JP5968506B2 - シリカガラスルツボの製造用のモールドの製造条件の設定を支援する装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリカガラスルツボの製造用のモールドの製造条件の設定を支援する装置に関する。

シリカガラスルツボの製造方法は、一例では、回転モールドの内表面に平均粒径３００μｍ程度のシリカ粉を堆積させてシリカ粉層を形成するシリカ粉層形成工程と、モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク熔融させることによってシリカガラス層を形成するアーク熔融工程を備える（この方法を「回転モールド法」と称する）。

アーク熔融工程の初期にはシリカ粉層を強く減圧することによって気泡を除去して透明シリカガラス層（以下、「透明層」と称する。）を形成し、その後、減圧を弱くすることによって気泡が残留した気泡含有シリカガラス層（以下、「気泡含有層」と称する。）を形成することによって、内表面側に透明層を有し、外表面側に気泡含有層を有する二層構造のシリカガラスルツボを形成することができる。

一方、チョクラルスキー（以下、ＣＺという。）法によりシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶を引上げて製造するために、固体であるシリコン単結晶と液体であるシリコン融液との固液界面形状や、この固液界面近傍の温度分布を、コンピュータによりシミュレーションを行って数値解析を行う方法の開発が精力的に行われている。

例えば、特許文献１には、メッシュ構造でモデル化したホットゾーンの各部材の物性値をコンピュータに入力し、各部材の表面温度分布をヒータの発熱量及び各部材の輻射率に基づいて求めることが記載されている。

特開２００９−１９０９２６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術は、シリカガラスルツボを回転モールド法で製造する際のシミュレーションには用いることが困難であった。そして、シリカガラスルツボを回転モールド法で製造する際には、様々な要因により設計データとは異なる三次元形状のシリカガラスルツボが得られることが多い。そのため、これまでは、シリカガラスルツボの設計データと同じ三次元形状のシリカガラスルツボを製造することのできるモールドを得ることは困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを製造することのできるモールドを得ることを目的とする。

本発明によれば、シリカガラスルツボの製造用のモールドの製造条件の設定を支援する装置が提供される。この装置は、任意の型式、製造ロット又はシリアルナンバーのシリカガラスルツボの三次元形状の設計データを取得するルツボ設計データ取得部と、そのルツボ設計データに基づいて回転モールド法で用いられるモールドの三次元形状の設計データを設定するモールド設計データ設定部と、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、そのモールド設計データ通りの三次元形状のモールド上でシリカ粉末をアーク熔融して得られるシリカガラスルツボの三次元形状のシミュレーションデータを得るシミュレーション部と、その計算エンジンが用いる物性パラメータを設定するパラメータ設定部と、そのモールド設計データに基づいて製造されるモールド上で回転モールド法によってシリカ粉末をアーク熔融して得られるシリカガラスルツボの三次元形状のルツボ測定データを取得するルツボ測定データ取得部と、そのルツボ設計データ、そのシミュレーションデータ、そのルツボ測定データのうち２種類のデータを比較対照して、両者の三次元形状の一致度を判定する一致度判定部と、そのシミュレーションデータ又はモールド設計データの出力部と、を備える。

また、この物性パラメータ設定部は、当初の物性パラメータに基づいて得られたそのシミュレーションデータおよびそのルツボ測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、その一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定する改善物性パラメータ設定部を有している、そして、このモールド設計データ設定部は、そのルツボ設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られる改善モールド設計データを設定する改善モールド設計データ設定部を有している。

この構成によれば、当初の物性パラメータに基づいて得られたシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、その一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定するため、シミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。また、この構成によれば、設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られるモールド設計データを設定するため、設計データおよびシミュレーションデータの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。その結果、この構成によれば、シリカガラスルツボの設計データおよび測定データの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。すなわち、この構成によれば、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを製造することのできるモールドが得られる。

また、本発明によれば、上記の装置によって得られる、シミュレーションデータを生成する装置が提供される。

このシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度は、上述のとおり所定の水準以上である。そのため、このシミュレーションデータを用いれば、モールド設計データに基づいて製造されたモールドを用いて実際に製造されるシリカガラスルツボの三次元形状を精度よく予測することができる。

また、本発明によれば、上記の装置によって得られる、改善モールド設計データを生成する装置が提供される。

この改善モールド設計データを用いた場合には、上述のとおり設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られる。そして、上記の装置を用いる場合には、上述のとおり当初の物性パラメータに基づいて得られたシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、その一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定するため、シミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。そのため、この改善モールド設計データに基づいて製造されたモールドを用いれば、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを回転モールド法で製造することができる。

本発明によれば、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを製造することのできるモールドが得られる。

