(57)【要約】【課題】本発明は、所望の質量のガラス塊が得られる滴下ノズルの設計法、それを用いて滴下ノズルおよびガラス塊製造装置。【解決手段】所望の質量を有する溶融ガラス液滴を製造するための滴下ノズルの設計法であって、前記滴下ノズル先端に懸垂される溶融ガラス液滴形状を計算して、（滴下ノズルに懸垂可能な溶融ガラス液滴の最大体積）×（溶融ガラス液滴の密度）＝（所望の質量）となる前記液滴形状のくびれ部の最小直径を算出し、前記最小直径を滴下ノズルの直径とすることを特徴とする溶融ガラス用滴下ノズルの設計法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の質量を有する溶融ガラス液滴を製造するための滴下ノズルの設計法であって、前記滴下ノズル先端に懸垂される溶融ガラス液滴形状を計算して、（滴下ノズルに懸垂可能な溶融ガラス液滴の最大体積）×（溶融ガラス液滴の密度）＝（所望の質量）となる前記液滴形状のくびれ部の最小直径を算出し、前記最小直径を滴下ノズルの直径とすることを特徴とする溶融ガラス用滴下ノズルの設計法。
【請求項２】
前記溶融ガラス液滴の形状は、前記滴下ノズル先端における前記溶融ガラスの液圧と、前記溶融ガラスの表面張力との釣り合いに基づいて計算する請求項１記載の溶融ガラス用滴下ノズルの設計法。
【請求項３】
前記溶融ガラス液滴の所望の質量をＭ（ｋｇ）、溶融ガラスの表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）、滴下ノズルの直径を２Ｒ（ｍ）としたとき、滴下ノズルの半径Ｒを下記式１で計算する請求項１または２記載の溶融ガラス用滴下ノズルの設計法。
Ｒ＝ｃ・Ｍ・ｇ／σ・・・式１
ただし、ｃは定数でｃ＝０．２０〜０．２９
【請求項４】
溶融ガラス液滴の所望の質量をＭ（ｋｇ）、溶融ガラスの表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）、滴下ノズルの直径を２Ｒ（ｍ）としたとき、前記滴下ノズルの半径Ｒを下記式２で計算することを特徴とする溶融ガラス用滴下ノズルの設計法。
Ｒ＝ｃ・Ｍ・ｇ／σ・・・式２
ただし、ｃは定数でｃ＝０．２０〜０．２９
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の溶融ガラス用滴下ノズルの設計法により算出したノズル直径を有する溶融ガラス用滴下ノズル。
【請求項６】
請求項５記載の溶融ガラス用滴下ノズルを有するガラス塊製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の質量を有するガラス塊を製造するための溶融ガラス用滴下ノズルの設計法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスレンズなどの光学ガラス素子の製造方法として、ガラス塊を精密プレス成形してそのまま研磨せずに使用することが注目されている。このような光学ガラス素子のプレス成形法としては、精密に質量を制御された溶融ガラス塊を直接、プレス型に供給してプレス成形するダイレクトプレス法と、前記溶融ガラス塊を変形しない温度まで冷却してガラスプリフォームとした後、プレス型に供給して再度変形温度まで加熱してプレス成形するリヒートプレス法とに大別されるが、いずれのプレス方法においても光学ガラス素子の形状を高精度にするためには、前記溶融ガラス塊の質量を設計値どおりに厳密に制御することが必要である。
【０００３】
すなわち、溶融ガラス塊の質量が設計値から離れると、光学ガラス素子の厚さが変わって光学特性や形状精度を満たさなくなる。例えば、前記質量が設計値より少ないと被成型材料であるガラス塊にかかる圧力が不足して転写不充分となり光学面を研磨する必要が出たり所定の形状を確保できないなどの問題がある。逆に、前記質量が設計値より多すぎると金型のキャビティからガラスが溢れる、後加工が必要となるなどの問題がある。したがって、光学ガラス素子を高精度に製造するためには、設計値どおりの質量を有する溶融ガラス塊を提供することが重要である。
