(57)【要約】【課題】成形品の品質が安定化し、金型の寿命を向上させる光学ガラス素子のプレス成形方法及び装置を提供する。【解決手段】成形室外で成形型の一方にガラス素材を載置し、その成形型を成形室内へ移動せしめる。成形室内でガラス素材をさらに加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する。成形中、前記成形室内には不活性ガスが導入される。この不活性ガスの圧力は前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質の成形温度における蒸気圧より高い圧力に保持される。これにより成形中、特定の添加剤物質の蒸発を抑制することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形室内に配置された一対の成形型の一方に載置されたガラス素材を加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する方法において、成形中、前記ガラス素材に含まれている添加剤物質の蒸発を抑制する程度に前記成形室内の気体圧力を保持することを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形方法。
【請求項２】
成形室内に配置された一対の成形型の一方に載置されたガラス素材を加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する方法において、成形中、前記成形型を構成する金型材料に含まれている成分物質の蒸発を抑制する程度に前記成形室内の気体圧力を保持することを特徴とする光学ガラス素子の成形方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記気体は不活性ガスであることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形方法。
【請求項４】
請求項１乃至３において、前記気体圧力は、前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質または前記金型材料に含まれている特定の成分物質の成形温度における蒸気圧に基づいて定めることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形方法。
【請求項５】
請求項１において、前記気体圧力は、前記光学ガラス素子の成形温度における前記ガラス素材に含まれる複数の添加剤物質の各蒸気圧中で最も高い蒸気圧以上とすることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形方法。
【請求項６】
請求項２において、前記気体圧力は、前記光学ガラス素子の成形温度における前記金型材料に含まれている成分物質の各蒸気圧の中で最も高い蒸気圧以上とすることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形方法。
【請求項７】
一対の成形型と、同成形型の一方に搭載されたガラス素材を加熱する手段と、前記成形型の他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスする手段と、前記成形型の周囲を気密に取り囲む成形室と、この成形室内に不活性ガスを充填する不活性ガス充填手段を備え、同不活性ガス充填手段は前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質の成形温度における蒸気圧以上に前記成形室内の不活性ガス圧力を調整可能とすることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形型を用いて光学ガラス素子を成形する方法に係り、特に、ガラス素材及び金型材料に含まれる添加剤物質の蒸発を抑制する方法および装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
ガラス成形とは、ガラス素材を金型上に設置し、その外周部より赤外線ランプ、誘導加熱手段等により前記金型を加熱し、ガラス素材がプレス可能な温度まで上昇したとき金型で前記ガラス素材をプレスし、金型形状を転写するプロセスである。
加熱及びプレスは金型の酸化防止のために常圧のＮ２雰囲気中で行われる。その際、使用されるガラス素材には、軟化温度、ガラス転移点等の熱的特性や、屈折率、アッベ数等の光学的特性を変えるために様々な元素が、様々な組成比率で混入されている。その典型的な添加剤物質として、Ｎａ、Ｂ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｋ、Ｍｇ、Ｐ等を挙げることができる。
【０００３】
しかし、従来の成形方法では、数十ショットで金型表面に曇りが生じるという問題があった。一例として、ＢＫ７というガラス素材を用い、これを平板上の金型でプレスした場合を以下に示す。なお、ＢＫ７の組成を図４に示す。
使用したガラス素材ＢＫ７の形状はφ１２×２ｔ（直径１２ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の円板でこれを平板上の金型の上に載置、成形した。金型の母材は超硬合金で、その表面にＰｔ−Ｉｒのコーティングを施した。
