JP4404015B2

JP4404015B2 - 光ファイバ線引装置、該装置に用いるシール機構、及び光ファイバの線引き方法

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Publication number: JP4404015B2
Application number: JP2005170419A
Authority: JP
Inventors: 光広塩野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: CN1876588A; CN1876588B; US20060280578A1; US7631519B2; JP2006342030A

Description

本発明は、光ファイバ線引装置、該装置に用いるシール機構、及び光ファイバの線引き方法に関し、特に、シンプルな構造で、かつ母材外径差が大きくても炉心管内部のシール性を維持することが可能な光ファイバ線引装置、該装置に用いるシール機構、及び光ファイバの線引き方法に関する。

図５は、従来の光ファイバ線引装置（線引炉）の概略構成図を示す。光ファイバ線引炉２０は、光ファイバ線引母材１が挿入される炉心管２１と、挿入された線引母材１を加熱するヒータ２２と、炉心管２１内部の不活性ガス２３が外部へ流出するのを防ぐ上部シールリング２４及び下部シールリング２５とを備えて概略構成されている。

光ファイバ素線２は、線引母材１を、光ファイバ線引炉２０のカーボン製の炉心管２１に挿入し、ヒータ２２により加熱、溶融して、延伸することにより得られる。線引母材１は、光ファイバの線引速度、線引母材径に応じて、所定の速度で光ファイバ線引炉２０に徐々に送りこまれ、炉心管２１の内部には、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス２３が流入される。

光ファイバ線引炉２０は、約２２００℃ほどの高温になるため、炉心管２１の劣化や燃焼の防止、炉心管２１内部に流入する不活性ガス２３の流れの安定化、および延伸された光ファイバ素線２の強度維持と外径変動の抑制のために、炉心管２１内部の圧力を一定に保持し、シールする機構が重要となる。

シール機構としては、光ファイバ線引炉２０上部に設けられる上部シールリング２４が設けられており、該上部シールリング２４は、線引母材１の外径に応じた中心孔を有するリング形状を成し、耐熱性と線引母材１への外傷防止を考慮して、カーボン、カーボンフェルト、セラミックス等の材質により形成されている。

従来の上部シールリング２４は、線引母材１の外径に合わせてその中心孔の直径（以下、「内径」ということがある）が固定されており、このような形状のシール構造を用いて線引を行うには、線引母材１の長さ方向の外径差を出来得る限り無くす必要が生じる。線引母材１は、光ファイバ線引炉２０に徐々に送り込まれるため、斯かる上部シールリング２４では、必ず線引母材１の外径（最大部分）よりも大きな直径の中心孔にならざるを得ない。このため、必ず線引母材１と上部シールリング２４の間にはクリアランスが生じ、線引母材１の外径変動部が通過する際、クリアランスから排出される炉心管２１内部のガス量が増大し、炉心管２１内部の圧力変化も大きくなってしまう。

高いシール性を得るためにカーボン繊維で構成されたカーボンフェルトを使用した場合、リングの内径をある程度、伸縮させることは可能であるが、より大きな線引母材１の外径変動があるときには、線引母材１の外径の最大部分でリングの内径は伸ばされ、その後の収縮にも限界があるため、シール性が損なわれる。更に、カーボンフェルトでは、発塵、消耗の観点から、好ましくない点も多い。

炉心管２１内部の不活性ガス２３の流入方向を上向きにし、線引母材１と上部シールリング２４のクリアランスから炉心管２１外部に排出する構造とした場合においても、内径を固定したシールリングでは長さ方向の線引母材１の外径変動が大きいときには、ガス排出量も変化し、炉心管２１内部の圧力を一定に保てなくなる。

この炉心管２１のシール性低下は、炉心管２１内部のガス圧力を変化させ、ガス流速が不安定となることにより、光ファイバの外径変動増大、光ファイバ強度低下、光ファイバ光学特性低下を引き起こし、製品歩留りを低下させてしまう。また、内部圧力がさらに低下すれば、炉外気が引き込まれ、線引作業自体が不可能となり、炉心管２１の劣化を急激に進ませてしまう。

このような問題を解決するものとして、光ファイバ母材の外径が変化しても、光ファイバ母材と上部シールリングとの隙間を一定に保つために、線引炉に供給される光ファイバ母材の外径に従って上部シールリングの内径を変化させながらガスを吹き付けてシールする線引き方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１６１５４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法によれば、予め線引母材長手方向の外径を測定し、そのデータをもとにシールリング内径を可変させ、線引母材とシールリング内径とのクリアランスを一定に保つこととしているため、母材外径を測定する外径測定器、シールリング内径を可変させる駆動装置、その制御機構等の複雑なシステムが必要となり、装置の大型化によるスペースやコストの問題が生じる。

