CN110078358A - 玻璃制成型模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玻璃制成型模具。本发明所要解决的问题为得到成型性能优异的玻璃制成型模具。解决方法为由满足以下条件的玻璃形成用于压制成型待成型玻璃的玻璃制成型模具：(1)杨氏模量在85GPa以上，(2)玻璃化转变温度在650℃以上，(3)100℃～300℃的平均热膨胀系数为30×10‑7/℃～80×10‑7/℃。

Description

玻璃制成型模具
技术领域
本发明涉及一种将待成型玻璃压制成型的玻璃制成型模具。
背景技术
在制造如透镜等的光学元件时，以往一直使用将作为材料的玻璃制成粗略的形状之后通过研磨或抛光来完成加工的方法。近年来，对于加热软化状态的玻璃通过成型用模具(以下称为成型模具)进行压制成型，不用研磨或抛光的制造光学元件的方法也已投入实际使用。通过使用这种成型模具进行成型，不仅可以以低成本大量生产球面透镜，而且可以生产复杂形状的非球面透镜等。
在压制成型中，由于成型模具的表面形状(成型面)被转移到待成型物上，因此需要成型模具的精度非常高。例如，要求成型模具具有高的刚性和耐热性，以免因压制时作用的负荷或加热而产生变形。另外，为了防止待成型物粘附到成型模具上或待成型物的破裂，成型模具必须具有相对于待成型物适当的热膨胀系数。
作为满足上述条件的材料，广泛使用以金属、陶瓷为素材的成型模具。然而，在切割等时避免精度差异而单独制造这种成型模具需要成本且耗时。特别地，当大量生产用于光学仪器的玻璃透镜时，需要许多成型模具。作为对策，已经提出使用玻璃制的成型模具的技术(例如，专利文献1至12)。
具体地，制备具有基准成型面的母模(母模)，并且用母模将通过加热软化的成型模具用玻璃材料压制成型，从而可以获得转移母模的成型面的玻璃制成型模具(复制模)。玻璃制成型模具具有以下优点：一旦制造出高精度母模，则容易批量生产，且形状设定的自由度高。
[现有技术文献]
[专利文献1]日本特开昭62-226825号公报
[专利文献2]日本特开平1-239030号公报
[专利文献3]日本专利第2616964号公报
[专利文献4]日本专利第2723497号公报
[专利文献5]日本专利第4832939号公报
[专利文献6]日本特开2007-284300号公报
[专利文献7]日本特开2006-206394号公报
[专利文献8]日本特开2005-97009号公报
[专利文献9]日本特开2004-210550号公报
[专利文献10]日本特开2008-56540号公报
[专利文献11]日本特开2007-254234号公报
[专利文献12]日本特开2005-15266号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
即使在玻璃制的成型模具中，也需要如上所述的刚性、耐热性和热膨胀系数的条件，但是难以高水平地满足所有这些条件并投入实际使用。特别地，需要一种高性能的玻璃制成型模具，其具备以下条件：具有对于待成型玻璃优异的成型性能，并且成型模具本身也易于生产。因此，本发明的目的是提供一种成型性能优异的玻璃制成型模具。
[解决问题的方法]
本申请人基于这样的想法设计了本发明，即通过满足特定条件，可以获得能够合理地制造并且具有优异的成型性能的具有实际使用水平的玻璃制成型模具。即，本发明涉及用于压制成型待成型玻璃的玻璃制成型模具，其特征在于，由满足以下条件的玻璃形成：(1)杨氏模量在85GPa以上，(2)玻璃化转变温度在650℃以上，(3)100℃至300℃的平均热膨胀系数为30×10-7/℃至80×10-7/℃。
通过满足条件(1)，能够确保耐受压制成型待成型玻璃时的负荷的刚性。通过满足条件(2)，玻璃化转变温度高于用作光学元件等的材料的待成型玻璃，可以防止玻璃制成型模具在成型温度(加热直至待成型玻璃软化的温度)下的变形。通过满足条件(3)，可以获得防止待成型玻璃粘附至玻璃制成型模具、防止待成型玻璃的破裂，防止成型模具用玻璃材料对于母模的粘附、成型模具用玻璃材料的破裂的效果。因此，通过防止待成型玻璃的粘附、破裂而不会引起玻璃制成型模具的挠曲，可以获得优异的成型结果。
