专利名称：压模成形设备、压模成形方法以及制造光学元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种压模成形设备和一种压模成形方法，它们被应用在光学元件或类似物的制造过程中，以通过加热和软化模塑材料(诸如预先形成近似形状的预型件)、接着利用成形模压模塑所述模塑材料来获得光学元件或类似物。本发明还涉及一种制造光学元件的方法。
背景技术：
为了制造光学元件，一种模塑材料，如玻璃材料，以加热且软化的状态在成形模中受压模塑，其中所述成形模被精密加工成预定形状且被加热到预定温度。结果，成形模的模塑表面被转录到玻璃材料上。因而，能够获得甚至不需要诸如研磨和抛光等后续处理也具有高表面精度和外形精度的光学元件。在这种情况下，为了在压模后从成形模分离或释放所述光学元件，需要在分离和释放前将成形模冷却到适当的温度。因此，为了通过连续和重复地执行压模成形过程来大量制造光学元件，所述成形模必须至少在挤压温度和分离温度间的预定温度范围内的热循环中被加热和冷却。
在这种情况下，如果感应加热被使用，那么作为加热装置的线圈本身不产生热量，但将被加热的物体(热发生器)被直接加热。因此，快速加热和快速冷却可以被执行。因而，感应加热在缩短模塑周期时间上是有利的。
考虑到以上所述，众所周知，在玻璃光学元件的精密挤压过程中，保证快速加热和充分热容量的高频感应加热被用作加热成形模的装置。
在另一方面，为了提高待模塑的光学元件的表面精度和外形精度，在上部和下部模(上部和下部成形模)被保持在相同的温度或者被给定预定温差的状态下，根据预定的加热/冷却方案精确地控制模塑周期是非常重要的。为了控制上部和下部模的温度使其至预定的温度，在上部和下部模被相互分开时，通过高频感应加热来加热上部和下部模子的模塑设备的方案被提供了。
对这种类型的模塑设备，日本专利申请出版物(JP-A)No.H05-310434(参考文件1)披露了一种模塑设备，其中环绕上部和下部模的加热线圈在平行于上部和下部模的移动方向的方向上移动，从而控制上部和下部模的温度。
日本专利申请出版物(JP-A)No.H11-171564(参考文件2)披露了另一种模塑设备，包括上部和下部模，其中一个是可移动模。当所述可移动模位于离开挤压位置的分离位置中，以便移走模塑的产品或供给模塑材料时，所述可移动模在所述分离的位置中被加热。
然而，参考文件1中披露的模塑设备需要在模塑室中设置大规模的装置，以便移动所述加热线圈。另外，为了供应模塑材料，下部模必须被极大地向下移出线圈。此时，下部模温度下降，这样需要长时间加热下部模。
在参考文件2披露的设备中，允许供应模塑材料的空隙被留在相互分开的上部和下部模模塑表面之间。因此，热量容易被周围气氛移走。在用于精确定位上部和下部模的定位件(如套管)伸出在上部和下部模的模塑表面的情况下，所述定位件的加热效率被降低了，且热变形不均匀。这导致定位件的配合误差。
特别是，为了提高生产率，建议使用包括细长形母模和多个成形模的模塑设备，其中所述多个成形模线形安装在所述母模上以挤压多个材料。在这种设备中，如果加热分布是不均匀的，那么母模被非均匀地加热，导致母模趋向热变形(翘曲)。如果母模发生热变形，那么每个成形模的上部和下部在垂直方向的同轴性会被损害。在这种情况下，所述设备模塑的光学元件(例如，透镜)会发生倾斜，从而使偏心度精度降低。另外，各个成形模模塑的光学元件中，厚度是不均匀的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了广泛地研究。结果发现，如果为移走模塑产品(光学元件)而对相互分开的上部和下部模启动下一个挤压循环的加热，并且为在移走模塑产品后预热模具而对相互紧邻或接触的模具的进行连续的加热，那么定位件或类似物的加热效率被提高了，从而防止了母模的变形以及定位件的配合误差。换句话说，模具中作为可移动模的一个模具在分离位置(也就是产品移走位置)以及紧邻或接触的位置中被连续加热。
然而，一个新的问题产生了。明确地说，假设加热线圈被设置在产品移走位置和紧邻位置(包括接触位置，以下同样适用)处，并且所述两个加热线圈的加热是连续进行的。在这种情况下，当可移动模位于紧邻位置中时，支撑所述可移动模的轴(主轴)被在产品移走位置中的加热线圈加热至热变形。这导致模塑产品精度的降低。
进一步说，如果上部和下部模被一个线圈加热，那么线圈的中心部分，也就是，上部和下部母模相对表面被非常容易地、快速地加热。结果，母模发生翘曲，如图1所示。
考虑以上所述，本发明人进一步坚持不懈地研究。结果发现，上述问题可通过分立地设置上部模加热线圈和下部模加热线圈，分别在紧邻位置和产品移走位置中设置可移动模的第一和第二加热线圈，以及根据可移动模的位置转换供向第一和第二加热线圈的电流的供给(通电)来解决。本发明基于以上所述发现。
本发明的一个目的是提供一种压模成形设备和制造光学元件的方法，它能防止轴(主轴)的热变形，并在短的生产周期时间内以高的偏心度精度和厚度精度稳定地制造光学元件。
本发明的另一个目的是提供用于生产光学元件的高精度的模塑设备和高精度的模塑方法，它们能获得所需的光学性能，而不需后处理，如压模塑后进行抛光。
本发明的另一个目的是提供一种压模成形设备和制造光学元件的方法，其能以高的生产效率同时模塑多个光学元件。
为了实现上述目标，本发明提供了一种压模成形设备，包括相互面对的上部和下部模，其中至少一个模作为可移动模具是可移动的；以及作为上部模和下部模加热装置的一对加热件，它们具有分别感应加热所述上部和下部模的加热线圈，其中，加热所述可移动模具的加热件包括加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈，用于加热在比第一位置更远离另一模具的第二位置中的可移动模具的第二加热线圈，以及用来从电源有选择地向第一和第二加热线圈供应电流的转换装置。
