(57)【要約】      （修正有）【課題】不純物をほぼ回避するためのファイバ母材（または光ファイバ）を製造するための装置を提供する。【解決手段】２つのガラス部材の間に高強度溶接点を作成する装置及び関連処理。チャックは、筐体内部でガラス部材のそれぞれの第１端部を留めて、互いに向かって移動させ、そこで第２端部は加熱され、軟化され、溶接ゾーンで溶着される。前記筐体は積層した石英ガラスレンガの層を有して、溶接ゾーンがゆっくり冷却されて、応力を防ぐのを可能にする。前記ガラス部材が互いに向かって進む際、プロパン石英溶融トーチは前記筐体内に及び前記第２端部の方に炎を向ける。前記炎は第２端部を軟化して、増加した水酸化物含量を有する前記溶接ゾーンの実質的に滑らかな研磨表面を作成する。前記溶接ゾーンの少なくとも８０％は前記表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有し、前記溶接ゾーンの前記抗張力は約１０ＭＰａ超である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのガラス部材の間の溶接ゾーンの中央に高強度の溶接シームを作成する装置であって、各ガラス部材が第１端部、対向する第２端部及び地の表面を有し、前記装置が、
第１の前記ガラス部材の前記第１端部を留めるように構成される第１チャック、及び第２の前記ガラス部材の前記第１端部を留めるように構成される第２チャックであって、前記第１チャック及び前記第２チャックが互いに向かって前記ガラス部材を動かす、前記第１チャック及び前記第２チャックと、
筐体であって、第１の前記ガラス部材の前記第２端部及び前記第２ガラス部材の前記第２端部が、互いに向かって移動して、加熱され、軟化されて、一緒に溶接されて、前記溶接ゾーンに前記溶接シームを形成し、前記筐体が、積層した石英ガラスレンガの層を有し、前記溶接ゾーンがゆっくり冷却されて、前記溶接ゾーンの応力を回避するのを可能にする、前記筐体と、
前記ガラス部材が互いに向かって移動する際、前記筐体内に及び前記ガラス部材の前記第２端部の方に炎を向ける、少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチであって、前記炎が、前記ガラス部材の前記第２端部を軟化させて、増加した水酸化物含量を有する各前記ガラス部材の前記第２端部に近接した前記溶接ゾーンに実質的に滑らかな研磨表面を作成する、前記少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチと、を含み、
前記溶接ゾーンの少なくとも８０％が前記表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有し、前記溶接ゾーンの抗張力が約１０ＭＰａ超である、前記装置。
【請求項２】
より簡単な研磨のために前記溶接ゾーンを平滑化して形成するように構成されるパドルを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記筐体が溶融石英レンガで作成されている、請求項１〜２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４】
前記筐体により、前記溶接ゾーンが１分当たり約６０℃の速度で冷却されることが可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチが、約１２０ｋｗ〜約１３０ｋｗの定格電力を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
２つの前記ガラス部材のうちの少なくとも１つの前記第２端部が面取りされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記溶接ゾーンの少なくとも８０％が、前記表面から深さ１０μｍに約２０〜約１００ｐｐｍの間の水酸化物含量を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記円筒体の前記地の表面の粗さがＲｚ≦６μｍであり、滑らかな前記研磨表面の粗さがＲｚ≦０．３μｍである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ガラス部材のうちの少なくとも１つが中心孔を有する円筒体であり、
前記装置が、パージガスを前記中心孔内に導入し、前記炎が前記中心孔に入るのを防ぎ、前記円筒体の内側表面の前記水酸化物含量が前記円筒体の外側表面より少ないことを保証する、パージ装置及びガス管を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記パージガスが酸素である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ガラス部材のうちの１つが光ファイバ用の円筒体母材であり、
前記円筒体母材が約１５０ｍｍ超の外径、内径を有する中心孔、及び約３超の外径対内径の比を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記他のガラス部材が、約１０〜約５０ｐｐｍの間の水酸化物含量を有するハンドルである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
滑らかな前記研磨表面の外側の前記円筒体母材の前記水酸化物含有量が約１ｐｐｍ未満である、請求項１１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１チャック及び前記第２チャックが、前記第１ガラス部材及び前記第２ガラス部材を回転させるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
溶接アセンブリの２つのガラス部材の間の溶接ゾーンの中央に高強度の溶接シームを作成するプロセスであって、
（ａ）２つのガラス部材を提供することであって、２つの前記ガラス部材のそれぞれが第１端部、対向する第２端部及び地の表面を有する、２つの前記ガラス部材を提供することと、
（ｂ）旋盤の対応するチャックに各ガラス部材の前記第１端部を留めることと、
（ｃ）前記旋盤を使用して前記ガラス部材を互いに向かって筐体内に移動させることであって、第１の前記ガラス部材の前記第２端部及び第２の前記ガラス部材の前記第２端部が加熱され、軟化され、一緒に溶接されて、前記溶接ゾーンに前記溶接シームを形成し、前記筐体が、前記溶接ゾーンがゆっくり冷却されて、前記溶接ゾーンの応力を回避するのを可能にする、前記移動させることと、
（ｄ）前記ガラス部材が互いに向かって移動する際、前記筐体内に及び前記ガラス部材の前記第２端部の方に炎を向ける、少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチを使用して、前記筐体の前記第１ガラス部材の前記第２端部及び前記第２ガラス部材の前記第２端部を一緒にかつ同時に加熱して軟化させることであって、前記炎が、増加した水酸化物含量を有する前記各ガラス部材の前記第２端部に近接した前記溶接ゾーンに実質的に滑らかな研磨表面を作成する、前記加熱して軟化させることと、
（ｅ）前記ガラス部材の軟化した前記第２端部を互いに押圧して、前記溶接アセンブリの前記溶接ゾーンに前記溶接シームを形成することと、
（ｆ）周囲温度まで前記溶接アセンブリを冷却することと、を含み、
前記溶接ゾーンの少なくとも８０％が前記表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有し、前記溶接ゾーンの抗張力が約１０ＭＰａ超である、前記プロセス。
【請求項１６】
互いに対して前記ガラス部材の軟化した前記第２端部を押圧して、前記溶接ゾーンに前記溶接シームを形成する工程（ｅ）の後、前記溶接ゾーンの外側表面に対してパドルを押圧し、前記溶接ゾーンを形成する工程を更に含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記ガラス部材のうちの少なくとも１つが中心孔を有する円筒体であり、
前記プロセスが、前記第１ガラス部材の前記第２端部及び前記第２ガラス部材の前記第２端部を一緒にかつ同時に加熱して軟化させる工程（ｄ）の間、パージガスを前記中心孔内に導入して、前記炎が前記中心孔に入るのを防ぎ、前記円筒体の内側表面の前記水酸化物含量が前記円筒体の外側表面より少ないことを保証することを更に含む、請求項１５〜１６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１８】
冷却の工程（ｆ）の後、前記溶接ゾーンの前記表面から前記深さ１０μｍを除去する工程を更に含む、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記工程の少なくとも一部の間、１分当たり約６０℃の速度で冷却の工程が行われる、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記円筒体の地の表面の粗さがＲｚ≦６μｍであり、滑らかな前記研磨表面の粗さがＲｚ≦０．３μｍである、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記溶接ゾーンの少なくとも８０％が、前記表面から深さ１０μｍに約２０〜約１００ｐｐｍの間の水酸化物含量を有する、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２２】
