JP2006117454A

JP2006117454A - ガラス成形体の製造方法

Info

Publication number: JP2006117454A
Application number: JP2004305686A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tomita; 昌之冨田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】失透しやすい組成の光学ガラスからのゴブ製造を容易にする。
【解決手段】光学ガラスを失透温度以上で溶融し、それを鋳型に流し込み、１℃／秒以上の冷却速度で冷却し、ブロック状のガラス成形体が複数連結された連結ガラス成形体を得、この連結ガラス成形体のブロック状部分をガラスの失透温度以下まで加熱した後、連結部分を切断し、精密成形する。
【選択図】図７

Description

本発明は加熱軟化状態のガラスをプレス成形し成形光学素子を得る技術に関し、特に、成形用素材として用いるガラス成形体を得る技術に関する。

従来、プレス成形用素材として用いるガラス成形体の製造方法としては、その製造コストダウンのために、連続流出している溶融ガラス流から表面が滑らかな自由表面からなるガラス塊を得、このガラス塊をプレス成形用素材として用いている。

公知例として、特開平５−４３２５８号公報、特開平５−２２１６５７号公報、特開平６−１２７９５３号公報がある。
特開平５−４３２５８号公報特開平５−２２１６５７号公報特開平６−１２７９５３号公報

このように、溶融ガラス流からガラス塊を得、これを成形用素材として用いると、コストダウンは可能だが、次のような課題がある。

１．ガラスの種類によっては、このような方法でガラス塊を得る事ができない場合がある。

このように溶融ガラスを流出する工程において、溶融ガラスは流出パイプの中を通って流出してくる。このとき、流出パイプ内で、溶融ガラスは徐々に冷却されるので、結晶化しやすい組成からなる光学ガラスを流出すると、流出パイプ内でガラスが結晶化する失透現象を起こすため、この方法でガラス塊を得る事ができない場合が発生する。

また、特開平６−１２７９５３号に示されるように、流出パイプから出て来た溶融ガラス流にクビレを設け、数珠ゴブと呼ばれるブロック状のガラス成形体が複数連結された連結ガラス成形体を得る技術も知られている。このような方法でも、失透が発生しやすいガラスでは、失透が発生し、光学素子成形用素材として用いる事が出来ないのは同様である。

２．成形光学素子の形状によっては、このように得られたガラス塊を成形素材として利用できない場合がある。

成形光学素子の形状が一般のレンズのように軸対称形状の場合、ガラス塊も軸対称形状であるので、これを成形素材として用いることは好適である。しかしながら、成形光学素子の形状が、プリズムのような反射光学素子の場合、その形状は一般には軸対称ではないので、ガラス塊を成形素材として用いることは困難となる。

３．プレス成形に適した温度に予備加熱された軟化状態の成形用素材をハンドリングする事が困難となる。

成形サイクルを短縮するためには、成形型に比べ加熱に時間のかかる成形用素材の加熱を、予め予備加熱することで短縮する必要がある。しかしながら、プレス成形に適した温度に予備加熱された成形用素材は、軟化状態にあるのでハンドリングが難しい。例えば、挟持または吸引による方法では、成形用素材が変形してしまう。成形用素材を浮上状態で加熱し、加熱された成形用素材を成形型内に落下させる方法も提案されているが、落下させた後の成形用素材の位置精度が悪くなる欠点がある。

４．また、成形用素材として用いるガラス塊を得るために、ガラスを完全に溶融し、溶融ガラス流からガラス塊を得るのではなく、ガラス棒の下先端のみを溶融状態まで加熱し、その部分を切断しガラス塊を得る方法も知られている。例えば、特開平５−４３２５８や特開平５−２２１６５７等が知られている。

