JP6452091B2 - 光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法 - Google Patents
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Description
コアロッドは、VAD法、OVD法、MCVD法、PCVD法等によって製造され、ガラス旋盤や電気延伸炉等を用いて所定の径に延伸される。
図1(a)に示したように、コアロッド1は、その両端にハンドル2が溶接され、ターゲット棒3として回転チャック4に把持される。左右及びターゲット棒3に向けて前後に駆動するバーナー台5に固定されたバーナー6には、ガラス原料、例えば、四塩化硅素、トリクロロ(メチル)シラン、オクタメチルシクロテトラシロキサンなどに加え、酸素・水素が供給され、火炎7中にて火炎加水分解反応によりガラス微粒子が生成する。バーナー台5は、ターゲット棒3に沿って往復運動し、生成したガラス微粒子は、回転するターゲット棒3上に層状に堆積される。
なお、この透明ガラス化工程に先立って、多孔質ガラス母材8を塩素又は塩化チオニルなどの脱水ガスを含有した雰囲気中で多孔質ガラス母材8をおよそ1100℃に加熱処理して、多孔質ガラス母材中のOH基などの不純物を取り除く脱水処理が行われることがある。
透明ガラス化工程において、多孔質ガラス母材8が加熱されると、多孔質ガラス母材8には2つの力が働く。1つは、軟化したガラス微粒子の表面張力であり、多孔質ガラス母材を収縮させる力が働く。もう1つは、被加熱部分より下にある部分の重さによる重力で、これは多孔質ガラス母材を下方に引き伸ばす力が働く。
図2(a)→(b)→(c)と透明ガラス化工程が進むにつれて、表面張力による収縮力はいずれの過程でもほぼ一定であるのに対し、重力による引き伸ばす力は、加熱炉14より下部にあるガラス母材の重量が増えて行くために次第に大きくなっていく。その結果、図3(c)に示すように、ガラス母材18の上部は細く、下部が太くなった形状を呈する。
同じく透明ガラス化工程での径変動の低減を目的として、特許文献2には、予めガラス化時の伸縮量の長手分布を測定しておき、これを逆数倍した外径に予め長手方向にわたって調整したコアロッドを使用し、その上にOVD法で、ガラス微粒子の堆積厚とコアロッドとの外径比が一定になるように、ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材を製造し、これをガラス化する際に、予め設定した伸縮量となるように、ヒーターの温度及び/又は母材の送り速度を調整することにより、ガラス母材の外径を均一化する方法が開示されている。
特許文献2の方法では、予めコアロッドの外径を長手方向に変動させるように加工しなければならず、さらに、その外径に合わせてガラス微粒子の堆積量も調整しなければならず、コアロッド加工工程においても、OVD工程においても、工程が極めて複雑かつ困難である。
なお、設定炉温度T0(L)を、伸び率の実測値αとその目標値αS(L)との偏差が小さくなるか、比率が1に近づくように設定しておくことで、温度偏差ΔTを小さくすることができ、制御安定性を向上することができる。
なお、設定送り速度Vf0(L)を、伸び率の実測値αとその目標値αS(L) との偏差が小さくなるように設定しておくことで、送り速度偏差ΔVfを小さくすることができ、制御安定性を向上することができる。
コアロッドの外径を一定とすることで、コアロッドの加工を容易にし、ガラス微粒子堆積工程を単純化することができる。さらに、伸び率の目標値を1より大きくすることで、積極的に伸ばしながらガラス化することにより、より高温でガラス化することができ、多孔質ガラス母材の中心まで十分に透明化することができる。
多孔質ガラス母材は、透明なガラスで構成されるため、その位置を測定することが難しいが、透明ではない錘に付けた目印をカメラで認識することで、容易にその高さ位置を測定することができる。
錘の素材には耐熱性と脱水工程で用いられる塩素や塩化チオニルに侵されない性質が必要とされるため、カーボン、窒化硅素、アルミナ、側面に砂目加工を施した石英ガラスなどを用いることができる。このうち、カーボン及び窒化硅素は濃色材料であり、アルミナ及び側面に砂目加工を施した石英ガラスは白色材料である。このような濃色材料と白色材料を組み合わせることで鮮明な境界線が得られ、目印とすることができる。
図1のOVD装置を用いて製造した多孔質ガラス母材8を、本発明の焼結装置19を用いて透明ガラス化処理を施した。本発明の焼結装置19は、図2に示した従来の焼結装置9と同じ構成要素である上下に駆動するキャリッジ10、キャリッジ10から垂下された回転するシャフト11、シャフト11と多孔質ガラス母材8を接続する接続部材12、反応容器として作用する透明石英ガラス製の炉心管13、及び加熱炉14に加えて、多孔質ガラス8の下端の位置を計測するためのカメラ24、カメラ台座25、さらにカメラ台座25を上下に駆動するためのスライドレール26を備えている。なお、加熱炉14は、ヒーター15、断熱材16及びチャンバー17から構成されている。
伸び率の目標値αSは、コアロッド外径DT、 ガラス母材の直径に占めるコアロッド部分の直径比率r及びガラス化後の目標外径DPを用いて、伸び率の目標値αS=(DT/r/DP)2として決定することができる。コアロッド外径DTが長手方向に分布を持つ場合は、伸び率の目標値αSは、送り距離Lの関数αS(L)として定義する必要がある。
