石英ガラス成形体の製造装置
【課題】高収率、かつ、低コストで石英ガラス成形体を製造できるようにする。
【解決手段】厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン底板１２の上に、下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０、及び荷重板２２を順次載置した。この外側に幅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、カーボン治具で固定して製造装置を組み上げた。石英ガラス母材１６を外筒の内部にセットして電気炉に入れ、１８００℃において２時間加熱溶融したところ、上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、また、その下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹部を有する一辺２０ｃｍ、平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａを得た。
【解決手段】厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン底板１２の上に、下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０、及び荷重板２２を順次載置した。この外側に幅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、カーボン治具で固定して製造装置を組み上げた。石英ガラス母材１６を外筒の内部にセットして電気炉に入れ、１８００℃において２時間加熱溶融したところ、上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、また、その下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹部を有する一辺２０ｃｍ、平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａを得た。
【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装置に関する。
【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共に、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、型材を用いて石英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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７７８２５０号公報
【特許文献２】特開２００９−２３４８５８号公報
【０００６】
その内容について図１に基づいて簡単に説明する。
【０００７】
図１には石英ガラス母材１６が載置された型材１０の概略構成が示されており、図３には図１のＡ−Ａ断面図が示されており、図４には型材１０に石英ガラス母材１６の加熱溶融後の石英ガラス材（成形体）と型材１０のＡ−Ａ断面図が示されている。
【０００８】
この石英ガラス母材１６の成形に用いる型材１０は、底板１２と、この底板１２の上面１２ａに配置される所望の内径を有する円筒形状の外筒１４と、外筒１４の内側中央に載置される下型５２と、外筒１４の内周面１４ａ内を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材２０と、ガイド部材２０の上面２０ａに載置される溶融された石英ガラス母材１６に荷重をかけて成形するための荷重板２２と、ガイド部材２０の下面２０ｂに配置され、下型５２の上面５２ａに載置された加工対象物の石英ガラス母材１６を上方から押圧する略円柱形上の押圧治具１８で構成されている。外筒１４は、円周方向に２〜４分割の部材を組み立てた円筒形である。
【０００９】
下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０、及び荷重板２２の中心軸は、外筒１４の中心軸（Ｘ−Ｘ）上に位置するように配設される。また、これらの型材１０の材料は熱的安定性、化学的安定性、加工性及びコストの面からカーボンが採用されており、更には、底板１２の上面１２ａ、外筒１４の内周面１４ａ、押圧治具１８の下面１８ｂ、側面１８ｃ、下型５２の上面５２ａ、及び、側面５２ｃには離型剤が被覆されている。
【００１０】
この型材１０を使用して石英ガラス母材１６を石英ガラス製品の概形に溶融成形するには、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（図示せず）を使用し、例えば、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。加熱溶融された石英ガラス母材１６は、図４に示すように、外筒１４の内径と同一寸法で上下面に凹部のある石英ガラス成形体として成形される。
【００１１】
こうして成形された石英ガラス母材１６は、研削などの機械加工を経て所望のリング状石英ガラス製品となるのである。
【００１２】
なお、上記の説明においては、下型５２を使用して上下に凹部を形成する場合について説明したが、下型５２を使用せずに上部にだけ凹部を形成する場合も同様な方法によって製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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であるために補修が容易となり、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】
【００１６】
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。
【００１７】
すなわち、本発明は石英ガラス材料を加熱溶融して筒型形状の石英ガラス製品の概形を成形する石英ガラス成形体の製造装置であって、底板と前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設される外筒と、前記外筒を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されると共に、前記外筒内の底板上に載置される石英ガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する荷重板とからなり、前記外筒が板材を組み合わせた多角形柱状であることを特徴とする石英ガラス成形体製造装置である。
【発明の効果】
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】従来の型材の概略斜視図。
【図２】本発明の石英ガラス成形体製造装置の概略斜視図
【図３】石英ガラス成形体の製造工程図。
【図４】石英ガラス成形体の製造工程図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の石英ガラス成形体の製造装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図２には、本発明の一例として、外筒１４の内面形状が正八角柱状とした石英ガラス成形体の製造装置の概略斜視図を示すもので、外筒１４は、板材を８枚組み合わせて作製されたものである。
