JP5655290B2

JP5655290B2 - ガラスパイプの製造方法

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Publication number: JP5655290B2
Application number: JP2009249440A
Authority: JP
Inventors: 中村　哲夫; 哲夫中村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011093742A

Description

本発明は、例えば、光ファイバを製造するための光ファイバ母材の形成に用いられるガラスパイプの製造方法に関する。

光ファイバを製造するための光ファイバ母材の製造過程において、内付けＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によってガラスパイプの内側に原料ガスを導入しながらガラスパイプを加熱し、ガラスパイプの内側にガラス微粒子を付着させて堆積させること等が行われる。

そして、このような光ファイバ母材の製造過程では、ガラスパイプの内側にガラス膜を堆積させる工程に先立ち、ガラスパイプの内側にエッチングガスを導入しながらガラスパイプをバーナで加熱し、ガラスパイプの内周面をエッチングすることが行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３１５３４９号公報

ところで、ガラスパイプ内のエッチングを行う際、エッチングガスの流入側から排出側へ向かってバーナを一定速度で相対移動させて加熱すると、ガラスパイプの内面のエッチング量がエッチングガスの流入側の方が排出側より多くなり、ガラスパイプの長手方向で偏肉が生じることがある。
このため、このガラスパイプを用いて形成した光ファイバ母材から光ファイバを製造すると、コア径が長手方向で変動し、光学特性が変動するおそれがあった。

本発明の目的は、ガラスパイプの内面を長手方向で均一にエッチングし、長手方向における偏肉が極力抑えられたガラスパイプを製造することが可能なガラスパイプ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のできる本発明のガラスパイプの製造方法は、製品となるガラスパイプよりも内径の大きなダミーパイプが両端に接続された前記ガラスパイプの内側にエッチングガスを導入しながら前記ガラスパイプに対して加熱部を長手方向へ相対移動させて前記ガラスパイプを加熱し、前記ガラスパイプの内面をエッチングするガラスパイプの製造方法であって、
前記エッチングガスの流入側における前記加熱部の相対移動速度を、前記ガラスパイプの中間部、及び前記エッチングガスの排出側より速くすることを特徴とする。

本発明のガラスパイプの製造方法によれば、加熱部の相対移動速度が一定の場合と比較して、エッチングガスの流入側におけるエッチング量が小さく抑えられるとともに、排出側におけるエッチングが促進される。よって、ガラスパイプの長手方向全体におけるエッチング量を均一にすることができ、これにより、ガラスパイプの偏肉を極力抑えることができる。
そして、このようにエッチング処理を施したガラスパイプを用いて光ファイバ母材を作製し、この光ファイバ母材から光ファイバを製造すれば、長手方向でのコア径の変動が少なく、伝送特性に優れた光ファイバとすることができる。

本発明に係るガラスパイプの製造方法を実施することのできるガラスパイプの製造装置の概略構成図である。両端にダミーパイプが接続されたガラスパイプの断面図である。ガラスパイプの長手方向位置に対するエッチング処理によるエッチング量を示すグラフである。

以下、本発明に係るガラスパイプの製造方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ガラスパイプの製造装置１は、両端付近に支持部１１が立設された基台１２を有している。支持部１１は、それぞれ回動可能なチャック１３を有している。これらのチャック１３は、製品となるガラスパイプＧの両端部に融着して接続したダミーパイプＤをそれぞれ把持し、ガラスパイプＧを水平に支持する。

このガラスパイプＧは、例えば、フッ素添加ガラスにより形成されたものであり、このガラスパイプＧの中心孔Ｇ１に、例えば、内付けＣＶＤ法によって純シリカからなるコアを形成したり、もしくは、中心孔Ｇ１に純シリカからなるコアロッドを挿入して一体化させたりして、光ファイバ母材を作製できる。そのような光ファイバ母材を線引きすることにより、例えばフッ素が添加されたガラスパイプ部分からなるクラッドと純シリカからなるコアとを有する光ファイバを製造することができる。

