JPH07126034A

JPH07126034A - 石英ガラスの製造方法及びその装置

Info

Publication number: JPH07126034A
Application number: JP6058152A
Authority: JP
Inventors: Takumi Fukunishi; 工福西; Yoshihiko Goto; 吉彦後藤; John K Williams; ケネスウィリアムズジョン
Original assignee: Tetronics Research and Development Co Ltd; Nippon Silica Glass Co Ltd
Current assignee: Tetronics International Ltd; Tosoh Quartz Corp
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1995-05-16
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP3568042B2

Abstract

(57)【要約】【目的】石英ガラスの溶融時に石英ガラス中に水酸基を
取り込まず、経済的に溶融することができる石英ガラス
の製造方法及びその装置を提供する。【構成】炉体２０内に回転および昇降自在に設置された
溶融容器１８と、溶融容器１８のプラズマアーク・カッ
プリング帯域に対称的に配置されたプラズマアノードト
ーチ２４とプラズマカソードトーチ２６とからなるツイ
ンプラズマトーチとを有し、溶融容器１８に石英ガラス
原材料を所定の厚さに敷き詰めた後、対称的に配置され
たプラズマアノードトーチ２４とプラズマカソードトー
チ２６とから生成されるプラズマアークによりカップリ
ングされる近傍を溶融部の頂点として、石英ガラス原材
料の溶融を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石英ガラスの製造方法
及びその装置に関し、さらに詳細には、石英ガラスの構
成物質である二酸化ケイ素以外の不純物が極めて少な
く、しかもガラス中の水酸基を極めて低い値に制御し、
高純度で耐熱性に優れた石英ガラスを製造するための石
英ガラスの製造方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、石英ガラスの製造方法には種々の
技法があり、原材料を溶融する熱源には、水素−酸素、
プロパン−酸素などの燃焼火炎手段と、グラファイト、
モリブデン、タングステンなどを抵抗体とする電気的加
熱手段などが採用されてきた。

【０００３】例えば、溶融熱源として上述の電気的加熱
手段である電気ヒータを使用する場合には、予め容器内
に粒状シリカ原料を充填し、容器の上部及びサイドに配
置してある加熱ヒータの輻射熱により比較的ゆっくりと
した速度で溶融する。

【０００４】このとき、充填した粒状シリカの粒子間及
びその表面に付着するガス及びガス成分を溶融時に除去
するには、溶融容器並びに加熱ヒータを含む一体の炉内
を減圧状態に維持する真空排気設備を必要とする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の方法により得られる石英ガラスは、粒状シリカ
原料の有する高純度の維持、低水酸基化、及び泡の低減
化などについては技術的な限界を有していた。

【０００６】すなわち、石英ガラス中の水酸基を低く抑
えるために、溶融熱源として、水素−酸素、プロパン−
酸素などの可燃性ガスを用いた場合は、これらの可燃性
ガスの燃焼火炎により水が生成されてガラス中に水酸基
として取り込まれるので、ガラス中の水酸基を極めて低
い値に制御することが困難であった。

【０００７】また、溶融熱源として電気ヒータなどのジ
ュール熱を用いた場合は、熱源からの水素及び水の発生
はないが、溶融する雰囲気の水の分圧を下げる工夫、例
えば真空下での溶融などが必要となり、電気的加熱手段
で溶融された石英ガラスは、可燃性ガスを用いた溶融手
段に比較してガラス中に含まれる泡が多くなるなどの問
題点があった。

【０００８】一方、石英ガラスの溶融手段として、アー
クやプラズマを熱源として使用する試みが従来より行わ
れているが、実用化に関しては幾つかの問題点が解決で
きていないため、工業的規模での実施は行われていな
い。

【０００９】すなわち、アーク及びプラズマが使用され
なかった背景には、まず第１に、石英ガラスが非導電性
物質であるため、溶融体を対極とした移行式アーク及び
プラズマは利用できず非移行式を採用したとしても、単
なる黒鉛などを電極としたアーク方式では粉体原料を連
続的に供給しながら溶融する際、方向性の定まらない周
囲の空気振動によって、粉体の飛散が多く、また、ガラ
ス中の泡をなくすことが困難であるからであった。

