JP5012042B2

JP5012042B2 - ガラス母材の製造方法

Info

Publication number: JP5012042B2
Application number: JP2007015582A
Authority: JP
Inventors: 朋浩石原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: JP2008179518A

Description

本発明は、出発棒の外周にガラス微粒子の堆積層を積層させてガラス微粒子堆積体を形成し、その後、脱水・焼結して透明ガラス化するガラス母材の製造方法に関する。

光ファイバを得るためのガラス母材は、出発棒にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を形成し、これを脱水・焼結して透明ガラス化することにより得られる。このガラス微粒子堆積体を形成する方法としては、長尺状の出発棒を軸回りに回転させながら出発棒の軸方向にバーナをトラバースさせ、このバーナによって生成したガラス微粒子を出発棒に堆積させる方法が一般的である。

ガラス微粒子を堆積させる方法としては、バーナからのガスを、ガラス微粒子堆積体の近傍位置の焦点にて集中するように噴射させてガラス微粒子を堆積させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、ガラス微粒子堆積体におけるガラス微粒子の成長に合わせ、ガラス微粒子堆積体の外周とバーナとの位置を一定に保ちながらガラス微粒子を堆積させる方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２７４８６２号公報特開２００３−２３８１６７号公報

ところで、ガラス微粒子堆積体は、その内部における温度差によって応力が生じ、結果としてひび割れが誘発されることがある。特に、製造するガラス微粒子堆積体の大型化に伴って外径が太くなるとガラス微粒子堆積体内の温度差が増加するため、ひび割れが生じ易くなる。

また、一般的に、バーナの火炎に包まれている部分には、ガスの流れにより、装置内に浮遊する異物は付着しにくい状態となっているが、ガラス微粒子堆積体の大型化に伴い、ガラス微粒子堆積体の表面がバーナの火炎に包まれている時間が短くなると、焼結時の微小気泡の起点となる異物の付着確率が増加し、結果として透明ガラス化して得られたガラス母材中に残留する気泡の発生頻度が増加してしまう。

一方、ガラス微粒子堆積体の表面をバーナの火炎によって大きく包むために、バーナの火炎を極度に大きくすると、燃焼ガスを浪費するばかりでなく、加熱しすぎのためにガラス微粒子堆積体の密度が高くなり、透明ガラス化した際に微小気泡の発生する頻度が増加する。

本発明は、ひび割れの発生や気泡の残留を抑制して、高品質なガラス母材を製造する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、回転する出発ロッドに対向させて複数本のガラス微粒子合成用バーナを配置し、前記出発ロッドと前記バーナとを前記出発ロッドの軸方向に相対的に往復移動させ、前記バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの表面に順次堆積させてガラス微粒子堆積体を形成する第一の工程と、前記ガラス微粒子堆積体を透明ガラス化する第二の工程を含むガラス母材の製造方法であって、前記ガラス微粒子の全堆積時間を１とした際の堆積時間０．５以上１以下の時間帯にわたって、前記バーナの火炎の大きさを、当該バーナの中心軸を含みガラス微粒子堆積体の中心軸に垂直な平面における前記ガラス微粒子堆積体の円周の１／４以上２／３以下の領域を覆う大きさとしてガラス微粒子を堆積させることを特徴とする。

また、本発明に係るガラス母材の製造方法において、前記バーナ後方から前記ガラス微粒子堆積体を通過し、このガラス微粒子堆積体を挟んで前記バーナと反対側へ流れる流体の流速を、２ｍ／秒以上４ｍ／秒以下とすることが好ましい。

本発明のガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体の表面における温度差を低減し、温度差によってガラス微粒子堆積体内に生じる応力を低減することができ、ひび割れの起点となる外乱が生じたとしても、ガラス微粒子堆積体のひび割れの発生や気泡の残留を抑制して、高品質なガラス母材を製造することができる。

以下、本発明に係るガラス母材の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係るガラス母材の製造方法に用いる製造装置の概略縦断面図であり、図２は図１の製造装置の概略横断面図である。

図１及び図２に示すように、この製造装置１は、反応容器２内にて吊り下げ装置（図示省略）によって吊り下げられた出発ロッドＳに対向させて複数のガラス微粒子合成用バーナ３が一定間隔で配置されている。反応容器２には、内部の未堆積ガラス微粒子等を排出する排気口４が設けられている。
また、反応容器２には、バーナ３が配置された側壁側に、複数の給気口５が形成されており、この給気口５から反応容器２内に、空気あるいは不活性ガスなどの気体が流入可能とされている。

