JP2015040145A - ガラス材の製造方法及びガラス材の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】無容器浮遊法により、結晶を含まないガラス材を安定して製造し得る方法を提供する。【解決手段】成形型１０の成形面１０ａの上方にガラス融液１１を浮遊させて保持した状態でガラス融液１１を冷却することによりガラス材を得る。成形面１０ａが、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、ガラス材の製造方法及びガラス材の製造装置に関する。
近年、ガラス材の製造方法として、無容器浮遊法に関する研究がなされている。例えば、特許文献１には、ガス浮遊炉で浮遊させたバリウムチタン系強誘電体の試料にレーザービームを照射して加熱溶融した後に、冷却することにより、バリウムチタン系強誘電体の試料をガラス化させる方法が記載されている。このように、無容器浮遊法では、容器の壁面との接触に起因する結晶化の進行を抑制できるため、従来の容器を用いた製造方法ではガラス化させることができなかった材料であってもガラス化し得る場合がある。従って、無容器浮遊法は、新規な組成を有するガラス材を製造し得る方法として注目に値すべき方法である。
無容器浮遊法によりガラス材を製造する場合、溶融ガラスが成形型に接触すると失透が発生し、均質なガラス材が製造できない場合がある。
本発明の主な目的は、無容器浮遊法により、結晶を含まないガラス材を安定して製造し得る方法を提供することにある。
本発明に係るガラス材の製造方法では、成形型の成形面の上方にガラス原料を浮遊させて保持した状態で、ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、溶融ガラスを冷却することによりガラス材を得る。成形面が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。
成形型は、型本体と、型本体の上に設けられており、成形面を構成しているコーティング膜とを有していてもよい。その場合は、コーティング膜の最外層が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されていることが好ましい。
成形型は、成形面に開口しており、溶融ガラスを浮上させるためのガスを噴出する噴出孔を有することが好ましい。
本発明に係るガラス材の製造装置は、成形型の成形面の上方にガラス原料を浮遊させて保持した状態で、前記ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、溶融ガラスを冷却することによりガラス材を製造する装置である。本発明に係るガラス材の製造装置では、成形面が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。
本発明によれば、無容器浮遊法により、結晶を含まないガラス材を安定して製造し得る方法を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
（第１の実施形態）
本実施形態では、通常のガラス材をはじめ、例えば、網目形成酸化物を含まないような、容器を用いた溶融法によってはガラス化しない組成を有するガラス材であっても好適に製造し得る方法について説明する。本実施形態の方法によれば、具体的には、例えば、チタン酸バリウム系ガラス材、ランタン−ニオブ複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−アルミニウム複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−タンタル複合酸化物系ガラス材、ランタン−タングステン複合酸化物系ガラス材等を好適に製造し得る。
本実施形態では、通常のガラス材をはじめ、例えば、網目形成酸化物を含まないような、容器を用いた溶融法によってはガラス化しない組成を有するガラス材であっても好適に製造し得る方法について説明する。本実施形態の方法によれば、具体的には、例えば、チタン酸バリウム系ガラス材、ランタン−ニオブ複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−アルミニウム複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−タンタル複合酸化物系ガラス材、ランタン−タングステン複合酸化物系ガラス材等を好適に製造し得る。
図１は、第１の実施形態に係るガラス材の製造装置の模式的断面図である。図１に示されるように、ガラス材の製造装置１は、成形型１０を有する。成形型１０は、成形面１０ａを有する。成形面１０ａは、下方に向かって先細るテーパ状に設けられている。
成形型１０は、成形面１０ａに開口しているガス噴出孔１０ｂを有する。具体的には、ガス噴出孔１０ｂは、成形面１０ａの最も下方に位置する中央部に接続されている。ガス噴出孔１０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構に接続されている。このガス供給機構からガス噴出孔１０ｂを経由して、成形面１０ａにガスが供給される。ガスの種類は、特に限定されない。ガスは、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスであってもよい。
製造装置１を用いて、ガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊１１を成形面１０ａ上に配置する。ガラス原料塊１１は、例えば、ガラス材の原料粉末をプレス成形等により一体化したものであってもよい。ガラス原料塊１１は、例えば、ガラス材の原料粉末をプレス成形等により一体化した後に焼結させた焼結体であってもよい。また、ガラス原料塊１１は、例えば、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体であってもよい。
