JPH021780B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、研削・研磨等による仕上げを必要と
せず、軟化したガラス体をプレス成形することに
より直接形成されるプレスレンズの製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

このようなプレスレンズは、予予め精密加工さ
れた型の表面形状がそのままレンズに転写される
ことから、球面レンズはもとより非球面レンズの
製造も自在で、広範な利用が可能である。反面、
そのための型の材料には、型の表面がレンズの仕
上り表面としてそのまま転写されることから、気
孔等の欠陥がなく緻密で光学鏡面に加工できるこ
と、高温における表面硬度および強度が十分であ
ることならびにレンズ温度において軟化し流動性
をもつに至つたレンズ用ガラスと融着しないこと
などの厳しい要件が必要とされる。

従来この種のプレスレンズの製造方法として
は、型材してSiCまたはSi₃N₄を用い、非酸化性
雰囲気中でレンズ用ガラスと型との温度を等しく
しててプレスする方法が提案されている（米国特
許第4139677号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した従来技術においては、SiCや
Si₃N₄はきわめて緻密ではあるが、雰囲気中に数
ppm程度のわずかな酸素が存在していても表面に
酸化層ができて軟化ガラスを融着してしまう問題
がある。また、これらの材料は非常に高価である
とともに、非常に硬いために加工が困難であつ
た。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、プレス温度よりガラス転移温度の高
いガラスからなる型を用い、レンズの仕上り形状
の基礎をなす形状を有するガラス体と型との間に
融着防止層を介在させてプレスするものである。

ここで、「レンズの仕上り形状の基礎をなす形
状」とは、最終的にプレス成形する前のレンズ用
ガラスの予備成形における形状で、この予備成形
体の形状が、プレス成形によつて所望のレンズ形
状に仕上げることのできる基礎的な形状を備えて
いることを示している。この形状は、好ましくは
仕上り形状に近似した形状である。

上記予備成形したガラス体は、プレス成形時に
おいて軟化状態でなければならないが、そのため
の加熱は、型にセツトした状態で行なつてもよい
し、予め型とそれぞれ独立に加熱しておいてもよ
く、その場合被成形ガラスと型の温度は必ずしも
同一でなくてもよい。いずれにしても、プレス温
度は、被成形ガラスのガラス転移温度と型用ガラ
ス転移温度との間で適当な温度が設定される。つ
まり、プレス温度は、被成形ガラスのガラス転移
温度よりも高くて被成形ガラスが軟化状態となる
温度であり、かつその温度は型用ガラスのガラス
転移温度より低い温度でなければならない。

なお、プレス成形時の圧力は、型の表面形状が
被成形ガラスに転写されるに十分な圧力であるこ
とはいうまでもない。

上述したように、型を構成するガラスはプレス
温度との関係でより転移温度の高いものであれば
よい。高転移温度のガラスとして代表的なものに
は石英ガラス（転移温度1100℃付近）があるが、
より安価で適当なものとして、酸化ケイ素
（SiO₂）を51〜64重量％、酸化アルミニウム
（Al₂O₃）を10〜19重量％、酸化亜鉛（ZnO）を
２〜15重量％、酸化マグネシウム（MgO）を２
〜14重量％、酸化ホウ素（B₂O₃）を０〜９重量
％含有するガラスがある。

ここで、各成分の限定理由は次の通りである。

まず、SiO₂およびAl₂O₃は高強度低膨張ガラス
を得るためのガラス形成酸化物であり、SiO₂は
高強度・低膨張を得るためと化学的耐久性を良く
するために51％以上必要であるが、64％を越える
と粘性が高くなり溶解が困難になる。Al₂O₃は安
定化のための必須成分で10％以上必要であるが、
19％を越えるとかえつて不安定となる。

ZnOはガラスを柔かくし、熱膨張係数を低くす
るために２〜15％必要である。

MgOはガラスを柔かくする修飾酸化物であり、
２％より少ないとガラスの粘度が高く、14％を越
えるとガラスとして不安定になる。

以上の必須成分に対し、B₂O₃は必ずしも用い
なくてもよい任意成分であるが、ガラスを安定に
する効果を有する。ただし９％を越えると加工や
プレス成形時にチツピングが起こりやすくなる。

他に任意成分としては、CaO，SrO，BaOおよ
びPbOがある。これらはMgO，ZnOとの関連で
ガラスの安定性と化学的耐久性を向上させる効果
がある。さらに、ガラスの粘度を下げるために、
Li₂O，Na₂O，K₂O等のアルカリ成分あるいはフ
ツ素を少量添加してもよい。

このような原料組成のガラスは、転移温度が
600〜800℃であり、熱膨張係数も35〜55×10^-7／
℃と小さい。

このようなガラスからなる型を用いて被成形ガ
ラスを直接プレスすると融着が生じるが、そのた
めに型または予備成形した被成形ガラス体の少な
くとも一方に、例えば真空蒸着法、スパツタリン
グ法、イオンプレーテイング法等により融着防止
層をコーテイングして行なう。

