等离子体外部化学气相沉积用多火炬－多靶方法和设备的制作方法

专利名称：等离子体外部化学气相沉积用多火炬－多靶方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及光纤制造领域，更具体地说，涉及用于进一步加工成光纤的纯或掺杂二氧化硅管或纤维型坯(preform)的高速率加工方法和设备。
相关技术叙述有各种各样已知设备和方法用于成形具有给定折射指数断面曲线(cross sectional profile of their index of refraction)的合成二氧化硅管或型坯。这些方法包括本申请人的专利申请序列号09/558,312(“312申请”)和08/994,970(“970申请”)所描述的等离子体外部气相沉积(POVD)方法(plasma outside vapourdeposition)，在此将这两篇的内容收作参考。“312申请”所描述的方法以第一沉积速度沉积一或更多个层，随后以低于第一速度的第二速度沉积上一层。如“312申请”所述，第一沉积速度足够高，以致被沉积的玻璃尚未加热到固结(consolidation)温度。然而，以较低第二速度的沉积则既使当前沉积层固结也使以前以较高的第一速度沉积的未固结层固结。如同在“312申请”中所述，第一沉积速度可以是第二或沉积/固结速度的2.5倍。因此，“312申请”中描述的多速率加工程序达到高达现有技术所获得的二倍的沉积速率。
但是，本发明人认识到等离子体外部气相沉积方法，包括按“312申请”的方法和设备所实施的方法，仍有必要进一步改进加工速率。更具体地说，本发明人认识到现有技术的缺点是，当靶(target)尚处于较小直径时，也就是沉积的早期阶段，获得的沉积速率低。再者，本发明人认识到现有沉积方法所获得的材料利用率有必要改进。
发明概述本发明的目的是解决上面指出的现有技术沉积速率的缺点。另一个目的是提高型坯制造中沉积材料的利用率。
本发明用于达到这些以及其他目的的一般方法采用一或更多个第一直径等离子体火炬(plasma torch)将二氧化硅沉积到一或更多个靶上以形成具有第一直径的第一中间型坯，随后由一个或多个第二直径等离子体火炬将二氧化硅沉积到第一中间型坯上，从而形成后继中间型坯(succeeding intermediate preform)或最终型坯。
本发明第一范例方法包括第一步骤采用第一等离子体火炬同时沉积玻璃到多个圆柱体靶上以形成多个具有第一直径的第一中间型坯，以及第二步骤采用第二等离子体火炬同时沉积玻璃到多个第一中间型坯上以形成多个型坯，其中第一等离子体火炬具有第一线圈直径(coil diameter)，而第二等离子体火炬具有第二线圈直径，第一线圈直径大于第二线圈直径。
本发明另一种实施方案是这样一种方法，它包括第一步骤采用第一等离子体火炬同时沉积玻璃到多个圆柱体靶上以形成多个第一中间型坯，第二步骤采用第二等离子体火炬同时沉积玻璃到多个第一中间型坯上以形成多个第二中间型坯，以及第三步骤同时沉积玻璃到多个第二中间型坯上以形成多个型坯，其中第一等离子体火炬具有第一线圈直径，第二等离子体火炬具有第二线圈直径，第三等离子体火炬具有第三线圈直径，第三线圈直径大于第二线圈直径，而第二线圈直径大于第一线圈直径。
附图简述上述以及其他目的、方面和优点从下面有关本发明优选实施方案描述并结合着参考附图将获得更好的理解，这些附图中

图1画出用于在本发明第一范例方法中实施第一步骤的安排，其中采用单一等离子体火炬将二氧化硅沉积到3个靶上；图2画出用于在本发明第一范例方法中实施第二步骤的安排，其中采用3个等离子体火炬将二氧化硅沉积到3个靶上；图3画出用于实施本发明第二范例方法的火炬安排，沿X-轴方向；图4画出沿Y-轴方向的图3所示火炬安排；图5是采用图3和4的设备实施一种范例操作方法的流程图；图6A和6B表示第三范例实施方案用等离子体火炬和靶的第一和第二位置以及安排，具有控制和移动相邻靶之间间距的设备；图7A和7B表示图6A和6B实施方案用第一可移动靶间距调节设备的安排的第一和第二位置；图8A和8B表示图6A和6B实施方案用第二可移动靶间距调节设备的安排的第一和第二位置；图9是图6A和6B实施方案的范例操作方法的流程图；图10是用于实施前面描述的实施方案方法的一或更多个步骤的可变直径等离子体火炬构型俯视图；图11是通过图10的BB投影线的剖视图；以及图12是图10和11的可变直径等离子体火炬的范例操作方法的流程图。
