专利名称：压模成形设备和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，它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。此外，在多个光学元件被同时模塑的情况下，光学元件的均匀及高精度是非常重要的。
作为利用高频感应加热的例子，日本专利申请出版物(JP-A)No.H05-270847(参考文件1)披露了一种模塑设备，其中上部和下部模被一个感应加热线圈加热。在此设备中，为了保持上部和下部模处在相同的预选的温度下，感应加热线圈被上下移动，或利用饱和电抗器来改变流过线圈上部和下部的电流的比率。
日本专利申请出版物(JP-A)No.H06-64932(参考文件2)披露了另一种模塑设备，其中上部和下部模被保持在预定的温度下，这是通过改变一个高频发射机的频率，可控地升高或降低供至环绕上部和下部模的线圈上的电流来实现的。
然而，在参考文件1中描述的模塑设备中，上部和下部成形模被同一线圈加热。因此，独立地控制上部和下部成形模至所需的温度是不可能的。此外，为上下移动感应加热线圈而设置附加的驱动装置是困难的。因为上部和下部成形模被设置在同一感应加热线圈中，所以与线圈端部相比，线圈中心部分的加热效率高。结果，与其他部分相比，上部和下部成形模的相对表面在温度上相对高一些。上述趋势在使用饱和电抗器的情况下也被观察到。因此，在参考文件1中披露的设备中，上部和下部成形模发生热变形(翘曲)。
因此，在参考文件1中披露的设备被使用，并且为了提高生产率，多个成形模被设置在上部和下部母模上以同时模塑多个光学元件的情况下，母模发生热变形和翘曲，如图1所示。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。
另一方面，在参考文件2披露的设备中，加热在移离共振频率的频率下执行。因此，加热效率不好，且生产率被降低了。
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，如果母模具有细长的形状且多个成形模被线性地设置在母模上，那么通过具有紧凑设计的感应加热，可以获得高的加热效率，但那些被设置在纵向相对的端部处的成形模被上述的翘曲严重地影响了。综上所述，在同时挤压多个物体的设备中，防止支撑成形模的母模发生翘曲是非常重要的。
因此本发明的一个目的是提供一种压模成形设备和一种制造光学元件的方法，它们能独立地、自由地控制上部和下部母模(上部和下部模)的温度至所需的温度，以在短的生产周期时间内获得作为模塑产品的光学元件的高的表面精度，并防止所述母模发生翘曲，从而稳定地以高偏心度精度和厚度精度制造光学元件。
本发明的另一个目的是提供一种压模成形设备和一种制造光学元件的方法，它们能通过压模塑形成光学元件的高精度的光学功能表面。换句话说，可在压模塑后不需后续处理，如抛光，就获得所需光学性能。
本发明的另一目的是稳定地制造具有高偏心度精度的光学元件，尤其是具有非球面的光学元件，它们具有2弧分(arcmin)或更小的模塑倾斜度、以及10μm或更小的模塑偏心(不共心)。
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，包括彼此相对设置的上部和下部模，以及分别感应加热所述上部和下部模的上部模和下部模加热装置，其特征在于上部模和下部模加热装置包括环绕上部和下部模的分别作为上部模和下部模加热线圈的感应加热线圈，以及分别连接至所述上部模和下部模加热线圈的电源，所述上部模和下部模加热装置具有相互不同的振荡频率。
通过以上述结构，上部和下部模在温度上能独立地被控制，以应用最适宜的加热/冷却方案，在该方案中，高表面精度和外形精度的光学元件在短的生产周期时间内被模塑。
在根据本发明的压模成形设备中，上部和下部模可包括上部和下部母模，它们中的每个分别支撑多个成形模。
当上述加热装置被用在这种结构中时，在具有多个成形模且同时模塑多个模塑产品的设备中，防止母模发生翘曲是可能的。因此，保持每个成形模的同心是可能的，结果模塑产品的偏心度精度没有降低，并且在厚度上被制成均匀的。
优选的是，根据本发明的压模成形设备进一步包括形成在上部和下部模的相对表面中的至少一个表面上的定位件，当上部和下部模相互靠近时，所述定位件用来使上部和下部模相对彼此定位。
通过以上述结构，所述上部和下部母模能以高精度定位，以使偏心度精度(偏心度和倾斜度)被保持在预定的范围内。
在根据本发明的压模成形设备中，优选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。更明确地说，上部模加热线圈的下端和下部模加热线圈的上端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，所述距离或所述间隔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。
本发明提供了一种利用相互面对的上部和下部模来压模塑模塑材料以制造光学元件的方法，该方法包括加热上部和下部模至预定温度的步骤，该步骤利用每个具有加热线圈和电源的上部模和下部模加热装置，以不同的振荡频率来感应加热上部和下部模。
通过以上述方法，能够在更短的周期时间内，同时制造多个具有高表面精度和外形精度的光学元件。
本发明提供了一种制造光学元件的方法，该方法包括在上部和下部模相互接近将要靠近或相互接触的状态下，加热上部和下部模的模具加热步骤；在上部和下部模被打开或彼此分开后，向所述上部和下部模间供应模塑材料的材料供应步骤；以及压上部和下部模以压模塑模塑材料的模塑步骤，在上述步骤中至少模具加热步骤包括利用每个具有加热线圈和电源且相互独立的上部模和下部模加热装置，以不同的振荡频率来感应加热上部和下部模的步骤。
至少在材料供应步骤之前的模具加热步骤中，为模具加热执行温度控制是有利的。
在制造光学元件的方法中，优选上部模和下部模加热装置中的一个装置的振荡频率等于1.5至7倍于另一个加热装置的振荡频率。
