JPH0550448B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光フアイバ用母材等の高純度石英ガ
ラス母材の加熱炉に関し、更に詳しくは、石英系
ガラス微粒子体から成る多孔質ガラス母材を加熱
処理（例えば脱水、ドーパント添加、焼結等）し
て光フアイバ等の製造に用いる透明な高純度石英
ガラス母材とする加熱炉に関する。

本発明の加熱炉は、ガラス母材に対する不純物
元素の混入を防止することができ、かつ耐久性の
優れたものである。

［従来の技術］ VAD法またはOVD法を用いて光フアイバ用プ
リフオームを製造するためには、VAD法または
OVD法で得られたガラス微粒子積層体を脱水し、
稠密・透明化する必要がある。また屈折率調整用
のドーパントであるフツ素は、この脱水、稠密・
透明化工程の進行中に添加される。これらの脱
水、稠密・透明化、フツ素添加工程では、炉芯管
を持つた加熱炉が使われる。そして、この炉芯管
の材質としては、アルミナ（特公昭57−4096号公
報および米国特許第4338111号参照）、石英ガラス
（特公昭58−58299号、同58−42136号参照）が使
われていた。しかしながら、前者では、不純物
（たとえば、アルカリ）が飛散し、製品が失透し
やすいという問題点があり、後者には不純物（銅
および水酸基）が含まれ、製品の光学吸収が増加
すること、さらに耐熱性が不足しているという問
題点があつた。

これらの問題点を解決するため、本発明者等が
検討を行なつた結果、炉芯管の材質としてはカー
ボンが最適であるとの結論に達した。カーボン炉
芯管を使つた場合の加熱炉の様々な形態および使
用方法については特願昭63−34591号（発明の名
称：光フアイバ用ガラス母材の加熱炉および製
法）および国際出願公開WO88／06145（PCT／
JP88／00151）に詳しく記されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のこの種の加熱炉は、例えば第５図のよう
に構成されている。この加熱炉は、中空炉体５お
よびそれを貫通する炉芯管３を有して成り、炉体
５の内側に発熱体４が配置されている。炉体５に
は不活性ガスの導入口６が設けられ、炉芯管３に
は雰囲気ガス（例えばCl₂、SiF₄、He等）の導入
口７が設けられている。炉芯管３は上部３４、中
間部３５および下部３６の３つの部材から構成さ
れている。

加熱炉を使用する場合、支持棒２により多孔質
母材１を炉芯管内に支持して加熱処理する。

この様な構造の加熱炉に用いる炉芯管の材質と
して特願昭63−34591号では『少なくとも内層が
高純度カーボンから形成されていることを特徴と
する』と開示されており、その具体例として、 炭化ケイ素または石英の内壁に高純度カーボ
ンをコーテイングする態様、 高純度カーボンの外壁に炭化ケイ素をコーテ
イングする態様、および 外層に炭化ケイ素、内層に高純度カーボンを
使用する態様 が挙げられている。

しかしながら、上述のような態様には、それぞ
れ以下のような問題点がある。

の態様の場合、炭化ケイ素または石英と高純
度カーボン層の間の熱膨張率の違いや高純度カー
ボン層の付着力の弱さによりカーボン層の剥離や
クラツクが起こりやすい。特に、石英は1500℃以
上では軟化変形するので、コーテイングが基材と
の付着を保持することは不可能である。また、炭
化ケイ素は900℃以上のCl₂に侵されるためクラツ
クや剥離が生じた炉芯管はCl₂を流す処理で著し
く寿命が短くなるという問題がある。

の態様の場合、一般に高純度カーボンはガス
透過性を有するので、炉芯管内雰囲気ガスは一部
炭化ケイ素層に到達する。雰囲気ガスとして900
℃以上のCl₂を使用すると、炭化ケイ素膜は脱ケ
イ素反応を起こしてカーボン膜になることが判明
した。この脱ケイ素反応したカーボン膜は密度が
通常のカーボン膜より低いために高温下でガス透
過が起こり易く、ガラス母材に炉芯管外から不純
物が入りやすくなるという問題がある。

