JP5533205B2 - ガラス母材製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバ用のガラス母材を製造する方法に関するものである。
光ファイバは、略円柱形状であるガラス母材の一端を加熱し軟化させて線引することで製造される。また、光ファイバ用のガラス母材は、ＯＶＤ法やＭＣＶＤ法等の製造方法により製造される。特許文献１には、ＯＶＤ法によるガラス母材製造方法が開示されている。
特許文献１に開示されたガラス母材製造方法は、水分含有量が低い光ファイバ用のガラス母材を製造することを意図するものであって、出発棒が種棒パイプに挿入されてなる出発ロッドの外周にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を作製し、このガラス微粒子堆積体から出発棒を引き抜いて、軸方向に延在し貫通する中心孔を有するガラス微粒子堆積体とする。そして、このガラス微粒子堆積体を加熱して乾燥・固結させ、中心孔を閉塞して透明なガラス母材を製造する。
特許文献１に開示されたガラス母材製造方法では、出発ロッドの外周にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程の際に、出発棒の軸方向に沿って出発ロッドとガラス微粒子合成用バーナとを相対的に往復運動させ、出発棒の先端部から種棒パイプの一部に亘って出発ロッドの外周にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する。このような堆積工程によりガラス微粒子堆積体を作製する場合、ガラス微粒子堆積体が割れて、ガラス母材製造の歩留りが悪化することがある。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高い歩留りでガラス母材を製造することができる方法を提供することを目的とする。
本発明に係るガラス母材製造方法は、(1) 出発棒の先端部が種棒パイプの一端から突出するように出発棒を種棒パイプに挿入し固定して出発ロッドを作製する固定工程と、(2)固定工程の後に、出発棒の軸方向に沿って出発ロッドとガラス微粒子合成用バーナとを相対的に往復運動させ、出発棒の先端部から種棒パイプの一部に亘って出発ロッドの外周にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程と、(3) 堆積工程の後に出発棒を種棒パイプおよびガラス微粒子堆積体から引き抜く引抜工程と、(4)引抜工程の後にガラス微粒子堆積体を加熱して透明ガラス管材を作製する透明化工程と、(5) 透明化工程の後に透明ガラス管材の内部を減圧するとともに透明ガラス管材を加熱して中実のガラス母材を作製する中実化工程と、を備える。
そして、本発明に係るガラス母材製造方法は、堆積工程において、種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが５ｍｍ以下の間では、種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以下に管理し、種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが３０ｍｍ以上の間では、種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以上に管理することを特徴とする。
また、本発明に係るガラス母材製造方法は、堆積工程において、ガラス微粒子合成用バーナとは別の加熱源を用いて、種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の温度を管理することが好ましい。
本発明に係るガラス母材製造方法は、高い歩留りでガラス母材を製造することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係るガラス母材製造方法のフローチャートである。この図に示されるように、本実施形態に係るガラス母材製造方法は、固定工程Ｓ１，堆積工程Ｓ２，引抜工程Ｓ３，透明化工程Ｓ４および中実化工程Ｓ５を順に経て、ガラス母材を製造する。なお、このガラス母材製造方法により製造されるガラス母材は、例えば、線引により光ファイバを製造するための光ファイバ母材であり、或いは、その光ファイバ母材のうちでもコア部となるべきコア母材である。
図２は、本実施形態に係るガラス母材製造方法の固定工程Ｓ１を説明する図である。図３は、本実施形態に係るガラス母材製造方法の堆積工程Ｓ２を説明する図である。図４は、本実施形態に係るガラス母材製造方法の引抜工程Ｓ３を説明する図である。図５は、本実施形態に係るガラス母材製造方法の透明化工程Ｓ４を説明する図である。また、図６は、本実施形態に係るガラス母材製造方法の中実化工程Ｓ５を説明する図である。
固定工程Ｓ１（図２）では、出発棒１１の先端部１１ａが種棒パイプ１２の一端１２ａから突出するように、出発棒１１が種棒パイプ１２に挿入され固定されて、これにより出発ロッド１０が作製される（同図（ａ），（ｂ）参照）。出発棒１１は、例えば、アルミナ、ガラス、耐火性セラミクス、カーボンなどの材料からなる。種棒パイプ１２は石英ガラスからなる。
この出発ロッド１０において種棒パイプ１２の一端１２ａから突出している出発棒１１の部分の外周は、都市ガスバーナやアセチレンバーナなどを用いたバーナ２０からの火炎によりカーボン皮膜１１ｂが形成されるのが好適である（同図（ｃ））。カーボン皮膜形成中も、出発ロッド１０は出発棒１１の中心軸を中心として回転し、バーナ２０は、出発棒１１の軸方向に沿って出発ロッド１０に対して相対的に往復運動を繰り返す。
