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公開番号2025026826
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-26
出願番号2024124386
出願日2024-07-31
発明の名称外部堆積法において管状SiO2ブランクを保持するための装置及び管状SiO2ブランクを製造するための方法
出願人ヘレウス・クアルツグラース・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング・ウント・コンパニー・コマンディット・ゲゼルシャフト,Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG,信越石英株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類C03B 8/04 20060101AFI20250218BHJP(ガラス;鉱物またはスラグウール)
要約【課題】大体積管状SiO₂ブランクを製造するのための装置および方法を提供する。
【解決手段】装置は、サブストレート管と、サブストレート管を支持してサブストレート管を回転軸の周りを回転させるように設計されたクランプ装置を含むサブストレート管ホルダとを有する。これに基づいて、外部堆積法において大体積管状SiO₂ブランクのための再現可能で操作上信頼性のあるホルダを提供するために、サブストレート管ホルダは、サブストレート管第1端面と隣接する第1圧力ユニット、サブストレート管第2端面と隣接する第2圧力ユニット、及びサブストレート管長手軸の方向に作用する力成分によって軸方向の接触圧力を生成するように設計された少なくとも1つの力要素を含むクランプ機構を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
外部堆積法において管状ＳｉＯ
２
ブランクを製造するための装置であって、
・サブストレート管長手軸、サブストレート管長さ、サブストレート管第１端面、サブストレート管第２端面、サブストレート管外表面、サブストレート管内表面、サブストレート管外径、サブストレート管内径、サブストレート管壁厚、及び前記サブストレート管長手軸と同軸に延びて連続である貫通開口部を有するサブストレート管と、
・クランプ装置を含み、前記サブストレート管を支持し、該サブストレート管を前記サブストレート管長手軸と同軸又は平行に延びる回転軸の周りを回転させるように設計されたサブストレート管ホルダと
を含み、
前記サブストレート管ホルダは、前記サブストレート管第１端面と隣接する第１圧力ユニット、前記サブストレート管第２端面と隣接する第２圧力ユニット、及び前記サブストレート管長手軸の方向に作用する力成分によって軸方向の接触圧力を生成するように設計された少なくとも１つの力要素を含むクランプ機構を含み、前記力成分によって前記サブストレート管は前記第１圧力ユニットと前記第２圧力ユニットとの間にクランプされることを特徴とする装置。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記クランプ装置は、前記回転軸の周りを回転可能な第１スピンドルと、前記サブストレート管長手軸の方向に軸方向に前記第１スピンドルの向かい側に位置して前記回転軸の周りを回転可能な第２スピンドルとを含み、前記第１スピンドルは回転方向に固定されているが旋回可能なように前記第１圧力ユニットに取り付けられ又は結合され、この前記第１圧力ユニットに前記軸方向の接触圧力を伝達し、前記第２スピンドルは回転方向に固定されているが互いに対して可動なように前記第２圧力ユニットに取り付けられ又は結合され、この前記第２圧力ユニットに前記軸方向の接触圧力を伝達することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１スピンドルは前記第１圧力ユニットが旋回可能なように取り付けられているフリーな遠位端を有し、前記第２スピンドルは前記第２圧力ユニットが旋回可能なように取り付けられているフリーな遠位端を有し、旋回可能な軸受は好ましくはボール、円錐、ローラ又は滑り軸受として設計され、好ましくはカルダンボール・円錐シートを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記サブストレート管ホルダは、前記サブストレート管の前記貫通開口部を通って前記第１圧力ユニットと前記第２圧力ユニットとの間に延びる少なくとも１つの管状又は棒状のセンタリング支持体を含むセンタリングユニットを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３の一項以上に記載の装置。