の場合もと同様の問題点があり、特にコー
テイングでない炭化ケイ素は焼結体であるので、
Cl₂に侵されると脆くなり、寿命が著しく短縮さ
れるという問題がある。

上述のように、従来の材質を用いた加熱炉では
それぞれ使用できる温度、雰囲気などに制限があ
り、更に、寿命も長くはない。

従つて、このような問題点を克服できる材料を
用いて加熱炉を提供することが本発明が解決しよ
うとする課題である。

［課題を解決するための手段］ 本発明の課題は、ガス不透過性カーボンを用い
て炉芯管を形成することにより解決されることが
見出された。

即ち、本発明は、発熱体を有する中空の炉体お
よび該炉体を貫通する高純度カーボン製の炉芯管
を有して成り、高純度石英多孔質ガラス母材を該
炉芯管内で保持して加熱処理する加熱炉におい
て、該炉芯管がガス不透過性カーボンによりコー
テイングされていることを特徴とする高純度石英
母材製造用加熱炉を提供する。

本明細書において、「加熱処理」とは、例えば
脱水、ドーパント添加、焼結などを含む加熱炉を
使用して、炉芯管内の物質を加熱することを意味
する。

本発明の加熱炉では、ガス不透過性カーボンコ
ーテイングを高純度カーボン製の炉芯管基材の内
外両表面に形成するのが好ましいが、いずれか一
方の表面に形成するだけでもよい。

本発明の加熱炉に使用するガス不透過性カーボ
ンコーテイングは、透過率が１×10^-4cm²／ｓ、厚
さは特に制限がないが、ガス不透過性を得るため
には通常1μm以上の要件を満足するものが適当で
ある。

本発明の加熱炉に使用できるカーボンコーテイ
ングの種類としては、例えば熱分解カーボンコー
テイングまたはガラス状カーボンコーテイングを
挙げることが適用でき、これらコーテイングを高
純度にすることもできるので好ましい。

炉芯管表面へのコーテイング方法は特に限定さ
れるものではなく、常套の方法を使用できるが、
例えば、熱分解カーボンコーテイングは、例えば
1000℃の高温下でメタン、アセチレンなどの炭化
水素雰囲気にする方法を適用して形成するのが好
ましい。ガラス状カーボンコーテイングは、例え
ば電気化学工業(株)に依頼することにより可能であ
る。

本発明の炉芯管は、表面層および基材ともカー
ボンであるため熱膨張特性を相互に接近させて調
整できるので、コーテイングの剥離、クラツクが
起こらない。また、基材および表面層とも高温の
Cl₂に侵されず、1500℃以上の温度で熱変形もし
ない。

更に、ガス不透過性カーボンコーテイングを表
面に形成しているので炉芯管外部から内部に不純
物が混入することはない。

カーボン製炉芯管に共通の問題点として400℃
以上で酸化消耗する点が挙げられ、本発明の加熱
炉においても同様の問題点が生じ得るが、後述の
実施例で説明するように種々の方法によりこの問
題点を解決できるので、本発明の炉芯管は酸化に
は強い構造を有し、従つて、加熱処理操作上の制
限が殆ど存在しない長寿命の炉芯管を提供するこ
とができる。

次に、添付図面を参照して本発明を更に詳細に
説明する。

第１図、第２図、第３図および第４図に本発明
の加熱炉の種々の態様を示す。

第１図は、本発明の１つの態様の高純度石英母
材製造用加熱炉を示す該略断面図である。第１図
に図示する態様では、本発明の加熱炉は、中空炉
体５およびそれを貫通する炉芯管３を有して成
り、炉体５の内側に発熱体４が配置されている。
炉体５には不活性ガスの導入口６が設けられ、炉
芯管３には雰囲気ガス（例えばCl₂、SiF₄、He
等）の導入口７が設けられている。

本発明の加熱炉を使用するには、支持棒２によ
り多孔質母材１を炉芯管内で保持して加熱炉によ
り加熱処理する。

炉芯管３はその経済性（即ち、最も消耗し易い
中間部分と相対的に消耗しにくい上下部分とに分
割できるようにして、最も消耗し易い中間部分の
み交換できるようになつている。）および製造上
の理由で上部３４、中間部３５および下部３６か
ら成る。

第１図の本発明の加熱炉では、炉芯管の各部３
４，３５および３６が高純度カーボンで作られて
ガス不透過性カーボンによりコーテイングされて
いる点、および炉体５が、処理中400℃以上とな
る炉芯管外壁の部分まで覆うように上下方向に少
し長くなつている点が（例えば第５図の）従来の
加熱炉と異なつている。

第２図は、本発明の別の態様の高純度石英母材
製造用加熱炉の概略断面図である。この態様で
は、炉芯管３がガス不透過性カーボンによりコー
テイングされており、炉芯管３のうち少なくとも
400℃となる中間部分３５に高純度カーボン内筒
８が挿入されている。内筒８と炉芯管３との間に
は実質的に間隙が存在しないように挿入されてい
るのが望ましい。例えば炉芯管３の内径より内筒
８の外形を１mm程度小さくすれば挿入は容易であ
るし、後で述べる炉芯管の酸化からの保護の目的
には十分である。この場合、内筒８はガス不透過
性カーボンによりコーテイングされていてもよ
い。

