(57)【要約】【課題】特殊な生産設備を必要とせず、セラミックの一般的な設備を用いて透光性を持つ石英ガラスを作成することができるようにする。【解決手段】球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結する。酸化性雰囲気での加熱焼結の温度を１３２０〜１３７０℃とし、還元性雰囲気での加熱焼結の温度を１２９５〜１３５０℃とする。【選択図】　　　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、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なることを特徴とする石英ガラス。
【請求項２】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、酸化性雰囲気で加熱焼結してなることを特徴とする石英ガラス。
【請求項３】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、還元性雰囲気で加熱焼結してなることを特徴とする石英ガラス。
【請求項４】
前記酸化性雰囲気での加熱焼結の温度を１３２０〜１３７０℃にした請求項１又は２記載の石英ガラス。
【請求項５】
前記還元性雰囲気での加熱焼結の温度を１２９５〜１３５０℃にした請求項１又は３記載の石英ガラス。
【請求項６】
前記バインダとして、加熱焼結後灰分を残さないものであって、２〜５重量％添加した請求項１乃至５のいずれかに記載の石英ガラス。
【請求項７】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法。
【請求項８】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、酸化性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法。
【請求項９】
球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、還元性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法。
【請求項１０】
前記酸化性雰囲気での加熱焼結の温度を１３２０〜１３７０℃にする請求項７又は８記載の石英ガラスの製造方法。
【請求項１１】
前記還元性雰囲気での加熱焼結の温度を１２９５〜１３５０℃にする請求項７又は９記載の石英ガラスの製造方法。
【請求項１２】
前記バインダとして、加熱焼結後灰分を残さないものであって、２〜５重量％添加する請求項７乃至１１のいずれかに記載の石英ガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石英ガラスと、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラスは耐熱衝撃性・耐食性・高絶縁性に優れ、機械的強度も高いため熱器具・化学器具・光学器具等の部品に使用されている。しかし、石英ガラスを溶融するのには１８００℃以上の高温を必要とし、軟化温度も１５００℃であるため、加工が難しく、複雑な形状の製品を作成するには熟練した技術が要求される。このため、得られた製品は高価である。石英ガラスは「特性は優れるが、高価であるため使用できない」、「設計で意図したものが作成できない」等の問題があるため、実用的に使用できる箇所は限られていた。
【０００３】
また、液晶プロジェクターなどの投射型光源装置に用いられる従来の反射鏡の製造方法は、溶融した硼珪酸塩ガラスを熱間でプレス成形することで生産している。しかし、石英ガラスの軟化点は１５００℃以上であるため、この技術を使用することは金型の耐熱温度からみて困難と考えられる。また、この熱間プレス成形は溶融した硼珪酸塩ガラスを金型で直接プレスするため、金型表面にガラス成分が焼き付き、これを除去する作業を必要とするなど生産性に問題を抱えていた。
【０００４】
したがって、従来の技術を利用したのでは、小型高性能な石英ガラス製反射鏡を低コストで生産することは不可能と考えられる。
また、石英ガラス製反射鏡の製造技術として、従来知られている次のような技術を用いることも考えられる（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００５】
球状シリカを原料として、これに添加剤を加え、この材料をスラリー化し、成形型によるスリップキャスト成形法によって成形し、１０−４Ｐａの真空条件下において焼結させる。この焼結温度は１５００℃である。
【０００６】
【非特許文献１】
「高純度・透明石英ガラスの省エネルギー型製造技術の開発」、新エネルギー・産業技術総合開発機構（社団法人九州産業技術センター）、平成１２年３月、Ｐ４０〜４９
