(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形品を成形するための成形キャビティを形成する成形型を保持する第１の保持部材と、
前記成形型に対向する対向成形型を保持する第２の保持部材と、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材の少なくとも一方を冷却する冷却手段と、を有し、
前記第１の保持部材は、前記第２の保持部材に対し、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材との間の隙間に介在する圧力伝達媒体が該隙間を維持することにより、相対移動可能となっていることを特徴とする成形装置。
【請求項２】
前記成形型を用いた成形により光学素子が成形されることを特徴とする請求項２に記載の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、成形型を用いた成形装置に関し、例えば光学素子などの成形品の偏心精度や軸方向精度を、複雑な機構を用いることなく向上させ、高精度の成型品を安定して生産できるようにした成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、光学素子のような高精度な部品を成形するキャビティを構成する部材は、成形面を有し対面する一対のダイ部品（コア部品、インサート部品とも言う）、もしくは一対のダイ部品とその成形面の外周部を構成する胴型部品から成り立っている。この一対のダイ部品は、高精度な成形品を得るために極めて高精度に偏心が規制される必要があるが、成形時にプレス動作を行ったり成形キャビティを開閉するための嵌合部に圧力伝達媒体を供給することで、非接触の保持が実現でき、それにより極めてバラツキ誤差の少ない高精度かつ高再現性の偏心規制を実現できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、一対のダイ部品の成形面中心が、その部品加工精度や組付け精度により互いに偏心している場合は、これは偏り誤差であるから、非接触嵌合部全周に供給される圧力伝達媒体の供給圧力に、周方向において偏り分布を与えるようにすれば、容易に１μｍ以下の高精度なシフト偏心調整ができる。このような機能を有した成形型や成形装置に関しては、既に、その原理が特開２００１−３４１１３４において、本願と同じ発明者らの発明に基づき詳しく述べられている。尚、この高精度成形を実現するために圧力伝達媒体を用いた機構は、非常に簡単な構造ではあるが、より簡素で実用性に富んだ形態や、成形の繰り返しによって成形面が劣化したり破損した型部品を交換したりする機構については、言及されていない。
【０００４】
本発明、以上の点に鑑み、先願の有用な思想を更に発展させて、簡素な構成であるにも関わらず高精度な成形を行える成形装置を提供することを目的とする。
【０００６】
ここで、対面する成形面を有する一対の成形型により成形を行う場合、成形型間の偏心に関し、成形型やその取付け部材の機械加工精度がある程度高ければ、双方を圧力伝達媒体で非接触支持する必要はない。例えば、圧力伝達媒体が流れる嵌合隙間を例えば１０μｍ程度にすると、これはシフト調整範囲がプラスマイナス１０μｍまであるということになる。軸線に対して圧力伝達媒体の吹き出し口が対向する１８０度位置の供給差圧を大きく取っていき、最終的には成形型を保持して移動する移動部材が、圧力伝達媒体を介して隔てられた固定部材に接触するまでが、シフト調整可能範囲だからである。対向する両方の成形型に、この機構を適用すると言うことは、相対的にはプラスマイナス２０μｍのシフト調整範囲を与えることになる。しかし、成形型などの機械加工精度が少なくとも１０μｍ以下を満たしていれば、対面する成形型両方を非接触支持する必要はなく、プレス動作や成形キャビティの開閉に際して、片方の成形型のみを可動状態に支持すれば足りるため、片方の成形型を固定すれば、圧力伝達媒体の配管やバルブ類を半減できるので、非常に簡素な構造となる。