JP5038435B2 - 合成石英ガラス中空円筒の製造方法、および前記製造方法による厚肉中空円筒 - Google Patents

Description

本発明は、合成石英ガラス中空円筒の製造方法に関する。さらに、本発明は、光ファイバー製造用の半製品、および光ファイバーの母材に使用される、合成石英ガラス厚肉中空円筒に関する。さらに、本発明は、光学部品の製造方法に関する。

光ファイバーのクラッドガラスの主要部は、しばしば、コアロッドが被覆されてなる中空円筒の形状で供給される。コアロッドは、通常、第一クラッドガラス層に囲まれたコアガラス領域からなり、ファイバー製造の主要な原価要素である。コアロッドの外部被覆は、コアロッドと中空円筒の同軸構造をつぶし、延伸して行なわれる。コアロッドは、中空円筒の内孔に挿入される。それにより母材が作られ、母材から、光ファイバーが延伸される。ファイバー引き伸ばしの際、直接、中空円筒がコアロッドに倒れ込むことも知られている。

石英ガラスの中空円筒の製造は、典型的には、ＳｉＯ_２粒子の合成、ＳｉＯ_２粒子の多孔層（スート層、スート体、スート管とも呼ぶ）を形成する堆積工程、脱水、スート層のガラス化の焼結工程を含む。

ドイツ特許１９７ ３６ ９４９号（特許文献１）は、「ＯＶＤ法」（outside vapor deposition）による筒型スート体の、典型的な製造方法を記載している。この方法においては、ＳｉＯ_２の細粒が、ＳｉＣｌ_４の火炎加水分解による火炎加水分解バーナーにより形成され、長軸を中心として回転するキャリアーロッドの外周面に、一層ずつ堆積する。堆積工程の結果、スート管が形成され、キャリアーロッドを除いた後、脱水と焼結が行なわれて石英ガラス体となる。

スート管の焼結（ガラス化とも言われる）は、例えば、欧州特許公報７０１ ９７５号（特許文献２）に記載されている。スート管はガラス化炉に入れられ、ガラス化リンク機構により、垂直方向に保持される。このリンク機構は、炭素繊維で補強されたグラファイトの保持ロッドを有する。保持ロッドは、スート管の内孔を通して、上方から保持ベースまで延びており、グラファイト製のガス透過性クラッド管に囲まれている。ガラス化の間に、スート管はクラッド管に倒れ込み、石英ガラスの中空円筒が、正確な寸法の内孔（クラッド管の外径に対応）にて得られる。

しかし、ガラス化リンク機構との接触により、この方法で製造される中空円筒は、グラファイトの焼けた粒子の付着した粗い内面を有する。このため、複雑な機械的修理と、その後の洗浄工程を要する。従って、この方法は時間がかかり、材料の損失を伴なう。

ドイツ特許公報１０３ ０３ ２９０号（特許文献３）による改良方法では、石英ガラス管が、堆積工程でのキャリアーとして用いられる。そこでは、ＯＶＤ法によるＳｉＯ_２スート層が、管の被覆面に用いられる。スート層を含む石英ガラス管が、ガラス化炉に入れられ、ガラス化リンク機構により、垂直方向に保持される。これは、上記の欧州特許公報７０１９７５号（特許文献２）に記載の通りである。スート層を含む石英ガラスは、グラファイト製の保持ロッドに倒れ込む。保持ロッドは、石英ガラス管の内孔を通して延びている。これにより、比較的精度の良い内孔を有する石英ガラス管が得られ、また、グラファイト製保持ロッドに由来する不純物の、多孔質スート層への混入が最少になる。しかし、必要な修理工事については、上記の工法と同様の欠点に直面する。

ＳｉＯ_２スート層が、焼結されるのと同時にコアロッドに倒れ込む方法が知られている。例えば、米国特許番号６，４２２，０４２号（特許文献４）には、光ファイバーの母材の製法が開示されている。それによると、ＳｉＯ_２スート層が、フッ素添加石英ガラス管の被覆面に塗布される。コアロッドが石英ガラス管の内孔に導入され、引き続き、スート層が高温工程でガラス化され、同時に、石英ガラス管がコアロッドに倒れ込む。

この方法の欠点は、倒れ込みとガラス化工程で失敗すると、高価なコアロッドも失われることである。

最後に、ドイツ特許公報１０１ ５５ １３４号（特許文献５）は、光学母材の製造方法を開示している。それによると、多孔質ＳｉＯ_２スート層が、直接、長軸を中心として回転しているコアロッドの外面に堆積する。コアロッドの石英ガラスに水酸基が侵入することを防ぐため、ＳｉＯ_２スート層は、水素を含まない反応領域、例えば、水素を含まないプラズマ内にて堆積する。

この方法の利点は、内面を機械的に取り扱う必要がないので、高い費用と材料損失が避けられることである。しかし、この手法においても、形成工程の失敗があると、高価なコアロッドが失われる。

