(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性鋳型に二酸化珪素粉を充填し加熱炉内で溶融ガラス化する大型石英ガラス体の製造方法において、円柱状又は円筒状の炭素繊維強化炭素複合材料製部材がねじ部で直列に接合された棒状体を、前記耐熱性鋳型の中心部に配置することを特徴とする大型石英ガラス体の製造方法。
【請求項２】
炭素繊維強化炭素複合材料製部材を接合するねじ部が台形ねじであることを特徴とする請求項１記載の大型石英ガラス体の製造方法。
【請求項３】
ねじ部に炭素の含浸及び／又は被覆が施されていることを特徴とする請求項１又は２記載の大型石英ガラス体の製造方法。
【請求項４】
ねじ部外周に炭素繊維強化炭素複合材料製の補強部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の大型石英ガラス体の製造方法。
【請求項５】
棒状体が中空部を有する円筒状であって、その中空部からガスを排出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の大型石英ガラス体の製造方法。
【請求項６】
棒状体と二酸化珪素粉との間及び／又は耐熱性鋳型と二酸化珪素粉との間に、黒鉛製の中間材を介在させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の大型石英ガラス体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、大型の石英ガラス体の製造方法に関し、さらに詳しくは、高純度で高精度の大型石英ガラス体を、低コストで収率よく製造する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、光ファイバの製造に用いる光ファイバ母材用の石英ガラス管やロッドには、高い寸法精度や高純度が要求されることから、石英ガラス微粒子を種棒の軸方向に付着し堆積して多孔質石英ガラス母材（スート体）を形成し、それを加熱して透明ガラス化する気相軸付け法（ＶＡＤ法）をはじめ、外付け法（ＯＶＤ法）、ＭＣＶＤ法等が採用され実用化されている。さらに近年は、ゾルゲル法その他の合成法の応用や、以上の方法を（ＲＩＴ／ＲＩＣ法等、オーバクラッディング工程を用いて）組み合わせた方法の開発も進められている。そして、今後の光ファイバ需要量の拡大にむけて、量産化・低コスト化のために光ファイバ用母材のより一層の大型化・長尺化がはかられることが予測されるが、前記ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＣＶＤ法及びそれらの組合せによる製法によってさらなる大型化を図るには、スート体の製造装置や脱水焼結炉をはじめとした設備が大掛かりなものとなり、それに伴うコストの増大やハンドリングの困難性等が深刻な問題となっている。また、ゾルゲル法による光ファイバ用母材の製造には、その設備面やハンドリング面で大きなメリットがあるが、石英ガラス中の気泡その他の品質上の問題等、依然重大な課題が克服されておらず、実用化には到っていない。そこで、前記製造方法の改善とは別に、特開平５−５８６５６号公報他にみられるような、二酸化珪素粉を出発材とした石英ガラス製光ファイバ用母材の製造が検討されている。
【０００３】
また、半導体製造の分野においても、製造工程に用いられる熱処理用治具（炉心管、ウエーハボートその他）の材料となる石英ガラス管又はインゴット類（ブロック状の他に板状体や棒状体等を含む）には、高純度や耐熱性が要求されることから、例えば酸水素火炎中に石英粉を供給しながら溶融堆積させるいわゆるベルヌイ法等が採用されている。しかし、このベルヌイ法により大型石英ガラス体を製造しようとすると非常に長い時間を要し、コスト高をまねくことになるため、それを解消する大型石英ガラス体の製造として、例えば特開平９−２０２６３２号公報他に記載されるごとくカーボン等の耐熱性鋳型に二酸化珪素粉を充填し加熱炉内で溶融し透明ガラス化する方法（以下「鋳型溶融法」という）が提案されている。この鋳型溶融法は、従来のごとく石英ガラスブロックを機械加工により所望の形状とする方法と比べて研削や切断等の工程に要する作業負担や治工具類等を大幅に低減することができ、また成形等が簡便なだけでなく材料収率が極めて高いため、コスト的に大きな優位性をもつものである。
【０００４】
