技術 光学素子の成形方法および成形装置

0001

本発明は溶融ガラスを押圧成形にてガラスレンズ等の光学素子を成形する光学素子の成形方法および成形装置に関するものである。

0002

従来、溶融ガラスを押圧成形にてガラスレンズ等の光学ガラス素子を成形する公知例としては、溶融状態のガラスをノズルを介して受け型上に所定重量滴下してガラスコブを得るとともにこのガラスゴブを押圧成形用の成形室に搬入して、ガラスゴブの粘度が１０7.5 ｄｐａ・ｓ以下であるうちに押圧成形する成形方法が特開平７−３００３１９号公報に開示されている。

0003

さて、前記特開平７−３００３１９号公報に開示される成形方法によれば、溶融ガラスを受け型にて受けるとともにその受け型により押圧成形を行う工程におけるガラス塊は、その雰囲気および受け型自体によって表面から冷却されていくため、成形されるタイミングまでに、表面と中心部との間に、大きな温度差が生じてしまうことになる。

0004

その結果、前記表面と中心部間に温度差を有するガラス塊がそのままの状態で押圧成形されると成形後の冷却過程で、中心部に大きな熱だまりが発生することになり、成形された光学素子には、ヒケによるうねりがでてしまい、高精度な光学素子を製造できないという問題点がある。

0005

因て、本発明は、かかる従来の光学素子の成形方法における問題点を解決すべく開発されたもので、特に、本発明における請求項１の発明の目的は、溶融ガラスから得られたガラス塊を押圧成形する場合に発生する中心部の熱だまりを抑え高精度な光学ガラス素子を製造し得る方法の提供を目的とするものである。

0006

そして、請求項２の発明の目的は、溶融ガラスから得られたガラス塊を直接押圧成形する場合に発生する中心部の熱だまりを抑え、高精度な光学ガラス素子を製造し得る装置の提供を目的とするものである。

0007

すなわち、本発明の上記目的を達成するための請求項１の発明は、ノズルから流出する溶融ガラスを成形型などの受け部材にて受けるとともにこの受け部材にて受けた一定重量のガラス塊を成形型を介して押圧成形する光学素子の成形方法において、前記受け部材にて溶融ガラスを受ける溶融ガラス受け工程の終了後、前記受け部材にて受けた一定重量のガラス塊の温度を所定温度まで降温させる工程と、この降温後のガラス塊を再度成形可能温度まで昇温させる工程と、この昇温後のガラス塊を成形型にて押圧成形する工程とを有することを特徴とする。

0008

また、請求項２の発明は、ノズルから流出する溶融ガラスを成形型などの受け部材にて受けるとともにこの受け部材にて受けた一定重量のガラス塊を成形型を介して押圧成形する光学素子の成形装置において、前記ガラス塊を成形位置まで搬送する工程間に、前記ガラス塊を所定温度まで降温する冷却部と、前記冷却部にて所定温度まで降温した前記ガラス塊を再度成形可能温度まで昇温する加熱部を設けることにより構成したことを特徴とする。

0009

前記請求項１の成形方法によれば、溶融ガラスを受け部材で受け、ガラス塊を製造した後、所定温度までガラス塊を冷却することで、ガラス塊の温度分布において、表面の温度＜中心部の温度、なる温度分布を得ることができるとともにその後の成形可能温度までの昇温により前記ガラス塊の温度分布を、表面の温度＞中心部の温度、なる温度分布にすることができ、成形後の冷却過程での光学素子の表面部と中心部の温度差を抑え、均等な冷却を可能ならしめ、ヒケによるうねり等の発生を阻止し、成形精度の低下をなくしている。

0010

同様にして、請求項２の成形装置においては、溶融ガラスを受け部材で受け、ガラス塊を製造した後の成形型による押圧成形までの成形工程間に、前記ガラス塊を所定の温度まで降温する冷却部と、降温後のガラス塊を再度成形可能状態まで、加熱軟化する加熱部を備え、前記成形前のガラス塊の温度分布を、ガラス塊の製造後の冷却時の温度分布において、表面の温度＜中心部の温度、再度の昇温時の温度分布において、表面の温度＞中心部の温度とすることにより、成形後の冷却過程での光学素子の表面部と中心部の温度差を抑え、均等な冷却を可能ならしめヒケによるうねり等の発生を阻止し、成形精度の低下をなくしている。

