(57)【要約】【課題】通常、中央付近の流速が大きくなる傾向があるガラス流路において、その流速を平均化することにより、脈理や失透の発生を低減させる。そして、その結果として、成形条件の選定が非常に難しい近年の高屈折ガラスあるいは低温軟化ガラスのガラス塊を、簡単かつ高品質に得るための流路を提供する【解決手段】溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、溶融ガラスの流出方向に略垂直に設置された１以上の仕切板により複数の部分に仕切られ、当該仕切板にはガラス流を通過させるための穴が複数個設けられていることを特徴とする前記流路。【選択図】図１
2008273800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、溶融ガラスの流出方向に略垂直に設置された１以上の仕切板により複数の部分に仕切られ、当該仕切板にはガラス流を通過させるための穴が複数個設けられていることを特徴とする前記流路。
【請求項２】
前記仕切板に設けられた複数個の穴は、流路断面の重心からの距離が大きいほど、その面積が小さいことを特徴とする請求項１の流路。
【請求項３】
前記仕切板設置位置において、仕切板がない場合の流路断面中心での流速をａ、流路断面重心から半径方向にｒだけ離れた位置の流速をｂとし、設置される仕切板の中心の穴の断面積をｃ、仕切板の中心から半径方向にｒだけ離れた位置の穴の断面積をｄとした場合に、ｂ×ｃ＝ａ×ｄの関係が成立するように、ガラス流を通過させる穴が設けられている請求項２の流路。
【請求項４】
ガラス原料を溶融槽にて溶融し、溶融槽に接続されたノズルを介して溶融ガラス流を成形型へ流出させガラス成形体を成形することを含むガラス成形体の製造方法であって、溶融ガラスを、請求項１〜３のいずれかの流路を通過させることにより流路内の温度分布を平均化させる工程を含む前記製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定量の光学ガラス塊を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやプロジェクタなどの光学機器の分野においては、小型化、軽量化が要求され、それに伴い、使用レンズ枚数を減らすことができる非球面レンズの需要が増加している。
【０００３】
通常、光学系を構成するレンズには一般に球面レンズと非球面レンズがある。多くの球面レンズは、ガラス材料をリヒートプレス成形して得られたガラス成形品を研削研磨することによって製造される。一方、非球面レンズは、加熱軟化したプリフォームを、高精度な成形面をもつ金型でプレス成形し、金型の高精度な成形面の形状をプリフォーム材に転写して得る方法、すなわち、精密プレス成形によって製造されることが主流となっている。
【０００４】
精密プレス成形用プリフォームとしては、球形、楕円球又は扁平状ガラス成形体（ガラスゴブ）が使用されることが多いが、これらは、原料ガラスを坩堝等の溶融装置で溶融した後、溶融装置に連結されたノズル等から成形型上に流出させ、板状ガラスや棒状ガラス等に成形し、それらをさらに冷間加工することにより製造することができる。また、近年では、ノズル等の流路から流出する溶融ガラスを、シャーにより切断して、或いは表面張力を利用して分離し、例えばガスを噴出する多孔質型上に流下（滴下）させ、浮上成形させることにより、適当な大きさ及び形状のガラスゴブに調整する技術が用いられる。ただし前者ではシャーによる切断の痕跡がガラスゴブに残ることがあるため、近年ではもっぱら後者が用いられることが多い。
【０００５】
上記のいずれの手段においても、流路からガラスを流出させる場合、そのガラス流の温度、流出量を制御するため、或いは成形の際に生じる脈理、失透等の不良発生を防ぐため、そのノズルについては様々な形状が考案されてきた。近年、光学ガラスの高屈折率化に伴う液相温度の高温化及び／又は粘性の低粘性化、あるいは低温軟化に伴う粘性の低粘性化に対応すべく様々な手法が考案されてきたが、十分には対応し切れていないのが現状である。
