JP7397169B2 - 光ファイバ母材の製造方法および加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材の製造方法および加熱炉に関する。
本願は、２０２０年３月２５日に日本に出願された特願２０２０－０５４１１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許文献１には、光ファイバ母材を加熱して焼結・脱水するための炉心管が開示されている。炉心管には、不活性ガスの供給路と、不要なガスを排出する排気路と、が接続されている。排気路には電磁弁が設けられ、差圧計が測定した炉心管の内圧に応じて電磁弁の開閉量を制御するように構成されている。

日本国特開２０００－１６９１７３号公報

特許文献１のように、電磁弁の開閉量を制御する方式では、電磁弁を駆動させて目標とする開閉量に達するまでの時間が大きくなる傾向があり、応答速度の面で改善の余地があった。電磁弁の応答速度が不充分であると、炉心管の内圧が適切に制御されずに光ファイバ母材の品質が不安定になる場合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、排気路に設けられた弁の応答速度を高めて光ファイバ母材の品質を安定させることが可能な光ファイバ母材の製造方法または加熱炉を提供する。

本発明の第１態様に係る光ファイバ母材の製造方法は、未処理母材を挿入可能な開口部を有する炉心管と、前記炉心管の外側から前記未処理母材を加熱するヒータと、前記ヒータを収容する収容室と、前記炉心管の内圧Ｐ１と前記収容室の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計と、前記炉心管に接続された第１排気管および第２排気管と、前記第１排気管を通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁と、前記第２排気管の開閉を切り替える開閉弁と、を備えた加熱炉を用意し、前記炉心管に不活性ガスを供給し、前記開閉弁が閉じられた状態で前記差圧ΔＰが上昇するように前記絞り弁の通過流量を設定し、前記差圧ΔＰが所定の上限値に到達したときに前記開閉弁を開き、前記差圧ΔＰが所定の下限値に到達したときに前記開閉弁を閉じる。

また、本発明の第２態様に係る加熱炉は、未処理母材を挿入可能な開口部を有する炉心管と、前記炉心管の外側から前記未処理母材を加熱するヒータと、前記ヒータを収容する収容室と、前記炉心管の内圧Ｐ１と前記収容室の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計と、前記炉心管に接続された第１排気管および第２排気管と、前記第１排気管を通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁と、前記第２排気管の開閉を切り替える開閉弁と、前記開閉弁を制御する制御部と、を備え、前記絞り弁の通過流量は、前記開閉弁が閉じられた状態で前記差圧ΔＰが上昇するように設定され、前記制御部は、前記差圧ΔＰが所定の上限値に到達したときに前記開閉弁を開き、前記差圧ΔＰが所定の下限値に到達したときに前記開閉弁を閉じるように構成されている。

本発明の上記態様によれば、排気路に設けられた弁の応答速度を高めて光ファイバ母材の品質を安定させることが可能となる。

本実施形態に係る加熱炉の模式図である。 本実施形態の開閉弁の制御内容を説明するための図である。

以下、本実施形態の加熱炉および当該加熱炉を用いた光ファイバ母材の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、加熱炉１は、炉心管２と、ヒータ３と、収容室４と、差圧計５と、排気路６と、絞り弁７と、開閉弁８と、制御部９と、供給路１０と、を備える。

炉心管２は、有底筒状に形成されており、上端に開口部２ａを有している。開口部２ａを通して、光ファイバ母材Ｍを炉心管２内に挿入したり、炉心管２から取り出したりすることができる。炉心管２は、光ファイバ母材Ｍに不純物が混入しないように、石英ガラスによって形成されている。

ヒータ３は、炉心管２の外周に配置されており、炉心管２ごと光ファイバ母材Ｍを加熱するように構成されている。ヒータ３は、収容室４内に配置され、外気から遮断されている。
差圧計５は、炉心管２および収容室４に接続されており、炉心管２の内圧Ｐ１と収容室４の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定するように構成されている。

排気路６は、炉心管２に接続されており、炉心管２内の不要な排気ガスを排気するように構成されている。図１の例では、排気路６は、接続部６ａと、第１排気管６ｂと、第２排気管６ｃと、を有している。接続部６ａの一端は炉心管２に接続され、他端は第１排気管６ｂおよび第２排気管６ｃに接続されている。言い換えると、第１排気管６ｂおよび第２排気管６ｃは接続部６ａから分岐しており、炉心管２に間接的に接続されている。なお、接続部６ａを設けず、第１排気管６ｂおよび第２排気管６ｃをそれぞれ直接炉心管２に接続してもよい。

絞り弁７は、第１排気管６ｂに設けられており、第１排気管６ｂを通過する排気ガスを所定の流量（以下、第１流量Ｆ１という）に制限するように構成されている。第１流量Ｆ１の設定は、手動で行われてもよいし、電気制御によって行われてもよい。ただし、第１流量Ｆ１の値は焼結工程および脱水工程を通して一定とする。第１流量Ｆ１の詳細については後述する。

