(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下一対の型と、
各型の背面から各型を支持する上下一対の軸と、
前記一対の型及び前記各軸の先端近傍の周囲を取り囲み、その内側に気密状態に維持された成形室を構成し、赤外線に対して透明な材料で製作された円筒部材と、
前記円筒部材の外周に沿って、前記一対の型の周囲を取り囲む様に配置された複数本の赤外線ランプと、
前記各赤外線ランプの背後に配置され、全体として円筒形状を備えた反射ミラーとを備え、
前記一対の型の間にガラス製の成形素材を配置し、前記一対の型及び成形素材を加熱した後、成形素材をプレス成形することによって光学素子を製造する光学素子成形装置において、
前記反射ミラーの背面を覆う様に冷却ガス用のジャケットを設けるとともに、前記反射ミラーを貫通する複数の貫通孔を設け、冷却ガスをこのジャケットから前記円筒部材の外周面に向けて噴射するように構成したことを特徴とする光学素子成形装置。
【請求項２】
前記円筒部材の外周面に向けて噴射された冷却ガスを前記円筒部材の周囲から回収する回収ラインと、
回収された冷却ガスを冷却する熱交換器と、
冷却された冷却ガスを装置の外部に排出する排出ラインと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形装置。
【請求項３】
前記円筒部材の外周面に向けて噴射された冷却ガスを前記円筒部材の周囲から回収する回収ラインと、
回収された冷却ガスを冷却する熱交換器と、
冷却された冷却ガスを前記ジャケット内に循環させる循環ラインと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形装置。
【請求項４】
前記赤外線ランプの端子部分を収容する端子室を設け、この端子室の中に冷却ガスを供給することによって、前記赤外線ランプの端子部分を冷却する様に構成したことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の光学素子成形装置。
【請求項５】
上下一対の型と、
各型の背面から各型を支持する上下一対の軸と、
前記一対の型及び前記各軸の先端近傍の周囲を取り囲み、その内側に気密状態に維持された成形室を構成し、赤外線に対して透明な材料で製作された円筒部材と、
前記円筒部材の外周に沿って、前記一対の型の周囲を取り囲む様に配置された複数本の赤外線ランプと、
前記各赤外線ランプの背後に配置され、全体として円筒形状を備えた反射ミラーとを備え、
前記一対の型の間に成形素材を配置し、前記一対の型及び成形素材を加熱した後、成形素材をプレス成形することによって成形品を製造する成形装置において、
前記反射ミラーの背面を覆う様に冷却ガス用のジャケットを設けるとともに、前記反射ミラーを貫通する複数の貫通孔を設け、冷却ガスをこのジャケットから前記円筒部材の外周面に向けて噴射するように構成したことを特徴とする成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、レンズ、プリズム、光通信用部品などのガラス製の光学素子をプレス成形によって製造するための光学素子成形装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
図４に、特開平５−１８６２３０号公報に記載されている従来の光学素子のプレス成形装置の全体構成図を示す。
【０００３】
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、その下端面には、セラミック製の断熱筒３を介して、上型組み立て４がボルト（図示せず）によって取り付けられている。上型組み立て４は、金属製のダイプレート５、セラミック（または超硬合金）で作られた上型６、及びこの上型６をダイプレート５に固定するとともに型の一部を成す固定ダイ７から構成されている。
【０００４】