【０００６】
特許文献１には、流路本体の径よりも流出口の径を大きくすることにより、例えば流路末端の溶融ガラス流出口をテーパー状に開くことにより、溶融ガラス流を流路流出口により長い時間滞留させ、ガラスの流下のタイミングを遅延制御することができるノズルが記載されている。
【０００７】
特許文献２には、溶融ガラスが溶融装置から流れ始めて、パイプを通過し、流出口から流出する際に、内部に絞りを加えることにより流速分布を一様にさせ、成分が揮発した変質ガラスの滞留を抑え、脈理の発生を防ぐ方法が記載されている。また、絞りによる流量低下を防止するために、絞り部の温度を絞り部以外よりも高温に制御することが記載されている。
【０００８】
特許文献３には、流路の内部に抵抗部材を設けて流路断面の中央を流れるガラス流の流速を低減させ、取得できるガラスゴブの最大重量を増加させる方法が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−３６１２３号公報
【特許文献２】特開２００３−３０６３３４号公報
【特許文献３】特開平８−２６７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記従来の方法は以下のような問題点を有していた。
【００１１】
一般的には、溶融ガラスを、流路を介して溶融槽から流出させ、成形型にて成形する場合には、溶融槽から流出口まで低下させた温度制御を行い、成形に適した温度まで溶融ガラス温度を下げる必要がある。ここで、例えば流出後に、ガラス成分の揮発に由来する脈理が発生することがあるが、この場合には流路制御温度を下げることで対応しなければならない。しかしながら、溶融ガラス流は、すなわち高温側から低温側へ向かう高粘性流体の流れであり、ノズル内の温度は内壁面近傍が低く、断面重心付近が高くなる。また、流速分布は内壁面近傍では低く、断面重心付近では高い値を示す。
【００１２】
ノズルの温度測定に基づく制御を行った場合、流路での測定温度は内壁面近傍のガラス温度をほぼ正確に表しているものの、ガラス流中心温度（すなわち流路内の流路断面重心付近を通過するガラス流の温度）とは乖離した低い温度を示す。そのため、液相温度が高いガラスでは、ガラス流中心が揮発を生じない温度に低下する以前に、流路温度（流路内壁近傍のガラス温度）は結晶を成長する温度、いわゆる失透温度まで低下してしまい、失透の発生を招くことがある。
【００１３】
特許文献１に記載される流路では、流出口がテーパー状に開き内径が大きくなっているため、内壁面とガラス流中心との温度差および流速差が増大し、上述の傾向がより顕著となる。
【００１４】
特許文献２のような絞りを有する流路を使用した場合、ガラス流の流出速度分布の一様化の効果はあるが、流路断面重心付近の高温のガラス流を取り出すことになるため、流出時に揮発由来の脈理を防止することは困難である。揮発を抑えようと制御温度を下げると、直ちに失透発生・成長を生じやすく、これにより絞り部の流路を塞いでしまい、流出そのものが停止しやすい。実施例では、絞りによる流量低下を抑制するために、絞り部の温度を絞り部以外よりも高温に設定しており、近年の高屈折率ガラスの製造に適した方法ではないことが明らかである。
【００１５】
特許文献３に記載される流路は、内部の中央に設けた抵抗部材によって中央部の溶融ガラスの流下速度を遅延させており、流出速度の速度分布の一様化は成されるものの、熱容量の小さい貴金属を主成分とする小さな抵抗部材では、直ちに高温のガラス流中心温度になってしまう。そのため、ガラス流中心温度を下げる効果は得られず、揮発由来の脈理の抑制効果はない。また、特許文献３中の図３のように支持部材を用いて抵抗部材を固定する必要があり、白金等の貴金属を主成分とするガラス流出用流路として加工するのは極めて困難である。
【００１６】
