專利名稱：等離子體外部化學(xué)氣相沉積用多火炬－多靶方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及光纖制造領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于進(jìn)一步加工成光纖的純或摻雜二氧化硅管或纖維型坯(preform)的高速率加工方法和設(shè)備。
相關(guān)技術(shù)敘述有各種各樣已知設(shè)備和方法用于成形具有給定折射指數(shù)斷面曲線(cross sectional profile of their index of refraction)的合成二氧化硅管或型坯。這些方法包括本申請人的專利申請序列號09/558,312(“312申請”)和08/994,970(“970申請”)所描述的等離子體外部氣相沉積(POVD)方法(plasma outside vapourdeposition)，在此將這兩篇的內(nèi)容收作參考?！?12申請”所描述的方法以第一沉積速度沉積一或更多個層，隨后以低于第一速度的第二速度沉積上一層。如“312申請”所述，第一沉積速度足夠高，以致被沉積的玻璃尚未加熱到固結(jié)(consolidation)溫度。然而，以較低第二速度的沉積則既使當(dāng)前沉積層固結(jié)也使以前以較高的第一速度沉積的未固結(jié)層固結(jié)。如同在“312申請”中所述，第一沉積速度可以是第二或沉積/固結(jié)速度的2.5倍。因此，“312申請”中描述的多速率加工程序達(dá)到高達(dá)現(xiàn)有技術(shù)所獲得的二倍的沉積速率。
但是，本發(fā)明人認(rèn)識到等離子體外部氣相沉積方法，包括按“312申請”的方法和設(shè)備所實施的方法，仍有必要進(jìn)一步改進(jìn)加工速率。更具體地說，本發(fā)明人認(rèn)識到現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是，當(dāng)靶(target)尚處于較小直徑時，也就是沉積的早期階段，獲得的沉積速率低。再者，本發(fā)明人認(rèn)識到現(xiàn)有沉積方法所獲得的材料利用率有必要改進(jìn)。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是解決上面指出的現(xiàn)有技術(shù)沉積速率的缺點(diǎn)。另一個目的是提高型坯制造中沉積材料的利用率。
本發(fā)明用于達(dá)到這些以及其他目的的一般方法采用一或更多個第一直徑等離子體火炬(plasma torch)將二氧化硅沉積到一或更多個靶上以形成具有第一直徑的第一中間型坯，隨后由一個或多個第二直徑等離子體火炬將二氧化硅沉積到第一中間型坯上，從而形成后繼中間型坯(succeeding intermediate preform)或最終型坯。
本發(fā)明第一范例方法包括第一步驟采用第一等離子體火炬同時沉積玻璃到多個圓柱體靶上以形成多個具有第一直徑的第一中間型坯，以及第二步驟采用第二等離子體火炬同時沉積玻璃到多個第一中間型坯上以形成多個型坯，其中第一等離子體火炬具有第一線圈直徑(coil diameter)，而第二等離子體火炬具有第二線圈直徑，第一線圈直徑大于第二線圈直徑。
本發(fā)明另一種實施方案是這樣一種方法，它包括第一步驟采用第一等離子體火炬同時沉積玻璃到多個圓柱體靶上以形成多個第一中間型坯，第二步驟采用第二等離子體火炬同時沉積玻璃到多個第一中間型坯上以形成多個第二中間型坯，以及第三步驟同時沉積玻璃到多個第二中間型坯上以形成多個型坯，其中第一等離子體火炬具有第一線圈直徑，第二等離子體火炬具有第二線圈直徑，第三等離子體火炬具有第三線圈直徑，第三線圈直徑大于第二線圈直徑，而第二線圈直徑大于第一線圈直徑。
附圖簡述上述以及其他目的、方面和優(yōu)點(diǎn)從下面有關(guān)本發(fā)明優(yōu)選實施方案描述并結(jié)合著參考附圖將獲得更好的理解，這些附圖中
圖1畫出用于在本發(fā)明第一范例方法中實施第一步驟的安排，其中采用單一等離子體火炬將二氧化硅沉積到3個靶上；圖2畫出用于在本發(fā)明第一范例方法中實施第二步驟的安排，其中采用3個等離子體火炬將二氧化硅沉積到3個靶上；圖3畫出用于實施本發(fā)明第二范例方法的火炬安排，沿X-軸方向；圖4畫出沿Y-軸方向的圖3所示火炬安排；圖5是采用圖3和4的設(shè)備實施一種范例操作方法的流程圖；圖6A和6B表示第三范例實施方案用等離子體火炬和靶的第一和第二位置以及安排，具有控制和移動相鄰靶之間間距的設(shè)備；圖7A和7B表示圖6A和6B實施方案用第一可移動靶間距調(diào)節(jié)設(shè)備的安排的第一和第二位置；圖8A和8B表示圖6A和6B實施方案用第二可移動靶間距調(diào)節(jié)設(shè)備的安排的第一和第二位置；圖9是圖6A和6B實施方案的范例操作方法的流程圖；圖10是用于實施前面描述的實施方案方法的一或更多個步驟的可變直徑等離子體火炬構(gòu)型俯視圖；圖11是通過圖10的BB投影線的剖視圖；以及圖12是圖10和11的可變直徑等離子體火炬的范例操作方法的流程圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了在保持恰當(dāng)?shù)入x子體氣流特性條件下，獲得高沉積速率的靶尺寸與火炬直徑之間應(yīng)具有的最佳關(guān)系，下表1即列舉此種關(guān)系。靶尺寸與火炬直徑之間的此種關(guān)系提供在保持足夠等離子體氣流特性條件下約等于或大于3g/分的沉積速率，并因此被用于本文所描述的范例實施方案中。
