JP3767780B2 - ガラス光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の被成形用ガラス素材を同時にプレス成形するガラス光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟化ガラスが融着せず、鏡面加工が可能な型材料を精密加工した成形型を用い、プレス成形後において研削や研磨を必要としない、レンズなどのガラス光学素子の成形方法が種々開発されている。このようなガラス光学素子の成形方法においては、生産性をより向上することが課題となっている。即ち、単一の装置で単位時間内により多くのガラス光学素子を成形する方法及び装置が必要となる。このような観点から、複数の成形型を用いて、複数のガラス光学素子を一度に成形する方法が開発されている（例えば、特開平１１−２９３３３号参照）。
【０００３】
さらに、ガラス光学素子の生産性を向上し、かつ成形型の成形面の劣化を抑制するという観点から、成形型とは別個の場所で所定の粘度となるように加熱軟化された被成形用ガラス素材を成形型に移送し、加圧成形する方法も開発されている。特に、被成形用ガラス素材と加熱軟化用の治具との融着等を防止するとうい観点から、被成形用ガラス素材を気体により浮上させながら加熱する方法は大変優れた方法である（例えば、特開平８−１３３７５８号公報）。
【０００４】
複数のガラス光学素子を一度に成形する場合、被成形用ガラス素材の加熱軟化も複数の素材について同時に行うことが好ましい。また、加圧成形時の被成形用ガラス素材の成形性や成形型のサイクルタイム等を考慮して、被成形用ガラス素材の粘度は厳密に管理される。複数の被成形用ガラス素材が同時に加熱軟化される場合であっても、この状況に変わりは無く、複数の被成形用ガラス素材の粘度は実質的に同一に制御されなければならない。
【０００５】
ところが、これまで、成形型とは別個の場所で所定の粘度となるように加熱軟化された被成形用ガラス素材を成形型に移送し、加圧成形する方法において、成形型へ移送する前の被成形用ガラス素材の粘度調整に関して厳密な検討はなされてこなかった。気体浮上により加熱軟化した複数の被成形用ガラス素材を用いたガラス光学素子の製造方法における、複数の被成形用ガラス素材の粘度調整に関しても厳密な検討はなされてこなかった。
しかるに、本発明者らが、実際に検討したところ、被成形ガラス素材を加熱軟化させる工程において、被成形ガラス素材を保持するための複数の保持皿が設けられた支持部材を用い、各保持皿上に１つづつの被成形ガラス素材を置いて加熱する場合、保持皿の支持部材上での位置や加熱室内での位置により、保持皿上の被成形ガラス素材質の温度に違いが生じていることが判明した。
【０００６】
さらに、気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用い、各開口部上に１つづつの被成形ガラス素材を気体により浮上させながら加熱させる場合にも、開口部の支持部材上での位置や加熱室内での位置により、開口部上の被成形ガラス素材質の温度に違いが生じていることが判明した。具体的には、一方向のみから支持されるアーム上に長手方向に一列に配置された複数の浮上皿の各浮上皿において、前記アームに沿って供給され、かつ浮上皿から吹き出す気体により被成形用ガラス素材を浮上させながら加熱する方法について試験したところ、具体的には、両末端の浮上皿の間で、極端な場合、被成形用ガラス素の温度に約５０℃の開きがある場合があった。
このように、複数の被成形用ガラス素材の粘度を実質的に同一に制御するのは容易でないことが判明した。
【０００７】
そこで本発明の目的は、成形型とは別に加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することにある。
特に、本発明の目的は、気体を用いて浮上させながら並行して加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程、
前記所定粘度に調整された複数の被成形ガラス素材を、所定温度に予熱された複数個の成形型に導入する工程、
前記成形型に導入された複数の被成形ガラス素材を、前記複数の成形型でプレス成形することにより複数のガラス光学素子を製造する工程を含む方法であって、
前記複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程は、
前記複数個の被成形ガラス素材の一括加熱と、前記複数個の被成形ガラス素材間の加熱の状態が近づくように行う各被成形ガラス素材に対する部分的温度調整とを併用することを特徴とするガラス光学素子の製造方法に関する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス光学素子の製造方法は、高温雰囲気の加熱室内に供給された複数の被成形ガラス素材を、各被成形ガラス素材を一括して加熱することにより行い、その際、該複数個の被成形ガラス素材間の前記加熱の状態が近づくように温度調整しながら加熱する工程を含むことに特徴がある。本発明のガラス光学素子の製造方法は、複数のガラス光学素子を同時に作製する方法であり、同時に作製したガラス光学素子の間の物性にバラツキを生じさせないためには、プレス成形される被成形ガラス素材の温度が、同時にプレス成形される被成形ガラス素材の間で同一か、または限りなく同一に近いことが好ましい。そこで、本発明では、加熱室内での被成形ガラス素材の加熱に際して、加熱室における一括した加熱に加えて、各被成形ガラス素材の温度を個別に調整して、いずれの被成形ガラス素材も所定温度になるようにする。こうすることにより、同時に行うプレス成形をすべて予め設定した条件で行うことができる。その結果、一度のプレス成形によって、所望特性を持った複数個のガラス光学素子を製造できる。
尚、本発明で使用される加熱室には特に制限はなく、一般の加熱炉であることができる。また、被成形ガラス素材の加熱は、予め所定形状に成形したガラスプリフォームを常温から加熱する場合の他、ある程度の温度の被成形ガラス素材をさらに加熱する場合、さらには所定温度に既に加熱されているガラスゴブを用いる場合も含む。ガラスゴブを用いる場合は、溶融ガラスから作製されたガラスゴブを冷却することなく使用することも出来る。
【００１０】
被成形ガラス素材の加熱は、例えば、複数の保持具を設けた支持部材を用い、保持具の上に被成形ガラス素材を置載して行うか、または気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用い、開口部から噴出する気体により浮上保持しながら行うことができる。さらに、これらの支持部材における、複数の開口部または保持具の配置は、特に制限はないが、例えば支持部材に直列配置されることができる。また、支持部材は、前記直列配置方向の一方または両方の端部で支持されていることができる。また、複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に配置されており、かつ前記支持部材は、一方または両方の端部で支持されていることができる。複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に、一方の端部で支持されて支持部材に配置されている例を図１に示す。１つの支持部材に設けられる開口部または保持具の数は、特に制限はなく、ガラス光学素子の形状や寸法等を考慮して適宜決定できる。但し、生産効率と生産技術とを考慮すると、２個以上、１０個以下程度であることが好ましい。しかし、１０個以上であっても勿論良い。
【００１１】
複数の保持具を設けた支持部材を用いる場合、各被成形ガラス素材が支持部材上に設けられた複数の保持具それぞれの上で加熱される。また、気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用いる場合、各被成形ガラス素材を開口部それぞれの上に気体により浮上させながら加熱する。
気体で浮上保持する方法を用いる本発明の１つの態様に例えば以下の方法がある。
気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材の前記開口部それぞれの上に、被成形ガラス素材を供給する工程、前記支持部材の端部から支持部材に沿って供給され、前記開口部から噴出する気体により、前記被成形ガラス素材を浮上させて開口部上に保持しながら加熱室内で所定温度に加熱する工程、所定温度に加熱された被成形ガラス素材を、支持部材から予熱した成形型に移動する工程、前記被成形ガラス素材を、前記成形型によりプレスして、成形型の成形面に対応する形状に成形するプレス成形工程、プレス成形されたガラスを成形型から取り出す工程、を含むガラス光学素子の製造方法であって、前記被成形ガラス素材を加熱する工程において、前記支持部材の開口部近傍の温度差が開口部間で小さくなるように、支持部材の温度調整を行うことを特徴とする方法。
