JP4535831B2

JP4535831B2 - 石英ガラス製品製造方法とそれに用いる成形用金型

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Publication number: JP4535831B2
Application number: JP2004298365A
Authority: JP
Inventors: 木教一柵; 茂小野田; 島裕二小; 本浩山
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP2006111476A

Description

本発明は、石英ガラス製品を低コストで高精度に製造する石英ガラス製品製造方法とそれに用いる成形用金型に関し、特に、液晶プロジェクタ光源等のランプ用反射鏡の製造に用いて好適なものである。

石英ガラスは、光学特性に優れることから液晶プロジェクタのバックライトなどへの使用が期待されるが、加工温度が約２０００℃と高いだけでなく、加工が難しく熟練した作業者の技術が要求される。
このため、設計寸法とおりに成形することが困難であり、同一品質のものを量産できないことから加工コストも高いという問題があった。

そこで本出願人は、球状シリカにバインダを添加し、これを顆粒状に造粒した原料粒子を金型に入れて乾式プレス成形することにより焼結用成形体を作成し、この成形体を大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結して石英ガラス製品を製造する方法を提案した。
特開２００４−１３１３５１

これによれば、任意の形状の石英ガラス製品を製造する場合に、熟練を必要とせず、量産しても寸法精度が確保されるため、製造コストを格段に低減できるというメリットがある。

しかしながら、プロジェクタ用光源装置の反射鏡を作製し、熟練工が手作業で製造した反射鏡と比較したところ、著しく明るさが劣る場合があることが判明した。
明るさが劣る反射鏡を詳細に観察してみると、放物面とすべき反射鏡表面に、脈理と称する同心円状の皺のような凹凸の帯が形成されていることが判明した。
このような脈理が形成されると、ランプから放出された直線光が反射鏡に入射しても、脈理部分で散乱されてしまい、脈理部分からは所望の設計反射角度通りに反射しないため、プロジェクタ用光源装置として用いると著しく明るさが劣ることになる。
これを液晶表示パネルのバックライト光源に使用した場合は、液晶パネル面に直角に入射しない光となって無駄に放射されるだけでなく、液晶パネル面を加熱してしまうという問題があることが判明した。

そして、発明者らは、乾式プレスで製造する場合に形成される脈理の原因を究明すべく、試験・研究を行ったところ、金型が原料粒子と接触する金型成形面の表面粗さが影響していることが判明した。
さらに、球状シリカや原料粒子の粒径と、成形面の表面粗さとの関係について調査した結果、一定の関係性が存在することが判明した。

そこで本発明は、そのような知見に基づきなされたもので、ガラス表面に脈理がなく、量産しても寸法精度に優れた石英ガラス製品を低コストで製造できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、球状シリカにバインダを添加して造粒した原料粒子をプレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結して石英ガラス製品を製造する過程で、前記焼結用成形体を成形する成形用金型であって、プレス成形する際に型内に充填された原料粒子と接触する成形面が、
（１）Ｒａ≦ｄ／４
（２）Ｓｍ≧ｄ
Ｒａ：算術平均粗さで表わされた表面粗さ
Ｓｍ：粗さ曲線と平均線の交点に基づいて測定された凹凸１周期の平均間隔
ｄ：原料粒子の平均粒径
の双方の条件を満たす表面粗さに仕上げられていることを特徴としている。

本発明によれば、発明者の実験結果によれば、脈理を生じる成形用金型の成形面の表面粗さは、球状シリカの粒径には直接関係なく、その球状シリカにバインダを添加して造粒した原料粒子の粒径と密接に関係していることが判明した。
すなわち、成形用金型に原料粒子を充填して、金型のプレス圧力を上昇させて成形する際に、原料粒子の流動速度が場所により異なるなど不均一な流動性を呈すると粗密な箇所ができてしまい、これが脈理になると考えられる。
したがって、原料粒子を均一に流動させることができれば、脈理が生じにくくなる。

具体的には、金型の成形面が、算術平均粗さＲａが原料粒子の平均粒径ｄの１／４以下であり、且つ、平均間隔Ｓｍが原料粒子径ｄ以上の表面粗さに仕上られていれば、その金型に原料粒子を充填し、これを乾式プレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結したときには、脈理はほとんど観察されず、量産しても寸法精度に優れた石英ガラス製品を低コストで製造することができた。

