JP3685485B2 - 球状ガラスの製造方法、プレス成形用プリフォームの製造方法及びプレス成形品の製造方法 - Google Patents
球状ガラスの製造方法、プレス成形用プリフォームの製造方法及びプレス成形品の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は球状ガラスの製造方法に関し、特に光学ガラス素子をプレス成形によって製造する際に用いられる球状ガラスを溶融ガラスから直接成形する製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、非球面ガラスレンズ等の製造法として成形型による高精度熱間プレス成形技術が開発され発展をとげている。本成形に用いる球状の成形予備体(以下、球状のプリフォームと言う)には、ミリグラム単位の重量精度が要求され、かつ用途上、脈理、デビ、傷、泡などの欠陥や洗浄で除去できない表面付着物の存在は許されない。
【０００３】
このような球状のプリフォームを安価に量産する方法としては、特開平２−１４８３９号公報の方法が知られている。本方法では、ラッパ状を呈する凹部と、この凹部の中央部下方に開口するようにして選択的に設けられた細孔とを有する成形型を用い、被成形物である溶融ガラス塊が前記凹部の内面と実質的に非接触の状態となるように前記細孔から空気、不活性ガス等の気体を吹き出しながら前記溶融ガラス塊を前記成形型の凹部に受け、かつ、前記溶融ガラス塊と前記凹部の内面とが実質的に非接触の状態となるように前記細孔から空気、不活性ガス等の気体を吹き出しながら前記溶融ガラス塊を成形する。本方法によれば、溶融ガラスが実質的に浮上状態で成形されるため、表面品質の良好なプリフォームを得ることができる。また本方法では、溶融ガラスを自然滴下または切断刃で切断することによって溶融ガラスを落下させるため、実用レベルの重量精度を得ることも可能となる。
【０００４】
また特開平２−１４８３９号公報に記載の方法において、さらに溶融ガラスの切断方法を改善したものとして、特開平５−１４７９４９号公報に記載の方法が知られている。本方法では、流出パイプから流下した溶融ガラスを、流出パイプの下方に配置した受部によって受け、その後、前記溶融ガラスを表面張力によって、流下する溶融ガラスから切断分離して溶融ガラス塊とし、これを気体を吹き出している成形型の凹部に移し球ガラスを成形する方法が記載されている。また前記受け部は成形型の上面で前記凹部の上部や周囲に設けられている。特開平２−１４８３９号公報と特開平５−１４７９４９号公報に記載の球ガラスの製造方法においては、構造が単純でコストが安い型１種類で様々な大きさの球ガラスが成形できるという利点がある。
【０００５】
一方、より大きな球状ガラスを得る方法として、半球状の凹部を持つ多孔質材料の受け型からガスを噴出させた状態で溶融ガラスを受け、溶融ガラス塊を非接触状態で回転させながら冷却することで球状ガラスを得る方法が特開平１１−１１６２５２号公報に開示されている。さらに、溶融ガラス塊を機械的な手段で回転させて球状ガラスを得る方法が特開平１１−３２２３４７号公報および特開２０００−７３６０号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、それぞれ以下のような欠点があった。特開平２−１４８３９号と特開平５−１４７９４９号に記載の球ガラスの製造方法においては、成形可能な球ガラスの重量が４００mg以下に限られるという問題があった。つまり溶融ガラスの種類にもよるが、成形重量が４００mgを超えると、溶融ガラスを成形型に落下挿入する際に溶融ガラス塊が成形型上で暴れ(激しく動揺し)、反動で気泡を巻き込んだり、折れ込みにより脈理が発生することが多くなるという問題があった。
また特開平２−１４８３９号に記載の球状ガラスの製造方法では、受け型上で溶融ガラスを溜める操作を行わないため、大きい球状ガラスを得るために非常に太い流出ノズルを用意する必要がある。但し、ノズル先端が太くなると、脈理が発生しやすくなったり重量精度が悪くなったりといった問題も生じやすい。
【０００７】
これに対して特開平１１−１１６２５２号に記載の方法では、重量が大きい球ガラスを成形する際に気泡を巻き込んだり、折れ込みにより脈理が発生する危険性は少ない。しかし半球状の多孔質成形型の上でガラスを回転させる方法であるため、成形する球の大きさに合わせて専用の高価な型を準備する必要があること、溶融ガラスを回転させるために気体の風量や風向に関して複雑な制御が必要となることなど成形コストが高くなるといった問題があった。また溶融ガラス塊を機械的な手段で回転させる特開２０００−７３６０号や特開平１１−３２２３４７号公報に記載の方法では、溶融ガラスの球状化は可能であるが、型を高速回転させるため、回転制御を精密に行わないと折れ込みによる脈理や気泡巻き込みが起こりやすいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、特開平２−１４８３９号と特開平５−１４７９４９号に記載された製造方法を発展させることで、多孔質成形型を使用しないために成形コストが安く、しかも折れ込みによる脈理発生や泡混入の危険性が少ない、従来に比べてより大きい球状ガラスあるいは溶融粘度の低い溶融ガラスからの球状ガラスの製造も可能な方法を提供することである。さらに本発明は、この方法により作製された球状のプリフォームを使用したプレス成形品の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の方法は以下の通りである。
(請求項１) 球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部(但し、前記逆円錐の開き角は10〜50°の範囲である)及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔(但し、前記気体吹き出し孔の開口径は、成形して得られるべき球状ガラスの直径の３０〜９５％の範囲である)を有する球状ガラス成形型を用い、
前記気体吹き出し孔から噴出する気流により溶融ガラス塊を浮上させ、かつ前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ前記成形面に断続的に接触するように選択することを特徴とする球状ガラスの製造方法。
(請求項２)前記溶融ガラス塊は、成形面との接触により回転し、球状化する請求項１に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項３) 溶融ガラス流から溶融ガラス塊を、気体吹き出し孔から気流が噴出する前記成形型に受け（但し、前記気流の流量を、前記溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る範囲で選択する）、ガラス塊の粘度が１０2ポアズ以上になった後に、前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を起こす範囲に変更する請求項１または２に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項４) 前記成形型が上端面に受け部を有し、ノズルより流下する溶融ガラス流の先端部を前記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスを受け部上に溜めた後、前記ノズルと成形型とを引き離して、前記先端部を溶融ガラス流より分離し、分離した溶融ガラス塊を前記成形型内に導入して成形を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項５) 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により球状のプレス成形用プリフォームを作製することを特徴とするプレス成形用プリフォームの製造方法。
(請求項６) 請求項５に記載の方法により作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形品の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてさらに説明する。
本発明の球状ガラスの製造方法では、成形型の気体吹き出し孔から噴出する気流により溶融ガラス塊を浮上させ、かつ前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ前記成形面に断続的に接触するように選択することを特徴とする。成形面との接触により回転し、溶融ガラス塊は球状化する。
【００１１】
