JP5657937B2 - 石英ガラス成形体製造用型材の直径の変更方法及び石英ガラス成形体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リング状あるいは円板状石英ガラス製品を得るための石英ガラス成形体の製造方法に関し、石英ガラス母材を型材内に設置して加熱溶融炉内で加熱溶融し、溶融石英ガラスを型材の形状に合致させた石英ガラス成形体を製造するに際し、石英ガラス成形体の外径を簡便な方法で変更する製造方法に関する。

近年、ガラス製品、特に、石英ガラスよりなる石英ガラス製品は、光学レンズなどの光学機器に限らず、その耐久性や化学的安定性などの利点を生かし、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ある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、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、加工時間が長くかかるとともに、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石英ガラス製品の重量に比べ、より大きな石英ガラス材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あった。

こうした問題点を解決するため、型材を用いてガラス製品の概形を溶融成形により製造し、その石英ガラス成形体に研削などの機械加工を施してガラス製品を作製する手法が知られている。

以下に、型材を用いたガラス製品の概形を溶融成形により製造する、従来の方法を簡単に説明する。

従来、図１に示すように、溶融成形に用いる型材１０は、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２分割あるいはそれ以上に分割された円筒形状のカーボン製の外筒１０から構成されている。

この型材１０の内部に、溶融成形しようとするインゴットなどの石英ガラス母材１６を載置し、電気炉などの加熱装置により、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下において、１５００℃ないし２０００℃で加熱することにより、石英ガラス母材は加熱溶融され、型材１０の内径と同一寸法の円柱形状の石英ガラス成形体１６ａとして製造される。

しかしながら、円筒形状の外筒は、その製作が難しく、加工のために大型の装置が必要であり、製作に時間がかかり、作製コストが負担になっていた。さらに、２分割あるいはそれ以上に分割したカーボン型材を組み合わせて円筒形になるようにしているために、一つの型材の破損により、外筒として機能しなくなるために、高価な予備品を過剰にストックしておかなければならないという問題もあった。

このような問題点を解決するために、容易に製作できる共通の部材を使用できるようにするために、図２に示すように、外筒１０を同じ大きさの板材１４を組み合わせて構成した正多角柱を用いることを本発明者が提案した。（特願２０１０−２６８０８）

この場合も前記同様に、板材１４で構成された多角柱状の外筒１０内に石英ガラス母材１６を載置し、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下において加熱装置で１５００℃ないし２０００℃で加熱溶融し、板材の内面１４ａで区画された多角柱状の石英ガラス成形体１６ａが製造される。この石英ガラス成形体１６ａを切削などの機械加工によって、所望の形状の石英ガラス製品が得られる。

特許第４０５４９７７号

一方、近年では、石英ガラス製品のサイズあるいは形状が多様化してきているために、所望とされる石英ガラス成形体の外径も多様化してきている。このため、多様な外径の石英ガラス成形体を製造するために、現状ではその径に合わせた型材を新規に作製したり、もしくは所望とする外径の石英ガラス成形体よりも大きな外径の外筒を用いて、溶融成形が行われている。

しかしながら、上述のような対応法では、型材の新規作製のための費用や製作時間がかかること、また所望とする外径よりも大きな石英ガラス成形体を製造することは、製品として利用されない無駄な部分が多く、歩留まりの低下をもたらすだけでなく、加工時間の増大をもたらしている。
本発明は、型材内において石英ガラス母材を溶融成形して石英ガラス成形体を製造するために使用する型材の内径を容易に変更できるようにするものである。

本発明は、上記課題に鑑み、石英ガラス成形体の外径を変更するための型材の内径を簡単に変更できるようにしたもので、型材を構成する同じ大きさの板材の枚数を変更することによって、板材で構成される正多角形の筒体の内径を変更して異なる外径の石英ガラス成形体を容易に製造できるようにしたものである。

本発明は、石英ガラス材の溶融成形の際に型材の構成要素として、同じ大きさの板材を組み合わせた五角形以上の正多角柱を外筒として用い、正多角柱を組み上げるための板材の枚数を変えることによって板材で構成される正多角柱の内接円の直径を変更するものである。

石英ガラス成形体の製造の際に用いる型材の構成要素である正多角柱からなる外筒を組み上げる際の板材の枚数を変えるだけで、溶融成形による石英ガラス成形体の外径の変更ができる。所望の外径の石英ガラス成形体が容易に得られるため、石英ガラス成形体の加工時間や加工に伴う材料のロスが減ることになる。また、同じ大きさの板材を組み合わせて外筒となる正多角柱を作製するために、外筒の予備部品の過剰ストックが解消されるだけでなく、板材を製作するための加工時間の短縮や板材の製作コストが減少される。

