JP5605903B2 - シリカガラスルツボ製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転モールド法によるシリカガラスルツボの製造に使用するシリカガラスルツボ製造装置に関する。

シリコン単結晶の引き上げに用いるシリカガラスルツボの製造方法としては、回転モールド法が知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照。）。この方法では、回転させながら碗状の内表面にシリカ粉を堆積するための回転モールドと、回転モールドの上方に設置された複数本の電極とを備えるシリカガラスルツボ製造装置を使用する。
すなわち、この種のシリカガラスルツボ製造装置では、回転モールドをその回転軸を中心に回転させながら回転モールドの内表面にシリカ粉を所定の層厚に堆積することで、シリカ粉からなる碗状のシリカ粉層が回転モールド内において形成され、複数本の電極の先端間に生じるアーク放電により回転モールド内のシリカ粉層を加熱熔融してガラス化することで、シリカガラスルツボが製造される。

ところで、シリカ粉層を適切に熔融させるためには、アーク放電による加熱温度を適切に調整することが必要である。このような加熱温度の調整には電極に供給する電力を制御することが考えられるが、シリカ粉層の形状に追従した加熱熔融を施すためには供給電力の制御だけでは不十分であり、電極の先端同士の距離を調整する等して、アーク放電の出力を調整したり、アーク放電の安定化を図る必要がある。これに対し、従来のシリカガラスルツボ製造装置には、各電極を回転モールドの上方において移動させる機構を設けたものがあり、これにより電極の先端同士の距離を調整している。

一方、シリカ粉層を加熱熔融する際には、回転モールド内からヒューム（シリカ蒸気）等の粉塵が発生することがある。これに対し、従来のシリカガラスルツボ製造装置には、回転モールドの上方に板状の隔壁を配置したものがあり、これによって電極を回転モールドの上方において保持する保持機構などの保護を図っている。なお、隔壁にはその厚さ方向に貫通する貫通孔が複数形成されており、これら複数の貫通孔に各電極を個別に挿通させている。

特公昭５９−３４６５９号公報 特開平１１−２３６２３３号公報

しかしながら、従来のシリカガラスルツボ製造装置に、電極を移動させる機構及び隔壁の両方を設けた場合には、電極と貫通孔との干渉を回避するために、貫通孔の開口面積を電極に対して大きく設定する必要があり、この場合には、粉塵が貫通孔と電極との隙間から隔壁の上方側に侵入する虞がある。
また、上記粉塵や意図せぬ塵埃が、隔壁の上方側から貫通孔と電極との隙間を介して回転モールドに落下してしまったり、熔融作業中に熱が隔壁の上方に侵入してしまったりするという不具合があった。

さらに、シリカガラスルツボの製造において求められる熔融状態に適切に熔融させるためには、アーク放電による加熱温度を適切に調整することが必要である。このような加熱温度の調整には電極に供給する電力を制御することが考えられるが、ルツボ内面状態の制御がより精密となり、これを実現するためのさらなる精細な熔融状態制御が求められる場合には供給電力の制御だけでは不十分であり、電極の先端どうしを接近させたり、離間させたりすることにより、電極の先端間距離調整をより精密にすることが必要である。この接近離間する電極と隔壁との干渉を回避するためには、開口を比較的大きくする必要がある。すると、開口から意図せぬ塵埃が熔融室に落下してしまったり、熔融作業中に２０００〜３０００℃程度とされる高温ガスあるいは輻射熱が隔壁の上方に侵入してしまったりするという不具合があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電極を移動可能としてアーク放電による加熱温度を容易に調整可能としながらも、隔壁の貫通孔とこれに挿通された電極との隙間を縮小できる構造を備えたシリカガラスルツボ製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明に係るシリカガラスルツボ製造装置は、棒状に形成された複数の電極の先端間に生じるアーク放電によって、回転モールド内に形成されたシリカ粉層を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置であって、前記回転モールドの上方には板状の隔壁が配され、前記電極が、前記隔壁をその厚さ方向に貫通する貫通孔に挿通されると共に、前記回転モールドに向けて延びるように配され、前記隔壁の上に前記電極を仮想揺動軸周りに揺動させる揺動手段が設けられ、前記仮想揺動軸が、前記貫通孔内を通過する軸線であることを特徴としている。

このような構成によれば、アーク放電によって発する熱量の調整を目的として、上記複数の電極の先端間距離を調節するには、上記各電極を揺動手段により揺動させればよい。この際、上記電極の上記揺動中心となる仮想揺動軸付近の部分は僅かに動くだけである。よって、この仮想揺動軸が電極を挿通させるための貫通孔内にあるため、該貫通孔のサイズの縮小化を図ることができる。

また、本発明にかかるシリカガラスルツボ製造装置においては、前記仮想揺動軸が、前記隔壁の厚み方向中央に沿って延びる軸線であることが好ましい。これによって、貫通孔のサイズの最小化を図ることができる。