【００１０】また、従来の非移行式アークプラズマを使
用する場合においても、そのプラズマアークの線速度が
大きいために、上述したと同様な問題点があった。

【００１１】さらに、第２には、これらのアーク及びプ
ラズマを使用する場合において、電極材の消耗による石
英ガラスへの不純物の混入が避けられず、本来高純度が
望まれる石英ガラスの溶融熱源としては好ましくなく、
実用化を阻む要因となっていた。

【００１２】これに対して、高周波プラズマ（ｒａｄｉ
ｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｌａｓｍａ）は、これらの
問題点を解決できる機能を有しているが、工業的規模の
装置費用が高価であること、エネルギー変換効率が著し
く低いこと、更に生産性が低いことなどから生産設備と
しての実用化の可能性は低いという問題があった。

【００１３】本発明は、従来の技術の有する上記したよ
うな種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、石英ガラスの溶融時に石英ガラス中
に水酸基を取り込まず、経済的に溶融することができる
石英ガラスの製造方法及びその装置を提供しようとする
ものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による石英ガラスの製造装置は、炉体内に回
転および昇降自在に設置された溶融容器と、上記溶融容
器のプラズマアーク・カップリング帯域に対称的に配置
されたプラズマアノードトーチとプラズマカソードトー
チとからなるツインプラズマトーチとにより構成された
ものである。

【００１５】また、上記した本発明による石英ガラスの
製造装置を用いた、本発明による石英ガラスの製造方法
によれば、上記溶融容器に石英ガラス原材料を所定の厚
さに敷き詰めた後、対称的に配置された上記ツインプラ
ズマトーチの上記プラズマアノードトーチと上記プラズ
マカソードトーチとから生成されるプラズマアークによ
りカップリングされる近傍を溶融部の頂点として、上記
石英ガラス原材料の溶融を行うものである。

【００１６】こうして、従来、石英ガラスの溶融に実用
化できなかったアークプラズマを、ツイントーチプラズ
マを開発することにより解決したものであって、先に出
願した特願平３−２６７７２９号に記載された技術をベ
ースにして、更に発展させることにより実用化を図った
ものである。

【００１７】

【作用】本発明による石英ガラスの製造方法は、エネル
ギー密度の高いアークプラズマを使用することにより実
現されるものであり、石英ガラスの溶融に際して、プラ
ズマの持つ高エネルギーを最大限に利用して生産性効率
を向上させる上で、プラズマ化ガスとし、石英ガラスに
悪影響を及ぼさない二原子分子の窒素ガスを用いること
が望ましい。

【００１８】また、溶融容器には石英ガラス原材料を所
定の厚さに敷き詰め、溶融操作は、対称配置されたツイ
ンプラズマトーチのプラズマアノードトーチとプラズマ
カソードトーチとから生成されるプラズマアークがカッ
プリングされる近傍を溶融部の頂点とする形で溶融を行
うものである。

【００１９】従って、本発明によって製造された石英ガ
ラスは、極めて高純度であり、水酸基が極めて低く、泡
が極少なく精製できるので、耐熱性、化学的不活性、透
明性（赤外域から紫外域での光透過性）に優れ、しかも
非磁性体であり、切断、切削、あるいは研磨を施すこと
により、光学材料や半導体機器などのさまざまな装置や
器具に使用できる。

【００２０】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明による石英ガ
ラスの製造方法及びその装置における実施例を詳細に説
明するものとする。

【００２１】図１は、本発明による石英ガラスの製造装
置を示す概略構成図であり、図１において符号１０は石
英ガラスの原材料である粒状シリカなどの供給原料が充
填されるホッパーである。

