JP2010195608A - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の装置からの改造が少なくて済み、簡単なシステムで冷却ガスの再利用が実現できる光ファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】光ファイバ母材を加熱溶融し光ファイバを形成する工程と、光ファイバを冷却装置で冷却する工程と、冷却した光ファイバに被覆材を被覆する工程と、を含む光ファイバの製造方法において、光ファイバを冷却する工程は、冷却装置４の下部から冷却ガスを供給し、冷却装置４の上部から冷却装置内の雰囲気ガスの一部を回収し、回収した雰囲気ガスを冷却装置の下部から再度供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバの製造方法に関するものであり、特に光ファイバ母材から線引きされた光ファイバを冷却する方法に関するものである。

従来の光ファイバの製造方法を図１を用いて説明する。光ファイバ３は、加熱炉２内で光ファイバ母材１を加熱溶融し、線引きすることにより製造される。線引きされた光ファイバ３は、冷却装置４内で冷却ガス等によって一定の温度まで冷却された後、ダイス５により被覆材が被覆され、樹脂硬化装置６で被覆材が硬化されることで被覆が形成される。被覆された光ファイバは、引取装置７を経て、巻取装置８に巻き取られる。
なお、被覆前後の光ファイバの外径は、所定の値になるように制御される。また、図１では一工程で被覆材を被覆する方法を示しているが、複数のダイス５を用いて順次複数の被覆材の被覆を行なう方法も行なわれている。

上記光ファイバの製造方法において、冷却装置４には冷却ガス供給ポート９から冷却ガス等を供給し、高温の光ファイバを冷却する。冷却ガスとしては、熱伝導率が高く、短時間で光ファイバを冷却することができることから、Ｈｅガスが一般的に用いられている。

一方、Ｈｅガスは他の気体に比べて比較的高価な気体であるため、使用後のＨｅガスを浄化装置あるいは精製装置により浄化し、高純度Ｈｅガスとして再利用する様々な方法が提案されている。

たとえば、特許文献１には、光ファイバ母材の固結工程において使用されたＨｅガスを回収して、Ｈｅ浄化装置によってその純度を高くしたＨｅガスを再循環して使用する方法が提案されている。
また、特許文献２には、光ファイバ冷却筒を筐体で覆い、筐体の上部にＨｅガスを回収する回収機構を設け、筐体の下部にはクリーンエアを吹き付ける気体導入機構を設けることにより、使用後のＨｅガスをＨｅガス回収室で完全に回収した上で、その回収したガスを浄化装置あるいは精製装置により高純度化して再利用する光ファイバ線引き装置が提案されている。

特表平１１−５１３０１１号公報 特開２００４−１４２９７６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の方法では、装置が大掛かりなものとなるうえ、システムが複雑であり、初期投資が高額となるだけでなく、維持費用も高額になる。このため、Ｈｅガスの再利用によるＨｅガスのコストを低減することができる一方で、別のコストがかかるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来の装置からの改造が少なくて済み、簡単なシステムでＨｅガス等の冷却ガスの再利用が実現できる光ファイバの製造方法を提供することにある。

本発明は前記の課題を解決する為になされたものであって、請求項１の発明は、
光ファイバ母材を加熱溶融して光ファイバを形成する工程と、
前記光ファイバを冷却装置で冷却する工程と、
冷却した前記光ファイバに被覆材を被覆する工程と、
を含む光ファイバの製造方法において、
前記光ファイバを冷却する工程は、前記冷却装置の下部から冷却ガスを供給し、前記冷却装置の上部から前記冷却装置内の雰囲気ガスの一部を回収し、前記回収した雰囲気ガスを前記冷却装置の下部から再度供給することを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の光ファイバの製造方法であって、前記回収する雰囲気ガスの量は一定とし、前記被覆工程における光ファイバの被覆外径が所定の値となるように前記冷却ガスの供給量を制御することを特徴とするものである。

また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法であって、前記回収する雰囲気ガスの酸素濃度を測定し、該酸素濃度から計算される雰囲気ガスに含まれる外気量を算出し、前記雰囲気ガスに含まれる外気量と前記冷却ガスの供給量とが異なる量となるように前記雰囲気ガスの回収量を設定することを特徴とするものである。

また、請求項４の発明は、請求項３に記載の光ファイバの製造方法であって、前記雰囲気ガスに含まれる外気量と前記冷却ガスの供給量とがほぼ同じ量になるときの前記雰囲気ガスの回収量よりも、前記雰囲気ガスの回収量を少なく設定することを特徴とするものである。

