JP4472477B2 - 石英ガラス製炉心管の接合部材、接合構造並びに接合方法及び組立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用母材の製造方法等に使用される石英ガラス製炉心管、特にそれを構成する上下段炉心管の接合部材、接合構造並びに接合方法及び組立て方法に関するものである。

従来から、図１０に示すように、光ファイバ用母材１を石英ガラス製炉心管２に入れて、加熱手段３により、不活性ガスの雰囲気下で、高温熱処理する方法(公知技術１)は、公知である（特開２００３−２４６６４０号公報）。そして、この公知技術１においては、前記石英ガラス製炉心管２として、外部から不純物が入り込むのを極力抑制するために、上下２段に分割された上下段炉心管２１、２２を使用するとともに、上段炉心管２１の入口部５を極力小さくすることにより、外気と石英ガラス製炉心管２の内部空間との導通空間が小さくなるようにしている。

一方、上下段炉心管２１、２２を使用すると、必然的にそれらの間に接続部材である上下側フランジ部２３、２４が存在するので、上側フランジ部２３の下端面と下側フランジ部２４の上端面間の気密性が問題になる。なぜならば、上下段炉心管２１、２２は石英ガラスからできているため、上下段炉心管２１、２２の上下側フランジ部２３、２４にボルトとナットとの組み合わせのような堅締手段を使用できず、そのため、前記上側フランジ２３の下端面と下側フランジ２４の上端面との間を気密するには限度があるからである。

そこで、この問題を解決するために、特開２００２−１３７９３２号公報に開示の発明(公知技術２)は、図１１に示すように、前記上下側フランジ２３、２４を環状の上下側押圧部材２５、２６で挟み、さらにそれらを上下側堅締部材２７、２８及びボルト２９とナット３０で締め付けることにより、前記上下側フランジ２３、２４を、前記ボルト２９とナット３０によって間接的に堅締するという手段を、提案している。

しかしながら、この手段を採用しても、前記上側フランジ２３の下端面と下側フランジ２４の上端面間の気密性は十分でないので、前記公知技術２は、前記上下側フランジ２３、２４と上下部押圧部材２５、２６間に所定の空間Ｓを設け、その空間Ｓに石英ガラス製炉心管２内から気体を漏洩させながら、その圧力を所定の圧力に制御することにより、石英ガラス製炉心管２内に外気が侵入しないようにしている。言い換えれば、この公知技術２は、上下側フランジ２３、２４間の気密を完全にできないという事実を容認した上で、前記上側フランジ２３の下端面と下側フランジ２４の上端面との間に外気が侵入するのを防止していると言える。
特開２００３−２４６６４０号公報 特開２００２−１３７９３２号公報

しかしながら、前記公知技術２において、下側フランジ２３、２４は固体面同士の当接であるため、それらの間の隙間を小さくしない限り、前記隙間からの気体の流出量を所定以下に低くすることができず、そのため、前記流出量を抑制しないと、その流出量に相応して前記空間Ｓの圧力制御には困難性を伴う。

そこで、本発明者は、前記上側フランジ２３の下端面と下側フランジ２４の上端面間の隙間を極限的に抑制できる方法を確立すべく、鋭意検討した結果、特定の接合部材を使用すればよいという事実を見出し、本発明を完成した。

しかしながら、前記上下段炉心管２１、２２は、その直径に比較して長さが非常に大きいため、軸心が垂直になるように設置した下段炉心管２２の上に、上段炉心管２１を積み上げて、１本の石英ガラス製炉心管２として組み立ててみると、上段炉心管２１の軸心を下段炉心管２２の軸心と一致させることは困難で、上段炉心管２１が下段炉心管２２に対して僅かに傾斜して設置されるという事実が判明した。もし、上段炉心管２１が傾斜して設置されると、石英ガラス製炉心管２の中に挿入して、垂直に垂下した状態で回転させている光ファイバー用母材１のシード部４と上段炉心管２１の入口部５の気密機構との間の気密性が損なわれる。従って、公知技術１及び公知技術２において、光ファイバー用母材１のシード部４と、上段炉心管２１における入口部５の気密機構との間の気密性も、同時に解決する必要がある。

