JP5578024B2 - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＶＡＤ法によりガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を製造するガラス母材の製造方法に関する。

従来のガラス母材の製造方法としては、ＶＡＤ法などによりガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を形成する光ファイバ用ガラス母材の製造方法において、ガラス微粒子堆積体の先端部をＣＣＤカメラでモニターし、先端位置が所定の位置になるように、または先端位置の変化に応じて、引き上げ速度や原料ガス投入量やバーナ位置を制御する製造方法が知られている（例えば、特許文献１，３，４，５参照）。

また、３本のバーナを使用するＶＡＤ法により多孔質母材を製造する光ファイバ母材の製造方法において、ＣＣＤカメラでコア部の形状をモニターし、その形状変化に基づいて、引き上げ速度やコア部に投入する原料ガス流量やコアバーナの位置を制御する製造方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１９３３６０号公報 特開平９−２２７１４７号公報 特開平８−１９８６３４号公報 特開２０００−２８１３７８号公報 特開平８−０３４６３２号公報

上記特許文献１〜５に記載のガラス母材の製造方法では、ガラス微粒子堆積体の先端部若しくは堆積形状の一部をモニターし、引き上げ速度やガラス原料の投入量を制御している。しかしながら、いずれも全堆積部の形状を安定化させることを目的とするものではないため、ガラス微粒子堆積体の堆積形状がガラス母材の製造毎に変化し、コア径、クラッド外径、コアの屈折率がロット内やロット間で不安定となる可能性があった。

本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＶＡＤ法にてガラス母材を製造する際に、クラッド外径、コア径及びコア屈折率がロット内やロット間で安定化したガラス母材を低コストで製造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にある。

上記課題を解決することができる本発明に係るガラス母材の製造方法は、ＶＡＤ法によりガラス微粒子堆積体を作製し、得られたガラス微粒子堆積体を高温加熱して透明ガラス母材を製造するガラス母材の製造方法において、
ガラス微粒子堆積中に前記ガラス微粒子堆積体の堆積形状をモニターし、該堆積形状が目標形状となるように、ガラス微粒子堆積体の引き上げ速度を制御すると共に、
ガラス微粒子生成用バーナへ投入するガラス原料ガス流量、火炎形成ガス流量、
前記ガラス微粒子堆積体に対するガラス微粒子生成用バーナの位置、
の少なくともいずれか１つを制御して、
前記堆積形状は、前記ガラス微粒子堆積体の先端部と定常部の円柱形状部における外径、テーパ形状部のテーパ角度、からなる堆積形状を表すパラメータの全ての値に前記目標形状の許容幅を設けて管理すると共に、
ガラス微粒子堆積中に前記堆積形状を表すパラメータの値が、全ての前記許容幅から外れる場合にはガラス微粒子の堆積を停止することを特徴としている。

このように構成されたガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体の引き上げ速度を制御しながら、ガラス微粒子生成用バーナへ投入するガラス原料ガス流量または火炎形成ガス流量、ガラス微粒子堆積体に対するガラス微粒子生成用バーナの位置、の少なくともいずれか１つを制御して、ガラス微粒子堆積体の堆積形状を目標形状の許容幅内に収めて行くことが可能になる。このようにすることで、堆積形状がロット間やロット内で安定化するため、ガラス微粒子堆積体の外径や密度、コアに添加される添加物濃度等がロット内やロット間で安定化する。また、堆積形状が安定化するので、ガラス微粒子堆積体の割れや変形等の不良も低減し、高品質のガラス母材を安定して製造することができる。さらに、ガラス微粒子堆積中に堆積形状を表すパラメータの値が、全ての許容幅から外れた場合は、ガラス微粒子の堆積を停止するので、不良となるガラス微粒子堆積体の発生を未然に防ぐことができ、かつ製造状態の監視に要する人手作業を削減することができるので、大幅な製造コストの低減を図ることができる。

また、本発明に係るガラス母材の製造方法は、前記堆積形状のモニターをＣＣＤカメラと画像処理装置で行うことを特徴としている。

このように構成されたガラス母材の製造方法によれば、安価な設備コストで前記構成を実現でき、かつ堆積形状を高精度に識別することができる。

本発明に係るガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体の堆積形状を、ガラス微粒子堆積体の引き上げ速度、ガラス微粒子生成用バーナへ投入するガラス原料ガス流量または火炎形成ガス流量、ガラス微粒子堆積体に対するガラス微粒子生成用バーナの位置、の少なくともいずれか１つを制御して目標形状にするので、堆積形状がロット内やロット間で安定化し、ガラス微粒子堆積体の外径や密度、コアに添加される添加物濃度等がロット内やロット間で安定化する。また、堆積形状が安定化するので、ガラス微粒子堆積体の割れや変形等の不良も低減し、高品質のガラス母材を安定して製造することができる。

