JP5202610B2 - 精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法及び光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
光学素子の精密プレス成形法は、ガラス素材に対する研削・研磨等を行わず、熔融ガラス塊からゴブ(プリフォーム)を熱間成形し、冷却する過程でゴブ表面の曲率を所定の値に形成・制御し、そのゴブをプレス成形することによりレンズ等の最終製品に形成する方法であり、高精度の光学素子を大量に製造することが可能となる。このため、例えば非球面レンズ等の高精度な加工・形状が要求される光学素子に好適に用いられている。
浮上成形法では、複数の成形型をターンテーブル上に載置し、ターンテーブルを回転させることによって、熔融ガラス塊が供給される所定の供給位置(キャスト位置)に成形型を順次移送し、ノズルから流下する熔融ガラス塊を各成形型で受けて、型内で所定曲率を有するゴブ(プリフォーム)を順次成形していく。
成形されたゴブは、ターンテーブルにより搬送されて、取り出し位置となる所定のテイクアウト位置にて成形型から順次取り出され、次工程であるプレス成形工程に搬送される。ゴブが取り出された成形型は、再びターンテーブルの回転により熔融ガラス塊が流出するキャスト位置に移送され、これにより連続的に熔融ガラス塊からゴブが成形される。
このように熔融ガラス塊を、ガスクッションを介して浮上させて成形型と熔融ガラス塊を接触させないようにすることで、プリフォーム表面のシワの発生や所謂カン割れと呼ばれるガラスの割れの発生を防止でき、また、熔融ガラス塊の熱による成形型の劣化等の防止、成形型の保守・管理の容易化等を図ることができる。
このような浮上成形法を用いた精密プレス成形方法に関しては、例えば特許文献1〜3に開示されている。
このため、ゴブの位置ずれ等が生じて正確な成形・曲率調整が行えないという問題があった。
このようなズレが生じたゴブをプレス成形してレンズを作製すると、偏肉が大きくなり、レンズの光学的な性能を悪化させる等の事態が生じることになり、高精度な光学素子の製造が困難になるという問題が発生した。
また、成形型は一般に製造装置側に多数備えられるものであり、全ての成形型に対してそのような機構等を設けることは製造装置全体を複雑化させるおそれがあり、また、製造装置自体の製造コストも増大するものと考えられ、実際には実現は困難であった。
これにより、曲率の中心とプリフォームの中心が一致したプリフォームを確実に成形することができ、プリフォームのプレス成形時の偏肉の発生等を防止して高精度な光学素子を製造することができるようになる。
図1は、本発明の一実施形態に係る精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法に用いるプリフォーム成形装置の一例を部分的に示した概略図であり、(a)は平面視図、(b)は側面図である。
図2は、図1に示すプリフォーム成形装置に備えられる送風ノズル及び成形型の詳細を模式的に示す図であり、(a)は送風ノズル及び成形型の要部断面図であり、(b)は(a)に示す送風ノズルのセンターノズル先端の外観斜視図である。
これらの図に示すプリフォーム成形装置100は、本発明の一実施形態に係る精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法に用いてプリフォームを成形するための装置であり、ターンテーブル上に複数の成形型を備え、該成形型上に順次、所定重量の熔融ガラスを供給することによって、熔融ガラス塊から連続的に多数のプリフォーム(所謂ゴブ)を成形・製造する装置である。
さらに、プリフォーム成形装置100には、成形型104に供給された熔融ガラス塊に対して上方から所定の気流(ガス・エア)を吹き出して熔融ガラス塊を冷却しつつ熔融ガラス塊の形状改善、曲率・肉厚調整を行うための送風装置200が備えられている。
熔融ガラス供給部102の流出パイプ102aには、熔融ガラス流を所定の粘度に制御して流出することができるように、図示しない温度制御装置が取り付けられ、その温度制御によりガラス塊の生産性が制御できるようになっている。
この温度制御は、流出パイプ102aより流出する熔融ガラスの粘度が所定の値、例えば30〜2dPa・s、好ましくは20〜5dPa・sとなるように行われる。
ターンテーブル106は、成形型移送部108上に水平方向に配設・支持される円形平板状部材からなり、上面に複数の成形型104が円周方向に沿って等間隔に配設される。このターンテーブル106は、例えば軽量化に優れるアルミ合金からなる円盤状のものが用いられ、成形型移送部108に備えられた駆動手段(例えば内蔵されたダイレクト・ドライブ・モータ)によって回転駆動される。
