(57)【要約】本発明は、低コストで大量に生産でき、各種光機能性イオンと複合化できるというバイコールガラスの利点を有しながら、なおかつＦｅ濃度が低く、高い紫外線透過率を得ることのできる高ケイ酸ガラスの製造方法、および高い紫外線透過率を有する高ケイ酸ガラスを提供するものである。本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、上記の課題を解決するために、重金属または希土類元素（好ましくは高価数の重金属または希土類イオン）を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴としている。
2004083145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重金属または希土類元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、
分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、
酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴とする高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項２】
上記ホウケイ酸塩ガラスは、マンガン、セリウム、クロム、コバルト、銅の何れかの元素を含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項３】
上記ホウケイ酸塩ガラスは、上記元素の酸化物を０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含むことを特徴とする請求の範囲２に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項４】
上記ホウケイ酸塩ガラスは、原料を加熱して溶融する溶融工程を２回実施して作製されたものであることを特徴とする請求の範囲１ないし３の何れか１項に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項５】
上記ホウケイ酸塩ガラスに含まれるホウ酸は、２回実施される上記溶融工程のうちの第２回目の工程において添加されることを特徴とする請求の範囲４に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項６】
上記ホウケイ酸塩ガラスがセリウムまたはクロムを含む場合に、
上記酸処理工程と上記焼結工程との間で、上記ホウケイ酸塩ガラスに対して、熱処理と酸処理とが繰り返し行われ、さらに、エチレンジアミン四酢酸を含有する酸を用いてさらなる酸処理が施されることを特徴とする請求の範囲１ないし５の何れか１項に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項７】
請求の範囲１ないし６の何れか１項に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法により製造されることを特徴とする高ケイ酸ガラス。
【請求項８】
ホウ素を１０ｐｐｍ以上含み、厚さ１ｍｍとした場合に、波長２００ｎｍの光を３０％以上透過することを特徴とする高ケイ酸ガラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、高い紫外線透過率を有し、エキシマレーザー基盤材料、透紫外線フィルタ、紫外光利用材料などに使用することができる高ケイ酸ガラスの製造方法、および高い紫外線透過率を有する高ケイ酸ガラスに関するものである。
【背景技術】  従来、紫外線透過材料としては石英ガラスが広く利用されている。この石英ガラスは、ＣＶＤ法、溶融法などを利用して生産されているが、その生産方法は、コストが非常に高い、大型化が難しい、また、特に溶融法の場合は非常に高温（１９００℃以上）にしなければならないなどといった欠点を有している。近年、紫外領域のレーザー、ランプなどの光源生産技術が確立し、赤外領域の光通信ファイバー以外の用途が増大していることによって、石英ガラスの様々な需要が増えており、より低コストで石英ガラスを製造する方法が嘱望されている。
また、ケイ酸を主成分として含む高ケイ酸ガラスを大量に生産する方法として、アルカリホウケイ酸塩系ガラスを熱処理によってＳｉＯ２リッチの不溶相と、Ｂ２Ｏ３リッチの可溶相とに分相させた後に、酸で可溶相を溶出させることによって、ＳｉＯ２を主成分とする多孔質ガラスを作製し、次いでこの多孔質ガラスを焼成して生産するという方法が提案されている〔特許文献１（米国特許第２１０６７７４号明細書）参照〕。この方法は、バイコール法と呼ばれている。
しかしながら、上記バイコール法では、ガラス内にＦｅイオンや水分が残留するため、紫外光や赤外光の透過率を十分に向上させることができないという問題点を有している。そのため、バイコール法は石英ガラスの製法としては利用されていない。
