JP4329935B2 - 石英ガラス管の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にバーナや光ファイバ母材の製造に用いられる石英ガラス管の製造方法および製造装置に関する。

近年、光通信技術の発展に伴い、光ファイバの需要が高まっている。光ファイバ母材の製造方法としては、ＶＡＤ法（Vapor Phase Axial Deposition Method；気相軸付け法）、ＯＶＤ法（Outside Vapor Phase Deposition Method；外付け法）、ＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor Deposition Method；内付け法）などがある。

このＶＡＤ法において、火炎中に四塩化珪素などのガラス原料ガスを導入して加水分解反応によって二酸化珪素の微粒子を生成させ、それを堆積させて多孔質の光ファイバ母材が形成される。この光ファイバ母材は、ガラス化された後（以下、ガラス化された光ファイバ母材を「プリフォーム」と呼ぶ。）、高速の線引きにより、所望の外径の光ファイバに加工される。

上記の二酸化珪素の微粒子を合成する際にはバーナが使用される。この合成の工程は、光ファイバの構造、品質などを決める重要な工程であることから、使用されるバーナについては非常に高い製作精度が要求される。石英ガラス製のバーナとしては、例えば、特許文献１または２に開示されたものがある。

通常、これらのバーナには、断面形状の外輪郭が円形状の石英ガラス管を複数組み合わせて製造される。しかし、このような外輪郭が円形状の石英ガラス管を用いたのでは、それらの配置、組み合わせ加工などがやりづらく、高い製作精度のバーナを安定して作ることが難しい。バーナの製作精度悪化は、光ファイバ自体の構造、品質等の確保を難しくさせることにもなる。

現在、光通信の更なる高速化・大容量化の流れの中で、断面に開口部（空孔）を有する偏波保持光ファイバと呼ばれる特殊ファイバが検討されている。光ファイバは、コア近傍の断面形状のみではなく、外輪郭を含む全体的な断面形状の設計が必要になると考えられる。

特開平10-81534号公報 特開平9-30817号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたものであり、断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管、更には断面形状の外輪郭及び内輪郭が非円形である石英ガラス管の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明は、下記の（１）〜（５）に示す石英ガラス管の製造方法、および、下記の（６）および（７）に示す石英ガラス管の製造装置を要旨とする。

（１）石英ガラス素材の一部または全部を加熱した後、石英ガラス素材を回転させつつ、ダイスとプラグとによって形成される空間部に圧入して石英ガラス管を製造する方法であって、断面形状の内輪郭が非円形であるダイスを用い、当該ダイスが石英ガラス素材の回転に同期して回転することを特徴とする断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管の製造方法。

（２）断面形状の外輪郭が非円形であるプラグを用い、当該プラグが石英ガラス素材の回転に同期して回転することにより、石英ガラス管の断面形状の内輪郭を非円形とすることを特徴とする上記の（１）に記載の石英ガラス管の製造方法。

（３）石英ガラス素材の前端部に、断面形状の外輪郭がダイスの断面形状の内輪郭に対応するダミー材が取り付けられることを特徴とする上記の（１）または（２）に記載の石英ガラス管の製造方法。

（４）石英ガラス素材の前端部に、断面形状の外輪郭がダイスの断面形状の内輪郭に対応するとともに断面形状の内輪郭がプラグの断面形状の外輪郭に対応するダミー材が取り付けられることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の石英ガラス管の製造方法。

（５）石英ガラス素材の回転数を0.5〜５rpmとすることを特徴とする上記の（１）から（４）までのいずれかに記載の石英ガラス管の製造方法。

（６）石英ガラス素材を回転可能な状態で保持するチャックと、石英ガラス素材を加熱する加熱装置と、加熱した石英ガラス素材を圧入する空間を形成するためのダイスとプラグとを有する石英ガラス管の製造装置であって、断面形状の内輪郭が非円形であるダイスを用い、当該ダイスが回転可能な状態で保持されていることを特徴とする断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管の製造装置。