【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代よりも大きければ何ら問題ない。
【００２３】
正多角形柱の角数としては、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
内接円の直径は、正多角柱を構成する板材の長さを変えて正多角形の一辺の長さを変更することや板材の枚数を変えて正多角形の角数を変更することにより、任意に調整することができる。
【００２９】
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。望ましくは１０ｍｍないし３０ｍｍである。板材の厚さが１０ｍｍより薄くなると、板材材質やそ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。板材の厚さが３０ｍｍより厚くなると板材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、板材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。
【００３０】
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て緊締して外筒を固定する方法などがある。
【００３１】
押圧治具１８は、石英ガラス母材１６の中央部を押圧して凹みを付与することにより周辺部の厚みを増大させ、リング状石英ガラス製品となる部分の厚みを増すために使用されるものであり、押圧治具１８を使用することによって所望とするリング状石英ガラス製品を石英ガラス成形体１６ａから効率よく取得することができる。
【００３２】
押圧治具１８は、石英ガラス母材１６中央部に、略円柱状の押圧治具１８をその中心軸を合わせて載置する。当然、その外径は所望とするリング状石英ガラス製品の内径よりも小さくなくてはならず、加工代や溶融成形の際の不純物の混入を考慮すると６ｍｍ以上小さいことが望ましい。押圧治具１８の高さに関しては特に限定はなく、作業性、製作コスト等から任意に決定できる。
【００３３】
溶融成形後には、押圧治具１８は石英ガラス成形体１６ａの中央部に食い込んだ状態になっているために、石英ガラス成形体１６ａから押圧治具１８を容易に取り出せないことがある。これを防止するために、押圧治具下面１８ｂ端部にＣ面を付与させたり、押圧治具側面１８ｃにテーパーをつけ、押圧治具１８上面の直径が押圧治具１８下面の直径よりも大きくするなどの工夫をすることが望ましい。
【００３４】
ガイド部材２０は、溶融成形の際に石英ガラス母材１６の上面に傾斜が発生しても、石英ガラス成形体上面の中央の凹部の中心軸がずれないようにするためのものであり、ガイド部材２０を押圧治具１８の上に設置する。
【００３５】
ガイド部材２０の形状は、正多角柱外筒１０と同じ正多角形であっても円形であってもよい。その大きさは正多角柱状の外筒の内壁面に引っ掛からずに、石英ガラス母材１６の溶融と共に下方に摺動できるものであればよいが、小さすぎるとガイド部材２０と外筒内周面１４ａの間の遊びが大きくなり、石英ガラス成形体１６ａ上面の中央の凹みの中心軸がずれてしまい、所望とする大きさの石英ガラス製品を得ることができなくなる。このため、ガイド部材２０の大きさとしては、正多角形のガイド部材を用いるのであれば正多角柱の一辺よりも２ｍｍないし１０ｍｍ小さいものを、円形のガイド部材を用いるのであれば正多角柱の内接円の直径よりも２ｍｍないし１０ｍｍ小さいものを用いることが望ましい。ガイド部材２０の厚みは、大きくても何ら問題はなく、治具組み上げの作業性やガイド部材２０の上に荷重板２２を載置させることを考慮して、決定されればよい。ただし、ガイド部材２０の厚みが小さすぎると中心軸をずれないようにする効果が小さいために１０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３６】
荷重板２２は、ガイド部材２０の上に必要に応じて設置するものである。荷重板２２を設置することにより、溶融成形時の石英ガラス成形体１６ａへの押圧治具１８の食い込み量が大きくなり、石英ガラス製品となる部分の厚みが増大することになり、収率が向上する。
【００３７】
下型５２は、必要に応じて外筒内に設置するものである。下型５２を設置することにより、石英ガラス成形体１６ａの中央部下面に凹みを形成するものであり、押圧治具１８と下型５２を使用することにより、石英ガラス成形体１６ａの上下面に凹みを作製することができるので、リング状石英ガラス製品の歩留まりの向上が期待できる。特に、石英ガラス成形体１６ａの高さが大きくなると、この効果が顕著になるだけでなく、下型５２を設置することにより押圧治具１８の石英ガラス成形体１６ａへの食い込み量が減少し、押圧治具１８の取出しが容易になる。
【００３８】
下型５２の高さは、石英ガラス母材１６の大きさにもよるが、１０ｃｍ以下であることが望ましい。
【００３９】
本発明者の試験結果によると、下型５２の高さが１０ｃｍを超えると、石英ガラス成形体１６ａ下部に、折りたたみと呼ばれる、石英ガラスの面と面が合わされたようなスジが入ることがあり、収率を低下させるためである。
【００４０】
また、下型５２の外径は所望とする石英ガラス製品１６ａの内径よりも小さいことに加え、石英ガラス母材１６の大きさ及び正多角柱の内部の大きさを考慮する必要がある。
【００４１】
具体的には、型材１０からの不純物の混入を防ぐために、石英ガラス製品の内径より、５ないし２０ｍｍ小さいことが望ましく、更に下型外周から外筒内周までの距離は、折りたたみを防ぐために、２０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００４２】
型材１０の材質は、石英ガラスの溶融条件において何ら反応しないものであれば特に限定されるものではなく、また、全ての構成部材が同一の材質である必要もない。しかしながら、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。
【００４３】
部材の溶融石英ガラスと接触する面に、部材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（Ａ１2０3）、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する。これらの保護膜は、湿式法や乾式法により形成することができる。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して形成することができる。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形成することができる。
【００４４】
以下、本発明装置を使用して石英ガラス成形体を製造する工程を説明する。
【００４５】
石英ガラス母材１６の溶融成形は、外筒１４内に、必要により下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０及び荷重板２２を各々の中心軸を揃えて設置した後に、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で、１５００℃ないし２０００℃に加熱することにより行われる。この時の好ましい加熱温度は１７００℃ないし１９００℃である。
