JPH046112A - プレス成形用ガラス及びそれを用いた成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｆ産業上の利用分野］ 本発明は、熱間プレスにょリレ／ズ等のガラス物品を成
形する技術の改良に関する。

［従来の技術］ 一般にガラスレンズを熱間プレス成形で製造する場合、
加熱、軟化状態にしたカラスを予め精密加工した型を用
いて加圧成形することにより、型の表面形状をそのまま
転写する方法がとられる。

この方法は冷間でのガラス研磨による方法に比べ、少な
い工程で短時間に所望のレンズを得ることが出来る。ま
た、型に傷などの損傷を受けない限り、一つの成形型で
連続的に多量のレンズを製造することができる。さらに
、一つのプレス型を精密加工することにより、球面レン
ズのみならず、非球面レンズも容易に製造することが出
来る。

このレンズプレスに用いられる型の材質とじては、高温
下の強度、耐久性を有するＳｉＣ，５ｉ３Ｎａ等が挙げ
られる。成形型は極めて精密な加工を要し、材質的にも
加工が難しい。そのため、成形型は非常に高価なものと
なる。

成形型の使用回数はそのままレンズの製造コストに影響
するため、型の酸化やガラスの融着を防く必要があり、
プレス成形は非酸化性雰囲気で行われる。非酸化性雰囲
気としては、主に窒素ガス雰囲気が使用される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、プレス成形時に窒素ガスを使用した場合
でも、窒素ガス中の微量な酸素によって型表面上に酸化
膜が形成される。この酸化膜は軟化状態のガラスと成形
型の融着を促し、成形型の面精度を損なうという問題が
生じる。

［問題点を解決するための手段］ 上に述べたガラスと成形型の融着は、軟化状態のガラス
と成形型上の酸化皮膜の間に「濡れ」が生じるためであ
る。

本発明者らは、　「濡れ」が生じない工夫として型と接
触するガラスが未軟化状態であるような成形方法を見い
だした。具体的には、以下に示すプレス成形層ガラス七
それを用いたプレス成形方法である。

一価陽イオンを含むガラスと溶融塩とを接触させ、前記
ガラス中の一価陽イオンと溶融塩中の異種一価陽イオン
とを交換させるイオン交換法等を用いて、ガラス体の表
面から内部に向がって、０５〜５０μｍの深さに連続的
なガラス転移温度の変化する部分を形成する。

この時、表面のガラス転移温度がガラス内部のガラス転
移温度よりも、１５℃〜Ｚｏｏ’　Ｃ高くなるようにガ
ラス中の一価陽イオン及び溶融塩中の一価陽イオンの種
類を選択する。

プレス成形工程は、上記の連続的なガラス転移温度の変
化部分を有するガラス体を、ガラス体内部が軟化状態に
なり、かつ表面付近のガラスが未軟化状態になる温度に
加熱して型によるプレス成形を行なう。

ガラス転移温度が連続的に変化する部分は、イオン交換
方法を用いて形成することができる。つまり、一価陽イ
オンＡ゛を含むガラスを異種の一価陽イオフＢ−を含む
溶融塩に浸漬することにより、一価陽イオン同士を交換
し、Ｂ゛の濃度分布を形成する。溶融塩中に含まれるＢ
゛はガラス中のＡ゛と置換した際、そのガラスのガラス
転移温度が上昇するような一価陽イオンを選ぶ。ガラス
中のＢ゛の濃度分布は、ガラス表面から内部に向かって
漸次減少する分布となる。ガラス転移温度もこれに対応
して表面から内部に向かって低下するような変化を示す
。

イオン交換処理によって形成されるガラス転移温度が変
化する範囲は、ガラス表面がらｏ、５〜５０μ簡の深さ
が必要である。その範囲が０５μ履より浅い場合は、成
形時に成形型とガラスの融着を防く効果が不十分となる
。５０μｍより深い場合はガラス表面にクラックなどが
発生しゃすく、レンズとしての光学的性能が低下する。

また、イオン交換処理は一価陽イオンの濃度差による自
然拡散を原理としているため、交換の範囲が深くなると
、その自乗に比例して長いイオン交換時間が必要になる
。

イオン交換処理に用いる溶融塩は、ガラスを侵食せず処
理温度で充分融解し、かつ分解などの起こらない安定な
塩が好ましい。例えば、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物
、またはこれらの混合塩である。また、溶融塩中の前記
陽イオ７Ｂ−の濃度を変えることで、ガラス表面と内部
のガラス転移温度の差を変化させることが可能である。

イオン交換処理の温度は、処理するガラス組成によるが
、ガラスが大きく変形しない程度の温度が望ましく、使
用する溶融塩によってはガラスの侵食が顕著でない温度
でなければならない。しかし、処理温度が低くなると処
理時間が指数関数的に増大するため、あまり低くするこ
とは好ましくない。溶融塩による侵食が顕著でない場合
、イオン交換処理温度は該ガラスのガラス転移温度より
高く、かつ降伏点より低い温度がよい。

