JP2012006800A - ガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外径変動量を低減できるガラス微粒子堆積体の製造方法を提供する。
【解決手段】回転する出発ロッド１１に対向した複数本のガラス微粒子合成用バーナ１３を略均等間隔に配置し、ガラス微粒子合成用バーナ１３を出発ロッド１１と相対移動なガラス微粒子合成用バーナ１３で合成されるガラス微粒子を出発ロッド１１の周囲に順次堆積させるガラス微粒子堆積体１９の製造方法であって、出発ロッド１１とガラス微粒子合成用バーナ１３との相対トラバース速度が０となる場合を除いたときのトラバース速度に合わせてガラス微粒子合成用バーナ１３に供給する少なくとも原料ガスのガス流量を、トラバース毎のガラス微粒子堆積体１９の堆積量が長手方向で一定になるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数本のガラス合成用バーナを用いた多バーナ多層付け法に用いて好適なガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

光ファイバなどのガラス製品を製造するためのガラス母材の製造方法として、複数本のガラス微粒子合成用バーナで構成されたバーナ列と反応容器内に軸線を固定して支持され軸回りに回転する棒状の出発材とを繰り返し相対的に往復移動させ、各ガラス微粒子合成用バーナで合成されたガラス微粒子をそれぞれ出発材上に堆積させ、かつ隣合うバーナにてガラス微粒子を堆積させた範囲が連続して一つのガラス微粒子堆積体を形成するガラス母材の製造方法（ＭＭＤ法；多バーナ多層付け法）が知られている。このようなガラス母材の製造方法においては、ガラス母材を透明化して長手方向に安定した特性の光ファイバを得るためにガラス母材の外径を長手方向でできるだけ均一とすることが重要となる。

全長にわたりガラス微粒子堆積体を均一、均質に堆積するには例えば特許文献１に開示の反転位置での停止時間長さを変化させる技術や、特許文献２に開示の各バーナ毎にガラス微粒子を堆積している部分のガラス母材の外径をモニタし、その外径が長手方向で均一になるように各バーナへのガラス原料の供給量を調整する技術や、特許文献３に開示される往復運動時の折り返すための減速の開始、停止および加速後の一定の移動速度になるまでの復帰時間を、前記一定の移動速度に対して所定の範囲に規制する技術などが知られている。

しかしながら、これらの従来技術では、往復移動における反転位置であっても一定流量の原料ガスを流していた。ＭＭＤ法では、複数のバーナを短く往復移動させながらでガラス微粒子を堆積させるが、バーナが反転する際、一定の速度から減速している時間、反転位置での一定の停止時間、および元の速度に復帰するまでの復帰時間が存在するため、一定量の原料ガスを流し続けていると反転位置部分のみ堆積量が増え、外径変動（所謂、波打ち）が大きくなる。特許文献１，２の技術では停止時間の長さを変化させたり、反転位置を変えることで外径を調整しているが、原料流量を調整しているものではない。また特許文献２の技術では、反転位置に限定して流量を調整しているわけではない。

特開２００５−１９４１３３号公報 特開２００６−１６０５５１号公報 特開２００４−２３８２２８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、外径変動量を低減できるガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 回転する出発ロッドに対向した複数本のガラス微粒子合成用バーナを略均等間隔に配置し、前記ガラス微粒子合成用バーナを前記出発ロッドと相対移動させて該ガラス微粒子合成用バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの周囲に順次堆積させるガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記出発ロッドと前記ガラス微粒子合成用バーナとの相対トラバース速度が０となる場合を除き、前記相対トラバース速度に合わせて該ガラス微粒子合成用バーナに供給する少なくとも原料ガスのガス流量を、トラバース毎のガラス微粒子の堆積量が長手方向で一定になるように制御しつつ前記ガラス微粒子を堆積させることを特徴とする、ガラス微粒子堆積体の製造方法。

このガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、反転部分も含めて、単位長さ当たりの堆積量が一定となるようにトラバース速度に合わせて原料流量を加減する。トラバース方向が反転する部分では、速度が低下するため、その部分のみゆっくりと堆積がなされるが、本製造方法によれば、反転部分も含めて、トラバース速度に合わせて原料ガスのガス流量を加減制御しているので、波打ちの少ないガラス微粒子堆積体の製造が可能となる。

（２） （１）のガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前回製造時の前記トラバース速度と前記原料ガスのガス流量とを記憶し、
前回製造したガラス微粒子堆積体の外径変動の大きさに応じて前記記憶したトラバース速度に対する原料ガスのガス流量の値を補正して今回製造時のガラス微粒子堆積体のトラバース速度に対する原料ガスのガス流量を決定することを特徴とする、ガラス微粒子堆積体の製造方法。

このガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、前回製造時の外径変動の大きさを測定し、これを元に前回原料ガスのガス流量を補正して新たな原料ガスのガス流量を求めるので、より外径変動の小さいガラス微粒子堆積体の製造が可能となる。

本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、単位長さ当たりの堆積量を一定となるようにしているので、外径を長手方向に略一定にできる。

本発明に係る製造方法に用いられる装置の概念を模式的に表した構成図である。 図１に示した反応容器の内部を模式的に表した平面図である。 比較例におけるトラバース速度・原料流量・堆積量を表した作用説明図である。 本発明におけるトラバース速度・原料流量・堆積量を表した作用説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る製造方法に用いられる装置の概念を模式的に表した構成図、図２は図１に示した反応容器の内部を模式的に表した平面図である。
ガラス母材製造装置２１の主要部は、複数本（この例では８本）のガラス微粒子合成用バーナ（バーナ）１３からなるバーナ列と排気管２３（この例では３本）を有する反応容器２５で構成されている。このガラス母材製造装置２１において出発ロッド１１の上下を支持棒２７，２７で保持して、トラバース装置２９，２９により回転させつつ上下に往復移動させながら、周囲にバーナ１３で生成されるガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体１９を製造する。バーナ１３にはガス供給装置３１が接続され、ガス供給装置３１はバーナ１３に原料ガス（ＳｉＣｌ₄など）や可燃性・助燃性ガス（Ｈ₂、Ｏ₂）、不活性ガス、などのガス１７を供給する。排気管２３からは所定量のガスの排気を行い、反応容器２５内に浮遊するガラス微粒子堆積体１９に堆積しなかったガラス微粒子を排出しながら堆積を行うようになされている。

ガラス母材製造装置２１とバーナ１３の間には原料流量センサ３３が設けられ、原料流量センサ３３はバーナ１３へ供給される原料流量Ａ［ｇ／ｍｉｎ］を検出する。トラバース装置２９にはトラバース速度センサ３７が取り付けられ、トラバース速度センサ３７はトラバース速度ｖ［ｍｍ／ｍｉｎ］を検出する。

原料流量センサ３３、およびトラバース速度センサ３７は、ＣＰＵを有した制御装置３５に接続される。制御装置３５は、各センサ３３，３７からの検出信号に基づく演算処理を行う。制御装置３５には記憶装置４１が接続され、記憶装置４１は各製造時のトラバースにおける速度変化のデータ、トラバース速度ｖに応じた原料流量Ａのデータ、外径変動に応じて原料流量Ａを補正するための補正データ等を格納する。

制御装置３５は、トラバースしている際に、ガラス微粒子堆積体１９の軸線方向における単位長さ当たりの堆積量が一定となるように原料流量Ａを演算する。トラバース時における速度のデータや、外径変動に応じた原料流量Ａの補正データは、関数、あるいはデータテーブルとして格納される。

制御装置３５は、例えばＰＩＤ制御とフィードフォワード制御によって原料流量Ａを演算し、決定する。制御装置３５は、トラバースを反転させる際、一定の軸方向移動速度から速度零となる停止に向けてトラバース装置２９を減速させるが、この際原料流量を、トラバース速度に合わせて一定流量から増減させる。