【０００４】
溶融ガラス塊の製造方法の代表的なものとして、溶融ルツボと滴下ノズルとを有するガラス塊製造装置の前記滴下ノズルから溶融ガラスを滴下して製造する方法（以下、ノズル滴下方式という）がある。ノズル滴下方式は、製造装置が簡単で、生産性も高いなどの長所を有するものの、一つのノズルで質量制御できる範囲が狭いため、要求される溶融ガラス塊の質量に応じて最適なノズル直径を選択しなければならないが、従来はこのノズル径の選択を経験やトライアンドエラーで決定しなければならなかった。
【０００５】
溶融ガラス塊と滴下ノズルの先端半径Ｒとの間には概略、式３の関係が成り立つことが分かっている（特許文献１）。しかし、式３から算出されるノズルを使用しても実際には所望の質量Ｍ（ｋｇ）の溶融ガラス塊は得られず、あくまでもこれで計算されるノズル半径は目安にしかすぎなかった。
【０００６】
したがって、ノズル滴下方式では最適なノズル径を実験的または経験的に選択しなければならず、設計値通りの質量のガラス塊が滴下するまで種々のノズル直径を有する滴下ノズルを何度も交換したり、前もって滴下実験を実施しなければならないなどの問題があり、所望の質量の溶融ガラス塊を得るまでに時間と手間が掛かり、生産性の点でも問題があった。
Ｒ＝（（Ｍ・ｇ）／（２・π・σ））＝０．１６・Ｍ・ｇ／σ・・・式３
【特許文献１】特公平４−３２７７２号公報（２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、所望の質量のガラス塊が得られる滴下ノズルの設計法およびそれで設計した滴下ノズルの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、所望の質量を有する溶融ガラス液滴を製造するための滴下ノズルの設計法であって、前記滴下ノズル先端に懸垂される溶融ガラス液滴形状を計算して、（滴下ノズルに懸垂可能な溶融ガラス液滴の最大体積）×（溶融ガラス液滴の密度）＝（所望の質量）となる前記液滴形状のくびれ部の最小直径を算出し、前記最小直径を滴下ノズルの直径とすることを特徴とする溶融ガラス用滴下ノズルの設計法を提供する。
【０００９】
本発明は、溶融ガラス液滴の所望の質量をＭ（ｋｇ）、溶融ガラスの表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）、滴下ノズルの直径を２Ｒ（ｍ）としたとき、滴下ノズルの先端半径Ｒを式４で計算する、溶融ガラス用滴下ノズルの設計法を提供する。
Ｒ＝ｃ・Ｍ・ｇ／σ・・・式４
ただし、ｃは定数でｃ＝０．２０〜０．２９
【発明の効果】
【００１０】
本発明による設計法で設計した滴下ノズルを使用することにより、ノズル直径の異なる滴下ノズルを何度も交換したり、前もって滴下実験を実施したりするなど非効率的な作業をせずに、質量を厳密に制御した溶融ガラス塊を簡便に製造できる。そのため、本発明により得られる所望の精度に制御されたガラス塊を使用して高精密なガラスレンズを簡便にしかも安定して製造できる。
【００１１】
また、ノズル直径を決定するためにノズル直径を何度も変えてテストする必要が無いため生産の準備期間が短く、納期の短縮、生産量の増大が期待できる。また、余分にノズルを準備しないため、開発コスト削減効果もある。さらに、質量の異なる溶融ガラス塊を製造する際にもノズルの選択が簡単にできるためジョブチェンジも容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、所望の質量を有する溶融ガラス液滴を製造するための滴下ノズルの設計法（以下、本設計法という）であって、前記滴下ノズル先端に懸垂される溶融ガラス液滴形状を計算して、（滴下ノズルに懸垂可能な溶融ガラス液滴の最大体積）×（溶融ガラス液滴の密度）＝（所望の質量）となる前記液滴形状のくびれ部の最小直径を算出し、前記最小直径を滴下ノズルの直径とすることを特徴とする。滴下ノズルと溶融ガラス液滴の概念図を図１に示す。図１中、１は溶融ガラス液滴、Ｎは滴下ノズル、２Ｒは滴下ノズルの直径、をそれぞれ示す。なお、本明細書において、ノズル半径、ノズル直径は、滴下ノズルの先端部分での値をいうものとする。
