玻璃母材及其製造方法以及光纖的製造方法
2023-05-28 07:53:11 2
專利名稱：玻璃母材及其製造方法以及光纖的製造方法
技術領域：
本發明是有關於一種用以製造光纖的玻璃母材及其製造方法以及光纖的製造方法，特別是有關於一種具有適合於光纖的拉線的端部形狀的玻璃母材的製造方法，與藉此得到的玻璃母材，以及使用此玻璃母材的光纖的製造方法。
又，針對依據參照的文獻認定編入的指定國，藉由參照揭示於下述的申請案的內容加入本申請案，作為本申請案的揭示的一部份。
日本專利特願2004-159822號(申請日2004年5月28日)日本專利特願2004-159848號(申請日2004年5月28日)背景技術大型的玻璃母材是以電氣爐等的加熱爐加熱之後，延伸於軸方向，特別是在垂直方向延伸，並藉以特定的長度分割，而加工成具有適宜拉線的直徑。圖1是繪示以電氣爐延伸大型的玻璃母材並製造的玻璃母材的概略圖。所延伸的玻璃母材1具有在其兩端與中心軸垂直面切斷的機械的切斷面2。
在所製造的玻璃母材1的一端，如圖2的概略圖所示，熔接用以將玻璃母材1安裝於拉線裝置的虛擬棒3(dummy bar)，而以該部分把持。在另外一端，設置為了容易開始拉線加工而呈錐形狀(taper)的錐形部4。
朝玻璃母材1的一端熔接虛擬棒3以及另外一端的錐形部4的形成，較多情況是使用玻璃車床來進行。在使用玻璃車床對錐形狀進行加工的方法，可舉出者有例如介紹於日本專利文獻1、2的方法。
在兩端具有機械切斷面的玻璃母材1，在其一端連接虛擬棒3，在另外一端形成錐形部4。該形成錐形部4的玻璃母材(以下，稱為「拉線用玻璃母材」)，是如圖3所示，藉以蝸形夾頭6(scroll chuck)使虛擬棒3把持於拉線裝置的進料器5(feeder)，而可以安裝於拉線裝置上。
接著，將拉線用玻璃母材的錐形部4安置於加熱爐7的特定位置並開始加熱。等待拉線用玻璃母材的前端軟化垂下來。當前端垂落下來時，抓住該前端而通過外徑測定器8。之後，在到達所希望的線徑並穩定時，光纖9會依序通過第1模具10(die)、第1紫外線硬化裝置11、第2模具12及第2紫外線硬化裝置13，而可以對光纖9進行塗層(coating)及硬化。之後，經過導引滑輪14(guide pulley)並藉主動輪(capstan)(未圖示)卷繞至線圈架(bobbin)。
之後，慢慢提升進料器5的傳送速度及拉線速度，提升兩者至規定速度，而使拉線工程處在正常狀態。正常狀態的辨別是依據是否滿足以下全部的指標來進行。也就是，指標1傳送速度及拉線速度是否達到規定速度；指標2光纖的外徑是否安定；指標3；光纖的外徑安定之後是否脫離規定的過長(excess length)。在正常狀態所拉線的正常部的光纖是作為製品而利用，而之前在非正常狀態所拉線的非正常部的光纖是作為不良品而廢棄。
在此，設置上述指標3是為了縮小所拉線的光纖的偏心。所拉線的光纖，在開始拉線初期的非正常部中，其偏心較大，而隨著拉線的進行，使偏心慢慢的變小，而在正常部中有一穩定值。為此在非正常部中，即使外徑滿足規格，但是亦存在較大部分的偏心。該外徑即使位於規格範圍內，為了由製品去除偏心較大的光纖部分，而設置了指標3的過長(過剩長度)。
在圖4中，(a)是顯示光纖外徑對於拉線距離的變化，(b)是顯示光纖的偏心的變化。將光纖的外徑進入規格範圍內的點作為外徑安定點16，將偏心進入規格範圍內的點作為偏心安定點17。外徑安定點16與偏心安定點17之間形成應去除的過長18。光纖的偏心利用以下公式定義的偏心率表示。
