JP4120769B2 - 石英パイプの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英パイプの製造方法および製造装置に係り、特に、石英を主成分とするガラスロッド又はガラスパイプを加熱軟化させ、貫入治具を貫入させることによって貫通孔を形成し石英パイプを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進歩に伴い、光ファイバの利用が高まってきている。
【０００３】
通常はプリフォーム（光ファイバ母材）と呼ばれる成形体を高速で線引きすることによって所望の口径の光ファイバを得るという方法がとられている。従って、光ファイバの形状は、プリフォームの形状および品質をそのまま引き継いでしまうため、プリフォームの形成に際しては、極めて高精度の形状および品質の制御が求められている。
【０００４】
例えばＭＣＶＤ法は、ガラス管からなる肉付け用パイプの内壁にガラス微粒子（すす）を堆積する方法であるが、このガラス管はそのまま用いられるため、非円率および偏心率が小さく、肉厚が均一で、特性の優れたものである必要がある。非円率または偏心率の大きなガラス管から作製された光ファイバは偏波分散（ＰＭＤ）が大きな値となってしまう。
【０００５】
従来、加熱したガラスインゴットに（貫入治具である）炭素ドリルを回転しつつ押し付けることにより、石英パイプを形成する熱間炭素ドリル圧入法が提案されている（特開平７−１０９１３５号）。
【０００６】
また、この他、円柱状の石英ガラスロッドを回転させながら、先端を加熱軟化させ、ロッド先端面の中心部に穿孔用部材の先鋭端を係合させてこの先鋭端の周縁を穿孔用部材に対して回転し、引き抜く方法も提案されている（特許第２７９８４６５号）。
【０００７】
例えば、図３０に示すように、外径６０ｍｍの中実のガラスインゴット（石英ガラスロッド１０１）を用意し、両端を把持パイプで支持し回転しながら、インゴット先端面の中心部にカーボンドリル（以下駒）１０３Ｐをあて、駒１０３Ｐの先鋭端の周囲のインゴットをヒータ（加熱手段１０６）で加熱軟化させ、孔あけを行うものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法は、通常一定径の支持ロッド１０３Ｒに固定した駒１０３Ｐにインゴット１０１を回転させながら押し付ける方法であるため、先端のプラグ１０３に抵抗がかかり、この抵抗を緩和するために支持ロッドの中央部が撓むことがある。このたわみは中心軸ずれを引き起こし、ガラスパイプの長手方向で孔径に分布を形成する。
【０００９】
このように孔径に分布を形成したパイプを用いて光ファイバ母材を形成し、これを延伸してファイバ化したとき、ＰＭＤ（偏波モード分散）の劣化、モード変換によるロス・分散値ずれによる歩留まり低下の原因となる。
【００１０】
このように、従来の方法では、貫入治具の自重や貫入時の抵抗によるたわみにより中心軸ずれを起こし、外径分布を引き起こし易いという問題があった。
このため断面が真円となり、かつ偏心していない、特性に優れ均一な品質の石英パイプを得ることは極めて困難であるという問題があった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、外径分布が均一で、非円率および偏心率が小さく、特性の優れた石英パイプを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の石英パイプ製造装置では、石英を主成分とするガラス素材の所望の領域を順次加熱し、軟化領域を形成する加熱手段と、前記ガラス素材の長手方向に貫入させることによって前記ガラス素材の前記軟化領域に開孔を形成し、石英パイプを形成する貫入治具とを具備し、前記貫入治具が、前記ガラス素材への貫入領域を構成する駒と、前記駒から離れるに従って外径が徐々に小さくなるテーパ部をもつ支持ロッドとを具備し、前記テーパ部は、水平軸に対するテーパ角が０．１°以上１０°以下となるように形成され、前記支持ロッドと、前記駒の接合部での駒に対する支持ロッドの外径比が０．５以上１未満となるように形成され、前記支持ロッドの前記テーパ部の最小外径が、前記駒の最大外径の０．３倍以上であることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、支持ロッドにテーパ部を設けることで、駒にかかった抵抗を支持ロッド全体で吸収し、力を分散させて、支持ロッドの中央部のみに力がかからないようにすることが可能となる。従って支持ロッドの撓みによる中心軸ずれを防ぎ、外径分布の発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
望ましくは、貫入治具も回転することにより、ガラス素材に対して貫入治具により、軸芯方向に過剰な力がかかるのを防止することができ、ガラス素材および貫入治具の撓みおよび形状の変形を有効に回避することができる。
【００１４】
また望ましくは、前記支持ロッドは、前記駒との境界から徐々に外径が小さくなるように形成されている。
【００１５】
かかる構成によれば、支持ロッドの径が駒から離れるにしたがって小さくなるようにテーパ部を形成しているため、開孔時に駒にかかる力が支持ロッドの一部分に集中しないようにし、分散することが可能となる。
【００１７】