ターンテーブル106の外周部には、その円周方向に沿って等間隔で複数個(図1に示す例では回転軸を中心として30度の間隔で12個)の成形型104が成形型ベースを介して載置・固定されている。
そして、ターンテーブル106は成形型104の間隔距離(図1の例では30度)だけ回転しては停止し、また同じ方向に(30度)回転する、という動きを繰り返し、これにより成形型104は所定方向に所定のタイミングで移送・搬送されることになる。
具体的には、成形型移送部108は、例えばシーケンサからの駆動信号に基づいて、ダイレクト・ドライブ・モータを間欠的に駆動してターンテーブル106を一定角度回転させては停止することを繰り返す(これを間欠インデックス方式という)。この間欠インデックス方式によるターンテーブル106の駆動によって、熔融ガラス塊を受け取った成形型104は、キャスト位置から下流方向に移送され、後述する送風装置200の送風ノズル210の対応位置、成形されたプリフォームの取り出し位置(テイクアウト位置)を経て、熔融ガラス塊を受け取る前の空の成形型104がキャスト位置へ移送される。
このようなステップが繰り返されることで、熔融ガラス供給部102の流出パイプ102aから連続流出する熔融ガラスが、順次成形型104上に受け取られ、所定形状・所定曲率のプリフォームに成形されて搬送・回収されることになる。
なお、熔融ガラス供給部102から成形型104上に熔融ガラスを供給する方法は、例えば後述する降下切断法等により行われる。
そして、熔融ガラス供給部102により熔融ガラス塊が成形型104上に流下される際に、成形型昇降部110が駆動されてキャスト位置にある成形型104が上下動され、これによって所定量の熔融ガラス塊が成形型104に供給されるようになっている。
また、成形されたプリフォームを成形型104から取り出すテイクアウト位置には、図示しない取り出し手段が設置され、ここでガラス転移点Tg以下になったガラス塊が成形型104から取り出されて次工程に搬出される。例えば、プリフォームの取り出し手段としては、成形型104の側面からその上のプリフォームにガスを吹き付けて、その対向側に配置された回収装置等にプリフォームを落下させて回収することができる。
熔融ガラスのキャスト位置には、上述したように成形型ベースの下方には成形型昇降部110が設置されており、成形型昇降部110の駆動軸が成形型ベースの下部に延びて配設されている。
そして、熔融ガラスのキャスト時には、例えばシーケンサからの駆動信号に基づいて成形型昇降部110が駆動され、駆動軸が上昇することにより、成形型ベースのスプリング等の付勢力に抗して成形型ベースが上方に移動される。
これによって成形型104が熔融ガラス供給部102の流出パイプ102aの近傍まで持ち上げられ、所定量の熔融ガラスが成形型104に供給されることになる。なお、このときの流出パイプ102aの先端と成形型104の上端の距離は所定の値、例えば5〜10mm等となるように設定される。
これによって、熔融ガラスの流出速度は一定に保たれ、かつ流出する熔融ガラスの粘度がガラス塊の成形に適した値、例えば30〜2dPa・s、好ましくは20〜5dPa・s等となるように制御される。熔融ガラスの粘度を所定の範囲に制御することにより、脈理のない内部品質の高いガラス塊を得ることができる。
以下、この降下切断法の概要を説明する。
上述したように、成形型104が所定のキャスト位置に移送されると、シーケンサ等の駆動信号に基づいて、成形型昇降部110が作動し、成形型昇降部110の駆動軸により成形型ベースの可動部を突上げられる。
駆動軸による突上げがない状態では、スプリング等の付勢力によって成形型ベースの可動部は下方に押し付けられ一定の高さに保たれているが、成形型昇降部110の駆動軸が作動すると、スプリング等の弾性カに抗して成形型ベースの可動部が突上げられて成形型104とともに持ち上げられ、成形型104の成形面が流出パイプ102aに近づけられる。このときの流出パイプ102a先端と成形型104上端の距離は、例えば5〜10mm等の所定の値となるように設定・制御される。
そして一定時間経過後、成形型昇降部110による成形型の上昇が解除されると、成形型ベースのスプリング等の付勢力によって、成形型ベースの可動部が熔融ガラス流の流下速度よりも速い速度で瞬時に押し下げられ、それに伴って成形型104が流出パイプ102aから瞬時に引き離され、上昇前と同じ高さまで急降下する。
成形型104の降下前は、流出パイプ102aから流出された熔融ガラスの下端は、成形型104によって支持されているが、成形型104の急降下によってその支持を急速に失い、熔融ガラス下端部と流出パイプ102aの間で熔融ガラスが分離、切断され、所定量の熔融ガラス塊が成形型104内に供給されることになる。