【００１２】
ガラス素材が、その自重によって変形する程の低粘性域においては、加熱の際にガラス素材を保持する治具（保持具）とガラスの融着を生じる場合がある。それに対して、開口部から噴出する気体を用いる場合、保持具とガラスが反応することなく、加熱軟化することが可能となる。気体を噴出する開口部は、単一の孔であることもできるが、皿状の浮上皿であって、１または２以上の気体噴出用の孔を有するものであることもできる。
浮上皿でガラス素材を気流により浮上させると、治具面とガラス両面にガスのレイヤーが形成され、このため更にガラス素材がプリフォームの場合、プリフォームの形状を概ね維持しつつ加熱軟化することができる。プリフォームの気流による浮上は、例えば、プリフォームの径より小さいか、等しいか、または大きい開口径を有する上方開口部から上方に流出する気流により行うことができる。また、ガラス素材がガラスゴブであり、不規則な形状で表面にシワ等の表面欠陥がある場合でも、加熱軟化しながら気流により浮上させることで、形状を整え、表面欠陥を消去することも可能である。
【００１３】
また、開口部は、複数の被成形用ガラス素材を複数の成形型への同時供給が容易になるように、割型であることもできる。割型である開口部は、例えば割型皿であることができ、割型皿は気体を上方に吹き出し、被成形用ガラス素材を浮上させるための細孔を有するものであることができる。このような被成形用ガラス素材浮上用の割型皿は、特開平８−１３３７５８号に浮上治具として記載のものを挙げることができる。
【００１４】
ガラス素材の浮上のために用いる気流となるガスとしては、特に制限はない。但し、加熱したガラス素材が治具と反応しないこと、さらに、加熱した治具の酸化による劣化を防止するという観点から、非酸化性ガスであることが好ましく、例えば窒素等であることが適当である。還元性のガス、例えば水素ガス等を添加することもできる。
気流の流量は、気流を吹き出す口の形状やガラス素材の形状及び重量等を考慮して適宜変更できる。通常の場合、ガス流量は０．００５〜２０リットル／分の範囲がガラス素材の浮上に適している。但し、ガス流量が０．００５リットル／分未満であると、ガラス素材の重量が３００ｍｇ以上の場合、ガラス素材を十分に浮上させることができない場合がある。また、ガス流量が２０リットル／分を超えると、ガラス重量が２０００ｍｇ以上の場合でも、浮上治具上のガラスが大きく揺れて、加熱の際にガラス素材がプリフォームの場合、その形状が変化することがあるからである。被成形ガラス素材浮上用気体は、支持部材内部または外部に設けられた導管を通して各開口部に供給されることができる。また、被成形ガラス素材浮上用気体は、一本の導管ですべての開口部に供給することもできるが、流量の制御等が容易であるという観点から開口部毎に個別に設けることが好ましい。
【００１５】
このように気体浮上しながら加熱する場合には、該気体の温度や流量のバラツキや支持体の温度分布等により各被成形ガラス素材の加熱状態にバラツキが生じやすいので、本発明の方法は有用である。例えば、前記支持部材が、前記気体が該支持部材内部に設けられた導管を通じて各開口部に供給される構造である場合には、導管の配置によって支持部材に温度分布が生じやすいが、本発明によれば厳密に温度管理をして相互に近い温度に設定できる。
また、支持部材に、開口部が直列配置され、かつ支持部の直列配置方向における一方または両方の端部において該支持部材の駆動装置に接続されている場合には、該端部に近いほど、被成形ガラス素材は比較的温度が低くなりやすいため、この場合にも本発明の方法は有用である。さらに、導管が支持部材の端部において気体を供給される構造である場合、及び導管が開口部ごとに別個に設けられている構造の場合にも、被成形ガラス素材の温度は気体の温度や配置の影響を受けやすく、本発明の方法はこの場合にも有用である。
【００１６】
さらにガラス素材の加熱軟化の条件は、ガラスの種類等により適宜変えることができ、軟化したガラス素材に必要とされる粘度となるように調整される。
被成形ガラス素材の加熱において、所定温度に加熱された複数の被成形ガラス素材の温度差が１０℃以内となるように温度調整を行うことが好ましい。特に、成形型の予熱温度より高い所定温度に加熱された被成形ガラス素材を予熱された成形型に移動し、次いでプレス成形する、後述する非等温プレス法においては、プレス成形される被成形ガラス素材の温度（粘度）管理は厳密であることが必要であり、所定温度に加熱された複数の被成形ガラス素材の温度差が１０℃以内、より好ましくは３℃以内、好ましくは１℃以内となるように温度調整を行うことが適当である。
【００１７】
上記温度調整は、例えば、図１に示すように、支持部材の一カ所または複数の箇所に被成形用ガラス素材浮上用気体とは別個に気体を吹きつけることで行うことができる。ガスを吹きつける手段によれば、ガスの温度や流量を変えることにより部分的な温度調整を精度よく行うことができる。また、支持部材に対し気体を吹き付けることにより、被成形ガラス素材に直接かかることがないため、被成形ガラス素材の部分的な冷却によるヒケ等を防止できる。図１の装置においては、被成形ガラス素材浮上用気体は、支持体（アーム）１の内部を開口部２毎に個別に設けられた導管を介して気体が各開口部（Ａ〜Ｄ）に供給され、アームの下部に、開口部Ａ、Ｂ及びＣに気体を吹きつけるためのノズル３が配置されている。加熱炉４の温度設定により開口部Ｄの温度が所定温度になるように調整し、さらに、開口部Ａ、Ｂ及びＣと開口部Ｄとの温度の開きを、開口部Ａ、Ｂ及びＣへの気体吹きつけ用ノズルからの気体の温度及び流量を調整しつつ、低減することができる。一般に、アームの根元に近い開口部Ｄの温度は、加熱炉外でアームを保持する装置が加熱炉内に比べて比較的低く温度であることから、アームの先端に近い開口部Ａに比べて温度が低くなる傾向がある。そこで、このような場合には、開口部Ａ、Ｂ及びＣの温度を開口部Ｄの温度に近づけるように、開口部Ａ、Ｂ及びＣへの気体吹きつけ用ノズルから開口部Ａ、Ｂ及びＣを冷却するための気体を吹きつけることができる。尚、開口部Ａ、Ｂ及びＣの温度にも違いがある場合、気体の温度や流量を適宜調整することができる。但し、制御が容易であるという観点からは、同じ温度の気体を異なる流量で用いることが好ましい。
【００１８】
本発明において使用する被成形ガラス素材の形状としては、例えば、球形状、マーブル形状等を挙げることができる。また、被成形ガラス素材の材質や成形により得られる光学素子の形状等には特に制限はない。本発明の方法により得られるガラス光学素子としては、例えば、非球面または球面の両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ等を挙げることができる。
【００１９】
所定温度に加熱された被成形ガラス素材を予熱した成形型に移動する。
被成形ガラスの成形型への供給は、吸着パッド等公知の供給手段を用いて行うことができるが、浮上皿、好ましくは割型式浮上皿を用いことが好ましい。例えば、支持アーム上に長手方向一列に配置された複数の割型式浮上皿上に、加熱軟化した複数の被成形ガラス素材を、下方から噴出する気流により浮上させて搬送し、成形型の下型の直上で浮上皿を分割して被成形ガラス素材を落下させることにより、ガラス素材を予熱した成形型に移動することができる。このような浮上皿は、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載の物を用いることができる。非等温プレスにおいては、被成形ガラス素材を成形型に導入した瞬間から、ガラスと成形型の間において熱のやり取りが行われるためその後のプレス成形によるガラスの変形とガラスと成形型の熱履歴の関係とを各被成形ガラス素材において同じくするために、複数の被成形ガラス素材を同時に成形型に供給することが好ましい。
【００２０】
さらに、上記のように割型式浮上皿を用いる場合、下型の中央部に心ずれせずに落下させるために、前記被成形ガラス素材を、前記浮上皿と下型の間に配置した心ずれ防止ファンネル部材の開口を通して落下させることもできる。また、落下した被成形ガラス素材の下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段により幅寄せを行うことにより心ずれを補正することもできる。
【００２１】
次いで、被成形ガラス素材を成形型によりプレスして、成形型の成形面に対応する形状に成形する。被成形ガラス素材のプレス成形に関しては、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法である特開平１１−２９３３３号に記載の方法を利用することができる。この成形方法に用いる成形型の形状や構造及び材質等、さらには、成形条件等は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。
