JP5333437B2 - ガラスゴブの製造装置及び方法、並びにガラス成形装置及び方法 - Google Patents

ガラスゴブの製造装置及び方法、並びにガラス成形装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガラスゴブの製造装置及び方法、並びに該ガラスゴブをプレスしてガラス成形体を得るためのガラス成形装置及び方法に関する。
近年、デジタルカメラ用レンズ、DVD等の光ピックアップレンズ、携帯電話用カメラレンズ、光通信用のカップリングレンズ等として、ガラス製の光学素子が広範にわたって利用されている。このようなガラス製の光学素子として、ガラス素材を成形金型で加圧成形して製造したガラス成形体を用いることが多くなってきた。
このようなガラス成形体の製造方法の1つとして、予め所定の質量及び形状を有するガラスプリフォームを作製し、該ガラスプリフォームを成形金型とともにガラスが変形可能な温度まで加熱して加圧成形する方法(「リヒートプレス法」ともいう)が知られている。
このようなリヒートプレス法に用いるガラスプリフォームは、従来、研削・研磨等の機械加工によって製造されることが多かったが、機械加工によるガラスプリフォームの作製には多大な労力と時間を要するという問題があった。そのため、溶融ガラス滴を受け部に滴下し、滴下した溶融ガラス滴を冷却固化してガラスプリフォーム(ゴブプリフォーム)を作製する方法が開発されてきた(例えば、特許文献1参照)。
また、ガラス成形体の別の製造方法として、所定の温度に加熱した下型に溶融ガラス滴を滴下し、当該下型上のガラスゴブを、下型及び下型に対向する上型により加圧成形してガラス成形体を得る方法(以下、「液滴成形法」ともいう)が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この方法は、予めガラスプリフォームを作製しておく必要がなく、また、成形金型等の加熱と冷却を繰り返すことなく溶融ガラス滴、すなわちまだ高温状態のガラスゴブから直接ガラス成形体を製造することができるので、1回の成形に要する時間を非常に短くできることから注目されている。
一方、近年における各種光学装置等の小型化に伴い、小型のガラス成形体の需要が高まっている。そのような小型のガラス成形体の元となるガラスゴブの製造に必要となる溶融ガラスの微小滴は、ノズルから溶融ガラス滴を自然滴下させるだけでは作製が困難である。そこで、溶融ガラスの微小滴の製造方法として、貫通孔を設けた滴下量調整部材に溶融ガラス滴を衝突させ、衝突した溶融ガラス滴の一部を、貫通孔を通過させて分離し、溶融ガラスの微小滴とする方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2004−250267号公報 特開平1−308840号公報 特開2002−154834号公報
特許文献3に記載の方法により溶融ガラスの微小滴を作製する場合、ノズルから滴下してくる溶融ガラス滴に対して、滴下量調整部材の貫通孔の位置や大きさがばらつくことにより、受け部に滴下される溶融ガラスの微小滴の質量や位置がばらつくという問題があった。
例えば、ガラス成形の連続稼働を行うと、溶融ガラスの滴下される滴下量調整部材は、稼働開始直後は温度が低いが、溶融ガラス滴と次々と接触するにつれて徐々に高温となっていく。滴下量調整部材の温度が上昇すると、滴下量調整部材が膨張するので、貫通孔の大きさ及び位置が変化する。
貫通孔の大きさが変わると、その貫通孔を通過する溶融ガラスの質量を大きくばらつかせてしまうことがある。
また、貫通孔の位置が変わると、溶融ガラスの滴下が貫通孔の中心位置からずれる、あるいは貫通孔を通過した溶融ガラスの微小滴が下型に滴下する位置がずれる、といった変動を生じさせる。
これらの溶融ガラスの質量ばらつきや滴下位置のズレは、ガラス成形体の心厚(中心部の厚み)や面形状の変動や、それにともなう波面収差の発生、またワレなどのガラス成形体の外観不良の発生を引き起こすおそれがある。特に高い心厚精度を要求される光学部品(ブルーレイ用対物レンズなど)においては、その虞が大きい。
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、滴下量調整部材の貫通孔の上に溶融ガラス滴を滴下し、貫通孔を通過した溶融ガラスの微小滴を受け部に滴下するガラスゴブの製造方法及び装置において、貫通孔を通過した溶融ガラスの微小滴の質量ばらつき及び滴下位置ばらつきを極小化して、製造するガラスゴブ乃至ガラス成形体の品質を安定させることができるガラスゴブの製造方法及び装置、並びにガラス成形方法及び装置を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
1.ガラス溶融炉から供給された溶融ガラスを滴下するノズルと、
前記ノズルから滴下する溶融ガラス滴の一部を通過させることで、該溶融ガラス滴の質量を通過前より小さくするための貫通孔を有する、滴下量調整部材と、
前記貫通孔の直下に配置され、前記貫通孔通過後の溶融ガラス滴の滴下を受ける受け部と、を有するガラスゴブの製造装置であって、
前記滴下量調整部材の温度を測定する温度センサを備え、該温度センサの測定温度をフィードバックすることで、前記滴下量調整部材が所定の温度になるよう制御する温度制御機構を有することを特徴とするガラスゴブの製造装置。
2.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記1に記載のガラスゴブの製造装置。
3.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも1℃から300℃高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記2に記載のガラスゴブの製造装置。
4.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記1に記載のガラスゴブの製造装置。
5.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも1℃から200℃低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記4に記載のガラスゴブの製造装置。
