JP2016023110A - ガラス材の製造方法及びガラス材の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無容器浮遊法により、優れた均質性を有するガラス材を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に開口するガス噴出孔１０ｂからガスを噴出させることにより、成形面１０ａの上方にガラス原料塊１２を浮遊させて保持した状態で、ガラス原料塊１２にレーザー光線を照射することにより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。ガラス原料塊１２又は溶融ガラスを浮遊させるための浮遊用ガスの噴出方向とは異なる方向に沿ってガラス原料塊１２に対して制御用ガスを噴出させる。
【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融解した後に、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。容器を用いてガラスを溶融する従来の方法では、溶融ガラスが容器の壁面に接触することによって、結晶が析出することがあるが、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。そのため、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、無容器浮遊法では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。

特開２００６−２４８８０１号公報

無容器浮遊法の課題は、ガラス材の均質性の向上である。そこで、特許文献１に記載の方法では、複数のレーザーを用いてガラス原料塊の広い範囲にレーザー光を照射することが行われている。

しかしながら、レーザーの照射状態によっては、ガラス原料塊に温度むらが生じ、ガラス成分の揮発や、未溶解物が発生する場合がある。また、ガラス原料塊が融解して得られた、浮遊状態にある溶融ガラスが不所望に振動したり、揺動したりして、成形型と接触することにより、結晶が析出する場合がある。このように、特許文献１に記載の方法では、未溶物や結晶が析出したり、不所望な揮発が発生するおそれがあるため、十分に均質なガラスを得ることは難しい。

本発明の主な目的は、無容器浮遊法により、優れた均質性を有するガラス材を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、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、成形面の上方にガラス原料塊を浮遊させて保持した状態で、ガラス原料塊にレーザー光線を照射することにより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。ガラス原料塊又は溶融ガラスを浮遊させるための浮遊用ガスの噴出方向とは異なる方向に沿ってガラス原料塊に対して制御用ガスを噴出させる。このようにすることにより、ガラス原料塊又は溶融ガラスの位置及び姿勢の少なくとも一方を制御することができる。これにより、ガラス原料塊に対して、レーザー光を均一に照射することができる。また、溶融ガラスが、成形面に接触することを抑制することができる。その結果、優れた均質性を有するガラス材を製造することができる。

ガラス原料塊の表面にレーザー光を均一に照射する観点からは、ガラス原料塊を融解させる工程において、制御用ガスを噴出させることが好ましい。

溶融ガラスと成形型とが接触することにより結晶が析出することを抑制する観点からは、溶融ガラスを冷却させる工程において、制御用ガスを噴出させることが好ましい。

本発明に係るガラス材の製造方法では、ガラス原料塊に対して制御用ガスを噴出させることにより、ガラス原料塊を回転させてもよいし、振動又は揺動させてもよい。この場合、ガラス原料塊の表面にレーザー光を均一に照射することができる。

本発明に係るガラス材の製造方法では、溶融ガラスに対して制御用ガスを噴出させることにより、溶融ガラスの変位を規制してもよい。この場合、溶融ガラスが成形型に接触することを効果的に抑制することができる。

本発明に係るガラス材の製造方法では、ガラス原料塊又は溶融ガラスに対して水平方向に沿って又は斜め上方から制御用ガスを噴出させてもよい。

本発明に係るガラス材の製造装置は、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、成形面の上方にガラス原料塊を浮遊させて保持した状態で、ガラス原料塊にレーザー光線を照射することにより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は、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスの噴出方向とは異なる方向に沿ってガラス原料塊に対して制御用ガスを噴出させる制御用ガス噴出部を備える。本発明に係るガラス材の製造装置では、ガラス原料塊又は溶融ガラスの位置及び姿勢の少なくとも一方を制御することができる。このため、ガラス原料塊に対して、レーザー光を均一に照射することができる。また、溶融ガラスが、成形面に接触することを抑制することができる。よって、優れた均質性を有するガラス材を製造することができる。