（７）回転可能な状態で保持され、かつ断面形状の外輪郭が非円形であるプラグを用いて、石英ガラス管の断面形状の内輪郭を非円形とすることを特徴とする上記の（６）に記載の石英ガラス管の製造装置。

本発明によって得られる石英ガラス管は、断面形状の外輪郭が非円形であるので、高い製作精度のバーナを安定して作ることができる。また、偏波保持光ファイバなど特殊な断面形状が要求される光ファイバの製造を可能にすることができる。

本発明に係る石英ガラス管の製造方法によれば、断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管、または更に、断面形状の内輪郭が非円形である石英ガラス管を精度よく製造することができる。さらに、本発明に係る石英ガラス管の製造装置は、上記の石英ガラス管を製造するのに適している。

１．石英ガラス管について
図１は、本発明に係る石英ガラス管の断面形状を例示した図である。

図１(a)〜(f)に示すように、本発明に係る石英ガラス管の断面形状は、その外輪郭が多角形、楕円形、その他の組み合わせ図形であり、いずれも非円形である。このように、断面形状の外輪郭が自由に設計できる石英ガラス管を用いれば、石英ガラス製バーナを高精度で製造できる。

また、断面形状の外輪郭、さらには外輪郭および内輪郭が自由に設計できる石英ガラス管を用いれば、特殊な断面形状が要求される高機能の光ファイバの製造が容易となる。

２．石英ガラス管の製造方法およびその装置について
図２は、本発明に係る石英ガラス管の製造方法を例示した模式図である。

図２に示すように、本発明に係る石英ガラス管の製造装置１は、石英ガラス素材２を回転可能な状態で保持するチャック3-1、3-2と、石英ガラス素材２を加熱するヒータ４と、加熱した石英ガラス素材２を圧入する空間を形成するためのダイス５とプラグ６とを有する装置である。この製造装置において、ダイス５は、ヒータ４とは独立しており、回転可能な状態で保持されていている。

この装置において、先ず、石英ガラス素材２及びダミー材7-1は、各々チャック3-2とチャック3-1により回転が与えられつつ、各々の端部を中心にヒータ４により加熱され、ヒータ４内で溶着され、つながった状態とされる。その後、石英ガラス素材２は、チャック3-1とチャック3-2により回転が与えられつつ、ヒータ４により所定の温度に加熱された状態で、ダイス５とプラグ６とによって形成される空間部に圧入される。ダイス５が回転可能な状態で保持されているので、ダイス５は、最初はダミー材7-1とダイス５との接触（摩擦力など）によって、その後は石英ガラス素材２の外面とダイス５との間の接触によって、石英ガラス素材２の回転に同期して回転する。

このように、ダイス５が石英ガラス素材２の回転に同期して回転している状態で、石英ガラス素材２がダイス５とプラグ６とで形成される空間部に圧入されるので、断面形状の外輪郭が非円形の石英ガラス管８を連続的に製造することができる。なお、ダイスを回転させる方法としては、駆動装置を用いて強制的に回転させる方法も考えられる。ただし、製造コストを増大させるので、上述のように回転可能な状態で保持するのが望ましい。

図３は、本発明の製造装置に用いることができるダイスを例示した模式図である。図３のダイス５は、石英ガラス管の断面形状の外輪郭を正四角形にする場合に用いることができる。ダイス５を回転可能な状態で保持するので、前述の図２に示すように、石英ガラス素材２をダイス５の空間部に圧入することにより、必然的にダイス５の内面と成形中の石英ガラス素材２あるいは石英ガラス管８の外表面が接触し、ダイス５は、石英ガラス素材２あるいは石英ガラス管８との間の接触によりヒータ４内を回転する。

ダイスの断面形状の内輪郭（孔型）の形状および寸法は、製作する石英ガラス管の断面形状の外輪郭の形状および寸法にあわせて設定すればよく、図３の形状に限定されないことは言うまでもない。即ち、製作すべき石英ガラス管の断面形状の外輪郭に合わせて、断面形状の内輪郭が楕円形、多角形、星形等の非円形であるダイスを用いればよい。

