JP2005075687A - 精密プレス成形用プリフォームの製造方法、精密プレス成形用プリフォーム、光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加え、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、流出パイプの下方に配した熔融ガラス支持体により熔融ガラス流の先端を受けて直接支持し、前記熔融ガラス支持体による支持を取り除いて熔融ガラス流の先端から前記熔融ガラス塊を分離する工程を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うなど、3種の精密プレス成形用プリフォームの製造方法、Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されてなる精密プレス成形用プリフォーム、および前記方法で作製されたプリフォームを精密プレス成形してなる光学素子である。
【選択図】 なし
Description
近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの小型化、高画素化、高性能化に伴い、低分散性ガラスにより作られた非球面レンズをはじめとするレンズの需要がますます多くなってきている。このような需要に応じるにはレンズ面などの光学機能面の形状を研削、研磨によって加工する方法では間に合わず、プリフォームと呼ばれるガラスを加熱、軟化し、プレス成形型でプレスし、光学機能面を成形する精密プレス成形法(モールドオプティクス成形法とも呼ぶ。)によって高い生産性のもとに量産する方法が有効である(例えば、特許文献1参照)。
フッ素を含む低分散性ガラスからなるレンズを精密プレス成形法で作る場合、まずプリフォームと呼ばれるガラス成形体を作る。プリフォームは目的とする精密プレス成形品の質量と等しい質量をもち、内部および表面に失透、脈理、傷などの欠陥がないものが要求される。
もう1つの方法は、熔融ガラスから目的とするプリフォームの質量と等しい質量の熔融ガラス塊を分離し、この熔融ガラス塊が冷却する過程でプリフォームに成形する方法であり、熱間成形法と呼ばれるものである。熱間成形法では、熔融ガラスから直接プリフォームを作ることができるので、生産性を向上させることができる。また、熔融ガラスを流出ノズルから滴下させたり、流出ノズルから流下する熔融ガラスの先端を支持し、所定のタイミングで上記支持を取り除くことにより、熔融ガラス塊を高い質量精度で分離できる。
また、成形中にガラス塊表面が他の物体に極力触れないようにするため、ガラスに風圧を加えて浮上させた状態で成形することにより、極めて滑らかな表面をもつプリフォームを作ることができる。
例えば、需要が高い超低分散特性を有するガラスはガラス構造中にフッ素を含むことで前記特性を得ているが、熔融状態という極めて高温下のガラスにおいて、フッ素が空気中の酸素と置き換わることでガラス中のフッ素が減少して超低分散性が失われてしまう。熱的安定性が得られるように組成調整してあるガラスにおいて、フッ素が酸素に置き換わることにより安定性が損なわれてしまう。そのため、高い生産性でプリフォームを製造できる方法でありながら、フッ素含有ガラスなどの高温反応性の高いガラスを熱間成形法でプリフォームにすることは、実用化されていないのが実状である。
揮発のメカニズムに違いはあるが、硼素などの易揮発性成分を含むガラスを使用してプリフォームを熱間成形する場合にも揮発の問題がある。
また、ガラス中の易揮発成分の蒸発を防止しても、ガラスが金型に接触した状態で成形するとプリフォーム表面には金型と接触した痕跡が凸凹となって残ってしまう。
(i)高温状態のガラスは非酸化性雰囲気で満たされた密閉空間内で扱う。
(ii)ガラスが自然冷却しにくい比較的大きな質量の場合は、流出した熔融ガラスをガラスから熱を奪う物体に直接接触させて冷却した後に、プリフォームへの成形を開始する。プリフォームの成形は、他の物体との接触を極力避けるため、ガラスに風圧を加えて浮上させながら行う。
(iii)流出パイプから滴下する比較的質量の小さな熔融ガラス塊の場合は、熔融ガラス塊が滴下する過程で易揮発成分が蒸発しない温度にまで冷やしてから、風圧を加えて浮上させながらプリフォームの成形を開始することができる。
(iv)浮上成形のための浮上ガスが流出パイプの流出口に吹きかかると、プリフォームの質量変動や、脈理、失透などの原因になるため、流出口を浮上ガスから遮断する。
(v)熔融ガラス塊は折れ込みが生じないよう、熔融ガラスからの分離から浮上開始までの間、その移動経路を垂直方向に制限することが望ましい。
以上のような配慮を行った結果、表面に微細な凸凹がなく、内部品質も良好な光学ガラス製の精密プレス成形用プリフォームを安定して生産することができることを見出した。
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
