JP2012062203A - 多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材の製造方法 - Google Patents

多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】堆積速度を速めることができるとともに、安定した外径が得られる多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材の製造方法を得る。
【解決手段】反応容器11に設けられた一本以上のバーナ13によりガラス原料ガスおよび燃焼ガスを含む反応ガスを噴き出し、回転するターゲット15をバーナ13に対し相対的に往復運動させて反応ガスが反応して生成したガラス微粒子をターゲット15に堆積させる多孔質ガラス母材17の製造装置19であって、バーナ13が貫通しターゲット15から離間配置されてクリーンエア21を噴出するメッシュ状壁部23と、バーナ13を前後方向に移動させるバーナ駆動部と、ターゲット15を挟みメッシュ状壁部23に対向する排気部27と、を備え、メッシュ状壁部23から後退した位置でバーナ13との隙間を塞ぐ密閉機構をメッシュ状壁部23に設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、反応容器に設けられた一本以上のバーナによりガラス原料ガスおよび燃焼ガス、などを含む反応ガスを噴き出し、生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させる多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材の製造方法に関する。
光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造方法の代表的なものとして、OVD法(外付CVD法)やMMD法(多バーナ多層付法)が知られている。これら製造方法では、反応容器のガラス微粒子合成用バーナ側に開口した空気導入口より反応容器内にクリーンエアを流し、クリーンエアを反応容器の空気導入口と対向位置に開口した排気口から排気する(例えば特許文献1,2参照)。その際、高品質な多孔質ガラス母材を効率良く生産するためには、バーナの火炎を安定させて堆積効率を向上させることが重要となる。
例えば特許文献1では、クリーンエア供給室の開口部に網状の整流板を取り付け、バーナの周囲からターゲットに向けて整流されたクリーンエアの供給流速を制御することにより、不良箇所の発生を抑制して多孔質ガラス母材を効率良く安定製造できるようにしている。また、特許文献2では、反応容器の壁を可変構造とするとともに、バーナを移動可能に設置し、反応容器内の条件を適宜制御することにより、投入する原料ガスの絶対量(供給量)を増加させた場合でも、装置系の変更を最小限に止めて、ガラス微粒子の堆積効率を高めるようにしている。
特開2006−248884号公報 特開2003−238167号公報
OVD法やMMD法では、クリーンエアを反応容器内に噴出し、対向する位置にある排気口で排気することで、余剰ススを排気し、火炎を整え、安定して堆積(スス付け)できるようにしている。クリーンエアを供給する開口部は、特許文献1のように、金属で作られた反応容器の一側壁面をメッシュ形状(網目状)とし、整流してクリーンエアを導入する場合がある。また、バーナ先端からスス体合成部までの距離は、バーナの設計条件により最適な長さが決められているため、スス体の母材径の増大とともにバーナを後退させ、特許文献2のように可動式としている場合がある。このような構成では、バーナとメッシュ状壁部とがこすれて金属粉が飛び散る可能性があるため、間に隙間を作る必要があるが、この隙間からのクリーンエアの流入により、火炎に乱れが生じ、スス合成が安定せず、堆積速度が上がらない、また、スス外径が長手方向一定にならない、といった問題が生じる。特にバーナ形状がテーパ形状(先端が細い)をしている場合は、バーナが後退してテーパ部がメッシュ状壁部を通過するときに、隙間は徐々に大きくなることになり、隙間からのクリーンエアの流入による影響がより大きくなる。