JP5691384B2 - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を製造するための製造方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材の製造容器は、その内部が母材製造時に高温状態になり、かつ腐食性ガスが生じるため、通常ＳＵＳ（ステンレス鋼）やＮｉ合金などの金属で製造される。特許文献１には、容器の壁をＮｉ基合金からなる外壁と石英ガラス板からなる内壁との２重構造にして、内壁の表面に、ＳｉＣをコーティングすることで熱歪みに割れにくく、不純物含有量を低く抑えることが可能となる容器の記載がある。同特許文献１には内壁厚みを０．５ｍｍ以上とする記載もある。

また、特許文献２には、容器の壁に、耐熱性に加え、耐酸性を有する例えば、Ｎｉ基合金、ＳＵＳ、Ａｌ等の金属材を採用し、壁内表面には壁面を酸や高温から防護するためのセラミック前駆体ポリマーを付着させ焼成してなるコーティング層が形成される容器の記載がある。また、同特許文献２には肉厚３ｍｍのＮｉ基合金で縦１．５ｍ、横０．６ｍ、奥行０．５ｍとした箱形の容器のサイズが実施例に記載されている。

実開平３−０７４６３２号公報 特開平９−１１１４６２号公報

容器の壁材には、上記したように一般的にＳＵＳやＮｉ等の金属を用いる場合が多いが、容器内容積を小さくすることにより、容器の製造コストを下げることができる。また、容器内に漂う余剰ガラス微粒子を排気するための風量を抑えることができるので、ランニングコストを抑えることができ、さらにガラス微粒子堆積体製造後に容器内に付着したガラス微粒子の清掃頻度を下げることもできるので、ガラス母材の製造コストを低く抑えることができる。一方、容器内容積を小さくすると、ガラス微粒子堆積体やガラス微粒子生成用バーナー等の熱源から容器までの距離が短くなるので容器が加熱され易くなり、容器内外の温度差や容器長手方向の温度差が原因で、熱変形を起こし、容器が破損する虞がある。破損した場合、設備を停止させて破損箇所のメンテナンスを行う必要があるので、生産稼働率が下がり、ガラス母材の製造コストが高くなる。また、破損したままガラス母材の製造を行うと外気が容器内に進入し、ガラス母材の品質が悪化することにもなる。容器内容積の縮小に伴い発生する容器の熱変形を抑えるためには、容器の厚みをより厚くすれば良いが、容器の厚みを上げすぎると材料費が上がり、容器の製造コストが高くなってしまう。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、設備のランニングコスト、イニシャルコストを下げ、安価で且つ高品質なガラス母材を製造することができるガラス母材の製造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） 容器内に出発棒とガラス微粒子生成用バーナーを設置し、前記ガラス微粒子生成用バーナーから噴出するガラス微粒子を前記出発棒に堆積してガラス微粒子堆積体を作製し、得られたガラス微粒子堆積体を高温加熱して透明ガラス母材を得るガラス母材の製造方法であって、容器内の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と容器の厚みｔ（ｍｍ）の関係が、５００≦√Ｓ×ｔ≦１００００であり、容器壁の温度分布が２００℃／ｍ以下である容器を用いて透明ガラス母材を得ることを特徴とするガラス母材の製造方法。
（２） （１）のガラス母材の製造方法であって、前記ガラス微粒子堆積体を、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法のいずれかで作製することを特徴とするガラス母材の製造方法。

このガラス母材の製造方法によれば、以下によりランニングコスト、イニシャルコストの低減が可能となる。すなわち、容器内の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と容器の厚みｔ（ｍｍ）としたとき、√Ｓ×ｔの値が５００を下回る場合は容器の熱劣化が発生しやすくなるので、容器のメンテナンス費用がかかって生産稼働率も下がり、結果としてガラス母材の製造コストが高くなる。反対に√Ｓ×ｔの値が１００００を上回る場合は、容器の材料費が上がり容器コストが高くなる、若しくは容器内容積が増えるため、必要とする排気風量が増加する。これに加え、容器内容積が増えれば余剰ガラス微粒子の排気効率が悪くなるため、容器内に付着したガラス微粒子を清掃する頻度が増加し、結果としてガラス母材の製造コストが高くなる。なお、上記した容器内の断面積とは、ガラス微粒子堆積体と軸方向と垂直な面での容器内部の面積を意味する。
また、容器壁の温度分布が２００℃／ｍを越えると容器壁内の熱膨張差により容器に熱変形や劣化が生じるため、容器のメンテナンス費用がかかって生産稼働率も下がり、結果としてガラス母材の製造コストが高くなる。したがって、上記寸法範囲、及び温度範囲による構成に基づいた容器によりガラス微粒子堆積体を作製することで、上記デメリットが排除され、より高品質なガラス母材が低コストで製造可能となる。

