(57)【要約】【課題】  焼結用ガラス材料を乾式プレス成形して得られた焼結用成形体を加熱焼結して石英ガラス製品を製造する際に、製品表面にガラス組織の粗い梨地状の微細な凹凸が形成されることがなく、高品質の石英ガラス製品を低コストで製造できるようにする。【解決手段】  パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダ（２）がシリカを主成分とするコア（３）の表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末（４）を集合させて顆粒状に形成した焼結用ガラス材料（１）を用いた。【選択図】図１
2006199522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形用金型に充填して乾式プレス成形することにより焼結用成形体を形成する焼結用ガラス材料であって、
パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダがシリカを主成分とするコアの表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成されたことを特徴とする焼結用ガラス材料。
【請求項２】
前記ガラス原料粉末に不純物として存在するアルミ成分の重量比率がシリカに対して７０ｐｐｍ以下に選定されて成る請求項１記載の焼結用ガラス材料。
【請求項３】
成形用金型に充填して乾式プレス成形することにより焼結用成形体を形成する焼結用ガラス材料の製造方法であって
シリカを主成分とするコアと、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダ溶液を混合した懸濁液を生成し、
チャンバ内を流れる熱風中に前記懸濁液を噴霧することにより、前記バインダがコアの表面にコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成する際に、前記熱風のチャンバ内への流入温度及び流出温度がいずれも前記バインダの融点より高く設定したことを特徴とする焼結用ガラス材料の製造方法。
【請求項４】
焼結用ガラス材料を成形用金型に充填して乾式プレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結されるガラス焼結品の製造方法であって、
前記焼結用ガラス材料が、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダがシリカを主成分とするコアの表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成されていることを特徴とするガラス焼結品の製造方法。
【請求項５】
前記シリカ粉末に不純物として存在するアルミ成分の重量比率がシリカに対して７０ｐｐｍ以下に選定され、前記焼結用成形体の焼結温度が、１３００℃以上１３５０℃以下である請求項４記載のガラス焼結品の製造方法。
【請求項６】
前記シリカ粉末に不純物として存在するアルミ成分の重量比率がシリカに対して５０ｐｐｍ以下に選定され、前記焼結用成形体の焼結温度が、１２８０℃以上１３５０℃以下である請求項４記載のガラス焼結品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラス製品を低コストで高精度に製造するための焼結用ガラス材料及びその製造方法と、その焼結用ガラス材料を用いたガラス焼結品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英ガラスは、光学特性に優れることから液晶プロジェクタのバックライト光源ユニットなどへの使用が期待されている。
しかし、複雑な形状物の加工が難しく、熟練した作業者の技術が要求されるため、設計寸法通りに成形することが困難であり、同一形状、同一品質のものを量産できないことから、加工コストも著しく高価という問題があった。
また、加工温度が約２０００℃と著しく高温であるため、エネルギーの消費量が多く、ひいては地球温暖化ガスであるＣＯ２の大量発生につながるという懸念がある。
【０００３】
そこで本出願人は、球状シリカにバインダを添加し、これを顆粒状に造粒した焼結用ガラス材料を金型に入れて乾式プレス成形することにより焼結用成形体を作成し、この成形体を大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結して石英ガラス製品を製造する方法を提案した。
【特許文献１】特開２００４−１３１３５１
【０００４】