(1)流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加え、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、流出パイプの下方に配した熔融ガラス支持体により熔融ガラス流の先端を受けて直接支持し、前記熔融ガラス支持体による支持を取り除いて熔融ガラス流の先端から前記熔融ガラス塊を分離する工程を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うことを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(2)流出パイプより熔融ガラス滴を滴下し、ガスを噴出する成形型で受けて前記ガスにより風圧を加えて浮上しながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記熔融ガラス滴の滴下を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うとともに、熔融ガラス滴の滴下経路を横切るように遮蔽体を設けて流出パイプを前記成形型より噴出するガスから遮蔽するとともに、熔融ガラス滴の滴下に同期して前記滴下経路から前記遮蔽体を取り除くことを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(3)風圧を加えるためのガスが非酸化性ガスである上記(1)または(2)項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(4)流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加えるためのガスを噴出する成形型で受けて、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記流出口の鉛直下方に開閉可能な開口部を有するカバーで流出口を含む空間を覆い、前記開口部を閉じた時に前記空間が密閉されるようにするとともに、前記空間内に非酸化性ガスを供給し、前記開口部を閉じた状態で熔融ガラス塊を分離し、前記開口部を開いて開口部に近接して配置された非酸化性ガスを噴出する成形型に該ガラス塊を移して成形することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(5)フッ素を含むガラスからなるプリフォームを成形する上記(1)ないし(4)項のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(6)Biを含むガラスからなるプリフォームを成形する上記(1)ないし(5)項のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(7)Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されたものであることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(8)必須カチオン成分としてP5+、Al3+、Ba2+、Ca2+、Sr2+を、任意カチオン成分としてMg2+、Zn2+、Li+、Na+、K+、Si4+、B3+、La3+、Gd3+、Y3+、W6+、Nb5+、Bi3+を、必須アニオン成分としてO2−、F−を、任意アニオン成分としてCl−、Br−を含む弗燐酸塩光学ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(9)モル%表示で、Al(PO3)3 0〜15%、Ba(PO3)2 1〜25%、AlF3 2〜45%、YF3 0〜15%、LaF3 0〜10%、GdF3 0〜10%、MgF2 0〜20%、CaF2 2〜45%、SrF2 2〜45%、BaF2 0〜20%、ZnF2 0〜30%、LiF 0〜10%、NaF 0〜15%、KF 0〜15%、SiO2 0〜5%、B2O3 0〜5%、Li2O 0〜5%、Na2O 0〜5%、K2O 0〜5%、MgO 0〜5%、CaO 0〜5%、SrO 0〜5%、BaO 0〜5%、 ZnO 0〜5%、Y2O3 0〜5%、Al2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Nb2O5 0〜5%、WO3 0〜5%を含む弗燐酸塩光学ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(10)全表面が自由表面である上記(7)ないし(9)のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォーム、
(11)上記(1)ないし(6)項のいずれか1項に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、精密プレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子、
(12)上記(7)ないし(10)のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、精密プレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子、
(13)精密プレス成形品であって、Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなる光学素子、
(14)上記(1)ないし(6)項のいずれか1項に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(15)上記(7)ないし(10)のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(16)精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入し、前記プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形する上記(14)または(15)項に記載の光学素子の製造方法、および
(17)精密プレス成形用プリフォームとプレス成形型を別個に加熱してから前記プレス成形型にプリフォームを導入し、精密プレス成形する上記(14)または(15)項に記載の光学素子の製造方法、
