JP2004516221A - 石英ガラスから中空円筒を製造する方法、それによって製造された中空円筒と光学部材、及びその製造方法を行うための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、長軸を中心に回転する長尺支持体上にＳｉＯ_２粒子を堆積し、それによって円筒形の内孔付き多孔質ブランクを製造することを特徴とする石英ガラス管を製造する方法に関する。前記ブランクは、垂直に配設されていて、ブランクの内孔上部にある縮径部に係合する懸垂具を用いて加熱炉内に吊り下げられ、ガラス化される。本発明の目的は、複雑な治具なしに、実質上内孔が汚染される恐れなく、重いブランクを安全に固定することができる方法も提供することにある。このため、ＳｉＯ_２粒子が堆積されるとき、内孔（７）を成形することによって縮径部（６ｂ）が形成される。ガラス化については、縮径部（６ｂ）上にそれ自体を支持し、そうでない場合は、まったくそれに接触せずに円筒形の内孔（７）の方へ突き出る懸垂具（８，９，１０）が使用される。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、石英ガラスから中空円筒を製造する方法であって、その長軸を中心に回転する長尺支持体上にＳｉＯ_２粒子を堆積し、それによって円筒形の内孔付き多孔質ブランクを製造するステップと、ブランクの内孔上部に設けられた縮径部に係合する懸垂具により、加熱炉内で垂直方向に吊り下げられるブランクをガラス化するステップとを含む、中空円筒の製造方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、石英ガラス管及び異なる屈折率の石英ガラス層を同軸に配置することによって形成された導光構造を備える石英ガラス製の光学部材に関する。
【０００３】
更に、本発明は、長軸を中心に、またＳｉＯ_２粒子が堆積される外側円筒面上で回転できる本質的に円筒形である支持体を備え、それにより内孔付き多孔質ブランクを形成し、ガラス化工程中に垂直方向にブランクを保持するために内孔にはめ入れている懸垂具も備える、中空円筒の製造方法を行うための装置に関する。
【０００４】
（背景技術）
光ファイバ用プリフォームは、二酸化珪素スートの多孔質ブランク（今後「ブランク」あるいは「スート円筒」とも呼ぶ）の形式で中間生成物によって製造されることが多い。スート円筒の次の処理工程には、吊り下げ状にスート円筒をガラス化する加熱炉内で加熱するガラス化のステップが含まれ、それによって密度の高い石英ガラス管内でガラス化する。スート円筒を保持、マウントするための種々の手段が提案されている。
【０００５】
米国特許番号Ｎｏ．Ａ４，２５２，２５１から公知の方法において、マウントは、スート体の上部で半径方向の貫通孔を貫通し、その上にスート体が吊り下げられる白金線から構成される。
【０００６】
ドイツ特許公開番号Ｎｏ．ＤＥ−Ａ１ ２９ ０６ ０７０では、スート円筒に挿入する目的で、石英ガラス管が上部から下端のこぶのような突起部分を備える円筒形の内孔に挿入されるマウントを教示している。石英ガラス管を内孔にマウントすることについては、突起部分を９０度回転させると、これらの部分は軟質スート材に穿ち込まれる。
【０００７】
このような方法には好ましくない磨耗が伴うため、大容量の重いスート体の場合は、安全な取扱いが保証できない。
【０００８】
最後に、米国特許番号Ｎｏ．Ａ−４，３６２，５４５は、ＳｉＯ_２粒子の堆積中に、スート体の端においてその長さの一部にわたって安定した方法でスリーブがはめ込まれるマウントを開示している。このため、支持体はスリーブを貫通し、スリーブと支持体との間の隙間の中に留められているスペーサによって形状的に固定されている。例えば、スリーブと支持体は、アルミナ、黒鉛又は石英ガラスで作られている。キャリアとスリーブ部分の両方は、堆積中に形成途中のブランクにはめ込まれる。堆積後、支持体は取り除かれ、次の処理工程のためにはめ込まれたスリーブ上に、ブランクを垂直方向に吊り下げ状に保持できる。支持体の移動（回転）中のゆとりのために、支持体とスリーブとの間の隙間が裂けて広がったり、または堆積されたＳｉＯ_２原料によって隙間を埋めないことが起こり得るので、スリーブは、ブランクにはめ込まれない、あるいはブランクに不適切にはめ込まれる。従って、スリーブとキャリアの寸法をぴったり合わせたり、測定誤差を厳守したり、費用のかかる調整をする必要があり、特にこの部材が石英ガラス製のときは従来のホルダーの製造と使用がより困難になる。
