JP5405231B2

JP5405231B2 - ガラス材料の成形用の型材及びそれを使用したガラス材料の成形方法

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Publication number: JP5405231B2
Application number: JP2009188684A
Authority: JP
Inventors: 由紀夫大貫
Original assignee: Tosoh Quartz Corp
Current assignee: Tosoh Quartz Corp
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: JP2011037687A

Description

本発明は、ガラス材料の成形用の型材及びそれを使用したガラス材料の成形方法に関し、特に、石英ガラス、珪酸ガラス或いはソーダガラスなどの各種のガラス材料を加熱溶融しながら所望の形状に成形する際に用いる型材及びその型材を使用した成形方法に関する。

近年、ガラス製品、特に、石英ガラスよりなるガラス製品（以下、石英ガラス製品という）は、光学レンズ等の光学機器に限らず、その耐久性や化学的安定性等の利点を生かし、半導体製造用治具、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、パネル製造用フォトマスク或いは光通信用の精密部品などに広く用いられている。
一般に、こうした石英ガラス製品の製造プロセスとしては、エッチングや研削加工などのような、加工対象物から不要な領域を除去する除去工程を主に用いるプロセスが採用されていた。

しかしながら、エッチングによる製造プロセスは、加工対象物の表面の比較的微細な加工に限定されるため、それにより得られるガラス製品が限定されてしまうという問題点があった。
また、研削加工による製造プロセスは、加工対象物を少量ずつ研削して所望の形状に加工するため、加工時間が多くかかるとともに、加工対象物から不要な部分を全て研削してしまうため、最終的に加工されたガラス製品の重量に比べ、より大きなガラス材料の重量が必要となり、製造効率や製造コスト上で問題点が指摘されていた。

例えば、円筒形状の石英ガラス製品を得ようとする場合には、電気炉などの加熱装置内において、円筒形状の型材により当該型材の中に載置された石英ガラス材料たる加工対象物を加熱溶融して円柱形状に成形された成形体の中央部を研削することによって石英ガラス製品の概形たる中間体を作製し、当該中間体を更に機械加工することにより円筒形状の石英ガラス製品を仕上げるようになされている。

このように、加熱溶融して円柱形状に成形した成形体の中央部を研削して中間体を作製するため、内径の大きな円筒形状の石英ガラス製品を製作する場合、中間体を作製する際に円柱形状に成形した成形体の多くの部分を研削することから、当該中間体を更に研削して仕上げ加工された石英ガラス製品の重量に対する石英ガラス材料の重量が１０倍以上必要な場合もあり、製造コストの上昇を招いていた。

ここで、研削加工により円筒形状の石英ガラス製品を製作する方法について、図１及び図２を参照して説明する。
図１（ａ）には従来の技術によるガラス材料の成形方法に用いる型材の概略構成斜視説明図が示されており、また、図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ矢視図が示されており、また、図１（ｃ）には図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図が示されており、また、図２（ａ）には加熱溶融後の型材と加工対象物の断面図が示されており、また、図２（ｂ）には図２（ａ）に示す加工対象物の斜視説明図が示されている。

この従来技術によるガラス材料の成形方法に用いる型材１００は、底板１２と、底板１２の上面１２ａに配置されるとともに所望の内径を有する円筒形状の外筒１４とを有して構成されている。
なお、底板１２の上面１２ａと外筒１４の内周面１４ａとには、それぞれ離型材が被覆されている。

以上の構成において、円筒形状の石英ガラス製品を製作するには、まず、外筒１４内の底板１２の上面１２ａに石英ガラス材料たる加工対象物１６を配置し、加工対象物１６が配置された型材１００をヒーター（図示せず。）により所定の条件下で加熱する。

このように、型材１００が所定の条件下で加熱されることにより、加工対象物１６は加熱溶融され、加熱溶融された加工対象物１６は、図２に示すように、外筒１４の内径と同一の寸法の外径を備えた円柱形状の成形体として作製される。

そして、円柱形状に加熱溶融された加工対象物１６たる成形体の中央部を研削することにより、所望の円筒形状の石英ガラス製品の概形たる中間体が作製され、この中間体をさらなる研削などの機械加工工程を経て最終指定寸法に仕上げた円筒形状の石英ガラス製品を製作する。

