JP4825494B2 - ガラス成形装置 - Google Patents

Description

この発明は、デジタルカメラ等に代表される非球面ガラスレンズ等の光学ガラス素材を加熱軟化させてプレス成形するガラス成形装置に関する。

ガラス成形装置においては、金型組を加熱、プレス成形、冷却と各プロセスエリアへ順じ搬送して所望のガラス素子を成形する。

このガラス成形装置における加熱工程では、金型組の上下方向に配置された加熱プレートで金型組を挟み込むことにより、金型組およびガラス素材を加熱していた（例えば、特許文献１）。

しかしながら、従来の加熱装置では、加熱されたプレートを金型組に接触させることにより、以下の不具合があった。

１．加熱プレートから金型上下面を介して、伝熱により金型およびガラス素材が加熱されるため、加熱効率が悪く加熱に要する時間が必要であった。

２．金型上下面から伝熱加熱されるので金型の上下部の温度が高く、金型中心部の温度が低いため、金型およびガラス素材が均一に加熱されず、ガラス素材の成形品精度が確保されなかった。

３．効率の悪い加熱方式であるため、比較的大きいサイズの成形品（例えば、直径４０ｍｍ以上）の場合、十分に加熱されず成形することができないことがあった。

４．スリーブ上の胴型に上下金型を勘合させる構造なので、ガラス素材が十分軟化していない状態で上部より加熱プレートを押し付けると、金型成形面に傷がついたり、ガラス素材が割れることがあった。

５．温度調整は、加熱プレートを介して行うため、金型組の温度調節が難しかった。

６．従来の加熱プレートの場合、昇温速度が遅く応答性が悪いため、装置のアイドリング中も常に加熱し続けなければならず、省エネルギー化にも不利であった。

また、炉内を非接触で加熱しているものもあるが、炉内全部を加熱しているので熱効率が悪かった。さらに冷却過程がないので、炉から取り出したときに金型の温度が十分下がっておらず、金型が酸化して劣化する恐れがあり、冷却時間も余計に必要となっていた（例えば、特許文献２）。
特開昭６２−２９２６２９号公報 特開平５−３３９０１８号公報

上記したように、金型組を加熱する効率が悪く、昇温速度が遅く、ガラス素材が均一に加熱されないという問題があった。

この発明の目的は、金型を効率良く加熱し、且つ高速、均一に加熱することのできるガラス成形装置を提供することである。

この発明の態様に係るガラス成形装置は、上金型と下金型の間にガラス素材が置かれた金型組を、成形室内に取り入れて形成するガラス成形装置において、上記金型組が載置されるプレートを有し、上記成形室内に設けられ上記金型組を加熱する加熱ゾーンと、上記金型組が載置されるプレートを有し、上記成形室内に設けられ上記金型組を加圧するプレスゾーンと、上記金型組を上記加熱ゾーンおよびプレスゾーンに順次搬送する搬送装置と、を備え、上記加熱ゾーンは、上記プレート上に載置された金型組の周囲に位置する下降位置と、上記金型組を搬送可能とする上昇位置との間を移動可能に設けられ、上記下降位置において、上記金型組を周囲から非接触で加熱するヒータユニットと、上記ヒータユニットにスプリングを介して支持され、上記ヒータユニットが下降位置に移動した際に上記金型組に接触し、金型組の温度を測定する熱電対と、を備えている。

本発明のガラス成形装置は、省電力で且つ高精度な加熱を実現することが可能となり、従来では成形が困難であった大型レンズや形状の複雑なレンズ等を安定的且つ高精度に成形することが可能となり、金型の破損も従来に比較して少なくすることが可能となる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、この発明に係る光学ガラス素子を成形するガラス成形装置の概略構成を示すものである。すなわち、本ガラス成形装置は、成形室８、ＩＮポートロードロック室（置換室）１２、ＯＵＴポートロードロック室（置換室）１３、真空ポンプ３０、及び窒素ガス供給ユニット４０とから構成されている。なお、本実施例では、窒素ガスを不活性ガスととして用いている。

成形室８の内部には、加熱ゾーンを形成するプレート１と赤外線ランプヒータユニット４、プレスゾーンを形成するプレート２，５、冷却ゾーンを形成するプレート３，６、取り入れゾーンを形成するＩＮポートテーブル９、及び取り出しゾーンを形成するＯＵＴポートテーブル１０とが設けられている。

