JP3418640B2 - ドープ形石英ガラスの製造方法 - Google Patents
ドープ形石英ガラスの製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は石英ガラスをドーパント
と共に溶融することによりドープ形石英ガラスを製造す
る方法に関する。
と共に溶融することによりドープ形石英ガラスを製造す
る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】欧州特許第００１９３２７号明細書から
石英粉末及び濃縮物からなるドープされた石英ガラスを
溶融してドープ形石英ガラスを製造する方法は公知であ
るが、その際濃縮物はドーパント及び石英粉末からなる
焼結及び予め溶融された混合物である。その場合米国特
許第３７６４２８６号明細書に記載されているように石
英粉末をＨｅ／Ｈ2保護ガス雰囲気中で濃縮物と共に溶
融する。それには溶融炉として一般にタングステン製る
つぼを使用する。
石英粉末及び濃縮物からなるドープされた石英ガラスを
溶融してドープ形石英ガラスを製造する方法は公知であ
るが、その際濃縮物はドーパント及び石英粉末からなる
焼結及び予め溶融された混合物である。その場合米国特
許第３７６４２８６号明細書に記載されているように石
英粉末をＨｅ／Ｈ2保護ガス雰囲気中で濃縮物と共に溶
融する。それには溶融炉として一般にタングステン製る
つぼを使用する。
【０００３】この方法の重大な欠点はドープされた石英
ガラスの製造に２段階の溶融工程を必要とすることであ
る。
ガラスの製造に２段階の溶融工程を必要とすることであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ＵＶ
スペクトル範囲の光線に対して透過性が僅かであるドー
プ形石英ガラスを価格的に有利に製造する方法を提供す
ることにある。
スペクトル範囲の光線に対して透過性が僅かであるドー
プ形石英ガラスを価格的に有利に製造する方法を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、珪砂及び／又は水晶からなるドープ形石英ガラスを
製造するにあたりドーパントとして少なくともアルミン
酸セリウム（ＣｅＡｌ０3）を添加することにより解決
される。
り、珪砂及び／又は水晶からなるドープ形石英ガラスを
製造するにあたりドーパントとして少なくともアルミン
酸セリウム（ＣｅＡｌ０3）を添加することにより解決
される。
【０００６】本発明方法はドープ形石英ガラスを１工程
のみで製造し、従って先行技術による製造方法よりも極
めて価格的に有利である。本発明による石英ガラスのＵ
Ｖ透過性は、ＵＶ線を吸収するアルミン酸セリウム（Ｃ
ｅＡｌＯ3）の形で石英溶融物用出発生成物に添加され
るセリウムイオンの作用により低下される。ＵＶ吸収剤
であるセリウムと共にアルミン酸セリウムを石英ガラス
のドーピングに使用することは、以下に詳述するように
幾つかの重要な利点をもたらす。
のみで製造し、従って先行技術による製造方法よりも極
めて価格的に有利である。本発明による石英ガラスのＵ
Ｖ透過性は、ＵＶ線を吸収するアルミン酸セリウム（Ｃ
ｅＡｌＯ3）の形で石英溶融物用出発生成物に添加され
るセリウムイオンの作用により低下される。ＵＶ吸収剤
であるセリウムと共にアルミン酸セリウムを石英ガラス
のドーピングに使用することは、以下に詳述するように
幾つかの重要な利点をもたらす。
【０００７】アルミン酸セリウムは空気中で耐性のある
安定した化合物であり、しばしばドーパントとして使用
される酸化セリウムとは対照的に溶融炉中で石英ガラス
の製造中に酸素を全く放出しない。従って本発明方法は
初めてセリウム含有石英ガラスをいわゆる一段階の製造
工程で作ることを可能とするが、その際ドープ形石英ガ
ラスをタングステン製るつぼ中で保護ガス雰囲気下に連
続的に溶融し、モリブデン製ノズル及びピンにより連続
的にガラス管に引き抜き成形するが、酸化処理によって
タングステン製るつぼを損傷することなく、また石英ガ
ラス中にタングステン含有物を生じることもない。本発
明による方法は、原料をまず石英ガラスの塊又は“イン
ゴット”に溶融し第２の溶融工程で初めて成形するいわ
ゆる二段階製造方法よりも、約１５倍も価格的に有利で
ある。
安定した化合物であり、しばしばドーパントとして使用
される酸化セリウムとは対照的に溶融炉中で石英ガラス
の製造中に酸素を全く放出しない。従って本発明方法は