これによれば、任意の形状の石英ガラス製品を製造する場合に、熟練を必要とせず、量産しても寸法制度が確保されるため、製造コストを格段に低減できるし、焼結温度も比較的低温で済むので、エネルギーの消費量が少なくて済み、その分、ＣＯ２の発生も抑制することができるというメリットがある。
【０００５】
しかしながら、このような製法で、プロジェクタ用光源装置の反射鏡を作成し、熟練工が手作業で作成した反射鏡と比較したところ、手作業の反射鏡と遜色のないものもあるが、中には著しく明るさの劣る反射鏡が製造される場合があることが判明した。
これらの反射鏡を比較検討してみたところ、良品は反射鏡表面のガラス組織が密で凹凸がないのに対し、明るさの劣る反射鏡表面は、表面の一部あるいは全面のガラス組織が比較的粗く梨地状の微細な凹凸が形成されているものがあることが判明した。
【０００６】
このように鏡面部分に一部でも粗面が形成されると、ランプから放出された直線光が反射鏡に入射しても、粗面で散乱して所望の設計角度通りに反射しないため、プロジェクタ用光源装置の反射鏡として用いると著しく明るさが劣るだけでなく、散乱光が液晶パネル面に直角入射しない光となって無駄に放射されるだけでなく、液晶パネル面を余分に加熱してしまうという問題を生ずる。
このため発明者らが、粗面が形成される原因を究明すべく試験・研究を行ったところ、顆粒状に造粒された焼結用ガラス材料に用いられている球状シリカに混合されているバインダの態様に影響していることが判明した。
【０００７】
図４は顆粒状に造粒された焼結用ガラス材料を拡大したときの模式図であるが、図４（ａ）に示すように、バインダ粒子４１が球状シリカ４２に比して小さく均一に分布する場合は表面に粗面が形成され難く、図４（ｂ）に示すように、バインダ粒子４１が球状シリカ４２に比して大きいものもあり、不均一に分布する場合は表面に粗面が形成されやすいことが判明した。
即ち、バインダ粒子が大きい分、球状シリカの密度が低くなるため焼結時に巣が入りやすく、また、バインダを揮発燃焼させるのに時間がかかるため焼結時に完全に揮発燃焼されないままガラス組織内に閉じ込められて粗面が形成されることが判明した。
【０００８】
したがって、図４（ａ）に示すようにバインダ粒子４１を球状シリカ４２に比して小さく均一に揃えれば高品質の石英ガラス製品が製造されるが、バインダ粒子４１を小さく均一に形成することは難しく、コストも時間もかかるため、実験室レベルでの研究であればともかく実用的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、そのような発明者の知見に基づきなされたもので、焼結用ガラス材料を金型に入れて乾式プレス成形して得られた焼結用成形体を加熱焼結して石英ガラス製品を製造する際に、製品表面にガラス組織の粗い梨地状の微細な凹凸が形成されることがなく、量産しても高品質の石英ガラス製品を低コストで製造できるようにすることを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために、本発明に係る焼結用ガラス材料は、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダがシリカを主成分とするコアの表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成されたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る焼結用ガラス材料の製造方法は、シリカを主成分とするコアと、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダ溶液を混合した懸濁液を生成し、チャンバ内を流れる熱風中に前記懸濁液を噴霧することにより、前記バインダがコアの表面にコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成する際に、前記熱風のチャンバ内への流入温度及び流出温度がいずれも前記バインダの融点より高く設定したことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明に係る焼結用ガラスの製造方法は、焼結用ガラス材料を成形用金型に充填して乾式プレス成形することにより得られた焼結用成形体を加熱焼結する際に、前記焼結用ガラス材料が、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダがシリカを主成分とするコアの表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末を集合させて顆粒状に形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シリカを主成分とするコアと、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダ溶液を混合した懸濁液を生成し、流入温度及び流出温度がいずれも前記バインダの融点より高く設定された熱風が流れるチャンバ内に前記懸濁液を噴霧することにより、バインダがコアの表面に隙間なくコーティングされたガラス原料粉末が集合した顆粒状の焼結用ガラス材料が生成される。
