(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温溶融ガラスから連続鋳込み成形した直後の軟化状態にある高温ガラス成形体を冷却して固化させる冷却方法であって、
該高温ガラス成形体の表面に、それよりも低温の気体を断続的に吹きつけており、断続的に該高温ガラス成形体に気体を接触する接触時間が０．１〜３００秒、非接触時間が０．１〜３００秒を１サイクルとしてこのサイクルを最低１０回以上行うことを特徴とする高温ガラス成形体の冷却方法。
【請求項２】
気体が、空気、不活性ガス、窒素、二酸化炭素のうち１種以上の気体であることを特徴とする請求項１に記載の高温ガラス成形体の冷却方法。
【請求項３】
高温ガラス成形体に接触させる気体の温度が、室温以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温ガラス成形体の冷却方法。
【請求項４】
冷却される高温ガラス成形体が、結晶化ガラスからなることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の高温ガラス成形体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融ガラスを成形した物品等の高温ガラス成形体の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス製造業において、所望の組成を有するガラス材質を溶融し、所定形状に成形することで目的とする機能を満足する寸法精度を実現しつつ、微小な寸法の多種の異寸法成形品を製造する場合がある。あるいは成形品のほぼ全体の外形は留めながら細部表面形状を修正することで所望の精密形状を実現する場合もある。このような場合には、異寸法の成形品を必要とする市場の要求に迅速に応じるため、予め必要とされるガラス製品より大きな体積を持つガラス成形体を成形するか、あるいは所定形状に類似する形状に予め成形しておき、所定寸法の製品が必要になった時に、ガラス成形体を再加熱して、所望の寸法形状を実現する方法が利用されている。このような成形方法は、高精度が要求されるガラス製品を製造する方法として広く採用されている。
【０００３】
例えば、非球面レンズの製造においては、予め最終形状になるべく近い形状を有するガラス成形体を作製しておき、その後必要に応じて精細な表面形状を再形成する低温プレス成形が行われる。また、各種細管ガラスでは、予め母材となるガラス成形体として管ガラスを作製し、その後、再加熱して延伸成形することによって高精度なガラス細管を製造している。また、高精度な表面状態を要求される薄板ガラスについても同様な方法が採用されている。さらに、成形後に２種類以上の形状を有するガラス成形体の端部を加熱してガラスを融着させることで、より複雑な形状を実現することは各種ガラス製品で頻繁に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光関連商品の市場規模が大きくなり、多様な要求を満足する製品が供給されるようになってきている。また、それに伴いこれまで以上に、より高精度の寸法公差を必要とするガラス製品も求められるようになってきた。このため、前述したような精密な再加熱成形を採用する製品の寸法精度についても、より高い寸法精度の要求を満足する必要性が生じた。そしてそれを達成するには、所定寸法に成形したガラス成形体の形状を変形させることなく如何に効率的に冷却するかが重要になってきた。
【０００５】
このため、従来から行われてきた高温状態のガラス成形体の冷却法では、ガラス成形体を成形して冷却する際にガラスの体積変化にともなう微小変形の発生が避けられず、耐熱性を有しさらに耐久性の高い特殊な金属材料を用いた金型を利用する等の工夫が行われてきた。しかしながら、特殊な金属材料を採用しても金型やガラスの双方に過度の負荷がかかるため、金型表面の経時的変質を引き起こす等の問題が発生する場合もある。そして、このような問題を改善するためには、金型にかかる負荷を最小限にすると同時に高温状態のガラス成形体をなるべく急速に冷却することが肝要となる。
【０００６】
