JP2006269117A - プラズマ発生装置及び光ファイバ用母材の製造方法並びにガラス体の加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ火炎の最高温度を極端に上昇させることなく、プラズマ火炎を広げて、かつ、安定なプラズマ火炎を発生させるプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】 誘導結合型プラズマトーチ１１に直進流ガス噴出管２９，３０と旋回流ガス噴出管２５とを有する誘導結合型プラズマトーチを用いる。誘導結合型プラズマトーチ１１のプラズマ火炎放出面であって、前記プラズマトーチの中心軸２２から、該中心軸と前記プラズマトーチの外縁２３との最短距離の８５％の位置における前記中心軸を中心とした円の接線方向のガス流速成分を０．０５〜１．４ｍ／ｓまで変化させることによって、プラズマ火炎の広がりを調節することにより、広がりと安定性を有するプラズマ火炎を発生させるプラズマ発生装置が得られる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、加熱対象の最高温度を大きく変化させることなく、加熱対象の温度分布を調節できるプラズマ発生装置、及び、前記プラズマ発生装置を用いた光ファイバ用母材の製造方法、並びに、前記プラズマ発生装置を用いたガラス体の加熱方法に関する。

光ファイバ母材の製造方法においては、ガラス体を加熱して加工する工程が多々有る。これらの工程の例として、たとえばＭＣＶＤ法によるパイプ内へのガラス膜堆積工程、パイプの縮径工程、パイプの膨張工程、コラップス工程、ガラス体同士の接続工程、ガラス体の延伸工程、火炎研磨工程が挙げられる。
従来、前記ガラス体の加熱には、水素と酸素の混合ガスを用いた酸水素火炎が使用されていた。しかし、前記酸水素火炎を使用した場合には、ガラス体表面から水素が侵入し、ガラス体内部に水素が拡散したり、水酸基が導入され、製品となる光ファイバの伝送損失を悪化させていた。

また、光ファイバの大容量化に伴って、光ファイバのコア領域を大きくするため、特に、ガラスパイプの内面にガラス微粒子を堆積させてガラス層を形成していくＭＣＶＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法においては、長時間に亘ってガラスパイプを加熱する必要があり、光ファイバ用母材内部への水素の拡散や水酸基の導入が問題となっていた。

そこで、酸水素火炎に替わる熱源として、水素ガスを使用しないプラズマ火炎を用いた光ファイバ用母材の製造方法及びガラス体の加熱方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

米国特許第５０００７７１号明細書 特開平３−６７４９７号公報

しかし、プラズマ火炎を用いてガラス体を加熱し、光ファイバ用母材を製造する場合、プラズマ火炎が不安定であるため、一定領域を加熱することが難しいという問題が生じた。プラズマ火炎を安定させるため、ガス流量を多くしてプラズマ火炎を強くすると、ガラス体の温度が過度に上昇することにより、ガラスの粘性が極度に低くなるためガラス体の加工が難しくなるという問題が生じた。また、ガス流量を多くすることによって、プラズマ火炎が細くなり、ガラス体が局部的に加熱されるため、ガラス体の広い部分を加熱することが難しかった。

ガラス体全体を均一に加熱するためには、ガス流量を調節しつつ、プラズマ火炎を広げることが必要である。
この問題を解決するため、プラズマトーチを大きくして、プラズマトーチにガスを導入するガス噴出管を同心円からなる複数のポートに分けることによって、プラズマ火炎を広げることはできたが、プラズマ火炎の安定性の改善は充分ではなかった。

