JP2013071885A - ガラス材の製造方法及びガラス材 - Google Patents

Abstract

【課題】中心軸を有する第１及び第２の曲面を備えるガラス材であって偏心が抑制されたガラス材を、大がかりな装置を要さずに製造し得る方法を提供する。
【解決手段】凸状の第１の部分１１ａ１と、第１の部分１１ａ１と共通の中心軸Ｃを有し、中心軸Ｃ上に位置する凹状の第２の部分１１ａ２とを含む第１の成形面１１ａを有する第１の成形型１１と、第１の成形面１１ａと対向している第２の成形面１２ａを有する第２の成形型１２とによりガラス母材２を加熱プレスすることによりガラス材１を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子や、光学素子のプリフォームとして使用し得るガラス材の製造方法及びガラス材に関する。

従来、レンズなどのガラス光学素子の製造方法として、ガラスプリフォームをリヒートプレスすることによりガラス光学素子を作製する方法が知られている。例えば特許文献１には、加熱溶融したガラス素材を略水平方向に回転させることにより凹形状部を有するガラスゴブ（ガラスプリフォーム）を作製する方法が記載されている。特許文献１には、この方法により作製したガラスゴブを用いることにより、偏心の抑制された凹メニスカス形状のレンズをプレス成形できる旨が記載されている。

特開２００８−２２２５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、高温に加熱されたガラス素材を回転させなければならないため、ガラスゴブの成形装置が複雑化、大型化し、ガラスゴブの製造コストが上昇するという問題がある。

本発明は、中心軸を有する第１及び第２の曲面を備えるガラス材であって偏心が抑制されたガラス材を、大がかりな装置を要さずに製造し得る方法を提供することを主な目的とする。

本発明に係るガラス材の製造方法は、互いに対向する第１及び第２の主面を有し、第１の主面が中心軸を有する凹面からなる凹面部を含み、第２の主面が凹面部と同じ中心軸を有する曲面からなる部分を含むガラス材の製造方法に関する。本発明に係るガラス材の製造方法では、凹面部に対応した凸状の第１の部分と、第１の部分と共通の中心軸を有し、中心軸上に位置する凹状の第２の部分とを含む、第１の主面に対応した形状の第１の成形面を有する第１の成形型と、第１の成形面と対向しており、第２の主面に対応した形状の第２の成形面を有する第２の成形型とによりガラス母材を加熱プレスすることによりガラス材を得る。

第２の成形面が第１の部分と共通の中心軸を有する凹面により構成されている場合は、第２の成形型を相対的に下側に配し、第１の成形型を相対的に上側に配することが好ましい。

第２の成形面の曲率が第１の部分の曲率よりも小さいことが好ましい。

なお、本発明において、「曲率」とは、球面以外の曲面においては、球面に近似した場合の曲率をいうものとする。

第２の成形面は、第１の部分と共通の中心軸を有する凸状の部分と、第１の部分と共通の中心軸を有し、中心軸上に位置する凹状の部分とを含んでいてもよい。

第２の部分の曲率が第１の部分の曲率以下であることが好ましい。

ガラス母材が球状または楕球状であることが好ましい。

第１の部分と第２の部分との接続部が曲面により構成されていることが好ましい。

ガラス母材を加熱プレスする工程に先立って、第１の成形型と第２の成形型との両方がガラス母材に接触するまで第１及び第２の成形型を近づける工程を行うことが好ましい。

第１及び第２の成形型を近づける工程における第１及び第２の成形型の相対的移動速度を、ガラス母材を加熱プレスする工程における第１及び第２の成形型の相対的移動速度よりも大きくすることが好ましい。

本発明に係るガラス材は、第１の主面と第２の主面とを有する。第１の主面は、中心軸を有する凹状の第１の部分と、第１の部分と共通の中心軸を有し、中心軸上に位置する凸状の第２の部分とを含む。第２の主面は、第１の主面に対向している。第２の主面は、第１の部分と共通の中心軸を有する。