融着防止層としては、例えば酸化ケイ素
（SiO₂）もしくは被成形ガラスに比してガラス転
移温度の高いガラス（つまり上述した型材として
用いられるようなガラスも含まれる）あるいは炭
素などを用いることができる。これらの２種を組
合せて、例えば被成形ガラスに酸化ケイ素または
高転移温度のガラスをコーテイングし、型に炭素
をコーテイングしてもよい。なお、高転移温度の
ガラスを用いる場合、被成形ガラスに対する転移
温度差は、15℃程度あれば十分である。つまり、
この程度あれば、被成形ガラスは軟化するが融着
防止層ガラスは未軟化である温度を選んでプレス
することが可能となる。ここで、融着防止層ガラ
スの転移温度が被成形ガラスの転移温度より15℃
高いというのは、さらに厳密には、第６図に示す
ように被成形ガラス（第１のガラス）および融着
防止層ガラス（第２ガラス）の粘着温度特性につ
いてそれぞれ上限曲線ａおよび下限曲線ｂで表わ
したとき、第１のガラスの上限転移温度t₁よりも
第２のガラスの下限転移温度t₂が15℃以上高いこ
とを意味する。なお、ガラスの転移温度に相当す
るガラスの粘度は10¹³ポアズ付近である。

プレス時の雰囲気は、融着防止層として酸化ケ
イ素やガラスを用いた場合には必ずしも非酸化性
にすることを要しないが、通常は周辺に与える影
響も考慮して非酸化性雰囲気で行なう。融着防止
層に炭素を用いた場合には非酸化性雰気中でプレ
スする必要がある。また炭素を被成形ガラスにコ
ーテイングした場合にはプレス後にレンズ表面に
残る炭素層を熱処理等の酸化処理によつて除去す
る必要がある。他方、酸化ケイ素やガラスを被成
形ガラス体にコーテイングした場合には、これら
のコーテイング層はそのままレンズの表層部を構
成するものとなることから、熱膨張係数や屈折率
が内部のガラスにほぼ等しいことが望ましい。

なお、融着防止層としての酸化ケイ素やガラス
の膜厚は、50〜2000（好ましくは100〜1000）Åの
範囲とすることが実用的である。50Å未満では均
一な膜の形成が困難で、融着防止効果が十分には
得られない。2000Åを越えると、プレス成形時に
おいてクラツク等の欠陥が発生しやすく、透過率
や屈折率などのレンズの光学的品質を低下させる
原因となる。

同じく炭素の場合には50〜5000（好ましくは100
〜1000）Åの範囲に膜厚を設定することが実用的
である。50Å未満では均一な膜の形成が困難であ
り、逆に5000Åを越えるとプレス成形による面精
度が低下する。

〔作用〕

型はガラスであるため、容易に所望の形状に加
工されるとともに、プレス時には融着防止層が被
成形ガラスと型との融着を防止する。

〔実施例〕

（実施例 １） 被成形ガラスとして、原料組成が重量％で
SiO₂；68.9，B₂O₃；10.1，Na₂O；8.8，K₂O；
8.4，BaO；2.8，As₂O₃；1.0のアルカリホウケイ
酸塩光学ガラスBK7（転移温度555℃、熱膨張係
数8.7×10^-7／℃、屈折率n_d1.517）を用い、これ
を第２図に示すうに直径9.7mm、厚さ2.5mmの円板
状ガラス体１に予備成形した。次に、この円板状
ガラス体１の上下両主面に水晶の粉末を蒸発源と
し、公知の真空蒸着法により酸化ケイ素膜２を
300Åの厚さに形成し、プレス成形の対象となる
被成形物３とした。

一方、本実施例で使用するプレス機は、第１図
に示すように上型１１、下型１２および案内型１
３を具備している。

上型１１および下型１２は、原料組成が重量％
でSiO₂；54.1，Al₂O₃；14.0，ZnO；10.8，
MgO；6.7，CaO；9.3，PbO；5.1のガラス（転
移温度730℃、熱膨張係数43×10^-7／℃）を加工
し、レンズに転写される表面を凸球面状に精密鏡
面研磨加工したものである。なお、案内型１３に
は炭化タングステンを用いたが、上述した上・下
型と同一組成のガラスを用いてもよいことはいう
までもない。

１４はプレス成形時に上型１１に荷重を加える
ステンレス製の押し棒、１５は同じくステンレス
製の支持台、１６はこれらの構造体を収容する石
英ガラスチユーブ、１７は石英ガラスチユーブ１
６の外周に配設された誘導加熱コイル、１８は下
型１２内に埋設しその温度を測定する熱電対であ
る。

