JP2007055884A - 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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- Glass Compositions (AREA)
Abstract
【解決手段】熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法。熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行う。貫通孔内に導入されたガラスの移動速度を制御することにより、前記熔融ガラスの貫通孔内への導入量を制御する。
【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。
[1]熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行うことを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[2]熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
貫通孔内に導入されたガラスの移動速度を制御することにより、前記熔融ガラスの貫通孔内への導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[3]熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行う[2]に記載のガラス成形体の製造方法。
[4]前記熔融ガラスの貫通孔内への導入は、少なくとも貫通孔の一方の開口を熔融ガラス槽中の熔融ガラス中に浸漬させた状態で、前記熔融ガラス槽から貫通孔内へ熔融ガラスを引き上げることによって行われる[2]に記載のガラス成形体の製造方法。
[5]前記ガラスの移動速度の制御を、冷却されたガラスを鋳型から取り出す速度を制御することによって行う[2]〜[4]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[6]熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内に連続的に導入し、貫通孔出口から連続的に引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内に導入された熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することにより、貫通孔内への熔融ガラスの導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[7]前記熔融ガラスの貫通孔内への導入は、少なくとも貫通孔入口を熔融ガラス槽中の熔融ガラス中に浸漬させた状態で、前記熔融ガラス槽から貫通孔内へ熔融ガラスを引き上げることによって行われる[6]に記載のガラス成形体の製造方法。
[8]パイプ流出口から流出する熔融ガラスを、貫通孔を有する鋳型の貫通孔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引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記パイプ流出口と貫通孔入口は密閉連結されており、
前記貫通孔に流し込まれた熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[9]前記ガラスの引き出し速度の制御により、前記パイプ流出口からの熔融ガラスの流出量を制御する[8]に記載のガラス成形体の製造方法。
[10]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]〜[9]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。
[11]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[10]に記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
[12]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、
[10]または[11]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。
[13][1]〜[9]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加工して光学素子を作製する光学素子の製造方法。
[ガラス成形体の製造方法]
本発明は、
熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行うことを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、「方法I」という);
熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
貫通孔内に導入されたガラスの移動速度を制御することにより、前記熔融ガラスの貫通孔内への導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、「方法II」という)
に関する。
また、方法IIにおける貫通孔内への熔融ガラスの導入は、少なくとも貫通孔の一方の開口を熔融ガラス槽中の熔融ガラス中に浸漬させた状態で、前記熔融ガラス槽から貫通孔内へ熔融ガラスを引き上げることによって行うこともできる。この点については、後述する。
熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内に連続的に導入し、貫通孔出口から連続的に引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内に導入された熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することにより、貫通孔内への熔融ガラスの導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、「方法A」という)
