JP2008297173A - ガラス流路及びその流路を使用した光学ガラス成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形条件の選定が非常に難しい近年の高屈折ガラスあるいは低Ｔｇガラスのガラス塊を、簡単かつ高品質に得るための流路を提供する。
【解決手段】溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、その内壁に溶融ガラス流の流れを制御するための溝を有することを特徴とする前記流路。前記溝がガラス流の進行方向を軸としてらせん状に形成されていることを特徴とする前記流路。前記溝が非連続的に複数形成されており、かつその形状、方向が不規則であることを特徴とする前記流路。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定量の光学ガラス成形体を製造する技術に関する。

近年、デジタルカメラやプロジェクタなどの光学機器の分野においては、小型化、軽量化が要求され、それに伴い、使用レンズ枚数を減らすことができる非球面レンズの需要が増加している。

通常、光学系を構成するレンズには一般に球面レンズと非球面レンズがある。多くの球面レンズは、ガラス材料をリヒートプレス成形して得られたガラス成形品を研削研磨することによって製造される。一方、非球面レンズは、加熱軟化したプリフォームを、高精度な成形面をもつ金型でプレス成形し、金型の高精度な成形面の形状をプリフォーム材に転写して得る方法、すなわち、精密プレス成形によって製造されることが主流となっている。

精密プレス成形用プリフォームとしては、球形、楕円球又は扁平状ガラス成形体（ガラスゴブ）が使用されることが多いが、これらは、原料ガラスを坩堝等の溶融装置で溶融した後、溶融装置に連結されたノズル等から成形型上に流出させ、板状ガラスや棒状ガラス等に成形し、それらをさらに冷間加工することにより製造することができる。

また、近年では、ノズル等の流路から流出する溶融ガラスを、シャーにより切断して、或いは表面張力を利用して分離し、例えばガスを噴出する多孔質型上に流下（滴下）させ、浮上成形させることにより、適当な大きさ及び形状のガラスゴブに調整する技術が用いられる。ただし前者ではシャーによる切断の痕跡がガラスゴブに残ることがあるため、近年ではもっぱら後者が用いられることが多い。

上記のいずれの手段においても、流路からガラスを流出させる場合、そのガラス流の温度、流出量を制御するため、或いは成形の際に生じる脈理、失透等の不良発生を防ぐため、そのノズルについては様々な形状が考案されてきた。近年、光学ガラスの高屈折率化に伴う液相温度の高温化及び／又は粘度の低粘性化、あるいは低Ｔｇ化に伴う粘度の低粘性化に対応すべく様々な手法が考案されてきたが、十分には対応し切れていないのが現状である。

特許文献１には、流路本体の径よりも流出口の径を大きくすることにより、例えば流路末端の溶融ガラス流出口をテーパー状に開くことにより、溶融ガラス流を流路流出口により長い時間滞留させ、ガラスの流下のタイミングを遅延制御することができるノズルが記載されている。

特許文献２には、溶融ガラスが溶融装置から流れ始めて、パイプを通過し、流出口から流出する際に、内部に絞りを加えることにより流速分布を一様にさせ、成分が揮発した変質ガラスの滞留を抑え、脈理の発生を防ぐ方法が記載されている。また、絞りによる流量低下を防止するために、絞り部の温度を絞り部以外よりも高温に制御することが記載されている。

特許文献３には、流路の内部に抵抗部材を設けて流路断面の中央を流れるガラス流の流速を低減させ、取得できるガラスゴブの最大重量を増加させる方法が記載されている。

特開平１０−３６１２３号公報 特開２００３−３０６３３４号公報 特開平８−２６７３７号公報

しかし、上記従来の方法は以下のような問題点を有していた。

一般的には、溶融ガラスを、流路を介して溶融槽から流出させ、成形型にて成形する場合には、溶融槽から流出口まで斬次低下させた温度制御を行い、成形に適した温度まで溶融ガラス温度を下げる必要がある。ここで、例えば流出後に、ガラス成分の揮発に由来する脈理が発生することがあるが、この場合には流路制御温度を下げることで対応しなければならない。しかしながら、溶融ガラス流は、すなわち高粘性流体であり、ノズル内の温度は内壁近傍が低く、断面重心付近が高くなる。また、流速分布は内壁面近傍では低く、断面重心付近では高い値を示す。

