JPH021781B2 - - 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、研磨による仕上げを行なわ
ず、軟化したガラス体をプレス成形することによ
り直接レンズを形成する際に用いられるプレス成
形型に関する。

〔従来の技術〕

このようなプレスレンズの製造方法は、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
写されるもので、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、型自体の材料には、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
ることならびにプレス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。

従来この種のガラスレンズ成形用型としては、
SiCまたはSi₃N₄からなるもの（米国特許第
4139677号公報）の他、ガラス状炭素、炭化タン
グステン、サフアイアあるいはTiB₂等からなる
ものが提案されている。

また、熱膨張係数が６×10^-7より小さい石英ガ
ラスやガラスセラミツクを用いること（特開昭57
−22124号公報）、さらに強化ガラスを用いること
（特開昭54−145058号公報）も提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、SiCやSi₃N₄あるいはガラス状炭素な
どは、いずれも非常に高価な材料である。

また、石英ガラスやガラスセラミツクあるいは
強化ガラス等の特殊ガラスも、通常のガラスに比
較して製造工程が長く高価になり、さらに、特に
前者においては熱膨張係数が小さすぎるために、
プレス温度に昇温すると取付治具との熱膨張差に
よつて取付治具との間にゆるみが生じ、被成形レ
ンズに偏心が生じやすいという難点を有してい
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は型用材料として、酸化ケイ素（Si₂O）
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
ラスを用いたものである。

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。

〔作用〕

本発明の型用ガラスは、従来用いられている一
般的な光学ガラスに比較して、35〜55×10^-7／℃
と低い熱膨張係数を有し、表面硬度および強度も
高いが、従来の光学レンズの加工および研磨技術
によつて容易に光学鏡面をもつた型を作ることが
できる。なお、この型用ガラスの転移温度は600
〜800℃である。

上述した範囲の熱膨張係数は、型としての急
熱・冷に耐えるに十分なだけ小さいと同時に、型
を保持するための取付治具の選択に不自由するほ
どには小さすぎない。つまり、前述した石英ガラ
スのように熱膨張係数がが極端に小さいと、取付
治具の材料としてこれに類似した熱膨張係数の材
料が見出し難くなるのに対し、上述した範囲で
は、炭化タングステン、窒化ケイ素その他の材料
が利用できる。

なお、プレス時の型温は、それを構成するガラ
スの転移温度より低く設定される。

〔実施例〕

（実施例 １） 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
ガラスを1500℃で溶解し、徐冷した後第１図に示
すプレス機の上型１１および下型１２の形状に加
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。従来のガラスレンズの研磨技
術により表面粗さが100ÅRmax以下の光学鏡面
を有する型が得られた。このガラスはガラス転移
温度が730℃で、熱膨張係数は43×10^-7／℃であ
る。

この上・下型１１，１２は案内型１３内を滑動
する。案内型１３は、ここでは炭化タングステン
により形成したが、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。

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87×10^-7／℃、屈折率n_d1.517）を用い、こ
れを第２図に示すように直径6.3mmの球状ガラス
体１に予備成形した。次にこの球状ガラス体１の
全表面に、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。

このような被成形物３を上記型内にセツトし、
２％H₂＋98％N₂ガス（還元性ガス）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
550℃まで徐冷（約30℃／分）し、しかる後急冷
した。その後、550℃でアニールすることにより
炭素膜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8.0mmの両凸球面レンズで
あり、炭素膜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。

融着防止層の炭素膜２は、上、下型１１，１２
に設けてもよい。

このように型に炭素膜を形成した場合には、被
成形物３の方には特に融着防止膜を設ける必要が
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
が形成できるし、曲率半径の異なる凸球面と凹球
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１図において
被成形物３を球状としてあるが、これを例えば円
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
な形とすることが望ましい。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。また、凹レンズを
形成する場合には円板状に予備成形したものを用
いることができる。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。

融着防止層としては、上述した炭素の他にも、
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）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体に酸化ケイ
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℃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
レスすることができる。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５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のガラス）の粘度温度特性に
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。また、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、加圧成形時にお
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を越えると加圧成形による面
精度が低下する。

プレス時の温度等の条件によつては、このよう
な融着防止層を不要とすることも可能である。

（実施例 ２） 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
面を凸球面状に精密鏡面研磨加工して第３図に示
すような上型２１および下型２２を得た。上記凸
球面の表面粗さは100ÅRmax以下である。

一方、原料組成が重量％SiO₂；27.8、Al₂O₃；
2.0、Na₂O；1.8、K₂O；1.2、PbO；65.2、
TiO₂；2.0での重フリント系光学ガラスであるSF
１１（転移温度435℃、熱膨張係数91×10^-7／℃、
屈折率n_d1.785）を第４図に示すように直径10.8
mm、厚さ1.9mmの円板状ガラス体４に予備成形し
て被成形物５とした。

この被成形物５を、第３図に示したような炭化
タングステンからなるリング状ホルダー２３にの
せ、N₂ガス（中性ガス）雰囲気中で約570℃（被
成形物５のガラス粘度が10^7.4ポアズに相当する温
度）に加熱し、次いで軟化した被成形物５を、適
当なトランスフアーデバイス（図示せず）を用い
てリング状ホルダー２３とともに、堂３図ａに示
すように案内型２４に設けた窓を通して型内に移
送する。上・下型２１，２２は外部ヒーター（図
示せず）により415℃に保持しておき、この状態
で第３図ｂに示すように実施例１と同様に50Kg／
cm²の圧力で45秒間プレスを行ない、リング状ホル
ダー３３とともに、プレスされたレンズを取り出
した。型温が比較的低く保たれていることによ
り、プレスされたガラスと型との融着は起こら
ず、良好な面精度のレンズが得られた。光学的に
も欠陥は認められなかつた。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、原料組
成を規定することにより、従来高価であつた型が
安価なガラスによつてかつ比較的容易な加工で形
成でき、きわめて安価にプレスレンズを製造する
ことが可能となる。

【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図は本発明の他の実施
例の型を示す断面図、第４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５
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。 ３，５…被成形物、１１，２１…上型、１２，
２２…下型。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガラスレンズをプレス成形するための型にお
   いて、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プレスレン
   ズ成形用型。