を挙げることができる。
方法Aは、連続熔解槽を用いてガラス成形体を連続的に製造するために適した方法であり、貫通孔出口において熔融ガラスの少なくとも表面を固化させることにより、貫通孔出口からのガラスの引き出し速度を制御することができ、これにより密閉空間内(鋳型貫通孔内)でのガラスの移動速度を制御し、熔融ガラス槽から熔融ガラスを引き上げ、または引き出して貫通孔入口へ導入する熔融ガラス量を制御することができる。
パイプ流出口から流出する熔融ガラスを、貫通孔を有する鋳型の貫通孔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引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記パイプ流出口と貫通孔入口は密閉連結されており、
前記貫通孔に流し込まれた熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、「方法B」という)
を挙げることができる。
なお、熔融ガラスを下方に引き出し、貫通孔が水平になるように配置した鋳型内に鋳込むこともできる。その場合、貫通孔が入口付近の屈曲部で直角に曲げられた鋳型を使用し、入口が上を向くようにし、パイプと鋳型の貫通孔入口を連結する。パイプ内を流下した熔融ガラスは、鋳型貫通孔内に入り、屈曲部で水平方向に移動方向が変わる。成形したガラスは、貫通孔出口より水平に引き出される。この方法では、屈曲部を通過するまでガラスが十分な流動性を維持するように鋳型貫通孔入口付近と屈曲部の温度をコントロールすることが好ましい。この方法によれば、引き出したガラス成形体をレア炉(横長のアニール炉)にそのまま導入し、連続的にアニールすることができる。
なお、熔融ガラス槽内の熔融ガラスを鉛直下方に引き出して、鉛直に配置した鋳型貫通孔に流し込み、成形したガラスを鋳型から鉛直下方に引き出す方法は、後述する液相粘度が100dPa・s未満のガラスの成形に好適である。一方、鋳型貫通孔を水平にして成形する上記の方法は、フツリン酸塩ガラスなど、高温のガラス表面からの揮発により著しい脈理が発生しやすいガラスの成形に好適である。
本発明で使用する鋳型は、貫通孔を有し、前記貫通孔は、熔融ガラスを流し込む入口とガラスを取り出す出口を備えている。本発明では、熔融ガラスを貫通孔の入口に流し込む。そして、前記貫通孔に流し込まれた熔融ガラスを貫通孔内で冷却する。方法AおよびBでは、前記貫通孔に流し込まれた熔融ガラスを、貫通孔出口において熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却する。冷却は、ガラスの側面、すなわち、ガラスが全体として移動する方向に対して垂直方向を向く面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより、ガラスの熱を側面から奪うことによって行うことができる。特に、側面と貫通孔内壁との間に隙間が生じないように側面全周を貫通孔の内壁に接触させることにより、効率的にガラスを冷却することができる。
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。連続法において、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、前述のガラスの中心部と側面の温度を近づける操作は、(Tg−150℃)以上の環境下で行うことが好ましい。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。
前記方法では、少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御する。これにより、鋳型内での熔融ガラスの移動速度を制御することができ、ひいては貫通孔内への熔融ガラスの導入量やパイプ流出口からの熔融ガラスの流出量を制御することが可能となる。引き出し速度の制御は、貫通孔出口から排出されたガラスの側面を保持して、ガラスの引き出し速度を制御する方法等により行うことができる。
図2に示すようなガラス側面を保持してガラス引出し速度を制御する方法は、連続的にガラスの引き出しを行うことができるという利点がある。他方、この方法では、ガラスを挟持する力を大きくし過ぎるとガラスが破損するため、所定の力以上の力を加えることができない。そのため、ガラス成形体の重量が大きくなるとガラス成形体がローラ間を滑って、速度制御が困難となる場合がある。図3に示すようなガラス先端部を支持することによりガラス引出し速度を制御する方法は、側面を保持する方法と異なり、摩擦力によってガラス成形体を保持するものではないため、大重量のガラス成形体の成形に好適である。
次に、本発明において使用可能な熔融ガラス流出パイプについて説明する。
熔融ガラスは、例えば白金合金製の容器内で加熱、蓄積されており、その容器に接続されたパイプを通って流出口へと導かれる。パイプは、白金または白金合金製であることが好ましい。
先に説明したように、従来は、所望のガラス成形体の外径やガラスの種類に応じてパイプ内径を変えて熔融ガラスの流出量を制御していた。それに対し、本発明(好ましくは方法B)によれば、ガラス成形体の外径やガラスの種類を変えても、パイプ内径を変えることなく、パイプ流出口からの熔融ガラスの流出量を制御することができる。パイプ内径と貫通孔入口の内径を同一にすれば、熔融ガラスの流れを乱すことがないため、脈理が防止ないしは低減されたガラス成形体を得ることができる。この場合、所望の外径のガラス成形体を得るためには、貫通孔入口の内径をパイプ内径に合わせるとともに、貫通孔入口から出口側に向かった適当な位置で、所望外径のガラス成形体が得られるよう、貫通孔内径を設定すればよい。以上は円柱状のガラス成形体(丸棒状ガラス)を成形する場合の説明である。角棒状ガラスや板状ガラス等の成形でも、パイプ内径と貫通孔入口の内径を同一にした上で、貫通孔のガラスの移動方向に垂直な断面形状がガラスの移動方向に沿って円形から徐々にガラス成形体の断面形状(ガラスの移動方向に垂直な断面形状)になるように貫通孔を形成すればよい。
