专利名称：精密模压成型用预发泡体的制造方法及光学元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及精密模压成型用预发泡体的制造方法以及对上述方法制作的预发泡体进行精密模压成型来制造光学元件的方法。
背景技术：
作为以高生产率大量生产非球面透镜等高精度的玻璃制光学元件的技术，已知有精密模压成型法(光学元件模塑法)。在精密模压成型法中，采用的方法是，制作通常被称为预发泡体的成型体，然后加热该预发泡体进行模压成型。
作为制作这种预发泡体的方法，已知有由熔融玻璃成型为玻璃块，将该玻璃块切割成规定尺寸，并进行磨削、研磨以使表面光滑同时形成规定重量的方法(称为冷加工法)；由熔融玻璃分离出单个预发泡体的量的熔融玻璃块，在冷却该玻璃块的过程中直接成型为预发泡体的方法(称为热成型法)(参照专利文献1)。
在热成型法中，高温的玻璃接触成型模具时，因热传导而在接触部玻璃会局部急剧冷却，容易产生被称为冷裂纹的龟裂。因此，采用了在成型模具上形成气垫，在熔融玻璃浮起的状态下进行成型的方法(称为漂浮成型法)。由于模具和熔融玻璃部分接触时局部收缩，因此在玻璃表面会产生凹凸或褶皱。另外，如果模具与熔融玻璃热粘接，则在玻璃表面会附着热粘接痕和模具材料的附着物。因此，在解决表面品质的问题上，漂浮成型法是极其优异的方法。
热成型法由于可以由熔融玻璃直接制作重量精度高的表面光滑的预发泡体而不需要机械加工，因此与冷加工法相比具有生产率优异的优点。然而，由于必须由熔融玻璃直接成型为完全没有缺陷的预发泡体，因此技术难度要远远高于冷加工法。
特开2003-40632号公报发明内容在上述热漂浮成型法中，一般认为高温的熔融玻璃块在成型模具上时常保持漂浮状态。但是，通过本发明人的研究知道，熔融玻璃流的前端下落到成型模具上时，多数情况是玻璃与模具会瞬间接触。玻璃接触的原因被认为是，存在下落的势能以及熔融玻璃流的前端面积小而得不到充分的浮力。其中，多数情况下即使熔融玻璃与模具瞬间接触，也不会产生热粘接，而是直接转变成漂浮状态。但是，在成型与模具材料的热粘接倾向大的玻璃的情况，或是要用有限个数的成型模具提高成型预发泡体的生产量而增加玻璃的流量时，成型模具的温度会上升，因此即使对于上述的瞬间接触也常常会产生热粘接。要是轻度的热粘接，则在热粘接消除后热粘接痕会自然消失，不构成问题，但是产生重度的热粘接时，会残留热粘接痕。这样在热粘接痕的周围会产生波筋，或者在热粘接部分有时玻璃成分会被还原而着色。另外，在浇铸低粘性熔融玻璃的情况，托浮气体从热粘接部侵入熔融玻璃内，浇铸后的玻璃会起泡。
易于产生热粘接的程度取决于玻璃组成、流出温度、流出速度、成型模具的温度、成型模具的表面材料、托浮气体流量等。例如熔融状态的磷酸盐玻璃与模具材料的反应性强，非常容易热粘接。另外，一般来说高折射率的玻璃由于液相温度高，所以流出温度高，并且由于其比重高，因此非常容易热粘接。为了防止热粘接，降低成型模具的温度的方法是有效的，但是会产生如下所述的成型上的问题。
流出温度高的玻璃由于软化温度高，因此在浇铸中熔融玻璃块的外周部将会固化。外周部发生固化时，由于玻璃不会扩展，因此不能形成大的玻璃块，或者预发泡体的外径会变形。另外，模具温度低时，会产生收缩，玻璃形状会与模具的形状不同，从而模具和玻璃接触有时使寒气进入，而不能保持良好的漂浮状态。为了解决这些成型上的问题，特别是在成型较大型的预发泡体时，成型模具必须进行某种程度的加热。然而如上所述，热粘接倾向大的玻璃如果提高模具温度，则会发生热粘接。作为防止热粘接的方法，可以用难与玻璃热粘接的材料制作成型模具，但是模具成本会增加，所以不是优选的。另外，如果增加托浮气体的流量，也会变得难以熔粘，但是对于低粘性的玻璃，熔融玻璃会翘曲而产生波筋，并且气垫发生紊乱，反而有时也容易热粘接。
从上述理由考虑，由于玻璃的种类、成型的容量等，多数情况使成型变得明显困难。
另一方面，玻璃成分会从高温的熔融玻璃中挥发，尽管程度存在差别，但是挥发成分往往会堆积在成型模具表面。特别是挥发得多的玻璃，堆积在成型模具凹面的挥发物的量大，有时会重新附着到熔融玻璃上。挥发物热粘接在熔融玻璃表面上这样的情况，由于利用洗涤不能除去，因此会不能用作精密模压成型用预发泡体。
本发明的目的在于提供在循环成型模具而使用的热成型中，可以防止玻璃与模具成型面的热粘接和玻璃挥发物的附着，并且可以稳定生产的预发泡体制造方法；以及利用上述方法制作预发泡体，通过对该预发泡体进行精密模压成型，以高生产率制造光学元件的方法。
实现上述目的的手段如下所述。
精密模压成型用预发泡体的制造方法，其特征在于，将从喷嘴流出口流出的熔融玻璃浇铸到成型模具中，通过从所述成型模具成型面喷出的气体(以下称为托浮气体)，使所述熔融玻璃在成型模具成型面上漂浮同时成型为预发泡体，从成型模具中取出成型的预发泡体，在取出了所述预发泡体的成型模具中浇铸新的熔融玻璃，循环移送多个成型模具而反复进行以上工序；在取出所述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，对成型模具成型面的至少一部分进行强制冷却。