さらに、本発明の球状ガラスの製造方法では、球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有する球状ガラス成形型を用いる。前記逆円錐の開き角は、上下動を繰り返しつつ成形面に断続的に接触する溶融ガラス塊が容易に球状化するという観点からは、10〜50°の範囲、好ましくは15〜30°、より好ましくは17〜25°の範囲であることが適当である。尚、逆円錐状の成形面は、凹状（逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に小さくなる）または凸状（逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に大きくなる）に湾曲していてもよい。
また、気体吹き出し孔の開口径は、成形して得られるべき球状ガラスの直径の３０〜９５％の範囲であることが、溶融ガラス塊を破壊することなく、球状化するという観点から適当である。
上記のように上方に向かって内径が大きくなる逆円錐状の成形面からなる成形部を有する成形型上では、気体吹き出し孔からの気流により上昇した溶融ガラス塊は、ある程度上昇すると成形面の内径が大きくなるため気流の流速が低下し、その結果、落下する。落下の際、相変わらず上昇気流もあることから直下には下降しにくく、成形面に接触し、回転して徐々に球状化する。このように上昇と下降とからなる上下動を繰り返し、かつ成形面との接触による回転により、球状化は進行する。
成形型の詳細については後述する。
【００１２】
球状化されるための溶融ガラス塊は、溶融ガラス流から溶融ガラス塊を、気体吹き出し孔から気流が噴出する成形型に受けて、作製することが好ましい。但し、溶融ガラス塊を受ける際の気流の流量は、前記溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る範囲で選択することが好ましい。そのような気流の流量は、例えば、０．３〜１．２リットル／分の範囲とすれば良い。この範囲の流量は、特に、５００〜１０００ｍｇのガラス塊の成形に適している。また、ガラス塊の粘度が１０2ポアズ以上になった後に、気流の流量を溶融ガラス塊が上下動を起こす範囲に変更することが好ましい。
【００１３】
溶融ガラス流から溶融ガラス塊を作製する場合、成形型が上端面に受け部を有するものであり、かつノズルより流下する溶融ガラス流の先端部を前記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスを受け部上に溜めた後、ノズルと成形型とを引き離して、溶融ガラス流の先端部を溶融ガラス流より分離し、分離した溶融ガラス塊を成形型内に導入して成形を行うことが、溶融ガラス流から比較的大きな溶融ガラス塊をシャーマーク（切断痕）や脈理を発生させずに直接切り分けることができるという観点から好ましい。また、成形型の上端面に受け部を設けることにより、個別の受け型に受けた溶融ガラス塊を成形型に移すのに比べ、溶融ガラス塊の落下距離を小さくできる。落下距離が大きいと落下の勢いで落下時の溶融ガラス塊の挙動が激しくなり、成形したガラス塊に脈理等の欠陥が発生しやすくなる。したがって、上記のようにして落下距離を小さくすることが望ましい。
【００１４】
以下、本発明の製造方法の態様をさらに詳細に説明する。
本発明における球状ガラスの製造方法は、
ノズルから流下する溶融ガラスを受け型に受ける第一の工程、
（但し、受け型は、受け部（成形型の上面にある受け部）を有する球状ガラス成形型の場合もあるし、球状ガラス成形型以外の受け型の場合もある。前者の場合が好ましい。）
溶融ガラス流が連続した状態で溶融ガラスを受け型上に溜める第二の工程、
溶融ガラスが所定重量に達した段階で受け型を流出ノズルから離間させて溶融ガラス流を切断し、受け型上に溶融ガラス塊を得る第三の工程、
受け型上の溶融ガラス塊を球状化するための成形型に挿入する第四の工程、及び
成形型内で溶融ガラス塊を浮上させつつ回転させながら冷却しガラス球を得る第五の工程を含む。
【００１５】
但し、第四の工程では成形部に吹き出す気体の流量を浮上に必要な最小限度の量、即ち、溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る量とし、第五の工程の最初または途中から吹き出す気体の流量を、前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ成形面に断続的に接触し得る量に増やして、溶融ガラス塊を球状化する。第四の工程での気体の流量は、溶融ガラス塊の浮上には充分な流量であるが、溶融ガラス塊の縦方向の回転が起こらない程度の流量であり、第五工程における流量増加後の気体流量は、溶融ガラス塊の縦方向の回転を行わせるのに充分な気体流量とする。
【００１６】
第一〜第三の工程は、自然滴下で得られにくい大きな溶融ガラス塊を得るために好適な工程である。成形型が流出ノズルの下側に入った瞬間から、流出ノズルは型から吹き出している気体で冷やされる。この種の成形型で大きな球状のガラスを成形する場合、球状化に必要な気体の流量は成形重量とともに大きくなる傾向がある。吹き出す気体流量が増えるとノズルの冷却も進行しやすくなるので、ノズルの温度変動に起因した成形重量の変動や溶融ガラスの失透を招きやすい。よって第一〜第三の工程では、型からの気体の吹き出しを止めるか又は極力少なくすることが望ましい。
【００１７】
第四工程では溶融ガラス塊を成形型の成形部（逆円錐状の凹部）に落下させて挿入するが、溶融ガラス塊の重量が大きくなると、落下の勢いで気体の吹き出し口が溶融ガラスで一時的に塞がれる。吹き出す気体の流量が多いと、吹き出し口が塞がれた瞬間に、溶融ガラスが跳ね上がり、溶融ガラス中に気泡が混入したり、折れ込みによる脈理が発生しやすい。よって、溶融ガラスを成形型に落下させる時点では、吹き出す気体の流量を必要最小限度にすることが好ましい。必要最小限の気体流量とは、溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る流量であり、換言すると、気体の吹き出し孔内に溶融ガラス塊が入り込み落下することがなく、溶融ガラス塊が気体の吹き出し孔の開口部付近で静かに浮遊する流量である。このような状態で一時的に溶融ガラス塊を浮遊保持することで、冷却が進み溶融ガラス塊の表面近傍の粘性が増大し、溶融ガラス塊の球状化時に生じやすい折れ込みや脈理の発生を効果的に抑制することができる。
【００１８】
第五の工程において、溶融ガラス塊の回転を開始させ溶融ガラスを球状化するには、気体の吹き出し流量を、第四の工程における流量より増加させる。気体の吹き出し流量を増加するタイミングは、溶融ガラス塊の回転で折れ込みや脈理が入らない粘性となるタイミングを適宜選べばよい。但し、タイミングが遅すぎると球状化の歩留まりが低下する（球状化に必要な溶融ガラス塊の上下動の接続が起こりにくくなるため）ので、球状化が可能な範囲で最も遅いタイミングを選ぶことが好ましい。溶融ガラス塊の回転は、気体流量の増加により乱れた気流で溶融ガラス塊がジャンプ（上下動）することで開始する。図１に、溶融ガラス塊の上下動による球状化の説明図を示す。図１に示すように、ジャンプ後の落下時に型凹部の内壁に触れることで溶融ガラス塊に縦の回転が加わる。溶融ガラス塊が軟らかい成形初期の段階では、落下した溶融ガラス塊が気体吹き出し孔を一時的に密栓するので、気体吹き出し孔の内圧の高まりにより溶融ガラス塊はジャンプを繰り返す。図１においては、（１）溶融ガラス塊１が成形型２の気体吹き出し孔３を一時的に密栓し、（２）溶融ガラス塊１が吹き上げられて成形面（斜面）４を転げ落ち、（３）溶融ガラス塊１が再度気体吹き出し孔３を一時的に密栓し、（４）溶融ガラス塊１が吹き上げられて成形面（斜面）４を転げ落ち、（５）溶融ガラス塊１が再度気体吹き出し孔３を密栓するように降下する。
この溶融ガラス塊の上下動により、溶融ガラス塊は球状化される。前記したように、気体の吹き出し流量を増加するタイミングが遅いと球状化の歩留まりが低下するが、これはガラス粘性の増大により気体吹き出し穴を密栓できなくなり、球状化に必要な上下振動が起こらなくなるからであると考えられる。
【００１９】
溶融ガラス塊が良好に上下動し得る粘性は１０6ポアズ以下であり、それ以上の粘性になってから溶融ガラスを型凹部に挿入し、球状化しようとしても不可能である。一方、脈理や折れ込みが発生しやすい粘性は１０2ポアズ未満である。よって、溶融ガラス塊の少なくとも表面部が１０2ポアズ以上の粘性になってから、球状化を開始することが好ましい。球状化は、溶融ガラス塊の粘性が１０2〜１０6ポアズの範囲にあるときに開始することが望ましい。
【００２０】
本発明は、ノズルから流下する溶融ガラスを受け型（受け型は、受け部（成形型の上面にある受け部）を有する球状ガラス成形型の場合もあるし、球状ガラス成形型以外の受け型の場合もある。前者の場合が好ましい。）に受ける第一の工程、溶融ガラス流が連続した状態で溶融ガラスを受け型上に溜める第二の工程、溶融ガラスが所定重量に達した段階で受け型を流出ノズルから離間させて溶融ガラス流を切断し、受け型上に溶融ガラス塊を得る第三の工程、受け型上の溶融ガラスを球状化するための成形型に挿入する第四の工程、成形型内で溶融ガラスを浮上させつつ回転させながら冷却し球ガラスを得る第五の工程からなり、かつ溶融ガラスを球状化するための成形型は、上方に開口した逆円錐状の成形面及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有し、かつ気体吹き出し孔から逆円錐状の成形面側に気体を吹き出した状態で溶融ガラス塊を挿入し、溶融ガラス塊を浮上させつつ回転させて球状化する製造方法において、
