JP2019019034A - 光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線引炉内のガス流れの乱れを抑える光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法を提供する。【解決手段】光ファイバ用線引炉の上端開口部と上端開口部から線引炉の炉心管に挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造１０である。炉心管に連通する炉内空間Ｉに面し、外部から冷却される部材１１と、この部材の、炉心管に連通する炉内空間に面する箇所を断熱する断熱部材２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法に関し、詳細には、光ファイバ用線引炉の上端開口部と上端開口部から炉心管に挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法に関する。

光ファイバは、石英を主成分とする光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）の上端開口部から炉心管内に挿入し、ガラス母材の先端が加熱溶融して細径化されることにより、線引炉の下方から線引きされ、製造される。このときの線引炉内の温度は、約２０００℃と非常に高温となるので、線引炉内の部品には、耐熱性に優れたカーボン製のものが使われることが多い。

カーボン部品の熱劣化を防ぐため、一般的には、線引炉内を陽圧にし、外気（酸素）が線引炉内に入り込むことを防いでいるが、線引炉の上端開口部とガラス母材との隙間でうまく気密が取れていないと（シールされていないと）、外気を線引炉内に巻き込んでしまうことがある。これを防ぐため、例えば、特許文献１には、線引炉の上端開口部とガラス母材との隙間を塞ぐためのシール構造の技術が開示されている。

特開２０１４−１５２０８３号公報

しかしながら、上記特許文献１の構造の場合、ブレード部材（シール部材）が筐体内に収容され、この筐体の一部（収納部）が炉内空間に露出している。炉内空間（上部）の温度は線引中に約１０００℃程度まで達する場合があり、前記筐体が金属製であると、熱劣化してしまうため、筐体の一部を、例えば水等で冷却する場合がある。しかしながら、このように炉内空間に面する筐体が冷却されていると、炉内空間内で局所的に温度が変化するところができてしまい、この筐体付近でガス流れ（自然対流ともいう）が変化し、このガス流れの乱れが光ファイバの品質に影響を与える場合がある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、線引炉内のガス流れの乱れを抑える光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光ファイバ用線引炉のシール構造は、光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から前記線引炉の炉心管に挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、前記炉心管に連通する炉内空間に面し、外部から冷却される部材と、前記部材の、前記炉心管に連通する炉内空間に面する箇所を断熱する断熱部材と、を備える。

上記によれば、線引炉内のガス流れが乱れにくくなり、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。

本発明の一実施形態による光ファイバ用線引炉の概略を説明する図である。 シール構造の一例を示す図である。 図２のシール構造におけるブレード部材の動作を説明する図である。 シール構造の他の例を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一態様に係る光ファイバ用線引炉のシール構造は、（１）光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から前記線引炉の炉心管に挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、前記炉心管に連通する炉内空間に面し、外部から冷却される部材と、前記部材の、前記炉心管に連通する炉内空間に面する箇所を断熱する断熱部材と、を備える。外部から冷却される部材の炉内空間に面する箇所が断熱されているため、この近傍での温度差が小さくなる。よって、線引炉内のガス流れが乱れにくくなり、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。

（２）前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するように設けたブレード部材と、該ブレード部材と該ブレード部材を支持するガイド部材とを収容する筐体と、を備え、前記部材は、前記筐体である。外部から冷却される筐体の炉内空間に面する箇所が断熱されているため、この近傍での温度差が小さくなる。よって、線引炉内のガス流れが乱れにくくなり、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。
（３）前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するように設けたカーボンシート部材またはカーボンフェルト部材と、該カーボンシート部材または該カーボンフェルト部材を支持する筐体と、を備え、前記部材は、前記筐体である。外部から冷却される筐体の炉内空間に面する箇所が断熱されているため、この近傍での温度差が小さくなる。よって、線引炉内のガス流れが乱れにくくなり、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。

（４）前記断熱部材と前記部材との間に空間を設ける。断熱部材と部材との間に空間を設ければ、冷却された部材の熱がより炉内空間に伝わりにくくなり、断熱効果をさらに高めることができる。
（５）本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、上記いずれかの光ファイバ用線引炉のシール構造を用いて光ファイバを線引きする。上述のシール構造を用いているため、線引炉内のガス流れを乱れにくくすることができ、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明による光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法の好適な実施の形態について説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。また、炉心管や、断熱材の構成なども、下記で説明するのは一例であり、これに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ用線引炉の概略を説明する図である。線引炉１は、炉筐体２と、炉心管３と、加熱源（ヒータ）４と、シール構造１０とを備えている。炉筐体２は、上端開口部２ａと下端開口部２ｂを有し、例えばステンレス鋼で形成されている。炉心管３は、炉筐体２の中央部に円筒状で形成され、例えば上端開口部２ａと連通している。炉心管３は例えばカーボン製であり、この炉心管３内には、ガラス母材５が上端開口部２ａからシール構造１０でシールされた状態で挿入される。

