(57)【要約】【課題】成形性能に優れるガラス製成形型を得る。【解決手段】被成形ガラスを押圧成形するための成形型を、（１）ヤング率が８５ＧＰａ以上であること、（２）ガラス転移温度が６５０℃以上であること、（３）１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数が３０×１０−７／℃〜８０×１０−７／℃であること、を満たすガラスにより形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被成形ガラスを押圧成形するための成形型において、
（１）ヤング率が８５ＧＰａ以上であること、
（２）ガラス転移温度が６５０℃以上であること、
（３）１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数が３０×１０−７／℃〜８０×１０−７／℃であること、
を満たすガラスにより形成されることを特徴とするガラス製成形型。
【請求項２】
前記成形型を構成する前記ガラスのガラス転移温度をＴｇ（Ａ）、前記被成形ガラスのガラス転移温度をＴｇ（Ｂ）とした場合、Ｔｇ（Ａ）−Ｔｇ（Ｂ）が３０℃以上である、請求項１記載のガラス製成形型。
【請求項３】
前記成形型を構成する前記ガラスの１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数をα（Ａ）、前記被成形ガラスの１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数をα（Ｂ）とした場合、α（Ａ）−α（Ｂ）が＋２０〜−１２０である、請求項１または２記載のガラス製成形型。
【請求項４】
前記被成形ガラスを押圧成形して光学素子を形成する、請求項１から３のいずれか１項に記載のガラス製成形型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被成形ガラスを押圧成形するガラス製の成形型に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ等の光学素子の製造において、素材となるガラスを概略の形状にしてから研削や研磨によって仕上げる方法が従来から用いられている。近年では、加熱して軟化させた状態のガラスに対して成形用の型（以下、成形型）による押圧成形を行って、研削や研磨を経ずに光学素子を製造する方法も実用化されている。このような成形型を用いた成形により、球面レンズのみならず、複雑な形状の非球面レンズ等も、低コストで大量に生産することが可能になった。
【０００３】
押圧成形では、成形型の表面形状（成形面）が被成形物に転写されるため、成形型の精度が極めて需要になる。例えば、押圧時に作用する負荷や加熱を起因とした変形を生じないように、成形型には高い剛性と耐熱性が求められる。また、成形型への被成形物の貼り付きや被成形物の割れを防ぐために、成形型が被成形物に対して適切な熱膨張率を有することも必要となる。
【０００４】
以上のような条件を満たすものとして、金属やセラミックス等を素材とした成形型が広く用いられている。しかし、このような成形型を精度のばらつきを抑えながら削り出し等で個別に製造するには、コストと手間がかかる。特に、光学機器用のガラスレンズを大量生産する場合には、成形型も多く必要とされる。その対策として、ガラス製の成形型を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１〜１２）。
【０００５】
具体的には、基準となる成形面を有するマスター型（母型）を準備し、加熱により軟化させた成形型用ガラス材料をマスター型で押圧成形することによって、マスター型の成形面が転写されたガラス製の成形型（レプリカ型）が得られる。ガラス製の成形型は、高精度のマスター型を一旦製造してしまえば量産が容易で、形状設定の自由度が高いという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−２２６８２５号公報
【特許文献２】特開平１−２３９０３０号公報
【特許文献３】特許第２６１６９６４号公報
【特許文献４】特許第２７２３４９７号公報
【特許文献５】特許第４８３２９３９号公報
【特許文献６】特開２００７−２８４３００号公報
【特許文献７】特開２００６−２０６３９４号公報
【特許文献８】特開２００５−９７００９号公報
【特許文献９】特開２００４−２１０５５０号公報
【特許文献１０】特開２００８−５６５４０号公報
【特許文献１１】特開２００７−２５４２３４号公報
【特許文献１２】特開２００５−１５２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガラス製の成形型においても、前記のような剛性、耐熱性、熱膨張率といった条件が要求されるが、これらの条件を全て高いレベルで満たして実用化することが難しかった。特に、被成形ガラスに対する優れた成形性能を有しつつ、成形型自身も生産しやすいという条件を備えた高性能のガラス製成形型が求められている。そこで本発明は、成形性能に優れるガラス製成形型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