さらに、本発明にかかるシリカガラスルツボ製造装置においては、前記隔壁の上に、前記電極をその長手方向に沿って往復動させる往復動手段が設けられていることが好ましい。上記揺動手段による電極の揺動に加えて、当該往復動手段による電極の往復動が可能となることで、より柔軟に複数の電極の先端間距離を調節することができる。また、特に、アーク放電により電極先端が消耗した場合であっても、往復動手段によって電極を回転モールドに向かって進出させることで対処可能であるため、メンテナンスを容易に行なうことが可能となる。また、本発明では、上記揺動中心が、上記隔壁の厚さ方向において上記隔壁内に位置するように設定されていることもできる。なお、この揺動中心に前記隔壁内に位置する揺動軸を設けても良い。この場合は、電極の揺動操作がより確実に行える。

さらにまた、本発明にかかるシリカガラスルツボ製造装置においては、前記隔壁が上下方向に移動可能とされていることが好ましい。
このように移動可能に支持されることによって、複数の電極の先端間距離を維持したまま、これら電極を加熱対象であるシリカ粉層に近接、離間させることができる。よって、アーク放電によって発する熱量の調整をより容易に行うことができる。さらに、アーク放電によって消耗する電極を進出させて電極先端位置制御をより細かく行うことによって、アーク放電による加熱状態をより精密に制御可能とすることができる。

さらにまた、本発明にかかるシリカガラスルツボ製造装置においては、前記貫通孔の孔形状が前記電極の揺動方向に沿った方向を長軸とした長孔形状をなし、前記貫通孔の短軸の長さは、前記電極の直径と等しいか僅かに（１ｍｍ程度）大きい程度とされ、前記長軸の長さは、前記電極の直径よりも３ｍｍ〜１０ｍｍ程度大きく設定されていることができる。
これにより、隔壁の内外を移動する気体、ガス、ヒューム、熱、ホコリ等の汚染物の絶対量を低減し、製造するシリカガラスルツボにおける汚染を防止して、かつ、製造装置が製造時の高温で受けるダメージを低減し、メンテナンスの回数を低減して、製造コストを低減することが可能となる。これにより、必要とされる熔融温度が簡単に調整できると共に、各電極の間隔や高さ方向の位置を調節するために電極を揺動したり上下方向に移動させるために必要な隔壁に設けられる電極の貫通穴を小さくすることができ、さらに、熔融中の熱が上記貫通穴から上記隔壁を越えて上部空間まで拡散することを防止することが可能となる。また、熔融準備作業中や熔融作業中において、たとえば、隔壁上側である機械室や隔壁（天井）に付着または滞留している塵埃が上記電極の貫通穴を通して熔融室の回転モールド内に落下するようなおそれを少なくできる。

本発明のシリカガラスルツボ製造装置によれば、電極を揺動させることで複数の電極の先端間距離の調節を行うことができるため、アーク放電による加熱温度を容易に調整することができる。また、電極が挿通する貫通孔のサイズ小さくすることができ、これにより、熔融中の熱が上記貫通孔から上記隔壁を越えて拡散することを防止することが可能である。また、熔融準備作業中や熔融作業中において、たとえば、隔壁の上方に付着または滞留している塵埃が上記貫通孔を通して熔融室の熔融物に落下するようなおそれを少なくできる。

実施形態に係るシリカガラスルツボ製造装置を示す正断面図である。 シリカガラスルツボ製造装置における電極配置状態を示す平面図である。 シリカガラスルツボ製造装置における電極配置状態を示す正断面図である。 実施形態の電極移動機構を示す正断面図である。 電極と貫通孔の関係を示す水平断面図である。 電極の揺動状態を示す隔壁の正断面図である。 変形例の電極移動機構を示す正断面図である。 変形例の電極移動機構を示す正断面図である。 変形例の電極移動機構を示す正断面図である。

以下、本発明に係るシリカガラスルツボ製造装置の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態におけるシリカガラスルツボ製造装置の一部を示す正断面図であり、図において、符号１は、シリカガラスルツボ製造装置である。

本実施形態のシリカガラスルツボ製造装置１は、２４インチ以上、３２〜４４〜５０インチ程度の口径を有するシリカガラスルツボの製造における熱源として利用されるものとして説明するが、非導電体をアーク熔融するための装置であれば、被熔融物種類、ルツボ口径、装置出力、および、熱源としての用途は限定されるものではなく、この構成に限られるものではない。

本実施形態のシリカガラスルツボ製造装置１は、水平面に平行に延びる板状の隔壁１５によって、該隔壁１５の下方空間である熔融室Ａと上方空間である操作室Ｂとに区画されている。なお、上記隔壁１５内には、アーク熔融処理時の冷却を行うべく、水等の冷却媒体が流通されていてもよい。また、熔融室Ａ及び操作室Ｂは、周囲が側壁等によって仕切られた閉塞空間とする。

