JP2013040063A - 光ファイバ素線の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ裸線部分の表面層に、確実かつ安定して残留圧縮応力が付与された光ファイバ素線、すなわち耐曲げ性が確実かつ安定して優れた光ファイバ素線を製造する方法および装置を提供する。
【解決手段】紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を冷却・凝固させた後、光ファイバ裸線１６の表面温度が１００℃以下となった段階で、光ファイバ裸線１６に張力を負荷した状態でその表面層のみを再溶融させ、その後、表面層を再凝固させてから樹脂被覆を施し、これにより張力解放後の状態で光ファイバ裸線１６の表面に圧縮応力が存在する光ファイバ素線２４を得るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英ガラス系光ファイバ素線を製造する方法および装置、特に光ファイバ裸線の表面層に残留圧縮応力を付与して耐曲げ性を向上させた石英系光ファイバ素線を製造する方法および装置に関するものである。

一般に石英ガラス系光ファイバ素線の製造方法としては、石英系ガラスからなる光ファイバ母材を紡糸用加熱炉において加熱、溶融させ、その紡糸用加熱炉から線状に引き出して冷却・凝固させることによって光ファイバ裸線とし、さらに保護被覆用の樹脂により被覆して、引取機により引き取り、さらにボビンに巻き取るのが通常である。このような石英ガラス系光ファイバ素線の製造に適用される製造装置としては、線引き速度によって異なるが、線引き速度が遅い場合は、図６に示すような装置を用い、線引き速度が大きい場合は図７に示すような装置を用いるのが一般的である。

図６に示す製造装置は、石英系ガラスからなる光ファイバ母材１２を加熱溶融させるための紡糸用加熱炉１４と、紡糸用加熱炉１４から線状に引き出された光ファイバ裸線１６を大気中で冷却・凝固するための冷却ゾーン１８と、冷却・凝固された光ファイバ裸線１６を保護被覆用の樹脂により被覆するためのコーティング装置２０と、そのコーティング装置により被覆された樹脂を硬化させるための硬化装置２２と、保護被覆用の樹脂が硬化された状態の光ファイバ素線２４を引き取るためのキャプスタンなどの引取装置２６と、最終的に光ファイバ素線２４を巻き取るための図示しない巻取り機とを備えた構成とされている。

一方、図７に示す製造装置では、紡糸用加熱炉１４とコーティング装置２０との間の冷却ゾーン１８に強制冷却装置１８Ａが配設されており、紡糸用加熱炉１４から線状に引き出された光ファイバ裸線１６を強制冷却装置１８Ａによって強制冷却させる構成とされている。なお、強制冷却装置１８Ａは、通常は２重壁構造（ジャケット構造）とされて、冷却水などの冷却媒体により壁部から冷却されるとともに、内側の光ファイバ裸線１６が通過する空間（冷却空間）内に、熱伝導性が良くかつ光ファイバ裸線１６の材質に悪影響を及ぼさないガス、例えばＨｅガスなどの冷却ガスを導入して、光ファイバ裸線１６を強制冷却する構成とされている。

このような光ファイバ素線製造装置によって光ファイバ素線を製造するにあたっては、光ファイバ裸線の原料となる光ファイバ母材（石英系ガラス母材）１２を紡糸用加熱炉１４において２０００℃以上の高温に加熱して溶融させ、その紡糸用加熱炉１４の下部から、高温状態で光ファイバ裸線１６として伸長させながら下方に引き出し、その光ファイバ裸線１６のガラス材を凝固させるとともに、樹脂によりコーティング可能となる温度まで冷却ゾーン１８で冷却（大気中冷却もしくは強制冷却装置１８Ａによる冷却）させる。そして所要の温度まで冷却された光ファイバ裸線１６には、コーティング装置２０において保護のための樹脂が未硬化状態で被覆され、さらにその被覆樹脂が、硬化装置２２において加熱硬化あるいは紫外線硬化などの樹脂の種類に応じた適宜の硬化手段により硬化され、保護被覆層を備えた光ファイバ素線２４となって、ターンプーリ２８を経て引取装置２６によって所定速度で引き取られる。さらに光ファイバ素線１６は、図示しないダンサーローラなどを経て、ボビンなどの巻取り装置によって巻き取られるのが通常である。

ところで最近では、曲げ損失特性が優れた光ファイバ、すなわち曲げ径の小さい曲げを付与した状態でも曲げ損失が少ない光ファイバの開発が進み、光ファイバを用いた装置でも、一時的に５ｍｍφ以下の小さな曲げ径が付与される場合がある。一方、光ファイバをループ状あるいはコイル状、その他の曲げ形状に曲げた場合、その曲げ部の外側（曲げ外側）には引張り応力が発生する。そして曲げ径が小さくなれば、それに伴って光ファイバの曲げ外側に作用する引張り応力が大きくなる。
光ファイバの曲げ部の引張り応力がその材料の破断限界強度を越えれば、光ファイバはその曲げ部から破断してしまう。また曲げ部の引張り応力がその材料の破断限界強度を越えるに至らない場合でも、曲げが加わったまま長時間経過したり、繰り返し曲げが与えられれば、疲労破壊によって曲げ部から破断が生じてしまう。したがって曲げ径の小さい態様での使用が想定される場合、耐曲げ性が優れていることが必要である。そして上述のように曲げ部での破断は、主として曲げ外側に作用する引張り応力によるものであるから、耐曲げ性を向上させるための一つの方策としては、光ファイバを曲げたときに生じる曲げ外側の引張り応力を緩和させることが考えられる。