本発明は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、従来と異なりプラズマトーチの中心軸方向だけにガスを噴出するのではなく、以下のような構成を採用することによって、上記課題を解決できるとの知見を得た。
（１） 誘導結合型プラズマトーチのプラズマ火炎放出面であって、前記誘導結合型プラズマトーチの中心軸から、該中心軸と前記誘導結合型プラズマトーチの外縁との最短距離の８５％の位置における前記中心軸を中心とした円の接線方向の常温におけるガス流速成分を０．０５〜１．４ｍ／ｓまで変化させることによって、プラズマ火炎の広がりを調節することを特徴とするプラズマ発生装置である。
（２） 誘導結合型プラズマトーチの中心軸と誘導結合型プラズマトーチの外縁との最短距離が、３５ｍｍ以上である前記（１）に記載のプラズマ発生装置である。
（３） 誘導結合型プラズマトーチのプラズマ火炎放出面と前記誘導結合型プラズマトーチの中心軸との交点において、中心軸方向の常温におけるガス流速成分が、プラズマ火炎が放出される向きに対して、−１．５〜０．４ｍ／ｓである前記（１）から（２）のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置である。
（４） プラズマ火炎を発生させる前に、予め常温において、プラズマトーチの中心軸を中心とした円の接線方向のガス流速成分及び／又は中心軸方向のガス流速成分を測定しておき、測定したガス流速成分をもとにプラズマ火炎の広がりを調節する機構を有する前記（１）から（３）のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置である。
（５） 前記（１）から（４）のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を用いたガラス体の加工方法である。
（６） 前記（１）から（４）のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を用いた光ファイバ用母材の製造方法である。

本発明は、上記構成を採用することにより、プラズマ火炎を不安定にすることなくプラズマ火炎を広げることができ、プラズマ火炎の温度を大きく変化させることなくプラズマ火炎の広がりを調節できるプラズマ発生装置を得ることができる。
また、本発明は、前記プラズマ発生装置を用いることにより、より伝送損失の少ない光ファイバ用母材を製造することができ、より均一にガラス体を加熱することができる。

図１は、本発明のプラズマ発生装置の模式図であり、複数のガス噴出口を有する誘導結合型プラズマトーチ１１（以下、単に「プラズマトーチ」という）と、高周波が印加されるコイル１２と、ガス管１３と、ガスボンベ１４とを有する。前記ガス噴出口から、ヘリウム、アルゴン、空気、酸素及び窒素から選ばれる少なくとも１種を含むガスが噴出される。中でも、アルゴンガスなどを用いてプラズマ火炎を発生させ、アルゴンガスを空気、窒素、酸素、ヘリウムから選ばれる１種以上のガスに置換することによって、プラズマの点火が容易で、かつ、プラズマ火炎の最高温度を低下させることができ、より広範囲を均一に加熱可能となる。また、１つのガス噴出口から１種類のガスを噴出してもよいし、複数種のガスの混合ガスを噴出してもよい。
前記ガスがガス噴出口から噴出され、前記コイルに例えば３．８ＭＨｚの高周波が印加された状態で、着火棒等により着火されて、プラズマ火炎１５が発生する。

前記プラズマトーチの形状は、一般的には略円筒形状であるが、円筒形状でも多角柱状でもよい。また、前記プラズマトーチの材質は、セラミックスや真鍮、ガラスなどが使用できるが、光ファイバ母材の製造やガラスの加熱に使用する場合には、ガラス製のプラズマトーチを用いることによって、光ファイバ母材やガラス中への異原子の導入を抑制することができる。
本発明では、前記プラズマトーチの底面*2２１の上方（プラズマトーチの開放端側）であって、プラズマトーチ１１の開放端付近の底面１２と平行な面をプラズマ火炎放出面とする。前記プラズマトーチの底面と直交するプラズマトーチの中心軸２２を設定し、該中心軸２２とプラズマトーチの外縁２３との最短距離２４（プラズマトーチが円筒形状の場合は、プラズマトーチ上部の内半径）を１００％とした場合に、プラズマトーチのプラズマ火炎放出面の領域を、前記中心軸から前記プラズマトーチの外縁に向かって８５％となる円上において、該円の接線方向（以下、「接線方向」という）のガス流速成分を調節することによって、プラズマ火炎の広がりを調節する。

