(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ2が76.8〜83.4重量％と、Ａｌ2Ｏ3が0.3〜1.0重量％と、Ｂ2Ｏ3が15.5〜21.0重量％と、Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏが合わせて0.8〜1.2重量％からなることを特徴とする石英ガラス接着加工用低膨張ガラス組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、石英ガラス接着加工用の低膨張ガラス組成物に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ガラスの平坦度を損うことなく、精密かつ簡便に、透明で気密性の高い接着を可能とする、低膨張率で高耐熱性を有する石英ガラス接着加工用の低膨張ガラス組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
理化学用ガラス機器等の接着加工にガラス接着剤を用いることは、一般に、ガラスの平坦度を損なうことがないこと、高精密加工ができること、および有機接着剤に比べて高耐熱度を有すること等の利点があるとされている。
【０００３】
石英ガラスの接着加工には、従来より、接着用ガラス組成物を用いる方法と、電気炉加熱による成分拡散法（通称、電着法といわれる）が一般に利用されている。前者は、石英ガラスの接着用ガラス組成物として結晶化成分を含有させたガラスを用い、接着熱処理を施して石英ガラスを融着させた後、更に温度スケジュールを施すことによって、接着剤と石英ガラスとの膨張係数を適合させるものである。しかしながら、この方法によると、接着層が乳濁化し、石英ガラスの接着部に透明性が得られない等といった問題を有する。
【０００４】
後者の電着法は、石英ガラスの接着面を光学研磨レベルにまで平坦化して、所望の形状に組み立て、電気炉中で石英ガラスの歪点以下の温度で熱処理を施すことにより、接着面においてガラス成分を拡散させて石英ガラスを接着させるものである。しかしながら、この電着法での接着は、高度の研磨設備と接着技術が必要とされるという問題がある。
【０００５】
一方で、ＪＩＳ１級あるいはＪＩＳ２級硬質ガラス等の加工においては、たとえば、低融点低膨張ガラス組成物（特公昭５８−３９８２号）によって機密接着する方法や、低膨張ガラス組成物（特開昭５８−８４１４３号）を用いて火炎加工する方法等が知られている。
【０００６】
これらの方法を石英ガラスの接着にも利用しようとすると、石英ガラスと硬質ガラスは膨張係数が異なるため、接着作業における冷却時に収縮差が生じて亀裂が発生してしまう。また、上記の硬質ガラス接着のためのガラス組成物は、硬質ガラスの歪点以下の温度に保たれなければならないため、石英ガラスのように高温で用いることはできない。そのため、従来の硬質ガラス用の接着剤を石英ガラスの接着に用いることができなかった。
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、石英ガラスの接着加工用に使用でき、ガラスの平坦度を損なうことなく、精密かつ簡便に、透明で気密性の高い接着を可能とする、低膨張率で高耐熱性を有する石英ガラス接着加工用の低膨張ガラス組成物を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ＳｉＯ2が76.8〜83.4重量％と、Ａｌ2Ｏ3が0.3〜1.0重量％と、Ｂ2Ｏ3が15.5〜21.0重量％と、Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏが合わせて0.8〜1.2重量％からなることを特徴とする石英ガラス接着加工用の低膨張ガラス組成物を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
この出願の発明が提供する石英ガラス接着加工用低膨張ガラス組成物は、ＳｉＯ2が76.8〜83.4重量％と、Ａｌ2Ｏ3が0.3〜1.0重量％と、Ｂ2Ｏ3が15.5〜21.0重量％と、Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏが合わせて0.8〜1.2重量％からなることを特徴としている。ただし、原料や製造工程に由来する不可避的な不純物の混入が許容されることは言うまでもない。
【００１１】
この出願の発明の石英ガラス接着加工用低膨張ガラス組成物の組成範囲、並びにその組成の代表例およびその膨張係数と接着温度を表１に例示し、組成範囲の限定理由を以下に説明する。
【００１２】
【表１】
0003692393.tif 000002
【００１３】
