JP5962382B2

JP5962382B2 - ガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法

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Publication number: JP5962382B2
Application number: JP2012209689A
Authority: JP
Inventors: 石原　朋浩; 朋浩石原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-09-24
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Description

本発明は、ＶＡＤ法（気相軸付け法）、ＯＶＤ法（外付け法）、ＭＭＤ法（多バーナー多層付け法）などによりガラス微粒子を出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を製造するガラス微粒子堆積体の製造方法およびこのガラス微粒子堆積体を加熱して透明化するガラス母材の製造方法に関する。

従来から、ガラス母材の製造方法としては、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等によりガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程と、このガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を作製する透明化工程とを含む製造方法が知られている。

例えば、下記特許文献１には、ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、ガラス合成バーナーの火炎を二重火炎とし、原料ガスの流速、内側火炎に流す水素ガスの流速、および外側火炎に流す水素ガスの流速をそれぞれ規定し、ガラス微粒子を効率よく反応させて、多孔質ガラス母材の合成を行なうようにしたものが開示されている。

また、下記特許文献２、３には、ＶＡＤ法などによる光ファイバ母材の製造方法において、ガラス合成用バーナーの火炎を多重化し、内側火炎を外側火炎よりも退行させることにより、大型のガラス母材を高速かつ安定に製造する方法が開示されている。

また、下記特許文献４には、ＶＡＤ法などによるガラス母材の製造方法において、ガラス微粒子生成用バーナーを多重火炎構造とし、第２火炎を形成する水素ガス及び酸素ガスの流量を最適化する事でサーモホレシス効果（ガス雰囲気中を浮遊する微粒子がガス雰囲気の高温領域から低温領域に向かう力を受け、移動する現象）を促進させて、ガラス微粒子の堆積速度や付着効率を上げるようにしたものが開示されている。

特開昭６３−１５９２３４号公報特開平０４−２２８４４１号公報特開平０４−２２８４４２号公報特開平０５−０２４８５５号公報

しかしながら、特許文献１〜４に記載の光ファイバ母材（ガラス母材）の製造方法では、ガラス原料ガス供給量に対するガラス微粒子堆積量の割合、すなわちガラス微粒子生成用バーナーの火炎内で生成されたガラス微粒子を出発ロッドやガラス微粒子堆積体に効率良く付着させることに限界があった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、生成されたガラス微粒子を出発ロッドやガラス微粒子堆積体により効率良く付着させることができるガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法の提供を目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、反応容器内に出発ロッド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が形成する火炎内でガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を前記出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では２００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では０〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を一定にする若しくは温度を下げることを特徴とするものである。

また、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では３００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることが好ましい。

また、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では４００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることが好ましい。

また、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では６００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることが好ましい。

また、本発明のガラス母材の製造方法は、上述のガラス微粒子堆積体の製造方法によってガラス微粒子堆積体を製造し、当該製造したガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を製造する透明化工程を有することを特徴とするものである。

また、本発明のガラス母材の製造方法は、前記堆積工程におけるガラス微粒子の堆積を、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法のいずれかにより行うことが好ましい。

本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法によれば、バーナー火炎上流側の高温部で原料反応が促進され、酸化珪素ガスが多く生成される。一方、火炎下流側の低温部では、酸化珪素ガスが酸化珪素粒子に変化し易くなる。これによりガラス微粒子生成用バーナーで生成されるガラス微粒子の数が増え、また粒子径が大径化することにより、乱流拡散により凝集（粒子間の結合）が促進される。これらの効果により、ガラス微粒子の慣性力が増加して火炎ガスの流れから離脱し易くなり、生成されたガラス微粒子を出発ロッドやガラス微粒子堆積体により効率良く付着させることができる。

本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法を実施する製造装置の一形態を示す構成図である。ガス供給配管の長手方向の配管内における原料ガスの温度変化を示す図である。ガラス微粒子がガラス微粒子堆積体に堆積する際のガラス微粒子の動きを説明する模式図である。バーナー火炎の長手方向における温度変化を示す図である。ガラス微粒子を生成するバーナーの一形態を示す断面図である。ガラス微粒子を生成するバーナーの別の一形態を示す正面図である。

