JP2019019036A - 紡糸炉用シール構造および光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】横断面が多角形状の光ファイバ母材を紡糸する際の、紡糸炉のシール性を向上させる。【解決手段】紡糸炉用シール構造は、直線部１１ａを有する複数の第１シール部材１１を備え、複数の第１シール部材１１は、それぞれの直線部１１ａが、平面視で多角形状の第１開口１０ａを形成するように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、紡糸炉用シール構造および光ファイバの製造方法に関する。

従来から、下記特許文献１および２に示されるような、光ファイバ母材から光ファイバを製造する紡糸工程で用いられる紡糸炉用シール構造が知られている。この紡糸炉用シール構造は、光ファイバ母材の外径に合わせてシール構造の内径を変化させることで、光ファイバ母材とシール構造との間の隙間を小さく安定させている。

特開２００４−１６１５４５号公報 特開２００４−３５３４５号公報

ところで、近年ではファイバレーザ用の光ファイバやマルチコアファイバなどの用途において、多角形状の横断面を有する光ファイバが用いられる場合がある。このような光ファイバは、多角形状の横断面を有する光ファイバ母材を紡糸することで得られる。
ここで、図７に示すような従来のシール構造１００は、横断面が円形状の光ファイバ母材を用いることを想定しているため、円形状の開口１００ａを有している。このようなシール構造１００に、横断面が多角形状の光ファイバ母材Ｍを挿通させると、図５から明らかなように、光ファイバ母材Ｍとシール構造１００との間の隙間Ｇが大きくなってしまい、紡糸炉のシール性が低下してしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、横断面が多角形状の光ファイバ母材を紡糸する際の、紡糸炉のシール性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る紡糸炉用シール構造は、直線部を有する複数の第１シール部材を備え、前記複数の第１シール部材は、それぞれの前記直線部が、平面視で多角形状の第１開口を形成するように配置されている。

上記第１態様の紡糸炉用シール構造によれば、平面視で多角形状の第１開口を有しているため、横断面が多角形状のファイバ母材と、第１開口を形成する各直線部との間の隙間を小さくして、紡糸炉のシール性を向上させることができる。また、多角形状の第１開口が、複数の第１シール部材によって形成されているため、第１シール部材同士の相対的な位置を変化させることで、光ファイバ母材の形状に合わせて容易に第１開口の形状を変化させることができる。

ここで、上記第１態様に係る紡糸炉用シール構造は、偶数個の前記第１シール部材を備え、平面視で前記第１開口を挟んで対向する１対の第１シール部材同士の間の距離が変化するように構成されていてもよい。

この場合、第１開口の大きさを容易に変化させて、光ファイバ母材の形状に合わせることができる。

また、本発明の第２態様に係る紡糸炉用シール構造は、平面視で多角形状の第１開口を有する第１シール部と、平面視で円形状の第２開口を有する第２シール部と、を備え、前記第２シール部は、前記第１シール部よりも上方に配置されている。

上記第２態様の紡糸炉用シール構造によれば、多角形状の横断面を有する光ファイバ母材に円形状の横断面を有するダミー棒が接続されていた場合に、光ファイバ母材が紡糸炉用シール構造を通過する際のシール性を第１シール部によって確保し、ダミー棒が紡糸炉用シール構造を通過する際のシール性を第２シール部によって確保することができる。

また、上記第２態様に係る紡糸炉用シール構造において、前記第１シール部および前記第２シール部が、上下方向で互いに隣接していてもよい。

この場合、光ファイバ母材とダミー棒との接続部が紡糸炉用シール構造を通過する際に、実質的なシール部を第１シール部から第２シール部へとスムーズに切り替えることが可能となり、紡糸炉のシール性が大きく変動してしまうのを抑えることができる。

また、本発明の第３態様に係る光ファイバの製造方法は、Ｎ角形状の横断面を有する光ファイバ母材を、平面視でＮ角形状の第１開口を有する第１シール部を通して炉心管内に進入させ、加熱溶融して紡糸する工程を有している。

上記第３態様の光ファイバの製造方法によれば、例えば円形状の開口を有するシール部にＮ角形状の横断面を有する光ファイバ母材を通す場合と比較して、紡糸炉のシール性を向上させて、紡糸炉内への異物の混入などを防止することができる。

また、上記第３態様に係る光ファイバの製造方法において、前記光ファイバ母材には、円形の横断面を有するダミー棒が接続され、前記第１シール部の上方には、平面視で円形の第２開口を有する第２シール部が設けられていてもよい。

