(57)【要約】【課題】本発明は、成形コストが安く、操作も簡便で、さらに、得られたプリフォームの表面が滑らかで、研磨等を要することなくそのまま光学素子のプレス成形に用いることができるプレス成形用プリフォームの成形型及び成形方法を提供する。【解決手段】上方に開口した逆円錐状の成形面２ａを有する成形部２と、成形面２ａの円錐軸２ｄから外れた方向に開口し、成形面２ａに沿って旋回流を生じさせる気体噴出口３と、を有するプレス成形用プリフォームの成形型１及びこの成形型１を用いて溶融ガラスを旋回流により旋回させながら、溶融ガラスを成形面２ａになるべく接触させないように冷却・固化させるプレス成形用プリフォームの成形方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に開口した逆円錐状の成形面を有する成形部と、
前記成形面に設けられ、該成形面の円錐軸から外れた方向に開口し、前記成形面に沿って旋回流を生じさせる気体噴出口と、
を有することを特徴とするプレス成形用プリフォームの成形型。
【請求項２】
前記気体噴出口の口径が、成形するプリフォーム直径に対して３０％未満である請求項１記載のプレス成形用プリフォームの成形型。
【請求項３】
前記気体噴出口が、水平又は斜め上方に気体を噴出させることができるように、水平面に対して０〜５０°の角度を有して設けられる請求項１又は２記載のプレス成形用プリフォームの成形型。
【請求項４】
前記気体噴出口を設ける高さが、製造しようとするプリフォームの直径と、前記気体噴出口の開口部下端における、前記逆円錐状の円錐軸に対して逆円錐を垂直に切断した時の円形の切断面の直径と、の比が１：１〜１：０．１である請求項１乃至３のいずれか１項記載のプレス成形用プリフォームの成形型。
【請求項５】
前記逆円錐状の成形面の開き角が、１０〜５０°である請求項１乃至４のいずれか１項記載のプレス成形用プリフォームの成形型。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のプリフォームの成形型の気体噴出口から気体を噴出させ、
気体が噴出されている前記逆円錐状の成形面に溶融したガラスを滴下し、
前記滴下した溶融ガラスを、前記噴出された気体により旋回させながら冷却・固化させることを特徴とするプレス成形用プリフォームの成形方法。
【請求項７】
製造しようとするプリフォームの質量が５００〜６０００ｍｇであって、前記気体の噴出量が、０．０１〜７Ｌ／分である請求項６記載のプレス成形用プリフォームの成形方法。
【請求項８】
前記気体噴出口から噴出させる気体の流速が０．０５〜１０ｍ／秒である請求項６又は７記載のプレス成形用プリフォームの成形方法。
【請求項９】
前記気体が、窒素ガスである請求項６乃至８のいずれか１項記載のプレス成形用プリフォームの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプレス成形用プリフォームの成形型及び成形方法に係り、特に、光学ガラス素子等のガラス成形品をプレス成形によって製造する際に成形素材として用いられる球状のプリフォームを成形する成形型及び成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非球面ガラスレンズ等の製造方法として、成形型による高精度のプレス成形技術が開発され発展を遂げている。このプレス成形に用いる球状の成形予備体（以下、プリフォームと言う）には、ミリグラム単位の質量精度が要求され、用途上、脈理、傷、泡などの欠陥や洗浄で除去できない表面付着物の存在は許されない。
【０００３】
このようなプリフォームを安価に量産する方法としては、成形面下方から気体を噴出させながら成形するもの、例えば、逆円錐状の成形面を有する成形部及び逆円錐の頂点付近に設けられた気体吹き出し孔を有する球状ガラス成形型を用い、被成形物である溶融ガラス塊が前記成形面に上下動を繰り返しながら断続的に接触させるように気体を吹き出しながら溶融ガラス塊を球状に成形していく方法が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６８５４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記文献記載の発明においては、プリフォームを容易に製造できるが、その成形時に、溶融ガラスを上下動させ、成形型の成形面への接触を繰り返しながら球形状に整えるため、得られるプリフォーム表面には微小ではあるが凹凸形状を有する。
