JP2000001320A

JP2000001320A - 光学素子またはその製造用素材としてのガラス塊の成形方法

Info

Publication number: JP2000001320A
Application number: JP16695898A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamamoto; 潔山本; Takeshi Nomura; 剛野村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラス塊の非接触プレス時に、ガラス塊が成
形型の成形面から噴出するガスによって受ける圧力を均
一にして、高精度な形状転写が実現できるガラス塊の成
形方法を提供する。【解決手段】軟化状態の溶融ガラス塊を多孔質の成形
型を用いて加圧成形する際に、前記成形型の成形面から
ガスを噴出させることにより溶融ガラス塊と上記成形面
とを互いに非接触の状態に保ちながら、上記成形面に倣
うように溶融ガラス塊の形状を整える、光学素子または
その製造用素材としてのガラス塊の成形方法において、
溶融ガラス塊の非装填状態での成形型の成形面からのガ
スの噴出流量が、その成形面内で所定の分布を維持する
ように、設定、制御されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軟化状態の溶融ガ
ラス塊をプレス成形して、光学素子またはその製造用素
材を成形する時のガラス塊の成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、所定の表面精度を有する成形用型
内に、光学素子製造用素材として、ガラス塊を収容し
て、加熱下でプレス成形することにより、その後に研削
及び研磨などの後加工を必要としない、高精度の光学機
能面を有する光学素子を製造する方法が開発されてい
る。この方法は、大きく分けて２つに分類される。１つ
はプリフォームと呼ばれるガラス塊を加熱して、軟化点
以下の温度で成形して光学素子を得る方法であり、リヒ
ートプレスと呼ばれている。もう１つは、溶融状態のガ
ラス塊を直接、成形して光学素子を得る方法であり、ダ
イレクトプレスと呼ばれている。

【０００３】前者は、成形品の形状精度を出すのに有利
な方法であるが、溶融ガラスなどからプリフォームを成
形し、そのプリフォームを再加熱して光学素子を成形す
るので、全体として、製造コストが高いことが問題であ
った。また、後者は、製造コストは安いが、きわめて高
温の状態でガラス塊を成形するため、リヒートプレスの
ように、成形型の成形面と溶融ガラス塊の表面とが直
接、接触すると、ガラスが急冷されて、しわになった
り、成形型に対して融着が発生したり、短時間で成形型
が消耗したりして、実用化が困難であった。

【０００４】また、ダイレクトプレス（後者）は、最終
的な光学素子を得る目的以外に、最終形状にきわめて近
い形状の光学素子製造用のガラス素材を成形する目的で
も行われる。上記光学素子用ガラス素材はリヒートプレ
スの材料として使用されたり、あるいは、わずかの量の
研削・研磨加工を行って、光学素子としての最終形状に
加工する場合がある。

【０００５】ダイレクトプレスにおいて、溶融ガラス塊
の成形型への融着問題の対策としては、非接触での成形
技術が幾つか開示されている。特開昭５９−１９５５４
１号公報には、多孔質部材からなる成形型に加圧ガスを
供給することで、成形型の成形面とガラス塊とが非接触
の状態で、ガラス塊の成形がなされ、光学素子を得る方
法が開示されている。さらに、特公昭４８−２２９７７
号公報には、多孔質型を用いて、その背部からガスを送
り、同時に、該成形型を超音波振動させて、成形型の成
形面とガラス塊との非接触状態を保ちながら、ガラス塊
の成形を行う方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、非接触状
態を保ちながら、被成形品の形状を成形型の成形面に倣
わせるためには、成形型の成形面とガラス塊の界面との
間に生成されるガスフィルムの厚さを、どの個所でも、
均一に保つ必要がある。しかしながら、前者に開示され
る方法には、成形型の成形面に沿うガスフィルムの厚さ
に関する説明はない。また、後者に開示される方法に
は、成形型の成形面を、極微の孔径の、均一な通気性を
持たせた構成にすると、成形面に薄いガス膜が一様に形
成されると記載されている。