図２に示すように、ガラスパイプＧの両端部に接続されたダミーパイプＤは、ガラスパイプＧを含む全体重量を極力抑えて振れ回りを小さくするため、ガラスパイプＧよりも厚みが薄く軽いものが用いられている。また、このダミーパイプＤとしては、エッチングガスのガラスパイプＧへの流入及びガラスパイプＧからの排出を円滑にすべく、ガラスパイプＧよりも大きな内径を有するものが用いられている。例えば、外径８０〜８５ｍｍ、内径１７ｍｍのガラスパイプＧに対して、外径３６ｍｍ、内径２１ｍｍのダミーパイプＤが用いられる。

なお、ガラスパイプＧと同じ内径のダミーパイプＤをガラスパイプＧの端面に融着すると、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１が溶融したガラスによって狭められたり閉塞したりしてしまうことがある。このため、ガラスパイプＧより内径の大きいダミーパイプＤを、ガラスパイプＧの端面に融着して接続している。

支持部１１によって支持されるガラスパイプＧの下方には、ガラスパイプＧを加熱するための熱源１０が設けられている。この熱源１０には、酸水素バーナ、プラズマトーチ、誘導加熱炉、抵抗加熱炉を用いることができる。

熱源１０は、支持レール１７に装着された移動台１８上に支持され、移動台１８は、ラック・ピニオン機構により支持レール１７の長手方向に沿って移動することができる。支持レール１７と、ガラスパイプＧとは、それぞれの長手方向が平行になるように配設されている。

また、移動台１８の上部には、熱源１０の位置を３軸方向に微調節することが可能な３軸ステージ１９が設けられていると良い。熱源１０は、３軸ステージ１９に固定されている場合、移動台１８の上で、ガラスパイプＧの軸方向、ガラスパイプＧの軸方向と直交する方向、ガラスパイプＧとの距離方向（図中上下方向）に移動することができる。また、３軸ステージ１９を用いない場合には、少なくとも熱源１０とガラスパイプＧとの距離方向に移動できるような昇降機能を有したステージを用いると良い。

このように、熱源１０は、支持レール１７と、移動台１８と、３軸ステージ１９とから構成された可動装置２１によって水平面内及び垂直方向へ独立して移動可能とされている。

また、支持部１１には、一方側（図中左側）に、ガス導入手段の一部を構成する供給管２２が接続され、他方側（図中右側）に排気管２３が接続されている。これらの供給管２２と排気管２３は、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１と連続した流路を形成している。

また、供給管２２には、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１に導入するガスの導入量を調節する流量調節手段であるＭＦＣ（Mass Flow Controller）３１が接続されている。このＭＦＣ３１は、供給管２２とともにガス導入手段を構成している。ＭＦＣ３１は、流すガスに応じ、数系統設けることとしてもよい。

また、ＭＦＣ３１は、原料ガス供給装置３２に接続されており、原料ガス供給装置３２は、制御部３３によってガスの供給流量が制御される。制御部３３は、熱源１０の温度や、熱源１０を移動させる可動装置２１の動作を制御可能とするように、熱源１０及び可動装置２１に対しても接続されている。

次に、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１の内周面をエッチングする方法について説明する。
ダミーパイプＤをチャック１３に把持させることにより、支持部１１に支持したガラスパイプＧを軸周りに回転させ、ＭＦＣ３１により供給管２２を介してガラスパイプＧの中心孔Ｇ１内にエッチングガスを導入する。エッチングガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）または四フッ化炭素（ＣＦ_４）をベースに、酸素（Ｏ_２）や塩素（Ｃｌ_２）を混合して、予め設定した濃度に調節して用いる。

そして、エッチングガスを導入しながら、エッチングガスの流入側Ｇａから排出側Ｇｂへ向かって熱源１０を移動させ、ガラスパイプＧをエッチングガスの流入側Ｇａから排出側Ｇｂ側へ向かって加熱していく。