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の成形装置において、成形品を成形するための成形キャビティを形成する成形型を保持する第１の保持部材と、前記成形型に対向する対向成形型を保持する第２の保持部材と、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材の少なくとも一方を冷却する冷却手段と、を有し、前記第１の保持部材は、前記第２の保持部材に対し、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材との間の隙間に介在する圧力伝達媒体が該隙間を維持することにより、相対移動可能となっていることを特徴とする。
【００２７】
上述したように、例えばガラスなどを成形する場合における成形雰囲気は、通常５００〜６００℃程度の高温となるので、前記圧力伝達媒体が供給される前記移動部材と前記固定部材との間の隙間が、約１０μｍと狭い場合、前記移動部材と前記固定部材との間で局所的に温度の偏りが存在する場合、熱膨張により隙間量の変化が数１０％変化することで、保持剛性が著しく低下したり、場合によっては前記隙間がゼロとなることで部材のカジリが生じたりする恐れがある。これに対し、本発明のように、前記冷却手段によって、前記移動部材と前記固定部材の少なくとも一方を冷却することで、所定温度範囲（例えば１００℃以下）に維持することができれば、各部材の温度勾配が緩やかになるので、それにより無用な熱膨張を抑制して前記成形装置の円滑な動作を確保できる。
【００２８】
前記遮蔽部材又は前記冷却手段を用いれば、例えば位置決め精度を高めるために、前記成形型を成形位置に配置したときに、前記移動部材における前記圧力伝達媒体より非接触支持される面の前記移動方向の中点と、前記成形型の成形キャビティの前記移動方向の厚み中心とを、±３００ｍｍ以下の距離に配置したような場合でも、断熱材等を用いることなく、前記移動部材と前記固定部材の少なくとも一方を、高温の成形雰囲気より熱的に隔離することができ、装置の小型化に貢献する。
【００２９】
但し、前記遮蔽部材と前記冷却手段とを併用することもでき、かかる場合、前記冷却手段の冷却媒体が過熱されることが抑制されるため、その冷却効率が高まる。又、場合によっては、前記圧力媒体として、水や油等を用いることができる可能性がある。
【００３０】
請求項２に記載の成形装置において、前記成形型を用いた成形により光学素子が成形されると、高精度な光学素子を成形できる。尚、光学素子としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子光学素子（回折レンズ、回折プリズム、回折板）、光学フィルター（空間ローパスフィルター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター等々）、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々）、位相フィルター（位相板、ホログラム等々）が考えられるが、以上に限られることはない。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる成形装置の断面図である。かかる成形装置は、熱間プレス成形機構に適用されたものである。図１において、頑丈なフレーム１の上部に上蓋２を介して、上型固定支持部材３が固定配置されている。保持部材である上型固定支持部材３は、上型抑え４により、上型（対向成形型）５を、テーパー面嵌合（後述）により取り付けている。上型５の内部には、ヒータ６と熱電対７とが挿入されている。下型１２も、上型５と同様に、下型抑え１３により下型固定支持部材１１にテーパー面嵌合（後述）により取り付けられ、下型１２の内部にはヒーターと熱電対とが挿入されて、下型固定支持部材１１はスライダ１０に結合され、一体となって上下可動する。
【００３２】