したがって、焼結用ガラス材料のガラス原料粉末の表面にはバインダが隙間なくコーティングされているので、ガラス粒子の周囲に径の小さなバインダ粒子を製造したり均一に分布させたりするまでもなく、これと同等の粒子分布を形成することができる。
【００１４】
また、このように生成された焼結用ガラス材料のガラス原料粉末は、コアにバインダをコーティングすることによりその表面に形成されたバインダ層は薄膜状になっているので、これを集合させて顆粒状に形成したときにガラス原料粉末の密度が高くなる。
したがって、これを型に入れて乾式プレスするときに、表面に付着されているバインダが潤滑材となって個々のガラス原料粉末を流動させると共に、ガラス原料粉末が稠密に固められる。
また、加熱焼結したときに巣が入りにくく、同時に、その表面に形成されているバインダ層は比較的薄く均一であるのでバインダが揮発燃焼されやすい。
したがって、製品表面にガラス組織の粗い梨地状の微細な凹凸が形成されることがなく、ガラス組織が密で高品質の石英ガラス製品を低コストで量産することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本例では、製品表面にガラス組織の粗い梨地状の微細な凹凸が形成されることがなく高品質の石英ガラス製品を低コストで量産するという目的を、乾式プレス成形する焼結用ガラス材料を改良することにより達成した。
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る焼結用ガラス材料を示す拡大模式図、図２はその製造方法を示す説明図、図３はガラス焼結品の製造方法を示す説明図である。
【００１７】
本例に係る焼結用ガラス材料１は、成形用金型に充填して乾式プレス成形することにより焼結用成形体を形成した後、この成形体を加熱焼結して石英ガラス製品を製造するためのものであって、パラフィン系バインダ及びステアリン酸系バインダの一方又は双方を含むバインダ２がシリカを主成分とするコア３の表面に隙間なくコーティングされて成るガラス原料粉末４を集合させて顆粒状に形成されている。
【００１８】
バインダ２は、ファインセラミックの成形助剤となるパラフィン系バインダを１.０重量％（融点＝５５℃）及びステアリン酸系バインダを１.０重量％（融点＝１００℃）、その他ＰＶＡやレジンを加え、その総量をコア３の約３.４重量％としている。
【００１９】
コア３は外径０.３〜１.５μｍの球状シリカを用いている。
球状シリカは、シリカ１００％が理想であるが、製造過程でアルミナが不純物として混入し、その量によって焼結温度及び焼結された石英ガラス製品の性状に影響を与える。
すなわち、球状シリカは、半導体産業に多く使用される基板であるシリコンウエハをカットした残砕物（切れ端）やシリコンウエハの不良品を破砕した後、アルミナ製ボールミルで粉状化して生成するため、粉状化する際にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が混入し、その量は粉砕時間によって変化する。
粉砕時間は、ボールミルに投入するシリコンウエハの破片の大きさ等で加減されるため一定ではなく、またアルミ成分（Ａｌ）は、球状シリカを最も多く利用している半導体パッケージ内の絶縁材料の指定不純物としては規制されていないためその混在量には大きなバラツキがある。
【００２０】
そして、このようなアルミ成分を不純物に含むシリカで生成されたコア３にバインダ２をコーティングする場合、バインダ２にはアルミ成分が含まれていないので、コア３に含まれるアルミ成分がそのままガラス原料粉末４の不純物となる。
そして、アルミ成分がシリカに対して７０ｐｐｍを超えると焼結温度が１３５０℃を超えてしまい、７０ｐｐｍ以下だと１３００℃以上１３５０℃以下の焼結温度でガラス組織が密で歪のない焼結体が得られることが分かった。
なお、アルミ成分がシリカに対して１００ｐｐｍ以上になると焼結温度が１３７０℃を超え、さらに２２０ｐｐｍを超えると１４００℃以上に加熱しても焼結せずクリストパーライト化してしまうことが判明した。