【００２２】なお、石英ガラスの原材料としては、粒状
シリカの他に、シリカサンド、水晶塊、水晶砂または無
定型シリカ、クリストバライトなどがあり、好ましく
は、７０μｍ乃至５００μｍの粒度範囲を有している。

【００２３】ホッパー１０の底部には、供給原料の定量
供給装置１２を経て炉体２０に至る連結管１４及び原料
供給管１６が連結されており、炉体２０内の溶融容器１
８のプラズマアーク・カップリング（結合）帯域２２を
経由し、またはこれに接近するように配置されていると
ともに、上下および左右に位置調整することが可能とさ
れている。

【００２４】上記炉体２０の上方からは、プラズマアノ
ードトーチ２４とプラズマカソードトーチ２６とからな
るツインプラズマトーチが、溶融容器１８のプラズマア
ーク・カップリング帯域２２に対称的に配置され、トー
チ角度および炉体２０への挿入深さなどが調節できるよ
うに挿入されている。

【００２５】プラズマアノードトーチ２４およびプラズ
マカソードトーチ２６は、好ましくは、それぞれが垂直
軸に対して４５゜乃至６５゜の角度をなし、それぞれの
プラズマトーチの炉中心の垂直軸に対する水平距離が５
０ｍｍ乃至１００ｍｍであるように設定されるものであ
る。

【００２６】ここで、上記原料供給管１６は、図２に示
すように、粒状シリカなどの供給原料を連続的に溶融ゾ
ーンへ供給する石英ガラス製導管２８と、その外側に冷
却水を循環させる注水口３０ａ及び排水口３０ｂを有す
る金属製の水冷導管３０と、この石英ガラス製導管２８
と水冷導管３０との間に一定の間隔を設けたシールガス
通路３２とを備えている。なお、シールガス通路３２が
一定の間隔を保持するために、金属製の水冷導管３０の
内壁部に、石英ガラス製導管２８の中心が同軸上の位置
となるように、突起部を円周方向に対して３箇所、長さ
方向に対して２箇所設けている。

【００２７】すなわち、原料供給管１６より供給原料を
溶融ゾーンへ供給する場合に、供給原料と導管内面の摩
擦により導管材質の微量の混入が懸念されるとともに、
これを設置して使用する環境はプラズマアークによる非
常な高温度に晒されることから、耐熱強度の高い異種材
質の導管を使用するより石英ガラス管を使用することが
高純度を維持する上から最も好ましいので、石英ガラス
製導管２８の外側を水冷導管３０で覆い、プラズマアー
クからの輻射熱を遮断している。

【００２８】また、上記シールガス通路３２には、ガス
導入口３２ａよりアルゴン、ヘリウム、ネオン、または
窒素ガスなどを導入してガス出口３２ｂより排出させる
ことにより、連続して原料供給管１６の先端部より落下
する供給原料の外周部を、上記ガスが同心円状に包むよ
うに流れるので、プラズマ流によって粒状シリカなどの
供給原料が飛散するのを防ぎ、溶融容器１８へ適切に供
給原料を落とすことができるとともに、供給原料を高収
率でガラス化できるようになっている。

【００２９】つまり、原料供給管１６は、粒状シリカな
どの供給原料を溶融ゾーンへ供給するための石英ガラス
製導管２８をプラズマアークの輻射熱から防御し、さら
に溶融面からの蒸発物の付着を防ぐために、水令された
金属製の水冷導管３０の内径に石英ガラス製導管２８を
挿入し、さらに水冷導管３０と石英ガラス製導管２８と
の間にシールガス通路３２を設けているものである。

【００３０】なお、原料供給管１６は、好ましくは、溶
融面の水平軸に対して全方位において４５゜乃至９０゜
の角度をなし、溶融面に対する先端部の直線距離が５０
ｍｍ乃至２００ｍｍの任意の位置にあるようになされて
いる。