複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、複数の成形型で同時に加圧成形する場合、複数の成形型の間で熱的条件が同一であり、かつ各成形型において、成形面の温度が成形面の中心から当距離にある位置においては同一であることが好ましい。特開平１１−２９３３３号に記載の方法では、複数の成形型が長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列され、かつ前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって、各成形型が加熱されることから、複数の成形型の間での熱的条件を同一にすることを可能にしている。
さらに、前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱は、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されることが好ましい。
このような成形型の加熱を可能にする成形装置として、母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定である装置を用いることができる。このような構造とすることにより、各成形型の成形面に加熱手段からの距離の違いによる温度分布が生じることを極力防止でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。上記長尺形状の母型は、好ましくは両端部が略半円状になっていることが、両端部に近い成形型への加熱が均一にできるという観点から好ましい。
【００２２】
上記成形装置において、成形型の形状や構造及び材質は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。具体的には、成形型として炭化ケイ素焼結体にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を形成した後、イオンプレーティング法によりｉ−カーボン膜を形成したものを用いることができる。さらに、ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムと炭化チタンのサーメットや、これらの表面にダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、或いは炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などのセラミックスなどを被覆したものも使用することができる。但し、ｉ−カーボン膜等の炭素系膜は離型性がよい点で特に有利である。
【００２３】
加熱手段は公知の種々のものから選択でき、成形時に母型の周囲に接触状態または非接触状態で位置するように母型の周囲に巻回される。加熱手段は、誘導加熱コイルのような誘導加熱手段であり、成形時に母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されているのが好ましい。尚、誘導加熱コイル等の誘導加熱手段は公知のものから適宜選択できる。加熱手段として誘導加熱手段を用いることにより、繰り返し成形する場合に、成形型の昇温を素早く行うことが出来るため、成形のサイクルタイムを短くできるという利点がある。さらには、誘導加熱手段は、温度の再現性が極めて良いため、精密な温度制御が可能であるという利点もある。
【００２４】
上記成形装置において、加熱手段が誘導加熱コイルである場合、少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることで、誘導加熱コイルからの母型へのエネルギーを均一に与えることができ、成形型の均一加熱を可能にする。さらに、長尺形状であって、かつ一定の幅を有す母型に、成形型を各成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設けることで、誘導加熱コイルにより母型の発熱を長手方向で左右対照にすることができる。さらに、母型の長手方向に一列に設けられた成形型を等間隔にすることで、成形型の間で母型から受け取る熱量を均一にすることができる。このような成形装置を用いると、加熱手段が誘導加熱コイルである場合であっても、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造することがでる。
このとき、複数個の成形型の温度に温度差が生じている場合には、温度差を小さくするために該母型を部分的に温度制御することができる。その手段としては、温度の比較的高い部分に冷却ガスを吹きつける方法が挙げられる。このとき、ガスの温度や流量を調整することにより、各成形型の温度差を厳密に小さく、例えば１０℃以内にすることができる。
【００２５】
長尺形状の母型は、一の母型で上型及び下型を支持するものであってもよく、また、上型を支持する上母型と下型を支持する下母型に分割されているものであっても良い。一の母型で支持する場合、上型及び下型の少なくとも一方は該母型に対して上下動可能である。この場合、例えば、母型をプレスの下軸上に位置し、上型の上面をプレスの上軸に取り付けたプレスへッドで押圧することにより、プレスを行い得る。上下に分割されている母型の場合、上母型及び下母型を、少なくとも一方が上下動可能であるプレスの上軸及び下軸に取り付けてプレスを行い得る。
【００２６】
誘導加熱コイルは、成形時の母型の位置に配置されるが、母型が上下に分割されている場合、好ましくは各々の母型の周囲に位置するように２個設けられる。上下のコイルは、被成形材料の供給及び成形品の取り出しが可能なように、適当な間隔を開けて配置するのが好ましい。
尚、成形型を支持する母型の材質は公知のものであることができる。成形型を支持する母型の材質は、例えば、ステンレス合金、鋳鉄、タングステン合金、モリブデン合金等を挙げることができる。
【００２７】
加熱手段は、母型をより均一に加熱できるという観点から誘導加熱コイルであることが好ましい。成形型はその周囲を母型で覆われており、母型からの熱伝導によって加熱される。母型から伝えられる熱が１つの成形型について水平断面における対向する２つの位置で異なると、成形型の成形面の中心から当距離にある位置において温度分布（温度差）が生じることになり、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を得ることは困難である。そこで、本発明の方法では、各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように成形型の加熱を行うことが好ましい。このような成形型の加熱方式とすることで、各成形型の成形面の中心から当距離にある位置においての温度の違いを極力抑制でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００２８】
さらに、複数の成形型の間での熱的条件を同一にするという観点からは、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、成形型の加熱時に母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつけることもできる。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。
【００２９】
本発明におけるプレス成形は、例えばプレスの上軸及び／又は下軸を駆動して成形型を誘導加熱コイル内に配置した後、誘導加熱を行い、被成形材料が成形温度まで昇温した後、上軸及び／又は下軸を駆動してさらに上型と下型をプレスすることにより行い得る。
特に本発明においては、予め加熱軟化した被成形ガラス素材を成形型に供給する方法であって、成形型に供給される被成形ガラス素材の温度が成形型の温度より高い非等温プレス法が、表面欠陥等のないガラス光学素子を、比較的短いサイクル時間で製造できるという観点から好ましい。
【００３０】
例えば、被成形ガラス素材を該ガラス素材の粘度が１０8ポアズ未満に相当する温度に加熱して軟化させることができる。ガラス素材の粘度が１０8ポアズ未満であることで、１０8ポアズ以上の粘度に相当する温度に予熱した成形型でガラス素材を十分に変形させて成形することが可能である。成形型の温度を比較的低温にして成形するには、ガラス素材は、好ましくは１０6.6〜１０7.6ポアズに相当する温度に加熱して軟化させることが適当である。
成形型の予熱の温度は、前記ガラス素材の粘度が１０8〜１０12.5ポアズに相当する温度とすることができる。粘度が１０12.5ポアズに相当する温度未満では、ガラス素材を大きく伸ばして、コバ厚の薄いガラス成形体を得ることが難しくなり、また、高面精度が得にくく、粘度が１０8ポアズに相当する温度を超える温度では、成形のサイクルタイムが必要以上に長くなり、また、成形型の寿命が短くなる。
【００３１】
