JP4441330B2 - 光ファイバ用ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの線引きに好適な端部形状を有する光ファイバ用ガラス母材の製造方法に関する。

大型のガラス母材は、電気炉等の加熱炉で加熱された後、軸方向、特には鉛直方向に延伸され、所定の長さで分割することにより、線引きに好適な径を有するガラス母材とされる。図１に、大型のガラス母材を電気炉で延伸して製造されたガラス母材の概略図を示した。延伸されたガラス母材１は、その両端に中心軸と直交する面で機械的に切断された機械的切断面２を有している。

製造されたガラス母材１の一端には、図２の概略図に示すように、ガラス母材１を線引き装置に取り付けるためのダミーバー３が溶着される。他端には、線引きの開始を容易にするため、テーパ形状に加工されテーパ部４が設けられる。
ガラス母材１の一端へのダミーバー３の溶着は、ガラス旋盤を用いて行われる。テーパ部４の形成は、ガラス旋盤を用いて、あるいは研削加工等によって行われる。テーパ形状への加工をガラス旋盤を用いて行う方法には、特許文献１，２に紹介されている方法が挙げられる。

両端に機械的切断面を有するガラス母材１は、その一端にダミーバー３が接続され、他端にはテーパ部４が形成されるが、このダミーバー付きガラス母材（以下、プリフォームと称する）は、図３に示すように、ダミーバー３を線引き装置のフィーダー５にスクロールチャック６で把持させることにより線引き装置に取り付けられる。

次に、プリフォームのテーパ部４を加熱炉７の所定位置にセットして加熱を開始し、プリフォームの先端が軟化して垂れ落ちてくるのを待つ。先端が垂れ落ちてきたら、この先端を捉えて外径測定器８に通す。その後、所望の線径に達し安定したところで、光ファイバ９を第1ダイス10、第1紫外線硬化装置11、第2ダイス12及び第2紫外線硬化装置13の順で通すことにより、光ファイバ９へのコーティング及び硬化が行われる。その後、ガイドプーリ14を経てキャプスタン（図示を省略）によりボビンに巻き取られる。

その後、フィーダー５の送り速度および線引き速度を徐々に上げ、両者を規定速度まで引き上げ、線引き工程を定常状態とする。定常状態の判別は、次の指標の全てが満たされたことによって行われる。すなわち、指標１：送り速度および線引き速度が規定速度に達したこと、指標２：光ファイバの外径が安定すること、指標３：光ファイバの外径が安定してから規定の余長を引き取ること、である。
定常状態で線引きされた定常部の光ファイバが製品として利用される。それ以前の非定常状態で線引きされた非定常部の光ファイバは、不良部として廃棄される。

ここで、上記指標３を設けたのは、線引きされた光ファイバの偏心を小さくするためである。線引きされた光ファイバは、線引き開始初期の非定常部において偏心が大きく、線引きの進行に伴って偏心は徐々に小さくなり、定常部においてある値で安定する。そのため非定常部においては、外径が仕様を満たしていても偏心の大きい部分が存在する。この外径が仕様範囲内にあっても偏心が大きい光ファイバ部分を製品から除外するために、指標３の余長を設けている。

図4において、（a）は線引き距離に対する光ファイバの外径の変化を示し、（b）は線引き距離に対する光ファイバの偏心の変化を示している。光ファイバの外径が仕様範囲内に入った点を外径安定点16とし、偏心が仕様範囲内に入った点を偏心安定点17とする。外径安定点16と偏心安定点17の間が、除外すべき余長18となる。

光ファイバの偏心は、次式で定義される偏心率で表される。
偏心率（％）＝［ (Ｅ₀ ²＋Ｅ₉₀ ²)^1/2／{ (Ｄ₀＋Ｄ₉₀)/２ }］×100
偏心率の計算には、光ファイバを軸方向に回転させ、そのプロファイルを0°および90°の２回測定することが必要となる。式中、Ｅ₀は0゜における偏心量，Ｅ₉₀は90゜における偏心量である。Ｄ₀は0゜における光ファイバの外径，Ｄ₉₀は90゜における外径である。
特開2000-143268号公報 特開2000-203864号公報

線引き開始初期の非定常部の光ファイバは、製品としては使用できず廃棄処分となる。廃棄される光ファイバが増大すると、歩留まりの低下をまねき製造コストが増大する。従って、歩留まりを向上させるには、線引き開始初期の非定常部の時間を短縮し、できるだけ早く定常状態で安定させる必要がある。
近年、ガラス母材が大型化しており、これに伴い線引き開始初期の非定常部領域が長くなってきている。そのため廃棄される光ファイバの量も増大してきている。非定常部の光ファイバが廃棄される理由は、外径変動、被覆材の不均一、光ファイバの偏心などが仕様から外れるためである。ここで、上記３つの指標の値の全て、もしくはいずれかを小さくすると、非定常部領域が短縮され歩留まりが向上する。

