JP3895475B2 - 光ファイバ用母材の加熱炉及び加熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス微粒子を体積させて形成された光ファイバ用母材を透明ガラス化する際に用いる光ファイバ用母材の加熱炉及び加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバのもとになる光ファイバ用母材は、ガラス原料と燃焼用ガスとをバーナから噴出させ、形成される火炎中でガラス原料を火炎加水分解させ、得られたガラス微粒子をターゲット棒に体積させてガラス微粒子堆積体を形成した後、このターゲット棒及びガラス微粒子堆積体からなる多孔質ガラス母材を、加熱炉内で加熱して透明ガラス化処理を施すことにより形成されている。
【０００３】
上記透明ガラス化処理を施すための加熱炉は、図３に示すように、炉本体１の中央部において上下方向に伸長するように配置され、その寸法が例えば内径３００ｍｍ，外径３１０ｍｍの炉心管２と、この炉心管２を所定の長さＬ例えば４００ｍｍに亘って全周を取り囲むように配置された円筒状をなすカーボン製の電気ヒータ３と、をその基本構成として備えている。
【０００４】
上記炉本体１には、ヘリウムガスなどの不活性ガスをその内部に供給する供給口１ａが設けられ、又、内部に炉心管２及び電気ヒータ３を取り囲む断熱材４が配置されている。
【０００５】
一方、炉心管２には、ヘリウムガスなどの不活性ガスを内部に供給する供給口２ａ、内部に供給された不活性ガスを排出する排出口２ｂ、及び光ファイバ用母材５を挿入するための挿入口２ｃ等が設けられている。また、炉心管２は、不純物を発生せずかつシール性の高い石英ガラスにより形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構成をなす加熱炉を用いて、透明ガラス化処理を行なう場合、炉の温度が約１５００°Ｃを超えると、炉心管２が急激に軟化して、自重により伸び、あるいは、変形を招くという問題があった。
【０００７】
すなわち、炉心管２の内径が２００ｍｍ以下で加熱長さＬが数百ｍｍ程度の場合には、軟化する領域が狭いため自重による伸び等はそれ程問題にならなかったが、内径が３００ｍｍを超え、全長が２０００ｍｍ以上になると、軟化した際の自重による伸びが大きくなり、又、この伸びを抑制するべく下部を支えると座屈を招き、炉心管２の寿命が短くなるという問題があった。
【０００８】
一方、炉の温度を１５００°Ｃ前後あるいはそれ以下に下げ、炉心管２が軟化しないような温度条件下で透明ガラス化処理を行なうと、その処理速度を２５０ｍｍ／ｈｒ（時）以下に落とす必要が生じ、その結果処理時間が長くなり、生産性が低下するという問題があった。
【０００９】
このような炉心管２の変形等に対処するべく、炉心管２内に圧力を与えつつ、捩じりモーメントを加えるようにした加熱炉が、特開平４−５９６２９号公報に開示されているが、この公報に開示の手法においても、炉心管２の座屈あるいは破損等を解消するのは困難であり、捩じりモーメントを加えるための装置が必要になり、コストの増加及び装置の大型化を招くという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものでり、その目的とするところは、装置の大型化、コストの増加等を招くことなく、炉心管の変形、座屈、自重による伸び等を防止して長寿命化を図れる光ファイバ用母材の加熱炉及び加熱方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、以下の如き構成をなす発明を見出すに至った。
すなわち、本発明の光ファイバ用母材の加熱炉は、光ファイバ用母材を収容する炉心管と、この炉心管を外部から加熱する加熱手段と、を備える光ファイバ用母材の加熱炉であって、上記加熱手段は、上記炉心管の周方向において、温度分布が不均一となるように上記炉心管を加熱することにより、前記炉心管の周方向において、前記炉心管に軟化を生ずる温度の領域と、前記炉心管に軟化を生じない温度の領域とを生じさせる、ことを特徴としている。
上記構成においては、加熱手段が、周方向における温度分布が不均一となるように炉心管を加熱することから、炉心管の周方向において、高温部分例えば炉心管の軟化を生じる温度と、低温部分例えば炉心管の軟化を生じない温度と、を生じさせることができる。
【００１２】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉においては、上記加熱手段として、上記炉心管の外周領域でかつ上記炉心管の周方向において所定間隔をおいて配置されるように分割されたヒータを採用することができる。
上記構成においては、ヒータが存在する領域では軟化を生じる温度に炉心管を加熱し、ヒータが存在しない領域では軟化を生じない温度に炉心管を加熱することができる。
