JP7121752B2 - 酸化物材料溶融部品 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前提部の特徴を有するガラス溶融部品に関する。
ガラス溶融が固化する際に、溶融物中に溶解したガスが、溶融物から得られたガラス製品中に気泡として現れる場合があることは周知である。これは、不合格品の増加によって製品生産量を低下させる結果になるため、通常は望ましくない。
一例として挙げられるのは、サファイア単結晶成長であり、この場合、引き上げられるサファイア結晶中に気泡が生じる場合があるため、サファイア単結晶の品質を損なうおそれがある。
ガラス溶融電極について、特にその使用寿命の初期に、溶融物-ガラス溶融電極の界面において、気泡を形成しやすいことは周知である。電極表面上の気泡は、孔食による腐食速度を増加させ、それによりガラス溶融部品、ここでは、特にガラス溶融電極を損傷する。
従来技術では、気泡の発生に関連する問題に対処するため様々な取り組みがある。
中国特許第105887198号は、気泡を除去するために、溶融槽に振動を与えて対処することを提案している。
米国特許第4334948号は、主要な結晶成長溝に加えて、溶融物に溶解したガスを逃がすことができる補助的な細長い溝を設けた、単結晶成長のための構成を開示している。その結果、主要な結晶成長溝で発生する気泡が少なくなると言われている。
従って、従来技術では、溶融物からガラス製品への気泡の混入を低減するための方法又は構成を提案している。
本発明の目的は、改善されたガラス溶融部品を提供することであり、このガラス溶融部品を使用することで、より高品質のガラス製品を得ることができ、且つ/又はガラス溶融部品自体が気泡により損傷を受けることが少ない。
本発明の目的は、請求項1の特徴を有するガラス溶融部品により解決される。好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。
ガラス溶融部品の使用時に、溶融物に接するガラス溶融部品の表面上に、溶融物から生じた気泡の核形成及び/又は運搬のための少なくとも1つの案内構造存在することにより、
-ガラス製品への気泡の混入が防止又は低減され、及び/又は
-ガラス製品の品質にとって深刻ではない領域に気泡が運ばれ、及び/又は
-ガラス溶融部品上での気泡の滞留時間が短縮される。
少なくとも1つの案内構造は、顕著に長手方向に延びる隆起又は窪みとして形成されている。言い換えれば、案内構造は、表面から突出した形状もしくは正の形状(隆起)又は溝若しくは細長い窪み(負の形状若しくは窪みとして)として形成できる。
また、ガラス溶融部品上に、案内構造を窪みとして、また、案内構造を隆起として形成することもできる。案内構造は、点として存在するのみではなく、むしろ直線部分及び/又は曲線部分に沿って存在している。
その場合、案内構造は、上述の直線部分及び/又は曲線部分に沿って離れて配置された不連続の点形状の個々の構造から構成できる。
しかし、案内構造は、連続した長手方向の隆起又は連続した窪みとして形成するのが好ましい。
少なくとも1つの案内構造は、気泡を制御するのに有利な以下の効果を奏する。
-案内構造は、一方では、溶融物中に溶解したガスの気泡形を開始する、すなわち核として機能する。これにより、溶融物中に溶解したガスは、所定の位置に移動される。
-案内構造は、「固定」をもたらす。すなわち、気泡を保持する。これにより、結果として生じた気泡をガラス溶融部品の対応する表面上で的確に移動させることができる。
-案内構造は、規則的な幾何学構造によって、小さな気泡を合体(結合)して大きな気泡形成を促進する。臨界サイズになると、大きな気泡は浮力により案内構造に沿って上昇し、そうして溶融物から除去される。
出願人は、ガラス溶融部品の表面の適切な構造形成により、構造形成されていない滑らかな表面を有するガラス溶融部品を使用する場合よりも欠陥の少ないガラス製品を得るの可能になることを見出した
次に、有利な効果を詳細に説明する。
ガラス溶融部品の表面上に形成された隆起又は窪みとしての案内構造により、不均質核を生成する。従来技術では、溶融物中の気泡生成時の気泡の場所及び時点は予測できないが、本発明は、溶融物中の気泡の発生を制御可能である。