熔融室Ａは被熔融物の熔融が行われる室であり、該熔融室Ａ内には、図１に示すように、回転手段（図示省略）によって回転可能とされシリカガラスルツボの外形を規定する碗状の内表面を有する回転モールド１０が配置されている。この回転モールド１０においては、該回転モールド１０を回転させながらその内表面に原料粉（シリカ粉）が所定厚さに堆積されることでシリカ粉層１１が形成される。回転モールド１０内部には、その内表面に開口すると共に図示しない減圧手段に接続された通気口１２が複数設けられ、シリカ粉層１１内部を減圧できるようになっている。

また、回転モールド１０は、熔融室Ａ内に対して出し入れ自在に配することが可能とされている。これにより、例えばシリカ粉層１１の形成を熔融室Ａ外において実施した後に、回転モールド１０を熔融室Ａ内に配してシリカ粉層１１の加熱熔融を実施することができる。

一方、熔融室Ａの天井部分となる隔壁１５には、熔融室Ａと操作室Ｂとを連通状態とするべく該隔壁１５の厚さ方向（上下方向）に貫通する貫通孔１６が計３つ形成されている。そして、これら貫通孔１６には、操作室Ｂから熔融室Ａにわたって、アーク加熱用の炭素電極１３がそれぞれ挿通されている。これにより、熔融室Ａ内における回転モールド１０の上には、炭素電極１３が該回転モールド１０に向けて延びるように配される。また、炭素電極１３は、図示しない電力供給手段に接続されており、これによってシリカ粉層１１を加熱可能とされている。

炭素電極１３は、例えば交流３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のアーク放電を行うように同形状の炭素電極棒とされ、隔壁１５の上方空間である操作室Ｂに配置された電極移動機構２０（図１において図示省略）によってそれぞれ個別に保持されている。各電極１３はケーブルを介して図示されない交流電源に接続されている。
そして、炭素電極１３は、図２，図３に示すように、平面視で電極位置中心線ＬＬを中心とした同一の円周上に配置されている。また、炭素電極１３は、下方に頂点を有するような逆三角錐状となるように、それぞれの軸線１３Ｌが角度θ１をなすようにそれぞれが設けられている。なお、図示例において、電極位置中心線ＬＬは、回転モールド１０の回転中心線Ｌに一致しているが、電極移動機構２０により炭素電極１３を移動させることで、回転中心線Ｌに対してずらすことも可能である。

本発明においては、原料としてシリカ粉が用いられているが、シリカ粉は、合成シリカ粉であっても天然シリカ粉であってもよい。天然シリカ粉は、石英の粉であってもよく、水晶、珪砂等のシリカガラスルツボの原材料として周知の材料の粉であってもよい。また、シリカ粉は、結晶状態、アモルファス、ガラス状態の何れであってもよい。
この構成において、シリカガラスルツボ製造装置１は、３００ｋＶＡ〜１２，０００ｋＶＡの出力範囲で、複数の炭素電極１３の先端間に生じるアーク放電によって非導電性対象物（シリカ粉）を加熱熔融する高出力の装置とされる。
なお、炭素電極１３の本数は、図示例のものに限らず任意に設定することが可能であり、また、炭素電極１３の本数に応じて交流２相、交流３相、交流４相のアーク放電を行うことができる。この場合、貫通孔１６の数も炭素電極１３の本数に応じて増加することになる。

図４に示すように、電極移動機構２０は、隔壁１５の上方空間となる操作室Ｂ内に設置されており、炭素電極１３をその軸線１３Ｌ方向に往復動させる往復動手段３０と、炭素電極１３を所定の仮想揺動軸Ｐを中心に揺動させる揺動手段４０とを備えている。

往復動手段３０は、第１シリンダ３１と往復動制御部３２とから構成されている。第１シリンダ３１は、油圧又は空圧等によって作動するシリンダであって、第１シリンダ本体３１ａから第１ロッド３１ｂが第１シリンダ３１の軸方向に沿って進退可能な構成とされている。第１ロッド３１ｂの先端には、炭素電極１３の後端が、その軸線１３Ｌを第１シリンダ３１の軸方向と一致させた状態で接続されている。また、この第１シリンダ３１の第１ロッド３１ｂの変位量は往復動制御部３２によって制御されている。
よって、往復動制御部３２の指令により第１ロッド３１ｂが変位することで、炭素電極１３がその軸線１３Ｌ方向、即ち往復動方向Ｔ１に往復動可能とされている。

揺動手段４０は、基台４１、第２シリンダ４２、第３シリンダ４３及び揺動制御部４４とから構成されている。
第２シリンダ４２及び第３シリンダ４３は上記第１シリンダ３１と同様の構成をなしており、即ち、第２シリンダ本体４２ａ、第３シリンダ本体４３ａから第２ロッド４２ｂ、第３ロッド４３ｂがそれぞれその軸方向に沿って進退可能な構成とされている。

