JPS6363490B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鋳型内でガラスを熱間成形することに
よりガラス物品を精密成形する方法に関するもの
である。 また本発明はガラス物品精密成形用鋳型及びそ
の製造方法に関するものである。 特に本発明はガラスレンズ、特に非球面レンズ
の精密成形に関するものである。この種類のレン
ズは所定の形状精度及び所定の表面特性を有して
いることが必要である。ここに「精密」と称する
のは、成形直後に、すなわちさらに処理を行わな
くても、レンズがいかなる点においても所望の曲
率から0.5μｍより大きくは偏倚しておらず、かつ
表面粗さが0.02μｍより小さいことを意味するも
のとする。 米国特許第4098596号明細書には鋳型内で光学
レンズを成形する方法が記載されている。この鋳
型は炭化タングステン、タングステン合金または
ガラス状炭素かれ作られている。金属はその結晶
構造がガラスの熱間成形中に生起する温度サイク
ルの影響下に変化する欠点（粒子の成長、結晶化
等）を有する。かかる欠点は幾何学的形状の変化
を伴うことが多く、この結果金属鋳型は限定され
た回数しか使用できない。ガラス状炭素は所要の
形状精度と同時に所望の平滑性を達成するのが機
械的に困難であるという欠点を有する。 従つて、既知の鋳型の幾何学的形状の安定性及
び寿命は最適とはいえない。 本発明の目的は上述の問題を解決するにある。 本発明により鋳型内でガラスを熱間成形するこ
とによりガラス物品を精密成形するに当つては、
表面に端縁区域を有するプレストレスト強化ガラ
ス鋳型を使用し、上記端縁区域は圧縮応力の作用
を受けておりかつ無応力の中立区域を経て引張応
力の作用を受けていない中心部に移行しているこ
とを特徴とする。 プレストレスト強化ガラス鋳型は金属鋳型より
寿命が長くかつ圧縮及び衝撃荷重に十分耐えるこ
とができる。金属鋳型例えば鋼鋳型を用いる場合
には、不活性ガス雰囲気中で成形を行う必要があ
るが、このことはガラス鋳型においては全く不必
要であるかあるいは限定された程度必要であるに
すぎない。強化ガラスは鋼より引掻き抵抗が優れ
ている。ガラス鋳型は容易に研磨でき、鋼より良
好に研磨されるので、一層良好な表面特性を得る
ことができる。ガラスは熱放散が著しく少ないの
で、成形物はチルドされる程度が小さく、この結
果表面特性が改善される。熱放散が少ないため低
い成形温度を使用することができ、この結果鋳型
と成形物との間で固着が生ずる危険が小さくな
り、容易に成形できる温度範囲が広くなる。成形
温度を低くすることができるので、高い成形温度
を必要とするガラスタイプを成形することができ
る。 プラスチツクレンズ成形用石英ガラス製鋳型は
英国特許第505836号明細書から既知である。石英
ガラス製鋳型の形状も安定であるが、プレストレ
スト強化ガラス製鋳型は石英ガラス製鋳型より強
い、すなわち脆さが小さくかつ衝撃の作用を受け
難い。 本発明によりかかるプレストレスト強化鋳型を
製造する方法は、機械的操作によりガラスプレホ
ームを製造し、次いでこのプレホームにエツチン
グ処理を施し、このエツチング処理したプレホー
ムの成形面を機械的に処理し、最後にこの処理さ
れた鋳型を熱化学的（chemothermal）処理によ
りプレストレス付与処理及び強化処理することを
特徴とする。 機械的操作、例えば研削操作によるプレフオー
ムの製造は普通の機械的手段により行うことがで
きる。この段階では精密さは不必要である。この
プレホームは表面特性が劣る、すなわちヘヤーク
ラツクを示す。かかるヘヤークラツクは次の冷間
エツチング操作の影響下に消失する。同時に、所
要に応じて、エツチング操作中にプレホームの直
径を補正する。次の後処理例えば研磨操作は所要
の精密さで行う必要があり、数値制御下に行うの
が好ましい。かかる後処理中にプレホームの成形
面に正しい形状精度が付与される。処理面からヘ
ヤークラツクをなくす必要がある。このように処
理したプレホームは所要の形状精度及び表面特性
を有しているが、鋳型はなお破損し易い。この鋳
型は最後の熱化学的処理でプレストレスを付与し
かつ強化することにより破損しなくなる。 熱化学的処理によるプレストレスの付与および
強化は、ガラスのNa⁺イオンがK⁺イオンにより
置換されるイオン交換に基くものである。このた
めに、本発明における熱化学的処理中にプレホー
ムを約500℃以上の温度においてKNO₃に0.2重量
％のAl₂（SO₄）₃を添加してなる浴中で長時間処理
