專利名稱：制造玻璃預(yù)型體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造玻璃預(yù)型體的裝置和方法，其通過(guò)將玻璃顆粒沉積體脫水和燒結(jié)從而將其玻璃化成透明玻璃，以制造玻璃預(yù)型體。
背景技術(shù)：
在制造用于光纖的玻璃預(yù)型體的公知方法中，首先制造玻璃顆粒沉積體，然后通過(guò)脫水和燒結(jié)將其玻璃化成透明玻璃。在一些情況下，通過(guò)加熱使玻璃預(yù)型體軟化并將其拉長(zhǎng)，從而使其具有給定的外徑。氣相軸向沉積法(VAD法)、外部氣相沉積法(OVD法)等等是公知的制造玻璃顆粒沉積體的方法。在這些方法中，將諸如SiCl4和GeCl4等的玻璃原料氣體通過(guò)火焰水解(flame-hydrolysis)得到的微細(xì)玻璃顆粒沉積在起始玻璃棒上，從而得到玻璃顆粒沉積體。
為了將玻璃顆粒沉積體玻璃化成透明玻璃，將玻璃顆粒沉積體放入由氣密性好的石英玻璃或石墨制成的容器中，例如，向容器內(nèi)通入氦氣和氯氣，然后在1000℃或更高的高溫下加熱玻璃顆粒沉積體。容器必須設(shè)有用作裝入玻璃顆粒沉積體和取出透明玻璃的出入口的部分，因此，容器包括爐心管和蓋子。
爐心管和蓋子一般在其相應(yīng)的接合部分設(shè)有法蘭，用于在脫水和燒結(jié)過(guò)程中保持氣密性。雖然法蘭的接合面被拋光。但是，僅僅通過(guò)物理地接合法蘭表面不能得到足夠的氣密性。因此，當(dāng)將氦氣和氯氣導(dǎo)入容器中進(jìn)行熱處理時(shí)，已經(jīng)輸入的氣體可能會(huì)由于容器內(nèi)的壓力而泄露到外部，或者大氣可能會(huì)進(jìn)入容器中。
例如，如果容器內(nèi)部保持在低于外部壓力的壓力，進(jìn)入容器內(nèi)的外部氣體可能增多，諸如大氣中的金屬離子和OH基等的雜質(zhì)可能會(huì)混入玻璃預(yù)型體中。如果容器內(nèi)部保持在高于外部的壓力，則從容器泄露出去的氣體可能增大。因此，當(dāng)使用有害的氯氣氣體時(shí)，它可以對(duì)人體造成壞的影響；當(dāng)使用氦的惰性氣體時(shí)，可以使加熱爐周?chē)臍夥杖鄙傺酢６?，昂貴氦氣的泄露造成更大的浪費(fèi)。
因此，如同日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2002-211943和2004-115316中披露的，通過(guò)向爐心管和蓋子的接合面供給密封氣體，執(zhí)行改善密封的措施。圖2是日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2004-115316中披露的用于制造玻璃預(yù)型體的傳統(tǒng)裝置的示意圖。容器1分成至少兩部分爐心管2和蓋子3，分割的容器部分通過(guò)它們各自設(shè)置的法蘭2a和3a連接在一起。氣體導(dǎo)入部分5設(shè)置在容器1的下側(cè)，氣體排出部分6設(shè)置在上側(cè)。從而，將脫水和玻璃化透明玻璃所需的氯氣、氦氣等的氣體導(dǎo)入容器1內(nèi)。
蓋子3具有從玻璃顆粒沉積體7的端部延伸出來(lái)的玻璃棒8貫通的孔。玻璃棒上端連接支撐裝置(未圖示)。在孔附近設(shè)置抽氣裝置(未圖示)，從孔中泄露的氣體由抽氣裝置排出。圍繞容器1外周設(shè)置的多個(gè)加熱器4對(duì)裝在容器1內(nèi)的玻璃顆粒沉積體7進(jìn)行加熱。
在其內(nèi)側(cè)具有凹槽9a的兩個(gè)擠壓件9以包圍連接爐心管2和蓋子3的法蘭2a和3a的外周的方式而設(shè)置。用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)等提供預(yù)定擠壓力對(duì)擠壓件9進(jìn)行安裝，以便爐心管不會(huì)被過(guò)大的擠壓力破壞。通過(guò)擠壓件9內(nèi)側(cè)形成的凹槽9a從頂和底給予的楔作用，將法蘭2a和3a連接在一起。