このような第２シリンダ４２及び第３シリンダ４３は、隔壁１５上に設置された基台４１に支持されている。具体的には、第２シリンダ４２が第３シリンダ４３の下方に配置されるように、かつ、第２ロッド４２ｂ及び第３ロッド４３ｂが斜め上方に向かって傾斜し進退可能な向きとなるように、第２シリンダ本体４２ａ、第３シリンダ本体４３ａが基台４１に固定されている。
そして、第２ロッド４２ｂの先端は、第１シリンダ本体３１ａの先端側（炭素電極１３が接続されている側）に回動可能に接続され、また、第３ロッド４３ｂの先端は、第１シリンダ本体３１ａの基端側（炭素電極１３が接続されている側とは反対側）に接続されている。

また、これら第２シリンダ４２及び第３シリンダ４３の第２ロッド４２ｂ及び第３ロッド４３ｂの変位量は揺動制御部４４によって制御されている。この揺動制御部４４においては、第２ロッド４２ｂ及び第３ロッド４３ｂの変位量に差を設けてこれら第２ロッド４２ｂ及び第３ロッド４３ｂを進退させることで、仮想揺動軸Ｐを中心に第１シリンダ本体３１ａを揺動させる。

即ち、仮想揺動軸Ｐを中心とした円の同一径方向上に配置された第２ロッド４２ｂと第１シリンダ本体３１ａの接続箇所、及び、第３ロッド４３ｂと第１シリンダ本体３１ａの接続箇所の描く軌跡が、仮想揺動軸Ｐを中心とした半径の異なる円弧となるように第２ロッド４２ｂ及び第３ロッド４３ｂの変位量が制御され、これにより、炭素電極１３が仮想揺動軸Ｐを中心に揺動することになるのである。

このようにして、第１シリンダ３１に接続された炭素電極１３は、仮想揺動軸Ｐを中心として揺動方向Ｔ２に揺動可能となる。なお、この揺動方向Ｔ２は、電極位置中心線ＬＬと各貫通孔１６の中心とを含む鉛直面に沿った方向、つまり、電極位置中心線ＬＬとアーク放電開始前の初期位置における炭素電極１３の軸線１３Ｌとで張られる平面内で、この平面の法線である仮想揺動軸Ｐを中心とした円弧方向であり、平面視して電極位置中心線ＬＬから放射状に広がる径方向とされる。このため、仮想揺動軸Ｐは、電極位置中心線ＬＬと炭素電極１３の軸線１３Ｌとのベクトルの積で表される方向となっている。

ここで、上記仮想揺動軸Ｐは、隔壁１５の貫通孔１６内を通過する仮想軸とされている。より詳細には、この仮想揺動軸Ｐは、炭素電極１３の中心位置を通り、かつ、炭素電極１３の軸線１３Ｌと直交する水平軸であって、隔壁１５の厚み範囲内に位置して延在する直線と一致するように設定されており、さらに、本実施形態においては、隔壁１５の厚み方向中央に沿って延びるように設定されている。
よって、上記揺動手段４０は、この貫通孔１６内を通過する仮想揺動軸Ｐを常に中心とするように炭素電極１３を揺動方向Ｔ２に揺動させることが可能な構成とされている。

なお、このような揺動方向Ｔ２の揺動を可能とすべく、３つの炭素電極１３がそれぞれ挿通する貫通孔１６の水平断面視における孔形状は、図５に示すように、それぞれ揺動方向Ｔ２に沿った方向、即ち、電極位置中心線ＬＬと各貫通孔１６を通る方向を長軸とした長孔形状をなしている。なお、本実施形態においては、各炭素電極１３の軸線１３Ｌに直交する断面形状は円形とされており、該円形の直径ｄは４０〜１００ｍｍ程度とされている。これに対して、貫通孔１６の短軸の長さＤａは、炭素電極１３の直径ｄと等しいか僅か（１ｍｍ程度、０．５〜１．５ｍｍ）に大きい程度のサイズとされ、長軸の長さＤｂは、炭素電極１３の直径ｄよりも３ｍｍ〜１０ｍｍ程度大きいサイズとされている。

上記のように、電極移動機構２０においては、往復動手段３０によって炭素電極１３がその軸線１３Ｌ方向、即ち、往復動方向Ｔ１に往復動可能とされ、揺動手段４０によって仮想揺動軸Ｐを中心に揺動方向Ｔ２に揺動可能とされている。この際、往復動手段３０及び揺動手段４０それぞれによる動作は互いに干渉することはない。即ち、図６（ａ），（ｂ）に示すように、往復動手段３０によって炭素電極１３を往復動方向Ｔ１に沿ったどの位置に変位させたとしても、揺動手段４０によって常に仮想揺動軸Ｐを中心として揺動させることが可能できる。

