JP5343715B2

JP5343715B2 - 多重管バーナの製造方法及び多重管バーナの検査方法

Info

Publication number: JP5343715B2
Application number: JP2009136585A
Authority: JP
Inventors: 幹太八木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: JP2010280548A

Description

本発明は、隙間を隔てて同軸多重に配置した内側石英管に、外側石英管の基端部が溶接される多重管バーナの製造方法及び多重管バーナの検査方法に関し、特に、多重管構造の精度を向上させるための改良技術に関する。

光ファイバ用多孔質母材の製造法として、Ｈ₂ガスを燃焼ガスとし、Ｏ₂ガスを助燃ガスとし、Ａｒガス又はＮ₂ガスなどの不活性ガスをキャリアガス又はシールガスとし、ＳｉＣｌ₄、ドープ剤としてのＧｅＣｌ₄などの各種の原料ガスをバーナに供給し、これらの原料ガスの加水分解反応により生じたガラス微粒子を、堆積基準点に設置した出発ターゲット材に向けて噴出・堆積させる方法が知られている。

光ファイバ用多孔質母材は、製造時に金属系の不純物が混入すると光ファイバ化した際に伝送損失の増大を招くため、製造時の金属系不純物の混入を防止する目的で石英バーナが用いられる（例えば、特許文献１，２，３，４参照）。
図９（ａ），（ｂ）は、従来の石英多重管（４重管）バーナを示したものである。
石英多重管バーナ５００は、各種の原料ガス用に複数のガス導入路５０１ａ〜５０１ｄを備えたバーナ本体５０１と、バーナ本体５０１の各ガス導入路５０１ａ〜５０１ｄに接続される複数個のガス供給用枝管５０３ａ〜５０３ｄとを備えている。

バーナ本体５０１は、径の異なる複数本の石英管５０５，５０７，５０９，５１１相互を同心状に配置すると共に、隣接する石英管同士は内側の石英管の外周に外側の石英管の基端部５０７ａ，５０９ａ，５１１ａを溶接することで同心状多重管構造に形成される。このバーナ本体５０１は、最内側の石英管５０５の内部空間と、隣接する石英管相互間の隙間とが、それぞれ原料ガスを導くガス導入路５０１ａ〜５０１ｄとなる。

また、各ガス供給用枝管５０３ａ〜５０３ｄは、石英ガラス製の管体で、図示せぬガス供給装置からのガス供給用チューブを前述した各ガス導入路５０１ａ〜５０１ｄに接続するために、各石英管５０５〜５１１の基端部５０５ａ，５０７ａ，５０９ａ，５１１ａ寄り位置に溶接装備される。以上の石英多重管バーナ５００は、同心状多重管構造をなしたバーナ本体５０１の先端に、複数種の原料ガスによる火炎を形成する。

