JP4581844B2

JP4581844B2 - ガラス母材の製造方法

Info

Publication number: JP4581844B2
Application number: JP2005155039A
Authority: JP
Inventors: 智哉鈴木; 利巳幅崎; 俊一安西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP2006327887A

Description

本発明は、プラズマ生成用ガスを電離させてプラズマ炎を発生させ、そのプラズマ炎を用いてガラス母材を製造するガラス母材の製造方法に関する。

光ファイバ用のガラス母材を製造する方法として、プラズマトーチのプラズマ炎を用いてコア部を有するガラス棒の表面にクラッド部となるガラスを外付けする方法がある。
この方法に用いるプラズマトーチとしては、円筒状のトーチの周囲に誘導コイルを設け、トーチ内にアルゴンなどのプラズマ生成用ガスを流してプラズマ炎を発生させて、プラズマ炎により生成したガラス粉末を容器内で堆積させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１６９１６２号公報

ところで、上記のプラズマトーチは、反応容器と一体化した構造であるので、容器に対してプラズマトーチの位置調整を行うことができず、製造条件の変更に対応することが困難であった。
この場合、反応容器とトーチとを分離させれば位置調整が可能となるが、そうすると誘導コイルの表面にスパークが生じて、誘導コイルへ高周波交流電流を供給する発振器が過電流により異常停止してしまうことがあった。スパークが生じる原因としては、プラズマ生成用ガスが電離した電離ガスがトーチと反応容器との隙間を通って誘導コイルに接触することや、プラズマ炎による熱などが例として考えられる。

特に、反応容器内のガラス棒へ堆積させるガラス粉末の堆積量を増加させたり、あるいは大径のガラス棒へガラス粉末を堆積させたりするために、プラズマ炎を発生させるプラズマ生成用ガスの供給量を増やして誘導コイルへ高周波交流電流を供給する発振器の出力を上昇させると、電離状態のプラズマ生成用ガスやプラズマ炎の熱が反応容器内に配置したガラス体などに跳ね返ってくる量が多くなると想定される。したがって、このような場合では、誘導コイルへのスパークがより多く発生し、発振器などの装置に不具合が生じ、良好なガラス体の加工に支障をきたす虞があった。

本発明は、プラズマのパワーを強くした場合でも、装置に不具合を生じさせることなく良好にガラス母材の製造を行うことが可能なガラス母材の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明に係るガラス母材の製造方法は、ガラス生成用の原料ガスとプラズマ生成用ガスとを流すトーチと、前記ト−チの一部を囲み前記プラズマ生成用ガスを電離させるコイルとを用い、前記トーチと前記コイルの隙間にガス遮蔽部材を設けた状態で、前記コイルの巻き部中心付近に生成されるプラズマ炎を使って形成したガラス粉末を反応容器内に放出して前記反応容器内に配置したガラス体に堆積させ、前記ガス遮蔽部材の外側において前記反応容器の開口部と反対側の前記コイルの端部から、前記反応容器の開口部に近接した前記コイルの端部に向けてクリーンエアまたは窒素を流し、ガラス母材を製造する方法である。

本発明において、前記コイルの表面を絶縁材で覆うことが好ましい。

本発明のガラス母材の製造方法によれば、トーチとコイルをガス遮蔽部材によって遮蔽することができるため、電離ガスがトーチの周辺からコイルへ接触することを防いでスパークの発生を防止することができる。したがって、コイルに流す電流の出力を上げてプラズマを強くしても、ガラス母材の製造を安定して良好に行うことができる。
しかも、反応容器に対してトーチを直接固定せず、トーチとコイルとの隙間に設けられたガス遮蔽部材を用いるため、ガス遮蔽部材に対してトーチの位置を少なくともその軸方向に移動させることができる。そのため、ガラス母材の製造条件の変更を容易に行うことができる。
すなわち、本発明のガラス母材の製造方法によれば、スパークの発生を防ぐことと、反応容器内に配置したガラス体に対するトーチの位置を調節することを両立可能である。

以下、本発明に係るガラス母材の製造方法の実施形態の例について図面を参照して説明する。なお、ここでは、光ファイバのコアとなる部分を有するガラス棒の表面にガラス粉末を堆積させて光ファイバ用のガラス母材を製造する場合について説明する。図１は本発明のガラス母材の製造方法を実施可能な装置の全体構成を示す概略図であり、図２は図１に示した装置の要部構成図であり、図３（Ａ）はプラズマトーチ付近の構成を示す断面図であり、図３（Ｂ）はプラズマトーチの平面図である。