通过上述结构，即使上部和下部模是相互紧邻的，或是相互分离的，也能连续加热上部和下部模。因此，能在短生产周期时间内获得高表面精度和外形精度的模塑元件(光学元件)。明确地说，不论模塑材料供应和模塑产品移走的时间安排是怎样，第一或第二加热线圈被有选择地加电，与可移动模的运动相一致，以便可以选择最有效的加热方案。
另外，轴(主轴)没被加热，所以模塑元件(光学元件)的表面精度和外形精度没被降低。
本发明所述的压模成形设备中，每个上部模和下部模加热装置具有独立的电源。
以此结构，上部和下部模被独立地进行温度控制。因此，能够对应每个可移动模和固定模(每个上部和下部模)的热容量和预定温度执行独立的温度控制，且能够将每个上部和下部模保持在所需的温度。
在这里，优选在第一位置处上部模加热线圈和下部模加热线圈被以对应于每个加热线圈节距0.7至2倍的距离分开。优选的是，上部模和下部模加热线圈的节距彼此相等且大致均匀。如果不均匀，所述距离优选对应于加热线圈平均节距的0.7至2倍。
如果上部模和下部模加热线圈之间的间距小于0.7倍的线圈节距，那么在上部模和下部模加热线圈间的上部和下部模的相对表面的温度被过分地提高了，致使上部和下部模趋于翘曲变形。另一方面，如果所述间距大于2倍，那么上部和下部母模的相对表面，尤其是定位件(如果设置了定位件)，将很难被加热，且在上部和下部母模在上部模和下部模加热线圈中被加热时容易丧失热量。这可能导致加热时间的增加，从而延长周期时间，并且可能导致模塑材料的缺陷扩大。
根据本发明的设备优选包括如上所述独立电源，所述独立电源提供彼此不同的振荡频率。它的优点在于能够抑制上部和下部加热装置之间的振荡干扰，尤其是当它们在较靠近的位置中时(即，当位于其第一位置中的可移动模被加热时)。
本发明所述的利用上述模塑设备的压模成形方法包括当可移动模具在第一位置中时给第一加热线圈加电，而当可移动模具在第二位置中时给第二加热线圈加电。
以上述方式，即使(可移动)模具被移动，加热仍被连续执行，从而防止了所述(可移动)模具的冷却。因此，生产在短周期时间内被有效地实现了。
在本发明所述的压模成形方法中，优选用于加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈和用于加热另一模具的加热线圈通以不同频率的电流，或以时间分割方式加电。
如果相互紧邻的加热线圈被通以不同频率的电流或以时间分割方式通电，来感应加热上部和下部模，那么将上部和下部模加热到各自预定的温度，同时抑制上部和下部加热装置间的振荡干扰是可能的。进一步说，上部和下部模能在相互接近时被加热，此发明也对模塑周期时间的缩短做了贡献。
在本发明所述的方法中，互相面对的上部和下部模中的一个和另一个分别是固定模和可移动模，并且加热固定模的加热线圈和在第二位置中加热可移动模具的第二加热线圈是同时加电的。
这样，当相互分开的加热线圈被几乎同时加电时，没有干扰产生。因此，高频感应加热能被同时执行以提高加热效率。以这种方式，所述可移动模在任何位置中被连续加热，使得加热效率提高，并且上部和下部模之间的温度平衡没有被破坏。
根据本发明，上述方法还包括当可移动模在第一位置中时加热上部和下部模具，将被加热和软化的材料供给到相互分离开从而使可移动模位于第二位置中的上部和下部模具之间，利用上部和下部模具将材料压模塑成光学元件，以及当上部和下部模具分离开从而使可移动模具位于第二位置中时从上部和下部模具之间移走这样模塑的光学元件。
明确地说，在第一位置中的可移动模具和固定模具被加热到预定温度。即使当可移动模具被移到第二位置时，所述可移动模具和所述固定模具仍被加热到预定温度，并且材料被供应到可移动模具和固定模具之间。
以上述方式，至少在模具加热步骤、材料供应步骤和移走步骤中，恰当地执行上部和下部模具的温度控制是可能的，并且在短的生产时间内制造高表面精度和外形精度的光学元件是可能的。
图1是显示母模热变形(翘曲)的示意图；图2是根据本发明一个实施例的压模成形设备的平面示意图；图3是图2所示挤压单元的平面示意图；图4显示了图3所示的带有电源电路的挤压单元的侧面横截面示意图；图5是与图4近似的附有时间分割控制单元在其上的示意图；图6是在时间分割方式下加热时，描述加热线圈通电情况的示意图；图7是浮板和支撑臂的平面示意图；图8显示了上部和下部模与加热线圈之间的关系，同时显示了加热线圈通电和模具温度之间的关系；以及图9是描述模塑偏心度和非球面偏心度之间的关系的示意图。
具体实施例方式
现在，参照附图描述本发明的实施例。
在下述的实施例中，本发明被应用在制造玻璃光学元件的设备上。然而，本发明并不限于此实施例，并可用于树脂光学元件的制造或除了玻璃光学元件和树脂光学元件外的各种其他产品的制造。
参见图2，用来制造玻璃光学元件的设备将被作为本发明所述的压模成形设备的实施例来描述。
图2显示的设备是通过压球形玻璃预型件来制造小尺寸的准直透镜。通常，多个(所述实施例中为4个)球形玻璃预型件G同时被供应到所述设备的外壳中，并且在被加热和软化的状态下通过成形模挤压、冷却，然后运送到外壳外。通过重复上述操作，许多准直透镜被连续制造出来。
如图2所示，设备10具有加热室20和模塑室40。所述加热室20和模塑室40通过通道60连接，通道60具有使两室连通的开/关阀61。加热室20、模塑室40和通道60的组合形成了与外界隔离的封闭空间。所述封闭空间被外壁环绕，所述外壁可由不锈钢或任何其他适合的材料形成。通过在连接部分使用密封材料，封闭空间的气密性被保证了。在模塑所述玻璃光学元件时，加热室20、模塑室40和通道60形成的封闭空间被充入惰性气体保护气氛。明确地说，利用气体交换设备(未显示)，封闭空间中的空气被抽空，惰性气体被充入以替代。作为惰性气体，优选使用氮气或者氮气和氢气的混合气体(例如，N2+0.02vol％H2)。