【００１３】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉においては、上記加熱手段として、上記炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータを採用し、このヒータの内周面と上記炉心管の外周面との間の周方向における一部の領域に配置された断熱部材を有する、構成を採用することができる。
上記構成においては、断熱部材が存在する領域では軟化を生じない温度に炉心管を加熱し、断熱部材が存在しない領域では軟化を生じる温度に炉心管を加熱することができる。
【００１４】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉においては、上記加熱手段として、上記炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータを採用し、このヒータが、上記炉心管の周方向において抵抗値が不均一となるように形成されている、構成を採用することができる。
上記構成においては、ヒータの抵抗値が、炉心管の周方向において不均一であることから、炉心管の周方向において、抵抗値の高い領域で軟化を生じる温度に炉心管を加熱し、抵抗値の低い領域で軟化を生じない温度に炉心管を加熱することができる。
【００１５】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉においては、上記光ファイバ用母材を、上記炉心管内に収容された状態で回転させる回転手段を有する、構成を採用することができる。
上記構成においては、炉心管内に収容した状態で光ファイバ母材を回転させることにより、炉心管が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材を加熱することができる。
【００１６】
また、本発明の光ファイバ用母材の加熱方法は、光ファイバ用母材に透明ガラス化処理を施すべく、光ファイバ用母材を炉心管内に収容し、この炉心管を外部から加熱する光ファイバ用母材の加熱方法であって、上記炉心管の温度分布が、周方向において不均一となるように上記炉心管を加熱することにより、前記炉心管の周方向において、前記炉心管に軟化を生ずる温度の領域と、前記炉心管に軟化を生じない温度の領域とを生じさせる、ことを特徴としている。
上記構成においては、炉心管の周方向における温度分布が不均一となるように炉心管を加熱することから、炉心管の周方向において、高温部分例えば炉心管の軟化を生じる温度と、低温部分例えば炉心管の軟化を生じない温度と、を生じさせることができる。
【００１７】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱方法においては、上記炉心管の温度分布が、石英ガラスの熱的変形を生じる高温度と、石英ガラスの熱的変形を生じない低温度とを含むようにする、構成を採用することができる。
上記構成においては、炉心管が石英ガラスからなる場合に、低温度領域で炉心管が軟化しないように、高温度領域で炉心管が軟化するように、炉心管を加熱することができる。
【００１８】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱方法においては、上記光ファイバ用母材を上記炉心管内に収容した状態で回転させつつ、上記炉心管を加熱する、構成を採用することができる。
上記構成においては、炉心管内に収容した状態で光ファイバ母材を回転させることにより、炉心管が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材を加熱することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る光ファイバ用母材の加熱炉の第１実施形態を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ−Ｅ部における横断面図である。この実施形態に係る加熱炉１０は、炉本体１１と、炉本体１１の中央部に配置されて内部に光ファイバ用母材１５を収容する石英ガラス製の炉心管１２と、この炉心管１２の外周を所定の長さＬに亘って囲むように配置された加熱手段としてのカーボン製の電気式のヒータ１３と、をその基本構成として備えている。
【００２０】
上記炉本体１１には、ヘリウムガスなどの不活性ガスをその内部に供給する供給口１１ａが設けられ、又、その内部に、炉心管１２及びヒータ１３を取り囲む断熱材１４が配置されている。
【００２１】
上記炉心管１２は、内径が３００ｍｍ，外径が３１０ｍｍの略円筒状をなし、その下端部においてヘリウムガスなどの不活性ガスを内部に供給する供給口１２ａ、上方において内部に供給された不活性ガスを排出する排出口１２ｂ及び光ファイバ用母材１５を挿入するための挿入口１２ｃ等が設けられている。
【００２２】
上記ヒータ１３は、図１（ｂ）に示すように、炉心管１２の周方向において２分割された第１ヒータ部１３ａと第２ヒータ部１３ｂとにより形成されている。すなわち、炉心管１２の外周において、中心角で約１８０°離れた相対向する２箇所に、幅２０ｍｍのヒータ１３が存在しない領域Ｓがそれぞれ形成されている。尚、このヒータ１３は、高さＬが４００ｍｍであり、この高さ（長さ）Ｌに亘る領域において炉心管１２を加熱することができる。
