JP6673061B2 - ガラス物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、管状のガラス物品の製造方法に関する。

両端部を有するガラス管を所定の長さに切断して管状のガラス物品を得る方法としては、例えば、特許文献１に開示されるように、水を供給した切断刃を加熱されたガラス管に接触させるチルカット方式が知られている。

特開２０１５−１１７１５９号公報

上記のようにチルカット方式を用いてガラス管を切断する場合、ガラス管に対して切断刃を接触させた際にガラスの微粉が発生する。このようにガラス管の切断工程で発生するガラスの微粉は、切断後に得られるガラス物品に付着することでガラス物品の清浄性を低下させるおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラスの微粉の発生を抑えることで、清浄性の高いガラス物品を得ることを可能にしたガラス物品の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するガラス物品の製造方法は、両端部を有するガラス管の少なくとも一端部を切断する切断工程を備え、管状のガラス物品を製造するガラス物品の製造方法であって、前記切断工程は、前記ガラス管の両端のうち、少なくとも一端を自由端として前記ガラス管を支持する第１工程と、前記ガラス管の管軸方向において、前記ガラス管を支持している支持部分と前記自由端との間における前記ガラス管の外周面にレーザー光を照射する第２工程と、を備え、前記第２工程では、前記レーザー光を前記ガラス管の全周にわたって走査することで、前記支持部分と前記レーザー光を走査した走査位置との間のガラスを内部応力により非接触の状態で割断する。

この方法によれば、ガラスに対する切断刃の接触を回避してガラスを割断するため、ガラスの微粉の発生を抑えることができる。
上記ガラス物品の製造方法において、前記ガラス管における管壁の厚さが０．３ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下の範囲であり、前記レーザー光の出力が１００Ｗ以上、５００Ｗ以下の範囲であり、前記レーザー光の走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、４００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることが好ましい。

例えば、上記のような製造条件に設定することで、切断不良を抑えることが可能となる。
上記ガラス物品の製造方法において、前記レーザー光の走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、１００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることがさらに好ましい。

この方法によれば、レーザー光の走査位置においてガラス管の溶断を抑制し、かつ、ガラス管の支持部分とレーザー光を走査した走査位置との間のガラスで発生する内部応力を高めることが容易となる。

上記ガラス物品の製造方法において、前記第１工程では、管軸を中心に回転可能であり、かつ管軸方向が垂直方向に対して傾斜するように前記ガラス管を支持し、前記第２工程では、管軸を中心に回転されている前記ガラス管の外周面にレーザー光を照射することが好ましい。

この方法によれば、レーザー光を照射する位置を一定にすることができるため、例えば、レーザー光照射装置の複雑な位置制御を回避することが可能となる。
上記ガラス物品の製造方法において、前記第１工程では、前記ガラス管の両端を自由端として前記ガラス管を支持し、前記第２工程では、前記支持部分と、前記ガラス管の一方の前記自由端との間、及び前記支持部分と、前記ガラス管の他方の前記自由端との間において、前記レーザー光を照射することで、前記ガラス管の両端部を割断することもできる。

本発明によれば、ガラスの微粉の発生を抑えることで、清浄性の高いガラス物品を得ることが可能となる。

実施形態におけるガラス物品の製造方法を説明する概略斜視図である。 ガラス管の切断工程を説明する概略斜視図である。 ガラス管が切断された状態を示す概略斜視図である。

以下、ガラス物品の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張して示す場合がある。また、各部分の寸法比率についても、実際と異なる場合がある。

ガラス物品の製造方法は、両端部を有するガラス管の少なくとも一端部を切断する切断工程を備えている。本実施形態では、ガラス管の一端部を切断する切断工程を一例として説明する。

