JP2014122141A - ガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできるガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法を提供する。
【解決手段】 ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光ファイバ母材を製造する際に使用されるガラス微粒子合成用バーナ（以下、バーナと称する）及びこのバーナを用いて製造するガラス微粒子堆積体（以下、スートと称する）の製造方法に関する。
光ファイバと同じように、光ファイバ母材の中心部は周辺（クラッド部）より屈折率が高くなっており、これをコア部と称する。光ファイバの主な構成成分はＳｉＯ２であるが、コア部は屈折率を高めるために、ドーパントとしてＧｅＯ２が添加されている。光ファイバ母材の一般的な製造方法には、気相軸付け法（ＶＡＤ法）、外付け気相成長法（ＯＶＤ法）、内付け化学気相成長法（ＭＣＶＤ法）などの気相合成法で製造したスートを加熱、透明ガラス化する方法がある。
ＶＡＤ法では、四塩化ケイ素などのガラス原料ガスを酸水素火炎中で加水分解反応させてガラス微粒子を合成し、このガラス微粒子を回転している出発材上に吹き付けて堆積させ、上方に引き上げながら軸方向に成長させて、円柱状のスートを製造する。
図１は、複数のバーナを用いて出発材１にガラス微粒子を堆積させてスート２を形成するスート製造中の様子を示している。複数のバーナを用いると、製造中のスートはテーパ形状を形成する。
コア部を形成するバーナ３には、四塩化ケイ素の他に四塩化ゲルマニウムなどのドーパント原料を同伴させるため、クラッド部形成バーナ４，５とは独立して配置され、全体として複数のバーナを使用して、スートを製造することが多い。中心に位置するコア部をバーナ３で出発材に堆積させたのち、上方に配置したクラッド部形成バーナ４，５で外側から覆うようにクラッド部を形成すると、結果として、堆積が行われている部位は、徐々に径が太くなり、テーパ形状を呈する。
バーナの形状にはさまざまな構造のものが提案され、また用いられている。図２（ａ）に示すものは、管径の異なる複数の円管を同心円状に配置し、リング状のガス流路を複数形成したバーナの一例である。バーナ１０の最内の円管１０ａのノズルには、ガラス原料ガスと助燃性ガスを流し、その外側に配置された複数の円管１０ｂ〜１０ｄにより、隣り合う各円管によって形成されたリング状のノズル１１ａ〜１１ｃには、それぞれ内側から順にシールガスとして不活性ガス、水素ガス、助燃性ガスを流し、先端から噴出させる。
また、他には、図２（ｂ）に示すように、複数の偏平長方形管からなる偏平長方形多重管に、内側から順にノズル２１ａには原料ガスと助燃性ガス、ノズル２１ｂにはシールガス、ノズル２２ｃには水素ガス、ノズル２１ｄには助燃性ガスを流し、先端から噴出させるバーナ形状のものがある。
さらに、複数の円筒からなる円管多重管の中心に原料ガス噴出流路を配置し、この原料ガス噴出流路を取り囲むように形成された可燃性ガス流路内に、複数の補助助燃性ガス噴出流路を環状に配置した図２（ｃ）のようなマルチノズルバーナ形状のものが知られている。
図２（ｃ）に示すように、バーナ３０は、ガラス原料ガスと助燃性ガスを噴出するノズル３１ａ、複数の補助助燃性ガスを噴出するノズル３１ｃ、水素ガスを噴出するリング状ノズル３１ｄを有し、そのほかシールガスとして不活性ガスを噴出するノズル３１ｂ、３１ｅ、助燃性ガスを噴出するノズル３１ｆを備えている。
近年、線引き技術の向上により、大型の光ファイバ母材を高速で線引することが可能となり、また、世界的な光ファイバ需要の高まりから、大型の光ファイバ母材をより短時間で製造することが求められている。
図１に示したように、スートを効率的に製造するために複数のバーナを用いた場合、クラッド部形成用のバーナ火炎は、スートのテーパ形状部分に当たることになる。そのため、火炎の上部は、スートの太い部位に向けて噴出する一方、火炎の下部は、スートの細い部位に向けて噴出することになる。しかし、上述の図２（ａ）〜（ｃ）で示したバーナは、いずれもバーナの中心軸に対して上下方向に対称な構造を有しているため、バーナの上部と下部でも火炎直径や火炎長さ、火炎の噴出速度などは同じであり、堆積効率が悪く、スートのテーパ形状に対して適切な火炎で堆積が行われているとは云えなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできるガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、上記問題点を解決したもので、請求項１記載の発明は、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とするガラス微粒子合成用バーナである。
また、請求項２記載の発明は、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とするガラス微粒子合成用バーナである。
本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子合成用バーナを用いることを特徴とする。
本発明によれば、スートを効率良く製造することができるようになり、大型の光ファイバ母材を短時間で製造することができる。
バーナを用いた、ガラス微粒子堆積体の製造中の様子を説明する概略模式図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、いずれも従来の代表的なバーナの断面形状を示す例である。 請求項１に係る実施例１で用いたバーナの断面図である。 請求項２に係る実施例２で用いたバーナの断面図である。
本発明者は、スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできる火炎条件等について種々検討、実験を重ねた結果、スート形状に応じて適した火炎長さや火炎直径があることが分かり、さらに実験を重ねて、望ましい火炎状態の得られるバーナ構造を見出し、本発明を達成した。
