JP5671850B2 - ガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数本のガラス合成用バーナを用いた多バーナ多層付け法に用いて好適なガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。
光ファイバなどのガラス製品を製造するためのガラス母材の製造方法として、複数本のガラス微粒子合成用バーナで構成されたバーナ列と反応容器内に長手方向の軸線を固定して支持され軸回りに回転する棒状の出発材とを相対的に往復移動させ、各ガラス微粒子合成用バーナで合成されたガラス微粒子をそれぞれ出発材上に堆積させ、かつ隣合うバーナにてガラス微粒子を堆積させた（スス付けした）範囲が連続して一つのガラス微粒子堆積体を形成するガラス母材の製造方法（ＭＭＤ法；多バーナ多層付け法）が知られている（例えば特許文献１，２参照）。
ＭＭＤ法では、反応容器のガラス微粒子合成用バーナ側の壁面に開口した空気導入口より反応容器内にクリーンエアを流し、クリーンエアを反応容器の空気導入口と対向する壁面に開口した排気口から排気する。この際、クリーンエアの風速が遅いと、反応容器内に余剰のガラス微粒子（浮遊スス）が充満し、レーザを用いた制御などでスス付けを制御している場合、レーザが受光できず、安定したスス付けができなくなる。クリーンエアの風速を速めるためには、第一にクリーンエアの導入・排出量を増やす、第二に反応容器全体をコンパクトにすることが考えられるが、クリーンエアの導入・排出量を増やすには設備の大型化が必要になるとともに、導入・排出量を増やせば本来堆積すべきススの剥がれが生じたりする。また、反応容器全体をコンパクトにすれば、熱源となるスス体やバーナ火炎に容器内壁が接近することとなり、反応容器の劣化など設備に大きな熱負荷がかかる。
効率的な排気を目的として、特許文献１に開示される技術はガラス微粒子堆積体を通過し、このガラス微粒子堆積体を挟んでバーナと反対側へ流れる流体の流速を、２ｍ／秒以上４ｍ／秒以下とし、特許文献２に開示される技術はガラス母材の近傍におけるガスの流速を０．１ｍ／秒以上としているが、設備能力としてここまで風速を速くできなかったり、また、この風速にしても安定したスス付けができなかったりする場合があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、設備全体を必要以上に大きくすることなく、余剰ガラス微粒子を効率的に排気できるガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することにある。
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 回転する出発ロッドに対向して複数本のガラス微粒子合成用バーナを配置し、
前記出発ロッドと前記ガラス微粒子合成用バーナとを該出発ロッドの軸方向に相対的に往復移動させ、
前記ガラス微粒子合成用バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの表面に順次堆積させるガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
反応容器の前記ガラス微粒子合成用バーナ側の壁面に開口した空気導入口より該反応容器内にクリーンエアを流し、
前記クリーンエアを含む気体を前記反応容器の空気導入口と対向する壁面に開口した排気口から排気し、その際、前記排気口が設けられた高さ位置において、前記出発ロッドの中心位置から前記排気口側の空間における最も前記気体の流速が速くなる位置での製造開始から終了までの前記気体の平均速度を、０．８８ｍ／ｓ以上２ｍ／ｓ未満とすることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
（１） 回転する出発ロッドに対向して複数本のガラス微粒子合成用バーナを配置し、
前記出発ロッドと前記ガラス微粒子合成用バーナとを該出発ロッドの軸方向に相対的に往復移動させ、
前記ガラス微粒子合成用バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの表面に順次堆積させるガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
