JP2009526732A - 複数の高温帯域を備えるヒーター及びそのヒーターを備える光ファイバーの母材から光ファイバーを線引きするための溶解炉並びにそれを用いた光ファイバーの線引き方法 - Google Patents

Abstract

本件発明は、大口径の母材から光ファイバーを線引きするための溶解炉に設置し、母材を加熱・溶融する環状の加熱素子に関する。加熱素子は、異なる加熱温度とした少なくとも２つの高温帯域を備え、高温帯域のうちの１つは、光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するために母材のネックダウン領域に配置する。また、高温帯域は、母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するための第１加熱ユニットと、第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度に母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとを含む。
【選択図】図１

Description

本件発明は、光ファイバーの母材を用いて光ファイバーを線引きする技術に関するものであり、特に、光ファイバーの母材を溶融して線引きするための溶解炉に関する。

一般に、光ファイバーは光ファイバーの母材と呼ばれる透明なガラス焼結体を高温の溶解炉で線引きすることにより製造される。溶解炉には電気抵抗方式溶解炉と誘導方式溶解炉とがあることが知られている。

典型的な光ファイバー線引き溶解炉の構造を図３に示す。図３に示す光ファイバー線引き溶解炉は例えば、特許文献１や特許文献２に詳しく説明されている。

図３に示すように、ステンレススチール材質の炉体１１には光ファイバーの母材１２を加熱して溶融させるための環状のヒーター１３が備えられている。前記ヒーター１３の内側には、上部開口部を通じて供給される光ファイバーの母材１２を収容するためのコアチューブ１７が垂直に配置される。一般に、このコアチューブ１７は炭素材質からなり、前記炉体１１に固定される。また、コアチューブ１７はヒーター１３を中心にして上部シリンダー部と下部シリンダー部とに分けられる。上部シリンダー部の直径は少なくとも母材の直径よりは大きくなければならない。

また、ヒーター１３から放出された熱の外部拡散を防止するために炉体１１とヒーター１３との間には断熱材１６が充填される。上部開口部はキャップ部材１８によってカバーされる。

コアチューブ１７の上部シリンダー部には窒素やヘリウムのような不活性ガス２０をコアチューブ１７内に流入させるためのガス流入口１７ａが設けられる。ガス流入口１７ａを通じてコアチューブ内に流入した不活性ガス２０は、母材１２に沿って移動した後コアチューブ１７の下部開口部を通じて外部に抜け出す。従って、溶解炉の内部は不活性ガス２０雰囲気に維持され、外部空気の流入によるヒーター１３やコアチューブ１７の酸化を最小化することができる。

上部開口部を通じてコアチューブ１７内に収容された光ファイバーの母材１２は、ヒーター１３により加熱溶融され、ヒーター１３により高温帯域（加熱帯域）が形成されるネックダウン領域で微細直径の光ファイバー１５に線引きされる。

そして、光ファイバーの母材の線引き技術が発達するにつれて、生産性向上のための方策として母材の直径を大きくしてきた。すなわち、１つの母材から最大長さの光ファイバーを線引きするために大口径の母材を使用することが一般化している。しかし、母材の大きさが増加すれば、母材の大きさに比例して光ファイバーの直径が大きくなるため、線引き速度を速めることが困難である。そのため、光ファイバーの母材を大きくしたとしても、光ファイバーの線引き速度は約１０００ｍｐｍ〜２０００ｍｐｍ以上に増加できないという問題点がある。

そして、光ファイバーの母材の送り速度と光ファイバーの線引き速度との間には以下の数１の関係が成立する。

すなわち、光ファイバーの母材の送り速度は母材の外径の二乗に反比例するので、母材の溶解炉の内部での滞留時間は、母材の外径の二乗に比例することになる。従って、光ファイバーの母材の外径を大きくすれば母材の溶解炉の内部での滞留時間が増加し、後述するような様々な問題が発生する。

光ファイバー線引き工程におけるヒーターの温度は、ＳｉＯ_２の融点である１７００℃以上とすべきであり、一般的には約１８００℃ないし２３００℃の温度とする。このような温度条件ではＳｉＯ_２が溶融しながら一定量のＳｉＯ_２が蒸発する。このようにして蒸発したＳｉＯ_２は母材のネックダウン領域よりも上の部分に付着する。

図４に示すように、ヒーター１３の高温帯域で母材１２を構成するＳｉＯ_２が溶融しながらネックダウン領域（Ａ）を形成し、このネックダウン領域（Ａ）から光ファイバー１５が線引きされる。このとき、ネックダウン領域から微量のＳｉＯ_２が蒸発して母材の上の部分（Ｂ）に流れてゆく。このように、蒸発したＳｉＯ_２は熱泳動現象によって相対的に低温であるネックダウン領域よりも上の部分に付着して汚染帯域２１を形成する。

