JP6879240B2 - アーク電極の位置調整方法及びこれを用いた石英ガラスルツボの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、石英ガラスルツボの製造に用いられるアーク電極の位置調整方法及びこれを用いた石英ガラスルツボの製造方法及び製造装置に関する。

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスルツボ（シリカガラスルツボ）の多くはいわゆる回転モールド法により製造されている。回転モールド法は、ルツボの原料となるシリカ粉を回転するモールドの内面に堆積させた後、シリカ粉を溶融してガラス化する方法である。シリカ粉の溶融にはアーク炎が用いられ、モールド内に設置した複数本のアーク電極の先端部から発生するアークによってシリカ粉を加熱することにより、原料シリカ粉を溶融してガラス化する。

回転モールド法に関し、例えば特許文献１には、アーク電極の上方にカメラを設置し、カメラでアーク電極を撮影して電極間距離を測定する方法が記載されている。この方法によれば、アーク電極間距離を正確に設定することができ、アークによる安定した発熱量を得ることができる。

特許文献２には、モールドの回転中心軸から偏心した位置に設置されたアーク電極を用いてモールド内の原料シリカ粉をアーク溶融する方法が記載されている。また特許文献３には、棒状のアーク電極の横移動手段及び縦移動手段を備え、アーク電極の横移動及び縦移動が自在とする電極保持構造が記載されている。

特許文献４には、現場に持ち運び可能な支持台と、この支持台に支持された多関節型アームと、この多関節型アームに組み込まれた角度センサと、この角度センサからの信号に基づいて所定の演算を行って測定値を出力する測定コントローラとを含む三次元測定器が記載されている。

特開２００３−２４３１５１号公報 特開２００９−１６１３６２号公報 特開平０６−２０１３０３号公報

回転モールド法では、アーク電極の固定位置と寸法から計算される電極先端位置とモールド位置から位置合わせを行った後、位置がずれていないかどうかを確認し、位置がずれている場合に電極位置を調整する必要がある。従来はアーク電極を設置する際に電極位置をモールド中心に合わせた後、モールド側に近づくようにサーボ機構を駆動して位置を調整していた。ルツボの汚染防止のため、アーク電極やモールドに接触して位置を直接測定することはできないため、作業員の経験と勘を頼りに目視で位置合わせを行っていた。そのため、モールドに対してアーク電極の先端部を正確に位置合わせすることができず、場合によってはルツボ内面にシリカの付着物が付着し易い条件となっていた。

特許文献１に記載の方法は、カメラの撮影画像を用いてアーク電極間距離を測定するので、電極間距離を正確に測定することが可能である。しかし、アーク電極を上方から撮影しているので、アーク電極の先端が水平かどうかを知ることができず、電極間距離を調整することでアーク電極の先端の高さが変わってしまうという問題がある。

したがって、本発明の目的は、アーク電極の位置を正確に設定し、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することが可能なアーク電極の位置調整方法及びこれを用いた石英ガラスルツボの製造方法及び製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアーク電極の位置調整方法は、回転するモールドの内面に堆積させたシリカ粉をアーク溶融する回転モールド法による石英ガラスルツボの製造に用いられるアーク電極の位置調整方法であって、アーク炉内に複数本のアーク電極を設置し、三次元測定器を用いて前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記複数本のアーク電極の位置を調整することを特徴とする。

本発明によれば、アーク電極が消耗によってどのような形状に変形したとしてもその先端部の位置を正確に測定して調整することができる。したがって、モールド内のシリカ粉のアーク溶融時にアーク電極の先端部から発生する熱気流（アーク流）のモールド内での滞留を防止することができる。アーク溶融時にはシリカ粉の一部が昇華してシリカフュームが発生するが、熱気流と共にシリカフュームをモールドの外への排出を促進させることができ、シリカフュームが固化してアーク電極の表面等にシリカ粒が付着することを抑制することができる。またアーク電極等に付着したシリカ粒が付着面から剥がれ落ちたとしても熱気流と共にモールド外に排出することができ、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