反応容器の前記ガラス微粒子合成用バーナ側の壁面に開口した空気導入口より該反応容器内にクリーンエアを流し、
前記クリーンエアを含む気体を前記反応容器の空気導入口と対向する壁面に開口した排気口から排気し、その際、前記排気口が設けられた高さ位置において、前記出発ロッドの中心位置から前記排気口側の空間における最も前記気体の流速が速くなる位置での製造開始から終了までの前記気体の平均速度を、０．８８ｍ／ｓ以上２ｍ／ｓ未満とすることを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
このガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、排気口が設けられた高さ位置において、出発ロッドの中心位置から排気口側の空間における最もクリーンエアの流速が速くなる位置での製造開始から終了までのクリーンエアの平均速度を規定することで、反応容器内に滞留する余剰ススを効率よく排気することができる。
本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、ＭＭＤ法でスス付けする際、反応容器内の特定の領域を通過するクリーンエアの平均速度を規定することで余剰ススを効率的に排出でき、安定にスス付けを行うことができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る製造方法に用いられる装置の概念を模式的に表した構成図である。
ガラス母材製造装置３１の主要部は、複数本（この例では８本）のガラス微粒子合成用バーナ（バーナ）１３からなるバーナ列と、空気導入口２１と、排気口２５を有する反応容器１９で構成されている。このガラス母材製造装置３１において出発ロッド１１の上下を支持棒３３，３３で保持して、トラバース装置３５，３５により回転させつつ上下に往復移動させながら、出発ロッド１１の周囲にバーナ１３で生成されるガラス微粒子を堆積させて（スス付けして）ガラス微粒子堆積体１７を製造する。バーナ１３にはガス供給装置３７が接続され、ガス供給装置３７はバーナ１３に原料ガス（ＳｉＣｌ4など）や可燃性・助燃性ガス（Ｈ2、Ｏ2）、不活性ガス、などのガスを供給する。排気口２５からは所定量のガスの排気を行い、反応容器１９内に浮遊する、ガラス微粒子堆積体１７に堆積しなかったガラス微粒子（浮遊スス）を排出しながら堆積を行うようになされている。
図１は本発明に係る製造方法に用いられる装置の概念を模式的に表した構成図である。
ガラス母材製造装置３１の主要部は、複数本（この例では８本）のガラス微粒子合成用バーナ（バーナ）１３からなるバーナ列と、空気導入口２１と、排気口２５を有する反応容器１９で構成されている。このガラス母材製造装置３１において出発ロッド１１の上下を支持棒３３，３３で保持して、トラバース装置３５，３５により回転させつつ上下に往復移動させながら、出発ロッド１１の周囲にバーナ１３で生成されるガラス微粒子を堆積させて（スス付けして）ガラス微粒子堆積体１７を製造する。バーナ１３にはガス供給装置３７が接続され、ガス供給装置３７はバーナ１３に原料ガス（ＳｉＣｌ4など）や可燃性・助燃性ガス（Ｈ2、Ｏ2）、不活性ガス、などのガスを供給する。排気口２５からは所定量のガスの排気を行い、反応容器１９内に浮遊する、ガラス微粒子堆積体１７に堆積しなかったガラス微粒子（浮遊スス）を排出しながら堆積を行うようになされている。
各バーナ１３の近傍には外径センサ３９が取り付けられ、外径センサ３９はガラス微粒子堆積体１７の主としてそのバーナ１３で生成されたガラス微粒子が堆積している部分（各バーナ１３によるガラス微粒子の堆積部）の外径を検出する。外径センサ３９は、ガラス微粒子堆積体１７の外径を光学的に測定する。例えば、レーザ等の光線をガラス微粒子堆積体１７に側方から照射し、反射光の変位位置（センサ３９とガラス微粒子堆積体１７との距離）からガラス微粒子堆積体１７の外径を求める。