また再加熱により延伸成形するガラス成形体の中には、高精度の寸法精度を要求されることから、従来よりも大型のガラス母材を予め成形しておき、再加熱して延伸成形することによりガラス製品の高精度化を実現する必要が生じた。このような場合、従来通りの寸法ならば支障なく成形することができるガラス母材が、大型化に伴って急冷処理中にガラス表面とガラス内部との温度差が急激に大きくなるので、表面と内部の間で発生する歪みによってガラス母材表面等に発生する局所的な一時的引張応力に耐えられなくなり、熱衝撃のために爆発的に割れるという現象が多発する問題も発生した。
【０００７】
この熱衝撃破壊の問題を解決する方法としては、時間をかけて徐冷操作を行う方法がある。しかし、徐冷操作にはある程度の時間的な余裕が必要であるため前述したように迅速な生産とは相容れない工程である。また結晶化ガラスからなるガラス成形体、あるいは再加熱コロイド発色ガラス体のガラス成形体等、長時間を要する徐冷操作そのものを受け付けないガラス材質については実質的にこの方法を採用することができない。
【０００８】
また、ガラス成形体の寸法が大きくなるほど、ガラス成形体の表面に冷却されすぎる箇所が局所的に生じるため、従来の連続冷却方法でガラス成形体の冷却速度を割れが発生しないように調整しながら急速に冷却することは非常に困難となる。このため急速冷却が必要とされる大型のガラス成形体に割れを発生させることなく急冷する新たな冷却方法の必要性が生じてきた。
【０００９】
本発明は、再加熱後の再成形などに使用するガラス成形体について、成形直後の高温状態から冷却を行う際にガラスの均質度を維持しつつ、実質的に外形寸法の変形を防止することができる様な急速冷却を実現し、しかもガラス成形体に割れなどの欠陥を発生させない高温ガラス成形体の冷却方法を提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のガラス冷却方法を見直し、高温ガラス成形体について冷却中に熱衝撃により破壊されることなく安全に急速冷却が可能となる冷却方法を見いだした。
【００１１】
即ち、本発明に係る高温ガラス成形体の冷却方法は、高温溶融ガラスから連続鋳込み成形した直後の軟化状態にある高温ガラス成形体を冷却して固化させる冷却方法であって、該高温ガラス成形体の表面に、それよりも低温の気体を断続的に吹きつけており、断続的に該高温ガラス成形体に気体を接触する接触時間が０．１〜３００秒、非接触時間が０．１〜３００秒を１サイクルとしてこのサイクルを最低１０回以上行うことを特徴とする。
【００１２】
ここでの高温ガラス成形体とは、主要成分が酸化物組成で表すことが可能な構成成分のガラスであり、少なくとも３００℃以上の溶融温度でガラス原料を溶解したガラスであり、完全には固化していない状態で周辺雰囲気温度との差が数十℃から数百℃あるような状態のものである。
【００１３】
また、本発明の冷却方法では、成形されるガラス成形体の形状を特定形状に限定するものではない。すなわち、ガラス成形体の形状としては多角柱体、円柱体、環状体、板状、複数の形状を組み合わせた断面を有する柱体などの形状が可能であり、必要に応じて柱体の上面形状と下面形状が異なった形状を有し、上面から下面に至る途中で形状が徐々に変形している場合についても採用することは可能である。
【００１４】
また、本発明の冷却方法で使用するガラス冷却媒体は、冷却されるガラス成形体に依存しないものとしては、気体または液体であることが望ましい。そして、被冷却体であるガラス表面と反応したりすることがない限りは、ガラス材質の種類により種々の気体または液体を採用することが可能であり、取り扱いが容易であるという点から気体であることがより好ましい。また、気体の中でも安価であるという点で、空気に勝るものはない。しかし、空気と接触することによる冷却環境を構成する金属部材などの酸化防止を重要視する場合には、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを利用することも可能である。また、必要に応じて複数のガス成分を所定量含有する混合気体を使用することも可能である。
【００１５】
