JP4791324B2

JP4791324B2 - 光学素子の成形方法

Info

Publication number: JP4791324B2
Application number: JP2006289302A
Authority: JP
Inventors: 隆史田中; 利尚鎌野
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP2008105885A

Description

本発明は、一対の上金型と下金型間に光学素子素材が置かれた金型組を、加熱、加圧、冷却の各プロセスステージを有する成形室において、該光学素子素材を加熱軟化させてプレス成形する光学素子の成形方法に係り、特に加圧成形中に上金型を押圧していた上プレートの位置を所定時間保持した後、上金型から離隔させるようにした光学素子の成形方法に関する。

光学素子を効率的に製造する装置として、特許文献１には、一対の成形型と胴型からなる成形ブロックを加熱する複数個の加熱ゾーンと、成形ブロックの成形型を加圧する加圧ゾーンと、成形ブロックを冷却する複数個の冷却ゾーンと、各３つのゾーンを内包するチャンバーと、成形ブロックを加熱ゾーン、加圧ゾーン、冷却ゾーンに順次搬送する搬送手段と、成形ブロックをチャンバー内に搬入し、またチャンバー内より躯出するための開閉シャッターを有する投入口と投出口と、非酸化性ガスを前記チャンバー内に送りこむガス供給口を具備したガラスレンズ成形装置であって、複数の温度制御手段と圧力制御手段を同一チャンバー内に配設することにより所定の熱容量を有する成形ブロックを最も熱効率の高い加熱、変形、冷却ができる装置が開示されている。そして同特許文献１の図１に示されるように、各加熱、変形、冷却ブロックを上下移動させるシリンダ装置が設けられている。

従来、上記特許文献１に開示されているような加圧成形にシリンダ（たとえばエアシリンダ）を使用する成形装置と、シリンダの代わりにサーボモータを使用する成形装置がある。図６は、サーボモータを用いて上プレートを駆動する従来方法における加圧力Ｐと上プレートの軸位置Ｚの変化のグラフを示す。同図６では、まず、上金型と上プレートが接触する軸位置Ｚ１の直前の軸位置Ｚ０（Ｔ＝ｔ０）まで高速ＶＨで軸移動を行う。その後、軸位置Ｚ０から低速ＶＬで軸移動を行い、時刻ｔ１において、加圧力Ｐが急上昇し、軸位置Ｚ１から指定した加圧勾配ＧＰにて加圧力を与えていく。指定した加圧力Ｐ１に到達し、指定した軸位置Ｚ２まで到達して、光学素子素材を十分変形させた後、保圧力を加えるため、指定した保圧勾配ＧＰＨにて加圧力Pを変化させる。加圧力Pが所定値P２に達すると、その値P２に保持される。なお、図では、加圧力Ｐ１より保圧力Ｐ２が小さい関係にあるが、条件により逆になってもよい。前記一定に保持された保圧力Ｐ２により軸位置ＺはＺ３Ａから僅かに大きいＺ３Ｂと変化している。金型形状が十分に転写された後、型開きを行う。すなわち、図示のように、時刻ｔ５からｔ７の間に高速Ｖ０で軸位置Ｚが変化する。この間に加圧力Ｐは時刻ｔ６においてＰ２からゼロとなる。図６の方法にて行った成形テストにおいて、成形温度は５７０℃、プレス力２ｋＮ、保圧力３ｋＮの条件で、同じ金型で連続５０回の成形で、成形品の厚さ精度±４０μｍであった。

従来、加圧のすべての工程が加圧力優先の制御を行っているため、設定した軸位置に到達するまで、設定した加圧力を加え続けていた。また、設定した軸位置に到達した場合は、加圧力より低い保圧力に切り替え、成型品の厚さをコントロールしていた。
しかし、加圧工程に金型が滞留する時間は決まっており、その中で加圧力、保圧力を切り替えて成形を行うため、加圧力を加えている時間によって保圧力を加えることができる時間が定まる。加圧力は、加熱状態、金型の摺動抵抗等の影響により安定せず、加圧力を加える時間が変化し、保圧力を加えることができる時間も変化するので、結果的に厚さ精度に影響を及ぼしていた。
特開平４−１６４８２６