そこで、本発明者は、上記接合部材を使用した場合において、上段炉心管の入口部における気密性を向上させ得る方法を確立すべく、鋭意研究した結果、前記接合部材を特定の形状にして、その接合部材を上下段炉心管２１、２２の上下側フランジ２３、２４間に介在させてから、上段炉心管２１の下端部を特定の状態に変位させて、その設置位置を修正すればよいという事実を見出し、本発明を完成した。

従って、本発明の第一の課題は、石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管の上下側フランジにおいて、それらの下端面と上端面間に形成される隙間を極限的に抑制する手段を提供することにあり、第二の課題は、前記下段炉心管に垂直に積み重ねられる上段炉心管の入口部において、その入口部と光ファイバー用母材のシード部のような被熱処理物との間に形成される隙間が所定以上に拡大するのを抑制する手段を提供することにある。

本発明は、前記の第一課題を解決するために、石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管を接合する部材として、石英ガラス製のリング部材を採用する。そして、その石英ガラスリングを、上段炉心管の上側フランジの下端面と下段炉心管の下側フランジの上端面との間に介在させて、上下段炉心管の接合構造を形成する。この手段を採用することにより、石英ガラスリングは、上下段炉心管に一体的に固定された上下側フランジよりも変形し易いため、破壊しない限度で上下段炉心管の上下側フランジ間に介在させたとき、それらの下端面及び上端面に密着する。

この態様において、石英ガラスリングの表裏面と上下段炉心管の上側フランジの下端面及び下段炉心管の下側フランジの上端面が、面接触乃至は周方向の線接触をするように、予め石英ガラスリングの表裏面とそれらの面と当接する上下側フランジの下端面及び上端面とを擦り合わせるという手段を採用する。この手段として、回転する上下段炉心管の上下側フランジ面に、それらの回転速度と異なる回転速度で相対的に回転する石英ガラスリングを接触させる方法を採用する。この態様において、好ましくは、前記石英ガラスリングの回転速度をゼロにして、両者の相対的接触を行なう。

上記の手段、特に回転する上下段炉心管と回転しない石英ガラスリングとを接触させて、当接面となる上下段炉心管における上下側フランジ下端面及び上端面と石英ガラスリングの表裏面とを予め擦り合わせをすることにより、前記当接面の密着性が増大し、その結果、下段炉心管の上に石英ガラスリングを介して下段炉心管を設置した場合、上下段炉心管間の気密性が向上する。

本発明は、前記の第二課題を解決するために、前記石英ガラスリングからなり、その表裏面のうち、少なくとも一つの面が仮想球面の一部分を構成するような形状に加工した接合部材を使用する。この態様においても、石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管の上側フランジの下端面と下側フランジの上端面との間に石英ガラスリングを介在させるに先立って、前記上下段炉心管を回転させ、それらの炉心管の回転速度と異なる速度で相対的に回転する石英ガラスリングの表裏面を接触させる。この態様において、好ましくは、石英ガラスリングの回転速度をゼロにする。

そして、このようにして、上下側フランジの下端面及び上端面が擦り合せ加工された上下段炉心管を、同様に擦り合せ加工がなされた接合部材としての石英ガラスリングを介して、接合して、１本の石英ガラス製炉心管を組み立てるとき、前記下段炉心管を縦にして、その軸心が垂直になるように設置するステップと、前記石英ガラスリングをその表面が上になるように下段炉心管の上に設置するステップと、その前記石英ガラスリングの上に上段炉心管を設置するステップと、前記上段炉心管の軸心が垂直であるか、否かを把握するステップと、前記軸心が垂直でないとき、上段炉心管の下部を変移させて、その上側フランジの下端面を前記石英ガラスリングの表面に摺動させて、上段炉心管の軸心を下段炉心管の垂直に一致させるステップとを採用する。上段炉心管が下段炉心管の垂直に一致すれば、その入口部に貫通させた光ファイバー用母材のような被熱処理物と前記入口部の機密機構との気密性の維持が可能になる。

