JP2007145627A

JP2007145627A - 液滴状ガラスに適したガラス

Info

Publication number: JP2007145627A
Application number: JP2005340274A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Mori; 登史晴森; Akio Ogaki; 昭男大垣; Yoshihiro Kamata; 善浩釜田
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US20070142200A1

Abstract

【課題】熔融タンクのノズルから液滴状ガラスを間欠的且つ規則的に滴下させることに適したガラスを提供する。
【解決手段】本発明のガラスは、ガラスの液相温度での粘性をガラスの液相温度で除した値を粘性指数（Ａ）と定義するとき、当該粘性指数（Ａ）が、０．０００４〜１．５の範囲に存するという特性を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノズルから流出した熔融ガラスから液滴状ガラスを容易に作製することのできるガラスに関し、また、液滴状ガラスから作製されるガラスプリフォーム及び光学ガラス素子に関する。

レンズやプリズム等の光学ガラス素子といったガラス物品を精密成形する場合、重力によって熔融タンクのノズルから液滴状に自然落下したガラス液滴を用いることが検討されている。

図１の（１）に示したように、熔融タンク１のノズル２から流出した熔融ガラス１０の粘性が柔らかすぎる（すなわち粘度が低い）と、水道水のように熔融ガラス流１０が連続的に流出するので、一定の体積を持ったガラス液滴を形成することができない。

逆に、図１の（２）に示したように、熔融タンク１のノズル２から流出する熔融ガラス１０の粘性が固すぎる（すなわち粘度が高い）と、ブレードやシャーと呼ばれる切断手段５で熔融ガラス流１０を切断しないとガラス液滴を形成することができない。しかしながら、この場合、シャーマークと呼ばれる欠陥が、得られたガラス液滴に含まれてしまう。

ところで、熔融ガラス流を受け金型で受け止めて、熔融ガラス流の先端部分が乗った受け金型を高速で降下させることによって、熔融ガラス流を分離・切断する方法が開示されている。（例えば、特許文献１を参照のこと）。

上記特許文献１の表１には、液相温度及びガラス粘性を含む、実験に使用したガラスの熱的物性や粘性や作業条件に関する記載が存在する。しかしながら、特許文献１の表１において、実験に使用した熔融ガラスの熱的物性及び粘性状態が実験的データとして開示されているだけであり、それら数値の持っている技術的意味合いに関する記載は一切無い。
特開平０８−２７７１２０号公報

したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、熔融タンクのノズルから液滴状ガラスを間欠的且つ規則的に滴下させることに適したガラスを提供することである。

課題を解決するための手段および作用・効果

上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、以下のガラスが提供される。

すなわち、本発明に係るガラスは、ガラスの液相温度での粘性をガラスの液相温度で除した値を粘性指数（Ａ）と定義するとき、当該粘性指数（Ａ）が、０．０００４〜１．５の範囲に存するという特性を有することを特徴とする。

ガラスの液相温度での粘性とガラスの液相温度との関係を規定した粘性指数（Ａ）が０．０００４〜１．５の範囲に存するガラスは、重力によって熔融タンクのノズルから自然落下するとき、一定体積を有して間欠的且つ規則的に供給される液滴状ガラスになることを、本願発明者は見出したのである。ここで、液相温度とは、結晶が成長する温度の上限、すなわち失透温度の上限を意味している。

粘性指数（Ａ）が０．０００４より小さいと、熔融ガラスの粘性が柔らかすぎるために連続的な熔融ガラス流となって一定の体積を持ったガラス液滴を形成することができなくなる。また、粘性指数（Ａ）が１．５より大きいと、熔融ガラスの粘性が固すぎて、何らかの切断手段で熔融ガラス流を切断しなければならなくなる。

本願発明は、様々なガラス製造分野で使用可能であるが、レンズやプリズムのような光学素子として用いるときには、前記特性を有するガラスが、酸化物ガラス又はフッ化物ガラスであることが好ましい。