【０００９】
上記タイプの方法と装置は、ヨーロッパ特許公開番号ＥＰ−Ａ ７０１ ９７５によって公知になっている。この文書では、支持脚部上にあって加熱領域に垂直方向に設けられ、その中で部分的に焼結される、円筒形内孔付きスート円筒を焼結する方法を教示している。ガラス化の最中に、スート円筒が収縮する多孔質グラファイトの支持管は、スート円筒の内孔を貫通する。公知の方法の特徴は、焼結中にスート円筒を吊り下げることである。これは、内孔の上部がその内径を狭め、焼結中にスート円筒の長軸が収縮するため、支持管の上面に載っていることになる、取り囲んでいる支持リングに穴をあけることで達成される。この工程では、スート円筒が支持脚部から下降するので、垂直に吊り下げた状態のスート円筒について、更なる焼結工程が行われる。
【００１０】
スート円筒の内孔内の支持リングを固定するため、好ましくない磨耗が起こり得る。特に、支持リングとスート円筒の内孔との直接接触のために、支持管の黒鉛からする発生する異物がスート円筒内を通り得る。
【００１１】
公知のスート円筒は、ガラス化後、光学プリフォームの製造に使用される。一般に知られるように、スート円筒は異なる屈折率の石英ガラス層を同軸に配列することによって形成される導光構造を有する。光ファイバは、プリフォームから得られる。光ファイバの光の透過減衰率は、プリフォームの石英ガラスに含まれる異物によって、特に導光領域内の異物によって本質的に影響を受ける。
【００１２】
（発明の解決しようとする課題）
本発明の目的は、複雑な支持具なしに、また、実質上内孔が汚染される恐れがない安全な方法で、ガラス化の最中に重いブランクを保持することもできるように、上記の方法を改良することと、そのために適切な支持具を特定することにある。更に、本発明の目的は、異物の含有量が少ないという特徴がある石英ガラス製の光学部材だけでなく、高純度の内孔を有する石英ガラス製の中空円筒も特定することにある。
【００１３】
（発明を解決するための手段）
方法については、ＳｉＯ_２粒子が堆積されるとき、内孔を成形することにより縮径部が形成され、ガラス化については縮径部上にそれ自体を支持し、そうでない場合は、まったくそれに接触せずに内孔の方へ突き出るために懸垂具が使用されることが、本発明により上記の方法をはじめとして前述の目的が達成される。
【００１４】
本発明によれば、堆積工程中に、内孔を成形することにより既に内孔の縮径部が形成されている。これによって、多孔質ブランクの次の処理工程で支持部材を固定する、また、それによっていつも起こる磨耗が生じるのも防ぐ。内孔の成形中に内孔の縮径部が形成されるので、先行技術について上記で説明するように支持部材をはめ込む必要はない。このことは、下記によって確認されるものとする。
【００１５】
内孔の成形中に形成された縮径部は、ブランクのガラス化の最中に懸垂具用の取り付け具としての機能を果たす。この縮径部は、ガラス化のために内孔にだけに導入される。堆積工程中に予め形成された縮径部を懸垂具上で支えるように、この懸垂具は内孔の方へ突き出るものとする。これにより、支持部材をブランクにはめ込まないで、またはブランクに固定しないで、ブランクを安定的に支持することができる。
【００１６】
内孔の縮径部は所定の原料から形成されるので、ブランクが汚染される恐れもない。
【００１７】
懸垂具の領域における縮径部との接触部とは別の位置では、その懸垂具はガラス化の最中にまったく非接触状態で内孔の中に突き出るものとする。その結果、ガラス化後に治具なしに成形された内孔を得ることができる。全く治具を用いない前述の成形は、全然傷がなく、また異物の含有量が少ないことが追加的な特徴である、滑らかな内表面を有する高い品質の内壁となる。
【００１８】
その全長に亘って見た場合、支持体は外径の縮退に伴ってテーパーになった部分に設けられ、テーパー部分の堆積も含めたＳｉＯ_２粒子の堆積にも支持体が使用されることにより、ＳｉＯ_２粒子の堆積中に縮径部が形成されることが好ましい。テーパーになった部分における外径の縮退により、ブランクの内孔が縮径する。外径の縮退は、支持体の外径がなだらかにテーパーになっていくこと、または段階的に縮退していくことである。外径の縮退は、回転対称であり、支持体の長軸に対して対称、または非対称である。それは、例えば片面で外側の支持面の平らになった部分から構成されてもよい。堆積工程後、アンダーカットで支持体を取り除くのが益々困難にならないようにすることだけが不可欠である。ひとつ、又は多くのテーパーになった部分が設けられる。ＳｉＯ_２粒子もテーパーになった部分に堆積されるので、形成途中のブランクは、少なくとも支持体の外径の縮退を覆う。
