JP4962969B2 - 高アスペクト比のガラス製品を製造するための製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、棒状、くさび状、針状など長さに対して幅が小さい、即ち高アスペクト比の形状のガラス製品を製造するための製造方法及び製造装置に関する。

近年、カメラ、携帯電話、光ディスクドライブなどの光学系を備えた機器においては、様々な形状の光学部品が使用されている。また、電子機器の小型軽量化の要求に伴い、光学部品の小型化、薄型化が要求されている。

光学系で使用されるガラス製品を製造する方法には、加熱して軟化させたガラス材料を所定の成形型に投入し、プレスによって成形型の形状をガラス材料に転写して製造する方法がある。このとき、ガラス材料と成形型との間に隙間（空気だまり）が生じ、プレスによってもこの隙間が残存して成形型の形状が正確に転写されたガラス製品を形成することができない問題があった。

この問題を解決するために、例えば下記特許文献１では、装置を真空チャンバ内に配置し、減圧して空気だまりを除去し、また、比較的低い温度で、成形型とガラスを等温状態にしてプレスすることで、転写性を向上させる方法を開示している。

また、下記特許文献２には、加熱炉（電気炉チャンバ）の底部に、上面が凹凸の成形面であり、各凹部に貫通孔（通気孔）を有する成形型を用い、この成形型に板ガラスを載せて加熱し、貫通孔を介して成形面上に負圧を生じることにより、板ガラスを成形面の凹凸形状に成形する方法が開示されている。

一方、特に高アスペクト比のガラス製品は、上記した成形型を用いたプレスによって製造することが困難であり、削り出しによって製造されている。
特開２００５−２５５５１３号公報 特開２００７−１３１４９９号公報

上記した特許文献１及び２では、バルクのガラスを成形型内で再加熱し軟化させる方法であるので、ガラスの流動性が悪く、せいぜい空気だまりを防止できる程度であり、高いアスペクト比を有するガラス製品を成型することはできない。

従って、本発明の目的は、高アスペクト比の形状のガラス製品を精度よく製造することができる成形型、製造装置及び製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るガラス製品の製造方法は、錐状のガラス製品の成形型内に溶融ガラスを投入するステップと、前記成形型内にある前記溶融ガラスと前記成形型の先端部分とによって密閉される空間を、ゲージ圧で−８０ｋＰａＧ以下に減圧して前記ガラス製品を成形するステップとを含み、前記溶融ガラスの粘度が１０ ^１ 〜１０ ^５ Ｐａ・ｓであり、前記ガラス製品の先端部の中心角が、前記先端部および錐の中心軸を含む断面において、前記先端部を挟む２辺の成す角度であり、前記中心角が４５度以下であり、前記ガラス製品が中実であることを特徴としている。

また、本発明に係るガラス製品の製造装置は、ガラス製品の先端部の中心角が、前記先端部および錐の中心軸を含む断面において、前記先端部を挟む２辺の成す角度であり、前記中心角が４５度以下であり、中実であるガラス製品の製造装置において、錐状のガラス製品の成形型と、前記成形型において、前記成形型内にある粘度が１０ ^１ 〜１０ ^５ Ｐａ・ｓである溶融ガラスと前記成形型の先端部分との間に密閉空間を作り出す排気部と、前記排気部に接続されて、前記密閉空間をゲージ圧で−８０ｋＰａＧ以下に減圧する減圧手段とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、先端部の角度が４５度以下の高アスペクト比のガラス製品を、成形型を用いて製造することができる。特に、先鋭な形状の型部分を正確にガラス製品に転写することができるので、針状のガラス製品を精度良く製造することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るガラス製品の製造装置の概略構成を示すブロック図である。本製造装置は、第１成形型１、第２成形型２、プレス装置３、真空ポンプ４、ヒータ５、及び温度測定部６を備えている。なお、図１において、第１成形型１および第２成形型２は、断面図を示している。

第１成形型１は、高アスペクト比のガラス製品を形成するための成形型（例えば、金型）であり、先鋭な部分を形成するための型部分に、貫通孔である排気部７を備えている。ヒータ５は第１成形型１の周囲に配置され、第１成形型１を過熱する。ヒータ５には、例えば電気的ヒータを用いることができる。温度測定部６は、第１成形型１の外壁に配置されており、測定装置（図示せず）に接続されて、第１成形型１の温度を測定する。温度測定部６には、例えば熱電対、温度センサなどを使用する。