図２に示す装置において、断面形状の内輪郭が円形の石英ガラス管を製造する場合には、プラグ６は固定した（回転しない）状態としてもよいが、断面形状の内輪郭が非円形の石英ガラス管を製造する場合には、プラグ６は石英ガラス素材２の回転に同期して回転させればよい。すなわち、プラグ６を、保持棒１０とは独立して回転可能な状態で保持し、石英ガラス素材２の内面とプラグ６との間の接触によって石英ガラス素材２の回転に同期して回転させればよい。

図４は、本発明に係るプラグおよび保持棒を例示した模式図である。このプラグの断面形状は、楕円形である。図４に示すように、プラグ６は、プラグ回転軸部スリーブ首部11aを挟む、プラグ本体6aとプラグ回転軸部6bからなり、プラグ本体6aは、プラグ回転軸部6bがプラグ回転軸部スリーブ11内で回転することにより、保持棒10とは独立して回転できる構成となっている。保持棒10はネジが切られた保持棒先端10aによりプラグ回転軸部スリーブ11に固定される。排気は、プラグ６に設けられた排気孔6cおよび保持棒10内の排気孔12を通じて行われる。

なお、ダイスの場合と同様に、駆動装置を用いてプラグを強制的に回転させる方法も考えられるが、製造コストを増大させる。また、プラグを支持する保持棒（マンドレル）の長さは、石英ガラス管の長さにより決まるが、保持棒の長さが長いほど、回転によるプラグの振れが大きくなる。このような状態で、石英ガラス素材の圧入を継続すると、偏肉が生じ、石英ガラス管の寸法精度が悪化する。これらの理由から、プラグ６のみが回転可能な状態で保持されることが望ましい。

図５および図６は、いずれも本発明の製造装置に用いることができるプラグを例示した模式図である。図５および図６に示すプラグ６は、いずれも石英ガラス管の断面形状の内輪郭を正四角形にする場合に用いることができる。

プラグの断面形状の外輪郭の形状および寸法は、製作する石英ガラス管の断面形状の内輪郭の形状および寸法にあわせて設定すればよく、図５または図６の形状に限定されないことは言うまでもない。即ち、製作すべき石英ガラス管の断面形状の内輪郭に合わせて、断面形状の外輪郭が円形または楕円形、多角形、星形、その他の組み合わせ図形等の非円形であるプラグを用いればよい。

本発明の製造方法においては、石英ガラス素材の前端部に、所定形状のダミー材が取り付けられることが望ましい。

図２で示すダミー材7-1を用いる場合には、ダミー材7-1の断面形状の外輪郭をダイス５の断面形状の内輪郭に対応する形状となるように加工しておくのがよい。こうすることで、ダミー材7-1の回転によりダイス５が回転するので、ダミー材7-1がダイス５内に挿入される石英ガラス素材２との溶着のときから、すなわち石英ガラス素材２がダイス５とプラグ６とによって形成される空間部に圧入される以前から、ダイス５を回転させることができるので、石英ガラス管８の断面形状の外輪郭を精度よく成形することができる。また、プラグも回転させる場合には、さらにダミー材7-1の断面形状の内輪郭をプラグの断面形状の外輪郭に対応する形状となるように加工しておけばよい。こうすることにより、ダミー材の回転に合わせ、ダイスとプラグの両方を回転させることができる。

また、石英ガラス素材の後端部にダミー材を取り付けると、石英ガラス素材の後端まで全域有効に加工することができ、石英ガラス管の製品歩留まりを向上することができる。

本発明の製造方法において、石英ガラス素材の回転数は、0.5〜５rpmとすることが望ましい。これは、回転数が0.5rpm未満の場合、石英ガラス素材の均熱ができず、部分的に軟化していない箇所ができると、石英ガラス管の寸法精度に悪影響を及ぼすからである。また、回転数が５rpmを超える場合には、ダイスおよびプラグの損傷が激しくなると共に、得られる石英ガラス管の表面性状が劣化する。