従来の円筒部材を外筒とした石英ガラス成形体製造用型材の斜視図及び石英ガラス成形体の製造工程図。 正多角柱を外筒とした石英ガラス成形体製造用型材の斜視図及び石英ガラス成形体の製造工程図。 板材の枚数を変えて正多角柱の内径の変更状態を示す説明図。

以下、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図２に、一例としてカーボン製の板材１４を８枚使用して組み立て、板材の内面１４ａで区画される内面形状が正八角柱状の外筒１０とした場合の概略斜視図を示す。また、図３に、板材１４の枚数を変えて正多角柱状の外筒１０を構成した場合の正多角柱の平面形状を示すもので、正六角形、正八角形、及び正十二角形のものを例示する。

同じ大きさの板材１の枚数を変えることによって、溶融成形により得られる石英ガラス成形体１６の外径を変更する方法を図３を用いて説明する。

図３において、外筒を正八角柱とした場合に得られる石英ガラス成形体を基準とすると、板材１４を４枚増やした正十二角柱の外筒１０では、得られる石英ガラス成形体１６ａの外径は大きくなり、逆に板材１４を２枚減らした正六角柱の外筒１０では、石英ガラス成形体の１６ａの外径は小さくなる。

溶融成形により得られる石英ガラス成形体１６ａの外径は、外筒１０として用いた正多角柱の内接円の直径で決定される。図３に示すように、正多角柱の一辺の長さをａとすると、正六角柱、正八角柱、及び正十二角柱ではそれぞれ１．７３ａ、２．４１ａ、及び３．７３ａの外径の円柱状石英ガラス成形体１６ａが得られることになる。

具体的には、一辺６ｃｍの板材１４を使用した場合は、正八角柱の内接円の直径は１４．５ｃｍであるが、正十二角柱では２２．４ｃｍと７．９ｃｍ大きくなり、また、正六角柱では１０．４ｃｍと４．１ｃｍ小さくなる。

一辺１２ｃｍの板材１４を使用した場合は、正八角柱では２９．０ｃｍであるが、正十二角柱では４４．８ｃｍと１５．８ｃｍ大きくなり、また正六角柱では２０．８ｃｍと８．２ｃｍ小さくなる。

正多角柱の底面の正多角形の大きさは、その内接円の直径が所望の製品を製造するための加工シロを含んだ石英ガラス成形体の外径よりも大きいものとする。内接円の直径は、用いる板材１４の枚数及び／あるいは幅を適宜組み合わせることによって適当に決定することができる。

正多角形を構成する板材１４の枚数としては、板材１４の長さにもよるが、６ないし２４であることが望ましい。板材１４の枚数は３以上であれば内接円が作製できるが、枚数が少ないとその正多角形の面積に占める内接円の面積の比が小さくなり、材料のロスが生じる。また、枚数が大きくなれば、正多角形の面積と内接円の面積の比は１に近づくために、材料のロスは減少するが、正多角柱を組み上げる際に多数の板材１４を組み立てて正多角柱を作り上げるので作業効率が低下する。

正多角柱の辺の長さに相当する板材１４の幅としては、正多角柱を構成する板材１４の数にもよるが、６ｃｍないし１２ｃｍであることが望ましい。板材１４の幅が小さいと、正多角柱の内径の大きさを細かく調整できるようになり材料のロスが減少するが、板材１４の枚数が増えることになり正多角形の外筒を組み上げる際の手間がかかることになる。また、板材１４の幅が大きくなると、正多角柱の内径の大きさを細かく調整することができないために材料のロスが増大するが、板材１４の枚数が減ることになり正多角形の外筒を組み上げる際の手間が減少することになる。

同じ内接円の直径を有する石英ガラス成形体を得る場合でも、板材１４の枚数とその幅の組み合わせで多くの場合が考えられ、石英ガラス材料のロスや正多角柱の組立てに要する手間を考慮して最適な板材の枚数や幅を選択する。

このため、実際の製造の場においては、正多角形柱を構成する板材１４の長さやその枚数については、石英ガラス母材からの石英ガラス製品を得るときの収率、溶融成形の際の作業効率、石英ガラス製品を製造する際の作業効率などから、総合的に判断する。

