置において、等方性カーボンの上下モールドダイと、ガラス状カーボンの上下コアモールドを用いる。等方性カーボンは熱伝導率が高く、耐熱衝撃性も良好であることから、この材質のモールドタイを用いることにより、加熱・プレス時間を短縮することができる。一方、ガラス状カーボンは、耐熱性が良い、硬い、鏡面を出すことができる、石英ガラスとの反応を起こしにくい等の特長を持つ。しかし、ガラス状カーボンは、等方性カーボンに比べて熱伝達率が悪いため、等方性カーボンのモールドダイからの熱伝達が悪い。そこで本発明では、一対の上下コアモールド間に石英ガラス素材を伝熱可能な密接した状態に挟み込んで加熱する。このことにより、加熱・プレス時間をより一層短縮し、石英ガラスの結晶化による失透をより確実に防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学素子の成形装置の一例を示す概略断面図
【図２】図１の要部拡大図
【図３】本発明の他の実施例を示す要部拡大図
【符号の説明】
１・・・フレーム
１ａ・・・中間プレート
１ｂ・・・取付座
２・・・固定軸
３・・・上型断熱筒
４・・・上型組立
５・・・上ダイプレート
６・・・上コアモールド
７・・・上モールドダイ
８・・・駆動装置
８ａ・・・サーボモータ
８ｂ・・・荷重検出装置
９・・・移動軸
１０・・・下型断熱筒
１１・・・下型組立
１２・・・下ダイプレート
１３・・・下コアモールド
１４・・・下モールドダイ
１５・・・ブラケット
１６・・・石英ガラス管
１７・・・成形室
１８・・・外筒
１９・・・ランプユニット
２０・・・赤外線ランプ
２１・・・反射ミラー
２２，２３・・・ガス供給路
２４・・・ガス排出路
２５・・・真空排気口
２６・・・温度検出用熱電対
２７・・・制御装置
２８・・・真空バルブ
２９・・・ガス排気バルブ
３０・・・真空排気装置
３１・・・真空計
３２・・・石英ガラス素材
４１，４２・・・コアモールド
４３・・・胴型
【図１】
0004203289.tif 000002
【図２】
0004203289.tif 000003
【図３】
0004203289.tif 000004