【００２３】
このような構成において、ヒータ１３（１３ａ，１３ｂ）により、炉心管１２を加熱する場合は、ヒータ１３が存在する領域では、石英ガラスの熱的変形を生じる高温度すなわち１５００°Ｃを超える温度、例えば１５５０°Ｃ〜１６００°Ｃに炉心管１２を加熱し、ヒータ１３が存在しない領域Ｓでは、石英ガラスの熱的変形を生じない低温度すなわち炉心管１２が軟化しない温度例えば１５００°Ｃ以下の温度に加熱することができる。
【００２４】
したがって、炉心管１２そのものの機械的強度は、ヒータ１３が存在しない領域Ｓに対応する部分で確保され、その一方で、ヒータ１３が存在する領域を介して、光ファイバ母材１５を所望の温度に加熱することができる。これにより、光ファイバ母材１５の透明ガラス化処理を行ないつつ、炉心管１２の変形、座屈、自重による伸び等を防止できる。
【００２５】
本実施形態に係る加熱炉１０を用いて、ヒータ１３の温度を１５５０°Ｃに設定し、光ファイバ母材１５の透明ガラス化処理を行なったところ、１ヵ月後においても、炉心管１２の伸びは１ｍｍ以下であり、１年後の降温時まで炉心管１２の交換は不要であった。この間、外径２６０ｍｍの光ファイバ母材１５（スートプリフォーム）を５００ｍｍ／ｈｒ（Ｈｅ＝１００ＳＬＭ、ＣＬ２＝２ＳＬＭ）で問題なく透明ガラス化できた。また、ヒータ１３の温度を１５００°Ｃに設定した場合、不良なく透明ガラス化できる速度は２５０ｍｍ／ｈｒ以下であった。
【００２６】
以上述べた実施形態においては、ヒータ１３を２分割としたが、これに限定されるものではなく、その他複数に分割し、これに対応して複数のヒータが存在しない領域Ｓを設けることも可能である。
【００２７】
また、上記第１実施形態において、光ファイバ用母材１５を、炉心管１２内に収容した状態で回転させる回転手段を設け、この回転手段により、光ファイバ母材１５を回転させつつ加熱することにより、炉心管１２が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材に透明ガラス化処理を施すことができる。
【００２８】
図２は、本発明に係る光ファイバ用母材の加熱炉の第２実施形態を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＦ−Ｆ部における横断面図である。この実施形態に係る加熱炉２０は、ヒータ２３を変更しかつ断熱部材２６を追加した以外は、前述第１実施形態と同様に、炉本体２１と、炉本体２１の中央部に配置されて内部に光ファイバ用母材１５を収容する石英ガラス製の炉心管２２と、をその基本構成として備えている。
【００２９】
上記炉本体２１には、ヘリウムガスなどの不活性ガスをその内部に供給する供給口２１ａが設けられ、又、内部に炉心管２２及びヒータ２３を取り囲む断熱材２４が配置されている。
【００３０】
上記炉心管２２は、内径が３００ｍｍ，外径が３１０ｍｍの略円筒状をなし、その下端部においてヘリウムガスなどの不活性ガスを内部に供給する供給口２２ａ、上方において内部に供給された不活性ガスを排出する排出口２２ｂ及び光ファイバ用母材１５を挿入するための挿入口２２ｃ等が設けられている。
【００３１】
加熱手段としてのヒータ２３は、図２（ｂ）に示すように、炉心管２２の周方向全域を囲むような円筒状に形成されており、又、高さＬが４００ｍｍであり、この高さ（長さ）Ｌに亘る領域において炉心管２２を加熱できるようになっている。
【００３２】
上記円筒状のヒータ２３の内周面と炉心管２２の外周面との間の周方向における一部の領域、すなわち、径方向において相対向する２箇所に、断熱部材２６（２６ａ，２６ｂ）が配置されている。
【００３３】
このような構成において、ヒータ２３により、炉心管２２を加熱する場合は、断熱部材２６が存在しない領域Ｒでは、石英ガラスの熱的変形を生じる高温度すなわち１５００°Ｃを超える温度、例えば１５５０°Ｃ〜１６００°Ｃに炉心管２２を加熱し、断熱部材２６（２６ａ，２６ｂ）が存在する領域では、石英ガラスの熱的変形を生じない低温度すなわち炉心管２２が軟化しない温度例えば１５００°Ｃ以下の温度に加熱することができる。
【００３４】
したがって、炉心管２２そのものの機械的強度は、断熱部材２６が存在する領域に対応する部分で確保され、その一方で、断熱部材２６が存在しない領域を介して、光ファイバ母材１５を所望の温度に加熱することができる。これにより、光ファイバ母材１５の透明ガラス化処理を行ないつつ、炉心管２２の変形、座屈、自重による伸び等を防止できる。
【００３５】
本実施形態に係る加熱炉２０を用いて、ヒータ２３の温度を１５５０°Ｃに設定し、光ファイバ母材１５の透明ガラス化処理を行なったところ、１ヵ月後においても、炉心管２２の伸びは１ｍｍ以下であり、１年後の降温時まで炉心管２２の交換は不要であった。この間、外径２６０ｍｍの光ファイバ母材１５（スートプリフォーム）を５００ｍｍ／ｈｒ（Ｈｅ＝１００ＳＬＭ、ＣＬ２＝２ＳＬＭ）で問題なく透明ガラス化できた。また、ヒータ２３の温度を１５００°Ｃに設定した場合、不良なく透明ガラス化できる速度は２５０ｍｍ／ｈｒ以下であった。