前記成形型は、その上面に溶融ガラスを受けて溜めるための受け部を有し、受け部と溶融ガラスを球状化する成形面がなだらかなスロープで連結されており、ノズルから流出する溶融ガラスを上記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスが受け型上に溜まった段階で受け部を流出ノズルから離間させるように成形型またはノズルを移動させ、溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入することを特徴とする球状ガラスの製造方法を包含する。
【００２１】
上方に開口した逆円錐状の成形面を奏する成形型で溶融ガラス塊を成形する場合、前記したように成形初期に溶融ガラスの上下動が起こる。よって成形部の深さ（逆円錐の高さ）は、上下動時に溶融ガラス塊が成形型から飛び出さない長さに設定することが適当である。特に比較的大きい溶融ガラス塊から球状ガラスを成形する場合には、上下動の振幅が大きくなるため凹部を深くする。しかし、溶融ガラス塊挿入時の落下距離が大きくなると、落下の反動で脈理や折れ込みが発生する危険性が高まる。そこで、極力この落下距離を短くし弱い勢いで溶融ガラス塊を落下挿入することが好ましい。即ち、図２に示すような成形型の上端面を受け部５とし、受け部５と逆円錐状の成形面４をなだらかなスロープ６でつないだ成形型２を用い、流出ノズル１０から流出した溶融ガラス塊１をこのスロープ６上を滑らせて成形部に落下挿入する方法が、落下時のショックが最も少なく脈理や折れ込みが発生しにくく好ましい。
【００２２】
また上記の発明において、溶融ガラス塊を受け部上に溜める過程では、溶融ガラスを溜める位置を前記スロープの開始点近傍とし、受けた溶融ガラス流が切断されない程度のゆっくりした速度で受け部を含む成形型を下降させながら溶融ガラスを溜めることことが好ましい。
溶融ガラス流が切断されない速度で受け部を含む成形型を下降させながら溶融ガラスを溜めた場合、溶融ガラス流との表面張力で溜めた溶融ガラスが上部に引っ張られるため、溜めた溶融ガラスが扁平化するのを防ぐことができる。また第三工程での溶融ガラス流の切断と成形型への溶融ガラス塊の挿入（第四工程）をほぼ同時に行うことで、成形型の成形部に扁平化することなく塊状のまま溶融ガラスを挿入することが可能となる。特に受け部と成形型の成形面がなだらかなスロープで連結されている場合には、スロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜めることが望ましい。こうすることで、溶融ガラス流の切断と同時に自動的に溶融ガラス塊を成形型の成形部に導入することが可能となる。スロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合、受け部を含む成形型を停止したまま溶融ガラスを溜めると、溜める量が多い場合はスロープ側に溶融ガラスが流れてしまう。その場合には、受け部を含む成形型をゆっくり下降させながら溶融ガラスを受けることで、溶融ガラスがスロープ側に流れることを防止できる。
【００２３】
即ち、本発明の製造方法においては、以下の態様が好ましい。
（１）成形型は、その上面に溶融ガラスを受けて溜めるための受け部を有し、受け部と溶融ガラスを球状化する成形面がなだらかなスロープで連結されている態様。
（２）ノズルから流出する溶融ガラスを上記（１）の成形型の受け部で受け、所定重量の溶融ガラスが受け型上に溜まった段階で受け部を流出ノズルから離間させるように成形型またはノズルを移動させ、溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入する態様。
（３）ノズルから流出する溶融ガラスを上記（１）の成形型の受け部で受け、ノズルからの溶融ガラスの流出と並行して、受け部が流出ノズルから離間するように成形型またはノズルを移動させ、次いで溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入する態様。
【００２４】
（受け型及び成形型）
本発明の製造方法で使用する成形型は、球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有する球状ガラス成形型である。この成形型は、例えば、図４に示すようなガスを吹き出す孔３とラッパ状（即ち、凸状に湾曲し、逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に大きくなる）の成形面を有する（左図）、ワイングラス状（即ち、凹状に湾曲し、逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に小さくなる）の成形面を有する（右図）成形型であることができる。成形型の材質としては、例えば、耐熱性ステンレスを挙げることができ、成形面には例えば、ガラスの付着を防止するためにＤＬＣ膜を設けることができる。
【００２５】
さらに、成形型の成形面を溶融ガラスとの濡れ性が悪い材料から構成することが好ましい。そのような材料を以下に列記する。
【００２６】
（炭素系材料）
グラファイト、ガラス状カーボン、グラファイトとガラス状カーボンの複合体、
グラファイト表面にガラス状カーボンをコーティングしたもの
グラファイト表面に化学蒸着炭素膜を被覆したもの
グラファイトとSiCとB4Cの複合材
（窒化物、炭化物）
AlN、ＢＮ、AlN／BNの複合材、SiC、TiC、WC、TiC、WCを含む超硬及び超硬合金、サイアロン （SIALON）、サイアロンとBN複合材
（薄 膜）
DLC等の硬質炭素膜
ダイヤモンド膜、非晶質炭素膜、結晶質炭素膜、両者の混合質炭素膜
Si3N4、TiAlN、TiCrN、CrN、CrXNY、AlN、TiN等の窒化物膜
上記の複合多層膜または積層膜（AlN／CrN、TiN／CrN等）
Pt-Au、Pt-Ir-Au、Pt-Rh-Auなど白金と金を含有する貴金属合金膜
（窒化処理）
耐熱金属表面を窒化処理したもの
【００２７】
球成形時に溶融ガラスが転がる部分の凹部内壁である成形面の開き角（逆円錐の開き角θ）は１０〜５０°の範囲にあることが好ましく、１５〜３０°の範囲にあることがより好ましい。また更に好ましくは１７〜２５°の範囲にある。４００mg以上の球ガラスを成形する場合、開き角は球状化性能に大きく影響する。即ち開き角が１０°より小さいと、溶融ガラスの回転時に溶融ガラスが凹部内壁の成形面に引っかかりやすく、回転が止まることがある。また開き角度が５０°を超えると斜面が寝ているため、溶融ガラス塊が成形面の斜面に落下衝突する際の変形が大きくなり、成形された球ガラスの真球度が悪くなる。以上のように、溶融ガラスが接触する凹部内壁の開き角は重要であるが、溶融ガラスが接触しない底の形状については、ワイングラス状（図４左図）でもラッパ状（図４右図）でも殆ど影響はない。
【００２８】
成形部の底に開口する気体吹き出し孔の出口部分の直径（逆円錐状の成形面の下端部が共有する円の直径でもある）は、前述のように、成形により得られる球状ガラスの直径の３０〜９５％とすることが好ましい。前記したように、凹部底面の気体吹き出し孔の直径は、気体の流速を左右するため、ガラス塊の重量や粘性等を考慮して適宜最適化される。但し、成形部底面の気体吹き出し孔の直径が成形により得られる球状ガラス直径の３０％未満になると、図３左図のように溶融ガラス１が風船状に膨らみ、結果的に破裂する（右図）現象が生じやすくなる。また溶融ガラスを成形部に挿入した際の挙動が激しくなり、折れ込みや脈理や泡の巻き込みが起こりやすくなる。一方、気体吹き出し孔の直径が成形により得られる球状ガラスの直径の９５％を超えると、溶融ガラス塊の上下動が起こりにくくなり、その結果、型内での溶融ガラスの回転が起こりにくくなるため球状化の効率が低下する。よって気体吹き出し孔の直径は成形により得られる球状ガラス直径の３０〜９５％にすることが好ましく、４０〜７０％にすることが更に好ましい。
なお気体吹き出し孔の出口部分の直径が上記範囲に入れば成形上問題はなく、気体吹き出し孔の径を奥部（下部）で変化させても良い。
【００２９】
また、図４に示すように成形型２の上面には、溶融ガラスを溜める受け部５が一体に加工されており、受け部５と成形型２の成形部内面の成形面４との境界は、例えば、８mmのアールのスロープ６で繋がれている。なお受け部５は必ずしも成形型と一体に加工されている必要はなく、成形型の上部や周辺部に別個の受け型として設けられることもできる。また受け部は、ガスクッションを形成可能な多孔質素材や細孔を有するものとしても良い。また受け型の構造としては、溶融ガラス流の切断や溶融ガラス塊の落下挿入時に回動し得るもの、又は分割され得るものであっても良い。