空気導入口２１には反応容器１９の中に清浄化ガスであるクリーンエア２３を供給するための不図示のクリーンエア供給装置（清浄化ガス供給手段）が接続される。ガラス母材製造装置３１では、反応容器１９のバーナ１３側の壁面に開口した空気導入口２１より反応容器１９内にクリーンエア２３を流し、クリーンエア２３を含んだ気体２９を反応容器１９の空気導入口２１と対向する壁面に開口した排気口２５から排気する。排気口２５は、図中に実線で描いたように上下方向に複数（この例では３つ）としても、単一としてもよい。また、空気導入口２１は、上下方向、或いは左右方向（図１の紙面垂直方向）に複数のものを配設してよく、図中に二点鎖線で示したように上下方向に連続するスリット状の開口としてもよい。
図２は図１に示した反応容器の内部を模式的に表した平面図である。
ガラス母材製造装置３１では、排気口２５が設けられた高さ（排気口の中心部の高さ、排気口が複数ある場合についても排気口毎に同様に考える）位置において、反応容器内のガラス微粒子堆積体１７の中心位置より排気口２５側の領域２７での最も気体の流速が速くなる位置における気体２９の平均速度が、特定の範囲に規定されている。図２の場合、この領域２７は、ガラス微粒子堆積体１７を挟み左右対称に形成されている。
ガラス母材製造装置３１では、排気口２５が設けられた高さ（排気口の中心部の高さ、排気口が複数ある場合についても排気口毎に同様に考える）位置において、反応容器内のガラス微粒子堆積体１７の中心位置より排気口２５側の領域２７での最も気体の流速が速くなる位置における気体２９の平均速度が、特定の範囲に規定されている。図２の場合、この領域２７は、ガラス微粒子堆積体１７を挟み左右対称に形成されている。
反応容器１９は、図２に示す平面視でガラス微粒子堆積体１７の中心Ｏがほぼ中央に位置するように配置される。クリーンエア２３は、空気導入口２１から反応容器１９内へ導入され、ガラス微粒子堆積体１７の両側Ｒ，Ｌを通り、合流して排気口２５から排気される。
空気導入口２１から排気口２５までの間に一様な流れが形成されている場合、その中に平面視円形の物体、すなわちガラス微粒子堆積体１７が配置されると、クリーンエア２３は、ガラス微粒子堆積体の周囲に沿って流れることになる。クリーンエア２３の流れが非常に遅い場合、浮遊ススの搬送作用が十分に得られず、その結果、反応容器１９内の浮遊ススが増大してしまうこととなる。スス付けでは、上記したようなレーザを用いた制御などを行っている場合があるが、浮遊ススが増加すると、レーザが受光できず、安定したスス付けができない。
このため、クリーンエア２３の流れを速くする必要が生じる。流速を速めるためには、クリーンエアの導入・排出量を増やすのが簡単であるが、クリーンエアの導入・排出量を増やすには設備の大型化が必要になり、また速くしすぎると乱流などが発生して本来堆積すべきススの剥がれが生じたり、バーナの火炎を乱したりしてしまう。反応容器全体をコンパクトにして流速を上げる方法も考えられるが、熱源となるスス体やバーナ火炎に容器内壁を近づけすぎると、反応容器が劣化してしまうことがある。このため、設備能力を必要以上に大きくすることなく、また、反応容器を必要以上にスス体に近づけることなく、クリーンエアを含む気体の流速を速くすることが求められる。
そこで、本ガラス母材製造装置３１では、余剰ススを効率的に排気口２５へ搬送できるように構成したことを特徴としている。すなわち、反応容器内のガラス微粒子堆積体１７の周囲を通過して排気口２５に達する、排気口側の空間領域２７におけるクリーンエア２３を含む気体２９の平均速度を特定の範囲に設定している。特に、排気口側のこの領域での流速を速くすることにより、排気口２５に向かってスムースな流れができるので、効率よく余剰ススを排出することができる。
具体的には、この領域２７においてガラス微粒子堆積体１７と反応容器１９との距離を狭めることで、クリーンエア２３を含む気体２９の風速が空気導入口２１でのクリーンエア２３の供給時よりも上昇するようになされている。このように、バーナとは反対側の、加熱面からは最も遠い排気口側の壁面を接近させ、排気口側の一部の空間を適当な間隔に狭めることで、設備能力を必要以上に大きくせず、また反応容器を劣化させることなく、余剰ススを効率よく排出する。
