JP6302833B2 - ガラスロッドの絞り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材等のガラスロッドを加熱しつつ端部を引っ張って絞り形状を形成する、ガラスロッドの絞り加工方法及びガラスロッドに関する。

石英ガラス製の光ファイバ母材は、ＭＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ロッドインチューブ法などの方法で製造されるが、いずれの方法でもその端部には、光ファイバとして用いることのできない部分（以下「非有効部」という。）が存在し、そのような部分は線引き工程に先立って加熱溶断により除去される。一方、光ファイバとして用いることができる部分（以下「有効部」という。）は線引き工程がスムーズに行われるように図２に示すような絞り形状に整えられる。

このように母材の端部を処理する工程は「絞り」あるいは「口出し」工程と呼ばれ、当該工程に係る自動口出し装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の自動口出し装置においては、装置の上部チャックに把持され吊り下げられた光ファイバ母材の下端に、下部チャックに把持されたダミー棒が自動的に溶着された後、加熱手段であるバーナーが口出し位置付近を加熱し、予め設定された時間が経過した後、下部チャックをゆっくりと引き下げて口出し部が形成される。

もっとも、特許文献１の自動口出し装置では加熱手段としてバーナーが用いられているところ、バーナーでは直径１００ｍｍを超えるような大型のガラスロッドの絞り加工は困難であるため、そのような場合には加熱手段として電気炉を利用するのが一般的である。電気炉加熱による絞り加工装置の一例である絞り加工装置１００を図３に示す。ガラスロッド１は接続部材２および吊り下げシャフト３を介して、昇降装置４に吊り下げられる。加熱炉５はヒーター６、断熱材７、及びチャンバー８から構成されている。ガラスロッド１を溶融させるためには２０００℃前後の高温で加熱できるヒーターが必要とされるため、ヒーター６には一般的にカーボンヒーターが用いられる。カーボンは大気中５００℃以上で酸化してしまうため、加熱炉５内は窒素などの不活性ガス雰囲気とする必要があり、大気の侵入を防ぐ為に上部ガスシール９および下部ガスシール１０が設けられる。ガラスロッド１の下部には引取りシャフト１１が接続され、引取シャフト１１は引取ローラー１２によって把持される。このような構成の下、引取ローラー１２を回転させ、加熱されたガラスロッド１の下部を引き下げることで絞り加工を行うことができる。

絞り加工装置１００による加工方法を、図４を用いて説明する。図４は、図３に示す絞り加工装置１００の全体構成からガラスロッド１の下部及びヒーター６の部分を抜粋したものである。ガラスロッド１は、有効部１４と有効部１４に隣接する非有効部１５とを備える。非有効部１５の端部は引取シャフト１１に接続され、引取ローラー１２を回転させることで引き下げることができる。ガラスロッド１は、有効部１４と非有効部１５との境界部１３がヒーター６の高さ方向の略中間に来るように絞り加工装置１００にセットされる（図４(a)）。ヒーター６により加熱を開始して加熱温度を２２５０℃まで昇温し、ガラスロッド１が軟化したら引取ローラー１２を回転させてガラスロッド１の下端（非有効部１５の端部）を引き下げる（図４(b)）。その結果、境界部１３は縮径しつつヒーター６の下部へ移動し、縮径した境界部１３を絞り端とする絞り形状の絞り部１６が、境界部１３の有効部１４側に形成される（図４(c)）。一方、境界部１３の非有効部１５側は加熱溶断により除去される。

この例では引取ローラーで下端を引き下げているが、チャックにより下端を把持し、チャック自体を引き下げる方法もある。また、この例ではガラスロッドの下部を加熱しつつ下端を引き下げることにより絞り部を形成しているが、ガラスロッドは実際には有効部を挟んで両側に非有効部を備えるため、ガラスロッドの上部を加熱しつつ上端を引き上げてもよい。