ドイツ特許１９７ ３６ ９４９号 欧州特許公報７０１ ９７５号 ドイツ特許公報１０３ ０３ ２９０号 米国特許番号６，４２２，０４２号 ドイツ特許公報１０１ ５５ １３４号

一方においては、石英ガラスの中空円筒の製造工程（特に焼結工程）が、更にコアロッドと一緒に処理される前に完成し、他方においては、石英ガラスの中空円筒の内孔の、複雑な機械加工が不要である方法が望ましい。

そのような方法の提供は、本発明の技術目的の一面である。

更に、本発明は、可能な限り厚肉で、内孔の損傷の少ないという特徴をもつ石英ガラスの中空円筒を提供する。

更に、本発明の目的は、光ファイバーとその母材の、単純で安価な製造方法を示し、本方法により得られる、安価な母材を提供することである。

本発明は、合成石英ガラス中空円筒の製造方法に関する。この製造方法は以下の工程を含む。
ａ） 内壁により規定される内孔を有する合成石英ガラスの内管を供給する工程。
ｂ） 内管をＳｉＯ_２スート層で被覆する工程。
ｃ） ＳｉＯ_２スート層を焼結し、中空円筒を形成する工程。

さらに、本発明は、光ファイバー製造用の半製品、および光ファイバーの母材に使用される、合成石英ガラス厚肉中空円筒に関する。

さらに、本発明は、光学部品の製造方法に関する。合成石英ガラス中空円筒が製造され、内壁により規定される内孔を有する、合成石英ガラスの内管が供給される。内管はＳｉＯ_２スート層により被覆される。ＳｉＯ_２スート層は焼結され、中空円筒を形成する。コアロッドが中空円筒の内孔に固定され、同軸構造を形成し、同軸構造は延伸されて光学部品となる。

さらに、本発明は、前記製造方法により得られる母材に関する。母材は、コアガラス領域と、コアガラス領域を囲むクラッドガラス領域からなる。

中空円筒の製造方法に関して、上記の方法から始まる目的は、焼結中、内管の内壁の表面温度が、軟化温度より低く保たれた本発明により達成される。

本発明に従い、高品質の内孔を有する石英ガラスの内管の被覆面に、ＳｉＯ_２スート層を堆積させ、次にＳｉＯ_２スート層を焼結させる。一般的な方法とは対照的に、焼結工程は、内管の内壁を軟化・変形させるのではなく、反対に、可能な限り変形を避ける。従って、内孔の複雑な機械的修理は省略でき、そのため、高い円筒比を有する石英ガラス管が安価に得られ、また、高い幾何学的精度と表面品質をもつ内孔を有する石英ガラス管が得られる。

更に、本発明によれば、石英ガラスの中空円筒の製造工程が、その円筒が１本ないし数本のコアロッドを取付けられ、母材またはファイバーに加工される前に、完了する。これにより、コアロッドの損失の危険が低くなる。

ＳｉＯ_２スート層焼結後の、本発明の石英ガラス中空円筒の半径方向の断面図 ＳｉＯ_２層焼結前の、図１の中空円筒

スート層の焼結中、欠くことのできない必要条件は、内管の内壁の顕著な軟化が無く、従って、許容範囲を超える変形が無いことである。これはささいな事ではない。というのは、ＳｉＯ_２スート層の焼結には高温が必要であり、適切な対策無くしては、内管の石英ガラスが軟化するからである。従って、軟化と変形に対抗するため、内管の内壁に衝撃を与えるような高い焼結温度を防ぐための方策が必要である。

よく知られているように、ガラスに正確な軟化温度は定められず、軟化温度範囲があるにすぎない。温度を定める目的で、ＤＩＮ ＩＳＯ ７８８４（１９９８）の規定について、ここで述べる。規定によれば、軟化温度は、ガラスの粘度が、１０^７．６ｄＰａ・ｓとなる温度である。石英ガラスの軟化温度について、文献は、１６００℃〜１７３０℃と記述している。

設定した熱処理により実際に達成される粘度は、石英ガラスに添加可能な材料の種類と量、石英ガラスの純度、熱処理時間により変わる。加熱時間によるが、熱処理は、常にガラス体の塑性変形を伴なう。

そのため、比較的低温でも、いくらかの変形は内管の内壁領域に見られる。本発明においては、変形の程度が、石英ガラス円筒をコアロッドに使用可能な程度であるので、機械的修理が省略できる。この背景により、内壁の容認できる変形として、石英ガラスの内管の内孔と中空円筒の直径の最大値は、互いに±５％を超えて異なることがなく、好ましくは、±１％を超えて異なることがない。この値は、内管の当初の内径を基準とする。

ＳｉＯ_２スート層は、内管あるいは内管の同軸配列と、更に１本ないし数本の石英ガラス管に堆積する。これは内管の被覆面に直接用いられるし、また、石英ガラスの同軸配列の場合は、外側の管の被覆面に、層として用いられる。または、内管（あるいは、外側の石英ガラス管）を囲む、あらかじめ生産されたＳｉＯ_２スート層の分離被覆膜やクラッド管の場合もある。ＳｉＯ_２スート層の厚さは、量に関係した製造原価に影響がある。第一近似では、製造原価は、スート層の厚さが減るとともに、少なくなる。