本発明によるアーク電極の位置調整方法は、前記三次元測定器を用いて前記アーク炉内に設置された前記モールドの３次元座標を測定し、前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記モールドに対する前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整することが好ましい。この場合、前記アーク電極の先端部から前記モールドの回転中心軸（又は前記モールドの内面）までの最短距離が所定の距離となるように前記アーク電極の位置を調整することが好ましい。これにより、個々のアーク電極のモールドに対する相対位置を高い精度で正確に設定することができる。したがって、アーク電極の先端部から発生する熱気流がモールド内に滞留することを防止してルツボ内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

本発明において、前記モールドの回転中心軸は傾斜可能であってもよく、前記回転中心軸を傾斜させた状態で前記アーク電極の外形の３次元座標を測定してもよい。モールドの回転中心軸を傾斜させた状態でアーク加熱を実施する場合、アーク電極の位置を精密に制御することでモールド内の熱気流を安定させることができる。

本発明において、前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて測定対象物の３次元座標を算出することが好ましい。また、前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定することが好ましい。これにより、アーク電極及びモールドの位置を非接触で正確に測定することができる。また、アーク溶融工程中には三次元測定器が熱遮蔽された格納容器内に収容され、測定時にのみアーク炉内に導入されることにより、アーク熱による三次元測定器の損傷を防止することができる。

また、本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、回転するモールドの内面に堆積させたシリカ粉をアーク溶融する回転モールド法による石英ガラスルツボの製造方法であって、アーク炉内に複数本のアーク電極を設置し、三次元測定器を用いて前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記複数本のアーク電極の位置を調整し、前記モールド内に前記シリカ粉をセットし、位置調整された前記複数本のアーク電極を用いて前記モールド内のシリカ粉をアーク加熱することを特徴とする。

本発明によれば、アーク電極が消耗によってどのような形状に変形したとしてもその位置を正確に測定して調整することができる。したがって、アーク溶融時に熱気流をモールドの外側に排出させてモールド内での滞留を防止することができ、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、前記三次元測定器を用いて前記アーク炉内に設置された前記モールドの３次元座標を測定し、前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記モールドに対する前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整することが好ましい。この場合、前記アーク電極の先端部から前記モールドの回転中心軸（又は前記モールドの内面）までの最短距離が所定の距離となるように前記アーク電極の位置を調整することが好ましい。これにより、個々のアーク電極のモールドに対する相対位置を高い精度で正確に設定することができる。したがって、アーク電極の先端部から発生する熱気流がモールド内に滞留することを防止してルツボ内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

本発明において、前記モールドの回転中心軸は傾斜可能であってもよく、前記回転中心軸を傾斜させた状態で前記アーク電極の外形の３次元座標を測定し、前記モールド内のシリカ粉をアーク加熱する工程は、前記回転中心軸を傾斜させた状態で前記モールド内のシリカ粉をアーク加熱する工程を含んでいてもよい。モールドの回転中心軸を傾斜させた状態でアーク加熱を実施する場合、アーク電極の位置を精密に制御することでモールド内の熱気流を安定させることができる。

本発明において、前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて測定対象物の３次元座標を算出することが好ましい。また、前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、アーク溶融時には前記アーク炉の外側に退避することが好ましい。これにより、アーク電極及びモールドの位置を非接触で正確に測定することができる。また、アーク溶融工程中には三次元測定器が熱遮蔽された格納容器内に収容され、測定時にのみアーク炉内に導入されることにより、アーク熱による三次元測定器の損傷を防止することができる。

また、本発明による石英ガラスルツボ製造装置は、アーク炉と、前記アーク炉内に設置された複数本のアーク電極と、前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整するアーク電極位置調整機構と、前記アーク炉内に設置されたモールドと、前記モールドを回転させるモールド回転機構と、前記複数本のアーク電極及び前記モールドを含む炉内構造物の外形の３次元座標を測定する三次元測定器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、アーク電極が消耗によってどのような形状に変形したとしてもその位置を正確に測定して調整することができる。したがって、アーク溶融時に熱気流をモールドの外側に排出させてモールド内での滞留を防止することができ、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

本発明において、前記アーク電極位置調整機構は、各アーク電極の垂直方向の位置を調整する垂直位置調整機構と、各アーク電極の水平方向の位置を調整する水平位置調整機構と、各アーク電極の傾斜角度を調整する角度調整機構とを含むことが好ましい。この構成によれば、個々のアーク電極のモールドに対する相対位置を高い精度で正確に設定することができる。