プレス装置３は、棒状部材８を介して、第２成形型２に力を加え、第１成形型１内に投入された溶融ガラスＴに、長手方向から圧力を加える。真空ポンプ４は、排気部７に接続された排気管９を介して、第１成形型１内部の気体（空気）を排出し、第１成形型１内部を大気圧よりも低い気圧状態（以下、真空とも記す）にする。なお、排気管９はバルブ１０を備えており、第１成形型１内に溶融ガラスＴが投入されたとき、溶融ガラスＴと第１成形型１とによって密閉された空間が形成され、バルブ１０を開くことによって、密閉された空間内の気体（空気）が排出される。プレス装置３、真空ポンプ４には、公知の装置を使用すればよい。

ここで、製造対象とする高アスペクト比のガラス製品は、例えば図２に示すような形状をしている。図２はガラス製品の一部を示しており、先端部は、中心軸に垂直な断面の形状が四角錐である。本発明は、先端部の中心角θ（先端及び錐の中心軸を含む断面（図２中の下側の図参照）において、先端を挟む２辺の成す角度）の最小値が４５度以下のガラス製品を対象とする。なお、中心軸に垂直な断面の形状が楕円のように扁平な形状であってもよい。その場合には、扁平な形状の短軸方向を含む断面において、中心角θが４５度以下のガラス製品を対象とする。

次に、図３に示したフローチャートに従って、図１の製造装置を用いてガラス製品を製造する方法の一例を説明する。

ステップＳ１において、第１成形型１をヒータ５によって加熱する。そして、温度測定部６によって第１成形型１の温度計測と温度調整を繰り返し、第１成形型１の温度が約３８０〜５００℃になれば、ステップＳ２に移行する。このときの第１成形型１の温度は、ガラスの転移温度よりも低い温度であればよく、ガラス材料に応じて設定される。なお、ステップＳ１においては、第１成形型１を加熱するのと同時に、真空ポンプ４を作動させ、真空ポンプ４内の気圧を所定のタイミングで繰り返し測定し、−８０ｋＰａ以下の真空圧になっている状態を作る。

ステップＳ２において、予め溶融させた流動状態のガラスＴを、所定量第１成形型１の内部に投入する。ここで、投入する溶融ガラスＴは、粘度η（Ｐａ・ｓ）が、例えばη＝１０^１〜１０^５（Ｐａ・ｓ）である。このときのガラス温度は、使用する材料の種類に依存するが、例えば約１１００〜１３００℃である。

次にステップＳ３において、真空引きバルブ１０を開けて、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、プレス装置３を稼動させて、第２成形型２を介して溶融ガラスＴを約３〜２０秒間加圧する。プレスすることにより、溶融ガラスＴと第１成形型の先鋭な型部分との間に形成されていた密閉された空間である隙間Ｇが減圧されるので、溶融ガラスＴが流動して隙間Ｇを埋めることができる。即ち、溶融ガラスＴは、第１成形型１の先鋭な部分の型に沿って、第１成形型１の先端部分に隙間無く充填されることができる。また、プレスする目的として、角錐などの形状の場合にエッジ（角）の形状の転写性を向上させたり、金型表面の硝子表面への転写性向上の効果をもたらす。

最後に、ステップＳ５において、ステップＳ１〜Ｓ４の処理が完了すれば、ヒータ５をオフし、バルブ１０を閉め、真空ポンプ４を停止する。以上の処理の後、溶融ガラスＴが冷却すれば、第１成形型１の先鋭な型が正確に転写された、高アスペクト比のガラス製品が完成する。

以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、図１の第１成形型１では、先鋭な部分から真直ぐに排気部７が形成されているが、先鋭な部分の先端またはその近傍に排気部の一端が位置すればよい。例えば、図４に示したように、排気部７ａがＬ字状に屈曲していてもよい。

排気部の太さは、形成すべき先鋭部分の形状に応じて設計することが望ましい。即ち、形成すべき先鋭部分の先端の太さと同程度またはそれ以下の太さに設計することが望ましい。

