专利名称：在精密模制加工中使用无铅含磷酸盐玻璃的制作方法
技术领域：
本发明涉及在精密模制加工中使用无铅含磷酸盐玻璃，优选是有色和滤光玻璃，所述玻璃吸收红外区(IR区)中的光。
有利地，可不需要修整而生产出这样的光学组件，(诸如)数码相机的镜头。通过根据本发明的使用，还可生产出其它光学组件，其可直接用于相应的工艺目的。对于有利的使用而言，由精密模制而生产出来的光学组件可用于成像、投影、通讯、光学通信工程和激光技术领域。
背景技术：
近年来，市场上在光学和光电子技术(成像、投影、通讯、光学通信工程和激光技术应用领域)方面的日趋倾向于小型化。这些暗示着最终产品变得越来越小，且这自然需要使这些最终产品的单个组件和组分不断小型化。对于光学玻璃的制造商而言，这种发展是和尽管最终产品的批次渐增但毛坯玻璃需求量却显著降低的情况联系在一起的。同时，因为在由成批和/或成块玻璃生产这些较小的组件期间，废弃物基于所生产的产品的百分比非常之高且加工这些极小的部件比加工较大的组件需要更多的力气，所以对于玻璃制造商来说，还存在来自制品公司日渐增长的定价压力。
取代迄今为止常规的从用于制造光学组件的成批或成块玻璃移除玻璃部分的做法，所以最近的制造方法变得更加重要，其中直接在玻璃熔化“预成形”后，获得各自的诸如滴型料的粒状物或获得各自几乎具有最终几何形状的球状物。举例而言，制品公司日渐需要几乎具有最终几何形状的粒状物(所谓的“精密滴型料”)来用于重新模制。通常，“精密滴型料”优选完全是已半自由或自由成形的后火抛光玻璃部分，其已被分成若干份且具有接近光学组分的最终形状的几何形状。
有利地，可通过所谓的精密模制(还称作“精密压制”)将这些精密滴型料转化成诸如镜头、非球面镜等的光学元件。然后，不再需要通过(例如)表面抛光而进一步加工几何模型或表面。通过这种方法，发现一种灵活的方式，其通过短暂的装配时期而处理小的玻璃熔化量(用于大批的小份材料)。由于相对少的各自循环的批次和通常较小的几何形状，由本方法添加的价值却不是来自材料本身的价值。因而，可省略产品不得不使模制品处于“备用于系统中”(即，昂贵的修整，冷却和/或冷加工)的状态。
对于这种压制方法而言，因为需要较高的几何形状精确度，所以不得不使用具有高级别且因而是昂贵模制材料的精密工具。如此，所生产的产品和/或材料的收益率就很受这些模具的有用的工作寿命的影响。使模具有用的工作寿命长久的一个非常重要的因素是使操作温度尽可能低，然而，该温度只能降到一个值，使得待压制的材料的粘度仍足以用于压制加工。因此在加工温度和待加工的玻璃的转化温度Tg与这样的压制加工的收益率之间具有一个直接的因果联系玻璃的转化温度越低，模具的有用的工作寿命和该方法的收益率越高。
这种联系导致需要所谓的“低Tg玻璃”、具有低熔化和转化点的玻璃，即粘度足以在尽可能低的温度下用于加工的玻璃。
另外，需要使用用于精密模制的玻璃，其具有吸收红外区中的光的特性且另外不含铅。
作为其它需要，从熔化的加工工程角度来看，已报导近来日渐需要“短时(short)”的玻璃，所述玻璃的粘度在特定粘度范围内的温度变化过程中具有相对小的变化。在熔化过程中，这种行为具有优势可减少热模制次数(即，合模次数)。如此，一方面增加了生产量，即减少了循环时间。如此，另一方面，如上所述，还照顾到了模具材料，其在总的生产成本方面具有积极效应。这种“短时”玻璃还具有其它优势在与各自的较长时间的玻璃相比而具有较快冷却的过程中，还可加工较趋向结晶的玻璃。应避免先前形成晶核，其会在随后的二级热模制步骤中产生问题。
另外，还需要除了具有所提到的和所需要的光学特性之外，可由尽可能便宜且具有抗化学性的组件来制备玻璃。
实际上，在先前技术中，通过压制方法也可加工具有类似光学状态的玻璃，然而，这些玻璃所含的磷酸盐的重量比低于50％(参阅JP-1-126-8927-A)。较低的磷酸盐含量导致需要添加其它任何更昂贵的和任何不需要的组分来允许在精密模制加工过程中使用所述玻璃。
发明内容
本发明的一个目标是提供玻璃，特别提供有色玻璃和滤光玻璃，其具有较高的磷酸盐比例，但同时不含铅且适用于精密模制。应能够以简单的方式来熔化并加工所述玻璃且它们应具有充分的结晶稳定性。应能够通过满足精度等方面要求的所述精密模制来获得光学组件，其组分可直接用于所需的技术使用，而不需要作进一步修整。所以(例如)需要通过简单的和便宜的精密模制加工来制备光学有色和滤光玻璃的镜头，所述镜头可直接用作(例如)数码相机中的镜头。