上述のような観点に立って耐曲げ性を向上させる手法については、既に特許文献１において提案されている。この特許文献1の提案では、ガラス母材を軟化、溶融させて連続的に線引きする（ファイバ化する）過程において、光ファイバ裸線が凝固した段階で、その光ファイバに線引きのための引張り力（張力）を与えたまま、改めてその光ファイバ裸線の表面を再加熱して、表面層のみを軟化、溶融させ（したがって中心部は凝固したままとし）、引き続いて、張力を付与したまま表面層を再凝固させることが示されている。この方法では、一旦は完全に凝固した光ファイバ裸線の表面層のみを再溶融させることによって、表面の微小な亀裂を消失させることができるばかりでなく、線引きのための張力により光ファイバ裸線に生じる歪み（引っ張り歪み）が、裸線の表面層において緩和され、その結果、張力を解除した状態では、表面層に圧縮応力が残留する。このように表面に残留圧縮応力が存在する光ファイバを曲げたときには、曲げ外側の表面層に生じる引張り応力が、残留圧縮応力によって緩和もしくは相殺され、そのため曲げ径が小さい場合であっても、曲げ外側に作用する引張り応力が実質的に小さくなり、その結果、曲げによる亀裂や破断が生じにくくなる。

しかしながら、本発明者等が特許文献１に示される方法について実験を行なったところ、次のような問題があることが判明した。
すなわち、特許文献１では、紡糸用加熱炉から引き出された光ファイバ裸線を冷却して完全凝固させ後、張力の存在下で光ファイバ裸線の表面を再加熱し、表面層を再溶融させればよいとされているに過ぎない。そして光ファイバ裸線の表面を再加熱して表面層を再溶融させる際の光ファイバ裸線の温度については、一例として、例えば約２００℃まで冷却した状態で再加熱すればよい旨、記載されているだけである。しかるに本発明者等が特許文献１に示される方法に従って、光ファイバ裸線が完全凝固した段階で表面層を再加熱し、再凝固させた場合、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分の表面層に安定して残留圧縮応力を付与し得ない場合が多いことが判明した。特に、特許文献１に一例として記載されているような温度、すなわち２００℃程度まで光ファイバ裸線を冷却した段階で表面層を再加熱し、再凝固させた場合には、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分の表面層に残留圧縮応力が付与されていないか、または光ファイバの長さ方向の全体にわたって均一に残留圧縮応力が付与されておらず、そのため耐曲げ性を確実かつ安定して向上させ得ないことが判明した。

特開平１−３０１５３１号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、光ファイバ裸線部分の表面層に、確実かつ安定して残留圧縮応力が付与された光ファイバ素線、したがって耐曲げ性が確実かつ安定して優れた光ファイバ素線を製造する方法および装置を提供することを課題としている。

本発明者等は、前述の課題を解決するべく種々実験、検討を重ねた結果、光ファイバ裸線の表面層を再溶融させるときの光ファイバ裸線表面の温度条件が、最終的に残留圧縮応力を確実かつ安定して付与するために重要な要素であることを見い出した。すなわち、光ファイバ裸線の表面層を再溶融させる際の光ファイバ裸線表面温度を種々変化させて、表面を加熱、再溶融させる実験を行なったところ、表面温度が１００℃を越えている段階で加熱、再溶融させた場合には、張力解放後に残留圧縮応力が安定して付与されず、一方表面温度が１００℃以下となった段階で加熱、再溶融させれば、張力解放後に残留圧縮応力を確実かつ安定して存在させ得ることを新規に知見し、本発明をなすに至ったのである。

具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）による光ファイバ素線の製造方法は、
石英系光ファイバ母材を紡糸用加熱炉にて加熱溶融させ、その紡糸用加熱炉から溶融した母材を線状に引き出して連続的に冷却、凝固させ、得られた光ファイバ裸線に樹脂被覆を施して光ファイバ素線とし、さらにその光ファイバ素線を、引き取り機により張力を付与しつつ連続的に引き取る光ファイバ素線の製造方法において、
前記冷却・凝固された光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下となった段階で、前記張力を付与した状態で光ファイバ裸線の表面を再加熱して、光ファイバ裸線の表面層のみを再溶融させ、その後、表面層を再凝固させてから樹脂被覆を施し、これにより、張力を解放した状態で光ファイバ裸線部分の表面層に残留圧縮応力が付与されている光ファイバ素線を得ることを特徴とするものである。
なおここで、“光ファイバ裸線の表面を再加熱して、光ファイバ裸線の表面層のみを再溶融させる”とは、光ファイバ裸線を構成している石英系ガラスの表面層のみについて、軟化して流動性を示す温度以上に加熱すること、言い換えれば、表面層を、その表面層中の歪みが除去される温度以上に加熱し、一方表面層よりも内側の部分については、硬化したままの状態、すなわち歪が除去されないままの状態を保持することを意味するものとする。また“再凝固させる”とは、軟化した表面層を、冷却によって再び硬化させて流動性がない状態に戻すことを意味する。

このような態様の光ファイバ素線の製造方法においては、光ファイバ裸線の表面層のみを再溶融させるための、張力を付与した状態での光ファイバ裸線の表面の再加熱を、光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下の低温となった段階で行なうことにより、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分の表面層に圧縮残留応力を確実かつ安定して付与することができる。

また本発明の第２の態様による光ファイバ素線の製造方法は、前記第１の態様の光ファイバ素線の製造方法において、
前記紡糸用加熱炉から引き出された線状の母材を、大気中冷却によって冷却・凝固させ、かつ紡糸用加熱炉から引き出されてから前記再加熱を開始するまでの時間を2秒以上とすることを特徴とするものである。

