球状体製造装置および球状体の製造方法
【課題】溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造すること。
【解決手段】溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、前記流路が一つ以上の屈曲部を有する製造装置であり、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍであることによって、溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造できる。
【解決手段】溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、前記流路が一つ以上の屈曲部を有する製造装置であり、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍであることによって、溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状体の製造方法および球状体の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＶＤ、ＣＤ、光磁気ディスク等の光ピックアップレンズ、カメラ付携帯電話用レンズ、光通信用レンズや光学機器等に用いられるレンズ等は、球状のプリフォームから成形されることが多くなり、用途に応じて大小様々な直径を有する球状のガラスを製造する技術が急速に求められている。
【０００３】
また、半導体装置等で行われるマイクロソルダリング用のはんだボール、熱間静水圧プレス成形等による焼結合金製造用の金属粉、マイクロマシン等に用いられる微細ボールベアリング用のボール、ハロゲン化金属ランプ用の封入発光粒子、スクリーン印刷や浸漬塗布、その他の一般塗布機用のペースト、クリームあるいはペイントに用いられる粉体等、非常に多くの分野で狭い粒度分布と高い真球度が要求される微細金属球のニーズが高まっている。
【０００４】
このような微細な球状体の製造方法として、例えば、特許文献１には、保持容器内に保持した溶融ガラスを、振動を付与しながら保持容器の一部に設けたオリフィスにより気相中に排出してガラス液滴を形成し、ガラス液滴を気相中または液相中を落下させながら凝固する球体ガラスの製造技術が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載の製造方法は、保持容器内の溶融ガラスに振動を付与することにより、排出口から連続する柱状のガラス流の側面において、柱状のガラス流の断面半径を小さくするように、振動に連動する窪みを形成し、窪みを形成した柱状のガラス流は、落下速度の増加にしたがって振動により形成を制御された窪み部分で分断され、体積の制御された液滴を形成する。
【０００６】
このような方法で球状体の質量を一定にするためには、ノズルからの溶融物の単位時間あたりの流出量をある値以上とし、かつその値を一定にする必要がある。そのためにはノズル先端の溶融物に作用する圧力（本明細書ではヘッド圧という）を一定以上確保することが求められる。特許文献１では溶融物の保持容器内部を加圧することにより一定以上のヘッド圧を得て、さらに加圧を制御することにより溶融物の流量を制御している。しかしながら、高温の保持容器に加圧装置を設置することは装置の複雑化を招き、設備コストも高くなる。
【特許文献１】特開２００３−１０４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の問題を解決するため、株式会社オハラの開発者は溶融物の保持容器から流路先端部までの溶融物の流路の垂直距離を長くすることにより一定以上のヘッド圧を得て、溶融物の単位時間あたりの流出量の制御は流路内の溶融物の粘度を制御することにより行うとするという手段を試みた。この時、流路に使用する、例えば白金等の高価な材料の使用量を少なくするために、また流路中での圧力損失を出来るだけ少なくするために流路を直線状とした。この態様は加圧装置等の煩雑の設備が必要でないという点および流路に使用する材料コストの点で有利である。
【０００８】
一方で、株式会社オハラの開発者は流路の先端部を溶融物流出方向に振動させることによって、溶融物を一定の質量で正確に分断することも見いだしている。しかし鉛直方向に伸びる直線状の流路を上下方向に振動させるために加振器を接続しても、加振器から発生する振動が効率的に流路の先端部に伝わらず、振動の効果を充分に得られない場合があるという新たな問題が生じた。
【０００９】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、加振器の振動を効果的に流路へ伝達させることにより、ガラス流を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造する球状体製造装置およびこの製造方法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】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、流路に少なくとも一つの屈曲部を設け、その屈曲部形状を特定の形状とすることで、加振器による振動を効果的に流路に伝達させることができ、溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１１】
（１） 溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、前記流路が一つ以上の屈曲部を有し、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍである球状体製造装置。
【００１２】
なお、屈曲部の曲率半径は、流路の中心から測定したものであり、本明細書において、「流路の中心」とは、流路における溶融物の流出方向に垂直な断面の重心を結ぶ線のことをいう。
【００１３】
また、「屈曲部の曲率半径の最小値」とは流路全体にわたって、流路の中心上の点Ｐを移動させた時、点Ｐにおける曲率半径の最小値を意味する。
【００１４】
本明細書において流路とは、保持容器と溶融物の流出部とを結ぶいわゆるパイプ、およびパイプの先端に接続され流出部を形成するいわゆるノズルやオリフィスを含むものである。
【００１５】
（２） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである（１）に記載の球状体製造装置。
【００１６】
（３） 前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である（１）または（２）に記載の球状体製造装置。
【００１７】
（４） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に、前記加振器が接続される（１）から（３）のいずれかに記載の球状体製造装置。
【００１８】
（５） 溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体の製造方法であって、溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に
流出させる工程と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路を加振器によって振動させる工程を有し、前記流路に一つ以上の屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとする球状体の製造方法。
【００１９】
（６） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである（５）に記載の球状体の製造方法。
【００２０】
（７） 前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である（５）または（６）に記載の球状体の製造方法。
【００２１】
（８） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に前記加振器を接続し、前記流路を振動させる（５）に記載の球状体の製造方法。
【００２２】
（９） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記加振器の振動周波数は１〜５００Ｈｚである（５）から（８）のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【００２３】
