技術 ガラス球の製造方法

0001

本発明は熱間モールドプレス成形によって製造される光学機器あるいは電子部品デバイス等に用いられるレンズ用のプリフォーム材を製造するためのガラス球の製造方法に関するものである。

0002

近年、光学機器あるいは電子デバイス等に使用されるレンズの製造方法として、従来のガラス研磨による方法に代わり、コスト削減のためにプリフォーム材を熱間モールドプレス成形するという無研磨方法が広く行われている。この方法ではレンズ面の曲面形状を有する金型間にプリフォーム材を配置し、これを金型ごと熱間プレス成形することによってプリフォーム材を熱変形させ、目的とするレンズを製造するのであるが、レンズの形状精度を高めるためにはプリフォーム材が充分真球に近い形状であることが必要である。

0003

これらの溶融ガラスを滴下する方法は、ルツボに接続した白金ノズル径とガラスの表面張力によってガラス滴の重量を制御し、５０ｍｇ〜数ｇのガラス球を±１％の重量精度で材料ロスが少なく形成することが可能である。以降ガラス融液を滴下する方法を滴下法と呼ぶ。

0004

ガラス球を製造する方法として、図３に示す方法がある。図３は従来のガラス球を製造するための装置の概略構成図である。

0005

発光器５より出射される光が受光器６に入射する構成により、ノズル２の先端に溶融ガラス滴４が形成され落下するまでの時間を検知し、ノズル２の下方部の温度をノズル２の上方部の温度よりヒーター３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを用いて制御部７を制御して、白金ルツボ１の内部で溶融した溶融ガラス滴４をノズル２から滴下し、溶融ガラス滴４の表面温度がガラスの軟化温度より低い温度になるまで落下を続けさせガラス球を得るようにしたガラス球の製造方法である。

0006

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

0007

【特許文献１】
特開昭６１−１４６７２１号公報

0008

しかしながら、これらの滴下法は白金ルツボ内の溶融ガラスの重みによって滴下するため、白金ルツボ内の溶融ガラスの液位が下がると滴下時間が遅くなり、かつ滴下重量のバラツキが大きいという課題があった。特に重量１００ｍｇ以下の小径ピックアップレンズ等に用いられるガラス球を作製するにはノズルの外径を小さくする必要があり、その結果として滴下時間が極端に長くなり生産性が低下する。またピックアップレンズに要求されるガラス球の重量精度±０．５％以内を実現することはきわめて困難なことであった。

0009

本発明はレンズ成形用プリフォーム材などに用いられるガラス球の高い重量精度を実現し、かつ生産性を高めたガラス球の製造方法を提供することを目的とする。

0010

上記の目的を達成するために、以下の構成を有するものである。

0011

本発明の請求項１に記載の発明は、ガラス材料を溶融槽内で溶融させ、滴下ノズルより溶融ガラスを滴下するガラス球の製造方法において、前記滴下ノズルから溶融ガラス滴が滴下する間隔時間を検知し、この検出結果に基づいて溶融槽内の溶融ガラスに負荷する圧力を制御して滴下する間隔時間を一定となるようにしたガラス球の製造方法であり、溶融ガラスの液位の低下に伴う滴下ノズルの先端部での圧力変動がなくなるため、ガラス滴の重量精度が向上できると共に最適な滴下間隔時間が設定できるため生産性が向上する。

0012

請求項２に記載の発明は、溶融槽内の溶融ガラスの液位を検知し、この結果に基づいて前記溶融槽内へ供給するガラス材料の量を制御して溶融槽内の溶融ガラスの液位を一定となるようにした請求項１に記載のガラス球の製造方法であり、溶融ガラスの液位が一定となるため、滴下ノズルの先端部での圧力変動が一切なくなり溶融ガラス滴の重量精度が向上できると共に最適な滴下間隔時間が設定できるため生産性が向上する。

0013

請求項３に記載の発明は、溶融槽へ供給するガラス材料を、ガラス融液とした請求項１に記載のガラス球の製造方法であり、溶融状態のガラス材料を溶融槽内へ供給することにより、溶融ガラス内に巻き込まれる泡の発生を抑制でき品質の安定化が図れる。

