JP2021104907A - 加熱成型治具、及びこれを用いた加熱成型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成型用型内で石英ガラスインゴットを加熱変形させ成型したガラス成形体において、脈理端部が屈曲することなく成形される加熱成型治具、及びこれを用いた加熱成型装置を提供する。【解決手段】底面及び側面を有し、石英ガラスインゴットＸから所定形状の石英ガラス成形体を形成する成型用受け皿Ｐと、前記成型用受け皿の底面上に配置されるとともに前記石英ガラスインゴットが載置される載置台１０と、前記成型用受け皿の上部に配置されると共に石英ガラスインゴットを包囲する第一の支持体５と、前記第一の支持体の上部に配置されると共に、内部に石英ガラスインゴットを収納する、筒状の第二の支持体６と、を備え、前記石英ガラスインゴットが載置される前記載置台の周縁には傾斜面１０ｂが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱成型治具、及びこれを用いた加熱成型装置に関し、特に石英ガラスインゴットを加熱成型して、所定形状の石英ガラス成形体を形成するための加熱成型治具及び加熱成型装置に関するものである。

光学用途に好適な合成石英ガラス体を製造する方法の一つとして、合成石英ガラスのインゴットを製造し、その後、前記石英ガラスインゴットを所定温度で加熱して軟化させ、所定形状の型を用いて成形する製造方法が知られている。尚、前記石英ガラスインゴットは、例えば、四塩化ケイ素等のシリカ原料を、酸素と水素を用いて加水分解反応させて、ガラス微粒子をターゲット上に堆積させる方法により製造される。

この石英ガラスインゴットを加熱して、軟化させた石英ガラスを所定の形状に成形する方法に用いられる成型用型（加熱成型治具）が、特許文献１において提案されている。この提案された成型用型は、石英ガラスインゴットを直立状態で加熱成型するための成型用型であり、石英ガラスインゴットを成型用型内に収容し、前記石英ガラスインゴットを加熱することによって軟化した石英ガラスを、所定の形状に成形するものである。

具体的には、図７（ａ）に模式的に示すように、石英ガラス成形体の底面及び外周面の形状に応じた内部形状（内周面形状）を有する成型部５１と、該成形部５１の上方に設置されると共に円筒形状の内周面によって石英ガラスインゴットＸの外周面を支持する支持部５２とを備えている。

このように特許文献１記載の成型用型にあっては、支持部５２によって石英ガラスインゴットＸの外周面を支持するため、前記支持部５２が石英ガラスインゴットＸの外周面に当接した状態で加熱軟化が進行し、石英ガラスインゴットＸの外周面は支持部の内周面上を摺動し、最終的に図７（ｂ）、図７（ｃ）に遷移状態を示すように成型部内に収容され、成型される。

特開２０１５−１２０６１９号公報

前記した方法により製造された円柱状の石英ガラスインゴットＸは、図７（ａ）に示すように、その成長面に沿って多数の層状の脈理Ｃが残存している。このような層状の脈理Ｃが残存する石英ガラスインゴットＸを成型用型５１内で加熱軟化させると、前述のように外周部から下方に流れるように変形し、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように徐々に横長になる。

しかしながら、成型用型５１内に形成された石英ガラス成形体は、加熱軟化時に、最もガラスの流動距離が長くなる外周部において、図７（ｂ）に示すように、石英ガラス成形体下部の脈理Ｃが底板の摩擦力により垂直方向に屈曲する。そして図７（ｃ）に示すように屈曲した部分が存在する石英ガラス成型体となるので、光学的特性が不均一となり、光学用途に適さないという課題があった。尚、図８に、その屈曲した脈理Ｃの拡大図（断面図）を示すが、以降、このような脈理を屈曲脈理Ｃ１と称する。

本願発明者は、この屈曲脈理について鋭意検討し、石英ガラスインゴットが加熱軟化されて変形する過程において、インゴット底部と成型用型底面との摩擦によって水平方向への変形が抑制されることにより、垂直方向への変形速度が水平方向の変形速度よりも速くなり、その結果、屈曲脈理が発生することを知見し、本発明をするに至った。

本発明の目的は、成型用型内で石英ガラスインゴットを加熱軟化させて変形して成型した石英ガラス成形体において、屈曲脈理が発生することなく成形される加熱成型治具、及びこれを用いた加熱成型装置を提供することにある。

