JP2006256938A - ガラス成形体の製造方法、プレス成形用ガラス素材の製造方法、および光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形するガラス成形体の製造方法。前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(冷却領域)において、前記貫通孔内のガラス側面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより前記ガラスの熱を前記側面から奪うとともに、前記冷却領域を通過したガラスを前記ガラスの転移温度よりも150℃低い温度以上の環境下を通過させることにより、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける。
【選択図】なし
Description
このような光学素子を製造する方法として、特許文献1に記載されている方法が知られている。この方法では、清澄、均質化した熔融ガラスをパイプから連続的に流出し、パイプの下方に配置した鋳型に流し込む。鋳型に流し込まれた熔融ガラスは鋳型内で一定の厚みになるように水平方向に板状に広がりながら、底面と側面からは鋳型によって熱が奪われ、上面からは雰囲気中に放熱しながら冷却され、板状ガラスに成形される。成形された板状ガラスは鋳型から水平方向に引き出される。次いで、板状ガラスを賽の目状に切断し、エッジ部分を丸め、表面を粗面化した後、粉末状の離型剤を全表面に塗布して大気中で加熱、軟化し、プレス成形して光学素子に近似した形状にする。その後、プレス成形品を研削、研磨して光学素子に仕上げる。
また、フッ素含有ガラスに代表されるように揮発しやすい成分を含むガラスを成形する場合、鋳型中での雰囲気に晒される高温のガラス表面の面積を極力小さくすればよく、そのためには、ガラスの鋳込み口と成形したガラスを取り出す取り出し口を除いて鋳型により高温のガラスを密閉することが望ましい。
このように、低粘性のガラスでもフッ素含有ガラスでも、鋳込み口と成形したガラスを取り出す口を除いて鋳型で高温のガラス表面を密閉するとともに、密閉したガラス側面に鋳型を接触させて熱を奪い、ガラスを側面から急冷すればよい。
上記方法では、鋳型内でガラス表面の大部分を鋳型に接触させて急冷するため、鋳型から取り出したガラスの表面温度に比べ、ガラスの内部の温度が高くなっている。ガラスは固化する際に大きな体積収縮を起こすが、ガラス表面が先に固化して流動性、塑性変形性を失った状態で、内部が遅れて固化し大きな体積収縮を起こすと、表面部分が内部に追従して塑性変形することができない。これにより、ガラス成形体中に大きな応力が発生する。この応力は流出時の粘性が低いほど大きくなり、高屈折率ガラスのような流出時の粘性が低いガラスの場合、ガラス成形体自体を爆発的に破壊してしまうほど大きくなる場合がある。
また、フッ素含有ガラスの場合は熱膨張係数が大きいため、内部と表面の間に大きな温度差がある状態でガラスを固化すると、ガラス成形体内に大きな応力が発生し、ガラスが破損しやすくなる。
このようにいずれのガラスとも脈理発生を低減、防止しようとすると、ガラス成形体の内部応力によりガラス成形体が爆発的に破壊されたり、内部応力によってガラス成形体が破損しやすいという問題があった。
[1] 貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形するガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(以下、「冷却領域」という)において、前記貫通孔内のガラス側面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより前記ガラスの熱を前記側面から奪うとともに、
前記冷却領域を通過したガラスを前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の環境下を通過させることにより、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[2] 前記ガラス成形体は、液相温度における粘度が100dPa・s未満のガラスからなることを特徴とする[1]に記載のガラス成形体の製造方法。
[3] 前記ガラス成形体は、液相温度における粘度が10dPa・s以下のガラスからなることを特徴とする[2]に記載のガラス成形体の製造方法。
[4] 前記ガラス成形体は、フッ素含有ガラスからなることを特徴とする[1]に記載のガラス成形体の製造方法。
