JP6686535B2 - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材の製造方法に関する。

加熱炉内に多孔質ガラス母材を収容して、脱水、焼結を行って透明化されたガラス母材を得るガラス母材の製造方法が知られている（特許文献１〜４参照）。例えば、特許文献１には、加熱炉内に多孔質ガラス母材を収容して、加熱炉内にヘリウムガスと脱水剤（塩素系ガス）を供給して脱水処理を行い（脱水工程）、脱水処理の後、加熱炉内にヘリウムガスとフッ素原料ガスとを供給して、多孔質ガラス母材にフッ素を添加し（フッ素添加工程）、多孔質ガラス母材を焼結して透明化する（焼結工程）ことが記載されている。

特開昭６３−２０６３２７号公報 特開平０４−５０１３０号公報 ＷＯ２０１０／１０３８５８公開パンフレット 特開２０１４−２１４０６６号公報

脱水工程においては、不活性ガスとして高価なヘリウムガスの代わりに、安価な窒素ガスまたはアルゴンガスを使用してもよいことは知られている（例えば、特許文献２、３）。ところが、脱水工程の後、フッ素を添加し（フッ素添加工程）、多孔質ガラス母材を焼結して透明化する（焼結工程）際に、不活性ガスとして、窒素ガスまたはアルゴンガスなどのヘリウムガス以外のガスを使用すると、焼結して透明化したガラス母材の中に気泡が残りやすいという問題がある。

フッ素を添加しないガラス母材を製造する場合は、例えば、ゾーン加熱炉を使用する焼結処理において、多孔質ガラス母材の有効部を焼結する際は、ヘリウムガスを供給し、非有効部を焼結する際は、窒素ガスまたはアルゴンガスを供給する方法が特許文献４に記載されている。しかしながら、特許文献４の上記方法は、多孔質ガラス母材全長に渡ってほぼ均一な温度に維持して加熱する均熱炉には適用できない。また、フッ素が添加されたガラス母材を製造する場合は、特許文献１のように、加熱炉内にヘリウムガスとフッ素原料ガスとを供給しており、不活性ガスとしては、窒素ガスやアルゴンガスなどよりも高価なヘリウムガスが使われている。

そこで、本発明の目的は、均熱炉内の多孔質ガラス母材にフッ素を添加し焼結して透明化する際に、ヘリウムガスの使用量を減らすことができるガラス母材の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係るガラス母材の製造方法は、均熱炉内に多孔質ガラス母材を収容し、該多孔質ガラス母材にフッ素を添加し、焼結して透明化するガラス母材の製造方法であって、
前記多孔質ガラス母材が緻密化する前に、前記均熱炉内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給して、前記多孔質ガラス母材にフッ素を添加するフッ素添加工程を含む。

本発明によれば、均熱炉内の多孔質ガラス母材にフッ素を添加し焼結して透明化する際に、高価なヘリウムガスの使用量を減らすことができるので、製造コストを削減することができる。

実施形態のガラス母材の製造方法で使用する均熱炉の概略構成図である。 実施形態のガラス母材の製造方法における、均熱炉に供給するガスと温度と工程を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。
本発明の実施形態に係るガラス母材の製造方法は、
（１） 均熱炉内に多孔質ガラス母材を収容し、該多孔質ガラス母材にフッ素を添加し焼結して透明化するガラス母材の製造方法であって、
前記多孔質ガラス母材が緻密化する前に、前記均熱炉内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給して、前記多孔質ガラス母材にフッ素を添加するフッ素添加工程を含む。

ヘリウムガス以外の不活性ガスは、ガラスへのガス透過性がヘリウムより低いため、ヘリウムよりも多孔質ガラス母材の内部に残りやすいが、多孔質ガラス母材が緻密化する前であれば、ヘリウムガス以外の不活性ガスでも、多孔質ガラス母材の外部に放出できる。このため、多孔質ガラス母材が緻密化する前に、均熱炉内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給すれば、高価なヘリウムガスの使用量を減らすことができるので、製造コストを削減することができる。

（２） 上記（１）のガラス母材の製造方法において、前記フッ素添加工程の後、前記均熱炉内の温度が１２００℃を超える前に、前記不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給し、前記多孔質ガラス母材を透明化する焼結工程をさらに含む。
上記（２）の製造方法では、均熱炉内の温度が１２００℃を超える前に、供給する不活性ガスをヘリウムガスに切り替えるので、上記温度が１２００℃を超えて多孔質ガラス母材が緻密化しても、多孔質ガラス母材の内部に気泡が残ることを防ぐことができる。