図１に示すように、ガラス母材製造装置１０では、ベース１１の上に、ターゲットであるコアロッドとなるガラス棒１２を把持して軸方向（図１において左右方向）に同期して移動可能な一対の把持手段１３ａ、１３ｂが設けられている。また、ベース１１の中央部には反応容器２０が設けられており、ガラス棒１２は反応容器２０を貫通して移動可能となっている。なお、反応容器２０には、反応容器２０の内部の排気を行うための排気装置１５が設けられている。
従って、ガラス棒１２をチャック１４ａ、１４ｂによって把持して把持手段１３ａ、１３ｂに固定し、チャック１４ａ、１４ｂを回転させながら把持手段１３ａ、１３ｂを同期して往復移動させる。これにより、図１中において矢印で示すようにガラス棒１２を回転しながら往復移動させて、反応容器２０内においてガラス棒１２の表面にクラッドガラス層１６を形成し、ガラス母材１７を形成する。

図２に示すように、反応容器２０の内部には、プラズマトーチ２１およびプラズマトーチ２１の外側に螺旋状に巻回された誘導コイル２２が設けられている。プラズマトーチ２１は支持台２３に取り付けられており、プラズマトーチ２１の下面には原料、プラズマ発生用ガス、冷却ガス等のガス類２４ａを供給する入り口２１ａが設けられている。支持台２３はトーチ位置調整機構２５の上に設けられており、トーチ位置調整機構２５を操作する操作部としての位置調整ハンドル２６が反応容器２０の外側に設けられている。これは、プラズマの発生が、腐食性ガスを発生する反応容器２０内で行われるため、外部から操作できるようにしたものである。従って、作業者は、位置調整ハンドル２６を回すことにより、或いは自動で、支持台２３およびプラズマトーチ２１を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させることができるようになっている。

また、プラズマトーチ２１には、その外周に、誘導コイル２２が配設されている。この誘導コイル２２は、給電線２８を介して発振器２７に接続されており、この発振器２７から誘導コイル２２へ高周波交流電流が供給される。そして、この誘導コイル２２に発振器２７から高周波交流電流が供給されると、誘導コイル２２の内側に高周波電磁界が発生し、この高周波電磁界によってプラズマ生成用ガスが誘導的にイオン化され、プラズマ炎２４が発生する。なお、誘導コイル２１は銅製巻管で構成されており、内部には冷却水を流すことができるようになっている。

図３に示すように、プラズマトーチ２１は、石英から形成された多重管構造とされており、内部には、入り口２１ａから多重管３０が上下方向に挿入されている。多重管３０の中心部３１には、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）を含むガラス原料ガスが供給され、外周部３２にはプラズマを発生するためのプラズマ生成用ガスとしてのアルゴンガス（Ａｒ）と反応用の酸素ガス（Ｏ₂）が供給されている。また、プラズマトーチ２１の下端部には、プラズマトーチ２１の外周面の接線方向に一対の管２１ｂが設けられており、多重管３０の外周面とプラズマトーチ２１の内周面との間の最外層３３に、冷却用のＯ₂ガスを供給している。従って、Ｏ₂ガスは、図３（Ｂ）に示すように、螺旋状に回転しながら上昇することになる。

また、反応容器２０は、プラズマトーチ２１の上方に、ガラス母材の製造を行う反応室４１を備えている。この反応室４１は、ガラス棒１２を水平方向に挿通させた状態で内部に収容する。そして、反応室４１の底部には開口部４３が形成されており、この開口部４３には、プラズマトーチ２１の先端近傍部分が配置されている。これにより、プラズマトーチ２１にて発生したプラズマ炎２４が、反応室４１内に配置されたガラス棒１２に向けられる。また、反応室４１には、その上部に、前述した排気装置１５が接続されており、反応室４１内の排気ガスが排気装置１５により排気される。