所述加热室20是挤压前被预加热的玻璃预型件供给到的区域。所述加热室20装备有预型件供应单元22、预型件传送单元23和预型件加热单元24。此外，用来将玻璃预型件从外界送入加热室20的供给准备室21被提供了。
所述供给准备室21设置了四个托盘(未显示)，在所述四个托盘上利用机械手(未显示)分别放置四个玻璃预型件。在托盘上的玻璃预型件被设置在供给准备室21中的预型件供应单元22的吸盘吸住，并引入所述加热室20中。为了防止空气流入所述加热室20，所述供给准备室21被关闭，并在玻璃预型件放在所述托盘上后充以惰性气体。
所述预型件传送单元23接收从供给准备室21引来的玻璃预型件，传送所述玻璃预型件至预型件加热单元24加热的加热区域，然后进一步传送被加热和软化状态下的玻璃预型件至模塑室40。所述预型件传送单元23包括臂25和固定在臂25末端的四个板26，并分别将玻璃预型件保持在所述板上。
在本实施例中，设有板26的臂25被固定在加热室20中的驱动部分23a水平地支撑。通过所述驱动部分23a的驱动，臂25在水平面旋转大约90°。所述臂25在以驱动部分23a为中心的径向方向上是可伸展和缩回的。利用这种结构，臂25将保持在板26上的玻璃预型件传送至模塑室40。
所述预型件传送单元23具有设置在驱动部分23a上的臂开/关机械结构(未显示)。所述臂开/关机械结构用于打开臂25端部，以使板26上的玻璃预型件落到成形模上。
当玻璃预型件被预加热，并在软化状态下被传送时，所述玻璃预型件可能接触传送件，也就是预型件传送单元23。在这种情况下，缺陷在玻璃表面产生，导致模塑后光学元件外形精度的降低。考虑到上述问题，预型件传送单元23优选设有浮动件，该浮动件通过使用气体使得玻璃预型件以浮动的状态传送。例如，如图7所示的拼合式浮板和支撑所述浮板的可分离臂的组合被使用。
在模塑光学元件后，为自动移走相互分离的母模之间的光学元件，优选设置具有吸盘的吸力传送单元。
所述预型件加热单元24用于将供给它的玻璃预型件加热到与预定粘度相应的预定温度。为了稳定地将所述玻璃预型件加热到预定温度，优选使用通过电阻器元件进行电阻加热的加热器(如Fe-Cr加热器)。所述预型件加热单元24从侧面看通常具有90°旋转的U型形状，并具有设置在所述预型件加热单元上部和下部内表面上的上部和下部加热件。如图2所示，预型件加热单元24被放置在保持在臂25上的玻璃预型件的移动轨道上。
除了当从预型件供应单元22接收玻璃预型件和向模塑室40传送玻璃预型件时以外，所述臂25被放置在预型件加热单元24之中。预型件加热单元24的加热器表面温度约为1100℃，并且炉内气氛，也就是在上部和下部加热件之间的气氛约为700-800℃。在本实施例中，在上部和下部加热件之间的温差被给定，用来防止臂25在垂直方向上被翘曲。
在另一方面，模塑室40是加热室20中被预加热的玻璃预型件被挤压和模塑来制造具有所需形状的玻璃光学元件的区域。所述模塑室40装备有挤压单元41和用来输送玻璃光学元件的输送单元42。此外，移走准备室43被设置用来在玻璃光学元件被压模塑后，将玻璃光学元件输送到外界。
挤压单元41接收由预型件传送单元23从加热室20传送来的六个玻璃预型件，并且压所述玻璃预型件来获得具有所需形状的玻璃光学元件。所述挤压单元41具有设置有模塑表面的上部和下部模具，并且同时通过模塑表面挤压供给在模具间的六个玻璃预型件。通过打开臂25的端部，所述预型件加热单元23的臂25上的六个玻璃预型件落入下部模具中。所述臂25从上部和下部模具之间的位置撤回后，下部模具立即向上朝着上部模具移动。因此，夹在上部和下部模具之间的玻璃预型件被挤压。每个上部和下部模具均包括母模和支撑在母模上的成形模。
所述成形模被用来加热成形模的高频感应加热线圈410环绕。挤压玻璃预型件之前，所述成形模被所述感应加热线圈410加热，并保持在预定温度。压的过程中所述成形模的温度基本上等于或稍微低于预加热的玻璃预型件的温度。作为优选，成形模的温度低于玻璃预型件的温度，以使模塑周期时间被缩短，并且抑制成形模的磨损。下文将详细描述的，独立用于上部和下部模具的感应加热线圈410的加热被执行。
所述输送单元42用来将挤压单元41挤压的玻璃光学元件输送给移走准备室43。所述输送单元42具有驱动部分42a、可旋转的支撑在驱动部分42a上的臂42b和固定在臂42b端部的四个吸盘42c。所述吸盘42c通过真空抽吸吸取下部模具的成形模上的四个玻璃光学元件，以便能通过输送单元42来输送玻璃光学元件。如此被吸取的玻璃光学元件通过臂42b的旋转被输送到移动准备室43下方的位置，并被放置在设置在所述位置的提升件上(未显示)。所述臂42b撤回后，所述提升件被向上移动，并且所述玻璃光学元件被输送至所述移走准备室43中。
在本实施例中，提升件的透镜安装表面靠近移走准备室43的开口，它与模塑室40联系，从而阻止移走准备室43和模塑室40之间的气体交换。打开移走准备室43的上部后，通过使用诸如机械手等输送构件，移走准备室43中的玻璃光学元件被逐个输送至外界。在玻璃光学元件被输送后，移走准备室43被关闭，并被充以惰性气体。
接下来，挤压单元41将被详细描述。
参见图3和图4，挤压单元41包括上部和下部模具，每个上部和下部模具都有母模和成形模。所述上部和下部母模411a和411b具有细长的形状，并分别连在作为固定和移动主轴的上部和下部主轴412a和412b之上。所述上部母模411a和下部母模411b分别设有多个上部成形模413a和下部成形模413b。在所述实施例中，每个上部和下部母模411a和411b的数量等于4，但该数量可以为2至10中任意所需的数量。