（１０） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記流路の先端から１０ｍｍ上部の位置の溶融物落下方向の振幅が０．１〜１０００μｍである（５）から（９）のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、流路にある特定範囲の曲率半径を有する少なくとも一つの屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を特定の範囲とすることにより加振器による振動を効果的に流路に伝達させることができるようになった。このため、溶融物流を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を効果的に得ることができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の球状体製造装置は、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が溶融物の落下方向と平行になるように、流路に接続されている加振器とを有し、流路が一つ以上の屈曲部を有し、屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の球状体の製造方法は、溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に流出させる工程と、振動方向が溶融物の落下方向と平行になるように、流路を加振器によって振動させる工程を有し、流路に一つ以上の屈曲部を設け、屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとすることを特徴とする。
【００２７】
以下、本発明の球状体製造装置および球状体の製造方法の実施形態について図面を用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。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の趣旨を限定するものではない。
【００２８】
［球状体製造装置］
本発明の球状体製造装置１は、図１に示したように球状体製造装置１を使用して球状体を製造する。球状体製造装置１は、ガラスや金属、樹脂等からなる溶融物Ａを保持する保持容器１１と、保持容器１１を加熱し、保持容器１１を接続（支持）する炉体１２を備える。また、保持容器１１の下部には、溶融物Ａを流出させるための少なくとも一つの屈曲部１３１を備えた流路１３が接続されており、溶融物Ａは、保持容器１１から流路１３を経て、流路１３の一部であるノズル１４から柱状またはほぼ柱状に流出される。流路１３には、加振器１７が接続されており、ノズル１４から流出する溶融物Ａに規則正しいくびれを生じさせる。流出された溶融物Ａは、空中を落下し、落下している間に表面張力により、加振器１７によって生じたくびれから分離し、球状に形成される。成形された溶融物Ａは、必要に応じて軌道を変更させる軌道変更手段（図示せず）により軌道を変更させられ、回収手段１６中の溶媒１６１中に落下する。
【００２９】
溶融物Ａは、球状体を製造したいものであれば特に限定されず、樹脂、溶融ガラス、シリコン、溶融金属等であってもよいが、本発明は特に溶融ガラスに適している。
【００３０】
保持容器１１は、保持容器１１内の溶融物Ａを攪拌するための攪拌機１１１と、加熱装置（図示せず）とを備えていてもよい。保持容器１１は、溶融物Ａを保持できればよく、例えば、耐火物容器、金坩堝、白金坩堝、白金合金坩堝、イリジウム坩堝等公知の保持容器を使用することができる。他の溶融手段によって原料を溶融し溶融物Ａとしたものを保持容器１１に移し替えてもよいし、保持容器１１中で原料を溶融してもよい。
【００３１】
保持容器１１は、例えば、溶融物Ａが溶融ガラスの場合、ガラスを溶融、清澄することができるとともに、例えばヒータ（図示せず）等周知のものを使用して、溶融物Ａの温度を所定の温度に保つことができるようにしてもよい。また、攪拌機１１１は、水平方向に回転して攪拌翼（図示せず）により溶融物Ａを攪拌して均質化するが、必要に応じて省略してもよい。
【００３２】
また、保持容器１１は、原料投入口（図示せず）が設けられていてもよい。原料投入口が閉じられた場合は密閉状態となるような構造をとるようにしてもよい。
【００３３】
保持容器１１の周囲を覆う耐火レンガ等の耐熱材からなる炉体１２は、保持容器１１の温度に耐えることができれば、材質等特に限定されない。なお、炉体１２および／または保持容器１１の下部に振動抑制手段（図示せず）を設けてもよい。振動抑制手段を設けることにより、外乱による振動を抑制することができ、球状体の質量を精度よく調整することができる。
【００３４】
流路１３は、保持容器１１と接続されており、流路１３の一部であるノズル１４へ溶融物Ａを流出させる。本発明では、例えば図１〜図５に示すように流路１３には少なくとも一つの屈曲部１３１が設けられている。屈曲部１３１を設けることで、加振器１７の振動を効果的に流路１３の先端部（ノズル１４）へ伝達させることができる。なお、流路１３の材質等は特に限定されないが、溶融物Ａが溶融ガラスである場合、流路１３の材質はガラスに対して化学的に安定している点、耐熱温度が高い点で、白金または白金合金が好ましい。
【００３５】
屈曲部１３１は、流路１３内に少なくとも一つ設けられていればよく、流路１３内に設けられていれば位置等は特に限定されない。また、屈曲部１３１の形状は、例えば、図１、図２、図４および図５に示した弓形であってもよく、図３に示したように螺旋状であってもよい。
【００３６】
屈曲部１３１の曲率半径は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、前記屈曲部１３１の曲率半径の最小値、すなわち流路１３全体にわたって、流路の中心上の点Ｐを移動させた時、点Ｐにおける曲率半径が最小となる位置の曲率半径が１０ｍｍ以上８００ｍｍ以下であることが好ましい。曲率半径の最小値が１０ｍｍ未満であると、加振器１７によって流路１３に振動を付与した場合、流路１３の一部に応力が集中し、金属疲労等の原因となる。このため、最小値の下限が１０ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上であることがより好ましく、４０ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、曲率半径の最小値が８００ｍｍを超えると、振動しても屈曲部１３１がたわみにくく、効率的に振動を伝達させることができなくなる。この状態で振動させようとすると、流路長を長くしなければならず、重量が大きくなり、加振器１７の負担が増大するとともにコストがかかる。このため、最小値の上限が８００ｍｍ以下であることが好ましく、６００ｍｍ以下であることが好ましく、５００ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００３７】
流路１３の外径は、保持容器１１に接続されている箇所からノズル１４付近まで同一であってもよいが、加振器１７による振動を効率的に伝達させるために屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置の外径を小さくすることが好ましい。
【００３８】
曲率半径が最小となる位置の屈曲部１３１の流路１３の外径は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、流路１３の外径は２〜１００ｍｍであることが好ましい。外径が２ｍｍ未満であると、所望とする流量が得難く、所望の大きさの球状体を得ることが困難になる。また、流路１３の強度も得難く、流路１３の製作が困難となる場合がある。このため、外径の下限が２ｍｍ以上であることが好ましく、２．５ｍｍ以上であることがより好ましく、３ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、外径が１００ｍｍを超えると、流路１３がたわみにくくなり、加振器１７の振動が効果的に流路へ伝達され難く、加振器１７の負担が増大しやすい。また、所望の流量を超えた流量となりやすく、所望の大きさの球状体を得ることができ難くなる。このため、流路１３の外径の上限が１００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００３９】
また、流路１３の肉厚は、保持容器１１に接続されている箇所からノズル１４付近まで同一であってもよいが、加振器１７による振動を効率的に伝達させるために屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置の肉厚を小さくすることが好ましい。
【００４０】
曲率半径が最小となる位置の屈曲部１３１の肉厚は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、０．５〜１０ｍｍであることが好ましい。肉厚が０．５ｍｍ未満であると、加振器１７の振動により、流路１３が破損しやすくなる。このため、肉厚の下限は０．５ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましく、０．７ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、肉厚が１０ｍｍを超えると、加振器１７の振動を効率的に伝達させにくくなる。このため、肉厚の上限は、１０ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、６ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００４１】