フレーム１の下部において、円筒状の下型嵌合支持部材８が取り付けられている。固定部材である下型嵌合支持部材８は、内部通路８ａと、この内部通路８ａに連結し、且つ下型嵌合支持部材８の内周面において軸線方向中央であって周方向に等間隔に４つ（図１では２つのみ図示）設けられた吹き出し口８ｂとを有している。内部通路８ａには、外部の空気源（不図示）に連通する配管９が接続されている。
【００３３】
下型嵌合支持部材８の内部には、スライダ１０が配置されている。スライダ１０は円筒状であって、下型嵌合支持部材８の内周に嵌合しており、それらの間の隙間は、約１０μｍである。スライダ１０の上端には、下型固定支持体１１が取り付けられ、下型固定支持体１１の上部に、下型（成形型）１２がテーパー面嵌合（後述）により下型抑え１３を介して取り付けられている。スライダ１０と下型固定支持体１１とで移動部材を構成する。
【００３４】
フレーム１に取り付けられた中間プレート１４と、上型固定支持部材３との間であって、上型５の下方外周を囲うようにして、円筒状の断熱壁１５が配置されている。又、下型固定支持体１１の外方において、中間プレート１４と、スライダ１０との間には、スライダ１０の移動に関わらず、成形雰囲気を維持し且つ成形雰囲気からスライダ１０と下型嵌合支持部材８とを熱的に隔離するための金属ベローズ１６が、遮蔽部材として伸縮自在に配置されている。
【００３５】
本実施の形態では、外部の空気源より、配管９、内部通路８ａを介して、下型嵌合支持部材８の内周面のオリフィス吹き出し口（単に吹き出し口ともいう）８ｂより、圧力伝達媒体として常温の空気（空気圧５ａｔｍ）を吹き出しており、それにより下型嵌合支持部材８に対してスライダ１０を非接触状態で支持している。成形時には、下方からのプレス力に応じて、スライダ１０と下型固定支持体１１とが上方に移動し、上型５と下型１２との間に搬送された溶融状態のガラスなどの素材を、その間でプレスし、型に応じた形状の光学素子を得ることができる。尚、不図示の空気源と、配管９と、内部通路８ａと、吹き出し口８ｂとで供給手段を構成する。また、下型嵌合支持部材８及びスライダ１０とそれらの嵌合面は本例では円筒状としたが、可動軸まわりの回転を自己規制するために、四角柱等であってもかまわない。又、剛性を高めるために、吹き出し口や圧力伝達媒体の回路にスプール弁やダイアフラム弁等のサーボ機構を組み込んでも良い。
【００３６】
ここで、断熱壁１５の内部（成形部Ａ）は、適切な成形を行うべく、例えば高温の不活性ガス（窒素、アルゴン等）の雰囲気に維持されている。これに対し、下型嵌合支持部材８と、スライダ１０との間は、吹き出し口８ｂから吐出された常温の空気で、全周において精密に約１０μｍの隙間で維持する必要があるので、熱膨張により部品の競り合い等が生じることを抑制するために、下型嵌合支持部材８は、高温の雰囲気からなるべく遠くに配置されるのが好ましい。
【００３７】
しかし、下型嵌合支持部材８を成形部Ａから離すと、以下に述べるような問題が生じることがわかった。かかる問題を、下型嵌合支持部材８とスライダ１０とを模式的に示す図２を参照して説明する。尚、図２では、下型嵌合支持部材８の方が傾いているように描かれているが、これは相対的なものであり、実際はスライダ１０が下型嵌合支持部材８に対して傾いており、又その復元力もスライダ１０に与えられる。
【００３８】
一般に、圧力伝達媒体による非接触嵌合支持では、嵌合面に垂直な方向の静剛性は非常に高くでき、且つ倒れなどのモーメント剛性に対して、ある程度の復元力（モーメント）を発生することができる。これは、図２に示すように、スライダ１０に何らかの理由によりモーメントが働いたときに、嵌合長の中点Ｂ（移動部材であるスライダ１０と固定部材である下型嵌合支持部材８の間の隙間から圧力伝達媒体である空気が逃避する２つの逃避位置Ｃ、Ｄの中点であり、ここに吹き出し口８ｂを設ける）を中心にして回転して、中点Ｂから離れるにつれ隙間が広がり圧力が減少する部分（図２で左方）と、隙間が狭くなり圧力が高くなる部分（図２で右方）との面積が等しく、トータルとしては嵌合面に垂直な方向の静剛性は変わらないためこの状態が保持され、単に隙間が広がる部分と狭くなる部分の圧力伝達媒体の差圧分に、嵌合長の中点Ｂからの極めて短い距離をかけたモーメントによって、スライダ１０の復元力を得ることができる。但し、かかる復元力は、条件によっては十分大きくならないといえる。