したがって、炭素電極１３の先端間距離Ｄ（以下、電極間距離Ｄと称する。）は、往復動手段３０による各炭素電極１３の往復動方向Ｔ１への往復動及び揺動手段４０によっての揺動方向Ｔ２への揺動によって調整することができ、また、炭素電極１３の軸線１３Ｌ同士がなす角度θ１（以下、開き角度θ１と称する）は、各炭素電極１３を揺動手段によって揺動方向Ｔ２に揺動させることで調整することができる。

なお、本実施形態においては、上記のような電極移動機構２０が設置された隔壁１５自体が上下移動方向Ｔ３に移動可能とされている。なお、この隔壁１５の上下移動方向Ｔ３の移動は、例えばラックピニオン等の機構により容易に実現することが可能である。よって、回転モールド１０に対する炭素電極１３の高さ位置は、隔壁１５を上下移動方向Ｔ３に移動させることで調整することができる。

次に、以上のように構成されたシリカガラスルツボ製造装置１において、シリカ粉層１１を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造する方法について説明する。
回転モールド１０の内表面に形成された碗状のシリカ粉層１１を加熱熔融する際には、アーク放電開始前に、予め炭素電極１３が、センターアークとして、回転モールド１０の回転中心線Ｌに一致させた電極位置中心線ＬＬに対して軸線対称に設定される。具体的には、図２，図３に示すように、下方に頂点を有するような逆三角錐状となるように、それぞれの軸線１３Ｌ同士が開き角度θ１をなすように設定される。また、アーク放電を生じさせる炭素電極１３の先端同士を接触させておく。

次いで、図示しない電力供給手段により炭素電極１３への炭素電極供給を開始する（電力供給開始工程）。この際、炭素電極１３の先端同士が接触しているため、アーク放電は生じない。
その後、電極移動機構２０により炭素電極１３が下方に頂点を有するような逆三角錐状を維持しながら、電極間距離Ｄを拡大する（炭素電極距離拡大工程）。これ伴って、炭素電極１３間で放電が発生し始める。この際、各炭素電極１３における電力密度が４０ｋＶＡ／ｃｍ^２〜１，７００ｋＶＡ／ｃｍ^２となるように電力供給手段により供給電力を制御する。

また、電極移動機構２０により、シリカ粉層１１の熔融に必要な熱源としての加熱温度を満たすように、電極間距離Ｄを調節する（炭素電極距離調整工程）。この際、各炭素電極１３における電力密度が４０ｋＶＡ／ｃｍ^２〜１，７００ｋＶＡ／ｃｍ^２となるように電力供給手段による供給電力制御が維持される。これにより、アーク放電の状態を安定させ、安定したアーク火炎の発生を持続することができる。

さらに、隔壁１５を上下移動方向Ｔ３に移動させることにより、シリカ粉層１１の熔融に必要な熱源としての加熱温度を満たすように、回転モールド１０に対する炭素電極１３の高さ位置を調節する（炭素電極高さ設定工程）。この際、各炭素電極１３における電力密度が４０ｋＶＡ／ｃｍ^２〜１，７００ｋＶＡ／ｃｍ^２となるように電力供給手段による供給電力制御が維持される。

最後に、シリカ粉層１１の熔融が所定の状態になった後に、電力供給手段による電力供給を停止する（電力供給終了工程）ことで、シリカガラスルツボの製造が完了する。なお、上述した各工程においては、通気口１２に接続した減圧手段によってシリカ粉層１１付近の圧力を制御してもよい。

以上説明したように、本実施形態によるシリカガラスルツボ製造装置１においては、アーク放電の状態を調整する際に、電極移動機構２０によって各炭素電極１３を移動させることにより炭素電極１３間の電極間距離Ｄを調節する。ここで、特に電極移動機構２０の揺動手段４０によって炭素電極１３を揺動させて電極間距離Ｄを調節する場合、炭素電極１３の先端は、図６（ａ），（ｂ）に示したようにその位置が変化するが、炭素電極１３の仮想揺動軸Ｐ付近の部分、即ち、炭素電極１３における貫通孔１６内の部分は僅かに動くだけである。よって、炭素電極１３を大きく揺動させた場合であっても該貫通孔１６内においては炭素電極１３が僅かに動くのみであるため、炭素電極１３の揺動範囲を拡大しつつ、該貫通孔１６のサイズの縮小化を図ることができる。

また、特に本実施形態においては、上記仮想揺動軸Ｐが隔壁１５の厚さ方向における中央に沿って延びているため、貫通孔１６のサイズの極めて縮小することができる。

これにより、上記のように、貫通孔１６の長軸の長さＤｂを、炭素電極１３の直径ｄよりも３ｍｍ〜１０ｍｍ程度大きいサイズに留めることができ、炭素電極１３と貫通孔１６との隙間を極力小さくすることができるため、熔融中の熱が上記貫通孔１６から上記隔壁を越えて上記操作室Ｂまで拡散することを防止することが可能となる。さらに、熔融準備作業中や熔融作業中において、たとえば、操作室Ｂ内に付着または滞留している塵埃が貫通孔１６を通して熔融室の熔融物に落下するようなおそれを少なくできる。

