JPH05319849A - シリカ多孔質母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＶＡＤ法による石英ガラスの製造におけるそ
の生産性と経済性の向上を目的として、シリカ多孔質母
材の外径変動や変形及びシリカ多孔質母材側面部に生じ
るヒビ割れや剥離を発生させずに大型のシリカ多孔質母
材を高収率かつ高合成速度で製造する方法を提供する。 【構成】 ＶＡＤ法によるシリカ多孔質母材の製造方法
において、同芯円状多重管バーナーの口径の１．８〜
３．０倍の直径を有するシリカ多孔質母材成長面疑似球
の法線と該同芯円状多重管バーナーの中心軸が一致する
ように該同芯円状多重管バーナーを固定設置するシリカ
多孔質母材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気相軸付け法（ＶＡＤ
法）によりシリカ多孔質母材を製造する方法に関するも
のであり、特にシリカ多孔質母材の外径変動や変形を抑
えて、側面部にヒビ割れや剥離を発生させずにシリカ多
孔質母材を高収率かつ高合成速度で製造する方法に関す
るものである。ＶＡＤ法により製造されたシリカ多孔質
母材を焼結することにより石英ガラスが得られ、この石
英ガラスは高純度，高品質の石英ガラスとして高温耐熱
材、光学材、電子部品材料等の用途に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＶＡＤ法によるシリカ多孔質母
材は、気体のシリカ原料，可燃性ガス，不活性ガス及び
支燃性ガスをバーナーに供給して、火炎加水分解させて
シリカ微粒子を生成し、このシリカ微粒子を石英製等の
出発部材上に付着，堆積させ、シリカ微粒子の堆積速度
に応じて出発部材を引上げて、引上げ軸方向にシリカ微
粒子を堆積，成長をさせることにより製造されている。
気体のシリカ原料として四塩化珪素や三塩化シラン等の
珪素化合物が、可燃性ガスとして水素ガスが、支燃性ガ
スとして酸素ガスが、不活性ガスとして窒素ガス又はア
ルゴンガスが一般的に用いられる。

【０００３】ＶＡＤ法によるシリカ多孔質母材の製造に
おいて、シリカ多孔質母材の成長面とバーナーとの位置
関係により、得られるシリカ多孔質母材の収率や合成速
度，径の変動等のシリカ多孔質母材の生産性や合成の安
定性に大きく影響を与える。このため、シリカ多孔質母
材の引上げ速度の制御や、バーナー位置の制御につい
て、種々の方法が提案されている。例えば、１）ガラス
微粒子堆積体の成長端面位置を検出する装置と、その検
出出力によりガラス微粒子の吹付ノズルからの成長端面
の距離を一定に保持するように制御する装置とを有する
ことにより、ガラス微粒子堆積体の外径変動や、ガラス
の屈折率のゆらぎ等を防止するための光ファイバー母材
製造装置（特公昭５５−２７０１８号）、２）火炎加水
分解反応によって火炎中に形成されるガラス微粒子の流
れを検出し、ガラス微粒子の流れの中心部に存在するダ
ークラインが多孔質ガラス体堆積面上に吹き付けられる
位置を制御することにより合成状態、堆積状態を制御す
ることにより得られる光ファイバーの屈折率分布の再現
性を向上させる光ファイバー用母材の製造方法（特公昭
５９−１０９３９号）、３）火炎中のダークライン延長
線と出発基材回転軸との交点からガラス微粒子集合体底
面までの長さを所定の値に保って、ガラス微粒子を堆積
させることにより、常に最適のドーパント濃度を維持し
て光ファイバーとしての伝送特性の良好なものを比較的
長期間製造するためのガラス微粒子集合体の製造方法
（特開昭５８−１１５０３６号）、４）火炎の回転する
多孔質母材を覆う部分の形状を調節して堆積状態を安定
化することにより、安定した収率で母材形状も良好に保
てる光ファイバー用母材の製造方法（特開昭６２−２６
０７２９号）などである。

