特許 6578906 ガラス材の製造方法及びガラス材の製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6578906

(24)【登録日】2019年9月6日

(45)【発行日】2019年9月25日

(54)【発明の名称】ガラス材の製造方法及びガラス材の製造装置

(51)【国際特許分類】

   C03B 19/10 20060101AFI20190912BHJP

【ＦＩ】

   C03B19/10 D

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-229587(P2015-229587)

(22)【出願日】2015年11月25日

(65)【公開番号】特開2017-95308(P2017-95308A)

(43)【公開日】2017年6月1日

【審査請求日】2018年5月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232243

【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001232

【氏名又は名称】特許業務法人 宮▲崎▼・目次特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 太志

(72)【発明者】

【氏名】小谷 修

【審査官】 永田 史泰

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１２９０５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｂ７／００−７／２２

Ｃ０３Ｂ１１／００

Ｃ０３Ｂ１９／００−１９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガラス原料塊を略垂直方向に浮遊させた状態で、加熱溶融した後に冷却してガラス材を製造する方法であって、
前記ガラス原料塊を浮遊させて溶融した状態において前記ガラス原料塊の溶融物の略水平方向の外側周縁部近傍に位置する複数の第１のガス噴出孔と、前記外側周縁部近傍より内側に位置する複数の第２のガス噴出孔とが形成された成形部材を準備する工程と、
前記ガラス原料塊を前記成形部材の上に配置する工程と、
前記第１のガス噴出孔及び前記第２のガス噴出孔からガスを噴出することにより、前記ガラス原料塊を浮遊させた状態で加熱溶融し、その後冷却する工程とを備え、
前記第１のガス噴出孔から噴出されるガスが、前記第２のガス噴出孔から噴出するガスより速い流速で噴出される、ガラス材の製造方法。

【請求項2】

前記溶融物の略水平方向の直径の０．８倍〜１．５倍の位置に前記第１のガス噴出孔が形成されている、請求項１に記載のガラス材の製造方法。

【請求項3】

前記第１のガス噴出孔が円周状に配列されている、請求項１または２に記載のガラス材の製造方法。

【請求項4】

前記第１のガス噴出孔の孔径を、前記第２のガス噴出孔の孔径より小さくすることにより、前記第１のガス噴出孔から噴出されるガスが、前記第２のガス噴出孔から噴出するガスより速い流速で噴出される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス材の製造方法。

【請求項5】

ガラス原料塊をガスにより略垂直方向に浮遊させた状態で、加熱溶融した後に冷却してガラス材を製造する装置であって、
前記ガラス原料塊を浮遊させて溶融した状態において前記ガラス原料塊の溶融物の略水平方向の外側周縁部近傍に位置する複数の第１のガス噴出孔と、前記外側周縁部近傍より内側に位置する複数の第２のガス噴出孔とが形成された成形部材と、
前記第１のガス噴出孔及び前記第２のガス噴出孔にガスを供給するガス供給手段と、 前記ガラス原料塊を加熱する加熱手段とを備え、
前記第１のガス噴出孔の孔径が、前記第２のガス噴出孔の孔径より小さい、ガラス材の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無容器浮遊法によるガラス材の製造方法及び製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ガラス材の製造方法として、無容器浮遊法に関する研究がなされている。例えば、特許文献１には、ガス浮遊炉で浮遊させたバリウムチタン系強誘電体の試料にレーザービームを照射して加熱溶融した後に、冷却することにより、バリウムチタン系強誘電体の試料をガラス化させる方法が記載されている。このように、無容器浮遊法では、容器の壁面との接触に起因する結晶化の進行を抑制できるため、従来の容器を用いた製造方法ではガラス化させることができなかった材料であってもガラス化し得る場合がある。従って、無容器浮遊法は、新規な組成を有するガラス材を製造し得る方法として注目に値すべき方法である。

【0003】

特許文献２においては、複数のガス噴出孔を有する成形面を用いた無容器浮遊法を利用して、より大きなガラス材が得られている。大きなガラス材が得られると、用途展開の多様性が高まるため好ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−２４８８０１号公報

【特許文献2】特開２０１４−１４１３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献２に記載の方法よりも、さらに大きなガラス材を製造することができる方法が要望されている。

