JP2006248884A

JP2006248884A - 多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2006248884A
Application number: JP2005072052A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Habasaki; 利巳幅崎; Hideyuki Ijiri; 英幸井尻
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP4424232B2

Abstract

【課題】バーナの火炎を安定させて堆積効率を向上させ、高品質な多孔質ガラス母材を効率良く生産することができる多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法は、反応容器２０内において回転する出発材１１に対して、相対的に移動するバーナ１２から噴き出されるガラス原料ガス４０ａ及び燃焼ガス４０ｂの火炎加水分解反応により発生するガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材１４を製造する際に、バーナ１２から噴き出されるガラス原料ガス４０ａの供給流速に対応して、バーナ１２の周囲から出発材１１に向けて整流されたクリーンエア３０ａの供給流速を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置に係り、バーナからガラス原料ガス及び燃焼ガスを含むガスを噴き出し、ガラス微粒子を生成して、ガラス微粒子を出発材に堆積させることにより多孔質ガラス母材を製造する多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置に関するものである。

多孔質ガラス母材の製造方法として、反応容器内の出発材に、バーナから噴き出されるガラス原料ガス及び燃焼ガスの火炎加水分解反応により生成したガラス微粒子を堆積させて、多孔質ガラス母材を製造する際に、エアーを供給することが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の多孔質ガラス母材の製造方法では、製造装置にバーナ収納部に隣接してバーナに流れるエアーの流れを整流する整流ボックスが設けられており、反応容器において整流ボックスと対向する側壁にはリデューサ部及び排気管が設けられている。
したがって、整流ボックスから供給されたエアーは、スートの合成に寄与しなかった火炎等とともにリデューサ部及び排気管を介して、スクラバに排気されるようになっている。

特開２００３−２２６５４５号公報（図４）

ところで、エアーをバーナの周囲に供給してバーナの火炎を整流させてガラス微粒子を堆積させる際に、エアーの流速が遅すぎる場合にはバーナの火炎が堆積面に届く前に広がり、ガラス微粒子が出発材へ向けて流れる作用が小さくなるため、堆積せずに反応容器内部に飛散するガラス微粒子が増加して、反応容器内面や多孔質ガラス母材の他の部位に付着しやすくなる。反応容器内面にガラス微粒子が付着し、その塊がはがれて多孔質ガラス母材に落ちると、後に透明ガラス化した際の不良箇所発生の原因となったり、場合によっては多孔質ガラス母材を破損してしまうこともある。また、反応容器内に浮遊している余剰のガラス微粒子が多孔質ガラス母材の堆積中でない他の箇所に付着した場合でも、後に透明ガラス化した際の不良箇所発生の原因となってしまう。

一方、エアーの流速が速すぎる場合には、負圧が生じてバーナの火炎が不安定になり、ガラス微粒子の堆積効率（収率）が低下してしまうという不都合があった。

本発明の目的は、バーナの火炎を安定させて堆積効率を向上させ、高品質な多孔質ガラス母材を効率良く生産することができる多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法は、バーナからガラス原料ガス及び燃焼ガスを含むガスを噴き出し、ガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を出発材に堆積させる際に、前記バーナの周囲から前記出発材に向けて整流された清浄化ガスを供給する多孔質ガラス母材の製造方法であって、
前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して前記清浄化ガスの供給流速を所定の範囲に制御することを特徴としている。

このように構成された多孔質ガラス母材の製造方法では、バーナから噴き出されるガラス原料ガスの供給流速及びバーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに応じてバーナの周囲に供給される整流された清浄化ガスの供給流速を制御するので、バーナの火炎を適度に整えて安定させることができる。これにより、反応容器内に浮遊する未堆積のガラス微粒子を極力減少させて、ガラス微粒子の堆積効率を向上させ、不良箇所の発生を抑制しつつ安定した多孔質ガラス母材の生産を行うことができる。
なお、清浄化ガスとは、ガラス微粒子を出発材に堆積させる反応容器内を清浄にするための気体であり、窒素ガスやクリーンエア等が使用される。
また、供給流速とは、ガスの噴き出し口での単位断面積あたりの流量とする。