テーパ角が０．１°未満であるとテーパの効果が十分に得られず、支持ロッドの中央部に力がかかって撓み易くなる。一方１０°を越えるとテーパ部が短くなり、同様にテーパの効果がなくなって撓む。従ってテーパ角を０．１°以上１０°以下となるように形成することいより、支持ロッドの撓みを効率よく抑制することができる。
【００１９】
駒の接合部での駒に対する支持ロッドの外径比が０．５未満であると、駒にかかった力を支持ロッドで有効に分散することができず、撓みを生じる。従って、駒の接合部での駒に対する支持ロッドの外径比が０．５以上１未満となるように形成することにより、力を有効に分散することができる。
【００２１】
支持ロッドの前記テーパ部の最小外径が、前記駒の最大外径の０．３倍未満であると、支持ロッドの剛性が小さくなり、撓みを生じたり、破損したりするおそれがある。
【００２２】
また、上記装置を用いて、石英を主成分とするガラス素材を順次加熱軟化させ、少なくとも前記ガラス素材を回転させながら、前記ガラス素材の長手方向に貫入治具を貫入させることによって前記ガラス素材に開孔を形成し、石英パイプを形成することにより外径分布が５％以内の石英パイプを形成することが可能となる。
【００２３】
ここで、開孔部の加熱温度は１５００〜２２００℃であることが好ましい。
加工温度が１５００℃（石英ガラスの軟化点）よりも低いと、粘度が大きすぎて、ガラス素材と貫入治具との回転差によって生じる内面粗さの劣化を引き起こす。また、加工温度が２２００℃よりも高いと、粘度が小さすぎて加工中にガラス素材が変形してしまう。
【００２４】
ここで、ガラス素材としては中実のガラスロッド、内部に孔を有するガラス管の両方に適用可能であり、本明細書中、ガラス素材とは、ガラスロッド、およびガラス管の両方を含むものとする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の石英パイプの製造装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本発明に係る石英パイプの製造方法を実施するための装置を概念的に示しており、図２はその要部拡大図である。
【００２７】
この装置では、図２に要部拡大図を示すように、ガラスロッド１を加熱手段6で順次加熱し、軟化された領域に、プラグ３を貫入することによって、開孔を形成するもので、このプラグ３がガラスロッド１への貫入領域を構成する駒３Ｐと、この駒３Ｐから離れるに従って外径が徐々に小さくなるテーパ部３Ｔをもつ支持ロッド３Ｒとを具備したことを特徴とする。そして、ガラスロッド１を８０ｒｐｍで回転するとともに、駒3Ｐを支持ロッド３Ｒとともに、これと同じ方向に回転数６５ｒｐｍで回転しつつ穿孔を行うようにしたことを特徴とする。
【００２８】
この装置は、図１に示すように、ガラスロッド１の基端を保持するガラスロッド保持手段２と、駒３Ｐと支持ロッド３Ｒとからなるプラグ３を先端に備えた軸４の基端を保持するプラグ保持手段５と、ガラスロッド保持手段２とプラグ保持手段５の中間に設置される加熱手段６と、ガラスロッド１の先端を保持し、この開孔後のガラスロッド１を引っ張るとともに、プラグ３の軸４を案内するガイド手段７等によって構成されている。
【００２９】
ガラスロッド保持手段２は、ロッド基台８に対して矢印方向へ移動可能に設置され、図示しない駆動手段によって移動せしめられる。このガラスロッド保持手段２は、モータ（図示せず）を備えており、該モータによってガラスロッド１が回転される。
【００３０】
プラグ保持手段５は、基台１０に装着されモータ（図示せず）を備えており、該モータによって軸４を介してプラグ３を回転させる。
【００３１】
加熱手段６は、ガラスロッド１を誘導加熱によって部分的に加熱するもので、ガラスロッド１を囲繞するように配置したカーボンチューブからなる熱媒体１１を有している。
【００３２】
ガイド手段７は、基台１０に対して矢印方向へ移動可能に設置され、図示しない駆動手段によって移動せしめられる。そして、このガイド手段７は、直接または間接的にガイドロッド１の先端を回転自在に保持するチャック１２と、軸４を回転自在に挿嵌させるガイド部１３とを有している。
【００３３】
次にこの装置を用いて石英パイプを製造する方法について説明する。
まず、ガラスロッド１に対するプラグ３の外径比が０．６程度となるように、ガラスロッド１およびプラグ３を選択する。ここでプラグ３は駒３Ｐと支持ロッド３Ｒとで構成され、テーパ部のテーパ角θが８度であり、駒３Ｐの径Ｄは３０ｍｍ、テーパ部の最大径ｄ１＝２４ｍｍ、最小径ｄ２＝１０ｍｍとなっている。そしてこのガラスロッド保持手段２によって石英を主成分とするガラスロッド１の基端を保持し、プラグ保持手段５によって軸４の基端を保持し、さらにガイド手段７によってガラスロッド１の先端を保持する。そして、ガラスロッド１の先端面中心にプラグ３の先端を当接させ、その会合部を１６００℃に設定された加熱手段６内に位置させる。
【００３４】
そして、モータを駆動し、ガラスロッド１およびプラグ３をそれぞれ８０ｒｐｍ、６５ｒｐｍで回転させるとともに、加熱手段６によってガラスロッド１を１６００℃に加熱しながらガラスロッド保持手段２およびガイド手段７を矢印方向へ移動させる。その際、ガラスロッド１およびプラグ３は同一方向に、それぞれ所定の速度で回転される。
【００３５】
このようにして、ガラスロッド１は加熱手段６によって加熱されるとともにガラスロッド保持手段を介して回転せしめられつつ軟化され、図２に示したように、ガラスロッドと同一方向に６５ｒｐｍで回転するプラグ３によって漸次開孔される。