を提供するものである。
また、本発明の精密プレス成形用プリフォームによれば、精密プレス成形によって表面、内部とも高品質なガラス製の光学素子を提供することができる。
さらに、本発明の光学素子によれば、光学機能面の形状加工に研削、研磨加工が全く必要のない、表面および内部品質に優れたフツ燐酸ガラス製の光学素子を提供することができる。
また、本発明の光学素子の製造方法によれば、光学機能面の形状加工に研削、研磨加工が全く必要のない、表面および内部品質に優れたフツ燐酸ガラス製の光学素子の製造方法を提供することができる。
[精密プレス成形用プリフォームの製造方法]
本発明において精密プレス成形とは光を屈折させたり、反射させたり、回折させたり、透過したりする光学的機能を備える光学機能面をプレス成形によって形成するプレス成形法のことで、一般にモールドオプティクス成形あるいはモールドプレス成形と呼ばれている。この精密プレス成形では光学機能面(例えば、非球面レンズの非球面などのレンズ面、回折格子の微細な凹凸が形成された面など)の形状をプレス成形で決定するため、研削、研磨により光学機能面を設計形状に加工する必要がない。また、精密プレス成形ではプレス成形品の質量に等しく調整されたガラス成形体を加熱し、加圧によって変形可能な温度にしてプレス成形型でプレスする。このガラス成形体を精密プレス成形用プリフォーム(以下、単にプリフォームと称すことがある。)という。
(プリフォーム製法1について)
プリフォームの製造方法の第1の態様(以下、プリフォーム製法1と呼ぶ。)は、流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加え、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、流出パイプの下方に配した熔融ガラス支持体により熔融ガラス流の先端を受けて直接支持し、前記熔融ガラス支持体による支持を取り除いて熔融ガラス流の先端から前記熔融ガラス塊を分離する工程を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うことを特徴とするものである。
非酸化性ガスとしては、窒素ガス、不活性ガス(例えば、アルゴンガス、ヘリウムガスなど)、炭酸ガスあるいは前記ガスを混合したガスを例示できる。非酸化性ガス中の酸素の量は体積比率で15%以下に抑えることが望ましく、10%以下であることがさらに望ましく、5%以下であることが一層好ましく、0.1〜5%であればよい。
なお前記降下の前に熔融ガラス支持体を熔融ガラス流の流出速度よりも小さな速度で鉛直下方に降下させてもよい。このような操作により、熔融ガラス溜まりに流出パイプ先端が埋もれ脈理が発生することを防止することができる。
熔融ガラス塊を受けてガラス成形体に成形する成形型の底部にはガス噴出口が設けてあり、そこから成形型上のガラス(熔融ガラス塊およびガラス成形体を一括して呼ぶ。)に上向きの風圧を加えて浮上させるためのガスを噴出してガラスを浮上させながら成形を行う。なお、前記ガス(以下、浮上ガスという。)が流出パイプに吹きかかるとパイプや流下する熔融ガラス流の温度が低下したり、熔融ガラス流の流下を不安定にするため、熔融ガラス塊を落下した後、直ちに割り部材を相互に密着して浮上ガスを遮ることが望ましい。
なお、ガス噴出口は複数の細孔が選択的に開口されたものであってもよいし、1つの細孔であってもよい。選択的に開口した複数の細孔からガスを噴出する方法は、熔融ガラス塊には広い範囲にわたり上向きの風圧が加わるため、回転対称軸を一つ有し前記回転対称軸を含む断面における輪郭が外側に凸になっている回転体にガラスを成形する場合に好適である。この場合、成形型の凹部には凹部の中心に対して対称となるように複数の細孔を配することが好ましい。
成形型の材質としては、ステンレス鋼などの耐熱性金属、カーボンなどを用いることができる。また成形型に移された熔融ガラス塊は流出時よりも低温になっているが、依然として高温であり、融着のおそれがある。そのため成形型の温度を300℃以下にコントロールして確実に融着を防止することが好ましい。また、融着を防止するために成形型の表面にはダイヤモンド様カーボン膜などの膜を設けることが望ましい。
次々と分離、落下する熔融ガラス塊を受けるため、熔融ガラス支持体の下方に複数の成形型を順次移送する。具体的にはターンテーブル上に複数の成形型を等間隔に配置し、熔融ガラス塊の落下時に空の成形型が待機するようにすればよい。このようにして複数の成形型に熔融ガラス塊を分配し、ガラス成形体を成形する。
成形されたガラス成形体は外力によって変形しない温度にまで成形型上で冷却してから取り出し、徐冷する。
なお、流出パイプの先端外周に熔融ガラスが濡れ上がる場合がある。このような場合、熔融ガラスが濡れ上がる部分も上記密閉空間内に含まれるようにすることが好ましい。
さらに、非酸化性ガスとして乾燥状態のガスを使用することが好ましい。ガス中に水分が含まれると、水分とガラス中のフッ素が結合しガラスから揮発しやすくなるためである。乾燥ガスの作り方としては、例えば、乾燥剤中を通してガス中の水分を除去したり、液化ガスを蒸発させて用意すればよい。液化ガスの例としては、液体窒素、液体炭酸ガスを好ましい例として示すことができる。尚、液体炭酸ガスは、高圧下で、炭酸ガスを液化したものである。
