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JP7141997B2 - Thermoforming apparatus and method for manufacturing quartz glass molded body using same - Google Patents
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Thermoforming apparatus and method for manufacturing quartz glass molded body using same Download PDF

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Description

本発明は、熱成型装置、及びこれを用いた石英ガラス成形体の製造方法に関し、特に石英ガラスインゴットを加熱成型して、円筒形状の石英ガラス成形体を形成するための熱成型装置、及びこれを用いた石英ガラス成形体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermoforming apparatus and a method for manufacturing a quartz glass molded body using the same , and more particularly to a thermoforming apparatus for thermoforming a quartz glass ingot to form a cylindrical quartz glass molded body. and a method for producing a quartz glass molded body using the same.

光学用途に好適な合成石英ガラス体を製造する方法の一つとして、合成石英ガラスのインゴットを製造し、その後、前記石英ガラスインゴットを所定温度で加熱して軟化させ、所定形状の型を用いて成形する製造方法が知られている。尚、前記石英ガラスインゴットは、例えば、四塩化ケイ素等のシリカ原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子をターゲット上に堆積させる気相反応法により製造される。 As one method for producing a synthetic quartz glass body suitable for optical applications, an ingot of synthetic quartz glass is produced, then the quartz glass ingot is heated at a predetermined temperature to be softened, and a mold having a predetermined shape is used to soften the ingot. Molding manufacturing methods are known. The quartz glass ingot is manufactured by a gas phase reaction method, for example, by hydrolyzing a silica raw material such as silicon tetrachloride and depositing glass microparticles on a target.

例えば、前記石英ガラスインゴットを用いて円筒形状の石英ガラス成形体を得たい場合、従来は、先ず前記石英ガラスインゴットを所望の径、及び厚さに加熱溶融し、その後、径方向中央部から機械的に研削し、所定の内径を有する石英ガラス成形体を形成する方法が知られている。しかしながら、円柱状の石英ガラスインゴットに対し機械的に研削加工する方法にあっては、研削加工に多大な時間を要する上に、研削したガラス粉が大量に生じるため、材料のロスおよび加工コストの増大が生じるという課題があった。 For example, when it is desired to obtain a cylindrical quartz glass compact using the quartz glass ingot, conventionally, the quartz glass ingot is first heated and melted to a desired diameter and thickness, and then machined from the center in the radial direction. A method of forming a quartz glass compact having a predetermined inner diameter by mechanically grinding is known. However, in the method of mechanically grinding a columnar quartz glass ingot, the grinding process takes a long time and a large amount of ground glass powder is produced, resulting in material loss and processing costs. There was a problem that an increase occurred.

このような課題に対し、特許文献1では、図7(a)に示すようにガラス材料60を加熱溶融する際に、押圧治具51を用いてその中央部を押圧し、図7(b)に示すように加熱溶融後のガラス材料たる成形体61において中央部が凹んだ柱形状(筒型形状に近い形状)とする方法が開示されている。図7(b)に示すように中央部が凹んだ柱形状の成形体61を得た後は、図7(c)に示すように、次工程において下部(一点鎖線で囲む部分)が切削除去され、筒型形状に成型されることになる。このような方法によれば、研削の時間及び研削量が大幅に減縮され、効率性を向上し、コストを低減することができる。 In order to address such a problem, in Patent Document 1, when the glass material 60 is heated and melted as shown in FIG. 2, a method is disclosed in which a molded body 61, which is a glass material after heating and melting, is formed into a columnar shape (a shape close to a cylindrical shape) with a concave central portion. As shown in FIG. 7(b), after obtaining a columnar molded body 61 with a recessed central portion, the lower part (the portion surrounded by the dashed line) is removed by cutting in the next step, as shown in FIG. 7(c). and molded into a cylindrical shape. According to such a method, the time and amount of grinding can be greatly reduced, the efficiency can be improved, and the cost can be reduced.

特開2010-100493号公報JP 2010-100493 A

ところで、特許文献1に開示された方法により形成されるガラス成形体61にあっては、筒形状とするための下部が切削される。しかしながら、切削された後の成形体下面には微細な凹凸が存在する。そのような凹凸が存在する場合、更に後工程において研磨した場合であっても、前記凹凸を起因とする加工歪みが生じる虞があった。 By the way, in the glass molded body 61 formed by the method disclosed in Patent Document 1, the lower part is cut to form a cylindrical shape. However, fine unevenness exists on the lower surface of the molded body after being cut. When such unevenness exists, there is a possibility that processing distortion due to the unevenness occurs even when polishing is performed in a post-process.

