JP2004284944A - ガラス加工方法及びガラス加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物や加工条件に合わせて加熱領域の大きさを調節するガラス加工方法及びガラス加工装置を提供する。
【解決手段】 本発明のガラス加工方法は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体５とポートに導入されたガスに高周波を印加する手段とを有する熱プラズマトーチ１０を用いて、プラズマ火炎Ｆを発生させてガラスパイプＧを加熱することを含み、複数のポートの各々に導入するガスの流量を制御して、トーチ本体５の中心軸と直交する方向のプラズマ火炎Ｆの拡がりを調節する調節工程と、調節工程により調節されたプラズマ火炎ＦでガラスパイプＧを加熱する加熱工程を有する。
本発明のガラス加工装置２０は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体５と各ポートに導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段８とを有する熱プラズマトーチ１０に加えて、複数のポートの各々に導入するガスの流量を調整するＭＦＣ３１が設けられている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、光ファイバ母材などのガラス加工方法及びガラス加工装置に関する。

光ファイバ母材等のガラス体の製造過程においては、例えばＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法によるガラス層の堆積、ロッドインコラプス法によるガラスロッドとガラスパイプの一体化、製品となるガラスロッドとダミーロッドの接続、ガラスロッドやガラスパイプの延伸など、ガラス体を加熱して加工する工程が多く含まれている。

従来、このようなガラス体を加熱する熱源としては、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスや、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）と酸素の混合ガスを用いたバーナが使用されてきた。しかし、これらの熱源を用いた場合には、加工するガラス体の表面から水素や水酸基（ＯＨ基）などがガラス体の内部に侵入して拡散し、このガラス体から得られた光ファイバの伝送損失を劣化させてしまうことがあった。

ところで、大容量伝送が要求される近年の光ファイバでは、コアの屈折率分布が複雑となり、信号光が伝播する領域が広くなっている。このような光の伝播領域を形成するために、ＭＣＶＤ法により長時間に亘ってガラス微粒子を出発ガラスパイプ内へ堆積させることが必要になってきている。

この場合、酸水素などを用いるバーナでは、長時間の加熱により出発ガラスパイプの中へ水素や水酸基が侵入して拡散しやすく、これが伝送損失を劣化させる要因となっていた。そのため、ガラス微粒子の堆積時間をできる限り短縮するか、もしくは使用する出発ガラスパイプの肉厚を厚くして、水素や水酸基を光の伝播領域まで拡散させないようにするなどの手法が取られていた。このような手法を用いた場合、前者の手法では光ファイバ母材の大型化が制限されてしまう。また、後者の手法では出発ガラスパイプ内部への熱伝導が阻害されるために、ガラス微粒子の生成や堆積の速さが低下してしまう。

このような状況から、水素を使用しない熱源である熱プラズマトーチによりガラス体を加熱することが提案されている。熱プラズマトーチでは、高周波電流を流したコイルの中心部に、例えば石英ガラスなどで作られた管状のトーチ本体が挿入され、このトーチ本体にアルゴン（Ａｒ）や空気などを導入してトーチ本体の大きさに応じたプラズマ火炎を発生させることができる。ＭＣＶＤ法において熱プラズマトーチを使用した、水素や水酸基等の不純物の少ない光ファイバ製品が得られる光ファイバプリフォームの作製方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このような水素を用いない熱プラズマトーチを用いることにより、従来の酸水素を用いるバーナを使用する場合に比べて、ガラス体への水素や水酸基等の不純物の侵入は大幅に抑制される。

特許第２８１８７３５号公報

ところで、ＭＣＶＤ法においてガラス微粒子を堆積させる速さに影響を与える要因は、ガラス微粒子の生成効率と熱泳動（サーモホレシス）効果により決まるガラスパイプへの堆積効率である。そして、この堆積の速さを増大させるためには、ガラス微粒子の生成効率と堆積効率を増加させるために最適な加熱領域を形成することが重要である。また、ガラスロッドとガラスパイプの一体化、ガラスロッドとダミーロッドの接続、ガラスロッドやガラスパイプの延伸においても、水素や水酸基の侵入を防ぎつつ、最適な加熱領域を形成して良好な熱加工を行うことが要求されている。しかしながら、上述した熱プラズマトーチは、発生させるプラズマ火炎の強さを、全体的なガスの流量の調節とコイルから印加する高周波の電力の調節とによって行うのみであった。

