(57)【要約】ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボ２と、この溶融ルツボ２の下方に設けられ溶融ルツボ２中の溶融ガラス４を滴下させるノズル２Ａと、このノズル２Ａの下方に設けられノズル２Ａから滴下されたガラス液滴１０を冷却する冷却液体１５０が充填されたガラス液滴受け部１１とを備え、この冷却液体１５０はガラス液滴１０が冷却液体１５０中でガラス転移温度以下まで冷却される期間、ガラス液滴１０の熱により冷却液体１５０が蒸気化してガラス液滴１０の周囲に気泡層を形成する材料からなる構成を有する製造装置であり、この装置を用いた製造法であり、真球度の良好なガラス球を連続的に効率よく、安価に製造できる。
2003055812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の周囲を前記冷却液体が蒸気化して発生する気泡層により覆い、前記冷却液体中での前記ガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有することを特徴とするガラス球の製造方法。
【請求項２】
溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の周囲を前記冷却液体が蒸気化して発生する気泡層と前記気泡層の周囲に前記冷却液体の構成成分により形成される皮膜とにより覆い、前記冷却液体中での前記ガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有することを特徴とするガラス球の製造方法。
【請求項３】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域の粘度に比べて低くしたことを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項４】
前記冷却液体が前記ガラス液滴と最初に接触する表面部分には、少なくとも難燃性液体を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項５】
前記冷却液体として、糊化デンプン液または合成のり液を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項６】
前記冷却液体を糊化デンプン液としたとき、前記冷却液体の下部領域の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下とし、前記冷却液体の表面部分の濃度は水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇより少なくしたことを特徴とする請求項３に記載のガラス球の製造方法。
【請求項７】
前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項６に記載のガラス球の製造方法。
【請求項８】
前記冷却液体としてオイルを用い、前記ガラス液滴が最初に前記オイルと接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くしたことを特徴とする請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項９】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部を第１の液体とし、前記第１の液体の下部領域に第２の液体を有する二層からなることを特徴とする請求項１また２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１０】
前記冷却液体は、前記第１の液体を水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１１】
前記冷却液体の前記第２の液体を前記糊化デンプン液としたとき、前記糊化でんぷん液の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下としたことを特徴とする請求項１０に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１２】
前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項１１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１３】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を６０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１４】
前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１５】
前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１６】
前記冷却液体は、前記第１の液体を界面活性剤を含む水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１７】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を５０℃以上で、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項１８】
前記界面活性剤の濃度を０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲としたことを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項１９】
前記界面活性剤として非イオン界面活性剤を用いたことを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項２０】
前記ガラス液滴を前記冷却液体の表面に対して垂直に滴下させることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項２１】
前記ガラス液滴の滴下量に応じて前記第１の液体の液位を設定し、前記第１の液体に前記ガラス液滴が接触して発生した前記気泡層が消失する前に前記第２の液体中に前記ガラス液滴を落下させるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項２２】
ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、前記溶融ルツボの下方に設けられ前記溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、前記ノズルの下方に設けられ前記ノズルから滴下されたガラス液滴を冷却する冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、前記冷却液体は前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の熱により前記冷却液体が蒸気化して前記ガラス液滴の周囲に気泡層を形成する材料からなることを特徴とするガラス球製造装置。
【請求項２３】
ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、前記溶融ルツボの下方に設けられ前記溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、前記ノズルの下方に設けられ前記ノズルから滴下されたガラス液滴を冷却する冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、前記冷却液体は前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の熱により前記冷却液体が蒸気化して前記ガラス液滴の周囲に気泡層と、前記気泡層の周囲に前記冷却液体の構成成分により形成される皮膜とを形成する材料からなることを特徴とするガラス球製造装置。
【請求項２４】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域の粘度に比べて低くしたことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２５】
前記冷却液体が前記ガラス液滴と最初に接触する表面部分には、少なくとも難燃性液体を用いたことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２６】
前記冷却液体として、糊化デンプン液または合成のり液を用いることを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２７】
前記冷却液体を糊化デンプン液としたとき、前記冷却液体の下部領域の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下とし、前記冷却液体の表面部分の濃度は水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇより少なくしたことを特徴とする請求項２４に記載のガラス球製造装置。
【請求項２８】
前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項２６に記載のガラス球製造装置。
【請求項２９】
前記冷却液体としてオイルを用い、前記ガラス液滴が最初に前記オイルと接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くしたことを特徴とする請求項２２に記載のガラス球製造装置。
【請求項３０】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部を第１の液体とし、前記第１の液体の下部領域に第２の液体を有する二層からなることを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３１】
前記冷却液体は、前記第１の液体を水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３２】
前記冷却液体の前記第２の液体を前記糊化デンプン液としたとき、前記糊化でんぷん液の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下としたことを特徴とする請求項３１に記載のガラス球製造装置。、
【請求項３３】
前記冷却液体は、前記ガラス球が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を６０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３４】
前記ガラス液滴の滴下量に応じて前記第１の液体の液位を設定し、前記第１の液体に前記ガラス液滴が接触して発生した前記気泡層が消失する前に前記第２の液体中に前記ガラス液滴を落下させるようにしたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３５】
前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２２に記載のガラス球製造装置。
【請求項３６】
前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３７】
前記冷却液体は、前記第１の液体を界面活性剤を含む水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３８】
前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を５０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項３９】
前記界面活性剤の濃度を０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲としたことを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項４０】
前記界面活性剤として非イオン界面活性剤を用いたことを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項４１】
前記ガラス液滴受け部は、前記ガラス液滴が滴下され冷却されてガラス球が形成される領域部の前記ガラス液滴受け部の面積を大きくし、前記領域部から下方部に向かうほど小面積としたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４２】
前記溶融ルツボの上方は密閉され、かつエアー供給部を有し、前記エアー供給部から高圧ガスを前記溶融ルツボ中に制御しながら導入して、前記溶融ガラスを前記ノズルから滴下する滴下手段をさらに設けたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４３】
前記ガラス液滴受け部を水平方向で二次元的に移動可能とした移動機構をさらに備え、前記滴下手段と同期させて前記ガラス液滴受け部を移動させることを特徴とする請求項４２に記載のガラス球製造装置。
【請求項４４】
前記ガラス液滴受け部の下方部に連結して、前記ガラス球を捕集し、取り出すための捕集部を設けたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４５】
前記ガラス液滴受け部の前記冷却液体を保持したまま、前記捕集部を交換可能な構成としたことを特徴とする請求項４４に記載のガラス球製造装置。
【請求項４６】
前記ガラス液滴受け部を鉛直方向に立設し、前記ノズルから滴下される前記ガラス液滴が前記冷却液体表面に対して垂直に落下する構成としたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はガラス球の製造方法及び製造装置に関し、特に光学レンズをプレス成形により製造するときのプリフォーム材としてのガラス球の製造方法に関する。
背景技術
近年、光学機器やディジタルカメラだけでなく、携帯電話等にもカメラが搭載されるようになり、小型・高性能で低コストのレンズが要求されている。このようなレンズの製造方法として、従来のガラス板を研磨する方法にかわりプリフォーム材を熱間モールドプレス成形する方法が広く行われている。これは、レンズと同じ曲面形状を有する金型間にプリフォーム材であるガラス球を配置した後、熱間プレス成形することでレンズを製造する方法である。この場合、最終的に形成されるレンズの形状精度を高めるためには、プリフォーム材であるガラス球ができるだけ真球で、かつ内部に気泡等の欠陥のないことが望ましい。これは以下の理由による。すなわち、ガラス球の真球度が高ければ、金型に配置してプレスするときの初期状態においてガラス球には偏った荷重が加わらないので、プレス成形により形成されるレンズの精度を向上できることによる。
このようなガラス球のプリフォーム材を製造する方法として、ガラスを研削および研磨して真球形状とする方法がある。しかしながら、ガラスを研削および研磨する方法では、ガラスの材料ロスが大きいだけでなく、ガラス球を製造するために多くの時間を必要とし、生産性を向上できない。
このために特開平２−１４８３９号公報においては、ガラスを白金ルツボ内で溶解し、ルツボに接続した白金ノズルから溶融ガラスを空気中に滴下し、滴下された溶融ガラスを空気吹出し口が底面に設けられた受け型上で吹き出す空気流により浮上させた状態で冷却してガラス球を作製することが示されている。また、特開平１０−２９１８２４号公報では、ガラス液滴を清浄性を有する液体中に投入して冷却固化させる方法が開示されている。この方法においては、液体としてアルコール単体またはアルコールと水の混合液を用いており、落下距離を短くしながら真球度の高いガラス球を製造できることが示されている。