6.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の前記所定の温度を調整することにより、前記溶融ガラス滴が通過する前記貫通孔の位置が所定の範囲内になるように位置調整を行うことを特徴とする前記1から前記5の何れか1項に記載のガラスゴブの製造装置。
7.前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の前記所定の温度を調整することにより、前記貫通孔を通過する前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内になるように質量調整を行うことを特徴とする前記1から前記5の何れか1項に記載のガラスゴブの製造装置。
8.前記溶融ガラス滴の滴下を受ける複数の前記滴下量調整部材を備え、
前記温度制御機構は、前記複数の滴下量調整部材それぞれの前記溶融ガラス滴の通過する貫通孔の位置が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材の温度をそれぞれ制御することを特徴とする前記6に記載のガラスゴブの製造装置。
9.前記溶融ガラス滴の滴下を受ける複数の前記滴下量調整部材を備え、
前記温度制御機構は、前記複数の滴下量調整部材のそれぞれの貫通孔を通過した前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材の温度をそれぞれ制御することを特徴とする前記7に記載のガラスゴブの製造装置。
10.前記滴下量調整部材は、貫通孔を有するプレートと、前記貫通孔が前記ノズルの直下に位置するように前記プレートを保持するプレート保持部材とを含み、
前記温度センサは、前記プレート保持部材の温度を測定することを特徴とする前記1に記載のガラスゴブの製造装置。
11.前記1に記載のガラスゴブの製造装置を備えたガラス成形装置であって、
前記受け部は下金型であり、該下金型上に作製されたガラスゴブをプレス成形するための上金型を備えることを特徴とするガラス成形装置。
12.ガラス溶融炉から供給された溶融ガラスを、滴下ノズルから、貫通孔を有する滴下量調整部材に滴下し、該貫通孔に滴下した前記溶融ガラス滴の一部を通過させることで、前記溶融ガラス滴の質量を通過前より小さくする溶融ガラス滴供給工程と、
前記貫通孔の直下に配置された受け部で、前記貫通孔通過後の溶融ガラス滴の滴下を受けるガラスゴブ生成工程と、を有するガラスゴブの製造方法であって、
前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記滴下量調整部材の温度が所定の温度になるよう温度制御することを特徴とするガラスゴブの製造方法。
13.前記溶融ガラス滴供給工程における前記温度制御は、前記滴下量調整部材の温度が、前記温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記12に記載のガラスゴブの製造方法。
14.前記溶融ガラス滴供給工程における前記温度制御は、前記滴下量調整部材の温度が、前記温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする前記12に記載のガラスゴブの製造方法。
15.前記温度制御においては、前記所定の温度を調整することにより、前記溶融ガラス滴が通過する前記貫通孔の位置が所定の範囲内になるように位置調整を行うことを特徴とする前記12から前記14の何れか1項に記載のガラスゴブの製造方法。
16.前記温度制御においては、前記所定の温度を調整することにより、前記貫通孔を通過する前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内になるように質量調整を行うことを特徴とする前記12から前記14の何れか1項に記載のガラスゴブの製造方法。
17.前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記溶融ガラス滴の滴下を、複数の前記滴下量調整部材が受け、
前記温度制御は、前記複数の滴下量調整部材それぞれの前記溶融ガラス滴の通過する貫通孔の位置が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材に対する所定の温度をそれぞれ調整することを特徴とする前記15に記載のガラスゴブの製造方法。
18.前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記溶融ガラス滴の滴下を複数の前記滴下量調整部材が受け、
前記温度制御は、前記複数の滴下量調整部材のそれぞれの貫通孔を通過した前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材に対する所定の温度をそれぞれ調整することを特徴とする前記16に記載のガラスゴブの製造方法。
19.前記12に記載のガラスゴブの製造方法を含むガラス成形方法であって、
前記ガラスゴブ生成工程において、溶融ガラス滴を受ける受け部は下金型であり、該下金型上に作製されたガラスゴブを上金型でプレスし、成形するプレス成形工程を備えることを特徴とするガラス成形方法。
滴下量調整部材の温度を制御し、装置の稼働初期などに発生する温度変化を抑制することで、貫通孔を通過する溶融ガラス微小滴の質量ばらつきや滴下位置ばらつきを抑えることができ、従って製造するガラスゴブ及びガラス成形体の品質を安定させ、稼働率の向上したガラスゴブの製造方法及び装置、並びにガラス成形方法及び装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係るガラスゴブの製造装置の概略構成例を示す断面図である。 (a)溶融ガラス滴がプレートの貫通孔に衝突する際の状態と、(b)微小滴が分離された後の状態を、それぞれ示す断面図である。 従来の、温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働したときの、プレート温度の変化を示すグラフである。 温度制御機構Aの構成例を示すブロック図である。 温度制御機構Aにおけるプレートの加熱機構の構成例を示す断面図((a)平面図、(b)正面図)である。 温度制御機構Bの構成例を示すブロック図である。 温度制御機構Bにおけるプレートの冷却機構の構成例を示す断面図((a)平面図、(b)正面図)である。 本発明の実施形態に係るガラス成形装置によるガラス成形体の製造方法の1例を示すフローチャートである。 プレートによって微小滴を分離している状態を説明するための模式図である。 下型と上型とで微小滴を加圧成形している状態を説明するための模式図である。 本実施形態の、温度制御機構による温度制御を行った状態で連続稼働したときの、プレート温度の変化を示すグラフである。