表1
本發(fā)明人又利用下式分析了沉積速率
其中ρ是玻璃的密度，為約2.2g/cc的常數(shù)，D是靶直徑，Δt是一遍沉積的層厚。
從本發(fā)明人的上式(1)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以看出當(dāng)靶直徑小時，存在著沉積速率低的問題。從式(1)還可以看出，另一個可控參數(shù)是沉積速度。表面上看來，式(1)的數(shù)學(xué)關(guān)系指出較快的沉積速度自動地意味著較高的沉積速率。然而，實際上，沉積速率并不僅僅遵從該式變化。更具體地說，當(dāng)僅僅增加沉積速度本身，而不做其他調(diào)節(jié)時，沉積層的厚度可能降低，和/或沉積的玻璃可能未固結(jié)。
本發(fā)明采用多火炬和多靶解決上述以及其他問題，正如下面的范例實施方案中所描述的，從而將火炬直徑與靶直徑之間的關(guān)系維持在表1所給出的范圍內(nèi)。
另外，在下面的說明中給出一些涉及等離子體火炬的具體范例組合和變更方案。
第一范例實施方案參考圖1和2，下面說明本發(fā)明的第一實施方案。所描述的該實例實施兩步驟沉積方法。圖1畫出用于第一步驟的設(shè)備；圖2畫出用于第二步驟的設(shè)備。
參見圖1，用于第一步驟的設(shè)備和安排包括單一等離子體火炬4A和3個沉積靶2a、2b和2c，統(tǒng)稱項2，每個靶由旋轉(zhuǎn)玻璃加工車床(圖1中未畫出)的傳統(tǒng)卡盤(chuck)(圖1中未畫出)固定，并圍繞靶的縱軸AXa、AXb和AXc旋轉(zhuǎn)。在圖1的安排中，各個軸AXa～AXb之間的間距是固定的。因此，旋轉(zhuǎn)可由三芯軸車床(three spindle lathe)實施并且適合此種情況的型號可從本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多市售供應(yīng)商那里購得。
每一個縱軸平行于參考軸Z延伸。標(biāo)為Y的參考軸垂直于靶2，并垂直于Z-軸。從面朝玻璃加工車床的觀察者(未畫出)的視角，Y-軸處于地板(未畫出)的上、下方向。X-軸垂直于YZ平面，而從描述Y-軸時的觀察者的視角，X-軸處于靶的進(jìn)和出的方向并垂直于Z-軸。所描述的X、Y、Z參考軸適用于本文描述的所有其他實施方案。
等離子體火炬4a安裝在靶2下方的車床托架附件(未畫出)上，使得等離子體火炬可平行于參考軸Y朝向和離開靶2移動。車床托架(未畫出)可用車床(未畫出)的導(dǎo)螺桿(lead screw)(未畫出)沿著靶2的長度、Z-方向移動。
范例等離子體火炬4a與共同未決“970申請”所描述的相一致，在此將該文獻(xiàn)收作參考。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，等離子體火炬4a和本文所描述的所有其他等離子體火炬包括穩(wěn)定棒(stabilizerbar)和注入口(噴嘴)，在“970申請”中分別標(biāo)作58和60?！?70申請”的穩(wěn)定棒和注入口58和60的目的和功能在該文中均做了描述。
現(xiàn)在將描述采用圖1設(shè)備的步驟1。首先，沉積從單一等離子體火炬4a開始，它具有標(biāo)為DMTRA的直徑，沿Z軸橫跨(traverse)靶的長度，同時將玻璃沉積到所有三個靶上。沉積開始前，每個靶具有初始直徑D(開始)。在本實例中，等離子體火炬直徑DMTRA是100mm，而D(開始)是25mm。在步驟1，靶與靶之間的中心到中心間距是SP1。在本實例中，SP1是40mm。步驟1的沉積一直持續(xù)到靶的直徑達(dá)到預(yù)定的中間直徑D(中間)。一例D(中間)是35mm，與示例的D(開始)和DMTRA數(shù)值相對應(yīng)。步驟1在三個靶上的總沉積速率當(dāng)采用本例的D(開始)和DMTRA和SP1數(shù)值時，大于10g/min。
參見圖2，步驟1的沉積達(dá)到D(中間)靶直徑之后，圖1的等離子體火炬4a關(guān)閉并開啟三個新的等離子體火炬，分別標(biāo)為4b1、4b2和4b3。等離子體火炬4b1、4b2和4b2中每一個具有直徑DMTRA，在本例中是70mm。這三個等離子體火炬相對于單一等離子體火炬4a的布置不過是設(shè)計選擇的問題。一種示例布置是將三個火炬4b1、4b2和4b3安裝在z-軸與火炬4a距離開的位置，以便兩組中任何一組開啟和操作都不會彼此發(fā)生物理干擾。
參見圖2，步驟2的安排采用三個等離子體火炬4b1、4b2和4b3沉積玻璃到三個靶2上，直至直徑D達(dá)到預(yù)定的D(最終)，例如，75mm。
本例的步驟2期間，每個靶平均沉積速率各為約10g/分鐘。因此，該第二步驟使這三個靶總共達(dá)到約30g/min的總沉積速率。
