(57)【要約】【課題】ＭＣＶＤ法におけるスートの堆積効率の向上。【解決手段】ガラス製ワークを加熱するガラスの加工方法において、該ガラス製ワークと加熱用熱源との間に断熱材を設けて該ワークの被加熱範囲を制御することを特徴とするガラスの加工方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス製ワークを加熱するガラスの加工方法において、該ガラス製ワークと加熱用熱源との間に断熱材を設けて該ワークの被加熱範囲を制御することを特徴とするガラスの加工方法。
【請求項２】
ガラス製ワークがガラスパイプ、ガラスロッド、ガラス平板又は光ファイバ用母材である請求項１に記載されたガラスの加工方法。
【請求項３】
被加熱範囲の制御を、断熱材をガラス製ワークに対して前進及び／又は後退させる位置調節機構と断熱材をガラス製ワークの長手方向に移動させる機構の少なくとも一つを設けることにより行う請求項１又は２に記載されたガラスの加工方法。
【請求項４】
断熱材が、絞り形状若しくはスリット状を有しその開口面積を調節自在とした開口部を有する請求項１〜３のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【請求項５】
断熱材がジャバラ形状を有して被加熱範囲を制御するようにした請求項１〜４のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【請求項６】
ガラス製ワークの温度プロファイルを測定し、測定されたデータを出力するとともに該測定されたデータに基いて断熱材の位置、形状若しくは開口部面積を変更する請求項１〜５のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【請求項７】
熱源としてプラズマ火炎又は酸水素火炎を用いる請求項１〜６のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【請求項８】
熱源として抵抗加熱方式又は誘導加熱方式を用いる請求項１〜６のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【請求項９】
ガラス製ワークを保持する手段、ガラス製ワークを加熱するための加熱手段、ガラス製ワークと加熱手段の間に設けられた該ワークの被加熱範囲を制御するための断熱材を含む断熱手段を有することを特徴とするガラスの加工装置。
【請求項１０】
ガラス製ワークを保持する手段がガラス旋盤である請求項９に記載されたガラスの加工装置。
【請求項１１】
断熱手段が、該断熱材を該ガラス製ワークに対して前進及び／又は後退させる位置調節機構及び該断熱材をガラス製ワークの長手方向に移動させる機構の少なくとも一つを有する請求項９又は１０に記載されたガラスの加工装置。
【請求項１２】
断熱材がＣ，ＳｉＣ及びＣ／Ｃ複合材料から選ばれる高融点材料で構成された請求項９〜１１のいずれかに記載されたガラスの加工装置。
【請求項１３】
ガラスの合成工程及び脱水工程を有するＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、請求項９〜１２のいずれかに記載されたガラスの加工装置を用い、該ガラスの合成工程を該脱水工程より被加熱範囲を小さく設定して行うことを特徴とする上記光ファイバ母材の製造方法。
【請求項１４】
ガラスの合成工程、脱水工程及び縮径工程を有するＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、請求項９〜１２のいずれかに記載されたガラスの加工装置を用い、該ガラスの合成工程を該縮径工程より被加熱範囲を大きく設定して行うことを特徴とする上記光ファイバ母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス物品若しくはガラス製ワーク等の加熱方法、ガラス微粒子体若しくはガラス微粒子堆積体の加熱方法若しくは焼結方法又はＭＣＶＤ法によるガラス母材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ母材などのガラス物品の製造方法には、ガラス管に対して相対的に移動する酸水素バーナー等の加熱源により前記ガラス管を加熱する工程を含むものがある。その代表的な例である内付けＣＶＤ法（ＭＣＶＤ法）による光ファイバ用ガラス母材などのガラス物品の製造は、一般に図３に示されるように、出発材であるガラス管３１を回転させつつ該ガラス管３１内にガス供給側（上流側）から排気ガス側（下流側）３７に向けてガラスの主原料であるＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４やＢＣｌ３等の添加物及びＯ２等からなるガラス原料含有ガス（原料ガス）３２を流しながら、ガラス管３１の外側に設けた加熱源（この例では加熱用の酸水素バーナー３３）とガラス管３１とを相対的に往復運動（トラバース）させて外側から加熱する方法で行われている。図の場合は、酸水素バーナー３３を移動させている。
こうして、原料ガス成分の金属ハロゲン化物ガスと酸素との反応により生ずるガラス微粒子体（ＳｉＯ２）３４は回転するガラス管３１内を流される。ガラス微粒子体は析出するにつれて、ガラス管３１に沿ってトラバースされている酸水素バーナー３３によって焼結され透明なガラス層３５を形成する。排ガス３７はガラス管３１端部より排出される。
