KR20040057995A - 광섬유용 모재의 가공 방법 및 이에 사용되는 장치 - Google Patents

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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 연신으로부터 화염 연마, 단부 조임 공정에 이르는 광섬유용 모재의 각 가공 공정을 동일 장치에서 행할 수 있는 광섬유용 모재의 가공 방법, 이에 사용되는 장치를 제공한다.
본 발명의 광섬유용 모재의 가공 방법은 유리 선반을 사용하는 모재(1)의 가공 공정에서, 가스가 흐르는 관이 복수의 영역으로 나뉘어 배치되고, 각 영역의 관에 공급되는 가스의 유량이 영역마다 변경 가능한 구조를 갖는 버너가 사용되는 것을 특징으로 하며, 가스가 흐르는 관은 가연성 가스가 흐르는 외통(9) 내에 배치된 지연성 가스가 흐르는 복수의 내관(10)으로 이루어지고, 이러한 내관(10)은 동심원상으로 구획된 복수의 영역에 배치되어 있으며, 이 영역의 수는 바람직하게는 3 이상이 된다.

Description

광섬유용 모재의 가공 방법 및 이에 사용되는 장치 {Method of Processing Preform for Optical Fiber and Apparatus Therefor}
본 발명은 광섬유용 모재(이하, 단순히 모재라고 함)의 외경을 정밀하게 조정하거나, 표면을 화염 연마하거나 단부를 광섬유의 선긋기에 적합한 형상으로 수축 가공하는데 바람직한 모재의 가공 방법, 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
축 부착법(VAD 법), 외부 부착법(OVD법) 등에 의해 유리 미립자를 퇴적시켜 다공질 유리 모재를 제조하고, 이것을 탈수하여 소결시킴으로써 투명 유리화한 모재 잉곳이 얻어진다. 이것을 또한 전기로에서 조 (粗) 연신하여, 선긋기시에 사용되는 직경으로 직경 축소함으로써 모재라고 하는 1차 가공품이 얻어진다.
얻어진 모재는 추가로 유리 선반 등을 사용하여 2차 가공이 행해진다. 이 2차 가공 공정에는 외경을 정밀하게 조정 가공하는 연신 공정, 표면에 부착된 실리카 분말(이하, 실리카 먼지라고 함)이나 미세한 손상부를 제거함과 동시에, 모재 내부에 잔류하는 열 왜곡을 제거하는 화염 연마 공정, 또한 단부를 선긋기에 바람직한 조여진 형상으로 가공하는 조임 공정 (일명, 시보리 공정이라 함) 등을 들 수 있다.
모재의 외경은 정밀하게 조정 가공할 필요가 있다. 모재를 선긋기할 때 외경이 변동되면, 선긋기 장치의 가열로에 모재를 넣고 송입을 시작하면 가열로의 가스 시일 부재와 모재와의 사이에 간극이 생겨 가열로 내부로 공기가 혼입됨으로써, 가열로 재료의 산화, 이물질 부착 등에 의한 섬유 파단 확률의 증대, 또한 가열로 내부 가스의 흐름 변화에 의한 섬유 직경 변동의 증대 등의 문제가 발생한다. 이 때문에, 통상 외경 변동은 모재의 길이 방향으로 ±1％ 이하로 억제할 필요가 있다.
모재 표면에 부착되어 있는 실리카 먼지나 손상부도 급격한 섬유 직경의 변동이나 파단의 원인이 되기 때문에, 모재의 가공 단계에서 화염 연마를 행하여 제거해 둘 필요가 있다.
또한, 모재의 선긋기 개시로부터 섬유 직경이 안정화되기까지의 시간을 단축하기 위해서는, 모재의 단부를 도 6에 나타낸 바와 같은 테이퍼 형상으로 가공하여 둘 필요가 있다.
이와 같이, 모재의 가공에는 많은 공정이 있고, 각각의 공정에 따라서 적절한 화력과 화염 형상이 필요하게 된다.
