JPH09100129A - ガラスの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多孔質ガラス母材を加熱処理し、緻密な高純
度の透明ガラスを得る方法としては、ヘリウムの雰囲気
で行なう方法、あるいは真空雰囲気中で、高純度のカー
ボン炉心管を用いて処理する方法がある。前者はヘリウ
ムガスが高価のため製造コストが高くなり、又、後者は
炉心管を形成するカーボンは多孔質ガラス母材中の水分
等とカーボンが反応して揮散するので頻繁に炉心管を交
換しなければない等の問題がある。 【解決手段】 本発明に係わる炉心管１２は基材１２−
１の表面にＴｉＣ膜１２−２をコーティングしているの
で加熱雰囲気中に含まれる水分等による基材の磨耗を抑
制することができる。また、炉心管の基材１２−１は表
面にコートするＴｉＣ膜１２−２の熱膨張率に近いもの
を選択するので、温度差による熱歪みが発生し難く、使
用できる期間を著しく増大することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラスの製造装置及び
製造方法に関し、特にガラスを加熱処理する炉芯管の改
良に係わる。

【０００２】

【従来の技術】ガラス微粒子を集合して形成された多孔
質ガラス母材を加熱処理し、緻密な高純度の透明ガラス
を得る方法としては、ヘリウムの雰囲気で行なうことが
知られている。また、ヘリウムを使用しない真空雰囲気
中で、高純度のカーボン炉心管を用いて処理する方法も
提案されている（特開昭６３−２０１０２５号公報）。
一方、石英系光ファイバはガラス母材を加熱溶融しなが
ら線引きすることによって製造される。かかる石英ガラ
スの線引工程においては、棒状の石英系ガラス母材を清
浄な雰囲気中で約１９００℃以上に加熱しなければなら
ない。このための加熱炉としては、通常、カーボンをヒ
ータとして用いた炉が主に用いられている。このような
加熱炉によって線引きする際、特に注意しなければなら
ない点は炉内雰囲気の清浄化、即ち溶融した石英系ガラ
ス母材及び線引きされた光ファイバ表面の汚染防止であ
る。これは、炉内にカーボンの微粒子や石英ガラスを結
晶化させたり、石英ガラスと反応する成分が混在する
と、得られた光ファイバの機械的強度が著しく損なわれ
るからである。そこで、カーボン炉の場合は通常高純度
で緻密なカーボン炉心管を用い、その内部に清浄な窒素
やアルゴン等の不活性ガスを流す方法が採られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の場合は、ヘリウ
ムガスが高価のため製造コストが高くなるという問題が
ある。また、後者の場合は、炉心管を形成するカーボン
は多孔質ガラス母材中の水分等とカーボンが反応して揮
散するので頻繁に炉心管を交換しなければない。また、
炉心管の劣化を防ぐためにＳｉＣ膜を施す方法が提案さ
れているが（特願平５−１３７４７号）、ＳｉＣ膜の寿
命が短くコスト高になるという問題がある。一方、線引
用加熱炉は、その内部を密閉構造とすることができない
ため、不活性ガス中に空気中の酸素が混入することは避
けられず、カーボン炉心管内面の高温部において酸化消
耗が激しく、カーボンの微粒子が発生して炉内雰囲気を
汚染し、かつカーボン炉の寿命を短いものとしていた。
そこで本発明は、炉心管を改良して安価で高品質に加熱
処理することのできるガラスの製造装置及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるガラスの
製造装置は、ＳｉＯ2 を主成分とするガラス母材あるい
はガラス体を製造するために加熱体の内側に炉心管が配
置された製造装置であって、炉心管は基材と少なくとも
基材の内表面に設けられたＴｉＣの膜とを備え、基材の
熱膨張係数がＴｉＣの値に対して±１０％以内であるこ
とを特徴とし、また、多孔質ガラス体を脱水・焼結し、
透明ガラス化する加熱装置あるいは光ファイバ用線引装
置に適用されたことを特徴とする。