0014

請求項４に記載の発明は、溶融槽へ供給するガラス融液の温度が前記溶融槽内の溶融ガラスの温度と同等かそれ以上の温度とした請求項３に記載のガラス球の製造方法であり、溶融槽内へ供給されるガラス融液から内在する泡が除去できるため品質の安定化が図れる。

0015

請求項５に記載の発明は、溶融槽内の溶融ガラスを攪拌しながら滴下ノズルより溶融ガラスを滴下する請求項１に記載のガラス球の製造方法であり、溶融槽内の溶融ガラスが絶えず均質化されるため、ガラス滴についても脈理のないより一層の品質の安定化が図れる。

0016

請求項６に記載の発明は、滴下ノズル径、溶融槽内の溶融ガラス温度と液位および負荷する圧力とにより滴下する溶融ガラス滴の重量および滴下する間隔時間とを制御する請求項１に記載のガラス球の製造方法であり、４つの条件を適宜調整できるため、所定のガラス球を重量精度良く製造することができる。

0017

請求項７に記載の発明は、溶融槽内の溶融ガラスに気体により圧力を負荷する請求項１に記載のガラス球の製造方法であり、容易に溶融ガラスへ圧力を精度良く負荷できるため、ガラス滴の重量精度が向上できる。

0018

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

0019

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は本発明のガラス球を製造するための製造装置の概略構成図である。１１はバッチ式電気炉で、その中に滴下ノズル１３を底面に備え付けた白金ルツボからなる溶融槽１２を配置する。この溶融槽１２の中には溶融ガラス１４があり、溶融ガラス１４の均質性を保つため絶えず白金からなる攪拌羽１５で攪拌されている。

0020

溶融槽１２には溶融ガラス１４にエアーの圧力を負荷するためにエアー供給配管１６および圧力制御機構２２を備えた金属蓋１７と、オーリング１８とオイルおよびゴムパッキンからなるシール材１９が組み込まれて密閉されている。このシール材１９は攪拌羽１５を回転させながらエアー漏れを防ぐ役割を果たすものである。またオーリング１８とシール材１９は有機物であるため本実施の形態１では図示しないが必要に応じて冷却することが望ましい。

0021

溶融ガラス１４を滴下ノズル１３から滴下する場合、溶融ガラス滴２０の大きさは滴下ノズル１３の外径とガラスの表面張力で決まる。その関係は（数１）で表される。

0022

【数１】

0023

ここで、ｍはガラス重量、ｇは重力加速度、ｒは滴下ノズルの外径、γは溶融ガラス滴の表面張力である。

0024

また、溶融ガラス１４の液位と滴下ノズル１３から流下する溶融ガラス滴２０の流速は（数２）で表される。

0025

【数２】

0026

ここで、Ｑは溶融ガラスの流速、ρは密度、ｇは重力加速度、μは溶融ガラスの粘性、ｈは溶融槽内の溶融ガラスの液位、Ｒは溶融槽の半径、Ｉは滴下ノズル３の長さ、ｒは滴下ノズルの半径である。

0027

これらの（数１）、（数２）より、滴下ノズル１３の外径が小さいものほど小重量の溶融ガラス１４を滴下できるが、外径が小さくなればなるほど滴下する間隔時間としての滴下タクトが長くなり生産性が低下する。また同一外径の滴下ノズル１３を用いたとしても溶融槽１２の内部の溶融ガラス１４の液位が低くなればなるほど溶融ガラス１４の流速が遅くなり、滴下タクトも長くなる。そして溶融ガラス１４の液位が低くなることは滴下ノズル１３の先端に負荷される圧力も低くなることであり、溶融ガラス滴２０の重量も変動し易くなる。

0028

本実施の形態１のように溶融ガラス１４にエアーの圧力を負荷して強制的に滴下タクトを短くするための機構のエアー供給配管１６および圧力制御機構２２を備え付けた金属蓋１７をオーリング１８およびオイルとゴムパッキンからなるシール材１９を設けている。そしてバッチ式電気炉１１の下部には滴下タクトを検出するための滴下タクト検出器２１を配し、この検出結果を基にして滴下タクトを一定にするため圧力制御機構２２を適宜調整する。