本発明では、前記プラズマトーチの中心軸２２から、前記中心軸と前記プラズマトーチの外縁２３との最短距離の８５％の距離にある領域における前記接線方向のガス流速成分を変化させるが、これは測定の結果、プラズマ火炎の広がりに最も影響を与えているのが、前記プラズマトーチの中心軸２２から、前記中心軸と前記プラズマトーチの外縁２３との最短距離の８５％の距離にある領域であったためである。

前記接線方向のガス流速成分を変化させるためには、旋回流（螺旋状のガスの流れ）を発生させる必要がある。前記旋回流を発生させる具体的な方法としては、例えば、第一の方法として、図３に示すように、プラズマトーチの中心軸２２と平行ではないガス噴出管２５を設けて、プラズマトーチの底面２１からガスを噴出させる方法が挙げられ、第二の方法として、図４に示すように、プラズマトーチの中心軸２２と平行ではないガス噴出管２６を設けて、プラズマトーチの底面２１の上方からガスを噴出させる方法が挙げられ、第三の方法として、図５に示すように、プラズマトーチの中心軸２２と平行なガス噴出管２７を設けて、前記ガス噴出管のガス噴出口の上方に、ガスの噴出方向を変更させるために、ガスの噴出方向に対して傾きを有する板状体２８を設ける方法、などが挙げられる。
本発明のプラズマ発生装置は、上記のようなプラズマトーチを用い、各ガス噴出管へのガス流量を変化させることによって、プラズマ火炎の広がりを調節する機構とすることができる。

まず、前記第一の方法を詳しく説明する。
前記第一の方法は、プラズマトーチの中心軸と平行ではない複数のガス噴出管（以下「旋回流ガス噴出管」という）２５をプラズマトーチ１１に設け、プラズマトーチの底面２１に前記旋回流ガス噴出管２５のガス噴出口３１を設ける方法である。
この方法におけるガス噴出管としては、前記旋回流ガス噴出管２５のみを用いてもよいし、前記旋回流ガス噴出管２５と、プラズマトーチの中心軸２２と平行なガス噴出管（以下「直進流ガス噴出管」という）２９，３０とを併用してもよい。前記旋回流ガス噴出管と前記直進流ガス噴出管を併用する場合には、前記直進流ガス噴出管の外側（プラズマトーチの外縁側）に前記旋回流ガス噴出管を配置する必要がある。前記旋回流ガス噴出管２５と前記直進流ガス噴出管２９，３０とを併用すると、プラズマ火炎の広がりの調節がさらに容易になるだけでなく、プラズマ火炎の火力の調節が容易となり、プラズマ火炎の安定性が向上するため好ましい。

前記旋回流ガス噴出管２５は、図２に示すように、プラズマトーチの中心軸と平行ではなく、該中心軸２２に対して、一定の角度θを有している。この中心軸に対する旋回流ガス噴出管２５の角度θは、プラズマ発生装置の用途等に応じて適宜選択できるが、光ファイバ用母材の製造、特にＭＣＶＤ法による光ファイバ用母材の製造に使用する場合には、角度θが４０〜７５°であることが好ましい。
前記角度θが４０°より小さいと充分な旋回流が発生しないため、中心軸方向のガス流速成分が大きくなる割には、前記接線方向のガス流速成分が大きくならず、プラズマ火炎の安定性の向上が小さい場合がある。また、前記角度θが７５°より大きいとプラズマトーチの底面２１に旋回流ガス噴出管２５のガス噴出口３１を設けることが難しくなる。

直進流ガス噴出管２９，３０と旋回流ガス噴出管２５とを併用する場合には、旋回流ガス噴出管の内径を直進流ガス噴出管の内径よりも小さくすることにより、旋回流ガス噴出管へのガス流量の変化に対する接線方向のガス流速成分の変化がすばやく起こり好ましい。
旋回流ガス噴出管の数としては、２〜１０が好ましい。旋回流ガス噴出管の数が１つであると、接線方向のガス流速成分が不安定になりやすく、プラズマトーチの大きさやプラズマ火炎の大きさによっては、充分にプラズマ火炎を広げることができない場合がある。また、旋回流ガス噴出管の数が１０を超えると、プラズマトーチの構造が複雑になり、プラズマ発生装置が大型化してしまう場合がある。