同軸の石英ガラス管の場合、「内管」は、最も内側の管を意味する。本発明において、重要なことは、内孔の容認できる程度の変形は、せいぜい焼結中許されるにすぎない。

従って、本発明の基本思想は、高品質の内孔を持つ内管と、内管を囲むＳｉＯ_２スート層または内管に備えられたＳｉＯ_２スート層を、内管の内壁の幾何学的寸法が実質的に維持されるようにしながら、焼結することである。

内管とＳｉＯ_２スート層（これは、以後、ＳｉＯ_２スート管を意味する）は、通常、同じ石英ガラスで作られるが、異なる石英ガラスの性質を示し、異なる添加物が加えられる。

さらに、本発明の方法は、中空円筒にて得られる最小の内径が、現行の方法と同様、ガラス化リンク機構の機械的強度に依存せず、内管の自己保持性が維持されているため、管の当初の内径のみに依存するという利点を有する。従って、当初の内管の内径によっては、比較的細い内孔を持つ石英ガラスの中空円筒の生産が可能である。

内壁の変形は可能な限り避けられるので、本発明の方法によれば、例えば、多角形（特に、長方形または６角形）の内孔、あるいは楕円形断面、または複数の内孔を持つような、非円形断面を持つ中空円筒の生産が容易である。

実際のところ、焼結中、内管の内壁の表面温度が１４００℃未満、好ましくは、１２５０℃未満であれば、有用であることが分かっている。

温度による、ガラスの特有粘度曲線は、粘度を、１０^７．６ｄＰａ・ｓ（軟化温度）、１０^１３ｄＰａ・ｓ（徐冷温度）、１０^１４．５ｄＰａ・ｓ（歪温度）（ＤＩＮ ＩＳＯ７８８４（１９９８）による定義）にするのに必要な温度で、特徴づけられる。文献の表によると、石英ガラスの軟化温度、徐冷温度、歪温度の温度範囲は、それぞれ、１６００℃〜１７３０℃、１１２０℃〜１１８０℃、１０２５℃〜１０７５℃である。

表面温度が１４００℃未満、好ましくは、１２５０℃未満の限界があるので、石英ガラスの緩和時間は、工業的に標準的な、短い焼結工程に比べても長くない。そのため、内管の内壁の重要でない、少なくとも無視できる程度の変形しか起こらない。このことは、ＳｉＯ_２スート層を焼結する熱処理の時間は、通常、可能な限り短かく、また、焼結は帯域ごとに行なわれることによる。この２つのことから、高い焼結温度でも、内管の内壁の表面温度は低くなる傾向にあり、内壁の安定性を促進することができる。

他方、焼結中、内壁の表面温度が、内管の石英ガラスの歪温度より高く保持されるような、本発明の方法の変形例も好ましい。

焼結中の最高温度処理により、内壁も、特定の石英ガラスの歪温度を超える温度に達することが望ましい。この温度で、石英ガラスは、まだある程度緩和することができ、これによって、冷却中の機械的応力の形成を減ずることができる。歪温度は、石英ガラスの純度と可能な添加物により決まり、純粋な石英ガラスの場合、１０２５℃から約１０７０℃の範囲にある。

焼結中に、内壁の軟化と変形を妨げる適当な手段は、焼結すべきＳｉＯ_２スート層と内管の内壁の間の、大きな温度差に寄与するものである。次の例が挙げられる。
・ＳｉＯ_２スート層と内壁の間の熱障壁の備え
・内管の厚い壁、あるいは、それに対応する管の同軸構造の厚い全体壁（例えば、２０ｍｍを超える）
・ＳｉＯ_２スート層と内壁の間の、急峻な温度傾斜をもたらす工程制御。例えば、ＳｉＯ_２スート層の、特に高温であるが、その代わり、極く短時間の加熱。あるいは、内壁の高い焼結温度の影響を減ずる、他の手段。しかし特に好ましいのは、内壁を強制冷却する処理である。

内管の内壁の冷却は、特に容易に実行でき、しかも、設定最高温度に従うことや、特に、焼結するＳｉＯ_２スート層と内壁の間の、急峻な温度傾斜を調節することができる。内管の内壁の厚さとは別に、温度傾斜により、高温でのＳｉＯ_２スート層の焼結が、内壁の重大な軟化や変形なしに行なわれる。

これに関連して、強制冷却は、冷媒が内孔を通ることを含むとき、特に有利であることが分かる。

内管の壁厚と無関係な、流れる冷媒による強制冷却は、内壁の十分低い温度を確実にする。従って、特に薄い壁の内管が使用でき、原価低減の利点がある。

水素を含まない不活性ガスが、冷媒として好ましく使用される。

液体に比べて、ガス冷却媒体は、高純度ガスが低価格で入手できるという利点がある。内管の内壁はほとんど汚染されない。冷却ガスは水素を含まないので、水酸基の混入が避けられ、製造された石英ガラス円筒は、水酸基成分が少ない。ここでは、希ガスと窒素ガスが不活性ガスとされる。

