(57)【要約】【課題】低コストで、任意の外径のガラス素材を短いサイクルで得ることができるガラス滴の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】ノズル１０ｃを備えた溶融炉１０内でガラスを溶融するステップと、溶融したガラスを、少なくとも重力を利用してノズル１０ｃ内に導入するステップと、ノズル１０ｃの外部の気圧を変化させることで、溶融したガラスに初速を与えてノズル１０ｃより外方へと射出するステップと、を有するので、ノズル１０ｃ内の溶融したガラスを、ノズルの外部の気圧変化を利用して射出させることから、重力のみを利用した場合に比べ、より短いサイクルで射出させることができ、且つ設備コストを低く抑えることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルを備えた溶融炉内でガラスを溶融するステップと、
前記溶融したガラスを、少なくとも重力を利用して前記ノズル内に導入するステップと、
前記ノズルの外部の気圧を変化させることで、前記溶融したガラスに初速を与えて前記ノズルより外方へと射出するステップと、を有することを特徴とするガラス滴の製造方法。
【請求項２】
前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い圧力に変化させることを特徴とする請求項１に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項３】
前記ノズルの外部の気圧を、大気圧と、大気圧より低い第１の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする請求項１に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項４】
大気圧と、大気圧より低い前記第１の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする請求項３に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項５】
前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い第２の圧力と、大気圧より高い第３の圧力とに交互に変化させることを特徴とする請求項１に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項６】
大気圧より低い前記第２の圧力と、大気圧より高い前記第３の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする請求項５に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項７】
前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を変化させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のガラス滴の製造方法。
【請求項８】
前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、大気圧より高い圧力に変化させることを特徴とする請求項７に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項９】
前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧と、大気圧より高い第４の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする請求項７に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項１０】
前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧より高い第５の圧力と、大気圧より低い第６の圧力とに交互に変化させることを特徴とする請求項７に記載のガラス滴の製造方法。
【請求項１１】
前記溶融したガラス内でプロペラを回転させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のガラス滴の製造方法。
【請求項１２】
前記ノズルの外部の気圧を、前記溶融したガラスの液面のレベルに応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のガラス滴の製造方法。
【請求項１３】
ノズルを備えた溶融炉と、
前記ノズルの外部を遮蔽する遮蔽体と、
前記遮蔽体内の気圧を変化させる気圧制御手段とを、有し、
前記気圧制御手段が、ノズルの外部の気圧を変化させることで、前記溶融したガラスに初速を与えて前記ノズルより外方へと射出させることを特徴とするガラス滴の製造装置。
【請求項１４】
前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い圧力に変化させることを特徴とする請求項１３に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項１５】
前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧と、大気圧より低い第１の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする請求項１３に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項１６】
前記気圧制御手段は、大気圧と、大気圧より低い前記第１の圧力との間の気圧変化を１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする請求項１５に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項１７】
前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い第２の圧力と、大気圧より高い第３の圧力とに交互に変化させることを特徴とする請求項１３に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項１８】
