(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、
多孔質ガラス母材を収容する、ヒータに取り巻かれた炉心管と、
多孔質ガラス母材に結合された保持棒が挿通される挿通穴を有して前記炉心管の一端に装着される蓋部材と
前記蓋部材に設けられ、前記炉心管の内部を外部に連通させて、前記炉心管の内部から管内ガスを外部に直截に排出するガス排気ポートと、
シールガスを導入する供給ポートとシールガスを排出する排出ポートとを有して、前記挿通穴を覆って前記蓋部材に設けられるシール室と、
前記シール室の内部において前記保持棒を挿通され、前記炉心管の内部の管内ガスと前記シール室の内部のガスとの間に圧力差を生じさせる筒状部材と
を備えることを特徴とする焼結装置。
【請求項２】
前記筒状部材は、前記圧力差が予め定めた閾値よりも大きくなると、前記蓋部材から離れて前記圧力差を減少させる請求項１に記載の焼結装置。
【請求項３】
前記筒状部材と前記保持棒とのクリアランスが、０．１ｍｍ以上、且つ、０．１５ｍｍ以下であり、前記筒状部材の長さが１００ｍｍ以上である請求項１または２に記載の焼結装置。
【請求項４】
前記筒状部材において前記蓋部材に接触する接触面の表面粗さが、Ｒａ２．０以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の焼結装置。
【請求項５】
前記筒状部材において前記保持棒が挿通される貫通穴の内面の垂直度が、前記接触面に対して０．０１ｍｍ以下である請求項４に記載の焼結装置。
【請求項６】
前記蓋部材において前記筒状部材に接触する面の表面粗さが、Ｒａ２．０以下である請求項１から５のいずれか一項に記載の焼結装置。
【請求項７】
多孔質ガラス母材を炉心管に収容して焼結する焼結方法であって、
前記炉心管の内部における管内ガスの圧力を大気圧よりも高く維持しつつ、前記炉心管を取り巻くヒータにより炉心管に収容された多孔質ガラス母材を加熱し、
多孔質ガラス母材に結合された保持棒と、前記保持棒が挿通される挿通穴を有して前記炉心管の一端に装着される蓋部材との間、および、前記保持棒と前記保持棒を挿通された筒状部材との間を通じて、前記挿通穴を覆って前記蓋部材に設けられたシール室に前記管内ガスの一部を排出し、
前記シール室に排出した前記管内ガスの一部を、前記シール室に設けた供給ポートから供給されたシールガスと共に、前記シール室に設けた排出ポートから外部に排出させ、
前記炉心管の内部を外部に連通するガス排気ポートにより、前記炉心管の内部から管内ガスを外部に直截に排出する
ことを特徴とする多孔質ガラス母材の焼結方法。
【請求項８】
前記炉心管から前記シール室へ流れるガスの流量を予め定めた流量に制御する請求項７に記載の多孔質ガラス母材の焼結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質ガラス母材の焼結装置および焼結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ用ガラス母材の製造方法として、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法等が知られている。これらの方法では、まず火炎中でガラス原料を燃焼して加水分解によりガラス微粒子を生成させる。次いで、生成したガラス微粒子を回転するターゲット棒に付着させることにより多孔質ガラス母材を形成する。更に、多孔質ガラス母材を１４００〜１６００℃で焼結して、透明な光ファイバ用ガラス母材とする。
【０００３】
多孔質ガラス母材は、特定組成の雰囲気下で焼結される。焼結装置において焼結中に、多孔質ガラス母材を収容する炉心管に外気が侵入した場合、製造された透明ガラス母材の品質が低下する。また、炉心管内の雰囲気が外部に漏れた場合は環境を汚染する。そこで、焼結装置における炉心管を閉鎖する種々の構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２６２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼結中の炉心管を閉鎖する構造は、構造が複雑で組み立てが難しく、運用も容易ではない。更に、焼結装置の稼働時間の増加とともに部品の劣化により気密性が低下する。