【０００６】
このような凹凸形状を有するプリフォームは、これを光学素子等の成形に用いた場合には、プレス成形後に得られる光学素子の表面にも凹凸形状が残ってしまうことがあり、プレス成形前にプリフォーム表面の研磨等を行わなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、同様の成形型を用いながら、成形コストが安く、操作も簡便で、さらに、得られたプリフォームの表面が滑らかで、研磨等を要することなくそのまま光学素子のようなガラス成形品のプレス成形に用いることができるプリフォームの成形型及び成形方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討した結果、成形型の成形部において旋回流を生じさせるように気体を噴出させることで、得られる成形素材表面が滑らかで、かつ、球形状に整ったプリフォームを製造できることを見出し、本発明を完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明のプレス成形用プリフォームの成形型は、上方に開口した逆円錐状の成形面を有する成形部と、前記成形面に設けられ、該成形面の円錐軸から外れた方向に開口し、前記成形面に沿って旋回流を生じさせる気体噴出口と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明のプレス成形用プリフォームの成形方法は、本発明の上記プリフォームの成形型の気体噴出口から気体を噴出させ、前記気体の噴出により旋回流が形成されている前記逆円錐状の成形面に溶融したガラスを滴下し、前記滴下した溶融ガラスを、前記旋回流により旋回させながら冷却・固化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のプレス成形用プリフォームの成形型及び成形方法によれば、気体を噴出させることで成形面において生じた旋回流がガラス塊を水平方向にも回転させる力を発生させ、スピン運動させながら冷却・固化することで形状の整ったプリフォームができる。
【００１２】
また、成形面表面に気流層を形成させてプリフォームを成形面にできるだけ接触させないように成形を行うことができるため、非常に滑らかな表面形状を有するプリフォームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態であるプレス成形用プリフォームの成形型の（ａ）平面図及び（ｂ）縦断面図である。
【図２】図１（ｂ）断面図において成形面形状及び気体噴出口の形成について説明する図である。
【図３】図１（ａ）平面図において気体噴出口の形成方向について説明する図である。
【図４】図１の成形面の気体噴出口の形成位置について説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態であるプレス成形用プリフォームの製造工程を示す図である。
【図６】プレス成形用プリフォームの成形時の、噴出気体及び成形素材の動きについて説明する図である。
【図７】本発明の他の実施形態であるプレス成形用プリフォームの成形型の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について図面を参照しながら説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態であるプレス成形用プリフォーム成形型の（ａ）平面図及びその（ｂ）ｂ−ｂ断面図を示したものであり、図２は図１（ｂ）の断面図において成形面形状及び気体噴出口の形成について、図３は図１（ａ）の平面図において気体噴出口の形成方向について、図４は成形面における気体噴出口の形成位置について、それぞれ説明する図である。
【００１５】
図１に示した本発明のプレス成形用プリフォームの成形型１は、上方に開口した逆円錐状の成形面２ａを有する成形部２と、該成形面２ａに設けられ、その成形面２ａの円錐軸（上方からみた平面図において成形面の中心２ｃと同じ位置）から外れた方向に開口し、成形面２ａに沿って旋回流を生じさせる気体噴出口３と、を有して構成されるものである。
【００１６】
ここで、本発明のプレス成形用プリフォームの成形型１は、円柱形状を基本形状とする成形型であり、その内部には、上方に開口した逆円錐状の成形面２ａを有する成形部２が形成されているものである。
【００１７】