以下、本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法およびガラス母材の製造方法の実施形態の例を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に示す製造方法としては、ＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法を例に説明するが、本発明はＶＡＤ法に限定されるものではない。ＶＡＤ法と同様にガス状原料からガラスを堆積させるいわゆるＣＶＤ法に分類される製造法、例えば、ＯＶＤ法やＭＭＤ法等に本発明を適用することも可能である。

図１は、本実施形態のガラス微粒子堆積体の製造方法を実施する製造装置１の構成図である。製造装置１は、反応容器２と、昇降回転装置３と、ガス供給装置２１と、クラッド用バーナー２２と、各部の動作を制御する制御部５を備えている。

反応容器２は、ガラス微粒子堆積体Ｍが形成される容器であり、容器の側面に取り付けられた排気管１２を備えている。

昇降回転装置３は、支持棒１０および出発ロッド１１を介してガラス微粒子堆積体Ｍを昇降動作、および回転動作させる装置である。昇降回転装置３は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づいて支持棒１０の動作を制御している。昇降回転装置３は、ガラス微粒子の堆積面の成長に合わせてガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる。

支持棒１０は、反応容器２の上壁に形成された貫通穴を挿通して上下方向に配置されており、反応容器２内に配置される一方の端部（図において下端部）には出発ロッド１１が取り付けられている。支持棒１０は、他方の端部（図において上端部）を昇降回転装置３により把持されている。

出発ロッド１１は、ガラス微粒子が堆積されるロッドであり、支持棒１０に取り付けられている。

排気管１２は、出発ロッド１１およびガラス微粒子堆積体Ｍに付着しなかったガラス微粒子を反応容器２の外部に排出する管である。

クラッド用バーナー２２には、原料ガス（及び火炎形成用ガス）をガス供給装置２１により供給する。このクラッド用バーナー２２は、例えば８重管などの多重管バーナーである。なお、図１中において、火炎形成用ガスを供給するガス供給装置は省略されている。
ガス供給装置２１は、液体原料２３を貯留する原料容器２４と、原料ガスの供給流量を制御するＭＦＣ２５と、原料ガスをクラッド用バーナー２２へ導くガス供給配管２６と、原料容器２４とＭＦＣ２５とガス供給配管２６の一部を所定温度に保つ温調ブースからなる。なお、ＭＦＣ２５による原料ガス供給量の制御は、制御部５からの指令値に基づき行われる。また、原料容器２４、ＭＦＣ２５、およびガス供給配管２６は、ガス供給装置２１による温度制御によって所定の温度に調整される。

ＭＦＣ２５は、クラッド用バーナー２２から噴射する原料ガスの流量を制御する装置である。原料容器２４内で気化された原料ガスは、ＭＦＣ２５の流量制御によってクラッド用バーナー２２へ供給される。ＭＦＣ２５は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づいてクラッド用バーナー２２へ供給する原料ガスの供給量の制御を行なっている。

原料容器２４内の液体原料２３は、温調ブース内で沸点（例えば、ＳｉＣｌ_４の場合の標準沸点は５７．６℃）以上の温度に制御され、原料容器２４内で気化し、ＭＦＣ２５によりクラッド用バーナー２２へ供給する原料ガスの供給量が制御される。ガス供給配管２６は、原料ガスをクラッド用バーナー２２へ導く配管であり、当該配管の温度を２００℃未満で保持する場合には、その材質をフッ素樹脂（テフロン（登録商標））等で構成することができる。また、ガス供給配管２６の温度を２００℃以上の温度で保持する場合には、その材質は耐熱性に優れたＳＵＳ等の金属製のもので構成することが好ましい。

クラッド用バーナー２２は、火炎中において原料ガスを火炎加水分解し、それによって生じたガラス微粒子２７を出発ロッド１１に噴き出し堆積するガラス微粒子生成用バーナーである。原料ガスは、ガス供給装置２１から供給されており、クラッド用バーナー２２の先端部は反応容器２内部に突出して設置されている。なお、火炎形成用ガスを供給する装置の図示は省略している。

クラッド用バーナー２２には、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４、火炎形成ガスとしてＨ_２、Ｏ_２、バーナーシールガスとしてＮ_２等が投入される。このクラッド用バーナー２２の酸水素火炎内で、火炎加水分解反応によってガラス微粒子２７が生成され、生成されたガラス微粒子２７が出発ロッド１１に堆積されて、所定外径のガラス微粒子堆積体Ｍが作製される。

