JP4496012B2

JP4496012B2 - 光ファイバ用ガラス母材の製造方法

Info

Publication number: JP4496012B2
Application number: JP2004159822A
Authority: JP
Inventors: 光邦坂下
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005336030A

Description

本発明は、優れた光学特性を有する光ファイバの線引きに好適な端部形状を有する光ファイバ用ガラス母材の製造方法に関する。

大型の光ファイバ用ガラス母材は、電気炉等の加熱炉で加熱された後、軸方向、特には鉛直方向に延伸され、所定の長さで分割することにより、線引きに好適な径を有するガラス母材に加工される。図１に、大型のガラス母材を電気炉で延伸して製造したガラス母材の概略図を示した。延伸されたガラス母材１は、その両端に中心軸と直交する面で切断された機械的切断面２を有している。

製造されたガラス母材１の一端には、図２の概略図に示すように、ガラス母材１を線引き装置に取り付けるためのダミーバー３が溶着され、この部分で把持される。他端は、線引きの開始を容易にするため、テーパ形状に加工されテーパ部４が設けられる。
ガラス母材１の一端へのダミーバー３の溶着及び他端のテーパ部４の形成は、多くの場合ガラス旋盤を用いて行われる。テーパ形状への加工をガラス旋盤を用いて行う方法には、例えば、特許文献１，２に紹介されている方法が挙げられる。

両端に機械的切断面を有するガラス母材１は、その一端にダミーバー３が接続され、他端にはテーパ部４が形成されるが、このダミーバー付きガラス母材（以下、プリフォームと称する）は、図３に示すように、ダミーバー３を線引き装置のフィーダー５にスクロールチャック６で把持させることにより線引き装置に取り付けられる。

次に、プリフォームのテーパ部４を加熱炉７の所定位置にセットして加熱を開始し、プリフォームの先端が軟化して垂れ落ちてくるのを待つ。先端が垂れ落ちてきたら、この先端を捉えて外径測定器８に通す。その後、所望の線径に達し安定したところで、光ファイバ９を第1ダイス10、第1紫外線硬化装置11、第2ダイス12及び第2紫外線硬化装置13の順で通すことにより、光ファイバ９へのコーティング及び硬化が行われる。その後、ガイドプーリ14を経てキャプスタン（図示を省略）によりボビンに巻き取られる。

その後、フィーダー５の送り速度および線引き速度を徐々に上げ、両者を規定速度まで引き上げ、線引き工程を定常状態とする。定常状態の判別は、次の指標の全てが満たされたか否かによって行われる。すなわち、指標１：送り速度および線引き速度が規定速度に達したこと、指標２：光ファイバの外径が安定すること、指標３：光ファイバの外径が安定してから規定の余長を引き取ること、である。
定常状態で線引きされた定常部の光ファイバが製品として利用される。それ以前の非定常状態で線引きされた非定常部の光ファイバは、不良部として廃棄される。

ここで、上記指標３を設けたのは、線引きされた光ファイバの偏心を小さくするためである。線引きされた光ファイバは、線引き開始初期の非定常部において偏心が大きく、線引きの進行に伴って偏心は徐々に小さくなり、定常部においてある値で安定する。そのため非定常部においては、外径が仕様を満たしていても偏心の大きい部分が存在する。この外径が仕様範囲内にあっても偏心が大きい光ファイバ部分を製品から除外するために、指標３の余長を設けている。

図4において、（a）は線引き距離に対する光ファイバの外径の変化を示し、（b）は光ファイバの偏心の変化を示している。光ファイバの外径が仕様範囲内に入った点を外径安定点16とし、偏心が仕様範囲内に入った点を偏心安定点17とする。外径安定点16と偏心安定点17の間が、除外すべき余長18となる。

光ファイバの偏心は、次式で定義される偏心率で表される。
偏心率（％）＝［(Ｅ₀ ²＋Ｅ₉₀ ²)^1/2／{(Ｄ₀＋Ｄ₉₀)/２}］×100
偏心率の計算には、光ファイバを軸方向に回転させ、そのプロファイルを0°および90°の２位置で測定する必要がある。式中、Ｅ₀は0゜における偏心量，Ｅ₉₀は90゜における偏心量である。Ｄ₀は0゜における光ファイバの外径，Ｄ₉₀は90゜における外径である。
特開2000-143268号公報特開2000-203864号公報

