JP2005154162A - ガラスパイプ加工方法及び装置、ガラスパイプ - Google Patents
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Abstract
【課題】 出発ガラスパイプを加熱して内付けや縮径等の加工を行う際にガラスパイプの非円化を抑制する。
【解決手段】 本発明に係るガラス加工方法は、ガラス加工装置１を用いて、外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である出発ガラスパイプＧに対し、その周囲を円環状に囲む発熱部２１を備えた加熱炉２０を出発ガラスパイプＧの長手方向に相対移動させて、出発ガラスパイプＧの内付けまたは縮径を行う際に、発熱部２１と出発ガラスパイプＧのうち少なくとも一方の温度を測定して、その測定した温度に基づいて発熱部２１の発熱量を調節する。
【選択図】 図２
【解決手段】 本発明に係るガラス加工方法は、ガラス加工装置１を用いて、外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である出発ガラスパイプＧに対し、その周囲を円環状に囲む発熱部２１を備えた加熱炉２０を出発ガラスパイプＧの長手方向に相対移動させて、出発ガラスパイプＧの内付けまたは縮径を行う際に、発熱部２１と出発ガラスパイプＧのうち少なくとも一方の温度を測定して、その測定した温度に基づいて発熱部２１の発熱量を調節する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、出発ガラスパイプと加熱源とを出発ガラスパイプの長手方向に相対移動させて、出発ガラスパイプの内付けや縮径を行うガラスパイプ加工方法及び装置、さらには内付けまたは縮径されたガラスパイプに関する。
光ファイバ母材を製造する工程において、ガラスパイプの内側にガラス層を形成する内付け工程（例えば、非特許文献１参照。）や、ガラスパイプを所望の径に縮径する工程が行われる。これらの工程では、ガラスパイプの外側に設けられた加熱源により、ガラスパイプをその長手方向に順次加熱していく。
例えば、内付けＣＶＤ法と呼ばれる内付け工程では、内付けの基板となる出発ガラスパイプの内側に、ガラス微粒子（ＳｉＯ２）を生成するためのガラス原料ガスを導入し、出発ガラスパイプの外側に設けた加熱源を出発ガラスパイプの長手方向に沿ってトラバースさせて出発ガラスパイプを加熱する。このように出発ガラスパイプを加熱することにより、出発ガラスパイプの内側に導入されたガラス原料ガスが酸化反応してガラス微粒子が生成される。そして、ガラス微粒子は、ガラス原料ガスの流れの下流側における出発ガラスパイプ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、加熱源のトラバースによって加熱されて透明化し、順次ガラス層が形成される。
このような内付け工程を繰り返し行い、出発ガラスパイプの肉厚が所望の厚さとなるまでガラス層を複数層形成して、光ファイバ母材の中間体をなすガラスパイプを形成することができる。
このような内付け工程を繰り返し行い、出発ガラスパイプの肉厚が所望の厚さとなるまでガラス層を複数層形成して、光ファイバ母材の中間体をなすガラスパイプを形成することができる。
さらに、縮径工程では、例えばコラプス法またはロッドインコラプス法により出発ガラスパイプの中実化を行う前工程として、出発ガラスパイプをその長手方向に沿って加熱して軟化させ、コラプス法と同様の表面張力作用によって出発ガラスパイプの径を小さくする。
「光ファイバ通信 国際版１９９１年（Optical Fiber Communications International Edition 1991）」，マクグローヒル出版社（McGraw-Hill Book Co.），ｐ．６６−６７
ところで、このようなガラス加工において使用される加熱源としては、一般に酸水素バーナが用いられている。酸水素バーナを用いる場合、その火炎は下から上に向かって上昇するため、通常は水平方向に配置した出発ガラスパイプをその軸回りに回転させつつ下側から火炎を当てて加熱を行う。その際、出発ガラスパイプの上側には直接火炎が当たらないため、出発ガラスパイプの円周方向にわたって均一な温度分布を得ることが難しく、出発ガラスパイプの粘性に円周方向の偏りが生じてしまう。
そのため、加工後のガラスパイプの形状に歪みを生じさせてしまうことがあった。また、火炎により発生する風圧により、軟化した出発ガラスパイプを局所的に収縮させてしまうことがあった。
そのため、加工後のガラスパイプの形状に歪みを生じさせてしまうことがあった。また、火炎により発生する風圧により、軟化した出発ガラスパイプを局所的に収縮させてしまうことがあった。
このように、加工されたガラスパイプに歪みが生じてその断面形状が非円化した場合、光ファイバ母材としての不具合を発生させてしまう。
例えば、内付け工程で形成されたガラスパイプをコラプス法により中実化してガラスロッドとし、光ファイバ母材のコア部分を形成した場合には、その母材から得られた光ファイバのコアも非円化してしまい、偏波分散を生じる等して伝送特性を低下させてしまう。
例えば、内付け工程で形成されたガラスパイプをコラプス法により中実化してガラスロッドとし、光ファイバ母材のコア部分を形成した場合には、その母材から得られた光ファイバのコアも非円化してしまい、偏波分散を生じる等して伝送特性を低下させてしまう。
なお、このようなガラスパイプの非円化は、出発ガラスパイプの径が大きく厚さが薄いほど顕著に発生していた。
