JP4684014B2 - 精密プレス成形用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

Description

本発明は、精密プレス成形用プリフォームの製造方法および前記方法で作製したプリフォームを精密プレス成形する光学素子の製造方法に関する。

非球面レンズなど高精度なガラス製光学素子を高い生産性のもとに量産する技術として精密プレス成形法（モールドオプティクス法）が知られている。精密プレス成形法では、一般にプリフォームと呼ばれる成形体を作製し、このプリフォームを加熱してプレス成形する手法が取られている。

このようなプリフォームを作製する方法としては、熔融ガラスからガラスブロックを成形し、このブロックを所定の寸法に切断して表面を滑らかにするとともに所定の重量にするための研削、研磨を行う方法（冷間加工法という。）と、熔融ガラスからプリフォーム１個分の熔融ガラス塊を分離し、このガラス塊を冷却する過程で直接プリフォームに成形する方法（熱間成形法という）が知られている（特許文献１参照）。

熱間成形法では、高温のガラスが成形型に接触すると、熱伝導により接触部でガラスが局部的に急冷されてカン割れと呼ばれるヒビ割れが生じやすくなる。そこで、成形型上にガスクッションを形成し、熔融ガラスを浮上させながら成形する方法が用いられている（浮上成形法という）。型と熔融ガラスが部分的に接触すると局部的に収縮するので、ガラス表面に凸凹やしわが生じてしまう。また、型と熔融ガラスが融着すると、ガラス表面に融着痕や型材の付着物が付着してしまう。よって表面品質の問題を解決する上でも、浮上成形法は極めて優れた方法である。

熱間成形法は機械加工を必要とせず、熔融ガラスから直接、重量精度の高い表面が滑らかなプリフォームを作ることができるため、冷間加工法よりも生産性に優れるという特長をもつ。その反面、熔融ガラスから直接、全く欠陥のないプリフォームを成形しなければならないため、技術的難易度は冷間加工法よりもはるかに高い。
特開２００３−４０６３２号公報

前述の熱間浮上成形法では、高温の熔融ガラス塊は成形型上で常に浮上状態が保たれていると一般に考えられている。しかし本発明者の検討により、成形型上に熔融ガラス流の先端が落下するときに、ガラスと型が瞬間的に接触する場合が多いことが分かった。ガラスが接触する原因は、落下の勢いがあること、熔融ガラス流の先端は面積が小さく充分な浮力が得られないことと考えられる。但し、多くの場合、熔融ガラスと型が瞬間的に接触したとしても融着は起こらず、そのまま浮上状態に移行する。しかし型材との融着傾向が強いガラスを成形する場合や、限られた個数の成形型でプリフォーム成形のスループットを高めようとしてガラスの流量を増やすと、成形型の温度が上昇してしまうため、上記の瞬間的な接触でも融着が起こることが多い。軽度の融着であれば、融着が外れた後で自然に融着痕が消失し問題ないが、重度の融着が起こると融着痕が残ってしまう。そして融着痕の周りに脈理を生じたり、融着部分でガラス成分が還元され着色することもある。また低粘性の熔融ガラスをキャストする場合は、浮上ガスが融着部から熔融ガラス内に侵入し、キャストしたガラスが発泡することさえある。

融着の起こりやすさは、ガラス組成、流出温度、流出速度、成形型の温度、成形型の表面素材、浮上ガス流量等によって決まる。例えば熔融状態のリン酸塩ガラスは型材との反応性が強く、非常に融着しやすい。また一般に高屈折率なガラスは、液相温度が高いため流出温度が高くなり、かつ高比重であるため非常に融着しやすい。融着を防ぐためには、成形型の温度を低くする方法が有効だが、以下のような成形上の問題を生じる。

流出温度が高いガラスは軟化温度が高いので、キャスト中にも熔融ガラス塊の外周部が固化してくる。外周部が固化するとガラスが広がらないので、大きなガラス塊を成形できなかったり、プリフォームの外径がいびつになったりする。また型温度が低いとヒケが生じ、ガラス形状が型の形状と違ってくるため、良好な浮上状態を保てず、型とガラスが接触しカンが入ることがある。これらの成形上の問題を解決するため、特に比較的大型のプリフォームを成形する場合、成形型はある程度加熱しなければならない。ところが前記のように、融着傾向が強いガラスだと型温度を高くすると融着してしまう。融着の防止手段としては、ガラスと融着しにくい素材で成形型を作製すれば良いが、型がコスト高となり好ましくない。また浮上ガス流量を増やすと融着しにくくはなるが、低粘性のガラスでは熔融ガラスが暴れて脈理が入ったり、ガスクッションが乱れ、かえって融着しやすくなることもある。
以上のような理由から、ガラスの種類や成形の容量等によっては、成形が著しく困難になることが多い。

一方、高温の熔融ガラスからはガラス成分が揮発しており、程度の差はあるが成形型表面に揮発成分が堆積する傾向がある。特に揮発が多いガラスでは、成形型凹面に堆積する揮発物量が多く、熔融ガラスに再付着することがある。揮発物が熔融ガラス表面に融着しているような場合は、洗浄で取れないので精密プレス用プリフォームとして使用できなくなってしまう。