メッシュ状壁部をバーナの先端(スス体近傍)から遠ざけることにより、テーパの影響を実質的に無くすことは可能であるが、遠ざけるとクリーンエアの整流効果が小さくなる。隙間を狭めようとシール材を介挿させて気密をとることとしても、当該箇所が高温であるため、シール材として気密が取れる物質が無い。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、堆積速度を速めることができるとともに、安定した外径が得られる多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材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) ターゲットをバーナに対し相対的に往復運動させてガラス微粒子を前記ターゲットに堆積させる多孔質ガラス母材の製造装置であって、
反応容器内の前記ターゲットから離間配置された一側壁面であり、前記バーナが貫通したメッシュ状の壁面からクリーンエアを噴出するメッシュ状壁部と、前記バーナを前後方向に移動させるバーナ駆動部と、前記ターゲットを挟み前記メッシュ状壁部に対向する壁面に設けられた排気部と、を備え、
前記メッシュ状壁部から後退した位置で前記バーナと前記メッシュ状壁部との隙間を塞ぐ密閉機構を設けたことを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
この多孔質ガラス母材の製造装置によれば、バーナの外周と、バーナが貫通したメッシュ状壁部の貫通孔との隙間を密閉しているので、隙間からクリーンエアが直接的に反応容器内に流入することが無く、メッシュからの整流したクリーンエアのみが安定して供給される。シールする位置が火炎から遠いので、それほど高温とはならず、ある程度の耐熱性がある例えばテフロン(デュポン社登録商標)等のフッ素樹脂からなるシール材での対応が可能となる。
(2) (1)の多孔質ガラス母材の製造装置であって、前記密閉機構は、前記バーナに外挿され先端開口部が前記メッシュ状壁部の壁面位置に固定される筒体と、前記筒体の後端開口部に設けられ前記バーナの外周に摺接する環状シール部材と、を具備することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
この多孔質ガラス母材の製造装置によれば、バーナを筒体で覆い、筒体の先端開口部をメッシュ状壁部に固定し、筒体の後端開口部に環状シール部材を設けることで、メッシュ状壁部を火炎および合成部に可能な限り近づけつつ、バーナ外周のシール箇所を、シール可能な温度とすることが可能となる。
(3) (1)または(2)の多孔質ガラス母材の製造装置であって、前記多孔質ガラス母材の堆積終了時に、前記多孔質ガラス母材の表面からの距離が100mm以上200mm以下となるように前記メッシュ状壁部を配置し、前記メッシュ状壁部の温度を300℃以下とすることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
この多孔質ガラス母材の製造装置によれば、メッシュ状壁部を火炎および合成部に近づけることの可能な距離が規定され、最大の整流効果が発揮可能となる。また、バーナ外周のシール箇所を、シール可能な温度とすることが可能となる。
(4) (2)または(3)の多孔質ガラス母材の製造装置であって、前記筒体の長さを150mm以上とし、密閉位置における温度を200℃以下とすることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
この多孔質ガラス母材の製造装置によれば、メッシュ状壁部を火炎および合成部に可能な限り近づけても、バーナ外周のシール箇所を、シール可能な温度とすることが可能となる。また、バーナ先端がテーパ形状であっても、バーナが後退した時に、バーナとシール部材との隙間が拡がることが無い程度の可動距離を確保できる。
(5) ターゲットをバーナに対し相対的に往復運動させてガラス微粒子を前記ターゲットに堆積させる多孔質ガラス母材の製造方法であって、反応容器内の前記ターゲットから離間配置された一側壁面であるメッシュ状壁部に前記バーナを貫通し、前記メッシュ状壁部からクリーンエアを噴出し、前記メッシュ状壁部から後退した位置で前記バーナとの隙間を塞ぎながら堆積による前記ターゲットの拡径にしたがって前記バーナを後退させることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。
