JP3877949B2 - ガラス塊の製造方法、ガラス成形品の製造方法、並びにガラス塊の製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレスによるモールド成形などに使用されるガラス塊の製造方法、及びそのガラス塊をプレスしてガラス成形品を製造する方法、ならびに上記ガラス塊を製造するための装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス製光学部品を製造する方法として、ガラスを金型によってプレスし、成形する方法が知られている。この方法には、溶融ガラスを直接プレスする方法（ダイレクトプレス法）と、最終製品に近似する形状のプリフォームを用意し、このプリフォームを加熱してプレスする方法（リヒート法）がある。
上記のプリフォームを得るには、従来、溶融ガラスを流出管より流下させ、シャーブレードなどにより切断し、所定の重量を有する溶融ガラス塊とし、これを冷却してガラス塊を得、このガラス塊をプリフォームとする、あるいは、ガラス塊に研磨加工などを施してプリフォームとしている。旧来の溶融ガラスを流出管より流下させてガラス塊を得る方法では、流出管先端のノズル径を変えてガラス塊の重量を調整していた。しかし、この方法では、重量の異なるガラス塊を生産するためにはノズルを交換しなければならない。そして、一度外したノズルを再度使用するにはノズル内の冷却固化したガラスを除去しなければならないという問題があった。
【０００３】
この問題に対処すべく、本願出願人は先に、ノズルから自然滴下する前の溶融ガラスに気体を吹き付けて滴下させる方法（特開平１０−１９４７５２号）（以下、先の公報という）を開発し、出願を行っている。この方法では、気体吹き付けのタイミングを調整することにより、滴下重量の制御を行っており、タイミングを変化させることにより滴下重量も連続的に変化できるようにしている。気体吹き付けの間隔を短くしていくことにより、得られるガラス塊の重量を減少させることができる。この方法によれば、得ようとするガラスの滴下重量を変更する度にノズルを交換する必要がない。また、ビデオカメラ用レンズ、コンパクトディスク用ピックアップレンズ、などをプレス成形する際、プリフォームとして必要になる小さなガラス塊も製造することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
先の公報に開示された方法は上記のように優れたものであるが、より重量の小さい微小ガラス塊を高い重量精度で生産することが難しかった。先の公報に開示されている方法では、ガラスに吹き付けるガスをエアー吹き付けパイプによりノズル部分に導いている。このパイプはヒータ外部よりヒータ下側開口部を通って、ヒータ内のノズル先端へと設置されている。したがって、溶融ガラスに吹き付けられる気体の温度は、溶融ガラスの温度と比較すれば極めて低温である。
また、溶融ガラスへの気体吹き付けは、滴下重量に合わせて決められたタイミングで間欠的に行われるか、あるいは、溶融ガラスのノズル外周への濡れ上がり（毛細管現象による濡れ上がりや、気流による振れ上がり）を防止するため、比較的圧力の低い気体を連続的に吹き付けておき、滴下させたいタイミングで比較的強く気体を吹きかけて強制的にガラスを滴下させている。いずれの場合も溶融ガラスの滴下は制御されたタイミングで比較的強く気体を吹き付けることにより行っている。
【０００５】
本発明者は、溶融ガラスを滴下して微小重量のガラス塊を高い重量精度のもとに得るには、吹き付けるガスの流量を一定にし、かつそのガスを連続して層流状態で流すことが重要であること、さらにガスの流量が多少変動しても、その変動がガラス塊の重量精度に及ぼす影響を少なくできる条件、ならびにその条件の設定方法を見出した。
【０００６】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、高い重量精度を有するガラス塊の製造方法、特に微小ガラス塊の製造に適した方法、および上記ガラス塊を使用したガラス成形品の製造方法、さらに上記ガラス塊を製造するための製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、ノズルから溶融ガラスを連続滴下させ、ガラス塊を製造する方法において、前記ノズルの外周面に沿って前記滴下の方向に連続して一定流量で流れる気流を発生し、該気流により前記ノズルの先端部より出現した溶融ガラスに風圧を加え、前記溶融ガラスを滴下させることを特徴とするガラス塊の製造方法である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の製造方法を用いてガラス塊を作製し、該ガラス塊を再加熱、プレス成形してガラス成形品を得ることを特徴とするガラス成形品の製造方法である。
【０００９】
第３の発明は、溶融ガラスを滴下し、ガラス滴を成形型で受けて成形し、ガラス塊を作製するガラス塊の製造装置において、前記溶融ガラスを流出するノズルと、前記ノズルより滴下する溶融ガラス滴を受けてガラス塊に成形する成形型と、前記ノズルの外周を覆うノズルカバーであって、該ノズルカバーと前記ノズルとの間にガス流路を形成すると共に、前記ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成するノズルカバーと、前記ノズルカバー内に一定量のガスを連続供給するガス供給手段を備え、前記供給されたガスが、前記ノズルと前記ノズルカバーの間に形成されたガス流路を通って前記ノズルカバー開口部よりノズル先端方向に吹き出し、吹き出されたガスの風圧を前記ノズルカバー開口部より突出したノズル先端部より出現した溶融ガラスに加え、溶融ガラスの滴下を行うことを特徴とするガラス塊の製造装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
ノズル先端からの溶融ガラスの滴下は、溶融ガラスがノズル先端に止まろう（とどまろう）とする力よりも、ノズルから流出した溶融ガラスに働く重力が大きくなったときにおきるものと考えられる。滴下した溶融ガラスを微小球ガラスプリフォームとするためには、極めて軽量な溶融ガラスでもノズル先端より滴下するようにしなければならない。内径の小さいノズルを使用することにより溶融ガラス滴の軽量化が可能になるが、ノズルの細径化にも限界があり、外径０．３ｍｍ前後のノズルが限界である。
【００１１】
本発明では、ノズル先端より吐出した溶融ガラスに下向き方向（滴下の方向）の風圧を連続して加えることにより溶融ガラスに働く下向きの力を増加させて微小量の溶融ガラスでも滴下を可能とするものである。すなわち、先端方向が下向き状態になっているノズルから出現した溶融ガラスが所望の重量に達した時点で滴下するよう、ノズルから出現した溶融ガラスに連続的に一定の風圧を下向きの加える。ノズルの外周面に沿って流れる気流の方向は、ノズルから出現した溶融ガラスに風圧を加える部分で下向き方向（滴下の方向）に揃えている。すなわち、ノズル外周面に沿って流れる気流が互いに衝突して乱流を形成しないよう、ノズルの長手方向（ガラスの滴下方向）に一定距離以上の上記気流の流路が形成されるようにして気流の方向を一定に揃え、上記のように風圧を加えることが望ましい。なお、上記気流は層流状態になっていることが望ましい。溶融ガラスに定常的に下向きの風圧を加えることにより、上記ガラスの自重と表面張力との間のバランスに下向きのバイアスをかけ（一定の力をかけ続け）、より軽量のガラス滴を得ることができる。この現象は一定サイクルで繰り返される。しかし、溶融ガラスに風圧を加えるガスの流れは乱流状態では、溶融ガラス滴の重量を安定させることが困難である。そのため、溶融ガラスに吹き付ける気流を層流状態とし、重量精度の低下を防ぐ。上述した先の公報に開示されている方法は、ノズルに対し、斜め方向からガスを吹き付けている。そのため、各方向からの気流はノズル先端部で合流する際に乱流となり高い重量精度のガラス塊、特に微小ガラス塊を安定して得ることが難しい。そこで、本形態では、ノズルの長手方向に沿って一定流量の気流を連続して流すことにより、ノズル先端部における気流を層流状態にすることによって、高い重量精度のガラス塊、特に微小ガラス塊の安定した生産を可能にしている。
