JP2007091545A

JP2007091545A - フッ素添加石英ガラスの製造方法及び装置

Info

Publication number: JP2007091545A
Application number: JP2005284513A
Authority: JP
Inventors: Fumio Saito; 文男斉藤; Atsushi Abe; 淳阿部; Nobuyasu Mantoku; 伸康萬徳
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP4456054B2

Abstract

【課題】フッ素添加原料ガスを供給しながら透明ガラス化を行う焼結工程において、外気の侵入によるOH量の増加の影響を防止することができる、OH量の少ないフッ素添加石英ガラスの製造方法及び装置を提供する。
【解決手段】第１の発明は、スート堆積体１を炉心管２内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、スート堆積体１の上方を流れる少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管２の下方から供給することを特徴とし、第２の発明は、スート堆積体１を炉心管２内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、スート堆積体１の上方にスート堆積体１と共に移動する円盤15を取り付け、炉心管２と円盤15との隙間を流れる、少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管２の下方から供給することにある。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス微粒子堆積体（以下、スート堆積体と称する）にフッ素を添加しながら焼結し、透明ガラス化するフッ素添加石英ガラスの製造方法及び装置に関する。

スート堆積体を脱水した後、ガラス化して透明石英ガラス母材を製造する方法には、例えば、図１に示す装置を用いて行う方法が挙げられる。
スート堆積体１は、炉心管２内に収容され、不活性ガス及び脱水ガスを炉心管内に導入し、脱水温度へ昇温後、スート堆積体１を上方より徐々に下降させつつ、スート堆積体１の下端からヒーター３で加熱し脱水処理する。次いでスート堆積体１をヒーター３より上方へ移動させた後、不活性ガスを炉心管内に導入し、ガラス化温度へ昇温後、再びスート堆積体１を徐々に下降させ、スート堆積体１の下端から透明ガラス化が行われる。

なお、ヒーター３は、断熱材４の充填された加熱炉５内に取り付けられ、炉心管２を介してスート堆積体１を加熱するように構成されている。また、加熱炉５には、炉内ガス供給口６及び炉内圧測定口７が設けられ、炉心管２の下部には、ガス供給口８及び炉心管内圧測定口９が設けられている。炉心管２の上部には、排気口10及び圧力調整弁11が設けられ、炉心管２内の圧力が調整できるように構成されている。スート堆積体１は、シャフト１2を介して吊下げられ、シール材13及び上蓋14により炉心管２内はシールされている。

また、フッ素添加石英ガラスを製造する場合は、上記の方法で脱水処理した後、スート堆積体１をヒーター３より上方へ移動させた後、不活性ガスと共にフッ素添加原料を炉心管内に導入し、ガラス化温度へ昇温後、再びスート堆積体１を徐々に下降させ、スート堆積体１の下端からフッ素を添加すると共に透明ガラス化が行われる。

このとき炉芯管内では、ヒーター３で加熱されたガスと、外気によって冷却されたヒーター上部のガスとの間で対流が発生し、スート堆積体１の上部では、炉芯管内の圧力が局所的に大きく変動する。このため、炉心管内の圧力を外気より高く保っておいても、局所的に負圧状態が生じ、シャフト12と上蓋14との間や上蓋14と炉心管２との間のわずかな隙間から外気が侵入する。このため、焼結ガスにOHを含む外気が混入し、脱水されたスート堆積体１をOHを含む焼結ガスに曝すことになる。

スート堆積体と炉心管とのクリアランスが小さい場合には、侵入した外気中のOHを含む焼結ガスがガラス化部分にまで到達することもなく、透明石英ガラス母材のOH濃度は低く抑えられる。他方、スート堆積体と炉心管とのクリアランスが大きい場合には、炉心管下部のガス供給口８から供給される焼結ガスの線速がこの部分では遅くなり、拡散によって侵入した外気中のOHを含む焼結ガスがガラス化部分にまで到達する。その結果、透明石英ガラス母材の上方でOH濃度が高くなる。

また、スート堆積体と炉心管とのクリアランスが小さい場合でも、透明ガラス化が進み未焼結の部分が少なくなると、スート堆積体と炉芯管との隙間が大きくなり、炉心管内圧の変動が大きくなる。その結果、透明石英ガラス母材の上方でOH濃度が高くなる。