バーナ３には、例えば、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）が原料ガスとして供給される。四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）は、Ｎ_２等の不活性ガスとの混合ガスで供給しても良い。また、このバーナ３には、原料ガスとともに、助燃性ガスである酸素（Ｏ_２）と支燃性ガスである水素（Ｈ_２）とからなる燃焼用ガスが供給される。
これにより、このバーナ３では、燃焼用ガスによって発生した酸水素火炎中に原料ガスが噴出され、これにより、加水分解反応によってシリカ（ＳｉＯ_２）が生じ、ガラス微粒子が合成される。

次に、ガラス母材を製造する方法について説明する。
まず、吊り下げ装置によって出発ロッドＳを反応容器２内に吊り下げる。
次いで、この出発ロッドＳを回転させながら軸方向に往復移動させて出発ロッドＳとバーナ３の列とを出発ロッドＳの軸方向に相対的に往復移動させるとともに、各バーナ３にてガラス微粒子を合成させる。
このようにすると、各バーナ３にて合成されたガラス微粒子が出発ロッドＳの外周面に付着して堆積し、ガラス微粒子堆積体Ｇが形成される（第一の工程）。
その後、このガラス微粒子堆積体Ｇを、均熱型の加熱炉（図示省略）に導入し、脱水・焼結して透明ガラス化することにより、光ファイバの母材として用いるガラス母材が得られる（第二の工程）。

ここで、ガラス微粒子堆積体Ｇは、その内部における温度差によって応力が生じ、結果としてひび割れが誘発されることがある。特に、製造するガラス微粒子堆積体の大型化に伴って外径が太くなるとガラス微粒子堆積体内の温度差が増加するため、ひび割れが生じ易くなる。
また、ガラス微粒子堆積体Ｇの表面がバーナ３の火炎に包まれている時間が短くなると、焼結時の微小気泡の起点となる異物の付着確率が増加し、結果として透明ガラス化して得られたガラス母材中に残留する気泡の発生頻度が増加する。

このガラス微粒子堆積体Ｇにおけるひび割れ及び気泡の発生を極力低減するためには、製造装置１によってガラス微粒子堆積体Ｇを形成する際に、バーナ３の火炎をガラス微粒子堆積体Ｇの形状に合わせて広く覆うことが必要である。

具体的には、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周方向において、広い領域にバーナ３の火炎を当てる状態を維持することにより、ガラス微粒子堆積体Ｇの表面における温度差を低減する。これにより、温度差によってガラス微粒子堆積体Ｇ内に生じる応力が低減され、ひび割れの起点となる外乱が生じたとしても、ガラス微粒子堆積体Ｇのひび割れが生じにくくなる。

しかし、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周方向において、広すぎる領域にバーナ３の火炎を当ててガラス微粒子の堆積を進めると、燃焼ガスを浪費するばかりでなく、加熱しすぎのためにガラス微粒子堆積体Ｇの密度が高くなり、透明ガラス化した際に微小気泡の発生する頻度が増加する。

以上のことより、本実施形態に係る製造方法では、開始から終了までの全堆積時間を１とした際に、堆積時間０．５以上１以下の時間帯にて、バーナ３の火炎がガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域を、バーナ３の中心軸を含みガラス微粒子堆積体Ｇの中心軸に垂直な平面におけるガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／４〜２／３の領域を覆う程度とする。

図３は、堆積時間０．５付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の約２／３の領域を覆う程度とされている。
図４は、堆積時間１付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の約１／２の領域を覆う程度とされている。

そして、これら図３及び図４のようにガラス微粒子を堆積させる場合では、ガラス微粒子堆積体Ｇの内部における温度差によって応力を抑制することができ、結果としてひび割れの発生を極力抑えることができる。また、加熱しすぎてガラス微粒子堆積体Ｇの密度が高くなることによる透明ガラス化した際の微小気泡の発生頻度の増加も抑えることができ、しかも、燃焼ガスの浪費も抑えることができる。

図５は、堆積時間０．５付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／４未満の領域を覆う程度とされている。
図６は、堆積時間１付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／４未満の領域を覆う程度とされている。