本発明による石英ガラスルツボ製造装置は、前記モールドの回転中心軸を傾斜させるモールド傾斜機構をさらに備えていてもよい。この構成によれば、モールドの回転中心軸を傾斜させた状態でアーク加熱を実施することができ、高品質な石英ガラスルツボを製造することができる。また、モールドの回転中心軸を傾斜させた状態でアーク加熱を実施する場合、アーク電極の位置を精密に制御することでモールド内の熱気流を安定させることができる。

本発明において、前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて前記炉内構造物の３次元座標を算出することが好ましい。また、前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、アーク溶融時には前記アーク炉の外側に退避することが好ましい。これにより、アーク電極及びモールドの位置を非接触で正確に測定することができる。また、アーク溶融工程中には三次元測定器が熱遮蔽された格納容器内に収容され、測定時にのみアーク炉内に導入されることにより、アーク熱による三次元測定器の損傷を防止することができる。

本発明によれば、アーク電極の位置を正確に設定し、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することが可能なアーク電極の位置調整方法及びこれを用いた石英ガラスルツボの製造方法及び製造装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、特に三次元測定器を使用していない状態を示している。 図２は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、特に三次元測定器を使用してアーク電極を測定している状態を示している。 図３は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、特に三次元測定器を使用してモールドを測定している状態を示している。 図４は、回転モールド法により製造される石英ガラスルツボの構成を示す略断面図である。 図５は、アーク電極の位置調整工程を含む石英ガラスルツボの製造工程を示すフローチャートである。 図６は、回転モールド法において付着物の発生のメカニズムを示す模式図である。 図７は、アーク電極の外形の３次元形状の測定方法の他の例を示す図であって、石英ガラスルツボ製造装置の略断面図である。 図８は、アーク電極の外形の３次元形状の測定方法の他の例を示す図であって、石英ガラスルツボ製造装置の略断面図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、特に三次元測定器を使用している状態を示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、図１は三次元測定器を使用していない状態、図２は三次元測定器を使用してアーク電極を測定している状態、図３は三次元測定器を使用してモールドを測定している状態をそれぞれ示している。

図１乃至図３に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ製造装置１０は、アーク炉１１と、アーク炉１１内に設置された３本のアーク電極１２と、アーク電極１２の位置調整機能を備えたアーク電極保持機構１３と、アーク炉１１内に設置されたモールド１４と、モールド１４を回転駆動するモールド回転機構１５と、モールド１４の回転中心軸を傾斜させるモールド傾斜機構１６と、アーク電極１２及びモールド１４を含む炉内構造物の外形の３次元座標を測定する三次元測定器２０とを備えている。

アーク電極１２はカーボン製の細長い電極棒であり、その先端部は徐々に細くなるテーパー形状を有している。アーク電極保持機構１３は、各アーク電極１２の垂直方向の位置を調整する垂直位置調整部と、各アーク電極１２の水平方向の位置を調整する垂直位置調整部と、各アーク電極１２の傾斜角度を調整する角度調整部とを有しており、アーク電極１２の垂直位置、水平位置及び垂直軸に対する傾斜角度を個別に調整することが可能である。またアーク電極保持機構１３は、３本のアーク電極１２を一緒に昇降させる昇降機構を有しており、３本のアーク電極１２の位置関係を維持しながらそれらを上下方向に移動させることができる。

３本のアーク電極１２はモールド１４の上方に配置されており、モールド１４の回転中心軸に対して点対称となるように、回転中心軸の周りに沿って等間隔（１２０度間隔）に配置されている。３本のアーク電極１２の中心位置は、垂直方向を向いたモールド１４の回転中心軸と一致するように位置決めされる。さらに各アーク電極１２は、基端部よりも先端部のほうが回転中心軸に近づくように斜めに傾斜している。

モールド１４はカーボン製であり、ルツボの外形と一致する内面１４ｉを有している。モールド１４はモールド回転機構１５の回転シャフトに取り付けられており、モールド１４の回転支持軸はモールド傾斜機構１６によって傾斜可能に構成されている。モールド１４の回転中心軸を傾斜させた状態でアーク溶融工程を実施した場合には、アーク電極１２をモールド１４の内面に近づけて加熱することができる。