２つのガラス部材を提供する工程（ａ）が、２つの前記ガラス部材のうちの少なくとも１つに面取りした第２端部を提供することを含む、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は概ね、細長いガラス部材を製造することに関し、更に具体的には、本出願は、大きな断面積を有する重いガラス母材を製造するための方法及び装置に関し、最も具体的には、第１ガラス部材と少なくとも１つの第２ガラス部材の間に溶接継手を作成する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英ガラス部材は、多くの用途（例えば、管または中実円筒体の形態で光ファイバを製造するために使用する半完成の母材；ランプ製造での紫外線、赤外線及び可視スペクトル領域のランプならびにラジエータ用のスリーブ管、ガラス球、カバープレートまたは反射器キャリヤ；化学装置構築または半導体製造での半導体構成要素、ジグ、ベルジャー、るつぼまたは保護シールド処理のための石英ガラスの反応器及び装置の形態；または管、棒、プレート、フランジ、環またはブロックを含む単純な石英ガラス部材）で使用される。特別な性質を作成するために、石英ガラスは、他の物質（例えばチタン、アルミニウム、ホウ素、ゲルマニウムまたはこれらの物質の組み合わせ）によってドープされる。
【０００３】
光ファイバの設計及び用途に関する応用科学及び工学技術の分野は、ファイバオプティックスとして公知である。光ファイバは、ヒトの毛髪よりわずかに太い直径までガラス（シリカ）を引き伸ばすことにより製造される、可撓性で透明な繊維である。光ファイバは、ほとんどの場合、ファイバの両端の間に光を伝達するために使用され、光ファイバ通信で広く用いられており、そこで、ワイヤケーブルより長い距離にわたって及び高い帯域（データ速度）での伝送を可能にする。ファイバは、信号が低減した損失でそれらに沿って移動するので、金属ワイヤの代わりに使用される。更に、ファイバは、電磁干渉（金属ワイヤを悩ます問題）にも影響を受けない。ファイバは照明でも使用されて、画像伝達で使用できるようにバンドルで包まれ、そうしてファイバスコープの場合のように閉鎖空間内の観察を可能にする。特別に設計されたファイバは、様々な他の用途（例えば、光ファイバセンサ及びファイバレーザー）でも使用される。
【０００４】
光ファイバは通常、低屈折率を有する透明なクラッド材料によって囲まれる透明なコアを含む。光は、ファイバを導波路として機能させる内部全反射の現象によって、コアに保持される。多くの伝播路または横モードを支援するファイバは多モードファイバと呼ばれており、単一モードを支援するものは単一モードファイバと呼ばれている。
【０００５】
光ファイバは、通常、２つの別個の工程で製作される。最初に、母材の棒が調製されて、そうして母材は、ロッドインチューブ法（ＲＩＴ）またはオーバークラッドロッドインシリンダ（ＲＩＣ）工程によって作成される。次に、光ファイバは、作成した母材から溶融線引される。２つの工程の最初のものを完了して、光ファイバ母材を作成する従来の方法及び装置は、Ｏｈらに発行された米国特許第６，０５３，０１３号に開示されている。
【０００６】
具体的には、Ｏｈらは光ファイバ棒のオーバークラッド装置を提供する。オーバークラッド装置は、立て旋盤、立て旋盤の各端に取り付けられるチャック、立て旋盤の両端の間を垂直に移動するための立て旋盤の往復台、往復台に取り付けられる酸素水素バーナー、往復台に取り付けられる炉、立て旋盤の端に提供される真空ポンプ、立て旋盤の端まで真空ポンプを接続するためのカプラ、ならびに往復台の垂直運動、酸素水素バーナーの流量及びチャックの回転を制御するための立て旋盤の外側のコントローラを含む。炉は、ガラス管で母材をオーバークラッドするために、ガラス管を予熱または加熱する。特許は、２０００年にＯｈらに発行された。
【０００７】
更に最近になると、石英ガラス管、棒またはつぶしたオフラインロッドインシリンダ（ＯＲＩＣ）の母材は、下端がストランドを軟化させて形成し始めるように、垂直配向の加熱ゾーンを含む装置（例えば、炉）に石英ガラス部材（例えば、円筒体、インゴットまたは非コラプスＲＩＣ）を入れることにより作成された。そうしてストランドは、１セット以上の牽引ホイールを含む牽引装置に置かれる。ストランドの線引速度は牽引ホイールの速度により制御され、それは形成ゾーン温度もしくは粘性及びホイールにより支持されるストランドの重量に応じて、下向き力または上向き力を適用できる。形成は、成形型を使用せずに行われる。したがってストランドの寸法は、石英ガラス部材の供給速度、加熱ゾーンの温度及び牽引ホイールの速度により制御される。
【０００８】
細長くされる石英ガラス円筒体の端がより小さい直径のダミー管またはホルダの形状で取り付け部分に溶接される場合、牽引段階を改良できる。この部分は、牽引工程を短縮することができ、同時に材料の損失を減らすことができる。通常、ホルダとして有用な石英ガラス部材は細長くされる石英ガラス円筒体の上端に溶接されるが、ホルダは円筒体の下端にまたは両端に溶接されることができる。
【０００９】
このようなアセンブリを製造するのに適している方法は、Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｔｅｎｅｖｏ  ＧｍｂＨを代表して出願した国際特許公開第ＷＯ２００７／０３９４２６号に記載されている。光ファイバ用母材として機能する石英ガラス管をダミー管またはホルダに突合せ溶接するために、互いに接続している前面は、溶融結合の形成の前に面取りされることができる。結合面はプロパン／酸素バーナーまたは電気的に加熱した炉を使用して軟化されて、それから結合面は互いに対して押圧される。
【００１０】
Ｓｈｉｍａｄａらに発行され、対象出願の譲受人Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｑｕａｒｚｇｌａｓ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧに譲渡された米国特許第６，４８４，５４０号は、光ファイバ母材として使用するためにダミー管を石英ガラス管に溶接する方法が開示されている。前記方法は、石英ガラス管をダミー管と溶接する前のダミー管の及び／または石英ガラス管の内縁部を面取りすることを含む。それからダミー管及び石英ガラス管は、互いに溶接される。
【００１１】
Ｓａｔｔｍａｎｎに発行されて、Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｑｕａｒｚｇｌａｓ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧに譲渡された米国特許第８，１６１，７７２号は、石英ガラスから製造される光学要素の製造のための方法を開示する。石英ガラスジャケット管によって囲まれるコアロッドの同軸配置は、加熱ゾーン内に垂直方向に導入されて、加熱ゾーン中で部分ごとに軟化されて、延伸バルブが形成されると細長く伸ばされて、石英ガラス部材を得る。上下に配置された少なくとも２つの別個のコアロッド部分を有するコアロッドが使用され、上側のコアロッド部分の重量は、延伸バルブ上に提供されるジャケット管の取り付けまたは支持領域により支持される。
【００１２】
従来の下方へ線引システム及び工程により、原型の円筒体またはクラッドサイズに近接する、より大きな外径の母材を作成するには大きな問題がある。かなりの量の良好な母材ガラスは工程の開始で無駄になってしまい、母材の形状及び導波性は、形状、クラッド対コア比及び湾曲などのパラメータに関して要求される仕様からほど遠い。したがって、従来の母材システム及び工程には明白な欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の母材製造工程に特有の問題を解決するために、光ファイバ母材（または光ファイバ）を製造するための装置、及びその装置を使用する関連工程の第１の目的は、不純物をほぼ回避しつつ、接合した石英ガラス部材の間に正確かつ再現可能な方法で中実溶接シームを作成することである。第２の目的は、従来のシステム及び工程の特有の廃棄物及び集合体を最小化して、可能であればそれを除去することである。第３の目的は、石英ガラス部材の間に溶接継手を作成する、単純で操作上信頼性が高く、比較的安価な装置を提供することであり、前記装置は関連工程を行うのに特に適している。
【００１４】
更なる目的は、高い溶接強度をもたらし、溶接部分の内径の収縮が生じない溶接工程を提供することである。また更なる目的は、有利には、超高比の円筒体を溶接することである。関連する目的は、排除できない場合、特に冷却中の応力、亀裂及び破損の危険性を低減しつつ、約３．２超の外径対内径比を有する円筒体を溶接することである。