フレーム１の下部には、駆動装置８（この例では、スクリュージャッキ）が設けられている。駆動装置８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。駆動装置８の駆動軸の先端には、荷重検出器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と対向する様に、上方に向かって伸びている。移動軸９は、制御装置２８に入力されたプログラムにより、速度、位置及び軸荷重が制御され、上下方向に移動することができる。
【０００５】
移動軸９の上端面には、先の断熱筒３と同様の形状を備えた断熱筒１０が取り付けられている。下型組み立て１１は、金属製のダイプレート１２、セラミック（または超硬合金）で作られた下型１３、及びこの上型１３をダイプレート１２に固定するとともに型の一部を成す移動ダイ１４から構成されている。
【０００６】
固定軸２は、上部プレート１５の中心部に設けられた開口部を貫通している。上部プレート１５は、駆動装置（図示せず）によって上下方向に駆動される。上記の開口部にはＯリングが装着され、上部プレート１５は、固定軸２の外周との間を気密状態に保った状態で、上下方向に摺動することができる。
【０００７】
移動軸９は、下部プレート１ａの中心部に設けられた開口部を貫通している。下部プレート１ａは、フレームに固定されている。上記の開口部にはＯリングが装着され、移動軸９は、下部プレート１ａの内周との間を気密状態に保った状態で、上下方向に摺動することができる。
【０００８】
対をなす上型組み立て４及び下型組み立て１１、断熱筒３及び断熱筒１０、固定軸２の下端部、及び移動軸９の上端部の周囲は、石英ガラス製の円筒状部材（透明石英管１６）によって取り囲まれている。透明石英管１６の上端面は、上部プレート１５の下面に突き合わせられており、接触面にはＯリングが装着され、気密性が確保されている。同様に、透明石英管１６の下端面には、下部プレート１ａの上面に突き合わせられており、接触面にはＯリングが装着され、気密性が確保されている。これによって、透明石英管１６の内側に、外部に対して気密性を有する成形室１７が構成されている。
【０００９】
透明石英管１６の周囲を取り囲む様に、外筒１８が配置されている。外筒１８の上端部は上部プレート１５の外周に接続され、外筒１８の下端部は下部プレート１ａの上面に接触している。外筒１８の中段部分には、ランプユニット１９が取り付けられている。透明石英管１６の内側にある上型組み立て４及び下型組み立て１１は、このランプユニット１９からの放射熱によって加熱される。ランプユニット１９は、赤外線ランプ２０、その背後に配置された反射ミラー２１、及び反射ミラー２１を冷却するための水冷パイプ２２などから構成されている。赤外線ランプ２０及び反射ミラー２１は、それぞれ、半円弧状の部品を２つ組み合わせてリング状にしたものを、更に複数段積み重ねることによって構成され、全体として円筒形の形状を備えている。
【００１０】
固定軸２、移動軸９及び上部プレート１５には、それぞれガス供給路２３、２４及び２５が設けられている。下部プレート１ａには、排気口２６が設けられている。不活性ガスを、ガス供給路２３、２４及び２５を介して成形室１７内へ、所定の流量で供給し、排気口２６を介して排出することによって、成形室１７内を不活性ガス雰囲気に保ち、あるいは、上型組み立て４及び下型組み立て１１などの冷却を行う。
【００１１】
ダイプレート１２の背面には、熱電対２７が取り付けられている。この熱電対２７によって、下型組み立て１１の温度が検出される。
【００１２】
なお、図４に示した様な従来の成形装置を用いて、通常の光学ガラス（ガラス軟化点が８００℃以下）製の光学素子をプレス成形する場合には、型及び成形素材の温度を８００℃程度までの加熱すれば十分であるので、装置の耐熱性能に関して大きな問題は生じていなかった。
【００１３】
（従来の光学素子成形装置の問題点）
例えば、半導体の製造プロセスにおいて使用されるステッパ用レンズなどでは、紫外線透過率が高いことが要求されるので、石英ガラス製レンズが使用されている。また、光通信用Ｖ溝コネクタに使用されるＶ溝基板では、光ファイバや光導波路が石英ガラス製であるので、熱膨張係数をこれらと合わせるため、Ｖ溝基板にも石英ガラスが使用されている。
