(57)【要約】【課題】熱間成形をする際に発生する不良部を小さくし、生産効率・歩留まりを高くして、低コストで石英ガラス加工部品を製造できるようにする。【解決手段】母材であるカーボンの角材或いは丸材を研削により、円筒を２分割した型材１を真円の一部分を構成するように製造し、これらを組み合わせたとき内面が真円となる分割した型材１を製作し、これらを組み合わせて円筒形とした型材１の内部に石英ガラス母材４を設置して加熱し、溶融した石英ガラス母材４を型材１の内面が真円に合致する形状に成形して石英ガラス成形体５を得た。分割数は、カーボン型材１の内面形状が組み合わせたときに真円となるものであれば、３分割や４分割以上の分割数であっても構わない。更に、型材１をカーボン繊維からなる糸条体６０を用いて固定することにより、原料使用率に優れた石英ガラス成形体を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン母材を研削して円筒形を縦方向に複数に分割したカーボン製の型材を、組み立てたとき内面が真円となるように加工し、これらのカーボン製型材を組み合わせて円筒形とし、底部にカーボン製の底板を設置して内部に石英ガラス母材を設置し、加熱して石英ガラス母材を溶融して型材の形状にあった形状に成形する石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、型材の分割数が２である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、型材の分割数が３である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、型材の分割数が４である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、組みあわせた型材の周囲にカーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して型材を固定する石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項６】
請求項５において、カーボン繊維からなる糸条体の太さが、１ｍｍ以上である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項７】
請求項５において、２本以上の糸条体を束ねて用いる石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、加熱溶融温度が、１５００〜２０００℃の範囲である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかにおいて、加熱溶融温度が、１７５０〜１９００℃の範囲である石英ガラス成形部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、加熱溶融時の雰囲気が、窒素、アルゴン、ネオンの不活性ガスのいずれか、若しくはそれらの混合ガス、または、真空である石英ガラス成形部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラス成形部材の製造方法に関し、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部材を成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石英ガラス製部品は、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、ＬＣＤパネル製造用フォトマスクや光通信用の精密部品等に広く用いられている。一般的な石英ガラス製部品の製造プロセスは、研削加工やエッチングのような母材の石英ガラスを除去して所望の形状とする工程が殆どである。
しかし、石英ガラスの研削加工には加工時間が長くかかることや、石英ガラス母材を研削するので、完成品重量に比べて余分の原材料を必要とし、コストがかかる要因となっている。エッチングによる加工の場合、石英ガラス加工品表面の比較的微小な加工に限定され、大型の石英ガラス製品への適用は困難である。
【特許文献１】特開２００４−６７４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、図５に示すように、石英ガラス部材の成形には、円筒を縦方向に２分割したカーボン型材を使用している。型材は、カーボン母材を円筒形にくり貫いたものを切断して２分割していたため、図５に示すように切断代（ｄ）の分だけ欠如し、分割片を組み合わせても型材の内面形状は真円とならず楕円形となってしまい、この型材を用いて成形した石英ガラス成形部材の外径が真円とはならない。リング状石英ガラス部品を製造する場合、この変形を考慮に入れて型材を所望形状より多少大きくして石英ガラス成形部材を製造し、真円となるよう切削加工していたため、原材料の石英ガラスは余分な重量が必要であった。
また、組み合わせた型材の形状を維持するために図６に示すようにキャップ６を型材１の上部に被せることにより、分割された型材の拡がりを押さえていたので型材はキャップ６の内径以上には拡がらず、型材が固定される。しかしながら、固定部分が型材の上部のみであるため、成形の際溶融した石英加工品の自重による圧力のため型材が多少拡がり、その結果、成形体が型材寸法に比べ大きめになってしまう、という問題があった。
