专利名称：玻璃预型件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于制造模压成型得到的透镜等光学玻璃的玻璃预型件及其制造方法。
背景技术：
近年，随着数码照相机的用途扩大和高性能化，所用透镜的形状也变得多样化，以往已在增加的各种形状的透镜的非球面化的期望也在增加。此外，用于拾光器的凸形透镜也要求曲率半径小的陡峭的形状。 为了制作这样的透镜，当仅使用球形或椭球形的玻璃预型件时，由于压制导致的玻璃的变形量增大，因此难于以高精度得到期望的形状。因此，出于减小玻璃变形量的目的，提出了具有与最终透镜形状相似的形状的玻璃预型件。以往，这样的具有与透镜近似形状的玻璃预型件，是通过对由玻璃坯切出的玻璃进行研削、研磨而制造，或者采用手动压力机的简单压制后研磨加工的方法。除此之外，还能举出将高温玻璃料滴压制成型的直压法(例如，参照专利文献I)。在先技术文献专利文献专利文献I :日本国特公平7-29781号公报
发明内容
发明要解决的课题在制造玻璃预型件时，需要以良好精度制作目标透镜的厚度、直径、曲率等很多部位的尺寸。通过研削、研磨制造复杂形状的玻璃预型件的情况下，尺寸容易产生偏差，会出现作为玻璃预型件最重要的特性的体积精度发生变动的问题。此外，在以研磨制造的情况下，侧面会残留研削面，会从此处产生玻璃粉等粉尘，有可能对透镜的镜面品质产生影响。此外，在压制时，会出现该研削面波及透镜有效面的情况，导致不合格。此外，该方法工序复杂，且由于研削、研磨而使得废弃玻璃增加，因此，在成本和环境方面都存在问题。在利用手动压力机制作玻璃预型件的情况下，需要在压制模具上涂敷脱模剂。脱模剂容易附着在玻璃上，压制后，为了除去脱模剂，需要进行研磨。在该情况下，会产生与上述利用研削、研磨的方法同样的问题。在利用直压法的制造方法中，由于高温玻璃料滴与低温模具接触，因此，只有玻璃料滴与模具接触的部分发生急冷，变形不充分，表面容易产生褶皱。此外，向模具供给玻璃料滴时，在切断玻璃料滴时会产生切痕，存在需要压制后通过研磨除去该切痕的问题。本发明就是为了解决上述课题而做出，其目的在于，提供具有高体积精度、表面品质优异且成本低的玻璃预型件。解决课题的手段本发明人等进行深入研究后，结果发现利用对玻璃块实施了特定工艺的玻璃预型件，能够解决上述课题，从而作为本发明提出。S卩，本发明涉及一种玻璃预型件，其特征在于，由玻璃块的模压成型体得到，且表面未经研磨。由于本发明的玻璃预型件通过使用模具的模压成型而制造，因此，即使在玻璃表面形成非球面等复杂形状的情况 下，尺寸偏差也很小(体积精度优异)。且能够省略模压成型后的研削和研磨工序，因此表面精度高(例如，通过研磨等造成的线状槽很少)。此外，本发明的玻璃预型件与现有的直压法制造的玻璃预型件不同，不会有表面的褶皱或切痕等不良状况，因此表面品质优异。因此，将该玻璃预型件压制成型而得到的透镜，几乎不会产生光学图像散乱的问题。此外，由于不存在由研削面或研磨面产生的玻璃粉等粉尘问题，因此，能够消除起因于该粉尘的生产率差的问题。第二，本发明的玻璃预型件的特征在于，具有选自两面凸形、两面凹形、弯月形、平凸形和平凹形中的任一种形状的透镜近似形状。这样，由于玻璃预型件具有与作为目标的透镜形状近似的形状，由此能够降低模压成型时的玻璃变形量。因此，能够以良好精度得到具有期望形状的透镜。第三，本发明的玻璃预型件的特征在于，光学有效面呈非球面形状。使用光学有效面为非球面形状的玻璃预型件，则在制造非球面透镜时，压制成型时的玻璃的变形量很小即可，因此，存在着利于缩短压制成型的时间和提高尺寸精度的优点。第四，本发明的玻璃预型件的特征在于，玻璃块的玻璃化温度在700°C以下。通过使用具有700°C以下这样较低玻璃化温度的玻璃块，将使得模压成型变得容易，易于实现本发明的玻璃预型件。第五，本发明的玻璃预型件的特征在于，玻璃预型件表面转印有来自压制模具的粗糙面。第六，本发明的玻璃预型件的特征在于，在光学有效面以外的部位，转印来自压制模具的粗糙面。使用该特征的玻璃预型件进行模压成型，制造的透镜在光学有效面以外的部位(例如，透镜的侧面部)也易于形成粗糙面。