本発明に係るガラス母材の製造方法を説明する製造装置の構成図である。 図１のガラス微粒子堆積体の先端部分を示す部分拡大図である。 本発明に係るガラス母材の製造方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態であるガラス母材の製造方法について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態のガラス母材の製造方法を実施する製造装置１０は、反応容器１１の上方から内部に支持棒１２を吊り下げ、支持棒１２の下側にダミーガラスロッド１３を取り付けている。このダミーガラスロッド１３にガラス微粒子が堆積してガラス微粒子堆積体１４を形成する。支持棒１２は、上端部を昇降装置１５により把持されており、昇降装置１５によって回転と共に昇降する。この昇降装置１５は、制御装置１６内の引き上げ速度制御部２０によって制御されている。

反応容器１１の内部下方には、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８が設けられており、制御装置１６によって制御されるガス供給装置１９から、各々バーナ１７，１８に供給量を制御しながら原料ガス、火炎形成ガスである可燃性ガスおよび助燃性ガスなどを供給する。

コア用バーナ１７は、ガラス微粒子を生成するガラス微粒子生成用バーナであり、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４、ＧｅＣｌ_４、火炎形成ガスとしてＨ_２、Ｏ_２、バーナシールガスとしてＮ_２を投入する。また、クラッド用バーナ１８には、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４、火炎形成ガスとしてＨ_２、Ｏ_２、バーナシールガスとしてＮ_２を投入する。

製造装置１０の下方には、ガラス微粒子堆積体１４の堆積部分を撮影するためのＣＣＤカメラ２１が設置されている。このＣＣＤカメラ２１は、撮影した堆積形状の画像信号を画像処理装置２２で画像処理してから制御装置１６内の堆積形状測定部２３に送り、堆積形状測定部２３では堆積形状を表すパラメータを算出する。また、反応容器１１の側壁部には排気管２９が取り付けられている。

製造装置１０の下部には、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８にはそれぞれ独立したバーナステージ２４，２５が設置されている。このバーナステージ２４，２５は、制御装置１６からの制御信号に基づいて、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８のガラス微粒子堆積体１４に対する位置調整、具体的にはバーナの角度、バーナの位置（水平、垂直及び奥行き）の調整を行う。

図２に示すように、ガラス微粒子堆積体１４の堆積形状は、先端部の第１円柱形状部２６の外径Ｄ１、定常部の第２円柱形状部２８の外径Ｄ２、その間のテーパ形状部２７のテーパ角度θからなる堆積形状を表すパラメータの値によって管理される。

ＣＣＤカメラ２１によるモニターは、堆積形状の撮影データを画像処理してから円柱形状部２６，２８の外径Ｄ１，Ｄ２とテーパ形状部２７のテーパ角度θを算出し、各々が目標形状の許容幅内（例えば、外径Ｄ１；３０〜３５ｍｍ、外径Ｄ２；１５０〜１８０ｍｍ、テーパ角度θ；３０〜４０度）に収まるように、また、目標形状（例えば、許容幅の中心値、外径Ｄ０１＝３２．５ｍｍ、外径Ｄ０２＝１６５ｍｍ、テーパ角度θ０＝３５度）に近づけるように、原料ガス流量、火炎形成ガス流量、バーナ位置を制御する。

ガラス微粒子堆積体１４の製造手順は、先ず、支持棒１２を昇降装置１５に取り付け、支持棒１２の先端に取り付けられているガラスロッド１３を反応容器１１内に納める。次に、昇降装置１５によってガラスロッド１３を回転させながら、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８によってガラス微粒子をガラスロッド１３に堆積させる。このガラス微粒子の堆積を行いながら、昇降装置１５によってガラス微粒子堆積体１４を引き上げて行く。

このとき、ガラス微粒子堆積体１４の堆積部の形状を反応容器１１の下方に設置されたＣＣＤカメラ２１により逐次モニターし、ガラス微粒子堆積体１４の先端部の成長速度に合わせて引き上げると共に、目標形状の外径Ｄ０１、外径Ｄ０２、テーパ角度θ０と比較しながら、原料ガスと火炎形成ガスの流量及びバーナ位置を調整する。

次に、得られたガラス微粒子堆積体１４をＨｅとＣｌの混合雰囲気中で１１００度に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中にて１５５０℃に加熱して透明ガラス化を行う。このようなガラス母材の製造を繰り返し行う。

次に、本実施形態のガラス母材の製造方法を説明する。
図３に示すように、本実施形態のガラス母材の製造方法は、先ずＣＣＤカメラ２１によりガラス微粒子堆積体１４の堆積部の形状を撮影する（Ｓ０１）。