符号の説明
10 プレート(滴下量調整部材)
11 貫通孔
12 (プレートの)上面
15 プレート保持部材(滴下量調整部材)
21 下型
22 上型
23 光学機能面(転写面)
31 溶融ガラス滴
32 (溶融ガラスの)微小滴
33 余剰ガラス
34 ガラス成形体
35 ノズル
36 溶融ガラス
51 制御装置
52 加熱用電源
53a、53b 加熱装置(ヒータ)
54 センサ検知部
55 冷却装置
57 冷却パイプ
以下、本発明の実施の形態について図1〜図10を参照しつつ詳細に説明する。
なお、既述したように本発明のガラスゴブの製造装置は、貫通孔を有する滴下量調整部材を備え、溶融ガラス滴の一部を、貫通孔を通過させて微小滴とし、その微小滴を受け部で受けてガラスゴブとするものであり、本発明のガラス成形装置は、そのガラスゴブの製造装置と、プレス成形のための上型とを備え、下型上の高温状態の該ガラスゴブを上型でプレスしてガラス成形体を得るものである。
以下の実施形態の説明においては、ガラス成形装置及び方法を例にとって説明する。ガラス成形装置から上型を省くことでガラスゴブの製造装置となる。また、ガラス成形方法から上型を用いてプレスする工程を省くことでガラスゴブの製造方法となり、下型に滴下した微小滴をガラスゴブとすることができる。そのガラスゴブを冷却固化してガラスプリフォームとすることもできる。
(プレートによる溶融ガラス滴の微小化)
図1は、本発明の実施形態に係るガラスゴブの製造装置の概略構成例を示す断面図である。図1を参照しながら、本実施形態に係るガラスゴブの製造装置及びガラス成形装置の構成と、本装置の有する溶融ガラス滴の滴下量調整部材の機能とを説明する。
図1において、35は溶融ガラス滴を滴下するためのノズルである。36は溶融ガラスである。図示しないガラス溶融炉で所定の温度で溶融された溶融ガラス36がノズル35に供給され、ノズル35の先端から図のように滴下される。31は滴下された溶融ガラス滴であり、その大きさ(質量、体積)は、溶融ガラス36の溶融温度とノズル35先端の径とで調整される。
10はプレートであり、15はプレート10を所定の位置に保持するためのプレート保持部材である。このプレート10とプレート保持部材15とで滴下量調整部材を構成する。
プレート10は貫通孔11を有しており、ノズル35から滴下された溶融ガラス滴31が貫通孔11の中心へ向かい衝突するように配置される。プレート保持部材15は、プレート10に設けられた貫通孔11の中心がノズル35の直下、後述する下型の転写面中心の真上になるよう位置決めする。このプレート保持部材15はプレート10から略水平に延びるアーム状をなしており、貫通孔11から離れた位置の軸を中心にして水平方向に回動することにより、プレート10に残留したガラスを除去するときなどに、プレート10をノズル35の直下から待避させることができる。
ノズル35から滴下された溶融ガラス滴31は、プレート10の上面12に、貫通孔11を中心として衝突し、その一部が分離して、貫通孔11を通り抜け、溶融ガラスの微小滴(以降、単に微小滴ともいう)32として貫通孔11の真下に配されている下型21の光学機能面(以降、機能面、転写面ともいう)23に落下する。この下型21が受け部に相当する。溶融ガラスの微小滴32を下型21で受けてからの成形プロセスは、後で詳しく述べる。
溶融ガラス滴31を直接下型21で受けず、プレート10に滴下し、一部を貫通孔11を通過させて分離し、溶融ガラスの微小滴32として下型21に供給するのは、ノズル35からの溶融ガラス滴31を微小化することが困難であることによる。
近年における各種光学装置等の小型化に伴い、直径数ミリ程度の小型のガラス成形体の需要が高まっているが、そのような小型のガラス成形体の製造に適した質量、体積の溶融ガラスの微小滴は、従来のノズル等による溶融ガラス滴の滴下では作製が困難である。
ノズル35から滴下された溶融ガラス滴31の大きさ(質量、体積)は、溶融ガラス36の溶融温度とノズル35先端の径とで調整されていたが、溶融ガラス36を流すためある程度のノズル径を確保する必要があること、また先端における溶融ガラス36の濡れによる広がりなどで、概ね200mg程度が下限であった。また溶融ガラス滴31の大きさを変更しようとすれば、ノズル35の交換が必要であり、稼働率やコストへの影響が大きかった。
上記のように貫通孔11を有するプレート10を用いることで、容易に200mgを下回る大きさの微小滴32を得ることができ、また微小滴32の大きさの変更もプレート10の取り替えだけで容易に行うことができる。
図2(a)は溶融ガラス滴31がプレート10の貫通孔11に衝突する際の状態を、図2(b)は微小滴32が分離された後の状態を、それぞれ示す断面図である。図2を参照して、プレート10を用いた微小滴32の作製について説明する。
図2(a)において、31はノズル35から滴下された溶融ガラス滴31である。ちょうどプレート10の貫通孔11に向けて衝突した状態が示してある。貫通孔11は上面12の側の内周面がテーパ形状を有している。そのテーパ状の内周面で溶融ガラス滴31を受けとめる。
貫通孔11は微小径ではあるが、衝突した溶融ガラス滴31の一部は、貫通孔11を通り抜け、溶融ガラス滴31から分離する。
図2(b)において、32は貫通孔11を通過し、溶融ガラス滴31から分離して、滴下していく溶融ガラスの微小滴である。33は微小滴32が分離された後の余剰ガラスであり、プレート10の上面12に、貫通孔11の内部に入り込んだ状態で冷却され固化する。固化した余剰ガラス33は、次の溶融ガラス滴31の滴下に備えて、除去される。
微小滴32は、この後、加熱された下型21の光学機能面23に滴下され、プレス成形で光学機能面23の形状が転写される。形成されるガラス成形体として適切な質量となるように微小滴32の大きさ(質量)は予め調整されている。
微小滴32の大きさは、貫通孔11の内径で調整することができる。ノズル径やガラスの溶融温度を調整しなくともよいので、成形条件に、しいてはガラス成形体の品質に与える影響を極小にすることができる。