前記気圧制御手段は、大気圧より低い前記第２の圧力と、大気圧より高い前記第３の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする請求項１７に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項１９】
前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を変化させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれかに記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２０】
前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、大気圧より高い圧力に変化させることを特徴とする請求項１９に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２１】
前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧と、大気圧より高い第４の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする請求項１９に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２２】
前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧より高い第５の圧力と、大気圧より低い第６の圧力とに交互に変化させることを特徴とする請求項１９に記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２３】
前記溶融炉内に設置されたプロペラと、
前記プロペラを回転させる駆動部とを更に有し、
前記溶融したガラス内でプロペラを回転させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする請求項１２乃至２２のいずれかに記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２４】
前記遮蔽体の排出口を開放し又は閉止するシャッタと、
前記シャッタを駆動させるアクチュエータと、
前記遮蔽体の所定位置を、前記ノズルから射出されたガラスが通過したことを検出するセンサとを更に有し、
前記センサがガラスの通過を検出したことに応じて、前記アクチュエータがシャッタを駆動して、前記排出口を開放することを特徴とする請求項１２乃至２３のいずれかに記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２５】
前記ノズル内の溶融したガラスが通過する流路断面積を０．１ｃｍ２以下としたことを特徴とする請求項１２乃至２４のいずれかに記載のガラス滴の製造装置。
【請求項２６】
前記溶融したガラスの液面のレベルを検出するレベル検出手段を有し、
前記気圧制御手段は、前記レベル検出手段の検出結果に応じて前記ノズルの外部の気圧を変化させることを特徴とする請求項１３乃至２５のいずれかに記載のガラス滴の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス滴の製造方法及びガラス滴の製造装置に関し、特に光ファイバーのカップリングレンズなどに用いられるポールレンズ等の光学素子や、加熱成形することでガラス光学素子等を製作するのに必要な、一定体積の素材を形成するのに好適なガラス滴の製造方法及びガラス滴の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用カップリングレンズ、光ピックアップレンズ、内視鏡用レンズ等の微小光学素子を、小さな一定体積のガラス滴を用いて製造することが行われている。このようなガラス滴は、溶融炉内で溶融したガラスを一定体積に分配することで得られる。ここで、溶融しているガラスは、その温度により粘度が大きく変化するが、一般に表面張力が大きいため、溶融炉の底に小さな孔を開けただけではその孔から滴下させることができない。そこで、溶融炉の底から下方ヘ引き出した管（ノズル）を設け、その先端の排出孔から溶融したガラスの液面までの高さを大きく取ることで静水圧を稼ぎ、溶融したガラスを自重によりノズル排出孔から強制的に押し出すことで、液滴を創成していた。この手法では、ノズル通過時のガラスの粘度により液滴の体積や滴下間隔は大きく変動するので、ノズル周りの精密な温度制御が不可欠である。
【０００３】
しかるに、この製造方法では、ガラス液滴を重力のみを用いてノズルの小さな排出孔から押し出すので、その孔径、孔部分の長さ、ガラス粘度（＝ガラス温度）のみが液滴体積や滴下間隔を制御する因子となる。ところが、そのうちのガラス温度については、ノズルの排出孔を通れるだけの十分低い粘度を確保するには限界があることから、いくら温度を高めてもせいぜい屈伏点に対応する粘度を得ることしかできないという実情がある。又、ガラス温度を高めると、ガラスが失透しやすくなり、更に成分が揮発して組成が変化し屈折率や分散が変化するという問題があり、特に光学用途のガラスとしては粘度で１００〜１０１ｐｏｉｓ程度の温度以内で加熱することが要求される。従って、ガラスの調整可能な温度範囲はそれほど広いとはいえず、滴下条件として大きな調節範囲を有するものではない。
【０００４】
また、ノズル排出孔の孔径や長さもガラスの粘度に依存し、粘度が高い時は排出孔径を小さくしたり長くしたりするとガラスがスムーズに流れず詰まったりするので、結局これらの因子もガラス温度の制約を受けることとなり、従って滴下間隔などの製造条件を大きく変えることはできないといえる。
【０００５】
すなわち、重力のみにより溶融したガラスをノズルから押し出す製造方法によれば、滴下条件を変え得る因子であるガラス温度、ノズル排出孔径とその長さは、相互に影響しあっているため、これらをいくら調整しても、滴下間隔等を大きく変えることは難しかったのである。また、静水圧を大きくするために溶融炉底面から引き出した先端にノズルを有する管も、５０ｃｍから１ｍ程度の長さを必要とし、そのためノズルを作業性の良い高さにすると、溶融炉は必然的に作業者の頭より高い位置に配置されるので、内部温度が１０００℃を超える溶融炉とそれを滴下する設備がこのような配置を取るのは、労働安全衛生上の点でも非常に問題があり、例えば安全性を考慮して溶融炉の下半分を地下に埋めるようにすると、設備コストが増大することとなる。
