JP2013151393A - 光ファイバ用線引炉および線引方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス母材の肩部近傍の温度差を大きくして、炉内温度および炉内圧力の変動を抑制し、光ファイバの外径変化の少ない光ファイバ用線引炉と線引方法を提供する。
【解決手段】ダミー棒１３に連結された光ファイバ用ガラス母材１１を加熱する加熱炉と、該加熱炉の上部に設けられ、ダミー棒の一部およびダミー棒との連結部分１４を含む光ファイバ用ガラス母材１１が収容される上部チャンバ２０と、を備える線引炉を用いた光ファイバの線引で、上部チャンバ２０に加熱炉および光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスを用いて光ファイバを線引きする。また、上部チャンバ２０の外側を、輻射光を反射する反射材で覆うことにより、輻射光をガラス母材１１側に反射させ、省エネを図るようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融して、光ファイバを線引きする光ファイバ用線引炉と線引方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を加熱溶融して光ファイバを線引きする線引炉は、炉内の温度が大よそ２５００Ｋ位と、非常に高温となる。このため、線引炉の炉心管には、耐熱性に優れたカーボンが用いられるが、このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中では、酸化して消耗する。これを防止するためには、線引炉の内部を、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや窒素ガス（以下、不活性ガス等という）の雰囲気に保つ必要がある。また、炉外の空気（酸素）が炉内に入り込まないように、線引炉の上端部におけるガラス母材の導入口で気密よく封止されている必要がある。

ガラス母材は、通常、上端にガラス母材より径が小さいダミー棒と言われているガラス母材と同質のガラスロッドを接続し、吊り下げ支持されるが、径が大きく変化する接続部分（連結部分）およびガラス母材の径変動部（母材肩部）のシールが難しい。このため、ガラス母材をダミー棒との連結部分および母材肩部も含めて上部チャンバ（上煙突ともいう）内に収納し、上部チャンバから上方に突き出る径の小さいダミー棒との隙間をシールする方法がある。

上部チャンバを用いる方法は、線引きの進行によりチャンバ内の容積が大きくなることから、チャンバ内のガスの流れが時間的に変化し、ガラス母材の溶融部の熱伝達量が変化するため、線引きされる光ファイバの外径が変動しやすいと言われている。これを抑制するために、例えば、特許文献１に開示のように、不活性ガス（ヘリウムなど）を使用し、上部チャンバを加熱することにより温度低下による対流の発生を防いだり、特許文献２に開示のように、上部チャンバの空間容積を抑制する方法が知られている。

特開平９−２８３２号公報 特開平１１−３４３１３７号公報

上部チャンバは、通常、強度と耐熱性を要する金属（ステンレス、インコネル等）で形成され、さらに光ファイバの線引中の断線や強度劣化を抑制するために、カーボン等の内筒を配している。また、線引炉のヒータによる加熱で生じた輻射光は、ガラス母材の上方部分とダミー棒を伝播して、上部チャンバ内に放射される。ヒータの加熱により生じる輻射光の黒体輻射スペクトルは、３μｍ以下の波長の範囲でそのスペクトル強度が大きい。

一方、ガラス母材やダミー棒の材料である石英ガラスは、３μｍ以下の波長の光の吸収係数がほぼゼロであり、輻射光のほとんどは透過する。このため、ガラス母材やダミー棒を伝播した輻射光は、そのほとんどが透過し、連結部分やガラス母材の径変動部（母材肩部）などで輻射光が散乱反射し、その周囲の上部チャンバおよびカーボン内筒で吸収される。これにより、上部チャンバは加熱され高温となり、ガラス母材と上部チャンバ壁部（カーボン内筒）との温度差（温度勾配）が小さくなる。発明者らがこの温度差について種々検討した結果、特に、上部チャンバ内で最も温度が高くなる、母材肩部におけるガラス母材径方向の温度差が小さいと、炉内温度および炉内圧力が時間的に変動し、この結果、線引きされる光ファイバの外径が変化することが判明した。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、ガラス母材の肩部近傍の温度差を大きくして、炉内温度および炉内圧力の変動を抑制し、光ファイバの外径変化の少ない光ファイバ用線引炉と線引方法の提供を目的とする。