上記したように、従来の技術においては、円筒形状の石英ガラス製品を製作するにあたっては、円柱形状に加熱溶融された加工対象物１６たる成形体の中央部を研削して石英ガラス製品の概形たる中間体を得る必要があるため、成形する円筒形状によっては円柱形状に加熱溶融された加工対象物１６たる成形体の多くの部分を研削することとなり、製作された石英ガラス製品に対する石英ガラス材料は、重量比で１０倍以上必要になる場合もあり、製造コストの上昇を招いていたものであった。

そこで、従来、円柱形状のガラス製品を成形していたが、筒形形状のガラス製品を成形することによって、石英ガラス材料の使用重量を低減できるので、用いるガラス材料を加熱溶融する際に、その中央部を押圧して中央部が凹んだ筒形形状に型材を用いて成形を行ってきた。型材は、底板と、上記底板と一方の開ロ部を接して上記底板上に配設された筒部と、上記筒部の内径と略同一の外径を有するとともに上記筒部の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、上記ガイド部材の下面に配設されるとともに、上記筒部内の上記底板上に配置されたガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、上記押圧治具に荷重を付与する荷重板とを有するものである。
これによって、筒形形状のガラス製品を成形でき、用いる石英ガラス材料の重量を低減できたが、荷重板は、１０ｋｇ以上の重量があり、これをガイド部材の上に設置するには、人力では無理で、作業エリアの天井に設置したホイストを用いる必要があり、作業には２名以上の要員が必要であった。荷重板は、重量物であるため、搬送には台車を用いてきた。荷重板の台車への積載、台車での搬送、台車からガイド部材上へホイストを用いて積載する、という作業手順であり、多くの作業工数がかかるという問題があった。

特許第３７７８２５０号公報

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、筒形形状のガラス製品を成形する際において使用するガラス材料の重量を低減し、これにより製造コストの低減を図るようにした型材及び型材を用いたガラス製品の成形方法を提供するものである。特に型材の中の押圧治具の上に積載する荷重板を人力で取り扱いができるようにして作業効率を向上させるものである。

上記目的を達成するために、本発明は、筒形形状のガラス製品を成形するために用いるガラス材料を加熱溶融する際に、その中央部を押圧して中央部が凹んだ柱形状、つまり、筒形形状に近い形状に加工するようにし、加熱溶融されたガラス材料の中央部の体積を著しく減少させ、研削工程において研削される中央部の重量を著しく減少させたものである。
更に、人力では取り扱いが困難な重量の荷重板が用いられていたのを荷重板の１枚当たりの重量を人力で取り扱いが可能な重量に分割したものであり、好ましくは、分割した荷重板の重量を５ｋｇ以上１０ｋｇ以下とすることによって、型材の組み立てにかかる作業工数を低減し、従来に比べてガラス材料の重量を著しく低減させ、作業工数も抑制が可能となり、製造コストを低減することができたのである。

請求項１記載の発明は、ガラス材料を加熱溶融して筒形形状のガラス製品の概形を成形する型材において、底板と、上記底板と一方の開ロ部を接して上記底板上に配設された筒部と、上記筒部の内径と略同一の外径を有するとともに上記筒部の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、上記ガイド部材の下面に配設されるとともに、上記筒部内の上記底板上に載置されたガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、上記押圧治具に荷重を付与する荷重板とを有し、前記荷重板の形状が円柱形であり、更に、荷重板を分割して人力で取り扱いが容易な重量としたものであり、これを１枚以上用いて押圧荷重とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記加熱溶融する際の加熱温度を１５００〜２０００℃であるようにしたものである。
請求項３記載の発明は、分割した荷重板の重量を５ｋｇ以上１０ｋｇ以下としたものである。
請求項４記載の発明は、ガラス材料の加熱溶融を、窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウムという不活性ガス雰囲気または真空中で行うようにしたものである。
請求項５記載の発明は、ガラス材料を加熱溶融して筒形形状のガラス製品の概形を成形する型材において、底板と、前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設された筒部と、前記筒部の内径と略同一の外形を有するとともに前記筒部の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されるとともに、前記筒部内の前記底板上に載置されたガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する複数の荷重板とを有し、前記荷重板の形状が円柱形であり、更に前記荷重板の１枚当たりの重量が、５ｋｇ以上１０ｋｇ以下としたガラス材料の成形用の型材である。