また、特許文献1に開示された方法にあっては、円筒の中空部分を全て研削除去する方法よりは、ガラス材料が無駄にならずコストを低減することができるが、最後に成形体下部を除去するために、無駄なガラス材料を完全に無くすことができないという課題が残っていた。また、押圧治具51を用いてガラス材料60の中央部を押圧し凹み(穴)を形成する際に中心線のずれが発生する虞があった。 In addition, in the method disclosed in Patent Document 1, the glass material is not wasted and the cost can be reduced compared to the method of grinding and removing the entire hollow portion of the cylinder. The problem remains that the wasted glass material cannot be completely eliminated for removal. In addition, there is a possibility that the center line may be shifted when the pressing jig 51 is used to press the central portion of the glass material 60 to form a recess (hole).

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、成型用型内で石英ガラスインゴットを加熱変形させて加工歪みのない円筒形状のガラス成形体を得ることができ、材料の無駄を無くすことにより成型にかかるコストを低減することのできる加熱成型装置、及びこれを用いた石英ガラス成形体の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to obtain a cylindrical glass molded body free from processing distortion by heating and deforming a quartz glass ingot in a molding die. It is an object of the present invention to provide a thermal molding apparatus capable of reducing molding costs by eliminating material waste, and a method for producing a quartz glass molded body using the apparatus.

前記課題を解決するためになされた本発明に係る加熱成型装置は、円柱状または角柱状で少なくとも下端部が平坦面の石英ガラスインゴットから筒形状の石英ガラス成形体を形成する加熱成型装置であって、前記加熱成型装置は、加熱成型治具と、前記加熱成型治具を収納する加熱炉と、前記加熱炉内に収納され、石英ガラスインゴットを加熱するヒータと、を少なくとも備え、前記加熱成型治具は、底面及び側面とを有する成形用受け皿と、前記成形用受け皿の底面上に配置され、前記底面及び側面とともに石英ガラスインゴットから筒形状の石英ガラス成形体を形成する円柱状の中子とを備え、前記石英ガラスインゴットの前記平坦面が載置される前記中子の天面の周縁には、円環状の傾斜面が形成され、前記中子の天面に対する傾斜面の傾斜角θ1は、前記中子の外周側面に対する傾斜面の傾斜角θ2よりも大きく、前記θ1は45°以上60°以下であり、θ2は15°以上45°以下であることに特徴を有するものである。 A thermoforming apparatus according to the present invention, which has been devised to solve the above-described problems, is a thermoforming apparatus for forming a cylindrical quartz glass compact from a quartz glass ingot having a cylindrical or prismatic shape and having at least a flat lower end portion. The thermoforming apparatus includes at least a thermoforming jig, a heating furnace that accommodates the thermoforming jig, and a heater that is accommodated in the heating furnace and heats the quartz glass ingot. The jig includes a molding tray having a bottom surface and side surfaces, and a cylindrical core disposed on the bottom surface of the molding tray and forming a cylindrical quartz glass compact from a quartz glass ingot together with the bottom surface and side surfaces. An annular inclined surface is formed on the peripheral edge of the top surface of the core on which the flat surface of the quartz glass ingot is placed, and the inclined surface of the inclined surface with respect to the top surface of the core has an inclination angle θ1 is larger than the inclination angle θ2 of the inclined surface with respect to the outer peripheral side surface of the core, θ1 is 45° or more and 60° or less, and θ2 is 15° or more and 45° or less. be.

このように構成された加熱成型装置にあっては、石英ガラスインゴットは、中子上に載置された後に加熱溶融され、その自重によって加熱成形治具の中で変形し、円筒形状のガラス成形体が得られる。このようにして得られたガラス成形体は、石英ガラスインゴットからの加熱溶融のみで成形されたものであるため、従来の治具に荷重をかけて穴(凹部)を開ける方法のときに発生していた中心線のずれが発生することがない。また、機械的な切削工程を必要としないため、加工歪みの発生を防止することができ、無駄なガラス材料が発生しないため、コストを低減することができる。 In the thermoforming apparatus configured as described above, the quartz glass ingot is heated and melted after being placed on the core, and is deformed in the thermoforming jig by its own weight to form a cylindrical glass. you get a body Since the glass molded body obtained in this way is formed only by heating and melting from a quartz glass ingot, it occurs when a hole (recess) is made by applying a load to a conventional jig. There is no centerline deviation. Moreover, since a mechanical cutting process is not required, it is possible to prevent the occurrence of processing strain, and since no wasteful glass material is generated, the cost can be reduced.

また、前記課題を解決するためになされた本発明に係る石英ガラス成形体の製造方法は、前記加熱炉内に収納された加熱成形治具の前記中子の天面に、円柱状または角柱状で少なくとも下端部が平坦面の石英ガラスインゴットを載置する工程と、前記ヒータにより前記石英ガラスインゴットを加熱溶融する工程とを含むことを特徴とする。 Further, in the method for producing a quartz glass molded body according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, a columnar or angular shape is provided on the top surface of the core of the heat-forming jig housed in the heating furnace. The method includes the steps of: placing a silica glass ingot having a columnar shape and having at least a flat lower end; and heating and melting the silica glass ingot with the heater.