炉筐体２内には、ヒータ４が炉心管３を囲むように配置され、断熱材７がヒータ４の外側を覆うように収納されている。ヒータ４は、炉心管３の内部に挿入されたガラス母材５を加熱溶融し、その下端部５ａから溶融縮径された光ファイバ５ｂを垂下させる。ガラス母材５は、別途設けた移動機構により線引方向（下側方向）に移動可能であり、ガラス母材５の上側には、ガラス母材５を吊り下げて支持するための支持棒６が連結されている。また、線引炉１には不活性ガス等による炉内ガスの供給機構（図示省略）が設けられ、炉心管３内やヒータ４の周りに、酸化劣化防止のための不活性ガス等を供給することが可能である。

なお、図１では、炉心管３の内壁の上端部がそのまま上端開口部２ａを形成している例を挙げているが、これに限ったものではない。例えば、炉心管３の内径ｄよりさらに狭い上端開口部を炉心管３の上側に設けてもよく、この場合にシール対象となる隙間は、この狭い上端開口部とガラス母材５との間に生じる隙間となる。また、ガラス母材５の断面形状は、基本的に真円を目指して生成されたものとするが、その精度を問わず一部で非円が存在してもよく、また楕円形などであってもよい。また、上端開口部２ａの断面は円形としておけばよいが、この精度は問わない。

本発明の一実施形態は、線引炉１の上端開口部２ａと上端開口部２ａから炉心管３に挿入されるガラス母材５の外周との間の隙間Ｓを塞ぐためのシール構造１０を対象とするものであり、特に、上端開口部２ａに設けたシール構造１０によって炉外の外気を巻き込まないようにしながら、線引炉内のガラス母材５をヒータ４により加熱するものである。

図２はシール構造の一例を示す図であり、図３は図２のシール構造におけるブレード部材の動作を説明する図である。
シール構造１０は、耐熱性を持った複数のブレード部材１４，１５と、これらブレード部材１４，１５を収容し、ブレード部材１４，１５を直線的にスライド移動させるためのガイド部材１６，１７と、ブレード部材１４，１５やガイド部材１６，１７を収容する筐体１１と、ブレード部材１４，１５を、例えば気体の圧力差を利用して内方に押し付けたり、外方に引っ張ったりする作用を有した機構と、を備えている。

図２に示すように、筐体１１は、同心の貫通孔を有した円盤状の部材であり、筐体１１の内周面上に、ブレード部材１４，１５を挿通させるための開口が設けられている。筐体１１の内周面は、図１で説明した炉心管３に連通する炉内空間Ｉに位置しており、筐体近傍の炉内空間Ｉの温度は、線引中に約１０００℃程度に達する場合がある。
筐体１１は、例えばステンレス鋼で形成され、ブレード部材１４，１５やガイド部材１６，１７を例えば４００℃以下（各部材の材質にカーボンを用いている場合には３００℃以下にすることが好ましい）となるように冷却する機構（例えば水冷方式、図示省略）を有する。これにより、ブレード部材１４，１５やガイド部材１６，１７、筐体１１に使用するカーボンや金属が、線引炉の輻射熱により劣化するのを抑制することができる。

ブレード部材１４，１５は、筐体１１の中心軸に対してそれぞれ放射状に延びて、筐体１１内に例えば上下２段で設置され、ブレード部材１４は筐体１１の内周面に沿って略等間隔で複数設けられ、ブレード部材１５も、ブレード部材１４の下側で、筐体１１の内周面に沿って略等間隔で複数設けられている。ブレード部材１４，１５は、例えば、移動方向に垂直な面での断面形状が略長方形となる略直方体形状であり、上下２段で互い違いに配され、筐体１１から突出してガラス母材の側面に当接する。

ブレード部材１４，１５の材料はカーボンであることが好ましいが、カーボンの他に、例えば、石英ガラス、ＳｉＣコートカーボンなどを採用することもできる。
なお、上述したブレード部材１４，１５の幅や枚数は、使用するガラス母材の外径や外径変動量や曲がり量などに応じて、適宜選べばよい。