そこで、前述した被成形物３を上記型内にセツ
トし、N₂ガス雰囲気中で誘導加熱コイル１７に
より型１１，１２，１３とともに被成形物３を
670℃（ガラス体１を構成するガラスの粘度が
10^8.7ポアズとなる温度）に加熱し、その状態で押
し棒１４を降下させ、50Kg／cm²の圧力で60秒間プ
レスを行なう。

次に、押し棒１４を後退させて荷重を除去し、
そのまま加工成形物を型で包囲した状態でガラス
体１を構成するBK7ガラスの転移温度である555
℃まで徐冷（約30℃／分）し、しかる後急冷する
ことにより、加工成形物として仕上り形状に成形
されたレンズが得られた。このレンズは、上・下
型１１，１２の凸球面がそのまま転写され、高面
精度を有する直径10mmの両凹面形状レンズであ
り、型との融着はなく、光学的にも欠陥は認めら
れなかつた。融着がないのは、仮に型がN₂ガス
（中性ガス）中に混在する酸素によつて酸化され
たとしても、被形成物３の表面が未軟化状態の酸
化ケイ素膜２によつて覆われており、軟化したガ
ラスが型に接触することがないからである。

（実施例 ２） 被成形ガラスとして、原料組成が重量％で
SiO₂；36.2，PbO；55.6，K₂O；4.8，Na₂O；
1.5，TiO₂；1.9のPbOを多量に含む光学学ガラス
SF15（転移温度445℃、熱膨張係数82×10^-7／℃、
屈折率n_d1.70）を用い、これを第３図に示すよう
に直径6.3mmの球状ガラス体に予備成形した。次
にこの球状ガラス体４の全表面に公知の真空蒸着
法によりLaLF3ガラス層５を300Åの厚さに形成
し（蒸発源はLaLF3の粉末）、プレス成形の対象
となる被成形物６とした。LaLF3は、原料組成
が重量％でSiO₂；36.2，PbO；55.6，K₂O；4.8，
Na₂O；1.5，TiO₂；1.9のガラスで、転移温度600
℃、熱膨張係数82×10^-7／℃、屈折率n_d1.70であ
る。

一方、本実施例で使用するプレス機は、第５図
に示すとおりのものであつて、その基本的な構成
が第１図に示したものと同様であるが、上型２１
および下型２２の材料および形状が異なる。つま
り、本実施例の上型２１および下型２２は、原料
組成が重量％でSiO₂；59.0，Al₂O₃；15.4，
ZnO；6.1，MgO；9.0，B₂O₃；5.1，Ｆ；0.2，
Na₂O；1.2，CaO；1.2，BaO；1.0，PbO；1.0，
K₂O；0.8のガラス（転移温度690℃、熱膨張係数
38×10^-7／℃）を加工し、レンズに転写される表
面を凹球面状に精密鏡面研磨加工したものであ
る。なお、第５図には上型２１および下型２２の
各表面に被着された炭素膜２３および２４（膜厚
400Å）が示されているが、本実施例の被成形物
１０にはガラス層５が被着されていることから、
この炭素膜２３および２４はなくてもよい。

このようなプレス機を用い、実施例１と同様に
被成形６を型内にセツトし、大気中で524℃（ガ
ラス体４を構成するガラスの粘度が10^8.7ポアズと
なる温度）に加熱し、50Kg／cm²の圧力で60秒間プ
レスした。その後、実施例１と同様に冷却し、レ
ンズを取り出した。得られたレンズは、上・下型
の凹球面がそのまま転写され、高面精度を有する
直径8.0mmの両凸球面レンズであり、実施例１と
同様にプレス時においても未軟化状態のガラス層
５によつて覆われているところから型との融着は
なく、光学的にも欠陥は認められなかつた。

（実施例 ３） 被成形ガラスとして実施例１と同様のBK7ガ
ラスを用い、これを第４図に示すように直径9.7
mm、厚さ2.5mmの円板状ガラス体７に予備成形し
た。次にこの円板状ガラス体７の上下両主面に炭
素粉末を蒸発源とし、公知の真空蒸着法により炭
素膜８を300Åの厚さに形成し、被成形物９とし
た。

これを実施例１と全く同様のプレス機の型にセ
ツトし、２％H₂＋98％N₂雰囲気（還元雰囲気）
中で実施例１と全く同様のプレス条件でプレスを
行なつた。得られた加圧成形物を実施例１と同様
に冷却した後、550℃でアニールすることにより
炭素膜８を酸化させて除去して得られたレンズ
は、高面精度を有する直径10.0mmの両凹球面レン
ズであり、炭素膜８の介在により型との融着もな
く、光学的にも欠陥は認められなかつた。