初めてセリウム含有石英ガラスをいわゆる一段階の製造
工程で作ることを可能とするが、その際ドープ形石英ガ
ラスをタングステン製るつぼ中で保護ガス雰囲気下に連
続的に溶融し、モリブデン製ノズル及びピンにより連続
的にガラス管に引き抜き成形するが、酸化処理によって
タングステン製るつぼを損傷することなく、また石英ガ
ラス中にタングステン含有物を生じることもない。本発
明による方法は、原料をまず石英ガラスの塊又は“イン
ゴット”に溶融し第２の溶融工程で初めて成形するいわ
ゆる二段階製造方法よりも、約１５倍も価格的に有利で
ある。
【０００８】アルミン酸セリウムの形で石英ガラスに同
時にセリウムと共に添加されるアルミニウムも極めて有
意義である。アルミニウムはセリウムの石英ガラスへの
融解性を高め、本発明による製造方法により特にセリウ
ム含有率の高い極めて均一な石英ガラスを製造すること
を可能にする。アルミン酸セリウムにより予め与えられ
たセリウムに対するアルミニウムの重量比が約５．２：
１（これはセリウムとアルミニウムの原子％の指数に相
当する）又はモル比１：１であることは、セリウムの石
英ガラス中への溶解性にとって極めて有利であることが
判明した。機械的負荷を受けずにできる限り均質な石英
ガラスを得るには、アルミン酸セリウムを有利には平均
粒径≦２０μｍの粉末状で石英溶融物用の出発生成物に
混入する。アルミン酸セリウムを固相反応によって、す
なわち酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化セリウム
（ＣｅＯ2）からなる出発混合物を鉱化剤としてのホウ
酸（Ｈ3ＢＯ3）と共に還元雰囲気中で加熱することによ
って製造すると極めて有利であることが判明した。出発
混合物はアルミン酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）の化学量
論的組成に関して約１０％の酸化アルミニウム余剰分を
含んでいると有利であり、それにより酸化セリウムの均
一かつ完全な置換が加熱処理中に達成される。
時にセリウムと共に添加されるアルミニウムも極めて有
意義である。アルミニウムはセリウムの石英ガラスへの
融解性を高め、本発明による製造方法により特にセリウ
ム含有率の高い極めて均一な石英ガラスを製造すること
を可能にする。アルミン酸セリウムにより予め与えられ
たセリウムに対するアルミニウムの重量比が約５．２：
１（これはセリウムとアルミニウムの原子％の指数に相
当する）又はモル比１：１であることは、セリウムの石
英ガラス中への溶解性にとって極めて有利であることが
判明した。機械的負荷を受けずにできる限り均質な石英
ガラスを得るには、アルミン酸セリウムを有利には平均
粒径≦２０μｍの粉末状で石英溶融物用の出発生成物に
混入する。アルミン酸セリウムを固相反応によって、す
なわち酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化セリウム
（ＣｅＯ2）からなる出発混合物を鉱化剤としてのホウ
酸（Ｈ3ＢＯ3）と共に還元雰囲気中で加熱することによ
って製造すると極めて有利であることが判明した。出発
混合物はアルミン酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）の化学量
論的組成に関して約１０％の酸化アルミニウム余剰分を
含んでいると有利であり、それにより酸化セリウムの均
一かつ完全な置換が加熱処理中に達成される。
【０００９】石英中のセリウムが溶解限界に達し溶融さ
れた石英ガラス中に不均一が生じる前は、石英溶融物用
出発生成物中のアルミン酸セリウムの分量は約５重量％
まであってもよい。もちろんガラスに気泡が増加するの
を抑えるために石英溶融物に２重量％以下のアルミン酸
セリウムを混入するのが有利である。その他に石英ガラ
スの短波のＵＶ線（ＵＶ−Ｃ線）に対する透過度を他の
ドーパントとして酸化チタン（ＴｉＯ2）を添加するこ
とにより更に減少させることができる。驚くべきことに
は酸素雰囲気中で１０００℃〜１１００℃の温度で加熱
処理した後に完成された石英ガラス体は一層ＵＶ透過性
が減少することが判明した。
れた石英ガラス中に不均一が生じる前は、石英溶融物用
出発生成物中のアルミン酸セリウムの分量は約５重量％
まであってもよい。もちろんガラスに気泡が増加するの
を抑えるために石英溶融物に２重量％以下のアルミン酸