本発明は、被加工物や加工条件に合わせて加熱領域の大きさを調節するガラス加工方法及びガラス加工装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成することのできる本発明に係るガラス加工方法は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体とポートに導入されたガスに高周波を印加する手段とを有する熱プラズマトーチを用いて、プラズマ火炎を発生させてガラス体を加熱するガラス加工方法であって、複数のポートの各々に導入するガスの流量を制御して、トーチ本体の中心軸と直交する方向のプラズマ火炎の拡がりを調節する調節工程と、調節工程により調節されたプラズマ火炎でガラス体を加熱する加熱工程を有することを特徴としている。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、ガスは、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素、空気のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、複数のポートに導入するガスは、全て同一組成であることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、複数のポートに導入するガスは、複数組成のガスからなり、一つのポートに対して一組成のガスを導入することが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、ガスは、露点が０℃以下であることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、ガスは、露点が−５０℃以下であることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、調節工程は、ガラス体の温度分布を計測し、計測された温度分布に基づいてガスの流量の制御を行うことが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、複数のポートのうち内側のポートには第１のガスを導入し、複数のポートのうち外側のポートには第２のガスを導入し、調節工程は、第１のガス及び第２のガスの流量を制御して行うことが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、ガラス体は、光ファイバ母材であることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、ガラス体は、ガラスパイプであり、加熱工程は、ガラスパイプ内にガラス微粒子を生成するための原料ガスを導入し、熱プラズマトーチをガラスパイプの長手方向に相対的にトラバースさせつつ、ガラスパイプを加熱して、ガラスパイプの内側にガラス微粒子を堆積させる工程であることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造方法において、加熱工程の後に、プラズマ火炎の拡がりを再度調節する工程と、ガラスパイプを加熱して中実化する工程を有することが好ましい。

また、上記目的を達成することのできる本発明に係るガラス加工装置は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体とポートに導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段とを有する熱プラズマトーチと、複数のポートの各々に導入するガスの流量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴としている。

また、本発明に係るガラスパイプの製造装置において、ガラス体に対して熱プラズマトーチを相対的に接近及び離反させる移動手段が設けられていることが好ましい。

また、本発明に係るガラスパイプの製造装置において、ガラス体の温度分布を計測する温度分布計測手段と、温度分布計測手段によって計測された温度分布に基づいて、高周波印加手段、流量調整手段もしくは移動手段のうちの少なくとも一つを制御して、温度分布を調節する制御手段とが設けられていることが好ましい。

本発明に係るガラス加工方法及びガラス加工装置によれば、各ポートへのガスの導入量を調節することにより、発生するプラズマ火炎の加熱領域を調節することができるので、被加工物や加工条件に合わせて加熱領域の大きさを調節して最適な加熱領域を形成し、良好なガラス加工を行うことができる。

以下、本発明に係るガラス加工方法及びガラス加工装置の実施の形態の例を図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のガラス加工方法及びガラス加工装置で用いる熱プラズマトーチの一実施形態を示す概念図であり、図２は、図１に示したトーチ本体の正面図である。
熱プラズマトーチ１０は、ガスを噴き出す複数のポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を有するトーチ本体５と、トーチ本体５に導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段８とを備えている。

トーチ本体５は、径の異なる複数の円筒状のパイプ１，２，３，４を同心円状に配設した多重管構造である。中心のパイプ１及びパイプ１，２，３，４間の隙間が、ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を形成している。トーチ本体５の外周にはコイル７が設けられ、コイル７には高周波の電源６が接続されている。コイル７及び電源６により、トーチ本体５内のガスに高周波を印加する高周波印加手段８が構成されている。電源６によって流す高周波電流の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚである。

トーチ本体５の一端には、それぞれポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に連通するガス供給管（図示せず）が接続されており、これらガス供給管から各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素（Ｎ_２）あるいは空気のうちの少なくとも一種類を含む組成のガスが導入される。一つのポートに対して、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素あるいは空気のうち任意の気体を選択的に混合して用いても良い。また、全てのポートに同一組成のガスを導入しても良い。

電源６からコイル７に高周波電流が印加されることにより、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に導入されたガスに対して高周波が印加される。そして、ガスがプラズマ化して各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から噴き出し、プラズマ火炎Ｆが発生する。

ここで、上記の熱プラズマトーチ１０は、複数のポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を備えているため、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４へのガスの導入の有無や導入量を調節して、トーチ本体５の中心軸と直交する方向のプラズマ火炎Ｆの拡がりを調節することができる。例えば、最も小さいプラズマ火炎を発生させる場合には、中心のポートＰ１のみにガスを導入し、ポートＰ１のみからプラズマ火炎を発生させるようにする。

このように、熱プラズマトーチ１０は、発生するプラズマ火炎Ｆの拡がりを容易に調節することができ、加熱対象物や加熱条件に合わせた適切な拡がりの加熱領域を形成することができる。そして、図１に示すように長尺状のガラス体Ｇを加熱する場合、そのガラス体Ｇの径の大きさと要求される長手方向の加熱長さに応じて、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４へのガスの導入の有無を調節して最適な拡がりのプラズマ火炎Ｆを発生させて所望の加熱領域を形成し、良好なガラス加工を行うことができる。

また、図１に示した実施形態の例では、トーチ本体５に導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段８として、電源６からコイル７に高周波電流を流す構成としたが、他の態様も適用可能である。