【００１５】
有限要素モデリングを使用して、溶接工程に最適な方策パラメータを効率よく開発することも、目的である。関連する目的は、開発の間、必要な試験の数を減らすことによって、貴重な生産能力を節約することである。更に別の関連する目的は、良好な母材及び光ファイバ収率の最終的な量を「絞り出す」ことができる、特に母材の両端で、加熱及びガラス流の複雑な熱物理学の正確な理解を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するために、２つのガラス部材の間の溶接ゾーンの中央に高強度の溶接シームを作成する装置及びその装置を使用する関連工程を提供する。各ガラス部材は、第１端部、対向する第２端部、及び地の表面を有する。装置は、第１ガラス部材の第１端部を留めるように構成される第１チャック、及び第２ガラス部材の第１端部を留めるように構成される第２チャックを含み、第１チャック及び第２チャックは互いに向かってガラス部材を動かす。筐体、好ましくはレンガハウス筐体が、装置に更に含まれる。そこで、第１ガラス部材の第２端部及び第２ガラス部材の第２端部は、互いに向かって移動して、加熱され、軟化されて、一緒に溶接されて、溶接ゾーンに溶接シームを形成する。レンガハウス筐体は、積層した石英ガラスレンガの層を有し、溶接ゾーンがゆっくり冷却して、溶接ゾーンの応力を回避するのを可能にする。ガラス部材が互いに向かって移動する際、レンガハウス筐体内に、及びガラス部材の第２端部の方に炎を向ける、少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチも、本装置に更にまた含まれている。前記炎は、ガラス部材の第２端部を軟化させて、増加した水酸化物含量を有する各ガラス部材の第２端部に近接した溶接ゾーンに実質的に滑らかな研磨表面を作成する。溶接ゾーンの少なくとも８０％は表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有して、溶接ゾーンの抗張力は約１０ＭＰａ超である。
【００１７】
関連処理は、溶接アセンブリの２つのガラス部材の間の溶接ゾーンの中央に高強度の溶接シームを作成する。前記処理は、以下の工程、（ａ）それぞれが第１端部、対向する第２端部及び地の表面を有する２つのガラス部材を提供することと、（ｂ）旋盤の対応するチャックに各ガラス部材の第１端部を留めることと、（ｃ）旋盤を使用してガラス部材を互いに向かって、レンガハウス筐体内に移動させることであって、そこで、第１ガラス部材の第２端部及び第２ガラス部材の第２端部が加熱され、軟化され、一緒に溶接されて溶接ゾーンに溶接シームを形成し、レンガハウス筐体は、積層した石英ガラスレンガの層を有し、溶接ゾーンがゆっくり冷却されて、溶接ゾーンの応力を回避するのを可能にする、前記移動させることと、（ｄ）ガラス部材が互いに向かって移動する際、レンガハウス筐体内に、及びガラス部材の第２端部の方に炎を向ける、少なくとも１つのプロパン石英溶融トーチを使用して、レンガハウス筐体の第１ガラス部材の第２端部及び第２ガラス部材の第２端部を一緒にかつ同時に加熱して軟化させることであって、前記炎が、増加した水酸化物含量を有する各ガラス部材の第２端部に近接した溶接ゾーンに実質的に滑らかな研磨表面を作成する、前記加熱して軟化させることと、（ｅ）ガラス部材の軟化した第２端部を互いに押圧して、溶接アセンブリの溶接ゾーンに溶接シームを形成することと、（ｆ）周囲温度まで溶接アセンブリを冷却することと、を含む。この場合も、溶接ゾーンの少なくとも８０％は表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有して、溶接ゾーンの抗張力は約１０ＭＰａ超である。
【００１８】
上述の一般的な説明及び以下の詳細な説明はどちらも例示的なものであり、本発明を制限するものではないことを理解すべきである。
【００１９】
本発明は、添付の図面と共に読むと、以下の詳細な説明から最も深く理解される。一般的な慣行に従い、図面の種々の特徴は縮尺どおりではないことを強調する。反対に、様々な特徴の寸法を、明確化のために場合により拡大または縮小している。図面には、以下の図が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】コアロッド、内側ジャケット管、及びホルダが母材を形成するために固着される外側ジャケット管からなる同軸配置の一実施形態の全体図である。
【図２】コアロッド、内側ジャケット管、及び外側ジャケット管からなる同軸配置の別の実施形態の全体図であり、そこで別個のホルダが母材を形成するために内側ジャケット管及び外側ジャケット管に固着されている。
【図３】図３ａ及び図３ｂは、母材及びホルダとして使用するための両方の円筒体の面取り端部を示し、２つの要素が固着される前を図３ａに、固着された後を図３ｂに示す。
【図４】図４ａは、マッフル管の形状の筐体を有する装置の一実施形態の側面図である。図４ｂは、図４ａに示すマッフル管の正面図である。
【図５ａ】溶接シームがあまりに急速に冷却されるのを防ぐための、横旋盤上に設置されたレンガハウス筐体の正面図である。
【図５ｂ】図５ａに示すレンガハウス筐体の側面図である。
【図６ａ】レンガハウス筐体を使用しない、溶接シームの冷却を示す。
【図６ｂ】比較のために、レンガハウス筐体を使用する溶接シームの冷却を示す。
【図７】筐体内部で２つのガラス部材を溶着するために必要な熱を提供する、適切な加熱トーチを示す。
【図８】図８ａは、トーチによるより簡単な火炎研磨用に溶接点を平滑化するために使用するパドルの上面図である。図８ｂは、図８ａに示すパドルの側面図である。
【図９ａ】地の表面領域及び火炎研磨した表面領域を強調する、２つの溶接した中空円筒体を示す。
【図９ｂ】図９ａに示す円筒体の中心軸線に沿った、粗さ及び表面水酸化物値を示す。
【図１０】パージガスを装置に送るガス管、及び関連するパージ支援システムを含む装置の実施形態を示す。
【図１１】前記パージ支援システムのパージ装置を係合かつ保持する、図１０に示すパージ支援システムの接続を示す。
【図１２】図１０に示すパージ支援システムの枢動アームがどのように前記パージ支援システムの垂直支柱の周囲を枢動できるかを示す。
【図１３】前記パージ支援システムのホイールと下側軌道の間の係合を強調している、図１０に示すパージ支援システムの背面図である。
【図１４】図１１に示すパージ装置の例示的実施形態の斜視図である。
【図１５】ハンドルを円筒体に溶接する例示の処理の各工程の間、互いに対する及びレンガハウス筐体に対する、ハンドル、円筒体ならびに２つのトーチの位置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここで図面を参照するが、図面を含む種々の図の全体にわたって類似の参照番号は類似の要素を指し、図１は、一実施形態に従って光ファイバ母材（または光ファイバ）を製造するための装置１０を示す。装置１０は、ガラスクラッド内に置かれる導波性光ファイバコアを形成する、ガラスコアロッド１を含む。更に具体的には、クラッドは好ましくはコアロッド１上に形成されて、放射状にコアロッド１を囲む。クラッドは、１つの管で、または図１に示すように、ガラスの内管２及び外管３で形成されることができる。コアロッド１、内管２及び外管３の長手方向軸線は、装置１０全体の垂直に配向した中心軸線４に対して同軸の方向にそれぞれ延在する。第１空隙５はコアロッド１と内管２の間に最初に存在し、第２空隙６は内管２と外管３の間に最初に存在する。クラッドは外径「ＯＤ」を有する。
【００２２】
クラッドは、純粋な石英ガラス、または少なくとも８５％のＳｉＯ２成分を有するドープした石英ガラスでもよい。しかし、好ましくはクラッドは高純度の石英ガラスである。コアロッド１は、好ましくは大部分は純粋な石英ガラスである。石英ガラスは、低熱膨張係数によって、広い波長帯にわたる光透明性によって、及び高い化学抵抗及び熱抵抗によって区別される。高純度の石英ガラスは、不純物Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの総含量が重量を基準にして１０ｐｐｍ未満である、石英ガラスとして定義される。
【００２３】
クラッド及びコアロッド１はそれぞれ、任意の好適な工程（例えば、溶融石英、または内部蒸着、外部蒸着及び軸蒸着を含む、１つ以上の種類の化学蒸着（ＣＶＤ））によって形成されることができる。コアロッド１の材料は、周囲のクラッドの材料の屈折率より大きい屈折率を通常有して、母材から線引されるファイバを通過する光信号の内部反射を可能にし、効率的な導波路をもたらす。
【００２４】