本発明は、石英ガラス部材の熱間成形において、真円の成形体を得ることを目的とするものであり、また、組み合わせた型材が熱間成形時にずれないようにし、使用する石英ガラス原材料の低減、及び作業の効率化を図り、低コストで石英ガラス加工品を製造できる熱間成形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記の課題を解決するためには、円筒形のカーボン型材を製作する際に分割した型材を組み合わせたときに内面形状が真円となるように型材を設計・製作すればよいという観点から、本発明は、円筒を分割した型材が真円の一部分を構成するように製造し、これらを組み合わせて真円の円筒形となる型材とするものであり、カーボンの角材或いは丸材の母材を研削によって内面が真円となる分割した型材を製作し、これらを組み合わせて内面が真円の型材とするものである。
また、型材を組み合わせた真円の状態を維持するため、組みあわせた型材の周囲にカーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して型材を固定することによってずれを防止したものである。
【０００５】
分割片のカーボン型材の内面形状が組み合わせたときに真円となるものであればよく、分割数は限定されず、真円という観点からみれば２分割のほかに３分割や４分割以上の分割数であっても構わない。
更に、分割の形態は正多分割とするのが望ましい。これは、分割片を組み合わせて１つの型材にするときの組み立てが容易であるからである。
型材の分割数は上述のように、２分割、３分割、４分割とそれぞれ効果的であるが分割数はこれ以上の分割数であっても構わない。
型材の材質は、熱間強度、化学的安定性が高く、高純度が要求されるが、特にその材質は問わないが、機械加工の容易さからカーボンが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の成形方法によれば、リング状の石英ガラス製部品を低コストで製造することが可能になる。従来の方法では石英ガラス成形体が真円とならないので石英ガラス成形体を研削するなどしていたため、余分の重量の石英ガラスを必要とし、また、真円のリング材に切削加工するには時間がかかり、切削刃が消耗するなど、コストアップにつながっていたが、本発明の方法によれば、資材が節約されると共に、加工費の節減にもつながり、低コストで石英ガラス成形部品を製造することができる。
組みあわせた型材の周囲にカーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して型材を固定するようにしたので、型材を組み合わせた形状が維持され、精度の高い形状の成形体を得ることが可能である。
【０００７】
従来の２分割の型材は、円筒形のカーボン型材を縦方向に切断して２分割したものであるため、組み合わせて型材として使用する場合は切断代の分だけ真円からずれが生じ楕円形となるため、成形体の外形も型材の形状に従って成形されるため、石英ガラス加工品に加工する際にはこの変形分を考慮しなければならず、石英ガラス母材重量を大きくする必要があり、また、所定寸法の石英ガラス加工品に研削加工する手間もかかっていたが、真円となる２分割型材とすることにより成形体の外形が真円となるため、従来のように切削工程が不要となり、生産効率・歩留まりを改善することができる。
また、３分割の型材とすることで次の利点を知見した。
従来の２分割型材では長期間の使用により分割部方向を長径とする楕円形になることがある。これは石英ガラス母材を電気炉内で加熱溶融して成形する際、型材内において石英ガラス母材は溶融されて溶融体となって広がるように変形していき、型材の内面形状に合致するように成形されるが、その際に石英ガラス溶融体は自重により型材へ圧をかけることになる。型材が２分割の場合、この圧により、次第に変形を繰り返して、分割部方向を長径とする楕円形になる。その結果、正確な寸法の成形体が得られなくなるという問題が発生していた。型材を３分割とすることにより、カーボン製型材にかかる自重圧を、２方向から３方向へ増やすことができ、それによってカーボン製型材はほとんど変形することなく、長期間に渡り使用可能であることがわかった。すなわち、石英ガラス母材を加熱して溶融した溶融体の自重が、カーボン型材の局所に偏ってかかることなく、多方向に分散してかかるようにすることで、従来のカーボン製２分割型材の変形を抑制することが可能となる。このため型材の分割数を３とすることが効果的である。なお、分割数は３であればよいが、型材にかかる成形溶融体の自重圧の偏りを防ぐ意味では、正３分割とすることが好ましい。
また、４分割の型材とすることでも、従来の２分割型材での成形溶融体がかかる自重圧を２方向から４方向へ分散させることで、カーボン製型材が変形することなく、長期間に渡り使用可能であることを知見した。また、４分割型材を使用することで、３分割型材使用時よりも型材の組み立てが容易で作業効率がよいことを知見した。これは型材が３分割といった奇数の場合よりも４分割、２分割といった偶数であるほうが、型材を合わせる際に、合わせ部分が９０度、１８０度であるため目視においても容易に確認できるためである。
