JP5095564B2 - 成形型、この成形型を用いるガラス成形体の製造方法、及び光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)精密プレス成形時に成形型によって加圧される面の形状を精密に加工することなしに、
(2)レンズ体積に比べてプリフォーム体積を大幅に大きくすることなく、
(3)ガラスを破損させることなく、
(4)所定の面精度を有する光学素子を効率的に生産することができる
精密プレス成形用プリフォームを提供するべく種々検討した。その結果、所定の形状を有する精密プレス成形用プリフォームが、上記課題を解決し得ることを見いだした。
(1)精密プレス成形時に成形型によって加圧される面の形状を精密に加工することなしに、
(2)レンズ体積に比べてプリフォーム体積を大幅に大きくすることなく、
(3)ガラスを破損させることなく、
(4)所定の面精度を有する光学素子を効率的に生産することができる
精密プレス成形用プリフォームを製造するために用いることができる成形型を提供することにある。
[1]熔融ガラス塊を浮上状態で冷却しながら成形して精密プレス成形用プリフォームを成形するために用いられる成形型において、
前記成形型は、底部と前記底部の周囲を囲ように立設された側壁とを有する凹状のガラス成形部を備え、
前記側壁は、前記ガス噴出口から噴出するガスを前記ガラス成形部の開口方向に向けて流すガス流路を有し、
前記ガス流路は、底部からガラス成形部の開口の方向に垂直に、または傾斜して延存する複数の溝であり、
前記底部は、前記ガラス塊に風圧を加えて浮上させるためのガスを噴出する複数のガス噴出口を有する
ことを特徴とする成形型。
[2]前記ガス流路を有する側壁の表面は、連続面からなる波形または断続面からなる波形である[1]に記載の成形型。
[3]前記複数のガス噴出口を有する底部は、通気性を有する多孔質材料により構成される[1]〜[2]のいずれかに記載の成形型。
[4]前記精密プレス成形用プリフォームが、回転対称軸を有し、かつ前記回転対称軸と各々交差する2つの端面及び前記2つの端面の外周に接続する1つの側面を備える、[1]〜[3]のいずれかに記載の成形型。
[5]前記精密プレス成形用プリフォームの側面は、前記ガラス成形部の側壁により成形される[4]に記載の成形型。
[6]熔融ガラスを流出して熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形型に設けられたガラス成形部で浮上状態にて冷却しつつ成形して精密プレス成形用プリフォームを得る、精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
前記成形型として、[1]〜[5]のいずれかに記載の成形型を用い、かつ前記成形型のガラス成形部で前記熔融ガラス塊を浮上状態にて保持することで、回転対称軸を有し、かつ前記回転対称軸と各々交差する2つの端面及び前記2つの端面の外周に接続する1つの側面を備える、精密プレス成形用プリフォームを成形することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[7]前記ガラス塊の容積は、前記ガラス成形部の容積の40〜65%の範囲とする[6]に記載の製造方法。
[8]ガラス成形部に保持したガラス塊の上面をプレスすることを含む、[6]〜[7]のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
[9]前記精密プレス成形用プリフォームは、2つの端面が独立に凸面または凹面であり、
前記側面は熔融状態のガラスを固化して得られた面からなり、
前記回転対称軸に一致する軸を有し、かつ前記プリフォームに外接する仮想的な円柱を想定したときに、当該円柱の高さhに対する直径φの比(φ/h)が1以上かつ3以下であり、前記円柱の容積V0に対する前記プリフォームの体積Vの比(V/V0)が68%以上である、[6]〜[8]のいずれかに記載の製造方法。
[10][6]〜[9]のいずれかに記載の方法により精密プレス成形用プリフォームを作製し、前記精密プレス成形用プリフォームの少なくとも一部を研磨する精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
[11][6]〜[10]のいずれかに記載の製造方法で得られる精密プレス成形用プリフォームを、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを含む、光学素子の製造方法。