また、熔融ガラスを成形型104に受け取る際に、成形型104は上下方向に動くのみであり、熔融ガラスが切断されたときに生じる折込等がガラス塊に生じにくいという特長もある。
ガスは、成形型104の成形面上に形成された複数のガス噴出口104a(図2(a)参照)より噴出され、これによって成形型104の凹部内のガラス塊はガスクッションによって浮上又は略浮上された状態となって所定の成形処理等が行われる。
具体的には、図2(a)に示すように、成形型104の凹部の内面の一定領域にわたってガス噴射孔104aが複数設けられている。これらガス噴出孔104aからガスが噴出されて凹部上の熔融ガラス塊に上向きの風圧が加えられ、ガラス塊が凹部から浮上され、あるいは断続的に浮上されて、ガラス塊と成形型104との接触が回避乃至接触時間が短縮されることになる。
これにより、本実施形態に係るプリフォーム成形装置100では、熔融ガラス塊を成形型内で浮上(又は略浮上)させた状態で熱間成形することができ、浮上状態で所定の表面曲率を有するゴブを形成する浮上成形法を利用することができる。
ここで、ガラス塊を浮上又は略浮上させるガスとしては、例えば空気、窒素などの不活性ガス、又はそれらの混合ガスを用いることができる。
また、成形型104に形成されるガス噴出口104aの数や分布、形成箇所、噴出口の径等は、熔融ガラス塊を浮上させることができる任意の値に設定することができる。また、成形型104の凹部を多孔質材料により形成して、ガスを噴出させるようにすることもできる。
そして、ガスクッションにより浮上状態となった熔融ガラス塊に対して、送風装置200による冷却及び成形処理が行われる。
送風装置200は、熔融ガラス塊が供給されるキャスト位置の下流側の所定箇所に設置され、成形型104内に浮上状態で供給されている熔融ガラス塊に対して上方からガスを噴出・送風することで、熔融ガラス塊を冷却しつつ熔融ガラス塊の形状改善、曲率・肉厚調整を行って、熔融ガラス塊を所定の曲率に形成・制御して所望のプリフォームに成形する冷却・成形手段である。
具体的には、送風装置200は、図1に示すように、熔融ガラス供給部102が備えられるキャスト位置の次段以降の所定の成形型104に対応する位置に配設される。図1に示す例では、キャスト位置の次に位置する成形型104の位置に送風装置200が配置されている。
この送風装置200は、所定のガス・エアを供給するための本体部と、本体部とダクト(図2(a)に示すダクト211a,214a参照)を介して接続されて成形型104の上方に配置され、先端開口から所定のガス・エアを噴出する送風ノズル210を備えている(図2参照)。
そして、送風装置200は、ターンテーブル106の回転により移送されてきた成形型104が停止したタイミングにおいて、当該成形型104内の熔融ガラス塊に対して、上方からガスを噴出して熔融ガラス塊を冷却しつつ所定の成形処理を実行する。
本実施形態では、図2に示すように、送風装置200の送風ノズル210が所定構造を有することにより、熔融ガラス塊を成形型104上において浮上させた状態で、熔融ガラス塊に鉛直方向に沿った軸周りに回転する力を与えて位置修正しつつ、熔融ガラス塊の上面の曲率を制御するようになっている。
具体的には、送風ノズル210は、図2(a)に示すように、センターノズル211と外装材213の二つの筒状体を備えた二重構造となっており、センターノズル211と外装材213とがノズル基部214によって一体的に構成されている。
そして、このような筒状体の二重構造によって、送風ノズル210の中央部には、鉛直方向下向きに気流を吹き出す第一の吹き出し口210aが設けられるとともに、送風ノズル210の周縁部には、第一の吹き出し口210aの周囲に配されて螺旋状に気流を吹き出す第二の吹き出し口210bが設けられるようになっている。
なお、このような送風ノズル210は、ガス供給管として好適な金属等で構成することができ、例えばステンレス等の金属管によって構成することができる。
センターノズル211の後端部は、第一のダクト211aに連通・接続されており、図2(a)では図示を省略してあるが、第一のダクト211aが送風装置200の本体に接続されており(図1(b)参照)、エアブロー制御により送風装置200の本体から送られてくるガスを先端開口部(第一の吹き出し口210a)から鉛直方向下向きに噴出するようになっている。
そして、このセンターノズル211の先端部212が外装材213により覆われて二重構造となり、これらセンターノズル211及び外装材213がノズル基部214において一体化されて送風ノズル210を構成している。
外装材213は、センターノズル211の先端部212を外側から覆うように配設・装着される筒状部材であり、センターノズル211と一体となって送風ノズル210を構成している。