また、炭素電極１３の揺動によってアーク放電が生じる炭素電極１３の開き角度θ１も広い角度範囲で調整することができる。このように貫通孔１６に対する炭素電極１３の移動範囲を拡大させることは、例えば３０インチ以上の大口径のシリカガラスルツボを製造する場合に特に有効である。

すなわち、大口径のシリカガラスルツボを製造する際には、シリカ粉を熔融するために必要なアーク放電の出力が増す。このため、アーク放電に基づく熱によって各炭素電極１３はその先端側から消耗しやすく、これに伴って炭素電極１３の電極間距離Ｄが大きくなり易い。ここで、本実施形態のシリカガラスルツボ製造装置１においては、前述したように、電極間距離Ｄを広い範囲で調整することが可能であるため、炭素電極１３の寿命を実質的に延ばすことができる。

また、アーク放電の出力を増大させるためには、炭素電極１３の先端間以外においてアーク放電が生じないように、炭素電極１３の開き角度θ１を拡大する必要がある。ここで、上本実施形態のシリカガラスルツボ製造装置１によれば、前述したように、仮想揺動軸Ｐを中心に揺動させることによって、開き角度θ１を広い角度範囲で調整できるため、同一のシリカガラスルツボ製造装置１において、小口径から大口径までの幅広いシリカガラスルツボまで製造することが可能である。

さらに、上記揺動手段４０による炭素電極１３の揺動に加えて往復動手段３０により炭素電極１３の軸線１３Ｌ方向の移動が可能となることで、より柔軟に電極間距離Ｄを調節することができ、例えば炭素電極１３間の開き角度θを維持したまま、電極間距離Ｄを任意に調節することができる。
また、特に、アーク放電により炭素電極１３の先端が消耗し、該炭素電極１３の長さが足りなくなってしまった場合であっても、往復動手段３０によって炭素電極１３を回転モールド１０に向かって前進させることで対処できるため、メンテナンスを容易に行なうことが可能となる。

さらにまた、隔壁１５が上下方向に移動可能とされているため、電極間距離Ｄを維持したまま、これら炭素電極１３を加熱対象であるシリカ粉層１１に近接、離間させることができる。よって、アーク放電によって発する熱量の調整をより容易に行うことができる。

以上、本発明に係るシリカガラスルツボ製造装置の実施の形態について説明したが、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明に係るシリカガラスルツボ製造装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

例えば、実施形態の電極移動機構２０の変形例として、図７に示すような往復動手段６０と揺動手段７０とからなる電極移動機構５０であってもよい。
この変形例の電極移動機構５０は、実施形態と同様に、往復動手段６０によって炭素電極１３を往復動方向Ｔ１に往復動させるとともに、揺動手段７０によって揺動方向Ｔ２に揺動させる機構であるが、その構成において実施形態と異なる。

変形例の往復動手段６０は、図７に示すように、一端が操作室Ｂの天井１７に回動可能に固定されるとともに他端側が炭素電極１３の後端と回動可能に接続された往復動用シリンダ６１と、炭素電極１３が挿通可能とされる筒状をなし、一端が仮想揺動軸Ｐを中心に回動可能とされたガイド部材６２とを備えている。

往復動用シリンダ６１は、筒状をなすシリンダ本体６１ａからロッド６１ｂが進退可能な構成とされており、シリンダ本体６１ａの基端（一端）は、回転連結部６３を介して操作室Ｂの天井１７に連結されている。これによって、往復動用シリンダ６１は回転連結部６３を中心に回動可能とされる。
また、ロッド６１ｂの先端は炭素電極１３の後端と回転連結部６４を介して連結されている。これにより、ロッド６１ｂの先端と炭素電極１３の後端とが互いに回動可能に接続される。

ガイド部材６２は、その内部に炭素電極１３が挿通可能な挿通孔６２ａを備えた筒状の部材であって、一端側の両側面が仮想揺動軸Ｐと同軸をなす一対の軸部材（図示省略）によって回動可能に支持されている。即ち、この軸部材は、ガイド部材６２の挿通孔６２ａ内を通過せずに、該ガイド部材６２の両側面のみが支持されており、これによって、挿通孔６２ａ内を挿通する炭素電極１３の動きが妨げられることはない。
なお、上記一対の軸部材はそれぞれ貫通孔１６の内周壁に取り付けられており、この軸部材に支持されるガイド部材６２の一端は、回動の際に貫通孔１６と干渉を避けるように、一端側に向かって尖った形状をしていることが好ましい。

