JP2005263554A - ガラス硝材の加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス硝材を加熱して表面粗さを小さくする際の硝材自身の形状変形を極小にして、硝材保持部とガラスとの融着を防止し、かつ硝材に泡あるいは失透などの光学的欠陥を発生させないプレス成形用ガラス硝材を得る。
【解決手段】ガラス硝材２６を金型内の受け型２７に載せて、胴型２１の内部へ下型２３を上昇させ上型２２にガラス表面が接触しない位置に配置する。ヒーター２４，２５を制御しながらガラス硝材２６の温度をガラス軟化点以上の温度に加熱する。この加熱により、ガラス表面２６ａ，２６ｂは軟化されて、ガラス硝材２６の表面粗さはＲｍａｘ０．０４μｍ以下まで小さくなる。ガラス硝材２６の形状は大幅には崩れず、そのままプレス工程に入っても上下両面とも金型中心からの当りになる形状は保持できる。その後、ヒーター２４、２５の温度を下げて、取り出し可能温度４００℃程度に金型温度がなった時点で下型２３を下降させ、表面が平滑化されたガラス硝材２６を取り出し冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス硝材を成形型でプレスして、レンズなどの光学素子を得るためのガラス硝材の加工方法および装置に関するものである。

従来、ガラスレンズの成形方法としては、上下一対の成形用型部材の間にガラス素材を挿入して配置し、これを鏡面に仕上げられた上型と下型によりプレス成形することによって、所望の面精度と光学機能面を持った光学素子を得る方法が実施されている。

ガラスレンズ成形は、まず、下型の成形面上に成形用ガラス素材を載せ、さらに、その上に上型を降下させる。次に、この状態で、ガラス素材および成形用の上型と下型を加熱して、プレス成形に適した温度にして加圧機構を動作させ、加圧棒で上型部材を介してガラス素材を加圧し、光学素子を成形する。

そして、ガラス素材に成形面が転写され、また、その形状が離型後も必要な面精度で保持されるまで、充分な時間圧力を加えながら冷却する。その後、離型することにより成形された光学素子を取り出す。

ところで、その際、使用する成形用ガラス素材は、成型用型のキャビティ容量と同等の体積が必要であり、所定の寸法に加工したものを使用しなければならない。同時に、ガラス素材の表面粗さが粗く、局所的な欠陥を持っていると、成形された後に、光学素子の光学機能面に欠陥が残る可能性がある。

したがって、前述のように体積管理され加工されたガラス素材を、通常の研磨処理工程によって、光学素子として許容されるガラス表面、すなわち面粗さＲｍａｘ０．０４μｍ以下に仕上げたものをガラス素材として使用しなければならない。このため、研磨，洗浄などによるコストアップ、あるいは研磨処理によるヤケ，シミなどの表面汚れの品質上の問題発生が課題になっている。この課題を解決するため、例えば特許文献１には、研磨処理などの生産性あるいはコストの面で、不利益となる作業を必要としない光学素子成型用のガラス素材を提供することが記載されている。

さらに、特許文献２に記載されるように、研磨処理をしないプレス用ガラス素材の前加工として、所望のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス素材を加熱軟化して表面粗さを小さくし、その後、成形型によりプレスするガラスレンズの成形方法において、前記予備加工した表面粗さの大きいガラス素材をガラス転移点以上屈伏点以下の温度に加熱する工程と、加熱したガラス素材の表層部を赤外光により軟化点以上に加熱して表面粗さをＲｍａｘ０．１μｍ以下にする工程とを備え、表面粗さを小さくしたガラス素材をプレス成形する方法が提案されている。

図５は、特許文献２に記載された従来の加熱軟化によるガラス素材の平滑化を利用したガラスレンズの成形方法を示すものである。

図５に示すように、円筒状の予備加熱炉１には、ガラス素材２を所定温度まで加熱するヒーター３が内部に設けられている。予備加熱炉１の一端には、加熱軟化したガラス素材２をプレス成形する成形室４が連設されている。成形室４には、対向面にそれぞれ所望のレンズ面形状を反転した成形面を有する上型５および下型６が、同一軸線上でそれぞれ上下移動自在に対向配置されると共に、上型５および下型６をそれぞれ所望の型温度に加熱するヒーター７，８が、それぞれ断熱材９，１０に囲まれて設けられている。