【非特許文献２】
「高純度・透明石英ガラスの省エネルギー型製造技術の開発」、新エネルギー・産業技術総合開発機構（社団法人九州産業技術センター）、平成１３年３月、Ｐ４８〜５４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の非特許文献１及び２に記載されている製造方法においては、高真空が得られる真空過熱炉が必要であり、一般的な陶磁器用焼成炉では製造できない。
【０００８】
そこで本発明は、セラミックの一般的な焼結炉で製造できる透光性をもつ石英ガラスとその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の第１の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、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なることを特徴とする石英ガラスである。
【００１０】
請求項２記載の第２の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、酸化性雰囲気で加熱焼結してなることを特徴とする石英ガラスである。
【００１１】
請求項３記載の第３の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、還元性雰囲気で加熱焼結してなることを特徴とする石英ガラスである。
【００１２】
請求項４記載の第４の発明は、前記第１又は第２の発明において、前記酸化性雰囲気での加熱焼結の温度を１３２０〜１３７０℃にした石英ガラスである。
【００１３】
請求項５記載の第５の発明は、前記第１又は第３の発明において、前記還元性雰囲気での加熱焼結の温度を１２９５〜１３５０℃にした石英ガラスである。
【００１４】
請求項６記載の第６の発明は、前記第１乃至第５のいずれかの発明において、前記バインダとして、加熱焼結後灰分を残さないものであって、２〜５重量％添加した石英ガラスである。
【００１５】
請求項７記載の第７の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法である。
【００１６】
請求項８記載の第８の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、酸化性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法である。
【００１７】
請求項９記載の第９の発明は、球状シリカにバインダを添加した後、これを顆粒状に造粒し、この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気で前記のバインダを燃焼除去した後、還元性雰囲気で加熱焼結することを特徴とする石英ガラスの製造方法である。
【００１８】
請求項１０記載の第１０の発明は、前記第７又は第８の発明において、前記酸化性雰囲気での加熱焼結の温度を１３２０〜１３７０℃にする石英ガラスの製造方法である。
【００１９】
請求項１１記載の第１１の発明は、前記第７又は第９の発明において、前記還元性雰囲気での加熱焼結の温度を１２９５〜１３５０℃にする石英ガラスの製造方法である。
【００２０】
請求項１２記載の第１２の発明は、前記第７乃至第１１のいずれかの発明において、前記バインダとして、加熱焼結後灰分を残さないものであって、２〜５重量％添加する石英ガラスの製造方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図に基づいて説明する。
本発明の製造方法を、液晶プロジェクタなどの投射型光源装置に用いられる石英ガラス製反射鏡の製造に適用した実施例で説明する。
【００２２】
先ず、石英ガラス製反射鏡の材料として球状シリカを使用した。球状シリカはアルコキシド法、溶融法で製造されたものの、いずれも使用できたが、大気中での低温焼結を可能にするには、真球状粒子であり表面が無孔質の低比表面積であることが必要である。また、平均粒径０．３μｍ、０．６μｍ、３μｍとしたものを試してみたが、いずれも材料として使用できた。したがって、０．３μｍ〜３μｍの平均粒径の球状シリカが使用できる。実施例としては、平均粒径０．６μｍ、比表面積５．０ｍ２／ｇの球状シリカを使用した。
【００２３】
球状シリカは公知のように、アルカリ金属が含有すると、加熱焼結の時結晶化しやすくなる。このため、球状シリカ中の不純物はできるだけ少ないほうが良い。本発明では低コスト生産を考慮して一般に市販されている球状シリカを精製することなくそのまま使用した。実施例で使用した球状シリカの不純物含有量は、Ｎａ＋、Ｋ＋等のアルカリ金属は１ｐｐｍ以下、Ｃａ＋＋等のアルカリ土類金属は５０ｐｐｍ以下である。