しかしながら、空気中で浮上させながら冷却してガラス球を作製する方法の場合、溶融状態のガラス液滴を空気流により確実に浮上させた状態で冷却することは比較的困難である。このため、ガラス液滴が受け型の内面に対して直接接触することが生じる場合がある。このような接触が生じると、ガラス液滴が変形あるいは歪みを生じたまま固化するという課題がある。さらに、同じ受け型中に複数個のガラス液滴を滴下するとガラス液滴同士が接触して割れ、クラックまたは固着が生じるので、ガラス球を取出してから次のガラス液滴を滴下する必要がある。このため、生産性がよくないという課題もある。
また、ガラス液滴をアルコールあるいはアルコールと水との混合液体中に投入して冷却しガラス球を製造する方法では、ガラス球に割れや真空泡等の欠陥が発生しやすく、プリフォーム材としての歩留まりを向上できず、高精度のレンズを安価に作製することが比較的困難である。
発明の開示
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、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を真球度が高く、かつ連続的、高効率で製造するための製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のガラス球の製造方法および製造装置は以下の工程および構成からなる。
本発明のガラス球の製造方法は、溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、このガラス液滴が冷却液体中でガラス転移温度以下まで冷却される期間、ガラス液滴の周囲を冷却液体が蒸気化して発生する気泡層により覆い、冷却液体中でのガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有する方法からなる。
このような製造方法により、冷却液体中においてガラス液滴の全周囲には気泡層が形成され、かつこの気泡層はガラスの転移温度以下になるまで継続的に形成されるので、ガラス液滴は徐冷され、その間に高温度のガラス液滴はその表面張力によって球形化して真球度の高いガラス球を製造することができる。
また、本発明のガラス球の製造装置は、ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、この溶融ルツボの下方に設けられ溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、このノズルの下方に設けられノズルから滴下されたガラス液滴を冷却するための冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、この冷却液体はガラス液滴が冷却液体中でガラス転移温度以下まで冷却される期間、ガラス液滴の熱により冷却液体が蒸気化してガラス液滴の周囲に気泡層を形成する材料からなる構成を有する。
このような製造装置とすることにより、冷却液体中においてガラス液滴の全周囲には気泡層が形成され、かつこの気泡層はガラスの転移温度以下になるまで継続的に形成されるので、ガラス液滴は徐冷され、その間に高温度のガラス液滴はその表面張力によって球形化して真球度の高いガラス球を製造することができる。
さらに、密封された溶融ルツボにエアー供給部が連結され、このエアー供給部から高圧ガスを溶融ルツボ中に制御しながら導入して、溶融ガラスをノズルから滴下する滴下手段と、ガラス液滴受け部を水平方向で二次元的に移動可能とした移動機構をさらに備え、滴下手段と同期させてガラス液滴受け部を移動させる製造装置とすることで、量産性よくガラス球を製造することが可能である。
発明を実施するための最良の形態
（実施例１）
図１は、本発明のガラス球の製造装置の概略構成図である。この製造装置は全体がほぼ縦方向に配置されている。すなわち、溶融るつぼ２としての白金ルツボと、この白金ルツボ２を取り囲むように配置された電気炉１とが、ガラス液滴受け部１１の上部側に配置されている。白金ルツボ２の底面部には、この白金ルツボ２から延長して形成された滴下ノズル２Ａが設けられている。白金ルツボ２中には融液状態の溶融ガラス４があり、この溶融ガラス４は白金製の攪拌羽５で攪拌されて、全体的な均質性を長時間保持されている。さらに、白金ルツボ２の上部には金属蓋７がオーリングシール８を介して白金ルツボ２に締着されている。また、攪拌羽５を外部から自由に回転させられるように、金属蓋７と攪拌羽回転軸５Ａとの隙間はゴム等の弾性材からなる公知のシール部材９で密閉されている。
さらに、金属蓋７にはエアー供給部７Ａが一体的に設けられている。このエアー供給部７Ａを通して白金ルツボ２の空間部に高圧の空気を制御部６により制御しながら導入することが可能である。このエアー供給部７Ａと制御部６とにより滴下手段を構成している。エアー供給部７Ａにより白金るつぼ２中に導入された高圧空気の圧力により、溶融ガラス４は滴下ノズル２Ａのノズル径により決まる量を任意の時間間隔で滴下させることができる。なお、オーリングシール８とシール部材９として有機材料を使用する場合には、その周囲を冷却することが望ましい。また、エアー供給部７Ａは金属蓋７と一体的な構成でなく、別々に作製してシール材を介して締着する構成でもよい。さらに、溶融るつぼ２として白金るつぼを用いたが、溶融ガラスと反応しない材料からなるるつぼであれば特に制約はない。
このような構成の装置において、溶融ガラス４を滴下ノズル２Ａから滴下する場合、滴下ノズル２Ａ先端から滴下されるガラス液滴１０の重量は滴下ノズル２Ａの外径と溶融状態のガラスの表面張力で決まり、その関係は（１）式で求められる。
ｍ・ｇ＝π・Ｄ・γ              （１）
ここで、ｍはガラス液滴１０の重量、ｇは重力加速度、Ｄは滴下ノズル２Ａの外径、γは溶融状態のガラスの表面張力である。
（１）式からわかるように、滴下ノズル２Ａの外径Ｄにより決まる重量のガラス液滴１０を滴下できる。しかし、溶融ガラス４の表面に圧力を加えずに自然に滴下させると滴下のための時間が長くなり、生産性を向上できない。本実施例の製造装置では、エアー供給部７Ａから高圧の空気を白金ルツボ２の空間部に導入し、溶融ガラス４表面に圧力を加えることで任意の時間間隔で滴下可能としており、ガラス球の生産性を大幅に向上させることができる。
滴下ノズル２Ａの下方には、この滴下ノズル２Ａの先端から一定の空間を隔ててガラス液滴受け部１１が配置されている。このガラス液滴受け部１１は、大径管１１Ａと、この大径管１１Ａの下部に形成された絞り部１１Ｂと、その下部に接続されたコック１１Ｃと、このコック１１Ｃに接続された小径管１１Ｄとを備えている。小径管１１Ｄにはホース１２が接続されており、さらにこのホース１２にはコック１３を介して交換ホース１４が接続されている。また、滴下されるガラス液滴１０は冷却液体１５０表面に向けて垂直に落下するように、滴下ノズル２Ａの開口部を配置している。
ガラス液滴受け部１１には、粘度の異なる少なくとも２種類の液体からなる冷却液体１５０が満たされている。すなわち、ガラス液滴受け部１１の上部側には低粘度の第１の液体１５１があり、その下部に第１の液体１５１よりも高粘度の第２の液体１５２が充填されている。なお、第１の液体１５１と第２の液体１５２との境界については比較的明瞭な界面１５３が形成される材料構成が選択される。また、ガラス液滴受け部１１のコック１１Ｃから交換ホース１４までのホース内部には水１７が充填されている。なお、この交換ホース１４の一方の先端部には取り外し可能な締め具１４Ａが取り付けられており、ガラス球１０１の製造時には水漏れを防ぎ、製造したガラス球１０１を取り出すときには締め具１４Ａをはずすことで容易にガラス球１０１を取り出せるようになっている。
さらに、ガラス液滴受け部１１には、冷却液体１５０をあらかじめ設定した温度に制御する液体温度制御部１８が設けられている。この液体温度制御部１８は冷却液体１５０全体を均一な温度に制御することも可能であるだけでなく、例えば第１の液体１５１と第２の液体１５２とをそれぞれ所定の温度に保持することや、冷却液体１５０に連続的な温度勾配を有するようにすることも可能である。
また、溶融ガラス４を連続的に冷却液体１５０に滴下するときに、ガラス液滴１０同士がこの冷却液体１５０中でそれぞれ接触しないようにすることが要求される。このために、滴下手段の制御部６から移動機構１９を制御して、滴下するタクトに合わせてガラス液滴受け部１１を水平方向に二次元的に移動させ、滴下位置をかえていく移動機構１９も設けられている。
滴下ノズル２Ａから滴下されたガラス液滴１０は、第１の液体１５１と第２の液体１５２とからなる冷却液体１５０中で冷却されてガラス球１０１となる。このガラス球１０１は、開放状態のコック１１Ｃ、ホース１２および開放状態のコック１３を通り交換ホース１４まで落下し、この交換ホース１４中で捕集される。本実施例の装置においては、この交換ホース１４が捕集部である。ガラス球１０１が一定の捕集量となったときに、コック１３を閉じて交換ホース１４を取り外し、交換ホース１４中にあるガラス球１０１を取り出す。この交換ホース１４は必要な捕集量に応じてその長さを決めれば良い。ホース１２および交換ホース１４中に水１７を充填しているのは、これらのホース中でのガラス球１０１の流動性を高めて流れやすくするためである。ガラス球１０１を捕集し取り出した後、新しく水１７を充填した交換ホース１４をコック１３に取り付けて、コック１３を開放すれば再びガラス球１０１を捕集することが可能となる。
このような装置により、ガラス球１０１を製造するときの冷却液体１５０の作用について、図２から図４を用いて説明する。図２から図４は、ガラス液滴１０がガラス液滴受け部１１の冷却液体１５０中に滴下されて、ガラス球１０１を形成する過程を模式的に示す図である。なお、以下の説明においては、冷却液体１５０として、第１の液体を水とし、第２の液体１５２は馬鈴薯でんぷん３０ｇを水１０００ｃｃに溶解させながら８０℃に加熱、攪拌して糊化させた糊化でんぷん液（以下、第１の糊化でんぷん液とよぶ）を用いて、これらからなる冷却液体１５０を６０℃に温度制御した場合を例とする。また、溶融ガラス４としてはホウケイ酸ガラスを用い、１１５０℃に加熱して溶融させた状態から滴下させる場合について説明する．
滴下ノズル２Ａからノズル径で決まる一定の重量を有して滴下されたガラス液滴１０は、最初に第１の液体１５１である水と接触する。このとき、ガラス液滴１０は高温度であるため、ガラス液滴１０の周囲の第１の液体１５１である水が蒸気化して、図２に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。気泡層２０からは微小気泡２１が生じるが、この微小気泡２１は第１の液体１５１表面上まで浮上して消滅する。この状態では、ガラス液滴１０はまだ高温度であるので、第１の液体１５１の蒸気化と微小気泡２１の発生とが生じて、その周囲に気泡層２０を形成したまま第１の液体１５１中を落下していく。
ガラス液滴１０がさらに落下して界面１５３を通過すると、ガラス液滴１０は気泡層２０を周囲に形成した状態で第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液中に突入する。第２の液体１５２中に入っても、ガラス液滴１０はまだ高温状態を維持しているため、第２の液体１５２の蒸気化が連続的に生じて周囲の気泡層２０は維持される。このとき、気泡層２０の周囲は高粘度の第２の液体１５２で取り囲まれているため、気泡層２０から微小気泡２１が生じても高粘度の第２の液体１５２中を突き抜けるために時間を要する。このため図３に示すように、気泡層２０はその上部が膨らんだ形となる。すなわち、第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液が気泡層２０の全周囲を閉じ込める皮膜となり、気泡層２０の消失を防ぐ作用をする。このような状態でもガラス液滴１０は高温度であるので、その周囲では連続的に蒸気が発生して気泡層２０はさらに成長する。その結果、ガラス液滴１０には浮力が働くようになり、ガラス液滴１０の落下は停止する。
ガラス液滴１０が徐々に冷却されてガラスの転移温度以下になると、ガラス液滴１０は固化してガラス球１０１になる。ガラス球１０１がこのような温度になると、その周囲の気泡層２０は少しずつ周囲の第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液に吸収されて、気泡層２０は小さくなっていく。その結果、浮力よりもガラス球１０１の重量の方が大きくなるので、図４に示すようにガラス球１０１はゆっくり落下し始める。このときには、ガラス球１０１の温度はガラス転移温度以下になっている。したがって、気泡層２０がガラス球１０１の周囲から消失し、ガラス球１０１が直接第１の糊化でんぷん液と接触しても、でんぷんの成分であるアミロースまたはアミロペクチン等の有機物が焼け焦げることはない。
ガラス液滴１０の重量を６０ｍｇ程度とした場合、ガラス液滴１０がその周囲を気泡層２０に囲まれながら浮遊して冷却される時間は、およそ１２秒から１４秒程度になる。すなわち、冷却液体１５０中での製造方法でありながら、空気中を１２秒から１４秒間自然落下しながら徐冷して製造する場合と同じ効果が得られる。この結果、真球度が良好で、かつクラックや真空泡等の欠陥の少ないガラス球１０１を得ることができる。
また、上述したように、本発明の製造方法においてはガラス液滴１０が気泡層２０に囲まれて浮遊している時間はおよそ１２秒から１４秒である。したがって、滴下ノズル２Ａからガラス液滴１０を冷却液体１５０の同一個所に１２秒以下のタクトで滴下すると、ガラス液滴１０同士が接触してお互いが固着したり、割れる現象が生じることがある。固着が生じると球状でなくなりプリフォーム材としては使用できない。このような現象を生じさせず、かつ滴下タクトを短くするために、ガラス液滴１０の滴下毎に冷却液体１５０の位置を水平方向に二次元的に移動させる移動機構１９が設けられている。この移動機構１９は、滴下手段の制御部６により滴下タクトに応じて移動させることができる。この移動の仕方としては、例えば滴下毎に、一定距離の直線的な移動、一定距離の回転移動またはこれらを組み合わせた移動等、ガラス液滴１０が固化するまでの間に次のガラス液滴１０が同一個所に滴下されないようにすれば、移動方法としては自由に選択してよい。
なお、本実施例においては、ガラス液滴１０がガラス球１０１になるまでの冷却液体１５０中での挙動として、第２の液体１５２が第１の糊化でんぷん液である場合について説明したが、本製造装置においては特にこの材料には限定されない。でんぷんとしては、第１の糊化でんぷん液である馬鈴薯でんぷんだけでなく、トウモロコシでんぷん、サツマイモでんぷん、もち米でんぷん等があり、同様に使用可能である。ただし、馬鈴薯でんぷんは、糊化したときに同一量でも粘度を大きくできる点で望ましい。
また、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くした液体を用いることもできる。さらに、ガラス液滴を冷却液体に対して垂直に落下させることが望ましい。このような構成とすることにより、ガラス液滴が冷却液体に落下するときに衝撃を受けて変形することを防止でき、より真球度の高いガラス球を得ることができる。さらに、ガラス液滴が冷却液体と最初に接触する表面部分に難燃性液体を用いることにより、１０００℃程度の高温状態のガラス液滴が冷却液体中に落下しても発火等の発生を防止することができる。
また、冷却液体として合成のりを用いることもでき、糊化でんぷん液の場合と同様な作用を得ることができる。さらに、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度が小さなオイルと、その下部領域部は表面部分よりは粘度の大きなオイルからなる構成としても同様な効果を得ることができる。