本実施形態の装置の動作原理を説明するための概念図である。 本実施形態の装置を用いて得られた改善モールド設計データに基づいて製造されたモールドを用いて、シリカガラスルツボを製造することについて説明するための概念図である。 本実施形態の装置の全体構成を説明するための機能ブロック図である。 本実施形態の装置のシミュレーション部、モールド設計データ設定部および物性パラメータ設定部の詳しい構成を説明するための機能ブロック図である。 本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データのデータ構成について説明するためのデータテーブルである。 本実施形態の装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データをロボットアームおよび測距部を用いて測定する方法について説明するための測定工程図である。 図７における測定原理を説明するための概念図である。 図７における内部測距部の測定結果を示すグラフである。 図７における外部測距部の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

＜シリカガラスルツボを製造するためのモールドの設計データの設定を支援する装置＞
図１は、本実施形態の装置の動作原理を説明するための概念図である。本実施形態の装置を用いてシリカガラスルツボを製造するためのモールドの設計データを設定する際には、シリカガラスルツボを三次元ＣＡＤなどで設計した設計データをまず用意する。この三次元ＣＡＤの設計データは、二次元ＣＡＤの設計データを三次元ＣＡＤの設計データに変換したものであってもよい。

次いで、そのシリカガラスルツボの設計データに基づいてモールドを製造するためのモールド設計データ（例えば、モールド三次元形状、モールド温度勾配、モールド減圧配管など）を設定する。この場合、当初のモールド設計データとしては、例えば、熟練のオペレータ又はエンジニアが過去の知識および経験に基づいて、適切であると判断したモールド設計データを設定してもよい。あるいは、当初のモールド設計データとしては、過去のシリカガラスルツボの製造記録において所定の型式のシリカガラスルツボの品質検査の結果が良好であったモールド設計データをそのまま用いてもよい。

そして、この当初設定したモールド設計データ（三次元ＣＡＤデータ）を用いて、切削または研削加工が可能なＮＣ工作機械などを用いて、モールド設計データと略一致した三次元形状のカーボンモールドを削り出す。なお、現在のＮＣ工作機械の加工精度は非常に精密であるため、削り出されたカーボンモールドの三次元形状は、モールド設計データと略一致することとなる。

次に、このモールド上に積層したシリカ粉（別名として、石英粉ともいう）を熔融してシリカガラスルツボを製造する。具体的には、回転モールドの内表面に平均粒径３００μｍ程度のシリカ粉を堆積させてシリカ粉層を形成するシリカ粉層形成工程と、モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク熔融させることによってシリカガラス層を形成するアーク熔融工程によって、シリカガラスルツボを製造する。このとき、アーク熔融工程の初期にはシリカ粉層を強く減圧することによって気泡を除去して透明層を形成し、その後、減圧を弱くすることによって気泡が残留した気泡含有層を形成することによって、内表面側に透明層を有し、外表面側に気泡含有層を有する二層構造のシリカガラスルツボを形成することができる。

そして、後述するロボットアームを用いてこのシリカガラスルツボの三次元形状を測定して、シリカガラスルツボの三次元形状の測定データを得る。

また、上述の当初設定したモールド設計データを用いてシリカガラスルツボを製造した場合に得られると想定されるシリカガラスルツボの三次元形状のシミュレーションデータを、例えば応力解析および熱流体解析などの数値解析手法を用いて生成する。このときに、カーボンモールド、天然石英粉、合成シリカ粉、透明層、気泡含有層などについての物性パラメータ（例えば、密度、誘電率、透磁率、磁化率、剛性率、ヤング率、導電率、分極率、硬度、比熱、線膨張率、沸点、融点、ガラス転移点、伝熱係数、ポアソン比など）を設定する。これらの物性パラメータとしては、市販のシミュレーションソフトウェアに付属するデフォルトの物性パラメータを当初の物性パラメータとして用いることができる。あるいは、熟練のオペレータ又はエンジニアが過去の知識および経験に基づいて、適切であると判断した物性パラメータを設定してもよい。

その後、上述のようにして得られたシミュレーションデータおよび測定データの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回る場合には、カーボンモールド、天然石英粉、合成シリカ粉、透明層、気泡含有層などについての物性パラメータを変更して、上記の一致度が所定の水準以上になるまでシミュレーションを繰り返す。その結果、上記の一致度が所定の水準以上になった物性パラメータを改善物性パラメータとして採用する。このような一致度を示す指標としては、既存の各種のパターンマッチング法を用いることができる。

続いて、その改善物性パラメータを用いた場合の設計データおよびシミュレーションデータの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回る場合には、シリカガラスルツボを製造するためのモールド設計データ（例えば、モールド三次元形状、モールド温度勾配、モールド減圧配管など）を変更して、上記の一致度が所定の水準以上になるまでシミュレーションを繰り返す。その結果、上記の一致度が所定の水準以上になったモールド設計データを改善モールド設計データとして採用する。このような一致度を示す指標としては、既存の各種のパターンマッチング法を同様に用いることができる。