当设定构成玻璃制成型模具的玻璃(成型模具用玻璃材料)的玻璃化转变温度为Tg(A)，待成型玻璃的玻璃化转变温度为Tg(B)时，优选Tg(A)-Tg(B)为30℃以上。
当设定构成玻璃制成型模具的玻璃(成型模具用玻璃材料)在100℃～300℃的平均热膨胀系数为α(A)，待成型玻璃在100℃～300℃的平均热膨胀系数为α(B)时，优选α(A)-α(B)为+20～-120。
本发明适用于压制成型待成型玻璃而形成光学元件的玻璃制成型模具。
[发明效果]
如上所述，根据本发明能够得到成型性能优异的玻璃制成型模具。
附图说明
图1具有玻璃制成型模具的玻璃成型装置的截面图。
附图标记说明
10：玻璃成型装置
11：上模(玻璃制成型模具)
12：下模(玻璃制成型模具)
13：引导模
14：成型面
15：成型面
16：涂布层
17：涂布层
20：透镜
21：玻璃块(待成型玻璃)。
具体实施方案
图1显示具备本发明的玻璃制成型模具的玻璃成型装置的一个例子。图1的玻璃成型装置10通过从待成型玻璃的玻璃块21压制成型作为光学元件的透镜20而进行制造，并且具备作为玻璃制的成型模具的上模11和下模12。上模11和下模12被可相对移动地支撑在引导模13中，并且彼此的间隔可以改变。上模11和下模12都可以是移动的可动模，或者也可以是其中一个是可动模而另一个是非移动的固定模。
上模11和下模12在彼此相对的一侧具有成型面14和成型面15。透镜20是两面为非球面的双凸透镜，并且成型面14和成型面15分别为对应于透镜20的各个凸面(非球面)的形状的凹面(非球面)。也就是说，成型面14和成型面15的形状通过成型转移并形成透镜20的凸面。另外，本发明的玻璃制成型模具也可以适用于双凸透镜以外的待成型物的成型，并且玻璃制成型模具的成型面的形状根据待成型物的形状适当地设定。例如，作为光学元件也可以适用于制造具有凹面的透镜或棱镜等。
在成型面14、15上形成涂布层16、17。涂布层16、17由碳膜等制成，并具有抑制待成型玻璃熔合(融着)的效果。另外，尽管图1中所示的涂布层16、17为单层结构，也可以设置由不同组成形成的多层结构的涂布层。或者，也可以选择不设置涂布层16、17而暴露成型面14、15的构造。
在引导模13的外侧设置加热器(省略图示)。在成型时，通过加热器加热至待成型玻璃(玻璃块21)软化的成型温度。
尽管省略图示，但是上模11和下模12通过使用母模(母模)的压制成型来制造。分别准备用于制造上模11和下模12的母模。这些母模由金属等形成，并且具备作为成型面14和成型面15的基础的基准成型面。通过在各母模的基准成型面上按压加热软化的成型模具用玻璃材料(满足后述的各种条件的玻璃，与透镜20用的待成型玻璃不同)，成型该基准成型面作为成型面14和成型面15而被转移的上模11和下模12。
另外，本发明中的玻璃制成型模具是指具有相当于成型面14、15的形状转移用的面的部分。例如，除了涂布层16、17之外的上模11和下模12可以完全由玻璃制成。或者，也可以是，上模11和下模12的仅包括成型面14和成型面15的部分作为玻璃制成型模具，而在该玻璃制成型模具接合金属制等其它基盘部(图示略)构成上模11和下模12。
作为研究和实验的结果，本申请人发现满足以下条件(1)、(2)和(3)的玻璃用作构成玻璃制成型模具如上模11和下模12的玻璃材料是合适的。
(1)杨氏模量在85GPa以上。
(2)玻璃化转变温度(Tg)在650℃以上。
(3)100℃至300℃的平均热膨胀系数(α100-300)为30×10-7/℃至80×10-7/℃。
条件(1)涉及玻璃制成型模具的刚性。在压制成型时，如果玻璃制成型模具发生挠曲，则不能保持成型面的形状，并且影响待成型玻璃的成型精度。当杨氏模量在85GPa以上时，即使在待成型玻璃成型时施加预定的压力，也可以防止由于负荷引起的玻璃制成型模具的挠曲，可以在不损害成型面的精度的情况下进行成型。
条件(2)涉及成型时的加热对玻璃制成型模具的影响。通过将玻璃化转变点高于待成型玻璃的玻璃作为成型模具用玻璃材料，并将低于成型模具用玻璃材料的玻璃化转变点的温度设定为成型温度，能够仅使待成型玻璃软化而不伴有成型模具用玻璃材料的软化。