特開２００２−３１０６２２号公報特開２００６−１６２３５号公報特開２００５−２９３９６号公報特開２００４−５１３７８号公報

しかしながら、多重管バーナは、製造に熟練技術を要し、組み立て精度が得にくい問題があった。特に、円周方向の隙間のばらつきがバーナによって異なっていたり、隙間が軸方向で変化していたりすることがある。このため、バーナごとに火炎の歪み（軸対称性）や、多孔質母材の製造安定性（スス付け安定性、堆積効率）が異なることがあった。そして、バーナを取り付ける前にバーナの善し悪しを判別できないため、バーナ交換後に製品不良の発生する問題があった。
これに対し、特許文献１にはガラス管により構成される光ファイバ母材合成用バーナの先端部を検査するバーナの検査装置が開示されるが、先端部のみの検査であるため、バーナ管軸方向の寸法精度を確認できなかった。また、特許文献２には設計値に対する外径寸法及び内径寸法（或いは外径寸法又は内径寸法）が±０．１ｍｍ以下である筒体を用いて作成したバーナによってガラス粒子を生成する技術が開示されるが、精度の良い素管を用いても組み立て精度が悪い可能性がある。さらに、特許文献３には原料ガス供給パイプ及び複数のガス供給パイプのうち隣接する二つのパイプ間が長手方向の複数箇所において接続されているバーナが開示されるが、パイプ間の複数箇所を接続しても製造時に発生する軸方向の隙間のばらつきを抑制できるものではなかった。そして特許文献２，３の技術とも、組付け時の隙間のばらつきを抑制するような製造方法を規定しているものではない。また、特許文献４には先端部に精度の良い調芯用部材を挿入し先端の精度を維持しながらガラス管の組み付けを実施し、溶接後に調芯用部材を外して組み付けられる多重管バーナが開示されるが、先端部のみの位置決めのため、先端部の精度は出せるが、バーナ管軸方向の寸法精度まで出せるものではなかった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、第１の目的は、軸方向の管の隙間が溶接中に当初設定した値から変化しないようにできる多重管バーナの製造方法を提供することにある。また、第２の目的は、先端部のみでなく、軸方向の隙間のばらつきを検出できる多重管バーナの検査方法を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）隙間を隔てて同軸多重に配置した内側石英管に、外側石英管の基端部が溶接される多重管バーナの製造方法であって、
前記隙間に治具を長手方向中途まで挿入した状態で前記溶接を行うことを特徴とする多重管バーナの製造方法。

この多重管バーナの製造方法によれば、治具を隙間に入れることで、円周方向任意位置における隙間を、管軸に沿う方向に渡り、治具に倣って等しくすることができる。

（２）（１）の多重管バーナの製造方法であって、
前記隙間に治具を長手方向中途まで挿入した状態でアニールを実施することを特徴とする多重管バーナの製造方法。

この多重管バーナの製造方法によれば、アニール時の管の変形を防止することができる。

（３）（１）又は（２）の多重管バーナの製造方法であって、
前記治具が、円筒又は円筒を円周方向で分割した弧状であることを特徴とする多重管バーナの製造方法。

この多重管バーナの製造方法によれば、石英管の隙間に円筒または弧状の治具を挿入するので、素管の真円度を保つことができ、内側石英管と外側石英管双方との相対位置（同軸度、同心度）が高精度に位置決めできる。

（４）隙間を隔てて同軸多重に配置した内側石英管に、外側石英管の基端部が溶接される多重管バーナのバーナ間隔の精度を検査する検査方法であって、
円筒を円周方向で分割した弧状の治具を前記隙間に挿入して前記治具の挿入のし易さを数値化し、前記治具を前記隙間の円周方向複数箇所に挿入して前記数値の合計値を不具合値として前記多重管バーナの良否を判定することを特徴とする多重管バーナの検査方法。

この多重管バーナの検査方法によれば、弧状の治具を隙間の複数箇所に挿入し、その挿入のし易さを数値化し、その合計値を不具合値としているので、バーナ先端部だけでなく、バーナの長手方向の間隔精度の良否を含めた形で、多重管バーナの良否を評価することができる。

本発明に係る多重管バーナの製造方法によれば、隙間に治具を長手方向中途まで挿入した状態で溶接を行うので、軸方向の管の隙間が溶接中に当初設定した値から変化しないようにできる。

本発明に係る多重管バーナの検査方法によれば、弧状の治具を隙間に挿入して挿入のし易さを数値化するとともに、隙間の円周方向複数箇所に挿入して数値の合計値を不具合値として良否を判定するので、先端部のみでなく、軸方向の隙間のばらつきを検出できる。この結果、多重管バーナを使用する前にバーナの善し悪しを容易に把握でき、バーナ交換後の製品不良を減らすことができる。

本発明に係る製造方法の手順を（ａ）〜（ｅ）に示した工程説明図である。多重管バーナの軸線を含む面による縦断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。治具の挿入例を（ａ）〜（ｃ）に示した断面図である。検査用の治具の挿入状況を表した斜視図である。隙間検査票の一例を示した説明図である。隙間測定位置を示したバーナ正面図である。不具合結果を示した説明図である。従来の石英多重管バーナの構造説明図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。