0011

以下、本発明の実施の形態を図面とともに説明する。

0012

（実施の形態１）図１〜図３は本発明の実施の形態１を示すもので、図１は成形装置の側面図、図２は溶融ガラスを受け型にて受ける状態を示す側断面図、図３は成形型による成形状態を示す側断面図である。図１に示す成形装置は、溶融ガラスの供給部２０，冷却部２１，加熱部２２，成形部２３および排出部２４を成形工程に沿って、配設するとともに前記各部の各ポイント間に受け型を搬送する搬送部２５を配設して成るものである。

0013

以下には、前記成形装置の各部の構成について説明する。まず、前記溶融ガラスの供給部２０は、図１において、左側部に配設した溶融ガラス３の流出槽１と、この流出槽１により供給される溶融ガラスの受け型１０と、前記流出槽１の下側に対向して配設した搬送皿５の昇降装置１１とから構成されている。

0014

そして、前記流出槽１の下部には流出ノズル２が一体に突設されるとともに流出槽１自体がガラス溶融炉（図示省略）の一部としての構成をなし、白金あるいは白金合金により形成されている。

0015

また、前記流出槽１は、その外周に図示しない加熱用ヒーターおよびこれを被覆する保温用の断熱部材を備え、流出槽１内の溶融ガラスの温度を所定の温度に制御し得るように構成されるとともに前記流出ノズル２は、前記流出槽１の外周を被覆する保温用の断熱部材を貫通して、その外部に突出し、かつこの流出ノズル２の温度についても、その温度をコントロールするための図示しない加熱装置を備えることにより構成されている。

0016

前記構成から成る溶融ガラスの供給部２０は、図２に示す如く、流出槽１内には、ガラス溶融炉内に供給される成形材料としてのガラス材（例えば、後述するＢａＫ２等の材料）が溶融されて、同流出槽１に充填されるとともにこの流出槽１内の溶融ガラス３は、流出ノズル２の先端２ａよりガラス流４となって流下し得るように構成されている。

0017

さらに、前記流出槽１の下側に配設した搬送皿５の昇降装置１１は、図示しない駆動装置の昇降軸１１ａの上端部に受け型１０を載置する載置部１１ｂを備え、前記流出槽１の流出ノズル２の軸心線上を上下方向に昇降し得るように構成されている。

0018

また、前記受け型１０は、前記流出槽１の流出ノズル２から流下されるガラス流４を受けるとともに後述する成形部２３の上型１４（図１参照）と対をなす下型としての構成を備えるもので、成形部２３によってプレス成形しようとするガラスレンズ等の光学素子の片面に対応する形状に研磨仕上げされた成形面１０ａが形成されている。

0019

次に、図１に示す通り、冷却部２１は、前記供給部２０の右側に隣接して配設した冷却室７により構成されている。この冷却室７は、前記供給部２０にて、受け型１０上に供給形成されたガラスゴブ１２を所定の温度まで冷却させる為のもので、本実施の形態においては、搬入口７ａより冷却室７の冷却位置（ロ）に搬入されたガラスゴブ１２を、同位置（ロ）にて室温（常温）により一定時間待機させることで冷却するものである。

0020

また、加熱部２２は、前記冷却部２１の右側に隣接せしめて配設された加熱炉８により構成されており、前記冷却室７の搬出口７ｂより加熱炉８の搬入口８ｂより、加熱位置（ハ）に搬入されたガラスゴブ１２を、再度、成形可能温度まで加熱させるためのものである。

0021

この加熱炉８は、搬入および搬出口８ａ，８ｂを除く、外周を断熱材にて被覆するとともに抵抗線ヒーター９および図示しない制御装置を装備することにより炉内を所定の温度にコントロールすることができるように構成されている。さらに、前記成形部２３は、前記加熱部２２の右側に隣接して配設された成形室１５により構成され、この成形室１５には、前記加熱炉８内にて成形可能温度に加熱され、搬入口１５ａより成形位置（ニ）に搬入されたガラスゴブ１２を、受け型１０の成形面１０ａとともに所定形状にプレス成形する上型１４が図示しない駆動手段を介して上下動自在に保持されている。

0022

前記上型１４には、受け型１０の成形面１０ａと対をなす成形面１４ａを備えるとともに、外周には、コイルヒーター１６が捲装されており、このコイルヒーター１６によって上型１４を任意の温度に制御し得るように構成されている。さらに、前記搬出部２４は、前記成形部２３の右側に隣接して配設された搬出アーム１８と図示しないこれの駆動装置により構成されている。

