(57)【要約】【課題】気相法で得られた多孔質ガラス体であって、均一なフッ素の添加ができ、かつ歪みがほとんど残ることがないフッ素添加合成石英ガラス材を製造できる多孔質ガラス体を得ることにある。【解決手段】多孔質ガラス体の半径をＲとしたときに、その中心から０．８Ｒまでの領域の嵩密度を０．３〜０．７ｇ／ｃｍ３とし、その嵩密度の変動割合を半径１ｍｍにつき±０．００５ｇ／ｃｍ３以下とする。この多孔質ガラス体は、バーナ２にガラス原料ガス、水素、酸素を供給し、酸水素炎中でガラス微粒子を合成し、出発部材１の先端部に堆積して円柱状の多孔質ガラス体３を形成する際、多孔質ガラス体３の下端のガラス微粒子が堆積されていく成長点Ａの中心部の温度を最高温度とし、中心部から０．８Ｒ（Ｒは、多孔質ガラス体の半径）までの領域の温度が中心部の温度と比べて１００℃以内の差とすることで製造できる。【選択図】図１
2004224649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相法によって得られた円柱状の多孔質ガラス体であって、多孔質ガラス体の半径をＲとしたときに、その中心から０．８Ｒまでの領域の嵩密度が０．３〜０．７ｇ／ｃｍ３であり、その嵩密度の変動割合が半径１ｍｍにつき±０．００５ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする多孔質ガラス体。
【請求項２】
多孔質ガラス体の中心から０．８Ｒまでの領域の嵩密度が０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１記載の多孔質ガラス体。
【請求項３】
多重管バーナに、ガラス原料ガス、水素、酸素を供給し、酸水素炎中でガラス微粒子を合成し、これを出発部材の先端部に堆積して円柱状の多孔質ガラス体を形成する際、多孔質ガラス体の半径をＲとした時に、多孔質ガラス体の下端のガラス微粒子が堆積されていく成長点の中心部の温度を最高温度とし、中心部から０．８Ｒまでの領域の温度が中心部の温度と比べて１００℃以内の差であることを特徴とする多孔質ガラス体の製法。
【請求項４】
請求項１または２記載の多孔質ガラス体をヘリウムガス雰囲気下あるいはヘリウムガスとフッ素化合物の雰囲気下で透明ガラス化したことを特徴とする合成石英ガラス材。
【請求項５】
請求項３記載の製法で得られた多孔質ガラス体をヘリウムガス雰囲気下あるいはヘリウムガスとフッ素化合物の雰囲気下で加熱し、さらに透明ガラス化することを特徴とする合成石英ガラス材の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法などの気相法によって多孔質ガラス体を製造する方法および多孔質ガラス体に関し、屈折率変動の少ない合成石英ガラス材が得られるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
気相法によって製造される合成石英ガラス材は、高純度であると言う特徴を有しており、広い波長範囲で光の透過率が高い。したがって、光ファイバ用母材以外にも、例えば半導体製造用投影装置のレンズ材料などに使用されている。
また、紫外線に対する耐久性や透過性を高めるために、フッ素を添加（ドープ）したフッ素添加合成石英ガラス材も同様の用途等に使用される場合がある。この場合には、フッ素は石英ガラスの屈折率を低下させる性質を有するため、フッ素添加量は均一であることが必要とされる。
【０００３】
このフッ素添加合成石英ガラス材の製造は、ＶＡＤ法によって得られた多孔質ガラス体を加熱炉に収め、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）などのフッ素化合物の存在下で１０００〜１２００℃に加熱してフッ素化合物を吸着、拡散させ、ついでこれを１４００〜１６００℃で加熱してガラス中にフッ素をドープし、透明ガラス化する方法によって行われている。
【０００４】
このようなフッ素添加合成石英ガラス材においては、ガラス材中に均一にフッ素がドープされていなければ、屈折率の変動等が生じる不具合がある。特に、レンズ材料に使用されるフッ素添加合成石英ガラス材では、極めて高い屈折率の均一性が要求される。そのためには、上述の製造時の際に多孔質ガラス体中に均一にフッ素化合物を吸着、拡散させねばならない。
【０００５】
多孔質ガラス体中に均一にフッ素化合物を吸着、拡散させるためには、多孔質ガラス体の嵩密度が均一でなければならない。
また、フッ素を添加しないで、合成石英ガラス材を作製する場合においても、多孔質ガラス体を上述のように加熱して透明ガラス化する際に、多孔質ガラス体の嵩密度が不均一であると、多孔質ガラスが加熱され、内部の微細な気泡が消滅して収縮する時に不均一に収縮することになり、得られる合成石英ガラス材中に歪みが生成することがある。
【０００６】
しかし、ＶＡＤ法によって得られた多孔質ガラス体の全体の嵩密度を高度に均一にすることは実際上困難であり、特にレンズ材などの用途に用いられる多孔質ガラス体では、その寸法が大型化し、このような大型の多孔質ガラス体の嵩密度を均一にすることは、さらに困難が伴う。
このようなフッ素添加合成石英ガラス材に関する先行技術文献として、以下のようなものがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１１４５２２号公報