制御部５は、昇降回転装置３、ガス供給装置２１等の各動作を制御している。制御部５は、昇降回転装置３に対して、ガラス微粒子堆積体Ｍの昇降速度および回転速度を制御する制御信号を送信している。また、制御部５は、ガス供給装置２１のＭＦＣ２５に対して、クラッド用バーナー２２から出発ロッド１１（ガラス微粒子堆積体Ｍ）に噴き出すガスの流量を制御する制御信号を送信している。

また、ガス供給配管２６の温度を高温に保持するために、ガス供給装置２１からクラッド用バーナー２２までの間に配置されたガス供給配管２６の外周と、ガス供給配管２６側の端部からクラッド用バーナー２２の全長に対し１／３以下の領域の外周には、発熱体であるテープヒータ２８が巻き付けられている。テープヒータ２８は、金属発熱体やカーボン製繊維状面発熱体の極細撚線を保護材で覆ったフレキシブルなヒータによって構成される。このテープヒータ２８が通電されることでガス供給配管２６やクラッド用バーナー２２が加熱され、クラッド用バーナー２２から噴出される原料ガスの温度を上昇させることができる。

また、ガス供給配管２６の内径は、流れる原料ガスのレイノルズ数（Ｒｅ数）を考慮して設定する。すなわち、ガス供給配管２６及びクラッド用バーナー２２内を流れる原料ガスのレイノルズ数が、２０００以上、好ましくは４０００以上、さらに好ましくは８０００以上となるように、ガス供給配管２６の内径を設計する。これにより、ガス供給配管２６内での原料ガスの流れが乱流化され、原料ガスはガス供給配管２６内で効率的に加熱されて温度が上昇し易くなる。図２に、ガス供給配管２６の全長を１４０℃の一定値に加熱した場合のガス供給配管２６内を流れる原料ガスの温度を示す。図に示すように、Ｒｅ数が高くなる程、ガス供給配管２６内を流れる原料ガスは加熱され易くなることが分かる。そして、原料ガスが加熱されるに伴い、クラッド用バーナー２２から噴出される原料ガスの温度を上昇させることが可能になる。

なお、テープヒータ２８を巻いたガス供給配管２６とクラッド用バーナー２２の最外周には、断熱材である断熱テープ（図示省略）が巻回されている方が好ましい。断熱テープを巻回することによってテープヒータ２８の消費電力を低く抑えることができる。

また、ガス供給配管２６の長手方向における温度分布は、原料容器２４からクラッド用バーナー２２へ向かうにしたがって温度が高くなるように制御することが好ましい。これにより、原料容器２４からクラッド用バーナー２２に向かって流れる原料ガスの流速が加速するため、火炎内で生成されるガラス微粒子２７は乱流拡散により凝集（粒子間結合）し、図３に示すように、結合した粒子群３０Ａは、火炎ガス流Ｇから離脱し易くなり、出発ロッド１１やガラス微粒子堆積体Ｍへのガラス微粒子２７の付着効率をさらに向上させることができる。具体的には、ガス供給配管２６およびクラッド用バーナー２２の温度勾配を５℃／ｍ以上、好ましくは１５℃／ｍ以上、更に好ましくは２５℃／ｍ以上とすることで、ガラス微粒子２７の付着効率を＋１〜５％高めることができる。

ここで、図４に、クラッド用バーナー２２から噴出されるバーナー火炎の中心軸における各位置の火炎温度を示す。横軸にはバーナー火炎の長手方向の位置、すなわちクラッド用バーナー２２の原料噴出口先端からの距離を示す。横軸の左方向が火炎の上流方向、右方向が火炎の下流方向に相当している。また、縦軸にはバーナー火炎の中心軸の温度を示す。

図に示されるように、クラッド用バーナー２２から噴出したバーナー火炎の温度は、原料噴出口の先端から下流に向かい所定領域において略等しい値を示している。続いて、さらに下流方向へ進むと、バーナー火炎の温度は徐々に上昇して所定の位置において最高値を示す。続いて、さらに下流方向へ進むと、その最高値から徐々に下降していく。すなわち、本発明においてバーナー火炎の温度勾配は、その最高点の位置が、バーナー火炎の下流端ではなく、上流側に設定されている。そして、ガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面が、この温度最高点の位置よりも下流側で温度が最高値よりも低下した位置、すなわち温度下降領域に配置されている。