さらに、気流を安定して層流状態に保つとともに、ノズル先端部より出現した溶融ガラスに滴下方向により均等な風圧を加えるためには、上記気流をノズルの全外周面に沿って流すことが好ましい。なお、ノズルの外周面に沿って気流を流す場合、必ずしもノズル外周面の全域に沿って気流を流さなくてもよく、少なくともノズル先端部において気流の流れる方向がノズルの長手方向に平行になっていれば効果がある。このように気流をガラスの滴下方向に流す上で、気流の流路中に気流を平行に揃えるための整流手段を設けることが好ましい。整流手段としては、滴下の方向に平行に配置され、流路中に設けられたスリットや板状部材などを例示することができる。
【００１２】
流路の形成方法の具体例としては、ノズルの外周面をノズルカバーで覆い、ノズルとノズルカバーの間に気流の流路を形成すると共に、ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成する。そして、ノズルカバー先端部よりもノズル先端部が突出した状態にして気流を流すことが好ましい。このようにすることによって、ノズル先端部の溶融ガラスがノズルカバー先端部に付着するのを防止することもできる。その場合、少なくともノズル先端部とノズルカバー先端部の間隔をノズルの全周にわたって均等にすることが望ましい。本形態では円筒状のノズルを用いており、ノズルカバーの内壁もノズル形状に応じて円筒状にしている。そしてノズル先端部の中心軸とノズルカバー先端部の中心軸が一致するようにして、上記間隔が均等になるようにしている。上記間隔を均等にすることにより、溶融ガラスに加えられる風圧がノズル中心軸の回りでより均等になり、不均等な風圧によってノズル先端部より出現した溶融ガラスがノズル外周に濡れ上がったり、溶融ガラスがノズル先端で回転したりして、ガラス滴に脈理が生じたりするのを防ぐことができる。また、溶融ガラスに安定した風圧を加えることもできるので、滴下するガラスの重量精度が低下するのを防ぐこともできる。上記間隔を均等とする区間は、ノズルカバー開口部付近のみでけでなく、ノズルカバーに気流を発生させるためのガスを供給するガス供給口からノズルカバー開口部までの間で均等とすることがより望ましい。ただし、ノズルとノズルカバーの間隔は、ノズルの長手方向に沿って変化させてもよい。ノズルカバー開口部においては、その間隔をノズル先端部の長手方向に沿って均等とし、かつ、その間隔を０．１〜５ｍｍとすることが好ましく、０．１〜３ｍｍとすることがより好ましく、０．１５〜２ｍｍとすることがさらに好ましい。
【００１３】
このようなガラス塊の製造方法は、自然滴下法と比べた場合、ノズルを交換しなくても気流の流量を変えることによって目的とするガラス塊の重量設定値を変えることができる。また、微小ガラス塊を高い重量精度で製造することもできる。比較的小さなガラス塊を作る場合、ガラス塊は自重による変形の影響が小さいために、表面張力によって球状のガラス塊を得ることができる。また溶融ガラスを浮上成形することによっても、球状のガラス塊を得ることができる。球状のガラス塊は、レンズなどを精密プレス成形する際のプリフォームとして好適である。本発明のガラス塊の製造方法は、高い重量精度を有する直径０．５〜８ｍｍの球状又は略球状のガラス塊を作製するのに好適な方法である。より好適な直径は０．８〜６．５ｍｍである。
【００１４】
本発明は、ノズルから流出した溶融ガラスの下部を受け型で受けてから受け型を急速に降下して溶融ガラスを切断し、受け型上にガラス塊を受け取る方法（降下切断法）や、風圧を与えずにノズルから溶融ガラスを自然に滴下させてガラス塊を得る方法（自然滴下法）と比較すると、微小重量のガラス塊を得る場合に特に有効である。すなわち、降下切断法では、溶融ガラスの重量の一部を受け型で支えておき、所定のタイミングで重量の支持を急速に取り外して溶融ガラスを切断するので、自然滴下法と比べ、切断時のガラスの重量は重くなる。また自然滴下法と本発明の比較は、先に説明した通りであり、自然滴下法では最小外径のノズルを用いても３５ｍｇ以下のガラス塊を得ることができない。また、上述した先の公報に記載されている方法を用いた場合は、最小１１ｍｇまでの微小ガラス塊を得ることはできるが、高い重量精度が得られない。本発明では、重量１〜３５ｍｇのガラス塊を目的とする重量の±１％以内の重量精度で安定して作ることができる。ガラス塊の重量を１０ｍｇ以下とすることにより、ノズル先端部より出現した溶融ガラスの表面積に対し、溶融ガラスがノズル先端部と接触している面積の相対的な割合が大きくなる。そのため、風圧による溶融ガラスの回転が起こりにくく、回転によって生じる脈理を低減することができる。一方、ガラス塊の重量を減少させていくと、安定した滴下が難しくなる。したがって、安定した滴下により重量精度の高いガラス塊を得る上で、ガラス塊の重量を０．８ｍｇ以上とすることが望ましく、３ｍｇ以上とすることがより望ましく、５ｍｇ以上とすることがさらに望ましい。したがって、本形態における好ましいガラス塊の重量は１〜３５ｍｇであり、より好ましくは３〜３４ｍｇであり、さらに好ましくは５〜１０ｍｇである。そして、これらの範囲において重量精度を目的重量の±１％以内、より好ましくは±０．５％以内にすることもできる。
【００１５】
ガラス塊の重量、滴下のサイクルは、ガラスの特性を考慮し、ノズルの内径、外径、溶融ガラスの粘度、気流の流量を調整して設定することができるが、気流の流量の変化による重量精度の低下を防ぎ、重量精度を上記のような高精度とするには、次のようにすることが好ましい。すなわち、ガラスの特性を考慮し、ノズルの内径、外径、溶融ガラスの粘度を、目的重量より重いガラス塊が得られるようにしておき、気流の流量を増加させていく。流量を増加させていくと、流量の微小増加量に対するガラス塊の重量減少量が減少する傾向が現れ、この割合が所定の範囲になったところの流量を求める。このようにガラス塊の重量と流量の関係を得た上で、目的とするガラス塊の重量に合わせた流量を設定する。このような方法により、ガラス塊の重量精度をさらに向上させることができる。
【００１６】
微小量の溶融ガラス滴下においては、気流の温度は、ノズル先端部の温度±５０℃とすることが好ましく、ノズル先端部の温度±２０℃とすることがより好ましく、ノズル先端部の温度±１０℃とすることがさらに好ましい。気流の温度が上記範囲より低いと、ガラスの粘度が上昇して滴下時にガラスが糸を引きやすくなる。気流の温度が上記範囲よりも高いと、滴下するガラスに脈理が生じたり、ガラス中の揮発しやすい成分が揮発するなどの問題が起りやすい。気流の温度をノズル先端部の温度に近づけるという点から、気流の流路をノズルとノズルカバーの間に設け、気流を形成するガスとノズルの外壁とを接触させることによってガスとノズルの間で十分な熱交換を行わせることが望ましい。
【００１７】
また気流発生のために供給されるガスとして、不活性ガス（不活性ガス同士を混合したガスも含む）、窒素ガス、前記不活性ガスと窒素ガスの混合ガス、空気などを用いることができるが、不活性ガス（不活性ガス同士を混合したガスも含む）、窒素ガス、前記不活性ガスと窒素ガスの混合ガスを用いることが好ましい。これらのガスは、清浄なガスであることが望ましい。
【００１８】
ガラスについては、ノズルより流出可能な粘度になる温度が液相温度よりも高いものであればよく、液相温度が１０００℃以下のガラスに好適に用いることができる。ガラス塊を精密プレス成形用のプリフォームとして使用するためには、屈伏点が５８０℃以下のガラスが好ましい。このようなガラスとしては、アルカリ金属酸化物を含む硼珪酸ガラス、上記硼珪酸ガラスであってアルカリ金属酸化物が酸化リチウムである硼珪酸ガラス、アルカリ金属酸化物を含む燐酸ガラス、上記燐酸ガラスであって酸化亜鉛とアルカリ土類金属酸化物からなる金属酸化物から選ばれた少なくとも一種の金属酸化物をさらに含むガラスなどが好適なガラスとして例示でき、より具体的には、Ｌｉ2Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｌａ2Ｏ3を含むアルミノ硼珪酸ガラス、Ｌｉ2Ｏ、ＣａＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5を含む硼珪酸ガラスなどを好適なものとして示すことができる。
【００１９】