本発明者は上述した問題点を検討した結果、保圧状態を加圧力制御から軸位置制御に切り替えることにより前記の問題点が基本的に解決できることを見出した。

従って、本発明の目的は、成形時の加圧軸位置誤差を無くし、成形された光学素子の厚さ精度を向上させる光学素子の成形方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の目的は、内部で光学素子を成形するために用意された成形室、一対の上金型および下金型間に光学素子素材が置かれた金型組、前記成形室に搬入された前記金型組を搭載保持するインポートテーブル、前記インポートテーブルに隣接し前記金型組を加熱する加熱プロセスステージ、前記加熱プロセスステージに隣接し前記金型組を加圧・成形する加圧・成形プロセスステージ、前記加圧・成形プロセスステージに隣接し前記金型組を冷却する冷却プロセスステージ、前記冷却プロセスステージに隣接し前記金型組を前記成形室から搬出するためのアウトポートテーブルおよび、前記各テーブルならびにプロセスステージの間で前記金型組を移動させる移動手段を備えると共に、前記加圧・成形プロセスステージには一対の前記金型組を搭載する下プレートおよび前記金型組の上金型を押圧する上プレートと、該上プレートを上下に進退するよう結合された駆動軸およびサーボモータならびに、前記上プレートの位置を検出する検出手段を備え、設定された加圧力を保持しながら成形を行う加圧力のフィードバック制御機能と加圧成形を行う前記上プレートの位置を検知できる機能を有する光学素子成形装置により光学素子を成形する方法であって、同方法は、
前記加圧・成形プロセスステージにおいて、
前記上プレートが降下され上金型と接触した後、所定の第１の加圧力（Ｐ１）に到達するまで前記光学素子素材に対し加圧勾配を与える第１工程と、
同第１工程に続き所定時間前記第１の加圧力を保持する第２工程と、
同第２工程に続き第２の加圧力（Ｐ２）に到達するまで保圧勾配を与える第３工程と、
同第３工程に続き、前記第２の加圧力を保持し設定された保圧設定位置（Ｚ３）に到達したときの前記上プレートの位置を保持する第４工程、および
同第４工程に続いて前記上プレートを所定速度で後退限位置まで上昇させる第５工程と、からなり、
前記第１工程から第３工程までは加圧力制御で行われ、前記第２の加圧力に到達した後にさらに保圧設定位置（Ｚ３）に到達したときの前記上プレートの位置を保持する手段として、加圧力のフィードバック制御から軸位置のフィードバック制御に切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、保圧力を加える際、加圧力制御から軸位置制御に切り替えることで、指定した軸位置を保持するようになる。そのため、従来の加圧時間、保圧時間の変化による厚さの変化がなくなり、結果的に成形品の厚さを安定化することが可能となった。

以下、本発明の実施の形態に基づく１実施例について図１乃至５を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の適用される光学素子成形装置の全体構成の配置を示す。同図１において、参照符号８は成形室であり、その右端部上面には、成形前の金型組１５を待機させるインポートロードロック室（以下、置換室という）１２、その左端部上面には、成形後の金型組１５を待機させるアウトポートロードロック室（以下、置換室という）１３が設けられている。前記置換室１２には管路Ｌを介して真空ポンプ３０が接続されている。また、置換室１２、１３および成形室８にはそれぞれ供給管路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を介して窒素ガス供給ユニット４０から窒素ガスが供給されるようになっている。なお、本実施例では、窒素ガスを不活性ガスとして用いている。また、前記各管路Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３には図示のように弁が設けられ、前記各管路の遮断または開度を調整できるようになっている。

