JP4499025B2 - 石英ガラス多孔質母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバなどの光学部材の製造に好適に用いられる石英ガラス多孔質母材の製造方法に関する。

光ファイバなどの製造に用いられる石英ガラス母材の製造には、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等のスート法で作製された石英ガラス多孔質母材を焼結し、透明ガラス化する方法が一般に用いられている。この石英ガラス多孔質母材を製造するには、ＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４などのガラス原料ガスを、酸水素火炎を形成するバーナに供給し、ガラス微粒子を生成させる。生成したガラス微粒子は、バーナと対向した位置にある回転しているターゲットに堆積させることで、石英ガラス多孔質母材を得る方法が用いられる。

近年、光ファイバの製造コストを低減するため、光ファイバ用母材は大型化される傾向にある。
複数のバーナを用いて、石英ガラス多孔質層を何層にも重ねるＯＶＤ法の場合、母材大型化に伴い、焼結後の石英ガラス母材中での剥離（石英ガラス多孔質層の層間が剥がれ、空洞になった状態）が生じやすい。

従来、石英ガラス多孔質母材を歩留まりよく製造するための方法として、例えば、特許文献１に開示された製造方法が開示されている。この従来の製造方法は、バーナからガラス微粒子を含有した原料ガスを水素・酸素等の燃焼ガスと混合して火炎状態で放射し、火炎加水分解によって生じたガラス微粒子を出発材（ターゲット）に堆積させる外付け法によって多孔質母材を得る光ファイバ母材の製造方法において、ガラス微粒子堆積層の体積とガラス微粒子堆積層の質量とからガラス微粒子堆積層のかさ密度を演算し、この演算結果からガラス微粒子堆積層の出発材表面から所定層までのかさ密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上に制御することを特徴としている。
特開平７−２１５７２７号公報

石英ガラス多孔質母材が大型化した場合、焼結工程で収縮する際の歪みが大きいため、多孔質層の層間が剥離した状態になりやすい。この剥離を抑制するためには、多孔質母材の径方向のかさ密度勾配を大きくすることが効果的である。
特許文献１に開示された方法は、以下の点で問題があった。

１．出発母材の表面から所定の堆積層までのかさ密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすること。
特許文献１には、所定の堆積層のかさ密度が全て同じ値の場合も開示されているが（例えば、かさ密度を０．９ｇ／ｃｍ^３で一定とする）、石英ガラス多孔質層のかさ密度が一定か又はかさ密度勾配が緩やかな場合、剥離が発生しやすい。

２．石英ガラス多孔質母材の外周部のかさ密度が０．２〜０．３ｇ／ｃｍ^３を想定していること。
特許文献１では、外周部のかさ密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上の母材を想定していない。この場合、石英ガラス多孔質層の全層が０．５ｇ／ｃｍ^３でも請求項には含まれるが、実際にはこの条件では剥離が発生する。石英ガラス母材を大型化する場合、元の石英ガラス多孔質母材の全体のかさ密度を上げて、サイズを小さくすることが考えられる。この場合、得られる石英ガラス母材は大型化できるが、石英ガラス多孔質母材自体は従来サイズに抑えることができるため、装置の小型化等の面で有利となる。そのため、石英ガラス多孔質母材のかさ密度が高い場合についての検討が必要となる。