図１に示すように、ガラス物品の製造方法における切断工程は、ガラス管１１の一端を自由端１２としてガラス管１１を支持する第１工程と、ガラス管１１の外周面にレーザー光ＬＢを照射する第２工程とを備えている。第２工程でレーザー光ＬＢを照射するガラス管１１の外周面は、ガラス管１１の管軸方向においてガラス管１１を支持している支持部分１３とガラス管１１の自由端１２との間に位置する外周面である。

本実施形態のガラス物品の製造方法における第１工程では、回転可能に軸支された一対の支持ローラーＲ１，Ｒ２を用いてガラス管１１を支持している。ガラス管１１は、図１に矢印で示す方向に支持ローラーＲ１，Ｒ２が回転駆動されることで、図１に矢印で示すように管軸を中心に回転される。このように本実施形態の第１工程では、ガラス管１１を管軸方向において一対の支持ローラーＲ１，Ｒ２と接する範囲が支持部分１３となっている。

ガラス物品の製造方法における第１工程では、ガラス管１１の支持部分１３と自由端１２との間の直管部分に曲げ応力が加わるように、ガラス管１１を管軸方向が垂直方向に対して傾斜するように支持することが好ましい。本実施形態では、第１工程で用いる一対の支持ローラーＲ１，Ｒ２の回転軸は水平方向に延在し、ガラス管１１は、管軸方向が一対の支持ローラーＲ１，Ｒ２の回転軸と平行になるように配置されている。すなわち、ガラス管１１は、管軸方向は水平方向と平行となるように支持されている。

図１及び図２に示すように、ガラス物品の製造方法における第２工程では、レーザー光ＬＢをガラス管１１の全周にわたって走査することで、図２及び図３に示すように、上述した支持部分１３と、レーザー光ＬＢを走査した走査位置Ｐ１（二点鎖線で示す。）との間のガラスを内部応力により非接触の状態で割断する。これにより、図３に示すように、一端部が切断された管状のガラス物品１４が得られる。

詳述すると、ガラス物品の製造方法における第２工程では、レーザー光ＬＢをガラス管１１の管軸と直交する面内でガラス管１１の外周面を周回するように走査する。本実施形態の第２工程では、支持ローラーＲ１，Ｒ２の回転駆動により管軸を中心に回転されているガラス管１１の外周面にレーザー光ＬＢを照射することで、上記のようにレーザー光ＬＢを走査している。なお、図１〜図３に示すように、レーザー光ＬＢを照射するレーザー光照射装置１５は、例えば、ガラス管１１の上方に配置することができる。

ここで、ガラス物品の製造方法の第２工程において、ガラス管１１の内部応力に基づく割断について説明する。上記のようにガラス管１１にレーザー光ＬＢを走査すると、レーザー光ＬＢが走査されたガラス管１１の走査位置Ｐ１では、引張応力が局所的に発生する。このとき、ガラス管１１においてレーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１と支持部分１３との間のガラスには、上記走査位置Ｐ１で発生した引張応力と支持部分１３による拘束力とが働くことで、管軸方向に沿って対向する応力（圧縮応力）が発生する。すなわち、ガラス管１１においてレーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１と支持部分１３との間のガラスには、ガラス管１１の管軸方向と直交する面に沿うように圧縮応力が集中した応力集中部分Ｐ２（二点鎖線で示す。）が形成される。このように応力集中部分Ｐ２が形成されることで、その応力集中部分Ｐ２を界面としてガラスを割断（分断）することができる。なお、ガラス管１１においてレーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１と自由端１２との間のガラスでは、ガラス管１１の自由端１２により内部応力が開放されるため、割断（分断）されない。

ガラス物品の製造方法の第２工程で用いるレーザー光ＬＢとしては、例えば、固体レーザー（例えば、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザー等）、及び気体レーザー（例えば、ＣＯ_２レーザー、エキシマレーザー）が挙げられる。

