石英ガラスを解説：材料グレードから完成部品まで

石英ガラスは、通常のガラスではお客様の光学要件や熱的要件を満たせない用途に使われる、高純度で非晶質の二酸化ケイ素です。このガラスには、用途の要件に対応できる適切な光学特性と熱特性が必要です。そのうえでグレードを選び、ガラスの寸法と表面品質を指定します。どちらも’透明’な窓であっても、実際には大きく異なり、特性にも違いがあります。

2026年10月更新

石英ガラス、溶融石英ガラス、合成石英ガラス

石英ガラスとは、ガラス状のシリカ材料を指します。天然石英を溶かして作られるガラスは溶融石英ガラスと呼ばれ、合成化学前駆体からは合成石英ガラスが作られます。どちらも非晶質です。石英のような結晶では構造に規則性があり、特性の一部は結晶方位によって異なります。こうした石英の方位に依存する特性を、ガラス板に当てはめるべきではありません。

石英ガラスは何からできていますか？

石英ガラスの主成分は二酸化ケイ素、SiO₂です。メーカーは(純粋な)天然石英原料を溶融するか、化学前駆体から合成シリカを製造します。こうして得られたガラスには、鉱物の石英のような繰り返しの結晶構造がありません。グレードの違いは、水酸基に加え、微量金属や欠陥の量によって生じます。

組成を料理の食材、構造をその並び方と考えてみてください。食材が同じでも、完成品の光学特性は大きく異なることがあります。Lisa MooreとCharlene Smithは、合成石英ガラスの特性に関する総説で、こうした違いを説明しています。両著者はCorningに所属していました。

高純度の石英ガラスであっても、購入仕様書には材料メーカーのグレードを記載する必要があります。JGS1やJGS2といった名称にも、対応する供給業者のデータシートが必要です。発注時には、グレード名、光学特性曲線、必要な証明書をひも付けて指定してください。

材料選定を左右する特性は何ですか？

石英ガラスに追加加工を施す価値があるかどうかは、熱膨張、耐熱性、光学特性によって決まります。熱膨張が小さいため、温度が変化しても部品の寸法を維持しやすくなります。ただし、使用限界は製造方法によって異なります。部品が軟化する温度と、最高使用温度は別の特性です。

石英ガラスには耐熱性がありますか？

はい、石英ガラスは高い耐熱性を備えていますが、使用可能な温度はグレードによって異なります。Heraeusは、最高連続使用温度を電気溶融石英ガラスで1160 °C、火炎溶融石英ガラスで1110 °C、合成石英ガラスで950 °Cとしています。これらの代表的な材料値は、荷重、形状、さらされる時間と併せて確認する必要があります。

出典：Heraeusの材料特性表。これらはメーカーが示す、製造方法ごとの代表値です。荷重のかからない薄い部材と、荷重を受ける炉内部品に、同じ使用限界をそのまま適用することはできません。

自由膨張の計算例

計算の前提は、拘束のない直線状の部材、均一な加熱、そして対象温度範囲についてHeraeusが公表する平均熱膨張係数です。拘束のない長さ100 mmの部材を0 °Cから100 °Cまで加熱する場合、平均熱膨張係数を5.1 × 10⁻⁷/Kとすると、計算上の膨張量は0.0051 mm、すなわち5.1 µmになります。

ΔL = L × α × ΔT = 100 mm × 5.1 × 10⁻⁷/K × 100 K = 0.0051 mm

これは部品の自由膨張量であり、取付けに必要な隙間を示すものではありません。金属ホルダーの有無、不均一な加熱、クランプの締付力といった要因も結果に影響します。National Institute of Standards and Technologyは、2024年の熱膨張に関する研究で、三つのシリカ試料を調べた際、試料間の差が個々の試料の測定不確かさを上回ることを確認しました。

電気絶縁部品では、誘電特性の要件と光学グレードを別々に指定してください。高温使用時の耐久性は、部品の取扱い方にも左右されます。Momentive Technologiesの指針は、汗による付着物を含む表面のアルカリ成分が失透を引き起こすとしています。炉心管の製造では、清浄な状態で取り扱い、部品を汚染から保護することが不可欠です。

石英ガラスは見た目の透明性ではなく波長で選ぶ

透過率曲線を基に、使用波長と部品の厚さに適した石英ガラスを選んでください。可視光で透明に見えても、紫外域や赤外域での吸収は分かりません。それだけではUV域やIR域の吸収は判断できません。溶融石英ガラスと合成グレードのどちらを選ぶかは、水酸基含有量、欠陥の種類と量、照射条件によって変わります。