圖1和2的兩步驟方法僅作為本發(fā)明的一個范例描述，不是對步驟數(shù)目或不同火炬直徑數(shù)目的限制。例如，若要求最終靶直徑D(最終)是100mm，而不是75mm，則可能要采用另外三個火炬(未畫出)，每個具有100mm直徑的第三步驟(未畫出)來實施。另外，圖2顯示步驟2是采用三個火炬4b1、4b2和4b3，安裝在單靶-旋轉(zhuǎn)的設(shè)備(未畫出)上實施的。或者，第二步驟也可這樣實施，即，將第一步驟形成的3個單靶2安裝在三個分開的車床(lathe)(未畫出)上。三個車床的每一個(未畫出)具有類似于4b1、4b2和4b3任何一個的單火炬。此種實施步驟2的替代設(shè)備將在每一臺設(shè)備上，以10g/min的平均沉積速率達(dá)到75mm的最終靶直徑。
第二范例實施方案參見圖3、4和5，現(xiàn)在描述本發(fā)明第二范例設(shè)備和方法。首先參見圖3和4，該實例安排了4個等離子體火炬，分別標(biāo)為4C1、4C2、4C3和4C4，沿著Z-軸依次隔開，每個火炬沿Y-軸方向指向2個靶2。最左邊的等離子體火炬4C1的直徑D(4C1)是這4個當(dāng)中最小的，隨后按遞增序依次是分別為火炬4C2、4C3和4C4的直徑D(4C2)、D(4C3)和D(4C4)。在該實例中，D(4C1)＝60mm，D(4C2)＝80mm，D(4C3)＝100mm，而D(4C4)＝120mm。
兩個靶2m和2n的每一個的初始直徑(未標(biāo)示出)在本例中是25mm，并且每一個都被支撐在車床卡盤(lathe chuck)內(nèi)(未畫出)或裝在等效的靶旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)。如圖4所示，這兩個靶2在X-Z平面內(nèi)彼此平行延伸，圍繞火炬中心線C基本上對稱。
參見圖5，現(xiàn)在將描述采用圖3和4的設(shè)備實施的范例方法。
該實例的第一步驟在圖5的流程圖內(nèi)標(biāo)為100，首先采用直徑最小的火炬4C1沉積玻璃到2個靶2n和2m上。沉積一直持續(xù)到步驟102檢測到管直徑D已達(dá)到預(yù)定的第一中間直徑D(中間1)，該數(shù)值在本例中是35mm。本實例的步驟1期間，在兩個靶2上的總沉積速率超過10g/min。
接著，在步驟104，最小直徑等離子體火炬4C1關(guān)閉，下一個較大的相鄰火炬4C2開啟，并采用火炬4C2開始沉積。如上所述，在該實例中，4C2等離子體火炬的直徑D(4C2)是80mm，相比之下，第一沉積步驟使用的等離子體火炬的直徑D(4C1)為60mm。步驟104的沉積一直持續(xù)到步驟106檢測到管直徑D達(dá)到預(yù)定的第二中間值D(中間2)，該數(shù)值就本實例的火炬直徑而言，是45mm。步驟104期間在這兩個靶2上的總沉積速率超過16g/min。該速率的增加主要原因是等離子體火炬4C2的直徑較大，與其他三個等離子體火炬相比它能更好地與管2初始直徑-即35mm-相匹配。
繼而，在圖5的步驟108中，等離子體火炬4C2關(guān)閉，下一個較大直徑等離子體火炬4C3-其直徑D(4C3)在本例中是100mm-開啟并用于在靶2上沉積玻璃。步驟108的沉積一直持續(xù)到步驟110檢測到管直徑D達(dá)到預(yù)定的第三中間值D(中間3)，在本實例中，為60mm。隨后，該方法在步驟110結(jié)束。步驟108期間，采用給出的火炬和靶參數(shù)在這兩個靶2上的總沉積速率超過20g/min。
下一步，在步驟112，等離子體火炬4C3關(guān)閉，下一個較大直徑等離子體火炬4C4-其直徑D(4C4)在本實例中是120mm-開啟并用于在靶2上沉積玻璃。步驟112的沉積一直持續(xù)到步驟114檢測到管直徑D達(dá)到最終值D(最終)，在本實例中，為70mm。步驟112期間，在這兩個靶2上的總沉積速率超過26g/min。
所描述的圖3和4的設(shè)備以及圖5所描述的的方法僅用于舉例說明的目的。該多火炬方法可利用更多的火炬(未畫出)，或另一些靶-旋轉(zhuǎn)和火炬設(shè)備(未畫出)繼續(xù)，直至達(dá)到任何要求的靶直徑。
所描述的圖3和4的設(shè)備采用單一高頻發(fā)生器(未畫出)給所有描述的等離子體火炬供應(yīng)所要求的功率。一種范例發(fā)生器是一種可變功率發(fā)生器，型號1G 120/5000，由Fritz Huttinger Electronic公司(德國)供應(yīng)，在頻率5.00MHz(±0.13MHz)輸出最高達(dá)120kW給等離子體火炬提供能量。該范例發(fā)生器由商業(yè)供應(yīng)的50Hz、3相、380V電源帶動。
第三范例實施方案參見圖6A～9，下面將描述本發(fā)明另一種實施方案。首先看圖6A，該實施方案的總體特征在于，多靶-在本實例中該數(shù)目是3-分別標(biāo)為2x、2y和2z，每一個都安裝在各自的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備中，例如車床(未畫出)。這些車床能由圖7A～8B中所描述的設(shè)備可控地彼此相對地沿x方向移動。隨著靶直徑因沉積玻璃而不斷增加，車床的運(yùn)動逐漸地將靶2x、2y和2z之間的中心到中心間距SP2逐漸分開，從而隨著玻璃不斷沉積始終在相鄰靶之間保持間距SP2。