【０００４】
成形温度は、７００℃である。成形室内圧力は、常圧１０１３．２５ｈＰａ（１気圧：Ｎ２雰囲気）である。
プレスは設定温度に達してから６０秒ほど放置した後行った。プレス力は４９０３．３２５Ｎ（５００Ｋｇｆ）とした。以上の条件で２０ショット成形し、金型の表面状態をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下ＥＤＸと称する）とＳＥＭ（電子顕微鏡）にて観察した。
その結果、ガラス素材の載置部には変色は見られなかったがその周辺領域に顕著な変色が見られた。その変色領域を上記ＥＤＸにて分析したところ、Ｎａ、Ｋといった元素が１ｗｔ％程度検知された。
【０００５】
その要因としてはＮａ、Ｋ等の添加剤物質の蒸発が推定される。
図２にＮａの蒸気圧曲線を示す。その横軸は温度、縦軸はＮａの蒸気圧を示している。同図から常圧下でのＮａの沸点が８７７．５℃であることが分かる。又、図３にＫの蒸気圧曲線を示す。Ｋは沸点が７６２．２℃とＮａよりさらに低い温度で蒸発することが分かる。以上から、上記観察された曇りは、Ｎａ、Ｋ等の物質が成形中に蒸発し、金型表面に生じた析出物であることが分かる。
さらに、成形温度は前記沸点より低い為蒸発は生じないように思われるかもしれない。しかし、前記成形温度は平均の温度であって微視的に観ると低温から高温までばらついている。従って蒸発は充分考えられる。
【０００６】
一旦、上記のように金型が曇ると、成形品にその曇りが転写されるため、金型のメンテナンス作業を行わなくてはならず、装置の稼働率を低下させることになる。又、常圧中では、蒸発物質が周囲に拡散し、金型だけでなくその周辺を汚染することも考えられる。
汚染された箇所は洗浄せねばならず、その作業も装置稼働率を低下させることになる。更に、ガラス素材中のＮａ、Ｋ等の物質が蒸発することによりガラス素材の添加剤物質の成分比率が変化し、前記光学的特性にも影響を与えることとなる。
【０００７】
従来の光学ガラス素子の成形方法においては、成形室を真空又は常圧にして成形していた。このため、成形室が真空又は常圧の場合、成形室内の温度状態によりガラス素材中の成分であるＮａ、Ｂ等が蒸発し、これらがＷＣ、Ｎｉ、Ｃｒ等の成分で構成されている金型と反応し、金型表面に化合物として付着する。そしてこの化合物とガラス素材の一部が融着し、成形を行う毎に金型表面でガラス素材の付着が進行して、外観上は金型表面が曇ってくる状態となる。このため成形品としての光学ガラス素子の品質が低下すると共に、金型表面の付着物を除去する作業が必要となり、更に金型としての寿命が短くなるという問題がある。
また低融点金属等を多く含むガラス素材を型に直接接触させたまま加熱し成形する際に型の表面に金属析出物による曇りを生じるという場合は、金型の曇りを防止する対策として、ガラス素材が加圧される瞬間に限って上型および下型に接触させているという例がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−７１４２５号公報（２頁、３頁、図１、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は上記従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究、検討を重ねた結果、成形中のガラス素材から前記添加剤物質が蒸発することを抑制することで前記問題が解決できることを突き止めた。
【００１０】
従って、本発明の目的は、成形品の品質が安定化し、金型の寿命を向上させる光学ガラス素子のプレス成形方法及び装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による光学ガラス素子のプレス成形方法は、成形室内に配置された一対の成形型の一方に搭載されたガラス素材を加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する方法において、成形中、前記ガラス素材に含まれている添加剤物質の蒸発を抑制する程度に前記成形室内の気体圧力を保持することをその構成上の特徴とするものである。
【００１２】
その際、前記気体は不活性ガスであることが好ましい。
さらに又、前記気体圧力は、前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質または前記金型材料に含まれている特定の成分物質の成形温度における蒸気圧に基づいて定めることができる。
その場合、前記気体圧力は、前記光学ガラス素子の成形温度における前記ガラス素材に含まれる複数の添加剤物質の各蒸気圧中で最も高い蒸気圧以上とすることも可能である。
【００１３】
【作用】
