JP4453680B2 - 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ガラス微粒子堆積体を焼結して、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（Vapour-phase Axial Deposition method）法やＯＶＤ（Outside Vapour-phase Deposition method）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コア部とクラッド部を有するガラスロッドの周りに堆積させてガラス微粒子堆積体を形成し、その後、このガラス微粒子堆積体を焼結炉内にて加熱して透明ガラス化することにより製造される。

ところで、ガラス微粒子堆積体を形成する際、端部では、ガスの供給量や温度が不安定になるため、ガラス微粒子の堆積密度やガラス微粒子堆積体の外径を制御しにくい。このためコア部とクラッド部を含むガラスロッドの両端に、安価な石英ガラスからなるダミーロッドを接続し、ガラスロッドの端部まで有効に利用することが行われている。

このようにダミーロッドを用いてガラス母材を製造する技術として、ガラスロッドに対するダミーロッドの外径差を２ｍｍ以下とすることにより、ガラス母材の端部における割れの発生を抑える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ガラスロッドよりもダミーロッドを小径とし、さらに、ダミーロッドの粘度をガラスロッドの粘度に近づけることにより、焼結時におけるガラスロッド端部への収縮力の集中を抑え、安定した特性を有するガラス母材を製造する技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−７１１２５号公報 特開２００４−１１５３０１号公報

ところで、上記特許文献１の技術は、端部における割れを抑えることができるが、焼結時の端部におけるガラスロッドへの収縮力の集中を抑えることはできない。

また、特許文献２の技術は、端部におけるガラスロッドへの収縮力の集中を抑え、特性の安定化を図ることができるが、粘度を調整したダミーロッドが必要であるため、安価で汎用的な合成石英製のダミーロッドを用いることができず、製造のコストアップを招いてしまう。また、ガラスロッドの平均粘度は、コアとクラッドの外径比率やドーパント分布によって変化するため、このガラスロッドの粘度変化に合わせた適切な粘度のダミーロッドを用意するのが困難であった。

本発明は、製造コストを抑えつつ、ガラスロッドとダミーロッドの接続部の極めて近傍まで特性の安定したガラス母材を得ることが可能な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。

上記課題を解決することのできる本発明に係るガラス母材の製造方法は、コア部とクラッド部を有するガラスロッドにダミーロッドを接続して出発ロッドを作成し、当該出発ロッドにガラス微粒子を堆積させガラス微粒子堆積体を形成し、当該ガラス微粒子堆積体を焼結して透明ガラス化してガラス母材を製造するガラス母材の製造方法であって、前記出発ロッドにおける前記ガラスロッドの前記ダミーロッドとの接続端部に、前記ダミーロッドへ向かって次第に縮径するとともに長手方向にわたって前記ガラスロッドの外径と前記コア部の直径の比が略一定である縮径部を形成しておき、当該出発ロッドにガラス微粒子を堆積させることを特徴とする。

また、本発明に係るガラス母材の製造方法において、前記縮径部の長手方向の長さ寸法Ｌが、１２ｍｍ≦Ｌ≦６０ｍｍを満たすことが好ましい。

また、本発明に係るガラス母材の製造方法において、前記ガラスロッドの、接続端部に設けた縮径部を除いた部分の平均外径Ｄａ、前記縮径部の最小外径Ｄｍ及び前記縮径部の長さ寸法Ｌの関係が、０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６を満たすことが好ましい。

また、本発明に係るガラス母材の製造方法において、前記ガラスロッドと前記ダミーロッドとの接続に先立ち、前記ガラスロッドの前記ダミーロッドとの接続端部に、その先端へ向かって次第に縮径する縮径先端部を形成しておくことが好ましい。
その際、前記縮径先端部は、半球形状であることが好ましい。

本発明のガラス母材の製造方法によれば、製造コストを抑えつつ、ガラスロッドとダミーロッドの接続部の極めて近傍まで特性の安定したガラス母材を製造することができる。

以下、本発明に係るガラス母材の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
（ロッド形成工程）
図１に示すように、まず、コアとその周囲がクラッドの一部とされたガラスロッド１１を用意し、このガラスロッド１１の一端に、その先端へ向かって次第に縮径する縮径先端部１２ａを形成する。本実施形態の縮径先端部１２ａは、半球形状とする。

具体的には、例えば、平均外径３２〜４０ｍｍ、長さ寸法１０００ｍｍのガラスロッド１１を酸水素旋盤に設置し、一端側をバーナによって加熱しつつ、ガラスロッド１１の一端側へ適当な外径のダミーガラス棒を溶着し、さらに加熱して、溶着したダミーガラス棒を引きちぎる。このとき、ガラスロッド１１の外径とコア径の比は実質的に一定に保たれる。

