JP5362382B2

JP5362382B2 - 光ファイバ用母材の製造方法及び光ファイバ用母材製造用バーナ

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Publication number: JP5362382B2
Application number: JP2009028655A
Authority: JP
Inventors: 真吉田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: CN103922578B; CN103922578A; JP2009227568A; US20090211301A1; EP2098489A1; US20140165656A1; US9260339B2; EP2098489B1

Description

本発明は、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子を生成し、このガラス微粒子を回転する出発部材上に堆積させて光ファイバ用母材を製造する光ファイバ用母材の製造方法及びこれに用いるバーナに関する。

従来、光ファイバ用母材を製造するために、各種方法が提案されている。それらの方法のなかでも、回転する出発部材上にバーナ火炎中で生成したガラス微粒子を、バーナと出発部材とを相対往復移動させて付着堆積させて多孔質母材（スート母材）を合成し、これを電気炉内で脱水、焼結する外付け法（ＯＶＤ（Outside Vapor Phase Deposition）法）は、比較的任意の屈折率分布のものが得られ、しかも、大径の光ファイバ用母材を量産できることから汎用されている。

特開平４−２４３９２９号公報特開平１０−１０１３４３号公報

例えば、特許文献１，２等に開示された方法は、複数のノズルが同心状に配列された同心多重管バーナから四塩化珪素などのガラス原料ガス、可燃性ガス及び助燃性ガスを噴出させて、火炎中で生成したガラス微粒子を出発部材上に堆積させる。

光ファイバ用母材の生産性を向上させるには、ガラス微粒子の堆積速度を向上させる必要がある。しかしながら、ガラス微粒子の堆積速度を向上させるために、ガラス原料ガスの供給量を増すと、堆積効率が低下してしまい、製造コストが増大する。さらに、堆積効率が低下すると、開始ロッドに堆積されずに反応チャンバー内で浮遊するガラス微粒子が増加し、この浮遊ガラス微粒子が、出発部材上に堆積したスートの表面に付着することにより、光ファイバ用母材を透明ガラス化する際に気泡が発生する可能性がある。

この堆積効率の低下の原因は、ガラス原料ガスの供給量の増大によってガラス微粒子の流速が大きくなり、ガラス微粒子がスートの表面に衝突するまでの時間が短くなりすぎることである。

ガラス原料ガスは、通常、同心多重管バーナの中心に位置する噴出ノズルから噴出され、ガラス原料ガスの火炎中の加水分解反応によりガラス微粒子が生成される。ここで、ガラス微粒子の噴出ノズルの径を大きくすると、ガラス微粒子の流速は低下するので、ガラス微粒子がスートの表面に達するまでの衝突時間は長くなる。しかし、噴出されたガラス原料火炎のノズル半径方向における厚さが増すため、ガラス原料火炎の中心部での反応が遅れ、結果的に堆積効率が向上しない。

特許文献１は、ガラス原料ガスの噴出ノズルを燃焼ガスの噴出ノズルと酸化ガスの噴出ノズルとで挟み込む構造の同心多重管バーナを開示している。しかしながら、このバーナでは、燃焼ガス（H₂）と酸化ガス（O₂）は、その間にガラス原料ガスを挟むように噴出されるため、H₂Oの生成が遅れる。その結果、SiO₂の生成が遅れる。

また、特許文献２は、複数のノズルからガラス原料ガスを噴出する技術を開示している。しかしながら、バーナの構造が複雑であるために、コストが高くなるとともに、安定して同じ性能を持ったバーナの製造が困難であった。