請求項１の発明に係るガラス微粒子合成用バーナは、要するに、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路の外側に配された可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路内に、助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナの断面図において、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とし、請求項２の発明に係るガラス微粒子合成用バーナは、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とする。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図３は、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図であり、請求項１の発明に係るバーナの一例を示したものである。
図３において、バーナ４０は、石英ガラス製円管を複数層に重ね、水素ガスを流す可燃性ガス領域に複数の小口径ノズルが配置されている。中心のノズル４１ａには、原料ガスである四塩化ケイ素と酸素ガスを流し、その外側のノズル４１ｂとノズル４１ｅにはシールガスを流し、またノズル４１ｄには水素ガスを流し、さらに最外側のノズル４１ｆには酸素ガスが流される。前記ノズル４１ｄの可燃性ガス領域内には、複数の小口径ノズル４１ｃが配置され、酸素ガスが流される。
図３に示す請求項１の発明に係るバーナが、従来のバーナと異なる特徴的なことは、バーナの断面図において、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転させてもこの関係は変わらず、回転対称性を持たないことである。
すなわち、従来のバーナの代表例として、図２（ｂ）のバーナ２０が挙げられるが、これはバーナ中心を対称点としてｎ×９０°（ｎは整数）回転させると、元の小口径ノズル配置と同じになり、これは回転対称性を持っていると言える。本発明に係る図３に示したバーナ４０は、ｎ×３６０°（ｎは整数）回転させたときのみ、元の小口径ノズル配置と同じになり、回転対称性を持たないことがわかる。
また、図４に示すバーナ５０は、請求項２の発明に係るバーナの一例を示したものであり、バーナ５０の中心のノズル５１ａには、原料ガスである四塩化ケイ素と酸素ガスを流し、その外側のノズル５１ｂとノズル５１ｅにはシールガスを流し、またノズル５１ｄには水素ガスを流し、さらに最外側のノズル５１ｆには酸素ガスが流される。前記ノズル５１ｄの可燃性ガス領域内には、複数の小口径ノズル５１ｃが配置され、酸素ガスが流されるようになっている。
従来のバーナと異なる特徴的なことは、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、小口径ノズルが非対称となるように配置されている点である。
（実施例１）
コア部堆積用バーナ及び第１クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ４０を第２クラッド部堆積用バーナとして加え、合計３本のバーナを用いて、以下の条件でスートを製造した。
第２クラッド部堆積用バーナ（バーナ４０）のノズル４１ａには、四塩化ケイ素３．５Ｌ／ｍｉｎと酸素２．５Ｌ／ｍｉｎの流量で流し、ノズル４１ｄには水素４５Ｌ／ｍｉｎ、ノズル４１ｆには酸素２０Ｌ／ｍｉｎ、小口径ノズル４１ｃには合計で酸素４．０Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。
一方、コア部堆積用バーナには、酸素７．５Ｌ／ｍｉｎ、水素５．０Ｌ／ｍｉｎ、アルゴン０．４Ｌ／ｍｉｎ及び四塩化ケイ素０．３０Ｌ／ｍｉｎを流し、第１クラッド部堆積用バーナには、酸素１４Ｌ／ｍｉｎ、水素１４Ｌ／ｍｉｎ、アルゴン２．２Ｌ／ｍｉｎ、四塩化ケイ素０．８０Ｌ／ｍｉｎを流した。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は８．０ｇ／ｍｉｎとなり、収率は７１％であった。なお、収率１００％の場合、四塩化ケイ素３１．８ｇ／ｍｉｎが完全に加水分解されて、二酸化珪素１１．２ｇ／ｍｉｎが生成し、堆積する計算になる。
（実施例２）
コア部堆積用バーナ及び第１クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ５０を第２クラッド部堆積用バーナとして加え、合計３本のバーナを用いて、スートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例１とすべて同じとした。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度が７．７ｇ／ｍｉｎで、収率は６９％であった。
（比較例１）
コア部堆積用バーナ及び第１クラッド部堆積用バーナに、図２（ｃ）に示したバーナ３０を第２クラッド部堆積用バーナとして加え、合計３本のバーナを用いてスートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例１とすべて同じとした。
以上の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は６．７ｇ／ｍｉｎとなり、収率は６０％であった。
以上のように、実施例１ではスート製造の収率が７１％となり、実施例２では収率が６９％であり、いずれも従来例として挙げた比較例１の収率６０％より大きく向上した。
このように、本発明によれば、スート形状に対して適切な火炎直径、火炎長さで堆積を行えるようになるため、スートの堆積速度を大きく向上させることができる。
１．出発材、
２．スート、
３，１０，２０，３０，４０，５０．バーナ、
４，５．クラッド部形成バーナ、
１０ａ〜１０ｄ．円管、
１１ａ〜１１ｃ，２１ａ〜２１ｄ，３１ａ〜３１ｆ，４１ａ〜４１ｆ，５１ａ〜５１ｆ．ノズル。

Claims (3)

  1. ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とするガラス微粒子合成用バーナ。
  2. ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とするガラス微粒子合成用バーナ。
  3. 前記請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子合成用バーナを用い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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