【特許文献２】
特開２００２−６０２２８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、実質的に均一なフッ素の添加ができ、かつ歪みがほとんど残ることがないようにするための多孔質ガラス体の嵩密度の変動の許容範囲を見いだすこと、およびそのような嵩密度の変動許容範囲を持つ多孔質ガラス体を製造する製法を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、気相法によって得られた円柱状の多孔質ガラス体であって、多孔質ガラス体の半径をＲとしたときに、その中心から０．８Ｒまでの領域の嵩密度が０．３〜０．７ｇ／ｃｍ３であり、その嵩密度の変動割合が半径１ｍｍにつき±０．００５ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする多孔質ガラス体である。
【００１０】
請求項２にかかる発明は、多孔質ガラス体の中心から０．８Ｒまでの領域の嵩密度が０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１記載の多孔質ガラス体である。
請求項３にかかる発明は、多重管バーナに、ガラス原料ガス、水素、酸素を供給し、酸水素炎中でガラス微粒子を合成し、これを出発部材の先端部に堆積して円柱状の多孔質ガラス体を形成する際、多孔質ガラス体の半径をＲとした時に、多孔質ガラス体の下端のガラス微粒子が堆積されていく成長点の中心部の温度を最高温度とし、中心部から０．８Ｒまでの領域の温度が中心部の温度と比べて１００℃以内の差であることを特徴とする多孔質ガラス体の製法である。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、請求項１または２記載の多孔質ガラス体をヘリウムガス雰囲気下あるいはヘリウムガスとフッ素化合物の雰囲気下で透明ガラス化したことを特徴とする合成石英ガラス材である。
請求項５にかかる発明は、請求項３記載の製法で得られた多孔質ガラス体をヘリウムガス雰囲気下あるいはヘリウムガスとフッ素化合物の雰囲気下で加熱し、さらに透明ガラス化することを特徴とする合成石英ガラス材の製法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の多孔質ガラス体の製法の一例を示すものである。
【００１３】
図１中符号１は、石英棒などからなる出発部材を示す。この出発部材１は、図示しない駆動装置に回転自在に保持されて、その軸回りに回転しつつ、徐々に上方に移動するようになっている。
【００１４】
また、符号２はガラス合成用の多重管バーナを示す。この多重管バーナ２は、多重管構造となっており、その一番中心側の管から四塩化ケイ素などのガラス原料ガスが流れ、順次外側に向かって水素、アルゴン、酸素がそれぞれ別々に流れるようになっている。この多重管バーナ２は、図示するように、出発部材１の下方の外方にやや傾斜して設けられている。
【００１５】
多重管バーナ２のノズルから噴射される酸水素炎内において、ガラス原料が加水分解反応あるいは酸化反応により、石英（ＳｉＯ２）などのガラス微粒子が生成され、このガラス微粒子が火炎に乗って出発部材１の下端に付着、堆積して成長してゆき、ガラス微粒子間に無数の微細な気泡を有し、多孔質となった円柱状の多孔質ガラス体３が形成される。
【００１６】
この時、多孔質ガラス体３の下端のガラス微粒子が付着して堆積する部分を成長点Ａと呼ぶ。この成長点Ａは、光学式位置検出器４によって常時その位置が検出されるようになっており、その位置信号が上記駆動装置に送られる。駆動装置は、この位置信号に基づいて作動を開始し、出発部材１を上方に移動させ、常にガラス微粒子が付着する成長点Ａが、多重管バーナ２に対して一定の位置となるようになっている。
【００１７】
このようにして円柱状の多孔質ガラス体３を製造する際、多孔質ガラス体３の成長点Ａの中心部の温度が成長点Ａの他の部分よりも温度が最も高くなるようにし、かつ成長点Ａの中心部から０．８Ｒまでの領域の温度が中心部の温度と比べて１００℃以内の差であるようにすることで得られる多孔質ガラス体３の嵩密度を実質的に均一となるように制御できる。ここで、Ｒは、多孔質ガラス体３の半径である。
【００１８】
そして、多孔質ガラス体３の成長点Ａの中心部の温度が成長点Ａの他の部分よりも温度が最も高くなるようにし、かつ成長点Ａの中心部から０．８Ｒまでの領域の温度が中心部の温度に比べて１００℃以内の差とするためには、多重管バーナ２に供給するガラス原料ガス等の各種ガスの流量や多重管バーナ２の位置、すなわちバーナ２のノズルと成長点Ａまでの距離、バーナ２の傾斜角度などを調製することで可能になる。
【００１９】
例えば、多重管バーナ２に供給するガスの流量を、水素１８０リットル／分、酸素１００リットル／分、アルゴン３０リットル／分、四塩化ケイ素８リットル／分とし、多重管バーナ２のノズルの位置を適切に配置することで、成長点Ａの中央部の温度を約９００℃と最も高温とし、０．８Ｒまでの領域までの温度差を１００℃以内とすることができる。
【００２０】