[5] 前記出口から取り出されたガラスを前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の雰囲気中を通過させて、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[6] 前記鋳型を複数用意するとともに、そのうちの一つを前記パイプの下方に配置し、
前記パイプの下方に配置した鋳型に熔融ガラスを連続的に流し込んでガラス成形体を成形し、
次いで鋳型への熔融ガラスの流し込みを中断して、熔融ガラスが流し込まれた鋳型を前記パイプ下方から搬出し、該搬出された鋳型からガラス成形体を取り出す工程、
前記搬出後、前記熔融ガラスが流し込まれた鋳型とは異なる鋳型を前記パイプ下方に搬入、配置し、前記搬入した鋳型に熔融ガラスの流し込みを行う工程
を繰り返し行うことを特徴とする[1]〜[5]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[7] 前記貫通孔は、前記入口と出口が直線的に連絡し、
前記鋳型を、前記入口が出口よりも高い位置になるように配置し、
前記熔融ガラスの流し込みを、前記貫通孔内における熔融ガラス液面の高さが一定になるように行うことを特徴とする[1]〜[6]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[8] 前記鋳型を、前記貫通孔の中心軸が鉛直になるように配置することを特徴とする[7]に記載のガラス成形体の製造方法。
[9] 前記ガラス成形体が3mm以上の厚みを有する板状ガラスである[1]〜[8]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[10] 前記ガラス成形体が3mm以上の外径を有する棒状ガラスである[1]〜[8]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[11] 前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後のガラス成形体を切断または割断することを特徴とする[1]〜[10]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[12] 前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後のガラス成形体の側面にスクライブ加工を施すとともに、前記スクライブ加工を施した部位でガラス成形体を割断する[11]に記載のガラス成形体の製造方法。
[13] 前記出口から取り出された中実状のガラスの側面を保持して、前記ガラスの貫通孔からの取り出し速度を制御することを特徴とする[1]〜[12]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[14] 前記出口から取り出された中実状のガラスの先端部を支持して、前記ガラスの貫通孔からの取り出し速度を制御することを特徴とする[1]〜[13]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[15] 加熱、軟化してプレス成形するためのプレス成形用ガラス素材の製造方法において、
[1]〜[14]のいずれかに記載の製造方法により作製したガラス成形体を機械加工してガラス素材とすることを特徴とするプレス成形用ガラス素材の製造方法。
[16] 前記ガラス成形体が棒状ガラスまたは板状ガラスからなり、
前記機械加工は、棒状ガラスまたは板状ガラスの中心軸に対して垂直にガラス成形体を切断または割断する加工を含む[15]に記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
[17] 前記棒状ガラスの側面にスクライブ加工を施し、スクライブ加工を施した部位および前記部位を挟む両側の棒状ガラス側面に、前記部位を挟む両側の棒状ガラスが互いに離間する動きを妨げない状態にて圧力を加え、前記スクライブ加工を施した部位で棒状ガラスを割断することを特徴とする[16]に記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
[18] ガラス素材を加熱し、プレス成形型を用いてプレス成形する光学素子の製造方法において、
[15]〜[17]のいずれかに記載の製造方法により作製したプレス成形用ガラス素材を加熱してプレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
[19] 熔融ガラスからガラス成形体を成形し、機械加工する光学素子の製造方法において、
前記ガラス成形体を[1]〜[14]のいずれかに記載の方法により作製することを特徴とする光学素子の製造方法。
[ガラス成形体の製造方法]
本発明のガラス成形体の製造方法は、
貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形するガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(冷却領域)において、前記貫通孔内のガラス側面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより前記ガラスの熱を前記側面から奪うとともに、
前記冷却領域を通過したガラスを前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の環境下を通過させることにより、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることを特徴とするガラス成形体の製造方法
である。
光学的に均質なガラス成形体を成形するには、鋳型内においても熔融ガラスの流れを乱さないことが重要である。中空状のガラスを成形するには、中空部分、すなわちガラスを充填させない部分に熔融ガラスが流れ込まないよう、鋳型内にガラスの流れを部分的に阻止する機構を設けることになる。例えば、棒状ガラス成形体の中心軸部分を中空に成形したいときには、鋳型の中心軸に沿って鋳型同様、耐熱性の高い棒を配置し、この棒を囲むように熔融ガラスを流し込む。その際、上記棒に相当する中空部分へのガラスの充填を阻止する機構が熔融ガラスの流れを乱すことになる。一方、本発明は光学的に均質なガラス成形体を得ることを目的としており、そのためガラス成形体も中空部分が存在しない中実状のガラス成形体とする。
また、ガラス成形体を割断する場合は、ガラスの温度が低くなりすぎると、ガラスのヤング率が増加するので割断しにくくなる。本発明において、熔融ガラスからガラス成形体になるまでガラスは連続体であり、大きな力でガラス成形体を割断するとその衝撃が鋳型中の熔融ガラスにまで及び、ガラスの流れを乱すなど、高品質なガラス成形体を得る上で不具合を生じるおそれがある。ワイヤーソーや砥石などによる切断も可能ではあるが、ガラスを室温付近まで冷却しなければならず、このような冷却には、長さ数十mにも及ぶ徐冷のためのスペースが必要となるため好ましくない。ガラス成形体の割断を良好に行うためには、ガラスの温度は転移温度付近以下であることが好ましく、転移温度よりも150℃低い温度以上かつ転移温度以下であることがより好ましく、転移温度よりも100℃低い温度以上かつ転移温度以下であることが更に好ましく、転移温度よりも50℃低い温度以上かつ転移温度以下で行うことがより一層好ましく、転移温度付近で行うことが特に好ましい。以上の点を考慮し、本発明では、ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を、(Tg−150℃)以上の環境下で行う。ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後、すなわち歪みを低減した後に、ガラス成形体の割断あるいは切断を行うことで、ガラス成形体を所望の位置で破損させることなく分離することができる。
上記操作を雰囲気中で行う場合は、成形炉と呼ばれる炉を貫通孔出口に連接し、貫通孔の出口から連続して取り出されるガラスがそのまま炉内へと進み、中心部と側面の温度が近づいた状態になったときに炉外へと出るようにすればよい。また、炉内を通過する時間は、ガラス成形体の内部応力を爆発的な破壊が起きない程度、または僅かな熱的衝撃や機械的衝撃により破損しない程度にまで低減可能な時間とすればよい。そのためには、ガラスの取り出し速度と炉内通過時間を考慮して、ガラスの取り出し方向に沿う成形炉の長さを適宜、実験等により決めればよい。炉内の雰囲気温度制御は、例えば炉内に配置したヒーターに流す電流値または電流を流す時間をコントロールすることにより行うことができる。
ガラスの融着、広がり、曲がり等を防止するという観点から、鋳型において、貫通孔の長さに対する内径の比(内径/長さ)を、1/50〜3倍の範囲にすることが好ましい。より好ましくは1/20〜2倍の範囲である。また貫通孔内径は、得ようとするガラス成形体の外径を考慮して決定すべきであり、例えば、10〜100mmとすることができる。但し、この寸法に限定する意図ではない。
この方法は、冷却領域を通過したガラスを、前記ガラスの転移温度よりも150℃低い温度以上の環境下を通過させて、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作の有無によらず、揮発成分、例えばフッ素成分を含むガラスから成形体を作製する場合、脈理を低減、防止する方法として好適であり、特にフツリン酸ガラスの成形に好適である。