本発明による光ファイバ用線引炉および線引方法は、ダミー棒に連結された光ファイバ用ガラス母材を加熱する加熱炉と、該加熱炉の上部に設けられ、ダミー棒の一部およびダミー棒との連結部分を含む光ファイバ用ガラス母材が収容される上部チャンバと、を備える線引炉を用いた光ファイバの線引で、上部チャンバに加熱炉および光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスを用いて光ファイバを線引きすることを特徴とする。
また、上部チャンバの外側を、輻射光を反射する反射材で覆うことにより、輻射光をガラス母材に戻し省エネを図るようにしてもよい。

本発明によれば、輻射光を透過する石英ガラスを上部チャンバに用いることにより、ガラス母材を伝播してくる輻射光を、上部チャンバで吸収することなく透過放射させることができる。この結果、上部チャンバの温度上昇を抑えて低くすることができ、ガラス母材の肩部近傍における温度差を大きくし、炉内温度および炉内圧力の時間的な変動を抑制することができる。

本発明による線引炉の概略を説明する図である。 上部チャンバ内の軸方向の温度分布を示す図である。 上部チャンバ内の径方向の温度分布を示す図である。 線引炉内の圧力変動と温度変動を示す図である。 他の実施形態を説明する図である。

図１により、本発明による光ファイバの線引炉の概略を説明する。図において、１０は線引炉、１１は光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１１ａは母材肩部、１１ｂは母材上端部、１１ｃは母材下端部、１２は光ファイバ、１３はダミー棒、１４は連結部分、１５は炉心管、１６はヒータ、１７は断熱材、１８は炉筐体、１９は下部延長管、２０は上部チャンバ、２１は蓋体、２２はガス導入口を示す。

光ファイバの線引きは、図１に示すように、吊下げ支持される光ファイバ用ガラス母材１１（以下、ガラス母材という）の下部を加熱し、加熱溶融により母材下端部１１ｃからガラスの光ファイバ１２を溶融垂下させて所定の外径となるように線引きして行われる。ガラス母材１１は、母材上端部１１ｂにガラス母材１１と同種のガラスロッドからなるダミー棒１３の下端部１３ａとを連結する連結部分１４で示すように、溶着、若しくは、連結部材を介して接続一体化される。そして、ガラス母材１１は、ダミー棒１３の上端部１３ｂを支持装置（図示省略）に把持することで上下方向に移動可能に吊り下げ支持され、線引炉１０内に収容される。

線引炉１０の主体となる加熱炉は、ガラス母材１１が挿入供給される炉心管１５を囲むようにして、加熱用のヒータ１６を配し、このヒータ１６の熱が外部に放散されないようにカーボンフェルト等の断熱材１７で囲い、その外側全体を炉筐体１８で囲って構成される。炉筐体１８の上方には、炉心管１５と同程度の内径を有する上部チャンバ２０が配され、その上端にダミー棒１３が挿通される貫通孔２１ａを有する蓋体２１を配して封止（シール）される。

炉心管１５は、円筒状の高純度のカーボンで形成される。炉心管１５の酸化・劣化を防ぐために、炉心管１５内には、上部チャンバ２０に設けたガス導入口２２から、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが流し込まれる。なお、この不活性ガスは、ガラス母材１１と炉心管１５の隙間を通って、下部延長管１９（下煙突ともいう）の下方のシャッター部分から線引きされた光ファイバ１２と共に外部に放出される。

一方、ダミー棒１３が移動可能に挿通される貫通孔２１ａは、外気が流れ込まないようにシールされる。ダミー棒１３は、ガラス母材１１に比べて小径で、その外径精度も高く形成することができることから、上部チャンバ２０の上端を封止（シール）する蓋体２１の貫通孔２１ａとダミー棒１３との隙間は、比較的に簡単なシール構造（図示省略）で気密良くシールすることができる。

本発明は、上述した構成の線引炉で、少なくとも上部チャンバ２０が、ガラス母材１１と同種であり加熱炉およびガラス母材１１からの輻射光を透過する石英ガラスで形成されていることを特徴としている。
ここで、ガラス母材１１の下部は、炉心管１５を介してヒータ１６により加熱されるが、その加熱温度は大よそ２５００Ｋ程度になる。この温度範囲の輻射光のスペクトル強度は、０.４μｍから３μｍの波長範囲で大きく、この輻射光は、上方部分のガラス母材１１を透過して上部チャンバ２０に向かって放射される。

石英ガラスからなるガラス母材は、波長３μｍ以下の輻射光の吸収係数がほぼゼロであるので、ガラス母材１１を伝播する上記の輻射光は、その多くがガラス母材で吸収されることなく透過して、上部チャンバ２０に向かって放射される。特に、ガラス母材１１の径変動部（母材肩部１１ａ）から輻射光が局所的に放射されるため、この部分で温度が最も高くなる。