由此，能够实现利用该粗糙面，通过晕散(’ 7> )使光扩散，或易于粘合涂敷在透镜侧面的用于防止外部光侵入的黑色涂装，因此为优选。第七，本发明的玻璃预型件的特征在于，光学有效面和侧面部的交界部分呈凸曲面状。在玻璃预型件中，当光学有效面和侧面部的交界部分形成例如棱状角部时，从外部施加冲击时，施加在该角部的应力增大，有可能破损。即使微小的破损也会使得体积精度恶化，破损的玻璃片形成粉尘，成为玻璃预型件的品质恶化的原因。需要说明的是，也考虑了通过倒角加工除去角部的方法，但采用该方法的情况下，工序数目增加，因此生产效率低、成本上升。此外，还导致玻璃预型件的体积精度降低。第八，本发明的玻璃预型件的特征在于，表面形成有压缩应力层。当玻璃预型件的表面形成有压缩应力层时，则由于表面和内部的压缩应力差强化了玻璃预型件，能够降低处理时的破损。第九，本发明涉及一种透镜，其特征在于，由上述任一种玻璃预型件模压成型而得到。第十，本发明的透镜的特征在于，在光学有效面以外的部位转印来自压制模具的粗糙面。第^^一，本发明涉及一种玻璃预型件的制造方法，其特征在于，包括将熔融玻璃成型，以制造规定形状的玻璃块的工序；和使用至少具有凹部或凸部的模具，将该玻璃块模压成型的工序。第十二，本发明的玻璃预型件的制造方法的特征在于，在模压成型前，还包括对玻璃块进行加热，以使其粘度为109dPa s以下的工序。在冷轧中，在模具上放置玻璃块，将玻璃块和模具同时加热，直至温度上升到玻璃 块的软化点附近，进行压制成型，每次压制成型都需要玻璃块和模具的加热和冷却，压制成型需要很长时间。另一方面，在本发明的玻璃预型件的制造方法中，在模压成型前，预先对玻璃块进行加热使其达到规定粘度，因此能够大幅度缩短压制成型所需时间。发明效果本发明的玻璃预型件，由于即使在玻璃表面形成复杂形状的情况下，体积精度也很优异，能够省略模压成型后的研削工序和研磨工序，表面精度高，并且由于不会发生褶皱、切痕等不利情况，因此表面品质优异，能实现显著的效果。因此，由该玻璃预型件压制成型得到的透镜，几乎不会发生光学图像的晕散。并且，由于本发明的玻璃预型件能够省略模压成型后的研削工序和研磨工序，因此由废弃玻璃带来的成本和环境方面的问题也得到了解决。
图I为本发明玻璃预型件的实施方式的侧视图。(a)表示两面凸形状的玻璃预型件，(b)表示两面凹形状的玻璃预型件，(C)表示弯月形状的玻璃预型件，(d)表示平凸形状的玻璃预型件，(e)表示平凹形状的玻璃预型件。符号说明I玻璃预型件L光学有效面S侧面部B交界部分
具体实施例方式本发明的玻璃预型件的特征在于，由玻璃块模压成型得到，并且在模压成型后不进行研磨处理。玻璃块的形状没有特别限定，当为椭圆形状、大致球状时，易于得到具有期望形状的玻璃预型件，因此为优选。本发明的玻璃预型件的形状没有特别限定，优选为选自两面凸形、两面凹形、弯月形、平凸形和平凹形中的任一种形状的透镜近似形状。可根据目标透镜形状，选择适当的玻璃预型件的形状。
图I表示本发明的玻璃预型件的实施方式。(a)表示两面凸形状的玻璃预型件，(b)表示两面凹形状的玻璃预型件，(c)表示弯月形状的玻璃预型件，(d)表示平凸形状的玻璃预型件，(e)表示平凹形状的玻璃预型件。需要说明的是，如上所述，本发明的玻璃预型件模压成型得到的透镜，优选在光学有效面以外的部位(例如，透镜的侧面部)形成来自压制模具的粗糙面。在此，在玻璃预型件中，也可以在光学有效面以外的部位形成来自压制模具的粗糙面，由此，能够容易制作形成有期望的粗糙面的透镜。在此形成的粗糙面，由于是模具表面形成的通过研磨等粗糙面能够在模压成型时转印到玻璃表面的粗糙面，因此通过点状或线状的突起部来形成。另一方面，在通过研磨形成玻璃预型件的粗糙面的情况下，形成凹状点或凹状线。例如，在图I的各玻璃预型件I中，也可以在侧面部S形成粗糙面。需要说明的是，侧面部S可以为曲面形状。优选玻璃预型件的光学有效面为非球面形状。作为非球面形状，例如能够举出纵 剖面形状为2次曲线的形状。具体而言，光学有效面部分的光轴与3轴正交XYZ坐标系的Z轴一致时，通常可举出下述通式(I)表示的形状。在此，k为决定2次曲线的形状的圆锥曲线系数，c为中心曲率(R为中心曲率半径)。h2 = x2+y2C = 士(I)
Ch2z =-7.............
