玻璃块的制造方法、其制造装置以及光学元件的制造方法

专利名称：玻璃块的制造方法、其制造装置以及光学元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种玻璃块(block)的制造方法、其制造装置以及光学元件的制造方法。更详细地说，本发明涉及一种在尺寸精度好、生产率高的基础上来制造用作精密冲压成形用预成型坯等的玻璃块的方法、用于该方法的玻璃块的制造装置、以及使该玻璃块精密冲压成形来制造光学元件的方法。
背景技术：
在数码相机等光学设备中，为了使设备小型化，而多采用高折射率透镜。特别希望高折射率的非球面化透镜较大帮助光学系统的小型化和高性能化。然而，由于高折射率的光学玻璃一般软化点较高，所以冲压温度变高，在冲压装置的耐久性和透镜的成形精度等方面容易出现问题。另外，作为精密冲压透镜，多是制造容易成形且容易获得精度的凸透镜，但是最近称为凹弯月形透镜和双凹透镜的、成形困难且不易获得成形精度的精密冲压透镜增多起来。
具体来说，由于高折射率(高软化点)光学玻璃的冲压温度较高，所以在冲压模和脱模膜的耐久性方面出现问题，会导致变得不能冲压、或因脱模膜劣化使能够连续成形的数量减少、或因冲压机构的热膨胀的影响使成形精度(偏心等)恶化等不希望的状况。作为对策，使预成型坯形状接近透镜形状从而减小冲压时的变形量并降低冲压温度的方法较为有效。
另一方面，在形状较难形成的透镜中，在凹弯月形透镜的情况下，由于上模是凸状且R较小，所以如果预成型坯上表面的R较小，则在冲压时上模和预成型坯的中心容易偏离，成形透镜厚度不均匀，而使成形精度恶化。作为对策，增大预成型坯上表面中央的R或者使其平面化的方法较为有效。另外，在双凹透镜的情况下，由于上下模都是凸状且R较小，所以如果预成型坯下表面的R较小，则将预成型坯稳定地固定在下模上这本身就较为困难。而且，与凹弯月形透镜相同，如果预成型坯上表面的R较小，则上模和预成型坯的中心容易偏离。作为对策，为了将预成型坯稳定地保持在下模上并抑制冲压时的偏心，而增大预成型坯上下表面的R(或将其平面化)。
如上所述，由于精密冲压透镜的高折射率化或形状难以形成化，容易使装置的耐久性和成形精度出现问题，作为其对策，谋求预成型坯的薄壁化或平板化、以及近似形状化。
针对这些要求，使用了将玻璃块加工成圆板状且两面研磨后的预成型坯、或者利用球面透镜的加工方法制作的近似形状化预成型坯。然而，在这些情况下，与由热成形作出的预成型坯相比，不能显著避免成本上升。
下面，说明在预成型坯的热成形法中增加冲压成形技术来控制预成型坯形状的现有例子及其问题。
(1)上下模多孔质(在非接触状态下冲压并冷却)公开有以下方法使用具有由多孔质部件构成的凹部成形面的下模，在从成形面喷出高压气体的状态下使熔融玻璃块上浮并保持，在冷却过程中，用同样结构的上模对熔融玻璃进行冲压，使熔融玻璃变形为成形模的形状，并在熔融玻璃和模的界面上形成气体缓冲器，同时在非接触状态下进行冷却，从而使薄壁或近似形状的光学玻璃元件成形(例如参照专利文献1)。然而，在该方法中，存在以下所示的问题。
由于被多孔质模的气体缓冲器包围的熔融玻璃块是非接触状态，所以在熔融玻璃块的内部和表面部(特别是外周部)存在会产生较大的温度分布的倾向。因此，熔融玻璃中央部的固化延迟而易产生凹陷。在上述发明中，从多孔质模中喷出加热为高温的气体从而缩小了熔融玻璃内的温度分布。然而，在该方法中，由于熔融玻璃的冷却速度显著下降，所以存在成形时间变长、成形效率恶化的问题。另外，为了提高从多孔质模中喷出的气体温度，需要将多孔质模本身的温度也加热至同一程度，在浇注熔融玻璃等时，熔融玻璃与模热粘接的危险性变高。另外，在成形工序中，需要一边连续改变成形模或喷出气体的温度一边进行控制，并且需要一边连续改变冲压速度或冲压量(厚度)一边长时间连续进行冲压。作为其结果，存在制造装置复杂化、成形装置的成本上升的问题。
(2)下模多孔，上模致密型已知下述方法一边从卫星状形成在凹部成形面上的细孔喷出气体一边在成形面上接受玻璃，一边使熔融玻璃上浮一边使其冷却，在这个过程中，用致密质上模冲压从而使预成型坯上表面成形。然而，在该方法中，由于玻璃料块(gob)的内部和外周部的温差较大，所以在接近扁平的玻璃料块的成形中，容易在玻璃料块下表面中央产生凹陷。另外，由于在熔融玻璃块的温度急剧下降的过程中进行冲压成形，所以冲压的条件确定较难。另外，在循环使用多个成形模来进行冲压成形的情况下，存在每个模的形状参差不齐的问题。另外，由于对浮在下模上并摆动的熔融玻璃进行冲压，所以易获得厚度不均的冲压品。
(3)下模多孔，上模多孔质型已知下述方法在与上述(2)同样的下模中使熔融玻璃块上浮，在冷却过程中，在从由多孔质材料制成的上模中喷出气体的状态下，使熔融玻璃块的上表面冲压成形。该方法除了上模结构之外均与上述(2)相同。因此，会引起与上述(2)同样的问题。另外，由于以非接触式进行上模的冲压，所以不能通过和冲压模的热交换来冷却熔融玻璃。因此，在间歇式冲压方法中，存在难以在停留时间内固定冲压面形状、难以获得接近冲压模形状的预成型坯的问题。
