JP2003501336A - プラズマ堆積により光ファイバプリフォームを製造する方法および装置 - Google Patents

プラズマ堆積により光ファイバプリフォームを製造する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 １つではなく、同一の発電機によって駆動される２つのプラズマトーチが使用されている。方法は、プリフォームを旋盤上に支持するステップと、プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチを配置するステップと、プラズマトーチがプリフォームの表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するように、共通の発電機を用いて第１および第２のプラズマトーチに電力供給するステップと、プリフォームの表面にケイ砂を融解させるために、第１のプラズマトーチとプリフォーム表面との間、または別法として、両トーチとプリフォーム表面との間の接合部にケイ砂を導入するステップと、プラズマトーチに対してプリフォームを移動させるステップとを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 発明の分野 本発明は、クラッディングのガラス品質の完全性を維持しながら、プリフォー
ム製造におけるオーバクラッディングレート（ｏｖｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ ｒａ
ｔｅ）を増加させる方法および関連する装置に関する。
【０００２】 関連技術の考察 光ファイバの価格低減に対する市場圧力により、製造方法全体の生産性向上が
常に求められている。光ファイバを製造する方法の第１のステップの１つは、プ
ラズマ方法である。このプラズマ方法は、熱プラズマファイヤボール（ｈｏｔ
ｐｌａｓｍａ ｆｉｒｅｂａｌｌ）を用いて、クラッディングとして一次プリフ
ォーム上にケイ砂（ｑｕａｒｔｚ ｓａｎｄ）を融解させることにより、９０％
を超えるプリフォームガラスを作り出すステップを含んでいる。
【０００３】 この方法には、関連する２つの重要なパラメータがある。第１のパラメータは
、ガラスの堆積速度（グラム／分）であり、第２のパラメータは、堆積ガラスの
品質である。ある特定の方法にとっては、この２つのパラメータは互いに相反す
るパラメータであり、具体的には、堆積速度を速くするとガラスの品質が低下す
る。
【０００４】 これらのパラメータはいずれも、プラズマファイヤーボールを生成するために
利用することができる有効出力に左右され、出力が大きいほど堆積速度が速くな
り、より良好なガラス品質を得ることができる。しかしながら、従来のプラズマ
装置にはパワー能力に限界がある。この限界は発電機の出力によるものではなく
、プラズマトーチの熱抵抗によるものである。プラズマトーチ内の出力が所定の
値に達すると、プラズマトーチは必要な温度を維持することができず、その寿命
が短くなる。プラズマトーチは、発電機の出力能力のせいぜい２／３程度しか利
用していないと推定される。
【０００５】 従来の方法で使用されているプラズマトーチは、米国特許第４，２２１，８２
５号に開示されているような単一プラズマトーチのみである。したがって、発電
機の全能力が完全に利用されず、また、堆積速度およびガラスの品質が制限され
ている。
【０００６】 発明の概要 本発明の目的は、発電機の全能力を利用し、それにより、ガラスの品質を犠牲
にすることなく全体の堆積速度を改善することである。具体的には、本発明によ
る方法により、所定のガラス品質に対して、堆積速度が約５０％速くなる。この
目的は、単一のプラズマトーチではなく、同一発電機によって駆動される、複数
のプラズマトーチを利用することにより達成される。
【０００７】 したがって本発明は、プリフォームにケイ砂を加えるための方法および装置を
対象とする。プリフォームをオーバクラッディングする方法には、プリフォーム
を旋盤（ｌａｔｈｅ）上に支持するステップ、プリフォームに向かって角度を付
けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチを配置するステップ、
プラズマトーチがプリフォームの表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するよ
うに、共通の発電機を用いて第１および第２のプラズマトーチに電力供給するス
テップ、プリフォームの表面でケイ砂を融解させるために、第１のプラズマトー
チとプリフォーム表面との間の接合部にケイ砂を導入するステップ、およびプラ
ズマトーチに対してプリフォームを移動させるステップが含まれている。
【０００８】 本発明の一態様によれば、第１のプラズマトーチによるケイ砂の融解に先立っ
て表面を予熱するために、第２のプラズマトーチは、第１のプラズマトーチの上
流側に設けられている。本発明の第２の態様によれば、第２のプラズマトーチは
第１のプラズマトーチの下流側に配置され、第１のプラズマトーチによる初期融
解後のケイ砂を加熱する。本発明の第３の態様によれば、同時に第１のプラズマ
トーチと第２のプラズマトーチとの両方を用いてケイ砂を融解させるために、プ
リフォーム表面と両プラズマトーチとの間の接合部にケイ砂が導入される。
【０００９】 上記の方法を実施するための装置には、プリフォームを支持するための旋盤、
プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラ
ズマトーチ、プラズマトーチがプリフォームの表面の方へ向けられるプラズマ炎
を生成するように、第１および第２のプラズマトーチに電力供給するための発電
機、プリフォームの表面でケイ砂を融解させるために、いずれか一方のプラズマ
トーチとプリフォーム表面との間の接合部にケイ砂を供給するための１つまたは
複数の供給機、およびプラズマトーチに対してプリフォームを移動させるための
手段が含まれている。
【００１０】 本発明の利点、性質および様々なその他の特徴は、図面にその概要が示されて
いる本発明の例示的実施形態を考察することにより、より鮮明になるであろう。
【００１１】 発明の詳細な説明 光ファイバを製造するための従来の方法は、一次プリフォーム１４を形成する
ための、内付けＣＶＤ（ＭＣＶＤ）を含む第１のステップ、オーバクラッディン
グプリフォーム１５を形成するための第２のプラズマオーバクラッディングステ
ップ、および光ファイバを形成するための第３のプリフォーム線引きステップを
含んでいる。
【００１２】 本発明は、オーバクラッディングステップの改善を対象とする。既に指摘した
ように、本方法におけるこのステップは、プリフォームの直径を大きくすること
を対象とし、かつ、ターゲットとして作用する一次プリフォーム１４の表面にケ
イ砂を融解させることを含む。本発明について、図１〜図３に照らして詳細に説
明する。図１は、本発明によるオーバクラッディングステップを実施するための
例示的装置の側面図であり、図２は２つのプラズマトーチを示す斜視図である。
また、図３は、プラズマトーチのコイル構成を示す斜視図である。
【００１３】 図１および図２を参照すると、オーバクラッディング装置１０はプラズマチャ
ンバ１２を備えており、その中に一次プリフォーム１４が配置されている。一次
プリフォーム１４は、従来のガラス作動旋盤１６のチャック間に支持されている
。旋盤１６は、プリフォームをその長手方向軸の回りに回転させ、かつ、長手方
向に（すなわち、図１における紙面の内および外に）プリフォームを並進させる
ことができ、トーチとプリフォームとの間の距離を調整することができる。
【００１４】 オーバクラッディング装置はさらに、プラズマチャンバ１２の内部に設けられ
た２つのプラズマトーチ１８および１９を備えている。プラズマトーチの各々は
、高周波発電機２４に電気的に接続された、誘導コイル２２に取り巻かれたチュ
ーブ２０を備えている。トーチは水冷または空冷されている。プラズマトーチ１
８および１９は、図２の矢印ＡおよびＢで示すように移動可能に支持されており
、プリフォーム１４の長さ方向（矢印Ａ）、およびプリフォームの半径方向（矢
印Ｂ）に、その位置を調整することができる。具体的には、プラズマトーチは、
ベース部材２７中に設けられた溝をスライドする部材２５を分離することにより
、移動可能に支持されている。
【００１５】 石英チューブの端部にはノズルが設けられており、そのノズルを通して、空気
、純酸素、またはそれらの混合物などの従来のプラズマ発生ガスが導入される。
チューブ２０の各々を取り巻いているコイル２２は、トーチ内に流入する空気中
に高電磁界を生成する。イグナイタによってプラズマが起動されると、発電機の
出力（例えば５０ｋＷ〜２００ｋＷの範囲の出力）が、各プラズマトーチに直ち
に供給され、摂氏１０，０００°にも達することのできるプラズマファイヤーボ
ールが生成される。本発明が、特定の種類の発電機または発電機の特定出力範囲
に制限されないことは、当然、理解されよう。
【００１６】 チューブ注入器２８を有する粒子供給機２６は、少なくとも１つのプラズマト
ーチ１８に、チューブ注入器をプラズマトーチに向けて並置されている。粒子供
給機２６に蓄えられているケイ砂３０は、注入器２８によってプラズマトーチに
給送され、プラズマトーチで速やかに加熱されて、回転しながら並進しているプ
リフォーム１４上で融解される。この方法は、プリフォーム１４上に形成される
ガラス層が、オーバクラッドプリフォーム１５を形成するために予め定められた
直径になるまで継続される。プリフォームの直径は、カメラ３２でモニタされて
いる。高温の空気および石英煙は、排気フード３４を通してプラズマチャンバ１
２から除去される。
【００１７】 図３は、共通の発電機２４によって駆動される、コイル２２の構成を概略的に
示したものである。この構成には、発電機２４の高圧端子および接地端子にそれ
ぞれ電気的に接続された、高圧電極３６および接地電極３８が含まれている。電
極には長手方向のスロット４０が設けられており、該スロットを通して、コイル
２２を電極に締め付けるためのねじ４２を受け入れている。スロット４０により
、コイル２２を電極３６および３８に沿って移動させ、それによりコイル間の間
隔を変更することができる。このことは、以下でより詳細に考察するように、プ
ラズマトーチを動作モードに応じて正しい位置に設置するために重要である。
【００１８】 プリフォーム１４の移動を含む方法全体の制御は、プラズマチャンバの外部に
設けられる工業用プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４６によって
制御される。
【００１９】 既に指摘したように、方法の効率は、ケイ砂の堆積速度（すなわち、ケイ砂が
ガラスとしてプリフォーム上に堆積する量）、ガラス品質、および粒子歩留り（
すなわち、粒子注入量に対するプリフォーム上に堆積する粒子の量の比の百分率