次に、例えば、平均外径が２３ｍｍ〜３８ｍｍ、長さ寸法５００ｍｍのダミーロッド１３をガラスロッド１１と同様にその一端側を半球形状にして、ガラスロッド１１の縮径先端部１２ａが形成された一端側の接続端部と突合せ、加熱しながら、ガラスロッド１１とダミーロッド１３を溶着接続する。
なお、このダミーロッド１３としては、安価な合成石英ガラス製のものを用いるのが好ましい。

このようにして、ガラスロッド１１とダミーロッド１３が接続されて、図２のような縮径部１２を有する出発ロッド１５の中間部品が形成される。この縮径部１２は、ガラスロッド１１のダミーロッド１３との接続端部で、ダミーロッド１３へ向かって次第に縮径している。

さらに、図３に示すように、ガラスロッド１１の他端側に、このガラスロッド１１の外径と略等しい外径を有する安価な合成石英ガラス製のダミーロッド１４を接続する。
これにより、ガラスロッド１１の両端に、ダミーロッド１３，１４が接続された１本の出発ロッド１５が作製される。

ここで、図２の縮径部１２は、その長さ寸法をＬ、ガラスロッド１１の外径均一部分の平均外径をＤａ、縮径部１２の最小外径をＤｍとしたときに、次の関係（１）〜（３）が成り立つように形成するのが好ましい。
１２ｍｍ≦Ｌ≦６０ｍｍ …（１）
０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６ …（２）
２ｍｍ≦Ｄａ−Ｄｍ≦８ｍｍ …（３）

（ガラス微粒子堆積工程）
次に、上記のようにして作製した出発ロッド１５の外周にガラス微粒子を堆積させる。
図４に示す製造装置２１はガラス微粒子堆積装置の一例であり、ＶＡＤ法により、反応容器２２の内側の空間内で出発ロッド１５に対してガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体Ｇ１を形成するものである。

反応容器２２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、ＳＵＳ、アルミ等の材料を用いて形成されている。
反応容器２２の中には、垂直方向に昇降可能な把持具２５が収容されている。この把持具２５は、長尺状の出発ロッド１５の上端を把持して、出発ロッド１５を垂直方向に支持する。また、把持具２５は、その上方で回転引き上げ装置２６に接続されている。回転引き上げ装置２６は、把持具２５及び把持した出発ロッド１５を、その軸回りに回転させる。

反応容器２２の中には、ガラス微粒子生成用のバーナ３１が設けられている。このバーナ３１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３１は、生成したガラス微粒子を出発ロッド１５に堆積させるように、出発ロッド１５に向けて斜め上方に傾けて配置されている。

上記構成の製造装置２１によって出発ロッド１５にガラス微粒子を堆積させる場合は、まず、出発ロッド１５を、そのガラスロッド１１の縮径部１２とダミーロッド１３とが接続された端部側を上にして反応容器２２内に入れ、この端部を把持具２５に接続して吊り下げる。

この状態で、反応容器２２内に吊り下げた出発ロッド１５を回転引き上げ装置２６によって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３１によってガラス微粒子を吹き付ける。
このようにすると、出発ロッド１５の外周にガラス微粒子が堆積されたガラス微粒子堆積体Ｇ１が形成される。

（焼結工程）
上記のようにして出発ロッド１５の外周にガラス微粒子を堆積させたガラス微粒子堆積体Ｇ１を形成したら、このガラス微粒子堆積体Ｇ１を焼結して透明ガラス化する。
具体的には、図５（ａ）に示すように、ガラスロッド１１の縮径部１２を上方側にした状態で、ガラス微粒子堆積体Ｇ１を焼結用の加熱炉内に設置し、ヒータ４１によって、ガラス微粒子堆積体Ｇ１の下部から上部へ向けて加熱する。
このようにすると、ガラス微粒子堆積体Ｇ１は、出発ロッド１５の外周に堆積させたガラス微粒子が下部から上部へ向けて、収縮しながら透明化する。

これにより、図５（ｂ）に示すように、出発ロッド１５の周囲に透明ガラス化されたクラッド部１６を有するガラス母材Ｇ２が得られる。
そして、このガラス母材Ｇ２におけるガラス母材外径とコア径の比は、ガラスロッド１１におけるダミーロッドとの接続端部の極めて近傍まで略均一化されており、このガラス母材Ｇ２から安定した特性の光ファイバを線引きすることができる。

