成形材料特性測定装置
【課題】高精度の成形を行うことができるとともに、成形チャンバ容積を可能な限り小さくすることで、加熱・冷却効率を高める成形材料特性測定装置を提供する。
【解決手段】石英チャンバ７０内に互いに対向するように配置された固定型５２及び移動型４２と、固定型５２を支持する固定軸５０と、移動型４２を支持する移動軸４０と、移動軸４０を固定型５２に対して移動させるための電動サーボモータ３０と、固定型５２及び移動型４２に挟持されたガラス素材Ｗを加熱する赤外線ランプユニット８０と、石英チャンバ７０を電動サーボモータ３０側に移動可能に支持する溶接ベローズ７３と、固定軸５０を支持するフレーム２０に支持されるとともに、石英チャンバ７０に連通した空間内に配置され、固定型５２と移動型４２との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器６０とを備えている。
【解決手段】石英チャンバ７０内に互いに対向するように配置された固定型５２及び移動型４２と、固定型５２を支持する固定軸５０と、移動型４２を支持する移動軸４０と、移動軸４０を固定型５２に対して移動させるための電動サーボモータ３０と、固定型５２及び移動型４２に挟持されたガラス素材Ｗを加熱する赤外線ランプユニット８０と、石英チャンバ７０を電動サーボモータ３０側に移動可能に支持する溶接ベローズ７３と、固定軸５０を支持するフレーム２０に支持されるとともに、石英チャンバ７０に連通した空間内に配置され、固定型５２と移動型４２との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器６０とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光学ガラスレンズ等のガラスを成形するためのガラス成形装置に取り付けられる成形材料特性測定装置に関し、特に高温ガラスの動粘度や熱膨張係数、及び離型力等を測定することで高精度の成形を行えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス成形装置は例えば次のような構成がとられている。すなわち、上軸側が固定軸で、下軸側が移動軸となっている。下軸と成形チャンバには可動シール構造と有している。成形チャンバを開く場合は、上軸側に可動シール機能を有した状態で、上方に退避する。上方に退避している状態で、金型内のガラスを供給排出が行われる。下方にいる状態で、成形チャンバは密封され、真空雰囲気か窒素ガス雰囲気に置換可能な構造となっている。プレス力の荷重検出器は、下側移動軸の下部に配置され、成形チャンバの外に配置されている。
【０００３】
このような構成の場合、下軸の駆動と、成形チャンバの退避をする為の移動シール構造を、上下２ケ所に設ける必要があった。
【０００４】
また、成形チャンバ外に荷重検出器が配置されているため、成形チャンバ内の圧力が負圧になったり正圧になったりすることにより、その圧力の変動を荷重検出器が検知をしてしまい、実際のプレス力を測定することができないなどの不具合があった。また、このロードセルには、下軸とチャンバとの摺動抵抗も検出してしまうので、微小なプレス力等を制御することが困難であった。
【０００５】
このような成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルし、高精度のガラス成形を行うために、上軸の固定軸と上金型の間に荷重検出器を取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した上軸の固定軸と上金型の間に荷重検出器を取り付けたガラス成形装置は次のような問題があった。すなわち、成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることは可能だが、成形チャンバが上方に退避する際は、石英チャンバの内径が、ロードセルの外径よりも大きなくてはならず、直径１２０ｍｍ程度以上必要であった。このため、成形チャンバ容積が必要以上に大きくなり、加熱・冷却効率に悪影響を及ぼしていた。
【０００８】
一方、ガラス素材について一般的に公表されている熱的特性値は、実際の成形機で測定したものではないので、参考程度にしかならなかった。また熱膨張係数に関しては、所定の温度域でのデータしか公開されていないため任意の温度域でのデータを得ることができなかった。
【０００９】
本発明は、ガラス成形装置における成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることで高精度に成形材料特性が測定でき、高精度のガラス成形を行うことができる成形材料特性測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の成形材料特性測定装置は次のように構成されている。
【００１１】
成形チャンバと、この成形チャンバ内に互いに対向するように配置された固定型及び移動型と、前記固定型をその背面側から支持する固定軸と、前記移動型をその背面側から支持する移動軸と、この移動軸を前記固定型に対して移動させるための駆動装置と、前記固定型、前記移動型及びこれらの間に投入されたガラス素材を加熱するための加熱装置と、前記成形チャンバ内に不活性ガスを供給するためのガス供給手段と、前記成形チャンバ内を減圧するための排気装置と、前記成形チャンバを前記駆動装置側に移動可能に支持する移動支持部とを備えたガラス成形機に取り付けられる成形材料特性測定装置において、前記固定軸を支持するフレームに支持されるとともに、前記成形チャンバに連通した空間内に配置され、前記固定型と移動型との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガラス成形装置における成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることで高精度に成形材料特性が測定でき、高精度のガラス成形を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置の概要を示す説明図。