また、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法において、前記清浄化ガスの供給流速が、前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかの０．３〜１．０倍となるように制御することが好ましい。

このように構成された多孔質ガラス母材の製造方法では、清浄化ガスの供給流速が、ガラス原料ガスの供給流速及びバーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対して適度な０．３倍〜１．０倍となるように制御されることにより、不良箇所の発生抑制と堆積効率向上とを効果的に図ることができる。

また、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法において、前記清浄化ガスを噴き出す噴出口の幅（前記出発材の径方向に対する幅）が、多孔質ガラス母材の仕上がり外径の１．５倍以上であることが好ましい。

このように構成された多孔質ガラス母材の製造方法では、整流された清浄化ガスを噴き出す幅が、最終的な多孔質ガラス母材の仕上がり外径の１．５倍以上となるので、供給される清浄化ガスの整流を、ガラス微粒子の堆積開始から終了まで常時多孔質ガラス母材の周囲に安定して流すことができる。

また、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置は、回転する出発材を収容する反応容器と、ガラス原料ガス及び燃焼ガスを含むガスを噴き出してガラス微粒子を生成するバーナと、前記出発材と前記バーナとを前記出発材の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、前記バーナの周囲から前記出発材に向けて清浄化ガスを供給する清浄化ガス供給手段とを備えた多孔質ガラス母材の製造装置であって、前記清浄化ガスの供給流量を前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して所定の範囲に制御する制御部を備えていることを特徴としている。

このように構成された多孔質ガラス母材の製造装置では、反応容器内の出発材に対して、移動手段により相対的に移動するバーナからガラス原料ガス及び燃焼ガスを噴き付けてガラス微粒子を堆積して多孔質ガラス母材を製造する際に、清浄化ガス供給手段から供給される清浄化ガスの流量をガラス原料ガスの供給流速及びバーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して制御するので、ガラス微粒子の堆積効率を向上させ、不良箇所の発生を抑制しつつ安定した多孔質ガラス母材の生産を行うことができる。

本発明によれば、バーナの周囲から出発材へ向けて供給する清浄化ガスの流れを、ガラス原料ガスの供給流速及びバーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して制御するため、バーナの火炎を安定化させた状態で多孔質ガラス母材の生産を行うことができる。そのため、多孔質ガラス母材を効率良く安定して製造できるとともに、透明ガラス化した際の不良箇所の発生を抑制することができる。

以下、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置の実施形態の例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置の一実施形態を示す概略構成図であり、図２はクリーンエアの流速と光ファイバの断線回数（断線率）との関係を示すグラフであり、図３はクリーンエアの流速と堆積効率との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の多孔質ガラス母材の製造装置１０は、回転する出発材１１を収容する反応容器２０と、ガラス原料ガス４０ａと燃焼ガス４０ｂとの火炎加水分解反応により生成するガラス微粒子を出発材１１に向けて噴き付けるバーナ１２と、出発材１１とバーナ１２とを相対的に移動させる移動手段１３と、反応容器２０内に清浄化ガスであるクリーンエア３０ａを供給するためのクリーンエア供給手段（清浄化ガス供給手段）であるクリーンエア発生器３０とを備えている。そして、クリーンエア３０ａの流量をガラス原料ガス４０ａ及び燃焼ガス４０ｂの流量に対応して所定の範囲に制御する制御部５０を備えている。なお、クリーンエア３０ａは、清浄化された空気である。清浄化の度合は特に限られず、多孔質ガラス母材１４に不良箇所を発生させない程度に清浄であれば良い。

反応容器２０の上壁２０ｃには貫通穴２０ｄが設けられており、出発材１１がこの貫通穴２０ｄを上下方向に挿通するように配置される。出発材１１は、上端が回転チャック２６に把持されて回転されるとともに、移動手段１３により上下方向に往復移動するようになっている。
このように、出発材１１を回転させながらその軸方向に沿って往復移動させることにより、出発材１１の表面にガラス微粒子を均一に堆積させて多孔質ガラス母材１４を製造するようにしている。すなわち、多孔質ガラス母材の製造装置１０は、ＯＶＤ法により多孔質ガラス母材１４を製造する装置構成となっている。