すると、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１は、その内周面のガラスがエッチングガスと反応して揮散する。これにより、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１の内周面がエッチングされ、傷や不純物が除去されて平滑面とされる。例えば、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１の内周面は、一度の熱源１０の移動によって数μｍ程度削られ、削りたい量に合わせて熱源１０を複数回移動させる。その際、熱源１０を排出側Ｇｂ側から流入側Ｇａへ戻す時には熱源１０の温度を低く（熱源１０がバーナであれば炎の大きさを小さく）し、エッチングを行わないようにする。

ガラスパイプＧに対して熱源１０をエッチング開始から終了まで一定速度にて移動させて加熱すると、ガラスパイプＧの中心孔Ｇ１の内周面のエッチング量が、エッチングガスの流入側Ｇａと排出側Ｇｂとで異なり、長手方向で偏肉が生じることがある。具体的には、エッチングガスの流入側Ｇａでは、エッチング量が多くなり、排出側Ｇｂではエッチング量が少なくなる。

これは、エッチングガスの流入側Ｇａでは、ガラスパイプＧとダミーパイプＤとの接続箇所における内径差から生じるエッチングガスの乱流によってエッチング量が増加するためと考えられる。また、エッチングガスの排出側Ｇｂでは、ガラスパイプＧとダミーパイプＤとの熱容量の差によって熱がダミーパイプＤに逃げ、エッチング量が減少するためと考えられる。なお、エッチングガスの流入側ＧａにおいてもガラスパイプＧとダミーパイプＤとの熱容量の差によって熱がダミーパイプＤに逃げてエッチング量が減少する現象は生じるが、その減少量よりもエッチングガスの乱流によるエッチング増加量の方が大きいものと推測される。

本実施形態では、エッチングを行う際に、エッチングガスの流入側Ｇａにおける熱源１０の移動速度をエッチングガスの排出側Ｇｂより速くする。なお、ガラスパイプＧの中間部Ｇｍでは、熱源１０の移動速度を、流入側Ｇａ及び排出側Ｇｂにおける熱源１０の移動速度の間の一定速度とする。

このようにすると、エッチングガスの流入側Ｇａにおけるエッチングが抑えられるとともに、排出側Ｇｂにおけるエッチングが促進される。よって、ガラスパイプＧの長手方向全体におけるエッチング量を均一にすることができ、これにより、ガラスパイプＧの偏肉を極力抑えることができる。

例えば、１．５ｍｍのエッチングを行う際、熱源１０の移動速度を、流入側Ｇａでは１５ｍｍ／分、中間部Ｇｍでは１３ｍｍ／分、排出側Ｇｂでは１０ｍｍ／分と、段階的に変化させた場合には、熱源１０の移動速度を長手方向全体にわたって１０ｍｍ／分で一定とした場合と比較して、エッチング量の長手変動量を、例えば０．５３ｍｍ（速度一定の場合）から０．３４ｍｍに減少させることができる。

このようにエッチング処理を施したガラスパイプＧを使用して光ファイバ母材を形成し、この光ファイバ母材から光ファイバを製造すれば、長手方向でのコア径の変動が少なく、伝送特性に優れた光ファイバとすることができる。
つまり、本実施形態によれば、長手方向における偏肉が極力抑えられて光ファイバ母材用として好適なガラスパイプを製造することができる。

なお、この熱源１０の移動速度の制御は、エッチング量が長手方向全体にて均一となる移動速度を実測して予め求めておき、その求めた移動速度のデータに基づいてフィードフォワード制御すれば良い。エッチングしているガラスパイプＧのエッチング量を測定しながら熱源１０の移動速度をフィードバック制御する場合と比較して、測定装置や複雑な制御装置が不要であり、設備構成も簡略化することができる。