0023

そして、前記搬出アーム１８は、前記成形部２３の成形室１５内にて上型１４および受け型１０のプレス成形にて成形されかつ充分に冷却されたガラスレンズ１３等の光学素子を吸着する吸着パット１７を備えている。すなわち、前記成形室１５内にてプレス成形並びに充分な冷却工程を経た後、同成形室１５内より搬出口１５ｂを介して搬出される受け型１０上に保持されるガラスレンズ１３を吸着パット１７にて吸着保持するとともに搬出アーム１８を旋回駆動し、図示しない所定の搬出部にガラスレンズ１３を搬出することができるように構成されている。

0024

加えて、前記搬送部２５は、前記受け型１０を載置した搬送皿５を、前記供給部２０、冷却部２１、加熱部２２、成形部２３および搬出部２４の各ポイント、すなわち図１の各部のガラス供給位置（イ）、ゴブ冷却位置（ロ）、ゴブ加熱位置（ハ）、成形位置（ニ）および搬出位置（ホ）に順次搬送するとともに各位置にて位置決めすることができるように構成された搬送レール６および搬送レール６上を搬送皿５を移送する駆動装置（図示省略）により構成されている。すなわち、図示の前記搬送レール６は、この搬送レール６上に乗載される搬送皿５を前記各ポイント（（イ）〜（ホ））に位置決めしつつ搬送レール６上を摺動させて順次移送する図示しない搬送アームを装備することにより構成したものである。

0025

但し、この搬送アームによる移送に換えて、搬送レール６自体を走行するとともに各ポイント（（イ〜ホ））に搬送皿５を順次位置決めしつつ搬送することも勿論可能である。尚、搬送レール６の供給部２０のガラス供給位置（イ）には、昇降軸１１ａと載置部１１ｂが通過し得る内径の通孔６ａを開孔してある。

0026

（作用）次に、以上の構成から成る成形装置におけるガラスレンズの製造工程にてＢａｋ２（Ｔｇ４７８℃、ＳＰ６２７℃）、外径１６ｍｍ、肉厚３ｍｍの両凸レンズを成形する場合について説明する。

0027

溶融ガラスの供給部２０の流出槽１内には１１００℃に保たれた溶融ガラス３が満たされており、流出ノズル２は９２０℃（ガラスが切れる最低温度付近）に保たれている。そして、受け型１０は搬送レール６によって供給位置（イ）に搬送される搬送皿５を介して流出ノズル２の下方で搬送皿５の載置部５ａ上に載置された状態で溶融ガラス３の流出タイミングまで待機している。溶融ガラス３の流出タイミングになったら、受け型１０は図示しない駆動装置の作動により駆動軸１１の上昇に伴って載置部１１ａに受け型１０が載置されつつ上昇し、受け型１０の成形面１０ａが流出ノズル２の先端から８ｍｍの位置まで上昇する（この受け型１０の上昇位置はゴブのサイズにより任意に設定される）。

0028

また、前記受け型１０は溶融ガラス３を成形面１０ａにて受けるのに先立って、受けた溶融ガラス３がしわになったり、あるいは溶融ガラス３が成形面１０ａに融着したりしない温度に受け型１０が加温されている。通常、ガラスの転移点より少し低い温度（ＴｇからＴｇ−６０℃ぐらい）であるが、ガラス塊の大きさ、受け型の材質、形状により異なる。

0029

さて、前記受け型１０の上昇後、図２に示すように流出ノズル２から溶融ガラス３を受け型１０の成形面１０ａ上に１．８ｇ流出させ、溶融ガラス３が切れるまで待って、ガラスゴブ１２を作る。ガラスゴブ１２作成後、受け型１０は図示しない駆動装置１１の作動により昇降軸１１ａが下降することで再度搬送皿５の載置部５ａ上に載置される。また、昇降軸１１ａは、搬送レール６の通孔６ａを介して搬送レール６の下側に下降し、搬送皿５ａの移動を妨げない位置まで退避する。

0030

その後、受け型１０は図示されない駆動手段の駆動により搬送皿５が搬送レール６上を移動することにより、冷却部２１の冷却室７内に移送されて、冷却位置（ロ）にて停止し、同位置（ロ）にて２０秒間待機し、ガラスゴブ１２の中心温度が転移点もしくは転移点温度付近になるまで冷却する。この冷却時間はガラスの種類、ガラスゴブ１２の形状、プレス成形するレンズの形状により設定される。

0031

その後、搬送皿５がさらに搬送レール６上を移動することで受け型１０は加熱部２２の加熱炉８内に搬送されて加熱位置（ハ）に停止され９００℃に設定された加熱炉８内で２５秒間加熱されることにより、ガラスゴブ１２の表面を軟化点もしくは軟化点付近の成形可能温度に加熱する。この加熱温度と時間はガラスの種類、ゴブの形状、プレス成形するレンズの形状により設定される。