【００３６】
ここで支持ロッド３Ｒのテーパ部３Ｔは、水平軸に対するテーパ角θが０．１°以上１０°以下とするのが望ましい。
また支持ロッド３Ｒと駒３Ｐとの接合部での駒に対する支持ロッドの外径比ｄ／ｄ１は０．５以上１未満となるように形成されているのが望ましい。
さらに、支持ロッド３Ｒのテーパ部３Ｔの最小外径ｄ０が、駒の最大外径Ｄの０．３倍以上である。
【００３７】
そしてここでは、ガラスロッド１に対するプラグ３の外径比が０．６となるようにガラスロッド１およびプラグ３を選択し、ガラスロッド１とプラグ３とを同一方向へ回転させるとともに、ガラスロッド１の回転速度を８０ｒｐｍに設定し、かつガラスロッド１の回転速度に対して、プラグ３の回転速度を１５ｒｐｍ程度遅くし、さらに、開孔部の加熱温度が２１００℃になるように熱媒体１１を設定して、石英パイプを製造した。
【００３８】
その結果、支持ロッドの撓みもなく、外径分布５％以内で、芯ずれ５パーセント以下、内面粗さ０．５ｍｍ以下のパイプを得ることができた。
【００３９】
なお、上記した装置は、本発明に係る石英パイプの製造方法を実施するための装置の一例であって、装置としては、他の構造のものを使用してもよいことはいうまでもない。
【００４０】
また、上記実施の形態では、中実のガラスロッド１を開孔させているが、本発明の石英パイプの製造方法は、ガラスパイプの孔を拡開させる場合にも適用可能である。
【００４１】
さらにまた、ガラスロッドの中心に穿孔する場合に限定されることなく、応力保持部材を挿入して偏波保持ファイバを形成するための孔を形成する場合など、ガラスロッドの中心以外の位置に孔を形成する場合にも適用可能である。この場合、形成すべき孔の中心を回転軸として、ガラスロッドを回転するようにすればよい。
【００４２】
なお、プラグの形状については、前記実施の形態に限定されることなく、適宜変形可能である。
図３乃至図２９は、プラグの形状の変形例を示す図である。
【００４３】
（実施の形態２）
すなわち、本発明の第２の実施の形態では、図３に示すように、プラグ３が、半球状の駒３Ｐと、なだらかな円錐台をなすような側周面からなるテーパ部３Ｔからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。なお石英パイプ製造装置としては図１に示したものを用いられる。
【００４４】
（実施の形態３）
すなわち、本発明の第３の実施の形態では、図４に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、なだらかな円錐台をなすような側周面からなるテーパ部３Ｔと、このテーパ部に連設された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００４５】
（実施の形態４）
すなわち、本発明の第４の実施の形態では、図５に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、内側に湾曲したテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００４６】
（実施の形態５）
すなわち、本発明の第５の実施の形態では、図６に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、内側に湾曲したテーパ部３Ｔと、このテーパ部に連設された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００４７】
（実施の形態６）
すなわち、本発明の第６の実施の形態では、図７に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、一定外径の筒状部３Ｃと、この筒状部３Ｃに連設されたテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００４８】
（実施の形態７）
すなわち、本発明の第７の実施の形態では、図８に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、一定外径の筒状部３Ｃと、この筒状部３Ｃに連設され内側に湾曲したテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００４９】
（実施の形態８）
すなわち、本発明の第８の実施の形態では、図９に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、外側に湾曲したテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５０】
（実施の形態９）
すなわち、本発明の第９の実施の形態では、図１０に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、外側に湾曲したテーパ部３Ｔと、このテーパ部３Ｔに連設された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５１】
（実施の形態１０）
すなわち、本発明の第１０の実施の形態では、図１１に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、一定径の筒状部３Ｃと、この筒状部３Ｃに連設され、外側に湾曲したテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５２】
