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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

材料の基本情報
  • 構造:結晶質の石英とは異なる、非晶質のシリカです。
  • 製造方法:天然石英を原料とする方法と、化学合成による方法があります。
  • 光学面での選定:波長、厚さ、照射条件に合うグレードを選びます。
  • 完成部品の選定:寸法公差と光学的な合否判定基準を分けて考えます。

石英ガラスは熱膨張が小さい非晶質のシリカガラスで、光線透過率はグレードによって異なります。天然溶融石英ガラスと合成石英ガラスは、それぞれ適した使用条件が異なります。完成部品の仕様を決める前に、波長と熱にさらされる条件に基づいて材料を選定してください。

押さえておきたいポイント
  • 合成グレードだからといって、連続使用温度が最も高いとは限りません。
  • 水酸基含有量は赤外線の吸収に影響しますが、可視光での透明性だけでは、その挙動はほとんど分かりません。
  • 研磨済みの窓と、寸法が正確な板では、必要な受入検査が異なります。
  • 同じ材料グレード、図面、光学要件に基づいて見積もりを比較してください。

石英ガラス、溶融石英ガラス、合成石英ガラス

天然原料からは溶融石英、化学前駆体からは合成石英が得られ、どちらも非晶質です(Moore and Smith)。

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。

天然溶融石英ガラス
  • 天然石英を原料とします。
  • 電気溶融法や火炎溶融法で製造されます。
  • グレードの選定には、不純物と光学特性の仕様が必要です。
合成石英ガラス
  • 化学前駆体を原料とします。
  • 光学的な純度や欠陥を考慮して設計されたグレードがあります。
  • 水酸基含有量は製造工程によって異なります。

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?

Heraeusの熱膨張係数を用いると、拘束されていない長さ100 mmの材料を0~100 Cに加熱したときの膨張量は0.0051 mmとなりますが、これは取り付けに必要な隙間を示すものではありません。

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。

製造方法別に見るHeraeusの代表的な熱特性データ
材料の製造方法短時間使用温度軟化温度
電気溶融石英ガラス1300 °C1710 °C
火炎溶融石英ガラス1250 °C1660 °C
合成石英ガラス1200 °C1600 °C

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

石英ガラスのグレード選定は、波長、仕上がり厚さ、曝露条件によって決まります(Corning, Heraeus and Edmund Optics)。

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。

用途から材料を選ぶ:まず使用条件を確認
用途の条件初期候補発注内容を左右する判断
193 nmリソグラフィArF照射向けに設計されたグレード初期透過率に加え、照射に対する安定性も合否判定基準に含めます。
248 nmリソグラフィKrF照射向けに設計されたグレード光学材料メーカーが用途別に指定するグレードを使用してください。
254 nmの低出力センシング紫外線を透過するグレード完成部品の光路長における曲線を比較してください。
可視光での検査用窓シリカとほかの光学ガラスを比較熱特性や分光特性の要件から必要と判断できる場合に、シリカの費用をかけてください。
低出力の近赤外線用窓Infrasilなどの低OH天然石英ガラスを検討実際の吸収帯を光源と照らし合わせて確認してください。
2 µm付近の光源低OHの赤外線用グレードを比較吸収された光によって光学部品が加熱されることがあります。
強いパルス光の照射照射への適合性が確認された光学グレードパルス条件と表面の前処理が耐久性に影響します。
広い波長範囲での分光測定測定帯域全体の曲線が示されているグレード可視光の透過率を示す値だけでは不十分です。
コーティング付き光学窓基材とコーティングを併せて選定必要な入射角における完成部品の光線透過率を使用してください。

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

実際に求められる光学性能と熱的条件に照らして、シリカ、品種が明記されたホウケイ酸ガラス、ディスプレイ用カバーガラスの基材を比較してください。

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

板、円板、ロッド、チューブ、光学部品では、それぞれ寸法、光学性能、荷重に関する仕様が異なります。

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。”

完成形状と、それぞれに必要な追加仕様
形状主な用途・特徴材料の種類とは別に指定すべき仕様
石英ガラス板平板のブランク材または支持材外形、厚さ、端面の状態
石英ガラス円板円形の窓またはブランク材直径、厚さ、有効開口
石英ガラス棒中実の円柱状素材直径、真直度、端面仕上げ
石英ガラス管工程用の中空部品外径、内径、肉厚
研磨済み光学窓光ビームの透過表面品質、平面度、透過時の光学性能
耐圧窓密閉され、荷重がかかる窓部非支持スパン、取付け方法、圧力条件
実験用セル試料中を通る規定の光路光路長と波長帯域
焼結ガラス円板実験用の多孔質部品窓の研磨仕様ではなく、気孔率と流量の要件
コーティング付き窓分光特性または反射の制御コーティングの対応波長帯域、入射角、基材との適合性

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?