本発明は、成形型を循環して使用する熱間成形において、ガラスと型成形面の融着やガラスの揮発物の付着を防ぎ、安定した生産を可能にするプリフォームの製造方法を提供すること、および、前記方法によりプリフォームを作製し、そのプリフォームを精密プレス成形することにより、高い生産性のもとに光学素子を製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する手段は、以下の通りである。
[１] ノズル流出口から流出する熔融ガラスを成形型にキャストし、前記成形型成形面から噴出するガス（以下、「浮上ガス」という）により、前記熔融ガラスを成形型成形面上で浮上させながらプリフォームに成形し、成形されたプリフォームを成形型から取り出し、前記プリフォームを取り出した成形型に、新たな熔融ガラスをキャストする工程を、複数の成形型を循環移送して繰り返し行う精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
前記成形型へキャストされる熔融ガラスは、前記ノズル流出口から流出する熔融ガラスの先端を支持体によって支持し、次いで、前記支持体を降下するか、または前記支持体による支持を取り除くことによって、前記熔融ガラス先端から分離された熔融ガラス塊であり、
前記プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間に、成形型成形面の少なくとも一部を強制冷却することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[２] 前記支持体は、前記熔融ガラスがキャストされる成形型である、[１]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[３] 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に液体を供給することによって行われ、前記熔融ガラスのキャストは、前記液体を成形型成形面から除去した後に行われる、[１]または[２]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[４] 前記液体の供給は、前記成形型成形面に液体を吹き付けることによって行われる、[３]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[５] 前記液体の供給から新たな熔融ガラスのキャストまでの間、前記成形型成形面から浮上ガスを噴出させる、[３]または[４]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[６] 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に、ガスを吹き付けることによって行われる、[１]または[２]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[７] 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に、前記成形型成形面の温度よりも低温の熱伝導体を接触させることによって行われる、[１]または[２]に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[８] 前記プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間の少なくとも一部において、前記成形型を加熱する、[１]〜[７]のいずれかに記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[９] ガラス製プリフォームを加熱し、精密プレス成形する光学素子の製造方法において、
[１]〜[８]のいずれかに記載の方法によりプリフォームを作製し、作製したプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
[１０] プレス成形型にプリフォームを導入し、前記型とプリフォームを一緒に加熱して精密プレス成形することを特徴とする[９]に記載の光学素子の製造方法。
[１１] プレス成形型に加熱したプリフォームを導入して精密プレス成形することを特徴とする[９]に記載の光学素子の製造方法。

本発明の精密プレス成形用プリフォームの製造方法によれば、ガラスと成形型との熱融着を確実に防止できるので、熔融ガラスを連続流出しながら、プリフォームを安定して製造することができる。
また本発明の光学素子の製造方法によれば、高い生産性のもと安定して供給されるプリフォームを使用できるので、高い生産性のもとに安定して光学素子を量産することができる。

以下、本発明について更に詳細に説明する。

[精密プレス成形用プリフォームの製造方法]
本発明の精密プレス成形用プリフォームの製造方法は、
ノズル流出口から流出する熔融ガラスを成形型にキャストし、前記成形型成形面から噴出するガス（浮上ガス）により、前記熔融ガラスを成形型成形面上で浮上させながらプリフォームに成形し、成形されたプリフォームを成形型から取り出し、前記プリフォームを取り出した成形型に、新たな熔融ガラスをキャストする工程を、複数の成形型を循環移送して繰り返し行う精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
前記プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間に、成形型成形面の少なくとも一部を強制冷却することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法
である。

前記方法を実施するためには、まず清澄、均質化された熔融ガラスを用意する。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（例えば白金または白金合金製）を通ってノズル流出口へと導かれる。パイプおよびノズルを所定の温度に加熱することにより、ノズル流出口から単位時間に流出する熔融ガラスの量（引上げ量という。）を一定に保つことができる。ノズル流出口から流出する熔融ガラスから、所定重量の熔融ガラスを分離する。熔融ガラスの分離方法については後述する。

次いで、ノズル流出口から流出する熔融ガラスから分離された熔融ガラス塊または熔融ガラス滴を、成形型にキャストし、成形型上でプリフォームに成形する。成形は、成形型の成形面からガス（浮上ガス）を噴出してガラスに上向きの風圧を加えることにより、熔融ガラスを成形型成形面上で浮上させながら行う（浮上成形という）。成形されたプリフォームは成形型から取り出される。プリフォームが取り出された成形型には、新たな熔融ガラスがキャストされ、上記工程が繰り返される。本発明では、以上の工程を、複数の成形型を循環移送して繰り返し行う。

前記成形型としては、凹部を備え、前記凹部に複数のガス噴出口を設けた成形型を用いることができる。具体的には凹部に多数の細孔を形成して各孔から浮上ガスを噴出するようにしたものや、凹部を多孔質材料で形成し、多孔質材料を通して浮上ガスを凹部全体から噴出するようにしたものを例示できる。

本発明の一形態によれば、複数個の成形型をターンテーブル上にテーブルの回転軸を中心とした円周上に等間隔に配置し、前記テーブルを一方向にインデックス回転することにより、成形型を順番にガラスをキャストする位置（キャスト位置という。）に移送する。キャスト終了後、テーブルをインデックス回転し、ガラスを載せた成形型をキャスト位置から搬出するとともに、キャスト前の空の成形型をキャスト位置へ移送する。このような操作を繰り返し行うことで、移動する成形型上で、ガラスは冷却されながらプリフォームに成形され、ガラスの温度がガラス転移温度付近またはガラス転移温度よりも低くなった時に成形型から取り出される（テイクアウトという）。テイクアウトされたプリフォームは徐冷後、後工程に供すことができる。一方、テイクアウト後に空になった成形型は、キャスト位置へと再び移送される。このようにしてターンテーブル上に配置された複数の成形型は、一方向にターンテーブルをインデックス回転することにより、周回軌道に沿って移送される。

強制冷却
本発明では、前述のプリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間に、成形型成形面の少なくとも一部を強制冷却する。前記したように、浮上成形ではガラスと成形型とが常時非接触状態に保たれているとは限らない。特に、ガラス流が成形型に落下するキャスト開始直後では、ガラス流の先端が型成形面中央に接触し融着することが非常に多い。その他にも、キャスト終了後に成形型がインデックス回転する時、回転の慣性力で型とガラスが接触する危険性がある。つまり融着はガラスの温度が最も高く、落下の勢いでガラスが型に接触しやすいキャスト開始時に生じることが殆どである。当然ながら、融着発生部位は型成形面の中央部が圧倒的に多い。