開閉弁８は、第２排気管６ｃに設けられており、第２排気管６ｃの開閉を切り替えるように構成されている。開閉弁８が開いている場合は、所定の流量（以下、第２流量Ｆ２という）の排気ガスが、第２排気管６ｃから排出される。一方、開閉弁８が閉じている場合には、排気ガスは第２排気管６ｃからは排出されない。排気路６の全体から排出される排気ガスの流量をＦと表すと、開閉弁８が開いている場合はＦ＝Ｆ１＋Ｆ２となり、開閉弁８が閉じている場合はＦ＝Ｆ１となる。つまり、排気路６から排出される排気ガスの流量Ｆは、開閉弁８が開いている場合に大きくなり、開閉弁８が閉じている場合に小さくなる。

制御部９は、差圧計５および開閉弁８に電気的に接続されており、差圧計５が測定した差圧ΔＰの値に応じて、開閉弁８の開閉を制御するように構成されている。制御部９としては、例えばマイクロコントローラ、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large-scale Integrated Circuit）、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの集積回路を用いることができる。開閉弁８は、制御部９が出力した指令（制御信号等）に応じて、第２排気管６ｃを開いたり閉じたりするように構成されている。

供給路１０の第１端部は炉心管２に接続され、第２端部は不活性ガスの供給源に接続されている。不活性ガスとしては、ヘリウムガス（Ｈｅ）、またはアルゴンガス（Ａｒ）等が用いられる。供給路１０は、不活性ガスを炉心管２内に供給するように構成されている。図１では供給路１０が炉心管２の底壁に接続されているが、供給路１０は炉心管２の周壁に接続されてもよい。

次に、光ファイバ母材の製造方法について説明する。本実施形態では、ＶＡＤ法(Vapor－phase Axial Deposition method)、およびＯＶＤ(Outside Vapor Deposition method)法などのスート法を用いる場合について説明するが、他の製法を採用してもよい。

スート法によって光ファイバ母材を製造する際、まず、不図示の反応容器内に設置されたバーナから、酸素ガス、水素ガス、不活性ガスなどを流し、これらのガスを反応させた火炎中に、ＳｉＣｌ_４などのガラス原料ガスを投入する。これにより、ガラス微粒子が生成される。このガラス微粒子を、反応容器内で回転するターゲットに付着させることで、ターゲットの外周にスートが堆積する。これにより、焼結前の光ファイバ母材Ｍ（以下、未処理母材Ｍという）が得られる。

次に、未処理母材Ｍを回転させながら下降させて、開口部２ａを通して炉心管２内に挿入する。
次に、供給路１０から不活性ガスを供給しながら、ヒータ３によって未処理母材Ｍを加熱する。これにより、未処理母材Ｍはその下部から上部に向かって徐々に加熱され、スートが焼結する（焼結工程）。これにより、焼結後の光ファイバ母材Ｍが得られる。焼結工程の際に、または焼結工程の前に、脱水工程を行ってもよい。さらに、焼結工程の前あるいは焼結工程と同時に、光ファイバ母材Ｍにドーパントを添加するドープ工程を行ってもよい。
また、加熱炉１から取り出した光ファイバ母材Ｍを線引きすることで、光ファイバが得られる。

ここで、ヒータ３が光ファイバ母材Ｍを加熱する際には、炉心管２の周壁も同時に加熱される。炉心管２は石英ガラスにより形成されているため、加熱によってある程度軟化する。したがって、先述の差圧ΔＰが負の値になると、炉心管２の周壁が内側に向けて変形し、光ファイバ母材Ｍの品質が低下する場合がある。このため、差圧ΔＰは正の値に維持されることが求められる。一方、差圧ΔＰが正の値であっても、その値が大きすぎると、炉心管２の周壁が外側に向けて膨張したり、破損したりする可能性がある。

そこで本実施形態では、差圧ΔＰの値が負の値にならず、かつ所定の上限値を超えないように、絞り弁７の流量設定および開閉弁８の開閉動作が行われる。以下、図２を用いてより詳しく説明する。

図２（ａ）、（ｂ）の横軸は時間を示している。図２（ａ）の縦軸は差圧計５により測定された差圧ΔＰを示している。図２（ｂ）の縦軸は、排気路６を通じて排出される排気ガスの流量Ｆを示している。
ｔ＝０の時点では、開閉弁８が閉じられているため、Ｆ＝Ｆ１となっている。絞り弁７の流量Ｆ１は、開閉弁８が閉じられている場合に差圧ΔＰが上昇するように設定されている。このため、図２（ａ）に示すように、ｔ＝０～ｔ１の間は、差圧ΔＰが上昇している。なお、ｔ＝０の時点における差圧ΔＰの値は、正の値であれば、図２（ａ）のように下限値Ｌ２でなくてもよい。

