(57)【要約】【課題】本発明は、凹凸と呼ばれる、母材長手方向での外径変動を低減させる光ファイバ用プリフォームの製造方法を提供せんとするものである。【解決手段】かゝる本発明は、火炎バーナ３０からのガラス微粒子２００をターゲーット１００に堆積させる光ファイバ用プリフォームの製造方法において、火炎バーナ３０への可燃性ガス又は支燃性ガスの流速を調整して、火炎バーナ３０の火炎によって生成されるターゲーット１００におけるヒートゾーンの温度分布を制御することで、ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制する光ファイバ用プリフォームの製造方法にある。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎バーナからのガラス微粒子をターゲーットに堆積させる光ファイバ用プリフォームの製造方法において、前記火炎バーナへの可燃性ガス又は支燃性ガスの流速を調整して、火炎バーナの火炎によって生成される前記ターゲーットにおけるヒートゾーンの温度分布を制御することで、前記ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制することを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法。
【請求項２】
前記ヒートゾーンの温度分布における最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差が、前記最高温度部分の５％以内であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
【請求項３】
前記火炎バーナにおける原料ガスの流速をＶＳ  、支燃性ガスの流速をＶＯ  としたとき、式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係において、０．７≦ａ≦１．６が満たされるように前記原料ガス又は支燃性ガスガスの流速を調整することで、前記温度差が最高温度部分の５％以内に納まるようにすることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバ用プリフォームの製造方法に関し、特に光ファイバ用プリフォームの凹凸と呼ばれる、母材長手方向での外径変動を低減させるためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光ファイバ用プリフォーム（多孔質母材）の製造方法としては、ＶＡＤ法、外付け法などが知られている。この外付け法の場合には、ターゲット（出発母材）の両端を、製造装置（ガラス旋盤など）のチャックで保持して回転させ、１個以上の火炎バーナを用いて、原料ガスを火炎中で加水分解してガラス微粒子（スート）を生成させ、これを上記回転するターゲットの外周に堆積させている。この光ファイバ用プリフォームを得た後、これを高温電気炉中の炉心管内で焼結して、透明ガラス化された透明ガラス母材を得ている。
【０００３】
これを、図示すると、図４の如くで、ターゲット（後に光ファイバのコア、又はコア＋クラッドとなる透明なガラスロッド）１００の両端を、製造装置、例えばガラス旋盤１０のチャック２０，２０により把持して回転させると共に、このターゲット１００に対して、複数、例えば２個の火炎バーナ３０を往復動（トラバース）させ、この火炎バーナ３０からの火炎３０ａ中で生成されたスート２００を堆積させて、目的とする光ファイバ用プリフォームを得ている。
【０００４】
このとき、火炎バーナ３０としては、図５に示すようなマルチノズル型バーナや図６に示すような同心円状の多重管バーナなどが用いられる。
図５のマルチノズル型バーナの例をとると、このバーナ３０Ａでは、中央のセンターノズル部３１にはＳｉＣｌ４  ガスなどの原料ガスと酸素ガスや水素ガスなどの添加ガスを、その外側の中間ノズル部３２には窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスを、さらにその外周に点在する小口径ノズル部３３には酸素ガスなどの支燃性ガスを、最も外側の最外ノズル部３４には水素ガスどの可燃性ガスをそれぞれ供給している。
【０００５】
一方、同心円状の多重管バーナ３０Ｂ（例えば５重管構造）にあっても、中央のセンターノズル部３５にはＳｉＣｌ４  ガスなどの原料ガスと酸素ガスや水素ガスなどの添加ガスを、その外側の２層目のノズル部３６には窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスを、３層目のノズル部３７には水素ガスどの可燃性ガスを、４層目のノズル部３８には窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスを、最も外側の最外ノズル部３９には酸素ガスなどの支燃性ガスをそれぞれを供給している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような外付け法により得られたガラス母材の表面には、凹凸と呼ばれる、母材長手方向での外径変動が生じるという問題があった。通常、この外径変動は、母材長手方向にあって、４０〜１００ｍｍの周期で繰り返す、うねりの形で現れることが多い。このような「うねり」があると、外観の悪化を招くのみならず、後に母材を紡糸した際、光ファイバの径が安定しないという問題につながる。