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、3〜150mm、好ましくは10〜100nm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。
なお、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、連続法における貫通孔出口から排出されたガラス成形体の分離方法について説明する。
貫通孔出口から排出された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、連続法では、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。そのためには、前述のガラス中心部と側面の温度を近づける操作を行うことが好ましい。この操作により、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を解消することができる。
前述のように、本発明には、方法AおよびBのように、連続熔解炉等を用いて熔融ガラスからガラス成形体を連続的に製造する方法(連続法)と、例えばバッチ式の熔解槽を使用しガラス成形体を間欠的に製造する方法(間欠法)が包含される。以下に、間欠法にかかる態様について説明する。
その後、型内で冷却されて成形されたガラスを、鋳型から取りだすことによりガラス成形体を得ることができる。ガラス成形体の取り出しは、鋳型を分割することによって行うことができる。例えば、貫通孔と水平な方向(縦方向)に分割可能な鋳型を用いることにより、ガラス成形体の取り出しを容易に行うことができる。以上の工程により、間欠法によりガラス成形体を得ることができる。前記間欠法は、少量高付加価値硝種からなるガラス成形体の製造方法として好適である。また、間欠法では、複数の型を用いて順次成形を行い複数のガラス成形体を得ることももちろん可能である。
次に本発明において成形対象となるガラスについて説明する。
本発明のガラス成形体の製造方法は、前記間欠法、連続法のいずれの方法も、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。液相粘度が100dPa・s未満のガラスを用いれば、層流状のパイプ内におけるガラスの流れをそのままの状態で固化することができるので、ガラスの流れにおいて屈折率がわずかに異なる部分が混じりあうことによる脈理の発生を防止することができる。また、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。
なお、鋳型貫通孔を通過させてガラス成形体を成形する方法ではなく、鋳型内でガラスを成形した後、ガラス成形体を鋳型から取り出し、その後新たに熔融ガラスを貫通孔内に導入する方法では、鋳型ごとガラス成形体を徐冷してもよいし、鋳型からガラス成形体を取り出して徐冷してもよい。その際、ガラス成形体の内部と表面の温度差が大きくならないように冷却し、ガラスの自爆を防止することが望ましい。
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8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。
(例1)
本例では、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、図10に示す装置を用いて成形した。
このようにしてφ12mm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。鋳型の直下に成形炉を配置し、鋳型から取り出した丸棒状ガラスを即、成形炉内へと移動させた。成形炉内には図示しないヒータを配置し、炉内雰囲気の温度を780℃に維持した。上記ローラを成形炉内に配置した。成形炉の丸棒状ガラスの移動方向の長さは360mmであり、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。
分離の際、分離する丸棒状ガラスの側面をロボットアームで保持し、分離後に前記アームで保持した状態で鋳型と成形炉の脇に置かれた連続式徐冷炉入口に丸棒状ガラスを移送した。連続式徐冷炉内にヒーターとガラスを搬送するベルトコンベアを配置し、温度分布が制御された炉中でベルト上に載置した丸棒状ガラスを移動させながら徐冷して歪みを除いた。
連続式徐冷炉から取り出し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たところ、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認められなかった。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1.84666、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例1と同様の方法で成形した。
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例1、2と同様の方法で成形した。
次に成形炉から出た丸棒状ガラスを例1、2に記載されている金属製ジャケットをケガキ線に接触させて熱衝撃を加える方法を併用する方法で割断し、ロボットアームを用いて連続式徐冷炉内に移送した。連続式徐冷炉内を移動しながら歪みを除去したガラス成形体を炉から取り出した。本例の丸棒状ガラスは外径が50mmと太いが熱衝撃を併用する方法によって良好な割断を行うことができた。