【０００６】
これに対し、特許文献１には、溶融炉の上部を閉鎖して、外部から不活性ガスを送出し、ガラス液面に接する気圧を増大させることで静水圧を高め、所定の外径のガラス素体を得る方法が開示されている。
【特許文献１】
特開平６−９２６５３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の技術のごとく、溶融炉の上部を閉鎖して外部から不活性ガスを供給する構成であると、ガラス液面から蒸発する気体成分によりガラス液面に接する気圧が無制御に増大し、静水圧を調整するのが難しくなるという問題がある。又、溶融炉自体が１０００℃以上と極めて高温になるために、溶融炉の上部の閉鎖空間は、溶融炉を支持するフレームなどを含めて閉鎖する大がかりな構成となるが、それにより設置スペースが必要となり、又、不活性ガスの供給装置も含めて設備コストも増大する。
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで、任意の外径のガラス素材を短いサイクルで得ることができるガラス滴の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガラス滴の製造装置は、ノズルを備えた溶融炉内でガラスを溶融するステップと、前記溶融したガラスを、少なくとも重力を利用して前記ノズル内に導入するステップと、前記ノズルの外部の気圧を変化させることで、前記溶融したガラスに初速を与えて前記ノズルより外方へと射出するステップと、を有するので、前記ノズル内の溶融したガラスを、前記ノズルの外部の気圧変化を利用して射出させることから、重力のみを利用した場合に比べ、より短いサイクルで射出させることができ、且つ設備コストを低く抑えることができる。尚、「ガラス滴」とは、光学素子のごとき最終製品のみならず、光学素子を成形するための素材などの中間製品であってもよい。
【００１０】
本発明の作用効果につき、以下に具体的に説明する。
（高生産性）
重力のみに頼って溶融したガラスをノズルから押し出す方法では、ノズル先端に溶融したガラスがじわじわとたまってその自重が付着力を超えた瞬間、初速がゼロの状態から自然滴下を開始するため、滴下間隔は一定値以下には短くならない。これに対し、本発明においては、前記ノズルの外部における瞬間的な圧力変化（例えば減圧）により、前記ノズル内の溶融したガラスに初速を与えることができるので、瞬間的に前記ノズル内の溶融したガラスの一部が引きちぎられて、強制的に液滴となって飛び出すため、滴下間隔を極めて短くすることができる。これによって、ガラス滴の生産性が飛躍的に高くできる。例えば、極一般的な光学用硝材であるＳＫ系で、直径５ｍｍの球状液滴の製品を製作する場合を例に取ると、従来の溶融炉ではノズル温度１１００℃で約７秒間隔で液滴を創成するのが限界であるのに対し、本発明によれば約１秒間隔ででき、単純比較で約７倍の生産性を実現できることがわかった。
【００１１】
（ガラス滴の小サイズ化）
更に、小さな液滴を得るためにノズルの排出孔を小さくしても、ガラスの粘度を小さくするのには前述した限界があるため、ノズル内を溶融したガラスがスムーズに流れず詰まってしまうことがあった。これに対し、本発明では重力だけでなく気圧の変化を利用して前記ノズル内の溶融したガラスを引き出すことができるので、ガラスの粘度が高くても細い排出孔を通すことができ、その結果、従来よりも小サイズのガラス滴を得ることが可能となる。
【００１２】
尚、小さなガラス液滴を得る方法としては、特開２００２−１５４８３４号公報で示されているように、細孔を有する部品を用意し、これに大きなガラス液滴を衝突させ、細孔を通過して切れた小さな液滴を製作するものが提案されているが、本発明では、そのような特別な部品を準備する必要はない。しかも、特開２００２−１５４８３４号公報に方法では、細孔を通れなかったガラスは無駄になるが、本発明では必要な量のガラス液滴のみを前記ノズルを通過させるようにしているため、そのような材料の無駄もない。
【００１３】
（溶融炉の小型・簡素化）
従来の重力のみを利用した方法では、溶融炉における溶融したガラスの液面高さが、ノズルからガラスを押し出す静水圧を与えるのに非常に重要であったため、かかる溶融炉は、液面を一定にするために互いに連通した３〜４の小部屋を設けた構造になっていた。これは、溶融したガラスが液滴状態で排出された後も液面高さが変化しないように、ガラスを供給する小部屋から隣接する小部屋へと溶融したガラスが順次供給される構造であり、そのために溶融炉が大型化し、また溶融炉内に不必要に多量の溶融ガラスを必要とし、液面表面積が大きいため多量の揮発物質を生成して大気中に放散していた。これに対し、本発明によれば、たとえ溶融したガラスの排出により溶融炉内の液面が下がり、前記ノズルにかかる静水圧が低下しても、それに応じて前記ノズルの気圧変化の度合いを変えることで、前記ノズルから射出される溶融したガラスのサイズや射出サイクルを一定に維持することができるため、せいぜい２部屋程度の小型の溶融炉でも十分なガラス滴を製造できる。それにより、溶融炉の体積を半分以下とし、使用するガラス量も半減し、発生ガス量も大幅に低減するので、溶融炉を著しく小型化でき、高さも必要としないので、設置の自由度も高める。したがって、低コストでありながら労働安全衛生上も非常に好ましい形態となる。
【００１４】
（低コスト）
溶融炉のガラスを溶融する炉材は、高温下でガラスと反応しない白金などの貴金属を用いるのが一般的であるが、従来の４部屋程度の溶融炉では白金地金が１２ｋｇ以上必要で、現時点で時価３０００円／ｇとすると白金材料購入費だけで３６００万円を必要とする。これは溶融炉全体の費用の７０％以上を占めており、また白金材料は下取りできると言っても相揚によって大きく価格が変動するため投資リスクが大きく、従来、溶融炉の設備投資は非常に大きな負担となっていた。これに対し、本発明により溶融炉の体積が半減するということは、白金材料費も半減することであり、上述の例では１８００万円の費用削減になる訳で、極めて大きな設備コストと投費リスク負担の低減ができる。
【００１５】
請求項２に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い圧力に変化させることを特徴とするので、溶融したガラスの液面との差圧で、前記ノズルから溶融したガラスを射出することができる。
【００１６】