上記の手段を採用することにより、石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管の上下側フランジにおいて、それらの下端面と上端面との間に形成される隙間を、極限的に抑制することができるとともに、前記下段炉心管上に垂直に積み重ねられる上段炉心管の入口部において、その入口部の気密機構と光ファイバー用母材のシード部のような被熱処理物との間に形成される隙間が、所定以上に拡大するのを抑制することが可能になる。

次に、図面を参照しながら、本発明を実施するのに採用される最良の形態について、詳述する。図１に示すように、本発明に係る石英ガラス製炉心管２は、前記従来技術１のそれと基本的に同じ形状・構造をなし、下端部が絞られたロート状形状なす下段炉心管２２と、その上に垂直に積み重ねられる上段炉心管２１とから、構成される。

しかしながら、本発明に係る石英ガラス製炉心管２にあっては、上下段炉心管２１、２２において、上下側フランジ２３、２４の下端面２３ａと上端面２４ａとの間には、それらの接合部材として、石英ガラスリング３１が介装されている。石英ガラスリング３１は、図２に示すように、実質的に、上下段炉心管２１、２２と同一の材質から形成されたＯリング状部材であり、上下側フランジ２３、２４と略同じ直径及び厚みを有し、通常は、所定の厚みの石英ガラス板から切り出すことにより、得られる。

石英ガラス板から切り出されたＯリング状部材の表裏面３１、３２を研磨して精密仕上げ加工することにより、本発明に係る石英ガラスリング３１に仕上げられる。得られた石英ガラスリング３１は、そのまま、前記上下側フランジ２３、２４間に介在させても、ある程度気密機能を発揮するが、本発明においては、さらに前記気密機能をより向上させるために、図３に示すように、上下段炉心管２１、２２を回転・保持手段４０に保持して回転させ、回転している上下側フランジ２３、２４の下端面２３ａ及び上端面２４ａに、石英ガラスリング３１の表裏面３２、３３をそれぞれ近づけて、図４に示すように、接触させることにより、前記下端面２３ａ及び上端面２４ａと石英ガラスリング３１の表裏面３２、３３とを擦り合せる。

すると、上側フランジ２３の下端面２３ａ及び石英フランジ２３の表面３２に存在する微細な凹凸が相互に研削されて、それらの面が平滑になる。同様に、下側フランジ２４の上端面２４ａ及び石英フランジ２３の裏面３３に存在する微細な凹凸が相互に研削されて、それらの面が、平滑になる。このように表面加工された石英ガラスリング３１を、前記上下段炉心管２１、２２の上下側フランジ２３、２４間に破壊が起こらないように介装すると、石英ガラスリング３１は、上下段炉心管２１，２２に一体的に固定された上下側フランジ２３，２４よりも変形し易いため、それらの下端面２３ａ及び上端面２４ａに密着し、ひいては上下側フランジ２３、２４間の気密性が、可及的に保持される。

次に、実施例１と同様に、石英ガラス製炉心管２を準備するが、この実施例では、図５、図６及び図７に示すように、上段炉心管２１における上側フランジ２３の少なくとも下端面２３ａ、接合部材としての石英ガラスリング３１の表裏面３２、３３及び下側フランジ２４の少なくとも上端面２４ａ等の当接面は、仮想球面（Ｂ）の一部分を構成するように湾曲する態様が採用される。

湾曲の程度を、図５により示すと、それは、上段炉心管２１の入口部５において光ファイバー用母材１のシード部４を把持する部位と前記シード部４の軸心Ｃ１との仮想上の交点ｐとしたとき、その交点ｐを始点として、上段炉心管２１の内壁面２１ａと端面２３ａとの交点ａまでの長さを終点とする曲率半径Ｒを以って描かれた仮想球面Ｂに基づいて決定される。