図1で示すように、熔融ガラス支持体3aを構成する割り部材を離間して熔融ガラス塊4aを鉛直下方に落下して成形型1の中心に導入した後、上記割り部材は直ちに相互に密着させる。したがって、カバー5を用いて流出パイプ2の先端と熔融ガラス支持体3aの上部を密閉する構造でも熔融ガラス塊を落下させる時を除き、カバー5で覆われた空間を密閉状態に保つことができる。また割り部材を離間した時でもカバー内から非酸化性ガスが流れ出しているのでカバー5で覆われた空間内に浮上ガス9(図ではN2)は流れ込みにくい。さらに浮上ガスが流れ込んだとしてもそのガスも非酸化性ガスであるので密閉空間内は非酸化性ガスで満たされた状態を保つこともできる。
一方、成形型の凹部の中心に細孔を1つ設けてガスを噴出することにより、成形型の凹部内でガラスを回転させながら成形することができる。この方法は球状のガラス成形体を成形する場合に適している。
(プリフォーム製法2について)
プリフォームの製造方法の第2の態様(以下、プリフォーム製法2と呼ぶ。)は、流出パイプより熔融ガラス滴を滴下し、ガスを噴出する成形型で受けて前記ガスにより風圧を加えて浮上しながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記熔融ガラス滴の滴下を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うとともに、熔融ガラス滴の滴下経路を横切るように遮蔽体を設けて流出パイプを前記成形型より噴出するガスから遮蔽するとともに、熔融ガラス滴の滴下に同期して前記滴下経路から前記遮蔽体を取り除くことを特徴とする製造方法である。
プリフォーム製法2においてもプリフォーム製法1と同様の理由から、同製法1と同様の非酸化性ガスを使用する。
プリフォーム製法2においても、図3に示したように、清澄、均質化した熔融ガラスを用意し、温度制御された白金合金製などの流出パイプ2から一定の流出速度で熔融ガラス4を流出させる。そして流出パイプ2の下方で待機する成形型1のガス噴出口が設けられた成形部に熔融ガラス滴を滴下する。成形型1は複数用意し、流出パイプ2の下方の熔融ガラス滴を受ける位置(滴下位置という。)で熔融ガラス滴4bを受けると滴下位置から搬出され、空の成形型が滴下位置に搬送される。このようにして複数の成形型を順次、滴下位置に搬送して熔融ガラス滴4bを次々と受ける。成形型上の熔融ガラス滴はガス噴出口から上向きに噴出するガス(浮上ガス)9(図ではN2)により上向きの風圧が加えられ、浮上しながらガラス成形体に成形される。固化したガラス成形体は成形型から取り出され、再度、滴下位置に戻される。
ここで流出条件が不安定になるという意味を具体的に説明する。浮上ガスが流出パイプの先端に吹きかかると、ガスにより流出パイプ先端が冷やされるため、流出パイプの温度が変動し、ガラスの流出量が変動する。但し滴下重量は、ガラスの流出量の変動幅が小さい場合は大きくは変動しない(理由は後述する)。一方、流出パイプ先端の温度が低下すると、流出口で熔融ガラスの結晶が析出することがあり、この場合は、滴下重量が大きくなったり、ガラス成形体に脈理が発生したりする。前記したガラス組成は、一般に流出温度域で結晶化しやすいため、流出パイプ先端の温度低下は大きな問題である。
本発明では浮上ガス9が流出パイプ2に吹きかからないようにするため、この図3に示すように、流出パイプ2と成形型1の間に遮蔽体または支持体3c(図では割り部材)を設け、流出パイプ2を浮上ガス9から遮蔽すると同時に、カバー5と遮蔽体3cで流出パイプ先端を含む密閉空間を形成する。密閉空間内に非酸化性ガスを満たすため、カバー内に一定流量の非酸化性ガス6(図ではN2ガス雰囲気)を流す。非酸化性ガスの流量を一定に制御することにより、流出パイプ先端部の温度変動を小さくすることもできる。また、前記遮蔽を十分なものにするため、遮蔽体3cは熔融ガラス滴の滴下経路を横切るように配置し、滴下に同期して滴下経路から遮蔽体3cを取り除くようにする。具体的には、遮蔽体3cを複数の割り部材で構成し、前記割り部材同士を密着させて噴出するガス9から流出パイプ2を遮蔽するとともに、熔融ガラス滴4bの滴下に同期して前記割り部材を相互に離間して、離間した割り部材の間を熔融ガラス滴4bが落下するよう遮蔽体3cを配置する。または、遮蔽体を支持体として使用し、滴下したガラス液滴を受けて支持し、ある程度冷却した後、支持体としての割り部材を相互に離間して、離間した割り部材の間を熔融ガラス滴が落下するよう支持体を配置する。確実かつ容易に上記操作を行うには2つの割り部材により遮蔽体を構成することが好ましい。
このように浮上ガスから流出パイプを遮蔽することにより、熔融ガラスの流出条件、熔融ガラス滴の滴下条件を安定させ、ガラス成形体の質量精度を向上させることができる。なお、前記質量精度としては目標とする質量の±1%以内の範囲とすることが望ましい。
なお、図3や4においてもガラスカバー5と割り部材3c、3bの間にテフロンなどの弾力素材のスカートを隙間無く取り付けてカバー内の密閉性をより向上させてもよい。
なお、上記支持体の構造や形状、材質、冷却方法は、プリフォーム製法1と同様にすればよい。
また割り部材の離間時に熔融ガラスに加わる水平方向の力を低減するため、熔融ガラスを支持する面は研磨面とし、融着防止と低摩擦特性を有するコーティングを行うことが望ましい。
成形型の材質や成形面に設ける膜、成形型の移送方式としては、プリフォーム製法1と同様のものとすればよい。
上記方法は熔融ガラスの流出条件、熔融ガラス滴の滴下条件の変動により質量精度や品質が低下しやすいガラスの成形にも適している。
なお、カバーとしては透明容器を使用することが好ましく、ガラス容器を使用すればよい。このようにすると流出状態を外部から観察することができる。
このようにして熔融ガラス滴を成形型に送り出すまでを非酸化性ガス雰囲気中で扱うことができる。
なお、上記非酸化性ガスは、プリフォーム製法1の非酸化性ガスと同様にすればよい。
