JP5907565B2

JP5907565B2 - 多孔質ガラス母材製造用のバーナ

Info

Publication number: JP5907565B2
Application number: JP2013080560A
Authority: JP
Inventors: 真吉田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: JP2014201499A

Description

本発明は、光ファイバ母材の製造方法に応じて、所望の密度分布を有する多孔質ガラス母材が得られ、母材の収率が向上する多孔質ガラス母材製造用のバーナに関する。

従来、光ファイバ母材を製造するために、各種方法が提案されている。
その中で、良く知られた方法であるVAD法は、回転しつつ上昇するシャフトに出発部材を取り付け、反応室内に垂下し、反応室内に設置され、出発部材の軸方向に対して所定の角度で設置されたコア堆積バーナ及びクラッド堆積バーナにより、生成したガラス微粒子を出発部材の先端に付着堆積させて、コア層とクラッド層からなる多孔質ガラス母材を製造する方法である。この方法は、高い生産性は期待できないが、任意の屈折率分布を得るのに好適な方法である。

図１は、VAD法による光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造装置の概略を示す図である。
反応容器は、給気口４及び排気口５を有する堆積室２と製品を格納する格納室３から構成され、複数本のバーナによって多孔質ガラス母材１が合成される。
この堆積室２に出発部材を挿入し、これを回転させながら上昇させるとともに、各バーナに反応ガスを供給し、酸水素火炎中にて加水分解させ、合成したガラス微粒子を出発部材上に堆積させて、多孔質ガラス母材１が製造される。
使用されるバーナとしては、石英ガラス製のバーナが一般的に用いられ、出発部材先端に向けて配置されるコア堆積バーナ６及び出発部材側面に向けて配置される第一クラッド堆積バーナ７、第二クラッド堆積バーナ８といった複数本のバーナが、引上軸に対して、それぞれ所定の角度で配置されている。
製造された多孔質ガラス母材は、電気炉内で脱水透明ガラス化され、光ファイバ用プリフォームとされる。

多孔質ガラス母材は、OVD法でも製造される。図３は、OVD法による多孔質ガラス母材の製造装置の概略を示す図である。
出発部材は、コアロッド１４の両端部にダミーロッド１５を溶着したもので、コアロッド１４がダミーロッド１５を介して回転チャック１７に取り付けられ、軸回りに回転自在に支持されている。この出発部材に向かって、左右に移動自在のバーナ１６が一列に配置されている。ここで、バーナ１６からガラス原料ガス（SiCl_４）と可燃性ガス、助燃性ガス、不活性ガスを吹き付け、酸水素火炎中で加水分解させてガラス微粒子を合成し、これを出発部材上に堆積させることで、多孔質ガラス母材が得られる。なお、符号１９は排気フードである。
このようにOVD法は、水平に設置され回転する出発部材に沿って、一列に並べられた複数のバーナの火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナもしくは出発部材を相対往復運動させて付着堆積させ、多孔質ガラス母材を製造する方法である。この方法は、高い生産性が得られる。
得られた多孔質ガラス母材をヒータと断熱材からなる加熱炉体を通過させ、脱水透明ガラス化して、光ファイバ母材とされる。

従来、これらの製造方法には、ガラス微粒子堆積体を合成するバーナとして、同芯多重管バーナが用いられてきたが、このような構造のバーナは、ガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスの混合が充分に行われないため、ガラス微粒子の生成が充分に行われなかった。その結果、収率が伸びず、高速合成が困難であった。
この問題を解決するために、特許文献１では、可燃性ガス噴出ポート内に、中心の原料ガス噴出ポートを取り囲むように小口径助燃性ガス噴出ポートを配置したマルチノズルバーナが提案されている。

近年、コストダウンに伴う母材の大型化が進むにつれて、以下の問題が生じてきた。
ＶＡＤ法による図１に示す方法では、コア堆積バーナ６の上部に配置された第一クラッド堆積バーナ７は、斜め上方に向けて配置されている。そのため堆積領域においては、図２に示すように、火炎の下側領域10のスート密度が高く、火炎の上側領域１１ではスート密度が低くなりやすい。符号９は、バーナ７の中心軸線である。
ここで、火炎の上側領域１１の密度が適正になるように、第一クラッド堆積バーナ７に供給する可燃性ガス量を調整すると、火炎の下側領域10のスート密度が高くなりすぎ、ガラス化時に気泡が残留するという問題が発生する。逆に、火炎の下側領域10 のスート密度が適正になるように可燃性ガス量を調整すると、火炎の上側領域１１のスート密度が低くなりすぎ、堆積中に割れてしまうという問題が発生する。