また、本発明に係るガラスプリフォームは、粘性指数（Ａ）が０．０００４〜１．５の範囲に存する特性を有するガラスの液滴を受け金型で受け止めることによって作製されたことを特徴とする。

液滴状に作製されたガラスプリフォームには、シャーマーク等の欠陥が存在しないので、シャーマーク等の欠陥を除去する後加工工程が不要となり、ガラスプリフォームの低コスト化を図ることができる。

また、本発明に係る光学ガラス素子は、粘性指数（Ａ）が０．０００４〜１．５の範囲に存する特性を有するガラスの液滴を受け金型で受け止めることによって作製されたガラスプリフォームを金型でさらにプレス成形することによって作製されたことを特徴とする。

このようにして作製された光学ガラス素子は、シャーマーク等の欠陥の存在しない安価なプリフォームを用いることができるので、光学ガラス素子の低コスト化を図ることができる。

図１は、熔融ガラス１０の粘性と、熔融タンク１のノズル２から流出する熔融ガラス１０の流出状態との関係を模式的に説明する図である。（１）は熔融ガラスの粘性が柔らかすぎる従来のガラスを、（２）は熔融ガラスの粘性が固すぎる従来のガラスを、（３）は本発明に係るガラスを、それぞれ示している。図２は、熔融ガラス１０の温度と熔融ガラス１０の粘性との関係を説明する図である。なお、図１において、従来技術に係る構成要素と本発明に係る構成要素とが同じものについては、同じ参照符号を付している。

図１の（３）に示すように、ガラスゴブ１４を製造するための装置は、ガラスを溶融する熔融タンク１と、熔融タンク１の底部に設けられていて溶融ガラスを外部に導くノズル２、ノズル２の先端部で形成されて自然落下した液滴状ガラス１２を受け止める受け金型２０と、から基本的に構成される。

熔融タンク１は、溶融ガラス１０を均質化するための撹拌棒を備えている。様々な材質の溶融ガラスが適用可能であるが、後述するように、所定の粘性指数（Ａ）を持ったガラスが液滴化に適している。また、例えば、光学ガラスとして使用される場合には、酸化物ガラスやフッ化物ガラスといった材質のものが適用可能である。

熔融タンク１およびノズル２の温度は、加熱ヒータにより所定の温度に保持される。液滴状ガラス１２の滴下間隔は、概ね一定である。液滴状ガラス１２の滴下経路の途中に設けられた一対の発光部及び受光部からなる滴下センサによって液滴状ガラス１２の通過を検出し、検出した信号を制御部に送り、加熱ヒータにフィードバックさせることにより、さらに正確に滴下間隔を制御することができる。なお、滴下間隔は加熱ヒータのバランスにより任意に設定できる。安定な滴下のためには１〜２０秒間隔程度が好ましい。

１個のガラス液滴の重量は、ノズル２の先端部の形状により決定される。失透がなく、内部品質が良好で、安定した重量の液滴状ガラス１２を得るためにはノズル先端の内径φ０.１ｍｍ以上φ１ｍｍ以下、好ましくはφ０.３ｍｍ〜φ０.８ｍｍであり、外径がφ２ｍｍ〜φ１５ｍｍ、好ましくはφ５ｍｍ〜φ１５ｍｍであることが望ましい。この範囲のノズル径とした場合０.２〜１.５ｇの液滴状ガラス１２が得られる。ノズル内径が小さすぎると得られる液滴状ガラス１２の滴下間隔が長くなりガラスゴブ１４の作製の際の滞留時間が長くなり好ましくない。ノズル内径をこれ以上大きくするとガラスの表面張力よりも流出するガラスが勝って層流になりやすいので液滴状ガラス１２が得にくくなる。ノズル外径が小さすぎると得られる液滴状ガラス１２が小さくなりガラスゴブ１４の作製の際の滞留時間が長くなり好ましくない。ノズル外径をこれ以上大きくするとしてもガラスの表面張力を利用しているため自然落下で得られる液滴状ガラス１２の重量の増加はほとんどみられない。なお、ノズル２の先端部の形状は、好ましい実施形態を例示するものであって、上記のものに限定されるものではないことを付け加えておく。