加熱ゾーンに設けられたプレート１には加熱用のシースヒータ１ａ、赤外線ランプヒータユニット４には詳しくは後述するが円弧状に加工された赤外線ランプヒータ２２が３本組み込まれている。さらに赤外線ランプヒータユニット４は、上部にエアシリンダ７ａが設けられ、上下に昇降可能な構成となっている。この赤外線ランプヒータユニット４を下降させ、プレート１上に置かれた金型組１５を非接触で加熱する。この際、金型組１５は、プレート１と赤外線ランプヒータユニット４に設けられた図示しない熱電対と図示しない制御装置とにより所望する温度に温調される。

なお、この加熱ゾーンは、金型組１５に挿入されたガラス素材を、後段のプレスゾーンでプレス成形可能な所望の粘度を有するまでに加熱する。

プレスゾーンに設けられたプレート５は、上部にエアシリンダ７ｂが設けられ、上下に昇降可能な構成となっている。このプレート５を下降させ、プレート２上に置かれた金型組１５を加圧することによりプレス工程が処理される。また、プレート２,５には、それぞれシースヒータ２ａ，５ａと図示しない熱電対とが設けられ、図示しない制御装置により所望する温度に温調される。

このプレスゾーンは、前記加熱された金型組１５およびガラス素材を所望の温度に保ちつつ、エアシリンダ７ｂにより金型組１５をプレスすることにより、ガラス素材を加圧変形させて所望の面形状に成形する。

冷却ゾーンは、プレート３，６が設けられている。プレート６は、上部にエアシリンダ７ｃが設けられ、上下に昇降可能な構成となっている。このプレート６を下降させ、プレート３上に置かれた金型組１５に接触（加圧）させることにより冷却工程が処理される。

なお、冷却ゾーンのプレート３，６にも同様にヒータを設けても良いし、水冷化を図っても良い。

ＩＮポートテーブル９は、下部にテーブル昇降シリンダ１１ａが設けられ、上下に昇降可能な構成となっている。ＩＮポートテーブル９は、上下に昇降することにより、当該テーブル上に置かれる金型組１５を、ＩＮポートロードロック室１２から成形室８内に搬送する。なお、アクチュエータとしてテーブル昇降シリンダ１１ａを設けたが、電動アクチュエータ等の別のアクチュエータでも良い。

ＯＵＴポートテーブル１０は、下部にテーブル昇降シリンダ１１ｂが設けられ、上下に昇降可能な構成となっている。ＯＵＴポートテーブル１０は、上下に昇降することにより、当該テーブル上に置かれる金型組１５を、成形室８内からＯＵＴポートロードロック室１３に搬送する。なお、アクチュエータとしてテーブル昇降シリンダ１１ｂを設けたが、電動アクチュエータ等の別のアクチュエータでも良い。

ＩＮポートロードロック室１２は、蓋状の構成になっている。ＩＮポートテーブル９が上昇してＩＮポートロードロック室１２の底辺を形成した際、金型組１５が載置される。その際、ＩＮポートロードロック室１２内が窒素ガスに置換され、ＩＮポートテーブル９が下降されて窒素ガスに置換されている成形室８内に搬送される。

ＯＵＴポートロードロック室１３は、蓋状の構成になっている。ＯＵＴポートテーブル１０に金型組１５が載置された際、ＯＵＴポートテーブル１０が上昇されて窒素ガスに置換されているＯＵＴポートロードロック室１３の底辺を形成する。その後、蓋状のＯＵＴポートロードロック室１３が開けられ、金型組１５が取り出される。

なお、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良い。

図２は、成形室８内の金型組１５を、各テーブル、各プレート間を搬送する搬送装置の例を示すものである。図２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る。図において、取り入れゾーンから加熱ゾーンへ搬送する金型搬送ユニット５１、加熱ゾーンからプレスゾーンへ搬送する金型搬送ユニット５２、プレス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。

ここでは各ゾーン間に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、下がった状態でのＩＮポートテーブル９、ＯＵＴポートテーブル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、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。

図３は、金型組１５の断面を示すものである。金型組１５は、ガイド穴を有する上金型１６とガイドピン１７を有する下金型１８とから構成されている。上金型１６と下金型１８との間にガラス素材１９が置かれる。このガラス素材１９は、金型組１５として成形室８で加熱、プレス成形される。

図４は、赤外線ランプヒータユニット４の構成を詳細に示すものである。赤外線ランプヒータユニット４は、円弧状に加工された赤外線ランプヒータ２２を縦配列で３本配置している。赤外線ランプヒータ２２の外周部には、反射ミラー２３が設けられている。この反射ミラーは輻射熱の反射光率を考慮して金メッキが施されている。