制御部９は、差圧ΔＰが上昇して所定の上限値Ｌ１に到達した場合に、開閉弁８を開く指令を出力するように構成されている。このため、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、差圧ΔＰが上限値Ｌ１まで上昇した時（ｔ＝ｔ１）に制御部９により開閉弁８が開かれ、流量ＦがＦ１＋Ｆ２に増加している。ｔ＝ｔ１～ｔ２の間は、流量Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２に増加していることで、差圧ΔＰが低下する。

制御部９は、差圧ΔＰが減少して所定の下限値Ｌ２に到達した場合に、開閉弁８を閉じる指令を出力するように構成されている。このため、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、差圧ΔＰが下限値Ｌ２まで減少した時（ｔ＝ｔ２）に制御部９により開閉弁８が閉じられ、流量ＦがＦ１に戻っている。ｔ＝ｔ２～ｔ３の間は、流量Ｆ＝Ｆ１に戻っているため、差圧ΔＰが再び上昇する。

以降同様に、差圧ΔＰが上限値Ｌ１に到達すると制御部９は開閉弁８を開き（ｔ＝ｔ３）、差圧ΔＰが下限値Ｌ２に到達すると制御部９は開閉弁８を閉じる（ｔ＝ｔ４）。図示は省略するが、時刻ｔ＝ｔ４以降も同様の動作が繰り返される。

図２（ａ）に示すように、本明細書では、開閉弁８を開いてから開閉弁８を閉じるまでの時間をΔＴ１と表し、開閉弁８を閉じてから開閉弁８を開くまでの時間をΔＴ２と表す。
ΔＴ１の値は、供給路１０を通じて炉心管２に供給される不活性ガスの流量（以下、供給流量という）、第１排気管６ｂ（絞り弁７の設定による）および第２排気管６ｃの許容流量、並びに、上限値Ｌ１および下限値Ｌ２等によって定まる。

ΔＴ２の値は、前記供給流量、第１排気管６ｂ第２排気管６ｃの許容流量、並びに、上限値Ｌ１および下限値Ｌ２等によって定まる。
ΔＴ１、ΔＴ２の値は、一つの焼結工程および脱水工程の間に変動してもよい。
ΔＴ１の値は、例えば０．２５～１分の範囲内であることが好ましい。また、ΔＴ２の値は、１～１０分の範囲内であることが好ましい。適切なΔＴ１、ΔＴ２の値にすることで、一回の焼結工程における開閉弁８の動作頻度を適切に設定したり、差圧ΔＰが不意に上限値Ｌ１を超えたり下限値Ｌ２を下回ったりすることを抑制できる。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ母材の製造方法は、未処理母材を挿入可能な開口部２ａを有する炉心管２と、炉心管２の外側から未処理母材を加熱するヒータ３と、ヒータを収容する収容室４と、炉心管２の内圧Ｐ１と収容室４の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計５と、炉心管２に接続された第１排気管６ｂおよび第２排気管６ｃと、第１排気管６ｂを通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁７と、第２排気管６ｃの開閉を切り替える開閉弁８と、を備えた加熱炉１を用意する。
そして、炉心管２に不活性ガスを供給し、開閉弁８が閉じられた状態で差圧ΔＰが上昇するように絞り弁７の通過流量を設定し、差圧ΔＰが所定の上限値Ｌ１に到達したときに開閉弁８を開き、差圧ΔＰが所定の下限値Ｌ２に到達したときに開閉弁８を閉じる。
このような構成により、開閉弁８を開閉するという簡易な制御内容で、差圧ΔＰを所定の上限値Ｌ１および下限値Ｌ２の範囲内に維持することが可能となる。開閉弁８の動作は単純な開閉のみであるため、差圧ΔＰに合わせて流量を制御する方式の弁と比較して、応答速度を高めることができ、光ファイバ母材の品質を安定させることができる。さらに、下限値Ｌ２をゼロ以上の値に設定することで、差圧ΔＰが負の値になることを容易に防ぐことができる。

また、開閉弁８を開いてから開閉弁８を閉じるまでの時間ΔＴ１が０．２５～１分の範囲内であってもよい。ΔＴ１が０．２５分（１５秒）以上であることで、開閉弁８の応答速度がΔＴ１に対して遅くなりすぎ、差圧ΔＰの制御が不安定になることを抑制できる。ΔＴ１が１分以下となるように第２排気管６ｃの許容流量（第２排気管６ｃの内径等）を設定することで、例えば差圧ΔＴが過大となったときに速やかに排気ガスを排出することができる。