【０００４】これらの方法は、ＶＡＤ法により光ファイ
バー用の多孔質母材を製造するための方法であり、光フ
ァイバー用の多孔質母材としては、その収率や合成速度
の低下よりも、多孔質母材の外径変動や屈折率分布の変
動を伴うような合成の不安定性や非再現性が非常に問題
となるため、これらの問題点を特に低減させるための方
法である。すなわち、多孔質母材の外径変動や屈折率分
布の変動を防止すべくシリカ多孔質母材の引上げ速度や
バーナー位置を高度に制御するために、シリカ多孔質母
材の位置とバーナーの位置を精度良く検出しつつ、シリ
カ多孔質母材の引上げ速度とバーナーの位置の両者を微
調整するものである。そのため、シリカ多孔質母材位置
の制御機構とバーナー位置の制御機構を別個に必要とさ
れるため、装置の大型化、高級化がシリカ多孔質母材の
製造における経済性の面で問題となっている。また、合
成途上でバーナー位置を微調整する必要があるため、反
応炉のバーナー設置部分の気密性に問題が生じ、反応炉
の気密が十分でない場合には火炎の不安定化に伴う合成
状態の悪化、不純物の混入等の問題が生じる。

【０００５】これに対し、石英ガラス用のシリカ多孔質
母材は、光ファイバー用の多孔質母材と異なり屈折率分
布については問題とされず、石英ガラス用のシリカ多孔
質母材の製造方法においては、石英ガラスを効率良く経
済的に生産するためには、より大型のシリカ多孔質母材
を収率良く高合成速度で製造する必要があると同時に、
石英ガラス製造の生産性や経済性を重視して作業性や操
作性、装置の簡略化が必要とされる。

【０００６】このため、石英ガラス用のシリカ多孔質母
材を製造する際に、シリカ多孔質母材の大型化や合成速
度の高速化を図る場合、一般的にはバーナーの大型化，
供給ガス流量の増大等が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単にバ
ーナーの大型化や供給ガス流量の増大だけでは供給した
シリカ原料に対する反応収率が低下したり、シリカ多孔
質母材の外径が過度に肥大化するため、シリカ多孔質母
材の外径変動や変形を生じたり、シリカ多孔質母材の側
面部にヒビ割れや剥離が生じる例が多くなった。シリカ
多孔質母材の外径変動や変形は、安定な反応や合成が行
われていないために生じるものであり、合成収率の低下
と同時に変形度は合成を続ける限り著しくなるため、合
成は中止せざるを得ない。また、シリカ多孔質母材側面
部に生じるヒビ割れや剥離も一旦これらが生じた場合、
合成を続ける限り連鎖的に大きくなり、剥離片がバーナ
ー口内に落下する等により合成を継続することは難し
い。

【０００８】さらに、ヒビ割れや剥離が生じたシリカ多
孔質母材を焼結処理して得られる石英ガラスには、その
表面や内部にヒビ割れや構造的欠陥を有しており、石英
ガラスの用途、例えば高温耐熱材、光学材、電子部品材
料等の用途には適さないか又は適する部分のみを切出し
て加工しても、著しく歩留りが悪くなる。

【０００９】本発明は以上のような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、ＶＡＤ法による石英ガラ
スの製造におけるその生産性と経済性の向上を目的とし
て、シリカ多孔質母材の外径変動や変形及びシリカ多孔
質母材側面部に生じるヒビ割れや剥離を発生させずに大
型のシリカ多孔質母材を高収率かつ高合成速度で製造す
る方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を解決するために鋭意検討した結果、バーナーの位
置をどのようにセッティングするかがシリカ多孔質母材
の収率とシリカ多孔質母材の変形や剥離と大きな関係が
あることに着目し、バーナーの大きさや供給ガス流量の
異なる場合においても、得られるシリカ多孔質母材に変
形や剥離の発生しない範囲で最高の収率を得るためにシ
リカ多孔質母材成長面とバーナーの最適な位置関係が存
在することを見出し、本発明を完成するに至ったもので
ある。すなわち、本発明はＶＡＤ法によるシリカ多孔質
母材の製造方法において、同芯円状多重管バーナーの口
径の１．８〜３．０倍の直径を有するシリカ多孔質母材
成長面疑似球の法線と該同芯円状多重管バーナーの中心
軸が一致するように該同芯円状多重管バーナーを固定設
置するシリカ多孔質母材の製造方法である。

【００１１】以下、本発明についてさらに詳細に説明す
る。

【００１２】本発明者らは、バーナーの設置位置とシリ
カ多孔質母材の成長面の関係について鋭意検討した結
果、シリカ多孔質母材の成長面の先端部はほぼ球状をな
していることを見出し、さらにバーナーの中心軸はこの
球面の中心を目指す位置関係、すなわち、この球面の法
線に一致していることを見出した。