上述[1]所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述向成型模具浇铸的熔融玻璃是通过支撑体来支撑从所述喷嘴流出口流出的熔融玻璃的前端，接着通过降低所述支撑体或者去除所述支撑体的支撑，而从所述熔融玻璃前端分离的熔融玻璃块。
上述[2]所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述支撑体是所述熔融玻璃浇铸形成的成型模具。
上述[1]所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述向成型模具浇铸的熔融玻璃是从由所述喷嘴流出口流出的熔融玻璃前端滴下的熔融玻璃滴。
上述[1]～[4]中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过向所述成型模具成型面的至少一部分供给液体而进行，所述熔融玻璃的浇铸在从成型模具成型面除去所述液体后进行。
上述[5]所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述液体的供给通过向所述成型模具成型面喷射液体而进行。
上述[5]或者[6]所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，在供给所述液体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，从所述成型模具成型面喷出托浮气体。
上述[1]～[4]中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过向所述成型模具成型面的至少一部分喷射气体而进行。
上述[1]～[4]中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过使温度比所述成型模具成型面的温度低的热传导体接触所述成型模具成型面的至少一部分而进行。
上述[1]～[9]中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，在取出所述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的至少一段期间，加热所述成型模具。
光学元件的制造方法，其是加热玻璃预发泡体，并进行精密模压成型的光学元件的制造方法，其特征在于，加热由上述[1]～[10]中的任意一项所述的方法制作的预发泡体，并进行精密模压成型。
上述[11]所述的光学元件的制造方法，其特征在于，向模压成型模具中导入预发泡体，一起加热所述模具和预发泡体，并进行精密模压成型。
上述[11]所述的光学元件的制造方法，其特征在于，向模压成型模具中导入加热过的预发泡体，并进行精密模压成型。
根据本发明的精密模压成型用预发泡体的制造方法，由于可以确实地防止玻璃与成型模具的热粘接，因此可以在连续流出熔融玻璃的同时稳定地制造预发泡体。
另外，根据本发明的光学元件的制造方法，由于可以使用高生产率且稳定供给的预发泡体，因此可以高生产率且稳定地大量生产光学元件。
图1是在实施例中使用的旋转工作台的示意图。
图2是在实施例5中使用的支撑体的示意图。
图3是在实施例6中使用的压力装置的示意图。
具体实施例方式
以下更详细地说明本发明。
本发明的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其特征在于，将从喷嘴流出口流出的熔融玻璃浇铸到成型模具中，通过从所述成型模具成型面喷出的气体(托浮气体)，使所述熔融玻璃在成型模具成型面上漂浮同时成型为预发泡体，从成型模具中取出成型的预发泡体，在取出了所述预发泡体的成型模具中浇铸新的熔融玻璃，循环移送多个成型模具而反复进行以上工序；其中，在取出所述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，对成型模具成型面的至少一部分进行强制冷却。
为了实施上述方法，首先准备被熔制、均匀化的熔融玻璃。熔融玻璃在例如铂合金制的容器内被加热、蓄积，通过连接在该容器上的管(例如铂或铂合金制)被导向喷嘴流出口。通过将管和喷嘴加热至规定温度，可以使单位时间内从喷嘴流出口流出的熔融玻璃量(称为导出量)保持恒定。从喷嘴流出口流出的熔融玻璃中分离规定重量的熔融玻璃。关于熔融玻璃的分离方法在后面描述。
接着，将自喷嘴流出口流出的熔融玻璃中分离出的熔融玻璃块或者熔融玻璃滴浇铸到成型模具中，在成型模具上成型为预发泡体。成型中，通过从成型模具的成型面喷出气体(托浮气体)而对玻璃施加向上的风压，从而在使熔融玻璃在成型模具成型面上漂浮的同时进行成型(称为漂浮成型)。从成型模具取出成型的预发泡体。向取出了预发泡体的成型模具浇铸新的熔融玻璃，重复上述工序。在本发明中，循环移送多个成型模具反复进行以上工序。
作为上述成型模具，可以使用具有凹部且在上述凹部内设有多个气体喷出口的成型模具。具体来说，可以例示在凹部形成大量细孔以从各孔喷出托浮气体的模具、用多孔材料形成凹部并通过多孔材料从整个凹部喷出托浮气体的模具。
