JP2005528318A - 外部気相蒸着法を用いた光ファイバ母材の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

バーナから噴射される燃料ガスが反応して生成されるスート粒子を回転する心棒の表面に烝着させることにより、光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造方法において、回転する上記母材の表面上の一地点の軌跡速度を、上記スート粒子を烝着させる間一定に保ったりまたはしだいに減少させることで、上記母材に烝着されるスート粒子の烝着密度が母材の外径に関係なく一定となるようにしたりまたは外径方向へしだいに増加すべく制御する光ファイバ母材の製造方法及び装置が開示される。

Description

本発明は光ファイバ母材の製造に関するものであり、詳しくは外部気相蒸着法(Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；以下ＯＶＤと称する)を用いて光ファイバ母材を製造するにおいて、スート粒子が母材に烝着する過程を制御して良質の光ファイバ母材が得られる製造方法及び装置に関する。

最近、光ファイバ母材の製造において一般に使用されている工法としては、大別してＭＣＶＤ(Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、ＯＶＤ、ＶＡＤ(Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ Ａｘｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、ＰＣＶＤ(Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)などがあり、このうちＯＶＤ工法は、烝着率が高く光ファイバ母材を大きく作製できるため、広く用いられている。

上記のＯＶＤ工法は、図１を参照して説明すると、回転する心棒２にＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２等のスート粒子３を烝着させることにより、母材４を製造する。光ファイバ母材を生成するスート粒子であるＳｉＯ_２は、前駆体である塩化物ＳｉＣｌ_４が燃料ガスであるＨ_２、ＣＨ₄等と、酸素の燃焼生成物であるＨ_２Ｏと加水分解反応を経たり、１１００℃以上の温度で運搬気体であるＯ_２と直接的な酸化反応を経て、約０.１μｍ程の大きさに形成され、その化学反応は次のようである。

ＳｉＣｌ_４ + ２Ｈ_２Ｏ --> ＳｉＯ_２ + ４ＨＣｌ（加水分解反応） ＳｉＣｌ_４ + ２Ｏ_２ --> ＳｉＯ_２ + ２Ｃｌ_２（酸化反応）
このとき、ＧｅＣｌ_２も上記のような加水分解及び酸化反応を経て、スート粒子であるＧｅＯ_２になって心棒２に烝着される。上記のスート粒子ＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２の烝着に関するメカニズムは、熱泳動現象(ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｒｅｓｉｓ)により説明される。熱泳動現象とは、微細な粒子が温度勾配のある気体の中にあるとき、その粒子と気体分子との運動量交換により粒子が温度の高い場所から低い場所へ移動する現象を言い、その数学式は次のように知られている。

上記の数学式１によると、温度勾配が粒子付着に大きい影響を及ぼすことがわかる。ＯＶＤ工法は、上記の熱泳動現象を用いて酸化及び加水分解反応により生成されたスート粒子ＳｉＯ_２とＧｅＯ_２が、バーナ１から噴出される高温のガスとともに流れていき、上記の心棒２の周囲を通りながら温度勾配により心棒に烝着され積層されるようにすることで、母材４を作製する。

一般に、上記のような工程を行うためには、反応が起こり易くなるように燃焼ガスとして酸素と水素を円滑に供給しなければならない。しかし、従来には烝着によって外径が大きくなりながら発生する母材の表面回転速度の増加及び母材の体積増加に対応して、母材の温度が適当な水準を維持するように十分な熱流量を供給することができない問題点があった。また、火炎内で粒子が成長するに十分な時間を提供することができなかった。

一方、スート粒子が烝着された母材４を焼結させる焼結工程では、粒子間の結合により体積及び長さが２０〜３０％ほど収縮し、外径も１０〜３０％ほど収縮する変化が起こるため、このような過程から発生する多数の不純物例えば、水酸化イオン(ＯＨ^-)、空気気泡などを除去する別途の過程が必要になった。

上記のような問題点を解決するために、工程の進行にしたがってバーナの位置を移動させながら、バーナと母材間の距離を一定に維持させる方法が米国特許第４、７３１、１０３号に開示されている。

図２は、バーナから気体状態で噴射されるＳｉＣｌ_４が、火炎の内部を通る時間(これはバーナと母材との距離に比例する)によるＳｉＯ_２粒子の大きさを示したグラフであって、これを参照すると、ＳｉＣｌ_４が火炎の内部を通りながらしだいに大きいＳｉＯ_２粒子に成長することがわかる。高品質の光ファイバ母材を得るためには、適切な大きさの粒子が烝着されることが望ましい。上記米国特許のように、工程の進行にしたがってバーナの位置を移動させながらバーナと母材との距離を一定に維持させる方法は、生成・烝着される粒子の大きさを一定に制御することはできるが、熱流量不足によるスート粒子の烝着密度の不均衡は解決できない。