特に、前記ノズルの外部の気圧を大気圧より低くして、前記ノズルから溶融したガラスを強制的に大気圧で押し出して液滴を作る方法は、大がかりな装置を必要とせず極めて簡易な装置により高速に液滴を作製できるという利点がある。これは、例えば前記ノズル周りに遮蔽体を設けて、その中の雰囲気を大気圧により低圧にすることによって、具体的に実現できるが、この際に次のような利点がある。
【００１７】
前記ノズルの外部の気圧が大気圧より減圧されて、溶融したガラスの液面に付与される大気圧により、前記ノズルからガラスが押し出されて液滴を作る際に、その周りの雰囲気が減圧されているために真空断熱に近い状態となっているので、ガラス液滴ができて前記ノズルから離れるまで、ほとんどその表面温度が低下しないという重要な特徴がある。
【００１８】
これにより、前記ノズルから押し出される溶融したガラスはその粘度が高くなることなく、液切れの良い状態で前記ノズルから液滴となって離れるので、離れた部分の滴形状が急速に球形に変化して、理想的な球形を作るのである。また、熱容量の小さな小径のガラス液滴（ガラス滴ともいう）を作製する場合も、前記ノズルの外部を減圧することで断熱されるので、前記ノズルから離れて固化するまでに十分な時間が確保され、表面張力による十分な変形時間を稼ぐことができる。つまり、従来の重力による自由滴下を用いた製造方法では作ることのできない小径の液滴を、直接製造することができるのである。
【００１９】
請求項３に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧と、大気圧より低い第１の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする。一旦、ガラス液滴を製造した後、次の液滴を製造するためには、前記ノズルの外部の雰囲気を初期状態である大気圧に戻すと好ましい。
【００２０】
請求項４に記載のガラス滴の製造方法は、請求項３に記載の発明において、大気圧と、大気圧より低い前記第１の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とするので、高生産性を確保できる。
【００２１】
請求項５に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い第２の圧力と、大気圧より高い第３の圧力とに交互に変化させることを特徴とする。一旦、ガラス液滴を製造した後、前記ノズルの外部の雰囲気を、大気圧を超えて、それより高い第３の圧力に設定すると、前記ノズル内で溶融したガラスが押し戻される力を受けるので、次に前記ノズルの外部が減圧されて前記第２の圧力になったとき、加速される距離が長くなるため、ガラス液滴の初速を高めることができる。これにより前記ノズルからのガラス切れが良くなるので、より小径のノズルを使用しても、適切なガラス液滴を製造することができる。
【００２２】
請求項６に記載のガラス滴の製造方法は、請求項５に記載の発明において、大気圧より低い前記第２の圧力と、大気圧より高い前記第３の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とするので、高生産性を確保できる。
【００２３】
請求項７に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を変化させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とするので、より高い生産性を確保できる。溶融したガラスの液面と接する気体の圧力を変えることで、ノズルの外部の気体との圧力差がより大きくなるため、その差圧により溶融したガラスは前記ノズル内に侵入しやすくなるため、より高い生産性を確保できる。尚、本発明では、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力変化は、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することに用いられるのみであり、従って、ガラスの液面に接する気体を完全密封する必要はないため、上述した従来技術の問題は回避できる。
【００２４】
請求項８に記載のガラス滴の製造方法は、請求項７に記載の発明において、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、大気圧より高い圧力に変化させることを特徴とする。
【００２５】
請求項９に記載のガラス滴の製造方法は、請求項７に記載の発明において、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧と、大気圧より高い第４の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に記載のガラス滴の製造方法は、請求項７に記載の発明において、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧より高い第５の圧力と、大気圧より低い第６の圧力とに交互に変化させることを特徴とする。
【００２７】
請求項１１に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記溶融したガラス内でプロペラを回転させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とするので、回転するプロペラの推力を用いて溶融したガラスを前記ノズル内へと押し込むことができ、より高い生産性を実現できる。
【００２８】
請求項１２に記載のガラス滴の製造方法は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記ノズルの外部の気圧を、前記溶融したガラスの液面のレベルに応じて変化させることを特徴とするので、より適切な径のガラス滴を得ることができる。
【００２９】
請求項１３に記載のガラス滴の製造装置は、ノズルを備えた溶融炉と、前記ノズルの外部を遮蔽する遮蔽体と、前記遮蔽体内の気圧を変化させる気圧制御手段とを、有し、前記気圧制御手段が、ノズルの外部の気圧を変化させることで、前記溶融したガラスに初速を与えて前記ノズルより外方へと射出させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３０】