屈曲部１３１の曲率半径の最小値をＤ１（ｍｍ）とし、屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置での外径をＤ２（ｍｍ）とした場合、Ｄ１／Ｄ２が２以上となるように曲率半径および外径を調整することが好ましい。Ｄ１／Ｄ２が２未満であると、流路１３の径に対して曲率半径が小さくなり、溶融物Ａが淀みなく流れる流路１３の作製が困難となりやすい。このため、Ｄ１／Ｄ２の下限は２以上となるように曲率半径および外径を調整することが好ましく、５以上となるようにすることがより好ましく、７以上となるようにすることが最も好ましい。
【００４２】
流路１３の一部であるノズル１４は、流路１３内の溶融物Ａの流路とノズル１４内の流路とは連通している。ノズル１４は、先端に向かうにつれて細くなる円錐状となっていると外径の小さい球状体を成形しやすくなるため好ましい。
【００４３】
また、流路１３には、ヒータ（図示せず）が設けられていてもよく、流路１３の先端から流出される溶融物Ａの温度を制御できるようになっている。または流路１３に直接通電することにより溶融物Ａの温度を制御してもよい。また、直径０．８〜５ｍｍ程度の球状体を得やすくするためにはノズル１４はその先端の内径が例えば０．１〜５．０ｍｍであることが好ましく、ノズル１４の先端の内径を必要に応じて適宜変更し、併せて流路１３の温度を制御することにより、溶融物Ａの流量、流速の調整と、連続流が液滴状に変化した球状体の粒径（質量）を変更することができるようになっている。
【００４４】
加振器１７は、流路１３にロッド等を介して接続されており、前記ロッド等により振動を流路１３に伝達させる。加振器１７による振動は、球状体の質量または形状を一定にしやすくするために、流路の流出部（ノズル１４の先端部）が溶融物の落下方向に振動するように振動させることが好ましい。すなわち、流路１３の流出部（ノズル１４の先端部）が、溶融物Ａが放出される直線（垂直）方向に振動するよう振動させることが好ましい。例えば、溶融物Ａを鉛直方向下向きに落下させる場合、流路１３を鉛直方向に上下に振動させればよい。
【００４５】
加振器１７を流路１３に接続する位置は、屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置と流路１３の先端部（ノズル１４の先端）との間（曲率半径が最小となる位置より下流側）に加振器１７を接続することが好ましい。このように加振器１７を接続することによって加振器１７の振動を効果的に流路の流出部（ノズル１４の先端部）へ伝達させやすくなる。なお、加振器１７をノズル１４に接続しても所望の効果が得られる。
【００４６】
加振器１７による振動周波数（加振周波数）は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、１〜５００Ｈｚであることが好ましい。加振器１７による振動周波数が１Ｈｚ未満であると、流路１３に十分な振動を伝達しにくくなり、一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。このため、振動周波数の下限は１Ｈｚ以上であることが好ましく、５Ｈｚ以上であることがより好ましく、１０Ｈｚ以上であることが最も好ましい。一方、加振器１７による振動周波数が５００Ｈｚを超えると溶融物Ａの粘度によっては一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。このため、振動周波数の上限は５００Ｈｚ以下であることが好ましく、２５０Ｈｚ以下であることがより好ましく、２００Ｈｚ以下であることが最も好ましい。
【００４７】
本発明は、広範囲の直径の球状体の製造において上述したような効果を有するものであり、特に球状体の直径が数ｍｍ程度、さらに好ましくは４ｍｍ以下の微細な球状体を製造する際に顕著な効果を有する。
【００４８】
また、流路１３の振幅は、０．１〜１０００μｍであることが好ましい。振幅の下限が０．１μｍ未満であると、振幅が小さく一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の下限が０．１μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であるとより好ましく、１００μｍ以上であると最も好ましい。また、振幅の上限が１０００μｍを超えると、流路１３や加振器１７の負担が大きくなり、振動を発生させることが困難となりやすい。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の上限は１０００μｍ以下であることが好ましく、９００μｍ以下がより好ましく、８００μｍが最も好ましい。なお、前記振幅は流路１３の流出部（ノズル１４の先端部）から１０ｍｍ上部（ノズル１４が鉛直方向に設置されていない場合は１０ｍｍ上流側）の位置を基準とする。測定は、振動計測装置を用いて行う。具体的には、例えばＩＭＶ社製 Ｃａｒｄ Ｖｉｂｒｏ Ｎｅｏ ＶＭ−２００４Ｎｅｏを使用することができる。
【００４９】
加振器１７の振幅（入力振幅）は下限が０．１μｍ未満であると、流路１３が十分に振動せず、一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには加振器１７の振幅の下限が０．１μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であるとより好ましく、１００μｍ以上であると最も好ましい。また、加振器１７の振幅の上限が１５００μｍを超えると、流路１３や加振器１７の負担が大きくなり、振動を発生させることが困難となりやすい。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の上限は１５００μｍ以下であることが好ましく、１２００μｍ以下がより好ましく、１０００μｍが最も好ましい。
【００５０】
落下距離Ｈ（流路１３（ノズル１４）の先端から回収手段１６中の溶媒１６１の最上面の距離）は、溶融物Ａを球状体に変化させることができる距離であれば特に限定されず、溶融物Ａの組成等に応じて適宜変更できるが、０．１〜１００ｍであることが好ましい。溶融物Ａを落下させる距離の下限が０．１ｍ以上であれば、ノズル１４から流出した溶融物Ａが落下するまでの間に、表面張力によって球状体となりやすい。上述したような効果をより得やすくするためには、溶融物Ａを落下させる距離の下限は、１ｍ以上がより好ましく、５ｍ以上が最も好ましい。また、溶融物を落下させる距離としては、１００ｍ以上でもかまわないが、設備費用が増大するだけとなるので、溶融物Ａを落下させる距離の上限は１００ｍ以下が好ましく、５０ｍ以下がより好ましく、３５ｍ以下が最も好ましい。
【００５１】
なお、必要に応じて、溶融物Ａが落下する途中に軌道変更手段（図示せず）を設けて溶融物Ａの落下軌道を変更させるようにしてもよい。軌道変更手段を設けることにより、複数の溶融物Ａか重なったりすることを防止することができる。軌道変更手段は、落下している溶融物Ａにエアーを吹き付けて溶融物Ａの軌道を変更させるもの等公知の種々の軌道変更手段を使用することができ、これらは単独で使用してもよいが複数組み合わせて使用してもよい。
【００５２】
回収手段１６は必要に応じて備えられる。回収手段１６内は、溶媒１６１が満たされている。回収手段１６は、溶媒１６１内に球状に形成された溶融物Ａを落下させることにより、回収時に溶融物Ａに加わる衝撃を吸収するとともに球状に形成された溶融物Ａを冷却して球状体として回収する。
【００５３】
また、回収手段１６内に回収される球状体の温度と溶媒１６１との温度差を減少させて温度差による影響を少なくするために加熱装置（図示せず）を設けて、回収手段１６内の溶媒１６１を加熱するようにしてもよい。
【００５４】
回収手段１６中の溶媒１６１は、球状体と反応せず、落下した溶融物Ａを冷却することができれば、種類等は特に限定されず、例えば、水、アルコール類、油等公知の種々の溶媒を使用することができる。これらは単独で使用してもよく、複数組み合わせて使用してもよい。なお溶媒１６１の代わりにスポンジ等の緩衝材を使用してもよい。
【００５５】
なお、回収手段１６中の溶媒１６１は、溶融物Ａが放熱することによって低温の球状体を回収できることから、水またはアルコール類を用いることが好ましい。極めて低コストで、安全で取り扱いが非常に容易であり、環境負荷が小さいという観点からは水が好ましく、回収した球状体を洗浄することなく乾燥させ、あるいは、簡単に洗浄して乾燥させ、プリフォーム材またはレンズ等の光学素子として使用できる観点からはアルコール類を用いることが好ましい。また、球状体製造装置１全体の高さ等の制約から、落下距離を短くして比較的高温の球状体を回収しなければならない場合は、溶媒１６１はその沸点までしか加温できないので、落下する溶融物Ａとの温度差を小さくするために、沸点の比較的高い溶媒で、取り扱いおよび回収後の洗浄が容易な溶媒を用いてもよい。
【００５６】
［球状体の製造方法］
本発明の球状体の製造方法は、図１に示したように球状体製造装置１を使用して球状体を製造する。
【００５７】
まず、出発材料である溶融物は周知の方法で調整され、清澄、攪拌によって均質化され、保持容器１１内に蓄積されている。白金製の保持容器１１の底部には流路１３が接続されており、溶融物Ａはその流路１３の中を通り流路１３の一部であるノズル１４へと達する。
【００５８】
保持容器１１および流路１３は、内部の溶融物Ａの温度を適正に保つために温度制御されており、一定流量の溶融物Ａが流路１３から流出する。
【００５９】