以下、本発明の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手順を（ａ）〜（ｅ）に示した工程説明図、図２は多重管バーナの軸線を含む面による縦断面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。
本実施の形態に係る製造方法及び検査方法の説明に先立ち、その製造対象、検査対象となる多重管バーナについて説明する。
図２に示すように、多重管バーナ（本例では８重管を図示）１００は、光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造に使用するもので、Ｈ₂ガスを燃焼ガスとし、Ｏ₂ガスを助燃ガスとし、Ａｒガス又はＮ₂ガスなどの不活性ガスをキャリアガス又はシールガスとして、ＳｉＣｌ₄、ドープ剤としてのＧｅＣｌ₄などの各種の原料ガスによる火炎の加水分解反応により生じたガラス微粒子を、堆積基準点に設置した出発ターゲット材に向けて噴出・堆積させる製造法で使用する。

この多重管バーナ１００は、各種の原料ガス用に複数のガス導入路１１ａ〜１１ｈを備えたバーナ本体１３と、バーナ本体１３の各ガス導入路１１ａ〜１１ｈに接続される複数個のガス供給用枝管１５ａ〜１５ｈとを備えている。軸線Ｇに沿う方向の全長は、数１００ｍｍ程度にて製作される。

このバーナ本体１３は、径の異なる複数本の石英管１７，１９，２１，２３，２５，２７，２９，３１（１７〜３１）相互を同心状に配置すると共に、隣接する石英管同士は内側石英管の外周に外側石英管の基端部１９ａ〜３１ａを溶接することで、同心状多重管構造に形成されている。バーナ本体１３は、最内側の石英管１７の内部空間と、隣接する石英管相互間の隙間が、それぞれガス導入路１１ａ〜１１ｈとなっている。

また、各ガス供給用枝管１５ａ〜１５ｈは、石英ガラス製の管体で、図示せぬガス供給装置からのガス供給用チューブを接続するために、各石英管１７〜３１の基端部１７ａ〜３１ａ寄り位置に溶接装備されている。また、本実施の形態による多重管バーナ１００は、石英管２３〜３１の先端が軸線Ｇに直交する垂直面３３上に配置され、石英管２１〜１７が垂直面３３よりも後退した位置に配置される。
以上の多重管バーナ１００は、同心状多重管構造を成したバーナ本体１３の先端に、複数種の原料ガスによる火炎を形成する。すなわち、多重管バーナ１００は、径の異なる８本の石英管相互が同心状に配置され、第１の火炎を形成する内側３本の石英管２１〜１７が、第２の火炎を形成する外側５本の石英管２３〜３１の先端より後退した８重管２重火炎バーナを構成している。

次に、本発明に係る多重管バーナの製造方法について図１を参照して説明する。図１は図２のＣ部近傍を表す。
本実施の形態では、内側石英管２１の外周に、外側石英管２３を溶接するが、本発明に係る製造方法は、全ての石英管１７〜３１を予め挿入しておき、基端部１９ａ〜３１ａを一工程で溶接するものであってもよい。
内側石英管２１に外側石英管２３を溶接するには、先ず、図１（ａ）に示すように、内側石英管２１の外周に沿って治具３５ａを置き、図１（ｂ）に示すように、治具３５ａを内側石英管２１の軸線Ｇ方向の所定位置にまで配置する。治具３５ａは、少なくとも軸線Ｇに沿う方向に１０ｍｍ以上挿入される。治具３５ａは、例えばカーボン製のものを好適に用いることができる。カーボン製とすることで、高精度な加工品が得られ、抜き取り作業が容易（破壊による取り出しが可能）となるとともに、酸化（燃焼）による除去も可能となる。