0029

滴下ノズル１３の下方には溶融ガラス滴２０を受けて形成するための受け金型２３を備えている。

0030

以下、具体的な実施の形態１について説明する。溶融槽１２にホウケイ酸ガラスを入れ、溶融槽１２と滴下ノズル１３の温度を１１５０℃の同一温度として溶融槽１２の内部の溶融ガラス１４に負荷する圧力を０．０２ＭＰａとした。この場合、滴下ノズル１３の径は内径０．５ｍｍ、外径０．７ｍｍ、攪拌回転数は５０ｒｐｍとした。

0031

初期の滴下タクトは９．５秒、滴下タクトが０．１秒増加したならば９．５秒になるように圧力を０．００１ＭＰａ程度増加させて５０００個滴下した。この滴下したガラス５０００個の重量を測定した結果、重量バラツキは５１．５１ｍｇ±０．１％であった。また圧力を負荷しない場合、初期の滴下タクトは１３１秒、滴下を行うに従って滴下タクトが増加し非常に長時間が必要となったため、滴下個数を１００個とした。滴下したガラス１００個を測定した結果、４８．１０ｍｇ±０．９％であった。

0032

以上の結果から溶融ガラス滴２０の重量を決定する要因としては滴下ノズル１３の外径がその大部分支配しているが、数ｍｇで微調整するには溶融ガラス１４の温度、溶融ガラス１４に負荷する圧力、溶融槽１２の内部の溶融ガラス１４の液位を適当に設定する必要がある。

0033

しかし、図１に示すバッチ式電気炉１１では滴下に伴って溶融ガラス１４の液位が徐々に減少していくので液位を一定に保つことは困難である。液位が減少することは滴下ノズル１３に負荷される圧力が減少することになるので、溶融ガラス１４に負荷する圧力を増加させればよい。ここで負荷する圧力の増量は滴下タクトを絶えず検知して一定になるようにすれば流速が一定となり、溶融ガラス１４が減少しても滴下重量および滴下タクトが一定に制御できる。

0034

（実施の形態２）
実施の形態２について図２を用いて説明する。図２は本発明のガラス球を製造するための装置の概略構成図である。

0035

以下、溶融ガラス１４の液位を一定になるようにガラス融液２９を供給し、圧力を負荷して滴下させる製造方法について説明する。

0036

連続式電気炉３０の中に滴下ノズル１３を底面に備え付け、ガラス供給装置２５から供給されるガラス２８を溶かしてガラス融液２９とする第２の白金ルツボ２６を備え付けた第１の白金ルツボからなる溶融槽１２を配置する。この溶融槽１２の中には溶融ガラス１４の均質性を保つため絶えず攪拌されている白金からなる攪拌羽１５と、溶融ガラス１４の液位を検知する液面レベル計２７が備え付けられている。

0037

溶融ガラス１４、供給されるガラス２８、ガラス融液２９およびガラス供給装置２５にエアーの圧力を負荷するためエアー供給配管１６および圧力制御機構２２を備え付けた金属蓋１７、オーリング１８とオイルおよびパッキンからなるシール材１９で密閉されている。

0038

このシール材１９は攪拌羽１５を回転させながらエアー漏れを防ぐものである。またオーリング１８とシール材１９は有機物であるため、図２では図示しないが必要に応じて冷却することが望ましい。

0039

滴下ノズル１３の下方には溶融ガラス滴２０の滴下タクトを検知する滴下タクト検出器２１および溶融ガラス滴２０を受けて成形するための受け金型２３を配置している。

0040

図２に示す連続式電気炉３０が図１に示すバッチ式電気炉１と異なる点は、溶融ガラス１４の液位を絶えず一定に保つように制御する機構を設けていることである。図１に示すバッチ式電気炉１１は滴下と共に溶融ガラス１４の液位が低下すると、滴下ノズル１３の先端の溶融ガラス滴２０に負荷される圧力も低下する。その結果滴下される溶融ガラス滴２０の重量を一定にするには圧力制御機構２２を適宜調整して、滴下タクトを一定にする必要があった。