所述上部母模411a被连接在固定于设备主体的上部主轴412a之上。所述下部母模411b被连接在由伺服电机(未显示)驱动的下部主轴412b之上。通过上述提到的结构，下部母模411b能在上部和下部成形模413a和413b相互紧靠的第一位置与上部和下部成形模413a和413b以预定距离相互分离的第二位置之间移动，并能在模塑过程的不同步骤(模具加热步骤、材料供给步骤、挤压步骤、分离步骤，以及移走步骤)中停止在第一和第二位置处。
所述上部和下部母模411a和411b响应从模塑控制部分(未显示)送到伺服电机的、与预定模塑周期同步的驱动信号进行接触和分离。
在本实施例的压模成形设备中，只有下部母模是可移动的。作为选择的是，只有上部模，或者上部和下部模两者都可以移动。
在上部母模411a被固定的位置处，环绕所述上部母模411a的上部模感应加热线圈(上部模加热线圈)410a被设置。对下部母模411b，第一感应加热线圈(第一下部模加热线圈)410b-1和第二感应加热线圈(第二下部模加热线圈)410b-2(可统称为下部模加热线圈410b)被设置在第一和第二位置的附近，以便下部母模411b分别在第一和第二位置处停止时环绕下部母模411b。第一和第二下部模加热线圈410b-1和410b-2与转换单元420连接，用来有选择地加热第一或第二下部模加热线圈410b-1或410b-2。
上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1在垂直方向间的距离S优选等于上部模和下部模加热线圈的平均线圈节距P的0.7到2倍的，更优选为0.8到1.5倍。如果上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1在垂直方向间的距离S小于上述范围，那么由于上部模和下部模相对表面的温升使得上部模和下部模趋向发生翘曲。如果所述距离S大于上述范围，那么当下部模在第一位置中被加热时，上部模和下部模不能相互紧靠。因此，上部模和下部模相对表面处的加热效率被降低了。
在本实施例中，为了以相互紧密接近的方式安排上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1，线圈之间的距离几乎等于平均线圈节距。
在下文将详细描述，上部模和下部模加热线圈410a和410b被分别独立地连接到电源和温控部分，它们的输出也是可独立控制的。
因此，尽管上部和下部母模411a和411b在热容量上显著不同，但是可控地加热上部和下部母模411a和411b至相同的温度是可能的，反之，在上部和下部母模411a和411b之间给定所需的温差也是可能的。考虑上部和下部母模411a和411b的热容量，确定上部模加热线圈410a和第一、第二下部模加热线圈410b-1和410b-2的匝数和位置范围。
当上部和下部母模411a和411b被电源和加热线圈独立加热时，与上部和下部母模411a和411b被一个单独线圈加热的情况相比较，能够防止上部和下部母模的相对表面被加热到更高的温度。因而，可以防止母模翘曲。因此，这种独立控制在高精度透镜中是特别有利的，其中，由翘曲引起的偏心度精度(每个上部和下部模的轴的倾斜度)的恶化会导致严重问题。此外，翘曲的防止使得上部和下部母模能够精确定位，并从而在偏心度精度(偏心，也就是，上部和下部模的轴的位移)的提高方面是有效的。
作为上部和下部母模411a和411b的材料，它是由利用感应加热来产生热量并具有耐热性的热发生材料制成的。例如，所述热发生材料可以是钨合金或镍合金。作为上部和下部成形模413a和413b，可以使用陶器材料，如碳化硅或氮化硅，或者硬质合金。
这里应注意，用作上部和下部母模411a和411b的热发生材料优选具有与上部和下部成形模413a和413b材料近似的热膨胀系数。例如，在成形模是由陶瓷材料制成的情况下，钨合金优选用作热发生材料。
在每个上部和下部成形模413a和413b的模塑表面上，释放膜层(releasing film)可被形成。作为释放膜层，贵重金属(如Pt、Ir、Au)的膜层或以碳为主要成分的膜层可被使用。碳膜层是有优势的，因为它便宜且释放效果出色。
当模塑材料被供给时和模塑的产品被移走时，上部和下部母模411a和411b被完全分开。因此，当上部和下部母模411a和411b在挤压过程中朝向对方移动时，上部和下部母模411a和411b必须被精确地定位。为此，定位销415a和定位孔415b被设置用来使上部和下部母模411a和411b相对于彼此定位。定位销415a和定位孔415b可统称为定位件。在本实施例中，上部母模411a被设有定位销415a，同时下部母模411b被设置有定位孔415b。
此外，所述四个上部成形模413a中的每个在它的外围都设有套管414a。另一方面，四个下部成形模413b中的每个成形模都设置有与套管414a以窄间隙相配合的套管孔414b。套管414a和套管孔414b可统称为套管件。以此结构，当上部和下部母模411a和411b相互接近时，上部成形模413a的套管414a和下部成形模413b的套管孔414b沿着彼此滑动，并且以窄间隙彼此配合。因此，上部和下部成形模413a和413b被进一步地精确地相互定位。结果，偏心度精度(偏心度和倾斜度)能被保持在预定的范围中。
优选地是，用来定位上部和下部母模411a和411b的定位销415a和定位孔415b之间的间隙为10-40μm。另一方面，上部成形模413a的套管414a和下部成形模413b的套管孔414b之间的间隙优选为1-10μm。在其他情况中，如果所述间隙小于上述范围，就不能光滑地执行滑动。如果所述间隙大于上述范围，会产生松动并且定位精度降低了。
不局限于上述内容，上部和下部模(上部和下部母模，以及上部和下部成形模)可以以不同的方式定位。例如，伸出件可被形成在下部母模(下部模)上。此外，定位件(定位销和定位孔)和套管件(套管和套管孔)中仅有一个被设置。