【００１３】
溶融ガラス液滴形状は、前記滴下ノズル先端における前記溶融ガラスの液圧と、前記溶融ガラスの表面張力との釣り合いに基づいて計算すると好ましい。この場合、溶融ガラスの液圧は、重力による液圧と滴下ノズル上流からの液圧との合力で表される。この関係を図２に示す。図２中、１は溶融ガラス液滴、Ｎは滴下ノズル、ＰＬは滴下ノズル先端での溶融ガラスの液圧、ＰＧは重力による液圧、ＰＮは滴下ノズル上流からの液圧、をそれぞれ示す。図よりＰＬ＝ＰＧ＋ＰＮであるが、溶融ガラスの液圧ＰＬと溶融ガラスの表面張力ＰＳとは釣り合うことから、結局、ＰＧ＋ＰＮ＝ＰＳとなる。
【００１４】
本設計法において溶融ガラス液滴形状で滴下ノズル先端に懸垂可能な最大質量を算出する際の計算は、式５を利用して行うことが好ましい。
【００１５】
【数１】
2006225225.tif 000003
【００１６】
ただし、式５において、ｙ、ｚはｚ軸を対象軸として軸対称となる溶融ガラス液滴形状の界面位置を決める変数で、図３に示すようにｙ軸を水平方向に、ｚ軸を垂直方向にそれぞれとる。ｙ（ｚ）は、溶融ガラス液滴の形状を表す関数で、ｙ´（ｚ）、ｙ´´（ｚ）は、ｚに関する一階微分、二階微分をそれぞれ示す。また、Ｐは溶融ガラス液滴先端での滴下ノズル上流からの液圧（Ｎ／ｍ２）（図２中のＰＮ）を、σは溶融ガラスの表面張力（Ｎ／ｍ）を、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）を、ρは溶融ガラスの密度、をそれぞれ示す。
【００１７】
計算の手順は、任意のＰを与え、式５が成立するｙ（＞０）とｚ（＞０）の関係を導き、軸対象に描図すると図３に示すような溶融ガラス液滴形状が算出される。図３中、１１は計算で求めた仮想の溶融ガラス液滴を示す。溶融ガラス液滴形状の最初のくびれ部分の距離Δｙｎｅｃｋを滴下ノズルの直径２Ｒとしたとき、当該滴下ノズルに懸垂される溶融ガラス液滴の体積は最大（以下、最大懸垂体積という）となり、これに密度を乗じた質量も最大（以下、最大懸垂質量という）となる。
【００１８】
なお、計算に際して、溶融ガラスの表面張力σ（Ｎ／ｍ）、密度ρ（ｋｇ／ｍ３）としてはノズルから滴下される温度における値を用いることが好ましい。重力加速度としては一般的な値でよいが、遠心力などの外力が加わっている環境下などでは適宜修正することが好ましい。
【００１９】
実際に滴下する溶融ガラスは、滴下ノズル先端での溶融ガラスの液圧ＰＬと溶融ガラスの表面張力ＰＳとの釣り合いが取れなくなった時であるから、滴下する溶融ガラス液滴の質量は、最大懸垂質量とほぼ同じとみなせる。したがって、所望の溶融ガラス液滴の質量を前記最大懸垂質量とした場合の滴下ノズルの直径２Ｒを採用すれば、所望の質量を有する溶融ガラス液滴を高精度に製造できる。
【００２０】
さらに計算で得られたノズル半径Ｒと滴下される溶融ガラス液滴の質量Ｍとの関係から式６の近似が得られる。ｃは、ガラスの種類、ノズル材質などによって適宜選択される定数でｃ＝０．２０〜０．２９の値をとると好ましい。ｃの下限としては０．２１であるとさらに好ましく、０．２２であると特に好ましい。ｃの上限としては０．２６であるとさらに好ましく、０．２５であると特に好ましい。
Ｒ＝ｃ・Ｍ・ｇ／σ・・・式６。
【００２１】
実際の滴下ノズルでは肉厚があることから、滴下ノズルの直径としては、外径、内径、内径と外径の平均値（以下、単に内外径平均値という）等がある。本設計法において滴下ノズルの直径２Ｒとしては滴下ノズルの外径、内径、内外径平均値のいずれとしてもよい。溶融ガラスと滴下ノズルとの濡れ性が良い場合は滴下ノズルの直径２Ｒをノズルの外径とするのが好ましく、逆に、溶融ガラスと滴下ノズルとの濡れ性が悪い場合は直径２Ｒをノズルの内径とするのが好ましい。
【００２２】
この関係を図４に示す。図４においてＮは滴下ノズルを、ｄＩは滴下ノズル先端の内径を、ｄＯは滴下ノズル先端の外径を、ｄＩＯは図示しないが滴下ノズル先端の内外径平均値を、それぞれ示す。
