JP4094587B2 - ガラス光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形後に研削研磨が不要なガラスレンズなどのガラス光学素子の成形方法に関する。特に、本発明は、良好な光学特性を有するガラス光学素子を、プレス成形に要するサイクル時間を大幅に短縮して、比較的速い生産スピードで得ることが可能な成形方法に関する。

被成形ガラス素材であるガラスプリフォームを、ガラス成形体面に必要な面精度及び面粗度が確保された成形型でプレス成形し、プレス成形後の研削研磨を不要とできるガラス光学素子の製造方法が従来より種々知られている。
例えば、特開昭６４−７２９２９号公報あるいは特公平２−１６２５１号公報に記載の方法は、成形型とガラスプリフォームとを一緒に加熱する方式の方法である。即ち、上型と下型とこれらをガイドする案内型からなる成形型内にガラスプリフォームを挿入し、プリフォームが十分軟化する温度まで成形型と共に加熱した後に押圧成形する。次に、成形後のガラス成形体の面精度が損なわれない程度の冷却速度をもってガラス転移点付近まで冷却し（あるいはその後ある時間を要して室温付近まで冷却し）た後、成形型内からガラス成形体が取り出される。

成形型内にガラスプリフォームが保持された状態で、プリフォームが成形型と共に加熱、成形、冷却される方法では、ガラスと成形型の温度が常にほぼ等しくプレス工程が進むことによって、ガラスの表面と内部の温度差がなくなり、このためヒケが発生し難く安定した面精度が得られる。しかし、プレスを開始するまでの昇温時間と、プレス後の取り出しまでに要する冷却時間が必要であるために、全工程に要するサイクル時間が著しく長くなるという欠点を有している。更に、加熱からプレスの工程におけるガラスと成形型面の接触時間が長いために、ガラスと成形型面との間で反応を起こし易く、型寿命が短くなるという欠点も有している。

一方、あらかじめ軟化させたガラスプリフォームを、これとは別に加熱した成形型内へ挿入して、プレス成形後の研削研磨を不要とできるガラス光学素子の成形方法も知られている〔特開昭６１−２５１５２９号、同６１−２８６２３２号、同６２−２７３３４号、同６３−４５１３４号〕。そして、この方法でも、前述のように、ガラス成形体面に必要な面精度及び面粗度が確保された成形型を用いる。ところが、これらの方法では、ガラス素材を大きく変形させる必要がある場合には、所望の形状にまで成形することができない場合があり、またヒケや形状歪みが発生し易く、面精度が出にくいという欠点があった。

予熱した成形型において、加熱軟化したガラスプリフォームをプレス成形する方法では、プレス時間が短時間に済むという利点がある。さらに、成形型の温度を比較的低くでき、プレス後のガラス温度の冷却にある程度の時間を置けば離型が可能であることから、サイクル時間が大幅に短縮できる。
しかし、前述のような方法では、所望の肉厚までプレス成形する前にガラスが冷めて固化してしまい安定して成形品、特にコバ厚の薄い（約１．０〜１．３ｍｍ）両凸レンズやメニスカスレンズ等のガラス成形体が得られないという問題や形状転写性が不十分であるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、プレス成形に要するサイクル時間を大幅に短縮できる、加熱軟化したガラスプリフォーム等のガラス素材を予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を製造する方法であって、コバ厚の薄いレンズ等でも安定して得られ、形状転写性が良好であるガラス光学素子の成形方法を提供することにある。
さらに本発明の目的は、ヒケや面形状の歪み等の表面欠陥がなく高い面精度を有するガラス光学素子の成形方法を提供することにある。
さらに本発明の目的は、ヒケや面形状の歪み等の表面欠陥がなく高い面精度を有し、中心肉厚が許容公差内にあるガラス光学素子を製造できるガラス光学素子の成形方法を提供することにある。

さらに、ガラスプリフォーム等のガラス素材を加熱軟化する場合において、加熱軟化したガラス素材がガラス素材を保持する治具と融着するという問題もある。
そこで本発明の別の発明は、加熱軟化したガラスプリフォーム等のガラス素材を、予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を製造する方法であって、ガラス素材を保持する治具に対するガラス融着を防止でき、形状転写性も良好であり、プレス成形に要するサイクル時間を大幅に短縮できるガラス光学素子の成形方法を提供することにある。

本発明は、加熱軟化した被成形ガラス素材を、予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を成形する方法であって、
前記ガラス素材の加熱の温度を該ガラス素材の粘度が１０⁹ ポアズ未満に相当する温度とし、成形型の予熱の温度を前記ガラス素材の粘度が１０⁹ 〜１０¹²ポアズに相当する温度として、前記加熱軟化したガラス素材を前記予熱した成形型内で加圧し、冷却後に成形型からガラス成形体を離型することを特徴とするガラス光学素子の成形方法に関する。