【００３１】上記プラズマアノードトーチ２４とプラズ
マカソードトーチ２６とからなるツインプラズマトーチ
によりアークプラズマを生成するが、工業設備としての
実用性の面から、プラズマカソードトーチ２６へ窒素ガ
スをアルゴンに対して５％〜５０％混合して使用した場
合に、長時間運転においてカソード電極の消耗が起こる
ため、プラズマフレームの僅かな偏りが起きて溶融条件
を乱すことがある。

【００３２】そこで、図３ないし図５に示すように、２
ガス方式のプラズマカソードトーチ２６が提案されてお
り、このプラズマカソードトーチ２６は、カソード電極
３４を包むように形成された内側通路３６ａよりアルゴ
ンガスＡｒを流し、アルゴンアークをトーチノズルより
発生させるとともに、外側通路３６ｂに連通してトーチ
ノズルの先端部に放射状に配列され、かつノズルセンタ
に収束される角度を有する小穴３８より窒素ガスＮ₂を
噴出させ、アルゴンアークにより窒素ガスを電離し、ア
ルゴン−窒素プラズマを発生させるものである。

【００３３】この方法により、電極材のタングステンは
直接窒素ガスに触れることなしにアルゴンアークを発生
するため、窒素との化学反応を起こさず、電極材の溶損
は極めて僅かであり、カソード電極の寿命を従来の数十
時間から数百時間に延長することが可能になる。

【００３４】また、上記プラズマアノードトーチ２４と
プラズマカソードトーチ２６には、それぞれノズルの外
側を冷却する注水口４０ａと排水口４０ｂ、およびチッ
プ内側を冷却する注水口４２ａと排水口４２ｂとが設け
られており、冷却水を循環させることにより、プラズマ
アークからの輻射熱を遮断している。

【００３５】上記溶融容器１８は、ステンレス、銅など
の金属製の水冷容器からなり、この容器の底部中心が回
転軸４４に支持されている。そして、上記回転軸４４
は、炉体ベース４６に設置された回転用モータ４８、昇
降用モータ５０を介して回転および昇降可能に組み付け
られており、しかも回転軸４４の下端部には冷却水の注
入口５２ａおよび排水口５２ｂを有するロータリジョイ
ント５４が組付けられ、溶融容器１８内に冷却水を循環
させるようになっている。

【００３６】一方、上記炉体２０の天井部はフラットな
形状をしており、冷却水が循環して冷却されるととも
に、溶融容器１８の溶融面より上昇するシリカの蒸気
は、炉体側壁に設けられた排気口５６より排気される。

【００３７】上記溶融面からのシリカの蒸発は、溶融面
に対して概ね垂直に位置する原料供給管１６に多くが凝
縮し、凝縮したシリカが成長すると、溶融面に落下しガ
ラスの泡を生成することになる。この蒸発シリカの凝縮
を防止するには、雰囲気温度の高い位置に原料供給管１
６を配置し、その表面温度を雰囲気温度に近付ける必要
がある。

【００３８】そこで、本発明による水冷外筒を有する原
料供給管１６は、その表面温度は雰囲気温度に対して遥
かに低いので、初期にその表面にシリカがコーティング
され、厚さが数ミリに達するとシリカの断熱効果によっ
て表面温度が上昇し、更に、プラズマからの輻射熱によ
り、その表面は燒結された状態となり、強度が増し長時
間の溶融に際して溶融面に落下するのを防止することが
できる。

【００３９】上記原料供給管１６は、二つのプラズマト
ーチ２４、２６のほぼ中間に位置し、極力ツインプラズ
マトーチへ近付けることにより、上記した効果が達せら
れ、長時間の溶融運転においても、過剰のシリカの凝縮
を防ぎ、しかも付着したシリカの落下を防止している。

【００４０】以上の構成に基づいて、本発明による作用
の説明をする。

【００４１】先ず溶融容器１８の底部には溶融操作に先
立ち、図６に示すように、粒状シリカ（なお、この粒状
シリカとしては、供給原料のシリカ粒子と同一品位のも
のであって、粒度のみ大きいものを使用することが好ま
しい。）を１ｃｍ〜２０ｃｍ程度の厚さに敷き詰め、溶
融操作は、対称配置されたツインプラズマトーチのプラ
ズマアノードトーチ２４とプラズマカソードトーチ２６
とから生成されるプラズマアークがカップリングされる
近傍を溶融部の頂点とする形で溶融を行うものである。