予備加熱炉１の成形室４側には、それぞれリフレクター付きのハロゲンランプ１１が一対設けられ、このハロゲンランプ１１は、搬送アーム１２で保持されたガラス素材２の両ガラス表面２ａ，２ｂを所定温度に加熱すべく上下に対向して配置されている。

搬送アーム１２は、ガラス素材２をリング状の搬送部材１３に載置して、予備加熱炉１内のハロゲンランプ１１間および上型５，下型６間に搬送するものであり、その先端には搬送部材１３の支持部が形成されていると共に、図示を省略した搬送装置により、予備加熱炉１外のガラス素材２の受け位置と成形室４外のガラスレンズの受け渡し位置との間で、往復運動されるようになっている。

カーブジェネレーターにより所望のレンズ形状に近似して曲率半径に両面とも研削加工された表面粗さの大きいガラス素材２を、搬送部材１３に載置して、搬送アーム１２で支持しつつ予備加熱炉１内に搬送し、予備加熱炉１でガラス素材２を転移点以上屈伏点以下の温度で均一に加熱した後、搬送アーム１２によって一対のハロゲンランプ１１間に搬送する。

そして、一対のハロゲンランプ１１からガラス素材２の両ガラス表面２ａ，２ｂに赤外線を約２０ｓｅｃ程度照射し、表面を屈伏点以上の温度に加熱する。この加熱により、ガラス素材２の表面粗さは、０．１〜０．０５μｍまで小さくなる。その後、ヒーター７，８によりガラス素材２の転移点温度より低めの温度に加熱された上型５と下型６間に、ガラス素材２を搬送アーム１２で搬送し、上型５と下型６により所望形状のガラスレンズにプレス成形する。
特開平８−１６９７２１号公報 特開平５−１７８６２５号公報

しかしながら、このような構成のガラスレンズの成形方法では、集光された赤外光でガラス素材の表面層のみを屈伏点以上に加熱するが、より高精度なガラスレンズを得るために表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にしようとした場合、ガラス素材の温度が高くなり、ガラスとその保持部との間で融着あるいは泡が発生する。また、ガラス素材が自重により撓み変形を起こし、プレス成形時のガラス素材の変形量が大きくなり、金型中心以外の部分に先当りしてポイドが発生すること、あるいは加熱処理の温度によりガラスの失透（結晶化）が発生するなど、所望の光学特性を満足するガラスレンズを成形しにくくなるという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決し、ガラス素材を加熱して表面粗さを小さくする際の自重による変形を極力防ぎ、また、型材へのガラスの融着あるいは硝材表面での泡の発生、失透などの欠陥を発生させないガラス硝材の加工方法および装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載されるガラス硝材の加工方法は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を、加熱処理型内にガラス硝材のレンズ有効面と非接触の状態で保持して、ガラス硝材を加熱軟化しレンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工方法において、ガラス硝材を、加熱処理型内の下型上にアモルファスカーボンあるいはＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成されたレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段により配置する工程と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱し、ガラス硝材の表層部を軟化させて、表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にする工程とからなる加工方法によって、ガラスと保持部の融着がなく、表面粗さの小さくかつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

また、請求項２に記載されるガラス硝材の加工方法は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を、加熱処理型内にガラス硝材のレンズ有効面と非接触の状態で保持して、ガラス硝材を加熱軟化しレンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工方法において、ガラス硝材を、加熱処理型内の下型上にアモルファスカーボンあるいはＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成され、かつそのガラスとの接触面がＲｔ＝５０ｎｍ以下の鏡面に仕上げられたレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段により配置する工程と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱し、ガラス硝材の表層部を、軟化させて表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にする工程とからなる加工方法によって、ガラスと保持部の融着が無く、また、保持部との接触面に泡の発生のほとんどない、表面粗さが小さく、かつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

また、請求項３に記載されるガラス硝材の加工方法は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を、加熱処理型内にガラス硝材のレンズ有効面と非接触の状態で保持して、ガラス硝材を加熱軟化しレンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工方法において、ガラス硝材を、加熱処理型内の下型上にアモルファスカーボンやＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成されレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段により配置する工程と、負圧下において溶融ガラスの粘度が下がるという化学的現象を利用するために加熱処理型内を減圧ポンプなどにより負圧雰囲気にする工程と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱し、ガラス硝材の表層部を、軟化させて表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にする工程とからなる加工方法によって、ガラスと保持部の融着がなく、ガラスの失透などの欠陥がない表面粗さが小さく、かつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