さらに本発明は、前記ガラス光学素子の成形方法において、さらに、被成形ガラス素材を気流により浮上させながら加熱することにより軟化させる、ガラス光学素子の成形方法に関する。
以下本発明について説明する。

本発明は、加熱軟化した被成形ガラス素材を、予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を成形する方法である。ガラス素材を構成するガラスの種類及び形状等は、従来から公知のものである。ガラス素材は、例えば、ガラスプリフォームやガラスゴブであることができる。ガラスプリフォームとは、ガラス光学素子を成形する際に前駆体として用いる所定形状に成形した成形品をいう。ガラスプリフォームは、冷間成形又は溶融ガラスを熱間成形により成形したもの、さらには、これらを鏡面研磨等したものであることかできる。さらに表面は鏡面でなく粗面であることもでき、例えば＃８００のダイヤモンドで研削した研削品をガラスプリフォームとして用いることもできる。

ガラスプリフォームの形状は、製品であるガラス光学素子の大きさ及び容量、成形時の変化量等を考慮して決定される。さらに、成形の際、ガストラップが生じないようにするため、成形品の中心がプリフォームの被成形面と最初に接触するような形状とすることが好ましい。ガラスプリフォームの形状は、例えば、球
状、マーブル状、円板状、球面状等であることができる。
一方、ガラスゴブは、溶融ガラスを所定容量に分割したガラス片であって、通常シワなどの不規則な形状を有するものである。前記ガラスプリフォームは、このガラスゴブをさらに所定形状に成形したものである。

尚、プリフォーム又はゴブの容量は最終製品の容量よりわずかに大きくし、後工程で芯取りすることにより、最終外径を決めることもできる。

本発明の成形方法では、前記ガラス素材を該ガラス素材の粘度が１０⁹ ポアズ未満に相当する温度に加熱して軟化させる。ガラス素材の粘度が１０⁹ ポアズ未満であることで、１０⁹ ポアズ以上の粘度に相当する温度に予熱した成形型でガラス素材を十分に変形させて成形することが可能である。成形型の温度を比較的低温にして成形するには、ガラス素材は、好ましくは１０^5.5 〜１０^7.6 ポアズに相当する温度に加熱して軟化させることが適当である。
成形型の予熱の温度は、前記ガラス素材の粘度が１０⁹ 〜１０¹²ポアズに相当する温度とする。粘度が１０¹²ポアズに相当する温度未満では、ガラス素材を大きく伸ばして、コバ厚の薄いガラス成形体を得ることが難しくなり、また、高面精度が得にくく、粘度が１０⁹ ポアズに相当する温度を超える温度では、成形のサイクルタイムが必要以上に長くなり、また、成形型の寿命が短くなる。

本発明に用いる成形型は、従来から公知の成形型をそのまま用いることができる。但し、成形型の成形面が非晶質及び／又は結晶質の、グラファイト及び／又はダイヤモンドの、単一成分層又は混合層からなる炭素膜で構成されているものを用いることが好ましい。上記のような炭素膜で構成されている成形面を有する成形型では、成形型の温度が、ガラス素材のガラス転移点以上であっても、ガラスの融着（固着）が生じることはない。
上記の炭素膜は、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法等の手段で成膜されるものである。スパッタリング法で成膜する場合には、基盤温度２５０〜６００℃、ＲＦパワー密度５〜１５Ｗ／ｃｍ² 、スパッタリング時真空度５×１０^-4〜５×１０^-1ｔｏｒｒの範囲でスパッタガスとしてＡｒの如き不活性ガスを、スパッタターゲットとしてグラファイトを用いてスパッタリングするのが好ましい。
マイクロ波プラズマＣＶＤ法により成膜する場合には、基盤温度６５０〜１０００℃、マイクロ波電力２００Ｗ〜１ｋＷ、ガス圧力１０^-2〜６００ｔｏｒｒの条件下に、原料ガスとしてメタンガスと水素ガスを用いて成膜するのが好ましい。
イオンプレーティング法により形成する場合には、基盤温度を２００〜４５０℃とし、ベンゼンガスをイオン化するのが好ましい。
これらの炭素膜はＣ−Ｈ結合を有するものを含む。