发明详述本发明人发现了在保持恰当等离子体气流特性条件下，获得高沉积速率的靶尺寸与火炬直径之间应具有的最佳关系，下表1即列举此种关系。靶尺寸与火炬直径之间的此种关系提供在保持足够等离子体气流特性条件下约等于或大于3g/分的沉积速率，并因此被用于本文所描述的范例实施方案中。
表1

本发明人又利用下式分析了沉积速率
其中ρ是玻璃的密度，为约2.2g/cc的常数，D是靶直径，Δt是一遍沉积的层厚。
从本发明人的上式(1)，本领域技术人员可以看出当靶直径小时，存在着沉积速率低的问题。从式(1)还可以看出，另一个可控参数是沉积速度。表面上看来，式(1)的数学关系指出较快的沉积速度自动地意味着较高的沉积速率。然而，实际上，沉积速率并不仅仅遵从该式变化。更具体地说，当仅仅增加沉积速度本身，而不做其他调节时，沉积层的厚度可能降低，和/或沉积的玻璃可能未固结。
本发明采用多火炬和多靶解决上述以及其他问题，正如下面的范例实施方案中所描述的，从而将火炬直径与靶直径之间的关系维持在表1所给出的范围内。
另外，在下面的说明中给出一些涉及等离子体火炬的具体范例组合和变更方案。
第一范例实施方案参考图1和2，下面说明本发明的第一实施方案。所描述的该实例实施两步骤沉积方法。图1画出用于第一步骤的设备；图2画出用于第二步骤的设备。
参见图1，用于第一步骤的设备和安排包括单一等离子体火炬4A和3个沉积靶2a、2b和2c，统称项2，每个靶由旋转玻璃加工车床(图1中未画出)的传统卡盘(chuck)(图1中未画出)固定，并围绕靶的纵轴AXa、AXb和AXc旋转。在图1的安排中，各个轴AXa～AXb之间的间距是固定的。因此，旋转可由三芯轴车床(three spindle lathe)实施并且适合此种情况的型号可从本领域技术人员已知的许多市售供应商那里购得。
每一个纵轴平行于参考轴Z延伸。标为Y的参考轴垂直于靶2，并垂直于Z-轴。从面朝玻璃加工车床的观察者(未画出)的视角，Y-轴处于地板(未画出)的上、下方向。X-轴垂直于YZ平面，而从描述Y-轴时的观察者的视角，X-轴处于靶的进和出的方向并垂直于Z-轴。所描述的X、Y、Z参考轴适用于本文描述的所有其他实施方案。
等离子体火炬4a安装在靶2下方的车床托架附件(未画出)上，使得等离子体火炬可平行于参考轴Y朝向和离开靶2移动。车床托架(未画出)可用车床(未画出)的导螺杆(lead screw)(未画出)沿着靶2的长度、Z-方向移动。
范例等离子体火炬4a与共同未决“970申请”所描述的相一致，在此将该文献收作参考。在本发明的优选实施方案中，等离子体火炬4a和本文所描述的所有其他等离子体火炬包括稳定棒(stabilizerbar)和注入口(喷嘴)，在“970申请”中分别标作58和60。“970申请”的稳定棒和注入口58和60的目的和功能在该文中均做了描述。
现在将描述采用图1设备的步骤1。首先，沉积从单一等离子体火炬4a开始，它具有标为DMTRA的直径，沿Z轴横跨(traverse)靶的长度，同时将玻璃沉积到所有三个靶上。沉积开始前，每个靶具有初始直径D(开始)。在本实例中，等离子体火炬直径DMTRA是100mm，而D(开始)是25mm。在步骤1，靶与靶之间的中心到中心间距是SP1。在本实例中，SP1是40mm。步骤1的沉积一直持续到靶的直径达到预定的中间直径D(中间)。一例D(中间)是35mm，与示例的D(开始)和DMTRA数值相对应。步骤1在三个靶上的总沉积速率当采用本例的D(开始)和DMTRA和SP1数值时，大于10g/min。
参见图2，步骤1的沉积达到D(中间)靶直径之后，图1的等离子体火炬4a关闭并开启三个新的等离子体火炬，分别标为4b1、4b2和4b3。等离子体火炬4b1、4b2和4b2中每一个具有直径DMTRA，在本例中是70mm。这三个等离子体火炬相对于单一等离子体火炬4a的布置不过是设计选择的问题。一种示例布置是将三个火炬4b1、4b2和4b3安装在z-轴与火炬4a距离开的位置，以便两组中任何一组开启和操作都不会彼此发生物理干扰。