出願人は、特定の条件を満たすことにより、無理なく製造可能で成形性能に優れる実用化レベルのガラス製成形型を得られるという着眼により本発明を案出した。すなわち本発明は、被成形ガラスを押圧成形するための成形型において、（１）ヤング率が８５ＧＰａ以上であること、（２）ガラス転移温度が６５０℃以上であること、（３）１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数が３０×１０−７／℃〜８０×１０−７／℃であること、を満たすガラスにより形成されることを特徴としている。
【０００９】
条件（１）を満たすことにより、被成形ガラスを押圧成形する際の負荷に耐える剛性を確保できる。条件（２）を満たすことにより、光学素子等の素材として用いられる被成形ガラスよりもガラス転移温度が高く、成形温度でのガラス製成形型の変形を防止できる。条件（３）を満たすことにより、ガラス製成形型に対する被成形ガラスの貼り付きや被成形ガラスの割れ、マスター型に対する成形型用ガラス材料の貼り付きや成形型用ガラス材料の割れを防ぐ効果が得られる。従って、ガラス製成形型の撓みを生じずに被成形ガラスの貼り付きや割れを防いで、優れた成形結果を得ることができる。
【００１０】
成形型を構成するガラス（成形型用ガラス材料）のガラス転移温度をＴｇ（Ａ）、被成形ガラスのガラス転移温度をＴｇ（Ｂ）とした場合、Ｔｇ（Ａ）−Ｔｇ（Ｂ）が３０℃以上であるとよい。
【００１１】
成形型を構成するガラス（成形型用ガラス材料）の１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数をα（Ａ）、被成形ガラスの１００℃〜３００℃での平均熱膨張係数をα（Ｂ）とした場合、α（Ａ）−α（Ｂ）が＋２０〜−１２０であるとよい。
【００１２】
本発明は、被成形ガラスを押圧成形して光学素子を形成するガラス製成形型に好適である。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば成形性能に優れるガラス製成形型が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ガラス製成形型を有するガラス成形装置の断面図である。
【図２】本発明を適用したガラス製成形型の実施例と比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のガラス製成形型を備えたガラス成形装置の一例を図１に示す。図１のガラス成形装置１０は、被成形ガラスのガラス塊２１から光学素子であるレンズ２０を押圧成形によって製造するものであり、ガラス製の成形型である上型１１と下型１２を備える。上型１１と下型１２は、案内型１３内に相対移動可能に支持されており、互いの間隔を変化させることができる。上型１１と下型１２は、両方とも移動する可動型であってもよいし、一方を可動型にして他方を移動しない固定型にしてもよい。
【００１６】
上型１１と下型１２は、互いに対向する側に成形面１４と成形面１５を有している。レンズ２０は両面が非球面である両凸レンズであり、成形面１４と成形面１５はそれぞれレンズ２０の各凸面（非球面）に対応する形状の凹面（非球面）である。すなわち、成形面１４と成形面１５の形状が成形によって転写されてレンズ２０の凸面が形成される。なお、本発明のガラス製成形型は、両凸レンズ以外の被成形物の成形にも適用が可能であり、ガラス製成形型の成形面の形状は、被成形物の形状に応じて適宜設定される。例えば、光学素子としては、凹面を有するレンズや、プリズム等の製造にも適用可能である。
【００１７】
成形面１４、１５上にはコーティング層１６、１７が形成されている。コーティング層１６、１７は炭素膜等からなり、被成形ガラスの融着を抑える効果を有する。なお、図１に示すコーティング層１６、１７は単層構造であるが、異なる組成からなる複層構造のコーティング層を設けることもできる。あるいは、コーティング層１６、１７を備えずに成形面１４、１５が露出した構成も選択可能である。
【００１８】
案内型１３の外側には図示を省略するヒーターが設けられている。成形時には、被成形ガラス（ガラス塊２１）が軟化する成形温度までヒーターで加熱する。
【００１９】
図示を省略するが、上型１１や下型１２は、マスター型（母型）を用いた押圧成形によって製造される。上型１１と下型１２を製造するためのマスター型が個別に準備される。これらのマスター型は金属等で形成されており、成形面１４や成形面１５の元となる基準成形面を備えている。加熱して軟化させた成形型用ガラス材料（後述する各条件を満たすガラスであり、レンズ２０用の被形成ガラスとは別のもの）を各マスター型の基準成形面で押圧することにより、該基準成形面が成形面１４や成形面１５として転写された上型１１や下型１２が成形される。