本発明では、キャスト前の成形型の成形面の少なくとも一部を強制冷却することにより、キャストされたガラスとの融着が起きない温度に調整した成形面にガラスをキャストすることができる。ここで、強制冷却とは、例えば、型の成形面（例えば成形面中心部）温度を、２０秒以内に２０℃以上、好ましくは３０〜７０℃降温させることをいう。前記強制冷却される成形型表面は、熔融ガラスを受ける成形面とすることが好ましく、特に融着しやすい成形面の中央部を狙って冷却を行うことが好ましい。

前記強制冷却は、キャスト時に融着が起こらないように成形面温度を降温する工程であり、強制冷却の程度は、型材や型温度、硝種や熔融ガラスの温度等に応じて適宜調整することが好ましい。本発明では、例えば、強制冷却終了後、成形面中央部の温度が、２００〜３５０℃程度になるように強制冷却を行うことができる。成形型表面の温度は、例えば、放射温度計や接触温度計によってモニターすることができる。

前記強制冷却は、成形型表面の少なくとも一部に液体を供給することによって行うことができる。液体は、気体より熱容量が大きく、成形型の熱で液体が蒸発する際に成形型から蒸発熱を奪うため、非常に冷却効率が良い。使用する液体としては水、アルコールなどを例示できる。冷却効率が高くしかも簡便で取り扱いが容易な点で、水の使用が好ましい。供給する液体を、例えば室温以下に冷却し、温度制御することもできる。供給する液体の量は、液体の種類、型温度、型の大きさ、使用するガラスの組成等に応じて適宜設定することができる。

液体の供給方法としては、（１）成形型成形面へ液体を吹き付ける方法、（２）成形型成形面へ液体を滴下する方法、を用いることができる。方法（１）は、液体を成形型成形面全域へ供給する際に特に有効である。

成形型表面の液体を供給する部位は、熔融ガラスを受ける成形面であり、特に融着しやすい成形面の中央部を狙って液体を供給することが望ましい。なお成形面全体を冷却するには、成形面の中心に霧状に噴霧することが最も好ましい。但し、先に記載したように、融着は成形面中央部で起こりやすいので、成形面中央に集中して液体を吹きかけるか、または滴下しても充分な融着防止効果を得ることができる。

前述のように液体の供給により強制冷却を行う場合には、高温のガラスと液体または液体蒸気が反応し、ガラス表面に液じみが残ることがないように、キャスト前に成形面を乾燥状態とすることが好ましい。そのため、液体の供給により強制冷却を行う場合には、成形型への熔融ガラスのキャストは、供給された液体を成形型成形面から除去した後に行う必要がある。液体の除去は、液体の供給から新たな熔融ガラスのキャストまでの間に、成形型成形面から浮上ガスを噴出させることにより行うことができる。また、浮上ガスとは別途に成形型表面にガスを吹き付けて液体を除去したり、成形型表面の液体を吸引装置によって吸い取ることも可能である。また、これら方法の２つ以上を併用することもできる。なお、成形型が十分に高温の場合には、供給した液体の一部または全部が蒸発することがある。この場合には、蒸発後に成形型表面に固形物が残らないよう純度の高い液体を使用することが好ましく、例えば水を使用する場合には、純水を用いることが好ましい。また、表面に多孔質部材を含む成形型を用いることにより、液体の蒸発時間の短縮化が可能である。なお、液体が除去されたことは、目視により容易に判定可能である。

前述のように液体の供給および除去を行うことは、成形型成形面に付着するガラスからの揮発物を除去する上でも有効である。ガラスからの揮発物として代表的なものは、Ｂ₂Ｏ₃や、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏなどのアルカリ成分であるが、これらはいずれも液体、特に水に溶けやすいので、液体とともに成形型成形面から容易に除去することができる。したがって、本発明は、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃を含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてアルカリ金属を含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃およびアルカリ金属を含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＬｉ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃およびＬｉ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＬｉ₂ＯおよびＮａ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＬｉ₂ＯおよびＫ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＬｉ₂Ｏ、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂ＯおよびＮａ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂ＯおよびＫ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォーム、ガラス成分としてＢ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏを含むガラスからなるプリフォームの各プリフォームの製造に好適である。

また、本発明では、前記強制冷却を、成形型成形面の少なくとも一部にガス（以下、風冷ガスという。）を吹き付けることによって行うこともできる。風冷ガスとしては、安全で冷却能力があるガスであれば、種類は限定されない。風冷ガスとしては、安価なことから、空気、窒素、酸素、炭酸ガスを使用することが好ましく、また、油分やダストを含まないものが好ましい。冷却能力を向上させるため、室温以下に冷却したガスを用いることもできる。

例えば、前述のようにインデックス回転するターンテーブルを用いる場合には、以下の方法により風冷ガスを用いて強制冷却を行うことができる。まず、プリフォームの取り出し位置とキャスト位置との間のターンテーブル上方に風冷ガス用ノズルを配置する。風冷ガス用ノズルの下方に成形型が移送されてきた際に、このノズルから成形型上へ風冷ガスを吹き付けることにより、強制冷却を行うことができる。風冷ガス吹き付けの際に、成形型成形面から浮上ガスが噴出している場合には、冷却効率を高めるため、風冷ガスの圧力は、浮上ガスの圧力より高圧に設定することが好ましい。風冷ガスの吹き付け時間は、風冷ガスの温度、型温度、使用するガラスの組成等に応じて適宜設定することができ、例えば３〜３０秒程度とすることができる。