図１に戻ると、第１ホルダ１４（「ダミー管」と呼ばれる場合もある）は、外管３の上端に接合される、溶融される、または溶接される（ひとまとめにして「溶接される」）。第１ホルダ１４は通常、コアロッド１またはクラッドより低質かつ低コストの石英ガラス（例えば、より多くの不純物、泡などを含有する石英ガラス）でできている円筒体である。第１ホルダ１４は通常、薄型であり、小型の外径を有し、コアロッド１またはクラッドにほぼ等しい内径を有する。第１ホルダ１４は、外管３を保持して移動するグリッパー（図示せず）用のレシーバとして有用な周囲の矩形溝１５を有する。外管３が中心軸線４に対して横方向に載置するジンバルの周囲を枢動できるように、グリッパーはジンバルで支えられ、それは延伸工程の間の自動調心に寄与する。
【００２５】
第１ホルダ１４の上端は蓋１７によって閉じられて、それを通って、ガス管１８が通過する、外管３の内側孔、したがって内管２の内側孔も排気され得る、及びパージガスが導入され得る。更なる石英ガラス部分１９は、コアロッド１及び内管２の上端に置かれる。部分１９は、部分１９を通して及び内管２の内側孔内に真空を通すための溝または孔も有する。コアロッド１が延伸工程の間に浮動するのを防ぐ、支持棒２０は、部分１９と蓋１７の間に延在する。
【００２６】
装置１０の代替的実施形態が、図２に示される。図１とは対照的に、図２による実施形態は、小さい開口部１ｃによって分離される上側コアロッド部１ａ及び下側コアロッド部１ｂに分割されたコアロッド１を示す。上側コアロッド部１ａ及び下側コアロッド部１ｂのそれぞれは、約３ｍの長さを有することができる。この実施形態は、内管２上の上側コアロッド部１ａの宙吊り取り付けを可能にする。内管２は、内管２の上端に接合、溶融または溶接される石英ガラスの第２ホルダ１４ａによって保持される。そうでなければ、内管２に対する第２ホルダ１４ａの構成は、外管３に対する第１ホルダ１４の構成と類似している。したがって、図２に示す装置１０の実施形態は、光学母材を製造する工程中に複数のホルダが複数のガラス部材に取り付けられ得ることを示す。
【００２７】
上側コアロッド部１ａの宙吊り取り付けは、その壁を通って及び上側コアロッド部１ａの上端を通って内管２の上端で延在する、石英ガラスピン７によって達成される。この目的で、上側コアロッド部１ａは、ピン軸周囲での枢動性を確実にする適切な孔を備える、冷却状態で提供される。下側コアロッド部１ｂは、その壁を通して内管２の下端で延在する更なる石英ガラスピン８上にある。小さい開口部１ｃは、コアロッド部１ａ、１ｂの間に残る。内管２の内側孔の真空気密性は、外管３によって確実にされる。
【００２８】
装置１０の更なる実施形態（図示せず）は、図１に示す実施形態のいくつかの態様及び図２に示す実施形態のいくつかの態様を含む。例えば、図２に示した実施形態に特徴的な上側コアロッド部１ａの宙吊り取り付けの代わりに、更なる実施形態は、ピン７、８を図１に示す実施形態に特徴的な蓋１７、部分１９及び支持棒２０と交換する。したがって、第１ホルダ１４及び第２ホルダ１４ａの上端は蓋１７（所望により、それを通って、ガス管１８が通過できる、外管３の内側孔、したがって内管２の内側孔も排気され得る、及びパージガスが導入され得る）によって閉じられる。部分１９は、第２ホルダ１４ａが取り付けられる内管２の上端上ではなく、図１に示す実施形態と異なり上側コアロッド部１ａの上端上だけに配置される。支持棒２０は上側コアロッド部１ａが延伸工程の間に浮動するのを防ぎ、部分１９と蓋１７の間に延在する。
【００２９】
別の実施形態（図示せず）で、第１ホルダ１４（または代わりのホルダ）は、コアロッド１に取り付けられることができる。したがって別個のホルダはそれぞれ、コアロッド１、内管２及び外管３に取り付けられることができる。２つのホルダは、更なる別の実施形態（図示せず）でコアロッド１、コアロッド１の各端上の１つのホルダに取り付けられることができる。
【００３０】
実施形態を問わず、装置１０は通常、下側開放端、予熱絶縁ゾーン、加熱ゾーン、後熱冷却、アニール及びオーブンガスパージゾーン、及び下側開放端に対向する上側開口端を有する。加熱ゾーンは、加熱要素（通常、オーブンまたは炉）によって、好ましくは５００℃〜２，３００℃、及び更に好ましくは１，０００℃〜２，３００℃、及び更に最も好ましくは１，５００℃〜２，３００℃の温度まで加熱されることができる。更に具体的には、加熱要素は好ましくは環状形状である。加熱要素は、装置１０の加熱ゾーンを形成する。不活性ガスは、酸化が母材の外側表面に生じるのを防いで、その優れた熱伝導率により母材の外側表面上の均一な熱温度分布を強化するために、高温で加熱要素に注入される。
【００３１】
装置１０を用いて母材を製造する工程は、図１を参照して説明される。ガラスアセンブリ（それは、コアロッド１及びクラッドを含む）は加熱され、軟化され、光学要素（例えば、光学ファイバ母材または光ファイバ）を形成するために引き伸ばされる。更に具体的には、ガラスアセンブリは、ガラスアセンブリが加熱ゾーンにてゾーン的方法で加熱される装置１０を通って、上方（または下方）方向に進む。母材は、溶融による変形（及び所望により、工程中の牽引力または圧縮力による伸張／延伸）によって連続的に作成される。
【００３２】
一実施形態で、ガラスアセンブリは、２つの別個のガラス部材、コアロッド１及びクラッドの同軸アセンブリである。更に具体的には、コアロッド１は中実の円筒状棒の形態であり、クラッドは１つの中空オーバークラッド円筒体の形態、または図１に示すように２つの中空のオーバークラッド円筒体は、内管２及びコアロッド１（すなわち、ロッドインシリンダアセンブリ）を囲む外管３を含む。同軸アセンブリで、ガラスアセンブリが加熱ゾーンに入る前に、コアロッド１及びクラッドは一緒に融着されない。
【００３３】
ガラスアセンブリのこの実施形態の同軸アセンブリが装置１０を通って進む際、２つのガラス部材を軟化させ一緒に融着させて、一体化したガラス体を形成するために十分な所定の温度まで、コアロッド１及びクラッドは加熱される（「所定の」とは、所定の特徴が決定されなければならないように、すなわちいくつかの事象に先立って選択されているまたは少なくとも知られているように、事前に決定されることを意味する。「一体化」とは、単一部分、または追加部分なしでそれ自体で完成する１つの一体型部分（すなわち、部分が別の部分を備えるユニットとして形成される１つの一体型構造部分である）を意味する）。更に具体的には、多部品型ガラスアセンブリの連続部分が、加熱ゾーンに接近して、加熱ゾーンで加熱される際、クラッド及びコアロッド１は軟化されて、軟化されたクラッドはコアロッド１上で潰れて、それと融合する。少なくとも１つの及びより好ましくは複数の母材または光ファイバは、得られた一体型構造のガラス体から線引されることができる。
【００３４】
好ましくは、アセンブリのこの実施形態の同軸配置は、５００℃〜２，３００℃、及び更に好ましくは１，０００℃〜２，３００℃、及び最も好ましくは１，５００℃〜２，３００℃の温度まで加熱される。より好ましくは、コアロッド１上のクラッドの軟化及び潰れは、１，０００℃〜２，２００℃、及び更に好ましくは１，３００℃〜２，０００℃、及び最も好ましくは１，６００℃〜１，８００℃の温度で生じる。軟化して潰れたクラッドと軟化したコアロッド１の融着は、好ましくは１，０００℃〜２，２００℃、及び更に好ましくは１，３００℃〜２，２００℃、及び最も好ましくは１，６００℃〜２，２００℃の温度で生じる。しかし当業者であれば、他の要因（例えば、ガラス材料の組成及びスループット）が、クラッドが潰れて、コアロッド１に融着する温度に影響を及ぼすと理解する。
【００３５】
本開示は、上述のとおりに２つの石英ガラス部材を取り付けるために使用する、溶接プロセスに焦点を合わせる。溶接プロセスは、旋盤の両方の石英ガラス部材を固定する工程と、旋盤を使用して石英ガラス部材を互いに向かって移動させる工程と、両方の石英ガラス部材の両面を接合して同時に加熱及び軟化を行う工程と、続いて互いに対して軟化した面を押圧して、溶接シームを有する部材アセンブリを形成する工程と、周囲温度まで部材アセンブリを冷却する工程と、を含む。必要に応じて、黒鉛パドルを軟化した外側表面に対して押圧して、前記表面は−特に同じ直径の２つの円筒体が融着される場合−この工程で形成される。
【００３６】
石英ガラス部材が溶接されるとき、不純物が、周囲雰囲気、加熱バーナーから、もしくは境界壁から形成され得る、または放出され得る。不純物は、接合される石英ガラス部材に、特に軟化した接続面上に堆積できる。これらの不純物は有害であり、境界面上の泡または他の欠陥に、またはガラスアセンブリの更なる工程中の破損にまでつながり得る。更に、溶接の間、望ましくない塑性変形は、溶融ゾーン領域で生じる可能性がある。変形が面倒な機械的再加工により排除される場合もあるが、寸法の誤差は通常見つかる。このような塑性変形は、溶接工程の間の不規則かつ不明確な加熱条件により促進される。
【００３７】