[12]プレス成形型を構成し、プリフォームを加圧するための対向する型部材の少なくとも一方の成形面が凸面であることを特徴とする[11]に記載の光学素子の製造方法。
本発明は、熔融ガラス塊を浮上状態で冷却しながら成形してガラス成形体を得るために用いられる成形型に関する。本発明の成形型は、底部と前記底部の周囲を囲ように立設された側壁とを有する凹状のガラス成形部を備え、かつ前記底部は、前記ガラス塊に風圧を加えて浮上させるためのガスを噴出する複数のガス噴出口を有することを特徴とする。
図1の(A)に示すのは、本発明の成形型の一実施態様である成形型10である。成形型10は、底部基部材11、底部基部材11の中央の開口部に設けた多孔質材料により構成される底部形成部12及び、側壁構成部材13から構成される。側壁構成部材13は、内壁が、成形部の側壁を構成する。さらに、側壁構成部材13は、複数の部分に分割可能とすることができ、成形後のガラス成形体の取り出しの際に、図1の(B)に示すように、外側に移動して、取り出しを容易にすることができる。
以下、ガラス成形体の製造方法について説明する。
本発明のガラス成形体の製造方法は、熔融ガラスを流出して熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形型に設けられたガラス成形部で浮上状態にて冷却しつつ成形してガラス成形体を得る方法である。このような工程でガラス成形体を得る方法は、良く知られている。しかし、本発明は、前記成形型として、上記本発明の成形型を用い、かつ前記成形型のガラス成形部で前記熔融ガラス塊を浮上状態にて保持することで、回転対称軸を有し、かつ前記回転対称軸と各々交差する2つの端面及び前記2つの端面の外周に接続する1つの側面を備える、ガラス成形体を成形することを特徴とする。
本発明の製造方法で得られるガラス成形体の形状は、前述のようにガラス成形部の底部、側壁の形状に近似した底面(ガラス成形部内にある状態で下を向いている面)と側面(ガラス成形部内にある状態で側壁方向を向いている面)を有し、側面は円柱側面の形状もしくは裁頭円柱の側面の形状になる。上面(ガラス成形部内にある状態で上を向いている面)はプレスしたり、ガスを吹き付けたりしなければ、自由表面になり、中央部が盛り上がった緩やかな凸面となる。上面を平面にしたり、凹面にしたり、凸面でも曲率を制御したい場合は、ガラスが変形可能な状態にあるときに上面をプレスしたり、ガスを吹き付けて所望の形状にすればよい。精密プレス成形時、前記上面と底面はプレス成形型によってプレスされる被プレス面となる。
nd≧2.4−0.02×νd …… (1)
ただし、低分散性を維持しつつ屈折率をいっそう高めるとガラス安定性が低下するため、前記範囲内の光学特性のうち、下記(2)式を満たす範囲にすることが好ましく、下記(3)式を満たす範囲にすることがより好ましい。
nd≦2.48−0.012×νd (ただし、屈折率ndが2.2以下)…… (2)
nd≦2.42−0.012×νd (ただし、屈折率ndが2.2以下)…… (3)
(1)式はnd=1.90、νd=25とnd=1.7、νd=35を結ぶ直線
(2)式はnd=2.00、νd=45とnd=1.7、νd=65を結ぶ直線
(3)式はnd=2.00、νd=35とnd=1.7、νd=60を結ぶ直線
B2O3 5〜70%、
SiO2 0〜50%、
ZnO 1〜50%、
La2O3 5〜30%、
Gd2O3 0〜22%、
Y2O3 0〜10%、
Yb2O3 0〜10%、
Li2O 0〜20%、
Na2O 0〜10%、
K2O 0〜10%、
MgO 0〜10%、
CaO 0〜10%、
SrO 0〜10%、
BaO 0〜10%、
ZrO2 0〜15%、
Ta2O5 0〜20%、
WO3 0〜20%、
Nb2O5 0〜15%、
TiO2 0〜40%、
Bi2O3 0〜10%、
GeO2 0〜10%、
Ga2O3 0〜10%、
Al2O3 0〜10%、
を含む光学ガラスを例示することができる。
本発明の光学素子の製造方法は、上記本発明の製造方法で得られた成形体からなる精密プレス成形用プリフォームまたは成形体を研磨加工等して得られた精密プレス成形用プリフォームを、プレス成形型を用いて精密プレス成形する光学素子の製造方法である。
(精密プレス成形法1)
