JP2016166104A - 光ファイバ母材の加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光ファイバー母材の端部に絞り加工して紡錘形状を形成する際、シリカクラウドの少ない光ファイバ母材の加工方法を提供する。
【解決手段】 バーナー火炎を加熱源とするガラス旋盤を用いて、光ファイバー母材の軸方向の少なくとも一方の端部を加熱軟化後にチャック間距離を広げることにより端部を紡錘形状に仕上げる加工方法であって、縮径部での最小径が加工前の外径の1/2を下回らない径まで一次縮径を行う第１の工程、チャック間距離を広げるのを停止し、縮径位置から光ファイバ母材製品側を火炎研磨する第２の工程、再度チャック間距離を広げ、最小径が加工前の外径の3/10乃至1/10になるよう二次縮径を行う第３の工程、及び最小径部を火炎で溶断する第４の工程からなることを特徴とする。
【選択図】 図２
Description
本発明は、光ファイバー母材の端部に絞り形状を形成する光ファイバ母材の加工方法に関する。
光ファイバー母材は、通常、電気炉を備えた延伸装置において、加熱延伸して線引き機に合わせた外径に縮径し、次いで、軸方向の少なくとも一方の端部をガラス旋盤を用いて加工し、線引きに都合のよい紡錘形状を形成した後、光ファイバー母材全面を火炎研磨して仕上げられる。線引きする際には、一端に吊り下げ用のダミーガラス棒を溶着して吊り下げ、他端に形成した紡錘形状側からファイバー状に線引きされる。
線引きの際、光ファイバー母材の表面に傷や不純物があると断線したり、光ファイバーの特性に悪影響を及ぼしたりするため、光ファイバー母材の表面は、平滑且つ不純物のないことが肝要である。そのため、少なくとも一方の端部に紡錘形状を形成した後、母材全体を火炎研磨して、表面の平滑化および歪みの除去が一般的に行われている。
光ファイバー母材の端部に絞り加工を施して、端部に紡錘形状を形成する一般的な工程を図１に示した。
光ファイバー母材端部の絞り加工は、ガラス旋盤のチャックで水平に保持された光ファイバ母材をバーナー火炎で加熱し、火力を調節しながらガラス旋盤のテールストックを移動させて母材を牽引し、加熱軟化箇所を徐々に細くしていき、最後に火炎を細く絞って局所的に加熱し溶断することで、母材端部に紡錘形状を形成している。
光ファイバー母材端部の絞り加工は、ガラス旋盤のチャックで水平に保持された光ファイバ母材をバーナー火炎で加熱し、火力を調節しながらガラス旋盤のテールストックを移動させて母材を牽引し、加熱軟化箇所を徐々に細くしていき、最後に火炎を細く絞って局所的に加熱し溶断することで、母材端部に紡錘形状を形成している。
次に、光ファイバー母材端部の絞り加工について、図に従い具体的に説明する。
図１（a）において、光ファイバー母材１が図示を省略したガラス旋盤に水平に支持されている。光ファイバー母材１の端部をバーナー火炎４で加熱してダミー棒２を溶接(以下、ダミー接続と称する)した後、光ファイバー母材１のダミー棒2が接続された近くを加熱して充分に軟化させるための予備加熱を行う。ダミー接続時ならびに予備加熱時に、ガラス表面から発生したシリカクラウド３（石英ガラスの微粒子）が接続部の両脇に付着する。
図１（a）において、光ファイバー母材１が図示を省略したガラス旋盤に水平に支持されている。光ファイバー母材１の端部をバーナー火炎４で加熱してダミー棒２を溶接(以下、ダミー接続と称する)した後、光ファイバー母材１のダミー棒2が接続された近くを加熱して充分に軟化させるための予備加熱を行う。ダミー接続時ならびに予備加熱時に、ガラス表面から発生したシリカクラウド３（石英ガラスの微粒子）が接続部の両脇に付着する。
図１（b）、（c）では、光ファイバー母材の加熱部分が軟化した時点でチャック間隔を広げはじめ、軟化部を局所的に延伸し縮径することにより、線引き開始に適切な紡錘形状を形成していく。この際、加熱源のバーナーに供給する水素などの可燃性ガスおよび酸素などの助燃性ガスの量を調整しながら、チャック間隔を広げる速度を適宜調整する。
この工程においてもシリカクラウドが発生し、ダミー接続、予備加熱と合わせ、大量のシリカクラウドが接続部の両脇に付着し堆積することになる。
この工程においてもシリカクラウドが発生し、ダミー接続、予備加熱と合わせ、大量のシリカクラウドが接続部の両脇に付着し堆積することになる。