しかしながら、プレート10を使用する場合、特有の問題点が発生するおそれがある。その一つは、貫通孔11の径に何らかの原因によりばらつきが生じると、微小滴32の大きさ及び質量も変動するおそれがあることである。また、貫通孔11の位置変動があると、微小滴32の下型21への滴下位置が変動し、プレス成形に悪影響を与える。
特に連続稼働を行う場合は、溶融ガラス滴と次々と接触するにつれてプレート10の温度が上昇すると、プレート10が膨張するため、貫通孔11の径に影響を与える。またプレート保持部材15が温度上昇して膨張すると、貫通孔11の位置がノズル35の直下からずれてしまう。また複数のプレート10を用いる場合など、各プレート間の貫通孔サイズや面粗さのばらつきなども品質上考慮すべき問題である。
本実施形態では、これらのばらつきに対処するため、プレート10の温度もしくはプレート保持部材15の温度を制御する温度制御機構を有している。
(プレートの温度変動と温度制御機構)
まず、温度制御を行わないときの温度変化の影響を説明する。図3は、本実施形態に係るガラス成形装置において、温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働したときの、プレート温度の変化を示すグラフである。
プレート10に温度センサを取り付け、溶融ガラスの滴下、プレス成形を繰り返す連続稼働を行った時間経過(横軸)に対するプレート温度(縦軸)の変化を測定した結果が曲線G1で示してある。
初期は室温レベルであったプレート10の温度は、稼働時間の経過とともに、高温に加熱された溶融ガラス滴31が衝突し、一部が通過、一部が残留する毎に熱を吸収し、急速に温度上昇していく。溶融ガラスの滴下を繰り返す稼働時間が経過していくにつれて、プレート10の温度上昇はだんだんと緩やかになっていき、ある程度の温度に達すると温度上昇は飽和状態になる。
滴下を繰り返すサイクルやガラス溶融温度、プレート10の容量などにもよるが、例えば、図3では10分ほどの稼働時間が経過すると、プレート10の温度は約180℃に達し、以後その温度で維持されている。
稼働を始めて最初の10分間ほどで、約150℃程度の温度変化があることになる。これはプレート10の貫通孔11のサイズに大きな影響を与える。すなわち、貫通孔11を通過した微小滴32の質量を変動させ、最終的にプレス成形されたガラス成形体の質量ばらつきをもたらす。
ガラス成形体の質量ばらつきは、心厚の変動及びそれに伴う波面収差(主に球面収差)の発生や、成形品の外観不良の発生などを引き起こす虞がある。特に、高い心厚精度が要求される光学部品において、この質量ばらつきは重大である。
またプレート10の温度が変動するとともに、プレート10を所定の位置に保持しているプレート保持部材15の温度も同様に変動する。これらの温度変動による熱膨張により、プレート10の位置が変動し、すなわち貫通孔11の位置が変動する。
アーム状のプレート保持部材15により、プレート10の貫通孔11の中心がノズル35の直下、下型21の転写面中心の真上になるよう位置決めされている。このため、貫通孔11の位置の変動は、溶融ガラス31の滴下が貫通孔11の中心位置からずれる、あるいは貫通孔11を通過した微小滴32が下型21に滴下する位置がずれる、といった変動を生じさせる。
こういった滴下位置のズレにより、ガラス成形体の心厚や面形状の変動や、それにともなう波面収差の発生、またワレなどのガラス成形体の外観不良の発生を引き起こすおそれがある。特に、高い心厚精度が要求される光学部品において、影響が大きいのも同様である。
以下、温度制御機構について図4〜図7を参照しつつ詳細に説明する。
温度制御機構の機能は大別して2つある。
[1]プレートまたはプレート保持部材の温度が規定温度を保つように制御し、下型に滴下する微小滴の質量ばらつき、または滴下位置ばらつきを抑制する。
[2]プレートまたはプレート保持部材の温度を制御し、下型に滴下する微小滴の質量、または滴下位置をそれぞれの所定の範囲内になるように調整する。
以下に説明する温度制御機構により、上述した2通りの機能が実現される。[1]の機能の意図は温度による熱膨張の変動を抑制して品質向上、稼働率向上を図ることであり、[2]の意図は、複数のプレート間の貫通孔サイズの変動など製造の条件変動に基づく質量ばらつきなどを温度制御で補償するよう調整することである。
[2]については次のようなガラス成形装置の場合に有効な機能である。
温度が一定であっても、他の条件の変動によりプレートの貫通孔を通過する微小滴の大きさは変動する。例えば、プレートの貫通孔の大きさのばらつきや、プレートの上面(ガラス接触面)の面粗さなどにより微小滴の質量は変化する。
同じガラス成形装置で、単独のノズルに対し複数のプレートを備え、それら複数のプレートを交互に用いるような製造の局面においては、各プレート毎に滴下する微小滴に質量ばらつきが生じ、それを合わせ込むために複数のプレートから適正な範囲の微小滴質量が得られるプレートを選別して使用するといった処置が必要であった。
このようなときに、複数のプレート間の製造条件変動に基づく質量ばらつきなどを温度制御で補償するよう調整することが有効に機能する。
従来、プレートの貫通孔を通過する微小滴の質量調整は、ノズル先端の温度調整により行われていた。しかしノズルの温度を変更すると溶融ガラスの粘性が変化し、成形条件を変更する必要が生ずることがある。それと比べて、上記のプレート温度を制御して調整する方法は、溶融ガラス滴の質量以外の特性への影響を小さくすることができる。
これは溶融ガラス滴の滞在時間の差による。ノズル先端では溶融ガラスが比較的長時間滞在するが、プレートの貫通孔では一瞬である。
これにより、各プレートの温度をそれぞれ制御することで、他のプレートでのガラス成形には影響を与えることなく、そのプレートでの微小滴の質量を調整することができる。
以下に、本実施形態に係るガラス成形装置において、これらの機能を実現する温度制御機構の構成を制御の設定温度が異なる2つの例で説明する。
(温度制御機構構成例1)
図4は温度制御機構Aの構成例を示すブロック図である。図5は温度制御機構Aにおけるプレートの加熱機構の構成例を示す断面図((a)平面図、(b)正面図)である。図4及び図5を参照して、温度制御機構Aの構成と機能を説明する。