図３は、本発明のガラス加工方法及びガラス加工装置で用いられる熱プラズマトーチの他の実施形態を示す概念図である。図３に示す熱プラズマトーチ１０ａは、トーチ本体５の外周に環状（図中は環状の半分のみを示す）の共振器７ａが設けられた高周波印加手段を備えている。共振器７ａには高周波（マイクロ波）を発生させることのできる電源６ａが接続されており、共振器７ａでマイクロ波を共振させることにより、共振器７ａからトーチ本体５に向けてマイクロ波を照射することができる。マイクロ波の周波数は、例えば２．４ＧＨｚとすると、一般に汎用性があるマイクロ波電源を電源６ａとして用いることができるため、好ましい。

この熱プラズマトーチ１０ａの場合も、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４へ適宜ガスを導入した状態で共振器７ａからマイクロ波を照射すると、導入したガスは電離し、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４からプラズマ火炎Ｆが発生する。そして、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４へのガスの導入の有無や導入量を調節することにより、発生するプラズマ火炎Ｆの拡がりを調節することができるので、所望の加熱領域によりガラス体Ｇを加熱して良好な加工を行うことができる。なお、熱プラズマトーチ１０，１０ａは、印加する高周波の周波数やエネルギーを調節して、プラズマ火炎の温度を調節することもできる。

また、トーチ本体５の構造は、上記の熱プラズマトーチ１０，１０ａに限定されるものではない。
図４及び図５は、熱プラズマトーチを構成するトーチ本体の他の実施形態の正面図である。
図４に示すトーチ本体５ａは、複数の断面矩形状のパイプ１ａ，２ａ，３ａ，４ａを入れ子状に配設したもので、中央のパイプ１ａ及びパイプ１ａ，２ａ，３ａ，４ａ間の隙間が、それぞれポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を形成している。

図５に示すトーチ本体５ｂでは、同一形状のポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６が一列に配設されている。このトーチ本体５ｂを用いて長尺状のガラス体を加熱する場合には、ガラス体の長手方向にポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６が並ぶようにトーチ本体５を配置すると良い。

これらのトーチ本体５ａ，５ｂを用いる場合も、各ポートへのガスの導入の有無や導入量を調節することにより、発生するプラズマ火炎の拡がりを調節することができ、加熱対象物や加工条件に合わせた適切な拡がりの加熱領域を形成することができる。

なお、トーチ本体に形成されたポートの数を２個から６個の範囲とし、プラズマ火炎の拡がり、すなわち加熱領域を、２段階から６段階の範囲にて調節することが望ましい。ポートの数が６個より多い場合には、印加した高周波が中央に位置するポートまで十分に伝わりにくくなり、外側のポートと内側のポートとの間で発生したプラズマ火炎の強さに差が発生しやすくなってしまうことが予想される。

図１４は、トーチ本体の他の実施形態の断面図である。トーチ本体５５は、トーチ上部５７とトーチ下部５８とからなっている。
トーチ下部５８は、径の異なるパイプ５１，５２，５３を有する多重管構造となっており、中央のパイプ５１及びパイプ５１，５２，５３間の隙間が、ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３を形成している。各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３にはそれぞれに連通するガス供給管が接続されており、これらガス供給管から各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３に、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素あるいは空気のうちの少なくとも一種類を含む組成のガスが導入される。本実施形態では、ポートＰ１に導入するガスを第１のガスとすると、ポートＰ２，Ｐ３に導入するガスは、第１のガスとは組成が異なる第２のガスであると良い。ポートＰ１の先端には、蜂の巣状の細孔を有する仕切り５６が設けられ、トーチ本体５５の中心軸に対して平行にガスを噴出するようになっている。ポートＰ２，Ｐ３の先端には、トーチ本体５５の中心軸に対して螺旋状に配置された細孔を有する仕切り５９が設けられ、トーチ本体５５の中心軸に対して螺旋状にガスを噴出するようになっている。

パイプ５３は、トーチ本体５５の先端まで延びてトーチ上部５７を構成しており、これによりガスをプラズマ化させる空間６０が形成されている。空間６０において、主にポートＰ１から噴き出された第１のガスがプラズマ化される。ポートＰ２，Ｐ３から噴き出した第２のガスは、プラズマからパイプ５３を保護するシースガスとして働く。第２のガスは、比熱の大きい多原子気体を用いることが好ましく、窒素（Ｎ_２）を用いることができる。

上記のトーチ本体５５は、複数のポートを備えているため、各ポートへのガスの導入の有無や導入量を調節して、プラズマ火炎の拡がりを調節することができる。例えば、ポートＰ１から噴き出すガスの量を一定とし、ポートＰ２，Ｐ３から噴き出すガスの量を増やせば、プラズマ火炎が絞られ、プラズマの密度が大きくなる。また、ポートＰ２，Ｐ３から噴き出すガスの量を一定とし、ポートＰ１から噴き出すガスの流量を増やせば、プラズマ火炎が拡大するとともにプラズマの密度が大きくなる。さらに、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３から噴き出すガスの比を一定として総量を調節することも可能である。