成形室８の内部には、置換室１２下方に設けられたエアシリンダ１１ａにより昇降可能に移動するテーブル９が配置され、置換室１２の開口部１２ａを介して成形前の金型組１５を搭載して受け取るようになっている。同様に、置換室１３の下方に設けられたエアシリンダ１１ｂにより昇降可能に移動するテーブル１０が配置され、同テーブル１０に搭載された成形後の金型組１５は置換室１３の開口部１３ａを介して置換室１３へ排出されるようになっている。前記各開口部１２ａ、１３ａにはそれぞれ置換室１２、１３と成形室８内とを気密的に遮断するシャッターが設けられている。

前記テーブル９と１０の間には、加熱ゾーンを形成するプレート１と公知の赤外線ランプヒータ装置４、加圧成形ゾーンを形成する上下一対のプレート２、５、ならびに、冷却ゾーンを形成する一対のプレート３、６が配置されている。前記赤外線ランプヒータ装置４は、エアシリンダ７ａのロッドにより上下に移動可能であって金型組１５がテーブル９から隣接するプレート１上へ移送されるとき上方へ引き上げられるようになっている。
参照符号２２は赤外線ランプヒータ装置４の各ランプユニットであって、それぞれ独立して該ランプの出力が制御可能に構成されている。参照符号７ｂは、前記冷却ゾーンの上側のプレート６を上下に移動可能とするエアシリンダである。

前記加圧成形ゾーンのステージを形成している各プレート２、５にはそれぞれカートリッジヒータ２ａ、５ａが埋設されており、さらに図示しない温度センサが各プレート中央部に埋設されて金型組１５と接触するプレート中央部表面近傍の温度が検出されるようになっている。上側のプレート５はサーボモータユニット２０と結合された軸２０ｃに固定されている。したがって、同軸２０ｃはプレート５と共に、サーボモータ２０ａ出力軸の回転がナットを含む直動変換部２０ｂからなる公知のサーボモータユニット２０を介して上下に進退されるようになっており、加圧成形プロセスの間、プレート５の位置および金型組１５に対する押し圧力が前記サーボモータ２０ａにより制御されるようになっている。なお、図示しないが、上記直動変換部２０ｂには軸２０ｃの軸方向に作用する加圧力を測定するためのロードセルが設けられている。

参照符号５０は、成形室８内の各ゾーン後方側に配置された搬送装置の全体を意味し、その詳細を図２（ａ）、（ｂ）に示す。

図２（ａ）に示す例は、成形室８内を上から見た様子を示すもので、ロボットアームを用いた構成であって、具体的には、成形室８内の金型組１５を、各テーブル９、１０、各プレート１、２、３の間をロボットアームを用いて搬送するものである。同図（ａ）に示されるように、搬送装置５０は、取り入れゾーンから加熱ゾーンへ金型組１５を搬送する金型搬送ユニット５１、加熱ゾーンから加圧成形ゾーンへ搬送する金型搬送ユニット５２、加圧成形ゾーンから冷却ゾーンへ搬送する金型搬送ユニット５３、冷却ゾーンから取り出しゾーンへ搬送する金型搬送ユニット５４とから構成されている。

なお、ここでは各ゾーン間に金型搬送ユニットを配置してあるが、１つで複数の搬送ユニットを兼用してもよい。また、降下状態でのテーブル９、テーブル１０、各ゾーンの下側プレート１，２，３の上面が同一水平面上になるように配置すれば金型組１５は水平に移動させるだけでよく、前記の搬送ユニットは自由度が少なく、簡単な機構のものでよい。また、図中では、加熱、プレス、冷却の各ゾーンを１個づつ設けているが、成形のタクト等を考慮して複数個設けてもよい。

