JP2014122141A - ガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできるガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法を提供する。
【解決手段】 ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とする。
【選択図】 図3
【解決手段】 ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
本発明は、光ファイバ母材を製造する際に使用されるガラス微粒子合成用バーナ(以下、バーナと称する)及びこのバーナを用いて製造するガラス微粒子堆積体(以下、スートと称する)の製造方法に関する。
光ファイバと同じように、光ファイバ母材の中心部は周辺(クラッド部)より屈折率が高くなっており、これをコア部と称する。光ファイバの主な構成成分はSiO2であるが、コア部は屈折率を高めるために、ドーパントとしてGeO2が添加されている。光ファイバ母材の一般的な製造方法には、気相軸付け法(VAD法)、外付け気相成長法(OVD法)、内付け化学気相成長法(MCVD法)などの気相合成法で製造したスートを加熱、透明ガラス化する方法がある。
VAD法では、四塩化ケイ素などのガラス原料ガスを酸水素火炎中で加水分解反応させてガラス微粒子を合成し、このガラス微粒子を回転している出発材上に吹き付けて堆積させ、上方に引き上げながら軸方向に成長させて、円柱状のスートを製造する。
図1は、複数のバーナを用いて出発材1にガラス微粒子を堆積させてスート2を形成するスート製造中の様子を示している。複数のバーナを用いると、製造中のスートはテーパ形状を形成する。
コア部を形成するバーナ3には、四塩化ケイ素の他に四塩化ゲルマニウムなどのドーパント原料を同伴させるため、クラッド部形成バーナ4,5とは独立して配置され、全体として複数のバーナを使用して、スートを製造することが多い。中心に位置するコア部をバーナ3で出発材に堆積させたのち、上方に配置したクラッド部形成バーナ4,5で外側から覆うようにクラッド部を形成すると、結果として、堆積が行われている部位は、徐々に径が太くなり、テーパ形状を呈する。
コア部を形成するバーナ3には、四塩化ケイ素の他に四塩化ゲルマニウムなどのドーパント原料を同伴させるため、クラッド部形成バーナ4,5とは独立して配置され、全体として複数のバーナを使用して、スートを製造することが多い。中心に位置するコア部をバーナ3で出発材に堆積させたのち、上方に配置したクラッド部形成バーナ4,5で外側から覆うようにクラッド部を形成すると、結果として、堆積が行われている部位は、徐々に径が太くなり、テーパ形状を呈する。
バーナの形状にはさまざまな構造のものが提案され、また用いられている。図2(a)に示すものは、管径の異なる複数の円管を同心円状に配置し、リング状のガス流路を複数形成したバーナの一例である。バーナ10の最内の円管10aのノズルには、ガラス原料ガスと助燃性ガスを流し、その外側に配置された複数の円管10b〜10dにより、隣り合う各円管によって形成されたリング状のノズル11a〜11cには、それぞれ内側から順にシールガスとして不活性ガス、水素ガス、助燃性ガスを流し、先端から噴出させる。
また、他には、図2(b)に示すように、複数の偏平長方形管からなる偏平長方形多重管に、内側から順にノズル21aには原料ガスと助燃性ガス、ノズル21bにはシールガス、ノズル22cには水素ガス、ノズル21dには助燃性ガスを流し、先端から噴出させるバーナ形状のものがある。
さらに、複数の円筒からなる円管多重管の中心に原料ガス噴出流路を配置し、この原料ガス噴出流路を取り囲むように形成された可燃性ガス流路内に、複数の補助助燃性ガス噴出流路を環状に配置した図2(c)のようなマルチノズルバーナ形状のものが知られている。
図2(c)に示すように、バーナ30は、ガラス原料ガスと助燃性ガスを噴出するノズル31a、複数の補助助燃性ガスを噴出するノズル31c、水素ガスを噴出するリング状ノズル31dを有し、そのほかシールガスとして不活性ガスを噴出するノズル31b、31e、助燃性ガスを噴出するノズル31fを備えている。
図2(c)に示すように、バーナ30は、ガラス原料ガスと助燃性ガスを噴出するノズル31a、複数の補助助燃性ガスを噴出するノズル31c、水素ガスを噴出するリング状ノズル31dを有し、そのほかシールガスとして不活性ガスを噴出するノズル31b、31e、助燃性ガスを噴出するノズル31fを備えている。
近年、線引き技術の向上により、大型の光ファイバ母材を高速で線引することが可能となり、また、世界的な光ファイバ需要の高まりから、大型の光ファイバ母材をより短時間で製造することが求められている。
図1に示したように、スートを効率的に製造するために複数のバーナを用いた場合、クラッド部形成用のバーナ火炎は、スートのテーパ形状部分に当たることになる。そのため、火炎の上部は、スートの太い部位に向けて噴出する一方、火炎の下部は、スートの細い部位に向けて噴出することになる。しかし、上述の図2(a)〜(c)で示したバーナは、いずれもバーナの中心軸に対して上下方向に対称な構造を有しているため、バーナの上部と下部でも火炎直径や火炎長さ、火炎の噴出速度などは同じであり、堆積効率が悪く、スートのテーパ形状に対して適切な火炎で堆積が行われているとは云えなかった。
図1に示したように、スートを効率的に製造するために複数のバーナを用いた場合、クラッド部形成用のバーナ火炎は、スートのテーパ形状部分に当たることになる。そのため、火炎の上部は、スートの太い部位に向けて噴出する一方、火炎の下部は、スートの細い部位に向けて噴出することになる。しかし、上述の図2(a)〜(c)で示したバーナは、いずれもバーナの中心軸に対して上下方向に対称な構造を有しているため、バーナの上部と下部でも火炎直径や火炎長さ、火炎の噴出速度などは同じであり、堆積効率が悪く、スートのテーパ形状に対して適切な火炎で堆積が行われているとは云えなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできるガラス微粒子合成用バーナ及びガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、上記問題点を解決したもので、請求項1記載の発明は、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とするガラス微粒子合成用バーナである。
