(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストの石英ガラス成形体製造方法を提供する。【解決手段】厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の上に、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板を６枚組み合わせて正六角柱の外筒を組み上げ、外筒の外側を専用のカーボン治具で固定した。さらに正六角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正六角柱の外筒の中に直径２９ｃｍ、高さ２４ｃｍの円筒状の石英ガラス母材を置き、１７００℃において３時間加熱溶融し、一辺２０ｃｍで高さ１５ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体を得た。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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材を成形するための型材であって、外枠となる型材が板材を組み合わせて固定して該型材の内面形状を正多角柱とした石英ガラス成形体製造用型材。
【請求項２】
板材がカーボンであることを特徴とする請求項１記載の石英ガラス成形体製造用型材。
【請求項３】
正多角柱を構成する板材の数が６〜２４枚のいずれかでああることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の石英ガラス成形体製造用型材。
【請求項４】
石英ガラス成形体と接する板材の面に保護膜を被覆したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の石英ガラス成形体製造用型材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載した石英ガラス成形体製造用型材を用いて石英ガラス成形体を製造することを特徴とする石英ガラス成形体の製造方法。
【請求項６】
請求項５において、石英ガラス成形体は更に機械加工してリング状、または、円板状製品とする石英ガラス成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラス成形体、特にリング状あるいは円板状石英ガラス製品を得るための製造時に用いられる型材に関し、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際の型材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、加工時間が多くかかるとともに、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。
【０００４】
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成形により製造し、その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。
【０００５】
以下、型材を用いてガラス製品の概形を成形により製造する方法について説明する。
【０００６】
図１（ａ）には石英ガラス母材が載置された型材の概略構成説明図が示されており、図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ矢視図が示されており、図１（ｃ）には図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図が示されており、図１（ｄ）には加熱溶融後の石英ガラス成形体と型材の断面図が示されている。
【０００７】
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円筒形状の外筒１４とで構成されている。この底板１２及び外筒１４はカーボン製である。なお、符号１４ａは、外筒１４の内周面を示している。
【０００８】
以上の構成において、石英ガラス母材を石英ガラス製品の概形に成形するには、まず、外筒１４内の底板１２の上面１２ａに石英バルクまたはインゴットといった石英ガラス母材１６を載置し、石英ガラス母材１６が載置された型材１０を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、加熱温度１５００℃ないし２０００℃で加熱する。
【０００９】
このように、加熱装置で１５００℃ないし２０００℃で加熱することにより、型材１０中に載置された石英ガラス母材１６は加熱溶融され、加熱溶融された石英ガラス母材１６は、図１（ｄ）に示されるように、外筒１４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。
【００１０】
こうして製造された石英ガラス成形体１６ａは、研削などの機械加工工程を経て所望の形状の石英ガラス製品として製作される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４０５４９７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１に示すように、従来、石英ガラス成形体を製造する際の外筒１４には、所望とする石英ガラス成形体の形状がリング状あるいは円板状であるために、その外周形状に合わせて円筒形の２分割あるいはそれ以上に分割されたカーボン型材が用いられている。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。
【００１３】
また、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。
【００１４】
本発明は、円筒形状の型材を用いず、容易に製作できる共通の部材によって外筒が得られるようにし、型材の部材が破損しても共通部材とすることで簡単に交換できるようにすることで補修を容易とし、型材の製造コスト及び石英ガラス成形体の製造コストを低減するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑み、鋭意検討の結果、型材の構成要素である外筒の内面形状を、板材を組み合わせることによって得られる正多角柱とすることにより、課題を解決したものである。
【００１６】
すなわち、本発明は石英ガラス材の溶融成形の際に用いる型材であり、板材を組み合わせて正多角柱の外筒からなることを特徴とする、石英ガラス成形体製造用型材である。
【発明の効果】
【００１７】
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外筒を正多角柱とすることにより、破損時に備えた予備品の過剰ストックが不要になり、外筒となる型材の加工時間を短縮でき、コストが減少される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の型材の概略斜視図及び石英ガラス成形体の製造工程図。
【図２】本発明の石英ガラス成形体製造用型材の概略斜視図及び石英ガラス成形体の製造工程図。
【符号の説明】
【００１９】
１０    型材
１２    底板
１２ａ  上面
１４    外筒
１４ａ  内周面
１６    石英ガラス母材
１６ａ  石英ガラス成形体
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図２には、内面形状が正八角柱状の外筒１４の概略斜視図を示す。本発明における、正多角柱の内面形状を有する外筒１４は、同一形状の板材を複数枚組み合わせることによって作製する。
【００２２】
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、所望とする石英ガラス製品の外径及び製品化のための加工シロよりも大きければ、なんら問題ない。
【００２３】
正多角形の角数としては、６ないし２４であることが望ましい。当然、角数は、３以上であれば問題ないが、角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が小さくなり、材料の無駄が生じる。また、角数が大きくなれば、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、材料の無駄は減少するが、正多角柱を組み上げる際に多数の構成部品を組み立てて多角柱を作り上げるので作業効率が低下する。
【００２４】
例えば、内接円の直径を４０ｃｍとする場合、正六角形では一辺を２３．５ｃｍ、正十二角形では１０．８ｃｍ、正二十四角形では５．３ｃｍとすればよい。また、それぞれの場合の正多角形の面積と内接円の面積の比は正六角形では０．９１、正十二角形では０．９８、また正二十四角形では０．９９となる。すなわち、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、辺の長さと辺の数の組み合わせで多くの場合が考えられ、組立てに要する手間や石英ガラス母材の損失量を考慮して最適な角数及び辺の長さを選択すればよい。
【００２５】
このため、実際の製造の場においては、正多角形の辺の長さや辺の数については、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、総合的に判断すればよい。
【００２６】
本発明の型材を使用して得た石英ガラス成形体は、機械加工によって、リングや円板、もしくはカマボコ型など円形部分を含む形状の石英ガラス製品となる。
【００２７】
本発明に用いられる外筒１４を形成するための板材の材質は、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。
【００２８】
多角柱を構成する板の厚さは、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、５ｍｍないし５０ｍｍ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１０ｍｍないし３０ｍｍである。カーボン板材の厚さが１０ｍｍより薄くなると、カーボン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、カーボン板材の厚さが３０ｍｍより厚くなるとカーボン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、またカーボン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。