従来のバイコール法によって製造されたバイコールガラスは、上述のように、短波長の紫外線を強く吸収するＦｅイオンが微量に存在するため、石英ガラスの紫外透過率と比べて低いことが知られている〔特許文献２（特開昭５７−２０５３３７号公報（昭和５７年１２月１６日公開））参照〕。そこで、特許文献２には、この高ケイ酸ガラスの紫外透過率を増加させるために、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、またはその塩を含有する酸で多孔質ガラスを再度酸処理して、多孔質ガラス中に微量に存在するＦｅイオンを水溶性の錯塩として溶出した後、焼成して高ケイ酸ガラスを作製するという方法も開示されている。
しかしながら、この方法で作製されたガラスの吸収端は２２０ｎｍ付近であり、石英ガラスの吸収端が１６０ｎｍであることから考えれば、その紫外透過率ははるかに低く、Ｆｅイオンを除去する効果がまだ十分とは言えない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで大量に生産でき、各種光機能性イオンと複合化できるというバイコールガラスの利点を有しながら、なおかつＦｅ濃度が低く、高い紫外線透過率を得ることのできる高ケイ酸ガラスの製造方法、およびその製造方法によって得られる高ケイ酸ガラスを提供することを目的とする。
【発明の開示】
本願発明者等は、模擬緑ガラスにホウ酸を添加したアルカリホウケイ酸塩ガラス中では、遷移金属の分布が不均一となり、金属イオンがホウ酸相に濃縮されるため、酸によって浸出されるということに着目した〔非特許文献１（著者：赤井智子、陳丹平、増井大二、三由洋、矢澤哲夫、「新しい廃ガラスのリサイクル方法」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｃｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、１５２−１５３頁、発行元：エコテクノロジー研究会、発行日：２００２年１２月５日）参照〕。そして、ホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施した場合に、ガラス中に含まれる低価数のＦｅイオンを高価数のＦｅ３＋の状態にすればホウ酸相に分散させることができ、さらに酸処理を施すことによってこのＦｅ３＋を除去することができると考えた。そして、原料となるホウケイ酸塩ガラスに重金属または希土類元素（好ましくは高価数の重金属または希土類イオン）を含ませることによって、溶融時にガラス中のＦｅ２＋をＦｅ３＋の状態にすることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、上記の課題を解決するために、重金属または希土類元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴とするものである。
上記の高ケイ酸ガラスの製造方法は、上述のバイコール法を応用したものであり、ホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施すことによって、ＳｉＯ２を主成分とする不溶相（ケイ酸相）と、Ｂ２Ｏ３を主成分とする可溶相（ホウ酸相）に分相させることができる。本発明の製造方法では、上記ホウケイ酸塩ガラスに、重金属または希土類元素が含まれているため、この分相工程において、上記ホウケイ酸塩ガラスに含有されている低価数の鉄イオン（Ｆｅ２＋）をＦｅ３＋の状態にすることができる。
本願発明者等が見出した知見によれば、高価数の金属イオンはホウ酸相に濃縮されるため、上記ホウケイ酸塩ガラス中に含まれるＦｅ３＋の状態にされた低価数の鉄は、ホウ酸相に分散される。上記の高ケイ酸ガラスの製造工程においては、この分相工程の後に実施される酸処理工程によって、金属を溶出させることができるため、Ｆｅ３＋も他の金属イオンとともに除去することができる。そして、上記酸処理工程の後にホウケイ酸塩ガラスの焼結を行えば、Ｆｅ濃度が低く、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを得ることができる。
すなわち、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法によれば、Ｆｅ濃度が低く、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを得ることができるとともに、従来のバイコール法と同様の方法を応用しているため、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを低コストで大量に生産することが可能である。
なお、ここで上記「重金属または希土類元素」には、単体、化合物、イオンなど、元素が通常に存在する場合の種々の形態のものが含まれる。しかし、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法において、上記重金属または希土類元素は、酸化剤として作用することができる高価数の重金属または希土類イオンの状態で、ホウケイ酸ガラス中に存在することが好ましい。これによって、ホウケイ酸塩ガラスに含有されている低価数の鉄イオン（Ｆｅ２＋）を、より効果的にＦｅ３＋の状態に酸化することができる。
