(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリフォームを旋盤上に支持するステップと、
前記プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチを配置するステップと、
前記プラズマトーチが前記プリフォームの外表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するように、共通の発電機を用いて前記第１および第２のプラズマトーチに電力供給するステップと、
前記プリフォームの前記外表面上でケイ砂を融解させるために、前記第１のプラズマトーチと前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に前記ケイ砂を導入するステップと、
前記プラズマトーチに対して前記プリフォームを移動させるステップと
を含み、前記第１のプラズマトーチによる前記ケイ砂の初期融解後の前記表面を後加熱するために、前記第２のプラズマトーチが前記第１のプラズマトーチの下流側に配置されている、プリフォームをオーバクラッディングする方法。
【請求項２】
前記移動させるステップが、前記旋盤上の前記プリフォームを回転させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記移動させるステップが、前記第１および第２のプラズマトーチに対して、前記プリフォームの長手方向軸に平行な方向に前記プリフォームを並進させるステップをも含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
プリフォームを回転可能に支持するための旋盤と、
前記プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチと、
前記プラズマトーチが前記プリフォームの外表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するように、前記第１および第２のプラズマトーチに電力供給するための発電機と、
前記プリフォームの前記外表面上でケイ砂を融解させるために、前記第１のプラズマトーチと前記プリフォームの前記外表面との間の接合部に前記ケイ砂を供給するための供給機と、
前記プラズマトーチに対して前記プリフォームを移動させるための手段と
を備え、前記第１のプラズマトーチによる前記外表面上の前記ケイ砂の融解後の前記表面を後加熱するために、前記第２のプラズマトーチが前記第１のプラズマトーチの下流側に配置されている、プリフォームにケイ砂を加えるための装置。
【請求項５】
前記移動させるための手段が、前記旋盤上の前記プリフォームを回転させるための手段を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２のプラズマトーチの各々が、前記発電機に電気的に接続されたコイルを含む、請求項４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、クラッディングのガラス品質の完全性を維持しながら、プリフォーム製造におけるオーバクラッディングレート（ｏｖｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ  ｒａｔｅ）を増加させる方法および関連する装置に関する。
【０００２】
関連技術の考察
光ファイバの価格低減に対する市場圧力により、製造方法全体の生産性向上が常に求められている。光ファイバを製造する方法の第１のステップの１つは、プラズマ方法である。このプラズマ方法は、熱プラズマファイヤボール（ｈｏｔ  ｐｌａｓｍａ  ｆｉｒｅｂａｌｌ）を用いて、クラッディングとして一次プリフォーム上にケイ砂（ｑｕａｒｔｚ  ｓａｎｄ）を融解させることにより、９０％を超えるプリフォームガラスを作り出すステップを含んでいる。
【０００３】
この方法には、関連する２つの重要なパラメータがある。第１のパラメータは、ガラスの堆積速度（グラム／分）であり、第２のパラメータは、堆積ガラスの品質である。ある特定の方法にとっては、この２つのパラメータは互いに相反するパラメータであり、具体的には、堆積速度を速くするとガラスの品質が低下する。
【０００４】