このような第２の態様の光ファイバ素線の製造方法は、線引き速度（線速）が遅い場合、例えば線速が５〜１００ｍ／min程度の場合に適している。すなわち、線速が遅い場合は、紡糸用加熱炉から線状に引き出された光ファイバ裸線を、大気中冷却によって冷却・凝固させることができ、その場合、光ファイバ裸線の表面温度の指標として、紡糸用加熱炉から引き出された時点からの経過時間を用いることができ、その経過時間が２秒以上となれば、表面温度が１００℃以下となったと推定することができる。したがって２秒以上経過した時点で再加熱を開始して表面層のみを再溶融させ、さらに再凝固させることにより、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分の表面層に圧縮残留応力を確実かつ安定して付与することができる。

また本発明の第３の態様による光ファイバ素線の製造方法は、前記第１の態様の光ファイバ素線の製造方法において、
前記紡糸用加熱炉から引き出された線状の母材を、強制冷却装置を連続的に通過させることによって冷却・凝固させ、かつその強制冷却装置から引き出された光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下となった時点で前記再加熱を開始することを特徴とするものである。

このような第３の態様の光ファイバ素線の製造方法は、線速が速い場合、例えば線速が１００〜１０００ｍ／min程度の場合に適している。すなわち、線速が速い場合は、紡糸用加熱炉から線状に引き出された光ファイバ裸線を、強制冷却装置によって強制冷却することが望ましく、その場合、強制冷却装置から引き出された光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下となった時点で前記再加熱を開始して表面層のみを再溶融させ、さらに再凝固させることにより、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分に圧縮残留応力を確実かつ安定して付与することができる。

さらに本発明の第４〜第６の態様では、前記第１〜第３の態様として記載した光ファイバ素線の製造方法を実施するための装置を規定している。
すなわち本発明の第４の態様による光ファイバ素線の製造装置は、
光ファイバ母材を加熱溶融させるための紡糸用加熱炉と、
その紡糸用加熱炉から線状に引き出された光ファイバ裸線を強制冷却して凝固させるための冷却ゾーンと、
冷却・凝固された光ファイバ裸線の表面を、その表面温度が１００℃以下となった段階で再加熱して表面層のみを再溶融させるための再加熱装置と、
その再加熱装置により再溶融された光ファイバ裸線の表面層を冷却して再凝固させるための再冷却ゾーンと、
再冷却ゾーンで冷却された光ファイバ裸線を樹脂により被覆するためのコーティング装置と、
コーティング装置により被覆された樹脂が硬化された状態の光ファイバ素線に張力を負荷しつつ引き取るための引取装置、
と有してなることを特徴とするものである。

そしてまた本発明の第５の態様による光ファイバ素線の製造装置は、前記第４の態様の光ファイバ素線の製造装置において、
前記冷却ゾーンが、大気中で光ファイバ裸線を冷却する構成とされていることを特徴とするものである。

この第５の態様の光ファイバ素線の製造装置は、線速が遅い場合、例えば線速が５〜１００ｍ／min程度の場合に適している。すなわちこの態様の製造装置では、第２の態様として記載したように、紡糸用加熱炉から引き出された線状の母材を、大気中冷却によって冷却・凝固させ、かつ紡糸用加熱炉から引き出されてから前記再加熱を開始するまでの時間を2秒以上とすることができ、これによって張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分表面層に残留圧縮応力を確実かつ安定して付与することができる。

そしてまた本発明の第６の態様による光ファイバ素線の製造装置は、前記第４の態様の光ファイバ素線の製造装置において、
前記冷却ゾーンに、光ファイバ裸線を強制冷却するための強制冷却装置が設けられていることを特徴とするものである。

この第６の態様の光ファイバ素線の製造装置は、線速が速い場合、例えば線速が１００〜１０００ｍ／min程度の場合に適している。すなわちこの態様の製造装置では、第３の態様として記載したように、紡糸用加熱炉から線状に引き出された光ファイバ裸線を、強制冷却装置によって強制冷却して、その表面温度が１００℃以下となった時点で前記再加熱を開始して表面層のみを再溶融させ、さらに再凝固させることにより、張力解放後の光ファイバ素線の裸線部分に圧縮残留応力を確実かつ安定して付与することができる。

本発明の光ファイバ素線の製造方法によれば、張力解放後の光ファイバ素線として、その裸線部分の表面層に圧縮残留応力を確実かつ安定して付与することができ、そのため小さな曲げ径の曲げが光ファイバ素線に繰り返し加えられる場合であっても、曲げの外側から亀裂や破断が生じるおそれが少ない光ファイバ素線、すなわち耐曲げ性に優れた光ファイバ素線を、確実かつ安定して製造することができる。また本発明の光ファイバ素線の製造装置によれば、上述のように耐曲げ性に優れた光ファイバ素線を量産的規模で製造することができる。

本発明の第１の実施形態の光ファイバ素線製造方法を実施するための装置の一例を示す略解図である。 本発明の第１の実施形態の光ファイバ素線製造方法を適用して光ファイバ素線を製造する過程における、光ファイバ裸線の状況を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態の光ファイバ素線製造方法を実施するための装置の一例を示す略解図である。 本発明の実施例１および比較例１による残留圧縮応力付与状況を示すグラフである。 本発明の実施例２および比較例２による残留圧縮応力付与状況を示すグラフである。 従来の光ファイバ素線製造方法を実施するための装置の一例を示す略解図である。 従来の光ファイバ素線製造方法を実施するための装置の他の例を示す略解図である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態の光ファイバ素線製造方法を実施するための光ファイバ素線製造装置１０の全体的な構成を示す図である。なお図１に示される光ファイバ素線製造装置１０は、線速が遅い場合に好適に適用されるものである。