反応容器２０の入り口側側壁２０ａには、クリーンエア発生器３０から配管３１を介してクリーンエア３０ａが供給されるクリーンエア供給室２１が設けられている。クリーンエア３０ａの噴き出し口であるクリーンエア供給室２１の内径は、最終的に形成される多孔質ガラス母材１４の仕上がり外径（すなわち最大径）の１．５倍以上とするのが望ましい。
これにより、製造中の多孔質ガラス母材１４の全幅に、堆積開始から終了まで均一にクリーンエア３０ａを噴き付けることができ、反応容器２０内に浮遊する余剰のガラス微粒子を減少させることができる。

なお、クリーンエア供給室２１の断面形状は、本実施形態では丸型としたが、これに限定されるものではなく、四角型等、他の形状であっても良い。その際、クリーンエア３０ａを噴き出すクリーンエア供給室２１の断面において、出発材１１の径方向に対する幅が、多孔質ガラス母材１４の仕上がり外径の１．５倍以上であることが望ましい。

また、クリーンエア供給室２１内の、配管３１の接続口であるクリーンエア入り口２１ａとクリーンエア供給室２１の開口部との間には、クリーンエア供給室２１の断面を覆う整流板２２が取り付けられており、この整流板２２を通過することによりクリーンエア３０ａは整流状態で反応容器２０内部に供給される。整流板２２としては、例えば網状の板やハニカム形状の板を複数重ねたり、あるいは多数の筒を並べることにより、多数のクリーンエア３０ａの通路を形成したものを使用することができる。

なお、クリーンエア発生器３０では、供給されるクリーンエア３０ａの流量が制御部５０のクリーンエア流量制御部５１によって調整されるようになっている。また、配管３１には流量計３２が設けられており、配管３１内を流れるクリーンエアの流量を測定して、測定結果を制御部５０にフィードバックしている。これにより、単位時間あたり所望の量のクリーンエア３０ａを供給できるようにしている。

また、クリーンエア供給室２１の中心を貫通してバーナ１２が水平に取り付けられており、先端は整流板２２の中心を貫通して反応容器２０内部に突出している。バーナ１２はガスを噴き出すポートが同心円状に形成され、ガスの種類毎に噴き出すポートが決められた多重管（例えば９重管）バーナを使用すると良い。バーナ１２は、ポートごとに設けられた配管４１（図１は１本のみを図示）によりガス供給装置４０に接続されており、水素及び酸素の燃焼ガス４０ｂや四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）のガラス原料ガス４０ａが供給されるようになっている。また、ガス供給装置４０は燃焼ガス供給装置及び原料ガス供給装置からなり、制御部５０のガス流量制御部５２によって制御されて、燃焼ガス４０ｂやガラス原料ガス４０ａの供給量がバーナ１２の各ポートごとに調整されるようになっている。また、その他のシールガス等の供給装置も適宜設けられ、バーナ１２の所定のポートに供給される。

反応容器２０の出口側側壁２０ｂには、反応容器２０内の気体を吸い込んで排気するダクト２３が外に向かって設けられており、廃ガス処理装置２４に接続されている。また、ダクト２３の内部には排気量を調整するための排気弁２５が設けられている。
なお、排気弁２５の開度は、反応容器２０内の気圧が一定となるように、制御部５０内の排気弁制御部５３によって調整されるようになっている。

制御部５０は、クリーンエア流量制御部５１、ガス流量制御部５２及び排気弁制御部５３等を有している。
クリーンエア流量制御部５１では、流量計３２からフィードバックされる流量信号及びガス流量制御部５２からのガラス原料ガス４０ａ等のガス流量に基づいて、所望の量のクリーンエア３０ａを反応容器２０へ供給するようにクリーンエア発生器３０を制御する。このとき、クリーンエア流量制御部５１では、供給するクリーンエア３０ａの流量と整流板２２の断面積とから、整流板２２を通過して出発材１１に向かって流れるクリーンエア３０ａの供給流速が算出される。
また、ガス流量制御部５２では、ガス流量制御部５２がガス供給装置４０に指令するガスの供給流量（バーナ１２から噴き出すガスの流量）とポートの断面積とから、バーナ１２から噴き出すガスの供給流速が算出される。

