JP4396930B2 - シリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス製容器の製造方法 - Google Patents
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Description
従来、前記したCZ法を実施するルツボとしては、シリカガラス製のルツボが多く用いられてきた。この種のシリカガラスルツボの製造方法については、例えば特開平1−160836号公報等に開示されている。
前記したCZ法により単結晶インゴットを生成するためのこの種のシリカガラスルツボは、単結晶インゴットの結晶欠陥等の発生を防止するために、より良好な内面状態や、特にルツボ全周におけるより高い肉厚寸法精度が求められている。しかしながら、前記した工程によってルツボを製造するに際しても、熟練工がほとんど手作業により原料としてのシリカガラス原料粉末を供給しつつ製造しているのが現状である。
そして、このような二層ルツボを製造するためには、前記した製造方法において、回転されたカーボン質中空型内にシリカガラス原料粉末を装填する際に、初めに粗粒の原料粉末を装填し、さらにその内表面にこれより微粒の原料粉末を装填する方法が通常行われており、この装填も熟練工が手作業によりなされるのが現状である。
この問題を解決するものとして、本願出願人は先に特開2000−169164号公報において、シリカガラスルツボの製造方法及び製造装置を提案している。
そして、前記外枠101及び内枠102はそれぞれの軸心を回転中心として、共に同一方向に回転駆動されるように構成されている。なお、図10(a)に示す符号103は、シリカガラス原料粉末を供給する原料粉末供給装置としてのホッパーであり、シリカガラス原料粉末Gが外枠101と内枠102との間に供給される。
また、内枠の重量増大に伴い、装置全体が重量化し、据え付け性、取り扱い性が悪いという技術的課題があった。
しかしながら、前記ホッパーから外枠と内枠の間に吐出した際、異なる原料粉末が混合し、適切に分離した2層の粉末層を形成し難いという技術的課題、更に言えば、好適な2層のシリカガラスルツボ(シリカガラス容器)を得ることができないという技術的課題があった。
また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質にバラツキが発生し難く、加えて好適な二層のシリカガラス容器が得られるシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス容器の製造方法を提供することを目的とする。
更に、装置自体を軽量化し、据え付け性、取り扱い性が良好なシリカガラス製容器成型体の成型装置を提供することを目的とするものである。
また、砂切り部材を設けることにより、底面部に原料粉末を良好に積み上げることができ、良好な底面部を有するシリカガラス容器を得ることができる。
このように、上下動及び前後動が可能である原料供給ノズルが備えられているため、より肉厚制御が高精度にできる。
このような構成により、金型の内壁に原料粉末を崩れることなく、積み上げることができ、内表面に凹凸が形成されず、また特に前記金型の底面部に原料粉末を積み上げる際に、遠心力によって外周側が厚くなるのを防止し、肉厚を全周にわたり、略均一にし、また任意の肉厚制御を高精度に達成できる。
このように、金属板に対して外層成型用板、内層成型用板、底部成型用板が一体化しているため、取り扱い性が良く、また合成樹脂で形成されているため、装置自体を軽量化でき、良好な据え付け性、取り扱い性が得られる。
このように構成されているため、シリカガラス容器の内表面に凹凸が形成されず、またシリカガラス容器の肉厚をシリカガラス容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できる。また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質のバラツキを抑制できる。
なお、前記底部成型用板は前記金属板に対して上下動可能に形成され、内層用成型板と外層成型用板間に収容された状態と、突出した状態とをとり、底部成型用板が突出した状態で、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定することが望ましい。
このように、内層原料粉末誘導路が設けられているため、側面に余分付着した内層原料粉末を掻き落とし、シリカガラス容器の底部に誘導することができ、またシリカガラス容器の底面部を形成するための内層原料粉末を該底面部に、効率よく誘導することができる。
このように、側面部を成型し、その後底面部を形成することにより、シリカガラス容器の肉厚をシリカガラス容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できる。また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質にバラツキを抑制できる。
このような、金型の底面部に落下した第一および第二の原料粉末を除去する工程を設けることにより、底面部に原料粉末を良好に積み上げることができ、良好な底面部を有するシリカガラス容器を得ることができる。
この原料粉末を用いることにより、内層がほぼ無気泡で、表面が平滑な透明石英ガラス層を形成させた二層構造のシリカガラスルツボを得ることができる。
更に、前記したシリカガラス製容器成型体の成型方法の後に、前記原料粉末(前記第一の原料粉末及び前記第二の原料粉末)を加熱溶融することが望ましい。