特開平５−２４８７７号公報

清浄な石英ガラスがおよそ１４００℃〜１７００℃に長時間加熱された場合、時間の経過とともに表面から結晶化が生じる。この現象は一般的に失透と呼ばれている。アルカリ金属等で表面が汚染されていた場合、汚染の程度にもよるが、結晶化する温度の下限は１２００℃程度まで低下し、結晶成長の速度も増加する。つまり、結晶成長には温度・時間・汚染の３つの要素が影響する。結晶化が進む温度範囲（以下「結晶化温度範囲」という。）の上限（約１７００℃）を超えると、発生した結晶は溶融してガラスへと再び変化する。絞り加工時のガラスの表面温度は１９００℃以上に達するため、室温から加熱する場合には必然的に結晶化温度範囲を通過することになる。

ガラスロッドを加熱すると表面から結晶化が起こるが、バーナーにより加熱した場合は、結晶化温度範囲に達して結晶が生じても火炎の流れによって表面のガラスが比較的多く揮散するため、最終製品の表面には結晶はほとんど残らない。これに対し、ヒーターにより加熱した場合は、結晶化が生じた後の表面のガラスの揮散はごくわずかであり、結晶を除去する効果は結晶化温度範囲以上に加熱された時に生じる結晶からガラスへ戻る作用しか無い。そのため、バーナーによる加熱の場合に比べて表面に残る結晶が多くなってしまう。

光ファイバ母材の表面に結晶が多く残った場合、後の線引き工程における加熱後もファイバ表面に結晶が残留してしまう。そして、結晶はガラスのような自由変形ができないため、線引きされた光ファイバの表面に傷を作り、ファイバに張力がかかった時に破断しやすくなる。結晶の残留の程度は表面の汚染の程度によって異なるが、例えば、絞り部１６の上部付近に目視で判別できるほどの大きさの結晶が残存する場合があることが確認されている。

本発明の目的は、ガラスロッドに絞り加工を行う際に、ガラスロッドへの加熱を電気炉により行っても、ガラスロッド表面への結晶の発生を抑制可能なガラスロッドの絞り加工方法及びガラスロッドを提供することにある。

本発明のガラスロッドの絞り加工方法は、有効部と当該有効部に隣接する非有効部とを備えるガラスロッドの、有効部と非有効部との境界部付近を加熱しつつ、非有効部の端部を引っ張ることにより有効部に絞り形状を形成するガラスロッドの絞り加工方法において、ガラスロッドの加熱位置を、ヒーターを昇温しながら移動させ、かつ、非有効部側から境界部に到達させる工程を含む。例えば、非有効部において加熱を開始し、加熱位置を徐々に境界部に近づけていく。このように加熱位置を移動させることで、有効部と非有効部との境界部およびその付近が結晶化温度範囲に晒される時間を確実に短くすることができ、絞り加工を施した光ファイバ母材表面への結晶の発生確率を低減することができる。

絞り加工は２０００℃前後の高い加熱温度の下で実施されるが、ヒーターの昇温速度は一般に４０〜６０℃／ｍｉｎ程度であり昇温に時間を要するため、非有効部においてヒーターによる加熱を開始した後、ヒーターによる加熱温度が所定の温度（例えば１５００℃）に到達してから加熱位置の移動を開始することが好ましい。

また、加熱位置の移動により加熱位置が有効部と非有効部との境界部へ到達した時点で、ヒーターによる加熱温度が１７００℃以上になっていることが好ましい。境界部への加熱温度を結晶化温度範囲上限の１７００℃以上とすることで、ガラス表面の温度上昇過程で通過する結晶化温度範囲を速やかに通過させることができ、かつ、約１７００℃以上では結晶が発生しないため、効果的に結晶の発生を抑制することができる。なお、加熱位置が有効部と非有効部との境界部へ到達した時点で、本来的には加熱されたガラスの表面温度が結晶化温度範囲上限の１７００℃以上になっていることが好ましい。しかし、ガラスの表面温度の測定は困難であること、ヒーターによる加熱温度と加熱されたガラスの表面温度との差異は僅かであることから、本発明ではヒーターによる加熱温度を１７００℃以上とすることで上記の作用効果の獲得を図っている。

本発明のガラスロッドは、本発明のガラスロッドの絞り加工方法により絞り加工されたガラスロッドである。

本発明のガラスロッドの絞り加工方法を説明する図である。 絞り形状を示す図である。 絞り加工装置の構成例を示す図である。 従来のガラスロッドの絞り加工方法を説明する図である。