本発明は、以上説明したように構成されているので、筒形形状のガラス製品を製作する際において使用するガラス材料の重量を低減することができ、また、作業工数が低減されることによって製造コストの低減を図ることができ、更に、ガラス製品の製造歩留まりを向上するという優れた効果を奏する。

従来の技術によるガラス材料の成形方法に用いる型材の概略構成斜視説明図。加熱溶融後の加工対象物及び型材の断面図及び加熱溶融された加工対象物の斜視図。第１実施形態によるガラス材料の成形方法に用いる型材の概略構成斜視図及び断面図。

１０、１００型材
１２底板
１４外筒
１６加工対象物
１８押圧治具
２０ガイド部材
２２荷重板

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による型材及び型材を用いたガラス材料の成形方法の一例について詳細に説明するものとする。

なお、以下の説明においては、図１及び図２を参照しながら説明した従来の技術によるガラス材料の成形方法に用いられる型材１００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は適宜に省略することとする。

図３（ａ）には本発明によるガラス材料の成形方法の第１の実施の形態に用いられる型材の概略構成斜視説明図が示されており、また、図３（ｂ）には図３（ａ）のＥ−Ｅ断面図が示されており、また、図３（ｃ）には図３（ａ）の荷重板２２の斜視図が示されている。
このガラス材料の成形方法に用いられる型材１０は、底板１２と、底板１２の上面１２ａに配置されるとともに所望の内径を有する円筒形状の外筒１４と、外筒１４の内径と略同一の外径を有する円板形状を備えるとともに外筒１４の内周面１４ａ上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材２０と、ガイド部材２０の上面２０ａに配置されて荷重をかけるための荷重板２２と、ガイド部材２０の下面２０ｂに配置されるとともに外筒１４の中心軸Ｏ上に中心が位置して底板１２の上面１２ａに配置された石英ガラス材料たる加工対象物１６を上方から押圧する略円柱形状の押圧治具１８とを有して構成されている。

ここで、荷重板２２、ガイド部材２０ならびに押圧治具１８は、手動などで負荷を加えることにより、外筒１４の中心軸Ｏに沿って自在に移動できるように構成されているとともに、手動などによる負荷を排除すると、荷重板２２、ガイド部材２０ならびに押圧治具１８のそれぞれの自重による重量により、それらが外筒１４の中心軸Ｏに沿って下方へ移動するように構成されている。

なお、荷重板２２、ガイド部材２０ならびに押圧治具１８は、それぞれの重心が中心軸Ｏ上に位置するように構成されている。
また、押圧治具１８の下面１８ｂが石英ガラス材料たる加工対象物１６を押圧する面圧は、押圧治具１８、ガイド部材２０ならびに荷重板２２との合計の重量により設定されるが、荷重板２２の重量を変更することによって所望の面圧になるように調整することができる。例えば、ガイド部材２０の上面２０ａに一定重量の荷重板２２を複数枚配置できる構成にすれば、ガイド部材２０の上面２０ａに配置される荷重板２２の枚数を調整することにより任意の荷重に調整し、所望の面圧とすることができる。

更に、上記した型材１０に用いられる各部材は、熱間強度及び化学的安定性が高く、高純度のものであれば、特にその材質は問われないが、機械加工がしやすいため各部材の作製が容易であることからカーボン製であることが好ましい。

以上の構成において、例えば、円筒形状の石英ガラス製品を製作するには、外筒１４の中心軸Ｏ上に中心が位置するように石英ガラス材料たる加工対象物１６を底板１２の上面１２ａに配置し、荷重板２２、ガイド部材２０ならびに押圧治具１８のそれぞれの自重による重量により、それらが外筒１４の中心軸Ｏに沿って下方へ移動するようにした型材１０を、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス雰囲気下もしくは真空中で所定の温度に加熱する電気炉などの加熱装置内に配置する。

そして、加工対象物１６が加熱装置内で加熱溶融され始めると、荷重板２２、ガイド部材２０ならびに押圧治具１８のそれぞれの自重による重量により、押圧治具１８が加工対象物１６の上面１６ａにおける中央部を押圧して、加工対象物１６の上面１６ａの中央部を強制的に変形することとなり、加工対象物１６の上面１６ａにおける中央部には、押圧治具１８の外形に沿った凹部が形成される。