【００４６】
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治具部材との反応が起きやすくなって好ましくない。
【００４７】
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、幾何学的に厳密な意味ではなく、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。
【００４８】
製作例１
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２０ｃｍ、高さ４ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２３ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に、押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００４９】
続いて、底板１２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。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、２時間加熱溶融した。
【００５０】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、またその下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹みが形成された一辺２０ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５１】
製作例２
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２３ｃｍのカーボンフェルト及びその下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５２】
続いて、底板１２の上に、幅１６ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ２ｃｍ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の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の中側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において、１時間加熱溶融した。
【００５３】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ７ｃｍの凹みがある一辺１６ｃｍで平均高さ１０ｃｍの正八角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５４】
製作例３
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２９ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた、直径３０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２８ｃｍ、高さ１３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５５】
続いて、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１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において、２時間加熱溶融した。
【００５６】
その結果、その上面中央にφ２８ｃｍ、深さ６ｃｍ、またその下面中央にφ２６ｃｍ、深さ３ｃｍの凹みがある、一辺１２ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５７】
製作例４
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径３０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径３０ｃｍのカーボンフェルト及びその下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２８ｃｍ、高さ１３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５８】
続いて、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の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、３時間加熱溶融した。
【００５９】
その結果、その上面中央にφ２８ｃｍ、深さ９ｃｍの凹みがある、一辺６ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正二十四角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６０】
製作例５
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２０ｃｍ、高さ４ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２３ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた、直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６１】
続いて、底板１２の上に、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍの炭化珪素膜被覆カーボン板を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。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、２時間加熱溶融した。
【００６２】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、またその下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹みがある、一辺２０ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６３】
なお、炭化珪素被覆カーボン板は、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時間撹拌することによって得た炭化珪素スラリーを刷毛を用いて片面に塗布・乾燥させることにより作製した。
【００６４】
製作例６
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２３ｃｍのカーボンフェルトを載せた後、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６５】