圖6A展示靶2的開始位置，而圖6B展示第二和更寬的中心到中心間距SP2。參見圖6A，在靶的開始位置，采用單一火炬4D1。范例火炬4D1的直徑D(4R)為100mm，對應(yīng)于3個靶2各為25mm的開始直徑。參見圖6B，第二中心到中心間距SP2位置對應(yīng)于靶直徑35mm。在圖6B的位置上，采用2個火炬4D1和4D2，在靶直徑35的情況下每一個都具有100mm的直徑D(4R)。
現(xiàn)示出上面由圖6A和6B所描述的一般特征的兩種范例機(jī)構(gòu)和設(shè)備，第一種表示在圖7A和7B，第二種在圖8A和8B中。
圖7A和7B描述三車床6A～6C彼此相對地沿x方向的第一種平動機(jī)構(gòu)，其中這兩幅圖顯示出分別在第一和第二位置的相同機(jī)構(gòu)。三車床6A～6C每一個均為市售供應(yīng)的玻璃加工車床，例如，由AmoldTM、HeathwayTM或LittonTM銷售的裝置，其中支撐平臺按說明和圖示做了修改。車床6A～6C各自包含一對旋轉(zhuǎn)卡盤，裝在分別分別標(biāo)為5A、5B和5C的車頭箱(headstock)上，另外還有車尾箱(tailstock)，分別標(biāo)為7A、7B和7C，用于支撐靶。芯軸驅(qū)動系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)卡盤，分別標(biāo)為10A、10B和10C。
如圖7A和7B所示，中央車床6A安裝在平臺12上，車床6B在平臺14，而車床6C在平臺16上。平臺12被畫成較大的結(jié)構(gòu)，因為，除了作為車床6A的安裝支撐之外，它還是其他兩個平臺14和16的主要支撐。平臺14和平臺16每一個具有配合軌道引導(dǎo)件(cooperating wayguide)(未畫出)，它們與軌道(way)18嚙合并沿著它順X方向滑動。機(jī)器軌道18可以是V-字形、反V-字形、圓形或者任何其他多種多樣車床技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)存的熟知軌道構(gòu)型。在圖7A所示范例中，2條機(jī)器軌道18安裝在平臺12的頂面(未標(biāo)出)。上面描述平臺12、14和16的結(jié)構(gòu)和安排很容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用市售供應(yīng)的車床安裝硬件來實施。
參見圖7A，靶直徑敏感元件20檢測靶2之一或多個的直徑并產(chǎn)生相應(yīng)信號S。靶敏感元件20被描述在共同未決申請序列號09/058,207中，在此將其收作參考。一種范例靶敏感元件20是Laser MicroDiameter Monitor，型號#LDM-100A，由LAP公司制造。第一車床位置驅(qū)動器22響應(yīng)控制信號S可控地旋轉(zhuǎn)第一導(dǎo)螺桿24。第一導(dǎo)螺桿24與平臺14內(nèi)的相配螺紋引導(dǎo)件(未畫出)嚙合。導(dǎo)螺桿24以及相配螺紋引導(dǎo)件的具體結(jié)構(gòu)、尺寸和類型很容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員利用與機(jī)床領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)人員熟知的選擇和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)從大量市售供應(yīng)導(dǎo)螺桿零部件中挑選。第二車床驅(qū)動器26響應(yīng)由靶敏感元件20獲得的控制信號S可控地旋轉(zhuǎn)第二導(dǎo)螺桿28。
參見圖6A和6B的一般實施方案，兩個分別標(biāo)為4D1和4D2的相同等離子體火炬沿著X-軸排列。當(dāng)靶的直徑進(jìn)一步增加時，將啟動第三等離子體火炬4D3(未畫出)，并且為維持它們各自外表面之間的間距必須增加它們的中心到中心間距。該火炬的直徑D(4R)例如是100mm。圖7A和7B用于說明一種可移動車床6的范例安排，因此未表示出等離子體火炬4D1、4D2和4D3。
參見圖9，下面將描述一種采用圖7A和7B的車床安排的圖6A和6B系統(tǒng)的范例操作。
在步驟200，沉積過程通過啟動或激活單一火炬4D1而開始，然后執(zhí)行步驟210，令其沿著3個靶2的長度移動。單一火炬4D1的直徑D(4R)被選擇為足以覆蓋全部3個處于各自起始直徑的靶2。隨著沉積的進(jìn)行，靶敏感元件20檢測到靶2直徑的不斷增加，于是輸出信號S的相應(yīng)數(shù)值。步驟204比較信號S與代表車床6A、6B和6C間距位置的數(shù)值PV1，其中間距位置數(shù)值本身表示靶之間中心到中心的間距。比較的結(jié)果確定，考慮到靶直徑因沉積而不斷增加的情況下，它們之間的間距是否足夠。如果在步驟204的答案是“是”，則進(jìn)入步驟206，比較代表靶直徑的S值，以確定靶是否已達(dá)到其最終加工直徑。如果答案是“否”(加工開始時預(yù)期的答案)，則過程循環(huán)返回到步驟202并繼續(xù)沉積。
