JP2004238281A - 成形ガラスパーツの製作方法及び同パーツ用成形ツール - Google Patents

Abstract

【課題】 成形ガラスパーツの成形を可能な限り正確とするための、成形ツールを用いた成形ガラスパーツの製作方法及びガラスパーツの成形方法を提供する。
【解決手段】 ガラスパーツを成形するための成形面であり、かつガラスパーツ成形のために形成された不連続部分と貫通開口部付近の前記成形面から基体を通って延びる貫通開口部が設けられている前記成形面を備える基体から成る成形ツールを準備する工程と、ガラスが前記不連続部分中へと引っ張られるように前記成形ツールの前記成形面付近を低圧力にする工程と、前記成形面へ粘性のガラス塊を供給する工程から構成される成形ガラスパーツの製作方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形ガラスパーツ製造用成形ツールの表面を成形し、成形ツールの成形面近接部位を低圧とし、成形ツールの成形面へ粘性ガラス塊を注入する各工程から構成される成形ガラスパーツの製造方法に関する。本発明はさらに前記ガラスパーツ製造方法において用いられる成形ツールにも関する。本方法及び本成形ツールは特に形状に関し高度な正確性を備えた成形ガラスパーツ、特にプリズム、レンズ等の光学素子の製作に用いられる。

ガラスパーツ、特に光学用途に用いられるパーツは、これら製品の光学品質が保証されるように精密に限定された表面形状及び寸法と精密な外部形状を備えて製造されなければならない。製品の成形後にさらなる加工を必要としないことが理想的である。一般的には少なくとも１回の光学仕上げあるいは研磨が必要とされるが、素材を除去する程の研削は避けるべきである。また、研削や研磨等の作業工程によって加工時間が長くなる他、擦り磨きや洗浄をさらに要するので労力及び費用が浪費される。

成形型中へのガラスパーツの注入成形は既知である。ガラス塊はほぼ成形型通りの形状を呈する。しかしながら、一般的に成形型では精密な成形は行えない。ガラスの表面張力、粘度及び冷却速度によって、ガラスが注入成形操作中に極めて限られた程度しか成形型の鋭利なエッジや角部を満たせない状態となってしまうからである。この方法によれば、ガラスパーツのエッジ部分の成形は注入成形型の半径よりも通常かなり大きなエッジ半径をもつものとなってしまう。従って、要求された外部形状を保証するためには通常製作されたガラス製品をさらに加工することが必要とされている。
ガラス塊の注入後に適当な加圧成形型あるいは打出機を用いてガラス塊をプレスすることは可能である。かかる加圧成形操作中によって成形型中への充填度は当然向上されるが猶充填が不完全なまま残る。その理由はガラス表面が注入操作中に成形型と接触することによって冷却されるためである。その後にガラスを加圧成形してもガラスは既に加圧成形操作で所望の形状へと加圧成形されることが最早できない臨界状態まで冷却されている。
さらに、加圧成形操作中に収縮くぼみも発生する。加圧成形型を取り出す時、ガラスパーツ表面は成形型との接触によって当然冷却される。しかしながら、ガラスパーツ内部は猶かなり熱い状態である。その後にガラスパーツ内部まで冷却されるとガラスパーツは収縮する。このようにガラスパーツ表面には表面くぼみとも称される所謂収縮くぼみが発生する。

ドイツ特許１００３４５０７Ｃ１は熱成形技術によるガラス基体中への微細構造の製作方法を開示する。この方法では、成形ツールが使用され、その表面は製造されるべき微細構造のネガとしての構造となっている。この構造は粘性ガラスあるいはプラスチック中へ成形ツールをプレスし、次いでこの成形ツールを取り出すことによって成形している。この成形ツールには開口した多孔構造をもつ少なくとも部分的に多孔性の基材が備えられている。前記構造の成形は低圧下で行われ、その取り出しは過剰圧下で行われている。