続いて、底板１２の上に、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍのアルミナ膜被覆カーボン板を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。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において２時間加熱溶融した。
【００６６】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ１０ｃｍの凹みがある、一辺２０ｃｍで平均高さ１３ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６７】
なお、アルミナ膜被覆カーボン板は、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時間撹拌することによって得たアルミナスラリーを刷毛を用いてカーボン板６枚の片面に塗布・乾燥させることにより作製したものである。
【００６８】
製作例７
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径１３ｃｍ、高さ１０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２．３ｃｍのカーボンフェルトを載せた後、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６９】
続いて、底板１２の上に、幅６ｃｍ、長さ２０ｃｍ、厚さ１ｃｍの窒化珪素膜被覆カーボン板を１２枚組み合わせて正十二角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において１時間加熱溶融した。
【００７０】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍの凹みがある、一辺６ｃｍで平均高さ８ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００７１】
なお、窒化珪素膜被覆カーボン板は、カーボン板表面に反応性スパッタ法によりアンモニア（ＮＨ3）雰囲気下で珪素をターゲットとして作製したものである。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 型材
１２ 底板
１２ａ 底板上面
１４ 外筒
１４ａ 外筒内周面
１６ 石英ガラス母材
１６ａ 石英ガラス成形体
１８ 押圧治具
１８ｂ 押圧治具下面
１８ｃ 押圧治具側面
２０ ガイド部材
２０ａ ガイド部材上面
２０ｂ ガイド部材下面
２２ 荷重板
５２ 下型
５２ａ 下型上面
５２ｃ 下型側面
【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装置に関する。
【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共に、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、型材を用いて石英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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７７８２５０号公報
【特許文献２】特開２００９−２３４８５８号公報
【０００６】
その内容について図１に基づいて簡単に説明する。
【０００７】
図１には石英ガラス母材１６が載置された型材１０の概略構成が示されており、図３には図１のＡ−Ａ断面図が示されており、図４には型材１０に石英ガラス母材１６の加熱溶融後の石英ガラス材（成形体）と型材１０のＡ−Ａ断面図が示されている。
【０００８】
この石英ガラス母材１６の成形に用いる型材１０は、底板１２と、この底板１２の上面１２ａに配置される所望の内径を有する円筒形状の外筒１４と、外筒１４の内側中央に載置される下型５２と、外筒１４の内周面１４ａ内を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材２０と、ガイド部材２０の上面２０ａに載置される溶融された石英ガラス母材１６に荷重をかけて成形するための荷重板２２と、ガイド部材２０の下面２０ｂに配置され、下型５２の上面５２ａに載置された加工対象物の石英ガラス母材１６を上方から押圧する略円柱形上の押圧治具１８で構成されている。外筒１４は、円周方向に２〜４分割の部材を組み立てた円筒形である。
【０００９】
下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０、及び荷重板２２の中心軸は、外筒１４の中心軸（Ｘ−Ｘ）上に位置するように配設される。また、これらの型材１０の材料は熱的安定性、化学的安定性、加工性及びコストの面からカーボンが採用されており、更には、底板１２の上面１２ａ、外筒１４の内周面１４ａ、押圧治具１８の下面１８ｂ、側面１８ｃ、下型５２の上面５２ａ、及び、側面５２ｃには離型剤が被覆されている。
【００１０】
この型材１０を使用して石英ガラス母材１６を石英ガラス製品の概形に溶融成形するには、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（図示せず）を使用し、例えば、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。加熱溶融された石英ガラス母材１６は、図４に示すように、外筒１４の内径と同一寸法で上下面に凹部のある石英ガラス成形体として成形される。
【００１１】
こうして成形された石英ガラス母材１６は、研削などの機械加工を経て所望のリング状石英ガラス製品となるのである。
【００１２】
なお、上記の説明においては、下型５２を使用して上下に凹部を形成する場合について説明したが、下型５２を使用せずに上部にだけ凹部を形成する場合も同様な方法によって製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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であるために補修が容易となり、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】
【００１６】
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。
【００１７】
すなわち、本発明は石英ガラス材料を加熱溶融して筒型形状の石英ガラス製品の概形を成形する石英ガラス成形体の製造装置であって、底板と前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設される外筒と、前記外筒を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されると共に、前記外筒内の底板上に載置される石英ガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する荷重板とからなり、前記外筒が板材を組み合わせた多角形柱状であることを特徴とする石英ガラス成形体製造装置である。