図４は治具の挿入例を（ａ）〜（ｃ）に示した断面図である。
治具３５ａは、図４（ａ）に示す円筒、又は図４（ｂ）に示す円筒を円周方向で分割した弧状の治具３５ａＡとすることができる。円筒または弧状の治具３５ａを挿入することで、素管の真円度を保つことができ、内側石英管２１と外側石英管２３との相対位置（同軸度、同心度）が高精度に位置決めできる。

次いで、図１（ｃ）に示すように、外側石英管２３を成形前の基端部２３ａ側から内側石英管２１の外側に挿入する。外側石英管２３は、図１（ｄ）に示すように、基端部２３ａが、治具３５ａに同心円状に外挿されるまで挿入する。基端部２３ａは、溶接代を治具３５ａよりも挿入方向側（図１の右側）へ突出させておく。

内側石英管２１と外側石英管２３が位置決めされたなら、図１（ｅ）に示すように、外側石英管２３の基端部２３ａを、バーナ等の加熱手段３９にて円周方向に渡って縮径方向に加熱変形させ、変形先端を内側石英管２１の外周に溶接する。この間、基端部２３ａは、内側石英管２１との間に挟入された治具３５ａにより同心円状に高精度に位置が保持され続ける。

つまり、隙間であるガス導入路１１ｂ〜１１ｈに治具３５ａを円周方向に入れたまま溶接を行う。ここで、「円周方向に入れたまま」とは、図４（ａ）に示す「円周方向全周に入れたまま」と、図４（ｂ）に示す「一部分の円周方向に入れたまま」の双方の意味を含む。また、治具３５ａは、図４（ｃ）に示すように、精度確保の重要度の高い隙間（例えば原料ガスが出る隙間）であるガス導入路１１ｄのみに入れることとしてもよい。これにより、治具挿入作業を容易にして特に精度確保の重要度の高いガス導入路１１ｄが高精度となり、火炎対称性に優れ、寿命の長い多重管バーナを得ることができる。

この製造方法では、治具３５ａをガス導入路１１ｂ〜１１ｈに入れることで、円周方向任意位置における隙間が、軸線Ｇに沿う方向に渡り治具３５ａに倣って等しくなる。この結果、長手方向全長に渡る石英管１７〜３１の位置精度が確実に確保される。

また、多重管バーナ１００の製造方法では、作業中に生じる熱歪を緩和するためのアニールが行われることがある。本製造方法では、ガス導入路１１ｂ〜１１ｈに治具３５ａを円周方向に入れたままアニールを実施する。これにより、アニール時の石英管１７〜３１の変形を防止することができる。

次に、本発明に係る多重管バーナのバーナ間隔の精度を検査する検査方法について説明する。
図５は検査用の治具の挿入状況を表した斜視図、図６は隙間検査票の一例を示した説明図、図７は隙間測定位置を示したバーナ正面図である。
多重管バーナ１００のバーナ間隔の精度を検査する検査方法は、円筒を円周方向で分割した弧状の治具４１を、ガス導入路１１ｂ〜１１ｈに挿入して治具４１の挿入のし易さを数値化し、治具４１をガス導入路１１ｂ〜１１ｈの円周方向複数箇所に挿入して得られた数値の合計値を不具合値とする。これにより、多重管バーナ１００の良否を判定する。

治具４１は、上記治具３５ａと同様にカーボン製とすることで、精度、加工性、経済性を高めることができる。治具３５ａの円周方向の弧長Ｐは、少なくとも各ガス導入路１１ｂ〜１１ｈにおいて、円周を四等分割した長さ以下のものを揃える。これは、隣接する検査位置との干渉を回避するためである。各ガス導入路１１ｂ〜１１ｈは曲率が異なるので、治具４１は、各ガス導入路１１ｂ〜１１ｈ用のものが必要となる。但し、差し替えできるので、各ガス導入路１１ｂ〜１１ｈ用は一つでよい。