在庫の有無だけでは、完成部品の見積もりに含まれる機械加工、研磨、コーティング、検査のすべての工数は分かりません。

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

材料メーカーがグレードを供給し、加工業者がそのグレードのトレーサビリティを維持しながら完成部品を製作します。

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

見積依頼書の例では、波長254 nm、寸法30 × 5 mm、温度範囲20~60 Cを指定し、供給元のグレード情報と検査の詳細を求めています。

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。

比較可能な見積もりの例:両供給業者に同じ要件を提示
項目記入例または求める回答担当部門
用途低出力の紫外線センサー用窓技術部門
使用波長254 nm、光源の帯域幅を添付技術部門
ブランク材の寸法直径30 mm × 厚さ5 mm、公差は図面に記載技術部門
温度と荷重20~60 °C、大気圧、取付け図面を添付技術部門
材料の特定情報材料メーカーと、提案する紫外線用グレードの正確な名称供給業者が回答
光学的な合否判定基準仕上がり厚さにおける光線透過率の提案値と試験方法品質部門
表面の合否判定基準有効開口と許容欠陥を光学図面に記載品質部門
仕上げとコーティングコーティングなしの研磨面で見積もり、必要な場合はコーティング費用を別途提示技術部門
発注数量10個と100個それぞれの価格調達部門
納入範囲ブランク材の在庫状況、完成部品の仕上がり時期、検査範囲を明記調達部門

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。

実施すべきこと
  • 材料メーカーとグレードを明記してください。
  • 完成部品の光路を明確にしてください。
  • 寸法と光学的な合否判定基準を分けてください。
してはいけないこと
  • 見た目の透明性だけで材料を承認しないでください。
  • 軟化温度を使用限界として扱わないでください。
  • 在庫ブランク材の見積もりを、完成した窓の見積もりとして扱わないでください。

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

石英ガラスには傷が付きますか?

はい。研磨作用のあるものとの接触で、石英ガラスに傷が付くことがあります。

表面の傷は光を散乱させ、脆い部品の強度を低下させることがあるため、重要です。結晶質の石英について知られている硬度の数値を、溶融石英ガラスにそのまま当てはめるべきではありません。取扱い時と梱包時には両方の光学面を保護し、窓の受入れ時には合意済みの表面品質検査を実施してください。同じ部材であっても、耐傷性と光学面の清浄度は異なる要件です。

石英ガラスは鉱物ですか?

いいえ。石英は鉱物ですが、石英ガラスは非晶質のガラスです。

どちらも二酸化ケイ素を含みますが、原子の配列が異なります。石英結晶には規則的な構造がありますが、合成石英ガラスにはそのような繰り返しの配列がありません。そのため、結晶方位や複屈折をガラス窓の仕様にそのまま持ち込むべきではありません。購入時の品目説明では、材料を単に石英という言葉だけで表すのではなく、ガラスのグレードと製造方法を特定する必要があります。

石英ガラスは割れやすいですか?

石英ガラスは脆く、衝撃や不適切な荷重によって破損することがあります。

石英ガラスの熱特性が優れていても、割れないわけではありません。表面の損傷、端面の状態、部品の取付方法によって、荷重に対する挙動は変わります。周縁全体を支持した板と、数か所をクランプで固定した板でも、挙動は異なります。圧力窓では、初期の短時間試験だけでなく継続使用も考慮し、ガラスとその支持構造を部品ごとに評価する必要があります。

石英ガラスに熱強化処理はできますか?

一般的な安全ガラスの熱強化処理を、そのまま石英ガラスにも適用できると考えるべきではありません。

石英ガラスは熱膨張が小さいため、熱強化処理で考慮すべき課題も異なります。耐衝撃性が主な要件である場合は、基材と強化処理の工程を併せて選定してください。

石英ガラスは複合材料ですか?

一般的な溶融石英ガラスはシリカガラスであり、複合材料ではありません。

コーティングを施した窓や接着による組立品には、ほかの材料が含まれる場合があります。それらの層の仕様は、ガラス本体のグレードとは分けて指定してください。

見積依頼の前に図面を準備する

ディスプレイや装置のカバーをご検討の場合は、SW Glassの光学ガラスソリューションページから、基材の要件、図面の改訂番号、使用条件をお送りください。用途を踏まえて材料を検討できるよう、必要な光学機能もお知らせください。

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。

参考文献・出典

  1. 溶融シリカの特性に関する総説、Lisa A. MooreおよびCharlene M. Smith、Optical Materials Express、2022年;著者はCorningに所属。
  2. 6 × 10⁻¹⁰ K⁻¹以内の精度で測定した溶融石英ガラスの熱膨張率、米国国立標準技術研究所(NIST)、2024年。
  3. ISO 10110-7:2017の公開されている適用範囲と現在の状態、International Organization for Standardization。
  4. 国際宇宙ステーションの窓ガラスに用いられる溶融シリカの破壊力学特性、NASA Technical Reports Server。
  5. 光学仕上げ加工の研究、Lawrence Livermore National Laboratory。

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