JPH0764574B2

JPH0764574B2 - 棒状石英系ガラス母材の製造方法

Info

Publication number: JPH0764574B2
Application number: JP62211953A
Authority: JP
Inventors: 継男佐藤
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1987-08-26
Filing date: 1987-08-26
Publication date: 1995-07-12
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: JPS6456331A

Description

【発明の詳細な説明】『産業上の利用分野』本発明は粉末を出発原料とする棒状の石英系ガラス母材
の製造方法に関する。

『従来の技術』一般に、光ファイバ母材、イメージファイバ母材、ライ
トガイド母材、ロッドレンズ母材など、これら石英系ガ
ラス母材の製造手段として、MCVD法、VAD法、OVD法、PC
VD法など、気相原料の化学反応を利用した方法が汎用さ
れている。

これら気相反応法は、SiCl₄，GeCl₄などのハロゲン化物
を出発原料とし、その原料を酸化反応または火炎加水分
解反応させて、SiO₂、GeO₂などの酸化物粉末をつくり、
当該酸化物粉末を所定の堆積面（石英管の内周面、ター
ゲットの先端面、マンドレルの外周面など）で堆積成長
させて透明ガラス化することにより、石英系ガラス母材
をつくる。

他の公知例として、特公昭59−19891号公報の発明があ
り、かかる公知例では、ガラス微粉末を出発原料とし、
そのガラス微粉末を静水圧にて加圧成形することによ
り、所望の母材を得るようにしている。

『発明が解決しようとする問題点』上述した気相反応法では、酸化物粉末の堆積効率が悪
い、ガラス母材に微小な脈理が生じる（光伝送特性の低
下）、設備の規模が大型化する、製造に熟練を要するな
ど、歩留り、品質、製品コスト、設備の経済性、運転技
術に問題があり、特に歩留りについては、酸化物粉末の
堆積効率が40〜60％程度と低く、その残部が廃棄されて
いる。

上述した公知例（特公昭59−19891号）では、廃棄され
ていた酸化物粉末を出発原料として活用することができ
るが、加圧容器を必要とするので操作が繁雑となり、連
続作業がむずかしいので生産性が低い。

本発明は上記の問題点に鑑み、経済的な設備、簡易な製
造手段にて生産性を高めながら、高品質の石英系ガラス
母材を歩留りよく製造することのできる方法を提供しよ
うとするものである。

『問題点を解決するための手段』本発明に係る棒状石英系ガラス母材の製造方法は、微粉
末状の石英系ガラス原料を純水中に均一分散させてガラ
ス原料の分散液をつくる工程と、その後、当該分散液を
熱処理して微粒子状の石英系ガラス原料をつくる工程
と、その後、当該微粒子状石英系ガラス原料を粉砕し、
その粉砕原料を純水中に均一分散させてガラス原料の再
分散液をつくる工程と、その後、当該再分散液を多孔質
の高純度石英からなる円筒形の成形型に入れるととも
に、その再分散液中の水分を成形型により吸収脱水し
て、径方向および軸方向にわたる組成分布が均一な棒状
の石英系ガラス母材を成形する工程とを備えてなり、こ
れらの工程を含む手段により所期の目的を達成する。

『作用』本発明方法の場合、ガラス原料の分散液をつくる工程、
微粒子状のガラス原料をつくる工程、ガラス原料の再分
散液をつくる工程、再分散液からガラス母材を成形する
工程を経ることにより、石英系ガラス母材が得られる。

上述した各工程は、既製の攪拌容器、粉砕器、熱処理装
置（加熱手段）、成形型を備えることにより実施でき、
設備の規模を経済的に縮小することができる。

上述した各工程は、攪拌、熱処理、粉砕、成形などの手
段であるから、熟練が要求されるほどの技術難度がな
く、高度の雰囲気制御をともなう工程管理も不要である
から、簡易に実施できる。

もちろん、これら各工程は連続して実施することができ
るので、生産性を高めることができる。

特に、ガラス母材を成形する工程においては、気相反応
法にみられる脈理が生ぜず、バインダを使用しない点と
も併せ、光伝送特性のよい石英系ガラス母材が得られ
る。

その他、本発明方法の場合、始めの工程から終りの工程
に至るまで、原料損失がほとんどないので、歩留りよく
石英系ガラス母材を製造することができる。

『実施例』本発明方法の実施例につき、図面をも参照して説明す
る。

本発明方法において、出発原料として用いられる微粉末
状のガラス原料は、周知のハロゲン化物を酸化反応ある
いは火炎加水分解反応させることにより得られるもの
で、具体的にはSiO₂粉末を主原料とし、その主原料には
必要に応じてGeO₂粉末などのドーパントが副原料として
添加される。