このような問題を解決する方法として、特許文献１，２に記載の方法が挙げられる。
特許文献１は、上蓋とシャフトとの間の気密性を向上させるために、上蓋を金属で形成し、その内面に耐蝕層を、外面に冷却手段を設け、上蓋と炉芯管との間をゴム又は樹脂製のシール材でシールすることで、この部分からの外気の侵入をかなり防止できるとしている。
特許文献２は、上蓋内に、気密リングを納めた小室を複数段設け、この気密リングとシャフトとのクリアランスを小さくすることで気密性を高め、各小室の圧力バランスを調整することで外気の侵入を防いでいる。
特開2000-44269号公報特開2002-226218号公報

ところが、フッ素添加原料ガスを供給して透明ガラス化した場合には、不活性ガスだけで透明ガラス化した場合よりも、僅かな外気の侵入で光ファイバ母材中に取り込まれるOH濃度が高くなる。
特許文献１，２に示された方法は、炉芯管内部の圧力変動がほとんどない場合や、フッ素添加原料ガスを供給せずにHeのみで透明ガラス化する場合には有効な手段である。

しかし実際には、加熱炉近辺のヒーターによって加熱されたガスと、ヒーター上部の外気によって冷却されたガスとの間で対流が発生し、炉芯管内のスート堆積体上部近傍では、圧力が局所的に大きく変動している。このため、炉心管内の圧力を外気よりも高く保持していても局所的に負圧の部分が発生し、スート堆積体を支持しているシャフトと気密リングとの僅かな隙間から外気が炉芯管内に侵入する。特に、長期間使用した場合、気密性が保たれなくなり、外気の侵入により光ファイバ母材中のOH濃度が高くなる。このような光ファイバ母材からは、損失の大きな光ファイバしか得られない。

特許文献１のように、上蓋を金属で形成した場合、腐食を防止する措置もとられているが、局所的に温度の高い部分ができたりして耐蝕層に欠損を生じると、脱水ガス等により金属が腐食し、光ファイバ母材の汚染の原因となる。また、特許文献２の方法は、装置が複雑かつ高価なものとなる。

本発明は、少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスを供給しながら透明ガラス化を行う焼結工程において、外気の侵入によるOH量の増加の影響を防止することができる、OH量の少ないフッ素添加石英ガラスの製造方法及び装置を提供することが目的である。

フッ素添加石英ガラスの製造方法に係る第１の発明は、スート堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、ガラス微粒子堆積体の上方を流れる少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管の下方から供給することを特徴としている。

フッ素添加石英ガラスの製造方法に係る第２の発明は、スート堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、スート堆積体の上方にスート堆積体と共に移動する円盤を取り付け、炉心管と円盤との隙間を流れる、少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管の下方から供給することを特徴としている。

本発明のフッ素添加石英ガラスの製造装置は、スート堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、スート堆積体の上方にスート堆積体と共に移動する円盤を取り付け、侵入した外気中のOHを含む焼結ガスがガラス化部分にまで到達するのを防止することを特徴としている。

本発明によれば、OH濃度を15ppb以下に抑えたフッ素添加石英ガラス母材を得ることが可能となるだけでなく、フッ素添加原料ガスの使用量を削減することができる。

本発明によるスート堆積体の脱水・透明ガラス化について、実施例と共に従来例、比較例を挙げて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されず様々な態様が可能である。

（実施例１）
図１の装置を使用した。先ず、外径135mmφのスート堆積体１を内径152mmφの炉心管２内に収容し、スート堆積体１をヒーター３より上方に配置して、1100℃に加熱した後、不活性ガスと共に塩素系脱水ガスを炉心管内に導入し、スート堆積体１をヒーター上方より下方へ徐々に移動させて、スート堆積体１の下端から脱水処理を行った。
次いで、スート堆積体１をヒーター３よりも上方へ移動させた後、不活性ガス（He）と共にフッ素添加原料ガス（SiF₄）を炉心管内に導入し、1350℃前後の透明ガラス化温度まで昇温し、ヒーター上方より下方へスート堆積体１を徐々に移動させて、スート堆積体１の下端からフッ素を添加すると共に透明ガラス化を行った。このとき、焼結ガスの総流量を24L/minとし、スート堆積体１の上方を流れる焼結ガスの線速を22.0ｍm/sとした。