（実施の形態１１）
すなわち、本発明の第１１の実施の形態では、図１２に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続したなだらかなテーパ部３Ｔを構成する支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５３】
（実施の形態１２）
すなわち、本発明の第１２の実施の形態では、図１３に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続したなだらかなテーパ部３Ｔと、このテーパ部３Ｔに連設された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５４】
（実施の形態１３）
すなわち、本発明の第１３の実施の形態では、図１４に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し内側に湾曲するなだらかなテーパ部３Ｔを構成する支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５５】
（実施の形態１４）
すなわち、本発明の第１４の実施の形態では、図１５に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し内側に湾曲するなだらかなテーパ部３Ｔと、このテーパ部３Ｔに連設された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５６】
（実施の形態１５）
すなわち、本発明の第１５の実施の形態では、図１６に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し、接合部からこの駒３Ｐと同一径となる一定径の筒状部３Ｃと、この筒状部３Ｃに連続して形成されたテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５７】
（実施の形態１６）
すなわち、本発明の第１６の実施の形態では、図１７に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し、接合部からこの駒３Ｐと同一径となる一定径の筒状部３Ｃと、この筒状部３Ｃに連続して内側に湾曲するように形成されたテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５８】
（実施の形態１７）
すなわち、本発明の第１７の実施の形態では、図１８に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し、接合部からこの駒３Ｐと同一径となる一ように連続して外側に湾曲するように形成されたテーパ部３Ｔとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００５９】
（実施の形態１８）
すなわち、本発明の第１８の実施の形態では、図１９に示すように、プラグが半球状の駒３Ｐと、この駒３Ｐに連続し、接合部からこの駒３Ｐと同一径となる一ように連続して外側に湾曲するように形成されたテーパ部３Ｔと、このテーパ部３Ｔに連続して形成された一定径の筒状部３Ｃとからなる支持ロッド３Ｒとで構成されている。
【００６０】
（実施の形態１９）
すなわち、本発明の第１９の実施の形態では、図２０に示すように、駒３Ｐが円錐状をなすように形成されている他は図９に示した本発明の第１０の実施形態と同様に形成されている。
【００６１】
図２１乃至図２９は、本発明の第２０乃至第２８の実施の形態を示し、第２０乃至２７の実施の形態では、同様に駒３Ｐが円錐状に形成された例である。
これら第２乃至第２８の実施の形態のプラグを用いることによっても、支持ロッドの撓みなしに高精度の開孔を行うことが可能となる。
【００６２】
望ましくは、ガラスロッド１に対するプラグ３の最大径部Ｄの外径比が０．９以下で０．１以上となる駒３Ｐをもつプラグ３を選択し、ガラスロッド１とプラグ３とを同一方向へ回転させるとともに、ガラスロッド１の回転速度を４０〜１００ｒｐｍに設定するのが望ましい。また、ガラスロッド１の回転速度に対して、プラグ３の回転速度を５〜３０ｒｐｍ程度遅くするのが望ましい。さらに、開孔部の加熱温度が１５００〜２２００℃になるように加熱手段６を設定するのが望ましい、このようにして、外径が一定で、偏心がなく、内面粗さの小さい石英パイプを製造することができた。
【００６３】
また、前記実施の形態では加熱手段として誘導加熱炉を用いた例について説明したが、これに限定されることなく、抵抗加熱法を用いる場合あるいは他の加熱方法を用いる場合にも適用可能であることはいうまでもない。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る石英パイプの製造装置によれば、孔の外径分布を抑制し、肉厚が均一で、かつ内面の表面粗さのより小さな石英パイプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る石英パイプの製造方法を実施するための装置を示す概念的図である。
