JP2016222495A - 光ファイバ母材用ダミー棒、そのダミー棒を使用した光ファイバ母材の延伸方法および光ファイバ素線の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ母材を加熱溶融し線引きすることで光ファイバ素線を製造する方法において、輻射熱によるダミー棒の端部の高温化を抑制する方法の提供。【解決手段】光ファイバ母材１０の端部に接合される石英ガラス製のダミー棒２０であって、外周表面の算術平均表面粗さＲａは０．２μｍ以上であり、光ファイバ母材１０を加熱するための加熱炉１の母材挿入用の開口部５の外端から、炉内ヒータ６の中央までの長さをＬとした時、ダミー棒２０の長さＬＲはＬ以上である光ファイバー母材用ダミー棒２０。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材用ダミー棒、そのダミー棒を使用した光ファイバ母材の延伸方法および光ファイバ素線の製造方法に関する。

光ファイバ素線を製造する際に用いられる石英ガラス製の光ファイバ母材は、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等によって精製されたガラス微粒子を堆積して形成した多孔質ガラス母材を、脱水、焼結工程を経て透明ガラス化することで得られる。
光ファイバ母材は、脱水、焼結の過程で、長さが短く、太さが太くなることが知られている。長さが短く、太さが太くなった光ファイバ母材は、必要に応じて溶融延伸され、その後の工程に応じた所望の寸法となるように寸法調整される。
光ファイバ母材を溶融延伸する際には、光ファイバ母材を把持するために片端もしくは両端に石英ガラス（シリカガラス）製のダミー棒（把持部）を溶着した後、加熱炉によって光ファイバ母材を加熱し軟化させる。

この加熱の際に、加熱炉から光ファイバ母材に加えられた輻射熱の一部が、光ファイバ母材およびダミー棒の内部を伝搬してダミー棒の端部に到達し、ダミー棒の端部から外部に放出されるとともにダミー棒の端部の温度を上昇させる問題があった。同様の問題は、光ファイバ母材を加熱溶融させて光ファイバ素線を製造する際にも生じていた。

特許文献１には、ダミー棒の端部に、耐熱金属を蒸着した蒸着膜または耐熱金属製の鏡もしくは多層膜ミラーを設ける技術が開示されている。これにより、ダミー棒の端部に到達した光が光ファイバ母材側に反射されるため、ダミー棒の端部における輻射熱の影響を抑制することが可能となる。

特許第４５２０８６２号公報

しかしながら、従来技術では、輻射熱がダミー棒の端部を通して放出されるのを低減することはできるものの、ダミー棒の端部が輻射熱の一部を吸収して高温となる問題が依然として解消されていなかった。
例えば、光ファイバ母材を回転させながら加熱溶融させる場合、光ファイバ母材回転時の光ファイバ母材の振れを低減させるために、光ファイバ母材の中心軸と回転軸とが同軸となるように母材回転装置を用いることがある。母材回転装置はダミー棒の端部を覆うように取り付けられるため、ダミー棒の端部の温度が上昇すると、母材回転装置が高温となり焼損するおそれがある。

この問題について図面を参照して説明する。図３において、光ファイバ母材１０の上端に溶着されたダミー棒１２０の上端部には、治具２および母材回転装置３が設けられている。
加熱炉１は、内部にリングヒータ（炉内ヒータ）６を備えている。光ファイバ母材１０は、リングヒータ６により加熱溶融され、その下端から光ファイバ裸線３０が線引き（紡糸）される。

加熱炉１で光ファイバ母材１０を加熱溶融させる際には、リングヒータ６による加熱によって輻射熱Ｃ１が光ファイバ母材１０に入る。
光ファイバ母材１０およびダミー棒１２０は、大気をクラッドとする光閉じ込め構造を有するため、光ファイバ母材１０およびダミー棒１２０の内部を伝搬する輻射熱Ｃ２の大部分は、ダミー棒１２０にまで伝搬する。そのため、ダミー棒１２０の端部が高温化し、治具２および母材回転装置３に悪影響が及ぶという問題が生じていた。