本発明において貫通孔出口からのガラスの取り出し方法としては、ガラスの自重による下方移動、ガラスを貫通孔出口から引き出すこと、ガラスに働く重力に加え、ガラスに引き出しの力を加えて引き出すことのいずれの取り出し方法を用いることもできる。また、取り出しによってガラスはほとんど延びないので、ガラスの取り出し速度とは、上記取り出されたガラス成形体の移動速度に相当する。取り出し速度の制御とは、取り出し速度が所望の速度になるようにガラス成形体を引き出す力を制御したり、ガラスが自重によって下方に所望の速度よりも大きな速度で移動する場合には、ガラス成形体が減速するような力を加え、取り出し速度が所望の速度になるよう制御することを意味する。
貫通孔出口より取り出したガラスは、内部と側面の温度を近づける操作によって内部応力が低減され、爆発的な破壊、または僅かな熱的衝撃や機械的衝撃による破損の危険は解消されている。さらに、このガラスを室温まで冷却するには、鋳型からガラスを長く引き出さなければならない。そのためには、鋳型下方に大きなスペースが必要になったり、ガラス成形体の重量が過大になって取り出し速度の精密な制御が困難になるおそれがある。そこで、本発明では、ガラス成形体の温度がガラス転移温度付近になったところでガラス成形体の切り離しを行うことが望ましい。
また、棒状ガラスの外径とは、棒状ガラスの中心軸に対し垂直な断面において、ガラスの厚みが最も薄い部分の長さを意味する。例えば、円柱状ガラスでは円柱の中心軸に対して垂直な断面は円になるので、外径は前記円の直径であり、楕円柱ガラスでは中心軸に対して垂直な断面は楕円になるので、外径は前記楕円の短径であり、正四角柱状ガラスでは中心軸に対して垂直な断面は正方形になるので、外径は前記正方形の一辺の長さになる。中心軸に対して垂直な断面が長方形の四角柱状ガラスは、外径が前記長方形の短辺の長さに相当する。
次に、複数の鋳型を使用する態様について説明する。
本発明のガラス成形体の製造方法は、液相温度における粘度(以下、「液相粘度」という)が100dPa・s未満のガラスからなるガラス成形体を製造する方法として好適である。ガラスを失透させないためには、失透温度域よりも高い温度で熔融ガラスを流出し、ガラスを急冷する必要がある。ガラスの失透温度域は必ずしも液相温度と精密に一致するとは限らないが、目安として液相温度近傍をガラスが失透しない流出温度の下限と考えることができる。したがって、液相粘度が100dPa・s未満のガラスを失透させずに流出するには、流出時の粘度を100dPa・s未満にする必要がある。そのため、低粘性のガラスを流出することになり、本発明の適用が効果的となる。
液相粘度が10dPa・s以下のガラスには、高屈折率ガラスが含まれる。このようなガラスには、液相粘度が5dPa・s以下のガラスや、液相粘度が3dPa・s以下のガラス、中には液相粘度が1dPa・s以下のもあり、本発明の適用による効果は、粘性が低いガラスほどより顕著に現れるが、使用するガラスの液相粘度の下限値は特に限定されないが、0.05dPa・sを一つの目安とすることができる。
前述のように屈折率が高いガラスは、ガラスの安定性が低く、液相粘度も低い。ただし、ガラスの安定性は屈折率だけでなく、分散も関係する。屈折率が同等でも分散が低くなるとガラスの安定性は低下し、液相粘度も低下する。したがって、本発明の適用がより有効な高屈折率ガラスを分散も加味して示すと次のようになる。
nd≧1.9200−0.0050000×νd ・・・・・・(1)
nd≧1.8700−0.0040000×νd ・・・・・・(2)
nd≧1.8857−0.0042857×νd ・・・・・・(3)
nd≧2.0333−0.0066667×νd ・・・・・・(4)
(a)アッベ数(νd)が50以上で屈折率(nd)が1.725以上の光学ガラス。
(b)アッベ数(νd)が45〜50で屈折率(nd)が次式(5)で表される範囲の光学ガラス。
nd≧1.9750−0.0050000×νd ・・・・・・(5)
(c)アッベ数(νd)が45以下で屈折率(nd)が1.75以上の光学ガラス。
(d)アッベ数(νd)が45〜50で屈折率(nd)が次式(6)で表される範囲の光学ガラス。
nd≧2.0000−0.0050000×νd ・・・・・・(6)
(e)アッベ数(νd)が40〜45で屈折率(nd)が次式(7)で表される範囲の光学ガラス。
nd≧2.2500−0.010000×νd ・・・・・・(7)
(f)屈折率(nd)が1.85以上の光学ガラス。
(g)屈折率(nd)が1.88以上の光学ガラス。
(h)屈折率(nd)が1.90以上の光学ガラス。
(i)屈折率(nd)が1.95以上の光学ガラス。
(j)屈折率(nd)が2.00以上の光学ガラス。
(k)屈折率(nd)が2.05以上の光学ガラス。
B2O3 2〜45%、
SiO2 0〜30%、
GeO2 0〜10%、
La2O3 10〜50%、
