JP2015093816A - ガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス微粒子堆積体のガラス原料収率を向上させることができるガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法を提供する。
【解決手段】バーナー２２が形成する火炎内でガラス原料２３を火炎熱分解反応させてガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を出発ロッド１１に堆積させてガラス微粒子堆積体Ｍを作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、堆積工程において、バーナー２２から噴出するガラス原料２３の液体原料用ポート３１ａを１つのバーナー２２あたり少なくとも２つ設け、少なくとも１つの液体原料用ポート３１ａの面積をバーナー２２の火炎形成部の面積の２．２５×１０^−４以下とし、ガラス原料２３を液体状態で各液体原料用ポート３１ａに供給し、各液体原料用ポート３１ａの外周から外側１．０ｍｍ以内の位置に噴出ガスポート３１ｂの内周が配置され、各噴出ガスポート３１ｂからガスを噴出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＯＶＤ法（外付け法）、ＶＡＤ法（気相軸付け法）、ＭＭＤ法（多バーナー多層付け法）などによりガラス微粒子を出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造するガラス微粒子堆積体の製造方法およびこのガラス微粒子堆積体を加熱して透明化するガラス母材の製造方法に関する。

従来、ガラス母材の製造方法としては、ＯＶＤ法やＶＡＤ法等によりガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程と、このガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を作製する透明化工程とを含む製造方法が知られている。

例えば、特許文献１には、プリフォーム（ガラス母材）の形成時に用いられる、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）等のハロゲン化物を含有しないケイ素含有化合物を酸化させる精密バーナーが開示されている。
特許文献２にはＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４またはＯＭＣＴＳ等のケイ素含有化合物を加水分解反応または酸化反応させる線状バーナーが開示されている。

特表平１１−５１０７７８号公報 米国特許６７４３０１１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のバーナーにおいては、バーナーの火炎内で生成されたガラス微粒子を出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造する際の、ガラス原料収率の向上に改善の余地があった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ガラス微粒子堆積体のガラス原料収率を向上させることができるガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、
反応容器内に出発ロッドとガラス微粒子生成用のバーナーを設置し、前記バーナーにガラス原料を導入し、前記バーナーが形成する火炎内でガラス原料を火炎熱分解反応させてガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を前記出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程において、前記バーナーから噴出するガラス原料の出射口を１つのバーナーあたり少なくとも２つ設け、前記出射口のうち少なくとも１つの出射口の面積を前記バーナーの火炎形成部の面積の２．２５×１０^−４以下とし、前記ガラス原料を液体状態で各前記出射口に供給し、各前記出射口の外周から外側１．０ｍｍ以内の位置にガス噴出口の内周が配置され、前記ガス噴出口からガスを噴出する。

また、本発明のガラス母材の製造方法は、
上述のガラス微粒子堆積体の製造方法によってガラス微粒子堆積体を製造し、当該製造したガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を製造する透明化工程を有する。

本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体のガラス原料収率を向上させることができる。

本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法を実施する製造装置の一形態を示す構成図である。 （ａ）は、図１に示す製造装置においてガラス微粒子を生成するバーナーの一形態を示すバーナー面の平面図であり、（ｂ）は、バーナーの原料ポートを示すバーナー面の拡大図である。 図２（ｂ）に示す原料ポートに液体原料を供給するとともにその外側からガスを供給した状態を示すバーナーの一部拡大断面図である。 本発明の変形例に係るバーナーの原料ポートを示すバーナー面の拡大図である。 図１に示す製造装置においてガラス微粒子を生成するバーナーの別の形態を示すバーナー面の平面図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、
（１）反応容器内に出発ロッドとガラス微粒子生成用のバーナーを設置し、前記バーナーにガラス原料を導入し、前記バーナーが形成する火炎内でガラス原料を火炎熱分解反応させてガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を前記出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程において、前記バーナーから噴出するガラス原料の出射口を１つのバーナーあたり少なくとも２つ設け、前記出射口のうち少なくとも１つの出射口の面積を前記バーナーの火炎形成部の面積の２．２５×１０^−４以下とし、前記ガラス原料を液体状態で各前記出射口に供給し、各前記出射口の外周から外側１．０ｍｍ以内の位置にガス噴出口の内周が配置され、前記ガス噴出口からガスを噴出する。
この構成によれば、ガラス微粒子生成用バーナーの各出射口から噴出するガラス原料の投入量を減らすことができ、ガラス原料の反応を促進させて、ガラス微粒子堆積体のガラス原料収率を向上させることができる。また、液体状態でガラス原料を供給するので、沸点が高温のガラス原料を気化させるための高価な処理装置を備える必要がなく、ガラス微粒子堆積体の製造コストを抑えることができる。さらに、液体原料を噴出する出射口外側のごく近傍からガスを噴出するので、効率よくガラス原料を霧化できる。