非等温プレスにおいては、被成形ガラス素材および成形型の予熱温度がプレス中の温度履歴に与える影響は大きい。その理由は、成形型に被成形ガラス素材を導入したのちガラスと成形型とが等しい温度になるまで均温化してからプレス成形する等温プレス方式と異なり、非等温プレス方式は、被成形ガラス素材が成形型に導入された瞬間から、被成形ガラス素材と成形型との間で熱のやり取りが行われながら、ガラスはプレス成形される（変形する）。
従って、被成形ガラス素材の温度は、ガラスが成形型に導入されてからプレス成形が終わるまでの間におけるガラスと成形型の温度履歴に大きな影響を与えるため、予め設定した条件でプレス成形を行いたい場合には、被成形ガラス素材、成形型の予熱温度は、厳密に、予定される設定温度に温度制御されている必要がある。
従って、本発明によれば、複数個の成形型で、成形型よりも高温に予熱された複数個の被成形ガラス素材を同時にプレス成形する場合には、成形型に導入される複数の被成形ガラス素材の温度が近くなるように温度制御されるため、同時に成形するすべての被成形ガラス素材について、予め設定した条件でプレス成形を行うことが可能となり、その結果、複数個の所望のガラス光学素子が一度のプレス成形で製造できる。
【００３２】
本発明において、押圧成形の条件等には特に制限はなく、ガラス素材の温度及び成形型の温度等を考慮して適宜決定することができる。通常３０〜２００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で、３〜６０秒間、好ましくは５〜３０秒間押圧することで成形することができる。又、プリフォーム及びゴブの温度、成形型の温度、並びに離型の温度も適宜選択できる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の方法を実施例によりさらに説明する。
【００３４】
実施例１
本実施例では図2に示す成形装置を用いた。
この成形装置には、長尺形状の上母型201a及び下母型201bが、各々プレスの上主軸209 及び下主軸208 に取り付けられており、上母型201a及下母型201bには、各々４個の上型202 及び下型203 が取り付けられている。さらに、上型202 の外周には、下型と狭いクリアランスで嵌合して滑動することによりレンズの上下面の軸ずれを防止するスリーブ210 が設けられている。上母型201aの両側には、ガイドピン211 が突設され、これに対応して下母型201bには、ガイド孔212 が設けられている。上母型201a及び下母型201bは、タングステン合金により形成した。上型202 及び下型203は炭化珪素製で、成形面に炭素系薄膜を被覆した。下型203外周面に、プレス時に上型202 と嵌合して上下型の軸ずれを防止すると共にレンズの側面を形成するためのスリーブ210を設けた。スリーブ210 は、上下型と同様炭化珪素に炭素系薄膜を被覆してある。さらにこのプレス成形装置は、上型と下型をプレスするためのプレス手段の上主軸９及び下主軸８と、成形時の誘導加熱を行うための誘導加熱コイル７を有する。誘導加熱コイル７は長尺形状の母型の周囲を取り巻く形状で巻回されている。
この装置を用いて、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点514 ℃、屈伏点545 ℃）をプレスして外径15mmの両凸形状のレンズ（１面が球面、他の１面が非球面）を成形した。
一方向のみから駆動装置に接続されたステンレス製のアーム（支持部材）には、被成形ガラス素材を支持部を有するカーボン製の浮上皿Ａ〜Ｄが長手方向に一列に配置されている(図１)。
浮上皿の支持部には上方に気体が吹き出しており、４つの被成形ガラス素材を該浮上皿に供給すると被成形ガラス素材はこの気流を介して支持部材上に保持される。
浮上皿から吹き出す気体は、上記アームの内部に設けられた、上記駆動装置との接続方向から各浮上皿に通じる導管によって各浮上皿へ個別に供給されている。
このときの各浮上皿の温度を測定したところ、大きく温度差が生じていた。
【００３５】
ここで、Ａ，ＢおよびＣの浮上皿の下方に、別個のガス吹き付けノズルを設け、加熱中に表２の流量のガス（温度約50℃）を吹き付けたところ、表２に示す通り前記に示した温度差を2℃以内に収めることができた。
【００３６】
【表２】
次に、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点514℃、屈伏点545℃）の球形のガラスプリフォーム（重量５４ｍｇ）を用い、これを4つの浮上皿に供給し、気体浮上させながら支持した状態で、支持部材ごと加熱室内に置いた。加熱室は、パイルマックス（ＰＸ−ＤＳ）により700℃雰囲気に保たれている。加熱室で４つのガラスプリフォームは、光学ガラス素子の成形サイクルスピードに合わせた一定時間の急速加熱が一括して行われ、一方、４つの成形型ａ〜ｄを、各成形型をほぼ550℃（上記ガラスプリフォームが１０10.2ポアズ）±3℃以内に予熱した。
【００３７】
その後、支持アームを上下の誘導加熱コイルの間に挿入し、複数の下型203 の直上に配置して、支持アームを素早く開くことにより、複数の浮上皿を左右に分割し、複数のプリフォーム204 を、浮上皿からそれぞれに対応する下型203 上に同時に落下させることにより、下母型201bの４個の下型203 上に４個同時に移送した。その後、直ちに支持アームおよびファンネルを下型上から後退させ、高周波パワーを切り、下母型を上昇させて70kg/cm2の圧力でプレスした（図２Ｃ）。ガラスにかかる圧力は上型自重のみとし、ガラスの転移点以下まで冷却し、その後下母型を約20mm下降して離型し、吸着パッド（図示せず）を上下の誘導加熱コイルの間に挿入し4個の成形品(外径5mmの両凸レンズ)を同時に取り出した。
【００３８】
各型において、加熱及び冷却がほぼ均等に行われた。490 ℃で下母型201bを下降させて離型し、そのまま下母型201bを成形室の下まで下降させ、吸着パッドを用いて４個のレンズを取り出した。取り出したレンズは必要に応じ、その後アニールする場合もある。
得られたレンズについて、肉厚および面精度の評価をおこなったところ、４つのレンズはすべて、肉厚は公差内であり、面精度もニュートンリングが±２本以内、アスが±０．５本以内と良好であった。
また、同条件でプレスを繰り返し、その際、ガス吹き付けノズルによる浮上皿Ａ，Ｂ，Ｃの下方へのガス吹き付けを、上記条件と同様に行ったところ、上記と同様、毎回、４つのレンズすべて、肉厚、面精度ともに良好であった。
【００３９】
実施例２
上記冷却ガスの吹き付けを、マスフローコントローラを用い、各浮上皿の温度を測定して各浮上皿の温度差が小さくなるようにカスケード制御によりおこなったこと以外は、実施例１と同様にレンズのプレス成形をおこなった。
その結果、４つとも肉厚および面精度ともに良好なレンズが得られた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、成形型とは別に加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することができる。
特に、本発明の方法によれば、気体を用いて浮上させながら並行して加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に、一方の端部で支持されて支持部材に配置されている、複数の保持具を設けた支持部材の説明図。
【図２】 実施例で用いた成形装置の説明図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の被成形用ガラス素材を同時にプレス成形するガラス光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟化ガラスが融着せず、鏡面加工が可能な型材料を精密加工した成形型を用い、プレス成形後において研削や研磨を必要としない、レンズなどのガラス光学素子の成形方法が種々開発されている。このようなガラス光学素子の成形方法においては、生産性をより向上することが課題となっている。即ち、単一の装置で単位時間内により多くのガラス光学素子を成形する方法及び装置が必要となる。このような観点から、複数の成形型を用いて、複数のガラス光学素子を一度に成形する方法が開発されている（例えば、特開平１１−２９３３３号参照）。
【０００３】
さらに、ガラス光学素子の生産性を向上し、かつ成形型の成形面の劣化を抑制するという観点から、成形型とは別個の場所で所定の粘度となるように加熱軟化された被成形用ガラス素材を成形型に移送し、加圧成形する方法も開発されている。特に、被成形用ガラス素材と加熱軟化用の治具との融着等を防止するとうい観点から、被成形用ガラス素材を気体により浮上させながら加熱する方法は大変優れた方法である（例えば、特開平８−１３３７５８号公報）。
【０００４】