第２の主面は、凸面により構成されていてもよい。

第２の主面は、第１の部分と共通の中心軸を有し、凹状の部分と、第１の部分と共通の中心軸を有し、中心軸上に位置する凸状の部分とを含んでいてもよい。

本発明によれば、中心軸を有する第１及び第２の曲面を備えるガラス材であって偏心が抑制されたガラス材を、大がかりな装置を要さずに製造し得る方法を提供することができる。

第１の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第１の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第１の実施形態において作製されたガラス材の略図的断面図である。 第１の実施形態において作製されたガラス材の略図的斜視図である。 比較例に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 比較例に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第２の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第２の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第３の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。 第３の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。図３は、第１の実施形態において作製されたガラス材の略図的断面図である。図４は、第１の実施形態において作製されたガラス材の略図的斜視図である。なお、図３においては、描画の便宜上、断面にハッチングを附していない。

本実施形態では、レンズなどのガラス光学素子や、光学素子を製造するためのガラスプリフォームなどとして用いられるガラス材１（図２〜図４を参照）を製造する方法について説明する。

まず、ガラス材１の母材となるガラス母材２を用意する。ガラス母材２の形状は特に限定されないが、ガラス母材２は、偏心がより効果的に抑制されたガラス材１を得る観点からは、例えば球状や楕球状などの、互いに対向している一対の凸面を含む形状を有することが好ましい。

ガラス母材２のガラス組成は、製造するガラス材１に要求される特性等に応じて適宜選択することができる。ガラス母材２は、例えば、珪酸塩系ガラス、硼酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラス、弗リン酸塩系ガラス等により構成することができる。

次に、ガラス母材２を成形型１０を用いて加熱プレス成形することにより、図２〜図４に示されるガラス材１を作製することができる。

成形型１０は、第１の成形型１１及び第２の成形型１２を有する。第１の成形型１１と第２の成形型１２とのうち、第２の成形型１２が相対的に下側に配されており、第１の成形型１１が相対的に上側に配されている。このため、第２の成形型１２が下型を構成しており、第１の成形型１１が上型を構成している。

第１の成形型１１は、第１の成形面１１ａを有する。第２の成形型１２は、第２の成形面１２ａを有する。第１の成形型１１と第２の成形型１２とは、互いの成形面１１ａ、１２ａがｘ方向に対向するように配置されている。第１の成形型１１と第２の成形型１２とは、ｘ方向に相対的に変位可能に設けられている。第１の成形型１１と第２の成形型１２との相対的変位は、第１の成形型１１と第２の成形型１２との間に配された第３の成形型１３によってガイドされる。

なお、第１〜第３の成形型１１〜１３の構成材料は、特に限定されない。第１〜第３の成形型１１〜１３は、例えば、炭素材料、ステンレスや超鋼などの金属により構成することができる。

第１の成形面１１ａは、第１の部分１１ａ１と、第２の部分１１ａ２と、接続部１１ａ３とを含む。第１の部分１１ａ１は、中心軸Ｃを有する。第１の部分１１ａ１は、中心軸Ｃ上には設けられていない。第１の部分１１ａ１は、凸状である。第１の部分１１ａ１は、球面状であってもよいし、非球面状であってもよい。

第２の部分１１ａ２は、第１の部分１１ａ１と共通の中心軸Ｃを有する。第２の部分１１ａ２は、凹状である。第２の部分１１ａ２は、球面状であってもよいし、非球面状であってもよい。第２の部分１１ａ２は、中心軸Ｃ上に位置している。第１の部分１１ａ１は、第２の部分１１ａ２を包囲するようにリング状に設けられている。

第１の部分１１ａ１と第２の部分１１ａ２とは、接続部１１ａ３により接続されている。接続部１１ａ３は、リング状に設けられている。接続部１１ａ３は、曲面により構成されている。従って、第１の成形面１１ａは、全体が曲面状に設けられている。