このように、二酸化珪素粉を出発材とする石英ガラス体の製造方法にあって、より大型化し低コスト化を図るには、鋳型溶融法が好適である。しかし、この鋳型溶融法であっても、一段と大型化・肉厚化するためには、使用する鋳型をより大型化するとともに棒状体をより細径化・長尺化して二酸化珪素粉を鋳型内に多く充填することが必要となる。前記公報記載の鋳型溶融法では、カーボン鋳型の中心部に石英ガラス製の棒状体を挿入・配置することが開示されているが、実用にあたっては、アルミナやジルコニア、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックス、または黒鉛化した炭素材（グラファイトカーボン、以下単に「黒鉛」ともいう）等の使用も可能であると考えられる。ところが、石英ガラス製の棒状体では強度上あるいはハンドリング面で細径化に限界があり、またセラミックスや炭素材の棒状体では加工性や高純度化の関係でコスト面で問題がある。そこで、加工性とともに耐荷重性にも耐熱性にも優れ、ハンドリング等についても容易な素材でありながら、価格的にも優位で、なお且つ高純度品も可能な素材として、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、以下「Ｃ／Ｃコンポジット」という）の使用が好適であると考えられる。しかしながら従来のＣ／Ｃコンポジット製部材の場合、その寸法が大きくなるにつれて、素材の合成や成型等の作製上の問題、あるいは加工精度上の問題等が増してくるため、１０００ｍｍを超える長さのものを実用的に用いるには大きな困難が伴うものとされていた。そのため、それ以上の長尺化には複数のＣ／Ｃコンポジット製部材を直列に接合することが要求されることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複数のＣ／Ｃコンポジット製部材を直列に接合した場合、接合部分の強度が不足すると、接続部で「折れ」や「がた」が生じてしまい、棒状体が弓状に曲ってしまう等のおそれが生じる。このことは特に棒状体を細径化した場合に顕しく、このような「曲がり」が生じると、石英ガラス体の精度が低下することとなり、得られた石英ガラス体について改めて研削やドリリング等の成形工程が必要となるため、トータルでは低コスト化に寄与できなくなってしまう、という問題が生じてしまう。例えば、複数のＣ／Ｃコンポジット製部材の接合方法としては、部材の端部付近に孔を穿ち接合用のピンにより係止するなど、各種の様々な治具を用いて複数の部材を繋ぐ工夫がなされており、ある程度の強度を有する棒状体も可能となっている。ところが、鋳型溶融法でより一層大型の石英ガラス体を製造しようとすると、溶融ガラス化の際の応力が増大し、従来の接合用ピンによる係止の場合、過大な応力に耐えきれずにピンが折れるといった事態が生じていた。このように接合部のピンの破損等が生じてしまうと、棒状体に「曲がり」等の変形が生じるため、得られた石英ガラス体の精度が低下することとなり、改めて研削やドリリング等の工程を要する等、低コスト化を制限してしまう。ゆえに、優れた耐熱性や強度を確保したままさらなる棒状体の長尺化・細径化を実現するためには、複数のＣ／Ｃコンポジット製部材をいかなる手段を用いて接合するかという点が重要な課題となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題に鑑み、本発明者等は、鋭意研究を続けた結果、高純度かつ高強度で耐熱性も高いＣ／Ｃコンポジット製部材を複数個直列にねじで接合することで接合部分の強度不足や、接続部での「折れ」や「がた」がなくなり曲りのない長尺で、細径化した棒状体が得られ、それをカーボン鋳型の中心部に配置することで溶融ガラス化の際の変形等がなく、寸法精度の高い大型石英ガラス体が製造できることを見出した。そして、前記接合には台形ねじが実用的であり、さらにその接合部を補強することで、ねじ部分自体の強度が向上し、より細径化が容易となり、より大型で肉厚の石英ガラス体の実現が可能となることを見出した。また本発明者等は、棒状体を細径化すると二酸化珪素粉を多く充填でき大型化・肉厚化が可能となる反面、鋳型内の中心周辺部の充填二酸化珪素粉は外周部側に比べて溶融ガラス化が遅くなるため外周部側で発生したガスが中心部分に移動してそのまま気泡として残存する可能性が高くなってしまうことがある、という問題に対しては、中心部に配置した棒状体を円筒状とすることで改善できることを見出した。すなわち、該棒状体を円筒形状として中空部を形成することにより、その中空部から二酸化珪素粉の溶融ガラス化時に発生するガスを抜くことができ、石英ガラス体中に残存する気泡を低減することが可能となる。さらに、そのような「ガス抜き」について本発明者等は、棒状体と二酸化珪素粉との間、または耐熱性鋳型と二酸化珪素粉との間、もしくはその両方に黒鉛製の中間材を介在させることにより、ガスを外部へ排出する経路を設けて石英ガラス体中の気泡の残存を一層低減できることを見出して、発明を完成したものである。すなわち、