【００２３】
本発明の滴下ノズル（以下、本ノズルという）は、本設計法で算出したノズル直径を有すること以外は特に制限されない。本ノズルの材質としては溶融ガラスに対して耐食性があり、しかも溶融ガラスを液滴として滴下できるものであれば特に制限はないが、Ｐｔおよび／またはＡｕなどの貴金属が好ましい材質として挙げられる。
【００２４】
また、本ノズルにおいては、使用上問題のない機械的強度を得られる範囲内で肉厚をできるだけ薄くし、滴下ノズルの内径と外径の差を小さくすると、溶融ガラスとノズルの材質との相性の影響を小さくできるので好ましい。本ノズルの製作にあたっては、ノズル先端をシャープエッジとなるように加工することが好ましい。
【００２５】
本発明において、ガラス塊製造装置（以下、本製造装置という）としては、本ノズルを有するものであれば本ノズルを設けるガラス溶融ルツボ（以下、単にルツボと略す）と、溶融ガラスの温度計測手段と温度制御手段とがあれば他には制限されないが前記ルツボ内を撹拌するための手段を有すると溶融ガラスの品質が均一となるため好ましい。
【００２６】
本製造装置において、本ノズルのルツボへの取付位置は特に制限されないが、底面部や側面部が好ましい取付位置として挙げられる。本ノズルをガラス溶融ルツボの側面部に樋を設け、その樋の先端部の底面に設けると、溶融ガラスの溶融量を充分に確保しながらノズル先端から溶融ガラス液面までの距離を短くできるため品質のバラツキが抑えられ、しかもノズル製作が容易となるため好ましい。
【実施例】
【００２７】
上端の内径約８０（ｍｍ）、下端の内径約６０（ｍｍ）、高さ約９０（ｍｍ）の内容積が約３５０（ｍＬ）の金製の容器をガラス溶融ルツボとして準備し、前記ルツボの底面部に後述する滴下ノズルを設けて、テルライト系硝材（表面張力０．１６５Ｎ／ｍ、密度５１６９ｋｇ／ｍ３、重力加速度９．８０６６５ｍ／ｓ２）を溶融温度９００℃で溶融滴下し、目標滴下質量１０４ｍｇのガラス塊を製造する試験を行った。なお、表面張力についてはリング法で、密度については、アルキメデス２球法により実測した。
【００２８】
前記硝材の物性値を使用し、式４を用いてノズル半径を算出したところ１．４０ｍｍという値が得られた。そこでノズル外径が２．８０ｍｍと３．００ｍｍで肉厚０．５ｍｍ、長さ８ｍｍの２つのＡｕ含有貴金属製滴下ノズルを製作し、実際にガラス塊製造を約４０回実施して得られたガラス塊の平均質量を求めたところ、ノズル外径が２．８０ｍｍ（式５中のｃ＝０．２３）では１０３ｍｇ、ノズル外径が３．００ｍｍ（式５中のｃ＝０．２４）では１０５ｍｇと精度良くガラス塊が製造できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本設計法を用いることにより、最適な滴下ノズルの設計が容易になり、しかも本設計法に基づいた本ノズルを使用することにより、質量を厳密に制御したガラス塊を簡便に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ノズルに懸垂される溶融ガラスの最大液滴形状の概念図。
【図２】溶融ガラス液滴に働く力の釣り合いを示す概念図。
【図３】溶融ガラスの液滴形状を計算する際の座標系の概念図。
【図４】ノズル先端の部分拡大図。
【符号の説明】
【００３１】
１：溶融ガラス液滴
１１：計算で求めた仮想の溶融ガラス液滴
ｄＩ：滴下ノズルの内径
ｄＯ：滴下ノズルの外径
Ｎ：滴下ノズル
ＰＧ：重力による液圧
ＰＬ：滴下ノズル先端での溶融ガラスの液圧（＝ＰＧ＋ＰＳ）
ＰＮ：滴下ノズル上流からの液圧
ＰＳ：溶融ガラスの表面張力（＝ＰＬ）
Ｒ：滴下ノズルの先端部半径
Δｙｎｅｃｋ：溶融ガラス液滴形状の最初のくびれ部分の距離（＝２Ｒ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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