JP2012236758A - 精密プレス成形用ガラスプリフォーム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】下型凹部にキャストした熔融ガラスを、該下型凹部表面に設けられた複数のガス噴出口から噴出する浮上ガスにより浮上状態に保持した後、浮上ガスを噴出し続け上型および下型によりプレスすることによりガラス塊を成形すること、および、上下型によるプレスを解除した後に、上記下型凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出すこと、を含み、上下型によるプレス開始から精密プレス成形用プリフォームの取り出しまでの間に、上記浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減し下型凹部上でガラス塊を、ガラス塊下面周縁部が下型凹部表面と接触した状態で保持する期間を設けること、を特徴とする、精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
【選択図】なし
Description
近似形状プリフォームは、両面とも凸面または凹面、一方の面が凸面で他方の面が凹面、一方の面が平面で他方の面が凸面または凹面といった、所望の光学素子の形状に対応する形状に形成される。冷間加工法は、球形状などシンプルな形状の加工に向いているが、近似形状プリフォームのような複雑な形状の加工には不向きである。一方、熱間成形法は、ガラスが軟化状態にある間にプレスして所望の形状に成形することができるため、近似形状プリフォームの生産に適している。
また、撮像光学系の高機能化、コンパクト化の面から、高屈折率高分散ガラスを精密プレス成形して得られるレンズの需要も高まっている。高屈折率高分散ガラスは、高屈折率高分散特性を得るためにNb、Ti、W、Biなどの成分を多量に含む。ところが、これら成分は精密プレス成形時にプレス成形面との間で酸化還元反応を起こし、得られる光学素子の表面にクモリや傷を発生させる原因となる。特に、プレス成形の進行によって、プリフォームが変形し内部の活性に富んだガラスがプレス成形面と直接接触すると、上記反応による不具合が助長されてしまう。こうした不具合の発生を抑えるには、プリフォームの形状をより一層、所望の光学素子の形状に近似させ、プレス成形におけるガラスの変形量を小さくし活性に富んだプリフォーム内部のガラスを極力、プレス成形面と接触させないようにすることが効果的である。
プリフォームの熱間成形では、通常、複数個の成形型をターンテーブル上に配置し、このターンテーブルをインデックス回転させて各成形型に流出、分離した熔融ガラス塊を順次受け、次の停留位置においてプレス成形を行う。各成形型の移送、停留は同期して行われるため、プレス時間をガラス塊が内部まで十分冷却されるほど長く取ることは難しい。
そのため、プレスを解除するとガラス塊内部の熱量によりプレスされたガラス塊上面が再加熱されて、一旦上昇した粘度が再び低下する。その結果、プレスされたガラス上面の形状が表面張力によりプレス前の形状に戻ろうとして盛り上がるため、プレスにより成形した形状から中心肉厚が増加する。プリフォームの中心肉厚が所望形状から意図せず増加すると、該プリフォームを用いて行われる精密プレス成形における変形量は、プリフォームをより薄くする必要があるため必然的に多くなってしまう。他方、こうした現象を回避しようとプレス時にガラスを強く冷却しすぎると、プリフォーム表面にシワが生じ、滑らかな表面を有するプリフォームを得ることができなくなってしまう。
以上の知見に基づき本発明者らは更に検討を重ね、上型および下型によるプレス開始から精密プレス成形用プリフォームの取り出しまでの間に、上記浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減し下型凹部上でガラス塊を、ガラス塊下面周縁部が下型凹部表面と接触した状態で保持する期間を設けることで、プレス解除後にプリフォーム上面が盛り上がりプレスにより成形した形状から中心肉厚が増加することを回避できることを新たに見出した。これは、プレス中に上記期間を設けることでガラス塊下面の周縁部が下型凹部表面と接触し固化して形状が確定される結果、プレス解除後に上面を盛り上げようと働く表面張力に抗することができるからであり、また、プレス解除後に上記期間を設けることでガラス塊内部で自重により下向きに働く力が、上面を盛り上げようとする力に抗することができるからである。
本発明は、以上の知見に基づき完成された。
[1]下型凹部にキャストした熔融ガラスを、該下型凹部表面に設けられた複数のガス噴出口から噴出する浮上ガスにより浮上状態に保持した後、浮上ガスを噴出し続け上型および下型によりプレスすることによりガラス塊を成形すること、および、
上下型によるプレスを解除した後に、上記下型凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出すこと、
を含み、
上下型によるプレス開始から精密プレス成形用プリフォームの取り出しまでの間に、上記浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減し下型凹部上でガラス塊を、ガラス塊下面周縁部が下型凹部表面と接触した状態で保持する期間を設けること、