【図２】図１における要部を拡大して示した概念図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のプラグを示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のプラグを示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態のプラグを示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態のプラグを示す図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態のプラグを示す図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態のプラグを示す図である。
【図９】本発明の第８の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１０】本発明の第９の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１１】本発明の第１０の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１２】本発明の第１１の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１３】本発明の第１２の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１４】本発明の第１３の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１５】本発明の第１４の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１６】本発明の第１５の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１７】本発明の第１６の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１８】本発明の第１７の実施の形態のプラグを示す図である。
【図１９】本発明の第１８の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２０】本発明の第１９の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２１】本発明の第２０の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２２】本発明の第２１の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２３】本発明の第２２の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２４】本発明の第２３の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２５】本発明の第２４の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２６】本発明の第２５の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２７】本発明の第２６の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２８】本発明の第２７の実施の形態のプラグを示す図である。
【図２９】本発明の第３０の実施の形態のプラグを示す図である。
【図３０】従来例のプラグを示す図である。
【符号の説明】
１ ガラスロッド
２ ガラスロッド保持手段
３ プラグ
３Ｐ 駒
３Ｔ テーパ部
３Ｒ 支持ロッド
４ 軸
５ プラグ保持手段
６ 加熱手段
７ ガイド手段
８ 基台
１０ 基台
１１ 熱媒体
１２ チャック
１３ ガイド部

Claims (3)

1. 石英を主成分とするガラス素材の所望の領域を順次加熱し、軟化領域を形成する加熱手段と、前記ガラス素材の長手方向に貫入させることによって前記ガラス素材の前記軟化領域に開孔を形成し、石英パイプを形成する貫入治具とを具備し、前記貫入治具が、前記ガラス素材への貫入領域を構成する駒と、前記駒から離れるに従って外径が徐々に小さくなるテーパ部をもつ支持ロッドとで構成され、前記テーパ部は、水平軸に対するテーパ角が０．１°以上１０°以下となるように形成され、前記支持ロッドと、前記駒の接合部での駒に対する支持ロッドの外径比が０．５以上１未満となるように形成され、前記支持ロッドの前記テーパ部の最小外径が、前記駒の最大外径の０．３倍以上であることを特徴とする石英パイプ製造装置。
2. 前記支持ロッドは、前記駒との境界から徐々に外径が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の石英パイプ製造装置。
3. 請求項１または２に記載の石英パイプ製造装置を用いて、石英を主成分とするガラス素材を順次加熱軟化させ、少なくとも前記ガラス素材を回転させながら、前記ガラス素材の長手方向に貫入治具を貫入させることによって前記ガラス素材に開孔を形成する開孔工程を含むことを特徴とする石英パイプの製造方法。

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