【０００７】しかし、実際には、成形型の成形面にガラ
ス塊の界面が近接している場合には、いくら成形型に注
入するガスの量が均一であっても、流動するガスの性質
から、成形型の成形面とガラス塊の界面との間では、そ
の領域によって発生するガスの圧力分布が相違する。圧
力分布の不均等は、成形型の界面から外周に向けてガス
が逃げて行くために、外周部でもっとも圧力が低くな
る。

【０００８】即ち、均一にガスが噴出している状態の成
形型の成形面に近似の形状のガラス塊を近接すると、界
面に沿ってガスが外側へ流れる。この時、流動抵抗によ
って、外側の部分が最もガスの圧力が低くなり、反対に
中心部分は、最も圧力が高くなる。特に、軸対称の光学
レンズなどでは、その中心が最も高い圧力となり、外周
部が最も低くなる。

【０００９】通常、プレス成形の場合、近接するガラス
塊の界面は１０³〜１０⁸ｄＰａＳ程度の粘度を持つ軟
化状態にあり、界面でのガスの圧力に応じて、容易に変
形が起こる。従って、従来のやり方では、成形型の成形
面の形状に対して、被成形品は、その中心が最もへこん
だ状態となり、高精度な転写が不可能となっていた。

【００１０】そして、このような不均一な圧力分布が生
じると、ガラス塊が不均一に成形型の成形面に倣わない
で、変形するために、所望形状の成形品を得ることが不
可能となる。

【００１１】本発明は上記事情によりなされたもので、
ガラス塊の非接触プレス時に、ガラス塊が成形型の成形
面から噴出するガスによって受ける圧力を均一にして、
高精度な形状転写が実現できるガラス塊の成形方法を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
軟化状態の溶融ガラス塊を多孔質の成形型を用いて加圧
成形する際に、前記成形型の成形面からガスを噴出させ
ることにより溶融ガラス塊と上記成形面とを互いに非接
触の状態に保ちながら、上記成形面に倣うように溶融ガ
ラス塊の形状を整える、光学素子またはその製造用素材
としてのガラス塊の成形方法において、溶融ガラス塊の
非装填状態での成形型の成形面からのガスの噴出流量
が、その成形面内で所定の分布を維持するように、設
定、制御されることを特徴とする。

【００１３】即ち、本発明では、従来とは逆に、ガラス
塊を成形型の成形面に近接した状態で、その界面に沿う
ガスフィルムの圧力分布が均一になるように、ガス供給
量を制御することで、具体的には、成形型の成形面から
のガスの噴出圧力や流量が成形面の中の位置に応じて個
別に制御できるようにすることで、プレス時のガス圧の
均一性を達成するのである。

【００１４】例えば、軸対称のレンズの場合、成形型の
成形面からのガスの噴出が均一であれば、ガラスを成形
する時のガスの圧力は、成形面の中心をピークとし、周
辺に向けて低下する不均一分布となる。従って、プレス
成形時には、その中心で弱くなり、周辺で強くなるよう
な、逆の圧力分布のパターンで、ガス圧調整やガス供給
量調整を行うのである。これにより、圧力分布の勾配が
相殺されて、均一な圧力分布のガスフィルムが得られる
ことになる。

【００１５】このようなガラス塊の界面におけるガス圧
を測定することは可能なのである。即ち、ガラス塊の代
わりに、成形型の成形面に倣った形状の測定工具に微細
な穴を明けて、その穴を通じて、ガス圧センサーで、界
面のガス圧を検知ればよい。そして、所望の位置に穴を
明けることで、ガス圧分布が測定される。また、近似値
として、計算上でガスの圧力分布を求めることも可能で
ある。更に、ガス圧分布にバラ付きがあると、それが、
成形品の形状に反映されるため、それから、ガス圧分布
の状況を類推することも可能である。

【００１６】本発明においては、例えば、成形品の形状
からガス圧分布を類推し、逆に、圧力分布の調整を行う
ことで、界面のガス圧を均一化し、成形面から高精度に
転写された所望の界面を持った、光学素子または光学素
子用素材としての成形ガラス塊を得ることができる。