第２の成形面１２ａは、第１の成形面１１ａとｘ方向に対向している。本実施形態では、第２の成形面１２ａは、第１及び第２の部分１１ａ１，１１ａ２と共通の中心軸Ｃを有する凹面により構成されている。第２の成形面１２ａは、球面状であってもよいし、非球面状であってもよい。

次に、ガラス母材２を第１の成形型１１の第１の成形面１１ａと、第２の成形型１２の第２の成形面１２ａとの間に配する。具体的には、本実施形態では、第２の成形面１２ａの上に配する。ガラス母材２を第２の成形面１２ａの上に配した後に成形型１０を加熱してもよいし、予め加熱された成形型１０にガラス母材２を配してもよい。なお、成形型１０の温度を、ガラス母材２のガラス転移点よりも２００℃低い温度以上、ガラス母材２のガラス転移点よりも１５０℃低い温度以下の温度範囲にすることが好ましい。成形型１０の温度が低すぎると、加熱プレス成形時におけるガラス母材２の粘度が高すぎ、得られるガラス材１の表面の形状精度が低くなりすぎる場合がある。成形型１０の温度が高すぎると、ガラス母材２が成形型１０に融着してしまう場合がある。

次に、第１の成形型１１と第２の成形型１２との両方がガラス母材２に接触するまで第１及び第２の成形型１１，１２をｘ方向に沿って近づける。

次に、第１の成形型１１と第２の成形型１２とをｘ方向に沿ってさらに近づけることによってガラス母材２を加熱プレス成形することによりガラス材１を作製することができる。

なお、第１及び第２の成形型１１，１２を近づける工程における第１及び第２の成形型１１，１２のｘ方向における相対的移動速度は、ガラス母材２を加熱プレスする工程における第１及び第２の成形型１１，１２のｘ方向における相対的移動速度よりも大きいことが好ましく、ガラス母材２を加熱プレスする工程における第１及び第２の成形型１１，１２のｘ方向における相対的移動速度の１０倍以上、さらには１００倍以上とすることが好ましい。

図３及び図４に示されるように、本実施形態において製造されたガラス材１は、第１の主面２１と第２の主面２２とを有する。

第１の主面２１は、第１の成形面１１ａにより形成された面である。このため、第１の主面２１は、第１の成形面１１ａに対応した形状を有する。第１の主面２１は、第１の部分（凹面部）２１ａと、第２の部分２１ｂと、接続部２１ｃとを有する。

第１の部分２１ａは、第１の部分１１ａ１により形成された面である。このため、第１の部分２１ａと第１の部分１１ａ１とは対応した形状を有する。第１の部分２１ａは、中心軸Ｃを有する。第１の部分２１ａは、中心軸Ｃ上には設けられていない。第１の部分２１ａは、凹状である。

第２の部分２１ｂは、第２の部分１１ａ２により形成された面である。このため、第２の部分２１ｂと第２の部分１１ａ２とは対応した形状を有する。第２の部分２１ｂは、第１の部分２１ａと共通の中心軸Ｃを有する。第２の部分２１ｂは、凸状である。第２の部分２１ｂは、中心軸Ｃ上に位置している。第１の部分２１ａは、第２の部分２１ｂを包囲するようにリング状に設けられている。

接続部２１ｃは、第１の部分２１ａと第２の部分２１ｂとを接続している。接続部２１ｃは、接続部１１ａ３により形成された面である。このため、接続部２１ｃと接続部１１ａ３とは対応した形状を有する。接続部２１ｃは、リング状に設けられている。接続部２１ｃは、凹状の曲面により構成されている。 第２の主面２２は、第１の主面２１と対向している。第２の主面２２は、第１の部分２１ａと共通の中心軸Ｃを有する。第２の主面２２は、第２の成形型１２の第２の成形面１２ａにより形成された面である。このため、第２の主面２２は、第２の成形面１２ａに対応した形状を有する。具体的には、第２の主面２２は、凸面により構成されている。