このように、トーチ本体５５は、発生するプラズマ火炎の拡がりを容易に調節することができ、加熱対象物や加工条件に合わせた適切な拡がりの加熱領域を形成することができる。
また、トーチ本体５５は、平行にガスを噴き出すポートを一つ、螺旋状にガスを噴き出すポートを二つ有するものであるが、ポートの数はこれに限定されるものではない。

次に、本発明に係るガラス加工装置の実施の形態の例について説明する。
本実施形態のガラス加工装置は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体とポートに導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段とを有する熱プラズマトーチに加えて、複数のポートの各々に導入するガスの流量を調整する流量調整手段が設けられている。
図７は、本実施形態のガラス加工装置を示す概念図であり、図６は、図７のガラス加工装置を有するガラス旋盤の側面図である。

図６に示すガラス旋盤２１は、主にＭＣＶＤ法を行う際に用いられる装置である。
ガラス旋盤２１は、両端付近に支持部１１が立設された基台１２を有している。支持部１１は、それぞれ回転可能なチャック１３を有しており、これらチャック１３は、ガラス体であるガラスパイプＧの端部をそれぞれ把持し、ガラスパイプＧを水平に支持する。チャック１３によって支持されるガラスパイプＧの下方には、ガラスパイプＧを加熱するための上述した熱プラズマトーチ１０が設けられている。

熱プラズマトーチ１０は、支持レール１７に装着された移動台１８上に支持され、移動台１８は、ラック・ピニオン機構により支持レール１７の長手方向に沿って移動することができる。支持レール１７とガラスパイプＧとは、それぞれの長手方向が平行になるように配設されている。また、移動台１８の上部には、ガラスパイプＧに対して熱プラズマトーチ１０を相対的に接近及び離反させるステージ（移動手段）１９が備えられており、熱プラズマトーチ１０はこのステージ１９上に固定されている。なお、ガラス体に対して熱プラズマトーチを相対的に接近及び離反させる１軸（昇降）のステージに代えて、水平面内にも位置を調節することが可能な３軸のステージを用いても良い。また、支持部１１には、一方側に、原料ガス供給管２２が接続され、他方側に排気管２３が接続されている。

図７に示すガラス加工装置２０は、例えば図６のガラス旋盤２１に搭載されて用いられる。
図７に示すように、熱プラズマトーチ１０には、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に導入するガスの流量を調整する流量調整手段であるＭＦＣ（Mass Flow Controller）３１が接続されている。

また、ガラス加工装置２０は、ガラス体の温度分布を計測する温度分布計測装置（温度分布計測手段）３４と、温度分布計測装置３４によって計測された温度分布に基づいて、上記の高周波印加手段、ＭＦＣ３１もしくはステージ１９のうちの少なくとも一つを制御して、温度分布を調節する制御装置（制御手段）をさらに備えている。

温度分布計測装置３４は、ガラスパイプＧの温度を検知する放射温度計３３からの検知信号に基づいてガラスパイプＧの温度分布を計測するもので、計測した温度分布のデータを制御装置３２に送信する。温度分布は、熱プラズマトーチ１０によって加熱される加熱領域に対して、ガラスパイプＧの表面温度を長手方向に沿って計測されると良い。そのため、放射温度計３３は、ガラスパイプＧの長手方向に沿った移動が可能なように構成されており、熱プラズマトーチ１０の移動に合わせて常時加熱領域におけるガラスパイプＧの温度を計測することができる。

制御装置３２は、温度分布計測装置３４から送信された温度分布のデータに基づいて、電源６、ステージ１９及びＭＦＣ３１を制御することができる。電源６を制御する場合には、周波数やエネルギーの大きさを制御して、プラズマ火炎Ｆの温度を調節することができる。ステージ１９を制御する場合には、ガラスパイプＧと熱プラズマトーチ１０との相対位置を調節して、所望の位置に加熱領域を形成することができる。特に、熱プラズマトーチ１０とガラスパイプＧとの距離を調節することにより、プラズマ火炎Ｆの温度を変えずに、ガラスパイプＧへの加熱温度を調節することができる。ＭＦＣ３１を制御する場合には、所望のポートにガスを流してプラズマ火炎Ｆの拡がりを調節できるほか、その流量を調節することによってプラズマ火炎の温度を調節することができる。

次に、本発明に係るガラス加工方法の実施の形態の例について説明する。
本実施形態のガラス加工方法は、ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体とポートに導入されたガスに高周波を印加する手段とを有する熱プラズマトーチを用いて、プラズマ火炎を発生させてガラス体を加熱することを含むガラス加工方法であり、複数のポートの各々に導入するガスの流量を制御して、トーチ本体の中心軸と直交する方向のプラズマ火炎の拡がりを調節する調節工程と、調節工程により調節されたプラズマ火炎でガラス体を加熱する加熱工程を有する。また、ポートに導入するガスは、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素、空気のうちの少なくとも一つであることが好ましい。