ガイド部材１６，１７は、例えばブレード部材１４，１５を挿通可能に形成され、ガイド部材１６はブレード部材１４の上側に、ガイド部材１７はブレード部材１５の下側にそれぞれ設置される。なお、ガイド部材１６，１７は、一体であってもよい。
ガイド部材１６，１７の材料もカーボンであることが好ましいが、窒化ボロン（ＢＮ）や、ステンレス、二硫化モリブテン（ＭｏＳ_２）などの金属を採用することもできる。

図３に示すように、筐体１１には、内部の圧力付与空間４０にガスを供給、および排出する給排ポート１２が設けられ、給排ポート１２を介してガス供給部５１からのガスを圧力付与空間４０に溜めることができる。また、圧力付与空間４０に溜まったガスは、給排ポート１２を介してガス排出部５２から排出する（吸い出す）ことも可能である。ガス供給部５１やガス排出部５２はコントローラ５０に電気的に接続されている。

ところで、図２に示す、筐体１１の炉内空間側の面１１ａは、ブレード部材１４の上側の位置で炉内空間Ｉを囲むように湾曲して設けられている。同じく面１１ｂは、ブレード部材１５の下側の位置で、炉内空間Ｉを囲むように湾曲して設けられている。上記のように、筐体１１は冷却されているため、面１１ａ，１１ｂ近傍の箇所では、炉内空間Ｉとの間に大きな温度差が生じ、ガス流れの乱れが発生する原因となる。

そこで、本実施形態では、筐体１１の面１１ａ，１１ｂを、例えば筒状の断熱部材２０で覆っている。具体的には、断熱部材２０は、炉内空間Ｉと面１１ａとの間に配される上方断熱部２１と、炉内空間Ｉと面１１ｂとの間に配される下方断熱部２２とからなる。上方断熱部２１および下方断熱部２２は、例えばカップ形状で形成され、このカップ形状の開口が筐体１１で塞がれるように配置される。上方断熱部２１は、炉内空間Ｉを囲むように湾曲して面１１ａを覆い、下方断熱部２２は、炉内空間Ｉを囲むように湾曲して面１１ｂを覆っている。

このように、筐体１１の面１１ａ，１１ｂのような局所的に冷却される部分が、断熱部材２０によって覆われ、冷却された部材が直接炉内空間Ｉに面しないような構造としているので、面１１ａ，１１ｂ近傍における炉内空間Ｉとの温度差を小さくできる。よって、線引炉内のガス流れが乱れにくくなり、光ファイバのガラス径変動の増加を抑えることができる。具体的には、断熱部材２０で筐体１１を断熱しなかった場合の光ファイバの外径変動（３σ）が０．６〜１μｍであったのに対し、断熱した場合は、光ファイバの外径変動（３σ）を０．５μｍに抑えることができた。

断熱部材２０の材料は、例えば石英ガラスを採用できる。この場合、透明ではなく、例えば半透明にすれば、断熱部材による筐体１１に対する断熱の効果をより高めることができる。なお、石英ガラス以外の材料としては、例えば、カーボンを採用してもよい。また、断熱部材の酸化劣化を防止するために、ＳｉＣコートカーボンなどを採用することもできる。
なお、図２では、上方断熱部２１および下方断熱部２２を設ける構成を記載しているが、上方断熱部２１、または下方断熱部２２のみを設けても、ガラス径変動の増加を抑える効果がある。

図２，３に示すように、断熱部材２０の上方断熱部２１や下方断熱部２２の内部には空間３１，３２が設けられている。空間３１，３２は、図３で説明したガス供給部５１などのガスで満たされており、特に断熱性の高い、熱伝導率の低いガス（例えばアルゴンガス）を用いることが好ましい。

このように、例えば熱伝導率の低いアルゴンガスよるガス層を設ければ、炉内空間Ｉに対する筐体１１の断熱効果をさらに高めることができる。なお、空間３１，３２を満たすのは、アルゴンガスなどの気体に限定されるものではなく、断熱性の高い部材であれば、固体であってもよい。例えば、石英ウールやカーボンフェルトなどを用いることができる。
そして、上述のシール構造を用いた光ファイバの製造方法によれば、線引炉内のガス流れを乱れにくくすることができるため、光ファイバのガラス径変動が発生しにくくなる。