（２）前記堆積工程において、前記１つのバーナーあたり５つ以上の前記出射口を設けることが好ましい。
この構成によれば、ガラス原料の反応をさらに促進させて、ガラス原料収率をさらに向上させることができる。

（３）前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の１．００×１０^−４以下とすることが好ましい。
この構成によれば、ガラス原料を火炎内で広げる事ができるので、ガラス原料の反応を促進させることができる。

（４）前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の２．５０×１０^−５以下とすることが好ましい。

（５）前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の４．００×１０^−６以下とすることが好ましい。

（６）前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から酸素ガスを含むガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化することが好ましい。
この構成によれば、酸素ガスを含むガスを液体原料の出射口外側のごく近傍から噴出することにより、ガラス原料の酸化反応を促進することができる。

（７）前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から８５５ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化することが好ましい。
この構成によれば、ガラス原料の噴霧液径を小さくすることができ、霧化したガラス原料の気化効率を上げることができる。

（８）前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から１２８３ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化することが好ましい。

（９）前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から噴出する前記ガスに含まれる酸素分子数を各前記出射口から噴出する前記ガラス原料の中に含まれるＳｉ原子数以上とすることが好ましい。
この構成によれば、ガラス原料をＳｉＯ_２へ酸化反応させる効率を上げることができる。

（１０）前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から噴出する前記ガスに含まれる酸素分子数を各前記出射口から噴出する前記ガラス原料の中に含まれるＳｉ原子数の１．５倍以上とすることが好ましい。

（１１）前記堆積工程において、前記バーナーに供給する前記ガラス原料をシロキサンとすることが好ましい。
この構成によれば、ガラス微粒子を生成する際にＨＣｌ等の有害物質が発生することなく、ガラス微粒子堆積体の製造コストを抑えることができる。

（１２）前記堆積工程において、前記バーナーに供給する前記ガラス原料をオクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）とすることが好ましい。

また、本発明のガラス母材の製造方法は、
（１３）上記の（１）から（１２）のいずれかのガラス微粒子堆積体の製造方法によってガラス微粒子堆積体を製造し、当該製造したガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を製造する透明化工程を有する。
この構成によれば、ガラス微粒子堆積体のガラス原料収率を向上させることができるガラス母材の製造方法を提供することができる。

（１４）前記堆積工程における前記出発ロッドへのガラス微粒子の堆積をＯＶＤ法、ＶＡＤ法、ＭＭＤ法のいずれかにより行うことが好ましい。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法の実施形態の例を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に示す製造方法としては、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法を例に説明するが、本発明はＯＶＤ法に限定されるものではない。ＯＶＤ法と同様にガラス原料から火炎熱分解反応を利用してガラスを堆積させる方法、例えば、ＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法やＭＭＤ（Multiburner Multilayer Deposition）法等に本発明を適用することも可能である。

図１は、本実施形態のガラス微粒子堆積体の製造方法を実施する製造装置１の構成図である。製造装置１は、反応容器２と、昇降回転装置３と、原料供給装置２１と、ガラス微粒子生成用のバーナー２２と、各部の動作を制御する制御部５を備えている。

反応容器２は、ガラス微粒子堆積体Ｍが形成される容器であり、容器の側面に取り付けられた排気管１２を備えている。

昇降回転装置３は、支持棒１０および出発ロッド１１を介してガラス微粒子堆積体Ｍを昇降動作、および回転動作させる装置である。昇降回転装置３は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づいて支持棒１０の動作を制御している。昇降回転装置３は、ガラス微粒子堆積体Ｍを回転させながら昇降させる。

支持棒１０は、反応容器２の上壁に形成された貫通穴を挿通して配置されており、反応容器２内に配置される一方の端部（図１において下端部）には出発ロッド１１が取り付けられている。支持棒１０は、他方の端部（図１において上端部）を昇降回転装置３により把持されている。

出発ロッド１１は、ガラス微粒子が堆積されるロッドであり、支持棒１０に取り付けられている。

排気管１２は、出発ロッド１１およびガラス微粒子堆積体Ｍに付着しなかったガラス微粒子を反応容器２の外部に排出する管である。

バーナー２２には、液体原料２３を原料供給装置２１により供給する。なお、図１において、火炎形成用ガスを供給するガス供給装置は省略されている。
原料供給装置２１は、液体原料２３を貯留する原料容器２４と、液体原料２３を供給するポンプ２５と、液体原料２３をバーナー２２へ導く供給配管２６と、原料容器２４とポンプ２５と供給配管２６の一部とを含む温度調整する温調ブース２７からなる。

ポンプ２５は、バーナー２２から出射される液体原料２３を供給配管２６を介してバーナー２２へ供給する装置である。ポンプ２５は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づいてバーナー２２へ供給する液体原料２３の供給量の制御を行なっている。

