CN1366511A - 制造一种石英玻璃的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

对于一种已知的制造石英玻璃体的方法来说就是将玻璃原材料和燃气输给一个由同轴布置的多个石英玻璃管(2－5)构成的、具有许多环状间隙喷嘴(7－9),旋转对称的沉积燃烧器。为使沉积燃烧器不费很多事就能够更换,按照本发明就建议采用这样一种沉积燃烧器(1),其环状间隙喷嘴(7－9)的间隙宽度的尺寸偏差最多为0.1mm,其中借助于一个抓住在燃烧器的外表面(35)上的对准单元(27;32)同轴地包围住此沉积燃烧器(1)并使此燃烧器在一个预定的空间方向上对准,而且使对准单元(27;32)与滑动单元(28)相连并借助此单元在一个水平平面里定位住。适合于实施这方法的装置具有一个沉积燃烧器(1),其环状间隙喷嘴(7－9)的间隙宽度的尺寸偏差最大为0.1mm,而且其外表面(35)被一个对准单元(27;32)同轴地包围住,该单元在至少第一个平面内可以转动,并与一个可以定位在第二个水平平面内的滑动单元(28)相连接。

Description

制造一种石英玻璃体的方法和装置
本发明涉及一种制造石英玻璃体的方法，其特点是将玻璃原材料和燃气输给一个由同轴布置的多个石英玻璃管构成的、具有许多环状间隙喷嘴，旋转对称的沉积燃烧器，其中由玻璃原材料在燃烧器火焰中就形成了SiO2颗粒，这些颗粒在沉积燃烧器沿着一个旋转芯棒的纵轴线来回往复运动时就沉积在这上面，同时生成了基本为圆柱体型的、多孔的毛坯件。
此外本发明还涉及一种用于实施此方法的装置，它具有一个由同轴布置的、多个石英玻璃管构成的、旋转对称的、具有多个环状间隙喷嘴的沉积燃烧器，它与一个夹持装置相连接。
当按照所谓的OYD(外部汽相沉积)法制造石英玻璃体时使用了一个或多个沉积燃烧器使SiO2颗粒沉积在一个旋转芯棒的外表面上，从而形成一个由多孔石英玻璃所构成的圆柱形的毛坯件(以下也称为“烟灰颗粒”)。为此所采用的沉积燃烧器一般由石英玻璃或由金属制成。石英玻璃燃烧器的优点是可以在很大程度上避免由于磨损而引起的石英玻璃体的污染。
这样一种石英玻璃燃烧器由DE-A1 19527451已经了解。这种燃烧器包括有对中布置的几个石英玻璃管，它们构成了一个中心喷嘴和总共三个环状间隙喷嘴。向中心喷嘴输给SiCl4，向外围的环状间隙喷嘴输给氢和氧形式的燃气。在中心喷嘴和外部位之间有一个气体隔离喷嘴，通过此喷嘴引导氧气流，该氧气流将SiCl4流首先与燃气流遮隔开。气体隔离喷嘴在指向喷嘴口方向上逐渐变细并有聚焦的作用。
制造已知的石英燃烧器都是按传统的玻璃吹制方法来进行，此时可以进行的尺寸精度有一定限度。每个石英玻璃燃烧器都是唯一的，因而在用OVD方法时的过程参数必须分别适应单个或多个沉积燃烧器的特性。在用一个新的燃烧器更换了一个石英玻璃燃烧器之后总是事后又发现；石英玻璃体的主要特性，例如压块密度或者附加材料分布已经发生了变化，因而过程参数就必须适应于这些新的石英玻璃燃烧器，这样耗费很多时间和材料。当更换燃烧器库中的一个沉积燃烧器时尤其是这样，在这燃烧器库里成列地布置有许多燃烧器，因为此时即使是相邻的沉积燃烧器的个性特征也让人注意到了。
因而本发明的任务就是指明一种使用一个或多个石英玻璃燃烧器制造石英玻璃体的方法，这种方法可以使更换燃烧器时不费事，并且为此方法提供相应的装置。
根据开头所述种类的方法，按照本发明，通过以下途径来完成上述任务：采用一种沉积燃烧器，其环状间隙喷嘴的间隙宽度的尺寸精度最大为0.1mm，而且借助于一个抓住在燃烧器外表面上的对准单元同轴地包围住此沉积燃烧器，并使燃烧器在一个预定的空间方向上对准，而且使对准单元与一个滑动单元相连并借助此单元在一个水平平面内定位住。