溶接工程が２つの石英ガラス部材を一緒に取り付けることを必要としているいくつかの用途で、部品の端を面取りすることは有用であるとわかった。装置１０に戻って、図３ａ及び図３ｂは、母材及び第１ホルダ１４（または、更に一般的には、任意のガラス部材の縁部分及びそのガラス部材に取り付けられる任意のホルダ）として使用するために、両方のコアロッド１の縁部分を面取りすることを示す。面取り９を有するコアロッド１及び面取り１１を有する第１ホルダ１４は、それらの２つの部材が取り付けられる（好ましくは、溶接によって）前を図３ａに、及びそれらが溶接シーム１３に沿って取り付けられた後を図３ｂに示す。比較的低コストの第１ホルダ１４は、比較的高価な石英ガラスコアロッド１の端に溶接されて、輸送、クラッドを有するコアロッド１を一体型構成のガラス体内に溶接するような処理工程などを容易にする。それらの目標に向けて、第１ホルダ１４は、コアロッド１への損傷の危険を冒さずに固定され、操作されることができる。
【００３８】
図３ａに示すように、面取りしたコアロッド１及び面取りした第１ホルダ１４は、両方の部材を加熱して溶融することにより一緒に溶接されて、そうして矢印１２の方向に互いに対して直接面取りした縁９、１１を押圧して、均一な一体型構成体１６を形成する。面取り９、１１は、酸素／水素バーナー、プロパン／酸素バーナーまたは電気炉を使用して加熱されて、一緒に溶融される。溶接棒は必要ない。溶接の後、必要に応じてまたは所望により、均一な一体型構成体１６の外側表面は、グラファイトこてまたはパドルまたは類似の成形ツールを使用して外周面を押圧することにより、形成されることができる。
【００３９】
１つの例示的実施形態で、母材として使用するために面取りしたガラスコアロッド１は、外形１８０ｍｍ及び内径５０ｍｍを有し、面取りした第１ホルダ１４は外形１２０ｍｍ及び内径５０ｍｍを有する。両方の部材の溶接側上の内側縁は、周方向１０ｍｍ及び長手方向１０ｍｍの長さで面取りされた。面取りで最も有益な量はコアロッド１及び第１ホルダ１４の内径、壁厚及び他の寸法に依存するが、面取りの好適な量は約２ｍｍ以上だが壁厚の３０％以下である。
【００４０】
面取り９、１１が形成された後、母材及び第１ホルダ１４として使用するためにコアロッド１の溶接側上の縁は、所定の発熱量、位置関係などを維持すると共に、約２０分間の加熱によって溶融されて、前記縁は、図３ａの矢印１２により示すように互いに対して押圧された。このように得られた一体型構成体１６の内径は５０ｍｍであり、それがコアロッド１及び第１ホルダ１４両方の第１内径を維持するとわかった。静荷重抗張力試験を実施する際、３トン（または約６，０００ポンド）の最大試験荷重が適用されたときでも、溶接シーム１３で破損が生じないことがわかった。
【００４１】
例示的実施形態が示すように、面取り９、１１は、コアロッド１及び第１ホルダ１４が、溶接シーム１３での破損の最小リスクと共に高い溶接強度を有する溶接シーム１３で溶着されるのを可能にする。溶接中に適用される圧力により膨張が発生する場合でも、面取り９、１１は更に、コアロッド１及び第１ホルダ１４が、コアロッド１及び第１ホルダ１４の実質的に一定の内径（例えば５０ｍｍ）を収縮せずに、一体型構成体１６を形成できる。面取り９、１１は、「Ｃ面取り」として公知の線面取り工程により形成されることができる。あるいは、類似の効果は、「Ｒ面取り」として公知の非線形面取りによって得られることができる。Ｃ面取りは、それが作業荷重（例えば、加工）を低減するので好ましい。
【００４２】
様々な従来の溶接工程が、ガラス管及び母材を取り付けるために必要な熱を発生させるために存在する。４つのこのような工程を順番に記載する。第１に、水素バーナーが、石英ガラスマッフルのないガラス旋盤と組み合わせて使用されてきた。この構成は他の工程より小さな領域を加熱して、溶接点の近くに応力帯を作成する。水素バーナーが限られた火力を提供するので、大きい火力需要を伴う用途では複数のバーナーアセンブリを必要とする。そうして複数のバーナーアセンブリはマッフル筐体に大きな開口部を必要とし、したがって適切に円筒体を保護することは非実用的である。更にマッフルがないと、溶接した部品は素早く冷却して、高応力を作成し、地の円筒体に不適当な構成を示す。現在利用可能な水素バーナー構成は、外径２００ｍｍを有し及び確実に外径２３０ｍｍほどではない円筒体を溶接するために十分な許容サイズならびに低い複雑さを有さない。この第１の従来工程により溶接されるガラス補足物（例えば、母材、管など）は通常、研磨表面を有する。
【００４３】
第２の従来の溶接工程は、石英ガラスマッフルのないガラス旋盤と組み合わせて、プラズマ溶接旋盤を使用する。この構成は火力制限も有し、現在、最大１５０ｍｍの外径を有する良質の部品を溶接できる。前記構成は、溶接の間、溶接点への接近を可能にせず、したがってパドルによる溶接部のスムージングは不可能である。溶接点の小さい環状溝は応力集中点として作用して、溶接点強度を低減する。この第２の従来の溶接工程の不利な点は、高コスト、高価な旋盤及び電力供給、高い自動化グレードの必要性、ならびに溶接中の空間に対する近づきにくさを含む。
【００４４】
第３の従来の溶接工程は、レーザーを使用する。レーザー装置は高価になる傾向があり、操作が困難であり得て、高い維持費を必要とする。高度なパーソナルスキル及び資格が、レーザーのオペレータに要求される。更にレーザー溶接は、１５０ｍｍより小さい直径を有するガラス部材に限定される。高応力が溶接点で生じるので、オフライン焼き戻しは、過剰な期間、高価なレーザー装置を使用することを回避するために必要である。また更に、円筒体の端及びハンドルでなされる切断は、レーザー溶接を可能にするために、非常に正確でなければならない（すなわち、部材間の極めて小さい空隙だけが許される）。
【００４５】
第４の従来の溶接工程は、抵抗炉または誘導炉などの炉を使用する。このような炉は高い器材コストを生じさせて、旋盤への提供が困難である。溶接の間、溶接点が見えない、または近づきにくいので、溶接寸法の厳しい仕様を保証することはほぼ不可能である。炉長は、特別な用途用の短い部材を溶接することも困難にする。炉は、水平にまたは垂直に配向されることができ、各配向には不利な点がある。垂直配向の炉は、より高い器材費及び建築費を有し、載置が困難である。水平配向の炉は、それ自体が炉パーツからの汚染の危険性があり（酸化粒子がガラス面上へ落下する可能性がある）、炉の適切な封止がより困難になる（ＺｒＯまたはセラミックヒーターは汚染の危険性を増大させる）。
【００４６】
ガラス管及び母材を取り付ける（例えば、溶接する）ために必要な熱を発生させるための、改良装置及びその装置を使用する関連処理の説明が、以下に続く。改良装置及び関連処理は、接合される石英ガラス部材の間に正確及び再現可能な方法で中実溶接シームを作成することによって、光学ファイバ母材を得て、そこで不純物がほとんど防止される。図４ａは、マッフル管の形状の筐体３５を有する装置１００の一実施形態の側面図である。図４ｂは、図４ａに示す筐体の正面図である。部材が筐体３５内で互いの接続面の領域で加熱されて、軟化される際、装置１００のこの実施形態は、部材の接続面の間の一体化した結合を形成することによって、第１ガラス部材と少なくとも１つの第２のガラス部材を接合する溶接方法を強化する。上記の実施形態に関して、例えば、第２ホルダ１４ａは、クラッドの中空内管２に溶接されて、輸送、処理などを容易にする。そうして、第２ホルダ１４ａを使用して、内管２は、光ファイバ用の母材内に、または直接コアロッド１と組み合わせた光ファイバ内に延長されて、それは中空内管２の内側孔内に挿入される。
【００４７】
装置１００は、一組のチャック３３を有する旋盤を含む。第２ホルダ１４ａ及び内管２のそれぞれの長手方向軸線が共通の中心軸線４に沿ってあるように、１つのチャック３３は第２ホルダ１４ａを留めて、残りのチャック３３は内管２を留める。換言すれば、第２ホルダ１４ａ及び内管２は互いに同軸であり、溶接されたそれらの対応する前方縁は互いに対向する。溶接される前方縁を含む第２ホルダ１４ａ及び内管２の対向領域は、筐体３５内で加熱され、軟化される。
【００４８】
一実施形態で、筐体３５は３つの部材として構成されて、両側で開口している。中心部は、２つの加熱バーナーまたはトーチ３７、３８が内部３９へ突き出る開口部３６を備える、その側壁に提供される（代替実施形態では、もちろん、１つ以上の加熱トーチ３７は、完全に筐体３５内部に配置されることができる）。図４ａ及び図４ｂに示すように、加熱トーチ３７、３８は互いに平行である。特定の用途は、加熱トーチ３７、３８の数（１つ、２つ以上）及びそれらが配置される方法の両方を定める。溶接される前方縁領域の筐体３５の壁周囲の加熱トーチ３７、３８の平行でない配置は、筐体３５のより大きい領域上へ加熱トーチ３７、３８の熱を分散させて、結果として筐体３５上の小さい熱負荷になる。加熱トーチ３７、３８は、筐体３５の内部３９に互いに対向して配置されることもできる。
【００４９】
旋盤は、回転有または回転無で作動することができる。しかし、通常、第２ホルダ１４ａ及び内管２は、共通の中心軸線４の周囲を回転する。第２ホルダ１４ａ及び内管２の回転は、例えばチャック３３を回転させることによって達成されることができる。特に加熱トーチ３７、３８が旋盤の片面上だけにあるとき、このような回転は、第２ホルダ１４ａ及び内管２の円周周辺を加熱することさえ確実にする。回転は、加熱中、冷却中、または好ましくは加熱及び冷却の両方の間、生じることができる。回転速度は、重要なパラメータである。通常、回転速度範囲は、０〜１００回転／分の間である。好適な回転速度範囲は、３０〜５０回転／分である。
