ガラスと基板の科学
石英ガラスの諸類型：電融・火炎溶融・合成石英の不純物と水酸基
溶融石英は溶製法で電融・火炎溶融・合成などに分かれ、水酸基は数 ppm から千 ppm 超、不純物と気泡等級も異なる。本稿は 2.73、1.38、0.94 μm での水酸基吸収強度を示し、各類型の透過差を算出し、読取り波長による選び方を与える。
「溶融石英」は一つの材料ではない。同じ二酸化ケイ素ガラスでも、天然水晶粉の電融、酸水素炎での溶融、四塩化ケイ素の気相合成では、不純物・気泡・水酸基が桁違いになりうる。エンコーダの LED は多く 850–940 nm にあるが、水酸基は影響するか？そのために合成石英へ余分に払うべきか？答えは水酸基の吸収帯を計算して初めて出る。
諸類型はどこから来るか
よくある分類は I–IV 型だが各社の呼称は揃わない。以下は溶製法で分ける（図2）：電融石英は天然水晶粉を電気加熱で溶かし、水酸基はごく低いが天然原料の金属不純物が残り、気泡と筋は一般に多い；火炎溶融も天然粉を酸水素炎で溶かし、水酸基は数百 ppm まで上がる；合成石英は四塩化ケイ素を酸水素炎で加水分解堆積し、金属不純物は約 1 ppm 未満、気泡・筋は少なく、水酸基は千 ppm 超に達しうる；プラズマや無水炎を使う低水酸基合成石英は高純度と低水酸基を兼ねる。
水酸基吸収帯：位置と強度
Si–OH の伸縮は 2.73 μm に基音吸収、1.38 μm・0.94 μm 付近に一次・二次倍音があり、2.21 μm と 1.24 μm に結合帯もある。吸収係数は水酸基量にほぼ比例する：
α(λ) = k(λ) · c_OH
ここで c_OH は水酸基質量含有量（ppm）、k は単位含有量あたりの吸収係数。例として k（cm⁻¹/ppm、自然対数）：2.73 μm が 2.3×10⁻²、1.38 μm が 3×10⁻⁴、0.94 μm が 5×10⁻⁶。2.73 μm の値はよく使うモル吸光係数約 77.5 L/(mol·cm) から換算され、水酸基測定にもなる：c_OH ≈ 100 × A / d、A はベースライン差し引き後の常用対数吸光度、d は厚さ（cm）。1.38 と 0.94 μm の係数は文献の ppm 口径（質量またはモル）が異なり、例値に 2–3 倍の不確かさがあり桁判断用である。
10 mm 厚・両面反射込み（屈折率約 1.45、フレネル透過約 93.4%）で、三つの典型水酸基量での帯心透過率は：
| 類型（水酸基） | 2.73 μm | 1.38 μm | 0.94 μm |
|---|---|---|---|
| 電融（5 ppm） | 83% | 93% | 93% |
| 火炎溶融（250 ppm） | 0.3% | 87% | 93% |
| 合成（1000 ppm） | < 0.1% | 69% | 93% |
吸収 10% に要する水酸基量（10 mm 厚）は：2.73 μm で約 4.6 ppm、1.38 μm で約 350 ppm、0.94 μm で約 2×10⁴ ppm で、実在石英を大きく超える（図3）。したがって 850 nm と 940 nm の LED は水酸基の影響を受けず、類型の差は反射損失だけ；2.73 μm 帯は数 ppm で見え、3.5 μm 以内の赤外には低水酸基が必要である。
紫外・気泡とその他の差
紫外。 合成石英の深紫外吸収端は約 160–170 nm、天然粉溶製は約 180–200 nm で、245 nm 付近に不純物吸収帯が出ることが多く、ロット差が大きい。365 nm・405 nm の露光と紫外硬化はどの類型でも足りる；254 nm 未満の洗浄や露光では合成石英が有利である。
気泡と筋。 電融石英は微小気泡が多く、クロム刻線時にピンホールや局所散乱を起こしコードディスクの線品質に影響しうる；合成石英は気泡・筋が最も少なく光学均一性も良く、価格も高い。
高温挙動。 水酸基が多い類型は粘度がやや低く高温安定性がやや劣る——メーカーデータに従う；これら諸類型の膨張係数はいずれも約 0.5×10⁻⁶/K 付近で目立った差はない。
波長による選び方
| 使用条件 | 傾向 |
|---|---|
| 850、880、940 nm LED、可視読取り | 水酸基は無関係。気泡・均一性・コストで選ぶ |
| 365、405 nm 露光と紫外硬化 | どの類型でも可 |
| 254 nm 未満の洗浄と露光 | 合成石英 |
| 1.31–1.55 μm 光源、光路が長い | 低水酸基。1.38 μm 帯を避ける |
| 2–3.5 μm 赤外 | 低水酸基（赤外級） |
エンジニアリング要点
- まず読取り波長を問う：850–940 nm の LED は水酸基の影響を受けないので、水酸基のためだけに余分に払わない。
- 光路に 1.38 μm または 2.73 μm 付近の波長があるときは低水酸基類型を使い、供給者に水酸基量を明示させる。
- 仕様には水酸基範囲・気泡等級・筋等級を書く。この三つが「石英」という語より性能を決める。
- 深紫外洗浄・露光用は合成を選び、254 nm 未満の透過を検証する。
- 電融石英は気泡と不純物を検査し、量産クロム前に素板のピンホール率を抜き取る。
- 水酸基は赤外分光で測る：厚さ 10 mm 以上とし、低水酸基試料でも測れるようにする。
まとめ
石英ガラスの水酸基は数 ppm から千 ppm 超で、2.73 μm の基音吸収は数 ppm で見え、1.38 μm では数百 ppm、0.94 μm ではほとんど見えない。したがって LED 読取りのコードディスクは水酸基のために合成石英を選ぶ必要はなく、気泡・不純物・紫外の必要で類型を選ぶ；赤外と深紫外用途こそ水酸基を調達仕様に書くべきである。
中国語原文記事の翻訳 (0570). ENC7 コード板メーカー（お問い合わせ） · 技術記事 · https://enc7.com
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