JP2015205798A - 光ファイバ用ガラス母材の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバ用ガラス母材を加熱軟化させて延伸し、所望の径に縮径するに際し、外径を効率よくかつ精度良く仕上げることができ、局所的にも外径変動値が小さくなる様に縮径することのできる光ファイバ用ガラス母材の加工方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバ用ガラス母材の長手方向に沿って加熱源を相対的に移動させながら、前記ガラス母材を加熱し延伸して所望の径に縮径する光ファイバ用ガラス母材の加工方法において、１乃至複数の延伸ステップを経て最終延伸径に縮径するに際し、前記延伸ステップの前に、前記ガラス母材の長手方向の外径分布を測定し、長手方向に連続する一つの有効区間を設定し、該有効区間内の平均外径および外径変動値を求め、該平均外径および該外径変動値に基づいて前記延伸ステップでの延伸目標径を求めることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱軟化させて延伸し、所望の外径になる様に縮径する光ファイバ用ガラス母材の加工方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材は、例えば、ＶＡＤ法やＯＶＤ法などによって製造される。この方法は、ガラス原料の四塩化珪素などを酸素、水素ガスとともにバーナに供給して火炎加水分解反応を起こさせ、生じたガラス微粒子を出発基材上に堆積させて多孔質ガラス母材を形成し、これを脱水、透明ガラス化を行うものである。こうして得られた光ファイバ用ガラス母材は略円筒形状となっており、これを線引機に対応した平均外径、外径変動、長さに加工した後、線引機によって線引きすることにより光ファイバが得られる。

この光ファイバ用ガラス母材の加工は、例えば、図１に示すようなガラス旋盤を用いて行われる。なお、図１は、ガラス旋盤の概略図であり、符号１はガラス旋盤を指し、符号２はダミー棒であり、符号３は光ファイバ用ガラス母材、符号４は外径測定器、符号５は加熱源である。
ガラス母材は、その長手方向両端にガラス支持棒（ダミー棒）が溶着され、このダミー棒の部分でガラス旋盤のチャックに把持される。このチャックを回転させつつ、つまりガラス母材を回転させつつ加熱源をガラス母材の長手方向に沿って相対移動させ、ガラス母材を加熱しながら左右のチャックの間隔を広げることにより、ガラス母材はその長手方向に外径が縮径されつつ延伸される。

加工前のガラス母材は略円筒形状となっているものの、長手方向に外径変動が存在する。外径変動の大きな母材を線引きすると、線引機の母材挿入口のクリアランスが変化し、その影響を受けて線引機の炉内の気流が変わるため、得られる光ファイバの品質特性に悪影響を及ぼす。このため、延伸後の母材の仕上がり外径はできる限り均一になっていることが望ましい。つまり、外径が太い箇所では縮径量を増やし、外径が小さい箇所では縮径量を少なくすることにより、外径変動の小さい仕上がり母材に加工する。

このようなガラス旋盤による延伸加工における一連の延伸ステップは自動化することができる。すなわち、予め延伸加工前に、ガラス母材の外径を長手方向に細かい間隔で計測しておき、加熱位置での外径に応じた延伸量、つまり縮径量になるように延伸速度を調節する。加熱源の発熱量をガラス母材が軟化する程度に設定した後、加熱源をガラス母材の長手方向に沿って一方向に一定速度で相対移動させてガラス母材を加熱しながら、加熱部の外径に応じて左右のチャック間隔を広げるようにチャックの移動速度が調節される。この調節量は、加工前の局所的な外径と加熱源の移動距離に対する、目標延伸径とチャック間隔を広げる長さの物質収支をとることにより厳密に算出される。

しかしながら、加工前のガラス母材長手方向の全体に大きな外径変動がある場合や、比較的短い区間で外径変動がある場合、太い部分が十分に縮径されず、加工後の仕上がり母材の外径変動も大きくなることが多かった。
特に、平均縮径量が５ｍｍ以上の場合、外径変動が大きいとその外径変動箇所の前後でガラス母材の熱容量が局所的に変動する結果、太径部よりも細径部がより縮径され、外径変動が強調されることになる。ガラス母材の局所的な外径変動が加熱源の均熱帯の長さよりも短い場合にも同様のことが起こる。