本発明によれば、無容器浮遊法により、優れた均質性を有するガラス材を製造できる方法を提供することができる。

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。 第１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。 第１の実施形態に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。 第２の実施形態に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。 変形例に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。 第３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。 第４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。 第４の実施形態に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。 第５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。

以下、本発明を実施した好ましい形態について説明する。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。

以下の実施形態では、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することができる。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することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るガラス材の製造装置１の模式的断面図である。図１に示すように、ガラス材の製造装置１は、成形型１０を有する。成形型１０は、曲面の成形面１０ａを備える。具体的には、成形面１０ａは、球面状である。

成形型１０は、成形面１０ａに開口している浮遊用ガス噴出孔１０ｂを有する。図２に示すように、第１の実施形態では、浮遊用ガス噴出孔１０ｂが複数設けられている。具体的には、複数の浮遊用ガス噴出孔１０ｂは、成形面１０ａの中心から放射状に配列されている。

なお、成形型１０は、連続気泡を有する多孔質体により構成されていてもよい。その場合、浮遊用ガス噴出孔１０ｂは、連続気泡により構成される。

浮遊用ガス噴出孔１０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構１１に接続されている。このガス供給機構１１から浮遊用ガス噴出孔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１２を成形面１０ａ上に配置する。ガラス原料塊１２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１２は、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１２は、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。

ガラス原料塊１２の形状は、特に限定されない。ガラス原料塊１２は、例えば、レンズ状、球状、円柱状、多角柱状、直方体状、楕球状等であってもよい。

次に、浮遊用ガス噴出孔１０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊１２を成形面１０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊１２が成形面１０ａに接触していない状態で、ガラス原料塊１２を空中で保持する。その状態で、レーザー照射装置１３からレーザー光をガラス原料塊１２に照射する。これによりガラス原料塊１２を加熱融解させ、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。なお、浮遊用ガスの噴出は、ガラス材の温度が少なくとも軟化点以下、好ましくはガラス転移点以下となるまで継続し、ガラス原料塊１２、溶融ガラス又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。

図１及び図３に示すように、成形型１０は、制御用ガス噴出部を構成している制御用ガス噴出孔１０ｃを備えている。制御用ガス噴出孔１０ｃは、浮遊用ガス噴出孔１０ｂの延びる方向とは異なる方向に延びている。具体的には、浮遊用ガス噴出孔１０ｂが鉛直方向に沿って延びているのに対して、制御用ガス噴出孔１０ｃは、水平方向に沿って延びている。制御用ガス噴出孔１０ｃは、成形面１０ａの上に浮遊したガラス原料塊１２に向かって開口するように設けられている。

第１の実施形態では、ガラス原料塊１２を浮遊させて保持した状態において、制御用ガス噴出孔１０ｃから制御用ガスを噴出させる。上述の通り、制御用ガス噴出孔１０ｃの延びる方向と、浮遊用ガス噴出孔１０ｂの延びる方向とは、相互に異なる。このため、制御用ガス噴出孔１０ｃから噴出する制御用ガスの噴出方向は、浮遊用ガス噴出孔１０ｂから噴出する浮遊用ガスの噴出方向とは異なる。制御用ガス噴出孔１０ｃから噴出する制御用ガスによって、浮遊しているガラス原料塊１２又は溶融ガラスの位置及び姿勢の少なくとも一方を制御する。

上記構成を採用することにより、レーザー光の照射状態を最適化することが可能となり、未溶解物や結晶が析出したり、不所望な揮発が発生したりすることを抑制することができる。従って、均質なガラス材を製造することができる。詳述すると、ガラス原料塊に対するレーザー光の照射状態によっては、ガラス原料塊に温度むらが生じることがある。ガラス原料塊の一部が過熱されると、不所望な揮発が生じ、脈理や組成ずれ等の問題が発生することがある。一方、ガラス原料塊の一部の温度が低すぎると、製造されるガラス材に未溶解物が発生する場合がある。また、浮遊状態にある溶融ガラスが不所望に振動したり、揺動したりして、成形型と接触すると、製造されるガラス材に結晶が析出する場合がある。そこで、上述のように、第１の実施形態では、ガラス原料塊１２又は溶融ガラスに対して制御用ガスを噴出させる。これにより、浮遊状態にあるガラス原料塊１２又は溶融ガラスの位置及び姿勢の少なくとも一方を制御することができる。