気泡を「固定」又は保持することで、気泡に作用する浮力によって、例えば、ガラス製品への気泡の移動が深刻ではない領域に、及び/又はガラス溶融部品上に気泡が存在することが深刻ではないガラス溶融部品の領域に気泡を移動させることができる。
案内構造の合体促進作用は、ガラス溶融部品から気泡をより速やかに分離し、これにより、上述したガラス溶融部品の腐食損傷を最小限に抑えるのに特に有利である。
ほぼ矩形状断面を有する案内構造を設けることができる。
ほぼ円弧状断面を有する案内構造を設けることができる。
ほぼ三角形状断面を有する案内構造を設けることもできる。他の多角形状断面又は曲線部分を有する形状の断面もまた考えられる。
案内構造は、10μm~1000μmの深さ又は高さを有するのが好ましい。ここで意味することは、断面におけるそれぞれの外形の変曲点が、ガラス溶融部品の表面から10μm~1000μm突出、又は(窪み、つまり負の構造、として形成する場合)10μm~1000μmがガラス溶融部品の表面内に陥入していることである。
深さ又は高さは、20μm~500μmがより好ましく、20μm~300μmが特に好ましい。
案内構造は、10μm~1000μmの幅を有するのが好ましい。幅は、案内構造の長手方向延設部に垂直な投影寸法である。幅は、20μm~300μmであるのが好ましい。
案内構造の寸法が小さ過ぎると、案内構造は気泡に感知されない、すなわち、小さ過ぎる案内構造気泡を固定して案内することができないことが分かっている。実験により、案内構造上で気泡を固定して案内できるようにするために、深さ又は高さ及び幅は、気泡直径の0.1倍~気泡直径の10倍までの範囲にすべきことが示された。
案内構造は、使用しようとするガラス溶融部品の位置において、水平線に対して5°~85°、より好ましくは40°~80°、特に好ましくは50°~70°の傾きを有するのが好ましい。
これにより、案内構造上で核形成されそれに付着した気泡は、浮力により特に良好に運び出される結果になる。実験により、60°が特に適していることが分かっている。
平坦な、例えば板状の、ガラス溶融部品の場合、案内構造は、ガラス溶融部品の中央部からガラス溶融部品の外縁の方向に上向きに延びるように向いているのが好ましい。ここで、ガラス溶融部品の中央部から、ガラス溶融部品の横方向外縁の方向案内構造の2つのグループが延びるようにすることもできる。本発明において、横方向外縁は、ガラス溶融部品の設置位置で垂線に対してほぼ平行に延びるガラス溶融部品の境界である。中央部から外側上方に向いた案内構造の2つのグループを有する上述した構成により、平坦なガラス溶融部品の場合に、ガラス溶融部品の縁に極めて迅速に気泡を運ぶことができる。平坦なガラス溶融部品使用することで、一般に、平坦なガラス製品が同様に得られるため、案内構造の有利な構成により、縁を除き、気泡の混入がないガラスを得ることができる。このような方法で気泡を最短経路で外部に運び出すことができる。そのため、案内構造がガラス溶融部品の中央部からほぼ鏡面対称で外側に向かって延びることは特に有利である。
円柱状のガラス溶融部品の場合、表面上の螺旋状経路に従って案内構造を形成できる。その場合、水平線に対する案内構造の傾きは、表面上を螺旋状に延びる案内構造の勾配である。
ガラス溶融部品上に存在する、複数のほぼ平行に延びる案内構造が好ましい。
案内構造は、一群の平行な直線部分又は曲線部分として延びる。
案内構造は、様々な加工方法により形成することができる。付加製造方法では、隆起を形成するように追加材料がガラス溶融部品の表面に塗布される。付加製造方法の例としては、選択的レーザ溶接英語:選択的レーザ溶接、SLM)又は肉盛溶接が挙げられる。
サブトラクティブ法の例としては、フライス加工などの切削加工法が挙げられる。
パルスレーザ、特に、超短パルスレーザによる構造形成が同様に重要である。
従って、熱的処理及び/又は機械的処理が考えられる。
少なくとも1つの案内構造は、機械加工により形成するのが好ましい。例えば、フライス加工による設けることが可能である。また、針、針エンボス加工、引っ掻き、スクラッチエンボス加工などによる構造形成も考えられる。これに代えて又はこれに加えて、少なくとも1つの案内構造は、熱処理及び/又は化学処理によって形成することができた。例として、レーザ加工又はエッチングが挙げられる。