【0006】

本発明の目的は、さらに大きなガラス材を製造することができる無容器浮遊法によるガラス材の製造方法及び製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の製造方法は、ガラス原料塊を略垂直方向に浮遊させた状態で、加熱溶融した後に冷却してガラス材を製造する方法であって、ガラス原料塊を浮遊させて溶融した状態においてガラス原料塊の溶融物の略水平方向の外側周縁部近傍に位置する複数の第１のガス噴出孔と、外側周縁部近傍より内側に位置する複数の第２のガス噴出孔とが形成された成形部材を準備する工程と、ガラス原料塊を成形部材の上に配置する工程と、第１のガス噴出孔及び第２のガス噴出孔からガスを噴出することにより、ガラス原料塊を浮遊させた状態で加熱溶融し、その後冷却する工程とを備え、第１のガス噴出孔から噴出されるガスが、第２のガス噴出孔から噴出するガスより速い流速で噴出されることを特徴としている。

【0008】

本発明においては、ガラス原料塊の溶融物の略水平方向の直径の０．８倍〜１．５倍の位置に第１のガラス噴出孔が形成されていることが好ましい。

【0009】

本発明においては、第１のガラス噴出孔が円周状に配列されていることが好ましい。

【0010】

本発明においては、第１のガス噴出孔の孔径を、第２のガス噴出孔の孔径より小さくすることにより、第１のガス噴出孔から噴出されるガスが、第２のガス噴出孔から噴出するガスより速い流速で噴出されることが好ましい。

【0011】

本発明の製造装置は、ガラス原料塊をガスにより略垂直方向に浮遊させた状態で、加熱溶融した後に冷却してガラス材を製造する装置であって、ガラス原料塊を浮遊させて溶融した状態においてガラス原料塊の溶融物の略水平方向の外側周縁部近傍に位置する複数の第１のガス噴出孔と、外側周縁部近傍より内側に位置する複数の第２のガス噴出孔とが形成された成形部材と、第１のガス噴出孔及び第２のガス噴出孔にガスを供給するガス供給手段と、ガラス原料塊を加熱する加熱手段とを備え、第１のガス噴出孔の孔径が、第２のガス噴出孔の孔径より小さいことを特徴としている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、無容器浮遊法により大きなガラス材を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態の製造方法（製造装置）を説明するための模式的断面図である。

【図2】本発明の一実施形態における第１のガス噴出孔及び第２のガス噴出孔を示す平面図である。

【図3】本発明の一実施形態におけるガラス溶融物と第１のガス噴出孔の位置関係を示す模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態の製造方法（製造装置）を説明するための模式的断面図である。図１に示すように、ガラス原料塊１は、成形部材１０のガス噴出部１０ａのガス噴出面１０ｂの上方に浮遊した状態で配置されている。ガス噴出部１０ａには、ガス噴出面１０ｂからガス２２を噴出する第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２が形成されている。第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２からガス２２が噴出することにより、ガラス原料塊１が略垂直方向（ｚ方向）に浮遊している。第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２に、ガスボンベなどのガス供給手段２１からガス２２が供給されることにより、第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２からガス２２が噴出する。

【0016】

ガス２２の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスであってもよいし、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。

【0017】

成形部材１０は、例えば、炭化ケイ素、超鋼、ステンレス、ジュラルミン、カーボン等により構成することができる。なお、ガス噴出部１０ａがこれらの材料から構成され、ガス噴出部１０ａ以外の部分は他の材料から構成されていてもよい。

【0018】

上記のように、ガラス原料塊１を浮遊させた状態で、加熱手段であるレーザー照射装置２０からレーザー光をガラス原料塊１に照射することにより加熱溶融してガラス化させ、その後、冷却することにより、ガラス材を得る。ガラス原料塊１を加熱溶融する工程と、ガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程とにおいては、少なくともガス２２の噴出を継続し、ガラス原料塊１またはガラス材がガス噴出面１０ｂに接触しないようにすることが好ましい。なお、ガラス原料塊１の加熱方法は、レーザー光を照射する方法に特に限定されない。例えば、ガラス原料塊１を輻射加熱してもよい。

【0019】

図２は、本発明の一実施形態における第１のガス噴出孔及び第２のガス噴出孔を示す平面図である。図３は、本発明の一実施形態におけるガラス溶融物と第１のガス噴出孔の位置関係を示す模式的断面図である。なお、図３において、第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２として示す矢印は、それぞれのガス噴出孔の相対的な位置関係を示しており、矢印の長さは、それぞれのガス噴出孔から噴出されるガスの相対的な流速を示している。

【0020】

図２及び図３に示すように、第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２は、それぞれ複数形成されている。第１のガス噴出孔１１は、略水平方向（ｘ方向及びｙ方向）において、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａの近傍に位置している。具体的には、第１のガス噴出孔１１は、略水平方向（ｘ方向及びｙ方向）において、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａに沿って円周状に配列されている。第２のガス噴出孔１２は、略水平方向（ｘ方向及びｙ方向）において、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａ近傍の内側に位置している。また、第２のガス噴出孔１２は、第１のガス噴出孔１１の位置より内側に形成されている。なお、ガラス溶融物２は、図１に示すガラス原料塊１を加熱溶融させた状態のものである。