在偏心率的計算中，必須使光纖在軸方向旋轉，在0°及90°的2個位置測定其外形。公式中，E0是0°的偏心量，E90是90°的偏心量，D0是0°的光纖的外徑，D90是90°的外徑。
日本專利文獻1特開2000-143268號公報日本專利文獻2特開2000-203864號公報開始拉線初期的非正常部的光纖，由於偏心等關系所以無法作為製品使用而成為廢棄處分。所廢棄的光纖若增大，則隨著良率的降低使製造成本增加。從而，為了使良率提升，必須縮短開始拉線初期的非正常部的時間，儘可能作成正常狀態使品質安定。
近年來，玻璃母材大型化，伴隨此種趨勢，在開始拉線初期的非正常部範圍變長，所廢棄的光纖的量也增大起來。廢棄非正常部的光纖的理由，是加上上述偏心，外徑變動、包覆材的不均一而脫離光纖的規格等。在此，藉縮小上述3個指標的值的全部或任一個，則可以縮短非正常部範圍，進而可以提升良率。
發明內容
本發明的目的在於提供一種玻璃母材及其製造方法以及光纖的製造方法，其可以迅速地縮小開始拉線初期的光纖的偏心，並具有適合於可以縮短非正常部範圍的拉線的端部形狀。
為了解決上述的課題，提供一種玻璃母材的製造方法作為本發明的第1形態，其是熔斷圓柱狀的玻璃母材，製造具有形成於直徑約略一定的直胴部與在直胴部的一端，形成愈離開直胴部直徑愈變細的錐形部的拉線用玻璃母材；其特徵在於包括對玻璃母材的直胴有效部的中心線，將熔斷處所的中心線變位量修正為小於等於特定數值，形成修正處所之後，在修正處所中熔斷玻璃母材形成錐形部的步驟。藉此，形成於拉線用玻璃母材的錐形部的傾斜量變成比當初小，所以可以縮短由開始拉線至正常狀態為止的過剩長度。
另外，作為一實施形態，是在上述玻璃母材的製造方法中，上述修正包含使用玻璃車床使玻璃母材旋轉，且以燃燒器火焰加熱的操作。藉此，可以作精密的修正作業。
另外，作為其他實施形態，是在上述玻璃母材的製造方法中，特定的數值為2.6mm。藉此，修正玻璃母材的效果變顯著，可以形成傾斜量較少的錐形部。
另外，作為其他實施形態，是在上述玻璃母材的製造方法中，熔斷包括藉燃燒器火焰加熱的操作。藉此，可以連續進行修正與熔斷的各作業。
另外，作為其他實施形態，是在上述玻璃母材的製造方法中，將修正後的玻璃母材安裝於拉線裝置，在拉線前進行熔斷。藉此，可以連續進行修正、熔斷及拉線的各作業。另外，由於可以在短時間內實施一連貫的作業，所以修正的效果不會劣化。
另外，提供一種玻璃母材作為本發明的第2形態，其是作為拉線用的玻璃母材，其具有圓柱狀的直胴部與形成於直胴部的一端的錐形部，使其愈離開直胴部的直徑變成愈細小；其特徵在於熔斷所修正的修正處所，形成使錐形部對於圓柱狀的玻璃母材全體中心線的中心線變位量變成小於等於特定的數值。該玻璃母材，由於由開始拉線至正常狀態為止產生的過剩長度較短，所以原料的利用率較高，而可用低成本製造光纖。
進一步，提供一種玻璃母材作為本發明的第3形態，其是作為拉線用的玻璃母材，其包括具有形成於平均外徑D的直胴有效部，以及形成於直胴有效部的一部份即直胴部的一端，愈離開直胴部直徑愈變細的錐形部；其特徵在於當將拉線用的玻璃母材朝拉線裝置安置時，對於直胴部的錐形部側的端部的中心，將錐形部的中心的變位量的最大值作為錐形部傾斜量δ時，其平均外徑D與錐形部傾斜量δ的比δ/D為δ/D≤0.03。藉此，可以縮短由開始拉線至正常狀態為止產生的過剩長度。
另外，作為實施形態的一種，是在上述玻璃母材中，直胴部的端部具有在平均外徑D乘上位於0.90-1.00(無因次)範圍的係數β值的外徑的部位。藉此，可以規定當計測錐形部的傾斜量時的基準。