また、冷却液体として、界面活性剤を含む液体を用いてもよい。この場合、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分は界面活性剤を含む水、その下部に糊化でんぷん液あるいは合成のり液からなる二層構成としてもよい。この場合、界面活性剤の作用によりガラス液滴を覆う気泡層の周囲に形成された糊化でんぷん液あるいは合成のり液の皮膜が安定化される。このため、ガラス液滴の表面全体を覆う気泡層がより継続的に長く保持される。この結果、さらに大きな気泡層が形成されるので、より強い浮力が働き、かつ全体が回転力を伴って浮上する。これにより、ガラス液滴はより徐冷され、かつ表面張力と回転による遠心力が効率的に作用して一層確実に真空泡やクラック発生を防ぐと同時に真球度の高いガラス球の製造が可能となる。
また、ガラス液滴受け部の形状として、ガラス液滴が滴下されてガラス球となる領域部の面積を大きくし、下方に向かうほど小面積としているので、ガラス球を捕集部に容易に導入することができる。また、この捕集部を交換可能としているので、冷却液体が流れ出さないようにして捕集部である交換ホースのみを取り外し、取り付け可能であり、ガラス球の取出し作業を効率的にできる。
（実施例２）
上述の製造装置を用いて、本発明の種々の冷却液体を用いてガラス球を製造する方法について、以下具体的に説明する。本実施例においては、ガラス液滴受け部１１の大径管１１Ａに充填する冷却液体１５０を二層構成とし、その組成を種々変化させてガラス球を作製した。冷却液体１５０の下部側である第２の液体１５２の液位は１５０ｍｍとし、第１の液体１５１はこの第２の液体１５２上に液位５０ｍｍとなるように入れた。さらに、冷却液体１５０の温度は、液体温度制御部１８により６０℃に制御した。また、滴下ノズル２Ａから第１の液体１５１の表面までの距離は２０ｍｍとし、１１５０℃に溶融させたホウケイ酸ガラスからなるガラス液滴１０を６０ｍｇの重量で滴下してガラス球の作製を行った。
第１実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプンを糊化した液体を用いた。馬鈴薯デンプン３０ｇを水に溶かし全体として１０００ｃｃとした後、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させて用いた。すなわち、実施例１の第１の糊化デンプン液と同じである。また、第１の液体１５１は、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液よりも粘度が低く、難燃性である水を用いた。このようにして作製した冷却液体１５０は上部側の第１の液体１５１は水であり、下部側の第２の液体は第１の糊化デンプン液であるため、数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。すなわち、この冷却液体１５０は実施例１で例示した組成および条件と同じである。したがって、ガラス液滴１０が冷却液体１５０に滴下されたとき、ガラス液滴１０が冷却液体１５０中でガラス球１０１になるまでの挙動は実施例１で説明した挙動と同じであるので説明は省略する。
第２実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン２０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体（以下、第２の糊化デンプン液とよぶ）を用いた。また、第１の液体１５１は、第１実験例と同様に水を用いた。このようにして作製した冷却液体１５０についても、第１実験例と同様に数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。
この第２実験例の場合に、ガラス液滴１０を滴下してガラス球１０１を形成するときの挙動について、図５から図１０を用いて説明する。ガラス液滴１０が、第１の液体１５１である水中に滴下されると図５に示すように、ガラス液滴１０の周りには気泡層２０が形成される。気泡層２０からは微小気泡２１が発生して、第１の液体１５１である水中を上昇して表面に達して消滅する。これは、第１実験例の場合とまったく同様である。このような現象を生じながら、ガラス液滴１０は第２の液体１５２である第２の糊化デンプン液中に落下していく。第２の糊化デンプン液中に落下すると、第２の糊化デンプン液は第１の液体１５１の水に比べて高粘度であるため、図６に示すように気泡層２０から発生する微小気泡２１は閉じ込められて、気泡層２０の上部が大きく膨らむ。この結果、ガラス液滴１０の落下は停止する。
この第２実験例の第２の糊化でんぷん液は、第１実験例の第１の糊化でんぷん液に比べて濃度が低いので粘度も低い。このため、ガラス液滴１０は気泡層２０およびその外周部領域に形成された第２の糊化デンプン液の構成成分からなる皮膜２３とともに第１の液体１５１である水中まで浮力により浮上する。この状態を図７に示す。この浮上が生じてから数秒後、図８に示すように皮膜２３は崩れ、同時に気泡層２０の厚みも減少する。この結果、浮力が減少して第２の糊化デンプン液に向かって再び落下する。
図９に示すように、再度第２の液体１５２である第２の糊化デンプン液中に落下したガラス液滴１０の周囲には、再び上部側に大きく膨らんだ気泡層２０が形成されてガラス液滴１０の落下は停止する。その後、ガラス液滴１０がガラス転移温度以下に冷却されるとガラス液滴１０の周囲の気泡層２０は減少する。気泡層２０の減少とともに、図１０に示すようにガラス球１０１となり落下を始める。以上のように、この第２実験例では、ガラス液滴１０が第２の液体１５２に落下してから再び第１の液体１５１中まで浮上することが第１実験例と大きく異なる点である。
第３実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン３０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体、すなわち第１実験例の第１の糊化でんぷん液を用いた。また、第１の液体１５１としては、馬鈴薯デンプン１０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を８０℃まで加熱し糊化させた液体（以下、第３の糊化デンプン液とよぶ）を用いた。この第３の糊化デンプン液の粘度は、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液よりも小さいが、水よりは大きい。このようにして作製した冷却液体１５０についてもそれぞれが糊化しているので、上記の実験例とほぼ同様に数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。
この第３実験例の場合にガラス液滴１０を滴下してガラス球を形成するときの挙動について、図１１から図１３を用いて説明する。ガラス液滴１０が第１の液体１５１である第３の糊化でんぷん液に滴下されると、図１１に示すようにガラス液滴１０の周囲には上方が若干膨らんだ気泡層２０が形成される。しかし、第１実験例や第２実験例の場合と異なり気泡層２０から微小気泡は生じない。気泡層２０が形成されたままゆっくりと落下していき界面１５３を通過して、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中に突入した。この第１の糊化でんぷん液中では、図１２に示すように気泡層２０が上方に大きく膨らみ、その浮上力の作用によりガラス液滴１０の落下は停止した。その後、図１３に示すようにガラス液滴はガラスの転移温度以下に冷却されてガラス球１０１となり、同時に気泡層２０も減少する。この結果、ガラス球１０１はゆっくり落下を開始する。図１２以降の挙動は、第１実験例と同じであった。
第４実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、市販のポリビニールアルコールからなる合成のりを用いた。また、第１の液体として、この合成のりより粘度が低く、難燃性の液体である水を用いた。この構成においても数時間から数十時間程度は混合することなく、二層状態を安定して保持することができる。この実験例の場合に、ガラス液滴１０が冷却液体１５０中に滴下されてガラス球１０１が形成されるときの挙動は第１実験例とほぼ同じであったので、説明は省略する。
次に、第１比較実験例の冷却液体１５０を作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン１０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとした後、攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体、すなわち第３実験例で第１の液体１５１として用いた第３の糊化デンプン液を用いた。また、第１の液体１５１としては水を用いた。この構成においても数時間から数十時間程度は混合することなく、二層状態を安定して保持することができる。
この第１比較実験例の場合にガラス液滴１０を滴下してガラス球１０１を形成するときの挙動について、図１４から図１６を用いて説明する。第１の液体１５１である水中にガラス液滴１０が滴下されると、図１４に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。同時に、気泡層２０からは微小気泡２１が生じて第１の液体１５１である水表面上まで到達して消失する。ガラス液滴１０は、この気泡層２０が形成された状態で界面１５３を通過して、第２の液体１５２である第３糊化デンプン液中に落下する。ここまでの挙動は、第１実験例および第２実験例の場合と同じである。第３糊化でんぷん液中では、ガラス液滴１０の周囲の気泡層２０は上方に若干膨らむ程度で、第１実験例や第２実験例などのように大きく膨らむことはない。これは、糊化でんぷんの濃度が小さいためである。したがって、ガラス液滴１０が停止するほどの浮力を得られず、ガラス液滴１０の落下スピードがやや遅くなるのみで、ガラス液滴１０の落下は進行する。ガラス液滴１０は落下しながら冷却され、ガラスの転移温度以下になるとガラス球１０１となるとともに、気泡層２０はほとんど生じなくなる。これを、図１６に示す。
上記の第１実験例から第４実験例および第１比較実験例について、それぞれ同一条件で２８０個のガラス球１０１を製造し、真球度と表面状態の観察を行った。真球度はガラス球１０１の最短径と最長径を測定し、最短径と最長径との比をパーセント表示で求めた。すなわち、１００％に近づくほど真球度が良好となることを意味する。また、表面状態については、ガラス球１０１の割れ、表面に観察されるクラックおよび内部に形成される真空泡の有無について、目視観察と顕微鏡観察を行った。なお、真空泡はガラス球１０１が急冷されるときに生じやすいことが今までの実験から認められており、このような欠陥が発生すると精度の高いレンズの作製が困難となる．
評価結果を表１に示す。
2003055812.tif 000003
表１から分かるように、第１比較実験例においては、真球度が９６〜９８％であり、かつ、割れ、クラックおよび真空泡（以下、これらを含めて欠陥とよぶ）の発生率が１００％であった。この結果は、第１実験例、第２実験例および第４実験例と比較すると、真球度は悪化し、かつ欠陥発生率が非常に大きいことが見出された。したがって、第１比較実験例では、ガラス球１０１の歩留まりが大きく低下し、量産性にかけることがわかった。一方、第１実験例から第４実験例では、第２の液体１５２である馬鈴薯でんぷんの濃度が少なくなるにつれて、真球度がやや悪化する傾向が見られた。しかし、欠陥発生率はともに許容限界値である５％より小さく良好な結果が得られた。なお、レンズを作製するためのプリフォーム材としてのガラス球１０１の場合には、真球度は９５％以上であればよいので第１比較実験例も含めて、真球度についてはすべてクリアする値であった。
第１実験例、第２実験例、第３実験例および第１比較実験例の結果を比較すると、ガラス球１０１の欠陥発生は糊化デンプン濃度に関係していることが見出された。すなわち、第１実験例、第２実験例および第３実験例から分かるように、第２の液体１５２である糊化でんぷん液の馬鈴薯でんぷんが水１０００ｃｃに対して２０ｇ以上の場合には、欠陥発生率は許容限界値である５％より小さな値が得られた。しかし、第１比較実験例から分かるように、馬鈴薯でんぷんが水１０００ｃｃに対して１０ｇ／１０００ｃｃの場合には、欠陥発生率は１００％であった。これは、第２の液体１５２である糊化でんぷんの濃度が薄いため、ガラス液滴１０がこの第２の液体１５２中に突入してその周囲に気泡層２０を生じても、この気泡層２０から生じる微小気泡２１を閉じ込めるような皮膜が充分形成されないためである。ガラス液滴１０の周囲の気泡層２０から発生した微小気泡２１は、この薄い皮膜を通過して逃げやすいため、ガラス液滴１０は気泡層２０で充分覆われなくなる。その結果、ガラス液滴１０は表面部のみが急冷されることになり、欠陥が発生しやすくなったものと考えられる。このことから第１の液体として水を用いる場合は、ガラス液滴１０が水中に留まっている時間をできるだけ短くして第２の液体１５２中に突入させ、第２の液体中で気泡層２０の周囲に皮膜を充分形成させることが望ましい。
一方、馬鈴薯でんぷん量が４０ｇを超えると、第２の液体１５２である糊化でんぷん液の濃度が高くなり、ガラス球１０１の落下が非常に遅くなる。このため、量産性が大きく低下する。したがって、真球度が良好で、量産性を阻害しない濃度範囲としては、２０ｇ以上で４０ｇ以下とすることが望ましい。
また、真球度はガラス液滴１０が冷却液体１５０に突入するときの衝撃の影響も受ける。このことは、第１の液体１５１の粘度をかえた実験から見出された。これは、粘度が高いと突入時の衝撃力が大きく、これによりガラス液滴１０が変形してしまうことによる。第３実験例の真球度が第１実験例および第２実験例より低下しているのは、第３実験例の第１の液体１５１として用いた第３の糊化でんぷん液の粘度が他の場合に用いた水より高いためである。したがって、第１の液体１５１としては、できるだけ粘度が低い液体とすることが望ましい。また、ガラス液滴を滴下するときに、冷却液体に対して垂直に滴下するほうが衝撃力を小さくできるので望ましい。ただし、楕円状のガラス球１０１を作製する場合には、ガラス液滴１０の重量と冷却液体表面までの距離に応じて第１の液体１５１の粘度を設定すれば、この第１の液体１５１に突入するときの変形を有効に作用させて目標とする扁平率のガラス球１０１を得ることもできる。
また、第４実験例は、第２の液体１５２としてポリビニールアルコールからなる合成のりを用いたが、第１実験例と同等な真球度であり、欠陥発生率も許容限界値の５％より小さい値であった。したがって、冷却液体１５０として、第１の液体１５１を水とし、第２の液体１５２を合成のりとしてもよい。また、第２の液体１５２の合成のりより粘度の低い合成のりを第１の液体１５１として用いる場合には、第３実験例とほぼ同じ結果が得られる。
なお、本実施例ではでんぷんとしては馬鈴薯デンプンを用いたが、デンプンには馬鈴薯デンプンだけでなく、とうもろこしデンプン、さつまいもデンプン、もち米デンプン等があり、それぞれ適した割合で水と混合して糊化させれば同じように使用できる。ただし、糊化したときに少ない量で粘度を大きくできる馬鈴薯デンプンが最も好ましい。
（実施例３）
本実施例においては、冷却液体１５０の温度による影響を調べた。製造条件としては、実施例２において説明した第１実験例と同じ冷却液体１５０を用い、同じ製造条件とした。ただし、冷却液体１５０の温度については、５５℃、６０℃、７０℃と変化させた。このそれぞれの温度条件でサンプル数２８０個のガラス球を作製して、その真球度と表面観察を行った。なお、真球度および表面観察の方法は実施例２で説明した方法と同じである。
冷却液体１５０の温度を５５℃とした条件においては、ガラス液滴１０は第１の液体１５１である水中に突入すると同時に突沸音を発しながら、そのまま第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液に落下した。しかし、第１の糊化デンプン液中に突入した後は、実施例２の第１実験例と同様な挙動を示した。一方、冷却液体１５０の温度を７０℃とした条件においては、ガラス液滴１０の冷却液体中での挙動は実施例２の第１実験例とまったく同一であった。なお、冷却液体１５０の温度を６０℃とした条件は、実施例２の第１実験例と同じである。これらの条件で作製したガラス球の評価結果を表２に示す。