【００１９】
支持体の長軸に対して回転対称に外径を縮退することが特別に利点があると判明している。このような外径の縮退によって回転対称で、半径方向に取り囲んでいる内孔の縮径部ができ、それによって安定した取り付けが可能になる。
【００２０】
周状段差を含む外径の縮退が特に適している。この場合、内孔の縮径部は、対応する周状段差を有する。これにより簡単な方法でブランクを特定して安定的に取り付けられる。
【００２１】
この方法の特に好ましい変形例では、懸垂具は、上部から内孔の方へ突き出るので、縮径部の後ろで掴持する。懸垂具は上部から内孔の方に掴持するため、内孔内の支持具、例えば、一般的な方法で使用される「支持管」は、たいてい必要ではない。それにより、内孔が汚染されることと、内孔の壁と異物とが接触することは、大方は避けられる。最も簡単な場合では、内孔は段のような直径の縮径部、糸巻きと同じように形成される懸垂具を含み、その外径が内孔の内径よりも小さい支持脚部を含むが、直径の縮径部では内径よりも大きい、またそれは、直径の縮径部ではその外径が内径よりも小さい棒のようなホルダ−に接合される。
【００２２】
本発明の方法の更なる改良は、少なくとも懸垂具が部分的に石英ガラス製であることで達成される。ブランクのすぐ近傍の懸垂具が、部分的に石英ガラス製であることが好ましい。
【００２３】
また、ガラス化の最中、懸垂具をブランクに熔着する場合に利点があると判明している。これによって信頼性のあるブランクの取扱いを保証する密接で特に確実な接合が達成される。
【００２４】
中空円筒については、本発明により中空円筒は、ガラス化後に治具なしに成形された円筒形の内孔を備えることで、上記の目的が達成される。
【００２５】
上記の方法により、ガラス化の最中に中空円筒の円筒形の内孔の形を定める。本発明によれば、治具なしに成形することによって内孔が得られる。治具を用いないで成形することは、ガラス化の最中に、内孔内部に設けられた部材、例えば保持棒と壁とのあらゆる接触を避けることを意味しているので、高品質である内壁は全く傷のない、その上異物の含有量が少ない特徴がある滑らかな内表面で形成される。
【００２６】
円筒形の内孔には傷がなく、汚染されていないため、このように得られた中空円筒は、いわゆる「サブストレート管」の製造に適している。これらは、コア材をサブストレート管の内壁上の内側に堆積すること（「内付け気相堆積法」または「プラズマ気相堆積法」）によって光学プリフォームを製造するために使用される。しかし、中空円筒は、追加の外被原料を適用する目的で被覆コア・ロッド用のいわゆる「外被管」の形でも適している。
【００２７】
光学部材については、少なくとも石英ガラス層が、部分的に本発明に係る中空円筒から作製されていることにおいて、本発明の上記の目的は達成される。
【００２８】
光学部材は、いわゆるコア・ロッド、光学プリフォーム、または光ファイバである。少なくとも光学部材の石英ガラス層部分が本発明の石英ガラス棒でできているので、異物の含有量が少ないという特徴がある、従って、本発明のプリフォームから得られる、または本発明のコア・ロッドを用いることで得られる光ファイバは、低い光の透過減衰率を示す。
【００２９】
装置については、上記方法から始めることにより、支持体は第一部分長にわたる第一の大外径と、第二部分長にわたる第二の小外径を有することと、その懸垂具は、突起部に接合された長尺操作部を備えていて、長軸方向から見た場合、その操作部の外周を取り囲む周円の直径は、第二の外径よりも小さく、突起部の外周を取り囲む周円の直径は、長軸方向で見たとき、第一の外径よりも小さく、第二の外径よりも大きいことで、上記目的は本発明により達成される。
【００３０】