次に、画像処理装置２２によりＣＣＤカメラ２１から送られてきた堆積形状の画像信号を画像処理する（Ｓ０２）。

次に、画像処理データを制御装置１６内の堆積形状測定部２３に送り、堆積形状を表すパラメータを算出する。そして、この測定形状（外径Ｄ１、外径Ｄ２、テーパ角度θ）と予め制御装置１６内にメモリーされている堆積形状の目標形状（外径Ｄ０１、外径Ｄ０２、テーパ角度θ０）とを比較する（Ｓ０３）。

この比較により、測定形状（Ｄ１、Ｄ２、θ）を目標形状に近づけるように、制御装置１６からの制御信号に基づいてバーナステージ２４，２５を駆動させ、ガラス微粒子堆積体１４に対するコア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８の位置調整を行う（Ｓ０４）。

または、若しくは同時に、原料ガス流量の調整を行う。即ち、制御装置１６からの制御信号に基づいてガス供給装置１９により、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８への原料ガスの供給流量の調整を行う（Ｓ０４）。

または、若しくは同時に、火炎形成ガス流量の調整を行う。即ち、制御装置１６からの制御信号に基づいてガス供給装置１９により、コア用バーナ１７およびクラッド用バーナ１８への火炎形成ガスの供給流量の調整を行う（Ｓ０４）。その後、堆積部の形状の撮影（Ｓ０１）へフィードバックされる。
上記Ｓ０４の少なくとも１つのステップを制御装置１６からの制御信号に基づいて実行することで、目標形状により近いガラス微粒子堆積体１４を製造することができる。

上記比較を複数回繰り返した後、測定形状（Ｄ１、Ｄ２、θ）のいずれか１つ以上のパラメータが目標形状（Ｄ０１、Ｄ０２、θ０）の許容幅内にある場合（Ｓ０５、Ｙ）は、引き続き上記Ｓ０４同様の調整を行う（Ｓ０６）。その後、堆積部の形状を撮影する（Ｓ０１）へフィードバックされる。なお、Ｓ０５のステップを実施した後は、上記比較を複数回繰り返すことは、必ずしも必要ではない。このようなステップを繰り返し、ガラス微粒子堆積体１４の製造が完了する（Ｓ０８）。

また、上記比較を複数回繰り返しても、測定形状（Ｄ１、Ｄ２、θ）の全てのパラメータが目標形状（Ｄ０１、Ｄ０２、θ０）の許容幅を外れる場合（Ｓ０５、Ｎ）は、即座にガラス微粒子の堆積を停止する（Ｓ０７）。これにより、不良のガラス母材の発生を未然に防ぐことができる。

上述したように本実施形態のガラス母材の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積中にガラス微粒子堆積体１４の堆積形状をモニターし、堆積形状が目標形状となるように、ガラス微粒子堆積体１４の引き上げ速度を制御しながら、ガラス微粒子生成用バーナ１７，１８へ投入するガラス原料ガス流量、火炎形成ガス流量、ガラス微粒子堆積体に対するガラス微粒子生成用バーナ１７，１８の位置、の少なくともいずれか１つを制御する。また、堆積形状の全てのパラメータが目標形状の許容幅から外れる場合にはガラス微粒子の堆積を停止する。
これにより、堆積形状がロット間やロット内で安定化するので、ガラス微粒子堆積体１４の外径や密度、コアに添加される添加物濃度等がロット内やロット間で安定化する。また、堆積形状が安定化するので、ガラス微粒子堆積体１４の割れや変形等の不良も低減し、高品質のガラス母材を安定して製造することができる。

また、目標形状を先端部と定常部の円柱形状部２６，２８の外径Ｄ１，Ｄ２、テーパ形状部２７のテーパ角度θ、のいずれか１つ以上に許容幅を設けて管理すると共に、その全てが該許容幅から外れる場合にはガラス微粒子の堆積を停止する。これにより、不良品の発生を未然に防ぐことができ、かつ製造状態の監視に要する人手作業を削減することができるので、大幅な製造コストの低減を図ることができる。

また、堆積形状のモニターをＣＣＤカメラ２１と画像処理装置２２で行うので、安価な設備コストで前記構成を実現でき、かつ堆積形状を高精度に識別することができる。

次に、本発明のガラス母材の製造方法の一実施例を説明する。実施例、比較例とも、下記のような材料を使用してガラス母材を製造する。
・ダミーガラスロッド；直径２５ｍｍ、長さ４００ｍｍの純石英ガラス
・コア用バーナへの投入ガス；原料ガス……ＳｉＣｌ_４、ＧｅＣｌ_４、
火炎形成ガス……Ｈ_２、Ｏ_２、バーナシールガス……Ｎ_２
・クラッド用バーナへの投入ガス；原料ガス……ＳｉＣｌ_４、
火炎形成ガス……Ｈ_２、Ｏ_２、バーナシールガス……Ｎ_２