反応容器１９は、排出口側の形状が導入口側の形状と異なり、ガラス微粒子堆積体１７の下流側直後から左右の内壁１９ａ，１９ｂが略４５°の傾斜角度で接近するようにして狭められ、排気口２５に至る。片側の領域２７を代表例に述べれば、領域２７は、中心Ｏと内壁１９ａの二つの点Ｐ，Ｑを通る二本の線分ＯＰ，ＯＱと、内壁１９ａおよび表面１５とに囲まれた範囲（図２中の斜線部分）となる。ここで、線分ＯＱと仮想線ＣＬとのなす角度θ１は１２°程度、線分ＯＰと仮想線ＣＬとのなす角度θ２は５２°程度となるようにしておくのが望ましい。また、内壁１９ａとガラス微粒子堆積体１７の表面との距離は、最小（スス堆積終了時）で２９０ｍｍ程度になるように設定しておくのがよい。これ以上近づけると、内壁が劣化する可能性が高くなる。
反応容器１９は、排出口側の形状が導入口側の形状と異なり、ガラス微粒子堆積体１７の下流側直後から左右の内壁１９ａ，１９ｂが略４５°の傾斜角度で接近するようにして狭められ、排気口２５に至る。片側の領域２７を代表例に述べれば、領域２７は、中心Ｏと内壁１９ａの二つの点Ｐ，Ｑを通る二本の線分ＯＰ，ＯＱと、内壁１９ａおよび表面１５とに囲まれた範囲（図２中の斜線部分）となる。ここで、線分ＯＱと仮想線ＣＬとのなす角度θ１は１２°程度、線分ＯＰと仮想線ＣＬとのなす角度θ２は５２°程度となるようにしておくのが望ましい。また、内壁１９ａとガラス微粒子堆積体１７の表面との距離は、最小（スス堆積終了時）で２９０ｍｍ程度になるように設定しておくのがよい。これ以上近づけると、内壁が劣化する可能性が高くなる。
この領域２７が狭められることで、ガラス微粒子堆積体１７の排気側の流路断面が小さくなり、風速が増す。つまり、空気導入口２１からの風量を増やすことなく領域２７での風速が増すようになされている。
領域２７は、ガラス微粒子堆積体１７の堆積が進むにつれて外径が大きくなり、領域２７の流路は次第に小さくなる方向に変化する。したがって、導入するクリーンエア流量が同じであれば、製造開始から終了までに流速は変化する。本構成では、領域２７における製造開始から終了までのクリーンエア２３を含む気体２９の平均速度（∫ｖ（ｔ）ｄｔ／∫ｄｔ）が特定の範囲である０．８８ｍ／ｓ以上とするように規定されている。この数値は実際のガラス母材製造装置の運用にて経験値として得られたもので、反応容器内温度、クリーンエア２３を含む気体２９の粘性、ガラス微粒子の質量等との因果関係により定まるものと推察される。なお、領域２７における気体２９の速度の上限は特に設けられないが、あまり速すぎると（２ｍ／ｓを超えると）コスト面（設備容量）で不利になり、また、バーナ１３の火炎が乱れる問題があるため、それほど大きくできない。
次に、上記装置を用いたガラス微粒子堆積体の製造方法について説明する。
ガラス母材製造装置３１では、回転する出発ロッド１１に対向した複数本のバーナ１３を均等間隔に配置し、このバーナ１３を出発ロッド１１と相対移動させる。そして、バーナ１３で合成されるガラス微粒子を出発ロッド１１の周囲に順次堆積させて行く。
その際、排気口２５が設けられた高さ位置において、反応容器内のガラス微粒子堆積体１７の中心位置より排気口２５側の領域２７での最も気体２９の流速が速くなる位置における製造開始から終了までの気体２９の平均速度を、０．８８ｍ／ｓ以上に保ってスス付けを行う。
ガラス母材製造装置３１では、回転する出発ロッド１１に対向した複数本のバーナ１３を均等間隔に配置し、このバーナ１３を出発ロッド１１と相対移動させる。そして、バーナ１３で合成されるガラス微粒子を出発ロッド１１の周囲に順次堆積させて行く。
その際、排気口２５が設けられた高さ位置において、反応容器内のガラス微粒子堆積体１７の中心位置より排気口２５側の領域２７での最も気体２９の流速が速くなる位置における製造開始から終了までの気体２９の平均速度を、０．８８ｍ／ｓ以上に保ってスス付けを行う。
この領域２７での平均速度を規定することで、反応容器内に滞留する余剰ススが低減する。風量を減らすことによりコストを下げることができる（クリーンエア設備能力を下げられる）が、単純に風量を減らしただけでは余剰ススがうまく排気できない。本構成では、ガラス微粒子堆積体１７の特に排気口２５側の風速が重要であることを見出したことによりその実現が可能となっている。