根据本发明的实施方式之一，在旋转工作台上在以工作台的旋转轴为中心的圆周上等间隔地配置多个成型模具，通过在一个方向上变址旋转上述工作台，将成型模具依次移送到浇铸玻璃的位置(称为浇铸位置)。浇铸结束后，变址旋转工作台，将载有玻璃的成型模具从浇铸位置移出，同时将浇铸前的空的成型模具移送至浇铸位置。通过反复进行这样的操作，在移动的成型模具上玻璃在被冷却的同时被成型为预发泡体，当玻璃温度降低至玻璃化转变温度附近或者低于玻璃化转变温度时，从成型模具中取出预发泡体(称为取出)。被取出的预发泡体缓慢冷却后，可以供给于后续工序。另一方面，取出后变空的成型模具被再次移送到浇铸位置。如上所述，通过在一个方向上使旋转工作台变址旋转，配置在旋转工作台上的多个成型模具被沿着圆周轨道移送。
强制冷却本发明中，在取出上述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，对成型模具成型面的至少一部分进行强制冷却。如上所述，在漂浮成型中玻璃和成型模具并不总保持在非接触状态。特别是在浇铸刚开始时，玻璃流落入成型模具，玻璃流的前端与模具成型面中央接触并热粘接的情况非常多。除此以外，浇铸结束后成型模具进行变址旋转时，由于旋转的惯性力，模具和玻璃有可能会接触。也就是说，在浇铸开始时，玻璃的温度最高、玻璃由于下落的势能而容易接触模具，因此几乎都会产生热粘接。当然，发生热粘接的部位绝大多数是模具成型面的中央部。
在本发明中，通过对浇铸前的成型模具的成型面的至少一部分进行强制冷却，从而可以在调整至不会与浇铸的玻璃产生热粘接的温度的成型面上浇铸玻璃。在此，所谓强制冷却是指例如在20秒钟或20秒内使模具成型面(例如成型面中心部)温度降低至少20℃，优选降温30～70℃。上述被强制冷却的成型模具表面优选用作承接熔融玻璃的成型面，特别优选对容易热粘接的成型面的中央部进行冷却。
上述强制冷却是在浇铸时降低成型面温度以不产生热粘接的工序，强制冷却的程度优选根据模具材料、模具温度、玻璃种类或熔融玻璃的温度等适宜调整。在本发明中，例如可以进行强制冷却直至在强制冷却结束后成型面中央部的温度约为200～350℃。可以通过例如放射温度计或接触温度计来监控成型模具表面的温度。
上述强制冷却可以通过对成型模具表面的至少一部分供给液体来进行。液体比气体热容量大，当液体由于成型模具的热量而蒸发时会从成型模具夺走蒸发热，因此冷却效率非常良好。作为使用的液体，可以例示水、醇等。从冷却效率高，并且简便、操作容易的角度考虑，优选使用水。也可以将供给的液体冷却，控制温度在例如室温以下。供给的液体的量可以根据液体的种类、模具温度、模具的大小、使用的玻璃的组成等适宜设定。
作为液体的供给方法，可以使用(1)向成型模具成型面喷雾液体的方法、(2)向成型模具成型面滴加液体的方法。在向成型模具整个成型面供给液体时方法(1)特别有效。
成型模具表面的供给液体的部位是承接熔融玻璃的成型面，特别优选对容易热粘接的成型面的中央部供给液体。另外，为了冷却整个成型面，最优选以雾状向成型面的中心进行喷雾。但是，如上所述，由于在成型面中央部容易产生热粘接，因此即使集中于成型面中央而喷雾液体或者滴加液体，也可以得到充分地防止热粘接效果。
如上所述通过供给液体进行强制冷却时，为了不使高温的玻璃与液体或者液体蒸气反应而在玻璃表面残留液体斑点，优选在浇铸前使成型面为干燥状态。因此，当通过供给液体来进行强制冷却时，需要在从成型模具成型面除去供给的液体后再向成型模具浇铸熔融玻璃。液体的除去可以在供给液体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间通过从成型模具成型面喷出托浮气体来进行。也可以不喷出托浮气体而另外向成型模具表面喷射气体来除去液体，或者通过抽吸装置吸取成型模具表面的液体。并且，也可以并用这些方法中的2种或2种以上。另外，成型模具为足够高的温度时，供给的液体的一部分或者全部有时会蒸发。此时，为了蒸发后在成型模具表面不残留固体成分，优选使用纯度高的液体。例如使用水的情况下，优选使用纯水。另外，通过使用表面含有多孔部件的成型模具，可以缩短液体的蒸发时间。这里，通过目视可以容易地判定液体被除去。
如上所述进行液体的供给和除去还可以有效除去附着于成型模具成型面的来自玻璃的挥发物。作为来自玻璃的挥发物，代表性物质是B2O3或者Li2O、Na2O、K2O等碱成分，这些物质均容易溶解于液体特别是水中，因此可以随液体容易地从成型模具成型面除去。从而，本发明适于制造由含有B2O3作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有碱金属作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有B2O3和碱金属作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有Li2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有B2O3和Li2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有Li2O和Na2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有Li2O和K2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有Li2O、Na2O和K2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有B2O3、Li2O和Na2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有B2O3、Li2O和K2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体、由含有B2O3、Li2O、Na2O和K2O作为玻璃成分的玻璃构成的预发泡体等各预发泡体。