前記直進流ガス噴出管２９，３０のガス噴出口３１は、前記プラズマトーチの底面２１に設けてもよいし、前記プラズマトーチの底面２１から突出した位置に設けてもよい。前記直進流ガス噴出管のガス噴出口をプラズマトーチの底面から突出した位置に設けることによって、プラズマ火炎の安定化の点で有利となる。また、前記直進流ガス噴出管の数としては、特に制限はなく、プラズマ発生装置の用途に応じて適宜選択できる。前記直進ガス噴出管は、図３のように内径の異なる複数の管２９，３０を同心円状に配置してもよいし、複数の管を並べて配置してもよい。

次に前記第二の方法について詳しく説明する。
前記第二の方法は、プラズマトーチの底面２１に旋回流ガス噴出管のガス噴出口を設けるのではなく、プラズマトーチ１１の内側面などのプラズマトーチの底面２１の上方に旋回流ガス噴出管２６のガス噴出口３１を設ける方法である。
前記第二の方法は、前記第一の方法よりも、前記中心軸２２に対する旋回流ガス噴出管２６の角度をより大きくすることができ、前記接線方向のガス流速成分を速くさせやすいのが特徴である。
なお、前記中心軸２２に対する旋回流ガス噴出管２６の角度は、前記中心軸２２と前記旋回流ガス噴出管２６のガス噴出口の中心とを通る面と、前記旋回流ガス噴出管２６の中心軸とのなす角度により表される。
しかし、プラズマトーチの底面２１に旋回流ガス噴出管のガス噴出口を有する第一の方法に比べて、旋回流ガス噴出管のガス噴出口の位置がプラズマ火炎に近いため、旋回流ガス噴出管がプラズマ火炎による熱の影響を受けやすく、旋回流ガス噴出管の径が大きい場合には、旋回流ガス噴出管へのガス流量を常に一定量以上に保つなどの対応が必要な場合がある。

前記第二の方法においても、前記直進流ガス噴出管２９，３０のガス噴出口３１は、前記プラズマトーチの底面２１に設けてもよいし、前記プラズマトーチの底面から突出した位置に設けてもよい。前記直進流ガス噴出管のガス噴出口をプラズマトーチの底面２１から突出した位置に設けることによって、プラズマ火炎の安定化の点で有利となる。また、前記直進流ガス噴出管の数としては、特に制限はなく、プラズマ発生装置の用途に応じて適宜選択できる。前記直進ガス噴出管は、図４のように内径の異なる複数の管２９，３０を同心円状に配置してもよいし、複数の管を並べて配置してもよい。

前記第三の方法について詳しく説明する。
前記第三の方法では、前記旋回流ガス噴出管２７のガス噴出口３１をプラズマトーチの底面２１に設けることができる。また、前記第三の方法では、前記旋回流ガス噴出管のガス噴出口３１の上方に、ガスの噴出方向を変更させるために、ガスの噴出方向に対して傾きを有する板状体２８を設ける。前記旋回流ガス噴出管から噴出されたガス３２は、前記板状体２８に当たり、流れる方向が変更される。
さらに、前記板状体２８の傾きが変えられるように、前記板状体２８を可動式とすることによって、前記旋回流ガス噴出管２７のガス流量を変えることなく、前記接線方向のガス流速成分の大きさを変えることができる。

前記第三の方法においても、前記直進流ガス噴出管２９，３０のガス噴出口３１は、前記プラズマトーチの底面２１に設けてもよいし、前記プラズマトーチの底面から突出した位置に設けてもよい。前記直進流ガス噴出管のガス噴出口をプラズマトーチの底面から突出した位置に設けることによって、プラズマ火炎の安定化の点で有利となる。また、前記直進流ガス噴出管の数としては、特に制限はなく、プラズマ発生装置の用途に応じて適宜選択できる。前記直進ガス噴出管は、図５のように内径の異なる複数の管２９，３０を同心円状に配置してもよいし、複数の管を並べて配置してもよい。