在这种情况下，即使上部模和下部模加热装置的感应加热线圈被独立的电源驱动，抑制振荡的干扰和稳定地加热上部和下部模也是可能的。
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是浮板和支撑臂的平面示意图；图6是描述非球表面偏心度、模塑倾斜度和模塑偏心度关系的示意图。
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，根据本发明的压模成形设备并不限于此实施例，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以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6个)球形玻璃预型件G同时被供应到所述设备的壳体中，经加热和软化、并通过成形模挤压、冷却、然后运送到壳体外。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设有六个托盘(未显示)，在所述六个托盘上利用机械手(未显示)分别放置六个玻璃预型件。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，并被引入所述加热室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被预型件加热单元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末端的六个板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5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的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在垂直方向上发生翘曲。
在另一方面，模塑室40是在加热室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。如下文将详细描述的，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端部的六个吸盘42c。所述吸盘42c通过真空抽吸吸取下部模具的成形模上的六个玻璃光学元件，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包括一对上部和下部母模411a和411b，它们具有细长的形状，并分别连接在作为固定和可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分别设有六个上部成形模413a和六个下部成形模413b。所述上部和下部母模411a和411b分别被上部模和下部模感应加热线圈410a和410b环绕。
所述上部母模411a被连接在固定于设备主体的上部主轴412a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上。通过以上述结构，下部母模411b可被移动至适当位置，接着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)中被停止。
这里，上部母模411a和上部成形模413a的组合形成上部模具。同样地，下部母模411b和下部成形模413b的组合形成下部模具。
所述上部和下部母模411a和411b响应从模塑控制器(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。
上部模和下部模感应加热线圈410a和410b在垂直方向间的距离S优选等于上部模和下部模感应加热线圈410a和410b的平均线圈节距P的0.7到2倍，更优选为0.8到1.5倍。如果上部模和下部模感应加热线圈410a和410b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，那么当上部和下部模具在它们被上部模和下部模感应加热线圈环绕的位置被加热时，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和下部模感应加热线圈410a和410b，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，上部模和下部模感应加热线圈410a和410b被分别独立地连接到电源和温度控制器，它们的输出也是可独立控制的。因此，即使上部和下部成形模413a和413b在热容量上显著不同，也能可控地将上部和下部成形模413a和413b加热到相同的温度，反之，能在上部和下部成形模413a和413b之间给定所需的温差。在考虑上部和下部成形模413a和413b的热容量的基础上，确定上部模和下部模感应加热线圈410a和410b的匝数和位置范围。
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。
上部和下部成形模须根据光学元件的所需形状进行精密机械加工。
在上部和下部成形模中至少一个模具具有非球表面的情况下，本发明的效果是显著的。这是因为所述非球表面具有单一的轴，因此模塑倾斜的有效防止极大地有助于光学性能。
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并且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，所述六个上部成形模413a中的每个在它的外围都设有套管414a。另一方面，六个下部成形模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，本实施例中的感应加热线圈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器(上部模温控器417a和下部模温控器417b)。所述上部模电源416a独立地向上部模感应加热线圈410a供应电流，而下部模电源416b独立地向下部模感应加热线圈410b供应电流。