例えば、図３ａないし図３ｄは、従来の技術において母材の半径変化による烝着密度と烝着粒子を示した図面である。これを参照すると、図３ａのようにバーナの上下調節をしなかった場合、母材は半径が増加することによって母材に烝着される粒子の大きさがしだいに小さくなることがわかる。また、母材に烝着されるスート烝着密度は、図３ｂのように半径が増加することによって低くなる。図３ｃは、母材の半径が増加することによって母材とバーナとの距離を一定に保った上記米国特許の結果を示した図面であって、烝着粒子の大きさは一定であるが、半径が大きくなるほど母材の表面移動速度が速くなるため、これもスートの烝着密度は図３ｄに示したように低くなる。

図４は、外径増加によって烝着密度が低くなる場合の焼結工程において、母材の内部から発生する半径方向の温度勾配及び焼結速度分布を示す。焼結工程は別途の焼結炉で施すため、母材は表面から加熱され始まる。従って、母材内部の温度を十分かつ均一に上昇させるためには、母材を低温から始めてゆっくり長時間加熱しなければならず、このため母材の製造時間が長くなる。また、半径方向への密度減少により焼結速度は、図４のように母材の外側がはるかに速くなり、これは母材の不完全焼結を起こし、母材内・外部の収縮差による亀裂発生の原因となる。

上記の問題点を解決するためのさらに他の例として、母材外径増加による母材表面の単位面積当たりの熱流量不足に対して、燃焼ガスである水素及び酸素の流量を増加させて、不足した熱流量を補充する方法が提案されたことがある。しかし、熱流量の増加による火炎温度の増加は、粒子の成長及び烝着特性を変化させるため、母材に烝着するスート粒子を制御することに問題点がある。

本発明は上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、ＯＶＤ工法を用いてＳｉＯ_２等のスート粒子を心棒に烝着させる過程において、烝着密度と烝着粒子との大きさを調節することにより、母材の大型化によって発生する亀裂、スノーボール、不完全ガラス化を抑えると同時に、焼結時間の減少を通じて母材の製造時間を短縮させ得る光ファイバ母材の製造方法及び装置を提供するのにその目的がある。

上記のような目的を達成するために本発明の一側面による光ファイバ母材の製造方法は、バーナから噴射される燃料ガスが反応して生成されるスート粒子を回転する心棒の表面に烝着させることにより、光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造方法において、回転する上記母材の表面上の一地点の軌跡速度を、上記スート粒子を烝着させる間一定に保ったりまたはしだいに減少させることで、上記母材に烝着されるスート粒子の烝着密度が母材の外径に関係なく一定となるようにしたりまたは外径方向へしだいに増加すべく制御する。

上記軌跡速度は、母材の回転角速度をしだいに減少させることにより、または母材とバーナ間の相対的水平移送速度をしだいに減少させることにより、スート粒子を烝着させる間一定に保ったりまたはしだいに減少させ得る。

付加的に、スート粒子を烝着させる間、母材の表面に当接する燃焼ガスの供給量、即ち母材の表面に供給されるバーナの熱流量をしだいに増加させ得る。

本発明の他の側面による光ファイバ母材の製造方法は、バーナから噴射される燃料ガスが反応して生成されるスート粒子を回転する心棒の表面に烝着させることにより、光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造方法において、上記母材の初期外径と、初期回転角速度と、上記母材とバーナ間の初期相対的水平移送速度と、上記バーナの初期燃焼ガス供給量とを設定する段階と、上記初期外径と、初期回転角速度と、初期相対的水平移送速度とを用いて上記母材の表面上の一地点の初期軌跡速度を計算する段階と、上記スート粒子の烝着によりその外径がしだいに増加する上記母材の任意の時点ｔでの外径を測定する段階と、測定された上記母材の時点ｔでの外径による上記母材の表面上の一地点の時点ｔでの軌跡速度を計算する段階と、上記時点ｔでの軌跡速度が、上記初期軌跡速度と同一または遅くなるように、上記母材の回転角速度及び/または上記母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節する段階とを含む。

上記の技術的課題を達成するために本発明による光ファイバ母材の製造装置は、回転する心棒の表面にスート粒子を烝着させて光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造装置において、上記母材となる心棒を回転させるための母材回転機と、上記スート粒子を生成するための燃焼ガスを供給するバーナと、上記バーナを上記母材に対して水平方向へ移送させるバーナ水平移送機と、上記バーナに連結されて燃焼ガスの流量を調節するための流量制御機と、上記スート粒子が烝着されることによってしだいに増加する上記母材の外径を測定するための測定機と、上記測定機により測定された母材の外径に基づいて上記母材回転機及び/またはバーナ水平移送機の動作を制御する工程制御機とを含む。

明細書に統合されており明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の現在の望ましい実施例を例示し、後述する望ましい実施例の詳細な説明とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。