Y2O3 0〜15%、
Yb2O3 0〜10%、
Gd2O3 0〜20%、
Ta2O5 0〜18%、
Nb2O5 0〜35%、
Bi2O3 0〜20%、
TiO2 0〜30%、
WO3 0〜10%、
ZrO2 0〜15%、
ZnO 0〜20%、
BaO 0〜35%、
SrO 0〜10%、
CaO 0〜8%、
MgO 0〜13%、
Li2O、Na2OおよびK2Oを合計量で 0〜2%、
Al2O3 0〜10%、
Sb2O3 0〜1%、
SnO 0〜1%
を含むものを例示することができる。
P2O5 10〜32%、
Nb2O5 27〜65%、
TiO2 0%を超え20%以下、
BaO 0%を超え30%以下、
B2O3 0〜12%、
Li2O、Na2OおよびK2Oを合計量で12%以下、
WO3 0〜12%、
Bi2O3 0〜15%、
SiO2 0〜3%、
ZrO2 0〜4%、
Sb2O3 0〜1%
を含むものを例示することができる。
それに対し、本発明の方法、特に、上記脈理低減、防止を目的とした態様は、動粘性率が6.5×10-5m2/s以下のガラスの成形により好適であり、5×10-5m2/s以下のガラスの成形にさらに好適であり、4×10-5m2/s以下のガラスの成形により一層好適であり、3×10-5m2/s未満のガラスの成形に特に好適である。このように動粘性率が小さいガラスでも高品質のガラス成形体を大きな体積で得ることができる。
このように平均線膨張係数が大きいフツリン酸ガラスでも、本発明を適用することにより破損を低減、防止し、高品質なガラス成形体を高い生産性のもとに製造することができる。
なお、アッベ数(νd)の増加とともにアニオン中に占めるF-イオンの量の割合が大きくなり、揮発による脈理発生への影響が大きくなるとともに熱膨張係数も増加する傾向があり、ガラスの冷却時に発生する内部応力が大きくなりやすい。したがって、本発明は、フッ素含有量が多いガラス、アッベ数(νd)が大きいガラスに適用することがより一層効果的である。
次に本発明のプレス成形用ガラス素材の製造方法について説明する。
本発明のプレス成形用ガラス素材の製造方法は、加熱、軟化してプレス成形するためのプレス成形用ガラス素材の製造方法において、
本発明のガラス成形体の製造方法により作製したガラス成形体を機械加工してガラス素材とすることを特徴とする方法である。
前述の複数の鋳型を使用する方法でも、ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行ったガラス成形体を徐冷炉内に搬入し、室温付近まで徐冷する。
このようにして、ガラス成形体からプレス成形用ガラス素材を作製することができる。
まず、図6に示すように、側面の割断したい位置にスクライブ加工した棒状ガラス(ガラス成形体)11と高圧容器12を用意する。この高圧容器12には棒状ガラスを挿通する開口部と液体導入口が設けられており、前記開口部と液体導入口を除いては密閉構造になっている。そして、前記開口部に棒状ガラスを挿通して開口部を塞ぐとともに、スクライブ加工部位が高圧容器12内の中央付近にくるようにする。上記開口部では高圧容器と棒状ガラスの間はシールされ、高圧容器内に液体を入れて前記液体の圧力を高めたときに高圧容器から液体が漏れ出さないようにする。なお、上記シールは、棒状ガラスの長手方向の動きが妨げられないものとする。上記シールは例えばゴム製のチャックなどを用いて行えばよい。
丸棒状ガラス、例えば中心軸に対し垂直な断面形状が円、楕円、長円などの棒状ガラスを側圧切断法で分断することは比較的容易にできるが、角棒状ガラスを側圧切断法で分断するのは難しいので、側圧切断法は丸棒状ガラスの割断に適用することが望ましい。
このようにして得たガラスブロックをカットピースとして上述のようにしてプレス成形用ガラス素材を得ることができる。
次に本発明の光学素子の製造方法について説明する。本発明の光学素子の製造方法は2つの態様からなる。
第一の態様(以下、光学素子の製法Iという)は、ガラス素材を加熱し、プレス成形型を用いてプレス成形する光学素子の製造方法において、上記製造方法により作製したプレス成形用ガラス素材を加熱してプレス成形することを特徴とする製造方法である。
まず、上述のプレス成形用ガラス素材の製造方法の工程と同様、ガラス成形体を精密アニールし、屈折率を所望の値に精密にあわせるとともにガラス中の歪みを低減し、ガラス成形体を切断または割断してカットピースを作製する。ガラス成形体の形状としては棒状ガラス、板状ガラスなどを例示できる。プレス成形用ガラス素材の製造方法同様、丸棒状ガラスの中心軸に垂直にガラスの割断を行う場合には側圧切断法を適用することが望ましい。
次にカットピースを研削して光学素子の形状に研磨しろを加えた光学素子ブランクを作製し、このブランクを研磨して光学素子に仕上げる。