三次元測定器２０は、支持台２１と、支持台２１に固定された多関節型アーム２２と、多関節型アーム２２の先端部に設けられた測距センサ２３とを備えている。多関節型アーム２２の各関節位置には角度センサ（不図示）が組み込まれており、三次元測定器２０のコントローラは、角度センサ及び測距センサ２３の出力信号に基づいて所定の演算を行って測定対象物の３次元座標を測定値を出力する。本実施形態による三次元測定器２０は、測定対象物に接触することなく３次元座標を測定する非接触型であるため、炉内構造物の汚染を防止することができる。

図１に示すように、三次元測定器２０はアーク炉１１の外側に設置された格納容器１１ａ内に収容されており、格納容器１１ａの内部は熱的に遮蔽されている。アーク溶融時には、多関節型アーム２２が格納容器１１ａ内に収容され、アーク炉１１の外側に退避しているので、三次元測定器２０を熱から保護することができる。格納容器１１ａは断熱性が高い材料で構成されることが好ましく、水冷機能を有することが特に好ましい。また格納容器１１ａは、アーク溶融工程中に生じるアーク電極１２の激しい振動から三次元測定器２０を保護する免震機能を有することが好ましい。

また図２及び図３に示すように、炉内構造物の位置測定時には、三次元測定器２０の多関節型アーム２２は、アーク炉１１の外側からアーク炉１１内に進入して炉内構造物の外形の３次元座標を測定する。したがって、アーク電極１２やモールド１４の位置を正確に測定して調整することができる。

図２に示すように、アーク電極１２の測定時には測距センサ２３をアーク電極１２の下方に配置してアーク電極１２の先端部の３次元形状を測定する。アーク電極１２の下方に測距センサ２３の設置空間を確保するため、アーク電極１２全体を上昇させることが好ましい。

また図３に示すように、モールド１４の測定時には測距センサ２３をモールド１４の内面１４ｉに近接配置し、モールド１４を回転させることにより、モールド１４の周方向の３次元座標を測定する。そして測距センサ２３の高さ方向の位置を変えながらモールド１４の周方向の３次元座標を測定することにより、モールド１４の内面１４ｉの３次元形状を求めることができる。

次に、上記石英ガラスルツボ製造装置１０を用いた回転モールド法による石英ガラスルツボの製造方法について説明する。

回転モールド法による石英ガラスルツボの製造では、まず回転するモールド１４の内面に沿ってルツボの原料となるシリカ粉３１を堆積させてシリカ粉の堆積層を形成する（図１参照）。シリカ粉３１は遠心力によってモールドの内面に張り付いたまま一定の位置に留まり、ルツボの形状に維持される。

次に、モールド１４内にアーク電極１２を設置し、モールド１４の内側からシリカ粉の堆積層をアーク溶融する。加熱時間、加熱温度等の具体的条件はルツボの原料やサイズなどの条件を考慮して適宜決定する。このとき、モールド１４の内面に設けられた多数の通気孔から原料シリカ粉の堆積層を吸引することにより、溶融石英ガラス中の気泡量を制御する。具体的には、アーク溶融の開始時にモールドの内面に設けられた多数の通気孔からの吸引力を強めて実質的に気泡を含まない石英ガラスからなる透明層を形成し、透明層の形成後に吸引力を弱めて多数の気泡を内包する石英ガラスからなる不透明層を形成する。

その後、アーク加熱を終了し、ルツボを冷却する。以上により、石英ガラスルツボ（シリカガラスルツボ）が完成する。

図４は、回転モールド法により製造される石英ガラスルツボの構成を示す略断面図である。

図４に示すように、石英ガラスルツボ１００は、シリコン融液を支持するための有底円筒状の容器であって、円筒状の側壁部１００ａと、緩やかに湾曲した底部１００ｂと、底部１００ｂよりも大きな曲率を有し側壁部１００ａと底部１００ｂとを連接するコーナー部１００ｃとを有している。