石英ガラスは紫外線を遮断しますか？

石英ガラスには紫外線を透過するグレードが多く、そのため光学部品や紫外線用窓に使われています。光線透過率は波長、厚さ、グレードによって異なります。Corningは、HPFS材料のリソグラフィ用途として、248 nmのKrFや193 nmのArFを挙げています。透明な板であれば、どの光学グレードでも代替できるわけではありません。

赤外線用途では、水酸基による吸収に注意が必要です。MooreとSmithの総説では、OHの基本振動による吸収帯が2.73 µm付近、倍音による吸収帯が2.24 µmおよび1.37 µm付近にあると説明されています。低水酸基の合成グレードもあるため、“合成”という名称だけではOH含有量は分かりません。

HeraeusはInfrasilをOH含有量が8 ppm以下の天然溶融石英ガラスとし、低出力の近赤外線用途向けに位置付けています。この情報は、低強度の近赤外線用窓を検討する際の、具体的なグレードを選ぶ出発点として役立ちます。

波長適合性の確認

完成した窓の価格を比較する前に、光源、光路、照射条件に適した材料系統を必ず確認してください。

Edmund OpticsのUV/IR比較には、フレネル反射損失を含まない、厚さ5 mmの透過率曲線が示されています。内部透過率と、コーティングのない完成した窓全体の光線透過率は異なり、それぞれ確認できる内容も異なります。コーティング付き部品では、コーティング自体の波長依存性も加わります。

光の強度が高くなると、構造変化が起こる場合があります。この光学特性の総説では、照射による吸収と構造変化が説明されています。パルス照明を使う高精度機器では、初期の光線透過率が十分に見えても、照射条件を材料仕様に含める必要があります。

石英ガラスとホウケイ酸ガラス・その他の光学材料の比較

石英ガラスは、その分光特性や低い熱膨張係数が用途の要件を満たす場合に、有効な選択肢となります。ホウケイ酸ガラスは、文書で確認できる温度範囲と光学性能が使用条件を満たす、製品名の明確なものを選んでください。一般的なディスプレイ保護用途では、シリカ製の光学部品に費用をかける前に、実績のあるカバーガラス基材を検討してください。

SCHOTTは、BOROFLOAT 33の20～300 °Cにおける平均熱膨張係数を3.25 × 10⁻⁶/Kとしています。熱特性データシートでは、最高使用温度を10時間以上の長時間使用で450 °C、それより短い時間での使用では500 °Cとしています。これらはBOROFLOAT 33の数値であり、すべてのホウケイ酸ガラス製容器や窓に当てはまるものではありません。

熱膨張係数の対象温度範囲は、石英ガラスと同じとは限りません。両者の係数をそのまま厳密な比率として使うと、この違いを見落とすおそれがあります。加熱されるのぞき窓では、フレームや加熱サイクルも含め、実際の使用温度範囲全体で、製品が特定された材料同士を比較してください。

ディスプレイ用カバーでは、優先する項目が異なる場合があります。衝撃を受けたときの挙動、タッチ操作に対する反応、カバー表面の処理などが挙げられます。当社のソーダ石灰ガラスガイドでは、これらの優先事項を説明しています。サファイアのような、より硬い光学結晶は、合成石英ガラスの強度を高めたものではなく別系統の材料であり、その光学仕様と機械的仕様を別途比較する必要があります。

石英ガラスは、グレードによって分光特性が異なる光学材料です。レンズや観察系では、最高許容温度よりもガラスの均質性や表面仕上げが重要になる場合があります。光学ガラス選定ガイドを参考に、部品に求める機能に合った光学ガラスを選んでください。

石英ガラスの管・板・完成部品

完成形状と機能面は別々に指定してください。石英ガラス板には長さ、幅、厚さの許容範囲を、管には内径と肉厚の寸法を指定する必要があります。光学窓には、表面と波面に関する条件が必要です。圧力荷重を受ける部品では、組立体の一部として、支持状態を含む形状と荷重の持続時間を評価する必要があります。

石英ガラスは切断できますか？

はい、石英ガラスは切断や機械加工で必要な面を形成した後、研削・研磨を行います。外形に沿って切り出す作業は、工程の一つにすぎません。ほかにも、端面の状態、穴、光学面の要件によって追加の加工が必要になる場合があります。所定の寸法に研削した溶融石英ガラスでも、測定光を通す用途では光学研磨が必要です。

MGSは標準的な溶融石英ガラス窓の例として、寸法公差±0.005 inch、スクラッチ・ディグ60/40、平面度は1 inch当たり2～4波長に相当する仕様を挙げています。これらはMGSが公表する加工仕様であり、結像用光学部品に一律に適用できる仕様ではありません。同社の耐圧評価に関する案内では、支持されていない有効径の提示も求めています。

