JP5438084B2 - ガラス成形体の製造方法、及び、そのガラス成形体を用いる光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、このようなパイプから流出する熔融ガラス流を鋳型に連続して流し込み、光学素子用のガラス成形体を製造する方法には次のような問題がある。
ガラス流出パイプ中を流れる熔融ガラスを失透させないため、パイプ各部の温度をガラスが失透する危険のある温度よりも高温に設定するとともに、ガラス流出パイプの温度が多少変動してもガラスの温度が失透温度域に入らないよう余裕をもたせることが望ましい。その結果、ガラスの粘性が低下するが、こうした低粘性状態でも所望の流出量に抑えることができるように内径が定められた絞り部をパイプに設ける。すなわち、絞り部は所望の流出量にガラスの流出量を制御できるように内径が定めされており、パイプにおける流量制御部としての機能を果たす。
さらに、絞り部の下流側に絞り部よりも内径の大きい流出部を設ける。絞り部を通過した熔融ガラス流が流出部へと進むと熔融ガラス流の径が拡大し、その結果、熔融ガラスの流速が減少するとともに熔融ガラスの管径方向の流速分布も均一化される。流速減少効果、流速分布均一化効果、ならびに鋳型において熔融ガラス流が流し込まれるスポットの拡大効果の相乗効果により、前記スポットの温度の著しい上昇を防ぐことができ、鋳型の劣化や消耗、鋳型とガラスの焼きつきを防止することができる。
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
つまり、これらの効果は、熔融ガラスが絞り部を通過する際、層流で流れるため、管径方向の中心を流れる熔融ガラスの流速が最大となり、その後、熔融ガラスは、絞り部よりも管径の大きい流出部を通ることにより流出部の管径方向の中心における熔融ガラスの流速が前記絞り部における前記熔融ガラスの最大流速よりも遅い状態で流出口から流出されるため、得られるものである。
また、前記流出部の内径が一定であるガラス流出パイプを使用するため、流出部で熔融ガラスの流速を所望の速度まで減速することができると共に、流速分布を均一化することができる。
また、熔融ガラスは逆テーパ管部を通過することにより、熔融ガラス流の中心部の流速をより確実に減速することが出来る。
流出パイプにおける絞り部をパイプ上流に設けたので、絞り部から直接熔融ガラスを流出する場合には比べて、流出部における熔融ガラスの流速を十分に小さくすることができ(流速減少効果・流速分布均一化効果)、かつ、絞り部よりも径の大きい流出部から鋳型に流出するため、熔融ガラスの流出時に、多量の熔融ガラスが鋳型上にスポット的に流出することがなく、焼きつきを生じることがなく(スポット拡大効果)、鋳型の寿命を延ばすことが出来る。
これにより、光学的に均質なガラス成形体を安定して製造することができる。
したがって、本発明のガラス成形体の製造方法、及び、その方法を使用して得た該ガラス成形体を用いて光学素子を製造する光学素子の製造方法によれば、安定性が低い(結晶化しやすい)ガラス種や、高比重高屈折率ガラス等を用いて、高品質なガラス成形体を製造することができ、そのようなガラス成形体を用いて光学素子を成形した場合には、高品質で高性能な光学素子を高い生産性のもと生産することができる。
[ガラス成形体の製造方法]
ガラスバッチ原料又はカレットを所定の割合で調合し、熔解、均質、清澄工程を含む工程経て、熔融ガラスを後述するガラス流出パイプのガラス流出口より鋳型に連続的に供給しながら、流出した熔融ガラスを鋳型から水平方向へ取り出す。この時、鋳型の上方に設置された流出パイプの流出口は、鋳型上に流出される熔融ガラスの液位よりも高い位置に設けられている。
鋳型から取り出したガラスは連続式アニール炉内へと水平移動し、炉内でアニールされる。鋳型内で成形されたガラス成形体はアニール炉内を通過するまで連続した板状の成形体であるが、アニール炉内を通過したガラス成形体の先端部は、所望の長さでガラス成形体本体から分離される。分離は、切断、割断など公知の方法により行えばよい。
[ガラス流出パイプ]
図2は、本発明に使用されるガラス流出パイプの構造の一例を示す説明図であり、この図2に従って、本発明のガラス流出パイプの構造を説明する。また、以下の説明において、管径とは、ガラス流出パイプの内径を意味するものとする。