【００５０】
一実施形態で、筐体３５は不透明な石英ガラスの管状体４０を有し、それは丸い断面を備える、Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｑｕａｒｚｇｌａｓ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ製の登録商標Ｒｏｔｏｓｉｌ（登録商標）下で市販されている。内部３９に向かう本体４０の内側は、１０ｍｍ〜１２ｍｍの層厚を有する内層４１で覆われることができ、それは高品質の石英から形成される。内部３９の丸い断面は、中心軸線４に同軸である加熱プロファイル、及びそれにより更に丸い断面を有する第２ホルダ１４ａ及び内管２を均一に加熱することを容易にする。更に、丸い断面は、中心軸線４の方向に実質的に層流噴出ガスフロー（通常、酸素フロー）の調整を単純化して、不純物または粒子が徐々に蓄積し得る死角を防ぐ。
【００５１】
例示の筐体３５は、約４００ｍｍの内径Ｄ、及び拡張継手として機能するその長さに沿った長手方向スリットを有する。加熱トーチ３７、３８の反対側で、筐体３５の内部３９は高純度石英ガラスの殻状挿入物４３で覆われており、それは筐体３５の中心部を熱から保護し、そのうえ筐体３５の熱容量を強化して、そうして筐体３５内部の温度分布を均一にする。筐体３５の前側開口部に沿ってある程度延在して、筐体３５から熱い排気ガスを除去する吸引装置４２は、筐体３５の上方に提供される。高純度グラファイトの支持体（図示せず）は、筐体３５を配置及び固定するために機能する。
【００５２】
第２ホルダ１４ａ及び内管２は、加熱トーチ３７、３８の熱によって筐体３５で軟化される。筐体３５は断熱を提供して、蓄熱体として作用する。これにより、溶接継手の質に有益な効果を有し、継手の再現可能な製造を容易にする、局所的に均質かつ均一な加熱プロファイルが得られる。筐体３５は加熱トーチ３７、３８の熱損失を低減して、溶着される部材の所定の徐冷も容易にし、その結果、溶接シーム１３の亀裂及び破損につながる可能性がある熱応力は最小化される。更に、筐体３５は外部環境から内部３９を実質的に保護して、その結果、浮遊粒子または他の不純物は大部分加熱ゾーンから遠ざけられる。
【００５３】
コントローラは、２つ以上の部材の間のデータフローを管理するまたは誘導する（すなわち、情報伝送を容易にする）ハードウエア装置またはソフトウエアプログラムである。装置１００は、コントローラ７０を含む。コントローラ７０は、例えばチャック３３、筐体３５、トーチ３７、３８及び吸引装置４２からデータを得て、そのデータを使用して装置１００の他の構成要素及び関連する溶接工程を制御する能力を提供する。コントローラ７０は、予め設定した制御プログラムまたはルーチンが効率的に最適加熱及び移動処理工程を保証するように、当業者に周知の方法でプログラムされている。コントローラ７０は、製造のためのロバストかつ再現可能な「ワンボタン」自動工程を保証するのを助ける。
【００５４】
それぞれ正面図及び側面図を表す図５ａ及び図５ｂに示すように、レンガハウス筐体３５と呼ばれている特定のタイプの筐体３５は、好ましくは横旋盤上に設置されて、溶接シーム１３があまりに急速に冷却されるのを防ぐ。レンガハウス筐体３５は、好ましくはＲｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガで製造される。最も好ましくは、Ｒｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガは、グレード不透明溶融材料（ＯＦＭ）７０で作成される。ＯＦＭ７０は、純粋な砂から電気的に溶融される。物理的に、溶融石英は非晶質に凝固する石英である−微細な気泡及び微量の金属酸化物の含有物がそれを白くかつ不透明にする。溶融は、回転成形型で行われる。この工程によって、得られる溶融石英生成物の内部輪郭は、はじめ単に遠心力により形成される。溶融熱は、内部燃焼電気アークによって提供される。この工程は、非常に平らで高密度の壁及び炎でつや出し加工した内側表面を有する軸方向に対称な形状を作成する。壁厚は、電気アークの強度及び燃焼時間で確定される。
【００５５】
ＯＦＭ７０は、腐食、高温、熱衝撃及び電気誘導に対して高耐性である。低熱膨張係数は、急速な加熱及び冷却を可能にする。ＯＦＭ７０は、かなり高温でも非常に有効な電気絶縁体である。ＯＦＭ７０の耐食性は本来、異物が材料の構造から放出されるのを防ぐのに十分である。この特徴は、ＯＦＭ７０に、純粋で透明な溶融石英ガラスの内側層を供給することによって更にもっと強化されることができ、それはＯＦＭ７０自体よりかなり少ない微量の不純物を含有する。
【００５６】
比熱容量（または、単に比熱）は、質量単位当たりの物質の温度を上昇させるのに必要なエネルギー量である。材料の比熱容量（Ｃ）は、定圧（Ｃｐ）で一般に測定される物理的特性である。ＳＩ単位で、比熱容量は、物質１ｋｇを１ケルビン度上昇させるために必要なジュール熱量であり、したがってｋｇ（またはｇ）当たりのケルビン度当たりジュールで計算される。
【００５７】
分子（単原子からなるガスとは異なり）を含む物質の比熱容量は定数ではなく、それらは温度に応じていくらか変化する。したがって、測定がなされる温度も通常明記される。例えば、石英ガラス（レンガハウス筐体３５を製造するために用いる）の比熱容量（Ｃｐ）は、以下のとおり温度によって変化する。１，０００ケルビン度でＣｐ＝１．１７Ｊ／（ｇ＊Ｋ）、１，５００ケルビン度でＣｐ＝１．２７Ｊ／（ｇ＊Ｋ）及び２，０００ケルビン度でＣｐ＝１．４９Ｊ／（ｇ＊Ｋ）。比熱容量は、どれくらいのエネルギーが、所定量当たりの所定質量の物体（例えば、レンガハウス筐体３５）を加熱または冷却するために必要かの指標を提供する。それにより、このエネルギー要求量は、その工程のコスト上の問題と同様に、加熱または冷却工程がエネルギー供給下でどれくらい時間がかかるかに関する情報をもたらす。
【００５８】
図５ａ及び図５ｂで示すように、レンガハウス筐体３５は、グラファイトプレートで作成される基部または第１層４６を有する。Ｒｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガの適切な数の層４８が、第１層４６上に配置されている。積み重ねられたＲｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガの１１つの層４８は、図５ａ及び図５ｂに示される。第１層４６及びＲｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガ層４８の適切な寸法（ｍｍ）も示されている。レンガハウス筐体３５は、合理的な時間量の溶接ゾーンの適切な火炎研磨を可能にする、溶接シーム１３周囲の熱分布を確実にする。熱及び水酸化物は、ハンドルと円筒体間の溶接シーム１３周囲に均等に分配される。Ｒｏｔｏｓｉｌ（登録商標）レンガハウス筐体３５は以前可能だったものよりゆっくりとした材料の冷却を可能にして、低応力な溶接点をもたらす冷却速度を得る。
【００５９】
図６ａは、レンガハウス筐体３５を使用しない、溶接シーム１３の冷却を示す。示されているように、溶接シーム１３を約２，１００℃から約６５０℃まで冷却した。更に具体的には、溶接シーム１３は、約３．３３分間で約１５００℃から約９００℃まで冷却した（約１８０℃／分の速度）。
【００６０】
図６ｂは、レンガハウス筐体３５を使用する、溶接シーム１３の冷却を示す。示されているように、溶接シーム１３を約２，１００℃から約６５０℃まで冷却した。更に具体的には、溶接シーム１３は、約１０分中に約１５００℃から約９００℃まで冷却した（約６０℃／分の速度）。
【００６１】
図６ａと図６ｂの間の比較は、レンガハウス筐体３５を用いて得られる冷却速度が約１／３に低減され得ることを示す。このような徐冷速度は、溶接シーム１３の強度を高める。レンガハウス筐体３５は、冷却速度と溶接サイクル時間の間の最適比を達成する。
【００６２】
上述のような有利な冷却速度は、低応力溶接部を得る。溶接シーム１３全体の強度は、小さい内径を有するＯＤ２００ｍｍの円筒体を溶接できるのに十分に高い。開示された工程を使用して溶接される円筒体は、最高２５０ｋｇ（例えば、ＯＤ＝２１０ｍｍ、ＩＤ＝４３ｍｍ、長さ＝３，４００ｍｍ）の重量を有することができる。このような円筒体は、二重円筒体として溶接される。このようなアセンブリのバッチ重量は、約５５０〜６００ｋｇの範囲である。従来の溶接工程では、このような強度の溶接点を得ることはできない。溶接工程がレンガハウス筐体３５なしで試みられる場合、１５０ｍｍ超のＯＤを有する円筒体の破損率はほぼ１００％である。
【００６３】