石英ガラスルツボ１００の口径は２４インチ（約６００ｍｍ）以上であり、３２インチ（約８００ｍｍ）以上であることが好ましい。このような大口径のルツボは直径３００ｍｍ以上の大型のシリコン単結晶インゴットの引き上げに用いられ、長時間使用しても単結晶の品質に影響を与えないことが求められる。ルツボの肉厚はその部位によって多少異なるが、３２インチ以上の大型のルツボの側壁部１００ａの肉厚は１０ｍｍ以上であることが一般的である。

石英ガラスルツボ１００は二層構造であって、実質的に気泡を含まない石英ガラスからなる透明層１０１（無気泡層）と、多数の微小な気泡を含む石英ガラスからなり、透明層１０１よりもルツボの外側に設けられた不透明層１０２（気泡層）とを備えている。

透明層１０１は、シリコン融液と接触するルツボの内面１００ｉを構成する層であって、石英ガラス中の気泡が原因で単結晶化率が低下することを防止するために設けられている。透明層１０１の厚さは０．５〜１０ｍｍであることが好ましく、単結晶の引き上げ工程中の溶損によって完全に消失して不透明層１０２が露出することがないよう、ルツボの部位ごとに適切な厚さに設定される。不透明層１０２と同様、透明層１０１はルツボの側壁部１００ａから底部１００ｂまでのルツボ全体に設けられていることが好ましいが、シリコン融液と接触しないルツボの上端部（リム部）において透明層１０１の形成を省略することも可能である。

不透明層１０２は、ルツボの外面１００ｏを構成する層であり、ルツボ内のシリコン融液の保温性を高めると共に、単結晶引き上げ装置内においてルツボを取り囲むように設けられたヒーターからの輻射熱を分散させてルツボ内のシリコン融液をできるだけ均一に加熱するために設けられている。そのため、不透明層１０２はルツボの側壁部１００ａから底部１００ｂまでのルツボ全体に設けられている。不透明層１０２の厚さは、ルツボ壁の厚さから透明層１０１の厚さを差し引いた値であり、ルツボの部位によって異なる。

上述した石英ガラスルツボ１００の製造において、アーク電極１２の位置が適切でない場合には、ルツボ内面にシリカの付着物が付着しやすく、ルツボの製造歩留まりが悪化する。そこで本実施形態においては、アーク溶融工程を実施する前に三次元測定器２０を用いてアーク電極１２及びモールド１４の外形の３次元座標を測定し、アーク電極１２及びモールド１４の位置を調整する。なお、三次元測定器２０の測定結果に基づくアーク電極１２の位置調整は、ルツボの製造前に毎バッチ行う必要はなく、数回あるいは数十回に一回行えばよい。すなわち、トラブルが発生しそうな周期で定期的又は不定期に行えばよい。

図５は、アーク電極の位置調整工程を含む石英ガラスルツボの製造工程を示すフローチャートである。

図５に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボの製造工程では、まずアーク炉１１内に３本のアーク電極１２及びモールド１４を設置し（ステップＳ１１）、アーク電極１２及びモールド１４の概略位置を調整する（ステップＳ１２）。なおアーク炉１１内にアーク電極１２やモールド１４が既に設置されている場合、それらを設置するステップ（ステップＳ１１）は省略される。アーク電極１２の位置はサーボ機構の位置表示から把握することができ、その概略位置は三次元測定器２０を用いなくても調整可能である。またモールド１４の位置や角度についてもアーク電極１２と同様に把握することができる。

次に、三次元測定器２０を用いて３本のアーク電極１２及びモールド１４の外形の３次元座標をそれぞれ測定する（ステップＳ１３）。この測定の結果、アーク電極１２及びモールド１４の位置が適切でない場合には、三次元測定器２０の測定結果に基づいてモールド１４の位置及びモールド１４に対する３本のアーク電極１２の位置を調整する（ステップＳ１４Ｎ，Ｓ１５）。このアーク電極１２及びモールド１４の３次元座標の測定及び位置の調整は、それらの位置が適切になるまで繰り返される（ステップＳ１３〜Ｓ１５）。なお、アーク電極１２及びモールド１４の測定及び調整の順番は特に限定されず、アーク電極１２の測定及び調整を行った後にモールド１４の測定及び調整を行ってもよく、その逆であってもよい。