前記課題を解決するためになされた本発明に係る加熱成型治具は、底面及び側面を有し、石英ガラスインゴットから所定形状の石英ガラス成形体を形成する成型用受け皿と、前記成型用受け皿の底面上に配置されるとともに前記石英ガラスインゴットが載置される載置台と、前記成型用受け皿の上部に配置されると共に前記石英ガラスインゴットを包囲する第一の支持体と、前記第一の支持体の上部に配置されると共に、内部に前記石英ガラスインゴットを収納する、筒状の第二の支持体と、を備え、前記石英ガラスインゴットが載置される前記載置台の周縁には傾斜面が形成されていることに特徴を有する。また、前記載置台に形成された傾斜面の前記石英ガラスインゴットの下端面に対する傾斜角は、３０°以上９０°未満であることが望ましい。なお、前記石英ガラスインゴットを前記載置台に載置した状態で、前記石英ガラスインゴットの下端面は部分的に前記傾斜面の上方に位置してもよい。

また、前記課題を解決するためになされた本発明に係る加熱成型装置は、前記加熱成型治具と、前記加熱成型治具を収納する加熱炉と、前記加熱炉内に収納され、石英ガラスインゴットを加熱するヒータと、を少なくとも備えたことに特徴を有する。

本発明によれば、成型用型内で石英ガラスインゴットを加熱軟化して変形させ成型した石英ガラス成形体において、屈曲脈理が抑制された石英ガラスインゴットが得られる加熱成型治具、及びこれを用いた加熱成型装置を提供することができる。

図１は、本発明にかかる加熱成型治具及び加熱成型装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１の加熱成型装置が備える加熱成型治具の平面図である。 図３は、本発明に係る加熱成型治具の斜視図である。 図４は、図３の加熱成型治具及びそれに載置された石英ガラスインゴットの一部拡大側面図である。 図５は、本発明に係る加熱成型治具の変形例を示す斜視図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、加熱により変形する石英ガラスインゴットの状態を示す断面図である。 図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来の加熱成型治具における石英ガラスインゴットの変形の状態を示す断面図である。 石英ガラス成型体の端面を一部拡大した断面図である。

以下、本発明にかかる実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。尚、図１乃至図６は、説明のために装置及び治具の形状を模式的に表したものである。

図１は、加熱成型装置１の概略構成を示す図であって、この加熱成型装置１は、加熱炉２と、加熱成型治具３と、石英ガラスインゴットＸを加熱するヒータ４と、を少なくとも備えている。加熱炉２は、内部にヒータ４を収納しており、ヒータ４が発する熱によって石英ガラスインゴットＸを加熱する。加熱成型治具３は、後に詳述するように、石英ガラスインゴットＸを加熱軟化させながら、所定形状の石英ガラス成形体を形成するための治具である。

石英ガラスインゴットＸは、例えば、四塩化ケイ素等のシリカ原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子をターゲット上に堆積させることにより製造され、胴部Ｘ１は円柱状または角柱形状に形成され、その上端部Ｘ２は、徐々に径が増す曲面形状、または斜面形状に形成されている。また下端面Ｘ３は平坦面に形成されている。

即ち、石英ガラスインゴットＸは、円柱形状または角柱形状で上端部が曲面状または斜面状の凸状形状で、下端部が水平面である。図１に示すように、受け皿Ｐの底面Ｐ１に載置台１０が配置され、その上面に下端面（底面）Ｘ３が載置される。この下端面Ｘ３は、石英ガラス成形体として要求される平面度が得られる程度に、厳密に水平の面出しがなされている。

次に、この加熱成型装置１に収納される加熱成型治具３の構成について、図１乃至図４に基づいて説明する。尚、図２は加熱成型治具３の平面図であり、図３は載置台１０の斜視図である。また、図４は、図３の載置台の一部を拡大した側面図である。

この加熱成型治具３は、大きくは成型用受け皿Ｐと、前記成型用受け皿Ｐの上縁部に載置される第一の支持体５（５Ａ、５Ｂ）と、第１の支持体５上に載置される筒状の第二の支持体６と、成型用受け皿Ｐの底面に配置される載置台１０とで構成されている。

第一の支持体５は、第二の支持体６を支持するものであり、成型用受け皿Ｐの上縁部に載置されると共に石英ガラスインゴットＸを包囲するものである。第一の支持体５は、石英ガラスインゴットＸの直径以上の間隔をもって配置された一対の第一の梁５Ａと、石英ガラスインゴットＸの直径以上の間隔をもって第一の梁５Ａに直交して配置された一対の第二の梁５Ｂとを井桁状に組み上げて構成されている。また、第二の支持体６は、筒状に形成され、前記第一の支持体５の上部に載置されると共に、この第二の支持体６の内部には石英ガラスインゴットＸが収納される。