次に、本発明のガラス加工方法の一実施形態であるガラス層堆積（ＭＣＶＤ法）について説明する。ＭＣＶＤ法では、ガラス体はガラスパイプであり、加熱工程は、ガラスパイプ内にガラス微粒子を生成するための原料ガスを導入し、熱プラズマトーチをガラスパイプの長手方向にトラバースさせつつ、ガラスパイプを加熱して、ガラスパイプの内側にガラス微粒子を堆積させる工程である。

図８は、ＭＣＶＤ法を説明する概念図である。チャック１３（図６参照）に支持したガラスパイプＧを回転させ、このガラスパイプＧ内に原料ガス供給管２２から四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ_４）などのガラス材料に酸素を添加した混合ガスからなる原料ガスを送り込む。この状態において、熱プラズマトーチ１０から所望の拡がりのプラズマ火炎Ｆを発生させ、長手方向に複数回トラバースさせる。

プラズマ火炎ＦによってガラスパイプＧが加熱され、加熱領域におけるガラスパイプＧの内側でシリカのガラス微粒子（ＳｉＯ_２）が生成する。そして、ガラス微粒子は、熱泳動効果によって、原料ガスの流れの下流側におけるガラスパイプＧの内周面に付着して堆積していく。その後、堆積したガラス微粒子は移動してきた熱プラズマトーチ１０によって加熱されて緻密化し、順次ガラス膜Ｇ１が形成される。

ＭＣＶＤ法においては、ガラスパイプＧを十分に加熱してガラス微粒子の生成効率を向上させることと、原料ガスの流れの下流側のガラスパイプＧの内面を比較的低温に保って熱泳動効果によりガラス微粒子の堆積効率を向上させることが望まれる。そのため、ＭＣＶＤ法では、プラズマ火炎Ｆの温度を高くし、かつ、加熱領域を狭くすると良い。

本実施形態では、プラズマ火炎Ｆの拡がりを調節する調節工程は、ガラスパイプＧの温度分布を計測し、計測された温度分布に基づいて各ＭＦＣを制御する。特に、本実施形態では、制御装置３２により、温度分布計測装置３４からの温度分布データに基づいて、各ＭＦＣ３１を制御し、各ポートに流すガス有無及び量を調整し、プラズマ火炎Ｆの拡がりを調節する。こうして、ガラスパイプＧは、急峻な温度勾配を有する温度分布にて加熱されることとなり、ガラス膜Ｇ１が効率的に形成される。プラズマ火炎Ｆによる加熱領域を狭くすると、大気中に含まれる微量の水分、金属不純物などがイオン化してガラスパイプＧに侵入及び拡散することを抑制することもできる。

ガラスパイプＧ内にガラス膜Ｇ１を複数層にわたり堆積させた後には、再び熱プラズマトーチ１０のプラズマ火炎ＦによってガラスパイプＧを加熱し、縮径させて中実化させる。もしくは、ガラスパイプＧの中心にガラスロッドを挿入し、その後、プラズマ火炎ＦによってガラスパイプＧを加熱して縮径させ、ガラスロッドと一体化させることで中実化する。

この際、ガラス膜Ｇ１を堆積する工程に続いて、プラズマ火炎Ｆの拡がりを再度調節する工程を有することが望ましい。このとき、制御装置３２は、温度分布計測装置３４からの温度分布データに基づいて、再びＭＦＣ３１を制御し、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に流すガスの有無及び量を調整し、プラズマ火炎Ｆの温度及び加熱領域を、中実化に適した値に調整する。中実化させる工程においては、プラズマ火炎Ｆの温度を低くして、なおかつ加熱領域を広くすると良い。これにより、ガラスパイプＧは、長手方向にわたって一様の割合で縮径が起こり、均一に中実化を図ることができる。

なお、上記の実施形態の例では、熱プラズマトーチ１０の各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４へのガスの導入の有無及び量を調整したが、ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４毎に異なる組成のガスを導入し、加工を施すガラス体の大きさや加工条件に応じて、温度分布が所望の分布となるように、導入するガスの組成を選択してプラズマ火炎の加熱領域や温度を調整しても良い。

また、各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に流すガスの有無及び量を調整するに際してフィードバックするための情報は、ガラスパイプＧの温度分布に限定されず、熱プラズマトーチ１０のトラバース毎に変化する可能性のあるガラスパイプＧの外径もしくは内径、ガラス膜Ｇ１の膜厚を用いることができる。また、制御装置３２は、ＭＦＣ３１の他に、高周波印加手段８による高周波の周波数やエネルギー、あるいはステージ１９による熱プラズマトーチ１０とガラスパイプＧとの距離を制御することにより、プラズマ火炎Ｆの温度や、ガラスパイプＧに対する熱プラズマトーチ１０の位置等を調節して、ガラスパイプＧが所定の温度分布となるように制御しても良い。