この方法では、溶融装置の小型化が可能になるので、装置のコストダウンが可能になる。しかしながら、上記の２、３の課題は同様に発生する。

上記の課題を解決するために本発明は以下の手段を特徴とする。

溶融状態の光学ガラスを鋳型に鋳込む事によりガラス成形体を得る製造方法において、溶融状態の光学ガラスをそのガラスの失透温度以上に保ち溶融させる工程、続いて、その状態の溶融ガラスを、そのガラスのガラス転移点以下に加熱された鋳型に鋳込み、鋳型の中で溶融ガラスを1℃／秒以上の平均冷却速度で、ガラス転移点まで冷却する工程、を含む工程により、所望形状のブロック状のガラス成形体が複数連結された連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで得たブロック状のガラス成形体を、所定の形状に切断し、所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで得た連結ガラス成形体を、所定の幅に切断し、所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項１記載の製造方法で得られた連結ガラス成形体に連結されている各々のブロック状のガラス成形体を、所望の温度に加熱した後、１個のガラス成形体に切断し、この加熱されたガラス成形体を成形型で精密成形してガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項５記載のガラス成形体の製造方法において、連結ガラス成形体のブロック状部分を成形に適した温度まで加熱し比較的高い粘度に保ち、その後、切断部を低粘度な状態になるまで加熱し切断し、所望重量のガラス体を得、これを成形しガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項5記載のガラス成形体の製造方法であって、ブロック状部分の加熱温度は、そのガラスの失透温度以下である事を特徴とするガラス成形体の製造方法。

また、請求項６記載のガラス成形体の製造方法において、加熱切断される切断部は、ガラスの粘度が１０⁶ｄＰa・s以下の粘度になるよう加熱されていることを特徴とするガラス成形体の製造方法。

上記説明した様に、本発明によれば、従来は失透現象のために安価な方法で成形用素材を得ることができなかった光学ガラスからも、安価な方法で成形用素材を得る事を可能にし、また、異形光学素子成形用素材を安価に得る事を可能にする。

すなわち、本発明により、成形光学素子の硝種および形状のバリエーションを大幅に拡大する事が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明における連結ガラス体を説明する図である。図１において、1はブロック状のガラス体、2はブロック状のガラス体１を互いに連結する連結部、３はブロック状のガラス体1に連結された保持部である。

この連結ガラス体を保持部3を上にして垂直に保持する。

その状態で、ブロック状のガラス体1を軟化点温度以上まで加熱し、ブロック状のガラス体1を粘性変形させる。軟化状態のガラスの表面に作用する表面張力は大きいので、ブロック状ガラス体1は、概略球形状に変形してくる。この時、ブロック状ガラス体１の加熱温度を失透温度以下にする事で、冷却時の結晶化による失透現象を防止することができる。

このブロック状ガラス体１の加熱は、高温ガスの噴射等で行なうのが好ましい。この加熱は、複数のブロック状ガラス１に対して同時に行なっても良く、また、各々のブロック状ガラス1に対して順次行なっても良い。

このブロック状ガラス１の加熱工程において、連結部２は粘度１０⁶ｄＰa・s以下に保たれているので、連結部が実質的に変形する事はない。

図２に、このブロック状ガラスの加熱変形が完了した時の様子を示す。図２において、４は高温ガスの噴射装置である。

この後、連結部を局所的に加熱し切断する。この加熱はガスバーナーの火炎などで行なう事で迅速に切断することができる。この加熱は局所的に行なわれるので、加熱切断後のガラスの冷却速度が速いので、加熱温度が失透温度以上であってもガラスが失透することはない。

図３に連結部を加熱切断する様子を示す。図３において、５はガスバーナーである。

このようにして、所望形状である概略球形状のガラス塊を得る事ができる。このガラス塊をプレス成形用素材として用いて精密成形し、成形光学素子を得た。

このように本発明によれば、失透が発生するために溶融ガラスからガラス塊を得る事が困難であった光学ガラスでも、成形用素材として用いるガラス塊を安価な方法で得る事ができる。

実施例１では、上記の実施の形態と同様の実施例について、より詳細具体的に説明する。

実施例１で用いた光学ガラスは、約４００℃でプレス成形可能な軟化温度が極めて低いリン酸系ガラスである。このガラスは失透開始温度が９００℃と極めて高いため、パイプ流出を行い流出口から液滴状に垂れる溶融ガラスからガラス塊を得ようとすると、パイプ内で結晶化がおこりパイプが詰まるため、パイプ流出はできなかった。