本発明は、出発ガラスパイプを加熱して内付けや縮径等の加工を行う際にガラスパイプの非円化を抑制することのできるガラス加工方法及び装置、これにより加工されたガラスパイプ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、外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である出発ガラスパイプに対し、その周囲を円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉を前記出発ガラスパイプの長手方向に相対移動させて、前記出発ガラスパイプの内付けまたは縮径を行う際に、前記発熱部と前記出発ガラスパイプのうち少なくとも一方の温度を測定して、前記測定した温度に基づいて前記発熱部の発熱量を調節することを特徴としている。
なお、外径の非円率は、出発ガラスパイプの任意の円周上における外径のうち、最大値をａ、最小値をｂ、平均値をcとしたときに、次式（１）により定義することができる。
｛（ａ−ｂ）／ｃ｝×１００ ・・・（１）
なお、外径の非円率は、出発ガラスパイプの任意の円周上における外径のうち、最大値をａ、最小値をｂ、平均値をcとしたときに、次式（１）により定義することができる。
｛（ａ−ｂ）／ｃ｝×１００ ・・・（１）
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記発熱量の調節は、前記出発ガラスパイプの長手方向の１００ｍｍ以上の領域に対して、前記相対移動とともに少なくとも１回行うことが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記発熱部の外側に設けた温度測定器を用い、前記発熱部に設けた空隙部を通して、前記出発ガラスパイプの外表面の温度を測定することが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記ガラスパイプの最高温度の箇所から最高温度より３０℃低い温度となる箇所までの、前記出発ガラスパイプの長手方向に沿った距離を２０ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記相対移動の速度を１０ｍｍ／分以上とすることが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの円周方向における最高温度と最低温度との差を２００℃以下とすることが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプを、その中心軸回りに１０ｒｐｍ以上１５０ｒｐｍ以下の速度で回転させることが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの長手方向の１００ｍｍ以上の領域に対して、前記相対移動とともに前記出発ガラスパイプの外径を測定して、前記測定した外径に基づいて前記出発ガラスパイプの内側の圧力を少なくとも１回調節することが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記外径の測定は、レーザ光式モニタ、ＣＣＤカメラ、Ｘ線カメラのうち何れか１つ以上の外径測定器を用いて行うことが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記外径の測定は、前記発熱部の外側に設けた外径測定器を用い、前記発熱部に設けた空隙部を通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加工方法において、前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの内側と外側の圧力差を、１５００Ｐａ以下に調節することが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、前記出発ガラスパイプの外径Ｏｄと前記発熱部の内径ＩＤの比ＩＤ／Ｏｄを、１．１〜５．０の範囲内に設定することが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプは、本発明のガラスパイプ加工方法を用いて加工され、外径の非円率が０．５％以下であ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加工装置は、被加熱体である出発ガラスパイプの周囲を円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉と、前記出発ガラスパイプの内側にガスを供給するガス供給部と、前記出発ガラスパイプの内側からガスを排出するガス排出部と、前記出発ガラスパイプと前記加熱炉とを前記出発ガラスパイプの長手方向に相対移動させる移動手段と、前記発熱部と前記出発ガラスパイプのうち少なくとも一方の温度を測定する温度測定器と、前記発熱部の発熱量を調節する発熱量調節手段とを備え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加工装置において、前記出発ガラスパイプの外径を測定する外径測定器と、前記出発ガラスパイプの内側の圧力を調節する圧力調節手段とを備えていることが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工装置において、前記発熱部は、その内周側と外周側を貫通する空隙部を有することが好ましい。
また、本発明に係るガラスパイプ加工装置において、前記空隙部は、穴であって、前記穴は、複数形成され、前記発熱部の長手方向または周方向の何れにも並ばずに配置さ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加工装置において、前記加熱炉は、前記発熱部の周囲に誘導コイルを備えた誘導加熱炉であり、前記空隙部は、穴であって、前記誘導コイルの内側に配置された前記穴の１つあたりの内周側開口面積は、１０００ｍｍ２以下であり、前記誘導コイルの内側に配置された前記穴の内周側開口総面積は、前記誘導コイルの内側に位置する前記発熱部の内周側面積の５０％以下であることが好ましい。