この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、バーナの外周と、バーナが貫通したメッシュ状壁部の貫通孔との隙間を密閉しているので、隙間からクリーンエアが直接的に反応容器内に流入することが無く、メッシュからの整流したクリーンエアのみを安定して供給しながら、バーナを、スス体の母材径の増大とともに後退させて、安定した外径の堆積が可能となる。シールする位置が火炎から遠いので、それほど高温とはならず、ある程度の耐熱性があるシール材で対応が可能となる。
本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置および多孔質ガラス母材の製造方法によれば、メッシュ状壁部からの整流したクリーンエアを安定して供給することができるので、多孔質ガラス母材の堆積速度を速めることができるとともに、安定した外径が得られる。
本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置を概念的に表した斜視図である。 密閉機構を説明する側面図である。 比較例Aに係る製造装置の要部側面図である。 他の比較例Bに係る製造装置の要部側面図である。 実施例に係る製造装置の要部側面図である。
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は本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置を概念的に表した斜視図、図2は密閉機構を説明する側面図である。
多孔質ガラス母材17の製造装置19は、回転するターゲット15を収容する反応容器11と、ガラス原料ガスと、可燃性ガスおよび助燃性ガスと、から火炎加水分解反応により生成するガラス微粒子をターゲット15に向けて噴き付ける一本以上の酸水素火炎バーナ13と、ターゲット15とバーナ13とを相対的に移動させる不図示の移動手段と、反応容器11の中に清浄化ガスであるクリーンエア21を供給するための不図示のクリーンエア供給装置(クリーンエアジェネレータ)とを備えている。
反応容器11の上壁には貫通穴が設けられており、ターゲット15がこの貫通穴を上下方向に挿通するように配置される。ターゲット15は、上端が不図示の回転チャックに把持されて回転されるとともに、移動手段により上下方向に往復移動するようになっている。ターゲット15を回転させながらその軸方向に沿って往復移動させることにより、ターゲット15の表面にガラス微粒子を均一に堆積させて多孔質ガラス母材17を製造するようにしている。すなわち、多孔質ガラス母材17の製造装置19は、複数のバーナ13が短く相対的に往復してガラス微粒子を堆積させるMMD(多バーナ多層付け)法により多孔質ガラス母材17を製造する装置構成となっている。
反応容器11にはターゲット15を挟んで、クリーンエア21を給気する開口部39と反対側に、排気部27が設けられている。排気部27には不図示の排気ラインが接続され、排気ラインは容器内壁へのスス付着を防ぐために、排気部27から余剰ススを含んだクリーンエア21を効率よく排気するよう構成されている。
クリーンエア21を給気する開口部39は、バーナ13が貫通し、ターゲット15から離間配置されてクリーンエア21を噴出するメッシュ状壁部23となって構成されている。メッシュ状壁部23を貫通するバーナ13は、不図示のバーナ駆動部によって、バーナ13の軸線41(図2参照)に沿う方向である前後方向(図2の矢印a方向)に移動されるように構成されている。
反応容器11は、メッシュ状壁部23によって仕切られ、ターゲット15と反対側の空間がクリーンエア21の流入するチャンバーである図1に示すクリーンブース43となっている。クリーンブース43にはバーナ13の支持と、自動後退を行う自動後退機構45が設けられている。この自動後退機構45の内部には、さらに図2に示す密閉機構29がそれぞれのバーナ13ごとに設けられている。