2003055812.tif 000004
表２から分かるように、冷却液体１５０の温度が５５℃の場合には真球度は９７％から９９％であるが、欠陥発生率は１００％であった。これに対して、液温が６０℃では真球度が９８％から９９．５％であり、７０℃では９８．５％から９９．５％となり、液温が高いほうが真球度が良好になる傾向が見られた。また、ガラス球１０１の欠陥発生率は許容限界値である５％より小さく、良好な結果が得られた。
液温を５５℃とした場合には、ガラス液滴１０の表面のみが急激に冷やされるため真空泡が発生しやすくなり、このために欠陥発生率が大きく増加したことがわかった。これらの結果から、良好な真球度を有し、かつ欠陥発生率の小さいガラス球１０１を作製するためには、冷却液体１５０の温度を６０℃以上とすることが要求される。なお、温度の上限については、冷却液体１５０を安定に保持できる温度であればよく、たとえば第１の液体として水を用いる場合には沸点である１００℃以下とすればよい。また、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部も含めてオイルまたはでんぷん液等にした場合には、それぞれの沸点以下とすればよい。
（実施例４）
本実施例では、二層構成からなる冷却液体の第１の液体中に界面活性剤を添加した場合について説明する。本実施例においては、第１の液体中への界面活性剤の添加濃度の影響について調べた。このため、以下の材料、条件については同じとした。すなわち、第２の液体１５２としては、実施例２の第１実験例と同じ第１の糊化でんぷん液を用いた。また、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液を液位１５０ｍｍになるようにガラス液滴受け部１１の大径管１１Ａに充填し、その液上に第１の液体１５１を液位５０ｍｍになるように注いだ。なお、これらからなる冷却液体１５０の温度は５０℃、滴下ノズル２Ａと第１の液体１５１との距離は２０ｍｍとした。また、溶融ガラス４としては１１５０℃に加熱して溶融させたホウケイ酸ガラスを用い、６０ｍｇを滴下した。
第５実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、０．０１ｗｔ％の非イオン界面活性剤を添加した水（以下、第１の添加水とよぶ）を用いた。この構成の冷却液体１５０を用いた場合に、ガラス液滴１０が冷却液体１５０に滴下されてガラス球１０１になるまでの挙動を図１７から図２１を用いて説明する。ガラス液滴１０が第１の液体１５１である第１の添加水に突入すると、図１７に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。さらに、この気泡層２０からは微小気泡２１が生じ、第１の添加水表面まで到達して消滅する。ガラス液滴１０は、気泡層２０を周囲に形成したまま界面１５３を通過し、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中に落下した。この第１の糊化でんぷん液中では、図１８に示すように気泡層２０が上部側で大きく膨らみ浮力が発生し、ガラス液滴１０の落下は停止した。
その後、図１９に示すように、ガラス液滴１０はその周囲に形成された気泡層２０と、さらにその外周部に形成された第１の糊化デンプン液の構成成分からなる皮膜２３とともに第１の添加水中まで浮上した。ここまでの挙動は、実施例２の第２実験例の場合とほぼ同じであった。第１の添加水には非イオン界面活性剤が含まれており、この界面活性剤の作用により皮膜２３が崩れることなく、ガラス液滴１０は十数秒間第１の添加水中で小さな上下動を繰り返しながら浮遊した。ガラス液滴１０の温度が低下していくとともに気泡層２０の厚みは減少し浮力が低下して、図２０に示すように第１の糊化デンプン液中に再突入した。その後、ガラス転移温度以下になると固化してガラス球１０１になるとともに、気泡層２０の厚みはより減少して落下し始めた。これを図２１に示す。図２０から図２１にかけての挙動は、第２実験例とほぼ同じであった。
第６実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、０．００１ｗｔ％の非イオン界面活性剤を含んだ水（以下、第２の添加水とよぶ）を用いた。この構成からなる冷却液体１５０中でガラス液滴１０が冷却されてガラス球１０１になる挙動は、第５実験例とほぼ同じであったので説明は省略する。
第２比較実験例の冷却液体１５０の第１の液体としては、０．０２ｗｔ％の非イオン界面活性剤を含んだ水（以下、第３の添加水とよぶ）を用いた。この冷却液体１５０を用いて、ガラス液滴１０がガラス球１０１まで冷却されるときの挙動は、実施例２の第１比較実験例とほぼ同じであるので説明を省略する。
第３比較実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、非イオン界面活性剤を含まない水を用いた。すなわち、実施例２の第１実験例の場合と組成は同じであるが、液の温度が５０℃である点が異なる。
以上、第５実験例、第６実験例、第２比較実験例および第３比較実験例について、２８０個のガラス球を作製して真球度と表面状態の観察を行った。真球度の測定方法および表面状態の観察方法は実施例２と同じである。この結果を表３に示す。
2003055812.tif 000005
表３からわかるように、ガラス球１０１の表面観察結果では、欠陥発生率は第１の液体１５１中に添加された非イオン界面活性剤の濃度に関係している。非イオン界面活性剤の濃度が０．０１ｗｔ％である第１の添加水を用いた第５実験例を中心として、濃度が少ない場合も、また多い場合も欠陥発生率は増加する傾向が見られた。第１の液体１５１として界面活性剤が添加されていない水を用いた第３比較実験例の場合には、冷却液体１５０の温度を５５℃とした結果（表２参照）とほぼ同じように真空泡が多発し、欠陥発生率は１００％となった。この結果から添加濃度は、０．００１ｗｔ％以上とすることが必要である。
また、添加濃度が０．０２ｗｔ％においては、欠陥発生率は１０％程度となり、許容限界値である５％を超える結果となった。これは、以下の理由による。界面活性剤濃度を０．０２ｗｔ％以上にすると糊化デンプンと界面活性剤との反応性が高くなり、このため糊化デンプン分子間の結合が容易に切断されてしまう。その結果、第１の液体中にガラス液滴１０が気泡層２０と皮膜２３とを保持した状態で浮上してきても、皮膜２３は界面活性剤と反応してでんぷん強度が低下し、皮膜２３が崩れやすくなる。この結果、気泡層２０からは微小気泡が皮膜２３を通過して抜け出やすくなり、気泡層２０は小さくなる。このような現象が生じるため、ガラス液滴１０の表面層が急冷されて主として真空泡からなる欠陥が発生すると推定される。
一方、界面活性剤濃度が０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲では、界面活性剤が適度な濃度であるため、皮膜２３の安定化に有効に作用する。すなわち、周囲を気泡層２０と皮膜２３とで覆われたガラス液滴１０が再び第１の液体１５１中に浮上しても、界面活性剤の作用により皮膜２３は崩れにくく、気泡層２０は安定的に保持される。その結果、ガラス液滴１０には浮力が作用し、小さな上下動を繰り返しながら十数秒間第１の液体１５１中に浮遊することができる。この浮遊状態時にガラス液滴１０は回転するので、回転による遠心力とガラス液滴１０の表面張力とによって球形化が促進され、真球度が改善されると考えられる。これらの結果から、界面活性剤の添加濃度としては、０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％が望ましい範囲であることが見出された。
（実施例５）
実施例４の第５実験例と同じ冷却液体１５０の組成において、その温度を変えたときの影響を調べた。冷却液体１５０の温度として、４５℃、５０℃および６０℃の３条件として２８０個のガラス球を作製し、実施例４と同様な評価を行った。
冷却液体１５０の温度を４５℃としたとき、ガラス液滴１０は第１の液体１５１である第１の添加水中に落下すると同時に突沸音を発するものや、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中から再び第１の添加水中に浮上して皮膜２３が崩れたときに突沸音を発するものもみられた。このように、ガラス液滴１０の挙動はばらばらであり安定していなかった。この条件で作製したガラス球１０１の真球度は９７．１％から９８．２％であり、表面状態観察から欠陥発生率は５８％であることが認められた。
これは、冷却液体１５０の温度が４５℃では低温すぎるために、ガラス液滴１０が第１の添加水と接触しても気泡層の発生量が不十分となり、直接第１の添加水とガラス液滴１０が接触しやすくなる。その結果、ガラス液滴１０の表面領域部のみが急激に冷やされて突沸音を発し、ガラス液滴１０の内部に真空泡が発生するためである。
冷却液体１５０の温度を６０℃としたときには、ガラス液滴１０の冷却液体１５０中での挙動は、実施例４の第５実験例とほぼ同じであった。この条件で作製したガラス球１０１の真球度は９８．５％から９９．６％であった。また、欠陥発生率は１％未満であった。これらの結果から、界面活性剤を水中に添加した液体を第１の液体１５１として用いる場合には、少なくとも冷却液体１５０の第１の液体１５１を５０℃以上とすることが必要であることが見出された。なお、温度の上限については、冷却液体１５０を安定に保持できる温度であればよく、たとえば第１の液体１５１として界面活性剤を添加した水を用いる場合には、水の沸点である１００℃以下とすればよい。
なお、実施例４および実施例５では、第２の液体１５２として糊化デンプン液、第１の液体１５１として界面活性剤を含んだ水を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポリビニールアルコールを主成分とする合成のりを第２の液体１５２とし、界面活性剤を含んだ水を第１の液体１５１とした冷却液体１５０を用いてもよい。この冷却液体１５０の場合でも、真球度が高く、欠陥発生率の少ないガラス球を得ることができる。また、第１の液体として用いる水中に添加する界面活性剤としては、非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤または両性界面活性剤等が用いてもよい。ただし、非イオン界面活性剤は安定性が高く、ガラス球を量産する上では最も好ましい材料である。
なお、本発明は実施例２から実施例５までに説明した内容に限定されることはない。例えば、冷却液体としてオイルを用い、ガラス液滴が最初に接触する領域部の粘度を小さくし、その下方部のオイルの粘度を大きくするようにしてもよい。
また、ガラス液滴の滴下量に応じて第１の液体の液位を設定し、第１の液体にガラス液滴が接触して発生した気泡層が消失する前に第２の液体中にガラス液滴を落下させるようにすれば、ガラス液滴の周囲に発生した気泡層を第２の液体中の構成成分の皮膜で覆うことができるため、安定に気泡層を維持できる。例えば、ガラス液滴の量を６０ｍｇとするとガラス球の直径は約３ｍｍであるので、第１の液体として水を用いる場合には、その液位をガラス球の直径の３倍から２０倍以下とすればよい。
産業上の利用可能性
以上説明したように、従来のガラス球の製造方法および製造装置に比べて、真球度が良好で、かつクラックや真空泡等の欠陥発生率の非常に少ないガラス球を簡単な装置構成と方法で製造できる。このガラス球を用いることにより、研磨することなく熱間モールドプレス成形が可能であり、形状精度の優れたレンズを安価に作製できる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明のガラス球の製造装置の概略構成図
図２から図４は本発明の実施例１におけるガラス球形成過程を示す模式図
図５から図１０は本発明の実施例２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
図１１から図１３は本発明の実施例２において、第３実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
図１４から図１６は本発明の実施例２において、第１比較実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
図１７から図２１は本発明の実施例４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
図面の参照符号の一覧表
１  電気炉
２  白金ルツボ
２Ａ  滴下ノズル
４  溶融ガラス
５  攪拌羽
５Ａ  攪拌羽回転軸
６  制御部
７  金属蓋
７Ａ  エアー供給部
８  オーリングシール
９  シール部材
１０  ガラス液滴
１１  ガラス液滴受部
１１Ａ  大径管
１１Ｂ  絞り部
１１Ｃ、１３  コック
１１Ｄ  小径管
１２  ホース
１４  交換ホース
１４Ａ  締め具
１７  水
１８  液体温度制御部
１９  移動機構
２０  気泡層
２１  微小気泡
２３  皮膜
１０１  ガラス球
１５０  冷却液体
１５１  第１の液体
１５２  第２の液体
１５３  界面
【図１】
2003055812.tif 000006
【図２】
2003055812.tif 000007
【図３】
2003055812.tif 000008
【図４】
2003055812.tif 000009
【図５】
2003055812.tif 000010
【図６】
2003055812.tif 000011
【図７】
2003055812.tif 000012
【図８】
2003055812.tif 000013
【図９】
2003055812.tif 000014
【図１０】
2003055812.tif 000015
【図１１】
2003055812.tif 000016
【図１２】
2003055812.tif 000017
【図１３】
2003055812.tif 000018
【図１４】
2003055812.tif 000019
【図１５】
2003055812.tif 000020
【図１６】
2003055812.tif 000021
【図１７】
2003055812.tif 000022
【図１８】
2003055812.tif 000023
【図１９】
2003055812.tif 000024
【図２０】
2003055812.tif 000025
【図２１】
2003055812.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月27日(2003.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】

【特許請求の範囲】
【請求項１】溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の周囲を前記冷却液体が蒸気化して発生する気泡層により覆い、前記冷却液体中での前記ガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有することを特徴とするガラス球の製造方法。
【請求項２】溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の周囲を前記冷却液体が蒸気化して発生する気泡層と前記気泡層の周囲に前記冷却液体の構成成分により形成される皮膜とにより覆い、前記冷却液体中での前記ガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有することを特徴とするガラス球の製造方法。