また、本発明では、成形型表面の少なくとも一部に、成形型表面の温度よりも低温の熱伝導体を接触させることにより、前記強制冷却を行うこともできる。前記熱伝導体としては、例えば、アルミニウム、銅、真鍮、鉄のような熱伝導率の高い金属のほか、ステンレス等の一般的な金属が使用可能である。また、型との接触で摩耗しプリフォームに摩耗粉が付着することを防ぐため、必要に応じ耐摩耗コーティングを施してもよい。また、接触のショックを緩和するため、バネ圧を介して熱伝導体を接触させる方法を用いることが好ましい。耐摩耗コーティイングとしては、クロムコート、窒化物コート等を例示できる。前記熱伝導体の温度は、成形型表面の温度よりも低温であればよく、例えば、２０〜８０℃とすることができる。また、冷却効率を高めるためには、熱伝導体内部に水冷機構を設けることが望ましい。その他、熱伝導率を高める目的でヒートパイプ構造を導入してもよい。

前記熱伝導体は、例えば棒状体であることができ、その先端を成形型表面の少なくとも一部に接触させることにより強制冷却を行うことができる。棒状体の先端は、成形面の窪みと略係合する寸法に球面研磨加工することが好ましい。これにより、冷却効率を高めることができる。

例えば、前述のようにインデックス回転するターンテーブルを用いる場合には、プリフォームの取り出し位置とキャスト位置との間のターンテーブル上方に前記熱伝導体を配置し、その下方に成形型が移送されてきた際に、熱伝導体を降下させて成形型と接触させることにより、強制冷却を行うことができる。接触時間は、熱伝導体の種類および温度、型温度、使用するガラスの組成や成形容量、キャスト時間等に応じて適宜設定することができ、例えば、３〜３０秒程度とすることができる。

以上、強制冷却法として、（１）液体を供給する方法、（２）風冷ガスを使用する方法、（３）熱伝導体を使用する方法を説明したが、本発明では、これら方法の２つ以上を組み合わせて使用することももちろん可能である。

熔融ガラスの分離
次に、ノズル流出口から流出する熔融ガラスから熔融ガラス塊または熔融ガラス滴を分離する方法について説明する。
第１の分離方法（参考態様）は、ノズル流出口から熔融ガラスを滴下して、所望重量のガラス滴を得る方法（滴下法という）である。滴下法にはノズル流出口から熔融ガラスを自然滴下する方法（自然滴下法という）と、ノズル流出口先端のガラスに風圧を加えて滴下する方法がある。自然滴下法では、ノズル流出口先端のガラスに働く重力がガラスの表面張力によりノズル流出口先端にガラスが留まろうとする力よりも大きくなったときに滴下がおきる。風圧を加えて滴下する方法では、ガラスに加わる下向きの力として、重力に加え風圧による力が加わるため、同じガラスを同じ粘度で同じノズルより滴下したとしても、より重量の小さいガラス滴を得ることができる。

ガラス滴は直接成形型で受けてもよいし、型とは別の部材で受けた後に成形型に移してもよい。第１の分離方法におけるキャストは前述のように行われるが、本発明の方法は、ガラス滴を直接成形型で受ける場合に適している。ノズル流出口から滴下したガラスを直接成形型で受ける場合、ガラスは高温状態にあるため、成形型との融着が生じやすいが、キャスト前に成形型を強制冷却することにより確実に融着を防止することができる。

第２の分離方法は、滴下法よりも大きな重量のガラスの分離に適した方法である。この方法では、ノズル流出口から流出する熔融ガラス流の先端部を支持体で支持して熔融ガラス流を分離しない状態で支持体上にガラスを溜め、所定のタイミングで支持体を急降下（降下切断法という。）するか、支持体による支持を取り除いて、支持体上に溜められたガラスを熔融ガラス流から熔融ガラス塊を分離する。例えば、幅方向に分割可能な割部材からなる支持体を用い、熔融ガラス流先端を受けた後に割部材を分割することにより、支持体による支持を取り除くことができる。熔融ガラス流の先端部を支持することにより、熔融ガラス流の先端部とノズル側の間にくびれが生じ、上記操作によって、切断刃を使用せずにガラスの表面張力によってくびれた部分でガラスの分離が起きる。支持体による支持がない状態では、自然滴下する重量でガラスの分離が起きるが、熔融ガラス流先端を支持することにより、より重量の大きなガラスを分離することができる。上記タイミングや熔融ガラス流を支持し分離する際のノズル先端と支持体の距離を常に一定にすることにより、一定重量のガラスを分離することができる。
なお、上記支持体としては、熔融ガラスがキャストされる成形型を使用しても、成形型とは別の専用の支持体を使用してもよい。本発明によれば、成形型は強制冷却されているので、成形型を支持体に使用しても、ガラスとの融着の問題を回避することができる。また、熔融ガラスとの融着を防ぐため、水冷機構を有する支持体を使用することもできる。

自然滴下によって得られるガラスよりも大きな重量のガラスをキャストする場合、より多くの熱量がキャストされたガラスから成形型に供給される。その結果、循環使用する際に成形型の温度が過度に上昇しやすい。またガラスの重量が大きいので、キャスト時の勢いでガラスが成形型と接触しやすい。このような理由から上記の場合は、ガラスと型の融着の危険性が増大するが、本発明によれば、キャスト開始前に成形型表面の温度を融着しない温度にまで降温することができるので、大きな重量のプリフォームを融着することなく安定して生産することができる。

以上説明した第１、第２のいずれの分離方法においても、単位時間あたりのガラス流出量を一定に保ち、ガラスの分離の時間間隔を一定にすれば等重量のガラスを分離することができる。また、両方法とも、機械切断法と異なり、シアマークと呼ばれる切断痕ができないため、平滑な表面のプリフォームを成形することができる。