参见图2，步骤2的安排采用三个等离子体火炬4b1、4b2和4b3沉积玻璃到三个靶2上，直至直径D达到预定的D(最终)，例如，75mm。
本例的步骤2期间，每个靶平均沉积速率各为约10g/分钟。因此，该第二步骤使这三个靶总共达到约30g/min的总沉积速率。
图1和2的两步骤方法仅作为本发明的一个范例描述，不是对步骤数目或不同火炬直径数目的限制。例如，若要求最终靶直径D(最终)是100mm，而不是75mm，则可能要采用另外三个火炬(未画出)，每个具有100mm直径的第三步骤(未画出)来实施。另外，图2显示步骤2是采用三个火炬4b1、4b2和4b3，安装在单靶-旋转的设备(未画出)上实施的。或者，第二步骤也可这样实施，即，将第一步骤形成的3个单靶2安装在三个分开的车床(lathe)(未画出)上。三个车床的每一个(未画出)具有类似于4b1、4b2和4b3任何一个的单火炬。此种实施步骤2的替代设备将在每一台设备上，以10g/min的平均沉积速率达到75mm的最终靶直径。
第二范例实施方案参见图3、4和5，现在描述本发明第二范例设备和方法。首先参见图3和4，该实例安排了4个等离子体火炬，分别标为4C1、4C2、4C3和4C4，沿着Z-轴依次隔开，每个火炬沿Y-轴方向指向2个靶2。最左边的等离子体火炬4C1的直径D(4C1)是这4个当中最小的，随后按递增序依次是分别为火炬4C2、4C3和4C4的直径D(4C2)、D(4C3)和D(4C4)。在该实例中，D(4C1)＝60mm，D(4C2)＝80mm，D(4C3)＝100mm，而D(4C4)＝120mm。
两个靶2m和2n的每一个的初始直径(未标示出)在本例中是25mm，并且每一个都被支撑在车床卡盘(lathe chuck)内(未画出)或装在等效的靶旋转装置内。如图4所示，这两个靶2在X-Z平面内彼此平行延伸，围绕火炬中心线C基本上对称。
参见图5，现在将描述采用图3和4的设备实施的范例方法。
该实例的第一步骤在图5的流程图内标为100，首先采用直径最小的火炬4C1沉积玻璃到2个靶2n和2m上。沉积一直持续到步骤102检测到管直径D已达到预定的第一中间直径D(中间1)，该数值在本例中是35mm。本实例的步骤1期间，在两个靶2上的总沉积速率超过10g/min。
接着，在步骤104，最小直径等离子体火炬4C1关闭，下一个较大的相邻火炬4C2开启，并采用火炬4C2开始沉积。如上所述，在该实例中，4C2等离子体火炬的直径D(4C2)是80mm，相比之下，第一沉积步骤使用的等离子体火炬的直径D(4C1)为60mm。步骤104的沉积一直持续到步骤106检测到管直径D达到预定的第二中间值D(中间2)，该数值就本实例的火炬直径而言，是45mm。步骤104期间在这两个靶2上的总沉积速率超过16g/min。该速率的增加主要原因是等离子体火炬4C2的直径较大，与其他三个等离子体火炬相比它能更好地与管2初始直径-即35mm-相匹配。
继而，在图5的步骤108中，等离子体火炬4C2关闭，下一个较大直径等离子体火炬4C3-其直径D(4C3)在本例中是100mm-开启并用于在靶2上沉积玻璃。步骤108的沉积一直持续到步骤110检测到管直径D达到预定的第三中间值D(中间3)，在本实例中，为60mm。随后，该方法在步骤110结束。步骤108期间，采用给出的火炬和靶参数在这两个靶2上的总沉积速率超过20g/min。
下一步，在步骤112，等离子体火炬4C3关闭，下一个较大直径等离子体火炬4C4-其直径D(4C4)在本实例中是120mm-开启并用于在靶2上沉积玻璃。步骤112的沉积一直持续到步骤114检测到管直径D达到最终值D(最终)，在本实例中，为70mm。步骤112期间，在这两个靶2上的总沉积速率超过26g/min。
所描述的图3和4的设备以及图5所描述的的方法仅用于举例说明的目的。该多火炬方法可利用更多的火炬(未画出)，或另一些靶-旋转和火炬设备(未画出)继续，直至达到任何要求的靶直径。
所描述的图3和4的设备采用单一高频发生器(未画出)给所有描述的等离子体火炬供应所要求的功率。一种范例发生器是一种可变功率发生器，型号1G 120/5000，由Fritz Huttinger Electronic公司(德国)供应，在频率5.00MHz(±0.13MHz)输出最高达120kW给等离子体火炬提供能量。该范例发生器由商业供应的50Hz、3相、380V电源带动。