在本实施例中，上部模感应加热线圈410a、上部模电源416a和上部模温控器417a的组合形成了上部模加热装置，同时下部模感应加热线圈410b、下部模电源416b和下部模温控器417b的组合形成了下部模加热装置。
上部模电源416a和下部模电源416b具有不同的振荡频率，并且将被供给感应加热线圈410a和410b。其中，上部模电源416a的振荡频率与下部模电源416b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。
上部模和下部模电源416a和416b的振荡频率中的任何一个可以更高。优选与上部和下部模中热容量小的一个对应的线圈的电源具有更高的频率。
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，优选为15-30kHz，另一个是30-100kHz，优选为30-45kHz。两者之间的频率差优选为10kHz或更高。
优选每个上部模和下部模加热装置设有噪音保护装置(如屏蔽物或噪音过滤器)。
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器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。
下文将描述利用具有上述结构的设备、依据本发明一个实施例的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。明确地说，环绕上部和下部母模的感应加热线圈被供以电流，以使上部和下部母模产生热量。通过热传导，所述上部和下部成形模被加热到预定温度。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。在考虑上述情况的基础上，确定高频感应加热线圈的匝数和输出范围。
本实施例所述的设备中，为了加热上部和下部母模至互相接近的程度，上部模和下部模加热线圈410a和410b紧邻在一起。如上所述，上部模和下部模加热线圈410a和410b间的距离优选对应为线圈节距的0.7至2倍。如果上部模和下部模加热线圈410a和410b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411a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之间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器417a和417b。为了达到预定温度，例如PID控制被执行了。
如此，上部和下部成形模413a和413b能独立地和快速地被实施温度控制。
(b)材料供给步骤在上部和下部模之间，已被传送的预型件(玻璃材料)被供应并放置在下部模上。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之间，并进一步在模具中加热。
在玻璃材料被初步加热到高于成形模预定温度的温度，并以软化状态被供应的情况下(所谓的非等温挤压的情况)，所述模具温度必须精确地受控制。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。
(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被软化的状态下，下部母模被向上移动以压玻璃材料，以便使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。
(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泊对应的温度范围。
(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。
通过重复上述步骤，连续的压模塑操作被执行了。
在前述的实施例中，上部模被固定，而下部模是可移动的。作为替换，上部模可以是可移动的，而下部模是固定的。进一步可选的是，上部和下部模都是可移动的。
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内。对偏心度精度，本发明被有利地应用在具有2弧分或更小倾斜度以及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，以及对比例的结果。
利用与图2至图4中显示的压模成形设备相近似的，但在每个母模上仅有四个成形模的压模成形设备，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，非球面的曲率近轴半径为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，模塑倾斜度可被测量出来。
双凸透镜的被精密机加工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25kW的最大输出和18kHz的频率，而下部模电源具有25kW的最大输出和33kHz的频率。
上部和下部母模以相互接近的方式被设置，以使从上部母模上伸出的套管几乎与下部母模上的套管孔相接触。上部模和下部模加热线圈被供给来自上部模和下部模高频电源的高频电流，以同时加热上部和下部母模。加热被可控地执行，以使上部和下部母模达到相同的温度580℃(对应玻璃的粘度为108.5泊)。
接着，通过预型件加热炉24，当预型件被从下向上吹的气流浮在图5所示可开/关支撑臂的拼合式浮板(玻璃碳制成)上时，扁球形的预型件被加热到625℃(对应玻璃的粘度为107泊)并软化。此后，下部母模被向下移动，并停在供应位置上。所述支撑臂移到所述下部母模的上方位置。在所述四个下部成形模的正上方，所述支撑臂快速地打开，并使所述预型件落下且将预型件供给各下部成形模。为了防止所述预型件被移动，在置于支撑臂和下部成形模之间的导向装置(漏斗状构件)的帮助下，所述预型件落下。