本発明は、線引き開始初期における光ファイバの偏心を速やかに小さくすることができ、非定常部領域を短縮することのできる線引きに好適な端部形状を有するガラス母材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、すなわち、本発明のガラス母材の製造方法は、平均外径Dの直胴有効部と該直胴有効部の一端にテーパ部を有するガラス母材を線引き装置へ取り付けるに際し、該テーパ部よりの直胴有効部端とテーパ部のゆがみ評価端との間におけるガラス母材の中心線変位量の最大値で表されるテーパ部ゆがみδと該平均外径Dとの比δ/Dを測定して求め、該δ/Dが0.03を超えるものは、所定の数値に納まるように再加工することを特徴としている。
なお、テーパ部のゆがみ評価端とは、プリフォームを線引き装置に取り付ける際に、加熱炉発熱体の中心に相当する位置に配置されるガラス母材のテーパ部の外径位置を指している。

なお、ガラス母材の直胴有効部端は、平均外径Dに係数βを乗じた外径を有する位置とされ、該係数βは0.90〜1.00 （無次元）の範囲とするのが好ましい。テーパ部の長さL_Dは、ガラス母材全長の30〜60%の範囲で中央付近から無作為に抽出された3〜10箇所の外径の平均値D_Mの１倍以上とされ、溶断または研削により形成される。
このようにして製造されたガラス母材を線引きすることで、光学特性に優れた光ファイバが低コストで得られる。

本発明によれば、線引き開始初期の光ファイバの偏心を速やかに小さく安定させることができ、製品不良部である非定常部領域を短縮することができる。これにより光ファイバ生産の歩留まりを向上させることができ、省資源及び製造コストの低減に寄与する。

図２に示すように、線引き装置へ取り付けられるガラス母材の一端にはダミーバー３が接続され、他端にはテーパ部４が形成されている。
本発明者は、鋭意研究の結果、このテーパ部４の形状によって、線引き開始初期の光ファイバの偏心が大きく左右され、テーパ部４がガラス母材の中心線に対して非対称性を有していると、つまりテーパ部４にテーパ部ゆがみ（以下、単にゆがみと称する）があると、ゆがみの程度に対応して線引き開始初期の光ファイバの偏心が大きくなり、図４に示す余長18が長くなる傾向があることを見出し、ガラス母材のテーパ部４のゆがみδと平均外径Ｄとの比δ/Ｄを所定の数値以下に納めることで課題を解決した。なお、テーパ部４のゆがみδは、該テーパ部よりの直胴有効部端とテーパ部のゆがみ評価端との間におけるガラス母材の中心線変位量の最大値で表される。

本発明は、テーパ部４の形状ゆがみを所定の数値範囲内に納めることにより、すなわち、ゆがみδと平均外径Dとの比δ/Dをδ/D≦0.03とすることにより、線引き開始初期の光ファイバの偏心を安定して小さくすることが可能となり、余長を短縮することができる。
なお、テーパ部の始点となる位置でもあるガラス母材の直胴有効部端は、平均外径Dに係数βを乗じた外径を有する位置と定義する。係数βは0.90〜1.00 （無次元）の範囲とする。例えば、β＝0.98、平均外径Ｄ＝80ｍｍとすると、テーパ近傍で外径＝0.98×80＝78.4ｍｍに達した位置を直胴有効部端とする。

テーパ部の形成されたプリフォームは、ゆがみδ及び平均外径Dとの比δ/Dが測定して求められ、ゆがみδが1.00 ｍｍを超えるものや、δ/Dが0.03を超えるものは、所定の数値に納まるように再度溶断または研削加工がなされる。テーパ部の長さL_Dは、外径の平均値D_Mの１倍以上になるように加工される。L_Dが１倍未満では、線引き開始時において、ファイバとならない軟化引き落とし量が多くなるため好ましくない。

ゆがみδは、図５に示すように、両直胴有効部端のそれぞれの中心を通る直線Ａとガラス母材の中心線Ｂとの間の離間距離を示す変位量、すなわち、中心線変位量で表される。曲線Ｃは、ガラス母材の長手方向に沿って求められた中心線変位量を示す曲線である。
テーパ部のゆがみδは、直胴有効部端とテーパ部のゆがみ評価端との間における中心線変位量の最大値で表され、ゆがみδの測定には、ここでは、特許第3222777号に紹介されている光ファイバ用プリフォーム形状測定器を使用したが、同様の機能を備えた装置であればこれに限るものではない。
このようにして測定、選別されたないし再加工されたプリフォームのみが線引き加工に供される。