【0021】

図２に示すように、本実施形態において、第１のガス噴出孔１１の孔径は、第２のガス噴出孔１２の孔径より小さくなるように形成されている。これにより、図３に示すように、第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速が、第２のガス噴出孔１２から噴出されるガスの流速よりも速くなる。第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速を、第２のガス噴出孔１２から噴出されるガスの流速よりも速くすることにより、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａ近傍に、流速が速いガスによる壁を形成することができる。このような壁を形成することにより、ガラス溶融物２をガスの壁の内側に留めることができ、浮遊状態にあるガラス溶融物２が位置ずれして成形部材１０のガス噴出面１０ｂなどに接触するのを防止することができる。

【0022】

大きなガラス材を製造するため、ガラス溶融物２を大きくすると、ガラス溶融物２が位置ずれして成形部材１０などに接触しやすくなる。このため、従来の無容器浮遊法では、大きなガラス材を製造することができないという問題があった。本発明によれば、ガラス溶融物２が大きくなっても、ガラス溶融物２をガスの壁の内側に留め、位置ずれを抑制することができるので、大きなガラス材を製造することができる。

【0023】

本実施形態において、第１のガス噴出孔１１の孔径は、第２のガス噴出孔１２の孔径より小さくなるように形成されている。第１のガス噴出孔１１の孔径は、第２のガス噴出孔１２の孔径の０．０５倍〜０．９５倍の範囲であることが好ましく、０．１倍〜０．８倍の範囲であることがさらに好ましく、０．２倍〜０．７倍の範囲であることが特に好ましい。このような範囲内とすることにより、ガラス溶融物２の位置ずれをより効果的に抑制することができる。

【0024】

第２のガス噴出孔１２の孔径は３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらに好ましく、０．８ｍｍ以下であることが特に好ましく、０．５ｍｍ以下であることが最も好ましい。また、本実施形態において、第１のガス噴出孔１１の孔径は第２のガス噴出孔１２よりも小さく設定されており、２．８５ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらに好ましく、０．８ｍｍ以下であることが特に好ましく、０．４ｍｍ以下であることが最も好ましい。但し、第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２の孔径が小さすぎると、ガスが噴出しにくくなる場合がある。従って、第１のガス噴出孔１１及び第２のガス噴出孔１２の孔径は、０．０１ｍｍ以上であることが好ましく、０．０５ｍｍ以上であることがより好ましい。

【0025】

図２に示すように、複数の第２のガス噴出孔１２は、それらの中心が正三角格子の各頂点に位置するように設けられている。隣り合う第２のガス噴出孔１２の中心間距離は、０．０２ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜２ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍ〜１．６ｍｍであることがさらに好ましく、０．２ｍｍ〜０．８ｍｍであることが特に好ましい。また、図２に示すように、複数の第１のガス噴出孔１１は、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａに沿って円周状に配列されている。隣り合う第１のガス噴出孔１１の中心間距離は、０．０２ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜７ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍ〜５ｍｍであることがさらに好ましく、０．３ｍｍ〜３ｍｍであることが特に好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることが最も好ましい。なお、複数の第１のガス噴出孔１１は、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａの近傍に、互いに直径の異なる同心円の円周状に複数列設けても良い。

【0026】

図３に示すように、第１のガス噴出孔１１は、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａの近傍に形成される。ガラス溶融物２の略水平方向（ｘ方向及びｙ方向）における直径をＤとし、第１のガス噴出孔１１が配列して形成される円周の略水平方向における直径をｄとすると、直径ｄは、直径Ｄの０．８倍〜１．５倍であることが好ましく、より好ましくは０．９倍〜１．４倍、さらに好ましくは１．０倍〜１．３５倍である。このような範囲内とすることにより、ガラス溶融物２の位置ずれをより効果的に抑制することができる。

【0027】

第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速は、第２のガス噴出孔１２から噴出されるガスの流速の１．１倍〜４００倍であることが好ましく、より好ましくは１．５倍〜１００倍、さらに好ましくは２倍〜２５倍である。このような範囲内とすることにより、ガラス溶融物２の位置ずれをより効果的に抑制することができる。

【0028】

本実施形態においては、第１のガス噴出孔１１の孔径を、第２のガス噴出孔１２の孔径より小さくすることにより、第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速を、第２のガス噴出孔１２から噴出するガスの流速より速くしている。本発明は、これに限定されるものではなく、その他の方法により、第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速を、第２のガス噴出孔１２から噴出するガスの流速より速くしてもよい。例えば、第１のガス噴出孔１１に供給するガスの流路と、第２のガス噴出孔１２に供給するガスの流路を別にし、第１のガス噴出孔１１に供給するガスの流速を、第２のガス噴出孔１２に供給するガスの流速より速くすることにより、第１のガス噴出孔１１から噴出されるガスの流速を、第２のガス噴出孔１２から噴出するガスの流速より速くしてもよい。