【００１３】この球面のことをシリカ多孔質母材成長面
疑似球と呼ぶこととするが、このシリカ多孔質母材成長
面疑似球の直径はバーナーの設置位置により決定される
ものであり、シリカ多孔質母材成長面疑似球の直径を大
きくするような位置にバーナーを設置した場合、シリカ
多孔質母材の外径変動や変形、側面部にヒビ割れや剥離
が生じ、一方、シリカ多孔質母材成長面疑似球の直径を
小さくするような位置にバーナーを設置した場合には、
シリカ多孔質母材の収率や合成速度を著しく損うか又は
シリカ多孔質母材が変形する。そのため、同芯円状多重
管バーナーの設置は使用する同芯円状多重管バーナーの
口径の１．８〜３．Ｏ倍の直径を有するシリカ多孔質母
材成長面疑似球の法線と同芯円状多重管バーナーの中心
軸が一致する位置に設置することが、シリカ多孔質母材
の外径変動や変形、側面部に生じるヒビ割れや剥離を防
止して合成収率や合成速度を最も高くするものである。

【００１４】さらに、本発明においては以上のような最
も適した位置に同芯円状多重管バーナーを固定設置する
ことから、同芯円状多重管バーナーとシリカ多孔質母材
の位置関係はシリカ多孔質母材先端部の位置を一定に保
つことにより得られ、同芯円状多重管バーナーの位置を
制御する必要がないため、バーナー本体の位置制御機構
を有する必要がなく、これによりバーナーを反応炉に設
置する部分の気密も保つことができ、反応の安定化に大
きく寄与する。また、シリカ多孔質母材先端部の位置を
一定に保つための制御機構は通常知られている光学的手
段による位置の検出とその検出信号を出発部材の引上げ
装置へフィードバックすることにより容易に達成され
る。

【００１５】同芯円状多重管バーナーの中心軸とシリカ
多孔質母材中心軸のなす角をバーナー角度と呼ぶが、本
発明においてはバーナー角度はＶＡＤ法で一般的である
３０〜４５゜に設定することが本発明の効果、特にシリ
カ多孔質母材の外径変動や変形及び側面部のヒビ割れや
剥離を防止する上で好ましい。

【００１６】本発明において使用される同芯円状多重管
バーナーとしては、中心層にガラス原料を供給する原料
供給用ノズルと、該原料供給用ノズルのまわりに火炎流
を形成する複数の火炎形成用ノズルを有するものであれ
ば特に限定するものではなく、例えば、４重管バーナ
ー、９重管バーナー、１３重管バーナー、１４重管バー
ナー等があげられる。

【００１７】また、使用される同芯円状多重管バーナー
の口径は合成するシリカ多孔質母材の外径の大きさによ
り適宜選択すればよい。シリカ多孔質母材の外径と同芯
円状多重管バーナーの口径との関係は、シリカ多孔質母
材成長面疑似球の直径と同芯円状多重管バーナーの口径
との関係とほぼ同様な関係ではあるが、シリカ多孔質母
材の外側部に比較的緩く付着，堆積するシリカ微粒子の
層厚は排気条件により大きく変動するため、使用される
同芯円状多重管バーナーの口径は特に限定するものでは
ないが、シリカ多孔質の径は同芯円状多重管バーナーの
口径の２．８〜５．０倍になるのが通常であるため、合
成するシリカ多孔質母材の外径の０．２〜０．３５倍の
口径を有する同芯円状多重管バーナーを用いることが好
ましい。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いてさらに説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００１９】実施例１ 図１に示すように、径が７９ｍｍの同芯円状多重管バー
ナーをバーナー仰角を４５゜にしてシリカ多孔質母材成
長疑似球の直径が２３０ｍｍとなるように固定設置し
た。このときシリカ多孔質母材疑似球の直径はバーナー
口径の２．９１倍であった。このバーナーに水素ガスを
２８４Ｎｌ／ｍｉｎ，酸素ガスを１０９Ｎｌ／ｍｉｎ，
窒素ガスを６２Ｎｌ／ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成
し、バーナーの中心層にガラス原料である四塩化珪素を
１０．０Ｎｌ／ｍｉｎ（４．５５ｋｇ／ｈｒ）を供給し
てシリカ多孔質母材の合成を行なったところ、収率７
０．８％，合成速度１８．９ｇ／ｍｉｎで外径が３１０
φのシリカ多孔質母材が得られた。このとき使用した同
芯円状多重管バーナーの口径は得られたシリカ多孔質母
材の０．２６倍であった。