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たところ、脈理は表面から0.5mm以内と極浅い層内にのみ見られ、それよりも深い部分には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。
前記光学ガラスCからなる丸棒状のガラス成形体を、以下の方法で成形した。
熔融容器から下方に引き出された熔融ガラスが、貫通孔が水平になるように配置した鋳型内に鋳込まれるように、図10に示す装置を変更し、貫通孔が入口付近の屈曲部で直角に曲げられた鋳型を使用し、入口が上を向くようにして、パイプと鋳型の貫通孔入口を連結した以外は、例3と同様の方法で丸棒状ガラスを得た。なお、貫通孔が水平になるように鋳型を配置したので、ガラス成形体は水平方向に引き出した。
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。
前記光学ガラスA1〜3、Bからなる丸棒状のガラス成形体を、以下の方法で成形した。
図7に示すように、鋳型貫通孔の出口より内部にピストンを挿入した。そして貫通孔入口を熔融ガラス中に浸漬してピストンを上昇させ、貫通孔内に熔融ガラスを吸い上げた。こうして鋳込まれて成形されたガラスを鋳型ごと取り出し、自爆しないように冷却してから鋳型から取り出し丸棒状ガラスを得た。
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。
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。
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。
次に、上記ブランクを研削、研磨して光学ガラスA1、A2、A3、B、Cそのそれぞれからなる球面レンズを作製した。
いずれのレンズ内部にも失透、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。
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。
いずれのレンズ内部にも失透、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。
Claims (13)
- 熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行うことを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内へ導入し、該貫通孔内で熔融ガラスを冷却し、次いで冷却されたガラスを鋳型から取り出すことによりガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
貫通孔内に導入されたガラスの移動速度を制御することにより、前記熔融ガラスの貫通孔内への導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 熔融ガラス槽と鋳型とを連結して熔融ガラスの流路を形成し、該流路を通して貫通孔内への熔融ガラスの導入を行う請求項2に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記熔融ガラスの貫通孔内への導入は、少なくとも貫通孔の一方の開口を熔融ガラス槽中の熔融ガラス中に浸漬させた状態で、前記熔融ガラス槽から貫通孔内へ熔融ガラスを引き上げることによって行われる請求項2に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラスの移動速度の制御を、冷却されたガラスを鋳型から取り出す速度を制御することによって行う請求項2〜4のいずれか1項に記載のガラス成形体の製造方法。
- 熔融ガラス槽中の熔融ガラスを鋳型の貫通孔内に連続的に導入し、貫通孔出口から連続的に引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記貫通孔内に導入された熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することにより、貫通孔内への熔融ガラスの導入量を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 前記熔融ガラスの貫通孔内への導入は、少なくとも貫通孔入口を熔融ガラス槽中の熔融ガラス中に浸漬させた状態で、前記熔融ガラス槽から貫通孔内へ熔融ガラスを引き上げることによって行われる請求項6に記載のガラス成形体の製造方法。
- パイプ流出口から流出する熔融ガラスを、貫通孔を有する鋳型の貫通孔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引き出してガラス成形体を得るガラス成形体の製造方法において、
前記パイプ流出口と貫通孔入口は密閉連結されており、
前記貫通孔に流し込まれた熔融ガラスを、貫通孔出口において前記熔融ガラスの少なくとも表面が固化している程度に冷却し、
少なくとも表面が固化したガラスの貫通孔出口からの引き出し速度を制御することを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 前記ガラスの引き出し速度の制御により、前記パイプ流出口からの熔融ガラスの流出量を制御する請求項8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1〜9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10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10または11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。 - 請求項1〜9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加工して光学素子を作製する光学素子の製造方法。
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