この方法は、プレス成形型にプリフォームを導入し、プレス成形型とプリフォームを一緒に加熱し、精密プレス成形するというものである(精密プレス成形法1とういう)。精密プレス成形法1において、プレス成形型と前記プリフォームの温度をともに、プリフォームを構成するガラスが106〜1012dPa・sの粘度を示す温度に加熱して精密プレス成形を行うことが好ましい。また前記ガラスが1012dPa・s以上、より好ましくは1014dPa・s以上、さらに好まくは1016dPa・s以上の粘度を示す温度にまで冷却してから精密プレス成形品をプレス成形型から取り出すことが望ましい。上記の条件により、プレス成形型成形面の形状をガラスにより精密に転写することができるとともに、精密プレス成形品を変形することなく取り出すこともできる。
この方法は、プレス成形型に予熱したプリフォームを導入し、精密プレス成形することを特徴とするものである(精密プレス成形法2という)。この方法では、プレス成形型とプレス成形用プリフォームを別々に予熱し、予熱されたプリフォームをプレス成形型に導入して精密プレス成形することが好ましい。この方法によれば、前記プリフォームをプレス成形型に導入する前に予め加熱するので、サイクルタイムを短縮化しつつ、表面欠陥のない良好な面精度の光学素子を製造することができる。
なおプレス成形型の温度は、前記プリフォームの予熱温度よりも低い温度に調温させるが、前記ガラスが109〜1012dPa・sの粘度を示す温度を目安にすればよい。
この方法において、プレス成形後、前記ガラスの粘度が1012dPa・s以上にまで冷却してから離型することが好ましい。
図4に、本発明の成形体であるプリフォームを回転対称軸を含む平面で切ったときの断面形状(左)と、これらプリフォームを精密プレス成形して得られるプレス成形品の断面形状(中)、従来のガラス塊を浮上状態で成形したプリフォームの断面形状(右)を示す。プレス成形品の破線で示した輪郭が余肉部分に相当する。
なお、これらレンズを成形する際に、ガラスの破損はおきなかった。また、非球面両凹レンズについても非球面凹メニスカスレンズと同様の結果を得た。ここで、非球面凹メニスカスレンズを成形する場合、下型成形面は凹面、上型成形面は凸面とし、非球面両凹レンズを成形する場合、下型成形面および上型成形面は凸面とした。
一方、充填率が66.7%のプリフォームを使用して同様のレンズを作製したところ、面精度はP-V値で中心部0.25μm以下だったが、周辺部では0.4μmと面精度の低下が見られた。表2に示すガラスNo.1〜11、ならびにリン酸ガラス1、リン酸ガラス2の各ガラスからなり、充填率が68%未満であるか、比(φ/h)が3を超えるプリフォームを精密プレス成形して得た非球面凹メニスカスレンズの面精度を中央部におけるP-V値、周辺部におけるP-V値として示す。結果を表3に示す。これらレンズは、中央部においてP-V値が中心部0.25μm以下であったが、周辺部では0.4μm以上と面精度の低下が見られた。なお、非球面両凹レンズについても上記非球面凹メニスカスレンズと同様の結果であった。
実施例1と同様、表2に示すガラスNo.1〜11、リン酸ガラス1、リン酸ガラス2の各ガラスを用いて、表4に示すプリフォームを作製した。ただし、本実施例では成形型の成形部上にあるガラスを、ガラスが軟化状態にある間に上方から凸状の成形面を有する上型でプレスし、プリフォーム上面を凹面に成形した。プレス成形後、ガラスを再び浮上しながら冷却した。プリフォームの側面、下面は実施例1と同様の形状である。こうして得た各プリフォームに関するデータを表4に示す。表4に示すように、一方の被プレス面が凸面で、他方の被プレス面が凹面のプリフォームを加熱し、凸状成形面を有する上型と凹状成形面とスリーブ型を有する下型を備えたプレス成形型で精密プレス成形し、非球面凹メニスカスレンズを得た。各レンズの面精度を実施例1と同様の記法により表4に示す。精密プレス成形では、プリフォーム上面、すなわち、凹面が上型側、プリフォーム下面、すなわち、凸面が下型側を向くようにプリフォームをプレス成形型内に導入し、上型成形面の頂部でプリフォーム上面、すなわち、凹面の中心を押さえ、プリフォームがプレス成形型の中心位置からずれないようにした。なお、上型成形面の頂部でプリフォーム上面、すなわち、凹面の中心を押さえる際、プリフォームに加わる力は上型の自重のみとした。この状態でプリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形を行った。さらに、プレス成形型を非球面両凹レンズのプレス成形用のものに換えて、非球面両凹レンズを作製した。非球面両凹レンズにおいても非球面凹メニスカスレンズと同様、良好な面精度のレンズを得ることができた。