冷却媒体は、消耗を最小にするため、閉鎖冷却回路内を伝導することが好ましい。

壁厚が２０ｍｍより薄い内管を用いると、特に好都合であることが分かった。

既に述べたように、特に薄い壁の内管を使用すると、原価上有利である。というは、製造する中空円筒の残りの材料は、通常、全重量の最大部分を占めるが、スート層により、内孔の機械的修理なしで、低い原価でできるからである。実際、石英ガラスの完成した中空円筒で、壁厚が２０ｍｍ未満の内管は、中空円筒の外径の１０％未満の厚さをもつ内層を有する。

スート層が、帯域焼結方法によりガラス化されると、有用であることが分かった。

ＳｉＯ_２スート層による内管の被覆の加熱が、内管の長さに比べて短い加熱領域をもってして、一端から開始され、引き続き順次加熱される。ここで、ＳｉＯ_２スート層は、部分的に焼結される。運動学的な反転として、加熱領域を移動させてもよい。閉じ込められていたガスが、焼結面から逃げることができるため、気泡の生成が防止できる。さらに、均等加熱焼結工程と比べて、この処理は、通常、ＳｉＯ_２スート層と内壁の間に、より急峻な温度勾配をつくり、それが内壁を十分低温に保つことを容易にする。

本発明の特に好ましい変形例では、融液中で工具なしで作られる内壁を有する内管が用いられる。

このような内管は、例えば、石英ガラスの中空円筒を延伸する延伸法で得られる。得られた内壁は、滑らかでマイクロクラックが無い。本発明の方法により、内壁の融解が意識的に避けられ、高品質の内壁の存在が特に好都合である。

さらに、石英ガラスの中空円筒が、ガラス化の後、焼鈍されるとき、利点があることが分かった。

この際、石英ガラスの応力が低減される。好ましくは、焼鈍工程はガラス化工程の直後にあり、ガラス化炉内で実施される。ここでは、一様加熱工程が好ましい。

本発明の方法において、内管の内壁は溶融していないが、例えば、壁を冷却する冷媒により、ガラス化中に汚染が起こり得る。そのため、ガラス化後に内壁を清浄化する手順を設けることが好ましい。

清浄化は、例えば、フッ酸水溶液により行なわれる。内壁から１層が除去される。層の厚さは、例えば、３０μｍである。内壁が非常に滑らかで、マイクロクラックがない場合、エッチングによって表面が粗くなることはない。

製造された石英ガラスの中空円筒が、壁を横切る半径方向の、設定した屈折率を有するとき、内管は、屈折率を低下させるような添加物を添加される。これは例えばフッ素やホウ素である。内管、あるいは、ファイバー延伸により得られるファイバー層は、光ファイバーの設定した屈折率分布を形成する。

さらに、もし、特に水酸基の含有量の少ない石英ガラスの中空円筒が望ましいときは、１重量ｐｐｍ未満、好ましくは、０．１重量ｐｐｍ未満の水酸基を含む石英ガラスの内管が使用されると、有利である。

特に厚肉の石英ガラス中空円筒の製造には、本発明の変形例が好ましい。そこでは、本発明の工程（ｃ）で得られる中空円筒を、本発明の工程（ａ）と（ｂ）の内管とする。

ここで当初の内管に、追加の被覆ガラスが、内管のスート層による被覆と、スート層の焼結の繰り返しにより形成され、焼結後の石英ガラス管は、スート層は毎回内管として用いられる。焼結速度は、スート層が厚くなるほど、明らかに減少するので、本発明のこの変形例により、特に厚肉の中空円筒が、許容できる工程期間で、製造できる。各焼結工程で内管の壁厚は増加するので、存在する壁の熱絶縁効果により、あとの焼結工程では、変形が全く避けられる。このため、内壁の冷却のような追加手段は、省略できる。

特に、非円形断面の石英ガラス製品の生産には、内管が、１個以上の楕円形あるいは多角形の断面の内孔を有する手順が役立つことが分かった。既に説明したとおり、本発明の方法は、非円形の半径方向断面、例えば、１個以上の多角形（特に長方形あるいは六角形）の内孔のある断面、または楕円形断面をもつ中空円筒の製造を容易にする。

合成石英ガラスの中空円筒に関して、上記の目的は、本発明の中空円筒により達成される。中空円筒は、外形が１４０ｍｍ〜４００ｍｍで内孔を有し、内孔の内径は外径の３０％未満である。内孔は、融液中で工具無しで形成される内壁で規定される。内壁は、第二合成石英ガラスのＳｉＯ_２外側層により被覆された、第一合成石英ガラスの内面層により形成される。

本発明による中空円筒は、同一の、あるいは、異なる合成石英ガラスの、少なくとも二層からなる。内孔に隣接する内層は、ガラスの内管から得られ、直接あるいは間接的に、ＳｉＯ_２スート層を焼結して得られたＳｉＯ_２層で囲まれる。