また、浮上ガスも上記非酸化性ガスを使用することが望ましい。
以上、プリフォーム製法2によれば、流出直後の熔融ガラスを非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で扱うため、表面が滑らかで欠陥のないプリフォームを成形することができる。
プリフォーム製法2の非酸化性ガスにおいても、プリフォーム製法1の乾燥状態のガスを使用することができる。
プリフォーム製法2は、比較的小さな質量のプリフォームを製造する場合に適している。プリフォーム質量の好ましい範囲は5〜600mgである。
プリフォーム製法1、2のいずれも、折れ込みが発生しやすい流出粘度が低いガラスの成形にも適しており、流下時の粘度が0.5〜50dPa・s程度の熔融ガラスから質量精度の高い、高品質なプリフォームを成形することもできる。
(プリフォーム製法3について)
プリフォームの製造方法の第3の態様(以下、プリフォーム製法3と呼ぶ。)は、流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加えるためのガスを噴出する成形型で受けて、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記流出口の鉛直下方に開閉可能な開口部を有するカバーで流出口を含む空間を覆い、前記開口部を閉じた時に前記空間が密閉されるようにするとともに、前記空間内に非酸化性ガスを供給し、前記開口部を閉じた状態で熔融ガラス塊を分離し、前記開口部を開いて開口部に近接して配置された非酸化性ガスを噴出する成形型に該ガラス塊を移して成形することを特徴とするものである。
非酸化性ガスとしてはプリフォーム製法1あるいは2のものと同じものを使用することができる。
上記観点ならびに熔融ガラス塊の落下距離を最小にして折れ込みなどの欠陥発生を防止する観点から、前記開口部と成形型上端を密着させてから開口部を開き、熔融ガラス塊の成形型への落下を行うことが好ましい。
また、折れ込みを防ぐ上から熔融ガラス塊は鉛直方向に自由落下させることが望ましく、また成形型の成形部の中央に落下させることが望ましい。
高品質のプリフォームをより安定して生産するためには、プリフォーム製法1および3を組合せた方法、またはプリフォーム製法2および3を組合せた方法がより望ましい。
本発明において、流出パイプ先端外周への熔融ガラスの濡れ上がりを低減するとともに、ガラスの高温安定性を向上する上から、ガラス成分にBiを導入することが望ましい。上記濡れ上がったガラスは、パイプ外周に比較的長時間滞在すると考えられ、その間にフッ素や硼素などの易揮発性、高反応性の成分が離脱して変質する。このように変質したガラスが熔融ガラス塊や熔融ガラス滴に取り込まれると、異質な部分がプリフォーム中に生じて欠陥になる。そのため、濡れ上がりは極力低減することが望まれる。
また、フッ素含有ガラス(例えばフツ燐酸ガラス)の熔解は、酸素含有量を体積比率で15%以下に抑えた非酸化性ガス雰囲気中や、熔融ガラスと反応しない窒素ガスやアルゴンガスなどの雰囲気中で行うことが好ましい。また、前記乾燥状態の非酸化性ガス雰囲気中で熔解することもできる。このようにして、屈折率(nd)が1.4〜1.65の範囲にあり、アッベ数(νd)が65〜97の範囲にあるフツ燐酸塩ガラスからなるプリフォームを製造することができる。
[プリフォーム]
本発明の第1のプリフォームは、本発明の製造方法によって作製されたプリフォームであり、第2のプリフォームは、Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されたものであることを特徴とするプリフォームである。
本発明のプリフォームは全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されたものであり、研磨痕などの微細な傷や潜傷はない。また、微細な凸凹もないので微視的にも滑らか表面になっている。このようなプリフォームによって、精密プレス成形品の表面、特に光学機能面の表面を微視的に意図しない凸凹のない良好な面にすることができ、光学機能面における光散乱や光学素子としての性能低下を防止することができる。なお、本発明のプリフォームとしては、全表面が自由表面であるものが好ましい。
前記対称軸を含む断面において、プリフォームの輪郭線上の点とプリフォームの重心を結ぶ直線と、前記輪郭線上の点において輪郭線に接する接線を考える。そして前記直線と接線のなす角θが以下のように変化するものが好ましい形状である。すなわち、回転対称軸と輪郭線との交点においてθは90°であり、輪郭線上の点をこの交点から移動するにつれてθは単調増加した後、単調減少に移り、再び90°になった後も単調減少する。それから単調増加に移り、回転対称軸と輪郭線との交点の他方において90°に戻る。この場合、プリフォームは回転体なので、θは上記挙動と同じ挙動を示しながらスタート地点の交点で再び90°になる。なお、θを上記θの補角にとる場合は、単調増加と単調減少が入れ替わる挙動を示す。
このような形状によって、精密プレス成形時にプリフォームとプレス成形型の間に雰囲気ガスが閉じ込められ、成形不良となるガストラップの危険を低減することができる。なお、このようなガストッラプの危険をさらに低減するには、プリフォーム表面の曲率半径がプレス成形型成形面の曲率半径よりも小さくなるように成形すればよい。
次に、本発明のプリフォームがフツ燐酸塩ガラスからなる場合について説明する。この光学ガラスはフツ燐酸塩ガラスである点を活かし、アッベ数(νd)が65以上の低分散特性を備えるものが好ましく、特に、屈折率(nd)が1.4〜1.65、アッベ数(νd)が65〜97であるものが好ましい。