尚、上述のシリカガラス製容器成型体は、実質的には側面部、底面部及びこれらを結ぶ湾曲部を有するものであるが、本発明では、この実質的な湾曲部は、前記側面部あるいは前記底面部のいずれかに含めることができ、特には、前記側面部に含めることがより好ましい。このことは、前記容器状の金型についても同様である。
また、シリカガラス製容器の内面状態及び寸法精度等の品質のバラツキを極力少なくすることができ、しかも好適な一層のシリカガラス製容器のみならず二層のシリカガラス製容器を得ることができる。
更に、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型装置によれば、装置自体を軽量化でき、また据え付けを容易に行うことができ、更には取り扱いが容易である。
尚、金型6は、基台1に対して傾動可能に設けられていれば良く、支持フレーム2に取り付けられていても、あるいは支持フレーム2とは別に基台1に取り付けられていても良い。
したがって、前記ピストンを伸縮させることにより、成型板4を前後((図1の矢視X方向)に移動させることができる。
この金型6の内壁6bは円筒状に形成され、外壁6dは円柱状に形成されている。また、この内壁6bは全体が例えば多数の貫通孔が形成されたステンレス鋼(SUS)により形成されており、その内底部は内周面の径に沿った半球状に成されている。一方、外壁6dの材質は、特に限定されないが、強度を有する点から鉄、ステンレス等が用いられる。
したがって、真空ポンプを動作させることにより、図に矢視するように、開口6bから吸引し、空間部6を介して排気管6fより排気し、開口6bに負圧を作用させることができる。
この成型板4は、前記スライド機構8に取り付けられる金属板4aと、前記金属板4aに取り付けられた外層成型用板4bが設けられている。また、この外層成型用板4bが取り付けられた金属板4aの側端部と反対側の側端部には、内層成型用板4cが取り付けられている。更に、前記金属板4aの下部には、底部成型用板4dが設けられている。
これら外層成型用板4b、内層用成型板4c、底部成型用板4dは、平板状に合成樹脂で形成され、軽量化が図られている。
即ち、外層成型用板4bの外縁部を外層原料粉末に押し付けることによって、外層の原料粉末の内周側面部を規定でき、また、内層用成型板4cの外縁部を内層原料粉末に押し付けることによって、内層の原料粉末の内周側面部を規定でき、更に、底部成型用板4dの外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付けることによって、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定できるように構成されている。
なお、外層成型用板4bの側面から底面に移行する外縁部4b1の曲率半径は、内層成型用板4cの側面から底面に移行する外縁部4c1の曲率半径よりも大きく形成されている。
なお、後述するように、底部成型用板4dは突出した状態で、底部成型用板4dの外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定する。
そのため、図5に示すように、内層原料粉末誘導路4iにおける内層成型用板4cから離れた側面4i1の長さは、内層成型用板4cに接する側面4i2の長さより、短く形成されている。その結果、側面に余分付着した内層原料粉末は、隙間lから内層原料粉末誘導路4iに進入し、内層用成型板4cで掻き落され、内層原料粉末誘導路4i中を落下し、底面部に導出される。尚、図4及び図5に示された矢視は、金型6の回転方向を示している。
また、原料粉末供給ノズルから、ルツボの底面部を形成するために供給される内層原料粉末を、内層原料粉末誘導路4iに直接供給することにより、側面部に付着させることなく、底面部に対して効率的に導入することができる。
まず、図6(a)に示すように、駆動手段3によって支持フレーム2を45度傾動させ、原料供給ノズルUから外層原料粉末G1を金型6の内壁6bの表面に供給し、金型6を回転しながら外層原料粉末G1を積み上げる。
このとき、前記真空ポンプを動作させ、内壁6bに形成された開口6から吸引する。したがって、金型6の内壁6bには負圧が作用し、前記外層原料粉末G1は崩れることなく、積み上げることができる。なお、このとき金型6の底面部には、外層原料粉末は積み上げられない。
このとき、削り取られた外層原料粉末G1は小R部aに堆積するが、更に外層成型用板4bの外縁部4b1を小R部aに押し当て、その表面を馴らす。また、このようにして形成された成型体Sの厚みをレーザセンサ4hにて測定し、凹部が存在する場合は外層原料粉末G1を補充し、外層成型用板4bを用いて成型を再度行う。これにより、外層原料粉末G1の厚み精度が向上する。
そして、図6(d)に示すように、駆動手段3によって支持フレーム2を略起立状態(5度傾動した状態)まで戻す。その後、原料供給ノズルUから外層原料粉末G1を金型6の内壁6bの底面部に供給し、底面部に外層原料粉末G1を積み上げる。
なお、このとき、既に成型された成型体Sの側面部および小R部aに、前記成型板4は触れないように、底部成型用成型板4dは底面部の外層原料粉末G1に押し当てられる。
この状態で外層原料粉末G1を底面部に供給すると、この波状部を完全に埋めるように外層原料粉末G1を供給できない場合がある。また、底面部において、外層原料粉末G1、内層原料粉末G2が混合してしまう。そのため、前記波状部を削除し、図9(b)に示す原料粉末G1、G2が存在しない領域を円形状になす必要がある。この波状部を除去するため、図8に示すように、前記支持フレーム2に砂切り吸引部材20を設けるのが好ましい。