【図２】同ガラス成形装置を用いて石英ガラス加熱時の伸び量の測定を示す説明図。
【図３】同ガラス成形装置を用いてガラス素材加熱時の伸び量の測定を示す説明図。
【図４】同ガラス成形装置を用いてガラス素材加熱時の伸び量の較正方法を示す説明図。
【図５】同ガラス成形装置を用いて一定歪み印加時の応力変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０を示す概略構成図である。ガラス成形装置１０は、床面上に載置されたフレーム２０を備えている。フレーム２０は、鉛直方向の支持部材２１と、この支持部材２１に支持された天板２２と、後述する固定軸５０を荷重検出器６０を介して支持する有底筒部２３とを備えている。有底筒部２３の内部にはガス排気路２３ａが設けられている。このガス排気路２３ａは、後述する真空ポンプ９１に接続されている。
【００１５】
フレーム２０の天板２２には、その回転中心を鉛直方向として電動サーボモータ３０が取り付けられ、この電動サーボモータ３０のボールネジ３１の先端にはスライダ３２が取り付けられている。電動サーボモータ３０及びボールネジ３１により駆動機構が構成され、位置制御・プレス力制御を正確に行うことが可能である。
【００１６】
フレーム２０の支持部材２１の内側面にはリニアスケール２４が取り付けられており、リニアスケール２４はスライダ３２と機械的に取り付けられるとともに、鉛直方向に往復動自在に案内している。リニアスケール２４はスライダ３２の鉛直方向の位置を高精度に測定し、後述する制御部１００に出力する機能を有している。
【００１７】
スライダ３２の下部には移動軸４０が設けられている。さらに移動軸４０の下端には断熱性のダイホルダ４１を介して移動型４２が取り付けられている。すなわち、移動型４２はその背面側から移動軸４０に支持されている。
【００１８】
スライダ３２の上部には空気圧によって作動するバランスシリンダ３５のシリンダ軸３６が取り付けられている。バランスシリンダ３５は、常に１５０Ｎ程度の力でシリンダ軸３６を介してスライダ３２を上方に引き上げる。これにより、移動軸４０の自重がキャンセルされ、安定的に荷重測定が可能となる。これらバランスシリンダ３５及びシリンダ軸３６により、移動軸４０の自重相殺機構が形成されている。
【００１９】
電動サーボモータ３０は制御部１００に予め設定されたプログラムに従って速度、荷重または位置制御が行われ、移動軸４０を後述する固定型５２に対して相対移動が行われる。
【００２０】
移動軸４０の下方には固定軸５０が設けられており、この固定軸５０の上端にはダイホルダ５１を介して固定型５２が移動型４２に対向して取り付けられている。すなわち、固定型５２はその背面側から固定軸５０に支持されている。この固定型５２及び移動型４２によりガラス素材Ｗを成形するための金型が構成される。
【００２１】
固定軸５０の下端は荷重検出器６０を介してフレーム２０の有底筒部２３に取り付けられている。荷重検出器６０は、例えばＳ字型のロードセルであって、固定型５２と移動型４２との間に作用する押圧力を検出し、制御部１００に出力する機能を有している。荷重検出器６０は、直径１２０ｍｍ程度である。
【００２２】
移動型４２と固定型５２の周囲は、円筒状の石英チャンバ（成形チャンバ）７０が配置されている。石英チャンバ７０の内径は直径５０ｍｍ程度であり、収納可能な金型は最大直径４０ｍｍ程度であり、荷重検出器６０は収容できない。
【００２３】
石英チャンバ７０の上側の開口部には、上側フランジ７１と、下側の開口部には下側フランジ７２がそれぞれ気密に取り付けられている。なお、図１中７１ａ,７２ａはＯリングを示している。上側フランジ７１は、さらに溶接ベローズ７３により、スライダ３２に気密に接続されている。溶接ベローズ７３により移動軸４０の移動を最小限の摺動抵抗で駆動可能となる。溶接ベローズ７３は、石英チャンバ７０を上方へ退避させるための退避用移動シール構造（退避用移動支持部）と、移動軸４０の周囲を気密に保持する移動軸移動シール構造を兼ねている。
【００２４】
なお、下側フランジ７２は、石英チャンバ７０に対し、離間可能に設けられており、固定型５２上にガラス素材Ｗを載置する際、金型交換時等には開放する。
【００２５】
上側フランジ７１の内部にはガス供給路７１ｂが設けられている。このガス供給路７１ｂは、後述する窒素ガス供給部９０に接続されている。
【００２６】
石英チャンバ７０の外周には、赤外線ランプユニット（加熱装置）８０が配置されている。また、石英チャンバ７０には、上側フランジ７１を介して窒素ガス（不活性ガス）を供給するための窒素ガス供給部（不活性ガス供給手段）９０と、下側フランジ７２を介して石英チャンバ７０内を減圧するための真空ポンプ（排気装置）９１とが接続されている。
【００２７】
さらに、各部を連係制御する制御部１００が設けられている。制御部１００は、固定型５２又は移動型４２の金型温度、押圧力、移動軸の位置情報を出力する出力部、成形温度域でのガラス素材Ｗの熱膨張係数、粘弾性基礎データが組み込まれている。
【００２８】