即ち、加熱溶融された加工対象物１６たる成形体は、型材１０により上面１６ａの中央部が凹んでいる円筒形状に成形されることになる。
このとき、加熱溶融された加工対象物１６たる成形体の上面１６ａの中央部に成形された凹部は、押圧治具１８の径や厚さによって当該凹部の大きさを調整することができる。

こうして略円筒形状に成形された加熱溶融後の加工対象物１６たる成形体は、次工程で指定寸法に研削・切削加工されて円筒形状やリング形状の石英ガラス製品の概形たる中間体として加工され、加工された中間体はさらなる研削などの機械加工工程を経て最終形状、寸法に仕上げた石英ガラス製品として製作される。
このように、型材１０を用いて石英ガラス製品として製作される前段階の石英ガラス製品の成形体たる中間体を作製する場合には、加熱溶融された加工対象物１６たる成形体を次工程で研削・切削加工される中央部が凹むように成形することにより当該中央部の体積を小さくすることができ、これにより石英ガラス製品の成形体たる中間体を研削・切削加工する際には研削・切削加工される当該中央部の重量を少なくすることができる。

また、型材１０によれば、押圧治具１８の径や中心軸Ｏ方向における厚さによって加熱溶融後の加工対象物１６たる成形体の中央部に成形される凹部の大きさを調整することができ、中間体を作製する際の研削・切削工程において研削・切削加工される中央部の量を調整することも可能となる。
つまり、製作するガラス製品に対するガラス材料の重量を低減させるには、押圧治具１８の径を製作するガラス製品の概形たる中間体の内径に近似した大きさとし、かつ、押圧治具１８の中心軸Ｏ方向における厚さを製作するガラス製品の概形たる中間体の高さに近似した大きさとすればよい。

更に、荷重板２２は、ガラス部材２０から所望の成形体１６を形成するにあたり、押圧治具１８に適当な面圧を負荷するための荷重を付与するために、ガイド部材２０上に１枚以上の荷重板２２を積載するのであるが、この荷重板２２の重量を１枚当たり５ｋｇ以上１０ｋｇ以下とすることにより、作業工数を低減することができる。従来例えば３０ｋｇの荷重が必要な場合には、相当する重量の荷重板２２を、１枚ガイド部材上に積載し、型材を組み上げるが、荷重板２２を保管場所から取り出して、搬送し、ガイド部材上まで積載するには、相当する工数が必要であったが、これを１枚５ｋｇ以上１０ｋｇ以下の重量まで荷重板を軽量化することにより、工数の低減が可能となった。これまでは、荷重板２２は、重量物であるから、保管場所にてホイストを用いて吊り上げ、台車に乗せ、電気炉付近まで搬送し、再度ホイストにより台車から吊り上げて、ガイド部材の上に乗せる、という方法で荷重板２２の積載作業をしていた。これに対し、本発明では、荷重板１枚当たりの重量を５ｋｇ以上１０ｋｇ以下とすることにより、容易に手作業で、持ち運ぶことができ、ガイド部材上へ同様に手作業で、積載できるので、作業工数は、従来法に比べ１／３程度に低減できる。

但し、５ｋｇ未満まで荷重板２２の重量を低下させると、積載する荷重板２２の枚数が増え、作業量が増加するので、効率が悪くなる。例えば３０ｋｇの荷重が必要な場合、１枚が５ｋｇ未満の荷重板は６枚以上必要である。１枚が１０ｋｇである荷重板では、３枚で十分である。
なお、上記した加熱溶融中における加工対象物１６の加熱温度は、例えば、１５００〜２０００℃とすることが好ましく、より詳細には、１７５０〜１９００℃とすることが好ましい。

これは、加工対象物１６の加熱温度が１５００℃未満のときは、石英ガラスが高粘性を有するため石英ガラス材料を変形させにくく、型材１０において石英ガラス材料が求める形状に成形されない恐れがあるからであり、また、加工対象物１６の加熱温度が２０００℃を超えるときには、石英ガラス材料が分解して型材１０の各構成部材の材料であるカーボンと反応してしまう恐れがあるからである。