従って、前記石英ガラスリング３１は、図７から明白なように、所定の厚さのレンズを中抜きしたような形状をなすとともに、その放射方向の断面において、図８に示すように、石英ガラスリング３１の表面３２は、外周面３５の上端Ｑを通る水平面Ｔから凹状に窪んだ仮想球面Ｂの一部分を構成する。石英ガラスリング３１の裏面３３は、前記表面３２と平行な仮想球面Ｂをなして、下に向かって凸状に突出している。

そして、上段炉心管２１における上側フランジ２３の下端面２３ａは、図６に示すように、前記曲率半径Ｒとする仮想球面Ｂの一部分を構成する表面３２に摺接可能に当接し、下段炉心管２２における下側フランジ２４の上端面２４ａは、図６のように図示されていないが、石英ガラスリング３１の裏面３３と摺接可能に当接する。

この実施例においても、実施例１と同様に、上側フランジ２３の下端面２３ａと石英ガラスリング３１の表面３２とが当接したとき、その当接面の気密性を向上させるために、上段炉心管２１を回転させ、その上側フランジ２３の下端面２３ａと、回転させることなく停止・固定した石英ガラスリング３１の表面３２とを擦り合せて、当接面同士を研削する。下側フランジ２４の上端面２４ａと石英ガラスリング３１の裏面３３とのなす当接面についても、同様に研削する。

次に、上記のように垂直に設置されている下段炉心管２２の上に、上段炉心管２１を積み重ねて、石英ガラス製炉心管２を組み立てるとき、次の操作ステップを採用する。すなわち、図５に示すように、まず、下段炉心管２２を縦にして、その軸心Ｃ１を垂直にして設置・固定する。そして、前記石英ガラスリング３１を下段炉心管２２の下側フランジ２４の上に設置する。勿論、上段炉心管２１を吊り上げて、それを下段炉心管２２の上に降ろすとき、上下側フランジ２３、２４の間に、石英ガラスリング３１を介在させることもできる。

かくして、上下段炉心管２１、２２を縦に且つ垂直に設置したら、両者の軸心Ｃ１、Ｃ２が垂直に一致しているか、否かを、慣用的に採用される手段により、確認する。もし、そのとき、下段炉心管２２の軸心Ｃ１が、上段炉心管２１の軸心Ｃ２と垂直と一致していないことが判ったとき、すなわち、上段炉心管２１が下段炉心管２２の軸心Ｃ１から傾斜角βを以って傾いていることが判明したとき、石英ガラス製炉心管２の中に垂直に挿入された状態で、回転する光ファイバー用母材１のシード部４と石英ガラス製炉心管２の入口部５のおける気密機構、例えば、ラビリンスパッキングが前記シード部４の回転により変形して、その気密性が損なわれる。

そこで、本発明においては、図９に示すように、上段炉心管２２の下部を矢印Ｄの向きに変移させて、上下段炉心管２１、２２の軸心Ｃ１、Ｃ２を一致させる。このとき、上段炉心管２１の上側フランジ２３の下端面２３ａと石英ガラスリング３１の表面３２は、ともに、同一の曲率半径Ｒの仮想球面Ｂを構成しているので、両者の当接面は気密性を保持しながら、上側フランジ２３の上端面２３が、石英ガラスリング３１の表面３２上を摺接する。よって、前記入口部５は、所定の気密性を保持するに至る。

本発明は、その根本的技術思想を踏襲しつつ、発明の効果を著しく損なわない限度において、前記の実施形態の一部分を、例えば、次のように変更して、実施することができる。すなわち、石英ガラスリング３１の表面３２及び上側フランジ２３の下端面２３ａが仮想曲面Ｂの一部分を構成し、石英ガラスリング３１の裏面３３及び下側フランジ２３の上端面２４ａをフラットにしてもよい。