このように構成された成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０は、次のようにして成形材料特性測定及びその測定結果に基づくガラス成形を行う。固定型５２上にガラス素材Ｗを置き、下側フランジ７２と石英チャンバ７０の開口部を気密に閉じる。次に、石英チャンバ７０内を真空ポンプ９１により排気し、その後、窒素ガス供給部９０から窒素ガスを導入して、高純度の窒素ガスにてパージする。これにより、連続して行う加熱時に生じる金型（移動型４２及び固定型５２）の酸化を防止する。
【００２９】
窒素ガスにてパージ後、赤外線ランプユニット８０で移動型４２、固定型５２及びガラス素材Ｗを成形可能な温度域まで均一に加熱する。所定温度に達した後、赤外線ランプユニット８０の出力は、所定温度を保持するよう、熱電対（不図示）の出力結果を元に制御装置１００によりコントロールされる。上記の間、移動型４２と固定型５２は物理的に分離されている。
【００３０】
ここで、真空成形について説明する。真空成形は、金型からガラス素材Ｗへの転写精度を向上させるために実施するプロセスである。通常のように窒素ガス雰囲気中で成形すると、ガラス素材Ｗと移動型４２及び固定型５２の間に窒素ガス溜まりが形成されてしまう。例えば、凸レンズの場合、レンズ頂点にガス溜まりができてしまう。これを防止するために真空中で成形を行うのが、真空成形である。真空排気は、ガラス素材Ｗが移動型４２及び固定型５２に挟まれた状態で行われる。成形時は荷重検出器６０からの情報を元に、一定のプレス力が印加されるよう電動サーボモータ３０の出力がコントロールされる。
【００３１】
ところが、真空排気時、石英チャンバ７０内外の圧力差により、固定軸５０は上方へ、移動軸４０は下方へ向かう力が加わる。ここで、荷重検出器６０が固定軸５０の下側で石英チャンバ７０の外に設置されている場合、固定軸５０が上方へ引き込まれることで検出される荷重値は、実際にガラス素材Ｗに印加されている力より小さくなる。
【００３２】
すなわち、電動サーボモータ３０は、移動軸４０をさらに下方へ移動するよう働くことになる。しかし、実際には、ガラス素材Ｗには固定軸５０を上方へ引き上げる力が働いているため、荷重が余分に掛かっており、逆に移動軸４０を上げる方向に働かなくてはならない。
【００３３】
ところが、図１に示すように荷重検出器６０が石英チャンバ７０と連通する減圧空間内に配置されることにより、固定軸５０は上方へ持ち上がることが無くなる。従って、非常に正確にガラス素材Ｗそのものに掛かるプレス力を測定・制御できるようになる。
【００３４】
一方、荷重検出器６０は、石英チャンバ７０の下方に位置する有底筒部２３内に配置されており、石英チャンバ７０の移動とは無関係の位置に配置されているため、荷重検出器６０の形状・寸法に関わらず石英チャンバ７０を小型化することができる。また、石英チャンバ７０の下方に位置する減圧空間内に配置されることにより、赤外線ランプユニット８０による熱の影響を受け難くなる。これにより、温度に敏感な感度の高い荷重検出器６０を用いてより精緻な押圧力制御を達成することが可能である。
【００３５】
これにより、例えば、従来の最低プレス力が２０ｋＮ程度だったのに対し、本ガラス成形装置１０では、最低プレス力が１ｋＮ以下となり、高精度のプレス成形を実施することができる。
【００３６】
また、移動軸４０と直結して電動サーボモータ３０とは別に、リニアスケール２４が配置され、移動軸４０の位置を高精度に測定することができる。リニアスケール２４を移動軸４０の近傍に設けたのは、リニアスケール２４と移動軸４０間で生じる機械的変形による測定誤差を極力低減するためである。
【００３７】
上述したように、本実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０は、移動軸４０と石英チャンバ７０の退避方向を同一にすることで、石英チャンバ７０の退避用移動シール構造と、プレス軸移動シール構造を共通化して、部材コストを低減することができる。また、移動シール構造を少なくすることにより、リーク箇所を削減することができ、減圧や窒素ガス封入の効率化にも寄与する。荷重検出器６０を固定軸５０の下部に配置して、石英チャンバ７０と連通する減圧空間内に収納することにより、微小なプレス力を制御可能として、また、ガラスに負荷されるプレス力を正確に測定でき、高精度の成形を行うことができる。
【００３８】
一方、荷重検出器６０を下部に配置することにより、石英チャンバ７０を退避する際に荷重検出器６０をさける必要がなくなり、必要最小限のチャンバ容積とすることが可能となり、加熱・冷却効率を高めることができる。
【００３９】
次に、このようなガラス成形装置１０を用いて各種の物理特性を測定する技術について説明する。例えば、ガラス成形装置１０は、上述した高精度のプレス成形と共に熱膨張係数の温度依存性測定、及び、粘弾性特性測定を行うことができる。
【００４０】
具体的には、光学ガラスの熱膨張係数測定する場合には、まず初めに図２に示すように、ダミーテストピースとしての石英ガラスＤに、５Ｎ程度のプレス力を印加しつつ、常温から所定温度まで昇温する。このときの移動軸位置の実測値を図４中Ｌｄに示す。
【００４１】
次に図３に示すように、石英ガラスＤの代わりに成形対象となる光学ガラスのガラス素材Ｗを同様に５Ｎのプレス力を印加しつつ加熱する。このときの移動軸位置の実測値を図４中Ｌａに示す。
【００４２】
図４に示すように、石英ガラスＤ、ガラス素材Ｗのいずれも温度上昇とともに移動軸４０が上昇し、熱膨張が生じている。このとき、石英ガラスＤを用いたときの実測値Ｌｄは、石英ガラスＤ以外の部分、すなわち主に移動軸４０や固定軸５０等の膨張によるものと推測される。これは石英ガラスＤの膨張係数は非常に小さく無視できるものだからである。これらガラス素材Ｗ以外の部分の伸び量を除去するためには、実測値Ｌａから実測値Ｌｄを差し引いくことで実際の伸び量である較正値Ｌｒを求めることができる。