したがって、アルミ成分をシリカに対して７０ｐｐｍ以下とすれば、加工時の作業温度（軟化点）が２０００℃近い石英ガラス製品でも、１３００〜１３５０℃の低温度で良好な焼結体を得ることができる。
【００２１】
また、アルミの重量比率をシリカに対して５０ｐｐｍ以下にすれば、焼結温度の下限値を１２８０℃まで下げることができ、１３５０℃までは上述と同様、ガラス組織が密で歪のない焼結体が得られることが分かった。
しかし、１３５０℃を超える場合には、歪の発生があり、更に１４００℃の様な高温度では、僅かな不純物を核としてクリストバーライト化してしまう。
したがって、アルミ成分をシリカに対して５０ｐｐｍ以下としたときは、１２８０℃以上１３５０℃以下の低温度で良好な焼結体を得ることができる。
【００２２】
そして、このようなバインダ２をコア３の表面に隙間なくコーティングして成るガラス原料粉末４を集合させた顆粒状の焼結用ガラス材料１は以下の手順で製造する。
まず、コア３となる球状シリカに前記バインダ２を約３.４重量％混合し、粘性値１０〜２０ｍＰａ・ｓとなるように純水を加え、水分率６０％に調整した後、メッシュの個々の開口が縦横３８μｍに設計されたフィルタにより異物を除去してスラリ（懸濁液）を得る。
コア３は、不純物となるアルミ成分がシリカに対して７０ｐｐｍ以下にコントロールされている。
【００２３】
次いで、このスラリから顆粒を作成するために噴霧乾燥機を用いる。
図２はこのようなに噴霧乾燥機１１を示し、下端部に顆粒回収口１２が形成された直径１.５ｍ程度のホッパ型チャンバ１３の天井部中央に、スラリを噴霧する回転霧化ディスク１４ａを備えたアトマイザ１４が配されている。
また、チャンバ１３の上端側周壁面に水平接線方向から熱風を流入させる給気ダクト１５が接続されると共に、チャンバ１３内には前記顆粒回収口１２に対向して開口する排気ダクト１６が配されている。
【００２４】
なお、前記給気ダクト１５に熱風発生装置１７が接続されており、給気ダクト１５がチャンバ１３に開口する流入口１５ａに配された温度センサ１８と、排気ダクト１６がチャンバ１３内に開口する流出口１６ａに配された温度センサ１９で熱風の温度コントロールを行う。
本例では、パラフィン系バインダとステアリン酸系バインダの融点が何れも１００℃以下であるので、給気ダクト１５の開口部における流入熱風温度を２２０℃とし、排気ダクト１６の開口部における排気熱風温度を１３０℃として、いずれも、バインダ２の融点よりも高くなるように熱風の温度が制御されるようになっている。
なお、排気熱風温度がバインダ２の融点より高ければ、流入熱風温度は必ずその温度より高いので、流出口１６ａのみに温度センサ１９を配して温度コントロールしても同様である。
【００２５】
そして、熱風発生装置１７から給気ダクト１５を介して流入熱風温度が２２０℃となる熱風を供給し、排気熱風温度が１３０℃に達するまでチャンバ１３を加熱したところで、アトマイザ１４の霧化ディスク１４ａの回転数を１２０００ｒｐｍとし、スラリを１００ｍｌ／ｍｉｎで供給して霧化させる。
給気ダクト１５からチャンバ１３に流入した熱風は、チャンバ１３の周壁に沿って回転しながら螺旋状に流下していく。
【００２６】
このとき、流入熱風温度及び排気熱風温度がいずれもバインダ２の融点より高く、したがって、チャンバ１３内の温度がバインダ２の融点よりも高く維持されるので、バインダとコア３を含むスラリを霧化したときに、バインダ２が溶けてコア３の表面に付着する。
また、コア３の表面温度もバインダ２の融点より高くなっているので、バインダ２はコア３の表面を流れて、均一で薄膜状のコーティング層が隙間なく形成されたガラス原料粉末４が形成される。
そして、多数のガラス原料粉末４がチャンバ１３の熱風に乗って乾燥される過程で、その表面にコーティングされたバインダ２を介在して溶着され、直径５０μｍ程度の顆粒状の焼結用ガラス材料１が生成される。
【００２７】
チャンバ１３は、断面積が徐々に低下するホッパ状の部分を熱風が流下することにより、ホッパ下端の顆粒回収口１２近傍の内圧が高くなるので、熱風は顆粒回収口１２に対向して開口している排気ダクト１６から排出される。
その際に、螺旋状に流下してきた熱風により運ばれてきた顆粒状の焼結用ガラス材料１は、熱風の流れが上向に反転されるときに熱風から分離されて顆粒回収口１２に落下して回収される。
図１はこのように製造した焼結用ガラス材料１の顆粒の模式図であって、表面にバインダ２が隙間なくコーティングされたガラス原料粉末４が稠密に集合されている様子がわかる。
【００２８】
図３はこのように製造した焼結用ガラス材料１を用いて、反射鏡形状の石英ガラス製品（ガラス焼結品）を製造する方法を示す説明図である。