【００３０】
（成形方法と成形装置）
本発明の方法による球状ガラスの製造は、例えば、図５に示すように、１２個の成形型２が回転テーブル２０外周に等間隔で装着されている装置で行われる。上記回転テーブル２０は、溶融ガラスのキャストに合わせて間欠的に回転している。成形型２に併設された受け部に溶融ガラスを受ける際は、例えば、図２に示すように、溶融ガラスの流出ノズル（白金合金製）に受け部を充分接近させ、溶融ガラス流が切れない状態で溶融ガラスを受け部上に溜める。なお前記したように、受け部のスロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合には、受け部を含む成形型をゆっくり下降させながら溶融ガラスを受けることで、溶融ガラスがスロープ側に流れることを防止できる。次に、所定重量の溶融ガラスが溜まった時点で受け部を含む成形型を下方向に移動させて溶融ガラス流を切断し、受け部上に溶融ガラス塊を得る。なおスロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合には、受け部を含む成形型の急下降により自然に溶融ガラス塊が成形型の成形部に挿入される。この直後に回転テーブル２０を回転させ、流出ノズルから成形型を退避させる。なお成形型の退避と同時に別の成形型を流出ノズルの下に配し、連続的に溶融ガラスをキャストする。受け部上の溶融ガラス塊を成形型内に挿入する時においては、成形型から吹き出す気体の流量を必要最小限の流量に抑えておく。成形型に挿入された溶融ガラス塊は成形型の成形部の底で静かに浮遊し、次第に表面の粘性が高まってゆく。次に型から吹き出す気体の流量を増加することで溶融ガラスの上下振動を開始させ、前記した落下による回転を繰りかえして球状化する。
【００３１】
次に、気体の流量を変化させる方法について説明する。
成形型へのガス供給はＡＢの二系統からなる装置により行うことができる。Ａ系統は常時流しておくもので、Ｂ系統は必要に応じて電磁弁を開き流す構造となっている。そしてＡＢ両系統の流量は流量計で個別に調整する。前記した第一〜第四の工程では、Ａ系統のみを開き比較的少量の浮上ガスを流しておき、第五の工程の途中からＢ系統の電磁弁を開きＢ系統からのガスも追加する。つまり、第五工程の途中からはＡＢを足した流量が成形型に流れることとなる。
なおＡ系統もＯＮ／ＯＦＦ可能とすれば流量調節の自由度は増える。またＢ系統をマスフローコントローラーで流量可変とすれば、よりきめ細かい流量調節が可能となる。但し、いずれも装置コストが高くなる傾向がある。
【００３２】
本発明は、上記本発明の方法により作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形品の製造方法を包含する。プレス成形品の製造方法及び装置について公知のものそのまま利用できる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例と比較例により本発明を更に詳しく説明する。
（実施例１）
図４のラッパ状の成形部を有する成形型（左図）を使用し、以下の方法により硼酸塩系の溶融ガラス（液相温度：９１０℃、流出時粘性：８ポアズ）を７３０mg（直径：６．８８mm）の球ガラスに成形した。なお成形型の成形面の開き角は２０°であり、成形面は鏡面研磨してある。また窒素を吹き出す孔の直径はφ４mm（球直径の５８％）である。図２のように、ノズルから流下する溶融ガラスを型上面のスロープ開始位置付近で受け、成形型をゆっくりと下降させつつ受け部上に溶融ガラスを溜めた。溶融ガラスが所定量溜まった時点で成形型を急降下させ、溶融ガラス流を切断しほぼ同時に成形型の成形部に溶融ガラス塊を挿入した。前記した第一〜第四の工程では、成形型に流す窒素流量を０．３Ｌ／分とし、溶融ガラスを成形型の成形部に挿入してから４．２秒後に０．６Ｌ／分の流量を追加し溶融ガラスを球状化した。本方法により得られた球ガラスは、折れ込み、脈理、泡、傷等の欠陥がなく光学レンズ成形用のプリフォームとしては充分な品質を持っていた。
【００３４】
（実施例２、比較例１）
実施例１の成形型の気体吹き出し穴の径のみを変更し、同様な方法と条件で８００mgの球ガラス（直径７．５７mm）を成形した。但し窒素ガス流量については、それぞれ球状化確率と脈理などの品質が最良となる流量に微調節した。表１のように、成形する球の直径に対して気体吹き出し穴径が小さすぎる場合、前記した溶融ガラス塊の破裂が生じ、脈理や折れ込みも発生しやすかった。また穴径が大きすぎる場合には、球状化確率が低くなり、一部脈理も発生しやすくなった。
【００３５】
【表１】
【００３６】
（比較例２）
実施例１と同じ成形型を使用し、成形工程を通して０.９L／分の一定の窒素ガス流量を流しながら同様な方法で球ガラスを成形した。本方法により得られた球ガラスは、真球度に問題は無かったが、約３７％に折れ込みと脈理が発生しており、巻き込み泡も３％にみられた。
【００３７】
（実施例３）
実施例１と同じ成形型を使用し、前記した第一〜第四工程の方法のみを変更して７３０mgの球ガラスを成形した。
以下に、第一〜第四工程の方法について説明する。流出ノズルから流下する溶融ガラスを型上面の受け部（平坦部）で受けて溶融ガラスを受け部に溜めた。溶融ガラスが所定量溜まった時点で成形型を急降下させて溶融ガラス流を切断した。溶融ガラスの切断とほぼ同時に受け部上の溶融ガラス塊に窒素気流を吹きつけ、溶融ガラスをスロープ側に移動させ成形部に溶融ガラスを挿入した。気流の制御については上記実施例と同様とした。溶融ガラスの挿入後は、実施例１と同様な方法と条件で成形し、球ガラスを得た。本方法により得られた球ガラスは、折れ込み、脈理、泡、傷等の欠陥がなく光学レンズ成形用のプリフォームとしては充分な品質を持っていた。
【００３８】
（実施例４）
上記各実施例により得られたプリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型を用いてプレス成形して非球面レンズを作製した。
プレス成形の条件は以下の通りである。
プリフォームが約１０7〜１０8Ｐａ・ｓとなる温度にした後、８ＭＰａのプレス圧力を加え、３０秒後、圧力を解除し、プレス成形型をガラス成形品に接触させた状態で、ガラス転移温度まで徐冷し、室温まで冷却した後、成形品を取り出す。
このプレス成形は精密プレス成形あるいはモールドオプティクス成形と呼ばれるもので、レンズの光学機能面はいずれも精密にプレス成形型の成形面が転写されており、プレス成形後、研削、研磨を行わなくても光学素子として十分な性能を満たすレンズを得ることができた。さらに、必要に応じてレンズ表面には反射防止膜などの光学薄膜を設けることもできる。
成形された非球面レンズにはプリフォームの欠陥が原因の欠陥は全く見られなかった。
なお、成形品は非球面レンズに限られず、各種レンズ、光学素子などの成形も可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複雑な装置を用いることなく、比較的大型のガラス球、球状プリフォームであっても、脈理、折れ込みなどの欠陥のないものを安定して成形することができる。本発明の製造方法はプレス成形用プリフォームの製造に最適である。また、上記方法により作製したプリフォームを加熱、プレス成形することにより、脈理、折れ込みなどの欠陥のないプレス成形品を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融ガラス塊の上下動による球状化の説明図を示す。
【図２】流出ノズル１０から流出した溶融ガラス塊１をスロープ６上を滑らせて落下挿入する工程の説明図を示す。
【図３】気体吹き出し孔の直径が球状ガラス直径の３０％未満である場合に生じる溶融ガラス１が風船状に膨らんで破裂する現象を示す説明図。
【図４】ラッパ状の成形面を有する（左図）成形型、及びワイングラス状の成形面を有する（右図）成形型の断面図。
【図５】１２個の成形型２が回転テーブル２０外周に等間隔で装着されている装置の平面図。
【発明の属する技術分野】
本発明は球状ガラスの製造方法に関し、特に光学ガラス素子をプレス成形によって製造する際に用いられる球状ガラスを溶融ガラスから直接成形する製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、非球面ガラスレンズ等の製造法として成形型による高精度熱間プレス成形技術が開発され発展をとげている。本成形に用いる球状の成形予備体(以下、球状のプリフォームと言う)には、ミリグラム単位の重量精度が要求され、かつ用途上、脈理、デビ、傷、泡などの欠陥や洗浄で除去できない表面付着物の存在は許されない。
【０００３】