図４に基づいて具体的にいえば、バーナー火炎は、原料噴出口の先端の位置（横軸０.０５の位置）から長手方向（火炎の下流方向）に向かい０.０５ｍ間の領域において約５２０Ｋの等しい温度を示している。続いて、さらに下流方向へ進むと、火炎の温度は徐々に上昇して原料噴出口の先端から約０.０９５ｍの位置（横軸約０.１４５の位置）において最高値である約８６０Ｋに達する（Ｐ領域）。続いて、さらに下流方向へ進むと、火炎の温度は上記最高値から徐々に下降して原料噴出口の先端から約０.１５ｍの位置（横軸約０.２の位置）において約７８０Ｋに達する（Ｑ領域）。そして、ガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面が、原料噴出口の先端から約０.０９５ｍの位置（横軸約０.１４５の位置）よりも下流側の位置（Ｑ領域）、すなわち最高温度値（約８６０Ｋ）よりも低下した温度の位置に配置されている。なお、図４の中心軸温度とは、中心軸に原料ガスやガラス微粒子が存在する場合は、それらの温度を示すものとする。

このような温度勾配を有するバーナー火炎を噴出するために、クラッド用バーナー２２には、例えば、多重管バーナー突き出し構造のもの、あるいは焦点型のマルチノズル構造のものが好ましく用いられる。

図５は、多重管バーナー突き出し構造を有するクラッド用バーナーの一形態を示すものである。
図５に示すクラッド用バーナー２２は、突き出し構造を有する８重管バーナーである。なお、図はバーナー先端側の一部のみを示す縦（軸方向）断面図であり、軸対称であるため、バーナー中心軸に対して一方側のみを示している。この突き出し構造の多重管バーナーは、バーナー中心軸側に内側火炎を形成し、内側火炎の外側に外側火炎を形成することができる構造のものである。このような二重火炎を生成するため、外側火炎を形成する外側多重管の長さが、内側火炎を形成する内側多重管の長さよりも原料ガスの噴出口側に長く形成されている。

このような構造により、例えば長さの短い内側多重管によって形成される内側火炎による焦点（上流側）では、内側多重管から噴出される火炎形成ガス流量を調整することにより火炎温度を高くすることができる。また、長さの長い外側多重管によって形成される外側火炎による焦点（下流側）では、外側多重管から噴出される火炎形成ガス流量を調整することにより火炎温度を低く抑えることができる。

また、このようにクラッド用バーナー２２の外側多重管が内側多重管より突き出す構造とすることで、突き出し部の限られた容積中で酸化珪素ガスが生成されるため、酸化珪素ガスの分圧を上げ易くなる。これにより、酸化珪素ガスから酸化珪素粒子への反応を促進させることができる。なお、酸化珪素とはＳｉＯ、ＳｉＯ_２等の珪素酸化物のことを総称する（以下において同じ）。

図６は、焦点型のマルチノズル構造を有するクラッド用バーナーの一形態を示すものである。
図６に示すクラッド用バーナー２２ａは、中央にガラス原料ガスを噴出する原料ポート４１ａを有し、原料ポート４１ａの外周のポート４１ｂから不活性ガスからなるシールガスが噴出される。クラッド用バーナー２２ａは、さらに、その周囲に燃焼用ガスを噴出する燃焼ガスポート４２が複数個配置されているバーナーである。中心の原料ポート４１ａからは、例えば、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）といったガラス原料ガスが噴出される。また、燃焼ガスポート４２は二重構造になっており、中心のポート４２ａから助燃性ガスである酸素（Ｏ_２）が噴出され、外周ポート４２ｂから可燃性ガスである水素（Ｈ_２）が噴出される。

燃焼ガスポート４２は、ガスの噴射方向が、クラッド用バーナー２２ａの先端から所定寸法離れたクラッド用バーナー２２ａの中心軸上の所定位置に向けてそれぞれ傾けられている。つまり、クラッド用バーナー２２ａは、燃焼ガスポート４２から噴出される燃焼用ガスが、原料ポート４１ａから噴出される原料ガスに、クラッド用バーナー２２ａの先端から所定寸法離れた焦点位置において交わる焦点型のマルチノズルバーナーの構造を有している。クラッド用バーナー２２ａでは、燃焼用ガスによって発生した酸水素火炎中にガラス原料ガスが噴出され、加水分解反応によって酸化珪素ガスが生じ、その後、酸化珪素粒子が合成される。