この外装材213の後端側はノズル基部214に連続しており、このノズル基部214にセンターノズル211の後端部及び第一のダクト211aが接続されることで、センターノズル211及び外装材213が一体となって送風ノズル210を構成している。
また、外装材213(又はノズル基部214)の側面には、センターノズル211の第一のダクト211aとは別系統の第二のダクト214aが接続され、送風装置200の本体から送られてくるガスが第二のダクト214aを介して外装材213によって形成される空隙213aに供給される。
案内溝212aは、本実施形態では、センターノズル211の先端部212の表面に所定の螺旋形状の溝を刻設することにより設けてある。
このように本実施形態ではセンターノズル211の表面に案内溝212aを形成することで、所望の形状・数の案内溝212aを容易に設けることができるようになっている。
また、センターノズル211は送風ノズル210と一体として着脱・交換することができ、これによって、溝の形状や数、開口径(第二の吹き出し口210bの径)等の異なる案内溝212aや、先端開口径(第一の吹き出し口210aの径)の異なる複数のセンターノズル211を交換・使用することができる。
例えば、案内溝212aによって構成される第二の吹き出し口210bの開口径を、加工対象となるプリフォームの外周径に対応してφ6,8,10,12,14,15,16,18,20等と、複数の開口径サイズのセンターノズル211を用意することができる。また、この場合、各サイズのセンターノズル211を備えた送風ノズル210を用意し、そのサイズ等の識別表示を送風ノズル210の表面に刻印等することで表示することができる。
センターノズル211を含む送風ノズル210の交換は、例えばノズル基部214の部分から第一のダクト211a及び第二のダクト214aを取り外すことで、送風ノズル210全体を着脱・交換することで行える。
例えば、螺旋状の溝を外装材の内周面に刻設することで案内溝212aを設けることもでき、熔融ガラス塊に対して螺旋状の気流を噴出できる構造であれば、どのような構成としても良い。
図2(a)に示すように、外装材213は、後端側にノズル基部214が連接されており、この外装材213及びノズル基部214の内周面とセンターノズル212の外周との間に空隙213aが形成される。そして、この空隙213aに第二のダクト214aが連通・接続されている。
図2(a)に示す例では、外装材213(又はノズル基部214)の側面に第二のダクト214aが連通・接続されており、これによって第二のダクト214aと空隙213a、及び案内溝212aが連通するようになっている。そして、図2(a)では図示を省略してあるが、この第二のダクト214aが送風装置200の本体に接続されるようになっている。
なお、この第二の吹き出し口210bから螺旋状に噴出させるガスは、センターノズル211の第一の吹き出し口210aから噴出させるガスと同様、例えば空気、窒素などの不活性ガス、又はそれらの混合ガス等が用いられる。
従って、送風ノズル210からは、第一の吹き出し口210a及び第二の吹き出し口210bからそれぞれ所定のタイミングでガスを噴出させることができ、また、第一の吹き出し口210a又は第二の吹き出し口210bのいずれか一方からのみガスを噴出させることができ、また、第一の吹き出し口210a及び第二の吹き出し口210bの双方から同時あるいはほぼ同時にガスを噴出させることもできる。
第二の吹き出し口210bから吹き出す気流は、螺旋状の案内溝212aに沿って噴出されるので、図3に示すように、螺旋状の気流(スパイラルエア)がノズル先端から広がりながら吹き出すことになる。従って、このように螺旋状に吹き出す気流(ガス・エア)を、成形型104内で浮上する熔融ガラス塊に対してその周縁に吹き付けることにより、熔融ガラス塊は当該熔融ガラス塊の中心部を回転中心として回転することになる。
また、このように成形型104の上方から、成形型104とは独立した送風手段によって成形型内の熔融ガラス塊の位置と姿勢を安定・修正できるので、成形型自体は何ら変更・改良等する必要がなく、成形型を複雑な構造にすることなく、シンプルな構造によってプリフォームの位置制御・位置修正を実現することができる。従って、プリフォーム成形装置100の製造コストが増大することもなく、既存の装置等にも適用が容易で汎用性・拡張性に優れたプリフォーム成形装置の提供が可能となる。
案内溝212a(第二の吹き出し口210b)の開口径の選択・変更は、上述したように複数の送風ノズル210(センターノズル211)を用意し、ノズルの選択・着脱・交換を行えばよい。
従って、例えば成形するプリフォームの品質等を見ながら送風ノズル210の高さ調整を行うようにすると、高精度・高品質のプリフォームを確実に成形することが可能となる。