本発明の成形方法においては、前記加熱軟化したガラス素材を前記予熱した成形型内で３〜６０秒間初期加圧する。この初期加圧が３秒未満ではガラスの伸びが不十分であり、所望の形状のガラス光学素子を得ることはできない。また、初期加圧は、長くなればそれだけ面精度等は向上するが、長すぎるとサイクル時間が短縮できず、また、成形型の寿命にも悪影響を及ぼすことがあり、上限は６０秒である。また、成形圧力は、ガラス素材の温度及び成形型の温度等を考慮して適宜決定することができ、通常３０〜３００ｋｇ／ｃｍ² の範囲の圧力とすることが適当である。

前記初期加圧開始と同時に、または前記初期加圧の途中で、または前記初期加圧の終了後に、前記成形型の成形面近傍を２０℃／分以上の速度で冷却する。冷却速度を２０℃／分より遅くしてもかまわないが、不必要に成形のサイクルタイムが長くなるだけである。ガラス成形体の大きさ、形状によって異なるが、高面精度を得るという観点から、成形面近傍は２０〜１８０℃／分の速度で冷却することが好ましい。

また、初期加圧後、初期加圧の５〜７０％の一定圧力で２次加圧し、この圧力を維持しながら成形面近傍を冷却することが、ひけや面形状に歪みが生じることなく良好な面精度が得られ、かつ中心肉厚も許容公差内に保てるという観点から好ましい。より好ましくは、２次加圧は初期加圧の２０〜５０％とすることが適当である。
さらに、加熱軟化したガラス素材の中心肉厚を、最終製品の中心肉厚より０．０３ｍｍから０．１５ｍｍ大きい範囲内になるように初期加圧し、次いで２次加圧することが、最終製品の中心肉厚の許容公差内に保つという観点から好ましい。即ち、２次加圧においては一気に減圧され、かつ、ガラスは高粘度となっているため、中心肉厚を０．００１〜０．１２ｍｍ程度しか加圧変形させることができないので、最終的な中心肉厚を公差±０．０３ｍｍの範囲に入れることが容易である。

上記初期加圧及び２次加圧は、加熱軟化したガラス素材の初期加圧を、最終製品の中心肉厚より０．０３ｍｍから０．１５ｍｍ大きい範囲内の所望の中心肉厚になるように加圧が停止する手段により停止し、さらに初期加圧停止前又は停止と同時に２次加圧を開始することにより行うことで、最終製品の中心肉厚が得られ、かつ、初期加圧と２次加圧の間で、加圧が連続しているため、面精度が損なわれることがない等という観点から好ましい。外部ストッパー機構等により所望の中心肉厚を得て、さらに２次加圧する場合は、加圧が一瞬間断するため、良好な面精度が得にくい傾向がある。上記初期加圧及び２次加圧は、２重シリンダー機構により行うことが好ましい。２重シリンダー機構については、後述の実施例においてさらに説明する。

上記のように加圧成形され、次いで冷却されたガラス成形品は、成形面近傍の温度が前記ガラス素材の粘度が１０¹²ポアズに相当する温度以下になった後に成形型から離型される。ガラス粘度が１０¹²ポアズを超えれば、短時間では粘性流動が起こることがなく、ほぼガラスは固結したとみなしてよい。その結果、離型後にガラス成形体に変形等が生じることがなく、良好な面精度が得られる。ガラス成形体の離型は、前記成形面近傍の温度が前記ガラス素材の粘度が１０¹²〜１０^14.5ポアズに相当する温度で行うことが特に好ましい。

本発明の成形方法に用いる成形型には、成形面を除き特に制限はない。さらに、型の加熱には、抵抗加熱ヒーター、高周波加熱ヒーター、赤外線ランプヒーター等を用いることができる。特に、成形型温度の回復時間が短いという観点からは、高周波加熱ヒーター、赤外線ランプヒーターが好ましい。さらに、成形型の冷却は、断電冷却や成形型内部を流通する冷却ガス等により行うことができる。

本発明に用いる成形型は、例えば、図５に示すような上型３５、下型３４及び案内型３６から構成される成形型３９を用いることができる。但し、これらに限定されるものではない。また、成形型として炭化ケイ素、ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムや炭化チタン等のサーメットや、これらの表面にダイヤモンド、耐熱金属、貴金属合金、炭化物、窒化物、硼化物、酸化物などのセラミックスなどを被覆したものを使用することができる。特に、炭化ケイ素焼結体上にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を形成して、仕上がり形状に加工した後、イオンプレーティング法等によりｉ−カーボン膜等の非晶質及び／又は結晶質のグラファイト及び／又はダイヤモンドの単一成分層又は混合層からなる炭素膜を形成したものが好ましい。その理由は、成形型温度を比較的高温にして成形しても、融着が起こらないこと及び、離型性がよいため比較的高温で容易に離型できることによる。