次に、ガラス物品の製造方法の第２工程で用いるレーザー光ＬＢの条件について説明する。レーザー光ＬＢの条件は、切断工程を行う予定のガラス管についてレーザー光ＬＢの条件を変更しながら、切断の可否や切断面を確認する予備試験の結果に応じて設定することができる。レーザー光ＬＢの条件は、例えば、レーザー光ＬＢの出力、及びレーザー光ＬＢの走査速度を変更する予備試験により設定することができる。

レーザー光ＬＢの条件のうち、レーザー光ＬＢの出力を高めるほど、ガラス管１１の内部応力を高めることが可能となる。レーザー光ＬＢの出力を低めるほど、レーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１におけるガラス管１１の溶断を抑えることが可能となる。

レーザー光ＬＢの条件のうち、レーザー光ＬＢの走査速度を速くするほど、ガラス管１１の内部応力を高めることが可能となる。レーザー光ＬＢの走査速度を遅くするほど、レーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１におけるガラス管１１の溶断を抑えることが可能となる。

次に、ガラス物品の製造方法の第２工程で用いるレーザー光ＬＢの一例について説明する。レーザー光ＬＢの出力は、１００Ｗ以上、５００Ｗ以下の範囲であることが好ましい。レーザー光ＬＢの走査速度、すなわちレーザー光ＬＢの照射スポットと、ガラス管１１の外面との相対移動速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、４００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲である。

レーザー光ＬＢの照射スポットの直径は、例えば、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。なお、レーザー光ＬＢのフォーカス位置は、ガラス管１１の外周面とすることが好ましい。レーザー光の波長は、例えば、１９３ｎｍ以上、１０．６μｍ以下の範囲であることが好ましい。レーザー光は、パルス（発振）レーザーであってもよいし、連続波レーザーであってもよいが、連続波（発振）レーザーであることが好ましい。

ガラス物品の製造方法において、切断工程に供されるガラス管１１の全長は、例えば、５００ｍｍ以上、２２００ｍｍ以下の範囲である。ガラス管１１の外径は、例えば、８ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の範囲である。ガラス管１１における管壁の厚さは、例えば、０．３以上、０．６ｍｍ以下の範囲である。ガラス管１１において、自由端１２からレーザー光ＬＢを照射する位置までの長さは、例えば、１０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の範囲である。ガラス管１１は、例えば、周知のダンナー法により連続的に成形されたガラス管を所定の長さに粗切断したものである。本実施形態のガラス管１１の断面形状は円環状であるが、これに限定されず、例えば、多角環状であってもよい。

ガラス物品の製造方法は、上記の切断工程で切断されたガラス管１１の切断部分を加熱して丸める口焼き工程等をさらに備えていてもよい。管状のガラス物品１４の用途としては、例えば、電子用途、医療用途、及び照明器具用途が挙げられる。

次に、試験例を挙げてガラス物品１４の製造方法を説明する。
（試験例１）
全長２１００ｍｍ、外径２２．００ｍｍ、管壁の厚さ０．５５ｍｍのガラス管１１を準備し、このガラス管１１の一端部を切断する切断工程として、第１工程及び第２工程を行った。レーザー光ＬＢは、波長１０．６μｍとなるＣＯ_２レーザーの連続波であり、レーザー光ＬＢの出力は２００Ｗ、レーザー光ＬＢのスポット径は０．２ｍｍ、レーザー光ＬＢの走査速度は、７５ｍｍ／ｓｅｃである。

試験例１では、ガラス管１１においてレーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１から約２ｍｍの部分（応力集中部分Ｐ２）で割断することができた。試験例１で得られたガラス物品１４の切断面は、円滑な面であり、ガラス物品１４におけるガラスの微粉の付着は確認されなかった。なお、試験例１で切断したガラス管１１の端部において、レーザー光ＬＢを照射した部分（走査位置）を観察した結果、ガラスの溶断は発生していなかった。

なお、レーザー光ＬＢの出力を１００Ｗ，５００Ｗに変更しても、同様にガラス管１１を割断することができた。
（試験例２）
試験例２では、レーザー光ＬＢの走査速度を４００ｍｍ／ｓｅｃに変更した以外は試験例１と同様に第１工程及び第２工程を行った。