本発明は、成形ガラスパーツの成形が可能な限り正確となるように、成形ツールを用いて成形ガラスパーツを製作しあるいはガラスパーツを成形する方法を提供することを目的とする。
本発明は、成形ツールの成形が可能な限り正確になるようにガラスパーツ成形用の成形ツールを提供することをさらに目的とする。
本発明は、成形ガラスパーツのエッジのエッジ半径が成形ツールエッジのエッジ半径に可能な限り近接一致するような製作方法及び成形ツールとなるようにエッジを備えた成形ツールを提供することをさらに目的とする。

上記目的は以下に述べる主方法クレームにおいて請求されている特徴を有する方法によって達成される。また好ましい実施態様は従属請求項に記載されている。

上記及び他の目的は以下の説明においてより明らかとなるが、ガラスパーツ製作用の成形ツールの成形面を成形し、成形ツール成形面の近接部位へ低圧力を与え、粘性ガラス塊を成形ツールの成形面へ供給あるいは処理する成形ガラスパーツの製作方法によって達成される。

本発明方法においては、成形面上の成形不連続部分付近に貫通開口部が設けられた成形ツールが用いられる。
本発明によれば、成形ガラスパーツを熱成形技術によって製作する成形ツールは、成形不連続部分と該不連続部分付近に貫通開口部が設けられた成形面を備える基体から構成されている。

本発明は、後で成形されるガラス面のネガとして成形された成形ツールの成形面は成形型へ完全にガラスが満たされた場合にのみ正確に成形されるという認識に基づいている。この要件を満たすため、前記基体の不連続部分付近に貫通開口部が設けられている。成形ツール表面上へ低圧力を作用させると、ガラスはガラス塊と成形面との接触領域の方向へと引っ張られるため、きわどい不連続領域の形状へもガラスが完全に充填される。

ここでの用語「不連続部分」の本願における意味は、短い長さスケール、すなわち１ｍｍあるいは０．１ｍｍレベルでの特にエッジ、浮き上がり、あるいは角を含む表面位相変化を意味している。

前記低圧力はガラス塊から離れた側の成形ツールの側面へ低圧力を作用させることによって成形ツール表面付近に生成することが可能である。ガラスが前記開口部を通って成形ツール表面側へ引っ張られるためである。
粘性ガラス塊が成形ツール表面へ運ばれる時に低圧力が既に存在していることが特に有利である。この場合、ガラスは角部やエッジ等の不連続領域中へさらに遅延を伴うことなく直接引っ張られる。そのため、成形面の方向へ作用する応力付与における遅延に伴ってガラスが既に硬化していたり粘度が高くなり過ぎる等のリスクが減少する。

本発明に係る方法及び成形ツールはセンチメーター以上の大きさの成形ガラスパーツの製作に適している。成形面へ完全に充填するためには抵抗に抗するのに十分な大きさの流れが要求されることから、低圧力とすることによってガラスを完全に成形型中へ引き入れることが可能となるのである。前記臨界的不連続領域に設けられた貫通開口部はこの目的のために設けられているのである。

成形ツール中へ入れられたガラス塊の粘度は１０^９ｄＰａｓ以下、好ましくは１０^３ないし１０^６ｄＰａｓの範囲内であるので、極めて限定された塑性成形のみならず効果的な粘性流も起こり得る。粘土が高くなると、低圧力によって生ずる力は成形に必要な力より小さくなってしまうので、成形面あるいは成形面への完全な充填を保証することが困難となる。