按本发明所述的方法包括了三个不同的相互交叉的措施，亦即：
1.提供一种规定的尺寸精度的沉积燃烧器，其环状间隙喷嘴的间隙宽度的尺寸偏差最大为0.1mm；
2.使沉积燃烧器对一个预定空间方向上对准，其中借助于一个对准单元来进行此对准，对准单元抓住在沉积燃烧器的外表面上并从而保证精确的导向，而且
3.通过在一个水平平面上滑移对准单元使沉积燃烧器定位在一个预定的位置上。
本发明所依据的认识是：只有综合上述这些措施才能够解决上述技术方面的任务。如果不是同时借助于一个抓住在燃烧器外表面上的同轴的对准单元进行对准并进行一种能够重现的定位，那么沉积燃烧器的精确的尺寸精度并不能产生所期望的结果。同样，如果燃烧器的环状间隙喷嘴的间隙宽度并不具有至少所指明的尺寸精度，那么石英玻璃燃烧器的精确对准和可再现的定位就达不到所期望的效果。
在二个相邻的同轴的石英玻璃管之间的环形间隙的宽度就是在里面的石英玻璃管的外壁和外面的石英玻璃管的内壁之间的距离。间隙宽度的尺寸偏差分别由一个预定的名义间隙宽度的上限偏差和下限偏差之差值来求得。名义间隙宽度的偏差既取决于石英玻璃管的形状公差(如直径变动、厚度变动以及不圆度)，也取决于位置公差(如偏心设置)。对于沉积燃烧器的每个单个的环状间隙喷嘴来说，尺寸偏差必须保持在上述的范围之内。所述的0.1mm最大尺寸偏差是对于间隙宽度范围从0.5至5mm的石英玻璃燃烧器求得的。可以预计，在间隙宽度较大时，还有要更大的尺寸偏差，其结果是可接受的。
沉积燃烧器的对准可能包括围绕旋转轴线的一种旋转运动，而这种定位就使沉积燃烧器发生滑移。
优先考虑借助一个对准单元使沉积燃烧器对准，该对准单元至少具有二个相互间隔距离的保持元件，它们各有一个柔性的同轴环。止动元件抓住在燃烧器外表面上，相互隔开距离，因而确保了沉积燃烧器的轴向导向。同轴环的柔性阻止了沉积燃烧器的损伤并且补偿了燃烧器外表面的直径变动。例如沉积燃烧器的中央喷嘴就适合作为校准用的参照线。
用一种轮廓投影仪就可以有利地在端面侧测量同轴布置的石英玻璃管。借助于轮廓投影仪可以测量构成燃烧器嘴的石英玻璃管的端面侧，因而可以由这样一种测量求出环状间隙喷嘴的尺寸偏差。
另一种改进是将石英玻璃管的端面进行抛光。在对着燃烧器火焰的石英玻璃管的端面部位里就避免了发生沉积并因而增加了寿命。通过化学腐蚀(例如通过渗入在氢氟酸里)就使棱边倒圆并因而使气体更好地流出。从抛光结果有较好的可再现性出发，优选一种机械抛光，而不是火焰抛光。
如果使沉积燃烧器首先垂直对准，然后借助于滑动单元优先考虑定位于芯棒之下，从而使沉积燃烧器的纵轴与芯棒纵轴线相交，那么按本发明所述的方法就特别简单。对于这种定位来说例如不是使芯棒而是使一根辅助钢丝张紧，按此钢丝而将燃烧器对准。此时燃烧器的中央喷嘴的纵轴线规定作为燃烧器的纵轴线。采用了一个量规用于调定沉积燃烧器和芯棒下棱边之间的间距。
针对实施此方法的装置，上述任务就根据开头所列举的装置用以下方法来解决：使环形间隙喷嘴的间隙宽度的尺寸偏差最大为0.1mm并使止动装置设计为一个同轴地包围住沉积燃烧器外表面并且可以围绕第一个回转轴线和围绕第二个回转轴线而回转的对准单元，该单元与一个可以在一个水平平面里移动的滑动单元相连。
按本发明的装置包括三个主要的元部件：
1.一个规定了尺寸精度的沉积燃烧器，其尺寸应使此燃烧器的每个环形间隙喷嘴的间隙宽度尺寸偏差最大达0.1mm。
2.一个可围绕回转轴线旋转的对准单元，该单元抓住在沉积燃烧器的外表面上从而可以实现精确的导向并能使燃烧器在一个预定的空间方向上对准，以及