0032

加熱終了後、搬送皿５がさらに搬送レール６上を移動することで受け型１０は成形部２３の成形室１５内に搬送され成形位置（ニ）に停止する。受け型１０が成形位置（ニ）に搬入された後、図３に示すように４６０℃（ガラス転移点より若干低い温度）に加熱された上型１４が下降し受け型１０の成形面１０ａと上型１４の成形面１４ａによりガラスゴブ１２は３０ｋｇｆ／ｍｍの圧力で１０秒間プレス成形される、この工程でプレス成形されるガラスレンズ１３は上下型３，４から熱を奪われ、全体が転移点以下になるまで冷却される。プレス成形を終えた後、上型１４は上昇して、受け型１０にガラスレンズ１３が成形される。

0033

この成形工程終了後、受け型１０は搬送皿５の移送によりガラスレンズ１３の搬出部２４の搬出位置（ホ）まで搬送され、受け型１０上のガラスレンズ１３は搬出部２４のアーム１８の吸着パット１７により吸着され受け型１０から取り出されて、図示しない搬出ケース等に収納される。そして、ガラスレンズ１３が取り出された後、受け型１０は再度搬送レール６上を移動する搬送皿５により前記流出ノズルに下側まで搬送されて、前記供給位置（イ）に至り、再び前述したガラス成形工程を繰り返す。

0034

（効果）以上の成形装置によるガラスレンスの成形には、溶融ガラス３の供給部２０におけるガラスゴブ１２の製造後、特に次順の冷却部２１の冷却室７内にての冷却工程によって受け型１０のガラスゴブ１２の中心温度が転移点温度付近の温度となるまで冷却されることで、同ガラスゴブ１２の温度分布を、表面の温度＜中心部の温度、とするとともにその後の加熱部２２の加熱炉８内にて、ガラスゴブ１２の表面を軟化点付近の成形可能温度に加熱することにより、その温度分布を、表面の温度＞中心部の温度、とすることができる。従って、前記冷却部２０および加熱部２１における冷却工程と加熱工程によって成形前のガラスゴブ１２の表面と中心部間の温度差が是正される結果、成形後の冷却過程で発生していたヒケによるうねり等の発生を解消することができ、成形ガラスレンズ１３の成形精度を向上かつ安定し得るものである。すなわち、前述の各工程を経て成形されたガラスレンズ１３の面精度は形状誤差０．３μｍ以内にでき上がり、非常に良好なものであり、連続的に安定した成形レンズが得られた。

0035

（実施の形態２）
（構成）図４は本実施の形態２の成形装置における冷却部を示す正面図である。図４の冷却部３０は受け型１０に供給された直後のガラスゴブ１２の上面に先端が向けられたノズル１９が冷却室７内に設置されるとともに、各ノズル１９はＮ２などの非酸化性ガスの発生装置（図示省略）に接続されていて、ガラスゴブ１２の上面に非酸化性ガスを噴出することにより強制的にガラスゴブ１２を冷却できるようになっている。これ以外は前記第１の実施の形態と同一の構成から成る成形装置を用いるもので、図４中の構成中の同一構成部分は、同一番号を付し、その他の構成の説明を省略する。

0036

（作用）上記構成の成形装置を用いての成形は前記実施の形態１と同様であるが、冷却部３０でのガラスゴブ１２の冷却方法のみが異なり、他は同様の成形方法でガラスレンズ１３が製造される。次に本実施の形態におけるガラスレンズの製造工程にてＢａｋ２（Ｔｇ４７８℃、ＳＰ６２７℃）、外径２１ｍｍ、肉厚５ｍｍの両凸レンズを成形する場合について説明する。

0037

流出槽１内には１１００℃に保たれた溶融ガラス３が満たされており、流出ノズル２は９２０℃に保たれている。受け型１０は流出ノズル２の下方で搬送皿５の載置部５ａ上に載置された状態で溶融ガラス３の流出タイミングまで供給位置（イ）にて待機している。溶融ガラス３の流出タイミングになったら、受け型１０は図示しない駆動装置の作動により昇降軸１１ａの上昇することで載置部１１ａに受け型１０が載置され、成形面１０ａが流出ノズル２の先端から１０ｍｍの位置まで上昇する（この受け型１０の上昇位置はゴブのサイズにより任意に設定される）。なお、受け型１０は前記第１の実施の形態と同様、所要の温度に加温されている。