【００１４】
このような石英ガラス製の光学素子は、従来、一般的には、研削・研磨プロセスによって製造されていた。そのため、これらの光学素子は、多くの製造時間と製造コストを要していた。
【００１５】
一方、石英ガラス製の光学部品をプレス成形で製造しようとすると、石英ガラスのガラス軟化点が高く、その成形温度が１３００〜１６００℃程度になるので、装置の耐熱性能に関して下記の様な種々の問題が発生する。
【００１６】
（ａ）透明石英管１６の温度が上昇することにより、透明石英管１６の変形、透明石英管１６の両端に接しているシールパッキンの損傷、透明石英管１６の内外面への反応生成物の付着などが発生する。
【００１７】
（ｂ）赤外線ランプ２０においてフィラメントの周囲を覆っている石英バルブの温度が上昇することにより、石英バルブの変形が生ずる。
【００１８】
（ｃ）赤外線ランプ２０の背後に配置されている反射ミラーの温度が上昇することにより、反射面に被覆された反射コート（例えば、金メッキ）の剥離が生ずる。
【００１９】
（ｄ）赤外線ランプ２０の端子部分の温度が３００℃以上に上昇することにより、赤外線ランプ２０の端子の封止部のモリブデン箔やピンの酸化が生ずる。これにより、赤外線ランプの寿命が短くなる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な従来の光学素子成形装置の問題点に鑑み成されたもので、本発明の目的は、成形温度を１０００℃以上に設定した場合にも装置構成部品の損傷を招かず、従って、石英ガラスの様なガラス軟化点の高い成形素材のプレス成形にも使用することができる光学素子成形装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子成形装置は、
上下一対の型と、
各型の背面から各型を支持する上下一対の軸と、
前記一対の型及び前記各軸の先端近傍の周囲を取り囲み、その内側に気密状態に維持された成形室を構成し、赤外線に対して透明な材料で製作された円筒部材と、
前記円筒部材の外周に沿って、前記一対の型の周囲を取り囲む様に配置された複数本の赤外線ランプと、
前記各赤外線ランプの背後に配置され、全体として円筒形状を備えた反射ミラーとを備え、
前記一対の型の間にガラス製の成形素材を配置し、前記一対の型及び成形素材を加熱した後、成形素材をプレス成形することによって光学素子を製造する光学素子成形装置において、
前記反射ミラーの背面を覆う様に冷却ガス用のジャケットを設けるとともに、前記反射ミラーを貫通する複数の貫通孔を設け、冷却ガスをこのジャケットから前記円筒部材の外周面に向けて噴射するように構成したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の光学素子成形装置によれば、反射ミラーの背面から冷却ガスを噴射することによって、反射ミラー、赤外線ランプ（具体的には、フィラメントを収容する石英バルブ）及び円筒部材を冷却し、これらの構成部品の温度上昇を抑えることができる。これにより、成形温度を１０００℃以上に設定した場合にも、これらの構成部品の変形あるいは損傷を防止することができる。この結果、ガラス軟化点が高い石英ガラス製の光学部品をプレス成形により製造することが可能になる。
【００２３】
好ましくは、前記円筒部材の外周面に向けて噴射された冷却ガスを前記円筒部材の周囲から回収し、回収された冷却ガスを熱交換器で冷却した後、成形装置の外部に排出する。これによって、成形装置から熱風が排出されることを防止し、成形装置が設置されている室内の環境を良好な状態に保つことができる。
【００２４】
なお、前記熱交換器において冷却された冷却ガスを、再び、前記ジャケット内に循環させることもできる。この方法は、成形装置がクリーンルーム内に設置される場合には、クリーンルーム内の環境を維持するために特に有効である。また、冷却ガスとして、不活性ガスなどの空気以外のガスを使用する場合にも有効である。