先に説明したように、これら好適に使用できるガラスであっても、適正な温度領域より高温側（低粘性側）では揮発による脈理が発生したり、表面に発泡することがある。適正な温度領域より低温側（高粘性側）では滴下時にガラスが糸を引くことがある。したがって、溶融ガラスの粘度は５〜２０ポアズとして流出することが好ましい。
【００２０】
溶融ガラス滴は、例えば、凹部（溶融ガラス滴を受ける面）に気体を吹き出す噴出口（通常複数）を有する受け型、べンチュリー管など、一般に使用されている成形型を使用し、下方から噴出する気流で浮上保持又は略浮上保持して成形、冷却固化される。この際、気流に方向性を与えて溶融ガラス滴の回転方向及び回転数を制御することで、溶融ガラス滴の形状を所望の形状に成形することができる。この方法で得られたものには表面のしわ等の欠陥がない。なお、ランダムな方向に回転させると真球に近い形状が得られる。この方法で得られたガラス塊は、最終製品をプレス成形するためのプリフォーム、すなわち精密プレス成形用素材として使用することができる。
【００２１】
このようにして得られたガラス塊を非酸化性ガス雰囲気中において１０7〜１０9ポアズの粘度になるように再加熱し、最終製品の形状に合わせて極めて精密に加工されたプレス成形型を用いて精密プレス成形する。プレス成形品には、プレス成形型の成形面が精密に転写され、研削、研磨が不要な最終製品となる。なお、この最終製品の表面には適宜、光学薄膜を形成してもよい。
【００２２】
本発明は、例えば、カメラレンズ、ビデオカメラ用レンズ、写真用レンズ、光通信用結合レンズ、眼鏡レンズ、コンパクトディスクプレイヤーのピックアップレンズ、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）のピックアップレンズなどの光学レンズや、位相格子型ローパスフィルター、色フィルター、位相格子フィルター、アナモルフィックレンズ、レンチキュラーレンズ、グレーティング、プリズム、ゾーンプレート、フレネルレンズ、ホログラフィックレンズなどの微小光学素子の製造に好適に利用できる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１はガラス塊製造装置の概略図、図２はガラス塊製造装置のノズル及びノズルカバー付近の拡大部分断面図、図３はガラス塊製造装置のノズル先端部の拡大部分断面図である。
図１に示したガラス塊製造装置の溶融ガラス供給部１の上方にはガラス塊の材料である溶融ガラスが蓄積されているガラス溶解炉（図示せず）があり、この炉から溶融ガラスが溶融ガラス供給部１へと供給される。ガラス塊製造装置は、図１及び図２に示すように、溶融ガラスを流出、滴下するとともに軸が鉛直（重力の方向）に保たれているノズル２、溶融ガラス供給部１から供給される溶融ガラスをノズル２へと導く溶融ガラス導入管３、ノズル先端部２ａを除くノズル２の側面を覆うノズルカバー４、溶融ガラス導入管３の側面とノズルカバー４の側面を覆うように配置された高周波誘導加熱部５を備えている。なお、溶融ガラスに接する溶融ガラス導入管３の内壁は白金又は白金合金でできている。ノズルカバー４の先端部４ａと、ノズル先端部２ａとの間にはノズルカバー開口部１１が形成されており、ノズルカバー４の先端部４ａに対しノズル先端部２ａが突出している。
ノズルカバー４にはノズルカバー開口部１１より噴出するガスを供給するガス供給管６の一端が取付けられている。ガス供給管６の他端はマスフローコントローラー７を介してガスボンベ（図示せず）に接続されている。
ターンテーブル（図示せず）上に載置された複数個の成形型８を、ターンテーブルを間欠的に回転させて、順次、ノズル先端部２ａの鉛直下方に移送し、次々とノズル先端部２ａより滴下する溶融ガラス滴９を順次受けてガラス塊に成形していく。成形されたガラス塊は成形型８より取り出され、ガラス塊が取り出された成形型８は再度ノズル先端部２ａの鉛直下方に移送されて、再び溶融ガラス滴９を受け取る。このようにして溶融ガラス滴９を連続して滴下させ、循環する成形型８で順次受けてガラス塊に成形することにより、ガラス塊を連続して生産する。
図２において、ガス供給管６はノズル保持部２’の外周全域にわたって設けられた流路１０ａへとガスを供給する。ガスはさらに流路１０ａに接続しているノズル保持部２’の外周面とノズルカバー４との間に、ノズル保持部２’の外周全域にわたって均等な隙間で配置されているスリット１０ｂを通り、ノズル２の外周面とノズルカバー４の間に形成された流路１０ｃへと導かれ、ノズルカバー４の開口部１１から外部へと噴出する。ここで、スリット１０ｂはノズル２の軸方向に沿って延びており、ガスがスリット１０ｂを通過することによって、ガスの流動によって生じる気流がノズル２の外周面に沿って鉛直下方に向かうように整流される。スリット１０ｂは整流板（図示ぜず）によって形成されたもので、この整流板については後述する図４における整流板と同様である。
図３は、ノズル先端部２ａ及びノズルカバー開口部１１周辺の拡大図であるが、ノズル２の外径、ノズルカバー４の内径はともに先端部で絞り込まれて、ノズル先端部２ａ、ノズルカバー先端部４ａとなり、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間にノズルカバー開口部１１が形成される。このノズルカバー開口部１１で気流の流路断面積は小さくなり、流速が高められる。気流２０の方向は、ノズル先端部２ａにおいても鉛直下方を向いている。ノズル先端部２ａでは、ノズル２を通って流下する溶融ガラス９が液滴状に成長し、溶融ガラス表面は気流２０による鉛直下方の風圧を受けることになる。気流がない自然滴下法ではノズル先端部２ａより出現した溶融ガラスに働く重力が表面張力などによってノズル先端部２ａに止まろうとする力よりも大きくなると滴下がおきる。本発明のように、連続して一定流量で流れる気流２０によって溶融ガラス９に鉛直下方に風圧を加えると、自然滴下時より少ない重量で溶融ガラスを滴下させることができる。供給されるガスの流量は上述したマスフローコントローラー７によって一定に保たれているので、ノズルカバー開口部１１より鉛直下方に流れる気流の流量も一定に保たれる。そして気流２０もノズル先端部２ａの外周全域にわたり、溶融ガラス９が滴下する鉛直下方に揃えられているため、ノズル先端部２ａより出現した溶融ガラス９に安定した風圧を加えることができる。このように層流状態と見なせる気流によって溶融ガラスに風圧を加えることができるので、滴下する溶融ガラス滴の重量が一定し、高い重量精度を有するガラス塊を得ることができる。気流の方向がノズル先端部２ａで揃っていないと互いに衝突した気流が乱流となって、溶融ガラスに加えられる風圧の大きさや方向が安定しなくなる。風圧の大きさや方向が不安定になると滴下毎に滴下のタイミングにバラツキが生じ、ガラス塊の重量バラツキの原因となってしまう。
【００２４】
図４は、ノズルとノズルカバー付近の他の態様を示す概略図であり、図４（１）は拡大部分断面図、図４（２）は図４（１）を図示Ａ方向から見た平面図、図４（３）は図４（２）部分拡大図である。
図４（１）〜（３）に示すように、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間に形成されるノズルカバー開口部１１、及び流路１０ｃの一部に、整流板１２を設けることによって、気流を平行に揃えることができ、気流を安定して層流状態に保つことができる。
隣接する整流板１２の間隔は、０．１〜０．５ｍｍ程度が好ましい。整流板１２は、気流を乱さぬように薄くすることが好ましい。整流板１２の数や、形成位置は、図４（１）及び（２）に示す態様に限定されず、例えば、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間にのみ整流板１２を形成することができ、図４（１）における流路１０ｃの中間位置付近まで整流板１２を形成することもできる。
【００２５】
本実施例では、屈伏点５８０℃以下、液相温度１０００℃以下のＬｉ2Ｏを含む硼珪酸ガラスを溶解し、上記図１、図２、図３に示すガラス塊の製造装置によってガラス塊を次のようにして連続的に製造した。