l + Vl-(k + l) c2h2光学有效面在式(I)表示的玻璃预型件中，通过使圆锥曲线系数k满足-I <k< 0，特别是满足-I < k < -0. 7的范围，则形状为旋转椭圆面的非球面形状。为了易于进行模压成型，玻璃块的玻璃化温度优选在700°C以下，更优选为650°C以下，进一步优选为640°C以下，特别优选为630°C以下。玻璃预型件的光学有效面L和侧面部S的交界部分B优选为凸曲面状。凸曲面的曲率半径优选为10 ii m以上，更优选为100 ii m以上，进一步优选为500 y m以上，特别优选为Imm以上。凸曲面的曲率半径过小，从外部施加冲击时，在交界部分B的应力过大，有可能造成破损。交界部分B通过例如玻璃预型件的模压成型时的模具的形状，能够形成凸曲面状。玻璃预型件的表面优选形成压缩应力层。压缩应力层中的压缩应力优选为0. IMPa以上，更优选为IMPa以上，进一步优选为IOMPa以上，特别优选为40MPa以上。当压缩应力过小时，除去时容易破坏。玻璃块的材质没有特别限定，例如，可举出SiO2-B2O3系玻璃、B2O3-ZnO-La2O3系玻璃、TeO2-B2O3-WO3-La2O3系玻璃等。其中，所谓“ 系玻璃”是指含有该成分作为必需成分的玻璃。另外，本发明的玻璃预型件会有在表面形成粗糙面，即形成点状或线状突起部的情况。其是模具表面形成的研磨伤等在模压成型时能够转印到玻璃表面的部分，也可以说是通过模压成型制造的玻璃预型件的特征。突起部的形状为线状时，线宽为0. 001 10 ilm，突起高度为0.001 5iim。在其形状为点状时，直径为0. 001 lOym，高度为0.OOl 5 i! m。光学有效面存在的突起部优选为小突起部，其线宽和直径优选在2 i! m以下，更优选在I U m以下，进一步优选在0. 5 y m以下。来自压制模具的粗糙面优选转印到玻璃预型件的光学有效面以外。接着，说明本发明的玻璃预型件的制造方法。首先，将调配为具有期望的组成的玻璃原料熔融，形成熔融玻璃。接着，将熔融玻璃成型为玻璃坯，得到玻璃材料。接着，将得到的玻璃材料切断、研磨，制作规定形状(例如，大致球状)的玻璃块。在模压成型前，优选使用电炉等预先加热玻璃块，玻璃块的加热，优选在使玻璃的粘度为109dPa s以下、更优选为107 6dPa s以下、进一步优选为106 5dPa s以下，特别优选为105 4dPa*s以下的温度下进行。当玻璃粘度过高时，模压成型所需时间有加长的可能。另一方面，当玻璃粘度过低时，玻璃预型件成为高温，模具也同时成为高温，容易促进劣化。接着将经过加热的玻璃块填充到加热至玻璃的软化点附近的至少具有凹部或凸部的模具内，施加压力进行模压成型，直至形成期望的形状。在此，为了防止模具的氧化带来的劣 化，模压成型时的气氛优选为真空或非氧化性气氛。作为非氧化性气体，可以举出例如氢等还原性气体，或者氮、氩等不活泼气体。其中，由于易于处理，且成本低廉，优选为使用氮气。模压成型后，自然冷却至室温，得到规定形状的玻璃预型件。需要说明的是，除了上述制法以外，玻璃块还可以采用将熔融玻璃滴落到倒立圆锥形的成型模具上进行冷却的同时，成型为球状或椭球状等大致球状的玻璃块。此时，滴加成型的玻璃一次冷却到室温，并再次加热到使玻璃的粘度为109dPa s以下的温度，以用于模压成型。除此之外，还可以采用在滴加成型的玻璃的冷却过程中，在玻璃粘度达到109dPa s的温度的时刻，转移至模具，以用于模压成型的方法。通过使用本发明的玻璃预型件进行模压成型，能够得到透镜。在此，模压成型的方法没有特别限定，可举出与玻璃预型件的制造方法中所采用的上述模压成型相同的方法。作为压制模具的材料，可采用SUS类、碳化物等超硬金属；Co系材料、碳系材料等。