【００３９】
これを具体的な数値で示すと、比較例として、成形キャビテイのプレス方向厚み中心（成形時における光学素子の厚み中心）と成形時の傾き中心位置間での離れ量（図１でΔ）が約４３０ｍｍであり、嵌合長（下型嵌合支持部材８の軸線方向長）が１６０ｍｍであるとする。ここで、成形キャビティでシフト力が働くと仮定すると、モーメントとしては４３０／８０＝約５．４倍の復元モーメントを圧力伝達媒体が発生せねばならない。成形中にシフト力が働いたときに、下型１２のシフトを１μｍ以下に抑えなくてはならないものとすると、下型嵌合支持部材８の端部での隙間変化量は、１μｍ／５．４＝０．１９μｍとなる。仮に、下型嵌合支持部材８の静剛性を１０００Ｎ／μｍとすると、発生する復元モーメントは０．１９μｍ×１０００Ｎ／μｍ×８０ｍｍ＝１５２００Ｎｍｍとなる。実際にこれが下型１２のシフト力としてどれだけに相当するかというと、１５２００Ｎｍｍ／４３０ｍｍ＝約３５Ｎに過ぎない。わずか３５Ｎの力が、下型１２に可動軸方向と垂直な方向（横倒し方向）に働くだけで、上型５と下型１２との間に１μｍのシフト偏心が発生することになる。このように、圧力伝達媒体による非接触支持では、モーメント剛性の低さが型同士の偏心に影響しやすいという欠点を有しているのである。
【００４０】
そこで本発明者は、鋭意研究の結果、成形キャビテイのプレス方向厚み中心（成形時における光学素子の厚み中心）と成形時の傾き中心位置間での離れ量Δを３００ｍｍ以内に抑えることで、スライダ１０が下型１２に働く復元モーメント（力）を増大させて、型同士の偏心を抑制することができることを見いだしたのである。
【００４１】
図３は、上述した実施の形態に、さらに改良を加えた実施形態を示す成形装置の断面図である。尚、図１の実施の形態と同様な構成については、同じ符号を付すことで説明を省略する。図３の実施の形態において主たる改良点は、非接触状態で可動する型（図３の場合、下型１２）に働くシフト力が、大きなモーメントとして非接触支持部（スライダ１０’外周面）に働かないように、下型１２近傍（成形キャビティの厚み方向中心）から非接触支持部の移動方向中心までの距離Δを小さくし、約３００ｍｍとしている。尚、本実施の形態では、外部の空気源より、配管９、スライダ１０’の内部通路１０ａ’を介して、スライダ１０’の外周面における軸線方向中央に等間隔に４つ（２つのみ図示）配置された吹き出し口１０ｂ’より、圧力伝達媒体として常温の空気（空気圧５ａｔｍ）を吹き出しており、それにより下型嵌合支持部材８’に対してスライダ１０’を非接触状態で支持している構成となっている。従って、不図示の空気源と、配管９と、内部通路１０ａ’と、吹き出し口１０ｂ’とで供給手段を構成する。
【００４２】
比較例に比べると、復元モーメントのアーム長比は、３００／８０＝１．５倍となり、下型１２のシフトを１μｍ以下に押さえる時の非接触支持部の端部での隙間変化量は、１μｍ／２．５＝０．４０μｍとなり、その静剛性を同様に１０００Ｎ／μｍとすると、発生する復元モーメントは０．４０μｍ×１０００Ｎ／μｍ×８０ｍｍ＝３２０００Ｎｍｍとなる。相当する下型１２のシフト力としては、３２０００Ｎｍｍ／３００ｍｍ＝約１０７Ｎとなり、比較例に比べ３倍以上のシフト力に耐えることができる。
【００４３】
但し、上述したごとき、非接触支持部を成形部Ａから離した最大の理由であった熱的な影響については、図３の実施の形態では、中間プレート１４’と、下型嵌合支持部材８’と、スライダ１０’とに、冷却手段としての冷却通路１９を設け、ここに水などの冷却媒体を流すことで、成形時にはスライダ１０’と下型嵌合支持部材８’とを冷却し、それにより距離Δが３００ｍｍ以内でも、成形部Ａから熱せられることを抑制して熱膨張による影響を回避し、それらの間の隙間を略一定に維持できるようにしている。また、下型固定支持体１１は、図２と全く同一のものであり、下型１２からスライダ１０’への熱伝導を抑制するために、長いままにしてある。