當(dāng)擠壓件9設(shè)置在預(yù)定位置時(shí)，在法蘭2a和3a的外表面以及凹槽9a的底壁之間形成通道9b。例如從氣體供給部分供給的諸如惰性氣體等的密封氣體流過(guò)通道9b，以便被排出。這樣，即使氣體從法蘭2a和3a之間的微小間隙泄露，泄露的氣體也與供給到通道9b的密封氣體一起從氣體排出部分排出。這樣，可以完全防止容器內(nèi)的氣體通過(guò)接縫部分泄露或者雜質(zhì)進(jìn)入容器內(nèi)。
雖然氣體從容器的接合部分泄露的問(wèn)題，可以利用日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2002-211943或日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2004-115316中披露的方法解決。但是，由于需要擠壓件以及對(duì)擠壓件進(jìn)行擠壓的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、供給到擠壓件和法蘭之間的通道的密封氣體，以及需要密封氣體的供給和排出裝置等等，所以需要的設(shè)備是比較大型的，而提供這樣的大型設(shè)備是昂貴的。因此，需要提供一種簡(jiǎn)單方法，它不使用這種大型的設(shè)備，就能防止容器內(nèi)的氣體泄露到外部以及防止雜質(zhì)進(jìn)入容器內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于制造高質(zhì)量的玻璃預(yù)型體的安全的裝置和方法，其可以抑制爐心管和蓋子之間的接合部分的氣體泄露。
為達(dá)到此目的，通過(guò)加熱玻璃顆粒沉積體并將其玻璃化成透明玻璃體的制造玻璃預(yù)型體的裝置，包括(1)爐心管，其內(nèi)置入玻璃顆粒沉積體，(2)蓋子，其用于密封爐心管的出入口，以及(3)加熱器，其用于加熱玻璃顆粒沉積體。在此裝置中，爐心管和蓋子各自的接合面上的表面粗糙度等于或小于1.0μm，爐心管和蓋子各自的接合面上的平面度等于或小于30μm，并且接合面上的載荷等于或大于98N。
本發(fā)明的另一方面是經(jīng)由玻璃顆粒沉積體制造玻璃預(yù)型體的方法，包括以下步驟(1)將玻璃顆粒沉積體置于爐心管內(nèi)，(2)用蓋子密封爐心管的出入口，(3)加熱玻璃顆粒沉積體，以使其玻璃化成透明玻璃體。在這種方法中，爐心管和蓋子各自的接合面上的表面粗糙度等于或小于1.0μm，爐心管和蓋子各自的接合面上的平面度等于或小于30μm，并且接合面上的載荷等于或大于98N。


從以下的描述、所附的權(quán)利要求和附圖，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造玻璃預(yù)型體的裝置的示意圖；圖2是制造玻璃預(yù)型體的傳統(tǒng)裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造玻璃預(yù)型體的裝置的示意圖。本實(shí)施例的制造玻璃預(yù)型體的裝置可以對(duì)玻璃顆粒沉積體進(jìn)行脫水和燒結(jié)，從而將其玻璃化成透明玻璃。用于脫水/燒結(jié)的爐體包括容器11，容器11由具有優(yōu)異的耐熱性和耐腐蝕性的石墨和石英玻璃制成，并分成至少兩個(gè)部分爐心管12和蓋子13。爐心管12和蓋子13的接合部分具有寬的接合面12b和13b，例如，法蘭12a和13a。
在蓋子13的上端，設(shè)置這樣的孔即，從玻璃顆粒沉積體17的端部延伸出來(lái)的玻璃棒18(引棒(dummy rod)+支撐棒)以可轉(zhuǎn)動(dòng)方式能貫通該孔。圍繞容器11的外周設(shè)置的多個(gè)加熱器14對(duì)放置在容器11中的玻璃顆粒沉積體17進(jìn)行加熱。至于加熱器，可以使用那些電阻加熱型或感應(yīng)加熱型的加熱器。