このようにしてレンズ、プリズム、フィルターなどの各種光学素子をガラスを破損させることなく高い生産性のもとに製造することができる。光学素子の表面には反射防止膜などの光学多層膜を形成してもよい。
本実施例では、以下に示す方法により、屈折率(nd)が2.08313、アッベ数(νd)が22.23、液相温度が1270℃、液相温度における粘度が0.9dPa・s、ガラス転移温度が700℃、室温における密度が4.78、動粘性率が1.92×10-5m2/s、B2O3を6%、SiO2を4%、La2O3を32%、TiO2を27%、BaOを14%、Nb2O5を11%、ZrO2を6%含有する光学ガラス(光学ガラスA1という)からなる丸棒状のガラス成形体を成形した。
まず、光学ガラスA1が得られるようにガラス原料を秤量し、十分混合した後、熔融容器内に導入し、加熱、熔解した。次いで、十分清澄、均質化した熔融ガラスを0.6dPa・sの粘度で鉛直に配置したパイプ流出口から一定の流出速度(15ml/分)で連続流出し、図1に示す位置に配置されたカーボン製の鋳型に設けられた貫通孔の入口中央に連続して途切れることなく流し込んだ。貫通孔入口へ流し込まれる熔融ガラスの温度は1320℃であった。鋳型貫通孔の内径はφ12mm、貫通孔中心軸が鉛直方向に一致するようにし、パイプの中心軸と上記貫通孔の中心軸とが一致するようにした。鋳型貫通孔の長さは100mmとし、良好な成形ができるように、鋳型の周囲に図示しないバンドヒータを巻いて加熱し、貫通孔内壁の温度を520〜600℃に制御した。貫通孔出口から取り出される丸棒状ガラスの側面を2つのローラで挟持し、丸棒状ガラスの取り出し速度を制御した。鋳型貫通孔内の熔融ガラス液面の高さを、レーザセンサーを用いてモニターし、前記センサーが出力するモニター信号をローラコントローラに入力し、前記液面が一定になるようにローラを回転するモータへの電気入力を制御した。本実施例では丸棒状ガラスの取り出し速度を2.2mm/分になるよう設定し、上記液面の高さの変動に応じてローラの回転速度にフィードバックをかけ、液面の高さを一定に維持するようにした。
次に、屈折率(nd)が1.84666、アッベ数(νd)が23.8、液相温度が1123℃、液相温度における粘度が5.4dPa・s、比重が3.5であって、質量%表示で、SiO2を25%、Na2Oを12%、CaOを1%、BaOを16%、ZrO2を2%、TiO2を30%、Nb2O5を14%含有する光学ガラス(光学ガラスBという)からなる丸棒状のガラス成形体を実施例1と同様の方法で成形した。
本実施例では、熔融ガラスの流出粘度は4.5dPa・s、流出速度は30ml/分、鋳型貫通孔の内径をφ30mm、鋳型貫通孔の長さを100mm、丸棒状ガラスの取り出し速度を0.42mm/分とした。このようにしてφ30mmの丸棒状ガラス棒を連続的に貫通孔出口より取り出した。鋳型の貫通孔入口へ流し込まれる熔融ガラスの温度は1150℃であった。また、貫通孔内壁の温度を500〜550℃に制御した。鋳型の直下に配置した成形炉に丸棒状ガラスの移動経路を2つに仕切る仕切り板(丸棒状ガラスの移動を妨げないようにガラスが通過する部分に開口部を有する)を設置し、成形炉内雰囲気温度が520℃と710℃になるようにコントロールした。成形炉の丸棒状ガラスの移動方向の長さを540mmとした。この中を時間をかけて丸棒状ガラスは通過するが、その間に丸棒状ガラスの中心部と表面の温度が近づくため、丸棒状ガラス自体を爆発的に破壊するような内部応力は発生せず、ガラスを破損させずに丸棒状ガラスを成形することができた。
このようにして得た丸棒状ガラスを切断し、切断面を研磨して内部を観察してところ、脈理は表面から0.5mm以内の極浅い層内にのみ見られ、それよりも深い部分に脈理は見られなかった。つまり丸棒状ガラスの大部分は光学的に均質であった。
次に、屈折率(nd)が1.49700、アッベ数(νd)が81.6、液相温度が645℃、液相温度における粘度が320dPa・s、ガラス転移温度が455℃、100〜300℃における平均線膨張係数が155×10-6/℃のフツリン酸ガラス(光学ガラスCという)からなる丸棒状のガラス成形体を実施例1、2と同様の方法で成形した。
本実施例では、熔融ガラスの流出粘度は25dPa・s、流出速度は80ml/分、鋳型貫通孔の内径をφ50mm、鋳型貫通孔の長さを100mm、丸棒状ガラスの取り出し速度を40mm/分とした。鋳型の貫通孔入口へ流し込まれる熔融ガラスの温度は720℃であった。また、貫通孔内壁温度は400〜450℃に制御した。
また、パイプ流出口付近と貫通孔入口、そしてパイプ流出口から貫通孔入口に至る熔融ガラス流の流路を容器で取り囲み、内部を密閉した。そして容器内雰囲気を乾燥した非酸化性ガス(例えば、乾燥窒素など)で置換し、非酸化性ガス雰囲気中で流出するガラスを鋳型に流し込んだ。なお、非酸化性ガスの代わりに乾燥ガス、例えば、乾燥空気などに置換してもよい。