図１において、光ファイバ素線製造装置１０は、例えば石英系ガラスなどからなる光ファイバ母材１２を加熱溶融させるための紡糸用加熱炉１４と、紡糸用加熱炉１４から下方に向けて線状に引き出された光ファイバ裸線１６を冷却して凝固させるための冷却ゾーン１８と、冷却・凝固された光ファイバ裸線１６の表面を加熱して、その表面層のみを再溶融させるための再加熱装置３０と、再溶融した表面層を再凝固させるための再冷却ゾーン３２と、表面層が再凝固した光ファイバ裸線を保護被覆用の樹脂により被覆するためのコーティング装置２０と、そのコーティング装置２０により被覆された樹脂を硬化させるために必要に応じて設けられる硬化装置２２と、保護被覆用の樹脂が硬化された状態の光ファイバ素線２４を引き取るために光ファイバ素線２４に引張り力（張力）を負荷するための引取装置２６とを備えた構成とされている。

ここで前記冷却ゾーン１８は、第１の実施形態の場合、光ファイバ裸線１６を、大気中を通過させることにより空冷する領域とされている。また再冷却ゾーン３２も、光ファイバ裸線１６を、大気中を通過させることにより空冷する領域とされている。

前記冷却ゾーン１８の長さは、紡糸用加熱炉１４を出た光ファイバ裸線１６が再加熱装置３０の入口に至るまでの時間を２秒以上確保できるように、光ファイバ裸線１６の線速に応じた適切な長さに設定されている。言い換えれば、冷却ゾーン１８において光ファイバ裸線１６が大気により２秒以上空冷されるように定められている。このように光ファイバ裸線１６が紡糸用加熱炉１４を出てから再加熱装置３０の入口に至るまでに２秒以上空冷されることにより、再加熱装置３０に入る際の光ファイバ裸線１６の表面温度は１００℃以下となることが本発明者等の実験により確認されている。
なお前記再加熱装置３０は、要は光ファイバ裸線１６を、その表面層が溶融される温度、すなわち軟化して流動性を示すことにより歪みが除去される温度（例えば１６００℃以上）に急速短時間加熱可能なものであればよく、その具体的構成は特に限定されないが、ＣＯ_２レーザ装置が代表的であり、そのほか、電気炉や酸水素バーナなどを用いることもできる。

なおまた、図１では、コーティング装置２０および硬化装置２２をそれぞれ１基ずつ配設しているが、場合によっては第１のコーティング装置および第１の硬化装置と、第２のコーティング装置および第２の硬化装置とを直列状に配設して、２層被覆するようにしてもよいことはもちろんであり、また図１に示すようにコーティング装置および硬化装置をそれぞれ１基ずつ配設する場合でも、コーティング装置として２層一括被覆が可能なものを用いて２層被覆してもよい。この点は、後に説明する図２の製造装置（第２の実施形態）でも同様である。

以下に図１の光ファイバ素線製造装置を用いた本発明の第１の実施形態の光ファイバ素線製造方法について、図２を参照しながら説明する。なお図２において、ドットを付した部分は、光ファイバ母材１２、光ファイバ裸線１６における溶融した部分を示す。

図１、図２において、紡糸用加熱炉１４で２０００℃以上の高温に加熱されて溶融した光ファイバ母材１２は、引取装置２６からの引き取り力（張力）Ｔによって紡糸用加熱炉１４の下端から例えば５〜１００ｍ／min程度の低速で、光ファイバ裸線１６として引き出され、その光ファイバ裸線１６は直ちに冷却ゾーン１８を通過する。冷却ゾーン１８を通過する間においては、光ファイバ裸線１６は室温程度の大気によって冷却されて、温度が低下し、その途中で光ファイバ裸線１６がその中心部まで凝固し、さらに冷却が進行する。そして紡糸用加熱炉１４を出てから２秒以上経過した時点、したがって光ファイバ裸線１６の表面温度が１００℃以下となった段階で再加熱装置３０によって光ファイバ裸線１６の表面が加熱されて、表面層１６Ａのみが溶融される。すなわち、光ファイバ裸線１６における中心部分１６Ｂは凝固状態を保ったまま、表面から所定の深さまでの表面層１６Ａのみが溶融される。

ここで、冷却ゾーン１８において中心部分１６Ｂまで凝固した光ファイバ裸線１６の全体には、引取装置２６からの張力Ｔが作用して、引っ張り応力により引張り歪みが生じている。そして再加熱装置３０によって再溶融した表面層１６Ａは、軟化して流動性を有する状態となるため、引張り歪みが一旦解放され、引取装置２６からの張力Ｔは再溶融しなかった中心部分１６Ｂのみが負担する状態となる。続いて光ファイバ裸線１６は、再冷却ゾーン３２を通過して室温の大気によって表面から冷却され、表面層１６Ａが再凝固する。その後光ファイバ裸線１６は、コーティング装置２０および硬化装置２２を経て、保護被覆用の樹脂により被覆され、保護被覆を施した光ファイバ素線２４となって、引取装置２６によって張力Ｔが負荷されつつ引き取られ、ボビンなどの図示しない巻取装置に巻き取られる。