本発明に係るガラス母材の製造方法によれば、√Ｓ×ｔの値を５００以上１００００以下とし、温度分布を２００℃／ｍ以下とすることで、容器のイニシャルコストを下げ、設備のランニングコストを下げることができる。これらの効果で高品質なガラス母材を低コストで製造することができる。

本発明に係るガラス微粒子堆積体製造容器の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
なお、以下ではＶＡＤ法（気相軸付け法）による製造方法について説明するが、本発明は、ＶＡＤ法には限定されず、ＯＶＤ法（外付け法）や、ＭＭＤ法（多バーナ多層付け法）など、他のガラス微粒子堆積法に対しても適用できる。
図１は本発明に係るガラス微粒子堆積体製造容器の断面図である。
容器１１の内部には、光ファイバの母材となるガラス微粒子堆積体１３を製造するための内室１５が形成されている。内室１５は、製造するガラス微粒子堆積体１３を収容するのに十分な大きさの空間を有し、その内部にガラス微粒子堆積体１３の製造器具１７を備えている。製造器具１７は、例えば、支持棒１９、出発棒２０、コア用バーナー２１、クラッド用バーナー２３、及び排気口２５などにより構成される。支持棒１９は、その軸を鉛直方向に向けた棒体であって、その下端に出発棒２０が取り付けられ、上下動可能とされるとともに、軸回転自在に設置されている。

ガラス微粒子生成用バーナーであるコア用バーナー２１及びクラッド用バーナー２３は、出発棒２０の下端へ向けて、ガラス原料ガス、燃料ガス、助燃性ガス及びシールガスなどを噴射して、火炎２７とともに出発棒２０の下端にガラス微粒子を付着させ、ガラス微粒子堆積体を堆積させるものである。一般に、ガラス原料としてはＳｉＣｌ_４及びＧｅＣｌ_４、燃料ガスとしてはＨ_２、助燃性ガスとしてはＯ_２、シールガスとしてはＮ_２などが用いられる。排気口２５は、堆積体の堆積工程で発生するＣｌ_２やＨＣｌなどの腐食性ガス、及び堆積体に付着しなかったＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２の微粒子を内室外へ排出するためのものである。なお、この製造器具１７は、その他公知のものを採用してもよい。

容器１１の内室１５は、ガラス微粒子堆積体１３製造時の高温状態に耐え得る素材からなる容器壁１１ａで囲われた構造となっている。壁材は、耐熱性に加え、耐酸性を有するものを用いるのが好ましく、例えば、Ｎｉ基合金、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、Ａｌ等の金属材が採用される。

本発明ではＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法を用いた石英ガラス母材の製造方法において、容器１１内の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と容器壁１１ａの厚みｔ（ｍｍ）の関係を、５００≦√Ｓ×ｔ≦１００００とする。
容器内の断面積Ｓとはガラス微粒子堆積体１３の軸方向と垂直な面で、容器１１内部の面積とする。

容器１１の√Ｓ×ｔの値が５００を下回る場合は容器１１の熱劣化が発生しやすくなるので、容器１１のメンテナンス費用が掛かると共に、生産稼働率も下がり、この結果ガラス母材の製造コストが高くなる。反対に、容器１１の√Ｓ×ｔの値が１００００を上回る場合は容器１１の材料費が上がり容器コストが高くなる、若しくは容器内容積が増えるため、必要とする排気風量が増加する。また、余剰ガラス微粒子の排気効率が悪くなるため、容器内に付着したガラス微粒子を清掃する頻度が増加する。これらの結果、ガラス母材の製造コストが高くなる。また、容器壁１１ａの温度分布が２００℃／ｍを越えると容器壁内の熱膨張差により、容器１１に熱変形や劣化が生じるため、容器１１のメンテナンス費用が掛かると共に、生産稼働率も下がり、結果としてガラス母材の製造コストが高くなる。