上述した接線方向のガス流速成分を発生させる方法の中でも、第一の方法が好適である。これは、図６に示すように、従来使用されているプラズマトーチ底面２１に、ガス噴出方向を傾けるための治具３３を取り付けることにより、容易に旋回流ガス噴出管を設けることができるためである。
また、第二の方法及び第三の方法は、プラズマトーチの底面の上方にガス噴出管２６や板状体２８を取り付ける必要があるが、前記ガス噴出管や治具がプラズマ火炎の熱におかされないように緻密な設計をすることが必要であり、前記設計はプラズマトーチの中心軸方向のガス流速成分によって異なる。

該接線方向のガス流速成分に寄与する単位時間当たりのガスの流量を変化させることによって、前記接線方向のガス流速成分を変化させることができる。また、前記第三の方法によって前記接線方向のガス流速成分を発生させる場合には、前記板状体２８の傾きを変更することによって、前記接線方向のガス流速成分を変化させることができる。

前記中心軸と前記プラズマトーチの外縁との最短距離は、プラズマ発生装置の用途や出力などによって適宜決めることができるが、前記最短距離を３５ｍｍ以上とするのが好ましい。
前記最短距離が３５ｍｍ未満では、プラズマの密度が高くなり加熱対象の温度が上がりやすくなること、火炎を広げるのが困難になることから好ましくない。前記最短距離を３５ｍｍ以上とすることで、プラズマ火炎の広がりを容易に調節できる傾向がある。

前記プラズマ火炎放出面であって、前記プラズマトーチの中心軸から、該中心軸と前記プラズマトーチの外縁との最短距離の８５％の位置における前記中心軸を中心とした円の接線方向のガス流速成分は、常温において、０．０５〜１．４ｍ／ｓであることが好ましい。本来、プラズマ火炎が点火されている状態でのガス流速成分が、プラズマ火炎の広がりや安定性に寄与するはずであるが、プラズマ火炎は数千度に達するため、プラズマ火炎が点火されている状態でのガス流速を測定することはできない。そこで、本発明では、プラズマ火炎を点火する前の常温におけるガス流速を予め調節しておき、同じ流量のガスを噴出してプラズマ火炎を点火することにより、プラズマ火炎の広がりや安定性を制御しやすくする。
また、予め必要な各ガス噴出管へのガス流量が分かっていれば、プラズマ火炎の点火後に各ガス噴出管へのガス流量を変化させることによって、接線方向のガス流速成分を変化させ、より簡単にプラズマ火炎の広がりを調節する機構とすることができる。
常温において、前記接線方向のガス流速成分が、０．０５ｍ／ｓ未満である場合には、プラズマ火炎をあまり広げることができず、１．４ｍ／ｓを超えると、プラズマ火炎が失火する場合がある。
上述の常温における前記接線方向のガス流速成分の範囲内でも特に、０．０５〜０．５ｍ／ｓの範囲内で常温における前記接線方向のガス流速成分を変化させると比較的加熱幅が狭くかつ安定したプラズマ火炎を発生することができ、０．９〜１．４ｍ／ｓの範囲内で常温における前記接線方向のガス流速成分を変化させると比較的加熱幅が広くかつ安定したプラズマ火炎を発生させることができる。
なお、ガス流速は、ベンチュリ計により測定することができる。

また、プラズマトーチのプラズマ火炎放出面であって、プラズマトーチの中心軸上において、前記中心軸方向の常温におけるガス流速成分が、プラズマ火炎が放出される向きに対して、−１．５〜０．４ｍ／ｓであることが好ましい。本発明では、上述した接線方向のガス流速成分と同様の理由により、プラズマ火炎の広がりや安定性を制御しやすい中心軸方向のガス流速成分の範囲を常温でのガス流速成分の範囲として示す。なお、中心軸に沿ってプラズマ火炎が放出される向きを正の向きとしているため、中心軸方向のガス流速成分が−１．５ｍ／ｓであるとは、ガス噴出口からガスを吸引しているのではなく、中心軸付近よりも中心軸から離れた場所のガス流速が速いために、中心軸に沿ってプラズマトーチの開放端側からガス噴出口側に向かうガスの流れが発生し、このガス流速成分が１．５ｍ／ｓであることを示す。
前記中心軸方向のガス流速成分が−１．５ｍ／ｓよりも負に大きい場合には、プラズマ火炎が失火する傾向がある。また、前記中心軸方向のガス流速成分が正に大きくなると、プラズマ火炎は安定性を増すが、中心軸方向のガス流速成分が０．４ｍ／ｓを超えるとプラズマ火炎が広がりにくくなる傾向がある。