こうしてアーク電極１２及びモールド１４を正しい位置にセットした後にモールド１４内にシリカ粉をセットし（ステップＳ１４Ｙ，Ｓ１６）位置調整された３本のアーク電極１２を用いてモールド１４内のシリカ粉をアーク溶融する（ステップＳ１７）。

上記のように、三次元測定器２０はアーク炉１１の外側に設置されており、三次元測定器２０の多関節型アーム２２は、通常時にはアーク炉１１の外側に退避しているが、アーク電極１２及びモールド１４の位置調整時にはアーク炉１１内に進入してアーク電極１２及びモールド１４の外形の３次元座標を測定する。なおアーク電極１２及びモールド１４を測定する順番は特に限定されない。

モールド１４は傾斜可能であるため、アーク電極１２の外形の３次元座標を測定するステップ（ステップＳ１３）では、モールド１４を傾斜させた状態でアーク電極１２の外形の３次元形状を測定してもよい。モールド１４の開口部が真上を向いており、アーク電極１２の先端部がモールド１４内に挿入されている場合には、三次元測定器２０の多関節型アーム２２の先端部をモールド１４内に進入させてアーク電極１２の先端部の外形の３次元座標を測定することが難しい。しかし、モールド１４を斜めに傾けた場合には、三次元測定器２０の多関節型アーム２２の先端部がモールド１４内に進入しやすくなるので、アーク電極１２の先端部を測定することが可能となる。

アーク電極１２の形状の測定項目としては、アーク電極の太さ、水平位置（高さ）、アーク電極の反りなどである。アーク電極１２を使用すると先端が昇華して電極間距離が変化してしまい、アークが不安定になる。しかし、アーク電極の形状又は輪郭を正確に測定してその位置を調整することで、アーク電極が消耗した場合でも、アークを安定して発生させることができる。

モールド１４の形状の測定項目としては、モールドの内径、外径、回転中心位置、高さなどである。モールドの形状も経時変化するが、モールドの形状を測定することでモールドに対するアーク電極の位置を正確に調整することができる。

上記のように、アーク電極１２やモールド１４はカーボン製であり、アーク溶融工程中の熱や酸化により消耗するため、定期的に交換する必要がある。アーク電極１２又はモールド１４を交換した場合には、その使用前に外形の３次元座標を測定することが好ましい。モールド１４に比べてアーク電極１２の消耗は激しいので、アーク電極１２の測定は毎バッチ行うことが好ましいが、モールド１４はバッチ毎の変化が少ないので毎バッチに行う必要はなく、交換や工事がなければ数バッチに一回あるいは数十バッチに一回行えばよい。このようにアーク電極１２及びモールド１４の外形の３次元座標を定期的に測定することにより、変形を正確に把握して位置を調整することができ、また部材の寿命を予測することができる。

アーク電極１２の位置を調整するステップ（ステップＳ１５）では、三次元測定器２０によって測定された各アーク電極１２の特徴点の３次元座標に基づいて、各アーク電極１２の垂直方向の位置、水平方向の位置、垂直軸に対する傾斜角度をそれぞれ調整する。具体的には、アーク電極１２の先端部からモールド１４の回転中心軸（又はモールドの内面）までの最短距離が所定の距離となるようにアーク電極１２の位置を調整する。これらの調整項目は、アーク電極保持機構１３の垂直位置調整部、水平位置調整部及び角度調整部をそれぞれ操作して調整することができる。

本実施形態において、モールド１４内のシリカ粉をアーク溶融するステップＳ１７は、ルツボの回転中心軸が垂直な状態でアーク溶融する通常のアーク溶融ステップと、回転中心軸を傾斜させた状態でモールド内のシリカ粉をアーク加熱するステップを含むことができる。また、三次元測定器２０の測定結果に基づいてアーク電極１２の位置を正確に設定することにより、アーク溶融時に熱気流をモールドの外側に排出させてモールド１４内での熱気流の滞留を防止することができ、これにより石英ガラスルツボの内面へのシリカの付着物の付着率を低減することができる。