また、特許文献３の請求項４にはルツボ底部に複数の流路が設けられ、当該複数の流路の各々の先端部は、互いに連結されることにより一つの流路口を構成していることを特徴としているが、複数流路の各々の中心で高温のガラス流が発生し、流下するガラス流中心温度を低下させる効果は得られない。これらのような複雑な構造を適用すると、ガラスの温度、粘度、濡れ、密度及び液圧に適応するための構造の変更が極めて困難なため、流速や温度分布も複雑化するため、その点においても、より単純な構造が求められていた。
【００１７】
本発明では、通常、中央付近の流速が大きくなる傾向があるガラス流路において、その流速を平均化することにより、脈理や失透の発生を低減させる。そして、その結果として、成形条件の選定が非常に難しい近年の高屈折ガラスあるいは低温軟化ガラスのガラス塊を、簡単かつ高品質に得るための流路を提供するものである。さらに、従来のガラスにおいても、簡単かつ短距離での制御を可能とし、装置の小型化が可能な流路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者は、複数の穴を有する仕切板を用いて流路を仕切り、場合によってはその穴の面積を、流速との関係で所定の値に制限することにより、温度・流速分布を平均化させることに加え、所望の温度・流速分布が得られ、結果として脈理等の不利益を抑えることができることを見出し、上記課題を解決するに至った。
【００１９】
本発明の第１の構成は、溶融ガラス槽に接続され、溶融ガラスを流出させる流路であり、溶融ガラスの流出方向に略垂直に設置された１以上の仕切板により複数の部分に仕切られ、当該仕切板にはガラス流を通過させるための穴が複数個設けられていることを特徴とする前記流路である。
【００２０】
本発明の第２の構成は、前記仕切板に設けられた複数個の穴は、流路断面の重心からの距離が大きいほど、その面積が小さいことを特徴とする前記構成１の流路である。
【００２１】
本発明の第３の構成は、前記仕切板設置位置において、仕切板がない場合の流路断面中心での流速をａ、流路断面重心から半径方向にｒだけ離れた位置の流速をｂとし、設置される仕切板の中心の穴の断面積をｃ、仕切板の中心から半径方向にｒだけ離れた位置の穴の断面積をｄとした場合に、ｂ×ｃ＝ａ×ｄの関係が成立するように、ガラス流を通過させる穴が設けられている前記構成２の流路である。
【００２２】
本発明の第４の構成は、ガラス原料を溶融槽にて溶融し、溶融槽に接続されたノズルを介して溶融ガラス流を成形型へ流出させガラス成形体を成形することを含むガラス成形体の製造方法であって、溶融ガラスを、前記構成１〜３の流路を通過させることにより流路内の温度分布を平均化させる工程を含む前記製造方法である。
【００２３】
以下、本発明の流路について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
【００２４】
本発明において「流路」とは、溶融ガラスを溶融及び／又は保持する溶融槽に接続され、溶融ガラスを型（例えば成形型）に流出させる際の、ガラス流が通過する流路全体及び流出口を含む概念である。つまり、いわゆるパイプ、オリフィス、ノズルを包括する概念である。また「流路断面重心」とは、たとえば流路の流出方向に垂直な断面が円や楕円の場合はその中心を意味し、仕切板設置位置における流路断面重心は、当該位置に仕切り板がなかった場合の流路の断面重心を意味する。
【００２５】
通常、流路の温度制御は流路も種々の方法により加熱されるが、流路を流れる溶融ガラスの温度分布は、流路内の流速が大きく影響しており、流速の最も速い流路断面重心（流路断面が略円形の場合は、断面方向中心）付近が最も高く、また、流速の最も遅い内壁面近傍が最も低い。前述のように、本発明では流路内に仕切板を設置してガラス流を一旦塞き止め、或いは流速を遅くすることにより、かかる温度分布及び流速の位置によるギャップを緩和しようとするものである。
【００２６】
