JP2015145316A - ノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に邪魔板を配設したノズルにおいて、溶融ガラス流の滞留を防止し、ガラス成形の歩留まりを向上させるノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明のノズルは、溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させるノズルであって、前記ノズル内に配置される部材を備え、前記部材が、前記ノズル外部に向かって凸となる曲面を有する。また、前記ノズルが前記溶融ガラスの流出位置において、前記溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面が拡張した拡張部を備えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ガラス塊（ガラス成形体ともいう）の製造に用いるノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法に関する。特に、光学ガラス塊の失透を防ぎ、歩留まりを向上させるノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法に関する。

カメラ等の光学機器に用いる非球面レンズは、加熱軟化したプリフォームを、高精度な成形面を備えた金型でプレス成形する精密プレス成形によって製造される。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）が一般に使用される。これらのガラス成形体は、例えば、原料ガラスを坩堝等の溶融装置で溶融し、溶融装置に連結したノズル等から成形型上に流出させ、表面張力を利用してノズル内の溶融ガラスから分離し、ガスを噴出する多孔質型上に流下（滴下）して、浮上成形する。

ノズルから溶融ガラスを流出させる場合、ノズル内でのガラス流の温度、流出量を制御することにより、溶融ガラスをノズルの先端部で表面張力により分離するためである。また、ガラス成形体に生じる脈理や失透等の不良発生を防ぐ必要がある。これは、ノズル内の溶融ガラス流において、ノズルの内壁近傍の温度が低く、断面重心付近が高くなることにより、粘性に差が生じて、流速に差が生じるためである（図４（ａ））。

このようなノズル内の溶融ガラス流の流出速度分布を制御する試みが種々報告されている。例えば、特許文献１及び２には溶融ガラス収容槽と流出先端部との間に溶融ガラスに対して気体を接触させ、且つ気体の圧力を調整する方法が記載されている。また、特許文献３には、ノズル内部の中央部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る方法が記載されている。特許文献４には、流出パイプの途中位置に内径が絞られた絞り部を配置することが記載されている。また、特許文献５には、溶融ガラス収容槽と流出先端部との間に、流出先端部よりも断面積の大きな拡張部を配置することが記載されている。

しかし、これらの方法では、ノズル内の溶融ガラス流の流出速度分布の制御が十分ではなく、ガラス成形体の脈理や失透等の不良が未だ多く、さらなる歩留まりの向上が求められた。

特開昭６３−２９５４４３号公報 特開平３−２２３１２２号公報 特開平８−２６７３７号公報 特開２００３−３０６３３４号公報 特開２００８−１２０６６７号公報

上述した問題を解決すべく、特許文献５には、ノズル内における流路の溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれている部位を有するノズルが記載されている。また、２以上の邪魔板を設けることにより、流れ方向の緩やかな温度傾斜、小さなずれ量、或いは、低いずれ精度でもガラス流速の差異が効果的に減少することが記載されている。

図４を参照する。従来の単純なノズル８００では溶融ガラス流において、ノズルの壁８１０の近傍の溶融ガラス流と断面重心付近の溶融ガラス流とで流速の差が生じるのに対して（図４（ａ））、特許文献５に記載されたノズル（以下、絞り偏芯ノズルという）９００は、ノズル内における流路の溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれるように邪魔板９３０を設けることにより、ノズル９００内の断面中央付近を流れている高温のガラス流は、急激にその進路を曲げられ、ノズル内壁９１０近傍の比較的温度の低いガラス流と混合され、比較的均一な温度分布となる（図４（ｂ））。

しかし、図４（ｃ）に示すように、ノズル９００において、邪魔板９３０近傍での溶融ガラス１０の流れを検討した結果、溶融ガラス流の大部分は混合しながら邪魔板９３０を通過するものの、ノズル内壁９１０に近接する位置を流れる一部の溶融ガラス流が、流れ方向とは逆方向に巻き返されることが明らかとなった。本発明者らが検討した結果、このような溶融ガラス流１０の滞留は、ノズル内壁９１０に近接する位置での温度低下と相俟って、ガラス成形体の失透を引き起こし、歩留まりを低下させる原因となることが明らかとなった。

本発明は、これらの問題を解決するものであって、内部に邪魔板を配設したノズルにおいて、溶融ガラス流の滞留を防止し、ガラス成形の歩留まりを向上させるノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法を提供するものである。

本発明の一実施形態によると、溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させるノズルであって、前記ノズル内に配置される部材を備え、前記部材が、前記ノズル外部に向かって凸となる曲面を有するノズルが提供される。