このようにすれば、当初の物性パラメータに基づいて得られたシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、その一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定するため、シミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。また、このようにすれば、設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られるモールド設計データを設定するため、設計データおよびシミュレーションデータの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。その結果、このようにすれば、シリカガラスルツボの設計データおよび測定データの三次元形状の一致度を所定の水準以上に高めることができる。すなわち、このようにすれば、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを製造することのできるモールドが得られる。

図２は、本実施形態の装置を用いて得られた改善モールド設計データに基づいて製造されたモールドを用いて、シリカガラスルツボを製造することについて説明するための概念図である。図１で説明した手法を用いて得られた改善モールド設計データに基づいて製造されたモールドを用いた上で、この図に示すように、さらにアーク電力、減圧条件、モールド回転数などを熟練したオペレータ又はエンジニアが適切に制御してやれば、設計データに対する三次元形状の一致度が高いシリカガラスルツボを回転モールド法で製造することができる。なお、この一連のプロセスにおいて、アーク電力、減圧条件、モールド回転数などの制御シークエンスは、一定のシークエンスに固定しておくことがシミュレーションの精度を高めるためには好ましい。もっとも、一連のプロセスが終わって、適切なモールド設計データが得られた後は、別途シリカガラスルツボの製造プロセスにおいて、熟練したオペレータ又はエンジニアがアーク電力、減圧条件、モールド回転数などの制御シークエンスを改善することを除外する趣旨ではない。

図３は、本実施形態の装置の全体構成を説明するための機能ブロック図である。この製造条件設定支援装置１０００には、任意の型式、製造ロット又はシリアルナンバーのシリカガラスルツボの三次元形状の設計データを取得するルツボ設計データ取得部１０４が設けられている。このルツボ設計データ取得部１０４は、熟練のオペレータ又はエンジニアが操作部１２４を通じて入力したシリカガラスルツボの三次元形状の設計データを取得することができる。また、このルツボ設計データ取得部１０４は、外部のサーバ１２６に格納されているシリカガラスルツボの三次元形状の設計データをネットワーク１１８を介して取得してもよい。

この製造条件設定支援装置１０００には、シリカガラスルツボの設計データに基づいてモールド設計データを設定するモールド設計データ設定部１４０が設けられている。このモールド設計データ設定部１４０は、熟練のオペレータ又はエンジニアが操作部１２４を通じて入力したモールド設計データ（例えば、モールド三次元形状、モールド温度勾配、モールド減圧配管など）を当初のモールド設計データとして設定することができる。また、このモールド設計データ設定部１４０は、外部のサーバ１２６に格納されている過去のシリカガラスルツボの製造記録において所定の型式のシリカガラスルツボの品質検査の結果が良好であったモールド設計データをネットワーク１１８を介して取得してもよい。

この製造条件設定支援装置１０００には、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、上記の製造条件によって得られるシリカガラスルツボの三次元形状のシミュレーションデータを応力解析および熱流体解析などの数値解析手法を用いて得るシミュレーション部１１２を備える。また、この製造条件設定支援装置１０００には、上記のシミュレーション部１１２の計算エンジンが用いる物性パラメータを設定する物性パラメータ設定部１０６が設けられている。この物性パラメータ設定部１０６は、熟練のオペレータ又はエンジニアが操作部１２４を通じて入力したカーボンモールド、天然石英粉、合成シリカ粉、透明層、気泡含有層などについての物性パラメータ（例えば、密度、誘電率、透磁率、磁化率、剛性率、ヤング率、導電率、分極率、硬度、比熱、線膨張率、沸点、融点、ガラス転移点、伝熱係数、ポアソン比など）を当初の物性パラメータとして設定することができる。あるいは、この物性パラメータ設定部１０６は、外部のサーバ１２６に格納されている物性パラメータなどをネットワーク１１８を介して取得してもよい。または、この物性パラメータ設定部１０６は、物性パラメータ記憶部１４２に格納されている市販のシミュレーションソフトウェアに付属するデフォルトの物性パラメータを当初の物性パラメータとして用いることができる。

この製造条件設定支援装置１０００には、上記の製造条件に基づいて実際に製造されたシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部１０２が設けられている。この測定データ取得部１０２は、後述する測定装置１２８から測定データをネットワーク１１８を介してダイレクトに取得することができる。あるいは、この測定データ取得部１０２は、外部のサーバ１２６に格納されているシリカガラスルツボの三次元形状の測定データをネットワーク１１８を介して取得してもよい。