第三范例实施方案参见图6A～9，下面将描述本发明另一种实施方案。首先看图6A，该实施方案的总体特征在于，多靶-在本实例中该数目是3-分别标为2x、2y和2z，每一个都安装在各自的旋转驱动设备中，例如车床(未画出)。这些车床能由图7A～8B中所描述的设备可控地彼此相对地沿x方向移动。随着靶直径因沉积玻璃而不断增加，车床的运动逐渐地将靶2x、2y和2z之间的中心到中心间距SP2逐渐分开，从而随着玻璃不断沉积始终在相邻靶之间保持间距SP2。
图6A展示靶2的开始位置，而图6B展示第二和更宽的中心到中心间距SP2。参见图6A，在靶的开始位置，采用单一火炬4D1。范例火炬4D1的直径D(4R)为100mm，对应于3个靶2各为25mm的开始直径。参见图6B，第二中心到中心间距SP2位置对应于靶直径35mm。在图6B的位置上，采用2个火炬4D1和4D2，在靶直径35的情况下每一个都具有100mm的直径D(4R)。
现示出上面由图6A和6B所描述的一般特征的两种范例机构和设备，第一种表示在图7A和7B，第二种在图8A和8B中。
图7A和7B描述三车床6A～6C彼此相对地沿x方向的第一种平动机构，其中这两幅图显示出分别在第一和第二位置的相同机构。三车床6A～6C每一个均为市售供应的玻璃加工车床，例如，由AmoldTM、HeathwayTM或LittonTM销售的装置，其中支撑平台按说明和图示做了修改。车床6A～6C各自包含一对旋转卡盘，装在分别分别标为5A、5B和5C的车头箱(headstock)上，另外还有车尾箱(tailstock)，分别标为7A、7B和7C，用于支撑靶。芯轴驱动系统用于旋转卡盘，分别标为10A、10B和10C。
如图7A和7B所示，中央车床6A安装在平台12上，车床6B在平台14，而车床6C在平台16上。平台12被画成较大的结构，因为，除了作为车床6A的安装支撑之外，它还是其他两个平台14和16的主要支撑。平台14和平台16每一个具有配合轨道引导件(cooperating wayguide)(未画出)，它们与轨道(way)18啮合并沿着它顺X方向滑动。机器轨道18可以是V-字形、反V-字形、圆形或者任何其他多种多样车床技术领域现存的熟知轨道构型。在图7A所示范例中，2条机器轨道18安装在平台12的顶面(未标出)。上面描述平台12、14和16的结构和安排很容易由本领域技术人员采用市售供应的车床安装硬件来实施。
参见图7A，靶直径敏感元件20检测靶2之一或多个的直径并产生相应信号S。靶敏感元件20被描述在共同未决申请序列号09/058,207中，在此将其收作参考。一种范例靶敏感元件20是Laser MicroDiameter Monitor，型号#LDM-100A，由LAP公司制造。第一车床位置驱动器22响应控制信号S可控地旋转第一导螺杆24。第一导螺杆24与平台14内的相配螺纹引导件(未画出)啮合。导螺杆24以及相配螺纹引导件的具体结构、尺寸和类型很容易由本领域技术人员利用与机床领域相关的技术人员熟知的选择和设计标准从大量市售供应导螺杆零部件中挑选。第二车床驱动器26响应由靶敏感元件20获得的控制信号S可控地旋转第二导螺杆28。
参见图6A和6B的一般实施方案，两个分别标为4D1和4D2的相同等离子体火炬沿着X-轴排列。当靶的直径进一步增加时，将启动第三等离子体火炬4D3(未画出)，并且为维持它们各自外表面之间的间距必须增加它们的中心到中心间距。该火炬的直径D(4R)例如是100mm。图7A和7B用于说明一种可移动车床6的范例安排，因此未表示出等离子体火炬4D1、4D2和4D3。
参见图9，下面将描述一种采用图7A和7B的车床安排的图6A和6B系统的范例操作。
在步骤200，沉积过程通过启动或激活单一火炬4D1而开始，然后执行步骤210，令其沿着3个靶2的长度移动。单一火炬4D1的直径D(4R)被选择为足以覆盖全部3个处于各自起始直径的靶2。随着沉积的进行，靶敏感元件20检测到靶2直径的不断增加，于是输出信号S的相应数值。步骤204比较信号S与代表车床6A、6B和6C间距位置的数值PV1，其中间距位置数值本身表示靶之间中心到中心的间距。比较的结果确定，考虑到靶直径因沉积而不断增加的情况下，它们之间的间距是否足够。如果在步骤204的答案是“是”，则进入步骤206，比较代表靶直径的S值，以确定靶是否已达到其最终加工直径。如果答案是“否”(加工开始时预期的答案)，则过程循环返回到步骤202并继续沉积。