【０００７】
本発明は、耐熱性とともに強度に優れる棒状体を用いて、高純度の大型石英ガラス体を、低コストで製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、高精度の大型石英ガラス体を、収率よく製造する方法を提供することを目的とし、さらには気泡の含有が少ない大型石英ガラス体を効率的に製造することを可能とする。
【０００９】
前記目的を達成する本発明は、耐熱性鋳型に二酸化珪素粉を充填し加熱炉内で溶融ガラス化する大型石英ガラス体の製造方法において、前記耐熱性鋳型の中心部に円柱状又は円筒状のＣ／Ｃコンポジット製部材がねじ部で直列に接合された棒状体が配置されていることを特徴とする大型石英ガラス体の製造方法に係る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明するが、いずれも本発明の技術思想を説明するための例示であり、それにより本発明が限定されるものではない。
【００１１】
前記の通り本発明の製造方法は、円柱状又は円筒状のＣ／Ｃコンポジット製棒状体をカーボン製鋳型の中心部に配置し、二酸化珪素粉を充填したのち加熱炉で溶融ガラス化することにより、高精度の大型石英ガラス体を低コストで製造するものであり、その例の概略図を図１に示す。図１において、１は耐熱性鋳型、２は二酸化珪素粉、３は棒状体、４はヒーター、５は不活性ガス導入口、６は排気口である。
【００１２】
前記棒状体３は、円柱状又は円筒状のＣ／Ｃコンポジットからなる部材が２個以上直列にねじ接合された棒状体であり、そのＣ／Ｃコンポジットは、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ3以上、曲げ強度が１００ＭＰａ以上、引張り強さが１００ＭＰａ以上のものがよい。使用するＣ／Ｃコンポジットが前記範囲未満では、十分な強度が得られず、大型の石英ガラス体を溶融ガラス化する場合に棒状体の変形等が発生するおそれがあり好ましくない。前記Ｃ／Ｃコンポジットは、例えば炭素繊維クロスにピッチ又は樹脂を含浸させたプリプレグを複数枚積層し平板形状に成形する。その後、焼成による炭素化処理、ピッチ又は樹脂を再度含浸して焼成する等の緻密化処理、黒鉛化処理を行い、さらにハロゲンガスを用いて高純度化処理して製造される。Ｃ／Ｃコンポジット中の不純物は、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ等が１ｐｐｍ以下であるのがよい。これにより不純物による汚染が低減でき、半導体ウエハ製造用の石英ガラス治具を製造した場合、半導体毒となる金属元素等による汚染を抑えることができ、また、光ファイバ母材用石英ガラス管を製造した場合、伝送特性の損失が少ない良好な光ファイバを得ることができる。
【００１３】
前記Ｃ／Ｃコンポジットからなる部材をねじ部で直列に接合するねじの形状としては、断面形状が「台形型」である「台形ねじ」が雄ねじと雌ねじとの接触面積が大きいため強度が高く、なおかつねじ加工や接合などの作業性にも優れており、大型石英ガラス体がより精度よく低コストで製造できる。本発明においては、この台形ねじの他にも「三角ねじ」、「角ねじ」、「のこ歯ねじ」等を適宜用いることができる。前記台形ねじを設けた棒状体の例を図２に示す。図２において、７は両端のうち一方の側に雄ねじを設けたＣ／Ｃコンポジット製ロッド、８は両端のうち一方の側に雌ねじを設けたＣ／Ｃコンポジット製ロッド、９はＣ／Ｃコンポジット製ロッド７の雄ねじ部、１０はＣ／Ｃコンポジット製ロッド８の雌ねじ部である。さらに、図３に示されるごとく、前記Ｃ／Ｃコンポジット製ロッドのねじ部に炭素の含浸及び／又は被覆が施された層１１を設けることができる。この層１１を設けると、ねじ部の強度が一段と向上し、外径３０ｍｍのロッドにおける引張り強さが黒鉛製ロッドの約４倍にも達する。そのため棒状体を長尺化、細径化しても、ねじ部での破損が起こる可能性が低減されて好適である。さらに、ねじ部を補強するために図４に示すようにねじ部外周にＣ／Ｃコンポジット製の補強部材１２を設けることができる。