成型用受け皿Ｐは、石英ガラスインゴットＸから所定形状の石英ガラス成型体を成形するための型であり、この成型用受け皿Ｐは、受け皿底面部Ｐ１及び側面部Ｐ２を有し、平面視上、例えば図２に示すように矩形形状に形成されている。この成型用受け皿Ｐは、基本的には成型後の石英ガラス成型体の形状を規定する型であるが、受け皿底面部Ｐ１上に載置された載置台１０の上面と、側面部Ｐ２とによって型が形成される。

具体的には、石英ガラスインゴットＸを載置台１０上に載置し、石英ガラスインゴットＸを加熱軟化した際（拡径加工した際）、石英ガラス成型体は載置台１０上面と受け皿側面部Ｐ２とによって成型される。

載置台１０は、図３に示すように、全体は平面矩形状の板であり、平坦な上面１０ａと、その周縁の四辺にそれぞれ形成された傾斜面１０ｂとを有している。ここでは、図３に示すように石英ガラスインゴットＸの円形の下端面Ｘ３は載置台１０の上面１０ａにすべて接するのではなく、下端面Ｘ３の外周部が部分的に載置台１０の傾斜面１０ｂ上方に突出した状態（浮いた状態）で載置されている態様を示している。

図４に示すように、石英ガラスインゴットＸの底部における直径をＬ、石英ガラスインゴットＸの下端面Ｘ３における傾斜面１０ｂ上方に突出した径方向長さ（石英ガラスインゴットＸと傾斜面１０ｂとの接線を基準として、外周方向を＋とする）をｄ１、傾斜面１０ｂにおける下端面Ｘ３に平行な径方向長さをｄ２、載置台１０の外周端から受け皿Ｐの側面Ｐ２までの径方向長さをｄ３、傾斜面１０ｂの下端面Ｘ３に対する傾斜角をθとする。これらのパラメータの好ましい態様については後述する。

尚、図３において、載置台１０の上面１０ａが矩形形状の例を示したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように上面１０ａの形状を円形形状にしても良い。また、成型用受け皿Ｐ及び載置台１０の材質は、石英ガラスと反応し難く、耐熱性がある材質であれば特に限定されるものではなく、例えば、高純度のカーボン材が好適に用いられる。

ところで、図４に示すような傾斜面１０ｂの形状として、頂点を有する１以上の段差が
あると、当該頂点部で変形したガラス中に気泡を巻き込む恐れがある。本発明では、図４
に示すような直線形状が好ましい。あるいは、なだらかな曲線形状でもよく、その場合の
θは、曲線の始点と終点を結ぶ直線と上面１０ａがなす角度で決定される。

また、傾斜面１０ｂの面粗さは、加熱軟化した石英ガラスがスムーズに移動できる程度
に滑らかな方が好ましい。

続いて、本発明にかかる加熱成型治具、加熱成形装置の作用について説明する。まず、石英ガラスインゴットＸの中心が成型用受け皿Ｐの底面に配置された載置台１０の中心（上面１０ａの中心）に位置するように、石英ガラスインゴットＸを成型用受け皿Ｐ上に載置する。

脈理Ｃは公知の方法で観察でき、投影法やシュリーレン法が好適に用いられる。また、本発明における屈曲脈理Ｃ１とは、図８に示すように、石英ガラス成型体の端面を観察したときに、中央部から一方向に進展してきた脈理が、これと垂直な方向（縦方向）に向って巻き込んだ形状を指すものとする。特に、丸みを帯びた部分が９０°に近くなっている形状が、その典型的な態様といえる。

続いて、成型用受け皿Ｐの上縁部に、一対の第一の梁５Ａを石英ガラスインゴットＸの直径以上の間隔をもって配置する。更に、第二の梁５Ｂを、石英ガラスインゴットＸの直径以上の間隔をもって第一の梁５Ａと直交して配置する。そして、石英ガラスインゴットＸの高さを考慮して、第一の梁５Ａと第二の梁５Ｂとを井桁状に組み上げ、第一の支持体５を形成する。

続いて、第二の支持体６の中心が石英ガラスインゴットＸの中心と一致するように、石英ガラスインゴットＸの上方から第二の支持体６を下げ、その内部に石英ガラスインゴットＸを収容する。この第二の支持体６は第一の支持体５に載置される。そして、第二の支持体６の中心と石英ガラスインゴットＸの中心とが同一直線状にあるか、否か確認する。両者が同一直線状にない場合には、第二の支持体６の載置位置をずらし、第二の支持体６の中心と石英ガラスインゴットＸの中心とを合わせる作業を行う。