本発明の成形方法において、前記ガラス素材の加熱軟化は、該ガラス素材体を気流により浮上させながら行うことができ、加熱軟化したガラス素材は前記予熱した成形型に移送される。
ガラス素材が、その自重によって変形する程の低粘性域においては、加熱の際にガラス素材を保持する治具とガラスの融着を防止するのは非常に困難である。それに対して、治具の内部よりガスを噴出することにより、ガラス素材を気流により浮上させることで、治具面とガラス両面にガスのレイヤーを形成し、その結果、治具とガラスが反応することなく、加熱軟化することが可能である。更にガラス素材がプリフォームの場合、プリフォームの形状を維持しつつ加熱軟化することができる。また、ガラス素材がガラスゴブであり、不規則な形状で表面にシワ等の表面欠陥がある場合でも、加熱軟化しながら気流により浮上させることで、形状を整え、表面欠陥を消去することも可能である。

本発明においてガラス素材の浮上のために用いる気流となるガスとしては、特に制限はない。但し、加熱したガラス素材が治具と反応しないこと、さらに、加熱した治具の酸化による劣化を防止するという観点から、非酸化性ガスであることが好ましく、例えば、窒素等であることが適当である。また、還元性のガス、例えば水素ガス等を添加することもできる。
気流の流量は、気流を吹き出す口の形状やガラス素材の形状及び重量等を考慮して適宜変更できる。通常の場合、ガス流量は０．００５〜２０リットル／分の範囲がガラス素材の浮上に適している。但し、ガス流量が０．００５リットル／分未満であると、ガラス素材の重量が３００ｍｇ以上の場合、ガラス素材を十分に浮上させることができない場合がある。また、ガス流量が２０リットル／分を超えると、ガラス重量が２０００ｍｇ以上の場合でも、浮上治具上のガラスが大きく揺れて、加熱の際にガラス素材がプリフォームの場合、その形状が変化することがあるからである。

ガラス素材の気流による浮上は、例えば、ガラス素材の径より小さい開口径を有する上方開口部から上方に流出する気流により行うことができる。図２に示すように、浮上治具支持体１３に支持された浮上治具１０の上方開口部１１は、ガラス素材１の径より小さく、浮上治具１０の上方開口部１１の底１２から上方に流出する気流により、ガラス素材１は上方開口部１１上で浮上して、浮上治具１０に接触しないように保持される。尚、ガラス素材１は、周囲に設けられたガラス軟化用ヒーター１４により加熱される。また、浮上治具１０は、図６に示すように２つに分割可能な構造（各部分を１０ａ、１０ｂで示す）を有することもできる。

また、ガラス素材の気流による浮上は、ガラス素材の外径の曲率に近似する球面又は平面を有する多孔質面から流出する気流により行うこともできる。特に、ガラス素材がプリフォームである場合に、プリフォームの形状の維持が極めて容易であることから有効である。さらに、ガラス素材がガラスゴブの場合、多孔質面からの気流により浮上させながら加熱することで、ガラスゴブの表面欠陥を除去することもできる。例えば、図３に示すように、浮上治具支持体１９に支持された、ガラス素材１の曲率に近似する球面を有する多孔質面１８を有する浮上治具１７上に、多孔質面１８から流出する気流によって、ガラス素材１が浮上した状態で保持される。尚、浮上治具支持体１４及び浮上治具１５は、図６の場合と同様に、分割可能な構造を有することもできる。

さらに、ガラス素材の加熱は、常温から所定温度に加熱する場合、ある程度の温度のガラス素材を用いさらに加熱する場合、さらに所定温度に既に加熱されているガラス素材を用いる場合を含む。例えば、ガラス素材がガラスゴブの場合、溶融ガラスから作製されたガラスゴブを冷却することなく用いることもできる。

本発明では、加熱軟化したガラス素材の予熱した成形型への移送は、例えば、前記被成形ガラス素材を吸引保持することにより、または軟化したガラス素材を落下させることにより行うことができる。
ガラス素材の吸引保持は、例えば、図２に示す移動可能な下方開口部１６を有する吸引保持装置１５により行うことができる。下方開口部１６は内部に吸引する、例えば減圧ポンプや真空ポンプ等に連絡しており、下方開口部１６にガラス素材を吸引保持することができる。浮上治具１０の上で加熱されて軟化したガラス素材１は、移動可能な吸引保持装置１５の下方開口部１６に吸引保持され、図４に示すように成形型の下型３４の成形面４０上に移送する。次いで図５に示すように軟化したガラス素材１を前記下型３４の成形面４０と上型３５の成形面４１とで押圧成形することでガラス成形体２を得ることができる。