図６に示すような、平均外径φ62ｍｍ、有効直胴部の長さ1040ｍｍで、一端に機械的切断面19を有し、他端に溶断して形成した長さL_D77 ｍｍの溶断テーパ部20を有するガラス母材１を用意し、上記プリフォーム形状測定器を用いてゆがみδを測定した。測定結果を図７に示した。なお、ガラス母材１は、テーパ部が研削加工で形成されたものであってもよい。
図７において、(a) は、ガラス母材の長手方向（横軸）に対する外径の変化を示し、(b)は、ガラス母材の長手方向（横軸）に対する中心線の変位量の変化を示している。

ゆがみδの測定手順は、次の通りである。
まず、ガラス母材の直胴有効部端21とテーパ部のゆがみ評価端22を決める。外径が比較的安定している中央付近の５箇所において外径を測定し、外径の平均値D_Mを求めた。直胴有効部端21は、係数β=0.98の部分、すなわち外径が0.98×D_Mの位置とした。
テーパ部のゆがみ評価端22は、プリフォームを線引き装置に取り付けた際に、加熱炉発熱体の中心に相当する位置に配置されるガラス母材のテーパ部の外径位置であり、本実施例では図７(a)において、テーパ部の外径がφ20mmとなった位置である。すなわち、ガラス母材のテーパ部の外径がφ20mmの位置で線引き装置による加熱を開始することを意味する。直胴有効部端21とゆがみ評価端22の間を、ゆがみ評価域23とする。テーパ部のゆがみδは、ゆがみ評価域23の領域内におけるガラス母材中心線の変位量の最大値で表され、図７(b)の場合には、δ=0.119ｍｍとなる。

外径の異なるガラス母材を数種類準備し、それぞれ溶断によりテーパ部を形成して線引きを行った。そのときのゆがみδとガラス母材外径Dとの比δ/Dと、光ファイバの余長の関係を図８に示した。図中の近似直線24は、δ/D≧0.035の領域にあるプロット点について、最小２乗近似計算により求めたものである。
図８より、δ/Dがある値以下ならば、余長がほとんど変化しないことが認められる。本発明はこの領域を見出したものであり、δ/D≦0.03の範囲内では、余長がほとんど変化せず、極めて小さくなっていることが確認できる。

本発明で得られるガラス母材を使用することで、光ファイバの製造コストを下げることができ、極めて有効である。

電気炉で延伸して製造されたガラス母材を示す概略図である。 ガラス母材の一端にダミーバーが溶着されたプリフォームを示す概略図である。 線引き装置の概略を示す概略説明図である。 (a) は、線引き距離に対する光ファイバの外径の変化を示し、(b)は、線引き距離に対する偏心の変化を示す模式図である。 ゆがみδを説明する概略図である。 ゆがみ測定で使用したガラス母材を示す概略図である。 (a) は、ガラス母材の長手方向に対する外径の変化を示し、(b)は、ガラス母材の長手方向に対する中心線の変位量の変化を示す模式図である。 ゆがみδと余長との関係を示す図である。

１……ガラス母材、
２……機械的切断面、
３……ダミーバー、
４……テーパ部、
５……線引き装置のフィーダー、
６……スクロールチャック、
７……加熱炉、
８……外径測定器、
９……光ファイバ、
10……第１ダイス、
11……第１紫外線硬化装置、
12……第２ダイス、
13……第２紫外線硬化装置、
14……ガイドプーリー、
16……外径安定点、
17……偏心安定点、
18……余長、
19……機械的切断面、
20……溶断テーパ部、
21……直胴有効部端、
22……ゆがみ評価端、
23……ゆがみ評価域、
24……近似直線。

Claims (4)

1. 平均外径Dの直胴有効部と該直胴有効部の一端にテーパ部を有するガラス母材を線引き装置へ取り付けるに際し、該テーパ部よりの直胴有効部端とテーパ部のゆがみ評価端との間におけるガラス母材の中心線変位量の最大値で表されるテーパ部ゆがみδと該平均外径Dとの比δ/Dを測定して求め、該δ/Dが0.03を超えるものは、所定の数値に納まるように再加工することを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
2. ガラス母材の直胴有効部端が、平均外径Dに係数βを乗じた外径を有する位置とし、該係数βが0.90〜1.00 （無次元）の範囲にある請求項１に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
3. テーパ部の長さL_Dが、ガラス母材全長の30〜60%の範囲で中央付近から無作為に抽出された3〜10箇所の外径の平均値D_Mの１倍以上とされる請求項１又は２に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
4. テーパ部が、溶断または研削により形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。

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