を特徴とする、精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[2]前記期間をプレス解除後に設ける、[1]に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[3]前記期間中、ガラス塊中央部と下型凹部の隙間がガラス塊の自重により減少する、[2]に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[4]前記期間を上型によるプレス中に設ける、[1]〜[3]のいずれかに記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[5]上型によるプレスを解除した後に、ガラス塊上面の上方にガス噴出ノズルを配置し、該ノズルからガラス塊上面にガスを噴出することを含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[6]上記期間中に浮上ガスを停止し、該期間後に浮上ガスの噴出を再開し浮上ガスを噴出させながら下面凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出す、[1]〜[5]のいずれか1項に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[7]熔融ガラスのキャストから精密プレス成形用ガラスプリフォームを取り出した下型凹部に新たな熔融ガラスをキャストするまでの工程を、複数の下型を循環移送して繰り返し行う、[1]〜[6]のいずれかに記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
[8][1]〜[7]のいずれかに記載の製造方法により精密プレス成形用ガラスプリフォームを製造すること、および、
製造した精密プレス成形用ガラス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、
を含む、光学素子の製造方法。
本発明の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法は、
下型凹部にキャストした熔融ガラスを、該下型凹部表面に設けられた複数のガス噴出口から噴出する浮上ガスにより浮上状態に保持した後、浮上ガスを噴出し続け上型および下型によりプレスすることによりガラス塊を成形すること、および、
上下型によるプレスを解除した後に、上記下型凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出すこと、
を含む精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法であり、上下型によるプレス開始から精密プレス成形用プリフォームの取り出しまでの間に、上記浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減し下型凹部上でガラス塊を、ガラス塊下面周縁部が下型凹部表面と接触した状態で保持する期間を設ける。これにより先に説明したように、上下型によるプレス解除後にガラス塊上面が表面張力により盛り上がることを防ぐことができ、所望形状のプリフォームを得ることが可能となる。
以下、本発明の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法(以下、単に「プリフォームの製造方法」ともいう)について、更に詳細に説明する。
なお本発明のプリフォームの製造方法では、上記の通りプレスによるガラス塊の成形は上型および下型を用いて行う。当該プレスは、下型凹部にキャストした熔融ガラスを、浮上ガスを噴出する下型上で上方から上型によりプレスすることと同義である。
図1に示す態様は、上型によるプレス解除後に上記期間を設けるものであり、下型凹部への熔融ガラスのキャスト(図1(a))、下型凹部での熔融ガラスの浮上(図1(b))、上型による熔融ガラス塊のプレス(図1(c))、プレス解除後の浮上ガス停止ないし浮上ガス量低減による下面形状制御(図1(d))、の工程を含み、任意に浮上ガス噴出再開ないし浮上ガス量増加工程(図1(e))を含む。これら工程を、ターンテーブルやコンベヤー等を用いて、複数の成形型(下型)を連続的または断続的に循環移送して繰り返し行うことにより、プリフォームを連続的に量産することができる。例えば、複数の下型をターンテーブル上に配置し、ターンテーブルをインデックス回転して複数の下型を同期させ各停留位置に次々と一括して移動させることで、下型を循環移送することができる。
以下、各工程について、順次説明する。
熔融ガラスの浮上のためにガス噴出口から上方に向けて噴出される浮上ガスとしては、ガラスと反応しないガスを用いることが好ましく、具体的には、空気、窒素、不活性ガスなどを挙げることができる。また、浮上ガスの流量および圧力は、熔融ガラス塊が下型との融着を生じないように安定した浮上状態に保つことができるように定めることが好ましい。キャストしたガラスの容量に応じて、噴出させるガスの流量および圧力は適宜調整することができる。具体的には、例えば、浮上ガスの流量は毎分0.10〜1.00リットルの範囲、浮上ガスの圧力は0.3〜0.5MPaの範囲とすることが、それぞれ好ましい。また、浮上ガスは、必要に応じて、ガラスを冷却可能な温度に温度調整して供給することもできる。
り上がりを抑制することができる。また、プレス解除後に生じる表面張力が大きい場合には外周部のガラスを中心方向に戻そうとする力となり、プレスにより確定した外径がプレス解除後に縮小し、これもプリフォームの形状精度低下の原因となる。これに対し、プレス中(プレス解除と同時に行う場合も含む。)に浮上ガスを停止するか浮上ガスの噴出量を低減しガラス塊下面周縁部を下型凹部表面と接触させれば、外径変化にも抗することができ、結果的に、得られるプリフォームの形状精度をより一層高めることができる。なお、プレス中に浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減する場合、浮上ガスの噴出停止または浮上ガスの噴出量低減中にガラス塊下面中央部は下型凹部表面と接触してもよく、非接触であってもよい。ただし、流動性を有する状態で下型凹部表面と接触すると、ガス噴出口内部にガラスが侵入し融着を起こしたり、ガス噴出口の形状が転写される場合があるため、プレス中はガラス塊中央部と下型凹部表面との非接触状態を維持することが好ましい。
プレス後に浮上ガスを停止する態様では、所定期間浮上ガスの噴出を停止した後、浮上ガスを停止したまま下面凹部からプリフォームの取り出してもよく、浮上ガスの噴出を再開し、浮上ガスを噴出させながら下面凹部からプリフォームの取り出しを行ってもよい。プリフォームの取り出し時に下型表面と意図せず接触しプリフォーム表面が損傷することを防ぐためには、浮上状態でプリフォームの取り出しを行うことが好ましい。同様の理由から、プレス後に浮上ガス量を低減する態様でも、所定期間経過後に浮上ガス量を回復させることが好ましい。
