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TWI786235B - 玻璃製成形模型 - Google Patents

玻璃製成形模型 Download PDF

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TWI786235B
TWI786235B TW107143800A TW107143800A TWI786235B TW I786235 B TWI786235 B TW I786235B TW 107143800 A TW107143800 A TW 107143800A TW 107143800 A TW107143800 A TW 107143800A TW I786235 B TWI786235 B TW I786235B
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glass
forming
mold
molding
thermal expansion
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Inventor
藤本忠幸
白石幸一郎
Original Assignee
日商Ｈｏｙａ股份有限公司
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Abstract

本發明涉及一種玻璃製成形模型，為了得到成形性能優異的玻璃製成形模型，解決方法為由滿足以下條件的玻璃形成用於壓製成形待成形玻璃的玻璃製成形模型：（1）楊氏模量(Young’s Modulus)在85GPa以上，（2）玻璃化轉變溫度在650℃以上，（3）100℃~300℃的平均熱膨脹係數為30×10-7 /℃~80×10-7 /℃。

Description

玻璃製成形模型
本發明涉及一種將待成形玻璃壓製成形的玻璃製成形模型。
在製造如透鏡等的光學元件時，以往一直使用將作為材料的玻璃製成粗略的形狀之後通過研磨或拋光來完成加工的方法。近年來，對於加熱軟化狀態的玻璃通過成形用模型(以下稱為成形模型)進行壓製成形，不用研磨或拋光的製造光學元件的方法也已投入實際使用。通過使用這種成形模型進行成形，不僅可以以低成本大量生產球面透鏡，而且可以生產複雜形狀的非球面透鏡等。
在壓製成形中，由於成形模型的表面形狀(成形面)被轉移到待成形物上，因此需要成形模型的精度非常高。例如，要求成形模型具有高的剛性和耐熱性，以免因壓製時作用的負荷或加熱而產生變形。另外，為了防止待成形物粘附到成形模型上或待成形物的破裂，成形模型必須具有相對於待成形物適當的熱膨脹係數。
作為滿足上述條件的材料，廣泛使用以金屬、陶瓷為素材的成形模型。然而，在切割等時避免精度差異而單獨製造這種成形模型需要成本且耗時。特別地，當大量生產用於光學儀器的玻璃透鏡 時，需要許多成形模型。作為對策，已經提出使用玻璃製的成形模型的技術(例如，專利文獻1~12)。
具體地，製備具有基準成形面的母模(母模)，並且用母模將通過加熱軟化的成形模型用玻璃材料壓製成形，從而可以獲得轉移母模的成形面的玻璃製成形模型(複製模)。玻璃製成形模型具有以下優點：一旦製造出高精度母模，則容易批量生產，且形狀設定的自由度高。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開昭62-226825號公報
[專利文獻2]日本特開平1-239030號公報
[專利文獻3]日本專利第2616964號公報
[專利文獻4]日本專利第2723497號公報
[專利文獻5]日本專利第4832939號公報
[專利文獻6]日本特開2007-284300號公報
[專利文獻7]日本特開2006-206394號公報
[專利文獻8]日本特開2005-97009號公報
[專利文獻9]日本特開2004-210550號公報
[專利文獻10]日本特開2008-56540號公報
[專利文獻11]日本特開2007-254234號公報
[專利文獻12]日本特開2005-15266號公報
即使在玻璃製的成形模型中，也需要如上所述的剛性、耐熱性和熱膨脹係數的條件，但是難以高水準地滿足所有這些條件並投入實際使用。特別地，需要一種高性能的玻璃製成形模型，其具備以下條件：具有對於待成形玻璃優異的成形性能，並且成形模型本身也易於生產。因此，本發明的目的是提供一種成形性能優異的玻璃製成形模型。