【０００５】本発明に係わるガラスの製造方法は、加熱
体の内側に炉心管が配置された加熱炉を用いてＳｉＯ2
を主成分とするガラス母材あるいはガラス体を製造する
方法であって、炉心管は基材と少なくとも基材の内表面
に設けられたＴｉＣの膜とを備え、基材の熱膨張係数が
ＴｉＣの値に対して±１０％以内であることを特徴と
し、また、多孔質ガラス体を脱水・焼結し、透明ガラス
化する工程あるいは光ファイバを線引きする工程を含む
ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】カーボンを炉心管の基材として用いると大型の
ものも形成できること並びに高温状態においても熱変形
が小さい点で好ましい。しかし、カーボン炉心管は外気
に含まれている水分あるいは酸素と次式のように反応し
て劣化する。 Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2 ・・・（１） ２Ｃ＋Ｏ2 →２ＣＯ ・・・（２） ＳｉＯ2＋３Ｃ→ＳｉＣ＋３ＣＯ ・・・（３） 特に、反応式（３）で生成したＳｉＣが結晶粉末を形成
する。さらに、この粉末が被加熱体に付着して不純物の
混入あるいは線引時の断線等のトラブルが生じる。かか
る欠点を解決するために本発明者等は、炉心管の表面に
ＴｉＣをコーティングすることによって、このような問
題が著しく改善されることを見出だした。これは、次式
に示すように、 ＴｉＣ＋３Ｈ2Ｏ→ＴｉＯ2 ＋ＣＯ＋３Ｈ2 ・・・（４） ＴｉＣ＋１．５Ｈ2 Ｏ→ＴｉＯ2 ＋ＣＯ ・・・（５） ２ＴｉＯ2 →ＴｉＯ2 Ｏ3 （固体）＋１／２Ｏ2 ・・・（６） ＴｉＯ2→ＴｉＯ（固体）＋１／２Ｏ2 ・・・（７） Ｔｉの酸化物が亜酸化物になっても固相あるいは液相を
形成するため、反応抑制に寄与するものと考えられる。
かかる作用によって、本発明に係わる炉心管はその表面
にＴｉＣ膜をコーティングしているので加熱雰囲気中に
含まれる水分等による基材の磨耗を抑制することができ
る。

【０００７】また、炉心管の基材は表面にコートするＴ
ｉＣ膜の熱膨張率に近いものを選択することによって、
温度差による熱歪みが発生し難く、長期間安定に使用す
ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一
符号を付し、重複する説明を省略する。図１（Ａ）は本
実施例に係わるガラス体製造装置の構成を示す断面図、
同図（Ｂ）は炉心管の壁面の断面図である。この装置は
加熱炉１６の多孔質ガラス体１１、炉心管１２、加熱体
２０、断熱材２４が配置され、ガス導入管２２、ガス排
気管２３が設けられている。その上部には、シャッタ１
９を介して予備室１３がガス導入管２２、ガス排気管２
１と共に配置され、上部から多孔質ガラス体の支持棒１
５が挿入されている。ここで、炉心管の壁面１２−０は
基材１２−１の表面にＴｉＣの膜１２−２がコートされ
ている。

【０００９】火炎加水分解法、プラズマ法、ゾルゲル法
等によって生成されたガラス微粒子を堆積してなる多孔
質ガラス体１１は、まず予備室１３に保持され予備室内
をポンプ１７によって真空引きする。その後、シャッタ
１９を開放し、多孔質ガラス体１１炉心管１２内に保持
して、加熱炉１６内を真空に保ちながら１５００〜１６
００℃まで加熱する。ここで、必要に応じてガス導入管
２２より各種ガスを炉心管１２内に導入する。このよう
に、真空あるいは減圧状態で加熱処理することにより、
多孔質ガラス体が収縮する際に気泡等を閉じこめる事無
く、透明なガラス母材を得ることができる。