【００１７】なお、その具体的な方法として、成形型へ
のガスの注入に際して、複数の注入口から、流量を個別
制御されたガスを注入することで、所望のガス圧分布を
得ることができる。また、別の例として、使用する多孔
質型の構造を、例えば、リング状の複数の型部材の組合
せで構成し、各型部材間では、ガスを遮断する仕切を隔
てていることで、個々の型部材のガス圧またはガス流量
の最適化調整を行うのである。更に別の例として、多孔
質型が同心円状の気孔率分布を持つように、各型部材の
組成を特定することも有効である。

【００１８】なお、以下に示す本発明の実施の形態で
は、成形型に注入するガス流量分布の制御によって、界
面のガス圧力の均一化制御を行っているが、これに限ら
ず、注入するガスの圧力分布自体を制御してもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明の第１の実施の形態を示すための型構造の模式断面
図である。ここで、符号１は上型、符号２は下型、符号
３は上型保持部材、符号４は下型保持部材、符号５〜８
はガス配管、また、符号９〜１２は流量計を示す。な
お、図中、矢印（→）の大小によって、噴出するガスの
単位面積当たりの流量の大小を定性的に示している。

【００２０】図２は、図１に示す成形型を用いてガラス
塊を成形した状態の模式断面図を示す。ここで、符号１
３は成形品としての成形ガラス塊を示す。

【００２１】本発明の成形方法の実施の形態では、ま
ず、ガラス溶融装置（図示せず）で溶融したガラスを所
定の重量のゴブ（溶融ガラス塊）として、下型２の成形
面上に供給することからスタートする。成形用ガラス素
材としてはＳＫ１２を用い、最終的な形状として、直
径：１５ｍｍ、中心肉厚：４ｍｍ、表裏の曲率半径：１
６ｍｍの両凸レンズを成形している。

【００２２】なお、ここでは、例えば、気孔率１５％の
多孔質カーボンを用いて上型１、下型２を製作する。該
型には、ガス配管挿入用の穴を中心に１ヵ所、その中心
を軸対称として周辺部に８ヵ所（図１においては、８ヵ
所の内２ヵ所のみ示されている）を加工し、中心用ガス
配管５、７および周辺部用ガス配管６、８が開口先端を
埋め込んだ形で、挿入されている。

【００２３】周辺部用ガス配管６、８は互いに連通して
おり、周辺部は、どこも共通の条件で、ガスが噴出でき
るようになっている。ガス配管には、流量計９〜１２を
接続してあって、所望のガス流量分布を設定できるよう
になっている。なお、成形型の温度は３００℃とした。
この温度であれば、大気中であっても、成形型の成形面
での酸化などの悪影響が少ない。また、成形型のキャビ
ティに投入されるガラスゴブは７００〜７２０℃であ
る。

【００２４】この実施の形態では、圧力ガスに窒素ガス
を使用した。まず、流量計９〜１２が、いずれも５Ｌ／
分となるように、ガスを調整し、成形型を閉じて、プレ
ス成形を行った。所定の肉厚に保持した状態で冷却を行
い、ガラス温度が型温度に等しくなった所で、成形型を
開き、成形された光学素子１３としての成形ガラス塊を
取り出した。

【００２５】この光学素子１３の形状を測定すると、所
望の曲率半径の１６ｍｍに対して、両面ともに中心部が
凹んでおり、そのへこみ量は５０μｍであった。そこ
で、次に成形面の中心に対応するガスの量を減少させる
ために、流量計１０、１１の値が４．５Ｌ／分となるよ
うに、ガスの流量を調整して、同様に成形を行った。こ
の時に成形された光学素子の中心のへこみ量は２０μｍ
であった。同様にして、へこみ量を測定しながら、最適
なガスの流量の設定値を求めた。最終的に周辺部のガス
流量が５Ｌ／分、中心部のガス流量が３．５Ｌ／分の時
に、成形された光学素子のへこみ量が０μｍのものが得
られた。さらに、同じ条件で、１００回に亘り、成形を
行ったが、へこみのない光学素子が安定的に得られた。