本発明によれば、成型用型内で石英ガラスインゴットを加熱変形させて加工歪みのない円筒形状のガラス成形体を得ることができ、材料の無駄を無くすことにより成型にかかるコストを低減することのできる加熱成型装置、及びこれを用いた石英ガラス成形体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a quartz glass ingot can be heat-deformed in a molding die to obtain a cylindrical glass molded body without processing distortion, and the cost of molding can be reduced by eliminating waste of materials. It is possible to provide a thermoforming apparatus that can

図1は、本発明にかかる加熱成型装置の概略構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoforming apparatus according to the present invention. 図2は、図1の加熱成型装置が備える加熱成型治具の平面図である。2 is a plan view of a thermoforming jig provided in the thermoforming apparatus of FIG. 1. FIG. 図3は、加熱成型治具が備える中子の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a core included in a thermoforming jig. 図4は、図3の中子の一部拡大断面図である。4 is a partially enlarged sectional view of the core of FIG. 3. FIG. 図5(a)、(b)は、加熱により変形する石英ガラスインゴットの状態を示す断面図である。5(a) and 5(b) are cross-sectional views showing the state of a quartz glass ingot deformed by heating. 図6は、図1の加熱成型装置により得られる石英ガラス成形体の斜視図である。6 is a perspective view of a quartz glass molded body obtained by the heat molding apparatus of FIG. 1. FIG. 図7(a)、(b)、(c)は、従来の加熱成型装置において筒形状の石英ガラス成形体を製造する一例を示す断面図である。7(a), (b), and (c) are cross-sectional views showing an example of manufacturing a cylindrical quartz glass molded body in a conventional thermoforming apparatus.

以下、本発明にかかる実施形態を図1乃至図5に基づいて説明する。尚、図1乃至図5は、説明のために装置及び治具の形状を模式的に表したものである。 An embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 to 5 schematically show the shapes of the device and the jig for explanation.

図1は、加熱成型装置1の概略構成を示す図であって、この加熱成型装置1は、加熱炉2と、加熱成型治具3と、石英ガラスインゴットXを加熱するヒータ4と、を少なくとも備えている。加熱炉2は、内部にヒータ4を収納しており、ヒータ4が発する熱によって石英ガラスインゴットXを加熱する。加熱成型治具3は、後に詳述するように、石英ガラスインゴットXを加熱軟化させながら、所定形状の石英ガラス成形体を形成するための治具である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a thermoforming apparatus 1. The thermoforming apparatus 1 includes at least a heating furnace 2, a thermoforming jig 3, and a heater 4 for heating a quartz glass ingot X. I have it. The heating furnace 2 accommodates a heater 4 therein, and heats the quartz glass ingot X with heat generated by the heater 4 . The heat molding jig 3 is a jig for forming a quartz glass compact having a predetermined shape while heating and softening the quartz glass ingot X, as will be described in detail later.

前記石英ガラスインゴットXは、例えば、四塩化ケイ素等のシリカ原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子をターゲット上に堆積させることにより製造され、胴部X1は円柱状または角柱形状に形成され、その上端部X2は、図示するように平坦面に形成されている。或いは上端部X2は、徐々に径が増す曲面形状、または斜面形状に形成されていてもよい。また下端面X3は平坦面に形成されている。 The quartz glass ingot X is produced, for example, by hydrolyzing a silica raw material such as silicon tetrachloride and depositing glass fine particles on a target. The upper end portion X2 is formed on a flat surface as shown. Alternatively, the upper end portion X2 may be formed in a curved shape with a gradually increasing diameter, or in a sloped shape. Further, the lower end surface X3 is formed as a flat surface.

即ち、石英ガラスインゴットXは、円柱形状または角柱形状で上端部が例えば平坦面(水平面に限らない)で、下端部が水平面である。図1に示すように、受け皿Pの底面部P1中心に中子10が配置され、その上面に石英ガラスインゴットXの下端面(底面)X3が載置される。前記下端面X3は、厳密に水平の面出しがなされている。 That is, the quartz glass ingot X has a cylindrical or prismatic shape, and has, for example, a flat surface (not limited to a horizontal surface) at the upper end and a horizontal surface at the lower end. As shown in FIG. 1, a core 10 is arranged at the center of the bottom surface portion P1 of the saucer P, and the lower end surface (bottom surface) X3 of the quartz glass ingot X is placed on the upper surface thereof. The lower end surface X3 has a strictly horizontal surface.