更具体地，当设定成型模具用玻璃材料的玻璃化转变温度为Tg(A)，待成型玻璃的玻璃化转变温度为Tg(B)时，优选Tg(A)-Tg(B)≥30℃。进一步地，优选Tg(A)-Tg(B)≥50℃，更优选Tg(A)-Tg(B)≥100℃。
例如，在由本申请人制造的玻璃模制透镜用玻璃材料中，玻璃化转变点最高为612℃(玻璃材料名称M-TAFD305)。因此，通过满足条件(2)，可以设定对各种光学元件用玻璃有效的成型温度，同时防止玻璃制成型模具的热变形。
条件(3)是适当控制玻璃制成型模具和待成型玻璃的热膨胀系数之间的差异，以防止待成型物的粘附、破裂而进行良好的成型的条件。如果玻璃制成型模具的热膨胀系数对于待成型玻璃相对过大，则在成型时易于发生待成型玻璃的破裂。另外，如果玻璃制成型模具和待成型玻璃的热膨胀系数的差太小，则易于发生待成型玻璃向玻璃制成型模具的粘附。
更具体地，当设定成型模具用玻璃材料的平均热膨胀系数(100℃～300℃)为α(A)，待成型玻璃的平均热膨胀系数(100℃～300℃)为α(B)时，α(A)-α(B)为+20～-120。进一步地，优选α(A)-α(B)为+10～-120，更优选α(A)-α(B)为0～-100。玻璃模制用透镜的玻璃材料的α(B)大多为约70～90，通过满足条件(3)，可以获得防止待成型玻璃的破裂和粘附到玻璃制成型模具上的效果。
另外，条件(3)还与通过母模压制成型成型模具用玻璃材料时的成型性有关。作为示例，当使用碳化硅(SiC)作为主要材料形成母模时，由于碳化硅的平均热膨胀系数(100℃至300℃)为约40×10-7/℃，因此通过条件(3)能够得到使成型模具用玻璃材料良好成型的玻璃制的成型模具。特别地，通过满足条件(3)的下限值，母模的热膨胀系数不会相对过大，并且可以使得难以发生玻璃制成型模具的破裂。
例如，根据以下原料组成，可以获得满足条件(1)、(2)和(3)的成型模具用玻璃材料。
该玻璃以mol％表示，包含：
50～75％的SiO2，
0～5％的Al2O3，
0～5％的ZnO，
总计为3～15％的Na2O和K2O，
总计为14～35％的MgO、CaO、SrO和BaO，
总计为2～9％的ZrO2、TiO2、La 2O3、Y2O3、Yb2O3、Ta2O5、Nb2O5和HfO2，
其中摩尔比{(MgO+CaO)/(MgO+CaO+SrO+BaO)}在0.85～1的范围内，并且摩尔比{Al2O3/(MgO+CaO)}在0～0.30的范围内。
<实施例>
在玻璃成型装置10中，作为待成型玻璃的玻璃块21配置在作为玻璃制成型模具的上模11和下模12的各成型面14、15之间，通过加热器加热到成型温度，表1-表3示出了适用于本发明的玻璃制成型模具的实施例和比较例。表1-表3示出了一个实施例，其中使上模11和下模12接近移动，以预定压力按压21，使透镜20成型。实施例1和实施例2显示了对于两种待成型玻璃，通过由适用了本发明的GA、GB和GC三种玻璃材料制成的玻璃制成型模具分别进行成型的结果。
·成型模具用玻璃材料GA(样品名)
杨氏模量(GPa)：85
玻璃化转变温度(Tg)：682℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：77×10-7/℃
比重：2.96g/cm3
·成型模具用玻璃材料GB(样品名)
杨氏模量(GPa)：95
玻璃化转变温度(Tg)：691℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：51×10-7/℃
比重：2.59g/cm3
·成型模具用玻璃材料GC(样品名)
杨氏模量(GPa)：87
玻璃化转变温度(Tg)：720℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：32×10-7/℃
比重：2.60g/cm3
表1
表2
·实施例1
成型结果
待成型玻璃：M-NBFD130
(Tg：567℃，α(100-300)74×10-7/℃)