【００４２】最初はプラズマアークにより溶融容器１８
の底部に敷いたシリカ粒子を溶融し、続いて原料供給管
１６とツインプラズマトーチ２４、２６の角度、距離を
調整し、溶融容器１８を所定の速度で回転させながら、
側壁部に原料粒子を供給して厚さ５ｍｍ〜５０ｍｍ、高
さ１００ｍｍ程度の溶融シリカの断熱層６０の壁を形成
するように行う。そして、側壁部にシリカの断熱層が形
成されたなら、原料供給管１６とツインプラズマトーチ
２４、２６を所定の位置に戻し、溶融容器１８の中央部
にて、粒状シリカ原料粉体を供給しながら溶融を開始す
る。

【００４３】もう一つの方法として、溶融容器１８の底
部に敷いたシリカ粒子の表面をプラズマアークで溶融
し、ツインプラズマトーチ２４、２６の角度、位置を調
整しながら溶融面積を拡大し、溶融容器の側壁近くまで
溶融を行い、その後、前記同様に溶融操作を開始する。

【００４４】溶融容器の底部のシリカ粒子を溶融するこ
とにより、シリカの蒸発が起こり、水冷されている容器
側壁部にシリカ微粒子が付着し、前記方法による断熱層
よりも薄いが石英ガラスを溶融するには有効である。

【００４５】このように、供給原料と同一の純度を有す
るシリカ粒子を溶融容器１８の底部へ予め充填し、さら
に供給原料を用いて溶融容器１８の側壁に溶融シリカ層
を形成することにより、断熱保温効果を確保することが
できるものであり、この方法により、石英ガラスの高純
度を維持することができる。

【００４６】また、従来においては、金属セラミックス
の一部の溶融法としてセルフライニング法が試みられて
いるがこれらにおいては、容器内に充填した供給原料
を何等かの加熱手段により溶融し、後で溶融物の周囲の
未溶融部分を除去するものであり、本発明においては、
水冷された溶融容器１８を用いて溶融原料と同一品位の
粒状シリカにより、予め断熱層を形成した後に石英ガラ
スの溶融操作を行うもので、従来とは全く異なる方法で
ある。

【００４７】なお、エネルギー密度の高加熱源が得られ
るツイントーチプラズマアークでの高密度プラズマとの
組み合わせのため、初めてこうした形でのセルフライニ
ング断熱層形成が可能となる。

【００４８】石英ガラスを半導体製造工程の装置に使用
する場合、あるいは光学用途に使用する場合において
は、ガラスの化学的純度と泡が重要な特性として求めら
れものであるが、高純度の確保は上述した技術により実
現できる。

【００４９】なお、上記のように溶融容器１８の内面に
石英ガラスの原材料として、例えば、粒状シリカを図６
の符号６０の様に所定の厚さに敷き詰め、この粒状シリ
カのみを、ツインプラズマトーチのプラズマアノードト
ーチ２４とプラズマカソードトーチ２６とから生成され
るプラズマアークがカップリングされる近傍の溶融部を
頂点とする形で溶融して、石英ガラス製品を得てもよい
ことは勿論である。

【００５０】この際には、溶融容器１８の壁面に沿って
所望の形状で粒状シリカを敷き詰めることにより、所望
の形状の石英ガラス製品を得ることができるようにな
る。

【００５１】溶融容器１８の内面形状に沿った底部およ
び側壁部の溶融シリカは、溶融容器１８を水冷金属容器
としているため、当該溶融容器１８から当該溶融シリカ
をそのままの形状で外部に取り出すことが十分可能とな
る。