ガラス溶融部品は、耐熱金属又は耐熱金属合金から形成するのが好ましい。
本発明において、耐熱金属とは、周期表の第4族(チタン、ジルコニウム、ハフニウム)、第5族(バナジウム、ニオブ、タンタル)及び第6族(クロム、モリブデン、タングステン)から成る金属並びにレニウムである。本発明において、耐熱金属合金とは、少なくとも50at.%の関連元素を含む合金である。これらの材料は、とりわけ、高い使用温度で優れた寸法安定性を示し、多くの溶融物に対して化学的耐性がある。モリブデン及びモリブデン合金は、例えば、多くのガラス溶融に対して非常に高い耐性を有する。
本出願において、ガラス溶融物は、例えば、シリカガラス(例えば、石英ガラス)、ホウ酸塩ガラス(例えば、ホウケイ酸ガラス)及び酸化アルミニウムの溶融物などの酸化物材料の溶融物である。
また、本出願において、ガラス溶融部品は、ガラス溶融物と接触して使用することを意図した部品である。
これらの部品には、例えば、ガラス溶融電極、ガラス製造おける槽のライニング又は溶融坩堝が含まれる。特に、石英ガラス又はサファイア結晶を製造するための装置もまた含まれる。
これらには、例えば、板状サファイア結晶を取り出すためのいわゆるダイパックが含まれる。
サファイア(単)結晶の製造では、通常、坩堝に酸化アルミニウム(Al)を詰め、坩堝内の酸化アルミニウムを炉内で約2050℃のその溶融点まで加熱する。さらなる処理工程は、どのように溶融酸化アルミニウムからサファイア結晶を引き出して取り出すかに応じて異なる。一般的な方法には、例えば、キロプロス法、HM法(英語:熱交換法)EFG法(英語:縁部限定薄膜供給成長法)が含まれる。
本発明は、EFG法におけるガラス溶融部品への適用において特に重要である。EFG法では、リボン状又は棒状のサファイア結晶が酸化アルミニウム溶融物から取り出される。溶融坩堝に加えて、断面形状を有する結晶を成長させるために、ダイパックと呼ばれる成形構造が必要である。ダイパックは、通常、積層モリブデン板からなり、この金属板は、狭い間隔(通常、0.5mm)で配置されている。約2050℃では、Al溶融物は、毛細管現象によって金属板間の狭い隙間に沿って運ばれ、上方に引き上げられる。このようなサファイアリボンの重要な品質基準は、結晶内にほとんど異物を含まないこと、特に気泡を含まないことである。坩堝との反応により溶融物中に気泡が発生し、処理ガス雰囲気を介して又は未加工原料により溶融物に混入する場合もある。通常の成長法では、様々な大きさの気泡含有物が、ランダムに、かつ成長した結晶リボンの任意の位置で発生する。
結晶内のこのような欠陥のランダムな分布により、しばしばリボンをさらに処理することができなくなる。この材料の浪費は、引き出されたサファイアリボンの幅が広くなるほど、さらに深刻になる。
本発明は、サファイアリボン内部の気泡含有物のランダム分布問題を解決する。発生する気泡は、その発生源に拘わらず、最初にダイパック内の案内構造によってダイパックの金属板に固定され、その後、案内構造によって個々の金属板の縁に排出される。案内構造を越えて(つまり、縁から)気泡が結晶リボンに混入する場合であっても、結晶リボンが切り取られるため、この場合は深刻ではない。従って、本発明によれば、サファイア単結晶の生産量を大幅に増やすことができる。本発明において、ガラス溶融部品は、この用途ではダイパックの金属板である。
本発明は、他の多くのガラス溶融部品に適用可能である。ガラス溶融電極では、例えば、螺旋状案内構造によって気泡を集めて運び出すことができる。案内構造上に気泡を集めることにより、気泡は、結合(合体)して大きくなり、それに応じて浮力がより大きくなるため、部品からより速く分される。その結果、気泡は、案内構造がない場合よりも、より高い確率で溶融物から大気中に消え去り孔食が低減される。
以下、本発明を図面を参照して説明する。