図１（ｄ）では、火炎研磨を行って母材表面を清浄化し、堆積したシリカクラウドの除去とともに歪みの除去を行う。その後、図１（ｆ）に示すように、細径部で溶断してダミー棒を切り離す。
なお、図１（e）に示すように、母材端部に所望の紡錘形状を形成した後、母材１とダミー棒２を切り離すこともできるが、その場合、堆積した大量のシリカクラウド３および加熱部周辺の歪みは残ったままである。
なお、図１（e）に示すように、母材端部に所望の紡錘形状を形成した後、母材１とダミー棒２を切り離すこともできるが、その場合、堆積した大量のシリカクラウド３および加熱部周辺の歪みは残ったままである。
近年、光ファイバー母材の外径が大きくなり、絞り加工に要するガス量、時間ともに増大している。このため、絞り加工時の予備加熱において、使用されるガス量の増大、長時間化によって、さらに大量のシリカクラウドが付着し堆積する。
石英ガラスの高温での分解反応は複雑であるが、便宜的には下記数１式（1）のように、SiO2がSiOとO2に分解すると考えられる。生成したSiOは大気中で数１式（2）のように加水分解されて再びSiO2となり、加熱部周辺の温度の低い領域にシリカクラウドとして析出する。
（数１）
2ＳｉO２ → 2SiO ＋ O2 ・・・（1）
ＳｉO + H2O → SiO2 + H2 ・・・（2）
石英ガラスの高温での分解反応は複雑であるが、便宜的には下記数１式（1）のように、SiO2がSiOとO2に分解すると考えられる。生成したSiOは大気中で数１式（2）のように加水分解されて再びSiO2となり、加熱部周辺の温度の低い領域にシリカクラウドとして析出する。
（数１）
2ＳｉO２ → 2SiO ＋ O2 ・・・（1）
ＳｉO + H2O → SiO2 + H2 ・・・（2）
シリカクラウドの付着量が増大すると、最終仕上げ時の火炎研磨で除去しきれず、母材の表面に堆積したシリカクラウドによる凹凸が発生する。また、母材表面に発生する不純物は、火炎に巻き込まれて発生するケースが多く、シリカクラウド発生位置には不純物の発生も多くなる。
近年、線引き技術の向上により火炎研磨工程を省略し、紡錘形状形成後のシリカクラウド及び歪みの除去を行わずに線引きする方法もあるが、その場合でも断線の原因となることもあり、シリカクラウドの付着量は極力少ない方が望ましい。そのため、母材全体に火炎研磨処理が施されるが、処理後に凹凸が確認された場合は、再度火炎研磨処理を施すことになり、不具合が解消されるまでその工程が続くことになる。
近年、線引き技術の向上により火炎研磨工程を省略し、紡錘形状形成後のシリカクラウド及び歪みの除去を行わずに線引きする方法もあるが、その場合でも断線の原因となることもあり、シリカクラウドの付着量は極力少ない方が望ましい。そのため、母材全体に火炎研磨処理が施されるが、処理後に凹凸が確認された場合は、再度火炎研磨処理を施すことになり、不具合が解消されるまでその工程が続くことになる。
本発明は、光ファイバー母材の端部に絞り加工して紡錘形状を形成する際、シリカクラウドの少ない光ファイバ母材の加工方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、加熱軟化後チャック間距離を広げて縮径部の最小径が加工前外径の1/2を下回らない径まで縮径した後、チャック間距離を広げるのを停止し、加熱源位置から製品側を火炎研磨して、それまでに堆積したシリカクラウドの除去及び歪を緩和した後、大きな火力を必要とせずに溶断できる加工前外径の3/10乃至1/10に縮径後、溶断し切り離すことで、光ファイバー母材端部に形成した紡錘形状部近辺のシリカクラウド量及び歪みを最小限に抑えられることを知見し、本発明をなすに至ったものである。
すなわち、本発明の光ファイバ母材の加工方法は、バーナー火炎を加熱源とするガラス旋盤を用いて、光ファイバー母材の軸方向の少なくとも一方の端部を加熱軟化後にチャック間距離を広げることにより端部を紡錘形状に仕上げる加工方法であって、縮径部での最小径が加工前の外径の1/2を下回らない径まで一次縮径を行う第１の工程、チャック間距離を広げるのを停止し、縮径位置から光ファイバ母材製品側を火炎研磨する第２の工程、再度チャック間距離を広げ、最小径が加工前の外径の3/10乃至1/10になるよう二次縮径を行う第３の工程、及び最小径部を火炎で溶断する第４の工程からなることを特徴としている。
前記火炎研磨する第２の工程において、加熱源の移動距離を光ファイバー母材の外径の1/2乃至２倍の距離とするのが好ましい。