ＳｉＯ2は、この出願の発明の低膨張ガラス組成物の主成分であって、76.8〜83.4重量％であることが重要である。ＳｉＯ2が76.8重量％に満たないと、得られる低膨張ガラス組成物の膨張係数が大きくなってしまうため、接着加工後に亀裂が発生する等して気密性が保てなくなる。逆に、ＳｉＯ2が83.4重量％を超えると、得られる低膨張ガラス組成物の溶解性が著しく低くなり、接着加工性が悪くなるという欠点が生じる。
【００１４】
Ａｌ2Ｏ3は、ガラスの化学耐久性を増大させ、弾性率や硬度を増大させる成分として欠かすことができず、この出願の発明においては0.3〜1.0重量％含まれていることが必要である。Ａｌ2Ｏ3が0.3重量％に満たないと、得られる低膨張ガラス組成物の化学耐久性が低くなってしまい、Ａｌ2Ｏ3が1.0重量％と超えると、得られる低膨張ガラス組成物の溶解性が悪くなるといった欠点が生じる。
【００１５】
Ｂ2Ｏ3は、ガラスの熱膨張を抑制する一方で、粘度を下げる機能を示し、この出願の発明においては15.5〜21.0重量％であることが必要である。Ｂ2Ｏ3が15.5重量％に満たないと、得られる低膨張ガラス組成物の溶解温度が高くなってしまい、Ｂ2Ｏ3が21.0重量％を超えると、得られる低膨張ガラス組成物の化学耐久性が低下する等の欠点が生じてしまう。
【００１６】
Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏは、ガラスの溶解性を増大させる成分として欠かすことができないものである。そして、Ｎａ2ＯまたはＫ2Ｏを単独で用いるよりも、両方を併用することで混合アルカリ効果を生じ、化学耐久性の向上した良好なガラス組成物を得ることができる。この出願の発明の低膨張ガラス組成物においては、Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏが合わせて0.8〜1.2重量％であることが必要である。Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏの合計量が0.8重量％よりも少ないと、得られる低膨張ガラス組成物の溶解性が低下してしまい、Ｎａ2ＯおよびＫ2Ｏの合計量が1.2重量％を超えると膨張係数が増大し、接着加工後の冷却に伴って亀裂発生等の欠点が生じる。
【００１７】
この出願の発明の低膨張ガラス組成物は、一般に利用されている各種のガラスの製造方法によって製造することができる。たとえば、溶融法の場合は、所望の割合で調合した原料を、少量の金を含有させた白金るつぼ等に入れ、ガス炉または電気炉を用いて１５５０〜１７００℃で約９０分間程溶解させた後に、固化させること等が例示される。この場合、原料は粉体であってもよいし、溶解を促進して均質なガラスを得る目的で原料中に20〜30重量％程度のガラスカレットを混合させてもよい。また、少量の金を含有させた白金るつぼを用いると、ガラス融解後にガラスが白金るつぼから剥離するため取り出しが容易となる。
【００１８】
例えば上記のようにして得られたこの発明の低膨張ガラス組成物は、高アルミナ性の乳鉢等で粉砕し、水と混合して糊状にすることで、石英ガラスの接着剤として用いることができる。この糊状物の流動性を高めたり糊を清拭しやすくする目的で、水の代わりに０．０５％程度のポリビニルアルコール溶液を用いることも有用である。
【００１９】
接着には、この糊状物を石英ガラスの被接着部間に介在させて乾燥させた後、加熱して接着させる。接着温度はおよそ９００〜１０００℃の範囲内であり、石英ガラスの歪点である１０７０℃よりも低いため、接着熱処理によって石英ガラスが軟化変形をきたすことはない。接着熱処理は、温度制御の容易な電気炉によって行われることが望ましいが、適した電気炉がない場合や、電気炉での接着熱処理が困難な形状の加工物の場合は、ガス炎によって加熱接着することもできる。ガス炎を用いる場合は、シャープな強炎でなく、ブロードな炎によりおよそ９５０〜１０００℃で約１０分間程度加熱して、温度を上げすぎないようにすることが肝要である。気密接着を要する場合は、被接着部を前記糊状物で糊付けし、糊の層を良く伸ばした後に接着層からはみ出た糊を清拭し、加熱接着することが肝要である。
【００２０】
以上のように、この出願の発明の低膨張ガラス組成物は、原料がいずれも容易に得られるため安価であり、ガラス質であるため透明である。また、接着剤として用いた場合も、長時間の使用に耐え、必要に応じて火炎による接着熱処置も可能といった利便性を有している。
【００２１】
これによって、石英ガラスの被接着物を、ガラスの平坦度を損なうことなく、精密かつ簡便に、透明で高気密に接着することができる。
【００２２】
以下に実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