そこで、このガラスを１０００℃で溶融した後、３５０℃の温度に保たれた鋳型へ鋳込み大きなガラスブロックを得た。このガラスのガラス転移点温度は３７５℃であり、このガラスブロックが、３７５℃まで冷却されるまでには８分を要し、平均冷却速度は１．３℃／秒であった。

この大きなガラスブロックの中から脈理や泡や結晶などの品質不良部を取り除き、ダイヤモンドブレードで所望の大きさに切断する事で、所望の大きさの直方体状のガラスブロックを得た。この直方体ガラスブロックの表面は、必要に応じて研削加工、更に研磨加工を施しても良い。

続いて、ダイヤモンドブレードで４方向から切れ目を入れることにより、連結ガラス体を得た。

このように得られた連結ガラス体の寸法は、各々のブロック状ガラスが幅７ｍｍ＊奥行き７ｍｍ＊高さ５ｍｍであり、連結部は幅１．５ｍｍ＊奥行き１．５ｍｍ＊高さ１ｍｍである。このブロック状ガラスが２０個連結された連結ガラス体の端には、高さ３０ｍｍの保持部が連結されている。この連結ガラス体の加工は機械加工で行なわれるので、その加工精度は高く、ブロック状ガラス間の重量バラツキは、０．０５％以下であった。

この連結ガラス体を、保持部を保持して、図１に示すように垂直に保持した。
最下端のブロック状ガラスの周囲に、８本の市販のエアヒータを配置し、各々のエアヒータから７００℃に加熱された空気を毎分１０Ｌの流量で噴出させ、ブロック状ガラスを加熱した。１５秒後にブロック状ガラスは軟化温度以上の６００℃になり、流動変形をはじめ、その表面張力の寄与により概略球形状へと変形を開始した。その５秒後に、エアヒータによる加熱を止めた。

このように得られた概略球形状のガラス体の表面は、高温の空気により加熱され、いわゆるファイヤーポリッシュ状態になるので、加熱前が切断による粗面の場合も、加熱後には滑らかな面が得られる。

続いて、この概略球形状のガラス体の上の連結部を加熱し切断した。この加熱には、酸素と水素の混合ガスによるバーナーの火炎を用いた。連結部の周囲に４本のバーナーを設置し、連結部のガラスを加熱した。加熱開始後5秒で、連結部のガラスの粘度は１０⁴ｄＰa・sの粘度に達し、連結部の溶融状態のガラスは上下に分断され切断された。なお、この時、概略球形状の下面を受け型に受けた状態で加熱切断を行なっているので、加熱切断後に、概略球形状のガラス体が下方に落下する事はない。

続いて、この概略球形状のガラス体を上下一対の精密成形型の中に入れ成形し、成形光学素子を得た。成形型温度４２０℃で３０００Ｎのプレス力を加え成形し、３６０℃で取り出した。

このように得られた成形光学素子は、内部に脈理や失透などの欠陥はなく、すぐれた品質であった。

このように本実施例によれば、失透しやすい光学ガラスからも、成形用素材を容易に得る事が可能になり、成形光学素子の製造コストを下げる事が可能になる。

実施例２では、概略直方体形状のブロック状ガラス体が複数連結した連結ガラス体を製造する実施例について説明する。

図４に本実施例における概略直方体形状のブロック状ガラス体の形状を示す。長さ約２５ｍｍ、幅約１２ｍｍ、高さ約８ｍｍで、側面には、半径約８０ｍｍの凸円筒面と半径約３０ｍｍの凹円筒面とが向かい合って配置されている。

本実施例では、長さ約２５ｍｍ、幅約１２ｍｍ、深さ約２００ｍｍで、側面には、半径約８０ｍｍの凹円筒面と半径約３０ｍｍの凸円筒面とが向かい合って配置されているキャビティーを有するカーボンの鋳型を準備した。

本実施例で用いたガラスは、実施例１と同じである。このガラスを１０００℃で溶融した後、３５０℃の温度に保たれた鋳型のキャビティーへ鋳込み成形ガラスブロックを得た。このガラスのガラス転移点温度は３７５℃であり、この成形ガラスブロックが、３７５℃まで冷却されるまでには６分を要し、平均冷却速度は１．７℃／秒であった。