(好ましい組成I)
第1の好ましいフツ燐酸塩ガラスは、カチオン成分としてBiイオンを含むものである。Biイオン導入はガラスの高温安定性を向上させるとともに、流出パイプへの濡れ上がりを低減する効果がある。さらに、Biの導入により表面張力が大きくなり、上記濡れ上がりの低減だけでなく、脈理低減や表面が微視的にも滑らかなプリフォームを効率よく生産することができる。なお、Biの導入量としては、BiF3では0.2〜20モル%、Bi2O3では0モル%超10%以下である。
(好ましい組成II)
第2の好ましいフツ燐酸塩ガラスは、必須カチオン成分としてP5+、Al3+、Ba2+、Ca2+、Sr2+を、任意カチオン成分としてMg2+、Zn2+、Li+、Na+、K+、Si4+、B3+、La3+、Gd3+、Y3+、W6+、Nb5+、Bi3+を、必須アニオン成分としてO2−、F−を、任意アニオン成分としてCl−、Br−を含むフツ燐酸塩ガラスである。具体的には、モル%表示で、Al(PO3)3 0〜15%、Ba(PO3)2 1〜25%、AlF3 2〜45%、YF3 0〜15%、LaF3 0〜10%、GdF3 0〜10%、MgF2 0〜20%、CaF2 2〜45%、SrF2 2〜45%、BaF2 0〜20%、ZnF2 0〜30%、LiF 0〜10%、NaF 0〜15%、KF 0〜15%、SiO2 0〜5%、B2O3 0〜5%、Li2O 0〜5%、Na2O 0〜5%、K2O 0〜5%、MgO 0〜5%、CaO 0〜5%、SrO 0〜5%、BaO 0〜5%、ZnO 0〜5%、Y2O3 0〜5%、Al2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Nb2O5 0〜5%、WO3 0〜5%を含むものである。
上記各成分の組成範囲を限定した理由は次のとおりである。
さらに脱泡や光学恒数を調整するなどの目的でCl、Brなどの化合物の少量導入は可能である。
なお、プリフォームを構成するフツ燐酸塩ガラスの耐水性としては、日本光学硝子工業会規格による耐水性試験において、質量減(%)表示で0.25未満であるものが望ましい。
さらにプリフォームを構成するフツ燐酸塩ガラスとしては、両面光学研磨された状態で温度65℃、相対湿度90%の清浄な空気で満たされた恒温恒湿器内に1週間保持し、前記研磨面に白色光を透過させた際の散乱光/透過光の強度比が8.0以下となるような耐候性を持つものが望ましい。
さらに、500℃以下のガラス転移温度(Tg)を有するフツ燐酸塩ガラスが精密プレス成形性の観点から好ましい。
なお、ガラス中に吸収剤を導入し、フィルター機能を付与する場合には、ガラス中に着色成分を導入することもできる。例えば、Cuイオンを適量導入することにより、近赤外線吸収特性を付与することができ、近赤外線吸収機能を有する光学素子を精密プレス成形によって得ることもできる。
熔融ガラスから成形、徐冷して得られたプリフォームには必要に応じて洗浄及び乾燥を行う。また、離型作用やガラスがプレス成形型表面で広がりやすくなるよう潤滑作用を有する膜をプリフォーム表面に形成してもよい。このような膜はプリフォーム表面全体に形成することが望ましい。上記膜としては炭素含有膜や自己組織化膜を例示することができる。炭素含有膜としては、蒸着炭素膜、CVDによって形成される炭素膜などを例示できる。
[光学素子]
本発明の光学素子は、本発明の製造方法により作製されたプリフォームまたは本発明のプリフォームを加熱し、精密プレス成形して作製された光学素子である。このような光学素子としてはレンズ、プリズム、レンズ付きプリズム、回折格子、ポリゴンミラーなどを例示することができる。またレンズとしては球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズ、ピックアップレンズ、コリメータレンズ、レンズアレイなどを例示することができる。
上記光学素子がフツ燐酸塩ガラスからなる場合は、低分散あるいは超低分散の光学素子を提供することができる。また、フツ燐酸塩ガラスは紫外線透過率が高いため、紫外線を光学的に制御するためのレンズ(球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズ、ピックアップレンズ、コリメータレンズ、レンズアレイなど)、プリズム、レンズ付きプリズムに好適である。
また、前記のように着色剤を導入したプリフォームを使用することにより光吸収機能を有する光学素子を得ることもできる。このような素子としてはCuイオンを添加した近赤外線吸収機能を有する光学素子、例えば上記各種光学素子を提供することもできる。
[光学素子の製造方法]
本発明の光学素子の製造方法は、本発明の製造方法により作製されたプリフォームまたは本発明のプリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを特徴とするものである。
上記方法により、光学機能面に意図しない微細な凸凹や変質、脈理、失透などの欠陥のない高品質な光学素子を作ることができる。特にフツ燐酸塩ガラス製の光学素子の製造に好適である。
光学素子の製造方法の第2の態様(光学素子の製法2と呼ぶ。)は、プリフォームとプレス成形型を別個に加熱してから前記プレス成形型にプリフォームを導入し、精密プレス成形するという方法である。
また、プリフォームを浮上しながら予熱することが好ましく、上記ガラスが105.5〜109dPa・sの粘度を示す温度にまで予熱することがより好ましい。また、プレス開始と同時又はプレスの途中からガラスの冷却を開始することが好ましい。