セリウムを混入するのが有利である。その他に石英ガラ
スの短波のＵＶ線（ＵＶ−Ｃ線）に対する透過度を他の
ドーパントとして酸化チタン（ＴｉＯ2）を添加するこ
とにより更に減少させることができる。驚くべきことに
は酸素雰囲気中で１０００℃〜１１００℃の温度で加熱
処理した後に完成された石英ガラス体は一層ＵＶ透過性
が減少することが判明した。
【００１０】本発明方法により製造されたドープ形石英
ガラスは光学的に品質良好であり、電球の構成要素とし
て極めて適している。特にこの石英ガラスは高圧放電ラ
ンプの外管及び放電管並びにハロゲン電球のガラス管に
使用することができる。本発明による石英ガラスからな
る管部分は放電又はコイルフィラメントにより形成され
るＵＶ線を十分に吸収する。更に石英ガラスのセリウム
含有量が比較的高い場合セリウムの蛍光光線が光源から
直接放射される光線の青色光線を助長することを示し
た。更にセリウム含有石英ガラス中のＵＶ吸収は管部分
を付加的に加熱し、電球の点灯条件を改善する。それと
いうのも吸収による管部分の加熱により点灯温度を維持
するための電気エネルギーの供給が僅かで済むからであ
る。
ガラスは光学的に品質良好であり、電球の構成要素とし
て極めて適している。特にこの石英ガラスは高圧放電ラ
ンプの外管及び放電管並びにハロゲン電球のガラス管に
使用することができる。本発明による石英ガラスからな
る管部分は放電又はコイルフィラメントにより形成され
るＵＶ線を十分に吸収する。更に石英ガラスのセリウム
含有量が比較的高い場合セリウムの蛍光光線が光源から
直接放射される光線の青色光線を助長することを示し
た。更にセリウム含有石英ガラス中のＵＶ吸収は管部分
を付加的に加熱し、電球の点灯条件を改善する。それと
いうのも吸収による管部分の加熱により点灯温度を維持
するための電気エネルギーの供給が僅かで済むからであ
る。
【００１１】
【実施例】本発明を図面及び２つの実施例に基づき以下
に詳述する。
に詳述する。
【００１２】図１はそれぞれ１．０ｍｍの壁厚を有する
異なる石英ガラス管の３つの透過率曲線を示すものであ
る。水平軸上にｎｍ単位の電磁波の波長を、また垂直軸
上に透過された光線の分量を示すものである。曲線１は
ドープされていない石英ガラスの透過率を示すものであ
る。これに対し曲線２はＣｅＡｌＯ3を０．５１重量
％、曲線３はＴｉＯ2を０．０４重量％ドープされてい
る石英ガラスの透過率を示すものである。更に透過率曲
線３の石英ガラス管は約１０時間Ｏ2雰囲気中で約１１
００℃の温度で加熱されたものである。
異なる石英ガラス管の３つの透過率曲線を示すものであ
る。水平軸上にｎｍ単位の電磁波の波長を、また垂直軸
上に透過された光線の分量を示すものである。曲線１は
ドープされていない石英ガラスの透過率を示すものであ
る。これに対し曲線２はＣｅＡｌＯ3を０．５１重量
％、曲線３はＴｉＯ2を０．０４重量％ドープされてい
る石英ガラスの透過率を示すものである。更に透過率曲
線３の石英ガラス管は約１０時間Ｏ2雰囲気中で約１１
００℃の温度で加熱されたものである。
【００１３】石英溶融物用出発生成物としては粉末状の
空気分級された平均粒径５μｍのアルミン酸セリウム
（ＣｅＡｌＯ3）及びペグマタイト状の精製された珪砂
並びに粉末状酸化チタン（ＴｉＯ2）を使用する。その
際特に有利な実施例においては精製されたペグマタイト
状珪砂にアルミン酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）約０．５
１重量％及び酸化チタン約０．０４重量％をホモジナイ
ザー中で均一に混合する。更にこの原料混合物を円筒形
のタングステンるつぼ中でＨｅ／Ｈ2雰囲気下に約２２
００℃で連続的に石英ガラスに溶融し、モリブデン製ノ
ズル及びモリブデン製ピンにより垂直に下方に向けて連
続的に壁厚１．０ｍｍの石英ガラス管に引き抜き成形す
る。
空気分級された平均粒径５μｍのアルミン酸セリウム
（ＣｅＡｌＯ3）及びペグマタイト状の精製された珪砂
並びに粉末状酸化チタン（ＴｉＯ2）を使用する。その
際特に有利な実施例においては精製されたペグマタイト
状珪砂にアルミン酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）約０．５
１重量％及び酸化チタン約０．０４重量％をホモジナイ
ザー中で均一に混合する。更にこの原料混合物を円筒形
のタングステンるつぼ中でＨｅ／Ｈ2雰囲気下に約２２
