JP5342514B2 - 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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Description
そして、形成されたスート体を高温で加熱して脱水・焼結することにより、透明ガラス化された光ファイバ母材が製造される。また、この光ファイバ母材を加熱して線引きすることにより、光ファイバが製造される。なお、ターゲットロッドには、例えばVAD法により作製されたコア母材が用いられる。
具体的には、マルチノズルバーナ50の断面中心に、原料ガス噴出流路51が配置され、この原料ガス噴出流路51の外側には、原料ガス噴出流路51と同心の円C1上に等間隔で第1助燃性ガス噴出流路521が配置されている。さらにその外側には、原料ガス噴出流路51と同心の円C2上に等間隔で第2助燃性ガス噴出流路522が配置されている。
特許文献5、6のように、ターゲットロッドの長手方向に複数のバーナを並べて配設する手法は、短時間でスート体を形成できるという点で有効である。しかしながら、個々のバーナの堆積能力のわずかな差異によりスート体及びこれを透明ガラス化した光ファイバ母材の外形変動が生じやすいという欠点がある。特許文献6では、堆積量検出機構(CCDカメラ)により外径変動を検出して修正するようにしているが、バーナの制御が複雑となる上、製造設備も複雑な構造となってしまう。
このように、従来の手法では、光ファイバ母材の大型化、低コスト化に応えることが困難となっている。
この原料ガス噴出流路を取り囲むように設けられた複数の小口径流路からなり、これらの小口径流路から助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出流路と、
前記原料ガス噴出流路及び前記助燃性ガス噴出流路の周囲に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出流路とを備え、
前記可燃性ガス及び前記助燃性ガスを噴出させ、この可燃性ガス及び助燃性ガスからなる火炎中に前記原料ガスを供給することにより合成されたガラス微粒子をターゲットロッドに堆積させるガラス微粒子合成用バーナにおいて、
前記原料ガス噴出流路が、当該ガラス微粒子合成用バーナの断面中心を中心とする同一円周上に等間隔で複数配置され、
前記助燃性ガス噴出流路が、前記原料ガス噴出流路のそれぞれを取り囲むように個々の前記原料ガス噴出流路と同心の円上に環状配置された第1助燃性ガス噴出流路と、この第1助燃性ガス噴出流路を取り囲むように当該ガラス微粒子合成用バーナの断面中心を中心とする同一円周上に環状配置された第2助燃性ガス噴出流路と、で構成され、
前記ガラス微粒子合成用バーナの断面中心には、第1助燃性ガス噴出流路が配置されていることを特徴とする。
図1は、実施形態に係るガラス微粒子合成用バーナ(以下、バーナ)10の一例を示す図である。図1に示すように、バーナ10は、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出流路13内に、原料ガスを噴出する原料ガス噴出流路11及び助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出流路12が配置されて構成されている。バーナ10では、助燃性ガス噴出流路12、可燃性ガス噴出流路13からそれぞれ助燃性ガス、可燃性ガスを噴出させ、この助燃性ガス及び可燃性ガスからなる火炎中に原料ガスを供給することにより合成されたガラス微粒子をターゲットロッドに堆積させる。
助燃性ガス噴出流路12は、原料ガス噴出流路11の外側に配置される小口径流路からなる第1助燃性ガス噴出流路121と、この第1助燃性ガス噴出流路121の外側に配置される小口径流路からなる第2助燃性ガス噴出流路122で構成されている。
また、可燃性ガス噴出流路13の外側には、シールガスを噴出するシールガス噴出流路14、助燃性ガスを噴出する補助助燃性ガス噴出流路15が同心状に配置されている。シールガスとしては、例えば、Ar、N2などの不活性ガスが一般的に用いられる。なお、各噴出流路11〜16は、例えば石英ガラスやセラミックス等の耐熱性の高い材料で構成される。
このような原料ガス流の断面内における温度の偏りを低減するために、助燃性ガス噴出流路12を設けることは有効である。すなわち、第1助燃性ガス噴出流路121は、実現可能なバーナ構造の中で、原料ガス流の断面内での温度の偏りを小さくするように適宜設定されるべきである。
なお、後述する図4のように、第2助燃性ガス流路322を二重環構造とした場合は、外側の第2助燃性ガスの焦点距離L32を、内側の第2助燃性ガスの焦点距離L31以上とすればよい。
可燃性ガス噴出流路13の内径は、可燃性ガスとしてH2を使用する場合には25〜55mmとするのが望ましい。可燃性ガスと助燃性ガスの適切な流速差を得る為である。