また、以下に述べる熔融ガラスの流速分布とは、ガラス流出パイプの任意の径方向断面における管壁内部〜管中央部〜管壁内部における分布を意味している。
熔融炉内で熔融された熔融ガラスがガラス流出パイプ10の上流域部2に流入すると所定の流速で流れ、管壁近傍を流れる熔融ガラス流は管壁の粘性抵抗を受けるため、熔融ガラスは層流となって流れる。その後、絞り部4に流入した熔融ガラスは、管径が小さくなることにより、流速が速くなるものの層流状態は維持している。この時の絞り部4内を流れる熔融ガラスの流速分布を基準流速分布とする。
1.05≦D2/D1・・・(1)式
また、L2/D1比は小さすぎると抑制効果を得にくくなるため、L2/D1比は30以上であることが望ましく、40以上とすることが好ましく、55以上にすることが更に好ましい。また、下限についても上記と同様のことが考えられ、65以上が好ましく、70以上がより好ましく、73以上であってもよい。
本発明においては、L2/D1比は、例えば30以上であり、好ましくは40以上、より好ましくは55以上、更に好ましくは、60以上である。
30≦L2/D1≦100 ・・・(2)式
また、L2/D2比は小さすぎると抑制効果を得にくくなるため、L2/D2比は、15以上であることが望ましく、20以上とすることが好ましく、21以上にすることが更に好ましく、23以上であってもよい。また、下限についても上記と同様のことが考えられ、25以上が好ましく、27以上がより好ましく、29以上が更により好ましく、30以上がさらにさらによく、32以上であってもよい。
15≦L2/D2≦60 ・・・(3)式
10≦L1/D1≦200 ・・・(4)式
本実施例においては、流出口8、流出先端部7、及び、流出部6の温度を同じ温度に設定し、その温度は絞り部の温度よりも高く設定した。このように温度設定することにより流出部8の管壁近傍における熔融ガラスの速度低下を最小限に抑制することが出来ると共に、熔融ガラスの温度分布が均一化された状態を維持したまま流出することが出来る。
一方、図1は、従来のガラス流出パイプの構造の一例を示す説明図であって、ガラス流出パイプ20は、熔融槽11に片側が接続された上流域部12と前記上流域部12に片側が接続され、管径が徐々に狭くなるように形成されたテーパ管部13と、前記テーパ管部13に片側が接続され、管径が最も小さく形成された絞り部14と、前記絞り部14に片側が接続され、その反対側に熔融ガラスのパイプ流出口16をもつ流出先端部15と、を有している。
[ホウ酸・ランタン含有ガラス]
本発明において使用されるホウ酸・ランタン含有ガラスとは、ガラス成分としてB2O3およびLa2O3を含むガラスを意味し、下記の条件(1)〜(5)を満たすガラスを適用することが好ましい。
nd≧2.085−0.0075×νd(ただし、νd≦62)・・・(i)式
ガラスの熱的安定性を維持する観点から、屈折率ndの上限としては2.20を目処とすればよい。また、アッベ数νdの下限については17を目処とすればよい。
本発明において使用されるフッ素含有ガラスとは、ガラス成分としてFを含むガラスを意味し、アニオン成分として酸素とフッ素を含むガラスを例示することができる。このようなガラスとして次のようなガラスを例示することができる。
アニオン成分として、O2−とF−を合計で95アニオン%以上含み、かつF−の含有量が0.1アニオン%以上のガラス。
[光学素子の製造方法]
本発明の光学素子の製造方法は、上記方法によりガラス素材を製造し、該ガラス素材を成形及び/または加工して光学素子を作製する方法である。
以下、本発明の光学素子の製造方法の態様について説明する。
第1の態様は、上記方法によりガラス成形体を作製し、そのガラス成形体を機械加工して光学素子を作製する光学素子の製造方法である。例えば、切削・研削・研磨等の機械加工をガラス素材に施すことにより、球面レンズ等の光学素子を得ることが出来る。
第2の態様は、上記方法によりガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体を機械加工してプレス成形用ガラス素材を作製し、該ガラス素材を加熱、軟化して成形型によるプレス成形工程を有する光学素子の製造方法である。