3.一个与对准单元相连的滑动单元，它通过使对准单元在一个水平平面上的滑动将沉积燃烧器定位于一个预定的位置上。
关于涉及到待解决的技术任务的这些元部件的作用以及“间隙宽度”和“尺寸精度”的术语定义参见上述对于按本发明的方法的叙述。
对准单元较有利的是具有至少二个相互间隔开的保持元件，它们各有一个柔性同轴环。止动元件相互间隔开地抓住在燃烧器外表面上。因而它们确保了沉积燃烧器的精确导向，其中由于柔性同轴环而避免了沉积燃烧器的损伤并且补偿了燃烧器外表面的直径变动。
按本发明所述装置的有一种实施形式尤其经历过了考验，其石英玻璃管的端面进行了抛光，而且通过化学腐蚀打光。针对高的尺寸精度优选一种机械抛光，而不是一种火焰抛光。由于化学腐蚀时(例如在氢氟酸中)的腐蚀量位于端面和圆柱外表面之间的棱边具有确定的倒圆半径。
沉积燃烧器优选由石英玻璃管制成，这些玻璃管切成与管子纵向轴线成直角。这样就提高了燃烧器的沉积特性的可再现性。
以下就根据一个实施例和附图对本发明进行详细叙述。附图所示细节为：
图1：一个沉积燃烧器的口部俯视简图；
图2：按本发明所述装置的一种实施例的草图。
图1表示了一种用于求出一种沉积燃烧器的间隙宽度和尺寸偏差的适用的方法。简图表示了一种旋转对称的沉积燃烧器1的端面的俯视图。沉积燃烧器1包括有共4个相互同轴布置的石英玻璃管2，3，4，5。中央的石英玻璃管2围住了一个中心喷嘴6，在中央石英玻璃管2和相邻的石英玻璃管3之间形成了一个气体隔离喷嘴7，石英玻璃管3和管4围住了一个燃气喷嘴8，石英玻璃管4和外管5围住了一个外喷嘴9。
以下以气体隔离喷嘴7为例讨论求出间隙宽度的尺寸偏差的方法。为表示清楚起见，图示的石英玻璃管2-5都有形状和位置误差，例如壁厚不均匀，横断面不圆而且偏心布置。
二个虚线表示的圆周线12和13用于表示理想情况，这二个圆周线与燃烧器1的纵轴线14同轴。圆周线12以外半径RA2围绕着石英玻璃管2的外壁，而圆周线13则以内半径R13在石英玻璃管3的内表面处相切。由于这二个圆周线12和13都与纵轴线14同心布置，因而它们之间的间隙到处为同样大小。
气体隔离喷嘴7的名义间隔宽度在实施例中达0.8mm。壁厚、直径的变动和相邻石英玻璃管2和3的不圆度以及偏心的布置都导致名义间隙宽度的尺寸偏差。符号10表示了实际的最大间隙宽度，符号11表示了实际的最小间隙宽度。为求出尺寸偏差首先按下式计算环形间隙宽度S：S＝(外石英玻璃管3的内径)减去
          (内石英玻璃管2的外径)
由于二个直径各有误差，对于上偏差Smax和下偏差Smin就要进行误差极限值计算。对于石英玻璃管3来说在实施例中其内直径的上偏差为4.7+0.05＝4.75mm，而石英玻璃管2的外径的下偏差为3.1-0.05＝3.05mm。由此求出上偏差Smax(4.75-3.05)/2＝0.85。
相应地对于石英玻璃管3来说在实施例中其内径的下偏差为4.7-0.05＝4.65mm，而石英玻璃管2的外径的上偏差为3.1+0.05＝3.15mm。由此计算出下偏差Smin为(4.65-3.15)/2＝0.75。
按照本发明的这种尺寸偏差则由上下偏差之差值得出，因此Smax-Smin＝0.85-0.75＝0.1。
相应地求出在燃气喷嘴8和在外喷嘴9的尺寸偏差。若没有这些环形间隙喷嘴，那么尺寸偏差就超过允许值0.1mm。
图2表示了一种适用于实施按本发明所述的方法的装置。该装置有一个沉积燃烧器，一个回转台27和一个滑动台28。
沉积燃烧器1是一个回喷嘴的沉积燃烧器，也如同在图1中根据燃烧器口部31的俯视简图所表示的那样。因而以下就用图1所示的标号来表示沉积燃烧器1的相同的组成部分。