本発明は、上下段炉心管を接合して、１本の石英ガラス製管を製造する分野に、広く利用することができる。特に、光ファイバー用母材を熱処理して、その性能を向上させる分野に、有効に利用できる。

本発明の実施例１に係る石英ガラス製炉心管の部分破断側面図である。 本発明に係る接合部材としての石英ガラスリングの斜視図である。 前記石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管の上下側フランジと石英ガラスリングとを擦り合わせをする準備段階を示す側面図である。 図３の形態において擦り合せをしている状態を示す側面図である。 本発明の実施例２に係る石英ガラス製炉心管の側面図である。 本発明に係る石英ガラスリングに上段炉心管の上側フランジを接合した状態を示す部分破断斜視図である。 本発明に係る石英ガラスリングの斜視図である。 図７におけるVIII―VIII矢視断面図である。 本発明に係る上下段炉心管の組立て過程を示す断面図である。 公知技術１に係る石英ガラス製炉心管の部分破断側面図である。 公知技術２に係る上下段炉心管の接合構造を示す要部断面図である。

１：光ファイバー用母材、２：石英ガラス製炉心管、２１：上段炉心管、２１ａ：内壁面、２２：下段炉心管、２３：上側フランジ、２３ａ：下端面、２４：下側フランジ、２４ａ：上端面、２５：上側押圧部材、２６：下側押圧部材、２７：上側堅締部材、２８：下側堅締部材、２９：ボルト、３０：ナット、３１：接合部材(石英ガラスリング)、３２：表面、３３：裏面、３４：外周面、４０：回転・保持手段、３：加熱手段、４：シード部、５：入口部、ａ：交点、Ｂ：仮想球面、β：傾斜角、Ｃ１：軸心、Ｃ２：軸心、ｐ：仮想上の交点、Ｑ：上端、R：曲率半径、Ｓ：空間、Ｔ：水平面。

Claims (10)