レンガハウス筐体３５は、上述の石英ガラスマッフル筐体３５と置き換えられる場合もある。しかし、石英ガラスマッフル筐体３５はかなりより高価であり、寿命が短く、レンガハウス筐体３５より小さい熱容量を提供する。レンガハウス筐体３５は、石英ウールで溶接シーム１３を包むこととも置き換えられる場合がある。しかし、石英ウールは、溶接シーム１３に汚染の高リスクを誘導し、環境に石英ファイバの供給源を誘発する。石英ガラスマッフル筐体３５及び石英ウールの覆いの両方とも、大量処理に適していない。
【００６４】
レンガハウス筐体３５の様に、トーチ３７、３８の選択も、溶接工程の成功にとって重要である。各トーチ３７、３８は、十分な水酸化物を深さ約１０μｍに導入するのに十分な電力を有しなければならない。適切なトーチ３７、３８は図７に示され、独国のＭｅｓｓｅｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＧｍｂＨから市販されている。示されるトーチ３７、３８は、電解研磨したステンレス鋼管を有するプロパン−酸素石英溶融トーチである。トーチヘッドは、良好な熱伝導率を有する材料から作成される。各トーチ３７、３８は、好ましくは約１２０〜１３０ｋＷの定格電力を有する。
【００６５】
グラファイトパドル５０は、トーチ３７、３８によるより簡単な火炎研磨用に溶接点を平滑化するために使用できる。適切なグラファイトパドル５０の上面図及び側面図を、それぞれ図８ａ及び図８ｂに示す。ＳＧＬグレード５８０の押出グラファイトは、パドル５０の材料として好適であり、約５００ｐｐｍ未満の灰分を有する。
【００６６】
図９ａ及び図９ｂは、２つの溶接した中空の円筒体５２、６２及び円筒体５２、６２の表面状態を示す（一実施形態で、第１円筒体５２は第２ホルダ１４ａでもよく、第２円筒体６２は内管２でもよい）。円筒体５２、６２は、中心軸線４に沿って同軸状に配置される。各円筒体５２、６２は、それぞれの地の表面５４、６４を有する。残念なことに、ガラス強度に表面欠陥（例えば、研磨により誘発される）の周知の悪影響がある。したがって、図９ａの中心にあって、そこで２つの円筒体５２、６２が接合される溶接シーム１３の領域で、各円筒体５２、６２の表面は、トーチ３７、３８の熱により火炎研磨されて実質的に滑らかな表面を作成する。これにより各円筒体５２、６２は、対応する火炎研磨した表面５６、６６を有する。ガラスの抗張力は、地の表面５４、６４と比較して、火炎研磨した表面５６、６６で非常に増大する。
【００６７】
図９ｂは、円筒体５２、６２の中心軸線４に沿った、粗さ及び表面水酸化物値を示す。算術平均粗さＲａ及び十点平均粗さＲｚは、粗さの異なるパラメータである。Ｒａは、表面の平均粗さである。Ｒｚは、表面の最高ピークと最低谷底の間の差である。プロファイル粗さパラメータは、ＩＳＯ４２８７：１９９７標準と同一のＢＳ  ＥＮ  ＩＳＯ４２８７：２０００英国標準に含まれる。円筒体５２、６２の地の表面５４、６４の粗さは、Ｒｚ≦６μｍであり、それは火炎研磨表面５６、６６で、Ｒｚ≦０．３μｍに減少する。
【００６８】
水酸化物は、共有結合により結合される酸素原子及び水素原子からなる２価陰イオンであり、陰電荷を持ち、化学式ＯＨ−で表される。水酸化物は重要だが、通常水の従属成分である。水酸化物は、多くの場合、塩基、配位子、求核剤、及び触媒として機能する。
【００６９】
円筒体５２、６２のバルク材料の水酸化物値は通常、１ｐｐｍよりはるかに小さく、管内部の低水酸化物基材では０．１ｐｐｍ未満である。円筒体５２、６２は溶接工程の間、パージされて（例えば、酸素によって）、トーチ３７、３８の炎が円筒体５２、６２内部に入るのを防ぎ、したがって、著しく少ない水酸化物が、円筒体の内部表面上に植え付けされる。トーチ３７、３８によって作成される燃料ガス（プロパン）の燃焼による炎で生じる水酸化物が原因で、水酸化物は、バルク値以上に溶接ゾーンで増加する。この水酸化物は、火炎研磨表面５６、６６の及び深さわずか約１０μｍの表面領域にある。溶接シーム１３に近接し、及び火炎研磨表面５６、６６によって画定される溶接ゾーンの水酸化物濃度またはレベルを、約１０ｐｐｍ超まで、好ましくは約２０〜１００ｐｐｍの範囲に上昇させることは望ましい。その後１０μｍの表面領域をエッチング除去することによって、水酸化物はそのオリジナル値（すなわち、バルク材料の指定された値）に減少できる。
【００７０】
溶接ゾーンの火炎研磨表面５６、６６（深さ約１０μｍ）のより高い水酸化物は、材料の粘性、したがってその脆性を低下させる。減少した粗さと共に、溶接ゾーンは実際に、レンガハウス筐体３５を使用して溶接ゾーンの適切な冷却速度を保証することによって応力を最小化することを条件として、円筒体５２、６２の未処理の地の表面５４、６４より高い強度レベルに達する。
【００７１】
トーチ３７、３８の研磨効果は、実際の溶接工程の完了後、火炎効果を続けることによって増加できる。したがって、トーチ３７、３８の処理は、グラファイトパドル５０により形成された後、約５〜１０分の間続けられて、溶接ゾーンを火炎研磨する。このような処理は、パドル工程によって誘発される、いかなる抗張力低減粗さも除去する。
【００７２】
パージガス（通常、酸素）の使用は上述してある。図１０は、パージガスを装置１００に送るガス管１８及び関連するパージ支援システム８５を含む、装置１００を示す。パージ支援システム８５は、２つ以上の垂直な棒７６によって装置１００のテーブル７５に接続している。上方水平レール７７及び平行する下方水平レール７８も、垂直な棒７６に接続している。上方水平レール７７は上方軌道７７ａを画定して、下方水平レール７８は下方軌道７８ａを画定する。示されているように、下方軌道７８ａが下方水平レール７８の上面に画定され得ると共に、示されているように、上方軌道７７ａは上方水平レール７７の底面に画定され得る。
【００７３】
パージ支援システム８５は、枢動アーム８０に接続する摺動可能な垂直支柱７９を更に含む。図１２に示すように、枢動アーム８０は、垂直支柱７９の周囲を約１８０度の弧で枢動できる。垂直支柱７９は、通常１つ以上の車輪ブラケットにより複数の車輪８１を運ぶ。垂直支柱７９が上方及び下方水平レール７７、７８に沿って摺動できるように、車輪８１は軌道７７ａ、７８ａを係合する。図１３は、車輪８１と下方軌道７８ａの間の係合を強調している背面図である。枢動アーム８０は、枢動アーム８０の上面に配置され得る連結部８２を運ぶ（図示する）。
【００７４】
図１１に示すように、連結部８２はパージ装置９０を係合して保持する。パージ装置９０の一端は、ガス管１８に取り付けられることができる（通常、迅速接続連結により）。パージ装置９０の他の端は、ガラス部材（例えば、円筒体５２）に取り付けられることができる。摺動可能な垂直支柱７９及び枢動アーム８０の動作により、パージ装置９０は、ガス管１８及び円筒体５２の両方に対して容易に配置されることができる。
【００７５】
図１４は、パージ装置９０の例示的実施形態を示す。ここに示した例で、パージ装置９０は、雄肘継手９３及びポートコネクタ９４により迅速接続軸９２と接続する、回転継手９１を含む。迅速接続軸９２はガス管１８を係合する。回転継手９１は雌管アダプタ９５にも接続して、それにより微粒子フィルタ９６を通して管９７に接続される。管９７は、例えばプラグ９８（図１１に示すような）を通してガラス部材（例えば、円筒体５２）に接続している。多くの材料はプラグ９８に適しており（シリコーン及びグラファイトを含む）、そうして管９７は円筒体５２に封止される。
【００７６】
これにより装置１００のパージ支援システム８５は、ガス管１８から円筒体５２の内部までパージガスを放出するように機能する。パージガスは、溶接工程の成功を促進して、溶接シーム１３の適切な質を確実にするのを助ける。更に具体的には、パージガスは粒子が溶接シーム１３の表面内に溶け込む（それは、溶接点強度に悪影響を与えることができ、最終製品の特性に悪影響をもたらす場合がある）のを防ぐのを助ける。
【実施例】
【００７７】
以下の実施例は、本発明の全体の性質をより明瞭に示すために含まれる。これらの実施例は本発明の例示であり、それを制限するものではない。
【００７８】
第１の実施例は、第１円筒体５２を第２円筒体６２に溶接するための溶接の方策に関する（図９ａに示すように）。円筒体５２、６２のそれぞれは、大きな外径（ＯＤ）及び小さな内径（ＩＤ）により画定される約３超、好ましくは約３．２超の超高比（「ＵＨＲ」）を有する。したがって、シリンダ５２、６２は好ましくは３．２＜ＯＤ／ＩＤのＵＨＲを有し、それは比較的厚い円筒体壁を画定する。ＵＨＲを有するシリンダは、応力、亀裂及び破損の危険性の増加がある−特に冷却中。開示した溶接工程は有利には、排除できない場合、その危険性を低減しつつ、このようなＵＨＲ円筒体を溶接できる。
【００７９】
下記の表１は、例示の溶接（すなわち、突合せ）プロセスまたは方策の１２個の工程をまとめている。「トーチ」列は、プロセスの特定の工程の間、１つのトーチ３７（Ｔ１）を作動させるか、２つのトーチ３７、３８（Ｔ１−Ｔ２）を作動させるか、またはいずれのトーチ３７、３８も作動させないかを示す。「時間」列は、開始から全プロセスの総累積時間を表し（分で）、例示のプロセスは合計８５分続いた。「期間」列は、プロセスの各工程の期間を表し（分で）、冷却工程は３０分続いた。「距離」列は、２つのトーチ３７、３８の間の中心線から２つの円筒体５２、６２の端までの距離を表し（それぞれインチ及びミリメートルの両方で）、距離がゼロのとき、端は接触していた。トーチ３７、３８と円筒体５２、６２の間の一定距離は、６０ｍｍである。