中空円筒は次の特徴を有する。
・中空円筒の内孔に隣接する内管。これは融液中で形成され、そのため、表面の質が高い。
・外径と内径の高い円筒比。

滑らかで細い内孔は、石英ガラス管を引き延ばして製造され、内層を形成する基礎として役立つ。この方法により、細い内孔の石英ガラス管を安価に製造することができる。

細い内孔をもつ石英ガラスの中空円筒は、ＯＶＤスート法で生産することが難しい。ひとつには、キャリアー本体の、負荷のかかった状態での機械的安定性と熱安定性が、堆積効率と同様、制限要素であることが分かった。というのは、スート体に細い内孔を残すようにするため、キャリアー本体の外径は可能な限り細くなければならないからである。堆積工程の最初で、キャリアー本体の外径が細いほど、ＯＶＤ工程の堆積効率が低くなる。しかも、キャリアー本体は、厚肉で重いスート管の重量を運搬するのに、十分な機械的安定性を必要とする。このため重いスート体の製造には、一般に太い、機械的に安定したキャリアー本体が、破損やたわみを防ぎながら、十分な堆積効率を実現するために不可欠である。

本発明による中空円筒は、好ましくは、内管と、内管に堆積したＳｉＯ_２スート層からなる構造を、本発明の方法により、焼結することにより得られる。

内層とＳｉＯ_２外層は、通常、同じ石英ガラスでできているが、異なる質の石英ガラスで、異なる添加物を有してもよい。

石英ガラスの中空円筒は、低原価で、かつ、希望の断面形状で製造できる。

半径方向の断面が非円形の中空円筒において、半径方向の断面の外側の外接円の半径が、外径とみなされる。また、半径方向の断面の内側の、最大の内接円が、内径とみなされる。

石英ガラスの中空円筒は、例えば、ランプや細管のためのクラッド管や、光ファイバーと母材を作る半製品のためのクラッド管を製造するのに使用される。

母材の製造のため、１本あるいは数本のコアロッドに内孔が備えられ、次に延伸されて、細径の内孔を有する母材、または光ファイバーにされる。

中空円筒の内孔の内径は、好ましくは、外径の２０％未満である。

これにより、特に高い円筒比の中空円筒を、安価に製造することができる。

この点、内層の厚さが、外径の１０％未満であると、有利である。

従って、特に低原価で製造できる外層が、中空円筒の体積の大部分を占める。

さらに、本発明の中空円筒の有利な改良が、従属項から明らかになる。もし従属項で述べる改良が、従属項に示された本発明の方法の手順に従うなら、補充説明に対応する方法請求項の上記の所見を説明することになる。

光学部品の製造方法については、上記の技術目標が、上記の一般的な方法から出発して、本発明により達成される。ここでは、ＳｉＯ_２スート層の焼結中に、内管の内壁の表面温度が、軟化温度以下に保持される。

この方法で得られる光学部品は、光ファイバーの母材か、光ファイバーそのものである。

本発明によれば、母材の製造において、内管の内壁の石英ガラスが軟化し、内管が許容限度を超えて変形する事態は避けられる。本発明の方法によれば、光ファイバー、または、延伸により光ファイバーを得ることのできる光ファイバーの母材が、低原価で製造できる。

中空円筒を製造するための本発明の方法に関する上述の説明について、更に説明を加える。先に説明したように、本発明の方法の有利な変形例は、部品の製造にも利用できる。具体的には、スート層の焼結中、内管の内壁の表面温度は、好ましくは、１４００℃未満、特に好ましくは、１２５０℃未満に制限される。内壁の表面温度は、中空円筒の焼結中、内管の石英ガラスの歪温度より上に設定される。

本発明のデバイスの有利な改良が、従属項から明らかになる。従属項に示されたデバイスの改良が、本発明の方法に関して従属項に示された手順に従う限り、対応する方法請求項について、補充説明の所見を説明する。他の従属項に述べられた本発明によるデバイスの改良は、次に説明される。

光ファイバーの母材について、上述の技術目的は、本発明により達成される。上述の方法から始め、少なくとも被覆ガラス領域の一部が、本発明の中空円筒により形成される。

少なくとも被覆ガラス領域の一部が、本発明の中空円筒により形成されるため、光ファイバーの安価な母材が製造できる。

本発明が、実施例と図を参照して、より詳しく説明される。詳細には、図は次の概略図である。
図１ ＳｉＯ_２スート層焼結後の、本発明の石英ガラス中空円筒の半径方向の断面図。
図２ ＳｉＯ_２層焼結前の、図１の中空円筒。

図１において、符号１は中空円筒全体を指す。中空円筒１は、内径「Ｄ」が５０ｍｍの内孔２を備える。内孔は、層厚「ｄ」が５ｍｍの合成石英ガラスの内層３により、囲まれている。この層は、層厚４０ｍｍの合成石英ガラスの被覆層４に囲まれ、これは中空円筒１の最も大きな部分を占める。中空円筒１の外径は、およそ１４０ｍｍである。