第１の主面２１の第１の部分２１ａの曲率と、第２の主面２２の曲率とは、ガラス材またはガラス材から製造しようとしているガラス素子に要求される光学特性等に応じて適宜設定することができる。従って、第１の成形面１１ａの第１の部分１１ａ１の曲率と、第２の成形面１２ａの曲率とも、ガラス材またはガラス材から製造しようとしているガラス素子に要求される光学特性等に応じて適宜設定することができる。第２の部分２１ｂの曲率（第２の部分１１ａ２の曲率）は、第１の部分２１ａ（第１の部分１１ａ１の曲率）以下であることが好ましい。

接続部２１ｃの曲率（接続部１１ａ３の曲率）は、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜２ｍｍであることがより好ましい。

第２の部分２１ｂの外周の直径Ｄ２は、第１の部分２１ａの外周の直径Ｄ１の０．１倍〜０．５倍であることが好ましく、０．２倍〜０．４倍であることがより好ましい。

第２の部分２１ｂの高さＨは、中心軸Ｃにおけるガラス材１の厚みＴの０．０１倍〜０．３倍であることが好ましく、０．０５倍〜０．２倍であることがより好ましい。

ところで、例えば、図５及び図６に示すように、第１の成形面１１１ａが凸面により構成されており、第２の成形面１１１ｂが凹面により構成されている場合は、ガラス母材１０２が加熱プレスされてなるガラス材１０１に偏心が生じやすい。これは、ガラス母材１０２の配置精度が低かったり、あるいは、第１の成形面１１１ａとガラス母材１０２の凸面同士が接触した状態で加熱プレスが開始されるため、ガラス母材１０２が配置後に変位したりして、ガラス母材１０２の中心軸が第１及び第２の成形面１１１ａ、１１１ｂの中心軸からずれやすいためであると考えられる。

それに対して本実施形態では、第１の成形面１１ａの中心軸Ｃ上に位置する部分に、凹状の第２の部分１１ａ２が設けられている。このため、ガラス母材２の加熱プレス成形が始まる前に、凹状の第２の部分１１ａ２と凹状の第２の成形面１２ａとによりガラス母材２がセンタリングされる。従って、偏心が抑制されたガラス材１を、例えば成形型の回転機構等を有する大がかりな製造装置を要さずして容易に製造することができる。すなわち、第１の主面２１に、中心軸Ｃ上に位置する凸状の第２の部分２１ｂを有するガラス材１は、例えば成形型の回転機構等を有する大がかりな製造装置を要さずして小さな偏心度で容易に製造し得るものである。

偏心がより効果的に抑制されたガラス材１を得る観点からは、第２の部分１１ａ２の曲率が大きいことが好ましい。また、第２の部分１１ａ２の直径を大きくすることが好ましい。具体的には、第２の部分１１ａ２の直径を第１の部分１１ａ１の直径の０．１倍以上とすることが好ましく、第１の部分１１ａ１の直径の０．２倍以上とすることがより好ましい。但し、第２の部分１１ａ２の曲率が大きすぎると、ガラス材１を再度加熱プレス成形することによりメニスカスレンズを製造する際に第１の主面２１の形状を大きく変化させる必要がある。従って、第２の部分１１ａ２の曲率（第２の部分２１ｂの曲率）は、第１の部分１１ａ１の曲率（第１の部分２１ａの曲率）以下であることが好ましい。また、第２の部分１１ａ２の直径は、第１の部分１１ａ１の直径の０．５倍以下であることが好ましく、０．４倍以下であることがより好ましい。

また、ガラス材１を再度加熱プレス成形することによりメニスカスレンズを製造する際に第１の主面２１の形状を大きく変化させないようにする観点からは、接続部１１ａ３（接続部２１ｃ）が曲面により構成されていることが好ましい。

