JP7042229B2 - 光ファイバ用ガラス母材の延伸方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材を加熱してより細径のガラスロッドに延伸加工する光ファイバ用ガラス母材の延伸方法に関する。

光ファイバプリフォームに代表されるような石英ガラスロッドの製造には、予め大型のガラス母材を製造した後に加熱炉を備えた延伸装置を用いて加熱延伸し、より細径のガラスロッドとする方法が用いられる。前記延伸装置により延伸されたガラスロッドには、例えば±３％といった比較的大きな外径変動があるため、これをガラス旋盤と称されるバーナーを加熱源とした延伸装置で再度精密に延伸して、製品に要求される外径変動、例えば±１％以内に入るように調整される。

近年では、光ファイバプリフォームから光ファイバを製造する場合、より大型の光ファイバプリフォームから製造した方が設備稼働率の面で有利であるため、従来、一般的であった外径80mmのものよりさらに大型の、例えば外径150ｍｍを超えるような大径の光ファイバプリフォームが求められている。しかしながら、外径150ｍｍといった大径のプリフォームになると、ガラス旋盤による外径調整は困難である。これは、バーナーによる加熱が解放大気中で行われるため、加熱と同時に放射による冷却が起こり、外径が大きくなるほど放射による冷却の効果が大きくなり、温度を十分に上げることができないためである。
そのため、外径150 mmといった大径のプリフォームであっても延伸装置で得られるガラスロッドの外径変動を、最終製品で求められる±１％以内か、それに近い変動まで抑えることが求められている。

延伸に用いられる延伸装置の一例を、図１を用いて説明する。延伸装置は、大きく分けて加熱炉、送り部及び引取り部の３つの部分からなっている。加熱炉は、ヒーター１、断熱材２を内包した水冷チャンバー３を有し、水冷チャンバー３の上部にはトップチャンバー４が連結され、水冷チャンバー３の下部には下部ガスシール８が取り付けられている。
送り部は、トップチャンバー４の上部に設けられた上下動可能な送り機構７、該送り機構７に接続された吊下げシャフト５及び接続治具６からなっている。吊下げシャフト５はトップチャンバー４内に挿入されている。

引取り部は、加熱炉の下部に設けられた、把持・解放可能なガイドローラー９、引取りローラー（上）10及び引取りローラー（下）11からなっている。ガイドローラー９は、カーボン等の耐熱性のローラーで形成され、引取りダミー14やガラスロッドを装置の軸芯にガイドする役割を担っている。引取りローラー10，11はモーターによって駆動され、引取りローラーによって把持された引取りダミー14またはガラスロッドを引き下げて、ガラス母材12を適切な径に延伸する働きをする。

ガラス母材12は、その上部に備えられた吊下げダミー13の上端と接続治具６とが機械的に接続されることにより、吊下げシャフト５を介して送り機構７に連結され、上下動自在となっている。ガラス母材12の下端には引取りダミー14が接続される。また、多孔質ガラス母材を経由して製造されたガラス母材12の場合、片方のテーパー部には不透明ガラス部15が存在する。延伸時には、送り機構７を介してガラス母材12を引き下げながら、それよりも速い速度で引取りダミー14を引取りローラー10，11で引き下げることで、ガラス母材12からより細径のガラスロッドが得られる。

上記片方のテーパー部に存在するこのような不透明ガラス部15は、多孔質ガラス母材を透明ガラス化する焼結工程にて残されている。焼結工程は、多孔質ガラス母材を縦に吊るした状態で下方部から順に透明ガラス化が行われるため、焼結が上部テーパー部に達する頃には、該加熱部分に既にガラス化されたインゴット（透明ガラス部）の全重量がかかることになり、上部テーパー部を完全に透明ガラス化しようとすると、その重量により該テーパー部が伸びすぎてしまう。このテーパー部の伸びすぎを防止するために、上部テーパー部では不透明ガラス部15が残されている。