第３図は本発明のもう１つの態様の該略断面図
である。第３図の態様では、炉芯管のうち少なく
とも400℃以上になる中間部分が閉じた二重壁構
造になつており、炉芯管３の中央部分は、外層３
４，３５および３６により外側壁が、内層３７お
よび３８により内側壁が構成され、外側壁と内側
壁との間で不活性ガス導入口９以外は閉じている
空間が形成されている。

炉芯管のうち外層を構成する部材３４，３５お
よび３６はガス不透過性カーボンをコーテイング
した高純度カーボン製であり、場合によりガス不
透過性コーテイングにより被覆してもよい内層の
部材３７および３８も高純度カーボンにより作ら
れている。

炉芯管３には内層と外層の間の閉空間部に不活
性ガス（例えばヘリウム、窒素、アルゴンなど）
を供給する不活性ガス導入口９が設置されてい
る。

第４図は、本発明の更にもう１つの態様の該略
断面図である。第４図の加熱炉は、第１図に示し
た加熱炉に、多孔質ガラス体１を収納して炉芯管
３に出し入れするための前室１１を設けたもので
あり、第１図の加熱炉の各部分に加え、前室１
１、前室ガス出口１４、前室パージガス入口１５
及び間仕切り１６を有する。

前室１１は、高温に耐えかつ不純物を発生しな
い材料、例えば、石英ガラス、SiC、Si₃N₄、BN
からできていることが好ましい。

第４図の加熱炉において、炉芯管部３の構造
は、第１図の加熱炉の構造でなくて第２図または
第３図の加熱炉の構造と同じであつてもよい。

［作用］ 第１図の加熱炉は、900℃以上のCl₂に侵される
炭化ケイ素も、1500℃で軟化する石英も炉芯管材
料として使用していないので安定であり、また、
寿命も長い。更に、高純度カーボンにガス不透過
性カーボンコーテイングが被覆されているので炉
芯管外から不純物や水などが拡散侵入してくるこ
とがなく、このような加熱炉を使用して製造した
高純度石英母材を使用することにより低損失の光
フアイバを製造できる。

また、炉芯管内で雰囲気ガスとしてCl₂ガスな
どの腐食性ガスを使用しても、腐食性ガスが炉芯
管外に拡散して炉体を腐食することもない。

炉芯管の酸化消耗を防ぐには、通常、母材の出
し入れ時、炉芯管の温度を400℃以下にして行う。
この場合、通常の高純度カーボン製炉芯管は多孔
質であるので、その中に多くの酸素や水分を吸着
し、母材挿入後に炉芯管内を不活性ガスにより置
換するために長時間を要し、一部では完全に置換
することは不可能であつたが、本発明の炉芯管
は、ガス不透過性のコーテイングを使用している
ので、酸素や水分の吸着量は僅かであり、不活性
ガスにより置換するための時間が短くなり、更
に、ほぼ完全に置換することができる。

母材に酸素や水が僅かに吸着している場合であ
つても、コーテイングは均一に酸化されるので、
高純度カーボン基材のみの炉芯管のように粉が発
生することもなく、従つて、加熱処理した母材を
光フアイバにした時に低強度部分が発生しにく
い。

コーテイングを炉芯管の両表面に形成する場
合、長期間使用することにより内層コーテイング
が酸化消耗してしまつても外層コーテイングはガ
ス不透過性を維持する。炉内に残留した酸素や水
分なども基材を通過する間に基材のカーボンと反
応してしまうための外層のコーテイングが酸化す
る心配はない。従つて、炉芯管は極めて長寿命か
つ安定であり、広い処理条件で本発明の加熱炉を
使用ができる。

第２図の装置の内筒８は、例え多孔質母材に吸
着したガスなどにより微量の酸素や水分が処理中
に発生しても炉芯管内側表面のカーボンコーテイ
ングを保護する機能を有する。即ち、炉芯管内の
酸素や水分はこの内筒８内で反応してしまうため
に、炉芯管３の内側表面は微量の酸素や水分とも
触れることはない。

この反応により、一酸化炭素や二酸化炭素が発
生するが、これは、母材に対して悪影響を及ぼす
ものではない。内筒は消耗することになるが、こ
の消耗は徐々に進むので、母材に悪影響が出る直
前に、内筒のみを交換するだけでよく、炉芯管全
体を交換する必要がないので好都合である。