ここで、紡糸用加熱炉１４から引き出されて冷却ゾーン１８の中途で凝固してから引取装置２６によって引き取られるまでの間においては、光ファイバ裸線１６、光ファイバ素線２４には張力Ｔが加えられている。そして特に光ファイバ裸線１６の中心部分（再溶融されなかった部分）１６Ｂには、凝固してから引き取られるまでの間、その張力Ｔによって引っ張り応力が生じ続けるため、歪み（引張り歪み）が蓄積される。一方、光ファイバ裸線１６の表面層（再溶融された部分）１６Ａは、その再溶融によって引張り歪みが一旦解放され、その後に再凝固してから若干の引張り歪みだけが残ることになる。したがって引取装置２６によって引き取られた段階では、光ファイバ裸線部分の中心部分１６Ｂには大きな引張り歪みが残存し、表面層１６Ａにはそれより小さい引張り歪みしか残存しないことになる。そして、引取後に張力Ｔを解放したときには、光ファイバ裸線部分は、上記の引張り歪み（特に中心部の大きな引張り歪み）が解放される方向、すなわち圧縮方向に弾性変形するが、このとき中心部分１６Ｂと表面層１６Ａとでは、残存していた引張り歪みに大きな差があるため、中心部分１６Ｂの引張り歪みが消失する（もしくは小さくなる）と同時に、表面層１６Ａには圧縮応力が発生して、その圧縮応力が張力解放後も残留する。すなわち表面層１６Ａに残留圧縮応力が付与された状態となる。このようにして光ファイバ裸線部分の表面層１６Ａに残留圧縮応力が付与された光ファイバ素線は、これに曲げを与えた場合、曲げの外側の表面層に引張り応力が生じるが、表面層には予め残留圧縮応力が存在するため、曲げの外側の表面層に作用する引張り応力は、残留圧縮応力と相殺されるか、または少なくとも残留圧縮応力によって緩和され、その結果、曲げの外側に加えられる引張り応力によって曲げ外側の表面に亀裂が生じたり曲げ外側から破断が生じたりすることが有効に防止される。したがって小さい曲げ半径の場合にも、優れた耐曲げ性を示すことになる。

ここで、冷却ゾーン１８における冷却時間が２秒以下と短く、冷却が不充分で、光ファイバ裸線１６の表面層を再加熱する際の表面温度が未だ高温（１００℃以上、例えば特許文献１に示されている２００℃）となっている場合は、その時点での光ファイバ裸線１６の中心部も未だかなりの高温となっているため、再加熱を行なうことによって中心部がさらに高温となり、そのため溶融はしないまでも軟化が進行して、中心部の引張り歪みも緩和されてしまい、その結果、表面層と中心部との間で充分な引っ張り歪みの差を付与することが困難となり、張力解放後の状態でも、表面層に充分な圧縮残留応力を付与することが困難となる。また、表面層再溶融のための再加熱時において表面温度が１００℃以下となるまで光ファイバ裸線が十分に冷却されていない場合、再加熱時の中心部の温度のばらつきも大きく、そのため、中心部における引張り歪みの緩和の有無や緩和の程度にもばらつきが大きくなり、光ファイバ裸線の長さ方向のある位置では中心部の引張り歪みが緩和されていないのに対し、長さ方向の別の位置では中心部の引張り歪みが大きく緩和されてしまい、その結果、最終的に張力が解放された状態で、表面層に残留圧縮応力が付与された個所と付与されない個所とが長さ方向に混在し、長さ方向に耐曲げ性がばらついてしまうおそれがある。

しかるに、紡糸用加熱炉１４を出た光ファイバ裸線１６が大気中空冷による冷却ゾーン１８を通過して再加熱装置３０の入口に至るまでの時間を２秒以上確保して、再加熱装置３０による再加熱の直前までに表面が１００℃以下の低温となるまで十分に冷却させておけば、その時点では中心部の温度も既に充分に低下しているため、再加熱しても中心部と表面との温度差を充分に確保でき、しかも中心部の温度のばらつきも比較的小さく、そのため中心部の引張り歪みが緩和されたり、中心部の引張り歪みにばらつきが生じたりすることを防止できる。したがって張力負荷状態での中心部と表面層との間の引張り歪みの差を大きく確保することができるとともに、その引張り歪みの差のばらつきも小さくし、最終的に張力が解放された状態で表面層に残留圧縮応力を充分に付与することができ、しかもその表面層の残留圧縮応力のばらつきも小さくすることができるのである。

図３には、本発明の第２の実施形態の光ファイバ素線製造方法を実施するための光ファイバ素線製造装置の全体的な構成を示す。図３に示される光ファイバ素線製造装置は、線速が速い場合、例えば１００〜１０００ｍ／ｍｉｎ程度の場合に適したものである。なお図３において、図１に示される要素と同一の要素については、図１と同じ符号を付し、その説明は省略する。

この第２の実施形態の装置の場合、紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を冷却・凝固させるための冷却ゾーン１８に、強制冷却装置１８Ａが設けられている。この強制冷却装置１８Ａは、冷却制御装置３６によって冷却能力が制御されるものであり、その具体的構成は特に限定されないが、要は冷却能力を調整可能な冷却装置であればよく、例えば光ファイバ裸線１６の通過領域を取り囲む２重壁構造（ジャケット構造）として、冷却水などの冷却媒体により壁部から冷却するとともに、内側の光ファイバ裸線１６の通過領域（冷却空間）内に、熱伝導性が良くかつ光ファイバ裸線１６の材質に悪影響を及ぼさない冷却用ガス、例えばＨｅガスなどを導入して光ファイバ裸線１６を冷却する構成とし、かつその冷却ガスの導入流量を冷却制御装置３６により制御することによって、光ファイバ裸線１６に対する冷却能力を制御可能とした構成とすればよい。さらに強制冷却装置１８Ａの下方でかつ再加熱装置３０の直上の位置（再加熱装置３０の入口付近）には、光ファイバ裸線１６の表面温度を測定するための表面温度検出装置３４、たとえば放射温度計が配設されている。この表面温度検出装置３４によって得られた表面温度信号は冷却制御装置３６に送られ、この冷却制御装置３６によって強制冷却装置１８Ａの冷却能を制御するようになっている。また再加熱装置３０によって表面層のみが再溶融された光ファイバ裸線１６を再冷却するための再冷却ゾーン３２には、再冷却用の強制冷却装置３２Ａが設けられている。この再冷却用の強制冷却装置３２Ａも、その具体的構成は特に限定されないが、例えば前記強制冷却装置１８Ａと同様に、光ファイバ裸線１６の通過領域を取り囲む２重壁構造（ジャケット構造）として、冷却水などの冷却媒体により壁部から冷却するとともに、内側の光ファイバ裸線１６の通過領域（冷却空間）内に、熱伝導性が良くかつ光ファイバ裸線１６の材質に悪影響を及ぼさないＨｅガスなどの冷却ガスを導入して、光ファイバ裸線１６を冷却する構成とすればよい。