図２（ｂ）に上記金型組１５の断面を示す。金型組１５は、ガイド穴を有する上金型１８ａとガイドピン１７を有する下金型１８ｂとから構成されている。上金型１８ａと下金型１８ｂとの間に光学素子素材１９が置かれている。
なお、図１において、置換室１２、１３と外部との間での金型組１５の導入・排出は図示しないが、例えば、それぞれの置換室１２、１３の上面または側面にシャッターを設けて金型組１５の導入・排出の際にそれらシャッターを開閉するよう構成することができる。

図１の参照符号６０は、上述した各構成要素１２、１３、１１ａ、１１ｂ、７ａ、７ｂ、２０ａ、４、２ａ、５ａ、３０、４０、５０等の制御を行うコントローラであって、その概略構成ブロックを図３に示す。

図３において、コントローラ６０は、基本的に成形装置の動作の流れすなわち、金型組１５を置換室１２に取り入れ、成形室８内へ導入し、各成形プロセスを順次経て置換室１３から外部へ排出するまでの一連のシーケンスに対応する各構成要素の動作シーケンスのための指令信号を生成する制御装置６０ａと、同制御装置６０ａにそれぞれ接続された複数の制御ユニットから構成される。

ここで、前記制御ユニットには、加熱ゾーンにおける赤外線ランプヒータ装置４を駆動するヒータ温度制御ユニット６０ｂ、加圧成形ゾーンにおけるプレート２、５に埋設された各カートリッジヒータ２ａ、５ａに対する温度制御ユニット６０ｃ、加圧成形ゾーンにおけるサーボモータユニット２０用の駆動制御ユニット６０ｄ、前記各エアシリンダを駆動制御するシリンダ駆動ユニット６０ｅ、前記各シャッターの開閉動作用のシャッター駆動ユニット６０ｆ、および、前記各管路の開閉弁の動作を駆動制御する弁駆動ユニット６０ｇなどが設けられている。
なお、前記サーボモータユニット２０から駆動制御ユニット６０ｄへの信号ＦＢＫには、サーボモータ２０ａ出力軸の回転角位置を検出するエンコーダからの位置フィードバック信号と、加圧力を測定するロードセルからの検出信号ならびに、サーボモータ２０ａの励磁巻線に流れる電流値のフィードバック信号等を一括して示す。

図４は、本発明による加圧成形方法を適用して光学素子を成形したときの加圧力と上プレートの軸位置の変化を示すグラフである。同図４は、図６と同様な上プレートによる加圧力および上プレートの軸位置の関係を示しており、一部重複するが再度説明する。同グラフにおいて、参照符号Ｐは、上プレート５（図１）により一対の金型組１５の上金型１８ａに与えられる加圧力であり、参照符号Ｚは、上プレート５の軸位置である。参照符号Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３は、上プレート５の、それぞれ金型接触直前の位置で型閉じ動作中の高速（ＶＨ）から低速（ＶＬ）への切換位置、金型接触位置で且つ加圧勾配を与える位置、加圧到達位置、保圧到達位置である。参照符号ＧＰ、ＧＰＨは、それぞれ加圧勾配、保圧勾配を示す。参照符号Ｐ２Ａは、保圧勾配ＧＰＨが所定の保圧値Ｐ２に到達した時刻ｔ４から保圧終了時の値Ｐ３に対応する時刻ｔ５の間の保圧の変化を示している。また、時刻ｔ５からｔ６においては、上プレート５の軸位置Ｚが高速速度Ｖ０で後退限位置（Ｚ＝０）まで上昇する。図４のグラフ左方には、グラフ中のパラメータ諸元を示す。その他の詳細は、図５のフローチャートの中で説明される。

図５は、サーボモータ駆動制御ユニット６０ｄに設けられる中央処理装置ＣＰＵ(図略)に加圧成形時の演算指令を与える制御プログラムを説明するフローチャートである。同図において、制御装置６０ａから成形動作指令が与えられると、工程ＳＴ０で初期化が行われ、成形時間Ｔ１、軸位置の設定値Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、加圧力の設定値Ｐ１、Ｐ２、速度設定値ＶＨ、ＶＬ、Ｖ１およびＶ２、加圧勾配ＧＰ、保圧勾配ＧＰＨ等の各パラメータが予め設定されたデータメモリから読み込まれる。次いで、工程ＳＴ１で加圧成形がスタートする。