日本专利第3618937号公报发明内容本发明在这样的情况的基础上，其目的在于提供一种在尺寸精度好、生产率高的基础上来制造玻璃块的方法，其中该玻璃块用作精密冲压成形用预成型坯，例如中心壁厚薄且直径/中心壁厚比较大的薄壁的预成型坯、单面的R较大或是大致平面的薄壁的预成型坯、两面的R较大或是大致平面的薄壁的预成型坯、单面是凹面的近似形状的预成型坯等。
本发明的发明者们为了达成上述目的而反复潜心研究的结果是发现在一边使熔融玻璃块在下模上上浮一边使其冷却从而使玻璃块成形的工序中，通过实施特定的操作，就能够达成该目的，以致于根据该见解完成了本发明。
即，本发明提供
(1)一种玻璃块的制造方法，其特征在于，用下模接受从流出管流出的熔融玻璃流，切断玻璃流而在下模上获得熔融玻璃块，一边使熔融玻璃块在下模上大致上浮一边使其冷却从而使玻璃块成形，在上述工序中，在使下模上的熔融玻璃块直接接触上模的状态下对其进行冲压，在将熔融玻璃块的形状固定后，使在冲压面上产生的表面起伏(undulation)恢复，从而实现自由表面化；(2)如上述(1)项所述的玻璃块的制造方法，其中，从接受熔融玻璃流而刚刚浇注之后直至熔融玻璃块开始在下模上连续摆动为止，进行初次冲压；(3)如上述(1)项所述的玻璃块的制造方法，其中，从接受熔融玻璃流而刚刚浇注之后直至熔融玻璃块开始在下模上连续摆动为止，使上模和下模接近，利用上模来限制熔融玻璃块的摆动，在进行上下模和熔融玻璃块的中心定位后开始冲压；(4)如上述(1)-(3)项的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，利用来自熔融玻璃块内部的热传导，来进行冲压表面的自由表面化；(5)如上述(1)-(4)项的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，使用抑制熔融玻璃块的热量辐射的保温机构，来辅助由来自熔融玻璃内部的热传导引起的冲压面的自由表面化；(6)如上述(1)-(5)项的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，组合来自熔融玻璃块内部的热传导和来自外部的加热，来进行冲压表面的自由表面化；(7)如上述(1)-(6)项的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，玻璃块是精密冲压成形用预成型坯；(8)一种玻璃块的制造装置，将多个下模按顺序提供给流出喷嘴，并连续反复进行浇注、由上模引起的冲压成形、下模上的成形品的冷却和从下模的取出，其特征在于，对驱动方式使用NC控制方式，并且可对每个下模校正冲压成形时的冲压厚度，其中所述驱动方式是使上下模中的至少任一方进行相对移动而使上下模间的间隔接近、远离的驱动方式；(9)如上述(8)项所述的玻璃块的制造装置，其中，玻璃块是精密冲压成形用预成型坯；
(10)一种光学元件的制造方法，其特征在于，对利用上述(7)项所述的方法制造的玻璃块进行精密冲压成形。
根据本发明，可以提供一种在尺寸精度好、生产率高的基础上来制造用作精密冲压成形用预成型坯等的玻璃块的方法、一种用于该方法的玻璃块的制造装置、以及一种使该玻璃块精密冲压成形来制造光学元件的方法。


图1是在实施例和比较例中使用的圆形成形台中的下模的配置图。
图2是实施例中的浇注后的冲压工序的说明图。
具体实施例方式
首先，说明本发明的玻璃块的制造方法。
本发明的玻璃块的制造方法其特征在于，用下模接受从流出管流出的熔融玻璃流，切断玻璃流而在下模上获得熔融玻璃块，一边使熔融玻璃块在下模上大致上浮一边使其冷却从而使玻璃块成形，在上述工序中，在使下模上的熔融玻璃块直接接触上模的状态下对其进行冲压，在将熔融玻璃块的形状固定后，使在冲压面上产生的表面起伏恢复，从而实现自由表面化。
本发明包括多次进行上次冲压的方式(称为第1方式)；以及只进行一次上述冲压的方式(称为第2方式)。此外，在本申请说明书中有时将曲率半径称为R。
在第1方式中，通过实施以下所示的工序，即作为任意工序的冲压前工序、作为必需工序的预备冲压工序、主冲压工序、表面恢复工序、以及作为任意工序的追加冲压工序，可以获得所希望的玻璃块。
该工序是使熔融玻璃和上模的位置一致并限制它们的摆动的工序。本工序是任意工序，在进行初次冲压直至熔融玻璃块开始在下模上摆动为止的情况下不是必需的，在使初次冲压的开始延后并在熔融玻璃块开始摆动后进行冲压的情况下是有效的工序。
在该冲压前工序中，在刚刚从浇注位置退避后的第2停留位置上(参照后述的图1、图2)，在熔融玻璃块开始在下模成形部中摆动之前，使上模和下模接近然后停止，在上模中使熔融玻璃块与上模的中心一致，并且限制熔融玻璃的摆动。