前記ノズルが前記溶融ガラスの流出位置において、前記溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面が拡張した拡張部を備えてもよい。

前記ノズルにおいて、前記溶融ガラス槽との接続位置から前記溶融ガラスの流出位置までの前記ノズルの長さに対して、前記部材が、前記溶融ガラスの流出位置から０．１％以上５％以下の位置に設けられてもよい。

前記ノズルにおいて、前記部材は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれる開口部を有してもよい。

前記ノズルにおいて、前記部材は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心と一致する開口部を有してもよい。

前記ノズルにおいて、前記部材が、前記溶融ガラスの流出位置から０．１％以上１０％以下の位置に２以上設けられてもよい。

また、本発明の一実施形態によると、ガラス原料を溶融ガラス槽で溶融し、前記溶融ガラス槽に接続された前記何れかに記載のノズルを介して前記溶融ガラスを成形型へ流出させる光学ガラス塊の製造方法が提供される。

本発明によると、内部に邪魔板を配設したノズルにおいて、溶融ガラス流の滞留を防止し、ガラス成形の歩留まりを向上させるノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法を提供が提供される。

本発明の一実施形態に係るノズル１００の模式図である。 本発明の一実施形態に係る光学ガラス塊の製造装置１０００の模式図である。 本発明の一実施形態に係るノズルの模式図である。 従来のノズルの模式図である。

以下に本発明のノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明のノズル及びそのノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るノズル１００の模式図である。また、図２は、溶融ガラス槽５０に接続されたノズル１００を備えた光学ガラス塊の製造装置１０００の模式図である。製造装置１０００は、ノズル１００から流下（滴下）した溶融ガラス１０を受けて成形する成形型７０を備える。

（ノズル）
ノズル１００は、溶融ガラス１０を流出させるノズルであって、ノズル１００内に配置される部材（邪魔板）１３０を備える。なお、本明細書において「ノズル」とは、溶融ガラス１０のガラス流が通過する流路全体を示し、溶融ガラス槽５０との接続位置から溶融ガラス１０の流出位置（流出口）までを含む。一般に、溶融ガラス槽５０側を「パイプ」、流出位置側の先端部を「オリフィス」と称することもあるが、本明細書においては、それら全てを含み、「ノズル」と定義する。部材１３０が、ノズル１００の外部に向かって凸となる曲面を有する。部材１３０とノズル１００の内壁１１０とが、ノズル１００の外部に向かって凸となるＲ形状の曲面を形成する。また、部材１３０は、溶融ガラス１０を流出させる開口部１３５を備える。部材１３０は、ノズル１００の溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面形状と同じ、例えば、円盤状の部材であって、ノズル１００の壁１１０と一体、又は結合した部材である。

本発明においては、ノズル１００の部材１３０とノズル１００の内壁１１０とが、ノズル１００の外部、即ち、溶融ガラス流出方向に対して凸となるＲ形状の曲面を形成することにより、溶融ガラス流の逆方向への巻き返しを抑制し、溶融ガラス１０の滞留を抑制することができる。本発明において、Ｒ形状は、溶融ガラス１０の滞留を抑制できる範囲で、ノズル１００の内径、開口部１３５の開口面積、溶融ガラス１０の粘度、流速や流量等の諸条件に基づいて決定することができる。Ｒ形状は、例えば、Ｒ＝０．１以上５０以下の曲率半径となるように設定することができる。

部材１３０に設けられた開口部１３５は、溶融ガラス１０を流出させることができれば、その形状は特に限定されない。図３に示すように、例えば、円形の開口部であってもよい。一実施形態において、ノズル１００は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれる開口部１３５を有する部材１３０を備える。開口部１３５の開口面積は、部材１３０による溶融ガラス１０の十分な混合を得られ、且つ溶融ガラス１０の滞留が抑制される範囲で任意に設定可能である。ノズル１００の内径、開口部１３５の開口面積、溶融ガラス１０の粘度、流速や流量等の諸条件にも依存するが、例えば、部材１３０の面積の１％以上９８％以下である。

一実施形態において、部材１３０は、溶融ガラス槽５０との接続位置から溶融ガラスの流出位置までのノズルの長さに対して、溶融ガラスの流出位置から０．１％以上５％以下の位置に設けられる。溶融ガラスの流出位置から５％を超える位置に設けると、一旦混合された溶融ガラス１０が、流出位置に到達するまでに、ノズル１００内の断面中央付近を流れている溶融ガラス流と、ノズル１００の壁１１０の近傍の溶融ガラス流との温度差が大きくなり、本発明の効果を得ることができない。また、溶融ガラスの流出位置から０．１％未満の位置に設けると、開口部１３５を通過した溶融ガラス１０が内壁１１０の開口部１３５側に偏り、好ましくない。

