專利名稱：：光學元件的成型方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及光學元件的成形方法，其中玻璃料加熱至軟化，隨后在模具中模壓成形?，F(xiàn)時，已發(fā)展了一種光學元件的成形方法，其中光學元件的玻璃料(如預成形到有一定程度的表面精度及外形的玻璃坯料)放在具有預定表面精度的模具中，加熱進行模壓得到具有高精度的光學作用表面的光學元件，不需要進行磨削及拋光等后處理。一般，在這種模壓成形方法中，上下模垂直設置成相互相對以便在金屬?？蛑谢瑒?。要成形的玻璃料放入上模、下模及模框所限定的腔中，上下模及模框加熱至適合于模壓的溫度，也就是根據(jù)材料，與玻璃料的粘度為108至1012分泊相當?shù)臏囟龋S后合模，并對玻璃料加壓適當?shù)臅r間，使模元件的成形面的形狀轉(zhuǎn)移至玻璃料的表面。在該情形下，成形時，環(huán)境是氮氣之類的非氧化氣氛以便防止模元件的氧化。隨后，模具元件冷地到足夠接近要成形的玻璃料的轉(zhuǎn)變溫度，隨后打開模具，釋放模壓壓力，取出成形的光學元件。在放入模具中以前，要成形的玻璃料也可以預熱到適當?shù)臏囟?，或在加熱到適宜于成形的溫度后，再把玻璃料放入模具中。另外，可進行連續(xù)成形，按這樣一種方式，把要成形的玻璃料及模具元件一起傳送到壓機中，在預定位置分別加熱，并用壓機模壓，或再進一步冷卻。這些方法可加速成形過程。上述的模壓光學元件的方法已在US3833347，US3844755，日本專利中請公開58-84134及其它一些文件中公開，其中玻璃料預先放入模具中，隨后加熱模具元件及玻璃料成為一種等溫狀態(tài)，在一定溫度下完成模壓成形。另外，日本專利申請公開59-203732和62-27334等公開了一種方法，其中加熱到適合于模壓溫度的玻璃料轉(zhuǎn)移到模具中，模具溫度保持在低于玻璃料溫度的溫度。但是，上述的現(xiàn)有技術方法包括下列問題。首先，在日本專利申請公開58-84134等公開的方法中，當玻璃料預先放入到模具中，模具元件及玻璃料加熱到等熱狀態(tài)，模壓溫度的合適范圍要相應于玻璃粘度為109至109.5分泊(dpas)。這是因為當溫度低于相應于玻璃粘度為109.5分泊的溫度值，玻璃碎裂，或在模壓中要長時間進行變形，因此這種溫度沒有實際生產(chǎn)力，另一方面，當溫度高于相應于玻璃粘度為109分泊的溫度值，會產(chǎn)生如在模具表面上的熔接或在轉(zhuǎn)移表面上的模糊不清等差的狀態(tài)。因此，一般模壓的時間約30秒至10分，周期變得相當長，因為在通過加壓使玻璃料變形完成后，玻璃料要冷到外形不會改變的一溫度范圍，隨后從模具中脫出。另外，日本專利申請公開59-203732公開的方法中，玻璃料放在一夾具中，加熱到溫度相應于粘度為105.5至107分泊的溫度值，并用溫度比玻璃溫度低100℃的模具元件加熱。但是，在玻璃料放在夾具中加熱到上述溫度的情況下會發(fā)生下面的問題。成形時玻璃會變形成不合適的形狀，使氣體殘留在模壓的表面上，或者夾具突入玻璃中，使光學元件不能達到要求的精度，或者當加熱的玻璃料轉(zhuǎn)送入模具中時，玻璃溫度降低使得不可能進行模壓成形。另外，由于夾具夾持的玻璃料的周邊部分與夾具接觸，其表面變粗糙，難以用作光學作用表面。另外，由于玻璃在放在夾具中的狀態(tài)加壓，難以定位，成形零件會出現(xiàn)毛刺。還有，成形零件會粘到夾具上，因此難以從模具中取出。根據(jù)產(chǎn)品形狀，對于凸透鏡的情形，更增加了困難。另外，在日本專利中請公開62-27334的方法中，玻璃料加熱到溫度相應于粘度為106至108分泊，而模具元件定成Tg-(Tg-200℃)，其中Tg是轉(zhuǎn)變溫度，但是由于模具元件的溫度太低，模壓時玻璃溫度迅速降低，結(jié)果不可能得到成形零件要求的精度，并且不能得到預定的厚度的模制件，玻璃會碎裂，及在玻璃中溫度分布不同，因而成形零件表面起皺。另外，如上述已知實例中，會發(fā)生在玻璃料放在夾具中的狀態(tài)進行模壓的這些問題。