JP4546300B2

JP4546300B2 - 石英ガラス材の製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP4546300B2
Application number: JP2005081715A
Authority: JP
Inventors: 裕一宮岸; 真三谷; 啓吾中島; 武司西瀬; 有祥長谷
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006265000A

Description

本発明は、石英ガラス材を加熱しつつ、延伸することで所定の外径に石英ガラス材を製造する方法およびそれに適した製造装置に関する。なお、石英ガラス材とは、石英ガラス管および石英ガラス棒の双方が含まれる。石英ガラス管および石英ガラス棒は、例えば、通信用光ファイバ製造用部品などに用いられる。

現在、通信用光ファイバは、ＩＴ産業の成長とともに急速な発展を続けており、これに伴い、石英ガラス製品の需要も飛躍的に伸びている。これは、石英ガラスが高純度で、耐熱性および光透過性に優れているといった特性を持ち合わせていることから通信用光ファイバの製造治具などとして使用され、その活用範囲も多岐にわたるからである。

例えば、ＶＡＤ法（Vapor Phase Axial Deposition Method；気相軸付け法）、ＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor Deposition Method；内付け法）による光ファイバプリフォーム製造の種棒および支持管、または線引きによる光ファイバ製造の支持棒は、円柱状または管状の石英ガラス材を延伸することにより製造される。

このような円柱状または管状の石英ガラス材は、従来、電気溶融炉で溶融しながら成形されるか、機械的に切削加工することにより製造されていた。しかし、前者の方法では、電気溶融炉で溶融するために石英ガラス棒の純度が著しく汚染されるという問題があった。また、後者の方法では、切削加工を伴うため、作業能率が悪く、更に石英ガラス屑粉が発生し、歩留りを一定以上に高くすることができないなどの問題があった。

このような観点から、特許文献１には、石英ガラス棒を電気炉で加熱しつつ延伸加工することにより、石英ガラス棒の外径をコントロールする方法が開示されている。また、特許文献２には、石英ガラス材を延伸する場合に、延伸初期における加熱源の相対的移動速度を定常時の移動速度より低くし、加熱源が移動するに従って定常時の移動速度まで上昇させることで、石英ガラス材の外径の変動を抑制する方法が開示されている。

特開平2-275723号公報特開2000-88768号公報

しかし、上記の文献に開示された方法に従って石英ガラス材を製造しても、以下に示すような問題を解消することができない。

図３は、従来技術における問題点を示した模式図であり、(a)は延伸軸が正常な状態、(b)は延伸軸が垂れた状態、(c)は延伸軸がずれた状態を示す。石英ガラス材は、チャック（図示しない）によって支持された状態で、延伸軸を中心とする回転が与えられる。チャックの間には、ヒータ（図示しない）が設置されており、石英ガラス材は、少なくとも一部が加熱軟化された状態で、延伸される。このとき、延伸軸を中心とする回転が与えられた状態で、かつ温度条件その他の製造条件が正常な場合には、図３(a)に示すように、石英ガラス材の延伸軸は、一直線上にあり、石英ガラス材は正常に延伸され、直線精度の高い石英ガラス材の製品を製造することができる。

ところが、温度が高すぎるなどの場合には、図３(b)に示すように、石英ガラス材の延伸軸が垂れた状態となる。また、延伸される前の石英ガラス材自身に振れ回りが存在している（直線精度が悪い）と、図３(c)に示すような延伸軸がずれた状態となる。石英ガラス材は、回転した状態で延伸されるので、このような垂れやずれが発生すると、延伸後の石英ガラス材に振れ回りが生じて、製品としての直線精度が悪化する。このような場合には、更に外表面を機械加工するなどして形状制御する必要が生じ、工程数の増加および歩留の低下を招く。

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、直線精度の優れた石英ガラス材の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、下記の（ａ）および（ｂ）に示す石英ガラス材の製造方法、ならびに、下記の（ｃ）に示す石英ガラス材の製造装置を要旨とする。

（ａ）石英ガラス材を加熱しつつ延伸することで所定寸法の石英ガラス材を製造するに際し、石英ガラス材の加熱軟化領域の前後において回転差を与えて延伸する石英ガラス材の製造方法であって、石英ガラス素材の振れ回りを検出し、その検出結果に基づき石英ガラス素材の加熱軟化領域の前後における回転差を制御することを特徴とする石英ガラス材の製造方法。