在加熱器14外部設(shè)置隔熱材料(未圖示)，并且整個(gè)加熱部分用爐體19的壁覆蓋子，從而得到保護(hù)。氣體導(dǎo)入部分15設(shè)置在容器11的下部，氣體排出部分16設(shè)置在容器11的上部，以便用于熱處理的氯氣體、氦氣等氣體的導(dǎo)入和排出?？梢栽跔t體19的壁上設(shè)置監(jiān)視窗20，通過(guò)該監(jiān)視窗20可以監(jiān)視爐心管12的加熱狀況；以及輻射溫度計(jì)21，其用于測(cè)量爐心管鄰近周?chē)臏囟取?br> 通過(guò)調(diào)節(jié)施加到加熱器上的電流和電壓，可以將爐心管附近的溫度控制在預(yù)定溫度，從而在爐心管附近測(cè)量的溫度可以變成預(yù)定值。更具體地，將石墨管穿過(guò)爐壁以這樣的方式插入爐內(nèi)即，使管的封閉端靠近爐心管附近，將輻射溫度計(jì)從其開(kāi)口端插入管內(nèi)。用輻射溫度計(jì)測(cè)量從管的封閉端發(fā)出的光，并將測(cè)量到的溫度視為爐心管周?chē)臏囟龋ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)施加在加熱器上的電流和電壓，從而可以使該溫度達(dá)到預(yù)定值。
加熱玻璃顆粒沉積體17的方法包括在玻璃顆粒沉積體17的軸向位置固定在給定位置的狀態(tài)下，用加熱器14均勻地進(jìn)行加熱的方法；以及通過(guò)切換加熱器控制多個(gè)加熱器14的加熱條件，使加熱溫度在玻璃顆粒沉積體17的軸向變化的方法。在這種情況下，玻璃顆粒沉積體17可以轉(zhuǎn)動(dòng)，以使加熱狀態(tài)可以在圓周方向均等。另外，還有區(qū)域加熱法，其中，使玻璃顆粒沉積體17或加熱器14相對(duì)移動(dòng)。本發(fā)明可以應(yīng)用于任何這些加熱方法。
將爐心管12的法蘭12a以及蓋子13的法蘭13a各自的接合面12b和13b拋光，各自的接合面的表面粗糙度等于或小于1.0μm，各自的接合面的平面度等于或小于30μm，接合面12b和13b的載荷(蓋子重量)等于或大于98N(10kgf)。這里，本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)“表面粗糙度”是指JIS(B0601)中定義的表面粗糙度的算術(shù)平均粗糙度，本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)“平面度”是指JIS(B0610)中定義的表面粗糙度，平面度是通過(guò)將厚度計(jì)插在平板與置于平板上的被測(cè)樣品接合面之間進(jìn)行測(cè)量的。
考慮接合面12b和13b的面積，接合面的載荷可以轉(zhuǎn)換成壓力。在此實(shí)施例中，法蘭部分的內(nèi)徑和外徑分別是350mm和450mm。因此，可以計(jì)算出接合面12b和13b上適宜的壓力范圍等于或大于1560Pa。
通過(guò)使?fàn)t心管12和蓋子13的接合面12b和13b的表面粗糙度等于或小于1.0μm，使接合面12b和13b的平面度等于或小于30μm，并且使蓋子的重量大，由此增強(qiáng)接合面12b和13b之間的接合度，進(jìn)而接合面的氣體泄露以及從外部進(jìn)入的所有雜質(zhì)可以明顯減少，從而可以安全地制造出高質(zhì)量的玻璃預(yù)型體。
當(dāng)通過(guò)蓋子自身不能得到所需重量時(shí)，可以增加載荷以增大作用在接合面上的重量。另外，優(yōu)選地，爐心管12和蓋子13之間的熱膨脹系數(shù)之差等于或小于1×10-5/K。