焼結中、上蓋14とシャフト12との隙間や炉心管２と上蓋14との隙間から外気が炉心管内に侵入していたとしても、炉心管内を流れる焼結ガスの線速がスート堆積体１の上方で20ｍm/s以上あるため、侵入した外気中のOHがスート堆積体１のガラス化部分まで拡散して来ることが少なく、フッ素添加石英ガラス中へのOHの侵入を抑制することができ、石英ガラス中のOH濃度は14.3ppbであった。

（実施例２〜４）
スート堆積体１の上方に円盤15を取り付けて、炉心管２と円盤15との間を流れるガスの線速が上がるようにした。装置の概略を縦断面図で図２に示した。この円盤15を取り付けたこと以外は、実施例１と同様にして、表１にまとめて示した焼結ガス条件で透明ガラス化を行った。
その結果、いずれの実施例においても侵入した外気中のOHがスート堆積体１のガラス化部分まで拡散してくるのは防止され、実施例1と同様に石英ガラス中のOH濃度を15ppb以下とすることができた。また、実施例１と実施例２〜４との比較から明らかなように、円盤15を取り付けたことにより、供給するガスの総量を抑えることができた（表１参照）。

（従来例１〜３）
表２にまとめて示した焼結ガス条件で透明ガラス化を行ったことを除き、実施例１と同様にして焼結・透明ガラス化を行った。
表２から明らかなように、実施例よりガス線速がかなり遅いために、石英ガラス中のOH濃度が極めて高くなっているのが認められる。

（比較例１〜５）
比較例１〜４は、焼結ガス条件（表３参照）を除いて、実施例１と同様にして焼結・透明ガラス化を行った。
比較例５は、焼結ガス条件以外は、径137mmφの円盤15の取り付けられた実施例４と同様にして焼結・透明ガラス化を行った。
その結果、これらの比較例は、ガス線速が遅いほど石英ガラス中のOH濃度が高くなっているが、原料ガスにSiF₄が添加されていないため、従来例１〜３と比べると相対的にOH濃度は低い。これは、原料ガスにSiF₄が添加されていると、OH濃度が極めて高くなり易いことを示している。

なお、図３には、焼結ガスのガス線速と石英ガラスのOH濃度の関係を示した。
以上の結果から、フッ素添加原料ガスを含む焼結ガスを使用して透明ガラス化を行う場合であっても、スート堆積体の上方を流れる焼結ガスのガス線速を20mm/s以上とすることで（実施例１参照）、あるいは、スート堆積体の上方に円盤を取り付け、炉内管と上蓋との間隙を流れる焼結ガスのガス線速を20mm/s以上とすることで、OH濃度の極めて低いフッ素添加石英ガラスが得られることが分かる（実施例２〜４参照）。

低コストで容易にOH濃度の極めて低いフッ素添加石英ガラスが得られる。

本発明の第１の製造方法を実施する焼結装置の一例を示す概略縦断面図である。本発明の第２の製造方法を実施する焼結装置の一例を示す概略縦断面図である。焼結ガスの線速と石英ガラス中のOH濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…スート堆積体、
２…炉心管、
３…ヒーター、
４…断熱材、
５…加熱炉、
６…炉内ガス供給口、
７…炉内圧測定口、
８…ガス供給口、
９…炉心管内圧測定口、
１０…排気口、
１１…圧力調整弁、
１２…シャフト、
１３…シール材、
１４…上蓋、
１５…円盤。

Claims

ガラス微粒子堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、ガラス微粒子堆積体の上方を流れる少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管の下方から供給することを特徴とするフッ素添加石英ガラスの製造方法。
ガラス微粒子堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、ガラス微粒子堆積体の上方にガラス微粒子堆積体と共に移動する円盤を取り付け、炉心管と円盤との隙間を流れる、少なくともフッ素添加原料ガスを含む焼結ガスの線速が20ｍm/s以上となるように、焼結ガスを炉心管の下方から供給することを特徴とするフッ素添加石英ガラスの製造方法。
ガラス微粒子堆積体を炉心管内に吊下げて加熱し、脱水した後、透明ガラス化する焼結工程において、ガラス微粒子堆積体の上方にガラス微粒子堆積体と共に移動する円盤を取り付け、侵入した外気中のOHを含む焼結ガスがガラス化部分にまで到達するのを防止することを特徴とするフッ素添加石英ガラスの製造装置。