また、ＭＦＣ３１のガスの流量調整による温度分布の良好な制御性を得るために、熱プラズマトーチ１０の各ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４でのガスは、それぞれ層流もしくはこれに近い流れであることが好ましい。なお、この場合、ガスの流れのレイノルズ数としては、２０００〜３０００の範囲内であることが好ましい。

図９及び図１０は、ガラス膜Ｇ１を堆積する工程において、大気中に含まれる微量の水分、金属不純物などのイオンがガラスパイプＧへの侵入を確実に阻止することを図るガラス加工装置の概念図を示すものである。図９は、熱プラズマトーチ１０とガラスパイプＧの加熱領域のみを覆うカバー４１を備えたものであり、図１０は、熱プラズマトーチ１０のプラズマ火炎ＦとガラスパイプＧの全体を覆うカバー４２を備えたものである。これらのカバー４１，４２は、必ずしも熱プラズマトーチ１０の全体を覆う必要はなく、図１０に示した例のように、少なくともプラズマ火炎Ｆを覆っていれば良い。

カバー４１，４２には、ガス導入口４３及びガス排出口４４が設けられており、加熱加工時には、乾燥ガスが導入され、ガラスパイプＧの加熱領域周辺が、水分が少なく、かつ清浄な雰囲気に保持される。乾燥ガスとしては、金属不純物の濃度が１ppm以下とされた、例えば、窒素、アルゴン又はヘリウムなどの清浄の不活性ガスが好ましい。また、この乾燥ガスは、その露点が０℃以下であることが望ましいが、露点が−５０℃以下であるとさらに好ましい。

そして、このような構造のガラス加工装置によれば、プラズマ火炎Ｆの周辺の雰囲気から水分や不純物を除去することができ、ガラス膜Ｇ１の堆積工程時におけるガラスパイプＧ内への不純物イオンの侵入を確実に防止することができる。また、ガラス加工装置による光ファイバ母材の製造時に、熱プラズマトーチ１０へ導入するガスを上記のように低露点（０℃以下、好ましくは−５０℃以下）の乾燥ガスとすることが望ましく、このようにすれば、ガラスパイプＧへの水分の侵入をさらに確実に防止することができる。

本発明に係るガラス加工方法及びガラス加工装置は、例えば、ガラスロッドやガラスパイプ同士の接続、光ファイバ母材などのガラス体の延伸工程、火炎研磨、歪み除去等の各種のガラス加工にも適用できる。図１１は、本発明のガラス加工方法の他の実施形態であるガラスロッドの接続を説明する概念図である。ガラスロッドＧ２，Ｇ２ａを相互に接続する場合は、ガラスロッドＧ２の接続端面を熱プラズマトーチ１０のプラズマ火炎Ｆによって加熱して軟化させ、互いに突き合わせる。

図１２は、本発明のガラス加工方法の他の実施形態であるガラスロッドの延伸を説明する概念図である。ガラスロッドＧ３を延伸させる場合は、ガラスロッドＧ３を軸周りに回転させながら、熱プラズマトーチ１０のプラズマ火炎Ｆによって加熱して所定の引っ張り力によって引っ張る。

図１３は、本発明のガラス加工方法の他の実施形態であるガラスロッドの火炎研磨を説明する概念図である。ガラスロッドＧ４を火炎研磨する場合は、ガラスロッドＧ４を軸周りに回転させながら、熱プラズマトーチ１０のプラズマ火炎Ｆによって長手方向に沿って加熱する。これにより、ガラスロッドＧ４の表面のガラス層を気化させて、微小な傷や歪み、さらには付着した異物を取り除くことができる。

そして、上記の熱プラズマトーチ１０によれば、上記のような接続、延伸加工あるいは火炎研磨する場合にも、ガラス体の外径や長手方向で必要な加熱長さに合わせてプラズマ火炎の加熱領域を調節することにより、これらの加工を、不純物イオンの侵入を抑えつつ良好に行うことができる。特に、接続の場合、その接続箇所のみを効率良く的確に加熱して接続することにより、ガラスロッドへの不純物イオンの侵入を大幅に抑制することができる。

上記のガラス旋盤２０を用いて、外径３４ｍｍ、内径２６ｍｍの石英ガラスパイプを加熱した。なお、ガラス旋盤２０に設けられたトーチ本体は、図１４に示したトーチ本体５５であり、トーチ上部５７の外径が８０ｍｍのものである。加熱時の石英ガラスパイプの回転数は９０ｒｐｍ、トーチ本体のトラバース速度は１００ｍｍ／分、トーチ本体に供給するガスは乾燥空気であり、高周波電力は３０ｋＷ、周波数は３ＭＨｚである。ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３に流すガスの流量Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３（ＳＬＭ：Standard Litter per minute）を変えて、それぞれの場合の石英ガラスパイプの表面温度を放射温度計で測定した。その測定結果として、最高温度と１７００℃以上に加熱されている部分の長さ（加熱領域の長さ）を表１に示す。なお、加熱領域の長さは、石英ガラスパイプの長手方向の長さである。この表１に示すように、各ガスの流量を変化させることでプラズマ火炎の拡がりや温度を調節して、最高温度及び加熱領域の大きさを調節することが可能であることがわかる。