複数のガラス光学素子を一度に成形する場合、被成形用ガラス素材の加熱軟化も複数の素材について同時に行うことが好ましい。また、加圧成形時の被成形用ガラス素材の成形性や成形型のサイクルタイム等を考慮して、被成形用ガラス素材の粘度は厳密に管理される。複数の被成形用ガラス素材が同時に加熱軟化される場合であっても、この状況に変わりは無く、複数の被成形用ガラス素材の粘度は実質的に同一に制御されなければならない。
【０００５】
ところが、これまで、成形型とは別個の場所で所定の粘度となるように加熱軟化された被成形用ガラス素材を成形型に移送し、加圧成形する方法において、成形型へ移送する前の被成形用ガラス素材の粘度調整に関して厳密な検討はなされてこなかった。気体浮上により加熱軟化した複数の被成形用ガラス素材を用いたガラス光学素子の製造方法における、複数の被成形用ガラス素材の粘度調整に関しても厳密な検討はなされてこなかった。
しかるに、本発明者らが、実際に検討したところ、被成形ガラス素材を加熱軟化させる工程において、被成形ガラス素材を保持するための複数の保持皿が設けられた支持部材を用い、各保持皿上に１つづつの被成形ガラス素材を置いて加熱する場合、保持皿の支持部材上での位置や加熱室内での位置により、保持皿上の被成形ガラス素材質の温度に違いが生じていることが判明した。
【０００６】
さらに、気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用い、各開口部上に１つづつの被成形ガラス素材を気体により浮上させながら加熱させる場合にも、開口部の支持部材上での位置や加熱室内での位置により、開口部上の被成形ガラス素材質の温度に違いが生じていることが判明した。具体的には、一方向のみから支持されるアーム上に長手方向に一列に配置された複数の浮上皿の各浮上皿において、前記アームに沿って供給され、かつ浮上皿から吹き出す気体により被成形用ガラス素材を浮上させながら加熱する方法について試験したところ、具体的には、両末端の浮上皿の間で、極端な場合、被成形用ガラス素の温度に約５０℃の開きがある場合があった。
このように、複数の被成形用ガラス素材の粘度を実質的に同一に制御するのは容易でないことが判明した。
【０００７】
そこで本発明の目的は、成形型とは別に加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することにある。
特に、本発明の目的は、気体を用いて浮上させながら並行して加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程、
前記所定粘度に調整された複数の被成形ガラス素材を、所定温度に予熱された複数個の成形型に導入する工程、
前記成形型に導入された複数の被成形ガラス素材を、前記複数の成形型でプレス成形することにより複数のガラス光学素子を製造する工程を含む方法であって、
前記複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程は、
前記複数個の被成形ガラス素材の一括加熱と、前記複数個の被成形ガラス素材間の加熱の状態が近づくように行う各被成形ガラス素材に対する部分的温度調整とを併用することを特徴とするガラス光学素子の製造方法に関する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス光学素子の製造方法は、高温雰囲気の加熱室内に供給された複数の被成形ガラス素材を、各被成形ガラス素材を一括して加熱することにより行い、その際、該複数個の被成形ガラス素材間の前記加熱の状態が近づくように温度調整しながら加熱する工程を含むことに特徴がある。本発明のガラス光学素子の製造方法は、複数のガラス光学素子を同時に作製する方法であり、同時に作製したガラス光学素子の間の物性にバラツキを生じさせないためには、プレス成形される被成形ガラス素材の温度が、同時にプレス成形される被成形ガラス素材の間で同一か、または限りなく同一に近いことが好ましい。そこで、本発明では、加熱室内での被成形ガラス素材の加熱に際して、加熱室における一括した加熱に加えて、各被成形ガラス素材の温度を個別に調整して、いずれの被成形ガラス素材も所定温度になるようにする。こうすることにより、同時に行うプレス成形をすべて予め設定した条件で行うことができる。その結果、一度のプレス成形によって、所望特性を持った複数個のガラス光学素子を製造できる。
尚、本発明で使用される加熱室には特に制限はなく、一般の加熱炉であることができる。また、被成形ガラス素材の加熱は、予め所定形状に成形したガラスプリフォームを常温から加熱する場合の他、ある程度の温度の被成形ガラス素材をさらに加熱する場合、さらには所定温度に既に加熱されているガラスゴブを用いる場合も含む。ガラスゴブを用いる場合は、溶融ガラスから作製されたガラスゴブを冷却することなく使用することも出来る。
【００１０】
被成形ガラス素材の加熱は、例えば、複数の保持具を設けた支持部材を用い、保持具の上に被成形ガラス素材を置載して行うか、または気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用い、開口部から噴出する気体により浮上保持しながら行うことができる。さらに、これらの支持部材における、複数の開口部または保持具の配置は、特に制限はないが、例えば支持部材に直列配置されることができる。また、支持部材は、前記直列配置方向の一方または両方の端部で支持されていることができる。また、複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に配置されており、かつ前記支持部材は、一方または両方の端部で支持されていることができる。複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に、一方の端部で支持されて支持部材に配置されている例を図１に示す。１つの支持部材に設けられる開口部または保持具の数は、特に制限はなく、ガラス光学素子の形状や寸法等を考慮して適宜決定できる。但し、生産効率と生産技術とを考慮すると、２個以上、１０個以下程度であることが好ましい。しかし、１０個以上であっても勿論良い。
【００１１】
複数の保持具を設けた支持部材を用いる場合、各被成形ガラス素材が支持部材上に設けられた複数の保持具それぞれの上で加熱される。また、気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材を用いる場合、各被成形ガラス素材を開口部それぞれの上に気体により浮上させながら加熱する。
気体で浮上保持する方法を用いる本発明の１つの態様に例えば以下の方法がある。
気体を噴出することができる開口部が複数設けられた支持部材の前記開口部それぞれの上に、被成形ガラス素材を供給する工程、前記支持部材の端部から支持部材に沿って供給され、前記開口部から噴出する気体により、前記被成形ガラス素材を浮上させて開口部上に保持しながら加熱室内で所定温度に加熱する工程、所定温度に加熱された被成形ガラス素材を、支持部材から予熱した成形型に移動する工程、前記被成形ガラス素材を、前記成形型によりプレスして、成形型の成形面に対応する形状に成形するプレス成形工程、プレス成形されたガラスを成形型から取り出す工程、を含むガラス光学素子の製造方法であって、前記被成形ガラス素材を加熱する工程において、前記支持部材の開口部近傍の温度差が開口部間で小さくなるように、支持部材の温度調整を行うことを特徴とする方法。
【００１２】
ガラス素材が、その自重によって変形する程の低粘性域においては、加熱の際にガラス素材を保持する治具（保持具）とガラスの融着を生じる場合がある。それに対して、開口部から噴出する気体を用いる場合、保持具とガラスが反応することなく、加熱軟化することが可能となる。気体を噴出する開口部は、単一の孔であることもできるが、皿状の浮上皿であって、１または２以上の気体噴出用の孔を有するものであることもできる。
浮上皿でガラス素材を気流により浮上させると、治具面とガラス両面にガスのレイヤーが形成され、このため更にガラス素材がプリフォームの場合、プリフォームの形状を概ね維持しつつ加熱軟化することができる。プリフォームの気流による浮上は、例えば、プリフォームの径より小さいか、等しいか、または大きい開口径を有する上方開口部から上方に流出する気流により行うことができる。また、ガラス素材がガラスゴブであり、不規則な形状で表面にシワ等の表面欠陥がある場合でも、加熱軟化しながら気流により浮上させることで、形状を整え、表面欠陥を消去することも可能である。
【００１３】
また、開口部は、複数の被成形用ガラス素材を複数の成形型への同時供給が容易になるように、割型であることもできる。割型である開口部は、例えば割型皿であることができ、割型皿は気体を上方に吹き出し、被成形用ガラス素材を浮上させるための細孔を有するものであることができる。このような被成形用ガラス素材浮上用の割型皿は、特開平８−１３３７５８号に浮上治具として記載のものを挙げることができる。