【0029】

また、ガラス溶融物２の外側周縁部２ａ近傍より外側に、別のガス噴出孔を設けてもよい。このようなガス噴出孔の孔径は、第１のガス噴出孔１１と同様の孔径であってもよいし、第２のガス噴出孔１２と同様の孔径であってもよいし、これらのガス噴出孔と異なる孔径であってもよい。

【0030】

本発明によれば、無容器浮遊法により、大きなガラス材を製造することができる。したがって、網目形成酸化物を含まないような、容器を用いた溶融法によってはガラス化しない組成を有するガラスについて、大きなガラス材を製造することができる。このようなガラスとしては、例えば、テルビウム−ホウ酸複合酸化物系ガラス材、チタン酸バリウム系ガラス材、ランタン−ニオブ複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−アルミニウム複合酸化物系ガラス材、ランタン−ニオブ−タンタル複合酸化物系ガラス材、ランタン−タングステン複合酸化物系ガラス材、ランタン−チタン複合酸化物ガラス材、ランタン−チタン−ジルコニア複合酸化物ガラス材等が挙げられる。

【0031】

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

【0032】

（実施例１）
まず、原料粉末を秤量、混合した後、１０００℃前後の温度で仮焼きすることで混合粉末を焼結させた。焼結体から所望の体積となる量に切り出し、ガラス原料塊１を作製した。

【0033】

次に、図１及び２に準じたガラス材の製造装置を用いて、以下の条件で、ガラス原料塊１をガス噴出面１０ｂの上方に浮上させた状態で、出力１００Ｗの二酸化炭素レーザーを照射し、ガラス原料塊１を加熱溶融させた。その後、レーザー照射を停止し、冷却させた。その結果、直径が８．３２ｍｍのガラス材が得られた。

【0034】

ガラス組成（モル比）：０．６・Ｔｂ_２Ｏ_３−０．３・Ｂ_２Ｏ_３−０．１・ＳｉＯ_２
第２のガス噴出孔１２の孔径：０．３ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の孔径：０．１ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の位置：ガラス溶融物２の直径の１．２倍
ガラス溶融物２の直径：８．３５ｍｍ
第２のガス噴出孔１２の数：３５０
第１のガス噴出孔１１の数：３０
加熱温度：１８５０℃
ガス：窒素ガス

【0035】

（実施例２）
以下の条件としたこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が８．５１ｍｍのガラス材が得られた。

【0036】

ガラス組成（モル比）：０．６・Ｔｂ_２Ｏ_３−０．３・Ｂ_２Ｏ_３−０．１・ＳｉＯ_２
第２のガス噴出孔１２の孔径：０．５ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の孔径：０．４ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の位置：ガラス溶融物の直径の１．１倍
ガラス溶融物２の直径：８．５５ｍｍ
第２のガス噴出孔１２の数：１８５
第１のガス噴出孔１１の数：１５
加熱温度：１８５０℃
ガス：窒素ガス

【0037】

（実施例３）
以下の条件としたこと以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が９．２３ｍｍのガラス材が得られた。

【0038】

ガラス組成（モル比）：０．６・Ｔｂ_２Ｏ_３−０．３・Ｂ_２Ｏ_３−０．１・ＳｉＯ_２
第２のガス噴出孔１２の孔径：０．５ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の孔径：０．３ｍｍ
第１のガス噴出孔１１の位置：ガラス溶融物の直径の１．０倍
ガラス溶融物２の直径：９．３０ｍｍ
第２のガス噴出孔１２の数：１２０
第１のガス噴出孔１１の数：３２
加熱温度：１８５０℃
ガス：窒素ガス

【0039】

（比較例）
全てのガス噴出孔の孔径を０．３ｍｍに揃えた以外は、実施例１と同様の製造工程を行った。その結果、直径が５．３２ｍｍまでのガラス材を作製することができたが、６ｍｍ以上のガラス材は作製することができなかった。

【符号の説明】

【0040】

１…ガラス原料塊
２…ガラス溶融物
２ａ…外側周縁部
１０…成形部材
１０ａ…ガス噴出部
１０ｂ…ガス噴出面
１１…第１のガス噴出孔
１２…第２のガス噴出孔
２０…レーザー照射装置
２１…ガス供給手段
２２…ガス

【図1】

【図2】

【図3】