【００２０】実施例２ 径が８７ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を４５゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が２
３０ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の２．６４倍であ
った。このバーナーに水素ガスを５１０Ｎｌ／ｍｉｎ，
酸素ガスを１５３Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを６４Ｎｌ／
ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層
にガラス原料である四塩化珪素を１２．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（５．４６ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、収率６８．４％，合成速度２
２．０ｇ／ｍｉｎで外径が３６０φのシリカ多孔質母材
が得られた。このとき使用した同芯円状多重管バーナー
の口径は得られたシリカ多孔質母材の０．２４倍であつ
た。

【００２１】実施例３ 径が８７ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を６０゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が２
４０ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の２．７６倍であ
った。このバーナーに水素ガスを５１０Ｎｌ／ｍｉｎ，
酸素ガスを１５３Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを６４Ｎｌ／
ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層
にガラス原料である四塩化珪素を１２．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（５．４６ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、収率６９．９％，合成速度２
２．５ｇ／ｍｉｎで外径が３９０φのシリカ多孔質母材
が得られた。このとき使用した同芯円状多重管バーナー
の口径は得られたシリカ多孔質母材の０．２２倍であつ
た。

【００２２】実施例４ 径が５３ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を４５゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が１
００ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の１．８９倍であ
った。このバーナーに水素ガスを１１８Ｎｌ／ｍｉｎ，
酸素ガスを５５Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを２７Ｎｌ／ｍ
ｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層に
ガラス原料である四塩化珪素を４．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（１．８２ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、収率７８．０％，合成速度７．
８ｇ／ｍｉｎで外径が１８０φのシリカ多孔質母材が得
られた。このとき使用した同芯円状多重管バーナーの口
径は得られたシリカ多孔質母材の０．２９倍であった。 比較例１ 同芯円状多重管バーナーの中心軸とシリカ多孔質母材の
引上げ軸がねじれの位置になるように、同芯円状多重管
バーナーの固定設置を水平方向に同芯円状多重管バーナ
ーの口径の４分の１だけずらし、またシリカ多孔質母材
の成長面が同芯円状多重管バーナーの中心軸とシリカ多
孔質母材の引上げ軸の交点からシリカ多孔質母材成長面
疑似球の半径に相当する長さだけ下方に常に位置するよ
うにシリカ多孔質母材の引上げ制御装置の制御設定を行
なった。この同芯円状多重管バーナーに、気体のガラス
原料，可燃性ガス，不活性ガス及び支燃性ガスを供給し
て、シリカ多孔質母材の合成を行なった。その結果、得
られたシリカ多孔質母材の成長面は先端に凹部が生じて
球状ではなく、シリカ多孔質母材の側面形状も凹凸があ
り、一部に剥離が生じていた。

【００２３】比較例２ 図２に示すように、径が７９ｍｍの同芯円状多重管バー
ナーをバーナー仰角を４５゜にしてシリカ多孔質母材成
長疑似球の直径が２６５ｍｍとなるように固定設置し
た。このときシリカ多孔質母材疑似球の直径はバーナー
口径の３．３５倍であった。このバーナーに水素ガスを
２８４Ｎｌ／ｍｉｎ，酸素ガスを１０９Ｎｌ／ｍｉｎ，
窒素ガスを６２Ｎｌ／ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成
し、バーナーの中心層にガラス原料である四塩化珪素を
１０．０Ｎｌ／ｍｉｎ（４．５５ｋｇ／ｈｒ）を供給し
てシリカ多孔質母材の合成を行なったところ、１００分
後にシリカ多孔質母材側面部に剥離が生じたため、合成
を中止した。

【００２４】比較例３ 図３に示すように、径が７９ｍｍの同芯円状多重管バー
ナーをバーナー仰角を４５゜にしてシリカ多孔質母材成
長疑似球の直径が１１５ｍｍとなるように固定設置し
た。このときシリカ多孔質母材疑似球の直径はバーナー
口径の１．４６倍であった。このバーナーに水素ガスを
２８４Ｎｌ／ｍｉｎ，酸素ガスを１０９Ｎｌ／ｍｉｎ，
窒素ガスを６２Ｎｌ／ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成
し、バーナーの中心層にガラス原料である四塩化珪素を
１０．０Ｎｌ／ｍｉｎ（４．５５ｋｇ／ｈｒ）を供給し
てシリカ多孔質母材の合成を行なったところ、収率５
４．５％，合成速度１４．６ｇ／ｍｉｎで外径が２３０
φのシリカ多孔質母材が得られた。このとき使用した同
芯円状多重管バーナーの口径は得られたシリカ多孔質母
材の０．３４倍であった。