ここで、成形部２は、成形するプリフォームを球状化するために、逆円錐状の成形面２ａの開き角Ａが１０〜５０°の範囲で設けられるものであり、１５〜３０°が好ましく、１７〜２５°がより好ましい（図２）。
【００１８】
この角度Ａが開きすぎているとプリフォームが成形面２ａと接触してしまい得られるプリフォームの表面に凹凸形状が形成されてしまい、また、球状化を行うことが困難となってしまう。一方この角度Ａが狭すぎると、得られるプリフォームの直径が小さいものしか得られず、大きいものを作成しようとすると成形型の成形面高さを大きくして大型の成形型としなければならず、実用的ではない。
【００１９】
成形部２の上部開口部においては、成形面２ａの逆円錐形状のまま成形型の上面に接続されるようにしてもよいが、成形面２ａからなだらかに成形型の上面と接続するようにスロープ２ｂを設けてもよい。
【００２０】
気体噴出口３は、成形面２ａの円錐軸２ｄから外れた方向に開口して設けられ、ここから成形部２に噴出してくる気体により、逆円錐状の成形面２ａの円錐軸２ｄに対して旋回するように成形面２ａに沿って流れる旋回流を生じさせるものである。ここで、円錐軸２ｄは、逆円錐状の成形面の中心２ｃ（上方から平面的に見たときの成形面２ａの中心；ここでは逆円錐の頂点と同じ）から円錐の底面となる円の中心を結ぶ線により形成されるものである。
【００２１】
この気体噴出口３は、成形部２において旋回流を効率的に生じるようにするために、その口径が、成形するプリフォームの直径の１％以上３０％未満が好ましい。口径を大きくしてしまうと、成形部２において乱流が生じることにより旋回流を生じさせるのが困難となってしまう。
【００２２】
また、気体噴出口３からの気体の噴出方向は、図３に示したように平面的には成形面の中心２ｃを通る直線と平行で、かつ、図２に示したように水平方向から斜め上方に向くよう噴出させることが好ましい。このような噴出方向とするには、例えば、図３に示したように気体噴出口３に繋がる径路を、中心２ｃを通る直線に対して平行に設け、かつ、その角度を、図２に示したように、水平面に対して角度Ｂだけ上方に傾けて設けるようにして噴出口に繋がる径路によって方向付けすればよい。このとき、この経路の角度Ｂを０〜５０°の範囲で設けることが好ましい。
【００２３】
また、この気体噴出口３に繋がる経路は、上記したように平面的には成形面２ａの円錐軸２ｄを通る直線と平行に、かつ、噴出経路の軸の延長線が該円錐軸２ｄを通ることのないように外れた方向に設けられる。すなわち、成形面の中心を通る直線とは平面的に距離Ｃだけ移動した平行線が、気体噴出経路の軸となるように設けて、逆円錐軸２ｄを中心に旋回流を生じさせるようにしたものである。このとき、距離Ｃは気体噴出口３が出来るだけ外側の位置になるように（成形面の中心２ｃを通る直線と離れるように）設けることが好ましい。
【００２４】
なお、この逆円錐状をなす成形面における気体噴出口３を設ける高さは、その製造しようとするプリフォームの大きさにより決定され、そのプリフォームが気体噴出口３から噴出される気体により成形面２ａに接触させることなく浮上しながら成形を可能とする位置に設けることが好ましい。
【００２５】
例えば、図４に示したように、製造しようとするプレス成形用プリフォーム２０の直径をｄ１としたとき、その気体噴出口３の開口部下端における、逆円錐状の円錐軸２ｄに対して逆円錐を垂直に切断した時の円形の切断面（以下、仮想底面という）の直径をｄ２としたとき、これらｄ１とｄ２の比が、１：１〜１：０．１となるような高さに設けることが好ましい。
【００２６】
本発明のプレス成形用プリフォームの成形型１は、上記のように気体噴出口３を設けることで、噴出する気体は逆円錐軸２ｄとは異なる方向に、水平又は斜め上方に向かって気流を生じさせるものであり、この気体噴出口３から生じた気流は成形面２ａに垂直ではなく角度を有してぶつかり、逆円錐軸２ｃに対して旋回するように成形面２ａの表面上を成形面と平行に移動する旋回流ができる。
【００２７】
このとき、この旋回流は、図２に示したように角度Ｂを設けて成形部２に噴出されるため、水平に噴出させた場合には斜め上方を向いている成形面２ａとぶつかり、旋回しながら上方への流れが、また、元から斜め上方に噴出させた場合にはやはり成形面とぶつかって旋回しながら上方への流れが生じる。
【００２８】
このプレス成形用プリフォームの成形型１の材質としては、例えば、耐熱性ステンレス、ダクタイル鋳鉄、カーボン、超硬、炭化ケイ素、貴金属等挙げることができる。
【００２９】