【００１４】
ガラス素材の浮上のために用いる気流となるガスとしては、特に制限はない。但し、加熱したガラス素材が治具と反応しないこと、さらに、加熱した治具の酸化による劣化を防止するという観点から、非酸化性ガスであることが好ましく、例えば窒素等であることが適当である。還元性のガス、例えば水素ガス等を添加することもできる。
気流の流量は、気流を吹き出す口の形状やガラス素材の形状及び重量等を考慮して適宜変更できる。通常の場合、ガス流量は０．００５〜２０リットル／分の範囲がガラス素材の浮上に適している。但し、ガス流量が０．００５リットル／分未満であると、ガラス素材の重量が３００ｍｇ以上の場合、ガラス素材を十分に浮上させることができない場合がある。また、ガス流量が２０リットル／分を超えると、ガラス重量が２０００ｍｇ以上の場合でも、浮上治具上のガラスが大きく揺れて、加熱の際にガラス素材がプリフォームの場合、その形状が変化することがあるからである。被成形ガラス素材浮上用気体は、支持部材内部または外部に設けられた導管を通して各開口部に供給されることができる。また、被成形ガラス素材浮上用気体は、一本の導管ですべての開口部に供給することもできるが、流量の制御等が容易であるという観点から開口部毎に個別に設けることが好ましい。
【００１５】
このように気体浮上しながら加熱する場合には、該気体の温度や流量のバラツキや支持体の温度分布等により各被成形ガラス素材の加熱状態にバラツキが生じやすいので、本発明の方法は有用である。例えば、前記支持部材が、前記気体が該支持部材内部に設けられた導管を通じて各開口部に供給される構造である場合には、導管の配置によって支持部材に温度分布が生じやすいが、本発明によれば厳密に温度管理をして相互に近い温度に設定できる。
また、支持部材に、開口部が直列配置され、かつ支持部の直列配置方向における一方または両方の端部において該支持部材の駆動装置に接続されている場合には、該端部に近いほど、被成形ガラス素材は比較的温度が低くなりやすいため、この場合にも本発明の方法は有用である。さらに、導管が支持部材の端部において気体を供給される構造である場合、及び導管が開口部ごとに別個に設けられている構造の場合にも、被成形ガラス素材の温度は気体の温度や配置の影響を受けやすく、本発明の方法はこの場合にも有用である。
【００１６】
さらにガラス素材の加熱軟化の条件は、ガラスの種類等により適宜変えることができ、軟化したガラス素材に必要とされる粘度となるように調整される。
被成形ガラス素材の加熱において、所定温度に加熱された複数の被成形ガラス素材の温度差が１０℃以内となるように温度調整を行うことが好ましい。特に、成形型の予熱温度より高い所定温度に加熱された被成形ガラス素材を予熱された成形型に移動し、次いでプレス成形する、後述する非等温プレス法においては、プレス成形される被成形ガラス素材の温度（粘度）管理は厳密であることが必要であり、所定温度に加熱された複数の被成形ガラス素材の温度差が１０℃以内、より好ましくは３℃以内、好ましくは１℃以内となるように温度調整を行うことが適当である。
【００１７】
上記温度調整は、例えば、図１に示すように、支持部材の一カ所または複数の箇所に被成形用ガラス素材浮上用気体とは別個に気体を吹きつけることで行うことができる。ガスを吹きつける手段によれば、ガスの温度や流量を変えることにより部分的な温度調整を精度よく行うことができる。また、支持部材に対し気体を吹き付けることにより、被成形ガラス素材に直接かかることがないため、被成形ガラス素材の部分的な冷却によるヒケ等を防止できる。図１の装置においては、被成形ガラス素材浮上用気体は、支持体（アーム）１の内部を開口部２毎に個別に設けられた導管を介して気体が各開口部（Ａ〜Ｄ）に供給され、アームの下部に、開口部Ａ、Ｂ及びＣに気体を吹きつけるためのノズル３が配置されている。加熱炉４の温度設定により開口部Ｄの温度が所定温度になるように調整し、さらに、開口部Ａ、Ｂ及びＣと開口部Ｄとの温度の開きを、開口部Ａ、Ｂ及びＣへの気体吹きつけ用ノズルからの気体の温度及び流量を調整しつつ、低減することができる。一般に、アームの根元に近い開口部Ｄの温度は、加熱炉外でアームを保持する装置が加熱炉内に比べて比較的低く温度であることから、アームの先端に近い開口部Ａに比べて温度が低くなる傾向がある。そこで、このような場合には、開口部Ａ、Ｂ及びＣの温度を開口部Ｄの温度に近づけるように、開口部Ａ、Ｂ及びＣへの気体吹きつけ用ノズルから開口部Ａ、Ｂ及びＣを冷却するための気体を吹きつけることができる。尚、開口部Ａ、Ｂ及びＣの温度にも違いがある場合、気体の温度や流量を適宜調整することができる。但し、制御が容易であるという観点からは、同じ温度の気体を異なる流量で用いることが好ましい。
【００１８】
本発明において使用する被成形ガラス素材の形状としては、例えば、球形状、マーブル形状等を挙げることができる。また、被成形ガラス素材の材質や成形により得られる光学素子の形状等には特に制限はない。本発明の方法により得られるガラス光学素子としては、例えば、非球面または球面の両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ等を挙げることができる。
【００１９】
所定温度に加熱された被成形ガラス素材を予熱した成形型に移動する。
被成形ガラスの成形型への供給は、吸着パッド等公知の供給手段を用いて行うことができるが、浮上皿、好ましくは割型式浮上皿を用いことが好ましい。例えば、支持アーム上に長手方向一列に配置された複数の割型式浮上皿上に、加熱軟化した複数の被成形ガラス素材を、下方から噴出する気流により浮上させて搬送し、成形型の下型の直上で浮上皿を分割して被成形ガラス素材を落下させることにより、ガラス素材を予熱した成形型に移動することができる。このような浮上皿は、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載の物を用いることができる。非等温プレスにおいては、被成形ガラス素材を成形型に導入した瞬間から、ガラスと成形型の間において熱のやり取りが行われるためその後のプレス成形によるガラスの変形とガラスと成形型の熱履歴の関係とを各被成形ガラス素材において同じくするために、複数の被成形ガラス素材を同時に成形型に供給することが好ましい。
【００２０】
さらに、上記のように割型式浮上皿を用いる場合、下型の中央部に心ずれせずに落下させるために、前記被成形ガラス素材を、前記浮上皿と下型の間に配置した心ずれ防止ファンネル部材の開口を通して落下させることもできる。また、落下した被成形ガラス素材の下型中央部からの位置ずれを直すためにガイド手段により幅寄せを行うことにより心ずれを補正することもできる。
【００２１】
次いで、被成形ガラス素材を成形型によりプレスして、成形型の成形面に対応する形状に成形する。被成形ガラス素材のプレス成形に関しては、複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列された、上型及び下型からなる複数の成形型で同時に加圧成形することからなる光学素子の成形方法である特開平１１−２９３３３号に記載の方法を利用することができる。この成形方法に用いる成形型の形状や構造及び材質等、さらには、成形条件等は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。
複数個の加熱軟化した被成形ガラス素材を、複数の成形型で同時に加圧成形する場合、複数の成形型の間で熱的条件が同一であり、かつ各成形型において、成形面の温度が成形面の中心から当距離にある位置においては同一であることが好ましい。特開平１１−２９３３３号に記載の方法では、複数の成形型が長尺形状の母型に長手方向に沿って一列に配列され、かつ前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって、各成形型が加熱されることから、複数の成形型の間での熱的条件を同一にすることを可能にしている。
さらに、前記複数個の成形型のそれぞれが、前記母型の周囲に巻回された加熱手段により加熱された母型からの熱伝導によって加熱され、かつこの加熱は、少なくとも各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されることが好ましい。
このような成形型の加熱を可能にする成形装置として、母型が長尺形状であって、かつ一定の幅を有し、該母型に前記成形型複数個を長手方向に等間隔に一列に、成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設け、さらに少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定である装置を用いることができる。このような構造とすることにより、各成形型の成形面に加熱手段からの距離の違いによる温度分布が生じることを極力防止でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。上記長尺形状の母型は、好ましくは両端部が略半円状になっていることが、両端部に近い成形型への加熱が均一にできるという観点から好ましい。