図4において、53aはプレート10の加熱装置であり、例えばカートリッジヒータが図5に示すようにプレート10に埋め込まれて配置されている。また加熱装置53aはプレート10の測温を行うための温度センサを内蔵している。もちろん温度センサは別途プレート10に配設しておいてもよい。加熱装置53aは、図5では2箇所に配設されているが、その数と配設位置、配設形態は任意である。
53bはプレート保持部材15の加熱装置であり、53aと同様にカートリッジヒータがプレート保持部材15に埋め込まれて配置されている(図5には図示していない)。加熱装置53bもプレート保持部材15の測温を行うための温度センサを内蔵している。もちろん温度センサは別途配設してもよい。加熱装置53bは、図5には図示していないが、その数と配設位置、配設形態は53aと同様に任意である。
図5では、プレート10に配設された加熱装置53aのみしか示していないが、プレート10とプレート保持部材15とそれぞれに、加熱装置53a、加熱装置53bが配設され、両方の温度がそれぞれ制御されるような機構が望ましい。従って図4ではプレート10及びプレート保持部材15両方に、それぞれ加熱装置53a、加熱装置53bが配設されているように示した。以下図4に従って説明するが、もちろん、制御の意図に応じて一方のみを配設し、温度制御するような構成であってもよい。
54は加熱装置53a及び53bに内蔵したそれぞれの温度センサからの温度信号を検知するセンサ検知部である。あるいは、プレート10とプレート保持部材15に別途配設されたそれぞれの温度センサからの温度信号を検知するセンサ検知部である。センサ検知部54は検知したプレート10とプレート保持部材15の各温度信号を制御装置51に送る。
52は加熱装置53a及び53bをそれぞれ加熱するための加熱用電源である。加熱用電源52は制御装置51からの制御信号に基づき、プレート10とプレート保持部材15の各加熱装置、すなわち加熱装置53a及び53bに対する電源供給をそれぞれ制御する。
制御装置51は、上記の各要素の機能を制御する。すなわち、センサ検知部54から検知したプレート10及びプレート保持部材15それぞれの温度信号を受け取り、予め設定したそれぞれの規定温度を制御の目標として温度比較し、プレート10とプレート保持部材15をそれぞれ加熱するかどうか決定し、それに基づき加熱装置53a及び53bそれぞれに対する電源供給の制御信号を加熱用電源52に送る。
制御の目標となる規定温度は、温度制御のためのエネルギー供給を考慮して適切に決定すればよい。上記の温度制御機構Aにおいては、温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの溶融ガラス滴通過直前のプレート10の温度もしくはプレート保持部材15の温度よりもそれぞれ高い温度になるように、規定温度を設定し、温度制御を行っている。
これは、溶融ガラス滴31の温度と、プレート10及びプレート保持部材15の温度差が小さいほど、溶融ガラス滴31がプレート10を通過するときのプレート10及びプレート保持部材15の温度変化は小さくなるため、より安定した温度制御が可能であるためである。
具体的には、温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度T℃に対して、T+1℃以上で、T+300℃以下の規定温度を設定し、温度制御を行うことが望ましい。これはプレートの温度が高すぎると、プレート10に残留した余剰ガラス33の除去が困難となることによる。
もちろん、ガラス成形装置としての様々な駆動条件の都合によっては、定常状態になったときの温度より低い温度を規定温度として設定し、温度制御してもよい。そういう場合の温度制御機構については、後述する。
以上のように温度制御機構Aにより、上記[1]の機能が果たされる。すなわち、プレート10及びプレート保持部材15の温度を、規定温度を保つように制御し、下型21に滴下する微小滴32の質量ばらつき、または滴下位置ばらつきを抑制することができる。
また、上記[2]の機能を果たすためには、制御装置51による温度制御に次のような制御目標設定を付加すればよい。
例えば同じガラス成形装置で複数のプレート10を交互に使用する場合、それぞれのプレート10毎に制御の目標となる規定温度を設定する。それぞれの規定温度は、例えば各プレート間の貫通孔サイズばらつきなどを補償するように設定する。これにより各プレート10またはプレート保持部材15毎にその温度を制御し、下型21に滴下する微小滴32の質量、または滴下位置をそれぞれの所定の範囲内になるように調整することができる。
(温度制御機構構成例2)
図6は温度制御機構Bの構成例を示すブロック図である。図7は温度制御機構Bにおけるプレートの冷却機構の構成例を示す断面図((a)平面図、(b)正面図)である。図6及び図7を参照して、温度制御機構Bの構成と機能を説明する。
図6において、55は冷却装置であり、例えば、温度制御した冷却水を冷却パイプ57で循環させるチラーなどからなる。冷却パイプ57は、例えば図7に示すようにプレート10に埋め込まれて配置され、冷却された水などを流すことでプレート10を冷却している。また冷却パイプ57にはプレート10の測温を行うための温度センサが取り付けてある。温度センサは冷却パイプ57とは別途プレート10に配設しておいてもよい。冷却パイプ57は、図7では貫通孔11を周回するように配設されているが、そのサイズや配設位置、配設形態は任意である。
冷却パイプ57はプレート保持部材15内をも通過するように埋め込まれて配置されている。冷却パイプ57はまた、プレート保持部材15の測温を行うための温度センサをも取り付けてある。もちろん温度センサは別途配設してもよい。プレート保持部材15における冷却パイプ57のサイズや配設位置、配設形態は、プレート10の場合と同様に任意である。
図7では、プレート10に配設された1本の冷却パイプ57のみしか示していないが、プレート保持部材15にも、別途冷却パイプ57(と温度センサ)が配設され、両方の冷却がそれぞれ独立に制御されるような機構となっていてもよい。その場合図6に示した冷却装置55によって、プレート10及びプレート保持部材15それぞれの冷却パイプ57で、冷却水の流量が独立に制御される。もちろん、制御の意図に応じて一方のみを配設し、温度制御するような構成であってもよい。