なお、該第２の工程において、縮径部を予備加熱後、加熱源を光ファイバー母材製品側へ移動し、所定の位置に達した後予備加熱位置に戻すのが好ましい。このとき、加熱源の移動速度を光ファイバ母材製品側への移動速度よりも、予備加熱位置に戻る際の移動速度の方を大きくするのが好ましい。
なお、該第２の工程において、縮径部を予備加熱後、加熱源を光ファイバー母材製品側へ移動し、所定の位置に達した後予備加熱位置に戻すのが好ましい。このとき、加熱源の移動速度を光ファイバ母材製品側への移動速度よりも、予備加熱位置に戻る際の移動速度の方を大きくするのが好ましい。
本発明の光ファイバー母材の絞り加工方法によれば、凹凸や不純物の付着を抑制した、端部に線引き工程に適した紡錘形状を有する光ファイバー母材を高い歩留まりで得ることができ、表面状態も良好で線引き工程の歩留まりを向上させることができる。
以下、本発明の加工方法について、図を用いてさらに詳細に説明する。
図２において、光ファイバー母材１は、図示を省略したガラス旋盤に水平に把持されている。
第１の工程では、光ファイバー母材1の製品側の所定の位置で予備加熱を行い（図２-ａ）、充分に加熱し軟化した後、チャック間隔を広げ、部分的に延伸動作を開始する。この工程では、縮径部の最小径が加工前の外径の1/2を下回らない径まで一次縮径を行い、その時点でチャックの移動を停止する（図2-ｂ）。
なお、最小径が1/2を下回ると、軟化しすぎて母材が垂れ、振れ回ってしまう恐れがあるため、最小径が加工前の外径の1/2を下回らないようにする。
この時点で加熱部の両側には、ダミー棒接続時と第１の工程で発生したシリカクラウドが２重に堆積することとなる。
図２において、光ファイバー母材１は、図示を省略したガラス旋盤に水平に把持されている。
第１の工程では、光ファイバー母材1の製品側の所定の位置で予備加熱を行い（図２-ａ）、充分に加熱し軟化した後、チャック間隔を広げ、部分的に延伸動作を開始する。この工程では、縮径部の最小径が加工前の外径の1/2を下回らない径まで一次縮径を行い、その時点でチャックの移動を停止する（図2-ｂ）。
なお、最小径が1/2を下回ると、軟化しすぎて母材が垂れ、振れ回ってしまう恐れがあるため、最小径が加工前の外径の1/2を下回らないようにする。
この時点で加熱部の両側には、ダミー棒接続時と第１の工程で発生したシリカクラウドが２重に堆積することとなる。
次いで第２の工程では、母材の製品側方向に加熱源を移動し、縮径部から製品側を火炎研磨することにより、これまでに発生したシリカクラウドを除去する（図２-ｃ）。シリカクラウドの発生位置は、光ファイバー母材の外径によって異なり、外径が大きくなるほど縮径位置からの距離も大きくなる。よって、加熱源の移動距離（火炎研磨を施す距離）は、加工前の外径の1/2乃至２倍程度とすることが好ましい。より好ましくは１乃至1.5倍である。1/2倍より短いと、付着したシリカクラウドの除去が不充分となり、２倍より長い場合は、不必要な部分も加熱することになりエネルギー効率が悪くなる。これにより、第１の工程で付着したシリカクラウドを完全に除去することが可能になる。
上記火炎研磨時の加熱源の移動速度は、縮径位置から火炎研磨の所定位置まで進む際の移動速度よりも、前記所定位置から縮径位置に戻る際の移動速度の方を大きくすることが好ましい。加熱源を所定位置まで移動させる間に母材は充分に熱せられるため、より速い速度で戻しても母材内に歪が発生することはなく熱効率がよい。縮径位置に戻った以降は、第３の工程の縮径動作に移行する。
第３の工程では、再度チャック間距離を広げ、縮径部の最小径が加工前の外径の3/10乃至1/10となるよう二次縮径を行って縮径動作を終える（図２-d）。なお、縮径終了時の径が加工前の外径の3/10より大きくなると、溶断（ダミー棒との切り離し）の際に大きな火力が必要となり、端部に大きな歪みを発生させることとなり、割れ発生の原因ともなる。1/10より細くなった場合は、母材の振れ回りが発生したり、最悪の場合は破断し母材の破損を招く恐れがある。
加工前の外径の3/10乃至1/10に縮径した後、表面処理である母材全体の火炎研磨処理を施すことなく最小径部で溶断して切り離し、そのまま線引き用の光ファイバー母材として提供することができる（図２-g）。この第３の工程でもシリカクラウドは僅かに発生するが、そのまま使用しても線引きに与える影響は非常に小さい。