このように型材の分割数が増えることで、石英ガラスの母材を加熱溶融した溶融体の圧力がカーボン型材の局所に偏って荷重がかかることが少なくなり、安定した成形が可能となると共に、各分割片に均等に圧力が作用するので過大な圧力が作用せず、変形が小さくなり、型材の繰り返し使用回数を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施例１
図１に、石英ガラス母材４をカーボン型材１を用いて石英ガラス成形部材を製造する場合の模式図を示すもので（１）は加熱前、（２）は加熱溶融後の状態である。
本実施例は、円筒を２分割した型材１の例であり、カーボン製の型材１は外筒１１、外筒１２、底板３からなり、型材１の中央空間に原材料なる石英ガラス母材４を装填する。
石英ガラス母材４は、電気ヒーターで加熱され、溶融して型材１の内面形状に合致する形状、すなわち真の円形に成形される。加熱雰囲気はアルゴン、ネオン、窒素等の不活性雰囲気或いは真空であり、加熱温度は、１５００〜２０００℃である。１５００℃未満では、石英ガラスが、まだ、高粘性であり、石英ガラス母材４が変形しにくく、型材１の形状に完全に合致しないことがあり、逆に、２０００℃を超える場合は、石英ガラス母材４が分解し、型材１のカーボンとの反応が激しくなり、クラックの発生や欠けを生じる不良部が多く形成されるからである。好ましくは、加熱温度は１７５０〜１９００℃である。
【０００９】
溶融した石英ガラス母材４は、自重により変形するが、この際、圧力を加えて変形を促進させることができる。型材１に溝等を形成して石英ガラス母材４を複雑な形状に成形する場合には、この加圧が有効である。加圧手段としては、油圧プレス、メカニカルプレス等の公知の方法を用いる。
直径２５０〜３５０（ｍｍ）、高さ３００〜６００（ｍｍ）、重量５０〜７０ｋｇの円柱形の石英ガラス母材４をカーボン型材１の内部に配置し、電気炉内部の圧力を０．０３ＭＰａ、窒素雰囲気中１８００℃で溶融することによって型材の内面形状に合致した形状に変形させ、石英ガラス成形体５を得た。成形した円柱形部材５の直径を直交する２箇所で計測したところ、外形直径が５４９．３〜５４９．４（ｍｍ）であった。溶融条件と成形体の計測結果を表１に示す。直交する直径がほぼ一致し、得られた円柱形部材５は、ほぼ真円であるといえる。但し、実施例１−１０で用いた成形前の石英ガラス母材４は、正確な円柱形ではないので、形状寸法の数値は平均値である。
この成形体５を加工することによって、φ５２０相当のリング材を得ることができる。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
比較例１
従来の円筒形を２分割に切断して得たカーボン型材を用いて石英ガラス成形体を製造した場合の結果を表２に示す。成形体の外径１と外径２との差が５ｍｍ以上あり、真円とはいえないことが明らかである。
【００１２】
【表２】
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【００１３】
実施例２（３分割）
図２に示すように、円筒を３分割した型材１の例であり、カーボン製の型材１（正３分割）は外筒１１、１２、及び１３からなり底板３を用い、型材１（正３分割）の中央空間に原材料の石英ガラス母材４を装填するものである。
φ２５０〜３５０×３００〜７００ｈ（ｍｍ）、重量５０〜７０ｋｇの石英ガラス母材４を、正３分割したカーボン製の型材１（正３分割）の内部に配置し、電気炉内部を圧力が０．０３ＭＰａの窒素雰囲気とし、１８００℃で溶融して石英ガラス成形体を得た。
３分割のカーボン型材１（正３分割）を継続して繰り返し使用しても、従来の２分割型材と異なり、型材１（正３分割）の変形が非常に小さく、変形して使用できなくなるまでの回数が増加した。表３に、３分割のカーボン型材（正３分割）を用いた場合の、カーボン型材（正３分割）の繰り返し使用による内径変化を示した。実施例２−２０では９８回使用後においても、内径の変化がほとんど認められなかった。
なお、実施例２で用いた成形前の石英ガラス母材４は、正確な円柱形ではないので、形状寸法の数値は平均値である。
【００１４】
【表３】
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【００１５】
比較例２
従来の２分割のカーボン型材を用いた場合の比較例を表４に示す。比較例２−１０では、６９回使用後に型材の内径が１０ｍｍ以上変化しているのが認められ、３分割の有効性が確認できた。
【００１６】
【表４】
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【００１７】
実施例３（４分割）
図３に示すように、円筒を４分割した型材１の例であり、カーボン製の型材１（正４分割）は外筒１１、１２、１３、及び１４からなり、底板３を用い、型材１（正４分割）の中央空間に原材料の石英ガラス母材４を装填するものである。
φ２５０〜３５０×３００〜７００ｈ（ｍｍ）、重量５０〜７２ｋｇの石英ガラス母材を正４分割したカーボン型材１（正４分割）の内部に配置し、電気炉内を圧力０．０３ＭＰａの窒素雰囲気とし、１８００℃で加熱溶融して石英ガラス成形体を成形した。カーボン型材１（正４分割）を継続して使用した後も、表５に示すように、従来の２分割型材と比較して型材１（正４分割）の変形が非常に小さい。