供給配管２６は、液体原料２３をバーナー２２へ導く配管である。供給配管２６の温度を高温に保持するために、供給配管２６の外周およびバーナー２２の外周の一部には、発熱体であるテープヒータ２８が巻き付けられることが好ましい。このテープヒータ２８が通電されることで供給配管２６やバーナー２２が加熱され、バーナー２２から出射される液体原料２３の温度を原料反応に適した温度に上昇させることができる。例えば液体原料２３がオクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）液であれば３０〜１７０℃の温度に上昇させてもよい。

バーナー２２は、液体原料２３を火炎中において気化させて、さらに気化した原料を酸化反応させることでガラス微粒子３０を生成し、生成されたガラス微粒子３０を出発ロッド１１に噴きつけて堆積させる。

制御部５は、昇降回転装置３、原料供給装置２１等の各動作を制御している。制御部５は、昇降回転装置３に対して、ガラス微粒子堆積体Ｍの昇降速度および回転速度を制御する制御信号を送信している。また、制御部５は、原料供給装置２１のポンプ２５に対して、バーナー２２から出射する液体原料２３の流量を制御する制御信号を送信している。

ガラス原料や火炎形成ガスを噴出するために、バーナー２２として、例えば、円筒形のマルチノズル構造のものやあるいは線状のマルチノズル構造のものが用いられる。

図２（ａ）は、マルチノズル構造を有するバーナー２２の一形態に係るバーナー面の平面図を示している。
図２（ａ）に示すバーナー２２は、バーナー面の中央部に、液体原料２３を噴出する原料ポート３１を有している。原料ポート３１内には、液体原料２３を噴出する液体原料用ポート（ガラス原料の出射口の一例）３１ａと、その周囲に噴出ガスポート（ガス噴出口の一例）３１ｂが存在する。噴出ガスポート３１ｂは、その内周が液体原料用ポート３１ａの外周から外側１．０ｍｍ以内に配置されるように、設置されている。原料ポート３１は、液体原料用ポート３１ａから噴出した液体原料に噴出ガスポート３１ｂから噴出したガスを当てることによって、液体原料を霧化する。原料ポート３１の外周には、シールガスポート３２が設けられている。さらに、シールガスポート３２の周囲には、燃焼用ガスを噴出する燃焼ガスポート３３が同心円状に複数個配置されている。
中心の原料ポート３１の液体原料用ポート３１ａからは、例えば、液体原料２３としてＯＭＣＴＳなどに代表されるシロキサン液が噴出される。中心の原料ポート３１の噴出ガスポート３１ｂからは、例えば、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）等のガスがそれぞれ単体で、もしくは混合されて噴出される。シールガスポート３２からはシールガスとして例えば不活性ガスである窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。また、燃焼ガスポート３３は、例えば内周側のポート３３ａから可燃性ガスである水素（Ｈ_２）が噴出され、外周側のポート３３ｂから助燃性ガスである酸素（Ｏ_２）が噴出される。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態においては、バーナー２２の中央部に、原料ポート３１が２つ設けられている。各原料ポート３１の液体原料用ポート３１ａには、シロキサンが液体状態で供給されて、このシロキサン液が液体原料用ポート３１ａから噴出される。原料ポート３１を２つ以上とすることで、１つの液体原料用ポート３１ａから噴出する原料の量を下げることができ、原料をＳｉＯ_２へ化学変化させる効率を上げることができる。特に原料液を噴霧状態にしてバーナー火炎に出射する場合、噴霧液径を小さくすることができるため、原料液の気化効率を上げることができる。ガラス原料の噴出口（液体原料用ポート３１ａ）の数が多いほどその効果は高くなり、５つ以上とすれば、さらに気化効率を高めることができる。但し、多すぎると、バーナーの価格が高価になる。

図２（ａ）の破線部分は、バーナー２２における火炎形成部３５を示している。火炎形成部３５は、同心円状に配置された最外周のポート３３ｂの外側までの面積を有している。本実施形態においては、液体原料用ポート３１ａのうち任意の１つ（少なくとも１つであり、本実施形態ではすべて）の液体原料用ポート３１ａの面積を火炎形成部３５の面積に対して２．２５×１０^−４以下となるように設定している。１つの液体原料用ポート３１ａの面積が火炎形成部３５の面積に対して２．２５×１０^−４よりも大きいとガラス微粒子堆積体Ｍを作製する際のガラス原料収率の向上が見込めない。
さらに好ましくは、各液体原料用ポート３１ａの面積を火炎形成部３５の面積に対して１．００×１０^−４以下に設定する。さらに好ましくは、各液体原料用ポート３１ａの面積を火炎形成部３５の面積に対して２．５０×１０^−５以下、さらに好ましくは４．００×１０^−６以下とする。
なお、１つの液体原料用ポート３１ａの面積の下限値は、加工精度の限界値で決まる。