本発明の目的は、簡単な構造のバーナを用いて、ガラス微粒子の堆積効率を低下させることなくガラス微粒子の堆積速度を向上させることができるとともに、気泡の少ない光ファイバ用母材を製造可能な光ファイバ用母材の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る光ファイバ用母材の製造方法は、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備えるバーナの前記複数のノズルからガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガス及びシールガスをそれぞれ噴出させるステップと、出発部材に前記ガラス微粒子を堆積させるために前記バーナを前記出発部材に対して相対的に移動させるステップとを有し、前記噴出ステップは、ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを前記複数のノズルのうちの一の環状ノズルから噴出させ、前記環状ノズルより内側に位置する内側ノズルから可燃性ガスを噴出させ、前記環状ノズルより外側に位置する各外側ノズルから可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させることを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る光ファイバ用母材の製造方法は、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備えるバーナの前記複数のノズルからガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガス及びシールガスをそれぞれ噴出させるステップと、出発部材に前記ガラス微粒子を堆積させるために前記バーナを前記出発部材に対して相対的に移動させるステップとを有し、前記噴出ステップは、ガラス原料ガスと可燃性ガスとの混合ガスを前記複数のノズルのうちの一の環状ノズルから噴出させ、前記環状ノズルより内側に位置する内側ノズルから助燃性ガスを噴出させ、前記環状ノズルより外側に位置する外側ノズルから可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させるように、前記各ガスを前記バーナの前記複数のノズルに供給することを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る光ファイバ用母材製造用バーナは、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備え、前記複数のノズルは、ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを噴出させる環状ノズルと、前記環状ノズルより内側に位置して可燃性ガスを噴出させる内側ノズルと、前記環状ノズルより外側に位置して可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させる外側ノズルとを含むことを特徴とする。

本発明の第４の観点に係る光ファイバ用母材製造用バーナは、ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備え、前記複数のノズルは、ガラス原料ガスと可燃性ガスとの混合ガスを噴出させる環状ノズルと、前記環状ノズルより内側に位置して助燃性ガスを噴出させる内側ノズルと、前記環状ノズルより外側に位置して可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させる外側ノズルとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、構造の簡単なバーナを用いて、ガラス微粒子の堆積効率を落とすことなくガラス微粒子の堆積速度を改善できるとともに、気泡の少ない光ファイバ母材を製造することが可能となる。

外付け法（ＯＶＤ法）による光ファイバーガラス母材の製造装置の一例を示す概略図である。実施例１及び実施例２で用いた同心７重管バーナのノズル構成を示す図である。比較例１で用いた同心５重管バーナのノズル構成を示す図である。ガラス原料ガスの供給量と堆積効率との関係を示すグラフである。

本発明では、同心多重管構造のバーナの一の環状ノズルから、ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを噴出させ、この環状ノズルより内側に位置するノズルから可燃性ガスを噴出させる。代替的には、ガラス原料ガスと可燃性ガスとの混合ガスを前記複数のノズルのうちの一の環状ノズルから噴出させ、この環状ノズルより内側に位置するノズルから助燃性ガスを噴出させる。いずれの場合にも、環状ノズルより外側に位置する各ノズルから可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させる。

本発明によれば、ガラス原料ガスは、円形ノズルではなく、環状ノズルから噴出されるので、噴出されるガラス原料ガス流の半径方向の厚さを薄くすることができる。加えて、ガラス原料ガス流を内側および外側の双方に拡散させることができるので、ガラス原料ガスの反応を促進させることができる。その結果、バーナへのガラス原料ガスの供給量を増量してガラス微粒子の堆積速度を高めてもガラス微粒子の堆積効率が低下しない。また、ガラス堆積効率が低下しないので、反応チャンバー内に浮遊するガラス微粒子の量を抑制でき、その結果、気泡の少ない光ファイバ母材の製造が可能となる。

図１は、実施例１において用いられる光ファイバ用母材の製造装置の一例の概略を示している。図１において、ガラス微粒子を堆積させる出発ロッドは、コアロッド１の両端部にダミーロッド２を溶着したものである。出発ロッドの両端が回転チャック機構４に保持されている。各回転チャック機構４は、支持部材７に設けられ、出発ロッドを軸線回りに回転させる。バーナ３は、バーナ移動機構６により長手方向に往復移動されながら、光ファイバ用原料、例えばSiCl₄等の蒸気と燃焼ガス（水素ガス及び酸素ガス）とを軸線回りに回転する出発部材に向けて吹き付ける。この結果、酸水素火炎中で加水分解によって生成したガラス微粒子が出発部材上に堆積され、光ファイバ用多孔質母材が形成される。符号５は、蒸気と燃焼ガスのための排気フードを示している。