従って、本発明の目的は、シンプルな構造で、かつ母材外径差が大きくても炉心管内部のシール性を維持することが可能な光ファイバ線引装置、該装置に用いるシール機構、及び光ファイバの線引き方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、線引母材が挿入される炉心管と、挿入された前記線引母材を加熱するヒータと、前記炉心管内部のガスが外部へ流出するのを防ぐ上部シールリングとを備えた光ファイバ線引装置であって、前記上部シールリングは、複数の内側シールリング片を連結して構成された内側シールリングと、その外周に配置される、複数の外側シールリング片を連結して構成された外側シールリングとから構成されており、かつ前記内側シールリング片の連結部と前記外側シールリング片の連結部とが重ならないように配置されており、前記上部シールリングの外周に、前記上部シールリングの中心方向に力を作用させる伸縮機構を備えたことを特徴とする光ファイバ線引装置を提供する。
なお、ここでは、前記伸縮機構により前記上部シールリングの中心方向に力を作用させることで、前記上部シールリングの内周が、前記線引母材に常に密着するように構成することが好ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、光ファイバ線引装置に用いられるシール機構であって、複数の内側シールリング片を連結して構成された内側シールリングと、その外周に配置される、複数の外側シールリング片を連結して構成された外側シールリングと、さらにその外周に配置される伸縮機構とから構成され、かつ前記内側シールリングおよび前記外側シールリングはそれぞれ２段以上積み重ねられた構成であり、前記内側シールリング片の連結部と前記外側シールリング片の連結部とが重ならないように配置され、前記積み重ねられた下側のシールリング片の連結部とその直上のシールリング片の連結部とが重ならないように配置され、線引母材の鉛直方向の外径に応じて前記内側シールリングの内径が変化可能であり、前記伸縮機構により前記内側シールリングの中心方向に力が作用されることで前記内側シールリングの内周が前記線引母材に常に密着可能な構成であるシール機構を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の光ファイバ線引装置を使用して、線引母材の鉛直方向の外径に応じて上部シールリングの内径を変化させて、線引母材を線引きして光ファイバ素線を得ることを特徴とする光ファイバの線引き方法を提供する。

本発明によれば、シンプルな構造で、かつ母材外径差が大きくても炉心管内部のシール性を維持することが可能な光ファイバ線引装置、該装置に用いるシール機構、及び光ファイバの線引き方法が提供できる。

〔光ファイバ線引装置の全体構成〕
図１は、本発明の実施の形態に係る光ファイバ線引装置（線引炉）の概略構成図を示す。光ファイバ線引炉１０は、線引母材１が挿入される炉心管１１と、挿入された線引母材１を加熱するヒータ１２と、炉心管１１内部の不活性ガス１３が外部へ流出するのを防ぐ上部シールリング１４及び下部シールリング１５とを備えて概略構成されている。本実施の形態においては、上部シールリング１４の構成に特徴を有する。

（上部シールリングの構成）
図２は、図１のＡ部（上部シールリング）の拡大図であり、図３は、本発明の実施の形態に係る上部シールリングの斜視図である。炉心管１１の上部に設置される上部シールリング１４は、内側シールリング１６と外側シールリング１７とから構成されており、それぞれ下段シールリングと上段シールリングとから構成されている。外側シールリング１７の外周部には上部シールリング１４を内径方向に押し付け、かつ、自由に伸縮できる機構（伸縮機構）として伸縮バネ１８が配置されている。伸縮機構を構成する伸縮バネ１８は、リング形状を有するものである。また、伸縮バネ１８は、上部シールリング１４の外側シールリング１７の外周の全長にわたって、常に均等に上部シールリング１４の内側シールリング１６の内周を線引母材１に密着させる力を有し、かつ長さが自在に変化するものである。

図４は、本発明の実施の形態に係る上部シールリングを構成するシールリング片を示す斜視図であり、（ａ）は内側シールリングを構成する内側シールリング片、（ｂ）は外側シールリングを構成する外側シールリング片を示す。