線引き開始初期の非定常部の光ファイバは、偏心などのために製品としては使用できず廃棄処分となる。廃棄される光ファイバが増大すると、歩留まりの低下をまねき製造コストが増大する。従って、歩留まりを向上させるには、線引き開始初期の非定常部の時間を短縮し、できるだけ早く定常状態とし品質を安定させる必要がある。
近年、ガラス母材は大型化しており、これに伴い線引き開始初期の非定常部領域が長くなり、廃棄される光ファイバの量も増大してきている。非定常部の光ファイバが廃棄される理由は、上記偏心に加えて、外径変動、被覆材の不均一などによって光ファイバの仕様から外れるためである。ここで、上記３つの指標の値の全て、もしくはいずれかを小さくすることで非定常部領域が短縮され、歩留まりが向上する。

本発明は、線引き開始初期における光ファイバの偏心を速やかに小さくすることができ、非定常部領域を短縮することのできる線引きに好適な端部形状を有す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。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、すなわち、本発明のガラス母材の製造方法は、
光ファイバ用ガラス母材の端部にテーパ部を溶断して形成する方法であって、該ガラス母材の中心線と、該ガラス母材の直胴有効部の一端における中心と他端の中心とを結ぶ直線との離間距離を中心線変位量とするとき、溶断箇所における該中心線変位量を所定の数値以下に修正した後に、該箇所から溶断してテーパ部を形成することを特徴としている。

溶断箇所での中心線変位量の所定の数値以下への修正は、ガラス旋盤を用いてガラス母材を回転させつつバーナ火炎で行うのが好ましい。なお、中心線変位量は2.6mm以下とするのが好ましい。修正後、溶断はバーナ火炎で行われる。また、この溶断を、ガラス母材を線引き装置に取り付けて線引きの直前に行うようにしてもよい。

本発明の製造方法によれば、テーパ部のゆがみの小さなガラス母材の製造が可能となり、該ガラス母材を使用することで、線引き開始初期の光ファイバの偏心を速やかに小さく安定させることができ、製品不良部である非定常部領域を短縮することができる。これにより光ファイバの歩留まりを向上させることができ、光学特性に優れた光ファイバが低コストで得られる。

図２に示すように、線引き装置へ取り付けられるガラス母材１の一端にはダミーバー３が接続され、他端にはテーパ部４が形成されている。
本発明者は、鋭意研究の結果、このテーパ部４の形状によって、線引き開始初期の光ファイバの偏心が大きく左右され、テーパ部４がガラス母材の中心線に対して非対称性を有していると、つまりテーパ部４にゆがみがあると、ゆがみの程度に対応して線引き開始初期の光ファイバの偏心が大きくなり、図４に示す余長18が長くなる傾向があり、その結果、歩留まりが低下することを見出した。

しかしながら、ガラス母材の端部を溶断であるいは機械研削で精密に加工してもゆがみの無いテーパ部が得られないことがあり、そこで鋭意検討した結果、テーパ部を形成する前に、テーパ部形成箇所（溶断で形成する場合は溶断箇所）でのガラス母材の中心線に対する中心線変位量（以下、単に中心線変位量と称する）を測定し、中心線変位量を所定の数値以下に修正した後に溶断してテーパ部を形成することで、課題を解決することができた。これにより、線引き開始初期の光ファイバの偏心を速やかに小さくかつ安定させることができ、余長を短縮することができる。

本発明のガラス母材の製造方法は、ガラス母材の中心線に対する溶断箇所での中心線変位量を所定の数値以下に修正した後に、該箇所から溶断してテーパ部を形成するものであり、溶断箇所の中心線変位量を溶断前に所定の数値以下、特には2.6mm以下に修正した後、溶断してテーパ部を形成することにより、線引き開始初期の光ファイバの偏心を速やかに安定させて小さくすることが可能となり、余長を短縮することができる。なお、溶断箇所は、テーパ部形成の始端となる箇所でもある。