종래, 모재 가공용 버너로서는 석영 유리나 스테인레스로 만들어진 도 7에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 소형 버너를, 도 8에 나타낸 바와 같이 4 내지 6대를 배열하거나, 또는 반원상 또는 원주상으로 다수 배치한 것이 사용되었다.
이러한 버너에는 지연성 가스와 가연성 가스가 공급되고, 버너의 내부나 출구에서 혼합된 가스의 연소 화염에 의해 모재가 가열되어 가공이 행해진다. 통상, 지연성 가스에는 산소가 사용되고, 가연성 가스에는 수소나 메탄, 프로판 등이 사용된다. 버너의 형식은 가스가 버너 내부에서 미리 혼합되어 버너의 선단에서 연소되는 예비 혼합 방식, 또는 버너 선단까지 개별적으로 공급되어 버너의 선단에서 혼합과 동시에 연소하는 후혼합 방식으로 분류된다.
가연성 가스에 수소를 사용하는 경우에는, 버너 내부에서 수소가 연소하는 백파이어를 일으키기 쉽기 때문에 후자를 선택하는 것이 바람직하고, 이러한 형식의 버너에는 예를 들면 일본 특허 공개 (소)52-45740호 공보에 기재된 것이 있다.
또한, 모재의 가공에 사용되는 버너의 예로서는, 지연성 가스를 공급하는 노즐의 배열 방식을 규정하고 있는 일본 특허 공개 2000-220810호 공보에 기재된 것이 있다. 이 버너는 가연성 가스가 공급되는 외통내에 지연성 가스를 흘리는 다수의 내관이 삽입되어 있고, 버너의 선단에서 지연성 가스와 가연성 가스가 혼합되어 버너의 선단부에서 강력한 화염이 얻어진다.
종래의 버너로서는 이들 지연성 가스나 가연성 가스의 유량을 변화시킴으로써 화염의 크기나 강도를 변경하였다.
이들 버너를 모재의 가공에 사용하는 경우, 예를 들면 화염을 가늘게 조이려고 할 때에는, 가스의 유량을 작게 하기 때문에 화염의 기세가 약해져 버렸다. 즉, 가는 화염의 상태에서는 강력한 화력을 얻기가 어려웠다.
이 때문에, 가늘고 강력한 화염을 필요로 하는 경우, 예를 들면 모재의 단부를 도 6에 나타낸 바와 같은 테이퍼 형상으로 가공할 때에는, 한정된 영역만을 가열하여 모재의 직경을 작게 할 필요가 있다. 이 때, 굵은 화염으로 모재를 가열하면 모재의 넓은 범위가 가열되어 테이퍼 형상으로 단부를 잘 성형할 수 없다.
반대로, 화염을 굵게 하여 가열 범위를 크게 할 때에는, 가스의 유량을 크게하기 때문에 화력이 강력해져 약한 화염을 얻기가 곤란하였다. 이 때문에, 외경을 조정하는 연신 공정이나 화염 연마 공정에서는, 모재의 넓은 범위를 완만하게 가열할 필요가 있지만 화염을 굵게 하면 화력이 너무 강력하게 되어 정밀도가 양호한 가공은 곤란하였다. 이러한 경우에 사용하는 버너로서는, 화염의 굵기를 모재의 직경에 맞추어 조정할 수 있고, 조건에 따라 화염의 기세도 자유롭게 변화시킬 수 있는 것이 바람직하다.
화염 연마 공정에서, 잔류 왜곡을 극히 적게 하는 화염 조절 방법이 일본 특허 공개 2000-256027호 공보에 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 2000-143268호 공보 및 일본 특허 공개 2000-203864호 공보에는 모재의 단부 조임 방법 및 이에 사용되는 장치가 기재되어 있지만, 가공의 각 공정에서 버너의 화염을 조정하는 방법에 대해서는 기재되어 있지 않다.