进行具体说明的话，在可上浮成形的下模中接受从流出管流出的熔融玻璃流地进行浇注，在从流出管正下方退避的阶段，熔融玻璃的粘性非常低，在熔融玻璃的下表面形成理想的较薄的气体缓冲器。因此，在浇注之后紧接的阶段，存在熔融玻璃块在下模内不摆动的时间段。当然在刚刚从流出管正下方退避后，熔融玻璃块会因惯性力而摆动，但是惯性引起的摆动会在短时间内结束。随着熔融玻璃块下表面的粘性增大，模与玻璃的形状产生差别，熔融玻璃块开始摆动。在本发明中着眼于这样的现象，在熔融玻璃块开始摆动之前使上模接近于熔融玻璃块上，来限制熔融玻璃块的摆动并使上模与熔融玻璃块的中心一致。例如在上模稍微成为凹面的情况下，可以容易地使熔融玻璃块在上模的中心稳定。然而，在喷出气体的由多孔制材料构成的上模中，由于喷出气体的缘故，而容易使熔融玻璃块的位置不稳定。即，为了使熔融玻璃块的位置稳定，希望上模是致密质的。在上模的接近停止时，上模与熔融玻璃块为稍微接触或几乎不接触的状态。此外，在上模是平面的情况下，可以通过使它们的略微接触来限制摆动。
通过限制上述熔融玻璃块的摆动，可以防止得到的玻璃块的厚度不均。
该工序是使熔融玻璃块中的温度分布均一化的工序。
在该预备冲压工序中，在上述冲压前工序之后，计量时间，使上下模进一步接近，并在规定时间内对熔融玻璃块进行冲压。此外，上模为了防止与熔融玻璃的热粘接，预先用风冷或水冷等方法进行强制冷却。在冲压了规定时间之后，使上下模远离，并使熔融玻璃块的形状自然恢复。此外，优选将上模的位置保持在能够限制形状自然恢复后的熔融玻璃块摆动的位置。即，优选将形状自然恢复后的熔融玻璃块的上表面保持在与上模稍微接触或不接触的位置。
进行具体说明的话，在浇注刚刚结束后，在下模内的熔融玻璃块内部存在较大的温度分布。在浇注时熔融玻璃流下的熔融玻璃的中央部比外周部的温度高出不少，而在上浮冷却过程中温度分布进一步扩大。一般认为这是因为熔融玻璃块的外周厚度比中央薄而容易冷却，而且因摆动而与下模的接触频率较多。如果任由存在较大的温度分布而进行冲压成形，则在冲压产品中央会出现因凹陷引起的局部凹坑。
因此，在第1方式中，以使熔融玻璃块内的温度分布均一化为目的进行预备冲压。如果用低温的上模进行短时间的预备冲压，则熔融玻璃的上表面侧冷却，并且熔融玻璃中央侧的玻璃向外周侧移动。通过该移动使在玻璃块的中央和外周之间产生热交换。另外，熔融玻璃的下表面侧也通过冲压与下模瞬间接触而被冷却。
此外，由于预备冲压的时间较短，所以还不至于使熔融玻璃块的形状固定，在冲压后由于表面张力而欲回到冲压前的形状。在该形状恢复时，移动至外侧的玻璃返回中央侧，熔融玻璃块的中央和外周的温差缩小。另外，虽然冲压面温度降低的幅度最大，但是在形状恢复时冲压面从熔融玻璃块内部接受热量而被加热，使冲压面和内部的温差缩小。另一方面，下模侧的面也暂时与下模接触而冷却，但是在预备冲压结束后再次成为非接触状态，并由熔融玻璃块内部的热量加热。
如上所述，通过在浇注之后马上用低温的模对熔融玻璃块进行短时间的预备冲压，从而引起熔融玻璃上下表面的冷却、以及熔融玻璃从中央向外周的移动。由于在预备冲压后成为上浮状态，所以形状恢复的同时引起玻璃在熔融玻璃块内的再次移动、以及冷却后的上下表面与内部的热交换，作为结果，熔融玻璃块内部的温度分布缩小。
优选预备冲压后的上模保持在能够限制形状自然恢复后的熔融玻璃块摆动的位置。即，优选将熔融玻璃块的上表面保持在与上模稍微接触或不接触的位置。通过保持在该位置，可以保持为使预备冲压后的熔融玻璃与上模的中心一致的状态，从而可以有效抑制用同一模进行的主冲压中的心偏离。另外，由于通过保持在该位置，上模被熔融玻璃加热，所以也可以抑制主冲压中的冷却皱痕的产生。
该工序是熔融玻璃的整体形状的固定工序。
在该主冲压工序中，用与预备冲压相同的上模在规定时间内对熔融玻璃进行冲压。在主冲压中，以使熔融玻璃块的形状变形并将其固定为目的。
进行具体说明的话，用保持在熔融玻璃块上的上模，对通过上述预备冲压而温度分布均一化了的熔融玻璃块再次进行冲压。主冲压下的冲压时间调节为产生冲压面的恢复的时间(如果过长则不会产生面恢复)。在主冲压刚刚结束后的冲压面上会产生轻微的冷却皱痕，但可在下一工序的表面恢复工序中使该表面的皱痕恢复。
该工序是玻璃块表面的恢复工序。
在用强制冷却的低温的上模来冲压后的冲压面上，由于冲压表面的急冷收缩而产生皱状的凹凸。但是，该皱状的凹凸可以通过增加或减少冲压时间而自然恢复为自由表面。即，由于冲压下的温度急速下降偏向于表面附近，所以在冲压结束后，由熔融玻璃内部的热量对冲压表面层进行再加热从而实现自由表面化。在只由玻璃内部的热量而难以实现自由表面化的情况下，还可以通过从外部加热冲压面来实现自由表面化。