内側シールリング１６は、図４（ａ）に示す複数の内側シールリング片１６Ａをリング内径が変動可能なように連結してリング状に形成される。内側シールリング片１６Ａの数は、４個以上が望ましく、４〜１２個であることがより望ましい。連結構造としては、内側シールリング片１６Ａの一方の連結面である内側シールリング連結面１６ａには凸部１６ｃが設けられ、他方の内側シールリング連結面１６ｂには凸部１６ｃが容易に抜き差し可能なように凸部１６ｃの寸法より大きい凹部１６ｄが設けられており、凸部１６ｃを隣接する内側シールリング片１６Ａの凹部１６ｄに挿入することにより連結する構造となっている。凸部１６ｃの長さと凹部１６ｄの深さは、線引母材１の垂直方向最大外径差（最大径と最小径の差）より大で、最大径部分との接触時に連結が外れない程度であればよいが、該外径差の２倍以内であることが望ましい。なお、リング内径が変動可能な連結構造であれば、そのほかの連結構造であっても適用できる。

内側シールリング１６は、連結してリング状に形成された際、線引母材１の先端と終端部分以外における最小径と同径、或いは該最小径より小さな内径を構成する。望ましくは、内側シールリング片１６Ａを連結しリング形状を形成したときに、線引母材１と密着する部分の曲率を線引母材１の最小径よりも数ｍｍ程度小さな内径を形成できる半径とする。

内側シールリング連結面１６ａと内側シールリング連結面１６ｂは、線引母材１を内側シールリング１６に挿入して線引母材１の外周に内側シールリング１６の内周を密着させた状態で線引母材１を線引き方向へ移動させたとき、線引母材１の径に応じて隙間の大小が生じ、内側シールリング１６の内径を伸縮させる。このとき、各シールリング片は伸縮バネ１８により線引母材１方向に押し付けられているため（内側シールリング１６の中心方向に力が作用されているため）、連結が外れて内側シールリング片１６Ａがバラバラになることはない。

内側シールリング１６の外周には、外側シールリング１７が、図４（ｂ）に示す複数の外側シールリング片１７Ａをリング内径が変動可能なように連結してリング状に形成される。外側シールリング片１７Ａの数は、４個以上が望ましく、４〜１２個であることがより望ましい。連結構造としては、外側シールリング片１７Ａの一方の連結面である外側シールリング連結面１７ａには凸部１７ｃが設けられ、他方の外側シールリング連結面１７ｂには凸部１７ｃが容易に抜き差し可能なように凸部１７ｃの寸法より大きい凹部１７ｄが設けられており、凸部１７ｃを隣接する外側シールリング片１７Ａの凹部１７ｄに挿入することにより連結する構造となっている。凸部１７ｃの長さと凹部１７ｄの深さは、線引母材１の垂直方向最大外径差（最大径と最小径の差）より大で、最大径部分との接触時に連結が外れない程度であればよいが、該外径差の２倍以内であることが望ましい。なお、リング内径が変動可能な連結構造であれば、そのほかの連結構造であっても適用できる。

外側シールリング連結面１７ａと外側シールリング連結面１７ｂは、内側シールリング１６内径の伸縮に合わせて、隙間の大小が生じ、外側シールリング内径を伸縮させる。このとき、各シールリング片は伸縮バネ１８により内側シールリング１６方向（線引母材１方向）に押し付けられているため、連結が外れて外側シールリング片１７Ａがバラバラになることはない。

外側シールリング１７の外側シールリング連結面１７ａ，１７ｂ（連結部）は、連結時において、シール性の保持のために、内側シールリング１６の内側シールリング連結面１６ａ，１６ｂ（連結部）とは重ならないような配置となるようにし、内径拡大時においても連結面間に生じる隙間が内側シールリング１６と外側シールリング１７とで重ならないような構成とする。内側シールリング片１６Ａの外周の略中央部に外側シールリング連結面１７ａ，１７ｂ（連結部）が位置するようにすることが望ましい。

外側シールリング１７の外周に、内側シールリング１６や外側シールリング１７と同様のシールリングをさらに設けて３重以上の構成としてもよく、この場合においても、２重の場合と同様にして、直接接する内側のシールリング片と連結部（継ぎ目）が重ならないように構成する。このとき、伸縮バネ１８は、最外周に配置されたシールリングの外周に設置され、すべてのシールリング片を均等にリング中心方向に押し付け、かつ伸縮可能な機構として機能する。

内側シールリング１６と外側シールリング１７はそれぞれ、図３に示すように、２段、或いはそれ以上に積み重ねて構成される。内側シールリング１６の上段と下段の内側シールリング片１６Ａは、連結時において、シール性の保持のために、連結部（継ぎ目）が重ならないように配置し、内径拡大時においても連結面間に生じる隙間が上下段において重ならないような構成とする。下段の内側シールリング片１６Ａの上面略中央部に上段の内側シールリング連結面１６ａ，１６ｂ（連結部）が位置するように積み重ねることが望ましい。外側シールリング１７の上段と下段の外側シールリング片１７Ａも、内側シールリング１６と同様にして、連結部（継ぎ目）が重ならないように積み重ねる。