如果在步驟204的答案是“否”，就是說，靶不再有足夠間距，則過程進(jìn)入步驟208，在此，第一和第二車床位置驅(qū)動器22和26分別旋轉(zhuǎn)第一和第二導(dǎo)螺桿24和28，從而使平臺14和16朝離開中央平臺12的方向移動。結(jié)果使車床6B和6C離開中央車床6A。相應(yīng)地，將PV1的數(shù)值更新以反映車床的新間距位置。
第一和第二車床位置驅(qū)動器優(yōu)選地通過編程以實現(xiàn)車床的步進(jìn)，其中每當(dāng)靶直徑敏感元件20檢測到靶2直徑已達(dá)到下一個規(guī)定數(shù)值時，車床6B和6C就移動到下一個(步進(jìn)一個)增量的位置。另外，第一和第二車床位置驅(qū)動器優(yōu)選地編程為，在一個沉積行程的末尾，而不是期間，改變車床6B和6C的位置。
步驟208移動車床6B和6C之后，步驟210比較S信號與第一火炬控制參數(shù)T，以確定該單一火炬的直徑D(4R)是否足以覆蓋所有3個靶2。如果答案是“是”，則過程循環(huán)返回到步驟202并用火炬4D1沉積。如果在步驟210的答案是“否”，則意味著僅靠火炬4D1自己不能充分地沉積玻璃到所有3個靶上，則過程進(jìn)入步驟212，并且下一個火炬-在本例中為排在如圖6B所示第一火炬4D1相鄰位置的另一個火炬4D2-開啟。與步驟212相聯(lián)系，2個火炬的中心到中心間距自動地調(diào)節(jié)到保證恰當(dāng)覆蓋所有靶2。然后，過程循環(huán)返回到步驟202，并繼續(xù)以2個激活的火炬——4D1和4D2沉積。該過程繼續(xù)，步驟208增加靶之間的中心到中心間距，以補(bǔ)償它們不斷增加的直徑，步驟210和212激活并根據(jù)需要定位另外的火炬，直至步驟206檢測到靶已達(dá)到它們所要求的最終直徑。隨后，方法進(jìn)入步驟214并結(jié)束。
采用圖6A和6B設(shè)備及圖7A和7B的特定范例車床安排的總沉積速率非常接近實例1的。該方法在步驟212繼續(xù)到靶達(dá)到預(yù)定的最終靶直徑D。
圖7A和7B的車床6A～6C是上所述支撐部分做了修改的傳統(tǒng)玻璃加工車床。因此，車床6A～6C每一個具有單獨(dú)芯軸驅(qū)動件(spindledrive)，這3個驅(qū)動件分別標(biāo)為10A～10C。圖8A和8B顯示同一設(shè)備的兩個位置，該設(shè)備如下面所描述，去掉了冗余的驅(qū)動器10A～10C，并進(jìn)而去掉了導(dǎo)螺桿24和28。為便于說明，圖8A和8B的設(shè)備是沿著圖7A和7B的從方向的投影，相同結(jié)構(gòu)標(biāo)有相同數(shù)字代號。
參見圖8A，平臺14和16由平臺12頂面上的圖7A和圖7B的軌道(ways)18(在圖8A中未畫出)支撐著，正如針對第三范例實施方案所描述的那樣。一種具有驅(qū)動鏈輪(drive sprocket)32的車床電機(jī)30安裝在支持件34中，與垂直導(dǎo)向槽36成相配并可移動的安排。圖7A和7B的每一個車床卡盤5A～5C在圖8A和8B中未表示，具有分別標(biāo)為9A～9C的鏈輪。驅(qū)動鏈34繞著驅(qū)動鏈輪32和3個車床鏈輪(lathesprocket)9A～9C延伸。據(jù)此，單一車床電機(jī)30給所有車床卡盤5A～5C提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。一種很容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員從市售供應(yīng)裝置中挑選的傳統(tǒng)伺服傳動裝置(servo drive)(未畫出)可控地沿垂直方向根據(jù)上面描述的控制信號S給車床電機(jī)30定位。一種偏置彈簧(biaspring)40安排在平臺12的中央結(jié)構(gòu)12a與平臺14之間，偏置彈簧42安排在中央結(jié)構(gòu)12a與平臺16之間。偏置彈簧40和42使平臺14和平臺16沿X方向離開平臺12。平臺12為固定的，正如參考圖7A和7B時所述。
圖8A顯示處于其最低垂直位置的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)。在該最低位置，驅(qū)動鏈34的張力反抗偏置彈簧40和42的力，把外側(cè)鏈輪9B和9C朝內(nèi)側(cè)鏈輪9A拉。因此，車床卡盤5B和5C處于它們相對于中央車床卡盤5A最近位置。
沉積過程開始時，設(shè)備處于圖8A所示位置，并采用參見第三范例實施方案的圖7A時所描述的相同等離子體火炬設(shè)備進(jìn)行。隨著沉積的持續(xù)，靶2的直徑不斷增加。靶直徑敏感元件20輸出指出靶2直徑的控制信號S，如上所述，該信號被伺服傳動裝置38接受。上面描述的伺服傳動裝置，作為響應(yīng)，將車床電機(jī)30移動到較高位置。隨著車床電機(jī)30的上移，在驅(qū)動鏈34中產(chǎn)生松弛(slack)。偏置彈簧40和42通過將平臺14和16推開而吸收了該松弛量，借此，平臺14和16采取了沿X方向更加遠(yuǎn)離中央平臺12的位置。沉積一直持續(xù)到靶達(dá)到另一個指定的直徑，然后，飼服傳動裝置將車床電機(jī)30移動到下一個更高位置。如上所述，偏置彈簧40和42相應(yīng)地使平臺14和16到相對于平臺12的下一個外側(cè)位置。靶直徑的檢測和車床電機(jī)相應(yīng)地朝上移動的過程一直持續(xù)至達(dá)到最終設(shè)計的直徑。參見圖8B，表示出一種當(dāng)沉積已達(dá)到最終設(shè)計直徑時，車床電機(jī)30和平臺14和16的范例位置。旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機(jī)30的總移動距離控制外側(cè)車床卡盤5B和5C的總橫移距離。