进行具体说明的话，在主冲压工序中产生的冷却皱痕(表面的起伏)是由于熔融玻璃的表面层附近急速冷却而产生的。因此，只要不使冲压时间过长，则表面层就会被熔融玻璃内部的热量加热而可以实现自由表面化。但是，即使说是自由表面化，也无需与自由表面具有相同的表面质量，即便残留了不影响精密冲压成形的程度的凹凸或起伏也没问题。在该表面恢复的过程中，冲压面的成形精度例如中心厚度、冲压面的R等也可以发生若干变化。因此，优选考虑到冲压后的若干尺寸变化来确定主冲压时的冲压厚度和上模的R。
另一方面，在表面恢复工序中产生的形状变化成为使成形品的形状精度恶化的原因，因此优选将形状变化抑制到最小。为此，在表面恢复工序中，还可以使用从上部加热冲压面从而促进自由表面化的方法、和利用保温来抑制熔融玻璃块的热量损失从而辅助自由表面化的方法。通过抑制从主冲压工序后的熔融玻璃散热来进行保温，可以促进冲压表面的凹凸的自由表面化。具体来说，通过用表面辐射率较低且在厚度方向上具有绝热性的杯状部件来覆盖下模上部，从而抑制从熔融玻璃块散热。例如将表面研磨后的0.3mm厚的铂或镍板加工成大小两种的杯状，用绝热材料覆盖较小的杯的外侧，并在其上覆盖较大的杯，由此获得表面辐射率小且绝热性良好的保温用杯。此外，也可以是将杯彼此焊接使其成为二重容器并使内部为真空来代替插入绝热材料的方法。
另外，在从上部加热冲压面的方法中，即使在固化已推进到不能期望表面因熔融玻璃内部的热量而自我恢复的程度的情况下，也可以实现自由表面化。因此，可以将自由表面化引起的尺寸变化抑制到最小限度。另外，如果通过辐射热或高温气体的吹动等来加热玻璃表面侧，则可以将表面恢复时的形状变化抑制到最小限度。
该工序是玻璃块形状的再固定工序。
在该追加冲压工序中，是在主冲压工序中没完全将形状固定的情况(形状的复原较大的情况)下根据需要进行的冲压。在该冲压中，不使用在预备冲压和主冲压工序中使用的低温模，而是使用加热至即使进行冲压也不产生冷却皱痕的温度的上模。
进行具体说明的话，在成形品较大等的情况下，在表面恢复工序中的形状变化较大，在不能获得冲压面的形状精度的情况下进行追加冲压。在追加冲压工序中，使用加热至在冲压中不产生冷却皱痕的程度的上模来抑制冷却皱痕。此外，在作为以前工序的主冲压工序中产生冷却皱痕的情况下，等待该冷却皱痕恢复后再进行追加冲压。
第2方式是不经过预备冲压工序和追加冲压工序地来制造玻璃块的方法，包括作为任意工序的冲压前工序、作为必需工序的主冲压工序、和表面恢复工序。
第2方式中的冲压前工序的内容与上述第1方式中的内容相同。另外，冲压前工序是任意工序这一点也与第1方式相同，在进行冲压直至熔融玻璃块开始在下模上摆动为止的情况下是不必需的工序。
主冲压工序、表面恢复工序的内容也和上述第1方式中的内容相同。
上述第1方式可以在玻璃块的面向下模的面(称为下表面)的中央产生因凹陷引起的凹坑的情况下采用，与此相对，第2方式可以在一次冲压就能在玻璃块的下表面中央不产生因凹陷引起的凹坑的情况下采用。
由于上述第1方式中的预备冲压工序具有使熔融玻璃中的温度分布均一化的效果，所以可以极其有效地防止凹陷，但是下表面中央部的凹陷是否成为问题受到下模凹部的底面的曲率半径、下模温度、玻璃的流出速度、下模相同时的成形容积等的较大影响，具体来说，下模凹部的底面的曲率半径越大，下模温度越低，成形容积越小，玻璃的流出速度越大，则玻璃块的下表面中央部的凹陷就越大。因此，在玻璃块的下表面中央部不产生凹陷的情况下，如第2方式那样，不一定要进行预备冲压成形。
在第2方式中，由于冲压次数是一次，所以条件参数比多次冲压减少，可以缩短确定条件的时间。另外，与第1方式相比，下模(或上模)升降一次即可，可以从实质上缩短包括升降时间的冲压时间。因此，可以缩短在冲压位置的停留时间，也可以应对玻璃流出速度的增加。
如上所述，在获得的玻璃块中，在凹陷不成为问题的情况下，优选采用第2方式，在凹陷成为问题的情况下，采用第1方式即可。
这样的本发明的玻璃块的制造方法特别可以适用于精密冲压成形用预成型坯的制造，具体来说，可以适用于中心壁厚薄且直径/中心壁厚比较大的薄壁的预成型坯、单面的R较大或是大致平面的薄壁的预成型坯、两面的R较大或是大致平面的薄壁的预成型坯、单面是凹面的近似形状的预成型坯等的制造。
下面，说明本发明的玻璃块的制造装置。
本发明的玻璃块的制造装置将多个下模按顺序提供给流出喷嘴，并连续反复进行浇注、由上模引起的冲压成形、下模上的成形品的冷却和从下模的取出，其特征在于，对驱动方式使用NC控制方式，并且可对每个下模校正冲压成形时的冲压厚度，其中所述驱动方式是使上下模中的至少任一方进行相对移动而使上下模间的间隔接近、远离的驱动方式。
在本发明的制造装置中，上下模中的至少一方的上下驱动是NC控制，可以分别设定在各工序中进行的冲压时和冲压后远离时的模位置。另外，在循环使用多个模来进行连续成形的情况下，可以用各个模对冲压厚度进行微调。
作为NC控制方式的驱动方式，可以举出组合滚珠丝杠和伺服马达而对其进行驱动的驱动方式。