本発明に係る装置は、２つの別個の部材、すなわち一方は、ブランクを形成することでＳｉＯ_２粒子がその上に堆積される支持体と、もう一方は、ガラス化の最中に内孔にはめ入れている懸垂具との成形が適合することによってのみ得られる。本発明の上記方法についてより詳細に説明されているように、支持体の外見では、ブランクには第一部分長にわたる大直径と、第二部分長にわたる小直径とを有する内孔が設けられ、大直径から小直径への推移は、「縮径部」と示されている。また逆に、この縮径部は、懸垂具の取り付け具としての機能を果たす。このため、懸垂具は、小直径を有する内孔の部分長を貫通し、大直径を有する内孔の部分長を貫通するが、小直径を有する内孔の部分長を貫通しない突起部に接合される操作部を備える。ブランクは、懸垂具を用いることによって垂直方向に保持でき、懸垂具の突起部は、内孔の縮径部の後ろで掴持される。懸垂具と支持体はいずれも簡単に設計される。
【００３１】
第一部分長と第二部分長との間の支持体と、操作部と突起部との間の懸垂具とが各々周状段差を具備する場合に特に利点があることが判明している。このような段差は、特に簡単に製造でき、これによりガラス化の最中にブランクを垂直方向に再登載することができる。
【００３２】
（図面の簡単な説明）
次に、実施例と図面についてより詳細に本発明を説明する。図面は、下記のように概略詳細図である。
【００３３】
【図１】
段付き支持管を用いて多孔質ブランクを堆積する方法の１ステップを示す図である。
【００３４】
【図２】
ブランクをガラス化する方法の１ステップを示す図である。
【００３５】
図１は、段付き支持管３を用いて多孔質ブランク１を堆積する方法のステップを概略的に示す。支持管３上にＳｉＯ_２粒子を外側に堆積することによって、既知の火炎加水分解方法でブランク１を製造し、その支持管は、形成途中のブランク１の表面に沿って移動する１つ以上の加水分解バーナー（図１に図示せず）によって長軸２の回りを回転する。
【００３６】
支持管３は、第一の大長軸部４と第二の小長軸部５を有する。６０ｍｍの長軸部４の外径を周状段部６において支持管３の５４ｍｍの長軸部５の外径にまで縮小する。
【００３７】
堆積工程の完了後、長軸部４の方向にブランク１から引き上げることによって、支持管３を取り除く。このように製造されたブランク１は、約６０ｍｍの内径を有する内孔７を備えるが、長軸部５ｂの領域（図２を参照）は、１０ｃｍの長さにつき６ｍｍだけ縮小している。ブランク１の内孔内の段部６によって形成された周状段差は、図２に関連数字６ｂで表示される。
【００３８】
図２は、ブランク１をガラス化するステップを概略的に示す。このため、上記の堆積工程によって得られ、段付きの内孔７を有するブランク１は、上端からはじまってガラス化加熱炉内で帯状で垂直方向に加熱される。この工程では、ブランク１は、円形の石英ガラス板１０の中央に溶接される石英ガラス棒９から構成される懸垂具８によって保持される。石英ガラス板１０の外径は約５９ｍｍで、石英ガラス棒９の外径は約３０ｍｍである。
【００３９】
懸垂具８は下部からブランク１にはめ入れられ、ブランクを通って周状段差６ｂ上の取付け部まで上の方に引き上げられる。石英ガラス棒９の長さは５０ｃｍなので、長軸部５ｂ全体を貫通し、ブランク１の上端１１から突き出る。石英ガラス板１０が周状段差６ｂの後ろを掴持するので、ブランク１は懸垂具８によって安定的に保持できる。内孔７の成形中に形成された周状段差６ｂは、ブランク１のガラス化の最中に懸垂具８の取り付け具としての機能を果たす。
【００４０】
石英ガラス製の中空円筒は、ガラス化によってブランク１から得られる。ガラス化の最中に懸垂具８の一部（石英ガラス板１０と石英ガラス棒９の一部）がブランク１に熔着されるので、ブランク１と懸垂具８との間で確実で密接な接合ができる。懸垂具８には内孔７の円筒面との間に機械的接触がないため、ガラス化後に、全く治具なしに成形されていて、また高い表面品質を持つ内壁が得られる。
【００４１】
周状段差６ｂは、内孔７の成形中に作られるため、次に支持部材を固定する必要はないので、磨耗と異物の混入は避けられる。懸垂具８は、堆積工程後に初めて内孔７に挿入されるものであり、懸垂具は予め製造された周状段差６ｂに対応している。従って、支持部材は先行技術で知られているように、ブランク内にはめ込む必要もない。
【００４２】
図１に示す段部６付きの支持管３の代替品として、支持管３の外径は外径が６０ｍｍである長軸部４から外径が５４ｍｍである長軸部５まで円錐状にテーパーを持っている次の実施例において移行領域が設けられる。従って、前述の支持体によって成形されたブランクは、内孔を備える。ガラス化の最中にブランクを保持することについては、前述の内側の円錐に対応する外側の円錐を有する下部から支持部材をはめ入れる。この場合も、ガラス化の最中に、懸垂具と内孔の円筒面とのあらゆる接触を避けるので、ガラス化後に高い表面品質で、全く治具なしに成形されている内壁が得られる。
