JP3714360B1 - 光学ガラス素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 下型1と上型8との間で溶融ガラス9をプレスする光学ガラス素子の製造方法であって、下型1が有する成形面2とその外側に配置される外周面3との境界領域(5、6)と、ガラス9との間で空間10を確保しながらプレスを行う光学ガラス素子の製造方法、および該方法によって製造された光学ガラス素子。
【選択図】図1
Description
本発明の第1の実施形態においては、図1(A)に示すように、下型1における成形面2と外周面3との境界領域と、ガラス9との間で空間を10を確保しながらプレスを行う。詳しくは、成形面2の外縁領域5(詳しくは図4(A)参照)および外周面3の内縁領域6(詳しくは図4(A)参照)と、ガラス9との間で、全周にわたって連続して空間10を確保しながらプレスを行う。プレス時に空間を確保でき、かつ本発明の目的を達成できるメカニズムは以下の作用に基づくものと考えられる。すなわち、図1(B)に示すように下型1に滴下された溶融ガラス9は下型1との接触部分11から冷却される。そのため、滴下溶融ガラス9は成形面2との非接触部分のうち、下型との接触部分に最も近い部分、すなわち下型の成形面2と外周面3との境界に近い部分(境界近傍部分)12が、他の非接触部分よりも、冷却され易く、ガラスの流動性が低くなり易い。よって、溶融ガラスを滴下後、所定時間保持すると、境界近傍部分12の流動性は適度に低くなり、かつ他の非接触部分は比較的高い流動性を維持する。そこで、プレスを行うと、境界近傍部分と他の非接触部分との流動性の差に基づいて、当該他の非接触部分の変形に伴い、境界近傍部分12がアーチを形成するように変形し、図1(A)に示すような空間10が形成される。そのように空間を確保しながらプレスを行うと、ガラスには、下型成形面が転写されるレンズ面と下型外周面が転写されるコバ面との境界に空間由来の凹部(溝)が形成される。本発明においては、そのような凹部が形成されるので、プレス時において、従来ではレンズ面とコバ面との境界に集中していた応力が、当該凹部の表面全体に分散され、結果として割れやクラックの発生が抑制されるものと考えられる。またそのように割れやクラックの発生が抑制されると、金型がレンズ部のガラス収縮に追随するようにガラスに圧力を有効に付与できるので、ガラスに対して金型成形面を良好に転写できる。
空間10は下型成形面の光学有効領域(詳しくは図4(A)参照)と接触して形成されると、得られる素子の光学有効領域内に空間由来の凹部(溝)が形成されることになるので、空間が下型成形面の光学有効領域と接触しないように、ガラス使用量、光学有効径、金型温度、ガラス粘性等を適宜設定すればよい。
なお、溶融ガラスの使用量は前記範囲内に限定されて解釈されるべきではなく、本発明において溶融ガラスの使用量は特に制限されるものではない。
(1-1)プレス直前のガラス形状は、図1(B)に示すように下型成形面の外縁領域5が溶融ガラス9と接触しないような形状であり、プレス直前においてそのような形状を保持できるように、溶融ガラスを下型上に滴下させる。滴下時の各種条件は、プレス直前において上記形状を確保できる限り、特に制限されるものではないが、上記形状を確保するためには、例えば、滴下させる溶融ガラスの粘性、下型温度および下型の濡れ性などを適宜調整することが有効である。
滴下させる溶融ガラスの粘性が小さすぎる(ガラス温度が高すぎる)と、下型にガラスが貼り付き、下型の成形面−外周面境界領域にガラスが達し、ガラスにおける境界部が先に形成されてしまうので、クラックの発生が頻発する。逆に滴下ガラスの粘性が大きすぎると、プレスの途中でガラスが固化してしまい、割れが発生する。ノズル先端から滴下される溶融ガラスの粘度は、滴下量、ガラス種類に依存して決定されるため、一概に規定できるものではない。例えば、ガラスがLaK8で滴下量が10〜200mgのときで、通常は、101〜1010poise、特に103〜107poiseの範囲内で適宜選択される。粘度は、回転粘度計の外筒回転式で測定された値を用いている(ISO 7884−2)。詳しくは、るつぼ又は外筒を一定速度で回転し、るつぼとスピンドルの間の角速度の差によって発生するトルクを測定する。