クラッドガラス層４は、ＳｉＯ_２スート層４’（図２）の焼結により製造される。ＳｉＯ_２スート層４’は、石英ガラス内管３’に、既知のＯＶＤ法により堆積する。内管３’は、内径「Ｄ」が５０ｍｍ、壁厚「ｄ」が５ｍｍの内孔を有する。従って、寸法「ｄ」、「Ｄ］は、図１の石英ガラス円筒１の内層の各寸法に対応する。スート層４’の厚さは、約９５ｍｍである。

本発明の方法が、図１に示す石英ガラス中空円筒を製造する例について、説明される。

実施例１
名称「Ｆ３００」として市販されており、ヘラウステネホＧｍｂＨ社から入手できる、合成石英ガラス中空円筒が、工具無しの垂直延伸工程により延伸された。そして、外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍ、壁厚５ｍｍの内管３’が得られた。内管の石英ガラスは、典型的には、水酸基の含有量が０．２重量ｐｐｍ、塩素の含有量が２５００重量ｐｐｍである。

ＳｉＯ_２スート層４’は、石英ガラスの内管３’上にＯＶＤ工程により形成される。ＳｉＯ_２粒子が、ＳｉＣｌ_４の火炎加水分解により形成され、一層ずつ、長軸を中心に回転する内管３’の外装被覆上に堆積する。これにより、多孔質ＳｉＯ_２スート層４’が、内管３’上に厚さ約９５ｍｍで形成される。

スート層４’の水酸基含有量を０．５重量ｐｐｍの値にまで減少させるため、被覆内管３’は、塩素を含む９００℃の雰囲気の脱水法により、脱水される。

続いて、多孔質ＳｉＯ_２スート層４’が、垂直帯型焼結方法により焼結されて、クラッドガラス層４を形成する。内管３’とスート層４’からなる複合体１’が、下端から、連続的に環状の短い加熱帯に供されて、スート層４’が区域ごとに、下端から上端までガラス化される。加熱帯の温度は約１８００℃である。

純度６．０の窒素ガスが、内管３’の内孔２を通して導入される。窒素ガスの流量は、内管３’の内壁７上において、壁に沿った窒素ガスの流れによる冷却により、内壁７が最高温度１１００℃に維持されるように設定される。これは、熱電対を用いた試験測定により示される。

スート層４’の厚さは、焼結により約４０ｍｍに減少し、石英ガラス中空円筒の外径は約１４０ｍｍとなる。クラッドガラス層４の、平均水酸基含有量（層の厚さ方向の平均）は、約０．５重量ｐｐｍである。得られた石英ガラス中空円筒１の内層３の内径と壁厚は、元の内管３’の対応する寸法とほとんど等しい。

石英ガラスの中空円筒１は、ガラス化後洗浄され、内壁はフッ酸に浸漬され、内壁７は約３０μｍエッチングされる。

石英ガラスの中空円筒１が、コアロッドを用いた既知の管内ロッド法に供され、延伸されて母材となる。クラッドガラス層４の両端に、元の内管３’の端が、まだある程度出ている。元の内管３の下端は、延伸目的と、コアロッドの保持に用いられ、上端は保持筒として用いられる。

実施例２
名称「Ｆ５００」として市販されており、ヘラウステネホＧｍｂＨ社から入手できる、合成石英ガラス中空円筒が、工具無しの垂直延伸工程により延伸された。そして、外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍ、壁厚５ｍｍの内管３’が得られた。この品質の石英ガラスは、典型的には、水酸基の含有量が０．０２重量ｐｐｍ未満であり、塩素の含有量が２５００重量ｐｐｍ未満である。スート管は分離製造工程により製造される。そこでは、ＳｉＯ_２スート層が、標準的なＯＶＤ火炎加水分解堆積法により、酸化アルミニウムの搬送ロッドに堆積され、次に搬送ロッドが取り除かれる。これによりスート管は、内径が６５ｍｍ、壁厚が１６０ｍｍとなる。管は上述のとおり、脱水処理に供される。

出来上がったスート管は、石英ガラスの内管の周囲に組み立てられ、同軸構造を形成し、管と一緒に、垂直帯型焼結法により、ガラス化される。スート管を取付けるため、付加取り付け具が使用される。そこに、スート管が、帯型焼結工程の初めから支持される。帯型焼結工程が実行される。上端から開始するため、同軸構造は上方から環状の短い加熱帯に供され、上端から下端へガラス化される。加熱帯の温度は約１８００℃である。スート管はこの工程で焼結され、同時に内管に倒れ込む。

帯型焼結中、純度６．０の窒素ガスが、内管の内孔を通して導入される。窒素ガス流の流量は、内管３’の内壁上で、壁に沿って流れる冷却窒素ガスにより、最高温度が１１５０℃に保持されるような制御操作を基礎として設定される。これは、熱電対測定により、事前の試験で示される。