【００２２】
上記成形装置において、成形型の形状や構造及び材質は、公知のものであることができ、例えば、特開平８−１３３７５８号に記載のものを挙げることができる。具体的には、成形型として炭化ケイ素焼結体にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を形成した後、イオンプレーティング法によりｉ−カーボン膜を形成したものを用いることができる。さらに、ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムと炭化チタンのサーメットや、これらの表面にダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、或いは炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などのセラミックスなどを被覆したものも使用することができる。但し、ｉ−カーボン膜等の炭素系膜は離型性がよい点で特に有利である。
【００２３】
加熱手段は公知の種々のものから選択でき、成形時に母型の周囲に接触状態または非接触状態で位置するように母型の周囲に巻回される。加熱手段は、誘導加熱コイルのような誘導加熱手段であり、成形時に母型の周囲に非接触状態で位置するように母型の形状に倣って巻回されているのが好ましい。尚、誘導加熱コイル等の誘導加熱手段は公知のものから適宜選択できる。加熱手段として誘導加熱手段を用いることにより、繰り返し成形する場合に、成形型の昇温を素早く行うことが出来るため、成形のサイクルタイムを短くできるという利点がある。さらには、誘導加熱手段は、温度の再現性が極めて良いため、精密な温度制御が可能であるという利点もある。
【００２４】
上記成形装置において、加熱手段が誘導加熱コイルである場合、少なくとも母型の短手方向端部での前記加熱手段と母型との距離が一定であることで、誘導加熱コイルからの母型へのエネルギーを均一に与えることができ、成形型の均一加熱を可能にする。さらに、長尺形状であって、かつ一定の幅を有す母型に、成形型を各成形型の中心が母型の中心線上に位置するように設けることで、誘導加熱コイルにより母型の発熱を長手方向で左右対照にすることができる。さらに、母型の長手方向に一列に設けられた成形型を等間隔にすることで、成形型の間で母型から受け取る熱量を均一にすることができる。このような成形装置を用いると、加熱手段が誘導加熱コイルである場合であっても、複数の成形型を均一に加熱してプレス成形を行い、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を製造することがでる。
このとき、複数個の成形型の温度に温度差が生じている場合には、温度差を小さくするために該母型を部分的に温度制御することができる。その手段としては、温度の比較的高い部分に冷却ガスを吹きつける方法が挙げられる。このとき、ガスの温度や流量を調整することにより、各成形型の温度差を厳密に小さく、例えば１０℃以内にすることができる。
【００２５】
長尺形状の母型は、一の母型で上型及び下型を支持するものであってもよく、また、上型を支持する上母型と下型を支持する下母型に分割されているものであっても良い。一の母型で支持する場合、上型及び下型の少なくとも一方は該母型に対して上下動可能である。この場合、例えば、母型をプレスの下軸上に位置し、上型の上面をプレスの上軸に取り付けたプレスへッドで押圧することにより、プレスを行い得る。上下に分割されている母型の場合、上母型及び下母型を、少なくとも一方が上下動可能であるプレスの上軸及び下軸に取り付けてプレスを行い得る。
【００２６】
誘導加熱コイルは、成形時の母型の位置に配置されるが、母型が上下に分割されている場合、好ましくは各々の母型の周囲に位置するように２個設けられる。上下のコイルは、被成形材料の供給及び成形品の取り出しが可能なように、適当な間隔を開けて配置するのが好ましい。
尚、成形型を支持する母型の材質は公知のものであることができる。成形型を支持する母型の材質は、例えば、ステンレス合金、鋳鉄、タングステン合金、モリブデン合金等を挙げることができる。
【００２７】
加熱手段は、母型をより均一に加熱できるという観点から誘導加熱コイルであることが好ましい。成形型はその周囲を母型で覆われており、母型からの熱伝導によって加熱される。母型から伝えられる熱が１つの成形型について水平断面における対向する２つの位置で異なると、成形型の成形面の中心から当距離にある位置において温度分布（温度差）が生じることになり、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を得ることは困難である。そこで、本発明の方法では、各成形型の水平断面における対向する２つの位置が実質的に均等に加熱されるように成形型の加熱を行うことが好ましい。このような成形型の加熱方式とすることで、各成形型の成形面の中心から当距離にある位置においての温度の違いを極力抑制でき、その結果、面精度及び表面品質の良好なガラス光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００２８】
さらに、複数の成形型の間での熱的条件を同一にするという観点からは、誘導加熱コイルによる成形型の加熱を均一に行うために、成形型の加熱時に母型の長手方向の一方または両方から気体を吹きつけることもできる。成形型に吹きつけるための気体には特に制限はないが、例えば、窒素のような不活性ガスを用いることができる。
【００２９】
本発明におけるプレス成形は、例えばプレスの上軸及び／又は下軸を駆動して成形型を誘導加熱コイル内に配置した後、誘導加熱を行い、被成形材料が成形温度まで昇温した後、上軸及び／又は下軸を駆動してさらに上型と下型をプレスすることにより行い得る。
特に本発明においては、予め加熱軟化した被成形ガラス素材を成形型に供給する方法であって、成形型に供給される被成形ガラス素材の温度が成形型の温度より高い非等温プレス法が、表面欠陥等のないガラス光学素子を、比較的短いサイクル時間で製造できるという観点から好ましい。
【００３０】
例えば、被成形ガラス素材を該ガラス素材の粘度が１０8ポアズ未満に相当する温度に加熱して軟化させることができる。ガラス素材の粘度が１０8ポアズ未満であることで、１０8ポアズ以上の粘度に相当する温度に予熱した成形型でガラス素材を十分に変形させて成形することが可能である。成形型の温度を比較的低温にして成形するには、ガラス素材は、好ましくは１０6.6〜１０7.6ポアズに相当する温度に加熱して軟化させることが適当である。
成形型の予熱の温度は、前記ガラス素材の粘度が１０8〜１０12.5ポアズに相当する温度とすることができる。粘度が１０12.5ポアズに相当する温度未満では、ガラス素材を大きく伸ばして、コバ厚の薄いガラス成形体を得ることが難しくなり、また、高面精度が得にくく、粘度が１０8ポアズに相当する温度を超える温度では、成形のサイクルタイムが必要以上に長くなり、また、成形型の寿命が短くなる。
【００３１】
非等温プレスにおいては、被成形ガラス素材および成形型の予熱温度がプレス中の温度履歴に与える影響は大きい。その理由は、成形型に被成形ガラス素材を導入したのちガラスと成形型とが等しい温度になるまで均温化してからプレス成形する等温プレス方式と異なり、非等温プレス方式は、被成形ガラス素材が成形型に導入された瞬間から、被成形ガラス素材と成形型との間で熱のやり取りが行われながら、ガラスはプレス成形される（変形する）。
従って、被成形ガラス素材の温度は、ガラスが成形型に導入されてからプレス成形が終わるまでの間におけるガラスと成形型の温度履歴に大きな影響を与えるため、予め設定した条件でプレス成形を行いたい場合には、被成形ガラス素材、成形型の予熱温度は、厳密に、予定される設定温度に温度制御されている必要がある。
従って、本発明によれば、複数個の成形型で、成形型よりも高温に予熱された複数個の被成形ガラス素材を同時にプレス成形する場合には、成形型に導入される複数の被成形ガラス素材の温度が近くなるように温度制御されるため、同時に成形するすべての被成形ガラス素材について、予め設定した条件でプレス成形を行うことが可能となり、その結果、複数個の所望のガラス光学素子が一度のプレス成形で製造できる。
【００３２】
本発明において、押圧成形の条件等には特に制限はなく、ガラス素材の温度及び成形型の温度等を考慮して適宜決定することができる。通常３０〜２００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で、３〜６０秒間、好ましくは５〜３０秒間押圧することで成形することができる。又、プリフォーム及びゴブの温度、成形型の温度、並びに離型の温度も適宜選択できる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の方法を実施例によりさらに説明する。