図３に示すように、原料ポート３１は、液体原料用ポート３１ａと噴出ガスポート３１ｂを有し、噴出ガスポート３１ｂは、その先端部が、内周の液体原料用ポート３１ａに向けて傾斜する形状を有している。これにより、ガスの噴射方向が、液体原料用ポート３１ａの中心軸に向けて傾けられ、ガスが液体原料用ポート３１ａから噴出されるシロキサン液に衝突するようになっている。液体原料用ポート３１ａから噴出されたシロキサン液はガスの衝突により霧化され、火炎内においてバーナー２２の径方向に略均一に広がることとなる。

本実施形態においては、原料ポート３１中の外周側に設けられた噴出ガスポート３１ｂから、酸素ガスを含むガスが８５５ｍ／ｓ以上の流速で噴出され、各液体原料用ポート３１ａから噴出されるシロキサン液に衝突することで、シロキサンの噴霧液径を小さくすることができる。さらに好ましくは、噴出ガスポート３１ｂから１２８３ｍ／ｓ以上の流速となるようにガスを噴出する。

さらに、本実施形態においては、原料ポート３１中の外周側に設けられた噴出ガスポート３１ｂから噴出するガスに含まれるＯ_２分子数を各液体原料用ポート３１ａから噴出する液体原料２３に含まれるＳｉ原子数以上とするように設定されている。ガスに含まれるＯ_２分子数を液体原料２３に含まれるＳｉ原子数以上とすることにより、液体原料２３をＳｉＯ_２へ酸化反応させる効率を上げることができる。さらに好ましくは、噴出ガスポート３１ｂから噴出するガスのＯ_２分子数を各液体原料用ポート３１ａから噴出する液体原料２３のＳｉ原子数の１．５倍以上とする。

これにより、バーナー２２では、火炎形成ガスによって発生した酸水素火炎中にシロキサン液が噴出されてガスの衝突により霧化され、酸水素火炎の熱により気化するとともに、気化した原料が火炎中の酸素と反応し、熱分解酸化反応によってガラス微粒子３０として酸化珪素（ＳｉＯ_２）粒子が生成される。生成されたガラス微粒子３０が出発ロッド１１に堆積されて、所定外径のガラス微粒子堆積体Ｍが作製される。

次に、ガラス微粒子堆積体およびガラス母材の製造方法の手順について説明する。
［堆積工程］
ＯＶＤ法（外付け法）によってガラス微粒子の堆積を行い、ガラス微粒子堆積体Ｍを製造する。先ず、図１に示すように、昇降回転装置３に支持棒１０を取り付け、さらに支持棒１０の下端部に出発ロッド１１を取り付けた状態で、出発ロッド１１および支持棒１０の一部を反応容器２内に納める。

続いて、ポンプ２５は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づき、供給量を制御しながら液体原料２３をバーナー２２に供給する。

バーナー２２に、液体原料２３、ガス、および酸水素ガス（火炎形成ガス）を供給し、噴霧状態の液体原料２３を酸水素火炎内で気化させた後、酸化反応させることでガラス微粒子３０を生成する。

そして、バーナー２２は、火炎内で生成したガラス微粒子３０を回転および昇降する出発ロッド１１に継続的に堆積させていく。

昇降回転装置３は、制御部５からの制御信号に基づいて、出発ロッド１１および出発ロッド１１に堆積されたガラス微粒子堆積体Ｍを昇降及び回転させる。

［透明化工程］
次に、得られるガラス微粒子堆積体Ｍを不活性ガスと塩素ガスの混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中で１５５０℃に加熱して透明ガラス母材を得る。このようなガラス母材の製造を繰り返し行う。

以上説明したように、本実施形態においては、堆積工程において、ガラス原料（液体原料２３）の出射口である液体原料用ポート３１ａが１つのバーナー２２あたり２つ設けられているとともに、２つの液体原料用ポート３１ａのうちそれぞれ１つあたりの液体原料用ポート３１ａの面積を火炎形成部の面積に対して２．２５×１０^−４以下としている。また、ガラス原料は液体状態で液体原料用ポート３１ａに供給され、各液体原料用ポート３１ａの外周から外側１．０ｍｍ以内の位置に噴出ガスポート３１ｂの内周が配置され、噴出ガスポート３１ｂからガスが噴出される。液体原料用ポート３１ａを２つ以上とすることで、各液体原料用ポート３１ａから噴出する液体原料２３の投入量を減らすことができ、液体原料２３をＳｉＯ_２へ化学反応させる際のガラス原料収率を向上させることができる。特に、液体原料２３を噴霧状態にしてバーナー２２で形成された火炎内に出射する際に、液体原料２３の噴霧液径を小さくすることができるため、噴霧された液体原料２３をバーナー火炎の熱により気化する効率を高めることができる。