【００２５】
好ましくは、本発明の光学素子成形装置に、更に、前記赤外線ランプの端子部分を収容する端子室を設ける。この端子室の中にも冷却ガスを供給することによって、前記赤外線ランプの端子部分を冷却する。これにより、赤外線ランプの破損防止あるいは長寿命化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明による光学素子成形装置の一例を示す。
【００２７】
図中、３０は成形素材、４は上型組み立て（上側の型）、１１は下型組み立て（下側の型）、２は固定軸（上側の軸）、９は移動軸（下側の軸）、３及び１０は断熱筒（断熱部材）、１６は透明石英管（円筒部材）、１７は成形室、２０は赤外線ランプ、２１は反射ミラー、３１は冷却ガス用のジャケット、３５は貫通孔を表す。
【００２８】
なお、本発明による光学素子成形装置の特徴は、成形室１７の外周に沿って配置された赤外線ランプ２０、反射ミラー２１及びその周囲の構造にあり、その他の部分の構成は、先に説明した従来の装置（図４）と基本的に共通である。このため、共通の部分に関しては、その説明を一部省略する。
【００２９】
固定軸２の下端面には、セラミック製の断熱筒３を介して、上型組み立て４が取り付けられている。上型組み立て４は、金属製のダイプレート５、セラミック製の上型６及び固定ダイ７から構成されている。移動軸９の上端面には、セラミック製の断熱筒３を介して、下型組み立て１１が取り付けられている。下型組み立て１１は、金属製のダイプレート１２、セラミック製の下型１３及び移動ダイ１４から構成されている。
【００３０】
対をなす上型組み立て４及び下型組み立て１１、断熱筒３及び断熱筒１０、固定軸２の下端部、及び移動軸９の上端部の周囲は、石英ガラス製の円筒状部材（透明石英管１６）によって取り囲まれている。これにより、透明石英管１６の内側に、外部に対して気密性を有する成形室１７が構成されている。固定ダイ７及び移動ダイ１４には、それぞれ熱電対２７ａ、２７ｂが取り付けられている。これらの熱電対２７ａ、２７ｂによって、上型組み立て４及び下型組み立て１１の温度が検出される。
【００３１】
断熱筒３及び断熱筒１０の周囲には、それぞれ遮光リング４５、４６が配置されている。上部プレート１５の内部には、冷却水用の経路４７、４８が形成されている。
【００３２】
透明石英管１６の外周に沿って、ランプユニット１９が配置されている。透明石英管１６の内側にある上型組み立て４及び下型組み立て１１は、このランプユニット１９からの放射熱によって加熱される。ランプユニット１９は、複数の赤外線ランプ２０、反射ミラー２１、水冷パイプ２２、冷却ガス用のジャケット３１、上フランジ３７、下フランジ３８などから構成されている。
【００３３】
ランプユニット１９の中段には、赤外線ランプ２０が取り付けられ、赤外線ランプ２０の背後には、反射ミラー２１が配置されている。赤外線ランプ２０及び反射ミラー２１は、それぞれ、半円弧状の部品を２つ組み合わせてリング状にしたものを、更に複数段積み重ねることによって構成され、全体として円筒形の形状を備えている。透明石英管１６の外周と反射ミラー２１の前面との間には、環状の空間（環状空間３３）が形成されている。
【００３４】
反射ミラー２１の背面を覆う様に、冷却ガス（この例では、圧縮空気）用のジャケット３１が形成されている。この冷却ガス用のジャケット３１も、全体として円筒形の形状を備えている。ジャケット３１の内部には、反射ミラー２１の背面に沿って水冷パイプ２２が取り付けられている。ジャケット３１の外面には、ジャケット３１内に冷却ガスを送り込むためのガス導入口３４が設けられている。ジャケット３１の内径側の壁面及び反射ミラー２１には、ジャケット３１内から反射ミラー２１の前面まで到達する多数の貫通孔３５が形成されている。
【００３５】