請求項１４に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い圧力に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項２に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３１】
請求項１５に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧と、大気圧より低い第１の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項３に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３２】
請求項１６に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１５に記載の発明において、前記気圧制御手段は、大気圧と、大気圧より低い前記第１の圧力との間の気圧変化を１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項４に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３３】
請求項１７に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記ノズルの外部の気圧を、大気圧より低い第２の圧力と、大気圧より高い第３の圧力とに交互に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項５に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３４】
請求項１８に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１７に記載の発明において、前記気圧制御手段は、大気圧より低い前記第２の圧力と、大気圧より高い前記第３の圧力との間の気圧変化は１秒以下のサイクルで行うことを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項６に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３５】
請求項１９に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３乃至１８のいずれかに記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を変化させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項７に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３６】
請求項２０に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１９に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、大気圧より高い圧力に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項８に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３７】
請求項２１に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１９に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧と、大気圧より高い第４の圧力との間で交互に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項９に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３８】
請求項２２に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１９に記載の発明において、前記気圧制御手段は、前記溶融したガラスの液面に接する気体の圧力を、前記ノズルの外部の気圧に応じて、大気圧より高い第５の圧力と、大気圧より低い第６の圧力とに交互に変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１０に記載の発明の作用効果と同様である。
【００３９】
請求項２３に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３乃至２２のいずれかに記載の発明において、前記溶融炉内に設置されたプロペラと、前記プロペラを回転させる駆動部とを更に有し、前記溶融したガラス内でプロペラを回転させることで、前記溶融したガラスの前記ノズル内への導入を支援することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１１に記載の発明の作用効果と同様である。
【００４０】
請求項２４に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３乃至２３のいずれかに記載の発明において、前記遮蔽体の排出口を開放し又は閉止するシャッタと、前記シャッタを駆動させるアクチュエータと、前記遮蔽体の所定位置を、前記ノズルから射出されたガラスが通過したことを検出するセンサ（光学的に検出するものに限られない）とを更に有し、前記センサがガラスの通過を検出したことに応じて、前記アクチュエータがシャッタを駆動して、前記排出口を開放することを特徴とする。
【００４１】
前記ノズルより射出されるガラス液滴には初速が与えられているので、何ら対策を講じないと、前記遮蔽体に勢いよく当たって変形してしまう恐れがある。そこで、本発明では、前記遮蔽体にガラス液滴が当たらないように、前記排出口を開閉可能な前記シャッタを設け、ガラス液滴が前記シャッタに当たる直前で前記シャッタを開くことで、前記遮蔽体の外部へと排出させることを可能としている。又、前記シャッタを閉じた状態では、前記ノズルの外部雰囲気が大気圧と隔絶されるため、大気圧より低圧もしくは高圧としやすいという利点がある。又、前記シャッタを開けると、前記遮蔽体内の雰囲気が大気と連通するので、ノズルの周囲が直ちに大気圧に戻り、気圧制御上都合がよい。
【００４２】