このようにして得られた多孔質ガラス体３の嵩密度の分布は、円柱状の多孔質ガラス体の半径をＲとしたとき、その中心から０．８Ｒまでの領域において、嵩密度が０．３〜０．７ｇ／ｃｍ３、好ましくは０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲とされ、その変動割合が半径１ｍｍにつき±０．００５ｇ／ｃｍ３以内とされる。嵩密度が０．３ｇ／ｃｍ３未満では強度が不十分で取扱時に破損する恐れがあり、０．７ｇ／ｃｍ３を超えるとフッ素化合物が中央部まで浸透することが困難になる。また、変動割合が±０．００５ｇ／ｃｍ３を超えると、多孔質ガラス体を透明ガラス化する際に、不均一に収縮し、歪みや屈折率変動の原因となる。
【００２１】
図２は、多孔質ガラス体の半径方向の嵩密度の分布を示すグラフである。このグラフの実線で描いた曲線は、上述の具体的な流量条件等によって得られた多孔質ガラス体３の半径方向の嵩密度の分布例を示すものである。この嵩密度の分布は、中心部が高く、これから周辺部に向かってなだらかに低下しており、その分布は比較的均一と言うことができる。
【００２２】
また、図２のグラフの破線で描いた曲線は、従来のＶＡＤ法により合成された多孔質ガラス体における同様の嵩密度の分布を示すものである。このものでは、中心部からやや離れた位置に嵩密度が部分的に低下した「谷部」が対称的に生じており、しかも中央部での嵩密度が局部的に急激に高くなっており、多孔質ガラス体内での嵩密度の分布は極めて不均一となっている。
【００２３】
本発明における多孔質ガラス体の嵩密度の分布の測定は、多孔質ガラス体を中心部から半径方向に向かって、ブロック状に切り出し、そのブロックの寸法と重量を測定し、算出する方法に拠った。
【００２４】
このような嵩密度の分布がなだらかな本発明の多孔質ガラス体では、これにフッ素を添加（ドープ）する際、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）などのフッ素化合物の吸着、拡散が多孔質ガラス体全体で均一に行われる。また、透明ガラス化時における多孔質ガラス体の収縮が均一になされ、歪みが残ることが少ない。
【００２５】
このようにして得られた多孔質ガラス体にフッ素を添加してフッ素添加合成石英ガラス材とするには、多孔質ガラス体を加熱炉内に収め、加熱炉内を減圧またはヘリウム雰囲気として、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などのフッ素化合物を加熱炉内に導入し、１０００〜１２００℃の温度で加熱し、フッ素化合物を十分に多孔質ガラス体内に吸着、拡散させる。
【００２６】
ついで、加熱炉内温度を１４００〜１６００℃に昇温し、フッ素化合物が吸着、吸着された多孔質ガラス体を透明ガラス化することで、均一にフッ素が添加され、歪みのほとんどないフッ素添加合成石英ガラス材が得られることになる。
【００２７】
このようにして得られた合成石英ガラス材の屈折率の変動を、フィゾー干渉計により測定したところ、中心部から０．８ｒ（ｒは、合成石英ガラス材の半径である。）までの領域において、屈折率の最大値と最小値との差が１．２×１０−６であった。これに対して、従来の製法で得られた合成石英ガラス材では、その差が３０×１０−６であり、本発明のものでは屈折率の均一性が格段に向上していることがわかる。
【００２８】
このように、本発明の多孔質ガラス体にあっては、その嵩密度の変動の許容範囲として、円柱状の多孔質ガラス体の半径をＲとしたとき、その中心部から０．８Ｒまでの領域において、嵩密度を０．３〜０．７ｇ／ｃｍ３、好ましくは０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲とし、その変動割合を半径１ｍｍにつき±０．００５ｇ／ｃｍ３以内と定めることで、フッ素を実質上問題のない程度に均一に添加することができる程度の嵩密度の均一性を有する多孔質ガラス体を得ることができる。
【００２９】
また、本発明の多孔質ガラス体の製法にあっては、ＶＡＤ法により多孔質ガラス体の下端のガラス微粒子が堆積されていく成長点Ａの中心部の温度を最高温度とし、中心部から０．８Ｒまでの領域の温度が中心部の温度と比べて１００℃以内の差であるようにすることで、上述のような嵩密度の変動許容範囲を有する多孔質ガラス体を具体的に製造することのできる方法を明らかにしたものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、嵩密度が実質的に均一であるとすることのできる嵩密度の変動許容範囲を有する多孔質ガラス体が得られる。また、そのような嵩密度の変動許容範囲を有する多孔質ガラス体を製造することができる。
【００３１】
このため、フッ素の添加が均一になされ、屈折率の変動が非常に少なく、しかも歪みも少ない合成石英ガラス材を得ることができる。さらに、この合成石英ガラス材は歪みが少ないので、後工程でのアニール処理が必要なガラス製品が大幅に減少し、このようなガラス製品の生産コストを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多孔質ガラス体の製法の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明と従来の多孔質ガラス体の嵩密度の分布の例を示す図表である。
【符号の説明】
１・・・出発部材、２・・・多重管バーナ、３・・・多孔質ガラス体、Ａ・・・成長点。
【図１】
2004224649.tif 000003
【図２】
2004224649.tif 000004