【００３６】
以上述べた第２実施形態においては、断熱部材２６を２箇所に配置する構成としたが、これに限定されるものではなく、その他複数の箇所に分割して配置することも可能である。
【００３７】
また、上記第２実施形態において、光ファイバ用母材１５を、炉心管２２内に収容した状態で回転させる回転手段を設け、この回転手段により、光ファイバ母材１５を回転させつつ加熱することにより、炉心管２２が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材に透明ガラス化処理を施すことができる。
【００３８】
本発明に係る加熱炉のその他の実施形態として、炉心管の外周に配置される円筒状のヒータを、炉心管の周方向において抵抗値が不均一となるように形成したものを採用することもできる。
【００３９】
この実施形態の場合においては、ヒータの抵抗値が、炉心管の周方向において不均一であることから、炉心管の周方向において、抵抗値の高い領域で、石英ガラスの熱的変形を生じる高温度すなわち１５００°Ｃを超える温度、例えば１５５０°Ｃ〜１６００°Ｃに炉心管を加熱し、抵抗値の低い領域で、石英ガラスの熱的変形を生じない低温度すなわち炉心管が軟化しない温度例えば１５００°Ｃ以下の温度に炉心管を加熱することができる。
【００４０】
したがって、炉心管そのものの機械的強度は、ヒータの抵抗値が低い領域に対応する部分で確保され、その一方で、ヒータの抵抗値が高い領域を介して、光ファイバ母材を所望の温度に加熱することができる。これにより、光ファイバ母材の透明ガラス化処理を行ないつつ、炉心管の変形、座屈、自重による伸び等を防止できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べた本発明の光ファイバ用母材の加熱炉によれば、光ファイバ用母材を収容する炉心管を、その外部から加熱する加熱手段が、上記炉心管の周方向において、温度分布が不均一となるように上記炉心管を加熱するようにしたことから、炉心管の周方向において、高温部分例えば炉心管の軟化を生じさせる温度及び低温部分例えば炉心管の軟化を生じさせない温度を含む温度勾配を生じるように、炉心管を加熱することができる。
これにより、所望の透明ガラス化処理を行ないつつ、炉心管の熱的変形、座屈、自重による伸び等を防止でき、炉心管の寿命を延ばすことができる。
【００４２】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉において、上記加熱手段として、炉心管の外周領域でかつ炉心管の周方向において所定間隔をおいて配置されるように分割されたヒータを採用した場合は、ヒータが存在する領域では軟化を生じる温度に炉心管を加熱し、ヒータが存在しない領域では軟化を生じない温度に炉心管を加熱することができる。
【００４３】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉において、上記加熱手段として、炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータを採用し、このヒータの内周面と上記炉心管の外周面との間の周方向における一部の領域に断熱部材を設ける場合は、断熱部材が存在する領域では軟化を生じない温度に炉心管を加熱し、断熱部材が存在しない領域では軟化を生じる温度に炉心管を加熱することができる。
【００４４】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉において、上記加熱手段として、炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータを採用し、このヒータを、上記炉心管の周方向において抵抗値が不均一となるように形成した場合は、ヒータの抵抗値が、炉心管の周方向において不均一であることから、炉心管の周方向において、抵抗値の高い領域で軟化を生じる温度に炉心管を加熱し、抵抗値の低い領域で軟化を生じない温度に炉心管を加熱することができる。
【００４５】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱炉において、上記光ファイバ用母材を、上記炉心管内に収容された状態で回転させる回転手段を設けた場合は、炉心管内に収容した状態で光ファイバ母材を回転させることにより、炉心管が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材を加熱することができ、これにより、所望の透明ガラス化処理を施すことができる。
【００４６】