車床電機(jī)30、支撐件34、導(dǎo)向槽36和伺服傳動裝置38的此種安排不過是舉例說明而已。本領(lǐng)域技術(shù)人員在研讀本說明之后可想出許多替代安排。例如，車床電機(jī)可安裝在絞接式擺動臂(pivoting swingarm)(未畫出)上，該臂圍繞絞接點(diǎn)(未畫出)沿弧線移動。
另外，倘若要求平臺14和16的定位具有更大的精度，則第一和第二導(dǎo)螺桿24和28，以及參考圖7A和7B時所描述的驅(qū)動22和26，可以保留。在此種情況中，車床電機(jī)30由伺服傳動裝置38帶動的垂直移動必須與導(dǎo)螺桿24和28的旋轉(zhuǎn)同步，以維持驅(qū)動鏈34的恰當(dāng)張力。
第四范例實施方案展示上面描述的實施方案為的是說明一種采用固定直徑等離子體火炬沉積玻璃的各種安排和順序。參見圖10和11，下面將描述一種可變直徑等離子體火炬60，與前面實施方案中所描述的固定直徑等離子體火炬安排相比，它大大減少硬件。圖10是可變直徑等離子體火炬60的俯視圖，圖11是通過圖10投影線BB的斷面視圖。圖10和11所示可變直徑等離子體火炬60可直接用于替代4個實例6第二實施方案中使用的火炬4C1、4C2、4C3和4C4。
參見圖10，可變直徑火炬60包括內(nèi)管62和4個同心石英玻璃管，分別標(biāo)為64、66、68和70。銅導(dǎo)體蛇管72圍繞在外石英管70上。環(huán)64的直徑標(biāo)為D(64)，環(huán)66、68和/或70的直徑分別標(biāo)為D(66)、D(68)和D(70)。
將描述兩種可變火炬60的范例結(jié)構(gòu)，每個范例都是實施方案2的所有4個火炬4C1、4C2、4C3和4C4的替代物。
在提供管高度精確控制功能的第一范例結(jié)構(gòu)中，管64、66和68每一個可獨(dú)立地沿軸向或高度方向AX移動。火炬環(huán)64、66和68由環(huán)步進(jìn)器(ring stepper)(未畫出)選擇性地沿高度方向AX定位，以改變火炬的直徑。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一種火炬環(huán)定位的優(yōu)選精度，因此，例如在環(huán)步進(jìn)器的情況下，例如對應(yīng)上面描述的環(huán)尺寸D(64)、D(66)、D(68)和D(70)，近似等于0.1mm。環(huán)步進(jìn)器(未畫出)為市售供應(yīng)的精密步進(jìn)電機(jī)(precision stepper motor)和與之相聯(lián)系的精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它們采用傳統(tǒng)市售供應(yīng)的以微處理器為基礎(chǔ)的控制單元(未畫出)，所有這些很容易按照與本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)和方法選擇。
可變火炬60的第二范例結(jié)構(gòu)的特征在于環(huán)管高度(height of theringtube)固定，比第一實施方案簡單，這對于某些場合可能是優(yōu)選的。然而，內(nèi)環(huán)64的高度將低于外環(huán)。它將允許等離子體氣體恰當(dāng)?shù)鼗旌喜⑦_(dá)到要求的流動狀態(tài)。表2提供直徑與高度數(shù)值的范例組合。
表2
存在一定量朝外的等離子體氣體泄漏，而通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)，達(dá)到要求的流動狀態(tài)以適應(yīng)此種差異。更具體地說，一個關(guān)鍵操作參數(shù)是火炬上方的恒定表面速度，其中表面速度被定義為
斷面面積是火炬實際流動著等離子氣體的部位的斷面面積。
通過控制表面速度，可維持一種平穩(wěn)的操作，更重要的是能維持玻璃的沉積質(zhì)量。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了本發(fā)明的目的，最佳表面速度為約35m/min。鑒于表面速度必須維持在預(yù)定最佳值或其附近，故總流率F與斷面面積A之比必須保持常數(shù)。然而，火炬的斷面面積，若要充分覆蓋所有靶，就無法保持恒定，正如從圖10和11看出的，該斷面面積通過順序開啟火炬環(huán)64、66、68和70而變大，正如下面所描述的。因此，在公式(2)中，唯一剩下的變量是總流率。該實施方案的設(shè)備，如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的，采用一種質(zhì)量流率控制器(MFC)來改變總流率，從而將表面速度維持在規(guī)定的預(yù)定數(shù)值。本范例實施方案的MFC是一種市售供應(yīng)的裝置，由包括但不限于，Tylan GeneralTM、Unit InstrumentsTM、MKSTM和AeraTM等供應(yīng)商供應(yīng)。如圖11所示，MFC80、82、84、86被分別用于控制火炬環(huán)64、66、68和70的等離子氣體。