また、請求項４に記載されるガラス硝材の加工装置は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を加熱軟化してレンズ有効面を平滑化し、ガラス硝材を加工するガラス硝材の加工装置において、ガラス硝材を加熱処理型の内部に配置された下型上にアモルファスカーボンやＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成されたレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱する加熱手段により、ガラスと保持部の融着がなく、表面粗さが小さくかつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

また、請求項５に記載されるガラス硝材の加工装置は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を加熱軟化してレンズ有効面を平滑化し、ガラス硝材を加工するガラス硝材の加工装置において、ガラス硝材を、加熱処理型内の下型上にアモルファスカーボンやＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成されかつそのガラスとの接触面がＲｔ＝５０ｎｍ以下の鏡面に仕上げられたレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱する加熱手段により、ガラスと保持部の融着がなく、また、保持部との接触面に泡の発生のほとんどない、表面粗さが小さくかつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

また、請求項６に記載されるガラス硝材の加工装置は、最終のレンズ形状に近似した形状に予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を加熱軟化してレンズ有効面を平滑化し、ガラス硝材を加工するガラス硝材の加工装置において、ガラス硝材を、加熱処理型内の下型上にアモルファスカーボンあるいはＳｉＣなどのガラスとの反応の少ない部材で構成されレンズ有効面以外の部分を把持する保持手段と、加熱処理型内を負圧雰囲気にする減圧ポンプなどの減圧手段と、ガラス硝材を、上型と下型および加熱処理型の周囲に設けられた熱源により軟化点以上に加熱する加熱手段により、ガラスと保持部の融着がなく、ガラスの失透などの欠陥がない表面粗さが小さく、かつ変形量の少ないプレス成形可能なガラス硝材を得ることができる。

本発明によれば、予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を、その形状をほとんど変化させることなくプレス成形することができる表面粗さにまで平滑化すること、さらに、ガラス保持部との融着，泡，失透の発生のない、成形性が良く光学特性を充分に満たすガラスレンズを成形することができるガラス硝材を加工することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるガラス硝材の加工装置の概略構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、上型２２と下型２３は、図示しない上下移動機構により円筒状をなす胴型２１の内部を上下移動することができる。ヒーター２４とヒーター２５は、抵抗ヒーターであって、それぞれ胴型２１，上型２２，下型２３を加熱することができる。上型２２，下型２３および胴型２１の温度は、熱電対２８でモニター制御されており、それぞれ独立した温度の設定が可能である。ガラス硝材２６を保持する保持手段である受け型２７は、下型２３上に設置されており、その材質としては、ガラスとの反応の少ないカーボンあるいはアモルファスカーボンまたはＳｉＣなどのセラミックまたは表面コートされた金属などが好ましい。

次に、実施の形態１においてガラス硝材を作るプロセスを具体的に説明する。本例では、ガラス硝種ＶＣ８９（（株）住田光学ガラス製：Ｔｇ５２８℃，Ａｔ５５９℃）で直径１５ｍｍ程度の凹メニスレンズを加工する場合の説明する。

予備加工として、カーブジェネレーターにより所望のレンズ形状に近似して体積管理され、金型との接触が中心からの当りになるようにガラス硝材２６を形状加工する。このときのガラス硝材２６は、研削加工面の表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度であった。

ガラス硝材２６を金型内の受け型２７に載せて、胴型２１の内部へ下型２３を上昇させ上型２２にガラス表面が接触しない位置に配置する。ヒーター２４，２５を制御しながら、ガラス硝材２６の温度をガラス軟化点以上の温度に加熱する。この加熱により、ガラス表面２６ａ，２６ｂは軟化されて、ガラス硝材２６の表面粗さはＲｍａｘ０．０４μｍ以下まで小さくなる。ガラス硝材２６の形状は大幅には崩れず、そのままプレス工程に入っても上下両面とも金型中心からの当りになる形状は保持できた。

本例では６７０℃で１２０ｓｅｃ程度の熱処理を実施した。ガラスの温度が失透領域以下屈伏点以上の熱処理温度までの昇温降温をできる限り短い時間で得ることができようなヒーターの選択が望ましい。また、受け型２７による接触から発生するガラス硝材２６下面への伝熱によるガラス硝材２６の上下面における温度分布の不均衡があるため、ガラス硝材２６の形状変化を制御するためにも、上下型の温度差も制御できる構成がよい。

