JP5163416B2 - 多孔質ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、容器内でガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材を得る多孔質ガラス母材の製造方法に関し、特に、ガラス微粒子堆積終了後の冷却時に生じるクラックを抑止する改良技術に関する。

光ファイバの製造では先ず製造予定の光ファイバと相似の屈折率を有する光ファイバ母材が製造される。光ファイバ母材の製造方法には、ＶＡＤ（vapor-phase axial deposition:気相軸付け）法、ＭＣＶＤ（modified chemical vapor deposition:内付け）法、ＯＶＤ（outside chemical vapor deposition: 外付け）法があり、何れも主原料である四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）と屈折率を高める添加剤である四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ₄）などを気化して容器内に送り、加水分解反応にて酸化物微粒子を形成させた後、堆積、ガラス化する（例えば特許文献１，２参照）。

このうち、例えばＶＡＤ法では、燃焼している酸水素バーナの供給ガス中にガラス原料を送り、火炎加水分解反応で形成されたガラス微粒子を回転する縦方向の中心棒の外側から堆積させる。これにより、表面にガラス微粒子が堆積され、白色となった多孔質ガラス母材を合成する。この多孔質ガラス母材を高温で脱水・焼結することにより、透明ガラス化した母材を得る。母材冷却工程では、一般に堆積が終了した後、原料ガスを停止し、酸水素炎を消火してから直ちに外気による冷却が行われる。

特開２００１−４８５６７号公報 特開２００７−２２８７１号公報

しかしながら、多孔質ガラス母材の合成を終了する際、バーナからの火炎が停止するタイミングで多孔質ガラス母材が冷却されてクラックなどが生じて割れる問題がある。これは、バーナ火炎停止により多孔質ガラス母材が急冷され、多孔質ガラス母材の表面と内部の温度勾配が急峻となり、急冷時に生じる母材表面側と内部側の収縮率の差に起因する残留熱歪が増大してクラックとなるためである。これに対し、冷却速度を単に遅くすれば生産性を低下させる新たな不具合が生じる。特許文献１には堆積終了後における多孔質母材の冷却速度を３０℃／分以下に制御することが開示されるが、冷却速度が遅く生産性の低下が懸念された。また、特許文献２にはガラス微粒子堆積終了後のガラス微粒子堆積体を、エアを流し続けて冷却し、その表面温度が３００℃以下になるまで容器内で（６０分以内）冷却した後、容器から取り出し、かつ容器内での冷却開始から１分後以後のガラス微粒子堆積体の表面の温度差を３００℃以下に保つことが開示されるが、製造終了から３００℃に至るまでの冷却速度が速いと、ガラス微粒子堆積体が割れる虞がある。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、生産性を低下させることなく、ガラス微粒子堆積終了後のクラック発生を抑止する多孔質ガラス母材の製造方法を提供し、もって、歩留まりを向上させ、製造コストの低減を図ることを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 容器内でガラス合成用バーナにて合成されたガラス微粒子を出発ロッド上に堆積させて多孔質ガラス母材を得る多孔質ガラス母材の製造方法であって、
ガラス微粒子堆積終了後の容器内の多孔質ガラス母材を冷却するに際し、前記ガラス合成用バーナに流す燃料ガスの流量を徐々に減らすことにより、前記多孔質ガラス母材を前記ガラス合成用バーナで加熱しながら自然冷却時に比べ徐冷して前記多孔質ガラス母材の表面温度を所定温度まで降下させ、前記多孔質ガラス母材の表面温度が所定温度に達したら、自然冷却時に比べ急冷することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、容器内の多孔質ガラス母材が加熱されながら自然冷却時に比べ徐冷され、表面温度が所定温度まで緩やかに降下される。これにより、多孔質ガラス母材の表面と内部の温度勾配が緩やかになり、急冷時に生じる表面側と内部側の収縮率の差に起因する残留熱歪が減少し、クラックが生じ難くなる。なお、ここで言う自然冷却とは、容器内に製造終了した母材を入れたまま、外部からは加熱も冷却もせずに、室温で放置した状態で冷却されることを言うものとする。

（２） 前記多孔質ガラス母材の前記所定温度を５００℃とすることを特徴とする（１）の多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、残留熱歪が生じにくい温度まで低下させてから急冷するので、製造時間短縮への寄与が可能となる。