また、一実施形態において、ノズル１００は、溶融ガラスの流出位置において、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面が拡張した拡張部１５０を備える。ノズル１００は拡張部１５０を備えることにより、溶融ガラス１０をノズル１００の先端部で表面張力により分離するのに効果的である。

また、一実施形態において、ノズル１００の溶融ガラスの流出位置（流出口）には、加熱手段９０を設け、加熱することにより、ノズル１００の壁１１０の近傍の溶融ガラス流の温度を調整してもよい。加熱手段９０としては、例えば、高周波加熱コイルやバーナー等の公知の加熱手段を用いることができる。

本実施形態に係るノズル１００は、これらの構成を備えることにより、溶融ガラス流の逆方向への巻き返しを抑制し、溶融ガラス１０の滞留を抑制することができる。また、溶融ガラス１０が部材１３０により混合され、ノズル１００内の断面中央付近を流れている溶融ガラス流と、ノズル１００の壁１１０の近傍の溶融ガラス流との温度差を低減し、温度分布がより均質化した溶融ガラス１０を、表面張力を利用してノズル１００内の溶融ガラスから分離し、成形型５０に流下することができる。

（溶融ガラス槽）
溶融ガラス槽５０は、ガラス原料を溶融する槽であって、加熱手段９０により溶融ガラス槽５０に熱を供給することにより、ガラス原料を溶融する坩堝である。本発明において、溶融ガラス槽５０は特に限定されるものではなく、公知のものを用いることができる。また、加熱手段９０も特に限定されるものではなく、公知のものを用いることができる。

（成形型）
成形型７０は、ノズル１００から流下する溶融ガラス１０を受け、成形する型である。成形型７０は特に限定されるものではなく、公知のものを用いることができる。成形型７０は、例えば、ガスを噴出する多孔質型であって、ノズル１００から流下する溶融ガラス１０を浮上成形することもできるが、これに限定されるものではない。成形型７０に流下した溶融ガラス１０は成形されるとともに冷却され、ガラス成形体３０を得ることができる。

本発明に係るノズル１００、溶融ガラス槽５０及び成形型７０の材質は、ガラスの溶融工程に使用される公知の材質を用いることができ、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、又は石英を用いることができる。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、又はＳｉＣなどのセラミックを成膜した白金を使用してもよい。

（ノズルの変形例）
本発明に係るノズルは、上述したノズル１００に限定されるものではない。以下に本発明に係るノズルの変形例を示す。図３は、本発明の一実施形態に係るノズルの模式図である。上述したノズル１００は、円盤状の部材であって、部材１３０が、ノズル１００の外部に向かって凸となる曲面を有し、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれる開口部１３５を有する。

本発明の一実施形態に係るノズル２００は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心と一致する開口部２３５を有する部材２３０を壁２１０に設けた点でノズル１００とは異なる。

また、ノズル１００及びノズル２００は、部材を１つ設けた構成として説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、ノズル３００のように、溶融ガラスの流出位置から０．１％以上１０％以下の位置に２以上を所定の間隔を於いて設けてもよい。一例として、ノズル３００においては、壁３１０に部材３３１及び３３３を有する構成を示す。ノズル３００においては、ノズル１００のように、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれる構成として示したが、ノズル２００のように、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心と一致する構成であってもよい。部材を複数段設けることにより、溶融ガラス１０の混合効率を向上させることができる。

一方、ノズル１００〜３００においては、円盤状の部材を設けた形態として説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、ノズル外部に向かって凸となる曲面を有していれば、ノズル４００に示したような開口部４３５に向かって凸形状のリング状の部材４３０であってもよい。また、リング状の部材４３０と壁４１０とのなす曲率半径を大きくして、なだらかな絞り部を形成してもよい。

（光学ガラス塊の製造方法）
上述したノズルを用いて光学ガラス塊を製造する方法を以下に説明する。図２を参照する。ガラス原料を溶融ガラス槽５０で溶融する。本発明において製造される光学ガラス塊（ガラス成形体３０）は、例えば、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であるが、これに限定されるものではない。