【発明の効果】
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】従来の型材の概略斜視図。
【図２】本発明の石英ガラス成形体製造装置の概略斜視図
【図３】石英ガラス成形体の製造工程図。
【図４】石英ガラス成形体の製造工程図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の石英ガラス成形体の製造装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図２には、本発明の一例として、外筒１４の内面形状が正八角柱状とした石英ガラス成形体の製造装置の概略斜視図を示すもので、外筒１４は、板材を８枚組み合わせて作製されたものである。
【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代よりも大きければ何ら問題ない。
【００２３】
正多角形柱の角数としては、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
内接円の直径は、正多角柱を構成する板材の長さを変えて正多角形の一辺の長さを変更することや板材の枚数を変えて正多角形の角数を変更することにより、任意に調整することができる。
【００２９】
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。望ましくは１０ｍｍないし３０ｍｍである。板材の厚さが１０ｍｍより薄くなると、板材材質やそ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。板材の厚さが３０ｍｍより厚くなると板材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、板材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。
【００３０】
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て緊締して外筒を固定する方法などがある。
【００３１】
押圧治具１８は、石英ガラス母材１６の中央部を押圧して凹みを付与することにより周辺部の厚みを増大させ、リング状石英ガラス製品となる部分の厚みを増すために使用されるものであり、押圧治具１８を使用することによって所望とするリング状石英ガラス製品を石英ガラス成形体１６ａから効率よく取得することができる。
【００３２】
押圧治具１８は、石英ガラス母材１６中央部に、略円柱状の押圧治具１８をその中心軸を合わせて載置する。当然、その外径は所望とするリング状石英ガラス製品の内径よりも小さくなくてはならず、加工代や溶融成形の際の不純物の混入を考慮すると６ｍｍ以上小さいことが望ましい。押圧治具１８の高さに関しては特に限定はなく、作業性、製作コスト等から任意に決定できる。
【００３３】
溶融成形後には、押圧治具１８は石英ガラス成形体１６ａの中央部に食い込んだ状態になっているために、石英ガラス成形体１６ａから押圧治具１８を容易に取り出せないことがある。これを防止するために、押圧治具下面１８ｂ端部にＣ面を付与させたり、押圧治具側面１８ｃにテーパーをつけ、押圧治具１８上面の直径が押圧治具１８下面の直径よりも大きくするなどの工夫をすることが望ましい。
【００３４】
ガイド部材２０は、溶融成形の際に石英ガラス母材１６の上面に傾斜が発生しても、石英ガラス成形体上面の中央の凹部の中心軸がずれないようにするためのものであり、ガイド部材２０を押圧治具１８の上に設置する。
【００３５】
ガイド部材２０の形状は、正多角柱外筒１０と同じ正多角形であっても円形であってもよい。その大きさは正多角柱状の外筒の内壁面に引っ掛からずに、石英ガラス母材１６の溶融と共に下方に摺動できるものであればよいが、小さすぎるとガイド部材２０と外筒内周面１４ａの間の遊びが大きくなり、石英ガラス成形体１６ａ上面の中央の凹みの中心軸がずれてしまい、所望とする大きさの石英ガラス製品を得ることができなくなる。このため、ガイド部材２０の大きさとしては、正多角形のガイド部材を用いるのであれば正多角柱の一辺よりも２ｍｍないし１０ｍｍ小さいものを、円形のガイド部材を用いるのであれば正多角柱の内接円の直径よりも２ｍｍないし１０ｍｍ小さいものを用いることが望ましい。ガイド部材２０の厚みは、大きくても何ら問題はなく、治具組み上げの作業性やガイド部材２０の上に荷重板２２を載置させることを考慮して、決定されればよい。ただし、ガイド部材２０の厚みが小さすぎると中心軸をずれないようにする効果が小さいために１０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３６】
荷重板２２は、ガイド部材２０の上に必要に応じて設置するものである。荷重板２２を設置することにより、溶融成形時の石英ガラス成形体１６ａへの押圧治具１８の食い込み量が大きくなり、石英ガラス製品となる部分の厚みが増大することになり、収率が向上する。
【００３７】
下型５２は、必要に応じて外筒内に設置するものである。下型５２を設置することにより、石英ガラス成形体１６ａの中央部下面に凹みを形成するものであり、押圧治具１８と下型５２を使用することにより、石英ガラス成形体１６ａの上下面に凹みを作製することができるので、リング状石英ガラス製品の歩留まりの向上が期待できる。特に、石英ガラス成形体１６ａの高さが大きくなると、この効果が顕著になるだけでなく、下型５２を設置することにより押圧治具１８の石英ガラス成形体１６ａへの食い込み量が減少し、押圧治具１８の取出しが容易になる。
【００３８】
下型５２の高さは、石英ガラス母材１６の大きさにもよるが、１０ｃｍ以下であることが望ましい。
【００３９】
本発明者の試験結果によると、下型５２の高さが１０ｃｍを超えると、石英ガラス成形体１６ａ下部に、折りたたみと呼ばれる、石英ガラスの面と面が合わされたようなスジが入ることがあり、収率を低下させるためである。
【００４０】
また、下型５２の外径は所望とする石英ガラス製品１６ａの内径よりも小さいことに加え、石英ガラス母材１６の大きさ及び正多角柱の内部の大きさを考慮する必要がある。
【００４１】
具体的には、型材１０からの不純物の混入を防ぐために、石英ガラス製品の内径より、５ないし２０ｍｍ小さいことが望ましく、更に下型外周から外筒内周までの距離は、折りたたみを防ぐために、２０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００４２】
型材１０の材質は、石英ガラスの溶融条件において何ら反応しないものであれば特に限定されるものではなく、また、全ての構成部材が同一の材質である必要もない。しかしながら、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。
【００４３】
部材の溶融石英ガラスと接触する面に、部材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（Ａ１2０3）、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する。これらの保護膜は、湿式法や乾式法により形成することができる。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して形成することができる。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形成することができる。
