JP2018024544A - 光ファイバ母材の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナ火炎の安定化により良質な大型母材を低バーナ負荷で製造可能とする光ファイバ母材の製造方法を提供する。【解決手段】中心部に設けられ原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポートと、原料ガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられシールガスを噴出するシールガス噴出ポートと、シールガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、可燃性ガス噴出ポート内にシールガス噴出ポートを取り囲むように設けられ助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートと、を備えるマルチノズルバーナを用いて光ファイバ母材の製造を行うに際し、原料ガス噴出ポートのガス流速をＶ１とし、シールガス噴出ポートのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるようにガス流速を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、バーナ火炎の安定化により良質の大型母材を低バーナ負荷で製造可能とする光ファイバ母材の製造方法及び製造装置に関する。

よく知られた光ファイバ母材の製造方法であるＶＡＤ法では、回転しつつ上昇するシャフトに出発部材を取り付け、反応室内に垂下し、反応室内に設置され出発部材の軸方向に対して所定の角度で設置された、コア堆積バーナ及びクラッド堆積バーナにより生成したガラス微粒子を、出発部材の先端に付着堆積させてコア層とクラッド層からなる多孔質ガラス母材を製造する。ＶＡＤ法は、母材の大型化やＬＷＰＦ(Low Water Peak Fiber)の製造に適している。

図１はＶＡＤ法による光ファイバ母材製造装置１００の概略を示す図である。光ファイバ母材製造装置１００は、反応容器１１０、コア堆積バーナ１２１、第１クラッド堆積バーナ１２２、及び第２クラッド堆積バーナ１２３を備える。

反応容器１１０は、堆積室１１１と堆積室１１１に形成された吸気口１１１ａ及び排気口１１１ｂを備える。また、堆積室１１１には出発部材（図示省略）が挿入されるとともに、この出発部材の先端に向けてコア堆積バーナ１２１が、側面に向けて第１クラッド堆積バーナ１２２及び第２クラッド堆積バーナ１２３が、それぞれ出発部材の引上げ軸に対して所定の角度で配置されている。

出発部材を回転させながら上昇させるとともに、各バーナに反応ガスを供給し酸水素火炎中で加水分解させて合成したガラス微粒子を出発部材上に噴き付けて堆積させることで、多孔質ガラス母材１０が製造される。製造された多孔質ガラス母材１０は、図示しない電気炉内で脱水され透明ガラス化されることで、光ファイバ用プリフォームとされる。

このような製造装置の各バーナには、一般に石英ガラス製の同心多重管バーナが用いられてきたが、同心多重管構造のバーナでは、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。そのため堆積効率が悪く、母材を高速に製造することが困難であった。

この問題を解決するためのバーナの各ポート出口の構造として、可燃性ガス噴出ポート内に、その中心部に位置する原料ガス噴出ポートを取り囲むように小口径助燃性ガス噴出ポートが配置された、図２に示すような構造をもつマルチノズルバーナ１２０が、特許文献１に開示されている。マルチノズルバーナ１２０は、中心部に設けられ、原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポート１２０ａと、原料ガス噴出ポート１２０ａの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出する第１シールガス噴出ポート１２０ｂと、第１シールガス噴出ポート１２０ｂの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポート１２０ｃと、可燃性ガス噴出ポート１２０ｃ内に第１シールガス噴出ポート１２０ｂを取り囲むように設けられ、助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポート１２０ｄと、可燃性ガス噴出ポート１２０ｃの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出する第２シールガス噴出ポート１２０ｅと、第２シールガス噴出ポート１２０ｅの同心外側に環状に設けられ、助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出ポート１２０ｆと、を備える。

特開２０１０−２１５４１５号公報

近年、コストダウンを目的とした母材の大型化が進むにつれて、バーナへのガスの供給量が増加し、バーナへのガラス微粒子固着によるバーナ寿命の短縮、並びに、バーナ火炎の不安定化による母材の割れ及び母材径の変動が深刻化している。

本発明の目的は、バーナ火炎の安定化により良質な大型母材を低バーナ負荷で製造可能とする光ファイバ母材の製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、中心部に設けられ、原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポートと、原料ガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出するシールガス噴出ポートと、シールガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、可燃性ガス噴出ポート内にシールガス噴出ポートを取り囲むように設けられ、助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートと、を備えるマルチノズルバーナを用いて行う光ファイバ母材の製造方法において、原料ガス噴出ポートのガス流速をＶ１とし、シールガス噴出ポートのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるようにガス流速を制御することを特徴とする。

本発明の光ファイバ母材の製造装置は、中心部に設けられ、原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポートと、原料ガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出するシールガス噴出ポートと、シールガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、可燃性ガス噴出ポート内にシールガス噴出ポートを取り囲むように設けられ、助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートと、を備えるマルチノズルバーナを備え、原料ガス噴出ポートのガス流速をＶ１とし、シールガス噴出ポートのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるようにガス流速が制御されることを特徴とする。