【００２４】
上記球状シリカ材料に水分率が４０％になるように純水を加えるとともに加熱焼結後に灰分を残さない有機高分子散剤としてアクリル酸オリゴマーのＮＨ４塩を０．２〜０．３重量％加えた。分散剤としてはその他、アクリル酸とアクリル酸メチルまたはアクリル酸エステルの共重合体オリゴマーＮＨ４塩等が使用できる。純水と分散剤を添加後、球状シリカ材料を攪拌機で一次粒子まで分散して水分率４０％のスリラーを作成した。
【００２５】
上記のスリラーに熱分解性が優れ、加熱焼結後灰分を残さないバインダを２〜５重量％添加した。２重量％以下では金型から成形体を取り出す時、成形体が崩れる等の欠点がみられ、また、５重量％以上では後述する成形体から加熱焼結時にバインダを完全に燃焼分解することが難しくなり、時間と経費がかかる脱脂工程が必要になるからである。
【００２６】
また、バインダの燃焼分解が不完全であると加熱焼結時に、発泡またはクリストバライトへの結晶化が進みやすくなり、また、熱分解性の良くないバインダを使用した場合も同様の結果を得ることが判った。そこで本発明では低コスト生産を目的とするため、バインダ添加量は上記に示す２〜５重量％とし、短時間で生産できる条件にした。
【００２７】
バインダの種類としては、ファインセラミックの成形助剤として知られるポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル系エマルジョン等を結合剤として、グリセリン、ワックス系エマルジョン、ステアリン酸エマルジョン、ＰＥＧ等を潤滑剤として使用することができる。
【００２８】
実施例では、ワックス系エマルジョン＝１．２（重量％）、ステアリン酸エマルジョン＝１．３（重量％）、ポリビニルアセタール＝０．８（重量％）、ポリビニルアルコール＝０．４（重量％）を添加した。
【００２９】
バインダの添加を終了したスラリーは、粘性値が３００〜４００ｃｐｓになるように純水で調整した。実施例では粘性値４００ｃｐｓ、水分率６０％のスラリーとした。
また、異物を除去するため、目開き３８μｍのフィルターにスラリーを通した。
【００３０】
次に乾式プレス成形は金型へ均一に充填されること及びプレス時の圧縮過程で十分に圧力伝達されることが重要になるため、スプレードライヤーを使用してスラリーを顆粒に造粒した。
実施例として、図１に示す金型を使用してセラミックの乾式プレス成形法で反射鏡を作成した。
【００３１】
先ず、金型１の胴型２内に上記の操作で得た顆粒状に造粒した造粒物３を、図１に示すように一定量投入し、次で、図２に示すように金型のプラジャ４を胴型２内に挿入するとともに成形圧力が約７ＭＰａ程度になるよう金型のプランジャ４に十分な圧力Ｐを加えた。成形圧力は製品の大きさ、形状により適正値が異なるためテストにより選択する必要がある。もし、成形圧力が不足して十分に緻密化した成形体が得られないと、後述する大気圧力での低温焼結で透光性を持つ石英ガラス製品は得られず、白色状に焼結した石英ガラス製品になってしまうからである。
【００３２】
次に、前記の加圧終了後、図３に示すようにプランジャ４を抜き、胴型２とプランジャ４内にできたプレス成形体５を図４に示すように取り出す。その取り出した成形体５を図５に示す。
【００３３】
反射鏡の形状は、乾式プレス成形が一般的に難しいとされる放物面を持つ筒型形状であるが成形性は良好であった。成形性が良い理由は球状シリカを材料に使用しているためプランジャ４の放物面を材料が滑るように流動するためであると考えられる。
【００３４】
球状シリカは球状の粒子でない他のセラミック材料、例えばアルミナ・ジルコニアムライト等と比較して乾式プレスでの成形性が良い材料であることが判った。このため、金型の形状（設計）を変えることにより、本実施例の石英ガラス製反射鏡などの目的とする石英ガラス製品が効率よく生産できるといえる。
【００３５】
前記のように、乾式プレス成形で作成した成形体を、図６に示すような酸化性雰囲気による加熱焼結の第１の方法と、図７に示すような還元性雰囲気による加熱焼結の第２の方法によって焼結させた。
このいずれの方法においても、先ず、３００〜１０００℃の酸化性雰囲気でバインダを完全に燃焼除去させた。バインダを燃焼除去する温度は、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確認しておく必要がある。
【００３６】
酸化性雰囲気による加熱焼結の場合には、図６に示すように、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、１３２０〜１３７０℃で加熱焼結を行った。
【００３７】