入側チャック3-2の走行速度（S2）と出側チャック3-1の走行速度(S1)との比（S2/S1）は、石英ガラス素材の断面積(A1)とダイスおよびプラグによって形成される石英ガラス管の断面積(A2)の比の逆数（A1/A2）と一致するように設定すればよい。また、入側チャック3-2の回転速度と出側チャック3-1の回転速度とは、速度差を設けても良いが、石英ガラスの断面形状の外輪郭を精度よく軸方向に連続的に形成させるためには、できる限り速度差は小さいことが望ましい。回転速度の差は実質的にゼロであるのが理想的である。

石英ガラスを構成する石英ガラス材としては、ＶＡＤ法などで製造される合成石英ガラスのみでなく、天然石英ガラスその他の石英ガラスを用いても良い。また、図２では、石英ガラス素材として石英ガラス管を用いた例を示しているが、石英ガラス棒を用いても良い。

例えば石英ガラス素材として石英ガラス管を用いる場合には、成形加工中の石英ガラス管の両端または片端に、図２に示すようなホルダ9-1、9-2を設け、外気の侵入を遮断する。図４に示したような排気孔を設けたプラグ６を用い、このプラグを保持する保持棒１０を中空のものとし、真空ポンプ13-1によって保持棒１０を介して石英ガラス素材の開孔部を減圧する。また、さらに真空ポンプ13-2により石英ガラス素材の管内を減圧してもよい。

上記の石英ガラス素材の開孔部の減圧は、僅かに大気圧より低くするだけでも効果があり、100000Pa以下とすればよい。ただし、過剰に減圧すると、石英ガラス素材の開孔部とプラグとの接触が激しくなり、プラグの破損、石英ガラス管内の表面性状の劣化という問題が生じる。このため、石英ガラス素材側入側内部の圧力は30000〜70000Pa、プラグ側出側内部の圧力は1000〜50000Pa程度が望ましい。

加工時の石英ガラス素材の温度は、軟化点を左右するＯＨ基、Cl基等の濃度との関係で設定すればよい。石英ガラス素材の加熱は、ダイスの直前で最も高い温度になり、それよりやや低下したところで、ダイスおよびプラグに接するようにするのが理想的である。

加熱炉の温度は、2000〜2700℃程度の範囲で、石英ガラス素材の軟化点にあわせて設定すればよい。加熱炉内は、酸化防止のため不活性雰囲気であるのがよい。これらの温度域に適用できるダイスおよびプラグとしては、酸化アルミナ系の酸化物、タングステン、モリブデン等の金属、黒鉛等を用いればよい。この中でも高温域での強度ならびに純度の面から黒鉛を用いるのが最も望ましい。

高純度のSiCl₄を酸水素火炎にて加水分解したSiＯ₂より合成石英ガラスインゴットを作製し、この合成石英ガラスインゴットから石英ガラス棒（外径100mm、長さ2000mm）および石英ガラス管（外径100mm、内径60mm、長さ2000mm）を作製し、石英ガラス素材とした。実験は、図２に示すような製造装置を用いておこない、石英ガラス素材の前端部には、ダイスの断面形状の内輪郭およびプラグの断面形状の外輪郭と同一形状のダミー材を取り付けた。

実施例１は、上記の石英ガラス棒を用い、図７に示すような、断面形状の外輪郭が長方形（100mm×125mm）、内輪郭が円形（直径50mm）である石英ガラス管を作製したものである。実験は、加熱炉の温度を2400℃、石英ガラス素材の回転数を５rpm、圧入後の石英ガラス管内圧を1000Pa、石英ガラス素材の送り込み速度を33.76mm/min、石英ガラス管の引き抜き速度を25.16mm/minとしておこなった。

得られた石英ガラス管の長さは、1450mmであった。この石英ガラス管の寸法をノギスで測定したところ、外輪郭の長方形断面の長軸は124.91mmおよび124.87mmであり、短軸は99.86mmおよび99.84mmであり、内輪郭の円形の直径も50.05mmであり、いずれも良好であった。