【００２０】
なお、本発明におけるガラス製成形型は、成形面１４、１５に相当する形状転写用の面を備えた部分を指すものとする。例えば、コーティング層１６、１７を除く上型１１と下型１２の全体をガラス製としてもよい。あるいは、上型１１と下型１２のうち成形面１４と成形面１５を含む一部のみをガラス製成形型とし、当該ガラス製成形型に金属製等の別の基盤部（図示略）を接合して上型１１や下型１２を構成することもできる。
【００２１】
出願人は、研究及び実験の結果、以下の条件（１）、（２）及び（３）を満たすガラスが、上型１１と下型１２のようなガラス製成形型を構成するガラス材料として好適であることを見出した。
（１）ヤング率が８５ＧＰａ以上であること。
（２）ガラス転移温度（Ｔｇ）が６５０℃以上であること。
（３）１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）が３０×１０−７／℃〜８０×１０−７／℃であること。
【００２２】
条件（１）は、成形型の剛性に関係する。押圧成形する際に成形型に撓みが発生すると、成形面の形状が維持されず、被成形ガラスに対する成形精度に影響を及ぼす。ヤング率が８５ＧＰａ以上であると、被成形ガラスの成形時に所定の押圧力を加えても、負荷による成形型の撓みを防止でき、成形面の精度を損なわずに成形することができる。
【００２３】
条件（２）は、成形時の加熱による成形型への影響に関係する。被成形ガラスよりもガラス転移点が高いガラスを成形型用ガラス材料とした上で、成形型用ガラス材料のガラス転移点よりも低い温度を成形温度とすることにより、成形型用ガラス材料の軟化を伴わずに被成形ガラスのみを軟化させることができる。
【００２４】
より詳しくは、成形型用ガラス材料のガラス転移温度をＴｇ（Ａ）、被成形ガラスのガラス転移温度をＴｇ（Ｂ）とした場合、Ｔｇ（Ａ）−Ｔｇ（Ｂ）≧３０℃であるとよい。さらに、Ｔｇ（Ａ）−Ｔｇ（Ｂ）≧５０℃が好ましく、Ｔｇ（Ａ）−Ｔｇ（Ｂ）≧１００℃がより好ましい。
【００２５】
例えば、出願人が製造するガラスモールドレンズ用の硝材では、ガラス転移点が最も高いものが６１２℃である（硝材名Ｍ−ＴＡＦＤ３０５）。従って、条件（２）を満たすことにより、ガラス製成形型の熱変形を防ぎながら、様々な光学素子用のガラスに有効な成形温度に設定することができる。
【００２６】
条件（３）は、成形型と被成形ガラスの熱膨張率の差を適切に管理して、被成形物の貼り付きや割れを防いで良好な成形を行うための条件である。被成形ガラスに対して成形型の熱膨張係数が相対的に大きすぎると、成形時に被成形ガラスの割れが生じやすくなる。また、成形型と被成形ガラスとの熱膨張係数の差が小さすぎると、成形型への被成形ガラスの貼り付きが生じやすくなる。
【００２７】
より詳しくは、成形型用ガラス材料の平均熱膨張係数（１００℃〜３００℃）をα（Ａ）、被成形ガラスの平均熱膨張係数（１００℃〜３００℃）をα（Ｂ）とした場合、α（Ａ）−α（Ｂ）が＋２０〜−１２０であるとよい。さらに、α（Ａ）−α（Ｂ）が＋１０〜−１２０が好ましく、α（Ａ）−α（Ｂ）が０〜−１００がより好ましい。ガラスモールドレンズ用の硝材ではα（Ｂ）が７０〜９０前後のものが多く、条件（３）を満たすことにより、被成形ガラスの割れや成形型への貼り付きを防ぐ効果が得られる。
【００２８】
また、条件（３）は、マスター型によって成形型用ガラス材料を押圧成形する際の成形性にも関係する。一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主素材としてマスター型を形成した場合、炭化ケイ素の平均熱膨張係数（１００℃〜３００℃）は４０×１０−７／℃程度であるため、条件（３）によって成形型用ガラス材料を良好に成形してガラス製の成形型を得ることができる。特に、条件（３）の下限値を満たすことで、マスター型の熱膨張率が相対的に過大にならず、ガラス製成形型の割れを生じにくくできる。
【００２９】
例えば、下記の原料組成によれば、条件（１）、（２）及び（３）を満たした成形型用ガラス材料を得ることができる。
モル％表示にて
ＳｉＯ２を５０〜７５％、
Ａｌ２Ｏ３を０〜５％、
ＺｎＯを０〜５％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合計で３〜１５％、
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＢａＯを合計で１４〜３５％、
ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５およびＨｆＯ２を合計で２〜９％、
含み、
モル比｛（ＭｇＯ＋ＣａＯ）／（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）｝が０．８５〜１の範囲であり、かつモル比｛Ａｌ２Ｏ３／（ＭｇＯ＋ＣａＯ）｝が０〜０．３０の範囲であるガラス。