【請求項３】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域の粘度に比べて低くしたことを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項４】前記冷却液体が前記ガラス液滴と最初に接触する表面部分には、少なくとも難燃性液体を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項５】前記冷却液体として、糊化デンプン液または合成のり液を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項６】前記冷却液体を糊化デンプン液としたとき、前記冷却液体の下部領域の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下とし、前記冷却液体の表面部分の濃度は水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇより少なくしたことを特徴とする請求項３に記載のガラス球の製造方法。
【請求項７】前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項６に記載のガラス球の製造方法。
【請求項８】前記冷却液体としてオイルを用い、前記ガラス液滴が最初に前記オイルと接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くしたことを特徴とする請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項９】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部を第１の液体とし、前記第１の液体の下部領域に第２の液体を有する二層からなることを特徴とする請求項１また２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１０】前記冷却液体は、前記第１の液体を水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１１】前記冷却液体の前記第２の液体を前記糊化デンプン液としたとき、前記糊化でんぷん液の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下としたことを特徴とする請求項１０に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１２】前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項１１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１３】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を６０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１４】前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１５】前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１６】前記冷却液体は、前記第１の液体を界面活性剤を含む水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１７】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を５０℃以上で、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項１８】前記界面活性剤の濃度を０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲としたことを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項１９】前記界面活性剤として非イオン界面活性剤を用いたことを特徴とする請求項１４から１６までのいずれかに記載のガラス球の製造方法。
【請求項２０】前記ガラス液滴を前記冷却液体の表面に対して垂直に滴下させることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス球の製造方法。
【請求項２１】前記ガラス液滴の滴下量に応じて前記第１の液体の液位を設定し、前記第１の液体に前記ガラス液滴が接触して発生した前記気泡層が消失する前に前記第２の液体中に前記ガラス液滴を落下させるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項２２】ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、前記溶融ルツボの下方に設けられ前記溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、前記ノズルの下方に設けられ前記ノズルから滴下されたガラス液滴を冷却する冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、前記冷却液体は前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の熱により前記冷却液体が蒸気化して前記ガラス液滴の周囲に気泡層を形成する材料からなることを特徴とするガラス球製造装置。
【請求項２３】ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、前記溶融ルツボの下方に設けられ前記溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、前記ノズルの下方に設けられ前記ノズルから滴下されたガラス液滴を冷却する冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、前記冷却液体は前記ガラス液滴が前記冷却液体中で前記ガラスのガラス転移温度以下まで冷却される期間、前記ガラス液滴の熱により前記冷却液体が蒸気化して前記ガラス液滴の周囲に気泡層と、前記気泡層の周囲に前記冷却液体の構成成分により形成される皮膜とを形成する材料からなることを特徴とするガラス球製造装置。
【請求項２４】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域の粘度に比べて低くしたことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２５】前記冷却液体が前記ガラス液滴と最初に接触する表面部分には、少なくとも難燃性液体を用いたことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２６】前記冷却液体として、糊化デンプン液または合成のり液を用いることを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項２７】前記冷却液体を糊化デンプン液としたとき、前記冷却液体の下部領域の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下とし、前記冷却液体の表面部分の濃度は水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇより少なくしたことを特徴とする請求項２４に記載のガラス球製造装置。
【請求項２８】前記糊化でんぷん液として、馬鈴薯でんぷんを水に溶解させて糊化させた液を用いることを特徴とする請求項２６に記載のガラス球製造装置。
【請求項２９】前記冷却液体としてオイルを用い、前記ガラス液滴が最初に前記オイルと接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くしたことを特徴とする請求項２２に記載のガラス球製造装置。
【請求項３０】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に接触する表面部を第１の液体とし、前記第１の液体の下部領域に第２の液体を有する二層からなることを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３１】前記冷却液体は、前記第１の液体を水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３２】前記冷却液体の前記第２の液体を前記糊化デンプン液としたとき、前記糊化でんぷん液の濃度として水１０００ｃｃに対して前記糊化でんぷん量を２０ｇ以上、４０ｇ以下としたことを特徴とする請求項３１に記載のガラス球製造装置。
【請求項３３】前記冷却液体は、前記ガラス球が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を６０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３４】前記ガラス液滴の滴下量に応じて前記第１の液体の液位を設定し、前記第１の液体に前記ガラス液滴が接触して発生した前記気泡層が消失する前に前記第２の液体中に前記ガラス液滴を落下させるようにしたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３５】前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２２に記載のガラス球製造装置。
【請求項３６】前記冷却液体は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項３７】前記冷却液体は、前記第１の液体を界面活性剤を含む水、前記第２の液体を糊化でんぷん液または合成のり液としたことを特徴とする請求項３０に記載のガラス球製造装置。
【請求項３８】前記冷却液体は、前記ガラス液滴が最初に前記冷却液体と接触する表面部の温度を５０℃以上、前記冷却液体の沸点以下とすることを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項３９】前記界面活性剤の濃度を０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲としたことを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項４０】前記界面活性剤として非イオン界面活性剤を用いたことを特徴とする請求項３４から３７までのいずれかに記載のガラス球製造装置。
【請求項４１】前記ガラス液滴受け部は、前記ガラス液滴が滴下され冷却されてガラス球が形成される領域部の前記ガラス液滴受け部の面積を大きくし、前記領域部から下方部に向かうほど小面積としたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４２】前記溶融ルツボの上方は密閉され、かつエアー供給部を有し、前記エアー供給部から高圧ガスを前記溶融ルツボ中に制御しながら導入して、前記溶融ガラスを前記ノズルから滴下する滴下手段をさらに設けたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４３】前記ガラス液滴受け部を水平方向で二次元的に移動可能とした移動機構をさらに備え、前記滴下手段と同期させて前記ガラス液滴受け部を移動させることを特徴とする請求項４２に記載のガラス球製造装置。
【請求項４４】前記ガラス液滴受け部の下方部に連結して、前記ガラス球を捕集し、取り出すための捕集部を設けたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【請求項４５】前記ガラス液滴受け部の前記冷却液体を保持したまま、前記捕集部を交換可能な構成としたことを特徴とする請求項４４に記載のガラス球製造装置。
【請求項４６】前記ガラス液滴受け部を鉛直方向に立設し、前記ノズルから滴下される前記ガラス液滴が前記冷却液体表面に対して垂直に落下する構成としたことを特徴とする請求項２２または２３に記載のガラス球製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス球の製造方法及び製造装置に関し、特に光学レンズをプレス成形により製造するときのプリフォーム材としてのガラス球の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学機器やディジタルカメラだけでなく、携帯電話等にもカメラが搭載されるようになり、小型・高性能で低コストのレンズが要求されている。このようなレンズの製造方法として、従来のガラス板を研磨する方法にかわりプリフォーム材を熱間モールドプレス成形する方法が広く行われている。これは、レンズと同じ曲面形状を有する金型間にプリフォーム材であるガラス球を配置した後、熱間プレス成形することでレンズを製造する方法である。この場合、最終的に形成されるレンズの形状精度を高めるためには、プリフォーム材であるガラス球ができるだけ真球で、かつ内部に気泡等の欠陥のないことが望ましい。これは以下の理由による。すなわち、ガラス球の真球度が高ければ、金型に配置してプレスするときの初期状態においてガラス球には偏った荷重が加わらないので、プレス成形により形成されるレンズの精度を向上できることによる。
【０００３】
このようなガラス球のプリフォーム材を製造する方法として、ガラスを研削および研磨して真球形状とする方法がある。しかしながら、ガラスを研削および研磨する方法では、ガラスの材料ロスが大きいだけでなく、ガラス球を製造するために多くの時間を必要とし、生産性を向上できない。
【０００４】
このために特開平２−１４８３９号公報においては、ガラスを白金ルツボ内で溶解し、ルツボに接続した白金ノズルから溶融ガラスを空気中に滴下し、滴下された溶融ガラスを空気吹出し口が底面に設けられた受け型上で吹き出す空気流により浮上させた状態で冷却してガラス球を作製することが示されている。また、特開平１０−２９１８２４号公報では、ガラス液滴を清浄性を有する液体中に投入して冷却固化させる方法が開示されている。この方法においては、液体としてアルコール単体またはアルコールと水の混合液を用いており、落下距離を短くしながら真球度の高いガラス球を製造できることが示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空気中で浮上させながら冷却してガラス球を作製する方法の場合、溶融状態のガラス液滴を空気流により確実に浮上させた状態で冷却することは比較的困難である。このため、ガラス液滴が受け型の内面に対して直接接触することが生じる場合がある。このような接触が生じると、ガラス液滴が変形あるいは歪みを生じたまま固化するという課題がある。さらに、同じ受け型中に複数個のガラス液滴を滴下するとガラス液滴同士が接触して割れ、クラックまたは固着が生じるので、ガラス球を取出してから次のガラス液滴を滴下する必要がある。このため、生産性がよくないという課題もある。
【０００６】
また、ガラス液滴をアルコールあるいはアルコールと水との混合液体中に投入して冷却しガラス球を製造する方法では、ガラス球に割れや真空泡等の欠陥が発生しやすく、プリフォーム材としての歩留まりを向上できず、高精度のレンズを安価に作製することが比較的困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、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を真球度が高く、かつ連続的、高効率で製造するための製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のガラス球の製造方法および製造装置は以下の工程および構成からなる。
【０００９】
本発明のガラス球の製造方法は、溶融状態のガラスをノズルより滴下させることによってガラス液滴を冷却液体中に落下させる滴下工程と、このガラス液滴が冷却液体中でガラス転移温度以下まで冷却される期間、ガラス液滴の周囲を冷却液体が蒸気化して発生する気泡層により覆い、冷却液体中でのガラス液滴の徐冷を行うとともに落下速度を低下させる冷却工程とを有する方法からなる。