前記接線方向のガス流速成分及び前記中心軸方向のガス流速成分は、ガス噴出口の大きさやガス流量などによって異なるため、プラズマ火炎を点火する前に、予め、どのガス噴出口からどの程度のガスを噴出すれば、どの程度のガス流速となるかを測定し、グラフなどのデータとしておくのが好ましい。また、実際に測定を行わなくとも、シミュレーションにより予測してガス流速をデータ化しておくこともできる。
加熱対象やプラズマ火炎の用途に応じて、前記ガス流速のデータをもとに、各ガス噴出口へのガス流量を調節することによって、プラズマ火炎の広がりを調節することができる。

本発明のプラズマ発生装置は、局所的に加熱されることによって穴があきやすいガラス体の加工に好適である。

また、本発明のプラズマ発生装置は、プラズマ火炎の広がりを容易に調節することができ、かつ、プラズマ火炎を安定させることができるため、広い範囲を均一に加熱する必要がある光ファイバ用母材の製造に好適である。
特に、前記光ファイバ用母材をＭＣＶＤ法で作製する場合、長時間、断続的に、安定なプラズマ火炎を維持する必要があるため有効である。

前記ＭＣＶＤ法では、ガラス体であるガラスパイプ３４をプラズマ火炎１５で加熱しながら光ファイバ用母材の製造が行われる。ガラスパイプ内には、ガラスの原料ガスが導入され、ガラスパイプ内でガラス微粒子が生成堆積し、堆積したガラス微粒子は、ガラスパイプの外側からプラズマ火炎によって加熱されることにより焼結され、ガラス層を形成する。この際、プラズマ火炎は、ガラスパイプとガラス層とを長手方向に渡って均一に加熱するため、ガラスパイプの長手方向にトラバースされる。この工程が繰り返されることにより、ガラスパイプの内側が殆どガラス層で埋まり、光ファイバ用母材が製造される。

（実施例１）
プラズマトーチとして、図３に示す内半径４５ｍｍの円筒形状のプラズマトーチを用いた。なお、前記プラズマトーチにおいて、直進流ガス噴出管２９の内径は８ｍｍ、外径は１０ｍｍであり、直進流ガス噴出管３０の内径は１３ｍｍであり、外径は１５ｍｍであり、旋回流ガス噴出管の内径は２ｍｍであった。
旋回流ガス噴出管のガス噴出口の中心が、プラズマトーチの中心軸から、該中心軸とプラズマトーチの外縁との最短距離の８５％の位置にくるように旋回流ガス噴出管を設けた。
上記のプラズマトーチの側面にコイルを配置した。また、前記直進流ガス噴出管及び前記旋回流ガス噴出管とアルゴンガスボンベ及び空気ボンベとをパイプで接続し、プラズマ発生装置を得た。

プラズマトーチの直進流ガス噴出管及び旋回流ガス噴出管よりアルゴンガスを噴出し、プラズマトーチの側面に設けられたコイルに高周波を印加し、プラズマを点火してから、アルゴンガスを空気に置換し、プラズマ火炎を発生させた。その後、ガラスロッドとプラズマトーチとの距離が３５ｍｍとなるように外径３７ｍｍのガラスロッドとプラズマトーチを配置し、ガラスロッドの同じ個所を３分間加熱することによって、ガラスロッドの最高温度が１９００℃となるように、コイルに供給する電力を調整した。このときのガラスロッドの長手方向における温度分布を測定した結果を図７に示す。このときの各ガス噴出管へのガス（空気）流量は、直進流ガス噴出管２９： ７（ｌ／ｍｉｎ）、直進流ガス噴出管３０：８（ｌ／ｍｉｎ）、旋回流ガス噴出管１本当たり：１３（ｌ／ｍｉｎ）であった。