図６は、回転モールド法において付着物の発生のメカニズムを示す模式図である。

ルツボに対する付着物の発生のメカニズムは、正確には判明していないが、図６に示すような現象が考えられる。図６は、回転モールド法において、アーク溶融を行っている際の様子を示したものになる。

通常、アーク電極１２の先端部から発生する熱気流は、複数のアーク電極１２の先端部が形成する面に対して、主に垂直方向に向かう。そのため、先端部の垂直方向の位置が揃っていれば熱気流は真下に流れることになる。アーク電極１２の先端部から発生した熱気流は下方に流れてルツボ底部にぶつかった後に、ルツボ壁に沿って上方に流れ、モールドの開口部からモールドの外側に排出される。またアーク溶融中にシリカ粉の一部は昇華してシリカフュームが発生するが、シリカフュームのほとんどは熱気流と共に排気される。また、シリカフュームが固化することでアーク電極１２の表面等にシリカ粒が付着し、このシリカ粒が付着面から剥がれ落ちることがあるが、シリカ粒は熱気流と共に上昇して排気されるため、ルツボの内面にシリカ粒が付着することはほとんどない。

しかし、経時変化などでアーク電極１２が変形し、さらにモールド１４が変形（偏芯）していると、アーク電極１２の先端部からの熱気流の方向が真下ではなく斜めになり、モールド１４との相対的な角度が大きく変わってしまう。そのため、図６（ａ）に示すように、モールド１４内での熱気流のバランスが崩れて乱流が発生し、乱流に巻き込まれたシリカフュームがモールド１４内に滞留し、アーク電極１２にシリカ粒が付着しやすくなる。また、アーク電極１２等に付着するシリカ粒が付着面から剥がれ落ちて乱流に巻き込まれながらモールド１４の外側に排出されることなく落下する。その結果、シリカ粒の付着物３３がモールド１４内の石英ガラスルツボ１００の内壁面に付着する。

また、モールド１４を傾斜させた場合には、各アーク電極１２とモールド１４の壁面との相対的な角度が大きく変わってしまうため、アーク電極１２の位置のばらつきがモールド１４内の熱気流に与える影響は非常に大きくなる。

しかしながら、本実施形態においては、モールド１４に対するアーク電極１２の先端部の位置を正確に測定し、モールド１４の変形（偏芯）があった場合には回転中心軸に対するモールド１４の中心位置合わせを行い、またアーク加熱開始前にアーク電極１２の中心位置合わせ）やアーク電極１２の先端部の水平位置合わせを行うことにより、図６（ｂ）に示すように熱気流を真下に向かわせることができ、乱流の発生を防止して付着物を低減することができる。

図７及び図８は、アーク電極の外形の３次元形状の測定方法の他の例を示す図であって、石英ガラスルツボ製造装置の略断面図である。

図７に示すように、アーク電極１２の外形の３次元形状は、アーク炉１１内にモールド１４を設置しない状態で測定してもよい。このようにすることで、モールド１４に邪魔されることなくアーク電極１２の先端部の３次元座標をアーク電極１２の下方から容易に測定することができる。

また図８に示すように、アーク電極１２の３次元形状は、アーク電極１２の下方からモールド１４を退避させた状態で測定してもよい。このようにすることで、モールド１４に邪魔されることなくアーク電極１２の先端部の３次元座標をアーク電極１２の下方から容易に測定することができる。

図９は、本発明の第２の実施の形態による石英ガラスルツボ製造装置の構成を示す略断面図であって、特に三次元測定器を使用している状態を示している。

図９に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ製造装置の特徴は、第１の実施の形態のようなアーク炉組み込み型の三次元測定器ではなく、可搬型の三次元測定器２０を用いている点にある。このような三次元測定器２０は、アーク電極１２及びモールド１４の位置調整時のみアーク炉１１内に設置されてアーク電極１２及びモールド１４の外形の３次元座標の測定に使用される。したがって、それ以外のときにはアーク炉１１内から撤去される。このように、可搬型の三次元測定器２０を用いたとしても第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、３本のアーク電極を用いた場合を例に示したが、本発明は４本以上のアーク電極を用いて構成したものであってもよく、アーク電極の本数は特に限定されない。