３．層数で規定していること。
特許文献１では、堆積層の層数を目安にしているが、ガス流量条件と、最終母材径によって石英ガラス多孔質層の数は変化するため、実質的に重要なのは石英ガラス多孔質体の外径（石英ガラス多孔質層の厚さ）とかさ密度との関係であり、層数でかさ密度を管理するためには製造条件が著しく制限されてしまう。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、大型の石英ガラス多孔質母材を長手方向にわたり均質に製造することができ、透明ガラス化後に剥離等を生じることがなく、歩留まり良く光ファイバを紡糸でき、低コストで光ファイバを提供できる石英ガラス多孔質母材の製造方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、少なくともガラス原料ガスと水素ガスと酸素ガスとをバーナに供給し、酸水素火炎中でガラス微粒子を生成させ、生成したガラス微粒子を回転するターゲットの表面に複数層堆積させて石英ガラス多孔質母材を製造する方法において、前記ターゲットの外周に最初に堆積する１層目の石英ガラス多孔質層のかさ密度をｄ_０、１層目が堆積された石英ガラス多孔質層の外径をＤ_０、石英ガラス多孔質層の外径が８０ｍｍの時のかさ密度をｄ_１としたときに、次式（１）
α＝（ｄ_１−ｄ_０）／（８０−Ｄ_０） ・・・（１）
で求められるかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たすとともに、前記１層目から最外層に至る石英ガラス多孔質層のかさ密度が０．５以上の範囲となるようにガス流量を調整して石英ガラス多孔質母材を製造することを特徴とする石英ガラス多孔質母材の製造方法を提供する。

本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法において、石英ガラス多孔質母材の各層のかさ密度を母材径方向の内側から外側に向けて漸次小さくし、且つ各層のかさ密度を０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲とすることが好ましい。

本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法において、石英ガラス多孔質母材の製造中に連続的にかさ密度を測定し、得られたかさ密度に応じて、次の任意の石英ガラス多孔質層を形成する際のガス流量を調整することが好ましい。

本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法において、かさ密度の測定を石英ガラス多孔質層の１層毎又は複数層毎に行うことが好ましい。

本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法において、ガス流量の調整をガラス原料ガス、水素ガス及び酸素ガスを用いて行うことが好ましい。

本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法は、石英ガラス多孔質母材の１層目の石英ガラス多孔質層のかさ密度をｄ_０、１層目の石英ガラス多孔質層の外径をＤ_０、石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍの時のかさ密度をｄ_１としたときに、次式（１）
α＝（ｄ_１−ｄ_０）／（８０−Ｄ_０） ・・・（１）
で求められるかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たすようにガス流量を調整して石英ガラス多孔質母材を製造することによって、大型の石英ガラス多孔質母材を長手方向にわたり均質に製造することができ、透明ガラス化後に剥離等を生じることがなく、歩留まり良く光ファイバを紡糸でき、低コストで光ファイバを提供することができる。

本発明者らは各種検討を行った結果、母材剥離を防止するためには、石英ガラス多孔質母材の径方向内側から外側に向かって、段階的にかさ密度が減少していることが重要であり、特に石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍ以下の石英ガラス多孔質層について、径方向のかさ密度勾配を大きくする（傾きの絶対値が大きい）必要があることがわかった。

具体的には、石英ガラス多孔質母材の１層目の石英ガラス多孔質層のかさ密度をｄ_０、１層目の石英ガラス多孔質層の外径をＤ_０、石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍの時のかさ密度をｄ_１としたときに、次式（１）
α＝（ｄ_１−ｄ_０）／（８０−Ｄ_０） ・・・（１）
で表されるかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たしていれば、焼結後に剥離を生じない石英ガラス多孔質母材を製造し得ることを見出した。

ここで言う石英ガラス多孔質母材の１層目とは、ターゲットの外周に最初に堆積する石英ガラス多孔質層のことである。なお、ここで定義したかさ密度勾配αが同じ数値の場合でも、かさ密度曲線としては、図１に示すように、上に凸の曲線又は下に凸の曲線など各種存在する。しかし、実験の結果、曲線形状の違いによる影響は小さかったため、実用上は、かさ密度勾配αの大小を制御すればよい。また、石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍ以上の範囲については、母材外周部に向かって段階的にかさ密度が減少していればよく、傾きの大小については特別な制約は無いことがわかった。