この場合、Ｎ角形状の横断面を有する光ファイバ母材が通過する際には、紡糸炉のシール性を第１シール部で確保しつつ、円形状の横断面を有するダミー棒が通過する際には、紡糸炉のシール性を第２シール部で確保することができる。

また、上記第３態様に係る光ファイバの製造方法において、前記第１シール部および前記第２シール部が、上下方向で互いに隣接していてもよい。

この場合、光ファイバ母材とダミー棒との接続部が第１シール部および第２シール部を通過する際に、実質的なシール性を発揮する部分を第１シール部から第２シール部へとスムーズに切り替えることが可能となり、紡糸炉のシール性が大きく変動してしまうのを抑えることができる。

本発明の上記態様によれば、横断面が多角形状の光ファイバ母材を紡糸する際のシール性を向上させることができる。

本実施形態に係るシール構造を備える紡糸炉の概略図である。 （ａ）は第１シール部の平面図であり、（ｂ）は第２シール部の平面図である。 紡糸工程の説明図である。 （ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 （ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、（ｂ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 （ａ）は図３（ｃ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、（ｂ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 従来のシール構造の説明図である。

以下、本実施形態に係る紡糸炉用シール構造および光ファイバの製造方法について、図１〜図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。
図１は、光ファイバを製造する際に用いられる紡糸炉１の模式図である。紡糸炉１は、筐体２と、炉心管３と、ヒータ４と、下部シール５と、把持機構６と、制御部７と、第１測定部８と、第２測定部９と、シール構造Ｓと、を備えている。紡糸炉１は、光ファイバ母材Ｍを加熱溶融させて細径化して引き出し、光ファイバ裸線Ｆを製造するための装置である。

（方向定義）
以下、光ファイバ母材Ｍの長手方向を、単に長手方向という。また、長手方向に直交する断面を横断面という。

光ファイバ母材Ｍは、横断面が多角形となる柱状（以下、多角柱状という）に形成されている。多角柱状の光ファイバ母材Ｍは、ＶＡＤ法やＯＶＤ法などによって得られた円柱状の光ファイバ母材Ｍを切削・研磨することにより得られる。光ファイバ母材Ｍの横断面の形状は、長手方向に沿って微小に変化している。
多角柱状の光ファイバ母材Ｍを線引きすることで得られる光ファイバ裸線Ｆは、横断面が多角形状となる。このように、横断面が多角形状である光ファイバ裸線Ｆは、ファイバレーザ用の光ファイバやマルチコアファイバなどとして用いられる。なお、一般的には横断面が六角形の光ファイバ裸線Ｆが用いられている。
光ファイバ母材Ｍの上端部には、円柱状のダミー棒Ｄが溶接されている。ダミー棒Ｄは、把持機構６によって把持されている。ダミー棒Ｄは、一般的に、光ファイバ母材Ｍよりも細く形成されている。また、ダミー棒Ｄと光ファイバ母材Ｍとの接続部は、長手方向に沿って横断面形状が変化している。

炉心管３は、上下方向に延びる管状に形成されている。炉心管３の上端部３ａは、光ファイバ母材Ｍを導入するための入口であり、炉心管３の下端部３ｂは、線引きされた光ファイバ素線Ｆを引き出すための出口である。
ヒータ４は、筐体２内に設けられている。ヒータ４は、炉心管３内に導入された光ファイバ母材Ｍを加熱して溶融させる。
下部シール５は、炉心管３の下端部３ｂを覆っている。下部シール５には光ファイバ裸線Ｆの出口となる開口５ａが設けられている。

第１測定部８は、光ファイバ母材Ｍの形状や寸法など（以下、単に形状等という）を測定し、測定結果を制御部７に出力する。第１測定部８としては、複数の方向から帯状のレーザ光を光ファイバ母材Ｍに照射し、影となった部分の寸法を測定するレーザ測定器を用いることができる。あるいは光ファイバ母材Ｍの外形を三次元的にスキャンする３Ｄスキャナを第１測定部８として用いてもよい。

第２測定部９は、第１測定部８よりも上方に配置されている。第２測定部９は、ダミー棒Ｄの外径を測定し、その測定結果を制御部７に出力する。第２測定部９としては、外径測定器などを用いることができる。
なお、本実施形態では第１測定部８と第２測定部９とが別体となっているが、これらは一体であってもよい。また、光ファイバ母材Ｍの形状などを測定する第１測定部８を用いて、ダミー棒Ｄの外径を測定してもよい。この場合、第１測定部８がダミー棒の外径Ｄの測定結果を制御部７に出力する。