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱軟化させて延伸し、所望の径に縮径するに際し、外径を効率よくかつ精度良く仕上げることができ、局所的にも外径変動値が小さくなる様に縮径することのできる光ファイバ用ガラス母材の加工方法を提供する。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果なし得た発明であり、本発明の、光ファイバ用ガラス母材の加工方法は、光ファイバ用ガラス母材の長手方向に沿って加熱源を相対的に移動させながら、前記ガラス母材を加熱し延伸して所望の径に縮径する光ファイバ用ガラス母材の加工方法において、１乃至複数の延伸ステップを経て最終延伸径に縮径するに際し、前記延伸ステップの前に、前記ガラス母材の長手方向の外径分布を測定し、長手方向に連続する一つの有効区間を設定し、該有効区間内の平均外径および外径変動値を求め、該平均外径および該外径変動値に基づいて前記延伸ステップでの延伸目標径を求めることを特徴とする。

前記平均外径と前記最終延伸径との外径差が、予め決められた外径差の基準値以内にあり、かつ前記外径変動値が予め決められた外径変動値の基準値以内にある場合には、前記延伸目標径を最終延伸径として延伸し、それ以外の場合には、前記延伸目標径を平均外径よりも小さく前記最終延伸径よりも太い径に設定して延伸する。
さらに、前記有効区間内の長手方向に局所外径変動値を測定し、該局所外径変動値が予め決められた局所外径変動値の基準値以内にある場合には、前記延伸目標径を最終延伸径として延伸し、それ以外の場合には、前記延伸目標径を平均外径よりも小さく前記最終延伸径よりも太い径に設定して延伸する。
なお、前記延伸目標径を次式、｛平均外径×ｋ＋最終延伸径×（１−ｋ）｝で求め、ｋを０．２５〜０．７５の範囲内、より好ましくは０．４〜０．６の範囲内の数値とする。

前記有効区間の体積は、前記最終延伸径と所定の仕上がり長さから計算される体積以上である。前記平均外径と前記最終延伸径との外径差に対して予め決められた前記外径差の基準値は、前記最終延伸径の１０％以内である。前記外径変動値に対して予め決められた前記外径変動値の基準値は、最終延伸径の１／２５以内、つまり４％以内である。また、前記局所外径変動値は、加熱源の均熱帯の幅に相当する区間内における局所的な外径変動値である。さらに、前記局所外径変動値の基準値が、最終外径変動許容値の２／３以内である。

本発明によれば、必要に応じて延伸ステップを複数回繰り返すことにより、局所外径変動値を予め決められた基準値以内に収めることが可能となり、母材の外径を効率よくかつ精度良く仕上げることができる。さらに、仕上がり母材の長さを目標とする長さ以上確保することが可能となる。また、加工工程内の延伸ステップも各種基準値との比較によって効率よく進めることができるため、不必要な延伸ステップの追加の必要がなくなり、工程時間の短縮が可能となる。

ガラス母材の加工に使用したガラス旋盤を示す概略模式図である。 本発明の加工システムを説明するブロック図である。

本発明においては、目標とする最終延伸径と仕上がり長さに延伸加工するために、延伸ステップを１乃至複数回行うことにより、母材の外径を効率よくかつ精度良く仕上げることができる。
ＶＡＤ法、ＯＶＤ法などで作製された光ファイバ用ガラス母材は、略円筒形をしている。ガラス母材の両端にダミー棒を溶着し、このダミー棒をチャックで把持しガラス旋盤に取り付ける。ダミー棒をチャックで把持することによって、ガラス母材表面に傷が付かず、ガラス母材の両端近くを加熱した際のチャックに対する熱ダメージを軽減することができる。ダミー棒は、外径変動の小さい円筒形ガラス棒が好ましく、これにより、チャックで把持しガラス母材を回転させた際の軸ぶれを軽減することができる。

以下、本発明の加工方法について、図２の手順に従って説明する。
手順１；
先ず、延伸ステップの前に、延伸して得るガラス母材の最終延伸径を設定する。次いで、外径測定を行い、ガラス母材の長手方向の外径分布、すなわちガラス母材の長手方向の位置と各位置での外径を長手方向に細かい間隔で測定する。外径データは、ガラス旋盤の移動ステージに取り付けられた光学式の外径測定器をガラス母材の長手方向に沿って移動させながら、外径を連続的に測定することによって、正確かつ効率的に得ることができる。外径の測定間隔は、できる限り細かい方が好ましく、加熱源の幅の１０分の１程度以下の長さ毎に測定するのが好ましい。