図１は本発明の流路を表す一例である。図１に示すように、仕切板１は流路２の内壁に接していることが好ましい。しかし、その設置法は特に限定されるものではなく、溶接により設置しても良いし、例えば流路内壁に溝を設ける等の加工を施すことにより、はめ込み式にすることもできる。はめ込み式であれば溶融されるガラスの種類により、適宜仕切板を変更することが可能となる。なお、仕切板は略垂直に設置されていることが好ましい。
【００２７】
仕切板１の材質は特に限定されるものではないが、溶融ガラス流の熱的負荷及び圧力負荷に耐えうるだけの耐熱性と強度を併せ持つことが必要である。従って、公知の白金合金、強化材を分散させた強化白金合金、又は濡れ性を向上させた金含有強化白金合金を使用することが好ましい。
【００２８】
なお仕切板周囲全体が、流路内壁と接していることが好ましい。仕切板周囲と流路内壁との間に隙間があると、仕切板を保持する効果が減じられ、変形しやすくなるからである。また後述の仕切板に設けられた穴と流速との綿密な調整がしにくくなるからである。
【００２９】
仕切板には、溶融ガラス流を通過するための穴が複数設けられていることが好ましい。これは溶融ガラス流通過用の穴として、広い穴が１つだけ設けられている場合には、その穴を通過する一連のガラス流に新たな変則的な温度分布が生じ、新たな流速の偏りを生じやすくなるからである。他方、狭い穴が１つだけ設けられている場合には、ガラス流の塞き止め効果は過剰となり、温度分布の平均化は促進できるが、ガラス流の流れが悪くなるため、却って失透を生じる恐れが生じる。また流出速度も著しく減じられるため、生産性の観点からも現実的ではない。従ってこれらの理由から、仕切板に設けられている穴の断面積は、流路断面積の好ましくは１０％以上、より好ましくは２０％以上、最も好ましくは３０％以上であり、好ましくは９０％以下、より好ましくは８５％以下、最も好ましくは８０％以下である。
【００３０】
仕切板に設けられた複数個の穴は、流路断面の重心からの距離が大きいほど、その面積が小さいことが好ましい。すなわち、流路断面が略円形である場合には、円の中心付近の穴が大きく、中心から離れるに従い小さい穴となる。
【００３１】
前述のように流路を流れるガラス流の流速は、その流路断面重心付近が最も早く流路内壁に近づくほど小さくなる。一方、円管内を流れる流体の平均流速は、流路の断面積にも依存し、流路の断面積が小さくなるほどガラス流の平均流速は大きくなる。本発明においては、流路全体における流速を平均化することが所望であるため、流路中心付近に比べ、内壁近傍の流速を相対的に上げればよい。
【００３２】
本発明の仕切板には複数の穴が設けられているため、それぞれの穴を小さな流路と仮定すれば、ガラス流を大きい穴を通過させる場合よりも小さい穴を通過させる場合のほうが、流速を大きく保つ効果が大きい。従って、流速の大きい流路中央付近のガラス流を比較的大きな穴に通し、流速の小さい内壁近傍のガラス流を小さい穴に通すことにより、もともと存在した流路内の流速のギャップを緩和し、より均一に近い流速分布を実現することが可能となる。
【００３３】
具体的に仕切板の穴の大きさを決定する場合には、次のように決定することが好ましい。仕切板を設置しようとする流路位置において、仕切板がない場合の流路断面重心での流速がａ、流路断面重心から半径方向にｒだけ離れた位置の流速がｂであるとき、前記仕切板の中心の穴の断面積をｃ、仕切板の中心から半径方向にｒだけ離れた位置の穴の断面積をｄとしたときの関係がｂ×ｃ＝ａ×ｄとなるように、穴を設けることが好ましい。かかる関係を具備する仕切板を設けることにより、流路内の流速分布を平均化することができ、脈理や失透などの不利益が生じにくくなる。
【００３４】
本発明の仕切板は１つの流路内に複数設置されても良い。特に、仕切板を通過したガラス流も流路を進むに従い、次第に新たな流速分布を生じさせる傾向があるため、複数箇所に仕切板を設けることにより、流速分布の平均化をいっそう促進することができる。
【００３５】