最も容易に多用できる冷却媒体としては空気であり、次に利用されるものは不活性ガスであるが、更なる急冷を必要とし、条件さえ許すならば被冷却物であるガラス成形体を気体に比べて熱容量が大きい所定温度に設定した水、シリコンオイル、水銀等の液体冷却媒体中に断続的に浸漬、塗布または噴霧することにより冷却する方法を採用しても支障はない。
【００１６】
また、複雑な特定形状を維持しながら冷却を実現するために、ペルチェ素子などを搭載した金属製の固体冷却媒体を被冷却物である高温ガラス成形体の表面に断続的に接触させることにより、冷却に伴う高温ガラス成形体表面の微細な変形を防止しながら冷却を行う方法を採用することも可能である。
【００１７】
本発明の冷却方法の特徴である断続的な冷却媒体との接触は、ガラス表面温度を急激に低下させる際に、高温ガラス成形体の表面と内部との間に必要以上の急激な応力発生を防止する手段として本発明者らが提案したものである。この方法は、断続的、あるいは間欠的に高温ガラス成形体の表面が冷却媒体に接触するため、接触している時間と接触していない時間を意図的に種々変更することにより、ガラスの冷却速度を精密に調整することを可能にしている。
【００１８】
そしてここで記述する断続的な冷却とは、冷却媒体の種類と高温ガラス成形体の温度にもよるが、接触時間０．００１〜３００秒、非接触時間０．００１〜３００秒を１サイクルとしてこのサイクルを最低１０回以上、好ましくは１００回以上行うことによる冷却である。そして、冷却媒体として気体または液体を利用する場合は、接触時間０．５〜３００秒、非接触時間０．５〜３００秒を１サイクルとしてこのサイクルを最低１０回以上、好ましくは１００回以上行うことにより、実現されるものである。さらに好ましくは、冷却媒体が気体または液体の場合には、接触時間０．５秒〜６０秒、非接触時間０．５秒〜６０秒を１サイクルとして、これを少なくとも５０回以上、好ましくは１００回以上行うことである。
【００１９】
また、断続的な冷却媒体との接触は、複数の種類の冷却媒体を交換しながら高温ガラス成形体と接触させることも可能である。すなわち、空気と水蒸気を交互に断続的にノズルなどから吹きつけたり、２種類ないし３種類以上の設定温度に加熱した空気を交互にガラス表面に吹きつけることで冷却速度を調整しやすくすることも可能である。また吹きつけにより冷却する場合には、その吹きつけ角度や流速も必要に応じて種々変更できることは言うまでもない。さらに、高温ガラス成形体の冷却にともなって、冷却媒体の温度を順次変更していくことも可能である。さらに冷却媒体との接触時間、温度設定、気体の場合は流速、吹きつけ角度等の種々の条件を予め設定したプログラムに従って稼働させることで効率的な冷却を確実に行っていくことができる。
【００２０】
またガラス表面の応力測定の自動化と有限要素法、境界要素法などのシミュレーションによるガラス成形体の形状に依存する最大応力発生箇所の予測、そして本発明の冷却方法の制御系を併用することで、冷却中に発生する最大表面応力発生位置における高温ガラス成形体の表面応力値の変動を随時計測しながら、それに対応する冷却速度の調整を行うことが可能である。また、初めて製造するガラス材質についても単にガラスの熱膨張係数、ヤング率、ポアッソン比などから予測する冷却条件に従う場当たり的な製造条件で製造するのではなく、冷却速度を各々の被加熱物の状態に即応した条件で冷却することが可能であり、熱衝撃破損の恐れなく高速冷却することが実現でき、冷却中に高温ガラス成形体が割れるようなことのない製造工程を構築することができる。
【００２１】
そして本発明の冷却方法は、本発明による冷却処理後のガラス成形体について、どのような処理が行われても、それを制限するものではない。すなわち、必要に応じて再度熱処理を行うこともできるし、他の徐冷操作を施してもよい。また、他の材料に封着しても、化学薬品による洗浄、浸漬や、研磨、切断などの機械加工、蒸着、塗布などによる成膜などを行うことも可能である。
【００２２】
また、本発明の冷却方法は、本発明の冷却操作と他の操作を平行して行うことについても、妨げとなるものではない。すなわち、ガラス成形体の一端が冷却中で他端が切断などの加工を施されていってもよい。また、ガラス成形体を搬送操作中に本冷却方法を適用することもできるし、高温ガラス成形体に対しての他の冷却操作と併用することで効率的な冷却を実現することも可能である。