惊奇地发现，具有较高的磷酸盐比例，同时不含铅且可进一步吸收红外区中的光的光学有色和滤光玻璃适用于精密模制。根据本发明而使用的玻璃中的磷酸盐的重量比至少为50％，重量比优选高于55％，重量比更佳高于60％，且重量比可高达65％、70％、75％或77％。
根据本发明而使用的玻璃的特征在于良好的可熔性和可加工性，归因于加工和未加工材料的减少的成本而降低了生产成本，以及良好的环境兼容性。
如上文所述，在精密模制加工中使用这些玻璃来获得光学组件和元件(诸如镜头、非球面镜、结构化光学元件)实现了优良成果。可省略产品使压制处于“备用于系统中”(即，昂贵的修整、冷却和/或冷加工)的状态。
在这种压制方法中使用根据本发明的所述玻璃有利地允许较低的操作温度。关于光学元件的生产成本，这是一个本质性的因素，因为由于需要较高的几何形状精确性，所以不得不使用具有高级别且因而是昂贵模制材料的精密工具来用于所述方法。因而，所制备的产品和/或此材料的收益率很受所述模具的有用的工作寿命的影响。然而，使模具有用的工作寿命长久的一个非常重要的因素是(如上文所提到的)使操作温度尽可能低，特别是在使用根据本发明的各自有色和滤光玻璃的过程中可使温度保持较低。
这里所关注的是，压制方法期间的温度仅可降到这样的一个温度待压制的材料的粘度仍足以用于压制方法。在使用所述玻璃的过程中，归因于所述玻璃的较低的转化温度(参阅图3)，可延长模具的有用的工作寿命。因而，根据本发明的使用导致一种经济的方法。有利地，使用根据本发明的各自的玻璃允许在压制之前或之后，这些有色和滤光玻璃的透射与可从图2中看到的透射一样。
根据本发明可使用的玻璃的基本的玻璃系统是碱性磷酸盐系统，其实质上具有预期特性的良好碱性。
图1显示加工图。
图2显示压制之前和之后的净透射曲线。从图2可看出，精密模制不影响玻璃的透射行为。
图3显示玻璃的实例和它们的特性，其优选根据本发明而使用。
具体实施例方式
所述玻璃的P2O5各自的磷酸盐的重量比至少为50％，重量比优选至少为55％，重量比更佳至少为60％，重量比更佳至少为65％，重量比特佳至少为70％且重量比尤其佳至少为75％，且因为它是良好熔化的低Tg玻璃。磷酸盐的重量比最大为77％。
所述玻璃的Al2O3的重量比至少为1％，重量比优选至少为2％，重量比特佳至少为3％。Al2O3的重量比被限制在最大15％，重量比优选最大13％，重量比特佳最大10％。不应该超过所给定的重量比上限15％，因为不这样的话，将会由于Al2O3的成网特性而失去粘度在107.6到1013dPas范围中的玻璃的“短时性”。但另一方面，最小1％的Al2O3的重量比应该是下限，因为不这样的话，玻璃的抗化学性(抗酸性)会明显减退。
总和∑P2O5+Al2O3的重量比至少为65％，重量比优选至少为70％，且重量比特佳为72％。在较低的比例下，所述玻璃可趋向结晶。
玻璃中碱土金属氧化物M2O的总和的重量比为2％到20％。玻璃所具有的M2O的重量比至少为2％，优选至少为3％且特佳为3.5％。优选所含有的碱土金属氧化物M2O重量比最大为16％，特佳最大为15％，最佳最大为14％。M2O的总和的重量比不应超过16％，因为不这样的话，玻璃的抗化学性会减退且膨胀系数会显著增大，这在压制方法中是加工玻璃的一个缺点。添加碱土金属氧化物有助于使熔接特性最优化，即，它们用作助熔剂。另外，它们有助于降低Tg且根据本发明添加Na2O特别好。
玻璃含有的Na2O的重量比优选至少为0.3％，更佳至少为0.4％，最佳至少为0.5％。在玻璃中，所含有的Na2O的重量比最大为9％，优选最大为7％，更佳最大为6％且最佳最大为5％。
如果需要，玻璃中可含有K2O，其重量比优选至少为1％，更佳至少为2.5％，且最佳至少为3％。K2O的重量比最大为8％，且优选不应超过6％，最佳不超过4.5％。
如果需要，玻璃中可含有Li2O，其重量比优选至少为0.3％，更佳至少为0.4％，且最佳至少为0.5％。Li2O的重量比最大为9％，且优选不应超过7％，更佳不超过6％，最佳不超过5％。
另外，所述玻璃含有一个或多个组分MO，其是从由下列各物组成的群组中选出的BaO、CaO、MgO和ZnO，且视情况还可以是碱土金属氧化物。MO的总和的重量比最大为20％，优选最大19％，且最佳最大为18％。MO的总和的重量比至少为3％，优选至少为4％且最佳至少为4.5％。
所述玻璃含有的氧化锌的重量比至少为0.2％，优选最大为7％，特佳至少为0.3％，最佳至少为0.4％。所述玻璃含有的氧化锌的重量比最大为7％，优选最大为6％，特佳最大为5％。ZnO有助于在粘度为107.6到1013dPas的范围内达到所需的粘度温度特性(“脆”玻璃)。