そして、このような構造により、酸水素火炎の広がりを抑えて狙った位置に火炎のエネルギーを集中させることができる。例えば、燃焼用ガスを噴出する燃焼ガスのポート４２を径方向で複数位置に配置し、それぞれの燃焼ガスポート４２から噴出する燃焼ガスが原料ポート４１ａから噴出される原料ガスと交わる焦点位置を変えることで、火炎の上流側と下流側の２箇所でエネルギーを集中させて２つの焦点を作製するようにする。そして、上流側の焦点では、燃焼ガスポート４２から噴出する酸水素ガスの流量を調整して火炎温度を高くすることができる。また、下流側の焦点では、燃焼ガスポート４２から噴出する酸水素ガスの流量を調整して火炎温度を低くすることができる。

このように多重管突き出し構造、あるいは焦点型のマルチノズル構造のクラッド用バーナーを用いて、バーナー中心軸上の火炎上流部における温度を上げることにより、すなわち温度分布の最高温度になる位置を火炎上流部に移動させることにより、原料容器２４からクラッド用バーナー２２（２２ａ）を通じてバーナー火炎内に噴出した原料ガスの温度を早く高めることができ、バーナー火炎内における原料ガスの火炎加水分解反応が促進され、酸化珪素ガスが生成され易くなる。

また、火炎の上流部における最高温度の位置から火炎の下流側に向かって火炎の温度を下げることにより、当該温度が下降した火炎の下流部、すなわち火炎の低温部では酸化珪素ガスが酸化珪素粒子へ変化し易くなってガラス微粒子の生成が促進される。これにより火炎内で生成されるガラス微粒子の数が増加すると共に、ガラス微粒子の外径も大きくなる。さらに、ガラス微粒子の粒子径が大きくなると、乱流拡散による凝集（粒子間の結合）が促進する。そして、これらの作用により、バーナー火炎内におけるガラス微粒子の慣性力が増加し、ガラス微粒子が火炎ガスの流れから離脱し易くなり（図３の３０Ａ参照）、出発ロッド１１やガラス微粒子堆積体Ｍへのガラス微粒子２７の付着効率を向上させることができる。なお、火炎中心軸における温度の絶対値はおおよそ４００〜２０００Ｋ（１２７〜１７２７℃）の範囲になる。

次に、本発明に係るガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法の手順について説明する。
［堆積工程］
本発明はＶＡＤ法（気相軸付け法）によってガラス微粒子の堆積を行いガラス微粒子堆積体Ｍを製造する。先ず、図１に示すように、昇降回転装置３に支持棒１０を取り付け、さらに支持棒１０の下端部に出発ロッド１１を取り付けた状態で、出発ロッド１１及び支持棒１０の一部を反応容器２内に納める。

続いて、ＭＦＣ２５は、制御部５から送信されてくる制御信号に基づき、供給量を制御しながら原料ガスをクラッド用バーナー２２に供給する。

クラッド用バーナー２２には、原料ガス及び酸水素ガス（火炎形成ガス）を投入し、原料ガスを酸水素火炎内で加水分解反応させることでガラス微粒子を生成する。

このとき、バーナー火炎内における火炎加水分解反応を促進するために、ガス供給装置２１からクラッド用バーナー２２までのガス供給配管２６、若しくはガス供給配管２６とクラッド用バーナー２２のガス供給配管２６側の端部からクラッド用バーナー２２の全長に対し１／３以下の領域は、テープヒータ２８を巻くことによって１００℃以上の温度となるように制御する。火炎加水分解反応をさらに促進するためには、当該温度を１５０℃以上、好ましくは２６０℃以上、更に好ましくは３００℃以上の温度となるように制御する。