（３） 前記多孔質ガラス母材を急冷するため前記容器内にクリーンエアを供給することを特徴とする（１）又は（２）の多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、容器内に多孔質ガラス母材を収容したまま冷却が行え、供給するクリーンエアの任意な温度制御により、所望の冷却速度での急冷が可能となる。なお、人がハンドリングするためには、多孔質ガラス母材の表面温度が２００℃程度まで低下していることが必要であるが、このような方法で冷却することにより、製造時間短縮が可能となる。

（４） 前記容器内を加熱しながら徐冷するために、前記バーナに流す燃焼ガスの流量を徐々に減らすことを特徴とする（１）〜（３）の多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、Ｈ₂やＯ₂などの燃焼ガスの流量を徐々に減らすことで、他設備を増設せず、既存設備のままで容器内を加熱しながら徐冷が可能となる。

（５） 前記容器内を加熱しながら徐冷するために、前記容器内の雰囲気温度より高い温度のエアを流すことを特徴とする（１）〜（３）の多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、エアを容器内温度より高い温度に加熱して流すことにより、急冷されることが無いのでクラックの発生が抑止される。

（６） 前記容器内を加熱しながら徐冷している間、ガラス微粒子堆積中に流していた前記容器内へのクリーンエアの供給を停止することを特徴とする（１）〜（３）の多孔質ガラス母材の製造方法。

この多孔質ガラス母材の製造方法によれば、容器内に対するクリーンエアの供給及び排気に伴う急激な温度変動が生じ難くなり、容器内の加熱しながらの徐冷がより緩やかに且つ安定的に行えるようになる。また、容器内を加熱しながら徐冷している間、クリーンエアの供給を停止することで燃焼ガスの使用量を減らすことができる。

本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積終了後の容器内の多孔質ガラス母材を冷却するに際し、ガラス合成用バーナに流す燃料ガスの流量を徐々に減らすことにより、多孔質ガラス母材をガラス合成用バーナで加熱しながら徐冷して多孔質ガラス母材の表面温度を所定温度まで降下させるので、多孔質ガラス母材の表面と内部の温度勾配を緩やかにし、残留熱歪を減少させて、クラックの発生を抑止することができる。また、所定温度まで徐冷してから急冷し、ハンドリング可能な温度（２００℃以下）とするので、冷却に要する時間は延びることがない。この結果、生産性を低下させることなく、製造終了時の割れをなくし、歩留まりを向上させ、製造コストを下げることができる。

以下、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る製造方法の実施に用いられる製造装置の概略構成図、図２は本発明に係る製造方法及び比較例の製造終了からの表面温度と経過時間の相関を表したグラフである。
本実施の形態に係る製造方法の実施に用いられる製造装置１００は、容器であるチャンバー１１と、嵌合部１３と、ガラス合成用バーナ１５と、クリーンエアジェネレータ１７と、排気フード１９とを備えて構成される。

嵌合部１３は、光ファイバのコア部にあたるコアガラス若しくはコアガラスと一部クラッドを含んだ出発ロッド２１を垂直に保持し、出発ロッド２１の中心軸を回転軸として回転させる。

ガラス合成用バーナ１５は、出発ロッド２１の中心軸に沿って相対移動され、原料ガスである四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ₄）等、燃料ガスである水素ガス（Ｈ₂）、助燃料ガスである酸素ガス（Ｏ₂）及び不活性ガス（ＡｒやＮ_２等）を用いて加水分解反応若しくは熱酸化反応により火炎２３と共にガラス微粒子を生成し、出発ロッド２１の外周に多孔質スート２５を堆積させる。

クリーンエアジェネレータ１７は、チャンバー１１内にクリーンエアを供給する。排気フード１９は、チャンバー内壁へのスス付着を防ぐために、チャンバー内エアを効率よく排気できるようになされている。

上記構成を有する製造装置１００は、チャンバー１１内でガラス合成用バーナ１５にて合成されたガラス微粒子を出発ロッド２１上に堆積させて（式１参照）、多孔質ガラス母材２７を形成する。
ＳｉＣｌ₄＋２Ｈ₂＋Ｏ₂ → ＳｉＯ₂＋４ＨＣｌ （式１）

本実施の形態による製造装置１００を用いた多孔質ガラス母材２７の製造方法では、ガラス微粒子堆積終了後のチャンバー１１内の多孔質ガラス母材２７を冷却するに際し、ガラス合成用バーナ１５に流す燃料ガスの流量を徐々に減らすことにより、多孔質ガラス母材２７をガラス合成用バーナ１５で加熱しながら自然冷却に比べ徐冷して、図１に示すように、多孔質ガラス母材２７の表面温度を所定温度である５００℃まで降下させることを特徴としている。