試験例２では、レーザー光ＬＢの照射によるガラスの溶断が発生したが、ガラス管１１においてレーザー光の走査位置Ｐ１から約２ｍｍの部分（応力集中部分Ｐ２）で割断することができた。試験例２で得られたガラス物品１４の切断面は、円滑な面であり、ガラス物品１４におけるガラスの微粉の付着は確認されなかった。なお、試験例２で切断したガラス管１１の端部において、レーザー光を照射した部分（走査位置Ｐ１）は溶断されていた。

（試験例３）
試験例３では、レーザー光の走査速度を５０ｍｍ／ｓｅｃに変更した以外は試験例１と同様に第１工程及び第２工程を行った。試験例３においても、試験例１と同様にガラス管１１を割断することができた。

以上詳述した実施形態によれば、次のような作用効果が発揮される。
（１）ガラス物品の製造方法は、両端部を有するガラス管１１の少なくとも一端部を切断する切断工程を備えている。ガラス物品の製造方法における切断工程は、ガラス管１１の両端のうち、少なくとも一端を自由端１２としてガラス管１１を支持する第１工程と、ガラス管１１の管軸方向において、ガラス管１１を支持している支持部分１３と自由端１２との間におけるガラス管１１の外周面にレーザー光ＬＢを照射する第２工程とを備えている。ガラス物品の製造方法における第２工程は、レーザー光ＬＢをガラス管１１の全周にわたって走査することで、ガラス管１１の支持部分１３とレーザー光ＬＢを走査した走査位置Ｐ１との間のガラスを内部応力により非接触の状態で割断している。

この方法によれば、ガラスに対する切断刃の接触を回避してガラスを割断するため、ガラスの微粉の発生を抑えることができる。このようにガラスの微粉の発生を抑えることで、清浄性の高いガラス物品１４を得ることが可能となる。

また、上記方法によれば、例えば、レーザー光を用いて溶断した切断面よりも平滑な切断面（鏡面状の切断面）を有するガラス物品１４を得ることができる。
（２）ガラス物品の製造方法において、ガラス管１１における管壁の厚さが０．３ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下の範囲であり、レーザー光ＬＢの出力が１００Ｗ以上、５００Ｗ以下の範囲であり、レーザー光ＬＢの走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、４００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることが好ましい。例えば、このような製造条件に設定することで、切断不良を抑えることが可能となる。これにより、例えば、ガラス物品１４の歩留まりを高めることが可能となる。

（３）ガラス物品の製造方法において、レーザー光ＬＢの走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、１００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることがさらに好ましい。この場合、レーザー光ＬＢの走査位置Ｐ１においてガラス管１１の溶断を抑制し、かつ、ガラス管１１の支持部分１３とレーザー光ＬＢを走査した走査位置Ｐ１との間のガラスで発生する内部応力を高めることが容易となる。従って、溶断時のフュームの発生を要因としたガラス物品１４の清浄性の低下を抑制しながら、ガラスの内部応力を利用した割断を行うことが容易となるため、より清浄性の高いガラス物品１４を容易に得ることが可能となる。

（４）ガラス物品の製造方法における第１工程では、管軸を中心に回転可能であり、かつ管軸方向が垂直方向に対して傾斜するようにガラス管１１を支持し、第２工程では、管軸を中心に回転されているガラス管１１の外周面にレーザー光ＬＢを照射している。この場合、レーザー光ＬＢの照射する位置を一定にすることができるため、例えば、レーザー光照射装置１５の複雑な位置制御を回避することが可能となる。従って、ガラス物品の製造装置を簡素化することが可能となる。