このような球状のプリフォームを安価に量産する方法としては、特開平２−１４８３９号公報の方法が知られている。本方法では、ラッパ状を呈する凹部と、この凹部の中央部下方に開口するようにして選択的に設けられた細孔とを有する成形型を用い、被成形物である溶融ガラス塊が前記凹部の内面と実質的に非接触の状態となるように前記細孔から空気、不活性ガス等の気体を吹き出しながら前記溶融ガラス塊を前記成形型の凹部に受け、かつ、前記溶融ガラス塊と前記凹部の内面とが実質的に非接触の状態となるように前記細孔から空気、不活性ガス等の気体を吹き出しながら前記溶融ガラス塊を成形する。本方法によれば、溶融ガラスが実質的に浮上状態で成形されるため、表面品質の良好なプリフォームを得ることができる。また本方法では、溶融ガラスを自然滴下または切断刃で切断することによって溶融ガラスを落下させるため、実用レベルの重量精度を得ることも可能となる。
【０００４】
また特開平２−１４８３９号公報に記載の方法において、さらに溶融ガラスの切断方法を改善したものとして、特開平５−１４７９４９号公報に記載の方法が知られている。本方法では、流出パイプから流下した溶融ガラスを、流出パイプの下方に配置した受部によって受け、その後、前記溶融ガラスを表面張力によって、流下する溶融ガラスから切断分離して溶融ガラス塊とし、これを気体を吹き出している成形型の凹部に移し球ガラスを成形する方法が記載されている。また前記受け部は成形型の上面で前記凹部の上部や周囲に設けられている。特開平２−１４８３９号公報と特開平５−１４７９４９号公報に記載の球ガラスの製造方法においては、構造が単純でコストが安い型１種類で様々な大きさの球ガラスが成形できるという利点がある。
【０００５】
一方、より大きな球状ガラスを得る方法として、半球状の凹部を持つ多孔質材料の受け型からガスを噴出させた状態で溶融ガラスを受け、溶融ガラス塊を非接触状態で回転させながら冷却することで球状ガラスを得る方法が特開平１１−１１６２５２号公報に開示されている。さらに、溶融ガラス塊を機械的な手段で回転させて球状ガラスを得る方法が特開平１１−３２２３４７号公報および特開２０００−７３６０号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、それぞれ以下のような欠点があった。特開平２−１４８３９号と特開平５−１４７９４９号に記載の球ガラスの製造方法においては、成形可能な球ガラスの重量が４００mg以下に限られるという問題があった。つまり溶融ガラスの種類にもよるが、成形重量が４００mgを超えると、溶融ガラスを成形型に落下挿入する際に溶融ガラス塊が成形型上で暴れ(激しく動揺し)、反動で気泡を巻き込んだり、折れ込みにより脈理が発生することが多くなるという問題があった。
また特開平２−１４８３９号に記載の球状ガラスの製造方法では、受け型上で溶融ガラスを溜める操作を行わないため、大きい球状ガラスを得るために非常に太い流出ノズルを用意する必要がある。但し、ノズル先端が太くなると、脈理が発生しやすくなったり重量精度が悪くなったりといった問題も生じやすい。
【０００７】
これに対して特開平１１−１１６２５２号に記載の方法では、重量が大きい球ガラスを成形する際に気泡を巻き込んだり、折れ込みにより脈理が発生する危険性は少ない。しかし半球状の多孔質成形型の上でガラスを回転させる方法であるため、成形する球の大きさに合わせて専用の高価な型を準備する必要があること、溶融ガラスを回転させるために気体の風量や風向に関して複雑な制御が必要となることなど成形コストが高くなるといった問題があった。また溶融ガラス塊を機械的な手段で回転させる特開２０００−７３６０号や特開平１１−３２２３４７号公報に記載の方法では、溶融ガラスの球状化は可能であるが、型を高速回転させるため、回転制御を精密に行わないと折れ込みによる脈理や気泡巻き込みが起こりやすいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、特開平２−１４８３９号と特開平５−１４７９４９号に記載された製造方法を発展させることで、多孔質成形型を使用しないために成形コストが安く、しかも折れ込みによる脈理発生や泡混入の危険性が少ない、従来に比べてより大きい球状ガラスあるいは溶融粘度の低い溶融ガラスからの球状ガラスの製造も可能な方法を提供することである。さらに本発明は、この方法により作製された球状のプリフォームを使用したプレス成形品の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の方法は以下の通りである。
(請求項１) 球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部(但し、前記逆円錐の開き角は10〜50°の範囲である)及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔(但し、前記気体吹き出し孔の開口径は、成形して得られるべき球状ガラスの直径の３０〜９５％の範囲である)を有する球状ガラス成形型を用い、
前記気体吹き出し孔から噴出する気流により溶融ガラス塊を浮上させ、かつ前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ前記成形面に断続的に接触するように選択することを特徴とする球状ガラスの製造方法。
(請求項２)前記溶融ガラス塊は、成形面との接触により回転し、球状化する請求項１に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項３) 溶融ガラス流から溶融ガラス塊を、気体吹き出し孔から気流が噴出する前記成形型に受け（但し、前記気流の流量を、前記溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る範囲で選択する）、ガラス塊の粘度が１０2ポアズ以上になった後に、前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を起こす範囲に変更する請求項１または２に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項４) 前記成形型が上端面に受け部を有し、ノズルより流下する溶融ガラス流の先端部を前記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスを受け部上に溜めた後、前記ノズルと成形型とを引き離して、前記先端部を溶融ガラス流より分離し、分離した溶融ガラス塊を前記成形型内に導入して成形を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状ガラスの製造方法。
(請求項５) 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により球状のプレス成形用プリフォームを作製することを特徴とするプレス成形用プリフォームの製造方法。
(請求項６) 請求項５に記載の方法により作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形品の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてさらに説明する。
本発明の球状ガラスの製造方法では、成形型の気体吹き出し孔から噴出する気流により溶融ガラス塊を浮上させ、かつ前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ前記成形面に断続的に接触するように選択することを特徴とする。成形面との接触により回転し、溶融ガラス塊は球状化する。
【００１１】
さらに、本発明の球状ガラスの製造方法では、球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有する球状ガラス成形型を用いる。前記逆円錐の開き角は、上下動を繰り返しつつ成形面に断続的に接触する溶融ガラス塊が容易に球状化するという観点からは、10〜50°の範囲、好ましくは15〜30°、より好ましくは17〜25°の範囲であることが適当である。尚、逆円錐状の成形面は、凹状（逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に小さくなる）または凸状（逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に大きくなる）に湾曲していてもよい。
また、気体吹き出し孔の開口径は、成形して得られるべき球状ガラスの直径の３０〜９５％の範囲であることが、溶融ガラス塊を破壊することなく、球状化するという観点から適当である。
上記のように上方に向かって内径が大きくなる逆円錐状の成形面からなる成形部を有する成形型上では、気体吹き出し孔からの気流により上昇した溶融ガラス塊は、ある程度上昇すると成形面の内径が大きくなるため気流の流速が低下し、その結果、落下する。落下の際、相変わらず上昇気流もあることから直下には下降しにくく、成形面に接触し、回転して徐々に球状化する。このように上昇と下降とからなる上下動を繰り返し、かつ成形面との接触による回転により、球状化は進行する。