実施例２は、上記の石英ガラス管を用い、図８に示すような、断面形状の外輪郭が楕円形（長軸径125mm×短軸径100mm）であり、内輪郭が正三角形（半径50mmの円に内接する正三角形であって、１辺の長さが約43.3mm）である石英ガラス管を作製したものである。実験は、加熱炉の温度を2250℃、石英ガラス素材の回転数を２rpm、圧入前の石英ガラス管内圧を60000Pa、圧入後の石英ガラス管内圧を40000Pa、石英ガラス素材の送り込み速度を45.21mm/min、石英ガラス管の引き抜き速度を25.26mm/minとしておこなった。

得られた石英ガラス管の長さは、1100mmであった。この石英ガラス管の寸法をノギスで測定したところ、外輪郭の楕円の長軸は124.89mmであり、短軸は99.93mmであり、内輪郭の正三角形の三辺の長さ平均で43.41mm、最大値と最小値の差は0.04mmであり、いずれも良好であった。

本発明に係る石英ガラス管は、断面形状の外輪郭が非円形であるので、高い製作精度のバーナを安定して作ることができる。また、偏波保持光ファイバなど特殊な断面形状が要求される光ファイバの製造を可能にすることができる。

本発明に係る石英ガラス管の製造方法によれば、断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管、または更に、断面形状の内輪郭が非円形である石英ガラス管を精度よく製造することができる。さらに、本発明に係る石英ガラス管の製造装置は、上記の石英ガラス管を製造するのに適している。

本発明に係る石英ガラス管の断面形状を例示した図である。 本発明に係る石英ガラス管の製造方法を例示した模式図である。 本発明の製造装置に用いることができるダイスを例示した模式図である。 本発明に係るプラグおよび保持棒を例示した模式図である。 本発明の製造装置に用いることができるプラグを例示した模式図である。 本発明の製造装置に用いることができるプラグを例示した模式図である。 実施例１の石英ガラス管の断面形状を示す模式図である。 実施例２の石英ガラス管の断面形状を示す模式図である。

符号の説明

１．本発明の製造装置、２．石英ガラス素材、3-1、3-2．チャック、
４．ヒータ、５．ダイス、６．プラグ、6a．プラグ本体、6b．プラグ回転軸部、6c．排気孔、7-1、7-2．ダミー材、８．石英ガラス管、9-1、9-2．ホルダ、１０．保持棒、１１．プラグ回転軸部スリーブ、１２排気孔、13-1、13-2．真空ポンプ

Claims (7)

1. 石英ガラス素材の一部または全部を加熱した後、石英ガラス素材を回転させつつ、ダイスとプラグとによって形成される空間部に圧入して石英ガラス管を製造する方法であって、断面形状の内輪郭が非円形であるダイスを用い、当該ダイスが石英ガラス素材の回転に同期して回転することを特徴とする断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管の製造方法。
2. 断面形状の外輪郭が非円形であるプラグを用い、当該プラグが石英ガラス素材の回転に同期して回転することにより、石英ガラス管の断面形状の内輪郭を非円形とすることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法。
3. 石英ガラス素材の前端部に、断面形状の外輪郭がダイスの断面形状の内輪郭に対応するダミー材が取り付けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の石英ガラス管の製造方法。
4. 石英ガラス素材の前端部に、断面形状の外輪郭がダイスの断面形状の内輪郭に対応するとともに断面形状の内輪郭がプラグの断面形状の外輪郭に対応するダミー材が取り付けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の石英ガラス管の製造方法。
5. 石英ガラス素材の回転数を0.5〜５rpmとすることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の石英ガラス管の製造方法。
6. 石英ガラス素材を回転可能な状態で保持するチャックと、石英ガラス素材を加熱する加熱装置と、加熱した石英ガラス素材を圧入する空間を形成するためのダイスとプラグとを有する石英ガラス管の製造装置であって、断面形状の内輪郭が非円形であるダイスを用い、当該ダイスが回転可能な状態で保持されていることを特徴とする断面形状の外輪郭が非円形である石英ガラス管の製造装置。
7. 回転可能な状態で保持され、かつ断面形状の外輪郭が非円形であるプラグを用いて、石英ガラス管の断面形状の内輪郭を非円形とすることを特徴とする請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置。

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