より具体的には、製造終了時、多孔質ガラス母材２７の表面温度が５００℃以上の温度領域では、４０℃／分以上、８０℃／分未満の速度で冷却される。つまり、５００℃までは徐冷される。原料ガス停止直後の多孔質ガラス母材２７の温度が９００℃程度の場合、１０ｍｉｎ程度をかけて徐冷される。その後自然冷却に比べ急冷し、さらに表面温度が２００℃程度となった時点で多孔質ガラス母材２７はチャンバー１１から取り出される。

この製造方法では、チャンバー１１内の多孔質ガラス母材２７が加熱されながら徐冷され、表面温度が所定温度まで緩やかに降下される。つまり、５００℃降下までに、後述する比較例１に対し、図２で示す熱量Ｑ₁分だけ高温状態に維持される。これにより、ガラス微粒子堆積終了時から５００℃に到達する時刻までの間、多孔質ガラス母材２７の表面と内部の温度勾配が緩やかになり、急冷時（図１で示す比較例でのガラス微粒子堆積終了時から５００℃に到達する時刻までの間）に生じる表面側と内部側の収縮率の差に起因する残留熱歪が減少し、クラックが生じ難くなる。

また、本実施の形態による製造では、図１に示すように、多孔質ガラス母材２７の表面温度が所定温度（５００℃）に達したなら急冷することができる。残留熱歪が生じにくい温度まで低下させてから急冷するので、製造時間短縮への寄与を可能としている。

多孔質ガラス母材２７を急冷するため、チャンバー１１内にはクリーンエアを供給してもよい。つまり、製造中にクリーンエアを供給していたクリーンエアジェネレータを製造終了後には冷却手段としても使用する。クリーンエアによる急冷では、チャンバー１１内に多孔質ガラス母材２７を収容したまま冷却が行え、例えば多孔質ガラス母材２７をチャンバー１１外に取り出して冷却する場合に比べ、供給するクリーンエアの温度制御により、所望冷却速度での急冷が可能となる。なお、急冷の他の手段としては、多孔質ガラス母材２７を、チャンバー１１外の低温雰囲気中に取り出すものであってもよい。

チャンバー１１内を加熱しながら徐冷するためには、ガラス合成用バーナ１５に流す燃焼ガスの流量を徐々に減らすことで実現できる。Ｈ₂やＯ₂などの燃焼ガスの流量を徐々に減らすことで、他設備を増設せず、既存設備のままでチャンバー１１内を加熱しながら徐冷が可能となる。

また、チャンバー１１内を加熱しながら徐冷するためには、チャンバー１１内の雰囲気温度より高い温度のエア（ホットエア）を流してもよい。このように、エアを容器内温度より高い温度に加熱して流すことにより、急冷されることが無いので、クラックを生じ難くすることができる。

さらに、チャンバー１１内を加熱しながら徐冷している間、ガラス微粒子堆積中に流していたチャンバー１１内へのクリーンエアの供給を停止してもよい。これにより、チャンバー１１内に対するクリーンエアの供給及び排気に伴う温度変動が生じ難くなり、チャンバー１１内の加熱しながらの徐冷がより緩やかに且つ安定的に行えるようになる。また、少ない加熱で徐冷が可能となる。

したがって、本実施の形態による多孔質ガラス母材２７の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積終了後のチャンバー１１内の多孔質ガラス母材２７を冷却するに際し、ガラス合成用バーナ１５に流す燃料ガスの流量を徐々に減らすことにより、多孔質ガラス母材２７をガラス合成用バーナ１５で加熱しながら徐冷して多孔質ガラス母材２７の表面温度を所定温度まで降下させるので、多孔質ガラス母材２７の表面と内部の温度勾配を緩やかにし、残留熱歪を減少させて、クラックの発生を抑止することができる。また、所定温度まで徐冷してから急冷し、ハンドリング可能な温度（２００℃以下）とするので、冷却に要する時間は延びることがない。この結果、生産性を低下させることなく、製造終了時の割れをなくし、歩留まりを向上させ、製造コストを下げることができる。