本申請人基於這樣的想法設計了本發明，即通過滿足特定條件，可以獲得能夠合理地製造並且具有優異的成形性能的具有實際使用水準的玻璃製成形模型。即，本發明涉及用於壓製成形待成形玻璃的玻璃製成形模型，其特徵在於，由滿足以下條件的玻璃形成：(1)楊氏模量(Young’s Modulus)在85GPa以上，(2)玻璃化轉變溫度在650℃以上，(3)100℃至300℃的平均熱膨脹係數為30×10-7/℃至80×10-7/℃。
通過滿足條件(1)，能夠確保耐受壓製成形待成形玻璃時的負荷的剛性。通過滿足條件(2)，玻璃化轉變溫度高於用作光學元件等的材料的待成形玻璃，可以防止玻璃製成形模型在成形溫度(加熱直至待成形玻璃軟化的溫度)下的變形。通過滿足條件(3)，可以獲得防止待成形玻璃粘附至玻璃製成形模型、防止待成形玻璃的破裂，防止成形模型用玻璃材料對於母模的粘附、成形模型用玻璃材料的破裂的效果。因此，通過防止待成形玻璃的粘附、破裂而不會引起玻璃製成形模型的撓曲，可以獲得優異的成形結果。
當設定構成玻璃製成形模型的玻璃(成形模型用玻璃材料)的玻璃化轉變溫度為Tg(A)，待成形玻璃的玻璃化轉變溫度為Tg(B)時，優選Tg(A)-Tg(B)為30℃以上。
當設定構成玻璃製成形模型的玻璃(成形模型用玻璃材料)在100℃~300℃的平均熱膨脹係數為α(A)，待成形玻璃在100℃~300℃的平均熱膨脹係數為α(B)時，優選α(A)-α(B)為+20×10-7/℃~-120×10-7/℃。
本發明適用於壓製成形待成形玻璃而形成光學元件的玻璃製成形模型。
如上所述，根據本發明能夠得到成形性能優異的玻璃製成形模型。
10:玻璃成形裝置
11:上模(玻璃製成形模型)
12:下模(玻璃製成形模型)
13:引導模
14:成形面
15:成形面
16:塗布層
17:塗布層
20:透鏡
21:玻璃塊(待成形玻璃)
圖1是具有玻璃製成形模型的玻璃成形裝置的截面圖。
圖1顯示具備本發明的玻璃製成形模型的玻璃成形裝置的一個例子。圖1的玻璃成形裝置10通過從待成形玻璃的玻璃塊21壓製成形作為光學元件的透鏡20而進行製造，並且具備作為玻璃製的成形模型的上模11和下模12。上模11和下模12被可相對移動地支撐在引導模13中，並且彼此的間隔可以改變。上模11和下模12都可以是移動的可動模，或者也可以是其中一個是可動模而另一個是非移動的固定模。
上模11和下模12在彼此相對的一側具有成形面14和成形面15。透鏡20是兩面為非球面的雙凸透鏡，並且成形面14和成形面15分別為對應於透鏡20的各個凸面(非球面)的形狀的凹面(非球面)。也 就是說，成形面14和成形面15的形狀通過成形轉移並形成透鏡20的凸面。另外，本發明的玻璃製成形模型也可以適用於雙凸透鏡以外的待成形物的成形，並且玻璃製成形模型的成形面的形狀根據待成形物的形狀適當地設定。例如，作為光學元件也可以適用於製造具有凹面的透鏡或棱鏡等。
在成形面14、15上形成塗布層16、17。塗布層16、17由碳膜等製成，並具有抑製待成形玻璃熔合(融著)的效果。另外，儘管圖1中所示的塗布層16、17為單層結構，也可以設置由不同組成形成的多層結構的塗布層。或者，也可以選擇不設置塗布層16、17而暴露成形面14、15的構造。
在引導模13的外側設置加熱器(省略圖示)。在成形時，通過加熱器加熱至待成形玻璃(玻璃塊21)軟化的成形溫度。
儘管省略圖示，但是上模11和下模12通過使用母模(母模)的壓製成形來製造。分別準備用於製造上模11和下模12的母模。這些母模由金屬等形成，並且具備作為成形面14和成形面15的基礎的基準成形面。通過在各母模的基準成形面上按壓加熱軟化的成形模型用玻璃材料(滿足後述的各種條件的玻璃，與透鏡20用的待成形玻璃不同)，成形該基準成形面作為成形面14和成形面15而被轉移的上模11和下模12。
另外，本發明中的玻璃製成形模型是指具有相當於成形面14、15的形狀轉移用的面的部分。例如，除了塗布層16、17之外的上模11和下模12可以完全由玻璃製成。或者，也可以是，上模11和下模12的僅包括成形面14和成形面15的部分作為玻璃製成形模型，而在該玻 璃製成形模型接合金屬製等其它基盤部(圖示略)構成上模11和下模12。
作為研究和實驗的結果，本申請人發現滿足以下條件(1)、(2)和(3)的玻璃用作構成玻璃製成形模型如上模11和下模12的玻璃材料是合適的。
(1)楊氏模量(Young’s Modulus)在85GPa以上。
(2)玻璃化轉變溫度(Tg)在650℃以上。
(3)100℃至300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)為30×10-7/℃至80×10-7/℃。