そして、前記したように、砂切り板21を波状部に当て、前記波状部を削除し、削除された外層原料粉末G1、G2を吸引管22で吸い上げ、底面部を円形状になすのが望ましい。
一例を挙げると、外側に供給する外層原料粉末G1として、例えば平均100μmの粗い粒子からなるシリカガラス原料粉末を用い、また内側に供給する内層原料粉末G2として、例えば平均50μmの細かい粒子からなるシリカガラス原料粉末を用いることで、外層に微小気泡を含むことで均一な熱分布を得られると共に、内層がほぼ無気泡で、表面が平滑な透明シリカガラス層を形成させた二層構造のシリカガラスルツボを得ることができる。
また、上記実施形態にあっては、シリカガラス製容器の側面部(外層、内層)を形成した後、底面部(外層、内層)を形成した場合を説明したが、外層の側面部、底面部を形成した後、内層の側面部、底面部を形成しても良い。
更に、原料供給ノズル、加熱手段としてのアーク放電装置を、本発明にかかるシリカガラスルツボの成型装置に組み込んでも良く、また別装置としても良い。
1a 軸
2 支持フレーム
3 駆動手段
3a ピストン
3b シリンダ
4 成型板
4a 金属板
4b 外層成型用板
4c 内層成型用板
4d 底部成型用板
4e シリンダ
4f ピストン
4g 底部測定用レーザセンサ
4h 側部測定用レーザセンサ
4i 内層粉末誘導路
5 アーム
6 金型
6a 回転軸
6b 内壁
6c 開口
6d 外壁
6e 空間部
6f 排気管
7 駆動手段(モータ)
20 砂切り吸引部材
21 砂切り板
22 吸引管
22a 吸引口
A シリカガラス製容器成型体の成型装置
U 原料供給ノズル
G1 外層原料粉末
G2 内層原料粉末
Claims (14)
- シリカガラス製容器成型体の成型装置であって、
基台と、前記基台に設けられた軸に回動可能に軸支された支持フレームと、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段と、前記基台に対して回転および傾斜可能に取り付けられた金型と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段とを備え、
屈曲した砂切り板と、前記砂切り板の屈曲した部分に形成された吸引口と、前記吸引口に接続された吸引管とから構成された砂切り吸引部材が、前記金型に対して上下動及び前後動可能に、更に設けられていることを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型装置。 - シリカガラス製容器成型体の成型装置であって、
基台と、前記基台に設けられた軸に回動可能に軸支された支持フレームと、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段と、前記基台に対して回転および傾斜可能に取り付けられた金型と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段とを備え、
前記成型板は、金属板と、前記金属板に取り付けられた外層成型用板と、前記外層成型用板が取り付けられた金属板の側端部と反対側の側端部に取り付けられた内層成型用板と、前記金属板の下部に設けられた底部成型用板とを備え、前記外層成型用板、内層成型用板、底部成型用板が合成樹脂で形成され、
前記底部成型用板は前記金属板に対して上下動可能に形成され、内層用成型板と外層成型用板間に収容された状態と、突出した状態とをとり、
底部成型用板が突出した状態で、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定することを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型装置。 - シリカガラス製容器成型体の成型装置であって、
基台と、前記基台に設けられた軸に回動可能に軸支された支持フレームと、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段と、前記基台に対して回転および傾斜可能に取り付けられた金型と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段とを備え、
前記成型板は、金属板と、前記金属板に取り付けられた外層成型用板と、前記外層成型用板が取り付けられた金属板の側端部と反対側の側端部に取り付けられた内層成型用板と、前記金属板の下部に設けられた底部成型用板とを備え、
前記内層用成型板の外縁部には、断面コ字状の内層原料粉末誘導路が内層用成型板の上下方向に形成されていることを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型装置。 - 原料粉末を前記金型内に供給する原料供給ノズルが、支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
- 前記金型の内壁と外壁との間には空間部が設けられると共に、前記内壁には複数の開口が形成され、前記空間部には真空ポンプに接続された排気管が接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
- 前記外層原料粉末が天然水晶であり、前記内層原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることを特徴とする請求項2に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
- シリカガラス製容器成型体の成型方法であって、
