JP4271125B2 - 光ファイバ母材の延伸方法 - Google Patents

Description

本発明は、大型のガラス母材を延伸してより細径のガラスロッドに縮径するガラス母材の延伸方法に係り、特には、延伸開始初期の延伸方法に関する。

図１は、光ファイバの断面の概略を示す断面図である。
光ファイバ用プリファームの製造方法の概略を説明すると次のようになる。第１工程で、ＶＡＤ（気相軸付け法）によりガラス微粒子堆積体を軸方向に成長させ、該堆積体を透明ガラス化してコアインゴットを製造する。コアインゴットは、周囲より屈折率の高いコア部１と、コア部より屈折率の低い内側クラッド層２から構成されている。

第２工程では、酸水素火炎を熱源とするガラス旋盤を用いて、コアインゴットを細径に延伸してコアロッドとする。第３工程では、コアロッドの外側に内側クラッド層２と屈折率の等しい外側クラッド層３を設けて大型のガラス母材を作製する。第４工程では、大型のガラス母材を細径に延伸してガラスロッドとする。なお、この第４工程は、場合によっては省略されることもある。

従来、コアインゴットの外径はφ60ｍｍ程度で、酸水素火炎を用いたガラス旋盤でも容易に延伸してコアロッドとすることができた。しかしながら、近年の光ファイバ用ガラス母材の大型化に伴いコアインゴットも大型化し、外径はφ100ｍｍにも達している。これを細径化してコアロッドへ加工し、さらに外側クラッド層３を設けることで、大型のガラス母材が得られる。
大型のコアインゴットやガラス母材（以下、コアインゴットを含めてガラス母材と総称する）は細径へ延伸されて、それぞれコアロッドやガラスロッド（以下、コアロッドを含めてガラスロッドと総称する）へ加工される。これらの加工には、一般には酸水素バーナを具備したガラス旋盤が用いられる。しかしながら、これら大型のガラス母材をガラス旋盤で加工することは、非常な困難が伴う。

すなわち、バーナによる加熱は熱効率が悪いため、大型のガラス母材を加熱・軟化させるのに要するガス量が非常に多くなる。また、多量のガスを使用するため、周囲環境に対する熱負荷が大きくなり、装置・作業者への熱対策に多大の費用・負荷がかかる。さらにガラス母材の表面を高温で長時間加熱するため、その間にガラス母材の一部が昇華し、ガラス母材の特性に悪影響を与えていた。

また、酸水素火炎で処理することにより、ガラス母材の表面から内部に極微量のＯＨ基が拡散することも知られており、ＯＨの浸入を嫌う光ファイバ用ガラス母材に対しては、なおのこと火炎処理の時間を短くすることが望ましい。

このような酸水素火炎による問題を避けるため、電気炉を使用してガラス母材の延伸が行われている。電気炉による延伸の手順を説明すると、次のようになる。
（１）ガラス旋盤を用いてガラス母材の端部にダミー棒を溶着する。次に、
（２）ガラス母材を電気炉内に垂下し、発熱体を所定の温度まで昇温する。この温度は、ガラス母材の外径にもよるが、通常、1900〜2100℃の間である。
（３）昇温後、所定の送り速度と引取り速度で延伸を開始し、ガラス母材を所望の外径へ延伸する。

図２に電気炉延伸を模式図で示した。図中、（ａ）は、ガラス母材の昇温中の状態を示し、ガラス母材４は、吊下げ機構に装着され送り機構（図示せず）によって加熱炉５の内部に送り込まれ、発熱体６により加熱軟化される。符号７は、引取りのために溶着されたダミー棒である。
図２（ｂ）は、加熱軟化されたガラス母材の延伸中の状態を示し、ガラス母材４は、下方の引取り機構（図示せず）により引取張力が加えられ、より細径のガラスロッド10に延伸される。ここでは、ガラス母材４を加熱炉５へ送り込む速度を“送り速度”、ガラスロッド10を引取り機構で引取る速度を“引取り速度”と称する。ここでの送り速度と引取り速度は、いずれも下降方向への速度である。なお、符号８は炉筐体であり、符号９は断熱材である。

図３は、昇温中、延伸前のテーパ部と発熱体との相対位置関係を示している。ガラス母材の端部はテーパ形状をなし、テーパ部の長さが発熱体６の長さＨよりも短いことが図３から認められる。
このようなガラス母材を延伸すると、直胴部と比較してテーパ肩部11はあまり縮径されず、得られたガラスロッドのテーパ肩部11に相当する部分が相対的に太径となる。図４は、この状態を示し、ガラスロッドの外径が引取り距離との関係で示されている。