これに対し、本実施の形態によるガラス母材の製造方法では、容器内の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と容器１１の厚みｔ（ｍｍ）の関係を５００≦√Ｓ×ｔ≦１００００にすることで、イニシャルコスト、ランニングコストが最適化されるようになされている。容器内容積が最適化された容器１１によれば、容器内に漂う余剰ガラス微粒子を排気するための風量を抑えると同時に、容器１１の熱劣化を抑えることができる。さらに好ましくは容器壁１１ａの温度分布を２００℃／ｍ以下にするとよい。これにより、容器壁１１ａの温度差が小さくなり、熱膨張差に起因する容器壁１１ａの変形や劣化が抑えられる。上記寸法に設定された容器１１を上記の温度分布で使用する本構成に基づきガラス微粒子堆積体１３が作製されることで、より高品質なガラス母材を低コストで提供可能となる。本構成はガラス微粒子生成用バーナー２１，２３の火炎２７の発熱量が１．６×１０^６ｋＪ／分以上となる場合に特に効果がある。

したがって、本実施の形態に係るガラス母材の製造方法によれば、√Ｓ×ｔの値を５００以上１００００以下とし、温度分布を２００℃／ｍ以下とすることで、容器のイニシャルコストを下げ、設備のランニングコストを下げることができる。これらの効果で高品質なガラス母材を低コストで製造することができる。

上記実施の形態と同様の構成で、色々な大きさの容器を用いて、ガラス微粒子の堆積を行う。容器の材質にはＳＵＳを用いる。ダミーガラス棒に直径２５ｍｍ、長さ４００ｍｍの純石英ガラスを使用する。コア用バーナーには原料ガスとしてＳｉＣｌ_４（０．３〜０．５ＳＬＭ）、ＧｅＣｌ_４（０〜０．０３ＳＬＭ）、火炎形成ガスとしてＨ_２（１０〜３０ＳＬＭ）、Ｏ_２（１５〜４０ＳＬＭ）、バーナーシールガスとしてＮ_２（５ＳＬＭ）を投入する。クラッド用バーナーには原料ガスとしてＳｉＣｌ_４（１〜７ＳＬＭ）、火炎形成ガスとしてＨ_２（１００〜１５０ＳＬＭ）、Ｏ_２（１５０〜２００ＳＬＭ）、バーナーシールガスとしてＮ_２（２０〜３０ＳＬＭ）を投入する。得られるガラス微粒子堆積体をＨｅと塩素の混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中にて１５５０℃に加熱して透明ガラス化し、ガラス母材を作製する。

断面積Ｓ（ｍｍ^２）、容器の厚みｔ（ｍｍ）、容器外壁の温度分布Ｔ（℃／ｍ）の異なるＶＡＤ用容器を使用してガラス母材の製造を繰り返し、ガラス母材の製造コストと設備コストとを加味したトータルコストＣを算出し、その結果を表１に示す。トータルコストＣは１年間の製造コストと設備コストを加えたものであり、比較例１のトータルコストを１とした場合の相対値とする。

表１より、√Ｓ×ｔの値が１００００を上回る比較例１に比べ、１００００以下である実施例１〜６の方がトータルコストが低く抑えられることがわかる。また、√Ｓ×ｔの値が５００を下回る場合（比較例２）は、比較例１よりもさらにトータルコストが高くなることがわかる。また、√Ｓ×ｔの値が５００以上１００００以下の範囲にある場合でも、容器外壁の温度分布が２００℃／ｍを上回る比較例３では、トータルコストが１より高くなることがわかる。

なお、本実施例ではＶＡＤ法を例にとって説明したが、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法においても同様の効果がある。また、本実施例では光ファイバ用コアガラス母材の製造を示したが、光ファイバ用ジャケットガラス母材の製造にも適用可能であるし、光ファイバ用ではないガラス母材の製造においても適用可能である。

１１ 容器
１１ａ 容器壁
１３ ガラス微粒子堆積体
１９ 支持棒
２０ 出発棒
２１ コア用バーナー（ガラス微粒子生成用バーナー）
２３ クラッド用バーナー（ガラス微粒子生成用バーナー）

Claims (2)

1. 容器内に出発棒とガラス微粒子生成用バーナーを設置し、前記ガラス微粒子生成用バーナーから噴出するガラス微粒子を出発棒に堆積してガラス微粒子堆積体を作製し、得られたガラス微粒子堆積体を高温加熱して透明ガラス母材を得るガラス母材の製造方法であって、
   容器内の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と容器の厚みｔ（ｍｍ）の関係が、５００≦√Ｓ×ｔ≦１００００であり、容器壁の温度分布が２００℃／ｍ以下である容器を用いて透明ガラス母材を得ることを特徴とするガラス母材の製造方法。
2. 前記ガラス微粒子堆積体を、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法のいずれかで作製することを特徴とする請求項１記載のガラス母材の製造方法。