如图4所示，本实施例中的加热线圈410a和410b分别连接独立电源(上部模电源416a和下部模电源416b)。上部模和下部模电源416a和416b被分别连接到独立的温控部分(上部模温控部分417a和下部模温控部分417b)。所述上部模电源416a独立地向上部模加热线圈410a供应电流，而下部模电源416b独立地向下部模加热线圈410b供应电流。
在本实施例中，上部模加热线圈410a、上部模电源416a和上部模温控部分417a的组合形成了上部模加热装置，同时下部模加热线圈410b(410b-1和410b-2)、下部模电源416b、下部模温控部分417b和转换单元420的组合形成了下部模加热装置。
上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1具有彼此不同的振荡频率。这里，上部模加热线圈410a的振荡频率和第一下部模加热线圈410b-1的比例优选为1∶1.5或更多，更优选为1∶1.5到1∶7。
如果所述上部模和下部模加热装置的振荡频率是显著不同的，那么加热环境，诸如感应加热的贯入深度和线圈的能量转移率，是不同的，以致压模塑条件在上部和下部模之间是不同的。在上述范围中的振荡频率的比率是有利的，因为上部和下部模的加热环境是大致相同的。进一步说，在上述范围中，作为加热的结果，各母模的氧化程度大致上等同。因此，表面条件影响下的热辐射条件也是基本上等同的。更优选的是，所述范围为1∶1.5到1∶3，尤其是1∶1.5到1∶2。
上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1的振荡频率中的任何一个振荡频率可以更高。优选与上部和下部模中热容量小的一个对应的线圈具有更高的频率。
优选的是，上部和下部模电源416a和416b每个的振荡频率落在15-100kHz的范围内。原因如下如果电源的振荡频率超过100kHz，那么感应加热的贯入深度是小(浅)的，所以只有母模表面部分被加热到高温度。在这种情况下，朝向环绕物的辐射热损失增加了，并且设置在母模上的成形模的加热效率降低了。如此高的频率从成本上讲也是不宜的。
低于15kHz的振荡频率落入声音频带内，导致不愉快的声音或噪声的产生。例如，上部模和下部模电源416a和416b的振荡频率中的一个是15-50kHz，另一个是20-50kHz。
第二下部模加热线圈410b-2的频率可被近似选取。然而，如果在本实施例中，第一和第二下部模加热线圈410b-1和410b-2由一个电源运转，那么第一和第二下部模加热线圈410b-1和410b-2优选以同一频率振荡。在这种情况下，第二下部模加热线圈410b-2的振荡频率优选落在15-100kHz的范围内，例如20-50kHz。优选的是，每个上部模和下部模加热装置的电路设有噪音保护装置(如屏蔽物或噪音过滤器)。
当下部母模411b位于紧邻上部母模411a的第一位置中时，下部模加热装置通过转换单元420向第一下部模加热线圈410b-1供应电流。当下部母模411b位于离开上部母模411a的第二位置中时，下部模加热装置向第二下部模加热线圈410b-2供应电流。这样，在第二下部模加热线圈410b-2的加热下，能够防止所述下部主轴412b被破坏或膨胀，并且能量消耗是有效的。在转换中，优选在供至第一下部模加热线圈410b-1的电流被停止之后，并且在第二下部模加热线圈410b-2被供给电流之前，保持预定的时间间隔(例如，0.5到2秒)。以这种方式，在下部母模411b移动过程中，停止通过第二下部模加热线圈410b-2的加热是可能的。
第一和第二下部模加热线圈410b-1和410b-2之间的距离是由下部模在垂直方向上的行进距离确定的。如果上述距离过大，那么下部模的行进距离增加，以便在移动中使下部模的模塑表面被环境气氛冷却。在另一方面，如果所述距离过小，那么预型件的供给和模塑后的光学元件的输送不能被平稳地执行。考虑上述问题，第一下部模加热线圈410b-1(下端)和第二下部模加热线圈410b-2(上端)之间的距离L，例如，在20和80mm之间。
上部和下部成形模413a和413b的温度控制是以下述方式实现的。母模411a和411b分别设有上部模温度传感器(热电偶)418a和下部模温度传感器(热电偶)418b。上部模和下部模温度传感器418a和418b的输出被分别提供给上部模和下部模温度温控部分417a和417b。为了达到预定温度，例如，PID(比例、积分、微分)控制被执行。即使上部和下部母模411a和411b在热容量上显著不同，目标温度也能通过独立控制与母模热容量和电源容量相对应的上部和下部成形模413a和413b的温度来达到。进一步说，通过调整上部模和下部模电源416a和416b的输出，使其与上部和下部母模411a和411b间的热容比相一致，上部和下部成形模413a和413b能以彼此大致相等的加热时间达到目标温度。
如上所述，所述上部和下部母模411a和411b响应从模塑控制部分(未示出)送到伺服电机的与预定的模塑周期相对应的驱动信号而进行接触和分离。明确地说，当玻璃预型件被供应时，下部母模411b停在离开上部母模411a的第二位置。为了将上部和下部模保持在预定温度，下部母模411b能够停在上部和下部母模411a和411b互相紧靠的第一位置处。在供应玻璃预型件时，传送单元23通过上部和下部母模411a和411b之间的空间将所述玻璃预型件供应到下部成形模413b的上部。当玻璃预型件被压模塑时，所述下部母模411b与上部母模411a挤压接触(紧接触)，以施加预定负载。
为了移走挤压后的光学元件，下部母模411b被向下移，并停在第二位置处。接着，所述模塑后的光学元件被输送单元42从上部和下部母模411a和411b之间的空间移走。这里，当玻璃预型件被供应时和当挤压后的光学元件被移走时的下部母模的位置是相同的位置(所述第二位置)，然而，这些位置不需要相同，只要下部母模被环绕下部母模的第二下部模加热线圈充分加热。