これらのパラメータはいずれも、プラズマファイヤーボールを生成するために利用することができる有効出力に左右され、出力が大きいほど堆積速度が速くなり、より良好なガラス品質を得ることができる。しかしながら、従来のプラズマ装置にはパワー能力に限界がある。この限界は発電機の出力によるものではなく、プラズマトーチの熱抵抗によるものである。プラズマトーチ内の出力が所定の値に達すると、プラズマトーチは必要な温度を維持することができず、その寿命が短くなる。プラズマトーチは、発電機の出力能力のせいぜい２／３程度しか利用していないと推定される。
【０００５】
従来の方法で使用されているプラズマトーチは、米国特許第４，２２１，８２５号に開示されているような単一プラズマトーチのみである。したがって、発電機の全能力が完全に利用されず、また、堆積速度およびガラスの品質が制限されている。
【０００６】
発明の概要
本発明の目的は、発電機の全能力を利用し、それにより、ガラスの品質を犠牲にすることなく全体の堆積速度を改善することである。具体的には、本発明による方法により、所定のガラス品質に対して、堆積速度が約５０％速くなる。この目的は、単一のプラズマトーチではなく、同一発電機によって駆動される、複数のプラズマトーチを利用することにより達成される。
【０００７】
したがって本発明は、プリフォームにケイ砂を加えるための方法および装置を対象とする。プリフォームをオーバクラッディングする方法には、プリフォームを旋盤（ｌａｔｈｅ）上に支持するステップ、プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチを配置するステップ、プラズマトーチがプリフォームの表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するように、共通の発電機を用いて第１および第２のプラズマトーチに電力供給するステップ、プリフォームの表面でケイ砂を融解させるために、第１のプラズマトーチとプリフォーム表面との間の接合部にケイ砂を導入するステップ、およびプラズマトーチに対してプリフォームを移動させるステップが含まれている。
【０００８】
本発明によれば、第２のプラズマトーチは第１のプラズマトーチの下流側に配置され、第１のプラズマトーチによる初期融解後のケイ砂を加熱する。
【０００９】
上記の方法を実施するための装置には、プリフォームを支持するための旋盤、プリフォームに向かって角度を付けられたノズルを有する第１および第２のプラズマトーチ、プラズマトーチがプリフォームの表面の方へ向けられるプラズマ炎を生成するように、第１および第２のプラズマトーチに電力供給するための発電機、プリフォームの表面でケイ砂を融解させるために、いずれか一方のプラズマトーチとプリフォーム表面との間の接合部にケイ砂を供給するための１つまたは複数の供給機、およびプラズマトーチに対してプリフォームを移動させるための手段が含まれている。
【００１０】
本発明の利点、性質および様々なその他の特徴は、図面にその概要が示されている本発明の例示的実施形態を考察することにより、より鮮明になるであろう。
【００１１】
発明の詳細な説明
光ファイバを製造するための従来の方法は、一次プリフォーム１４を形成するための、内付けＣＶＤ（ＭＣＶＤ）を含む第１のステップ、オーバクラッディングプリフォーム１５を形成するための第２のプラズマオーバクラッディングステップ、および光ファイバを形成するための第３のプリフォーム線引きステップを含んでいる。
【００１２】
本発明は、オーバクラッディングステップの改善を対象とする。既に指摘したように、本方法におけるこのステップは、プリフォームの直径を大きくすることを対象とし、かつ、ターゲットとして作用する一次プリフォーム１４の表面にケイ砂を融解させることを含む。本発明について、図１〜図３に照らして詳細に説明する。図１は、本発明によるオーバクラッディングステップを実施するための例示的装置の側面図であり、図２は２つのプラズマトーチを示す斜視図である。また、図３は、プラズマトーチのコイル構成を示す斜視図である。
【００１３】
図１および図２を参照すると、オーバクラッディング装置１０はプラズマチャンバ１２を備えており、その中に一次プリフォーム１４が配置されている。一次プリフォーム１４は、従来のガラス作動旋盤１６のチャック間に支持されている。旋盤１６は、プリフォームをその長手方向軸の回りに回転させ、かつ、長手方向に（すなわち、図１における紙面の内および外に）プリフォームを並進させることができ、トーチとプリフォームとの間の距離を調整することができる。
【００１４】