【００４３】
これにより、図４よりガラス素材Ｗのガラス転移点、屈伏点をそれぞれ５８６℃、６３９℃と特定することができる。なお、一般に公表されているガラス素材Ｗのカタログ値によれば、ガラス転移点５７６℃、屈伏点６２５℃であり、測定値と異なっていることがわかる。
【００４４】
このようにして微小力をガラス素材Ｗに印加した際の微小変形を検知でき、これを利用すれば光学ガラスの成形温度域での粘弾性特性や、成形条件最適化に必要な熱膨張係数の温度依存性を実測することができる。
【００４５】
また、ガラス成形は屈伏点の温度＋２０〜３０℃で行うことが望ましいことから、正確な屈伏点に基づくガラス成形を行うことができ、高精度なガラス成形を行うことができる。
【００４６】
次に、ガラス成形装置１０をガラスの粘弾性特性測定に適用した場合について述べる。近年、ガラスの成形シミュレーションが盛んに行われているが、これを行うには、粘弾性特性データが必要となる。一般的に求められるのは、「成形温度近傍の高温下で、一定量の歪みをガラスに印加したときの応力応答」、あるいは「一定の力を印加した場合の歪み応答」である。ガラス成形装置１０では、これらの測定を行うことができる。
【００４７】
図５は、ガラス素材Ｗに一定の歪みを与えた場合の応力σの応答結果を示す。金型温度を６３５℃で保持し、かつ、移動軸４０の位置を一定に保持した状態、すなわち一定の歪みを与えた状態で、ガラス素材Ｗに発生する応力の経時変化を示している。
【００４８】
図５より、経過時間とともに指数関数的に応力σが緩和されていることが判る。これを近似式で表すと、σ＝Ａｅｘｐ（−０．０４５３ｔ）となっている。理論的には、０．０４５３は、弾性率Ｅと粘性率ηの比（Ｅ／η）となっている。この他、一定プレス力を印加した場合の歪み応答のデータも取得可能である。
【００４９】
このようにガラス成形装置１０にて、粘弾性シミュレーションで必要とされる基礎データを収集することができる。
【００５０】
上述したように本実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０によれば、微小なプレス力管理を必要とする小型レンズ（光学ディスク用ピックアップレンズ等）の成形において装置の小型化・低コスト化を実現し、かつ、高精度なプレス機構を実現することが可能となった。
【００５１】
また、成形温度近傍の高温下でのガラスの熱膨脹係数や粘弾性を測定・評価する装置としても用いることもできる。さらに、ガラスへ微細パターンを転写成形する際の、基礎データの収集ができ、金型製作時の参考データとすることも可能となる。
【００５２】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、プレス軸を上側として、成形チャンバの退避を上側として実施したが、プレス軸と成形チャンバの退避が同一方向であれば、上下逆であっても構わない。また、加熱装置が赤外線ランプヒータで、プレス軸が電動サーボモータで実施をしたが、別の手段の加熱手段（高周波誘導加熱等）であったり、プレス手段（リニアモータや油圧・空圧シリンダ）であっても構わない。さらに、バランスシリンダを設ける代わりに移動軸と同等の重量の錘を滑車を介して吊り下げるカウンタバランスを設けてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…ガラス成形装置、２０…フレーム、２１…支持部材、２４…リニアスケール、３０…電動サーボモータ、３１…ボールネジ、３２…スライダ、３５…バランスシリンダ、３６…シリンダ軸、４０…移動軸、４１…ダイホルダ、４２…移動型、５０…固定軸、５１…ダイホルダ、５２…固定型、６０…荷重検出器、７０…石英チャンバ（成形チャンバ）、７１…上側フランジ、７２…下側フランジ、７３…溶接ベローズ、８０…赤外線ランプユニット（加熱装置）、９０…窒素ガス供給部（不活性ガス供給手段）、９１…真空ポンプ（排気装置）、１００…制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光学ガラスレンズ等のガラスを成形するためのガラス成形装置に取り付けられる成形材料特性測定装置に関し、特に高温ガラスの動粘度や熱膨張係数、及び離型力等を測定することで高精度の成形を行えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス成形装置は例えば次のような構成がとられている。すなわち、上軸側が固定軸で、下軸側が移動軸となっている。下軸と成形チャンバには可動シール構造と有している。成形チャンバを開く場合は、上軸側に可動シール機能を有した状態で、上方に退避する。上方に退避している状態で、金型内のガラスを供給排出が行われる。下方にいる状態で、成形チャンバは密封され、真空雰囲気か窒素ガス雰囲気に置換可能な構造となっている。プレス力の荷重検出器は、下側移動軸の下部に配置され、成形チャンバの外に配置されている。
【０００３】
このような構成の場合、下軸の駆動と、成形チャンバの退避をする為の移動シール構造を、上下２ケ所に設ける必要があった。
【０００４】
また、成形チャンバ外に荷重検出器が配置されているため、成形チャンバ内の圧力が負圧になったり正圧になったりすることにより、その圧力の変動を荷重検出器が検知をしてしまい、実際のプレス力を測定することができないなどの不具合があった。また、このロードセルには、下軸とチャンバとの摺動抵抗も検出してしまうので、微小なプレス力等を制御することが困難であった。
【０００５】