（変更例）
上記実施形態を次のように変更して構成してもよい。
・ガラス物品の製造方法における切断工程は、ガラス管１１の両端部を切断する切断工程に変更することもできる。具体的には、ガラス物品の製造方法における第１工程において、ガラス管１１の両端を自由端１２としてガラス管１１を支持する。続いて、ガラス管１１の支持部分１３とガラス管１１の一方の自由端１２との間、及びガラス管１１の支持部分１３とガラス管１１の他方の自由端との間の外周面にレーザー光ＬＢを照射する第２工程を行えばよい。

・ガラス物品の製造方法における切断工程は、ガラス管１１の一端を自由端１２として他端を含む支持部分１３で支持してもよい。上記のようにガラス管１１の両端部を切断する切断工程の場合、ガラス管１１の切断工程は、ガラス管１１の一端部と他端部とを段階的に行ってもよい。すなわち、ガラス管１１の一端のみを自由端１２としてガラス管１１を支持する第１工程と、その一端（自由端）側の端部を割断する第２工程を行った後、ガラス管１１の他端のみを自由端としてガラス管１１を支持する第１工程と、その他端（自由端）側の端部を割断する第２工程を行ってもよい。

・ガラス物品の製造方法の第１工程では、ガラス管１１を回転不能に支持してもよい。この場合、ガラス物品の製造方法の第２工程では、ガラス管１１の全周にわたってレーザー光ＬＢを走査するように移動する可動式のレーザー光照射装置に変更すればよい。

・ガラス物品の製造方法の第２工程は、複数のガラス管１１を搬送する搬送経路内で行ってもよい。例えば、上記支持ローラーＲ１，Ｒ２を所定の方向に移動させるコンベアラインを設けることで、複数のガラス管１１を所定の方向に搬送することができる。この場合、例えば、ガラス管１１を追従するようにレーザー光ＬＢを照射し、ガラス管１１の切断後に元の位置に復帰可能とするレーザー光照射装置を用いればよい。

・ガラス物品の製造方法の切断工程では、複数の支持ローラーでガラス管１１の支持部分１３の両端部のみを支持してよい。このような構成によればガラス管１１と支持ローラーとの接触面積を低減し、ガラス管１１の表面品位の低下を抑制できる。

１１…ガラス管、１２…自由端、１３…支持部分、１４…ガラス物品、ＬＢ…レーザー光、Ｐ１…走査位置。

Claims (5)

1. 両端部を有するガラス管の少なくとも一端部を切断する切断工程を備え、管状のガラス物品を製造するガラス物品の製造方法であって、
   前記切断工程は、前記ガラス管の両端のうち、少なくとも一端を自由端として前記ガラス管を支持する第１工程と、前記ガラス管の管軸方向において、前記ガラス管を支持している支持部分と前記自由端との間における前記ガラス管の外周面にレーザー光を照射する第２工程と、を備え、
   前記第２工程では、前記レーザー光を前記ガラス管の全周にわたって走査することで、前記支持部分と前記レーザー光を走査した走査位置との間のガラスを内部応力により非接触の状態で割断することを特徴とするガラス物品の製造方法。
2. 前記ガラス管における管壁の厚さが０．３ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下の範囲であり、
   前記レーザー光の出力が１００Ｗ以上、５００Ｗ以下の範囲であり、
   前記レーザー光の走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、４００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のガラス物品の製造方法。
3. 前記レーザー光の走査速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、１００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載のガラス物品の製造方法。
4. 前記第１工程では、管軸を中心に回転可能であり、かつ管軸方向が垂直方向に対して傾斜するように前記ガラス管を支持し、
   前記第２工程では、管軸を中心に回転されている前記ガラス管の外周面にレーザー光を照射することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガラス物品の製造方法。
5. 前記第１工程では、前記ガラス管の両端を自由端として前記ガラス管を支持し、
   前記第２工程では、前記支持部分と、前記ガラス管の一方の前記自由端との間、及び前記支持部分と、前記ガラス管の他方の前記自由端との間において、前記レーザー光を照射することで、前記ガラス管の両端部を割断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガラス物品の製造方法。

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