また、石英管の内部にコア材を入れて、石英管の内部を真空引きしながら石英管およびコア材を加熱溶融させるロッドインシリンダ（Rod in Cylinder）法と呼ばれる製造方式を採用する場合や、ホールアシステッドファイバ（Hole assisted fiber）のように光ファイバ母材の内部に空孔部を残すために、光ファイバ母材の内部を加圧しながら加熱溶融させる場合にも、ダミー棒の端部に光ファイバ母材の内部を減圧もしくは加圧するための機構を取り付ける必要があるため、同様の問題が発生するおそれがあった。

本発明は、上記事情を考慮し、輻射熱による端部の高温化を抑制することのできる光ファイバ母材用ダミー棒、そのダミー棒を使用した光ファイバ母材の延伸方法および光ファイバ素線の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、石英ガラス系の光ファイバ母材を把持するために前記光ファイバ母材の端部に接合される石英ガラス製のダミー棒であって、外周表面の算術平均表面粗さＲａが０．２μｍ以上である光ファイバ母材用ダミー棒を提供する。
前記光ファイバ母材を加熱するための加熱炉の母材挿入用の開口部の外端から、炉内ヒータの中央までの長さをＬとした時、前記ダミー棒の長さはＬ以上であることが好ましい。

本発明の一態様は、前記光ファイバ母材用ダミー棒を前記光ファイバ母材の端部に接合した前記光ファイバ母材を加熱しつつ、前記光ファイバ母材用ダミー棒により引張力を加えて前記光ファイバ母材を延伸する光ファイバ母材の延伸方法を提供する。
前記光ファイバ母材用ダミー棒は中空管状のダミー管であってよい。前記ダミー管の端部には、前記ダミー管の内部を加圧もしくは真空引きするための治具を接続することができる。

本発明の一態様は、前記光ファイバ母材用ダミー棒を前記光ファイバ母材の端部に接合した前記光ファイバ母材を加熱しつつ、線引きを行う光ファイバ素線の製造方法を提供する。
前記光ファイバ母材用ダミー棒の端部には、前記光ファイバ母材を回転させるための母材回転装置を取り付けることができる。
前記光ファイバ母材用ダミー棒は中空管状のダミー管であってよい。前記ダミー管の端部には、前記ダミー管の内部を加圧もしくは真空引きするための治具を接続することができる。

本発明によれば、光ファイバ母材の端部に溶着されるダミー棒の外周表面の表面粗さを算術平均表面粗さＲａで０．２μｍ以上とするので、ダミー棒内部を伝搬する光を散乱によりダミー棒の外周表面から外部に放出することができる。よって、輻射熱を外部に放射させ、ダミー棒の端部の温度上昇を抑制することが可能になる。
従って、ダミー棒の端部に母材回転装置、加圧または真空引きのための治具などを取り付けた場合に、それらが高温となって焼損するなどの問題を解消することができる。

本発明の光ファイバ素線の製造方法の一実施形態の説明図であり、上端（片端）にダミー棒を取り付けて把持した光ファイバ母材から光ファイバ素線を線引きしている工程を示す模式図である。 本発明の光ファイバ母材の延伸方法の一実施形態の説明図であり、上下端（両端）にダミー棒を取り付けて把持した光ファイバ母材を延伸している工程を示す模式図である。 従来の光ファイバ素線の製造方法の説明図である。

図１は、本発明の光ファイバ素線の製造方法の一実施形態の説明図であり、上端（片端）にダミー棒２０を取り付けて把持した光ファイバ母材１０から光ファイバ裸線３０を線引きしている工程を示す模式図である。図１の上下方向は、光ファイバ母材１０の移動方向である。図１の下方は光ファイバ裸線３０の線引き方向である。

加熱炉１は、内部にリングヒータ（炉内ヒータ）６を備えている。
光ファイバ母材１０の上端には、ダミー棒２０が溶着により同軸に接合されており、ダミー棒２０の上端部に、治具２および母材回転装置３が設けられている。