また、排気部は１本に限らず、複数本の排気部を形成してもよい。例えば、図５に示したような、先端部が幅を有するくさび状のガラス製品を形成する場合、くさびの幅方向に複数の排気部７ｂを形成してもよい。つまり、密閉空間内の空気を排気することができればよい。図５の（ａ）、（ｂ）は、互いに直交する平面における、第１成形型１ｂの縦断面図である。

また、溶融ガラス材料Ｔを加圧する手段は、図１に示したように棒状部材８を介して直接成形型（第２成形型２）に力を加える代わりに、成形型（第２成形型２）を使用せずにエアー圧縮を用いてもよい。

また、第１プレス及び第２プレスを行う時間は上記した時間に限定されず、使用する溶融ガラスＴの組成、温度及び粘度や、成形型の先鋭部の形状などを考慮して、適切に設定すればよい。

以下に実施例を示し、本発明の有効性をさらに説明する。図１に示した製造装置を用い、複数の実験条件を設定して図３に示したフローチャートと同じ方法で、高アスペクト比のガラスを製造した。

成形型には四角錐状の先鋭なガラス製品を製造するための金型を使用した。目標のガラス製品は、全長が約３０ｍｍ、最大幅が約１０ｍｍ、先端の角度は約１５度であり、先端部分の幅が約０．１ｍｍである。溶融状態のガラス温度、金型設定温度、プレス圧、真空圧がそれぞれ異なる条件で、９種類の実験を行なった。その結果を表１に示す。

表１において真空圧は、ゲージ圧（絶対圧力と大気圧との差であり、大気圧を０とする）である。

表１の右端列に示すように、ＮＯ．２以外の条件において、成形型の先鋭な部分の形状が良好に転写されたガラス製品を製造することができた（図６、図７参照）。即ち、真空引きを行なわなかった場合には先鋭な先端が形成されなかったが、真空引きを行なった場合には先鋭な先端が形成された。

本発明の実施の形態に係るガラス製品の製造装置の概略構成を示すブロック図である。 高アスペクト比のガラス製品の一例を示す斜視図（上側の図）及び断面図（下側の図）である。 本発明の実施の形態に係るガラス製品の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る別の成形型の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る別の成形型の例を示す断面図であり、（ａ）及び（ｂ）は互いに直交する平面の断面図である。 先鋭な先端が形成されなかったガラス製品を示す写真である。 先鋭な先端が形成されたガラス製品を示す写真である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 第１成形型
２ 第２成形型
３ プレス装置
４ 真空ポンプ
５ ヒータ
６ 温度測定部
７、７ａ、７ｂ 排気部
８ 棒状部材
９ 排気管
１０ バルブ
Ｔ 溶融ガラス
Ｇ 隙間

Claims (2)

1. 錐状のガラス製品の成形型内に溶融ガラスを投入するステップと、
   前記成形型内にある前記溶融ガラスと前記成形型の先端部分とによって密閉される空間を、ゲージ圧で−８０ｋＰａＧ以下に減圧して前記ガラス製品を成形するステップとを含み、
   前記溶融ガラスの粘度が１０ ^１ 〜１０ ^５ Ｐａ・ｓであり、
   前記ガラス製品の先端部の中心角が、前記先端部および錐の中心軸を含む断面において、前記先端部を挟む２辺の成す角度であり、前記中心角が４５度以下であり、前記ガラス製品が中実であることを特徴とするガラス製品の製造方法。
2. ガラス製品の先端部の中心角が、前記先端部および錐の中心軸を含む断面において、前記先端部を挟む２辺の成す角度であり、前記中心角が４５度以下であり、中実であるガラス製品の製造装置において、
   錐状のガラス製品の成形型と、
   前記成形型において、前記成形型内にある粘度が１０ ^１ 〜１０ ^５ Ｐａ・ｓである溶融ガラスと前記成形型の先端部分との間に密閉空間を作り出す排気部と、
   前記排気部に接続されて、前記密閉空間をゲージ圧で−８０ｋＰａＧ以下に減圧する減圧手段とを備えることを特徴とするガラス製品の製造装置。