【表１】
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【００８０】
表１にまとめた例示の溶接プロセスを、ＵＨＲ円筒体５２、６２を溶接するためにうまく使用した。
【００８１】
第２の実施例は、図４ａで示すように、ハンドル（例えば、第２ホルダ１４ａ）をＵＨＲ円筒体（例えば、内管２）に溶接するが、レンガハウス筐体３５を使用する、溶接プロセスまたは方策に関する。下の表２は、冷却前の例示の溶接プロセスまたは方策の１２個の工程をまとめる。図１５は、プロセスの各工程の間、互いに対する及びレンガハウス筐体３５に対する、ハンドル（第２ホルダ１４ａ）、円筒体（内管２）及び２つ（１＆２）のトーチ３７、３８の位置を概略的に示す。示すように、レンガハウス筐体３５は約６４０ｍｍを有する（そして、その端は図１５で表される２つの垂直実線により画定される）。
【００８２】
下の表２の「時間」列は、開始から全プロセスの総累積時間を表し（分で）、例示のプロセスは合計６０分続いた（冷却前）。「期間」列は、プロセスの各工程の期間を表す（分で）。「距離」列は、ハンドルの端から円筒体の端までの距離を表し（ミリメートルで）、距離がゼロのとき、端は接触していた。「ハンドル−トーチ間」列は、ハンドルの端から２つのトーチ３７、３８の間の中心線までの距離を表す（ミリメートルで）。「円筒体−トーチ間」列は、円筒体の端から２つのトーチ３７、３８の間の中心線までの距離を表す（ミリメートルで）。「トーチ」列は、プロセスの特定の工程の間、１つのトーチ３７（１）を作動させるか、２つのトーチ３７、３８（１＆２）を作動させるかを示す。
【表２】
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【００８３】
表２にまとめられて、図１５に示される例示の溶接プロセスは、ハンドルをＵＨＲ円筒体に溶接するためにうまく使用された。
【００８４】
前述のプロセスにより調製される円筒体−ハンドル間（二重円筒体を含む）の溶接点は、非常に重い及び費用効果的なバッチから低水酸化物基材及び他の管を線引するのに有益である。水酸化物含量は、重いバッチを処理するのにちょうど有益なレベルで溶接ゾーンにある。溶接ゾーンの外側層または表面の約２０〜１００ｐｐｍの水酸化物含量は、滑らかな表面と組み合わせて、可能な限り最高の溶接強度を提供する。ファイバ用途のための水酸化物のエッチング及び除去の後、円筒体は、線引用の塔へ直接運搬されることができる。したがって、基材及び円筒体は、最も有益な水酸化物範囲で使用することができる。
【００８５】
ファイバ用途において、強度考慮のためにより高い水酸化物濃度を目標にすることができない。これは減衰を増加させ、それはこの用途にとって有益でない。ハンドル基材の水酸化物含有量は少なくとも１０ｐｐｍであり、そうでなければ基材は非常にもろい。粘性が悪影響を受け、形成塔の終了段階で悪影響を受ける（ハンドルのガラス粘性が低いことにより、最後の円筒体部分があまりに早く滴下する）ので、約５０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有するハンドル基材は選択肢ではない。したがって、ハンドル用の好適な水酸化物含量は、約１０〜５０ｐｐｍの範囲内である。
【００８６】
アニールコストがあまりに高いので、円筒体材料と同じ低水酸化物濃度のハンドル材料を目標にすることは有益でない。そのうえ約１０ｐｐｍより低い水酸化物濃度は、ハンドル強度を著しく低下させる。そのような低水酸化物濃度は、線引塔の高いハンドルヘッド破損率を生じさせる。
【００８７】
要約すると、溶接プロセスは、（ｉ）両方の石英ガラス部材（例えば、第２ホルダ１４ａ及び中空内管２）を旋盤のチャック３３に留めることと、（ｉｉ）旋盤を用いて互いに向かって部材を移動することと、（ｉｉｉ）部材の対向端領域を一緒にかつ同時に加熱して軟化させることと、（ｉｖ）互いに対して軟化した前方端を押圧して、溶接シーム１３を有する部材アセンブリを形成することと、（ｖ）必要に応じて、軟化した外側表面に対してグラファイトパドルを押圧して、表面を形成することと、（ｖｉ）周囲温度まで部材アセンブリを冷却することと、の工程を含む。好ましくは部材は、２，２００℃超の、通常は約２，２００℃〜２，３００℃の間のプロセス温度で、２０分間加熱されて軟化される。それから部材は、レンガハウス筐体３５内部で少なくとも５分、通常約１０分の間隔を必要とするプロセス温度から約１，０００℃の温度に要する間、冷却される。
【００８８】
開示した装置及び関連する溶接プロセスは、高強度の溶接点を有する重たい重量の円筒体アセンブリを供給でき、少なくとも１００ｋｇの垂直に保持された円筒体を支持できる。垂直に配置されたシステムは、それらの間の溶接ゾーンに取り付けられる少なくとも２つの石英ガラス部材を含む。下方石英ガラス部材は、少なくとも１００ｋｇの重量を有する。上方のハンドル溶接部は、それぞれ少なくとも１００ｋｇの重量を有する２つまたは３つの円筒体を保持できる。溶接ゾーンは、約１０ＭＰａ及び好ましくは約１５ＭＰａを超える抗張力を有する。張力試験は、ハンドルヘッド強度が約２ＭＰａであることを示した。溶接ゾーンの少なくとも８０％は、表面から深さ１０μｍに平均約１０ｐｐｍ超の水酸化物含量を有する。
【００８９】
前述のプロセスは、溶接ゾーンを表面欠陥のない領域に研磨するのを可能にする。プロパントーチ３７、３８の利用はガラス粘性を最適レベルに保つために表面の適切な水酸化物含量を確実にして、レンガハウス筐体３５により、ガラスの徐冷速度が溶接点の応力を最小化するのを可能にする。これらの構造的特徴の組み合わせにより、従来の溶接プロセスと比較して、破損が最小化される溶接点が得られる。
【００９０】
具体的には、例えば溶接点が前述の工程に従って形成されるとき、形成塔での、またはそれへ向かう途中の二重円筒体溶接点の亀裂率は０．５％よりはるかに小さい。従来のプロセスによって得られる亀裂率と、このような好ましい亀裂率を比較する。アーク溶接プロセスは５％超の亀裂率を有し、外径（ＯＤ）は熱をより大きい表面に加えるのが困難な約１００ｍｍまで低減しなければならない。冷却速度を低減するために使用するレンガハウス筐体及びガラスウールなしで設定される従来の水素バーナーは、約１％の亀裂率を有した。そのうえＯＤは、水素トーチの出力不足をもたらす約１５０ｍｍに減少した。従来のレーザー溶接プロセスの亀裂率は約１０％超であり、ＯＤは約１５０ｍｍに制限される。プラズマ溶接のＯＤは、約１２０ｍｍに制限される。炉溶接は、汚染の危険性をもたらす導波路ファイバ用途で使用できない。
【００９１】
世界中の及び接続機器、クラウドサービス、５Ｇ（第五世代モバイルネットワークまたは第五世代無線システム（それは、モバイル電気通信標準の主要段階を意味する））及びインダストリー４．０（または第四次産業革命、サイバーフィジカルシステム、モノのインターネット及びクラウドコンピューティングを含む製造技術の自動化及びデータ交換の最近の傾向）及び他の進歩は、帯域幅への指数関数的に増加する要求を加速させている。したがって、光ファイバの製造業者は、それらの生産高及び生産性を上昇させなければならない。次世代光ファイバ製造において、高速で線引される非常に大きな母材が必要とされる。大きな断面積を有する重いガラス母材を作成するための高強度の溶接プロセスの結果は、複数日の連続的な光ファイバ線引を持続させることができる「すぐに線引できる」中実母材であり、母材のユーザのための生産性及び光ファイバ生産高を増加させる。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態の前の記述は、特許請求の範囲によって定義される本発明を制限するというよりは、例示として取られるべきである。直ちに認識されるように、上述の特徴の多数の変形及び組み合わせは、特許請求の範囲で説明するように、本発明を逸脱しない範囲で利用できる。そのような変形は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱するとは見なされず、すべてのそのような変形は、以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。例えば、広くこの文書で詳述されるすべての範囲が、より広い範囲内に入るより狭いすべて範囲を、それらの範囲内に含むことが、はっきりと意図されている。当業者であれば理解されるように、プロセスに含まれる特定の工程は省略できる、特定の追加工程を加えることができる、及び工程の順序は示した順番から変えることができることも明確に意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
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