図１は、通常のＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造装置を示す概略図、
図２は、一般に前駆体であるＳｉＣｌ_４が火炎の内部を通る時間に応じて成長するＳｉＯ_２スート粒子の大きさを示すグラフ、
図３ａないし図３ｄは、従来技術によって母材を製造した場合、母材の半径増加による烝着密度及び烝着粒子の大きさの変化を示すグラフ、
図４は、従来技術による母材の焼結時、母材の内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフ、
図５ａないし図５ｃは、通常のスート粒子烝着工程において母材表面の一地点の軌跡速度を示す図面、
図６は、通常のバーナ熱量増加による母材の表面温度の変化を示した図面、
図７は、通常の母材体積増加による母材の表面温度の変化を示した図面、
図８は、本発明による光ファイバ母材の製造装置を示す概略図、
図９ａ及び図９ｂは、本発明による烝着粒子の制御方法を示すフローチャート、
図１０ａないし図１０ｄは、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、母材の半径変化による烝着密度及び烝着粒子の大きさの変化を示すグラフ、
図１１は、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、母材の焼結時半径による母材内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフ、
図１２ａないし図１２ｄは、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、母材の半径変化による烝着密度及び烝着粒子の大きさの変化を示すグラフ、
図１３は、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、母材の焼結時半径による母材内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフである。

以下添付された図面に基づいて本発明の望ましい実施例を詳しく説明することにする。

本発明の一実施例では、外径変化に関係なく、均一の烝着密度を有する母材を製造する。このため、母材の回転速度、母材とバーナの相対的水平移送速度及び燃焼ガス供給量を調節して、スート粒子の成長メカニズムを制御する。このとき、適用される母材の回転速度と水平移送速度及び燃焼ガス供給量を決定する方法は、下記のように計算される。

先ず、母材の回転速度及び水平移送速度の制御について見る。図５ａは、ＯＶＤ工法の母材製造時、母材１１の一地点Ａにおいて水平移送速度ｖと回転角速度ωを示したものである。図５ｂは、母材１１の表面の一地点Ａが上記のバーナ３２の隣近で回転しながら形成する螺旋状の軌跡を示し、図５ｃは上記の母材１１の表面の一地点Ａの速度ベクトルを示す。即ち、螺旋運動する母材の表面の一地点の移動速度である軌跡速度Ｖは、母材半径Ｒに対して次の数学式２のようである。

上記の数学式２において、母材の水平移送速度ｖと回転角速度ωが一定であると、母材１１の外径の増加によって母材の一地点Ａの軌跡速度は、しだいに速くなり、母材の体積も半径Ｒの自乗に比例して大きくなる。また、同一の熱流量を上記の母材１１に与える場合には、単位表面積当りの熱流量が工程初期に比べて減少するため、母材の一地点Ａの温度は工程進行にしたがってしだいに低くなる。

単位時間当りの熱流量が一定に固定された場合の工程開始時点での心棒１０の半径をＲ_０、母材１１とバーナ３２との相対的水平移送速度をｖ_０、母材の回転角速度をω_０と仮定する。そして、工程中の任意の制御時点ｔでの母材１１の半径をＲ_ｔ、水平移送速度をｖ_ｔ、回転角速度をω_ｔとすると、工程開始時点から単位時間当りのバーナ３２を通り過ぎる母材表面の初期軌跡速度Ｖ_０と工程中軌跡速度Ｖ_ｔは、下記の数学式３及び数学式４のようである。

上記の数学式３、４のようにバーナの熱量変化を考慮しないと、上記の軌跡速度Ｖ_０、Ｖ_ｔを用いて、工程中に外径Ｒの変化による母材の回転角速度ω及び水平移送速度ｖを制御すれば母材表面の温度を一定に維持することができる。しかし、外径Ｒの増加によって母材１１の体積は、母材半径の自乗に比例して増加するため、バーナ３２の熱量増加がない場合に、母材表面の温度を一定に維持したり増加させるためには、工程の進行にしたがって母材表面の速度が漸次に遅くならなければならない。
従って、体積と熱容量が同一であると、母材表面の一地点Ａの温度は、単位時間当りの単位熱量を通り過ぎる母材の面積により決定される。即ち、母材表面の温度は、次の数学式５のような比例関係を有する。

ここで、ｈ_ｔは任意の時点ｔでのバーナの熱流量を示し、Ｖ_ｔは各々の工程中上記数学式４により定義された母材表面の一地点の軌跡速度である。Ｈ(ｈ_ｔ)は、バーナの熱量ｈ_ｔが母材温度に及ぼす影響を示す関数であって、ｈ_ｔ２>ｈ_ｔ１であると、Ｈ(ｈ_ｔ２)>Ｈ(ｈ_ｔ２)の関係を満たす単調増加関数である。

しかし、母材の半径増加により母材体積と熱容量は増加するため、同一の熱量を同じ面積に同じ時間加えても、体積と熱容量の小さな母材に比べて表面の温度は低くなる。従って、母材表面の温度は、母材の体積、単位時間当りの単位熱量を通り過ぎる母材の面積により、次の数学式６のような比例関係を有する。

ここで、Ｌ(Ｒ_ｔ)は母材体積による影響を示す母材半径の関数であり、Ｒ_ｔ>Ｒ_０である場合にＬ(Ｒ_ｔ)>Ｌ(Ｒ_０)の関係を満たす単調増加関数である。

図６は、母材の体積が同一である場合にバーナ熱量増加による母材の表面温度の変化を示したグラフである。図面の各曲線は熱流量関数Ｈ(ｈ_ｔ)を示し、体積が同一である場合、バーナの熱量が増加すると母材表面の温度が増加することを示す。また、母材の体積が増加するほど表面の温度が減少することがわかる。