（ｂ）石英ガラス材の加熱軟化領域の前後における回転差ΔＲと石英ガラス材の引き抜き速度Ｖとが下記の(1)式を満足することを特徴とする上記の（ａ）に記載の石英ガラス材の製造方法。
Ｖ／ΔＲ≧５０・・・(1)
（ｃ）石英ガラス素材の振れ回りを検出し、その検出結果に基づき石英ガラス素材の加熱軟化領域の前後における回転差を制御することを特徴とする上記の（ａ）または（ｂ）に記載の石英ガラス材の製造方法。

（ｃ）石英ガラス材を加熱するヒータと、ヒータによる加熱領域へ送り出す側と引き抜き側で異なる回転数を石英ガラス材に与えつつ異なる速度で移動可能な一対のチャックと、石英ガラス材の振れ回りを検出する検出手段と、検出された振れ回りの値に基づき石英ガラス材の送り出し側と引き抜き側の石英ガラス材の回転数を設定する制御手段を備えたことを特徴とする石英ガラス材の製造装置。

本発明に係る石英ガラス材の製造方法によれば、石英ガラス材の延伸軸をその回転軸と常時一致させることができるので、延伸前から振れ回りが存在している石英ガラス材の製造においてはその振れ回りを矯正し、製造過程において過熱状態となっても石英ガラス材の製品に振れ回りを生じさせない。このため、直線精度に優れる石英ガラス材の製品を提供することができる。また、本発明に係る石英ガラス材の製造装置は、上記の石英ガラス材の製品を製造するのに適している。

図１および図２は、本発明に係る石英ガラス材の製造方法および製造装置を例示した模式図である。なお、石英ガラス管の製造方法と石英ガラス棒の製造方法とは基本的に同じであるので、以下の説明においては、主として石英ガラス管の製造方法および製造装置について説明する。

図１に示すように、本発明に係る石英ガラス材（図１では石英ガラス管の例を示す）１の製造方法および製造装置においては、石英ガラス管１の長手方向両端部をそれぞれチャック2-1、2-2で保持して、ヒータ３によって形成される加熱軟化領域に対して石英ガラス管１を相対的に移動させることにより石英ガラス管１をその長手方向に順次加熱軟化し、チャック2-1、2-2間の間隔を広げることにより石英ガラス管１を延伸する。

なお、チャック2-1、2-2で石英ガラス管１を保持する場合には、図１に示すように、予め石英ガラス素管の両端部にダミー材4-1、4-2を溶着などにより取り付けたものを用いるのがよい。これにより、石英ガラス素材を余すことなく延伸することができるので、歩留を向上するとともに、チャック部周辺からの汚染を防止することができる。

そして、本発明の製造方法および製造装置は、石英ガラス管１の加熱軟化領域の前後において回転差を与えて延伸するものである。

これは、前掲の図３に示すように、回転差を与えることなく、石英ガラス管を延伸すると、温度条件等により垂れが生じ、延伸軸のずれが生じやすいからである。なお、加熱軟化領域の温度を下げれば、石英ガラス管の垂れを抑制できるが、ヒータとして保熱効果の高い黒鉛等を用いている場合には、急速に温度を下げることができない。

石英ガラス管の加熱領域の前後において回転差を与えれば、石英ガラス管が過熱状態となった場合でも、加熱軟化領域に回転ベクトル差が生じ求心力が働くので、石英ガラス材の垂れ、ひいては振れ回りを抑制できる。回転差は、常時与えてもよいが、以下に示すように、振れ回り検出器を設置し、その検出データに従って適当な回転差を与えることとしても良い。

図２に示す例は、検出手段と制御手段とを有する石英ガラス材の製造方法および製造装置を例示した模式図である。図２において、振れ回りは、検出手段５により検出され、制御装置６に入力される。制御装置６では入力された振れ回りにあわせて、チャック2-1、2-2の回転数を制御する。

振れ回り検出器５としては、例えばレーザー変位計を用いることができる。レーザー変位計を用いる場合には、例えば石英ガラス管１の外径位置をレーザービームの走査および受光により明暗の境界位置として測定し、その外径位置からその中心位置の延伸軸からのずれ（振れ回り）を検出するようにすればよい。検出器を用いる場合には、振れ回りの発生と同時に回転差を与えることが可能であるため、振れ回りが大きくなることをより確実に抑制することができるというメリットがある。