ガラス母材１１を透過した輻射光は、上部チャンバ２０の壁部に向かって放射される。ここで、上述したように、上部チャンバ２０をガラス母材１１と同種の石英ガラスで形成すると、ガラス母材１１を透過した輻射光は、上部チャンバ２０も透過して、外部に放射されるため、輻射光による発熱がなく、これによる温度上昇も生じない。なお、ヒータ１６に近い上部チャンバ２０の下端側では熱伝導による温度上昇があり、また、上部チャンバ２０の母材肩部１１ａに位置する領域では、上記のガラス母材の肩部における放射熱によって生じる温度上昇がある。

図２は、実験とシミュレーションにより得られた上部チャンバ２０内の長手方向（ガラス母材の軸方向）に沿った温度分布である。図２（Ａ）は、本発明の上部チャンバ２０が、輻射光を透過する石英ガラスで形成されている場合の温度分布を示した図である。図２（Ｂ）は、本発明に対する比較例として示すもので、上部チャンバ２０’を金属製チャンバ２５の内側にカーボンからなる内筒２６を配して形成した場合の温度分布を示した図である。なお、何れの場合も、母材肩部１１ａが上部チャンバの中間付近に位置しているときの例で示したものであり、母材肩部１１ａの位置によって、温度分布の態様は多少異なる。

図２（Ａ）に示すように、上部チャンバ２０が上端の蓋体２１を含めて石英ガラスで形成されている場合、上部チャンバ２０内のガラス母材１１の温度は５００〜１６００Ｋ位の温度であり、上部チャンバ２０の壁部（内壁面）の温度は、４００〜１２００Ｋ位の温度になる。上部チャンバ２０の壁部（内壁面）とガラス母材１１間の温度差は、母材肩部１１ａの近傍部分で４００Ｋ程度となる。

一方、図２（Ｂ）に示すカーボン製の内筒を有する上部チャンバ２０’は、ガラス母材１１を透過した輻射光が上部チャンバ２０’で吸収されて温度が上がるため、全体的に温度は高くなり、ガラス母材と上部チャンバとの温度差は小さくなる。具体的には、上部チャンバ２０’内のガラス母材１１の温度は１０００〜１７００Ｋ位の温度であり、上部チャンバ２０’壁部（内壁面）の温度は、１０００〜１６００Ｋ位の温度になる。上部チャンバ２０’の壁部（内筒２６の内壁面）とガラス母材１１間の温度差は、母材肩部１１aの近傍部分では数十Ｋ程度となり、図２（Ａ）の場合に比べて小さくなる。

図３は、上部チャンバ内の径方向の温度分布を示す図である。温度分布の測定位置は、図３（Ａ）に示すように、母材肩部１１ａの近傍位置で測定した例を示すものである。図２（Ａ）に示した本発明の場合は、図３（Ｂ）に実線で示すように、最大４００Ｋ程度の温度差（温度勾配）が生じる。これに対し、図２（Ｂ）で示した比較例の場合は、図３（Ｂ）に点線で示すように、温度差（温度勾配）は数十Ｋ程度と小さい。

図４は、図２，３において上部チャンバの温度差（温度勾配）の違いにより、炉内温度の変動と炉内圧力の変動について調べた結果を示す図である。温度変動および圧力変動の測定は、図３の場合と同様に、上部チャンバ２０内の母材肩部１１ａの近傍位置で行った。図４（Ａ）は、上部チャンバ内の炉内温度の変動を示す図で、上部チャンバとガラス母材間での温度差がない比較例においては、点線で示すように温度変動が生じた。一方、本発明の上部チャンバとガラス母材間での温度差がある場合は、実線で示すように炉内温度の変動はなかった。この炉内温度の変動は、上部チャンバ内のガス流体の流れや上記の炉内圧力の変動に関連していると思われるが、詳細なメカニズムは明らかでない。

図４（Ｂ）は、上部チャンバ内の圧力変動を示す図で、上部チャンバとガラス母材間での温度差がない比較例においては、点線で示すように圧力変動が生じた。一方、本発明の上部チャンバとガラス母材間での温度差がある場合は、実線で示すように圧力変動はなかった。この理由は、炉内に導入される不活性ガス等による上部チャンバ内のガス流体の流れが関係しているものと思われるが、上記と同様に理由は明らかではない。