他方、OVD法による方法では、図３に示すような装置を用いてコアロッド14上にガラス微粒子の堆積が行われるが、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一列に並べられたバーナ間領域20は、隣接するバーナの火炎によって両側から強く加熱されるため、その部分のスート密度が局所的に上昇しやすい。そのため、多孔質ガラス母材全体の密度が適正になるように、バーナに供給する可燃性ガス量を調整すると、バーナ間領域20のスート密度が局所的に高くなりすぎ、ガラス化時に気泡が残るという問題が発生する。逆に、バーナ間領域20の部分のスート密度が適正になるように可燃性ガス量を調整すると、多孔質ガラス母材全体の密度が下がり、堆積中に割れてしまうという問題が発生する。

特許第1,773,359号

本発明は、製造方法に応じて、所望の密度分布を有する多孔質ガラス母材を得ることができ、堆積中に割れることなく、多孔質ガラス母材の焼結ガラス化時に気泡が残ることなく、収率を向上させることのできる多孔質ガラス母材製造用のバーナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために研究を重ねた結果、所望の密度分布を得るには、適切な口径を有する小口径助燃性ガス噴出ポートを適切に配置することが重要であることを見い出し、本発明に至った。
本発明の多孔質ガラス母材製造用のバーナは、中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に、該ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列に配置され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有する小口径助燃性ガス噴出ポートを内包する可燃性ガス噴出ポートを備えたガラス微粒子合成用バーナにおいて、同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートの内径が、同一列の周方向で異なることを特徴とする。

なお、前記同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートは、一方の半円側の領域で内径の大きい噴出ポートが配置され、他方の半円側の領域では、前記一方の半円側より内径の小さい噴出ポートを配置するのが好ましい。
また、前記同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートは、上方及び下方側において内径の大きな噴出ポートが配置され、左方及び右方側においては、前記上方及び下方側より内径の小さい噴出ポートを配置するのが好ましい。

本発明によれば、密度分布のバラツキの少ない多孔質ガラス母材を得ることができ、製造中の割れや、透明ガラス化後の母材に気泡が残ることなく、収率を向上させることができる、等の優れた効果を奏する。

ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造装置の一例を示す模式概略図である。第一クラッド堆積バーナによる堆積状態を説明する堆積模式図である。ＯＶＤ法による光ファイバ母材の製造装置の一例を示す模式概略図である。ＯＶＤ法による堆積を模式的に示す（a）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明のＶＡＤ法に適した、小口径助燃性ガスの噴出ポートの配置例を示す模式図である。本発明のOVD法に適した、小口径助燃性ガスの噴出ポートの配置例を示す模式図である。従来の、小口径助燃性ガス噴出ポートの配置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されず、様々な態様が可能である。
本発明の多孔質ガラス母材製造用のバーナは、可燃性ガス噴出ポート内において、小口径助燃性ガスの噴出ポートがガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列に配置され、同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートの内径が、同一列の周方向で異なることを特徴とする。
より詳しく説明すると、製造方法上、スート密度が上がりやすい領域には、スート密度の上がりにくい領域よりも内径の小さい小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、助燃性ガスの供給量を少なくして、火力を下げることで、選択的にスート密度を下げることができる。
逆に、スート密度が上がりにくい領域には、スート密度が上がりやすい領域よりも内径の大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、助燃性ガスの供給量を多くして、火力を上げることで、選択的にスート密度を上げることができる。