変形例の揺動手段７０は、図７に示すように、一端が回動可能に隔壁１５に連結され、他端側が上記往復動手段６０のガイド部材６２に回動可能に連結された揺動用シリンダ７１から構成されている。

揺動用シリンダ７１は、筒状をなすシリンダ本体７１ａからロッド７１ｂが進退可能な構成とされており、シリンダ本体７１ａの基端（一端）は、回転連結部７２を介して隔壁１５に連結され、ロッド７１ｂの先端が回転連結部７３を介してガイド部材６２に連結されている。これによって、揺動用シリンダ７１は、隔壁１５とガイド部材６２との間に傾斜して配され、隔壁１５及びガイド部材６２それぞれに対して回動可能とされる。

このような電極移動機構５０においては、揺動手段７０によって炭素電極１３を揺動させた後に、往復動手段６０によって炭素電極１３を往復動させることで、複数の炭素電極１３の開き角度θや電極間距離Ｄを調整する。
即ち、まず、揺動手段７０の揺動用シリンダ７１におけるロッド７１ｂを進退させることで、該ロッド７１ｂに連結されたガイド部材６２を仮想揺動軸Ｐを中心に揺動させる。これによって、該ガイド部材６２に挿通状態とされた炭素電極１３も同様に仮想揺動軸Ｐを中心に揺動方向Ｔ２に揺動し、炭素電極１３の開き角θが決定する。

次に、往復動用シリンダ６１のロッド６１ｂを進退させると、該ロッド６１ｂに連結された炭素電極１３が、ガイド部材６２の挿通孔６２ａに案内されるようにして該挿通孔６２ａに沿って進退する。これにより、炭素電極１３が、その軸線１３Ｌ方向である往復動方向Ｔ１に往復動させられる。

以上のように、変形例の電極移動機構５０においても、炭素電極１３を往復動方向Ｔ１に往復動可能とするとともに仮想揺動軸Ｐを中心に揺動方向Ｔ２に揺動可能とすることができる。したがって、実施形態と同様に、該貫通孔１６のサイズの縮小化を図りつつ、電極間距離Ｄ及び開き角度θを広い範囲で調整することができる。

なお、上記の実施形態の電極移動機構２０、変形例の電極移動機構５０に限定されることなく、炭素電極１３を仮想揺動軸Ｐを中心として揺動可能としつつ該炭素電極１３をその軸線１３Ｌ方向に往復動可能とするものならば、他の構成の電極移動機構であってもよい。

例えば、実施形態の電極移動機構２０のさらなる変形例として、図８に示すような揺動手段４０Ａであってもよい。ここで、対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。揺動手段４０Ａは、基台４１、揺動位置規制ガイド４５、駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃを有する構成とされている。

位置規制ガイド４５は、その基端部が上記第１シリンダ３１に接続固定され、第１シリンダ３１の軸線Ｌに対して径方向外側に向けてＴ２方向に延在するようにその先端部側が軸線Ｌから離間する板状部材とされ、その基端側から先端側に亘って、仮想揺動軸Ｐを中心とする同心状の円柱側面状とされる位置規制表面４５ａと位置規制裏面４５ｂとを有するものとされる。この位置規制ガイド４５は位置規制表面４５ａと位置規制裏面４５ｂとがそれぞれ駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃに挟持された状態で位置規制表裏面４５ａ，４５ｂに沿った方向に移動可能として支持されている。

駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、基台４１において、それぞれ仮想揺動軸Ｐと平行な回転軸線を有して回動可能となるように、かつ、方向Ｔ２で規定される平面に対していずれも同一の距離を有するように設けられる。駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、位置規制ガイド４５の位置規制裏面４５ｂ側（上側）に駆動ローラ４６ａが位置し、位置規制ガイド４５の位置規制表面４５ａ側（下側）に駆動ローラ４６ｂ、４６ｃが位置するとともに、位置規制ガイド４５の基端側から先端側に向かって、駆動ローラ４６ｃ、駆動ローラ４６ａ、駆動ローラ４６ｂの順に位置するように設けられている。また、駆動ローラ４６ｂ、４６ｃは、いずれも仮想揺動軸Ｐから等距離となるように設けられている。
駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、図示していないが揺動制御部４４によりその回動状態を制御可能とされている。

このような構成では、位置規制表裏面４５ａ，４５ｂの形状が仮想揺動軸Ｐを中心とする円弧状とされているため、揺動制御部４４の制御により、駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが回動すると、位置規制ガイド４５が位置規制表裏面４５ａ，４５ｂの形状にそって回動する。より詳細には、駆動ローラ４６ａおよびに駆動ローラ４６ｂ、４６ｃによって挟まれた位置規制ガイド４５は、位置規制表面４５ａが仮想揺動軸Ｐから等距離にある駆動ローラ４６ｂ、４６ｃと接しつつ位置規制裏面４５ｂが駆動ローラ４６ａと接した状態で、仮想揺動軸Ｐを中心とする周方向に移動する。つまり、仮想揺動軸Ｐから等距離な状態を維持しつつ位置規制ガイド４５が駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃと接触した状態で仮想揺動軸Ｐの周りに回動する。
このように、位置規制ガイド４５が位置規制表裏面４５ａ，４５ｂの形状にそって第１シリンダ３１の移動（揺動）が規制されることで、炭素電極１３を、仮想揺動軸Ｐを揺動中心軸線として揺動方向Ｔ２に揺動させることができる。