図７は、熱流量が同一である場合に母材体積の増加による母材の表面温度の変化を示したグラフであって、図面の各曲線は体積関数Ｌ(Ｒ_ｔ)である。熱流量が同一である場合、母材の体積が増加するほど母材表面の温度が減少することがわかり、また熱流量が増加するほど表面の温度が増加することがわかる。

上記の数学式６を用いて工程が行われることにつれ、工程初期と同一の母材の表面温度を維持するためには、工程中任意の時点ｔでの母材回転速度Ｒω_ｔと母材水平移送速度ｖ_ｔにより決定される母材表面の軌跡速度Ｖ_ｔは、次の数学式７を満たす。

従って、結果的に任意の時点ｔにおいて、軌跡速度Ｖ_ｔは次の数学式８を満たす。

上記の補正関数であるＨ(ｈ_ｔ)とＬ(Ｒ_ｔ)は、各々の製品及び工程条件により個別的に求められるため、一般式の形態を提示することができないが、下記の値の範囲を有することが望ましい。

それでは、本発明の一実施例として、スート粒子が母材に均一の烝着密度を有すべく、上記の数学式を用いて母材の回転速度と水平移送速度を制御する動作を見る。

図８は、本発明による母材の製造装置を示した図面である。これを参照して説明すると、本装置は石英材質の心棒１０に隣接すべく設置されて、母材１１にスート粒子を烝着させるために燃料ガスと酸素ガスを供給する高温のプラズマバーナ３２と、上記心棒にスート粒子が均一に烝着されるように上記バーナ３２に隣接すべく設置されて、心棒(母材)を回転させるための母材回転機４０と、スート粒子が心棒１０の長手方向へ均一に烝着されるように心棒(母材)またはバーナ３２を水平方向へ移動させる水平移送機４１と、上記バーナ３２を上下方向へ移動させて、母材１１に烝着されるスート粒子の大きさを調節するためのバーナ上下移送機４２と、上記バーナ３２に供給される燃料ガス及び酸素ガスの流量を制御するための流量制御機３０と、上記心棒に烝着されながら半径が増加する母材１１の外径を測定するための測定機としてのセンサー２０と、上記センサー２０により測定された外径に応じて母材の回転速度、バーナの水平移送速度、燃焼ガスの供給量及びバーナと母材との間隔を計算して、その値を出力する工程制御機５０とを含む。

ここで、上記のセンサー２０は、発光素子と受光素子を母材の両端部に対向すべく設けて外径変化を測定するようにし、上記の母材回転機４０、バーナ水平移送機４１及びバーナ上下移送機４２は、入力信号に応じて位置を移動させるようにするステップモーターまたはサーボモ一タが採用され得る。
図９ａと図９ｂは、本発明による母材の製造方法を示すフローチャートであって、これを参照して上記図８の装置の動作をともに説明する。

図９ａは、本発明の一実施例であって、スート粒子の烝着密度を外径変化に関係なく均一に維持するために、母材の回転速度とバーナの水平移送速度を用いて軌跡速度を制御することを示す。ここで、上記バーナ３２と母材１１との間隔は、烝着粒子の大きさを制御するためのことで後述する。

まず、工程制御機５０に初期設定値を入力する(段階Ｓ１００)。上記初期設定値には、母材の初期外径Ｒ_０、初期回転角速度ω_０、初期水平移送速度ｖ_０及び初期燃焼ガス供給量ｈ_０が含まれる。

初期値の設定に応じて上記の制御機５０は、母材の回転速度Ｒω_０と水平移送速度ｖ_０を用いて初期軌跡速度Ｖ_０を計算し貯蔵する(段階Ｓ１１０)。初期軌跡速度Ｖ_０は、母材表面の一地点が描く軌跡の移動速度を示したものであって、これを求めるためには母材の回転速度と水平移送速度を上記の数学式３に入れて演算する。

工程が行われるにつれ、上記センサー２０は母材１１の外径変化を感知し、工程制御機５０に現在の外径値を伝達する(段階Ｓ１２０)。

上記の外径値が入力された工程制御機５０は、持続的に変化する外径値を受け、それによる母材の現在の軌跡速度Ｖ_ｔを計算する(段階Ｓ１３０)。工程が行われるにつれ、母材の外径Ｒは漸進的に増加するため、母材の回転速度と水平移送速度は増加するようになり、結果的に工程中の母材の軌跡速度は増加するようになる。増加される母材の軌跡速度Ｖ_ｔは、上記の数学式４を用いて計算することができ、さらに望ましくは外径増加にしたがって変化する母材の体積と熱流量の補正関数値が入った上記の数学式８を用いて、現在の軌跡速度Ｖ_ｔを計算する。

外径変化による工程中の軌跡速度を計算すると、工程制御機５０は現在の軌跡速度Ｖ_ｔと初期の軌跡速度Ｖ_０を比べる(段階Ｓ１４０)。例えば、本実施例はスート粒子の烝着密度を均一とするためのものであるので、均一の烝着密度を有するためには、母材の表面温度が一定にならなければならない。このため、本実施例では母材の表面温度を一定に維持するための条件として、外径増加に応じて母材の軌跡速度を一定に維持する方法を用いる。