母材の外径が小さいときには滞留時間が短いので図４のように蒸発したＳｉＯ_２が再付着する量が少なく、大きな問題にはならないが、母材の外径が大きくなれば再付着するＳｉＯ_２の量が多くなって問題が発生する。

そして母材が下降すると、蒸発したＳｉＯ_２が付着している汚染帯域２１がネックダウン領域（Ａ）に進入し、母材の表面に不均一に付着した付着物の存在により、母材のネックダウン領域には図４のような皺２２が形成される。このように母材の表面に皺が形成されると、光ファイバーの非円率（ｏｖａｌｉｔｙ）が悪くなったり、線引き工程中に光ファイバーの断線が発生する。

特開平３−２４４２１号公報 米国特許第５６３７１３０号

本件発明は、前記従来技術の問題点を解決するために創案されたものであって、大口径の光ファイバーの母材を線引きするに当って、蒸発したＳｉＯ_２の付着による汚染に起因する問題を解決できる新しいヒーター構造を提供することを目的としている。

本件発明の第１の態様は、大口径の母材から光ファイバーを線引きするために母材を加熱・溶融する溶解炉に配置する環状の加熱素子であり、加熱素子が異なる加熱温度を持つ少なくとも２つの高温帯域を備え、高温帯域のうちの１つは、光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するために、母材のネックダウン領域に配置することを特徴としている。

そして高温帯域は、母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するための第１加熱ユニットと当該第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度で前記母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとを備え、第１加熱ユニットは母材のネックダウン領域に配置し、第２加熱ユニットはネックダウン領域よりも上の部分に配置する。

また、加熱素子はグラファイト又はカーボン材質の電気抵抗式ヒーターであり、第１加熱ユニットの厚さが第２加熱ユニットの厚さより相対的に薄いものである。

本件発明の第２の態様は、光ファイバーの母材を供給する上部開口部と当該母材から線引きされた光ファイバーを排出する下部開口部とを備える炉体と、この炉体の内部に不活性ガスを流入させて炉体の内部を不活性ガス雰囲気に維持するためのガス供給手段と、炉体の内部に設置した、光ファイバーを線引きするために光ファイバーの母材を加熱する加熱手段とを備える光ファイバー線引き溶解炉であり、加熱手段が、母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するための第１加熱ユニットと、第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度に母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとからなり、第１加熱ユニットは母材のネックダウン領域に配置し、第２加熱ユニットはネックダウン領域よりも上の部分に配置したことを特徴としている。

本件発明の第３の態様は、母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に母材を加熱するための第１加熱ユニットと、第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度に母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとを含むグラファイト又は炭素材質の電気抵抗式ヒーターを備える溶解炉で母材を溶融して光ファイバーを線引きする方法であり、以下の（ａ）〜（ｅ）を含むことを特徴としている。

（ａ）母材を溶解炉に供給する。
（ｂ）母材のネックダウン領域が第１加熱ユニットに対応し、母材のネックダウン領域よりも上の部分が第２加熱ユニットに対応するように母材とヒーターとを配置する
（ｃ）ヒーターに電源を供給することで第１加熱ユニットと第２加熱ユニットとを異なる温度で発熱させる。
（ｄ）ネックダウン領域の母材の表面を第１温度に加熱して光ファイバーを線引きする。
（ｅ）ネックダウン領域よりも上の部分の母材の表面を第１温度より低い第２温度に加熱する。

以下、添付図面を参照しながら本件発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されるものではなく、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本件発明の技術的思想に合致する意味と概念とに解釈されるべきものであることを断っておく。従って、本明細書に記載された実施形態は、本件発明の最も好ましい１つの実施形態に過ぎず、本件発明の技術的思想の全てを代弁するものではなく、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

図１に、本件発明の好ましい１つの実施形態である新しい構造のヒーターを備える光ファイバー線引き溶解炉の構成の概略を示す。

図１に示すように、本件発明による光ファイバー線引き溶解炉は、通常はステンレススチール製の円筒状の炉体１１０を備える。炉体１１０の上端には光ファイバーの母材１２０が供給される上部開口部１８０が形成され、底部には母材１２０から線引きされた光ファイバー１５０が通過して排出される下部開口部１４１が形成されている。また、炉体１００の上端部の片側には窒素やヘリウムガスのような不活性ガス１２１を溶解炉の内部に流入させるためのガス引入口１７１が形成されている。このガス引入口１７１から流入した不活性ガスは、母材１２０に沿って下降した後、下部開口部１４１から外部に排出される。これにより、溶解炉の内部は不活性ガス雰囲気に維持される。