なお、図３，４に示したケースは、電気炉延伸でのガラスロッドの目標径をφ45.5ｍｍとして行ったものであり、使用した加熱炉の発熱体長さＨは130ｍｍである。電気炉延伸後のガラスロッドは、直胴有効部の最大外径がφ50ｍｍとなっている。
ここではガラスロッドの最終目標径をφ44.5ｍｍとした。従って、直胴有効部の最大外径は、最終目標径に対して＋5.5ｍｍである。最終目標とは、後述するガラス旋盤で外径微調整後の目標径のことである。
このガラスロッドは外径を目標径に合わせるために、さらにガラス旋盤で延伸され、外径の微調整（以下、微調整延伸と称する）が行われる。上記目標径に対して＋5.5ｍｍのガラスロッドは、２回の微調整延伸を必要とした。

ガラスロッドに対するガラス旋盤による微調整延伸の回数は、少ない方が望ましく１回で済むことが理想である。微調整延伸を１回で済ますためには、電気炉で延伸されたガラスロッドの外径が最終目標径に対して、＋0.5〜＋2.5ｍｍの間になければならない。しかしながら、ガラスロッド有効部端の外径が最終目標径に対してあまりにも大きい場合、その部分の外径調整のためだけに、微調整延伸が複数回必要となる。これは生産性の低下を招くだけでなく、前述のごとく光学特性にも悪影響を与える。

また、延伸によりガラス母材から寸法精度の優れたガラスロッドを得る方法として、特許文献１は、ガラス母材の外径Ｃに対する、電気炉に装備される円筒状発熱体の長さＬと内径Ｄの比を、それぞれＬ／Ｃ＝0.7〜2.1、Ｄ／Ｃ＝1.1〜2.3とすることにより、好ましい炉内温度分布が得られ、ガラスロッドの外径が安定する旨記載している。
特許第３０１７４９１号

特許文献１の方法は、直胴部では外径の安定したガラスロッドが得られるものの、テーパ肩部は、直胴部より比較的太径となり、ガラス旋盤による微調整延伸が複数回必要である。
そこで本発明は、ヒータ長より短い急峻なテーパ部を有する太径のガラス母材を延伸する場合であっても、その後にガラス旋盤による複数回の微調整延伸を必要としない、外径の安定したガラスロッドが得られるガラス母材の延伸方法を提供することを目的としている。

本発明のガラス母材の延伸方法は、ガラス母材を加熱軟化させて延伸し、所定の径に細径化するに際し、該ガラス母材のテーパ部を加熱し軟化させ、延伸してテーパ部を長尺化する予備延伸を行い、次いで、ガラス母材を加熱炉内に供給する送り機構を規定量上昇させた後、再び延伸を始め、ガラス母材全体を順次延伸する本延伸を行うことを特徴としている。

テーパ部の予備延伸は、テーパ部の太径部を加熱部のほぼ中心もしくは中心よりやや上方に配置し、送り機構を上昇させるとともに引取り機構を下降させて行われる。このテーパ部の予備延伸において、送り機構の上昇速度と引取り機構の下降速度を同一とするのが好ましい。
また、予備延伸後、送り機構を規定量上昇させるには、ガラス母材を引取り機構から解放した状態で送り機構の上昇を行うのが好ましい。

本発明のガラス母材の製造方法によれば、延伸開始初期のガラス母材の外径を安定させることができ、ガラス旋盤による微調整延伸を１回で済ますことができる。そのため、光ファイバ用プリフォームに好適なガラスロッドの製造コストを大きく低減することができる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、ヒータ長より短い急峻なテーパ部を有するガラス母材を延伸する場合であっても、予備延伸においてテーパ部を上下に延伸し、ヒータ長より長くして傾斜の緩やかなテーパ部に延伸処理した後、この緩やかなテーパ部をさらに延伸することで、外径の安定したガラスロッドが得られる。このようにして得られたガラスロッドは、外径を最終の目標径に合わせるために行う、ガラス旋盤による微調整延伸を１回で済ますことができる。

（実施例１）
本発明の延伸方法は、図５（ａ）〜（ｄ）に示す４段階から構成される。
第１段階では、ガラス母材４にダミー棒７を溶着して、ガラス母材４を装置の吊下げ機構15に装着し、加熱炉５内に垂下する（図５（ａ）参照）。なお、ガラス母材４を加熱炉５内に垂下する送り機構は図示を省略している。
第２段階では、ガラス母材４を加熱・軟化させ、送り機構を上昇、引取り機構16を下降させてテーパ部17の予備延伸を行い、テーパ部17を加熱部長さの1.5〜３倍程度の長さに長尺化させる。テーパ部17の長さが1.5倍未満では所期の目的が達成されず、３倍を超えると予備延伸後のテーパ部が細くなりすぎるため好ましくない。なお、送り機構と引取り機構16が規定量を移動したところで停止する（図５（ｂ）参照）。
第３段階では、引取り機構16からガラス母材４（ダミー棒７）を解放し、送り機構を規定量だけ上昇させる（図５（ｃ）参照）。
第４段階では、引取り機構16でダミー棒７を把持し、送り機構と引取り機構16を下降させて、ガラス母材４の一端から順次延伸を開始し、全体を延伸する本延伸を行う（図５（ｄ）参照）。