また、開閉弁８を閉じてから開閉弁８を開くまでの時間ΔＴ２が１～１０分の範囲内であってもよい。ΔＴ２が１分以上であることで、一回の焼結工程の間における開閉弁８の動作頻度が過剰になることを抑制できる。したがって、開閉弁８の故障の発生を抑制できる。また、ΔＴ２が１０分以下であることで、開閉弁８が閉じているときの差圧ΔＴの一定時間あたりの上昇量を、より確実に正の値にすることができる。すなわち、開閉弁８を閉じているにも関わらず差圧ΔＴが減少し、差圧ΔＴが負の値になり光ファイバ母材の品質に悪影響が及ぼされることを抑制できる。

また、差圧ΔＰの下限値Ｌ２が５０Ｐａ以上であってもよい。この場合、例えば開閉弁８の応答速度等が原因となり、制御部９が指令を出力してから開閉弁８が実際に閉じられるまでのタイムラグが生じても、差圧ΔＰが負の値になることを抑制できる。

また、本実施形態の加熱炉１は、未処理母材を挿入可能な開口部２ａを有する炉心管２と、炉心管２の外側から前記未処理母材を加熱するヒータ３と、ヒータ３を収容する収容室４と、炉心管２の内圧Ｐ１と収容室４の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計５と、炉心管２に接続された第１排気管６ｂおよび第２排気管６ｃと、第１排気管６ｂを通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁７と、第２排気管６ｃの開閉を切り替える開閉弁８と、開閉弁８を制御する制御部９と、を備える。
絞り弁７の通過流量は、開閉弁８が閉じられた状態で差圧ΔＰが上昇するように設定され、制御部９は、差圧ΔＰが所定の上限値Ｌ１に到達したときに開閉弁８を開き、差圧ΔＰが所定の下限値Ｌ２に到達したときに開閉弁８を閉じるように構成されている。
このように、単純な開閉のみを行う開閉弁８を用いることで、差圧ΔＰに合わせて流量を制御する方式の弁を用いる場合と比較して、応答速度を高めることができ、光ファイバ母材の品質を安定させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態で説明した下限値Ｌ２、ΔＴ１、ΔＴ２等の数値はあくまで一例であり、適宜変更してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
例えば、上記実施形態では主として焼結工程に関して記載したが、光ファイバ母材の製造時に行う焼結工程以外の工程に上記実施形態を適用してもよい。すなわち、先述の「未処理母材」は、焼結前の光ファイバ母材（未焼結母材）であってもよいし、その他の処理を行う前の光ファイバ母材であってもよい。また、いくつかの種類の工程を連続して行う場合に、前記実施形態を適用することも可能である。

１…加熱炉 ２…炉心管 ２ａ…開口部 ３…ヒータ ４…収容室 ５…差圧計 ６ｂ…第１排気管 ６ｃ…第２排気管 ７…絞り弁 ８…開閉弁 ９…制御部

Claims (5)

1. 未処理母材を挿入可能な開口部を有する炉心管と、前記炉心管の外側から前記未処理母材を加熱するヒータと、前記ヒータを収容する収容室と、前記炉心管の内圧Ｐ１と前記収容室の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計と、前記炉心管に接続された第１排気管および第２排気管と、前記第１排気管を通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁と、前記第２排気管の開閉を切り替える開閉弁と、を備えた加熱炉を用意し、
   前記炉心管に不活性ガスを供給し、
   前記開閉弁が閉じられた状態で前記差圧ΔＰが上昇するように前記絞り弁の通過流量を設定し、
   前記差圧ΔＰが所定の上限値に到達したときに前記開閉弁を開き、
   前記差圧ΔＰが所定の下限値に到達したときに前記開閉弁を閉じる、光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記開閉弁を開いてから前記開閉弁を閉じるまでの時間が０．２５～１分の範囲内である、請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記開閉弁を閉じてから前記開閉弁を開くまでの時間が１～１０分の範囲内である、請求項１または２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. 前記下限値が５０Ｐａ以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
5. 未処理母材を挿入可能な開口部を有する炉心管と、
   前記炉心管の外側から前記未処理母材を加熱するヒータと、
   前記ヒータを収容する収容室と、
   前記炉心管の内圧Ｐ１と前記収容室の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）を測定する差圧計と、
   前記炉心管に接続された第１排気管および第２排気管と、
   前記第１排気管を通過する排気ガスの流量を制限する絞り弁と、
   前記第２排気管の開閉を切り替える開閉弁と、
   前記開閉弁を制御する制御部と、を備え、
   前記絞り弁の通過流量は、前記開閉弁が閉じられた状態で前記差圧ΔＰが上昇するように設定され、
   前記制御部は、前記差圧ΔＰが所定の上限値に到達したときに前記開閉弁を開き、前記差圧ΔＰが所定の下限値に到達したときに前記開閉弁を閉じるように構成されている、加熱炉。

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