本发明的玻璃块的制造装置可以适合用于本发明的玻璃块的制造方法。在本发明的玻璃块的制造方法中的从冲压前工序至追加工序的冲压工序中，使上下模的间隔间歇式变化。例如在冲压前工序中，为了抑制下模内的熔融玻璃块的摆动，而使间隔与熔融玻璃上表面的高度匹配地进行最优化。另外，在预备冲压工序中，为了使熔融玻璃内的温度分布均一化，非常重要的一点是熔融玻璃扁平化的程度。另外，在主冲压工序中，还需要考虑冲压后的表面恢复和表面恢复后的厚度，使冲压厚度最优化。进而，在追加冲压工序中，也需要使冲压厚度最优化。另外在预备冲压工序中，由于熔融玻璃的粘性非常低，所以如果冲压速度过快，则熔融玻璃就热粘接在模上，或者下模的上浮气体侵入玻璃内而使玻璃产生气泡。因此，优选根据各冲压工序来调整冲压速度和模的远离速度。
另外，在循环使用多个下模相继进行浇注、冲压成形、成形品的取出的成形方法中，对每个下模其成形品的厚度和冲压面精度等容易产生较大的不均。本发明的发明者们调查研究的结果是，发现在各冲压工序中的冲压厚度的较小不均会成为成形品尺寸的较大不均的原因。
由模导致的冲压厚度的不均，根据各个下模的成形面的深度精度或下模向成形台等的安装精度(用于装卸)、成形台的水平度、冲压轴自身的尺寸精度等而综合产生不均，冲压厚度可能产生100微米以上的误差。
例如在预备冲压中，对熔融玻璃进行冲压，并在熔融玻璃的中央和外周、上下表面和内部之间进行热交换，从而使温度分布均一化。因此，即使冲压厚度的差别为100微米左右，但是由于在熔融玻璃和上下模的热交换、以及外周和内部的热交换中存在较大的差别，所以经过面恢复工序后的成形品的尺寸不均也扩大到2-5倍。即，这是因为因冲压厚度而使面恢复工序中的尺寸变化量发生了较大改变。同样地，熔融玻璃内的温度分布的均一化程度也受到冲压厚度的较大影响。因此，在冷却中没有凹陷的产品与有点凹陷的产品混在了一起。因此，在本发明中，对上下模的至少一方的驱动采用NC控制方式，使用对每个下模校正冲压厚度的方法。根据该方法，可以消除成形装置、下模和上模等成形模的尺寸误差的影响。另一方面，下模温度和从下模喷出的气体量等的不均也成为成形品尺寸不均的原因。但是，通过进行冲压厚度的个别调整，可以充分校正这些不均的主要原因。在这样的情况下，由于校正了下模温度和喷出气体量等不均的影响，所以就不需要使各模的冲压厚度完全相同。即，只要个别微调冲压厚度以使成形品的尺寸一致即可。
上述校正例如按如下来进行。
测定利用上述冲压方法用各下模分别3次成形后的预成型坯的中心厚度。然后求出全部预成型坯的中心厚度的平均值，再求出该平均值与用各下模成形后的预成型坯的厚度的平均值的差。对每个下模的冲压厚度校正与该尺寸差相等的量。例如在比中心厚度的平均厚200微米的情况下，将冲压厚度减薄200微米。在所有的下模中进行该校正操作，然后再次测定中心厚度。根据测定的结果再次设定校正值，最终调整到用各下模成形后的预成型坯的厚度不均进入所希望的精度为止。这样，在使每个下模的尺寸不均均一化之后，一并调整冲压厚度使得中心厚度的绝对值进入规格内。这样，优选具备在所有下模中一并调整冲压厚度的方法和个别微调冲压厚度的方法。
这样的本发明的玻璃块的制造装置特别适合用于精密冲压成形用预成型坯的制造。
接下来，说明本发明的光学元件的制造方法。
本发明的光学元件的制造方法其特征在于，对利用上述本发明的玻璃块的制造方法制作的精密冲压成形用预成型坯进行精密冲压成形。
所谓的精密冲压成形是这样一种方法即，在加热来软化预成型坯的状态下，通过具有规定形状的型腔的成形模来进行加压成形，从而制作与最终产品的形状相同或极其近似的形状的成形品。根据精密冲压成形法，可以通过不对成形品实施研削或研磨，或者只实施研磨的去除量极少的研磨，从而制作最终产品，特别是像光学部件这样的要求极高的形状精度和面精度的最终产品。因此，本发明的光学元件的制造方法适用于透镜、透镜阵列、衍射光栅、棱镜等光学部件的制造，特别在高生产率地制造非球面透镜时最适用。
作为精密冲压成形方法，对表面为洁净状态的预成型坯进行再加热，以便构成预成型坯的玻璃的粘度表示105-1011Pa·s的范围，然后利用具备上模和下模的成形模来对再加热后的预成型坯进行冲压成形。也可以根据需要在成形模的成形面上设置脱模膜。此外，从防止成形模的成形面的氧化的角度考虑，优选在氮气或惰性气体的环境下进行冲压成形。从成形模中取出冲压成形品，并根据需要将其慢慢冷却。在成形品是透镜等光学元件的情况下，也可以根据需要在表面涂覆光学薄膜。
实施例以下，利用实施例进一步具体说明本发明，但是本发明并不限于这些实施例。
此外，图1是在实施例和比较例中使用的圆形成形台中的下模的配置图。图2是实施例中的浇注后的冲压工序的说明图。
另外，在以下的实施例中，都使用NC控制方式作为驱动方式，并组合滚珠丝杠和伺服马达来对其进行驱动，其中，所述驱动方式是通过使上模或下模相对移动而使上下模间的间隔接近或远离的驱动方式。