如果在步骤204的答案是“否”，就是说，靶不再有足够间距，则过程进入步骤208，在此，第一和第二车床位置驱动器22和26分别旋转第一和第二导螺杆24和28，从而使平台14和16朝离开中央平台12的方向移动。结果使车床6B和6C离开中央车床6A。相应地，将PV1的数值更新以反映车床的新间距位置。
第一和第二车床位置驱动器优选地通过编程以实现车床的步进，其中每当靶直径敏感元件20检测到靶2直径已达到下一个规定数值时，车床6B和6C就移动到下一个(步进一个)增量的位置。另外，第一和第二车床位置驱动器优选地编程为，在一个沉积行程的末尾，而不是期间，改变车床6B和6C的位置。
步骤208移动车床6B和6C之后，步骤210比较S信号与第一火炬控制参数T，以确定该单一火炬的直径D(4R)是否足以覆盖所有3个靶2。如果答案是“是”，则过程循环返回到步骤202并用火炬4D1沉积。如果在步骤210的答案是“否”，则意味着仅靠火炬4D1自己不能充分地沉积玻璃到所有3个靶上，则过程进入步骤212，并且下一个火炬-在本例中为排在如图6B所示第一火炬4D1相邻位置的另一个火炬4D2-开启。与步骤212相联系，2个火炬的中心到中心间距自动地调节到保证恰当覆盖所有靶2。然后，过程循环返回到步骤202，并继续以2个激活的火炬——4D1和4D2沉积。该过程继续，步骤208增加靶之间的中心到中心间距，以补偿它们不断增加的直径，步骤210和212激活并根据需要定位另外的火炬，直至步骤206检测到靶已达到它们所要求的最终直径。随后，方法进入步骤214并结束。
采用图6A和6B设备及图7A和7B的特定范例车床安排的总沉积速率非常接近实例1的。该方法在步骤212继续到靶达到预定的最终靶直径D。
图7A和7B的车床6A～6C是上所述支撑部分做了修改的传统玻璃加工车床。因此，车床6A～6C每一个具有单独芯轴驱动件(spindledrive)，这3个驱动件分别标为10A～10C。图8A和8B显示同一设备的两个位置，该设备如下面所描述，去掉了冗余的驱动器10A～10C，并进而去掉了导螺杆24和28。为便于说明，图8A和8B的设备是沿着图7A和7B的从方向的投影，相同结构标有相同数字代号。
参见图8A，平台14和16由平台12顶面上的图7A和图7B的轨道(ways)18(在图8A中未画出)支撑着，正如针对第三范例实施方案所描述的那样。一种具有驱动链轮(drive sprocket)32的车床电机30安装在支持件34中，与垂直导向槽36成相配并可移动的安排。图7A和7B的每一个车床卡盘5A～5C在图8A和8B中未表示，具有分别标为9A～9C的链轮。驱动链34绕着驱动链轮32和3个车床链轮(lathesprocket)9A～9C延伸。据此，单一车床电机30给所有车床卡盘5A～5C提供旋转驱动。一种很容易由本领域技术人员从市售供应装置中挑选的传统伺服传动装置(servo drive)(未画出)可控地沿垂直方向根据上面描述的控制信号S给车床电机30定位。一种偏置弹簧(biaspring)40安排在平台12的中央结构12a与平台14之间，偏置弹簧42安排在中央结构12a与平台16之间。偏置弹簧40和42使平台14和平台16沿X方向离开平台12。平台12为固定的，正如参考图7A和7B时所述。
图8A显示处于其最低垂直位置的旋转驱动电机。在该最低位置，驱动链34的张力反抗偏置弹簧40和42的力，把外侧链轮9B和9C朝内侧链轮9A拉。因此，车床卡盘5B和5C处于它们相对于中央车床卡盘5A最近位置。