石英ガラス管の加熱領域の前後における回転差の範囲は、特に制限はないが、０．１ｒｐｍ以上とするのが望ましい。０．１ｒｐｍ未満では、石英ガラス管の振れ回りを十分に抑制することができない場合があるからである。また、初期の振れ回りが大きい場合は、回転差も大きくするのが望ましく、後段の実施例で説明するように、初期の振れ回りが2.5mm/mの場合には回転差は2.0rpm以上とするのが望ましい。これに対し、回転差の上限も特に限定しないが、大きすぎると、石英ガラス管の表面性状が劣化する場合があるので、１０ｒｐｍ以下とするのが望ましい。

石英ガラス材の加熱軟化領域の前後における回転差ΔＲと石英ガラス材の引き抜き速度Ｖとは、下記の(1)式を満足することが望ましい。これは、「Ｖ／ΔＲ」が５０未満の場合、外周部に凹凸が発生しやすく、表面性状が悪化するおそれがあるからである。
Ｖ／ΔＲ≧５０・・・(1)
入側チャック2-1の送り込み速度（S1）と出側チャック2-2の引き抜き速度(S2)との比（S1/S2）は、石英ガラス素材の断面積(A1)と所望する石英ガラス製品の断面積(A2)の比の逆数（A1/A2）と一致するように設定すればよい。

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に限定され得ることはなく、天然石英ガラスその他の石英ガラスを用いてもよい。図１に示す例のように石英ガラス母材として石英ガラス管を用いる場合には、石英ガラス管の内圧を制御してもよい。また、石英ガラス棒を製造する場合には、石英ガラス棒素材を用いればよい。

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。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。

外径159.01mm、内径36.75mmの石英ガラス材（管材）を、図１に示す装置を使って外径25mm、内径13mmの石英ガラス管とする実験をおこなった。

まず、上記の石英ガラス材をダミー材に接着させたものを入側チャックに固定した状態で、石英ガラス材の他端における振れ回り〔入側チャックの中心軸からのずれ幅(mm)／入側チャックの先端部から石英ガラス材の他端までの長さ(m)〕を測定し、振れ回りが1.20mm/mとなるように入側チャックの保持状態を調整した。この状態で入側チャックをヒータ内出側に移動させ、出側チャックで保持したダミー材と石英ガラス材とを溶着させた。

その後、送り込み速度を9.27mm/min、引き抜き速度を486.52mm/min、ヒータ温度を２２００℃、入側（送り込み側）チャックの回転数を10rpmとして、石英ガラス管を作製した。同様の実験を、出側（引き抜き側）チャックの回転数を順次変えて、「Ｖ／ΔＲ」の値を調整しつつおこなった。

延伸後の石英ガラス製品について、両端を１０００ｍｍ離れたＶブロックにて固定し、ダイヤルゲージにより中心位置（両端から５００ｍｍ位置）での振れ回り（直線制度）を測定した。また、延伸後の石英ガラス製品の表面性状を、直接の目視及び集光ランプを使用する目視により確認し、表面に螺旋や凹凸が存在しない場合を「○」とし、存在する場合を「×」として評価した。これらの結果を製造条件とともに表１に示す。

表１に示すように、回転差がない試験No.1では、表面性状は良好であるが、完成品に0.50mm/mの振れ回りが残存し、素材の振れ回りが十分に抑制されなかった。回転差を設けた試験No.2〜11では、完成品の振れ回りは小さく抑えられ、いずれも直線精度が良好であった。但し、Ｖ／ΔＲが50未満であった試験No.11では、表面性状が悪かった。

外径159.00mmの石英ガラス材（棒材）を、図１に示す装置を使って外径39.2mmの石英ガラス棒とする実験をおこなった。

まず、上記の石英ガラス材をダミー材に接着させたものを入側チャックに固定した状態で、石英ガラス材の他端における振れ回り〔入側チャックの中心軸からのずれ幅(mm)／入側チャックの先端部から石英ガラス材の他端までの長さ(m)〕を測定し、振れ回りが2.50mm/mとなるように入側チャックの保持状態を調整した。この状態で入側チャックをヒータ内出側に移動させ、出側チャックで保持したダミー材と石英ガラス材とを溶着させた。

その後、送り込み速度を26.70mm/min、引き抜き速度を439.40mm/min、ヒータ温度を２４００℃、入側（送り込み側）チャックの回転数を10rpmとして、石英ガラス管を作製した。同様の実験を、出側（引き抜き側）チャックの回転数を順次変えて、「Ｖ／ΔＲ」の値を調整しつつおこなった。