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術的光學元件成形方法存在的問題，提供一種光學元件成形方法，可避免成形的玻璃產(chǎn)品中的裂紋及模壓失效，還可縮短周期，并可在理想條件下進行模壓而達到經(jīng)濟性。為實現(xiàn)本發(fā)明上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種光學元件的成形方法，其中一定重量的玻璃料放入模具中，隨后加熱，軟化并用模具加壓，玻璃料加熱到粘度為105至107分泊，并在模溫相應于玻璃料粘度為109至1010分泊的模具中模壓成形。規(guī)定玻璃粘度范圍的理由如下。當玻璃料溫度超過相應粘度為105分泊的溫度，在加熱時玻璃料變形成為不適宜模壓的形狀，或緊跟著在模壓開始后，中部溫度及表面溫度差相當大，達到凹下的記號不會移去的程度，因此不能得到外形精度。另一方面，當溫度相當粘度為107分泊后，在模壓時玻璃溫度降低很大，使得變形不會產(chǎn)生預定厚度，不能得到外形精度。當模具元件溫度超過相應于要成形的玻璃料的粘度為109分泊的溫度，在模具元件及玻璃成形面之間的熔接發(fā)生。另一方面，當沒有達到溫度相應于玻璃料粘度為1011分泊的溫度時，模壓時玻璃溫度迅速下降太多，結(jié)果不能得到成形零件要求的精度，另外，不可能模壓到預定厚度，玻璃碎裂，由于迅速的溫降使玻璃中溫度分布改變，在成形產(chǎn)品的表面產(chǎn)生起皺。因此，通過把溫度設在上述溫度條件可解決上述問題。更具體地，可在不同位置把一定重量的玻璃料預熱至比相應玻璃料粘度為1011分泊的溫度低的溫度，隨后放入模具中，因此用來加熱玻璃料需要的時間縮短。但是，如果預熱至溫度超過玻璃的屈服點(1011分泊)，在預熱中夾具突入玻璃中，或當玻璃料放入模具中時傳遞元件突入玻璃中，結(jié)果使玻璃料的表面變差。另外，在玻璃料模壓中，在玻璃料開始變形的同時開始冷卻模具元件，使得成形周期比完成變形后開始冷卻模具的一般情況能進一步縮短。在本發(fā)明中，模具的溫度在相當于玻璃料粘度為109至1011分泊的溫度的范圍內(nèi)，在該范圍在109分泊附近的情形下，如果模壓溫度相應于粘度為105至107分泊的溫度的玻璃料，并保持長時間，會發(fā)生與模具元件成形表面的熔接，但是在模壓開始的同時開始冷卻模具元件，可防止熔接。另外，在模壓玻璃料時，玻璃料在5秒內(nèi)從開始變形到模壓成預定厚度，因此可得到滿意的外形精度。如果由于壓機低的負載等引起到完成變形需要多于5秒，那么玻璃溫度降低很多，使得不可能變形到預定厚度。另外，成形的玻璃在壓力下冷卻直到內(nèi)部粘度達到1011至1013分泊，隨后從模具中取出，因而可得到高精度的光學元件。也就是說，在具有小直徑的透鏡的情形下，即使在高于相應于粘度為1011分泊的溫度下從模中取出，仍可得到外形精度。另一方面，對于大直徑的透鏡，當玻璃在相應粘度為1011至1013的溫度模壓，隨后冷卻及從模中取出，可得到較高的外形精度。按照本發(fā)明，不用夾持玻璃料的夾具，因此沒有毛刺及與夾具粘結(jié)的問題。下面通過附圖及實施例詳細說明本發(fā)明，附圖中圖1是用于實施本發(fā)明一個實施例的成形方法用的一個裝置的一個實例的示意圖；圖2是示出在模壓后，圖1裝置的狀態(tài)的視圖；圖3是考慮第一實施例的一種條件，用來說明模具及玻璃溫度變化的曲線圖；圖4是考慮在第一實施例另一種條件，用來說明模具及玻璃溫度變化的曲線圖；圖5是說明現(xiàn)有技術的成形方法中模具及玻璃溫度變化的曲線圖；圖6是說明第二實施例的模具及玻璃溫度變化的曲線圖；圖7是實施本發(fā)明第三實施例的成形方法的裝置的示意圖；圖8是示出在模壓后圖7裝置的狀態(tài)的示意圖；和圖9是考慮第三實施例的一種條件，用來說明模子及玻璃溫度變化的曲線圖。第一實施例在圖1中示意地示出實施本發(fā)明成形方法用的一個裝置。該裝置設有一上模1，一下模2，有孔的?？?