この製造条件設定支援装置１０００には、上記の設計データ、上記のシミュレーションデータ、上記の測定データのうち２種類のデータを比較対照して、両者の三次元形状の一致度を判定する一致度判定部１１４が設けられている。この一致度判定部１１４は、既存の各種のパターンマッチング法を行うことができればよい。このようなパターンマッチングの手法としては残差マッチング、正規化相関法、位相限定相関、幾何マッチング、ベクトル相関、一般化ハフ変換などを好適に用いることができる。

この製造条件設定支援装置１０００には、シミュレーションデータ又はモールド設計データの出力部１１６が設けられている。この出力部１１６は、シミュレーションデータ又はモールド設計データを画像表示部１２２を通して画像データとして出力することができる。また、この出力部１１６は、シミュレーションデータ又はモールド設計データをネットワーク１２０を介して画像表示部１３０、プリンタ１３２、サーバ１３４などに出力することもできる。

図４は、本実施形態の装置のシミュレーション部、製造条件データ設定部および物性パラメータ設定部の詳しい構成を説明するための機能ブロック図である。この図に示すように、上記のシミュレーション部１１２には、伝熱計算エンジン２０４、流体計算エンジン２０６、構造計算エンジン２０８などを格納する計算エンジン記憶部２１０が設けられている。そして、このシミュレーション部１１２には、これらの伝熱計算エンジン２０４、流体計算エンジン２０６、構造計算エンジン２０８を計算エンジン記憶部２１０から読み込んで、応力解析および熱流体解析などの数値解析を行う解析部２０２も設けられている。

上記の物性パラメータ設定部１０６には、当初の物性パラメータに基づいて得られたシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定する改善物性パラメータ設定部４０２が設けられている。一致度判定部１１４においてシミュレーションデータおよび測定データの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回る場合には、一致度判定部１１４が物性パラメータ設定部１０６に物性パラメータの変更命令を受け渡す。そして、この変更命令を受け取った物性パラメータ設定部１０６の改善物性パラメータ設定部４０２は、例えば、カーボンモールド、天然石英粉、合成シリカ粉、透明層、気泡含有層などについての物性パラメータ（例えば、密度、誘電率、透磁率、磁化率、剛性率、ヤング率、導電率、分極率、硬度、比熱、線膨張率、沸点、融点、ガラス転移点、伝熱係数、ポアソン比など）を変更する。こうして変更された改善物性パラメータはシミュレーション部１１２に受け渡される。この改善物性パラメータを受け取ったシミュレーション部１１２は、改善物性パラメータを用いて再度シミュレーションを行ってシミュレーション結果を一致度判定部１１４に受け渡す。この一連の動作が上記の一致度が所定の水準以上になるまで繰り返される。

上記のモールド設計データ設定部１４０には、シリカガラスルツボの設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られるモールド設計データを設定する改善モールド設計データ設定部３０８が設けられている。この改善モールド設計データ設定部３０８には、モールド三次元形状設定部３０２、モールド温度勾配設定部３０４、モールド減圧配管設定部３０６が設けられている。一致度判定部１１４においてシリカガラスルツボの設計データおよびシミュレーションデータの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回る場合には、一致度判定部１１４がモールド設計データ設定部１４０に製造条件データの変更命令を受け渡す。そして、この変更命令を受け取ったモールド設計データ設定部１４０の改善モールド設計データ設定部３０８は、モールド三次元形状設定部３０２、モールド温度勾配設定部３０４、モールド減圧配管設定部３０６にモールド設計データ（例えば、モールド三次元形状、モールド温度勾配、モールド減圧配管など）を変更させる。こうして変更された改善モールド設計データはシミュレーション部１１２に受け渡される。この改善モールド設計データを受け取ったシミュレーション部１１２は、改善モールド設計データを用いて再度シミュレーションを行ってシミュレーション結果を一致度判定部１１４に受け渡す。この一連の動作が上記の一致度が所定の水準以上になるまで繰り返される。

図５は、本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データのデータ構成について説明するためのデータテーブルである。この図に示すように、測定データ取得部１０２は、後述する測定装置１２８からこの図に示すようなデータ構造を有する測定データをネットワーク１１８を介してダイレクトに取得することができる。この測定データでは、それぞれの位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、位置Ｄ、位置Ｅごとに、内側ＸＹＺ座標、外側ＸＹＺ座標、気泡含有率、ＦＴ−ＩＲスペクトル、ラマンスペクトル、表面粗さなどのデータがテーブル形式で記録されている。

図６は、本実施形態の装置の動作を説明するためのフローチャートである。最初に、この製造条件設定支援装置１０００の電力がオンになり一連の動作が開始される。すると、まず、設計データ取得部１０４が外部のサーバ１２６に格納されているシリカガラスルツボの三次元形状の設計データをネットワーク１１８を介して取得する（Ｓ１０２）。次に、モールド設計データ設定部１４０が、外部のサーバ１２６に格納されている過去のシリカガラスルツボの製造記録において所定の型式のシリカガラスルツボの品質検査の結果が良好であったルツボ設計データをネットワーク１１８を介して取得する（Ｓ１０４）。