しかしながら、前者の手法では、原料ガスの流速を速くするに従い、原料ガスが火炎加水分解反応するための時間が十分確保できなくなる。そのため、ガラス微粒子の合成が不十分な状態で原料ガス流がターゲットロッドに到達することとなり、ガラス微粒子の堆積効率が低下してしまう。
一方、後者の手法では、原料ガス噴出流路の口径を拡大するに従い、原料ガス流の外縁部と中心部でガラス微粒子の合成反応進行度合いの差が大きくなり、特に中心部におけるガラス微粒子の合成速度が遅くなる。原料ガス流の周囲から熱及び反応に必要な水分等が供給されることにより、原料ガス流の外縁部から中心部に向かってガラス微粒子の合成反応が進むためである。そして、このような不均一な合成状態で原料ガス流がターゲットロッドに到達すると、ガラス微粒子の堆積効率が低下してしまう。
これにより、それぞれの原料ガス流において一様にガラス微粒子が合成されるので、全体として原料ガスを大量に噴出することができ、ガラス微粒子の堆積効率を向上させることができる。なお、原料ガスの流速は、ガラス微粒子が十分に合成されうる程度の反応時間が確保されるように設定されればよい。
さらに、第2助燃性ガス噴出流路122から噴出された助燃性ガスにより、原料ガス流及び原料ガス流中で生成したガラス微粒子流の流れを安定化させることができ、加えてガラス微粒子流の温度と堆積面の温度が適正に制御される。
このバーナ10により、SiCl4等の原料ガス、可燃性ガス(例えばH2)、助燃性ガス(例えばO2)及びシールガス(例えばN2)が供給される。そして、可燃性ガス及び助燃性ガスからなる火炎(例えば酸水素火炎)101中で原料ガスが火炎加水分解反応することによりガラス微粒子102が合成される。
ターゲットロッド2を軸中心に回転させながら、バーナ10を長手方向に往復移動させることで、ターゲットロッド2の外周面にガラス微粒子102が堆積され、スート体3が形成される。なお、ターゲットロッド2とバーナ10は相対移動すればよく、ターゲットロッド2を長手方向に往復移動させてもよい。そして、高温で加熱して脱水・焼結することにより、透明ガラス化された光ファイバ母材1が製造される。また、この光ファイバ母材1を加熱して線引きすることにより、光ファイバが製造される。なお、ターゲットロッド2には、例えばVAD法により作製されたコア母材が用いられる。
図3は、変形例1に係るバーナ20の一例を示す図である。変形例1では、原料ガス噴出流路21を4個配置している点が実施形態のバーナ10と異なる。
図3に示すように、バーナ20は、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出流路23内に、原料ガスを噴出する原料ガス噴出流路21及び助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出流路22が配置されて構成されている。
第1助燃性ガス噴出流路221は、それぞれの原料ガス噴出流路21を取り囲むように、個々の原料ガス噴出流路21と同心でバーナ中心(可燃性ガス噴出流路23の中心)を通る4つの円C11〜C14上に環状配置されている。具体的には、第1助燃性ガス噴出流路221は、4つの円C11〜C14の交点(バーナ中心)、及び2つの円C11、C12の交点、円C12、C13の交点、円C13、C14の交点、円C14、C11の交点の5箇所、並びにそれぞれの原料ガス噴出流路21の中心に関してバーナ中心と点対称な位置となる4箇所の計9箇所に配置されている。
また、第2助燃性ガス噴出流路222は、第1助燃性ガス噴出流路221を取り囲むように、可燃性ガス噴出流路23と同心の円C2上に等間隔で12箇所に環状配置されている。
また、可燃性ガス噴出流路23の外側には、シールガスを噴出するシールガス噴出流路24、助燃性ガスを噴出する補助助燃性ガス噴出流路25が同心状に配置されている。シールガスとしては、例えば、Ar、N2などの不活性ガスが一般的に用いられる。なお、各噴出流路21〜26は、例えば石英ガラスやセラミックス等の耐熱性の高い材料で構成される。
図4は、変形例2に係るバーナ30の一例を示す図である。変形例2では、原料ガス噴出流路31を2個配置し、第2助燃性ガス噴出流路322を二重環構造としている点が実施形態のバーナ10と異なる。
図4に示すように、バーナ30は、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出流路33内に、原料ガスを噴出する原料ガス噴出流路31及び助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出流路32が配置されて構成されている。