另外，在本发明中，也可以通过对成型模具成型面的至少一部分喷射气体(以下称为风冷气体)来进行上述强制冷却。作为风冷气体，只要是安全且具有冷却能力的气体，就没有种类的限制。从廉价的角度考虑，风冷气体优选使用空气、氮气、氧气、二氧化碳，并且优选不含有油分和灰尘的气体。为了提高冷却能力，也可以使用冷却至室温以下的气体。
例如，如上所述使用进行变址旋转的旋转工作台的情况下，可以通过以下方法使用风冷气体来进行强制冷却。首先，在预发泡体的取出位置和浇铸位置之间的旋转工作台上方，配置风冷气体用喷嘴。当成型模具被移送到风冷气体用喷嘴的下方时，通过从该喷嘴向成型模具上喷射风冷气体，来进行强制冷却。在从成型模具成型面喷出托浮气体的情况下，在喷涂风冷气体时，为了提高冷却效率，优选将风冷气体的压力设定成比托浮气体的压力更高的压力。风冷气体的喷射时间可以根据风冷气体的温度、模具温度、使用的玻璃的组成等适宜设定，可以设定为例如约3～30秒钟。
另外，在本发明中，通过使温度比成型模具表面的温度低的热传导体接触成型模具表面的至少一部分，也可以进行上述强制冷却。作为热传导体，例如除了铝、铜、黄铜、铁这样的热传导率高的金属以外，还可以使用不锈钢等常用金属。另外，为了防止与模具接触而磨损、磨损粉末附着到预发泡体上，也可以根据需要实施耐磨损涂层。另外，为了缓和接触冲击，优选使用借助弹簧压力来使热传导体接触的方法。作为耐磨损涂层，可以例示铬涂层、氮化物涂层等。上述热传导体的温度只要比成型模具表面的温度低即可，可以为例如20～80℃。另外，为了提高冷却效率，优选在热传导体内部设置水冷装置。除此以外，为了提高热传导率，也可以引入热管结构。
上述热传导体可以是例如棒状体，通过使其顶端接触成型模具表面的至少一部分，来进行强制冷却。棒状体的顶端优选进行球面研磨加工至与成型面的凹处大致吻合的尺寸。由此，可以提高冷却效率。
例如，如上所述，使用进行变址旋转的旋转工作台的情况下，在预发泡体的取出位置和浇铸位置之间的旋转工作台上方配置上述热传导体，当成型模具被移送到工作台下方时，通过使热传导体降低以与成型模具接触，来进行强制冷却。接触时间可以根据热传导体的种类和温度、模具温度、使用的玻璃的组成或成型容量、浇铸时间等适宜设定，例如可以设定为约3～30秒钟。
以上，作为强制冷却方法说明了(1)供给液体的方法、(2)使用风冷气体的方法、(3)使用热传导体的方法，当然在本发明中也可以组合使用这些方法中的2种或2种以上。
熔融玻璃的分离接着，针对从喷嘴流出口流出的熔融玻璃中分离熔融玻璃块或者熔融玻璃滴的方法进行说明。
第1分离方法是从喷嘴流出口滴下熔融玻璃，得到期望重量的玻璃滴的方法(称为滴下法)。对于滴下法，存在从喷嘴流出口自然滴下熔融玻璃的方法(称为自然滴下法)和对喷嘴流出口顶端的玻璃施加风压而滴下的方法。在自然滴下法中，作用于喷嘴流出口顶端的玻璃的重力比通过玻璃的表面张力欲使玻璃留在喷嘴流出口顶端的力更大时，产生滴落。在施加风压而滴下的方法中，作为施加于玻璃的向下的力，除了重力以外还施加有风压产生的力，因此即使以相同粘度从相同喷嘴滴下相同玻璃，该方法也可以得到重量更小的玻璃滴。
玻璃滴可以直接用成型模具承接，也可以用与模具不同的部件承接后转移到成型模具中。在第1分离方法中的浇铸如上所述那样进行，但是本发明的方法适于直接用成型模具承接玻璃滴的情况。直接用成型模具承接从喷嘴流出口滴下的玻璃时，由于玻璃处于高温状态，因此容易产生与成型模具的热粘接，但是通过在浇铸前对成型模具进行强制冷却，从而可以确实地防止热粘接。
第2分离方法是适于分离比滴下法更大重量的玻璃的方法。在该方法中，用支撑体支撑从喷嘴流出口流出的熔融玻璃流的前端部，在不分离熔融玻璃流的状态下在支撑体上积存玻璃，以规定计时快速降低支撑体(称为下降切断法)，或者去除支撑体的支撑，从而分离积存于支撑体上的玻璃，从熔融玻璃流分离出熔融玻璃块。例如使用在宽度方向可分离的拼合部件构成的支撑体，在承接熔融玻璃流前端后通过分离拼合部件，可以去除支撑体的支撑。通过支撑熔融玻璃流的前端部，在熔融玻璃流的前端部和喷嘴侧之间产生缩颈，根据上述操作，不使用切割刀，通过玻璃的表面张力在缩颈部分就会产生玻璃的分离。在没有支撑体的支撑的状态下，由于自然滴下的重量而产生玻璃分离，但是通过支撑熔融玻璃流前端，可以分离重量更大的玻璃。通常，通过使上述计时或者在支撑熔融玻璃流分离时喷嘴前端和支撑体的距离恒定，可以分离恒定重量的玻璃。
这里，作为上述支撑体，可以使用通过浇铸熔融玻璃而形成的成型模具，也可以使用与成型模具不同的专用支撑体。根据本发明，由于成型模具被强制冷却，因此即使将成型模具用作支撑体，也可以避免与玻璃的热粘接问题。另外，为了防止与熔融玻璃的热粘接，也可以使用具有水冷装置的支撑体。