続いて、物性パラメータ設定部１０６が、外部のサーバ１２６に格納されている物性パラメータなどをネットワーク１１８を介して取得する（Ｓ１０６）。そして、シミュレーション部１１２が、上記のルツボ設計データによって得られるシリカガラスルツボの三次元形状のシミュレーションデータを応力解析および熱流体解析などの数値解析手法を用いて得る（Ｓ１０８）。

他方、上記ルツボ設計データに基づいて製造されるカーボンモールドを用いて、電源、カーボン電極、減圧機構などを備えるシリカガラスルツボの製造装置によって、モールド上に積層したシリカ粉を熔融して実際にシリカガラスルツボを製造する（Ｓ１１０）。そして、測定データ取得部１０２が、上記の製造条件に基づいて実際に製造されたシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する（Ｓ１１２）。

その後、一致度判定部１１４が、上記のシミュレーションデータおよび上記の測定データを比較対照して、両者の三次元形状の一致度を判定する（Ｓ１１４）。具体的には、一致度判定部１１４においてシミュレーションデータおよび測定データの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回るかどうか判定する（Ｓ１１６）。もしも、シミュレーションデータおよび測定データの一致度が所定の水準を下回る場合には、改善物性パラメータ設定部４０２が一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定する（Ｓ１１８）。この場合、シミュレーション部１１２が、改善物性パラメータを用いてシミュレーションをやり直す。一方、シミュレーションデータおよび測定データの一致度が所定の水準以上である場合には、その物性パラメータをそのまま使う。

次に、一致度判定部１１４が、上記のシリカガラスルツボの設計データおよび上記のシミュレーションデータを比較対照して、両者の三次元形状の一致度を判定する（Ｓ１２０）。具体的には、一致度判定部１１４においてシリカガラスルツボの設計データおよびシミュレーションデータの一致度を計算してその一致度が所定の水準を下回るかどうか判定する（Ｓ１２２）。もしも、シリカガラスルツボの設計データおよびシミュレーションデータの一致度が所定の水準を下回る場合には、改善モールド設計データ設定部３０８が一致度が所定の水準以上となる改善ルツボ設計データを設定する（Ｓ１２４）。この場合、シミュレーション部１１２が、改善ルツボ設計データを用いてシミュレーションをやり直す。一方、シリカガラスルツボの設計データおよびシミュレーションデータの一致度が所定の水準以上である場合には、そのルツボ設計データをそのまま使う。そして、出力部１１６が、シミュレーションデータ又はモールド設計データをネットワーク１２０を介して画像表示部１３０、プリンタ１３２、サーバ１３４などに出力する（Ｓ１２６）。これで、一連の動作が終了する。

＜シリカガラスルツボの三次元形状測定装置＞
以下、図７〜図１０を用いて、上記の実施形態で用いるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得するためのシリカガラスルツボの三次元形状測定方法を説明する。

＜シリカガラスルツボ＞
図７は、本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データをロボットアームおよび測距部を用いて測定する方法について説明するための測定工程図である。測定対象であるシリカガラスルツボ１１は、内表面側に透明層１３と、外表面側に気泡含有層１５を有するものであり、開口部が下向きになるように回転可能な回転台９上に載置されている。シリカガラスルツボ１１は、曲率が比較的大きいラウンド部１１ｂと、上面に開口した縁部を有する円筒状の側壁部１１ａと、直線または曲率が比較的小さい曲線からなるすり鉢状の底部１１ｃを有する。本実施形態において、ラウンド部とは、側壁部１１ａと底部１１ｃを連接する部分で、ラウンド部の曲線の接線がシリカガラスルツボの側壁部１１ａと重なる点から、底部１１ｃと共通接線を有する点までの部分のことを意味する。言い換えると、シリカガラスルツボ１１の側壁部１１ａが曲がり始める点が側壁部１１ａとラウンド部１１ｂの境界である。さらに、ルツボの底の曲率が一定の部分が底部１１ｃであり、ルツボの底の中心からの距離が増したときに曲率が変化し始める点が底部１１ｃとラウンド部１１ｂとの境界である。

＜内部ロボットアーム、内部測距部＞
ルツボ１１に覆われる位置に設けられた基台１上には、内部ロボットアーム５が設置されている。内部ロボットアーム５は、複数のアーム５ａと、これらのアーム５ａを回転可能に支持する複数のジョイント５ｂと、本体部５ｃを備える。本体部５ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。内部ロボットアーム５の先端にはルツボ１１の内表面形状の測定を行う内部測距部１７が設けられている。内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面に対してレーザー光を照射し、内表面からの反射光を検出することによって内部測距部１７からルツボ１１の内表面までの距離を測定する。本体部５ｃ内には、ジョイント５ｂ及び内部測距部１７の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部５ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント５ｂを回転させてアーム５を動かすことによって、内部測距部１７を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、内部測距部１７をルツボ内表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ内表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、内部測距部１７の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図７（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図７（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって内部測距部１７を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め内部測距部１７内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、内部測距部１７内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部５ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部５ｃに送られるようにする。内部測距部１７は、本体部５ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。

