JP2009227567A - 光ファイバ用母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス微粒子の生成、堆積を効率的に行うことのできる方法、特に、大型の母材を合成する場合において、堆積開始から堆積終了まで安定して高い堆積効率が得られる光ファイバ用母材の製造方法を提供する。
【解決手段】助燃性ガスを噴出する複数の小口径の助燃性ガス噴出ポート１０６であって、同一列に配置された複数の噴出ポートが同一の焦点距離を有する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートとを備える同芯多重管構造のバーナを用いて、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、該ガラス微粒子を回転する出発部材上の径方向に堆積させて、前記複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離をＬ₁とし、該複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの先端から前記出発部材上のガラス微粒子堆積面１０７までの距離をＬ₂とするとき、堆積初期はＬ₁＞Ｌ₂とし、堆積途中でＬ₁＜Ｌ₂となるように、Ｌ₂を大きくしていく。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、これを回転する出発部材上に堆積させる光ファイバ用母材の製造方法に関する。

従来、光ファイバ用母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法のなかでも、バーナ火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナもしくは出発部材を相対往復運動させて回転する出発部材上に付着堆積させて多孔質母材を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結する外付け法（Outside Vapor Phase Deposition :OVD method）は、比較的任意の屈折率分布のものが得られ、しかも、大口径の光ファイバ用母材を量産できることから汎用されている。

図１は、光ファイバ用母材の製造装置の一例の概略を示している。図において、ガラス微粒子（スート）を堆積する出発部材は、コアロッド１の両端部にダミーロッド２を溶着したものであり、その両端がインゴットチャック機構４により軸回りに回転自在に支持されている。この出発部材に向かって配設された、移動自在のバーナ３から光ファイバ用原料、例えばSiCl₄等の蒸気と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）とを出発部材に向けて吹き付け、酸水素火炎中での加水分解によって生成したスートを出発部材上に堆積させることにより、光ファイバ用多孔質母材が形成される。なお、符号５は排気フードである。

バーナ３は、不図示のバーナガイド機構により出発部材の長手方向に沿って往復運動且つ後退動自在に支持され、軸回りに回転している出発部材に向けて火炎を噴射する。そして、火炎中での原料ガスの加水分解によって生成したガラス微粒子を堆積させることで多孔質母材が製造される。次いで、不図示の加熱炉のヒータ部を通過させることにより、脱水ガラス化され、光ファイバ用母材とされる。

ガラス微粒子を合成し出発部材上にスート（ガラス微粒子）を堆積させるには、従来、同芯多重管構造のバーナが用いられてきた。しかし、このような構造のバーナは、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われないため、ガラス微粒子の生成が充分でなかった。その結果、収率が伸びず、高速合成が困難であった。

この問題を解決するために、特許文献１には、可燃性ガス噴出ポート内に、中心の原料ガス噴出ポートを取り囲むように複数の小口径の助燃性ガス噴出ポート（以下、小口径噴出ポートと略称する）を配置したマルチノズル型バーナが提案されている。

さらに、特許文献２では、原料ガス流の乱れを防ぐ方法として、複数の小口径噴出ポートの焦点距離をＬ1、小口径噴出ポート先端から母材のガラス微粒子堆積面までの距離をＬ2とするとき、Ｌ1をＬ2よりも大きくすることを提案している。逆に、特許文献３は、Ｌ1をＬ2よりも小さくしてガスの混合効率を高めることにより、堆積効率を向上することができるとしている。

しかしながら、回転する出発部材上にバーナ火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナ又は出発部材を相対往復運動させて付着堆積させるOVD法は、堆積が進むにつれ、母材の重量が増し堆積体の径が大きくなっていく。したがって、堆積が進むにつれて、通常、ガス量を増やして堆積体の密度調整が行われている。なお、出発部材の50mmφからスタートして300mmφとなるまで堆積が続けられる。

堆積初期は、堆積面積が小さいのでガス量を少なくし、小さいガス線速で堆積が行われる。そのため、小口径噴出ポートから噴出されるガスによってガラス微粒子の流れが乱れ易く、乱れると堆積効率が低下する。堆積後半は、堆積体の径が増し、堆積面積が大きくなっているのでガス量を増大させて、大きなガス線速で堆積が行われる。結果として、小口径噴出ポートから噴出されるガスによるガラス微粒子流の乱れは小さくなるが、ガス線速が大きいためにガスの混合率は悪くなり、堆積効率が上がらないという問題があった。