また、還元性雰囲気による加熱焼結の場合には、図７に示すように酸化性雰囲気でバインダを燃焼除去した後、炭化水素系ガス等の燃焼制御で得た一酸化炭素を使用した還元性雰囲気において１２９５〜１３５０℃で加熱焼結を行った。実施に際しては、酸化性雰囲気での加熱焼結では１３６０℃で３０分保持することが望ましく、また、還元性雰囲気での加熱焼結では１３２０℃で１時間保持することが望ましい。
【００３８】
上記のような低温の加熱により透明状近くまで焼結させることができ、透明状近くまで焼結した石英ガラス（石英ガラス製品）を得ることができた。
真空加熱炉でも焼結させることは可能であるが、工業的には大気中で加熱焼結させたほうが製造コストを小さくすることができる利点がある。
【００３９】
実施例としては、反射鏡の成形体を還元性雰囲気の操作を行う一般的な陶磁器用焼成炉を使用して加熱焼結を試みた結果、陶磁製製品と同条件で透明状近くまで焼結できた。
【００４０】
本発明の実施例においては次のような効果を奏する。
本発明で使用する乾式プレス成形法は、金型さえ準備すればセラミックメーカーが保有する既存のプレス成形機で能率よく目的とした成形体を作ることができる。
【００４１】
その後行う加熱焼結も特別な焼結設備を必要とせず、窯業分野で使用されているセラミックの一般的な焼結炉で透光性を持つ石英ガラスまで焼結できる。また、還元性雰囲気の焼結温度は長石系磁器類の焼結温度と略等しいため、窯業分野の企業が所有する設備でも石英ガラス製品を作ることができる。
【００４２】
このように本発明の実施例においては、成形体の作成・加熱焼結とも特別な設備を必要としないため、石英ガラス製品を低コストに大量生産できるメリットがあり、耐熱衝撃性を必要とする工業分野への応用展開も可能である。
【００４３】
急速に進んでいるモバイル化に伴い、小型高性能な石英ガラス製反射鏡の市場化が期待されている。しかし、石英ガラスの溶融温度は１８００℃と高く、既存の反射鏡製造技術では対応できない。これに対し、本発明によれば、耐熱衝撃性を必要とする石英ガラス製反射鏡を低コストで生産することができる。
【００４４】
また、現在生産されている反射鏡の重量を１／２に小型化すると、反射面の温度はランプから発生する熱により６５０℃以上になることが予想される。現在最も耐熱衝撃性が良いとされる結晶化ガラスを使用しても、ランプの点灯（加熱）冷却が繰り返される反射鏡は、この温度差に耐えることはできない。そのため、結晶化ガラスより低熱膨脹性である石英ガラスを使用した反射鏡がモバイル化に対応できるものとして期待されることからも本発明は有効なものである。
【００４５】
また、反射鏡成形体の作成は冷間による乾式プレス成形であるため、既存の熱間でのプレス成形で発生するガラス成分の金型への焼き付きなどの諸問題は解決する。特にガラス成分の金型への付着が起きないため、研磨除去の必要がなくなり、金型の精度が長期間維持できるようになる。このため、高価な金型の寿命を、熱間に比べて１．５倍程延ばすことができた。また、既存の熱間のプレス成形に比べて、金型の加工精度を正確に成形体に転写することができ、目的とする反射体などの成形体を得ることができる。
【００４６】
本発明の実施例により製造した石英ガラス製反射鏡は大気中で加熱焼結しているため内部に気孔が存在するが、定格消費電力１５０Ｗの放電ランプを組み合わせて寿命試験を行った結果、定格寿命を超えても何ら問題が発生しなかったこと、Ｘ線解析の結果アモルファスを示し、熱膨脹係数が６．０×１０−７である結果から考えて反射鏡として十分使用可能と判断した。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、特殊な生産設備を必要とせず、セラミックの一般的な設備を用いて透光性を持つ石英ガラスを作成することができる。このため、中小企業が多い陶磁器分野のメーカーでも既存の陶磁器用焼成炉などの設備を利用することで耐熱衝撃性の優れる石英ガラス製反射鏡などの石英ガラスを低コストで生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造に用いる金型の実施例を示すもので、材料を胴型に投入した状態を示す断面図。
【図２】図１の状態から材料を成形した状態を示す断面図。
【図３】図２の状態からプランジャを抜いた状態を示す断面図。
【図４】図３の状態からプレス成形体を取り出した状態の断面図。
【図５】成形体を示す断面図。
【図６】本発明における第１の焼成プログラムを示す図。
【図７】本発明における第２の焼成プログラムを示す図。
【符号の説明】
１　　金型
２　　胴型
３　　顆粒
４　　プランジャ
５　　成形体
【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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【図７】
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