このプラズマトーチにおいて、常温にて、直進流ガス噴出管２９へのガス流量を７（ｌ／ｍｉｎ）、直進流ガス噴出管３０へのガス流量を８（ｌ／ｍｉｎ）に固定して、旋回流ガス噴出管へのガス流量を変化させることにより、接線方向のガス流速成分を変化させ、ガラスロッドが１５００℃以上に加熱される加熱幅（ｍｍ）を測定し、グラフにしたものが図８である。図８から、接線方向のガス流速成分が増加するに従い加熱幅が広がることがわかる。また接線方向のガス流速成分が０．０５〜１．４ｍ／ｓの範囲ではプラズマ火炎が安定しており、失火することは無かったが、１．４ｍ／ｓ以上で火炎がばらつき始め、失火するケースが多く見られた。
また、全旋回流ガス噴出管へのガス流量と接線方向のガス流速成分との関係を表したものが図９である。図９より、全旋回流ガス噴出管へのガス流量と接線方向のガス流速成分とは、比例関係にあることが分かる。

（実施例２）
プラズマトーチを以下のような構造とした以外は、実施例１のプラズマ発生装置と同様の構造とした。
プラズマトーチとして、図４に示す内半径４５ｍｍの円筒形状のプラズマトーチを用いた。なお、前記プラズマトーチにおいて、直進流ガス噴出管２９の内径は８ｍｍ、外径は１０ｍｍであり、直進流ガス噴出管３０の内径は１３ｍｍであり、旋回流ガス噴出管の内径は２ｍｍであり、旋回流ガス噴出管のガス噴出口の中心は、プラズマ火炎放出面から−１８０ｍｍの高さにあった。
各ガス噴出管へのガス（空気）流量を、直進流ガス噴出管２９：７（ｌ／ｍｉｎ）、直進流ガス噴出管３０：８（ｌ／ｍｉｎ）、旋回流ガス噴出管１本当たり：１０（ｌ／ｍｉｎ）とすることにより、実施例１と同等の広がりを持つプラズマ火炎を安定して発生させることができた。

（実施例３）
プラズマトーチを以下のような構造とした以外は、実施例１のプラズマ発生装置と同様の構造とした。
プラズマトーチとして、図５に示す内半径４５ｍｍの円筒形状のプラズマトーチを用いた。なお、前記プラズマトーチにおいて、直進流ガス噴出管２９の内径は８ｍｍ、外径は１０ｍｍであり、直進流ガス噴出管３０の内径は１３ｍｍであり、旋回流ガス噴出管の内径は２ｍｍであった。旋回流ガス噴出管のガス噴出口の中心が、プラズマトーチの中心軸から、該中心軸とプラズマトーチの外縁との最短距離の９５％の位置にくるように旋回流ガス噴出管を設けた。また、旋回流ガス噴出管は、直進流ガス噴出管と平行に設けた。
さらに、略矩形の板状体を旋回流ガス噴出管のガス噴出口の上方５ｍｍに設けた。前記板状体とプラズマトーチの底面に平行な面とのなす角θ（中心軸と旋回流ガス噴出管の中心軸がなす角）を４５°とした。
各ガス噴出管へのガス（空気）流量を、直進流ガス噴出管２９：７（ｌ／ｍｉｎ）、直進流ガス噴出管３０：８（ｌ／ｍｉｎ）、旋回流ガス噴出管１本当たり：１３（ｌ／ｍｉｎ）とすることにより、実施例１と同等の広がりを持つプラズマ火炎を安定して発生させることができた。