そして、これら図５及び図６のようにガラス微粒子を堆積させる場合では、ガラス微粒子堆積体Ｇの内部における温度差によって応力が生じ、結果としてひび割れを誘発することがあり、また、異物の付着確率が増加してガラス母材中に残留する気泡の発生頻度が増加することがある。

図７は、堆積時間０．５付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の２／３を越えて約３／４の領域を覆う程度とされている。
図８は、堆積時間１付近のときの状態を示すもので、バーナ３の火炎Ｆがガラス微粒子堆積体Ｇを覆う領域Ｗが、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の２／３を越えて約３／４の領域を覆う程度とされている。

そして、これら図７及び図８のようにガラス微粒子を堆積させる場合では、燃焼ガスを浪費するとともに、加熱しすぎのためにガラス微粒子堆積体Ｇの密度が高くなり、透明ガラス化した際に微小気泡の発生する頻度が増加する。

なお、このバーナ３の火炎Ｆの大きさは、バーナ３の中心軸を含みガラス微粒子堆積体Ｇの中心軸に垂直な平面におけるガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／３〜２／３の領域を覆う程度とするのが好ましく、また、より好ましくは、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／２〜２／３の領域を覆う程度である。

ここで、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周のより広い領域にバーナ３の火炎Ｆが当たるようにするには、ガラス微粒子の堆積の進行に応じて、バーナ３に供給する助燃性ガス、支燃性ガスあるいは原料ガスの少なくとも一つの流量を増加させる。
また、ガラス微粒子堆積体Ｇの表面とバーナ３の先端との距離を短くしても、同様に、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周のより広い領域にバーナ３の火炎Ｆが当たるようにすることができる。

さらには、ガラス微粒子の堆積終了時点においても、十分にガラス微粒子堆積体Ｇの表面にバーナ３の火炎Ｆが当たるような火炎条件にてガラス微粒子の堆積を開始させても良い。

また、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周のより広い領域にバーナ３の火炎Ｆが当たるようにするには、バーナ３の後方の給気口５からガラス微粒子堆積体Ｇを通過し、ガラス微粒子堆積体Ｇを挟んでバーナ３と反対側の排気口４へ流す空気流の風速を速くしても良い。
空気流の風速は、ガラス微粒子の堆積を開始するに先立ち、ガラス微粒子を堆積させる出発ロッドＳの位置において風速を計測しながら、供給流量または排気流量を調整する。

この場合、空気流の風速が２ｍ／秒以上であると、バーナ３の火炎Ｆを空気流で容易に制御することが可能となるが、風速が４ｍ／秒以上となると風速が大きすぎ、反応容器２の内壁に付着した余剰のガラス微粒子が剥離してしまい、ガラス微粒子の堆積に不具合を生じるため不適当である。

そして、本実施形態のように、全堆積時間を１とした際の堆積時間０．５以上１以下の時間帯にて、ガラス微粒子堆積体Ｇに対するバーナ３の火炎Ｆの大きさを、ガラス微粒子堆積体Ｇの円周の１／４〜２／３の領域を覆う程度とすると、ガラス微粒子堆積体Ｇの表面における温度差を低減することができ、温度差によってガラス微粒子堆積体Ｇ内に生じる応力を低減することができ、ひび割れの起点となる外乱が生じたとしても、ガラス微粒子堆積体Ｇのひび割れの発生を極力抑えることができる。

さらに、上記のようにバーナ３の火炎Ｆをガラス微粒子堆積体Ｇに当てると、ガラス微粒子堆積体Ｇの表面がバーナ３の火炎Ｆに包まれている時間が長くなることにより、その後の脱水・焼結時における微小気泡の起点となる異物の付着確率を低減させることができ、脱水・焼結後のガラス母材中に残留する気泡発生頻度を低減することができる。

また、バーナ３の火炎Ｆを極度に大きくして加熱しすぎることによる微小気泡の発生頻度の増加や燃焼ガスの浪費も抑えることができる。

つまり、上記実施形態のガラス母材の製造方法によれば、ひび割れの発生や気泡の残留を抑制して、高品質なガラス母材を製造することができる。

堆積開始から終了までの全堆積時間を１とした場合に、堆積時間０．５以上１以下の時間帯にて、実施例１〜３及び比較例１〜４として、ガラス微粒子堆積体に対するバーナの火炎の大きさを異ならせてガラス微粒子堆積体を形成し、一般的な均熱型の加熱炉によって脱水・焼結して透明ガラス化した。そのときの、ガラス微粒子堆積体での割れの発生頻度及び透明ガラス化後における平均気泡数を評価した。