本発明方法では、上記原料を出発原料として、ガラス原
料の分散液をつくる工程、微粒子状のガラス原料をつく
る工程、ガラス原料の再分散液をつくる工程、再分散液
からガラス母材を成形する工程が所定の順序で以下のよ
うに実施される。

第１図の工程では、ビーカ形状を有する縦長の石英容器
51内に微粉末状のガラス原料を入れ、これに純水を加え
た後、これらガラス原料、純水を石英棒52により均一に
攪拌して、ガラス原料のスラリーすなわち分散液１をつ
くる。

第２図の工程では、石英容器51内の分散液１を蒸発皿の
ごとき平型の石英容器53内に移した後、その分散液入り
石英容器53を加熱器54内に入れ、当該分散液１を80〜11
0℃の温度で一次的に熱処理（乾燥）して乾燥原料２と
する。

第３図の工程では、乾燥原料入り石英容器53を加熱炉55
内に移し、当該乾燥原料２を500〜900℃の温度で二次的
に熱処理する。

これら両熱処理工程を経ることにより、微粒子状のガラ
ス原料３が得られる。

この微粒子状ガラス原料３は、出発原料たる微粉末状の
ガラス原料の大きさが、約10mμ〜0.5μｍであったのに
対し、0.5μｍ〜数10μｍにまで成長しており、微粉末
状態よりも分散性が改良されている。

第４図の工程では、石英容器53内の微粒子状ガラス原料
３を石英容器51内に戻し、当該石英容器51内において、
微粒子状ガラス原料３を石英棒52により粉砕し、粉砕原
料４とする。

第５図の工程では、粉砕原料入り石英容器51内に純水を
加え、これら粉砕原料４、純水を石英棒52により均一に
攪拌して、ガラス原料のスラリーたる再分散液５をつく
る。

この工程での純水添加量は、後述するガラス母材６の嵩
密度、強度、乾燥時間に影響を与えるので、できるだけ
少ないのが望ましいが、その成形時の流動性を損なわな
いことをも配慮した場合、粉砕原料４と純水との割合
は、つぎに示す範囲内で設定するのが適当である。

粉砕原料：純水＝1:0.8〜1:1.5 第６図の工程では、再分散液５を成形材料として、泥漿
鋳込成形手段によりガラス母材６をつくるが、この工程
で用いられる成形型56は、下端に端栓57を備えた円筒体
からなり、その素材は合成石英微粉末（ヒュームドシリ
カ）からなり、いわゆる多孔質の高純度石英からなる。

第６図において、ガラス母材６をつくるとき、再分散液
５を成形型56内に注入する。

成形型56内に注入された再分散液５は、時間の経過にと
もない、その溶媒たる純水が成形型56に吸収脱水されて
体積収縮し、かくて、成形型56内には、不完全な乾燥状
態の石英系ガラス母材６が成形される。

かかる石英系ガラス母材６は、ある程度乾燥され、体積
収縮しているので、成形型56内から容易に離型すること
ができる。

第７図の工程では、ガラス母材６を真空あるいは常圧の
乾燥器58内に入れ、加熱乾燥することにより、当該ガラ
ス母材６の残存水分を除去する。

乾燥されたガラス母材６は、バインダ、その他の添加剤
を使用しないにもかかわらず、十分な機械的強度を有
し、ドリルで穿孔することも可能である。

乾燥後のガラス母材６は、例えばVAD法を介して作製さ
れた多孔質ガラス母材を焼結するのと同じく、電気炉の
石英製炉心管内で高温に加熱されて石英系の透明ガラス
母材となる。

かかる透明ガラス化に際し、母材の水分をより除去する
場合、その透明ガラス化雰囲気中にCl₂などのハロゲン
ガスを含有させるのがよい。

透明ガラス母材から、例えば光ファイバを作製すると
き、当該母材を周知の加熱延伸手段により紡糸する。

本発明方法において留意すべき点は、母材中への不純物
の混入である。

特に光ファイバ用の母材を得るとき、アルカリあるいは
アルカリ土類金属が母材中に取りこまれると、母材焼結
後の冷却段階で結晶化をきたし、ガラス破壊、不透明な
ど、致命的な問題を惹き起す。

ゆえに、本発明方法において用いられる容器、成形型を
含む設備器具、設備装置としては、石英製のものが用い
られる。

ちなみに、一般的な泥漿鋳込成形法では、成形型として
吸水性、安定性に優れる石膏製のものが用いられるが、
かかる石膏製成形型の場合、ポーラスなガラス母材を良
好に成形することができるものの、当該母材の焼結段階
において結晶化が生じる。