加熱軟化したガラス素材の移送は、該ガラス素材を落下させることにより行うこともできる。ガラス素材の落下は、例えば、ガラス素材を加熱するために用いる浮上治具が２つ以上に分割移動して、下方が開口することにより行うことができる。例えば、図６に示すように、浮上治具１０上でガラス素材１を加熱してガラス素材１が軟化したら、図７に示すように浮上治具１０が水平に２つの部分１０ａと１０ｂに分かれて、相互に反対方向（図中では左右）に移動することで、ガラス素材１は落下する。その際、落下するガラス素材１の受けとして成形型の下型３４を設置しておくことで、下型３４の成形面４０上にガラス素材１を移送することができる。

さらに、本発明では、加熱軟化したガラス素材を所定の成形面上に落下移動させる目的で、ガイド手段を用いることができる。例えば、図６、７に示すように、浮上治具１０の上部に、ガラス素材１の最外径と適度なクリアランスが保てる内径寸法を有する筒形のガイド手段５０（分割可能な部分５０ａ、５０ｂからなる）を設けることで、成形型の中心にガラス素材１を落下させることができる。
但し、ガイド手段は、浮上治具の分割移動の際に生じるガラス素材のずれを防止できるものであれば、構造等に特に制限はない。例えば、筒形に限らず、格子状に配置された複数のパイプや対向する２枚以上の板であることもできる。また、ガイド手段は、成形の際に上型がガラス素材を保持した下型の上に移動して押圧成形することを考慮して、分割移動可能な構造とすることもできる。

ガラス素材を加熱するために用いる浮上治具の分割移動の方式には特に制限はない。例えば、上記のように水平に浮上治具が移動する場合、浮上治具は３つ又は４つに分割し、３方向（１２０°づつ異なる方向）又は４方向（９０°づつ異なる方向）に移動して、ガラス素材を落下させることもできる。加熱軟化したガラス素材を落下移動させることで、ガラス素材を短時間で成形型内に移送することが可能である。

本発明によれば、プレス成形に要するサイクル時間を大幅に短縮できる、加熱軟化したガラスプリフォーム等のガラス素材を予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を製造する方法であって、コバ厚の薄いレンズ等でも安定して得られ、形状転写性も良好であるガラス光学素子の成形方法を提供することができる。
さらに本発明によれば、ヒケや面形状の歪み等の表面欠陥がなく高い面精度を有するガラス光学素子の成形方法を提供することができる。
さらに本発明によれば、ヒケや面形状の歪み等の表面欠陥がなく高い面精度を有し、中心肉厚が許容公差内にあるガラス光学素子を製造できるガラス光学素子の成形方法を提供することができる。
即ち、本発明によれば、成形型とガラスプリフォームを一緒に加熱する方式の従来技術（５〜２０分／サイクル）に比べれば、プレス成形に要するサイクル時間を大幅に短縮して、かつ表面欠陥がなく高い面精度のガラス光学素子を製造することができる。
また、本発明によれば、成形面に対するガラス融着（固着）を完全に防止しつつガラス光学素子の成形方法を提供することができる。

次に実施例により本発明を説明する。
実施例１−１〜１−５
プレス成形用型
プレス成形用型は、図１に示すように、基盤材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）焼結体３１を用い、研削によりプレス成形型形状に加工後、更に成形面側にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜３２を形成して、更に研削研磨して製造されるべきガラス成形体に対応する形状に鏡面仕上げして成形型基盤を得た。更に成形型基盤の炭化ケイ素膜３２上に、ｉ−カーボン（ダイヤモンドライクカーボン）膜３３をイオンプレーティング法により５００Å成膜して成形面４０を有する、φ１８ｍｍ（芯取後φ１５ｍｍ）両凸ガラスレンズ用の下型３４を得た。

図５に示す上型３５も、上記下型３４と同様の方法によって得られた。上型３５及び下型３４は、図５に示すように、同軸上にセットされ、プレス成形の際には、上型３５と下型３４とこれをガイドする案内型３６から成形型３９が構成されている。さらに上型３５の上面の上には、２次加圧用の押し棒４５が設けられている。

下型３４及び上型３５の加熱は、胴型３７外周に取り付けた成形型ヒーター４４で行い、成形型支持台３８の下部より下型３４内に挿入した型測温用熱電対４２にて制御される。更に胴型３７の温度は、胴型３７内に挿入した胴型測温用熱電対４３にて測温される。