【請求項５】
前記第１スピンドルは第１内部孔を有する中空スピンドルとして設計され、前記第２スピンドルは第２内部孔を有する中空スピンドルとして設計され、前記センタリング支持体は第１端で前記第１内部孔に、第２端で前記第２内部孔に突き出ることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記センタリングユニットは、前記サブストレート管の貫通孔内の前記センタリング支持体に置かれた複数のセンタリング要素を含み、そのうち第１センタリング要素は前記サブストレート管第１端面の領域に配置され、第２センタリング要素は前記サブストレート管第２端面の領域に配置されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１圧力ユニットは、第１の圧力伝達要素と、それに回転方向に固定されるように接続されて好ましくは黒鉛含有材料からなる第１バッファ要素とを含み、前記圧力伝達要素は回転方向に固定されているが旋回可能なように前記第１スピンドルに取り付けられ又は結合され、前記第１バッファ要素は前記圧力伝達要素と前記サブストレート管との間に配置されて前記サブストレート管第１端面と隣接することを特徴とする請求項２から請求項６の一項以上に記載の装置。
【請求項８】
前記第１バッファ要素は、径方向に前記圧力伝達要素と前記サブストレート管を超えて突き出ることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１圧力ユニットは、前記サブストレート管第１端面と隣接して黒鉛含有材料からなる圧力面を含むことを特徴とする請求項１から請求項８の一項以上に記載の装置。
【請求項１０】
前記サブストレート管は、壁厚が前記サブストレート管外径の２０％未満であることを特徴とする請求項１から請求項９の一項以上に記載の装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部堆積法において管状ＳｉＯ
２
ブランクを製造するための装置であって、
・サブストレート管長手軸、サブストレート管長さ、サブストレート管第１端面、サブストレート管第２端面、サブストレート管外表面、サブストレート管内表面、サブストレート管外径、サブストレート管内径、サブストレート管壁厚、及び前記サブストレート管長手軸と同軸に延びて連続である貫通開口部を有するサブストレート管と、
・クランプ装置を含み、前記サブストレート管を支持し、該サブストレート管を前記サブストレート管長手軸と同軸又は平行に延びる回転軸の周りを回転させるように設計されたサブストレート管ホルダと
を含む装置に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【０００２】
また、本発明は、外部堆積法において管状ＳｉＯ
２
ブランクを製造するための方法であって、
（ａ）サブストレート管であり、サブストレート管長手軸、サブストレート管長さ、サブストレート管第１端面、サブストレート管第２端面、サブストレート管外表面、サブストレート管内表面、サブストレート管外径、及び前記サブストレート管長手軸と同軸に延びて連続である貫通開口部を有するものを用意する工程と、
（ｂ）前記サブストレート管を、クランプ装置を含むサブストレート管ホルダで支持する工程と、
（ｃ）前記サブストレート管を前記サブストレート管長手軸と同軸又は平行に延びる回転軸の周りを回転させる工程と、
（ｄ）前記サブストレート管の前記外表面に少なくとも１つの堆積バーナーによってＳｉＯ
２
粒子を堆積することで前記管状ＳｉＯ
２
ブランクを形成する工程と
を含む方法にも関する。
【０００３】
プリフォーム、管、棒、フランジ、プレート、リング、反応器、るつぼ等の形の合成石英ガラスからなる部品は半導体生産や光ファイバの製造に用いられる。このような部品は、合成二酸化ケイ素からなる管状ブランクから、熱によって形成及び／又は機械的に加工することによって作製されることが多い。生産性の向上に伴い、このような部品はより大きな寸法、特により大きな壁厚や内径が更に求められている。
【０００４】
合成的に製造された二酸化ケイ素から管状ブランクを製造するには、ＳｉＯ
２
粒子を気相から基材上に堆積するＣＶＤ法（化学気相堆積）が知られている。「ＯＶＤ」（ＯｕｔｓｉｄｅＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の省略形で知られているＣＶＤ外部堆積法は一般的に大体積ブランクの製造に適している。この方法では、ケイ素含有原料が反応領域で火炎加水分解又は熱分解によってＳｉＯ