【００４４】
以下、本発明装置を使用して石英ガラス成形体を製造する工程を説明する。
【００４５】
石英ガラス母材１６の溶融成形は、外筒１４内に、必要により下型５２、石英ガラス母材１６、押圧治具１８、ガイド部材２０及び荷重板２２を各々の中心軸を揃えて設置した後に、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で、１５００℃ないし２０００℃に加熱することにより行われる。この時の好ましい加熱温度は１７００℃ないし１９００℃である。
【００４６】
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治具部材との反応が起きやすくなって好ましくない。
【００４７】
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、幾何学的に厳密な意味ではなく、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。
【００４８】
製作例１
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２０ｃｍ、高さ４ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２３ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に、押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００４９】
続いて、底板１２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。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、２時間加熱溶融した。
【００５０】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、またその下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹みが形成された一辺２０ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５１】
製作例２
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２３ｃｍのカーボンフェルト及びその下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５２】
続いて、底板１２の上に、幅１６ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ２ｃｍ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の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の中側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において、１時間加熱溶融した。
【００５３】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ７ｃｍの凹みがある一辺１６ｃｍで平均高さ１０ｃｍの正八角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５４】
製作例３
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２９ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた、直径３０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２８ｃｍ、高さ１３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５５】
続いて、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１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において、２時間加熱溶融した。
【００５６】
その結果、その上面中央にφ２８ｃｍ、深さ６ｃｍ、またその下面中央にφ２６ｃｍ、深さ３ｃｍの凹みがある、一辺１２ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００５７】
製作例４
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径３０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径３０ｃｍのカーボンフェルト及びその下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２８ｃｍ、高さ１３ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００５８】
続いて、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の外側を専用のカーボン治具で固定した。その後、外筒１４の内側面にカーボンフェルトを設置した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、３時間加熱溶融した。
【００５９】
その結果、その上面中央にφ２８ｃｍ、深さ９ｃｍの凹みがある、一辺６ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正二十四角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６０】
製作例５
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２０ｃｍ、高さ４ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた下型５２を載置した。下型５２の上に、その上下面に直径２３ｃｍのカーボンフェルトを貼り付けた、直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６１】
続いて、底板１２の上に、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍの炭化珪素膜被覆カーボン板を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。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８００℃において、２時間加熱溶融した。
【００６２】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍ、またその下面中央にφ２０ｃｍ、深さ４ｃｍの凹みがある、一辺２０ｃｍで平均高さ１２ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６３】