【００２６】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態を示すための型構造の図である。ここ
で、符号１４〜１６は、同心円状の多孔質材よりなる型
部材で、この型部材を組み合わせて上型を構成してい
る。また、符号２０、２１はステンレス製の箔の仕切板
で、ガスの流通を遮断する目的のものである。同様に、
符号１７〜１９は、同心円状の多孔質材よりなる型部材
で、この型部材を組み合わせて下型を構成している。ま
た、符号２２、２３は、その仕切板である。

【００２７】符号２４は上型保持部材、符号２５は下型
保持部材、符号２６〜２８はそれぞれ型部材１４〜１６
に個別にガスを注入するための配管であり、また、符号
２９〜３１はそれぞれ型部材１７〜１９に個別にガスを
注入するための配管である。なお、符号３２〜３７はガ
ス流量計である。

【００２８】第１の実施の形態と同様に、各型部材１４
〜１９には、気孔率１５％の多孔質カーボンを用い、仕
切板２０〜２３を介して、型保持部材２４、２５に装着
している。この状態で、上型および下型は、隙間なく組
み立てられている。ガスの注入口は上型の構成部材とし
ての、型部材１４については１ヵ所、型部材１５、１６
については、それぞれ、軸対称に８ヵ所（図３では、８
ヵ所の内２ヵ所のみ示されている）とし、それぞれに、
ガス配管を行っている。下型についても、同様の構成に
なっている。

【００２９】しかして、第１の実施の形態における同じ
温度条件で、ガスの流量の条件と成形された光学素子の
形状との関係をあらかじめ調べた結果、中心の型部材１
４、１７に対応する流量計３４、３５の値が３．２Ｌ／
分、中間の型部材１５、１８に対応する流量計３３、３
６の値が４Ｌ／分、外側の型部材１６、１９に対応する
流量計３２、３７の値が６．５Ｌ／分である時、へこみ
のない光学素子が得られた。さらに、同じ条件で１００
回、成形を行ったが、へこみのない光学素子が安定的に
得られた。

【００３０】（第３の実施の形態）図４は第３の実施の
形態を示すための型構造の図である。上型および下型
は、成形面の中で領域が同心円状に仕切られた型構成部
材（型部材）について、別々の気孔率である材料を使用
する。即ち、符号３８〜４０は、１つの上型の中で、そ
れぞれ気孔率の異なる領域を示す。同様に、符号４１〜
４３は１つの下型の中で、それぞれ気孔率の異なる領域
を示す。なお、符号４４は上型保持部材、符号４５は下
型保持部材、４６、４７はガス配管、４８、４９は流量
計を、それぞれ示す。

【００３１】このような構成の型の製造には、焼結ステ
ンレス鋼について、その気孔率を調整する方法が採用さ
れる。焼結体の製造方法としては、原料粉末を所望形状
にプレスして圧粉体を成形し、該圧粉体を所定焼結温度
にて焼結し、その後、機械加工によって最終形状に仕上
げる。

【００３２】焼結体の気孔率は、圧粉体の密度によって
も左右されるので、この実施の形態での上型の製造に
は、型構成部材３８〜４０のそれぞれに対応する圧粉体
の密度を３段階に調整した後、該圧粉体を同心円状に組
み合わせた上で、焼結し、一体化する方法が採られる。
その結果、同心円状に子となる気孔率分布の焼結体が得
られる。該焼結体を機械加工によって、図４に示すよう
な上型を作成するのである。同様にして、異なる気孔率
の型構成部材４１〜４３も作成される。

【００３３】そして、異なる気孔率分布となる条件で、
５種類のサンプルを作成し、それぞれの成形型について
カラス塊の成形を行った。なお、成形は第１の実施の形
態での温度条件と同じで行い、気孔率分布と、成形され
たガラス塊が目標とする光学素子の形状に対するずれ量
とを対比して、以下の表にまとめた。