また、上記実施形態では、熱源１０の移動速度を段階的に変化させたが、連続的に変化させても良い。

熱源１０の移動速度を変更した下記の３つの条件でエッチング処理を行った。エッチング量の目標値は１．５ｍｍとした。そして、それぞれの場合におけるガラスパイプＧの長手方向位置に対する中心孔Ｇ１の内面のエッチング量を測定した。なお、ガラスパイプＧの径は、上記実施形態と同様に外径８０ｍｍ、内径１７ｍｍである。また、下記条件の流入側Ｇａの範囲は、エッチングガス流入側のガラスパイプＧの端部からガラスパイプＧの全長の３０％としており、排出側Ｇｂの範囲は、エッチングガス排出側のガラスパイプＧの端部からガラスパイプＧの全長の３０％としている。つまり、中間部Ｇｍの範囲は、流入側Ｇａと排出側Ｇｂの間のガラスパイプＧの全長の４０％の範囲である。

（エッチング処理の条件）
（１）実施例１
熱源１０の移動速度を、エッチングガスの流入側Ｇａでは１５ｍｍ／分、中間部Ｇｍでは１３ｍｍ／分、排出側Ｇｂでは１０ｍｍ／分と、段階的に変化させた。
（２）実施例２
熱源１０の移動速度を、エッチングガスの流入側Ｇａでは２０ｍｍ／分、中間部Ｇｍでは１３ｍｍ／分、排出側Ｇｂでは１０ｍｍ／分と、段階的に変化させた。
（３）比較例１
熱源１０の移動速度を、エッチングガスの流入側Ｇａ、中間部Ｇｍ及び排出側Ｇｂにて全て１０ｍｍ／分と一定にした。

（測定結果）
ガラスパイプの長手方向位置に対するエッチング処理によるエッチング量の測定結果を図３に示す。なお、グラフの縦軸のエッチング量は、エッチング処理の前後で測定した内径の差を相対値で表したものであり、グラフの縦軸の中心（エッチング量＝１）が平均値を示している。また、グラフの横軸の０は、エッチングガスの流入側のガラスパイプＧの端部であり、横軸の１は、エッチングガスの排出側のガラスパイプＧの端部である。すなわち横軸は、各測定例において、パイプ全長を「１」に正規化したときの、相対的な位置を示している。

図３に示すように、熱源１０の移動速度を変化させた実施例１及び実施例２では、エッチング量の変動が長手方向にわたって抑えられることがわかった。特に、流入側Ｇａで熱源１０の移動速度を実施例１より大きな２０ｍｍ／分とした実施例２では、流入側Ｇａのエッチング量の変動が良好に抑えられることがわかった。
これに対して、熱源１０の移動速度を一定とした比較例１では、流入側Ｇａでエッチング量が大きく増加し、排出側Ｇｂでエッチング量が大きく減少した。

すなわち、実施例１，２のように、エッチングガスの流入側Ｇａにおける熱源１０の移動速度をエッチングガスの排出側Ｇｂより速くすると、速度を一定とした場合と比較して、エッチングガスの流入側Ｇａにおけるエッチングが抑制されるとともに、排出側Ｇｂにおけるエッチングが促進され、よって、ガラスパイプＧの長手方向全体におけるエッチング量を均一にすることができることがわかった。これにより、ガラスパイプＧの偏肉を極力抑えることができる。

したがって、実施例１，２にて製造したガラスパイプＧから光ファイバ母材を作製し、この光ファイバ母材から光ファイバを製造すれば、長手方向でのコア径の変動が少なく、伝送特性に優れた光ファイバとすることができることがわかった。

１０：熱源（加熱部）、Ｄ：ダミーパイプ、Ｇ：ガラスパイプ、Ｇａ：流入側、Ｇｂ：排出側、Ｇｍ：中間部

Claims

製品となるガラスパイプよりも内径の大きなダミーパイプが両端に接続された前記ガラスパイプの内側にエッチングガスを導入しながら前記ガラスパイプに対して加熱部を長手方向へ相対移動させて前記ガラスパイプを加熱し、前記ガラスパイプの内面をエッチングするガラスパイプの製造方法であって、
前記エッチングガスの流入側における前記加熱部の相対移動速度を、前記ガラスパイプの中間部、及び前記エッチングガスの排出側より速くすることを特徴とするガラスパイプの製造方法。