シール構造Ｓは、炉心管３の上端部３ａに設けられている。シール構造Ｓは、上下に連続して配置された第１シール部１０および第２シール部２０を備えている。第１シール部１０と第２シール部２０との間の隙間はシールされており、これらシール部１０、２０同士の間の隙間からガスが漏れないように構成されている。第１シール部１０は第１開口１０ａを有しており、第２シール部２０は第２開口２０ａを有している。第１開口１０ａおよび第２開口２０ａは、光ファイバ母材Ｍおよびダミー部材Ｄが炉心管３内に進入する際の入り口となる。

図２（ａ）に示すように、第１シール部１０は、複数の第１シール部材１１を有している。各第１シール部材１１はそれぞれ、直線部１１ａを有している。複数の第１シール部材１１の直線部１１ａが組み合わされることにより、平面視で多角形の第１開口１０ａが形成されている。第１開口１０ａの形状は、光ファイバ母材Ｍの横断面の形状に応じて定められる。例えば光ファイバ母材Ｍが六角柱状であり光ファイバ母材Ｍの横断面が六角形であれば、平面視における第１開口１０ａの形状も六角形とする。同様に、光ファイバ母材Ｍの横断面形状がＮ角形（Ｎは３以上の自然数）であれば、第１開口１０ａの平面視における形状もＮ角形とする。光ファイバ母材Ｍの横断面形状がＮ角形の場合、第１シール部１０が備える第１シール部材１１の数はＮ個であってもよい。

各第１シール部材１１には、これらの第１シール部材１１を移動させるように構成された不図示のアクチュエータが取り付けられている。これらのアクチュエータは、制御部７に電気的に接続されており、制御部７が出力した移動指令に基づいて第１シール部材１１を移動させる。
なお、第１開口１０ａの各角部は丸みを帯びていてもよい。このように角部が丸みを帯びていたとしても、第１シール部１０内の隙間Ｇ１（図４（ａ）等参照）の大きさが殆ど変化せず、紡糸炉１のシール性にも影響しないためである。

第２シール部２０は、第１シール部１０の上方に配置されている。図２（ｂ）に示すように、第２シール部２０は、平面視で円形状の第２開口２０ａを有している。第２シール部２０は、ダミー棒Ｄの外径に応じて第２開口２０ａの内径ｄ２が変化するように構成されている。第２シール部２０はアイリス絞りであってもよく、他の構成によって内径ｄ２を変化させてもよい。

図１に示すように、制御部７は、把持機構６、第１測定部８、第２測定部９、第１シール部１０、および第２シール部２０に電気的に接続されている。制御部７は、引き出された光ファイバ裸線Ｆの長さに応じて、把持機構６を下降させる。これにより、光ファイバ母材Ｍの下端部の位置が、ヒータ４の近傍で維持される。

制御部７は、第１測定部８による光ファイバ母材Ｍの外形などの測定結果に応じて、第１シール部１０の各第１シール部材１１を移動させる移動指令を、アクチュエータに出力する。例えばＮが偶数である場合には、図２（ａ）に示すように、互いに向かい合う一対の第１シール部材１１同士の間の距離ｄ１を、光ファイバ母材Ｍの寸法に応じて変化させる。これにより、光ファイバ母材Ｍの形状などが長手方向で変動したとしても、第１開口１０ａ内の隙間Ｇ１の大きさを一定に保つことができる。同様に、制御部７は、第２測定部９によるダミー棒Ｄの外径の測定結果に応じて、第２シール部２０を駆動させる。これにより、ダミー棒Ｄの外径が長手方向で変動したとしても、第２開口２０ａ内の隙間Ｇ２の大きさを一定に保つことができる。

（光ファイバの製造方法）
次に、以上のように構成された紡糸炉１を用いて光ファイバを製造する方法について、図３〜図６を用いて説明する。
まず、ダミー棒Ｄが接続された光ファイバ母材Ｍを用意する。光ファイバ母材Ｍは、ＶＡＤ法やＯＶＤ法などによって得られた円柱状の光ファイバ母材を、角柱状に切削・研磨することで得られる。