1. 被熱処理物の入口部（５）が上部に設けられた石英ガラス製上段炉心管（２１）と、石英ガラス製下段炉心管（２２）とを、前者の下部周縁部に設けられた上側フランジ（２３）と後者の上部周縁部に設けられた下側フランジ（２４）との間において接合して、構成される石英ガラス製炉心管（２）の接合構造にして、
   前記上側フランジ（２３）と前記下側フランジ（２４）との間に、円環板形状で一体構造の石英ガラスリング（３１）を介在せしめると共に、該石英ガラスリングの表裏面（３２，３３）を、それぞれ前記上側フランジの下端面（２３ａ）及び前記下側フランジの上端面（２４ａ）と擦り合わせることによって研削して、該上側フランジの下端面及び該下側フランジの上端面に対してそれぞれ面接触乃至は周方向に線接触する形状としたことを特徴とする石英ガラス製炉心管の接合構造。
2. 前記石英ガラスリング（３１）の表面（３２）と前記上側フランジ（２３）の下端面（２３ａ）とが、それぞれ仮想球面（Ｂ）の一部分を構成している請求項１に記載の石英ガラス製炉心管の接合構造。
3. 前記石英ガラスリング（３１）の裏面（３３）と前記下側フランジ（２４）の上端面（２４ａ）とが、それぞれ仮想球面（Ｂ）の一部分を構成している請求項１又は請求項２に記載の石英ガラス製炉心管の接合構造。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の石英ガラス製炉心管（２）の接合構造に用いられる、前記石英ガラスリング（３１）からなる石英ガラス製炉心管の接合部材。
5. 被熱処理物の入口部（５）が上部に設けられた石英ガラス製上段炉心管（２１）と、石英ガラス製下段炉心管（２２）とを、前者の下部周縁部に設けられた上側フランジ（２３）と後者の上部周縁部に設けられた下側フランジ（２４）との間において接合して、石英ガラス製炉心管（２）を構成するに際して、
   円環板形状で一体構造の石英ガラスリング（３１）を準備する工程と、
   該石英ガラスリングの表裏面（３２，３３）を、それぞれ前記上側フランジの下端面（２３ａ）及び前記下側フランジの上端面（２４ａ）と擦り合わせることによって研削して、該上側フランジの下端面及び該下側フランジの上端面に対してそれぞれ面接触乃至は周方向に線接触する形状とする工程と、
   かかる研削された石英ガラスリング（３１）を、前記上側フランジ（２３）と前記下側フランジ（２４）との間に介在せしめて、接合する工程と、
   を含むことを特徴とする石英ガラス製炉心管の接合方法。
6. 前記石英ガラス製炉心管を構成する上下段炉心管（２１，２２）をそれぞれ回転させて、前記上側フランジ（２３）の下端面（２３ａ）及び前記下側フランジ（２４）の上端面（２４ａ）に、該上下段炉心管の回転速度と異なる速度で相対的に回転せしめられる前記石英ガラスリング（３１）の表裏面（３２，３３）をそれぞれ接触させることにより、前記研削を行なう請求項５に記載の石英ガラス製炉心管の接合方法。
7. 前記石英ガラスリング（３１）の回転速度をゼロとした請求項６に記載の石英ガラス製炉心管の接合方法。
8. 前記石英ガラスリング（３１）の表面（３２）と前記上側フランジ（２３）の下端面（２３ａ）とが、それぞれ仮想球面（Ｂ）の一部分を構成している請求項５乃至請求項７の何れか一つに記載の石英ガラス製炉心管の接合方法。
9. 前記石英ガラスリング（３１）の裏面（３３）と前記下側フランジ（２４）の上端面（２４ａ）とが、それぞれ仮想球面（Ｂ）の一部分を構成している請求項５乃至請求項８の何れか一つに記載の石英ガラス製炉心管の接合方法。
10. 被熱処理物の入口部（５）が上部に設けられた石英ガラス製上段炉心管（２１）と、石英ガラス製下段炉心管（２２）とを、前者の下部周縁部に設けられた上側フランジ（２３）と後者の上部周縁部に設けられた下側フランジ（２４）との間において接合して、構成される石英ガラス製炉心管（２）の組立て方法において、
    垂直に設置せしめた前記下段炉心管（２２）の上に、前記上段炉心管（２１）を垂直に積み重ねて、１本の石英ガラス製炉心管（２）を組み立てるに際して、以下の操作ステップを採用することを特徴とする石英ガラス製炉心管の組立て方法；
    （イ） 前記下段炉心管（２２）を縦に設置して、その軸心（Ｃ１）を垂直に設置するス テップ、
    （ロ） 円環板形状で一体構造の石英ガラスリングからなり、その表裏面（３２，３３） を、それぞれ前記上側フランジの下端面（２３ａ）及び前記下側フランジの上端面 （２４ａ）と擦り合わせることによって研削して、該上側フランジの下端面及び該 下側フランジの上端面に対してそれぞれ面接触乃至は周方向に線接触する形状とす ると共に、少なくとも表面（３２）が仮想球面（Ｂ）の一部分を構成する接合部材 （３１）を、前記下段炉心管（２２）の下側フランジ（２４）の上端面（２４ａ） 上に設置するステップ、
    （ハ） 前記接合部材（３１）の上に、その表面（３２）が前記上側フランジ（２３）の 下端面（２３ａ）に重なるようにして、前記上段炉心管（２１）を設置するステッ プ、
    （ニ） 前記上段炉心管（２１）の軸心(Ｃ２)が垂直であるか、否かを把握するステップ
    、
    （ホ） 前記軸心が垂直でないとき、上段炉心管（２１）の下部を変移させて、その上側 フランジ(２３)の下端面（２３ａ）を前記接合部材（３１）の表面（３２）上を摺 動させて、上段炉心管（２１）の軸心を下段炉心管（２２）の軸心に一致させるス テップ。

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