成形室外で成形型の一方にガラス素材を載置し、その成形型を成形室内へ移動せしめる。成形室内でガラス素材をさらに加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する。成形中、前記成形室内には不活性ガスが導入される。この不活性ガスの圧力は前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質の成形温度における蒸気圧より高い圧力に保持される。これにより成形中、特定の添加剤物質の蒸発を抑制することができる。プレス成形終了後、１対の成形型が開き成形室内の不活性ガス圧力を常圧に戻した後成形された光学ガラス素子を載置している前記一方の成形型は成形室外部に移動しそこで光学ガラス素子が取り出される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に基づく１実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明を実施する装置の全体構成を示す。図１において、参照符号１は通常ゴブと呼ばれるガラス素材である。このガラス素材１は下金型３上に載置されその上方には上金型２が配置されている。上金型２、下金型３は、それぞれ電気絶縁材２８ａ、２８ｂを介して上軸４、下軸５に精度良く締結されている。
【００１５】
上軸４は上フランジ６に固定され、下軸５は、ボールネジ軸１６ａと螺合するボールナット２２に固定されている。ボールネジ軸１６ａはモータ駆動ユニット２５により駆動制御されるサーボモータ１６により回転駆動される。ボールナット２２は、ボールネジ軸１６ａの回転により上下方向に移動可能となっている。その際、下軸５はガイドフランジ１０により左右方向への移動が規制されている。
【００１６】
一方、サーボモータ１６は、固定台１７に固定され、同固定台１７は複数本のエアシリンダ１８によりベースフレーム２１上に設置されている。又、固定台１７と下フランジ１１とは固定手段２４により機械的に結合されている。前記エアシリンダ１８には高圧エアユニット２６から高圧エアが供給され固定台１７を上下動させるよう作用する。なお、図示しないが固定台１７がベースフレーム２１に対し平行を保って上下動するようガイド部材等が適宜設けられている。従って、固定台１７が上下動すると下フランジ１１、下軸５、サーボモータ１６等も一緒に上下に移動するようになっている。前記エアシリンダ１８の下動によって下金型３は成形室１２ａの下方外部即ち、石英製の円板１４ｃより下方に移動し、取り出しロボット等（図示せず）により成形された光学ガラス素子を搬出あるいは次ショット用のガラス素材を載置させる等の作業を可能にする。
【００１７】
前記ガイドフランジ１０は、下フランジ１１に固定されており、上フランジ６と下フランジ１１の間には成形室１２ａを形成する金属製のチャンバ１２が配置されている。このチャンバ１２は中フレーム１５に固定されている。なお、この中フレーム１５とベースフレーム２１とは上下方向に関し所定の間隔を保持するよう構成されている。（詳細は略す）
前記チャンバ１２には誘導加熱のためのコイル状のアンテナ７が絶縁碍子２３を介して固定されている。本実施例ではアンテナ７として中空で矩形状をした銅製の角パイプを用いている。前記アンテナ７は動力ラインＬ１、マッチングユニット９を介して高周波電源８に接続されている。
【００１８】
上記マッチングユニット９は、同マッチングユニット９のインピーダンスと被加熱物その他チャンバ１２内の構造物を含めたインピーダンスの総和が、真空のインピーダンスに一致するようにインピーダンスの調整を行う装置である。このインピーダンス調整により被加熱物である上金型２と下金型３への電力供給が効率よく行われるようになっている。
【００１９】
前記チャンバ１２で囲われた成形室１２ａの内壁は石英製の絶縁体で覆われている。参照符号１４ａは上部の石英製の円板、参照符号１４ｂはパイプ部を構成する筒状の石英部材を示し、さらに参照符号１４ｃは石英製の円板であり、下フランジ１１上面に対接して配置されている。このように成形室１２ａの内壁を石英部材で覆うことにより金属製の上フランジ６、下フランジ１１、チャンバ１２が高周波で加熱されることを防止するようになっている。さらに、チャンバ１２は電気的に接地電位となっており、また金属製の上下軸４，５も電気的に接地電位となっている。
【００２０】
参照符号１２ｂは、チャンバ１２の一部に設けた窒素ガスの供給口であって、金型の酸化防止のため供給される窒素ガスは、ガス供給ユニット２０から配管Ｌ２、供給口１２ｂを介して成形室１２ａ内へ導かれる。成形時には前記ガス供給ユニット２０から常圧より高い５８．８３９９×１０４Ｐａ（６Ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧力を有した窒素ガスが供給されるようになっている。なお、ガス供給ユニット２０には圧力調整弁、切換弁等が設けられ、コントローラ２７からの指令に応答して成形室１２ａ内への供給ガス圧が設定されるよう構成されている。
参照符号１９は冷却水供給ユニットであって、前記アンテナ７を冷却するようになっている。
【００２１】
参照符号２７はマッチングユニット９、冷却水供給ユニット１９、ガス供給ユニット２０、モータ駆動ユニット２５及び高圧エアユニット２６のそれぞれの動作シーケンスを制御するコントローラである。
図１に示される成形装置により従来と同一のガラス素材を用いて成形室１２ａを６０７９．５０ｈＰａ（６気圧）に設定して光学ガラス素子の成形を行った。即ち、加熱からプレスまでガラス素材が高温に曝される処理は全て６０７９．５０ｈＰａ（６気圧）の加圧下で行った。成形回数は３００ショットを行い、金型表面（ガラス素材の周囲）をＥＤＸ、ＳＥＭにて分析調査した結果、Ｎａ、Ｋといった従来観察された物質は検知されなかった。又、成形された光学ガラス素子の光学的特性を調査したが変化は見られなかった。こうした実験結果は成形中、ガラス素材からの添加剤物質の蒸発が抑制されていることを裏付けるものである。