００℃で連続的に石英ガラスに溶融し、モリブデン製ノ
ズル及びモリブデン製ピンにより垂直に下方に向けて連
続的に壁厚１．０ｍｍの石英ガラス管に引き抜き成形す
る。
【００１４】本発明には重要ではない他の石英ガラス溶
融法の詳細については例えば米国特許第３７６４２８６
号明細書に詳しく記載されており、従ってここには詳細
には説明しない。
融法の詳細については例えば米国特許第３７６４２８６
号明細書に詳しく記載されており、従ってここには詳細
には説明しない。
【００１５】第２の実施例では完成石英ガラス管を引続
き更に約１０時間Ｏ2雰囲気中で約１１００℃で加熱処
理する。
き更に約１０時間Ｏ2雰囲気中で約１１００℃で加熱処
理する。
【００１６】上記の２つの実施例に基づく石英ガラス管
は有利には高圧放電ランプの外管及び放電管又はハロゲ
ン電球のガラス管に更に加工される。
は有利には高圧放電ランプの外管及び放電管又はハロゲ
ン電球のガラス管に更に加工される。
【００１７】ドーパントであるアルミン酸セリウムの製
造には、酸化セリウム、酸化アルミニウム及び鉱化剤か
らなる出発混合物を使用する。鉱化剤としてはホウ酸、
アルカリ−、アルカリ土類テトラホウ酸塩、フッ化アン
モニウム、フッ化アルカリ及びフッ化アルカリ土類の若
干量をそれぞれ単独でか又は組合わせて添加することが
適している。出発混合物中には化学量論的アルミン酸セ
リウムの組成に関して約１０％の酸化アルミニウム余剰
分が含まれている。即ち酸化アルミニウムと酸化セリウ
ムのモル比はほぼ以下の関係Ａｌ2Ｏ3：ＣｅＯ2＝０．
５５：１を満たす。
造には、酸化セリウム、酸化アルミニウム及び鉱化剤か
らなる出発混合物を使用する。鉱化剤としてはホウ酸、
アルカリ−、アルカリ土類テトラホウ酸塩、フッ化アン
モニウム、フッ化アルカリ及びフッ化アルカリ土類の若
干量をそれぞれ単独でか又は組合わせて添加することが
適している。出発混合物中には化学量論的アルミン酸セ
リウムの組成に関して約１０％の酸化アルミニウム余剰
分が含まれている。即ち酸化アルミニウムと酸化セリウ
ムのモル比はほぼ以下の関係Ａｌ2Ｏ3：ＣｅＯ2＝０．
５５：１を満たす。
【００１８】次表は石英ガラスのドーパントのアルミン
酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）を製造するための出発混合
物として５つの実施例を示すものである。
酸セリウム（ＣｅＡｌＯ3）を製造するための出発混合
物として５つの実施例を示すものである。
【００１９】
［表１］
出発混合物の成分（ｇ） 例 Al 2 O 3 CeO 2 H 3 BO 3 BaF 2 MgF 2 NH 4 HF 2
１ 112.16 344.24 0.45 - - -
２ 112.16 344.24 0.45 0.90 - -
３ 112.16 344.24 0.45 - 0.72 0.18
４ 244.70 688.50 0.30 - - - ５ 5384 16524 7.2 - - -
【００２０】有利な１実施例の場合この出発混合物をプ
ラスチック鋳型枠中の反転混合機又はフープ混合機中で
酸化アルミニウム球又はプラスチックで被覆された鋼球
を使用して均一に混合し、アルミン酸セリウムを形成す
るために還元ガス雰囲気（例えば窒素８０％及び水素２
０％のＮ2／Ｈ2雰囲気）下に約４時間鋼玉るつぼ中で約
１５６０℃で加熱する。室温に冷却後焼結材を摺鉢形ミ
ルで粉砕し、引続き濾過する。アルミン酸セリウムを十
分に微粒化した後粗粒状分と濾過分を選別分離し、平均
粒径約５μｍのアルミン酸セリウムを得る。焼結材の微
細化は分離器を組み込んだ流動層ジェットミルによって
も行うことができる。
ラスチック鋳型枠中の反転混合機又はフープ混合機中で
酸化アルミニウム球又はプラスチックで被覆された鋼球
を使用して均一に混合し、アルミン酸セリウムを形成す
るために還元ガス雰囲気（例えば窒素８０％及び水素２
０％のＮ2／Ｈ2雰囲気）下に約４時間鋼玉るつぼ中で約
１５６０℃で加熱する。室温に冷却後焼結材を摺鉢形ミ
ルで粉砕し、引続き濾過する。アルミン酸セリウムを十
分に微粒化した後粗粒状分と濾過分を選別分離し、平均
粒径約５μｍのアルミン酸セリウムを得る。焼結材の微
細化は分離器を組み込んだ流動層ジェットミルによって
も行うことができる。
【００２１】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば石英ガラスを溶融するためアルミン酸セリ