この補強部材を設けることでねじ接合部の補強が一層強固となり、ねじ部の熱膨張やねじ部の接触面積の減少が抑制でき、さらに高い耐荷重性を確保することができ、細径化が可能となる。前記補強部材を形成するＣ／Ｃコンポジットは、例えば炭素繊維にピッチ又は樹脂を含浸させたプリプレグを円柱状の支持体の上に巻つけ、円筒状に形成する。その後、前述の炭素化処理、緻密化処理、黒鉛化処理、高純度化処理を行い、さらに炭素の含浸及び／又は被覆が施された層を設けて製造される。前記炭素の含浸及び／又は被覆により補強部材からのパーティクルの発生が抑えられ、一段と高純度の石英ガラス体が得られる。補強部材はまた炭素の含浸及び／又は被覆を施さないＣ／Ｃコンポジットで形成することもできる。
【００１４】
前記炭素の含浸及び／又は被覆が施された層とは、炭化水素系ガスなどを使ったＣＶＩ処理及び／又はＣＶＤ処理、もしくは樹脂の含浸・被覆、硬化、焼成処理等を施すことによって、Ｃ／Ｃコンポジットに、（ｉ）ＣＶＩ処理で熱分解炭素が表面から気孔内部へと含浸・被覆されるか又は樹脂の処理等でガラス状炭素などの物質が含浸されることにより形成された層、（ｉｉ）ＣＶＤ処理で熱分解炭素が表面に被覆されるか又は樹脂の処理等でガラス状炭素などの物質が表面に被覆されることにより形成された層、又は（ｉｉｉ）ＣＶＩ処理で熱分解炭素が表面から気孔内部へと含浸・被覆されるか又は樹脂の処理等でガラス状炭素などの物質が含浸され、なおかつその表面にＣＶＤ処理で熱分解炭素が表面に被覆されるか又は樹脂の処理等でガラス状炭素などの物質を表面に被覆されることにより形成された層、をいう。なお、前記「含浸」と「被覆」にあたっては、これらの層の形成の工程前後に、必要に応じて機械的な表面処理や仕上げ加工を行なうことは、工業的に通常行なわれることである。
【００１５】
前記大型石英ガラス体の製造において、Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体と石英ガラス体との付着及び／又は耐熱性鋳型と石英ガラス体との付着を防止するため、棒状体と二酸化珪素粉との間及び／又は耐熱性鋳型と二酸化珪素粉との間に、黒鉛製の中間材を介在させるのがよい。前記黒鉛製の中間材としては、具体的にグラファイトシート及び／又はグラファイトフェルトが挙げられ、このグラファイトシート及び／又はグラファイトフェルトで棒状体の外周を被覆したり鋳型の内側を覆うことにより、棒状体及び／又は鋳型と石英ガラス体との付着が防止できるため、石英ガラス体を容易に抜き取ることができ、Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体や耐熱性鋳型の再使用が可能となり、それらの長寿命化をはかることも可能となる。さらに、前記被覆により、二酸化珪素粉の溶融ガラス化に伴う応力を緩和することにより、鋳型の変形や破損が防止でき、またグラファイトの伸縮性とガス透過性とにより、ガラス化時に発生するガスを外に逃す経路が設けられることとなるので、石英ガラス体中に残存する気泡を一層低減することも可能となる。なお、前記棒状体や鋳型を黒鉛製中間材で被覆する場合には、グラファイトシート又はグラファイトフェルトのどちらか一方を用いても、グラファイトフェルトを被覆した上にさらにグラファイトシートで覆ってもよく、例えば特開平１１−２７８８５７号公報に開示されるごとく、鋳型の底面部と側面部とで異なる素材を使い分けてもよい。
【００１６】
本発明の製造方法で使用する二酸化珪素粉としては、用途やコスト等に応じて適宜選択することができるが、例えば、一定以上の高純度とともに高耐熱性が要求される半導体治具用の石英ガラス体の場合には、天然石英（水晶）、珪砂、珪石等を粉砕して得られる結晶質シリカ粉を純化したものがコスト上好ましく、それらを溶融した非晶質シリカ粉もまた用いることができる。また、光ファイバ用母材を製造するためのシリンダー状石英ガラス体を製造する場合など、より純度の高い粉体が求められる場合には、シリコアルコキシド、ハロゲン化珪素（四塩化珪素ほか）、珪酸ソーダその他の珪素化合物を出発材料として、ゾルゲル法、スート法、火炎燃焼法等で得られる合成石英ガラス粉を用いるのがよい。その他にも、フュームドシリカや沈降シリカ等も利用できる。
【００１７】