検査方法には、図６に示す隙間検査票を用いる。隙間検査票は、上段の左列からロット欄５１、バーナＮｏ欄５３、測定方向欄５５、例えば、２層目、４層目、６層目、８層目とした場合の治具４１の挿入可能長（ｍｍ）欄５７、不具合点数欄５９が設けられ、これらが各バーナＮｏに対応する。測定方向は、例えば図７に示す内側石英管、外側石英管の断面視で円周方向を四等分割した位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。

多重管バーナ１００の各ガス導入路１１ｂ〜１１ｈの各測定位置に、治具４１を挿入し、その数値を隙間検査票に集計する。治具４１をガス導入路１１ｂ〜１１ｈに挿入することで、軸方向の隙間の大小が検出可能となる。

隙間検査票には、治具４１を各層の各位置に挿入して得られる数値が記入されている。隙間検査票において、挿入可能長欄は、治具４１を挿入できた長さを示す。数値の右側に「小」と記載したものは挿入時に抵抗を感じた箇所を示す。深く挿入できなかった箇所を網掛けとし、挿入はできたが抵抗を感じた箇所を斜線掛けとした。斜線掛けの箇所を不具合「１」とし、網掛けの箇所を不具合「２」とした合計点が算出され、不具合点数欄５９に記入される。したがって、数値が大きいほどバーナの寸法精度が悪いことを示す。
なお、本実施形態による多重管バーナの製造方法により製造したバーナを同様に検査した場合の結果を改良品♯９として示しているが、この場合不具合点数は、全ての位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて「０」であった。

図８は不具合結果を示した説明図である。
隙間検査票を作成することにより、図８に示す不具合点数に基づく評価図を得ることができ、不具合点数に閾値を設けることにより、バーナの良品を判断することができる。例えば、不具合点数が５点以下のものを良好と判断し、５点より大きいものを不良と判断すれば、良品＃３や、不良品＃７が容易に判定できる。

本実施の形態による多重管バーナの製造方法によれば、隙間に治具３５ａを円周方向に入れたまま溶接を行うので、溶接時、軸方向の管の隙間が変化しないようにできる。

また、本実施の形態による多重管バーナのバーナ間隔の精度を検査する検査方法によれば、弧状の治具４１を隙間に挿入して挿入のし易さを数値化するとともに、隙間の円周方向複数箇所に挿入して数値の合計値を不具合値として良否を判定するので、先端部のみでなく、軸方向の隙間のばらつきを検出できる。この結果、多重管バーナ１００を使用する前にバーナ１００の善し悪しを容易に把握でき、バーナ交換後の製品不良を減らすことができる。

１１ｂ〜１１ｈガス導入路（隙間）
１７ａ〜３１ａ基端部
２１内側石英管
２３外側石英管
３５ａ治具
４１弧状の治具
１００多重管バーナ

Claims

隙間を隔てて同軸多重に配置した内側石英管に、外側石英管の基端部が溶接される多重管バーナの製造方法であって、
前記隙間に治具を長手方向中途まで挿入した状態で前記溶接を行うことを特徴とする多重管バーナの製造方法。
請求項１記載の多重管バーナの製造方法であって、
前記隙間に治具を長手方向中途まで挿入した状態でアニールを実施することを特徴とする多重管バーナの製造方法。
請求項１又は請求項２記載の多重管バーナの製造方法であって、
前記治具が、円筒又は円筒を円周方向で分割した弧状であることを特徴とする多重管バーナの製造方法。
隙間を隔てて同軸多重に配置した内側石英管に、外側石英管の基端部が溶接される多重管バーナのバーナ間隔の精度を検査する検査方法であって、
円筒を円周方向で分割した弧状の治具を前記隙間に挿入して前記治具の挿入のし易さを数値化し、
前記治具を前記隙間の円周方向複数箇所に挿入して前記数値の合計値を不具合値として前記多重管バーナの良否を判定することを特徴とする多重管バーナの検査方法。