本発明の光ファイバ母材の製造方法及び製造装置により、原料ガス噴出ポートのガス流速とシールガス噴出ポートのガス流速との流速比が最適化され、バーナにガラス微粒子が固着しにくくなるとともに、バーナ火炎が安定するため、良質な大型母材を低バーナ負荷で製造することが可能となる。

ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造装置の概略を示す図である。 本発明の光ファイバ母材の製造方法及び製造装置で用いるマルチノズルバーナの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１に本発明の光ファイバ母材の製造方法の実施に使用する光ファイバ母材製造装置１００を示す。光ファイバ母材製造装置１００は、反応容器１１０、コア堆積バーナ１２１、第１クラッド堆積バーナ１２２、及び第２クラッド堆積バーナ１２３を備える。

反応容器１１０は、堆積室１１１と堆積室１１１に形成された吸気口１１１ａ及び排気口１１１ｂを備える。また、堆積室１１１には出発部材（図示省略）が挿入されるとともに、この出発部材の先端に向けてコア堆積バーナ１２１が、側面に向けて第１クラッド堆積バーナ１２２及び第２クラッド堆積バーナ１２３が、それぞれ出発部材の引上げ軸に対して所定の角度で配置されている。

いずれのバーナも一般的には石英ガラス製であり、中心部に設けられる原料ガス噴出ポートの同心外側にはシールガス噴出ポートが設けられる。原料ガス噴出ポートからは、ガラス微粒子の原料ガスの他、ＡｒやＯ_２が噴出されるが、本明細書では統一して原料ガスと表記する。

コア堆積バーナ１２１には、例えば同心４重管バーナを適用し、原料ガス（例えばＳｉＣｌ_４、Ｏ_２）、可燃性ガス（例えばＨ_２）、助燃性ガス（例えばＯ_２）、及びシールガス（例えばＮ_２）を供給する。第１クラッド堆積バーナ１２２及び第２クラッド堆積バーナ１２３には、図２に示すようなマルチノズルバーナ１２０を適用する。

マルチノズルバーナ１２０は、中心部に設けられ原料ガス（例えばＳｉＣｌ_４、Ｏ_２）を噴出する原料ガス噴出ポート１２０ａと、原料ガス噴出ポート１２０ａの同心外側に環状に設けられ、シールガス（例えばＮ_２）を噴出する第１シールガス噴出ポート１２０ｂと、第１シールガス噴出ポート１２０ｂの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガス（例えばＨ_２）を噴出する可燃性ガス噴出ポート１２０ｃと、可燃性ガス噴出ポート１２０ｃ内に第１シールガス噴出ポート１２０ｂを取り囲むように設けられ、助燃性ガス（例えばＯ_２）を噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポート１２０ｄと、可燃性ガス噴出ポート１２０ｃの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出する第２シールガス噴出ポート１２０ｅと、第２シールガス噴出ポート１２０ｅの同心外側に環状に設けられ、助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出ポート１２０ｆと、を備える。

同心多重管バーナの場合は、バーナ火炎を形成する可燃性ガスと助燃性ガスとの混合の度合いが、可燃性ガスのガス流速と助燃性ガスのガス流速との関係に大きく影響される。そのため、原料ガスをシールガスを隔てた可燃性ガス及び助燃性ガスと反応させるのに際し、単に原料ガスのガス流速とシールガスのガス流速との関係を制御するだけでは、原料ガスと可燃性ガス及び助燃性ガスとの反応の制御を完結させることができない。これに対し、可燃性ガス噴出ポート内に複数の小口径助燃性ガス噴出ポートが設けられたマルチノズルバーナの場合は、可燃性ガスと助燃性ガスとが安定的にかつ良好に混合される。そのため、原料ガスのガス流速と第１シールガスのガス流速との関係を制御することで、原料ガスと可燃性ガス及び助燃性ガスとの反応の制御を完結し、両者を適切な位置で反応させることができる。

そこで、本発明の光ファイバ母材の製造方法では、原料ガス噴出ポート１２０ａのガス流速をＶ１、その同心外側に設けられた第１シールガス噴出ポート１２０ｂのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５を満たすように流速を制御する。これにより、原料ガス噴出ポートのガス流速とシールガス噴出ポートのガス流速との流速比が最適化され、原料ガスと可燃性ガス及び助燃性ガスとを適切な位置で反応させることができる。そのため、バーナにガラス微粒子が固着しにくくなるとともに、バーナ火炎が安定するため、良質な大型母材を低バーナ負荷で製造することが可能となる。

特に、第１クラッド堆積バーナ１２２は、一般に第２クラッド堆積バーナ１２３と比較して原料ガスの供給量が少ないため、原料ガスの直進安定性が悪い。そのため、少なくとも第１クラッド堆積バーナ１２２に本発明の方法を採用することで、原料ガスの直進安定性が向上し、母材割れや母材径変動の発生防止に大きく資する。

なお、１＜Ｖ２／Ｖ１のときには、シールガスの流速が原料ガスの流速より速く、シールガスの同心内側の原料ガスとシールガスの同心外側の可燃性ガス及び助燃性ガスとが、バーナ先端からより離れた場所で反応する。そのため、バーナ火炎が不安定になり、その結果、母材割れや母材径変動といった問題が生じる。