また、請求項2記載の発明は、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とするガラス微粒子合成用バーナである。
本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記請求項1または請求項2に記載のガラス微粒子合成用バーナを用いることを特徴とする。
本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、前記請求項1または請求項2に記載のガラス微粒子合成用バーナを用いることを特徴とする。
本発明によれば、スートを効率良く製造することができるようになり、大型の光ファイバ母材を短時間で製造することができる。
本発明者は、スートのテーパ形状部分でもガラス微粒子を効率良く堆積することのできる火炎条件等について種々検討、実験を重ねた結果、スート形状に応じて適した火炎長さや火炎直径があることが分かり、さらに実験を重ねて、望ましい火炎状態の得られるバーナ構造を見出し、本発明を達成した。
請求項1の発明に係るガラス微粒子合成用バーナは、要するに、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路の外側に配された可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路内に、助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナの断面図において、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とし、請求項2の発明に係るガラス微粒子合成用バーナは、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とする。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図3は、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図であり、請求項1の発明に係るバーナの一例を示したものである。
図3において、バーナ40は、石英ガラス製円管を複数層に重ね、水素ガスを流す可燃性ガス領域に複数の小口径ノズルが配置されている。中心のノズル41aには、原料ガスである四塩化ケイ素と酸素ガスを流し、その外側のノズル41bとノズル41eにはシールガスを流し、またノズル41dには水素ガスを流し、さらに最外側のノズル41fには酸素ガスが流される。前記ノズル41dの可燃性ガス領域内には、複数の小口径ノズル41cが配置され、酸素ガスが流される。
図3は、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図であり、請求項1の発明に係るバーナの一例を示したものである。
図3において、バーナ40は、石英ガラス製円管を複数層に重ね、水素ガスを流す可燃性ガス領域に複数の小口径ノズルが配置されている。中心のノズル41aには、原料ガスである四塩化ケイ素と酸素ガスを流し、その外側のノズル41bとノズル41eにはシールガスを流し、またノズル41dには水素ガスを流し、さらに最外側のノズル41fには酸素ガスが流される。前記ノズル41dの可燃性ガス領域内には、複数の小口径ノズル41cが配置され、酸素ガスが流される。
図3に示す請求項1の発明に係るバーナが、従来のバーナと異なる特徴的なことは、バーナの断面図において、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転させてもこの関係は変わらず、回転対称性を持たないことである。
すなわち、従来のバーナの代表例として、図2(b)のバーナ20が挙げられるが、これはバーナ中心を対称点としてn×90°(nは整数)回転させると、元の小口径ノズル配置と同じになり、これは回転対称性を持っていると言える。本発明に係る図3に示したバーナ40は、n×360°(nは整数)回転させたときのみ、元の小口径ノズル配置と同じになり、回転対称性を持たないことがわかる。
すなわち、従来のバーナの代表例として、図2(b)のバーナ20が挙げられるが、これはバーナ中心を対称点としてn×90°(nは整数)回転させると、元の小口径ノズル配置と同じになり、これは回転対称性を持っていると言える。本発明に係る図3に示したバーナ40は、n×360°(nは整数)回転させたときのみ、元の小口径ノズル配置と同じになり、回転対称性を持たないことがわかる。
また、図4に示すバーナ50は、請求項2の発明に係るバーナの一例を示したものであり、バーナ50の中心のノズル51aには、原料ガスである四塩化ケイ素と酸素ガスを流し、その外側のノズル51bとノズル51eにはシールガスを流し、またノズル51dには水素ガスを流し、さらに最外側のノズル51fには酸素ガスが流される。前記ノズル51dの可燃性ガス領域内には、複数の小口径ノズル51cが配置され、酸素ガスが流されるようになっている。
従来のバーナと異なる特徴的なことは、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、小口径ノズルが非対称となるように配置されている点である。
従来のバーナと異なる特徴的なことは、可燃性ガス領域内に配された複数の小口径ノズルのそれぞれの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、小口径ノズルが非対称となるように配置されている点である。
(実施例1)
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ40を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いて、以下の条件でスートを製造した。
第2クラッド部堆積用バーナ(バーナ40)のノズル41aには、四塩化ケイ素3.5L/minと酸素2.5L/minの流量で流し、ノズル41dには水素45L/min、ノズル41fには酸素20L/min、小口径ノズル41cには合計で酸素4.0L/minの流量で流した。