0041

以下、具体的な実施の形態２について説明する。溶融槽１２にホウケイ酸ガラスを入れ、溶融槽１２と滴下ノズル１３の温度を１１５０℃の同一温度として溶融ガラス１４に負荷する圧力を０．０２ＭＰａとした。この場合、滴下ノズル１３の径は、内径０．５ｍｍ、外径０．７ｍｍ、攪拌回転数５０ｒｐｍとした。溶融槽１２の内部の溶融ガラス１４の液位が滴下によって低下すると、液面レベル計２７が溶融ガラス１４と接触しなくなり絶縁状態となる。この場合にガラス供給装置２５が動作して１２００℃の第２の白金ルツボ２６の内部にガラス２８が供給されてガラス融液２９となり、さらに溶融槽１２に供給されて内部の溶融ガラス１４の液位が絶えず一定となる。

0042

初期の滴下タクトは８．７秒、５０００個の滴下に対して滴下タクトの変化が一切なく、滴下したガラス５０００個の重量を測定した結果、重量バラツキは５１．５９５ｍｇ±０．０５％であった。

0043

このように図２に示す連続式電気炉３０は絶えず溶融ガラス１４の液位を液面レベル計２７で検知し、溶融ガラス１４の液位が低下するとガラス供給装置２５が動作して第２の白金ルツボ２６にガラス２８が供給される。このガラス２８は溶融ガラス１４の温度と同等かそれ以上の温度で溶融されガラス融液２９となって溶融槽１２の中の溶融ガラス１４に供給される。この結果ガラスの粘性を低くすることができ、供給されるガラス２８に含まれ泡およびガラスに溶けるときに巻き込む泡等の脱泡が促進され品質の安定化が図れる。

0044

ガラス融液２９が溶融ガラス１４に供給されると液位が上昇し、液面レベル計２７の先端が溶融ガラス１４と接触することにより溶融ガラス１４の液位が検知される。そしてガラス２８の供給が停止する。この動作を繰り返すことにより溶融ガラス１４の液位を一定にすることができる。

0045

このように溶融ガラス１４の液位は常に一定に保たれているため、初期のエアーの圧力を所定の滴下タクトになるように設定すれば滴下タクトおよび溶融ガラス滴２０の重量が高精度に制御できる。

0046

図２に示す連続式電気炉３０には圧力開閉コック２４を備え付けており、ガラス供給装置２５にガラス２８がなくなった場合、圧力開閉コック２４を閉め、適量のガラス２８をガラス供給装置２５に入れて圧力開閉コック２４を開くと溶融槽１２および第２の白金ルツボ２６が同圧力となり、連続稼働が実現でき高い生産性が得られる。

0047

以上のように本発明は、ガラス材料を溶融槽内で溶融させ、滴下ノズルより溶融ガラスを滴下するガラス球の製造方法において、前記滴下ノズルから溶融ガラス滴が滴下する間隔時間を検知し、この検出結果に基づいて溶融槽内の溶融ガラスに負荷する圧力を制御して滴下する間隔時間を一定となるようにしたガラス球の製造方法であり、溶融ガラスの液位の低下に伴う滴下ノズルの先端部での圧力変動がなくなるため、ガラス滴の重量精度が向上できると共に最適な滴下間隔時間が設定できるため生産性が向上する。

【図１】
本発明のガラス球を製造するための装置の概略構成図
【図２】
本発明のガラス球を製造するための装置の概略構成図
【図３】
従来のガラス球を製造するための装置の概略構成図
【符号の説明】
１１バッチ式電気炉
１２溶融槽
１３ 滴下ノズル
１４ 溶融ガラス
１５攪拌羽
１６エアー供給配管
１７金属蓋
１８オーリング
１９シール材
２０ 溶融ガラス滴
２１滴下タクト検出器
２２圧力制御機構
２３ 受け金型