また、請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバの製造方法であって、前記冷却ガスのみを前記冷却装置に供給した場合に所定の被覆外径が得られる前記冷却ガスの供給量をＡ、雰囲気ガスを回収した場合に所定の被覆外径が得られる前記冷却ガスの供給量をＢとしたとき、
（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００
で表される前記冷却ガスの再使用率（％）が、１０％以上８０％以下であることを特徴とするものである。

本発明によれば、従来の装置からの改造が少なくて済み、簡単なシステムで冷却ガスの再利用が実現できる光ファイバの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の光ファイバの製造方法は、光ファイバを冷却する工程を除いては、前述した図１に示す従来の光ファイバの製造方法と同様である。以下、本発明の光ファイバの製造方法における光ファイバを冷却する工程について詳細に説明する。
図２は本発明において光ファイバを冷却する工程に用いる光ファイバの冷却システム２０の構成を示す図である。線引き直後の高温の光ファイバ３は冷却装置４を通過する。冷却装置４には、冷却装置４の下部に設けられた冷却ガス供給ポート９から冷却ガスとして高純度Ｈｅガスが供給されている。供給されたＨｅガスの大半は冷却装置の上部に移動していく中で、高温の光ファイバと熱交換し、光ファイバが冷却される。

なお、冷却ガス供給ポート９から供給される高純度Ｈｅガスの供給量は、図示しない流量制御器ＭＦＣにて制御される。
ここで高純度Ｈｅガスとは、市販の工業用ガスシリンダーやカードルあるいはローリーから供給される純度９９．９９７％程度のＨｅガスをいい、場合によってはさらに精製装置等により高純度化された前記と同様以上の純度としたＨｅガスをいう。なお、他工程で使用されたＨｅガスを精製装置等により高純度化したものを用いることも可能である。

さらに、冷却装置４の上部には、冷却装置４内の雰囲気ガスを回収する雰囲気ガス回収ポート１０が設けられ、冷却装置４内の雰囲気ガスの一部を回収する。回収した雰囲気ガスは高純度化せずに冷却装置４の下部に備えられた雰囲気ガス供給ポート１１より再度供給される。
なお、雰囲気ガスは、冷却ガス供給ポートから供給された高純度Ｈｅガスと、冷却装置下部の光ファイバの出口あるいは冷却装置上部の光ファイバの入口等から混入した外気の混合ガスである。つまり、冷却装置４の下部の冷却ガス供給ポート９からは、高純度Ｈｅガスが供給されるとともに雰囲気ガス供給ポート１１から高純度Ｈｅガスと外気の混合ガスが供給される。

冷却装置４には、循環用配管１５が備えられ、前記循環用配管１５はガス圧送装置としてのポンプ１２、および流量制御器ＭＦＣ１３を備えている。雰囲気ガスは流量制御器ＭＦＣ１３により回収量を制御されつつポンプ１２により回収され、循環用配管１５を通って冷却装置４内に再び供給される。このとき、雰囲気ガスの回収量は雰囲気ガスの供給量とほぼ等しい。

ところで、冷却装置４により冷却された光ファイバには被覆が施されるが、被覆外径は、光ファイバの温度によって変化する。たとえば、被覆される光ファイバの温度が高い場合は、付着する被覆材の量が少なくなるため被覆外径は小さくなり、反対に光ファイバの温度が低い場合は、被覆外径は大きくなる。
したがって、光ファイバの被覆外径を光ファイバを冷却する度合いで制御することが一般的に行われている。本実施形態においても、光ファイバを冷却する度合いで光ファイバの被覆外径が所定の値となるように制御している。

なお、コスト低減の目的から考えれば、雰囲気ガスの回収量は多い方が望ましいが、あまり雰囲気ガスの回収量を多くすると光ファイバの冷却不足が生じる。
そこで、図２に示す光ファイバの冷却システム２０を用いて、光ファイバの被覆外径が所定の値となるように維持しつつ、雰囲気ガスの回収量を徐々に増やしたときの、高純度Ｈｅガスの供給量、雰囲気ガス中の外気量、Ｈｅガスの再利用率を調査した。
これにより判明した雰囲気ガスの回収量（雰囲気ガスの供給量）、高純度Ｈｅガスの供給量、雰囲気ガス中の外気量およびＨｅガスの再利用率の関係を図３に示す。

ここで、雰囲気ガス中の外気量は、循環用配管１５の雰囲気ガス回収ポート１０の近傍に備えられた酸素濃度計１６により、雰囲気ガス中の酸素濃度を測定することにより求めた値である。
図３において、横軸は雰囲気ガスの回収量（雰囲気ガスの供給量）であり、縦軸に高純度Ｈｅガスの供給量、雰囲気ガス中の外気量、Ｈｅガスの再利用率を示している。ここで、Ｈｅガスの再利用率とは、雰囲気ガス回収ポート１０から雰囲気ガスの回収を行なわず、高純度Ｈｅガスのみを前記冷却装置４に供給した場合に所定の被覆外径が得られる高純度Ｈｅガスの供給量をＡ、雰囲気ガス回収ポート１０から雰囲気ガスを回収した場合に所定の被覆外径が得られる高純度Ｈｅガスの供給量をＢとしたとき、
（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００
として表される。