加工前の外径の3/10乃至1/10に縮径した後、表面処理である母材全体の火炎研磨処理を施すことなく最小径部で溶断して切り離し、そのまま線引き用の光ファイバー母材として提供することができる（図２-g）。この第３の工程でもシリカクラウドは僅かに発生するが、そのまま使用しても線引きに与える影響は非常に小さい。
なお、母材全体を火炎研磨し表面の清浄化および歪みの除去を行ってから（図２-e）、最小径部を切り離す（図２-f）こともできるが、第２の工程でシリカクラウドは除去されおり、第３の工程でのシリカクラウドの発生量は僅かであるため、このシリカクラウド発生位置に、シリカクラウドを起因とする凹凸や不純物が発生する確率は非常に小さい。
以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されず、様々な態様が可能である。
［実施例１］
助燃性ガスとしての酸素ノズルを有する水素炎バーナーを具備したガラス旋盤に、平均径がφ85mmの光ファイバー母材を水平にセットした。
ダミー棒との接続部から母材の製品側20mmの位置に、バーナー火炎をあてて予備加熱を開始した。加熱部分が軟化した後、チャック間隔を広げて加熱軟化部分を延伸し、最小径が50mmのところまで一次縮径を行った後、縮径動作を一旦停止した。次いで、製品側へバーナー移動速度30mm/minで火炎研磨し、150mm移動したところでバーナーの進行方向を逆にし、倍の速度である60mm/minで予備加熱開始点まで戻した。
その位置から再度チャック間距離を広げて縮径動作を再開し、最小径が20mmのところまで縮径する二次縮径を行った。同様の工程で反対側の端部にも絞り形状を形成後、絞り形状部で溶断しガラス旋盤から取り外した。
同様の加工を100本行い、仕上がり表面を検査したところ、100本のうち2本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認されたが、その発生率は2％であった。
［実施例１］
助燃性ガスとしての酸素ノズルを有する水素炎バーナーを具備したガラス旋盤に、平均径がφ85mmの光ファイバー母材を水平にセットした。
ダミー棒との接続部から母材の製品側20mmの位置に、バーナー火炎をあてて予備加熱を開始した。加熱部分が軟化した後、チャック間隔を広げて加熱軟化部分を延伸し、最小径が50mmのところまで一次縮径を行った後、縮径動作を一旦停止した。次いで、製品側へバーナー移動速度30mm/minで火炎研磨し、150mm移動したところでバーナーの進行方向を逆にし、倍の速度である60mm/minで予備加熱開始点まで戻した。
その位置から再度チャック間距離を広げて縮径動作を再開し、最小径が20mmのところまで縮径する二次縮径を行った。同様の工程で反対側の端部にも絞り形状を形成後、絞り形状部で溶断しガラス旋盤から取り外した。
同様の加工を100本行い、仕上がり表面を検査したところ、100本のうち2本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認されたが、その発生率は2％であった。
［実施例２］
平均径がφ120mmの光ファイバー母材を実施例１と同様にして絞り加工を行った。
ダミー棒との接続部から母材の製品側30mmの位置にバーナー火炎をあてて予備加熱を開始した。加熱部分が軟化した後、チャック間隔を広げて加熱軟化部分を延伸し、最小径が70mmのところまで一次縮径を行った後、縮径動作を一旦停止した。次いで、製品側へバーナー移動速度30mm/minで火炎研磨し、200mm移動したところでバーナーの進行方向を逆にし、倍の速度である60mm/minで予備加熱開始点まで戻した。
その位置から再度チャック間距離を広げて縮径動作を再開し、最小径が25mmのところまで縮径する二次縮径を行った。同様の工程で反対側の端部にも絞り形状を形成後、絞り形状部で溶断しガラス旋盤から取り外した。
同様の加工を100本行い、仕上がり表面を検査したところ、100本のうち１本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認されたが、その発生率は１％であった。
平均径がφ120mmの光ファイバー母材を実施例１と同様にして絞り加工を行った。
ダミー棒との接続部から母材の製品側30mmの位置にバーナー火炎をあてて予備加熱を開始した。加熱部分が軟化した後、チャック間隔を広げて加熱軟化部分を延伸し、最小径が70mmのところまで一次縮径を行った後、縮径動作を一旦停止した。次いで、製品側へバーナー移動速度30mm/minで火炎研磨し、200mm移動したところでバーナーの進行方向を逆にし、倍の速度である60mm/minで予備加熱開始点まで戻した。