上記構造のガラス母材製造装置１０は、プラズマトーチ２１と誘導コイル２２との間に、ガス遮蔽部材４４が設けられている。このガス遮蔽部材４４は、筒状に形成された遮蔽板４５を有し、この遮蔽板４５には、その上端部に、径方向へ広がる円環状の鍔部４６が形成されている。この鍔部４６は、その外径が反応室４１の隔壁４１ａの開口部４３よりも大径に形成され、反応室４１の内部に配置されている。これにより、この鍔部４６の外縁部と反応室４１の開口部４３の開口縁部とが重なり合わされている。そして、開口部４３のうちプラズマトーチ２１の外側に位置する開口外周部を覆っている。

次に、ガラス母材製造装置１０によってガラス棒１２の表面にガラス粉末を堆積させ、ガラス棒１２からなるコア部と堆積させたガラス粉末により形成されるガラス層からなるクラッド部とを有する光ファイバ用ガラス母材を製造する場合について説明する。
まず、コア部となるガラス棒１２を、反応容器２０の反応室４１へ挿通し、その端部を、把持手段１３ａ、１３ｂのチャック１４ａ、１４ｂにそれぞれ把持させて、水平に支持させる。そして、チャック１４ａ、１４ｂを回転させることにより、ガラス棒１２を、その中心軸を中心として回転させる。

次いで、プラズマトーチ２１へガラス原料ガス、プラズマ生成用ガス及び冷却ガスを供給するとともに発振器２７から誘導コイル２２へ高周波交流電流を供給する。これにより、プラズマ生成用ガスが高周波電磁界によって誘導的にイオン化されてプラズマ炎２４が発生し、この高温のプラズマ炎２４によってガラス原料ガス中の四塩化ケイ素がガラス粉末となる。ガラス粉末はガラス棒１２の表面に堆積し、堆積したガラス粉末がプラズマ炎２４の熱によって透明ガラス化して、クラッド部となるクラッドガラス層１６が形成されていく。そして、把持手段１３ａ、１３ｂを同期して往復移動させ、ガラス棒１２をプラズマ炎２４に対して何度も往復移動させることで、ガラス棒１２に形成されたクラッドガラス層１６の上に、新たなクラッドガラス層１６が形成されていく。

その際、高周波電磁界により電離してプラズマトーチ２１から吹き出されたガスは、ガラス棒１２によって跳ね返るなどして誘導コイル２２側へ移動しようとする（図３中符号Ａで示す）。しかし、この電離したガスは、ガス遮蔽部材４４の鍔部４６にぶつかり、電離ガスの誘導コイル２２への接触が防止される。また、ガス遮蔽部材４４とプラズマトーチ２１との隙間に移動してきた電離ガスは、遮蔽板４５によって、コイル２２への移動が遮蔽される。
このように、本実施形態に係るガラス母材の製造方法によれば、ガス遮蔽部材４４によって電離ガスの誘導コイル２２への接触を確実に防止することができるので、誘導コイル２２への電離ガスの接触によるスパークの発生を確実に阻止することができ、誘導コイル２２に流す電流の出力を上げてプラズマ炎２４を強くしても、ガラス棒１２へのガラスの形成を安定して行うことができる。

また、プラズマ炎２４を用いる場合、誘導コイル２２の内側には高温領域が発生しているが、この高温領域は表皮効果の影響によりプラズマトーチ２１の中心軸からずれている。また、プラズマトーチ２１の最外層３３には冷却ガスが流れており、ここでは急激な温度低下が生じている。
プラズマ炎２４はこのような温度分布および温度勾配をもっているので、温度の位置への依存度が大きい。このため、ガラス粉末の堆積を開始する前に、炎の様子を見て、トーチ位置調整機構２５によりプラズマトーチ２１をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向へ移動させて最適な位置に調整すると良い。また、発振器２７の出力、プラズマ生成用ガス及びガラス原料ガスの供給量なども適宜調節して、プラズマ炎２４の強さを適切に調整すると良い。

プラズマトーチ２１をＺ軸方向（プラズマトーチ２１の中心軸方向）へ移動させる場合には、反応室４１の隔壁４１ａに対してガス遮蔽部材４４を移動させることなく、ガス遮蔽部材４４に対してプラズマトーチ２１のみが移動する。そのため、ガス遮蔽部材４４によって常時隔壁４１ａとプラズマトーチ２１との隙間を塞いだ状態で、プラズマトーチ２１の位置調節が可能である。
また、プラズマトーチ２１をＸ軸、Ｙ軸方向（プラズマトーチ２１の中心軸と直交する方向）へ移動させる場合には、反応室４１の隔壁４１ａに対してガス遮蔽部材４４を移動させるが、ガス遮蔽部材４４に設けられている鍔部４６が隔壁４１ａの開口部４３を塞いだ状態を保つことができる。