このような成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルし、高精度のガラス成形を行うために、上軸の固定軸と上金型の間に荷重検出器を取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した上軸の固定軸と上金型の間に荷重検出器を取り付けたガラス成形装置は次のような問題があった。すなわち、成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることは可能だが、成形チャンバが上方に退避する際は、石英チャンバの内径が、ロードセルの外径よりも大きなくてはならず、直径１２０ｍｍ程度以上必要であった。このため、成形チャンバ容積が必要以上に大きくなり、加熱・冷却効率に悪影響を及ぼしていた。
【０００８】
一方、ガラス素材について一般的に公表されている熱的特性値は、実際の成形機で測定したものではないので、参考程度にしかならなかった。また熱膨張係数に関しては、所定の温度域でのデータしか公開されていないため任意の温度域でのデータを得ることができなかった。
【０００９】
本発明は、ガラス成形装置における成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることで高精度に成形材料特性が測定でき、高精度のガラス成形を行うことができる成形材料特性測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の成形材料特性測定装置は次のように構成されている。
【００１１】
成形チャンバと、この成形チャンバ内に互いに対向するように配置された固定型及び移動型と、前記固定型をその背面側から支持する固定軸と、前記移動型をその背面側から支持する移動軸と、この移動軸を前記固定型に対して移動させるための駆動装置と、前記固定型、前記移動型及びこれらの間に投入されたガラス素材を加熱するための加熱装置と、前記成形チャンバ内に不活性ガスを供給するためのガス供給手段と、前記成形チャンバ内を減圧するための排気装置と、前記成形チャンバを前記駆動装置側に移動可能に支持する移動支持部とを備えたガラス成形機に取り付けられる成形材料特性測定装置において、前記固定軸を支持するフレームに支持されるとともに、前記成形チャンバに連通した空間内に配置され、前記固定型と移動型との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガラス成形装置における成形チャンバ内の圧力変動をキャンセルすることで高精度に成形材料特性が測定でき、高精度のガラス成形を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置の概要を示す説明図。
【図２】同ガラス成形装置を用いて石英ガラス加熱時の伸び量の測定を示す説明図。
【図３】同ガラス成形装置を用いてガラス素材加熱時の伸び量の測定を示す説明図。
【図４】同ガラス成形装置を用いてガラス素材加熱時の伸び量の較正方法を示す説明図。
【図５】同ガラス成形装置を用いて一定歪み印加時の応力変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０を示す概略構成図である。ガラス成形装置１０は、床面上に載置されたフレーム２０を備えている。フレーム２０は、鉛直方向の支持部材２１と、この支持部材２１に支持された天板２２と、後述する固定軸５０を荷重検出器６０を介して支持する有底筒部２３とを備えている。有底筒部２３の内部にはガス排気路２３ａが設けられている。このガス排気路２３ａは、後述する真空ポンプ９１に接続されている。
【００１５】
フレーム２０の天板２２には、その回転中心を鉛直方向として電動サーボモータ３０が取り付けられ、この電動サーボモータ３０のボールネジ３１の先端にはスライダ３２が取り付けられている。電動サーボモータ３０及びボールネジ３１により駆動機構が構成され、位置制御・プレス力制御を正確に行うことが可能である。
【００１６】
フレーム２０の支持部材２１の内側面にはリニアスケール２４が取り付けられており、リニアスケール２４はスライダ３２と機械的に取り付けられるとともに、鉛直方向に往復動自在に案内している。リニアスケール２４はスライダ３２の鉛直方向の位置を高精度に測定し、後述する制御部１００に出力する機能を有している。
【００１７】
スライダ３２の下部には移動軸４０が設けられている。さらに移動軸４０の下端には断熱性のダイホルダ４１を介して移動型４２が取り付けられている。すなわち、移動型４２はその背面側から移動軸４０に支持されている。
【００１８】
スライダ３２の上部には空気圧によって作動するバランスシリンダ３５のシリンダ軸３６が取り付けられている。バランスシリンダ３５は、常に１５０Ｎ程度の力でシリンダ軸３６を介してスライダ３２を上方に引き上げる。これにより、移動軸４０の自重がキャンセルされ、安定的に荷重測定が可能となる。これらバランスシリンダ３５及びシリンダ軸３６により、移動軸４０の自重相殺機構が形成されている。
【００１９】
電動サーボモータ３０は制御部１００に予め設定されたプログラムに従って速度、荷重または位置制御が行われ、移動軸４０を後述する固定型５２に対して相対移動が行われる。
【００２０】
移動軸４０の下方には固定軸５０が設けられており、この固定軸５０の上端にはダイホルダ５１を介して固定型５２が移動型４２に対向して取り付けられている。すなわち、固定型５２はその背面側から固定軸５０に支持されている。この固定型５２及び移動型４２によりガラス素材Ｗを成形するための金型が構成される。
【００２１】