また、内筒が配置される部分は、炉芯管内では
高温の箇所であり、母材の炉芯管内への出し入れ
の時でも比較的高温に維持されている。母材の出
し入れの時に、水分や酸素が炉芯管内に混入する
ことが有り得るが、たとえ、混入した場合であつ
ても、内筒のような高温の部分には、低温の部分
と比較して、水分や酸素の吸着量は少ないので、
内筒の消耗速度は小さく、カーボン粉が発生する
までに相当の時間を要する。従つて、母材の出し
入れに伴つて起こり得る水分や酸素の混入は、母
材には大きな悪影響を与えることはない。

第３図の加熱炉は、導入口９から不活性ガスを
導入することにより、炉芯管の内層３７および３
８と外層３４，３５および３６との間隙は陽圧と
なる。内層３７および３８がカーボン製（一般的
なカーボン材＝等方成形による焼結品は10^-1cm²／
秒程度の透過率を持つ）であるので、導入された
不活性ガスは、カーボンの気孔を通過して炉芯管
内部に吹き出す。そのため、炉芯管内面近傍は常
に不活性ガス雰囲気となり、製品出入れ時に大気
が混入しても、炉芯管内面が酸化されることはな
くなる。また、これにより最終的に製造される光
フアイバに低強度部分が含まれることも無くな
る。

第４図の加熱炉を使用して母材１を炉芯管３に
出し入れする時、一旦間仕切り１６を閉めて前室
内１１に母材１を挿入して一時的に保持し、前室
１１内を不活性ガスに置換してから間仕切りを開
いて炉芯管３内に母材を挿入することにより炉芯
管内に大気が混入することを防ぐことができる。
従つて、炉芯管３を400℃まで降温しなくても母
材の出し入れを行える利点も有する。

［実施例］ 実施例 １ 第１図に示す加熱炉を使用して、VAD法で形
成したガラス微粒子積層体の脱水、フツ素添加お
よび透明化を実施した。カーボン膜として熱分解
カーボンコーテイングを炉芯管（基材部は高純度
カーボン製）の全面に厚さ30μmで適用した。

処理条件を以下に示す： 工程 炉内雰囲気 ヒータ トラバース 表面温度
速度 第１段：脱水 He98％、Cl₂２％ 1100℃ ６mm
／分 不純物除去 ２：Ｆ含浸 He97％ SiF₄３％ 1300℃ ６ ３：透明化 同上 1600℃ ６ この加熱炉を使用して20本の母材を処理し、そ
れをクラツド部としてパイプ化し、純SiO₂製コ
ア材とコラプスし、更に倍率調整のため外周部外
付け焼結して母材とし、これを線引きすることに
よりシングルモードフアイバ化したところ、波長
1.55μmにおける伝送ロスは0.19dB／Km以下と良
好であつた。

また、得られた透明ガラス母材を外付けせずに
通常フアイバと同じ外径125μmに線引きした光フ
アイバ（従つて、倍率調整がされていない）を製
造した。このフアイバを用いて引つ張り試験をし
た結果、90％以上が5.5Kg以上の破断強度を有し
ていた。

母材の製造後、炉芯管を外して検査したとこ
ろ、中央部の内側表面のコーテイングの一部が消
耗して基材が一部露出していた。しかしながら、
カーボン粉末の発生は認められなかつた。炉芯管
の外側表面のコーテイングは全く消耗してなかつ
た。

実施例 ２ 第３図に示す加熱炉を使用して実施例１と同様
に20本の母材を処理した。外層（３４，３５およ
び３６）および内層（３７および３８）の基材部
は、高純度カーボンにより形成し、ガス不透過性
カーボン膜として熱分解カーボンコーテイングを
外層全面に厚さ30μmで形成した。不活性ガス導
入口９からHeを５／分で導入した。

実施例１と同様に処理した母材をフアイバ化し
たところ、波長1.55μmにおける伝送ロスは
0.19dB／Km以下で良好であつた。また、引つ張
り試験の結果も90％以上が5.5Kg以上の破断強さ
を有していた。

炉芯管を分解して検査したところ、外層上下部
の熱分解カーボンコーテイングは内側および外側
表面とも消耗は認められなかつた。また内層の高
純度カーボンは外見上は変化が認められず、ま
た、カーボン粉末の発生もなかつた。