本発明によれば、出発ガラスパイプを加熱して内付けや縮径等の加工を行う際にガラスパイプの非円化を抑制することのできるガラス加工方法及び装置、これにより加工されたガラスパイプを提供することができる。
以下、本発明に係る、ガラスパイプ加工方法、ガラスパイプ加工装置、ガラスパイプの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に、本発明に係るガラスパイプ加工方法を実施することのできるガラスパイプ加工装置を示す。
図１に示すガラスパイプ加工装置１は、所謂内付け法（内付けＣＶＤ法）により、出発ガラスパイプの内側でガラス微粒子を生成し、それを出発ガラスパイプの内側に堆積させてガラス膜を形成するものである。
図１に、本発明に係るガラスパイプ加工方法を実施することのできるガラスパイプ加工装置を示す。
図１に示すガラスパイプ加工装置１は、所謂内付け法（内付けＣＶＤ法）により、出発ガラスパイプの内側でガラス微粒子を生成し、それを出発ガラスパイプの内側に堆積させてガラス膜を形成するものである。
ガラスパイプ加工装置１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、それぞれ回動可能なチャック１３を有しており、これらチャック１３は、出発ガラスパイプＧの端部をそれぞれ把持し、出発ガラスパイプＧを水平に支持する。
２つの支持部１１の間には、出発ガラスパイプＧを加熱するための加熱炉２０が設けられている。この加熱炉２０には、出発ガラスパイプＧを円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉を用いることができ、例えば、誘導加熱炉や抵抗加熱炉を用いることができる。本実施形態では、誘導加熱炉を用いた場合について説明する。
２つの支持部１１の間には、出発ガラスパイプＧを加熱するための加熱炉２０が設けられている。この加熱炉２０には、出発ガラスパイプＧを円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉を用いることができ、例えば、誘導加熱炉や抵抗加熱炉を用いることができる。本実施形態では、誘導加熱炉を用いた場合について説明する。
加熱炉２０は、基台１２上の支持部１１の間に設けられた支持レール（移動手段）１４に対して取り付けられており、支持レール１４の長手方向に沿って移動することができる。支持レール１４は、チャック１３に把持された出発ガラスパイプＧの中心軸と平行に配置されており、加熱炉２０は出発ガラスパイプＧの中心軸と平行に移動する。
また、支持部１１には、一方側（図中左側）に、ガス供給管（ガス供給部）１５が接続され、他方側（図中右側）にバッファタンク１６及びガス排気管（ガス排出部）１７が接続されている。これらのガス供給管１５とバッファタンク１６及びガス排気管１７は、出発ガラスパイプＧの内部の空間と連続したガスの流路を形成している。
また、ガス供給管１５には、出発ガラスパイプＧの内部の空間へガスを導入するためのガス導入手段（図示せず）が接続されている。ガス導入手段は、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）等を、単一のガスもしくは適宜混合したガスとして導入することができるように構成されている。
また、ガス供給管１５には、出発ガラスパイプＧの内部の空間へガスを導入するためのガス導入手段（図示せず）が接続されている。ガス導入手段は、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）等を、単一のガスもしくは適宜混合したガスとして導入することができるように構成されている。
図１に示した加熱炉２０について説明する。
図２に示すように、本実施形態の加熱炉２０は、高周波誘電加熱方式の炉であり、誘導コイル２３に交流電流を流すことで発熱部２１が発熱する。発熱部２１は、出発ガラスパイプＧの周囲を円環状に囲む円筒形状をなしており、その材質はグラファイトまたはジルコンである。この発熱部２１がガラスの軟化点以上の温度に発熱することによって、出発ガラスパイプＧを加熱して軟化させる。なお、出発ガラスパイプＧの材質が、ＶＡＤ法等により作成された純度の高いガラスの場合、軟化点は１７００℃程度である。
誘導コイル２３は、発熱部２１の軸方向の中央部分を加熱するように配置されており、適宜その巻き数が設定されている。
また、発熱部２１と誘導コイル２３との間には、絶縁体２２が設けられている。
図２に示すように、本実施形態の加熱炉２０は、高周波誘電加熱方式の炉であり、誘導コイル２３に交流電流を流すことで発熱部２１が発熱する。発熱部２１は、出発ガラスパイプＧの周囲を円環状に囲む円筒形状をなしており、その材質はグラファイトまたはジルコンである。この発熱部２１がガラスの軟化点以上の温度に発熱することによって、出発ガラスパイプＧを加熱して軟化させる。なお、出発ガラスパイプＧの材質が、ＶＡＤ法等により作成された純度の高いガラスの場合、軟化点は１７００℃程度である。
誘導コイル２３は、発熱部２１の軸方向の中央部分を加熱するように配置されており、適宜その巻き数が設定されている。
また、発熱部２１と誘導コイル２３との間には、絶縁体２２が設けられている。
また、加熱炉２０は、発熱部２１の温度を測定する温度測定器２５と、出発ガラスパイプＧの温度を測定する温度測定器２４を備えている。温度測定器２５は、接触式または非接触式のどちらであっても良いが、温度測定器２４は、非接触式の放射温度計である。温度測定器２４は、出発ガラスパイプＧのうち、発熱部２１によって加熱された領域の温度を測定するためのものであり、好ましくは、誘導コイル２３の内側に位置した部分の外表面温度を測定できると良い。そのため、誘導コイル２３の内側に配置されている発熱部２１と絶縁体２２には、それぞれの内周側と外周側とを貫通した空隙部が、穴２１ａ，２２ａとして形成されている。