レンズを構成する被成形ガラス、型用ガラスお
よび融着防止層として用いるガラスは上述した例
に限らない。例えば、転移温度が比較的低いもの
として、原料組成が重量％でSiO₂；26.9，PbO；
71.3，K₂O；1.0，Na₂O；0.5，As₂O₃；0.3のPbO
を大量に含むSF6（転移温度435℃、熱膨張係数86
×10^-7／℃、屈折率n_d1.805）、原料組成が重量％
でSiO₂；36.7，PbO；57.5，K₂O；4.2，Na₂O；
0.8，B₂O₃；0.8のSF8（転移温度425℃、熱膨張係
数77×10^-7／℃、屈折率n_d1.69）、あるいは原料
組成が重量％でSiO₂；43.8，PbO；46.6，CaO；
6.7，Na₂O；2.9のF2（転移温度435℃、熱膨張係
数101×10^-7／℃、屈折率n_d1.62）などがある。

また、転移温度が比較的高いものとしては、例
えば原料素成が重量％でSiO₂；65.0，B₂O₃；5.0，
Li₂O；9.0，K₂O；4.4，Na₂O；3.0，ZnO；13.6
のホウケイ酸塩系ガラス（転移温度460℃、熱膨
張係数102×10^-7／℃、屈折率n_d1.60）、バリウム
ホウケイ酸塩系光学ガラスのSK15（転移温度655
℃、熱膨張係数73×10^-7／℃、屈折率n_d1.623）、
原料組成が重量％でSiO₂；5.0，B₂O₃；37.1，
La₂O₃；32.9，CaO；9.6，ZnO；13.4，Al₂O₃；
2.0のLaK9（転移温度625℃、熱膨張係数78×
10^-7／℃、屈折率n_d1.69）などがあり、これらを
先に述べた条件に従つて組合せて用いればよい。

実施例２で述べた上・下型の表面に炭素膜２
３，２４を形成した場合には、被成形物１０の方
には特に融着防止膜（例えば第３図に示すガラス
層５）を設ける必要がない。さらに案内型１３の
内周面にも融着防止層を設けてもよい。

もちろん上・下型の一方を凸または凹球面と
し、他方を平面とすれば平凸または平凹のレンズ
形成できるし、曲率半径の異な凸球面と凹球面と
を組合せることも自由である。いずれにしても型
はガラスであるため加工は容易で、安価に製作す
ることが可能である。なお、第５図において被成
形物１０を球状としてあるが、これを例えば第２
図に示したような円板状とすると、プレス時に被
成形ガラスが凹球面状の上・下型の間で円滑に外
周方向に移動しずらく、内部に気泡などが閉じ込
められることが起こり得るため、被成形物を外側
に押し出されるような形とすることが好ましい。
したがつて平凸レンズを形成する場合なども同様
で、球状には限らないが、中央部がふくらんだ形
状に予備成形したものを用いることが望ましい。
一般的な予備成形の形状は、レンズの仕上り形状
に近似した形状であることが好ましい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ガラス
の型と融着防止層の組合せによりプレスレンズの
製造が可能になる。従来高価であつた型がガラス
という安価な材料でよいことになり、加工も比較
的容易で、またプレス時の雰囲気等の条件が緩や
かになり、きわめて安価にプレスレンズを製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す型の断面図、
第２図はそれによりプレス成形される被成形物の
構成例を示す断面図、第３図および第４図はそれ
ぞれ本発明の他の実施例を示す被成形物の断面
図、第５図は本発明の他の実施例を示す型の断面
図、第６図は被成形ガラスと融着防止層用ガラス
との粘度温度特性を示す図である。 １，４，７…ガラス体、２…酸化ケイ素膜、
３，６，９，１０…被成形物、５…ガラス層、
８，２３，２４…炭素膜、１１，２１…上型、１
２，２２…下型。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 成形用型としてプレス温度よりガラス転移温
   度の高いガラスからなる型を用い、レンズの仕上
   り形状の基礎をなす形状を有する被成形ガラス体
   と上記型との間に融着防止層を介在させ、上記ガ
   ラス体をその軟化状態で型によりプレス成形する
   ことを特徴とするプレスレンズの製造方法。 ２ 成形用型として、酸化ケイ素を51〜64重量
   ％、酸化アルミニウムを10〜19重量％、酸化亜鉛
   を２〜15重量％、酸化マグネシウムを２〜14重量
   ％、酸化ホウ素を０〜９重量％含有するガラスか
   らなる型を用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のプレスレンズの製造方法。 ３ 融着防止層として酸化ケイ素層を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプレス
   レンズの製造方法。 ４ 融着防止層として、被成形ガラスよりガラス
   転移温度の高いガラスからなる層を用いることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプレスレ
   ンズの製造方法。 ５ 融着防止層として炭素層を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のプレスレンズ
   の製造方法。