最初、上プレート５は後退限位置（Ｚ＝０）に位置しており、工程ＳＴ２において、ここから金型接触位置Ｚ１手前の、時刻ｔ０に対応する軸位置Ｚ０までは、高速度ＶＨで駆動される。時刻ｔ０以後は低速度ＶＬで駆動される。工程ＳＴ３では上プレート５が設定軸位置Ｚ１に達したか否か判定される。判定が否定（以下判定Ｎという）のときは工程ＳＴ２が続行される。工程ＳＴ３で判定が肯定（以下判定Ｙという）のときは工程ＳＴ４において加圧力Ｐに関し加圧勾配ＧＰが指令される。工程ＳＴ５で加圧力Ｐが、設定された加圧力Ｐ１に達したか否か判定される。工程ＳＴ５で判定ＹのときはＰ１を保持するよう指令される。工程ＳＴ５で判定Ｎのときは、さらに工程ＳＴ６において設定軸位置Ｚ２に達しているか否か判定され、判定Ｎのときは、工程ＳＴ５の処理が再度指令される。

工程ＳＴ８では、工程ＳＴ７での加圧力Ｐ１の保持により軸位置Ｚが設定軸位置Ｚ２に到達したか否か判定される。工程ＳＴ８で判定Ｎのときは、工程ＳＴ９にてさらに設定時間Ｔ１が経過したか否か判定され、そこで判定Ｎのとき工程ＳＴ７が続行され、判定Ｙのときすなわち、所定の成形時間Ｔ１経過しても設定軸位置Ｚ２に到達しない場合は、工程ＳＴ１１でエラーすなわち、成形不良と判定され、工程ＳＴ１８、ＳＴ１９を経て、工程ＳＴ２０で成形動作完了とする。

工程ＳＴ８、ＳＴ６でそれぞれ判定Ｙのときは、工程ＳＴ１０で保圧勾配ＧＰＨを与え、さらにＳＴ１２で加圧力Ｐが設定保圧力Ｐ２に到達したか否か判定される。工程ＳＴ１２で判定Ｎのときは、ＳＴ１２に戻り保圧勾配ＧＰＨを与え続ける。一方工程ＳＴ１２で判定Ｙのときは、工程ＳＴ１３において、設定保圧力Ｐ２に到達したときの保圧力Ｐ２を保持する。その状態で、工程ＳＴ１４において軸位置Ｚが設定保圧位置（保圧到達位置）Ｚ３に達したか否か判定される。工程ＳＴ１４において判定Ｎの場合、工程ＳＴ１５で経過時間Ｔが所定の成形時間Ｔ１に達したか否か判定される。工程１５で判定Ｎの場合は工程１３に戻り、判定Ｙのときは工程ＳＴ１１に戻りエラーとなる。工程ＳＴ１４において判定Ｙの場合、工程１６に移り、それまでの加圧力制御から軸位置制御に切り替えられ、さらに工程ＳＴ１７では、経過時間Ｔが所定の成形時間Ｔ１に達したか否か判定され、その判定Ｙのときは工程ＳＴ１８において、それまで保持されていた軸位置Ｚ３から高速で後退限位置Ｚ０へ上昇するよう指令され、工程ＳＴ１９で後退限位置Ｚ０に達したか否か判定され、到達した場合は工程ＳＴ２０で成形動作完了となり、そうでなければ工程ＳＴ１９が続行される。

