(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバ用多孔質ガラス母材の脱水焼結に要する時間を短縮し、生産効率を高めることのできる焼結装置および焼結方法の提供。【解決手段】光ファイバ用多孔質ガラス母材１１を収容する炉心管１２と加熱ヒータ１３（Ａ）１３（Ｂ）を備える光ファイバ用ガラス母材の焼結装置１０であって、炉心管１２の一端の開口部から多孔質ガラス母材１１を挿入し炉心管１２内長手方向に沿って移動させる移動機構を備え、炉心管１２を取り囲むように炉心管１２長手方向に沿って２段以上の互いに独立して温度制御可能な加熱ヒータ１３（Ａ）１３（Ｂ）が設置された多段加熱ヒータ１３を備え、多段加熱ヒータ１３の全長は光ファイバ用多孔質ガラス母材１１の長さ以上であり、多段加熱ヒータ１３を構成する加熱ヒータ１３（Ａ）１３（Ｂ）の少なくとも１つは光ファイバ用多孔質ガラス母材１１の長さよりも短い光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ用多孔質ガラス母材を収容する炉心管と加熱ヒータを備える光ファイバ用ガラス母材の焼結装置であって、前記炉心管の一端の開口部から多孔質ガラス母材を挿入し炉心管内長手方向に沿って移動させる移動機構を備え、前記炉心管を取り囲むように炉心管長手方向に沿って２段以上の互いに独立して温度制御可能な加熱ヒータが設置された多段加熱ヒータを備え、前記多段加熱ヒータの全長は光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さ以上であり、前記多段加熱ヒータを構成する加熱ヒータの少なくとも１つは前記光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さよりも短いことを特徴とする光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置。
【請求項２】
前記多段加熱ヒータを構成する各加熱ヒータの長さが、前記多孔質ガラス母材の長さよりも短い請求項１に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置。
【請求項３】
光ファイバ用多孔質ガラス母材を脱水し焼結する光ファイバ用母材の製造方法であって、前記炉心管を取り囲むように炉心管長手方向に沿って２段以上の加熱ヒータを並べて多段加熱ヒータとし、前記炉心管の一端の開口部から多孔質ガラス母材を炉心管内長手方向に沿って挿入移動して前記多段加熱ヒータと相対する位置に設置し、前記多段加熱ヒータ全体を温度制御して９００〜１３００℃の加熱領域を形成し、前記光ファイバ用多孔質ガラス母材を該加熱領域内に収容した状態で前記光ファイバ用多孔質ガラス母材を加熱処理することを特徴とする光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
【請求項４】
前記加熱領域の長さが前記多孔質ガラス母材の長さよりも長く設定されている請求項３に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
【請求項５】
前記９００〜１３００℃の加熱領域内での加熱処理に続き、前記多段加熱ヒータを構成する少なくとも１つの加熱ヒータの温度を制御して前記光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さよりも短い１４００〜１６５０℃の加熱領域を形成し、前記多孔質ガラス母材を移動して該加熱領域を通過させることによって前記多孔質ガラス母材を加熱処理する請求項３または４に記載の光ファイバ用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、光ファイバ用多孔質ガラス母材を脱水、焼結して光ファイバ母材を製造する光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置及び焼結方法に関する