２
粒子に変換され、この粒子は長手軸の周りを回転する円筒形サブストレートの外部ジャケット上に層として堆積される。反応領域は熱源によって生成され、サブストレート長手軸と熱源は相対的に前後に動く。サブストレートは管状であることができ、ここ及び以下で「サブストレート管」とも呼ぶ。サブストレート管は例えばＳｉＣ、ＳｉＳｉＣ（反応焼結炭化ケイ素）、Ａｌ
２
Ｏ
３
又は別のセラミック材料又は黒鉛からなり、ここで「サブストレート管ホルダ」とも呼ぶ旋盤のような装置によって保持されて長手軸の周りを回転する。
【０００５】
この堆積プロセスの結果物は、堆積プロセスの最中の温度によって多孔質ＳｉＯ
２
体（以下では「スート体」とも呼ぶ）或はおおむね透明な石英ガラスからなる物体である実質的に円筒形の管状ＳｉＯ
２
ブランクである。多孔質スート体の場合、このスート体は別の工程で焼結されておおむね透明な石英ガラスからなる物体を形成する（焼結プロセスは「ガラス化」とも呼ぶ）。おおむね透明な石英ガラスからなる物体から、合成石英ガラスの部品、例えば、それ自体他の部品の製造の半製品として機能することもできる固体円柱、中空円筒又はこれら部品の一部は機械的、化学的及び／又は熱的後処理により得られる。
【背景技術】
【０００６】
外部堆積法で大きな管内径の合成二酸化ケイ素からＳｉＯ
２
体を製造するには、適切な外径を有するサブストレート管及びそれと適合されたサブストレート管ホルダを用いる必要がある。ここで生じる基本的な課題はＳｉＯ
２
体、サブストレート管及びサブストレート管ホルダの材料の線形熱膨張係数（以下では熱膨張又はＣＴＥ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＴｈｅｒｍａｌＥｘｐａｎｓｉｏｎ）とも呼ぶ）の差を可能な限り補償することである。
【０００７】
例えば、ＥＰ３５８４０２３Ａ１より知られているプリフォームを多孔質二酸化ケイ素からＯＶＤ法によって製造するための横型旋盤は軸方向の熱膨張を補償する機構を有する。この機構は、回転軸の周りを回転可能でサブストレート管の一端を把持する第１チャックと、サブストレート管の他端を把持し、回転軸の方向に前後に移動可能な第２チャックとを有するクランプ装置を含む。この前後の移動性は例えば、好ましくは熱膨張による軸方向の延伸を打ち消すバネプリロードを追加された第２チャックのローラ軸受によって可能である。
【０００８】
ＫＲ１０－２４５２２８２Ｂ１には、石英ガラス管を製造するためのＯＶＤ外部堆積法及びそのための装置が記載されている。両側に外向きに突き出、外径がより小さく、横型ガラス旋盤のクランプジョーに収まるクランプ部が接続される、外径が大きい円筒形堆積部からなる段差サブストレート管が提案される。堆積部と両側のクランプ部は一つの部材として実現することができ、或は堆積部が両側のクランプ部に接続される。ねじ、ピン及びラッチ接続が接続手段として言及され、或は、支持部又は堆積部がねじ山を備え、ねじ方法で接続される実施形態がある。ＯＶＤ堆積法では、ＳｉＯ
２
スート体が、このスート体が両側のクランプ部によって回転軸の周りを回転される間に堆積部の円筒形表面上に生成される。
【技術的課題】
【０００９】
ＯＶＤ外部堆積法において、サブストレート管は外側の方が内側よりも加熱する。その結果発生する機械的応力は壁厚に渡って蓄積し、破損につながることがある。例えば８０ｍｍ未満の小さいサブストレート管直径、及び例えば２，０００ｍｍ未満の小さいサブストレート管長さの場合、ＣＴＥ差はあまり深刻ではなく、ほとんど軸方向に（サブストレート管長手軸の方向に）のみ影響する。しかし、例えば内径が２００ｍｍより大きく壁厚が２５ｍｍより大きい、大きくて厚肉なサブストレート管の場合は、径方向の熱膨張はもはや無視できない。これらのサブストレート管はまた重量が高く、サブストレート管ホルダの安定性及び原動力の要求が高まる。
【００１０】
堆積プロセスが起こる反応領域は、通常軸方向の寸法がサブストレート管長さと比べて短い。両端でクランプされているサブストレート管は堆積領域の狭い長さセクションのみで加熱されるが、サブストレート管ホルダで保持されている端領域ではそれほど強く加熱されない。より冷たい端領域とより熱い管中央との間の熱的応力もサブストレート管にひび割れを起こすことがある。
（【００１１】以降は省略されています）

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