固定工程Ｓ１の後の堆積工程Ｓ２（図３）では、出発棒１１が種棒パイプ１２に挿入され固定されてなる出発ロッド１０は、出発棒１１の中心軸を中心として回転される。また、出発ロッド１０の側方に配置されて酸水素火炎を形成するガラス微粒子合成用バーナ２１は、出発棒１１の軸方向に沿って出発ロッド１０に対して相対的に往復運動を繰り返す。そして、ＯＶＤ法により、出発棒１１の先端部１１ａから種棒パイプ１２の一部に亘って出発ロッド１０の外周にガラス微粒子が堆積されて、これによりガラス微粒子堆積体１３が作製される。
堆積工程Ｓ２では、ガラス微粒子合成用バーナ２１における供給原料流量をトラバース毎に調整する。これにより、出発棒１１の外周に堆積されるガラス微粒子は、径方向に所定の組成分布（すなわち、後のガラス母材または光ファイバにおける径方向の屈折率分布）を有することになる。
堆積工程Ｓ２において、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが５ｍｍ以下の間では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以下に管理する。種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが３０ｍｍ以上の間では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以上に管理する。また、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが５ｍｍから３０ｍｍまでの間では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の温度を、各々の温度の間の温度に管理することが好ましい。なお、ここで言う最端部とは、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の、出発棒と種棒パイプとの境界部側とは逆側の端部を意味する。
また、堆積工程Ｓ２において、ガラス微粒子合成用バーナ２１とは別の加熱源２１Ａを用いて、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を管理することが好ましい。
堆積工程Ｓ２の後の引抜工程Ｓ３（図４）では、種棒パイプ１２およびガラス微粒子堆積体１３から出発棒１１が引き抜かれる。このとき、種棒パイプ１２とガラス微粒子堆積体１３とは互いに固定されたままである。なお、固定工程Ｓ１後において種棒パイプ１２の一端１２ａから突出している出発棒１１の部分の外周にカーボン皮膜を形成するため、この引抜工程Ｓ３で出発棒１１が引き抜かれる際にガラス微粒子堆積体１３の中心孔の内壁面にキズが付くことが防止される。
引抜工程Ｓ３の後の透明化工程Ｓ４（図５）では、ガラス微粒子堆積体１３は、一体となっている種棒パイプ１２とともに、ＨｅガスやＣｌ２ガスが導入された加熱炉２２の内部に入れられ、ヒータ２３により加熱される。これにより、透明ガラス管材１４が作製される。
透明化工程Ｓ４の後の中実化工程Ｓ５（図６）では、透明ガラス管材１４は、加熱炉に設置されて回転され、中心孔にＳＦ６が導入されるとともにヒータ２４により加熱されて、中心孔の内壁面が気相エッチングされる（同図（ａ））。次いで、透明ガラス管材１４は、内部が減圧されるとともにヒータ２４により加熱されて中実化され（同図（ｂ））、これにより中実のガラス母材が作製される。
このようにして製造された透明なガラス母材は、さらにその外側にクラッド層形成・透明化処理などされてプリフォーム化された後、先端を加熱・軟化されて線引きされることで、光ファイバが製造される。
本実施形態では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが５ｍｍ以下の間では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以下に管理し、また、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが３０ｍｍ以上の間では、種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以上に管理する。これにより、ガラス微粒子堆積体の割れが防止される。
ガラス微粒子が堆積している最端部から１００ｍｍ以内の領域は、温度が低いので、密度が低いガラス微粒子が堆積し、ガラス密度が高い領域との境界で割れ易い。そこで、例えば酸水素バーナのような加熱源が用いられて、密度が低い部位を５００℃以上に加熱することで、ガラス微粒子堆積体の割れが防止され得る。
ところが、ガラス微粒子堆積層の厚みが５ｍｍ以下であるときにガラス微粒子堆積体の最端部が加熱されると、ガラス微粒子の付着量が少ないので、石英ガラス製の種棒パイプ１２が強く加熱される。これにより種棒パイプ１２が熱膨張し、出発棒１１と種棒パイプ１２との境界部（段差部）において、出発棒１１と種棒パイプ１２との隙間が大きくなって、ガラス微粒子堆積体に割れが発生する。
そこで、ガラス微粒子堆積層の厚みが５ｍｍ以下の間ではガラス微粒子堆積体の最端部の平均温度を５００℃以下に管理し、或る程度ガラス微粒子の堆積が進んでガラス微粒子堆積層の厚みが３０ｍｍ以上になった段階で最端部の平均温度を５００℃以上に管理することで、ガラス微粒子堆積体の割れが防止され得る。