表3
·实施例2
成型结果
待成型玻璃：M-BACD5N
(Tg：521℃，α(100-300)88×10-7/℃)
<实施例1>
·待成型玻璃M-NBFD130(HOYA株式会社制)
玻璃化转变温度(Tg)：567℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：74×10-7/℃
<实施例2>
·待成型玻璃M-BACD5N(HOYA株式会社制)
玻璃化转变温度(Tg)：521℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：88×10-7/℃
[成型结果]
如表1-表3所示，在实施例1和2的每一个中，在由成型模具用玻璃材料GA、GB、GC制成的各玻璃制成型模具中，在成型温度下压制成型时没有发生有害变形，待成型玻璃中的待成型面的表面形状合适，不会发生待成型玻璃的破裂，并且获得良好的成型结果。
随后，示出了比较例，其中利用由与实施例不同的玻璃材料制成的玻璃制成型模具对与实施例1和2相同的待成型玻璃进行成型。
<比较例1>
·成型模具用玻璃材料ZnSF8(株式会社住田光学玻璃制)
杨氏模量(GPa)：87
玻璃化转变温度(Tg)：518℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：60×10-7/℃
比重：3.72g/cm3
特开2004-210550号公报中记载了以ZnSF8为材料得到的玻璃制成型模具。
[成型结果]
ZnSF8的玻璃化转变温度低于本发明的条件(2)。此外，ZnSF8的玻璃化转变温度低于作为待成型玻璃的M-NBFD130和M-BACD5N的玻璃化转变温度。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，玻璃制成型模具的变形也超过了允许范围，导致成型不良。
<比较例2>
·成型模具用玻璃材料S-BSL7(株式会社オハラ制)
杨氏模量(GPa)：80
玻璃化转变温度(Tg)：576℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：86×10-7/℃
比重：2.52g/cm3
特开2008-56540号公报中记载了以S-BSL7为材料得到的玻璃制成型模具。
[成型结果]
S-BSL7的杨氏模量低于本发明的条件(1)，玻璃化转变温度低于本发明的条件(2)，热膨胀系数超过本发明的条件(3)的上限值。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，玻璃制成型模具的变形也超过了允许范围，导致成型不良。
<比较例3>
·成型模具用玻璃材料S-BSM14(株式会社オハラ制)
杨氏模量(GPa)：84.9
玻璃化转变温度(Tg)：663℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：73×10-7/℃
比重：3.43g/cm3
特开2007-254234号公报中记载了以S-BSL14为材料得到的玻璃制成型模具。
[成型结果]
S-BSL14的杨氏模量低于本发明的条件(1)。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，待成型面的表面形状精度也不能够达到基准。
<比较例4>
·成型模具用玻璃材料NA32SG(アヴァンストレート株式会社制)
杨氏模量(GPa)：74
玻璃化转变温度(Tg)：705℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：34×10-7/℃
比重：2.41g/cm3
[成型结果]
NA32SG的杨氏模量低于本发明的条件(1)。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，待成型面的表面形状精度也不能够达到基准。
<比较例5>
·成型模具用玻璃材料GD(样品名)
杨氏模量(GPa)：69