密閉機構29は、メッシュ状壁部23からクリーンブース43側に後退した位置で、バーナ13の外周と、メッシュ状壁部23に穿設されたバーナ貫通孔47との隙間Sを塞ぐ。密閉機構29は、バーナ13に外挿され先端開口部31がメッシュ状壁部23に固定される金属製の仕舞い円筒(筒体)33と、筒体33の後端開口部35に設けられバーナ13の外周に摺接する例えばフッ素樹脂からなる環状シール部材37と、を具備する。
筒体33は、先端開口部31が筒体外径より大きいフランジ部49を有する。先端開口部31は、フランジ部49がメッシュ状壁部23の反応容器11内側に当接し、クリーンブース43側のメッシュ押さえリング51に挿通したボルト53がフランジ部49に螺合することで、メッシュ状壁部23を表裏から挟んで固定される。後端開口部35には筒体外径より大きい固定用鍔部55が形成され、固定用鍔部55の後端面には環状シール部材37が押さえ板57を介してボルト59によって固定される。環状シール部材37は、内孔37aがバーナ13の外周に摺接する。つまり、内孔37aの内外で気密性が確保されて、クリーンブース43からのクリーンエア21が筒体33内を通過して反応容器11内に流入しないようになされている。
また、バーナ13は、先端側に基端側よりも小径の先細テーパ部13aを有しているが、筒体33は、図2に二点鎖線で示すバーナ13の最大後退位置においても、環状シール部材37が、バーナ13の基端部13bと同径である箇所(テーパにならない部分)に摺接する長さを有している。これにより、バーナ13が最大後退位置まで移動しても、テーパ部13aが環状シール部材37に達して環状シール部材37の先端部との間に隙間を形成することがない。
このように、バーナ13を筒体33で覆い、筒体33の先端開口部31をメッシュ状壁部23に固定し、筒体33の後端開口部35に環状シール部材37を設けることで、メッシュ状壁部23を火炎61および合成部に可能な限り近づけつつ、バーナ外周のシール箇所を、メッシュ状壁部23近傍より低温な、シール可能な温度とすることが可能となっている。
より具体的には、メッシュ状壁部23は、ターゲット15の中心63から250mm以上300mm以下の距離に配置し、多孔質ガラス母材の堆積終了時に、メッシュ状壁部23が、多孔質ガラス母材の表面から100mm以上200mm以下の距離にあるようにする。また、筒体33の長さを150mm以上とする。このような位置関係とすることで、堆積面から環状シール部材37までの距離を250mm以上確保することができ、密閉位置である環状シール部材37における温度は200℃以下にできる。メッシュ状壁部23を近づけることの可能な距離が規定されることで、最大の整流効果が期待でき、熱による壁部の変形も生じない。また、密閉位置での温度を規定することで、環状シール部材37の位置において、ある程度の耐熱性があるシール材での対応が可能となる。また、筒体の長さを規定し、バーナの最大後退位置においても筒体33内にテーパ部13aを止めることができるようにすることで、バーナ13の後退時に、テーパ部13aによる隙間量の増大を防止することができる。筒体の長さが150mm以上であれば、バーナのテーパ形状や、後退量にもよるが、テーパ部13aが密閉位置に到達するのを防ぐことが容易である。
上記構成を有する製造装置19では、バーナ13の外周と、バーナ13が貫通したメッシュ状壁部23の貫通孔47との隙間Sを密閉しているので、隙間Sからクリーンエア21が直接的に反応容器11内に流入することが無く、メッシュからの整流したクリーンエア21のみが安定して供給される。また、シールする位置が火炎61から遠ざけられるので、それほど高温とはならず、ある程度の耐熱性がある例えばテフロン(デュポン社登録商標)等のフッ素樹脂からなるシール材で対応が可能となる。さらに、メッシュ状壁部23から後方に突出した筒体33は、後方ほど低温のクリーンエア21によって冷却されるので、環状シール部材37に対する熱の影響を一層軽減するのに好都合となる。
なお、メッシュ状壁部23からのクリーンエアによる整流効果は、ターゲット15に近いほど良い。メッシュ状壁部23の温度は300℃を越える場合もあるが、これは多孔質ガラス母材17および火炎61からの輻射熱による影響が支配的であり、熱源からの距離を遠ざけることで影響を回避できる。なお、テフロン(デュポン社登録商標)は200℃程度までなら充分なシール性を維持できる。