後者、すなわち、精密モールドプレス成形により光学素子を作製する方法としては、成形面に緻密な面形状を施した成形型を使用し、ガラス素材と成形型とを一緒に加熱、軟化し、プレス成形して、成形面の面形状をガラス素材に転写することにより非球面レンズなどの光学素子を作製する方法(等温加熱方式による精密モールドプレス成形)や、成形面に緻密な面形状を施した成形型を使用し、ガラス素材と成形型とを別々に加熱しておき、軟化したガラス素材を成形型内に供給後、プレス成形を行い、成形面の面形状をガラス素材に転写することにより非球面レンズなどの光学素子を作製する方法(非等温加熱方式による精密モールドプレス成形)などを例示することができる。
光学素子の表面には必要に応じて反射防止膜などのコーティングや、面取り加工や芯取り加工を行ってもよい。また、プレス時のガラス素材の延伸性を高めることやガラス素材と成形型との融着を防ぐことを目的に、成形型の成形面に炭素コート等の薄膜を成膜してもよい。成膜の方法としては従来から既知の方法を用いることができ、例えばスパッタリング法や化学気相蒸着法(CVD)等が挙げられる。
なお、各例で得られたガラス成形体を製造する時に焼きつきが生じたかどうかを目視で確認して評価した。
図2に示すガラス流出パイプ10を製作した。各領域部の寸法及び温度を以下に示す。
熔融槽1(熔融ガラスを蓄積する熔融槽)の温度:1300℃;上流域部2の管径(内径):7.5mm、長さ650mm、温度:1280℃;テーパ管部3の温度:1280℃;絞り部4の管径(内径):3.5mm、長さ:350mm、温度:1260℃;逆テーパ管部5の温度:1260℃;流出部(下流域部)6の径:7.5mm、長さ:流出先端部7を含め250mm、温度:1280℃;流出先端部7の径:7.5mm;パイプ流出口8の熔融ガラス温度:1280℃である。
前記のガラス流出パイプ10を用い、下記のガラスAの熔融液を流量120cm3/minで流してガラス成形体を製造した。その際、ガラスの鋳型への焼きつきは認められず、鋳型の消耗、劣化も認められなかった。
<ガラスAの特性>
比重:5.42
密度ρ:5.42 g/cm3
流出粘度:0.23Pa・s
屈折率(nd):1.88300
アッべ数(νd):40.80
液相温度:1240℃
液相温度における粘度μ:0.27Pa・s
動粘度ν:0.50cm2/s
図2に示す形状のガラス流出パイプ10を製作した。全長2000mmのガラス流出パイプ10において、内径4mm、長さ500mmの絞り部を中流域に設置し、その下流に径7mm、長さ300mmの流出部を有する構造の流出パイプを用いて、流量:200mm2/min、流出粘度;0.30Pa・sの条件で、下記のガラスBを連続的に15mm厚みの棒状に成形したところ、鋳型への焼きつきは認められず、鋳型の消耗、劣化も認められなかった。なお、上流域における管径(内径)は8mmとした。
<ガラスBの特性>
比重:4.73
密度ρ:4.73g/cm3
流出粘度:0.37Pa・s
屈折率(nd):1.83481
アッべ数(νd):42.72
液相温度:1130℃
液相温度における粘度μ:0.32Pa・s
動粘度ν:0.68cm2/s
図3に示すように、本実施例においては上記実施例におけるガラス流出パイプ10とは別の構造のガラス流出パイプ30を製作した。各領域部の寸法及び温度を以下に示す。
熔融槽31の温度:1300℃;上流域絞り部32の管径(内径):4mm、長さ1250mm、温度:1270℃;逆テーパ管部33の温度:1270℃;流出部(下流域部)34の内径:8.5mm、長さ:流出先端部35を含め250mm、温度:1280℃;流出先端部35の径:8.5mm;パイプ流出口38の熔融ガラス温度:1280℃である。
本実施例においてはガラス流出パイプ30を用い、上記のガラスBの熔融液を流量120cm3/minで流してガラス成形体を製造した。その際、鋳型への焼きつきは認められず、鋳型の消耗、劣化も認められなかった。
図1に示すガラス流出パイプ20を製作した。各領域部の寸法及び温度を以下に示す。
熔融槽1の温度:1300℃、絞り部よりも上流側にある上流域部12の管径(内径):7.5mm、長さ950mm、温度1285℃;テーパ管部13の温度:1285℃;絞り部14の管径:3.0mm、長さ:流出先端部15を含め350mm、温度:1255℃;流出先端部15の温度:1230℃;流出先端部15の流出口16の管径:3.0mmである。
前記ガラス流出パイプ20を用い、前出のガラスAの熔融液を流量120cm3/minで流してガラス成形体を製造した。この時、得られたガラス成形体に焼きつきが発生していた。
図1に示すガラス流出パイプ20を製作した。各領域部の寸法等を以下に示す。