錘を取付けた多孔質ガラス母材を図3に示した焼結装置にセットし、伸び率の目標値αS(L)、 設定炉温度T0(L)及び設定送り速度Vf0(L)を図4に示すグラフのように設定し、焼結を行った。
カメラを用いてガラス母材下端の位置を錘の目印位置で計測することにより、焼結中の伸び率αを実測し、各送り距離Lにおける目標値αS(L)との偏差を基に、PID演算により温度偏差ΔTを算出し、加熱炉温度をT0(L)+ΔTに調整した。直胴部焼結中における伸び率αと伸び率の目標値αS(L)との差異は、最大で0.020であり、直胴部のガラス母材外径の分布範囲は158.7〜161.0mmと良好であった。ガラス母材直胴部は全域で透明ガラス化されており、外観上の問題は認められなかった。
錘を取付けた多孔質ガラス母材を図3に示した焼結装置にセットし、伸び率の目標値αS(L), 設定炉温度T0(L)及び設定送り速度Vf0(L)を図4に示すグラフのように設定し、焼結を行った。
カメラを用いてガラス母材下端の位置を錘の目印位置で計測することにより、焼結中の伸び率αを実測し、各送り距離Lにおける目標値αS(L)との偏差を基に、PID演算により速度偏差ΔVfを算出し、送り速度をVf0(L)+ΔVfに調整した。直胴部焼結中における伸び率αと伸び率の目標値αS(L)との差異は、最大で0.022であり、直胴部のガラス母材外径の分布範囲は158.8〜161.3mmと良好であった。ガラス母材直胴部は全域で透明ガラス化されており、外観上の問題は認められなかった。
2.ハンドル、
3.ターゲット棒、
4.回転チャック、
5.バーナー台、
6.バーナー、
7.火炎、
8.多孔質ガラス母材、
9.焼結装置、
10.キャリッジ、
11.シャフト、
12.接続部材、
13.炉芯管、
14.加熱炉、
15.ヒーター、
16.断熱材、
17.チャンバー、
18.ガラス母材、
19.焼結装置、
20.錘、
21.カーボン板、
22.石英ガラスシリンダー、
23.目印、
24.カメラ、
25.カメラ台座、
26.スライドレール。
Claims (9)
- コアロッドの外周にガラス微粒子を堆積してなる多孔質ガラス母材を炉内に垂下し、一端から他端に向かって加熱し透明ガラス化する焼結工程において、多孔質ガラス母材の送り速度Vf及びガラス母材下端の移動速度Vwを計測し、Vw/Vfで算出される伸び率の目標値αS(L)を多孔質ガラス母材の送り距離Lごとに予め設定し、該多孔質ガラス母材の直胴部における前記目標値αS(L)を、αS(L)>1として焼結し、伸び率の実測値αが送り距離Lごとに予め設定した前記目標値αS(L)と一致するように加熱炉の温度または送り速度の少なくともいずれか一方を制御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。
- 設定炉温度T0(L)を多孔質ガラス母材の送り距離Lごとに予め設定し、伸び率の実測値αと前記目標値αS(L)との偏差もしくは比率に基づいて温度偏差ΔTを求め、炉温度をT0(L)+ΔTとして焼結する、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方法。
- 設定送り速度Vf0(L)を多孔質ガラス母材の送り距離Lごとに予め設定し、伸び率の実測値αと目標値αS(L)との偏差もしくは比率に基づいて送り速度偏差ΔVfを求め、送り速度をVf0(L)+ΔVfとして焼結する、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方法。
- コアロッドの外径が長手方向に一定であり、多孔質ガラス母材の直胴部における伸び率の前記目標値αS(L)を、送り距離Lによらず1より大きい一定値αSとして焼結する、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方法。
- 多孔質ガラス母材の下端が錘によって垂下されている、請求項1乃至4のいずれかに記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
- 錘の側面に付けられた目印を、上下方向に駆動自在のカメラによって横方向から撮影し、画像処理によって撮像された画像内の目印の位置を検出し、カメラの位置及び画像内の目印の位置を基に錘の位置を算出し、これを連続して行うことによりガラス母材下端の移動速度Vwを求める、請求項5に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
- 前記錘が、2種類以上の異なる素材を縦方向に積み重ねて構成され、前記素材間の境界線を前記目印とする、請求項6に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
- 前記目印が上下に離間して複数設けられている、請求項6に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
- 前記複数の目印をそれぞれ別のカメラで撮像する、請求項8に記載の光ファイバ用多孔質ガラス母材の焼結方法。
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