このように構成された制御部５０は、バーナ１２から噴き出すガスのうちガラス原料ガス４０ａの供給流速に対応して、クリーンエア供給室２１から整流板２２を通して出発材１１に向けて供給するクリーンエア３０ａの供給流速が所定の倍率となるように、クリーンエアの供給流量を制御する。また、制御部５０制御方法を、バーナ１２から噴き出す全てのガスの平均供給流速に対応してクリーンエアの供給流量を制御するようにしても良い。噴き出すガスの平均供給流速は、バーナ１２から噴き出すガス供給流量の総和をバーナ１２の先端のポート断面積で割ることで算出できる。

次に、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法について説明する。
反応容器２０内において回転する出発材１１に対して、相対的に移動するバーナ１２から噴き出されるガラス原料ガス４０ａ及び燃焼ガス４０ｂの火炎加水分解反応により生成するガラス微粒子を堆積させて、多孔質ガラス母材１４を製造する際に、バーナ１２の周囲から整流されたクリーンエア３０ａを供給する。そして、制御部５０が、バーナ１２から噴き出されるガラス原料ガス４０ａの供給流速に対応してクリーンエア３０ａの供給流量を所定の範囲に制御（すなわち供給流速を制御）する。

反応容器２０内のバーナ１２の周囲に供給されるクリーンエア３０ａの供給流速は、クリーンエア発生器３０から供給されるクリーンエア３０ａの供給量（体積）と、ダクト２３から吸い出されるクリーンエア３０ａの量により決定される。このため、制御部５０のクリーンエア流量制御部５１は、ガス流量制御部５２からのガラス原料ガス４０ａの供給流速のデータに基づいてクリーンエア３０ａの供給流速を算出し、このときの供給流速に対応してクリーンエア発生器３０を制御して所望の量のクリーンエア３０ａを発生させるとともに、排気弁制御部５３に排気弁２５の開度を指令して、排気弁制御部５３により排気弁２５の開度を制御する。

図２には、クリーンエア３０ａの供給流速と、製造された多孔質ガラス母材１４から最終的に製造された光ファイバの断線回数（断線率）との関係が示されている。すなわち、製造された多孔質ガラス母材１４は、透明ガラス化されて光ファイバ母材が形成され、この光ファイバ母材から線引きにより光ファイバが形成されて巻き取られるが、多孔質ガラス母材１４に不良箇所があると、線引き過程で行われるスクリーニングにより断線する。この断線回数が、図２に示すように、クリーンエア３０ａの流速がガラス原料ガス４０ａ等の流速の０．３倍未満の場合に急増する。このことから、クリーンエア３０ａの供給流速を、ガラス原料ガス４０ａの供給流速の０．３倍以上とするのが望ましい。

一方、図３には、クリーンエア３０ａの供給流速と、ガラス微粒子の堆積効率との関係が示されている。
図３に示すように、クリーンエア３０ａの供給流速が、ガラス原料ガス４０ａの供給流速の１．０倍を超えると、ガラス微粒子の堆積効率が低下する。このことから、クリーンエア３０ａの供給流速を、ガラス原料ガス４０ａの供給流速の１．０倍以下とするのが望ましい。
すなわち、クリーンエア３０ａの供給流速は、ガラス原料ガス４０ａの供給流速の０．３〜１．０倍であるのが望ましい。これにより、クリーンエア３０ａの供給流速が遅すぎる場合に生じやすい不良箇所の発生を抑制させることができるとともに、供給流速が速すぎる場合に生じやすい収率の低下を回避することができる。

なお、上記の実施形態では、クリーンエア３０ａの供給流速を制御する基準としてガラス原料ガス４０ａの供給流速を用いたが、ガラス原料ガス４０ａや燃焼ガス４０ｂを含む、バーナ１２から噴き出す全てのガスの平均供給流速を基準として用いることもできる。なお、ガラス原料ガス４０ａとして、ガラスに添加物（ゲルマニウムやフッ素等）を添加するためのガスも含まれて良い。また、ガラス原料ガス４０ａの供給流速とバーナ１２から噴き出す全てのガスの平均供給流速の両方のデータを基準としてクリーンエア３０ａの供給流速を制御しても良い。