制御装置３５は、記憶装置４１に格納されたトラバース速度ｖに応じた原料流量Ａを参照して、原料流量が現在のトラバース速度ｖに対応する原料流量Ａとなるようにガス供給装置３１へ流量制御信号を出力する。このように、トラバース時の速度と原料流量のデータを予め記憶装置４１に格納しておき、このデータを前回製造時の外径変動の大きさなどに応じて書き替える（補正する）ことにより、次回製造時の外径変動を小さくするようにフィードフォワード制御を行っている。なお、このフィードフォワード制御は、オンラインで外径を測定して次のトラバース時のデータを書き替えることとしても良いし、製造終了後オフラインで外径を測定し、次の製造時のデータを書き替えることとしても良い。

次に、上記装置２１を用いたガラス微粒子堆積体の製造方法について説明する。
図３は比較例におけるトラバース速度・原料流量・堆積量を表した作用説明図、図４は本発明におけるトラバース速度・原料流量・堆積量を表した作用説明図である。
ガラス母材製造装置２１では、回転する出発ロッド１１に対向した複数本のバーナ１３を略均等間隔に配置し、このバーナ１３を出発ロッド１１と繰り返し相対移動させる。そして、バーナ１３で合成されるガラス微粒子４５を出発ロッド１１の周囲に順次堆積させて行く。

相対移動がガラス微粒子堆積体１９の軸線方向一端側に至り、反転する際は、トラバース速度に合わせて、バーナ１３に供給する原料ガスのガス流量を制御するよう、制御装置３５がガス供給装置３１における流量を制御する。本実施の形態では、原料ガスと共に可燃性・助燃性ガスも同じ比率で下げるが、原料ガスのみを下げることとしても良い。なお、トラバース速度が零の場合は、同じ比率で流量を下げて零とすると、失火する可能性があるので、トラバース速度が零の場合も、失火しない程度の微量の可燃性・助燃性ガスを流しておくことが望ましい。

この際、制御装置３５は、単位長さ当たりの堆積量が一定となるようにトラバース速度に合わせて原料流量を増減させる。トラバース方向が反転する位置では、一定速度からの減速、停止、一定速度へ戻るまでの間において、速度が遅くなり、その付近のみゆっくりと堆積がなされるため、図３の従来制御例に示すように、原料流量Ａを一定で流し続ければ、堆積量ｗ［ｇ／ｍｍ］が増加し、結果として長手方向で堆積量のバラつきが生じ、母材形状が悪化する。

一方、本製造方法によれば、図４に示すように、反転する位置も含め、トラバース速度に合わせて原料ガスのガス流量Ａを加減制御することにより、堆積量ｗ［ｇ／ｍｍ］を一定とすることができる。バーナの原料流量をＡ［ｇ／ｍｉｎ］、トラバース速度をｖ［ｍｍ／ｍｉｎ］とした時、単位長さ当たりの堆積量Ａ／ｖが一定になるように、すなわち、原料流量は、Ａ（ｔ）＝ｋ*ｖ（ｔ）（ｔ：時間）のような関数となるように制御することで、単位長さ当たりの堆積量が、長手方向で安定する。なお、理想的にはｋは定数となるが、様々な条件により堆積量が原料流量に比例しない場合があるため、ｋが定数とはならず、ｖの関数となる場合もある。

より具体的には、前回の製造時におけるトラバース速度をモニタし、トラバース毎のガラス微粒子堆積体１９の堆積量を一定にするため、このモニタしたトラバース速度に合わせて堆積量Ａ／ｖが一定になるように、バーナ１３に供給する原料ガスのガス流量を算出する。算出したガス流量で堆積したガラス微粒子堆積体１９は、製造後、若しくはオンラインで外径を測定し、測定した外径変動の大きさによって前回の原料ガスのガス流量を補正して、次回の製造に反映させる。