【０００３】
酸水素バーナー３３の移動に従い主原料ガスであるＳｉＣｌ４が酸化されて生成するガラス微粒子３４が酸水素バーナー３３の下流側のガラス管３１の内壁に堆積しガラス微粒子層３６が形成され、さらに酸水素バーナー３３が移動して加熱されると堆積しているガラス微粒子３６が透明ガラス化してガラス層３５が形成される。酸水素バーナー３３はトラバースターン部まで移動した後、上流側の初期の位置に戻される。このトラバースを所定の回数繰り返して所望の厚さの堆積ガラス層３５を形成させる（非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｋｅｉｓｅｒ；”Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”  ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．（１９９１）７４頁
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＭＣＶＤ法において、生産効率の向上にはガラス管のヒートゾーンの制御が重要で、例えば、ガラス微粒子（スートということもある）の堆積時にはヒートゾーンを小さくすることによりサーモフォレシス効果を増大させてガラス微粒子の堆積効率を向上することができる。縮径工程ではヒートゾーンを大きくして縮径速度を向上させ作業時間を短縮することができる。
一般に、上記のようなヒートゾーンの制御は、熱源の出力を調整したり、或いは熱源と該ガラス管との距離を調整したりして行うことができる。前者の場合、例えば、酸水素バーナー３３であれば水素の流量を増加させて発熱量を増やすことができるし、後者の場合は、酸水素バーナー３３を該ガラス管３１に近付けることでヒートゾーンを拡大することができる。しかし、このような制御方法では、ガラス管３１表面の最高温度が変化してしまうのでスート反応温度や縮径速度等の制御と同時にヒートゾーンの大きさを適宜に変化させることは極めて困難である。
【０００６】
上記の問題は、ＭＣＶＤ法に限られたことではなく、旋盤を用いたコラップスまたはガラス製ワーク同士の接続や延伸でも同様に生じる。例えば、接続加工において接続部の近傍にＧｅ等の添加による歪みが入っている場合、歪み部を過剰に加熱するとクラックが入る場合があり、また、接続部のみを加熱するために熱源の出力を小さくせねばならず作業効率が低下してしまう。
本発明の目的は、ガラスワーク若しくはガラス微粒子堆積体の加熱処理又は焼結処理工程において、加熱炉のヒートゾーンの長さ若しくはヒートゾーンの大きさを調整して加熱又は焼結することにより加熱処理又は焼結処理の高速化と作業効率の向上を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、下記の各発明又は態様によって達成することができる。
（１）ガラス製ワークを加熱するガラスの加工方法において、該ガラス製ワークと加熱用熱源との間に断熱材を設けて該ワークの被加熱範囲を制御することを特徴とするガラスの加工方法。
（２）ガラス製ワークがガラスパイプ、ガラスロッド、ガラス平板又は光ファイバ用母材である上記（１）に記載されたガラスの加工方法。
【０００８】
（３）被加熱範囲の制御を、断熱材をガラス製ワークに対して前進及び／又は後退させる位置調節機構と断熱材をガラス製ワークの長手方向に移動させる機構の少なくとも一つを設けることにより行う上記（１）又は（２）に記載されたガラスの加工方法。
（４）断熱材が、絞り形状若しくはスリット状を有しその開口面積を調節自在とした開口部を有する上記（１）〜（３）のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
（５）断熱材がジャバラ形状を有して被加熱範囲を制御するようにした上記（１）〜（４）のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【０００９】
（６）ガラス製ワークの温度プロファイルを測定し、測定されたデータを出力するとともに該測定されたデータに基いて断熱材の位置、形状若しくは開口部面積を変更する上記（１）〜（５）のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
（７）熱源としてプラズマ火炎又は酸水素火炎を用いる上記（１）〜（６）のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
（８）熱源として抵抗加熱方式又は誘導加熱方式を用いる上記（１）〜（６）のいずれかに記載されたガラスの加工方法。
【００１０】
（９）ガラス製ワークを保持する手段、ガラス製ワークを加熱するための加熱手段、ガラス製ワークと加熱手段の間に設けられた該ワークの被加熱範囲を制御するための断熱材を含む断熱手段を有することを特徴とするガラスの加工装置。
（１０）ガラス製ワークを保持する手段がガラス旋盤である上記（９）に記載されたガラスの加工装置。
【００１１】
（１１）断熱手段が、該断熱材を該ガラス製ワークに対して前進及び／又は後退させる位置調節機構及び該断熱材をガラス製ワークの長手方向に移動させる機構の少なくとも一つを有する上記（９）又は（１０）に記載されたガラスの加工装置。