在繼續(xù)上面的實例的過程中，為將表面速度維持恒定在35m/min，對于火炬環(huán)64而言，首先設(shè)定MFC80在100L/min。當(dāng)火炬環(huán)66啟動時，MFC80將維持同樣100L/min的流率，同時MFC82將具有75L/min的流率。當(dāng)火炬環(huán)68啟動時，MFC80和82仍然分別具有同樣的100和75L/min流率，而MFC84將具有100L/min的流率。當(dāng)最后一個火炬環(huán)86投入使用時，MFC80、82和84將分別具有同樣100、75和100L/min的流率，而MFC86將需要120L/min的流率。通過采用這樣的流率，表面速度將維持恒定在約35m/min。
參見圖10，所畫出的范例可變火炬60還包括2或更多個噴嘴74，位于同一平面內(nèi)，兩個實際用于所畫出的特定實例。噴嘴74彼此相對放置，如圖所示，或者互成其他規(guī)定角度(未畫出)。噴嘴74的垂直位置與“970申請”有關(guān)同一內(nèi)容的描述相一致。噴嘴74安裝在精密微動裝置(未畫出)上并由傳統(tǒng)市售供應(yīng)步進(jìn)電機(jī)(未畫出)沿圖示徑向R推動。一種范例步進(jìn)電機(jī)是型號PD 42-18.35，由RK Rose+Kriegel公司，KGTM制造，同時附帶由同一供應(yīng)商供應(yīng)的精密微動裝置。步進(jìn)電機(jī)和精密微動裝置的等價型號可由各種各樣本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的市場供應(yīng)商提供。
噴嘴74由柔性軟管(未畫出)連接到剛性主氣體供應(yīng)管線(未畫出)上，柔性軟管具有足夠松弛度，以適應(yīng)噴嘴74的移動全程。
上面指出的控制單元控制噴嘴步進(jìn)器(nozzle stepper)以選擇性地將每個噴嘴72的開口(未標(biāo)示)定位在沿管64、66、68和70當(dāng)中選擇的管周圍的位置上。所選的管對應(yīng)于火炬60所要求直徑的構(gòu)型。
所述用于控制噴嘴74沿徑向R的位置的結(jié)構(gòu)允許同一噴嘴74用于所有同心石英玻璃管64、66、68和70，即，適應(yīng)所有不同火炬的直徑。
參見圖12，現(xiàn)在描述一種采用可變直徑火炬60的范例方法。除非另外說明，該方法是針對范例實施方案2和3所描述的方法，但其中以單一可變火炬60替代以前所描述的實施方案的多火炬。更具體地說，在步驟300，一個靶2安裝在設(shè)備圖7A和7B或者圖8A和8B的車床6A和6B的每一個中。每個靶2具有25mm的初始直徑。下一步，在步驟302，通過移動圖10的噴嘴74而啟動最內(nèi)石英管，或火炬環(huán)64。在該實例中，火炬環(huán)64的直徑D(64)是60mm。繼而，在步驟304，開始向2個靶2上沉積。步驟3 06比較靶的直徑與它們的中心到中心間距以確定間距是否足夠，正如前面針對圖9的步驟204所述，根據(jù)靶敏感元件22的輸出S和車床位置值PV1來判斷。如果答案是“否”，則方法進(jìn)入步驟308，并按照圖9有關(guān)步驟208所述重新定位車床6A和6B。步驟308以后，方法進(jìn)入步驟312，并確定火炬60的配置是否足以覆蓋所有靶。該決定是基于靶直徑信號S和由PV1指出的中心到中心間距，以及依據(jù)環(huán)64、66、68和70當(dāng)中哪一個被啟動來設(shè)定的火炬閾值(torch threshhold)T做出的。在第一遍走過圖12循環(huán)過程的情況下，閾值T設(shè)定為對應(yīng)于最內(nèi)火炬環(huán)64。在該實例中，第一閾值是35mm。如果步驟312認(rèn)定，火炬60不具有足夠直徑，則過程進(jìn)入步驟314，以開啟更大的火炬環(huán)66。
為實施步驟314，基于微處理器的控制器根據(jù)來自靶敏感元件22的信號發(fā)出改變命令(未畫出)的順序。一種命令通過關(guān)閉化學(xué)物流閥(未畫出)停止到噴嘴的源化學(xué)物流，并同時打開吹掃氣體如空氣或氮?dú)獾拈y。另一種對指定的MFC的命令將化學(xué)物流流率設(shè)定在要求的數(shù)值，它增加等離子氣體流率但維持恒定的表面速度。另一種命令導(dǎo)致噴嘴步進(jìn)器沿R方向回縮噴嘴74，以便與80mm的火炬環(huán)66保持匹配。隨后，等離子體火炬60從80mm火炬環(huán)66重新開始，火炬閾值T更新，以反映80mm直徑，過程循環(huán)返回至步驟，并重新開始沉積。