本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法において、上記ホウケイ酸塩ガラスは、マンガン、セリウム、クロム、コバルト、銅の何れかの元素を含むことが好ましい。
上記の製造方法によれば、得られる高ケイ酸ガラス中のＦｅ濃度をより低下させることがきるため、紫外線透過率をさらに向上させることが可能となる。それに加えて、上記の製造方法によれば、従来のバイコール法と同様の方法を応用しているため、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを低コストで大量に生産することができる。
また、上記の高ケイ酸ガラスの製造方法において、上記ホウケイ酸塩ガラスは、上記元素（すなわち、マンガン（Ｍｎ）、セリウム（Ｃｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ））の何れか）の酸化物を、０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含むことが好ましい。
上記の製造方法によれば、得られる高ケイ酸ガラス中のＦｅ濃度をより一層低下させることがきるため、紫外線透過率をさらに向上させることが可能となる。それに加えて、上記の製造方法によれば、従来のバイコール法と同様の方法を応用しているため、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを低コストで大量に生産することができる。
なお、上記の高ケイ酸ガラスの製造方法において、上記元素を含む酸化物は、上記元素の高価数の酸化物であることが好ましい。これによって、ホウケイ酸塩ガラスに含有されている低価数の鉄イオン（Ｆｅ２＋）を、より効果的にＦｅ３＋の状態に酸化することができる。
本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法において、上記ホウケイ酸塩ガラスは、原料となる各化合物を混合したガラス組成を加熱して溶融する溶融工程を２回実施して作製されたものであることが好ましい。
上記の製造方法によれば、１回溶融の場合と比較して、より紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを製造することができる。
本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法おいて、上記ホウケイ酸塩ガラスに含まれるホウ酸は、２回実施される上記溶融工程のうちの第２回目の工程において添加されることが好ましい。
上記の製造方法によれば、より紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを製造することができる。
本発明の高ケイ酸ガラス製造方法は、上記ホウケイ酸塩ガラスがセリウムまたはクロムを含む場合に、上記酸処理工程と上記焼結工程との間で、上記ホウケイ酸塩ガラスに対して、熱処理と酸処理とが繰り返し行われ、さらに、エチレンジアミン四酢酸を含有する酸を用いてさらなる酸処理が施されることが好ましい。
上記の製造方法によれば、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）は、金属と錯塩を形成するため、得られる高ケイ酸ガラスにおいてＦｅ濃度をさらに低下させることができる。これによって、波長１８５ｎｍ付近において、石英ガラスとほぼ同程度の紫外線透過率を有する高ケイ酸ガラスを得ることができる。
また、本発明の高ケイ酸ガラスは、上述の何れかの高ケイ酸ガラスの製造方法によって製造されることを特徴としている。
上記の高ケイ酸ガラスは、溶融法やＣＶＤ法などによって製造される石英ガラスと比較して、低コストで大量に製造することができるため、大型化が可能である。それに加えて、従来のバイコール法によって製造されるガラスよりも高く、石英ガラスとほぼ同程度の紫外線透過率を有しているため、紫外発光する光機能性イオンをドープし複合化することができる。
なお、本発明の高ケイ酸ガラスは、従来のバイコール法によって製造されたガラスと同様にシリカが多孔質であるため、透光性と高い表面積をあわせ持つことを活かして、光触媒担体や、新規な光機能性材料を作る複合化ガラス母材として利用することもできる。この場合、従来のバイコール法によって製造されたガラスよりも、紫外線透過率が高いため、励起源の短波長化やＨｇフリーランプで使用されるＸｅ光（１７６ｎｍ）に対応させることが可能となり、種々の光関連材料として幅広く利用することができる可能性を有している。
また、上記高ケイ酸ガラスの製造方法において、焼結工程を実施する前に、希土類イオンなどの化学物質を上記シリカの細孔に含浸させて、細孔に埋め込み焼結を行ってもよい。
上記の方法によって製造された高ケイ酸ガラスは、紫外領域で石英ガラス並みの透過率を有するため、励起源の短波長化やＨｇフリーランプで使用されるＸｅ光（１７６ｎｍ）に良く対応し、新しい光機能性材料の複合化ガラス母材として有効に利用することができる。