当浇铸比自然滴下得到的玻璃更大重量的玻璃时，更多的热量从浇铸的玻璃供给到成型模具。其结果是，循环使用时成型模具的温度容易过度上升。并且，由于玻璃的重量大，玻璃容易因浇铸时的势能而与成型模具接触。从上述理由来看，上述情况下玻璃与模具的热粘接的危险性增大，但是根据本发明，由于在浇铸开始前将成型模具表面的温度降低至不发生热粘接的温度，因此可以稳定地生产较大重量的预发泡体而不会产生热粘接。
在以上说明的第1、第2分离方法中，只要使每单位时间内的玻璃流出量保持恒定，并使分离玻璃的时间间隔恒定，均可以分离等重量的玻璃。并且，两种方法均与机械切割法不同，由于不会产生被称为剪切痕的切割痕，所以可以成型表面平滑的预发泡体。
在本发明中，通过强制冷却，在浇铸开始时模具成型面温度被冷却至不发生热粘接的温度。另一方面，为了不妨碍玻璃均匀扩展以进行成型，在浇铸开始后优选迅速将成型模具表面的温度升高至规定温度。为此，优选在取出预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的至少一段期间或者在此期间持续加热成型模具。由于上述的强制冷却是针对模具的成型面进行的，因此成型面以外的模具本体部温度不会太低。这样，在强制冷却结束后模具成型面由于来自模具本体部的热传导被再次加热，成型面的温度会缓慢地上升。但是，为了在浇铸开始时模具成型面的温度达不到产生热粘接的温度，要调整强制冷却的强度。另外，在浇铸开始后由于来自熔融玻璃的热传导，成型面的温度会急剧上升。由此，可以在浇铸初期形成不会产生热粘接的温度，在浇铸中快速升温至不妨碍玻璃的均匀扩展的程度。浇铸后，加热模具至不产生裂纹的程度同时从上方对熔融玻璃进行风冷，将玻璃冷却至可取出的温度。
如上所述，由于成型模具的强制冷却针对模具的成型面而进行，因此在强制冷却结束后成型面温度会提前恢复。在浇铸开始时模具温度下降至不产生热粘接的温度，但由于随后模具温度自然上升，因此也不会妨碍浇铸时玻璃均匀伸展。也就是说，上述强制冷却可以实现局部温度降低和温度提前恢复。因而，成型模具的加热通常可以利用恒定的功率来进行。在本发明中，例如可以将成型模具本体部的温度维持在约200～400℃。当然也可以采用在从浇铸至取出的过程中使成型模具的温度最佳化的方法。但是，要使成型模具的温度随在旋转工作台上的位置不同而变化，装置会变得复杂，成本容易增加。并且，对于从浇铸至取出的时间约为10～30秒钟的高效率成型系统，有时难以准确地控制温度。因而，对于这样的高效率成型，在将要浇铸之前对成型模具成型面进行强制冷却的本发明的方法是特别有效的。
另一方面，已公开利用热电对时常监控成型模具的温度，根据从浇铸至取出的阶段来控制模具温度的方法(例如日本专利第2798208号)。
但是，由于成型模具热容量大，从而在取出后至开始浇铸的短时间内，即使将加热器断电，多数情况也不能降低模具温度。特别是高效率地反复浇铸的情况，从取出至浇铸仅用10秒钟左右，因此降低模具温度非常困难。并且，即使模具温度降低，但由于不仅成型面而且模具全体的温度都会降低，因而浇铸后的加热速度会变慢。相反，在本发明中由于可以冷却成型面的表层部特别是成型面中央，因此具有浇铸后温度恢复快的优点。
另外，根据本发明，由于可以自然地使成型模具的温度变化至适于浇铸、漂浮成型、取出的温度，因此能够将每单位时间成型的预发泡体个数增加到例如大于等于20个/分钟，循环使用的成型模具也能够以少的个数10～18个来应对。由于成型模具昂贵，使用超出必要的数目，在成本方面会产生问题，并且调整也费事。另外，由于全部成型模具的重量也变大，从而给成型模具的移送装置也带来大的负担，难以高速地旋转工作台。根据本发明可以解决上述问题。
本发明的光学元件的制造方法，其是加热玻璃制预发泡体，并进行精密模压成型来制造光学元件的方法，其特征在于，加热由本发明的精密模压成型用预发泡体的制造方法制作的预发泡体，并进行精密模压成型。
精密模压成型本身是也称为光学元件模塑法的公知方法。光学元件的透过、折射、衍射、反射光线的面称为光学功能面。例如以透镜为例时，非球面透镜的非球面、球面透镜的球面等透镜面相当于光学功能面。精密模压成型法是通过将模压成型模具的成型面精密地复制到玻璃上，以模压成型形成光学功能面的方法。也就是说，不需要增加为完成光学功能面而进行的磨削或研磨等机械加工。
根据本发明，可以制作球面透镜、非球面透镜、微透镜等各种透镜、衍射光栅、带衍射光栅的透镜、透镜光圈、棱镜等各种光学元件，根据用途，可以制作构成数码照相机和内置薄膜型照相机的摄像光学系统的透镜、带照相机的移动电话搭载的摄像透镜、用于以CD和DVD为代表的光存储式介质的数据读取和/或数据写入用途的传导光线用的透镜等各种光学元件。
另外，这些光学元件也可以根据需要设置防反射膜、全反射膜、部分反射膜、具有分光特性的膜等光学薄膜。
作为用于精密模压成型法的模压成型模具，公知的模具可以例示例如在碳化硅、超硬材料等成型材料的成型面上设置有脱模薄膜的模具，优选碳化硅制的模压成型模具。作为脱模薄膜，可以使用含碳膜、贵金属合金膜等，从耐久性、成本方面等考虑，优选含碳膜。
在精密模压成型法中，为了将模压成型模具的成型面保持为良好的状态，优选成型时的氛围气设为非氧化性气体。作为非氧化性气体，优选氮气、氮气和氢气的混合气体等。
模压压力可以适宜调整，可以控制在50～150kgf/cm2的范围。另外，模压时间也可以适宜调整，可以控制在10～300秒钟的范围。