ルツボの開口部から底部１１ｃまでの測定が終わると、回転台９を少し回転させ、同様の測定行う。この測定は、底部１１ｃから開口部に向かって行ってもよい。回転台９の回転角は、精度と測定時間とを考慮して決定されるが、例えば、２〜１０度である。回転角が大きすぎると測定精度が十分でなく、小さすぎると測定時間が掛かりすぎる。回転台９の回転は、内蔵プログラム又は外部入力信号に基づいて制御される。回転台９の回転角は、ロータリーエンコーダ等によって検出可能である。回転台９の回転は、内部測距部１７及び後述する外部測距部１９の移動と連動してすることが好ましく、これによって、内部測距部１７及び外部測距部１９の三次元座標の算出が容易になる。

後述するが、内部測距部１７は、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）、及び内部測距部１７から透明層１３と気泡含有層１５の界面までの距離（界面距離）の両方を測定することができる。ジョイント５ｂの角度はジョイント５ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、各測定点での内部測距部１７の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、内表面距離及び界面距離が求まれば、内表面での三次元座標、及び界面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の内表面の三次元形状、及び界面の三次元形状が既知になる。また、内表面と界面の間の距離が既知になるので、透明層１３の厚さも既知になり、透明層の厚さの三次元分布が求められる。

＜外部ロボットアーム、外部測距部＞
ルツボ１１の外部に設けられた基台３上には、外部ロボットアーム７が設置されている。外部ロボットアーム７は、複数のアーム７ａと、これらのアームを回転可能に支持する複数のジョイント７ｂと、本体部７ｃを備える。本体部７ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。外部ロボットアーム７の先端にはルツボ１１の外表面形状の測定を行う外部測距部１９が設けられている。外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面に対してレーザー光を照射し、外表面からの反射光を検出することによって外部測距部１９からルツボ１１の外表面までの距離を測定する。本体部７ｃ内には、ジョイント７ｂ及び外部測距部１９の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部７ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント７ｂを回転させてアーム７を動かすことによって、外部測距部１９を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、外部測距部１９をルツボ外表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ外表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、外部測距部１９の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図７（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図７（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって外部測距部１９を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め外部測距部１９内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、外部測距部１９内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部７ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部７ｃに送られるようにする。外部測距部１９は、本体部７ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。

内部測距部１７と外部測距部１９は、同期させて移動させてもよいが、内表面形状の測定と外表面形状の測定は独立して行われるので、必ずしも同期させる必要はない。

外部測距部１９は、外部測距部１９から外表面までの距離（外表面距離）を測定することができる。ジョイント７ｂの角度はジョイント７ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、外部測距部１９の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、外表面距離が求まれば、外表面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の外表面の三次元形状が既知になる。以上より、ルツボの内表面及び外表面の三次元形状が既知になるので、ルツボの壁厚の三次元分布が求められる。

＜距離測定の詳細＞
次に、図８を用いて、内部測距部１７及び外部測距部１９による距離測定の詳細を説明する。
図８に示すように、内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面側（透明層１３側）に配置され、外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面側（気泡含有層１５側）に配置される。内部測距部１７は、出射部１７ａ及び検出部１７ｂを備える。外部測距部１９は、出射部１９ａ及び検出部１９ｂを備える。また、内部測距部１７及び外部測距部１９は、図示しない制御部及び外部端子を備える。出射部１７ａ及び１９ａは、レーザー光を出射するものであり、例えば、半導体レーザーを備えるものである。出射されるレーザー光の波長は、特に限定されないが、例えば、波長６００〜７００ｎｍの赤色レーザー光である。検出部１７ｂ及び１９ｂは、例えばＣＣＤで構成され、光が当たった位置に基づいて三角測量法の原理に基づいてターゲットまでの距離が決定される。

内部測距部１７の出射部１７ａから出射されたレーザー光は、一部が内表面（透明層１３の表面）で反射し、一部が透明層１３と気泡含有層１５の界面で反射し、これらの反射光（内表面反射光、界面反射光）が検出部１７ｂに当たって検出される。図８から明らかなように、内表面反射光と界面反射光は、検出部１７ｂの異なる位置に当たっており、この位置の違いによって、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）及び界面までの距離（界面距離）がそれぞれ決定される。好適な入射角θは、内表面の状態、透明層１３の厚さ、気泡含有層１５の状態等によって、変化しうるが例えば３０〜６０度である。