流路の温度を測定することにより、ガラス流の温度制御を行った場合、流路での測定温度は内壁面近傍のガラス温度をほぼ正確に反映しているものの、ガラス流中心温度（すなわち流路内の流路断面重心付近を通過するガラス流の温度）とは乖離した低い温度を示す。そのため、液相温度が高いガラスでは、ガラス流中心が揮発を生じない温度に低下する以前に、流路温度（流路内壁近傍のガラス温度）は結晶を成長する温度、いわゆる失透温度まで低下してしまい、失透の発生を招くことがある。

特許文献１に記載される流路では、流出口がテーパー状に開き内径が大きくなっているため、内壁面とガラス流中心との温度差および流速差が増大し、上述の傾向がより顕著となる。

特許文献２のような絞りを有する流路を使用した場合、ガラス流の流出速度分布の一様化の効果はあるが、流路断面重心付近の高温のガラス流を取り出すことになるため、流出時に揮発由来の脈理を防止することは困難である。揮発を抑えようと制御温度を下げると、直ちに失透発生・成長を生じやすく、これにより絞り部の流路を塞いでしまい、流出そのものが停止しやすい。実施例では、絞りによる流量低下を抑制するために、絞り部の温度を絞り部以外よりも高温に設定しており、近年の高屈折率ガラスの製造に適した方法ではないことが明らかである。

特許文献３に記載される流路は、内部の中央に設けた抵抗部材によって中央部の溶融ガラスの流下速度を遅延させており、流出速度の速度分布の一様化は成されるものの、熱容量の小さい貴金属を主成分とする小さな抵抗部材では、直ちに高温のガラス流中心温度になってしまう。そのため、ガラス流中心温度を下げる効果は得られず、揮発由来の脈理の抑制効果はない。また、特許文献３中の図３のように支持部材を用いて抵抗部材を固定する必要があり、白金等の貴金属を主成分とするガラス流出用流路として加工するのは極めて困難である。また、特許文献３の請求項４にはルツボ底部に複数の流路が設けられ、当該複数の流路の各々の先端部は、互いに連結されることにより一つの流路口を構成していることを特徴としているが、複数流路の各々の中心で高温のガラス流が発生し、流下するガラス流中心温度を低下させる効果は得られない。これらのような複雑な構造を適用すると、ガラスの温度、粘度、濡れ、密度及び液圧に適応するための構造の変更が極めて困難なため、流速や温度分布も複雑化するため、その点においても、より単純な構造が求められていた。

本発明では、通常、中央付近の流速が大きくなる傾向があるガラス流路において、そのガラス流の攪拌効果を高めることにより、温度分布を均一化し、脈理や失透の発生を低減させる。そして、その結果として、成形条件の選定が非常に難しい近年の高屈折ガラスあるいは低Ｔｇガラスのガラス塊を、簡単かつ高品質に得るための流路を提供するものである。さらに、従来のガラスにおいても、簡単かつ短距離での制御を可能とし、装置の小型化が可能な流路を提供することを目的とする。

本発明者は、流路の内壁に溝を設けることにより、ガラス流の攪拌効果を高め、温度・流速分布を均一化させることに加え、所望の温度・流速分布を得ることを可能とし、結果として脈理等の不利益を抑えることができることを見出し、上記課題を解決するに至った。

本発明の第１の構成は、溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、その内壁に溶融ガラス流の流れを制御するための溝が形成されていることを特徴とする前記流路である。