クラッド用バーナー２２の加熱範囲は、ガス供給配管２６側の端部から長手方向の１／３以下の範囲を加熱すれば足りる。１／３より広い範囲を加熱しても、クラッド用バーナー２２内を流れる原料ガスの温度をさらに上げる効果はあまりない。これはクラッド用バーナー２２で形成される火炎からの輻射熱によって、クラッド用バーナー２２のガス供給配管２６側の端部から１／３以外の範囲では原料ガスの温度が十分に上がっているためである。最適な加熱範囲はクラッド用バーナー２２の構造、反応容器２の構造及びクラッド用バーナー２２と反応容器２の位置関係で決定されるが、クラッド用バーナー２２のガス供給配管２６側の端部からクラッド用バーナー２２の全長に対し１／３以下の領域を加熱すれば、概ねどのような設備構造であっても、クラッド用バーナー２２内を流れる原料ガス温度を高温に保つことができる。

そして、クラッド用バーナー２２は、火炎内で生成したガラス微粒子を回転及び上昇する出発ロッド１１に対し噴射して、継続的にガラス微粒子を堆積させていく。

図３に示すように、クラッド用バーナー２２で形成され、ＳｉＣｌ_４等の原料ガスを含んだ火炎ガス流Ｇは、ガラス微粒子堆積体Ｍに当って、その流れる方向が急激にガラス微粒子堆積体Ｍの外周方向へ変化する。また、火炎ガス流Ｇ内で生成されるガラス微粒子２７は、火炎ガス流Ｇに沿って流れる。

火炎ガス流Ｇが、ガラス微粒子堆積体Ｍに当たって、その流れる方向がガラス微粒子堆積体Ｍの外周方向に急変すると、慣性力の大きいガラス微粒子群３０Ａは、直進性が高いため火炎ガス流Ｇに追従せずそのまま直進してガラス微粒子堆積体Ｍに衝突する。しかし、慣性力の小さいガラス微粒子群３０Ｂは、直進性が低く火炎ガス流Ｇに沿って流れるため、ガラス微粒子堆積体Ｍの外周方向を流れ去る。したがって、ガラス微粒子堆積体Ｍへの付着効率を高めるためには、ガラス微粒子２７の慣性力を大きくすることが望ましい。

このとき、ガラス微粒子２７の慣性力を大きくするために、突き出し構造の多重管バーナー２２または焦点型のマルチノズルバーナー２２ａを使用して、バーナー火炎の温度分布が上流側で上昇し、下流側で下降するように（図４に示すような温度分布となるように）設定する。具体的には、クラッド用バーナー２２の中心軸におけるクラッド用バーナー２２の先端からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面方向への温度分布を、例えば、クラッド用バーナー２２の先端側では２００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げ、ガラス微粒子堆積体の堆積面側では、０〜２００℃／１００ｍｍ以下の傾きで温度を一定にする若しくは温度を下げるように設定する。このような温度分布にすることで、バーナー火炎の上流側の高温部で原料ガスの火炎加水分解反応が促進され、酸化珪素ガスが多く生成される。また、バーナー火炎の下流側の低温部では、酸化珪素ガスが酸化珪素粒子に変化しやすくなりガラス微粒子の生成量が多くなる。同時に、ガラス微粒子の成長が進むため、ガラス微粒子の外径も大きくなり、粒子径が大きくなることで乱流拡散による凝集（粒子間の結合）が促進される。そして、これらの作用により、バーナー火炎内におけるガラス微粒子２７の慣性力が増加する。

また、このとき、ガラス微粒子２７の慣性力を大きくするために当該微粒子のストークス数を高くする。ガラス微粒子２７のストークス数は、粒子径の２乗および粒子の流速に比例する。したがって、ストークス数を高めるために粒子の径あるいは流速を大きくすると、これに伴ってガラス微粒子の慣性力が大きくなる。
また、凝集した粒子群についても同様であり、粒子群の径及び流速を大きくすると、これに伴ってガラス微粒子群の慣性力が大きくなる。ストークス数を高めるためには、クラッド用バーナー２２に投入する原料ガスの温度を上昇させることが効果的である。原料ガスの温度が上昇すると当該ガスの体積が膨張し、これに伴ってバーナー火炎内で生成されるガラス微粒子２７の流速が上昇し、ストークス数が高くなるため、ガラス微粒子２７の慣性力は大きくなる。

このような手法により、ガラス微粒子２７の直進性が高くなり火炎ガスの流れＧからガラス微粒子２７が離脱し易くなって、ガラス微粒子２７の出発ロッド１１およびガラス微粒子堆積体Ｍへの付着効率を上げることができる。