炉体１１０の内部には、供給された母材１２０を溶融空間内に支持し、母材１２０を加熱・溶融させて光ファイバーとして線引きするための加熱手段１３０と、この加熱手段から放射される熱が外部に拡散することを防止するための断熱材１６０と、光ファイバーの母材を支持した状態で加熱手段からの熱を間接的に母材に伝達するための内筒１４０とを備えている。加熱手段１３０は電源（図示せず）から電気を供給され、抵抗によって発熱するグラファイトや炭素材質のヒーターであって、溶解炉の内部温度を約１８００℃〜２３００℃で維持して光ファイバーの母材１２０を溶融させる。また他の例として、加熱手段１３０は内筒１４０と炉体１１０との間の空間に設けたコイル（図示せず）を用い、誘導加熱方式で母材を加熱することもできる。

本件発明によれば、加熱手段１３０は、少なくとも２つの異なる高温帯域を備える。すなわち、図２に示すように、本件発明の加熱手段１３０は、母材１２０から光ファイバー１５０を線引きするのに十分な温度（Ｔ_１：１８００℃〜２３００℃）にネックダウン領域の母材を加熱するための溶融帯域１３０ａ（第１高温帯域）と、母材を１５００℃〜１８００℃の温度（Ｔ_２）に加熱して、母材の表面に付着した異物をファイアポリシング（ｆｉｒｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）効果を用いて除去するか、付着したＳｉＯ_２粒子を焼結させるための予熱帯域１３０ｂ（第２高温帯域）とを備える。

溶融帯域１３０ａは、母材から光ファイバーが線引きされるネックダウン領域（第１加熱領域）に対応し、予熱帯域１３０ｂはネックダウン領域よりも上の部分、すなわちネックダウン領域で蒸発したＳｉＯ_２粒子が熱泳動現象によって付着する部分（第２加熱領域）に対応する。

加熱手段１３０に異なる高温帯域を形成するためには様々な方法が採択できる。すなわち、それぞれ個別に温度制御が可能な２つの加熱手段を連結するか、ターン数が異なるコイルを用いて異なる温度を備える加熱手段とすることもできる。

もし、加熱手段１３０がグラファイト又は炭素材質の抵抗式ヒーターである場合には、図２のようにヒーターの厚さを異なる設計とすれば良い。第２高温帯域１３０ｂの厚さ（ｄ_２）を第１高温帯域１３０ａの厚さ（ｄ_１）より大きく設定（ｄ_２＞ｄ_１）すれば、全帯域で異なる温度を達成できる。すなわち、厚さが相対的に厚い第２高温帯域の加熱温度（Ｔ_２）が第１高温帯域の加熱温度（Ｔ_１）より低くなる。

単一の高温帯域を持つ既存のヒーターと、異なる複数の高温帯域を持つ本件発明のヒーターとを使用して母材から光ファイバーを線引きした後、線引きされた光ファイバーに対して非円率と断線品質とを測定した。結果を以下の表１に示す。

表１から分かるように、本件発明によるヒーターでは、ヒーターの帯域を溶融帯域と予熱帯域とに分割し、蒸発したＳｉＯ_２粒子が付着する帯域を所定の温度（Ｔ_２）に予熱しているため、光ファイバーの非円率と断線率とが著しく向上している。

以下、上記構成を備えるヒーターを配置した本件発明の溶解炉を用いて母材から光ファイバーを線引きする工程について詳しく説明する。

炉体１１０の上部開口部１８０を通じて公知の供給装置（図示せず）を用いて母材１２０を溶解炉の内部に供給する。次いで、電源（図示せず）から加熱手段１３０に電流を供給する。その結果、加熱手段１３０の第１高温帯域１３０ａは温度Ｔ_１（１８００℃〜２３００℃）で発熱し、第２高温帯域１３０ｂは温度Ｔ_２（１５００℃〜１８００℃）で発熱する。

これによって、ネックダウン領域（第１加熱領域）に該当する母材の帯域を加熱・溶融し、その下端から光ファイバー１５０を線引きする。一方、ネックダウン領域の母材の表面で蒸発したＳｉＯ_２粒子は、ネックダウン領域よりも上の部分（第２加熱領域）に移動して温度Ｔ_２（１５００℃〜１８００℃）に加熱されて除去されるか母材の表面に焼結される。このようにして、蒸発したＳｉＯ_２粒子が熱泳動現象によってネックダウン領域よりも上の部分に再付着することが防止され、又は異物が不均一に形成されることが防止される。

以上、本件発明の好ましい実施形態を以下に示す図面とともに具体的に説明したが、これら図面は本件発明の好ましい実施形態を例示するものである。従って、本件発明の技術思想はその図面のみに限定されて解釈されるものではない。

本件発明に係る光ファイバーは、光ファイバーの母材の表面を異物の付着の無いきれいな状態に維持できるので、非円率と断線率とが著しく小さいものである。

本件発明に係る１つの好ましい実施形態における光ファイバー線引き溶解炉を示す断面図である。 本件発明に係る１つの好ましい実施形態におけるヒーターの温度分布を示すグラフである。 従来の光ファイバー線引き溶解炉の構造を示す断面図である。 蒸発したＳｉＯ_２によってネックダウン領域よりも上の部分に汚染帯域が形成された状態を示す図である。