参见图5，上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1可以以时间分割方式被通电。在这种情况下，时间分割控制部分430控制上部模和下部模电源的加电次数。所述时间分割控制部分430产生门信号，用来交替给上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1加电。所述门信号的例子如图6所示。对这些加热线圈中每个进行加电的时间和不加电的时间分别为大约0.75秒和0.1秒。
参见图8，下文将描述利用具有上述结构的设备，依据本发明实施例的一种制造玻璃光学元件的方法。
(a)模具加热步骤在上个的模塑周期完成后，所述上部和下部成形模被冷却到大约Tg或者低于Tg的温度。因此，将上部和下部成形模加热到适合压模塑的温度是必须的。对此，下部母模411b被移动到紧邻上部母模411a的第一位置并停止。此时，下部母模411b被第一下部模加热线圈410b-1环绕。上述的第一下部模加热线圈410b-1和环绕上部母模411a的上部模加热线圈410a被供应电流，以使上部和下部母模411a和411b产生热量。通过热传导，所述上部和下部成形模被加热到预定温度(见图8中的(a))。此时，最小化成形模间的温度变化是重要的。
上部和下部成形模的预定温度通常是彼此相等的。作为替代，根据待模塑透镜的形状和直径，在上部和下部成形模间可设定温差。
上部和下部母模的热容量通常是不同的，所以加热效率是不同的。在考虑到上述情况的基础上，确定高频线圈的匝数和输出范围。
本实施例的模塑设备中，为了加热上部和下部母模至互相接近的程度，上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1被紧邻在一起。如上所述，上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1间的距离优选对应为线圈节距的0.7至2倍。如果上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1被以比节距大的距离相互分开，那么在上部和下部母模411a和411b相对表面之上伸出的伸出件如套管414a很难被加热，而且当上部和下部母模411a和411b在上部模和下部模加热线圈410a和410b中被加热时它们的热量容易被带走。这导致加热时间的增加，延长了周期时间，当套管414a装入套管孔414b以限定位置时造成配合误差，还导致了模塑材料的缺陷扩张。
在本实施例中，伸出件，如形成在上部母模41上的套管414a和定位销415a在模具加热步骤中可与下部母模411b上的套管孔414b和定位孔415a相接触或配合。如果在伸出件，如套管414a和定位销415a与套管孔414b和定位孔415a相接触或配合时，实施模具加热，那么伸出件的暴露部分被减少了，以使气氛的冷却被抑制，并且暴露部分被充分加热了。
然而，接触和配合不是必要的，但是充分的，上部和下部相对表面，以及伸出件形成了能防止气氛气体对流的空间。
所述上部和下部母模411a和411b的预定温度可彼此相等或具有给定的温差。例如，根据待模塑的光学元件的形状和直径，下部母模411b的温度可比上部母模411a的温度高或低。上部和下部母模411a和411b的温度与玻璃预型件的粘度108至1012泊相对应。在上部和下部母模411a和411b的温差被给定的情况下，温差优选落在2-15℃的范围内。
上部和下部母模411a和411b的温度控制以如下方式执行。在上部和下部母模411a和411b上的上部模和下部模温度传感器(热电偶)418a和418b的输出分别被供至上部模和下部模温控部分417a和417b。为了达到预定温度，例如PID控制被执行了。
当接近目标温度时，加热线圈的输出可通过降低供给加热线圈的电流来减少。
如上所述，上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1在振荡频率上是不同的。以这种方式，即使线圈以相互紧密接近的程度同时振荡，也能防止不稳定的加热或相互干扰产生的令人不愉快的噪音的发生。在上部模加热线圈410a和第一下部模加热线圈410b-1以时间分割方式振荡的情况下，相互干扰能被进一步地可靠地减少。
模具加热步骤可根据母模的尺寸(热容量)和电源的容量，在所需的时间周期内被执行。例如，所述模具加热步骤被执行约20-40分钟。
这样，上部和下部模能独立地和快速地进行温度控制。
(b)材料供给步骤在模具加热步骤中加热的下部母模411b被向下移动到第二位置，以使上部和下部成形模分开。所述预型件(玻璃材料)通过上部模和下部模之间的空间被输送和供给，并放置在下部成形模上。
当模具加热步骤中的加热结束后，转换单元420停止向第一下部模加热线圈410b-1供应电流。当下部母模411b被移到第二位置并且停止时，转换单元420向位于第二位置的第二下部模加热线圈410b-2供应电流，从而加热第二下部模加热线圈410b-2。因此，即使在下部母模411b以模具打开的状态停在第二位置处、以便供给模塑材料时，下部母模411b也能被连续加热。如此，到达所需温度的所需时间被最小化。
由于上部和下部模在模具加热步骤中接近目标温度，因此在材料供给步骤的热输出可低于模具加热步骤的热输出(见图8(b))。此时，母模的温度分布被减少，以在成形模中获得均匀的受热。
如此供给的玻璃材料可以是具有适当重量、预形成预定形状的、且被软化到适合模塑的粘度的玻璃材料。作为替代，温度低于适合模塑温度的玻璃材料可被供应到上部和下部模中间，并进一步在模具中加热。在玻璃材料被初步加热到高于模具预定温度的温度，并以软化状态供应的情况下(所谓的非等温挤压的情况)，所述模具温度必须精确地受控。因此，本发明被方便地应用。在这种情况下，所述模塑周期时间可被缩短以提高制造效率。