另外，作為其他實施形態，是在上述玻璃母材中，錐形部的長度LD為玻璃母材的全長的30～60％的範圍，且其為由玻璃母材的長度方向的中央附近隨機抽出3～10處所的外徑的平均值DM的1倍以上。藉此，由錐形部的開始拉線變成容易。
另外，作為其他實施形態，是在上述玻璃母材中，錐形部是由熔斷或研削所形成。藉此，可以調製拉線用玻璃母材，用以製造光纖的拉線變容易。
另外，更進一步，提供一種光纖的製造方法作為本發明的第4形態，其是製造包括具有形成於平均外徑D的直胴部，以及在直胴部的一端形成愈離開直胴部直徑變愈細的錐形部的拉線用玻璃母材；此光纖的製造方法包括當朝拉線裝置安裝拉線用玻璃母材時，對於直胴部的錐形部側的端部的中心，將錐形部的中心變位量的最大值作為錐形部傾斜量δ時，由平均外徑D與錐形部傾斜量δ的比δ/D為δ/D≤0.03的拉線用玻璃母材作拉線的步驟。藉此，可以用低成本製造光學特性優良的光纖。
若依據本發明，可以迅速地縮小開始拉線初期的光纖的偏心並使其安定，所以可以縮短製品不良部的非正常部範圍。藉此可以使光纖生產的良率提升，有助於節省資源及降低製造成本。
為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1是繪示以電氣爐延伸所製造的玻璃母材的概略圖。
圖2是繪示在一端焊接虛擬棒的拉線用玻璃母材的概略圖。
圖3是繪示拉線裝置的概略說明圖。
圖4(a)是繪示對拉線距離的光纖的外徑變化，圖4(b)是繪示對拉線距離的偏心的變化的模式圖。
圖5是說明傾斜量δ的概略圖。
圖6是繪示以傾斜測定使用玻璃母材的概略圖。
圖7(a)是繪示對拉線用玻璃母材的長條方向的外徑的變化，圖7(b)是繪示對拉線用玻璃母材的長條方向的中心線的變位量的變化的模式圖。
圖8(a)是繪示錐狀形成前的玻璃母材的外徑與中心線變位量，圖8(b)是繪示形成錐形部的玻璃母材的中心線變位量。
圖9是繪示熔斷位置的中心線變位量與熔斷形成的錐形部的傾斜量的相關性的圖。
圖10是繪示傾斜與過剩長度的關係的圖。
圖11是繪示藉研削的研削錐形部的形成方法的模式圖。
圖12是繪示藉研削的錐形部的修正方法的模式圖。
1玻璃母材 2、19機械的切斷面3虛擬棒 4錐形部5進料器 6蝸形夾頭7加熱爐 8外徑測定器9光纖 10第1模具11第1紫外線硬化裝置 12第2模具13第2紫外線硬化裝置 14導引滑輪16外徑安定點17偏心安定點18過長 20熔斷錐形部21端部 22直胴部傾斜評估端23傾斜評估區24、25近似直線26旋轉砂輪 27研削錐形部具體實施方式
如圖2所示，在對拉線裝置安裝拉線用母材的一端連接虛擬棒3，在另外一端形成錐形部4。本發明者們細心研究的結果，看出藉由該錐形部4的形狀，大大地左右開始拉線初期的光纖的偏心，錐形部4對拉線用玻璃母材的中心線若具有非對稱性，也就是在錐形部4若具有傾斜，則對應於傾斜的程度開始拉線初期的光纖的偏心變大，如圖4所示過長18有變長的傾向，其結果是良率降低。
但是，即使以熔斷或機械研削精密加工的玻璃母材的端部，有時亦無法得到沒有傾斜的錐形部。在此細心檢討的結果，在形成錐形部之前，對玻璃母材的直胴有效部的中心線的錐形部形成處所(以熔斷形成時為熔斷處所)的中心線變位量進行測定(以下，稱為中心線變位量)，並在修正中心線變位量為小於等於特定的數值之後，再熔斷而形成錐形部以解決課題。藉此，可以使開始拉線初期的光纖的偏心儘速的縮小，而可以縮短過長。