かさ密度制御については、石英ガラス多孔質母材１本毎に行ってもよいが、石英ガラス多孔質母材製造中にオンラインでかさ密度を制御するのがより望ましい。かさ密度測定のタイミングは、石英ガラス多孔質母材の１層毎又は複数層毎に行う。石英ガラス多孔質母材のある層のかさ密度を測定した後、その時に外径とかさ密度に応じて、次の石英ガラス多孔質層を作製するガス流量条件を決定する。その場合、調整に用いるガスには、ガラス原料ガス、水素ガス、酸素ガスを用いて行う。なお、かさ密度は、石英ガラス多孔質母材の外径と石英ガラス多孔質母材の質量から算出することができる。石英ガラス多孔質母材の外径測定する際の簡便で正確な方法としては、レーザ外径測定器による方法が挙げられる。この方法では、石英ガラス多孔質母材に対して垂直方向からレーザ光を当てて、その反射光の戻り時間から外径を計算できる。また、石英ガラス多孔質母材の質量は、ロードセルなどによって測定が可能である。

図２は、本発明の製造方法を実施するために好適な石英ガラス多孔質母材の製造装置の一例を示す構成図である。
この製造装置は、ターゲットの両端部以外の中央部分の表面に多数の石英ガラス多孔質層を堆積して得られる石英ガラス多孔質母材１のターゲット両端部を回転可能に保持する回転保持部５と、該回転保持部５に保持された石英ガラス多孔質母材１の質量を測定するロードセル２と、ガラス原料ガス、水素ガス、酸素ガス等のガスが所定流量で供給され、回転保持部５に保持された石英ガラス多孔質母材１（又はターゲット）の表面に向けて石英ガラス微粒子を含む酸水素火炎を噴出するバーナ３と、石英ガラス多孔質母材１の外径を測定するレーザ外径測定機５とを備えて構成されている。前記バーナ３は、石英ガラス多孔質母材１の長手方向に沿って所望の移動速度で移動可能に設けられている。

さらに、この製造装置には、ロードセル２で測定された石英ガラス多孔質母材１の質量データと、レーザ外径測定機５で測定された石英ガラス多孔質母材１の外径データとを入力し、質量増加分と外径増加分とから外周の１層又は複数層の石英ガラス多孔質層のかさ密度を計算するとともに、そのかさ密度測定値自体、及び前記式（１）によって求められるかさ密度勾配αが、予め記憶させておいた設定範囲に入るか否かを判断する制御部が設けられている。さらに、かさ密度勾配αが設定範囲外であった場合には、この制御部から流量制御部へ流量制御信号が発せられ、ガラス原料ガスと水素ガスと酸素ガスの流量が変更されるようになっている。具体的には、各層のかさ密度が０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲となり、且つかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たすように制御する。

以上説明したように、母材剥離防止のためには、石英ガラス多孔質母材の径方向内側から外側に向かって段階的にかさ密度が減少するようなかさ密度勾配を有することが重要であり、特に、石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍ以下の層について、かさ密度勾配を大きくする（傾きの絶対値を大きくする）必要がある。また製造安定化のためには、石英ガラス多孔質母材の作製中に連続的にかさ密度を測定し、得られたかさ密度に応じて、次の任意の石英ガラス多孔質層を作製する際のガス流量を調整することが効果的である。
本発明の石英ガラス多孔質母材の製造方法は、石英ガラス多孔質母材の１層目の石英ガラス多孔質層のかさ密度をｄ_０、１層目の石英ガラス多孔質層の外径をＤ_０、石英ガラス多孔質母材の外径が８０ｍｍの時のかさ密度をｄ_１としたときに、次式（１）
α＝（ｄ_１−ｄ_０）／（８０−Ｄ_０） ・・・（１）
で求められるかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たすようにガス流量を調整して石英ガラス多孔質母材を製造することによって、大型の石英ガラス多孔質母材を長手方向にわたり均質に製造することができ、透明ガラス化後の石英ガラス母材に剥離等の欠陥を生じることがなく、歩留まり良く光ファイバを紡糸でき、低コストで光ファイバを提供することができる。