これにより、ガラス微粒子堆積体１９の長手方向で、ガラス微粒子の堆積量に大きな差が生じず、結果として波打ちの無いガラス微粒子堆積体１９の製造が可能となる。なお、図３，図４では、一定のトラバース速度から停止するまでの反転の前半過程を示すが、停止から一定のトラバース速度になるまでの反転の後半過程においても同様の制御がなされる。

また、本ガラス微粒子堆積体１９の製造方法において、原料（四塩化珪素など）流量を変化させる範囲は所定範囲であることが好ましい。下限値を設けるのは、上記したように原料ガスと共に可燃性・助燃性ガスも同じ比率で下げた場合に、可燃性・助燃性ガスの下限値が一定以下になると、バーナ失火の虞があるためである。また、上限値を設けるのは、堆積量の上限を考慮するためである。

したがって、本実施の形態によるガラス微粒子堆積体１９の製造方法によれば、単位長さ当たりの堆積量を一定となるようにしているので、外径を長手方向で一定にできる。

図１に示したガラス母材製造装置２１を用いてガラス微粒子の堆積を行った。出発ロッドに直径４０ｍｍ、長さ２１００ｍｍのコアガラスロッドを使用した。多バーナ多層付け法にてガラス原料（四塩化珪素）ガスを投入し、コアガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させた。原料流量は、トラバース速度に応じ、Ａ／ｖが一定となるように制御して流し、実際の原料流量は原料流量センサにて検出し、トラバース速度はトラバース速度センサにて検出し、検出値は記憶装置に格納した。製造後、ガラス微粒子堆積体の外径を測定して外径変動の大きさを測定し、これに応じ、記憶装置に格納したトラバース速度に対する原料流量のデータを補正し、次の製造では、補正した原料流量データに基づいた流量制御信号にてガス供給装置を制御した。

これにより得られたガラス微粒子堆積体の外径を測定した結果、トラバース速度に応じた流量制御を行わない従来の製造方法に比べ、外径変動が１／３程度まで低減することが分かった。

なお、原料流量Ａは、０．０１〜４．６［ｇ／ｍｉｎ］の範囲で制御することが好適である。嵩密度安定化のため、原料と共に可燃性・助熱性ガスも同じ比率で下げる必要があるが、０．０１［ｇ／ｍｉｎ］より流量を低下させると、バーナが失火した。一方、４．６［ｇ／ｍｉｎ］以上とすると、安定に堆積することができない。

本発明は、多バーナ多層付け法において、外径が長手方向一定のガラスを生産性よく製造する場合に有効である。外径が均一な円柱状のガラス母材を製造でき、例えば光ファイバ母材としての利用が可能であり、本発明を利用した光ファイバにおいては品質安定性が、向上する。また、その他の用途のガラス母材の製造方法としても利用でき、広範囲な利用可能性を有するものである。

１１ 出発ロッド
１３ ガラス微粒子合成用バーナ
１９ ガラス微粒子堆積体

Claims (2)

1. 回転する出発ロッドに対向した複数本のガラス微粒子合成用バーナを略均等間隔に配置し、前記ガラス微粒子合成用バーナを前記出発ロッドと相対移動させて該ガラス微粒子合成用バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの周囲に順次堆積させるガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
   前記出発ロッドと前記ガラス微粒子合成用バーナとの相対トラバース速度が０となる場合を除き、前記相対トラバース速度に合わせて該ガラス微粒子合成用バーナに供給する少なくとも原料ガスのガス流量を、トラバース毎のガラス微粒子の堆積量が長手方向で一定になるように制御しつつ前記ガラス微粒子を堆積させることを特徴とする、ガラス微粒子堆積体の製造方法。
2. 請求項１記載のガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
   前回製造時の前記トラバース速度と前記原料ガスのガス流量とを記憶し、
   前回製造したガラス微粒子堆積体の外径変動の大きさに応じて前記記憶したトラバース速度に対する原料ガスのガス流量の値を補正して今回製造時のガラス微粒子堆積体のトラバース速度に対する原料ガスのガス流量を決定することを特徴とする、ガラス微粒子堆積体の製造方法。

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