加振器１７により流路１３を溶融物Ａの落下方向と平行となるように振動させながら、ノズル１４から溶融物Ａを流出し、回収手段１６に向けて落下させる。流路１３の振動により溶融物Ａにくびれを生じさせ、溶融物Ａを落下させながら、重力と表面張力により、一定重量の溶融物滴に分離させ溶融物Ａを球状体にする。
【００６０】
上記一定重量の溶融物の分離方法としては、流路１３の温度を制御することにより、溶融物Ａの粘性を制御して、溶融物Ａの粘性の変化に伴って流速および流量も変化させ、溶融物Ａをノズル１４から連続流として流出させ、この連続流から一列に滴下する液滴状の溶融物塊に変化させてもよい。
【００６１】
流路１３（ノズル１４）より落下した溶融物Ａは、回収手段１６中の溶媒１６１に球状に形成された溶融物Ａを落下させることにより、溶媒１６１により衝撃を吸収するとともに球状に形成された溶融物Ａを冷却して球状体として回収する。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６３】
［ガラス球の形成への使用］
白金製の坩堝からなり、炉体で覆われている保持容器内に重ランタン・フリントガラス（株式会社オハラ製Ｌ−ＬＡＨ５３）を投入し、ガラス溶融物を調整、貯蔵した。
【００６４】
ノズルの下方約２５ｍの位置に液槽を配置するとともに、液槽内に水を入れた。この状態で、上記ガラス１０ｋｇを白金製ルツボに投入し、加熱溶融した。
【００６５】
加熱溶融後の炉温を１０５０℃とし、白金パイプ後端部（ルツボ接続部）の温度を１０５０℃とし、白金パイプ先端部の温度を１１００℃とし、ノズルの先端部の温度を１１５０℃に保持した。また、上記状態でのノズルからのガラス溶融物Ａの流出量（流量）は、１．５ｋｇ/ｈｒ〜１．６ｋｇ／ｈｒであった。
【００６６】
流路にロッドを介してノズルの先端部から６０ｍｍ上方に接続されている加振器（ＳＬ−０５０５ （有）旭製作所）により、流路をガラス溶融物Ａの落下方向（鉛直方向）に１００Ｈｚで振動させながら、ノズルからガラス溶融物Ａを滴下し、２５ｍ落下させた。なお、流路は、図１および図２に示したような形状で、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【００６７】
以上のような条件でノズルから流出したガラス溶融物Ａは、ノズル先端から約１０ｍｍ下方まで連続流として流下し、それより下方においては、一列に連続して並んだ液滴状のガラス塊に変化し、ガラス塊として落下した。そして、上記ガラス塊は、さらに液槽内に落下し、液槽内の水により、衝撃を吸収されるとともに冷却され、液槽内に回収された。液槽から回収したガラス塊を洗浄し、ガラスからなる微小な球状体を得た。本実施例においては、形状精度および質量精度のよいガラスが取得することができた。
【００６８】
また、加振器による振動周波数を３０〜２００Ｈｚの間で適宜調整し、入力振幅（加振器の振幅）を変更しながら、流路の振幅を測定した。なお、流路の振幅の測定は、流路の一部であるノズルの先端から１０ｍｍ上部にて振動検出器を取り付けて行った。結果（流路の振幅）を表１に示す。なお、実施例での振幅の単位は全てμｍである。
【００６９】
比較例として、屈曲部を有さない直線状の流路を用いた以外は実施例１と同様の方法で流路の振幅を測定した。結果を表１に示す。なお、比較例での振幅の単位は全てμｍである。
【００７０】
【表１】
【００７１】
表１より、実施例および比較例の流路に加振器にて同一の振動周波数を伝達させた場合、実施例が比較例に比べて振幅が大きくなっていることがわかる。すなわち、流路に屈曲部を少なくとも一つ有し、屈曲部の形状を特定のものとすることにより、加振器の振動を流路に効果的に伝達することができることがわかる。このため、実施例では、ガラス溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高いガラス球を製造することができる。
【００７２】
［半導体球の形成への使用］
溶融坩堝（保持容器）内にシリコン１００ｇを入れ、溶解坩堝においてシリコン溶解温度である１４２０℃で溶解した。シリコンのメルトダウンが完了したところで、溶融ルツボ内にアルゴンまたはヘリウムにより圧力をかけ、流路にロッドを介してノズルの先端部から６０ｍｍ上方に加振器（ＳＬ−０５０５ （有）旭製作所）を接続し、流路を溶融物Ａの落下方向（鉛直方向）に１００Ｈｚ、振幅１５０μｍで振動させながら、ノズルからシリコンを滴下し、ノズルの先端部から２５ｍ下に設けられた回収容器の冷却油内で冷却してシリコン球状体を作製した。本実施例においては溶融シリコンの形状、重量が略一定であり、精度のよいシリコン球が得ることができた。なお、流路は、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【００７３】
［金属球の形成への使用］
坩堝内に５Ｋｇの無酸素銅を原料として仕込み、流路を塞ぎながら、アルゴン雰囲気中で坩堝内の加熱を開始して銅を溶融した。坩堝内の温度が１１５０℃になるように高周波誘導加熱器を設定した。流路に取り付けられたカーボンリングは、高周波誘導加熱器からの高周波を受けて加熱した。坩堝内に仕込んだ銅が完全に溶融した後に、を開けた。流路に接続した加振器を５００Ｈｚで振動させるとともに、坩堝内の圧力が０．０３ＭＰａになるようにアルゴンガスを注入して溶融物の噴出を開始した。流路の一部であるノズルから噴出した液滴は、焼き入れ油で冷却して凝固させ、その後に回収して脱脂洗浄して乾燥し、銅球状体を得ることができた。なお、流路は、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の球状体製造装置の断面図である。
【図２】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図３】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図４】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図５】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 球状体製造装置
１１ 保持容器
１１１ 攪拌機
１２ 炉体
１３ 流路
１３１ 屈曲部
１４ ノズル
１６ 回収手段
１６１ 溶媒
１７ 加振器
Ａ 溶融物
Ｈ 落下距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状体の製造方法および球状体の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＶＤ、ＣＤ、光磁気ディスク等の光ピックアップレンズ、カメラ付携帯電話用レンズ、光通信用レンズや光学機器等に用いられるレンズ等は、球状のプリフォームから成形されることが多くなり、用途に応じて大小様々な直径を有する球状のガラスを製造する技術が急速に求められている。
【０００３】
また、半導体装置等で行われるマイクロソルダリング用のはんだボール、熱間静水圧プレス成形等による焼結合金製造用の金属粉、マイクロマシン等に用いられる微細ボールベアリング用のボール、ハロゲン化金属ランプ用の封入発光粒子、スクリーン印刷や浸漬塗布、その他の一般塗布機用のペースト、クリームあるいはペイントに用いられる粉体等、非常に多くの分野で狭い粒度分布と高い真球度が要求される微細金属球のニーズが高まっている。
【０００４】
このような微細な球状体の製造方法として、例えば、特許文献１には、保持容器内に保持した溶融ガラスを、振動を付与しながら保持容器の一部に設けたオリフィスにより気相中に排出してガラス液滴を形成し、ガラス液滴を気相中または液相中を落下させながら凝固する球体ガラスの製造技術が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載の製造方法は、保持容器内の溶融ガラスに振動を付与することにより、排出口から連続する柱状のガラス流の側面において、柱状のガラス流の断面半径を小さくするように、振動に連動する窪みを形成し、窪みを形成した柱状のガラス流は、落下速度の増加にしたがって振動により形成を制御された窪み部分で分断され、体積の制御された液滴を形成する。
【０００６】
このような方法で球状体の質量を一定にするためには、ノズルからの溶融物の単位時間あたりの流出量をある値以上とし、かつその値を一定にする必要がある。そのためにはノズル先端の溶融物に作用する圧力（本明細書ではヘッド圧という）を一定以上確保することが求められる。特許文献１では溶融物の保持容器内部を加圧することにより一定以上のヘッド圧を得て、さらに加圧を制御することにより溶融物の流量を制御している。しかしながら、高温の保持容器に加圧装置を設置することは装置の複雑化を招き、設備コストも高くなる。
【特許文献１】特開２００３−１０４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の問題を解決するため、株式会社オハラの開発者は溶融物の保持容器から流路先端部までの溶融物の流路の垂直距離を長くすることにより一定以上のヘッド圧を得て、溶融物の単位時間あたりの流出量の制御は流路内の溶融物の粘度を制御することにより行うとするという手段を試みた。この時、流路に使用する、例えば白金等の高価な材料の使用量を少なくするために、また流路中での圧力損失を出来るだけ少なくするために流路を直線状とした。この態様は加圧装置等の煩雑の設備が必要でないという点および流路に使用する材料コストの点で有利である。