第1助燃性ガス噴出流路321は、それぞれの原料ガス噴出流路31を取り囲むように、個々の原料ガス噴出流路31と同心でバーナ中心を通る2つの円C11、C12上に環状配置されている。具体的には、第1助燃性ガス噴出流路321は、円C11、C12のそれぞれにおいて、互いの接点(バーナ中心)を含む等間隔の4箇所(計7箇所)に配置されている。
また、第2助燃性ガス噴出流路322は、第1助燃性ガス噴出流路321を取り囲むように、可燃性ガス噴出流路33と同心の円C2上に等間隔で8箇所に環状配置された内側の第2助燃性ガス噴出流路322aと、可燃性ガス噴出流路33と同心の円C3上に等間隔で12箇所に環状配置された外側の第2助燃性ガス噴出流路322bからなる二重環構造となっている。
また、可燃性ガス噴出流路33の外側には、シールガスを噴出するシールガス噴出流路34、助燃性ガスを噴出する補助助燃性ガス噴出流路35が同心状に配置されている。シールガスとしては、例えば、Ar、N2などの不活性ガスが一般的に用いられる。なお、各噴出流路31〜36は、例えば石英ガラスやセラミックス等の耐熱性の高い材料で構成される。
実施例1−1では、図1に示すバーナ10を用いて光ファイバ母材を作製した。具体的には、バーナ10を100mmφのターゲットロッド2から250mm離間させて対向配置した。そして、原料ガスをSiCl4、可燃性ガスをH2、助燃性ガスをO2として、ターゲットロッド2を回転させながらバーナ10を往復移動させ、ターゲットロッド2の外周面にガラス微粒子102を堆積させてスート体3を形成した。このとき、ターゲットロッドの回転速度を100rpm、バーナ10のトラバース速度を2000mm/minとし、堆積時間は300minとした。なお、原料ガス噴出流路11からは原料ガスSiCl4と助燃性ガスであるO2を混合して噴出させた。
また、実施例1−1では、原料ガス噴出流路11の噴出端における流速(以下、原料ガスの流速)を38.2m/s、第1助燃性ガス噴出流路121の噴出端における流速(以下、第1助燃性ガスの流速)を33.6m/s、第2助燃性ガス噴出流路122の噴出端における流速(以下、第2助燃性ガスの流速)を20.3m/s、可燃性ガス噴出流路13の噴出端における流速(以下、可燃性ガスの流速)を8.8m/sとした。各噴出ガスの流速は、ガス供給量/噴出端の断面積により求まる。
また、シールガス噴出流路16からは、原料ガスを可燃性ガス及び助燃性ガスと仕切れる程度の流量(流速:1m/s前後)でシールガス(例えばN2)を供給した。
そして、高温で加熱して脱水・焼結することによりスート体3を透明ガラス化し、実施例1−1に係る光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。
実施例1−2では、図1に示すバーナ10を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。実施例1−1とは、第1助燃性ガス及び可燃性ガスの流速が異なり、他の条件は同じとした。すなわち、実施例1−2では、原料ガスの流速を38.2m/s、第1助燃性ガスの流速を31.9m/s、第2助燃性ガスの流速を16.9m/s、可燃性ガスの流速を6.8m/sとした。
実施例2では、図3に示すバーナ20を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。なお、バーナ20における原料ガス噴出流路21の噴出端の断面積は、図1に示すバーナ10における原料ガス噴出流路11の噴出端の断面積の3/4とした。つまり、噴出端における流速が同じであれば、原料ガス噴出流路21から噴出される原料ガスの総量は、原料ガス噴出流路11から噴出される原料ガスの総量と同じとなる。
また、実施例2では、原料ガスの流速を38.2m/s、第1助燃性ガスの流速を32.0m/s、第2助燃性ガスの流速を20.5m/s、可燃性ガスの流速を8.3m/sとした。その他の条件は実施例1−1と同じとした。
実施例3では、図4に示すバーナ30を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。なお、バーナ30における原料ガス噴出流路31の噴出端の断面積は、図1に示すバーナ10における原料ガス噴出流路11の噴出端の断面積の3/2とした。つまり、噴出端における流速が同じであれば、原料ガス噴出流路31から噴出される原料ガスの総量は、原料ガス噴出流路11から噴出される原料ガスの総量と同じとなる。
また、実施例3では、原料ガスの流速を38.2m/s、第1助燃性ガスの流速を32.5m/s、第2助燃性ガス(内側)の流速を24.7m/s、第2助燃性ガス(外側)の流速を18.7m/s、可燃性ガスの流速を8.8m/sとした。その他の条件は実施例1−1と同じとした。
比較例1−1では、図6に示すバーナ60を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。図6に示すバーナ60は、図1における第2助燃性ガス噴出流路122に相当する助燃性ガスの噴出口がない点が実施例1−1、実施例1−2と異なる。比較例1−1では、原料ガスの流速を38.2m/s、第1助燃性ガスの流速を39.2m/s、可燃性ガスの流速を8.1m/sとした。その他の条件は実施例1−1と同じとした。