前記結晶質または非晶質の二酸化珪素粉のサイズとしては、加熱溶融条件その他に応じて適宜使い分ければよいが、好ましいものの一例として、その粒径が１〜１０００μｍの範囲の粉、より好ましいものの一例として、その粒径が１０〜３００μｍの範囲の粉を挙げることができる。使用する二酸化珪素粉の粒径が大きすぎる場合、粉の充填密度が低下するため均一なガラス化が困難となり、均質な石英ガラス体が得られなくなってしまうというおそれがあるので、１０００μｍを超える二酸化珪素粉は用いないことが望ましい。また、粒径が小さすぎる場合、取り扱い上の問題が生じるおそれがあるので、粒径が１μｍ未満の二酸化珪素粉は用いないことが望ましい。なお、特に合成石英ガラス粉を使用する場合には、粉の溶融が速くなるため気泡の残存を助長してしまい、結果的に気泡の含有数が増えてしまうというおそれがあるため、その点からも、ある程度大きな粒径の粉を使用するのが望ましい。また、本発明においては、天然又は合成もしくは結晶質又は非晶質の二酸化珪素粉等を石英ガラス体の用途その他に応じて適宜使い分けることが可能であり、具体的には、天然石英粉、天然石英ガラス粉、合成石英ガラス粉及び合成石英粉から適宜選択することができ、また前記各種の粉に特定の作用（耐熱性向上、光透過性向上、その他）を有する元素（アルミニウム、窒素、水素、その他）をドープした粉を用いることも可能である。さらに、前に述べた二酸化珪素粉等の充填密度や溶融速度を制御するという観点から、前記各種二酸化珪素粉を混合したり組み合わせたりすることも有効である。例えば、粒径１〜１０００μｍの範囲内で、ある程度粒径が異なる石英粉を混合することにより、充填密度を向上させ均一な溶融ガラス化を促すことが可能となり、また、鋳型の内側（中心部分近傍）には石英ガラス粉を充填し、外側（外周部近傍）には石英粉を充填することにより、外側の溶融が速くなりすぎることを防止して気泡の含有を抑えることも可能となる。
【００１８】
前記二酸化珪素粉の加熱溶融条件としては、例えば特開平９−２０２６３２号に記載する条件を採用するのがよい。すなわち、
室温から１６００℃まで                  ２００〜６００℃／時間
１６００℃〜石英粉の溶融温度まで          １０〜１００℃／時間
の昇温速度で、充填二酸化珪素粉層の厚さ５ｃｍ当たり少なくとも３０分の時間を要して加熱し、充填二酸化珪素粉内の気体を排気しながら加熱溶融する。この加熱溶融後少なくとも２時間、好ましくは３〜５時間前記溶融温度に保持するとともに不活性ガスを導入し真空破壊し、０．５〜３気圧の加圧下にする。前記溶融条件を採ることにより、より一層石英ガラス体が大型化しても、その内部に残存する気泡を低減することが可能となる。さらに好ましくは、前記Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体を円筒状とし、その中空部からガスを排出しながら溶融すると、さらに気泡の残存を抑える効果がある。なお、以上の記述は透明な石英ガラス体を製造することを前提としたものであるが、遮熱性や遮光性を備える不透明石英ガラス体を得ようとする場合にも、本発明の製造方法を応用することが可能であり、その場合は充填二酸化珪素粉に発泡剤を添加したり、加熱の際に温度プロファイルを適宜変更する等の方策を講じればよい。
【００１９】
以上に述べたごとく、本発明の製造方法で使用するＣ／Ｃコンポジット製棒状体は高純度であるとともに高い耐熱性と強度を有することから、大型石英ガラス体を作成する際の焼成や搬送等においても変形や中心のブレがなく、寸法精度が高く気泡の含有が少ない大型石英ガラス体を低コストで製造することができる。
【００２０】
【実施例】
次に具体例をあげて本発明を詳細に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるものであって、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００２１】
実施例１
東レ（株）製の炭素繊維（トレカＴ−３００）の６Ｋ平織りクロスにフェノール樹脂を含浸させてプリプレグを製造し、約８２０ｍｍ×４１０ｍｍに裁断して積層し、１６０℃で熱圧プレス成形を行って、約８２０ｍｍ×４１０ｍｍ×３５ｍｍのサイズの成形体を得た。この成形体を、電気炉内で８００℃まで昇温して加熱し、焼成体を得た。その焼成体にピッチ含浸と焼成を繰り返し行って緻密化した後、２０００℃で熱処理して、約８２０ｍｍ×４１０ｍｍ×３５ｍｍの平板状のＣ／Ｃコンポジットを得た。このＣ／Ｃコンポジット平板の物性値を測定したところ、かさ密度１．６２ｇ／ｃｍ3、曲げ強さ１５５ＭＰａ、引張り強さ２２０ＭＰａであった。