ＳｉＣｌ_４流量：５．５〜７．５ＳＬＭ、水素ガス流量：４０〜１００ＳＬＭ、酸素ガス流量：１５〜４０ＳＬＭ、シールガスとしてアルゴンガスを１ＳＬＭ、バーナに導入し、火炎中でガラス微粒子を生成させ、火炎と共にバーナから噴出させた。ターゲットとして外径３５ｍｍの石英ガラス丸棒を用いた。
複数のバーナを用いて、経時的にガラス微粒子を複数層堆積させ、直径２３０ｍｍ×長さ１８００ｍｍの石英ガラス多孔質母材を作製した。
石英ガラス多孔質母材の作製中は、２層毎にかさ密度を算出した。
石英ガラス多孔質母材作製後、焼結炉に投入し透明ガラス化した。
各ガスの流量を調整してかさ密度勾配αの異なる多数の石英ガラス多孔質母材を作製し、焼結した時の剥離の有無と剥離の程度を肉眼で観測し、かさ密度勾配αと剥離の発生との関係を調べた。結果を表１に示す。
また、図３は、表１に示す実施例と比較例の代表例として、実施例１（かさ密度勾配α＝−０．００４６）と比較例３（かさ密度勾配α＝−０．００２６）の石英ガラス多孔質母材外径とかさ密度との関係を示すグラフである。

表１の結果から、石英ガラス多孔質母材のかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たしていれば、焼結後に剥離を生じることがなく、良質の石英ガラス母材が得られることがわかった。

本発明の製造方法において測定されるかさ密度曲線の形状を例示するグラフである。 本発明の製造方法を実施するために好適な石英ガラス多孔質母材の製造装置の一例を示す構成図である。 本発明に係る実施例１と本発明の範囲外の比較例３で製造した石英ガラス多孔質母材のそれぞれのかさ密度勾配を示すグラフである。

符号の説明

１…石英ガラス多孔質母材、２…ロードセル、３…バーナ、４…レーザ外径測定機、５…回転保持部。

Claims (5)

1. 少なくともガラス原料ガスと水素ガスと酸素ガスとをバーナに供給し、酸水素火炎中でガラス微粒子を生成させ、生成したガラス微粒子を回転するターゲットの表面に複数層堆積させて石英ガラス多孔質母材を製造する方法において、
   前記ターゲットの外周に最初に堆積する１層目の石英ガラス多孔質層のかさ密度をｄ_０、１層目が堆積された石英ガラス多孔質層の外径をＤ_０、石英ガラス多孔質層の外径が８０ｍｍの時のかさ密度をｄ_１としたときに、次式（１）
   α＝（ｄ_１−ｄ_０）／（８０−Ｄ_０） ・・・（１）
   で求められるかさ密度勾配αが、α＜−０．００２６の関係を満たすとともに、前記１層目から最外層に至る石英ガラス多孔質層のかさ密度が０．５以上の範囲となるようにガス流量を調整して石英ガラス多孔質母材を製造することを特徴とする石英ガラス多孔質母材の製造方法。
2. 石英ガラス多孔質母材の各層のかさ密度を母材径方向の内側から外側に向けて漸次小さくし、且つ各層のかさ密度を０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス多孔質母材の製造方法。
3. 石英ガラス多孔質母材の製造中に連続的にかさ密度を測定し、得られたかさ密度に応じて、次の任意の石英ガラス多孔質層を形成する際のガス流量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の石英ガラス多孔質母材の製造方法。
4. かさ密度の測定を石英ガラス多孔質層の１層毎又は複数層毎に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の石英ガラス多孔質母材の製造方法。
5. ガス流量の調整をガラス原料ガス、水素ガス及び酸素ガスを用いて行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の石英ガラス多孔質母材の製造方法。

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