次に、本実施形態に係るガラス母材製造方法の実施例について説明する。本実施例では、グレーデッドインデックス型の光ファイバを線引により製造するためのガラス母材が製造される。
堆積工程Ｓ２においてＯＶＤ装置が用いられてガラス微粒子の堆積が行われる。出発棒１１として、外径９〜１０ｍｍで長さ１２００ｍｍのアルミナ製のものが使用される。種棒パイプ１２として、長さ６００ｍｍ、外径２０〜４０ｍｍ、内径９.８〜２１ｍｍの石英ガラス製のものが使用される。
堆積工程Ｓ２において酸水素火炎を形成するガラス微粒子合成用バーナ２１に投入されるガラス原料ガスは、ＳｉＣｌ４（投入量１〜３ＳＬＭ／本）およびＧｅＣｌ４（投入量０.０〜０.３ＳＬＭ）である。ガラス微粒子合成用バーナ２１に対する出発ロッド１０の相対移動速度は３〜１５００ｍｍ／分とされる。また、ガラス微粒子堆積体の種棒パイプ１２側のガラス微粒子堆積体の端部は、水素（１０〜６０ＳＬＭ）および酸素（５〜３０ＳＬＭ）が投入された酸水素バーナにより加熱される。
このような堆積工程Ｓ２の後、引抜工程Ｓ３および透明化工程Ｓ４を経て中実化工程Ｓ５が行われる。中実化工程Ｓ５では、透明ガラス管材１４は、加熱炉に設置されて３０ｒｐｍで回転され、速度５〜２０ｍｍ／分で透明ガラス管材１４の長手方向に移動する加熱炉により温度１９００〜２２００℃に加熱される。なお、中実化工程Ｓ５における加熱手段は、カーボンヒータや電磁誘導コイル式発熱体などを熱源とする加熱炉の替わりに、酸水素バーナ旋盤を用いても良い。このとき、透明ガラス管材１４の中心孔の内部に５０〜１００sccmのＳＦ６ガスが流されて、透明ガラス管材１４の中心孔の内壁面が気相エッチングされる。
次いで、透明ガラス管材１４は、中心孔の内部が０.１〜１０ｋＰａに減圧され、エッチング時と同じ温度にて中実化されて、ガラス母材が製造される。
このようにして製造されるガラス母材は、所望の径に延伸されて、その外周にＯＶＤ法でジャケットガラスが合成されて、光ファイバ用ガラス母材が製造される。この光ファイバ用ガラス母材が線引きされて、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバが製造される。
図７は、実施例および比較例それぞれでの種棒パイプ１２の外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度および良好製造率を纏めた図表である。ここでは、ガラス微粒子堆積層の最大厚みが５ｍｍ以下の間におけるガラス微粒子堆積層の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度Ａ（℃）、および、ガラス微粒子堆積層の最大厚みが３０ｍｍ以上の間におけるガラス微粒子堆積層の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度Ｂ（℃）それぞれが各値とされて、ガラス微粒子堆積体において割れが生じない確率である良好製造率Ｚ（％）が比較評価される。この図表に示されるとおり、平均温度Ａが５００℃以下であって平均温度Ｂが５００℃以上であれば、良好製造率Ｚは１００％であり、極めて高い歩留りでガラス母材が製造され得る。
１０…出発ロッド、１１…出発棒、１２…種棒パイプ、１３…ガラス微粒子堆積体、１４…透明ガラス管材、２０…バーナ、２１…ガラス微粒子合成用バーナ、２１Ａ…加熱用バーナ、２２…加熱炉、２３，２４…ヒータ。
Claims (2)
- 出発棒の先端部が種棒パイプの一端から突出するように前記出発棒を前記種棒パイプに挿入し固定して出発ロッドを作製する固定工程と、
前記固定工程の後に、前記出発棒の軸方向に沿って前記出発ロッドとガラス微粒子合成用バーナとを相対的に往復運動させ、前記出発棒の先端部から前記種棒パイプの一部に亘って前記出発ロッドの外周にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を作製する堆積工程と、
前記堆積工程の後に前記出発棒を前記種棒パイプおよび前記ガラス微粒子堆積体から引き抜く引抜工程と、
前記引抜工程の後に前記ガラス微粒子堆積体を加熱して透明ガラス管材を作製する透明化工程と、
前記透明化工程の後に前記透明ガラス管材の内部を減圧するとともに前記透明ガラス管材を加熱して中実のガラス母材を作製する中実化工程と、
を備え、
前記堆積工程において、
前記種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが５ｍｍ以下の間では、前記種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以下に管理し、
前記種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最大厚みが３０ｍｍ以上の間では、前記種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の平均温度を５００℃以上に管理する、
ことを特徴とするガラス母材製造方法。 - 前記堆積工程において、前記ガラス微粒子合成用バーナとは別の加熱源を用いて、前記種棒パイプの外周に堆積するガラス微粒子の最端部から１００ｍｍ以内の範囲の温度を管理する、ことを特徴とする請求項１に記載のガラス母材製造方法。
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