する。 鋳型の表面には熱化学的処理により約100〜
200μｍの侵入深さ及び圧縮応力分布を有する端
縁区域が生成し、この圧縮応力分布では圧縮応力
が侵入深さ零の自由表面における正の値から最大
値まで増大し次いで零の値まで減少し、上記端縁
区域は無応力の中立区域を経て引張応力の作用を
受けている中心部に移行している。平均鋳型温度
350℃における数多い成形サイクルによつても鋳
型における応力パターンは侵入深さに関しても最
大圧縮応力に関しても変化しないことが判つた。 熱化学的処理によつて研磨プレホームの形状に
変化が生ずることがある。強化鋳型の形状を測定
することにより、また所要形状から偏倚している
場合には上記鋳型を再度研磨しかつこれに第２熱
化学的処理を施すことにより、かかる鋳型に所望
の形状精度を付与することができる。 本発明のガラス鋳型はプレストレス付与処理及
び強化処理されており、かつ表面に端縁区域を具
え、上記端縁区域は圧縮応力の作用を受けており
かつ無応力の中立区域を経て引張応力の作用を受
けている中心部に移行していることを特徴とす
る。端縁区域における圧縮応力は先ず自由表面に
おける正の値から最大値まで増大し、次いで零ま
で減少している。 プレストレスト強化ガラス鋳型の利点は既に説
明した通りである。しかも、ガラス鋳型は透明で
あるという利点を提供する。例えば、紫外光の作
用下に硬化する薄いプラスチツク層をガラスコア
の回りに設けた成形プロセスを用いる場合には、
紫外光はガラス鋳型を貫通する。結合剤と同じ屈
折率を有する紫外線硬化性プラスチツク材料を用
いて緻密に積重ねたガラス球の組成物からレンズ
を作ろうとする場合には、紫外線をガラス鋳型に
貫通させることができる。 本発明の鋳型は既知の金属鋳型より多数回使用
でき、この理由は使用中に生起する構造上の変化
に起因する形状変化がないからである。 本発明の鋳型は約1000℃以下の温度でガラス物
品を製造するのに適している。ガラス物品は300
〜600℃の温度で熱間成形することにより作るの
が好ましい。この種の熱間成形には、米国軟化点
すなわち粘度が10^6.6Pa.s.に達する温度が600℃よ
り低いガラスが特に適当である。 次に本発明を図面を参照して例について説明す
る。 第１図は２個の鋳型半部１及び２からなる鋳型
を具えた成形装置１０を示す。鋳型半部１及び２
はそれぞれ熱電対３を具える。これら鋳型半部の
成形面を符号６及び７で示す。符号８は加熱線を
示し、図示しない電源及び制御系を介してこの加
熱線により２個の鋳型半部を所望の成形温度に加
熱することができる。成形されたガラス物品５を
キヤリヤ４上に載置する。 鋳型半部１及び２は本発明方法により次のよう
にして製造する。研削及びドリリングによりガラ
スからプレホームを作る。このプレホームの表面
は表面の粗さのために白くなつている。このプレ
ホームを化学的にエツチングしてヘヤークラツク
のほとんど存在しない表面を得る。成形面６及び
７を例えば「フイリツプス・テクニカル・レビユ
ー（Philips Technical Review）」30、117〜133
（1969）に記載されているような特殊研磨用旋盤
で処理すると、成形面は所望の表面から１マイク
ロメータの十分の二〜三より大きくは偏倚せず、
表面粗さは0.02μｍより小さくなり、これは表面
が光学的に平滑であることを意味する。次いでこ
のように処理したプレホームを熱化学的処理によ
りプレストレス付与処理及び強化処理する。この
ために、プレホームを化学的に純粋なKNO₃に
0.2重量％のAl₂（SO₄）₃を添加してなる浴中に長時
間浸漬する。このようにして得たプレストレスト
強化鋳型半部が所要の形状精度を有していない場
合には、研磨処理及び次の熱化学的処理を繰返
す。 レンズは上述の方法により次のようにして成形
することができる。プレホーム例えば微細粉末状
のガラス立方体を該ガラスの米国軟化点近くまた
はこれより僅かに高い温度に加熱する。この立方
体をキヤリヤ４上に配置し、約300℃に加熱され
た鋳型半部１と２との間に挿入する。このガラス
立方体を２個の成形型半部の間で例えば400〜
700_KP_aの圧力で数秒間プレスする。次いで成形さ
れた物品５を２個の鋳型半部の間から取出し、例
えば空気中で冷却する。 実際の例では、ガラス鋳型を重量％で次の組成
を有するケイ酸アルミニウムナトリウムから作つ
た： 重量％ モル％ SiO₂ 66.8 70.0 Al₂O₃ 14.6 9.0 Na₂O 14.8 15.0 MgO 3.8 6.0 Sb₂O₃ 0.4 − このガラスはアニール温度約600℃、米国軟化