反射ミラー２１及びジャケット３１の上端面及び下端面には、それぞれ、上フランジ３７及び上フランジ３８が接続されている。ランプユニット１９は、上フランジ３７を介して上部プレート１５に接続され、下フランジ３８を介して下部プレート１ａに接続されている。上フランジ３７及び上フランジ３８には、透明石英管１６の周囲に形成された環状空間３３から冷却ガスを排出するためのガス排出孔４１、４２が、それぞれ形成されている。更に、上フランジ３７の上端面の近傍及び下フランジ３８の下端面の近傍には、透明石英管１６の上端部及び下端部に向けて、それぞれ冷却ガスを噴射するためのガス導入孔４３、４４が形成されている。
【００３６】
冷却用の圧縮空気は、ブロア５１からガス導入口３４を介してジャケット３１内に送り込まれる。圧縮空気は、ジャケット３１内から、貫通孔３５を通って環状空間３３の中に噴射され、噴射された圧縮空気は、互いに上下方向に隣接する赤外線ランプ２０の間を通って、透明石英管１６の外周面に到達する。この様にして、反射ミラー２１、赤外線ランプ２０の外皮部分を構成する石英バルブ、及び透明石英管１６が圧縮空気によって冷却される。
【００３７】
なお、冷却用の圧縮空気の一部は、ガス導入孔４３、４４を介して環状空間３３の中に噴出され、透明石英管１６の上端部近傍及び下端部近傍に冷却に使用される。
【００３８】
透明石英管１６の外周面に到達した圧縮空気は、透明石英管１６の外周面に沿って上方向あるいは下方向に流れ、ガス排出孔４１、４２を介して排出される。環状空間３３から排出された圧縮空気は、排出ライン５２を通って熱交換器５３に送られ、そこで冷却された後、装置外に排出される。
【００３９】
図２に、本発明による光学素子成形装置の他の例を示す。
【００４０】
この例では、環状空間３３から排出された圧縮空気は、排出ライン５２を通って熱交換器５３に送られ、そこで冷却される。熱交換器５３から出た圧縮空気は、循環ライン５４を通ってブロア５１に戻され、そこで昇圧された後、再び、ジャケット３１内に送り込まれる。その他の構成については、先に示した例（図１）と同様である。
【００４１】
この様に構成することによって、環状空間３３から排出されたガスによる作業環境の汚染を防止することができる。なお、この様な構成は、装置がクリーンルーム内に設置される場合には、クリーンルーム内の環境を維持するために特に有効である。また、冷却ガスとして、不活性ガスなどの空気以外のガスを使用する場合にも有効である。
【００４２】
図３に、本発明による光学素子成形装置の他の例を示す。
【００４３】
反射ミラー２１の背面には、冷却ガス用のジャケット３１が形成されている。このジャケット３１部分の構成は、先の二つの例と同様なので、その説明は省略する。この例では、これに加えて、赤外線ランプ２０の端子部分２０ａを冷却するため、端子部分２０ａの周囲に端子室６５が次の様に設けられている。
【００４４】
先の例（図１、図２、図４）と同様に、赤外線ランプ２０及び反射ミラー２１は、それぞれ、半円弧状の部品を２つ組み合わせてリング状にしたものを、更に複数段積み重ねることによって構成され、全体として円筒形の形状を備えている。反射ミラー２１の構成要素である半円弧状部品の周方向の両端部には、それぞれ、Ｌ字型の断面を備えた端子台６１が接続されている。端子台６１の底辺部分は、反射ミラー２１の縁の背面に固定され、残りの部分は反射ミラー２１の背面から外側に突き出している。端子台６１の突出部分には赤外線ランプ２０の端子部分２０ａが固定されている。赤外線ランプ２０は、端子台６１の底辺部分の縁の外側を通って、反射ミラー２１の内側に形成された環状空間３３の中に導入される。
【００４５】
周方向に互いに隣接する二つの端子台６１の突出部分の先端には、カバープレート６３が取り付けられている。これによって、二つの端子台６１とカバープレート６３によって区画された矩形断面の端子室６５が形成されている。この端子室６５の中に、赤外線ランプ２０の端子部分２０ａが収容されている。カバープレート６３の外側には、冷却ガス用のジャケット６７が形成され、ジャケット６７の外面にはガス導入口６９が設けられている。
【００４６】