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造方法として、VAD法やOVD法と称される方法がある。これらの方法では、まず火炎中でガラス原料を燃焼し加水分解させてガラス微粒子を生成し、これを回転するターゲット棒の軸方向もしくは径方向に付着させて多孔質ガラス母材を製造する。
【０００３】
多孔質ガラス母材の脱水および焼結は、支持棒に把持された多孔質ガラス母材を収容する炉心管と、この炉心管の外周に配設されたヒータとを備えた脱水焼結装置を用いて行われる。炉心管の下部にはガス供給口が設けられ、ガス供給口からは、不活性ガス等の多孔質ガラス母材を脱水焼結するのに必要なガスが供給される。一方、炉心管の上部にはガス排気管が設けられ、炉心管内のガスが排出される。そして、支持棒に把持された多孔質ガラス母材は、炉心管内を回転しながら降下し、ヒータによる加熱領域を通過することで脱水され焼結される。
【０００４】
なお、脱水および焼結の方法として、多孔質ガラス母材を900℃〜1300℃の温度に設定された加熱領域を通過させて脱水し、脱水した多孔質ガラス母材を炉心管内の所定位置まで一旦引き上げた後、加熱領域の温度を1400℃〜1600℃に変更し、再び変更した加熱領域を通過させて焼結させる、２段ガラス化が一般的に行われている（特許文献参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開2010-189251号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、生産コストを低減させるために、光ファイバ母材の大型化が図られている。一方、光ファイバの伝送損失の増加を防ぐため、多孔質ガラス母材の焼結を行う際には、十分な脱水が必要となる。このため、焼結装置では、900℃〜1300℃の温度に設定された加熱ヒータ域を通過させて脱水した後、所定の位置まで引き上げ、再び1400℃〜1650℃の温度に設定された加熱ヒータ域を通過させることで焼結が行われている。このような方法では、多孔質ガラス母材を光ファイバ母材とする焼結処理で２回加熱ヒータ域を通過させることになり、処理に長時間を要し、生産効率が悪いという問題があった。
【０００７】
本発明は、光ファイバ用多孔質ガラス母材の脱水焼結に要する時間を短縮し、生産効率を高めることのできる光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置および焼結方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結装置は、光ファイバ用多孔質ガラス母材を収容する炉心管と加熱ヒータを備える光ファイバ用ガラス母材の焼結装置であって、前記炉心管の一端の開口部から多孔質ガラス母材を挿入し炉心管内長手方向に沿って移動させる移動機構を備え、前記炉心管を取り囲むように炉心管長手方向に沿って２段以上の互いに独立して温度制御可能な加熱ヒータが設置された多段加熱ヒータを備え、前記多段加熱ヒータの全長は光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さ以上であり、前記多段加熱ヒータを構成する加熱ヒータの少なくとも１つは前記光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さよりも短いことを特徴としている。
なお、前記多段加熱ヒータを構成する各加熱ヒータの長さは、前記多孔質ガラス母材の長さよりも短く設定するのが好ましい。
【０００９】
本発明の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法は、光ファイバ用多孔質ガラス母材を脱水し焼結する光ファイバ用母材の製造方法であって、前記炉心管を取り囲むように炉心管長手方向に沿って２段以上の加熱ヒータを並べて多段加熱ヒータとし、前記炉心管の一端の開口部から多孔質ガラス母材を炉心管内長手方向に沿って挿入移動して前記多段加熱ヒータと相対する位置に設置し、前記多段加熱ヒータ全体を温度制御して９００〜１３００℃の加熱領域を形成し、前記光ファイバ用多孔質ガラス母材を該加熱領域内に収容した状態で前記光ファイバ用多孔質ガラス母材を加熱処理することを特徴としている。