，模具加熱器4，玻璃加熱器5，把玻璃材料6放入模中及從模中取出成形產(chǎn)品的吸手7，及用來在放入模中前預熱玻璃材料9的預熱座8。另外，圖2示出光學元件已成形后的狀態(tài)，其中標號10代表成形產(chǎn)品。圖1所示的模壓裝置是放在成形室(未示出)的N2氣氛中。在該實施例的一個具體實例中，為了成形一透鏡，用SK12(nd＝1.58313，vd＝59.4，Tg＝506℃，At＝538℃)作玻璃料，并模壓制造一個直徑為12mm，中部厚度為7mm的玻璃球坯(玻璃塊)。在該情形下，成形產(chǎn)品是由上述玻璃料制的雙凸鏡，其尺寸為R1＝16.45mm，R2＝16.86mm，中部厚度＝4.5mm，光束有效直徑＝Φ12.5mm，外徑＝Φ15mm。SK12的溫度與粘度的關系示于表1。表1<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="874">粘度分泊1051061071081091010101110121013溫度℃720677642612584557535516500</table></tables>圖3示出考慮該實施例中的一種條件，模具及玻璃的溫度變化。在成形過程中，一定重量的玻璃料6首先用吸手放入下模2中。這時，上，下模1，2的溫度為500℃。接著，把加熱器5放在上下模1，2之間，在玻璃料6的附近，快速加熱玻璃料。在放入玻璃料的同時，在17秒后，模溫升到535℃(相當粘度1011分泊)。當玻璃料6的中部溫度達到642℃(相當粘度107分泊)，縮回加熱器，隨后以100kg負荷降下上模1進行模壓。在開始變形后，把玻璃料6壓到預定厚度需要時間是4秒。另外，在壓制開始同時，模具以1℃/秒的速度冷卻，當35秒后溫度達到500℃，升起上模1，從模中取出玻璃料。當表面加壓時，玻璃已冷到模具的溫度，而中部稍后冷卻，在15秒后，中部溫度與表面溫度一致。成形的光學元件有好的外形精度，表面等高線圖的數(shù)目就牛頓環(huán)而言只是1。在從模中脫開后，取出成形產(chǎn)品，隨后加進新的玻璃料，繼續(xù)進行成形操作。在連續(xù)成形中一周期為80秒。圖4示出考慮另一種條件，模具和玻璃的溫度變化。模壓的條件是模溫為584℃(相當粘度109分泊)，玻璃溫度為720℃(相當粘度105分泊)，在535℃下從模中取出。在該情形下，一周期是98秒。另外，表2示出通過改變模具和玻璃的溫度進行的成形試驗得到的結(jié)果。表2從上述結(jié)果可了解到當玻璃溫度相當于粘度105-107分泊，而模具溫度相當于粘度109-1011分泊，可得到優(yōu)良的光學元件。第二實施例成形裝置與第一實施例的相同，但是在不同的條件下進行試驗，檢驗了試驗結(jié)果。在該情形下，用圖1的預熱座，玻璃料預先加熱到535℃(相當粘度1011分泊)，隨后放入模中。另外，在壓制過程中，下一份玻璃料預熱，這樣避免預熱使周期延長，可實現(xiàn)連續(xù)成形。圖6示出該實施例的一個具體實例中模具及玻璃的溫度變化。預熱到535℃的玻璃材料加到溫度為500的模具中，把加熱器5插到模具中加熱玻璃。同時，在17秒后，模具加熱到535℃，而玻璃溫度在642℃。在該狀態(tài)，在100kg的模壓壓力進行模壓。從變形開始到把玻璃料壓到預定厚度需要的時間為4秒。另外，在壓制開始的同時，模具以1℃/秒的速度冷卻，在35秒后達到500℃時，升起上模1，以模中取出玻璃料。這樣成形的光學元件顯示有優(yōu)良的外形精度表面的等高線圖數(shù)就牛頓環(huán)而言為1。另外，周期是65秒，與在同樣條件下不經(jīng)預熱進行橫壓的第一實施例比，縮短了15秒。表3示出在同樣溫度條件下改變壓制壓力進行模壓得到的成型結(jié)果。表3從上述結(jié)果可了解到如果試圖變形大于5秒，玻璃溫度相當?shù)?，因此難以變形到預定厚度。第三實施例圖7示出用來實施本發(fā)明第三實施例用的裝置的示意圖。裝置設有一上模11，一下模12，?？?3，模具加熱器14，玻璃加熱器15。標號16表示玻璃料。另外，圖8示出光學元件成形后的狀態(tài)，其中標號17為成形產(chǎn)品。