成形型の詳細については後述する。
【００１２】
球状化されるための溶融ガラス塊は、溶融ガラス流から溶融ガラス塊を、気体吹き出し孔から気流が噴出する成形型に受けて、作製することが好ましい。但し、溶融ガラス塊を受ける際の気流の流量は、前記溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る範囲で選択することが好ましい。そのような気流の流量は、例えば、０．３〜１．２リットル／分の範囲とすれば良い。この範囲の流量は、特に、５００〜１０００ｍｇのガラス塊の成形に適している。また、ガラス塊の粘度が１０2ポアズ以上になった後に、気流の流量を溶融ガラス塊が上下動を起こす範囲に変更することが好ましい。
【００１３】
溶融ガラス流から溶融ガラス塊を作製する場合、成形型が上端面に受け部を有するものであり、かつノズルより流下する溶融ガラス流の先端部を前記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスを受け部上に溜めた後、ノズルと成形型とを引き離して、溶融ガラス流の先端部を溶融ガラス流より分離し、分離した溶融ガラス塊を成形型内に導入して成形を行うことが、溶融ガラス流から比較的大きな溶融ガラス塊をシャーマーク（切断痕）や脈理を発生させずに直接切り分けることができるという観点から好ましい。また、成形型の上端面に受け部を設けることにより、個別の受け型に受けた溶融ガラス塊を成形型に移すのに比べ、溶融ガラス塊の落下距離を小さくできる。落下距離が大きいと落下の勢いで落下時の溶融ガラス塊の挙動が激しくなり、成形したガラス塊に脈理等の欠陥が発生しやすくなる。したがって、上記のようにして落下距離を小さくすることが望ましい。
【００１４】
以下、本発明の製造方法の態様をさらに詳細に説明する。
本発明における球状ガラスの製造方法は、
ノズルから流下する溶融ガラスを受け型に受ける第一の工程、
（但し、受け型は、受け部（成形型の上面にある受け部）を有する球状ガラス成形型の場合もあるし、球状ガラス成形型以外の受け型の場合もある。前者の場合が好ましい。）
溶融ガラス流が連続した状態で溶融ガラスを受け型上に溜める第二の工程、
溶融ガラスが所定重量に達した段階で受け型を流出ノズルから離間させて溶融ガラス流を切断し、受け型上に溶融ガラス塊を得る第三の工程、
受け型上の溶融ガラス塊を球状化するための成形型に挿入する第四の工程、及び
成形型内で溶融ガラス塊を浮上させつつ回転させながら冷却しガラス球を得る第五の工程を含む。
【００１５】
但し、第四の工程では成形部に吹き出す気体の流量を浮上に必要な最小限度の量、即ち、溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る量とし、第五の工程の最初または途中から吹き出す気体の流量を、前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ成形面に断続的に接触し得る量に増やして、溶融ガラス塊を球状化する。第四の工程での気体の流量は、溶融ガラス塊の浮上には充分な流量であるが、溶融ガラス塊の縦方向の回転が起こらない程度の流量であり、第五工程における流量増加後の気体流量は、溶融ガラス塊の縦方向の回転を行わせるのに充分な気体流量とする。
【００１６】
第一〜第三の工程は、自然滴下で得られにくい大きな溶融ガラス塊を得るために好適な工程である。成形型が流出ノズルの下側に入った瞬間から、流出ノズルは型から吹き出している気体で冷やされる。この種の成形型で大きな球状のガラスを成形する場合、球状化に必要な気体の流量は成形重量とともに大きくなる傾向がある。吹き出す気体流量が増えるとノズルの冷却も進行しやすくなるので、ノズルの温度変動に起因した成形重量の変動や溶融ガラスの失透を招きやすい。よって第一〜第三の工程では、型からの気体の吹き出しを止めるか又は極力少なくすることが望ましい。
【００１７】
第四工程では溶融ガラス塊を成形型の成形部（逆円錐状の凹部）に落下させて挿入するが、溶融ガラス塊の重量が大きくなると、落下の勢いで気体の吹き出し口が溶融ガラスで一時的に塞がれる。吹き出す気体の流量が多いと、吹き出し口が塞がれた瞬間に、溶融ガラスが跳ね上がり、溶融ガラス中に気泡が混入したり、折れ込みによる脈理が発生しやすい。よって、溶融ガラスを成形型に落下させる時点では、吹き出す気体の流量を必要最小限度にすることが好ましい。必要最小限の気体流量とは、溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る流量であり、換言すると、気体の吹き出し孔内に溶融ガラス塊が入り込み落下することがなく、溶融ガラス塊が気体の吹き出し孔の開口部付近で静かに浮遊する流量である。このような状態で一時的に溶融ガラス塊を浮遊保持することで、冷却が進み溶融ガラス塊の表面近傍の粘性が増大し、溶融ガラス塊の球状化時に生じやすい折れ込みや脈理の発生を効果的に抑制することができる。
【００１８】
第五の工程において、溶融ガラス塊の回転を開始させ溶融ガラスを球状化するには、気体の吹き出し流量を、第四の工程における流量より増加させる。気体の吹き出し流量を増加するタイミングは、溶融ガラス塊の回転で折れ込みや脈理が入らない粘性となるタイミングを適宜選べばよい。但し、タイミングが遅すぎると球状化の歩留まりが低下する（球状化に必要な溶融ガラス塊の上下動の接続が起こりにくくなるため）ので、球状化が可能な範囲で最も遅いタイミングを選ぶことが好ましい。溶融ガラス塊の回転は、気体流量の増加により乱れた気流で溶融ガラス塊がジャンプ（上下動）することで開始する。図１に、溶融ガラス塊の上下動による球状化の説明図を示す。図１に示すように、ジャンプ後の落下時に型凹部の内壁に触れることで溶融ガラス塊に縦の回転が加わる。溶融ガラス塊が軟らかい成形初期の段階では、落下した溶融ガラス塊が気体吹き出し孔を一時的に密栓するので、気体吹き出し孔の内圧の高まりにより溶融ガラス塊はジャンプを繰り返す。図１においては、（１）溶融ガラス塊１が成形型２の気体吹き出し孔３を一時的に密栓し、（２）溶融ガラス塊１が吹き上げられて成形面（斜面）４を転げ落ち、（３）溶融ガラス塊１が再度気体吹き出し孔３を一時的に密栓し、（４）溶融ガラス塊１が吹き上げられて成形面（斜面）４を転げ落ち、（５）溶融ガラス塊１が再度気体吹き出し孔３を密栓するように降下する。
この溶融ガラス塊の上下動により、溶融ガラス塊は球状化される。前記したように、気体の吹き出し流量を増加するタイミングが遅いと球状化の歩留まりが低下するが、これはガラス粘性の増大により気体吹き出し穴を密栓できなくなり、球状化に必要な上下振動が起こらなくなるからであると考えられる。
【００１９】
溶融ガラス塊が良好に上下動し得る粘性は１０6ポアズ以下であり、それ以上の粘性になってから溶融ガラスを型凹部に挿入し、球状化しようとしても不可能である。一方、脈理や折れ込みが発生しやすい粘性は１０2ポアズ未満である。よって、溶融ガラス塊の少なくとも表面部が１０2ポアズ以上の粘性になってから、球状化を開始することが好ましい。球状化は、溶融ガラス塊の粘性が１０2〜１０6ポアズの範囲にあるときに開始することが望ましい。
【００２０】
本発明は、ノズルから流下する溶融ガラスを受け型（受け型は、受け部（成形型の上面にある受け部）を有する球状ガラス成形型の場合もあるし、球状ガラス成形型以外の受け型の場合もある。前者の場合が好ましい。）に受ける第一の工程、溶融ガラス流が連続した状態で溶融ガラスを受け型上に溜める第二の工程、溶融ガラスが所定重量に達した段階で受け型を流出ノズルから離間させて溶融ガラス流を切断し、受け型上に溶融ガラス塊を得る第三の工程、受け型上の溶融ガラスを球状化するための成形型に挿入する第四の工程、成形型内で溶融ガラスを浮上させつつ回転させながら冷却し球ガラスを得る第五の工程からなり、かつ溶融ガラスを球状化するための成形型は、上方に開口した逆円錐状の成形面及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有し、かつ気体吹き出し孔から逆円錐状の成形面側に気体を吹き出した状態で溶融ガラス塊を挿入し、溶融ガラス塊を浮上させつつ回転させて球状化する製造方法において、
前記成形型は、その上面に溶融ガラスを受けて溜めるための受け部を有し、受け部と溶融ガラスを球状化する成形面がなだらかなスロープで連結されており、ノズルから流出する溶融ガラスを上記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスが受け型上に溜まった段階で受け部を流出ノズルから離間させるように成形型またはノズルを移動させ、溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入することを特徴とする球状ガラスの製造方法を包含する。
【００２１】