实施例1(第1方式的预成型坯的制造例(基本方法))在熔融、冷却、固化后，将折射率[nd]1.806、阿贝数[vd]40.7的硼酸镧类光学玻璃的玻璃块，投入加热至1000℃的铂坩埚，并使其在坩埚内熔解后，在1300℃下澄清、搅拌从而得到均一的玻璃熔液。接下来，使玻璃熔液以0.79kg/hr的流出速度从与坩埚底部连结且温度控制后的流出管流出。另一方面，如图1所示，将12个下模均等地配置在圆形的成形台的外周上。在下模的上部加工出浇注熔融玻璃的凹部(直径17mm，底面R30mm)。凹部由平均孔径是20微米的多孔质材料制成，从多孔质材料表面均一喷出0.2L/分的氮气。此外，模主体部由加热器加热，使凹部的表面温度成为320℃。
接下来向流出口的正下方供给下模，如下所述在下模中浇注熔融玻璃。首先，使下模上升而成为与流出口接近的状态，将熔融玻璃流的前端接受在下模的凹部中。在所希望重量的熔融玻璃贮留在下模的凹部中时，使下模快速下降，从熔融玻璃流切断分离熔融玻璃块至下模上。
接下来，使成形台分度旋转，使成形模从流出口的正下方退避，同时将另一下模供给至喷嘴的正下方。以7.17秒的间隔依次反复同样的操作，相继分离、切断熔融玻璃流，从而在下模上获得469mm3的熔融玻璃块。然后，使用图2说明浇注后的冲压工序。
浇注并从流出口刚刚退避后的熔融玻璃块由于移动的惯性力而摆动。计量该摆动停止的时间(下模停止0.5秒后)，使如下所述的上模下降并保持在熔融玻璃块上。上模由直径15mm的耐热不锈钢制成，对下表面实施R为30mm的凹状的球面研磨加工。另外，在上模内部形成空洞，使20L/分的氮气流入空洞内以冷却上模。上模的保持位置是熔融玻璃块与上模接触或不接触的临界位置，以限制由气体缓冲器引起的熔融玻璃块的摆动。然后在下模停止0.8秒之后，使下模上升直至上下模中心部的距离(冲压厚度)变为3.9mm为止，在保持1.7秒后使下模下降以解除冲压状态。冲压解除后的熔融玻璃块因表面张力进行恢复直至厚度变为冲压前的8成左右为止。此外，优选下模的保持位置保持在能够由上模限制厚度恢复后的熔融玻璃摆动的位置。
在冲压解除0.5秒后使下模再次上升，使冲压厚度成为4.1mm地对熔融玻璃进行1.5秒的冲压成形之后，使下模快速下降至下限位置。在这两次间歇冲压的2.67秒后，使成形台分度旋转，从而使下模移动至第3停留位置。
第2次冲压成形刚刚结束后，在冲压面上产生因冷却收缩引起的轻微的凹凸。该表面的凹凸在下模停在第3停留位置之后的1.4秒后几乎自然消失，冲压面恢复至毫不逊于自由表面的光滑面。通过上述冲压工序得到的预成型坯成为平均直径是14.3mm、中心厚度是4.2mm的扁平的围棋子的近似形状，上下表面均是作为精密冲压成形用预成型坯而完全没有问题的质量的面。表1是各预成型坯的中心厚度的测定结果。但是，由于用12个下模连续进行冲压成形，所以如表1所示，每个下模的中心厚度之间存在200-280微米的不均。另一方面，用同一下模成形后的预成型坯之间的不均小至10-110微米。
表1

另一方面，准备将冲压面镜面研磨为平面的上模和镜面研磨为凸状的R为50mm的上模，在完全相同的条件下使预成型坯成形。其结果是，获得冲压面大致是平面的预成型坯、或冲压面整体凹陷为凹状的预成型坯。
实施例2(第1方式的预成型坯的制造例(中心厚度的均一化例))
除了将第2次的冲压时间从1.5秒改变为1.3秒以外，以与实施例1完全相同的方法和条件使预成型坯成形。表2是在本条件下成形后的各预成型坯的中心厚度的测定结果。如表2所示，通过缩短第2次的冲压时间来增大冲压后的厚度变化，平均厚度比实施例1(表1)厚133微米。另外，每个下模的不均也增大至320-410微米。另一方面，用相同下模成形后的预成型坯之间的不均小至10-90微米。
表2

为了缩小上述中心厚度的不均，通过上述方法对每个下模在冲压时的模上升位置上设定校正值来校正冲压厚度。校正后的预成型坯的中心壁厚的测定值如表3所示。如表3所示，下模之间的320-410微米的不均缩小至50-60微米左右。
表3

实施例3(第1方式的预成型坯的制造例(追加冲压例))
在实施例2中由于第2次的冲压时间较短，所以冲压后的形状变化增大。因此，预成型坯冲压面的R稍微小于冲压模(上模)。特别是外周部的R形状是非球面，R有很强的减小的倾向。因此，为了减小该形状差，而在第3停留位置进行了追加冲压。此外，除了进行追加冲压之外均与实施例2的条件相同。此外，追加冲压用的上模与使用至第2次冲压的上模的规格相同，不过在冲压面上实施了硬质镀铬。由于该电镀加热了模，所以用于防止氧化和玻璃的热粘接。作为获得相同效果的膜，可以使用镀镍、CrN、TiN、TiAlN等氮化物单层膜、或者组合有两种以上的氮化物的多层膜、以及耐高温性强的DLC膜等。追加冲压用的冲压模由加热器加热至250℃以上，从而不会产生因上述收缩引起的凹凸。此外，在本实施例中，将追加冲压的上模加热至320℃。追加冲压的时机是在由第2次冲压产生的冲压面的凹凸自然恢复后进行。