図９は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図９に示すように、２つのピークが観察されており、Near側のピークが内表面反射光によるピークであり、Far側のピークが界面反射光によるピークに対応する。このように、透明層１３と気泡含有層１５の界面からの反射光によるピークもクリアに検出されている。従来は、このような方法で界面の特定がなされたことがなく、この結果は非常に斬新である。

内部測距部１７から内表面までの距離が遠すぎる場合や、内表面又は界面が局所的に傾いている場合には、２つのピークが観測されない場合がある。その場合には、内部測距部１７を内表面に近づけたり、内部測距部１７を傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、２つのピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。また、２つのピークが同時に観測されなくても、ある位置及び角度において内表面反射光によるピークを観測し、別の位置及び角度において界面反射光によるピークを観測するようにしてもよい。また、内部測距部１７が内表面に接触することを避けるために、最大近接位置を設定しておいて、ピークが観測されない場合でも、その位置よりも内表面に近づけないようにすることが好ましい。

また、透明層１３中に独立した気泡が存在する場合、この気泡からの反射光を内部測距部１７が検出してしまい、透明層１３と気泡含有層１５の界面を適切に検出できない場合がある。従って、ある測定点Ａで測定された界面の位置が前後の測定点で測定された界面の位置から大きく（所定の基準値を超えて）ずれている場合には、測定点Ａでのデータを除外してもよい。また、その場合、測定点Ａからわずかにずれた位置で再度測定を行って、得られたデータを採用してもよい。

また、外部測距部１９の出射部１９ａから出射されたレーザー光は、外表面（気泡含有層１５）の表面で反射し、その反射光（外表面反射光）が検出部１９ｂに当たって検出され、検出部１９ｂ上での検出位置に基づいて外部測距部１９と外表面の間の距離が決定される。図１０は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図４に示すように、１つのピークのみが観察される。ピークが観測されない場合には、外部測距部１９を内表面に近づけたり、外部測距部１９を傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、ピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。

本発明者らは、ルツボの性能向上や品質管理を容易にするには、ルツボの内表面の三次元形状や透明層の厚さの三次元分布のデータを取得することが必須であると考えたが、ルツボが透明体であるので、光学的に三次元形状を測定することは困難であった。ルツボ内表面に光を照射して画像を取得し、その画像を解析する方法も試してみたが、この方法では、画像の解析に非常に長い時間がかかるため、ルツボの内表面全体の三次元形状の測定には到底使えるものではなかった。

このような状況において、本発明者らは、ルツボの内表面に対して斜め方向からレーザー光を照射したところ、ルツボ内表面からの反射光（内表面反射光）に加えて、透明層と気泡含有層の界面からの反射光（界面反射光）も検出が可能であることを見出した。透明層と気泡含有層の界面は、気泡含有率が急激に変化する面であるが、空気とガラスの界面のような明確な界面ではないため、透明層と気泡含有層の界面からの反射光が検出可能であることは驚くべき発見であった。そして、上記の実施形態のシリカガラスルツボを製造するためのモールドの設計データの設定を支援する装置は、このようなシリカガラスルツボの三次元形状測定装置の開発があって初めて可能になったものである。

＜シリカガラスルツボの三次元形状に関連付けられた特性値＞
上記の設計データ、上記のシミュレーションデータ、上記の測定データは、いずれも上記のシリカガラスルツボの三次元形状に関連付けられた特性値のデータを含んでいてもよい。この特性値としては、例えば、気泡含有率、表面粗さ、赤外吸収スペクトルおよびラマンスペクトルから選ばれる１種以上の特性値を好適に用いることができる。

この場合には、一致度判定部１１４は、上記の設計データ、上記のシミュレーションデータ、上記の測定データのうち２つのデータに含まれる特性値の一致度も判定するように構成される。そして、改善物性パラメータ設定部４０２は、当初の物性パラメータに基づいて得られたシミュレーションデータおよび測定データの三次元形状又は特性値の一致度のいずれかが所定の水準を下回っている場合には、三次元形状及び特性値の一致度がともに所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定するように構成される。また、改善モールド設計データ設定部３０８は、設計データとの三次元形状及び特性値の一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られるモールド設計データを設定するように構成される。

このように、三次元形状にくわえて、気泡含有率、表面粗さ、赤外吸収スペクトルおよびラマンスペクトルなどの特性値についても考慮に入れることによって、より一層シミュレーションの精度を高めることができる。その結果、シリカガラスルツボの設計データに対する三次元形状の一致度がさらに高いシリカガラスルツボを製造することのできるモールドが得られる。