また、本実施形態においては、１つの液体原料用ポート３１ａの面積を火炎形成部３５の面積に対して１．００×１０^−４以下、さらに好ましくは２．５０×１０^−５以下、さらに好ましくは４．００×１０^−６以下とする。このようにすることで、自由噴流により液体原料２３が火炎の中心から火炎の外周方向に広がりやすくなるため、原料と酸素の撹拌が促進されて原料の酸化反応をさらに進めることができる。さらに液体原料２３を噴霧状態にしてバーナー２２で形成された火炎内に出射する場合は、前記構成とすることで液体原料２３の噴霧液径を小さくする効果も発揮され、液体原料２３の気化効率が高まり、原料反応効率を高めることができる。

また、ＯＭＣＴＳは標準沸点が１７５℃と非常に高温であるため、ＯＭＣＴＳを気化させてガス状態でバーナー２２に供給するためには別途高価な処理装置を備える必要がある。したがって、本実施形態においては、ＯＭＣＴＳを液体状態でバーナー２２に供給し、バーナー２２から噴出されるＯＭＣＴＳ液の周囲（液体原料用ポート３１ａの外周に対して外側１．０ｍｍ以内）からガスを吹き付けることによりＯＭＣＴＳ液を霧化させている。この構成によれば、沸点が高温のガラス原料であるＯＭＣＴＳを気化させるための高価な処理装置を備える必要がなく、ガラス微粒子堆積体Ｍの製造コストを抑えることができる。

また、本実施形態においては、各液体原料用ポート３１ａの外周近傍の噴出ガスポート３１ｂから８５５ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出して、各液体原料用ポート３１ａから噴出される液体原料２３を霧化している。これにより、液体原料２３の噴霧液径を小さくすることができ、ミスト状の液体原料２３の気化効率を上げることができる。
また、各液体原料用ポート３１ａの外周近傍の噴出ガスポート３１ｂから１２８３ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出することで、上述の効果をさらに高めることができる。

また、本実施形態によれば、各液体原料用ポート３１ａの外周近傍の噴出ガスポート３１ｂから噴出するガスに含まれる酸素分子数を各液体原料用ポート３１ａから噴出する液体原料２３の中に含まれるＳｉ原子数以上としている。これにより、液体原料２３をＳｉＯ_２へ酸化反応させる効率を上げることができる。また、各液体原料用ポート３１ａの外周近傍の噴出ガスポート３１ｂから噴出するガスに含まれる酸素分子数を各液体原料用ポート３１ａから噴出する液体原料２３の中に含まれるＳｉ原子数の１．５倍以上とすることで、上述の効果をさらに高めることができる。

本実施形態においては、液体原料２３として、ハロゲンフリーの原料であるシロキサン、好ましくはＯＭＣＴＳ液を用いている。従来、ガラス原料として用いられたＳｉＣｌ_４は、以下の式（１）に基づきＳｉＯ_２ガラス微粒子が生成される。
ＳｉＣｌ_４＋２Ｈ_２０→ ＳｉＯ_２＋４ＨＣｌ …式（１）
この場合、副産物として環境へ悪影響を及ぼすＨＣｌ（塩酸）が生成されるため、塩酸を無害化する処理装置が必要となり、ガラス母材を製造するためのランニングコストが非常に高くなってしまう。
一方、本実施形態のように、例えばＯＭＣＴＳ等に代表されるシロキサン液を用いた場合は、以下の式（２）に基づきＳｉＯ_２ガラス微粒子が生成される。
[ＳｉＯ（ＣＨ_３）_２]_４＋１６Ｏ_２→４ＳｉＯ_２＋８ＣＯ_２＋１２Ｈ_２０ …式（２）
このように、バーナーに供給するガラス原料として、シロキサン、より好ましくはＯＭＣＴＳを用いると、塩酸のような有害物質が排出されない。そのため、有害物質を除去または無害化するための処理装置を設ける必要がなく、ガラス母材の製造コストを抑えることができる。

上記実施の形態においては、バーナー２２の中央部に、液体原料用ポート３１ａと噴出ガスポート３１ｂを有する原料ポート３１が２つ設けられる構成としているがこの例に限られない。例えば、図４（ａ）に示すように、バーナー中央部に、５つの原料ポート３１Ａが同心円状に設けられる構成としてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、バーナー中央部に、５つの原料ポート３１Ｂが一列に配置された構成としてもよい。さらに、図４（ｃ）に示すように、バーナー中央部に、１０個の原料ポート３１Ｃが同心円状に設けられる構成としてもよい。
このように、１つのバーナー２２あたり５つ以上の原料ポート３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを設けることにより、作製されるガラス微粒子堆積体Ｍのガラス原料収率をさらに高めることができる。