【０００７】
特に最近にあっては、光ファイバ製造のコスト低減のため、母材の大型化、つまり母材径の太径化や、紡糸速度の高速化が強力に押し進められる傾向にあり、母材表面の凹凸が、従来以上に生じ易く、より重大な問題となってきている。
【０００８】
例えば、母材の大型化にあたっては、スートの堆積速度を向上させる必要があり、このため、火炎バーナの本数を増やしたり、原料ガスを増量して対応している。この場合、バーナ本数の増加や原料ガスの増量により、母材表面の凹凸が生じ易くなるのである。また、さらに、このような大型の母材から得られたガラス母材を、高速度で紡糸した場合、この高速化により、母材表面の凹凸に対応したきめ細かい制御が困難となるため、やはり母材表面の凹凸が、そのまま光ファイバ径の変動として現れ易くなるのである。
【０００９】
このような母材表面の凹凸を解決する方法として、火炎バーナのターゲットに沿って移動する速度とターゲットの回転速度を調整して、ターゲットが１回転する間における両者の相対的な移動距離を、火炎バーナの原料ガスノズル径の１．５倍とすると、母材表面の凹凸が少なくなるという方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２８７９２４号公報  （第２−５頁）
【００１１】
しかし、この方法の場合、本発明者等の試験研究によると、不十分であることが判った。というのは、母材表面の凹凸発生には、原料ガスノズル径以外の他に、バーナ構造、例えば上記したマルチノズル型バーナを例にとると、支燃性ガス用の小口径ノズル部などの配置によっても、凹凸発生に大きな影響を与えることが判ったからである。
【００１２】
そこで、本発明者等が、さらに鋭意研究したところ、火炎バーナへの可燃性ガス又は支燃性ガスの流速を調整して、火炎バーナの火炎によって生成されるターゲーットのヒートゾーンの温度分布を制御すれば、ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制できることを見い出した。そして、また、その具体的な温度分布としては、ヒートゾーンの温度分布における最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差が、最高温度部分の５％以内であればよいことも見い出した。さらに、火炎バーナにおける原料ガスの流速をＶＳ  、支燃性ガスガスの流速をＶＯ  としたとき、式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係において、０．７≦ａ≦１．６が満たされるように原料ガス又は支燃性ガスの流速を調整すれば、上記温度差が、最高温度部分の５％以内に制御できることを見い出した。
本発明は、このような観点に立ってなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、火炎バーナからのガラス微粒子をターゲーットに堆積させる光ファイバ用プリフォームの製造方法において、前記火炎バーナへの可燃性ガス又は支燃性ガスの流速を調整して、火炎バーナの火炎によって生成される前記ターゲーットにおけるヒートゾーンの温度分布を制御することで、前記ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制することを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法にある。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、前記ヒートゾーンの温度分布における最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差が、前記最高温度部分の５％以内であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法にある。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、前記火炎バーナにおける原料ガスの流速をＶＳ  、支燃性ガスの流速をＶＯ  としたとき、式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係において、０．７≦ａ≦１．６が満たされるように前記原料ガス又は支燃性ガスガスの流速を調整することで、前記温度差が最高温度部分の５％以内に納まるようにすることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法にある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明において、ターゲーットにおけるヒートゾーンの温度分布を制御することで、ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制することができる現象については、以下のように説明することができる。