近年では、延伸装置を用いて、高い外径精度を有し、表面清浄度の高いガラスロッドを得るために、様々な手法が提案されている。例えば、特許文献１では、多孔質ガラス母材を経て製造されたガラス母材を用いて、未焼結の不透明ガラス部を含むテーパー部が下側に、全体が透明ガラス化されているテーパー部が上側に来るように配置し、更に、下側に配置されたテーパー部の不透明ガラス部で切断して形成した切断面に、引取りダミーを溶着して延伸することで、低コストで精度よくガラス母材の延伸を行う方法が開示されている。

特許５７６６１５７号

しかし、特許文献１に開示されている方法では、未焼結の不透明ガラス部内部には多量のガスが内包されているため、高温に加熱されたときに、内包されているガスが膨張し、結果として不透明ガラス部にクラックが発生し破損するという問題があった。クラックが発生した場合、延伸を中止してガラス母材を延伸装置から取出し、クラック発生部をカッターで切断除去するなどの処理を行ってから、再び延伸装置内に戻して延伸する必要があるうえ、クラック発生時の衝撃でガラス母材自体が曲がってしまうという問題も発生していた。

その結果、歩留りや生産性を悪化させ、更にクラックの入ったガラス部の除去という危険な作業を行う必要があった。また、特許文献１では、不透明ガラス部で切断する際、連続気泡が残らない、独立気泡部分で切断されていることが望ましい旨開示されているが、不透明ガラス部では連続気泡か独立気泡かの見分けは極めて困難であり、その見分けのため着色インクをその部分に浸み込ませて見分ける方法があるが、この方法は煩雑な作業工程を増やすという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、ガラス母材を延伸して低コストで高い外径精度を有するガラスロッドを得ることのできる光ファイバ用ガラス母材の延伸方法を提供することにある。

鋭意研究の結果、不透明ガラス部に生じる延伸時のクラックは、不透明ガラス部を含むテーパー部の一部を切断した際に、不透明ガラス部の面積が大きすぎると発生しやすいことを見出した。不透明ガラス部が大きすぎると、不透明ガラス部に内包されているガス量が多くなり、加熱により膨張して破損につながると考えられる。延伸時のクラックを抑制するためには、不透明ガラス部を小さくすることが効果的であるが、不透明ガラス部を小さくするには、焼結時において従来よりもさらに加熱して透明ガラス化する必要があり、そうすると上記したようにテーパー部が伸びすぎたり、透明ガラス部が結晶化してしまったりする恐れがあった。さらに、焼結工程において不透明ガラス部ができるだけ小さくなるように加熱すると、１バッチあたりの所要時間が伸びて処理能力が低下したり、精密で煩雑な製造管理が必要になってくる。

本発明は、このような課題を解決してなり、本発明の光ファイバ用ガラス母材の延伸方法は、大径のガラス母材を延伸して、より細径のガラスロッドを製造する方法であって、ガラス母材直胴部の片端に透明ガラステーパー部を有し、他端に不透明ガラス部を含むテーパー部を有するガラス母材を延伸するに際し、該延伸に先立って、不透明ガラス部を含むテーパー部の一部を切断し、該切断面を下端として、延伸装置の引取り機構に接続される引取りダミーが溶着される延伸方法であって、該切断面が円形でありかつ該切断面の外径が135mm以上160mm以下であり、前記切断面に透明ガラス部と不透明ガラス部が存在し、かつ該不透明ガラス部が円形であり、前記切断面の外径をｘとし、前記切断面での不透明ガラス部の外径をｙとするとき、ｘとｙの関係が下記［数１］式を満たすことを特徴としている。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の延伸方法によれば、延伸装置での延伸中に不透明ガラス部でのクラックの発生を抑制し、良好な外観及び外径精度を有する光ファイバ用ガラス母材が得られる。

延伸装置の例を示す概略縦断面図である。 不透明ガラス部を含むテーパー部で切断した切断面の例を示す概略図である。 切断面の外径（横軸Ｘ）と、該切断面における不透明ガラス部の外径（縦軸Ｙ）との関係を示す図である。