実施例2と同様にして、2つの被プレス面がともに凹面のプリフォームをプレス成形により得た。本実施例では、プリフォーム成形型の成形部を凸面とした。このように、表2に示すガラスNo.1〜11、リン酸ガラス1、リン酸ガラス2の各ガラスを用いてプリフォームを作製した。こうして得た各プリフォームに関するデータは表4に示すデータと概ね等しい。次に、2つの被プレス面がともに凹面のプリフォームを加熱し、凸状成形面を有する上型および下型を備えたプレス成形型で精密プレス成形し、非球面両凹レンズを得た。各レンズの面精度は実施例2と同様であった。精密プレス成形では、上下型成形面の頂部でプリフォーム上下面の中心を押さえ、プリフォームがプレス成形型の中心位置からずれないようにした。なお、上下型成形面の頂部でプリフォームの被プレス面の中心を押さえる際、プリフォームに加わる力は上型の自重のみとした。この状態でプリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形を行った。このようにして、良好な面精度を有する非球面両凹レンズを得ることができた。
Claims (12)
- 熔融ガラス塊を浮上状態で冷却しながら成形して精密プレス成形用プリフォームを成形するために用いられる成形型において、
前記成形型は、底部と前記底部の周囲を囲ように立設された側壁とを有する凹状のガラス成形部を備え、
前記側壁は、前記ガス噴出口から噴出するガスを前記ガラス成形部の開口方向に向けて流すガス流路を有し、
前記ガス流路は、底部からガラス成形部の開口の方向に垂直に、または傾斜して延存する複数の溝であり、
前記底部は、前記ガラス塊に風圧を加えて浮上させるためのガスを噴出する複数のガス噴出口を有することを特徴とする成形型。 - 前記ガス流路を有する側壁の表面は、連続面からなる波形または断続面からなる波形である請求項1に記載の成形型。
- 前記複数のガス噴出口を有する底部は、通気性を有する多孔質材料により構成される請求項1〜2のいずれかに記載の成形型。
- 前記精密プレス成形用プリフォームが、回転対称軸を有し、かつ前記回転対称軸と各々交差する2つの端面及び前記2つの端面の外周に接続する1つの側面を備える、請求項1〜3のいずれかに記載の成形型。
- 前記精密プレス成形用プリフォームの側面は、前記ガラス成形部の側壁により成形される請求項4に記載の成形型。
- 熔融ガラスを流出して熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形型に設けられたガラス成形部で浮上状態にて冷却しつつ成形して精密プレス成形用プリフォームを得る、精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
前記成形型として、請求項1〜5のいずれかに記載の成形型を用い、かつ前記成形型のガラス成形部で前記熔融ガラス塊を浮上状態にて保持することで、回転対称軸を有し、かつ前記回転対称軸と各々交差する2つの端面及び前記2つの端面の外周に接続する1つの側面を備える、精密プレス成形用プリフォームを成形することを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。 - 前記ガラス塊の容積は、前記ガラス成形部の容積の40〜65%の範囲とする請求項6に記載の製造方法。
- ガラス成形部に保持したガラス塊の上面をプレスすることを含む、請求項6〜7のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記精密プレス成形用プリフォームは、2つの端面が独立に凸面または凹面であり、
前記側面は熔融状態のガラスを固化して得られた面からなり、
前記回転対称軸に一致する軸を有し、かつ前記プリフォームに外接する仮想的な円柱を想定したときに、当該円柱の高さhに対する直径φの比(φ/h)が1以上かつ3以下であり、
前記円柱の容積V0に対する前記プリフォームの体積Vの比(V/V0)が68%以上である、請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。 - 請求項6〜9のいずれかに記載の方法により精密プレス成形用プリフォームを作製し、前記精密プレス成形用プリフォームの少なくとも一部を研磨する精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
- 請求項6〜10のいずれかに記載の製造方法で得られる精密プレス成形用プリフォームを、プレス成形型を用いて精密プレス成形することを含む、光学素子の製造方法。
- プレス成形型を構成し、プリフォームを加圧するための対向する型部材の少なくとも一方の成形面が凸面であることを特徴とする請求項11に記載の光学素子の製造方法。
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