焼結中、スート管の壁厚はほぼ半分に半減する。一方、内管の内孔は、不活性ガス冷却により安定していて、ほとんど変化しない。これにより、内径が約３０ｍｍ、外径が約２０６ｍｍの、高精度で滑らかな内孔を有する、石英ガラス中空円筒が得られる。

ガラス化後に得られた複合体にコアロッドが供給され、延伸されて、直接光ファイバーとなる。

実施例３
石英ガラスの中空円筒が、工具無しの垂直延伸工程で延伸され、外径１２６ｍｍ、内径９６ｍｍ、壁厚１５ｍｍの内管が得られる。内管の石英ガラスは、典型的には、水酸基含有量が０．０２重量ｐｐｍ未満、塩素含有量が２５００重量ｐｐｍ未満である。

第一のＳｉＯ_２スート層は、石英ガラスの内管上に、ＯＶＤ工程により、厚さ１５５ｍｍで、ＳｉＣｌ_４の火炎加水分解により形成され、垂直帯型焼結工程により、実施例１に関して記載したように、脱水され焼結される。焼結中、純度６．０の窒素ガスが内管の内孔を通して導入される。ガス量は、内管の内壁の最高温度が１１００℃に維持される量である。

スート層の厚さは焼結中減少するが、内管の内孔の内径は、不活性ガスによる冷却により、ほとんど変化しない。これにより、外径２５３ｍｍ、内径９６ｍｍの管状中間製品ができる。中間製品は、石英ガラスの複合管であり、合成石英ガラスの内層と外層からなる溶融複合体である。外層は水酸基含有量が０．５重量ｐｐｍ未満の石英ガラスからなる。

中間製品は、標準的な延伸工程により延伸されて、予定の断面外形をもつ石英ガラス管とされる。特に独自の寸法（外径１２６ｍｍ、内径９６ｍｍ）の石英ガラス管とされる。これにより、融液内で高精度の内孔が形成される。機械的修理が不要なため、本発明の方法に用いられる石英ガラス内管として、安価な出発製品となる。

しかし、この実施例において、管状の中間製品は、その後のスート層の堆積のための出発製品、つまり「内管」として、直接用いられる。管状の中間製品は、ＯＶＤ工程により、厚さ２１４ｍｍの第二ＳｉＯ_２スート層が、ＳｉＣｌ_４の火炎加水分解により形成され、塩素含有雰囲気内での予備脱水なしで焼結される。このとき、実施例１で説明した垂直帯型焼結工程が用いられる。

帯型焼結中、石英ガラスの複合管は、前面に付属した２つのグラファイト製保持円錐の間に固定される。この保持手段と厚い壁厚により、石英ガラスの複合管の変形が妨げられるため、内孔の冷却が不要となる。少なくとも、冷却用窒素ガスの流量が、第一ＳｉＯ_２スート層の焼結中より少なくなる。

これにより、円筒比が約４で、外径３８０ｍｍ、内径９６ｍｍで、石英ガラスの最終製品の平均水酸基含有量が約１５０重量ｐｐｍの、石英ガラスの特に厚肉の中空円筒が得られる。

焼結工程により分けられる２段階法によるＳｉＯ_２スート層の堆積により、全体の焼結時間が短かくなり、特に、個々の焼結工程の時間が短かくなる。このことが、内管の内壁を十分低い温度に維持することを、容易にする。第一焼結工程後、石英ガラスの内壁の厚さが厚くなることでも、これが促進される。

ガラス化の後、石英ガラスの中空円筒は洗浄され、内壁はフッ酸に浸漬され、約３０μｍの層がエッチングされる。

石英ガラスの中空円筒は、次に既知の管内ロッド法にコアロッドと共に供され、この同軸構造は直ちに延伸されて光ファイバーとなる。両前側にまだ突き出ている、元の管の端は、延伸とコアロッドの保持のため、保持筒として用いられる。

実施例４
合成石英ガラスの中空円筒は、工具不要の垂直延伸工程で延伸されて、内管が得られる。内管の外径は６０ｍｍで、内径は１０ｍｍである。（従って、壁厚は２５ｍｍである。内径は、例えば、５ｍｍや２０ｍｍでもよい）。

ＳｉＯ_２スート層は、石英ガラス内管上に、ＯＶＤ工程のＳｉＣｌ_４の火炎加水分解により、厚さ１５６ｍｍに形成される。ＳｉＯ_２スート層は、脱水され、実施例１で説明したように、垂直帯型焼結法により焼結される。焼結中、純度６．０の窒素ガスが、内管の内孔に、内管の内壁の最高温度が１１００℃に維持されるのに十分な流量で導入される。

焼結工程により、スート層の厚さは約７０ｍｍに減少する。一方、内管の内孔の内径は、不活性ガス冷却により、ほとんど変化しない。これにより、外径２００ｍｍ、内径１０ｍｍ、従って円筒比約２０の石英ガラス中空円筒が得られる。（上述した他の内径の場合、中空円筒の外径が同じならば、円筒比はそれぞれ１０、４０となる）。