ただし、前記ノズル外部の雰囲気を大気圧より低くもしくは高くしたときに、前記シャッタに大気圧との差圧が付与されて開きにくくなり、ガラス液滴の飛び出すタイミングに合わせて開閉するのが難しくなるような場合には、前記シャッタを開く直前に前記遮蔽体の中の雰囲気、即ちノズル外部の雰囲気を大気圧に戻すと良い。このように、前記シャッタの開閉に対してどのタイミングで、前記ノズル外部の雰囲気を大気圧に戻す場合においても、ガラス液滴を１つ作製するにはノズル周りの雰囲気を大気圧から減圧し、また大気圧に戻す（場合によっては他気圧より増大する）という一連の圧力制御を行うので、ガラス液滴を短時間で大量に製造するにはこの圧力サイクルを速くする必要がある。このサイクルは、従来の重力による自然滴下を用いてガラス液滴を製造する方法と比較して生産優位性を明らかに得るために、１秒以下で行うのが好ましい。尚、前記遮蔽体の容量を大きくし、十分に冷えた状態でガラス粒を蓄積できるようにすれば、シャッタは設けなくても良い。
【００４３】
請求項２５に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３乃至２４のいずれかに記載の発明において、前記ノズル内の溶融したガラスが通過する流路断面積を０．１ｃｍ２以下としたことを特徴とする。以上の本発明によれば、溶融したガラスを前記ノズルから初速を与えて滴下させることができ、さらに前記ノズルの排出孔径を小さくしても溶融したガラスを適切に押し出すことが出来るので、微小なガラス液滴を作るのに適していることは上述したとおりである。この効果がより発揮できるのは、従来の重力による自由滴下では溶融したガラスが流れにくい前記ノズル内の流路断面積が０．１ｃｍ２以下のときである。即ち、本発明によれば、かかる小さな排出孔を有するノズルを用いても、ガラス液滴を射出させることができるため、微小径の光学素子の材料を均一な体積で極めて短時間に効率よく作製できることとなる。従来、このような微小体積の球形ガラスを作製するには、ガラスのブロック材料を切断し、研削、砂カケ、研磨といった一連の機械的な加工方法に頼っており、その工程が多いことと人手がかかることでコスト的に高くなるという問題があったが、本発明ではノズル外部の雰囲気の圧力制御をプログラムによるバルブの開閉などの動作で行って自動化することが容易なので、ほとんど無人で行うことができる。
【００４４】
請求項２６に記載のガラス滴の製造装置は、請求項１３乃至２５のいずれかに記載の発明において、前記溶融したガラスの液面のレベルを検出するレベル検出手段を有し、前記気圧制御手段は、前記レベル検出手段の検出結果に応じて前記ノズルの外部の気圧を変化させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１２に記載の発明と同様である。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、第１実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図であり、図１（ａ）は、シャッタを閉じた状態を示し、図１（ｂ）は、シャッタを開いた状態で示している。図１において、ガラスの溶融炉１０は、それぞれ内径が異なるガラス貯留部１０ａと、圧力制御部１０ｂと、ノズル１０ｃとを、この順序で上方から重力方向に沿って重畳して設けている。ガラス貯留部１０ａと、圧力制御部１０ｂと、ノズル１０ｃの周囲には、それぞれヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３が配置され、ガラス溶融炉１０内のガラスが制御された温度になるようにしている。ノズル１０ｃ内の流路断面積は０．１ｃｍ２以下となっている。
【００４６】
ガラス貯留部１０ａ内においては、液状化したガラスを撹拌するプロペラＰが設けられている。プロペラＰは、駆動部であるモータＭにより回転駆動されるようになっている。
【００４７】
ノズル１０ｃの排出孔を囲うようにして、遮蔽体１１が配置されている。筐体状の遮蔽体１１は、ノズル１０ｃの排出孔に対向する重力方向下方に、排出口１１ａを有しており、この排出口１１ａは、不図示のアクチュエータにより駆動されるシャッタ１２により開閉自在となっている。
【００４８】
遮蔽体１１の側面には、配管１３が接続されている。配管１３は電磁バルブＶで分岐しており、分岐した一方は大気に開放し、分岐した他方は、真空ポンプＰにより減圧されるリザーバータンクＴに接続されている。電磁バルブＶが駆動されることで、配管１３を介して遮蔽体１１内を大気に開放する状態と、配管１３を介して遮蔽体１１をリザーバータンクＴに連通させる状態のいずれかをとるようになっている。
【００４９】
遮蔽体１１内において、ガラス滴Ｓが通過する位置に、光学的センサ１４が配置されており、その出力は制御装置１５に入力されるようになっている。制御装置１５は、電磁バルブＶと、シャッタ１２のアクチュエータ（不図示）に対して駆動信号を送信するようになっている。本実施の形態においては、制御装置１５と、リザーバータンクＴと、電磁バルブＶとで気圧制御装置を構成する。
【００５０】
本実施の形態の動作について説明する。図２は、本実施の形態のガラス滴の製造装置を用いてガラス滴を製造する際の遮蔽体１１内の気圧のタイムチャートである。まず、真空ポンプＰが動作し、リザーバータンクＴ内の圧力が所定の圧力に減圧されているものとする。
【００５１】
一方、溶融炉１０のガラス貯留部１０ａにおいて、（ガラスを溶融するステップを通じて）ヒータＨ１で加熱溶融されたガラスは、その自重（或いは自重と、モータＭにより回転するプロペラＰにより与えられた推力との合力）とに従い、圧力制御部１０ｂを通過し、ノズル１０ｃ内へと侵入する（ノズル内に導入するステップ）。この際、ヒータＨ２，Ｈ３によりガラスの温度即ち粘度は維持される。
【００５２】
ここで、制御装置１５の制御下、シャッタ１２を閉じた状態で、電磁バルブＶが動作して遮蔽体１１とリザーバータンクＴとが連通させられる（図１（ａ）参照）と、大気圧に等しい気圧だった遮蔽体１１内は、内部の空気が配管１３を介してリザーバータンクＴへと移動するので、大気圧より低い第１の圧力Ａに減圧される。従って、ノズル１０ｃ内の溶融したガラスには、自重（或いは自重及びプロペラＰの推力の合力）の他、溶融炉１０のガラスの液面が接する大気圧と第１の気圧Ａとの差圧が加わるため、ノズル１０ｃ内の流路断面積が０．１ｃｍ２以下であっても、ガラスは迅速にノズル１０ｃから押し出され、初速をもって射出される（射出するステップ：図２のｔ１）。
【００５３】