【００２９】
板材を組み合わせて外筒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、カーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して外筒を固定する方法などがある。
【００３０】
ここで使用されるカーボンの溶融石英ガラスと接触する面１４ａに、カーボンと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。
【００３１】
石英ガラス母材の溶融成形は、前述した外筒１４内に石英ガラス母材１６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。
【００３２】
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という意味である。
【実施例１】
【００３３】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａに、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板を６枚組み合わせて正六角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。さらに正六角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正六角柱の外筒１４の中に直径２９ｃｍ、高さ２４ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７００℃において３時間加熱溶融した。
【００３４】
その結果、一辺２０ｃｍで高さ１５ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例２】
【００３５】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に、幅１６ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板を８枚組み合わせて正八角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を、カーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して固定した。さらに正八角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正八角柱の外筒１４の中に直径３０ｃｍ、高さ２４．５ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１９００℃において１時間加熱溶融した。
【００３６】
その結果、一辺１６ｃｍで高さ１４ｃｍの正八角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例３】
【００３７】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に、幅１２ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ２ｃｍのカーボン板を１２枚組み合わせて正十二角柱の外筒１４を組み上げ、外筒の外側を、カーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して固定した。さらに正十二角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正十二角柱の外筒１４の中に直径３０ｃｍ、高さ２４．５ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１８００℃において２時間加熱溶融した。
【００３８】
その結果、一辺１２ｃｍで高さ１０．７ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例４】
【００３９】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に、幅６ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板を２４枚組み合わせて正二十四角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を、カーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して固定した。さらに正二十四角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正二十四角柱の外筒１４の中に直径３０ｃｍ、高さ２４．５ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１８００℃において２時間加熱溶融した。
【００４０】
その結果、一辺６ｃｍで高さ１０．５ｃｍの正二十四角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例５】
【００４１】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に、幅２０ｃｍ、長さ４０ｃｍ、厚さ１ｃｍのカーボン板を６枚組み合わせて正六角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。さらに正六角柱の下部及び内側面にカーボンフェルトを設置した。この正六角柱の外筒１４の中に直径２０ｃｍ、高さ３５ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７００℃において３時間加熱溶融した。
【００４２】
その結果、一辺２０ｃｍで高さ１０．５ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例６】
【００４３】
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に、幅６ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍのカーボン板を２４枚組み合わせて正二十四角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を、カーボン繊維の糸条体を巻きつけ、緊締して固定した。この正二十四角柱の外筒の中に直径３０ｃｍ、高さ２４ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７５０℃において３時間加熱溶融した。
【００４４】
その結果、一辺６ｃｍで高さ１０．３ｃｍの正二十四角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例７】
【００４５】
平均粒径０．７ミクロンの高純度炭化珪素粉末１００ｇを１００ｇの純水に分散させた後３時間撹拌し、炭化珪素スラリーを作製した。このスラリーを、刷毛を用いて幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板６枚の片面に塗布し、乾燥させることにより、炭化珪素膜被覆カーボン板を作製した。これらのカーボン板６枚を、炭化珪素膜被覆面が内側になるように組み合わせて正六角柱の外筒１４を、厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に組み上げた。正六角柱の下部にカーボンフェルトを敷いた後、この正六角柱の外筒１４の中に直径２５ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７００℃において３時間加熱溶融した。
【００４６】
その結果、一辺２０ｃｍで高さ９．４ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例８】
【００４７】
平均粒径０．３ミクロンの高純度アルミナ粉末１００ｇをポリビニルアルコール１ｇと１００ｇの純水に分散させた後３時間擾撹拌し、アルミナスラリーを作製した。このスラリーを、刷毛を用いて幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ３ｃｍのカーボン板６枚の片面に塗布し、乾燥させることにより、アルミナ膜被覆カーボン板を作製した。これらのカーボン板６枚を、アルミナ膜被覆面が内側になるように組み合わせて正六角柱の外筒１４を、厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に組み上げた。正六角柱の下部にカーボンフェルトを敷いた後、この正六角柱の外筒１４の中に直径２８ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７００℃において３時間加熱溶融した。
【００４８】
その結果、一辺２０ｃｍで高さ１０．６ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【実施例９】
【００４９】
幅６ｃｍ、長さ２０ｃｍ、厚さ１ｃｍのカーボン板１２枚に、アンモニア（ＮＨ3）雰囲気下で珪素をターゲットとした反応性スパッタ法により、３μｍの厚さの窒化珪素膜を作製した。これらのカーボン板を、窒化珪素膜被覆面が内側になるように組み合わせて正十二角柱の外筒１４を、厚さ１ｃｍ、直径４０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上に組み上げた。正十二角柱の下部にカーボンフェルトを敷いた後、この正十二角柱の外筒１４の中に直径１８ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置き、１７００℃において３時間加熱溶融した。
【００５０】
その結果、一辺６ｃｍで高さ１２．６ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【図１】
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【図２】
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