なお、炭化珪素被覆カーボン板は、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時間撹拌することによって得た炭化珪素スラリーを刷毛を用いて片面に塗布・乾燥させることにより作製した。
【００６４】
製作例６
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径２６ｃｍ、高さ１８ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２３ｃｍのカーボンフェルトを載せた後、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６５】
続いて、底板１２の上に、幅２０ｃｍ、長さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍのアルミナ膜被覆カーボン板を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。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において２時間加熱溶融した。
【００６６】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ１０ｃｍの凹みがある、一辺２０ｃｍで平均高さ１３ｃｍの正六角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００６７】
なお、アルミナ膜被覆カーボン板は、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時間撹拌することによって得たアルミナスラリーを刷毛を用いてカーボン板６枚の片面に塗布・乾燥させることにより作製したものである。
【００６８】
製作例７
厚さ１ｃｍ、直径５０ｃｍの円形のカーボン板の底板１２の上面１２ａにカーボンフェルトを載置した後、その中心を合わせて直径１３ｃｍ、高さ１０ｃｍの円筒状の石英ガラス母材１６を置いた。石英ガラス母材１６の上に、直径２．３ｃｍのカーボンフェルトを載せた後、その下面１８ｂエッジ部にＣ面をつけた直径２２ｃｍ、高さ１５ｃｍの、カーボンフェルトでその側面を巻いた押圧治具１８を載置した。更に押圧治具１８の上にガイド部材２０及び荷重板２２を載置した。
【００６９】
続いて、底板１２の上に、幅６ｃｍ、長さ２０ｃｍ、厚さ１ｃｍの窒化珪素膜被覆カーボン板を１２枚組み合わせて正十二角柱の外筒１４を組み上げ、外筒１４の外側を専用のカーボン治具で固定した。このようにして組み上げた石英ガラス成形体治具及び石英ガラス母材を電気炉に入れ、１８５０℃において１時間加熱溶融した。
【００７０】
その結果、その上面中央にφ２２ｃｍ、深さ５ｃｍの凹みがある、一辺６ｃｍで平均高さ８ｃｍの正十二角柱の石英ガラス成形体１６ａが得られた。
【００７１】
なお、窒化珪素膜被覆カーボン板は、カーボン板表面に反応性スパッタ法によりアンモニア（ＮＨ3）雰囲気下で珪素をターゲットとして作製したものである。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 型材
１２ 底板
１２ａ 底板上面
１４ 外筒
１４ａ 外筒内周面
１６ 石英ガラス母材
１６ａ 石英ガラス成形体
１８ 押圧治具
１８ｂ 押圧治具下面
１８ｃ 押圧治具側面
２０ ガイド部材
２０ａ ガイド部材上面
２０ｂ ガイド部材下面
２２ 荷重板
５２ 下型
５２ａ 下型上面
５２ｃ 下型側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス材料を加熱溶融して筒型形状の石英ガラス製品の概形を成形する石英ガラス成形体の製造装置であって、底板と前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設される外筒と、前記外筒の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されると共に、前記外筒内の前記底板上に載置される石英ガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する荷重板とからなり、前記外筒が板材を組み合わせて固定してあって内面形状を正多角柱としたことを特徴とする石英ガラス成形体製造装置。
【請求項２】
更に、前記外筒内の前記底板上に配設される下型を有す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装置。
【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または２に記載の石英ガラス成形体製造装置。
【請求項４】
板材がカーボンである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装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の石英ガラス成形体製造装置。
【請求項１】
石英ガラス材料を加熱溶融して筒型形状の石英ガラス製品の概形を成形する石英ガラス成形体の製造装置であって、底板と前記底板と一方の開口部を接して前記底板上に配設される外筒と、前記外筒の内周面上を上下方向に摺動自在に移動可能なガイド部材と、前記ガイド部材の下面に配設されると共に、前記外筒内の前記底板上に載置される石英ガラス材料の上面を押圧する押圧治具と、前記押圧治具に荷重を付与する荷重板とからなり、前記外筒が板材を組み合わせて固定してあって内面形状を正多角柱としたことを特徴とする石英ガラス成形体製造装置。
【請求項２】
更に、前記外筒内の前記底板上に配設される下型を有す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装置。
【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または２に記載の石英ガラス成形体製造装置。
【請求項４】
板材がカーボンである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装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の石英ガラス成形体製造装置。
【図２】
【図１】
【図３】
【図４】
【図１】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１５３５８６（Ｐ２０１２−１５３５８６Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８００（Ｐ２０１１−１５８００）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９０００５０７２）東ソー・クォーツ株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９０００５０７２）東ソー・クォーツ株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
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