上記プリフォームの予熱では、予熱温度をガラスが109dPa・s以下の粘度を示す温度とすることが好ましく、105.5〜109dPa・sの粘度を示す温度とすることがより好ましい。なお、プレス成形型の温度は上記ガラスが109〜1012dPa・sを示す温度とするのが好ましい。
以上のように本発明の光学素子の製造方法によれば、高品質なプリフォームを使用するので表面欠陥、内部欠陥のない良好な光学素子を作製することができる。 さらに、プリフォームの質量精度が高いので光学機能面以外の面に機械加工を施すことなく光学素子を作ることもできる。
なお、ガラスの諸物性は、以下のようにして測定した。
(1)屈折率(nd)およびアッベ数(νd)
1時間当たり、30℃の降温速度で冷却して得られた光学ガラスについて測定した。
(2)ガラス転移温度(Tg)および屈伏点(Ts)
熱機械分析装置を用い、4℃/分の昇温速度で測定した。
実施例1
所定量のバッチを調合したガラス原料を加熱熔融し、脱泡清澄、攪拌均質化して得られた熔融ガラスを温度制御された白金合金製ノズルから一定の流出速度で連続して流下する。この際のガラスの引き上げ量を9.5kg/日とした。なお、上記熔融ガラスから得られるガラスの組成、特性は表1に示すとおりである。
本実施例で用いた熔融ガラス支持体は2つの平板状の割り部材により構成され、熔融ガラス流の先端を受ける面は鏡面仕上げされており、上記割り部材を相互に密着した状態で一つの平面を構成するようになっている。また、流出口と支持体とをN2雰囲気にコントロールするため、SiO2ガラスカバーを図1、2のようにつけ、ガラス熔融体を成形型へ送るまではN2雰囲気にコントロールする。さらに、熔融ガラス支持体の内部には熔融ガラスとの融着を防ぐため水路を設けてあり、冷却水を流して水冷している。支持体の温度は、水冷の水量と水温を制御することで制御した。また熔融ガラス支持体の表面には、ダイヤモンド様カーボンをコーティングした。
成形型上で時間とともに冷却、固化したガラス成形体を吸引して成形型から取り出し、パレット上に移送し徐冷する。このようにして連続流出する熔融ガラスから所定質量のプリフォームを次々と製造していく。
このようにして、プリフォーム作製周期を3.2秒に設定し、光学ガラスよりなる350±3mgの球状ガラス成形体を作製し、フツ燐酸塩ガラスからなるプリフォームとした。
プリフォームにはカンワレその他の傷、脈理、折れ込み、失透などの欠陥は認められなかった。
さらにプリフォーム表面を光学顕微鏡で拡大観察したところ、全表面がなめらかな表面であった。
実施例2
調合されたガラス原料を加熱熔融し、脱泡清澄、攪拌均質化して得られた実施例1と同じ熔融ガラスを温度制御された白金合金製パイプから一定の流出速度で連続して流下する。この際のガラスの引き上げ量を8kg/日とした。
流下する熔融ガラス流は図3に示された装置によりプレス成形用プリフォームに成形される。
図4で用いた支持体は、熔融ガラス滴を受ける面が傾斜している2つの割り部材により構成されている。前記割り部材は相互に密着し、下方から来るガスや空気の流れから流出パイプの先端を遮蔽しているとともに、流出パイプ先端から熔融ガラス滴が支持体に滴下した後、ある程度ガラス熔融液滴を冷却させたあと、割り部材が相互に離間し、離間した割り部材の間を通って熔融ガラス滴が成形型へと落下する。熔融ガラス滴が割り部材の間を通過したら直ちに、割り部材を相互に密着してガスから流出パイプを遮蔽する。
このようにして、フツ燐酸塩ガラスよりなる350±1.4mgの球状プリフォームを作製した。
プリフォームにはカンワレその他の傷、脈理、失透などの欠陥は認められなかった。また重量精度も上記のように目標値の±1%以内に入る高いものであった。
実施例3
実施例1、2で成形されたフツ燐酸塩ガラスからなるプリフォームを洗浄、乾燥した後、精密プレス成形を行って非球面レンズを作製した。上記プレス成形ではSiC製の型材表面に炭素膜を形成したプレス成形型を用い、雰囲気を窒素雰囲気とした。プレス成形は、プリフォームを600℃以下の温度にまで加熱し、60秒間、10MPaの圧力でプレスして行った。プレス成形後、非球面レンズをプレス成形型から取り出し徐冷した。得られたレンズは内部、表面とも良好な状態であった。またレンズ表面を拡大観察しても微細な凸凹は認められなかった。レンズは心取り加工を行う必要がなく、精密プレス成形によって形成されたレンズ周辺部をホルダーに固定する際に位置決め基準に使用できるものであった。このようにして得られた表面に反射防止膜を形成してもよい。
また、上記精密プレス成形では、プリフォームをプレス成形型に導入し、プリフォームとプレス成形型を同時に加熱してもよいし、予熱されたプレス成形型に加熱されたプレス成形型を投入してプレスしてもよい。
比較例
実施例1、2と同じ組成のガラスが得られる熔融ガラスを大気中で流出パイプから滴下し、流出パイプの下方で待機する浮上ガスを噴射する成形型に落下導入し、浮上させながら球状プリフォームに成形した。このプリフォームを徐冷してから光学顕微鏡で拡大観察したところ、鱗状の微細な凸凹が表面全域に認められた。
次いで、このプリフォームを実施例3と同様に精密プレス成形したところ、得られたレンズ表面に微細な凸凹が認められた。また浮上ガスが流出パイプに吹きつけるため、プリフォームの質量精度は悪化した。
次いで、このプリフォームを実施例3と同様に精密プレス成形したところ、得られたレンズ表面に微細な凸凹が認められた。
2 流出パイプ
3a、3b、3c 割り部材
4 熔融ガラス
4a 熔融ガラス塊
4b 熔融ガラス滴
5 カバー
6 N2ガス雰囲気
7 水路
8 テフロンスカート
9 浮上ガス
Claims (17)