次に、ガス噴出孔１０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊１１を成形面１０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊１１が成形面１０ａに接触していない状態で、ガラス原料塊１１を保持する。その状態で、レーザー照射装置１２からレーザー光をガラス原料塊１１に照射する。これによりガラス原料塊１１を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊１１を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程とにおいては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊１１、溶融ガラスまたはガラス材と成形面１０ａとが接触することを抑制することが好ましい。
なお、本実施形態では、ガラス原料塊１１にレーザー光を照射することによりガラス原料塊１１を加熱する例について説明する。但し、本発明において、ガラス原料塊１１の加熱方法は、レーザー光を照射する方法に特に限定されない。例えば、ガラス原料塊１１を輻射加熱してもよい。
ところで、ガス噴出孔１０ｂからガスを噴出させ続けた場合であっても、溶融ガラスの位置やガスの噴出態様によっては、溶融ガラスが変位する可能性がある。従って、溶融ガラスと成形面１０ａとの接触を完全に防止することは困難である。通常、溶融ガラスと成形面１０ａとが接触すると、溶融ガラス中に結晶が発生するため、例えば再溶融等を行う必要がある。
本発明者らは、鋭意研究の結果、成形面１０ａを特定の材料により構成することにより、溶融ガラスと成形面１０ａとが接触した場合であっても溶融ガラス中に結晶が生じにくくなることを見出し、下記の成形型１０に想到した。これにより、比較的大きいガラス材（例えば、直径２ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上）を作製することが可能となる。
本実施形態においては、成形型１０の表面のうち、少なくとも成形面１０ａが、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン（ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等）、ナイトライド（Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ、Ｂ−Ｎ等）、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。具体的には、成形型１０は、型本体２０と、コーティング膜２１とを有する。このコーティング膜２１は、型本体２０を覆っており、成形面１０ａを構成している。この成形面１０ａを構成しているコーティング膜２１が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ，；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。
本実施形態のように、成形面１０ａを上記特定の材料により構成することにより、溶融ガラスと成形面１０ａとが接触した場合であっても溶融ガラス中に結晶が生じにくい。このため、製造装置１を用いることにより、無容器浮遊法により、結晶を含まないガラス材を安定して製造し得る。
溶融ガラスと成形面１０ａとが接触した場合に溶融ガラス中に結晶がより生じにくくする観点からは、成形面１０ａは、Ｐｔ、Ｉｒ、ＰｔとＩｒの合金、又はダイヤモンドライクカーボンにより構成されていることが好ましい。
なお、型本体２０の材質は、特に限定されない。型本体２０は、例えば、炭化ケイ素、超鋼、ステンレス、ジュラルミン、カーボン、アルミナ、ジルコニア等の各種セラミック材等により構成することができる。
型本体２０の上に、複数層のコーティング膜を設けてもよい。その場合は、複数層のコーティング膜のうち、少なくとも最外層のコーティング膜が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ，；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；、カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されていればよい。
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るガラス材の製造装置の模式的断面図である。図３は、第２の実施形態における成形面の一部分の略図的平面図である。図４は、図２のＩＶ部分の略図的断面図である。
図２は、第２の実施形態に係るガラス材の製造装置の模式的断面図である。図３は、第２の実施形態における成形面の一部分の略図的平面図である。図４は、図２のＩＶ部分の略図的断面図である。
第１の実施形態では、ひとつのガス噴出孔１０ｂが成形面１０ａの中央に開口している例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本実施形態に係るガラス材の製造装置２では、成形面１０ａに複数のガス噴出孔１０ｂが開口している。具体的には、複数のガス噴出孔１０ｂは、成形面１０ａの中心から放射状に配列されている。
本実施形態においても、成形面１０ａを構成しているコーティング膜２１が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている。このため、第１の実施形態と同様に、溶融ガラスと成形面１０ａとが接触した場合であっても溶融ガラス中に結晶が生じにくい。このため、製造装置２を用いることにより、無容器浮遊法により、結晶を含まないガラス材を安定して製造し得る。
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
（実施例１）
まず、原料粉末を秤量、混合した後、１０００℃前後の温度で仮焼きすることで混合粉末を焼結させた。焼結体から所望の体積となる量に切り出し、ガラス原料塊を作製した。次に、以下の条件で、ガラス原料塊を成形面の上方に浮上させた状態で、出力１００Ｗの二酸化炭素レーザーを照射し、ガラス原料塊を加熱溶解させ、溶融ガラスを得た。その後、レーザー照射を停止し、溶融ガラスを冷却させた。その結果、直径が５．５ｍｍのガラス材が得られた。