本例では、脈理がなく、量産しても寸法精度に優れた石英ガラス製品を低コストで製造するという目的を、乾式プレス金型の成形面の表面粗さを規制することにより実現した。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る成形用金型を示す説明図、図２は粗さ曲線のモデルを示す説明図、図３は成形面の表面粗さと脈理発生の相関関係を示す説明図、図４は乾式プレス成形の工程を示す説明図である。

図１に示す成形用金型１は、球状シリカにバインダを添加して造粒した原料粒子２を乾式プレスして焼結用成形体を成形するためのもので、成形された焼結用成形体を加熱焼結することにより石英ガラス製品が得られる。
本例の成形用金型１は、プロジェクタ光源装置の反射鏡を製造するための焼結用成形体を成形するものであって、反射鏡外周面を成形する胴型３と、内周面を成形するプランジャ４とからなる。

胴型３は、反射鏡の外周面を形成する円筒型の外枠５と、楕円面背面側を形成する底枠６からなり、底枠６から前記プランジャ３内に挿入される中心ロッド７が配され、その内部に充填される原料粒子２と接触する面が外側成形面５ａ，６ａとなっている。
また、プランジャ４には反射鏡の内周面を形成する内側成形面４ａが形成され、胴型３の中心ロッド７を挿通する位置決め用の挿通孔８が形成されている。

そして、前記各成形面４ａ〜６ａは、
（１）Ｒａ≦ｄ／４
（２）Ｓｍ≧ｄ
Ｒａ：算術平均粗さで表わされた表面粗さ
Ｓｍ：粗さ曲線と平均線の交点に基づいて測定された凹凸１周期の平均間隔
ｄ：原料粒子の平均粒径
の双方の条件を満たす表面粗さに仕上げられている．

算術平均粗さＲａとは、図２に示す粗さ曲線Ｃからその平均線Ａｖの方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り平均線の方向にｘ軸を、縦倍率の方向にｙ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝f（ｘ）で表したときに、次の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。

また、平均間隔Ｓｍは、粗さ曲線Ｃと平均線Ａｖの交点に基づいて測定された凹凸１周期ごとの間隔Ｓ_１〜Ｓｎの平均値である。

以上が本発明に係る成形用金型の一例であって、次にこれを用いた石英ガラス製品の製造方法を説明する。
（原料粒子の造粒工程）
原料粒子２は、球状シリカにバインダを添加して顆粒状に造粒した。
球状シリカは、アルコキシド法や溶融法で製造されたもののいずれも使用できたが、大気中での低温焼結を可能にするには、真球状粒子であり表面が無孔質である低比表面積であることが必須である。

球状シリカは公知の様に、アルカリ金属を含有すると、加熱焼結時に結晶化し易くなるため、球状シリカ中の不純物は可能な限り少ないほうが良いが、本例では、低コスト生産を考慮して一般的に市販されている球状シリカを精製する事なくそのまま使用した。

使用した球状シリカの不純物含有量は、Ｎａ^＋，Ｋ^＋等のアルカリ金属は１ｐｐｍ以下、Ｃａ^＋＋等のアルカリ土類金属は５０ｐｐｍ以下である。
そして、この球状シリカに水分率が４０％となるように純水を加えると共に、加熱焼結後に灰分を残さないように有機高分子分散剤としてアクリルオリゴマーのＮＨ_４塩を０.２〜０.３重量％加えた。
分散剤としてはその他、アクリル酸とアクリル酸メチルまたはアクリル酸エステルの共重合体オリゴマーＮＨ_４塩等が使用できる。

純水と分散剤とを添加後、球状シリカ材料を撹拌機で一次粒子まで分散して水分含有率が４０％のスラリーを作成した。
上記のスラリーに熱分解性に優れ、加熱焼結後灰分を残さないバインダを２〜５重量％添加した。
２重量％未満では用いる金型から成形体を取り出す時に、成形体が崩れる等の欠点が見受けられ、また、５重量％超では後述する成形体から加熱焼結時にバインダを完全に燃焼分解する事が難しくなり、時間と経費を要する脱脂工程を必要とするからである。
また、バインダの焼結分解が不完全であると加熱焼結時に、発泡またはクリストバーライトへの結晶化が進みやすくなり、熱分解性の良くないバインダを使用した場合も同様の結果を得ることが判った。
そこで本発明では低コスト生産を目的とするため、バインダ添加量は上記に示す２〜５重量％とし、短時間で生産出来る条件にした。