炉内温度や炉内圧力に変動があると、線引きされる光ファイバ（ガラスファイバ）の外径が変化する。これは、上部チャンバ内の圧力変動によりネックダウン近傍のガスの流れが変化し、その周囲のガラス温度（熔けかた）が変化するためと推測される。
本発明においては、上部チャンバを加熱炉からの輻射光を透過する石英ガラスで形成することにより、上部チャンバの温度上昇を低くしてガラス母材との間の温度差を大きくしている。この結果、線引時の光ファイバの外径変化を抑制することが可能となる。

図５は、他の実施形態を説明する図である。本実施形態は、図１の実施形態に対して、石英ガラスからなる上部チャンバの外側に、反射材を配している点が異なる。
上部チャンバを石英ガラスで形成すると、加熱炉からの輻射光が透過してしまうため、熱としては逃げてしまいエネルギーロスとなる。上部チャンバの外周を断熱材で覆ってしまうと、温度差が小さくなり、結果としてガラス外径変化を抑制できなくなる。

本例による図５（Ａ）の線引炉１０’も、図１で説明したのと同様な線引炉の構成である。すなわち、炉筐体１８の上方には、炉心管１５と同程度の内径を有する上部チャンバ２０が形成され、その上端にダミー棒１３が挿通される貫通孔２１ａを有する蓋体２１を配して封止（シール）される。そして、上部チャンバ２０および蓋体２１は、ガラス母材１１と同種の石英ガラスで、加熱炉およびガラス母材１１からの輻射光を透過する石英ガラスで形成されている。また、上部チャンバ２０に設けたガス導入口２２から、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス等が流し込まれる。

この上部チャンバ２０および蓋体２１の外側には、金属などの反射材２３を配して、上部チャンバ２０を覆う。反射材２３としては、例えば、ステンレス、インコネル、アルミ等金属を用いることができ、上部チャンバ２０と接する反射材内面は、反射率の高い鏡面加工や反射膜を付されていることが好ましい。

また、図５（Ｂ）に示すように、上部チャンバ２０と反射材２３との間に間隙２４を有するようにして、空気または冷却ガスを流すようにすることが好ましい。この間隙２４を設けることにより、反射材２３が上部チャンバ２０に接触して熱伝導で加熱されるのを低減し、熱で反射材の反射面が酸化して反射効率が低下するのを抑制することができる。また、反射材２３と上部チャンバ２０との間に熱をこもらせないようにすることができ、ガラス母材と上部チャンバとの温度差が縮まるのを抑制することができる。

上記の加熱炉からの輻射光を透過する石英ガラスからなる上部チャンバ２０および蓋体２１の外側を、当該輻射光を反射する反射材２３で囲うことにより、上部チャンバ２０および蓋体２１を透過した輻射光を、反射材２３で上部チャンバ２０の内側に反射させる。上部チャンバ２０の内側に向けて反射された輻射光は、再度、ガラス母材１１に向けて放射され、炉内の加熱に供することができ、エネルギーロスを軽減して、省エネ化することができる。

１０，１０’…線引炉、１１…光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１１ａ…母材肩部、１１ｂ…母材上端部、１１ｃ…母材下端部、１２…光ファイバ、１３…ダミー棒、１４…連結部分、１５…炉心管、１６…ヒータ、１７…断熱材、１８…炉筐体、１９…下部延長管、２０、２０’…上部チャンバ、２１…蓋体、２２…ガス導入口、２３…反射材、２４…間隙、２５…金属製チャンバ、２６…カーボン内筒。

Claims (3)

1. ダミー棒に連結された光ファイバ用ガラス母材を加熱する加熱炉と、該加熱炉の上部に設けられ、前記ダミー棒の一部および前記ダミー棒との連結部分を含む前記光ファイバ用ガラス母材が収容される上部チャンバと、を備える光ファイバ用線引炉であって、
   前記上部チャンバは、前記加熱炉および前記光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスにより形成されていることを特徴とする光ファイバ用線引炉。
2. 前記上部チャンバの外側を、前記輻射光を反射する反射材で覆うことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用線引炉。
3. ダミー棒に連結された光ファイバ用ガラス母材を加熱する加熱炉と、該加熱炉の上部に設けられ、前記ダミー棒の一部および前記ダミー棒との連結部分を含む前記光ファイバ用ガラス母材を収容する上部チャンバと、を備える線引炉を用いた光ファイバ線引方法であって、
   前記上部チャンバに前記加熱炉および前記光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英管を用いて光ファイバを線引きすることを特徴とする光ファイバ線引方法。

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