実施例１
図２は、実施例１に用いた同心多重管構造のバーナのノズル構成を示す図である。図２に示すバーナは、同心状に配置された径が異なる第１管１０、第２管２０、第３管３０、第４管４０、第５管５０、第６管６０及び第７管７０を有する同心７重管構造のバーナである。第１管１０により円形の第１のノズルＮ１が画定されている。第１管１０と第２管２０とにより環状の第２のノズルＮ２、第２管２０と第３管３０とにより環状の第３のノズルＮ３、第３管３０と第４管４０とにより環状の第４のノズルＮ４、第４管４０と第５管５０とにより環状の第５のノズルＮ５、第５管５０と第６管６０とにより環状の第６のノズルＮ６、及び、第６管６０と第７管７０とにより環状の第７のノズルＮ７がそれぞれ画定されている。

実施例１では、ガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスを第３ノズルＮ３に供給し、第３ノズルＮ３よりも内側に配置される第１ノズルＮ１に、可燃性ガスH₂を供給し、第３ノズルＮ３よりも外側に配置される第５ノズルＮ５に可燃性ガスH₂を供給し、第３ノズルＮ３よりも外側に配置される第７ノズルＮ７に助燃性ガスO₂を供給した。また、第２ノズルＮ２、第４ノズルＮ４及び第６ノズルＮ６にシールガスＮ₂をそれぞれ供給した。

このようなガス条件で10kgのガラス微粒子を出発ロッドに堆積させた。各ノズルに供給したガスの種類、流量、流速、さらに、各ノズル出口におけるノズル半径方向のガス流の厚さを表１にまとめて示す。

実施例２
実施例２では、実施例１と同じ同心７重管バーナを用いて、ガラス原料ガスSiCl₄と可燃性ガスH₂の混合ガスを第３ノズルＮ３に供給し、第３ノズルＮ３よりも内側に配置される第１ノズルＮ１に、助燃性ガスO₂を供給し、第３ノズルＮ３よりも外側に配置される第５ノズルＮ５に可燃性ガスH₂を供給し、第３ノズルＮ３よりも外側に配置される第７ノズルＮ７に助燃性ガスO₂を供給した。また、第２ノズルＮ２、第４ノズルＮ４及び第６ノズルＮ６にシールガスＮ₂をそれぞれ供給した。

このようなガス条件で１０ｋｇのガラス微粒子を出発部材に堆積させた。
各ノズルに供給したガスの種類、流量、流速、さらに各ノズル出口におけるガス流の厚さを表２にまとめて示す。

比較例１
図３は、比較例１に用いた同心多重管構造のバーナのノズル構成を示す図である。図３に示すバーナは、同心状に配置された径が異なる第１管１０、第２管２０、第３管３０、第４管４０、及び、第５管５０を有する同心５重管構造のバーナである。第１管１０により円形の第１のノズルＮ１が画定されている。第１管１０と第２管２０とにより環状の第２のノズルＮ２、第２管２０と第３管３０とにより環状の第３のノズルＮ３、第３管３０と第４管４０とにより環状の第４のノズルＮ４、第４管４０と第５管５０とにより環状の第５のノズルＮ５がそれぞれ画定されている。

比較例１では、ガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスを第１ノズルＮ１に供給し、第３ノズルＮ１に可燃性ガスH₂を供給し、第５ノズルＮ５に助燃性ガスO₂を供給した。また、第２ノズルＮ２、及び、第４ノズルＮ４にシールガスＮ₂をそれぞれ供給した。

このようなガス条件で10kgのガラス微粒子を出発部材に堆積させた。
各ノズルに供給したガスの種類、流量、流速、さらに各ノズル出口におけるガス流のノズル半径方向の厚さを表３にまとめて示す。

実施例１と比較例１を比較すると、ガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスの流量および流速は同じであるが、ガス流厚さは、比較例１の2.6mmに対して、実施例１は1.0mmである。すなわち、実施例１のガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスのガス流厚さは、大幅に比較例１のガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスのガス流厚さよりも薄い。なお、実施例２も、実施例１と同様に、ガラス原料ガスSiCl₄と助燃性ガスO₂の混合ガスのガス流厚さは薄くなっている。