すなわち、焼結直後の高熱状態において母材が透明体で
あるとしても、その後の冷却過程で瞬時にして母材の不
透明、破壊などが生じ、その母材破片の分析結果におい
て、破片の表面層より微量のCa、Mg、Baなどが検出され
ている。

かかる分析結果からすると、これらアルカリ土類金属が
冷却過程で結晶核を生成し、母材表面層において結晶が
急速成長することにより、母材に歪が発生して破壊に至
ったものと考えられる。

実際に破壊した母材の破片（ガラス破片）を分析したと
ころでは、前記不純物のほか、若干の遷移金属が数p.p.
m〜数百p.p.m検出されている。

したがって、一般的な泥漿鋳込成形法に用いらる石膏製
の成形型（主成分＝硫酸カルシュウムの飽和状態での溶
解度:0.2g/18℃）は、不純物の混入をきらう石英製品の
成形には適さない。

本発明方法では、高純度、吸水性、成形性、母材との同
一成分など、かかる石英成形品の特殊事情に鑑み、ヒュ
ームドシリカからなる成形型56を採用している。

ちなみに、ヒュームドシリカは下記の反応式により得ら
れる。

SiCl₄＋2H₂＋O₂→SiO₂＋4HCl ヒュームドシリカを用いたシリカガラスの製法は、すで
に文献公知であるが、公知のものは石英ガラス中に気泡
が発生しないよう、その粒子径、気孔サイズなどを制御
している。

本発明方法における成形型56では、このような技術的配
慮が不要であるので、以下に例示する手段にて簡易に作
製することができる。

すなわち、成形材料としては、ヒュームドシリカ（「AE
ROSIL 200」日本アエロジル〈株〉）を少量の純水に分
散させることにより、分散液（シリカ：純水＝50:100〜
30:100）をつくり、石英製の成形型60としては、第８図
に例示するごとく、内筒部61と外筒部62との間に成形空
間63を備えた二重筒型のものを用意し、その分散液を成
形型60内に入れる。

この際、分散液の流動性不足を補償するため、例えば、
振動手段を介して分散液に揺変性を与えてもよい。

上記成形型60内の分散液を10時間以上放置してゲル化す
る。

その後、上記ゲル化による成形体を100〜150℃の温度で
数時間かけて乾燥する。

この段階での成形体は、機械的強度が十分でないので、
700〜900℃の温度にて２〜４時間加熱し、成形体を稠密
化する。

その後、室温まで冷却された成形体を成形型60内から離
型する。

かかる成形体は、前記成形型56の円筒体（端栓57を除い
た部分）となる。

つぎに、本発明方法の具体例を説明する。

具体例１第１図の工程のとき、火炎加水分解法により得られたSi
O₂−GeO₂（10重量％）からなる微粉末状ガラス原料200g
を石英容器51内に入れ、これに純水400mlを加え、これ
らを石英棒52により均一に攪拌してガラス原料の分散液
１をつくった。

第２図の工程のとき、分散液１を石英容器53内に移し、
その石英容器53を電気オーブンからなる加熱器54内に入
れ、分散液１を105℃で10時間加熱して乾燥した。

第３図の工程のとき、石英容器53をマッフル炉からなる
加熱炉55内に移し、その石英容器53内の乾燥原料２を80
0℃で１時間加熱して焼成した。

第４図の工程のとき、石英容器53内の微粒子状ガラス原
料３を石英容器51内に戻し、当該石英容器51内におい
て、微粒子状ガラス原料３を石英棒52により粉砕した。

第５図の工程では、粉砕原料４入り石英容器51内に純水
200mlを加え、これら粉砕原料４、純水を石英棒52によ
り均一に攪拌して再分散液５をつくった。

第６図の工程のとき、再分散液５を長さ200mm、内径40m
mφ、外径180mmφの成形型56内に入れ、10時間以上放置
して脱水することにより泥漿鋳込成形し、石英系ガラス
母材６を得た。

なお、再分散液５を成形型56内に注入しているとき、再
分散液５の表面中心に凹みを生じることが多く、その凹
みが封入されることにより母材中に気泡が発生するが、
これを回避するため、再分散液５の中心部から徐々にキ
ャスティングし、成形型56を振動させた。

さらに、石英系ガラス母材６を電気オーブンからなる乾
燥器内に入れ、80〜110℃の温度で数時間以上加熱し、
その後、当該ガラス母材６を離型した。

離型後のガラス母材６は、外径×長さが40mmφ×160mm
であった。

第７図の工程のとき、離型後のガラス母材６を電気オー
ブン式の乾燥器58内に入れ、50〜110℃まで昇温しなが
ら恒量に達するまで、５〜10時間かけて乾燥した。

乾燥後のガラス母材６は、これを既述の手段で透明ガラ
ス化し、これにより得られた外径×長さ＝30mmφ×130m
m（屈折率1.472）の石英系透明ガラス母材を常法にて紡
糸するとともに、その光ファイバの外周にシリコーン製
のクラッドを施してプラスチッククラッドファイバを得
た。