（実施例１）
製造終了時、ガラス合成用バーナから流す燃焼ガスの流量を徐々に減らし、ガラス微粒子堆積体を表面温度が５００℃以下となるまで加熱しながら４０℃／分の冷却速度で徐冷し、更に、３５０℃以下となったところでクリーンエアを吹き付けて急冷させたところ、ガラス微粒子堆積体が割れる問題もなく、また、ガラス微粒子堆積体を取り出すまでの時間を３０分に短縮することができた。
（実施例２）
製造終了時、実施例１で示した方法でガラス微粒子堆積体を表面温度が５００℃以下となるまで加熱しながら４０℃／分の冷却速度で徐冷し、５００℃以下となったところでクリーンエアを吹き付けて急冷させたところ、ガラス微粒子堆積体が割れる問題もなく、また、ガラス微粒子堆積体を取り出すまでの時間を２３分に短縮することができた。
（実施例３）
製造終了時、加熱したエアを反応容器内に流し続け、徐々に加熱したエアを減らし、ガラス微粒子堆積体の表面温度が５００℃以下となるまで加熱しながら４０℃／分の冷却速度で徐冷し、５００℃以下となったところでクリーンエアを吹き付けて急冷させたところ、実施例２と同等の効果が得られた。但し、エアを加熱して供給する設備が必要となるため、設備が増加する。

比較例

（比較例１）
製造終了時、ガラス合成用バーナの火炎を停止させる一方、クリーンエアを供給し続けて急冷したところ、ガラス微粒子堆積体の表面と内部の温度勾配が急峻となり、堆積体表面側と内部側の収縮率の差に起因する残留熱歪が増大し、ガラス微粒子堆積体が割れる頻度は３％であった。また、ガラス微粒子堆積体を取り出すまでの時間は６０分を要した。
（比較例２）
製造終了時、クリーンエアの供給を停止させたところ、ガラス微粒子堆積体が割れる頻度が１％に減少した。この状態のまま徐冷し続け、ガラス微粒子堆積体を表面温度が２００℃以下となってから反応容器から取り出すとすると、表面温度が２００℃以下になるまで１００分以上の時間が必要となり、生産性が大幅に低下した。
（比較例３）
製造終了時、ガラス合成用バーナから流す燃焼ガスの流量を徐々に減らし、ガラス微粒子堆積体の表面温度が５００℃以下となるまで加熱しながら４０℃／分の冷却速度で徐冷したところ、ガラス微粒子堆積体が割れる問題がなくなった。しかし、急冷せずにそのままおいたところ、ガラス微粒子堆積体を取り出すまでの時間は７０分となった。
（比較例４）
製造終了時、ガラス合成用バーナから流す燃焼ガスの流量を徐々に減らし、ガラス微粒子堆積体の表面温度が５００℃以下となるまで加熱しながら８０℃／分の冷却速度で徐冷したところ、ガラス微粒子堆積体が割れる問題が再発した。８０℃／分未満の冷却速度とすることが好ましいと考えられる。

表１は、上記実施例に基づくガラス微粒子堆積体の割れ頻度と取り出しまでの時間を示したものである。この表１からも分るように、実施例１、２、３が好ましいことが判る。特に、実施例２と３が取り出しまでの時間も短く、設備費の増加もなく好ましいことが判る。

本発明に係る製造方法の実施に用いられる製造装置の概略構成図である。 本発明に係る製造方法と比較例の製造終了からの表面温度と経過時間の相関を表したグラフである。

符号の説明

１１ チャンバー（容器）
１５ ガラス合成用バーナ
２１ 出発ロッド
２７ 多孔質ガラス母材

Claims (4)

1. 容器内でガラス合成用バーナにて合成されたガラス微粒子を出発ロッド上に堆積させて多孔質ガラス母材を得る多孔質ガラス母材の製造方法であって、
   ガラス微粒子堆積終了後の容器内の多孔質ガラス母材を冷却するに際し、前記ガラス合成用バーナに流す燃料ガスの流量を徐々に減らすことにより、前記多孔質ガラス母材を前記ガラス合成用バーナで加熱しながら自然冷却時に比べ徐冷して前記多孔質ガラス母材の表面温度を所定温度まで降下させ、前記多孔質ガラス母材の表面温度が所定温度に達したら、自然冷却時に比べ急冷することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。
2. 前記多孔質ガラス母材の前記所定温度を５００℃とすることを特徴とする請求項１記載の多孔質ガラス母材の製造方法。
3. 前記多孔質ガラス母材を急冷するため前記容器内にクリーンエアを供給することを特徴とする請求項１又は２記載の多孔質ガラス母材の製造方法。
4. 前記容器内を加熱しながら徐冷している間、ガラス微粒子堆積中に流していた前記容器内へのクリーンエアの供給を停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多孔質ガラス母材の製造方法。

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