【００２３】
さらに、本発明による冷却方法は、ガラス成形体の大きさが大きい場合に、特に大きな効果を発揮するものであるが、小さいガラス成形体に対して採用することを妨げるものではない。即ち、ガラス成形体の寸法如何にかかわらず、断続的に冷却媒体と高温ガラス成形体を接触させることにより、高温状態のガラス成形体についての理想的な冷却を実現することが可能になる。よって本件の発明による冷却方法は、例えば、直径１ｍｍ以下のガラス細管の冷却から３０ｃｍ角以上の柱状体の冷却に至るまで適用できるものである。
【００２４】
さらに、本発明の方法は再加熱後の再成形に利用するガラス成形体に対して使用することにより、大きな効果を発揮するものであるが、それは他の成形法に採用することを妨げるものではない。また、再成形法に採用するのではなく直接製品寸法の成形体を成形する際にも本発明の方法を利用することが可能である。即ち、鋳込み成形法、ダウンドロー法、ダンナー法、フュージョン法、ブロー成形、フロート成形、プレス成形法、ロールアウト法、スロットダウン法、ベロ法、延伸成形法、アップドロー法、リドロー法等の各種の方法に適用することも可能である。
【００２５】
そして、本発明の方法を利用できるガラス材質は、無機酸化物を主要成分としてあらわすことが可能な酸化物ガラスであるならば、単一成分のガラスであろうと複数の成分構成を有するガラス材質であろうと特に限定されるものではない。また、必要に応じて、フッ化物ガラスや弗燐酸ガラス、カルコゲナイドガラス、窒化物ガラスなどの特殊組成のガラスに対しても適用することが可能である。ただ、特殊組成のガラス組成物に対して本件の発明を気体吹きつけ法で利用する場合には、窒素雰囲気、フロンガス雰囲気などの環境下で行う必要性のある場合もあるため、適用するガラス組成物に応じて気体組成を変更して対応することが必須となる。
【００２６】
また本発明の冷却方法は、前述したように溶融ガラスから固化された成形体を冷却する操作法として発明したものであるが、高温加熱して融液状態にされたガラスの冷却時には、広く採用することが可能である。例えば、その代表的な例としてガラス管の熱間成形後の冷却、各種粉末ガラスにより二種類の構造物を封着した後の冷却、二種あるいは一種のガラス成形体端部についての加熱融着後の冷却、球状ガラスのプレス成形後の冷却、各種金属材料とガラスの加熱封着後の冷却などへの適用が可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス冷却方法について、以下具体的な実施例によりその詳細を説明する。
【００２８】
（実施例１）電子部品用の構造部材として利用される結晶化ガラスは、光通信の受発光に関連する用途や光コネクタ等でも利用される場合があり、非常に精密な寸法精度を要求されることがある。このガラス製品の成形を延伸成形法で効率的に実現するためには、従来の２倍のガラスインゴットの予備成形体としてガラス母材が必要である。このガラス母材を作製するためには、失透温度域より高温状態にあるガラス成形体をそれより低温にある結晶核生成温度域を通って冷却する。そしてその際には、ガラス中に特定の結晶核が生成する時間よりも短時間でガラス全体の温度を低下させるために、それを実現できる程度に高速な冷却方法を採用する必要性がある。本発明者らは、本発明の冷却方法をこの結晶化ガラス製のガラス母材の冷却に適用した。
【００２９】
まず、ガラス母材の作製方法としては、連続的な鋳込み成形により高温ガラス成形体であるガラスインゴットの成形を行う。成形直後のガラスインゴットを搬送用の耐火物ローラー上において上部、下部、及び側面のそれぞれの表面について各１０本ずつの直径が２ｃｍのノズルを直角方向に配置し、ノズルから予め１００℃に加熱した冷却用空気を風速３ｍ／秒の条件にて２秒間隔で断続的にガラスインゴットの各表面に対して総数３００回以上吹きつける。この冷却を行うことにより、結晶核生成域にて充分高速な冷却が実現でき、従来製品より高精度な寸法のガラス製品の延伸成形が可能になった。
【００３０】