この光ファイバは、NAが0.43、波長0.85μｍにおける伝
送ロスが4dB/kmであり、純シリカコアからなる通常の光
ファイバと比較し、NA、伝送ロスとも遜色がなかった。

具体例２前記と同様にしてガラス原料の分散液１をつくるとき、
VAD法において多孔質母材に堆積されず、系外へ排出さ
れたSiO₂−GeO₂系の微粉末状ガラス8kgを原料として用
意するとともに、容積31の石英容器51を５個用意し、各
石英容器51内に微粉末状ガラス原料を1.6kgずつ分取り
して、これらに1.51の純水を加え、かつ、石英棒52によ
り均一に攪拌してガラス原料の分散液１をつくった。

分散液１を各石英容器51内に入れたまま、これら石英容
器51を電気オーブンからなる加熱器54内に入れ、分散液
１を105℃で10時間加熱して乾燥した後、該各石英容器5
1を前記と同様の加熱炉55内に移し、その石英容器51内
の乾燥原料２を800℃で１時間加熱して焼成した。

かくて得られた微粒子状ガラス原料３を、石英容器51内
において石英棒52により粉砕し、微粒子状ガラス原料３
を得た。

つぎに、各石英容器51内に1.41の純水を加え、粉砕原料
４、純水を石英棒52により均一に攪拌して再分散液５を
つくった。

その後、長さ400mm、内径50mmφ、外径250mmφの成形型
58を10基用意し、これら成形型56内に上記再分散液５を
入れて脱水することにより泥漿鋳込成形し、こうして得
られた石英系ガラス母材６を、前記と同様に乾燥して離
型した。

外径×長さが50mmφ×400mmである離型後のガラス母材
６は、これを前記乾燥器58内に入れて前記と同様の温度
で乾燥し、さらに、乾燥後のガラス母材６を既述の手段
で透明ガラス化した。

これにより得られた各透明ガラス母材（10本）は、外径
37mmφ×長さが300mm、重量780g/本、すなわち、計10本
の製造量は重量換算で7800gであり、乾燥時間をも含め
た製造時間は、約27時間であった。

具体例２における単位時間あたりの母材製造量は4.8g/m
inであり、従来法（VAD法）における単位時間あたりの
母材製造量0.5〜2g/minと比べて生産性が高い。

なお、粉体供給用ホッパ、吸水装置、物品移送ロボッ
ト、コンベアなどを用いて各工程をライン化することに
より、ガラス母材を連続生産することができる。

その他、本発明方法の実施例、具体例として、光ファイ
バ母材の製造例をあげて説明したが、イメージファイバ
母材、ライトガイド母材、ロッドレンズ母材などを製造
する場合にも、本発明方法は適用できる。

『発明の効果』以上説明した通り、本発明方法によるときは、ガラス原
料の分散液をつくる工程、微粒子状のガラス原料をつく
る工程、ガラス原料の再分散液をつくる工程、再分散液
からガラス母材を成形する工程を介して径方向および軸
方向にわたる組成分布が均一な棒状の石英系ガラス母材
を製造するから、経済的な設備、簡易な製造手段にて生
産性を高めながら、高品質の上記棒状石英系ガラス母材
を歩留りよく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明方法の一実施例をその工程順に
略示した説明図、第８図は本発明方法に用いられる成形
型の製造例を略示した説明図である。１……分散液２……乾燥原料３……微粒子状ガラス原料４……粉砕原料５……再分散液６……石英系ガラス母材 51……石英容器 52……石英棒 53……石英容器 54……石英容器 55……加熱炉 56……成形型 57……成形型の端栓 58……乾燥器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉末状の石英系ガラス原料を純水中に均
一分散させてガラス原料の分散液をつくる工程と、その
後、当該分散液を熱処理して微粒子状の石英系ガラス原
料をつくる工程と、その後、当該微粒子状石英系ガラス
原料を粉砕し、その粉砕原料を純水中に均一分散させて
ガラス原料の再分散液をつくる工程と、その後、当該再
分散液を多孔質の高純度石英からなる円筒形の成形型に
入れるとともに、その再分散液中の水分を成形型により
吸収脱水して、径方向および軸方向にわたる組成分布が
均一な棒状の石英系ガラス母材を成形する工程とを備え
てなる棒状石英系ガラス母材の製造方法。