【００４４】
図４は、更に別な実施の形態にかかる成形装置の主要部断面図である。本実施の形態においては、円筒状のスライダ２０の上端に、上型固定支持部材２３及びプレート２３ａを介して、上型５が取り付けられている。一方、不図示のフレームに取り付けられ、スライダ２０を内包する下型嵌合支持部材２８の下端に、プレート２２を介して、支持体２１が取り付けられている。
【００４５】
本実施の形態では、上型５が成形型であり、下型１２が対向成形型であり、上型固定支持部材２３，プレート２３ａ、スライダ２０が移動部材であり、下型固定支持体２１が保持部材であり、プレート２２，下型嵌合支持部材２８が固定部材である。尚、本実施の形態では、外部の空気源より、配管９、下型嵌合支持部材２８の内部通路２８ａを介して、下型嵌合支持部材２８の外周面における軸線方向中央に等間隔に４つ（２つのみ図示）配置された吹き出し口２８ｂより、圧力伝達媒体として常温の空気（空気圧５ａｔｍ）を吹き出しており、それにより下型嵌合支持部材２８に対してスライダ２０を非接触状態で維持している構成となっている。尚、不図示の空気源と、配管９と、内部通路２８ａと、吹き出し口２８ｂとで供給手段を構成する。
【００４６】
成形前後においては、図４（ｂ）に示すように、下型嵌合支持部材２８に対して、スライダ２０を軸線方向に移動させることで、上型５と下型１２とを離隔させ、スライダ２０の側面に設けた窓２０ａより、溶融した素材を内部に搬送したり、成形された加工品を外部に搬送したりできるようになっている。
【００４７】
本実施の形態によれば、図４（ａ）に示す成形時には、下型４が下型嵌合支持部材２８に内包される位置となり、更に特定的には、成形キャビティの厚み方向中心から非接触支持部（下型嵌合支持部材２８）の軸線方向中点までの距離はほぼゼロになる。このように、成形キャビティの厚み中心と非接触支持部の中点との距離は、理想的にはゼロとすることが好ましいが、大凡３００ｍｍ以下であれば、可動型の許容シフトを１μｍ以下にできるシフト力を比較的容易に１００Ｎ以上にできるので好ましい。尚、成形キャビティの厚み中心と非接触支持部の中点との距離をゼロ以外とする場合、非接触支持部の中点の位置は、成形キャビティの厚み中心より上側でも下側でもかまわないが、一般的には上型を可動する方が機構上は設計しやすいといえる。
【００４８】
ところで、成形型の成形面は、成形の繰り返しにより傷がついたり表面粗さが劣化したり、場合によっては欠けるなどの現象が発生するため、その成形面は容易にメンテナンスできることが重要である。従って、かかるメンテナンスを行うために、成形型（又は対向成形型）である上型５や下型１２は、成形装置から容易に着脱できることが好ましい。また、成形型は必要によっては作り直して新規部品と交換することもあるため、材料費や加工費が大きくならないように小型でかつ簡素な形態が好ましい。
【００４９】
一方、プレス動作や成形キャビテイの開閉動作を行う際に成形型を保持する部材は、圧力伝達媒体を用いるためその剛性が面積に比例するので、大きな部品にした方が偏心規制上は有利である。また、その広い嵌合面には比較的高精度が要求されるので加工費が大きくなる傾向がある。従って、移動部材の特徴は、明らかに成形型自体に求められる条件と矛盾するので、成形型そのものにはプレス動作を行ったり成形キャビティを開閉したりするための嵌合部を設けない方が良いといえる。つまり、圧力伝達媒体を用いて非接触状態で成形面を動かす移動部材と、成形型は実施形態上は別体とするべきなのである。
【００５０】