玻璃化转变温度(Tg)：670℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：46×10-7/℃
[成型结果]
GD(样品名)的杨氏模量低于本发明的条件(1)。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，待成型面的表面形状精度也不能够达到基准。
<比较例6>
·成型模具用玻璃材料GE(样品名)
杨氏模量(GPa)：70.2
玻璃化转变温度(Tg)：705℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：37×10-7/℃
[成型结果]
GE(样品名)的杨氏模量低于本发明的条件(1)。并且，即使当成型M-NBFD130和M-BACD5N任一个待成型玻璃时，待成型玻璃也会发生破裂。
另外，以下专利文献中记载了使用硼硅酸钡类玻璃或硼硅酸玻璃作为材料得到的玻璃制成型模具的技术。
·硼硅酸钡类玻璃(特开2007-284300号公报，特开2006-206394号公报)
玻璃化转变温度(Tg)：690℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：64×10-7/℃
·硼硅酸钡类玻璃(特开2005-97009号公报)
玻璃化转变温度(Tg)：679℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：55.6×10-7/℃
·硼硅酸钡类玻璃(特开2005-97009号公报)
玻璃化转变温度(Tg)：679℃
100℃～300℃的平均热膨胀系数(α100-300)：55.6×10-7/℃
·硼硅酸玻璃(特开2005-15266号公报)
玻璃化转变温度(Tg)：540℃
这些专利文献没有关于作为成型模具用玻璃材料的硼硅酸钡类玻璃或硼硅酸玻璃的杨氏模量的记载。即，不具有本发明的下述技术思想：对于构成玻璃制成型模具的玻璃，设定所有杨氏模量、玻璃化转变温度和热膨胀系数的条件，以防止玻璃制成型模具的变形或损坏，并且能够进行高精度的成型。
如上所述，根据应用了本发明的玻璃制成型模具，由于玻璃制成型模具兼具高的刚性和耐热性，因此在压制成型待成型玻璃时，玻璃制成型模具可以保持成型面的表面形状而不会变形。另外，通过适当地控制玻璃制成型模具与待成型玻璃的热膨胀系数，可以防止待成型玻璃对玻璃制成型模具的粘附、待成型玻璃的破裂。因此，与以往提出的成型模具用玻璃材料相比，可以获得成型性能优异的玻璃制成型模具。

Claims (4)

1.一种玻璃制成型模具，其特征在于，其为用于压制成型待成型玻璃的玻璃制成型模具，由满足以下条件的玻璃形成：1)杨氏模量在85GPa以上，2)玻璃化转变温度在650℃以上，3)100℃～300℃的平均热膨胀系数为30×10-7/℃～80×10-7/℃。
2.根据权利要求1所述的玻璃制成型模具，其中，当设定构成所述玻璃制成型模具的所述玻璃的玻璃化转变温度为Tg(A)，所述待成型玻璃的玻璃化转变温度为Tg(B)时，Tg(A)-Tg(B)为30℃以上。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃制成型模具，其中，当设定构成所述玻璃制成型模具的所述玻璃在100℃～300℃的平均热膨胀系数为α(A)，所述待成型玻璃在100℃～300℃的平均热膨胀系数为α(B)时，α(A)-α(B)为+20～-120。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的玻璃制成型模具，其中，将所述待成型玻璃压制成型而形成光学元件。
CN201910074542.6A 2018-01-26 2019-01-25 玻璃制成型模具 Pending CN110078358A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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