次に、この加熱成型装置1に収納される加熱成型治具3の構成について、図1乃至図4に基づいて説明する。尚、図2は加熱成型治具3の平面図であり、図3は中子10の斜視図である。また、図4は、図3の載置台の一部を拡大した断面図である。 Next, the configuration of the thermoforming jig 3 housed in the thermoforming apparatus 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 2 is a plan view of the thermoforming jig 3, and FIG. 3 is a perspective view of the core 10. As shown in FIG. 4 is a cross-sectional view enlarging a part of the mounting table in FIG.

この加熱成型治具3は、大きくは成型用受け皿Pと、成型用受け皿Pの底面に配置される中子10とで構成されている。前記成形用受け皿Pは、受け皿底面部P1及び側面部P2を有し、平面視上、例えば図2に示すように円形状に形成されている。図1に示すように中子10上に石英ガラスインゴットXが載置された状態で、側面部P2が石英ガラスインゴットXを包囲する状態となる。 The thermoforming jig 3 is mainly composed of a molding tray P and a core 10 arranged on the bottom surface of the molding tray P. As shown in FIG. The molding tray P has a tray bottom portion P1 and a side portion P2, and is formed in a circular shape in a plan view, for example, as shown in FIG. With the silica glass ingot X placed on the core 10 as shown in FIG. 1, the side surface portion P2 surrounds the silica glass ingot X.

この加熱成型治具3は、成型後の石英ガラス形状を規定する型であり、中子10の外周面10aと底面部P1と、側面部P2とによって型が形成される。具体的には、石英ガラスインゴットXを中子10上に載置し、石英ガラスインゴットXを加熱軟化することによって、中子10の外周面10aと受け皿底面部P1と側面部P2との間に軟化した石英ガラスが入り込み、成型がなされる。 The thermoforming jig 3 is a mold that defines the shape of quartz glass after molding, and the mold is formed by the outer peripheral surface 10a of the core 10, the bottom surface portion P1, and the side surface portion P2. Specifically, by placing the quartz glass ingot X on the core 10 and heating and softening the quartz glass ingot X, a gap between the outer peripheral surface 10a of the core 10 and the tray bottom portion P1 and the side surface portion P2 is formed. The softened quartz glass enters and is molded.

中子10は、図3に示すように全体は略円柱形状であり、前記した外周側面10aを有する胴部10Aと天面10bを有する上端部10Bと、下面10cを有する下端部10Cとを有している。前記胴部10Aの外周側面10aは、水平方向断面形状が例えば正円形状であり、垂直方向は水平面に直交する面により形成されている。下端部10Cの下面10cは、水平面に形成され、中子10が直立した状態で外周側面10aが垂直方向に配置されるようになっている。 As shown in FIG. 3, the core 10 has a substantially cylindrical shape as a whole, and has a body portion 10A having the outer peripheral side surface 10a, an upper end portion 10B having a top surface 10b, and a lower end portion 10C having a lower surface 10c. is doing. The outer peripheral side surface 10a of the body portion 10A has, for example, a circular cross-sectional shape in the horizontal direction, and is formed by a surface orthogonal to the horizontal plane in the vertical direction. The lower surface 10c of the lower end portion 10C is formed in a horizontal plane, and the outer peripheral side surface 10a is arranged vertically with the core 10 standing upright.

図4は、図3の載置台の一部である上端部10Bを拡大した断面図である。すなわち、上端部10Bの周縁部に形成された円環状の傾斜面10dは、中子10の天面10bに対する傾斜面の傾斜角θ1と、中子10の外周側面10aに対する傾斜面の傾斜角θ2を有している。 FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the upper end portion 10B that is part of the mounting table in FIG. That is, the annular inclined surface 10d formed on the peripheral edge of the upper end portion 10B has an inclination angle θ1 with respect to the top surface 10b of the core 10 and an inclination angle θ2 with respect to the outer peripheral side surface 10a of the core 10. have.

中子10が、傾斜面10dを有しない完全な円柱体であると、特に幅の狭い肉薄の円筒形状の石英ガラス成形体を製造する場合に、軟化した石英ガラスの表面張力により、中子10の外周面10aと加熱成型治具3の底面部P1との間への流れを作ることができない。従って、このような中子10では、自重のみで中空の石英ガラス成形体を製造することは困難であった。 If the core 10 is a perfect cylinder without the inclined surface 10d, the surface tension of the softened silica glass will cause the core 10 to move, especially when a thin cylindrical silica glass compact with a narrow width is produced. flow between the outer peripheral surface 10a and the bottom surface portion P1 of the thermoforming jig 3 cannot be created. Therefore, with such a core 10, it has been difficult to manufacture a hollow quartz glass compact using only its own weight.