なお、上記実施例では、ブレード部材を備えたシール構造の例で説明したが、カーボンシート部材やカーボンフェルト部材を備えたシール構造であってもよい。また、ブレード部材や、カーボンシート、カーボンフェルトなどのカーボン部材を用いず、ガスのみでシールする構造であってもよい。ここでは、カーボンフェルト部材を用いたシール構造の例について、図４で詳しく説明する。
図４に示したシール構造１０は、ガラス母材５の外径φ以下の内径をもつ、例えば２枚のカーボンフェルトリング１４ａ，１５ａを有しており、筐体１１から突出してガラス母材５の側面に当接する。カーボンフェルトは、カーボン繊維で形成されたフェルトであって、ある程度の気密性を確保する際に用いられる。カーボンの材料としては、不純物混入の観点から、高純度カーボンと呼ばれるものを用いるのが好ましい。

カーボンフェルトリング１４ａ，１５ａ間にはシートリング６４が設けられ、カーボンフェルトリング１５ａの下側にはシートリング６３が設けられ、カーボンフェルトリング１４ａの上側にはシートリング６５が設けられている。シートリング６３，６４，６５は、カーボンフェルトリング１４ａ，１５ａより内径が大きい。シートリング６３，６４，６５の材料としては、高純度カーボンであることが好ましいが、それに限らず石英など、他の耐熱性素材を用いてもよい。

カーボンフェルトリング１４ａ，１５ａおよびシートリング６３，６４，６５は、例えば図示する順番で重ねられて筐体１１に支持されており、シートリング６５の上側には、カーボンフェルトリング１４ａ，１５ａやカーボンシートリング６３，６４，６５が浮いて気密性を損なわないように、石英リング６６が設けられている。
筐体１１は、冷却する機構（図示省略）を有し、炉筐体２の上端部２ｃに設置されている。筐体１１の炉内空間側の面は、シートリング６３の下側の位置で、炉内空間を囲むように湾曲して設けられている。そこで、筐体１１の炉内空間側の面を断熱部材２０で覆っている。よって、この例の場合にも、筐体１１の炉内空間側の面近傍における炉内空間との温度差を小さくできる。

なお、上記の実施形態では、外部から冷却される部材が、ブレード部材１４，１５あるいはカーボンフェルトリング１４ａ，１５ａを収容する筐体１１であり、筐体１１を断熱している例を挙げて説明した。しかし、本発明はこの例に限定されるものではなく、外部から冷却される部材が炉内空間に面する箇所であれば、適用できる。詳しくは、本発明の部材は、図１で説明したシール構造１０の下側に位置した炉筐体２、あるいは、図示は省略するが、シール構造の上側に配置される上部チャンバ（金属製）であってもよい。したがって、本発明の部材の面とは、炉筐体２の上蓋（上端開口部２ａ付近に位置する）の円筒形状の内面部分、あるいは、上部チャンバ下端の円筒形状の内面部分も該当する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…光ファイバ用線引炉、２…炉筐体、２ａ…上端開口部、２ｂ…下端開口部、２ｃ…上端部、３…炉心管、４…ヒータ、５…光ファイバ用ガラス母材、５ａ…下端部、５ｂ…光ファイバ、６…支持棒、７…断熱材、１０…シール構造、１１…筐体、１１ａ，１１ｂ…面、１２…給排ポート、１４，１５…ブレード部材、１４ａ，１５ａ…カーボンフェルトリング、１６，１７…ガイド部材、２０…断熱部材、２１…上方断熱部、２２…下方断熱部、３１，３２…空間、４０…圧力付与空間、５０…コントローラ、５１…ガス供給部、５２…ガス排出部、６３，６４，６５…シートリング、６６…石英リング。

Claims (5)

1. 光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から前記線引炉の炉心管に挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、
   前記炉心管に連通する炉内空間に面し、外部から冷却される部材と、
   前記部材の、前記炉心管に連通する炉内空間に面する箇所を断熱する断熱部材と、
   を備える、光ファイバ用線引炉のシール構造。
2. 前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するように設けたブレード部材と、
   該ブレード部材と該ブレード部材を支持するガイド部材とを収容する筐体と、を備え、
   前記部材は、前記筐体である、請求項１に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
3. 前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するように設けたカーボンシート部材またはカーボンフェルト部材と、
   該カーボンシート部材または該カーボンフェルト部材を支持する筐体と、を備え、
   前記部材は、前記筐体である、請求項１に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
4. 前記断熱部材と前記部材との間に空間を設ける、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造を用いて光ファイバを線引きする、光ファイバの製造方法。

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