図５にこの成形ブロックの形状を示す。長さ約２５ｍｍ、幅約１２ｍｍ、高さ約２００ｍｍで、側面には、半径約８０ｍｍの凸円筒面と半径約３０ｍｍの凹円筒面とが向かい合って配置されている成形ブロックが得られる。この鋳型へ溶融ガラスをキャストする際、脈理等の不良部を成形ブロックの端に寄せる様にキャストすることにより、ブロックの一部のみに品質不良のある成形ブロックが得られる。

続いて、ウォータージェット加工で４方向から切れ目を入れることにより、図6に示すような連結ガラス体を得た。

このように得られた連結ガラス体の寸法は、長さ約２５ｍｍ、幅約１２ｍｍ、高さ約８ｍｍで、側面には、半径約８０ｍｍの凸円筒面と半径約３０ｍｍの凹円筒面とが向かい合って配置されているブロック状ガラスが、幅１．５ｍｍ＊奥行き１．５ｍｍ＊高さ２ｍｍの連結部で連結されている。

このブロック状ガラスが１８個連結された連結ガラス体の端には、高さ約２０ｍｍの保持部が連結されている。この連結ガラス体のブロック状ガラス間の重量バラツキは、０．１％以下であった。

この連結ガラス体を、保持部を保持して垂直に保持した。

最下端のブロック状ガラスの周囲に、８本の市販のエアヒータを配置し、各々のエアヒータから７００℃に加熱された空気を毎分１０Ｌの流量で噴出させ、ブロック状ガラスを加熱した。８秒後にブロック状ガラスはプレス成形可能な温度の３８０℃になったので、エアヒータによる加熱を止めた。

このように成形温度に加熱された最下端のブロック状ガラスを、横押し方式の成形型の中に入れ、その状態で、このブロック状ガラスの上の連結部を加熱し切断した。この加熱には、酸素と水素の混合ガスによるバーナーの火炎を用いた。連結部の周囲に４本のバーナーを設置し、連結部のガラスを加熱した。加熱開始後5秒で、連結部のガラスの粘度は１０⁴ｄＰa・sの粘度に達し、連結部の溶融状態のガラスは上下に分断され切断された。

このように、横押し方式の左右一対の精密成形型のキャビティーの中に挿入された成形温度のブロック状ガラスを成形し、成形光学素子を得た。成形型温度４２０℃で５０００Ｎのプレス力を加え成形し、３６０℃で取り出した。

得られた成形光学素子は、プリズム状の反射光学素子であり、その形状は直方体に近い形状をしている。また、この成形光学素子は、内部に脈理や失透などの欠陥は無く、すぐれた品質であった。

このように本実施例によれば、異形状の成形光学素子、すなわち形状が軸対称でない成形光学素子を成形する場合でも、その形状に近似した成形用素材を得る事ができ、その結果、高精度の異形状成形光学素子を得ることができる。また、成形温度まで加熱した成形用素材を型内に入れる事が可能であるので、成形時間の短縮が可能となる。

実施例３では、溶融状態の光学ガラスを鋳型に鋳込んで、直方体形状のブロック状ガラス体が複数連結した連結ガラス体を得る他の方法について説明する。

図７は，本実施例における鋳型の形状を示す。７はカーボン製の鋳型であり、鋳型７の内部には壁状の部材８が複数設置されている。この鋳型の中に鋳込まれた溶融状態の光学ガラスは、この壁状部材８の形状を転写した成形ガラスブロック６が得られる。

本実施例で用いたガラスは実施例１と同じものであり、鋳型７を３３０℃に保ち、１０００℃の溶融ガラスを鋳込み、３７５℃のガラス転移点温度まで４分でガラスを冷却した。その平均冷却速度は２．６℃／秒であった。