θ1は、中子10が加熱溶融された石英ガラスインゴットXが変形して食い込む作用がスムーズに進むように、やや大きくされる。また、θ2は、中子10が石英ガラスインゴットXを完全に突き抜ける作用で、バリや膨らみを発生させないようスムーズに進むように、やや小さくされている。本発明では、これらの作用を十分発揮させるために、θ1>θ2とするものである θ1 is slightly increased so that the quartz glass ingot X in which the core 10 is heated and melted deforms and bites smoothly. Also, θ2 is set slightly small so that the core 10 can pass through the quartz glass ingot X completely and move smoothly without causing burrs or bulges. In the present invention, θ1>θ2 is set in order to sufficiently exhibit these effects.

さらに、傾斜角θ1は45°以上60°以下、外周側面10aに対する傾斜面10dの傾斜角θ2は15°以上45°以下の範囲とされる。 Furthermore, the inclination angle θ1 is set to be 45° or more and 60° or less, and the inclination angle θ2 of the inclined surface 10d with respect to the outer peripheral side surface 10a is set to be 15° or more and 45° or less.

本発明では、θ1が石英ガラスの変形促進の効果を発現し、θ2が軟化した石英ガラスの流れがスムーズに行われる効果を発現する、といえるものである。そこで、単にθ1>θ2とするのみならず、このような数値範囲に設定することで、その効果をより発揮させることが可能となる。 In the present invention, it can be said that .theta.1 exhibits the effect of accelerating the deformation of quartz glass, and .theta.2 exhibits the effect of smooth flow of the softened quartz glass. Therefore, not only by setting θ1>θ2 but also by setting such a numerical range, the effect can be exhibited more effectively.

θ1が45°未満では、外周面10aと受け皿底面部P1と側面部P2との間に軟化した石英ガラスが流れ込む作用が発現されにくく、石英ガラスインゴットX上部の軟化したガラスが覆いかぶさり、シワ(微泡の集合体)が発生することが懸念される。一方、θ1が60°を超えると、軟化した石英ガラスが流れる速度が速すぎて、特に周方向に対して均等に成形が進行せず、形状が不安定になる恐れが生じる。 If θ1 is less than 45°, it is difficult for the softened quartz glass to flow between the outer peripheral surface 10a, the saucer bottom portion P1, and the side surface portion P2. There is concern that microbubble aggregates) may occur. On the other hand, if θ1 exceeds 60°, the flow speed of the softened quartz glass is too high, so that the shaping does not proceed evenly particularly in the circumferential direction, and the shape may become unstable.

θ2が15°未満では、軟化した石英ガラスが流れる速度が速すぎて、成型に支障が生じる。一方、θ2が45°を超えると、軟化した石英ガラスの流れが急になり、均一に流れないので、雰囲気ガスを巻き込んで気泡の原因となる恐れが生じる。 If θ2 is less than 15°, the flow rate of the softened quartz glass is too high, which hinders molding. On the other hand, if θ2 exceeds 45°, the flow of the softened quartz glass becomes abrupt and does not flow uniformly.

なお、図4に示す、天面20bの終端部から径方向に沿って外周側面10aまでの寸法d1および、外周側面10aの上端から垂直方向に沿って天面10bまでの寸法d2は、格別限定されるものではないが、d1およびd2を適切な範囲とすることで、本発明のより好ましいものとすることが可能である。 In addition, the dimension d1 from the terminal end of the top surface 20b to the outer peripheral side surface 10a along the radial direction and the dimension d2 from the upper end of the outer peripheral side surface 10a to the top surface 10b along the vertical direction shown in FIG. However, the present invention can be made more preferable by setting d1 and d2 within appropriate ranges.

d1の値は、中子10の外径を1としたときに、1~10%の範囲であれば、より好ましい。小さすぎると本発明の効果が得られないが、大きすぎると、石英ガラスインゴットXを天面10bに載置するときの安定性が損なわれる懸念が生じる。 It is more preferable that the value of d1 is in the range of 1 to 10% when the outer diameter of the core 10 is taken as 1. If it is too small, the effects of the present invention cannot be obtained, but if it is too large, there is a concern that the stability of placing the quartz glass ingot X on the top surface 10b will be impaired.

なお、θ1>θ2であるので、直角三角形の定理からd1<d2となる。さらに、θ1は45°以上60°以下、θ2は15°以上45°以下、という関係があることから、θ1(またはθ2)とd1が与えられれば、d2が一義的に定まる。 Since θ1>θ2, d1<d2 from the right triangle theorem. Furthermore, since θ1 is 45° or more and 60° or less and θ2 is 15° or more and 45° or less, d2 is uniquely determined if θ1 (or θ2) and d1 are given.