その位置から再度チャック間距離を広げて縮径動作を再開し、最小径が25mmのところまで縮径する二次縮径を行った。同様の工程で反対側の端部にも絞り形状を形成後、絞り形状部で溶断しガラス旋盤から取り外した。
同様の加工を100本行い、仕上がり表面を検査したところ、100本のうち１本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認されたが、その発生率は１％であった。
［比較例１］
光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した後、火炎研磨して堆積したシリカクラウドの除去とともに歪みの除去を行った以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した。このようにして100本の加工を行ったところ、10本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認され、その発生確率10％であった。
光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した後、火炎研磨して堆積したシリカクラウドの除去とともに歪みの除去を行った以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した。このようにして100本の加工を行ったところ、10本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認され、その発生確率10％であった。
［比較例２］
光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した後、火炎研磨して堆積したシリカクラウドの除去とともに歪みの除去を行った以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した。このようにして、さらに別のロット100本の加工を行ったところ、９本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認され、その発生確率９％であった。
光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した後、火炎研磨して堆積したシリカクラウドの除去とともに歪みの除去を行った以外は、実施例１と同様にして、光ファイバ母材の端部に紡錘形状を形成した。このようにして、さらに別のロット100本の加工を行ったところ、９本の端部表面にシリカクラウド起因と思われる凹凸が確認され、その発生確率９％であった。
１． 光ファイバー母材、
２． ダミー棒、
３． シリカクラウド、
４． バーナー火炎、
５． 加熱源（バーナー）。
２． ダミー棒、
３． シリカクラウド、
４． バーナー火炎、
５． 加熱源（バーナー）。
Claims (4)
- バーナー火炎を加熱源とするガラス旋盤を用いて、光ファイバー母材の軸方向の少なくとも一方の端部を加熱軟化後にチャック間距離を広げることにより端部を紡錘形状に仕上げる加工方法であって、縮径部での最小径が加工前の外径の1/2を下回らない径まで一次縮径を行う第１の工程、チャック間距離を広げるのを停止し、縮径位置から光ファイバ母材製品側を火炎研磨する第２の工程、再度チャック間距離を広げ、最小径が加工前の外径の3/10乃至1/10になるよう二次縮径を行う第３の工程、及び最小径部を火炎で溶断する第４の工程からなることを特徴とする光ファイバー母材の加工方法。
- 前記火炎研磨する第２の工程において、加熱源の移動距離を光ファイバー母材の外径の1/2乃至２倍の距離とする請求項１に記載の光ファイバー母材の加工方法。
- 前記火炎研磨する第２の工程において、縮径部を予備加熱後、加熱源を光ファイバー母材製品側へ移動し、所定の位置に達した後予備加熱位置に戻す請求項１又は２に記載の光ファイバー母材の加工方法。
- 前記火炎研磨する第２の工程において、加熱源の移動速度を光ファイバ母材製品側への移動速度よりも、予備加熱位置に戻る際の移動速度の方を大きくする請求項３に記載の光ファイバー母材の加工方法。
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