このガス導入口６９を介して、ジャケット６７の中に冷却ガスが供給される。ジャケット６７の中の冷却ガスは、カバープレート６３に形成された貫通孔を通って、赤外線ランプ２０の端子部分２０ａに向けて噴出され、端子部分２０ａを冷却する。次いで、冷却ガスは、端子室６５から、二つの端子台６１の底辺の間の隙間を通って、環状空間３３に入り、更に、透明石英管１６の外周に沿って流れ、ガス排出孔４１、４２（図１、図２）を介して排出される。
【００４７】
この装置を使用して、合成石英ガラスＴ−４０４０（東芝セラミックス（株）製：ガラス軟化点１６６０℃：）のプレス成形を行い、光学レンズを製造した。成形条件は、球形の成形素材（直径１０ｍｍ）を使用し、成形温度を１４００℃、プレス力を８００ｋｇｆ（７，８４０Ｎ）とした。熱源には、出力４ｋＷ／本（３８０Ｖ）の半円弧状の赤外線ランプを２本組み合わせてリング状にしたものを６段に積み重ね、合計１２本を配置したランプユニットを使用した。透明石英管１６には、溶融石英ガラスＴ−２０３０（東芝セラミックス（株）製）を使用した。
【００４８】
その結果、透明石英管１６、赤外線ランプ２０の石英バルブ部分、及び反射ミラー２１に損傷を与えることなく、石英ガラス製の光学レンズを安定して成形できることが確認された。
【００４９】
なお、この方法は、光学素子以外でも、金属の成形や金属の焼結などに使用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の光学素子成形装置によれば、１０００℃以上の成形温度を実現するために赤外線ランプの出力を増大させたときにも、透明石英管、赤外線ランプの石英バルブ部分、及び反射ミラーの過熱を防止することができる。従って、これら各部品の損傷を招くことなく、ガラス軟化点の高い素材をプレス成形可能な温度まで加熱することができる。この結果、石英ガラス製の光学素子をプレス加工によって所定の最終形状まで成形することが可能になる。
【００５１】
その結果、石英ガラス製の高精度光学素子の製造工程が簡略化され、量産が可能になり、これにより、その製造コストを引き下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学素子成形装置の一例を示す図。
【図２】本発明による光学素子成形装置の他の例を示す図。
【図３】本発明による光学素子成形装置の他の例を示す横方向断面図。
【図４】従来の光学素子成形装置の全体構成図。
【符号の説明】
１・・・フレーム、１ａ・・・下部プレート、２・・・固定軸（上側の軸）、３・・・断熱筒（断熱部材）、４・・・上型組み立て（上側の型）、５・・・ダイプレート、６・・・上型、７・・・固定ダイ、８・・・駆動装置、８ａ・・・サーボモータ、８ｂ・・・荷重検出器、９・・・移動軸（下側の軸）、１０・・・断熱筒（断熱部材）、１１・・・下型組み立て（下側の型）、１２・・・ダイプレート、１３・・・下型、１４・・・移動ダイ、１５・・・上部プレート、１６・・・透明石英管（円筒部材）、１７・・・成形室、１８・・・外筒、１９・・・ランプユニット、２０・・・赤外線ランプ、２０ａ・・・端子部分、２１・・・（第一）反射ミラー、２２・・・水冷パイプ、２３・・・ガス供給路、２６・・・排気口、２７ａ、２７ｂ・・・熱電対、２８・・・制御装置、３０・・・成形素材、３１・・・冷却ガス用のジャケット、３３・・・環状空間、３４・・・ガス導入口、３５・・・貫通孔、３７・・・上フランジ、３８・・・下フランジ、４１、４２・・・ガス排出孔、４３、４４・・・ガス導入孔、４５、４６・・・遮光リング、４７、４８・・・冷却水用の経路、５１・・・ブロア、５２・・・排出ライン、５３・・・熱交換器、５４・・・循環ライン、６１・・・端子台、６３・・・カバープレート、６５・・・矩形断面の端子室、６７・・・冷却ガス用のジャケット、６９・・・ガス導入口。
【図１】
0004358402.tif 000002
【図２】
0004358402.tif 000003
【図３】
0004358402.tif 000004
【図４】
0004358402.tif 000005