具体的には、ガラス原料塊１２を融解させる工程において、制御用ガスを噴出させることにより、ガラス原料塊１２を回転させたり、成形型１０に接触しない範囲で、振動させたり揺動させたりすることができる。これにより、ガラス原料塊１２の表面において、レーザー光を均一に照射することができる。よって、ガラス原料塊１２が均一に加熱されやすくなる。結果として、ガラス原料塊１２の一部分が高温になりすぎることにより不所望な揮発が生じたり、ガラス原料塊１２の一部分が低温になりすぎることにより未溶解物が発生したりすることを抑制できる。

また、ガラス原料塊１２が融解して得られた溶融ガラスを冷却させる工程において、制御用ガスを噴出させることにより、溶融ガラスの変位を規制することができる。これにより、溶融ガラスと成形型１０との接触を抑制することができる。その結果、製造されるガラス材に結晶が析出することを抑制することができる。

なお、溶融ガラスの変位をより効果的に抑制する観点からは、溶融ガラスが回転するように制御用ガスを噴出することが好ましく、溶融ガラスが、溶融ガラスを通過する軸心（例えば、鉛直方向の軸心）を中心として回転するように制御用ガスを噴出することがより好ましい。

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４は、第２の実施形態に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。

図３に示すように、第１の実施形態では、制御用ガス噴出孔１０ｃを一つのみ設け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。

図４に示すように、第２の実施形態では、複数の制御用ガス噴出孔１０ｃが設けられている点で、第１の実施形態とは異なる。具体的には、複数の制御用ガス噴出孔１０ｃは、平面視における成形面１０ａの中心から放射状に設けられている。複数の制御用ガス噴出孔１０ｃは、周方向に沿って、略等間隔に設けられている。このように複数の制御用ガス噴出孔１０ｃを設けることにより、溶融ガラスの変位をより効果的に規制することができる。よって、溶融ガラスと成形型１０との接触をより効果的に規制することができる。

また、周方向に沿って複数の制御用ガス噴出孔１０ｃを設けることにより、ガラス原料塊１２の回転や振動又は揺動を促進することもできる。これにより、ガラス原料塊１２の表面にレーザー光をさらに均一に照射することができる。

ガラス原料塊１２の回転をさらに促進する観点からは、図５に示すように、成形型１０における成形面１０ａの半径方向とは異なる方向に沿って制御用ガス噴出孔１０ｃが延びるように制御用ガス噴出孔１０ｃを設けることが好ましい。

（第３の実施形態）
図６は、第３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。

第１及び第２の実施形態では、制御用ガスを水平方向に沿って噴出させる例について説明した。但し、本発明は、これに限定されない。

図６に示すように、第３の実施形態では、制御用ガス噴出孔１０ｃを有する制御用ガス噴出ノズル１０ｄが、成形型１０における成形面１０ａの中心に向かって斜め下方に延びている点で、第１及び第２の実施形態とは異なる。このため、制御用ガスが斜め上方からガラス原料塊１２に対して噴出される。この場合、ガラス原料塊１２を、例えば、水平方向の軸心を中心として回転させることができる。

ガラス原料塊１２を回転させない場合は、ガラス原料塊１２の上面が加熱される一方、浮遊用ガス噴出孔１０ｂから噴出する浮遊用ガスにより下面が冷却されるため、ガラス原料塊１２に温度むらが発生しやすい。よって、不所望な揮発や未溶解物が発生するおそれがある。それに対して、第３の実施形態では、水平方向の軸心を中心としてガラス原料塊１２を回転させるため、ガラス原料塊１２に温度むらが生じることを抑制することができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４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８は、第４の実施形態に係るガラス材の製造装置の一部分を表す模式的平面図である。