また、上記実施の形態においては、円柱状のバーナー２２を用いているが、この例に限られない。例えば、図５に示すように、線状バーナー１２２を用いることもできる。
線状バーナー１２２においては、バーナー１２２の短手方向の中央部に、複数の原料ポート１３１がバーナー１２２の長手方向に沿って一列に配置されている。原料ポート１３１の構造は、上記の原料ポート３１と同じである。一列に配列された原料ポート１３１の両側には複数のシールガスポート１３２が配列されている。さらに、シールガスポート１３２の外側には、複数の燃焼ガスポート１３３が２列で配列されている。上記の実施形態と同様に、中心の原料ポート１３１の液体原料用ポート（ガラス原料の出射口の一例）からは、例えば、液体原料２３としてＯＭＣＴＳなどに代表されるシロキサン液が噴出される。液体原料用ポートの周囲には、噴出ガスポートが存在し、例えば、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）等のガスがそれぞれ単体で若しくは混合されて噴出される。シールガスポート１３２からはシールガスとして、例えば窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。また、２列に配列された燃焼ガスポート１３３のうち内側のポート１３３ａから可燃性ガスである水素（Ｈ_２）が噴出され、外側のポート１３３ｂから助燃性ガスである酸素（Ｏ_２）が噴出される。

図５の破線部分は、バーナー１２２における火炎形成部１３５を示している。火炎形成部１３５は、両端に配置されたポート１３３ｂの外側までの面積を有している。上記の実施形態と同様に、線状バーナー１２２においても、原料ポート１３１のうち任意の１つの原料ポート１３１の液体原料用ポートの面積を火炎形成部１３５の面積に対して２．２５×１０^−４以下となるように設定している。
なお、さらに好ましくは、各原料ポート１３１の液体原料用ポートの面積を火炎形成部１３５の面積に対して１．００×１０^−４以下に設定する。さらに好ましくは、各原料ポート１３１の液体原料用ポートの面積を火炎形成部３５の面積に対して２．５０×１０^−５以下、さらに好ましくは４．００×１０^−６以下とする。

図５に示すような線状バーナー１２２によれば、上記の実施形態と同様に、各原料ポート１３１から噴出する液体原料２３の投入量を減らすことができ、液体原料２３をＳｉＯ_２へ化学反応させる際のガラス原料収率を向上させることができる。特に、液体原料２３を噴霧状態にして線状バーナー１２２で形成された火炎内に出射する際に、液体原料２３の噴霧液径を小さくすることができるため、噴霧された液体原料２３をバーナー火炎の熱により気化する効率を高めることができる。

また、上記実施の形態においては、シロキサン液の一例としてＯＭＣＴＳを例にとって説明したが、ＤＭＣＰＳ等、他のシロキサンでも上記実施の形態と同様の効果を有する。
また、ＳｉＣｌ_４のようなシロキサン以外の原料であっても、ガラス原料収率を上げる効果は同様にある。

図１に示す製造装置を使用してＯＶＤ法によってガラス微粒子の堆積、すなわちガラス微粒子堆積体Ｍの製造を行う［堆積工程］。また、得られるガラス微粒子堆積体Ｍを不活性ガスと塩素ガスとの混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中で１５５０℃に加熱して透明ガラス化を行う［透明化工程］。

出発ロッドとして、直径３６ｍｍ、長さ４００ｍｍの純石英ガラスを用いる。バーナーの全ての液体原料用ポートにはトータルで１６．５ｇ／分となるＯＭＣＴＳ液を供給する。１つのバーナーに５つの液体原料用ポートがある場合は、１ポート当たりに投入されるＳｉ原子流量は０．０４４ｍｏｌ／分となる。火炎形成ガスとしてＨ_２（流量：２０〜７０ＳＬＭ）およびＯ_２（流量：３０〜７０ＳＬＭ）を、バーナーシールガスとしてＡｒ（流量１〜８ＳＬＭ）を供給する。

上記の堆積工程において、バーナー単体あたりの原料ポートの数Ｘ、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙ、各液体原料用ポートの外周近傍（噴出ガスポート）から噴出するガス中のＯ_２分子流量Ｚ（ｍｏｌ/分）、各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗ（ｍ／ｓ）を適宜変更して、出発ロッドへのガラス微粒子の堆積を行い、作製されるガラス微粒子堆積体の原料収率Ａ（％）及び各実施例の設備コストを相対的に評価する。なお、火炎形成部の面積は、図３および図５に示すバーナーの破線部分の面積で定義する。また、各実施例では、バーナーに複数設置されている液体原料用ポート及び噴出ガスポートの出口面積は、その実施例のバーナーにおける液体原料用ポート同士で等しく、噴出ガスポート同士で等しい。各実施例において、噴出ガスポートの内周は液体原料用ポートの外周から０．９ｍｍ離れて位置している。一方、比較例において、噴出ガスポートの内周は液体原料用ポートの外周から１．１ｍｍ離れて位置している。また、原料収率Ａとは、バーナーに投入されるＯＭＣＴＳ液が１００％石英ガラス微粒子に化学反応する場合のＳｉＯ_２質量に対する、実際に出発ロッドおよびガラス微粒子堆積体に堆積するガラス微粒子の質量比である。また、バーナーＡとして図３に示すマルチノズル型のバーナーを用い、バーナーＢとして図５に示す線状バーナーを用いる。
その結果を表１に示す。