接着，针对特别适于本发明的光学元件的制造方法的精密模压成型法进行说明。
(精密模压成型法1)该方法是向模压成型模具导入上述预发泡体，一起加热上述成型模具和预发泡体，并进行精密模压成型的方法。以下称该方法为精密模压成型法1。
在精密模压成型法1中，优选根据模压成型模具和上述预发泡体的温度，将构成预发泡体的玻璃加热至显示106～1012dPa·s的粘度的温度而进行精密模压成型。并且，优选在上述玻璃冷却至显示大于等于1012dPa·s、更优选大于等于1014dPa·s、进而优选大于等于1016dPa·s的粘度的温度后从模压成型模具中取出精密模压成型品。
通过上述条件，利用玻璃可以精密地复制模压成型模具成型面的形状，同时还可以取出精密模压成型品而不产生变形。
(精密模压成型法2)该方法是在加热(预热)上述预发泡体后，将其导入模压成型模具中并进行精密模压成型，即分别预热模压成型模具和预发泡体，将预热后的预发泡体导入模压成型模具中进行精密模压成型的方法。以下称该方法为精密模压成型法2。
根据该方法，由于在向模压成型模具中导入上述预发泡体前事先进行加热，所以可以缩短周期，并且可以制造出没有表面缺陷的、表面精度良好的光学元件。这里，优选将模压成型模具的预热温度设定成低于预发泡体的预热温度。这样，通过降低模压成型模具的预热温度，可以减少上述模具的消耗。另外，由于不需要在模压成型模具内加热预发泡体，因此还可以减少使用的模压成型模具的数目。
在精密模压成型法2中，优选构成上述预发泡体的玻璃预热至显示小于等于109dPa·s、更优选109dPa·s的粘度的温度。并且，优选托浮上述预发泡体的同时进行预热，进而优选构成上述预发泡体的玻璃预热至显示105.5～109dPa·s、更优选大于等于105.5dPa·s小于109dPa·s的粘度的温度。另外，优选从开始模压的同时或者模压途中开始玻璃的冷却。模压成型模具的温度调至比上述预发泡体的预热温度低的温度，可以控制在上述玻璃显示109～1012dPa·s的粘度的温度。在该方法中，模压成型后，优选在冷却至上述玻璃的粘度大于等于1012dPa·s后脱模。
精密模压成型后的光学元件自模压成型模具中取出，根据需要缓慢冷却。在成型透镜的情况下，可以进行定心加工。并且，根据需要还可以在表面形成光学薄膜涂层。
根据本发明，通过将高生产率制作的预发泡体应用于可以高生产率制造光学元件的精密模压成型法，从而可以有效地进行玻璃的生产乃至光学元件的生产。
以下通过实施例更具体地说明本发明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1将nd1.8468、vd23.5的以P2O5、R2O(RLi、Na、K)、Nb2O5为主成分的玻璃的碎片放入铂坩埚中，在1000℃熔化后，在1100℃进行脱泡熔制，搅拌均匀，得到熔融玻璃。使该熔融玻璃通过结合在坩埚底部并进行了温度控制的铂管，以1.21千克/小时的流出速度从900℃的铂合金制流出喷嘴(顶端部外径Ф6.0mm、中心孔径1.1mm)连续流出。
另一方面，如图1所示，在旋转工作台的外周上均等地配置12个成型模具。在成型模具的成型面上嵌入将多孔材料加工成凹面的部件，使0.3升/分钟的氮气向成型面侧喷出。并且，在成型模具本体部安装有加热器，将模具本体部加热至310℃。
在成型玻璃时，将位于流出口正下方的成型模具上升60mm左右，以此状态用成型模具承接熔融玻璃流的前端，向模具内浇铸熔融玻璃。当在成型模具上积存规定重量的熔融玻璃时快速降低成型模具，从而切断熔融玻璃流，在成型模具上得到熔融玻璃块。接着，使旋转工作台变址旋转，从流出口正下方退出成型模具，同时将相邻的空的成型模具移动至喷嘴正下方，再次向成型模具上浇铸熔融玻璃。重复本操作，以5.1秒钟间隔在成型模具上逐次地浇铸430mm3的熔融玻璃。由于从成型模具的成型面喷出的托浮气体，切断分离出的熔融玻璃块大致呈漂浮状态，并且风冷熔融玻璃的上面缓慢冷却。进行9次上述变址旋转时，由于玻璃降低至可取出的温度，因此利用可真空抽吸的自动机械手抽吸玻璃块，将其废弃。在该玻璃块的成型面侧中央观察到因与模具热粘接而产生的刺状突起。
接着，在从取出位置将空的成型模具变址旋转30°的位置强制冷却模具成型面。强制冷却是通过用喷雾装置向成型面的中央部喷雾4秒钟雾状纯水来进行的。喷雾的纯水由于从成型面喷出的氮气和模具的热量瞬间蒸发，从而成型模具的成型面成为干燥状态。通过该强制冷却，成型面温度在将要浇铸前降低54℃。将这样强制冷却后的成型模具移送至流出口正下方，用上述的方法逐次地浇铸熔融玻璃。同样，一边在成型模具上进行冷却一边移送至取出位置，利用自动机械手抽吸玻璃块并排列在专用托盘中。得到的预发泡体表面没有热粘接痕，表面品质良好。并且，即使连续成型10小时后，预发泡体的表面品质也没有变化。
实施例2仅将成型模具变更成如下所述的模具，利用与实施例1同样的方法成型预发泡体。成型模具的成型面的凹处形状与实施例1相同，但是凹处由不锈钢制成，在中心配置卫星状(喷淋孔状)的0.3mm左右的气体喷出孔。从该孔喷出0.04升/分钟的氮气，用加热器将模具本体加热至310℃。并且，同样地在取出后喷雾4秒钟的纯水。通过该强制冷却，成型面温度在将要浇铸前降低52℃。使用这种成型模具的情况，并不像实施例1那样纯水会瞬间蒸发。因此，在喷雾纯水后，从成型模具上方罩上抽吸机，进行抽吸以除去残存的纯水。通过本操作，成型模具的成型面成为干燥状态。