なお、送風ノズル210の高さ調整を行う手段としては、特に図示しないが送風装置200の本体に備えられるダクト全体の高さを調整する公知の調整手段・調整装置等を使用することができる。
上述したように、本実施形態ではターンテーブル106により成形型104を移動させつつプリフォームの成形を行うようになってが、成形型104が移動することにより熔融ガラス塊は成形型上で特定方向に揺動することになる。従来のプリフォーム成形装置では、このような熔融ガラス塊が揺動することにより熔融ガラス塊に偏り等が発生し、プリフォーム外周の真円度が得られ難くなるという問題があった。
本実施形態では、上述のようにスパイラルエアによって成形型104内で熔融ガラス塊(プリフォーム)が回転することにより、成形型104の移動によって熔融ガラス塊が特定方向に揺れた場合にも、揺れによる力が熔融ガラス塊の一方向のみに働くことがなくなり、プリフォーム外周の真円度を高くすることができる。
その結果、偏りのない、真円度の高いプリフォームを成形・製造することができ、次工程のプレス成形時において偏肉が発生することを防止でき、精度の高い光学素子の成形・製造が可能となる。
上述のように、螺旋状の気流は送風ノズル210の第二の吹き出し口210bの先端から広がりながら、熔融ガラス塊の周縁部に沿って螺旋状に噴出される(図3参照)。このため、熔融ガラス塊の上方のスパイラルエアの内側は、気流が存在しない負圧状態となる。そして、この負圧状態により、熔融ガラス塊の上面には鉛直方向上向きに吸引力が発生する。
特に、負圧による吸引力を作用させるものであるので、プリフォームの上面中心を膨出させて頂部状に成形して曲率を制御する場合に好ましい。
これにより、螺旋状の気流によって、熔融ガラス塊を、曲率中心を回転中心として回転させつつ、その曲率中心を負圧により吸引・膨出させて曲率制御を行うことができるので、曲率の中心とプリフォーム外周の中心とが一致するようにプリフォーム上面の曲率を調整することができ、より高精度なプリフォーム成形を実現することができる。
従って、この場合も、成形するプリフォームの状態、曲率等を見ながら送風ノズル210の高さ調整を行い、また、送風ノズル210のサイズ等を選択・変更することで、所望の曲率のプリフォームを確実に成形することができるようになる。
すなわち、本実施形態では、送風ノズル210のセンターノズル211の第一の吹き出し口210aから、鉛直下向きの気流(センターエア)を噴出させて熔融ガラス塊の上面を加圧でき、このエア加圧によってプリフォームの上面の曲率制御を行うことができる。
従って、送風ノズル210の第一の吹き出し口210aからセンターエアを噴出させることで、熔融ガラス塊の上面を直接加圧することができ、このエア加圧の作用によって熔融ガラス塊の上面の曲率を制御することができる。
特に、鉛直下向きの気流により加圧させるものであるので、プリフォームの上面中心を平坦化したり、凹状に窪ませるように成形する場合の曲率制御により好ましい。
さらに、熔融ガラス塊の上面全体にセンターエアが吹き付けられることで、熔融ガラス塊が冷却されて脈理の発生を防止する効果がある。
従って、センターノズル211の第一の吹き出し口210aからのセンターエアによる加圧を行う場合には、第二の吹き出し口210bからのスパイラルエアによる回転制御と併用して、両吹き出し口210a、201bからのエアを、同時、ほぼ同時、あるいは相前後して噴出させることが好ましい。
この場合、第一の吹き出し口210aからのセンターエアを先に噴出させてもよく、また、第二の吹き出し口210bからのスパイラルエアを先に噴出させることもできる。また、第一の吹き出し口210aからのセンターエアを噴出させないようにすることもできる。
特に、センターノズル211からのセンターエアは、脈理を消す脈消し効果があるが、センターノズル211のサイズ(開口径)が小さ過ぎると、脈消しの効果が薄れて、プリフォームの中央部分だけ脈理が消えて周辺部分には残ってしまうおそれがある。このため、センターノズル211の開口径の選択は重要になる。
従って、このセンターノズル211から吹き出されるセンターエアについても、成形するプリフォームの状態、曲率、脈理の有無等を見ながら送風ノズル210の高さ調整を行い、また、送風ノズル210のサイズ等を選択・変更することで、所望の曲率のプリフォームを確実に成形することができる。
そして、所定のテイクアウト位置において、図示しない取り出し手段により、例えば噴出するガスによって成形済みにプリフォームが成形型104から吹き飛ばされて、次工程のプレス成形装置へ搬送・回収される。なお、所定のテイクアウト位置におけるプリフォームは、ガラス転移点Tg以下の温度にまで徐冷されている。
このようにして各成形型104を循環することによって順次、熔融ガラス塊から所望のプリフォームが高精度に成形・製造されることになる。