在需要脱模膜的情况下，可使用Pt等贵金属系、DLC等碳系、氮化物系脱模膜。实施例以下，基于实施例详细说明本发明，但本发明不限于这些实施例。实施例I将玻璃原料调配为SiO2-B2O3系组成，使用钼坩埚，在1300°C下熔融2小时。熔融后，将玻璃熔液成形为坯状，进行退火。对所得坯料进行玻璃化温度的测定，结果为500°C。将坯料切割为规定的尺寸并进行研磨，制作具有镜面的球状的玻璃块。在电炉内将玻璃块加热至使粘度为105 3dPa*s的温度附近，填充到加热至使玻璃粘度为101(l 3dPa*S的温度附近的形成为弯月形状的模具内，在氮气气氛下，施加压力进行模压成型，直至形成为规定的形状。在模压成型后，自然冷却至室温，得到如图1(c)所示的弯月形状的玻璃预型件。制作而得的玻璃预型件的形状、尺寸如下所述。外径20.Omm厚度(中心部):3. Omm曲率半径I (凹面)-20. Omm
曲率半径2 (凸面)-30. Omm曲率半径3 (交界部分)700 ii m以同样的操作步骤制作10个玻璃预型件，测定体积偏差，结果在±0. 1%以内。需要说明的是，玻璃预型件表面的压缩应力层中的压缩应力为48MPa。压缩应力的测定通过光弹性法进行。 所得玻璃预型件的表面为镜面，不存在切痕或褶皱等表面起伏。此外，玻璃预型件的表面形成有起因于模具的研磨轨迹的线状的突起。其线宽为0. 5iim、高度为0. liim。由于与侧面接触的模具表面为镜面，因此，所得玻璃预型件的侧面部分也为镜面。使用所得到的玻璃预型件，按照与上述同样的方法，进行模压成型，得到弯月形状的透镜。此时，不会发生模压成型时的填充不足或裂纹。此外，所得透镜的侧面部分也为镜面。实施例2将玻璃原料调配为SiO2-B2O3系组成并使之熔融，从喷嘴将玻璃熔液滴加到倒立圆锥形状的模具上并冷却，成型为椭球形。将所得到的椭球状玻璃块在电炉内加热到使粘度为104 8dPa *s的温度附近，填充到加热至使玻璃粘度为108 6dPa *s的温度附近的形成为两面凸形状的模具内，在氮气气氛下，施加压力进行模压成型，直至形成为规定的形状。模压成型后，自然冷却至室温，得到如图1(a)所示的两面凸形状的玻璃预型件。未发生模压成型时的填充不足或破裂、玻璃和模具的熔融等不利情况。制作的玻璃预型件的形状、尺寸如下所述。外径25.Omm厚度(中心部):5. Omm曲率半径I (凹面)50. 0_曲率半径2 (凸面)-50. Omm曲率半径3 (交界部分)1400iim以同样的操作步骤制作10个玻璃预型件，测定体积偏差，结果在±1%以内。需要说明的是，玻璃预型件表面的压缩应力层中的压缩应力为12MPa。所得玻璃预型件的表面为镜面，不存在切痕或褶皱等表面起伏。此外，玻璃预型件的表面形成有起因于模具的研磨轨迹的线状突起。其线宽为0. liim、高度为0.05iim。由于与侧面接触的模具表面为粗糙面，因此，所得玻璃预型件的侧面部分也为粗糙面。形成粗糙面的线状痕迹为模压导致的模具面被转印而的得的痕迹，呈凸形。使用所得到的玻璃预型件，按照与上述同样的方法，进行模压成型，得到两面凸形状的透镜。此时，不会发生模压成型时的填充不足或破裂。此外，所得透镜的侧面部分也为粗糙面。实施例3使用实施例I所得玻璃块，除了将玻璃块在电炉内加热到使玻璃粘度为104 6dPa s的温度附近以外，按照与实施例I同样的条件进行模压成型，制作玻璃预型件。此时，表面形成非球面形状，使用对应于光学有效面的部位加工为非球面形状的模具。制作的玻璃预型件的形状、尺寸如下所述。外径20.Omm