上方に開口した逆円錐状の成形面を奏する成形型で溶融ガラス塊を成形する場合、前記したように成形初期に溶融ガラスの上下動が起こる。よって成形部の深さ（逆円錐の高さ）は、上下動時に溶融ガラス塊が成形型から飛び出さない長さに設定することが適当である。特に比較的大きい溶融ガラス塊から球状ガラスを成形する場合には、上下動の振幅が大きくなるため凹部を深くする。しかし、溶融ガラス塊挿入時の落下距離が大きくなると、落下の反動で脈理や折れ込みが発生する危険性が高まる。そこで、極力この落下距離を短くし弱い勢いで溶融ガラス塊を落下挿入することが好ましい。即ち、図２に示すような成形型の上端面を受け部５とし、受け部５と逆円錐状の成形面４をなだらかなスロープ６でつないだ成形型２を用い、流出ノズル１０から流出した溶融ガラス塊１をこのスロープ６上を滑らせて成形部に落下挿入する方法が、落下時のショックが最も少なく脈理や折れ込みが発生しにくく好ましい。
【００２２】
また上記の発明において、溶融ガラス塊を受け部上に溜める過程では、溶融ガラスを溜める位置を前記スロープの開始点近傍とし、受けた溶融ガラス流が切断されない程度のゆっくりした速度で受け部を含む成形型を下降させながら溶融ガラスを溜めることことが好ましい。
溶融ガラス流が切断されない速度で受け部を含む成形型を下降させながら溶融ガラスを溜めた場合、溶融ガラス流との表面張力で溜めた溶融ガラスが上部に引っ張られるため、溜めた溶融ガラスが扁平化するのを防ぐことができる。また第三工程での溶融ガラス流の切断と成形型への溶融ガラス塊の挿入（第四工程）をほぼ同時に行うことで、成形型の成形部に扁平化することなく塊状のまま溶融ガラスを挿入することが可能となる。特に受け部と成形型の成形面がなだらかなスロープで連結されている場合には、スロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜めることが望ましい。こうすることで、溶融ガラス流の切断と同時に自動的に溶融ガラス塊を成形型の成形部に導入することが可能となる。スロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合、受け部を含む成形型を停止したまま溶融ガラスを溜めると、溜める量が多い場合はスロープ側に溶融ガラスが流れてしまう。その場合には、受け部を含む成形型をゆっくり下降させながら溶融ガラスを受けることで、溶融ガラスがスロープ側に流れることを防止できる。
【００２３】
即ち、本発明の製造方法においては、以下の態様が好ましい。
（１）成形型は、その上面に溶融ガラスを受けて溜めるための受け部を有し、受け部と溶融ガラスを球状化する成形面がなだらかなスロープで連結されている態様。
（２）ノズルから流出する溶融ガラスを上記（１）の成形型の受け部で受け、所定重量の溶融ガラスが受け型上に溜まった段階で受け部を流出ノズルから離間させるように成形型またはノズルを移動させ、溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入する態様。
（３）ノズルから流出する溶融ガラスを上記（１）の成形型の受け部で受け、ノズルからの溶融ガラスの流出と並行して、受け部が流出ノズルから離間するように成形型またはノズルを移動させ、次いで溶融ガラス流を切断して溶融ガラス塊とし、得られた溶融ガラス塊を前記スロープを経由して溶融ガラスを成形面で成形された凹部に落下挿入する態様。
【００２４】
（受け型及び成形型）
本発明の製造方法で使用する成形型は、球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔を有する球状ガラス成形型である。この成形型は、例えば、図４に示すようなガスを吹き出す孔３とラッパ状（即ち、凸状に湾曲し、逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に大きくなる）の成形面を有する（左図）、ワイングラス状（即ち、凹状に湾曲し、逆円錐の開き角が頂点から開口に向けて徐々に小さくなる）の成形面を有する（右図）成形型であることができる。成形型の材質としては、例えば、耐熱性ステンレスを挙げることができ、成形面には例えば、ガラスの付着を防止するためにＤＬＣ膜を設けることができる。
【００２５】
さらに、成形型の成形面を溶融ガラスとの濡れ性が悪い材料から構成することが好ましい。そのような材料を以下に列記する。
【００２６】
（炭素系材料）
グラファイト、ガラス状カーボン、グラファイトとガラス状カーボンの複合体、
グラファイト表面にガラス状カーボンをコーティングしたもの
グラファイト表面に化学蒸着炭素膜を被覆したもの
グラファイトとSiCとB4Cの複合材
（窒化物、炭化物）
AlN、ＢＮ、AlN／BNの複合材、SiC、TiC、WC、TiC、WCを含む超硬及び超硬合金、サイアロン （SIALON）、サイアロンとBN複合材
（薄 膜）
DLC等の硬質炭素膜
ダイヤモンド膜、非晶質炭素膜、結晶質炭素膜、両者の混合質炭素膜
Si3N4、TiAlN、TiCrN、CrN、CrXNY、AlN、TiN等の窒化物膜
上記の複合多層膜または積層膜（AlN／CrN、TiN／CrN等）
Pt-Au、Pt-Ir-Au、Pt-Rh-Auなど白金と金を含有する貴金属合金膜
（窒化処理）
耐熱金属表面を窒化処理したもの
【００２７】
球成形時に溶融ガラスが転がる部分の凹部内壁である成形面の開き角（逆円錐の開き角θ）は１０〜５０°の範囲にあることが好ましく、１５〜３０°の範囲にあることがより好ましい。また更に好ましくは１７〜２５°の範囲にある。４００mg以上の球ガラスを成形する場合、開き角は球状化性能に大きく影響する。即ち開き角が１０°より小さいと、溶融ガラスの回転時に溶融ガラスが凹部内壁の成形面に引っかかりやすく、回転が止まることがある。また開き角度が５０°を超えると斜面が寝ているため、溶融ガラス塊が成形面の斜面に落下衝突する際の変形が大きくなり、成形された球ガラスの真球度が悪くなる。以上のように、溶融ガラスが接触する凹部内壁の開き角は重要であるが、溶融ガラスが接触しない底の形状については、ワイングラス状（図４左図）でもラッパ状（図４右図）でも殆ど影響はない。
【００２８】
成形部の底に開口する気体吹き出し孔の出口部分の直径（逆円錐状の成形面の下端部が共有する円の直径でもある）は、前述のように、成形により得られる球状ガラスの直径の３０〜９５％とすることが好ましい。前記したように、凹部底面の気体吹き出し孔の直径は、気体の流速を左右するため、ガラス塊の重量や粘性等を考慮して適宜最適化される。但し、成形部底面の気体吹き出し孔の直径が成形により得られる球状ガラス直径の３０％未満になると、図３左図のように溶融ガラス１が風船状に膨らみ、結果的に破裂する（右図）現象が生じやすくなる。また溶融ガラスを成形部に挿入した際の挙動が激しくなり、折れ込みや脈理や泡の巻き込みが起こりやすくなる。一方、気体吹き出し孔の直径が成形により得られる球状ガラスの直径の９５％を超えると、溶融ガラス塊の上下動が起こりにくくなり、その結果、型内での溶融ガラスの回転が起こりにくくなるため球状化の効率が低下する。よって気体吹き出し孔の直径は成形により得られる球状ガラス直径の３０〜９５％にすることが好ましく、４０〜７０％にすることが更に好ましい。
なお気体吹き出し孔の出口部分の直径が上記範囲に入れば成形上問題はなく、気体吹き出し孔の径を奥部（下部）で変化させても良い。
【００２９】
また、図４に示すように成形型２の上面には、溶融ガラスを溜める受け部５が一体に加工されており、受け部５と成形型２の成形部内面の成形面４との境界は、例えば、８mmのアールのスロープ６で繋がれている。なお受け部５は必ずしも成形型と一体に加工されている必要はなく、成形型の上部や周辺部に別個の受け型として設けられることもできる。また受け部は、ガスクッションを形成可能な多孔質素材や細孔を有するものとしても良い。また受け型の構造としては、溶融ガラス流の切断や溶融ガラス塊の落下挿入時に回動し得るもの、又は分割され得るものであっても良い。
【００３０】
（成形方法と成形装置）
本発明の方法による球状ガラスの製造は、例えば、図５に示すように、１２個の成形型２が回転テーブル２０外周に等間隔で装着されている装置で行われる。上記回転テーブル２０は、溶融ガラスのキャストに合わせて間欠的に回転している。成形型２に併設された受け部に溶融ガラスを受ける際は、例えば、図２に示すように、溶融ガラスの流出ノズル（白金合金製）に受け部を充分接近させ、溶融ガラス流が切れない状態で溶融ガラスを受け部上に溜める。なお前記したように、受け部のスロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合には、受け部を含む成形型をゆっくり下降させながら溶融ガラスを受けることで、溶融ガラスがスロープ側に流れることを防止できる。次に、所定重量の溶融ガラスが溜まった時点で受け部を含む成形型を下方向に移動させて溶融ガラス流を切断し、受け部上に溶融ガラス塊を得る。なおスロープの開始位置近傍で溶融ガラスを溜める場合には、受け部を含む成形型の急下降により自然に溶融ガラス塊が成形型の成形部に挿入される。この直後に回転テーブル２０を回転させ、流出ノズルから成形型を退避させる。なお成形型の退避と同時に別の成形型を流出ノズルの下に配し、連続的に溶融ガラスをキャストする。受け部上の溶融ガラス塊を成形型内に挿入する時においては、成形型から吹き出す気体の流量を必要最小限の流量に抑えておく。成形型に挿入された溶融ガラス塊は成形型の成形部の底で静かに浮遊し、次第に表面の粘性が高まってゆく。次に型から吹き出す気体の流量を増加することで溶融ガラスの上下振動を開始させ、前記した落下による回転を繰りかえして球状化する。