重复本操作，以5.1秒钟间隔逐次地成型430mm3的预发泡体。得到的预发泡体没有热粘接痕，表面品质良好。并且，对残存在成型模具上的纯水喷射压缩氮气来进行干燥的情况，预发泡体也没有热粘接痕，表面品质良好。另外，即使连续成型10小时后，预发泡体的表面品质也没有变化。
实施例3仅改变实施例1的强制冷却的方法，同样地成型430mm3的预发泡体。首先准备将顶端球面研磨加工成7R的Ф11mm的铝棒(长度80mm)，在棒内部形成Ф6mm的水路。对于该水路，在距球面加工侧顶端15mm的位置存在冷却水的入口，在65mm的位置存在冷却水的出口。并且，球面加工过的棒顶端形成与成型模具凹处的中心半径(7R)紧密配合的尺寸。上述附带水冷装置的棒安装在可上下活动的附带气缸的台上，配置于从图1的取出位置变址旋转60°后的成型模具的位置(浇铸位置靠左)的正上方(距离模具20mm)。另外，在棒的内部以20升/分钟的流量流动冷却水。
在成型预发泡体的过程中，成型模具移动至棒的下方，0.3秒后降低水冷棒，使棒的顶端与成型模具的凹处中央接触4秒钟。通过该接触，成型模具的成型面温度在将要浇铸前降低48℃。随后使棒升起，移动成型模具至浇铸位置，向成型模具上浇铸熔融玻璃。重复本操作，以5.1秒钟间隔逐次地浇铸430mm3的熔融玻璃，并成型预发泡体。得到的预发泡体表面没有热粘接痕，表面品质良好。并且，连续成型10小时后预发泡体的表面品质也没有变化。
实施例4仅改变实施例1的强制冷却的方法，同样地成型430mm3的预发泡体。在处于图1的两处强制冷却位置上的成型模具的正上方(距模具上端1mm)配置喷射氮气用的风冷喷嘴(内径Ф0.8mm)。喷射气体的压力为比从成型模具的成型面喷出的气体的压力(0.1MPa)高的压力(0.3MPa)。
在成型预发泡体的过程中，在刚将成型模具移动至第1风冷喷嘴下方后，喷射5秒钟80升/分钟的氮气。停止风冷后将成型模具变址旋转30°，用第2风冷喷嘴再次喷射5秒钟80升/分钟的风冷气体，对成型模具的成型面进行风冷。通过上述2处的风冷，成型模具的成型面温度在将要浇铸前降低44℃。通过使风冷喷嘴接近成型模具的凹处，气流会流向模具的上方，因此成型面以外的部分的温度几乎没有变化。在进行上述冷却后，将成型模具移送至浇铸位置，以5.1秒钟间隔逐次地浇铸430mm3的熔融玻璃，并成型预发泡体。得到的预发泡体表面没有热粘接痕，表面品质良好。并且，连续成型10小时后预发泡体的表面品质也没有变化。
实施例5首先，使用内径比实施例1的流出喷嘴粗0.1mm的喷嘴(顶端部外径Ф6.0mm、中心孔径1.2mm)，以1.36kg/hr的流出速度连续流出(除喷嘴不同外，其他条件与实施例1完全相同)。另外，如图2所示，在流出口的正下方配置切断玻璃流用的支撑体，在其下方配置与实施例1同样的成型模具。如图2所示，支撑体形成2片平板对接的形状，在承接熔融玻璃的部分形成凹部。承接熔融玻璃的凹部由多孔材料构成，可以从凹进的整个面均匀地喷出氮气。另外，为了防止与熔融玻璃热粘接，在平板内设置水路，流动10升/分钟的冷却水。在2片支撑体对接的状态下承接从喷嘴流出的熔融玻璃流，在规定时间后将支撑体降低50mm，从而在支撑体上得到430mm3的熔融玻璃块。接着，使支撑体分离，将熔融玻璃块落下并插入成型模具中。以4.6秒钟间隔重复本操作，从支撑体逐次地向成型模具供给熔融玻璃块。这里，向支撑体通氮气的计时和使支撑体分离开的计时通过核对预发泡体的品质而优化。另外，在强制冷却位置的冷却是与实施例1同样地喷4秒钟纯水。得到的预发泡体表面没有热粘接痕，表面品质良好。并且，连续成型10小时后预发泡体的表面品质也没有变化。另一方面，不进行强制冷却的情况下，在将熔融玻璃落下插入成型模具中时在成型面会产生热粘接，在成型后的预发泡体表面观察到多个热粘接痕。
比较例1除了不进行强制冷却以外，以与实施例2同样的方法成型预发泡体。得到的预发泡体在中央和外周部存在热粘接痕，形状和表面品质非常差。并且，连续成型了3小时左右时，在预发泡体的外周部开始热粘接挥发物的污垢，即使通过洗涤也不能除去。
实施例6加热上述各实施例中得到的预发泡体，使用图3所示的压力装置，通过进行精密模压成型(非球面精密模压成型)得到非球面透镜。精密模压成型的详细情况如下所述。将预发泡体静置在具有非球面形状的SiC制的下模2和上模1之间后，使石英管11内为氮气氛围气，对加热器12通电而加热石英管11内。将成型模具内部的温度设定为玻璃的屈服点+20℃～60℃的温度，一边维持该温度，一边降低挤压棒13挤压上模1，从而对模压成型模具内的预发泡体进行精密模压成型。设定成型压力为8MPa，成型时间为30秒钟，在模压后，在减少成型压力而使成型的氟磷酸盐玻璃制的非球面透镜接触下模2和上模1的状态下，缓慢冷却至玻璃化转变温度一30℃的温度，接着快速冷却至室温。随后，从模压成型模具中取出非球面透镜，进行形状的测定和外观检查。得到的非球面透镜是精度非常高的透镜。观察该透镜，结果确认其是与使用的预发泡体同样高品质的透镜。这里，优选在预发泡体整个表面设置脱模薄膜。作为脱模薄膜，可以例示碳膜和自组织化膜等。