雰囲気ガス回収ポート１０からの雰囲気ガスの回収を行なわない場合の冷却ガス供給ポート９からの高純度Ｈｅガスの供給量が、図３のグラフのＹ軸の切片となる。
図３に示すように、雰囲気ガスの回収量を増加させると、冷却ガス供給ポート１１からの高純度Ｈｅガスの供給量を減らしても、所定の光ファイバ被覆外径が達成され、Ｈｅ再利用率は向上する。

しかしながら、雰囲気ガス供給ポート１１からの雰囲気ガスの回収量の増加とともに、回収した雰囲気ガス中に含まれる外気の量は増加する。また、雰囲気ガスの回収量を更に増加させると、逆に高純度Ｈｅガスの供給量を増加させないと所定の被覆外径が得られなくなる。
これは、雰囲気ガスの回収量を増やすとともに、冷却装置内のＨｅガスの濃度が下がるために、光ファイバの冷却が不充分になり、高純度Ｈｅガスの供給量を増加させないと光ファイバの被覆外径を保てなくなるためである。
このために、雰囲気ガスの回収量を増やしすぎるとＨｅの再利用率は悪化することになる。この現象は、高純度Ｈｅガスの供給量と回収される雰囲気ガスに含まれる外気の量とがほぼ同じ（その差が１Ｌ／分未満）になる条件から、更に雰囲気ガスの回収量を増加させた場合に生じる。

また、図３の領域Ｃに示した高純度Ｈｅガスの供給量と回収する雰囲気ガスに含まれる外気の量とがほぼ同じ（その差が１Ｌ／分未満）になる領域では、光ファイバの被覆外径の制御がうまくできず、被覆外径が不安定になる。
これは、供給されるガスと回収される雰囲気ガスのバランスが悪く、冷却装置内のガスが逆流する現象が起こるためである。つまり、通常冷却装置内のガスは下から上に流れているが、上から下に流れる現象が起こる。
しかしながら、領域Ｃを超えてさらに雰囲気ガスの回収量を増やしていくと冷却装置内のガスが逆流する現象は起こらなくなり、冷却装置内のガスは安定して下から上に流れるようになる。

以上の結果から、雰囲気ガスに含まれる外気量と高純度Ｈｅガスの供給量とが異なる量となるように雰囲気ガスの回収量を設定すると冷却装置内のガスが逆流する現象が生じない。
また、雰囲気ガスに含まれる外気量と高純度Ｈｅガスの供給量とがほぼ同じ量になるときの雰囲気ガスの回収量よりも、雰囲気ガスの回収量を少なく設定することで、雰囲気ガスに含まれる外気量を少なく保ちながら高純度Ｈｅガスの供給量を少なくすることが可能となる。
さらに、高純度Ｈｅガスの再使用率（％）を、１０％以上８０％以下とすることで、高純度Ｈｅガスの使用量を削減する効果を得つつ、安定した光ファイバの被覆外径を得ることができる。

本発明においては、制御をより簡潔にし、かつ、安定した被覆外径を得るために、回収する雰囲気ガスの量を一定にして、被覆外径が所定の値になるように冷却ガス供給ポート９から供給する高純度Ｈｅガスの量を制御することが好ましい。線引き速度、外気温などにより、同じ量の雰囲気ガスを回収しても雰囲気ガス中に含まれるＨｅガスの量は変動する。したがって、雰囲気ガスの回収量を制御した場合、被覆外径を変動させる要因が増え、結果として逆に被覆外径の変動を引き起こす場合がある。回収する雰囲気ガスの量を一定にして、被覆外径が所定の値になるように供給する高純度Ｈｅガスの量を制御することで、雰囲気ガスの回収量が変動しても対応することができ、また、運転中に雰囲気ガスの回収量を制御する必要がなくなるため、複雑な制御系も不要となる。

なお、上記実施形態例は被覆する前のガラス光ファイバを冷却する場合について説明したが、被覆を施された光ファイバを冷却する場合にも適用可能である。この場合も、雰囲気ガスに含まれる外気量が、冷却ガスの供給量よりも少なくなるように、雰囲気ガスの回収量を設定するとよい。
また、循環用配管１５に冷却装置を設けて回収した雰囲気ガスを積極的に冷却してもよい。この場合には、冷却装置４の中での冷却効率が向上して、高純度Ｈｅガスの使用量をさらに低減することができる。