當(dāng)步驟312檢測到火炬環(huán)66的80mm直徑已不夠時，過程進(jìn)入到314步驟并轉(zhuǎn)換到下一個更大的環(huán)68(100mm)。類似地，當(dāng)步驟312檢測到火炬環(huán)68的100mm直徑不夠時，方法將進(jìn)入314步驟并轉(zhuǎn)換到最大(對本實例而言)環(huán)68(120mm)。
步驟310以類似于圖9的步驟206的方式檢測到何時靶已達(dá)到其最終過程直徑，被表示為S＝P最終，此后方法將進(jìn)入到步驟316并結(jié)束。
圖10和11所示可變火炬60僅用于說明的目的。例如，可采用多于4個同心管或環(huán)，即，64、66、68和70。
為達(dá)到平穩(wěn)的操作，可回縮的噴嘴62應(yīng)具有精密運(yùn)動控制，典型地在0.1mm范圍。另外，一種優(yōu)選的實施方案包括一種反饋回路(未畫出)，用于在轉(zhuǎn)換步驟期間和整個沉積操作期間監(jiān)測等離子體功率耦合以及補(bǔ)償電感(L)的變化。電感(L)的變化將改變等離子體發(fā)生器的頻率(f)，并且它們用下式關(guān)聯(lián)
(3)---f=12πLC]]>其中C是火炬電源內(nèi)在的電容。操作期間，電容C是常數(shù)。當(dāng)電感L發(fā)生變化時，它將改變頻率。反饋回路將檢測并自動調(diào)節(jié)電容和維持恒定頻率。
可變火炬60的優(yōu)點(diǎn)是，它僅要求一個發(fā)生器和一個火炬。另外，在操作期間，不需要對火炬和發(fā)生器作轉(zhuǎn)換?？勺兓鹁?0還需要比以前描述的實施方案的多火炬設(shè)備少得多的空間?？臻g的節(jié)省還意味著不需要增加車床的長度以適應(yīng)多個火炬。
要知道，上面結(jié)合著特定實施方案描述了本發(fā)明，但它們僅僅作為例子給出，本發(fā)明不限于這些特定實施方案或上面所描述或附圖中所展示的構(gòu)型，而是還包括各種各樣本領(lǐng)域技術(shù)人員在研讀了本說明之后可想到的修改方案，正如由所附權(quán)利要求的最廣義范圍所定義的。
權(quán)利要求
1.一種成形光纖型坯的方法，包括下列步驟提供第一等離子體火炬，它具有耦合(coupling)等離子體能量用線圈，所述線圈具有第一直徑；提供多個靶，每個具有一個縱軸，所述縱軸排列成彼此間相隔一定法向間距；使所述多個靶圍繞彼此平行的旋轉(zhuǎn)軸同時地旋轉(zhuǎn)；采用所述第一等離子體火炬同時地沉積玻璃到所述多個靶上，形成多個中間型坯，每個具有第一型坯直徑；提供多個第二等離子體火炬，每個具有耦合等離子體能量用線圈，所述線圈每一個具有第二直徑，所述第二直徑小于所述第一直徑；以及采用所述多個第二等離子體火炬沉積玻璃到所述多個中間型坯上，形成相應(yīng)的多個最終型坯。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所有相鄰對的所述靶的所述間距之和小于所述第一線圈直徑。
3.一種成形光纖型坯的方法，包括下列步驟提供多個靶；使所述多個靶同時地圍繞彼此平行的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；提供第一等離子體火炬，它具有耦合等離子體能量用線圈，所述線圈具有第一直徑；通過沿平行于所述旋轉(zhuǎn)軸的所述靶移動所述第一等離子體火炬，將玻璃沉積在所述靶上；提供第二等離子體火炬，它具有耦合等離子體能量到所述多個靶中每一個的一部分上的線圈，所述線圈具有第二直徑，所述第二直徑大于所述第一直徑；以及通過沿平行于所述旋轉(zhuǎn)軸的所述靶移動所述第二等離子體火炬，將玻璃沉積在所述靶上。
4.一種成形光纖型坯的方法，包括下列步驟提供第一等離子體火炬，它具有耦合等離子體能量用線圈，所述線圈具有第一直徑；提供多個靶，每個具有一個縱軸，所述縱軸排列成彼此間相隔一定法向間距；使所述多個靶圍繞它們各自的縱軸同時地旋轉(zhuǎn)；采用等離子體火炬同時地沉積玻璃到所述多個靶上；檢測所述靶之一或多個的直徑；根據(jù)所述檢測到的直徑，提高所述間距；以及同時地沉積玻璃到所述多個靶上，其中它們的縱軸彼此相隔所述提高的間距。
5.一種成形光纖型坯的方法，包括下列步驟提供一個具有用于耦合等離子體能量的線圈的等離子體火炬，所述線圈具有固定直徑；提供多個靶，每一個具有一個縱軸，所述縱軸排列成彼此間相隔一定法向間距；使所述多個靶圍繞它們各自的縱軸同時旋轉(zhuǎn)；采用等離子體火炬同時沉積玻璃到所述多個靶上；檢測所述靶之一或多個的直徑；根據(jù)所述檢測到的直徑，提高所述間距；通過增加等離子體火炬的斷面面積并保持表面速度恒定來改變等離子體火炬；以及同時沉積玻璃到所述多個靶上，其中它們的縱軸彼此相隔所述提高的間距。
全文摘要
一個單獨(dú)的等離子體噴燈(plasma burner)(4a)沉積煙灰材料(soot material)到多個旋轉(zhuǎn)的平行靶(2a、2b、2c)上。所有靶同時生長。結(jié)果是多個用于光纖的型坯。
文檔編號C03B37/018GK1599701SQ02809775
公開日2005年3月23日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者I·格斯科夫 米哈伊爾, B·丹尼洛夫 伊夫管尼, A·阿斯拉米 芒德, 吳道 申請人:纖維管有限公司