このような構成により、穴２１ａ，２２ａを通して、誘導コイル２３の外側に配置された温度測定器２４から出発ガラスパイプＧの加熱されている領域の外表面温度を直接測定することができる。
このような構成により、穴２１ａ，２２ａを通して、誘導コイル２３の外側に配置された温度測定器２４から出発ガラスパイプＧの加熱されている領域の外表面温度を直接測定することができる。
また、温度測定器２４，２５は、電流制御部２６に接続されており、それぞれの測定値を電流制御部２６に送ることができる。電流制御部２６は、温度測定器２４，２５により測定された温度に基づいて、誘導コイル２３に流す電流の大きさを調節するものである。誘導コイル２３に流す電流の大きさを調節することで、発熱部２１の発熱量を調節できる。すなわち、電流制御部２６は、発熱部２１の発熱量調節手段として機能する。また、発熱量の調節は、誘導コイル２３にかける電圧の大きさを調節して行っても良い。
また、出発ガラスパイプＧの複数箇所の温度を測定するために、出発ガラスパイプＧの温度を測定する温度測定器２４は、複数設けられていても良い。
なお、本発明においては、発熱部２１と出発ガラスパイプＧの少なくともどちらか一方の温度を測定できれば良い。
また、出発ガラスパイプＧの複数箇所の温度を測定するために、出発ガラスパイプＧの温度を測定する温度測定器２４は、複数設けられていても良い。
なお、本発明においては、発熱部２１と出発ガラスパイプＧの少なくともどちらか一方の温度を測定できれば良い。
また、加熱炉２０は、出発ガラスパイプＧの外径を測定することができる外径測定器２７を備えている。外径測定器２７は、レーザ光式モニタ、ＣＣＤカメラ、Ｘ線カメラのうち何れかを使用すると良い。また、外径測定器２７は、出発ガラスパイプＧのうち、加熱されている箇所または加熱された直後の箇所の外径を測定できることが好ましい。本実施形態では、誘導コイル２３の外側に外径測定器２７が配置されており、上記の温度測定用とは別に形成された発熱部２１と絶縁体２２の穴２１ａ，２２ａを通して、加熱されている箇所の外径を測定することができる。また、外径測定器２７は、流量制御部２８に接続されており、測定値を流量制御部２８に送ることができる。流量制御部２８は、外径測定器２７により測定された外径値に基づき、出発ガラスパイプＧの内側の圧力を調節するためのものである。
次に、図３に示す模式図を参照して、出発ガラスパイプＧの内側の圧力を調節するための構成について説明する。
図３に示すように、出発ガラスパイプＧの内側には、その一端側（図中左側）からガスが供給され、他端側（図中右側）からそのガスが排出される。ガスを排出するガス排気管１７と出発ガラスパイプＧとの間には、バッファタンク１６が設けられており、排出前のガスがこのバッファタンク１６内に溜められる。バッファタンク１６には、ガス管３１が接続されており、流量調節器（ＭＦＣ）３０により調節された流量のガスが適宜バッファタンク１６内に供給される。ガス管３１から供給されるガスの量によって、バッファタンク１６内の圧力が変化し、それに伴って出発ガラスパイプＧ内の圧力も変化する。
図３に示すように、出発ガラスパイプＧの内側には、その一端側（図中左側）からガスが供給され、他端側（図中右側）からそのガスが排出される。ガスを排出するガス排気管１７と出発ガラスパイプＧとの間には、バッファタンク１６が設けられており、排出前のガスがこのバッファタンク１６内に溜められる。バッファタンク１６には、ガス管３１が接続されており、流量調節器（ＭＦＣ）３０により調節された流量のガスが適宜バッファタンク１６内に供給される。ガス管３１から供給されるガスの量によって、バッファタンク１６内の圧力が変化し、それに伴って出発ガラスパイプＧ内の圧力も変化する。
また、バッファタンク１６には、バッファタンク１６内の圧力を測定する圧力計２９が取り付けられている。また、圧力計２９は、流量制御部２８に接続され、測定値はこの流量制御部２８に送られる。
このような構成により、外径測定器２７により測定された外径値と、圧力計２９により測定されたバッファタンク１６内の圧力値に基づいて、流量制御部２８が流量調節器３０を制御して、バッファタンク１６内の圧力を調節する。バッファタンク１６内の圧力が調節されることによって、出発ガラスパイプＧ内の圧力が調節され、軟化した出発ガラスパイプＧの外径を調節することができる。
このような構成により、外径測定器２７により測定された外径値と、圧力計２９により測定されたバッファタンク１６内の圧力値に基づいて、流量制御部２８が流量調節器３０を制御して、バッファタンク１６内の圧力を調節する。バッファタンク１６内の圧力が調節されることによって、出発ガラスパイプＧ内の圧力が調節され、軟化した出発ガラスパイプＧの外径を調節することができる。
また、発熱部２１に穴２１ａが形成されていることで、その穴２１ａに面した出発ガラスパイプＧの領域は、周囲に比べてその加熱の度合が低くなってしまうおそれがある。そのため、図２に示すように、発熱部２１に形成された複数の穴２１ａは、発熱部２１における同一長手方向または同一円周方向の何れにも並ばないように配置されていることが好ましい。
さらに、誘導コイル２３の内側に配置された穴２１ａの、１つあたりの内周側の開口面積を１０００ｍｍ２以下としておくことで、穴２１ａが形成されたことによる加熱に対する影響を少なくして、均一な加熱状態を保つことができる。また、発熱部２１による加熱効率を良好に保つために、誘導コイル２３の内側に配置された全ての穴２１ａの内周側の開口総面積を小さくすることが望ましい。例えば、誘導コイル２３の内側に位置する発熱部２１の内周側面積に対して、穴２１ａの内周側の開口総面積を５０％以下とすると良い。