オーバクラッディング装置はさらに、プラズマチャンバ１２の内部に設けられた２つのプラズマトーチ１８および１９を備えている。プラズマトーチの各々は、高周波発電機２４に電気的に接続された、誘導コイル２２に取り巻かれたチューブ２０を備えている。トーチは水冷または空冷されている。プラズマトーチ１８および１９は、図２の矢印ＡおよびＢで示すように移動可能に支持されており、プリフォーム１４の長さ方向（矢印Ａ）、およびプリフォームの半径方向（矢印Ｂ）に、その位置を調整することができる。具体的には、プラズマトーチは、ベース部材２７中に設けられた溝をスライドする部材２５を分離することにより、移動可能に支持されている。
【００１５】
石英チューブの端部にはノズルが設けられており、そのノズルを通して、空気、純酸素、またはそれらの混合物などの従来のプラズマ発生ガスが導入される。チューブ２０の各々を取り巻いているコイル２２は、トーチ内に流入する空気中に高電磁界を生成する。イグナイタによってプラズマが起動されると、発電機の出力（例えば５０ｋＷ〜２００ｋＷの範囲の出力）が、各プラズマトーチに直ちに供給され、摂氏１０，０００°にも達することのできるプラズマファイヤーボールが生成される。本発明が、特定の種類の発電機または発電機の特定出力範囲に制限されないことは、当然、理解されよう。
【００１６】
チューブ注入器２８を有する粒子供給機２６は、少なくとも１つのプラズマトーチ１８に、チューブ注入器をプラズマトーチに向けて並置されている。粒子供給機２６に蓄えられているケイ砂３０は、注入器２８によってプラズマトーチに給送され、プラズマトーチで速やかに加熱されて、回転しながら並進しているプリフォーム１４上で融解される。この方法は、プリフォーム１４上に形成されるガラス層が、オーバクラッドプリフォーム１５を形成するために予め定められた直径になるまで継続される。プリフォームの直径は、カメラ３２でモニタされている。高温の空気および石英煙は、排気フード３４を通してプラズマチャンバ１２から除去される。
【００１７】
図３は、共通の発電機２４によって駆動される、コイル２２の構成を概略的に示したものである。この構成には、発電機２４の高圧端子および接地端子にそれぞれ電気的に接続された、高圧電極３６および接地電極３８が含まれている。電極には長手方向のスロット４０が設けられており、該スロットを通して、コイル２２を電極に締め付けるためのねじ４２を受け入れている。スロット４０により、コイル２２を電極３６および３８に沿って移動させ、それによりコイル間の間隔を変更することができる。このことは、以下でより詳細に考察するように、プラズマトーチを動作モードに応じて正しい位置に設置するために重要である。
【００１８】
プリフォーム１４の移動を含む方法全体の制御は、プラズマチャンバの外部に設けられる工業用プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４６によって制御される。
【００１９】
既に指摘したように、方法の効率は、ケイ砂の堆積速度（すなわち、ケイ砂がガラスとしてプリフォーム上に堆積する量）、ガラス品質、および粒子歩留り（すなわち、粒子注入量に対するプリフォーム上に堆積する粒子の量の比の百分率）によって特徴付けられる。
【００２０】
２つのプラズマトーチ１８および１９が存在することにより、以下の点において方法の効率が改善される。２つのプラズマトーチを用いたオーバクラッディングには、３種類の好ましい技術がある。
【００２１】
第１の技術によれば、下流側に配置される他方のプラズマトーチ１９によるケイ砂の融解に先立ってプリフォーム１４を予熱するために、一方のプラズマトーチ１８が、他方のプラズマトーチ１９の上流側に配置されている。この構成の適用例を図４に示す。図４を参照すると、プリフォームは、長手方向に左から右（矢印参照）へ移動し、２つのプラズマトーチは互いに長手方向にオフセットされている。チューブ注入器２８が、下流側のプラズマトーチ１９にケイ砂３０を注入している。上流側のプラズマトーチ１８には、ケイ砂は供給されていない。代わりに、上流側のトーチ１８はプリフォームを予熱し、下流側のトーチ１９によって実施されるオーバクラッディングを改善する。
【００２２】
所定の堆積速度に対しては、プリフォームを予熱した方が予熱しない場合より、堆積ガラスの品質が実質的により良好であることが分かっている。つまり、プリフォームを予熱することにより、ガラスの品質に悪影響を及ぼすことなく堆積速度を速くすることができる。
【００２３】