なお、前記加熱領域の長さは、前記多孔質ガラス母材の長さよりも長く設定されている。
【００１０】
前記９００〜１３００℃の加熱領域内での加熱処理に続き、前記多段加熱ヒータを構成する少なくとも１つの加熱ヒータの温度を制御して前記光ファイバ用多孔質ガラス母材の長さよりも短い１４００〜１６５０℃の加熱領域を形成し、前記多孔質ガラス母材を移動して該加熱領域を通過させることによって前記多孔質ガラス母材を加熱処理するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、多孔質ガラス母材全体の脱水を１度に行ない、直後に焼結を行なうことで、全体の処理時間を短縮し、生産効率を良くすることができる等の優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１で使用した本発明の焼結装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】実施例１において、母材位置と多段加熱ヒータによる加熱温度との関係を示し、丸実線は脱水処理時の温度分布であり、四角破線は焼結処理時の温度分布である。
【図３】実施例２において、母材位置と多段加熱ヒータによる加熱温度との関係を示し、丸実線は脱水処理時の温度分布であり、四角破線は焼結処理時の温度分布である。
【図４】実施例３で使用した焼結装置の概略構成図である。
【図５】実施例３において、母材位置と多段加熱ヒータによる加熱温度との関係を示し、丸実線は脱水処理時の温度分布であり、四角破線は焼結処理時の温度分布である。
【図６】比較例で使用した焼結装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の焼結装置は、光ファイバ用多孔質ガラス母材を収容する炉心管と複数の加熱ヒータを備え、複数の加熱ヒータが炉心管を取り囲むよう長手方向に沿って設置され、多孔質ガラス母材の長さより長い多段加熱ヒータを形成し、各加熱ヒータはそれぞれ独立して温度制御可能である。
脱水処理を行う際は、多段加熱ヒータを温度制御して多孔質ガラス母材の長さより長い900℃〜1300℃の加熱領域を形成し、該加熱領域に多孔質ガラス母材の全体を収容した状態で加熱し脱水する。次に、焼結処理を行う際は、多孔質ガラス母材の位置はそのままで、前記多段加熱ヒータを形成する少なくとも一つのヒータを温度制御して多孔質ガラス母材の長さよりも短い1400℃〜1650℃の加熱領域を形成し、この加熱領域を前記多孔質ガラス母材が通過することによって、母材はその一端から順次加熱され、母材全体が加熱され焼結処理される。
【００１４】
図１は、本発明の多孔質ガラス母材の焼結装置の実施形態を示す概略構成図である。
この実施形態における焼結装置10は、多孔質母材11を収容する石英ガラスからなる円筒形の炉心管12と、炉心管12の外周を取り囲むように長手方向に沿って設置された多段加熱ヒータ13と、多段加熱ヒータ13を収容している炉体14と、炉心管12内にガスを導入するための導入口15と、光ファイバ用多孔質母材11を支持する支持棒16と、炉心管内のガスを排出するガス排気管17とから概略構成されている。
【００１５】
多段加熱ヒータ13は、炉心管12の長手方向に沿って並設された第一の加熱ヒータ13Aと、第二の加熱ヒータ13Bとから構成される。各ヒータは独立して温度制御できるように設置されている。多段加熱ヒータ13は、多段加熱ヒータ13の全長は多孔質ガラス母材の長さ以上とし、多孔質ガラス母材の長さ以上の加熱領域を形成することができる。なお、多段加熱ヒータの分割数は、ヒータの出力、電源の容量などを考慮し、装置コストが下がるように増やしてもよい。
次に、図１に示す焼結装置を用いて、多孔質ガラス母材の焼結を行い、光ファイバ母材を製造する方法について説明する。
【００１６】
（脱水工程）