延伸後の石英ガラス棒について、上記の方法で振れ回りおよび表面性状を確認した。これらの結果を製造条件とともに表２に示す。

表２に示すように、回転差がない試験No.12では、表面性状は良好であるが、完成品に1.20mm/mの振れ回りが残存した。回転差を設けた試験No.13〜19では、完成品の振れ回りがかなり改善された。但し、Ｖ／ΔＲが50未満であった試験No.19では、表面性状が悪かった。

その後、送り込み速度を9.27mm/min、引き抜き速度を486.52mm/min、ヒータ温度を２２００℃または２５００℃、入側（送り込み側）チャックの回転数を10rpmとして、石英ガラス管を作製した。出側（引き抜き側）チャックの回転数を入側チャックとの回転差が0.00または2.00となるように変えて同様の実験をおこなった。

延伸後の石英ガラス棒について、上記の方法で振れ回りおよび表面性状を確認した。これらの結果を製造条件とともに表３に示す。

表３に示すように、回転差がない試験No.20では、表面性状は良好であるが、完成品に0.50mm/mの振れ回りが発生し、ヒータ温度が高すぎる試験No.22では、表面性状が悪く、しかも、完成品に1.21mm/mの振れ回りが発生した。回転差を設けた試験No.21および23では、完成品の振れ回りは小さく抑えられ、いずれも直線精度が良好で、表面性状においても良好であった。

まず、上記の石英ガラス材をダミー材に接着させたものを入側チャックに固定した状態で、石英ガラス材の他端における振れ回り〔入側チャックの中心軸からのずれ幅(mm)／入側チャックの先端部から石英ガラス材の他端までの長さ(m)〕を測定し、振れ回りが0.30となるように入側チャックの保持状態を調整した。この状態で入側チャックをヒータ内出側に移動させ、出側チャックで保持したダミー材と石英ガラス材とを溶着させた。

その後、送り込み速度を26.70mm/min、引き抜き速度を439.40mm/min、ヒータ温度を２４００℃または２７００℃、入側（送り込み側）チャックの回転数を10rpmとして、石英ガラス管を作製した。出側（引き抜き側）チャックの回転数を入側チャックとの回転差が0.00または2.00となるように変えて同様の実験をおこなった。

延伸後の石英ガラス棒について、上記の方法で振れ回りおよび表面性状を確認した。これらの結果を製造条件とともに表４に示す。

表４に示すように、回転差がない試験No.24では、表面性状は良好であるが、完成品に0.90mm/mの振れ回りが発生し、ヒータ温度が高すぎる試験No.26では、表面性状が悪く、しかも、完成品に2.14mm/mの振れ回りが発生した。回転差を設けた試験No.25よび27では、完成品の振れ回りは小さく抑えられ、いずれも直線精度が良好で、表面性状においても良好であった。

本発明に係る石英ガラス材の製造方法および製造装置を例示した模式図である。本発明に係る石英ガラス材の製造方法および製造装置を例示した模式図である。従来技術における問題点を示した模式図であり、(a)は延伸軸が正常な状態、(b)は延伸軸が垂れた状態、(c)は延伸軸がずれた状態を示す。

符号の説明

１．石英ガラス材、2-1、2-2．チャック、
３．ヒータ、4-1、4-2．ダミー材、
５．振れ回り検出手段、６．制御装置

Claims

石英ガラス材を加熱しつつ延伸することで所定寸法の石英ガラス材を製造するに際し、石英ガラス材の加熱軟化領域の前後において回転差を与えて延伸する石英ガラス材の製造方法であって、石英ガラス材の振れ回りを検出し、その検出結果に基づき石英ガラス材の加熱軟化領域の前後における回転差を制御することを特徴とする石英ガラス材の製造方法。
石英ガラス材の加熱軟化領域の前後における回転差ΔＲと石英ガラス材の引き抜き速度Ｖとが下記の(1)式を満足することを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス材の製造方法。
Ｖ／ΔＲ≧５０・・・(1)
石英ガラス材を加熱するヒータと、ヒータによる加熱領域へ送り出す側と引き抜き側で異なる回転数を石英ガラス材に与えつつ異なる速度で移動可能な一対のチャックと、石英ガラス材の振れ回りを検出する検出手段と、検出された振れ回りの値に基づき石英ガラス材の送り出し側と引き抜き側の石英ガラス材の回転数を設定する制御手段を備えたことを特徴とする石英ガラス材の製造装置。