对于向模压成型模具中导入预热后的上述预发泡体并进行精密模压成型的方法，也可以得到高品质、高精度的由氟磷酸盐玻璃构成的非球面透镜。
另外，预发泡体的形状、尺寸可以根据欲制作的精密模压成型品的形状等适宜确定。
在上述实施例中成型了非球面透镜，通过使用与最终制品的形状一致的模压成型模具，还可以制作凹弯月形透镜、凸弯月形透镜、平凸透镜、两凸透镜、平凹透镜、两凹透镜等各种非球面透镜或各种球面透镜，或者棱镜、多角棱镜、衍射光栅等光学元件。
另外，在得到的各光学元件的光学功能面上根据需要也可以形成防反射膜或者高反射膜等光学多层膜。
产业上利用的可能性根据本发明，可以由熔融玻璃高生产率地大量生产高品质的模压成型用预发泡体和光学元件。
权利要求
1.精密模压成型用预发泡体的制造方法，其特征在于，将从喷嘴流出口流出的熔融玻璃浇铸到成型模具中，通过从所述成型模具成型面喷出的气体即托浮气体，使所述熔融玻璃在成型模具成型面上漂浮同时成型为预发泡体，从成型模具中取出成型的预发泡体，在取出了所述预发泡体的成型模具中浇铸新的熔融玻璃，循环移送多个成型模具而反复进行以上工序；在取出所述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，对成型模具成型面的至少一部分进行强制冷却。
2.根据权利要求1所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述向成型模具浇铸的熔融玻璃是熔融玻璃块，是通过支撑体来支撑从所述喷嘴流出口流出的熔融玻璃的前端，接着通过降低所述支撑体或者去除所述支撑体的支撑，而从所述熔融玻璃前端分离出来的。
3.根据权利要求2所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述支撑体是所述熔融玻璃浇铸形成的成型模具。
4.根据权利要求1所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述向成型模具浇铸的熔融玻璃是从由所述喷嘴流出口流出的熔融玻璃前端滴下的熔融玻璃滴。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过向所述成型模具成型面的至少一部分供给液体而进行，所述熔融玻璃的浇铸在从成型模具成型面除去所述液体后进行。
6.根据权利要求5所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述液体的供给通过向所述成型模具成型面喷雾液体而进行。
7.根据权利要求5或者6所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，在供给所述液体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，从所述成型模具成型面喷出托浮气体。
8.根据权利要求1～4中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过向所述成型模具成型面的至少一部分喷射气体而进行。
9.根据权利要求1～4中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，所述强制冷却通过使温度比所述成型模具成型面的温度低的热传导体接触所述成型模具成型面的至少一部分而进行。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的精密模压成型用预发泡体的制造方法，其中，在取出所述预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的至少一段期间，加热所述成型模具。
11.光学元件的制造方法，其是加热玻璃预发泡体，并进行精密模压成型的光学元件的制造方法，其特征在于，加热由权利要求1～10中的任意一项所述的方法制作的预发泡体，并进行精密模压成型。
12.根据权利要求11所述的光学元件的制造方法，其特征在于，向模压成型模具中导入预发泡体，一起加热所述模具和预发泡体，并进行精密模压成型。
13.根据权利要求11所述的光学元件的制造方法，其特征在于，向模压成型模具中导入加热过的预发泡体，并进行精密模压成型。
全文摘要
提供预发泡体的制造方法，通过该方法在循环成型模具进行使用的热成型中可以防止玻璃与模具成型面的热粘接和玻璃挥发物的附着，并且可以稳定生产；以及提供利用上述方法制作的预发泡体制造光学元件的方法。在预发泡体的制造方法中，将从喷嘴流出口流出的熔融玻璃浇铸到成型模具中，通过从模具成型面喷出的气体，使熔融玻璃在模具成型面上漂浮，与此同时成型为预发泡体，取出该预发泡体，在取出了预发泡体的成型模具中浇铸新的熔融玻璃，循环移送多个成型模具而反复进行以上工序。在取出预发泡体后、浇铸新的熔融玻璃前的期间，对成型模具成型面的至少一部分进行强制冷却。在光学元件的制造方法中，加热由上述方法制作的预发泡体并进行精密模压成型。
文档编号C03B40/00GK1880249SQ200610088600
公开日2006年12月20日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者上崎敦司, 吉田昌弘, 宇津木克己 申请人:Hoya株式会社