在那时，玻璃材料的温度对应于低于109泊的粘度，优选106-108泊。
当软化状态下的玻璃材料被传送和放置在下部模上时，所述玻璃材料可能与传送件接触，从而引起表面缺陷。这影响了待模塑光学元件的表面外形。考虑上述观点，优选使用一种装置，它通过使用气体使被软化的玻璃材料以浮动的状态被传送，并使玻璃材料落在下部模上。
所述材料供给步骤优选尽可能短。例如，所述材料供给步骤执行大约1至5秒。
(c)挤压步骤在上部和下部模，以及玻璃材料落入各自的预定温度范围，并且玻璃材料被加热和软化的状态下，下部母模411b被向上移到第一位置，以使上部和下部模相互挤压接触(紧接触)，并挤压上部和下部模，以便上部和下部模的模塑表面被转录。结果，具有预定表面外形的玻璃光学元件被模塑出来。通过致动驱动装置(例如，伺服电机)，下部模被向上移动。在玻璃材料以被加热和软化状态被供给的情况下，供应过程之后挤压过程立即执行。
考虑在后续冷却步骤中玻璃的热收缩，将参考待模塑的光学元件的厚度初步确定用于挤压的下部模上冲程。根据待模塑的光学元件的形状和尺寸，挤压方案被适当地确定。进一步说，例如，通过执行第一次挤压操作，接着减少或释放负载，然后执行第二次挤压操作，来执行多次挤压。
考虑缩短生产周期时间，优选一旦挤压步骤开始，就停止加热线圈410a和410b的电流供应(见图8(c))。以这种方式，上部和下部母模的温升停止了，并且上部和下部母模开始冷却。
挤压步骤优选尽可能短。例如挤压步骤执行约1至10秒。
(d)冷却/分离步骤在压力被保持或降低的状态下，如此模塑的玻璃光学元件与成形模保持紧密接触。在冷却到与1012泊玻璃粘度相对应的温度后，所述玻璃光学元件被从模具上分离。所述分离温度优选不高于与1012.5泊对应的温度，考虑生产周期时间的缩短，更优选与1012.5至1013.5泊对应的温度。
在这种情况下，下部母模411b位于第一位置中。然而，所述第一下部模加热线圈410b-1没有被供应电流，也就是说，没被加热。所述上部母模411a也没有被加热(见图8(d))。
另一方面，根据玻璃材料(磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃，或类似物)的组成或根据光学元件(凹透镜或类似物)的形状，光学元件可能易出现裂纹。在这种情况下，在开始挤压步骤后加热线圈410a和410b-1被连续供应电流时，能够使温度下降。在这种情况下，本发明的加热装置的效果是显著的，这是因为在上部和下部模被紧密接触时，温度控制按需执行。
根据光学元件的形状、厚度、直径和所需表面精度，适当地确定冷却步骤所需的时间。例如，冷却步骤执行约25至40秒。
(e)移走步骤通过利用具有抽吸件或类似物的移动臂，已被模塑的玻璃光学元件被自动地从相互分开的上部和下部模上移走。此时，下部母模411b被向下移到第二位置。上部模加热线圈410a通过上部模电源416a供应电流，同时通过转换单元420，第二下部模加热线圈410b-2由下部模电源416b供应电流。结果，上部和下部母模通过这些加热线圈被加热。这样，为下一个模塑周期的上部和下部母模的加热被启动(见图8(e))。
移走步骤被执行，例如，大约1至6秒。
通过重复上述步骤，连续的压模塑操作被执行了。例如，模塑周期所需的时间优选大约为45至95秒。
在前述的实施例中，上部模被固定，而下部模是可移动的模具。作为替换，上部模可以是可移动的模具，而下部模是固定的。进一步替换的是，上部和下部模都是可移动的模具。
例如，采用本发明所述方法制造的光学元件可以是透镜。在形状上没有限制，透镜可以是双凸透镜、双凹凸透镜、凸凹透镜等。特别是，甚至在透镜的外径为15-25mm的中等孔径透镜中，厚度精度和偏心度精度仍可被出色地保持。例如，厚度精度在±0.03mm之间。对偏心度精度，本发明被有利地应用在具有2弧分或更小倾斜度和10μm或更小偏心度的光学元件的制造上。
接着，将描述利用本发明所述的模塑设备和方法来制造玻璃光学元件的特定实施例的结果。
利用图2至图4中显示的压模成形设备，通过图8(a)至(e)中显示的各步骤，挤压扁平的球形的硼硅酸钡玻璃预型件(临界点为515℃和软化点为545℃)，以获得外径为18mm的双凸透镜(其一面为球面，另一面为非球面，球面的曲率半径为50mm，非球面的近轴半径为28.65mm，中心厚度为2mm)。
上述透镜的外周边处具有凸缘状的扁平部分。通过在所述部分比较最大厚度和最小厚度，每个上部和下部成形模的轴线的倾斜，也就是，模塑倾斜可被测量出来。
双凸透镜的四套成形模和套管被加在上部和下部母模上。上部和下部母模具有10∶7的容积比(热容量比率)。所述设备的上部模电源具有30kW的最大输出和18kHz的频率，而下部模电源具有30kW的最大输出和35kHz的频率。
通过上述的加热步骤(a)，上部和下部母模被加热。同时，在不同的地方的加热炉(未显示)中，所述玻璃预型件在浮动的状态下被加热和软化。明确的说，玻璃预型件被图7中所示的可开/关支撑臂上的拼合式浮板(玻璃碳制成)下吹出的气流浮起。通过分开浮板，玻璃预型件下落被送到下部成形模上。此时，预型件和母模的预热温度分别等于625℃(对应107泊的玻璃粘度)和580℃(对应108.5泊的玻璃粘度)。下落并供应所述预型件后，所述支撑臂被立即撤回，并且下部母模被向上移动。接着，以150kg/cm2的压力开始挤压。
开始挤压后，不加热地进行挤压，直到上部和下部母模被相互接触。接着，氮气被吹向母模的侧表面。同时，使氮气吹入母模以进行冷却。