【００１７】
上述したように、光ファイバ用プリフォームの製造では、原料ガスを火炎中で加水分解して、スートを生成させ、これをターゲーットに堆積させる訳であるが、このとき、ターゲーット上には、火炎により熱せられたヒートゾーンが生成される。なお、ここで、ヒートゾーンとは、火炎中の最高温度部分より２０％以内の温度差の範囲内にある領域をいう。従って、最高温度部分が例えば１０００℃であれば、８００℃までの範囲が含まれる。なお、原料ガスには必要により酸素ガスや水素ガスなどの添加ガスが混入される。
【００１８】
このようなヒートゾーンにあって、ターゲーット上に当たる火炎の温度が高いと当然ヒートゾーンの温度も高くなる。そして、また、火炎の温度が高いと、それだけターゲーットに堆積したスートは熱せられ、焼き固められた状態で堆積されるため、プリフォームの外径は、小さくなるものと推論される。逆に、火炎の温度が低いとヒートゾーンの温度も低くなり、ターゲーットに堆積したスートは低い温度で熱せられるため、柔らかい状態で堆積されることとなり、プリフォームの外径は、大きくなるものと推論される。このようにヒートゾーン内の温度が異なると、ターゲーットに堆積したスートの状態が異なってくると考えられる。
【００１９】
一方、上述したマルチノズル型バーナなどにより生成された火炎を、より詳しく観察すると、図１に示す如くである。この図１は、火炎を模式的に示したもので、中心のガス流路（センターノズル部）から原料ガスを噴出させると、中心部分に若干温度の低い領域部分（低温領域部分）３０ａ１  ができる一方、その外側には温度の高い領域部分（高温領域部分）３０ａ２  ができる。勿論、この高温領域部分３０ａ２  の外側にも加熱領域が広がっており、上記したように、火炎中の最高温度部分より２０％以内の温度差の範囲内は、ヒートゾーンの領域３０ａ３  として捉えられる。つまり、バーナ火炎では、一つのヒートゾーン内において、通常温度分布の異なる領域が生成されていることが多い。
【００２０】
このような温度差があって、しかも、その値が大きいと、上記のように、ターゲーットに堆積したスートの状態が異なってくるため、同量のスートが堆積されていても、その部位によって、スートが焼き固められる部分と柔らかい部分ができることとなる。この結果、母材表面に凹凸が生成されるようになる。
【００２１】
このことから、ヒートゾーンの温度分布、即ち、ヒートゾーン内の最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差が小さくなるように制御すれば、母材表面における凹凸生成の抑制が可能と考えられる。
【００２２】
このことは、後述する、本発明者等の行った実施例（実験例）により明らかである。さらに、この実施例から、上記温度差は、最高温度部分の５％以内であればよく、また、この温度差を、この５％以内の範囲に納めるには、火炎バーナにおける原料ガスの流速をＶＳ  、支燃性ガスガスの流速をＶＯ  としたとき、式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係において、０．７≦ａ≦１．６が満たされるように原料ガス又は支燃性ガスの流速を調整すればよいことも明らかにされた。
【００２３】
つまり、上記式において、ａ＝ＶＯ  ／ＶＳ  が０．７未満だと、原料ガスの流速が速いことを意味し、原料ガスの火炎との混ざりが悪く広がり易く、反応しないで火炎の外に拡散してしまう傾向が強くなるからである。また、ａ＝ＶＯ  ／ＶＳ  が１．６を超えると、支燃性ガスの流速が速いことを意味し、これによって、火炎のまとまりが悪くなり、ターゲーットに当たる火炎が不安定となって、かえって上記温度差が大きくなってしまう傾向となるからである。
【００２４】
〈実施例〉
先ず、上記図４と同一の製造装置系において、上記図５と同構造のマルチノズル型バーナを用いて、サンプルの光ファイバ用プリフォームを製造した。この際、可燃性ガスである水素ガスの流量は、光ファイバ用プリフォームの外径増加（成長）に合わせて、その流速が１．３〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように調整した。原料ガスの流量は、その流速が１０．２ｍ／ｓｅｃとなるように調整し、また、支燃性ガスである酸素ガスの流量は、その流速が９．７ｍ／ｓｅｃとなるように調整した。このとき、上記式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係で、ａ＝０．９５であった。また、添加酸素ガス流量を３Ｌ／分とし、外径が３０φのターゲーットの回りにスートを１２Ｋｇ堆積させた。
【００２５】
この結果、スート堆積中、スート表面の最高温度は、光ファイバ用プリフォームの外径増加と共に、１１００〜８００℃まで変化した。この間、ヒートゾーン内の最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差は、図２のグラフに示すように、常に５％以内に納まっていた。図２のグラフにおいて、曲線（実線）Ｉは、プリフォームの外径増加に対応して変化する、ヒートゾーンの中心温度部分の分布であり、曲線（破線）ＩＩは、同じくヒートゾーン内の最高温度部分の分布である。