【００５２】なお、回転用モータ４８による溶融容器１
８の回転速度は、溶融容器１８の底部に敷き詰められた
粒状シリカを溶融するときより、溶融容器１８の底部以
外の壁面（側壁部）に敷き詰められた粒状シリカを溶融
するときの方が速くすることが好ましい。

【００５３】次に、ガラス中の泡をさらに低減する溶融
方法について説明する。

【００５４】先ず、溶融容器１８内にシリカによる断熱
層６０を形成した後、溶融容器１８を回転させながら容
器中央部において、原料供給管１６とツインプラズマト
ーチ２４、２６を所定の位置に固定し、管理された粒度
範囲の粒状シリカ原料を、定量供給装置１２を用いて連
続的に原料供給管１６へ送り込むことにより、粒状シリ
カは原料供給管１６の先端よりプラズマアークの中を通
過し、溶融容器１８内に堆積して溶融される。

【００５５】ここで、ツインプラズマアークは溶融部に
おいて、それぞれのアークが電気的にカップリングされ
る位置で溶融するもので、プラズマカップリングゾーン
６２へ供給されたシリカ原料は、高温度のプラズマアー
クにより瞬時に溶融され、このときシリカ粒子の捕捉し
ている雰囲気ガスおよび揮発成分などは、液層面よりガ
スとして系外へ放出されることから、ガラスの中に泡と
して包含されることが防止される。また、このとき、図
２に示すように、原料供給管１６の石英ガラス管と水冷
外筒との間隙よりヘリウムガスを流すことにより、さら
にガラス中の泡を低減する効果を増大させることが判明
した。

【００５６】さらに、ツインプラズマアークのプラズマ
カップリングゾーン６２を溶融面に維持するため、連続
的に溶融されるガラス層の生成速度に見合って、溶融容
器１８を降下させる。

【００５７】つまり、溶融石英ガラスの粘性は非常に高
いので、原料シリカの溶融される部分と容器の側壁へ流
動により広がる部分では、溶融部分を頂点とした山形状
を呈するので、山の頂上部より裾野へのガラスの流動を
十分に行うためには、溶融容器１８の側壁部にかけて十
分な高温度が維持されることが必要である。

【００５８】このため、プラズマカップリングゾーン６
２から伸びるツインプラズマトーチ２４、２６からのプ
ラズマ流は、山の頂部から裾野へかけて溶融ガラスの表
面を覆うので、溶融容器１８の回転と相乗して溶融容器
１８の側壁部にかけてガラスの流動に必要な高温度を維
持することができる。

【００５９】以上のように、本発明では、溶融面をプラ
ズマが覆うように溶融が行われるために、プラズマ化ガ
スとして水素ガス以外を使用することにより、石英ガラ
スの低水酸基化が可能である。もちろん、使用するプラ
ズマ化ガスの水分（露点）を極力低く管理する必要性が
あることはいうまでもない。

【００６０】次に、図６に示すように、溶融容器１８と
原料供給管１６およびツインプラズマトーチ２４、２６
との位置関係に基づいて溶融試験を行った場合について
説明する。

【００６１】〔試験例１〕（１）プラズマトーチの位置関係 θａ：４１．５度、 θｃ：４１．５度、ｆｄ：７２
ｍｍ、ｔｄ：１４４ｍｍ、Ａｔｄ，Ｃｔｄ：１６４ｍｍ、（２）溶融容器底部：直径４００ｍｍ、上部：直径５００ｍｍ、深さ：
２００ｍｍ、（３）原料供給管・シールガス供給量：Ｎ₂→５Ｌ／ｍ
ｉｎ、（４）運転条件・プラズマガス→アノードトーチ：Ａｒ３０Ｌ／ｍｉｎ・カソードトーチ：Ａｒ３０Ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ₂３０Ｌ／
ｍｉｎ・電力→２８４Ｖ５４４Ａ（直流）・原料粒度→７４μｍ〜１７７μｍ・溶融容器回転速度→１．５ｒｐｍ・溶融容器降下速度→４０ｍｍ／Ｈ・溶融容器の底部へシリカ粒子（３ｍｍ〜１０ｍｍ粒
子）を約１０ｃｍの厚さに敷き詰め、溶融容器を回転
し、予めその表面をプラズマトーチを移動しながら溶融
し、その後、上記条件にて約４時間の溶融試験を行っ
た。その結果、概略寸法「直径３２０ｍｍ×高さ２２０
ｍｍ」、「重量約１７Ｋｇ」の泡の極めて少ない透明な
石英ガラスを得ることができた。なお、このとき、原料
の粒状シリカの収率は石英ガラスと未溶融シリカの重量
を求め、計算により収率９１％であることを確認した。
また、得られた石英ガラスを評価した結果は図７の特性
を確認した。（５）化学分析値（単位：ｐｐｍ）図７参照（６）水酸基（ＯＨ）含有量（単位：ｐｐｍ）ＯＨ：８ｐｐｍ