熔融タンクおよびノズルを加熱するためには、ヒータ、高周波コイルあるいは赤外線ランプ等を用いることもできる。特に、１０００℃以上の高温に加熱する場合には、高周波加熱が有効である。

以上のように厳密に温度制御された条件下でノズル先端部から熔融ガラス流１０を流出させると、熔融ガラス流１０の先端部分が所定の重量の液滴状ガラス１２に成長すると、液滴状ガラス１２の自重で自然落下する。自然落下した液滴状ガラス１２は、受け金型２０の凹面状の成形面２２の上でガラスゴブ１４として受け止められる。受け金型２０は、好適には、ノズル２より１０乃至５０ｃｍ下方に配置されている。

受け金型２０の温度は、室温であってもよく、特に温度制御を要しない。しかしながら、受け金型２０の温度が低すぎる場合にはガラスゴブ１４にシワが発生しやすくなるため、加熱手段による高温制御が有効である。具体的には溶融ガラスとの反応を防止するためガラス転移点（Ｔｇ）付近で制御を行う。またノズル先端部を窒素、アルゴン等の非酸化性ガスで満たした密閉部とすれば、ガラスゴブ１４と受け金型２０との反応は減少し、さらに高温での受け渡しが可能となる。

受け金型２０としては、セラミック、超硬合金、カーボン、金属等のものが使用可能であるが、熱伝導率がよくガラスとの反応性が低い点を考慮するとカーボン、セラミックが好ましい。

熔融ガラス１０が自らの粘性及び重量によって液滴状に切断されているので、得られたガラスゴブ１４にはシャーマーク(切断痕)が無い。また、脈理や失透がなく、しかも重量安定性のあるガラスゴブが得られる。

次に、図２を参照しながら、熔融ガラス１０の温度と熔融ガラス１０の粘性との関係を説明する。

図２において、（１）は熔融ガラスの粘性が柔らかすぎる従来のガラスを、（２）は熔融ガラスの粘性が固すぎる従来のガラスを、（３）は本発明に係るガラスを、それぞれ示している。図２において、〇印は該当するガラスの液相温度（すなわち失透領域温度の上限）を示している。この〇印より低温側では、失透領域に入ることを示している。

（１）の従来ガラスは、低温度から高温度まで広い範囲で柔らかい粘性特性を備えており、蛇口から流出する水道水のように、熔融ガラスが連続的な層流になって液滴状にはならない。液滴になるように熔融ガラスの粘性を高くするためにノズル温度を下げると、熔融ガラスの温度が液相温度以下になって失透現象が起こってしまう。

逆に、（２）の従来ガラスは、高温度でも固い粘性特性を備えており、ブレードやシャーと呼ばれる切断手段で熔融ガラス流を切断しないとガラス液滴を形成することができない。熔融タンク１及びノズル２の温度を非常に高い温度まで上げてやらなければ適切な粘性にはならないので、（２）の従来ガラスは、熔融タンク１等の耐熱性や耐久性に問題を生じさせる。

これらの従来ガラスに対して、（３）の本発明に係るガラスは、液滴形成に適した温度−粘性曲線を描いており、熔融ガラスの温度及び粘性と、熔融ガラスの液滴性との間に何らかの関係があると考えて、様々なガラスを作製して、それらの温度及び粘性と、熔融ガラスの液滴作製の可否との関係を調べた。

＜実施例＞
表１に示したような様々なガラスを作製して、それらの温度及び粘性と、熔融ガラスの液滴性との関係を調べた。なお、表１において、ガラスＡ乃至Ｇは本発明に係るガラスであり、ガラスα及びβは比較例としての従来ガラスである。