その後、ヒーター２４，２５の温度を下げて、取り出し可能温度４００℃程度に金型温度がなった時点で下型２３を下降させ、表面が平滑化されたガラス硝材２６を取り出し、冷却すると所望形状のガラス硝材が得られる（図１（ｂ）参照）。

なお、本実施の形態１において、熱源として抵抗ヒーター２４，２５を設けたが、他に誘導加熱あるいはハロゲンランプなどの赤外線を熱源としてもよい。

図２（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるガラス硝材加工装置の受け型の一例の概略構成を示す断面図である。

図２（ａ）に示す例では、受け型２７の表面２７ａがＲｔ＝５０ｎｍ以下の鏡面に仕上げられている。実施の形態１と同様のプロセスを経ると、ガラス硝材２６の受け型２７との接触部２６ｃには受け型２７の面粗さ起因による泡の発生はほとんどなく、さらにまた、受け型２７が鏡面によることから物理的なガラスの融着も発生しない。

図２（ｂ）には、受け型２７をリング状にして、内周のＲｔ＝５０ｎｍ以下に鏡面加工された、２７ｂに示す面においてガラス硝材外周部を保持する例を示している。本例の場合、図２（ａ）に比べ受け型の硝材との接触面積をさらに減らすことができ、熱伝導もガラス硝材上下面とも輻射熱がメインになり、形状変化のバランスも取りやすく、硝材の形状変化を抑えるにはさらに有利になる。

図３は本発明の実施の形態３におけるガラス硝材加工装置の受け型の周辺概略構成を示す断面図である。

図３に示すように、ガラス硝材２６のレンズ有効面を、下型２３に接触させない基本的な構造は図１，図２に示した構成と同様であるが、上型２２，下型２３のガラス硝材２６側に輻射熱を制御するデザインを持った輻射板２９ａ，２９ｂを配置した点が実施の形態１，２と異なる。

図３に示すように、輻射板２９ａ，２９ｂは、それぞれガラス硝材２６に対する輻射熱を考慮した形状にデザインされており、このデザインにより実施の形態１，２に比べて、さらにガラス硝材２６の形状変化を抑えることができた。また、輻射板２９ａ，２９ｂの材質としては、カーボン系の材料を利用した場合の方が黒体になるため、熱の伝達効率が上がった。

図４は本発明の実施の形態４におけるガラス硝材加工装置の概略構成を示す断面図である。

図４に示すように、加工装置の基本的な構造は図１と同様であるが、加工装置の加工部を、減圧用のロータリーポンプ３１が接続された減圧チャンバー３０内に設置した構成が実施の形態１の構成と異なる。

次に、実施の形態４におけるガラス硝材を作るプロセスを具体的に説明する。

本例では、ガラス硝種 ＶＣ８９（（株）住田光学ガラス製：Ｔｇ５２８℃，Ａｔ５５９℃）での１５ｍｍ程度の凹メニスレンズを加工する場合を説明する。

予備加工として、カーブジェネレーターで所望のレンズ形状に近似して体積管理され、金型２１〜２３との接触が中心からの当りになるように、ガラス硝材２６を形状加工する。このときのガラス硝材２６は、研削加工面の表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度であった。

ガラス硝材２６を金型２１〜２３内の受け型２７に載せて、胴型２１の内部へ下型２３を上昇させ、上型２２にガラス表面が接触しない位置に配置する。加熱としてヒーター２４，２５を制御しながらガラス硝材２６の温度をガラス軟化点以上の温度に加熱する。ガラス硝材２６の温度がＴｇ点を超えたらロータリーポンプ３１を始動させ、減圧チャンバー３０内を１０^‐１〜１０^‐２Ｔｏｒｒ程度の減圧雰囲気にする。

通常の雰囲気に比べ−１０〜−２０℃の熱処理条件で、ガラス硝材２６の表面粗さは、Ｒｍａｘ０．０４μｍ以下まで小さくなり、同程度の面粗度および形状が得られた。本例では６６０℃で１２０ｓｅｃ程度の熱処理を実施した。このことでガラスの処理温度は１０度下げられ、失透発生に対するマージンが増え、昇温降温にかかるタクトも短縮できた。