各種実施形態のガラス溶融部品を示す。 各種実施形態のガラス溶融部品を示す。 各種実施形態のガラス溶融部品を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 案内構造の細部(概略)を示す。 EFG法によりサファイア単結晶を製造するための設備を概略的に示す。 従来技術によるガラス溶融部品を示す。 案内構造を有するガラス溶融部品の実施例を示す。 板状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 板状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 板状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 円柱状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 円柱状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 円柱状ガラス溶融部品上の案内構造の変形例を示す。 案内構造を形成するための概略図を示す。 案内構造が形成された表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。 案内構造が形成された表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
図1aは、ガラス溶融部品1の使用時に溶融物に接する表面2を有するガラス溶融部品1を平面視で示す。溶融物に接する表面2上に、溶融物から生じた気泡の案内及び/又は核生成のための案内構造がある。この場合、ガラス溶融部品1は、板形状を有している。これは、例えば、上述したダイパックの金属板にすることができる。使用時のガラス溶融部品1の向きは、垂線V及び水平線Hにより示される。
案内構造3は、本実施例では杉彩模様状に配置されている。案内構造3は、ガラス溶融部品1の中央部から上方外側に向かって水平線Hに対して角度αで延びている。ここで、方向表示は、使用時のガラス溶融部品1の設置位置に基づいている。
案内構造3は、溶融物に接する表面2上の窪み(凹形又は負の構造として)として形成されている。あるいは、案内構造3は、隆起(凸形又は正の構造として)として形成できる。
不均質核形成により、案内構造3上に気泡が生じ、それらの大部分が案内構造3に付着したままになる。水平線Hに対して角度αで案内構造を方向付けることで、案内構造3上の気泡Bが浮力によって(黒いブロック矢印により示す)上方にガラス溶融部品1の縁へ運ばれる。角度αは、約60°が好ましい。
図1bでは、ガラス溶融部品1は、ガラス溶融電極として形成されている。この場合、案内構造3は、ガラス溶融部品1の表面2上を水平線Hに対して角度αで螺旋状に延びている。気泡は、案内構造3で生じ、案内構造3に集まる。案内構造3上で気泡を集めた結果として、気泡は、結合してより大きな気泡を形成する。そして、より大きな浮力により、ガラス溶融部品1、この場合は、ガラス溶融電極からより迅速に分離される。
図1cは、坩堝又は溶融槽としてのガラス溶融部品1を示す。この場合もまた、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上に案内構造3を形成することができる。ここで、案内構造の役割は、主に気泡の核生成である。従って、溶融ガラス部品1中の溶融物のガス放出が促進される。
図2a~図2fは、様々な構成の案内構造3を有するガラス溶融部品1を断面図で概略的に示す。
図2aは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ矩形状断面を有する窪みとしての案内構造3を示す。
図2bは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ矩形状断面を有する隆起としての案内構造3を示す。
図2cは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ三角形状断面を有する窪みとしての案内構造3を示す。
図2dは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ三角形状断面を有する隆起としての案内構造3を示す。
図2eは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ円弧状断面を有する窪みとしての案内構造3を示す。
図2fは、溶融物に接するガラス溶融部品1の表面2上にほぼ円弧状断面を有する隆起としての案内構造3を示す。