（３） 上記（１）または（２）のガラス母材の製造方法において、製造されるガラス母材におけるフッ素添加された部分の比屈折率差が−０．５％から−０．１％の範囲となるように、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％から２４ｖｏｌ％とした範囲で、前記フッ素原料ガスを供給する。
比屈折率差が−０．５％から−０．１％である範囲のガラス母材は、良好な特性のガラス母材であるので、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％から２４ｖｏｌ％とした範囲でフッ素原料ガスを供給することにより、良好な特性のガラス母材を製造することができる。

（４） 上記（１）から（３）のいずれか一のガラス母材の製造方法において、前記多孔質ガラス母材の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前に、ヘリウムガス以外の不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給する。
多孔質ガラス母材の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超えると多孔質ガラス母材が緻密化するので、ヘリウムガス以外の不活性ガスが多孔質ガラス母材の内部に残って気泡が残りやすい。このため、嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前にヘリウムガスに切り替えることにより、緻密化した多孔質ガラス母材の中に、気泡が残らないようにすることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るガラス母材の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本実施形態のガラス母材の製造方法で使用する均熱炉の概略構成図である。
図１に示すように、均熱炉１は、炉心管２、ヒータ３、炉体４、ガス供給路５、ガス供給装置６、ガス排出路７、排気装置８、温度制御装置９、温度計１０を備えている。

炉体４内には、炉心管２の外周側に設けられた熱源であるヒータ３を備えている。ヒータ３は、例えば均熱炉１の上下方向（図１の縦方向）に複数段（図１では３段）に分かれて設けられ、炉心管２内に収容された多孔質ガラス母材１１を加熱する。また、炉内温度を測定するための温度計１０がヒータ３の近くに設けられている。ヒータ３は、温度計１０によって測定された炉内温度に基づいて、温度制御装置９により加熱制御される。また、多孔質ガラス母材１１は、支持棒１２により吊り下げられている。

炉心管２の底部には、ガス供給路５を介してガス供給装置６が接続されている。このガス供給装置６は、炉心管２内に供給するガスの種類および流量を調節することができる構成になっている。また、炉心管２の上端側の周壁には、ガス排出路７を介して炉内のガスを排気するための排気装置８が接続されている。

次に、図１を参照しつつ図２に沿って、本実施形態のガラス母材の製造方法について説明する。図２は、本実施形態のガラス母材の製造方法における、均熱炉に供給するガスと温度と工程を示す図である。

（脱水工程）
ヒータ３による加熱を行う前の温度Ｔ０（例えば、室温）の状態で、図１に示すように、多孔質ガラス母材１１を炉心管２内に挿入する。そして、図２に示すようなタイミングで、ガス供給装置６は、脱水剤としての塩素系ガスと窒素ガスの混合ガス（Ｇ１）をガス供給路５を介して炉心管２内に供給する。また、温度計１０で測定された炉内温度が脱水温度Ｔ１（例えば、１０００℃）になるように、ヒータ３を加熱させる。これにより、炉心管２内は、脱水温度Ｔ１で塩素系ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気となり、多孔質ガラス母材１１の脱水処理が行われる。

（フッ素添加工程）
脱水処理が終了したら、ガス供給装置６は、図２に示すようなタイミングで、フッ素原料ガスと窒素ガスの混合ガス（Ｇ２）をガス供給路５を介して炉心管２内に供給する。ここで供給するフッ素原料ガスは、多孔質ガラス母材１１にフッ素添加された部分の比屈折率差が−０．５％から−０．１％の範囲となるように、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％から２４ｖｏｌ％とした範囲で供給する。ヒータ３を加熱させて炉内温度を上げていくと、炉心管２内は、フッ素原料ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気となり、多孔質ガラス母材１１のフッ素添加処理が行われる。なお、フッ素原料ガスとしては、例えばＣＦ_４、ＳＦ_６、Ｃ_２Ｆ_６、Ｓｉ_２Ｆ_６、ＳｉＦ_４等を用いることができる。また、フッ素添加濃度はフッ素原料ガスと窒素ガスの合計の体積に対するフッ素原料ガスの体積を指す。