続いて、昇降回転装置３は、ガラス微粒子の堆積面の成長に合わせた制御部５からの制御信号に基づいて、出発ロッド１１及び出発ロッド１１に堆積されたガラス微粒子堆積体Ｍを軸方向に引き上げる。

［透明化工程］
次に、得られるガラス微粒子堆積体Ｍを不活性ガスと塩素ガスの混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中で１５５０℃に加熱して透明ガラス母材を得る。このようなガラス母材の製造を繰り返し行う。

図１に示す製造装置を使用してＶＡＤ法によってガラス微粒子の堆積、すなわちガラス微粒子堆積体Ｍの製造を行う［堆積工程］。また、得られるガラス微粒子堆積体Ｍを不活性ガスと塩素ガスとの混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中で１５５０℃に加熱して透明ガラス化を行う［透明化工程］。

出発ロッド１１は、直径２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの純石英ガラスを使用する。クラッド用バーナー２２には原料ガスとしてＳｉＣｌ_４（流量：１〜７ＳＬＭ）を、火炎形成ガスとしてＨ_２（流量：１００〜１５０ＳＬＭ）、Ｏ_２（流量：１００〜１５０ＳＬＭ）を、バーナーシールガスとしてＮ_２（流量：２０〜３０ＳＬＭ）を投入する。

堆積工程において、バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）における温度勾配Ａ（℃/１００ｍｍ）と、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）における温度勾配Ｂ（℃/１００ｍｍ）を適宜選択する。選択する温度勾配は、例えば熱電対を用いてガラス微粒子の堆積を行う前に確認しておく。選択した温度勾配でガラス微粒子の堆積を行い、原料収率Ｘ（％）を評価する。なお、原料収率Ｘは、投入するＳｉＣｌ_４ガスが１００％ＳｉＯ_２に化学反応する場合のＳｉＯ_２質量に対する、実際に出発ロッド１１およびガラス微粒子堆積体Ｍに堆積するガラス微粒子２７の質量比とする。

なお、実施例１〜６において、温度勾配Ａはクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に向かって温度を上げており、温度勾配Ｂはクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に向かって温度を下げている。また、実施例１〜５は、ガス供給配管２６の外周温度を２００〜２４０℃に制御する。実施例６は、これらの外周温度を３００〜３５０℃に制御する。一方、比較例１〜３では、温度勾配Ｂをクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に向かって温度を上げている。また、実施例１〜６及び比較例１〜３において、バーナーに投入される原料ガスの温度は、ガス供給配管２６の温度と略等しくなる。測定結果を表１に示す。

［実施例１］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝２００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝０（℃/１００ｍｍ）となるように設定する。すなわち、Ｐ領域ではクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に進むにしたがって（図４の右方向）火炎温度が上昇し、Ｑ領域では火炎温度が一定になるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝５６（％）が得られる。

［実施例２］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝３００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝１００（℃/１００ｍｍ）で温度が下がるように設定する。すなわち、Ｐ領域ではクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に進むにしたがって（図４の右方向）火炎温度が上昇し、Ｑ領域ではクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に進むにしたがって（図４の右方向）火炎温度が下降するように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝６１（％）が得られる。

［実施例３］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝４００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝１００（℃/１００ｍｍ）で温度が下がるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝６５（％）が得られる。

［実施例４］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝６００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝１００（℃/１００ｍｍ）で温度が下がるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝６８（％）が得られる。

［実施例５］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝６００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝２００（℃/１００ｍｍ）で温度が下がるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝７０（％）が得られる。

［実施例６］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝６００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）において温度勾配Ｂ＝１００（℃/１００ｍｍ）で温度が下がるように設定する。さらに、ガス供給配管２６を３００〜３５０℃（ＳｉＣｌ_４の標準沸点より２４２．４〜２９２．４℃高い温度）に設定する。この場合、原料収率Ｘ＝７０（％）が得られる。

［比較例１］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝１９５（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）においても温度勾配Ｂ＝１００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定する。すなわち、Ｐ領域ではクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に進むにしたがって（図４の右方向）火炎温度が上昇し、Ｑ領域でもクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側に進むにしたがって（図４の右方向）火炎温度が上昇するように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝５１（％）が得られる。

［比較例２］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝１８０（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）においても温度勾配Ｂ＝１５０（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝４７（％）が得られる。