さらに、本発明の高ケイ酸ガラスは、ホウ素を１０ｐｐｍ以上含み、該高ケイ酸ガラスの厚さが１ｍｍの場合に、波長２００ｎｍの光を３０％以上透過することを特徴とするものである。
上記の高ケイ酸ガラスは、従来のバイコール法によって製造されたガラスよりも、高い紫外線透過率を有するため、紫外発光する光機能性イオンをドープし複合化することができる。それゆえ、種々の光関連材料として幅広く利用することができるという可能性を有している。
なお、上記高ケイ酸ガラスは、その厚さを仮に１ｍｍとした場合に、波長２００ｎｍの光を３０％以上の割合で透過するという性質を有するものであり、その厚さは１ｍｍに限定されるものではない。
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、次の説明によって明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】  図１は、本実施例１においてＭｎＯ２を含む原料から製造された高ケイ酸ガラスと、バイコールガラスそれぞれについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。
図２は、本実施例２において製造された高ケイ酸ガラスについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。なお、本図では、１回溶融で製造された場合と、２回溶融で製造された場合それぞれの結果を示す。
図３は、本実施例３において製造された高ケイ酸ガラスについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。
図４は、本実施例３において製造されたＥＤＴＡで酸処理された高ケイ酸ガラスについて、短波長３００〜１１５（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法および高ケイ酸ガラスに関する実施の一形態について以下に説明する。なお、本発明はこの記載に限定されるものではない。
本発明に係る高ケイ酸ガラスは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主成分として作製されるガラスであり、その製造方法に特徴を有することで、バイコール法（特許文献１参照）などによって作製される従来の高ケイ酸ガラスと比較して、Ｆｅの含有濃度を低くし、高い紫外線透過率を呈することができるものである。
このような高ケイ酸ガラスを製造するために、本発明の製造方法は、重金属または希土類元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴としている。
本実施の形態では、上記の高ケイ酸ガラスの製造方法において、高ケイ酸ガラスの原料として、ガラス組成中にマンガン（Ｍｎ）、セリウム（Ｃｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）の何れかの酸化物を０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含むホウケイ酸塩ガラスを使用した場合について説明する。上記高ケイ酸ガラスの原料となるホウケイ酸塩ガラスの組成は、上記の条件以外は特に限定されることはなく、通常のホウケイ酸塩ガラスの原料に用いられる化合物を使用して、通常のホウケイ酸塩ガラスの組成に倣えばよい。
より具体的には、上記ホウケイ酸塩ガラスには、上述のＭｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ以外に、Ｓｉ、Ｏ、Ｂ、Ｎａ、Ａｌ、Ｃａなどの元素を含む化合物が適宜含まれればよく、上記ホウケイ酸塩ガラス中のＳｉＯ２の割合は４５〜６０重量％程度、Ｂ２Ｏ３の割合は２４〜３６重量％程度であればよい。なお、上記Ｍｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕについては、例えば、高価数の酸化物、すなわちＭｎＯ２、ＣｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＣｕＯなどのような形態で含まれることが好ましい。上記元素（Ｍｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕの何れか）の高価数の酸化物は、酸化剤として機能するため、ホウケイ酸ガラス中の鉄を効果的にＦｅ３＋の状態にすることができる。
上記ホウケイ酸塩ガラスは、上述のような各化合物を適当量混合し、例えば、温度１３５０〜１４５０℃で数時間程度の溶融を行った後に、冷却して作製することができる。
以上のようにして作製されたホウケイ酸塩ガラスには、熱処理が施され、ＳｉＯ２を主成分とする不溶相（ケイ酸相）と、Ｂ２Ｏ３を主成分とする可溶相（ホウ酸相）とに分相される。上記の熱処理は、温度５５０〜６５０℃程度、時間２０〜８０時間程度で実施すればよい。本実施の形態では、この工程を分相工程と呼ぶ。