そこで、焼結中の炉心管に対する外気の侵入および管内ガスの漏洩を防止する、簡潔で寿命の長い構造が模索されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様によると、多孔質ガラス母材を焼結する焼結装置であって、多孔質ガラス母材を収容する、ヒータに取り巻かれた炉心管と、多孔質ガラス母材に結合された保持棒が挿通される挿通穴を有して炉心管の一端に装着される蓋部材とシールガスを導入する供給ポートとシールガスを排出する排出ポートとを有して、挿通穴を覆って蓋部材に設けられるシール室と、シール室の内部において保持棒を挿通され、炉心管の内部の管内ガスとシール室の内部のガスとの間に雰囲気の圧力差を生じさせる筒状部材とを備えることを特徴とする焼結装置が提供される。
【０００７】
本発明の第一の態様によると、多孔質ガラス母材を炉心管に収容して焼結する焼結方法であって、炉心管の内部における管内ガスの圧力を大気圧よりも高く維持しつつ、炉心管を取り巻くヒータにより炉心管に収容された多孔質ガラス母材を加熱し、多孔質ガラス母材に結合された保持棒と、保持棒が挿通される挿通穴を有して炉心管の一端に装着される蓋部材との間、および、保持棒と保持棒を挿通された筒状部材との間を通じて、挿通穴を覆って蓋部材に設けられたシール室に管内ガスの一部を排出し、シール室に排出した管内ガスの一部を、シール室に設けた供給ポートから供給されたシールガスと共に、シール室に設けた排出ポートから外部に排出させることを特徴とする多孔質ガラス母材の焼結方法が提供される。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】焼結装置１０の構造を示す模式的断面図である。
【図２】焼結装置１０におけるシール構造を説明する図である。
【図３】炉心管１２の内圧と、円筒室２４へ流れるガスの流量との関係を示すグラフである。
【図４】円筒部材２５の仕様を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、焼結装置１０の構造を示す模式的断面図である。焼結装置１０は、ヒータ１１、炉心管１２および回転チャック１５を備える。また、炉心管１２の図中上端には、蓋部材１８、円筒室２４、円筒部材２５、および上蓋部材１３が配される。
【００１２】
炉心管１２は、縦長の円筒形形状を有し、多孔質ガラス母材１６を収容できる内径と長さとを有する。ヒータ１１は、炉心管１２を側方から取り囲んで配される。炉心管１２の底部には、炉心管１２の内部に、多孔質ガラス母材１６を焼結する場合の雰囲気となる管内ガスを供給するガス導入ポート１７が設けられる。焼結装置１０において多孔質ガラス母材１６を焼結する場合、炉心管１２の内部には、Ｈｅ等をベースとした管内ガスが充填される。
【００１３】
回転チャック１５は、炉心管１２の図中上方に配され、炉心管１２に収容された多孔質ガラス母材１６に結合された保持棒１４の上部を把持する。また、回転チャック１５は、把持した保持棒１４を昇降させ、且つ、保持棒１４を回転軸として多孔質ガラス母材１６を回転させる。これにより、多孔質ガラス母材１６全体を効率よく均一に加熱できる。
【００１４】
炉心管１２の上端には、多孔質ガラス母材１６を収容した炉心管１２を閉鎖するシール構造が形成される。図示の焼結装置１０においては、炉心管１２の上端に蓋部材１８が置かれる。蓋部材１８は、保持棒１４が挿通される挿通穴を略中央に有する。また、蓋部材１８には、炉心管１２の内外を連通させるガス排出ポート２１が配される。
【００１５】
シール構造を形成する円筒部材２５および円筒室２４は、蓋部材１８の図中上面に配される。円筒部材２５は、その略中央に保持棒１４を挿通される。
【００１６】
円筒室２４は、蓋部材１８の図中上面に、円筒部材２５を覆って配される。更に、円筒室２４の上端は、上蓋部材１３により閉鎖される。保持棒１４は、上蓋部材１３も貫通する。円筒室２４および上蓋部材１３は、炉心管１２の上部にシール室を形成する。
【００１７】
図２は、焼結装置１０において炉心管１２上部に形成されたシール構造を拡大して示す図である。図１と共通の要素には図１と同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００１８】