また図6及び図7には、冷却に関わる構成要素しか示していないが、温度制御機構Aで示したような加熱に関わる機構も合わせ持つことが、温度制御の効率と自由度を向上する点でも望ましい。
54は冷却パイプ57に取り付けた各温度センサからの温度信号を検知するセンサ検知部である。あるいは、プレート10とプレート保持部材15に別途配設された各温度センサからの温度信号を検知するセンサ検知部である。センサ検知部54は検知したプレート10とプレート保持部材15の各温度信号を制御装置51に送る。
制御装置51は、センサ検知部54からの各温度信号を受け取り、予め設定したそれぞれの規定温度を制御の目標として温度比較し、プレート10とプレート保持部材15の各冷却パイプ57に流す冷却水の温度を決定し、それに基づき冷却装置55を動作させる。
また温度制御機構Aの場合のような加熱機構を合わせ持っている場合には、制御装置51は温度制御機構Aの説明で述べたような加熱装置の制御も同時に行うことになる。
温度制御機構Bが冷却の機構を有する意図は、制御の目標となる規定温度が温度制御機構Aとは異なるためである。上記の温度制御機構Bにおいては、温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの溶融ガラス滴通過直前のプレート10の温度もしくはプレート保持部材15の温度よりも低い温度になるように、規定温度を設定し、温度制御を行っている。
これはプレート10の温度をより低い温度に設定した方が、ガラス成形装置としての稼働率を向上できるからである。既述したように、プレート10の貫通孔11に溶融ガラス滴31を滴下し、一部を分離し微小滴32として下型21へ落とした後、次の溶融ガラス滴31をノズル35から滴下する前に、プレート10の貫通孔11上に残った余剰ガラス33を冷却、固化し、除去しなければならない。プレート10の温度が低いほど早く冷却、固化し、除去することができる。従ってノズル35からの溶融ガラス滴31の滴下間隔をより短くし、ガラス成形装置としての稼働率を上げることができる。
具体的には、温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度T℃に対して、T−200℃以上で、T−1℃以下の規定温度を設定し、温度制御を行うことが望ましい。これはプレートの温度が低すぎると、プレート10を通過した溶融ガラス微小滴32に失透が生ずることによる。
以上のように、既述した温度制御機構Aの場合と同様に、温度制御機構Bによっても上記[1]の機能が果たされる。すなわち、プレート10及びプレート保持部材15の温度を、規定温度を保つように制御し、下型21に滴下する微小滴32の質量ばらつき、または滴下位置ばらつきを抑制することができる。
また、上記[2]の機能を果たすためには、制御装置51による温度制御において、例えば使用する複数のプレート毎に制御の目標となる規定温度を設定する。これにより各プレート10またはプレート保持部材15毎にその温度を制御し、下型21に滴下する微小滴32の質量、または滴下位置をそれぞれの所定の範囲内になるように調整することができる。これらも、温度制御機構Aの場合と同様であり、詳細説明は省略する。
(ガラス成形体の製造方法)
本発明の実施形態に係るガラス成形装置による製造方法について図8〜図10を参照しながら説明する。
図8は、本発明の実施形態に係るガラス成形装置による製造方法の1例を示すフローチャートである。また、図9、図10はガラス成形体の製造工程を説明するための模式図であり、図9はプレート10によって微小滴32を分離している状態(工程S24)を、図10は下型21と上型22とで微小滴32を加圧成形している状態(工程S26)を、それぞれ示している。
図9、図10において、22は、下型21と共に微小滴32を加圧成形するための上型である。上型22は、下型21と同様に、図示しない加熱手段によって所定温度に加熱できるように構成されている。下型21と上型22とをそれぞれ独立して温度制御することができる構成であることが好ましい。
また、下型21は、図示しない駆動手段により、プレート10の下方で微小滴32を受けるための位置(滴下位置P1)と、上型22と対向して加圧成形を行うための位置(加圧位置P2)との間で移動可能に構成されている。また上型22は、図示しない駆動手段により、下型21との間で微小滴32を加圧する方向(図の上下方向)に移動可能に構成されている。
以下、図8に示したフローチャートに従って、各工程を順に説明する。
先ず、下型21及び上型22を所定温度に加熱する(工程S21)。所定温度は、加圧成形によってガラス成形体に良好な転写面を形成できる温度を適宜選択すればよい。下型21と上型22の加熱温度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また本実施形態では、既に述べてきたように温度制御機構によりプレート10もしくはプレート保持部材15の温度制御を行う。ガラス成形体の製造に当たり、規定温度に制御しておく。
次に、下型を滴下位置(図9に示すP1の位置)に移動させる(工程S22)。
次に、ノズル35から溶融ガラス滴31を滴下する(工程S23)。溶融ガラス滴31の滴下は、以下のように行う。図示しない溶融炉において加熱された溶融ガラス36がノズル35に供給され、その状態でノズル35を所定温度に加熱すると、溶融ガラス36が自重によってノズル35の内部に設けられた流路を通過し、表面張力によって先端部に溜まる。一定質量の溶融ガラスが溜まると、ノズル35の先端部から自然に分離し、一定質量の溶融ガラス滴31が下方に滴下する。
滴下する溶融ガラス滴31の質量は、ノズル35の先端部の外径によって調整可能である。また、ノズル35の内径、長さ、加熱温度などによって溶融ガラス滴31の滴下間隔を調整することができる。従って、これらの条件を適切に設定することで、所望の質量の溶融ガラス滴31を所望の間隔で滴下させることが可能である。
ノズル35から滴下する溶融ガラス滴31の質量は、所望の微小滴32よりも大きく、プレート10の貫通孔11に衝突して微小滴32を分離できる大きさであればよい。
次に、プレート10によって微小滴32を分離し、下型21に供給する(工程S24)。プレート10の上面12に溶融ガラス滴31が衝突すると、その衝撃によって溶融ガラス滴31の一部が貫通孔11を通過し、微小滴32となって分離する。