また上記実施形態では１つの三次元測定器を用いているが、２つ以上の三次元測定器を用いてアーク電極及びモールドの位置を測定してもよい。例えば、アーク電極及びモールドを挟んで対向配置された２つの三次元測定器を用いてそれらを測定することにより、三次元測定器の動きに負担をかけることなく３次元座標の正確な測定が可能となる。

１０ 石英ガラスルツボ製造装置
１１ アーク炉
１１ａ 格納容器
１２ アーク電極
１３ アーク電極保持機構
１４ モールド
１４ｉ モールドの内面
１５ モールド回転機構
１６ モールド傾斜機構
２０ 三次元測定器
２１ 支持台
２２ 多関節型アーム
２３ 測距センサ
３１ シリカ粉
３３ 付着物（シリカ粒）
１００ 石英ガラスルツボ
１００ａ ルツボの側壁部
１００ｂ ルツボの底部
１００ｃ ルツボのコーナー部
１００ｉ ルツボの内面
１００ｏ ルツボの外面
１０１ 透明層
１０２ 不透明層

Claims (12)

1. 回転するモールドの内面に堆積させたシリカ粉をアーク溶融する回転モールド法による石英ガラスルツボの製造に用いられるアーク電極の位置調整方法であって、
   アーク炉内に複数本のアーク電極を設置し、
   三次元測定器を用いて前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、
   前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記複数本のアーク電極の位置を調整することを特徴とするアーク電極の位置調整方法。
2. 前記三次元測定器を用いて前記アーク炉内に設置された前記モールドの３次元座標を測定し、
   前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記モールドに対する前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整する、請求項１に記載のアーク電極の位置調整方法。
3. 前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて測定対象物の３次元座標を算出する、請求項１又は２に記載のアーク電極の位置調整方法。
4. 前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、
   前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定する、請求項３に記載のアーク電極の位置調整方法。
5. 回転するモールドの内面に堆積させたシリカ粉をアーク溶融する回転モールド法による石英ガラスルツボの製造方法であって、
   アーク炉内に複数本のアーク電極を設置し、
   三次元測定器を用いて前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、
   前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記複数本のアーク電極の位置を調整し、
   前記モールド内に前記シリカ粉をセットし、
   位置調整された前記複数本のアーク電極を用いて前記モールド内の前記シリカ粉をアーク加熱することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
6. 前記三次元測定器を用いて前記アーク炉内に設置された前記モールドの３次元座標を測定し、
   前記三次元測定器の測定結果に基づいて前記モールドに対する前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整する、請求項５に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
7. 前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて測定対象物の３次元座標を算出する、請求項５又は６に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
8. 前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、
   前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、アーク溶融時には前記アーク炉の外側に退避する、請求項７に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
9. アーク炉と、
   前記アーク炉内に設置された複数本のアーク電極と、
   前記複数本のアーク電極の各々の位置を調整可能に保持するアーク電極保持機構と、
   前記アーク炉内に設置されたモールドと、
   前記モールドを回転させるモールド回転機構と、
   前記複数本のアーク電極及び前記モールドを含む炉内構造物の外形の３次元座標を測定する三次元測定器とを備えることを特徴とする石英ガラスルツボ製造装置。
10. 前記アーク電極保持機構は、
    各アーク電極の垂直方向の位置を調整する垂直位置調整部と、
    各アーク電極の水平方向の位置を調整する水平位置調整部と、
    各アーク電極の傾斜角度を調整する角度調整部とを有する、請求項９に記載の石英ガラスルツボ製造装置。
11. 前記三次元測定器は、支持台と、支持台に固定された多関節型アームと、前記多関節型アームに組み込まれた角度センサと、前記多関節型アームの先端部に設けられた測距センサとを備え、前記角度センサ及び前記測距センサの出力値に基づいて前記炉内構造物の３次元座標を算出する、請求項９又は１０に記載の石英ガラスルツボ製造装置。
12. 前記三次元測定器は前記アーク炉の外側に設置されており、
    前記三次元測定器の前記多関節型アームは、前記アーク炉の外側から前記アーク炉内に進入して前記複数本のアーク電極の外形の３次元座標を測定し、アーク溶融時には前記アーク炉の外側に退避する、請求項１１に記載の石英ガラスルツボ製造装置。

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