上述のような図３に示される光ファイバ素線製造装置を用いた、本発明の第２の実施形態の光ファイバ素線製造方法について説明する。
図３において、紡糸用加熱炉１４で２０００℃以上の高温に加熱されて溶融した光ファイバ母材１２は、引取装置２６からの引き取り力（張力）Ｔによって紡糸用加熱炉１４の下端から例えば１００〜１０００ｍ／min程度の高速で、線状に光ファイバ裸線１６として引き出され、その光ファイバ裸線１６は、冷却ゾーン１８の強制冷却装置１８Ａを通過する。強制冷却装置１８Ａを通過する間においては、光ファイバ裸線１６は強制冷却されて、温度が急速に低下し、その途中で光ファイバ裸線１６がその中心部まで凝固し、さらに冷却が進行する。一方、再加熱装置３０の入口付近に配設された表面温度検出装置３４によって、再加熱装置３０に入るときの光ファイバ裸線１６の表面温度が測定され、その温度が１００℃以下となるように、冷却制御装置３６によって強制冷却装置１８Ａの冷却能力がフィードバック制御される。例えば上記の検出された表面温度に応じて、冷却制御装置３６に流入する冷却ガスの流量が制御される。このような制御によって、光ファイバ裸線１６はその表面温度が１００℃以下となるように冷却され、その段階で、再加熱装置３０によって表面が再加熱されて、表面層のみが溶融される。すなわち、光ファイバ裸線１６における中心部分は凝固状態を保ったまま、表面層の部分のみが溶融される。

ここで、図１に示した第１の実施形態の場合と同様に、強制冷却装置１８Ａにおいて中心部分まで凝固した光ファイバ裸線１６の全体には、引取装置２６からの張力Ｔが作用して、引っ張り歪みが生じており、そして再加熱装置３０によって再溶融した表面層は、軟化して流動性を有する状態となるため、引張り歪みが一旦解放され、引取装置２６からの張力Ｔは再溶融しなかった中心部分のみが負担する状態となる。
続いて光ファイバ裸線１６は再冷却ゾーン３２の強制冷却装置３２Ａを通過する。強制冷却装置３２Ａにおいては、光ファイバ裸線１６がその表面から強制冷却され、表面層が再凝固する。その後光ファイバ裸線１６は、コーティング装置２０および硬化装置２２を経て、保護被覆用の樹脂により被覆され、保護被覆を施した光ファイバ素線２４となって、引取装置２６により張力Ｔが負荷されながら引き取られ、ボビンなどの図示しない巻取装置に巻き取られる。

このように図３に示す光ファイバ素線製造装置を用いた第２の実施形態の製造方法においても、光ファイバ裸線１６の表面層のみを溶融するための再加熱が、表面温度が１００℃以下となるまで充分に冷却された段階で行なわれるため、第１の実施形態の場合と同様に、再加熱時の中心部温度も充分に低下しているから、表面層再溶融のために再加熱した際の中心部の温度はさほど高くならず、しかも中心部の温度のばらつきも比較的小さく、そのため中心部の引張り歪みが緩和されたり、中心部の引張り歪みにばらつきが生じたりすることを防止でき、したがって張力負荷状態での中心部と表面層との間の引張り歪みの差を大きく確保することができるとともに、その引張り歪みの差のばらつきも小さくし、最終的に張力が解放された状態で表面層に残留圧縮応力を充分に付与することができ、しかもその表面層の残留圧縮応力のばらつきも小さくすることができる。

以上のところにおいて、光ファイバ裸線をその表面から再加熱して再溶融させる表面層の厚み（再溶融深さ）は特に限定しないが、汎用の通信用の光ファイバにおける光ファイバ裸線径（通常は８０〜１５０μｍ程度の範囲内、一般には１２５μｍが多い）の場合、２〜１０μｍ程度の深さの部分まで圧縮歪が付与されるように再溶融させることが好ましい。２μｍ未満の深さの部分にのみ圧縮歪を付与させようとする場合、耐曲げ性を向上させるために十分な残留圧縮応力を付与することが困難となるおそれがあり、一方１０μｍを越える部分まで圧縮歪が付与されれば、光ファイバ素線の光学特性に影響を与えるおそれがある。

以下に本発明の実施例を、比較例とともに説明する。なお以下の実施例は、本発明の作用効果を明確化するためのものであって、実施例に記載された条件が本発明の技術的範囲を限定しないことはもちろんである。