多孔質ガラス母材の一端を支持棒で保持する。そして、多孔質ガラス母材を炉心管内に挿入し、蓋をする。次に、多孔質ガラス母材を所定の加熱位置にセットし、ヒータを所定の温度まで昇温する。ヒータ温度は、多孔質ガラス母材が所定の処理温度で処理できるように設定される。なお、処理温度は900℃〜1300℃である。さらに、ガス導入口から塩素ガス、または塩素ガスとHe，Ar、N２など不活性ガスとの混合ガスなど、脱水に必要なガスを供給する。脱水処理中の炉心管内圧は、大気圧に比べて10〜5000Pa程度陽圧とする。
そして、多孔質ガラス母材を回転させながら所定の時間加熱処理を行うことにより、多孔質ガラス母材の脱水処理が行われる。
【００１７】
（焼結工程）
脱水工程が終了後、ヒータ13Aの温度を、焼結可能な温度(1400℃〜1650℃）まで昇温し、ガス導入口からはHe、Arなどの不活性ガスを導入する。なお、焼結工程での炉心管内圧は、大気圧に比べて10〜5000Pa程度陽圧とする。
多孔質ガラス母材をその軸を中心に回転させながら、ヒータ13Aによる加熱領域を所定の速度で降下させ、多孔質ガラス母材を下端から順に焼結を行うことにより、多孔質ガラス母材は、透明な光ファイバ母材となる。
【００１８】
ここでヒータ13Aによる1400〜1650℃の加熱領域は多孔質ガラス母材の長さよりも短くするのがよく、母材の一端から他端に向かってまたは母材の中央部から一端に向かって徐々に焼結して透明ガラス化するのが好ましい。このように焼結することにより母材端にガスの逃げ口ができるので気泡の少ない透明な光ファイバ用ガラス母材が得られる。
残りのヒータ13Bは、省電力のために設定温度を下げてもよく、あるいは焼結速度促進のために1400℃未満の焼結しない程度の温度で制御して、未焼結の多孔質母材部分を予熱するようにしてもよい。
【００１９】
従来の多孔質ガラス母材の焼結炉では、その長さが多孔質ガラス母材の長さよりも短く、ヒータが１つしか設けられていないため、脱水焼結を行うためには、２回多孔質ガラス母材を上下させる必要があり、処理時間が長くなっていたが、本発明では、炉心管内で多孔質ガラス母材全体を同時に脱水処理することができ、脱水後一部の加熱ヒータを焼結に必要な温度に上げ、母材の一端から他端に向け焼結することで、従来より極めて短い時間で多孔質ガラス母材の脱水焼結処理を行うことができる。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
実施例１；
図１に示すような多孔質ガラス母材の焼結装置を用いて、OVD法で出発コア母材の外周上に堆積させた多孔質ガラス母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材の製造を行った。
まず、炉心管12の上端の開口部から、支持棒16に垂下した多孔質ガラス母材11を挿入し、軸方向長さ1600mmの多孔質ガラス母材11を多段加熱ヒータ13と相対する位置まで移動し、炉心管上端の開口部に蓋をした。
次に多段加熱ヒータ13を構成する各ヒータの温度を1200℃に設定し加熱した。このときの母材位置と多段加熱ヒータ13による加熱温度との関係を図２に丸実線で示した。
【００２１】
加熱ヒータ13A，13Bは、それぞれ温度計を備えており、PID制御により独立して温度制御可能である。加熱ヒータ13Aの炉心管長手方向長さは400mmであり、電極部分などを除いた発熱部の長さは300mmである。加熱ヒータ13Bの長さは1300mmであり、電極部分などを除いた発熱部の長さは1200mmである。加熱ヒータ13Aと13Bとは約50mmの間隔をおいて隣接しており、共に炉体14内に収容されている。多段加熱ヒータ全体の長さは1750mmであり、その発熱部は上下1650mmに亘る。このときの900℃以上となる炉内加熱領域の長さは約1800mmであり、これにより多孔質母材全体を同時に加熱脱水することができる。
【００２２】