沉积过程开始时，设备处于图8A所示位置，并采用参见第三范例实施方案的图7A时所描述的相同等离子体火炬设备进行。随着沉积的持续，靶2的直径不断增加。靶直径敏感元件20输出指出靶2直径的控制信号S，如上所述，该信号被伺服传动装置38接受。上面描述的伺服传动装置，作为响应，将车床电机30移动到较高位置。随着车床电机30的上移，在驱动链34中产生松弛(slack)。偏置弹簧40和42通过将平台14和16推开而吸收了该松弛量，借此，平台14和16采取了沿X方向更加远离中央平台12的位置。沉积一直持续到靶达到另一个指定的直径，然后，饲服传动装置将车床电机30移动到下一个更高位置。如上所述，偏置弹簧40和42相应地使平台14和16到相对于平台12的下一个外侧位置。靶直径的检测和车床电机相应地朝上移动的过程一直持续至达到最终设计的直径。参见图8B，表示出一种当沉积已达到最终设计直径时，车床电机30和平台14和16的范例位置。旋转的驱动电机30的总移动距离控制外侧车床卡盘5B和5C的总横移距离。
车床电机30、支撑件34、导向槽36和伺服传动装置38的此种安排不过是举例说明而已。本领域技术人员在研读本说明之后可想出许多替代安排。例如，车床电机可安装在绞接式摆动臂(pivoting swingarm)(未画出)上，该臂围绕绞接点(未画出)沿弧线移动。
另外，倘若要求平台14和16的定位具有更大的精度，则第一和第二导螺杆24和28，以及参考图7A和7B时所描述的驱动22和26，可以保留。在此种情况中，车床电机30由伺服传动装置38带动的垂直移动必须与导螺杆24和28的旋转同步，以维持驱动链34的恰当张力。
第四范例实施方案展示上面描述的实施方案为的是说明一种采用固定直径等离子体火炬沉积玻璃的各种安排和顺序。参见图10和11，下面将描述一种可变直径等离子体火炬60，与前面实施方案中所描述的固定直径等离子体火炬安排相比，它大大减少硬件。图10是可变直径等离子体火炬60的俯视图，图11是通过图10投影线BB的断面视图。图10和11所示可变直径等离子体火炬60可直接用于替代4个实例6第二实施方案中使用的火炬4C1、4C2、4C3和4C4。
参见图10，可变直径火炬60包括内管62和4个同心石英玻璃管，分别标为64、66、68和70。铜导体蛇管72围绕在外石英管70上。环64的直径标为D(64)，环66、68和/或70的直径分别标为D(66)、D(68)和D(70)。
将描述两种可变火炬60的范例结构，每个范例都是实施方案2的所有4个火炬4C1、4C2、4C3和4C4的替代物。
在提供管高度精确控制功能的第一范例结构中，管64、66和68每一个可独立地沿轴向或高度方向AX移动。火炬环64、66和68由环步进器(ring stepper)(未画出)选择性地沿高度方向AX定位，以改变火炬的直径。本发明人发现一种火炬环定位的优选精度，因此，例如在环步进器的情况下，例如对应上面描述的环尺寸D(64)、D(66)、D(68)和D(70)，近似等于0.1mm。环步进器(未画出)为市售供应的精密步进电机(precision stepper motor)和与之相联系的精密驱动机构，它们采用传统市售供应的以微处理器为基础的控制单元(未画出)，所有这些很容易按照与本领域相关技术人员熟知的标准和方法选择。
可变火炬60的第二范例结构的特征在于环管高度(height of theringtube)固定，比第一实施方案简单，这对于某些场合可能是优选的。然而，内环64的高度将低于外环。它将允许等离子体气体恰当地混合并达到要求的流动状态。表2提供直径与高度数值的范例组合。
表2

存在一定量朝外的等离子体气体泄漏，而通过调节操作参数，达到要求的流动状态以适应此种差异。更具体地说，一个关键操作参数是火炬上方的恒定表面速度，其中表面速度被定义为

断面面积是火炬实际流动着等离子气体的部位的断面面积。
通过控制表面速度，可维持一种平稳的操作，更重要的是能维持玻璃的沉积质量。本发明人发现，为了本发明的目的，最佳表面速度为约35m/min。鉴于表面速度必须维持在预定最佳值或其附近，故总流率F与断面面积A之比必须保持常数。然而，火炬的断面面积，若要充分覆盖所有靶，就无法保持恒定，正如从图10和11看出的，该断面面积通过顺序开启火炬环64、66、68和70而变大，正如下面所描述的。因此，在公式(2)中，唯一剩下的变量是总流率。该实施方案的设备，如下面进一步详细描述的，采用一种质量流率控制器(MFC)来改变总流率，从而将表面速度维持在规定的预定数值。本范例实施方案的MFC是一种市售供应的装置，由包括但不限于，Tylan GeneralTM、Unit InstrumentsTM、MKSTM和AeraTM等供应商供应。如图11所示，MFC80、82、84、86被分别用于控制火炬环64、66、68和70的等离子气体。