ゆがみδは、図５に示すように、直胴有効部の一端における中心と他端の中心とを結ぶ直線Ａと、ガラス母材の中心線Ｂとの離間距離、すなわち、中心線変位量で表される。曲線Ｃは、ガラス母材の長手方向に沿って得られた中心線変位量を示す曲線である。
テーパ部のゆがみδは、直胴有効部端とテーパ部のゆがみ評価端との間における中心線変位量の最大値で表される。一方のテーパ部における直胴有効部端とゆがみ評価端との間の領域がゆがみ評価域である。
ガラス母材の直胴有効部端は、テーパ部の始点となる位置でもあり、平均外径Dに係数βを乗じた外径を有する位置と定義する。係数βは0.90〜1.00（無次元）の範囲とする。

なお、テーパ部のゆがみの測定は、ここでは、特許第3222777号に紹介されている光ファイバ用プリフォーム形状測定器を使用したが、同様の機能を備えた装置であればこれに限るものではない。このようにして測定、選別されたプリフォームのみが線引き加工に供される。

図６に、溶断箇所の中心線変位量を2.6ｍｍ以下に修正した後、溶断して形成した溶断テーパ部20を有するプリフォームを示した。次に、このプリフォームの外径及び中心線変位量に加えて、溶断テーパ部20のゆがみδを形状測定器を用いて測定し、その結果を図７に示した。図７(a)は、ガラス母材の長手方向（横軸）に対する外径の変化を示し、図７(b)は、ガラス母材の長手方向（横軸）に対する中心線の変位量の変化を示している。

溶断テーパ部のゆがみδの測定手順は、次の通りである。
まず、ガラス母材の直胴有効部端21と溶断テーパ部のゆがみ評価端22を決める。外径が比較的安定している中央付近の５箇所において外径を測定し、外径の平均値D_Mを求めた。直胴有効部端21は、係数β=0.98の部分、すなわち外径が0.98×D_Mの位置とした。
ゆがみ評価端は、プリフォームを線引き装置に取り付けた際に、加熱炉発熱体の中心に相当する位置であり、図７(a)では、テーパ部の外径がφ20mmとなる位置であって、ガラス母材の外径がφ20mmの位置で線引き装置による加熱が開始される。図７(b)の場合、テーパ部のゆがみδは極めて小さく、δ=0.119mmである。

テーパ部の形成を溶断にて行う場合、テーパ部のゆがみはテーパ部形成前のガラス母材の中心線変位量、特にテーパ形成箇所（溶断箇所）の中心線変位量の影響を大きく受ける。従って、溶断によるテーパ部のゆがみを小さくするには、予め溶断箇所の中心線変位量を小さくしておく必要がある。
本発明では、溶断箇所の中心線変位量とテーパ部のゆがみとの関係について鋭意検討を重ね、ゆがみを規定値以下にするための溶断箇所の中心線変位量について明らかにした。

図８にテーパ部形成前のガラス母材の中心線変位量と、形成されたテーパ部のゆがみについての一例を示した。図８(a)は、テーパ形成前のガラス母材の外径と中心線変位量を示している。この例では、ガラス母材のほぼ中央で溶断してテーパ部を形成した。溶断箇所よりも左側がガラス母材であり、右側は加工用ダミーバーである。次に、このテーパ部を形成したガラス母材の中心線変位量を測定し、その結果を図８(b)に示した。このときのテーパ部のゆがみδは、上記の定義に従うとδ=0.45mmとなり、テーパ部のゆがみδとガラス母材の平均外径Dとの比δ/Dは0.007mmとなる。

平均直径Ｄに対するゆがみδ/Ｄと光ファイバの偏心とは相関関係があり、ゆがみδ/Ｄが0.03を超えると光ファイバの偏心が大きくなり、余長が長くなる。このため、δ/Dが0.03を超えるものは、所定の数値に納まるように再度溶断加工がなされる。

また、図９に、溶断位置の中心線変位量と溶断して形成したテーパ部のゆがみとの相関性を示した。図中の直線は、各プロット点から最小２乗近似で計算した近似直線24である。図９より、δ/D≦0.03なる範囲を満たす中心線変位量eは、e≦2.6mmとなる。中心線変位量e≦2.6mmとなる状態までガラス母材を修正加工した後に、溶断でテーパ部の形成を行えば、テーパ部のゆがみを十分小さくすることが可能となる。