符号の説明

１１、１１０ 炉体
１２、１２０ 母材
１３、１３０ ヒーター（加熱手段）
１５、１５０ 光ファイバー
１６、１６０ 断熱材
１７ コアチューブ
１７ａ ガス流入口
１８ キャップ部材
２０、１２１ 不活性ガス
２１ 汚染帯域
２２ 皺
１３０ａ 溶融帯域（第１高温帯域）
１３０ｂ 予熱帯域（第２高温帯域）
１４０ 内筒
１４１ 下部開口部
１７１ ガス引入口
１８０ 上部開口部
Ａ ネックダウン領域
Ｂ 母材の上の部分

Claims (11)

1. 大口径の母材から光ファイバーを線引きするための溶解炉に設置して当該母材を加熱・溶融するための環状の加熱素子であって、
   前記加熱素子は異なる加熱温度を持つ少なくとも２つの高温帯域を備え、当該高温帯域のうちの１つは光ファイバーを線引きするのに十分な温度に前記母材を加熱するために当該母材のネックダウン領域に配置したことを特徴とする加熱素子。
2. 前記高温帯域は、前記母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に当該母材を加熱するための第１加熱ユニットと当該第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度で当該母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとを備え、当該第１加熱ユニットは当該母材のネックダウン領域に配置し、当該第２加熱ユニットは当該ネックダウン領域よりも上の部分に配置したことを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
3. 前記加熱素子はグラファイト又はカーボン材質の電気抵抗式ヒーターであることを特徴とする請求項２に記載の加熱素子。
4. 前記第１加熱ユニットの厚さは前記第２加熱ユニットの厚さより相対的に薄いことを特徴とする請求項３に記載の加熱素子。
5. 前記第１加熱ユニットの加熱温度は１８００℃〜２３００℃であり、前記第２加熱ユニットの加熱温度は１５００℃〜１８００℃であることを特徴とする請求項３に記載の加熱素子。
6. 光ファイバーの母材を供給する上部開口部と当該母材から線引きされた光ファイバーを排出する下部開口部とを備える炉体と、当該炉体の内部に不活性ガスを流入させて当該炉体の内部を不活性ガス雰囲気に維持するためのガス供給手段と、当該炉体の内部に設置した、光ファイバーを線引きするために光ファイバーの当該母材を加熱する加熱手段とを備える光ファイバー線引き溶解炉であって、
   前記加熱手段が、前記母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に当該母材を加熱するための第１加熱ユニットと、当該第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度に当該母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとからなり、当該第１加熱ユニットは当該母材のネックダウン領域に配置し、当該第２加熱ユニットは前記ネックダウン領域よりも上の部分に配置したことを特徴とする光ファイバー線引き溶解炉。
7. 前記加熱手段がグラファイト又はカーボン材質の電気抵抗式ヒーターであることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバー線引き溶解炉。
8. 前記第１加熱ユニットの厚さが前記第２加熱ユニットの厚さより相対的に薄いことを特徴とする請求項７に記載の光ファイバー線引き溶解炉。
9. 前記第１加熱ユニットの加熱温度が１８００℃〜２３００℃であり、前記第２加熱ユニットの加熱温度が１５００℃〜１８００℃であることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバー線引き溶解炉。
10. 前記母材から光ファイバーを線引きするのに十分な温度に当該母材を加熱するための第１加熱ユニットと、当該第１加熱ユニットに比べて相対的に低い温度に当該母材の表面を加熱するための第２加熱ユニットとを含むグラファイト又は炭素材質の電気抵抗式ヒーターを設置した前記溶解炉の内部で当該母材を溶融して光ファイバーを線引きする方法であって、
    以下の（ａ）〜（ｅ）を含むことを特徴とする光ファイバー線引き方法。
    （ａ）前記母材を前記溶解炉の内部に供給する。
    （ｂ）前記母材のネックダウン領域が前記第１加熱ユニットに対応し、当該母材のネックダウン領域よりも上の部分が前記第２加熱ユニットに対応するように、当該母材と前記ヒーターとを配置する。
    （ｃ）前記ヒーターに電源を供給することで前記第１加熱ユニットと前記第２加熱ユニットとを異なる温度で発熱させる。
    （ｄ）前記ネックダウン領域の前記母材の表面を第１温度に加熱して光ファイバーを線引きする。
    （ｅ）前記ネックダウン領域よりも上の部分の前記母材の表面を前記第１温度より低い第２温度に加熱する。
11. 前記第１温度が１８００℃〜２３００℃であり、前記第２温度が１５００℃〜１８００℃であることを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバー線引き方法。

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