加熱手段９０により溶融ガラス槽５０で溶融された溶融ガラス１０は、溶融ガラス槽５０に接続されたノズル（例えば、ノズル１００）を介して、成形型７０へ流出される。この時、溶融ガラス１０は、部材１３０により混合され、ノズル１００内の断面中央付近を流れている溶融ガラス流と、ノズル１００の壁１１０の近傍の溶融ガラス流との温度差を低減し、温度分布がより均質化した溶融ガラス１０を、表面張力を利用してノズル１００内の溶融ガラスから分離される。

成形型７０に流下された溶融ガラス１０は冷却されて固化し、ガラス成形体３０を得ることができる。本発明に係る光学ガラス塊の製造方法を用いることにより、部材とノズル内壁との近傍で生じる溶融ガラス流の滞留を防止し、ガラス成形の歩留まりを向上させることができる。

上述した本発明に係るノズルを用いた光学ガラス塊の製造方法の詳細について、具体例を挙げて以下に説明する。

（実施例）
本発明に係る実施例として、上述したノズル１００を備えた製造装置を用いた。ガラス原料として、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（L-LAH85V）を用い、１０４０℃に制御した坩堝にて溶融した。坩堝に接続されたノズル１００を介して溶融ガラスを流出口から流出させ、ガスを噴出する多孔質ステンレス製の成形型を用いて、浮上成形した。

ノズル１００として、白金製ノズルを使用した。ノズル１００の内径は４ｍｍ（断面積１２．５６ｍｍ^２）で、流出口の拡張部１５０は２０ｍｍである。溶融ガラス槽５０との接続位置から溶融ガラスの流出口までのノズルの長さは３ｍである。ノズル１００内の部材１３０は、流出口から５ｍｍの位置に設けられ、部材１３０の厚さは２ｍｍであった。開口部１３５の開口面積は０．２ｍｍ^２であった。

なお、ノズル１００の流出口側は誘導加熱により約１０２０℃に維持した。この時の溶融ガラス１０の流出量は毎分３ｇであった。

成形型５０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、溶融ガラス１０を浮上した状態で受け、冷却して固化し、ガラス成形体を得た。

得られた本実施例に係るガラス成形体を目視で観察したところ、失透及び脈理などの光学欠陥は認められず、光学素子成形用プリフォームとして高品質のガラス成形体であった。また、この時に歩留まりは、６０〜７０％であった。

（比較例）
比較例として、図４（ｂ）に示した部材が、ノズルの外部に向かって凸となる曲面を備えていない従来の邪魔板を２枚設けた絞り偏芯ノズル９００を用いて、実施例と同様の方法でガラス成形体を製造した。得られた比較例のガラス成形体を目視で観察したところ、失透及び脈理などの光学欠陥が実施例よりも多く観察された。この時に歩留まりは、３７〜５４％であった。

以上の結果から、本発明に係るノズルを用いることにより、溶融ガラス流の滞留を防止し、ガラス成形の歩留まりを向上できることが示された。

１０：溶融ガラス、３０：ガラス成形体、５０：溶融ガラス槽、７０：成形型、９０：加熱手段、１００：ノズル、１１０：壁、１３０：部材、１３５：開口部、１５０：拡張部、２００：ノズル、２３０：部材、２３５：開口部、３００：ノズル、３３１：部材、３３３：部材、３３５：開口部、４００：ノズル、４３０：部材、４３５：開口部、８００：ノズル、８１０：壁、９００：ノズル、９１０：壁、９３０：邪魔板、１０００：製造装置

Claims (7)

1. 溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させるノズルであって、
   前記ノズル内に配置される部材を備え、
   前記部材が、前記ノズル外部に向かって凸となる曲面を有することを特徴とするノズル。
2. 前記ノズルが前記溶融ガラスの流出位置において、前記溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面が拡張した拡張部を備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 前記溶融ガラス槽との接続位置から前記溶融ガラスの流出位置までの前記ノズルの長さに対して、前記部材が、前記溶融ガラスの流出位置から０．１％以上５％以下の位置に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズル。
4. 前記部材は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心に対してずれる開口部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のノズル。
5. 前記部材は、溶融ガラス流出方向に対して垂直な断面重心が、上流側の断面重心と一致する開口部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のノズル。
6. 前記部材が、前記溶融ガラスの流出位置から０．１％以上１０％以下の位置に２以上設けられることを特徴とする請求項４又は５に記載のノズル。
7. ガラス原料を溶融ガラス槽で溶融し、
   前記溶融ガラス槽に接続された請求項１乃至６の何れか一に記載のノズルを介して前記溶融ガラスを成形型へ流出させることを特徴とする光学ガラス塊の製造方法。

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