この平板から、長さ８００ｍｍ、直径３０ｍｍφの円柱ロッドを１２本作製し、そのうち２本のロッドについて、１本の端部外周を研削により端面から５０ｍｍ長さまで台形型雄ねじとする一方、もう一本の端部内周を研削により台形型雌ねじとし、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った後、２本を直列に繋ぎ合わせて接合し、長さ１５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体を得た。得られた棒状体を引張り試験装置に取り付け、変移速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの静的引張り荷重にて、破断荷重の測定を行った。その結果、ねじ山が破断し、その時の破断荷重は１４２００Ｎ（ニュートン）であり、接合部は十分な強度を有していることが確認された。
【００２２】
さらに、残りの１０本のロッドについて、前記と同様に台形型雄ねじと台形型雌ねじを設けた（ここでは、１本のロッドには１端側に雄ねじのみを、８本については１端側に雄ねじ、その反対側に雌ねじを、残りの１本のロッドには１端側に雌ねじのみを、それぞれ設けた）後、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った。そして、それらの１０本のロッドを、前記と同様に雄ねじと雌ねじとにより９箇所を接合して、長さ７５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体Ａ（３）を得た。
【００２３】
前記Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体Ａ（３）を内径１５５ｍｍφ、長さ１０００ｍｍの円筒状のカーボン製鋳型１の中心に配置したのち、石英粉２（総金属不純物３０ｐｐｍ以下、粒度分布６０〜２８０μｍ、平均粒径１８０μｍ）を振動を与えながら充填し、高さ約９５０ｍｍに詰めた。前記充填物の密度は約１．４５ｇ／ｃｍ3であった。カーボン製鋳型１全体を真空炉内にセットし、１×１０-4ｍｍＨｇ以下の真空度まで減圧した後、昇温を開始した。加熱源としてはカーボン抵抗ヒーター４を使用し、温度を熱電対で測定しながら、室温から１７８０℃まで７時間で加熱し、１７８０℃に２時間保持したのち、窒素ガスで炉内の真空を破壊し、大気圧に戻し、溶融・徐冷終了まで大気圧下を維持することにより、中空シリンダー形状の大型石英ガラス体を製造した。得られた石英ガラス体は気泡の含有が無く、曲りや偏心のない寸法精度の良好なものであり、光ファイバ用母材として好適な石英ガラス中空体であった。
【００２４】
実施例２
実施例１と同様に、長さ８００ｍｍ、直径３０ｍｍφの円柱ロッドを１２本作製した。そのうち２本のロッドについて、１本の端部外周を研削により端面から５０ｍｍ長さまで台形型雄ねじとする一方、もう１本の端部内周を研削により台形型雌ねじとした。これらのねじ部が形成された２本のロッドについて、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った後、気相蒸着炉に入れ、ＣＶＩ処理により熱分解炭素の含浸・被覆を行い、その２本のロッドを直列に繋ぎ合わせて接合して、長さ１５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体を得た。得られたＣ／Ｃコンポジット製棒状体について、実施例１と同様に静的引張り荷重による破断荷重の測定を行ったところ、ねじ山が破断し、その時の破断荷重は１６７００Ｎであり、実施例１よりもさらに優れた強度を有していることが確認された。
【００２５】
さらに、残りの１０本のロッドについて、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った後、前記と同様にＣＶＩ処理によりねじ部に熱分解炭素の含浸・被覆を行い、台形型雄ねじと台形型雌ねじにより実施例１の棒状体と同様に９箇所を接合して、長さ７５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体Ｂ（３）を得た。
【００２６】