このように、製造方法のスート密度特性に応じて、それを補正するように小口径助燃性ガス噴出ポートの内径を選択することにより、より均一な密度で堆積された多孔質ガラス母材を得ることができ、気泡や割れといった問題が発生しにくくなる。
特に、ＶＡＤ法の第一クラッド堆積バーナのように、成長軸に対してある角度を持って配置されている場合は、図２に示すように、バーナの下側領域のスート密度が上がりやすく、逆に、反対側のバーナの上側領域のスート密度が下がりやすいため、図５に示すように、同心円状に配置された小口径助燃性ガス噴出ポートを、上側の半円領域すなわち位置Ｅ（１８０deg）側には、内径の大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、下側の半円領域すなわち位置Ａ（０deg）側には、位置Ｅ側よりも相対的に内径の小さな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置することで、スート密度のむらを効果的に減らすことができる。なお、バーナ中心から下方の位置を０degの位置Ａとし、時計回り90deg毎に、90degの位置Ｃ、180degの位置Ｅ、270degの位置Ｇとしている。

さらに、OVD法の場合、図４（ａ）,（ｂ）に示すように、隣接するバーナの火炎の影響によって、隣り合うバーナ間のスート密度が上がりやすい場合には、図６に示すように、同心円状に配置された小口径助燃性ガス噴出ポートを、上下方向すなわち０degの位置Ａ側と１８０degの位置Ｅ側に内径の大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、左右方向すなわち９０degの位置Ｃ側と２７０degの位置Ｇ側には、位置Ａ，Ｅ側よりも相対的に内径の小さい小口径助燃性ガス噴出ポートを配置することで、スート密度のむらを効果的に減らすことができる。

［従来例１］
VAD法により、図１に示した反応装置を用いて多孔質ガラス母材の製造を行った。コア堆積バーナ６には、同芯4重管バーナを用い、原料ガス（SiCl_４、GeCl_４）及び可燃性ガス、助燃性ガス、不活性ガスを適量供給した。クラッド堆積バーナ７，８には、図７に示すような、可燃性ガス噴出ポート１２内に、同心円状に等間隔で同径の８本の小口径助燃性ガス噴出ポート１３が配置された、ノズルの焦点距離100mmのマルチノズルバーナを用いた。
ここで、第一クラッド堆積バーナ７には、供給するガラス原料ガス（SiCl_４）及び可燃性ガス、助燃性ガス、不活性ガスのうち、表１に示すように、可燃性ガスＨ_２の供給量のみを変えて供給し、第二クラッド堆積バーナ８には、ガラス原料ガス（SiCl_４）及び可燃性ガス、助燃性ガス、不活性ガスをそれぞれ適量供給した。堆積は、可燃性ガスＨ_２の供給量を変化させたＡ〜Ｄの４つの条件で行った。堆積時間は２４hrである。次いで、焼結ガラス化して光ファイバ母材を各10本ずつ製造した。堆積条件及び堆積結果は表１にまとめて示した。

その結果、従来Ａと従来Ｂでは、可燃性ガス供給量が少ないため、バーナの火炎上側の領域のスート密度が下がりすぎてしまい、堆積中に割れが生じた。
一方、従来Cと従来Ｄでは、可燃性ガス供給量が多いため、バーナの火炎上側の領域のスート密度は適正となり、堆積中に割れることは無かったが、これを電気炉で脱水透明ガラス化したところ、火炎下側だった領域のスート密度が高くなりすぎていたために、ガラス化時に脱ガスが不充分となり、気泡が残留していた。

［実施例１］
そこで、図５に示すように、Ｅを中心とする上側のＤ〜Ｆの領域（135〜225deg）に内径の大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、反対側のAを中心とする下側のＢ〜Ｈの領域（45〜315deg）には、Ｅ側よりも相対的に内径の小さい小口径助燃性ガス噴出ポートを配置したマルチノズルバーナを用意し、これを第一クラッド堆積バーナとして、Ｅ（180deg）側が上になるように設置して堆積を行った。
これは、スート密度が上がりやすい火炎下側の領域には、内径が小さいために、助燃性ガス供給量が少ない小口径助燃性ガス噴出ポートをＡ（0deg）側に配置することで、スート密度を下げ、逆に、スート密度が下がりやすい火炎上側の領域には、内径が大きいために、助燃性ガス供給量が多い小口径助燃性ガス噴出ポートをE（180deg）側に配置することで、スート密度を上げる。結果として、堆積領域内のスート密度分布が小さくなるように配置したものである。
このようにして、従来例１と同様に、燃性ガスＨ_２の供給量のみを変えて供給し、２４hrの堆積を行い、焼結ガラス化して光ファイバ母材を各10本ずつ製造した。
なお、表２に、各角度位置に配置した小口径助燃性ガス噴出ポートの内径を示し、表３に堆積結果を示した。
その結果、どの条件においても、製造中の割れやガラス化後の母材に気泡が残る問題は、発生しなかった。