次に、以上のようなプリフォーム成形装置100を使用した本実施形態に係るプリフォームの製造方法について説明する。
まず、本実施形態のプリフォームの製造方法の実施にあたっては、送風装置200の使用・設置位置の選択と、送風ノズル210のサイズの選択を行う。
送風装置200の使用(設置)位置の選択は、送風装置200を設置する位置、すなわちキャスト位置で成形型104に供給された熔融ガラス塊にエアを吹き付ける位置によって、成形・製造されるプリフォームの結果が異なることがあるからである。
図5(a)に示す第一位置は、ターンテーブル上のキャスト位置102の次の成形型に対応する位置に送風ノズル210が配置されるように送風装置200を設置する場合である。
この場合、送風装置200の使用位置は、キャスト位置102から直後の位置にあたり、この位置では成形型104の熔融ガラス塊は熔融ガラス供給部102からの供給直後であり、より柔らかい状態にある。このため、本実施形態に係るスパイラルエアによって、柔らかい状態のうちに熔融ガラス塊を回転させることができ、真円度をより高精度にすることが可能となり、スパイラルエアによる形状改善の効果を発揮させ易い位置となる。
この場合、送風装置200の使用位置は、第一位置と比較して熔融ガラス塊が供給されてからの経過時間が長い位置となるため、熔融ガラス塊が第一位置におけるよりも冷却され、ある程度固まった状態となっている。このため、熔融ガラス塊をある程度固まった状態でスパイラルエアによって回転させることができることになり、脈理の影響が少ないプリフォーム成形が可能となる。
また、その場合、送風装置200を複数箇所に設置することも可能である。
このとき、第一、第二の吹き出し口210a,210bの開口径や案内溝211aの選択は、ノズル外面に表示された刻印等の情報に基づいて行うことができる。
また、例えばセンターノズル211の第一の吹き出し口210aからのセンターエアは、プリフォームの脈消し効果があるが、センターノズル211の開口径が十分でないと、脈消しの効果が薄れて、プリフォームの中央部分だけ脈理が消えて周辺部分には残るおそれがある。このため、センターノズル211の開口径が小さすぎないように選択することが望ましい。
まず、送風ノズル210のセンターエアとスパイラルエアの両方を使用する場合には、両エアを独立して制御する二系統のエアブロー制御を行うようにする。
また、プリフォーム成形装置100には、熔融ガラス塊をプリフォームに成形する成形型104を複数個(本実施形態では12個)用意する。
そして、これら成形型104は同一仕様とし、ターンテーブル106上の所定位置に配置して、ターンテーブル106をインデックス回転することにより、決められた停留位置に順次移動させながら周回させる。
このキャスト位置に停留する成形型104が、ターンテーブル下部の成形型昇降部110により突き上げられ、流出パイプ102aの流出口に近づけられる。パイプ流出口からは公知の方法で清澄、均質化した熔融ガラスが一定流量で連続して流出する。
この熔融ガラスの下端を、成形型昇降部110で突き上げ状態の成形型104で受けて支持した後、所定のタイミングで成形型昇降部110の突き上げを解除することにより成形型を鉛直に急降下させる。
成形型104で受けられた熔融ガラス塊は、成形型104の凹部から噴出するエアにより浮上され、成形型104に接触することなく浮上された状態で保持される。
ここで、プリフォームの形状改善を主目的としている場合には、上述したように、キャスト位置の次の成形型に対応する位置(図5(a)に示す第一位置)、又は、キャスト位置の次の次の成形型(キャスト位置から二つ目の成形型)に対応する位置(図5(b)に示す第二位置)において、送風装置200の送風ノズルからのエアの噴出により、熔融ガラス塊の冷却及び成形処理が行われる。
このため、本実施形態に係るスパイラルエアを用いることによって、柔らかい状態のうちに熔融ガラス塊を回転させることができ、真円度をより高精度に出すことができる。これによって、形状改善されたプリフォームを得ることができる。
一方で、熔融ガラス塊が柔らかい状態でスパイラルエアの噴出を受けることで、スパイラルエアの負圧・吸引効果によって、熔融ガラス塊の表面が引っ張られて脈理が出やすくなる。
ここで、スパイラルエアとセンターエアとは、ほぼ同時に噴出させることもできるが、センターエアによる脈消しの効果を高めるためには、センターエアを先に噴出させてスパイラルエアを遅らせて噴出させる方がより好ましい。
このため、本実施形態に係るスパイラルエアによって熔融ガラス塊を回転させても、ある程度固まった状態の熔融ガラス塊は脈理の影響がない。
従って、この場合には、センターエアは任意のタイミングで噴出させることができ、また、プリフォームの形状や曲率によっては、センターエアは使わなくてもよい。