本發明的玻璃母材的製造方法，是在對玻璃母材的中心線的熔斷處所，將中心線變位量修正為小於等於特定數值之後，由其修正處所熔斷而形成錐形部，在熔斷前將熔斷處所的中心線變位量修正為小於等於特定數值，特別是小於等於2.6mm之後，再熔斷並形成錐形部。藉此，可以使開始拉線初期的光纖的偏心儘速的安定並縮小，而可以縮短過長。又，熔斷處所有時也成為錐形部形成的開端的處所。
另外，若依據本發明，藉由將錐形部4的形狀傾斜量限制於特定的數值範圍內，也就是將傾斜量δ與平均外徑D的比δ/D設於δ/D≤0.03。藉此，可以安定並縮小開始拉線初期的光纖的偏心，而可以縮短過長。
又，使形成錐形部的起點位置的拉線用玻璃母材的直胴部的端部，是定義為具有在平均外徑D乘上係數β的外徑的部位。係數β是設於0.9～1.00(無因次)的範圍。例如，若設定β＝0.98、平均外徑D＝80mm，則在錐形部的附近，將達到外徑＝0.98×80＝78.4mm的位置作為直胴部的端部。
具有錐形部的拉線用玻璃母材，是藉由測定求得傾斜量δ及與平均外徑D的比δ/D，對傾斜量δ超過1.00mm者與δ/D超過0.03者，再度熔斷或研削加工使其限制於特定的數值。錐形部的長度LD是加工成形成外徑的平均值DM的1倍以上。當LD不足1倍，則在開始拉線時，由於不會成為纖維(fiber)的軟化降低量變多，所以會有不佳的結果。
又，如圖11所示，拉線用玻璃母材的錐形部亦可以藉研削加工而形成。亦即，如同一圖所示，邊使玻璃母材1於長度方向的軸周圍旋轉，邊對其機械的切斷面19以旋轉的旋轉砂輪26進行研削加工。藉此，在機械的斷面19具有的端部，可以形成如圖12所示的研削錐形部27。又，以該方法形成研削錐形部27時，玻璃母材1的旋轉軸也形成錐形部的軸。
另外，以如圖12所示的方法，進一步，也可以利用研削加工修正既存的錐形部。亦即，如同一圖所示，對於已經形成的研削錐形部27，藉由旋轉的旋轉砂輪26進一步進行研削加工，而可以修正研削錐形部27的形狀。又，也可以研削加工修正藉熔斷形成的熔斷錐形部等，亦可以組合其他種的加工方法來實施。
傾斜量δ是如圖5所示，表示通過直胴有效部兩端的中心的直線A與玻璃母材的中心線B的變位量，也就是中心變位量。曲線C是沿著玻璃母材的長度方向顯示中心線變位量的曲線。一方面，錐形部的傾斜量δ是表示在直胴部的端部與錐形部的傾斜評估端之間的中心線變位量的最大值。在另一方面，錐形部側的直胴部的端部與傾斜評估端之間的範圍為傾斜評估區23。
又，拉線用玻璃母材的直胴部的端部也成為錐形部的起點的位置，定義為具有在平均外徑D乘上係數β的外徑的部位。另外，係數β是設於0.9～1.00(無因次)的範圍。
另外，錐形部的傾斜量測定，雖使用介紹於日本專利第3222777號的光纖用預製(preform)形狀測定器，但若具備同樣功能的裝置則不限制於此。如此，測定、篩選的拉線用玻璃母材供給至拉線加工。
圖6是顯示將熔斷處所的中心線變位量修正為小於等於2.6mm之後，具有熔斷形成的熔斷錐形部20的拉線用玻璃母材。該拉線用玻璃母材的平均外徑為φ62mm、直胴部的長度為1040mm，且在一端具有機械的切斷面19，在另外一端具有熔斷所形成的長度LD77mm的熔斷錐形部20。加上該拉線用玻璃母材1的外徑及中心線變位量，使用形狀測定器測定熔斷錐形部20的傾斜量δ。
測定結果如圖7所示。又，該拉線用玻璃母材即使錐形部是以研削加工所形成者亦可。圖7(a)是顯示對拉線用玻璃母材的長度方向(橫軸)的外徑的變化，圖7(b)是顯示對玻璃母材的長度方向(橫軸)的中心線的變位量的變化。