【０００８】
一方で、株式会社オハラの開発者は流路の先端部を溶融物流出方向に振動させることによって、溶融物を一定の質量で正確に分断することも見いだしている。しかし鉛直方向に伸びる直線状の流路を上下方向に振動させるために加振器を接続しても、加振器から発生する振動が効率的に流路の先端部に伝わらず、振動の効果を充分に得られない場合があるという新たな問題が生じた。
【０００９】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、加振器の振動を効果的に流路へ伝達させることにより、ガラス流を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造する球状体製造装置およびこの製造方法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】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、流路に少なくとも一つの屈曲部を設け、その屈曲部形状を特定の形状とすることで、加振器による振動を効果的に流路に伝達させることができ、溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１１】
（１） 溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、前記流路が一つ以上の屈曲部を有し、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍである球状体製造装置。
【００１２】
なお、屈曲部の曲率半径は、流路の中心から測定したものであり、本明細書において、「流路の中心」とは、流路における溶融物の流出方向に垂直な断面の重心を結ぶ線のことをいう。
【００１３】
また、「屈曲部の曲率半径の最小値」とは流路全体にわたって、流路の中心上の点Ｐを移動させた時、点Ｐにおける曲率半径の最小値を意味する。
【００１４】
本明細書において流路とは、保持容器と溶融物の流出部とを結ぶいわゆるパイプ、およびパイプの先端に接続され流出部を形成するいわゆるノズルやオリフィスを含むものである。
【００１５】
（２） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである（１）に記載の球状体製造装置。
【００１６】
（３） 前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である（１）または（２）に記載の球状体製造装置。
【００１７】
（４） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に、前記加振器が接続される（１）から（３）のいずれかに記載の球状体製造装置。
【００１８】
（５） 溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体の製造方法であって、溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に
流出させる工程と、振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路を加振器によって振動させる工程を有し、前記流路に一つ以上の屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとする球状体の製造方法。
【００１９】
（６） 前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである（５）に記載の球状体の製造方法。
【００２０】
（７） 前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である（５）または（６）に記載の球状体の製造方法。
【００２１】
（８） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に前記加振器を接続し、前記流路を振動させる（５）に記載の球状体の製造方法。
【００２２】
（９） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記加振器の振動周波数は１〜５００Ｈｚである（５）から（８）のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【００２３】
（１０） 前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記流路の先端から１０ｍｍ上部の位置の溶融物落下方向の振幅が０．１〜１０００μｍである（５）から（９）のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、流路にある特定範囲の曲率半径を有する少なくとも一つの屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を特定の範囲とすることにより加振器による振動を効果的に流路に伝達させることができるようになった。このため、溶融物流を均一重量で分断し、重量や形状精度の高い球状体を効果的に得ることができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の球状体製造装置は、溶融物を保持する保持容器と、前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、振動方向が溶融物の落下方向と平行になるように、流路に接続されている加振器とを有し、流路が一つ以上の屈曲部を有し、屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の球状体の製造方法は、溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に流出させる工程と、振動方向が溶融物の落下方向と平行になるように、流路を加振器によって振動させる工程を有し、流路に一つ以上の屈曲部を設け、屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとすることを特徴とする。
【００２７】
以下、本発明の球状体製造装置および球状体の製造方法の実施形態について図面を用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。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の趣旨を限定するものではない。
【００２８】
［球状体製造装置］
本発明の球状体製造装置１は、図１に示したように球状体製造装置１を使用して球状体を製造する。球状体製造装置１は、ガラスや金属、樹脂等からなる溶融物Ａを保持する保持容器１１と、保持容器１１を加熱し、保持容器１１を接続（支持）する炉体１２を備える。また、保持容器１１の下部には、溶融物Ａを流出させるための少なくとも一つの屈曲部１３１を備えた流路１３が接続されており、溶融物Ａは、保持容器１１から流路１３を経て、流路１３の一部であるノズル１４から柱状またはほぼ柱状に流出される。流路１３には、加振器１７が接続されており、ノズル１４から流出する溶融物Ａに規則正しいくびれを生じさせる。流出された溶融物Ａは、空中を落下し、落下している間に表面張力により、加振器１７によって生じたくびれから分離し、球状に形成される。成形された溶融物Ａは、必要に応じて軌道を変更させる軌道変更手段（図示せず）により軌道を変更させられ、回収手段１６中の溶媒１６１中に落下する。
【００２９】
溶融物Ａは、球状体を製造したいものであれば特に限定されず、樹脂、溶融ガラス、シリコン、溶融金属等であってもよいが、本発明は特に溶融ガラスに適している。
【００３０】
保持容器１１は、保持容器１１内の溶融物Ａを攪拌するための攪拌機１１１と、加熱装置（図示せず）とを備えていてもよい。保持容器１１は、溶融物Ａを保持できればよく、例えば、耐火物容器、金坩堝、白金坩堝、白金合金坩堝、イリジウム坩堝等公知の保持容器を使用することができる。他の溶融手段によって原料を溶融し溶融物Ａとしたものを保持容器１１に移し替えてもよいし、保持容器１１中で原料を溶融してもよい。
【００３１】
保持容器１１は、例えば、溶融物Ａが溶融ガラスの場合、ガラスを溶融、清澄することができるとともに、例えばヒータ（図示せず）等周知のものを使用して、溶融物Ａの温度を所定の温度に保つことができるようにしてもよい。また、攪拌機１１１は、水平方向に回転して攪拌翼（図示せず）により溶融物Ａを攪拌して均質化するが、必要に応じて省略してもよい。
【００３２】
また、保持容器１１は、原料投入口（図示せず）が設けられていてもよい。原料投入口が閉じられた場合は密閉状態となるような構造をとるようにしてもよい。
【００３３】
保持容器１１の周囲を覆う耐火レンガ等の耐熱材からなる炉体１２は、保持容器１１の温度に耐えることができれば、材質等特に限定されない。なお、炉体１２および／または保持容器１１の下部に振動抑制手段（図示せず）を設けてもよい。振動抑制手段を設けることにより、外乱による振動を抑制することができ、球状体の質量を精度よく調整することができる。
【００３４】