浮上治具及び移送手段
上述の成形型加熱機構を有する同一密閉チャンバー（図示せず）内には、図２に示す浮上治具及び移送手段も設けられている。
まず、ガラス素材（プリフォーム）１を加熱軟化するガラス軟化ヒーター１４が設けられ、このガラス軟化ヒーター１４内には浮上治具支持台１３にセットされたグラッシーカーボン浮上治具１０（以下、ＧＣ浮上治具と呼ぶ）が配置されている。さらに、ガラス素材１は、浮上治具支持台１３の内部からＧＣ浮上治具１０下部へと供給される表１に示される流量の９８％Ｎ₂ ＋２％Ｈ₂ ガス（例１−１〜１−３）又はＮ₂ ガス（例１−４〜１−５）の噴出によって、浮上保持される。
また、ガラス軟化ヒーター１４外には、垂直及び水平方向に移動可能なグラッシーカーボンバキュームパッド１５（以下、ＧＣバキュームパッドと呼ぶ）があり、通常は、ＧＣ浮上治具１０上方で待機している。

予備加熱及びプレス工程
上述のプレス成形機構及びガラス加熱機構が収められた成形機の密閉チャンバー（図示せず）内を真空排気した後、前記９８％Ｎ₂ ＋２％Ｈ₂ ガス又はＮ₂ ガスを導入し、密閉チャンバー内を同ガス雰囲気とした。
次に、バリウム硼珪酸塩光学ガラスからなるプリフォーム１（表面欠陥のない鏡面を有するマーブル形状の熱間成形品、重量１０００ｍｇ、転移点５３４℃、屈伏点５７６℃）を用いた例を示す。成形型ヒーター４４にて、型測温用熱電対４３で測温した上型３５及び下型３４の温度（成形型温度）が、表１に示すガラスの粘度に相当する温度になるまで加熱し同温度で保持した。尚、ガラスの粘度と温度との関係は以下のとおりである。
ガラスの粘度 温度
１０⁹ ポアズ ６１４℃
１０¹⁰ ポアズ ５９２℃
１０¹¹ ポアズ ５７２℃
１０¹² ポアズ ５５４℃
１０^12.7ポアズ ５４３℃
１０^13.4ポアズ ５３４℃
１０^14.5ポアズ ５１８℃

一方、ガラス軟化ヒーター１４にて、ＧＣ浮上治具１０上のガラスプリフォーム９の温度を、ガラスの粘度が表１に示す粘度に相当する温度まで加熱し、浮上軟化させる。尚、ガラスの粘度と温度との関係は以下のとおりである。
ガラスの粘度 温度
１０^5.5 ポアズ ７１８℃
１０^6.4 ポアズ ６８６℃
１０^7.3 ポアズ ６５８℃
１０^8.2 ポアズ ６３４℃
１０^8.8 ポアズ ６１９℃

そして、浮上軟化したプリフォーム１を、ガラス軟化ヒーター１４外のＧＣ浮上治具１０上方で待機していたＧＣバキュームパッド１５が、プリフォーム１のところまで下降し吸引保持する。この際、ＧＣバキュームパッドの温度は、ガラス軟化ヒーター１４からの輻射熱によって、３００〜４００℃に加熱されているが、低温であるためガラスが融着することはない。

次に、図４に示すように、プリフォーム１を保持したＧＣバキュームパッド１５は、下型３４上方まで速やかに移動し、再び下型３４の成形面４０近傍まで下降すると同時に吸引を停止して、下型３４の成形面４０上にプリフォーム１を載せる。その後、ＧＣバキュームパッド１５は下型３４上方より退き、元の待機位置まで戻るので下型３４上部には何ら障害物がなくなり、瞬時に成形型支持台３８が下型３４を、下型３４の同軸上方に成形型支持台３８ごと固定セットしてある上型３５まで上昇させる。図５に示すように、上型３５と下型３４及びこれをガイドする案内型３６で構成される成形型３９内で、プリフォーム１を１０秒間１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力にて加圧成形して、下型３４のフランジ部と案内型３６の底面が接触したところをもって最終製品の肉厚よりも３０μｍ大きい肉厚とする。その一方で、第１のシリンダーにて加圧開始した５秒後から第１のシリンダーの内側にある第２のシリンダーに接続された押し棒４５にて上型３５の裏面に２０ｋｇ／ｃｍ² （１−１〜１−５）の圧力でガラス成形体２及び成形型３９を加圧保持する。次いで、成形型ヒーター４４を断電することで放冷して、表１に成形時間（初期加圧時間（１０秒間）＋２次加圧時間）として示す時間の経過後に、型測温用熱電対４２で測温した上型３５及び下型３４の温度が表１に離型時型温度として示す温度になり、ガラス成形体２が所定の肉厚になったところで、成形型３９からガラス成形体２を離型し取り出した。尚、ガラスの粘度と温度との関係は前記のとおりである。