【００１０】
このような製造方法により、冷却液体中においてガラス液滴の全周囲には気泡層が形成され、かつこの気泡層はガラスの転移温度以下になるまで継続的に形成されるので、ガラス液滴は徐冷され、その間に高温度のガラス液滴はその表面張力によって球形化して真球度の高いガラス球を製造することができる。
【００１１】
また、本発明のガラス球の製造装置は、ガラスを加熱溶融させる溶融ルツボと、この溶融ルツボの下方に設けられ溶融ルツボ中の溶融ガラスを滴下させるノズルと、このノズルの下方に設けられノズルから滴下されたガラス液滴を冷却するための冷却液体が充填されたガラス液滴受け部とを備え、この冷却液体はガラス液滴が冷却液体中でガラス転移温度以下まで冷却される期間、ガラス液滴の熱により冷却液体が蒸気化してガラス液滴の周囲に気泡層を形成する材料からなる構成を有する。
【００１２】
このような製造装置とすることにより、冷却液体中においてガラス液滴の全周囲には気泡層が形成され、かつこの気泡層はガラスの転移温度以下になるまで継続的に形成されるので、ガラス液滴は徐冷され、その間に高温度のガラス液滴はその表面張力によって球形化して真球度の高いガラス球を製造することができる。
【００１３】
さらに、密封された溶融ルツボにエアー供給部が連結され、このエアー供給部から高圧ガスを溶融ルツボ中に制御しながら導入して、溶融ガラスをノズルから滴下する滴下手段と、ガラス液滴受け部を水平方向で二次元的に移動可能とした移動機構をさらに備え、滴下手段と同期させてガラス液滴受け部を移動させる製造装置とすることで、量産性よくガラス球を製造することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、本発明のガラス球の製造装置の概略構成図である。この製造装置は全体がほぼ縦方向に配置されている。すなわち、溶融るつぼ２としての白金ルツボと、この白金ルツボ２を取り囲むように配置された電気炉１とが、ガラス液滴受け部１１の上部側に配置されている。白金ルツボ２の底面部には、この白金ルツボ２から延長して形成された滴下ノズル２Ａが設けられている。白金ルツボ２中には融液状態の溶融ガラス４があり、この溶融ガラス４は白金製の攪拌羽５で攪拌されて、全体的な均質性を長時間保持されている。さらに、白金ルツボ２の上部には金属蓋７がオ−リングシール８を介して白金ルツボ２に締着されている。また、攪拌羽５を外部から自由に回転させられるように、金属蓋７と攪拌羽回転軸５Ａとの隙間はゴム等の弾性材からなる公知のシール部材９で密閉されている。
【００１５】
さらに、金属蓋７にはエアー供給部７Ａが一体的に設けられている。このエアー供給部７Ａを通して白金ルツボ２の空間部に高圧の空気を制御部６により制御しながら導入することが可能である。このエアー供給部７Ａと制御部６とにより滴下手段を構成している。エアー供給部７Ａにより白金るつぼ２中に導入された高圧空気の圧力により、溶融ガラス４は滴下ノズル２Ａのノズル径により決まる量を任意の時間間隔で滴下させることができる。なお、オーリングシール８とシール部材９として有機材料を使用する場合には、その周囲を冷却することが望ましい。また、エアー供給部７Ａは金属蓋７と一体的な構成でなく、別々に作製してシール材を介して締着する構成でもよい。さらに、溶融るつぼ２として白金るつぼを用いたが、溶融ガラスと反応しない材料からなるるつぼであれば特に制約はない。
【００１６】
このような構成の装置において、溶融ガラス４を滴下ノズル２Ａから滴下する場合、滴下ノズル２Ａ先端から滴下されるガラス液滴１０の重量は滴下ノズル２Ａの外径と溶融状態のガラスの表面張力で決まり、その関係は（１）式で求められる。
【００１７】
ｍ・ｇ＝π・Ｄ・γ              （１）
ここで、ｍはガラス液滴１０の重量、ｇは重力加速度、Ｄは滴下ノズル２Ａの外径、γは溶融状態のガラスの表面張力である。
【００１８】
（１）式からわかるように、滴下ノズル２Ａの外径Ｄにより決まる重量のガラス液滴１０を滴下できる。しかし、溶融ガラス４の表面に圧力を加えずに自然に滴下させると滴下のための時間が長くなり、生産性を向上できない。本実施の形態の製造装置では、エアー供給部７Ａから高圧の空気を白金ルツボ２の空間部に導入し、溶融ガラス４表面に圧力を加えることで任意の時間間隔で滴下可能としており、ガラス球の生産性を大幅に向上させることができる。
【００１９】
滴下ノズル２Ａの下方には、この滴下ノズル２Ａの先端から一定の空間を隔ててガラス液滴受け部１１が配置されている。このガラス液滴受け部１１は、大径管１１Ａと、この大径管１１Ａの下部に形成された絞り部１１Ｂと、その下部に接続されたコック１１Cと、このコック１１Cに接続された小径管１１Ｄとを備えている。小径管１１Ｄにはホース１２が接続されており、さらにこのホース１２にはコック１３を介して交換ホース１４が接続されている。また、滴下されるガラス液滴１０は冷却液体１５０表面に向けて垂直に落下するように、滴下ノズル２Ａの開口部を配置している。
【００２０】
ガラス液滴受け部１１には、粘度の異なる少なくとも２種類の液体からなる冷却液体１５０が満たされている。すなわち、ガラス液滴受け部１１の上部側には低粘度の第１の液体１５１があり、その下部に第１の液体１５１よりも高粘度の第２の液体１５２が充填されている。なお、第１の液体１５１と第２の液体１５２との境界については比較的明瞭な界面１５３が形成される材料構成が選択される。また、ガラス液滴受け部１１のコック１１Ｃから交換ホース１４までのホース内部には水１７が充填されている。なお、この交換ホース１４の一方の先端部には取り外し可能な締め具１４Ａが取り付けられており、ガラス球１０１の製造時には水漏れを防ぎ、製造したガラス球１０１を取り出すときには締め具１４Ａをはずすことで容易にガラス球１０１を取り出せるようになっている。
【００２１】
さらに、ガラス液滴受け部１１には、冷却液体１５０をあらかじめ設定した温度に制御する液体温度制御部１８が設けられている。この液体温度制御部１８は冷却液体１５０全体を均一な温度に制御することも可能であるだけでなく、例えば第１の液体１５１と第２の液体１５２とをそれぞれ所定の温度に保持することや、冷却液体１５０に連続的な温度勾配を有するようにすることも可能である。
【００２２】
また、溶融ガラス４を連続的に冷却液体１５０に滴下するときに、ガラス液滴１０同士がこの冷却液体１５０中でそれぞれ接触しないようにすることが要求される。このために、滴下手段の制御部６から移動機構１９を制御して、滴下するタクトに合わせてガラス液滴受け部１１を水平方向に二次元的に移動させ、滴下位置をかえていく移動機構１９も設けられている。
【００２３】
滴下ノズル２Ａから滴下されたガラス液滴１０は、第１の液体１５１と第２の液体１５２とからなる冷却液体１５０中で冷却されてガラス球１０１となる。このガラス球１０１は、開放状態のコック１１Ｃ、ホース１２および開放状態のコック１３を通り交換ホース１４まで落下し、この交換ホース１４中で捕集される。本実施の形態の装置においては、この交換ホース１４が捕集部である。ガラス球１０１が一定の捕集量となったときに、コック１３を閉じて交換ホース１４を取り外し、交換ホース１４中にあるガラス球１０１を取り出す。この交換ホース１４は必要な捕集量に応じてその長さを決めれば良い。ホース１２および交換ホース１４中に水１７を充填しているのは、これらのホース中でのガラス球１０１の流動性を高めて流れやすくするためである。ガラス球１０１を捕集し取り出した後、新しく水１７を充填した交換ホース１４をコック１３に取り付けて、コック１３を開放すれば再びガラス球１０１を捕集することが可能となる。
【００２４】
このような装置により、ガラス球１０１を製造するときの冷却液体１５０の作用について、図２から図４を用いて説明する。図２から図４は、ガラス液滴１０がガラス液滴受け部１１の冷却液体１５０中に滴下されて、ガラス球１０１を形成する過程を模式的に示す図である。なお、以下の説明においては、冷却液体１５０として、第１の液体を水とし、第２の液体１５２は馬鈴薯でんぷん３０ｇを水１０００ｃｃに溶解させながら８０℃に加熱、攪拌して糊化させた糊化でんぷん液（以下、第１の糊化でんぷん液とよぶ）を用いて、これらからなる冷却液体１５０を６０℃に温度制御した場合を例とする。また、溶融ガラス４としてはホウケイ酸ガラスを用い、１１５０℃に加熱して溶融させた状態から滴下させる場合について説明する。
【００２５】
滴下ノズル２Ａからノズル径で決まる一定の重量を有して滴下されたガラス液滴１０は、最初に第１の液体１５１である水と接触する。このとき、ガラス液滴１０は高温度であるため、ガラス液滴１０の周囲の第１の液体１５１である水が蒸気化して、図２に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。気泡層２０からは微小気泡２１が生じるが、この微小気泡２１は第１の液体１５１表面上まで浮上して消滅する。この状態では、ガラス液滴１０はまだ高温度であるので、第１の液体１５１の蒸気化と微小気泡２１の発生とが生じて、その周囲に気泡層２０を形成したまま第１の液体１５１中を落下していく。
【００２６】
ガラス液滴１０がさらに落下して界面１５３を通過すると、ガラス液滴１０は気泡層２０を周囲に形成した状態で第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液中に突入する。第２の液体１５２中に入っても、ガラス液滴１０はまだ高温状態を維持しているため、第２の液体１５２の蒸気化が連続的に生じて周囲の気泡層２０は維持される。このとき、気泡層２０の周囲は高粘度の第２の液体１５２で取り囲まれているため、気泡層２０から微小気泡２１が生じても高粘度の第２の液体１５２中を突き抜けるために時間を要する。このため図３に示すように、気泡層２０はその上部が膨らんだ形となる。すなわち、第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液が気泡層２０の全周囲を閉じ込める皮膜となり、気泡層２０の消失を防ぐ作用をする。このような状態でもガラス液滴１０は高温度であるので、その周囲では連続的に蒸気が発生して気泡層２０はさらに成長する。その結果、ガラス液滴１０には浮力が働くようになり、ガラス液滴１０の落下は停止する。
【００２７】
ガラス液滴１０が徐々に冷却されてガラスの転移温度以下になると、ガラス液滴１０は固化してガラス球１０１になる。ガラス球１０１がこのような温度になると、その周囲の気泡層２０は少しずつ周囲の第２の液体１５２である第１の糊化でんぷん液に吸収されて、気泡層２０は小さくなっていく。その結果、浮力よりもガラス球１０１の重量の方が大きくなるので、図４に示すようにガラス球１０１はゆっくり落下し始める。このときには、ガラス球１０１の温度はガラス転移温度以下になっている。したがって、気泡層２０がガラス球１０１の周囲から消失し、ガラス球１０１が直接第１の糊化でんぷん液と接触しても、でんぷんの成分であるアミロースまたはアミロペクチン等の有機物が焼け焦げることはない。
【００２８】
ガラス液滴１０の重量を６０ｍｇ程度とした場合、ガラス液滴１０がその周囲を気泡層２０に囲まれながら浮遊して冷却される時間は、およそ１２秒から１４秒程度になる。すなわち、冷却液体１５０中での製造方法でありながら、空気中を１２秒から１４秒間自然落下しながら徐冷して製造する場合と同じ効果が得られる。この結果、真球度が良好で、かつクラックや真空泡等の欠陥の少ないガラス球１０１を得ることができる。
【００２９】
また、上述したように、本発明の製造方法においてはガラス液滴１０が気泡層２０に囲まれて浮遊している時間はおよそ１２秒から１４秒である。したがって、滴下ノズル２Ａからガラス液滴１０を冷却液体１５０の同一個所に１２秒以下のタクトで滴下すると、ガラス液滴１０同士が接触してお互いが固着したり、割れる現象が生じることがある。固着が生じると球状でなくなりプリフォーム材としては使用できない。このような現象を生じさせず、かつ滴下タクトを短くするために、ガラス液滴１０の滴下毎に冷却液体１５０の位置を水平方向に二次元的に移動させる移動機構１９が設けられている。この移動機構１９は、滴下手段の制御部６により滴下タクトに応じて移動させることができる。この移動の仕方としては、例えば滴下毎に、一定距離の直線的な移動、一定距離の回転移動またはこれらを組み合わせた移動等、ガラス液滴１０が固化するまでの間に次のガラス液滴１０が同一個所に滴下されないようにすれば、移動方法としては自由に選択してよい。
【００３０】
なお、本実施の形態においては、ガラス液滴１０がガラス球１０１になるまでの冷却液体１５０中での挙動として、第２の液体１５２が第１の糊化でんぷん液である場合について説明したが、本製造装置においては特にこの材料には限定されない。でんぷんとしては、第１の糊化でんぷん液である馬鈴薯でんぷんだけでなく、トウモロコシでんぷん、サツマイモでんぷん、もち米でんぷん等があり、同様に使用可能である。ただし、馬鈴薯でんぷんは、糊化したときに同一量でも粘度を大きくできる点で望ましい。
【００３１】
また、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度をその下部領域に比べて低くした液体を用いることもできる。さらに、ガラス液滴を冷却液体に対して垂直に落下させることが望ましい。このような構成とすることにより、ガラス液滴が冷却液体に落下するときに衝撃を受けて変形することを防止でき、より真球度の高いガラス球を得ることができる。さらに、ガラス液滴が冷却液体と最初に接触する表面部分に難燃性液体を用いることにより、１０００℃程度の高温状態のガラス液滴が冷却液体中に落下しても発火等の発生を防止することができる。
【００３２】
また、冷却液体として合成のりを用いることもでき、糊化でんぷん液の場合と同様な作用を得ることができる。さらに、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分の粘度が小さなオイルと、その下部領域部は表面部分よりは粘度の大きなオイルからなる構成としても同様な効果を得ることができる。
【００３３】
また、冷却液体として、界面活性剤を含む液体を用いてもよい。この場合、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部分は界面活性剤を含む水、その下部に糊化でんぷん液あるいは合成のり液からなる二層構成としてもよい。この場合、界面活性剤の作用によりガラス液滴を覆う気泡層の周囲に形成された糊化でんぷん液あるいは合成のり液の皮膜が安定化される。このため、ガラス液滴の表面全体を覆う気泡層がより継続的に長く保持される。この結果、さらに大きな気泡層が形成されるので、より強い浮力が働き、かつ全体が回転力を伴って浮上する。これにより、ガラス液滴はより徐冷され、かつ表面張力と回転による遠心力が効率的に作用して一層確実に真空泡やクラック発生を防ぐと同時に真球度の高いガラス球の製造が可能となる。
【００３４】
また、ガラス液滴受け部の形状として、ガラス液滴が滴下されてガラス球となる領域部の面積を大きくし、下方に向かうほど小面積としているので、ガラス球を捕集部に容易に導入することができる。また、この捕集部を交換可能としているので、冷却液体が流れ出さないようにして捕集部である交換ホースのみを取り外し、取り付け可能であり、ガラス球の取出し作業を効率的にできる。
【００３５】
（実施の形態２）
上述の製造装置を用いて、本発明の種々の冷却液体を用いてガラス球を製造する方法について、以下具体的に説明する。本実施の形態においては、ガラス液滴受け部１１の大径管１１Ａに充填する冷却液体１５０を二層構成とし、その組成を種々変化させてガラス球を作製した。冷却液体１５０の下部側である第２の液体１５２の液位は１５０ｍｍとし、第１の液体１５１はこの第２の液体１５２上に液位５０ｍｍとなるように入れた。さらに、冷却液体１５０の温度は、液体温度制御部１８により６０℃に制御した。また、滴下ノズル２Ａから第１の液体１５１の表面までの距離は２０ｍｍとし、１１５０℃に溶融させたホウケイ酸ガラスからなるガラス液滴１０を６０ｍｇの重量で滴下してガラス球の作製を行った。