本発明方法によって例えばエッジ半径の極めて小さいあるいは狭いエッジを有するガラスパーツの製作が必要である場合、理論的最小半径はほぼガラスの平衡半径の大きさ程度であるが、実際問題としては幾分大きくなる。低圧力の無い状態におけるガラスの平衡半径は理想的平衡状態においてエッジを充填する毛管圧及び静水圧から決定される。前記平衡半径は下記数式から予測可能である。
（数１）
Ｒ＝σ／ρｇＨ
式中、σはガラスの表面張力、ｇは重力定数、ρはガラス密度、及びＨはエッジ上方のガラスカラムの高さを表す。σ＝０．３Ｎ／ｍのような典型的ガラスデータを用いると、Ｈ＝４０ｍｍのとき、ρ＝２５００ｋｇ／ｍ^３、及び平衡半径０．３ｍｍとなる。ガラスの粘度によってこの平衡半径が確立されるまでの時間が決まるので、実際に得られる平衡半径は幾分大きい。実際冷えた形状及び短いサイクル時間を用いた場合、このことは臨界的な位置において実際に得られたエッジ半径は低圧力なしで１０倍まで大きいことを意味し、例えば上記例では約３ｍｍである。
前記貫通開口部が設けられた成形ツールでは、その実行で得られるエッジ半径は明らかに小さく、すなわち平衡半径が０．３ｍｍ程度、あるいはそれ以下であることもある。

本発明に係る熱成形操作中のガラスパーツ表面での収縮くぼみ、所謂表面くぼみの形成を避けるため、有孔の成形型及び／または有孔の成形ツールを本発明において用いることができ、またそれらのガラスから離れた側を低圧力とすることができる。有孔の成形ツールを通して低圧力を加えることにより、ガラスは成形ツール表面へと引っ張られ成形ツール表面へ均等に固着される。

さらに、ガラス塊を成形ツール中へプレスすることも可能である。これにより、プレスされた部分空間への充填が向上される。プレスされる面に発生が予測される収縮くぼみはプレス器具を凹状に形状化することによって修正可能である。
ガラスパーツの成形がうまくできたら、取り出し易くするために低圧力の供給を止めるか、あるいは成形ツール中の開口部を通して成形面へ圧縮空気を送る。前記圧縮空気の送風に代えあるいはそれに加え、成形ツールの孔構造を通して圧縮空気を送り込むことも可能である。

使用される成形ツールには貫通状の、好ましくは穴を開けた直径１００μmないし４００μm程度の開口部が複数設けられていることが好ましい。この直径の大きさは開口部中へガラスが押し出されることを防止しあるいは減ずるため鋳造あるいは成形されるガラスの粘度に合わせて調整される。上記開口部に適当な半径Ｒは以下により決定できる。
貫通開口部中での時点ｔにおけるガラスの挿入深度Ｌ（ｔ）は下記数式２から予測できる。

式中、△ｐはガラス内部と低圧力が作用する開口部間の圧力差、σはガラスの表面張力、ηは温度Ｔ（ｔ）に依存するガラス粘度を表す。温度経過は下記数式から予測可能である。

式中、Ｔ_０は成形ツールを用いた注入操作におけるガラスの開始温度、Ｔ_Ｆは成形温度、ｈはガラスと成形型間の接触熱伝達係数、Ｃ_ｐはガラスの熱容量、及びρはガラス密度を表す。Ｔ_０＝１０００℃、Ｔ_Ｆ＝６００℃、ρ＝２５００ｋｇ／ｍ^３、ｈ＝２００Ｗ／ｍ^２Ｋの場合、ガラスが１５０μm以下の距離に沿ってプレスあるいは押し出されることを保証するためには、貫通穴の半径は上記式から１００μmより小さいことが予測される。ガラスの粘度が異なれば好ましい半径Ｒの数値も異なる。

前記貫通開口部に代え、あるいはそれに加えて、少なくとも１個の貫通状の細長断面の孔を設けることも可能である。この細長断面の孔が貫通開口部に代って選択された場合、前記貫通開口部の抵抗に抗して流れるのと同様な抵抗に抗する流れを与えるものでなければならない。この細長断面孔の形状は成形ツール及び／または成形不連続部分の構造に合わせて作られる。

さらに、成形ツールを少なくとも部分的に有孔材料、好ましくは開口した有孔構造をもつ材料から作ることも可能である。例えば、必要な耐熱性をもつ焼結金属、焼結スチール、セラミックス、黒鉛、金属性織物あるいは織布を前記有孔性材料として用いることが可能である。