このようにして得られたガラス成形体２（外径φ１８ｍｍ、肉厚２．９ｍｍ、コバ厚１．０ｍｍの両凸レンズ）のアニール後の性能を、干渉計による面精度と、目視外観及び実体顕微鏡による表面状態について評価し、結果を表１に１−１〜１−５として示す。評価は、同一方法で得られた５個のレンズについて行った（以下の実施例でも同様である）。その結果、いずれのレンズも良好なものであった。

実施例２−１〜２−５
プレス成形用型
プレス成形用型は、押し棒４５を有さない以外実施例１と同様の図８に示すものを用いた。
浮上治具
上述の成形型加熱機構を有する同一密閉チャンバー（図示せず）内には、図６に示す浮上治具１０（１０ａ、１０ｂ）、ガイド手段５０（５０ａ、５０ｂ）、ガラス素材を加熱軟化するガラス軟化ヒーター（図示せず））が設けられている。浮上治具１０は、グラッシーカーボンからなる分割浮上治具（以下、ＧＣ分割浮上治具と呼ぶ）であり、ガイド手段５０も同材質による分割円筒形ガイド（以下ＧＣ分割円筒形ガイドと呼ぶ）である。さらに、ガラス素材１は、ＧＣ分割浮上治具内部から供給される表１に示す流量の９８％Ｎ₂ ＋２％Ｈ₂ ガスの噴出によって、浮上保持される。

加熱軟化及びプレス工程
上述のプレス成形機構及びガラス加熱機構が収められた成形機の密閉チャンバー内を真空排気した後、９８％Ｎ₂ ＋２％Ｈ₂ ガスを導入し、密閉チャンバー内を同ガス雰囲気とした。
次に、図８に示す成形型ヒーター４４にて、型測温用熱電対４３で測温した上型３５及び下型３４の温度が、実施例１と同様のガラス素材１の粘度が１０¹¹ポアズに相当する５７２℃（例２−１〜２−３、２−５）又は１０¹²ポアズに相当する５５４℃（例２−４）になるまで加熱し同温度で保持した。尚、このときは、上型と下型は別の位置でそれぞれ加熱され、成形の際に図８に示すように、一体の成形型として組み立てられる。
一方、ガラス軟化ヒーターにて、ＧＣ分割浮上治具１０上のガラス素材１の温度を、表１に示すように、ガラスの粘度１０^5.5 ポアズに相当する温度である７１８℃まで加熱保持する。

次に、加熱軟化したガラス素材１を浮上保持したＧＣ分割浮上治具１０は下型３４直上まで速やかに移動し、次いで、図７に示す如く、ＧＣ分割浮上治具１０ａとＧＣ分割浮上治具１０ｂがそれぞれ左右水平方向へ瞬時に移動して開口することで、下型３４の成形面４０にガラス素材１を落下させて載せる。この時、ＧＣ分割浮上治具１０の直上には、ガラス素材１の最外径に対して適度なクリアランスを保つような内径寸法を有するＧＣ分割円筒形ガイド５０が設置されており、ＧＣ分割浮上治具１０が開口してガラス素材１が落下する際に、ガラス素材１と下型３４とのセッティングズレ量が最小限となるようなガイドの役目を果たす。

ガラス落下後は、ＧＣ分割円筒形ガイド５０ａともう一方の５０ｂがそれぞれ左右水平方向へ移動して開口する。そのため、下型３４上部には何ら障害物がなくなり、瞬時に成形型支持台３８が下型３４を、下型３４の同軸上法に成形型支持台３８ごと固定セットしてある上型３５まで上昇させ、図８に示すように上型３５と下型３４をガイドする案内型３６で構成される成形型内で、ガラス素材１を１０秒間１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力にて加圧成形して所定の肉厚とした後、圧力を一気に５０ｋｇ／ｃｍ² とすると同時に、この圧力で保持したガラス成形体２及び成形型を、成形型ヒーター１４を断電することで放冷して、表１に成形時間（初期加圧時間（１０秒間）＋２次加圧時間）として示す時間経過秒後に型測温用熱電対４３で測温した上型３５及び下型３４の温度が、表１に離型時型温度として示す粘度に相当する温度になったところで、成形型からガラス成形体２を離型し取り出した。

このようにして得られたガラス成形体２（外径φ１８ｍｍ、肉厚２．９ｍｍ、コバ厚１．０ｍｍの両凸レンズ）のアニール後の性能を、干渉計による面精度と、目視外観及び実体顕微鏡による表面状態について評価し、結果を表１に示す。評価は、同一方法で得られた５個のレンズについて行った。
表１には、軟化したガラス素材１の温度、ガラス素材１の形状、ＧＣ分割浮上治具から流出するガス流量、成形型温度、離型温度を変化させて得られたガラス成形体の評価結果を示す。その結果、いずれの成形体（レンズ）も良好なものであった。