特許1773359号公報 特許3543537号公報 特開2003-226544号公報

本発明は、上記した問題点を解消し、ガラス微粒子の生成、堆積を効率的に行うことのできる方法、特に、大型の母材を合成する場合において、堆積開始から堆積終了まで安定して高い堆積効率が得られる光ファイバ用母材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の光ファイバ用母材の製造方法は、少なくとも中心に配置されガラス原料ガスを噴出するガラス原料ガス噴出ポートと、該ガラス原料ガス噴出ポートの外側に配置され、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、該可燃性ガス噴出ポート内で、ガラス原料ガス噴出ポートに対する同心円上に１列又は複数列に配置され、助燃性ガスを噴出する複数の小口径の助燃性ガス噴出ポートであって、同一列に配置された複数の噴出ポートが同一の焦点距離を有する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートとを備える同芯多重管構造のバーナを用いて、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、該ガラス微粒子を回転する出発部材上の径方向に堆積させて光ファイバ用母材を製造するに際し、
前記複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離をＬ₁とし、該複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの先端から前記出発部材上のガラス微粒子堆積面までの距離をＬ₂とするとき、堆積初期はＬ₁＞Ｌ₂とし、堆積途中でＬ₁＜Ｌ₂となるように、Ｌ₂を大きくしていくことを特徴とする。

ここで、堆積量が増して、母材の外径が増大するにつれて、前記バーナを前記出発部材上のガラス微粒子堆積面から離すように移動させ、距離Ｌ₂を大きくしていくことで、Ｌ₁＜Ｌ₂とするようにしてもよい。

また、母材の外径が前記出発部材の径の凡そ３倍に成長するときに、Ｌ₁＝Ｌ₂となるように、前記バーナを前記出発部材上のガラス微粒子堆積面から離すように移動させるようにしてもよい。

本発明によれば、堆積開始から堆積終了まで安定した状態で堆積を続けることができ、急激な密度変化を生じることなく、かつ高い堆積効率が得られる等、極めて優れた効果を奏する。

外付け法（OVＤ法）による多孔質ガラス母材の製造装置の概要を示す概略図である。 本発明に用いられる小口径噴出ポートを有するガラス微粒子合成用バーナを示す概略図であり、（Ａ）はその先端の端面図、（Ｂ）はその先端部の断面図である。 焦点距離Ｌ₁と、バーナ先端から堆積面までの距離Ｌ₂との関係を説明する図であり、（Ａ）は堆積初期、（Ｂ）は堆積後半である。 堆積重量と堆積速度との関係を示すグラフである。

上記課題を達成するために、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、小口径噴出ポートの焦点距離と該噴出ポートの先端からガラス微粒子の堆積面までの距離との関係を、堆積初期と堆積後半とでそれぞれ適切に設定することが重要であることを見い出し、本発明に至った。

すなわち、図３に示すように、同心円上に配列された複数の小口径噴出ポート１０６から噴出されるガス流が結ぶ焦点距離をＬ₁とし、該噴出ポート１０６の先端からガラス微粒子堆積面１０７までの距離をＬ₂とするとき、該噴出ポートから噴出される助燃性ガスによってガラス微粒子の流れが乱れ易い堆積初期はＬ₁＞Ｌ₂とすることで、中心のガラス微粒子の流れを乱すことなく、その外側で可燃性ガスと助燃性ガスの混合を促進させて、堆積効率を増すことができる。

なお、本発明において堆積後半とは、堆積体の径が出発部材の径の凡そ3倍に成長した時点以降を指している。

逆に、ガス量が増えガス流の線速が大きくなっている堆積後半は、小口径噴出ポート１０６から噴出される助燃性ガス流による影響を受けにくくなり、ガラス微粒子流は乱れにくくなっているが、反面、ガス混合率が悪くなっているのでＬ₁＜Ｌ₂とすることで、堆積体に衝突する前の原料火炎に、小口径噴出ポート１０６からの助燃性ガスが焦点位置で集中して衝突することになり、可燃性ガスと助燃性ガス、さらには、ガラス微粒子の混合及び反応が積極的に促進され、堆積効率を増すことができる。

小口径噴出ポート１０６の焦点距離Ｌ₁の調整は堆積中困難であるため、Ｌ₁とＬ₂の関係の調整は、バーナ先端から堆積面までの距離Ｌ₂を調整することで行うことができる。具体的には、堆積初期から堆積後半にかけて、堆積面からバーナ３を滑らかに離し、Ｌ₂を大きくしていくことでＬ₁＜Ｌ₂とすることができ、堆積母材の急激な密度変化を生じさせることなく、安定した状態で堆積を続けることができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１；
図１に示すような装置を用いて外付け法により、外径50mm、長さ2000mmのコアロッド１の両端部に外径50mmのダミーロッドを溶着した出発部材上に、図２に示すような、同芯５重管構造を有するバーナ１００を用いてガラス微粒子を堆積し、光ファイバ用母材を製造した。

使用したバーナ１００は、中心に配置されガラス原料ガス噴出ポート１０１Ｐを形成する第１管１０１と、その外側に配置され、シールガスを噴出するシールガス噴出ポート１０２Ｐを形成する第２管１０２と、さらにその外側に配置され、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポート１０３Ｐを形成する第３管１０３とを備えている。そして、バーナ１００は、第２管１０２及び第３管１０３の間の可燃性ガス噴出ポート１０３Ｐに内包され、中心のガラス原料ガス噴出ポート１０１Ｐに対する同心円上に等間隔で１列に配設され、助燃性ガスを噴出する小口径助燃性ガス噴出ポート１０６Ｐを形成し、焦点距離Ｌ₁＝150mmの８本の小口径助燃性ガス噴出ポートノズル１０６を備えている。さらに、バーナ１００は、第３管１０３の外側に配置され、シールガスを噴出するシールガス噴出ポート１０４Ｐを形成する第４管１０４と、その外側に配置され、助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出ポート１０５Ｐを形成する第５管１０５を備えている。