従って、工程制御機５０は、段階Ｓ１４０の軌跡速度を比較した後、現在の軌跡速度Ｖ_ｔを初期の軌跡速度に維持するために、必要な母材の回転速度Ｒω_ｔ及び水平移送速度ｖ_ｔを計算する(段階Ｓ１５０)。上記の軌跡速度は、上記の数学式３、４及び８のように母材の回転速度と水平移送速度の組合せであるため、この二つの速度を調節して軌跡速度を一定に維持させる。結果的に、母材の軌跡速度は、母材の外径が増加するにしたがって持続的に速くなるため、本実施例では母材の回転速度とバーナの水平移送速度を減速させることにより、軌跡速度を一定に維持することができる。

その後、上記の工程制御機５０は、計算された値に基づいて各装置に制御信号を伝達する(段階Ｓ１６０)。即ち、計算された値のうち、母材の回転速度制御値は母材回転機４０に、水平移送速度制御値はバーナの水平移送機４１に各々伝達され、母材回転機４０及びバーナ水平移送機４１は上記制御値に応じて回転速度及び水平移送速度を調節する。

上記の過程は、外径が目標値に至るまで施し続ける。

図９ｂは本実施例の変形例であって、母材に烝着されるスート粒子の烝着密度が均一に維持されるように軌跡速度を制御するが、燃焼ガスの供給量を変化させ、これを反映して軌跡速度を制御するものである。ここで、上記バーナと母材との間隔は、烝着粒子の大きさを制御するためのものであって後述する。

このため、上記の一実施例のように初期設定値である母材の初期外径Ｒ_０と、初期回転角速度ω_０と、初期水平移送速度ｖ_０と、初期燃焼ガス供給量ｈ_０とを設定し貯蔵する(段階Ｓ２００)。

工程が行われるにつれ、上記センサー２０は母材１１の外径変化を感知し、工程制御機５０に現在の外径値を伝達する(段階Ｓ２１０)。

工程制御機５０は、持続的に変化される外径値を受け、外径値に基づいて現在の燃焼ガス供給量ｈ_ｔを計算する(段階Ｓ２２０)。このとき、燃焼ガス供給量は母材の表面に当接する熱流量を意味するものであり、現在の必要な燃焼ガス供給量ｈ_ｔは母材の外径Ｒ、母材の軌跡速度Ｖ_０とＶ_ｔ、母材の体積変化Ｌ(Ｒ)、初期の燃焼ガス供給量ｈ_０を上記の数学式８に入れて計算する。

燃焼ガス供給量が計算されると、工程制御機５０は上記の燃焼ガス供給量の計算値を上記の流量制御機３０に伝達し、流量制御機３０は工程制御機５０から伝達された値に応じて、燃焼ガスの供給量を変更する(段階Ｓ２３０)。

母材の表面温度は燃焼ガス供給量のみならず、母材の軌跡速度によりも変化されるため、工程制御機５０は変更された燃焼ガス供給量と母材外径を考慮して、現在の必要な母材の軌跡速度Ｖ_ｔを計算する(段階Ｓ２４０)。即ち、上記の数学式８に初期の燃焼ガス供給量ｈ_０と、現在の変更された燃焼ガス供給量ｈ_ｔを入れて、補正関数値Ｈ=Ｈ(ｈ_ｔ)/Ｈ(ｈ_０)を求め、現在の母材軌跡速度Ｖ_ｔを計算する。

工程制御機５０は、上記の段階Ｓ２４０において計算された軌跡速度に対応する母材の回転速度と水平移送速度を計算する(段階Ｓ２５０)。母材の軌跡速度は、母材の回転速度と水平移送速度の組合せであるため、この二つの速度を上記の数学式３または４に入れて、外径Ｒの変化にしたがって適切に回転速度Ｒωと水平移送速度ｖを計算する。

上記の工程制御機５０は、計算された値に基づいて各装置に制御信号を伝達する(段階Ｓ２６０)。即ち、計算された値のうち、母材の回転速度の制御値は母材回転機４０に、水平移送速度の制御値はバーナの水平移送機４１に各々伝達され、 母材回転機４０及びバーナ水平移送機４１は上記の制御値に応じて各々回転速度及び水平移送速度を調節する。

上記の過程は、外径が目標値に至るまで施し続ける。

なお、本実施例によると、上記のように母材１１の回転速度Ｒω及び水平移動速度ｖを制御するとともに、母材１１とバーナ３２との間隔を制御して母材の外径変化による粒子大きさを一定に維持する。このため、母材の外径を測定し、それにより初期母材とバーナとの間隔をそのまま保つように、上記の工程制御機５０を用いて制御する。

上記の制御段階を詳しく説明すると、母材とバーナとの間隔を初期設定値に設定する。工程が始まると、センサー２０を通じて母材の外径変化を測定し、測定された値は工程制御機５０に入力される。工程制御機は、変化される外径値に応じて初期設定された母材とバーナとの間隔を保つのに必要な距離の変化値を計算する。計算された値は、バーナ上下移送機４２に伝達され、バーナ上下移送機４２は入力された距離ほどバーナ３２の位置を離隔させる。