本発明の第２の構成は、前記溝がガラス流の進行方向を軸としてらせん状に形成されていることを特徴とする前記構成１の流路である。

本発明の第３の構成は、前記溝が非連続的に複数形成されており、かつその形状、方向が不規則であることを特徴とする前記構成１の流路である。

本発明の第４の構成は、ガラス原料を溶融槽にて溶融し、溶融槽に接続されたノズルを介して溶融ガラスを成形型へ流出させガラス成形体を成形することを含むガラス成形体の製造方法であって、溶融ガラスを、前記構成１〜３の流路を通過させることにより流路内で攪拌させる工程を含む前記製造方法である。

以下、本発明の流路について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

本発明において「流路」とは、溶融ガラスを溶融及び／又は保持する溶融槽に接続され、溶融ガラスを型（例えば成形型）に流出させる際の、ガラス流が通過する流路全体及び流出口を含む概念である。つまり、いわゆるパイプ、オリフィス、ノズルを包括する概念である。

通常、流路の温度制御は流路も種々の方法により加熱されるが、流路を流れる溶融ガラスの温度分布は、流路の断面重心（流路断面が略円形の場合は、その中心）付近が最も高く、そのため流速も大きい。前述のように、本発明では流路内壁に溝を設けることにより、局地的にガラス流の流動方向を変え、その結果としてガラス流が混ざり合い、かかる温度分布及び流速分布のギャップを緩和しようとするものである。

図１は本発明の流路を表す一例である。図１に示すように、流路１の内壁には溝２が設けられておりその設置方法は特に限定されるものではない。切削加工により形成されることが最も簡便である。

溝２の形状は特に限定するものではなく、直線又は曲線のいずれでもよい。本発明において、溝２の形状はガラス流の流れを変化させ種々の態様の流れを決定付ける働きがある。そしてかかる流れを形成させることにより、ガラス流同士の熱交換を活発化させ、温度分布を、より均一に近くすることにより、流出されるガラスの脈理や失透を減少させることができる。ガラス流の温度分布の均一化という観点から、螺旋形状でもよいし或いはその形状、方向が非連続的かつ不規則に複数の溝２が配置されることが好ましい。その形状、方向が不規則

溝の断面は特に限定するものでは無く、長方形、半円等の種々の形状を有することができる。また、その深さは特に制限するものではないが、深すぎると流路自体の機械的強度を低下させやすく、好ましくない。また、浅すぎると溝によって流れを変化させる効果が乏しくなり、本発明の目的をしにくくなる。従って、流路に形成される溝の深さは、好ましくは流路壁の厚さの５０％以下、より好ましくは４５％以下、最も好ましくは４０％以下であり、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、最も好ましくは２０％以上である。

さらに、溶融ガラス流の拡販効果は、溝の深さと流路内径との関係にも大きくされる。具体的には流路半径の４５％以下、より好ましくは４０％以下、最も好ましくは３５％以下であり、かつ好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、最も好ましくは２０％以上であれば、効率的な拡販効果を得やすくなる。

流路の深さは常に一定である必要は無く、場所によってその深さを適宜変化させることができる。

溝の設置位置は特に限定するものではないが、各位置は、ガラスの熱伝導率、熱容量、流路径、流量、所望の温度／温度分布等を勘案しながら決定される。流路１の全長にも当然に依存するが、あまり上流すぎると溝に起因する攪拌効果により温度が均一化されても、流れが進行するに従い新たな温度分布を形成しやすくなり、結局、本発明において期待する効果が得にくくなる。したがって、好ましくは流路全長に対し下流側５０％、より好ましくは下流側４５％、最も好ましくは下流側４０％までの範囲に、前記溝を有する。また、場合によっては流路の最下端（すなわち、流路出口）近傍に設けられていてもよい。