次に、本発明のプリフォームの成形方法について、上記説明した図１記載のプレス成形用プリフォームの成形型１を用いた場合を例に、図５を参照しながら以下説明する。図５は、プレス成形用プリフォームの製造過程を示した図である。
【００３０】
まず、溶融されたガラス材料を、流出させるノズル３１の下方にプリフォーム成形型１を配置する。このとき、ノズル３１の外周にはヒータ３２が配置されてガラス材料が所定の流動性を保持するようにノズル３１を加熱している。次いで、プリフォーム成形型１の気体噴出口３から気体を噴出させ、成形部２において旋回流を生じさせるようにする（図５（ａ））。
【００３１】
このとき、気体噴出口３から噴出させる気体は、成形部２において旋回流を生じさせプリフォームを成形部において浮上、旋回させながら成形でき、溶融ガラスと反応しないようなものであれば特に限定されずに用いることができる。例えば、噴出させる気体としては空気、窒素、乾燥空気等であることが好ましく、その気体の温度は溶融ガラスが徐々に冷却、固化するように１５〜５００℃が好ましい。
【００３２】
次に、気体噴出口３から成形部に気体を噴出させながら、逆円錐状の成形面２ａに溶融したガラスを滴下し、噴出させた気体により受け止め、そのまま溶融ガラスが成形面となるべく接触しないように気体を流し続け、それと同時に溶融ガラスを冷却・固化させてプレス成形用プリフォーム２０とする（図５（ｂ））。
【００３３】
まず、逆円錐状の成形面２ａへの溶融ガラスの滴下は、溶融ガラスの粘度を３〜２０ｄＰａ・ｓなる温度にまでヒータ３２により加熱しておき、十分に溶融されたガラス材料をノズル３１により成形面２ａに滴下、供給する。ここで、溶融ガラスは、製造するプリフォームの大きさにより、その供給量が決定され、溶融ガラスが所定質量になるように、例えば、ノズル３１と成形型１とを離間させて溶融ガラス流を切断すればよい。
【００３４】
切断された溶融ガラスはそのまま落下し、逆円錐状の成形面近傍まで近づくが、ここで、溶融ガラスが成形面２ａと接触すると、プリフォームの表面に微小ではあるが凹凸形状が残ってしまうため、気体噴出口３から生じている気流により成形面２ａとなるべく直接接触しないようにする。ただし、この成形の最中は溶融ガラスが上下動する勢いで、成形面にこする程度の接触は生じるが、これは許容範囲であり、プリフォーム表面に極端な凹凸が出ないものであれば問題ない。一方、従来のように成形面との接触によりプリフォームの外形を整えるような方法は、表面に凹凸が生じてしまうため、本発明の方法とは全く異なるものである。
【００３５】
例えば、成形するプリフォームの質量が５００〜６０００ｍｇであるとき、気体の流量を０．０１〜７Ｌ／分で、プレス成形用プリフォーム２０が成形面２ａと接触を抑制しながら、浮上したまま固化させ、表面形状の滑らかなプレス成形用プリフォーム２０を得ることができる。ここで溶融ガラスを冷却、固化させるには、気体噴出口３から気体の噴出を継続して行えばよい。なお、このとき気体噴出口３において、その噴出される気体の流速は０．０５〜１０ｍ／秒であることが好ましい。
【００３６】
そして、このとき、図６に気流の流れとプレス成形用プリフォーム２０の回転方向について模式的に示したが、気体噴出口３から噴出される気流は上記のように成形部２で旋回流となり、この旋回流が溶融ガラスに横回転を与えながらプレス成形用プリフォーム２０を形成する。
【００３７】
なお、これと同時に、本発明で用いるプレス成形用プリフォームの成形型１は、上方に向かって内径が大きくなる逆円錐状の成形面２ａからなる成形部２を有する成形型であるため、気体噴出口３からの旋回流によりプレス成形用プリフォーム２０が横回転を与えられると同時に上方にも押し上げられ、押し上げられた溶融ガラス塊は、ある程度上昇すると成形面２ａの内径が大きくなるため気流の流速が低下し、その結果、落下する。落下すると、また流速の大きい旋回流により、横回転を与えられると同時に押し上げられる。
【００３８】
このように上下動を繰り返しながら、プレス成形用プリフォーム２０が球状に成形されていくが、本発明によれば、横回転を与えられると同時に、押し上げられる際に縦回転もわずかながら生じ、スピンしながらガラス塊の形状が球状に整えられていく。
【００３９】
また、滴下する溶融ガラスは、上記のように旋回流のみで成形を行うため、その粘度が１０6  Ｐａ・ｓ以下と十分に低いものである必要があり、これよりも粘度が高いと旋回流による球状化がうまく行えず、偏った形状となってしまう場合がある。
【００４０】