まず、ノズルカバー開口部１１の径をφ２．０ｍｍ、ノズル先端部２ａの外径をφ０．６ｍｍ、ノズル先端部２ａの内径をφ０．４ｍｍとし、ノズル外周面の外周に０．７ｍｍの隙間を均等に作り（ノズルカバー開口部の中心とノズルの中心を一致させる）、その隙間を気流の流路とし、ノズル外周面の外周に沿って真下方向に揃った向きで窒素ガスを流した。そしてノズル先端部２ａから出るガラスの粘度が５〜２０ポアズの範囲になるようにノズル２の温度を８３０℃に保った。表１に、気流の流量を０．３〜１．９リットル／分の範囲で変えたときに得られる球状のガラス塊の重量、重量精度（重量のバラツキ／平均重量）、直径、滴下間隔を示す（実施例１）。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１から明らかなように、気流の流量を変化させることにより、重量６．５〜４５．７ｍｇ、直径１．５７〜３．００ｍｍの球状ガラス塊を得ることができた。また、このときのガラス塊の重量精度は±１％以内であった。気流流量は連続的に増減調整することができるので、ガラス塊の重量も目的とする値に調整することができ、高い重量精度のガラス塊を得ることができる。なお、溶融ガラスはノズル２から一定の速度で流出するので、軽量のガラス塊を得るには、滴下間隔を短くすることになる。したがって、気流の流量に対応する滴下間隔に合わせて、滴下ガラスを受けて成形する成形型をガラス滴を受ける位置に搬入、搬出する。成形型８における溶融ガラス滴を受ける面にはガス噴出口が設けられており、その噴出口からガスが噴出し、受けたガラス滴を浮上させた状態で球状のガラス塊に成形する。得られたガラス塊はいずれも脈理などの光学ガラスとして欠陥となるような不良部分は見られず、精密プレス成形素材としていずれも好適なものであった。
【００２８】
次に、上記装置のノズルカバー開口部１１の直径をφ１．０ｍｍとし、その他の条件は変えないでガラス塊を製造した。気流の流量を各値に設定したときに得られるガラス塊の重量などの値を表２に示す（実施例２）。
【００２９】
【表２】
【００３０】
表２から明らかなように、気流の流量を０．３〜０．８２５リットル／分の範囲で設定することにより、１．０〜３５．２ｍｇのガラス塊を重量精度±０．９５％以内で得ることができた。気流の流量を増加させることによってガラス塊の重量を軽量化することができ、それとともにガラスの滴下間隔が短くなるのは表１の結果と同様であるが、ノズルカバー開口部１１の直径を小さくすることによって、気流の流路の断面積が小さくなり、それによって気流の流量が同じでも、気流のスピードを大きくすることができ、ノズル先端部より出現したガラスに加わる風圧を大きくすることができる。そのため、ノズル先端部２ａの径が同じでも、より軽量のガラスの滴下が可能になることが確認された。
表２に示したガラス塊も脈理などの不良部分は認められず、精密プレス成形素材として好適なものであった。なお、ガラス塊は内部の歪みを除去するためにアニールなどの処理を施してもよい。
【００３１】
上記実施例１及び２で得られたガラス塊をプリフォームとして用い、窒素雰囲気中でガラスの粘度が１０7〜１０9ポアズになる温度に加熱して、精密プレス用成形型によりプレス成形して、プレス成形後の研削、研磨が不要な高精度な非球面レンズなどの光学部品を作製した。本実施例で作製されたガラス塊は重量精度が高いので、得られたプレス成形品の精度も極めて高いものであった。さらに、高い重量精度を得るのがより難しい微小プリフォームも得ることができるので、形状精度の高い微小光学素子のプレス成形素材の作製にも本実施例は好適である。
【００３２】
なお、横軸に気流の流量、縦軸にガラス塊の重量をとり、表１および表２の結果をグラフ化したものを図５に示す。表２に対応するグラフに顕著に現れているように、気流の流量を増加させていくと、流量変化に対するガラス塊重量の減少量が減少する。この付近の流量で気流を流すことにより、流量変化によるガラス塊の重量変化を低減することができる。
【００３３】
なお、本実施例では、気流を作るためのガスに窒素を用いたが、他のガス、例えば不活性ガス等を用いてもよい。
また、ノズル先端部の内外径や、ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間隔（ノズルカバー開口部の間隔）は、上記実施例の数値に限定されず、適宜設計変更できる。
さらに、図２に示すスリット１０ｂは、整流板のない均等な円筒形の隙間とすることができる。
また、上記図１及び図４（１）〜（３）に示すガラス塊の製造装置を用い、整流板１２を設けることによって、気流を平行に揃えることができ、気流を安定して層流状態に保つことができ、ガラス塊の重量バラツキを低減できる。整流板１２の間隔は、図４（２）及び（３）に示す間隔に限定されず、適宜設計変更できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガラス塊の製造方法および製造装置によれば、高い重量精度を有するガラス塊を高い生産性のもと製造することができる。この方法または装置によりガラス塊からなるプレス成形素材を製造し、これをプレス成形することによって、目的とするプレス成形品の重量にプレス成形素材の重量を精密に一致させることができ、高精度のプレス成形品を得ることができる。特に本発明は、微小ガラス塊の製造に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るガラス塊の製造装置の概略図である。
【図２】図１に示したガラス塊の製造装置のノズルとノズルカバー付近の概略図である。
【図３】図１、図２に示したガラス塊の製造装置のノズル先端部、ノズルカバー開口部付近の拡大図である。
【図４】図１に示したガラス塊の製造装置のノズルとノズルカバー付近の他の態様を示す概略図であり、（１）は部分断面図、（２）は平面図、図４（３）は図４（２）部分拡大図である。
【図５】本発明の実施例における気流の流量に対するガラス塊の重量変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶融ガラス供給部
２ ノズル
２ａ ノズル先端部
２’ ノズル保持部
３ 溶融ガラス導入管
４ ノズルカバー
４ａ ノズルカバー先端部
５ 高周波誘導加熱部
６ ガス供給管
７ マスフローコントローラー
８ 成形型
９ 溶融ガラス滴
１０ａ 流路
１０ｂ スリット
１０ｃ 流路
１１ ノズルカバー開口部
１２ 整流板
２０ 気流
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレスによるモールド成形などに使用されるガラス塊の製造方法、及びそのガラス塊をプレスしてガラス成形品を製造する方法、ならびに上記ガラス塊を製造するための装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス製光学部品を製造する方法として、ガラスを金型によってプレスし、成形する方法が知られている。この方法には、溶融ガラスを直接プレスする方法（ダイレクトプレス法）と、最終製品に近似する形状のプリフォームを用意し、このプリフォームを加熱してプレスする方法（リヒート法）がある。
上記のプリフォームを得るには、従来、溶融ガラスを流出管より流下させ、シャーブレードなどにより切断し、所定の重量を有する溶融ガラス塊とし、これを冷却してガラス塊を得、このガラス塊をプリフォームとする、あるいは、ガラス塊に研磨加工などを施してプリフォームとしている。旧来の溶融ガラスを流出管より流下させてガラス塊を得る方法では、流出管先端のノズル径を変えてガラス塊の重量を調整していた。しかし、この方法では、重量の異なるガラス塊を生産するためにはノズルを交換しなければならない。そして、一度外したノズルを再度使用するにはノズル内の冷却固化したガラスを除去しなければならないという問題があった。
【０００３】
この問題に対処すべく、本願出願人は先に、ノズルから自然滴下する前の溶融ガラスに気体を吹き付けて滴下させる方法（特開平１０−１９４７５２号）（以下、先の公報という）を開発し、出願を行っている。この方法では、気体吹き付けのタイミングを調整することにより、滴下重量の制御を行っており、タイミングを変化させることにより滴下重量も連続的に変化できるようにしている。気体吹き付けの間隔を短くしていくことにより、得られるガラス塊の重量を減少させることができる。この方法によれば、得ようとするガラスの滴下重量を変更する度にノズルを交換する必要がない。また、ビデオカメラ用レンズ、コンパクトディスク用ピックアップレンズ、などをプレス成形する際、プリフォームとして必要になる小さなガラス塊も製造することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