なお、本実施の形態４において、熱源として抵抗ヒーター２４，２５を設けたが、他に誘導加熱あるいはハロゲンランプなどの赤外線を熱源としてもよい。

以上の各実施の形態によって、保持部に対するガラスの融着，泡あるいは失透の発生がなく、予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材を、その形状をほとんど変化させることなくプレス成形できる表面粗さにまで平滑化することができる。

本発明に係るガラス硝材の加工方法および装置は、予備加工された表面粗さの大きいガラス硝材の形状を大きく変化させることなく、プレス成形できる表面粗さにまで平滑化することができるので、ガラス硝材を加熱軟化して成形型でプレス成形によりレンズなどの光学素子を得るガラスレンズ成形などに実施して有用である。

本発明の実施の形態１におけるガラス硝材加工装置の概略構成を示す断面図であり、（ａ）はガラス硝材を受け型にセットして加熱する状態、（ｂ）は加熱処理後に冷却して下型を降下したガラス硝材取り出し状態を示す図 本発明の実施の形態２における受け型の構成を示す断面図であり、（ａ）は受け型構成の一例、（ｂ）は硝材外周保持の受け型構成の一例を示す図 本発明の実施の形態３における受け型および輻射板の概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態４におけるガラス硝材加工装置の概略構成を示す断面図 従来のガラスレンズ成形装置の概略構成を示す断面図

符号の説明

１ 予備加熱炉
２ ガラス素材
２ａ，２ｂ，２６ａ，２６ｂ ガラス表面
３，７，８，２４，２５ ヒーター
４ 成形室
５，２２ 上型
６，２３ 下型
９，１０ 断熱材
１１，３６，３８ ハロゲンランプ
１２ 搬送アーム
１３ 搬送部材
２１ 胴型
２６ ガラス硝材
２６ａ，２６ｂ 平滑化された硝材表面
２６ｃ 接触部
２７ 受け型
２７ａ，２７ｂ 鏡面部
２８ 熱電対
２９ａ，２９ｂ 輻射板
３０ 減圧チャンバー
３１ ロータリーポンプ

Claims (6)

1. 表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度のガラス硝材を、加熱処理型内で加熱させることにより軟化させ、レンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工方法において、
   前記ガラス硝材を、アモルファスカーボンあるいはＳｉＣの部材上に保持する際、前記ガラス硝材のレンズ有効面を前記部材と対向して設けられた上型と非接触の状態で保持する第１の工程と、
   前記ガラス硝材の表層部を、前記加熱処理型とその周囲から前記ガラス硝材の軟化点以上に加熱させて、表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にする第２の工程とからなることを特徴とするガラス硝材の加工方法。
2. 前記第１の工程において、硝材接触面をアモルファスカーボンあるいはＳｉＣの部材で、かつ鏡面に仕上げたものを用いて保持することを特徴とする請求項１記載のガラス硝材の加工方法。
3. 表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度のガラス硝材を、加熱処理型内で加熱させることにより軟化させ、レンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工方法において、
   前記加熱処理型内を負圧雰囲気にすることにより大気圧下よりガラスの粘度を下げる第１の工程と、
   前記ガラス硝材の表層部を、前記加熱処理型とその周囲から前記ガラス硝材の軟化点以上に加熱させて、表面粗さをＲｍａｘ０．０４μｍ以下にする第２の工程とからなることを特徴とするガラス硝材の加工方法。
4. 表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度のガラス硝材を、加熱処理型内で加熱させることにより軟化させ、レンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工装置において、
   前記ガラス硝材を、アモルファスカーボンあるいはＳｉＣの部材上に保持する際、前記ガラス硝材のレンズ有効面を前記部材と対向して設けられた上型と非接触の状態で保持する保持手段と、
   前記ガラス硝材の表層部を、前記加熱処理型とその周囲から前記ガラス硝材の軟化点以上に加熱させる加熱手段とを備えたことを特徴とするガラス硝材の加工装置。
5. 前記保持手段が、硝材接触面をアモルファスカーボンあるいはＳｉＣの部材で、かつ鏡面に仕上げたものであることを特徴とする請求項５記載のガラス硝材の加工装置。
6. 表面粗さがＲｍａｘ５μｍ程度のガラス硝材を、加熱処理型内で加熱させることにより軟化させ、レンズ有効面を平滑化するガラス硝材の加工装置において、
   前記加熱処理型内を負圧雰囲気にする減圧手段と、
   前記ガラス硝材の表層部を、前記加熱型とその周囲に設けられた熱源により、軟化点以上に加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とするガラス硝材の加工装置。

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