点855℃、膨張係数８×10^-7であつた。 第２図は熱化学的処理後の上記ガラスの圧縮応
力分布を示す。圧縮応力値ＳはＮ／mm²で示し、侵
入深さＰはμｍで示した。測定は上記ガラスタイ
プのガラス棒について行つた。 第２図中の曲線Ａはガラス棒の熱化学的処理後
の応力分布を示す。このガラス棒は上記組成の浴
中に525℃の温度において24時間浸漬した。自由
表面における侵入深さ０の場合には、圧縮応力Ｓ
は232N／mm²であつた。また最大圧縮応力は侵入
深さP55μｍにおける393N／mm²であつた。最大侵
入深さは圧縮応力０における210μｍであつた。 曲線Ｂは350℃の温度において24時間炉内に保
持したガラス棒の加熱試験後の応力分布を示す。
この加熱試験は数多くの成形サイクルの代りに行
つたものである。第２図に示すように、自由端縁
における圧縮応力は143N／mm²まで減少し、最大
圧縮応力は393N／mm²に留り、応力０における侵
入深さＰは同一の値、すなわち210μｍに留つた。 曲線Ａと曲線Ｂとを比較することにより、加熱
試験処理すなわち成形サイクルがガラスの強化さ
れた特性に悪影響を与えないことが判る。すなわ
ち、曲線は単に移動しているにすぎず、最大応力
値及び応力零の点の位置は変化していない。 第１図に示す装置はケイ酸アルミニウムナトリ
ウムガラスからなる上述の鋳型を具える。この装
置を使用して異なる種類のガラスからなるレンズ
を作つた。このために、寸法８×８×８mmの立方
体を２個の鋳型半部の間で後述の成形温度におい
て成形した。形状精度、すなわち理想的形状から
の偏倚及び鋳型の接触面の平滑性はそれぞれ0.1μ
ｍ未満及び0.02μｍ未満であつた。すべての成形
されたレンズは形状精度0.1μｍ未満で、平滑性は
0.02μｍ未満であつた。従つて、これらのレンズ
はさらに研磨する必要がなかつた。次表にレンズ
を用いたガラスの組成及び使用した成形温度を示
す。また離型時間、すなわち成形されたレンズが
収縮によつて鋳型から離れた状態になるまでの時
間を示した。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の鋳型の１例を具えた成形装置
の１例の断面図、第２図は本発明の鋳型の端縁区
域における圧縮応力分布の１例のグラフである。 １，２……鋳型半部、３……熱電対、４……キ
ヤリヤ、５……成形されたガラス物品、６，７…
…成形面、８……加熱線、１０……成形装置、
Ａ，Ｂ……圧縮応力分布を示す曲線、Ｐ……侵入
深さ、Ｓ……圧縮応力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳型内でガラスを熱間成形することによりガ
   ラス物品を精密成形するに当り、表面に端縁区域
   を有するプレストレスト強化ガラス鋳型を使用
   し、上記端縁区域は圧縮応力の作用を受けてお
   り、かつ無応力の中立区域を経て引張応力の作用
   を受けている中心部に移行していることを特徴と
   するガラス物品の精密成形方法。 ２ ガラス物品精密成形用鋳型を製造するに当
   り、機械的操作によりガラスプレホームを製造
   し、次いでこのプレホームにエツチング処理を施
   し、このエツチング処理したプレホームの成形面
   を機械的に処理し、最後にこの処理された鋳型を
   熱化学的処理によりプレストレス付与処理及び強
   化処理することを特徴とするガラス物品精密成形
   用鋳型の製造方法。 ３ 熱化学的処理中にプレホームを約500℃以上
   の温度においてKNO₃に0.2重量％のAl₂（SO₄）₃を
   添加してなる浴中で長時間処理する特許請求の範
   囲第２項記載の方法。 ４ 強化鋳型の形状を測定し、所要形状から偏倚
   している場合には上記鋳型を再度研磨し、次いで
   これに第２熱化学的処理を施す特許請求の範囲第
   ２項または第３項記載の方法。 ５ ガラス物品精密成形用鋳型において、上記鋳
   型はプレストレス付与処理及び強化処理されてお
   り、かつ表面に端縁区域を具え、上記端縁区域は
   圧縮応力の作用を受けておりかつ無応力の中立区
   域を経て引張応力の作用を受けている中心部まで
   移行していることを特徴とするガラス物品精密成
   形用鋳型。 ６ 端縁区域における圧縮応力が先ず自由表面に
   おける正の値から最大値まで増大し、次いで零ま
   で減少している特許請求の範囲第５項記載の鋳
   型。