なお、堆積開始時から堆積終了時まで各ガスを以下に述べる範囲内で次第に増大させて供給した。すなわち、バーナの第１管１０１には、ガラス原料ガスとしてSiCl₄を1.0〜10L/minと助燃性ガスO₂を５〜20L/min供給し、第２管１０２にはシールガスN₂を４〜６L/min、第３管１０３には可燃性ガスH₂を７０〜170L/min、第４管１０４にはシールガスN₂を４〜６L/min、第５管１０５に助燃性ガスO₂を２０〜５０L/min供給し、さらに、第３管１０３に内包される小口径噴出ポートノズル１０６が分岐されている共通の主管（不図示）には助燃性ガスとしてO₂を５〜２０L/min供給し、出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積させた。バーナの各管に供給したガスの種類、供給量は、比較例１，２とともに表１にまとめて示した。

複数の小口径噴出ポートの焦点距離をＬ₁＝150mm、堆積面１０７までの距離Ｌ₂＝125mmとして堆積を開始し、堆積体の成長に合わせてバーナ１００を、堆積体の径が出発部材の径のほぼ3倍の150mmφになった頃にＬ₁＝Ｌ₂となり、堆積終了時にはＬ₂＝175mmとなるように、堆積面から徐々に離していった。

そして、堆積の結果として得られた代表的な堆積重量に関しての堆積速度を比較例１，２の結果とともに表２にまとめて示した。ここで、実施例１、比較例１，２の堆積効率は、それぞれ、６４．０（％），６０．９（％）及び５６．９（％）であった。さらに、図４に堆積重量5kg毎の平均堆積速度を示した。図４から、実施例１の堆積速度は、堆積中、後述する比較例１，２よりも優れているのが認められる。

比較例１；
小口径噴出ポートの焦点距離Ｌ₁＝150mmとし、堆積面までの距離Ｌ₂＝125mmを維持して堆積を行った以外は、実施例１と同様にして、出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積させた。図４から、堆積初期の堆積速度は、実施例とほぼ同程度であったが、堆積後半の堆積速度は実施例１よりも劣っていた。

比較例２；
小口径噴出ポートの焦点距離Ｌ₁＝150mmとし、堆積面までの距離Ｌ₂＝175mmを維持して堆積を行った以外は、実施例１と同様にして、出発部材上にガラス微粒子を100kg堆積させた。

図４から、堆積初期の堆積速度は、実施例１よりも劣っていたが、堆積後半の堆積速度は実施例とほぼ同程度であった。

本発明によれば、ガラス微粒子の堆積効率が向上し、多孔質ガラス母材の生産性向上に大きく寄与する。

１ コアロッド
２ ダミーロッド
３ バーナ
４ インゴットチャック機構
５ 排気フード
１００ バーナ
１０１ 第１管
１０２ 第２管
１０３ 第３管
１０４ 第４管
１０５ 第５管
１０６ 噴出ポート
１０７ ガラス微粒子堆積面
Ｌ₁ 焦点距離
Ｌ₂ 小口径噴出ポート先端からガラス微粒子堆積面までの距離

Claims (3)

1. 少なくとも中心に配置されガラス原料ガスを噴出するガラス原料ガス噴出ポートと、該ガラス原料ガス噴出ポートの外側に配置され、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、該可燃性ガス噴出ポート内で、ガラス原料ガス噴出ポートに対する同心円上に１列又は複数列に配置され、助燃性ガスを噴出する複数の小口径の助燃性ガス噴出ポートであって、同一列に配置された複数の噴出ポートが同一の焦点距離を有する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートとを備える同芯多重管構造のバーナを用いて、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、該ガラス微粒子を回転する出発部材上の径方向に堆積させて光ファイバ用母材を製造するに際し、
   前記複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの焦点距離をＬ₁とし、該複数の小口径助燃性ガス噴出ポートの先端から前記出発部材上のガラス微粒子堆積面までの距離をＬ₂とするとき、堆積初期はＬ₁＞Ｌ₂とし、堆積途中でＬ₁＜Ｌ₂となるように、Ｌ₂を大きくしていくことを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
2. 堆積量が増して、母材の外径が増大するにつれて、前記バーナを前記出発部材上のガラス微粒子堆積面から離すように移動させ、距離Ｌ₂を大きくしていくことで、Ｌ₁＜Ｌ₂とする請求項１に記載の光ファイバ用母材の製造方法。
3. 母材の外径が前記出発部材の径の凡そ３倍に成長するときに、Ｌ₁＝Ｌ₂となるように、前記バーナを前記出発部材上のガラス微粒子堆積面から離すように移動させる請求項２に記載の光ファイバ用母材の製造方法。

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