（焼結工程）
次に、多孔質ガラス母材１１の焼結を行うために、さらにヒータ３を加熱させて炉内温度を上げていく。多孔質ガラス母材１１は、炉内温度が上昇するにしたがって収縮し、嵩密度が高くなっていく。そして、多孔質ガラス母材１１の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前に、温度がＴ２（例えば、１２００℃）を越えた時点で供給する不活性ガスを窒素ガスからヘリウムガスに切り替える。例えば、ガス供給装置６は、フッ素原料ガスと窒素ガスの混合ガス（Ｇ２）をフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガス（Ｇ３）に切り替えて炉心管２内に供給する。これにより、炉心管２内は窒素ガスが排出されてフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガスの雰囲気となる。

これは、多孔質ガラス母材１１が緻密化した後（例えば、嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超えた後）においては、ガラスへのガス透過性がヘリウムより低い窒素が多孔質ガラス母材１１の内部に気泡として残るおそれがあるため、供給する不活性ガスをヘリウムガスに変えるものである。ヘリウムはガラスへのガス透過性が高いため、多孔質ガラス母材１１が緻密化した後であっても、多孔質ガラス母材１１の内部に気泡が残らない。

なお、多孔質ガラス母材１１が収縮する度合は、フッ素添加濃度によって変化するので、供給するガスをフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガス（Ｇ３）に変えるタイミングの温度Ｔ２は、フッ素添加濃度によって変えるとよい。

炉内温度が焼結温度Ｔ３（例えば、１５００℃）となった時点で、炉内温度を一定（Ｔ３）に保つ。これにより、多孔質ガラス母材１１が焼結し、透明化されたガラス母材が形成される。焼結が終了したら、窒素ガス（Ｇ４）のみを供給しながら、取り出し可能な温度Ｔ０（例えば、室温）まで温度を下げ、炉心管２内からガラス母材を取り出す。

なお、上記焼結工程において供給するフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガス（Ｇ３）は、ヘリウムガスのみとしてもよい。
また、上記各工程で供給する窒素ガスは、ヘリウムガス以外の不活性ガスであれば他のガス（例えば、アルゴンガスなど）でもよい。
また、上記各工程で供給する混合ガスとは、予め混合したガスを供給することに限定されるものではなく、例えば別々の配管によって供給された個別のガスが炉心管２内で混合される供給形態のものでもよい。

以上、本実施形態のガラス母材の製造方法では、多孔質ガラス母材１１が緻密化する前に、均熱炉１内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給して、多孔質ガラス母材１１にフッ素を添加するフッ素添加工程を含む。ヘリウムガス以外の不活性ガスは、そのガラスへのガス透過性がヘリウムより低いため、ヘリウムよりも多孔質ガラス母材１１の内部に残りやすいが、多孔質ガラス母材１１が緻密化する前であれば、ヘリウムガス以外の不活性ガスでも、多孔質ガラス母材１１の外部に放出できる。このため、多孔質ガラス母材１１が緻密化する前に、均熱炉１内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給すれば、高価なヘリウムガスの使用量を減らすことができ、製造コストを削減できる。

また、本実施形態のガラス母材の製造方法では、フッ素添加工程の後、均熱炉１内の温度が１２００℃を超える前に、不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給し、多孔質ガラス母材１１を透明化する焼結工程をさらに含む。均熱炉１内の温度が１２００℃を超える前に、供給する不活性ガスをガラスへのガス透過性が高いヘリウムガスに切り替えるので、上記温度が１２００℃を超えて多孔質ガラス母材１１が緻密化しても、多孔質ガラス母材１１の内部に気泡が残ることを防ぐことができる。

また、本実施形態のガラス母材の製造方法では、製造されるガラス母材におけるフッ素添加された部分の比屈折率差が−０．５％から−０．１％の範囲となるように、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％から２４ｖｏｌ％とした範囲で、フッ素原料ガスを供給する。
上記部分の比屈折率差が−０．５％から−０．１％である範囲のガラス母材は、良好な特性のガラス母材であるので、良好な特性のガラス母材を製造することができる。

また、本実施形態のガラス母材の製造方法では、多孔質ガラス母材１１の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前に、ヘリウムガス以外の不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給する。
多孔質ガラス母材１１の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超えると多孔質ガラス母材１１が緻密化するので、ヘリウムガス以外の不活性ガスが多孔質ガラス母材１１の内部に残って気泡が残りやすい。このため、嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前にガラスへのガス透過性が高いヘリウムガスに切り替えることにより、緻密化した多孔質ガラス母材１１の中に、気泡が残らないようにすることができる。