比較例 炉芯管として外側表面にSiCコーテイングを施
した高純度カーボンを用いた第５図の加熱炉を使
用して石英母材を加熱処理した。

実施例１と同様に実験をし、前半の10本のデー
タと後半10本のデータに分けて結果を整理した。

フアイバ化データでは、波長1.55μmにおける
伝送ロスは前半10本は全て0.19dB／Km以下であ
つたが、後半10本は0.19dB／Kmを超えるものが
２本あつた。引つ張り試験をしたところ、5.5Kg
以上の破断強度を有するフアイバが前半では90％
以上であつたが、後半は70％に低下した。

加熱炉を分解して炉芯管を検査したところ、中
央部の外側表面のSiCコーテイングに変色領域が
全体にわたり認められた。この部分を分析したと
ころ、SiC膜が完全にグラフアイトに変化してい
ることが確認された。また、高純度カーボンの内
側表面の中央部は侵食されており、表面にはカー
ボン粉の発生が認められた。

実施例 ３ 第４図の装置を用いて、実施例１と同様に母材
を20本処理した。母材の挿入時は前室内で20／
分で20分間N₂パージを行い、この時、炉温は800
℃であつた。（実施例１および実施例２では400℃
以下であつた。） 得られた母材を使用して製造したフアイバの試
験結果を実施例１の場合の結果と比較したが、有
意差は認められなかつた。炉芯管の検査では、炉
芯管中央部内周の消耗は、実施例１の場合と同様
に認められたものの、その程度は僅かであつて基
材の露出は認められなかつた。

［発明の効果］ １ 不透過性コーテイングより安定した長寿命な
加熱炉を構成できる。

２ 900℃以上の温度でCl₂を使用しても、SiCを
含む炉芯管のように化学反応を起こすことがな
い。

３ 内面に高純度カーボンが全面に使われている
通常の炉芯管に比べて、炉芯管の酸化による消
耗が少ない。特に第２図および第３図の加熱炉
を使用する場合、ガス不透過性カーボンコーテ
イングを炉芯管の内側表面に形成していてもコ
ーテイングの消耗はない。

４ 加熱処理して得られる母材を使用して製造さ
れたフアイバの強度に悪影響を与えない。

５ 第４図の加熱炉では、炉芯管を800℃以上に
保持したままで母材の出し入れが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図および第４図は、本発
明の高純度石英母材製造用加熱炉の種々の態様の
概略断面図、第５図は従来の加熱炉の概略断面図
である。 １……多孔質母材、２……支持棒、３……炉芯
管、４……発熱体、５……炉本体、６……不活性
ガス導入口、７……雰囲気ガス導入口、８……内
筒、９……不活性ガス導入口、１１……前室、１
４……ガス出口、１５……パージガス入口、１６
……間仕切り、３４〜３８……炉芯管構成部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発熱体を有する中空の炉体および該炉体を貫
   通する高純度カーボン製の炉芯管を有して成り、
   高純度石英多孔質ガラス母材を該炉芯管内で保持
   して加熱処理する加熱炉において、該炉芯管がガ
   ラス不透過性カーボンによりコーテイングされて
   いることを特徴とする高純度石英母材製造用加熱
   炉。 ２ ガス不透過性カーボンが熱分解カーボンまた
   はガラス状カーボンであることを特徴とする請求
   項１記載の高純度石英母材製造用加熱炉。 ３ 炉芯管のうち少なくとも400℃となる部分の
   内側に項純度カーボン製の内筒が挿入されている
   請求項１または２記載の高純度石英母材製造用加
   熱炉。 ４ 炉芯管と内筒との間に間隙が形成されないよ
   うに内筒が挿入されている請求項３記載の高純度
   石英母材製造用加熱炉。 ５ 炉芯管のうち少なくとも400℃となる部分を
   閉二重壁構造とし、閉二重壁構造部分の外側壁は
   ガス不透過性カーボンをコーテイングした高純度
   カーボンで形成され、内側壁は高純度カーボンで
   形成され、外側壁と内側壁により形成された間隙
   に不活性ガス雰囲気を供給できる請求項１または
   ２記載の高純度石英母材製造用加熱炉。 ６ 加熱処理前および後に、多孔質ガラス母材を
   一時的に炉芯管から隔離して収納する前室を有す
   ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
   載の高純度石英母材製造用加熱炉。 ７ 炉芯管の外側表面のうち少なくとも400℃と
   なる中間部は大気または酸素を含有する雰囲気に
   さらさない構造となつている請求項１〜６のいず
   れかに記載の高純度石英母材製造用焼結炉。