このように得られた成形ガラスブロック６を、図８に示すように所定幅に切断する。この切断は、ダイヤモンドブレードで行なえば良い。

このようにして、図９に示すような、所定幅の連結ガラス体が得られる。なお、本実施例での連結ガラス体の連結部２は、ガラス体の全幅にわたっているが、他の実施例と同様にこの部分を加熱することにより切断する事ができる。

この連結ガラス体を、保持部を保持して垂直に保持した。

最下端のブロック状ガラスの周囲に、８本の市販のエアヒータを配置し、各々のエアヒータから７００℃に加熱された空気を毎分１０Ｌの流量で噴出させ、ブロック状ガラスを加熱した。8秒後にブロック状ガラスはプレス成形可能な温度の３８０℃になったので、エアヒータによる加熱を止めた。

このように成形温度に加熱された最下端のブロック状ガラスを、横押し方式の成形型の中に入れ、その状態で、このブロック状ガラスの上の連結部を加熱した後に切断した。この加熱には、ＣＯ₂レーザーを用いた。この部分を、１０⁶ｄＰa・ｓの粘度まで加熱した後、シャーを用いてこの部分を切断した。

このように、横押し方式の左右一対の成形型のキャビティーの中に挿入された成形温度のブロック状ガラスを成形し、成形用素材を得た。成形型温度４４０℃で２０００Ｎのプレス力を加え成形し、３８０℃で取り出した。

このように得られた成形用素材は、製造コストが安い。よって、この成形用素材を用いれば、安価な方法で高い成形光学素子を得る事ができる。

実施例４では、溶融状態の光学ガラスを鋳型に鋳込んで、直方体形状のブロック状ガラス体が複数連結した連結ガラス体を得る他の方法について説明する。
本実施例では、実施例３と同様に、壁状の部材８が複数設置されている鋳型７を用いて、この壁状部材８の形状を転写した成形ガラスブロック６を得た。

このようにして、所定幅の連結ガラス体を得た。

すなわち、実施例４では、他の実施例と異なり、成形ガラス体を切断する工程なしに、所望する形状の連結ガラス体を得た。

このように、本実施例によれば、連結ガラス体を極めて低コストで生産する事が可能となる。

第１の実施例を説明する図。第１の実施例を説明する図。第１の実施例を説明する図。第２の実施例を説明する図。第２の実施例を説明する図。第２の実施例を説明する図。第３の実施例を説明する図。第３の実施例を説明する図。第３の実施例を説明する図。

符号の説明

１ブロック状ガラス体
２連結部
６成形ガラスブロック
７鋳型
８壁状部材

Claims

溶融状態の光学ガラスを鋳型に鋳込む事によりガラス成形体を得る製造方法において、溶融状態の光学ガラスをそのガラスの失透温度以上に保ち溶融させる工程、続いて、その状態の溶融ガラスを、そのガラスのガラス転移点以下に加熱された鋳型に鋳込み、鋳型の中で溶融ガラスを1℃／秒以上の平均冷却速度で、ガラス転移点まで冷却する工程、を含む工程により、所望形状のブロック状のガラス成形体が複数連結された連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで得たブロック状のガラス成形体を、所定の形状に切断し、所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで得た連結ガラス成形体を、所定の幅に切断し、所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項１記載のガラス成形体の製造方法であって、溶融光学ガラスを鋳込んで所望する形状の連結ガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項１記載の製造方法で得られた連結ガラス成形体に連結されている各々のブロック状のガラス成形体を、所望の温度に加熱した後、１個のガラス成形体に切断し、この加熱されたガラス成形体を成形型で精密成形してガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項５記載のガラス成形体の製造方法において、連結ガラス成形体のブロック状部分を成形に適した温度まで加熱し比較的高い粘度に保ち、その後、切断部を低粘度な状態になるまで加熱し切断し、所望重量のガラス体を得、これを成形しガラス成形体を得る事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項５記載のガラス成形体の製造方法であって、ブロック状部分の加熱温度は、そのガラスの失透温度以下である事を特徴とするガラス成形体の製造方法。
請求項６記載のガラス成形体の製造方法において、加熱切断される切断部は、ガラスの粘度が１０⁶ｄＰa・s以下の粘度になるよう加熱されていることを特徴とするガラス成形体の製造方法。