次に、上記構成の製造装置による多孔質ガラス母材の製造方法について説明する。
多孔質ガラス母材17の製造では、ガラス原料を酸水素火炎バーナ13から噴出させ、反応容器11の内部で火炎加水分解し、生成されるガラス微粒子をターゲット15に堆積させて多孔質ガラス母材17を製造する。本発明は、この製造時に、バーナ13が貫通し、ターゲット15に対し離間配置されるメッシュ状壁部23からクリーンエア21を噴出する。メッシュ状壁部23から後退した位置でバーナ13との隙間Sを塞ぎながら堆積によるターゲット15の拡径にしたがって、バーナ13を後退させる。
バーナ13の外周と、バーナ13が貫通したメッシュ状壁部23の貫通孔47との隙間Sを環状シール部材37によって密閉しているので、隙間Sからクリーンエア21が直接的に反応容器11内に流入することが無い。これにより、メッシュ状壁部23から整流したクリーンエア21のみを安定供給しながら、バーナ13をスス体の母材径の増大とともに後退させることができ、安定した外径の堆積が可能となる。
したがって、本実施の形態に係る多孔質ガラス母材17の製造装置19および製造方法によれば、メッシュ状壁部23からの整流したクリーンエア21を安定して供給しながら、バーナ13を母材径の増大とともに後退させることができるので、堆積速度を速めることができるとともに、安定した外径を得ることができる。また、火炎59やスス合成部が安定すると、ガス流量などその他の条件の合わせ込みが容易となる。
次に、上記実施の形態と同様の構成で製作した実施例に係る製造装置と、従来の構成で製作した比較例に係る製造装置とを運転し、その挙動と、製造された多孔質ガラス母材を調べた結果を説明する。
図3は比較例Aに係る製造装置の要部側面図、図4は他の比較例Bに係る製造装置の要部側面図、図5は実施例に係る製造装置の要部側面図である。
なお、比較例、実施例ともに、ターゲットの径をφ30、スス付け終了時のスス体の径をφ300とし、スス体の長さは2〜3mとした。
[比較例A]
ターゲットの中心からメッシュ状壁部の表面までの距離L1を450mmとし、バーナとの隙間は密閉せずに、メッシュ状壁部から流速Vを1〜2m/sとしてクリーンエアを流した。
バーナ周囲の隙間量Sは10mmであり、スス合成部Gの風速は0〜2m/sであった。スス合成部Gにおける風速はバーナに対向している部分が特に速くなる分布を示した。
製造中のターゲット外表面の温度は800℃であり、メッシュ状壁部の温度は200℃であった。
バーナの後退量Mは100〜150mmとしたが、距離L1を450mmで確保した結果、バーナの最大後退位置においてもテーパ部がバーナ貫通孔に達しなかった。
スス体の外径変動は±10mmとなった。
[比較例B]
ターゲットの中心からメッシュ状壁部の表面までの距離L2は300mmとし、バーナとの隙間は密閉せずに、メッシュ状壁部から流速Vを1〜2m/sとしてクリーンエアを流した。
バーナ周囲の隙間量は製造開始時S1=10mm、終了時S2=20mmであり、スス合成部Gの風速は、比較例Aとほぼ同じく、0〜2m/sであった。
スス合成部Gにおける風速は、比較例Aよりも狭い領域でバーナに対向している部分が特に速くなる分布を示した。
製造中のターゲット外表面の温度は800℃であり、メッシュ状壁部の温度は比較例Aより高い300℃であった。バーナの後退量Mは比較例Aと同じく100〜150mmとしたが、距離L2が300mmしかなかったため、バーナの最大後退位置においてテーパ部がバーナ貫通孔に達し、バーナ周囲の隙間量が上記のように増大することになった。
平均堆積速度は比較例Aとほぼ同じであり、スス体の外径変動も、比較例Aと同じく±10mmとなった。
[実施例]
ターゲットの中心からメッシュ状壁部の表面までの距離L3を比較例Bと同じとし、さらに100mm後退した位置に密閉機構を設け、メッシュ状壁部から流速Vを1〜2m/sとしてクリーンエアを流した。バーナ周囲の隙間量は、密閉機構があるため0mmであり、スス合成部Gの風速は、0.8〜1.2m/sとなり、比較例と比較して、スス合成部における風速は際立った遅速のない平均的な分布を示した。