條件(1)涉及玻璃製成形模型的剛性。在壓製成形時，如果玻璃製成形模型發生撓曲，則不能保持成形面的形狀，並且影響待成形玻璃的成形精度。當楊氏模量在85GPa以上時，即使在待成形玻璃成形時施加預定的壓力，也可以防止由於負荷引起的玻璃製成形模型的撓曲，可以在不損害成形面的精度的情況下進行成形。
條件(2)涉及成形時的加熱對玻璃製成形模型的影響。通過將玻璃化轉變點高於待成形玻璃的玻璃作為成形模型用玻璃材料，並將低於成形模型用玻璃材料的玻璃化轉變點的溫度設定為成形溫度，能夠僅使待成形玻璃軟化而不伴有成形模型用玻璃材料的軟化。
更具體地，當設定成形模型用玻璃材料的玻璃化轉變溫度為Tg(A)，待成形玻璃的玻璃化轉變溫度為Tg(B)時，優選Tg(A)-Tg(B)
Figure 107143800-A0305-02-0007-9
30℃。進一步地，優選Tg(A)-Tg(B)
Figure 107143800-A0305-02-0007-10
50℃，更優選Tg(A)-Tg(B)
Figure 107143800-A0305-02-0007-11
100℃。
例如，在由本申請人製造的玻璃模製透鏡用玻璃材料中，玻璃化轉變點最高為612℃(玻璃材料名稱M-TAFD305)。因此，通過滿足條件(2)，可以設定對各種光學元件用玻璃有效的成形溫度，同時防止玻璃製成形模型的熱變形。
條件(3)是適當控製玻璃製成形模型和待成形玻璃的熱膨脹係數之間的差異，以防止待成形物的粘附、破裂而進行良好的成形的條件。如果玻璃製成形模型的熱膨脹係數對於待成形玻璃相對過大，則在成形時易於發生待成形玻璃的破裂。另外，如果玻璃製成形模型和待成形玻璃的熱膨脹係數的差太小，則易於發生待成形玻璃向玻璃製成形模型的粘附。
更具體地，當設定成形模型用玻璃材料的平均熱膨脹係數(100℃~300℃)為α(A)，待成形玻璃的平均熱膨脹係數(100℃~300℃)為α(B)時，α(A)-α(B)為+20×10-7/℃~-120×10-7/℃。進一步地，優選α(A)-α(B)為+10×10-7/℃~-120×10-7/℃，更優選α(A)-α(B)為0×10-7/℃~-100×10-7/℃。玻璃模製用透鏡的玻璃材料的α(B)大多為約70×10-7/℃~90×10-7/℃，通過滿足條件(3)，可以獲得防止待成形玻璃的破裂和粘附到玻璃製成形模型上的效果。
另外，條件(3)還與通過母模壓製成形成形模型用玻璃材料時的成形性有關。作為例示，當使用碳化矽(SiC)作為主要材料形成母模時，由於碳化矽的平均熱膨脹係數(100℃至300℃)為約40×10-7/℃，因此通過條件(3)能夠得到使成形模型用玻璃材料良好成形的玻璃製的成形模型。特別地，通過滿足條件(3)的下限值，母模的熱膨脹係數不會相對過大，並且可以使得難以發生玻璃製成形模型的破裂。
例如，根據以下原料組成，可以獲得滿足條件(1)、(2)和(3)的成形模型用玻璃材料。
該玻璃以mol%表示，包含：50~75%的SiO2，0~5%的Al2O3，0~5%的ZnO，總計為3~15%的Na2O和K2O，總計為14~35%的MgO、CaO、SrO和BaO，總計為2~9%的ZrO2、TiO2、La2O3、Y2O3、Yb2O3、Ta2O5、Nb2O5和HfO2，其中莫耳比{(MgO+CaO)/(MgO+CaO+SrO+BaO)}在0.85~1的範圍內，並且莫耳比{Al2O3/(MgO+CaO)}在0~0.30的範圍內。
<實施例>
在玻璃成形裝置10中，作為待成形玻璃的玻璃塊21配置在作為玻璃製成形模型的上模11和下模12的各成形面14、15之間，通過加熱器加熱到成形溫度，表1-表3示出了適用于本發明的玻璃製成形模型的實施例和比較例。表1-表3示出了一個實施例，其中使上模11和下模12接近移動，以預定壓力按壓21，使透鏡20成形。實施例1和實施例2顯示了對於兩種待成形玻璃，通過由適用了本發明的GA、GB和GC三種玻璃材料製成的玻璃製成形模型分別進行成形的結果。
●成形模型用玻璃材料GA(樣品名)
楊氏模量(GPa)：85
玻璃化轉變溫度(Tg)：682℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：77×10-7/℃
比重：2.96g/cm3
●成形模型用玻璃材料GB(樣品名)
楊氏模量(GPa)：95
玻璃化轉變溫度(Tg)：691℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：51×10-7/℃