在本实施例中，在下模停止在第3停留位置的0.8秒之后，使上模停止在熔融玻璃块的正上方，首先，使上模和熔融玻璃块的中心位置一致。在0.9秒之后使下模上升，以上下模的中心间距成为4.0mm的方式进行0.9秒的冲压成形。冲压成形后使下模和上模分别返回至下限位置和退避位置。由于用加热后的模进行追加冲压，所以在冲压刚刚结束后也不在冲压面上产生凹凸。在本方法中测定使预成型坯连续成形所得的预成型坯的形状。冲压面的R与模的R(30mm)相同，下表面的R也成为大致30mm的R。如上所述，通过进行追加冲压，可以使冲压面的R接近模的R。
实施例4(第1方式的预成型坯的制造例(由加热引起的表面恢复例))除了使实施例1说明的第2次冲压时间为2.8秒以外，均在与实施例1完全相同的条件下成形。其结果为，由于冲压进行的冷却而在冲压面上生成凹凸，不会引起冲压面的自然恢复。因此，在本实施例中，在第3停留位置上从外部加热冲压面。此外，通过吹出5秒(10L/分)的加热为750℃的氮气来进行加热。作为气体加热，通过对卷绕为线圈状且由绝热材料保温的铂管通电加热并使氮气在其中通过来进行。作为另一方法，也可以使用高频加热铂管的方法来代替通电加热。另一方面，在由辐射热加热冲压面的情况下，可以使用将加热物保持在冲压面的上部的方法。作为加热物，可以使用以利用通电或高频对铂板本身加热的方法、坎萨尔斯铬铝电热丝等一般的加热器来进行加热的板。除此以外，红外线加热器等也可以用于冲压面的加热。
通过上述加热使冲压面的凹凸恢复至自由表面。由于利用来自外部的热量进行自由表面化，所以通过使提供的热量最小可以使尺寸变化最小。由此，容易获得冲压面的形状精度优于由实施例1的方法获得的预成型坯。
实施例5(第2方式的预成型坯的制造例)除了改变成形模(上下模)和冲压成形条件以外，均使用与实施例1完全相同的装置和玻璃，如下所述地使预成型坯成形。
首先，下模的凹部尺寸改变为开口部直径是17mm且底面曲率半径是20mm的尺寸。其中，凹部由与实施例1相同的多孔质材料制成，从凹部表面喷出0.25L/分的氮气，模主体部由加热器加热至370℃。另一方面，上模由直径13mm的耐热不锈钢制成，对下表面实施R60mm的凹状的球面研磨加工。另外，上模内部是中空结构，15L/分的氮气流入空洞内进行空冷。此外，玻璃熔液的流出速度和玻璃流的切断、分离方法与实施例1相同。
在下模的凹部中浇注469mm3的熔融玻璃之后，使下模停在第2停留位置上，然后立即使上模高速下降，从而使上模的下表面停在距离熔融玻璃块的上端0.2mm的上方位置。然后，在下模内的熔融玻璃停止摆动的时刻(下模停止0.8秒后)使下模低速上升，直至上下模的中心部的距离(冲压厚度)成为3.90mm为止，然后对熔融玻璃块进行3.6秒的冲压成形。在冲压后使上下模返回至冲压前的位置，冲压解除2.77秒后，使成形台分度旋转，从而使下模移动至第3停留位置。通过该冲压操作使熔融玻璃块扁平化，在冲压刚刚结束之后的冲压面上产生了因冷却收缩引起的轻微凹凸。然而，表面的凹凸在下模停在第3停留位置之后的1.6秒后几乎自然消失，冲压面恢复至毫不逊于自由表面的光滑面。在其后的第4-第9停留位置上向预成型坯上表面吹出7-10L/分的氮气来进行风冷，然后在第10停留位置取出成形品。
通过上述冲压工序获得的预成型坯的形状，与平均直径为13.9mm且中心厚度为4.12mm的扁平的围棋子相似。另外，冲压面的平均曲率半径是40mm，接近于平面，面向下模的面的平均曲率半径是27mm，看不到因凹陷引起的凹坑。
在通过一次冲压就能获得的预成型坯上不产生凹陷的主要理由一般认为在于下模的底面曲率半径，所以准备开口部直径为17mm且底面R是17mm、23mm、27mm的三种下模，并分别通过3.6秒的一次冲压使预成型坯成形。其结果为，用底面曲率半径是17mm和23mm的下模成形后的预成型坯的下表面曲率半径分别是22mm和30mm，看不到因凹陷引起的凹坑。但是，用底面曲率半径是27mm的下模成形后的预成型坯的下表面就有点凹陷，成为平面状。
实施例6(第2方式的预成型坯的制造例)除了只改变熔融玻璃块的成形容量和冲压成形条件以外，均使用与实施例1完全相同的成型模(上下模)、成形装置和玻璃，以相同的流出速度(0.79kg/hr)如下所述地使预成型坯成形。
首先，由于预成型坯容量比实施例1大，所以从开始浇注至由下模快速下降引起的玻璃流切断的时间延长至9.63秒(实施例1中是7.17秒)，从而在下模上获得630mm3的熔融玻璃块。然后，在刚刚使下模移动并停止在第2停留位置之后，立即使上模快速下降，从而使上模的下表面停在距离熔融玻璃块上端0.1mm的上方位置。然后，在下模内的熔融玻璃停止摆动的时刻(下模停止0.8秒后)使下模低速上升，直至上下模的中心部的距离(冲压厚度)成为4.3mm为止，对熔融玻璃块进行4.90秒的冲压成形。在冲压后使上下模返回至冲压前的位置，冲压解除3.93秒后，使成形台分度旋转，从而使下模移动至第3停留位置。通过该冲压操作使熔融玻璃块扁平化，在冲压刚刚结束之后的冲压面上产生因冷却收缩引起的轻微凹凸。然而，表面的凹凸在下模停在第3停留位置之后的2.8秒后几乎自然消失，冲压面恢复至毫不逊于自由表面的光滑面。在其后的第4-第9停留位置上向预成型坯上表面吹出7-10L/分的氮气来进行风冷，然后在第10停留位置取出成形品。