作為成形透鏡的材料，使用Lak12(nd＝1.66910，vd＝55.4，Tg＝530℃，At＝562℃)，使用該玻璃料制造一單面凹形玻璃坯，直徑為12.7mm，中部厚度為6mm。在該情形下，使用上述玻璃材料制成了雙凹透鏡，R1＝17。58mm，R2＝37.377mm，中部厚度＝1.3mm，光束有效直徑＝12.5mm，外徑＝Φ14mm。表4示出了Lak12的溫度與粘度的關系。表4圖9示出考慮該實施例的一種條件的模具和玻璃的溫度變化。在成形過程中，在預熱座上預熱到513℃(相當粘度1013)的玻璃料放入535℃的模中，隨后插入加熱器15加熱玻璃料。同時，模具溫度升到549℃(相當粘度1011分泊)，當玻璃溫度達到636℃(相當粘度107分泊)，抽出加熱器15，隨后，以壓制壓力80kg降下上模對玻璃料加壓。另外在開始壓制的同時，模具以1℃/秒速度冷卻，當15秒后模溫達到535℃，升起上模11，把玻璃料從模中取出。在玻璃表面受壓時，玻璃溫度達到模溫，而厚的部分較慢冷卻，在14秒后，其溫度與表面溫度一致。成形的光學元件17具有良好的外形精度就牛頓環(huán)而言，表面的等高線圖數(shù)目為1.5。另外，在從模中脫開后，可取出該成形產(chǎn)品，及放入新的玻璃料，因此實現(xiàn)了連續(xù)成形。周期的時間為38秒。表5示出了改變模溫及玻璃溫度得到的成形結(jié)果表5從上述結(jié)果可以了解到當玻璃粘度相當105至107分泊及模具溫度相當玻璃粘度為109-1011分泊可得到優(yōu)良的光學元件。比較實施例使用包括與第一實施例相同的模具的裝置，用現(xiàn)有技術的成形方法作為比較實例。圖5示出了在現(xiàn)有技術實例中模溫及玻璃溫度的變化。當模溫為500℃，玻璃料(SK12)放入模具中。在放入后42秒后，模溫及玻璃溫度分別達到584℃(相當玻璃粘度為109分泊)，降下上模對玻璃加壓。在該情形下，直到變形完成需要65秒。隨后，以1℃/秒速度冷卻模具，在84秒后模溫達到500℃，升起上模，從模具中脫開玻璃。在從模中脫開后，取出玻璃產(chǎn)品，隨后把一塊新玻璃料放入模中，進行連續(xù)成形。周期為204秒，與本發(fā)明實施例中的周期相比，該周期相當長。如上所述，在本發(fā)明方法中，一定重量的玻璃料放入模具中，加熱至軟化，并在模中壓制得到光學元件，玻璃料加熱至粘度為105至107分泊，用加熱至溫度相當玻璃的粘度為109至1011分泊的模具壓制。在比現(xiàn)有技術的方法更短的時間中可模壓出有優(yōu)良質(zhì)量的光學元件，因而改善了經(jīng)濟性。權利要求1.一種光學元件的成形方法，其中一定重量的玻璃料放入模具中，隨后加熱，軟化并用模具加壓，所述的方法包括下列步驟加熱所述的玻璃料使得所述的玻璃料的粘度為105至107分泊，和用模溫相當于玻璃料粘度為109至1010分泊的所述的模具對所述的玻璃料進行模壓。2.按照權利要求1的方法，其特征在于還包括如下步驟把所述的一定重量的玻璃料預熱至比相應粘度為1011分泊的溫度低的溫度；和把所述的玻璃料放入模具中，把所述的玻璃料加熱至一預定的溫度使所述的玻璃料軟化，并用所述的模具進行模壓。3.按照權利要求1的方法，其特征在于在模壓時，在所述的玻璃料開始變形的同時開始冷卻所述的模具。4.按照權利要求1的方法，其特征在于在模壓時從所述的玻璃料開始變形5秒內(nèi)，所述的玻璃料被壓到預定的厚度。5.按照權利要求1的方法，其特征在于在模壓中從所述的玻璃料開始變形5秒內(nèi)，所述的玻璃料被壓到預定的厚度，并且隨后在壓制壓力下冷卻直到所述的成形的玻璃內(nèi)部粘度達到1011至1013分泊，隨后從所述的模具中取出。全文摘要一種光學元件的成型方法,其中一定重量的玻璃料放入模具中,隨后加熱到軟化并用模具加壓成型光學元件。加熱玻璃料到粘度為10文檔編號C03B11/00GK1178199SQ9610927公開日1998年4月8日申請日期1996年8月2日優(yōu)先權日1995年8月4日發(fā)明者山本潔,野村剛,宮崎直,真重雅志申請人:佳能株式會社