【００３６】
第１実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプンを糊化した液体を用いた。馬鈴薯デンプン３０ｇを水に溶かし全体として１０００ｃｃとした後、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させて用いた。すなわち、実施の形態１の第１の糊化デンプン液と同じである。また、第１の液体１５１は、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液よりも粘度が低く、難燃性である水を用いた。このようにして作製した冷却液体１５０は上部側の第１の液体１５１は水であり、下部側の第２の液体は第１の糊化デンプン液であるため、数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。すなわち、この冷却液体１５０は実施の形態１で例示した組成および条件と同じである。したがって、ガラス液滴１０が冷却液体１５０に滴下されたとき、ガラス液滴１０が冷却液体１５０中でガラス球１０１になるまでの挙動は実施の形態１で説明した挙動と同じであるので説明は省略する。
【００３７】
第２実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン２０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体（以下、第２の糊化デンプン液とよぶ）を用いた。また、第１の液体１５１は、第１実験例と同様に水を用いた。このようにして作製した冷却液体１５０についても、第１実験例と同様に数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。
【００３８】
この第２実験例の場合に、ガラス液滴１０を滴下してガラス球１０１を形成するときの挙動について、図５から図１０を用いて説明する。ガラス液滴１０が、第１の液体１５１である水中に滴下されると図５に示すように、ガラス液滴１０の周りには気泡層２０が形成される。気泡層２０からは微小気泡２１が発生して、第１の液体１５１である水中を上昇して表面に達して消滅する。これは、第１実験例の場合とまったく同様である。このような現象を生じながら、ガラス液滴１０は第２の液体１５２である第２の糊化デンプン液中に落下していく。第２の糊化デンプン液中に落下すると、第２の糊化デンプン液は第１の液体１５１の水に比べて高粘度であるため、図６に示すように気泡層２０から発生する微小気泡２１は閉じ込められて、気泡層２０の上部が大きく膨らむ。この結果、ガラス液滴１０の落下は停止する。
【００３９】
この第２実験例の第２の糊化でんぷん液は、第１実験例の第１の糊化でんぷん液に比べて濃度が低いので粘度も低い。このため、ガラス液滴１０は気泡層２０およびその外周部領域に形成された第２の糊化デンプン液の構成成分からなる皮膜２３とともに第１の液体１５１である水中まで浮力により浮上する。この状態を図７に示す。この浮上が生じてから数秒後、図８に示すように皮膜２３は崩れ、同時に気泡層２０の厚みも減少する。この結果、浮力が減少して第２の糊化デンプン液に向かって再び落下する。
【００４０】
図９に示すように、再度第２の液体１５２である第２の糊化デンプン液中に落下したガラス液滴１０の周囲には、再び上部側に大きく膨らんだ気泡層２０が形成されてガラス液滴１０の落下は停止する。その後、ガラス液滴１０がガラス転移温度以下に冷却されるとガラス液滴１０の周囲の気泡層２０は減少する。気泡層２０の減少とともに、図１０に示すようにガラス球１０１となり落下を始める。以上のように、この第２実験例では、ガラス液滴１０が第２の液体１５２に落下してから再び第１の液体１５１中まで浮上することが第１実験例と大きく異なる点である。
【００４１】
第３実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン３０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体、すなわち第１実験例の第１の糊化でんぷん液を用いた。また、第１の液体１５１としては、馬鈴薯デンプン１０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとしてから、この液体を８０℃まで加熱し糊化させた液体（以下、第３の糊化デンプン液とよぶ）を用いた。この第３の糊化デンプン液の粘度は、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液よりも小さいが、水よりは大きい。このようにして作製した冷却液体１５０についてもそれぞれが糊化しているので、上記の実験例とほぼ同様に数時間から数十時間程度はお互いに混合してしまうことがなく、二層状態を安定して保持することができる。
【００４２】
この第３実験例の場合にガラス液滴１０を滴下してガラス球を形成するときの挙動について、図１１から図１３を用いて説明する。ガラス液滴１０が第１の液体１５１である第３の糊化でんぷん液に滴下されると、図１１に示すようにガラス液滴１０の周囲には上方が若干膨らんだ気泡層２０が形成される。しかし、第１実験例や第２実験例の場合と異なり気泡層２０から微小気泡は生じない。気泡層２０が形成されたままゆっくりと落下していき界面１５３を通過して、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中に突入した。この第１の糊化でんぷん液中では、図１２に示すように気泡層２０が上方に大きく膨らみ、その浮上力の作用によりガラス液滴１０の落下は停止した。その後、図１３に示すようにガラス液滴はガラスの転移温度以下に冷却されてガラス球１０１となり、同時に気泡層２０も減少する。この結果、ガラス球１０１はゆっくり落下を開始する。図１２以降の挙動は、第１実験例と同じであった。
【００４３】
第４実験例の冷却液体１５０は、以下のようにして作製した。第２の液体１５２として、市販のポリビニールアルコールからなる合成のりを用いた。また、第１の液体として、この合成のりより粘度が低く、難燃性の液体である水を用いた。この構成においても数時間から数十時間程度は混合することなく、二層状態を安定して保持することができる。この実験例の場合に、ガラス液滴１０が冷却液体１５０中に滴下されてガラス球１０１が形成されるときの挙動は第１実験例とほぼ同じであったので、説明は省略する。
【００４４】
次に、第１比較実験例の冷却液体１５０を作製した。第２の液体１５２として、馬鈴薯デンプン１０ｇを水に入れ全体として１０００ｃｃとした後、攪拌しながら８０℃まで加熱し糊化させた液体、すなわち第３実験例で第１の液体１５１として用いた第３の糊化デンプン液を用いた。また、第１の液体１５１としては水を用いた。この構成においても数時間から数十時間程度は混合することなく、二層状態を安定して保持することができる。
【００４５】
この第１比較実験例の場合にガラス液滴１０を滴下してガラス球１０１を形成するときの挙動について、図１４から図１６を用いて説明する。第１の液体１５１である水中にガラス液滴１０が滴下されると、図１４に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。同時に、気泡層２０からは微小気泡２１が生じて第１の液体１５１である水表面上まで到達して消失する。ガラス液滴１０は、この気泡層２０が形成された状態で界面１５３を通過して、第２の液体１５２である第３糊化デンプン液中に落下する。ここまでの挙動は、第１実験例および第２実験例の場合と同じである。第３糊化でんぷん液中では、ガラス液滴１０の周囲の気泡層２０は上方に若干膨らむ程度で、第１実験例や第２実験例などのように大きく膨らむことはない。これは、糊化でんぷんの濃度が小さいためである。したがって、ガラス液滴１０が停止するほどの浮力を得られず、ガラス液滴１０の落下スピードがやや遅くなるのみで、ガラス液滴１０の落下は進行する。ガラス液滴１０は落下しながら冷却され、ガラスの転移温度以下になるとガラス球１０１となるとともに、気泡層２０はほとんど生じなくなる。これを、図１６に示す。
【００４６】
上記の第１実験例から第４実験例および第１比較実験例について、それぞれ同一条件で２８０個のガラス球１０１を製造し、真球度と表面状態の観察を行った。真球度はガラス球１０１の最短径と最長径を測定し、最短径と最長径との比をパーセント表示で求めた。すなわち、１００％に近づくほど真球度が良好となることを意味する。また、表面状態については、ガラス球１０１の割れ、表面に観察されるクラックおよび内部に形成される真空泡の有無について、目視観察と顕微鏡観察を行った。なお、真空泡はガラス球１０１が急冷されるときに生じやすいことが今までの実験から認められており、このような欠陥が発生すると精度の高いレンズの作製が困難となる。
【００４７】
評価結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
2003055812.tif 000027
【００４９】
表１から分かるように、第１比較実験例においては、真球度が９６〜９８％であり、かつ、割れ、クラックおよび真空泡（以下、これらを含めて欠陥とよぶ）の発生率が１００％であった。この結果は、第１実験例、第２実験例および第４実験例と比較すると、真球度は悪化し、かつ欠陥発生率が非常に大きいことが見出された。したがって、第１比較実験例では、ガラス球１０１の歩留まりが大きく低下し、量産性にかけることがわかった。一方、第１実験例から第４実験例では、第２の液体１５２である馬鈴薯でんぷんの濃度が少なくなるにつれて、真球度がやや悪化する傾向が見られた。しかし、欠陥発生率はともに許容限界値である５％より小さく良好な結果が得られた。なお、レンズを作製するためのプリフォーム材としてのガラス球１０１の場合には、真球度は９５％以上であればよいので第１比較実験例も含めて、真球度についてはすべてクリアする値であった。
【００５０】
第１実験例、第２実験例、第３実験例および第１比較実験例の結果を比較すると、ガラス球１０１の欠陥発生は糊化デンプン濃度に関係していることが見出された。すなわち、第１実験例、第２実験例および第３実験例から分かるように、第２の液体１５２である糊化でんぷん液の馬鈴薯でんぷんが水１０００ｃｃに対して２０ｇ以上の場合には、欠陥発生率は許容限界値である５％より小さな値が得られた。しかし、第１比較実験例から分かるように、馬鈴薯でんぷんが水１０００ｃｃに対して１０ｇ／１０００ｃｃの場合には、欠陥発生率は１００％であった。これは、第２の液体１５２である糊化でんぷんの濃度が薄いため、ガラス液滴１０がこの第２の液体１５２中に突入してその周囲に気泡層２０を生じても、この気泡層２０から生じる微小気泡２１を閉じ込めるような皮膜が充分形成されないためである。ガラス液滴１０の周囲の気泡層２０から発生した微小気泡２１は、この薄い皮膜を通過して逃げやすいため、ガラス液滴１０は気泡層２０で充分覆われなくなる。その結果、ガラス液滴１０は表面部のみが急冷されることになり、欠陥が発生しやすくなったものと考えられる。このことから第１の液体として水を用いる場合は、ガラス液滴１０が水中に留まっている時間をできるだけ短くして第２の液体１５２中に突入させ、第２の液体中で気泡層２０の周囲に皮膜を充分形成させることが望ましい。
【００５１】
一方、馬鈴薯でんぷん量が４０ｇを超えると、第２の液体１５２である糊化でんぷん液の濃度が高くなり、ガラス球１０１の落下が非常に遅くなる。このため、量産性が大きく低下する。したがって、真球度が良好で、量産性を阻害しない濃度範囲としては、２０ｇ以上で４０ｇ以下とすることが望ましい。
【００５２】
また、真球度はガラス液滴１０が冷却液体１５０に突入するときの衝撃の影響も受ける。このことは、第１の液体１５１の粘度をかえた実験から見出された。これは、粘度が高いと突入時の衝撃力が大きく、これによりガラス液滴１０が変形してしまうことによる。第３実験例の真球度が第１実験例および第２実験例より低下しているのは、第３実験例の第１の液体１５１として用いた第３の糊化でんぷん液の粘度が他の場合に用いた水より高いためである。したがって、第１の液体１５１としては、できるだけ粘度が低い液体とすることが望ましい。また、ガラス液滴を滴下するときに、冷却液体に対して垂直に滴下するほうが衝撃力を小さくできるので望ましい。ただし、楕円状のガラス球１０１を作製する場合には、ガラス液滴１０の重量と冷却液体表面までの距離に応じて第１の液体１５１の粘度を設定すれば、この第１の液体１５１に突入するときの変形を有効に作用させて目標とする扁平率のガラス球１０１を得ることもできる。
【００５３】
また、第４実験例は、第２の液体１５２としてポリビニールアルコールからなる合成のりを用いたが、第１実験例と同等な真球度であり、欠陥発生率も許容限界値の５％より小さい値であった。したがって、冷却液体１５０として、第１の液体１５１を水とし、第２の液体１５２を合成のりとしてもよい。また、第２の液体１５２の合成のりより粘度の低い合成のりを第１の液体１５１として用いる場合には、第３実験例とほぼ同じ結果が得られる。
【００５４】
なお、本実施の形態ではでんぷんとしては馬鈴薯デンプンを用いたが、デンプンには馬鈴薯デンプンだけでなく、とうもろこしデンプン、さつまいもデンプン、もち米デンプン等があり、それぞれ適した割合で水と混合して糊化させれば同じように使用できる。ただし、糊化したときに少ない量で粘度を大きくできる馬鈴薯デンプンが最も好ましい。
【００５５】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、冷却液体１５０の温度による影響を調べた。製造条件としては、実施の形態２において説明した第１実験例と同じ冷却液体１５０を用い、同じ製造条件とした。ただし、冷却液体１５０の温度については、５５℃、６０℃、７０℃と変化させた。このそれぞれの温度条件でサンプル数２８０個のガラス球を作製して、その真球度と表面観察を行った。なお、真球度および表面観察の方法は実施の形態２で説明した方法と同じである。
【００５６】
冷却液体１５０の温度を５５℃とした条件においては、ガラス液滴１０は第１の液体１５１である水中に突入すると同時に突沸音を発しながら、そのまま第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液に落下した。しかし、第１の糊化デンプン液中に突入した後は、実施の形態２の第１実験例と同様な挙動を示した。一方、冷却液体１５０の温度を７０℃とした条件においては、ガラス液滴１０の冷却液体中での挙動は実施の形態２の第１実験例とまったく同一であった。なお、冷却液体１５０の温度を６０℃とした条件は、実施の形態２の第１実験例と同じである。これらの条件で作製したガラス球の評価結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
2003055812.tif 000028
【００５８】
表２から分かるように、冷却液体１５０の温度が５５℃の場合には真球度は９７％から９９％であるが、欠陥発生率は１００％であった。これに対して、液温が６０℃では真球度が９８％から９９．５％であり、７０℃では９８．５％から９９．５％となり、液温が高いほうが真球度が良好になる傾向が見られた。また、ガラス球１０１の欠陥発生率は許容限界値である５％より小さく、良好な結果が得られた。
【００５９】
液温を５５℃とした場合には、ガラス液滴１０の表面のみが急激に冷やされるため真空泡が発生しやすくなり、このために欠陥発生率が大きく増加したことがわかった。これらの結果から、良好な真球度を有し、かつ欠陥発生率の小さいガラス球１０１を作製するためには、冷却液体１５０の温度を６０℃以上とすることが要求される。なお、温度の上限については、冷却液体１５０を安定に保持できる温度であればよく、たとえば第１の液体として水を用いる場合には沸点である１００℃以下とすればよい。また、冷却液体として、ガラス液滴が最初に接触する表面部も含めてオイルまたはでんぷん液等にした場合には、それぞれの沸点以下とすればよい。