光ファイバ母材１０は、下方移動しつつ、リングヒータ６により加熱されて溶融し、その下端から光ファイバ裸線３０が線引きされる。

光ファイバ母材１０およびダミー棒２０は、石英を主成分とする材料で構成されており、その屈折率は、組成によって若干差はあるが、およそ１．４６である。大気中の屈折率はおよそ１である。そのため、光ファイバ母材１０は、大気をクラッドとする光の閉じ込め構造を持つ。

加熱炉１で光ファイバ母材１０を加熱溶融させる際には、リングヒータ６による加熱によって輻射熱Ｃ１が光ファイバ母材１０に入る。
光ファイバ母材１０の内部を伝搬する輻射熱Ｃ２の大部分はダミー棒２０にまで伝搬する。

本実施形態では、ダミー棒２０の外周表面の表面粗さを、算術平均表面粗さＲａで０．２μｍ以上とする。ダミー棒２０の表面粗さをこの範囲とすることで、ダミー棒２０内部を伝搬する光を、散乱によりダミー棒２０の外周表面から外部に放出することができる。
ダミー棒２０の外周表面の算術平均表面粗さＲａは１０μｍ以下（例えば０．６μｍ以下）とすることができる。

光ファイバ母材１０の表面粗さを大きくしても同様の作用効果が得られるが、光ファイバ母材１０の表面粗さを大きくした場合、光ファイバ素線の機械強度が低下するおそれがある。また、光ファイバ母材１０の表面粗さを大きくする加工が必要となるため好ましくない。そのため、本実施形態では、光ファイバ母材１０ではなく、ダミー棒２０の外周表面の表面粗さを、算術平均表面粗さＲａで０．２μｍ以上とする。

算術平均表面粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）等に規定されているように、ダミー棒の外周表面の粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬ（例えば１０ｍｍ）だけ抜き取り、この抜取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ） で表したときに、次の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。

ダミー棒２０は、中実ロッド状（ダミーロッド）でも中空管状（ダミー管）でもよく、用途に応じて使い分ければよい。

表面粗さを大きくすることによるダミー棒２０の端面の温度上昇幅は、加熱炉１の寸法や設定温度、ダミー棒２０の長さに応じて変化する。

加熱炉１の上端（母材挿入用の開口部５の上端）（外端）から加熱炉１のヒートゾーンの中央（リングヒータ６の中央）までの長さをＬとした場合、ダミー棒２０の長さＬ_ＲはＬ以上の長さに設定するのが好ましい。
なお、加熱炉１のヒートゾーンの中央とは、光ファイバ母材１０の移動方向（図１の上下方向）についてのリングヒータ６の中央である。

ダミー棒２０の長さＬ_Ｒをこのように設定することによって、光ファイバ母材１０の上端を含む部分を加熱炉１の中央に位置させることが可能となる。そのため、光ファイバ母材１０を下方移動させる過程で、光ファイバ母材１０の全長にわたって十分な加熱が可能である。

ダミー棒２０が中空管状のダミー管である場合には、ダミー棒２０（ダミー管）の端部に、ダミー棒２０の内部を加圧もしくは減圧（例えば真空引き）するための治具を接続することができる。
これによって、光ファイバ母材１０内の加圧もしくは減圧が可能となる。そのため、例えばホールアシステッドファイバ（Hole assisted fiber）のように光ファイバ母材１０の内部に空孔部を残す場合に、光ファイバ母材１０の内部を加圧しながら光ファイバ母材１０を加熱溶融させることができる。

ダミー棒２０の表面粗さを前記範囲とするには、例えば、ダミー棒２０の外周表面を砥石などにより研磨する方法をとることができる。

ダミー棒２０に伝搬した輻射熱Ｃ２の一部は、光が散乱によりダミー棒２０の外周表面から外部に放出されるのに伴い、放射熱Ｃ３として外部に放出される。
従って、ダミー棒２０の端部の温度上昇を抑制することが可能になり、ダミー棒２０の端部に取り付けた母材回転装置３、治具２、加圧または減圧のための治具などが焼損する問題を解消することができる。

光ファイバ裸線３０には、ウレタンアクリレート系の樹脂などの被覆材を塗布（コーティング）することにより被覆層が形成される。次いで、ＵＶランプの照射などにより被覆層を硬化させることによって、光ファイバ素線が得られる。