また、石英ガラスインゴットXの下端面X3の直径をD1、中子10の上面10bの直径をD2、中子10の下面10cの直径をD3、としたときに、石英ガラスインゴットXのサイズに応じて、これらのパラメータを最適化すると、より好ましいものとなる。 Further, when the diameter of the lower end surface X3 of the quartz glass ingot X is D1, the diameter of the upper surface 10b of the core 10 is D2, and the diameter of the lower surface 10c of the core 10 is D3, the size of the quartz glass ingot X is Therefore, optimizing these parameters is more favorable.

すなわち、D2は最低でもD1の50%以上あれば、石英ガラスインゴットXを天面10bに載置するときの安定性が確保でき、好ましい。また、D1-D3の値が20mm未満では、軟化した石英ガラスが流れ込む隙間が小さく、外周面10aと受け皿底面部P1と側面部P2との間に軟化した石英ガラスが流れ込みにくくなり、好ましいものとは言えない。 That is, it is preferable that D2 is at least 50% or more of D1 because stability can be ensured when the quartz glass ingot X is placed on the top surface 10b. Also, when the value of D1-D3 is less than 20 mm, the gap into which the softened quartz glass flows is small, and the softened quartz glass hardly flows between the outer peripheral surface 10a and the saucer bottom portion P1 and side portion P2, which is preferable. I can't say

ちなみに、軸方向に長い石英ガラス成形体XAを得たい場合は、成形用受け皿Pの深さ(側面部P2の高さ)と、中子10の高さを高くすれば、ある程度は可能である。しかしながら、本発明は、軟化した石英ガラスの流れ込みを用いた発明であることから、いわゆる肉薄で細長い管状よりは、肉厚の筒状体(環状体)の製造に適しているといえ、極端に側面部P2を高くすることは、好ましくない。例えば、石英ガラス成形体XAの、外径をD4、軸方向の長さをLとした場合、D4/Lは0.3以上1.8以下、がより好ましい。 By the way, when it is desired to obtain a silica glass molded body XA that is long in the axial direction, it is possible to some extent by increasing the depth of the molding tray P (the height of the side surface portion P2) and the height of the core 10. . However, since the present invention is an invention using the flow of softened quartz glass, it can be said that it is suitable for manufacturing a thick cylindrical body (annular body) rather than a so-called thin and elongated tubular body. It is not preferable to raise the side part P2. For example, when the quartz glass compact XA has an outer diameter of D4 and an axial length of L, D4/L is more preferably 0.3 or more and 1.8 or less.

このような加熱成型治具3の形状とすることにより、石英ガラスインゴットXを加熱溶融した際、その変形が促進され、中子10が石英ガラスインゴットXを突き抜けて、図6に示すような円筒形状の石英ガラス成形体XAが得られる。このようにして得られた石英ガラス成形体XAは、石英ガラスインゴットXからの加熱溶融のみで成形されたものであるため、従来の治具に荷重をかけて穴を開ける方法のときに発生していた中心線のずれが発生することがない。また、機械的な切削工程を必要としないため、加工歪みの発生を防止することができる。 When the quartz glass ingot X is heated and melted, the deformation of the quartz glass ingot X is accelerated by forming the heat molding jig 3 in such a shape. A shaped quartz glass compact XA is obtained. The quartz glass molded body XA obtained in this way is formed only by heating and melting the quartz glass ingot X, so that the conventional method of making a hole by applying a load to a jig causes a crack. There is no centerline deviation. Moreover, since a mechanical cutting process is not required, it is possible to prevent the occurrence of machining strain.

尚、成型用受け皿P及び中子10の材質は、石英ガラスと反応し難く、耐熱性がある材質であれば特に限定されるものではない。例えば、成型用受け皿P及び中子10の材質として、高純度のカーボン等の材料を好適に用いることができる。また、これらの表面は、軟化した石英ガラスがスムーズに移動できる程度に滑らかであるとよい。 The material of the molding tray P and the core 10 is not particularly limited as long as it does not easily react with quartz glass and has heat resistance. For example, a material such as high-purity carbon can be suitably used as the material of the molding tray P and the core 10 . Moreover, these surfaces are preferably smooth enough to allow the softened quartz glass to move smoothly.

続いて、本発明にかかる加熱成型治具を用いた加熱成型装置による、加熱成形方法の作用について説明する。まず、図5(a)に示すように円柱形状の石英ガラスインゴットXの中心が成型用受け皿Pの底面中央に配置された中子10の中心に位置するように、石英ガラスインゴットXを載置する。 Next, the operation of the thermoforming method by the thermoforming apparatus using the thermoforming jig according to the present invention will be described. First, as shown in FIG. 5A, the quartz glass ingot X is placed so that the center of the cylindrical quartz glass ingot X is positioned at the center of the core 10 arranged at the center of the bottom surface of the molding tray P. do.