下型温度が高すぎると下型にガラスが貼り付き、下型の成形面−外周面境界領域にガラスが達し、ガラスにおける境界部が先に形成されてしまうので、クラックの発生が頻発する。逆に下型温度が低すぎると、ガラスが急激に冷却・固化し、プレスの途中で割れが発生する。下型温度はガラスの種類、滴下量に依存して決定されるため、一概に規定できるものではない。例えば、ガラスがLaK8であり、滴下量が10〜200mgのときで、通常は、300〜700℃、特に400〜600℃の範囲内で適宜選択される。
下型の濡れ性とはガラスに対する濡れ易さであり、当該濡れ性が良すぎると、下型にガラスが貼り付き、下型の成形面−外周面境界領域にガラスが達し、ガラスにおける境界部が先に形成されてしまう。下型成形面の濡れ性は表面粗さでRa10nm以上、特にRa10〜50nmの範囲内で適宜選択される。下型の外周面および上型のガラスとの接触面もまた上記と同様の濡れ性を有することが好ましい。表面粗さはJIS B0601−1994に基づく値を用いている。
本発明の第2の実施形態においては、図2(A)に示すように、下型1における成形面2と外周面3との境界領域と、ガラス9との間で空間20を確保しながらプレスを行う。詳しくは、外周面3の内縁領域6(詳しくは図4(A)参照)と、ガラス9との間で、全周にわたって連続して空間20を確保しながらプレスを行う。第2実施形態は、外周面3の内縁領域6と、ガラス9との間で空間20を確保しながらプレスを行うこと以外、第1実施形態と同様である。すなわち、プレス時において空間を確保でき、本発明の目的を達成できるメカニズム等は第1実施形態においてと同様である。
(2-1)プレス直前のガラス形状は、例えば、図2(B)に示すように下型外周面の内縁領域6が溶融ガラス9と接触しないような形状であり、プレス直前においてそのような形状を保持できるように、溶融ガラスを下型上に滴下させる。図1(B)に示すように下型成形面の外縁領域5が溶融ガラス9と接触しないような形状であってもよい。滴下時の各種条件は、プレス直前において上記形状を確保できる限り、特に制限されるものではないが、上記形状を確保するためには、例えば、滴下させる溶融ガラスの粘性、下型温度および下型の濡れ性などを、第1実施形態と同様の範囲内で適宜調整することが有効である。
(2-2)プレスのタイミングおよび(2-3)プレス圧は、第1実施形態においてと同様の範囲内で適宜選択されればよい。
本発明の第3の実施形態においては、図3(A)に示すように、下型1における成形面2と外周面3との境界領域と、ガラス9との間で空間30を確保しながらプレスを行う。詳しくは、成形面2の外縁領域5(詳しくは図4(A)参照)と、ガラス9との間で、全周にわたって連続して空間30を確保しながらプレスを行う。第3実施形態は、成形面2の外縁領域5と、ガラス9との間で空間30を確保しながらプレスを行うこと以外、第1実施形態と同様である。すなわち、プレス時において空間を確保でき、本発明の目的を達成できるメカニズム等は第1実施形態においてと同様である。
(3-1)プレス直前のガラス形状および(3-3)プレス圧は、第1実施形態においてと同様の範囲内で適宜選択されればよい。
(3-2)本実施形態におけるプレスのタイミングは第1実施形態と比較して少し早く設定する。すなわち、第1実施形態(図1(A)参照)では、成形面2の外縁領域5とガラスとの間だけでなく、外周面3の内縁領域6とガラスとの間にも連続して空間が形成される程度の比較的広い境界近傍部分12(図1(B)参照)が適度な流動性低下を引き起こすまで待ち時間を確保していたが、本実施形態では(図3(B)参照)、成形面2の外縁領域5とガラスとの間にのみ空間が形成される程度の比較的狭い境界近傍部分12(図3(B)参照)が適度な流動性低下を引き起こせばよい。そのような待ち時間は、ガラスの種類、滴下量、下型温度に依存して決定されるため、一概に規定できるものではないが、ガラスがLaK8であり、滴下量が10〜200mgであり、下型温度が上記範囲内のときで、通常は、2〜9秒、特に4〜9秒の範囲内で適宜選択される。
本明細書中、傾斜角は図4(B)の境界領域拡大図に示す角度θである。