沉积燃烧器1沿着其纵轴线14基本设计为旋转对称。这由四根同轴相互布置的石英玻璃管(2-5)组成，具有中央喷嘴6，它由三个环状间隙喷嘴(气体隔离喷嘴7，燃气喷嘴8和外喷嘴9)同轴地围包住。中心喷嘴6，气体隔离喷嘴7、燃气喷嘴8和外喷嘴9的开口横断面按其名称的顺序相互比例为1∶5∶15∶40。
每个喷嘴(6-9)都有一个入气口30a，30b，30c，30d。各个石英玻璃管的上部，在燃烧器口部31处终结的端面被抛光并用氢氟酸腐蚀使棱边倒圆。
沉积燃烧器1借助于一个对准单元而保持在垂直指向上。对此，对准单元有一个夹持装置32。该夹持装置有一个孔25，沉积燃烧器1就穿过此孔。在孔25的上下部位处各有一个从外围包住燃烧器1的螺纹24。将一个锁紧螺母34拧到螺纹24上就使一个里面安装在锁紧螺母34里的截锥面23压向柔性同轴环33，从而使这环贴靠夹持装置32的端面22和沉积燃烧器1的外表面35。将二个锁紧螺母34拧紧就使沉积燃烧器1的外表面35对中支持在二个点上并实现轴向导向。
回转轴21抓住在夹持装置32的中间，该回转轴线32垂直于纵轴线14并支承在回转台27里。由于围绕回转轴线21回转就使沉积燃烧器1回转转角“β”(标号36；垂直于图示平面)。用夹紧螺钉20将回转轴21止动住。为了使沉积燃烧器1能够围绕轴线27运动，其回转角为“α”(标号36)，设有一个调整螺钉19，它作用于回转台27上。回转台27经轴37固定在一个轴承座26里，该轴承座固定在一个商业上通用的滑动台28上。借助于螺杆39使这拧紧在一个托架40上的滑动台28直线移动。
以下以制造用于光学纤维的预成形件为例并根据图2所示的装置对本发明的方法进行详细叙述：
方法的第一步是按照已知的玻璃吹制法合适地选择和精心地加工各个石英玻璃管之后制造沉积燃烧器1。接着根据用轮廓投影仪对燃烧器口部31进行的测量求出这三个环形间隙喷嘴的尺寸偏差，如上面根据图1所述的那样。在实施例中尺寸偏差(按由内向外的喷嘴次序)为0.1mm、0.6mm和0.7mm。因此这样制造和测量过的沉积燃烧器1满足3尺寸要求，即在没有燃气喷嘴时其间隙宽度的尺寸偏差允许超过0.1mm。
接着将沉积燃烧器1由下推入孔25里并装在夹持装置32里，再固定在其中，因而通过抓住在燃烧器1外表面35上的柔性同轴环33而确保了精确的轴向导向。借助于回转轴21和轴37使沉积燃烧器1对准方向，使燃烧器的纵轴14为垂直布置。
这样固定和对准的沉积燃烧器1接着就借助于滑动台28在水平方向上滑动，直至燃烧器1的纵轴线14与芯棒12的纵线轴相交为止(在图2中芯棒12的纵轴线垂直于图纸平面)。
这样制造、对准和定位的沉积燃烧器1显示出独特的，但可重现的燃烧器特征。当用另一个按照本发明的尺寸要求制造、对准和定位的燃烧器来替换这燃烧器1时，这种特性又能够保持，因而避免了麻烦费事的对工艺方法参数的适配。这也合适于燃烧器1是燃烧器库中许多燃烧器中的一个这种情况。
为了按照OYD法制造一个添加有GeO2的核心层就在这围绕其纵轴线旋转的芯棒12上通过沉积燃烧器1的来回往复运动使烟灰颗粒沉积。此外向沉积燃烧器1的中心喷嘴6输给SiCl4，GeCl4和载体气-氧气。这二种初始组份(SiCl4+GeCl4)和载体气-氧气的摩尔比为1∶1。通过气体隔离喷嘴7导引隔离气-氧气；通过燃气喷嘴8导引氢气；通过外喷嘴9则导引燃气-氧气，其中所列举的气流(SiCl4+GeCl4+载体气体-氧气，隔离气体-氧气，氢气，燃气-氧气)按此次序相互按数量比例为1∶1∶10∶5。
