JP4420082B2 - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス微粒子を堆積させた多孔質ガラス母材を垂直状態で焼結して透明化されたガラス母材とするガラス母材の製造方法に関する。

一般に、コアとクラッドよりなる光ファイバは、光ファイバ用のガラス母材を線引きして製造される。
光ファイバ用ガラス母材は、ＶＡＤ法やＯＶＤ法などにより、バーナの火炎中に生成したガラス微粒子を石英等からなるガラスロッドの外周あるいは下側に堆積させて図４に示すようにコア部分５１とその外周のクラッド部分５２とを有した多孔質ガラス母材５３を形成し、その後、この多孔質ガラス母材５３を脱水焼結炉内のヒータ５５にて加熱して脱水・焼結、または焼結して透明ガラス化することにより製造される。

また、多孔質ガラス母材５３を形成する際に、コア部分５１の先端位置をレーザにより測定しながら多孔質ガラス母材５３の引き上げ速度、クラッド部分５２への原料の供給量を制御し、コア部分５１とクラッド部分５２の外径比の軸方向での変動を抑えることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２７７０９７号公報

ところで、一般に、多孔質ガラス母材の透明ガラス化は、図４に示したように多孔質ガラス母材５３の上端を固定して垂直に支持した状態のまま脱水焼結炉内にて脱水・焼結、 または焼結することで行われている。
この多孔質ガラス母材５３の焼結時には、多孔質ガラス母材５３の上端が固定のため、多孔質ガラス母材５３の下端側が上方へ収縮していくが、下端側ほど自重による負荷が小さくなるため、下端側では収縮に伴う外径の変化量が小さくなり、下端側の外径が相対的に大きくなる。

このため、上記技術によって軸方向における外径比の変動を抑えて多孔質ガラス母材５３を形成しても、焼結して透明ガラス化する際に、図５に示すように、クラッド部分５２Ａの下端側における外径Ｄ１が許容範囲を超えて太くなることがあった。その場合には、透明ガラス化したガラス母材５３Ａは、クラッド部分５２Ａとコア部分５１Ａとの比率（クラッド／コア比）が下端側で大きくなり、軸方向における屈折率分布に変動が生じ、このガラス母材５３Ａから線引きして得られた光ファイバの屈折率分布が長手方向で均一にならないという問題が発生する。

また、下端側が許容範囲を超えて太くなったガラス母材５３Ａは、次工程の炉に入らないなどの不具合が発生することもあり、下端を細くするために、再度加熱して軟化させて延伸するなどの余分な手間が増えるという問題もあった。

特に、コア部分とクラッド部分の一部を有するガラスロッドの周囲に残りのクラッド部分のガラス微粒子を堆積させ、その多孔質ガラス母材を焼結する場合に、外径の不均一が生じると、クラッド／コア比の修正が困難となる。

そこで、本発明は、軸方向における屈折率分布の変動を極力低減することができるガラス母材の製造方法を提供することを目的としている。

（１）上記した課題を解決するために、本発明によるガラス母材の製造方法は、バーナの火炎中に生成したガラス微粒子を、垂直に支持されたガラスロッドの外周あるいは下側に堆積させて、コア部分とその外周のクラッド部分とを有した多孔質ガラス母材を形成した後、前記多孔質ガラス母材を垂直に支持した状態のまま脱水・焼結、または焼結して透明ガラス化して、透明化されたガラス母材を得るガラス母材の製造方法において、
前記多孔質ガラス母材の有効部の下端から前記有効部の長さに対し１％以上２５％以下の範囲内で設定された長さ分のクラッド部分は、予め、下方に向かって徐々にガラス微粒子の堆積量を前記有効部の他の部位に対して１％以上１０％以下の範囲内で減少させて、下方に向かって徐々に外径が小さく先細り形状に形成しておくことを特徴とする。

（２）また、上記（１）に記載のガラス母材の製造方法は、前ロットで製造されたガラス母材のクラッド部分の外径が許容値以上に大きいとき、次ロットではそれが解消されるように、前記クラッド部分の先細り形状の開始位置が、前ロットの時の開始位置よりも上方に修正されることを特徴としても良い。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のガラス母材の製造方法は、前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、前記先細り形状の部位では、前記有効部の他の部位に対してガラス微粒子を堆積させる際の嵩密度を下げることを特徴としても良い。

（４）また、上記（１）又は（２）に記載のガラス母材の製造方法は、前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、クラッド部分の基準外径位置を、ガラスロッドの引き上げに応じて徐々に内側に移動させることにより、前記クラッド部分の先細り形状を形成することを特徴としても良い。