本発明の流路１は、流路１自体及び／又は外部からの付加手段による加熱及び／又は冷却を妨げるものではない。流路１自体の加熱手段としては、流路に直接通電させることによる公知の加熱方法が使用できるし、外部からの付加手段としてはガスバーナー、電熱式ヒーター、赤外線放射、高周波加熱などの公知の手法を適宜使用してよい。さらに、ガラス流出口付近をリングバーナー等で覆い、保温することにより、失透、脈理等の不良をいっそう抑えることができる。

本発明の流路を使用したガラスの成形手段は特に制限されるものではない。光学ガラスの成形としては、成形型にガラス流として連続的に流出させ、板状或いは棒状ガラス等に連続成形してもよいし、シャー又は表面張力によりガラスゴブを分離し、多孔質型上にて浮上成形させることによりガラスゴブを成形するものでもよい。

本発明の流路１の材質は、通常、ガラスの溶融工程に使用される材質を使用することができ、例えば白金、強化白金、金、強化金、ロジウム、その他貴金属及びそれらの合金、或いは石英が使用できる。また、公知の手法によりメッキされた材質、例えば内面を金メッキ、あるいはＳｉＣなどのセラミックを成膜した白金を使用しても良い。

本発明は、流路１の内部構造を規定するものであるから、流路流出口付近の雰囲気を適宜変更しても良い。例えば窒素雰囲気、アルゴン等の不活性ガス雰囲気にしてもよい。また場合によっては、加熱雰囲気にて流路流出口を覆ってもよい。

以下、本発明の具体的な実施例を示す

（実施例１）
本実施例においては、光学ガラスを白金坩堝にて溶融させ、坩堝に接続された流路を介して溶融ガラスをその末端の流出口から流出させ、ガスを噴出するタングステンカーバイド製多孔質成形型上にて浮上成形させ、精密プレス成形用プリフォームとして使用するためのガラスゴブを取得した。

流路としては前述の図１と同じ形状の強化白金流路を使用した。ここで、流路内径は３ｍｍ（断面積７．０７ｍｍ^２）で、流出口は６ｍｍまで拡開している。流路全長、すなわち坩堝の出口から流路末端の流出口までの長さは２ｍであった。流路壁の厚みは３ｍｍであった。

流路内の溝は、流出口末端から５００ｍｍの間の地点に螺旋形状に形成された。当該溝は切削加工により内壁中に形成させたものであり、それぞれの深さは約０．５ｍｍであった。

受け型は、多孔質ステンレスで作られ、その受面から空気を噴出している状態で、溶融ガラスを受けることにより、受け型から浮上した状態で溶融ガラスを受け、ガラスゴブを得た。

使用したガラスは、酸化ホウ素及び酸化ランタンを主成分とする光学ガラスを溶融した。坩堝は約１２００℃に保たれ、流出パイプは通電加熱により約１１００℃に保たれた。流出口からは、溶融ガラスを液滴状に分離している状態にした。この時の溶融ガラスの流出量は毎分８０ｇであった。

このガラスゴブには、失透及び脈理などの光学欠陥を目視で観察したところ、そのような不良は発見できず、光学素子成形用プリフォームとして使用できる高品質のガラスゴブであった。

本発明の流路全体図

符号の説明

１ 流路
２ 溝

Claims (4)

1. 溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、その内壁に溶融ガラス流の流れを制御するための溝を有することを特徴とする前記流路。
2. 前記溝がガラス流の進行方向を軸としてらせん状に形成されていることを特徴とする請求項１の流路。
3. 前記溝が非連続的に複数形成されており、かつその形状、方向が不規則であることを特徴とする請求項１の流路。
4. ガラス原料を溶融槽にて溶融し、溶融槽に接続されたノズルを介して溶融ガラスを成形型へ流出させガラス成形体を成形することを含むガラス成形体の製造方法であって、溶融ガラスを、請求項１〜３のいずれかの流路を通過させることにより流路内で攪拌させる工程を含む前記製造方法。

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