ここで、図６（ａ）に示すものは、縮径先端部のないガラスロッド１１の両端に合成石英ガラスからなるダミーロッド１３，１４を接続して縮径部１２のない出発ロッド１５を作製し、この出発ロッド１５にガラス微粒子を堆積させて得られたガラス微粒子堆積体Ｇ１である。
そして、このガラス微粒子堆積Ｇ１をヒータ４１によって焼結すると、図６（ｂ）に示すように、焼結時にガラス微粒子が収縮することにより、上端側におけるガラスロッド１１とダミーロッド１３との接続部にて、ガラスロッド１１の端部が膨出するような変形が生じる。

これは、焼結温度におけるダミーロッド１３の粘度が、コア部を含むガラスロッド１１の粘度よりも高いため、焼結時におけるガラス微粒子の収縮により、粘度の低いコア部を含むガラスロッド１１の端部に収縮力が集中的に付与されることにより生じる。
そして、このように、コア部を含むガラスロッド１１に変形が生じると、得られたガラス母材Ｇ２から光ファイバを線引きしたときに、長手方向での特性変化が生じるおそれがあり、特に変動が大きいときには、特性不良に至る場合もある。

これに対して、本実施形態では、予めガラスロッド１１の端部に縮径部１２を形成しておくので、ガラスロッド１１の上端側のテーパ状の縮径部１２が、焼結時にガラスロッド１１の上端部において生じる圧縮変形を吸収することにより、ガラスロッド１１のより端部まで母材外径とコア径との比率が安定したガラス母材Ｇ２を製造することができる。
つまり、焼結時の粘度をガラスロッド１１の粘度に合わせた高価なダミーロッド１３を用いることなく、一般的に用いられる安価な合成石英ガラスからなるダミーロッド１３を用いることができ、製造コストを抑えつつ、ガラスロッドとダミーロッドの接続部の極めて近傍まで特性の安定したガラス母材Ｇ２を製造することができる。

そして、このガラス母材Ｇ２から光ファイバを線引きすることにより、特性が不安定のために不良となる光ファイバ長を極力低減することができる。
特に、縮径部１２の長さ寸法Ｌを１２ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることで、焼結時にガラスロッド１１の端部に生じる圧縮変形をより効果的に吸収することが可能である。

なお、上記実施形態では、ガラスロッド１１の上端側に縮径部１２を設け、このガラスロッド１１の上端に、縮径部１２の最小径Ｄｍと略同一径のダミーロッド１３を接続したが、図７に示すように、ガラスロッド１１の上端に接続するダミーロッド１３にも縮径部１３ａを形成し、このダミーロッド１３の接続端部をガラスロッド１１の上端部の外径に合わせても良い。

実施例１〜８として、平均外径Ｄａ、縮径部の最小外径Ｄｍ、縮径部の長さ寸法Ｌ、外径差Ｄａ−Ｄｍ及び外径差と長さ寸法との比（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌの異なる縮径部を有するガラスロッドを用意し、これらガラスロッドにガラス微粒子を堆積させ、その後焼結・透明化してガラス母材を製造したときの、ガラスロッド上部におけるダミーロッドとの接続端部から下方２００ｍｍの区間におけるガラス母材の外径とコア径の比の変動幅を求めた。以下この変動幅を比率ばらつき幅と呼ぶ。
比率ばらつき幅は、具体的には、ガラスロッド上端から２００ｍｍにおけるガラス母材外径とコア径の比の変動幅を、ガラスロッド上端から２００ｍｍの区間におけるガラス母材外径とコア径の比の平均値を１００％として、当該変動幅を数値化したものである。

また、比較例として、縮径部のないガラスロッドを用意し、このガラスロッドにガラス微粒子を堆積させ、その後焼結・透明化してガラス母材を製造したときの、比率ばらつき幅を同様に求めた。
なお、各ガラスロッドへのガラス微粒子堆積工程及び焼結工程は共通の条件にて行った。
また、各ガラスロッドへ接続するダミーロッドとしては、合成石英ガラスからなり、各ガラスロッドとの接続面における外径が、ガラスロッドの接続端における外径に対して±１ｍｍ以内のものを用いた。その結果を表１に示す。

表１からわかるように、縮径部を有するガラスロッドを用いた実施例１〜８においては、比率ばらつき幅が±１％以下であった。これに対して、縮径部のないガラスロッドを用いた比較例では、比率ばらつき幅が±２．５０％と大きく変動した。
つまり、縮径部を有するガラスロッドを用いることにより、比率ばらつき幅を大幅に抑制することができることがわかった。

特に、実施例２〜４では、比率ばらつき幅が±０．４５％以下と最も安定した結果が得られた。これは、縮径部の長さ寸法Ｌが好適な範囲である１２ｍｍ≦Ｌ≦６０ｍｍの範囲にあり、さらに、外径差と長さ寸法との比率（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌも好適な範囲である０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６の範囲にあるためである。