（５）また、上記（１）又は（２）に記載のガラス母材の製造方法は、前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、クラッド部分としてガラス微粒子を吹き付けて堆積させるバーナにおける前記ガラス微粒子の原料流量を徐々に低減させることにより、前記クラッド部分の先細り形状が形成されることを特徴としても良い。

（６）また、上記（１）又は（２）に記載のガラス母材の製造方法は、前記多孔質ガラス母材のクラッド部分の先細り形状を、機械的な研磨処理により得ることを特徴としても良い。

本発明によるガラス母材の製造方法によれば、透明ガラス化のために多孔質ガラス母材が脱水・焼結、または焼結される時には、多孔質ガラス母材の上端が固定のため、多孔質ガラス母材の下端側が上方へ収縮していくが、下端側ほど自重による負荷が小さくなるため、下端側では収縮に伴う外径の変化量が小さくなり、下端側の外径が相対的に大きくなる。
しかし、透明ガラス化する多孔質ガラス母材は、有効部の下端から所定長さ分のクラッド部分を、予め、下方に向かって徐々に外径が縮径する先細り形状に形成しているため、外径が増大しても、下端側における外径が許容範囲を超えて太くなることを防止できる。
即ち、本発明によるガラス母材の製造方法によれば、透明ガラス化したガラス母材の外径の変動を抑えて、コア部分とクラッド部分の外径比の軸方向での変動の低減により、軸方向における屈折率分布の変動を極力低減することができる。

また、透明ガラス化したガラス母材の下端側が許容範囲を超えて太くなることを防止できるため、下端の外径の増大により次工程の炉に入らないなどの不具合が発生することがなく、下端を細くするために再度加熱して延伸するなどの余分な手間も不要になる。

以下、本発明に係るガラス母材の製造方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るガラス母材の製造方法において多孔質ガラス母材を形成する装置の一実施の形態の概略構成図、図２は図１に示した装置で形成した多孔質ガラス母材を透明ガラス化する工程の説明図、図３は図２に示した透明ガラス化する工程を経て形成されたガラス母材の縦断面図である。

図１に示した装置１１は、いわゆるＶＡＤ法により、反応容器１２の内側の空間内で石英製のガラスロッドによるコア部分（クラッド部分の一部が含まれていても良い）２に対してガラス微粒子を堆積させて、コア部分２とその外周を包むクラッド部分３とを有した多孔質ガラス母材５を形成するものである。

反応容器１２は、ガラス微粒子を生成して堆積させる際の高温の環境条件においても、塩素ガス等による腐食が極めて起こりにくい、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、ニッケル、ニッケル合金等の材料を用いて形成されている。

反応容器１２の中には、垂直方向に昇降可能な把持具１５が収容されている。この把持具１５は、長尺のコア部分２の上端を把持して、コア部分２を垂直方向に支持している。また、把持具１５は、その上方で回転引き上げ装置１６に接続されている。回転引き上げ装置１６は、把持具１５及び把持したコア部分２を、その軸回りに回転させることができる。

反応容器１２の中には、ガラス微粒子生成用のバーナ２１が設けられている。このバーナ２１は、ガスを吹き出す複数のポートを有しており、そのポートからそれぞれ燃焼ガスとガラス原料ガスを吹き出し、燃焼ガスの燃焼により生じる酸水素火炎中において、ガラス原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子を生成するものである。なお、燃焼ガスには、水素（Ｈ_２）からなる燃焼性ガスと酸素（Ｏ_２）からなる助燃性ガスが含まれ、ガラス原料ガスには四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）が含まれる。また、バーナ２１は、生成したガラス微粒子をコア部分２に堆積させるように、コア部分２に向けて斜め上方に傾けて配置されている。なお、バーナ２１は複数用いても良い。

バーナ２１は、ガス供給装置２２からガスを導入するガス管２３に接続されており、このガス供給装置２２により、バーナ２１に供給されるガスの流量が適宜調整される。

また、反応容器１２の内側には、非接触式の位置検出装置３１が設けられており、ガラス微粒子が堆積しつつあるクラッド部分３の位置を検出できるようになっている。位置検出装置３１としては、レーザ投受光装置やＣＣＤカメラを使用することができる。また、位置検出装置３１は、制御部３２と接続されており、クラッド部分３の位置データがこの制御部３２に送られる。

また、制御部３２は、コア部分２の回転速度及び引き上げ速度を調節する回転引き上げ装置１６に接続されている。そして、この制御部３２は、コア部分２に堆積させるガラス微粒子を所定の堆積量にて堆積させるべく、位置検出装置３１からの位置データに基づいて回転引き上げ装置１６及びガス供給装置２２の動作を制御する。