熔融炉において、１２００℃乃至１４００℃の温度で、白金るつぼを用いてガラスを熔融した。熔融したガラスを−１００℃／時間で所定の温度まで降温させ、所定の温度で１２時間保持した。その後、ガラスを鋳型に流し込んで室温まで冷却し、ガラス内部に失透（結晶）が確認できない温度を液相温度とした。このとき、オリンパス製の光学顕微鏡ＢＸ５０で倍率１００倍で、ガラス内部を観察した。また、アドバンステスト社製の高温粘性測定装置ＴＶＢ−２０Ｈ型粘度計を用いて、ガラスの粘性を測定した。

液相温度でのガラス粘性をその液相温度で除した値を粘性指数Ａと定義し、当該粘性指数Ａを算出した。そして、ガラスＡ乃至Ｇ（本発明のガラス）及びガラスα，β（比較例のガラス）の各ガラスを、図１に示したガラスゴブ１４の製造装置の熔融タンク１に投入して、液滴状の熔融ガラス１２が作製できるか否かについて調べた。

表１から明らかなように、粘性指数Ａが０．０００４乃至１．５の範囲にあるガラスＡ乃至Ｇは、いずれも、間欠的且つ規則的に自然落下する液滴状ガラス１２を作製することができた。これに対して、粘性指数Ａが０．０００４乃至１．５の範囲から外れたガラスαは、粘性が柔らかすぎて液滴が形成されなかった。また、ガラスβは、粘性が固すぎて液滴が形成されなかった。

このようにして得られた液滴状ガラス１２は、セラミックス製の受け金型２０の凹面形状の成形面２２で受け止められる。受け金型２０は、ガラス転移点付近の温度に加熱されている。受け金型２０内で受け止められた液滴状ガラス１２は、上面が自由表面であり下面が成形面２２を転写したガラスゴブ１４となる。このようにして作製されたガラスゴブ１４には、シャーマーク等の欠陥が存在しなかった。したがって、シャーマーク等の欠陥を除去する後加工工程が不要となり、ガラスゴブ１４の低コスト化を図ることができた。

このようにして得られたガラスゴブ１４は、いったん室温まで冷却したあと、再度加熱して再加熱成形用のプリフォームとして使用することができた。

さらに、受け金型２０で受け止められた直後の高温状態にあるガラスゴブ１４に対して上金型でプレス成形することによって、シャーマーク等の面欠陥の無いレンズやプリズム等の光学ガラス素子を作製することができた。受け金型２０に保持されたガラスゴブ１４を別の下金型に置き換えて、シャーマーク等の面欠陥の無いレンズやプリズム等の光学ガラス素子を一対の上金型及び下金型でプレス成形することもできた。

なお、上記実施形態では、受け金型２０で受け止めた液滴状ガラスを冷却してプリフォームを作成したが、受け金型２０で受け止めた液滴状ガラスが固くなる前にプレス成形して光学ガラス素子を作成してもよい。

ガラスの粘性と、ノズルからのガラスの流出状態との関係を模式的に説明する図である。（１）は粘性が柔らかすぎる従来のガラスを、（２）は粘性が固すぎる従来のガラスを、（３）は本発明に係るガラスを、それぞれ示している。ガラスの温度と粘性との関係を説明する図である。

符号の説明

１：熔融タンク
２：ノズル
５：切断手段
１０：熔融ガラス
１２：液滴状ガラス
１４：ガラスゴブ
２０：受け金型
２２：成形面

Claims

ガラスの液相温度での粘性をガラスの液相温度で除した値を粘性指数（Ａ）と定義するとき、
当該粘性指数（Ａ）が、０．０００４〜１．５の範囲に存するという特性を有することを特徴とする、液滴状ガラスに適したガラス。
前記特性を有するガラスが、酸化物ガラス又はフッ化物ガラスであることを特徴とする、請求項１記載のガラス。
請求項１記載の特性を有するガラスの液滴を金型で受け止めることによって作製されたことを特徴とするガラスプリフォーム。
請求項１記載の特性を有するガラスの液滴を金型で受け止めることによって作製されたガラスプリフォームを金型でさらにプレス成形することによって作製されたことを特徴とする光学ガラス素子。