（実施例２）光部品として利用される機能材料である非線形光学ガラス成形体の生産においては、ガラス中に数ｎｍから数十ｎｍレベルの半導体または金属のコロイド粒子を熱処理あるいはそれに準ずる処理にて生成させる必要がある。この処理は、一旦急冷成形したガラス製品をストライキング処理と呼ぶ再加熱処理、あるいはレーザー照射などにより、ガラス中に生成するコロイド粒子の大きさをコントロールするが、そのためには予め成形される予備成形体においては、コロイドが生成しない程度に急速な冷却が必須となる。この予備成形体の製造方法は、上記の実施例１と同様にこのガラス成形体についても鋳込み成形直後の冷却時に予め２００℃に加熱された空気を断続的に吹きつける本件の冷却方法が使用される。加熱した空気を使用するのは、その方が局所的にガラス成形体が急速冷却されすぎるのを防止することができるということと、予め加熱された空気を使用するほうが温度制御をより精密に制御することが可能になるという利点がある。そしてこのガラス成形体については、実施例１とほぼ同様の装置によりガラス成形体に対して６０℃に予熱した空気をほぼ直角方向から５ｍ／秒の風速にて５秒間のサイクルで２００回以上吹きつけている。そして、冷却後のガラス中に問題となるようなコロイド粒子の析出していないガラス予備成形体が得られることが判明した。
【００３１】
（参考例１）光部品として利用される微小精密ガラスレンズをモールド成形するガラス成形体の低温プレス成形については、ペルチェ素子を搭載した金型と加熱されたガラスレンズの急速冷却法として本件の冷却方法を採用している。すなわち、非球面レンズなどの高精度寸法を必要とする光部品では、ガラス成形体表面の微細な変形により最終製品の光学的特性に及ぼされる影響が著しい。このため、プレス成形用金型の材質、ガラス材質などで各種の試みが行われてきた。特にガラスの粘度特性としては、ガラス成形体表面に発生する「ヒケ」によるガラス成形体表面の変形を防止しやすいという観点から、粘度による温度依存性が大きい性質、いわゆる「ショート」な性質を有する材質が好んで採用されている。しかし、それと同時に光学的特性に影響を与えない程度の急速冷却が低温プレス成形には必要とされる。これは前述のガラス成形体表面の変形防止という点に加え、使用される金型の耐久性を向上させるという観点からも望ましいものである。本参考例の冷却方法は、このプレス後のガラス成形体表面の冷却について、金型とガラス成形体表面の接触を間欠的に行うことにより、ガラス成形体が変形することなく所望の光学的機能を有するものにするために採用された。そして実際には５０℃に温度調整された金型表面を０．１秒サイクルで２０００回以上高温ガラス成形体表面に接触することにより目的とするガラス製非球面レンズを得ることが可能となった。
【００３２】
（参考例２）ディスプレイデバイス用として利用される板ガラスは、実施例１と同様にリドロー成形されるガラスの一つであるが、その予備成形体は厚さ１０ｍｍ×幅１０００ｍｍの断面形状を有し、成形時に急冷すると熱衝撃により破損する場合があった。そのため、本件の冷却方法を採用することにより割れを防止することが可能になった。図１に本参考例の冷却方法をこの板ガラスの成形部に適用した場合についての説明用断面図を示す。充分均質化が終了した溶融ガラスＧがダウンドロー法により板状に成形されている。ここでは３ｍｍ×１０００ｍｍの長方形開口部を有するノズル１０を成形直後のガラス板の表裏面に対して直角方向に設置してある。ガラス成形時にノズルからは、３ｍ／秒の風速で１００℃から５０℃まで徐々に温度を下げた状態に加熱した空気を３秒サイクルにて５００回吹きつけることで割れの発生を防止することが可能になった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の冷却方法によれば、高温状態のガラス成形体の冷却速度を精密に調整することができるため、ガラス成形体中に不要な結晶物の析出を発生させることなく、また冷却時にガラス成形体に発生する歪みが著しく大きくなることでガラスの割れなどの問題を生じさせることもなく、高温状態のガラス成形体を急速に冷却することができ、良質なガラス製品を効率的に製造することを可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例２の高温ガラス成形体の冷却方法についての部分断面図。
【図１】
0004078634.tif 000002