（１２）断熱材がＣ，ＳｉＣ及びＣ／Ｃ複合材料から選ばれる高融点材料で構成された上記（９）〜（１１）のいずれかに記載されたガラスの加工装置。
【００１２】
（１３）ガラスの合成工程及び脱水工程を有するＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、上記（９）〜（１２）のいずれかに記載されたガラスの加工装置を用い、該ガラスの合成工程を該脱水工程より被加熱範囲を小さく設定して行うことを特徴とする上記光ファイバ母材の製造方法。
（１４）ガラスの合成工程、脱水工程及び縮径工程を有するＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、上記（９）〜（１２）のいずれかに記載されたガラスの加工装置を用い、該ガラスの合成工程を該縮径工程より被加熱範囲を大きく設定して行うことを特徴とする上記光ファイバ母材の製造方法。
【００１３】
本発明においては、ガラスパイプ、ガラスロッド、ガラス平板又は光ファイバ用母材等のガラス製ワーク若しくはガラス物品を加熱処理するに際し、断熱材（遮熱材ともいう）を設置して該ガラス製ワーク若しくはガラス物品の被加熱範囲（以下ヒートゾーンともいう）を制御することで加熱効率を制御することができる。被加熱範囲の制御は、例えば、断熱材をガラス製ワークに対して前進させるか、或いは後退させる位置調節機構及び／又は断熱材をガラス製ワークの長手方向に移動させる機構を設けることにより行う。
これらの断熱材可動機構は、加熱用熱源の出力やガラス製ワークの大きさに応じて断熱材とワークの距離を調整し、かつヒートゾーンの大きさを調整し易いようにするものである。
【００１４】
上記の断熱材は、絞り形状若しくはスリット状の開口を有し、その開口面積を調整して熱源の出力を制御可能とするのが好ましい。また別に、断熱材の形状をジャバラ状として伸縮自在に形成し、熱源の遮断面積を可変とすることもできる。これらの詳細については、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に沿って後述する。断熱材の材料は、断熱材を例えばＭＣＶＤ法に適用する場合には光ファイバの伝送ロスの増加原因にならないような物質、例えばＣ，ＳｉＣ，Ｃ／Ｃ複合材料とするのが好ましいが、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２（Ｙ−ＴＺＰ）を用いることもできる。ここでＣ／Ｃ複合材料とはカーボンファイバで織った布を積み重ねたものにカーボン系樹脂をしみこませ、熱処理を施したものをいう。この材料は非酸化雰囲気での耐熱性に優れ、航空、宇宙用材料に使用されることもある。
【００１５】
本発明の方法に従いガラス製ワーク若しくはガラス物品を加熱加工する際に、該ガラス製ワーク若しくはガラス物品の温度プロファイルを測定し、測定されたデータを出力するとともに該測定されたデータに基づいて断熱材の位置、形状若しくは開口部面積を変更するのが好ましい。
ここでいう温度プロファイルとは該ガラス製ワーク若しくはガラス物品の表面温度の長手方向変化を意味し、測定は放射温度計等の非接触式温度計によって行う。
【００１６】
本発明において用いられる加熱用熱源としては、プラズマ火炎、酸水素火炎、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等公知の加熱手段から適宜に選択可能である。光ファイバ母材を意図したＭＣＶＤ法では酸水素火炎を用いるのが一般的である。
【００１７】
本発明のガラスの加工装置は、ガラス旋盤のようなガラス製ワークを保持する手段、上記の加熱手段から選ばれるガラス製ワークを加熱するための加熱手段、及び該ガラス製ワークと該加熱手段の間に設けられた該ガラス製ワークのヒートゾーンを制御するための断熱材を含む断熱手段から構成される。このガラスの加工装置の好ましい実施形態は、上記（１０）〜（１２）に示されている。
本発明のガラス製ワークの加工方法がＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法である場合には〔上記（１３）参照〕、上記したガラス加工装置を用いて行う。その場合、ガラスの合成工程（スート堆積工程）は、脱水工程よりヒートゾーンを小さくすることによってサーモフォレシス効果を増大させガラス微粒子堆積効率を向上することができる。一方、上記ＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法が縮径工程を有する場合には、ヒートゾーンを大きくすることによって縮径速度を増大させ作業時間を短縮することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に沿って説明する。
図１は、本発明に係る断熱機構を配置したＭＣＶＤ装置におけるガラス微粒子堆積の様子を示す概念図である。図１において、堆積基材パイプ１中にＳｉＣｌ４、Ｏ２等の原料ガス２を矢印方向に流しガラス合成バーナー（酸水素バーナー）３で加熱して酸化若しくは加水分解反応に付しガラス微粒子（スート）４を合成する。堆積基材パイプ１とガラス合成バーナー３はパイプの長手方向に相対的に移動（トラバース）させながら（図示の場合はバーナーを移動させている）ガラス微粒子堆積体をガラスパイプ内壁上に順次積層する。