上記ホウケイ酸塩ガラスは、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕの何れかの酸化物（好ましくは高価数の酸化物）を０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含むことによって、ホウケイ酸塩ガラス中に含まれるＦｅをＦｅ３＋の状態とし、上記分相工程においてホウ酸相に分散させることができる。
本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法では、上記分相工程の後に、分相されたホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施すことによって、ホウケイ酸塩ガラス中に含まれる金属イオンを溶出する酸処理工程が実施される。これによって、ホウ酸相に分散している鉄イオンを、ホウ素、ナトリウム、カルシウムなどのイオンとともに除去することができ、ホウケイ酸塩ガラスはＦｅの含有量の低い多孔質ガラスとなる。
そして続いて、上記ホウケイ酸塩ガラス（多孔質ガラス）を焼結する焼結工程が実施され、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスが製造される。上記焼結工程における温度は、１０５０〜１２００℃程度であることが好ましい。また、上記焼結工程は、空気中で行われてもよいし還元雰囲気中で行われてもよい。
なお、ホウケイ酸塩ガラスを熱処理した後に、酸処理を行って可溶相を溶出させ、さらに焼成するという本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、バイコール法に基づくものである。すなわち、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、原料となるホウケイ酸塩ガラス中にＭｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕの何れかの酸化物（好ましくは高価数の酸化物）を０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含有する点以外は、従来公知のバイコール法（特許文献１参照）と同様の方法で実施することができる。それゆえ、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、バイコール法を応用した方法であると言える。
上記の高ケイ酸ガラスの製造方法によれば、バイコール法によって作製された高ケイ酸ガラスと比較して、Ｆｅ濃度を低くすることができる。これによって、後述の実施例１にも示すように、波長２００ｎｍ付近の紫外線を約６０％程度透過可能な高ケイ酸ガラスを得ることができる（図１参照）。さらにそれに加えて、従来のバイコール法と同様の方法を応用しているため、低コストで大量に高ケイ酸ガラスを生産することができる。
なお、上記ホウケイ酸塩ガラスは、Ｓｉ、Ｏ、Ｂ、Ｎａ、Ａｌ等およびＭｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕの何れかの酸化物（好ましくは高価数の酸化物）を含む複数の化合物を原料として適宜混合した後、高温溶融して作製されるが、その溶融工程は、２回に分けて実施されることが好ましく、そして、上記ホウケイ酸塩ガラスに含まれるホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）は、２回実施される溶融工程のうちの第２回目の溶融工程において添加されることが好ましい。これらによれば、後述の実施例にも示されるように、得られる高ケイ酸ガラスの紫外線透過率をより高くすることができる。
また、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法では、上述のように酸処理工程が行われた直後に焼結工程が実施されてもよいが、これ以外の方法として、上記酸処理工程と上記焼結工程との間で、熱処理と酸処理とがさらに繰り返し実施されてもよい。
さらに、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法では、上記ホウケイ酸塩ガラスがセリウム（Ｃｅ）またはクロム（Ｃｒ）を含む場合に、上記酸処理工程と上記焼結工程との間で、上記ホウケイ酸塩ガラスに対して、熱処理と酸処理とが複数回繰り返して行われた後、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を含有する酸を用いてさらなる酸処理が施されることが好ましい。
これによれば、ＥＤＴＡがホウケイ酸塩ガラス中の金属と錯塩を形成するため、製造される高ケイ酸ガラス中のＦｅ濃度をさらに低下させることができ、波長１８５ｎｍ付近において、石英ガラスとほぼ同程度の紫外線透過率を有する高ケイ酸ガラスを得ることができる。