第４の実施形態では、制御用ガス噴出孔１０ｃを有する複数の制御用ガス噴出ノズル１０ｄが周方向に沿って略等間隔に配されている。それぞれの制御用ガス噴出ノズル１０ｄは、鉛直方向に沿って延びている。このため、制御用ガスは、浮遊用ガスの噴出方向（上方向）とは逆方向（下方向）に沿って噴出される。複数の制御用ガス噴出ノズル１０ｄは、それぞれの制御用ガス噴出ノズル１０ｄから噴出する制御用ガスがガラス原料塊１２の側面に接触するように配されているため、ガラス原料塊１２が融解して得られる溶融ガラスの変位を効果的に規制することができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５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。

第１〜第４の実施形態では、複数の浮遊用ガス噴出孔１０ｂが成形面１０ａ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。例えば、図９に示すガラス材の製造装置のように、成形面１０ａの中央に開口している一つの浮遊用ガス噴出孔１０ｂが設けられていてもよい。一つの浮遊用ガス噴出孔１０ｂであっても、ガス供給機構１１に接続された浮遊用ガス噴出孔１０ｂから噴出する浮遊用ガスにより、ガラス原料塊１２または溶融ガラスを成形型１０における成形面１０ａの上方で保持することが可能である。

１ 製造装置
１０ 成形型
１０ａ 成形面
１０ｂ 浮遊用ガス噴出孔
１０ｃ 制御用ガス噴出孔
１０ｄ 制御用ガス噴出ノズル
１１ ガス供給機構
１２ ガラス原料塊
１３ レーザー照射装置

Claims (9)

1. 成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、前記成形面の上方にガラス原料塊を浮遊させて保持した状態で、前記ガラス原料塊にレーザー光線を照射することにより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含み、
   前記ガラス原料塊又は前記溶融ガラスを浮遊させるための浮遊用ガスの噴出方向とは異なる方向に沿って前記ガラス原料塊又は前記溶融ガラスに対して制御用ガスを噴出させる、ガラス材の製造方法。
2. 前記ガラス原料塊を融解させる工程において、前記制御用ガスを噴出させる、請求項１に記載のガラス材の製造方法。
3. 前記溶融ガラスを冷却させる工程において、前記制御用ガスを噴出させる、請求項１又は２に記載のガラス材の製造方法。
4. 前記ガラス原料塊又は前記溶融ガラスに対して前記制御用ガスを噴出させることにより、前記ガラス原料塊又は溶融ガラスの位置及び姿勢の少なくとも一方を制御する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
5. 前記ガラス原料塊に対して前記制御用ガスを噴出させることにより、前記ガラス原料塊を回転させる、請求項４に記載のガラス材の製造方法。
6. 前記ガラス原料塊に対して前記制御用ガスを噴出させることにより、前記ガラス原料塊を振動又は揺動させる、請求項４に記載のガラス材の製造方法。
7. 前記溶融ガラスに対して前記制御用ガスを噴出させることにより、前記溶融ガラスの変位を規制する、請求項４に記載のガラス材の製造方法。
8. 前記ガラス原料塊又は前記溶融ガラスに対して水平方向に沿って又は斜め上方から前記制御用ガスを噴出させる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。
9. 成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、前記成形面の上方にガラス原料塊を浮遊させて保持した状態で、前記ガラス原料塊にレーザー光線を照射することにより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、
   前記ガラス原料塊又は前記溶融ガラスを浮遊させるための浮遊用ガスの噴出方向とは異なる方向に沿って前記ガラス原料塊に対して制御用ガスを噴出させる制御用ガス噴出部を備える、ガラス材の製造装置。

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