母材の製造工程中に母材１１とバーナ３２との間隔を調節しないと、母材に烝着するスート粒子例えば、ＳｉＯ_２の大きさはしだいに小さくなる。前述したように酸素と適切に反応する場合、スート粒子の大きさは約０.２〜０.２５μｍである。しかし、母材の外径増加にしたがって母材１１とバーナ３２との間隔が一定に維持されないと、外径が増加するほど母材に烝着されるスート粒子の直径は小さくなり、これは母材の烝着密度の減少につながる。その例を上記の図３ａないし図３ｄに示し、半径増加による烝着密度の減少が焼結に及ぼす影響を図４に示した。

図１０ａないし図１０ｄは、本実施例の製造方法により母材を製造した場合、烝着密度が半径方向に均一である場合を示す。図１０ａは、本実施例によって軌跡速度を保ったが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった場合である。半径が増加するにしたがって母材に烝着されるスート粒子の大きさはしだいに小さくなるが、図１０ｂのように烝着密度は従来と異なってさほど減少しないことがわかる。また、図１０ｃは、本実施例によって軌跡速度を保ち、母材とバーナとの間隔を一定に調節した状態を示す。その結果、図１０ｄのように半径が増加しても母材に烝着されるスート粒子の大きさは、一定に維持されるのみならず、烝着密度も殆ど均一に維持されることがわかる。

ひいては、本実施例によって外径増加にしたがってスート粒子の烝着密度が一定に維持された場合の母材の焼結時、母材の半径方向の温度勾配及び焼結速度は、図１１のように変化する。例えば、母材の内外部の温度勾配は、外部熱源と母材の大きさなどに大きく影響を受けるため、烝着密度及び粒子の大きさを制御しても大きく変化しないが、焼結速度は従来の技術による図４の結果に比べて、はるかに均一となる。

図１２ａないし図１２ｄは、本発明の他の実施例によって母材の外径増加にしたがって烝着密度が半径方向へ増加するようにした場合の烝着粒子の大きさ及び烝着密度の変化を示したグラフである。即ち、本発明の他の実施例では、工程進行による母材の表面上の一地点の軌跡速度Ｖ_ｔを初期の軌跡速度Ｖ_０より遅くしたり、熱流量ｈ_ｔを初期熱流量ｈ_０より増加させることによって、母材の単位面積当りの供給される熱流量を増加させる。

図１２ａは、軌跡速度を維持し熱流量を増加させたが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった場合である。半径が増加することにしたがって、母材に烝着されるスート粒子の大きさはしだいに小さくなるが、図１２ｂのように熱流量の増加にしたがって烝着密度は半径が大きくなるほど増加されることがわかる。また、図１２ｃは、軌跡速度を維持し熱流量を増加させるとともに、母材とバーナとの間隔を一定に調節した状態を示す。その結果、図１２ｄのように半径が増加しつつ母材に烝着されるスート粒子の大きさは一定に維持され、熱流量の増加により半径が大きくなるほど烝着密度が増加することがわかる。

本実施例によって半径増加にしたがってスート粒子の烝着密度が増加した母材を焼結する場合に、母材の半径方向の温度及び焼結速度は図１３のように変化する。即ち、焼結炉の内壁から発生する熱源により母材の内外部の温度勾配は変わらないが、焼結速度は半径方向へ均一となる。従って、母材内外部の温度を均一とするために所要される工程時間を大幅に短縮でき、均一の焼結速度により焼結中の亀裂発生現象、不完全ガラス化などの短所を克服することができる。

それでは、本発明によるＯＶＤを用いた烝着粒子の制御方法を実験例を通じて見る。

実験例１
上述した一実施例の実際の適用例として、母材の直径を３０％増加させるためにバーナの熱流量は一定に維持させ、粒子の大きさを均一とするために母材とバーナとの間隔は工程中一定に維持する場合の工程条件が得られる。即ち、供給される熱流量に対して半径増加による軌跡速度Ｖ_ｔが求められ、このとき母材の回転速度Ｒ_ｔω_ｔと水平移送速度ｖ_ｔの割合は、工程の特性により適切に決定される。

上記の実験例１のようにに初期の工程条件をそのまま維持した状態で外径を増加させる場合、半径増加による軌跡速度を上記の数学式８を用いて演算することで、烝着密度が均一な母材を製造できる。上記の表１によると、バーナから供給される熱流量は１、０００J/secで一定であるが、軌跡速度が５８.６m/secから４６.６４m/secに変化されたことがわかる。本発明によると、軌跡速度は一定に維持されるべきであるが、実際には半径増加にしたがって体積も変化するため、体積の補正値０.８により軌跡速度が初期の軌跡速度より減少するようになる。

実験例２
上述した本発明の他の実施例の適用例として、上記の実験例１の状態で次のように燃焼ガスの熱流量を２０％高めて、母材の烝着密度を半径方向に沿って増加させることができる。このときの工程条件は、下記の表２のようである。