【００２２】
以上の実施例の説明においては、ガラス素材からの添加剤物質の蒸発を抑制するために成形室内の気体圧力（Ｎ２、Ａｒ等の不活性ガスの圧力）を成形温度における前記添加剤物質の蒸気圧以上とするものであるが、前述した金型材料の成分物質が成形室内へ蒸発するのを抑制する場合にも成形室内の気体圧力を前記成分物質の蒸気圧以上に保持することにより同様に効果があることは明らかである。
【００２３】
又、上記説明では、成形中、成形室内の窒素ガス圧力は６０７９．５０ｈＰａ（６気圧）とされている。この６０７９．５０ｈＰａ（６気圧）の圧力は、図２、図３の各蒸気圧曲線から分かるように、７００℃近傍の成形温度における蒸気圧よりもかなり高い圧力に
なっており、曇りの発生がないという条件の基で、不活性ガス（窒素ガス）の使用量、コストを考慮した場合、高圧であればあるほどよいとは一概に言えない。
【００２４】
例えば、ガラス素材中の成分比率の非常に少ない物質Ａの蒸気圧が他の成分比率の大なる物質Ｂの蒸気圧よりはるかに高く、常圧下での所要ショット回数後にも物質Ａの析出が無視できるほど少ない場合にはこの物質Ａの蒸気圧曲線を考慮して成形室内の気体圧力を設定することは現実的とはいえない。この場合は、物質Ａよりもむしろ物質Ｂの蒸気圧曲線をもとに前記気体圧力を定めるべきであり、そのときには蒸気圧は低いので不活性ガスの使用量は格段に少なくてよいこととなる。
【００２５】
このように、添加剤物質の成分比率、曇り発生までの良品可能ショット数、不活性ガスの使用量（コスト）等を考慮してどの添加剤物質に対応する蒸気圧曲線を採用するかを定める必要がある。図１のガス供給ユニット２０には供給ガス圧力を適宜調整できるようになっているのでそのような状態に対し容易に対応可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明による光学ガラス素子のプレス成形方法は、
成形室内に配置された一対の成形型の一方に搭載されたガラス素材を加熱し、他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスすることにより光学ガラス素子を成形する方法において、成形中、前記ガラス素材に含まれている添加剤物質の蒸発を抑制する程度に前記成形室内の気体圧力を保持するようにしているので、金型表面に曇りが発生するまでのショット回数を飛躍的に増大できると共に、蒸発物質による成形室内の汚染を可及的長時間防止することが可能となり、且つ前記添加剤物質の蒸発を抑制することによりガラス素材の添加剤物質成分に変化がなく光学ガラス素子の変質を生じさせることもない。従って、成形品の品質が安定化し、金型寿命を向上させると共に、成形室内の汚染除去等のメンテナンス作業を可及的に少なくすることが可能となる等の効果を奏する。
【００２７】
又、本発明による光学ガラス素子のプレス成形装置は、
一対の成形型と、同成形型の一方に搭載されたガラス素材を加熱する手段と、前記成形型の他方の成形型との間で前記ガラス素材をプレスする手段と、前記成形型の周囲を気密に取り囲む成形室と、この成形室内に不活性ガスを充填する不活性ガス充填手段を備え、同不活性ガス充填手段は前記ガラス素材に含まれる特定の添加剤物質の成形温度における蒸気圧以上に前記成形室内の不活性ガス圧力を調整可能とするよう構成されているので、上記効果に加え、ガラス素材の添加剤物質の成分比率、同各物質の蒸気圧曲線及び不活性ガスの使用量を考慮して採用すべき蒸気圧曲線に対応する物質を特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する装置の全体構成を示す図である。
【図２】横軸を温度、縦軸を蒸気圧としたＮａの蒸発曲線を示すグラフである。
【図３】横軸を温度、縦軸を蒸気圧としたＫの蒸発曲線を示すグラフである。
【図４】ガラス素材であるＢＫ７の組成を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　ガラス素材
２　　　　上金型
３　　　　下金型
４　　　　上軸
５　　　　下軸
６　　　　上フランジ
７　　　　アンテナ
８　　　　高周波電源
９　　　　マッチングユニット
１０　　　　ガイドフランジ
１１　　　　下フランジ
１２　　　　チャンバ
１２ａ　　　成形室
１２ｂ　　　供給口
１３　　　　絶縁碍子
１４ａ　　　円板
１４ｂ　　　筒部
１４ｃ　　　円板
１５　　　　中フレーム
１６　　　　サーボモータ
１６ａ　　　ボールネジ軸
１７　　　　固定台
１８　　　　エアシリンダ
１９　　　　冷却水供給ユニット
２０　　　　ガス供給ユニット
２１　　　　ベースフレーム
２２　　　　ボールナット
２３　　　　絶縁碍子
２４　　　　固定手段
２５　　　　モータ駆動ユニット
２６　　　　高圧エアユニット
２７　　　　コントローラ
２８ａ　　　電気絶縁材
２８ｂ　　　電気絶縁材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004107145.tif 000006