【００３４】

【表１】更に、ＮＯ．５に示す条件で、１００回の成形を行った
が、ずれのない光学素子が安定的に得られた。

【００３５】なお、本発明の実施の形態との比較のた
め、図５に示すような従来の構成の成形型について、そ
の成果を確かめた。ここで、符号５０は上型であり、５
１は下型である。また、符号５２は上型保持部材、５３
は下型保持部材、５４、５５はガス配管、５６、５７は
流量計である。上型および下型の気孔率は１５％、ガス
流量は５Ｌ／分で、成形の温度条件は、第１の実施の形
態における場合と同様である。その結果、成形された光
学素子は、目標とする形状に対して、成形転写面の中心
部が５０μｍ程度、へこんでしまった。

【００３６】なお、上述した本発明の実施の形態では、
成形面が軸対称のレンズの成形に適用されるものを示し
たが、軸対称のレンズのみならず、非対称で、複雑な形
状の光学素子についても、それに応じた成形面を有する
成形型について、その成形面での噴出ガスの分布状態
を、上述と同じ要領で、設定、制御することにより、所
望精度の成形ガラス塊を得ることができるのは、言うま
でもない。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したようになり、軟
化状態のガラスを多孔質の成形型を用いて加圧成形する
際に、前記成形型の成形面からガスを噴出させて、溶融
ガラス塊と上記成形面とを互いに非接触の状態に保ちな
がら、上記成形面に倣うように溶融ガラス塊の形状を整
えて、光学素子または光学素子製造用素材としての成形
カラス塊を得る成形方法において、ガラス塊を載置して
いない時の、成形型の成形面からのガスの噴出流量が、
成形面内で異なる分布を持つように設定、制御すること
によって、目的とする形状からのずれがない成形ガラス
塊が得られる。

【００３８】従って、これによって、所望する精度によ
っては、直接、最終的な光学素子を得ることができる共
に、高精度を要求される場合にも、最終形状にきわめて
近似の形状の光学素子製造用素材としての成形ガラス塊
を得ることが可能となり、これを、例えば、リヒートプ
レスによって成形したり、あるいは、微小量の研削・研
磨加工を施すことによって、容易に光学素子を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための型
構造の模式的断面図である。

【図２】同じく、この型構造を使用したガラスの成形後
の状況を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態についての型構造の
模式的断面図である。

【図４】同じく、第３の実施の形態についての型構造の
模式的断面図である。

【図５】従来例の型構造について説明するための模式的
断面図である。

【符号の説明】

１上型２下型３上型保持部材４下型保持部材５〜８ガス配管９〜１２流量計１３成形品（成形ガラス塊）１４〜１６上型の型部材（構成部材）１７〜１９下型の型部材（構成部材）２０〜２３仕切板２４上型保持部材２５下型保持部材２６〜３１ガス配管３２〜３７流量計３８〜４０上型の構成部材４１〜４３下型の構成部材４４上型保持部材４５下型保持部材４６、４７ガス配管４８、４９流量計５０上型５１下型５２上型保持部材５３下型保持部材５４、５５ガス配管５６、５７流量計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軟化状態の溶融ガラス塊を多孔質の成形
型を用いて加圧成形する際に、前記成形型の成形面から
ガスを噴出させることにより溶融ガラス塊と上記成形面
とを互いに非接触の状態に保ちながら、上記成形面に倣
うように溶融ガラス塊の形状を整える、光学素子または
その製造用素材としてのガラス塊の成形方法において、
溶融ガラス塊の非装填状態での成形型の成形面からのガ
スの噴出流量が、その成形面内で所定の分布を維持する
ように、設定、制御されることを特徴とする光学素子ま
たはその製造用素材としてのガラス塊の成形方法。
【請求項２】前記成形型へのガスの注入が、複数の注
入口を経て行われることを特徴とする請求項１に記載の
光学素子またはその製造用素材としてのガラス塊の成形
方法。
【請求項３】前記成形型が、その成形面の領域を仕切
り、領域相互のガスの流通を遮断するように、複数の型
部材を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項
１に記載の光学素子またはその製造用素材としてのガラ
ス塊の成形方法。
【請求項４】前記型部材が、各々、溶融ガラス塊と非
接触で対向する成形面の各領域で、所要の気孔率分布を
持つように構成されていることを特徴とする請求項３に
記載の光学素子またはその製造用素材としてのガラス塊
の成形方法。