本発明の方法で製造された光学ガラス素子の具体例を図5に示す。図5において(A)は第1実施形態で製造された素子の一例であり、(B)は第2実施形態で製造された素子の一例であり、(C)は第3実施形態で製造された素子の一例である。
(実施例1)
図1(A)および(B)に示す方法により光学ガラス素子を製造した。下型1および上型8は超硬からなっており、下型の成形面および外周面および上型のガラスとの接触面はいずれも表面粗さRa15nmに精密研磨加工されている。下型1の成形面凹部について、開口径は3.2mm、深さは1.5mmであり、近似曲率半径1.4mmの凹非球面形状を有していた。また下型における成形面2の外周面3に対する傾斜角は62°であった。下型1および上型8の温度は450℃であった。
素子におけるレンズ部における外径は4.0mm、心厚は2.200mm、光学有効領域の直径は3.0mmであり、コバ部の厚は0.5mmであった。また素子の両面の表面粗さは10nmであった。
溶融ガラス70mgを、1200℃に加熱されたノズルより溶融ガラス滴の直径が3.3mmとなるように滴下させ、図6に示す状態で4秒間保持し、図7に示すように加圧したこと以外、実施例1と同様の方法で光学ガラス素子を得た。図6において成形面2の外縁領域5および外周面3の内縁領域6はガラスと接触している。また1200℃でのガラス粘度は101poiseである。
光学ガラス素子を光学顕微鏡(倍率100倍)で観察したところ、レンズ部とコバ部との境界にクラックや割れが発生していた。
溶融ガラス70mgを溶融ガラス滴の直径が3.2mmとなるようにノズルより滴下させ、図2(B)に示す状態で6秒間保持し、図2(A)に示すように加圧したこと以外、実施例1と同様の方法で図5(B)に示すような光学ガラス素子を得た。
光学ガラス素子を光学顕微鏡(倍率100倍)で観察したところ、レンズ部とコバ部との境界には凹部(溝)が形成されており、クラックや割れは全く発生していなかった。また凹部は自由表面を有しており、光学有効領域外に存在していた。凹部の幅wは200μm、深さdは100μmであった。
素子におけるレンズ部における外径は4.0mm、心厚は2.200mm、光学有効領域の直径は3.0mmであり、コバ部の厚は0.5mmであった。また素子の両面の表面粗さは10nmであった。
溶融ガラス70mgを溶融ガラス滴の直径が3.0mmとなるようにノズルより滴下させ、図3(B)に示す状態で5.5秒間保持し、図3(A)に示すように加圧したこと以外、実施例1と同様の方法で図5(C)に示すような光学ガラス素子を得た。
光学ガラス素子を光学顕微鏡(倍率100倍)で観察したところ、レンズ部とコバ部との境界には凹部(溝)が形成されており、クラックや割れは全く発生していなかった。また凹部は自由表面を有しており、光学有効領域外に存在していた。凹部の幅wは200μm、深さdは100μmであった。
素子におけるレンズ部における外径は4.0mm、心厚は2.200mm、光学有効領域の直径は3.0mmであり、コバ部の厚は0.5mmであった。また素子の両面の表面粗さは10nmであった。
Claims (4)
- 下型と上型との間で溶融ガラスをプレスする光学ガラス素子の製造方法であって、下型が有する成形面とその外側に配置される外周面との境界領域と、ガラスとの間で空間を確保しながらプレスを行うことを特徴とする光学ガラス素子の製造方法。
- 下型成形面の外縁領域および/または下型外周面の内縁領域とガラスとの間で空間を確保しながらプレスを行うことを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス素子の製造方法。
- 下型の成形面と外周面との境界領域において成形面の外周面に対する傾斜角が40°以上90°以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の光学ガラス素子の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の方法によって製造された光学ガラス素子であって、下型成形面が転写されたレンズ面と下型外周面が転写されたコバ面との間に凹部を有することを特徴とする光学ガラス素子。
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