多孔質ガラス母材を図１に示す位置に収容した状態で、多孔質ガラス母材11をその中心軸周りに毎分５回転の速度で回転させた。このとき、ガス導入口15からは、塩素ガスを毎分0.5リットルの流量で、不活性ガスのHeを毎分20リットルの流量で導入し、炉心管12の内圧を大気圧に対して10〜5000Paの陽圧に保った。炉心管内の加熱領域において、多孔質ガラス内に含まれるOH基が塩素ガスと化学反応して雰囲気ガス中に取り込まれる。多孔質ガラス母材内のOH基を除去したガスは、ガス排気管17から炉心管外に排気される。この脱水処理を90分間継続した。
【００２３】
その後、ガス導入口15から導入するガスを毎分20リットルのHeのみとし、ヒータ13Aの設定温度を1560℃に変更し、ヒータ13Bの設定出力をゼロとした。ヒータ13Aの温度が設定温度に昇温した後、多孔質ガラス母材11をその中心軸周りに毎分５回転の速度で回転させ、Heガスを導入しながら、多孔質ガラス母材11を下方向に毎分10mmの速度で移動させて、母材の下端から上端に向かって焼結を行い、母材全体を透明ガラス化した。
このときの母材位置と多段加熱ヒータ13による加熱温度との関係を図２に四角破線で示した。焼結に必要な1400℃以上の加熱領域は約250mmであった。
【００２４】
実施例２；
図１に示すような焼結装置を用いて、OVD法で出発コア母材の外周上に堆積させた多孔質ガラス母材11の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材の製造を行った。多孔質ガラス母材11の軸方向長さは1600mmである。
実施例１と同様にして多孔質ガラス母材の脱水処理を行った後、ガス導入口15から導入するガスを毎分20リットルのHeのみとし、ヒータ13Aの設定温度を1560℃に変更し、ヒータ13Bの設定温度は脱水処理時と同じ1200℃とした。ヒータ13Aの温度が設定温度に昇温した後、多孔質ガラス母材を毎分５回転の速度で回転させ、Heガスを導入しながら、多孔質ガラス母材を下方向に毎分12mmの速度で移動させて、母材の下端から上端に向かって焼結を行い、母材全体を透明ガラス化した。
【００２５】
このときの母材位置と多段加熱ヒータ13による加熱温度との関係を図３に四角破線で示した。なお、図３において丸実線は、脱水処理時における母材位置と多段加熱ヒータ13による加熱温度との関係を示している。
焼結に必要な1400℃以上となる加熱領域は約250mmであった。また、加熱ヒータ13Aの上方に、約1400mmの900℃以上の予熱領域が設けられたため、透明ガラス化の移動速度を毎分12mmでも溶け残りの無い良好なガラス母材が得られた。
【００２６】
実施例３；
図４に示すような多孔質ガラス母材の焼結装置を用いて、OVD法で出発コア母材の外周上に堆積させた多孔質ガラス母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材の製造を行った。
まず、炉心管22の上端の開口部から支持棒26に垂下した多孔質ガラス母材21を挿入し、軸方向長さ1600mmの多孔質ガラス母材21を多段加熱ヒータ23と相対する位置まで移動し、炉心管上端の開口部に蓋をした。
次に多段加熱ヒータ23を構成する各ヒータの設定温度を1200℃として加熱した。このときの母材位置と多段加熱ヒータ23による加熱温度との関係を図５に丸実線で示した。
【００２７】
加熱ヒータ23A、23B、23Cならびに23Dはそれぞれに温度計を備えており、PID制御により独立して温度制御可能である。各加熱ヒータ23A、23B、23C、23Dの炉心管長手方向長さはいずれも400mmであり、電極部分などを除いた発熱部の長さは300mmである。隣接する各加熱ヒータ同士は約50mmの間隔をおいて設置されており、全て一体の炉体24に収納されている。多段加熱ヒータ全体の長さは1750mmであり、その発熱部は上下1650mmに亘る。このときの900℃以上となる加熱領域の長さは約1800mmであり、多孔質母材全体を同時に加熱脱水することができる。
【００２８】