さらに、滴下する溶融ガラスは、その落下速度が必要以上に大きくならないように、ノズル３１の先端部と成形型１の成形部２との距離を小さくし、落下距離を小さくすることが好ましい。落下距離が大きいと落下の勢いで落下時の溶融ガラス塊の挙動が激しくなり、成形面２ａとも接触して、凹凸形状が転写されてしまう。したがって、上記のようにして落下距離を小さくすることが望ましい。
【００４１】
本発明のプレス成形用プリフォームの成形方法は、例えば、１２個のプレス成形用プリフォームの成形型１が回転テーブル外周に等間隔で装着されている装置で行われる。上記回転テーブルは、溶融ガラスのキャストに合わせて間欠的に回転している。成形型１の成形面２ａに溶融ガラスを受ける際は、溶融ガラスの流出ノズル３１に成形面２ａを充分接近させ、溶融ガラスを滴下して溶融ガラス塊を浮上させながら成形部２に収容する。この直後に回転テーブルを回転させ、流出ノズルから成形型を退避させ、これと同時に別の成形型を流出ノズルの下に配し、連続的に溶融ガラスを滴下、供給する。気体噴出口３からの気体の噴出を継続し、かつ、上記の溶融ガラスの滴下を連続的に行っていると、最初に滴下された溶融ガラス塊は成形型の成形面近傍で浮上しながら、次第に表面の粘性が高まっていき、冷却・固化してプレス成形用プリフォームとなる。
【００４２】
また、このようにして得られたプレス成形用プリフォームは、加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形方法の成形素材として用いられる。プレス成形方法及び成形装置は従来公知のものをそのまま利用できる。
【００４３】
なお、上記実施の形態では逆円錐状の成形面として、完全に逆円錐形状のものを示したが、気体噴出口から噴出された気体が上方への旋回流となるものであればよいため、気体噴出口の開口から下方の円錐形状の空間は設けても設けなくてもよい。例えば、図７に示したように、上方に開口した逆円錐状の成形面１２ａと底面１２ｅを有する成形部１２と、その成形面１２ａの中心１２ｃから外れた位置に開口し、成形面１２ａに平行する旋回流を生じさせる気体噴出口１３と、を有し、底面１２ｅは気体噴出口１３の開口下端に形成されているプレス成形用プリフォームの成形型１１であってもよく、このような形状のものも含めて本発明においては逆円錐状の成形面という。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例と比較例により本発明を更に詳しく説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１のプリフォームの成形型１を用い、以下の方法により球状化したプリフォームの製造をおこなった。なお、ここで用いた成形型は、逆円錐状の開き角Ａが２２°、逆円錐の高さが３ｃｍ、気体噴出口３の直径が２．５ｍｍ、高さ位置は仮想底面ｄ２の直径が５ｍｍとなる位置に、その経路の軸が水平面となす角Ｂが１０°となるように設けられたものである。
【００４６】
まず、気体噴出口３から窒素ガスを０．５Ｌ／分の流量で供給しながら、酸化ランタン系のガラス材料を１１２０℃に加熱して溶融させ、成形面２ａに所定量滴下した。このときの溶融ガラスの流出時粘度は５ｄＰａ・ｓであった。
【００４７】
滴下後、１８秒間、同量の窒素ガスを噴出させて旋回流を生じさせながら、溶融ガラスを成形面２ａとなるべく接触させないように溶融ガラスの成形を行い、直径９．６ｍｍの球状化したプレス成形用プリフォームを得た。
【００４８】
得られたプリフォームは、表面が滑らかで光学素子成形用のプリフォームとして十分な品質を有するものであった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のプレス成形用プリフォームの成形型及び成形方法は、光学素子等のガラス成形品のプレス成形に用いる成形素材であるプリフォーム（予備成形体）の製造に利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１…プレス成形用プリフォームの成形型、２…成形部、２ａ…逆円錐状の成形面、２ｂ…スロープ、２ｃ…成形面の中心、２ｄ…円錐軸、３…気体噴出口、２０…プレス成形用プリフォーム、３１…ノズル、３２…ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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