また、偏心がより効果的に抑制されたガラス材１を得る観点からは、ガラス母材を加熱プレスする工程に先立って、第１の成形型１１と第２の成形型１２との両方がガラス母材２に接触するまで第１の成形型１１と第２の成形型１２とを予め近づけておくことが好ましい。この第１及び第２の成形型１１，１２を近づける工程における第１及び第２の成形型１１，１２の相対的移動速度を、加熱プレス工程における第１及び第２の成形型１１，１２の相対的移動速度よりも大きくすることが好ましい。このようにすることによってガラス材１を製造するために必要な時間を短くすることができる。

なお、ガラス母材２の配置の位置精度は、第２の成形面１２ａの曲率が小さいときほど低くなりやすい。このため、偏心を抑制できる本実施形態の技術は、第２の成形面１２ａの曲率が小さいとき、例えば、第２の成形面１２ａの曲率が第１の部分１１ａ１の曲率よりも小さいときに特に有効である。

以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図７及び図８は、第２の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。

第１の実施形態では、図２に示されるように、ガラス材１の側面が第３の成形型１３に当接しないようにガラス材１を成形する例について説明した。

それに対して第２の実施形態では、図７及び図８に示されるように、ガラス材１の側面が第３の成形型１３に当接するようにガラス材１を成形する。このようにすることにより、ガラス材１の偏心をより効果的に抑制することができる。

（第３の実施形態）
図９及び図１０は、第３の実施形態に係るガラス材の製造工程を説明するための略図的断面図である。

第１の実施形態では、第２の成形面１２ａが凹面により構成されており、ガラス材１の第２の主面２２が凸面により構成されている例について説明した。

それに対して第３の実施形態では、第２の成形面１２ａは、第１の部分１２ａ１と、第２の部分１２ａ２と、接続部１２ａ３とを含む。第１の部分１２ａ１は、第１の部分１１ａ１と共通の中心軸Ｃを有する。第１の部分１２ａ１は、中心軸Ｃ上には設けられていない。第１の部分１２ａ１は、凸状である。第１の部分１２ａ１は、球面状であってもよいし、非球面状であってもよい。

第２の部分１２ａ２は、第１の部分１２ａ１と共通の中心軸Ｃを有する。第２の部分１２ａ２は、凹状である。第２の部分１２ａ２は、球面状であってもよいし、非球面状であってもよい。第２の部分１２ａ２は、中心軸Ｃ上に位置している。第１の部分１２ａ１は、第２の部分１２ａ２の周囲に配されている。第１の部分１２ａ１は、第２の部分１２ａ２を包囲するようにリング状に設けられている。

第１の部分１２ａ１と第２の部分１２ａ２とは、接続部１２ａ３により接続されている。接続部１２ａ３は、リング状の曲面により構成されている。従って、第２の成形面１２ａは、全体が曲面状に設けられている。

このため、第３の実施形態において製造されたガラス材１の第２の主面２２は、第１の部分２２ａと、第２の部分２２ｂと、接続部２２ｃとを有する。

第１の部分２２ａは、第１の部分１２ａ１により形成された面である。このため、第１の部分２２ａと第１の部分１２ａ１とは対応した形状を有する。第１の部分２２ａは、第１の部分２１ａと共通の中心軸Ｃを有する。第１の部分２２ａは、中心軸Ｃ上には設けられていない。第１の部分２２ａは、凹状である。

第２の部分２２ｂは、第２の部分１２ａ２により形成された面である。このため、第２の部分２２ｂと第２の部分１２ａ２とは対応した形状を有する。第２の部分２２ｂは、第１の部分２２ａと共通の中心軸Ｃを有する。第２の部分２２ｂは、凸状である。第２の部分２２ｂは、中心軸Ｃ上に位置している。第１の部分２２ａは、第２の部分２２ｂを包囲するリング状に設けられている。

接続部２２ｃは、第１の部分２２ａと第２の部分２２ｂとを接続している。接続部２２ｃは、接続部１２ａ３により形成された面である。このため、接続部２２ｃと接続部１２ａ３とは対応した形状を有する。接続部２２ｃは、リング状に設けられている。接続部２２ｃは、凹状の曲面により構成されている。