次に、外径の異なるガラス母材を数種類準備し、それぞれ溶断によりテーパ部を形成して線引きを行った。そのときのテーパ部のゆがみδとガラス母材外径Dとの比δ/Dと、線引きした光ファイバの余長との関係を図10に示した。図中の近似直線25は、δ/D≧0.035の領域にあるプロット点について、最小２乗近似計算により求めたものである。図10より、δ/D≦0.03の範囲内では、余長がほとんど変化せず、極めて小さくなっていることが確認できる。

図１に示すような、両端に機械的切断面２を有する平均外径φ62ｍｍ、長さ1100ｍｍのガラス母材を、形状測定器を備えたガラス旋盤に取り付け、ガラス母材の中心線変位量を測定し、テーパ部を形成する溶断箇所での中心線変位量が2.6ｍｍを超える場合は、ガラス母材を回転させつつバーナ火炎で加熱・軟化させ、中心線変位量が2.6ｍｍ以下となるように修正した。次に、上記溶断箇所で溶断して、図６に示すようなガラス母材に溶断テーパ部を形成した。
ガラス母材の中心線に対する、外径が0.98×D_M=60.8 mmの直胴有効部端とテーパ部の外径がφ20mmとなるゆがみ評価端との間の中心線変位量、すなわちテーパ部のゆがみは極めて小さくδ=0.119mm、δ/D=0.002mmであった。
このようにテーパ部のゆがみを十分小さくしたガラス母材を線引きすることで、光ファイバを製造する際の歩留まりが向上し、製造コストを引き下げることができる。

本発明の製造方法で得られるガラス母材を使用することで、光ファイバの製造コストを下げることができ、極めて有効である。

電気炉で延伸して製造されたガラス母材を示す概略図である。ガラス母材の一端にダミーバーが溶着されたプリフォームを示す概略図である。線引き装置の概略を示す概略説明図である。 (a) は、線引き距離に対する光ファイバの外径の変化を示し、(b)は、線引き距離に対する偏心の変化を示す模式図である。ゆがみδを説明する概略図である。ゆがみ測定で使用したガラス母材を示す概略図である。 (a) は、ガラス母材の長手方向に対する外径の変化を示し、(b)は、ガラス母材の長手方向に対する中心線の変位量の変化を示す模式図である。 (a) は、テーパ形成前のガラス母材の外径と中心線変位量を示し、(b)は、テーパ部を形成したガラス母材の中心線変位量を示す図である。溶断位置の中心線変位量と溶断して形成したテーパ部のゆがみとの相関性を示す図である。ゆがみと余長との関係を示す図である。

符号の説明

１……ガラス母材、
２……機械的切断面、
３……ダミーバー、
４……テーパ部、
５……線引き装置のフィーダー、
６……スクロールチャック、
７……加熱炉、
８……外径測定器、
９……光ファイバ、
10……第１ダイス、
11……第１紫外線硬化装置、
12……第２ダイス、
13……第２紫外線硬化装置、
14……ガイドプーリ、
16……外径安定点、
17……偏心安定点、
18……余長、
19……機械的切断面、
20……溶断テーパ部、
21……直胴有効部端、
22……ゆがみ評価端、
23……ゆがみ評価域、
24，25……近似直線。

Claims

光ファイバ用ガラス母材の端部にテーパ部を溶断して形成する方法であって、該ガラス母材の中心線と、該ガラス母材の直胴有効部の一端における中心と他端の中心とを結ぶ直線との離間距離を中心線変位量とするとき、溶断箇所における該中心線変位量を所定の数値以下に修正した後に、該箇所から溶断してテーパ部を形成することを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
溶断箇所での前記中心線変位量の所定の数値以下への修正が、ガラス旋盤を用いてガラス母材を回転させつつバーナ火炎で行われる請求項１に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
溶断箇所での前記中心線変位量を2.6mm以下とする請求項１又は２に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
溶断が、バーナ火炎で行われる請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
前記中心線変位量を所定の数値以下に修正したガラス母材を線引き装置に取り付け、溶断を線引きの直前に行う請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。