JP7141997B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、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関するものである。

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。

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。

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。

特開２０１０－１００４９３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 図３は、加熱成型治具が備える中子の斜視図である。 図４は、図３の中子の一部拡大断面図である。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 前記請求項１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。
3. 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。
4. 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。
   

Images