在继续上面的实例的过程中，为将表面速度维持恒定在35m/min，对于火炬环64而言，首先设定MFC80在100L/min。当火炬环66启动时，MFC80将维持同样100L/min的流率，同时MFC82将具有75L/min的流率。当火炬环68启动时，MFC80和82仍然分别具有同样的100和75L/min流率，而MFC84将具有100L/min的流率。当最后一个火炬环86投入使用时，MFC80、82和84将分别具有同样100、75和100L/min的流率，而MFC86将需要120L/min的流率。通过采用这样的流率，表面速度将维持恒定在约35m/min。
参见图10，所画出的范例可变火炬60还包括2或更多个喷嘴74，位于同一平面内，两个实际用于所画出的特定实例。喷嘴74彼此相对放置，如图所示，或者互成其他规定角度(未画出)。喷嘴74的垂直位置与“970申请”有关同一内容的描述相一致。喷嘴74安装在精密微动装置(未画出)上并由传统市售供应步进电机(未画出)沿图示径向R推动。一种范例步进电机是型号PD 42-18.35，由RK Rose+Kriegel公司，KGTM制造，同时附带由同一供应商供应的精密微动装置。步进电机和精密微动装置的等价型号可由各种各样本领域技术人员已知的市场供应商提供。
喷嘴74由柔性软管(未画出)连接到刚性主气体供应管线(未画出)上，柔性软管具有足够松弛度，以适应喷嘴74的移动全程。
上面指出的控制单元控制喷嘴步进器(nozzle stepper)以选择性地将每个喷嘴72的开口(未标示)定位在沿管64、66、68和70当中选择的管周围的位置上。所选的管对应于火炬60所要求直径的构型。
所述用于控制喷嘴74沿径向R的位置的结构允许同一喷嘴74用于所有同心石英玻璃管64、66、68和70，即，适应所有不同火炬的直径。
参见图12，现在描述一种采用可变直径火炬60的范例方法。除非另外说明，该方法是针对范例实施方案2和3所描述的方法，但其中以单一可变火炬60替代以前所描述的实施方案的多火炬。更具体地说，在步骤300，一个靶2安装在设备图7A和7B或者图8A和8B的车床6A和6B的每一个中。每个靶2具有25mm的初始直径。下一步，在步骤302，通过移动图10的喷嘴74而启动最内石英管，或火炬环64。在该实例中，火炬环64的直径D(64)是60mm。继而，在步骤304，开始向2个靶2上沉积。步骤3 06比较靶的直径与它们的中心到中心间距以确定间距是否足够，正如前面针对图9的步骤204所述，根据靶敏感元件22的输出S和车床位置值PV1来判断。如果答案是“否”，则方法进入步骤308，并按照图9有关步骤208所述重新定位车床6A和6B。步骤308以后，方法进入步骤312，并确定火炬60的配置是否足以覆盖所有靶。该决定是基于靶直径信号S和由PV1指出的中心到中心间距，以及依据环64、66、68和70当中哪一个被启动来设定的火炬阈值(torch threshhold)T做出的。在第一遍走过图12循环过程的情况下，阈值T设定为对应于最内火炬环64。在该实例中，第一阈值是35mm。如果步骤312认定，火炬60不具有足够直径，则过程进入步骤314，以开启更大的火炬环66。
为实施步骤314，基于微处理器的控制器根据来自靶敏感元件22的信号发出改变命令(未画出)的顺序。一种命令通过关闭化学物流阀(未画出)停止到喷嘴的源化学物流，并同时打开吹扫气体如空气或氮气的阀。另一种对指定的MFC的命令将化学物流流率设定在要求的数值，它增加等离子气体流率但维持恒定的表面速度。另一种命令导致喷嘴步进器沿R方向回缩喷嘴74，以便与80mm的火炬环66保持匹配。随后，等离子体火炬60从80mm火炬环66重新开始，火炬阈值T更新，以反映80mm直径，过程循环返回至步骤，并重新开始沉积。
当步骤312检测到火炬环66的80mm直径已不够时，过程进入到314步骤并转换到下一个更大的环68(100mm)。类似地，当步骤312检测到火炬环68的100mm直径不够时，方法将进入314步骤并转换到最大(对本实例而言)环68(120mm)。