［実施例１］
実施例１から、バーナー単体あたりの原料ポートの数が２つ、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合が２．５０×１０^−５、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量が０．０２７ｍｏｌ／分、各噴出ガスポートから噴出するガスの流速が５１３ｍ／ｓとすると、原料収率が５０％になるという結果が得られる。

［比較例１］
一方、比較例１のように、バーナー単体あたりの原料ポートの数が１つで、液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合が２．５０×１０^−５よりも大きく、例えば４．００×１０^−４であり、噴出ガスポートの内周が液体原料用ポートの外周より１．１ｍｍ離れている場合、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚおよび各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗが実施例１と同じ値であっても、原料収率は２０％に留まるという結果が得られる。

この結果から、バーナー単体あたりの原料ポートの数を２つ以上にし、液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合を２．２５×１０^−４よりも小さくし、噴出ガスポートの少なくとも一部を液体原料用ポートの外周から１．０ｍｍ以内に設置することで、原料収率が大きく向上することが確認できる。

［実施例２〜５］
実施例２〜５においては、実施例１よりもバーナー単体あたりの原料ポートの数Ｘを増やし、実施例２は原料ポートが５つ、実施例３は原料ポートが１０個、実施例４は原料ポートが５０個、実施例５は原料ポートが１００個のバーナーを用いる。なお、実施例２〜５において、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙ、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚおよび各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗは、実施例１と同一の値を用いる。
その結果、表１に示すようにバーナー単体あたりの原料ポートの数が増えるほど原料収率が向上することが確認できる。なお、実施例４，５では、バーナーとして、図５の線状バーナーを使用している。

［実施例６〜８］
実施例６〜８においては、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙを変更して、実施例６は２．２５×１０^−４、実施例７は１．００×１０^−４、実施例８は４．００×１０^−６であるバーナーを用いる。なお、実施例６〜８において、バーナー単体あたりの原料ポートの数Ｘと、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚおよび各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗは、実施例２と同一の値を用いる。
その結果、表１の実施例６に示すように、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合を２．２５×１０^−４以下とすることで、比較例１と比べて原料収率が十分に向上することが確認できる。また、実施例２、６〜８の結果から、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙを小さくしていくほど、原料収率が向上することが確認できる。

［実施例９〜１２］
実施例９〜１２においては、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚおよび各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗの値を変更し、実施例９は０ｍｏｌ／分及び５１３ｍ／ｓ、実施例１０は０．０４５ｍｏｌ／分および８５６ｍ／ｓ、実施例１１は０．０６７ｍｏｌ／分および１２８４ｍ／ｓ、実施例１２は０．０８９ｍｏｌ／分および１７１１ｍ／ｓとする。なお、実施例９〜１２において、バーナー単体あたりの原料ポートの数Ｘと、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙは、実施例２と同一の値を用いる。
その結果、表１に示すように、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚを増やすことで、比較例１と比べて原料収率が十分に向上することが確認できる。具体的には、実施例１０のように、ガス中のＯ_２分子流量（０．０４５ｍｏｌ／分）を液体原料として噴出されるＯＭＣＴＳ中のＳｉ原子流量（０．０４４ｍｏｌ／分）以上とすることで、原料収率が大きく向上する。また、実施例１１，１２のようにガス中のＯ_２分子数をＯＭＣＴＳ中のＳｉ原子数の１．５倍以上とすると原料収率がさらに向上することから、分子流量Ｚを増やすほど原料収率が向上することが確認できる。また、実施例９はＯ_２分子流量が０ｍｏｌ／分の例であるが、各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗが比較例１と同じ値であっても、原料収率は実施例９の方が圧倒的に高いことがわかる。このことから、バーナー単体あたりの原料ポートの数が２つ以上で、液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合が２．２５×１０^−４以下であり、噴出ガスポートを液体原料用ポートの外周から１．０ｍｍ以内の範囲に設置させる事が原料収率の向上に重要であることがわかる。

［実施例１３〜１５］
実施例１３〜１５においては、噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗについて、実施例１３は１５２ｍ／ｓ、実施例１４は８５６ｍ／ｓ、実施例１５は２１５８ｍ／ｓとする。なお、実施例１３〜１５において、バーナー単体あたりの原料ポートの数Ｘと、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙと、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚは、実施例２と同一の値を用いる。
その結果、表１に示すように各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗを１５２ｍ／ｓ以上とすることで、比較例１と比べて原料収率が十分に向上することが確認できる。また、実施例２，１３〜１５の結果から、流速Ｗを上げるほど原料収率が向上することが確認できる。