また、赤外線ランプヒータユニット４の上部には、スプリング２５で支持された熱電対２４が設けられ、赤外線ランプヒータユニット４が下降した際、金型組１５に熱電対２４の先端が接触するよう構成されている。金型組１５に熱電対２４の先端が接触した際、金型組１５内のガラス素材が軟化されていない状態で金型組１５の上部に接触するため、金型組１５の成形面に無理な力が発生して成形面を傷つけないように、スプリング２５にて支持されている。また、このスプリング２５は、金型組１５の多少の高さのばらつきを吸収するように構成されている。

熱電対２４とプレート１に設けられた図示しない熱電対とを用いて図示しない制御装置により、金型組１５が所望する温度に温調される。すなわち、加熱ゾーンに搬送された金型組１５は、下部のプレート１と赤外線ランプヒータユニット４とに囲まれ、下部からは伝熱、外周部および上部からは輻射熱により加熱される。

図４に示した赤外線ランプヒータ２２を用いた非接触の加熱手段は、抵抗加熱装置の輻射によるものである。このような抵抗加熱装置として、ＳｉＣ（炭化珪素）ヒータ、カーボンヒータ、ニクロム線等の電熱線を用いても良い。

また、赤外線ランプヒータユニット４は、金型組１５の外周部に配置されるが、上部、または外周部と上部に配置するようにしても良い。

次に、このような構成において、本発明のガラス成形装置の動作を説明する。

まず、屈伏点６５０℃の光学ガラス（素材）を用い、直径３０ｍｍの光学レンズを、温度６４０℃、プレス力１２ｋＮで金型組１５を用いて成形する。なお、金型組１５には、予めガラス素材が置かれているものとして以下記述する。

図１において、ガラス成形装置は、成形室８内を不活性ガスで満たし、ＩＮポートロードロック室１２内に置かれた金型組１５を、ＩＮポートロードロック室１２を不活性ガスで満たした後、ＩＮポートテーブル９を用いてＩＮポートロードロック室１２から成形室８に取り入れる。

取り入れゾーンのＩＮポートテーブル９上の金型組１５は、金型搬送ユニット５１により加熱ゾーンのプレート１に搬送される。

プレート１上の金型組１５は、シースヒータ１ａからの伝熱、赤外線ランプヒータ２２からの輻射熱により加熱される。

温度６４０℃に加熱された金型組１５は、金型搬送ユニット５２によりプレスゾーンのプレート２に搬送される。

プレート２上の金型組１５は、エアシリンダ７ｂにより下降されるプレート５によりプレスされ、金型組１５内のガラス素材がプレス成形される。プレスゾーンでは、金型組１５は、プレート２のシースヒータ２ａとプレート５のシースヒータ５ａにより温度が保たれる。

プレス成形後のプレート２上の金型組１５は、金型搬送ユニット５３により冷却ゾーンのプレート３に搬送されて冷却される。

冷却されたプレート３上の金型組１５は、金型搬送ユニット５３により取り出しゾーンのＯＵＴポートテーブル１０に搬送される。

ガラス成形済の金型組１５は、ＯＵＴポートテーブル１０上で成形室８から不活性ガスで満たされたＯＵＴポートロードロック室１３に搬送され、ＯＵＴポートロードロック室１３が開放され取り出される。

上述した動作を従来と同等な消費電力で行った結果、従来のガラス成形装置に比べて６０％の加熱時間で、金型組１５をほぼ均一に加熱することが可能であった。

また、金型組１５の加熱ばらつきも、従来のガラス成形装置では±５℃前後の誤差があったが、本発明のガラス成形装置は±１℃程度まで抑えることが可能となった。それにより、ガラス成形品精度のばらつきが安定する結果となった。

また、従来のガラス成形装置では、金型組１５の成形面に傷等をつけることがあったが、本実施例では成形面に傷をつけることが無くなった。

図５は、加熱ゾーンにおける赤外線ランプヒータ２２の代りに高周波誘導コイル６１を用いた加熱の構成例を示すものである。

図に示すように、ユニット６０内の高周波誘導コイル６１に交流電流を流すことにより、金型組１５の表面付近にうず電流が発生し、ジュール熱で金型組１５が加熱される。なお、この構成では、金型組１５は導電体でなければならない。このようにして、金型組１５が加熱され、金型組１５に挿入されているガラス素材が間接的に加熱される。

図６は、プレスゾーンにおいて側面からの加熱装置を加えた構成例である。

図に示すように、シースヒータ７５ａが設けられたプレート７５、赤外線ランプヒータ７２、反射ミラー７３とを有するユニット７０が構成されている。このユニット７０と、シースヒータ２ａが設けられたプレート２とからプレスゾーンが構成されている。このような構成にすることで、プレスゾーンでも金型組１５に対して側面からの加熱をすることができる。なお、ユニット７０のプレート７５は、図１で示したようにエアシリンダ７ｂにより金型組１５をプレスする。