また、本発明の高ケイ酸ガラスは、上記の高ケイ酸ガラスの製造方法によって製造されたものである。すなわち、本発明の高ケイ酸ガラスは、重金属または希土類元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスを原料として、上記分相工程および酸処理工程を経た後に焼結して作製されたものである。また、本発明の高ケイ酸ガラスとしてより具体的なものは、その原料となるホウケイ酸塩ガラスに、マンガン、セリウム、クロム、コバルト、銅の何れかの元素の酸化物が０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含まれるものである。
上記高ケイ酸ガラスは、上述のような製造方法によって作製されたものであるため、酸処理によってホウケイ酸塩ガラス中に微量に含まれるＦｅが溶出され、Ｆｅ濃度が低くなっている。これによって、上記高ケイ酸ガラスは高い紫外線透過率を呈することができる。
したがって、本発明の高ケイ酸ガラスは、より短波長の光で励起することができるという利点を有する。そのため、例えば紫外発光するような光機能イオンを上記高ケイ酸ガラスにドープして、複合化するということも可能となる。このように、本発明の高ケイ酸ガラスは、蛍光材料などの光関連材料の開発に応用することができる。
また、上記高ケイ酸ガラスが、セリウムまたはクロムを含むホウケイ酸塩ガラスから作製される場合に、焼結工程の前にＥＤＴＡを含有する酸で酸処理が施されれば、波長１８５ｎｍ付近で石英ガラスとほぼ同程度の紫外線透過率を有することができる。この高ケイ酸ガラスは、石英ガラスとほぼ同じ紫外線透過率を有するにもかかわらず、石英ガラスよりも低コストで大量に生産できる。
さらに、本発明の高ケイ酸ガラスは、製造条件を適宜変更することによって、例えば、チューブ、板、ファイバー等といった種々の形状に成形することが可能であり、本発明の応用範囲をさらに拡大することができる。上記高ケイ酸ガラスの種々の形状に成形する具体的な方法としては、例えば、上記ホウケイ酸塩ガラスを溶融させた後に、種々の形状の金型に流し込んで冷却するという方法を挙げることができる。
本実施の形態において説明した高ケイ酸ガラスの製造方法では、その原料となるホウケイ酸塩ガラスに、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕの何れかの酸化物が０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含まれるものを例に挙げて説明したが、本発明は上記ホウケイ酸塩ガラスに他の重金属あるいは希土類元素が含まれるものであってもよい。
以下、添付した図面とともに実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。しかしながら、本発明は以下の実施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。
【実施例】
【実施例１】  実施例１では、市販の試薬：Ｎａ２ＣＯ３、Ｈ３ＢＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ（ＯＨ）３、ＣａＣＯ３、ＭｎＯ２を用いて、Ｎａ２Ｏ：７．７（ｗｔ％）、ＣａＯ：４．０（ｗｔ％）、Ａｌ２Ｏ３：２．７（ｗｔ％）、ＭｎＯ２：０．７（ｗｔ％）、Ｂ２Ｏ３：３３．３（ｗｔ％）、ＳｉＯ２：５１．７（ｗｔ％）のガラス組成となるように各試薬を秤量・混合し、白金坩堝を用いて、１４００℃で４時間溶融してガラスを得た。
得られたガラスを研磨した後、５９０℃の熱処理炉で４０時間熱処理を行い、分相させた。そして、分相させたガラスと１Ｎ硝酸とを密閉容器中に仕込み、９０℃で２４〜７２時間酸処理を行った。酸処理したガラスは、さらに１１００℃で２時間、空気中で焼結された。このようにして製造された１．０ｍｍの厚さの高ケイ酸ガラスについて、透過率の測定が行われた。
なお、実施例１の比較例として、従来のバイコール法によって、高ケイ酸ガラスを製造した。この従来法とは、具体的には、市販のバイコールガラス（岩城ガラス製）を用いて、上述の方法と同様の手順によって高ケイ酸ガラスを作製するという方法である。この方法によって製造された高ケイ酸ガラスについても、１．０ｍｍの厚さの透過率を測定した。
その結果を図１に示す。図１は、実施例１においてＭｎＯ２を含む原料から製造された高ケイ酸ガラスと、比較例として製造された高ケイ酸ガラス（図中ではバイコールガラスと記す）それぞれについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。図１において、実線で示すものが本発明に係る高ケイ酸ガラスの製造方法によってＭｎＯ２を含む原料から製造された高ケイ酸ガラスの透過スペクトルであり、破線で示すものが比較例として製造された高ケイ酸ガラスの透過スペクトルである。
図１に示すように、本実施例１のＭｎＯ２を含む原料から製造された高ケイ酸ガラスは、２００ｎｍの紫外線を約６０％の割合で透過した。一方、比較例の高ケイ酸ガラスは、２００ｎｍ以下の紫外線を全く透過しなかった。