このようにしてφ50mmの丸棒状ガラス棒を連続的に貫通孔出口より取り出した。鋳型の直下に配置した成形炉内雰囲気温度を500℃に維持し、成形炉の丸棒状ガラスの移動方向の長さを320mmとした。この中を時間をかけて丸棒状ガラスは通過するが、その間に丸棒状ガラスの中心部と表面の温度が近づくため、ガラスを破損させずに丸棒状ガラスを成形することができた。
実施例1、2、3で作製した徐冷済みの各丸棒状ガラスを使用してプレス成形用ガラス素材を作製した。まず丸棒状ガラス側面の割断した部位にスクライブ加工によりケガキ線を形成した。そして高圧容器中に丸棒状ガラスを挿通し、容器内中央にケガキ線を形成した部位が位置するようにし、中心軸方向の動きを制限しないよう丸棒状ガラスを容器開口部にゴムシールでチャックし、容器内に水を注入して内部に泡が入らないように容器内を水で満たした。
この状態で容器内の水圧を200kgf/cm2に加圧してケガキ線の位置で丸棒状ガラスを中心軸に垂直にガラスを分断した。このようにして所定の間隔で丸棒状ガラスを割断し、カットピースを作製した。
次に、上記カットピースをバレル研磨して目的とするプレス成形品の重量と等しい重量に調整するとともに、鋭利なエッジを丸め、表面を粗面化してプレス成形用ガラス素材とした。
実施例4で作製したカットピースを研削、研磨して表面が滑らかなプレス成形用ガラス素材を作製した。
次に実施例4で作製したプレス成形用ガラス素材の全表面に窒化ホウ素からなる粉末状離型剤を均一に塗布し、加熱炉内に入れて炉内で移送しながら大気中で加熱、軟化させた。
軟化したガラス素材を上型、下型、胴型からなるプレス成形型に導入して大気中でプレス成形し、型を開いてプレス成形品を取り出し、徐冷炉に入れて精密アニールを行い、室温まで冷まして光学素子ブランクとした。
レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
次に実施例5で作製したプレス成形用ガラス素材の全表面にカーボン膜を形成し、窒素と水素の混合ガス雰囲気中にて加熱し、SiC製の型材の成形面上に離型膜としてカーボン膜を付けたプレス成形型を用いて精密プレス成形した。次いで精密プレス成形品を徐冷して、光学ガラスCからなる非球面レンズを得た。
レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
実施例1〜3で作製した精密アニール済みの丸棒状ガラスを側圧切断法で中心軸に垂直に分断し、カットピースを作製した。次いで、カットピースを研削、研磨して光学ガラスA1、A2、A3、B、Cからなる球面レンズを作製した。
レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
本発明の製造方法は、各種光学ガラスからなるガラス成形体を製造、保管し、需要に応じて所定の寸法に切断、割断等の機械加工を行ってプレス成形用ガラス素材を作り、そのガラス素材をプレス成形して光学素子を製造することにより、あるいは前記ガラス成形体を機械加工して光学素子を製造することにより、ガラスを破損させず、また脈理を含むために使用できずに廃棄しなければならない部分を低減、防止してガラスを有効利用することができる。
Claims (19)
- 貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形するガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(以下、「冷却領域」という)において、前記貫通孔内のガラス側面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより前記ガラスの熱を前記側面から奪うとともに、
前記冷却領域を通過したガラスを前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の環境下を通過させることにより、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 前記ガラス成形体は、液相温度における粘度が100dPa・s未満のガラスからなることを特徴とする請求項1に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス成形体は、液相温度における粘度が10dPa・s以下のガラスからなることを特徴とする請求項2に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス成形体は、フッ素含有ガラスからなることを特徴とする請求項1に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記出口から取り出されたガラスを前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の雰囲気中を通過させて、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記鋳型を複数用意するとともに、そのうちの一つを前記パイプの下方に配置し、