手順２；
次に、光学的均質性や気泡の有無等を考慮して、ガラス母材の長手方向に連続する一つの有効区間を指定する。有効区間は、少なくとも最終延伸径と仕上がり長さから算出される母材の体積以上の体積となるように設定する。有効区間の体積は、有効区間の各外径測定位置での外径測定値から、局所区間の円錐形状部の体積を積算することによって得られる。また、ガラス旋盤による加工は、ガラス母材の外径を縮小させることはできるが、増大させることはできない。従って、設定された前記有効区間内にわたって、ガラス母材の外径が最終延伸径以上となっている必要がある。

手順３；
こうして設定された有効区間における平均外径および外径変動値を算出する。平均外径は、長手方向に等間隔で計測した外径の場合には、それらの単純な算術平均でよい。外径の計測位置が等間隔でない場合は、計測間隔を考慮した加重平均値を用いる。なお、外径変動値は、区間内で計測された最大外径と最小外径との差である。
こうして算出した平均外径ならびに外径変動値に基づいて、延伸ステップにおける目標延伸径を設定する。なお、平均外径に応じて、加熱によってガラス母材を延伸加工できる程度に軟化するように加熱源の熱量と移動速度を設定する。

ここで、前記有効区間の平均外径と最終延伸径との外径差が、予め決められた外径差の基準値を超える場合には手順１に戻り、再び延伸ステップを行う。つまり、延伸目標径を最終延伸径よりも大きい値に設定して延伸ステップを複数回行うことになる。
平均外径と最終延伸径との外径差の基準値は、最終延伸径の１０％の大きさ以内とすることが好ましい。例えば、平均外径φ８０ｍｍの光ファイバ用ガラス母材を最終延伸径φ５０ｍｍに加工する場合、外径差の基準値は５ｍｍ（もしくはそれ以下）に予め設定される。

なお、前記外径差が予め設定した基準値を超える場合には、延伸ステップを１回実施して平均外径と最終延伸径との差を所定値以内に収めても良いが、延伸ステップを複数回実施することとして、各回の延伸ステップの延伸目標径を次式、
｛平均外径×ｋ＋最終延伸径×（１−ｋ）｝、（ｋは、０．２５〜０．７５）、
で設定することによって、有効区間の平均外径と最終延伸径との差が前記外径差の基準値以内にあるようにすると更に好ましい。なお、上式において、ｋを大きくとるほど延伸ステップの回数が増すことになる。
前述の例によれば、延伸ステップ１回目で延伸目標値をφ６０ｍｍ（すなわち平均外径８０ｍｍ、最終延伸径５０ｍｍに対してｋ＝０．３３）として延伸加工した後に、延伸ステップ２回目で延伸目標値を、平均外径と最終延伸径との外径差が最終延伸径の１０％以内の大きさとなるφ５３ｍｍ（すなわち平均外径６０ｍｍに対してｋ＝０．３）として延伸加工すると良い。

手順４，手順５；
次に、前記有効区間内の平均外径と最終延伸径との差が基準値以内にある場合、あるいは前述の１回または複数回の延伸ステップを実施して平均外径と最終延伸径との差が基準値以内になった場合には、有効区間内の外径変動値が外径変動の基準値以内にあるか否かの判定を実施する。平均外径と最終延伸径との差が外径変動の基準値を超える場合には、手順１に戻り、延伸目標径を最終延伸径よりも大きな値に設定して延伸ステップを行う。
この有効区間内の外径変動値の基準値は、最終延伸径の４％以内とするのが好ましい。例えば、最終延伸径がφ５０ｍｍの場合には、外径変動の基準値は２ｍｍ（もしくはそれ以下）に予め設定される。有効区間内の外径変動値がこの基準値を上回ったときは、延伸目標径を次式、
｛平均外径×ｋ＋最終延伸径×（１−ｋ）｝、 （ｋは０．２５〜０．７５）、
で設定して延伸するのが好ましく、ｋを０．４〜０．６に設定すると更に好ましい。

手順６；
このようにして、前記有効区間の平均外径と最終延伸径との差が外径差の基準値以内となり、かつ前記有効区間内の外径変動値が外径変動値の基準値以内となった段階で、延伸目標径を最終延伸径として延伸ステップを実施することにより、仕上がり母材の外径を効率よくかつ精度良く加工することができる。
前述の各延伸ステップの前に、母材の長手方向の外径を細かく計測することによって、有効区間を精度良く設定することができるため、仕上がり母材の長さも目標とする長さ以上確保することが可能となる。