まず、顆粒状の焼結用ガラス材料１を成形用金型２１の胴型２２に入れた後（図３(ａ)）、プランジャ２３を降下させ、その挿通孔２４に胴型２２の中心ロッド２５を挿入させながらプレス圧力を加えると焼結用成形体Ｆが成形される（図３（ｂ））。
その後、プランジャ２３を引き上げて、胴型２２の底枠２６を外枠２７から外して型バラシし（図３（ｃ））、底枠２６から焼結用成形体Ｆを抜き出す（図３（ｄ））。
このようにして作成した焼結用成形体Ｆを焼成炉２８に入れ、酸化性雰囲気加熱焼結法と還元性雰囲気加熱焼結法によって焼結させた（図３（ｅ））。
【００２９】
このようにして作成した焼結用成形体Ｆをオートクレーブ２８に入れ、酸化性雰囲気加熱焼結法と還元性雰囲気加熱焼結法によって焼結させて、反射鏡形状の石英ガラス製品Ｍを製造した（図３（ｅ））。
この場合、いずれの方法においても、バインダを完全に揮発燃焼させるため、先ず、３００〜１０００℃の酸化性雰囲気で予備加熱を行う。
バインダを揮発燃焼させる温度は、使用するバインダの種類により異なるため、示差熱分析等で燃焼除去に適した温度を予め確認しておく必要がある。
【００３０】
そして、酸化性雰囲気加熱焼結法では、予備加熱終了後、酸化性雰囲気でバインダを燃焼除去した後、そのまま酸化性雰囲気によって、１２８０〜１３５０℃で加熱焼結を行った。本例では、１３００℃で１時間保持した。
また、還元性雰囲気加熱焼結法では、予備加熱終了後、一酸化炭素を使用した還元性雰囲気において１２８０〜１３５０℃で加熱焼結を行う。本例では、１３００℃で３０分保持した。
【００３１】
このような比較的低温で加熱焼結させたところ、反射鏡形状の石英ガラス製品（ガラス焼結品）Ｍが得られた。
この石英ガラス製品Ｍの表面を数千倍の顕微鏡で観察したが、どこを観察しても粗面となる部分が見当たらず、凹凸がなく極めて緻密で良好な石英ガラス製品Ｍを製造することができた。
そして、その内面に多層膜のコールドミラーを施して反射鏡を形成し、定格２００Ｗの高圧水銀蒸気放電ランプと組み合わせた光源ユニットを作成したところ、熟練者が作成した同じ形状寸法の試作反射鏡と組み合わせた光源ユニットに比して同等の明るさが得られた。
また、その光源ユニットの寿命試験を行ったところ、寿命末期の２０００時間まで、熟練者の試作反射鏡と、光学特性で何等遜色はなく良好な結果が得られた。
【００３２】
以上述べたように、本発明によれば、コアとバインダを混合した懸濁液を噴霧乾燥させる際に、チャンバの流入熱風温度及び排気熱風温度のいずれもがバインダの融点より高く設定されているので、バインダが溶けた状態でコアの表面を流れ隙間なくコーティングされたガラス原料粉末が生成され、そのバインダが溶着されてガラス原料粉末が集合され、顆粒状の焼結用ガラス材料となる。
したがって、この焼結用ガラス材料のガラス原料粉末の表面にはバインダが隙間なく薄膜状にコーティングされているので、径の小さなバインダ粒子を均一に分布させるまでもなくこれと略同じ組織の顆粒を得ることができる。
【００３３】
そして、バインダが薄膜状にコーティングされていることから、顆粒状に形成された焼結用ガラス材料はガラス原料粉末が密に集合され、これを型に入れて乾式プレスするときに、表面に付着されているバインダが潤滑材となって個々のガラス原料粉末を流動させると共に、ガラス原料粉末が稠密に固められる。
したがって、これを加熱焼結したときに巣が入りにくく、同時に、その表面に形成されているバインダは薄く均一であるので揮発燃焼されやすい。
これにより、製品表面にガラス組織の粗い梨地状の微細な凹凸が形成されることがなく、ガラス組織が密で高品質の石英ガラス製品を低コストで量産することができるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、光学特性の極めて良好な反射鏡、光学要素その他の石英ガラス製品を、高精度且つ低コストで量産する用途に使用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る焼結用ガラス材料を示す拡大模式図。
【図２】その製造方法を示す説明図。
【図３】ガラス焼結品の製造方法を示す説明図。
【図４】従来の焼結用ガラス材料を示す拡大模式図。
【符号の説明】
【００３６】
１  焼結用ガラス材料
２  バインダ
３  コア
４  ガラス原料粉末
【図１】
2006199522.tif 000003
【図２】
2006199522.tif 000004
【図３】
2006199522.tif 000005
【図４】
2006199522.tif 000006