また、Ｖ２／Ｖ１＜０．０５のときには、原料ガスと可燃性ガス及び助燃性ガスとがバーナ先端近傍で反応し、その結果、バーナへのガラス微粒子の固着やバーナ焼けが発生する。このような場合、バーナが破損したり閉塞したりするため、廃棄し新しいバーナに交換する必要がある。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

ＶＡＤ法により、図１に示した光ファイバ母材製造装置１００を用いて多孔質ガラス母材１０の製造を行った。コア堆積バーナ１２１には、同心４重管バーナを用い、原料ガス（ＳｉＣｌ_４、Ｏ_２）、可燃性ガス、助燃性ガス、及びシールガスをそれぞれ適量供給した。第１クラッド堆積バーナ１２２及び第２クラッド堆積バーナ１２３には、図２に示すような、可燃性ガス噴出ポート１２０ｃ内に、第１シールガス噴出ポート１２０ｂを取り囲むように等間隔で、同径の８本の小口径助燃性ガス噴出ポート１２０ｄが設けられた、ノズルの焦点距離１００ｍｍのマルチノズルバーナ１２０を用いた。ここで、第１クラッド堆積バーナ１２２には、供給する原料ガス（ＳｉＣｌ_４、Ｏ_２）、可燃性ガス、助燃性ガス、第１シールガス、及び第２シールガスのうち、表１に示すように、第１シールガスの流速のみを変えて、原料ガス噴出ポート１２０ａのガス流速Ｖ１と第１シールガス噴出ポート１２０ｂのガス流速Ｖ２との流速比Ｖ２／Ｖ１を調整して供給した。流速はシールガス供給量を変えることで変化させた。第２クラッド堆積バーナ１２３には、原料ガス（ＳｉＣｌ_４、Ｏ_２）、可燃性ガス、助燃性ガス、第１シールガス、及び第２シールガスをそれぞれ適量供給した。堆積時間は２４時間である。次いで、焼結ガラス化して透明ガラス母材を各１０本ずつ製造した。第１クラッド堆積バーナ１２２による堆積条件及び透明ガラス母材の製造結果を表１に示す。

比較例１の場合、第１シールガスの流速が速く、原料ガスと酸水素火炎との反応がバーナ先端から離れた場所で起きるため、バーナ火炎が不安定になり、火炎の脈動が観察された。その結果、母材割れおよび母材径変動が発生した。比較例２の場合、シールガスの流速が遅く、原料ガスと酸水素火炎との反応がバーナ先端近傍で起きるため、生成したガラス微粒子がバーナに固着し、バーナが閉塞して使用不能となった。これに対し、原料ガスの流速Ｖ１とシールガスの流速Ｖ２との流速比Ｖ２／Ｖ１が１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるように第１シールガスの流量を調整した実施例１〜４の場合、いずれの場合もバーナ火炎は安定し、母材割れは発生しなかった。更に、１０本製造終了後、バーナにガラス微粒子の固着はなく、その後もバーナは問題なく使用できた。

１０ 多孔質ガラス母材
１００ 光ファイバ母材製造装置
１１０ 反応容器
１１１ 堆積室 １１１ａ 吸気口 １１１ｂ 排気口
１２０ マルチノズルバーナ
１２０ａ 原料ガス噴出ポート １２０ｂ 第１シールガス噴出ポート
１２０ｃ 可燃性ガス噴出ポート １２０ｄ 小口径助燃性ガス噴出ポート
１２０ｅ 第２シールガス噴出ポート １２０ｆ 助燃性ガス噴出ポート
１２１ コア堆積バーナ
１２２ 第１クラッド堆積バーナ １２３ 第２クラッド堆積バーナ

Claims (2)

1. 中心部に設けられ、原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポートと、
   原料ガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出するシールガス噴出ポートと、
   シールガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、
   可燃性ガス噴出ポート内にシールガス噴出ポートを取り囲むように設けられ、助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートと、
   を備えるマルチノズルバーナを用いて行う光ファイバ母材の製造方法において、
   原料ガス噴出ポートのガス流速をＶ１とし、シールガス噴出ポートのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるようにガス流速を制御することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. 中心部に設けられ、原料ガスを噴出する原料ガス噴出ポートと、
   原料ガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、シールガスを噴出するシールガス噴出ポートと、
   シールガス噴出ポートの同心外側に環状に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出ポートと、
   可燃性ガス噴出ポート内にシールガス噴出ポートを取り囲むように設けられ、助燃性ガスを噴出する複数の小口径助燃性ガス噴出ポートと、
   を備えるマルチノズルバーナを備え、
   原料ガス噴出ポートのガス流速をＶ１とし、シールガス噴出ポートのガス流速をＶ２としたとき、１＞Ｖ２／Ｖ１＞０．０５となるようにガス流速を制御することを特徴とする光ファイバ母材の製造装置。

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