【００１０】多孔質ガラス体を加熱処理する雰囲気中
に、不純物が存在すると多孔質ガラス体に付着して、品
質の劣化を招く。図１の装置では加熱体２０、断熱材２
４は不純物の発生源となるが、これらは分離しているの
で直接的に炉心管１２内に影響することはない。ところ
で、炉心管の表面にＳｉＣ膜をコートする方法も考えら
れたが、カーボン単体の場合に比べて炉心管の消耗が抑
制されるものの、ＳｉＣ表面もまた水分等によって一酸
化炭素やガス状のＳｉＯを発生し、ＳｉＣ膜を劣化させ
ていた。これに対してＴｉＣの場合は、水分等と反応し
て亜酸化物を生成しても固相を形成しているので保護膜
として機能する。また、炭化物が解離した場合でも、Ｓ
ｉＣ膜では溶融温度１４１０℃のシリコンが生成し、反
応性の高いシリコンの融液が生成する可能性があるが、
ＴｉＣの場合はチタンの融点が１６５９℃であるため、
石英ガラス母材の処理温度：１５００〜１６５０℃では
融液の形成する可能性のないことも反応抑制に寄与して
いると考えられる。

【００１１】これらの仮設を立証するために、次の実験
を行なった。表１に示す基材とコーティング膜につい
て、高さ５０ｍｍ、内径１００ｍｍ、厚さ３ｍｍの円筒
状の炉心管を作製した。

【表１】 基材がカーボンの場合は熱膨張係数が８．４×１０-6／
℃のものを用いた。これらの炉心管を図１に示す装置に
取り付けて、多孔質ガラス体挿入し、炉内を減圧して１
６００℃まで昇温し、１０時間保持した後、室温まで降
温した。これを１サイクルとして各炉心管について繰り
返し、各サイクル毎の重量変化を測定した。結果を図２
に示す。

【００１２】コーティング膜を施さない場合でも、図２
（Ｃ）に示すように、基材が石英のときは比較的安定し
ている。コーティング膜を施さないカーボンからなる試
料１０は初めから重量変動が起こっている。ＳｉＣ膜を
施した試料７、８、９では膜厚によって異なるが、１０
０μｍでも７サイクルまでは緩やかな減少がみられ、コ
ーティングをしない場合に比較して耐久性のあることを
確認した。しかし、４０μｍでは３サイクル以降、１８
０μｍでは２サイクル以降で重量減少が著しくなる（図
２（Ｂ））。

【００１３】これに対して、カーボン基材にＴｉＣ膜を
コートした試料３、４、５、６は劣化の程度はかなり改
善されたが、試料３は１サイクル目から膜にピンホール
が生じた。一方、試料６は膜に割れが生じ、劣化が進行
した。試料１、２は最も変化が少なく、安定した特性を
示した（図２（Ａ））。以上の実験から、炉心管の基材
にコーティングするＴｉＣの厚さは少なくとも５０μｍ
以上必要である。カーボンを基材とする場合、これを構
成するカーボン粒子と同程度の厚さを必要とすることで
ある。一方、３００μｍを越えると、膜と基材との熱膨
張率の差に起因する応力によって亀裂が生じやすくな
る。

【００１４】ＴｉＣ膜を施す場合の基材としては、カー
ボンが高温時における変形がなく、かつ不純物の発生が
少ないので最も好ましい。石英ガラスは高温時で変形す
るが、不純物の発生が少ない点で優れている。また、Ｔ
ｉＣを基材とした場合、基材の状態ではハロゲン系のガ
スが炉心管を通過し、安定した状態で処理することが困
難となるので、ハロゲンガスを通さない緻密なＴｉＣ膜
をコーティングする必要がある。

【００１５】（実施例１） 前記と同じカーボン基材を
用いて、その表面にＴｉＣを２００μｍコートした内径
３５０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの炉心管を作製して図１
に示す構成の装置に取り付けた。この装置を用いて、Ｖ
ＡＤ法で作製した外径２５０ｍｍ，長さ７００ｍｍの多
孔質ガラス母材を用いた。加熱処理して透明なガラス母
材を得た。母材は１００ｍｍＨｇ未満の減圧ガスの雰囲
気となるように真空ポンプで保持すると共に、温度は一
旦１２００℃で脱水処理し、その後１５００℃で透明な
ガラス化した。減圧ガス雰囲気としてはヘリウム、窒素
あるいは空気等が用いられる。この条件で、２００本の
母材を透明ガラス化したところ、炉心管の劣化による異
物の付着、表面傷は見られなかった、また、炉心管を取
り外して内面のＴｉＣ膜を顕微鏡で観察したところ、１
２０μｍの膜が残っていた。