- 流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加え、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、流出パイプの下方に配した熔融ガラス支持体により熔融ガラス流の先端を受けて直接支持し、前記熔融ガラス支持体による支持を取り除いて熔融ガラス流の先端から前記熔融ガラス塊を分離する工程を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うことを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- 流出パイプより熔融ガラス滴を滴下し、ガスを噴出する成形型で受けて前記ガスにより風圧を加えて浮上しながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記熔融ガラス滴の滴下を非酸化性ガスで満たされた密閉空間内で行うとともに、熔融ガラス滴の滴下経路を横切るように遮蔽体を設けて流出パイプを前記成形型より噴出するガスから遮蔽するとともに、熔融ガラス滴の滴下に同期して前記滴下経路から前記遮蔽体を取り除くことを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- 風圧を加えるためのガスが非酸化性ガスである請求項1または2に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- 流出パイプの流出口より流出する熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊に風圧を加えるためのガスを噴出する成形型で受けて、浮上させながらガラス製プリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記流出口の鉛直下方に開閉可能な開口部を有するカバーで流出口を含む空間を覆い、前記開口部を閉じた時に前記空間が密閉されるようにするとともに、前記空間内に非酸化性ガスを供給し、前記開口部を閉じた状態で熔融ガラス塊を分離し、前記開口部を開いて開口部に近接して配置された非酸化性ガスを噴出する成形型に該ガラス塊を移して成形することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- フッ素を含むガラスからなるプリフォームを成形する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- Biを含むガラスからなるプリフォームを成形する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されたものであることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
- 必須カチオン成分としてP5+、Al3+、Ba2+、Ca2+、Sr2+を、任意カチオン成分としてMg2+、Zn2+、Li+、Na+、K+、Si4+、B3+、La3+、Gd3+、Y3+、W6+、Nb5+、Bi3+を、必須アニオン成分としてO2−、F−を、任意アニオン成分としてCl−、Br−を含む弗燐酸塩光学ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
- モル%表示で、Al(PO3)3 0〜15%、Ba(PO3)2 1〜25%、AlF3 2〜45%、YF3 0〜15%、LaF3 0〜10%、GdF3 0〜10%、MgF2 0〜20%、CaF2 2〜45%、SrF2 2〜45%、BaF2 0〜20%、ZnF2 0〜30%、LiF 0〜10%、NaF 0〜15%、KF 0〜15%、SiO2 0〜5%、B2O3 0〜5%、Li2O 0〜5%、Na2O 0〜5%、K2O 0〜5%、MgO 0〜5%、CaO 0〜5%、SrO 0〜5%、BaO 0〜5%、ZnO 0〜5%、Y2O3 0〜5%、Al2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Nb2O5 0〜5%、WO3 0〜5%を含む弗燐酸塩光学ガラスからなり、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
- 全表面が自由表面である請求項7ないし9のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、精密プレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子。
- 請求項7ないし10のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、精密プレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子。
- 精密プレス成形品であって、Bi含有のフツ燐酸塩ガラスからなる光学素子。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項7ないし10のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入し、前記プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形する請求項14または15に記載の光学素子の製造方法。
- 精密プレス成形用プリフォームとプレス成形型を別個に加熱してから前記プレス成形型にプリフォームを導入し、精密プレス成形する請求項14または15に記載の光学素子の製造方法。
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