仕切板の設置位置は特に限定するものではないが、各位置は、ガラスの熱伝導率、熱容量、流路径、流量、所望の温度／温度分布等を勘案しながら決定される。流路の全長にも当然に依存するが、あまり上流過ぎると流速分布を一旦平均化させても、新たな流速分布を生じやすくなり、本発明において期待される効果が得にくくなる。したがって、好ましくは流路全体の下流側５０％、より好ましくは下流側４５％、最も好ましくは下流側４０％までの範囲に、前記仕切板を１以上有する。また、場合によっては流路の最下端（すなわち、流路出口）に設けられていてもよい。
【００３６】
本発明の流路は、流路自体及び／又は外部からの付加手段による加熱及び／又は冷却を妨げるものではない。流路自体の加熱としては、流路に直接通電させることによる公知の加熱方法が使用できるし、外部からの付加手段としてはガスバーナー、電熱式ヒーター、赤外線放射、高周波加熱などの公知の手法を適宜使用してよい。さらに、ガラス流出口付近をリングバーナー等で覆い、保温することにより、失透、脈理等の不良をいっそう抑えることができる。
【００３７】
本発明の流路を使用したガラスの成形手段は特に制限されるものではない。光学ガラスの成形としては、成形型にガラス流として連続的に流出させ、板状或いは棒状ガラス等に連続成形してもよいし、シャー又は表面張力によりガラスゴブを分離し、多孔質型上にて浮上成形させることによりガラスゴブを成形するものでもよい。
【００３８】
本発明の流路の材質は、通常、ガラスの溶融工程に使用される材質を使用することができ、例えば白金、強化白金、金、強化金、ロジウム、その他貴金属及びそれらの合金、或いは石英が使用できる。また、公知の手法によりメッキされた材質、例えば内面を金メッキ、あるいはＳｉＣなどのセラミックを成膜した白金を使用しても良い。
【００３９】
本発明は、流路の内部構造を規定するものであるから、流路流出口付近の雰囲気を適宜変更しても良い。例えば窒素雰囲気、アルゴン等の不活性ガス雰囲気にしてもよい。また場合によっては、加熱雰囲気にて流路流出口を覆ってもよい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の具体的な実施例を示す
【００４１】
（実施例１）
本実施例においては、光学ガラスを白金坩堝にて溶融させ、坩堝に接続された流路を介して溶融ガラスをその末端の流出口から流出させ、ガスを噴出するタングステンカーバイド製多孔質成形型上にて浮上成形させ、精密プレス成形用プリフォームとして使用するためのガラスゴブを取得した。
【００４２】
流路としては前述の図３と同じ形状の強化白金流路を使用した。ここで、流路内径は３ｍｍ（断面積７．０７ｍｍ２）で、流出口は６ｍｍまで拡開している。流路全長、すなわち坩堝の出口から流路末端の流出口までの長さは２ｍであった。
【００４３】
流路内の仕切板は、流出口から５０ｍｍの地点に取り付けられ、厚さは１ｍｍであった。仕切板を取り付けた部分のガラス流路の面積は３．２３ｍｍ２であった。すなわち当該仕切板が設置された場所の流路断面積は、そうでない場所の約４６％であった。
【００４４】
受け型は、多孔質ステンレスで作られ、その受面から空気を噴出している状態で、溶融ガラスを受けることにより、受け型から浮上した状態で溶融ガラスを受け、ガラスゴブを得た。
【００４５】
使用したガラスは、酸化ホウ素及び酸化ランタンを主成分とする光学ガラスを溶融した。坩堝は約１２００℃に保たれ、流出パイプは通電加熱により約１１００℃に保たれた。流出口からは、溶融ガラスを液滴状に分離している状態にした。この時の溶融ガラスの流出量は毎分８０ｇであった。
【００４６】
このガラスゴブには、失透及び脈理などの光学欠陥を目視で観察したところ、そのような不良は発見できず、光学素子成形用プリフォームとして使用できる高品質のガラスゴブであった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の流路全体図
【符号の説明】
【００４８】
１  仕切板
２  流路
３  仕切板に設けられた穴
【図１】
2008273800.tif 000003