上記の実験例１よりも供給される燃焼ガスの熱流量を２０％高めることで、烝着密度を均一にした場合よりも、半径増加による母材の烝着密度は高くなる。例えば、半径増加による軌跡速度を上記の数学式８を用いて求めると、実際には５８.３×０.８×１.２≒５５.９７m/secである。しかし、軌跡速度を上記の実験例１の場合のように維持し熱流量を増加させる場合には、母材の内部より外部の烝着密度を高めることができ、それにより焼結工程における焼結速度が向上させることができる。

以上、本明細書および図面に記載された実施例は本発明の最も望ましい実施の形態に過ぎず、本発明の技術的思想を制限するものではなく、本出願のときにこれらに代替可能な多様な均等例と変形例があり得ることを理解すべきである。

本発明のＯＶＤを用いた光ファイバ母材の製造方法及び装置によると、母材が成長することにしたがって、粒子形成及び烝着密度を決定する重要な因子である母材の回転速度、母材とバーナとの相対的水平移送速度、燃焼ガス熱流量などを制御して、烝着粒子の密度を均一または増加させて母材の焼結速度を制御することができる。また、上記烝着粒子の密度制御とともに母材とバーナとの間隔を調節することにより、半径方向の粒子の大きさを制御できるため、母材の焼結速度増加の以外にも焼結工程時発生可能な不完全焼結と亀裂発生が防げる。

図１は、通常のＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造装置を示す概略図である。 図２は、一般に前駆体であるＳｉＣｌ_４が火炎の内部を通る時間に応じて成長するＳｉＯ_２スート粒子の大きさを示すグラフである。 図３ａは、従来技術によって母材を製造した場合、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径増加による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図３ｂは、従来技術によって母材を製造した場合、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径増加による烝着密度を示すグラフである。 図３ｃは、従来技術によって母材を製造した場合、母材とバーナとの距離を一定に調節した際の母材の半径増加による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図３ｄは、従来技術によって母材を製造した場合、母材とバーナとの距離を一定に調節した際の母材の半径増加による烝着密度を示すグラフである。 図４は、従来技術による母材の焼結時、母材の内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフである。 図５ａは、通常のスート粒子烝着工程において母材表面の一地点の水平移送速度ｖと回転角速度ωを示す図面である。 図５ｂは、通常のスート粒子烝着工程において母材表面の一地点の軌跡を示す図面である。 図５ｃは、通常のスート粒子烝着工程において母材表面の一地点の速度ベクトルを示す図面である。 図６は、通常のバーナ熱量増加による母材の表面温度の変化を示した図面である。 図７は、通常の母材体積増加による母材の表面温度の変化を示した図面である。 図８は、本発明による光ファイバ母材の製造装置を示す概略図である。 図９ａは、本発明の一実施例による烝着粒子の制御方法を示すフローチャートである。 図９ｂは、本発明の実施例の変形例による烝着粒子の制御方法を示すフローチャートである。 図１０ａは、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、 本実施例によって軌跡速度を保ったが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径変化による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図１０ｂは、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、 本実施例によって軌跡速度を保ったが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径変化による烝着密度の変化を示すグラフである。 図１０ｃは、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、 本実施例によって軌跡速度を保って、母材とバーナとの間隔を一定に調節した際の母材の半径変化による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図１０ｄは、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、 本実施例によって軌跡速度を保って、母材とバーナとの間隔を一定に調節した際の母材の半径変化による烝着密度の変化を示すグラフである。 図１１は、本発明の一実施例によって母材を製造した場合、母材の焼結時半径による母材内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフである。 図１２ａは、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、軌跡速度を維持し熱流量を増加させたが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径変化による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図１２ｂは、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、軌跡速度を維持し熱流量を増加させたが、母材とバーナとの間隔を調節しなかった際の母材の半径変化による烝着密度の変化を示すグラフである。 図１２ｃは、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、軌跡速度を維持し熱流量を増加させるとともに、母材とバーナとの間隔を一定に調節した際の母材の半径変化による烝着粒子の大きさの変化を示すグラフである。 図１２ｄは、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、軌跡速度を維持し熱流量を増加させるとともに、母材とバーナとの間隔を一定に調節した際の母材の半径変化による烝着密度の変化を示すグラフである。 図１３は、本発明の他の実施例によって母材を製造した場合、母材の焼結時半径による母材内部の温度勾配及び焼結速度を示すグラフである。

Claims (15)