ＭＣＶＤ法の熱源とガラス中に拡散する水分量、及び光ファイバとしたときの伝送損失の関係を調べた。外径が３４ｍｍ、内径が２８ｍｍで塩素（Ｃｌ）を０．３ｗｔ％含む石英ガラスパイプ１１本の内側に、比屈折率が石英ガラスパイプより０．４％大きいガラスをＭＣＶＤ法で堆積させた。そのうち、１０本の石英ガラスパイプに対しては、熱源として熱プラズマトーチを用い、それぞれの石英ガラスパイプに対してトーチ本体に導入するガスの露点を変えた。また、残りの１本の石英ガラスパイプに対しては、比較のため熱源として酸水素バーナを用いた。何れの場合も、１分あたりの堆積量１ｇ／分で４０層のガラス膜を堆積させた後、熱プラズマトーチを用いて石英ガラスパイプを加熱し、縮径させて中実化した。こうして、コア・クラッド構造を有するガラスロッドを得た。このガラスロッドの一部を輪切りにして顕微ＦＴ−ＩＲ法によりガラスロッド表面部分の水酸基の濃度（ｗｔｐｐｍ）を測定した。

さらに、このガラスロッドを別のガラスパイプ内に挿入して、ガラスパイプを加熱して縮径させることで一体化し、光ファイバ母材とした。ここで用いたガラスパイプは、肉厚がガラスロッドの直径の１．７倍である。この光ファイバ母材を線引きして、得られたシングルモード光ファイバについて波長１．３８μｍにおける伝送損失α_１．３８と水酸基による吸収の強度Δα_ＯＨを測定した。この結果を表２に示す。なお、光ファイバの波長１．５５μｍにおける特性は、分散が１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが０．０６ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ、伝送損失が０．１８５ｄＢ／ｋｍ、実効断面積Ａ_ｅｆｆが７５μｍ^２であった。

実施例２と異なる種類の光ファイバを製造した場合について、ＭＣＶＤ法における熱源と光ファイバとしたときの伝送損失との関係を調べた。ＭＣＶＤ法によるガラス層の堆積までは、実施例２と同様に行った。実施例２ではＭＣＶＤ法でガラス層を堆積させた石英ガラスパイプをそのまま縮径させてガラスロッドとしたが、この実施例３では石英ガラスパイプに対する中心部の比屈折率差が０．５％、周辺部の比屈折率差が−０．４％であるガラスロッドを前記石英ガラスパイプ内に挿入して、熱プラズマトーチにより石英ガラスパイプを加熱し、縮径させて一体化した。こうして、コア・ディプレスト・リッジ・クラッド構造を有するガラスロッドを得た。

さらに、このガラスロッドを別のガラスパイプ内に挿入して、ガラスパイプを加熱して縮径させることで一体化し、光ファイバ母材とした。ここで用いたガラスパイプは、肉厚がガラスロッドの直径の２．３倍である。この光ファイバ母材を線引きして、得られた分散シフト光ファイバについて波長１．３８μｍにおける伝送損失α_１．３８と水酸基による吸収の強度Δα_ＯＨを測定した。この結果を表３に示す。なお、光ファイバの波長１．５５μｍにおける特性は、分散が６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが０．０３ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ、伝送損失が０．１９０ｄＢ／ｋｍ、実効断面積Ａ_ｅｆｆが５０μｍ^２であった。

表２及び表３に示すように、熱源が酸水素バーナである場合と比較して熱プラズマトーチを用いた場合の水酸基の濃度が大幅に低く抑えられ、光ファイバの伝送特性も良好である。また、ガスの露点が０℃以下では伝送損失α_１．３８が０．４ｄＢ／ｋｍ以下となり、ガスの露点が−５０℃以下では伝送損失α_１．３８が０．３ｄＢ／ｋｍ以下となった。