前記Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体Ｂ（３）の外周をグラファイトシートにより被覆し、その棒状体Ｂを内径１５５ｍｍφ、長さ１０００ｍｍの円筒状のカーボン製鋳型１の中心に配置したのち、石英粉２（総金属不純物３０ｐｐｍ以下、粒度分布６０〜２８０μｍ、平均粒径１８０μｍ）を振動を与えながら充填し、高さ約９５０ｍｍに詰めた。この石英粉の充填されたカーボン製鋳型１全体を、実施例１と同様の条件で真空炉により加熱し、中空シリンダー形状の大型石英ガラス体を製造した。得られた石英ガラス体は気泡の含有が無く、曲りや偏心のない寸法精度の良好なものであり、光ファイバ用母材として好適な石英ガラス中空体であった。また、グラファイトシートを剥がしたＣ／Ｃコンポジット製棒状体Ｂ（３）は、その表面に劣化等の変質が認められず、繰り返し同様に使用可能であることがうかがえた。
【００２７】
実施例３
実施例１及び２と同様に、長さ８００ｍｍ、直径３０ｍｍφの円柱ロッドを１２本作製し、そのうち２本のロッドについて、１本の端部外周を研削により端面から５０ｍｍ長さまで台形型雄ねじとする一方、もう１本の端部内周を研削により台形型雌ねじとした。次いで、前記雌ねじ部の外周部分を深さ１ｍｍ、長さ３０ｍｍ分切削した。これはその切削部分に、円周で補強するための円筒形状のＣ／Ｃコンポジット製補強部材を取り付けるためのものである。これらのねじ部が形成された２本のロッドについて、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った後、気相蒸着炉に入れ、ＣＶＩ処理により熱分解炭素の含浸・被覆を行い、その２本のロッドを直列に繋ぎ合わせて接合し、長さ１５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体を得た。前記補強部材は、東レ（株）製の炭素繊維（トレカＴ−３００）１２Ｋフィラメントをフィラメントワィンディング装置によりフェノール樹脂を含浸しながらシリンダー形状に成形し、その成形体にピッチ含浸、焼成を数回繰り返し緻密化を行なった後、２０００℃で熱処理を行った。このシリンダー形状品を幅２０ｍｍに切断し内部に２分割の金属治具を挿入し、引張り試験機を用い上下に引張る方法で引張り強さを測定したところ３００ＭＰａの強度があった。前記補強部材は、Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体の雌ねじ部外周の切削部分に合うように内外径、長さを加工し、図３に示したように雌ねじ部外周の切削部分に篏合した。前記補強部材は、さらに実施例２と同様に、ハロゲンガスによる高純度化処理及び熱分解炭素の含浸・被覆を施した。得られたＣ／Ｃコンポジット製棒状体について、実施例１及び２と同様に静的引張り荷重による破断荷重の測定を行ったところ、ねじ山が破断し、その時の破断荷重は２１０００Ｎであり、実施例２よりもさらに優れた強度を有していることが確認された。
【００２８】
さらに、残りの１０本のロッドについて、ハロゲンガスによる高純度化処理を行った後、前記と同様にＣＶＩ処理によりねじ部に熱分解炭素の含浸・被覆を行い、前記と同様に台形型雄ねじと円筒形状のＣ／Ｃコンポジット製補強部材が取り付けられた台形型雌ねじにより、実施例１及び２の棒状体と同様に９箇所を接合して、長さ７５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体Ｃ（３）を得た。
【００２９】
内径１５５ｍｍ、長さ１０００ｍｍの円筒状のカーボン製鋳型１の内壁面をグラファイトフェルトで覆い、その鋳型１の中心に前記Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体Ｃ（３）を配置したのち、石英粉２（総金属不純物３０ｐｐｍ以下、粒度分布６０〜２８０μｍ、平均粒径１８０μｍ）を振動を与えながら充填し、高さ約９５０ｍｍに詰めた。この石英粉の充填されたカーボン製鋳型１全体を、実施例１及び２と同様の条件で真空炉により加熱し、中空シリンダー形状の大型石英ガラス体を製造した。得られた石英ガラス体は気泡の含有が無く、曲りや偏心のない寸法精度の良好なものであり、光ファイバ用母材として好適な石英ガラス中空体であった。また、グラファイトフェルトの内貼りを剥がしたカーボン製鋳型１の内壁は、その表面に劣化等の変質が認められず、複数回繰り返して使用可能であることが窺えた。
【００３０】
比較例１