表I表示由各個(gè)實(shí)例的玻璃預(yù)型體制造的光纖的傳輸損耗，其中，在上述設(shè)備的中，制造玻璃預(yù)型體時(shí)，改變爐心管和蓋子的接合面的表面粗糙度和平面度以及作用于接合面的載荷。
表I


為了制造玻璃預(yù)型體，首先，將玻璃引棒焊接在玻璃芯棒的兩端制備起始玻璃棒，該玻璃芯棒的直徑為20mm，具有芯/包層區(qū)。接著，通過(guò)VAD法在起始玻璃棒的外周形成有效部分的外徑為200mm和長(zhǎng)度為1000mm的玻璃顆粒沉積體。使用圖1所示制造玻璃預(yù)型體的裝置，通過(guò)將玻璃顆粒沉積體脫水和燒結(jié)，以便使其玻璃化成透明玻璃，從而制造出玻璃預(yù)型體。
所用的爐心管和蓋子都是由石英玻璃制成。玻璃顆粒沉積體的軸向位置在容器內(nèi)是固定的，以便被均勻加熱。在熱處理過(guò)程中，將容器的內(nèi)部壓力控制得比容器外部低100Pa。在加熱爐心管的同時(shí)，將由每分鐘0.1升Cl2氣和每分鐘20升He氣構(gòu)成的混合氣體同時(shí)流過(guò)容器，當(dāng)爐心管的溫度升高到1000℃時(shí)停止加熱，然后保持此狀態(tài)3小時(shí)。此后，將爐心管內(nèi)部溫度升高到1550℃，保溫2小時(shí)。隨后，將玻璃化成透明玻璃的玻璃預(yù)型體從容器內(nèi)部取出，并使用另外的制造設(shè)備拉成玻璃外徑為125μm的單模光纖。
在波長(zhǎng)為1.38μm的傳輸損耗α1.38的程度可以用作表示光纖內(nèi)含有OH基量的指標(biāo)。光纖中很多OH基的存在，意味著制造該光纖的預(yù)型體中的OH基增多。因此，可以假定在玻璃預(yù)型體的熱處理過(guò)程中，由于爐心管的接合面的密封狀況差，一定數(shù)量的周?chē)髿馔ㄟ^(guò)接合面之間的間隙進(jìn)入容器內(nèi)，大氣中的水分混入玻璃預(yù)型體中。因此，通過(guò)測(cè)量玻璃預(yù)型體制成的光纖的α1.38可以評(píng)價(jià)容器的接合面質(zhì)量。在本發(fā)明中，傳輸損耗α1.38低于0.7dB/km或更低，可以認(rèn)為在實(shí)際使用時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，被視為質(zhì)量好；而傳輸損耗α1.38高于0.7dB/km，被視為質(zhì)量差。
當(dāng)將實(shí)例1-3和比較例1和2(在所有這些例子中，平面度均為10μm，蓋子的載荷均為294N)的光纖傳的輸損耗α1.38進(jìn)行比較時(shí)，在表面粗糙度超過(guò)1.0μm的比較例1和2中，損耗超過(guò)0.7dB/km，比較例1和2的光纖按次品對(duì)待。另一方面，在表面粗糙度等于或小于1.0μm的實(shí)例1-3中，其傳輸損耗α1.38在質(zhì)量好的范圍內(nèi)。
當(dāng)將實(shí)例1、6和7以及比較例5和6(在所有這些例子中，表面粗糙度均為0.1μm，蓋子的載荷均為294N)的光纖的傳輸損耗α1.38進(jìn)行比較時(shí)，在平面度超過(guò)30μm的比較例5和6中，損耗超過(guò)0.7dB/km，比較例5和6的光纖按次品對(duì)待。另一方面，在平面度等于或小于30μm的實(shí)例1、6和7中，傳輸損耗α1.38在質(zhì)量好的范圍內(nèi)。
當(dāng)將實(shí)例1、4和5以及比較例3和4(在所有這些例子中，表面粗糙度均為0.1μm，平面度均為10μm)的光纖傳的輸損耗α1.38進(jìn)行比較時(shí)，在蓋子的載荷小于98N的比較例3和4中，損耗超過(guò)0.7dB/km，因此，比較例3和4的光纖按次品對(duì)待。另一方面，在載荷等于或大于98N的實(shí)例1、4和5中，傳輸損耗α1.38在質(zhì)量好的范圍內(nèi)。