本発明に係るガラス加工方法で用いる熱プラズマトーチの一実施形態を示す概念図である。 図１に示した熱プラズマトーチを構成するトーチ本体の正面図である。 本発明に係るガラス加工方法で用いる熱プラズマトーチの他の実施形態を示す概念図である。 熱プラズマトーチを構成するトーチ本体の他の実施形態の正面図である。 熱プラズマトーチを構成するトーチ本体の他の実施形態の正面図である。 図７のガラス加工装置を有するガラス旋盤の側面図である。 本発明に係るガラス加工装置の一実施形態を示す概念図である。 本発明に係るガラス加工方法の一実施形態であるガラス層堆積の一例を示す概念図である。 本発明に係るガラス加工方法の一実施形態であるガラス層堆積の他の例を示す概念図である。 本発明に係るガラス加工方法の一実施形態であるガラス層堆積の他の例を示す概念図である。 本発明のガラス加工方法に係る他の実施形態であるガラスロッドの接続を示す概念図である。 本発明のガラス加工方法に係る他の実施形態であるガラスロッドの延伸を示す概念図である。 本発明のガラス加工方法に係る他の実施形態であるガラスロッドの火炎研磨を示す概念図である。 熱プラズマトーチを構成するトーチ本体の他の実施形態の正面図である。

符号の説明

１，２，３，４ パイプ
５，５ａ，５ｂ，５５ トーチ本体
６，６ａ 電源
７ コイル
７ａ 共振器
８ 高周波印加手段
１０ 熱プラズマトーチ
１９ ステージ（移動手段）
２０ ガラス加工装置
２１ ガラス旋盤
３１ ＭＦＣ（流量調整手段）
３２ 制御装置（制御手段）
３４ 温度分布計測装置（温度分布計測手段）
Ｆ プラズマ火炎
Ｇ ガラスパイプ（ガラス体）
Ｐ１〜Ｐ６ ポート

Claims (14)

1. ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体と前記ポートに導入されたガスに高周波を印加する手段とを有する熱プラズマトーチを用いて、プラズマ火炎を発生させてガラス体を加熱するガラス加工方法であって、
   前記複数のポートの各々に導入するガスの流量を制御して、前記トーチ本体の中心軸と直交する方向の前記プラズマ火炎の拡がりを調節する調節工程と、
   前記調節工程により調節された前記プラズマ火炎で前記ガラス体を加熱する加熱工程を有することを特徴とするガラス加工方法。
2. 請求項１に記載のガラス加工方法において、
   前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、酸素、窒素、空気のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とするガラス加工方法。
3. 請求項１または２に記載のガラス加工方法において、
   前記複数のポートに導入するガスは、全て同一組成であることを特徴とするガラス加工方法。
4. 請求項１または２に記載のガラス加工方法において、
   前記複数のポートに導入するガスは、複数組成のガスからなり、
   一つの前記ポートに対して一組成のガスを導入することを特徴とするガラス加工方法。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のガラス加工方法において、
   前記ガスは、露点が０℃以下であることを特徴とするガラス加工方法。
6. 請求項５に記載のガラス加工方法において、
   前記ガスは、露点が−５０℃以下であることを特徴とするガラス加工方法。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載のガラス加工方法において、
   前記調節工程は、前記ガラス体の温度分布を計測し、計測された温度分布に基づいて前記ガスの流量の制御を行うことを特徴とするガラス加工方法。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載のガラス加工方法において、
   前記複数のポートのうち内側のポートには第１のガスを導入し、
   前記複数のポートのうち外側のポートには第２のガスを導入し、
   前記調節工程は、前記第１のガス及び前記第２のガスの流量を制御して行うことを特徴とするガラス加工方法。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載のガラス加工方法において、
   前記ガラス体は、光ファイバ母材であることを特徴とするガラス加工方法。
10. 請求項１から８の何れか１項に記載のガラス加工方法において、
    前記ガラス体は、ガラスパイプであり、
    前記加熱工程は、前記ガラスパイプ内にガラス微粒子を生成するための原料ガスを導入し、前記熱プラズマトーチを前記ガラスパイプの長手方向に相対的にトラバースさせつつ、前記ガラスパイプを加熱して、前記ガラスパイプの内側に前記ガラス微粒子を堆積させる工程であることを特徴とするガラス加工方法。
11. 請求項１０に記載のガラス加工方法において、
    前記加熱工程の後に、
    前記プラズマ火炎の拡がりを再度調節する工程と、
    前記ガラスパイプを加熱して中実化する工程を有することを特徴とするガラス加工方法。
12. ガスを噴き出す複数のポートを備えたトーチ本体と前記ポートに導入されたガスに高周波を印加する高周波印加手段とを有する熱プラズマトーチと、
    前記複数のポートの各々に導入するガスの流量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とするガラス加工装置。
13. 請求項１２に記載のガラス加工装置において、
    前記ガラス体に対して前記熱プラズマトーチを相対的に接近及び離反させる移動手段が設けられていることを特徴とするガラス加工装置。
14. 請求項１３に記載のガラス加工装置において、
    前記ガラス体の温度分布を計測する温度分布計測手段と、
    前記温度分布計測手段によって計測された温度分布に基づいて、前記高周波印加手段、前記流量調整手段もしくは前記移動手段のうちの少なくとも一つを制御して、前記温度分布を調節する制御手段とが設けられていることを特徴とするガラス加工装置。