紧接其后，所述支撑臂被撤回，所述下部母模向上移动。然后，挤压以150kg/cm2的压力开始进行。
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，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，所述挤压模塑产品被具有吸盘的移动单元移走。
接着，下部母模被向上移动，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，所述周期时间是60秒。四个如此模塑的透镜的性能如表1所示。
其中，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6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，在多个(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，防止了母模发生翘曲，这是因为上部模和下部模加热装置是相互独立的。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，即使伸出件(如套管和定位销)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。
如果每个成形模的定位件(套管)被设计得与图4所示的一样长，那么偏心度精度(不共心度)被提高了。具有这样的伸出件，本发明的效果会更显著。
类似的双凸透镜被挤压模塑，它利用了如日本专利申请出版物(JP-A)No.H05-270847披露的一样，与实例1中设备近似的设备，除了具有中间抽头(intermediate tap)的单一加热线圈和利用饱和电抗器的单一电源(具有60kW的最大输出和33kHz的频率)之外。通过上部模热电偶控制电源并控制电抗器，实现了温度调节，以致使上部和下部成形模的温度相互相等。在此方法中，控制具有大容积的上部母模需要很长的时间，并且周期时间等于75秒。四个透镜的透镜性能如表2所示。在母模相对端部处被挤压的那些透镜具有大的厚度和大的倾斜度。因此，偏离规定偏差范围的透镜被挤压了。在挤压后的检测中，位置D处的套管的损坏被发现。估计是因为母模加热后发生了热变形(翘曲)。
表2
如上所述，根据本发明，上部和下部模能对立地进行温度控制。因此，即使上部和下部模的热容量显著不同，仍能精确地控制温度至所需数值。由于相互接近的上部模和下部模加热装置的不引起磁通相互干扰的加热是可能的，所以热损耗被抑制了，并且生产可在短周期内执行。
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，包括相互面对设置的上部和下部模，以及分别感应加热所述上部和下部模的上部模和下部模加热装置，其特征在于所述上部模和下部模加热装置包括环绕上部和下部模的分别作为上部模和下部模加热线圈的感应加热线圈，以及分别连接至所述上部模和下部模加热线圈的电源，所述上部模和下部模加热装置具有相互不同的振荡频率。
2.根据权利要求1所述的压模成形设备，其特征在于上部和下部模包括上部和下部母模，其中每个母模分别支撑多个成形模。
3.根据权利要求1所述的压模成形设备，其特征在于该设备还包括形成在上部和下部模的相对表面中的至少一个相对表面上的定位件，以在上部和下部模相互接近时，使上部和下部模相对彼此定位。
4.根据权利要求1所述的压模成形设备，其特征在于所述上部模加热线圈和下部模加热线圈以对应每个加热线圈的0.7至2倍节距的距离分开。
5.一种制造光学元件的方法，该方法利用相互面对的上部和下部压模模塑材料来进行制造，该方法包括如下步骤加热上部和下部模至预定温度，它利用每个具有加热线圈和电源的上部模和下部模加热装置，以不同振荡频率来感应加热上部和下部模。
6.一种制造光学元件的方法，所述方法使用相互面对的上部和下部模压模塑模塑材料，所述方法包括在上部和下部相互接近将要靠近或者相互接触的状态下加热上部模和下部模；当上部和下部模相互分离开时，将模塑材料供至上部和下部模之间；以及利用上部和下部模压模塑模塑材料；其中，在所述加热中，分别利用上部模和下部模加热装置以彼此不同的振荡频率通过感应加热将上部和下部模加热至预定温度，所述上部模和所述下部模加热装置中的每个均包括加热线圈和电源。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上部模和下部模加热装置中的一个加热装置的振荡频率等于另一个加热装置的振荡频率的1.5至7倍。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上部模和下部模加热装置中的一个加热装置的振荡频率等于另一个加热装置的振荡频率的1.5至3倍。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上部模和下部模加热装置中的一个加热装置的振荡频率等于另一个加热装置的振荡频率的1.5至3倍。
全文摘要
一种压模成形设备，包括彼此相对设置的上部和下部成形模(413a，413b)，以及分别感应加热所述上部和下部成形模的上部模和下部模加热装置，所述上部模加热装置包括上部模感应加热线圈(410a)，上部模电源(416a)和上部模温度控制器(417a)。所述下部模加热装置包括下部模感应加热线圈(410b)，下部模电源(416b)和下部模温度控制器(417b)。所述电源在振荡频率上是不同的。所述上部和下部成形模被独立地进行温度控制和加热。
文档编号B29D11/00GK1569702SQ200410038628
公开日2005年1月26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 申请人:Hoya株式会社