【００６２】〔試験例２〕（１）プラズマトーチの位置関係 θａ：４４．８度、 θｃ：４５．８度、ｆｄ：２０
ｍｍ、ｔｄ：１５５ｍｍ、Ａｔｄ：１７０ｍｍ、Ｃｔｄ：
１６７ｍｍ、（２）溶融容器試験例１と同一仕様のものを使用した。（３）原料供給管・シールガス供給量：Ｈｅ→３Ｌ／ｍ
ｉｎ、（４）運転条件・プラズマガス→アノードトーチ；Ａｒ２８Ｌ／ｍｉｎ・カソードトーチ：Ａｒ１６Ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ₂１４Ｌ／
ｍｉｎ・電力→２４７Ｖ４８０Ａ（直流）・原料粒度→７４μｍ〜１４９μｍ・溶融容器回転速度→３ｒｐｍ・溶融容器降下速度→２０ｍｍ／Ｈ・溶融容器の底部へシリカ粒子（５ｍｍ〜２０ｍｍ粒
子）を約５ｃｍの厚さに敷き詰め、その上に原料シリカ
粒子を散布して表面を平坦にした。溶融運転に入る前に
プラズマを点火し、試験例１と同様にシリカ粒子の表面
を溶融した。更に、溶融容器の回転速度を増し（４０ｒ
ｐｍ〜６０ｒｐｍ）、側壁部へプラズマトーチと原料供
給管を移動し、シリカ原料を供給しながら、溶融容器内
壁へ厚さ約１ｃｍ、高さ１０ｃｍのシリカの燒結層を形
成し断熱層とした。その後、プラズマトーチおよび原料
供給管を上記位置条件に設定して６時間４０分の溶融試
験を実施した。その結果、概略寸法「直径３４０ｍｍ×
高さ１４０ｍｍ」、「重量約２２Ｋｇ」の形状が良く、
泡の極めて少ない透明な石英ガラスを得ることができ
た。このときの原料の総投入量は２４Ｋｇであり、一時
間当たりの平均投入量は、約３．６Ｋｇ／Ｈとなる。ま
た、溶融石英ガラスの重量と未溶融シリカの重量を求め
計算すると、このときの粒状シリカの収率は８９％であ
った。さらに、溶融した透明石英ガラスの特性は図８の
ようであった。（５）化学分析値（単位；ｐｐｍ）図８参照（６）水酸基（ＯＨ）含有量（単位：ｐｐｍ）ＯＨ：３ｐｐｍ

【００６３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００６４】石英ガラスの溶融時にガラス中に水酸基を
取込まず、経済的に溶融することができる。

【００６５】従って、本発明によって製造された石英ガ
ラスは、極めて高純度であり、水酸基が極めて低く、泡
が極めて少なく精製できるので、耐熱性、化学的不活
性、透明性（赤外域から紫外域での光透過性）に優れ、
しかも非磁性体であり、切断、切削、あるいは研磨を施
すことにより、光学材料や半導体機器などのさまざまな
装置や器具に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による石英ガラスの製造装置を示す概略
構成図である。