本発明のガラスロッドの絞り加工方法を、図１を用いて説明する。本発明の方法と従来の方法との相違として、従来の方法ではガラスロッドとヒーターとの相対的な位置関係を固定していたのに対し、本発明の方法ではヒーターによる加熱位置を移動する必要からガラスロッドとヒーターとの相対的な位置関係をガラスロッドの中心軸方向に変化させる点が挙げられる。もっとも、それ以外には装置構成に影響を与える相違点は無いため、本発明の絞り加工方法は、図３に示す従来の絞り加工装置１００にガラスロッドとヒーターとの相対的位置関係をガラスロッドの中心軸方向に変化させる機能を追加することで実現可能である。もっとも、位置関係に加える変化は相対的なものでよいため、ヒーターを固定してガラスロッドを移動可能に構成しても、ガラスロッドを固定してヒーターを移動可能に構成しても構わない。以下、図３に示す絞り加工装置１００が、ガラスロッド１を中心軸方向に移動可能に構成されている場合を例にとって説明する。

図１は、図３に示す絞り加工装置１００の全体構成からガラスロッド１の下部及びヒーター６の部分を抜粋したものである。ガラスロッド１は、有効部１４と有効部１４に隣接する非有効部１５とを備える。非有効部１５の端部は引取シャフト１１に接続され、引取ローラー１２を回転させることでガラスロッド１を引き下げ、ヒーター６による加熱位置を移動させることができる。ガラスロッド１を絞り加工装置１００にセットする際、図１(a)に示すように、非有効部１５がヒーター６の内側にかかるとともに、境界部１３がヒーター６の外側に出るようにセットし、有効部１４がヒーター６から離れるようにする。この状態でヒーター６による加熱昇温を開始する。加熱昇温の開始とともにガラスロッド１の下降による加熱位置の移動を開始してもよいが、ヒーターの昇温速度は一般に４０〜６０℃／ｍｉｎ程度であり、境界部１３がヒーター６に到達するまでに絞り加工の実施に必要な加熱温度（２０００℃前後）まで急激に昇温させることは容易ではない。そこで、所定の加熱温度（例えば１５００℃）に達するまでは下降移動させず、所定の温度に達してからガラスロッド１の下降移動を開始し、下降移動させつつ更に昇温を続けることとしてもよい（図１(b)）。境界部１３がヒーター６の高さ方向の略中間に到達したところで、ガラスロッド１の下降移動を停止する。この段階で、ヒーター６による加熱温度は１７００℃以上（例えば２０００℃）になっていることが好ましい（図１(c)）。境界部１３への加熱温度を結晶化温度範囲上限の１７００℃以上とすることで、ガラス表面の温度上昇過程で通過する結晶化温度範囲を速やかに通過させることができ、かつ、約１７００℃以上では結晶が発生しないため、効果的に結晶の発生を抑制することができる。なお、加熱位置が有効部と非有効部との境界部へ到達した時点で、本来的には加熱されたガラスの表面温度が結晶化温度範囲上限の１７００℃以上になっていることが好ましい。しかし、ガラスの表面温度の測定は困難であること、ヒーターによる加熱温度と加熱されたガラスの表面温度との差異は僅かであることから、本発明ではヒーターによる加熱温度を１７００℃以上とすることで上記の作用効果の獲得を図っている。

更に昇温を継続し、絞り加工温度（例えば２２５０℃）に達したら引取ローラー１２を回転させ、ガラスロッド１の下端（非有効部１５の端部）を引き下げる（図１(d)）。ガラスロッド１の下端を所定の距離だけ引き下げることにより、図１(e)に示すように、境界部１３は縮径しつつヒーター下部へ移動し、絞り形状の絞り部１６が、境界部１３の有効部１４側に形成される。一方、境界部１３の非有効部１５側は加熱溶断により除去される。

このように、ガラスロッドへの加熱位置をヒーターを昇温しながら移動させ、かつ、非有効部側から境界部に到達させることで有効部と非有効部との境界部およびその上部が結晶化温度範囲に晒される時間を確実に短くすることができ、絞り加工を施した光ファイバ母材表面への結晶の発生確率を低減することができる。