原料供給ノズルから原料粉末を、容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、これに成型板を押し当て、シリカガラス製容器側面部を形成する側面部成型工程と、
前記原料供給ノズルから原料粉末を、前記金型の底面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、成型板を原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器の底面部を形成する底面部成型工程と、
前記原料供給ノズルから原料粉末を前記金型の底面部に供給する前に、前記金型の底面部に落下した原料粉末を除去し、前記金型の底面部の原料粉末が存在しない領域を円形状にする工程と、
を含むことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。 - 前記側面部成型工程が、異なる特性の原料粉末を用いて複数回行われることを特徴とする請求項7に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
- 前記側面部成型工程の最終回に、過剰の原料粉末を積み上げておき、これに成型板を押し当てることで、過剰分の原料粉末を前記底面部に移動せしめることを特徴とする請求項8に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
- 前記請求項2、請求項3及び請求項6のいずれかのシリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、
原料供給ノズルから原料粉末を、傾動した容器状金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を積み上げる工程と、
成型板を前記金型内に下降させると共に、前記成型板の外縁部を積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器側面部を形成する工程と、
原料供給ノズルから原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を底面部に積み上げる工程と、
前記成型板を前記金型内に下降させると共に、前記底部成型用板を突出した状態にして、該底部成型用板の外縁部を底面部に積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器の底面部を形成する工程と、
を含むことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。 - 前記請求項2、請求項3及び請求項6の何れかのシリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、
原料供給ノズルから第一の原料粉末を、傾動した容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら第一の原料粉末を積み上げる工程と、
成型板の外層成型用板を前記金型内に下降させ、前記外層成型用板の外縁部を積み上げられた第一原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器の外層側面部を形成する工程と、
原料供給ノズルから第二の原料粉末を、傾動した金型の内壁側面部に形成されたシリカガラス製容器外層側面部の上に供給し、前記金型を回転しながら第二の原料粉末を積み上げる工程と、
原料供給ノズルから第一の原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、金型を回転しながら第一の原料粉末を底面部に積み上げる工程と、
成型板の底部成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の外縁部を底面部に積み上げられた第一の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器外層底面部を形成する工程と、
成型板の内層成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の内層成型用板の外縁部を積み上げられた第二の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器内層側面部を形成すると共に、前記厚みの調整で過剰分の第二の原料粉末を前記シリカガラス製容器外層底面部の上に移動させ、成型板の底部成型用板の外縁部を前記移動した第二の原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器内層底面部を形成する工程とを順次行うことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。 - 前記原料供給ノズルから第一の原料粉末を略起立状態の前記金型の底面部に供給する前に、前記金型の底面部に落下した第一及び第二の原料粉末を除去し、前記金型の底面部の原料粉末が存在しない領域を円形状にする工程を行うことを特徴とする請求項11記載のシリカガラス製容器成型体の成型方法。
- 前記第一の原料粉末が天然水晶であり、前記第二の原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
- 前記請求項10乃至請求項13のいずれかのシリカガラス製容器成型体の成型方法の後に、前記原料粉末(前記第一の原料粉末及び前記第二の原料粉末)を加熱溶融することを特徴とするシリカガラス製容器の製造方法。
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