0038

受け型１０の上昇後、図２に示すように流出ノズル２から溶融ガラス３を受け型１０の成形面１０ａ上に２．７ｇ流出させ、溶融ガラス３が切れるまで待って、ガラスゴブ１２を作る。ガラスゴブ１２作成後、受け型１０は図示しない駆動装置の作動により昇降軸１１ａが下降することで搬送皿５の載置部５ａ上に載置される。

0039

その後、受け型１０は図示されない駆動手段の駆動により搬送皿５が搬送レール６上を移動することにより、冷却部３０の冷却位置（ロ）まで移動する。受け型１０の移動終了後、ノズル１９から室温（２５℃程度）に設定されたＮ２ガスをガラスゴブ１２の上面に７秒間噴出させてガラスゴブ１２の中心温度を転移点もしくは転移点付近の温度まで冷却させる。（この冷却時間はガラスの種類、ゴブの形状、プレス成形するレンズの形状により設定される。）

0040

その後、搬送皿５の移動することで受け型１０は加熱部２１の加熱炉８内に搬送され、９００℃に設定された加熱炉８内で２５秒間加熱して、ガラスゴブ１２の表面を軟化点もしくは軟化点付近の成形可能温度にする。この加熱温度はガラスの種類、ゴブの形状、プレス成形するレンズの形状により設定される。

0041

加熱終了後、搬送皿５が移動することで受け型１０は成形部２３の成形室１５内に搬送される。受け型１０が成形位置（ニ）に搬入された後、図３に示すように４６０℃（ガラス転移点より若干低い温度）に加熱された上型１４が下降し受け型１０の成形面１０ａと上型１４の成形面１４ａによりガラスゴブ１２は４５ｋｇｆ／ｍｍの圧力で１２秒間プレス成形される、この工程でガラスレンズ１３は型から熱を奪われ、全体が転移点以下になるまで冷却される。プレスを終えた後、上型１４は上昇して、受け型１０にガラスレンズ１３ができる。

0042

この成形工程終了後、受け型１０はガラスレンズ１３の搬出部２４まで搬送され、ガラスレンズ１３は搬出部２４のアーム１８の吸着パット１７に吸着され、受け型１０から取り出され、図示しない搬出ケース等に収納される。ガラスレンズ１３が取り出された後、受け型１０は流出ノズル２の下の供給位置（イ）まで搬送され、再びガラス成形工程を繰り返す。

0043

（効果）また、特に本実施の形態によれば、実施の形態１に比し強制的な冷却によりガラスレンズの成形工程にかかる時間も短時間で行え、しかも、ガラスの種類、ゴブの形状並びにプレス成形レンズの形状に対応した適切な冷却条件を選定し得る利点を有する。

0044

以上の説明から明らかな通り、本実施の形態においても実施の形態１と同様にして、成形前のガラスゴブ１２を冷却部３０および加熱部２４により冷却および加熱することによってその温度分布を是正し、成形後の冷却工程に発生するヒケによるうねり等の発生を解消し、高精度なガラスレンズの成形を実現することができるものである。すなわち、前述の各成形工程により成形されたガラスレンズ１３の面精度は形状誤差０．３μｍ以内にでき上がり、非常に良好なもので連続的に安定した成形レンズが得られた。

0045

本発明の請求項１の光学素子の成形方法によれば、ガラス塊のプレス成形後の冷却過程できる表面部と中心部との間に発生する温度差を低減することができる為、成形された光学素子の面精度がヒケによって悪化することがなく、高精度な光学素子を製造することがてきる。

0046

また、本発明の請求項２の光学素子の成形装置によれば、ガラス塊のプレス成形後の冷却過程でできる表面部と中心部との間に発生する温度差を低減することができる為、成形された光学素子の面精度がヒケによって悪化することがない、高精度な光学素子を安定して連続的に製造することができる。

0047

図１成形装置の側面図。
図２溶融ガラスの供給状態を示す断面図。
図３成形状態を示す断面図。
図４冷却部の正面図。

0048

１流出槽
２流出ノズル
３溶融ガラス
４ガラス流
６搬送レール
７冷却室
８加熱炉
９抵抗線ヒータ
１０受け型
１１昇降装置
１２ガラスゴブ
１４上型
１５成形室
１６コイルヒーター
１７吸着パット
１８搬出アーム
１９ノズル
２０ 溶融ガラスの供給部
２１ 冷却部
２２ 加熱部
２３成形部
２４搬出部
２５ 搬送部