この場合、ターンテーブル106を随時回転及び停止させ、得られたプリフォームを目視等により確認し、あるいは、所定のゲージ等でプリフォームの大きさや形状、曲率等をチェックし、エアの噴出位置や噴出量、噴出のタイミング等を随時変更・調整することができる。
エアの停止のタイミングとしては、まず、スパイラルエア(及びセンターエア)を、プリフォームの形状改善を主目的として使用している場合には、スパイラルエアはセンターエアと同時にストップするようにする。
スパイラルエアの停止がエンターエアの停止より早い場合、センターエアの押さえつけでプリフォームの曲率が大きめになる傾向がある。一方、スパイラルエアの停止がセンターエアの停止より遅い場合には、スパイラルエアの吸引効果によりプリフォームの曲率が盛り上がる傾向となる。このため、スパイラルエアとセンターエアは同時に停止することが望ましい。
また、スパイラルエア及びセンターエアを曲率、肉厚調整を主目的に使用する場合にも、両エアの停止タイミングは、プリフォームの形状等を見ながら任意のタイミングとする。
プリフォームが取り出されて空になった成形型104は、ターンテーブル106の回転によりキャスト位置に移送され、上記工程が繰り返される。
複数の各成形型104について上記工程を繰り返し行うことにより、連続流出する熔融ガラス塊からプリフォームを次々と成形することができる。
まず、成形されたプリフォームに脈理がある場合には、脈理が発生したプリフォームと同じ成形工程において、スパイラルエアのみを停止させた状態でプリフォームを成形する。
そして、そのプリフォームについて再度脈理の有無を確認する。
例えばセンターエアの位置や風量を調整したり、送風装置200の使用位置を変更することができる。
この場合には、次のような方法で調整を行う。
(1)センターエア(脈消し)を強める(早めに表面を固めることで脈理を消す)。
(2)スパイラルエアのタイミングを遅らせる。
(3)スパイラルエアの流量を弱める。
(4)スパイラルの高さを調整する。
上記のような調整を行い、得られたプリフォームを確認しながら、脈理が消えるまで調整を行う。
以上により、脈理のない高品質、高精度のプリフォームを成形することができるようになる。
次に、以上のような本実施形態に係るプリフォーム成形装置及びプリフォームの製造方法により成形・製造されたプリフォーム(ゴブ)を用いた光学素子の製造方法について、精密プレス成形方法を例にとって説明する。
以下に示す光学素子の製造方法は、上述した実施形態で示したプリフォームの製造方法で製造・量産された精密プレス成形用プリフォームの一部または全部を精密プレス成形する方法である。
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。
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、炭素含有膜を用いることが好ましい。
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雰囲気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を用いることが好ましい。
[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。
この精密プレス成形法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。
この方法は、 前記プリフォームを加熱した後に、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。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、この方法によれば、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。
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105.5〜109dPa・s、より好ましくは105.5dPa・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。
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。
また、本実施形態では、上面、下面とも所望の面形状を有するプリフォームを製造することができるので、このプリフォームを用いることにより、上型、下型の成形面形状が異なるプレス成形型を用いても、ガストラップなどの問題を引き起こすことなく、光学素子を高い生産性のもとに製造することができる。