また、駆動ローラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃおよび位置規制ガイド４５の位置規制表裏面４５ａ，４５ｂに互いに噛み合う凹凸を形成し、歯車、ラックピニオンのように位置規制をより確実なものとすることが可能である。

さらに、図９に示すように、位置規制ガイド４５とは第１シリンダ３１の軸線Ｌ方向において仮想揺動軸Ｐからの距離が異なる位置に位置規制ガイド４５Ａを設けて、複数の位置規制ガイドにより電極揺動位置の設定をおこない、より移動位置制御を精密に設定することも可能である。

この場合、位置規制ガイド４５Ａの位置規制裏面４５ｃ側（上側）に駆動ローラ４６ｄが位置し、位置規制ガイド４５Ａの位置規制表面４５ｄ側（下側）に駆動ローラ４６ｆ、４６ｅが位置する。同時に、位置規制ガイド４５の位置規制裏面４５ｂ側（上側）に駆動ローラ４６ａ，４６ｂが位置し、位置規制ガイド４５の位置規制表面４５ａ側（下側）に駆動ローラ４６ｃが位置する。

ここで、位置規制裏面４５ｂ外側の駆動ローラ４６ａと位置規制表面４５ｄ外側の駆動ローラ４６ｆ、および、位置規制裏面４５ｂ外側の駆動ローラ４６ｂと位置規制表面４５ｄ外側の駆動ローラ４６ｅは、それぞれ、仮想揺動軸Ｐを中心とする径方向、同一円弧位置に設けられる。また、モータ等駆動源により駆動される駆動ローラを、位置規制ガイド４５，４５Ａの内側に位置する駆動ローラ４６ｄおよび／または駆動ローラ４６ｃのみとすることが好ましい。このように位置規制ガイド４５，４５Ａを挟持する位置にある駆動ローラをそれぞれ作用方向が位置するように配置するとともに、仮想揺動軸Ｐを中心とする径方向において位置規制ガイド４５，４５Ａの内側に位置する駆動ローラ４６ｄおよび／または駆動ローラ４６ｃによって駆動することにより、炭素電極３１の揺動時における移動のブレ発生を低減することができ、極めて精密な制御を必要とする電極先端距離の制御を、所望の状態として行うことができる。

これにより、アークの安定放電を向上し、ルツボ製造における加熱量を精密に制御し、単結晶引き上げにおいて製品品質に大きな影響のあるルツボ内面状態が、所望の状態から逸脱してしまうことを防止したシリカガラスルツボ製造を行うことが可能となる。

１ シリカガラスルツボ製造装置
１０ 回転モールド
１１ シリカ粉層
１３ 炭素電極
１３Ｌ 軸線
１５ 隔壁
１６ 貫通孔
２０ 電極移動機構
３０ 往復動手段
４０，４０Ａ 揺動手段
５０ 電極移動機構
６０ 往復動手段
７０ 揺動手段
Ｐ 仮想揺動軸
Ｔ１ 往復動方向
Ｔ２ 揺動方向
Ｔ３ 上下移動方向

Claims (5)

1. 棒状に形成された複数の電極の先端間に生じるアーク放電によって、回転モールド内に形成されたシリカ粉層を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置であって、
   前記回転モールドの上方には板状の隔壁が配され、
   前記電極が、前記隔壁をその厚さ方向に貫通する貫通孔に挿通されると共に、前記回転モールドに向けて延びるように配され、
   前記隔壁の上に前記電極を仮想揺動軸周りに揺動させる揺動手段が設けられ、
   前記仮想揺動軸が、前記貫通孔内にあることを特徴とするシリカガラスルツボ製造装置。
2. 前記仮想揺動軸が、前記隔壁の厚み方向中央に沿って延びる軸線であることを特徴とする請求項１に記載のシリカガラスルツボ製造装置。
3. 前記隔壁の上に、前記電極をその長手方向に沿って往復動させる往復動手段が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のシリカガラスルツボ製造装置。
4. 前記隔壁が上下方向に移動可能とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシリカガラスルツボ製造装置。
5. 前記貫通孔の孔形状が前記電極の揺動方向に沿った方向を長軸とした長孔形状をなし、前記貫通孔の短軸の長さは、前記電極の直径と等しいか僅かに大きい程度とされ、前記長軸の長さは、前記電極の直径よりも３ｍｍ〜１０ｍｍ程度大きく設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のシリカガラスルツボ製造装置。