さらに、誘導コイル２３の内側に配置された穴２１ａの、１つあたりの内周側の開口面積を１０００ｍｍ２以下としておくことで、穴２１ａが形成されたことによる加熱に対する影響を少なくして、均一な加熱状態を保つことができる。また、発熱部２１による加熱効率を良好に保つために、誘導コイル２３の内側に配置された全ての穴２１ａの内周側の開口総面積を小さくすることが望ましい。例えば、誘導コイル２３の内側に位置する発熱部２１の内周側面積に対して、穴２１ａの内周側の開口総面積を５０％以下とすると良い。
また、上記の発熱部２１は、空隙部として穴２１ａが形成された円筒形状をなしたものであるが、発熱体の形状は出発ガラスパイプの周囲を円環状に囲むものであれば他の形態であっても良い。
例えば他の発熱部として、図４に示すように、出発ガラスパイプＧの長手方向（図中左右方向）に蛇行して全体として円筒形状をなす形状としても良い。この形態では、蛇行した隙間が、出発ガラスパイプＧの長手方向に沿って形成されて発熱部の外周側と内周側を貫通する、スリット状の空隙部３６である。そして、この空隙部３６を通して出発ガラスパイプＧの温度や外径を測定することができる。
また、図４に示すように、円周方向に不連続となっている箇所の両側に電極を接続して、発熱部３５を電気抵抗式で発熱させることができる。その場合、図２に示したような誘導コイルは不要である。
また、他の発熱部として、２つ以上の円筒形状に分かれてその隙間が空隙部として形成された発熱部であっても良い。
例えば他の発熱部として、図４に示すように、出発ガラスパイプＧの長手方向（図中左右方向）に蛇行して全体として円筒形状をなす形状としても良い。この形態では、蛇行した隙間が、出発ガラスパイプＧの長手方向に沿って形成されて発熱部の外周側と内周側を貫通する、スリット状の空隙部３６である。そして、この空隙部３６を通して出発ガラスパイプＧの温度や外径を測定することができる。
また、図４に示すように、円周方向に不連続となっている箇所の両側に電極を接続して、発熱部３５を電気抵抗式で発熱させることができる。その場合、図２に示したような誘導コイルは不要である。
また、他の発熱部として、２つ以上の円筒形状に分かれてその隙間が空隙部として形成された発熱部であっても良い。
なお、本発明においては、発熱部の径方向外側から出発ガラスパイプの温度や外径の測定を行うためには、必ずしも物理的な空間が形成された空隙部を設ける必要はなく、例えば温度測定器や外径測定器のセンサ光（赤外線等）が透過する箇所を設ければ良い。
次に、図１から図３に示したガラスパイプ加工装置１を用いて出発ガラスパイプＧに内付けを行う方法について説明する。
なお、本発明において用いられる出発ガラスパイプＧは、外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である。好ましくは、内径が２４ｍｍ以上であると良い。このような径が大きく厚さが薄い出発ガラスパイプを用いる場合に、本発明の非円抑制効果を顕著に得ることができる。
また、出発ガラスパイプＧの長さは、例えば６００ｍｍ程度のものを好適に用いることができる。
なお、本発明において用いられる出発ガラスパイプＧは、外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である。好ましくは、内径が２４ｍｍ以上であると良い。このような径が大きく厚さが薄い出発ガラスパイプを用いる場合に、本発明の非円抑制効果を顕著に得ることができる。
また、出発ガラスパイプＧの長さは、例えば６００ｍｍ程度のものを好適に用いることができる。
さらに、使用する出発ガラスパイプＧの外径を適宜設定することにより、出発ガラスパイプの外径Ｏｄと前記発熱部の内径ＩＤの比ＩＤ／Ｏｄを、１．１〜５．０の範囲内に設定することが好ましい。このような設定により、発熱部２１と出発ガラスパイプＧとの間の間隙Ｌ３が狭くなって出発ガラスパイプＧを効率的に加熱することができ、加工して得られるガラスパイプの真円化を促進できる。また、発熱部２１と出発ガラスパイプＧとの間の空間が小さくなり、出発ガラスパイプＧに加わる外圧の変動を小さくすることができる。
内付けを行う際には、まず、ガス導入手段により、四塩化ケイ素と酸素を含むガラス原料ガスを出発ガラスパイプＧの内側に導入する。ガラス原料ガスには、ガラス原料ガス中の四塩化ケイ素の分圧を調整するためにヘリウムが含まれていても良い。また、酸素の量によっても四塩化ケイ素の分圧を調整することができる。
このように、出発ガラスパイプＧの内側に適宜ガスを導入しつつ、出発ガラスパイプＧをその中心軸回りに回転させる。回転速度は、例えば１０ｒｐｍ以上１５０ｒｐｍ以下とする。回転速度を１０ｒｐｍ以上とすることで、出発ガラスパイプＧの円周方向の温度差を小さくすることができる。例えば、加熱されている領域における円周方向の最高温度と最低温度の差を、２００℃以下とすることが容易である。これにより、出発ガラスパイプＧの円周方向の粘度差を小さくして、非円化を防止することができる。さらに好ましくは、加熱されている領域における円周方向の最高温度と最低温度の差を、５０℃以下とすると良い。
また、回転速度を１５０ｒｐｍ以下とすることで、遠心力が過大となることによる出発ガラスパイプの振れ回りの発生を抑制できる。
また、回転速度を１５０ｒｐｍ以下とすることで、遠心力が過大となることによる出発ガラスパイプの振れ回りの発生を抑制できる。
次に、出発ガラスパイプＧの外側の表面温度が、例えば１９００℃から２１００℃程度の範囲内の所望の温度となるように、誘導コイル２３に電流を流して発熱部２１の温度を昇温させる。