（実施例）
反応容器１１の下方に設置されたＣＣＤカメラ２１により堆積形状をモニターし、先端部の成長速度に合わせた引き上げ速度でガラス微粒子の堆積を行なう（図１参照）。堆積形状の画像から円柱形状部２６，２８の外径Ｄ１，Ｄ２とテーパ形状部２７のテーパ角度θを算出し、目標形状の許容幅内（外径Ｄ１＝３０〜３５ｍｍ、外径Ｄ２＝１５０〜１８０ｍｍ、テーパ角度θ＝３０〜４０度、図２参照）に収まるように、また、目標形状（外径Ｄ０１＝３２．５ｍｍ、外径Ｄ０２＝１６５ｍｍ、テーパ角度θ０＝３５度）に近づけるように、原料ガス流量、火炎形成ガス流量、バーナ位置の各々、及びそれら全てを制御する。堆積形状の全てのパラメータが上記目標形状の許容幅内から逸脱する場合は、ガラス微粒子の堆積を停止する。得られるガラス微粒子堆積体をＨｅとＣｌの混合雰囲気中で１１００℃に加熱した後、Ｈｅ雰囲気中にて１５５０℃に加熱して透明ガラス化し、ガラス母材を作製する。

（比較例）
ガラス微粒子堆積体の先端部の堆積形状をＣＣＤカメラによりモニターし、先端部の成長速度に合わせて引き上げ速度を制御する。このとき、バーナの構造起因などによりガラス微粒子堆積体の堆積形状が変形する場合があるが、そのままガラス微粒子堆積体の製造を続ける。得られるガラス微粒子堆積体を実施例と同じ条件で透明ガラス化する。

実施例、比較例とも、上記した方法でガラス母材の製造を繰り返し、ガラス母材のコア部とクラッド部の比屈折率差（Δｎ）の変動（ばらつき：σ）と、コア径（ｄ）とクラッド外径（Ｄ）の比率Ｄ／ｄの変動（ばらつき：σ）をＮ＝１０（ロッド１０本）で比較する。

その結果、表１に示すような結果を得る。
実施例のように、目標形状になるように、バーナ位置、原料ガス流量、火炎形成ガス流量を制御する場合は、制御しない比較例と比較して、Δｎ変動、Ｄ／ｄ変動ともに小さくなり、また、バーナ位置、原料ガス流量および火炎形成ガス流量の全てを調整する場合が、最も変動が少なくなることを確認できる。実施例では、堆積形状の全てのパラメータが目標形状の許容幅内から逸脱する場合は、ガラス微粒子の堆積を停止するので、不良となるガラス母材の数はゼロとなる。

一方、比較例では、製造するガラス母材Ｎ＝１０の内、５本が変形起因でＤ／ｄが大きく変動し、不良ガラス母材となる。残り５本のΔｎ変動はσ＝０．００９％、Ｄ／ｄ変動はσ＝０．０６となり、実施例に比べて変動が大きい。また、製造コストを比較すると、実施例と比べて比較例の方が約２倍高くなる。

なお、本発明の光ファイバ母材の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１０…製造装置、１１…反応容器、１２…支持棒、１３…ダミーガラスロッド、１４…ガラス微粒子堆積体、１５…昇降装置、１６…制御装置、１７…コア用バーナ、１８…クラッド用バーナ、１９…ガス供給装置、２０…引き上げ速度制御部、２１…ＣＣＤカメラ、２２…画像処理装置、２３…堆積形状測定部、２４，２５…バーナステージ、２６…第１円柱形状部、２７…テーパ形状部、２８…第２円柱形状部

Claims (2)

1. ＶＡＤ法によりガラス微粒子堆積体を作製し、得られたガラス微粒子堆積体を高温加熱して透明ガラス母材を製造するガラス母材の製造方法において、
   ガラス微粒子堆積中に前記ガラス微粒子堆積体の堆積形状をモニターし、該堆積形状が目標形状となるように、ガラス微粒子堆積体の引き上げ速度を制御すると共に、
   ガラス微粒子生成用バーナへ投入するガラス原料ガス流量、火炎形成ガス流量、
   前記ガラス微粒子堆積体に対するガラス微粒子生成用バーナの位置、
   の少なくともいずれか１つを制御して、
   前記堆積形状は、前記ガラス微粒子堆積体の先端部と定常部の円柱形状部における外径、テーパ形状部のテーパ角度、からなる堆積形状を表すパラメータの全ての値に前記目標形状の許容幅を設けて管理すると共に、
   ガラス微粒子堆積中に前記堆積形状を表すパラメータの値が、全ての前記許容幅から外れる場合にはガラス微粒子の堆積を停止することを特徴とするガラス母材の製造方法。
2. 前記堆積形状のモニターは、ＣＣＤカメラと画像処理装置で行う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。

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