【００３０】
＜実施例＞
ガラス成形装置１０において、ガラス製成形型である上型１１と下型１２の各成形面１４、１５の間に、被成形ガラスであるガラス塊２１を配置し、ヒーターにより成形温度まで加熱して、上型１１と下型１２を接近移動させて２１を所定の圧力でプレスしてレンズ２０を成形した実施例を図２に示す。実施例１と実施例２は、２種類の被成形ガラスに対して、本発明を適用したＧＡ、ＧＢ、ＧＣの３種類のガラス材料からなるガラス製成形型によってそれぞれ成形を行った結果を示したものである。
【００３１】
・成形型用ガラス材料  ＧＡ（サンプル名）
ヤング率（ＧＰａ）：８５
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６８２℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：７７×１０−７／℃
比重：２．９６ｇ／ｃｍ３
・成形型用ガラス材料  ＧＢ（サンプル名）
ヤング率（ＧＰａ）：９５
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６９１℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：５１×１０−７／℃
比重：２．５９ｇ／ｃｍ３
・成形型用ガラス材料  ＧＣ（サンプル名）
ヤング率（ＧＰａ）：８７
ガラス転移温度（Ｔｇ）：７２０℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：３２×１０−７／℃
比重：２．６０ｇ／ｃｍ３
＜実施例１＞
・被成形ガラス  Ｍ−ＮＢＦＤ１３０（ＨＯＹＡ株式会社製）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：５６７℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：７４×１０−７／℃
＜実施例２＞
・被成形ガラス  Ｍ−ＢＡＣＤ５Ｎ（ＨＯＹＡ株式会社製）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：５２１℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：８８×１０−７／℃
[成形結果]
図２に示すように、実施例１、２のいずれも、成形型用ガラス材料ＧＡ、ＧＢ、ＧＣからなる各ガラス製成形型において成形温度での押圧成形時に有害な変形を生じず、被成形ガラスにおける被成形面の面形状が適正であり、被成形ガラスの割れも生じず、良好な成形結果が得られた。
【００３２】
続いて、実施例とは異なるガラス材料からなる成形型によって、実施例１、２と同じ被成形ガラスに対する成形を行った比較例を示す。
【００３３】
＜比較例１＞
・成形型用ガラス材料  ＺｎＳＦ８（株式会社住田光学ガラス製）
ヤング率（ＧＰａ）：８７
ガラス転移温度（Ｔｇ）：５１８℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：６０×１０−７／℃
比重：３．７２ｇ／ｃｍ３
特開２００４−２１０５５０号公報に、ＺｎＳＦ８を材料とした成形型が記載されている。
[成形結果]
ＺｎＳＦ８は、ガラス転移温度が本発明の条件（２）を下回っている。さらにＺｎＳＦ８のガラス転移温度は、被成形ガラスであるＭ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのガラス転移温度よりも低い。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、許容範囲を超える成形型の変形が生じて成形不良となった。
【００３４】
＜比較例２＞
・成形型用ガラス材料  Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラ製）
ヤング率（ＧＰａ）：８０
ガラス転移温度（Ｔｇ）：５７６℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：８６×１０−７／℃
比重：２．５２ｇ／ｃｍ３
特開２００８−５６５４０号公報に、Ｓ−ＢＳＬ７を材料とした成形型が記載されている。
[成形結果]
Ｓ−ＢＳＬ７は、ヤング率が本発明の条件（１）を下回り、ガラス転移温度が本発明の条件（２）を下回り、熱膨張係数が本発明の条件（３）の上限値を超えている。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、許容範囲を超える成形型の変形が生じて成形不良となった。
【００３５】
＜比較例３＞
・成形型用ガラス材料  Ｓ−ＢＳＭ１４（株式会社オハラ製）
ヤング率（ＧＰａ）：８４．９
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６６３℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：７３×１０−７／℃