先の公報に開示された方法は上記のように優れたものであるが、より重量の小さい微小ガラス塊を高い重量精度で生産することが難しかった。先の公報に開示されている方法では、ガラスに吹き付けるガスをエアー吹き付けパイプによりノズル部分に導いている。このパイプはヒータ外部よりヒータ下側開口部を通って、ヒータ内のノズル先端へと設置されている。したがって、溶融ガラスに吹き付けられる気体の温度は、溶融ガラスの温度と比較すれば極めて低温である。
また、溶融ガラスへの気体吹き付けは、滴下重量に合わせて決められたタイミングで間欠的に行われるか、あるいは、溶融ガラスのノズル外周への濡れ上がり（毛細管現象による濡れ上がりや、気流による振れ上がり）を防止するため、比較的圧力の低い気体を連続的に吹き付けておき、滴下させたいタイミングで比較的強く気体を吹きかけて強制的にガラスを滴下させている。いずれの場合も溶融ガラスの滴下は制御されたタイミングで比較的強く気体を吹き付けることにより行っている。
【０００５】
本発明者は、溶融ガラスを滴下して微小重量のガラス塊を高い重量精度のもとに得るには、吹き付けるガスの流量を一定にし、かつそのガスを連続して層流状態で流すことが重要であること、さらにガスの流量が多少変動しても、その変動がガラス塊の重量精度に及ぼす影響を少なくできる条件、ならびにその条件の設定方法を見出した。
【０００６】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、高い重量精度を有するガラス塊の製造方法、特に微小ガラス塊の製造に適した方法、および上記ガラス塊を使用したガラス成形品の製造方法、さらに上記ガラス塊を製造するための製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、ノズルから溶融ガラスを連続滴下させ、ガラス塊を製造する方法において、前記ノズルの外周面に沿って前記滴下の方向に連続して一定流量で流れる気流を発生し、該気流により前記ノズルの先端部より出現した溶融ガラスに風圧を加え、前記溶融ガラスを滴下させることを特徴とするガラス塊の製造方法である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の製造方法を用いてガラス塊を作製し、該ガラス塊を再加熱、プレス成形してガラス成形品を得ることを特徴とするガラス成形品の製造方法である。
【０００９】
第３の発明は、溶融ガラスを滴下し、ガラス滴を成形型で受けて成形し、ガラス塊を作製するガラス塊の製造装置において、前記溶融ガラスを流出するノズルと、前記ノズルより滴下する溶融ガラス滴を受けてガラス塊に成形する成形型と、前記ノズルの外周を覆うノズルカバーであって、該ノズルカバーと前記ノズルとの間にガス流路を形成すると共に、前記ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成するノズルカバーと、前記ノズルカバー内に一定量のガスを連続供給するガス供給手段を備え、前記供給されたガスが、前記ノズルと前記ノズルカバーの間に形成されたガス流路を通って前記ノズルカバー開口部よりノズル先端方向に吹き出し、吹き出されたガスの風圧を前記ノズルカバー開口部より突出したノズル先端部より出現した溶融ガラスに加え、溶融ガラスの滴下を行うことを特徴とするガラス塊の製造装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
ノズル先端からの溶融ガラスの滴下は、溶融ガラスがノズル先端に止まろう（とどまろう）とする力よりも、ノズルから流出した溶融ガラスに働く重力が大きくなったときにおきるものと考えられる。滴下した溶融ガラスを微小球ガラスプリフォームとするためには、極めて軽量な溶融ガラスでもノズル先端より滴下するようにしなければならない。内径の小さいノズルを使用することにより溶融ガラス滴の軽量化が可能になるが、ノズルの細径化にも限界があり、外径０．３ｍｍ前後のノズルが限界である。
【００１１】
本発明では、ノズル先端より吐出した溶融ガラスに下向き方向（滴下の方向）の風圧を連続して加えることにより溶融ガラスに働く下向きの力を増加させて微小量の溶融ガラスでも滴下を可能とするものである。すなわち、先端方向が下向き状態になっているノズルから出現した溶融ガラスが所望の重量に達した時点で滴下するよう、ノズルから出現した溶融ガラスに連続的に一定の風圧を下向きの加える。ノズルの外周面に沿って流れる気流の方向は、ノズルから出現した溶融ガラスに風圧を加える部分で下向き方向（滴下の方向）に揃えている。すなわち、ノズル外周面に沿って流れる気流が互いに衝突して乱流を形成しないよう、ノズルの長手方向（ガラスの滴下方向）に一定距離以上の上記気流の流路が形成されるようにして気流の方向を一定に揃え、上記のように風圧を加えることが望ましい。なお、上記気流は層流状態になっていることが望ましい。溶融ガラスに定常的に下向きの風圧を加えることにより、上記ガラスの自重と表面張力との間のバランスに下向きのバイアスをかけ（一定の力をかけ続け）、より軽量のガラス滴を得ることができる。この現象は一定サイクルで繰り返される。しかし、溶融ガラスに風圧を加えるガスの流れは乱流状態では、溶融ガラス滴の重量を安定させることが困難である。そのため、溶融ガラスに吹き付ける気流を層流状態とし、重量精度の低下を防ぐ。上述した先の公報に開示されている方法は、ノズルに対し、斜め方向からガスを吹き付けている。そのため、各方向からの気流はノズル先端部で合流する際に乱流となり高い重量精度のガラス塊、特に微小ガラス塊を安定して得ることが難しい。そこで、本形態では、ノズルの長手方向に沿って一定流量の気流を連続して流すことにより、ノズル先端部における気流を層流状態にすることによって、高い重量精度のガラス塊、特に微小ガラス塊の安定した生産を可能にしている。
さらに、気流を安定して層流状態に保つとともに、ノズル先端部より出現した溶融ガラスに滴下方向により均等な風圧を加えるためには、上記気流をノズルの全外周面に沿って流すことが好ましい。なお、ノズルの外周面に沿って気流を流す場合、必ずしもノズル外周面の全域に沿って気流を流さなくてもよく、少なくともノズル先端部において気流の流れる方向がノズルの長手方向に平行になっていれば効果がある。このように気流をガラスの滴下方向に流す上で、気流の流路中に気流を平行に揃えるための整流手段を設けることが好ましい。整流手段としては、滴下の方向に平行に配置され、流路中に設けられたスリットや板状部材などを例示することができる。
【００１２】
流路の形成方法の具体例としては、ノズルの外周面をノズルカバーで覆い、ノズルとノズルカバーの間に気流の流路を形成すると共に、ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成する。そして、ノズルカバー先端部よりもノズル先端部が突出した状態にして気流を流すことが好ましい。このようにすることによって、ノズル先端部の溶融ガラスがノズルカバー先端部に付着するのを防止することもできる。その場合、少なくともノズル先端部とノズルカバー先端部の間隔をノズルの全周にわたって均等にすることが望ましい。本形態では円筒状のノズルを用いており、ノズルカバーの内壁もノズル形状に応じて円筒状にしている。そしてノズル先端部の中心軸とノズルカバー先端部の中心軸が一致するようにして、上記間隔が均等になるようにしている。上記間隔を均等にすることにより、溶融ガラスに加えられる風圧がノズル中心軸の回りでより均等になり、不均等な風圧によってノズル先端部より出現した溶融ガラスがノズル外周に濡れ上がったり、溶融ガラスがノズル先端で回転したりして、ガラス滴に脈理が生じたりするのを防ぐことができる。また、溶融ガラスに安定した風圧を加えることもできるので、滴下するガラスの重量精度が低下するのを防ぐこともできる。上記間隔を均等とする区間は、ノズルカバー開口部付近のみでけでなく、ノズルカバーに気流を発生させるためのガスを供給するガス供給口からノズルカバー開口部までの間で均等とすることがより望ましい。ただし、ノズルとノズルカバーの間隔は、ノズルの長手方向に沿って変化させてもよい。ノズルカバー開口部においては、その間隔をノズル先端部の長手方向に沿って均等とし、かつ、その間隔を０．１〜５ｍｍとすることが好ましく、０．１〜３ｍｍとすることがより好ましく、０．１５〜２ｍｍとすることがさらに好ましい。