比重：2.59g/cm3
●成形模型用玻璃材料GC(樣品名)
楊氏模量(GPa)：87
玻璃化轉變溫度(Tg)：720℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：32×10-7/℃
比重：2.60g/cm3
Figure 107143800-A0305-02-0010-1
Figure 107143800-A0305-02-0011-3
Figure 107143800-A0305-02-0012-4
 ─由於模型變形而不能夠成形─由於模型變形而不能夠成形
Figure 107143800-A0305-02-0013-6
Figure 107143800-A0305-02-0014-8
<實施例1>
●待成形玻璃M-NBFD130(HOYA株式會社製)
玻璃化轉變溫度(Tg)：567℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：74×10-7/℃
<實施例2>
●待成形玻璃M-BACD5N(HOYA株式會社製)
玻璃化轉變溫度(Tg)：521℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：88×10-7/℃
[成形結果]
如表1-表3所示，在實施例1和2的每一個中，在由成形模型用玻璃材料GA、GB、GC製成的各玻璃製成形模型中，在成形溫度下壓製成形時沒有發生有害變形，待成形玻璃中的待成形面的表面形狀合適，不會發生待成形玻璃的破裂，並且獲得良好的成形結果。
隨後，示出了比較例，其中利用由與實施例不同的玻璃材料製成的玻璃製成形模型對與實施例1和2相同的待成形玻璃進行成形。
<比較例1>
●成形模型用玻璃材料ZnSF8(株式會社住田光學玻璃製)
楊氏模量(GPa)：87
玻璃化轉變溫度(Tg)：518℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：60×10-7/℃
比重：3.72g/cm3
日本特開2004-210550號公報中記載了以ZnSF8為材料得到的玻璃製成形模型。
[成形結果]
ZnSF8的玻璃化轉變溫度低於本發明的條件(2)。此外，ZnSF8的玻璃化轉變溫度低於作為待成形玻璃的M-NBFD130和M-BACD5N的玻璃化轉變溫度。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，玻璃製成形模型的變形也超過了允許範圍，導致成形不良。
<比較例2>
●成形模型用玻璃材料S-BSL7(株式會社
Figure 107143800-A0305-02-0015-14
製)
楊氏模量(GPa)：80
玻璃化轉變溫度(Tg)：576℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：86×10-7/℃
比重：2.52g/cm3
日本特開2008-56540號公報中記載了以S-BSL7為材料得到的玻璃製成形模型。
[成形結果]
S-BSL7的楊氏模量低於本發明的條件(1)，玻璃化轉變溫度低於本發明的條件(2)，熱膨脹係數超過本發明的條件(3)的上限 值。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，玻璃製成形模型的變形也超過了允許範圍，導致成形不良。
<比較例3>
●成形模型用玻璃材料S-BSM14(株式會社
Figure 107143800-A0305-02-0016-12
製)
楊氏模量(GPa)：84.9
玻璃化轉變溫度(Tg)：663℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：73×10-7/℃
比重：3.43g/cm3
日本特開2007-254234號公報中記載了以S-BSL14為材料得到的玻璃製成形模型。
[成形結果]
S-BSL14的楊氏模量低於本發明的條件(1)。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，待成形面的表面形狀精度也不能夠達到基準。
<比较例4>
●成形模型用玻璃材料NA32SG(
Figure 107143800-A0305-02-0016-13
株式會社製)
楊氏模量(GPa)：74
玻璃化轉變溫度(Tg)：705℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：34×10-7/℃