1. バーナから噴射される燃料ガスが反応して生成されるスート粒子を回転する心棒の表面に烝着させることにより、光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造方法において、
   回転する上記母材の表面上の一地点の軌跡速度を、上記スート粒子を烝着させる間一定に保ったりまたはしだいに減少させることで、上記母材に烝着されるスート粒子の烝着密度が母材の外径に関係なく一定となるようにしたりまたは外径方向へしだいに増加すべく制御することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. 上記スート粒子を烝着させる間、上記母材の回転角速度を減少させることにより、上記軌跡速度を一定に保ったりまたはしだいに減少させることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 上記スート粒子を烝着させる間、上記母材とバーナ間の相対的水平移送速度を減少させることにより、上記軌跡速度を一定に保ったりまたはしだいに減少させることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. 上記スート粒子を烝着させる間、上記母材の表面上の一地点に当接する燃焼ガスの供給量をしだいに増加させることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
5. 上記スート粒子を烝着させる間、上記母材とバーナ間の間隔を一定に保つことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
6. バーナから噴射される燃料ガスが反応して生成されるスート粒子を回転する心棒の表面に烝着させることにより、光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造方法において、
   上記母材の初期外径と、初期回転角速度と、母材とバーナ間の初期相対的水平移送速度と、上記バーナの初期燃焼ガス供給量とを設定する段階と、
   上記初期外径と、初期回転角速度と、初期相対的水平移送速度とを用いて上記母材の表面上の一地点の初期軌跡速度を計算する段階と、
   上記スート粒子の烝着によりその外径がしだいに増加する上記母材の任意の時点ｔでの外径を測定する段階と、
   測定された上記母材の時点ｔでの外径による上記母材の表面上の一地点の時点ｔでの軌跡速度を計算する段階と、
   上記時点ｔでの軌跡速度が、上記初期軌跡速度と同一または遅くなるように、上記母材の回転角速度及び/または上記母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節する段階とを含むことを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
7. 上記母材を製造する間、上記母材とバーナとの間隔を一定に保つことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ母材の製造方法。
8. 上記母材の回転角速度及び/または母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節する段階は、
   上記の時点ｔでの軌跡速度が、次の式を満たすように上記母材の回転角速度及び/または母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節することを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ母材の製造方法。
   ０.１Ｖ_０ < Ｖ_ｔ ≦ Ｖ_０
   Ｖ_ｔ：時点ｔでの軌跡速度
   Ｖ_０：初期軌跡速度
9. 上記バーナの上記時点ｔでの燃焼ガス供給量を、上記初期燃焼ガス供給量と同一、または多くなるように調節する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ母材の製造方法。
10. 上記母材の回転角速度及び/または母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節する段階は、
    上記時点ｔでの軌跡速度が、次の式を満すように上記母材の回転角速度及び/または母材とバーナ間の相対的水平移送速度を調節することを特徴とする請求項９に記載の光ファイバ母材の製造方法。
    Ｖ_ｔ=ＨＬＶ_０
    Ｖｔ：時点ｔでの軌跡速度
    Ｖ_０：初期軌跡速度
    Ｈ：時点ｔでの燃焼ガス供給量の補正関数であって、１以上１.５未満の値を有する。
    Ｌ：時点ｔでの軌跡速度の補正関数であって、０.１超過１以下の値を有する。
11. 回転する心棒の表面にスート粒子を烝着させて光ファイバ母材を製造するＯＶＤ工法を用いた光ファイバ母材の製造装置において、
    上記母材となる心棒を回転させるための母材回転機と、
    上記スート粒子を生成するための燃焼ガスを供給するバーナと、
    上記バーナを上記母材に対して水平方向へ移送させるバーナ水平移送機と、
    上記バーナに連結されて燃焼ガスの流量を調節するための流量制御機と、
    上記スート粒子が烝着されることによってしだいに増加する上記母材の外径を測定するための測定機と、
    上記測定機により測定された母材の外径に基づいて上記母材回転機及び/またはバーナ水平移送機の動作を制御する工程制御機とを含むことを特徴とする光ファイバ母材の製造装置。
12. 上記工程制御機は、上記測定機により測定された母材の外径が増加することによって、上記母材の表面上の一地点の軌跡速度が一定に保ったりまたはしだいに減少すべく、上記母材回転機の回転角速度及び/または上記バーナ水平移送機の水平移送速度を制御することを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバ母材の製造装置。
13. 上記工程制御機は、任意の時点ｔでの上記軌跡速度が次の式を満すように、上記母材回転機の回転角速度及び/または上記バーナ水平移送機の水平移送速度を制御することを特徴とする請求項１２に記載の光ファイバ母材の製造装置。
    ０.１Ｖ_０ < Ｖ_ｔ ≦ Ｖ_０
    Ｖ_ｔ：時点ｔでの軌跡速度
    Ｖ_０：初期軌跡速度
14. 上記工程制御機は、上記センサーにより測定された母材の外径が増加することによって、上記燃焼ガスの流量が増加すべく上記流量制御機を制御することを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバ母材の製造装置。
15. 上記工程制御機は、任意の時点ｔでの上記母材の表面上の一地点の軌跡速度が、次の式を満すように上記母材回転機の回転角速度及び/または上記バーナ水平移送機の水平移送速度を制御することを特徴とする 請求項１４に記載の光ファイバ母材の製造装置。
    Ｖ_ｔ=ＨＬＶ_０
    Ｖｔ：時点ｔでの軌跡速度
    Ｖ_０：初期軌跡速度
    Ｈ：時点ｔでの燃焼ガス供給量の補正関数であって、１以上１.５未満の値を有する。
    Ｌ：時点ｔでの軌跡速度の補正関数であって、０.１超過１以下の値を有する。
    
    

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