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、本発明のプリフォームの製造方法により精密プレス成形用ガラスプリフォームを製造すること、および、製造した精密プレス成形用ガラス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含む。
本発明のプリフォームの製造方法によれば、上型によるプレス解除後のガラス塊上面の形状変化を抑制することで、所望の光学素子の形状に近似した近似形状プリフォームを得ることができるため、プレス成形温度を過度に高温にすることなく、成形型キャビティーにガラスを十分行き渡らせることができ、これにより高品質な光学素子を得ることができる。
熔融・冷却・固化後に屈折率[nd]:1.839、アッベ数[νd]:24.15のホウ酸シリケート系(ホウケイ酸塩系またはボロシリケート系)の光学ガラスとなるガラス塊を1120℃に加熱した白金ルツボに投入してルツボ内で溶解後、1250℃で清澄、撹拌し均一なガラス融液を得た。次に、ルツボ底部に連結し温度制御した流出パイプから0.56kg/hrの流出速度でガラス融液を流出させた。
図3のように、円形の成形テーブルの外周上に12個の下型を均等に配置した。以下の工程中、成形テーブルは9.5秒毎にインデックス回転させた。各下型は成形テーブルのインデックス回転により、図3に示す第1停留位置から第12停留位置を1サイクルとして移動し、1サイクル毎に1つの精密プレス成形用プリフォームが作製される。
下型の上部には、熔融ガラスをキャストする凹部(直径:φ23mm、凹部表面の平均曲率半径R:11mm)が加工されている。凹部は平均穴径が10μmの多孔質材料からなり、多孔質材料表面からは0.60L/分の窒素が均一に噴き出している。なお型本体部はヒーターで加熱し、凹部の表面温度を350℃とした。
成形テーブルの第3停留位置に、該位置に移動したガラス塊上面の鉛直上方に位置するようにガス噴出ノズル (内径6mm)を設置した。ガス噴出ノズル先端とガラス塊の上端の距離が2〜3mmとなり、かつガス噴出ノズルとガラス塊の中心が一致するように事前にガス噴出ノズルの位置調整を行った。実施例1、2と同様に下型凹部上のガラス塊上から上型を退避させプレスを解除した後、インデックス回転により、ガラス塊を第3停留位置に移動させた。続いて、第3停留位置にガラス塊が移動完了した後、5000msec.経過した時点から、5000msec.の間、浮上ガスを停止した。これに並行し、ガラス塊が第3停留位置に移動した後500msec.経過した時点から、2000msec.の間、上記ガス噴出ノズルから10L/分の流量で窒素ガスをガラス塊上面中央に向け噴出した。その他は同様の操作にて、近似形状プリフォームを得た。
実施例1〜3で成形されたプリフォームを再加熱、軟化して窒素雰囲気中において成形型により精密プレス成形して、非球面レンズなどの光学素子を作製した。得られた光学素子はいずれも要求される性能を満たすものであった。
各光学素子の光学機能面には、必要に応じて反射防止膜などの光学薄膜を形成した。
Claims (8)
- 下型凹部にキャストした熔融ガラスを、該下型凹部表面に設けられた複数のガス噴出口から噴出する浮上ガスにより浮上状態に保持した後、浮上ガスを噴出し続け上型および下型によりプレスすることによりガラス塊を成形すること、および、
上下型によるプレスを解除した後に、上記下型凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出すこと、
を含み、
上下型によるプレス開始から精密プレス成形用プリフォームの取り出しまでの間に、上記浮上ガスの噴出を停止するか浮上ガスの噴出量を低減し下型凹部上でガラス塊を、ガラス塊下面周縁部が下型凹部表面と接触した状態で保持する期間を設けること、
を特徴とする、精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。 - 前記期間をプレス解除後に設ける、請求項1に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 前記期間中、ガラス塊中央部と下型凹部の隙間がガラス塊の自重により減少する、請求項2に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 前記期間を上型によるプレス中に設ける、請求項1〜3のいずれか1項に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 上型によるプレスを解除した後に、ガラス塊上面の上方にガス噴出ノズルを配置し、該ノズルからガラス塊上面にガスを噴出することを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 上記期間中に浮上ガスを停止し、該期間後に浮上ガスの噴出を再開し浮上ガスを噴出させながら下面凹部から精密プレス成形用プリフォームを取り出す、請求項1〜5のいずれか1項に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 熔融ガラスのキャストから精密プレス成形用ガラスプリフォームを取り出した下型凹部に新たな熔融ガラスをキャストするまでの工程を、複数の下型を循環移送して繰り返し行う、請求項1〜6のいずれか1項に記載の精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法により精密プレス成形用ガラスプリフォームを製造すること、および、
製造した精密プレス成形用ガラス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、
を含む、光学素子の製造方法。
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