〔実施例１〕
実施例１は、図１に示す装置を用い、第１の実施形態に基づいて本発明の光ファイバ製造方法を実施した例である。
すなわち、一般的なシングルモードファイバの特性を有する２層被覆構造の石英ガラス系光ファイバ素線（裸線径１２５μｍ、素線仕上がり外径２５０μｍ）を製造するにあたり、紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を冷却ゾーン１８において大気により空冷してから、再加熱装置３０により光ファイバ裸線の表面層のみを溶融させ、引き続いて再冷却ゾーン３２で表面層を再凝固させた後、紫外線硬化樹脂からなる保護被覆層を形成し、引取装置２６により張力１００ｇｆ程度で引き取る実験を行なった。ここで、紡糸用加熱炉１４の下端から出て再加熱装置３０に至るまでの時間、すなわち冷却ゾーン１８による冷却時間を、２秒〜５秒の範囲内において０．５秒間隔で変化させ、また引き取り速度（線速）を、５〜１００ｍ／minの範囲内で種々変化させた。
得られた各光ファイバ素線について、張力解放後の裸線部分表面層の残留応力を調べたところ、いずれの線速、いずれの冷却時間でも、光ファイバ素線の長さ方向の全長にわたって、裸線表面層にほぼ均一に残留圧縮応力が付与されていることが確認された。代表的には、線速が２０ｍ／minで冷却時間が２秒の場合、張力解放後の裸線部分表面層には、５０ＭＰａ程度の残留圧縮応力が、長さ方向にほぼ均一に付与されていることが確認されている。またこれらの残留圧縮応力が付与された光ファイバ素線について実際に曲げを付与した場合、曲げ径２．０ｍｍφにおいても、曲げの印加による破断は生じなかった。
なおここで残留圧縮応力の有無の判定基準としては、表面の残留圧縮応力を、ＦＯＳＥ社製ＦＳＡ（ファイバストレスアナライザ）を用いて測定し、その残留圧縮応力の測定値が５ＭＰａ以上の場合を、残留圧縮応力有りと判定し、表面の残留圧縮応力が５ＭＰａ未満の場合を残留圧縮応力無しと判定した。
なおまた、この実施例１において、冷却時間が２秒以上では、再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線表面温度が１００℃以下となっていることが確認されている。

〔比較例１〕
実施例１と同様にして、一般的なシングルモードファイバの特性を有する２層被覆構造の石英ガラス系光ファイバ素線（裸線径１２５μｍ、素線仕上がり外径２５０μｍ）を製造するにあたり、紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を冷却ゾーン１８において大気により空冷してから、再加熱装置３０により光ファイバ裸線の表面層のみを溶融させ、引き続いて再冷却ゾーン３２で表面層を再凝固させた後、紫外線硬化樹脂からなる保護被覆層を形成し、引取装置２６により張力１００ｇｆ程度で引き取る実験を行なった。ここで、紡糸用加熱炉１４の下端から出て再加熱装置３０に至るまでの時間、すなわち冷却ゾーン１８による冷却時間は、２秒未満、すなわち１．５〜０．５秒の範囲内において０．５秒間隔で変化させた。また引き取り速度（線速）は、実施例１と同様に、５〜１００ｍ／minの範囲内で種々変化させた。
得られた各光ファイバ素線について、張力解放後の裸線部分表面層の残留圧縮応力を調べたところ、冷却時間が１．５秒の場合には、いずれの線速でも、光ファイバ素線の長さ方向に残留圧縮応力が付与されている部分と付与されていない部分とが混在していること、すなわち、残留圧縮応力の付与状況にばらつきがあることが判明した。また、冷却時間が１．０秒、０．５秒の場合には、いずれの線速でも、裸線部分表面層に残留圧縮応力が付与されていないことが確認された。
またこれらの残留圧縮応力が付与されていないかまたは残留圧縮応力の有無状況が長さ方向にばらついている光ファイバ素線について、実際に曲げを付与した場合には、曲げ径２．０ｍｍφまで曲げれば、いずれも曲げの外側に亀裂もしくは破断が生じてしまうことが確認された。
なおまた、この比較例１においては、冷却時間が１．５〜０．５秒以上で、再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線表面温度が１００℃を超えていることが確認されている。

以上の実施例１および比較例１における各線速、各冷却時間での、張力解放後の残留圧縮の有無の状況について、図４にまとめて示す。図４から、図１に示すような装置を用いた場合、冷却ゾーン１８での大気中冷却時間を２秒以上とすれば、５〜１００ｍ／minの範囲内のいずれの線速で製造した場合でも、張力解放後に安定して残留圧縮応力を付与できることが明らかである。

〔実施例２〕
実施例２は、図３に示す装置を用い、第２の実施形態に基づいて本発明の光ファイバ製造方法を実施した例である。
すなわち、一般的なシングルモードファイバの特性を有する２層被覆構造の石英ガラス系光ファイバ素線（裸線径１２５μｍ、素線仕上がり外径２５０μｍ）を製造するにあたり、紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を、冷却ガスとしてＨｅガスを用いた強制冷却装置１８Ａにおいて強制冷却してから、光ファイバ裸線の表面層のみを溶融させ、引き続いて再冷却装置３２Ａにおいて強制冷却して表面層を再凝固させ、さらに紫外線硬化樹脂からなる保護被覆層を形成し、引取装置２６により張力１００ｇｆ程度で引き取る実験を行なった。ここで、表面温度検出装置３４によって再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線１６の表面温度を検出し、その位置での光ファイバ裸線１６の表面温度が１００℃もしくは５０℃となるように、強制冷却装置３２Ａの冷却ガス（Ｈｅガス）流量を制御した。また引き取り速度（線速）は、１００〜６００ｍ／minの範囲内で種々変化させた。
得られた各光ファイバ素線について、張力解放後の裸線部分表面層の圧縮残留応力を調べたところ、いずれの線速、いずれの温度（再加熱装置３０の入口における表面温度）でも、光ファイバ素線の長さ方向の全長にわたって、ほぼ均一に残留圧縮応力が付与されていることが確認された。代表的には、線速が６００ｍ／minで再加熱直前の表面温度が１００℃の場合、張力解放後の裸線部分表面層には、５５ＭＰａ程度の残留圧縮応力が、長さ方向にほぼ均一に付与されていることが確認された。
またこれらの残留圧縮応力が付与された光ファイバ素線について実際に曲げを付与した場合、曲げ径２．０ｍｍφ程度までは、いずれも曲げの外側に亀裂や破断が生じないことが確認された。