そして、加熱炉２０を出発ガラスパイプＧの一端側から他端側に向けて（すなわち、長手方向に沿って）トラバースする。このとき、トラバースを開始する位置は、ガラス原料ガスが供給されるガス供給管１５が設置された側とする。なお、トラバースする速度は、１０ｍｍ／分以上に設定する。このようなトラバース速度とすることで、図２に示すように、出発ガラスパイプＧの最高温度となる箇所Ｔ１から、その最高温度より３０℃温度が下がる箇所Ｔ２までの距離Ｌ２を長くすることができ、出発ガラスパイプＧの長手方向における粘度の変化の割合を小さくすることができる。したがって、出発ガラスパイプＧの長手方向における外径の変動を抑制することができる。
そして、加熱炉２０を出発ガラスパイプＧの一端側から他端側に向けて（すなわち、長手方向に沿って）トラバースする。このとき、トラバースを開始する位置は、ガラス原料ガスが供給されるガス供給管１５が設置された側とする。なお、トラバースする速度は、１０ｍｍ／分以上に設定する。このようなトラバース速度とすることで、図２に示すように、出発ガラスパイプＧの最高温度となる箇所Ｔ１から、その最高温度より３０℃温度が下がる箇所Ｔ２までの距離Ｌ２を長くすることができ、出発ガラスパイプＧの長手方向における粘度の変化の割合を小さくすることができる。したがって、出発ガラスパイプＧの長手方向における外径の変動を抑制することができる。
また、距離Ｌ２は、誘導コイル２３を設けた長さＬ１によっても異なるため、予め誘導コイル２３の長さＬ１を長くしておくことで、距離Ｌ２を長くすることが容易である。なお、距離Ｌ２は、例えば２０ｍｍ以上であると良い。
さらに、本実施形態においては、穴２１ａ，２２ａを通して、温度測定器２４により、加熱されている出発ガラスパイプＧの外表面の温度を測定し、その測定値が所望の値となるように、電流制御部２６によって誘導コイル２３の電流を制御し、発熱部２１の発熱量を調節する。これにより、出発ガラスパイプＧの温度を長手方向で一定となるように制御して、出発ガラスパイプＧの形状を長手方向で均一化することができる。
もしくは、予め発熱部２１の温度と出発ガラスパイプＧの温度との関係を調べておき、温度測定器２４により測定した発熱部２１の温度を基に、出発ガラスパイプＧの温度が所望の値となるように発熱部２１の発熱量を調節してもよい。
また、発熱部２１の温度と出発ガラスパイプＧの温度の両方の測定値を用いて、発熱部２１の発熱量を調節すると、さらに精度良く出発ガラスパイプＧの温度を制御することができる。
もしくは、予め発熱部２１の温度と出発ガラスパイプＧの温度との関係を調べておき、温度測定器２４により測定した発熱部２１の温度を基に、出発ガラスパイプＧの温度が所望の値となるように発熱部２１の発熱量を調節してもよい。
また、発熱部２１の温度と出発ガラスパイプＧの温度の両方の測定値を用いて、発熱部２１の発熱量を調節すると、さらに精度良く出発ガラスパイプＧの温度を制御することができる。
なお、この発熱部２１の発熱量の調節は、少なくとも１回のトラバース中において、出発ガラスパイプＧの長手方向１００ｍｍ以上の領域に対して継続的に行うと良い。
また、穴２１ａ，２２ａを通して、外径測定器２７により、加熱されている出発ガラスパイプＧの外径を測定し、その測定値が所望の値となるように、外径測定器２７により測定された外径値と、圧力計２９により測定されたバッファタンク１６内の圧力値に基づいて、流量制御部２８により流量調節器３０を制御する。これによりバッファタンク１６内の圧力とともに出発ガラスパイプＧ内の圧力を調節して、軟化した出発ガラスパイプＧの外径を調節して所望の値に保つことができる。したがって、出発ガラスパイプＧの形状を長手方向で均一化することができる。
また、圧力の調節を行う際には、出発ガラスパイプＧの内側と外側の圧力差が、１５００Ｐａ以下となるように調節すると良い。出発ガラスパイプＧの内外の差圧を１５００Ｐａ以下に小さく保つことで、出発ガラスパイプＧの急激な変形を防ぎ、非円化を抑制することができる。
なお、この圧力の調節は、少なくとも１回のトラバース中において、出発ガラスパイプＧの長手方向１００ｍｍ以上の領域に対して継続的に行うと良い。
図２に示すように、ガラス原料ガスが導入されている状態で加熱炉２０が出発ガラスパイプＧの長手方向にトラバースされると、加熱された領域における出発ガラスパイプＧの内側では、四塩化ケイ素が酸化反応を起こして、シリカ（ＳｉＯ２）であるガラス微粒子（ススと呼ばれる）Ｇ１が生成される。そして、このガラス微粒子Ｇ１は、熱泳動効果によって、ガラス原料ガスの流れの下流側における出発ガラスパイプＧの内側に付着して堆積（スス付けと呼ばれる）していく。そして、ガラス微粒子Ｇ１が堆積した部分には多孔質状のガラス微粒子堆積体Ｇ２が形成されるとともに、加熱炉２０のトラバースによって加熱されて透明化し、順次ガラス層Ｇ３が形成される。
ガラス層Ｇ３を堆積させ、加熱炉２０を出発ガラスパイプＧの他端側（ガス排気管１７側）までトラバースした後、加熱炉２０の温度を、出発ガラスパイプＧの内側でガラス微粒子Ｇ１が生成しない程度の温度（例えば、出発ガラスパイプＧの表面温度が５００℃程度となる温度）まで下げる。そして、温度を下げた加熱炉２０を、スス付けを開始したガス供給管１５側までトラバースして戻す。
さらに上記のトラバースによる往復移動を複数回繰り返して、所望の厚さのガラス層Ｇ３を形成する。これにより、光ファイバ母材の中間体をなす所望のガラスパイプを形成することができる。なお、出発ガラスパイプＧ内に供給するガスに、四塩化ゲルマニウム等の屈折率調整用のガスを含ませることで、屈折率が調整されたガラス層Ｇ３を形成することができる。
また、本発明に係るガラスパイプ加工方法において、上述した出発ガラスパイプの内付けと同様の制御を行って、出発ガラスパイプの縮径を行うこともできる。