手順７；
延伸前にガラス母材の有効区間内における局所外径変動を測定し、局所外径変動値が予め決められた基準値以内に収まらない局所区間が有効区間内に存在する場合には、延伸目標径を最終延伸径よりも大きい値に設定して延伸ステップを行うのが好ましい。
なお、局所外径変動は、ガラス母材の有効区間域を所定の評価区間幅で分割し、分割した各評価区間域の外径変動を有効区間の全域に亘って測定し、該有効区間域の最大値を求めることで得られ、この最大値を局所外径変動値とする。評価区間の幅は、加熱源の均熱帯の幅に設定すると良い。均熱帯の幅は、加熱源として抵抗発熱体を用いている場合は、その発熱区間の幅程度に相当し、加熱源として火炎バーナを用いる場合には、バーナ口径の３倍程度に相当する。

前記評価区間内に大きな外径変動が存在する場合に、大きな縮径量で延伸ステップを行うと、外径変動が所望の範囲内に修正されない場合が多い。局所外径変動値の基準値は、最終外径変動許容値の２／３以内に設定することが好ましい。例えば、最終外径変動許容値は、最終延伸外径の５％とするのが好ましい。この場合、最終延伸外径がφ５０ｍｍのときには、最終外径変動許容値は２．５ｍｍとなる。その２／３に相当する１．７ｍｍが局所外径変動値の基準値ということになる。

局所外径変動が予め設定された局所外径変動値の基準値を超えた場合には、目標延伸径を次式、
｛平均外径×ｋ＋最終延伸径×（１−ｋ）｝、 （ｋは０．２５〜０．７５）、
で設定するのが好ましく、必要に応じてこのような延伸ステップを複数回繰り返すことにより、局所外径変動値を予め決められた基準値以内に収めることが可能となる。

このような延伸判断プロセスに基づく、少なくとも１乃至複数回の延伸ステップを含む光ファイバ用ガラス母材の加工方法を採用することにより、ガラス母材の外径を効率よくかつ精度良く仕上げることができる。また、仕上がり母材の長さも目標とする長さ以上確保することが可能となる。加工工程内の延伸ステップも各種基準値との比較によって効率よく進めることができるため、不必要な延伸ステップの追加の必要がなくなり工程時間の短縮が可能となる。

１.ガラス旋盤、
２.ダミー棒、
３.光ファイバ用ガラス母材、
４.外径測定器、
５.加熱源。

Claims (10)

1. 光ファイバ用ガラス母材の長手方向に沿って加熱源を相対的に移動させながら、前記ガラス母材を加熱し延伸して所望の径に縮径する光ファイバ用ガラス母材の加工方法において、１乃至複数の延伸ステップを経て最終延伸径に縮径するに際し、前記延伸ステップの前に、前記ガラス母材の長手方向の外径分布を測定し、長手方向に連続する一つの有効区間を設定し、該有効区間内の平均外径および外径変動値を求め、該平均外径および該外径変動値に基づいて前記延伸ステップでの延伸目標径を求めることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
2. 前記平均外径と前記最終延伸径との外径差が、予め決められた外径差の基準値以内にあり、かつ前記外径変動値が予め決められた外径変動値の基準値以内にある場合には、前記延伸目標径を最終延伸径として延伸し、それ以外の場合には、前記延伸目標径を平均外径よりも小さく前記最終延伸径よりも太い径に設定して延伸する請求項１に記載の光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
3. 前記有効区間内の長手方向に局所外径変動値を測定し、該局所外径変動値が予め決められた局所外径変動値の基準値以内にある場合には、前記延伸目標径を最終延伸径として延伸し、それ以外の場合には、前記延伸目標径を平均外径よりも小さく前記最終延伸径よりも太い径に設定して延伸する請求項１または２に記載の光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
4. 前記延伸目標径を次式、｛平均外径×ｋ＋最終延伸径×（１−ｋ）｝で求め、ｋを０．２５〜０．７５の範囲内の数値とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
5. 前記ｋを０．４〜０．６の範囲内の数値とする請求項４に記載の光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
6. 前記有効区間の体積が、前記最終延伸径と所定の仕上がり長さから計算される体積以上である請求項１乃至５に記載の光ファイバ用ガラス母材の加工方法。
7. 前記平均外径と前記最終延伸径との外径差に対して予め決められた前記外径差の基準値が、前記最終延伸径の１０％以内である請求項２に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
8. 前記外径変動値に対して予め決められた前記外径変動値の基準値が、最終延伸径の１／２５以内である請求項２に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
9. 前記局所外径変動値が、加熱源の均熱帯の幅に相当する区間内における局所的な外径変動値である請求項３に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
10. 前記局所外径変動値の基準値が、最終外径変動許容値の２／３以内である請求項３に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。

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