在核心层达到其名义厚度之后，接着在上面就沉积了第一层SiO2外层。此外停止向燃烧器1输给GeCl4并使未添加的SiO2颗粒继续沉积同时形成外表层。
接着去掉芯棒12并按通常已知的方法对这样制成的压块体进行清洗、烧结并收缩成一个芯棒。最后用附加的玻璃外表面层对芯棒镶膜以完成光学纤维的预成形。

Claims (10)

1.制造一种石英玻璃体的方法，包括将玻璃原材料和燃气输给一个由同轴布置的多个石英玻璃管(2-5)构成的，旋转对称的，具有多个环状间隙喷嘴(7-9)的沉积燃烧器(1)，其中由玻璃原材料在一个燃烧器火焰中形成SiO2颗粒，这些颗粒在沉积燃烧器(1)沿着一个旋转芯棒(12)的纵轴线来回往复运动时就沉积在这上面，同时生成了基本为圆柱形的，多孔的毛坯件，其特征在于，使用了一个沉积燃烧器(1)，此时环状间隙喷嘴(7-8)的间隙宽度的尺寸偏差最大为0.1mm；而且借助于一个抓住在燃烧器外表面(35)上的对准单元(27；32)同轴地包围住沉积燃烧器(1)，并使燃烧器(1)在一个预定的空间方向上对准；而且对准单元(27；32)与一个滑动单元(28)相连并借助此单元在一个水平平面里定位住。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于对准单元(27；32)使沉积燃烧器(1)对准，该对准单元具有至少二个相互间隔距离的保持元件(34)，它们各有一个柔性的同轴环(33)。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，同轴布置的石英玻璃管(2-5)用一个轮廓投影仪在端面进行测量并由这种测量求得环状间隙喷嘴(7-9)的尺寸偏差。
4.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，石英玻璃管(2-5)在端面进行了抛光并紧接着通过化学腐蚀打光。
5.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，沉积燃烧器(1)借助于对准单元(27；32)而垂直对准。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，沉积燃烧器(1)借助于滑动单元(28)在芯棒(12)之下进行抛光，从而使沉积燃烧器(1)的纵轴线(14)与芯棒的纵轴线相交。
7.实施按权利要求1至6中任何一项所述的方法的装置，该装置具有一个由同轴布置的多个石英玻璃管(2-5)构成的、旋转对称的，具有多个环状间隙喷嘴(7-9)的沉积燃烧器(1)，该燃烧器与一个夹持装置相连，其特征在于，环状间隙喷嘴(7-9)的间隙宽度的尺寸偏差最大为0.1mm；而且这夹持装置设计成一个同轴围住沉积燃烧器(1)的外表面(35)并可以回绕第一个回转轴(21)和围绕第二个回转轴(37)回转的对准单元(27；32)，该对准单元与一个可以在一个水平平面内移动的滑动单元(28)相连接。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，对准装置(27；32)至少具有二个相互间隔距离的保持元件(34)，它们各有一个柔性的同轴环(33)。
9.按权利要求7至9中任意一项所述的装置，其特征在于，石英玻璃管(2-5)的端面进行了抛光并用化学腐蚀打光。
10.按权利要求7至9中任意一项所述的装置，其特征在于，石英玻璃管(2-5)的对着燃烧器火焰的端面总是与管子纵轴线成直角相交。
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