図２は、本発明の光ファイバ母材の延伸方法の一実施形態の説明図であり、上下端（両端）にダミー棒２０を取り付けて把持した光ファイバ母材１１０を延伸する工程を示している。
なお、以下の説明においては、図１における既出の構成については同じ符号を付してその説明を省略する場合がある。

光ファイバ母材１１０の上端と下端にはそれぞれダミー棒２０が溶着により同軸に接合されている。光ファイバ母材１１０の上端に溶着されたダミー棒２０（２０Ａ）の上端部には治具２および母材回転装置３が設けられている。光ファイバ母材１１０の下端に溶着されたダミー棒２０（２０Ｂ）の下端部にも治具２および母材回転装置３が設けられている。

光ファイバ母材１１０は、下方移動しつつ、リングヒータ６により加熱され溶融するとともに、２つのダミー棒２０（２０Ａ，２０Ｂ）により引張力が加えられることにより延伸される。

一方のダミー棒２０（２０Ａ）の長さＬ_Ｒ１は、加熱炉１の上端（母材挿入用の上部開口部５Ａの上端）（外端）から加熱炉１のヒートゾーンの中央（リングヒータ６の中央）までの長さＬ_１以上の長さに設定するのが好ましい。
他方のダミー棒２０（２０Ｂ）の長さＬ_Ｒ２は、加熱炉１の下端（母材挿入用の下部開口部５Ｂの下端）（外端）から加熱炉１のヒートゾーンの中央（リングヒータ６の中央）までの長さＬ_２以上の長さに設定するのが好ましい。
なお、加熱炉１のヒートゾーンの中央とは、光ファイバ母材１１０の移動方向（図２の上下方向）についてのリングヒータ６の中央である。

ダミー棒２０Ａの長さＬ_Ｒ１を前述のように設定することによって、光ファイバ母材１１０の上端部分を加熱炉１の中央に位置させることが可能となる。ダミー棒２０Ｂの長さＬ_Ｒ２を前述のように設定することによって、光ファイバ母材１１０の下端部分を加熱炉１の中央に位置させることが可能となる。
そのため、光ファイバ母材１１０を下方移動させる過程で、光ファイバ母材１１０の全長にわたって十分な加熱が可能である。

ダミー棒２０が中空管状のダミー管である場合には、ダミー棒２０（ダミー管）の端部に、このダミー棒２０の内部を加圧もしくは減圧（例えば真空引き）するための治具を接続することができる。
これによって、光ファイバ母材１１０内の加圧もしくは減圧（例えば真空引き）が可能となる。そのため、例えば光ファイバ母材１１０の製造方法としてロッドインシリンダ（Rod in Cylinder）法を採用する場合に、光ファイバ母材１０の内部を真空引きしながら光ファイバ母材１０を加熱溶融させることができる。

延伸した光ファイバ母材１１０は、前述の光ファイバ素線の製造に供される。

ダミー棒２０（２０Ａ，２０Ｂ）に伝搬した輻射熱Ｃ２の一部は、光が散乱によりダミー棒２０（２０Ａ，２０Ｂ）の外周表面から外部に放出されるのに伴い、放射熱Ｃ３として外部に放出される。
従って、ダミー棒２０（２０Ａ，２０Ｂ）の端部の温度上昇を抑制することが可能になり、母材回転装置３、治具２、加圧または真空引きのための治具などが焼損する問題を解消することができる。

＜実施例１＞
ダミーロッドの外周表面を砥石＃８００で研削した後の算術平均表面粗さＲａを測定したところ、算術平均表面粗さＲａは０．２０４μｍであった。
このダミーロッドを長さ３００ｍｍに切断した後、光ファイバ母材の端部に溶着した。このダミーロッドの端部に、光ファイバ母材を回転させるための母材回転装置を取り付けた後、光ファイバ母材を紡糸用加熱炉に挿入して紡糸を行った。

加熱炉内の温度が定常状態になって１時間経過後に、ダミーロッドの端部に取り付けられた母材回転装置の温度を測定したところ、約７０℃となっていた。そのまま２４時間紡糸を継続したが、母材回転装置の温度は約７０℃を維持していた。