以上説明したように、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置によれば、バーナ１２から噴き出すガラス原料ガス４０ａの供給流速及びバーナ１２から噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応してバーナ１２の周囲に供給される整流されたクリーンエア３０ａの供給流速を制御するので、バーナ１２の火炎を適度に安定させることができる。これにより、反応容器２０内に浮遊する余剰のガラス微粒子を減少させてガラス微粒子の堆積効率を向上させ、安定した多孔質ガラス母材１４の生産を行うことができることになる。

このように、本発明に係る多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置は、不良箇所を少なくして高品質の多孔質ガラス母材を安定して製造することが可能であるため、例えばＧＩ型等のマルチモード光ファイバのコア部分を作成するのに好適である。
また、本発明において行われるクリーンエアの制御は、多孔質ガラス母材の両端に形成される肩部にガラス微粒子を堆積させるときは行わなくても良い。

なお、本発明の多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば前述した多孔質ガラス母材の製造装置１０では、出発材１１を上下方向に支持して、バーナ１２を水平方向に設けたいわゆる縦型の装置に付いて説明したが、出発材１１を水平に支持し、上下方向にバーナ１２を設ける横型とすることもできる。

また、上記の実施形態の例では、ＯＶＤ法により多孔質ガラス母材を製造する方法を対象として説明したが、本発明の多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置は、回転する出発材を引き上げながらガラス微粒子を堆積させ、出発材の軸方向に多孔質ガラス母材を成長させていく、所謂ＶＡＤ法によって多孔質ガラス母材を製造する方法においても同様に採用することができる。例えば、特開昭６２−１７１９３９号公報に記載の多孔質光ファイバ母材の製造装置に対して、本発明の多孔質ガラス母材の製造方法及び製造装置の構成を応用することも可能である。

本発明に係る多孔質ガラス母材の製造装置の実施形態の例を示す概略構成図である。クリーンエアの流速と製造された多孔質ガラス母材から最終的に製造された光ファイバの断線回数との関係を示すグラフである。クリーンエアの流速とガラス微粒子の堆積効率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０多孔質ガラス母材の製造装置
１１出発材
１２バーナ
１３移動手段
１４多孔質ガラス母材
２０反応容器
２１クリーンエア供給室（噴き出し口）
３０クリーンエア発生器（清浄化ガス供給手段）
３０ａクリーンエア（清浄化ガス）
４０ａガラス原料ガス
４０ｂ燃焼ガス
５０制御部

Claims

バーナからガラス原料ガス及び燃焼ガスを含むガスを噴き出し、ガラス微粒子を生成して、前記ガラス微粒子を出発材に堆積させる際に、前記バーナの周囲から前記出発材に向けて整流された清浄化ガスを供給する多孔質ガラス母材の製造方法であって、
前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して前記清浄化ガスの供給流速を所定の範囲に制御することを特徴とする多孔質ガラス母材の製造方法。
前記清浄化ガスの供給流速が、前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかの０．３〜１．０倍となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の多孔質ガラス母材の製造方法。
前記清浄化ガスを噴き出す噴出口の幅（前記出発材の径方向に対する幅）が、多孔質ガラス母材の仕上がり外径の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の多孔質ガラス母材の製造方法。
回転する出発材を収容する反応容器と、ガラス原料ガス及び燃焼ガスを含むガスを噴き出してガラス微粒子を生成するバーナと、前記出発材と前記バーナとを前記出発材の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、前記バーナの周囲から前記出発材に向けて清浄化ガスを供給する清浄化ガス供給手段とを備えた多孔質ガラス母材の製造装置であって、
前記清浄化ガスの供給流量を前記ガラス原料ガスの供給流速及び前記バーナから噴き出すガスの平均供給流速の少なくとも何れかに対応して所定の範囲に制御する制御部を備えていることを特徴とする多孔質ガラス母材の製造装置。