また、本発明の光ファイバ用母材の加熱方法によれば、光ファイバ用母材を炉心管内に収容し、この炉心管の温度分布が、周方向において不均一となるように上記炉心管を加熱することから、炉心管の周方向において、高温部分例えば炉心管の軟化を生じる温度と、低温部分例えば炉心管の軟化を生じない温度と、を生じさせることができる。
これにより、所望の透明ガラス化処理を行ないつつ、炉心管の熱的変形、座屈、自重による伸び等を防止でき、炉心管の寿命を延ばすことができる。
【００４７】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱方法において、上記炉心管の温度分布が、石英ガラスの熱的変形を生じる高温度と、石英ガラスの熱的変形を生じない低温度とを含むようにすることで、炉心管が石英ガラスからなる場合に、低温度領域で炉心管が軟化しないように、高温度領域で炉心管が軟化するように、炉心管を加熱することができる。
【００４８】
上記構成の光ファイバ用母材の加熱方法において、上記光ファイバ用母材を炉心管内に収容した状態で回転させつつ、上記炉心管を加熱することにより、炉心
管が周方向において温度勾配をもつ場合でも、均一に光ファイバ母材を加熱することができ、これにより、所望の透明ガラス化処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバ用母材の加熱炉の第１実施形態を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ−Ｅ部における横断面図である。
【図２】本発明に係る光ファイバ用母材の加熱炉の第２実施形態を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＦ−Ｆ部における横断面図である。
【図３】従来の光ファイバ用母材の加熱炉を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ部における横断面図である。
【符号の説明】
１０ 加熱炉
１１ 炉本体
１１ａ 供給口
１２ 炉心管
１２ａ 供給口
１２ｂ 排出口
１２ｃ 挿入口
１３，１３ａ，１３ｂ ヒータ（加熱手段）
１５ 光ファイバ母材
２０ 加熱炉
２１ 炉本体
２１ａ 供給口
２２ 炉心管
２２ａ 供給口
２２ｂ 排出口
２２ｃ 挿入口
２３ ヒータ（加熱手段）
２４，２４ａ，２４ｂ 断熱部材

Claims (8)

1. 光ファイバ用母材を収容する炉心管と、前記炉心管を外部から加熱する加熱手段と、を備える光ファイバ用母材の加熱炉であって、
   前記加熱手段は、前記炉心管の周方向において、温度分布が不均一となるように前記炉心管を加熱することにより、前記炉心管の周方向において、前記炉心管に軟化を生ずる温度の領域と、前記炉心管に軟化を生じない温度の領域とを生じさせる、
   ことを特徴とする光ファイバ用母材の加熱炉。
2. 前記加熱手段は、前記炉心管の外周領域でかつ前記炉心管の周方向において所定間隔をおいて配置されるように分割されたヒータである、
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ用母材の加熱炉。
3. 前記加熱手段は、前記炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータであり、前記ヒータの内周面と前記炉心管の外周面との間の周方向における一部の領域に配置された断熱部材を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ用母材の加熱炉。
4. 前記加熱手段は、前記炉心管の外周領域に配置された円筒状のヒータであり、前記ヒータは、前記炉心管の周方向において抵抗値が不均一となるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ用母材の加熱炉。
5. 前記光ファイバ用母材を、前記炉心管内に収容された状態で回転させる回転手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１つに記載の光ファイバ用母材の加熱炉。
6. 光ファイバ用母材に透明ガラス化処理を施すべく、前記光ファイバ用母材を炉心管内に収容し、前記炉心管を外部から加熱する光ファイバ用母材の加熱方法であって、
   前記炉心管の温度分布が、周方向において不均一となるように前記炉心管を加熱することにより、前記炉心管の周方向において、前記炉心管に軟化を生ずる温度の領域と、前記炉心管に軟化を生じない温度の領域とを生じさせる、
   ことを特徴とする光ファイバ用母材の加熱方法。
7. 前記炉心管の温度分布が、石英ガラスの熱的変形を生じる温度と、石英ガラスの熱的変形を生じない温度とを含むようにする、
   ことを特徴とする請求項６記載の光ファイバ用母材の加熱方法。
8. 前記光ファイバ用母材を前記炉心管内に収容した状態で回転させつつ、前記炉心管を加熱する、
   ことを特徴とする請求項６又は７記載の光ファイバ用母材の加熱方法。

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