＜ルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において、各測定点に対応した位置のルツボの壁での気泡分布を測定することによって、気泡分布の三次元分布を決定する。各測定点でのルツボの壁での気泡分布の測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、焦点が合った面からの情報を選択的に取得することができる共焦点顕微鏡を用いれば気泡の位置が明確に分かるクリアな画像が取得できるので、高精度な測定が可能である。また、焦点位置をずらしながら各焦点位置の面において画像を取得して合成することによって気泡の三次元配置が分かり、各気泡のサイズが分かるので、気泡分布を求めることができる。焦点位置を移動させる方法としては、（１）ルツボを移動させたり、（２）プローブを移動させたり、（３）プローブの対物レンズを移動させたりする方法がある。

測定点の配置は、特に限定されないが、例えば、ルツボの開口部から底部に向かう方向には５〜２０ｍｍ間隔で配置し、円周方向には例えば１０〜６０度間隔である。具体的な測定は、例えば、共焦点顕微鏡用プローブを内部ロボットアーム５の先端に取り付け、内部測距部１７と同様の方法で、非接触で内表面に沿って移動させる。内部測距部１７を移動させる際には、内表面の大雑把な三次元形状が分かっているだけで内表面の正確な三次元形状は分かっていなかったので、その大雑把な三次元形状に基づいて内部測距部１７を移動させていたが、気泡分布の測定時には、内表面の正確な三次元形状が分かっているので、共焦点顕微鏡用プローブを移動させる際に、内表面とプローブとの距離を高精度に制御することが可能である。

共焦点顕微鏡用プローブをルツボの開口部から底部まで移動させ、その移動経路上の複数点で気泡分布を測定した後は、回転台９を回転させて、ルツボ１１の別の部位の気泡分布の測定を行う。このような方法でルツボの内表面全体に渡って気泡分布を測定することができ、その測定結果により、ルツボの気泡分布の三次元分布を決定することができる。

＜ルツボの内表面の表面粗さの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面の表面粗さを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点での表面粗さの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、焦点が合った面からの情報を選択的に取得することができる共焦点顕微鏡を用いれば、高精度な測定が可能である。また、共焦点顕微鏡を用いれば、表面の詳細な三次元構造の情報を取得することができるので、この情報を用いて表面粗さを求めることができる。表面粗さには、中心線平均粗さＲａ、最大高さＲｍａｘ、十点平均高さＲｚがあり、これらの何れを採用してもよく、表面の粗さを反映する別のパラメータを採用してもよい。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。

＜ルツボの内表面の赤外吸収スペクトルの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面の赤外吸収スペクトルを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点での赤外吸収スペクトルの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、内表面に向けて赤外線を照射してその反射光を検出し、照射光のスペクトルと反射光のスペクトルの差分を求めることによって測定することができる。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。

＜ルツボの内表面のラマンスペクトルの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面のラマンスペクトルを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点でのラマンスペクトルの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、内表面に向けてレーザー光を照射してそのラマン散乱光を検出することによって測定することができる。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。

Claims (1)

1. シリカガラスルツボの製造用のモールドの製造条件の設定を支援する装置であって、
   任意の型式、製造ロット又はシリアルナンバーのシリカガラスルツボの三次元形状の設計データを取得するルツボ設計データ取得部と、
   前記ルツボ設計データに基づいて回転モールド法で用いられるモールドの三次元形状の設計データを設定するモールド設計データ設定部と、
   伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、前記モールド設計データ通りの三次元形状のモールド上でシリカ粉末をアーク熔融して得られるシリカガラスルツボの三次元形状のシミュレーションデータを得るシミュレーション部と、
   前記計算エンジンが用いる物性パラメータを設定する物性パラメータ設定部と、
   前記モールド設計データに基づいて製造されるモールド上で回転モールド法によってシリカ粉末をアーク熔融して得られるシリカガラスルツボの三次元形状のルツボ測定データを取得するルツボ測定データ取得部と、
   前記ルツボ設計データ、前記シミュレーションデータ、前記ルツボ測定データのうち２種類のデータを比較対照して、両者の三次元形状の一致度を判定する一致度判定部と、
   前記シミュレーションデータ又はモールド設計データの出力部と、
   を備え、
   前記物性パラメータ設定部は、当初の物性パラメータに基づいて得られた前記シミュレーションデータおよび前記ルツボ測定データの三次元形状の一致度が所定の水準を下回っている場合には、前記一致度が所定の水準以上となる改善物性パラメータを設定する改善物性パラメータ設定部を有しており、
   前記モールド設計データ設定部は、前記ルツボ設計データとの一致度が所定の水準以上となるシミュレーションデータが得られる改善モールド設計データを設定する改善モールド設計データ設定部を有し、
   前記改善モールド設計データ設定部は、
   前記モールドの三次元形状を設定するモールド三次元形状設定部と、
   前記モールドの温度勾配を設定するモールド温度勾配設定部と、
   前記モールド側からシリカ粉層を減圧するために前記モールドに設けられる減圧配管を設定するモールド減圧配管設定部と、を含む、
   装置。