［従来例２］
OVD法で、図３に示すような反応装置を用いて多孔質ガラス母材の製造を行った。
図７に示すような可燃性ガス噴出ポート１２内に、内径1.5ｍｍの小口径助燃性ガス噴出ポート１３が８本配置され、そのノズルの焦点距離が100mmで製作されたマルチノズルバーナを用意し、これを3本150mm間隔で一列に並べた。
このバーナには、表４に示すように可燃性ガスＨ_２のみ変えたガスを供給し、外径５０ｍｍ、長さ２０００ｍｍのコアロッドの両端部に外径５０ｍｍのダミーロッドを溶着した出発部材上に堆積させ、１００ｋｇの多孔質ガラス母材を各１０本ずつ製造した。

その結果、従来Eと従来Ｆは、可燃性ガスの供給量が少ないため、多孔質ガラス母材全体のスート密度が低くなりすぎてしまい、堆積中の多孔質ガラス母材端部から割れが生じていた。
一方、従来Ｇと従来Ｈは、可燃性ガスの供給量が多いため、多孔質ガラス母材全体のスート密度を適正にすることができたが、図４（a）の符号２０の部分に当たるバーナ間の領域で、密度が高くなりすぎた影響で、透明ガラス化時にガスが抜けず、気泡として残ってしまった。

［実施例２］
そこで、図６に示すような位置Ａ、Eには内径の大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置し、位置C、Gには内径の小さい小口径助燃性ガス噴出ポートを配置したマルチノズルバーナを3本用意し、位置C、G側がバーナ間を向くようにして、配置した。
これは、スート密度が上がりやすいバーナ間の領域には、内径の小さな小口径助燃性ガス噴出ポートが配置された位置Cと位置Gの側を向けて配置し、スート密度を下げるようにし、逆に、スート密度が下がりやすい位置Ａ、E側の領域には、位置C，G側より内径が大きな小口径助燃性ガス噴出ポートを配置してスート密度を上げるようにし、堆積領域のスート密度分布が小さくなるように配置したものである。
このようにして、従来例２と同じ条件で、製造を行った。なお、表５に、各角度位置に配置した小口径助燃性ガス噴出ポートの内径を示し、表６に堆積結果を示した。
どの条件においても、製造中の割れやガラス化後の母材に気泡が残る問題は、発生しなかった。

１．多孔質ガラス母材、
２．反応室、
３．格納室、
４．給気口、
５．排気口、
６．コア堆積バーナ、
７．第一クラッド堆積バーナ、
８．第二クラッド堆積バーナ、
９．バーナの中心軸線、
１０．火炎の下側領域、
１１．火炎の上側領域、
１２．可燃性ガス噴出ポート、
１３．小口径助燃性ガス噴出ポート、
１４．コアロッド、
１５．ダミーロッド、
１６．バーナ、
１７．回転チャック、
１８．多孔質ガラス母材、
１９．排気フード、
２０．バーナ間領域、
２１．バーナ間以外の特に密度が高くない領域。

Claims

中心のガラス原料ガス噴出ポートの外側に、該ガラス原料ガス噴出ポートに対し同心円状に１列または複数列に配置され、同一列の噴出ポートは同一の焦点距離を有する小口径助燃性ガス噴出ポートを内包する可燃性ガス噴出ポートを備えたガラス微粒子合成用バーナにおいて、同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートの内径が、同一列の周方向で異なることを特徴とする多孔質ガラス母材製造用のバーナ。
前記同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートが、一方の半円側の領域で内径の大きい噴出ポートが配置され、他方の半円側の領域では、前記一方の半円側より内径の小さい噴出ポートが配置されている請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用のバーナ。
前記同一列の小口径助燃性ガス噴出ポートが、上方及び下方側において内径の大きな噴出ポートが配置され、左方及び右方側においては、前記上方及び下方側より内径の小さい噴出ポートが配置されている請求項１に記載の多孔質ガラス母材製造用のバーナ。