상기한 바와 같이, 모재를 가공할 때는, 가공 공정이나 조건에 맞추어 다양한 굵기나 강도의 화염을 만들 수 있는 것이 바람직하지만, 공지된 버너로서는 가공의 공정이나 조건에 맞는 다양한 화염을 동일한 버너로 형성하기가 매우 곤란하였다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여, 연신으로부터 화염 연마, 단부 조임 공정에 이르는 모재의 각 가공 공정을 동일한 장치에서 행할 수 있다. 모재의 가공 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 유리 선반의 일례를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 버너의 일례를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 버너의 노즐부를 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명의 버너의 가스 유량을 제어하기 위한 가스 배관예를 나타내는 개략도.
도 5는 (a) 내지 (e)는 모재의 다양한 가공 공정을 설명하는 개략도.
도 6은 모재의 바람직한 단부 형상을 설명하는 개략도.
도 7은 종래 예의 소형 버너를 나타내는 개략 단면도.
도 8은 도 7의 구조를 갖는 소형 버너를 4대 배치한 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 모재
2 : 척 기구
3 : 버너
4 : 모터
5 : 밸브
6 : 질량 유량 제어기(MFC)
7 : 가스 배관군
7a, 7b, 7c, 7d 가스 유로
8 : 심압대
9 : 외통
10 : 내관(세관)
11 : 수소 취출부
12 : 중앙 영역
13 : 수동 밸브
14 : 더미봉
본 발명의 모재의 가공 방법은, 유리 선반을 사용하는 모재의 가공 공정에서, 가스가 흐르는 관이 복수의 영역으로 나뉘어 배치되고, 각 영역의 관에 공급되는 가스의 유량이 영역마다 변경 가능한 구조를 갖는 버너가 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 가스가 흐르는 관이, 가연성 가스가 흐르는 외통내에 배치된 지연성 가스가 흐르는 복수의 내관으로 이루어지고, 이들 내관이 동심원상으로 구획된 복수의 영역에 배치되며, 이 영역의 수가 3 이상인 버너를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 모재의 가공 방법에서는, 버너의 각 영역으로의 가스 유량이 가공되는 모재의 직경에 따라 변경 가능하게 구성되고, 또한 버너의 각 영역에 공급되는지연성 가스의 유량도 가공에 바람직한 굵기로 화염을 조정할 수 있도록 단계적 또는 서서히 변경 가능하게 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 모재의 가공 장치는 상기 모재의 가공 방법에 사용되는 버너를 구비하고, 이 가공 장치를 이용함으로써 모든 모재 가공 공정에 바람직하게 대응할 수 있다.
<발명의 실시 형태>
이하, 본 발명을 도 1 내지 도 5를 사용하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들로 한정되는 것은 아니며, 다양한 양태가 가능하다.
모재의 가공은 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같은 유리 선반을 사용하여 행해진다.
유리 선반은 모재(1)을 꽉 죄고 회전 구동하기 위한 척 기구(2), 모재(1)을 가열하는 버너(3), 버너(3)과 척을 구동하는 모터(4), 가스량을 조정하는 밸브(5) 및 질량 유량 제어기(이하, MFC라 약기함)(6), 가스 배관군(7), 및 구동계와 가스계의 제어 장치(도시하지 않음)으로 구성되어 있다. 또한, 부호 8은 심압대이다.
이러한 유리 선반을 사용하여 모재의 다양한 가공이 행해진다.
본 발명에서 사용되는 유리 선반에는 도 2 및 3에 나타낸 바와 같은 버너가 배치되어 있다. 도 2는 버너의 사시도이고, 도 3은 상기 버너의 노즐부를 나타내는 평면도이다.
본 발명에서 사용되는 버너는 가연성 가스와 지연성 가스를 효율적으로 혼합하기 위해서, 도 2에 나타낸 바와 같이 원통상의 외통(9)의 중앙에 복수의 내관(10)이 배치되고, 외통(9)는 도 3에 나타낸 바와 같이 동심원상으로 복수의 영역으로 나뉘어지며, 각 영역에는 내관(10)이 배치되어 있다.