固定軸５０の下端は荷重検出器６０を介してフレーム２０の有底筒部２３に取り付けられている。荷重検出器６０は、例えばＳ字型のロードセルであって、固定型５２と移動型４２との間に作用する押圧力を検出し、制御部１００に出力する機能を有している。荷重検出器６０は、直径１２０ｍｍ程度である。
【００２２】
移動型４２と固定型５２の周囲は、円筒状の石英チャンバ（成形チャンバ）７０が配置されている。石英チャンバ７０の内径は直径５０ｍｍ程度であり、収納可能な金型は最大直径４０ｍｍ程度であり、荷重検出器６０は収容できない。
【００２３】
石英チャンバ７０の上側の開口部には、上側フランジ７１と、下側の開口部には下側フランジ７２がそれぞれ気密に取り付けられている。なお、図１中７１ａ,７２ａはＯリングを示している。上側フランジ７１は、さらに溶接ベローズ７３により、スライダ３２に気密に接続されている。溶接ベローズ７３により移動軸４０の移動を最小限の摺動抵抗で駆動可能となる。溶接ベローズ７３は、石英チャンバ７０を上方へ退避させるための退避用移動シール構造（退避用移動支持部）と、移動軸４０の周囲を気密に保持する移動軸移動シール構造を兼ねている。
【００２４】
なお、下側フランジ７２は、石英チャンバ７０に対し、離間可能に設けられており、固定型５２上にガラス素材Ｗを載置する際、金型交換時等には開放する。
【００２５】
上側フランジ７１の内部にはガス供給路７１ｂが設けられている。このガス供給路７１ｂは、後述する窒素ガス供給部９０に接続されている。
【００２６】
石英チャンバ７０の外周には、赤外線ランプユニット（加熱装置）８０が配置されている。また、石英チャンバ７０には、上側フランジ７１を介して窒素ガス（不活性ガス）を供給するための窒素ガス供給部（不活性ガス供給手段）９０と、下側フランジ７２を介して石英チャンバ７０内を減圧するための真空ポンプ（排気装置）９１とが接続されている。
【００２７】
さらに、各部を連係制御する制御部１００が設けられている。制御部１００は、固定型５２又は移動型４２の金型温度、押圧力、移動軸の位置情報を出力する出力部、成形温度域でのガラス素材Ｗの熱膨張係数、粘弾性基礎データが組み込まれている。
【００２８】
このように構成された成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０は、次のようにして成形材料特性測定及びその測定結果に基づくガラス成形を行う。固定型５２上にガラス素材Ｗを置き、下側フランジ７２と石英チャンバ７０の開口部を気密に閉じる。次に、石英チャンバ７０内を真空ポンプ９１により排気し、その後、窒素ガス供給部９０から窒素ガスを導入して、高純度の窒素ガスにてパージする。これにより、連続して行う加熱時に生じる金型（移動型４２及び固定型５２）の酸化を防止する。
【００２９】
窒素ガスにてパージ後、赤外線ランプユニット８０で移動型４２、固定型５２及びガラス素材Ｗを成形可能な温度域まで均一に加熱する。所定温度に達した後、赤外線ランプユニット８０の出力は、所定温度を保持するよう、熱電対（不図示）の出力結果を元に制御装置１００によりコントロールされる。上記の間、移動型４２と固定型５２は物理的に分離されている。
【００３０】
ここで、真空成形について説明する。真空成形は、金型からガラス素材Ｗへの転写精度を向上させるために実施するプロセスである。通常のように窒素ガス雰囲気中で成形すると、ガラス素材Ｗと移動型４２及び固定型５２の間に窒素ガス溜まりが形成されてしまう。例えば、凸レンズの場合、レンズ頂点にガス溜まりができてしまう。これを防止するために真空中で成形を行うのが、真空成形である。真空排気は、ガラス素材Ｗが移動型４２及び固定型５２に挟まれた状態で行われる。成形時は荷重検出器６０からの情報を元に、一定のプレス力が印加されるよう電動サーボモータ３０の出力がコントロールされる。
【００３１】
ところが、真空排気時、石英チャンバ７０内外の圧力差により、固定軸５０は上方へ、移動軸４０は下方へ向かう力が加わる。ここで、荷重検出器６０が固定軸５０の下側で石英チャンバ７０の外に設置されている場合、固定軸５０が上方へ引き込まれることで検出される荷重値は、実際にガラス素材Ｗに印加されている力より小さくなる。
【００３２】
すなわち、電動サーボモータ３０は、移動軸４０をさらに下方へ移動するよう働くことになる。しかし、実際には、ガラス素材Ｗには固定軸５０を上方へ引き上げる力が働いているため、荷重が余分に掛かっており、逆に移動軸４０を上げる方向に働かなくてはならない。
【００３３】
ところが、図１に示すように荷重検出器６０が石英チャンバ７０と連通する減圧空間内に配置されることにより、固定軸５０は上方へ持ち上がることが無くなる。従って、非常に正確にガラス素材Ｗそのものに掛かるプレス力を測定・制御できるようになる。
【００３４】
一方、荷重検出器６０は、石英チャンバ７０の下方に位置する有底筒部２３内に配置されており、石英チャンバ７０の移動とは無関係の位置に配置されているため、荷重検出器６０の形状・寸法に関わらず石英チャンバ７０を小型化することができる。また、石英チャンバ７０の下方に位置する減圧空間内に配置されることにより、赤外線ランプユニット８０による熱の影響を受け難くなる。これにより、温度に敏感な感度の高い荷重検出器６０を用いてより精緻な押圧力制御を達成することが可能である。
【００３５】
これにより、例えば、従来の最低プレス力が２０ｋＮ程度だったのに対し、本ガラス成形装置１０では、最低プレス力が１ｋＮ以下となり、高精度のプレス成形を実施することができる。
【００３６】