図2a、図2c及び図2eの案内構造3の負の形状は、一例として、図2aに示すように、10μm~1000μmの範囲の深さtを有するのが好ましい。
図2b、図2d及び図2fの案内構造の正の形状は、一例として、図2bに示すように、10μm~1000μmの範囲の高さhを有する。深さ又は高さは、20μm~500μmがより好ましく、20μm~300μmが特に好ましい。
案内構造3の幅bは、一例として、図2a及び図2bに示されており、10μm~1000μmが好ましい。幅bは、20μm~300μmがより好ましい。
深さt、幅b及び高さhに関する寸法は、一例として、図2a及び図2bに示されており、図2c~2fに同様にも適用される。
従来の機械加工、例えば、フライス加工又は研削の後に表面に形成される溝と異なり、案内構造は、表面の10%未満を大きく下回るのが好ましい。一方、従来の機械加工による案内構造は、表面全体にわたって形成される。
例えば、溝などの、従来の機械加工による加工構造との更なる違いは、溝が表面全体にほぼ均一に分布しており、しばしば、一方向に沿って向いていることにある。さらに、案内構造の深さ又は高さは、従来の機械加工で生じる粗さの値よりも大幅に大きい。例えば、回転表面の最大粗さ値Raは、例えば、約1.0μmであるのに対して、案内構造は、10μm~1000μmの深さt又は高さhを有するのが好ましい。従って、案内構造は、従来の機械加工の溝よりも少なくとも1桁大きくなる。
図3aは、EFG法によサファイア単結晶の製造設備を概略的に示す。この場合、通常、モリブデンからなる金属板は、狭い間隔でAlの溶融物S内で浸漬されている。この構成は、ダイパックと呼ばれている。金属板間の細長い隙間を通して、溶融物Sが上昇し、方向矢印で示すように、サファイア単結晶として取り出すことができる。溶融物S内に気泡Bが発生する。ガラス溶融部品1は、この応用例の場合は、ダイパック構成の個々の金属板である。
図3bは、ダイパック構成の金属板形態のガラス溶融部品1と、この構成を用いて得た従来技術による単結晶EKとを示す。気泡Bは、ガラス溶融部品1上、溶融物に接する表面2上に統計的に分布し、これらの気泡Bは、さらに(ガラス溶融部品1の上部に示した)単結晶EKの断面全体に亘って統計的に分布している。気泡がある単結晶EKは、使用することができない。
一方、図3cは、本発明の一実施例におけるガラス溶融部品1を示す。案内構造3は、溶融物に接するガラス溶融部品1、ここでは、ダイパック構成の金属板として形成されている、の表面2上に形成されている。
気泡Bは、案内構造3に集まり、上述したように、上方外側に運ばれる。案内構造3の構成及び数は全く図式的である。
本実施例のガラス溶融部品1を用いて得られた単結晶EK(溶融ガラス部品1の上に示す)は、気泡Bが全く存在しないか、気泡Bが周辺部Rに限定されている。この周辺部Rは切り取ることができるため、本発明によるガラス溶融部品1を使用する場合の単結晶EKの生産量は、従来技術と比較して著しく増加する。
図4a~図4cは、ダイパックの金属板の例の場合に、板状ガラス溶融部品1の表面2上に形成された案内構造3の構成別の変形例を示す。
図4aは、水平線Hに対して角度αで傾いて上方外側に延びる2つの案内構造3を示す。
図4bの変形例は、水平線Hに対して角度αで上方外側に傾いて延びる2組の案内構造3を示す。ここで、角度αは、図4aの例よりも大きい。
図4cの例では、案内構造3は、ずらして配置されており、垂線Hに沿って放射状に重なって配置されている。この重なりにより、気泡は、案内構造3によって極めて高い確率で集められる。
図5a~図5cは、ガラス溶融電極の例の場合に、ほぼ円柱状のガラス溶融部品1の表面2上に形成された案内構造3の構成の別の変形例を示す。
図5aの例では、案内構造3は、ガラス溶融電極の表面2上に沿って水平線に対して角度αで傾いて螺旋状に延びている。
図5bの例では、螺旋状案内構造3に加えて、立上り溝が設けられている。立上り溝は、表面2上で垂線Vに対してほぼ平行に延びる細長い窪み又は溝として形成できる。案内構造3により立上り溝に案内された気泡は、そこで案内構造3から分離され、立上り溝を介して漏れ出る。このように、気泡は、ガラス溶融部品1、この場合はガラス溶融電極からとりわけ迅速に除去される。案内構造3自体は、単一の螺旋曲線に沿って、又は図5cの変形例に示すように、反対の巻き方向の様々な部分螺旋経路に沿って延びることができる。ほぼ連続した曲線、好ましくは、連続して上昇する曲線に沿った他の経路も可能である。