図５に示すように、出発ガラスパイプＧの縮径を行う際には、上記のガラスパイプ加工装置１（図１から図３参照）を用いて、同様の温度制御や圧力制御を行いつつ縮径を行って、非円率の小さいガラスパイプを得ることができる。なお、出発ガラスパイプＧの内側に供給するガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを用いると良い。また、出発ガラスパイプＧの内側の圧力は、出発ガラスパイプＧの外側に対して負圧とすることで、容易に縮径を行うことができるが、出発ガラスパイプＧの外側に対してやや陽圧とすることで、非円率をさらに低減することができる。
図５に示すように、出発ガラスパイプＧの縮径を行う際には、上記のガラスパイプ加工装置１（図１から図３参照）を用いて、同様の温度制御や圧力制御を行いつつ縮径を行って、非円率の小さいガラスパイプを得ることができる。なお、出発ガラスパイプＧの内側に供給するガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを用いると良い。また、出発ガラスパイプＧの内側の圧力は、出発ガラスパイプＧの外側に対して負圧とすることで、容易に縮径を行うことができるが、出発ガラスパイプＧの外側に対してやや陽圧とすることで、非円率をさらに低減することができる。
以上説明したガラスパイプ加工方法及びガラスパイプ加工装置によれば、得られるガラスパイプの非円化を効果的に抑制して、外径の非円率が０．５％以下のガラスパイプを得ることができる。
次に、本発明に係る実施例について説明する。
上述したガラスパイプ加工装置１を用いて、上述した温度制御や圧力制御を行いつつ、出発ガラスパイプＧの内付けを行った。出発ガラスパイプＧは、外径３５ｍｍ、内径２７ｍｍ、非円率０．３％のものを用いた。また、内付け時の加熱炉２０のトラバース速度は、１００ｍｍ／分であり、出発ガラスパイプＧの回転速度は４０ｒｐｍとした。また、内付け時の出発ガラスパイプＧの内側の圧力は、外側の大気圧に対して８０Ｐａ高い圧力とした。さらに、加熱された出発ガラスパイプＧの外表面の最高温度は２１００℃であった。
さらに、本実施例の結果と比較するために、加熱源に酸水素バーナを用いて、同様に出発ガラスパイプＧの内付けを行った。
上述したガラスパイプ加工装置１を用いて、上述した温度制御や圧力制御を行いつつ、出発ガラスパイプＧの内付けを行った。出発ガラスパイプＧは、外径３５ｍｍ、内径２７ｍｍ、非円率０．３％のものを用いた。また、内付け時の加熱炉２０のトラバース速度は、１００ｍｍ／分であり、出発ガラスパイプＧの回転速度は４０ｒｐｍとした。また、内付け時の出発ガラスパイプＧの内側の圧力は、外側の大気圧に対して８０Ｐａ高い圧力とした。さらに、加熱された出発ガラスパイプＧの外表面の最高温度は２１００℃であった。
さらに、本実施例の結果と比較するために、加熱源に酸水素バーナを用いて、同様に出発ガラスパイプＧの内付けを行った。
そして、加熱源を上記の加熱炉２０とした場合と、酸水素バーナとした場合に得られたそれぞれのガラスパイプについて、任意の箇所の円周方向に沿ってその外径を測定した。この結果のグラフを、図６に示す。
図６に示すように、加熱炉２０を用いて内付けを行った本発明に係る実施例は、外径の変動が少なく、非円率が０．２％程度であった。これに対して、酸水素バーナを用いて内付けを行った比較例は、外径の変動が大きく、非円率が０．５％より大きくなっていた。
このように、本発明に係るガラスパイプ加工方法及びガラスパイプ加工装置によれば、外径の非円率が小さいガラスパイプを得られることが確認できた。
このように、本発明に係るガラスパイプ加工方法及びガラスパイプ加工装置によれば、外径の非円率が小さいガラスパイプを得られることが確認できた。
１ ガラスパイプ加工装置
１１ 支持部
１２ 基台
１３ チャック
１４ 支持レール（移動手段）
１５ ガス供給管（ガス供給部）
１６ バッファタンク
１７ ガス排気管（ガス排出部）
２０ 加熱炉
２１ 発熱部
２１ａ 穴
２２ 絶縁体
２２ａ 穴
２３ 誘導コイル
２４，２５ 温度測定器
２６ 電流制御部（発熱量調整手段）
２７ 外径測定器
２８ 流量制御部（圧力調整手段）
２９ 圧力計
３０ 流量調節器
３１ ガス管
３５ 発熱部
３６ 空隙部
Ｇ 出発ガラスパイプ
Ｇ１ ガラス微粒子
Ｇ２ ガラス微粒子堆積体
Ｇ３ ガラス層
１１ 支持部
１２ 基台
１３ チャック
１４ 支持レール（移動手段）
１５ ガス供給管（ガス供給部）
１６ バッファタンク
１７ ガス排気管（ガス排出部）
２０ 加熱炉
２１ 発熱部
２１ａ 穴
２２ 絶縁体
２２ａ 穴
２３ 誘導コイル
２４，２５ 温度測定器
２６ 電流制御部（発熱量調整手段）
２７ 外径測定器
２８ 流量制御部（圧力調整手段）
２９ 圧力計
３０ 流量調節器
３１ ガス管
３５ 発熱部
３６ 空隙部
Ｇ 出発ガラスパイプ
Ｇ１ ガラス微粒子
Ｇ２ ガラス微粒子堆積体
Ｇ３ ガラス層
Claims (18)
- 外径が３０ｍｍ以上であり、肉厚が３ｍｍ以上かつ１５ｍｍ未満であり、外径の非円率が１．０％以下である出発ガラスパイプに対し、その周囲を円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉を前記出発ガラスパイプの長手方向に相対移動させて、前記出発ガラスパイプの内付けまたは縮径を行う際に、前記発熱部と前記出発ガラスパイプのうち少なくとも一方の温度を測定して、前記測定した温度に基づいて前記発熱部の発熱量を調節することを特徴とする、ガラスパイプ加工方法。