ガラス化の後、石英ガラスの中空円筒は洗浄され、内壁はフッ酸に浸漬され、約３０μｍの層がエッチングされる。

石英ガラスの中空円筒は、次に円筒比を一定にして延伸され、外径２．５ｍｍ、内径０．０１２５ｍｍの細管に加工される。

石英ガラスの中空円筒は、断面６角形のグラファイト心棒上に縮みこむ。これにより、正確な６角形の断面の内孔をもち、概略６角形の断面の外形の円筒被覆表面をもつ中空円筒が得られる。

中空円筒は、工具不要の垂直延伸工程で延伸され、平坦面の外間隔が７０ｍｍ、内間隔が６０ｍｍ、壁厚が５ｍｍの６角形内管が得られる。

ＳｉＯ_２スート層は、内管上に、ＯＶＤ工程により、形成され、実施例１で説明したように、垂直帯型焼結工程により焼結される。焼結中、純度６．０の窒素ガスが、内管の内孔に、内管の内壁の最高温度が１１００℃に維持されるのに十分な流量で導入される。

スート層の焼結中、内管の内孔の形状、寸法、品質が維持される。スート層は焼結されて、平均厚さが約４２ｍｍの石英ガラス層になる。円筒の外部被覆は、概略円形の断面であり、外径は約１５４ｍｍである。円筒は、標準的な円筒研削法により、外径が正確に１５０ｍｍに研削される。（６角形の外径も、中空円筒の用途に応じて、外周研削で得ることができる）。

石英ガラスの中空円筒はこのようにして製造され、内側外側の形状を維持したまま、延伸されて石英ガラス管となる。外径は５０ｍｍで、６角形の内孔の平坦面の間隔は２０ｍｍである。

６角形の内管の石英ガラス管は、いわゆる「ＰＣＦｓ」（フォトニック結晶ファイバー、「穴あきファイバー」、光学中空ファイバー）の作製用被覆管に適している。

合成石英ガラス中空円筒は、きわめて多数の光学および化学工業にて、中間製品として利用され、特に、光ファイバーの母材の製造に利用される。

１ 中空円筒
１’ 複合体
２ 内孔
３ 内層
３’ 内管
４ 被覆層、クラッドガラス層
４’ スート層
７ 内壁

Claims (18)

1. ａ）内壁により規定された内孔（２）を有する合成石英ガラスの内管（３’）を供給する工程
   ｂ）前記内管（３’）をＳｉＯ_２スート層（４’）で被覆する工程
   ｃ）前記ＳｉＯ_２スート層（４’）を焼結して、中空円筒を形成する工程
   を含む合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法であって、
   焼結中、前記内壁が強制冷却されることにより、前記内管内壁の表面温度が、軟化温度より低いことを特徴とする合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
2. 焼結中、前記内管（３’）の内壁の表面温度が、１４００℃未満に制限されることを特徴とする請求項１に記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
3. 焼結中、前記内壁の表面温度が、内管（３’）の特定石英ガラスの歪温度より高いことを特徴とする請求項１または２に記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
4. 前記強制冷却が、冷却流体を内孔に通すことであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
5. 前記冷却流体として、不活性ガスが用いられることを特徴とする請求項４に記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
6. 前記冷却流体が、閉じた冷却回路を伝導することを特徴とする請求項４または５に記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
7. 壁厚が２０ｍｍ未満の内管（３’）が用いられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
8. 前記スート層（４’）が帯型焼結法でガラス化されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
9. 融液中で工具無しで製造される内壁からなる内管（３’）が用いられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
10. 焼結後、石英ガラスの前記中空円筒（１）が焼鈍工程に供されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
11. 石英ガラスの前記中空円筒（１）の内壁が、ガラス化後洗浄されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
12. 前記内管（３’）の石英ガラスに、屈折率を減少させる添加物が添加されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
13. 前記内管（３’）が、水酸基含有量が１重量ｐｐｍ未満である石英ガラスからなることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
14. 前記工程（ｃ）により得られた中空円筒が、工程（ａ）および工程（ｂ）における内管として供給されることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
15. 断面が楕円形あるいは多角形の１個以上の内孔を有する内管が供給されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の合成石英ガラスの中空円筒（１）を製造する方法。
16. 内壁により規定される内孔（２）を有する合成石英ガラス製の内管（３’）が供給され、前記内管（３’）はＳｉＯ_２スート層（４’）で被覆され、前記ＳｉＯ_２スート層は焼結されて中空円筒をなし、前記中空円筒の前記内孔にコアロッドが固定されて同軸構造をなし、前記構造は延伸されて光学部品が製造される製造方法において、前記ＳｉＯ_２スート層の焼結中、前記内壁が強制冷却されることにより、内管の内孔の表面温度が軟化温度より低く保持されることを特徴とする光学部品の製造方法。
17. 焼結中、前記内管（３’）の内壁の表面温度が１４００℃未満に制限されることを特徴とする請求項１６に記載の光学部品の製造方法。
18. 焼結中、前記内壁の表面温度が、前記内管（３’）の特定石英ガラスの歪温度より高く設定されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光学部品の製造方法。

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