【実施例２】  実施例２では、市販の試薬：Ｎａ２ＣＯ３、Ｈ３ＢＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ（ＯＨ）３、ＣａＣＯ３を用いて、ＳｉＯ２：７７．５（ｗｔ％）、Ｎａ２Ｏ：１１．５（ｗｔ％）、ＣａＯ：６．０（ｗｔ％）、Ａｌ２Ｏ３：５．０（ｗｔ％）のガラス組成となるように、各試薬を秤量、混合し、白金坩堝を用いて１５００℃で４時間溶融した。続いて、このガラスの１００重量部に対して溶融後の組成で５０重量部となるようにＨ３ＢＯ３を加え、１４００℃で２回目の溶融を行ってガラスを得た。
得られたガラスを研磨した後、５９０℃の熱処理炉で４０時間熱処理を行い、分相させた。そして、分相させたガラスと１Ｎ硝酸とを密閉容器に仕込み、９０℃で２４〜７２時間酸処理を行った。酸処理したガラスは、さらに１１００℃で２時間、還元雰囲気中で焼結された。このようにして製造された１．０ｍｍの厚さの高ケイ酸ガラスについて、透過率の測定が行われた。
なお、実施例２の比較例として、１回目の溶融時に上記実施例２と同じ割合となるようにＨ３ＢＯ３を加え、１回の溶融のみで高ケイ酸ガラスを製造し、これについて、１．０ｍｍの厚さの透過率を測定した。なお、本比較例では、溶融回数が１回であるという点以外は、実施例２と同じ方法で高ケイ酸ガラスが製造された。
その結果を図２に示す。図２は、本実施例２とその比較例において製造された各高ケイ酸ガラスについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。なお、本図では、１回溶融で製造された場合を実線で、２回溶融で製造された場合を破線で示す。
図２に示すように、波長２００ｎｍ付近の紫外線領域の透過率は、１回溶融のみの場合と比較して、２回溶融を行った製造した場合の方が、紫外線透過率が高くなることが確認された。
【実施例３】  実施例３では、市販の試薬：Ｎａ２ＣＯ３、Ｈ３ＢＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ（ＯＨ）３、ＣａＣＯ３、ＣｅＯ２を用いて、ＳｉＯ２：７７．５（ｗｔ％）、Ｎａ２Ｏ：１１．５（ｗｔ％）、ＣａＯ：６．０（ｗｔ％）、Ａｌ２Ｏ３：４．０（ｗｔ％）、ＣｅＯ２：１．０（ｗｔ％）のガラス組成となるように、各試薬を秤量、混合し、白金坩堝を用いて１５００℃で４時間溶融した。続いて、このガラス１００重量部に対して溶融後の組成で重量部となるようにＨ３ＢＯ３を加え、１４００℃で２回目の溶融を行ってガラスを得た。
得られたガラスを研磨した後、５９０℃の熱処理炉で４０時間熱処理を行い、分相させた。そして、分相させたガラスと１Ｎ硝酸とを密閉容器中に仕込み、９０℃で２４〜７２時間酸処理を行った。
この酸処理によって得られた多孔質ガラスを、さらに３００℃で１５時間熱処理した後、３Ｎ硝酸とともに密閉容器中に仕込み、９０℃で２４時間酸処理を行った。酸処理したガラスは、１１００℃で２時間、空気中あるいは還元雰囲気中で焼結された。その後、得られた１．０ｍｍの厚さの高ケイ酸ガラスについて、透過率を測定した。
なお、本実施例３では、上記９０℃で２４〜７２時間酸処理を行った多孔質ガラスについて、さらに別の方法を用いて高ケイ酸ガラスが製造された。その方法を以下に説明する。
上記９０℃で２４〜７２時間酸処理を行った多孔質ガラスを、その後、３００℃１５時間で熱処理した後、３Ｎ硝酸とともに密閉容器中に仕込み、９０℃で２４時間酸処理を行った。この酸処理した多孔質ガラスについて、さらに３００℃１５時間で熱処理を行った。続いて、１％エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を含有する酸を用いて、この多孔質ガラスに対して９０℃で２４時間酸処理が実施された。
その後、この試料は、１１００℃で２時間、還元雰囲気中で焼結された。この方法で得られた高ケイ酸ガラスについても、１．０ｍｍの厚さの透過率の測定が実施された。
これらの結果を、図３に示す。図３は、実施例３において製造された３種類の高ケイ酸ガラスについて、各波長（ｎｍ）の光に対する透過率（％）を測定した結果を示すグラフである。図３において、実線で示すものは、空気中で３００℃、１５時間の熱処理と、酸処理とが実施された場合、破線で示すものは、還元雰囲気中で３００℃、１５時間の熱処理と、酸処理とが実施された場合、一点鎖線で示すものは、ＥＤＴＡで酸処理された場合の結果である。
図３に示すように、空気中で熱処理が行われた場合（実線で示すもの）よりも、還元雰囲気中で熱処理が行われた場合（破線で示すもの）の方が紫外線透過率が増加することが確認された。また、ＥＤＴＡで酸処理された場合（一点鎖線で示すもの）には、紫外線透過率はさらに増加することが確認された。しかしながら、実施例２と実施例３とを比較すれば分かるように、ＥＤＴＡを使わない場合は、３００℃１５時間での熱処理と酸処理とを繰り返し行っても、それを行わない場合と比べて紫外線透過率はほとんど増加しなかった。また、このＥＤＴＡはＭｎＯ２を含む原料から製造されたガラスには効果がなかった。
また、本実施例においてＥＤＴＡで酸処理された高ケイ酸ガラスについて、真空紫外分光光度計  試作機  ＰＵＶ−１００（日本分光製）を用いて、３００ｎｍ〜１１５ｎｍ間のより短波長の光に対する透過率を測定した。その結果を図４に示す。なお、比較のために、従来法で製造された石英ガラスについても同様に短波長の透過率を測定した。図４では、ＥＤＴＡで酸処理された高ケイ酸ガラスの吸収スペクトルを実線で示し、石英ガラスの吸収スペクトルを破線で示す。