【００１９】
上記反応中、本発明に係る高融点かつ高純度の材料（Ｃ、ＳｉＣやＣ／Ｃ複合材料等からなり光ファイバのロスの増加原因にならない材料）からなる断熱板５を堆積基板パイプ１とガラス合成バーナー３との間に設ける。断熱板５の形状は直方体とするのが好ましく、断熱板５と堆積基材パイプ１との間隔はできるだけ狭く維持して冷却効率を上げるように配置するのが好ましい。断熱板５は内部に冷媒を循環させる機構５を備え、更にはガラス合成バーナー３と共にトラバースし、プロセス中にも、ガラスワークに対して任意の距離前進及び／又は後退させる位置調節機構並びにガラスパイプの長手方向のバーナー位置に対して任意の位置に調節することのできる機構を有している。
ガラス微粒子堆積工程においてバーナー直上からパイプ内ガスの下流側のヒートゾーン（ここでは温度１４００℃以上の領域）の幅を特定範囲内にすることでサーモフォレシスの効果を高め、ガラス微粒子堆積効率を向上させることができる。断熱板４の冷却に用いられる冷媒としては水、Ｈｅ、Ａｒ等を用いるのが好ましい。冷媒の温度は通常は１〜２０℃、好ましくは１〜１０℃とする。
【００２０】
断熱板は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるようにスリット、絞り形状の開口部を設けるか、全体をジャバラ形状として火炎に対する断熱面積を適宜に調節し得るように構成することができる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
図１に模式的に示されるように、ガラスパイプとガラス合成用酸水素バーナーを保持するガラス旋盤（図示されていない）を用いたＭＣＶＤ装置に、高融点、高純度のＳｉＣからなる断熱板を、該断熱板の表面と堆積基材となるガラスパイプとの間隔が１ｍｍとなるように配置する。ここで断熱板の形状は直方体であり、長手方向の長さが１５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、幅７０ｍｍである。また、断熱板は内部に冷媒を循環できる機構を備えている（図示していない）。スート堆積工程において、バーナー直上からパイプ内ガスの下流側のヒートゾーン（ここでは温度１４００℃以上の領域）の幅を１５ｍｍ以内にすることでサーモフォレシス効果を高め、スート堆積効率を向上させる。断熱板は酸水素バーナーと共にトラバースし、なおかつプロセス中においてもガラスパイプの長手方向にバーナー位置に対して任意の位置に調整できる機構が付属している（図示していない）。
【００２２】
断熱板先端とバーナー中心軸との間隔を１５ｍｍに調整し、バーナー直上（Ｐ１）及びバーナー直上（Ｐ１）から長手方向に１５ｍｍ（Ｐ２）及び２５ｍｍ（Ｐ３）離れた位置でパイプ表面の温度を測定したところ、それぞれ１５８０℃、１５４０℃、１３２０℃となった。すなわち、この場合のヒートゾーンは直上点（Ｐ１）から２０ｍｍ程度下流側までの部分である。次に、断熱板先端とバーナー中心軸との間隔を１０ｍｍに調整し上記と同様に温度測定したところ、それぞれ１６００℃、１３８０℃、１２００℃となりヒートゾーンを１５ｍｍに５ｍｍ短く調整することができた。本実施例では、冷媒としては実用性の高い水を用いた（水温９℃）。
【００２３】
上記実施例（断熱板先端とバーナー中心軸との間隔１５ｍｍの場合）において断熱材を用いないか及び冷媒を流さないほかは同一処方を繰り返したところ、ヒートゾーンはそれぞれ２４ｍｍ、２２ｍｍに調整することができた。
このように、ヒートゾーンの一般的範囲はスート堆積時は１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、縮径時には５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００２４】
【発明の効果】
ガラス製ワークを加熱するガラスの加工方法、例えば、ＭＣＶＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、ガラス製ワークと加熱手段の間に断熱（遮熱）手段を設けて該ワークの被加熱範囲（ヒートゾーン）を制御し、サーモフォレシス効果を増大させてガラス微粒子の堆積効率を向上させ、また縮径工程ではヒートゾーンを大きくして縮径速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例において断熱機構を配置したＭＣＶＤ装置におけるガラス微粒子堆積の様子を示す概念図を示す。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る断熱材の断熱面積を可変とするためのスリット、絞り及びジャバラ構造を有する断熱材の模式的平面図を示す。
【図３】図３は一般的なＭＣＶＤ法によるガラス母材の製造方法を実施するのに用いられる装置の模式図を示す。
【符号の説明】
１  ガラスパイプ    ２  原料ガス    ３  ガラス合成バーナー
４  スート    ５  断熱板    ６  冷媒循環機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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