次に、本願発明者が上記した型材１０と、１枚の重量が５ｋｇ以上１０ｋｇ以下に加工した荷重板２２を用いて行った実験の結果について、以下に説明する。
外筒１４は内径５５０ｍｍのものを用いるとともに、加熱装置として電気炉を用いて、その内部を圧力０．０３ＭＰａ、窒素ガス雰囲気下において加熱温度１８００℃で円柱形状の加工対象物１６を加熱溶融し、加熱溶融後の加工対象物１６たる成形体の寸法を示した。実際に、加熱溶融後の成形体を、研削・切削加工して中間体とするが、この寸法は、外径５２０ｍｍ、内径３７８ｍｍ、厚さ９４ｍｍのリング材である。

表１に、実験結果を示す。ここで、表１の実施例１〜１０には、内径５５０ｍｍの外筒１４を用いた本発明による型材１０及び１枚の重量を１０ｋｇとして加工した荷重板多数枚を用いた場合における、加熱溶融前の加工対象物１６の寸法と重量、加熱溶融後の成形体寸法、成形前に積載した荷重板の重量と枚数が示されている。
更に、荷重板を積載する際の作業効率が示されている。ここで、作業工数は、従来用いていた荷重板を１枚積載するためにかかる時間を１．０として、実際にかかる時間の割合で表した。

また、表２の比較例１〜５には、型材１０及び従来の荷重板（1枚の重量が２０ｋｇ以上）多数枚を用いた場合における、加熱溶融前の加工対象物１６の寸法と重量、加熱溶融後の成形体寸法、成形時に積載した荷重板の重量と枚数が示されている。更に、荷重板を積載する際の作業工数が示されている。

表２の比較例１〜５に示すように、従来技術による荷重板２２と型材１０を用いた場合には、荷重板重量は、８５〜１４０ｋｇであり、５〜７枚の荷重板を積載するが、作業工数は、４．３〜７．０であり、作業にかなりの負担がかかっていることがわかる。これに対して、本発明による荷重板２２を用いた場合には、表１の実施例１〜１０に示すように、荷重板総重量は６４〜１１０ｋｇであり、７〜１１枚の荷重板を積載するが、作業工数は、１．１〜１．８であり、比較例の作業工数に比べ、およそ１／３程度であることがわかる。

このように、従来荷重板２２は、重量物であるので、これを保管場所から吊り上げ、台車などに乗せ、移動した後、再度吊り上げてガイド部材上に積載するという操作を何度か繰り返して行うので、相当する作業時間を要するが、本発明によれば、１枚の荷重板２２を軽量化することにより、手作業で搬送できるので、作業工数は著しく低減でき、従来のおよそ１／３程度の作業量にすることができる。

Claims

ガラス材料を加熱溶融して筒形形状のガラス製品の概略形状を成形する型材において、底板と、前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設された筒部と、前記筒部の内径と略同一の外形を有するとともに前記筒部の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されるとともに、前記筒部内の前記底板上に載置されたガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する荷重板とを有し、前記荷重板の形状が円柱形であり、かつ、前記荷重板が人力で取り扱い可能な重量に分割してある複数枚であり、この分割した荷重板を１枚以上、重ねて用いることを特徴とする型材を用いたガラス材料の成形方法。
請求項１記載の型材を用いたガラス材料の成形方法において、加熱溶融する際の加熱温度が、１５００〜２０００℃であることを特徴とする型材を用いたガラス材料の成形方法。
請求項１または２記載の型材を用いたガラス材料の成形方法において、分割した荷重板の重量が、５ｋｇ以上１０ｋｇ以下であることを特徴とする型材を用いたガラス材料の成形方法。
請求項２または３のいずれかに記載の型材を用いたガラス材料の成形方法において、前記加熱溶融を、窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウムまたは真空中で行うことを特徴とする型材を用いたガラス材料の成形方法。
ガラス材料を加熱溶融して筒形形状のガラス製品の概形を成形する型材において、底板と、前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設された筒部と、前記筒部の内径と略同一の外形を有するとともに前記筒部の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されるとともに、前記筒部内の前記底板上に載置されたガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する複数の荷重板とを有し、前記荷重板の形状が円柱形であり、更に前記荷重板の１枚当たりの重量が、５ｋｇ以上１０ｋｇ以下であることを特徴とするガラス材料の成形用の型材。