以下、図２に示す光ファイバの冷却システムを用いて、被覆する前の光ファイバを冷却して被覆層を形成する場合について、具体的に実験を行なった結果を示す。
ここで、回収する雰囲気ガスの流量を一定とし、高純度Ｈｅガスの流量によって、被覆外径が所定の値になるように制御した。また、光ファイバの線引き速度は１２００ｍ／分とした。

雰囲気ガス回収ポート１０からの雰囲気ガスの回収を行なわない場合、冷却ガス供給ポート９からの高純度Ｈｅガスの供給量を２９Ｌ／分としたとき、所定の光ファイバの被覆外径が得られた。回収する雰囲気ガス量を２０，３５，５０，６０Ｌ／分と増加させていった場合、所定の被覆外径が得られる冷却ガス供給ポート９からの高純度Ｈｅガスの供給量は、１８、１３、１２、２３Ｌ／分となった。
また、雰囲気ガスに含まれる外気量と、冷却ガスの供給量すなわち高純度Ｈｅガスの供給量がほぼ同じ量となる、すなわち図３における領域Ｃとなるのは、回収する雰囲気ガス量が約５０Ｌ／分となる点であった。
回収する雰囲気ガス量を５０Ｌ／分とした場合には、光ファイバの被覆外径の制御がうまくできず、被覆外径が不安定になった。また、回収する雰囲気ガスが、２０、３５、６０Ｌ／分の場合は、Ｈｅガスの再利用を行いつつ安定した製造を行うことができた。また、このときのＨｅガスの再利用率はそれぞれ３８、６５、２２％であった。

すなわち、回収する雰囲気ガス量を、５０Ｌ／分より少なく設定するか、あるいは５０Ｌ／分より大きく設定することで、Ｈｅガスの回収を行いつつ安定した光ファイバの被覆外径が得られた。ただし、回収する雰囲気ガス量が５０Ｌ／分を超える領域では、Ｈｅガスの再利用率が急激に減少するので、回収する雰囲気ガス量を前記５０Ｌ／分より少なく設定することがより好ましい。
また、回収する雰囲気ガス量の適正量は、装置の寸法等により変化するが、前記に記載した、図３に示す実験を行なうことにより、特定の装置毎に決定することができる。

従来の光ファイバ製造装置の概略を説明する図である。 本発明の光ファイバの製造方法に用いる光ファイバの冷却システムの一実施形態を示す図である。 本発明に係わる実施形態における雰囲気ガスの回収量（雰囲気ガスの供給量）、高純度Ｈｅガスの供給量、雰囲気ガス中の外気量およびＨｅガスの再利用率の関係を示す図である。

１ 光ファイバ母材
２ 加熱炉
３ 光ファイバ
４ 冷却装置
５ ダイス
６ 樹脂硬化装置
７ 引取装置
８ 巻取装置
９ 冷却ガス供給ポート
１０ 雰囲気ガス回収ポート
１１ 雰囲気ガス供給ポート
１２ ポンプ
１３ 流量制御器ＭＦＣ
１５ 循環用配管
１６ 酸素濃度計
２０ 光ファイバの冷却システム

Claims (5)

1. 光ファイバ母材を加熱溶融して光ファイバを形成する工程と、
   前記光ファイバを冷却装置で冷却する工程と、
   冷却した前記光ファイバに被覆材を被覆する工程と、
   を含む光ファイバの製造方法において、
   前記光ファイバを冷却する工程は、前記冷却装置の下部から冷却ガスを供給し、前記冷却装置の上部から前記冷却装置内の雰囲気ガスの一部を回収し、前記回収した雰囲気ガスを前記冷却装置の下部から再度供給することを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 前記回収する雰囲気ガスの量は一定とし、前記被覆工程における光ファイバの被覆外径が所定の値となるように前記冷却ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記回収する雰囲気ガスの酸素濃度を測定し、該酸素濃度から計算される雰囲気ガスに含まれる外気量を算出し、前記雰囲気ガスに含まれる外気量と前記冷却ガスの供給量とが異なる量となるように前記雰囲気ガスの回収量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法。
4. 前記雰囲気ガスに含まれる外気量と前記冷却ガスの供給量とがほぼ同じ量になるときの前記雰囲気ガスの回収量よりも、前記雰囲気ガスの回収量を少なく設定することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバの製造方法。
5. 前記冷却ガスのみを前記冷却装置に供給した場合に所定の被覆外径が得られる前記冷却ガスの供給量をＡ、雰囲気ガスを回収した場合に所定の被覆外径が得られる前記冷却ガスの供給量をＢとしたとき、
   （Ａ−Ｂ）／Ａ×１００
   で表される前記冷却ガスの再使用率（％）が、１０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバの製造方法。

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