步骤310以类似于图9的步骤206的方式检测到何时靶已达到其最终过程直径，被表示为S＝P最终，此后方法将进入到步骤316并结束。
图10和11所示可变火炬60仅用于说明的目的。例如，可采用多于4个同心管或环，即，64、66、68和70。
为达到平稳的操作，可回缩的喷嘴62应具有精密运动控制，典型地在0.1mm范围。另外，一种优选的实施方案包括一种反馈回路(未画出)，用于在转换步骤期间和整个沉积操作期间监测等离子体功率耦合以及补偿电感(L)的变化。电感(L)的变化将改变等离子体发生器的频率(f)，并且它们用下式关联
(3)---f=12πLC]]>其中C是火炬电源内在的电容。操作期间，电容C是常数。当电感L发生变化时，它将改变频率。反馈回路将检测并自动调节电容和维持恒定频率。
可变火炬60的优点是，它仅要求一个发生器和一个火炬。另外，在操作期间，不需要对火炬和发生器作转换。可变火炬60还需要比以前描述的实施方案的多火炬设备少得多的空间。空间的节省还意味着不需要增加车床的长度以适应多个火炬。
要知道，上面结合着特定实施方案描述了本发明，但它们仅仅作为例子给出，本发明不限于这些特定实施方案或上面所描述或附图中所展示的构型，而是还包括各种各样本领域技术人员在研读了本说明之后可想到的修改方案，正如由所附权利要求的最广义范围所定义的。
权利要求
1.一种成形光纤型坯的方法，包括下列步骤提供第一等离子体火炬，它具有耦合(coupling)等离子体能量用线圈，所述线圈具有第一直径；提供多个靶，每个具有一个纵轴，所述纵轴排列成彼此间相隔一定法向间距；使所述多个靶围绕彼此平行的旋转轴同时地旋转；采用所述第一等离子体火炬同时地沉积玻璃到所述多个靶上，形成多个中间型坯，每个具有第一型坯直径；提供多个第二等离子体火炬，每个具有耦合等离子体能量用线圈，所述线圈每一个具有第二直径，所述第二直径小于所述第一直径；以及采用所述多个第二等离子体火炬沉积玻璃到所述多个中间型坯上，形成相应的多个最终型坯。
2.权利要求1的方法，其中所有相邻对的所述靶的所述间距之和小于所述第一线圈直径。
3.一种成形光纤型坯的方法，包括下列步骤提供多个靶；使所述多个靶同时地围绕彼此平行的旋转轴旋转；提供第一等离子体火炬，它具有耦合等离子体能量用线圈，所述线圈具有第一直径；通过沿平行于所述旋转轴的所述靶移动所述第一等离子体火炬，将玻璃沉积在所述靶上；提供第二等离子体火炬，它具有耦合等离子体能量到所述多个靶中每一个的一部分上的线圈，所述线圈具有第二直径，所述第二直径大于所述第一直径；以及通过沿平行于所述旋转轴的所述靶移动所述第二等离子体火炬，将玻璃沉积在所述靶上。
4.一种成形光纤型坯的方法，包括下列步骤提供第一等离子体火炬，它具有耦合等离子体能量用线圈，所述线圈具有第一直径；提供多个靶，每个具有一个纵轴，所述纵轴排列成彼此间相隔一定法向间距；使所述多个靶围绕它们各自的纵轴同时地旋转；采用等离子体火炬同时地沉积玻璃到所述多个靶上；检测所述靶之一或多个的直径；根据所述检测到的直径，提高所述间距；以及同时地沉积玻璃到所述多个靶上，其中它们的纵轴彼此相隔所述提高的间距。
5.一种成形光纤型坯的方法，包括下列步骤提供一个具有用于耦合等离子体能量的线圈的等离子体火炬，所述线圈具有固定直径；提供多个靶，每一个具有一个纵轴，所述纵轴排列成彼此间相隔一定法向间距；使所述多个靶围绕它们各自的纵轴同时旋转；采用等离子体火炬同时沉积玻璃到所述多个靶上；检测所述靶之一或多个的直径；根据所述检测到的直径，提高所述间距；通过增加等离子体火炬的断面面积并保持表面速度恒定来改变等离子体火炬；以及同时沉积玻璃到所述多个靶上，其中它们的纵轴彼此相隔所述提高的间距。
全文摘要
一个单独的等离子体喷灯(plasma burner)(4a)沉积烟灰材料(soot material)到多个旋转的平行靶(2a、2b、2c)上。所有靶同时生长。结果是多个用于光纤的型坯。
文档编号C03B37/018GK1599701SQ02809775
公开日2005年3月23日 申请日期2002年3月6日 优先权日2001年3月13日
发明者I·格斯科夫 米哈伊尔, B·丹尼洛夫 伊夫管尼, A·阿斯拉米 芒德, 吴道 申请人:纤维管有限公司