외통(9) 내에 수소나 메탄, 프로판 등의 가연성 가스가 흐르고, 내관(10)에 지연성 가스(산소)가 흐른다. 이로부터 지연성 가스와 가연성 가스는 개별적으로 버너내에 도입되고, 버너의 선단에서 혼합되어 연소된다. 또한, 부호 11은 수소 취출부이고, 부호 12는 중앙 영역이다.
또한, 본 발명의 가공 장치가 구비하고 있는 버너는 각 영역에 흐르는 가스의 유량을 밸브 및(또는) MFC(6)으로 각각 제어할 수 있는 구조로 되어 있다.
각 영역에 흐르는 가스량을 자동으로 제어하기 위해서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 가스 배관군(7)의 가스 유로(7a, 7b, 7c, 7d)마다 각각 MFC(6)을 설치하여, 도시하지 않은 제어 장치로부터의 지시로 가스의 유량을 변경함으로써 행해진다.
유량 조정을 위해 밸브(13)과 MFC(6)을 설치하는 것은 다음과 같은 이유에서이다.
즉, 작업자가 가스량을 수동으로 조정하면서 모재의 가공을 행할 때에는, MFC(6)을 완전 개방으로 설정하고 수동 밸브(13)으로 유량을 변경할 수 있다. 컴퓨터 등으로 가스량을 자동 제어할 때에는, 수동 밸브(13)를 완전 개방으로 하고 MFC(6)으로 유량을 설정할 수 있다.
버너의 외통내를 동심원상으로 나누는 영역의 수가 많을수록 화염의 강도를 세밀하게 조정할 수 있지만 제어가 복잡하게 되므로, 현실적으로는 도 3의 예와 같이 3개 정도로 하는 것이 바람직하다.
버너를 구성하는 재질로서는 SUS 등의 금속이나 석영 유리 등을 들 수 있지만, 제작 재현성이 높고 내관, 즉 세관의 수를 쉽게 늘릴 수 있기 때문에, 특히 청결도가 필요한 경우를 제외하고는 금속 재료 쪽이 바람직하다.
본 발명의 가공 장치가 구비되어 있는 버너는 화염의 굵기를 불문하고 가스의 유로마다 화력의 강약을 조정할 수 있는 구조를 가지고 있기 때문에, 모재의 다양한 가공에 사용할 수 있다.
모재의 가공에는, 도 5에 나타낸 바와 같이 (a) 모재를 꽉 죄어 가공하기 위한 더미부를 모재의 양단에 접속하는 더미 접속 가공, (b) 외경을 소정의 직경으로 연신하는 연신 가공, (c) 모재 표면의 화염 연마 가공, (d) 단부를 광섬유의 선긋기에 적합한 형상으로 성형하는 조임 가공, 또한 (e) 용융 절단 가공 등이 있고, 추가로 피가공물인 모재의 직경이 변하면, 이에 따라 화염의 형상이나 강도를 조정할 필요가 있다.
더미 접속 가공 및 연신 가공에서는, 모재를 일부 용융 상태가 될 때까지 가열하기 위해서 가장 강한 화력이 필요하다. 이 경우, 지연성 가스를 모든 영역으로부터 분출하고 가연성 가스의 유량도 크게 한다. 단, 흘리는 가스량은 모재의 굵기에 따라 변하고, φ60 mm와 φ80 mm의 경우에는 가스량은 1:2 정도로 설정한다.