上記構成の装置１１では、把持具１５によって反応容器１２内に垂直に吊り下げたコア部分２を軸回りに回転させながら、上方向に徐々に引き上げ、バーナ２１の火炎中に生成したガラス微粒子をコア部分２の外周に堆積させて、コア部分２とクラッド部分３とを有した多孔質ガラス母材５を形成する。

ここで、本実施形態の装置１１では、制御部３２が回転引き上げ装置１６及び位置検出装置３１の検出結果に基づいて回転引き上げ装置１６を制御し、コア部分２の引き上げ速度を制御する。

本実施の形態の装置１１で形成した多孔質ガラス母材５は、図２に示すように、有効部（製品として使う部分）Ｌｘの下端６から所定長さ分Ｌｍのクラッド部分３は、予め、下方に向かって徐々にガラス微粒子の堆積量を減少させて、下方に向かって徐々に外径が縮径する先細り形状に形成されている。

本実施の形態の場合、コア部分２の外周にガラス微粒子を堆積させる工程において、前記先細り形状の部位では、有効部Ｌｘの他の部位に対してガラス微粒子を堆積させる際の嵩密度を下げるようにしている。堆積させたガラス微粒子の嵩密度を下げることにより、焼結する際の外径の収縮量が大きくなる。
クラッド部分３の有効部Ｌｘの下に連なる非有効部７は、前述の所定長さ分Ｌｍの先細り形状に滑らかに連なる先細り形状になっている。

多孔質ガラス母材５の有効部Ｌｘの内、下端側の所定長さ分Ｌｍより上方の範囲では、回転引き上げ装置１６による引き上げ速度、バーナ２１によるクラッド部分３への原料の供給量の制御等によって、クラッド部分３の外径Ｄは一定値（基準値）になるように制御されて、コア部分２とクラッド部分３の外径比の軸方向での変動を抑えることが行われている。

装置１１で形成した多孔質ガラス母材５は、図２に示すように、垂直に支持した状態のまま脱水焼結炉内のヒータ８により下端側から順に加熱して、脱水・焼結、または焼結して透明ガラス化して、透明化されたガラス母材を得る。

図３は、多孔質ガラス母材５の透明ガラス化によって得たガラス母材５Ａであり、図中の符号２Ａはコア部分、３Ａはクラッド部分であり、ＬｘＡは製品として利用される有効部である。

図２に示したように、透明ガラス化のために多孔質ガラス母材５が脱水・焼結、または 焼結される時には、多孔質ガラス母材５の上端が固定のため、多孔質ガラス母材５の下端側が上方へ収縮していくが、下端側ほど自重による負荷が小さくなるため、下端側では収縮に伴う外径の変化量が小さくなり、下端側の外径が相対的に大きくなる。
しかし、本実施の形態において透明ガラス化する多孔質ガラス母材５は、有効部Ｌｘの下端６から所定長さ分Ｌｍのクラッド部分３を、予め、下方に向かって徐々に外径が縮径する先細り形状に形成しているため、外径が増大しても、下端側における外径が許容範囲を超えて太くなることを防止できる。
即ち、本実施の形態におけるガラス母材の製造方法によれば、図３に示すように、透明ガラス化したガラス母材５Ａの有効部ＬｘＡにおける外径Ｄａの変動を抑えて、コア部分２Ａとクラッド部分３Ａの外径比の軸方向での変動の低減により、軸方向における屈折率分布の変動を極力低減することができる。

また、透明ガラス化したガラス母材の下端側が許容範囲を超えて太くなることを防止できるため、下端の外径の増大により次工程の炉に入らないなどの不具合が発生することがなく、下端を細くするために再度加熱して延伸するなどの余分な手間も不要になる。

なお、脱水焼結炉の状態は、周囲の温度や湿度等の条件の影響により日々、微妙に変化するため、ガラス母材５Ａのクラッド部分３Ａの外径の変動を低減させるには、周囲の温度や湿度等の条件に応じて、前述のクラッド部分３の先細り形状の開始位置を修正することが必要になる。
その場合の修正方法としては、前ロットで製造されたガラス母材５Ａのクラッド部分３Ａの外径が許容値以上に大きいとき、次ロットではそれが解消されるように、多孔質ガラス母材５のクラッド部分３の先細り形状の開始位置が、前ロットの時の開始位置よりも上方に修正する方法が良い。
このように、前回のロットの製造結果を、次のロットの製造時にフィードバックすることで、先細り形状の開始位置を簡単に修正することができる。