【００６０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、二層構成からなる冷却液体の第１の液体中に界面活性剤を添加した場合について説明する。本実施の形態においては、第１の液体中への界面活性剤の添加濃度の影響について調べた。このため、以下の材料、条件については同じとした。すなわち、第２の液体１５２としては、実施の形態２の第１実験例と同じ第１の糊化でんぷん液を用いた。また、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液を液位１５０ｍｍになるようにガラス液滴受け部１１の大径管１１Ａに充填し、その液上に第１の液体１５１を液位５０ｍｍになるように注いだ。なお、これらからなる冷却液体１５０の温度は５０℃、滴下ノズル２Ａと第１の液体１５１との距離は２０ｍｍとした。また、溶融ガラス４としては１１５０℃に加熱して溶融させたホウケイ酸ガラスを用い、６０ｍｇを滴下した。
【００６１】
第５実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、０．０１ｗｔ％の非イオン界面活性剤を添加した水（以下、第１の添加水とよぶ）を用いた。この構成の冷却液体１５０を用いた場合に、ガラス液滴１０が冷却液体１５０に滴下されてガラス球１０１になるまでの挙動を図１７から図２１を用いて説明する。ガラス液滴１０が第１の液体１５１である第１の添加水に突入すると、図１７に示すようにガラス液滴１０の周囲には気泡層２０が形成される。さらに、この気泡層２０からは微小気泡２１が生じ、第１の添加水表面まで到達して消滅する。ガラス液滴１０は、気泡層２０を周囲に形成したまま界面１５３を通過し、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中に落下した。この第１の糊化でんぷん液中では、図１８に示すように気泡層２０が上部側で大きく膨らみ浮力が発生し、ガラス液滴１０の落下は停止した。
【００６２】
その後、図１９に示すように、ガラス液滴１０はその周囲に形成された気泡層２０と、さらにその外周部に形成された第１の糊化デンプン液の構成成分からなる皮膜２３とともに第１の添加水中まで浮上した。ここまでの挙動は、実施の形態２の第２実験例の場合とほぼ同じであった。第１の添加水には非イオン界面活性剤が含まれており、この界面活性剤の作用により皮膜２３が崩れることなく、ガラス液滴１０は十数秒間第１の添加水中で小さな上下動を繰り返しながら浮遊した。ガラス液滴１０の温度が低下していくとともに気泡層２０の厚みは減少し浮力が低下して、図２０に示すように第１の糊化デンプン液中に再突入した。その後、ガラス転移温度以下になると固化してガラス球１０１になるとともに、気泡層２０の厚みはより減少して落下し始めた。これを図２１に示す。図２０から図２１にかけての挙動は、第２実験例とほぼ同じであった。
【００６３】
第６実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、０．００１ｗｔ％の非イオン界面活性剤を含んだ水（以下、第２の添加水とよぶ）を用いた。この構成からなる冷却液体１５０中でガラス液滴１０が冷却されてガラス球１０１になる挙動は、第５実験例とほぼ同じであったので説明は省略する。
【００６４】
第２比較実験例の冷却液体１５０の第１の液体としては、０．０２ｗｔ％の非イオン界面活性剤を含んだ水（以下、第３の添加水とよぶ）を用いた。この冷却液体１５０を用いて、ガラス液滴１０がガラス球１０１まで冷却されるときの挙動は、実施の形態２の第１比較実験例とほぼ同じであるので説明を省略する。
【００６５】
第３比較実験例の冷却液体１５０の第１の液体１５１としては、非イオン界面活性剤を含まない水を用いた。すなわち、実施の形態２の第１実験例の場合と組成は同じであるが、液の温度が５０℃である点が異なる。
【００６６】
以上、第５実験例、第６実験例、第２比較実験例および第３比較実験例について、２８０個のガラス球を作製して真球度と表面状態の観察を行った。真球度の測定方法および表面状態の観察方法は実施の形態２と同じである。この結果を表３に示す。
【００６７】
【表３】
2003055812.tif 000029
【００６８】
表３からわかるように、ガラス球１０１の表面観察結果では、欠陥発生率は第１の液体１５１中に添加された非イオン界面活性剤の濃度に関係している。非イオン界面活性剤の濃度が０．０１ｗｔ％である第１の添加水を用いた第５実験例を中心として、濃度が少ない場合も、また多い場合も欠陥発生率は増加する傾向が見られた。第１の液体１５１として界面活性剤が添加されていない水を用いた第３比較実験例の場合には、冷却液体１５０の温度を５５℃とした結果（表２参照）とほぼ同じように真空泡が多発し、欠陥発生率は１００％となった。この結果から添加濃度は、０．００１ｗｔ％以上とすることが必要である。
【００６９】
また、添加濃度が０．０２ｗｔ％においては、欠陥発生率は１０％程度となり、許容限界値である５％を超える結果となった。これは、以下の理由による。界面活性剤濃度を０．０２ｗｔ％以上にすると糊化デンプンと界面活性剤との反応性が高くなり、このため糊化デンプン分子間の結合が容易に切断されてしまう。その結果、第１の液体中にガラス液滴１０が気泡層２０と皮膜２３とを保持した状態で浮上してきても、皮膜２３は界面活性剤と反応してでんぷん強度が低下し、皮膜２３が崩れやすくなる。この結果、気泡層２０からは微小気泡が皮膜２３を通過して抜け出やすくなり、気泡層２０は小さくなる。このような現象が生じるため、ガラス液滴１０の表面層が急冷されて主として真空泡からなる欠陥が発生すると推定される。
【００７０】
一方、界面活性剤濃度が０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％の範囲では、界面活性剤が適度な濃度であるため、皮膜２３の安定化に有効に作用する。すなわち、周囲を気泡層２０と皮膜２３とで覆われたガラス液滴１０が再び第１の液体１５１中に浮上しても、界面活性剤の作用により皮膜２３は崩れにくく、気泡層２０は安定的に保持される。その結果、ガラス液滴１０には浮力が作用し、小さな上下動を繰り返しながら十数秒間第１の液体１５１中に浮遊することができる。この浮遊状態時にガラス液滴１０は回転するので、回転による遠心力とガラス液滴１０の表面張力とによって球形化が促進され、真球度が改善されると考えられる。これらの結果から、界面活性剤の添加濃度としては、０．００１ｗｔ％から０．０１ｗｔ％が望ましい範囲であることが見出された。
【００７１】
（実施の形態５）
実施の形態４の第５実験例と同じ冷却液体１５０の組成において、その温度を変えたときの影響を調べた。冷却液体１５０の温度として、４５℃、５０℃および６０℃の３条件として２８０個のガラス球を作製し、実施の形態４と同様な評価を行った。
【００７２】
冷却液体１５０の温度を４５℃としたとき、ガラス液滴１０は第１の液体１５１である第１の添加水中に落下すると同時に突沸音を発するものや、第２の液体１５２である第１の糊化デンプン液中から再び第１の添加水中に浮上して皮膜２３が崩れたときに突沸音を発するものもみられた。このように、ガラス液滴１０の挙動はばらばらであり安定していなかった。この条件で作製したガラス球１０１の真球度は９７．１％から９８．２％であり、表面状態観察から欠陥発生率は５８％であることが認められた。
【００７３】
これは、冷却液体１５０の温度が４５℃では低温すぎるために、ガラス液滴１０が第１の添加水と接触しても気泡層の発生量が不十分となり、直接第１の添加水とガラス液滴１０が接触しやすくなる。その結果、ガラス液滴１０の表面領域部のみが急激に冷やされて突沸音を発し、ガラス液滴１０の内部に真空泡が発生するためである。
【００７４】
冷却液体１５０の温度を６０℃としたときには、ガラス液滴１０の冷却液体１５０中での挙動は、実施の形態４の第５実験例とほぼ同じであった。この条件で作製したガラス球１０１の真球度は９８．５％から９９．６％であった。また、欠陥発生率は１％未満であった。これらの結果から、界面活性剤を水中に添加した液体を第１の液体１５１として用いる場合には、少なくとも冷却液体１５０の第１の液体１５１を５０℃以上とすることが必要であることが見出された。なお、温度の上限については、冷却液体１５０を安定に保持できる温度であればよく、たとえば第１の液体１５１として界面活性剤を添加した水を用いる場合には、水の沸点である１００℃以下とすればよい。
【００７５】
なお、実施の形態４および実施の形態５では、第２の液体１５２として糊化デンプン液、第１の液体１５１として界面活性剤を含んだ水を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポリビニールアルコールを主成分とする合成のりを第２の液体１５２とし、界面活性剤を含んだ水を第１の液体１５１とした冷却液体１５０を用いてもよい。この冷却液体１５０の場合でも、真球度が高く、欠陥発生率の少ないガラス球を得ることができる。また、第１の液体として用いる水中に添加する界面活性剤としては、非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤または両性界面活性剤等が用いてもよい。ただし、非イオン界面活性剤は安定性が高く、ガラス球を量産する上では最も好ましい材料である。
【００７６】
なお、本発明は実施の形態２から実施の形態５までに説明した内容に限定されることはない。例えば、冷却液体としてオイルを用い、ガラス液滴が最初に接触する領域部の粘度を小さくし、その下方部のオイルの粘度を大きくするようにしてもよい。
【００７７】
また、ガラス液滴の滴下量に応じて第１の液体の液位を設定し、第１の液体にガラス液滴が接触して発生した気泡層が消失する前に第２の液体中にガラス液滴を落下させるようにすれば、ガラス液滴の周囲に発生した気泡層を第２の液体中の構成成分の皮膜で覆うことができるため、安定に気泡層を維持できる。例えば、ガラス液滴の量を６０ｍｇとするとガラス球の直径は約３ｍｍであるので、第１の液体として水を用いる場合には、その液位をガラス球の直径の３倍から２０倍以下とすればよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、従来のガラス球の製造方法および製造装置に比べて、真球度が良好で、かつクラックや真空泡等の欠陥発生率の非常に少ないガラス球を簡単な装置構成と方法で製造できる。このガラス球を用いることにより、研磨することなく熱間モールドプレス成形が可能であり、形状精度の優れたレンズを安価に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のガラス球の製造装置の概略構成図
【図２】
本発明の実施の形態１におけるガラス球形成過程を示す模式図
【図３】
本発明の実施の形態１におけるガラス球形成過程を示す模式図
【図４】
本発明の実施の形態１におけるガラス球形成過程を示す模式図
【図５】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図６】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図７】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図８】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図９】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１０】
本発明の実施の形態２において、第２実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１１】
本発明の実施の形態２において、第３実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１２】
本発明の実施の形態２において、第３実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１３】
本発明の実施の形態２において、第３実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１４】
本発明の実施の形態２において、第１比較実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１５】
本発明の実施の形態２において、第１比較実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１６】
本発明の実施の形態２において、第１比較実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１７】
本発明の実施の形態４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１８】
本発明の実施の形態４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図１９】
本発明の実施の形態４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図２０】
本発明の実施の形態４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【図２１】
本発明の実施の形態４において、第５実験例の冷却液体を用いた場合のガラス球形成過程を示す模式図
【符号の説明】
１  電気炉
２  白金ルツボ
２Ａ  滴下ノズル
４  溶融ガラス
５  攪拌羽
５Ａ  攪拌羽回転軸
６  制御部
７  金属蓋
７Ａ  エアー供給部
８  オーリングシール
９  シール部材
１０  ガラス液滴
１１  ガラス液滴受部
１１Ａ  大径管
１１Ｂ  絞り部
１１Ｃ、１３  コック
１１Ｄ  小径管
１２  ホース
１４  交換ホース
１４Ａ  締め具
１７  水
１８  液体温度制御部
１９  移動機構
２０  気泡層
２１  微小気泡
２３  皮膜
１０１  ガラス球
１５０  冷却液体
１５１  第１の液体
１５２  第２の液体
１５３  界面


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2003055812.tif 000030
【図２】
2003055812.tif 000031
【図３】
2003055812.tif 000032
【図４】
2003055812.tif 000033
【図５】
2003055812.tif 000034
【図６】
2003055812.tif 000035
【図７】
2003055812.tif 000036
【図８】
2003055812.tif 000037
【図９】
2003055812.tif 000038
【図１０】
2003055812.tif 000039
【図１１】
2003055812.tif 000040
【図１２】
2003055812.tif 000041
【図１３】
2003055812.tif 000042
【図１４】
2003055812.tif 000043
【図１５】
2003055812.tif 000044
【図１６】
2003055812.tif 000045
【図１７】
2003055812.tif 000046
【図１８】
2003055812.tif 000047
【図１９】
2003055812.tif 000048
【図２０】
2003055812.tif 000049
【図２１】
2003055812.tif 000050
【国際調査報告】
2003055812.tif 000051
2003055812.tif 000052
2003055812.tif 000053
2003055812.tif 000054