図４に示すように、ＥＤＴＡで酸処理された高ケイ酸ガラスは、石英ガラスよりはやや劣るものの、３００ｎｍ〜１１５ｎｍというより短波長の紫外光についても高い透過率を示すことが確認された。
尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【産業上の利用の可能性】
以上のように、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法は、重金属または希土類元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴とするものである。
上記の高ケイ酸ガラスの製造方法によれば、Ｆｅ濃度が低く、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを得ることができるという効果を奏する。さらに、従来のバイコール法と同様の方法を応用しているため、紫外線透過率の高い高ケイ酸ガラスを低コストで大量に生産することが可能となるという効果も奏する。
本発明の高ケイ酸ガラスは、本発明の高ケイ酸ガラスの製造方法を用いて製造されたものである。
上記の高ケイ酸ガラスは、溶融法やＣＶＤ法などによって製造される石英ガラスと比較して、低コストで大量に製造することができるため、大型化が可能であるという効果を奏する。それに加えて、従来のバイコール法によって製造されるガラスよりも高く、石英ガラスとほぼ同程度の紫外線透過率を有しているため、紫外発光する光機能性イオンをドープし複合化することができるという効果も奏する。
また、本発明の高ケイ酸ガラスは、従来のバイコール法によって製造されたガラスと同様にシリカが多孔質であるため、透光性と高い表面積をあわせ持つことを活かして、光触媒担体や、新規な光機能性材料を作る複合化ガラス母材として利用することもでき、幅広い応用が期待できる。
さらに、本発明の高ケイ酸ガラスは、ホウ素を１０ｐｐｍ以上含み、厚さ１ｍｍとした場合に、波長２００ｎｍの光を３０％以上透過することを特徴とするものである。
上記の高ケイ酸ガラスは、従来のバイコール法によって製造されたガラスよりも、高い紫外線透過率を有するため、紫外発光する光機能性イオンをドープし複合化することができるという効果を奏する。
本発明の高ケイ酸ガラスは、上述のように高い紫外線透過率を有するため、エキシマレーザー基盤材料、透紫外線フィルタ、紫外光利用材料などに利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月1日(2004.11.1)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】特許請求の範囲
【請求項１】マンガン、セリウム、クロム、コバルト、銅のうち何れかの元素を含んでなるホウケイ酸塩ガラスに熱処理を施して分相する工程と、
分相された上記ホウケイ酸塩ガラスに酸処理を施して金属を溶出する酸処理工程と、
酸処理された上記ホウケイ酸塩ガラスを焼結する焼結工程とを含むことを特徴とする高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項２】上記ホウケイ酸塩ガラスは、上記元素の酸化物を０．１重量％以上２．０重量％以下の割合で含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項３】上記ホウケイ酸塩ガラスは、原料を加熱して溶融する溶融工程を２回実施して作製されたものであることを特徴とする請求の範囲１または２に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項４】上記ホウケイ酸塩ガラスに含まれるホウ酸は、２回実施される上記溶融工程のうちの第２回目の工程において添加されることを特徴とする請求の範囲３に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項５】上記ホウケイ酸塩ガラスがセリウムまたはクロムを含む場合に、
上記酸処理工程と上記焼結工程との間で、上記ホウケイ酸塩ガラスに対して、熱処理と酸処理とが繰り返し行われ、さらに、エチレンジアミン四酢酸を含有する酸を用いてさらなる酸処理が施されることを特徴とする請求の範囲１ないし４の何れか１項に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法。
【請求項６】請求の範囲１ないし５の何れか１項に記載の高ケイ酸ガラスの製造方法により製造されることを特徴とする高ケイ酸ガラス。
【請求項７】ホウ素を１０ｐｐｍ以上含み、厚さ１ｍｍとした場合に、波長２００ｎｍの光を３０％以上透過することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の高ケイ酸ガラス。




【国際調査報告】
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