【００１３】
このようなガラス塊の製造方法は、自然滴下法と比べた場合、ノズルを交換しなくても気流の流量を変えることによって目的とするガラス塊の重量設定値を変えることができる。また、微小ガラス塊を高い重量精度で製造することもできる。比較的小さなガラス塊を作る場合、ガラス塊は自重による変形の影響が小さいために、表面張力によって球状のガラス塊を得ることができる。また溶融ガラスを浮上成形することによっても、球状のガラス塊を得ることができる。球状のガラス塊は、レンズなどを精密プレス成形する際のプリフォームとして好適である。本発明のガラス塊の製造方法は、高い重量精度を有する直径０．５〜８ｍｍの球状又は略球状のガラス塊を作製するのに好適な方法である。より好適な直径は０．８〜６．５ｍｍである。
【００１４】
本発明は、ノズルから流出した溶融ガラスの下部を受け型で受けてから受け型を急速に降下して溶融ガラスを切断し、受け型上にガラス塊を受け取る方法（降下切断法）や、風圧を与えずにノズルから溶融ガラスを自然に滴下させてガラス塊を得る方法（自然滴下法）と比較すると、微小重量のガラス塊を得る場合に特に有効である。すなわち、降下切断法では、溶融ガラスの重量の一部を受け型で支えておき、所定のタイミングで重量の支持を急速に取り外して溶融ガラスを切断するので、自然滴下法と比べ、切断時のガラスの重量は重くなる。また自然滴下法と本発明の比較は、先に説明した通りであり、自然滴下法では最小外径のノズルを用いても３５ｍｇ以下のガラス塊を得ることができない。また、上述した先の公報に記載されている方法を用いた場合は、最小１１ｍｇまでの微小ガラス塊を得ることはできるが、高い重量精度が得られない。本発明では、重量１〜３５ｍｇのガラス塊を目的とする重量の±１％以内の重量精度で安定して作ることができる。ガラス塊の重量を１０ｍｇ以下とすることにより、ノズル先端部より出現した溶融ガラスの表面積に対し、溶融ガラスがノズル先端部と接触している面積の相対的な割合が大きくなる。そのため、風圧による溶融ガラスの回転が起こりにくく、回転によって生じる脈理を低減することができる。一方、ガラス塊の重量を減少させていくと、安定した滴下が難しくなる。したがって、安定した滴下により重量精度の高いガラス塊を得る上で、ガラス塊の重量を０．８ｍｇ以上とすることが望ましく、３ｍｇ以上とすることがより望ましく、５ｍｇ以上とすることがさらに望ましい。したがって、本形態における好ましいガラス塊の重量は１〜３５ｍｇであり、より好ましくは３〜３４ｍｇであり、さらに好ましくは５〜１０ｍｇである。そして、これらの範囲において重量精度を目的重量の±１％以内、より好ましくは±０．５％以内にすることもできる。
【００１５】
ガラス塊の重量、滴下のサイクルは、ガラスの特性を考慮し、ノズルの内径、外径、溶融ガラスの粘度、気流の流量を調整して設定することができるが、気流の流量の変化による重量精度の低下を防ぎ、重量精度を上記のような高精度とするには、次のようにすることが好ましい。すなわち、ガラスの特性を考慮し、ノズルの内径、外径、溶融ガラスの粘度を、目的重量より重いガラス塊が得られるようにしておき、気流の流量を増加させていく。流量を増加させていくと、流量の微小増加量に対するガラス塊の重量減少量が減少する傾向が現れ、この割合が所定の範囲になったところの流量を求める。このようにガラス塊の重量と流量の関係を得た上で、目的とするガラス塊の重量に合わせた流量を設定する。このような方法により、ガラス塊の重量精度をさらに向上させることができる。
【００１６】
微小量の溶融ガラス滴下においては、気流の温度は、ノズル先端部の温度±５０℃とすることが好ましく、ノズル先端部の温度±２０℃とすることがより好ましく、ノズル先端部の温度±１０℃とすることがさらに好ましい。気流の温度が上記範囲より低いと、ガラスの粘度が上昇して滴下時にガラスが糸を引きやすくなる。気流の温度が上記範囲よりも高いと、滴下するガラスに脈理が生じたり、ガラス中の揮発しやすい成分が揮発するなどの問題が起りやすい。気流の温度をノズル先端部の温度に近づけるという点から、気流の流路をノズルとノズルカバーの間に設け、気流を形成するガスとノズルの外壁とを接触させることによってガスとノズルの間で十分な熱交換を行わせることが望ましい。
【００１７】
また気流発生のために供給されるガスとして、不活性ガス（不活性ガス同士を混合したガスも含む）、窒素ガス、前記不活性ガスと窒素ガスの混合ガス、空気などを用いることができるが、不活性ガス（不活性ガス同士を混合したガスも含む）、窒素ガス、前記不活性ガスと窒素ガスの混合ガスを用いることが好ましい。これらのガスは、清浄なガスであることが望ましい。
【００１８】
ガラスについては、ノズルより流出可能な粘度になる温度が液相温度よりも高いものであればよく、液相温度が１０００℃以下のガラスに好適に用いることができる。ガラス塊を精密プレス成形用のプリフォームとして使用するためには、屈伏点が５８０℃以下のガラスが好ましい。このようなガラスとしては、アルカリ金属酸化物を含む硼珪酸ガラス、上記硼珪酸ガラスであってアルカリ金属酸化物が酸化リチウムである硼珪酸ガラス、アルカリ金属酸化物を含む燐酸ガラス、上記燐酸ガラスであって酸化亜鉛とアルカリ土類金属酸化物からなる金属酸化物から選ばれた少なくとも一種の金属酸化物をさらに含むガラスなどが好適なガラスとして例示でき、より具体的には、Ｌｉ2Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｌａ2Ｏ3を含むアルミノ硼珪酸ガラス、Ｌｉ2Ｏ、ＣａＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5を含む硼珪酸ガラスなどを好適なものとして示すことができる。
【００１９】
先に説明したように、これら好適に使用できるガラスであっても、適正な温度領域より高温側（低粘性側）では揮発による脈理が発生したり、表面に発泡することがある。適正な温度領域より低温側（高粘性側）では滴下時にガラスが糸を引くことがある。したがって、溶融ガラスの粘度は５〜２０ポアズとして流出することが好ましい。
【００２０】
溶融ガラス滴は、例えば、凹部（溶融ガラス滴を受ける面）に気体を吹き出す噴出口（通常複数）を有する受け型、べンチュリー管など、一般に使用されている成形型を使用し、下方から噴出する気流で浮上保持又は略浮上保持して成形、冷却固化される。この際、気流に方向性を与えて溶融ガラス滴の回転方向及び回転数を制御することで、溶融ガラス滴の形状を所望の形状に成形することができる。この方法で得られたものには表面のしわ等の欠陥がない。なお、ランダムな方向に回転させると真球に近い形状が得られる。この方法で得られたガラス塊は、最終製品をプレス成形するためのプリフォーム、すなわち精密プレス成形用素材として使用することができる。
【００２１】
このようにして得られたガラス塊を非酸化性ガス雰囲気中において１０7〜１０9ポアズの粘度になるように再加熱し、最終製品の形状に合わせて極めて精密に加工されたプレス成形型を用いて精密プレス成形する。プレス成形品には、プレス成形型の成形面が精密に転写され、研削、研磨が不要な最終製品となる。なお、この最終製品の表面には適宜、光学薄膜を形成してもよい。
【００２２】
本発明は、例えば、カメラレンズ、ビデオカメラ用レンズ、写真用レンズ、光通信用結合レンズ、眼鏡レンズ、コンパクトディスクプレイヤーのピックアップレンズ、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）のピックアップレンズなどの光学レンズや、位相格子型ローパスフィルター、色フィルター、位相格子フィルター、アナモルフィックレンズ、レンチキュラーレンズ、グレーティング、プリズム、ゾーンプレート、フレネルレンズ、ホログラフィックレンズなどの微小光学素子の製造に好適に利用できる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１はガラス塊製造装置の概略図、図２はガラス塊製造装置のノズル及びノズルカバー付近の拡大部分断面図、図３はガラス塊製造装置のノズル先端部の拡大部分断面図である。