本発明方法の実用化において、これらの材料が工業規格ＤＩＮ ＥＮ９９３−４（１９９５）に準じた透過性として１０^−１５ｍｍ^２以上、好ましくは１０^−１５ｍｍ^２ないし１０^−１３ｍｍ^２の範囲内の透過性をもっていると有利であることが証明されている。密封可能ガラスは、この種の材料を用いて作られた成形ツールによって十分熱成形できるものである。

本発明の目的、特徴及び利点について以下に記載した好ましい実施態様により添付図面を参照しながら詳細に説明する。本実施態様はガラス体の成形過程において用いる本発明に係る成形ツールの好ましい実施態様である。

図面に示した本発明に係る成形ツール１０はその成形面上に不連続領域あるいは不連続部分３が設けられた基体１から構成される。この基体１は多孔性材料、例えばセラミック材料で作られているのが有利である。

本発明方法においては、低圧力をガラス５から遠い側の基体側面へ適用することによりガラス５が成形ツール１０の成形面７側と前記不連続部分中へ引っ張られる。この低圧力は真空ポンプを用いて成形ツールを保持している従来型容器ＣＶ内に生成することができる。
本発明によれば、前記成形ツール１０は貫通開口部９が設けられた基体１を備えているので、ガラス５は前記不連続部分中へより良好に引っ張られてそれら不連続部分を完全に満たすことができる。

本発明は成形ガラスパーツの製作方法及び成形ガラスパーツ用の成形器具の製作方法として具体化して説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく種々の変更及び変形を行うことが可能であるので記載した詳細に限定する意図ではない。
さらなる検討を要することなく、上記説明は本発明の要旨を十分に開示するものであり、第三者は現在の知識を適用し、従来技術の見地から見て本発明の全般的あるいは特有な態様の必要不可欠な特徴を構成している特徴を省くことなく種々用途へ容易に適合させることが可能である。

本発明の成形ツールの模式的縦断面図である。

Claims (12)

1. ａ）ガラスパーツを成形するための成形面を有する基体を有し、前記成形面はガラスパーツ成形のために形成された不連続部分と前記成形面から基体を通って延びる貫通開口部が設けられている成形ツールを準備する工程と、
   ｂ）ガラスが前記不連続部分中へと引っ張られるように前記成形ツールの前記成形面付近を低圧力にする工程と、
   ｃ）前記成形面へ粘性のガラス塊を供給する工程から構成される成形ガラスパーツの製作方法。
2. 前記成形ツールの前記基体が多孔性材料から作られ、前記成形面とは反対の基体側に低圧力を生成させることによって前記成形面付近に低圧力が生成されることを特徴とする請求項１項記載の方法。
3. 前記成形ツールの成形面中へ粘性ガラス塊をプレスする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１項記載の方法。
4. ガラスパーツの成形完了後に成形されたガラスパーツを取り出すために前記低圧力が止められることを特徴とする請求項１項記載の方法。
5. ガラスパーツの成形完了後に成形されたガラスパーツを取り出すために前記基体中の貫通開口部を通して圧縮空気を送る工程をさらに含むことを特徴とする請求項１項記載の方法。
6. 熱成形技術によって成形ガラスパーツを製作する成形ツールであって、ガラスパーツ成形のための成形面を有する基体を有し、前記成形面は不連続部分と前記成形面から基体を通って延びる貫通開口部が設けられていることを特徴とする前記成形ツール。
7. 前記貫通開口部の直径が１００μmないし４００μmの範囲内であることを特徴とする請求項６項記載の成形ツール。
8. 前記基体に少なくとも１個の貫通状細長断面孔が設けられていることを特徴とする請求項６項記載の成形ツール。
9. 前記基体が多孔性材料から成ることを特徴とする請求項７項記載の成形ツール。
10. 前記多孔性材料が焼結金属、セラミック材料、黒鉛あるいは金属製織物あるいは織布であることを特徴とする請求項９項記載の成形ツール。
11. 前記焼結金属が焼結スチールであることを特徴とする請求項１０項記載の成形ツール。
12. 前記多孔性材料が１０^−１５ｍｍ^２以上の透過性をもつことを特徴とする請求項９項記載の成形ツール。
    

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