本発明の延伸方法は、ガラス母材直胴部の片端に透明ガラステーパー部を有し、他端に不透明ガラス部を含むテーパー部を有するガラス母材を延伸するに際し、不透明ガラス部を含むテーパー部の一部を切断し、該切断面を下端として、延伸装置の引取り機構に接続される引取りダミーを溶着して延伸するものであり、切断面の外径が135mm以上160mm以下である場合、延伸中の不透明ガラス部におけるクラックの発生を防ぎ、更に良好な外観及び外径精度を有するプリフォームが得られることを見出してなるものである。

具体的には、切断面外径が135mmより小さい場合は、延伸前工程の多孔質ガラス母材を透明ガラス化する焼結時に過剰な加熱を行わなければ達成できず、プリフォームの伸びすぎやテーパー部の結晶化が生じ、プリフォームの光学特性や外観に悪影響を及ぼす確率が高い。また、切断面外径が160mmより大きい場合は、焼結時に十分な加熱を行うことが困難なため、切断面における不透明ガラス部も大きくなってしまい、切断面付近に残った不透明ガラス部内に含まれるガス量も多くなり、これが延伸初期の加熱時などに膨張してクラックが発生しやすい。

また、切断面外径18が135mm以上160mm以下であるのに加えて、不透明ガラス部16が円形であり、前記切断面の外径18をｘとし、前記切断面の不透明ガラス部16の外径をｙとするとき、ｘとｙの関係が下記式を満たす場合、更に延伸時のクラック発生を抑制することが可能である。
なお、本発明において円形とは、正円に限るものではなく、光ファイバ用プリフォームとしての機能を損じない程度の非円であれば、円形の範疇に入るものとする。

切断面外径18が135mm以上160mm以下であっても、不透明ガラス部16の外径が上記式の上限を超えて太い場合は、やはり切断面付近に残った不透明ガラス部内に含まれるガス量が多くなり、延伸初期の加熱時などに膨張してクラックが発生し易くなる。一方で、不透明ガラス部16の外径が上記式の下限を超えて小さい場合は、焼結工程において、多孔質ガラス母材の外径が太いのにさらに内部まで透明化を進めなければならず、外観や光学特性に悪影響を及ぼさずにこれを達成する焼結条件の調整が非常に困難である。
以下、比較例、実施例に基づき本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲内において様々な態様が可能である。

ガラス母材の延伸には、図１に示した延伸装置を用いて行った。
トップチャンバー４には石英ガラス製のものを用いた。ガラス母材下端の不透明ガラス部を含むテーパー部は、事前に適切な個所で切断されており、透明ガラステーパー側を上に、不透明ガラス部を含むテーパー側が下に来るようにして延伸装置にセットした。ガラス母材下端がヒーター中心と同一の高さになるようにセットし、室温から2100℃までは40℃／minで昇温し、その後、引取りダミー14を延伸装置下部から加熱炉内に挿入し、不透明ガラス部を含むテーパー部の切断面に炉内ヒーターで溶着接続した後、延伸を行った。
なお、図２に、ガラス母材下端の不透明ガラス部を含むテーパー部で切断した切断面が示されており、主に透明ガラス部15、不透明ガラス部16、コアロッド部17からなり、切断面外径18、不透明ガラス部外径19が示されている。

使用したガラス母材は、直胴部の長さ2200mm、両端のテーパー部の長さ500mm、及び直胴部の外径190mmであり、延伸目標径150mmの条件で延伸を行った。該ガラス母材は、シングルモード光ファイバ用に屈折率を調整したコアロッドの両端にダミーロッドを接続したターゲットに、ＯＶＤ法でガラス微粒子を堆積させて得られた多孔質ガラス母材を焼結して製造したものである。不透明ガラス部を含むテーパー部は、ガラス母材の前記コアロッドと前記ダミーロッドのつなぎ目からダミーロッド側へ170mmの位置で切断した。このとき、切断端の外径及び切断面の溶け残り部径は、ガラス母材の形状や溶け残り具合によって母材により異なっていた。不透明ガラス部を含まない透明ガラステーパー部側は、先端の外径が80mmの位置で切断し、該切断面に外径40mmの吊り下げダミーを接続し、接続治具６を介して吊下げシャフト５に接続し送り機構７に連結した
なお、不透明ガラス部を含むテーパー部の延伸前切断端の外径によって分類し、下記実施例１、２及び比較例として、それぞれ10本ずつ用意し、延伸を行った。