比較例1−2では、図7に示すバーナ70を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。図7に示すバーナ70は、図1における第1助燃性ガス噴出流路121に相当する助燃性ガスの噴出口がない点が実施例1−1、実施例1−2と異なる。比較例1−2では、原料ガスの流速を38.2m/s、第2助燃性ガスの流速を39.6m/s、可燃性ガスの流速を8.1m/sとした。その他の条件は実施例1−1と同じとした。
比較例2では、図5に示すバーナ50を用いて光ファイバクラッド用透明ガラス体を作製した。なお、バーナ50における原料ガス噴出流路51の噴出端の断面積は、図1に示すバーナ10における原料ガス噴出流路11の噴出端の内径を1.73倍として流出口部の断面積を3倍とした。つまり、噴出端における流速が同じであれば、原料ガス噴出流路51から噴出される原料ガスの総量は、原料ガス噴出流路11から噴出される原料ガスの総量と同じとなる。
また、比較例2では、原料ガスの流速を38.2m/s、第1助燃性ガスの流速を32.0m/s、第2助燃性ガスの流速を20.5m/s、可燃性ガスの流速を8.3m/sとした。その他の条件は実施例1−1と同じとした。
これに対して、比較例1−1、比較例1−2及び比較例2では、クラック、気泡、白濁は生じなかったが、堆積速度、堆積効率何れも実施例に比較して低くなった。
また、実施例1−1、実施例1−2と比較例1−2の評価結果より、原料ガス噴出流路を複数配置した場合には、第2助燃性ガス噴出流路を配置しても、個々の原料ガス噴出流路に対して第1助燃性ガス噴出流路を配置しなければ良好な結果は得られない。
さらには、実施例1−1、実施例1−2、実施例2、実施例3と比較例2の評価結果より、原料ガスの供給量(総量)が同じであっても場合、原料ガス噴出流路の口径が大きい場合には、良好な結果は得られない。
また、第2助燃性ガスは、バーナの中心軸上で焦点を結び、焦点距離L3が原料ガスの焦点距離L2以上に設定される(L3≧L2)。なお、原料ガスが焦点を結ばない場合(L2=∞)は、第2助燃性ガスも焦点を結ばないようにすればよい(L3=∞)。
2 ターゲットロッド
3 スート体
10 バーナ
11 原料ガス噴出流路
12 助燃性ガス噴出流路
121 第1助燃性ガス噴出流路
122 第2助燃性ガス噴出流路
13 可燃性ガス噴出流路
14 シールガス噴出流路
15 補助助燃性ガス噴出流路
16 シールガス噴出流路
Claims (3)
- 原料ガスを噴出する原料ガス噴出流路と、
この原料ガス噴出流路を取り囲むように設けられた複数の小口径流路からなり、これらの小口径流路から助燃性ガスを噴出する助燃性ガス噴出流路と、
前記原料ガス噴出流路及び前記助燃性ガス噴出流路の周囲に設けられ、可燃性ガスを噴出する可燃性ガス噴出流路とを備え、
前記可燃性ガス及び前記助燃性ガスを噴出させ、この可燃性ガス及び助燃性ガスからなる火炎中に前記原料ガスを供給することにより合成されたガラス微粒子をターゲットロッドに堆積させるガラス微粒子合成用バーナにおいて、
前記原料ガス噴出流路が、当該ガラス微粒子合成用バーナの断面中心を中心とする同一円周上に等間隔で複数配置され、
前記助燃性ガス噴出流路が、前記原料ガス噴出流路のそれぞれを取り囲むように個々の前記原料ガス噴出流路と同心の円上に環状配置された第1助燃性ガス噴出流路と、この第1助燃性ガス噴出流路を取り囲むように当該ガラス微粒子合成用バーナの断面中心を中心とする同一円周上に環状配置された第2助燃性ガス噴出流路と、で構成され、
前記ガラス微粒子合成用バーナの断面中心には、第1助燃性ガス噴出流路が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。 - 前記第1助燃性ガス噴出流路が、個々の前記原料ガス噴出流路に対して、3箇所以上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のガラス微粒子合成用バーナ。
- 請求項1又は2に記載のガラス微粒子合成用バーナを用いて、前記可燃性ガス噴出流路から可燃性ガスを噴出させるとともに、前記第1助燃性ガス噴出流路と前記第2助燃性ガス噴出流路から助燃性ガスを噴出させ、この可燃性ガス及び助燃性ガスからなる火炎中に前記原料ガス噴出流路から原料ガスを供給することによりガラス微粒子を合成し、合成されたガラス微粒子をターゲットロッドに堆積させ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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