一方、コア部堆積用バーナには、酸素7.5L/min、水素5.0L/min、アルゴン0.4L/min及び四塩化ケイ素0.30L/minを流し、第1クラッド部堆積用バーナには、酸素14L/min、水素14L/min、アルゴン2.2L/min、四塩化ケイ素0.80L/minを流した。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は8.0g/minとなり、収率は71%であった。なお、収率100%の場合、四塩化ケイ素31.8g/minが完全に加水分解されて、二酸化珪素11.2g/minが生成し、堆積する計算になる。
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ40を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いて、以下の条件でスートを製造した。
第2クラッド部堆積用バーナ(バーナ40)のノズル41aには、四塩化ケイ素3.5L/minと酸素2.5L/minの流量で流し、ノズル41dには水素45L/min、ノズル41fには酸素20L/min、小口径ノズル41cには合計で酸素4.0L/minの流量で流した。
一方、コア部堆積用バーナには、酸素7.5L/min、水素5.0L/min、アルゴン0.4L/min及び四塩化ケイ素0.30L/minを流し、第1クラッド部堆積用バーナには、酸素14L/min、水素14L/min、アルゴン2.2L/min、四塩化ケイ素0.80L/minを流した。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は8.0g/minとなり、収率は71%であった。なお、収率100%の場合、四塩化ケイ素31.8g/minが完全に加水分解されて、二酸化珪素11.2g/minが生成し、堆積する計算になる。
(実施例2)
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ50を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いて、スートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例1とすべて同じとした。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度が7.7g/minで、収率は69%であった。
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、上記バーナ50を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いて、スートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例1とすべて同じとした。
上記の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度が7.7g/minで、収率は69%であった。
(比較例1)
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、図2(c)に示したバーナ30を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いてスートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例1とすべて同じとした。
以上の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は6.7g/minとなり、収率は60%であった。
コア部堆積用バーナ及び第1クラッド部堆積用バーナに、図2(c)に示したバーナ30を第2クラッド部堆積用バーナとして加え、合計3本のバーナを用いてスートを製造した。各バーナにおいて、各ノズルに流すガス流量は、上記実施例1とすべて同じとした。
以上の条件で製造した結果、全体の平均堆積速度は6.7g/minとなり、収率は60%であった。
以上のように、実施例1ではスート製造の収率が71%となり、実施例2では収率が69%であり、いずれも従来例として挙げた比較例1の収率60%より大きく向上した。
このように、本発明によれば、スート形状に対して適切な火炎直径、火炎長さで堆積を行えるようになるため、スートの堆積速度を大きく向上させることができる。
このように、本発明によれば、スート形状に対して適切な火炎直径、火炎長さで堆積を行えるようになるため、スートの堆積速度を大きく向上させることができる。
1.出発材、
2.スート、
3,10,20,30,40,50.バーナ、
4,5.クラッド部形成バーナ、
10a〜10d.円管、
11a〜11c,21a〜21d,31a〜31f,41a〜41f,51a〜51f.ノズル。
2.スート、
3,10,20,30,40,50.バーナ、
4,5.クラッド部形成バーナ、
10a〜10d.円管、
11a〜11c,21a〜21d,31a〜31f,41a〜41f,51a〜51f.ノズル。
Claims (3)
- ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心に対して非対称であり、回転対称性を持たないことを特徴とするガラス微粒子合成用バーナ。
- ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスをバーナに供給し、火炎中で精製したガラス微粒子を出発材に噴きつけ堆積させるガラス微粒子合成用バーナであって、ガラス原料を噴出するガラス原料ガス噴出流路と、その外側に可燃性ガスを噴出するリング状の可燃性ガス噴出流路と、さらにその外側に助燃性ガスを噴出するリング状の助燃性ガス噴出流路とを備え、前記可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを有し、バーナをその中心軸に対して垂直に切断した断面図において、可燃性ガス領域内に配された各小口径ノズルの位置が、バーナ中心を通る左右に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが左右対称に配置され、かつ、バーナ中心を通る上下に分割する線を対称線として、前記小口径ノズルが非対称となるように配置されていることを特徴とするガラス微粒子合成用バーナ。
- 前記請求項1または請求項2に記載のガラス微粒子合成用バーナを用いることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
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