ノズル１０ｃから下方に射出されたガラス滴Ｓが前方を横切ったとき、光学的センサ１４がこれを検出して制御装置１５に検出信号を出力するので、制御装置１５は、電磁バルブＶを動作させて、遮蔽体１１内を大気に開放すると共に、不図示のアクチュエータを動作させて、シャッタ１２を開く（図２のｔ２）。すると、ノズル１０ｃから射出されたガラス滴Ｓは、シャッタ１２が開放した排出口１１ａを通過し、下方に配置された下型１６のキャビティ内に落下する（図１（ｂ）参照）。下型１６は、ガラス滴Ｓを載置したまま上型１７の下方へと移動し、更に上型１７が下型１６に対して下降することでガラス滴Ｓを成形し、所望の光学素子を形成するようになっている。
【００５４】
配管１３を介して大気に開放されることで遮蔽体１１内は大気圧に戻るため（図２のｔ３）、制御装置１５は、再度シャッタ１２を閉じた後、電磁バルブＶを駆動制御して遮蔽体１１とリザーバータンクＴとを連通することで、遮蔽体１１内を第１の気圧Ａに低減し、以下同様にしてガラス滴Ｓを形成する。本実施の形態では、遮蔽体１１内が大気圧から減圧されて、再び大気圧に戻るまでのサイクルを１秒としている。尚、例えば射出サイクルを例えば１秒に固定しようとする場合、制御装置１５は、光学的センサ１４からの検出信号間隔が１秒より早い場合には、電磁バルブＶの動作比を変えて第１の気圧Ａをより高くし、光学的センサ１４からの検出信号間隔が１秒より遅い場合には、第１の気圧Ａをより低くするなどのフィードバック制御を行うこともできる。
【００５５】
尚、溶融炉１０の底に直接孔を設けて、溶融したガラスを滴下することも可能であるが、炉内温度が高くなったときに溶融したガラスが、その孔から流出して止まらなくなる恐れがあるので、ノズル１０ｃを設けて、炉内温度とは独立してその温度を制御することで、炉内温度が上昇したりして溶融ガラスの粘度が低い場合でもガラスの流出量を制御することができる。しかし、従来のように静水圧を大きくする必要はないので、ノズル１０ｃは１０〜３０ｃｍ程度の長さで良い。このノズル１０ｃの排出孔より溶融したガラスを押し出すのに、本発明のように、ノズル１０ｃ外部を減圧すると、溶融炉１０内の溶融したガラスの液面には大気圧がかかっているので、最大ｌｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力がノズル１０ｃ内のガラスを押し出す力としてかかるため、これによりノズル１０ｃ内の溶融したガラスは押し出され、ガラスの液滴が創成されることとなる。
【００５６】
従来の溶融炉底面から引き出した先端にノズルを有する管は、前述したように５０ｃｍから１ｍ程度の長さを有するが、一般的にガラスの比重を３〜４程度とすると、この管の中のガラスに働く重力によって、ノズル内では１５０〜３００ｇｆ／ｃｍ２の静水圧がかかる。一方、大気圧は大凡１０００ｇｆ／ｃｍ２であるから、ノズル周りの雰囲気の圧力を真空に近づけることによって、前述の管の長さにして３ｍに相当する圧力が、ノズルからガラスを押し出す力として働くことになる。
【００５７】
つまり、本発明によれば、ノズル１０ｃ周りの雰囲気を２／３気圧程度にするだけで、従来の溶融炉底面から引き出す管の長さに匹敵するノズルからガラスを押し出す力を発生させることができるので、その意味ではもはや管は不要であり、溶融炉１０の底面に直接ノズル１０ｃがついていても、原理的には従来の重力による自由滴下に相当する、ノズル１０ｃからガラスを押し出す力を発生させることが、容易に実現できる訳である。しかし、実際にはノズル１０ｃの温度制御は滴下条件として非常に影響を与えやすく重要であるので、溶融炉１０の温度制御の影響を受けにくく、かつ独立してコントロ−ル出来るように、先端部にノズル１０ｃを有する１０ｃｍばかりの管を溶融炉１０の底面に設ける方が良い。
【００５８】
このように、本発明によれば、従来では５０ｃｍから１ｍもあった管を、１０ｃｍから長くても３０ｃｍ以内に短くすることが出来、また、溶融炉１０の深さも従来３０ｃｍ程あったものを約半分程度まで浅くできるので、その分、溶融炉１０全体の高さを低くでき、作業者の頭上から溶融ガラスが滴下するような配置を回避し、人の丈よりも低い配置が容易に実現出来る。また、溶融炉１０の高さが半減し、その底面の管も短くなるので、これらに使用する白金地金も半分程度に少なくて済むため、設備費用や投資リスクを従来より大幅に低減できる。さらに、管の中を通るガラスは、通常、水などよりもずっと粘度が高いので、管の内壁で大きな粘性抵抗を発生しており、これは流速に比例して増大する傾向があるため、本発明のノズル１０ｃ周りの雰囲気に急激な圧力変化を発生させても従来の長い管では管内のガラスの動きのレスポンスが悪かったが、上述した理由で管の長さを短くすることによって、その影響を１／２から１／３程度にできるため、微小ガラス液滴を作製したり高速に液滴を作るという本発明の目的をかなえる上でも、より好ましくなる。
【００５９】
図３は、第２実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図であり、図３（ａ）は、シャッタを閉じた状態を示し、図３（ｂ）は、シャッタを開いた状態で示している。本実施の形態は、図１の実施の形態に対して、遮蔽体１１を大気に開放するのではなく、電磁バルブＶを介して、正圧ポンプＰ１により大気圧より高い気圧に維持されたリザーバータンクＴ２に接続されている点が異なる。それ以外の点については、上述した実施の形態と同様であるので、同じ符号を付すことで説明を省略する。本実施の形態においては、制御装置１５と、リザーバータンクＴ、Ｔ１と、電磁バルブＶ、Ｖ１とで気圧制御装置を構成する。
【００６０】
本実施の形態の動作について説明する。図４は、本実施の形態のガラス滴の製造装置を用いてガラス滴を製造する際の遮蔽体１１内の気圧のタイムチャートである。まず、真空ポンプＰが動作し、リザーバータンクＴ内の圧力が所定の圧力に減圧されているものとする。且つ正圧ポンプＰ１が動作し、リザーバータンクＴ１内の圧力が所定の圧力に加圧されているものとする。
【００６１】
ここで、制御装置１５の制御下、シャッタ１２を閉じた状態で、電磁バルブＶが動作して遮蔽体１１とリザーバータンクＴ１とが連通すると、初期状態で大気圧であった遮蔽体１１内には、配管１３を介してリザーバータンクＴ１内の空気が移動するので、大気圧より高い第３の圧力Ｃに加圧される（図４のｔ１）。かかる状態では、ノズル１０ｃ内の溶融したガラスが押し上げられる。それに続いて、電磁バルブＶを駆動制御して遮蔽体１１とリザーバータンクＴとを連通して、遮蔽体１１内を大気圧より減圧する第２の気圧Ｂとすれば（図４のｔ２）、ノズル１０ｃ内の溶融したガラスが加速距離を長くとれるので、ノズル１０ｃ内のガラスに加わる自重や差圧等の力を付与される時間がより長くなって、射出される際の初速が速くなり、より短い射出サイクルでガラス滴Ｓを形成できる（図３（ａ）参照）。