第３の実施形態においても、第１及び第２の成形面１１ａ、１２ａの中心軸Ｃ上に位置する部分に、それぞれ凹状の第２の部分１１ａ２，１２ａ２が設けられている。このため、ガラス母材２の加熱プレス成形が始まる前に、凹状の第２の部分１１ａ２，１２ａ２によりガラス母材２がセンタリングされる。従って、偏心が抑制されたガラス材１を、例えば成形型の回転機構等を有する大がかりな製造装置を要さずして容易に製造することができる。

１…ガラス材
２…ガラス母材
１０…成形型
１１…第１の成形型
１１ａ…第１の成形面
１１ａ１…第１の部分
１１ａ２…第２の部分
１１ａ３…接続部
１２…第２の成形型
１２ａ…第２の成形面
１２ａ１…第１の部分
１２ａ２…第２の部分
１２ａ３…接続部
１３…第３の成形型
２１…第１の主面
２１ａ…第１の部分
２１ｂ…第２の部分
２１ｃ…接続部
２２…第２の主面
２２ａ…第１の部分
２２ｂ…第２の部分
２２ｃ…接続部

Claims (12)

1. 互いに対向する第１及び第２の主面を有し、前記第１の主面が中心軸を有する凹面からなる凹面部を含み、前記第２の主面が前記凹面部と同じ中心軸を有する曲面からなる部分を含むガラス材の製造方法であって、
   前記凹面部に対応した凸状の第１の部分と、前記第１の部分と共通の中心軸を有し、前記中心軸上に位置する凹状の第２の部分とを含む、前記第１の主面に対応した形状の第１の成形面を有する第１の成形型と、前記第１の成形面と対向しており、前記第２の主面に対応した形状の第２の成形面を有する第２の成形型とによりガラス母材を加熱プレスすることによりガラス材を得る、ガラス材の製造方法。
2. 前記第２の成形面は、前記第１の部分と共通の中心軸を有する凹面により構成されており、
   前記第２の成形型を相対的に下側に配し、前記第１の成形型を相対的に上側に配する、請求項１に記載のガラス材の製造方法。
3. 前記第２の成形面の曲率が前記第１の部分の曲率よりも小さい、請求項２に記載のガラス材の製造方法。
4. 前記第２の成形面は、前記第１の部分と共通の中心軸を有する凸状の部分と、前記第１の部分と共通の中心軸を有し、前記中心軸上に位置する凹状の部分とを含む、請求項１に記載のガラス材の製造方法。
5. 前記第２の部分の曲率が前記第１の部分の曲率以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
6. 前記ガラス母材が球状または楕球状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
7. 前記第１の部分と前記第２の部分との接続部が曲面により構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
8. 前記ガラス母材を加熱プレスする工程に先立って、前記第１の成形型と前記第２の成形型との両方が前記ガラス母材に接触するまで前記第１及び第２の成形型を近づける工程を行う、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
9. 前記第１及び第２の成形型を近づける工程における前記第１及び第２の成形型の相対的移動速度を、前記ガラス母材を加熱プレスする工程における前記第１及び第２の成形型の相対的移動速度よりも大きくする、請求項８に記載のガラス材の製造方法。
10. 中心軸を有する凹状の第１の部分と、前記第１の部分と共通の中心軸を有し、前記中心軸上に位置する凸状の第２の部分とを含む第１の主面と、
    前記第１の主面に対向しており、前記第１の部分と共通の中心軸を有する第２の主面と、
    を備える、ガラス材。
11. 前記第２の主面が凸面により構成されている、請求項１０に記載のガラス材。
12. 前記第２の主面が、
    前記第１の部分と共通の中心軸を有し、凹状の部分と、
    前記第１の部分と共通の中心軸を有し、前記中心軸上に位置する凸状の部分と、
    を含む、請求項１０に記載のガラス材。

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