次に、図３（ａ）に示すように、第１シール部１０および第２シール部２０の各開口１０ａ、２０ａを通じて、光ファイバ母材Ｍを炉心管３内に進入させる。そして光ファイバ母材Ｍの下端部を、ヒータ４によって１６００〜２０００℃程度の温度まで加熱し溶融させて、細径化された光ファイバ裸線Ｆを引き出す。このとき、炉心管３内に、ＡｒやＨｅなどの不活性ガスを流入させる。このように不活性ガスを流入させることで、炉心管３やヒータ４などのカーボン部品の酸化を抑制したり、炉心管３内を陽圧として炉心管３内への異物混入を抑制したり、光ファイバ母材Ｍ周辺のガス流速および光ファイバ母材Ｍの温度を安定させて光ファイバ裸線Ｆの外径の安定化させたりすることができる。光ファイバ裸線Ｆの外径を安定させるためには、シール構造Ｓによる紡糸炉１のシール性を安定させることが重要である。

図３（ａ）に示す状態では、光ファイバ母材Ｍが第１シール部１０および第２シール部２０の両者に跨って位置している。このため、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２シール部２０内の隙間Ｇ２が、第１シール部１０内の隙間Ｇ１よりも大きくなっている。この状態では、第１シール部１０が実質的に炉心管３の上端部３ａをシールする。なお、図４（ａ）に示すように、横断面視において、光ファイバ母材Ｍの各辺に対して、少なくとも１つの第１シール部材１１の直線部１１ａが平行に配置される。

ここで、第１シール部１０内の隙間Ｇ１の大きさが紡糸工程中に変動すると、炉心管３内のガス流や温度分布などが変動してしまう。この結果、得られる光ファイバ裸線Ｆの外径にばらつきが生じてしまう場合がある。このため、第１シール部１０内の隙間Ｇ１は、その面積が安定していることが望ましい。本実施形態では、制御部７が光ファイバ母材Ｍの形状に基づいて第１開口１０ａの大きさを調整する。このため、例えば光ファイバ母材Ｍの形状等が長手方向でばらついたとしても、紡糸工程中に隙間Ｇ１の大きさが変動してしまうことが抑えられ、光ファイバ裸線Ｆの外径を安定させることができる。

上記の紡糸工程が進むに従い、光ファイバ母材Ｍが消費されて体積が減少するため、光ファイバ母材Ｍは徐々に短くなる。そこで、制御部７は、引き出された光ファイバ裸線Ｆの長さに応じて、把持機構６を下降させる。これにより、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ母材Ｍの下端部の位置がヒータ４の近傍で維持される。把持機構６が下降すると、光ファイバ母材Ｍとダミー棒Ｄとの接続部がシール構造Ｓに到達する。ダミー棒Ｄは光ファイバ母材Ｍよりも細いため、ダミー棒Ｄの下端部が第２シール部２０に到達すると、制御部７は、第２シール部２０を駆動させて第２開口２０ａの内径ｄ２を小さくする。これにより、第２開口２０ａとダミー棒Ｄとの間の隙間Ｇ２を小さくすることができる。

先述の通り、光ファイバ母材Ｍが第１シール部１０と第２シール部２０とに跨った状態（図３（ａ））では、第１シール部１０が実質的なシール性を発揮する。また、後述するように、ダミー棒Ｄが第１シール部１０と第２シール部２０とに跨った状態では、第２シール部２０が実質的なシール性を発揮する。従って、光ファイバ母材Ｍとダミー棒Ｄとの接続部がシール構造Ｓを通過する際には、実質的なシール性を発揮する部分が、第１シール部１０から第２シール部２０へと切り替わる。そこで、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバ母材Ｍと第１シール部１０との間の隙間Ｇ１と、ダミー棒Ｄと第２シール部２０との間の隙間Ｇ２とは、互いに同程度の横断面積であることが好ましい。これにより、実質的なシール性を発揮する部分が第１シール部１０から第２シール部２０へと切り替わったとしても、シール性が変化して炉心管３内の圧力などが変動してしまうのを抑えることができる。

さらに紡糸工程が進むと、図３（ｃ）に示すように、ダミー棒Ｄが第１シール部１０および第２シール部２０の両者に跨って位置する。このため、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１シール部１０内の隙間Ｇ１が、第２シール部２０内の隙間Ｇ２よりも大きくなっている。この状態では、第２シール部２０が実質的に炉心管３の上端部３ａをシールする。制御部７は、ダミー棒Ｄの外径に応じて第２開口２０ａの大きさを変動させる。これにより、第２シール部２０内の隙間Ｇ２が紡糸工程中に変動することが抑えられ、光ファイバ裸線Ｆの外径を安定させることができる。