本発明では、強制冷却により、キャスト開始時は、融着しない温度まで型成形面温度が冷却されている。他方、ガラスの均一な広がりを阻害せずに成形を行うためには、キャスト開始後は速やかに成形型表面の温度を所定温度に昇温することが好ましい。そのためには、プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間の少なくとも一部において、またはその間継続して、成形型を加熱することが好ましい。前述の強制冷却は型の成形面に対して行われるため、成形面以外の型本体部はあまり温度が低下しない。よって、強制冷却終了後は型本体部からの熱伝導で型成形面が再加熱され、徐々に成形面の温度が上昇する。但し、キャスト開始時での型成形面の温度は、融着が起こる温度まで達しないよう強制冷却の強さを調整する。またキャスト開始後は熔融ガラスからの熱伝導により成形面の温度は急速に上昇する。これにより、キャスト初期は融着しない温度とし、キャスト中にガラスの均一な広がりを阻害しない程度まで温度を急上昇させることが可能となる。キャスト後は、割れが生じない程度に型を加熱しつつ熔融ガラスを上から風冷し、テイクアウトが可能な温度までガラスを冷却する。

前述のように、成形型の強制冷却は型の成形面に対して行われるため、強制冷却終了後は成形面温度が早期に回復する。キャスト開始時において、融着しない温度まで型温度が下がっていれば、その後は自然に型温度が上昇するため、キャスト時の均一なガラスの伸びを阻害することもない。つまり、前記強制冷却では、局部的な温度低下と早期の温度回復が実現できる。よって、成形型の加熱は、常時一定のパワーで行っても良い。本発明では、成形型本体部の温度を、例えば、２００〜４００℃程度に維持することができる。もちろんキャストからテイクアウトまでの過程で成形型の温度を最適化する方法も使用できる。 但し、回転テーブル上での位置により成形型の温度を変化させるには、装置が複雑化しコスト高になりやすい。またキャストからテイクアウトまでの時間が１０〜３０秒程度の高効率な成形システムでは、温度を正解に制御することが困難となる場合がある。よってこのような高効率成形では、キャスト直前に成形型の成形面を強制冷却する本発明の方法が特に有効である。

一方、成形型の温度を熱電対で常時モニターし、キャストからテイクアウトまでの段階に応じ型温度を制御する方法が知られている（例えば、特許第２７９８２０８号）。
しかしながら成形型は熱容量が大きいので、テイクアウトしてからキャスト開始までの短い時間に、ヒーターを断電したとしても型温度を下げることはできない場合が多い。特に高能率でキャストを繰り返す場合は、テイクアウトからキャストまでに１０秒程度しか取れないので、型温度を下げることが非常に難しくなる。また仮に型温度が下がったとしても、成形面だけでなく型全体の温度が下がってしまうので、キャスト後の加熱速度が遅くなってしまう。これに対し本発明では、成形面の表層部の、しかも成形面中央を狙って冷却できるため、キャスト後の温度回復が早いという利点がある。

なお、本発明によれば成形型の温度をキャスト、浮上成形、テイクアウトに適した温度に自然に変化させることができるので、単位時間あたりに成形されるプリフォームの個数を例えば２０個／分以上に増加させることができ、循環使用する成形型も１０〜１８個と少ない数で対応することができる。成形型は高価であるため、必要以上の数を用いるとコストの面で問題となり、また、調整にも手間がかかる。また全成形型の重量も大きくなるため、成形型の移送機構にも大きな負担がかかり、テーブルを高速に回転しにくくなる。本発明によれば上記問題を解消することができる。

[光学素子の製造方法]
本発明の光学素子の製造方法は、ガラス製プリフォームを加熱し、精密プレス成形する光学素子の製造方法において、本発明の精密プレス成形用プリフォームの製造方法により作製したプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法である。
精密プレス成形自体はモールドオプティクス成形法とも呼ばれる周知の方法である。光学素子の光線を透過したり、屈折させたり、回折させたり、反射させたりする面を光学機能面と呼ぶ。例えばレンズを例にとると非球面レンズの非球面や球面レンズの球面などのレンズ面が光学機能面に相当する。精密プレス成形法はプレス成形型の成形面を精密にガラスに転写することにより、プレス成形で光学機能面を形成する方法である。つまり光学機能面を仕上げるために研削や研磨などの機械加工を加える必要がない。

本発明によれば、球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズなどの各種のレンズ、回折格子、回折格子付のレンズ、レンズアレイ、プリズムなどの各種光学素子、用途としてはデジタルカメラやフィルム内蔵カメラの撮像光学系を構成するレンズ、カメラ付携帯電話搭載の撮像レンズ、ＣＤやＤＶＤをはじめとする光記録式媒体のデータ読取および／またはデータ書込み用に使用する光線を導光するためのレンズなど各種光学素子を作製することができる。
なお、これら光学素子には必要に応じて、反射防止膜、全反射膜、部分反射膜、分光特性を有する膜などの光学薄膜を設けることもできる。

精密プレス成形法に使用するプレス成形型としては公知のもの、例えば炭化珪素、超硬材料などの型材の成形面に離型膜を設けたものを例示でき、炭化珪素製のプレス成形型が好ましい。離型膜としては炭素含有膜、貴金属合金膜などを使用することができ、耐久性、コストの面などから炭素含有膜が好ましい。

精密プレス成形法では、プレス成形型の成形面を良好な状態に保つため成形時の雰囲気を非酸化性ガスにすることが望ましい。非酸化性ガスとしては窒素、窒素と水素の混合ガスなどが好ましい。
プレス圧力は適宜調整すればよいが、５０〜１５０ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲を目安にすることができる。また、プレス時間も適宜調整すればよいが、１０〜３００秒の範囲を目安にすることができる。