４分割カーボン型材（正４分割）を用いた場合の、実施例３におけるカーボン型材１の繰り返し使用による内径変化を示した。９９回使用後においても、内径の変化がほとんど認められなかった。
実施例３で用いた成形前の石英ガラス母材４は、正確な円柱形ではないので、形状寸法の数値は平均値である。
【００１８】
【表５】
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【００１９】
２分割型材は、３分割、４分割型材に比べ、型材の耐久性という点で劣り、コストアップとなる。これに比べ４分割型材では、実施例３に示したように、耐久性が良好であり、石英ガラス部品の製造コストの大幅な削減につながる。また、３分割型材についても４分割型材と同様の効果が確認できたが、作業性の点で４分割型材のほうが優れているといえる。
なぜなら、分割数が偶数の２分割と４分割型材では、組み合わせが容易である一方、奇数の３分割では組み合わせに時間を要した。偶数分割の組み合わせが容易なのは、型材の合わせ部分は、２分割型材では２箇所（１８０度）を目視で容易に確認でき、また、４分割型材でも４箇所（９０度）を目視で容易に確認できるからである。一方、３分割型材では合わせ部分の３箇所（１２０度）を目視で決めることが困難であり、型材の組み立て時間が余分に必要となる。
【００２０】
組み合わせ作業を行ったところ、３分割型材と４分割型材では、作業工数の違いの存在が判明した。表６に、３分割型材での作業工数を１としたときの、４分割型材の作業工数を示した。４分割型材では、３分割型材に比べ、作業効率が２０％以上良好である。
【００２１】
【表６】
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【００２２】
円筒形に組み合わせた型材１の形状を保持するために図４に示すように、カーボン繊維からなる糸条体６０を型材１の周囲に１回若しくは複数回巻きつけ、糸条体６０の端を緊締して型材１を固定した。
カーボン繊維からなる糸条体６０の太さは、１ｍｍ以上のものを使用する。糸条体６０を巻きつける位置は、型材１の高さ方向の、上部、中間部、下部の３箇所以上が望ましく、各々の位置において、糸条体６０を２本以上、好ましくは５本以上、特に好ましくは１０本以上束ねて用いる。１０本１セットの糸条体６０の束を用いてカーボン型材の周囲に巻きつけた場合は１回りで十分であるが、少ない糸条体６０の束の場合は、２回り以上巻いてから、糸条体６０の束の端を緊締する。
【００２３】
また、カーボン繊維からなる糸条体６０の太さは、直径が３ｍｍ以上１０ｍｍ程度まで使用することができ、型材１に巻きつける位置は太さ１ｍｍの糸条体の場合と同じであり、型材１の高さ方向の上部、中間部、下部の３箇所以上とする。糸条体６０の太さが１０ｍｍの場合、１箇所に１本で型材を十分固定することができ、溶融石英ガラスの圧力よっても型材１が移動することなく所望の直径の成形体を得ることができる。
【００２４】
実施例４
２分割のカーボン型材１を太さ３ｍｍカーボン繊維の糸２本で上中下の３箇所に巻きつけて固定したものを使用し、φ２１０〜２６０×１３０〜２１０ｈ（ｍｍ）、重量１０〜２０ｋｇの石英ガラス母材４をカーボン型材１内に配置し、電気炉内部の圧力を０．０３ＭＰａの窒素雰囲気として加熱溶融して成形した結果を表７に示す。成形体の外径が、カーボン型材１の内径とほぼ一致し、所望の形状が得られていることがわかる。
【００２５】
【表７】
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【００２６】
比較例４
これに対して、比較例４のカーボン製の拘束材による固定の場合、型材１の下部が、溶融した石英ガラス母材４の圧力で拡大し、石英ガラス成形体５の外径は、表８に示すように、カーボン型材１の内径と成形体の外径との差が１０ｍｍ以上あり、型材１の内径以上の寸法となり、所望の寸法の石英ガラス部品を得るには余分の原料重量が必要となり、糸条体６０によってカーボン型材を固定することが有効である。
但し、実施例５で用いた成形前の石英ガラス母材４は、正確な円柱形ではないので、形状寸法の数値には平均値を採用している。
【００２７】
【表８】
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【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】型材の平面図と正面図。
【図２】正３分割した型材の平面図と正面図。
【図３】正４分割した型材の平面図と正面図。
【図４】型材を糸条体で固定した実施例の正面図。
【図５】従来の２分割型材の平面図と正面図。
【図６】型材にキャップを被せて固定した従来技術の正面図。
【符号の説明】
【００２９】
１    型材
１１〜１４  外筒
３    底板
４    石英ガラス母材
５    石英ガラス成形体
６０  糸条体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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