之后，在成形模和玻璃光学元件保持相互接触时，冷却一直进行直到不高于临界点的温度被达到。接着，下部母模被向下移动，作为压模塑产品的透镜被具有吸盘的移走单元移走，同时第二下部模加热线圈的加热开始进行。移走后，上部和下部母模的加热立即开始进行，下一个挤压周期被连续执行。在本设备中，上部和下部母模的加热速度基本上彼此相等，模塑周期时间是60秒。四个如此模塑的透镜的性能如表1所示。
这里，模塑倾斜度是由每个上部和下部成形模的轴倾斜引起的透镜偏心度。模塑偏心度(decenter)是由水平方向上的上部和下部成形模的移动引起的透镜偏心度。所述非球表面的偏心是通过公知的非球面分析仪测量的。所述模塑倾斜度是通过在模塑透镜外围处扁平部分的最小厚度和最大厚度之间的差距以及透镜挤压直径计算出来的。非球表面偏心度、模塑倾斜度和模塑偏心度之间的关系在图9中显示。根据此关系，模塑偏心度被计算出来。
所有的四个透镜满足了包括表面精度的规范。
表1
如上所述，当多个(本实施例中为4个)成形模被安置在每个细长形母模上，并且四个预型件被同时挤压的情况下，获得一个极好的结果。因此，即使母模在尺寸上增加以同时在一次挤压操作中模塑许多透镜，母模的加热，尤其是可移动母模的加热通过多个加热线圈和转换单元也能被有效地实现。因此，以高的偏心度精度(倾斜度、偏心度)模塑光学元件是可能的。
由于上部和下部加热装置是相互独立的，所以能够防止母模翘曲。因此，通过成形模在相对端部处挤压的透镜在光学性能上没有降低，而且稳定生产是可能的。
由于母模的热变形被抑制了，所以当上部和下部模相互接近时，即使定位件的间隙被减少了，配合误差或摩擦也都没有产生。结果，上部和下部成形模的同轴度被提高了，以使模塑透镜的偏心度精度可被进一步提高。
因此，本发明也可被应用在光学拾取器的物镜上，所述物镜需要非常严格的偏心度精度。
如上所述，根据本发明，可移动模具的加热线圈被有选择地加热，以使可移动模具能在供应材料的供应步骤中和移走模塑产品的移走步骤中被连续加热。因此，能够缩短达到所需模塑温度所需的时间，并且能够缩短模塑周期时间。
尽管结合本发明的优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域的熟练技术人员容易理解本发明不局限于上述描述，它可被以多种其它方式进行变化或改进，而不脱离本发明附加的权利要求中阐明的精神和范围。
权利要求
1.一种压模成形设备，包括相互面对的上部和下部模，其中至少一个是可移动的以作为可移动模具；以及作为上部模和下部模加热装置的一对加热件，它们具有分别感应加热所述上部和下部模的加热线圈，其特征在于加热所述可移动模具的加热件包括加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈，加热在比所述第一位置更远离另一模具的第二位置中的可移动模具的第二线加热圈，以及用来从电源有选择地向第一或第二加热线圈供以电流的转换装置。
2.根据权利要求1所述的压模成形设备，其特征在于每个上部模和下部模加热装置具有独立的电源。
3.根据权利要求2所述的压模成形设备，其特征在于，上部模和下部模加热装置的独立电源提供彼此不同的振荡频率。
4.一种使用压模成形设备制造光学元件的方法，所述装置包括相互面对的上部和下部模，其中至少一个是可移动的以作为可移动模具；以及作为上部模和下部模加热装置的一对加热件，它们具有分别感应加热所述上部和下部模的加热线圈，用于加热所述可移动模具的所述加热件包括加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈，加热在比所述第一位置更远离另一模具的第二位置中的可移动模具的第二线加热圈，以及用来从电源有选择地向第一或第二加热线圈供以电流的转换装置；所述方法包括当可移动模具位于第一位置中时给第一加热线圈加电；以及当可移动模具位于第二位置中时给第二加热线圈加电。
5.根据权利要求4所述的压模成形方法，其特征在于用于加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈和用于加热另一模具的加热线圈以不同频率被加电。
6.根据权利要求4所述的压模成形方法，其特征在于用于加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈和用于加热另一模具的加热线圈以时间分割方式加电。
7.根据权利要求6所述的压模成形方法，其特征在于互相面对的上部和下部模中的一个和另一个分别是固定模和可移动模，并且用于加热固定模的加热线圈和用于在第二位置处加热可移动模具的第二线圈是同时被加电的。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括当可移动模具位于第一位置中时加热上部和下部模具；将被加热和软化的材料供给至分离开从而使可移动模具位于第二位置中的上部和下部模具之间；利用上部和下部模将材料压模塑成光学元件；以及当上部和下部模分离开从而使可移动模位于第二位置中时，从上部和下部模之间移走被这样模塑的光学元件。
全文摘要
一种压模成形设备，包括相互面对的上部和下部模，其中至少一个是可移动的作为可移动模具；以及作为上部模和下部模加热装置(410a和410b)的一对加热件，它们具有分别感应加热所述上部和下部模的加热线圈。加热所述可移动模具的加热件包括用于加热在第一位置中的可移动模具的第一加热线圈(410b－1)，用于加热在比第一位置更远离另一模具的第二位置中的可移动模具的第二线圈(410b－2)，以及用来从电源有选择地向第一或第二加热线圈供以电流的转换装置(420)。
文档编号B29C33/02GK1550462SQ20041003862
公开日2004年12月1日 申请日期2004年4月27日 优先权日2003年4月28日
发明者藤本忠幸, 波田伸司, 司 申请人:Hoya株式会社