全ての図に示された案内構造3の数は、単なる例示である。実際の数は、ガラス溶融部品1の寸法に応じて異なる。一例を挙げれば、1~10個の案内構造3のダイパックの場合に約100×100mmの代表的な寸法を有する板上に形成し得る。案内構造の数と案内構造の間隔はバランスの取れた比率が好ましい。両方とも実験により決定することができる。間隔が狭過ぎると追加利点がないのに対して、間隔が空き過ぎると、気泡をもはや収集できないかもしれない。
案内構造3が、螺旋曲線に沿って連続的に延びるガラス溶融電極の例では、案内構造の個々の溝は、例えば、1~2cmの間隔を空けることができる。
従って、案内構造の間隔は、案内構造自体の構造寸法よりも著しく大きい。ここで、構造寸法とは、案内構造の幅及び高さ又は深さを意味する。
図6は、ガラス溶融部品1の表面2上に案内構造3を形成する方法を示す。この場合、案内構造3は、引掻針を用いる引掻きにより形成される。
図7a及び図7bは、案内構造3を有する表面2の走査型電子顕微鏡写真を示し、写真は、選択した倍率が異なる。本実施例で、案内構造3は、引掻針によりモリブデン板に形成した。案内構造3の幅bは、約30μmであることが分かる。
案内構造の深さは、約15μmである。

Claims (8)

  1. 酸化物材料の溶融物と接触して使用する耐熱金属又は耐熱金属合金製の酸化物材料溶融部品(1)であって、
    ここで、前記酸化物材料溶融部品(1)が、ガラス溶融電極、ガラス製造における槽のライニング、溶融坩堝又は溶融シリカ若しくはサファイア結晶の製造設備からなる群から選ばれるものであり、
    前記酸化物材料溶融部品(1)の使用時に、前記溶融物から生じた気泡の運搬及び/又は気泡の核形成のための少なくとも1つの案内構造(3)が、前記溶融物に接する前記酸化物材料溶融部品(1)の少なくとも表面(2)上に、形成されており、
    前記少なくとも1つの案内構造(3)が、前記酸化物材料溶融部品(1)の前記表面(2)上の隆起領域として又は窪みとして形成されており、
    前記少なくとも1つの案内構造(3)が、使用を意図する前記酸化物材料溶融部品(1)の位置において、水平線に対して傾きを有する酸化物材料溶融部品(1)。
  2. 前記少なくとも1つの案内構造(3)は窪みとして形成され、また、前記少なくとも1つの前記案内構造(3)は隆起として形成されている、請求項1に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  3. 前記少なくとも1つの案内構造(3)は、矩形状断面を有する、請求項1又は2に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  4. 前記少なくとも1つの案内構造(3)は、円弧状断面を有する、請求項1~のいずれか1項に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  5. 前記少なくとも1つの案内構造(3)は、10μm~1000μmの深さt又は高さhを有する、請求項1~のいずれか1項に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  6. 前記少なくとも1つの案内構造(3)は、10μm~1000μmの幅bを有する、請求項1~のいずれか1項に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  7. 平行な複数の案内構造(3)が、前記酸化物材料溶融部品(1)上に形成されている、請求項1~のいずれか1項に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
  8. 前記酸化物材料溶融部品(1)は、サファイア単結晶成長用のダイパックの金属板として形成されている、請求項1~のいずれか1項に記載の酸化物材料溶融部品(1)。
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