［比較例２，３］
比較例２、３は、比較例１と同じく原料ポートの数を１つとし、各パラメータを変更する例である。上記の実施例９〜１５から、各噴出ガスポートから噴出するガスのＯ_２分子流量Ｚを増やすか、各噴出ガスポートから噴出するガスの流速Ｗを上げると原料収率が向上するという結果が得られている。しかし、表１の比較例２および３に示すように、バーナー単体あたりの原料ポートの数が１つであって、１つの液体原料用ポートの面積の火炎形成部の面積に対する割合Ｙが大きく、噴出ガスポートの内周が液体原料用ポートの外周から１．０ｍｍより大きく離れていると、各パラメータを変更した効果は若干あるものの、原料収率を実施例の値ほどに向上させることはできない。
[比較例４]
比較例４は原料を気化させた状態でバーナーに供給する例であるが、高価な気化器（図示省略）が必要となるため、原料を液体で供給する場合（実施例１〜１５、比較例１〜３）と比べて、設備コストが１．３倍になることがわかる。また、気化状態の原料を液体原料用ポートから出射し、その外周からＯ_２分子流量０．０２７ｍｏｌ／分を含むガスを導入すると、バーナー近傍でガラス粒子が生成されて、ガラス粒子がバーナーに堆積してしまい、バーナーが詰まる問題が生じる。このため原料収率は測定不可能となる。

以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。また、上記説明した構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。

１：製造装置
２：反応容器
３：昇降回転装置
５：制御部
１０：支持棒
１１：出発ロッド
２１：原料供給装置
２２：バーナー
２３：液体原料
２４：原料容器
２５：ポンプ
２６：供給配管
２７：温調ブース
２８：テープヒータ
３０：ガラス微粒子
３１：原料ポート
３１ａ：液体原料用ポート（ガラス原料の出射口の一例）
３１ｂ：噴出ガスポート（ガス噴出口の一例）
３２：シールガスポート
３３：燃焼ガスポート
３５：火炎形成部
１２２：線状バーナー
１３１：原料ポート
１３２：シールガスポート
１３３：燃焼ガスポート
１３５：火炎形成部
Ｍ：ガラス微粒子堆積体

Claims (14)

1. 反応容器内に出発ロッドとガラス微粒子生成用のバーナーを設置し、前記バーナーにガラス原料を導入し、前記バーナーが形成する火炎内でガラス原料を火炎熱分解反応させてガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を前記出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
   前記堆積工程において、前記バーナーから噴出するガラス原料の出射口を１つのバーナーあたり少なくとも２つ設け、前記出射口のうち少なくとも１つの出射口の面積を前記バーナーの火炎形成部の面積の２．２５×１０^−４以下とし、前記ガラス原料を液体状態で各前記出射口に供給し、各前記出射口の外周から外側１．０ｍｍ以内の位置にガス噴出口の内周が配置され、前記ガス噴出口からガスを噴出する、ガラス微粒子堆積体の製造方法。
2. 前記堆積工程において、前記１つのバーナーあたり５つ以上の前記出射口を設ける、請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
3. 前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の１．００×１０^−４以下とする、請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
4. 前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の２．５０×１０^−５以下とする、請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
5. 前記堆積工程において、前記１つの出射口の面積を前記火炎形成部の面積の４．００×１０^−６以下とする、請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
6. 前記堆積工程において、前記ガス噴出口から酸素ガスを含むガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
7. 前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から８５６ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化する、請求項６に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
8. 前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から１２８３ｍ／ｓ以上の流速となるガスを噴出して、各前記出射口から噴出される前記ガラス原料を霧化する、請求項６に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
9. 前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から噴出する前記ガスに含まれる酸素分子数を各前記出射口から噴出する前記ガラス原料の中に含まれるＳｉ原子数以上とする、請求項７または請求項８に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
10. 前記堆積工程において、各前記ガス噴出口から噴出する前記ガスに含まれる酸素分子数を各前記出射口から噴出する前記ガラス原料の中に含まれるＳｉ原子数の１．５倍以上とする、請求項７または請求項８に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
11. 前記堆積工程において、前記バーナーに供給する前記ガラス原料をシロキサンとする、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
12. 前記堆積工程において、前記バーナーに供給する前記ガラス原料をオクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）とする、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法によってガラス微粒子堆積体を製造し、当該製造したガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を製造する透明化工程を有する、ガラス母材の製造方法。
14. 前記堆積工程における前記出発ロッドへのガラス微粒子の堆積をＯＶＤ法、ＶＡＤ法、ＭＭＤ法のいずれかにより行う、請求項１３に記載のガラス母材の製造方法。

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