なお、装置１１で多孔質ガラス母材５を形成する際、先細り形状にする所定長さ分Ｌｍは、有効部Ｌｘの１〜２５％の範囲で設定される。
また、前記所定長さ分Ｌｍにおいて、堆積させるガラス微粒子の嵩密度の低減により減少する堆積量は、基準の外径Ｄの部分における堆積量の１〜１０％に設定される。

なお、装置１１において、多孔質ガラス母材５の有効部Ｌｘの下端の先細り形状は、次のようにしても形成することができる。
例えば、コア部分２の外周にガラス微粒子を堆積させる工程において、位置検出装置３１により規制するクラッド部分３の基準外径位置を、コア部分２の引き上げに応じて徐々に内側に移動させることにより、前記クラッド部分３の先細り形状が形成されるようにしても良い。

また、コア部分２の外周にガラス微粒子を体積させる工程において、クラッド部分３としてガラス微粒子を吹き付けて堆積させるバーナ２１におけるガラス微粒子の原料流量を徐々に低減させることにより、クラッド部分３の先細り形状が形成されるようにしても良い。

更に、上記実施の形態では、装置１１による多孔質ガラス母材５の製造時に先細り形状を形成することとしたが、装置１１では有効部Ｌｘの全長に渡って外径が一定の多孔質ガラス母材を形成し、その後、機械的な研磨処理によりクラッド部分３の先細り形状を得るようにしても良い。

なお、本発明において、多孔質ガラス母材５を製造する方法は、上記実施の形態に示したＶＡＤ法に限るものではなく、ＯＶＤ法を採用することもできる。

本発明に係るガラス母材の製造方法において、多孔質ガラス母材を形成する装置の一実施の形態の概略構成図である。 図１に示した装置で形成した本発明に係る多孔質ガラス母材を透明ガラス化する工程の説明図である。 図２に示した透明ガラス化する工程を経て形成されたガラス母材の縦断面図である。 図１に示した装置で形成した従来の多孔質ガラス母材を透明ガラス化する工程の説明図である。 図４に示した形状の多孔質ガラス母材から形成されるガラス母材の縦断面図である。

符号の説明

２ コア部分
２Ａ コア部分
３ クラッド部分
３Ａ クラッド部分
５ 多孔質ガラス母材
５Ａ 多孔質ガラス母材
６ 下端
７ 非有効部
１１ 装置
１２ 反応容器
１５ 把持具
１６ 回転引き上げ装置
２１ バーナ
２２ ガス供給装置
２３ ガス管
３１ 位置検出装置
３２ 制御部
Ｄ 外径
Ｄａ 外径
Ｌｍ 所定長さ分
Ｌｘ 有効部
ＬｘＡ 有効部

Claims (6)

1. バーナの火炎中に生成したガラス微粒子を、垂直に支持されたガラスロッドの外周あるいは下側に堆積させて、コア部分とその外周のクラッド部分とを有した多孔質ガラス母材を形成した後、前記多孔質ガラス母材を垂直に支持した状態のまま脱水・焼結、または焼 結して透明ガラス化して、透明化されたガラス母材を得るガラス母材の製造方法において、
   前記多孔質ガラス母材の有効部の下端から前記有効部の長さに対し１％以上２５％以下の範囲内で設定された長さ分のクラッド部分は、予め、下方に向かって徐々にガラス微粒子の堆積量を前記有効部の他の部位に対して１％以上１０％以下の範囲内で減少させて、下方に向かって徐々に外径が小さく先細り形状に形成しておくことを特徴とするガラス母材の製造方法。
2. 前ロットで製造されたガラス母材のクラッド部分の外径が許容値以上に大きいとき、次ロットではそれが解消されるように、前記クラッド部分の先細り形状の開始位置が、前ロットの時の開始位置よりも上方に修正されることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の製造方法。
3. 前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、前記先細り形状の部位では、前記有効部の他の部位に対してガラス微粒子を堆積させる際の嵩密度を下げることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。
4. 前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、クラッド部分の基準外径位置を、ガラスロッドの引き上げに応じて徐々に内側に移動させることにより、前記クラッド部分の先細り形状を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。
5. 前記ガラスロッドの外周あるいは下側にガラス微粒子を堆積させる工程において、クラッド部分としてガラス微粒子を吹き付けて堆積させるバーナにおける前記ガラス微粒子の原料流量を徐々に低減させることにより、前記クラッド部分の先細り形状が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。
6. 前記多孔質ガラス母材のクラッド部分の先細り形状を、機械的な研磨処理により得ることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。

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