次に本発明の光学素子の製造方法に特に好適な精密プレス成形法について説明する。
（精密プレス成形法１）
この方法は、プレス成形型に前記プリフォームを導入し、前記成形型とプリフォームを一緒に加熱し、精密プレス成形するというものである。以下、この方法を、精密プレス成形法１という。
精密プレス成形法１において、プレス成形型と前記プリフォームの温度をともに、プリフォームを構成するガラスが１０⁶〜１０¹²ｄＰａ・ｓの粘度を示す温度に加熱して精密プレス成形を行うことが好ましい。また前記ガラスが１０¹²ｄＰａ・ｓ以上、より好ましくは１０¹⁴ｄＰａ・ｓ以上、さらに好ましくは１０¹⁶ｄＰａ・ｓ以上の粘度を示す温度にまで冷却してから精密プレス成形品をプレス成形型から取り出すことが望ましい。
上記の条件により、プレス成形型成形面の形状をガラスにより精密に転写することができるとともに、精密プレス成形品を変形することなく取り出すこともできる。

（精密プレス成形法２）
この方法は、前記プリフォームを加熱（予熱）した後に、プレス成形型に導入し、精密プレス成形する、すなわち、プレス成形型とプリフォームを別々に予熱し、予熱したプリフォームをプレス成形型に導入して精密プレス成形するというものである。以下、この方法を、精密プレス成形法２という。
この方法によれば、前記プリフォームをプレス成形型に導入する前に予め加熱するので、サイクルタイムを短縮化しつつ、表面欠陥のない良好な面精度の光学素子を製造することができる。なおプレス成形型の予熱温度をプリフォームの予熱温度よりも低く設定することが好ましい。このようにプレス成形型の予熱温度を低くすることにより、前記型の消耗を低減することができる。また、プリフォーム加熱をプレス成形型内で行う必要がないので、使用するプレス成形型の数を少なくすることもできる。
精密プレス成形法２において、前記プリフォームを構成するガラスが１０⁹ｄＰａ・ｓ以下、より好ましくは１０⁹ｄＰａ・ｓの粘度を示す温度に予熱することが好ましい。また、前記プリフォームを浮上しながら予熱することが好ましく、さらに前記プリフォームを構成するガラスが１０^5.5〜１０⁹ｄＰａ・ｓ、より好ましくは１０^5.5ｄＰａ・ｓ以上１０⁹ｄＰａ・ｓ未満の粘度を示す温度に予熱することがさらに好ましい。またプレス開始と同時またはプレスの途中からガラスの冷却を開始することが好ましい。なおプレス成形型の温度は、前記プリフォームの予熱温度よりも低い温度に調温させるが、前記ガラスが１０⁹〜１０¹²ｄＰａ・ｓの粘度を示す温度を目安にすればよい。この方法において、プレス成形後、前記ガラスの粘度が１０¹²ｄＰａ・ｓ以上にまで冷却してから離型することが好ましい。

精密プレス成形された光学素子はプレス成形型より取り出され、必要に応じて徐冷される。また、レンズを成形した場合には、心取り加工を行ってもよい。また、必要に応じて表面に光学薄膜をコートしてもよい。
本発明によれば、高い生産性のもとに作製したプリフォームを、高い生産性のもとに光学素子を製造することができる精密プレス成形法に適用することにより、ガラスの生産から光学素子の生産までを効率よく行うことができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

[実施例１]
ｎｄ：１．８４６８、νｄ：２３．５でＰ₂Ｏ₅、Ｒ₂Ｏ（Ｒ：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ）、Ｎｂ₂Ｏ₅を主成分とするガラスのカレットを白金ルツボ中に投入し１０００℃で溶解後、１１００℃で脱泡清澄、撹拌均質化して熔融ガラスを得た。この熔融ガラスをルツボ底部に結合し温度制御された白金パイプを通じ９００℃の白金合金製流出ノズル（先端部外径：φ６．０ｍｍ、中心穴径：１．１ｍｍ）から１．２１ｋｇ／時の流出速度で連続流出させた。
一方、図１のように、回転テーブルの外周上に１２個の成形型を均等に配置した。なお成形型の成形面には多孔質材料を凹面に加工した部品をはめこみ、成形面側に向かい０．３リットル／分の窒素ガスを噴出させた。また成形型本体部にはヒーターを装着し、型本体部を３１０℃に加熱した。

ガラスの成形時には、流出口直下にある成形型を６０ｍｍ程度上昇させた状態で熔融ガラス流の先端を成形型に受けて型内に熔融ガラスをキャストした。成形型上に所定重量の熔融ガラスが溜まった時点で成形型を急降下させ、熔融ガラス流を切断して成形型上に熔融ガラス塊を得た。次に、回転テーブルをインデックス回転させ、成形型を流出口直下から退避させるとともに、隣の空の成形型をノズル直下に移動させ、再び成形型上に熔融ガラスをキャストした。本操作を繰り返し、５．１秒間隔で成形型上に次々と４３０ｍｍ³の熔融ガラスをキャストした。切断分離した熔融ガラス塊は、成形型の成形面から噴き出す浮上ガスで略浮上状態とし、また熔融ガラスの上面を風冷しながら徐々に冷却した。上記のインデックス回転を９回行うと、ガラスはテイクアウトが可能な温度まで低下するので、真空吸引可能なロボットハンドでガラス塊を吸引し廃棄した。このガラス塊の成形面側中央には、型との融着による棘状の出っぱりが観察された。