まず、原料粉末を秤量、混合した後、１０００℃前後の温度で仮焼きすることで混合粉末を焼結させた。焼結体から所望の体積となる量に切り出し、ガラス原料塊を作製した。次に、以下の条件で、ガラス原料塊を成形面の上方に浮上させた状態で、出力１００Ｗの二酸化炭素レーザーを照射し、ガラス原料塊を加熱溶解させ、溶融ガラスを得た。その後、レーザー照射を停止し、溶融ガラスを冷却させた。その結果、直径が５．５ｍｍのガラス材が得られた。
製造装置：第２の実施形態に係る製造装置２と実質的に同様の構成を有する製造装置
ガラス組成（モル比）：０．７・Ｌａ２Ｏ３−０．３・Ｎｂ２Ｏ５
ガス噴出孔の直径：０．３ｍｍ
成形面の平面視における直径：１５ｍｍ
ガス噴出孔の数：２５３個
成形面におけるガス噴出孔の占める面積割合：１０．５％
成形面の中心角：２９°
ガス噴出孔列の配列方向のなす角の大きさ（θ）：１１．２５°
半径方向において隣り合うガス噴出孔の中心間距離：０．６ｍｍ
加熱温度：２０５０℃
ガス：空気
成形型の材質：ステンレス
コーティング膜の材質：Ｐｔ−Ｉｒ合金
（実施例２）
第１の実施形態に係る製造装置１と同様に、中心角が６０°の円錐面状の成形面の中央に開口する直径６ｍｍのガス噴出孔をひとつのみ設けた成形型を使用したこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が３．２ｍｍのガラス材が得られた。
ガラス組成（モル比）：０．７・Ｌａ２Ｏ３−０．３・Ｎｂ２Ｏ５
ガス噴出孔の直径：０．３ｍｍ
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加熱温度：２０５０℃
ガス：空気
成形型の材質：ステンレス
コーティング膜の材質：Ｐｔ−Ｉｒ合金
（実施例２）
第１の実施形態に係る製造装置１と同様に、中心角が６０°の円錐面状の成形面の中央に開口する直径６ｍｍのガス噴出孔をひとつのみ設けた成形型を使用したこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が３．２ｍｍのガラス材が得られた。
（実施例３）
以下の条件としたこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が５．４ｍｍのガラス材が得られた。
以下の条件としたこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が５．４ｍｍのガラス材が得られた。
コーティング膜の材質：ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）
（実施例４）
ガラス組成（モル比）を０．５７・Ｌａ２Ｏ３−０．４３・Ｎｂ２Ｏ５としたこと以外は、実施例２と同様の製造工程を行った。その結果、直径が２．５ｍｍのガラス材が得られた。
（実施例４）
ガラス組成（モル比）を０．５７・Ｌａ２Ｏ３−０．４３・Ｎｂ２Ｏ５としたこと以外は、実施例２と同様の製造工程を行った。その結果、直径が２．５ｍｍのガラス材が得られた。
（比較例１）
金型表面にコーティング膜を形成しなかったこと以外は、実施例２と同様の工程を行った。しかし、ガラス原料塊が安定して浮上せず、結晶化することが多く、結晶を含まないガラス材が得られた場合でも２ｍｍ未満の小径であった。
金型表面にコーティング膜を形成しなかったこと以外は、実施例２と同様の工程を行った。しかし、ガラス原料塊が安定して浮上せず、結晶化することが多く、結晶を含まないガラス材が得られた場合でも２ｍｍ未満の小径であった。
（比較例２）
金型表面にコーティング膜を形成しなかったこと以外は、実施例４と同様の工程を行った。しかし、ガラス原料塊が安定して浮上せず、一部あるいは全体が結晶化したものしか得られなかった。
金型表面にコーティング膜を形成しなかったこと以外は、実施例４と同様の工程を行った。しかし、ガラス原料塊が安定して浮上せず、一部あるいは全体が結晶化したものしか得られなかった。
１，２：ガラス材の製造装置
１０：成形型
１０ａ：成形面
１０ｂ：ガス噴出孔
１１：ガラス原料塊
１２：レーザー照射装置
２０：型本体
２１：コーティング膜
１０：成形型
１０ａ：成形面
１０ｂ：ガス噴出孔
１１：ガラス原料塊
１２：レーザー照射装置
２０：型本体
２１：コーティング膜
Claims (4)
- 成形型の成形面の上方にガラス原料を浮遊させて保持した状態で、前記ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、前記溶融ガラスを冷却することによりガラス材を得る工程を備え、
前記成形面が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている、ガラス材の製造方法。 - 前記成形型は、型本体と、前記型本体の上に設けられており、前記成形面を構成しているコーティング膜とを有し、
前記コーティング膜の最外層が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ，；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている、請求項１に記載のガラス材の製造方法。 - 前記成形型は、前記成形面に開口しており、ガラス原料を浮上させるためのガスを噴出する噴出孔を有する、請求項１又は２に記載のガラス材の製造方法。
- 成形型の成形面の上方にガラス原料を浮遊させて保持した状態で、前記ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、前記溶融ガラスを冷却することによりガラス材を製造する装置であって、
前記成形面が、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ，Ｔｉ；Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｗ，Ｐｄ，Ｒｂ及びＴｉの少なくとも一種を含む合金；カーボン、ナイトライド、及びＮｉ−Ｐ−Ｂから選択される少なくとも一種により構成されている、ガラス材の製造装置。
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