流路１３は、保持容器１１と接続されており、流路１３の一部であるノズル１４へ溶融物Ａを流出させる。本発明では、例えば図１〜図５に示すように流路１３には少なくとも一つの屈曲部１３１が設けられている。屈曲部１３１を設けることで、加振器１７の振動を効果的に流路１３の先端部（ノズル１４）へ伝達させることができる。なお、流路１３の材質等は特に限定されないが、溶融物Ａが溶融ガラスである場合、流路１３の材質はガラスに対して化学的に安定している点、耐熱温度が高い点で、白金または白金合金が好ましい。
【００３５】
屈曲部１３１は、流路１３内に少なくとも一つ設けられていればよく、流路１３内に設けられていれば位置等は特に限定されない。また、屈曲部１３１の形状は、例えば、図１、図２、図４および図５に示した弓形であってもよく、図３に示したように螺旋状であってもよい。
【００３６】
屈曲部１３１の曲率半径は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、前記屈曲部１３１の曲率半径の最小値、すなわち流路１３全体にわたって、流路の中心上の点Ｐを移動させた時、点Ｐにおける曲率半径が最小となる位置の曲率半径が１０ｍｍ以上８００ｍｍ以下であることが好ましい。曲率半径の最小値が１０ｍｍ未満であると、加振器１７によって流路１３に振動を付与した場合、流路１３の一部に応力が集中し、金属疲労等の原因となる。このため、最小値の下限が１０ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上であることがより好ましく、４０ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、曲率半径の最小値が８００ｍｍを超えると、振動しても屈曲部１３１がたわみにくく、効率的に振動を伝達させることができなくなる。この状態で振動させようとすると、流路長を長くしなければならず、重量が大きくなり、加振器１７の負担が増大するとともにコストがかかる。このため、最小値の上限が８００ｍｍ以下であることが好ましく、６００ｍｍ以下であることが好ましく、５００ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００３７】
流路１３の外径は、保持容器１１に接続されている箇所からノズル１４付近まで同一であってもよいが、加振器１７による振動を効率的に伝達させるために屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置の外径を小さくすることが好ましい。
【００３８】
曲率半径が最小となる位置の屈曲部１３１の流路１３の外径は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、流路１３の外径は２〜１００ｍｍであることが好ましい。外径が２ｍｍ未満であると、所望とする流量が得難く、所望の大きさの球状体を得ることが困難になる。また、流路１３の強度も得難く、流路１３の製作が困難となる場合がある。このため、外径の下限が２ｍｍ以上であることが好ましく、２．５ｍｍ以上であることがより好ましく、３ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、外径が１００ｍｍを超えると、流路１３がたわみにくくなり、加振器１７の振動が効果的に流路へ伝達され難く、加振器１７の負担が増大しやすい。また、所望の流量を超えた流量となりやすく、所望の大きさの球状体を得ることができ難くなる。このため、流路１３の外径の上限が１００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００３９】
また、流路１３の肉厚は、保持容器１１に接続されている箇所からノズル１４付近まで同一であってもよいが、加振器１７による振動を効率的に伝達させるために屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置の肉厚を小さくすることが好ましい。
【００４０】
曲率半径が最小となる位置の屈曲部１３１の肉厚は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、０．５〜１０ｍｍであることが好ましい。肉厚が０．５ｍｍ未満であると、加振器１７の振動により、流路１３が破損しやすくなる。このため、肉厚の下限は０．５ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましく、０．７ｍｍ以上であることが最も好ましい。一方、肉厚が１０ｍｍを超えると、加振器１７の振動を効率的に伝達させにくくなる。このため、肉厚の上限は、１０ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、６ｍｍ以下であることが最も好ましい。
【００４１】
屈曲部１３１の曲率半径の最小値をＤ１（ｍｍ）とし、屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置での外径をＤ２（ｍｍ）とした場合、Ｄ１／Ｄ２が２以上となるように曲率半径および外径を調整することが好ましい。Ｄ１／Ｄ２が２未満であると、流路１３の径に対して曲率半径が小さくなり、溶融物Ａが淀みなく流れる流路１３の作製が困難となりやすい。このため、Ｄ１／Ｄ２の下限は２以上となるように曲率半径および外径を調整することが好ましく、５以上となるようにすることがより好ましく、７以上となるようにすることが最も好ましい。
【００４２】
流路１３の一部であるノズル１４は、流路１３内の溶融物Ａの流路とノズル１４内の流路とは連通している。ノズル１４は、先端に向かうにつれて細くなる円錐状となっていると外径の小さい球状体を成形しやすくなるため好ましい。
【００４３】
また、流路１３には、ヒータ（図示せず）が設けられていてもよく、流路１３の先端から流出される溶融物Ａの温度を制御できるようになっている。または流路１３に直接通電することにより溶融物Ａの温度を制御してもよい。また、直径０．８〜５ｍｍ程度の球状体を得やすくするためにはノズル１４はその先端の内径が例えば０．１〜５．０ｍｍであることが好ましく、ノズル１４の先端の内径を必要に応じて適宜変更し、併せて流路１３の温度を制御することにより、溶融物Ａの流量、流速の調整と、連続流が液滴状に変化した球状体の粒径（質量）を変更することができるようになっている。
【００４４】
加振器１７は、流路１３にロッド等を介して接続されており、前記ロッド等により振動を流路１３に伝達させる。加振器１７による振動は、球状体の質量または形状を一定にしやすくするために、流路の流出部（ノズル１４の先端部）が溶融物の落下方向に振動するように振動させることが好ましい。すなわち、流路１３の流出部（ノズル１４の先端部）が、溶融物Ａが放出される直線（垂直）方向に振動するよう振動させることが好ましい。例えば、溶融物Ａを鉛直方向下向きに落下させる場合、流路１３を鉛直方向に上下に振動させればよい。
【００４５】
加振器１７を流路１３に接続する位置は、屈曲部１３１の曲率半径が最小となる位置と流路１３の先端部（ノズル１４の先端）との間（曲率半径が最小となる位置より下流側）に加振器１７を接続することが好ましい。このように加振器１７を接続することによって加振器１７の振動を効果的に流路の流出部（ノズル１４の先端部）へ伝達させやすくなる。なお、加振器１７をノズル１４に接続しても所望の効果が得られる。
【００４６】
加振器１７による振動周波数（加振周波数）は、製造しようとする球状体の形状等に応じて適宜変更することができるが、１〜５００Ｈｚであることが好ましい。加振器１７による振動周波数が１Ｈｚ未満であると、流路１３に十分な振動を伝達しにくくなり、一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。このため、振動周波数の下限は１Ｈｚ以上であることが好ましく、５Ｈｚ以上であることがより好ましく、１０Ｈｚ以上であることが最も好ましい。一方、加振器１７による振動周波数が５００Ｈｚを超えると溶融物Ａの粘度によっては一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。このため、振動周波数の上限は５００Ｈｚ以下であることが好ましく、２５０Ｈｚ以下であることがより好ましく、２００Ｈｚ以下であることが最も好ましい。
【００４７】
本発明は、広範囲の直径の球状体の製造において上述したような効果を有するものであり、特に球状体の直径が数ｍｍ程度、さらに好ましくは４ｍｍ以下の微細な球状体を製造する際に顕著な効果を有する。
【００４８】
また、流路１３の振幅は、０．１〜１０００μｍであることが好ましい。振幅の下限が０．１μｍ未満であると、振幅が小さく一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の下限が０．１μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であるとより好ましく、１００μｍ以上であると最も好ましい。また、振幅の上限が１０００μｍを超えると、流路１３や加振器１７の負担が大きくなり、振動を発生させることが困難となりやすい。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の上限は１０００μｍ以下であることが好ましく、９００μｍ以下がより好ましく、８００μｍが最も好ましい。なお、前記振幅は流路１３の流出部（ノズル１４の先端部）から１０ｍｍ上部（ノズル１４が鉛直方向に設置されていない場合は１０ｍｍ上流側）の位置を基準とする。測定は、振動計測装置を用いて行う。具体的には、例えばＩＭＶ社製 Ｃａｒｄ Ｖｉｂｒｏ Ｎｅｏ ＶＭ−２００４Ｎｅｏを使用することができる。