화염 연마 가공은 모재 표면에 부착된 실리카 먼지나, 미세한 손상부의 제거, 모재 내부의 열 왜곡을 제거하기 위해서 행해진다. 이 경우, 화력이 너무 강하면, 모재의 표면에서 실리카가 승화되어 실리카 먼지로서 모재 표면에 재부착된다. 또한, 가열 온도가 너무 낮으면, 손상부나 실리카 먼지의 제거가 불충분하거나 모재의 내부까지 충분히 가열할 수 없고 잔류 왜곡을 제거할 수 없다. 또한, 모재 내부의 잔류 왜곡이 충분히 제거되지 않으면, 화염 연마를 종료하고 냉각해가는 도중에 모재의 표면 가까이에서 균열이 발생하는 원인이 된다.
화염 연마에 있어서는, 화력의 강도와 함께 버너의 이동 속도도 중요한 변수이다. 이 때문에, 가스의 유량과 버너의 이동 속도는 모재의 외경에 따라서 변수로서 최적화해 둘 필요가 있다.
조임 가공에서는 강한 화력으로 초기 가열을 행하고 심압대를 이동시킴으로써 용융 절단할 수 있는 정도의 가늘기까지 모재를 연신한 단계에서, 가연성 가스 및 지연성 가스의 유량과, 지연성 가스를 흘리는 영역을 줄이고 화염의 굵기를 점차 가늘게 하면서, 또한 심압대를 이동시켜 목적하는 조여진 형상을 만든다.
이 경우, 지연성 가스를 흘리는 영역을 변경할 수 있다는 것이 중요하며, 지연성 가스가 흐르는 영역을 일정하게 한 채로, 가스량을 줄여 화염을 약하게 하면, 모재의 넓은 범위가 가열되기 때문에 조여지는 부분이 길어지므로 바람직하지 않다. 조여지는 부분의 길이를 자유롭게 조정할 수 있도록 하기 위해서는, 지연성 가스를 흘리는 영역을 변경하여 화염 그 자체의 굵기가 변화되도록 할 필요가 있다.
용융 절단 가공은 조임 가공 공정 후에 수반되며, 모재의 조여진 부분에 가는 화염을 가하여 용융 절단한다. 이 경우에 요구되는 화염은 가늘게 조여지고 비교적 유속이 빠른 것이다. 이 가공은 별도로 휴대용 버너를 준비하여 모재를 달구어 절단하는 것으로 대신할 수도 있지만, 동일한 버너로 모든 공정을 행할 수 있는것이 시간이 걸리지 않기 때문에 바람직하다.
상기한 대로, 본 발명에 의한 모재의 가공 방법 및 이에 사용되는 장치에 따르면, 모든 굵기의 모재와 모든 가공 공정에 대하여 설정된 조건을 변경하는 것만으로 동일 장치에 의해 모재를 목적하는 형상으로 가공할 수 있다.
<실시예>
<실시예 1>
도 1에 나타내는 유리 선반에 도 2의 버너를 부착하여 굵기 φ 60 mm의 모재를 조임 가공하였다. 이 버너는 수소 가스가 흐르는 내경 φ 30 mm의 SUS제 외통내에 산소 가스가 흐르는 외경 φ 3 mm, 내경 1.5 mm의 SUS제 세관을 동심원상으로 배치하고, 내측으로부터 외측을 향해 3개의 영역으로 나뉘어, 각각의 영역마다 개별적으로 산소 가스의 배관을 접속하였다. 수소 가스 1계통과 산소 가스 3계통에는 각각 수동 밸브와 MFC가 직렬로 배치되고, 제어 장치로부터의 신호에 의해 MFC를 제어함으로써, 버너 및 심압대의 이동, 가스량의 설정을 자동 운전으로 행하였다.
버너에 공급하는 가스의 유량은 수소 가스를 최대 500 SLM(Standard Litter per Minute), 3개의 영역으로 나뉘어진 3계통의 산소 가스의 유량은 각각 외통의 외연측으로부터 순서대로 최대 250 SLM, 150 SLM, 10 SLM으로 하였다.
조임 가공의 공정은 또한 1차 가열, 1차 연신, 2차 가열, 2차 연신의 소공정으로 나눌 수 있다. 각각의 소공정에서, 가스량과 버너, 심압대의 이동량이 설정된다. 본 실시예에서의 이들 변수는 하기 표 1과 같이 설정하였다.