次に、空になった成形型をテイクアウト位置から３０°インデックス回転させた位置で型成形面を強制冷却した。強制冷却は、スプレー装置で霧状にした純水を成形面の中央部に４秒間噴霧することにより行った。噴霧した純水は成形面から噴き出す窒素と型の熱で瞬時に蒸発し、成形型の成形面は乾いた状態となった。この強制冷却により、成形面温度はキャスト直前で５４℃低下した。このようにして強制冷却した成形型を流出口直下に搬送し、前記した方法で次々に熔融ガラスをキャストした。同様に成形型上で冷却しながらテイクアウト位置まで搬送し、ロボットハンドでガラス塊を吸引し専用トレイに配列した。得られたプリフォームの表面には融着痕がなく表面品質は良好であった。また１０時間の連続成形後も、プリフォームの表面品質に変化はなかった。

[実施例２]
成形型のみを以下のようなものに変更し、実施例１と同様の方法でプリフォームを成形した。成形型の成形面の窪みの形状は実施例１と同様であるが、窪みがステンレスからなり、中心に０．３ｍｍ程度のガス噴出穴を衛星状（シャワーの穴状）に配置させた。この穴から窒素ガスを０．０４リットル／分噴出させ、型本体をヒーターで３１０℃に加熱した。また同様にテイクアウト後に４秒間の純水を噴霧した。この強制冷却により、成形面温度はキャスト直前で５２℃低下した。このような成形型を使用した場合には、実施例１のように純水が瞬時に蒸発することはなかった。そこで純水を噴霧後に、成形型の上から吸引機を被せ、残存する純水を吸引して除去した。本操作により、成形型の成形面は乾いた状態となった。

本操作を繰り返し、５．１秒間隔で次々に４３０ｍｍ³のプリフォームを成形した。得られたプリフォームには融着痕がなく、表面品質は良好であった。また成形型上に残存する純水に圧縮窒素を吹きつけて乾燥させた場合でも、プリフォームには融着痕がなく、表面品質は良好であった。また１０時間の連続成形後も、プリフォームの表面品質に変化はなかった。

[実施例３]
実施例１の強制冷却の方法のみを変えて同様に４３０ｍｍ³のプリフォームを成形した。まず先端を７Ｒに球面研磨加工したφ１１ｍｍのアルミニウムの棒（長さ：８０ｍｍ）を用意し、棒内部にφ６ｍｍの水路を形成した。本水路には球面加工側先端から１５ｍｍの位置に冷却水の入口があり、６５ｍｍの位置に冷却水の出口がある。また球面加工した棒の先端は、成形型の窪みの中心アール（７Ｒ）にぴったり係合する寸法となっている。上記の水冷機構付きの棒を上下動可能なシリンダー付き台に装着し、図１のテイクアウト位置から６０°インデックス回転した成形型の位置（キャスト位置の左隣）の真上（型との距離：２０ｍｍ）に配置した。また、棒の内部には２０Ｌ／分の流量で冷却水を流した。

プリフォームの成形中は、棒の下に成形型が移動してから０．３秒後に水冷棒を下降させ、棒の先端を成形型の窪み中央に４秒間接触させた。この接触により、成形型の成形面温度はキャスト直前で４８℃低下した。その後で棒を上昇させ、成形型をキャスト位置に移動し、成形型上に熔融ガラスをキャストした。本操作を繰り返し、５．１秒間隔で次々と４３０ｍｍ³の熔融ガラスをキャストしプリフォームを成形した。得られたプリフォームの表面には融着痕がなく表面品質は良好であった。また１０時間の連続成形後も、プリフォームの表面品質に変化はなかった。

[実施例４]
実施例１の強制冷却の方法のみを変えて同様に４３０ｍｍ³のプリフォームを成形した。図１の２カ所の強制冷却位置にある成形型の真上（型上端から１ｍｍ）に窒素ガスを吹きつけるための風冷ノズル（内径φ０．８ｍｍ）を配置した。吹きつけるガスの圧力は、成形型の成形面から噴き出すガスの圧力（０．１ＭＰａ）より高圧（０．３ＭＰａ）とした。

プリフォーム成形中は、第１の風冷ノズルの下に成形型が移動した直後から８０Ｌ／分の窒素ガスを５秒間吹きつけた。風冷の停止後に成形型を３０°インデックス回転し、第２の風冷ノズルで再び８０Ｌ／分の風冷ガスを５秒間流し成形型の成形面を風冷した。この２カ所での風冷により、成形型の成形面温度はキャスト直前で４４℃低下した。風冷ノズルを成形型の窪みに接近させることで気流は型の上方に流れるため、成形面以外の温度は殆ど変化がなかった。本冷却を行った後で成形型をキャスト位置に運び、５．１秒間隔で次々と４３０ｍｍ³の熔融ガラスをキャストしプリフォームを成形した。得られたプリフォームの表面には融着痕がなく表面品質は良好であった。また１０時間の連続成形後も、プリフォームの表面品質に変化はなかった。