以上説明したように上記発明の実施の形態によれば、省電力で且つ高精度な加熱を実現することが可能となった。

また、従来では成形が困難であった大型レンズや形状の複雑なレンズ等を安定的且つ高精度に成形することが可能となった。

また、金型の破損も従来に比較して少なくすることが可能となった。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明に係る光学ガラス素子を成形するガラス成形装置の概略構成を示す概略図。 成形室内の金型組を、各テーブル、各プレート間を搬送する搬送手段の例を示す図。 金型組の断面を示す図。 赤外線ランプヒータユニットの構成を詳細に示す図。 高周波誘導コイルを用いた加熱の構成例を示す図。 プレスゾーンにおいて側面からの加熱装置を加えた構成例を示す図。

符号の説明

１，２，３，５，６，７５…プレート、４…赤外線ランプヒータユニット、７ａ，７ｂ，７ｃ…エアシリンダ、８…成形室、９…ＩＮポートテーブル、１０…ＯＵＴポートテーブル、１１ａ，１１ｂ…テーブル昇降シリンダ、１２…ＩＮポートロードロック室、１３…ＯＵＴポートロードロック室、１５…金型組、１６…上金型、１７…ガイドピン、１８…下金型、１９…ガラス素材、２０…開閉アクチュエータ、２２，７２…赤外線ランプヒータ、２３，７３…反射ミラー、３０…真空ポンプ、４０…窒素ガス供給ユニット、５１，５２，５３，５４…金型搬送ユニット、６０，７０…ユニット、６１…高周波誘導コイル。

Claims (10)

1. 上金型と下金型の間にガラス素材が置かれた金型組を、成形室内に取り入れて形成するガラス成形装置において、
   上記金型組が載置されるプレートを有し、上記成形室内に設けられ上記金型組を加熱する加熱ゾーンと、上記金型組が載置されるプレートを有し、上記成形室内に設けられ上記金型組を加圧するプレスゾーンと、上記金型組を上記加熱ゾーンおよびプレスゾーンに順次搬送する搬送装置と、を備え、
   上記加熱ゾーンは、上記プレート上に載置された金型組の周囲に位置する下降位置と、上記金型組を搬送可能とする上昇位置との間を移動可能に設けられ、上記下降位置において、上記金型組を周囲から非接触で加熱するヒータユニットと、
   上記ヒータユニットにスプリングを介して支持され、上記ヒータユニットが下降位置に移動した際に上記金型組に接触し、金型組の温度を測定する熱電対と、を備えていることを特徴とするガラス成形装置。
2. 上記加熱ゾーンは、上記金型組が載置されるプレートに設けられ上記金型組を伝熱で加熱するヒータを備えていることを特徴とする請求項１に記載したガラス成形装置。
3. 上記ガラス素材が置かれた金型組は、当該金型組の表面温度の測定結果に応じて上記ヒータユニットへの供給電力が調整され、加熱温度が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載したガラス成形装置。
4. 上記ヒータユニットは、上記ガラス素材が置かれた金型組の外周部、または上部、または外周部と上部に、非接触加熱ヒータを備えていることを特徴とする請求項１または２または３に記載したガラス成形装置。
5. 上記ヒータユニットは、上記ガラス素材が置かれた金型組の外周部に配置される赤外線ランプヒータを用いて輻射加熱を行うことを特徴とする請求項１または２または３に記載したガラス成形装置。
6. 上記ヒータユニットは、上記ガラス素材が置かれた金型組の外周部に配置された抵抗加熱装置を用いて輻射加熱を行うことを特徴とする請求項１または２または３に記載したガラス成形装置。
7. 上記ヒータユニットは、上記ガラス素材が置かれた金型組を芯として外周部に配置された高周波誘導コイルを用いて、高周波誘導加熱を行うことを特徴とする請求項１または２または３に記載したガラス成形装置。
8. 上記ヒータユニットは、上記ガラス素材が置かれた金型組の外周部に配置され、円筒形状に構成された抵抗加熱装置を用いて輻射加熱を行うことを特徴とする請求項１または２または３に記載したガラス成形装置。
9. 上記搬送装置は、上記成形室内に設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガラス成形装置。
10. 前記プレスゾーンは、前記プレスゾーンのプレートに対向して設けられ前記プレート上に載置された金型組を加圧する昇降可能なプレートと、上記プレート上に載置された金型組の周囲に設けられ、上記金型組を周囲から非接触で加熱するヒータユニットと、を備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のガラス成形装置。

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