図６に、延伸の各段階におけるテーパ部の外径の変化を示した。曲線12は、第１段階で加熱炉に垂下された予備延伸前のガラス母材のテーパ部の外径変化を示し、曲線13は、第２段階の予備延伸後のテーパ部の外径変化を示し、曲線14は、第３段階の本延伸直前のテーパ部の外径変化を示している。予備延伸によって、ガラス母材のテーパ部の長さは、発熱体の長さＨのほぼ２倍に長尺化されている。

本実施例において、使用したガラス母材の径はφ91ｍｍである。電気炉延伸の目標外径はφ45.5ｍｍであり、最終目標径をφ44.5ｍｍとした。このときの送り機構の上方への移動距離は40ｍｍ、引取り機構の下方への移動距離は40ｍｍである。予備延伸中、送り機構・引取り機構のそれぞれの方向への移動速度は同一とし、その間、２ｍｍ/ｍｉｎから６ｍｍ/ｍｉｎへと徐々に移動速度を変化させた。第３段階での送り機構の上昇量は30ｍｍとした。
図６において、予備延伸前の曲線12と予備延伸後の曲線13を比較すると、引取り機構側の移動量が60ｍｍである。第３段階において引取り機構を解放した状態で送り機構を上昇させるが、その際にダミー棒側がその自重で伸びたものである。

図７に、本延伸して得られたガラスロッドの外径分布を示した。直胴有効部の最大径はφ46.2ｍｍである。ここでは最終目標径をφ44.5ｍｍとしたので、直胴有効部の最大径は最終目標径に対して＋1.7ｍｍで収まっている。この程度ならば、ガラス旋盤による微調整延伸は、１回で済ますことができる。

（実施例２〜４、比較例１〜３）
いずれも直径φ91ｍｍのガラス母材を使用し、最終目標径をφ44.5ｍｍとした。３ロットを実施例１と同様の方法で延伸し、実施例２〜４とした。さらに３ロットを予備延伸のない従来の方法で延伸を行い、比較例１〜比較例３とした。延伸して得たガラスロッドの直胴有効部の最大外径と最終目標径との差を測定し、それぞれ図８に示した。
実施例１〜４は、最終目標径との差が1.3〜1.8ｍｍの範囲内にあり、いずれもガラス旋盤による微調整延伸を１回で済ますことができた。これに対して、比較例１〜比較例３は、目標径との差が4.3〜5.5ｍｍと大きく、いずれも２回の微調整延伸を必要とした。
本発明の延伸方法は、光ファイバ用ガラス母材に限られず、様々なガラス製品の延伸に適用することができる。

本発明の延伸方法により、大型のガラス母材から外径の安定したガラスロッドが得られ、その後のガラス旋盤による微調整延伸を１回で済ますことができ、光ファイバ母材の製造コストの低減に寄与する。

光ファイバの概略断面図である。 電気炉延伸を示す模式図であり、（ａ）はガラス母材の昇温中の状態を示し、（ｂ）は、加熱軟化されたガラス母材の延伸中の状態を示している。 延伸前、テーパ部と発熱体との相対位置関係を示す図である。 延伸後のテーパ部の状態を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、テーパ部の予備延伸工程を説明する図である。 延伸の各段階におけるテーパ部の外径の変化を示す図である。 本延伸後の外径変化を示す図である。 各実施例、比較例で得られたガラスロッドについて測定した、最大外径と最終目標径との差を示す図である。

符号の説明

１……コア部、
２……内側クラッド層、
３……外側クラッド層、
４……ガラス母材、
５……加熱炉、
６……発熱体、
７……ダミー棒、
８……炉筐体、
９……断熱材、
10……ガラスロッド、
11……テーパ肩部、
12……予備延伸前のテーパ部の外径変化を示す曲線、
13……予備延伸後のテーパ部の外径変化を示す曲線、
14……本延伸前のテーパ部の外径変化を示す曲線、
15……吊下げ機構、
16……引取り機構、
17……テーパ部。

Claims (5)

1. ガラス母材を加熱軟化させて延伸し、所定の径に細径化するに際し、該ガラス母材のテーパ部を加熱し軟化させ、延伸してテーパ部を長尺化する予備延伸を行い、次いで、ガラス母材を加熱炉内に供給する送り機構を規定量上昇させた後、再び延伸を始め、ガラス母材全体を順次延伸する本延伸を行うことを特徴とするガラス母材の延伸方法。
2. テーパ部の予備延伸が、テーパ部の太径部を加熱部のほぼ中心もしくは中心よりやや上方に位置せしめて行われる請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。
3. テーパ部の予備延伸が、送り機構を上昇させるとともに引取り機構を下降させて行われる請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の延伸方法。
4. テーパ部の予備延伸において、送り機構の上昇速度と引取り機構の下降速度が同一である請求項１乃至３のいずれかに記載のガラス母材の延伸方法。
5. 予備延伸後、送り機構を規定量上昇させるに際し、ガラス母材を引取り機構から解放した状態で送り機構の上昇を行う請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス母材の延伸方法。
   
   
   

Images