[実施例５]
まず実施例１の流出ノズルより内径を０．１ｍｍ太いノズル（先端部外径：φ６．０ｍｍ、中心穴径：１．２ｍｍ）を使用し、１．３６ｋｇ／ｈｒの流出速度で連続流出させた（ノズル以外の条件は全て実施例１と同様）。また図２のように、流出口の直下にガラス流を切断するための支持体を配置し、その下に実施例１と同じ成形型を配置した。図２のように支持体は２枚の平板を突き合わせた形状をしており、熔融ガラスを受ける部分に窪みが形成されている。熔融ガラスを受ける窪み部分は多孔質材料からなり、窪んだ全面から均一に窒素ガスを噴き出すことができる。また熔融ガラスとの融着を防ぐため、平板内には水路を設け、１０Ｌ／分の冷却水を流した。２枚の支持体を突き合わせた状態で、ノズルから流出する熔融ガラス流を受け、所定時間後に支持体を５０ｍｍ降下させて支持体上に４３０ｍｍ³の熔融ガラス塊を得た。次に、支持体を離間させ、熔融ガラス塊を成形型に落下させ挿入した。本操作を４．６秒間隔で繰り返し、支持体から次々に成形型に熔融ガラス塊を配給した。なお、支持体に窒素ガスを流すタイミングや支持体を離間させるタイミングは、プリフォームの品質をチェックしながら最適化した。また強制冷却位置での冷却は、実施例１と同様に４秒間の純水吹きつけで行った。得られたプリフォームの表面には融着痕がなく表面品質は良好であった。また１０時間の連続成形後も、プリフォームの表面品質に変化はなかった。一方、強制冷却を行わない場合、熔融ガラスを成形型に落下挿入する際に成形面で融着が起こり、成形後のプリフォーム表面に複数の融着痕が観察された。

[比較例１]
強制冷却を行わない以外は、実施例２と同様な方法でプリフォームを成形した。得られたプルフォームには中央と外周部に融着痕があり、形状と表面品質が非常に悪かった。また３時間程度連続成形したところ、プリフォームの外周部に揮発物の汚れが融着しはじめ、洗浄しても除去できなかった。

[実施例６]
上記各実施例で得られたプリフォームを加熱し、図３に示すプレス装置を用い、精密プレス成形（非球面精密プレス）することにより非球面レンズを得た。精密プレス成形の詳細は次の通りである。上記プリフォームを、非球面形状を有するＳｉＣ製の下型２および上型１の間に静置した後、石英管１１内を窒素雰囲気としてヒーター１２に通電して石英管１１内を加熱した。成形金型内部の温度をガラスの屈伏点＋２０〜６０℃となる温度に設定し、同温度を維持しつつ、押し棒１３を降下させて上型１を押してプレス成形型内のプリフォームを精密プレス成形した。成形圧力８ＭＰａ、成形時間３０秒とし、プレス後、成形圧力を減少させて成形された弗燐酸塩ガラス製の非球面レンズを下型２および上型１と接触させたままの状態でガラス転移温度−３０℃の温度までに徐冷し、次いで室温まで急冷した。その後、非球面レンズをプレス成形型から取り出し、形状の測定および外観検査を行った。得られた非球面レンズは、きわめて精度の高いレンズであった。このレンズを観察したところ、使用したプリフォーム同様、高品質なレンズであることが確かめられた。なお、プリフォーム表面には全表面に離型膜を設けることが好ましい。離型膜としては炭素膜や自己組織化膜などを例示することができる。
プレス成形型に予熱された上記プリフォームを導入し、精密プレス成形する方法でも高品質、高精度な弗燐酸塩ガラスからなる非球面レンズを成形することができた。
なお、プリフォームの形状、寸法は作製しようとする精密プレス成形品の形状等により適宜、決めればよい。

上記実施例では非球面レンズを成形したが、最終製品の形状に合わせたプレス成形型を用いることにより、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、平凸レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、両凹レンズなどの各種非球面レンズもしくは各種球面レンズ、またはプリズム、ポリゴンミラー、回折格子などの光学素子を作製することもできる。
なお、得られ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あるいは高反射膜などの光学多層膜を形成することもできる。

本発明によれば、熔融ガラスから高品質のプレス成形用プリフォームおよび光学素子を高い生産性のもとに量産することができる。

実施例において使用した回転テーブルの概略図である。 実施例５において使用した支持体の概略図である。 実施例６において使用したプレス装置の概略図である。

Claims (11)

1. ノズル流出口から流出する熔融ガラスを成形型にキャストし、前記成形型成形面から噴出するガス（以下、「浮上ガス」という）により、前記熔融ガラスを成形型成形面上で浮上させながらプリフォームに成形し、成形されたプリフォームを成形型から取り出し、前記プリフォームを取り出した成形型に、新たな熔融ガラスをキャストする工程を、複数の成形型を循環移送して繰り返し行う精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
   前記成形型へキャストされる熔融ガラスは、前記ノズル流出口から流出する熔融ガラスの先端を支持体によって支持し、次いで、前記支持体を降下するか、または前記支持体による支持を取り除くことによって、前記熔融ガラス先端から分離された熔融ガラス塊であり、
   前記プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間に、成形型成形面の少なくとも一部を強制冷却することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
2. 前記支持体は、前記熔融ガラスがキャストされる成形型である、請求項１に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
3. 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に液体を供給することによって行われ、前記熔融ガラスのキャストは、前記液体を成形型成形面から除去した後に行われる、請求項１または２に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
4. 前記液体の供給は、前記成形型成形面に液体を吹き付けることによって行われる、請求項３に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
5. 前記液体の供給から新たな熔融ガラスのキャストまでの間、前記成形型成形面から浮上ガスを噴出させる、請求項３または４に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
6. 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に、ガスを吹き付けることによって行われる、請求項１または２のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
7. 前記強制冷却は、前記成形型成形面の少なくとも一部に、前記成形型成形面の温度よりも低温の熱伝導体を接触させることによって行われる、請求項１または２に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
8. 前記プリフォームの取り出しから新たな熔融ガラスのキャストまでの間の少なくとも一部において、前記成形型を加熱する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
9. ガラス製プリフォームを加熱し、精密プレス成形する光学素子の製造方法において、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法によりプリフォームを作製し、作製したプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
10. プレス成形型にプリフォームを導入し、前記型とプリフォームを一緒に加熱して精密プレス成形することを特徴とする請求項９に記載の光学素子の製造方法。
11. プレス成形型に加熱したプリフォームを導入して精密プレス成形することを特徴とする請求項９に記載の光学素子の製造方法。

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