比重：３．４３ｇ／ｃｍ３
特開２００７−２５４２３４号公報に、Ｓ−ＢＳＬ１４を材料とした成形型が記載されている。
[成形結果]
Ｓ−ＢＳＬ１４は、ヤング率が本発明の条件（１）を下回っている。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、被成形面の面形状精度が基準に達しなかった。
【００３６】
＜比較例４＞
・成形型用ガラス材料  ＮＡ３２ＳＧ（アヴァンストレート株式会社製）
ヤング率（ＧＰａ）：７４
ガラス転移温度（Ｔｇ）：７０５℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：３４×１０−７／℃
比重：２．４１ｇ／ｃｍ３
[成形結果]
ＮＡ３２ＳＧは、ヤング率が本発明の条件（１）を下回っている。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、被成形面の面形状精度が基準に達しなかった。
【００３７】
＜比較例５＞
・成形型用ガラス材料  ＧＤ（サンプル名）
ヤング率（ＧＰａ）：６９
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６７０℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：４６×１０−７／℃
[成形結果]
ＧＤ（サンプル名）は、ヤング率が本発明の条件（１）を下回っている。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、被成形面の面形状精度が基準に達しなかった。
【００３８】
＜比較例６＞
・成形型用ガラス材料  ＧＥ（サンプル名）
ヤング率（ＧＰａ）：７０．２
ガラス転移温度（Ｔｇ）：７０５℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：３７×１０−７／℃
[成形結果]
ＧＥ（サンプル名）は、ヤング率が本発明の条件（１）を下回っている。そして、Ｍ−ＮＢＦＤ１３０とＭ−ＢＡＣＤ５Ｎのいずれの被成形ガラスを成形した場合も、被成形ガラスに割れが生じた。
【００３９】
また、下記特許文献には、硼珪酸バリウム系ガラスや硼珪酸ガラスを素材とするガラス製成形型を用いる技術が記載されている。
・硼珪酸バリウム系ガラス（特開２００７−２８４３００号公報、特開２００６−２０６３９４号公報）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６９０℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：６４×１０−７／℃
・硼珪酸バリウム系ガラス（特開２００５−９７００９号公報）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６７９℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：５５．６×１０−７／℃
・硼珪酸バリウム系ガラス（特開２００５−９７００９号公報）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：６７９℃
１００℃〜３００℃の平均熱膨張係数（α１００−３００）：５５．６×１０−７／℃
・硼珪酸ガラス（特開２００５−１５２６６号公報）
ガラス転移温度（Ｔｇ）：５４０℃
【００４０】
これらの特許文献には、成形型用ガラス材料である硼珪酸バリウム系ガラスや硼珪酸ガラスのヤング率に関する記載がない。すなわち、成形型を構成するガラスに関して、ヤング率とガラス転移温度と熱膨張係数の全てに条件を設定して、成形型の変形や損傷を防ぎつつ高精度な成形を行うという本発明の技術思想を具有していない。
【００４１】
以上のように、本発明を適用したガラス製成形型によれば、成形型が高度な剛性と耐熱性を兼ね備えるため、被成形ガラスを押圧成形するときに成形型が変形せずに成形面の面形状を維持できる。また、成形型と被成形ガラスの熱膨張率を適切に管理することで、成形型に対する被成形ガラスの貼り付きや被成形ガラスの割れを防止できる。従って、成形型用ガラス材料として従来提案されたものに比して、成形性能に優れるガラス製成形型を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０    ：ガラス成形装置
１１    ：上型（ガラス製成形型）
１２    ：下型（ガラス製成形型）
１３    ：案内型
１４    ：成形面
１５    ：成形面
１６    ：コーティング層
１７    ：コーティング層
２０    ：レンズ
２１    ：ガラス塊（被成形ガラス）
【図１】
2019127425.tif 000003
【図２】
2019127425.tif 000004