厚度(中心部)3. Omm曲率半径I (凹面)_20. Omm曲率半径2 (凸面)-30. Omm圆锥曲线系数k -0. 790以同样的操作步骤制作10个玻璃预型件，测定体积偏差，结果在±1%以内。所得玻璃预型件的表面为镜面，不存在切痕或褶皱等表面起伏。此外，玻璃预型件的表面形成有起因于模具的研磨轨迹的线状突起。其线宽为0. liim、高度为0.05iim。由于与玻璃预型件的侧面接触的模具表面为粗糙面，因此，所得玻璃预型件的侧面部分也为粗糙面。形成粗糙面的线状痕迹为模压导致的模具面被转印而得的痕迹，呈凸形。使用所得到的玻璃预型件，按照与上述同样的方法，进行模压成型，得到非球面弯 月形状的透镜。此时，不会发生模压成型时的填充不足或破裂。此外，所得透镜的侧面部分也为粗糙面。具体并参照特定实施方式对本发明进行了说明，但本领域技术人员均能理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可施加各种各样的变更和修正。本申请基于2010年I月6日提出的日本专利申请(特愿2010-001123)、2010年11月25日提出的日本专利申请(特愿2010-261896)，其内容在此作为参照引入。产业实用性根据本发明，即使在玻璃表面形成复杂形状的情况下，也能实现体积精度优异、表面精度高、其没有褶皱、切痕等不利情况的表面品质优异的玻璃预型件。此外，在本发明的玻璃预型件的制造工艺中，能够省略模压成型后的研削和研磨工序，因此能够解决废弃玻璃造成的成本和环境方面的问题。且本发明的玻璃预型件通过压制成型，能够得到几乎不会发生光学图像晕散的透镜。
权利要求
1.一种玻璃预型件，其特征在于，由玻璃块的模压成型体制成，并且表面未经研磨。
2.如权利要求I所述的玻璃预型件，其特征在于，具有选自两面凸形、两面凹形、弯月形、平凸形和平凹形中的任一种形状的透镜形状。
3.如权利要求I或2所述的玻璃预型件，其特征在于，所述玻璃预型件的光学有效面呈非球面形状。
4.如权利要求I 3中任一项所述的玻璃预型件，其特征在于，所述玻璃块的玻璃化温度在700°C以下。
5.如权利要求I 4中任一项所述的玻璃预型件，其特征在于，玻璃预型件表面转印有来自压制模具的粗糙面。
6.如权利要求I 5中任一项所述的玻璃预型件，其特征在于，在所述光学有效面以外的位置转印来自压制模具的粗糙面。
7.如权利要求I 6中任一项所述的玻璃预型件，其特征在于，所述光学有效面与侧面部的交界部分呈凸曲面状。
8.如权利要求I 7中任一项所述的玻璃预型件，其特征在于，所述玻璃预型件的表面形成有压缩应力层。
9.一种透镜，其特征在于，由权利要求I 8中任一项所述的玻璃预型件模压成型而得到。
10.如权利要求9所述的透镜，其特征在于，在光学有效面以外的位置转印来自压制模具的粗糙面。
11.一种玻璃预型件的制造方法，其特征在于，包括将熔融玻璃成型，制造规定形状的玻璃块的工序；和 使用至少具有凹部或凸部的模具，将该玻璃块模压成型的工序。
12.如权利要求11所述的玻璃预型件的制造方法，其特征在于，包括在模压成型前，对玻璃块进行加热，使玻璃块的粘度为109dPa s以下的工序。
全文摘要
本发明以提供具有高体积精度、表面品质优异且成本低的玻璃预型件为课题。本发明的玻璃预型件的特征在于，由玻璃块的模压成型体制成且表面未经研磨，本发明还涉及玻璃预型件的制造方法，其特征在于，包括将熔融玻璃成型，制造规定形状的玻璃块的工序；和使用至少具有凹部和凸部的模具，将该玻璃块模压成型的工序。
文档编号G02B3/00GK102753491SQ20108006072
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年1月6日
发明者佐藤史雄 申请人:日本电气硝子株式会社