プレート10に衝突する際の溶融ガラス滴31の温度は、衝撃によって微小滴32を分離できる程度に粘度が低くなる温度であれば、特に限定されない。
また、衝突の際の衝撃力は、ノズル35の先端とプレート10との距離によっても変化し、上述の温度条件等に合わせて距離を適切に選択することで、所望の質量の微小滴32を得ることができる。
しかしながら、既に詳細に述べてきたように、プレート10やプレート保持部材15の温度を規定温度になるよう制御しておくことで、微小滴32の質量ばらつきや、下型21に供給される際の位置ばらつきを極小化することができる。
次に、下型21を加圧位置P2に移動し(工程S25)、上型22を下方に移動して、下型21と上型22とで微小滴32を加圧成形する(工程S26)。
下型21に滴下(供給)された微小滴32は、加圧成形の間に下型21や上型22との接触面からの放熱によって冷却し、固化する。加圧を解除してもガラス成形体34に形成された転写面の形状が崩れない温度にまで冷却された後、加圧を解除する。
次に、上型22を退避させてガラス成形体34を回収し(工程S27)、プレート10に残された余剰ガラス33を廃棄して(工程S28)、ガラス成形体の製造が完成する。その後、引き続いてガラス成形体の製造を行う場合は、下型21を再び滴下位置P1に移動し(工程S22)、工程S23〜工程S28を繰り返せばよい。
なお、本発明のガラス成形体の製造方法は、ここで説明した以外の別の工程を含んでいてもよい。例えば、ガラス成形体を回収する前にガラス成形体の形状を検査する工程や、ガラス成形体を回収した後に下型21や上型22をクリーニングする工程等を設けてもよい。
本発明の製造方法により製造されたガラス成形体は、デジタルカメラ等の撮像レンズ、DVD等の光ピックアップレンズ、光通信用のカップリングレンズ等の各種光学素子として用いることができる。
なお最初に述べたように、本発明に係るガラス成形装置は、ガラスゴブの製造装置を備えており、高温状態の該ガラスゴブをプレスしてガラス成形物を得るものである。上述したガラス成形のプロセスから、上型を用いてプレスする工程(工程S25及びS26)を省き、工程S24で下型上に供給された微小滴をガラスゴブとして得ることができる。
すなわち、上記ガラスゴブを一旦冷却固化し、リヒートプレス法により光学素子を製造するためのプリフォームとして用いることもできる。
(実施例)
上述してきたような装置、方法を用いてガラス成形体の製造を試みた。
実施例1として、プレートにヒータ及び温度センサを取り付けてプレートの温度制御を行い、装置の連続稼働を行った。設定した温度は230℃である。
ガラスはU−SK55Mを使用した。プレートの材質はSUSである(熱膨張係数17.3×10-6)。プレートの貫通孔の径はφ4.000mmとした。ノズルから約20秒間隔で溶融ガラス滴が滴下するように調整し、20分間の連続稼働を行った。
比較例1として、実施例と同様であるが、プレートの温度制御は行わないで連続稼働を行った。
連続稼働の間、プレートの温度を測定した。
比較例1のプレートの温度制御を行わない場合は、図3の曲線G1に示したように、10分ほどの稼働時間で、プレートの温度は約180℃に達し、飽和状態となった。約150℃程度の温度変化である。
実施例1のプレートの温度制御を行った場合は、図11の曲線G2に示したように、初期から設定した230℃に達しており、約20分ほどの稼働時間において、プレートの温度は約230℃に安定して維持された。
初期と10分稼働後にプレートの貫通孔サイズ及び貫通孔を通過した微小滴の質量を測定した。
比較例1のプレートの温度制御を行わない場合は、初期の微小滴の質量は200mgであり、10分の稼働時間経過後は202mgであった。プレートの貫通孔径は初期には4.000mmであったが、10分の稼働時間経過後は4.010mmとなっていた。
約150℃の温度上昇に対して、貫通孔径が10μm変化し、微小滴の質量は2mg変化していることになる。
実施例1のプレートの温度制御を行った場合は、初期に微小滴の質量が200mgとなるように設定したが、10分稼働後も、プレートの貫通孔径の変化はなく、微小滴の質量の変化も見られなかった。
製造したガラス成形体の品質を検査した。
比較例1については、稼働開始後の10分間に製造したうちの20個程度が、心厚精度や外観形状等の不良が見られた。実施例1については、稼働時間中のすべての製造品について問題は見られなかった。
このように本実施形態によれば、プレートあるいはプレート保持部材の温度を制御し、ガラス成形装置の稼働初期などに発生する温度変化を抑制することで、プレートの貫通孔を通過する溶融ガラスの微小滴の質量ばらつきや滴下位置ばらつきを抑えることができ、製造するガラスゴブ及びガラス成形体の品質を安定させることができる。従って、ガラスゴブの製造装置及びガラス成形装置の稼働率を向上させることができる。
また、複数のプレートまたはプレート保持部材を使用する場合も、それらの温度を各プレートまたはプレート保持部材毎に制御し、下型に滴下する溶融ガラスの微小滴の質量、または滴下位置をそれぞれの特性に応じて所定の範囲内になるように調整することもできる。
なお本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、それらの変更された形態もその範囲に含むものである。

Claims (19)

  1. ガラス溶融炉から供給された溶融ガラスを滴下するノズルと、
    前記ノズルから滴下する溶融ガラス滴の一部を通過させることで、該溶融ガラス滴の質量を通過前より小さくするための貫通孔を有する、滴下量調整部材と、
    前記貫通孔の直下に配置され、前記貫通孔通過後の溶融ガラス滴の滴下を受ける受け部と、を有するガラスゴブの製造装置であって、
    前記滴下量調整部材の温度を測定する温度センサを備え、該温度センサの測定温度をフィードバックすることで、前記滴下量調整部材が所定の温度になるよう制御する温度制御機構を有することを特徴とするガラスゴブの製造装置。
  2. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のガラスゴブの製造装置。
  3. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも1℃から300℃高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第2項に記載のガラスゴブの製造装置。