通过上述冲压工序获得的预成型坯的形状，与平均直径为16.2mm且中心厚度为4.47mm的扁平的围棋子相似。另外，冲压面的平均R是28mm，接近于上模的R，面向下模的面的平均R是27mm，看不到因凹陷引起的凹坑。
在通过一次冲压就能获得的预成型坯上不出现凹陷的主要理由一般认为在于成形容量，所以将成形容量改变为520mm3、570mm3，并分别通过3.5秒、3.9秒的一次冲压使预成型坯成形。其结果为，两预成型坯都成为围棋子状，在下表面侧看不到因凹陷引起的凹坑。但是，从在成形容量是570mm3时下表面侧R是31mm、在成形容量是520mm3时下表面侧R是48mm的情况，可看出随着成形容量减小、下表面侧的R逐渐增大的倾向。该下表面侧R的变化被认为是由下表面侧的凹陷倾向引起的。
此外，在实施例1-6中，在图1中的第4-9停留位置进行冷却工序，并分别在第10停留位置取出成形品。
实施例7将在实施例1-6中成形后的预成型坯再加热、软化，并在氮气的环境中通过成形模进行精密冲压成形，来制作非球面透镜等光学元件。得到的光学元件都满足所要求的性能。
在各光学元件的光学功能面上，根据需要形成有反射防止膜等光学薄膜。
本发明的玻璃块的制造方法可以在尺寸精度好、生产率高的基础上来制造精密冲压成形用预成型坯，例如中心壁厚薄且直径/中心壁厚比较大的薄壁的预成型坯、单面的R较大或者是大致平面的薄壁的预成型坯、两面的R较大或者是大致平面的薄壁的预成型坯、单面是凹面的近似形状的预成型坯等。
权利要求
1.一种玻璃块的制造方法，其特征在于，用下模接受从流出管流出的熔融玻璃流，切断玻璃流而在下模上获得熔融玻璃块，一边使熔融玻璃块在下模上大致上浮一边使其冷却从而使玻璃块成形，在上述工序中，在使下模上的熔融玻璃块直接接触上模的状态下对其进行冲压，在将熔融玻璃块的形状固定后，使在冲压面上产生的表面起伏恢复，从而实现自由表面化。
2.如权利要求1所述的玻璃块的制造方法，其中，从接受熔融玻璃流而刚刚浇注之后直至熔融玻璃块开始在下模上连续摆动为止，进行初次冲压。
3.如权利要求1所述的玻璃块的制造方法，其中，从接受熔融玻璃流而刚刚浇注之后直至熔融玻璃块开始在下模上连续摆动为止，使上模和下模接近，利用上模来限制熔融玻璃块的摆动，在进行上下模和熔融玻璃块的中心定位后开始冲压。
4.如权利要求1-3的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，利用来自熔融玻璃块内部的热传导，来进行冲压表面的自由表面化。
5.如权利要求1-4的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，使用抑制熔融玻璃块的热量辐射的保温机构，来辅助由来自熔融玻璃内部的热传导引起的冲压面的自由表面化。
6.如权利要求1-5的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，组合来自熔融玻璃块内部的热传导和来自外部的加热，来进行冲压表面的自由表面化。
7.如权利要求1-6的任一项所述的玻璃块的制造方法，其中，玻璃块是精密冲压成形用预成型坯。
8.一种玻璃块的制造装置，将多个下模按顺序提供给流出喷嘴，并连续反复进行浇注、由上模引起的冲压成形、下模上的成形品的冷却和从下模的取出，其特征在于，对驱动方式使用NC控制方式，并且可对每个下模校正冲压成形时的冲压厚度，其中所述驱动方式是使上下模中的至少任一方进行相对移动而使上下模间的间隔接近、远离的驱动方式。
9.如权利要求8所述的玻璃块的制造装置，其中，玻璃块是精密冲压成形用预成型坯。
10.一种光学元件的制造方法，其特征在于，对利用权利要求7所述的方法制造的玻璃块进行精密冲压成形。
全文摘要
本发明提供一种在尺寸精度好、生产率高的基础上来制造用作精密冲压成形用预成型坯等的玻璃块的方法。本发明的玻璃块的制造方法，用下模接受从流出管流出的熔融玻璃流，切断玻璃流而在下模上获得熔融玻璃块，一边使熔融玻璃块在下模上大致上浮一边使其冷却从而使玻璃块成形，在上述工序中，在使下模上的熔融玻璃块直接接触上模的状态下对其进行冲压，在将熔融玻璃块的形状固定后，使在冲压面上产生的表面起伏恢复，从而实现自由表面化。
文档编号C03B11/00GK1939850SQ200610139949
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月27日 优先权日2005年9月27日
发明者吉田昌弘, 宇津木克己, 新熊义包 申请人:Hoya株式会社