【００３４】
実施例１
本実施例では図2に示す成形装置を用いた。
この成形装置には、長尺形状の上母型201a及び下母型201bが、各々プレスの上主軸209 及び下主軸208 に取り付けられており、上母型201a及下母型201bには、各々４個の上型202 及び下型203 が取り付けられている。さらに、上型202 の外周には、下型と狭いクリアランスで嵌合して滑動することによりレンズの上下面の軸ずれを防止するスリーブ210 が設けられている。上母型201aの両側には、ガイドピン211 が突設され、これに対応して下母型201bには、ガイド孔212 が設けられている。上母型201a及び下母型201bは、タングステン合金により形成した。上型202 及び下型203は炭化珪素製で、成形面に炭素系薄膜を被覆した。下型203外周面に、プレス時に上型202 と嵌合して上下型の軸ずれを防止すると共にレンズの側面を形成するためのスリーブ210を設けた。スリーブ210 は、上下型と同様炭化珪素に炭素系薄膜を被覆してある。さらにこのプレス成形装置は、上型と下型をプレスするためのプレス手段の上主軸９及び下主軸８と、成形時の誘導加熱を行うための誘導加熱コイル７を有する。誘導加熱コイル７は長尺形状の母型の周囲を取り巻く形状で巻回されている。
この装置を用いて、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点514 ℃、屈伏点545 ℃）をプレスして外径15mmの両凸形状のレンズ（１面が球面、他の１面が非球面）を成形した。
一方向のみから駆動装置に接続されたステンレス製のアーム（支持部材）には、被成形ガラス素材を支持部を有するカーボン製の浮上皿Ａ〜Ｄが長手方向に一列に配置されている(図１)。
浮上皿の支持部には上方に気体が吹き出しており、４つの被成形ガラス素材を該浮上皿に供給すると被成形ガラス素材はこの気流を介して支持部材上に保持される。
浮上皿から吹き出す気体は、上記アームの内部に設けられた、上記駆動装置との接続方向から各浮上皿に通じる導管によって各浮上皿へ個別に供給されている。
このときの各浮上皿の温度を測定したところ、大きく温度差が生じていた。
【００３５】
ここで、Ａ，ＢおよびＣの浮上皿の下方に、別個のガス吹き付けノズルを設け、加熱中に表２の流量のガス（温度約50℃）を吹き付けたところ、表２に示す通り前記に示した温度差を2℃以内に収めることができた。
【００３６】
【表２】
【００３７】
その後、支持アームを上下の誘導加熱コイルの間に挿入し、複数の下型203 の直上に配置して、支持アームを素早く開くことにより、複数の浮上皿を左右に分割し、複数のプリフォーム204 を、浮上皿からそれぞれに対応する下型203 上に同時に落下させることにより、下母型201bの４個の下型203 上に４個同時に移送した。その後、直ちに支持アームおよびファンネルを下型上から後退させ、高周波パワーを切り、下母型を上昇させて70kg/cm2の圧力でプレスした（図２Ｃ）。ガラスにかかる圧力は上型自重のみとし、ガラスの転移点以下まで冷却し、その後下母型を約20mm下降して離型し、吸着パッド（図示せず）を上下の誘導加熱コイルの間に挿入し4個の成形品(外径5mmの両凸レンズ)を同時に取り出した。
【００３８】
各型において、加熱及び冷却がほぼ均等に行われた。490 ℃で下母型201bを下降させて離型し、そのまま下母型201bを成形室の下まで下降させ、吸着パッドを用いて４個のレンズを取り出した。取り出したレンズは必要に応じ、その後アニールする場合もある。
得られたレンズについて、肉厚および面精度の評価をおこなったところ、４つのレンズはすべて、肉厚は公差内であり、面精度もニュートンリングが±２本以内、アスが±０．５本以内と良好であった。
また、同条件でプレスを繰り返し、その際、ガス吹き付けノズルによる浮上皿Ａ，Ｂ，Ｃの下方へのガス吹き付けを、上記条件と同様に行ったところ、上記と同様、毎回、４つのレンズすべて、肉厚、面精度ともに良好であった。
【００３９】
実施例２
上記冷却ガスの吹き付けを、マスフローコントローラを用い、各浮上皿の温度を測定して各浮上皿の温度差が小さくなるようにカスケード制御によりおこなったこと以外は、実施例１と同様にレンズのプレス成形をおこなった。
その結果、４つとも肉厚および面精度ともに良好なレンズが得られた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、成形型とは別に加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することができる。
特に、本発明の方法によれば、気体を用いて浮上させながら並行して加熱軟化させた複数の被成形用ガラス素材を用いるガラス光学素子の製造方法であって、複数の被成形用ガラス素材の粘度が実質的に同一に制御することが可能であり、同時に生産されたガラス光学素子の品質にバラツキのない方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 複数の開口部または保持具が支持部材の長手方向に直列に、一方の端部で支持されて支持部材に配置されている、複数の保持具を設けた支持部材の説明図。
【図２】 実施例で用いた成形装置の説明図。
Claims (13)
- 複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程、
前記所定粘度に調整された複数の被成形ガラス素材を、所定温度に予熱された複数個の成形型に導入する工程、
前記成形型に導入された複数の被成形ガラス素材を、前記複数の成形型でプレス成形することにより複数のガラス光学素子を製造する工程を含む方法であって、
前記複数個の被成形ガラス素材を所定粘度に調整する工程は、
前記複数個の被成形ガラス素材の一括加熱と、前記複数個の被成形ガラス素材間の加熱の状態が近づくように行う各被成形ガラス素材に対する部分的温度調整とを併用することを特徴とするガラス光学素子の製造方法。 - 前記被成形ガラス素材は、前記成形型の予熱温度よりも高い温度に相当する粘度に調整された後、前記予熱された成形型に移送され、移送後、直ちにプレス成形されることを特徴とする請求項1に記載のガラス光学素子の製造方法。
- 前記被成形ガラス素材は１０8ポアズ未満の所望の粘度に相当する温度に粘度調整され、かつ、前記成形型は該被成形ガラス素材が１０8〜１０12.5ポアズの所望の粘度になる温度に予熱される請求項２に記載の製造方法。
- 前記複数個の被成形ガラス素材の一括加熱は、該複数個の被成形ガラス素材が一の支持部材の所定位置に支持された状態で高温雰囲気に置くことにより行い、かつ、該支持部材に対して前記部分的な温度調整を行う請求項1〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記部分的温度調整は、前記支持部材の一ヶ所または複数箇所に気体を吹きつけることにより行う請求項４に記載の製造方法。
- 前記支持部材には、前記所定位置に気流が上方に噴出する開口部が設けられており、各被成形ガラス素材は、前記開口部において該気体を介してそれぞれ支持されている請求項４または５に記載の製造方法。
- 前記支持部材は、前記開口部が直列配置されており、かつ該支持部の直列配置方向における一方または両方の端部において該支持部材の駆動装置に接続されているものである請求項４〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記部分的温度調整により、前記開口部近傍の温度差を１０℃以内に温度調整する請求項６または７に記載の製造方法。
- 前記粘度調整された複数個の被成形ガラス素材は、複数の成形型に同時に移動される請求項２〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記複数の成形型は一つの母型に配置されており、前記予熱は該母型および／または成形型を加熱することにより行う請求項１〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記母型が長尺形状で前記複数の成形型は前記母型の長手方向に一列に配置されており、前記加熱は、母型の周囲に巻回する誘導加熱コイルにより行われる請求項１０に記載の製造方法。
- 前記母型において、各成形型の温度差を小さくするように母型を部分的に温度制御する請求項１０または１１に記載の製造方法。
- 前記複数の成形型は、各成形面の間の温度の差が１０℃以内である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の製造方法。
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