石英ガラスインゴットXを加熱成形治具3に設置した後、図1に示すヒータ4により、石英ガラスインゴットXを加熱し、軟化させる。この加熱により、石英ガラスインゴットXは、その自重により、図5(b)に示すように中子10の傾斜面10dから外周側面10aに沿って、中子10に覆い被さるように変形する。 After setting the quartz glass ingot X on the heat forming jig 3, the quartz glass ingot X is heated and softened by the heater 4 shown in FIG. Due to this heating, the quartz glass ingot X is deformed by its own weight so as to cover the core 10 from the inclined surface 10d of the core 10 along the outer peripheral side surface 10a as shown in FIG. 5(b).

そして、石英ガラスインゴットXの変形が促進され、中子10が石英ガラスインゴットXをスムーズに貫通する。溶融した石英ガラスインゴットXは、受け皿底面P1上を隙間なく覆い、成形体上面が水平になってから冷却することにより、図6に示すような石英ガラス成形体XAが製造される。石英ガラス成形体XAは、その後、必要な長さにスライスして、洗浄、検査を経て完成品となる。 Then, the deformation of the quartz glass ingot X is accelerated, and the core 10 penetrates the quartz glass ingot X smoothly. The molten quartz glass ingot X covers the bottom surface P1 of the saucer without gaps, and is cooled after the upper surface of the molded body becomes horizontal, whereby the quartz glass molded body XA as shown in FIG. 6 is manufactured. The quartz glass molded body XA is then sliced into a required length, washed and inspected to obtain a finished product.

以上説明したように、本発明にかかる加熱成型治具を用いた加熱成型装置にあっては、石英ガラスインゴットXは、中子10上に載置された後に加熱溶融され、その自重によって加熱成形治具3の中で変形し、円筒形状のガラス成形体10Aが得られる。このようにして得られた石英ガラス成形体XAは、石英ガラスインゴットXからの加熱溶融のみで成形されたものであるため、従来の治具に荷重をかけて穴を開ける方法のときに発生していた中心線のずれが発生することがない。また、機械的な切削工程を必要としないため、加工歪みの発生を防止することができ、無駄なガラス材料が発生しないため、コストを低減することができる。 As described above, in the thermoforming apparatus using the thermoforming jig according to the present invention, the quartz glass ingot X is heated and melted after being placed on the core 10, and is thermoformed by its own weight. It is deformed in the jig 3 to obtain a cylindrical glass molded body 10A. The quartz glass molded body XA obtained in this way is formed only by heating and melting the quartz glass ingot X, so that the conventional method of making a hole by applying a load to a jig causes a crack. There is no centerline deviation. Moreover, since a mechanical cutting process is not required, it is possible to prevent the occurrence of processing strain, and since no wasteful glass material is generated, the cost can be reduced.

本発明に係る加熱成型装置、及びこれを用いた石英ガラス成形体の製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。 The thermoforming apparatus according to the present invention and the method for producing a quartz glass molded body using the apparatus will be further described based on examples.

まず、共通して用いる石英ガラスインゴットXを準備する。これは、前述した公知の方法で得られた合成石英ガラスであり、重さ50kg、下端面X3は直径300mmである。 First, a commonly used quartz glass ingot X is prepared. This is synthetic quartz glass obtained by the known method described above, weighs 50 kg, and has a lower end surface X3 with a diameter of 300 mm.

(実施例1)
内径500mmのカーボン製の成形用受け皿Pを用意し、その中に、成形用受け皿Pの中心が一致するように、外径470mm、高さの150mmカーボン製の中子10を設置した。そして、中子10の天面10bの上に、石英ガラスインゴットXを載置した。ここで、中子10は、d1が50mm、θ1が50°である。次に、これらを電気炉内に設置して、大気中で2000℃×1時間の熱処理を行った。このようにして得られた中空の石英ガラス成形体XAをスライスして、外径500×内径470mmのリング板を得たが、このリング板は、気泡は確認されず、また、加工歪もなく、さらに、形状も変形のない精度の良いものが得られた。
(Example 1)
A carbon molding saucer P having an inner diameter of 500 mm was prepared, and a carbon core 10 having an outer diameter of 470 mm and a height of 150 mm was placed therein so that the center of the molding saucer P coincided. Then, the quartz glass ingot X was placed on the top surface 10 b of the core 10 . Here, the core 10 has d1 of 50 mm and θ1 of 50°. Next, they were placed in an electric furnace and subjected to heat treatment at 2000° C. for 1 hour in the atmosphere. The hollow quartz glass compact XA thus obtained was sliced to obtain a ring plate having an outer diameter of 500 mm and an inner diameter of 470 mm. Furthermore, a highly accurate shape was obtained without any deformation.

(比較例1)
中子10をθ1=0(すなわちd1=0、テーパー加工を施さない)として、それ以外は実施例1と同条件で熱処理を行ったところ、中空の石英ガラス成形体XAは得られたものの、大量の泡を含んでおり、製品として使用できるものではなかった。
(Comparative example 1)
Heat treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that the core 10 was set to θ1=0 (that is, d1=0, no taper processing was performed). It contained a large amount of foam and could not be used as a product.