石英ガラスインゴットＸを加熱成形治具に設置した後、図１に示すヒータ４により、石英ガラスインゴットＸを加熱し、軟化させる。この加熱により、図６（ａ）に示すように石英ガラスインゴットＸの下部から徐々に拡径し、石英ガラスは成形用受け皿Ｐに緩やかに拡がり進行する。それと共に石英ガラスインゴットＸの高さ寸法が減少する。このとき、石英ガラスインゴットＸの下端面Ｘ３は載置台１０の傾斜面１０ｂを伝って変形するため、傾斜面１０ｂを持たない水平な面に沿って変形する従来の態様と比べて、石英ガラスインゴットＸの下端面Ｘ３が受ける摩擦が少なくなり、石英ガラスインゴットＸ上部に存在する脈理の外端の、垂直方向への変化が過度に速くなることを防止することができる。その結果として、脈理の端部における屈曲で発生する屈曲脈理を効果的に防止することができる。

そして、図６（ｂ）に示すように、石英ガラスインゴットＸ全体が、成形用受け皿Ｐ内部に進行し収容された後、冷却することで石英ガラス成形体が製造される。そして、石英ガラス成形体の底部を水平方向に切削して除去することにより、製品として加工が可能な形状が得られる。

以下、本発明の好ましい態様について説明する。まず、ｄ１については、石英ガラスインゴットＸのＬは一品ごとに少しずつ異なるので、その都度、載置台１０を個別に設計してｄ１の値をゼロ、または一定にすることは非現実的である。本発明では、ｄ１が存在しても、それが著しく大きい値でなければ、本発明の効果は十分に得られるといえる。

ｄ１がマイナス方向に対して存在する、すなわち、石英ガラスインゴットＸのＬが上面１０ａの外径より小さい場合は、軟化した石英ガラスインゴットＸの底面部が上面１０ａと接して移動する距離が存在し、本発明の効果をその分相殺するので、あまり好ましいもとは言えない。

一方、ｄ１がプラス方向に対して存在する、すなわち、石英ガラスインゴットＸのＬが上面１０ａの外径より大きい場合は、石英ガラスインゴットＸの変形時、上面１０ａとの接触面積が減るので摩擦が減少し、ｄ１がゼロもしくはマイナスの時と比較して、本発明の効果が損なわれる度合いは小さい。しかしながら、石英ガラスインゴットＸの設置時、または軟化状態での安定性に欠ける恐れがあること、石英ガラスインゴットＸの外周全域の全ての箇所において均等に軟化と下降が進行することが保証されず、これも好ましいものとは言えない。

上記を考慮すると、ｄ１の絶対値は、例えばＬに対しては０．５倍を超えない、あるいは、１００ｍｍ以下であると、実用上目立った不具合の発生を予防できるので、好ましいといえる。

θは３０°以上９０°未満が好ましい。θが３０°未満では、上記したような脈理の屈曲低減効果が十分に得られない。一方、θを９０°（垂直）にすると、軟化した石英ガラスインゴットＸが急速に落下して変形が過大になる恐れが生じる。より好ましくは、θが４５°以上７５°以下である。

ｄ３は、あまり大きいと、成型完了後の石英ガラス成形体の底部の凹形状が過大になり、これを除去する量が多すぎて、製品として得られる部分が減少するので好ましくない。好ましくは、ｄ３は、成型用受け皿Ｐの一片の長さに対して、１/１０から１/６の範囲である。

さらに、θを４５°、成型用受け皿Ｐの一片の長さが８、Ｌが４、ｄ３が1、の比になるように成型用受け皿Ｐと載置台１０を設計すると、石英ガラスインゴットＸの変形の加減が最適化されるので、本発明の効果が最も効果的に発揮され、格別に好ましい。

以上説明したように、本発明にかかる加熱成型治具、加熱成型装置にあっては、石英ガラスインゴットＸは、周縁部に傾斜面１０ｂを有する載置台１０上に載置されるため、加熱による変形の際、水平方向の摩擦が小さくなるので、屈曲脈理の発生を防止または低減することができる。