したがって、本実施の形態によるガラス微粒子堆積体１７の製造方法によれば、ＭＭＤ法でスス付けする際、反応容器内の特定の範囲を通過する気体２９の平均速度を特定の範囲に設定することで余剰ススを効率的に排出でき、余剰ススを減らしつつ、安定にスス付けを行うことができる。
図１に示したガラス母材製造装置３１を用い、上記領域２７におけるクリーンエアを含む気体の平均速度を変えてガラス微粒子の堆積を行った。
出発ロッドに直径４０ｍｍ、長さ２１００ｍｍのコアガラスロッドを使用し、多バーナ多層付け法にて、ガラス原料（四塩化珪素）ガスを投入し、コアガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させた。その際、最も流速が速くなる位置における気体の平均速度、初速・終速、およびその結果（製品が不良となったかどうか）を表１に示す。
出発ロッドに直径４０ｍｍ、長さ２１００ｍｍのコアガラスロッドを使用し、多バーナ多層付け法にて、ガラス原料（四塩化珪素）ガスを投入し、コアガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させた。その際、最も流速が速くなる位置における気体の平均速度、初速・終速、およびその結果（製品が不良となったかどうか）を表１に示す。
実施例１，２の条件では、浮遊ススの増加が認められず、安定したスス付けが行えた。
比較例１の条件では、浮遊ススにより反応容器中が見渡せなくなり、外径センサの動作不良により、成長速度、外径が変動し、製品が不良となった。
比較例１の条件では、浮遊ススにより反応容器中が見渡せなくなり、外径センサの動作不良により、成長速度、外径が変動し、製品が不良となった。
なお、上記の実施の形態では、ＭＭＤ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、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、出発材の両端を把持部で把持して回転させながら、その長手方向に沿ってガラス微粒子合成用のバーナを往復移動させ、回転する出発材の外周面にガラス微粒子を堆積させ、多孔質ガラス母材を成長させていく、所謂ＯＶＤ法によってガラス微粒子堆積体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。
本発明は設備全体を必要以上に大きくすることなく、余剰ガラス微粒子を効率的に排気する場合に有効である。安定にスス付けを実施することにより特性の均一なガラス母材を製造でき、例えば光ファイバ母材としての利用が可能であり、本発明を利用した光ファイバにおいては品質安定性が向上する。また、その他の用途のガラス母材の製造方法として広範囲な利用可能性を有するものである。
１１ 出発ロッド
１３ ガラス微粒子合成用バーナ
１５ 表面
１７ ガラス微粒子堆積体
１９ 反応容器
２１ 空気導入口
２３ クリーンエア
２５ 排気口
２７ 領域
１３ ガラス微粒子合成用バーナ
１５ 表面
１７ ガラス微粒子堆積体
１９ 反応容器
２１ 空気導入口
２３ クリーンエア
２５ 排気口
２７ 領域
Claims (1)
- 回転する出発ロッドに対向して複数本のガラス微粒子合成用バーナを配置し、
前記出発ロッドと前記ガラス微粒子合成用バーナとを該出発ロッドの軸方向に相対的に往復移動させ、
前記ガラス微粒子合成用バーナで合成されるガラス微粒子を前記出発ロッドの表面に順次堆積させるガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
反応容器の前記ガラス微粒子合成用バーナ側の壁面に開口した空気導入口より該反応容器内にクリーンエアを流し、
前記クリーンエアを含む気体を前記反応容器の空気導入口と対向する壁面に開口した排気口から排気し、その際、前記排気口が設けられた高さ位置において、前記出発ロッドの中心位置から前記排気口側の空間における最も前記気体の流速が速くなる位置での製造開始から終了までの前記気体の平均速度を、０．８８ｍ／ｓ以上２ｍ／ｓ未満とす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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