バインダの種類としては、ファインセラミックの成形助剤として知られるポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル系エマルジョン等を結合剤として、グリセリン、ワックス系エマルジョン、ステアリン酸エマルジョン、ＰＥＧ等を潤滑剤として使用する事ができる。
本例では、ワックス系エマルジョン＝１.２（重量％）、ステアリン酸エマルジョン＝１.３（重量％）、ポリビニルアセタール＝０.８（重量％）、ポリビニルアルコール＝０.４（重量％）を添加した。

バインダの添加を終了したスラリーは、粘性値が３００〜４００ｃｐｓになる様に純水を用いて調整した。実施例では粘性値４００ｃｐｓ、水分率６０％のスラリーとし、該スラリー内の異物を除去するため、目開き３８μｍのフィルタに該スラリーを通した。
次に、乾式プレス成形は金型へ均一に充填されること及びプレス時の圧縮過程で充分に圧力伝達される事が重要であるため、スプレードライアを使用してスラリーを顆粒に造粒して原料粒子２を得た。

なお、球状シリカは、その平均粒径ｄ_Ｓが０.３≦ｄ_Ｓ≦１０（μｍ）のものを選定して用いた。
平均粒径ｄ_Ｓが０.３μｍより小さいと、それ以上の粒径のものを製造する場合に比して製造技術が格段に難しくなり、製造コストが２倍以上になるだけでなく、そのようにコストをかけても品質が一定せず粒径が不安定になるという問題がある。
また、平均粒径ｄ_Ｓが０.３μｍより小さい球状シリカを用いて原料粒子を造粒すると、これを乾式プレスするときに金型に食い込んで金型表面を齧ってしまい、さらに、焼成したときに仕上品の表面が均質なガラス面とならずクリストバーライトの混在が目立つようになるという難点がある。

また、平均粒径ｄ_Ｓが１０μｍより大きい場合は、焼成時に軟化温度近傍での高温加熱が必要となり、しかも、長時間保持しなければ、ガラス製品の表面が滑らかにならないという難点がある。
すなわち、焼成することによって互いの球状シリカが溶かされて石英ガラス製品の表面が滑らかになるが、粒径が大きいと隙間も大きいためシリカを大量に軟化させなければならず、しかも、型バラシした状態で焼結されるので、軟化温度近傍まで昇温させると、全体が軟化して形が崩れやすくなるという難点がある、

さらに、原料粒子は、その平均粒径ｄが、１０μｍ≦ｄ≦１００μｍとなるように造粒した。
原料粒子の平均粒径ｄが１０μｍより小さいと、乾式プレス成形する際に金型表面を充分に磨いても互いに結合する力が強くなって金型表面を巧く滑らないのでやはり脈理が発生する場合が多い。
また、原料粒子の平均粒径ｄが１００μｍより大きいと、安定した径で原料粒子を製造することが困難なだけでなく、金型に予め設定された量だけ充填する定量振込みを行う際に量的なバラツキを生じやすいという難点がある。

このため、本例では、球状シリカの平均粒径ｄ_Ｓを０.３μｍ以上１０μｍ以下にすると共に、原料粒子の平均粒径ｄを１０μｍ以上１００μｍ以下とした。

（乾式プレス工程）
次いで、図４に示すように、原料粒子２を成形用金型１の胴型３に入れた後（図４(ａ)）、プランジャ４を降下させ、その挿通孔８に胴型３の中心ロッド７を挿入させながらプレス圧力を加えると焼結用成形体Ｆが成形される（図４（ｂ））。
その後、プランジャ４を引き上げて、胴型３の底枠６を外枠５から外して型バラシし（図４（ｃ））、底枠６から焼結用成形体Ｆを抜き出す（図４（ｄ））。

（焼結工程）
このようにして乾式プレス成形で作成した焼結用成形体Ｆを酸化性雰囲気加熱焼結法と還元性雰囲気加熱焼結法によって焼結させた。
このいずれの方法においても、バインダを完全に燃焼除去させるため、先ず、３００〜１０００℃の酸化性雰囲気で予備加熱を行う。
バインダを燃焼除去させる温度は、使用するバインダの種類により異なるため、示差熱分析等で燃焼除去に適した温度を予め確認しておく必要がある。

そして、酸化性雰囲気加熱焼結法では、予備加熱終了後、酸化性雰囲気でバインダを燃焼除去した後、そのまま酸化性雰囲気によって、１２８０〜１３２０℃で加熱焼結を行った。本例では、１３００℃で３０分間保持した。
また、還元性雰囲気加熱焼結法では、予備加熱終了後、一酸化炭素を使用した還元性雰囲気において１２７５〜１３３０℃で加熱焼結を行う。本例では、１３００℃で１時間保持した。
このような比較的低温の加熱により、透明に焼結した石英ガラス製品である反射鏡Ｍを製造することができた。