【００１６】（実施例２） カーボン基材の表面にＴｉ
Ｃ膜を１００μｍコートした炉心管を用いて、２５０本
の母材について実施例１と同じ条件の加熱処理を行なっ
た。透明ガラス化した母材には異常はなく、また３０μ
ｍ以上のＴｉＣ膜が残っていた。

【００１７】（実施例３） カーボン基材の表面にＴｉ
Ｃ膜を２００μｍコートした実施例１の炉心管を用い
て、光ファイバを構成するコア及びクラッドからなる多
孔質ガラス体について実施例１と同じ条件の加熱処理を
行なった。透明ガラス化した母材には異常は見られなか
った。

【００１８】（実施例４） カーボン基材の表面にＴｉ
Ｃ膜を２００μｍコートした実施例１の炉心管を用い
て、光ファイバを構成するコア及びクラッドの一部から
なるガラス棒の外周に多孔質ガラス体を堆積した母材に
ついて実施例１と同じ条件の加熱処理を行なった。透明
ガラス化した母材には異常は見られなかった。

【００１９】これまでは、一定の特性を有するカーボン
基材の表面にコートされたＴｉＣ膜について検討した。
ここでは、主にＴｉＣ膜がコートされたカーボン基材の
特性を実験例によって示す。そのために、高さ４００ｍ
ｍ、内径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍのカーボン製の円筒体に
ＴｉＣ膜をコートして炉心管を作製した。カーボン基材
の熱膨張率及びＴｉＣの膜厚は表２に示す。

【表２】

【００２０】図３は光ファイバ用線引装置２の構成を示
す断面図であり、図１に示したガラス体の製造装置１の
加熱炉１６と基本的には同じであるが、炉心管１２が炉
１６の中心部を貫通している点に特徴がある。上記の試
験用炉心管を図３の線引装置に取り付け、窒素ガス中で
２１００℃まで昇温し、１時間保持した後、室温まで降
温した。これを１サイクルとして、各試料について数サ
イクルの温度試験を行なってＴｉＣ膜の変化を観測し
た。光ファイバ用線引装置２の構成は図１に示したガラ
ス体の製造装置１の加熱炉１６と基本的には同じである
が、炉心管１２が炉１６の中心部を貫通している点に特
徴がある。

【００２１】その結果、熱膨張係数の小さい試料１〜３
は、１回目の試験が終わったところで膜に亀裂が生じ
た。また、熱膨張係数がＴｉＣより大きい試料１０、１
１も同様の結果であった。熱膨張係数が７．１×１０-6
／℃とＴｉＣの熱膨張係数８．５×１０-6／℃に近い試
料４、５では１０サイクルの試験を行なっても亀裂は生
じなかった。しかし、同じ試料でも膜厚が３００μｍま
で増加すると、５サイクルで亀裂が生じた。熱膨張係数
が８．４×１０-6／℃とＴｉＣの熱膨張係数８．５×１
０-6／℃に略一致させた試料７〜９では膜厚に関係な
く、１０サイクルの試験を行なっても亀裂は生じなかっ
た。ただし、ＴｉＣの膜厚を４００μｍにしたところ剥
離をおこして温度試験はできなかった。以上の実験結果
から、ＴｉＣをコートする基材は、少なくともＴｉＣの
熱膨張に対して、１．５×１０-6／℃の範囲、即ち７〜
１０×１０-6／℃の範囲にある必要があり、好ましく
は、８〜９×１０-6／℃であることが確認された。

【００２２】次いで、図３に示した線引装置２と上記の
炉心管を用いて線引きを行なった。（実施例５）円筒形
（内径４０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、厚さ２ｍｍ）で熱膨
張係数８．４×１０-6／℃のカーボン基材の表面にＴｉ
Ｃの膜厚を２００μｍコートした炉心管を用いた。ＶＡ
Ｄ法によって作製した外径３５ｍｍ、長さ７００ｍｍの
単一モード光ファイバ用ガラス母材を窒素雰囲気中にお
いて２０５０℃で線引きした。得られた光ファイバは
１．５５μｍの波長において、損失が０．１９８ｄＢ／
ｋｍ、平均破断強度は６．９ｋｇと良好な結果が得られ
た。この炉心管を用いて５０本の母材を線引きした後、
炉心管を取り外して内部のＴｉＣ膜を顕微鏡で観察した
ところ、平均１５０μｍのコーティングが残存してお
り、さらに長期間の使用が可能であることが確認され
た。