【００４３】
（発明の効果）
このように製造された石英ガラス製の中空円筒は、コア・ロッドを石英ガラス製の外被材料で被覆する「外被管」として使用するのに適していて、あるいは、いわゆる内付け気相堆積法による導光板用の光学プリフォームの製造用のいわゆる「支持管」の中で更に処理される。本発明に係る中空円筒を用いて製造されたプリフォームと光ファイバは、光の透過減衰率が低いことを特徴とする。

Claims (11)

1. 石英ガラスから中空円筒を製造する方法であって、その長軸を中心に回転する長尺支持体上にＳｉＯ_２粒子を堆積し、それによって円筒形の内孔付き多孔質ブランクを製造するステップと、ブランクの内孔上部に設けられた縮径部に係合する懸垂具により、加熱炉内で垂直方向に吊り下げられるブランクをガラス化するステップとを含み、ＳｉＯ_２粒子が堆積されるとき、内孔（７）を成形することによって前記縮径部（６ｂ）が形成され、懸垂具はガラス化する場合には前記縮径部（６ｂ）上にブランク自身を支持するのに使用され、またそうでない場合は、まったく内孔に接触せずに内孔（７）の方へ突き出ることを特徴とする、中空円筒を製造する方法。
2. ＳｉＯ_２粒子が堆積されるとき、支持体（３）を用いることによって、前記縮径部（６）が形成され、前記支持体は、長軸方向から見た場合、外径の縮退を伴ってテーパーになった部分（６）に設けられていて、前記ＳｉＯ_２粒子の堆積は、前記テーパーになった部分（６）の堆積も含むことを特徴とする、請求項１に記載の中空円筒を製造する方法。
3. 前記外径の縮退が前記支持体（３）の長軸（２）に対して回転対称であることを特徴とする、請求項２に記載の中空円筒を製造する方法。
4. 前記外径の縮退は、周状段差（６）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の中空円筒を製造する方法。
5. 前記懸垂具（８，９，１０）は、上部（１１）から内孔（７）の方へ突き出るので、前記縮径部（６ｂ）の後ろで掴持することを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の中空円筒を製造する方法。
6. 少なくとも前記懸垂具（８，９，１０）が部分的に石英ガラス製であることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の中空円筒を製造する方法。
7. 前記懸垂具（８，９，１０）は、ガラス化の最中に前記ブランク（１）に熔着されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の中空円筒を製造する方法。
8. ガラス化の後全く治具なしに成形された円筒形の内孔（７）を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項７の製造方法によって得られる中空円筒。
9. 石英ガラス製で、異なる屈折率の石英ガラス層を同軸に配置することによって形成された導光構造を有し、少なくとも前記石英層は部分的に請求項８に記載の中空円筒から作製されていることを特徴とする光学部材。
10. 長軸を中心に、またＳｉＯ_２粒子が堆積される外側円筒面上で回転でき、それによって内孔付きの多孔質ブランクを形成する本質的に円筒形である支持体と、ガラス化工程中に、垂直方向にブランクを保持するために内孔にはめ入れている懸垂具とを備え、前記支持体（３）は、第一の大外径を有する第一部分長（４）にわたり、第二の小外径を有する第二部分長（５）にわたって設けられ、前記懸垂具（８）は、突起部（１０）に接合された長尺操作部（９）を備えていて、前記操作部（９）の外周を取り囲む周円の直径とを含み、長軸方向から見た場合、前記の第二の外径よりも小さく、長軸方向から見た場合、前記突起部（１０）の外周を取り囲む周円の直径は、第一の外径よりも小さく、第二の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の中空円筒の製造方法を行うための装置。
11. 前記第一部分長（４）と前記第二部分長（５）との間の前記支持体（３）と、前記操作部（９）と突起部（１０）との間の前記懸垂具には、各々周状段差（６）が備えられていることを特徴とする、請求項１０に記載の製造方法を行うための装置。