（実施例４）
実施例１のプラズマ発生装置を用いて、外径３４ｍｍ、長さ１０ｃｍの石英ガラス管２本を長手方向に接続した。
プラズマ火炎が広がっており、かつ、安定しているため、プラズマトーチを移動させることなく、容易に石英ガラス管の接続が行えた。

（実施例５）
実施例１のプラズマ発生装置を用いて、ＭＣＶＤ法により、光ファイバ母材の製造を行った。
ガラス旋盤に接続したガラスパイプ内に、ガラス原料ガスを導入しつつ、ガラスパイプの外側を実施例１のプラズマ発生装置を用いて加熱した。ガラス原料ガスが加熱されることにより、ガラス微粒子が生成し、該ガラス微粒子はガラスパイプの内側に堆積して多孔質層を形成し、該多孔質層をプラズマ火炎で加熱することで、ガラス層を形成させた。
この際、ガラスパイプ全体を均一に加熱するため、プラズマトーチをガラスパイプの長手方向に移動させながら加熱を行うが、プラズマ火炎が広がっており、かつ、安定しているため、従来のプラズマ発生装置を用いる場合よりも、より均一な加熱が行え、かつ、プラズマトーチの移動速度も遅くすることができた。

本発明のプラズマ発生装置は、光ファイバ母材の製造やガラスの加熱などに使用可能である。

本発明のプラズマ発生装置の模式図である。 本発明のプラズマ発生装置に用いる誘導結合型プラズマトーチの内部構造図である。 本発明のプラズマ発生装置に用いる誘導結合型プラズマトーチの内部構造図である。 本発明のプラズマ発生装置に用いる誘導結合型プラズマトーチの内部構造図である。 本発明のプラズマ発生装置に用いる誘導結合型プラズマトーチの内部構造図である。 従来の誘導結合型プラズマトーチを本発明のプラズマ発生装置に用いる誘導結合型プラズマトーチに改良する際の内部構造図である。 ガラスロッドの長手方向における温度分布を測定した結果を示す図である。 接線方向のガス流速成分と、ガラスロッドが１５００℃以上に加熱される加熱幅の関係を表す図である。 全旋回流ガス噴出管へのガス流量と接線方向のガス流速成分との関係を表した図

符号の説明

１１ 誘導結合型プラズマトーチ
１２ コイル
１３ ガス管
１４ ガスボンベ
１５ プラズマ火炎
２１ プラズマトーチの底面
２２ プラズマトーチの中心軸
２３ プラズマトーチの外縁
２４ プラズマトーチの中心軸とプラズマトーチの外縁との最短距離
２５ 旋回流ガス噴出管
２６ 旋回流ガス噴出管
２７ 旋回流ガス噴出管
２８ 板状体
２９ 直進流ガス噴出管
３０ 直進流ガス噴出管
３１ ガス噴出口
３２ ガス
３３ 治具
３４ ガラスパイプ

Claims (6)

1. 誘導結合型プラズマトーチのプラズマ火炎放出面であって、前記誘導結合型プラズマトーチの中心軸から、該中心軸と前記誘導結合型プラズマトーチの外縁との最短距離の８５％の位置における前記中心軸を中心とした円の接線方向のガス流速成分を０．０５〜１．４ｍ／ｓまで変化させることによって、プラズマ火炎の広がりを調節することを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 誘導結合型プラズマトーチの中心軸と誘導結合型プラズマトーチの外縁との最短距離が、３５ｍｍ以上である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記プラズマ火炎放出面と前記誘導結合型プラズマトーチの中心軸との交点において、中心軸方向のガス流速成分が、プラズマ火炎が放出される向きに対して、常温において−１．５〜０．４ｍ／ｓである請求項１から２のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
4. プラズマ火炎を発生させる前に、予め常温において、プラズマトーチの中心軸を中心とした円の接線方向のガス流速成分及び／又は中心軸方向のガス流速成分を測定しておき、測定したガス流速成分をもとにプラズマ火炎の広がりを調節する機構を有する請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を用いたガラス体の加工方法。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を用いた光ファイバ用母材の製造方法。
   
   

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