【図２】図１の原料供給管を示す拡大断面図である。

【図３】図１のプラズマトーチを拡大した斜視図であ
る。

【図４】図３の要部を示す拡大断面図である。

【図５】本発明によるプラズマトーチの先端部を拡大し
た平面図である。

【図６】本発明による溶融容器と原料供給管およびプラ
ズマトーチとの位置関係を示す試験用装置の説明図であ
る。

【図７】試験例１による化学分析値を示した表である。

【図８】試験例２による化学分析値を示した表である。

【符号の説明】

１０ホッパー１２定量供給装置１６原料供給管１８溶融容器２０炉体２２プラズマアーク・カップリング帯域２４プラズマアノードトーチ２６プラズマカソードトーチ２８石英ガラス製導管３０水冷導管３２シールガス通路４６炉体ベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者後藤吉彦山形県酒田市本川22 (72)発明者ジョンケネスウィリアムズイギリス国エスエヌ７８エヌジェイオクソンファーリンドンスタンフォードインザベイル４エスティーデニスクローズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉体内に回転および昇降自在に設置され
た溶融容器と、前記溶融容器のプラズマアーク・カップ
リング帯域に対称的に配置されたプラズマアノードトー
チとプラズマカソードトーチとからなるツインプラズマ
トーチとを有し、前記溶融容器に石英ガラス原材料を所
定の厚さに敷き詰めた後、対称的に配置された前記ツイ
ンプラズマトーチの前記プラズマアノードトーチと前記
プラズマカソードトーチとから生成されるプラズマアー
クによりカップリングされる近傍を溶融部の頂点とし
て、前記石英ガラス原材料の溶融を行うことを特徴とす
る石英ガラスの製造方法。
【請求項２】前記石英ガラス原材料は前記溶融容器の
底部に敷き詰められた請求項１記載の石英ガラスの製造
方法。
【請求項３】前記石英ガラス原材料は前記溶融容器の
壁面に沿って所定の形状で敷き詰められた請求項１記載
の石英ガラスの製造方法。
【請求項４】前記石英ガラス原材料は前記溶融容器の
内面形状に沿って所定の厚さに敷き詰められた請求項１
記載の石英ガラスの製造方法。
【請求項５】前記溶融容器の回転速度が、前記溶融容
器の底部に敷き詰められた前記石英ガラス原材料の溶融
時より、前記溶融容器の底部以外の壁面に敷き詰められ
た前記石英ガラス原材料を溶融時の方が速い請求項１、
２、３または４のいずれか１項に記載の石英ガラスの製
造方法。
【請求項６】前記溶融容器は水冷式金属容器である請
求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の石
英ガラスの製造方法。
【請求項７】炉体内に回転および昇降自在に設置され
た溶融容器と、前記溶融容器のプラズマアーク・カップ
リング帯域に対称的に配置されたプラズマアノードトー
チとプラズマカソードトーチとからなるツインプラズマ
トーチとを有することを特徴とする石英ガラスの製造装
置。
【請求項８】前記プラズマアノードトーチと前記プラ
ズマカソードトーチとからなる前記ツインプラズマトー
チを、前記溶融容器のプラズマアーク・カップリング帯
域に対称的に配置し、トーチ角度および炉体への挿入深
さを調節できるように配置したことを特徴とする請求項
７記載の石英ガラスの製造装置。
【請求項９】前記プラズマカソードトーチは、カソー
ド電極を包むようにアルゴンアークをトーチノズルより
発生させる内側通路と、トーチノズルの先端部に放射状
に配列され、かつノズルセンタに収束される角度を有す
る小穴より窒素ガスを噴出させる外側通路と、ノズル外
側及びチップ内側に設けた冷却水の循環通路とを備え、
プラズマアークからの輻射熱を遮断するようにしたこと
を特徴とする請求項７または８のいずれか１項に記載の
石英ガラスの製造装置。
【請求項１０】前記溶融容器は水冷式金属容器である
請求項７、８または９のいずれか１項に記載の石英ガラ
スの製造装置。