実施例３−１〜３−３
初期加圧時間を５秒（例３−１）、３０秒（例３−２）又は５５秒（例３−３）とした以外は、実施例１−１と同様にしてガラス成形体（外径φ１８ｍｍ、肉厚２．９ｍｍ、コバ厚１．０ｍｍの両凸レンズ）を得た。アニール後のガラス成形体の性能を、干渉計による面精度と、目視外観及び実体顕微鏡による表面状態について評価した。結果を表１に示す。

実施例４−１〜４−２
成形型３９の放冷を初期加圧（１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力での加圧）と同時（例４−１）または初期加圧開始５秒後（例４−２）に開始した以外は実施例１−１と同様に操作してガラス成形体（外径φ１８ｍｍ、肉厚２．９ｍｍ、コバ厚１．０ｍｍの両凸レンズ）を得た。アニール後のガラス成形体の性能を、干渉計による面精度と、目視外観及び実体顕微鏡による表面状態について評価した。結果を表１に示す。

ガラス成形体の評価は、以下のように行った。
面精度
○：アス、くせ ０．５本以下
◎：アス、くせ ０．２本以下
表面状態
◎：良好

上記実施例１〜４においてサイクルタイムは成形時間と型温度の回復時間（離型時の温度から成形開始時温度までの昇温時間）との合計である。本実施例では成形型の加熱に抵抗加熱を用いたため、上記回復時間は約３５秒であった。従って、サイクルタイムは約８５〜１６５秒間であった。
尚、成形型の加熱を高周波加熱や赤外線加熱を用いることにより、上記回復時間は約１０秒にすることができ、サイクルタイムをその分短縮することが可能である。

本発明で用いた成形型の下型の概略説明図である。 本発明で用いた浮上治具上でのガラスプリフォームの浮上軟化及び移送方法の概略説明図である。 本発明で用いた浮上治具上でのガラスプリフォームの浮上軟化方法の概略説明図である。 軟化したガラスプリフォームの成形型への移送方法の概略説明図である。 本発明で用いた成形型での押圧成形の概略説明図である。 軟化したガラスプリフォームの成形型への移送方法の概略説明図である。 軟化したガラスプリフォームの成形型への移送方法の概略説明図である。 成形型での押圧成形の概略説明図である。

符号の説明

１ ・・・ ガラス素材
２ ・・・ ガラス成形体
１０、１７ ・・・ 浮上治具
１０ａ、１０ｂ ・・・ 分割浮上治具
１１ ・・・ 浮上治具の上方開口部
１２ ・・・ 浮上治具の上方開口部の底
１３、１９ ・・・ 浮上治具支持体
１４ ・・・ ガラス軟化用ヒーター
１５ ・・・ 吸引保持装置
１６ ・・・ 下方開口部
１８ ・・・ 多孔質面
３４ ・・・ 下型
３５ ・・・ 上型
３６ ・・・ 案内型
３７ ・・・ 胴型
４０、４１ ・・・ 成形面
４５ ・・・ 押し棒
５０ａ、５０ｂ ・・・ ガイド手段

Claims (6)

1. 加熱軟化したガラス素材を、予熱した成形型で押圧成形することによりガラス光学素子を成形する方法であって、
   前記成形型の予熱温度を、前記ガラス素材の粘度が１０ ⁹ 〜１０ ¹² ポアズに相当する温度とし、前記ガラス素材の予熱の温度を、前記成形型の予熱温度よりも高い温度であって、該ガラス素材の粘度が１０ ⁹ ポアズ未満に相当する温度として、予熱により加熱軟化した前記ガラス素材を前記予熱した成形型で初期加圧し、
   前記初期加圧開始と同時に、または初期加圧の途中で、前記成形型の成形面近傍を冷却開始し、
   前記初期加圧後、初期加圧の５〜７０％の圧力で二次加圧し、
   前記成形面近傍の温度が、前記ガラス素材の粘度が１０¹²ポアズに相当する温度以下になった後に成形型からガラス成形体を離型する
   ことを特徴とするガラス光学素子の成形方法。
2. 前記初期加圧と同時に、前記成形型の成形面近傍を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記初期加圧開始後であって、かつ前記初期加圧の途中で、前記成形型の成形面近傍を冷却開始することを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
4. 前記二次加圧においては、ガラス成形体の中心肉厚が、０．００１〜０．１２ｍｍの範囲で加圧変形されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形方法。
5. 前記ガラス素材の予熱の温度を該ガラス素材の粘度が１０^5.5〜１０^7.6ポアズに相当する温度とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形方法。
6. 前記成形型の冷却は、２０℃/分以上の冷却速度で行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形方法。

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