本発明に係る加熱成型治具、加熱成型装置について、実施例に基づきさらに説明する。

（共通条件）
四塩化ケイ素、水素ガス、酸素ガスを用いた公知の酸水素火炎溶融による方法で、底部の直径４００ｍｍ、高さ９００ｍｍ、重量約２００ｋｇの石英ガラスインゴットＸを作製した。次に、図１に示すような加熱成型装置、及び、図２に示すような加熱成型冶具を用いて、上記の石英ガラスインゴットＸを真空下で２０００℃×１ｈｒの加熱成型を行った後、放冷して、約８００ｍｍ四方の石英ガラス成形体を得た。屈曲脈理の観察は、投影法により行った。

（実施例１）
図４に示すような載置台１０を用いて、合成石英ガラスインゴットＸのＬ、成型用受け皿Ｐの一片の長さ、ｄ３、のそれぞれの長さの比率を４：８：１とした。ここで、θは４５°とした。加熱溶融後の石英ガラス成型体は、図６に示すように、載置台１０の形状に倣って、外周部で下方向に３０ｍｍ伸展した凹状部分が生じていた。次に、凹状部分を切断して厚さ１２０ｍｍの四角ブロックを得た。屈曲脈理は四角ブロック中に確認されず、凹状部分の上部に確認された。

（実施例２）
θを６０°とし、これに伴いｄ１の値が変更された以外は、実施例１と同様にした。加熱溶融後の石英ガラス成型体は、実施例１と同様に、載置台１０の形状に倣って凹状部分を有していた。屈曲脈理は四角ブロック中に確認されず、凹状部分の中部に確認された。

（実施例３）
θを７５°とし、これに伴いｄ１の値が変更された以外は、実施例１と同様にした。加熱溶融後の石英ガラス成型体は、実施例１と同様に、載置台１０の形状に倣って凹状部分を有していた。屈曲脈理は四角ブロック中に確認されず、凹状部分の下部に確認された。

（比較例１）
図４に示すような載置台１０は用いず、図７に示すような、全面が平らな板の上に合成石英ガラスインゴットＸを載置した。その際、ｄ３は実施例１と同じにした状態で、該平らな板の長手方向の長さをＬの２倍とした。それ以外の条件は実施例１同様にした。その結果、下部は平らな石英ガラス成型体となり、かつ、外周部に屈曲脈理が確認された。

（比較例２）
θを１５°とし、これに伴いｄ１の値が変更された以外は、実施例１と同様にした。その結果、屈曲脈理は四角ブロック中に確認され、凹状部分には確認されなかった。

（比較例３）
θを９０°としとし、これに伴いｄ１の値が変更された以外は、実施例１と同様に実験した。その結果、石英ガラス成型体の底板と載置台１０との間にできたクリアランスで、石英ガラス成型体中に気泡が生じた。

以上の通り、本発明の実施形態にあるものは、得られた石英ガラス成型体のうち、製品として用いられる箇所に屈曲脈理の発生（あるいは気泡の混入）が生じていなかった。このことから、本発明は、従来方法ではなかなか解決できなかった屈曲脈理の発生を、より効果的に抑制できることを確認した。

１ 加熱成型装置
２ 加熱炉
３ 加熱成型治具
４ ヒータ
５ 第一の支持体
６ 第二の支持体
１０ 載置台
１０ａ 上面
１０ｂ 傾斜面
Ｃ 脈理
Ｃ１ 屈曲脈理
Ｐ 成形用受け皿
Ｘ 石英ガラスインゴット
Ｌ 石英ガラスインゴットＸの直径

Claims (3)

1. 底面及び側面を有し、石英ガラスインゴットから所定形状の石英ガラス成形体を形成する成型用受け皿と、
   前記成型用受け皿の底面上に配置されるとともに前記石英ガラスインゴットが載置される載置台と、
   前記成型用受け皿の上部に配置されると共に前記石英ガラスインゴットを包囲する第一の支持体と、
   前記第一の支持体の上部に配置されると共に、内部に前記石英ガラスインゴットを収納する、筒状の第二の支持体と、を備え、
   前記石英ガラスインゴットが載置される前記載置台の周縁には傾斜面が形成されていることを特徴とする加熱成型治具。
2. 前記載置台に形成された傾斜面の前記石英ガラスインゴットの下端面に対する傾斜角は、３０°以上９０°未満であることを特徴とする請求項１に記載された加熱成型治具。
3. 前記請求項１または請求項２に記載された加熱成型治具と、
   前記加熱成型治具を収納する加熱炉と、
   前記加熱炉内に収納され、石英ガラスインゴットを加熱するヒータと、
   を少なくとも備えたことを特徴とする加熱成型装置。

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