熔斷錐形部的傾斜量δ的測定順序是如以下所述。首先，決定玻璃母材的直胴部的端部21與熔斷錐形部的傾斜評估端22。在外徑比較安定的中央附近的5處所測定外徑，求出外徑的平均值DM。直胴部的端部21的係數β＝0.98的部分，也就是外徑是作成0.98×DM的位置。
傾斜評估端22是將拉線用玻璃母材安裝於拉線裝置時，相當於加熱爐發熱體的中心的位置，在圖7(a)中，錐形部的外徑為形成φ20mm的位置，且拉線用玻璃母材的外徑是在φ20mm的位置藉拉線裝置開始加熱。圖7(b)的情形，錐形部的傾斜量δ極小，δ＝0.119mm。
以熔斷進行錐形部的形成時，錐形部的傾斜量大大地承受錐形部形成前的玻璃母材的中心線變位量，特別是錐形形成處所(熔斷處所)的中心線變位量的影響。因此，藉由熔斷縮小錐形部的傾斜量，必須預先縮小熔斷處所的中心線變位量。在本發明中，針對熔斷處所的中心線變位量與錐形部的傾斜量的關係重複細心檢討的結果，了解到為了將傾斜量設定為小於等於規定值的熔斷處所的中心線變位量。
圖8是顯示錐形部形成前的玻璃母材的中心線變位量與針對所形成的錐形部的傾斜量的一例。圖8(a)是顯示錐形部形成前的玻璃母材的外徑與中心線變位量。在該例，在玻璃母材的約略中央熔斷形成錐形部。比熔斷處所左側是形成拉線用玻璃母材的部分，右側是形成加工用虛擬棒。接著，測定形成錐形部的拉線用玻璃母材的中心線變位量，將其結果顯示於圖8(b)。此時的錐形部的傾斜量δ是依照上述的定義形成δ＝0.45mm，錐形部的傾斜量δ與拉線用玻璃母材的直胴部的平均外徑D的比δ/D形成0.007mm。
對於平均直徑D的傾斜量δ/D與光纖的偏心為相關函數，傾斜量δ/D若超過0.03，則光纖的偏心變大，過長變長。因此，δ/D超過0.03者，會再度熔斷加工成限制於特定的數值內。
另外，圖9是顯示熔斷位置的中心線變位量與熔斷形成的錐形部的傾斜量的相關性。圖中的直線是由各軸點以近似最小2次方計算而得的近似直線24。由圖9中，滿足δ/D≤0.03的範圍的中心線變位量e成為e≤2.6mm。修正加工玻璃母材至中心線變位量e成為e≤2.6mm的狀態為止之後，若以熔斷進行錐形部的形成，則可以充分的縮小錐形部的傾斜量。
實施例1如圖1所示，將在兩端具有機械的切斷面2的平均外徑φ62mm、長度1100mm的玻璃母材，安裝於具有形狀測定器的玻璃車床，測定玻璃母材的中心線變位量，在形成錐形部的熔斷處所的中心線變位量若超過2.6mm時，使玻璃母材旋轉且以燃燒器火焰使其加熱、軟化，使中心線變位量修正成小於等於2.6mm。接著，在上述熔斷處所熔斷，形成如圖6所示的熔斷錐形部作為拉線用玻璃母材。
在該拉線用玻璃母材中，外徑為0.98×DM＝60.8mm的直胴部的端部與錐形部的外徑成為φ20mm的傾斜評估端間的中心線變位量，也就是錐形部的傾斜量為極小的δ＝0.119mm、δ/D＝0.002mm。如此藉拉線充分的縮小錐形部的傾斜量的拉線用玻璃母材，可以提升製造光纖時的良率，可以降低光纖的製造成本。
實施例2準備數種類外徑不同的玻璃母材，分別藉熔斷形成錐形部進行拉線。此時的錐形部的傾斜量δ與玻璃母材外徑D的比δ/D以及拉線的光纖的過長的關係如圖10所示。圖中的近似直線25是針對位於δ/D≥0.035的範圍的軸點，藉由最小2次方近似計算而求得。由圖10可以確認在δ/D≤0.03的範圍內，過長几乎沒有變化，其變成極小。
使用本發明的製造方法所得的玻璃母材，可以極為有效地降低光纖的製造成本。
權利要求