また、移動軸４０と直結して電動サーボモータ３０とは別に、リニアスケール２４が配置され、移動軸４０の位置を高精度に測定することができる。リニアスケール２４を移動軸４０の近傍に設けたのは、リニアスケール２４と移動軸４０間で生じる機械的変形による測定誤差を極力低減するためである。
【００３７】
上述したように、本実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０は、移動軸４０と石英チャンバ７０の退避方向を同一にすることで、石英チャンバ７０の退避用移動シール構造と、プレス軸移動シール構造を共通化して、部材コストを低減することができる。また、移動シール構造を少なくすることにより、リーク箇所を削減することができ、減圧や窒素ガス封入の効率化にも寄与する。荷重検出器６０を固定軸５０の下部に配置して、石英チャンバ７０と連通する減圧空間内に収納することにより、微小なプレス力を制御可能として、また、ガラスに負荷されるプレス力を正確に測定でき、高精度の成形を行うことができる。
【００３８】
一方、荷重検出器６０を下部に配置することにより、石英チャンバ７０を退避する際に荷重検出器６０をさける必要がなくなり、必要最小限のチャンバ容積とすることが可能となり、加熱・冷却効率を高めることができる。
【００３９】
次に、このようなガラス成形装置１０を用いて各種の物理特性を測定する技術について説明する。例えば、ガラス成形装置１０は、上述した高精度のプレス成形と共に熱膨張係数の温度依存性測定、及び、粘弾性特性測定を行うことができる。
【００４０】
具体的には、光学ガラスの熱膨張係数測定する場合には、まず初めに図２に示すように、ダミーテストピースとしての石英ガラスＤに、５Ｎ程度のプレス力を印加しつつ、常温から所定温度まで昇温する。このときの移動軸位置の実測値を図４中Ｌｄに示す。
【００４１】
次に図３に示すように、石英ガラスＤの代わりに成形対象となる光学ガラスのガラス素材Ｗを同様に５Ｎのプレス力を印加しつつ加熱する。このときの移動軸位置の実測値を図４中Ｌａに示す。
【００４２】
図４に示すように、石英ガラスＤ、ガラス素材Ｗのいずれも温度上昇とともに移動軸４０が上昇し、熱膨張が生じている。このとき、石英ガラスＤを用いたときの実測値Ｌｄは、石英ガラスＤ以外の部分、すなわち主に移動軸４０や固定軸５０等の膨張によるものと推測される。これは石英ガラスＤの膨張係数は非常に小さく無視できるものだからである。これらガラス素材Ｗ以外の部分の伸び量を除去するためには、実測値Ｌａから実測値Ｌｄを差し引いくことで実際の伸び量である較正値Ｌｒを求めることができる。
【００４３】
これにより、図４よりガラス素材Ｗのガラス転移点、屈伏点をそれぞれ５８６℃、６３９℃と特定することができる。なお、一般に公表されているガラス素材Ｗのカタログ値によれば、ガラス転移点５７６℃、屈伏点６２５℃であり、測定値と異なっていることがわかる。
【００４４】
このようにして微小力をガラス素材Ｗに印加した際の微小変形を検知でき、これを利用すれば光学ガラスの成形温度域での粘弾性特性や、成形条件最適化に必要な熱膨張係数の温度依存性を実測することができる。
【００４５】
また、ガラス成形は屈伏点の温度＋２０〜３０℃で行うことが望ましいことから、正確な屈伏点に基づくガラス成形を行うことができ、高精度なガラス成形を行うことができる。
【００４６】
次に、ガラス成形装置１０をガラスの粘弾性特性測定に適用した場合について述べる。近年、ガラスの成形シミュレーションが盛んに行われているが、これを行うには、粘弾性特性データが必要となる。一般的に求められるのは、「成形温度近傍の高温下で、一定量の歪みをガラスに印加したときの応力応答」、あるいは「一定の力を印加した場合の歪み応答」である。ガラス成形装置１０では、これらの測定を行うことができる。
【００４７】
図５は、ガラス素材Ｗに一定の歪みを与えた場合の応力σの応答結果を示す。金型温度を６３５℃で保持し、かつ、移動軸４０の位置を一定に保持した状態、すなわち一定の歪みを与えた状態で、ガラス素材Ｗに発生する応力の経時変化を示している。
【００４８】
図５より、経過時間とともに指数関数的に応力σが緩和されていることが判る。これを近似式で表すと、σ＝Ａｅｘｐ（−０．０４５３ｔ）となっている。理論的には、０．０４５３は、弾性率Ｅと粘性率ηの比（Ｅ／η）となっている。この他、一定プレス力を印加した場合の歪み応答のデータも取得可能である。
【００４９】
このようにガラス成形装置１０にて、粘弾性シミュレーションで必要とされる基礎データを収集することができる。
【００５０】
上述したように本実施の形態に係る成形材料特性測定装置を有するガラス成形装置１０によれば、微小なプレス力管理を必要とする小型レンズ（光学ディスク用ピックアップレンズ等）の成形において装置の小型化・低コスト化を実現し、かつ、高精度なプレス機構を実現することが可能となった。
【００５１】
また、成形温度近傍の高温下でのガラスの熱膨脹係数や粘弾性を測定・評価する装置としても用いることもできる。さらに、ガラスへ微細パターンを転写成形する際の、基礎データの収集ができ、金型製作時の参考データとすることも可能となる。