- 請求項１に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記発熱量の調節は、前記出発ガラスパイプの長手方向の１００ｍｍ以上の領域に対して、前記相対移動とともに少なくとも１回行うことを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１または２に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記発熱部の外側に設けた温度測定器を用い、前記発熱部に設けた空隙部を通して、前記出発ガラスパイプの外表面の温度を測定することを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から３の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記ガラスパイプの最高温度の箇所から最高温度より３０℃低い温度となる箇所までの、前記出発ガラスパイプの長手方向に沿った距離を２０ｍｍ以上とすることを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から４の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記相対移動の速度を１０ｍｍ／分以上とすることを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から５の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの円周方向における最高温度と最低温度との差を２００℃以下とすることを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から６の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプを、その中心軸回りに１０ｒｐｍ以上１５０ｒｐｍ以下の速度で回転させることを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から７の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの長手方向の１００ｍｍ以上の領域に対して、前記相対移動とともに前記出発ガラスパイプの外径を測定して、前記測定した外径に基づいて前記出発ガラスパイプの内側の圧力を少なくとも１回調節することを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項８に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記外径の測定は、レーザ光式モニタ、ＣＣＤカメラ、Ｘ線カメラのうち何れか１つ以上の外径測定器を用いて行うことを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項８または９に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記外径の測定は、前記発熱部の外側に設けた外径測定器を用い、前記発熱部に設けた空隙部を通して行うことを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から１０の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記内付けまたは前記縮径を行う際に、前記出発ガラスパイプの内側と外側の圧力差を、１５００Ｐａ以下に調節することを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から１１の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法であって、
前記出発ガラスパイプの外径Ｏｄと前記発熱部の内径ＩＤの比ＩＤ／Ｏｄを、１．１〜５．０の範囲内に設定することを特徴とするガラスパイプ加工方法。 - 請求項１から１２の何れか１項に記載のガラスパイプ加工方法を用いて加工され、外径の非円率が０．５％以下であることを特徴とするガラスパイプ。
- 被加熱体である出発ガラスパイプの周囲を円環状に囲む発熱部を備えた加熱炉と、
前記出発ガラスパイプの内側にガスを供給するガス供給部と、
前記出発ガラスパイプの内側からガスを排出するガス排出部と、
前記出発ガラスパイプと前記加熱炉とを前記出発ガラスパイプの長手方向に相対移動させる移動手段と、
前記発熱部と前記出発ガラスパイプのうち少なくとも一方の温度を測定する温度測定器と、
前記発熱部の発熱量を調節する発熱量調節手段とを備えていることを特徴とするガラスパイプ加工装置。 - 請求項１４に記載のガラスパイプ加工装置であって、
前記出発ガラスパイプの外径を測定する外径測定器と、
前記出発ガラスパイプの内側の圧力を調節する圧力調節手段とを備えていることを特徴とするガラスパイプ加工装置。 - 請求項１４または１５に記載のガラスパイプ加工装置であって、
前記発熱部は、その内周側と外周側を貫通する空隙部を有することを特徴とするガラスパイプ加工装置。 - 請求項１６に記載のガラスパイプ加工装置であって、
前記空隙部は、穴であって、
前記穴は、複数形成され、前記発熱部の同一長手方向または同一円周方向の何れにも並ばずに配置されていることを特徴とするガラスパイプ加工装置。 - 請求項１６または１７に記載のガラスパイプ加工装置であって、
前記加熱炉は、前記発熱部の周囲に誘導コイルを備えた誘導加熱炉であり、
前記空隙部は、穴であって、
前記誘導コイルの内側に配置された前記穴の１つあたりの内周側開口面積は、１０００ｍｍ２以下であり、
前記誘導コイルの内側に配置された前記穴の内周側開口総面積は、前記誘導コイルの内側に位置する前記発熱部の内周側面積の５０％以下であることを特徴とするガラスパイプ加工装置。
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