【実施例】
下記の実施例１、参考例、実施例２における低膨張ガラス組成物の配合割合は、原料の重量％で示しており、前記表１に示した代表例Ａ〜Ｃの組成にそれぞれ対応している。
（実施例１）無水ケイ酸67.4、水酸化アルミニウム0.4、硼酸30.4、硝酸ナトリウム1.2、硝酸カリウム0.6を混合し、少量の金を含有させた白金るつぼに入れてプロパンおよび酸素の混合ガスにより約１６００℃で９０分間溶解した後、ガラス化させた。得られたガラス体は、前記表１の代表例Ａのとおり、膨張係数が２５．０×１０-7で、テストピースによる接着温度は９２０℃であった。これを粒径１０ミクロン程度に粉砕し、水と混合して糊状の接着剤とした。
【００２４】
被接着物として、５.５×１０-7の膨張係数を有する石英ガラス製で、直径６φ、長さ８００ｍｍでその一端を長さ方向となす角度が１０°になるように研削して砂で研磨した石英ガラス棒と、直径１２φ、厚さ１．０ｍｍの石英ガラスみがき板を用意した。
【００２５】
この石英ガラス棒の研磨面と石英みがき板との間に前記糊状物をはさんで接着し、乾燥させた。次いで、石英ガラスをその接着面が水平になるように保持し、ガスバーナーを用いて都市ガスと酸素の混合ガス炎中で接着部をおよそ９５０℃で１０分間保持した。
【００２６】
得られた石英ガラス具は、実際研究室で用いられている器具の一例である。この石英ガラス具の接着層は透明で、石英ガラスみがき板の平坦度も損なわれておらず、およそ８００℃での長時間の反復使用にも耐え、耐熱的、面精度的に使用目的を満たすに十分であった。
【００２７】
他方、石英ガラス棒と石英みがき板を従来のガラス溶接法で溶着したものは、石英ガラス板の平坦度が損なわれていた。
【００２８】
以上のことから、この出願の発明の低膨張ガラス組成物によって、石英ガラスを平坦度を損なうことなく接着できることが確認された。
（参考例）
無水ケイ酸70.6、水酸化アルミニウム0.5、硼酸26.9、硝酸ナトリウム1.4、硝酸カリウム0.6を原料とし、およそ１６４０℃で実施例１と同様に溶解し、ガラス体を得た。得られたガラス体は、前記表１の代表例Ｂのとおり、膨張係数が２３．０×１０-7で、テストピースによる接着温度は９４０℃であった。これを粒径１０ミクロン程度に粉砕し、０．０５％のポリビニルアルコール溶液と混合して糊状にした。
【００２９】
この糊状物を、一端を長さ方向に垂直に切断し断面を砂で研磨した外径３０φ、肉厚２．０ｍｍの高ケイ酸ガラスチューブ（商品名はバイコール#7913，膨張係数は８．０×１０-7）と、３１×３１×２．５ｍｍの同質の高ケイ酸ガラスみがき板との間に挟み、糊付け部の内外にはみ出た糊を清拭して乾燥させた。これをカンタル電気炉中で毎分１２〜１５℃で昇温し、９５０℃で４０分間保った。
【００３０】
得られた高ケイ酸ガラス体の接着層は、透明で、亀裂は認められず、高ケイ酸ガラス板の平坦度も損なわれていなかった。
【００３１】
また、この高ケイ酸ガラス体と、ガス炎による溶着で得られた同容量の気密封管とを並列にして真空装置に繋ぎ、１×１０-5Ｔｏｒｒ付近で交互に耐気密性の試験を行った。その結果、両者に差はなく気密性を有することが確認された。
（実施例２）
無水ケイ酸72.9、水酸化アルミニウム0.5、硼酸24.4、硝酸ナトリウム1.4、硝酸カリウム0.8を原料とし、およそ１６８０℃で実施例１と同様に溶解してガラス体を得た。得られたガラス体は、前記表１の代表例Ｃのとおり、膨張係数が２０．５×１０-7で、テストピースによる接着温度は９８０℃であった。これを粒径１０ミクロン程度に粉砕し、０．０５％のポリビニルアルコール溶液と混合して糊状にした。
【００３２】
この糊状物を、一端を長さ方向に垂直に切断してその断面を平坦に砂で研磨した外径３０φ、肉厚２．０ｍｍの石英ガラスチューブと、３１×３１×２．５ｍｍの石英ガラスみがき板との間に挟み、糊付け部の内外にはみ出た糊を清拭して乾燥させた。これを参考例と同様に加熱し、１０００℃で４０分間保った。
【００３３】
得られた石英ガラス体の接着層は、透明で、亀裂は認められず、石英ガラス板の平坦度も損なわれていなかった。
【００３４】
また、この石英ガラス体と、ガス炎による溶着で得られた同容量の気密封管とを並列にして真空装置に繋ぎ、１×１０-5Ｔｏｒｒ付近で交互に耐気密性の試験を行った。その結果、両者に差はなく気密性を有することが確認された。
【００３５】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、石英ガラスの接着加工用に使用でき、ガラスの平坦度を損なうことなく、精密かつ簡便に、透明で気密性の高い接着を可能とする、低膨張率で高耐熱性を有する石英ガラス接着加工用低膨張ガラス組成物が提供される。