그 결과, 조여진 부분의 길이(도 6 참조)를 모재의 직경과 거의 동일하게 62 mm로 짧게 할 수 있었다.
소공정 버너 가스량 (SLM) 버너 이동량 (mm) 심압대 이동량 (mm)
수소 산소 1 산소 2 산소 3
1차 가열 250 130 50 10 0 0
1차 연신 200 110 40 10 5 10
2차 가열 130 0 60 7 5 10
2차 연신 100 0 50 5 20 30
<비교예 1>
도 1에 나타내는 유리 선반에 도 7의 버너를 4대 부착하여 굵기 φ 60 mm의 모재를 조임 가공하였다. 이 버너는 외주부에서 수소 가스를, 내주부에서 산소 가스를 취출하고, 버너의 선단에서 가스를 혼합하여 연소하도록 되어 있다. 실시예 1과 동일하게 1차 가열, 1차 연신, 2차 가열, 2차 연신의 순서로 버너에 공급하는 가스량을 변화시키면서 버너와 심압대를 이동시키며 조여진 부분을 형성하였다.
각 버너에 공급되는 가스량은 수소 가스를 최대 100 SLM, 산소 가스를 최대 50 SLM으로 하고, 전체 버너에 동시에 공급되는 가스의 유량은 동일하게 하며, 모든 버너의 가스량을 동시에 변화시켜 화염의 강도를 조절하였다. 하기 표 2에 나타내는 것은 버너 1대 당의 가스량이고, 전체의 가스량은 이것의 4배가 된다.
소공정 버너 가스량 (SLM) 버너 이동량(mm) 심압대 이동량 (mm)
수소 산소
1차 가열 80 40 0 0
1차 연신 60 30 5 10
2차 가열 20 10 5 10
2차 연신 15 7 20 30
이러한 조건으로 모재의 조임 가공을 행한 결과, 특히 2차 가열 이후에 버너에 흘리는 가스량을 줄였음에도 불구하고, 화염은 모재의 길이 방향으로 넓어지고, 조여진 부분 전체가 가열되어 조여진 부분의 길이는 120 mm까지 길어졌다.
본 발명에 따르면, 모재의 다양한 가공이나 조건에 맞추어 화염을 다양한 굵기나 강도로 조정할 수 있다. 또한, 모재의 직경에 따라 화염의 형상이나 강도를 조정할 수 있고, 설정된 조건을 변경하는 것만으로 동일한 장치에 의해 모재를 목적하는 형상으로 가공할 수 있는 등의 우수한 효과가 얻어진다.

Claims (6)

  1. 유리 선반을 사용하는 광섬유용 모재의 가공 공정에 있어서, 가스가 흐르는 관이 복수의 영역으로 나뉘어 배치되고, 각 영역의 관에 공급되는 가스의 유량이 영역마다 변경 가능한 구조를 갖는 버너가 사용되는 것을 특징으로 하는 광섬유용 모재의 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가스가 흐르는 관이, 가연성 가스가 흐르는 외통내에 배치된 지연성 가스가 흐르는 복수의 내관으로 이루어지고, 이들 내관이 동심원상으로 구획된 복수의 영역에 배치되어 있는 광섬유용 모재의 가공 방법.
  3. 제2항에 있어서, 동심원상으로 구획된 복수의 영역의 수가 3 이상인 광섬유용 모재의 가공 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 버너의 각 영역으로의 가스 유량이 가공되는 광섬유용 모재의 직경에 따라 변경 가능하게 구성되어 있는 광섬유용 모재의 가공 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 버너의 각 영역에 공급되는 지연성 가스의 유량이 단계적 또는 서서히 변경 가능하게 구성되어 있는 광섬유용 모재의 가공 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유용 모재의 가공 방법에 사용되는 버너를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 모재의 가공 장치.
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