本発明に用いられる正多角柱を組み上げるための板材１４の材質は、石英ガラスの溶融条件においてなんら反応しないものであれば特に限定されるものではないが、その加工の容易さ、物理的・化学的安定性、不純物含有量の少なさ、及び材料価格の面から、カーボンを用いることが望ましい。

板材１４の厚さは、その幅よりも小さく、溶融成形の際に充分な強度を有していれば特に限定されず、０．５ｃｍないし５．０ｃｍの範囲内であれば必要強度が得られる。さらに望ましくは１．０ｃｍないし３．０ｃｍである。板材１４の厚さが１．０ｃｍより薄くなると、板材の製造方法にもよるが、機械的強度が小さくなること、及び耐久性に問題が生じる可能性が大きい。また、板材の厚さが３．０ｃｍより厚くなると板材を加熱するための熱量の増加やそれに伴う冷却時間の増大、また板材の重量増による作業性の低下などの問題が生じるので好ましくない。

溶融石英ガラスと接触する板材１４の表面１４ａに、溶融石英ガラスとの反応を防止するために、カーボン製フェルトを介在させたり、アルミナ（Ａ１₂Ｏ₃）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる保護膜を被覆しても、なんら問題ない。これらの保護膜は、湿式法や乾式法により作製することができる。例えば、湿式法では、それぞれの粉末に水を加え、スラリー化した後に、スプレーを用いて被覆したり、刷毛等を用いてスラリーを塗布した後に乾燥することにより作製することができる。また、乾式法では、アルミナターゲットなどを用いたスパッタ法や珪素ターゲットを用いた反応性イオンプレーティング法などにより、作製することができる。

板材１４を組み合わせて外筒１０として使用するためには、正多角柱に組み上げた後に、板材１４と同じ材質からなる固定治具を用いて固定する方法、カーボン織推の糸条体を巻きつけ、緊締して外筒１０を固定する方法などがある。

石英ガラス母材の溶融成形は、前述した外筒内に石英ガラス母材を載置した後に、１５００℃ないし２０００℃に加熱することにより行われるが、より好ましい加熱温度は１７００℃ないし１９００℃である。これは１７００℃より低いと石英ガラスの溶融粘度が大きいために、溶融成形に時間がかかるためであり、１９００℃を超えると石英ガラスとカーボンとの反応が起きやすくなってしまうためである。

なお、本明細書において、正多角柱や正多角形という表現をしているが、幾何学的に厳密な意味ではなく、概念的に用いたものである。すなわち、加工精度、使用による変形、あるいは作業効率等の観点から、各辺の長さがまったく等しいことは現実的に不可能であり、実務的な範囲内においての正多角柱あるいは正多角形を意味する。

表1に内径を変更した外筒１０を使用して石英ガラス母材１６を溶融成形して得られた石英ガラス成形体１６ａの実施例１〜７についての計測結果を示す。

実施例１〜４は、厚さ３ｃｍ、幅６ｃｍの板材１４を使用して組み上げた正多角柱を外筒１０として用いた場合の計測結果である。

実施例５〜７は、厚さ１ｃｍ、幅１２ｃｍの板材１４を用いた場合の計測結果である。

これらの計測は、厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン製の底板１２の中央に実施例中に示した大きさを有する石英ガラス材１６を載置し、その外側に本発明で内径を適宜変更した外筒１０となる型材を組み上げたものである。

溶融成形は、前記の所望の外径の型材を電気炉内に移し、窒素ガス雰囲気下で１９００℃で２時間加熱することにより実施した。

冷却後、型材から石英ガラス成形体１６ａを取出し、その一辺の長さと平均の高さを測定した。

本発明によって、石英ガラス成形体の直径を容易に変更することができ、表１に示すように任意の直径の溶融石英ガラス成形体が簡便な方法によって得られることを確認できた。

１０ 型材（外筒）
１２ 底板
１２ａ 上面
１４ 板材
１４ａ 内周面
１６ 石英ガラス母材
１６ａ 石英ガラス成形体

Claims (2)

1. 同じ大きさの板材を組み合わせて五角以上の正多角柱の筒体とした石英ガラス成形体製造用型材の内接円の直径を変更する方法であって、正多角柱を構成する板材の枚数を変更することによって石英ガラス成形体製造用型材の直径を変更する方法。
2. 請求項１の直径の変更方法を利用して所定の直径の正多角柱の型材を形成し、この型材内に石英ガラス母材を設置し、加熱溶融して型材の形状に合致する成形体とする石英ガラス成形体の製造方法。