【００４９】
加振器１７の振幅（入力振幅）は下限が０．１μｍ未満であると、流路１３が十分に振動せず、一定の形状、重量を有する球状体を得にくくなる。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには加振器１７の振幅の下限が０．１μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であるとより好ましく、１００μｍ以上であると最も好ましい。また、加振器１７の振幅の上限が１５００μｍを超えると、流路１３や加振器１７の負担が大きくなり、振動を発生させることが困難となりやすい。一定の形状、重量を有する球状体を得やすくするためには振幅の上限は１５００μｍ以下であることが好ましく、１２００μｍ以下がより好ましく、１０００μｍが最も好ましい。
【００５０】
落下距離Ｈ（流路１３（ノズル１４）の先端から回収手段１６中の溶媒１６１の最上面の距離）は、溶融物Ａを球状体に変化させることができる距離であれば特に限定されず、溶融物Ａの組成等に応じて適宜変更できるが、０．１〜１００ｍであることが好ましい。溶融物Ａを落下させる距離の下限が０．１ｍ以上であれば、ノズル１４から流出した溶融物Ａが落下するまでの間に、表面張力によって球状体となりやすい。上述したような効果をより得やすくするためには、溶融物Ａを落下させる距離の下限は、１ｍ以上がより好ましく、５ｍ以上が最も好ましい。また、溶融物を落下させる距離としては、１００ｍ以上でもかまわないが、設備費用が増大するだけとなるので、溶融物Ａを落下させる距離の上限は１００ｍ以下が好ましく、５０ｍ以下がより好ましく、３５ｍ以下が最も好ましい。
【００５１】
なお、必要に応じて、溶融物Ａが落下する途中に軌道変更手段（図示せず）を設けて溶融物Ａの落下軌道を変更させるようにしてもよい。軌道変更手段を設けることにより、複数の溶融物Ａか重なったりすることを防止することができる。軌道変更手段は、落下している溶融物Ａにエアーを吹き付けて溶融物Ａの軌道を変更させるもの等公知の種々の軌道変更手段を使用することができ、これらは単独で使用してもよいが複数組み合わせて使用してもよい。
【００５２】
回収手段１６は必要に応じて備えられる。回収手段１６内は、溶媒１６１が満たされている。回収手段１６は、溶媒１６１内に球状に形成された溶融物Ａを落下させることにより、回収時に溶融物Ａに加わる衝撃を吸収するとともに球状に形成された溶融物Ａを冷却して球状体として回収する。
【００５３】
また、回収手段１６内に回収される球状体の温度と溶媒１６１との温度差を減少させて温度差による影響を少なくするために加熱装置（図示せず）を設けて、回収手段１６内の溶媒１６１を加熱するようにしてもよい。
【００５４】
回収手段１６中の溶媒１６１は、球状体と反応せず、落下した溶融物Ａを冷却することができれば、種類等は特に限定されず、例えば、水、アルコール類、油等公知の種々の溶媒を使用することができる。これらは単独で使用してもよく、複数組み合わせて使用してもよい。なお溶媒１６１の代わりにスポンジ等の緩衝材を使用してもよい。
【００５５】
なお、回収手段１６中の溶媒１６１は、溶融物Ａが放熱することによって低温の球状体を回収できることから、水またはアルコール類を用いることが好ましい。極めて低コストで、安全で取り扱いが非常に容易であり、環境負荷が小さいという観点からは水が好ましく、回収した球状体を洗浄することなく乾燥させ、あるいは、簡単に洗浄して乾燥させ、プリフォーム材またはレンズ等の光学素子として使用できる観点からはアルコール類を用いることが好ましい。また、球状体製造装置１全体の高さ等の制約から、落下距離を短くして比較的高温の球状体を回収しなければならない場合は、溶媒１６１はその沸点までしか加温できないので、落下する溶融物Ａとの温度差を小さくするために、沸点の比較的高い溶媒で、取り扱いおよび回収後の洗浄が容易な溶媒を用いてもよい。
【００５６】
［球状体の製造方法］
本発明の球状体の製造方法は、図１に示したように球状体製造装置１を使用して球状体を製造する。
【００５７】
まず、出発材料である溶融物は周知の方法で調整され、清澄、攪拌によって均質化され、保持容器１１内に蓄積されている。白金製の保持容器１１の底部には流路１３が接続されており、溶融物Ａはその流路１３の中を通り流路１３の一部であるノズル１４へと達する。
【００５８】
保持容器１１および流路１３は、内部の溶融物Ａの温度を適正に保つために温度制御されており、一定流量の溶融物Ａが流路１３から流出する。
【００５９】
加振器１７により流路１３を溶融物Ａの落下方向と平行となるように振動させながら、ノズル１４から溶融物Ａを流出し、回収手段１６に向けて落下させる。流路１３の振動により溶融物Ａにくびれを生じさせ、溶融物Ａを落下させながら、重力と表面張力により、一定重量の溶融物滴に分離させ溶融物Ａを球状体にする。
【００６０】
上記一定重量の溶融物の分離方法としては、流路１３の温度を制御することにより、溶融物Ａの粘性を制御して、溶融物Ａの粘性の変化に伴って流速および流量も変化させ、溶融物Ａをノズル１４から連続流として流出させ、この連続流から一列に滴下する液滴状の溶融物塊に変化させてもよい。
【００６１】
流路１３（ノズル１４）より落下した溶融物Ａは、回収手段１６中の溶媒１６１に球状に形成された溶融物Ａを落下させることにより、溶媒１６１により衝撃を吸収するとともに球状に形成された溶融物Ａを冷却して球状体として回収する。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６３】
［ガラス球の形成への使用］
白金製の坩堝からなり、炉体で覆われている保持容器内に重ランタン・フリントガラス（株式会社オハラ製Ｌ−ＬＡＨ５３）を投入し、ガラス溶融物を調整、貯蔵した。
【００６４】
ノズルの下方約２５ｍの位置に液槽を配置するとともに、液槽内に水を入れた。この状態で、上記ガラス１０ｋｇを白金製ルツボに投入し、加熱溶融した。
【００６５】
加熱溶融後の炉温を１０５０℃とし、白金パイプ後端部（ルツボ接続部）の温度を１０５０℃とし、白金パイプ先端部の温度を１１００℃とし、ノズルの先端部の温度を１１５０℃に保持した。また、上記状態でのノズルからのガラス溶融物Ａの流出量（流量）は、１．５ｋｇ/ｈｒ〜１．６ｋｇ／ｈｒであった。
【００６６】
流路にロッドを介してノズルの先端部から６０ｍｍ上方に接続されている加振器（ＳＬ−０５０５ （有）旭製作所）により、流路をガラス溶融物Ａの落下方向（鉛直方向）に１００Ｈｚで振動させながら、ノズルからガラス溶融物Ａを滴下し、２５ｍ落下させた。なお、流路は、図１および図２に示したような形状で、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【００６７】
以上のような条件でノズルから流出したガラス溶融物Ａは、ノズル先端から約１０ｍｍ下方まで連続流として流下し、それより下方においては、一列に連続して並んだ液滴状のガラス塊に変化し、ガラス塊として落下した。そして、上記ガラス塊は、さらに液槽内に落下し、液槽内の水により、衝撃を吸収されるとともに冷却され、液槽内に回収された。液槽から回収したガラス塊を洗浄し、ガラスからなる微小な球状体を得た。本実施例においては、形状精度および質量精度のよいガラスが取得することができた。
【００６８】
また、加振器による振動周波数を３０〜２００Ｈｚの間で適宜調整し、入力振幅（加振器の振幅）を変更しながら、流路の振幅を測定した。なお、流路の振幅の測定は、流路の一部であるノズルの先端から１０ｍｍ上部にて振動検出器を取り付けて行った。結果（流路の振幅）を表１に示す。なお、実施例での振幅の単位は全てμｍである。
【００６９】
比較例として、屈曲部を有さない直線状の流路を用いた以外は実施例１と同様の方法で流路の振幅を測定した。結果を表１に示す。なお、比較例での振幅の単位は全てμｍである。
【００７０】
【表１】
【００７１】
表１より、実施例および比較例の流路に加振器にて同一の振動周波数を伝達させた場合、実施例が比較例に比べて振幅が大きくなっていることがわかる。すなわち、流路に屈曲部を少なくとも一つ有し、屈曲部の形状を特定のものとすることにより、加振器の振動を流路に効果的に伝達することができることがわかる。このため、実施例では、ガラス溶融物を均一重量で分断し、重量や形状精度の高いガラス球を製造することができる。
【００７２】
［半導体球の形成への使用］
溶融坩堝（保持容器）内にシリコン１００ｇを入れ、溶解坩堝においてシリコン溶解温度である１４２０℃で溶解した。シリコンのメルトダウンが完了したところで、溶融ルツボ内にアルゴンまたはヘリウムにより圧力をかけ、流路にロッドを介してノズルの先端部から６０ｍｍ上方に加振器（ＳＬ−０５０５ （有）旭製作所）を接続し、流路を溶融物Ａの落下方向（鉛直方向）に１００Ｈｚ、振幅１５０μｍで振動させながら、ノズルからシリコンを滴下し、ノズルの先端部から２５ｍ下に設けられた回収容器の冷却油内で冷却してシリコン球状体を作製した。本実施例においては溶融シリコンの形状、重量が略一定であり、精度のよいシリコン球が得ることができた。なお、流路は、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【００７３】