多孔質ガラス母材21を図４に示す位置に収容した状態で、多孔質ガラス母材21を母材の中心軸周りに毎分５回転の速度で回転させた。このとき、ガス導入口25からは、塩素ガスを毎分0.5リットルの流量で、不活性ガスのHeを毎分20リットルの流量で導入し、炉心管の内圧を大気圧に対して10〜5000Paの陽圧に保った。炉心管の加熱領域において多孔質ガラス内に含まれるOH基が塩素ガスと化学反応して雰囲気ガス中に取り込まれる。多孔質ガラス母材内のOH基を除去したガスは、ガス排気管27から炉心管外に排気される。この脱水処理を90分間継続した。
その後、ガス導入口25から導入するガスを毎分20リットルのHeのみとし、ヒータ23Bの設定温度を1560℃に変更した。その他のヒータ23A、23C、23Dの設定出力をゼロとした。このときの母材位置と多段加熱ヒータ13による加熱温度との関係を図５に四角破線で示した。
【００２９】
焼結に必要な1400℃以上となる加熱領域は約250mmであった。ヒータ23Bの温度が設定温度に昇温した後、毎分５回転の速度で回転させ、Heガスを導入しながら、多孔質ガラス母材を下方向に毎分10mmの速度で移動して、母材の下部から上端に向かって焼結を行い、母材下部から上端の範囲を透明ガラス化した。
母材下端のテーパ部分の焼結は不完全で溶け残りが残っている状態であったが、直胴部の透明ガラス化は十分で、溶け残りは認められなかった。
【００３０】
比較例；
図６に示すような、多孔質ガラス母材の焼結炉を用いて、OVD法でコアロッド上に堆積させた多孔質ガラス母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材の製造を行った。
まず、炉心管32の上端開口部から支持棒36に垂下した軸方向長さ1600mmの多孔質ガラス母材31を挿入し、多孔質ガラス母材31を加熱ヒータ33と相対する位置まで移動し、炉心管上端の開口部に蓋をした。次に、加熱ヒータ33の設定温度を1200℃として加熱した。加熱ヒータ33の炉心管長手方向長さは400mmであり、その電極部分などを除いた発熱部の長さは300mmである。加熱ヒータ33は炉体34に収納されている。このときの900℃以上の加熱領域の長さは約250mmであった。
【００３１】
多孔質ガラス母材31を母材の中心軸周りに毎分５回転の速度で回転させながら、多孔質ガラス母材を下方向に毎分10mmの速度で移動した。
このとき、ガス導入口35から塩素ガスを毎分0.5リットルの流量で、不活性ガスのHeを毎分20リットルの流量で導入し、炉心管の内圧を大気圧に対して10〜5000Paの陽圧に保った。炉心管の加熱領域において多孔質ガラス内に含まれるOH基が塩素ガスと化学反応して雰囲気ガス中に取り込まれる。多孔質ガラス母材内のOH基を除去したガスは、ガス排気管37から炉心管外に排気される。この工程では、多孔質ガラス母材の脱水処理に160分を要した。
【００３２】
その後、脱水処理を済ませた多孔質ガラス母材31を上方に向かって毎分100mmの速度で移動して、図６に示す母材位置に戻した後、ガス導入口35から導入するガスを毎分20リットルのHeのみとし、ヒータ33の設定温度を1560℃に変更した。焼結に必要な1400℃以上となる加熱領域は約250mmであった。ヒータ33の温度が設定温度に昇温した後、毎分５回転の速度で回転させ、Heガスを導入しながら、多孔質ガラス母材を下方向に毎分10mmの速度で移動して、母材の下端から上端に向かって焼結を行い、母材全体を透明ガラス化した。
【００３３】
このように比較例では、脱水処理に上記実施例のほぼ２倍の時間を要し、さらに、脱水処理で下降させた母材を焼結のため上方に引き挙げるためにも、上記実施例では必要としない時間が必要であった。
【符号の説明】
【００３４】
１１, ２１, ３１・・・多孔質ガラス母材
１２, ２２, ３２・・・炉心管
１３, ２３・・・多段加熱ヒータ
１３A, １３B, ２３Ａ, ２３Ｂ, ２３Ｃ, ２３Ｄ, ３３・・・加熱ヒータ
１４, ２４, ３４・・・炉体
１５, ２５, ３５・・・ガス導入口
１６, ２６, ３６・・・支持棒
１７, ２７, ３７・・・ガス排気管
【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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