【００２６】
また、このようにして得られた光ファイバ用プリフォームは、設計上の設定母材外径をＤに対して、長手方向の実測平均母材外径をＤＡ  として、母材表面の凹凸度を、｛（ＤＡ  −Ｄ）／ＤＡ  ｝×１００と定義した場合、その凹凸度は、０．３以下であった。また、見た目の外観においても、母材表面に凹凸は確認されなかった。
【００２７】
〈比較例〉
次に、やはり上記図４と同一の製造装置系において、上記図５と同構造のマルチノズル型バーナを用いて、サンプルの光ファイバ用プリフォームを製造した。この際、可燃性ガスである水素ガスの流量は、光ファイバ用プリフォームの外径増加（成長）に合わせて、その流速が１．３〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように調整した。原料ガスの流量は、その流速が１０．２ｍ／ｓｅｃとなるように調整し、また、支燃性ガスである酸素ガスの流量は、その流速が２０．４ｍ／ｓｅｃとなるように調整した。このとき、上記式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係で、ａ＝２．０であった。また、添加酸素ガス流量を３Ｌ／分とし、外径が３０φのターゲーットの回りにスートを１２Ｋｇ堆積させた。
【００２８】
この結果、スート堆積中、スート表面の最高温度は、光ファイバ用プリフォームの外径増加と共に、１１００〜８００℃まで変化した。この間、ヒートゾーン内の最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分との温度差は、図３のグラフに示すように、６〜１０％の範囲内で変化した。図３のグラフにおいて、曲線（実線）ＩＩＩは、プリフォームの外径増加に対応して変化する、ヒートゾーンの中心温度部分の分布であり、曲線（破線）ＶＩは、同じくヒートゾーン内の最高温度部分の分布である。
【００２９】
また、このようにして得られた光ファイバ用プリフォームは、設計上の設定母材外径をＤに対して、長手方向の実測平均母材外径をＤＡ  として、母材表面の凹凸度を、｛（ＤＡ  −Ｄ）／ＤＡ  ｝×１００と定義した場合、その凹凸度は、０．７〜１．８程度であった。また、見た目の外観においても、母材表面に凹凸があることが確認できた。
【００３０】
なお、上記実施例及び比較例では、図４と同一の製造装置系において、図５と同構造のマルチノズル型バーナを用いた場合であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、火炎バーナが１個又は３個以上有する製造装置系でもよく、また、他の構造のバーナであっても、適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法によると、火炎バーナへの可燃性ガス又は支燃性ガスの流速を調整して、火炎バーナの火炎によるヒートゾーンの温度分布を制御するという簡単なことで、ターゲーット表面における凹凸の生成を抑制することができる。
従って、本発明の適用にあたっては、製造装置系や用いる火炎バーナを特に変更する必要はなく、従来のものをそのまま用いることができるため、実施にあたって、コスト上昇を招くこともない。
【００３２】
また、上記温度分布の制御は、ヒートゾーンの温度分布における最高温度部分とヒートゾーンの中心温度部分の温度差が、最高温度部分の５％以内であることを目安として行えばよい。
【００３３】
また、上記温度差を、最高温度部分の５％以内に納めるには、火炎バーナにおける原料ガスの流速をＶＳ  、支燃性ガスガスの流速をＶＯ  としたとき、式ＶＯ  ＝ＶＳ  ・ａの関係において、０．７≦ａ≦１．６が満たされるように原料ガス又は支燃性ガスの流速を調整することで、簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】火炎バーナによるヒートゾーンを模式的に示した図である。
【図２】プリフォーム外径と表面温度との関係を示したグラフである。
【図３】プリフォーム外径と表面温度との関係を示したグラフである。
【図４】光ファイバ用プリフォームの製造装置系の一例を示した概略説明図である。
【図５】火炎バーナの一例を示した端面図である。
【図６】火炎バーナの他の例を示した端面図である。
【符号の説明】
１０                製造装置
２０                チャック
３０                火炎バーナ
３０ａ              火炎
１００              ターゲーット
２００              ガラス微粒子（スート）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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