［実施例］
嵩密度が０．３ｇ／ｃｍ^３の多孔質ガラス母材１１を均熱炉１で、上記実施形態のガラス母材の製造方法の各工程を実施して処理し、ガラス母材を製造した。
例１〜例６は、フッ素添加工程におけるフッ素添加濃度を変えた例である。例１〜例６では、均熱炉１内の温度が１１５０℃を超えた段階で、フッ素原料ガスと窒素ガスの混合ガス（Ｇ２）をフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガス（Ｇ３）に切り替えて炉心管２内に供給した。そして、製造されたガラス母材に対して、気泡の有無を目視で判定すると共に、フッ素添加された部分の比屈折率差を測定した。以下の表１にその結果を示す。なお、フッ素原料ガスとしてＳｉＦ_４ガスを用いた。

表１に示す結果から、製造されたガラス母材において気泡が発生しなかったのは、例１〜例５であった。また、比屈折率差がガラス母材において良好な特性とされる−０．５％から−０．１％である範囲は、例２〜例５であった。したがって、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％（例２）から２４ｖｏｌ％（例５）とした範囲でフッ素原料ガスを供給することにより、良好な特性のガラス母材を製造することができた。

また、表２に示す例７〜例１０は、フッ素添加濃度を６．３ｖｏｌ％にして、フッ素原料ガスと窒素ガスの混合ガス（Ｇ２）をフッ素原料ガスとヘリウムガスの混合ガス（Ｇ３）に切り替える温度Ｔ２を変えた例である。表２で示した温度Ｔ２時の嵩密度は、同等の多孔質ガラス母材を加熱途中で炉心管２内から取り出して算出したものである。

表２に示すように、Ｔ２の温度を上げる程、Ｔ２時の嵩密度は大きくなる。そして、Ｔ２の温度が１１００℃かつＴ２時の嵩密度が０．３１ｇ／ｃｍ^３である例７から、Ｔ２の温度が１２００℃かつＴ２時の嵩密度が０．４０ｇ／ｃｍ^３である例９までの場合は、製造されたガラス母材において気泡が発生しなかった。したがって、Ｔ２時の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超える前に、供給する不活性ガスを窒素ガスからヘリウムガスに切り替えて供給することで、多孔質ガラス母材の内部に気泡が残ることを防ぐことができた。

以上の全ての例（例１〜例１０）において、ヘリウムガスの使用量は、不活性ガスにヘリウムガスのみを使用したと仮定した場合よりも削減できた。例えば、Ｔ２の温度が１２００℃の例９の場合、ヘリウムガスの使用量を約４０％削減できた。

１ 均熱炉
２ 炉心管
３ ヒータ
４ 炉体
５ ガス供給路
６ ガス供給装置
７ ガス排出路
８ 排気装置
９ 温度制御装置
１０ 温度計
１１ 多孔質ガラス母材
１２ 支持棒

Claims (3)

1. 均熱炉内に多孔質ガラス母材を収容し、該多孔質ガラス母材にフッ素を添加し焼結して透明化するガラス母材の製造方法であって、
   前記多孔質ガラス母材の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ ^３ を超えて前記多孔質ガラス母材が緻密化する前に、前記均熱炉内にヘリウムガス以外の不活性ガスとフッ素原料ガスとを供給して、前記多孔質ガラス母材にフッ素を添加するフッ素添加工程と、
   前記フッ素添加工程の後、前記多孔質ガラス母材の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ ^３ を超える前に、前記不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給し、前記多孔質ガラス母材を透明化する焼結工程と、
   を含む、ガラス母材の製造方法。
2. 前記焼結工程において、前記多孔質ガラス母材の嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ ^３ を超える前、かつ前記均熱炉内の温度が１２００℃を超える前に、前記不活性ガスをヘリウムガスに切り替えて供給する、請求項１に記載のガラス母材の製造方法。
3. 製造されるガラス母材におけるフッ素添加された部分の比屈折率差が−０．５％から−０．１％の範囲となるように、フッ素添加濃度を０．４ｖｏｌ％から２４ｖｏｌ％とした範囲で、前記フッ素原料ガスを供給する、請求項１または請求項２に記載のガラス母材の製造方法。

Images