蓋部材１８に設けられたガス排出ポート２１は、炉心管１２の内部を外部に連通させて、炉心管１２の内部から管内ガスを外部に直截に排出する。これにより、例えば、炉心管１２内部の管内ガス圧が急激に上昇した場合に、炉心管１２にかかる衝撃を緩和できる。ガス排出ポート２１から排出された管内ガスは、図示を省略した排気手段および排気処理装置へ導かれる。
【００１９】
円筒室２４は、シールガスが供給される供給ポート２２と、供給されたシールガスを排出する排気ポート２３とをそれぞれ側面に有する。シールガスは、例えば大気であってもよい。排気ポート２３から排気されたガスは、シールガスと共に、炉心管１２から円筒室２４に漏洩した管内ガスも含む。よって、排気ポート２３から排出されたシールガスは、図示を省略した排気手段および排気処理装置へ導かれる。
【００２０】
円筒部材２５は、縦長の筒状の形状を有する。円筒室２４は、円筒部材２５の外径および高さよりも大きな内径および高さを有する。よって、円筒部材２５は、円筒室２４の内部で、保持棒１４に沿って円滑に移動する。
【００２１】
上記のようなシール構造を有する焼結装置１０においては、多孔質ガラス母材１６の焼結を行う場合に、炉心管１２内の圧力を大気圧よりも高く維持する。これにより、焼結装置１０においては、蓋部材１８の挿通穴１９と保持棒１４との間、および、円筒部材２５の貫通穴２６の内面と保持棒１４との間隙を経て、炉心管１２から円筒室２４内に、炉心管１２内の管内ガスの一部を流しながら多孔質ガラス母材１６を焼結する。
【００２２】
焼結装置１０において、円筒部材２５に保持棒１４を挿通した状態で、円筒部材２５の炉心管１２側と円筒室２４側との圧力差Δｐは、円筒の長さをＬとした場合に、下記の式１により表される。
【数１】
0006539609.tif 000002
【００２３】
ここで、流体力学的相当面積Ｓは、流路面積をＡ、ぬれぶち長さをｓとした場合に、下記の数２式で表される。なお、ぬれぶち長さｓとは、流路断面において流体に接している支持棒外壁面と円筒内壁面との長さの総和である。
【数２】
0006539609.tif 000003
【００２４】
また、流路面積Ａ、ぬれぶち長さｓは、保持棒１４の直径をＤ、円筒部材の穴径をｄと表した場合に、それぞれ下記の式３、式４で表される。
【数３】
0006539609.tif 000004
【数４】
0006539609.tif 000005
【００２５】
更に、円筒部材２５と保持棒１４との隙間を流れるガスの流速ｕは、隙間を流れるガス流量をｑと表すと、下記の式５で表される。
【数５】
0006539609.tif 000006
【００２６】
よって、大気圧と炉心管１２の内圧との圧力差、円筒部材２５の長さおよび貫通穴２６の径を決定して上記の式１から式５を用いることにより、炉心管１２内から円筒室２４へ向けて、炉心管１２内のガスが予め定めた流量で流れるように制御できる。この場合、保持棒の直径Ｄの値は、装置の機械的強度などの設計で決められる。
【００２７】
例えば、Ｄ＝４０ｍｍとした場合、隙間を流れるガス流量ｑを０．１Ｌ／ｍｉｎとし、圧力差を５００Ｐａにしようとした場合、円筒部材の穴径ｄは、ｄ＝４０．１７ｍｍとなる。円筒部材の穴径を小さくし、保持棒との隙間を狭くすれば、圧力差を大きくすることができ好ましいが、保持棒の外径の製作精度、円筒部材の穴の製作精度を考慮すると、円筒部材の穴径ｄと支持棒の直径Ｄとの差の下限を、ｄ−Ｄ＝０．１ｍｍ程度とするのが良い。
【００２８】
本実施例においては、保持棒１４の外径が４０ｍｍの場合に、円筒部材２５において保持棒１が挿通される挿通穴１９の内面と保持棒１４とのクリアランスを０．１ｍｍ以上、且つ、０．１５ｍｍ以下の範囲とした。このクリアランスが０．１ｍｍ未満の場合は、円筒部材２５と保持棒１４とが接触する可能性が高くなり、保持棒１４の円滑な昇降が妨げられる懸念がある。
【００２９】
一方、上記クリアランスが０．１５ｍｍを超えた場合は、円筒部材２５と保持棒１４との間隙から、円筒室２４内のシールガスが炉心管１２に侵入しやすくなる。同様の観点から、円筒部材２５の長さを１００ｍｍ以上とすることにより、炉心管１２へのシールガスの侵入を効果的に防止できる。
【００３０】