なお、実施例６は、外径差と長さ寸法との比率（Ｄａ−Ｄｍ）/Ｌが好適な範囲である０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６の範囲の臨界点（０．０５）にあり、実施例７は、０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６の範囲から僅かに外れた点（０．６７）にあるため、実施例２〜４の比率ばらつき幅（±０．４５％以下）より、僅かに高め（±０．８０％）になったと考えられる。
また、実施例８は、外径差Ｄａ−Ｄｍが臨界点（２ｍｍ）にあるため、実施例２〜４の比率ばらつき幅（±０．４５％以下）より、僅かに高め（±０．８０％）になったと考えられる。

さらに、実施例１，５は、縮径部の長さ寸法Ｌが好適な範囲である１２ｍｍ≦Ｌ≦６０ｍｍの範囲から外れた長さ寸法（８ｍｍ，７０ｍｍ）であるため、実施例２〜４の比率ばらつき幅（±０．４５％以下）より、高め（±１．００％）になったと考えられる。つまり、実施例１では、縮径部の長さ寸法Ｌが短いため、焼結時に生じるガラスロッドの圧縮変形の吸収が少なく、また、実施例８では、縮径部の長さ寸法Ｌが長いため、焼結時のガラスロッドの圧縮変形が生じない領域において、ガラス母材の外径に対してガラスロッドを縮径した影響が現れたことによると考えられる。

上記の結果より、縮径部の長さ寸法Ｌは６０ｍｍ以下が好ましく、さらに５０ｍｍ以下とするのがより好ましい。また、縮径部の長さ寸法Ｌが６０ｍｍを越えると、焼結時のガラスロッドの圧縮変形が縮径部の全長に及ばないため、縮径部を形成することによるガラスロッドの外径変化が母材外径変動に現れてしまう。また、縮径部を長くすることは製作上の難易度が高く、この点を考慮すると縮径部の長さ寸法Ｌの上限は５０ｍｍとするのがよい。

本発明の実施形態にて用いるガラスロッドの端部形状を示す斜視図である。 ガラスロッドとダミーロッドとの接続部分を示す斜視図である。 ガラスロッドとダミーロッドとからなる出発ロッドを示す側面図である。 出発ロッドへのガラス微粒子堆積工程を示す概略側面図である。 ガラス微粒子堆積体を焼結してガラス母材とする焼結工程を示す概略断面図である。 ガラス微粒子堆積体を焼結してガラス母材とする焼結工程を示す概略断面図である。 他の構造の出発ロッドを備えたガラス微粒子堆積体の概略断面図である。

符号の説明

１１ ガラスロッド
１１ａ 一端面
１２ 縮径部
１３ ダミーロッド
１５ 出発ロッド
Ｄａ ガラスロッドの平均外径
Ｄｍ 縮径部の最小外径
Ｇ２ ガラス母材
Ｌ 縮径部の長さ寸法

Claims (5)

1. コア部とクラッド部を有するガラスロッドにダミーロッドを接続して出発ロッドを作成し、当該出発ロッドにガラス微粒子を堆積させガラス微粒子堆積体を形成し、当該ガラス微粒子堆積体を焼結して透明ガラス化してガラス母材を製造するガラス母材の製造方法であって、
   前記出発ロッドにおける前記ガラスロッドの前記ダミーロッドとの接続端部に、前記ダミーロッドへ向かって次第に縮径するとともに長手方向にわたって前記ガラスロッドの外径と前記コア部の直径の比が略一定である縮径部を形成しておき、当該出発ロッドにガラス微粒子を堆積させることを特徴とするガラス母材の製造方法。
2. 請求項１に記載のガラス母材の製造方法であって、
   前記縮径部の長手方向の長さ寸法Ｌが、１２ｍｍ≦Ｌ≦６０ｍｍを満たすことを特徴とするガラス母材の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のガラス母材の製造方法であって、
   前記ガラスロッドの、接続端部に設けた縮径部を除いた部分の平均外径Ｄａ、前記縮径部の最小外径Ｄｍ及び前記縮径部の長さ寸法Ｌの関係が、０．０５≦（Ｄａ−Ｄｍ）／Ｌ≦０．６６を満たすことを特徴とするガラス母材の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のガラス母材の製造方法であって、
   前記ガラスロッドと前記ダミーロッドとの接続に先立ち、前記ガラスロッドの前記ダミーロッドとの接続端部に、その先端へ向かって次第に縮径する縮径先端部を形成しておくことを特徴とするガラス母材の製造方法。
5. 請求項４に記載のガラス母材の製造方法であって、
   前記縮径先端部は、半球形状であることを特徴とするガラス母材の製造方法。

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