内側シールリング１６と外側シールリング１７は、３段以上、積み重ねてもよく、この場合においても、２段の場合と同様にして、直上のシールリング片と連結部（継ぎ目）が重ならないように積み重ねる。

以上のような構成とすることにより、線引母材１が炉心管１１内に挿入され、下降させて線引母材１の異なる外径部がシールリングに接触しても、線引母材１の外径に応じてリング内径が容易に変動し、線引母材１と内側シールリング１６とは常に密着する。また、線引母材１により広げられたシールリングの連結部（継ぎ目）を周方向、鉛直方向ともにそれぞれ互い違いの位置に配置させるため、連結部（継ぎ目）の隙間からの不活性ガス１３の漏れを抑え、炉心管１１内部のガスシールを高く保持できる。

〔実施の形態の効果〕
この実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）垂直方向外径差が大きな線引母材の線引作業においても、光ファイバ線引炉内部のシール性を高く維持することが可能である。
（２）光ファイバ線引炉内部のシール性が悪化することにより誘発される、光ファイバ線引炉内部の不活性ガス流の乱れ、アンバランスによる、光ファイバ外径変動、光ファイバ線引炉内部部品の劣化による光ファイバ低強度部分発生等の悪影響を著しく低減させることが可能である。
（３）非常にコンパクトで作業性も向上し、かつ光ファイバ線引炉内部のシール性を高く維持することができ、光ファイバ線引炉内部の圧力を一定に保持することが可能である。
（４）光ファイバの品質を向上し、歩留りの低下やメンテナンスコスト増加を防止することを可能とする。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上述した上部シールリング１４を形成した。線引母材１に密着する内側シールリング１６は、ガラス母材への外傷と、耐熱性を考慮しグラファイト材を使用した。外側シールリング１７は、その外周部に設置する伸縮バネ１８への遮熱を考慮し、セラミックス材を使用した。

内側シールリング片１６Ａを連結しリング形状を形成したときに、線引母材１と密着する部分の曲率を線引母材１の最小径よりも２ｍｍ程度小さな内径を形成できる半径とした。外側シールリング片１７Ａの内側部の曲率は、内側シールリング片１６Ａの外周部曲率と一致させた。

内側シールリング片１６Ａと外側シールリング片１７Ａはそれぞれ１２個準備し、連結時に連結部が内側シールリング１６と外側シールリング１７とで互い違いなるように配置し、リング形状を構成できるようにした。これにより、径方向については、炉心管１１内の不活性ガス１３は内側シールリング片１６Ａの連結面１６ａ，１６ｂの隙間に流れ込むものの、外側シールリング片の内径部で止められることになる。

セラミックス材を使用した外側シールリング１７の外周部には溝を施し、この溝に、リング状のステンレス製の伸縮バネ１８を、ある程度の伸びをかけた状態で配置した。これにより、シールリングは常に内径方向に力が作用されることになる。

内側シールリング片１６Ａの両端面にはそれぞれ、図４に示すような凸部１６ｃ、凹部１６ｄを形成し、隣り合う内側シールリング片１６Ａが凹凸部で嵌め合わされ、リング形状に連結させ、内径部に線引母材１が挿入されても、連結面がほぼ均等の隙間となることと、最小径の状態になっても、内側シールリング片１６Ａが脱落せず、リング形状を維持できる構成とした。

さらに、内側シールリング１６、外側シールリング１７、伸縮ばね１８からなるユニットを、もう１段用意し、２段重ねとして構成した。この際、下段と上段のシールリング連結面は一致しないように配置した。これにより、垂直方向については、上段部分で下段連結部に漏れ出た光ファイバ線引炉１０内部の不活性ガス１３は止められることとなる。

炉心管１１内に流入した不活性ガス１３は、排気経路（図示せず）を設け、自動制御バルブ（図示せず）により光ファイバ線引炉１０外部へ排出させた。自動制御バルブにより、炉心管１１内の圧力を所定圧力に保持できる。

形成した上部シールリング１４を光ファイバ線引炉１０上部の平坦な面に配置し、線引母材１を上部シールリング１４の中心孔に通して、線引母材１をヒータ１２で昇温された炉心管１１内に挿入し、光ファイバ素線２を線引したところ、線引母材１の垂直方向外径差が５ｍｍ越えるような外径差を有する母材においても、炉心管１１内の圧力が安定し、高いシール性を保持することが可能であった。