＜実施例２＞
ダミーロッドの長さを６５０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして紡糸を行った。ダミーロッドの外周表面の算術平均表面粗さＲａは実施例１におけるダミーロッドの外周表面の算術平均表面粗さＲａと同じである。
加熱炉内の温度が定常状態になって１時間経過後に、ダミーロッドの端部に取り付けられた母材回転装置の温度を測定したところ、約５０℃となっていた。そのまま２４時間紡糸を継続したが、母材回転装置の温度は約５０℃を維持していた。

＜実施例３＞
ダミーロッドの外周表面を砥石＃６００で研削した後の算術平均表面粗さＲａを測定したところ、このダミーロッドのＲａは０．５４５μｍであった。
このダミーロッドを長さ３００ｍｍに切断した後、光ファイバ母材に溶着した。このダミーロッドの端部に、光ファイバ母材を回転させるための母材回転装置を取り付けた後、光ファイバ母材を紡糸用加熱炉に挿入して紡糸を行った。

加熱炉内の温度が定常状態になって１時間経過後に、ダミーロッドの端部に取り付けられた母材回転装置の温度を測定したところ、約５０℃となっていた。そのまま２４時間紡糸を継続したが、母材回転装置の温度は約５０℃を維持していた。

＜比較例１＞
ダミーロッドの外周表面を砥石＃６００で研削した後にバフ研磨し、算術平均表面粗さＲａを測定したところ、このダミーロッドのＲａは０．００３μｍであった。
このダミーロッドを長さ３００ｍｍに切断した後、光ファイバ母材に溶着した。このダミーロッドの端部に、光ファイバ母材を回転させるための母材回転装置を取り付けた後、光ファイバ母材を紡糸用加熱炉に挿入して、紡糸を行った。

加熱炉内の温度が定常状態になった時点で、母材回転装置に組み込まれたベアリング部から、潤滑剤成分の熱分解が原因であると思われる煙の発生が見られた。この状態で母材回転装置の温度を測定したところ、３００℃を超えていたため、即座に紡糸を中止した。

１・・・加熱炉、２・・・治具、３・・・母材回転装置、５・・・母材挿入用開口部、６・・・リングヒータ（炉内ヒータ）、１０・・・光ファイバ母材、２０，２０Ａ，２０Ｂ・・・ダミー棒、３０・・・光ファイバ裸線。

Claims (7)

1. 石英ガラス系の光ファイバ母材を把持するために前記光ファイバ母材の端部に接合される石英ガラス製のダミー棒であって、外周表面の算術平均表面粗さＲａが０．２μｍ以上であることを特徴とする光ファイバ母材用ダミー棒。
2. 前記光ファイバ母材を加熱するための加熱炉の母材挿入用の開口部の外端から、炉内ヒータの中央までの長さをＬとした時、前記ダミー棒の長さはＬ以上であること特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材用ダミー棒。
3. 請求項１または２に記載の光ファイバ母材用ダミー棒を前記光ファイバ母材の端部に接合した前記光ファイバ母材を加熱しつつ、前記光ファイバ母材用ダミー棒により引張力を加えて前記光ファイバ母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の延伸方法。
4. 前記光ファイバ母材用ダミー棒が中空管状のダミー管であり、
   前記ダミー管の端部に、前記ダミー管の内部を加圧もしくは真空引きするための治具を接続することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ母材の延伸方法。
5. 請求項１または２に記載の光ファイバ母材用ダミー棒を前記光ファイバ母材の端部に接合した前記光ファイバ母材を加熱しつつ、線引きを行うことを特徴とする光ファイバ素線の製造方法。
6. 前記光ファイバ母材用ダミー棒の端部に、前記光ファイバ母材を回転させるための母材回転装置を取り付けることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ素線の製造方法。
7. 前記光ファイバ母材用ダミー棒が中空管状のダミー管であり、
   前記ダミー管の端部に、前記ダミー管の内部を加圧もしくは真空引きするための治具を接続することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ素線の製造方法。

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