製造中のターゲット外表面の温度は800℃であり、メッシュ状壁部の温度は比較例Bと同じ300℃であったが、密閉機構の位置での温度は200℃であった。バーナの後退量Mは比較例と同じく100〜150mmとし、距離L2を300mm、密閉機構までの長さを100mmとした結果、バーナの最大後退位置においてテーパ部がメッシュ状壁部に達したが、密閉機構までは達しなかったため、バーナ周囲に隙間は生じなかった。
平均堆積速度は比較例より10%上がり、スス体の外径変動も、±5mmと、比較例より良い結果となった。
上記した比較例A、比較例B、実施例に係る製造装置の諸設定値と、運転時における挙動、および製造された多孔質ガラス母材を調べた結果を下表1に示す。
Figure 2012062203
表1より、実施例に係る製造装置は、比較例A,Bに係る製造装置よりも平均堆積速度が1.1倍速いことが確認された。また、スス体外径の変動は、比較例A,Bに係る製造装置よりも実施例に係る製造装置にて製造したスス体が半分程度まで抑止されていた。
なお、上記の実施の形態では、MMD法により多孔質ガラス母材を製造する方法を対象として説明したが、本発明の多孔質ガラス母材の製造方法および製造装置は、出発材の両端を把持部で把持して回転させながら、その長手方向に沿ってガラス微粒子合成用のバーナを往復移動させ、回転する出発材の外周面にガラス微粒子を堆積させ、多孔質ガラス母材を成長させていく、所謂OVD法によって多孔質ガラス母材を製造する方法においても同様に採用することができる。
11 反応容器
13 バーナ
15 ターゲット
17 多孔質ガラス母材
19 製造装置
21 クリーンエア
23 メッシュ状壁部
27 排気部
29 密閉機構
31 先端開口部
33 筒体
35 後端開口部
37 環状シール部材

Claims (5)

  1. ターゲットをバーナに対し相対的に往復運動させてガラス微粒子を前記ターゲットに堆積させる多孔質ガラス母材の製造装置であって、
    反応容器内の前記ターゲットから離間配置された一側壁面であり、前記バーナが貫通したメッシュ状の壁面からクリーンエアを噴出するメッシュ状壁部と、前記バーナを前後方向に移動させるバーナ駆動部と、前記ターゲットを挟み前記メッシュ状壁部に対向する壁面に設けられた排気部と、を備え、
    前記メッシュ状壁部から後退した位置で前記バーナと前記メッシュ状壁部との隙間を塞ぐ密閉機構を設けたことを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
  2. 請求項1記載の多孔質ガラス母材の製造装置であって、
    前記密閉機構は、
    前記バーナに外挿され先端開口部が前記メッシュ状壁部の壁面位置に固定される筒体と、
    前記筒体の後端開口部に設けられ前記バーナの外周に摺接する環状シール部材と、
    を具備することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
  3. 請求項1または請求項2記載の多孔質ガラス母材の製造装置であって、
    前記多孔質ガラス母材の堆積終了時に、前記多孔質ガラス母材の表面からの距離が100mm以上200mm以下となるように前記メッシュ状壁部を配置し、
    前記メッシュ状壁部の温度を300℃以下とすることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
  4. 請求項2または請求項3記載の多孔質ガラス母材の製造装置であって、
    前記筒体の長さを150mm以上とし、密閉位置における温度を200℃以下とすることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。
  5. ターゲットをバーナに対し相対的に往復運動させてガラス微粒子を前記ターゲットに堆積させる多孔質ガラス母材の製造方法であって、
    反応容器内の前記ターゲットから離間配置された一側壁面であるメッシュ状壁部に前記バーナを貫通し、前記メッシュ状壁部からクリーンエアを噴出し、
    前記メッシュ状壁部から後退した位置で前記バーナとの隙間を塞ぎながら堆積による前記ターゲットの拡径にしたがって前記バーナを後退させることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。
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