なお、保持棒１４および円筒部材２５の円滑な相対移動を図るという観点からは、円筒部材２５における貫通穴２６の内面の垂直度が、蓋部材１８の上面に接触する面に対して０．０１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
一方、円筒室２４と炉心管１２との間のガス流を遮断するという観点から、蓋部材１８の上面と、円筒部材２５の下面とが密着していることが望ましい。そのような観点から、蓋部材１８および円筒部材２５において互いに接触する面の表面粗さを、Ｒａ２．０以下とすることが好ましい。
【００３２】
また、円筒部材２５を保持棒１４に対して円滑に変移させるという観点から、円筒部材２５は、少なくとも貫通穴２６の内面において、保持棒１４に対して潤滑性を有することが好ましい。また、保持棒１４は、特に炉心管１２から引き上げられる場合に高温になっている。よって、円筒部材２５は、保持棒１４の温度に対して耐熱性を有することが好ましい。そのような特性を兼ね備えた材料としては、例えば、カーボンのバルク材を例示できる。
【００３３】
上記の例では、シール室として円筒室２４を、シール部材として円筒部材２５をそれぞれ用いているが、シール室およびシール部材の形状が円筒形に限られるわけではないことはもちろんである。
【００３４】
［実験例］
穴径４０．１４ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒部材２５を作製し、炉心管の上蓋上に設けた円筒内に設置した。なお、保持棒の外径は４０ｍｍ（設計値）とした。炉心管１２の内圧を変えながら、保持棒１４と円筒部材２５の貫通穴２６との隙間を流れるガス流量を測定した。
【００３５】
図３は、上記測定の測定結果を示すグラフである。図示のように、炉心管１２の内圧とガス流量との間には強い相関があり、ガス流量を制御することにより、炉心管１２内の圧力を管理できることが判る。よって、炉心管１２から円筒室２４に向けて流れる管内ガスの流量は、予め定めた流量となるように制御することが好ましい。
【００３６】
なお、炉心管内圧をゲージ圧で１０００Ｐａ〜２０００Ｐａ程度にすると、隙間を流れるガス量も抑えられ、使用に耐えうることが確認できた。炉心管内圧を１０００Ｐａに維持し、多孔質ガラス母材の焼結を行った結果、得られたガラス母材の光学特性に問題のないことが確認できた。
【００３７】
このように、焼結装置１０は、上蓋上の円筒内に設けられた円筒部材の穴と保持棒との隙間（クリアランス）を０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍとし、円筒部材の長さを１００ｍｍ以上として、炉心管内から円筒へ向けてガスを流し、円筒の排気ポートから排気しながら焼結するようにしたことにより、該隙間から炉心管内への外気の侵入を防止することができ、ガラス母材の特性に悪影響を与えることなく焼結することができる。
【００３８】
下記の式６は、焼結装置１０において、炉心管１２における管内ガスの圧力により円筒部材２５が浮上する条件を表す。図４は、式６において用いる値を説明する図である。
【数６】
0006539609.tif 000007
【００３９】
上記の通り、炉心管１２の管内ガスが圧力Ｐｃに達すると、円筒部材２５が浮上する。これにより、炉心管１２の管内ガスは、蓋部材１８の上面と円筒部材２５の下面との間の広い間隙を通じて、炉心管１２から円筒室２４に大量に流れる。これにより、炉心管１２の管内ガス圧力が急激に減少する。よって、炉心管１２の耐圧に応じて円筒部材２５の質量等を設定することにより、炉心管１２の内圧の上限を規制して、内圧の上昇に起因する炉心管１２の障害を防止できる。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１０  焼結装置、１１  ヒータ、１２  炉心管、１３  上蓋部材、１４  保持棒、１５  回転チャック、１６  多孔質ガラス母材、１７  ガス導入ポート、１８  蓋部材、１９  挿通穴、２１  ガス排出ポート、２２  供給ポート、２３  排気ポート、２４  円筒室、２５  円筒部材、２６  貫通穴
【図１】
0006539609.tif 000008
【図２】
0006539609.tif 000009
【図３】
0006539609.tif 000010
【図４】
0006539609.tif 000011