  4. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のガラスゴブの製造装置。
  5. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の温度が、該温度制御機構による温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも1℃から200℃低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第4項に記載のガラスゴブの製造装置。
  6. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の前記所定の温度を調整することにより、前記溶融ガラス滴が通過する前記貫通孔の位置が所定の範囲内になるように位置調整を行うことを特徴とする請求の範囲第1項から第5項の何れか1項に記載のガラスゴブの製造装置。
  7. 前記温度制御機構は、前記滴下量調整部材の前記所定の温度を調整することにより、前記貫通孔を通過する前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内になるように質量調整を行うことを特徴とする請求の範囲第1項から第5項の何れか1項に記載のガラスゴブの製造装置。
  8. 前記溶融ガラス滴の滴下を受ける複数の前記滴下量調整部材を備え、
    前記温度制御機構は、前記複数の滴下量調整部材それぞれの前記溶融ガラス滴の通過する貫通孔の位置が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材の温度をそれぞれ制御することを特徴とする請求の範囲第6項に記載のガラスゴブの製造装置。
  9. 前記溶融ガラス滴の滴下を受ける複数の前記滴下量調整部材を備え、
    前記温度制御機構は、前記複数の滴下量調整部材のそれぞれの貫通孔を通過した前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材の温度をそれぞれ制御することを特徴とする請求の範囲第7項に記載のガラスゴブの製造装置。
  10. 前記滴下量調整部材は、貫通孔を有するプレートと、前記貫通孔が前記ノズルの直下に位置するように前記プレートを保持するプレート保持部材とを含み、
    前記温度センサは、前記プレート保持部材の温度を測定することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のガラスゴブの製造装置。
  11. 請求の範囲第1項に記載のガラスゴブの製造装置を備えたガラス成形装置であって、
    前記受け部は下金型であり、該下金型上に作製されたガラスゴブをプレス成形するための上金型を備えることを特徴とするガラス成形装置。
  12. ガラス溶融炉から供給された溶融ガラスを、滴下ノズルから、貫通孔を有する滴下量調整部材に滴下し、該貫通孔に滴下した前記溶融ガラス滴の一部を通過させることで、前記溶融ガラス滴の質量を通過前より小さくする溶融ガラス滴供給工程と、
    前記貫通孔の直下に配置された受け部で、前記貫通孔通過後の溶融ガラス滴の滴下を受けるガラスゴブ生成工程と、を有するガラスゴブの製造方法であって、
    前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記滴下量調整部材の温度が所定の温度になるよう温度制御することを特徴とするガラスゴブの製造方法。
  13. 前記溶融ガラス滴供給工程における前記温度制御は、前記滴下量調整部材の温度が、前記温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも高い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第12項に記載のガラスゴブの製造方法。
  14. 前記溶融ガラス滴供給工程における前記温度制御は、前記滴下量調整部材の温度が、前記温度制御を行わない状態で連続稼働を行い、温度が定常状態となったときの温度よりも低い所定の温度になるように温度制御を行うことを特徴とする請求の範囲第12項に記載のガラスゴブの製造方法。
  15. 前記温度制御においては、前記所定の温度を調整することにより、前記溶融ガラス滴が通過する前記貫通孔の位置が所定の範囲内になるように位置調整を行うことを特徴とする請求の範囲第12項から第14項の何れか1項に記載のガラスゴブの製造方法。
  16. 前記温度制御においては、前記所定の温度を調整することにより、前記貫通孔を通過する前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内になるように質量調整を行うことを特徴とする請求の範囲第12項から第14項の何れか1項に記載のガラスゴブの製造方法。
  17. 前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記溶融ガラス滴の滴下を、複数の前記滴下量調整部材が受け、
    前記温度制御は、前記複数の滴下量調整部材それぞれの前記溶融ガラス滴の通過する貫通孔の位置が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材に対する所定の温度をそれぞれ調整することを特徴とする請求の範囲第15項に記載のガラスゴブの製造方法。
  18. 前記溶融ガラス滴供給工程においては、前記溶融ガラス滴の滴下を複数の前記滴下量調整部材が受け、
    前記温度制御は、前記複数の滴下量調整部材のそれぞれの貫通孔を通過した前記溶融ガラス滴の質量が所定の範囲内となるように、前記複数の滴下量調整部材に対する所定の温度をそれぞれ調整することを特徴とする請求の範囲第16項に記載のガラスゴブの製造方法。
  19. 請求の範囲第12項に記載のガラスゴブの製造方法を含むガラス成形方法であって、
    前記ガラスゴブ生成工程において、溶融ガラス滴を受ける受け部は下金型であり、該下金型上に作製されたガラスゴブを上金型でプレスし、成形するプレス成形工程を備えることを特徴とするガラス成形方法。
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