）によって特徴付けられる。
【００２０】 ２つのプラズマトーチ１８および１９が存在することにより、以下の点におい
て方法の効率が改善される。２つのプラズマトーチを用いたオーバクラッディン
グには、３種類の好ましい技術がある。
【００２１】 本発明の第１の態様によれば、下流側に配置される他方のプラズマトーチ１９
によるケイ砂の融解に先立ってプリフォーム１４を予熱するために、一方のプラ
ズマトーチ１８が、他方のプラズマトーチ１９の上流側に配置されている。この
構成の適用例を図４に示す。図４を参照すると、プリフォームは、長手方向に左
から右（矢印参照）へ移動し、２つのプラズマトーチは互いに長手方向にオフセ
ットされている。チューブ注入器２８が、下流側のプラズマトーチ１９にケイ砂
３０を注入している。上流側のプラズマトーチ１８には、ケイ砂は供給されてい
ない。代わりに、上流側のトーチ１８はプリフォームを予熱し、下流側のトーチ
１９によって実施されるオーバクラッディングを改善する。
【００２２】 所定の堆積速度に対しては、プリフォームを予熱した方が予熱しない場合より
、堆積ガラスの品質が実質的により良好であることが分かっている。つまり、プ
リフォームを予熱することにより、ガラスの品質に悪影響を及ぼすことなく堆積
速度を速くすることができる。
【００２３】 本発明の第２の態様によれば、図５に示すように、一方のプラズマトーチがケ
イ砂を堆積させ、他方のプラズマトーチがガラスを後加熱する。図４に示す前述
の実施形態とは逆に、この実施形態では、下流側のプラズマトーチ１９ではなく
、上流側のプラズマトーチ１８にケイ砂が供給されている。したがって下流側の
プラズマトーチ１９は、プリフォーム表面上の、上流側のプラズマトーチ１８に
よる初期融解後のケイ砂を後加熱（すなわち、オーバクラッドプリフォーム１５
を後加熱）する。
【００２４】 ガラスを後加熱することにより、ガラスの品質が改善され、気泡の生成が最小
化される。前述の技術の場合と同様、所定の堆積速度に対しては、２つのプラズ
マトーチを用いることにより、従来の単一プラズマトーチ方式の場合より堆積ガ
ラスの品質が改善されることが分かっている。つまり、従来の技術と比較した場
合、ガラスの品質に悪影響を及ぼすことなく堆積速度を速くすることができる。
【００２５】 本発明の他の態様によれば、同時に２つのトーチ１８および１９を用いて石英
粒子を堆積し、オーバクラッドプリフォーム１５を形成する。この技術を図６に
示す。図６を参照すると、ケイ砂３０が長手方向の異なる位置で同時にプリフォ
ーム１４の表面で融解するように、チューブ注入器２８によりプラズマトーチの
各々にケイ砂が給送されている。これにより、単一トーチ方法と比較して、各プ
ラズマトーチ１８および１９に対する粒子の流れを遅くすることができ、堆積速
度を維持しながら、あるいは堆積速度をさらに速くする一方で、ガラスの品質を
改善することができる。代替実施形態によれば、異なるプラズマガスおよび／ま
たは異なる注入ガスを用いて、２つの異なる種類の粒子を同時に堆積させること
ができる。
【００２６】 以上の説明から分かるように、２つのプラズマトーチ１８および１９を利用し
た本発明による方法および装置は、共通の発電機２４の出力を最大化することに
より、システムの効率を大幅に改善している。既に指摘したように、従来の単一
プラズマトーチ方法における制限要素は、プラズマトーチである。つまり、プラ
ズマトーチの動作温度を低くすることによってプラズマトーチの寿命を最大化す
るために、発電機が比較的低出力で稼動されることである。共通の発電機によっ
て電力供給される２つのプラズマトーチを設けることにより、発電機の出力が最
大化され、それにより方法の効率が改善される。つまり、方法の堆積速度を劇的
に速くし、および／または、ガラスの品質を改善しながら、発電機をより高い設
計出力で稼動させることができ、かつ、プラズマトーチを許容可能な温度範囲で
動作させることができる。
【００２７】 以上、特に好ましい実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明を理解す
れば、特許請求の範囲の各クレームによって規定される本発明の精神および範囲
を逸脱することなく、本発明に様々な改変および変更を加えることができること
は、当業者には明らかであろう。例えば、２つのプラズマトーチを用いる代わり
に、３つ以上のプラズマトーチを使用することができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるオーバクラッディングステップを実施するための例示的装置の側
面図である。
【図２】 ２つのプラズマトーチを示す斜視図である。
【図３】 プラズマトーチのコイル構成を示す斜視図である。
【図４】 第１のプラズマトーチによるケイ砂の融解に先立って表面を予熱するために、
第２のプラズマトーチが第１のプラズマトーチの上流側に設けられている、本発
明の一態様を示す斜視図である。
【図５】 第１のプラズマトーチによる初期融解後のケイ砂を後加熱するために、第２の
プラズマトーチが第１のプラズマトーチの下流側に配置されている、本発明の第
２の態様を示す斜視図である。
【図６】 同時に第１のプラズマトーチと第２のプラズマトーチとの両方を用いてケイ砂
を融解させるために、プリフォーム表面と両プラズマトーチとの間の接合部にケ