図１に示したガラス塊製造装置の溶融ガラス供給部１の上方にはガラス塊の材料である溶融ガラスが蓄積されているガラス溶解炉（図示せず）があり、この炉から溶融ガラスが溶融ガラス供給部１へと供給される。ガラス塊製造装置は、図１及び図２に示すように、溶融ガラスを流出、滴下するとともに軸が鉛直（重力の方向）に保たれているノズル２、溶融ガラス供給部１から供給される溶融ガラスをノズル２へと導く溶融ガラス導入管３、ノズル先端部２ａを除くノズル２の側面を覆うノズルカバー４、溶融ガラス導入管３の側面とノズルカバー４の側面を覆うように配置された高周波誘導加熱部５を備えている。なお、溶融ガラスに接する溶融ガラス導入管３の内壁は白金又は白金合金でできている。ノズルカバー４の先端部４ａと、ノズル先端部２ａとの間にはノズルカバー開口部１１が形成されており、ノズルカバー４の先端部４ａに対しノズル先端部２ａが突出している。
ノズルカバー４にはノズルカバー開口部１１より噴出するガスを供給するガス供給管６の一端が取付けられている。ガス供給管６の他端はマスフローコントローラー７を介してガスボンベ（図示せず）に接続されている。
ターンテーブル（図示せず）上に載置された複数個の成形型８を、ターンテーブルを間欠的に回転させて、順次、ノズル先端部２ａの鉛直下方に移送し、次々とノズル先端部２ａより滴下する溶融ガラス滴９を順次受けてガラス塊に成形していく。成形されたガラス塊は成形型８より取り出され、ガラス塊が取り出された成形型８は再度ノズル先端部２ａの鉛直下方に移送されて、再び溶融ガラス滴９を受け取る。このようにして溶融ガラス滴９を連続して滴下させ、循環する成形型８で順次受けてガラス塊に成形することにより、ガラス塊を連続して生産する。
図２において、ガス供給管６はノズル保持部２’の外周全域にわたって設けられた流路１０ａへとガスを供給する。ガスはさらに流路１０ａに接続しているノズル保持部２’の外周面とノズルカバー４との間に、ノズル保持部２’の外周全域にわたって均等な隙間で配置されているスリット１０ｂを通り、ノズル２の外周面とノズルカバー４の間に形成された流路１０ｃへと導かれ、ノズルカバー４の開口部１１から外部へと噴出する。ここで、スリット１０ｂはノズル２の軸方向に沿って延びており、ガスがスリット１０ｂを通過することによって、ガスの流動によって生じる気流がノズル２の外周面に沿って鉛直下方に向かうように整流される。スリット１０ｂは整流板（図示ぜず）によって形成されたもので、この整流板については後述する図４における整流板と同様である。
図３は、ノズル先端部２ａ及びノズルカバー開口部１１周辺の拡大図であるが、ノズル２の外径、ノズルカバー４の内径はともに先端部で絞り込まれて、ノズル先端部２ａ、ノズルカバー先端部４ａとなり、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間にノズルカバー開口部１１が形成される。このノズルカバー開口部１１で気流の流路断面積は小さくなり、流速が高められる。気流２０の方向は、ノズル先端部２ａにおいても鉛直下方を向いている。ノズル先端部２ａでは、ノズル２を通って流下する溶融ガラス９が液滴状に成長し、溶融ガラス表面は気流２０による鉛直下方の風圧を受けることになる。気流がない自然滴下法ではノズル先端部２ａより出現した溶融ガラスに働く重力が表面張力などによってノズル先端部２ａに止まろうとする力よりも大きくなると滴下がおきる。本発明のように、連続して一定流量で流れる気流２０によって溶融ガラス９に鉛直下方に風圧を加えると、自然滴下時より少ない重量で溶融ガラスを滴下させることができる。供給されるガスの流量は上述したマスフローコントローラー７によって一定に保たれているので、ノズルカバー開口部１１より鉛直下方に流れる気流の流量も一定に保たれる。そして気流２０もノズル先端部２ａの外周全域にわたり、溶融ガラス９が滴下する鉛直下方に揃えられているため、ノズル先端部２ａより出現した溶融ガラス９に安定した風圧を加えることができる。このように層流状態と見なせる気流によって溶融ガラスに風圧を加えることができるので、滴下する溶融ガラス滴の重量が一定し、高い重量精度を有するガラス塊を得ることができる。気流の方向がノズル先端部２ａで揃っていないと互いに衝突した気流が乱流となって、溶融ガラスに加えられる風圧の大きさや方向が安定しなくなる。風圧の大きさや方向が不安定になると滴下毎に滴下のタイミングにバラツキが生じ、ガラス塊の重量バラツキの原因となってしまう。
【００２４】
図４は、ノズルとノズルカバー付近の他の態様を示す概略図であり、図４（１）は拡大部分断面図、図４（２）は図４（１）を図示Ａ方向から見た平面図、図４（３）は図４（２）部分拡大図である。
図４（１）〜（３）に示すように、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間に形成されるノズルカバー開口部１１、及び流路１０ｃの一部に、整流板１２を設けることによって、気流を平行に揃えることができ、気流を安定して層流状態に保つことができる。
隣接する整流板１２の間隔は、０．１〜０．５ｍｍ程度が好ましい。整流板１２は、気流を乱さぬように薄くすることが好ましい。整流板１２の数や、形成位置は、図４（１）及び（２）に示す態様に限定されず、例えば、ノズル先端部２ａとノズルカバー先端部４ａとの間にのみ整流板１２を形成することができ、図４（１）における流路１０ｃの中間位置付近まで整流板１２を形成することもできる。
【００２５】
本実施例では、屈伏点５８０℃以下、液相温度１０００℃以下のＬｉ2Ｏを含む硼珪酸ガラスを溶解し、上記図１、図２、図３に示すガラス塊の製造装置によってガラス塊を次のようにして連続的に製造した。
まず、ノズルカバー開口部１１の径をφ２．０ｍｍ、ノズル先端部２ａの外径をφ０．６ｍｍ、ノズル先端部２ａの内径をφ０．４ｍｍとし、ノズル外周面の外周に０．７ｍｍの隙間を均等に作り（ノズルカバー開口部の中心とノズルの中心を一致させる）、その隙間を気流の流路とし、ノズル外周面の外周に沿って真下方向に揃った向きで窒素ガスを流した。そしてノズル先端部２ａから出るガラスの粘度が５〜２０ポアズの範囲になるようにノズル２の温度を８３０℃に保った。表１に、気流の流量を０．３〜１．９リットル／分の範囲で変えたときに得られる球状のガラス塊の重量、重量精度（重量のバラツキ／平均重量）、直径、滴下間隔を示す（実施例１）。
【００２６】
【表１】
表１から明らかなように、気流の流量を変化させることにより、重量６．５〜４５．７ｍｇ、直径１．５７〜３．００ｍｍの球状ガラス塊を得ることができた。また、このときのガラス塊の重量精度は±１％以内であった。気流流量は連続的に増減調整することができるので、ガラス塊の重量も目的とする値に調整することができ、高い重量精度のガラス塊を得ることができる。なお、溶融ガラスはノズル２から一定の速度で流出するので、軽量のガラス塊を得るには、滴下間隔を短くすることになる。したがって、気流の流量に対応する滴下間隔に合わせて、滴下ガラスを受けて成形する成形型をガラス滴を受ける位置に搬入、搬出する。成形型８における溶融ガラス滴を受ける面にはガス噴出口が設けられており、その噴出口からガスが噴出し、受けたガラス滴を浮上させた状態で球状のガラス塊に成形する。得られたガラス塊はいずれも脈理などの光学ガラスとして欠陥となるような不良部分は見られず、精密プレス成形素材としていずれも好適なものであった。
【００２８】
次に、上記装置のノズルカバー開口部１１の直径をφ１．０ｍｍとし、その他の条件は変えないでガラス塊を製造した。気流の流量を各値に設定したときに得られるガラス塊の重量などの値を表２に示す（実施例２）。
【００２９】
【表２】
表２から明らかなように、気流の流量を０．３〜０．８２５リットル／分の範囲で設定することにより、１．０〜３５．２ｍｇのガラス塊を重量精度±０．９５％以内で得ることができた。気流の流量を増加させることによってガラス塊の重量を軽量化することができ、それとともにガラスの滴下間隔が短くなるのは表１の結果と同様であるが、ノズルカバー開口部１１の直径を小さくすることによって、気流の流路の断面積が小さくなり、それによって気流の流量が同じでも、気流のスピードを大きくすることができ、ノズル先端部より出現したガラスに加わる風圧を大きくすることができる。そのため、ノズル先端部２ａの径が同じでも、より軽量のガラスの滴下が可能になることが確認された。
表２に示したガラス塊も脈理などの不良部分は認められず、精密プレス成形素材として好適なものであった。なお、ガラス塊は内部の歪みを除去するためにアニールなどの処理を施してもよい。