［実施例１］ 実施例１においては、不透明ガラス部を含むテーパー部の、延伸前切断端の外径は１３５mm以上160 mm以下のものとした。
［実施例２］ 実施例２においては、不透明ガラス部を含むテーパー部の、延伸前切断端の外径が135 mm以上160 mm以下で、かつ切断面の溶け残り部径yと延伸前切断端の外径xが前記［数１］式を満たすものとした。

［比較例１］ 比較例１においては、不透明ガラス部を含むテーパー部の、延伸前切断端の外径は135 mmより小さいものとした。
［比較例２］ 比較例２においては、不透明ガラス部を含むテーパー部の、延伸前切断端の外径は160 mmより大きいものとした。

延伸中に生じたクラックの発生状態を調べ、その結果を図３及び表１にまとめて示した。図３において、横軸xは切断端の外径であり、縦軸yは切断端での不透明ガラス部の外径である。
延伸の結果、実施例１のクラック発生率は７％であり、実施例２のクラック発生率は０％であった。
下記［数２］式で表わされる曲線１と、下記［数３］式で表わされる曲線２との間にあるロットは実施例２で延伸したものであり、この範囲内にあるガラス母材は、延伸前工程の焼結が合理的な範囲に収まる工程管理と処理能力で製造することができる。

比較例１のようなガラス母材の場合、実施例の範囲に入るように、更にテーパーの大径側、つまり有効部側で切断することで、切断端を太く、切断面の溶け残り部径を細くすることができる。これによりプリフォームの線引き可能な有効部は短くなってしまうが、延伸時にクラックが発生すると、延伸炉の整備などが必要になる上、有効部は更に短くなってしまうため、事前に実施例の範囲に入るように切断することが望ましい。

比較例２のようなガラス母材の場合、未焼結部が延伸前インゴットのかなりの部分を占めていると想定される。この場合、延伸前に再度加熱工程を経て、未焼結部を減らしてから延伸しなければ、延伸時のクラックの他、光学特性にも悪影響を与えると判断できる。
また本発明によれば、比較例１や２のようなガラス母材の延伸を避けるべきであるという判断が、端面にインクをしみこませるなどの煩雑な手法ではなく、不透明ガラス部を含むテーパー部の延伸前切断端の外径を測定するという簡易な方法で容易に行うことができる。

１：ヒーター
２：断熱材
３：水冷チャンバー
４：トップチャンバー
５：吊り下げシャフト
６：接続治具
７：送り機構
８：下部ガスシール
９：ガイドローラー
１０：引取りローラー（上）
１１：引取りローラー（下）
１２：ガラス母材
１３：吊り下げダミー
１４：引取りダミー
１５：透明ガラス部
１６：不透明ガラス部
１７：コアロッド部
１８：切断面外径
１９：不透明ガラス部外径

Claims (1)

1. 大径のガラス母材を延伸して、より細径のガラスロッドを製造する方法であって、ガラス母材直胴部の片端に透明ガラステーパー部を有し、他端に不透明ガラス部を含むテーパー部を有するガラス母材を延伸するに際し、該延伸に先立って、不透明ガラス部を含むテーパー部の一部を切断し、該切断面を下端として、延伸装置の引取り機構に接続される引取りダミーが溶着される延伸方法であって、該切断面が円形でありかつ該切断面の外径が135mm以上160mm以下であり、前記切断面に透明ガラス部と不透明ガラス部が存在し、かつ該不透明ガラス部が円形であり、前記切断面の外径をｘとし、前記切断面での不透明ガラス部の外径をｙとするとき、ｘとｙの関係が下記［数１］式を満たすことを特徴とする、光ファイバ用ガラス母材の延伸方法。
   

   

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