前記パイプの下方に配置した鋳型に熔融ガラスを連続的に流し込んでガラス成形体を成形し、
次いで鋳型への熔融ガラスの流し込みを中断して、熔融ガラスが流し込まれた鋳型を前記パイプ下方から搬出し、該搬出された鋳型からガラス成形体を取り出す工程、
前記搬出後、前記熔融ガラスが流し込まれた鋳型とは異なる鋳型を前記パイプ下方に搬入、配置し、前記搬入した鋳型に熔融ガラスの流し込みを行う工程
を繰り返し行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。 - 前記貫通孔は、前記入口と出口が直線的に連絡し、
前記鋳型を、前記入口が出口よりも高い位置になるように配置し、
前記熔融ガラスの流し込みを、前記貫通孔内における熔融ガラス液面の高さが一定になるように行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。 - 前記鋳型を、前記貫通孔の中心軸が鉛直になるように配置することを特徴とする請求項7に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス成形体が3mm以上の厚みを有する板状ガラスである請求項1〜8のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス成形体が3mm以上の外径を有する棒状ガラスである請求項1〜8のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後のガラス成形体を切断または割断することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後のガラス成形体の側面にスクライブ加工を施すとともに、前記スクライブ加工を施した部位でガラス成形体を割断する請求項11に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記出口から取り出された中実状のガラスの側面を保持して、前記ガラスの貫通孔からの取り出し速度を制御することを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記出口から取り出された中実状のガラスの先端部を支持して、前記ガラスの貫通孔からの取り出し速度を制御することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 加熱、軟化してプレス成形するためのプレス成形用ガラス素材の製造方法において、
請求項1〜14のいずれか1項に記載の製造方法により作製したガラス成形体を機械加工してガラス素材とすることを特徴とするプレス成形用ガラス素材の製造方法。 - 前記ガラス成形体が棒状ガラスまたは板状ガラスからなり、
前記機械加工は、棒状ガラスまたは板状ガラスの中心軸に対して垂直にガラス成形体を切断または割断する加工を含む請求項15に記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。 - 前記棒状ガラスの側面にスクライブ加工を施し、スクライブ加工を施した部位および前記部位を挟む両側の棒状ガラス側面に、前記部位を挟む両側の棒状ガラスが互いに離間する動きを妨げない状態にて圧力を加え、前記スクライブ加工を施した部位で棒状ガラスを割断することを特徴とする請求項16に記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
- ガラス素材を加熱し、プレス成形型を用いてプレス成形する光学素子の製造方法において、
請求項15〜17のいずれか1項に記載の製造方法により作製したプレス成形用ガラス素材を加熱してプレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 熔融ガラスからガラス成形体を成形し、機械加工する光学素子の製造方法において、
前記ガラス成形体を請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法により作製することを特徴とする光学素子の製造方法。
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