【００３１】
上記実施例１及び２で得られたガラス塊をプリフォームとして用い、窒素雰囲気中でガラスの粘度が１０7〜１０9ポアズになる温度に加熱して、精密プレス用成形型によりプレス成形して、プレス成形後の研削、研磨が不要な高精度な非球面レンズなどの光学部品を作製した。本実施例で作製されたガラス塊は重量精度が高いので、得られたプレス成形品の精度も極めて高いものであった。さらに、高い重量精度を得るのがより難しい微小プリフォームも得ることができるので、形状精度の高い微小光学素子のプレス成形素材の作製にも本実施例は好適である。
【００３２】
なお、横軸に気流の流量、縦軸にガラス塊の重量をとり、表１および表２の結果をグラフ化したものを図５に示す。表２に対応するグラフに顕著に現れているように、気流の流量を増加させていくと、流量変化に対するガラス塊重量の減少量が減少する。この付近の流量で気流を流すことにより、流量変化によるガラス塊の重量変化を低減することができる。
【００３３】
なお、本実施例では、気流を作るためのガスに窒素を用いたが、他のガス、例えば不活性ガス等を用いてもよい。
また、ノズル先端部の内外径や、ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間隔（ノズルカバー開口部の間隔）は、上記実施例の数値に限定されず、適宜設計変更できる。
さらに、図２に示すスリット１０ｂは、整流板のない均等な円筒形の隙間とすることができる。
また、上記図１及び図４（１）〜（３）に示すガラス塊の製造装置を用い、整流板１２を設けることによって、気流を平行に揃えることができ、気流を安定して層流状態に保つことができ、ガラス塊の重量バラツキを低減できる。整流板１２の間隔は、図４（２）及び（３）に示す間隔に限定されず、適宜設計変更できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガラス塊の製造方法および製造装置によれば、高い重量精度を有するガラス塊を高い生産性のもと製造することができる。この方法または装置によりガラス塊からなるプレス成形素材を製造し、これをプレス成形することによって、目的とするプレス成形品の重量にプレス成形素材の重量を精密に一致させることができ、高精度のプレス成形品を得ることができる。特に本発明は、微小ガラス塊の製造に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るガラス塊の製造装置の概略図である。
【図２】図１に示したガラス塊の製造装置のノズルとノズルカバー付近の概略図である。
【図３】図１、図２に示したガラス塊の製造装置のノズル先端部、ノズルカバー開口部付近の拡大図である。
【図４】図１に示したガラス塊の製造装置のノズルとノズルカバー付近の他の態様を示す概略図であり、（１）は部分断面図、（２）は平面図、図４（３）は図４（２）部分拡大図である。
【図５】本発明の実施例における気流の流量に対するガラス塊の重量変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶融ガラス供給部
２ ノズル
２ａ ノズル先端部
２’ ノズル保持部
３ 溶融ガラス導入管
４ ノズルカバー
４ａ ノズルカバー先端部
５ 高周波誘導加熱部
６ ガス供給管
７ マスフローコントローラー
８ 成形型
９ 溶融ガラス滴
１０ａ 流路
１０ｂ スリット
１０ｃ 流路
１１ ノズルカバー開口部
１２ 整流板
２０ 気流
Claims (16)
- ノズルから溶融ガラスを連続滴下させ、ガラス塊を製造する方法において、
前記ノズルの外周面をノズルカバーで覆って、前記ノズルと前記ノズルカバーの間に前記気流の流路を形成し、前記ノズルの外周面に沿って前記滴下の方向に連続して一定流量で流れる気流を発生させ、該気流により前記ノズルの先端部より出現した溶融ガラスに風圧を加え、前記溶融ガラスを滴下させると共に、
前記ノズルの外周面をノズルカバーで覆い、気流を形成するガスとノズルの外壁とを接触させることによってガスとノズルの間で熱交換を行わせて気流の温度をノズル先端部の温度に近づけ、前記溶融ガラスを滴下させる
ことを特徴とするガラス塊の製造方法。 - 前記気流を前記ノズルの全外周面に沿って流すことを特徴とする請求項１に記載のガラス塊の製造方法。
- 前記ノズルの外周面をノズルカバーで覆って、前記ノズルと前記ノズルカバーの間に前記気流の流路を形成すると共に、前記ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成し、前記ノズルカバーの先端部に対し前記ノズル先端部が突出した状態で、前記気流を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス塊の製造方法。
- 少なくとも前記ノズルカバー開口部付近における前記ノズルと前記ノズルカバーの間隔をノズルの全周にわたり均等とすることを特徴とする請求項３に記載のガラス塊の製造方法。
- 重量１〜３５ｍｇのガラス塊を得ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記気流の流量の微小変化に対するガラス塊の重量変化が該ガラス塊の目的重量の±１％以内となるように前記流量を設定し、溶融ガラスの滴下を行なうことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記気流の温度を前記ノズル先端部の温度±５０℃以内とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記気流が層流状態であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記ノズル先端部より出現した溶融ガラスを回転させずに風圧を加えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記気流が、不活性ガス、窒素ガス、不活性ガスと窒素ガスの混合ガス、空気のいずれかであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記滴下した溶融ガラス滴を、前記溶融ガラス滴を受ける凹部に気体を吹き出す噴出口を有する受け型又はべンチュリー管において、下方から噴出する気流により浮上保持又は略浮上保持して成形、冷却固化することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 前記ガラス塊が精密プレス成形用素材であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のガラス塊の製造方法。
- 請求項１〜１２のいずれかに記載のガラス塊の製造方法を用いてガラス塊を作製し、該ガラス塊を再加熱、プレス成形してガラス成形品を得ることを特徴とするガラス成形品の製造方法。
- 溶融ガラスを滴下し、ガラス滴を成形型で受けて成形し、ガラス塊を作製するガラス塊の製造装置において、
前記溶融ガラスを流出するノズルと、
前記ノズルより滴下する溶融ガラス滴を受けてガラス塊に成形する成形型と、 前記ノズルの外周を覆うノズルカバーであって、該ノズルカバーと前記ノズルとの間にガス流路を形成すると共に、前記ノズルカバーの先端部とノズル先端部との間にノズルカバー開口部を形成するノズルカバーと、
前記ノズルカバーと前記ノズルとの間のガス流路に一定量のガスを連続供給するガス供給手段を備え、
前記供給されたガスが、前記ノズルカバーと前記ノズルとの間に形成されたガス流路を通って前記ノズルカバー開口部よりノズル先端方向に吹き出し、吹き出されたガスの風圧を前記ノズルカバー開口部より突出したノズル先端部より出現した溶融ガラスに加え、溶融ガラスの滴下を行うことを特徴とするガラス塊の製造装置。 - ノズル先端部において気流の流れる方向がノズルの長手方向に平行になるよう、気流の流路中に気流を平行に揃えるための整流手段を備えることことを特徴とする請求項１４に記載のガラス塊の製造装置。
- 請求項１４又は１５に記載のガラス塊の製造装置により製造されたガラス塊を再加熱、精密プレス成形して光学素子を得ることを特徴とする光学素子の製造方法。
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