1.一種玻璃母材的製造方法，其是熔斷圓柱狀的玻璃母材，製造具有形成於直徑約略一定的直胴部與在前述直胴部的一端，形成愈離開前述直胴部直徑愈變細的錐形部的拉線用玻璃母材；其特徵在於包括對前述玻璃母材的直胴有效部的中心線，將熔斷處所的中心線變位量修正為小於等於特定的數值，形成修正處所之後，在前述修正處所中熔斷前述玻璃母材形成錐形部的步驟。
2.根據權利要求1所述的玻璃母材的製造方法，其特徵在於其中前述修正包括使用玻璃車床使玻璃母材旋轉，且以燃燒器火焰加熱的操作。
3.根據權利要求1或2所述的玻璃母材的製造方法，其特徵在於其中前述特定的數值為2.6mm。
4.根據權利要求1～3任一項所述的玻璃母材的製造方法，其特徵在於其中前述熔斷包括藉燃燒器火焰加熱的操作。
5.根據權利要求1～4中任一項所述的玻璃母材的製造方法，其特徵在於其中在前述修正之後，將前述玻璃母材安裝於拉線裝置，並在拉線前進行前述熔斷。
6.一種玻璃母材，其是作為拉線用的玻璃母材，其具有圓柱狀的直胴部與形成於前述直胴部的一端的錐形部，使其愈離開前述直胴部的直徑變成愈細小；其特徵在於熔斷所修正的修正處所，形成使前述錐形部對於圓柱狀的玻璃母材全體中心線的中心線變位量變成小於等於特定的數值。
7.一種玻璃母材，是作為拉線用的玻璃母材，其包括具有平均外徑D的直胴有效部，以及形成於前述直胴有效部的一部份即直胴部的一端，愈離開前述直胴部直徑愈變細的錐形部；其特徵在於當將前述拉線用的玻璃母材朝拉線裝置安置時，對於前述直胴部的前述錐形部側的端部的中心，將前述錐形部的中心的變位量的最大值作為錐形部傾斜量δ時，其前述平均外徑D與錐形部傾斜量δ的比δ/D為δ/D≤0.03。
8.根據權利要求7所述的玻璃母材，其特徵在於其中前述直胴部的端部是具有在前述平均外徑D乘上位於0.90～1.00(無因次)的範圍的係數β值的外徑的部位。
9.根據權利要求7或8所述的玻璃母材，其特徵在於其中前述錐形部的長度LD為前述玻璃母材的全長的30～60％的範圍，且其為由前述玻璃母材的長度方向的中央附近隨機抽出3～10處所的外徑的平均值DM的1倍以上。
10.根據權利要求7～9中任一項所述的玻璃母材，其特徵在於其中前述錐形部是由熔斷或研削所形成。
11.一種光纖的製造方法，其是製造包括形成於具有平均外徑D的直胴部，以及在前述直胴部的一端形成愈離開前述直胴部直徑變愈細的錐形部的拉線用玻璃母材，其特徵在於該光纖的製造方法包括當朝拉線裝置安裝前述拉線用玻璃母材時，對於前述直胴部的前述錐形部側的端部的中心，將前述錐形部的中心變位量的最大值作為錐形部傾斜量δ時，由前述平均外徑D與錐形部傾斜量δ的比δ/D為δ/D≤0.03的拉線用玻璃母材作拉線的步驟。
全文摘要
一種玻璃母材及其製造方法以及光纖的製造方法，是當在光纖製造用的玻璃母材的端部形成錐形部時，將對玻璃母材的中心線的熔斷處所的中心線變位量修正為小於等於特定的數值之後，再由修正處所熔斷並形成錐形部。另外，在平均外徑D的直胴有效部與前述直胴有效部的一端具有錐形部的拉線用玻璃母材中，當將前述玻璃母材朝拉線裝置安裝時，在以前述錐形部的直胴有效部端與錐形部的傾斜評估端之間的玻璃母材的中心線變位量的最大值表示的錐形部傾斜量δ與前述平均外徑D的比δ/D成為δ/D≤0.03。藉此，可以迅速縮小開始拉線初期的光纖的偏心，使過剩長度減低。
文檔編號C03B37/027GK1960951SQ20058001740
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月10日 優先權日2004年5月28日
發明者坂下光邦 申請人:信越化學工業株式會社