イオン交換処理は、対象となるガラスの組成、形状が同
一であれば、溶融塩を保持する容器の大きさの許す限り
多数のガラス体を同時に処理することが出来る。

イオン交換処理を行う前に、ガラスを予めプレス成形後
の最終形状に近似した形状に「予備成形」することが望
ましい。予備成形はガラスをプレス成形する際、軟化、
流動するガラスの量を抑え、成形型にガラスか沿いやす
くする。本発明では、ガラス表面付近のガラスが未軟化
状態であるため、プレス成形時に過度に大きく変形する
ことは望ましくない。予備成形の形状はレンズの最終形
状とほぼ同じ体積を持った円盤状、球体状であるか、さ
らには最終形状に近似した形状が好ましい。プレス成形
時のガラス表面は先に述べたように未軟化状態であるた
め、予備成形の段階でガラス表面を鏡面にしておくこと
か必要である。イオン交換処理によってガラス表面上に
軽微な欠点が生じた場合、ガラス転移温度が変化する部
分を大きく損なわない程度にガラス表面の研磨等を行い
、欠点を除去することが出来る。

成形型は、一般にプレスレンズ製造に使用される材質の
ものであれば特に制限されない。重要な点はガラス体に
接する成形型の表面であり、気孔などの欠陥かなく、鏡
面状に精密加工されている必要かある。

プレス成形時の圧力は、成形型の表面形状がプレスレン
ズ用ガラスに転写するのに十分な圧力であればよい。

プレス成形時の雰囲気は、本発明ではガラスと成形型の
融着を防くことが出来るため、特に制限されないが、酸
化による成形型自体の劣化を防く意味から窒素ガス等の
非酸化性雰囲気が好ましい。

以上、レンズ成形を例にとり説明したが、本発明はレン
ズ以外の任意のガラス物品の成形に適用し得るものであ
る。

［作用］ 本発明で用いるプレス成形用ガラスは、表面より内部に
向かってガラス転移温度が連続的に変化しており、ガラ
ス表面に近い部分はど、ガラス転移温度が高い。内部の
ガラスと表面付近のガラス転移温度の差は＋５℃〜２０
０°Ｃであり、ある一定の温度下ではガラス転移温度の
差に対応して、ガラスの粘度が異なる。ガラス体を加熱
する際、適当な温度を選ふと、さきに述べたガラス転移
温度の違いに対応する粘性の差から、内部ガラスは軟化
状態でありながら、表面付近は未軟化法帖になる。

成型時にガラスをこの温度に加熱することで、内部のガ
ラスは流動して成形型の形状に沿い、ガラス転移温度の
高い表面付近のガラスは流動せず、内部ガラスの形状変
化に追従した変形が起こる。

ここで、表面付近のガラスは未軟化状態であるため、ガ
ラスと成形型との間には「濡れＪが生じず、成形型との
融着が起こらない。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて説明する
。

（実施例　ｌ） 母材ガラスとして、モル％で、５ｉ０２５９．６、Ａｌ
２０３１１．０、Ｍｇ０１０．９、Ｎａ２０１８．６な
る組成を用い、予備成形して直径９５ＩＩＩＩＮ、厚さ
　５■の円盤１を作製した（第１図（ａ））。円盤表面
は鏡面に研磨した。これを５８０℃に保持した硫酸カリ
ウムと硫酸亜鉛の混合塩中に１０分間浸漬し、ガラス中
のナトリウムイオンと溶融塩中のカリウムイオンとをイ
オン交換してガラス転移温度が連続的に変化する部分２
を形成した（第１図（ｂ））。母材ガラスのガラス転移
温度は５７０°Ｃであり、ガラス表面付近のそれはおお
よそ７４０’　Ｃである。ガラス転移温度の変化する部
分はガラス表面から約３０μｍであった。ガラス体表面
付近のガラス転移温度は、ガラス表面から内部に向かっ
て第２図のように変化する。

本実施例に使用したプレス成形機は、第３図のように構
成されている。押し型３．４は、イオン交換後のガラス
体１′に接触する面が凸面状に精密に鏡面加工された円
柱である。型５は押し型３．４の案内型であり、円筒状
をなし、その内周面は鏡面に加工されている。上部押し
型３は、案内型５内を滑らかに上下に動く。ガラス体の
プレスは、上部押し型３をその上方に位置する押し棒６
が下降し、上部押し型３の上面を押すことによってなさ
れる。これらの成形型３．４．５は５ｉａＮ４を使用し
た。これらのプレス型及びガラス体は全体が電気炉７中
に納められ、均一に加熱される。また、成形機周辺の雰
囲気を制御するために、プレス型全体は石英容器８内に
設置される。プレス時の雰囲気は窒素ガス雰囲気を使用
した。