【００５２】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、プレス軸を上側として、成形チャンバの退避を上側として実施したが、プレス軸と成形チャンバの退避が同一方向であれば、上下逆であっても構わない。また、加熱装置が赤外線ランプヒータで、プレス軸が電動サーボモータで実施をしたが、別の手段の加熱手段（高周波誘導加熱等）であったり、プレス手段（リニアモータや油圧・空圧シリンダ）であっても構わない。さらに、バランスシリンダを設ける代わりに移動軸と同等の重量の錘を滑車を介して吊り下げるカウンタバランスを設けてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…ガラス成形装置、２０…フレーム、２１…支持部材、２４…リニアスケール、３０…電動サーボモータ、３１…ボールネジ、３２…スライダ、３５…バランスシリンダ、３６…シリンダ軸、４０…移動軸、４１…ダイホルダ、４２…移動型、５０…固定軸、５１…ダイホルダ、５２…固定型、６０…荷重検出器、７０…石英チャンバ（成形チャンバ）、７１…上側フランジ、７２…下側フランジ、７３…溶接ベローズ、８０…赤外線ランプユニット（加熱装置）、９０…窒素ガス供給部（不活性ガス供給手段）、９１…真空ポンプ（排気装置）、１００…制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形チャンバと、
この成形チャンバ内に互いに対向するように配置された固定型及び移動型と、
前記固定型をその背面側から支持する固定軸と、
前記移動型をその背面側から支持する移動軸と、
この移動軸を前記固定型に対して移動させるための駆動装置と、
前記固定型、前記移動型及びこれらの間に投入されたガラス素材を加熱するための加熱装置と、
前記成形チャンバ内に不活性ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記成形チャンバ内を減圧するための排気装置と、
前記成形チャンバを前記駆動装置側に移動可能に支持する移動支持部とを備えたガラス成形機に取り付けられる成形材料特性測定装置において、
前記固定軸を支持するフレームに支持されるとともに、前記成形チャンバに連通した空間内に配置され、前記固定型と移動型との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器とを備えていることを特徴とする成形材料特性測定装置。
【請求項２】
前記フレームには、前記移動軸に機械的に接続され、前記移動軸の軸方向の位置を検出するリニアスケールが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項３】
前記固定型及び前記移動型の金型温度、前記押圧力、前記移動軸の位置情報を出力する出力部をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項４】
成形温度域でのガラスの熱膨張係数、粘弾性基礎データを計測する計測部をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項５】
前記移動軸は、その移動が鉛直方向に沿って行われ、
前記固定軸は、前記移動軸の下方に設けられ、
前記荷重検出器は、前記固定軸に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項６】
前記移動軸には、上方への付勢を行うことで、前記移動軸の自重を相殺する自重相殺機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項１】
成形チャンバと、
この成形チャンバ内に互いに対向するように配置された固定型及び移動型と、
前記固定型をその背面側から支持する固定軸と、
前記移動型をその背面側から支持する移動軸と、
この移動軸を前記固定型に対して移動させるための駆動装置と、
前記固定型、前記移動型及びこれらの間に投入されたガラス素材を加熱するための加熱装置と、
前記成形チャンバ内に不活性ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記成形チャンバ内を減圧するための排気装置と、
前記成形チャンバを前記駆動装置側に移動可能に支持する移動支持部とを備えたガラス成形機に取り付けられる成形材料特性測定装置において、
前記固定軸を支持するフレームに支持されるとともに、前記成形チャンバに連通した空間内に配置され、前記固定型と移動型との間に作用する押圧力を検出する荷重検出器とを備えていることを特徴とする成形材料特性測定装置。
【請求項２】
前記フレームには、前記移動軸に機械的に接続され、前記移動軸の軸方向の位置を検出するリニアスケールが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項３】
前記固定型及び前記移動型の金型温度、前記押圧力、前記移動軸の位置情報を出力する出力部をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項４】
成形温度域でのガラスの熱膨張係数、粘弾性基礎データを計測する計測部をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項５】
前記移動軸は、その移動が鉛直方向に沿って行われ、
前記固定軸は、前記移動軸の下方に設けられ、
前記荷重検出器は、前記固定軸に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【請求項６】
前記移動軸には、上方への付勢を行うことで、前記移動軸の自重を相殺する自重相殺機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成形材料特性測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４０８７７（Ｐ２０１２−２４０８７７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１３６７（Ｐ２０１１−１１１３６７）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]