這樣，當(dāng)以爐心管和蓋子的接合面的表面粗糙度等于或小于1.0μm、平面度等于或小于30μm以及蓋子的載荷等于或大于98N這樣的方式制造玻璃預(yù)型體時(shí)，大氣穿過(guò)接合面的流入可以被限制在不影響實(shí)際使用的程度。在上述評(píng)價(jià)中，容器內(nèi)的壓力低于容器外部的壓力。但是，在容器內(nèi)的壓力高于容器外部壓力的情況下，氣體穿過(guò)爐心管與蓋子的接合面的泄露可以認(rèn)為是與氣體流入的情況相同，并且可以有效地抑制氣體的泄露。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成，通過(guò)減小穿過(guò)爐心管與蓋子的接合面的氣體泄露，提高工作環(huán)境的安全性，并抑制外部雜質(zhì)進(jìn)入容器內(nèi)部，可以制造出高質(zhì)量的玻璃預(yù)型體。從而，使用高質(zhì)量的玻璃預(yù)型體可以生產(chǎn)出傳輸損耗小的光纖。
雖然結(jié)合目前認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于所給出的實(shí)施例，相反，其本意是覆蓋子包括在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等同結(jié)構(gòu)。2004年11月26日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?004-341678的日本專利申請(qǐng)的所有內(nèi)容，包括說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、附圖和摘要的全部?jī)?nèi)容在此以引用的方式并入本文。
權(quán)利要求
1.一種制造玻璃預(yù)型體的裝置，其通過(guò)加熱玻璃顆粒沉積體，然后將其玻璃化成透明玻璃體，以制造玻璃預(yù)型體，所述裝置包括(1)爐心管，其內(nèi)置入玻璃顆粒沉積體；(2)蓋子，其用于密封所述爐心管的出入口；以及(3)加熱器，其用于加熱所述玻璃顆粒沉積體，其中，所述爐心管和所述蓋子各自的接合面上的表面粗糙度等于或小于1.0μm，所述爐心管和所述蓋子各自的接合面上的平面度等于或小于30μm，并且所述接合面上的載荷等于或大于98N。
2.一種經(jīng)由玻璃顆粒沉積體制造玻璃預(yù)型體的方法，包括以下步驟(1)將玻璃顆粒沉積體置于爐心管內(nèi)；(2)用蓋子密封所述爐心管的出入口；以及(3)加熱所述玻璃顆粒沉積體，以使其玻璃化成透明玻璃體，其中，所述爐心管和蓋子各自的接合面上的表面粗糙度等于或小于1.0μm，所述爐心管和所述蓋子各自的接合面上的平面度等于或小于30μm，并且所述接合面上的載荷等于或大于98N。
全文摘要
本發(fā)明提供用于制造高質(zhì)量玻璃預(yù)型體的安全的裝置和方法，其可以抑制通過(guò)爐心管和蓋子之間的接合部分的氣體泄露。用于制造玻璃預(yù)型體的裝置包括(1)爐心管，其內(nèi)置入玻璃顆粒沉積體；(2)蓋子，其用于密封爐心管的出入口；以及(3)加熱器，其用于加熱玻璃顆粒沉積體。制造玻璃顆粒沉積體的方法包括以下步驟(1)將玻璃顆粒沉積體置于爐心管內(nèi)；(2)用蓋子密封爐心管的出入口；以及(3)加熱玻璃顆粒沉積體，以使其玻璃化成透明玻璃體。在上述裝置和方法中，爐心管和蓋子各自的接合面上的表面粗糙度等于或小于1.0μm，爐心管和蓋子各自的接合面上的平面度等于或小于30μm，并且接合面上的載荷等于或大于98N。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1781863SQ20051012416
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者石原朋浩, 守屋知己 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社