【００２３】（比較例） 熱膨張係数４．６×１０-6／
℃のカーボン基材の表面にＴｉＣの膜厚を２００μｍコ
ートした炉心管を図３の装置に取り付けて実験例５と同
様の条件で線引きした。１本の母材を線引きしたところ
で、炉心管を外して内部の状態を観察したところ、全体
に亀裂が現われていた。

【００２４】本願発明に係わるガラスの製造装置及び製
造方法は上述の特徴を有するので、顕著な使用例として
は多孔質ガラス体を脱水・焼結し、透明ガラス化する工
程（このガラス体をさらに所定の外径に延伸する場合も
ある）あるいは光ファイバを線引きする工程並びにそれ
らの工程に使用される製造装置が好適である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる炉
心管は基材の表面にＴｉＣ膜をコーティングしているの
で加熱雰囲気中に含まれる水分等による基材の磨耗を抑
制することができる。また、炉心管の基材は表面にコー
トするＴｉＣ膜の熱膨張率に近いものを選択するので、
温度差による熱歪みが発生し難く、使用できる期間を著
しく増大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係わるガラス体の製造装置の構成を
示す断面図である。

【図２】炉心管のヒートサイクル試験を行なった時の重
量変化を示す図である。

【図３】本実施例に係わる光ファイバ用線引装置の構成
を示す断面図である。

【符号の説明】

１：ガラス体の製造装置 ２：光ファイバの線引装置 １１：多孔質ガラス体 １２：炉心管 １２−０：炉心管の壁面構成 １２−１：基材 １２−２：ＴｉＣ膜 １３：予備室 １４：扉 １５：支持棒 １６：加熱炉 １７、１８：真空ポンプ １９：シャッタ ２０：加熱体 ２１、２３：ガス排気管 ２２、２２−１：、２２−２：ガス導入管 ２４：断熱材 ２５：上蓋 ２６：底 ２７：光ファイバ用ガラス母材 ２８：光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 元宣 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 伊藤 真澄 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 田中 聡 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＳｉＯ2 を主成分とするガラス母材ある
   いはガラス体を製造するために加熱体の内側に炉心管が
   配置された製造装置であって、 炉心管は基材と少なくとも基材の内表面に設けられたＴ
   ｉＣの膜とを備え、基材の熱膨張係数がＴｉＣの値に対
   して±１０％以内であることを特徴とするガラスの製造
   装置。
2. 【請求項２】 ＴｉＣの膜厚が５０〜３００μｍである
   ことを特徴とする請求項１に記載したガラスの製造装
   置。
3. 【請求項３】 基材の熱膨張係数が７〜１０×１０-6／
   ℃であることを特徴とする請求項１に記載したガラスの
   製造装置。
4. 【請求項４】 基材がカーボン、石英ガラスあるいはＴ
   ｉＣであることを特徴とする請求項１又は３に記載した
   ガラスの製造装置。
5. 【請求項５】 加熱体の内側に配置された炉心管が多孔
   質ガラス体を脱水・焼結し、透明ガラス化する加熱装置
   あるいは光ファイバ用線引装置に適用されたことを特徴
   とする請求項１に記載したガラスの製造装置。
6. 【請求項６】 加熱体の内側に炉心管が配置された加熱
   炉を用いてＳｉＯ2を主成分とするガラス母材あるいは
   ガラス体を製造する方法であって、 炉心管は基材と少なくとも基材の内表面に設けられたＴ
   ｉＣの膜とを備え、基材の熱膨張係数がＴｉＣの値に対
   して±１０％以内であることを特徴とするガラスの製造
   方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載したガラスの製造方法に
   おいて、 多孔質ガラス体を脱水・焼結し、透明ガラス化する工程
   あるいは光ファイバを線引きする工程を含むことを特徴
   とするガラスの製造方法。