なお、紡糸炉１の下流側において、光ファイバ裸線Ｆの周囲に、必要に応じてプライマリ層やセカンダリ層の被覆を設けることで、光ファイバ素線が得られる。

以上説明したように、本実施形態のシール構造Ｓは、光ファイバ母材Ｍの横断面形状に対応した形状の第１開口１０ａを有する第１シール部１０を備えている。このため、光ファイバ母材Ｍの横断面が多角形状である場合であっても、第１シール部１０内の隙間Ｇ１を小さくして、シール性を向上させることができる。

さらに、シール構造Ｓは、上記第１シール部１０と、平面視で円形状の第２開口２０ａを有する第２シール部２０を備えており、これら第１シール部１０および第２シール部２０が上下方向で隣接して配置されている。このため、光ファイバ母材Ｍの横断面がＮ角形状であり、ダミー棒Ｄの横断面が円形状であっても、光ファイバ母材Ｍとダミー棒Ｄとの接続部がシール構造Ｓを通過する際に、シール性が変動してしまうことが抑えられる。

また、Ｎが偶数である場合、第１シール部１０が偶数個の第１シール部材１１を備えていてもよい。この場合さらに平面視で第１開口１０ａを挟んで対向する１対の第１シール部材１１同士の間の距離ｄ１が、アクチュエータなどによって変化するように構成されていてもよい。この構成によれば、光ファイバ母材Ｍの形状などに応じて第１開口１０ａの大きさを変化させることが容易となり、第１シール部１０内の隙間Ｇ１の大きさをより確実に一定に保つことができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、紡糸工程中に光ファイバ母材Ｍの形状等およびダミー棒Ｄの外径を測定したが、これらの測定は紡糸工程の前に行ってもよい。この場合、予め測定した測定結果を制御部７が備える記憶部に記憶させ、この測定結果に応じて第１シール部１０および第２シール部２０を駆動させてもよい。

また、前記実施形態の制御部７は、光ファイバ母材Ｍの形状等を測定し、その測定結果に応じて第１開口１０ａの大きさを変化させたが、制御部７による制御方法はこれに限られない。例えば、第１測定部８が第１シール部１０内の隙間Ｇ１の大きさを測定し、この隙間Ｇ１が一定の大きさとなるように、制御部７が第１シール部１０の各第１シール部材１１の移動指令を出力してもよい。
同様に、第２測定部９が第２シール部２０内の隙間Ｇ２の大きさを測定し、この隙間Ｇ２が一定の大きさとなるように、制御部７が第２シール部２０を駆動させてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…紡糸炉 ４…ヒータ １０…第１シール部 １０ａ…第１開口 １１…第１シール部材 １１ａ…直線部 ２０…第２シール部 ２０ａ…第２開口 Ｄ…ダミー棒 Ｍ…光ファイバ母材

Claims (7)

1. 直線部を有する複数の第１シール部材を備え、
   前記複数の第１シール部材は、それぞれの前記直線部が、平面視で多角形状の第１開口を形成するように配置されている、紡糸炉用シール構造。
2. 偶数個の前記第１シール部材を備え、
   平面視で前記第１開口を挟んで対向する１対の第１シール部材同士の間の距離が変化するように構成されている、請求項１に記載の紡糸炉用シール構造。
3. 平面視で多角形状の第１開口を有する第１シール部と、
   平面視で円形状の第２開口を有する第２シール部と、を備え、
   前記第２シール部は、前記第１シール部よりも上方に配置されている、紡糸炉用シール構造。
4. 前記第１シール部および前記第２シール部が、上下方向で互いに隣接している、請求項３に記載の紡糸炉用シール構造。
5. Ｎ角形状の横断面を有する光ファイバ母材を、平面視でＮ角形状の第１開口を有する第１シール部を通して炉心管内に進入させ、加熱溶融して紡糸する工程を有する、光ファイバの製造方法。
6. 前記光ファイバ母材には、円形の横断面を有するダミー棒が接続され、
   前記第１シール部の上方には、平面視で円形の第２開口を有する第２シール部が設けられている、請求項５に記載の光ファイバの製造方法。
7. 前記第１シール部および前記第２シール部が、上下方向で互いに隣接している、請求項６に記載の光ファイバの製造方法。

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