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、上述した光学素子の製造方法では、本実施形態に係るプリフォーム成形装置及びプリフォームの製造方法により製造されたプリフォームを、プレス成形により最終製品を作製する精密プレス成形のためのプレス素材として使用していたが、プレス成形して得られた成形品の表面を研削、研磨して最終製品に仕上げる後加工を行って光学素子を製造する場合のプレス・加工素材としても使用することができる。
また、このように成形型104の上方から、成形型104とは独立した送風手段によって成形型内の熔融ガラス塊の位置と姿勢を安定・修正できるので、成形型自体は何ら変更・改良等する必要がなく、成形型を複雑な構造にすることなく、シンプルな構造によってプリフォームの位置制御・位置修正を実現することができる。従って、プリフォーム成形装置100の製造コストが増大することもなく、既存の装置等にも適用が容易で汎用性・拡張性に優れたプリフォーム成形装置の提供が可能となる。
その結果、偏りのない、真円度の高いプリフォームを成形・製造することができ、次工程のプレス成形時において偏肉が発生することを防止でき、精度の高い光学素子の成形・製造が可能となる。
これにより、螺旋状の気流によって、熔融ガラス塊を曲率中心を回転中心として回転させつつ、その曲率中心を負圧により吸引・膨出させて曲率制御を行うことができるので、曲率の中心とプリフォーム外周の中心とが一致するようにプリフォーム上面の曲率を調整することができ、より高精度なプリフォーム成形を実現することができる。
送風ノズル210からセンターエアを噴出させることで、熔融ガラス塊の上面を直接加圧することができ、このエア加圧の作用によって熔融ガラス塊の上面の曲率を制御することができる。特に、鉛直下向きの気流により加圧させるものであるので、プリフォームの上面中心を平坦化したり、凹状に窪ませるように成形することが可能となる。
また、熔融ガラス塊の上面全体にセンターエアを吹き付けることにより、熔融ガラス塊が冷却されて脈理の発生を防止することができる。
これにより、曲率の中心とプリフォーム外周の中心とが一致するようにプリフォーム上面の曲率を調整することができ、より高精度なプリフォーム成形を実現することができる。
102 熔融ガラス供給部
104 成形型
106 ターンテーブル
108 成形型移送部
110 成形型昇降部
200 送風装置
210 送風ノズル
211 センターノズル
212 外装材
213 案内溝
Claims (3)
- 流出パイプから流出させた熔融ガラスを所定量の熔融ガラス塊に分離しつつ、循環する複数の成形型に順次供給してプリフォームに成形する精密プレス成形用ガラスプリフォームの製造方法であって、
前記成形型の移動経路上の所定の位置に送風ノズルを設置し、当該送風ノズルの中央部に、鉛直方向下向きに気流を吹き出す第一の吹き出し口を設けるとともに、前記送風ノズルの周縁部に、前記第一の吹き出し口の周囲に配されて螺旋状に気流を吹き出す第二の吹き出し口を設け、
前記熔融ガラス塊を浮上させた状態で保持する前記成形型が前記送風ノズルの下方に位置したときに、前記送風ノズルから螺旋状に吹き出す気流を前記熔融ガラス塊の周縁に吹き付けて、前記熔融ガラス塊に鉛直方向に沿った軸周りに回転する力を与え、移動する前記成形型上で前記溶融ガラス塊を成形するとともに、
前記送風ノズルの周縁部から螺旋状に気流を吹き出させて、当該気流の内側の雰囲気に負圧を発生させることにより、前記熔融ガラス塊の上面を吸引して当該上面の曲率を制御し、
前記送風ノズルの中央部から鉛直方向下向きに気流を吹き出させて、当該気流を前記熔融ガラス塊の中心に吹き付けることにより、前記溶融ガラス塊の上面を加圧して当該上面の曲率を制御す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。 - 前記送風ノズルが、前記第一の吹き出し口となる開口部を有するセンターノズルと、前記センターノズルの開口部近傍の外側面に一端側が突き合わされて前記センターノズルとの間に所定の空隙が形成されるように装着される筒状の外装材とを備え、
前記センターノズルの開口部近傍の外側面と、前記外装材の一端側の内側面とが突き合わされる界面に、複数の案内溝を螺旋状に刻設するとともに、当該案内溝を前記第一の吹き出し口の周囲に開口させて前記第二の吹き出し口を形成した請求項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。 - 請求項1又は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によりガラスプリフォームを製造し、前記ガラスプリフォームをプレス成形して光学素子を製造する光学素子の製造方法。
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