［金属球の形成への使用］
坩堝内に５Ｋｇの無酸素銅を原料として仕込み、流路を塞ぎながら、アルゴン雰囲気中で坩堝内の加熱を開始して銅を溶融した。坩堝内の温度が１１５０℃になるように高周波誘導加熱器を設定した。流路に取り付けられたカーボンリングは、高周波誘導加熱器からの高周波を受けて加熱した。坩堝内に仕込んだ銅が完全に溶融した後に、を開けた。流路に接続した加振器を５００Ｈｚで振動させるとともに、坩堝内の圧力が０．０３ＭＰａになるようにアルゴンガスを注入して溶融物の噴出を開始した。流路の一部であるノズルから噴出した液滴は、焼き入れ油で冷却して凝固させ、その後に回収して脱脂洗浄して乾燥し、銅球状体を得ることができた。なお、流路は、屈曲部が３箇所であり、曲率半径の最小値が５０ｍｍであった。また、曲率半径の最小となる位置の外径は８ｍｍであり、肉厚は３ｍｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の球状体製造装置の断面図である。
【図２】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図３】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図４】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【図５】流路の屈曲部の例示を示した図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 球状体製造装置
１１ 保持容器
１１１ 攪拌機
１２ 炉体
１３ 流路
１３１ 屈曲部
１４ ノズル
１６ 回収手段
１６１ 溶媒
１７ 加振器
Ａ 溶融物
Ｈ 落下距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、
溶融物を保持する保持容器と、
前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、
振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、
前記流路が一つ以上の屈曲部を有し、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍである球状体製造装置。
【請求項２】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項１に記載の球状体製造装置。
【請求項３】
前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である請求項１または２に記載の球状体製造装置。
【請求項４】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に、前記加振器が接続される請求項１から３のいずれかに記載の球状体製造装置。
【請求項５】
溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体の製造方法であって、
溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に流出させる工程と、
振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路を加振器によって振動させる工程を有し、
前記流路に一つ以上の屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとする球状体の製造方法。
【請求項６】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項５に記載の球状体の製造方法。
【請求項７】
前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である請求項５または６に記載の球状体の製造方法。
【請求項８】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に前記加振器を接続し、前記流路を振動させる請求項５に記載の球状体の製造方法。
【請求項９】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記加振器の振動周波数は１〜５００Ｈｚである請求項５から８のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【請求項１０】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記流路の先端から１０ｍｍ上部の位置の溶融物落下方向の振幅が０．１〜１０００μｍである請求項５から９のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【請求項１】
溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体製造装置であって、
溶融物を保持する保持容器と、
前記保持容器と接続され、溶融物を流出させるための流路と、
振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路に接続されている加振器とを有し、
前記流路が一つ以上の屈曲部を有し、前記屈曲部の曲率半径の最小値が８００ｍｍ以下であり、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径が２ｍｍ〜１００ｍｍである球状体製造装置。
【請求項２】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項１に記載の球状体製造装置。
【請求項３】
前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である請求項１または２に記載の球状体製造装置。
【請求項４】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に、前記加振器が接続される請求項１から３のいずれかに記載の球状体製造装置。
【請求項５】
溶融物を落下させることにより球状体に変化させる球状体の製造方法であって、
溶融物を保持する保持容器から、前記溶融物を前記保持容器と接続されている流路に流出させる工程と、
振動方向が前記溶融物の落下方向と平行になるように、前記流路を加振器によって振動させる工程を有し、
前記流路に一つ以上の屈曲部を設け、前記屈曲部の曲率半径の最小値を８００ｍｍ以下として、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径を２ｍｍ〜１００ｍｍとする球状体の製造方法。
【請求項６】
前記流路において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路断面の最大肉厚が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項５に記載の球状体の製造方法。
【請求項７】
前記流路において、前記屈曲部の曲率半径の最小値Ｄ１と、前記屈曲部の曲率半径が最小となる位置の流路の外径Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２の値が２以上である請求項５または６に記載の球状体の製造方法。
【請求項８】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、屈曲部の曲率半径が最小となる位置より下流側に前記加振器を接続し、前記流路を振動させる請求項５に記載の球状体の製造方法。
【請求項９】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記加振器の振動周波数は１〜５００Ｈｚである請求項５から８のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【請求項１０】
前記流路を加振器によって振動させる工程において、前記流路の先端から１０ｍｍ上部の位置の溶融物落下方向の振幅が０．１〜１０００μｍである請求項５から９のいずれかに記載の球状体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１８２１７（Ｐ２００９−１８２１７Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８０５１９（Ｐ２００７−１８０５１９）
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【出願人】（０００１２８７８４）株式会社オハラ (539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【出願人】（０００１２８７８４）株式会社オハラ (539)
【Ｆターム（参考）】
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