ウム及び／又は酸化チタンの濃度を変えることも可能で
ある。有利にはアルミン酸セリウムを約０．１〜２重量
％とする。その上限はできるだけ気泡のない石英ガラス
を得るために、またその下限はドープ形石英ガラス中の
ＵＶ線の透過率を下げるために設定される。もちろん石
英溶融物中のアルミン酸セリウムの分量を５重量％まで
上げることは可能である。この濃度がセリウムの石英中
への溶解限度である。
ない。例えば石英ガラスを溶融するためアルミン酸セリ
ウム及び／又は酸化チタンの濃度を変えることも可能で
ある。有利にはアルミン酸セリウムを約０．１〜２重量
％とする。その上限はできるだけ気泡のない石英ガラス
を得るために、またその下限はドープ形石英ガラス中の
ＵＶ線の透過率を下げるために設定される。もちろん石
英溶融物中のアルミン酸セリウムの分量を５重量％まで
上げることは可能である。この濃度がセリウムの石英中
への溶解限度である。
【００２２】酸化チタンを添加することを全くやめても
よい。更に石英ガラスの粘度及び失透性を変えるために
原料混合物に他のドーパント、例えば酸化アルミニウム
（Ａｌ2Ｏ3）を添加してもよい。
よい。更に石英ガラスの粘度及び失透性を変えるために
原料混合物に他のドーパント、例えば酸化アルミニウム
（Ａｌ2Ｏ3）を添加してもよい。
【００２３】もちろんモリブデン製ピン及びモリブデン
製ノズルの調整により石英ガラス管の形状又は寸法を変
えることも可能である。更に石英ガラス体の形を例えば
棒状に形成することも可能である。
製ノズルの調整により石英ガラス管の形状又は寸法を変
えることも可能である。更に石英ガラス体の形を例えば
棒状に形成することも可能である。
【図１】異なる壁厚の石英ガラス管に関する３つの透過
率曲線を示す図。
率曲線を示す図。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 アルフレート ランガー
ドイツ連邦共和国 86438 キツシング
フリーダーシユトラーセ 18
(72)発明者 マンフレート ダイゼンホーフアー
ドイツ連邦共和国 83714 ウンターシ
エーネベルク／アルテンミユンスター
シユターツシユトラーセ 12
(72)発明者 ユルゲン ライヒアルト
ドイツ連邦共和国 86830 シユワープ
ミユンヘン ベーゲーエム‐シユトロー
ベル‐シユトラーセ 11
(56)参考文献 特開 昭63−256547（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C03C 1/00 - 14/00
C03B 20/00
Claims (8)
- 【請求項１】 ドーパントとして少なくともアルミン酸
セリウム（ＣｅＡｌ０3）を添加することを特徴とする
珪砂及び／又は水晶からなる石英ガラスをドーパントと
共に溶融することによりドープ形石英ガラスを製造する
方法。 - 【請求項２】 アルミン酸セリウム（ＣｅＡｌ０3）を
粉末状で珪砂及び／又は水晶に均一に混入することを特
徴とする請求項１記載の製造方法。 - 【請求項３】 アルミン酸セリウム粉末の平均粒径が≦
２０μｍであることを特徴とする請求項２記載の製造方
法。 - 【請求項４】 アルミン酸セリウム粉末を固相反応によ
って、少なくとも酸化セリウム（ＣｅＯ2）及び酸化ア
ルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を含んでいる出発混合物を加熱
して製造することを特徴とする請求項３記載の製造方
法。 - 【請求項５】 出発混合物中の出発成分において酸化セ
リウム（ＣｅＯ 2 ）に対する酸化アルミニウム（Ａｌ 2 Ｏ
3 ）のモル比が０．５より大きいか又は等しいことを特
徴とする請求項４記載の製造方法。 - 【請求項６】 珪砂及び／又は水晶にアルミン酸セリウ
ム（ＣｅＡｌ０3）を５重量％まで添加することを特徴
とする請求項１記載の製造方法。 - 【請求項７】 珪砂及び／又は水晶にアルミン酸セリウ
ム（ＣｅＡｌ０3）を０．１〜２．０重量％まで添加す
ることを特徴とする請求項６記載の製造方法。 - 【請求項８】 他のドーパントとして酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）を珪砂及び／又は水晶に均一に混入することを特
徴とする請求項１記載の製造方法。
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