本発明である第２の技術によれば、図５に示すように、一方のプラズマトーチがケイ砂を堆積させ、他方のプラズマトーチがガラスを後加熱する。図４に示す前述の実施形態とは逆に、この実施形態では、下流側のプラズマトーチ１９ではなく、上流側のプラズマトーチ１８にケイ砂が供給されている。したがって下流側のプラズマトーチ１９は、プリフォーム表面上の、上流側のプラズマトーチ１８による初期融解後のケイ砂を後加熱（すなわち、オーバクラッドプリフォーム１５を後加熱）する。
【００２４】
ガラスを後加熱することにより、ガラスの品質が改善され、気泡の生成が最小化される。前述の技術の場合と同様、所定の堆積速度に対しては、２つのプラズマトーチを用いることにより、従来の単一プラズマトーチ方式の場合より堆積ガラスの品質が改善されることが分かっている。つまり、従来の技術と比較した場合、ガラスの品質に悪影響を及ぼすことなく堆積速度を速くすることができる。
【００２５】
第３の技術によれば、同時に２つのトーチ１８および１９を用いて石英粒子を堆積し、オーバクラッドプリフォーム１５を形成する。この技術を図６に示す。図６を参照すると、ケイ砂３０が長手方向の異なる位置で同時にプリフォーム１４の表面で融解するように、チューブ注入器２８によりプラズマトーチの各々にケイ砂が給送されている。これにより、単一トーチ方法と比較して、各プラズマトーチ１８および１９に対する粒子の流れを遅くすることができ、堆積速度を維持しながら、あるいは堆積速度をさらに速くする一方で、ガラスの品質を改善することができる。代替実施形態によれば、異なるプラズマガスおよび／または異なる注入ガスを用いて、２つの異なる種類の粒子を同時に堆積させることができる。
【００２６】
以上の説明から分かるように、２つのプラズマトーチ１８および１９を利用した本発明による方法および装置は、共通の発電機２４の出力を最大化することにより、システムの効率を大幅に改善している。既に指摘したように、従来の単一プラズマトーチ方法における制限要素は、プラズマトーチである。つまり、プラズマトーチの動作温度を低くすることによってプラズマトーチの寿命を最大化するために、発電機が比較的低出力で稼動されることである。共通の発電機によって電力供給される２つのプラズマトーチを設けることにより、発電機の出力が最大化され、それにより方法の効率が改善される。つまり、方法の堆積速度を劇的に速くし、および／または、ガラスの品質を改善しながら、発電機をより高い設計出力で稼動させることができ、かつ、プラズマトーチを許容可能な温度範囲で動作させることができる。
【００２７】
以上、特に好ましい実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明を理解すれば、特許請求の範囲の各クレームによって規定される本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な改変および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、２つのプラズマトーチを用いる代わりに、３つ以上のプラズマトーチを使用することができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるオーバクラッディングステップを実施するための例示的装置の側面図である。
【図２】  ２つのプラズマトーチを示す斜視図である。
【図３】  プラズマトーチのコイル構成を示す斜視図である。
【図４】  第１のプラズマトーチによるケイ砂の融解に先立って表面を予熱するために、第２のプラズマトーチが第１のプラズマトーチの上流側に設けられている技術を示す斜視図である。
【図５】  第１のプラズマトーチによる初期融解後のケイ砂を後加熱するために、第２のプラズマトーチが第１のプラズマトーチの下流側に配置されている、本発明を示す斜視図である。
【図６】  同時に第１のプラズマトーチと第２のプラズマトーチとの両方を用いてケイ砂を融解させるために、プリフォーム表面と両プラズマトーチとの間の接合部にケイ砂が導入される技術を示す斜視図である。
【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５】
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【図６】
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