【００６２】
ノズル１０ｃから下方に射出されたガラス滴Ｓが前方を横切ったとき、光学的センサ１４がこれを検出して制御装置１５に検出信号を出力するので、制御装置１５は、電磁バルブＶを動作させて、リザーバータンクＴとの連通を断ち、不図示のアクチュエータを動作させて、シャッタ１２を開く。すると、遮蔽体１１内は大気圧に戻り（図４のｔ３）、ノズル１０ｃから射出されたガラス滴Ｓは、シャッタ１２が開放した排出口１１ａを通過し、下方に配置された下型１６のキャビティ内に落下する（図３（ｂ）参照）。下型１６は、ガラス滴Ｓを載置したまま上型１７の下方へと移動し、更に上型１７が下型１６に対して下降することでガラス滴Ｓを成形し、所望の光学素子を形成するようになっている。
【００６３】
更に制御装置１５は、シャッタ１２を閉じた後、電磁バルブＶを駆動制御して遮蔽体１１とリザーバータンクＴ１とを連通することで、遮蔽体１１内を第３の気圧Ｃに加圧でき、同様の手順で次のガラス滴を作成できる。本実施の形態では、遮蔽体１１内が大気圧から加圧された後減圧され、再び大気圧に戻るまでのサイクルを１秒としている。
【００６４】
図５は、第３実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図である。本実施の形態は、図３に示す実施の形態に対して、溶融炉１０の上部の構成を変更している点のみが異なる。より具体的には、溶融炉１０を断熱材２２を介して支持するフレーム２１に、筐体２３が溶融炉１０の上部を覆うようにして形成されている。
【００６５】
筐体２３の側面には、配管２４が接続されている。配管２４は電磁バルブＶ１で分岐しており、分岐した一方は大気に開放し、分岐した他方は、正圧ポンプＰ２により加圧されるリザーバータンクＴ２に接続されている。電磁バルブＶ１が駆動されることで、配管２４を介して筐体２３内を大気に開放する状態と、配管２４を介して筐体２３をリザーバータンクＴ２に連通させる状態のいずれかをとるようになっている。
【００６６】
本実施の形態では、電磁バルブＶ１は、制御装置１５に制御され電磁バルブＶと連動して動作するようになっている。すなわち、遮蔽体１１内が大気圧より低い第２の気圧Ｂになったとき、筐体２３内を大気圧より高い第５の気圧（第６の気圧Ｃが大気圧であれば第４の気圧）に設定し、それによりノズル１０ｃから射出されるガラス滴Ｓの初速を高め、且つ遮蔽体１１内が大気圧より高い第６の気圧Ｃになったとき、筐体２３内を大気圧より低い第６の気圧に設定し、それによりノズル１０ｃに溶融したガラスを引き込ませ、次に射出される際の加速に必要な距離を大きく確保できる。
【００６７】
本発明によれば、重力のみに頼って溶融したガラスに一定の押し出し力や一定の温度条件を維持し静置することにより、受動的にガラスの微小液滴を作製していた従来の問題点を克服し、積極的に滴下条件を変える能動的な構成によって液滴の体積や滴下間隔などの選択範囲を拡大して容易にかつ効率的に所望のガラス液滴を得られるようにすることができ、その設備を小型化簡素化し、低コストでかつ労働安全衛生上の課題に対しても一気に解決を図ることができる。
【００６８】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明によって製作される球形のガラス液滴は、冷却固化して種々の光学素子や光学素子を成形するプリフォーム材料として用いても良いし、冷却固化する前に微小孔に衝突させて、さらに小さな液滴を作製するなどの後加工をしても良い。本発明では、ガラス滴を下型で受けなくても良く、また上型で成形しなくても良い。
【００６９】
更に、ノズル１０ｃ周りの圧力を変化させることにより、ガラス液滴を高速にかつ微小滴にすることも可能にするだけではなく、例えば、溶融炉１０内のガラス液面レベルを超音波センサーや光電センサー等のレベル検出手段１８（図１（ａ）二点線で示す）を設け、その検出結果を制御装置１５に出力することもできる。液滴流出によって溶融したガラスが消費されてその液面が低下すると、ノズル１０ｃにおける静水圧が減少して液滴の滴下条件が変わるので、ノズル１０ｃ周りの気圧変化が一定であると、均一な形状や体積の液滴が得られなくなる恐れがあるが、このようにレベル検出手段１８を設けて、制御装置１５が、その検出結果をフィードバックすることで、ノズル１０ｃ周りの圧力を補正し、液面変化の影響を減少または消滅することができるのである。具体的には、ガラス液面が低下すれば、ノズル１０ｃの先端で成長したガラス滴を、ノズル１０ｃから切るタィミングを遅らせるように、周囲の圧力を高めればよいのである。
【００７０】
上述した理由だけでなく、本発明のこの構成によっても、ガラス液面が変化することによる静水圧の変化の影響を小さく抑えることができるため、従来の３０ｃｍ程の深さを有していた溶融炉や、５０ｃｍから１ｍを有していた管の長さを、それぞれ１５ｃｍ程度、１０ｃｍから３０ｃｍ程度に縮小できるのである。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで、任意の外径のガラス素材を短いサイクルで得ることができるガラス滴の製造方法及び製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図である。
【図２】遮蔽体１１内の気圧のタイムチャートである。
【図３】第２の実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図である。
【図４】遮蔽体１１内の気圧のタイムチャートである。
【図５】第３の実施の形態にかかるガラス滴の製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０  ガラス溶融炉
１１  遮蔽体
１２  シャッタ
１３、２４  配管
１４  光学的センサ
１５  制御装置
２３  筐体
Ｐ、Ｐ１，Ｐ２  ポンプ
Ｔ、Ｔ１，Ｔ２  リザーバータンク
Ｖ、Ｖ１  電磁バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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