【００２５】比較例４ 径が８７ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を４５゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が１
４０ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の１．６１倍であ
った。このバーナーに水素ガスを５１０Ｎ１／ｍｉｎ，
酸素ガスを１５３Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを６４Ｎｌ／
ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層
にガラス原料である四塩化珪素を１２．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（５．４６ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、収率５５．５％，合成速度１
７．８ｇ／ｍｉｎで外径が２９５φのシリカ多孔質母材
が得られた。このとき使用した同芯円状多重管バーナー
の口径は得られたシリカ多孔質母材の０．２９倍であっ
た。

【００２６】比較例５ 径が８７ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を６０゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が１
６０ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の１．７７倍であ
った。このバーナーに水素ガスを５１０Ｎｌ／ｍｉｎ，
酸素ガスを１５３Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを６４Ｎｌ／
ｍｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層
にガラス原料である四塩化珪素を１２．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（５．４６ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、シリカ多孔質母材の先端部が変
形したため合成を中止した。

【００２７】比較例６ 径が５３ｍｍの同芯円状多重管バーナーをバーナー仰角
を４５゜にしてシリカ多孔質母材成長疑似球の直径が１
７０ｍｍとなるように固定設置した。このときシリカ多
孔質母材疑似球の直径はバーナー口径の３．２１倍であ
った。このバーナーに水素ガスを１１８Ｎｌ／ｍｉｎ，
酸素ガスを５５Ｎｌ／ｍｉｎ，窒素ガスを２７Ｎｌ／ｍ
ｉｎ供給して酸水素火炎を形成し、バーナーの中心層に
ガラス原料である四塩化珪素を４．０Ｎｌ／ｍｉｎ
（１．８２ｋｇ／ｈｒ）を供給してシリカ多孔質母材の
合成を行なったところ、１２０分後にシリカ多孔質母材
側面部に剥離が生じたため、合成を中止した。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにように、
本発明の製造方法によれば、シリカ多孔質母材の外径変
動や変形及び側面部にヒビ割れや剥離を発生させずにシ
リカ多孔質母材を高収率かつ高合成速度で製造すること
ができ、ＶＡＤ法による石英ガラスの製造におけるその
生産性と経済性を大きく向上させることができる効果を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるシリカ多孔質母材と同芯円状
多重管バーナーの相対位置関係を示す図である。

【図２】比較例２におけるシリカ多孔質母材と同芯円状
多重管バーナーの相対位置関係を示す図である。

【図３】比較例３におけるシリカ多孔質母材と同芯円状
多重管バーナーの相対位置関係を示す図である。

【符号の説明】

１：シリカ多孔質母材 ２：同芯円状多重管バーナー ３：シリカ多孔質母材成長面疑似球 ４：シリカ多孔質母材成長面疑似球の中心 ａ：同芯円状多重管バーナーの口径 ｂ：シリカ多孔質母材の外径 ｃ：シリカ多孔質母材成長面疑似球の直径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植竹 孝 東京都武蔵野市吉祥寺南町一丁目27番１号 エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロ ジ株式会社内 (72)発明者 小田切 泰樹 山口県新南陽市宮の前２−６−10 (72)発明者 塩田 英司 山口県防府市大字大崎276−376 (72)発明者 久保 富義 山口県下松市大字末武中33番地の80

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体のガラス原料，可燃性ガス，不活性
   ガス及び支燃性ガスを同芯円状多重管バーナーに供給し
   て、火炎加水分解させてシリカ微粒子を生成し、これを
   出発部材上に堆積させ、該出発部材をシリカ微粒子の堆
   積速度にあわせて上方に引上げるシリカ多孔質母材の製
   造方法において、該同芯円状多重管バーナーの口径の
   １．８〜３．０倍の直径を有するシリカ多孔質母材成長
   面疑似球の法線と該同芯円状多重管バーナーの中心軸が
   一致するように該同芯円状多重管バーナーを固定設置す
   ることを特徴とするシリカ多孔質母材の製造方法。