[実施例]
図３に示す絞り加工装置１００をガラスロッド１の位置を中心軸方向に移動可能に構成した装置により、最太部外径１９０〜２００ｍｍのガラスロッド１の絞り加工を行った。ヒーター６は内径２５０ｍｍ、高さ２１０ｍｍのカーボンヒーターを用いた。ガラスロッド１を、非有効部１５がヒーター６の内側にかかるように、境界部１３がヒーター６の高さ方向の中間位置より２００ｍｍ上方、すなわちヒーター６の上端の９５ｍｍ上方外側に出るようにセットし、ヒーター６で１５００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。１５００℃到達後、ガラスロッド１を２０ｍｍ／分で下降移動しつつ、２０００℃まで昇温速度５０℃／分で加熱を続けた。１０分後、図１(c)に示すように、２００ｍｍ降下して境界部１３がヒーター６の高さ方向の略中間位置まで到達した時点でガラスロッド１の下降移動を停止した。さらに昇温速度４０℃／分で加熱を続け、２２５０℃に達した時点で温度を保持し、ガラスロッド１の下端を引き下げて絞り部１６を形成した。このとき、境界部１３はヒーター下端付近に達していた。この後、ヒーター６の電源を切り、降温しつつ絞り部１６の曲がりを防ぐ為にさらにガラスロッド１の下端をゆっくりと引き下げた。上記の加工方法で１００本のガラスロッドの絞り加工を行ったが、絞り部表面に結晶の成長が生じたロッドは無かった。

[比較例]
図３に示す従来の絞り加工装置１００により、最太部外径１９０〜２００mmのガラスロッドの絞り加工を行った。ヒーター６は内径２５０ｍｍ、高さ２１０mmのカーボンヒーターを用いた。ガラスロッド１を境界部１３がヒーター６の高さ方向の略中間の位置に来るようにセットし、ヒーター６で１５００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。１５００℃到達後、２０００℃まで昇温速度５０℃／分で加熱を続けた。さらに昇温速度４０℃／分で加熱を続け、２２５０℃に達した時点で温度を保持し、ガラスロッド１の下端を引き下げて絞り部１６を形成した。このとき、境界部１３はヒーター下端付近に達していた。この後、ヒーター６の電源を切り、降温しつつ絞り部１６の曲がりを防ぐ為にさらにガラスロッド１の下端をゆっくりと引き下げた。上記の加工方法で１００本のガラスロッドの絞り加工を行った結果、１２本のロッドに絞り部表面に結晶の成長が生じた。

Claims (4)

1. 有効部と当該有効部に隣接する非有効部とを備えるガラスロッドの、有効部と非有効部との境界部周辺をヒーターで加熱しつつ、前記非有効部の端部を引っ張ることにより前記有効部に絞り形状を形成するガラスロッドの絞り加工方法であって、
   前記ガラスロッドへの加熱位置を、前記ヒーターを昇温しながら移動させ、かつ、前記非有効部側から前記境界部に到達させる工程と、
   前記境界部が前記ヒーターの略中間位置に到達した時点で前記ガラスロッドの移動を停止する工程と、
   前記ガラスロッドの移動を停止した状態で、前記ヒーターによる加熱温度が所定の絞り加工温度に達するまで昇温させる工程と、
   前記ヒーターによる加熱温度を前記所定の絞り加工温度に保持するとともに、前記ガラスロッドにおける前記非有効部の端部を引っ張ることにより、前記有効部に絞り形状を形成する工程と、
   前記非有効部を加熱溶断により除去する工程と
   を含むことを特徴とするガラスロッドの絞り加工方法。
2. 加熱位置を前記ヒーターを昇温しながら移動させる前記工程は、前記非有効部を起点とすることを特徴とする請求項１に記載のガラスロッドの絞り加工方法。
3. 前記移動は、前記ヒーターを所定の加熱温度に昇温させた後に開始することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラスロッドの絞り加工方法。
4. 加熱位置が前記境界部に到達した時点で、前記ヒーターによる加熱温度が１７００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガラスロッドの絞り加工方法。

Images