光ファイバ線引炉１０内部は線引母材１を溶融するため、２２００℃〜２３００℃の高温となり、上部シールリング１４の消耗、劣化も懸念されるが、グラファイト材部分（内側シールリング１６）は、シール構造を包み込み、線引母材１が挿入可能な内径をあけたステンレス製のカバーを設置し、内部が陽圧となるような窒素ガス１３を流入することと、上部シールリング１４を乗せる平坦部を水冷構造とすることによって、セラミックス材（外側シールリング１７）および伸縮バネ１８についても６ヶ月以上の連続運転にも耐えうることを確認した。

本発明の実施の形態に係る光ファイバ線引装置（線引炉）の概略構成図である。図１のＡ部（上部シールリング）の拡大図である。本発明の実施の形態に係る上部シールリングの斜視図である。本発明の実施の形態に係る上部シールリングを構成するシールリング片を示す斜視図であり、（ａ）は内側シールリングを構成する内側シールリング片、（ｂ）は外側シールリングを構成する外側シールリング片を示す。従来の光ファイバ線引装置（線引炉）の概略構成図を示す。

符号の説明

１：光ファイバ線引母材
２：光ファイバ素線
１０：光ファイバ線引炉
１１：炉心管
１２：ヒータ
１３：不活性ガス
１４：上部シールリング
１５：下部シールリング
１６：内側シールリング
１６Ａ：内側シールリング片
１６ａ、１６ｂ：内側シールリング連結面
１６ｃ：凸部
１６ｄ：凹部
１７：外側シールリング
１７Ａ：外側シールリング片
１７ａ，１７ｂ：外側シールリング連結面
１７ｃ：凸部
１７ｄ：凹部
１８：伸縮バネ
２０：光ファイバ線引炉
２１：炉心管
２２：ヒータ
２３：不活性ガス
２４：上部シールリング
２５：下部シールリング

Claims

線引母材が挿入される炉心管と、挿入された前記線引母材を加熱するヒータと、前記炉心管内部のガスが外部へ流出するのを防ぐ上部シールリングとを備えた光ファイバ線引装置であって、
前記上部シールリングは、複数の内側シールリング片を連結して構成された内側シールリングと、その外周に配置される、複数の外側シールリング片を連結して構成された外側シールリングとから構成されており、かつ前記内側シールリング片の連結部と前記外側シールリング片の連結部とが重ならないように配置されており、
前記上部シールリングの外周に、前記上部シールリングの中心方向に力を作用させる伸縮機構を備えたことを特徴とする光ファイバ線引装置。
前記内側シールリングおよび前記外側シールリングは、それぞれ２段以上積み重ねられた構成であり、かつ下段のシールリング片の連結部と直上のシールリング片の連結部とが重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ線引装置。
前記複数の内側シールリング片および前記複数の外側シールリング片は、それぞれ４〜１２個のシールリング片であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバ線引装置。
前記複数の内側シールリング片および前記複数の外側シールリング片は、それぞれ連結面の一方には凸部、連結面の他方には凹部が設けられており、連結時に前記凸部と前記凹部が嵌め合わされることにより前記内側シールリングおよび前記外側シールリングを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光ファイバ線引装置。
前記上部シールリング或いは前記内側シールリングは、前記線引母材と密着する内周の最小径が前記線引母材の最小径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバ線引装置。
前記伸縮機構は、前記上部シールリング或いは前記外側シールリングの外周の全長にわたって、常に均等に前記上部シールリング或いは前記内側シールリングの内周を前記線引母材に密着させる力を有し、かつ長さが自在に変化するリング形状の伸縮バネにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光ファイバ線
引装置。
光ファイバ線引装置に用いられるシール機構であって、複数の内側シールリング片を連結して構成された内側シールリングと、その外周に配置される、複数の外側シールリング片を連結して構成された外側シールリングと、さらにその外周に配置される伸縮機構とから構成され、かつ前記内側シールリングおよび前記外側シールリングはそれぞれ２段以上積み重ねられた構成であり、
前記内側シールリング片の連結部と前記外側シールリング片の連結部とが重ならないように配置され、
前記積み重ねられた下側のシールリング片の連結部とその直上のシールリング片の連結部とが重ならないように配置され、
線引母材の鉛直方向の外径に応じて前記内側シールリングの内径が変化可能であり、前記伸縮機構により前記内側シールリングの中心方向に力が作用されることで前記内側シールリングの内周が前記線引母材に常に密着可能な構成であるシール機構。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光ファイバ線引装置を使用して、前記線引母材の鉛直方向の外径に応じて前記上部シールリングの内径を変化させて、前記線引母材を線引きして光ファイバ素線を得ることを特徴とする光ファイバの線引き方法。