比較のため異なる表面粗さの金型を多数作成し、夫々の金型について成形面４ａ〜６ａの算術平均粗さＲａと平均間隔Ｓｍを測定すると共に、同一平均粒径の原料粒子２を用いて夫々の金型で成形した焼結用成形品Ｆを加熱焼結し、得られた反射鏡Ｍについて脈理の発生の有無を調べた。

図３はその実験結果を示すグラフであって、横軸を算術平均粗さＲａとし、縦軸を平均間隔Ｓｍとし、夫々の金型で成形した後、加熱焼結して得られた反射鏡Ｍの脈理の有無について、使用した金型の算術平均粗さＲａと平均間隔Ｓｍをパラメータとして分類した。
このグラフより、算術平均粗さＲａ≦ｄ／４及び平均間隔Ｓｍ≧ｄの領域には、脈理の観察されたものがほとんどなく、これ以外の領域には、脈理の発生が多数見られた。
すなわち、粗さ曲線の高さ（凹凸の深さ）が一定以下であり、且つ、粗さ曲線の平均間隔（凹凸波形の周期）Ｓｍが一定以上の場合に、脈理の生成が抑えられる。
これは、上述の条件を満たせば、乾式プレスを行う際に原料粒子２が金型内でスムースに流動することとなり、原料粒子２の粗密な部分が形成されないから脈理が発生しないものと考えられる。

なお上述の説明では、石英ガラス製品としてプロジェクタ用光源装置の反射鏡を製造する場合について説明したが本発明はこれに限らず、任意の石英ガラス製品を低温度で製造し得る。

以上述べた通り、球状シリカにバインダを添加して造粒した粒径ｄの原料粒子２を乾式プレスする成形用金型１の成形面４ａ〜６ａが、算術平均粗さＲａ≦ｄ／４、平均間隔Ｓｍ≧ｄの双方の条件を満たす表面粗さに仕上げられている場合に、この成形用金型１に原料粒子２を充填して乾式プレスにより焼結用成形体Ｆを成形し、これを加熱焼結すれば、ガラス質中に脈理を生じることもなく光学特性の極めて良好な反射鏡Ｍその他の石英ガラス製品を、高精度且つ低コストで量産することができるという効果を有する。

本発明は、ガラス質中に脈理のない光学特性の極めて良好な反射鏡、光学要素その他の石英ガラス製品を、高精度且つ低コストで量産する用途に使用し得る。

本発明に係る成形用金型を示す説明図。粗さ曲線のモデルを示す説明図。成形面の表面粗さと脈理発生の相関関係を示す説明図。乾式プレス成形の工程を示す説明図。

符号の説明

１成形用金型
２原料粒子
３胴型
４プランジャ
５ａ、６ａ外側成形面
４ａ内側成形面

Claims

球状シリカにバインダを添加して造粒した原料粒子をプレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結して石英ガラス製品を製造する過程で、前記焼結用成形体を成形する成形用金型であって、
プレス成形する際に型内に充填された原料粒子と接触する成形面が、
（１）Ｒａ≦ｄ／４
（２）Ｓｍ≧ｄ
Ｒａ：算術平均粗さで表わされた表面粗さ
Ｓｍ：粗さ曲線と平均線の交点に基づいて測定された凹凸１周期の平均間隔
ｄ：原料粒子の平均粒径
の双方の条件を満たす表面粗さに仕上げられていることを特徴とする成形用金型。
球状シリカの平均粒径が０.３μｍ以上１０μｍ以下、造粒された原料粒子の平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下である請求項１記載の成形用金型。
球状シリカにバインダを添加して造粒した原料粒子を、
（１）Ｒａ≦ｄ／４
（２）Ｓｍ≧ｄ
Ｒａ：算術平均粗さで表わされた表面粗さ
Ｓｍ：粗さ曲線と平均線の交点に基づいて測定された凹凸１周期の平均間隔
ｄ：原料粒子の平均粒径
の双方の条件を満たす表面粗さに仕上げられた成形面を有する成形用金型に充填し、
これをプレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結することを特徴とする石英ガラス製品製造方法。
前記石英ガラス製品がランプの反射鏡である請求項３記載の石英ガラス製品製造方法。