イ砂が導入される、本発明の第３の態様を示す斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユンベール，パトリツク フランス国、75011・パリ、リユ・オベル カンプ・63 Ｆターム(参考） 4G021 CA01 CA11

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プリフォームを旋盤上に支持するステップと、 前記プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２
    のプラズマトーチを配置するステップと、 前記プラズマトーチが前記プリフォームの外表面の方へ向けられるプラズマ炎
    を生成するように、共通の発電機を用いて前記第１および第２のプラズマトーチ
    に電力供給するステップと、 前記プリフォームの前記外表面上でケイ砂を融解させるために、前記第１のプ
    ラズマトーチと前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に前記ケイ砂を導
    入するステップと、 前記プラズマトーチに対して前記プリフォームを移動させるステップと を含む、プリフォームをオーバクラッディングする方法。
  2. 【請求項２】 前記第１のプラズマトーチによる前記ケイ砂の融解に先立っ
    て、前記プリフォームの前記外表面を予熱するために、前記第２のプラズマトー
    チが前記第１のプラズマトーチの上流側に設けられている、請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記第１のプラズマトーチによる前記ケイ砂の初期融解後の
    前記表面を後加熱するために、前記第２のプラズマトーチが前記第１のプラズマ
    トーチの下流側に配置されている、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記導入するステップが、同時に前記第１のプラズマトーチ
    と前記第２のプラズマトーチとの両方を用いてケイ砂を融解させるために、前記
    第２のプラズマトーチと前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に追加の
    ケイ砂を導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記移動させるステップが、前記旋盤上の前記プリフォーム
    を回転させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記移動させるステップが、前記第１および第２のプラズマ
    トーチに対して、前記プリフォームの長手方向軸に平行な方向に前記プリフォー
    ムを並進させるステップをも含む、請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 プリフォームを回転可能に支持するための旋盤と、 前記プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２
    のプラズマトーチと、 前記プラズマトーチが前記プリフォームの外表面の方へ向けられるプラズマ炎
    を生成するように、前記第１および第２のプラズマトーチに電力供給するための
    発電機と、 前記プリフォームの前記外表面上でケイ砂を融解させるために、前記第１のプ
    ラズマトーチと前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に前記ケイ砂を供
    給するための供給機と、 前記プラズマトーチに対して前記プリフォームを移動させるための手段と を備える、プリフォームにケイ砂を加えるための装置。
  8. 【請求項８】 前記第１のプラズマトーチによる前記外表面上の前記ケイ砂
    の融解に先立って、前記プリフォームの前記外表面を予熱するように、前記第２
    のプラズマトーチが前記第１のプラズマトーチの上流側に設けられている、請求
    項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記第１のプラズマトーチによる前記外表面上の前記ケイ砂
    の融解後の前記表面を後加熱するために、前記第２のプラズマトーチが前記第１
    のプラズマトーチの下流側に配置されている、請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 同時に前記第１のプラズマトーチと前記第２のプラズマト
    ーチとの両方を用いてケイ砂を融解させるために、前記第２のプラズマトーチと
    前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に追加のケイ砂を供給するための
    別の供給機をさらに備える、請求項７に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記移動させるための手段が、前記旋盤上の前記プリフォ
    ームを回転させるための手段を含む、請求項７に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記第１および第２のプラズマトーチの各々が、前記発電
    機に電気的に接続されたコイルを含む、請求項７に記載の装置。
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