なお、評価は、外径がφ２００〜３００ｍｍ、外径均一部の長さが５００〜１０００ｍｍのガラス微粒子堆積体を１００本作成し、さらに、このガラス微粒子堆積体を透明ガラス化して、外径がφ８０〜１３０ｍｍ、外径均一部の長さが３５０〜９００ｍｍのガラス母材とし、その際のガラス微粒子堆積体におけるひび割れの本数及びガラス母材の平均気泡数を目視にて計測した。
実施例１〜３及び比較例１〜４における評価結果を表１に示す。

表１からわかるように、本実施形態のように、堆積時間である規格化時間０．５及び１の時間帯にて、ガラス微粒子堆積体に対するバーナの火炎の大きさを、バーナの中心軸を含みガラス微粒子堆積体の中心軸に垂直な平面におけるガラス微粒子堆積体の円周の１／４〜２／３の領域を覆う程度とした実施例１〜３では、ひび割れの発生頻度を０あるいは極力抑えることができ、さらに、ガラス母材とした際の残留気泡をなくすことができた。

これに対して、堆積時間である規格化時間０．５及び１の時間帯の両方あるいはいずれかにて、ガラス微粒子堆積体に対するバーナの火炎の大きさを、ガラス微粒子堆積体の円周の１／４〜２／３の領域よりも小さな領域を覆う程度とした比較例１〜３では、ひび割れの発生頻度が多くなり、また、ガラス母材とした際の残留気泡の発生も確認された。

また、堆積時間である規格化時間０．５及び１の時間帯にて、ガラス微粒子堆積体Ｇに対するバーナの火炎の大きさを、ガラス微粒子堆積体の円周の１／４〜２／３の領域を越えて覆うように設定した比較例４では、ひび割れの発生頻度は０であったが、ガラス母材とした際の残留気泡の発生が多数確認された。

本実施形態に係るガラス母材の製造方法に用いる製造装置の概略縦断面図である。図１の製造装置の概略横断面図である。本実施形態に係るガラス母材の製造方法におけるガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。本実施形態に係るガラス母材の製造方法におけるガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。ガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け領域が少ない場合の火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。ガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け領域が少ない場合の火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。ガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け領域が多い場合の火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。ガラス微粒子堆積体への火炎の吹き付け領域が多い場合の火炎の吹き付け状態を示す概略横断面図である。

符号の説明

３バーナ
Ｆ火炎
Ｇガラス微粒子堆積体
Ｓ出発ロッド
Ｗ領域

Claims

回転する出発ロッドに対向させて複数本のガラス微粒子合成用バーナを配置し、前記出発ロッドと前記バーナとを前記出発ロッドの軸方向に相対的に往復移動させ、前記バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの表面に順次堆積させてガラス微粒子堆積体を形成する第一の工程と、前記ガラス微粒子堆積体を透明ガラス化する第二の工程を含むガラス母材の製造方法であって、
前記ガラス微粒子の全堆積時間を１とした際の堆積時間０．５のときの前記バーナの火炎の大きさを、当該バーナの中心軸を含みガラス微粒子堆積体の中心軸に垂直な平面における前記ガラス微粒子堆積体の円周の１／２以上２／３以下の領域を覆う大きさとし、堆積時間１のときの前記バーナの火炎の大きさを、当該バーナの中心軸を含みガラス微粒子堆積体の中心軸に垂直な平面における前記ガラス微粒子堆積体の円周の１／４以上１／２以下の領域を覆う大きさとし、堆積時間０．５以上１以下の時間帯は、前記バーナの火炎の大きさを、当該バーナの中心軸を含みガラス微粒子堆積体の中心軸に垂直な平面における前記ガラス微粒子堆積体の円周の１／４以上２／３以下の領域を覆う大きさとしてガラス微粒子を堆積させることを特徴とするガラス母材の製造方法。
請求項１に記載のガラス母材の製造方法であって、
前記バーナ後方から前記ガラス微粒子堆積体を通過し、このガラス微粒子堆積体を挟んで前記バーナと反対側へ流れる流体の流速を、２ｍ／秒以上４ｍ／秒以下とすることを特徴とするガラス母材の製造方法。