〔比較例２〕
実施例２と同様にして、一般的なシングルモードファイバの特性を有する２層被覆構造の石英ガラス系光ファイバ素線（裸線径１２５μｍ、素線仕上がり外径２５０μｍ）を製造するにあたり、紡糸用加熱炉１４から引き出された光ファイバ裸線１６を強制冷却装置１８Ａにおいて強制冷却してから光ファイバ裸線の表面層のみを溶融させ、引き続いて再冷却装置３２Ａにおいて強制冷却して表面層を再凝固させ、さらに紫外線硬化樹脂からなる保護被覆層を形成し、引取装置２６により張力１００ｇｆ程度で引き取る実験を行なった。ここで、表面温度検出装置３４によって再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線１６の表面温度を検出し、その位置での光ファイバ裸線１６の表面温度が１５０℃〜５０００℃となるように、強制冷却装置３２Ａの冷却ガス（Ｈｅガス）流量を制御した。また引き取り速度（線速）は、１００〜１０００ｍ／minの範囲内で種々変化させた。
得られた各光ファイバ素線について、張力解放後の裸線部分表面層の残留圧縮応力を調べたところ、再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線１６の表面温度が１５０℃の場合には、いずれの線速でも、光ファイバ素線の長さ方向に残留圧縮応力が付与されている部分と付与されていない部分とが混在していること、すなわち、残留圧縮応力の付与状況にばらつきがあることが判明した。また、再加熱装置３０の入口における光ファイバ裸線１６の表面温度が２００〜５００℃の場合には、いずれの線速でも、光ファイバ素線に残留圧縮応力が付与されていないことが確認された。
またこれらの残留圧縮応力が付与されていないかまたは残留圧縮応力の有無状況が長さ方向にばらついている光ファイバ素線について、実際に曲げを付与した場合には、曲げ径２．０ｍｍφまで曲げれば、いずれも曲げの外側に亀裂もしくは破断が生じてしまうことが確認された。

以上の実施例２および比較例２における各線速、各冷却時間での、張力解放後の残留圧縮の有無の状況について、図５にまとめて示す。図５から、図３に示すような装置を用いた場合、再加熱直前の表面温度を１００℃以下に制御することによって、１００〜６００ｍ／minの範囲内のいずれの線速で製造した場合でも、張力解放後に安定して残留圧縮応力を付与できることが明らかである。

１０・・・光ファイバ素線製造装置、１２・・・光ファイバ母材、１４・・・紡糸用加熱炉、１６・・・光ファイバ裸線、１６Ａ・・・表面層、１６Ｂ・・・中心部分、１８・・・冷却ゾーン、１８Ａ・・・強制冷却装置、２０・・・コーティング装置、２４・・・光ファイバ素線、２６・・・引取装置、３０・・・再加熱装置、３２・・・再冷却ゾーン、３２Ａ・・・強制冷却装置、３４・・・表面温度検出装置、Ｔ・・・張力。

Claims (6)

1. 石英系光ファイバ母材を紡糸用加熱炉にて加熱溶融させ、その紡糸用加熱炉から溶融した母材を線状に引き出して連続的に冷却、凝固させ、得られた光ファイバ裸線に樹脂被覆を施して光ファイバ素線とし、さらにその光ファイバ素線を、引き取り機により張力を付与しつつ連続的に引き取る光ファイバ素線の製造方法において、
   前記冷却・凝固された光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下となった段階で、前記張力を付与した状態で光ファイバ裸線の表面を再加熱して、光ファイバ裸線の表面層のみを再溶融させ、その後、表面層を再凝固させてから樹脂被覆を施し、これにより、張力を解放した状態で光ファイバ裸線部分の表面層に残留圧縮応力が付与されている光ファイバ素線を得ることを特徴とする、光ファイバ素線の製造方法。
2. 請求項１に記載の光ファイバ素線の製造方法において、
   前記紡糸用加熱炉から引き出された線状の母材を、大気中冷却によって冷却・凝固させ、かつ紡糸用加熱炉から引き出されてから前記再加熱を開始するまでの時間を2秒以上とすることを特徴とする、光ファイバ素線の製造方法。
3. 請求項１に記載の光ファイバ素線の製造方法において、
   前記紡糸用加熱炉から引き出された線状の母材を、強制冷却装置を連続的に通過させることによって冷却・凝固させ、かつその強制冷却装置から引き出された光ファイバ裸線の表面温度が１００℃以下となった時点で前記再加熱を開始することを特徴とする、光ファイバ素線の製造方法。
4. 光ファイバ母材を加熱溶融させるための紡糸用加熱炉と、
   その紡糸用加熱炉から線状に引き出された光ファイバ裸線を強制冷却して凝固させるための冷却ゾーンと、
   冷却・凝固された光ファイバ裸線の表面を、その表面温度が１００℃以下となった段階で再加熱して表面層のみを再溶融させるための再加熱装置と、
   その再加熱装置により再溶融された光ファイバ裸線の表面層を冷却して再凝固させるための再冷却ゾーンと、
   その再冷却ゾーンで冷却された光ファイバ裸線を樹脂により被覆するためのコーティング装置と、
   そのコーティング装置により被覆された樹脂が硬化された状態の光ファイバ素線に張力を負荷しつつ引き取るための引取装置、
   と有してなることを特徴とする、光ファイバ素線の製造装置。
5. 請求項４に記載の光ファイバ素線の製造装置において、
   前記冷却ゾーンが、大気中で光ファイバ裸線を冷却する構成とされていることを特徴とすることを特徴とする、光ファイバ素線の製造装置。
6. 請求項４に記載の光ファイバ素線の製造装置において、
   前記冷却ゾーンに、光ファイバ裸線を強制冷却するための強制冷却装置が設けられていることを特徴とする、光ファイバ素線の製造装置。

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