実施例１，２では、ノズルＮ３から噴出したガラス原料ガスのガス流厚さが極めて薄いため、他のノズルから噴出した可燃性ガス及び助燃性ガスと速やかに混合し、加水分解反応を促進させる。この結果、比較例１における堆積効率は58％であったのに対して、実施例１，２における堆積効率はそれぞれ63%、61%となり、堆積効率が改善された。

図４は、実施例１および比較例１において、ガラス原料ガスの供給量を変化させたときのガラス原料ガスの供給量とその堆積効率を示している。実施例１では堆積効率はほとんど変化していないが、これに対して、比較例１では、ガラス原料ガスの流量が増すにつれて、堆積効率が大幅に低下しているのがわかる。

本発明によれば、光ファイバ用母材の生産性が大きく向上する。

１０…第１管
２０…第２管
３０…第３管
４０…第４管
５０…第５管
６０…第６管
７０…第７管
Ｎ１…第１のノズル
Ｎ２…第２のノズル
Ｎ３…第３のノズル
Ｎ４…第４のノズル
Ｎ５…第５のノズル
Ｎ６…第６のノズル
Ｎ７…第７のノズル

Claims

ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備えるバーナの前記複数のノズルからガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガス及びシールガスをそれぞれ噴出させるステップと、
出発部材に前記ガラス微粒子を堆積させるために前記バーナを前記出発部材に対して相対的に移動させるステップとを有し、
前記噴出ステップは、ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを前記複数のノズルのうちの一の環状ノズルから噴出させ、前記環状ノズルより内側に位置する内側ノズルから可燃性ガスを噴出させ、前記環状ノズルより外側に位置する各外側ノズルから可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させ、前記ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを円形ノズルからは噴出させないとともに、前記ガラス原料ガスを前記円形ノズルから噴出させない、ことを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
前記噴出ステップは、前記環状ノズルと前記内側ノズルとの間、前記環状ノズルと前記外側ノズルとの間、及び前記外側ノズルの間に位置する各ノズルから、それぞれ前記シールガスを噴出させることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備えるバーナの前記複数のノズルからガラス原料ガス、可燃性ガス、助燃性ガス及びシールガスをそれぞれ噴出させるステップと、
出発部材に前記ガラス微粒子を堆積させるために前記バーナを前記出発部材に対して相対的に移動させるステップとを有し、
前記噴出ステップは、ガラス原料ガスと可燃性ガスとの混合ガスを前記複数のノズルのうちの一の環状ノズルから噴出させ、前記環状ノズルより内側に位置する内側ノズルから助燃性ガスを噴出させ、前記環状ノズルより外側に位置する外側ノズルから可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させるように、前記各ガスを前記バーナの前記複数のノズルに供給し、前記ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを円形ノズルからは噴出させないとともに、前記ガラス原料ガスを前記円形ノズルから噴出させない、
ことを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
前記噴出ステップは、前記環状ノズルと前記内側ノズルとの間、前記環状ノズルと前記外側ノズルとの間、及び前記外側ノズルの間に位置する各ノズルから、それぞれ前記シールガスを噴出させることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備え、
前記複数のノズルは、ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを噴出させる環状ノズルと、前記環状ノズルより内側に位置して可燃性ガスを噴出させる内側ノズルと、前記環状ノズルより外側に位置して可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させる外側ノズルとを含み、
前記ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを円形ノズルからは噴出させないとともに、前記ガラス原料ガスを前記円形ノズルから噴出させない、ことを特徴とする光ファイバ用母材製造用のバーナ。
ガラス原料ガスを火炎中で加水分解させてガラス微粒子が生成されるように、同心状に配置された径が異なる複数の管により画定される複数のノズルを備え、
前記複数のノズルは、ガラス原料ガスと可燃性ガスとの混合ガスを噴出させる環状ノズルと、前記環状ノズルより内側に位置して助燃性ガスを噴出させる内側ノズルと、前記環状ノズルより外側に位置して可燃性ガスと助燃性ガスとをそれぞれ噴出させる外側ノズルとを含み、
前記ガラス原料ガスと助燃性ガスとの混合ガスを円形ノズルからは噴出させないとともに、前記ガラス原料ガスを前記円形ノズルから噴出させない、
ことを特徴とする光ファイバ用母材製造用のバーナ。