视情况，所述玻璃可含有碱土金属氧化物BaO、SrO、MgO和/或CaO，其中所含有的每种单个组分相互独立，其重量比最大为10％、重量比优选最大为9％，重量比最佳最大为8.5％。如果需要，玻璃中所含有的碱土金属氧化物的重量比优选至少为3％，重量比更佳至少为4％且重量比最佳至少为4.5％。
碱土金属氧化物MO可用于粘合磷酸盐的同等物。
所述玻璃可进一步含有其它组分，诸如TiO2和/或ZrO2，其重量比优选低于2％。两种组分可有助于调整折射率。
玻璃含有的B2O3的重量比低于6％，重量比优选最大为5％。B2O3的显著的成网特性增加了玻璃抗结晶和抗化学性方面的稳定性。然而，比例不应高于6％或更高，因为不这样的话，玻璃网会过度凝固且玻璃的Tg和熔化温度会不良地增加。接着玻璃还将变得“更久”，根据本发明，这也是不好的。
所述玻璃可含有少量的常规的澄清剂。所添加的澄清剂的总和的重量比最大为2.0％，重量比更佳最大为1.0％。作为澄清剂，玻璃中含有以下组分中的至少一种(基于重量比)Sb2O30-2和/或As2O30-2和/或SnO O-2和/或SO42-0-2和/或F-0-2在熔化和焊合期间，氟和含氟化合物也趋向蒸发，且因此它们使玻璃组合物的精确调整变得复杂起来。因此，玻璃包含的氟的重量比优选仅在0％与2％之间，重量比优选在0％与1％之间，且玻璃最好完全不含有氟。
根据本发明，优选将磷酸盐添加到混合物中作为复合磷酸盐，同样因为这个原因，所含磷酸盐的重量比优选最大为77％，因为更高的含量会使“复合磷酸盐”的比例发生有利于“自由”P2O5的降低，其会导致熔化特性失控且显著增加蒸发和灰尘效应，并伴随以内在质量的下降。另外，自由磷酸盐(即，非复合磷酸盐的磷酸盐)比例的增加对生产过程的安全技术方面提出更高的要求，由此增加了生产成本。
下述实例应有助于描述根据本发明的用途，然而，其并不限制本发明的范畴，从所述实例可看到，借助根据本发明的用途，所述玻璃满足了所有的需求实例实例玻璃4和5用于压制加工，所述压制加工描述如下将预制品(preform)插入模具中，且将完整的模具(模具的底部、模具的上部、模具环)在等温加热到一高于膨胀软化点(约107.6dPas)的粘度。这时，模具的底部与模具的上部之间的相应距离约为1mm。为确保稳定加热模具和预制品，在一对应于约108dPas的粘度的温度下，加热时间约为5分钟。随后，通过将约为3kN的力施加到模具的底部而开始压制加工，直到完成预制品向光学组件的转变为止。当完成转变且光学组件已达到其最终形状时，将开始冷却加工。
为了补偿体积上的缩减，这里以减小的力将光学组件压制到一个温度，所述温度低于对应于Tg(约1013.3dPas)的一个值。在获得Tg后，快速冷却模具，直到可移除光学组件为止。
权利要求
1.一种无铅玻璃用于通过精密模制生产光学组件的用途，所述玻璃包含至少50％重量比的磷酸盐(P2O5)，且所述玻璃吸收红外区中的光。
2.根据权利要求1所述的用途，其中所述玻璃包含0％与2％重量比之间的氟。
3.根据权利要求1所述的用途，其中所述玻璃包含0％与1％重量比之间的氟。
4.根据权利要求1所述的用途，其中所述玻璃不含氟。
5.根据权利要求1所述的用途，其中所述玻璃是有色玻璃和滤光玻璃。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用途，其中所述光学组件是一镜头。
7.根据权利要求6所述的用途，其中所述镜头是非球面型。
8.根据权利要求6所述的用途，其中所述镜头可在一数码相机中直接使用。
9.根据权利要求1所述的用途，其中所述玻璃中磷酸盐的重量比至少为67％。
全文摘要
本发明涉及在精密模制加工中使用无铅且含磷酸盐玻璃，优选是有色和滤光玻璃，所述玻璃吸收红外区(IR－region)中的光。所述玻璃中的氟含量优选较低。有利地，可在不需要修整的情况下生产出这样的光学组件，诸如用于数码相机的镜头。通过根据本发明的使用，还可生产出其它可直接用于相应技术目的的光学组件。对于有利的使用而言，通过精密模制生产出来的所述光学组件可用于成像、投影、电讯、光学通信工程和激光技术领域。
文档编号C03C3/04GK1769232SQ20051009867
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年9月10日
发明者西蒙·莫妮卡·里特尔, 克里斯托弗·克莱因, 克里斯蒂安·申克, 弗兰克-托马斯·伦特斯, 彼得拉·奥克特－克吕梅尔, 赖纳·雅舍克, 斯特芬·赖歇尔 申请人:史考特公司