比重：2.41g/cm3
[成形結果]
NA32SG的楊氏模量低於本發明的條件(1)。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，待成形面的表面形狀精度也不能夠達到基準。
<比較例5>
●成形模型用玻璃材料GD(樣品名)
楊氏模量(GPa)：69
玻璃化轉變溫度(Tg)：670℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：46×10-7/℃
[成形結果]
GD(樣品名)的楊氏模量低於本發明的條件(1)。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，待成形面的表面形狀精度也不能夠達到基準。
<比較例6>
●成形模型用玻璃材料GE(樣品名)
楊氏模量(GPa)：70.2
玻璃化轉變溫度(Tg)：705℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：37×10-7/℃
[成形結果]
GE(樣品名)的楊氏模量低於本發明的條件(1)。並且，即使當成形M-NBFD130和M-BACD5N任一個待成形玻璃時，待成形玻璃也會發生破裂。
另外，以下專利文獻中記載了使用硼矽酸鋇類玻璃或硼矽酸玻璃作為材料得到的玻璃製成形模型的技術。
●硼矽酸鋇類玻璃(日本特開2007-284300號公報，日本特開2006-206394號公報)
玻璃化轉變溫度(Tg)：690℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：64×10-7/℃
●硼矽酸鋇類玻璃(日本特開2005-97009號公報)
玻璃化轉變溫度(Tg)：679℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：55.6×10-7/℃
●硼矽酸鋇類玻璃(日本特開2005-97009號公報)
玻璃化轉變溫度(Tg)：679℃
100℃~300℃的平均熱膨脹係數(α100-300)：55.6×10-7/℃
●硼矽酸玻璃(日本特開2005-15266號公報)
玻璃化轉變溫度(Tg)：540℃
這些專利文獻沒有關於作為成形模型用玻璃材料的硼矽酸鋇類玻璃或硼矽酸玻璃的楊氏模量的記載。即，不具有本發明的下述技術思想：對於構成玻璃製成形模型的玻璃，設定所有楊氏模量、玻璃化轉變溫度和熱膨脹係數的條件，以防止玻璃製成形模型的變形或損壞，並且能夠進行高精度的成形。
如上所述，根據應用了本發明的玻璃製成形模型，由於玻璃製成形模型兼具高的剛性和耐熱性，因此在壓製成形待成形玻璃時，玻璃製成形模型可以保持成形面的表面形狀而不會變形。另外，通過適當地控製玻璃製成形模型與待成形玻璃的熱膨脹係數，可以防止待成形玻璃對玻璃製成形模型的粘附、待成形玻璃的破裂。因此， 與以往提出的成形模型用玻璃材料相比，可以獲得成形性能優異的玻璃製成形模型。
10‧‧‧玻璃成形裝置
11‧‧‧上模(玻璃製成形模型)
12‧‧‧下模(玻璃製成形模型)
13‧‧‧引導模
14‧‧‧成形面
15‧‧‧成形面
16‧‧‧塗布層
17‧‧‧塗布層
20‧‧‧透鏡
21‧‧‧玻璃塊(待成形玻璃)

Claims (5)

  1. 一種玻璃製成形模型，其係用於壓製成形待成形玻璃的玻璃製成形模型，由滿足以下條件的玻璃形成：(1)楊氏模量(Young’s Modulus)在85GPa以上，(2)玻璃化轉變溫度在650℃以上且720℃以下，(3)100℃~300℃的平均熱膨脹係數為30×10-7/℃~80×10-7/℃。
  2. 如請求項1所述的玻璃製成形模型，其中當設定構成所述玻璃製成形模型的所述玻璃的玻璃化轉變溫度為Tg(A)、且所述待成形玻璃的玻璃化轉變溫度為Tg(B)時，Tg(A)-Tg(B)為30℃以上。
  3. 如請求項1或2所述的玻璃製成形模型，其中當設定構成所述玻璃製成形模型的所述玻璃在100℃~300℃的平均熱膨脹係數為α(A)、且所述待成形玻璃在100℃~300℃的平均熱膨脹係數為α(B)時，α(A)-α(B)為+20×10-7/℃~-120×10-7/℃。
  4. 如請求項1或2所述的玻璃製成形模型，其中將所述待成形玻璃壓製成形而形成光學元件。
  5. 如請求項3所述的玻璃製成形模型，其中將所述待成形玻璃壓製成形而形成光學元件。
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