さて、成形型を小型で着脱容易な形態とした時に問題となるのが、着脱の際の成形型と嵌合部材との偏心再現性である。成形型を着脱する度に、その成形面が嵌合面に対して、シフトやティルトすることにより位置が変化しては、全く同一の成形型であってもその着脱の度に偏心調整を行わなければならない。この偏心調整は、高精度な成形品を対象にした上での話であるからμｍオーダーの微小値なので、直接機械的に測定するのが難しく、実際に成形してその成形品から偏心量を割り出して修正するという、かなり手間のかかる手法によらざるを得ない。従って、成形型の着脱による偏心の再現性は十分に高いことが、実用形態上非常に重要である。
【００５１】
通常の突き当て面の機械加工精度は、平面度や寸法精度において１μｍ程度である。従って、孔嵌合によって成形型を固定保持することを考えると、その嵌合部が成形面の直近でない限り、傾きにより数μｍのシフトが容易に発生し、これでは再現牲を期待できない。一方、面突き当てにより成形型を固定すると、偏心のうちティルトは、ほとんどゼロにできるがシフトは全く規制できないという問題がある。従って、成形型の固定には、本発明者らが特願２００１−２３６３４８において述べたごとく、テーパー面同士を嵌合させた嵌合手法（テーパー面嵌合という）を用いるのが、最も本発明の本質である高精度成形の目的に合致し効果を発揮することがわかる。円筒研削盤などによるテ一パー突き当て部の機械加工精度も大凡１μｍ相度であるが、テーパー角度がその程度誤差を持ったとしても、突き当てることによって円周上に嵌合するので、シフト及びティルトを確実に規制できる。
【００５２】
実際に、成形型材料を炭化珪素（ＳｉＣ）、固定保持部材をマコールとした時に、テーパー頂角を４０度と６０度の２種類をそれぞれ用意して、突き当て嵌合の再現性を、本発明の非接触支持部を有する成形装置上でオートコリメーターにより確認した。成形型の方位と固定保持部材の方位を合わせて着脱を行う限りは、どちらのティルト再現性も２０回以上行って全て２０秒以内に入った。
【００５３】
図１、図３、図４では、本発明の非接触支持部を有する成形装置に、テーパー突き当て基準面５ａ、１２ａを有する上型５及び下型１２を図示してある。型５，１２の抑え４，１３は、どちらも、耐熱弾性材料を用いた素材からなり、型５，１２を、固定保持部材３（２３）のテーパー突き当て面３ａ（２３ａ）及び下型固定支持体１１（２１）のテーパー突き当て面１１ａ（２１ａ）に押しつけ、すなわちテーパー面嵌合を用いて固定している。
【００５４】
従来の成形装置では、熱間プレス時や成形キャビテイを開閉する際の可動型の移動に、安易なクロスローラーガイドなどの機械接触を有する案内を用いており、その動きの再現性はせいぜい１〜２μｍ程度であったため、成形型のテーパー面突き当てを着脱の基準面に用いても、その位置決めの効果は、ほとんどそのバラツキの中に埋もれてしまい、上述のように２０秒以下で必ず再現するというような効果として現れてこなかった。つまり、本発明のごとく非接触で成形型を可動支持し、しかも外力に対して極めて高い剛性を有する構造の成形装置と組み合わせることによって、テーパー突き当てを基準面とする型の着脱手法は、初めて実際の高精度成形に活かすことができるようになったのである。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、簡素な構成であるにも関わらず高精度な成形を行える成形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる成形装置の断面図である。
【図２】下型嵌合支持部材８とスライダ１０とを模式的に示す図である。
【図３】第２の実施の形態にかかる成形装置の断面図である。
【図４】第３の実施の形態にかかる成形装置の断面図である。
【符号の説明】
１  フレーム
３、２３  上型固定保持部材
５  上型
８、２８  下型嵌合保持部材
１０，２０  スライダ
１２  下型
【図１】
0004228341.tif 000002
【図２】
0004228341.tif 000003
【図３】
0004228341.tif 000004
【図４】
0004228341.tif 000005