全長2,000mmであって、上流から管径(内径)8mm、長さ1200mmの領域及び管径(内径)7mm、長さ300mmの下流に、径4mm、長さ500mmの流出部を有する構造の流出パイプを用いて、流量200cm3/min、流出粘度0.3Pa・sの条件で、比重4.7の高屈折率系ガラス(上記ガラスB)を連続的に15mmの厚みの棒状に成形したところ、得られたガラス成形体に焼きつきが発生し不良品となった。
図1に示すガラス流出パイプ20を製作した。各領域部の寸法等を以下に示す。
全長2,000mmであって、内径4mm、長さ40mmの絞り部を流出先端から80mmの位置に設け、その下流に流出部径7mmにテーパ状に連続的に広げた構造の流出パイプを用いて、流量200cm3/min、流出粘度0.3Pa・sの条件で、比重4.7の高屈折率系ガラス(上記ガラスB)を連続的に15mmの厚みの棒状に成形したところ、得られたガラス成形体に焼きつきが発生した。
また、絞り部がガラス流出パイプにおいて一番管径の小さい場所に設けられた例を示したが、上述したようにこれに限定されず、管径が二番目に小さい部位また、それ以上に大きい部位に絞り部を設けてもよく、この場合には、絞り部の温度制御を行い、管径の小さい部位より絞り部の方の流量調整機能が高くなっていることが好ましい。流量調整機能をパイプ内のどこの部位に設定するかは、熔融ガラスの組成、粘度、流出量、パイプの径・寸法を考慮し、温度調整手段を制御して決定することができる。
2.12 上流域部
3.13 テーパ管部
4.14.32 絞り部
5.33 逆テーパ管部
6.34 流出部(下流域部)
7.15.35 流出先端部
8.16 パイプ流出口(流出口)
10. ガラス流出パイプ
20. 従来のガラス流出パイプ
30. ガラス流出パイプ
Claims (7)
- 容器内に蓄積した熔融ガラスを前記容器に接続したガラス流出パイプにより流下させ、前記ガラス流出パイプの流出口より流出して、前記流出口の下方に配置した鋳型に連続して流し込んで成形し、成形したガラス成形体を取り出すガラス成形体の製造方法において、
前記ガラス流出パイプとして、一端にガラス流出口を有し、内径が一定である流出部と、前記熔融ガラスを前記流出部へと導くとともに、前記流出部の内径よりも小さい内径を有する絞り部とを備えるガラス流出パイプを使用して、前記ガラス流出パイプ中を流れる熔融ガラス流の径を拡大してから流出すること、および、
鋳型内における前記熔融ガラスの液位が前記ガラス流出パイプの前記流出口より低い状態を維持しながら前記熔融ガラスを鋳型に流し込むこと、
を特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 前記絞り部と前記流出部の間に内径が徐々に大きくなる逆テーパ管部を有するガラス流出パイプを使用することを特徴とする請求項1に記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス流出パイプの前記流出部を独立して加熱可能な加熱装置を使用し、前記流出部を加熱することを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
- 前記ガラス流出パイプの前記流出部の温度を前記絞り部の温度よりも高い温度としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のガラス成形体の製造方法。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の方法によりガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体を所定の大きさ及び形状に加工し、加熱により軟化し、成形型によってプレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の方法によりガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体を、研削・研磨・切削加工の何れかの方法によって加工することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 前記ガラス光学素子が、レンズであることを特徴とする請求項5又は6に記載の光学素子の製造方法。
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