【００３１】
次に、気体の流量を変化させる方法について説明する。
成形型へのガス供給はＡＢの二系統からなる装置により行うことができる。Ａ系統は常時流しておくもので、Ｂ系統は必要に応じて電磁弁を開き流す構造となっている。そしてＡＢ両系統の流量は流量計で個別に調整する。前記した第一〜第四の工程では、Ａ系統のみを開き比較的少量の浮上ガスを流しておき、第五の工程の途中からＢ系統の電磁弁を開きＢ系統からのガスも追加する。つまり、第五工程の途中からはＡＢを足した流量が成形型に流れることとなる。
なおＡ系統もＯＮ／ＯＦＦ可能とすれば流量調節の自由度は増える。またＢ系統をマスフローコントローラーで流量可変とすれば、よりきめ細かい流量調節が可能となる。但し、いずれも装置コストが高くなる傾向がある。
【００３２】
本発明は、上記本発明の方法により作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形品の製造方法を包含する。プレス成形品の製造方法及び装置について公知のものそのまま利用できる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例と比較例により本発明を更に詳しく説明する。
（実施例１）
図４のラッパ状の成形部を有する成形型（左図）を使用し、以下の方法により硼酸塩系の溶融ガラス（液相温度：９１０℃、流出時粘性：８ポアズ）を７３０mg（直径：６．８８mm）の球ガラスに成形した。なお成形型の成形面の開き角は２０°であり、成形面は鏡面研磨してある。また窒素を吹き出す孔の直径はφ４mm（球直径の５８％）である。図２のように、ノズルから流下する溶融ガラスを型上面のスロープ開始位置付近で受け、成形型をゆっくりと下降させつつ受け部上に溶融ガラスを溜めた。溶融ガラスが所定量溜まった時点で成形型を急降下させ、溶融ガラス流を切断しほぼ同時に成形型の成形部に溶融ガラス塊を挿入した。前記した第一〜第四の工程では、成形型に流す窒素流量を０．３Ｌ／分とし、溶融ガラスを成形型の成形部に挿入してから４．２秒後に０．６Ｌ／分の流量を追加し溶融ガラスを球状化した。本方法により得られた球ガラスは、折れ込み、脈理、泡、傷等の欠陥がなく光学レンズ成形用のプリフォームとしては充分な品質を持っていた。
【００３４】
（実施例２、比較例１）
実施例１の成形型の気体吹き出し穴の径のみを変更し、同様な方法と条件で８００mgの球ガラス（直径７．５７mm）を成形した。但し窒素ガス流量については、それぞれ球状化確率と脈理などの品質が最良となる流量に微調節した。表１のように、成形する球の直径に対して気体吹き出し穴径が小さすぎる場合、前記した溶融ガラス塊の破裂が生じ、脈理や折れ込みも発生しやすかった。また穴径が大きすぎる場合には、球状化確率が低くなり、一部脈理も発生しやすくなった。
【００３５】
【表１】
（比較例２）
実施例１と同じ成形型を使用し、成形工程を通して０.９L／分の一定の窒素ガス流量を流しながら同様な方法で球ガラスを成形した。本方法により得られた球ガラスは、真球度に問題は無かったが、約３７％に折れ込みと脈理が発生しており、巻き込み泡も３％にみられた。
【００３７】
（実施例３）
実施例１と同じ成形型を使用し、前記した第一〜第四工程の方法のみを変更して７３０mgの球ガラスを成形した。
以下に、第一〜第四工程の方法について説明する。流出ノズルから流下する溶融ガラスを型上面の受け部（平坦部）で受けて溶融ガラスを受け部に溜めた。溶融ガラスが所定量溜まった時点で成形型を急降下させて溶融ガラス流を切断した。溶融ガラスの切断とほぼ同時に受け部上の溶融ガラス塊に窒素気流を吹きつけ、溶融ガラスをスロープ側に移動させ成形部に溶融ガラスを挿入した。気流の制御については上記実施例と同様とした。溶融ガラスの挿入後は、実施例１と同様な方法と条件で成形し、球ガラスを得た。本方法により得られた球ガラスは、折れ込み、脈理、泡、傷等の欠陥がなく光学レンズ成形用のプリフォームとしては充分な品質を持っていた。
【００３８】
（実施例４）
上記各実施例により得られたプリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型を用いてプレス成形して非球面レンズを作製した。
プレス成形の条件は以下の通りである。
プリフォームが約１０7〜１０8Ｐａ・ｓとなる温度にした後、８ＭＰａのプレス圧力を加え、３０秒後、圧力を解除し、プレス成形型をガラス成形品に接触させた状態で、ガラス転移温度まで徐冷し、室温まで冷却した後、成形品を取り出す。
このプレス成形は精密プレス成形あるいはモールドオプティクス成形と呼ばれるもので、レンズの光学機能面はいずれも精密にプレス成形型の成形面が転写されており、プレス成形後、研削、研磨を行わなくても光学素子として十分な性能を満たすレンズを得ることができた。さらに、必要に応じてレンズ表面には反射防止膜などの光学薄膜を設けることもできる。
成形された非球面レンズにはプリフォームの欠陥が原因の欠陥は全く見られなかった。
なお、成形品は非球面レンズに限られず、各種レンズ、光学素子などの成形も可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複雑な装置を用いることなく、比較的大型のガラス球、球状プリフォームであっても、脈理、折れ込みなどの欠陥のないものを安定して成形することができる。本発明の製造方法はプレス成形用プリフォームの製造に最適である。また、上記方法により作製したプリフォームを加熱、プレス成形することにより、脈理、折れ込みなどの欠陥のないプレス成形品を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融ガラス塊の上下動による球状化の説明図を示す。
【図２】流出ノズル１０から流出した溶融ガラス塊１をスロープ６上を滑らせて落下挿入する工程の説明図を示す。
【図３】気体吹き出し孔の直径が球状ガラス直径の３０％未満である場合に生じる溶融ガラス１が風船状に膨らんで破裂する現象を示す説明図。
【図４】ラッパ状の成形面を有する（左図）成形型、及びワイングラス状の成形面を有する（右図）成形型の断面図。
【図５】１２個の成形型２が回転テーブル２０外周に等間隔で装着されている装置の平面図。
Claims (6)
- 球状ガラスを成形するための上方に開口した逆円錐状の成形面からなる成形部(但し、前記逆円錐の開き角は10〜50°の範囲である)及び前記逆円錐の頂点付近に気体吹き出し孔(但し、前記気体吹き出し孔の開口径は、成形して得られるべき球状ガラスの直径の３０〜９５％の範囲である)を有する球状ガラス成形型を用い、
前記気体吹き出し孔から噴出する気流により溶融ガラス塊を浮上させ、かつ前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を繰り返しつつ前記成形面に断続的に接触するように選択することを特徴とする球状ガラスの製造方法。 - 前記溶融ガラス塊は、成形面との接触により回転し、球状化する請求項１に記載の球状ガラスの製造方法。
- 溶融ガラス流から溶融ガラス塊を、気体吹き出し孔から気流が噴出する前記成形型に受け（但し、前記気流の流量を、前記溶融ガラス塊が上下動をせず、かつ気体吹き出し孔の開口部付近に停滞し得る範囲で選択する）、ガラス塊の粘度が１０2ポアズ以上になった後に、前記気流の流量を前記溶融ガラス塊が上下動を起こす範囲に変更する請求項１または２に記載の球状ガラスの製造方法。
- 前記成形型が上端面に受け部を有し、ノズルより流下する溶融ガラス流の先端部を前記受け部で受け、所定重量の溶融ガラスを受け部上に溜めた後、前記ノズルと成形型とを引き離して、前記先端部を溶融ガラス流より分離し、分離した溶融ガラス塊を前記成形型内に導入して成形を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状ガラスの製造方法。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により球状のプレス成形用プリフォームを作製することを特徴とするプレス成形用プリフォームの製造方法。
- 請求項５に記載の方法により作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形するプレス成形品の製造方法。
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