［比較例３］
バーナー火炎の上流側（図４のＰ領域）において温度勾配Ａ＝１５０（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定し、バーナー火炎の下流側（図４のＱ領域）においても温度勾配Ｂ＝２００（℃/１００ｍｍ）で温度が上がるように設定する。この場合、原料収率Ｘ＝４６（％）が得られる。

［測定評価］
火炎上流におけるクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側への（図４の右方向）温度勾配Ａを２００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度上昇させ、かつ火炎下流におけるクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側への（図４の右方向）温度勾配Ｂを０℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度下降させる実施例１〜６では、原料収率Ｘが５６％以上になる。また、実施例２、３、４の結果から、火炎上流側における温度勾配Ａが大きいほど原料収率Ｘが高くなり、実施例４、５の結果から、火炎下流側における温度勾配Ｂが大きくなるほど原料収率Ｘが高くなることがわかる。特に、温度勾配Ａが６００℃／１００ｍｍ、温度勾配Ｂが２００℃／１００ｍｍに設定した実施例５では、原料収率が７０％まで向上している。また、ガス供給配管の外周温度を実施例１〜５で設定した外周温度よりも高い温度に加熱した実施例６の場合には、温度勾配Ａと温度勾配Ｂが実施例４と同じにもかかわらず、原料収率Ｘは７０％に上昇している。さらにこれらの実施例において、ガス供給配管２６だけでなく、クラッド用バーナー２２におけるガス供給配管２６側の端部からクラッド用バーナー２２の全長に対し長手方向で１／３の領域の外周温度をガス供給配管２６と同じ温度で加熱することで原料収率Ｘはさらに＋１〜２％向上する。

これに対して、火炎上流におけるクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側への（図４の右方向）温度勾配Ａを２００℃／１００ｍｍ以下の傾きで温度上昇させ、かつ火炎下流におけるクラッド用バーナー２２側からガラス微粒子堆積体Ｍの堆積面側への（図４の右方向）温度勾配Ｂを０℃／１００ｍｍよりも大きい傾きで温度上昇させる比較例１〜３では、原料収率Ｘが５１％以下になる。特に、温度勾配Ａが１５０℃／１００ｍｍ、温度勾配Ｂが２００℃／１００ｍｍに設定した比較例３では、原料収率Ｘが４６％まで低下している。

なお、本発明のガラス微粒子堆積体およびガラス母材の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。例えば、本実施形態では、堆積工程においてＶＡＤ法によりガラス微粒子堆積体を製造する場合を一例に説明したが、その他ＯＶＤ法やＭＭＤ法などの火炎分解反応を利用する全てのガラス微粒子堆積体及びガラス母材の製造方法に有効である。また、本実施形態では原料ガスとして、ＳｉＣｌ_４のみを使用したが、ＳｉＣｌ_４とＧｅＣｌ_４を使用するコアガラス合成の場合も原料収率を向上させる効果がある。また、ＳｉＣｌ_４以外の原料ガス（シロキサン等）でも同様の効果がある。

１：製造装置、２：反応容器、３：昇降回転装置、５：制御部、１０：支持棒、１１：出発ロッド、２１：ガス供給装置、２２、２２ａ：クラッド用バーナー、２３：液体原料、２４：原料容器、２５：ＭＦＣ、２６：ガス供給配管、２７：ガラス微粒子、２８：テープヒータ

Claims

反応容器内に出発ロッド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が形成する火炎内でガラス微粒子を生成し、生成したガラス微粒子を前記出発ロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程を有するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では２００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では０〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を一定にする若しくは温度を下げることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では３００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では４００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
前記堆積工程では、前記ガラス微粒子生成用バーナーの中心軸における前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端から前記ガラス微粒子堆積体の堆積面方向への温度分布を、前記ガラス微粒子生成用バーナーの先端側では６００℃／１００ｍｍ以上の傾きで温度を上げて、前記ガラス微粒子堆積体の堆積面側では１００〜２００℃／１００ｍｍの傾きで温度を下げることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
請求項１から４のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法によってガラス微粒子堆積体を製造し、当該製造したガラス微粒子堆積体を加熱して透明なガラス母材を製造する透明化工程を有することを特徴とするガラス母材の製造方法。
請求項５に記載のガラス母材の製造方法であって、
前記堆積工程におけるガラス微粒子の堆積を、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＭＤ法のいずれかにより行うことを特徴とするガラス母材の製造方法。