なお、前記工程ＳＴ１１では成形不良と判定されオペレータコールなどを行う。また、成形履歴に表示する。
この方法により、図６と同条件で成形を行ったところ、同金型で連続５０回の成形で、成形品の厚さ精度±２．５μｍの精度を確認できた。本成形方法を用いることで、従来発生していた加圧終了時の軸位置の不安定さを解消し、成形品の厚さ精度を向上させることが可能となった。
以上本発明の好適な実施例を例示したが、本発明はこれらの例示されたものに限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想に基づいて種々の変形を実施することが可能である。

本発明を適用した光学素子成形装置の全体構成の配置を示す図である。図１の搬送装置および金型組をそれぞれ説明するものであって、（ａ）は成形室内を上方から見た図であって、各プレート近傍に配置された金型搬送ユニットを示す図、（ｂ）は金型組の断面を示す図である。図１のコントローラの概略構成を示すブロック図である。本発明による加圧成形方法を適用して光学素子を成形したときの加圧力と上プレートの軸位置の変化を示すグラフである。サーボモータ駆動制御ユニットの制御プログラムを説明するフローチャートである。上プレート駆動の従来方法における加圧力と上プレートの軸位置の変化を示すグラフである。

符号の説明

１、２、３、５、６プレート
４赤外線ランプヒータ装置
７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂエアシリンダ
８成形室
９、１０テーブル
１２、１３置換室
１５金型組
１７ガイドピン
１８ａ上金型
１８ｂ下金型
１９光学素子素材
３０真空ポンプ
４０窒素ガス供給ユニット
５０搬送装置
５１、５２、５３、５４金型搬送ユニット
６０コントローラ
６０ａ制御装置
６０ｂヒータ制御ユニット
６０ｃカートリッジヒータ温度制御ユニット
６０ｄサーボモータ駆動制御ユニット

Claims

内部で光学素子を成形するために用意された成形室、一対の上金型および下金型間に光学素子素材が置かれた金型組、前記成形室に搬入された前記金型組を搭載保持するインポートテーブル、前記インポートテーブルに隣接し前記金型組を加熱する加熱プロセスステージ、前記加熱プロセスステージに隣接し前記金型組を加圧・成形する加圧・成形プロセスステージ、前記加圧・成形プロセスステージに隣接し前記金型組を冷却する冷却プロセスステージ、前記冷却プロセスステージに隣接し前記金型組を前記成形室から搬出するためのアウトポートテーブルおよび、前記各テーブルならびにプロセスステージの間で前記金型組を移動させる移動手段を備えると共に、前記加圧・成形プロセスステージには一対の前記金型組を搭載する下プレートおよび前記金型組の上金型を押圧する上プレートと、該上プレートを上下に進退するよう結合された駆動軸およびサーボモータならびに、前記上プレートの位置を検出する検出手段を備え、設定された加圧力を保持しながら成形を行う加圧力のフィードバック制御機能と加圧成形を行う前記上プレートの位置を検知できる機能を有する光学素子成形装置により光学素子を成形する方法であって、同方法は、
前記加圧・成形プロセスステージにおいて、
前記上プレートが降下され上金型と接触した後、所定の第１の加圧力（Ｐ１）に到達するまで前記光学素子素材に対し加圧勾配を与える第１工程と、
同第１工程に続き所定時間前記第１の加圧力を保持する第２工程と、
同第２工程に続き第２の加圧力（Ｐ２）に到達するまで保圧勾配を与える第３工程と、
同第３工程に続き、前記第２の加圧力を保持し設定された保圧設定位置（Ｚ３）に到達したときの前記上プレートの位置を保持する第４工程、および
同第４工程に続いて前記上プレートを所定速度で後退限位置まで上昇させる第５工程と、からなり、
前記第１工程から第３工程までは加圧力制御で行われ、前記第４工程および第５工程は軸位置制御で行われ、前記第２の加圧力に到達した後にさらに保圧設定位置（Ｚ３）に到達したときの前記上プレートの位置を保持する手段として、加圧力のフィードバック制御から軸位置のフィードバック制御に切り替えることを特徴とする光学素子の成形方法。