このように、反応容器２０に設けられた反応室４１の隔壁４１ａとプラズマトーチ２１とを一体化させることなく、誘導コイル２２に対して電離ガスを遮蔽することができるので、反応室４１に対するプラズマトーチ２１の位置を上下方向及び水平方向に調整することができ、ガラス棒１２に対してプラズマ炎２４を適切に当てて良好な加工を施すことができる。

ここで、ガス遮蔽部材４４を備えていない従来構造の装置を用いた場合では、ガラスの堆積速度が０．２ｇ／分程度を越えるプラズマパワーで加工を行うと、プラズマ生成後３０分程度でスパークが発生したのに対し、ガス遮蔽部材４４を備えた上記実施形態のガラス母材製造装置１０を用いた場合では、スパークの発生なく安定したプラズマ炎が生成された。これにより、上記実施形態では、誘導コイル３１へ供給する高周波交流電流値を高くし、ガラスの堆積速度を０．３ｇ／分程度まで上げることができた。

なお、上記実施形態では、遮蔽板４５の端部に鍔部４６を設けたが、鍔部４６を設けずに、筒状の遮蔽板４５を反応室４１の開口部４３に密着させて電離ガスを遮蔽しても良い。

また、誘導コイル２２側から開口部４３側へ向かって電離が生じにくい遮蔽ガスを流す遮蔽ガス供給手段４７を使用する。遮蔽ガスとしては、電離が生じにくい、例えば、空気（好ましくはクリーンエアあるいは窒素）が用いられる。遮蔽ガス供給手段４７から供給された遮蔽ガスが、誘導コイル２２の周囲を通り開口部４３へ流れることにより、ガス遮蔽部材４４と隔壁４１ａの僅かな隙間、またはガス遮蔽部材４４とプラズマトーチ２１の僅かな隙間から電離ガスが漏れてきた場合であっても、誘導コイル２２への電離ガスの接触が防がれる。したがって、誘導コイル２２への電離ガスの接触によるスパークの発生をより確実に阻止することができる。

また、他の実施形態として、誘導コイル２２の表面が絶縁材によって覆われていてもよい。この絶縁材としては、耐熱性を有するものが良く、例えば、フッ化物樹脂からなる熱収縮性チューブが用いられる。また、絶縁材として、エナメルワニス、ポリイミドフィルム等も使用可能である。これにより、もし誘導コイル２２の付近へ電離ガスが漏れてきた場合であっても、誘導コイル２２への電離ガスの接触が防がれる。したがって、誘導コイル２２への電離ガスの接触によるスパークの発生をより確実に阻止することができる。

本発明のガラス体の加工方法を実施可能な装置の全体構成を示す概略図である。図１に示した装置の要部構成図である。（Ａ）はプラズマトーチ付近の構成を示す断面図であり、（Ｂ）はプラズマトーチの平面図である。

符号の説明

１０ガラス母材製造装置
１２ガラス棒（ガラス体）
２０反応容器
２１プラズマトーチ
２２誘導コイル（コイル）
４１反応室
４１ａ隔壁
４３開口部
４４ガス遮蔽部材
４５遮蔽板
４６鍔部

Claims

ガラス生成用の原料ガスとプラズマ生成用ガスとを流すトーチと、前記ト−チの一部を囲み前記プラズマ生成用ガスを電離させるコイルとを用い、
前記トーチと前記コイルの隙間にガス遮蔽部材を設けた状態で、前記コイルの巻き部中心付近に生成されるプラズマ炎を使って形成したガラス粉末を反応容器内に放出して前記反応容器内に配置したガラス体に堆積させ、前記ガス遮蔽部材の外側において前記反応容器の開口部と反対側の前記コイルの端部から、前記反応容器の開口部に近接した前記コイルの端部に向けてクリーンエアまたは窒素を流し、ガラス母材を製造するガラス母材の製造方法。
前記コイルの表面を絶縁材で覆うことを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の製造方法。