ISO 10110-7:2017は、光学素子および光学組立品の試験領域内で許容される表面欠陥の表示方法を定めています。

“これには、局所的な表面欠陥、縁の欠け、長い擦り傷が含まれます。”

ライフサイエンス向け実験器具と光学窓は同系統の材料を使いますが、合否判定基準は同じではありません。顕微鏡用カバーガラスには、光学仕様と厚さの指定が必要です。実験用の紫外可視分光測定グレードのセルは、測定光路長を指定して発注します。大型の炉用板は、形状と熱的な使用条件を指定して発注します。多孔質部品に、透明な溶融石英ガラス窓の仕様を適用するべきではありません。

宇宙ステーション用窓材料に関するNASAの研究では、公表されている低速亀裂進展パラメータが試験方法によって大きく異なると報告されています。この研究での比較は、持続荷重を低熱膨張という特性とは別に扱うべき根拠となります。Oリングシールにも、固有の温度限界と適合性の制約があります。

すべての形状要素に寸法制約を設ける前に、取付けに使う面を決め、光学有効開口を特定してください。当社のガラス組立公差ガイドでは、図面上の制約によって周辺部品に生じるトレードオフを説明しています。

石英ガラスの価格と納期を左右する要因は何ですか？

石英ガラスの納期と価格は、グレード、仕上がりのブランク材寸法、仕上げ工程によって異なります。光学研磨、コーティング、検査には、形状の切り出しとは別の作業が必要です。在庫があれば材料の調達期間を短縮できる場合がありますが、特注部品の加工と検査の日程は、別途合意する必要があります。

Valley Designの随時更新される在庫リストでは、掲載されている寸法や材料が常に入手できるとは限らないと注意を促しています。

Lawrence Livermore National Laboratoryによると、収束研磨は計測費用と人件費を削減し、製品単価の低減につながります。同研究所の光学仕上げに関する研究は、加工方法が費用に影響することを示しています。この技術はLLNLのものであり、SW Glassの生産設備について述べたものではありません。

両者の見積もりを同じ条件で比較するため、ブランク材、機械加工、研磨、コーティング、検査の費用を分けて提示してもらってください。そうすれば調達部門は、安い見積もりで必要な工程が省かれていないか確認できます。公差を厳しくする前に、品質技術部門が合否判定方法について合意し、追加費用が測定可能な要件に結び付くようにしてください。

材料メーカーと石英ガラス加工業者

材料メーカーは、所定のグレードのシリカ材料を供給します。加工業者は、その材料を完成部品に加工します。Heraeusは天然溶融石英ガラスのInfrasilを、CorningはHPFS合成材料を提供しています。Swift Glassは、実績のある複数のガラスメーカーの材料を使った加工について説明しています。こうした役割は、異なる組織が分担する場合があります。

CorningのHPFS紹介ページでは、同社の材料系統が示されています。Swift Glassの材料比較では、加工の観点から天然系と合成系の違いを説明しています。ブランク材を完成した窓へ加工する過程でも、材料メーカーとグレードを追跡できる状態を維持する必要があります。

SW Glassの特注カバーガラスガイドでは、機器用カバーやディスプレイを図面に基づいて設計するための次のステップを紹介しています。図面には必要な基材を明記し、ガラス加工に関する一般的な話の中で、指定したシリカグレードがいつの間にか別の材料に置き換わらないようにしてください。

用途の要件を、比較できる見積もりにつなげる

同じ完成部品についての見積もりになるよう、各供給業者に同じ用途要件書への回答を依頼してください。技術部門が波長と使用条件を定め、品質部門が検査方法を指定し、調達部門が数量と納入条件を設定します。見た目が単純な円板状の部品でも、要求事項には光学仕様と図面の両方を添付する必要があります。

例：波長254 nmの低出力センサー用窓で、直径30 mm、厚さ5 mm、大気圧下の20～60 °Cで使用するものとします。承認済みのプロジェクト要件に基づき、以下の項目を記入してください。

供給業者には、完成部品の検査報告書とグレードのデータシートの両方を提出してもらう必要があります。透過率の数値に表面反射が含まれているか確認してください。提示された納期にコーティング工程が含まれているか確認してください。見積書に図面の改訂番号を記載し、後の変更によって両供給業者が異なる部品を見積もる事態を防いでください。

カバーガラスの図面チェックリストを使うと、設計と加工の要件を整理できます。光学面に施す反射防止コーティングと防眩コーティングは異なります。当社の比較記事では、両用語の違いを説明しています。

よくある質問

掲載している材料の数値は、出典として明記したメーカーまたは研究資料に基づいています。自由膨張の計算は工学的な計算例であり、SW Glassによる試験結果ではありません。

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