ガラス体１°をプレス成形する工程は、イオン交換後の
ガラス体ビを上下プレス型３．４の間に置き、充分ガラ
ス体及び成形型全体が均一な温度になるまで加熱する。

加熱温度は、本実施例のガラスでは７００°Ｃで行なっ
た。この温度は、母材ガラスの粘度がおよそ１０９ポア
ズになる温度である。ガラス体及び成形製蓋が均一温度
になった後、押し棒６を下降させ、上部押し型３に荷重
を掛け、ガラス体をプレス成形する。成形後、プレス荷
重を除き、成形型とともに徐冷炉に移して室温まで徐冷
する。

以上の工程により、両凹面レンズ１″が得られた。ガラ
ス体１゛の表面は、イオン交換処理によってガラス転移
温度の高いガラスとなっているため、成形型に融着する
ことなく、成形型の形状がそのまま転写され、高い面積
度を持ったレンズが得られた。

（実施例　２） 母材ガラスとして、モル％て、５ｉ０２５０．０．２ｎ
Ｏ１４，５、Ｂ２Ｏ３４，０，２ｒ０２１．０、Ｎａ２
０２０５なる組成を用い、予備成形により、直径９８闘
、厚さ７ｍｍの円盤を作製した（第４図（ａ））。円盤
の両面は凸球面に加工し、その表面は鏡面に研磨した。

これを、５００°Ｃに保持した硝酸カリウムの溶融塩の
中に５分間浸漬して、ガラス転移温度の変化する部分Ｉ
Ｏを形成した（第４図（ｂ））。ガラス内部のガラス転
移温度は４８６℃であり、カリウムイオンが多量に導入
されたガラス体表面のそれはおおよそ５６０℃である。

ガラス転移温度の変化する部分の範囲はガラス表面から
約２０μｍである。

本実施例に使用したプレス成形機は、第５図のように構
成されている。これは実施例１で使用したプレス成形機
とほぼ同じ構成であるが、ガラスに直接接触する押し型
３°、４′の形状が、凹面状の非球面に精密加工されて
いる。

本実施例のプレス成形工程も実施例１に示した方法とほ
ぼ同じである。イオン交換後のガラス体９′を上下プレ
ス型の間に置き、充分ガラス体及び成形装置全体が均一
な温度になるまで加熱する。

加熱温度は　５４０℃で行なった。充分加熱した後、押
し４棒６により、上部押し型３′に荷重を掛けてガラス
体をプレス成形した。成形後、プレス荷重を除き、成形
型とともに徐冷炉に移して室温まで徐冷した。

以上の工程によって高い面精度を持つ非球面レンズ９″
が得られた。ガラス体９″の表面はイオン交換処理によ
ってガラス転移温度の高いガラスとなっているため、成
形型に融着することなく、成形型の形状がそのまま転写
された。

［発明の効果］ 本発明によれば、予備成形したガラスをイオン交換方法
を用いて、ガラス表面から内部に向かって連続的なガラ
ス転移温度の変化する部分を設け、該ガラス体をガラス
内部が軟化状態で表面付近が未軟化状態になるような温
度でプレス成形することによりプレスレンズ製造時の成
形型と軟化ガラスとの融着を防ぎ、成形型の寿命を伸ば
すことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図（ａ）（ｂ）（Ｃ
）　はそれぞれ実施例１における予備成形後、イオン交
換後、プレス成形後のガラス体の断面図、第２図は実施
例１のイオン交換処理によって形成されたガラス転移温
度のガラス内の位置と変化の様子を示す図、第３図は実
施例Ｊに用いたプレス成形機の断面図、第４図（ａＨｂ
）　（ｃ）はそれぞれ実施例２における予備成形後、イ
オン交換後、プレス成形後のガラス体の断面図、第５図
は実施例２に用いたプレス成形機の断面である。 １．９・・・予備成形後のガラス ｌ゛、９・・・イオン交換後のガラス １”、９”・・・プレス成形後のガラス２．１０・・・
ガラス転移温度の変化した部分・・・上部押し型 ・・・下部押し型 ５・・・案内型 ６・・・押し棒 ７・・・電気炉 ８・・・石英容器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）表面から内部に向かって連続的にガラス転移温度が
   変化しており、かつ表面のガラス転移温度が内部のガラ
   ス転移温度よりも１５℃〜２００℃高いことを特徴とす
   るプレス成形用ガラス。 ２）ガラス転移温度が変化する範囲が表面から０．５な
   いし５０μｍの深さである請求項第１項記載のプレス成
   形用ガラス。 ３）前記ガラス転移温度の変化が、一価陽イオンの濃度
   分布で形成されている請求項第１項に記載のプレス成形
   用ガラス。 ４）表面から内部に向かって連続的にガラス転移温度が
   変化しており、かつ表面のガラス転移温度が内部のガラ
   ス転移温度よりも１５℃〜２００℃高いような不均一な
   特性をもったガラス体を予め製作し、このガラス体を、
   内部が軟化状態になりかつ表面が未軟化状態であるよう
   な温度で型によりプレス成形することを特徴とするガラ
   ス物品のプレス成形方法。