長さ８００ｍｍ、直径３０ｍｍφの円柱ロッドを、高純度等方性高密度黒鉛（商品名ＩＳＯ−６３０、東洋炭素（株）製）で１２本作製し、そのうち２本のロッドを台形型雄ねじと台形型雌ねじにより直列に繋ぎ合わせ、長さ１５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφの高純度等方性高密度黒鉛製棒状体を得た。使用した高純度等方性高密度黒鉛のかさ密度は１．８２ｇ／ｃｍ3、引張り強さは５３．９ＭＰａであり、灰分は１０ｐｐｍ以下であった。得られた棒状体について、実施例１〜３と同様に静的引張り荷重による破断荷重の測定を行ったところ、ねじ山が破断し、その時の破断荷重は３９００Ｎであった。さらに、残りの１０本のロッドについて、高純度化処理を行った後、台形型雄ねじと台形型雌ねじにより９箇所を接合し、長さ７５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφの高純度等方性高密度黒鉛製棒状体Ｅ（３）を得た。
【００３１】
実施例１と同様に、前記高純度等方性高密度黒鉛製棒状体Ｅ（３）を円筒状カーボン製鋳型１の中心に配置したのち、石英粉２を充填して鋳型１に詰めた。この石英粉２の充填されたカーボン製鋳型１全体を、実施例１〜３と同様の条件で真空炉により加熱し、中空シリンダー形状の大型石英ガラス体を製造した。使用した棒状体には僅かながら変形が生じていたため、石英ガラス体の内周側（中空部分）に寸法精度の誤差がみとめられた。
【００３２】
比較例２
実施例１〜３と同様に、長さ８００ｍｍ、直径３０ｍｍφの円柱ロッドを１２本作製した。次いで、そのうち２本のロッドを用いて、１本の円柱ロッド１３の端部にスリット１６加工を施し、もう１本の円柱ロッドに挿入し、図５に示すようなピン挿入孔１４を設けピン１５を挿入して２本のロッドを固定し、長さ１５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体を得た。得られた棒状体について、実施例１〜３と同様に静的引張り荷重による破断荷重の測定を行ったところ、ピンが破断し、その時の破断荷重は９５００Ｎであった。さらに、残りの１０本のロッドについて、高純度化処理を行なった後、前記と同様にピン固定により９箇所を繋ぎ合わせ、長さ７５５０ｍｍ、直径３０ｍｍφのＣ／Ｃコンポジット製棒状体Ｆ（３）を得た。
【００３３】
実施例１及び比較例１と同様に、前記Ｃ／Ｃコンポジット製棒状体Ｆ（３）を円筒状カーボン製鋳型１の中心に配置したのち、石英粉２を充填して鋳型１に詰めた。この石英粉２の充填されたカーボン製鋳型１全体を、実施例１〜３及び比較例１と同様の条件で真空炉により加熱し、中空シリンダー形状の大型石英ガラス体を製造した。使用した棒状体はピン固定部で曲りが生じていたため、石英ガラス体から引き抜くことが困難となってしまい、加熱と荷重によって無理に引き抜いたところ、石英ガラス体の内周側が大きく変形してしまった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、高純度で高精度の大型石英ガラス体を、低コストで収率よく製造することができる。得られた石英ガラス体は、半導体製造用石英ガラス治具の材料としても、また光ファイバ母材用石英ガラスの材料としても好適に使用され、その工業的価値は高いものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための耐熱性鋳型に二酸化珪素粉を充填したときの概略断面図である。
【図２】本発明の大型石英ガラス体の製造に用いられる棒状体の接合部の概略断面図である。
【図３】ねじ部に炭素の含浸及び／又は被覆が施された層を有する棒状体の接合部の概略断面図である。
【図４】ねじ部外周に補強部材が形成された棒状体の接合部の概略断面図である。
【図５】ピン固定で直列に繋ぎ合わせた棒状体の接合部の概略断面図である。
【符号の説明】
１        耐熱性鋳型
２        二酸化珪素粉
３        棒状体
４        ヒーター
５        不活性ガス導入口
６        排気口
７        ロッド（一方の端側に雄ねじを設けたロッド）
８        ロッド（一方の端側に雌ねじを設けたロッド）
９        ロッド７の雄ねじ部
１０        ロッド８の雌ねじ部
１１        炭素の含浸及び／又は被覆が施された層
１２        Ｃ／Ｃコンポジット製の補強部材
１３        ロッド（一方の端側にスリットを設けたロッド）
１４        ピン挿入孔
１５        ピン
１６        スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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