(比較例2)
θ1を80°とした以外は、実施例1と同条件で熱処理を行ったところ、成形用受け皿Pと中子10の間に軟化した石英ガラスが流れておらず、中空の成形体を得ることができなかった。
(Comparative example 2)
Heat treatment was performed under the same conditions as in Example 1, except that θ1 was 80°. I couldn't do it.

1 加熱成型装置
2 加熱炉
3 加熱成型治具
4 ヒータ
10 中子
10a 外周側面
10b 天面
10c 下面
10d 傾斜面
P 成形用受け皿
X 石英ガラスインゴット
REFERENCE SIGNS LIST 1 heat molding device 2 heating furnace 3 heat molding jig 4 heater 10 core 10a outer peripheral side surface 10b top surface 10c lower surface 10d inclined surface P molding tray X quartz glass ingot

Claims (4)

円柱状または角柱状で少なくとも下端部が平坦面の石英ガラスインゴットから筒形状の石英ガラス成形体を形成する加熱成型装置であって、
前記加熱成型装置は、加熱成型治具と、前記加熱成型治具を収納する加熱炉と、前記加熱炉内に収納され、石英ガラスインゴットを加熱するヒータと、を少なくとも備え、
前記加熱成型治具は、底面及び側面とを有する成形用受け皿と、前記成形用受け皿の底面上に配置され、前記底面及び側面とともに石英ガラスインゴットから筒形状の石英ガラス成形体を形成する円柱状の中子とを備え、
前記石英ガラスインゴットの前記平坦面が載置される前記中子の天面の周縁には、円環状の傾斜面が形成され、前記中子の天面に対する傾斜面の傾斜角θ1は、前記中子の外周側面に対する傾斜面の傾斜角θ2よりも大きく、
前記θ1は45°以上60°以下であり、θ2は15°以上45°以下であることを特徴とする加熱成型装置
A thermoforming apparatus for forming a cylindrical quartz glass compact from a quartz glass ingot having a cylindrical or prismatic shape and having at least a flat lower end, comprising:
The thermoforming apparatus includes at least a thermoforming jig, a heating furnace that houses the thermoforming jig, and a heater that is housed in the heating furnace and heats the quartz glass ingot,
The thermoforming jig includes a molding tray having a bottom surface and a side surface, and a cylindrical shape disposed on the bottom surface of the molding tray and forming a cylindrical quartz glass molded body from the quartz glass ingot together with the bottom surface and the side surfaces. and a core of
An annular inclined surface is formed on the peripheral edge of the top surface of the core on which the flat surface of the quartz glass ingot is placed. larger than the inclination angle θ2 of the inclined surface with respect to the outer peripheral side surface of the child,
A thermoforming apparatus , wherein θ1 is 45° or more and 60° or less, and θ2 is 15° or more and 45° or less .
前記請求項に記載された加熱成型装置を用いた石英ガラス成形体の製造方法において、
前記加熱炉内に収納された加熱成形治具の前記中子の天面に、円柱状または角柱状で少なくとも下端部が平坦面の石英ガラスインゴットを載置する工程と、
前記ヒータにより前記石英ガラスインゴットを加熱溶融する工程とを含むことを特徴とする石英ガラス成形体の製造方法。
In the method for manufacturing a quartz glass molded body using the heat molding apparatus according to claim 1 ,
a step of placing a quartz glass ingot having a cylindrical or prismatic shape and having at least a flat lower end portion on the top surface of the core of the heat forming jig housed in the heating furnace;
and a step of heating and melting the quartz glass ingot with the heater.
前記石英ガラスインゴットの下端面の直径をD1、前記中子の上面の直径をD2、中子の下面の直径をD3としたとき、前記D2はD1の50%以上であり、前記D1-D3の値を少なくとも20mmにすることを特徴とする請求項2記載の石英ガラス成形体の製造方法。When D1 is the diameter of the lower end surface of the quartz glass ingot, D2 is the diameter of the upper surface of the core, and D3 is the diameter of the lower surface of the core, D2 is 50% or more of D1, and D1-D3 is equal to or greater than D1. 3. A method according to claim 2, characterized in that the value is at least 20 mm. 製造される石英ガラス成形体の外径をD4、軸方向の長さをLとした場合、D4/Lを0.3以上1.8以下にすることを特徴とする請求項2または3記載の石英ガラス成形体の製造方法。4. The method according to claim 2 or 3, wherein D4/L is 0.3 or more and 1.8 or less, where D4 is the outer diameter of the quartz glass molded body to be manufactured, and L is the length in the axial direction. A method for producing a quartz glass molded body.
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