JP5041425B2 - 光ファイバ母材の延伸装置および光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸する延伸装置および光ファイバ母材の製造方法に関するものである。

近年、光ファイバの生産性の向上、低コスト化等の目的で、光ファイバ母材の大型化が進んでいる。大型の光ファイバ母材を製造する場合、はじめに光ファイバのコア部を含むコア母材を形成し、加熱炉を備えた延伸装置を用いてコア母材を加熱、軟化して延伸し、その外径を小さくするとともに全長を長くしてから、クラッド部となる部分をコア母材の外周に形成し、光ファイバ母材を製造する。また、大型の光ファイバ母材から光ファイバを線引きする場合、延伸装置を用いて光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸し、その外径を小さくするとともに全長を長くしてから線引きを行なう（特許文献１〜３参照）。以下、コア母材も含めて光ファイバ母材と記載する。

たとえば、特許文献１に開示される光ファイバ母材を延伸する延伸装置においては、光ファイバ母材を所定の外径に延伸するために、延伸する光ファイバ母材の外径をたとえばレーザ方式の外径測定器を用いて測定しながら、外径が一定になるように光ファイバ母材の移動速度、加熱炉内の温度などをフィードバック制御している。

ここで、特許文献１では、外径を正確に制御するために、炉体に欠損部を設け、欠損部において光ファイバ母材のテーパ部すなわちメニスカス部の外径を測定するようにしている。そして、炉体の欠損部に対応する箇所に配置した小窓から炉内の熱が流出するのを防止するために、小窓に断熱性部材を配置できるようにしている。

特許第３１５９１１６号公報 特開平８−３１０８２７号公報 特開平３−１４６４３２号公報

しかしながら、上記のように炉体に欠損部および窓を設けた場合、断熱性部材を配置しても炉内の熱の流出を完全には防止できず、炉内の温度が欠損部に対応する位置において低下するため、周方向で温度の不均一が発生し、延伸した光ファイバ母材が曲がったり、その断面が非円になったりする場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、曲がりや非円の発生なく光ファイバ母材を延伸できる光ファイバ母材の延伸装置および光ファイバ母材の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置は、光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸する延伸装置であって、前記光ファイバ母材が配置される円筒形状の炉心管と、前記炉心管を囲繞するように配置した円筒形状の加熱体と、前記炉心管および前記加熱体の外周に配置した断熱体と、前記炉心管と前記加熱体と前記断熱体とを収容する炉体と、を備え、前記断熱体および前記炉体は、前記炉心管の中心軸を挟んで対向する位置に形成された貫通孔をそれぞれ有し、前記炉心管および前記加熱体の少なくとも一方は、前記貫通孔の形成位置の直上部における長手方向の長さが、前記貫通孔の形成位置とは周方向に９０度をなす直交位置の直上部における長さよりも長くなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置は、上記の発明において、前記炉体の外側に配置され、前記貫通孔から前記光ファイバ母材の外径を測定する外径測定器を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置は、上記の発明において、前記加熱体および前記炉心管の少なくとも一方は、長手方向の長さが前記形成位置の直上部から前記直交位置の直上部へ連続的に短くなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置は、上記の発明において、前記貫通孔の中心は、前記光ファイバ母材が延伸する際にメニスカス部が形成される高さ領域に位置することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置は、上記の発明において、前記貫通穴の中心は、前記メニスカス部の下端から０〜１００ｍｍだけ下方に位置することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバ母材の製造方法は、上記の発明のいずれかに係る光ファイバ母材の延伸装置の前記炉心管内に光ファイバ母材を配置し、前記加熱体によって前記配置した光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸することを特徴とする。

本発明によれば、炉心管および加熱体の少なくとも一方は、貫通孔の形成位置の直上部における長手方向の長さが、貫通孔の形成位置とは周方向に９０度をなす直交位置の直上部における長さよりも長くなるように形成されているので、貫通孔からの熱の流出があっても、炉心管内の温度分布は周方向で均一に維持されるため、曲がりや非円の発生なく光ファイバ母材を延伸できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバ母材の延伸装置および光ファイバ母材の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
はじめに、本発明の実施の形態に係る光ファイバ母材の延伸装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る光ファイバ母材の延伸装置の模式的な断面図である。図１に示すように、この延伸装置１０は、炉心管１と、加熱体であるヒータ２と、断熱材３と、炉体４と、窓５、５と、外径測定器６、６とを備える。

炉心管１は、円筒形状を有し、たとえばカーボンからなる。また、ヒータ２は、円筒形状を有し、炉心管１を囲繞するように配置している。また、断熱体３は、炉心管１および加熱体２の外周に配置されている。また、炉体４は、円筒形状を有し、炉心管１、ヒータ２、断熱体３とを収容している。また、炉体４は、上下蓋部に開口部４ａ、４ｂを有しており、光ファイバ母材が挿通できるようになっている。

また、断熱体３および炉体４は、炉心管１の中心軸を挟んで対向する位置に形成された貫通孔３ａ、３ａ、４ｃ、４ｃをそれぞれ有している。炉体４の貫通孔４ｃ、４ｃには、透明の窓５、５がそれぞれ取り付けられている。さらに、炉体４の外側には、レーザ方式の外径測定器６、６が設けられている。この外径測定器６、６は、一方がレーザ光を出力し、出力したレーザ光が窓５、貫通孔４ｃ、３ａ、炉心管１の下方、貫通孔３ａ、４ｃ、窓５を順次通過して、他方に到達するように配置されている。

ここで、炉心管１は、貫通孔３ａ、３ａ、４ｃ、４ｃの形成位置の直上の部分１ａが、この形成位置とは周方向に９０度をなす直交位置の直上の部分１ｂよりも矩形状に下方に延びて形成されている。すなわち、炉心管１は、貫通孔３ａ、３ａ、４ｃ、４ｃの形成位置の直上部における長手方向の長さが、直交位置の直上部における長さよりも長くなるように形成されている。図２は、図１に示す炉心管１の模式的な展開図である。図２に示す部分１ａが部分１ｂから延伸している長さＬ１はたとえば１０〜５０ｍｍである。なお、長さＬ１は、貫通孔４ｃ、４ｃの中心の高さでの炉心管壁近傍における温度の最大値と最小値との差が、５℃以下となるように適宜選択する。

本実施の形態に係る延伸装置１は、炉心管１が上記のように形成されているので、貫通孔３ａ、３ａ、４ｃ、４ｃからの熱の流出があっても、炉心管１内の周方向で温度の均一性が維持される。以下、具体的に説明する。

図３は、図１に示す延伸装置１を貫通孔３ａ、３ａの方向に沿って切断した断面と、この断面における炉心管１内での高さ方向位置と温度分布との関係を示す図である。なお、図３では、炉体４、窓５、外径測定器６の記載を省略している。図３に示すように、炉心管１は、部分１ａにおいて長手方向に長いため、ヒータ２が炉心管１内に形成する温度分布は、破線で示す曲線Ｃ１で示すように下方まで延びた形状となるはずであるが、断熱体３に形成された貫通孔３ａ、３ａから外部へ熱が流出するため、実際の温度分布は、実線で示す曲線Ｃ２で示すような、下方の温度分布が曲線Ｃ１よりも狭い分布形状となっている。

一方、図４は、図１に示す延伸装置１を貫通孔３ａ、３ａの方向と直交する方向に沿って切断した断面と、この断面における炉心管１内での高さ方向位置と温度分布との関係を示す図である。図４に示すように、炉心管１は、部分１ｂにおいて長手方向に短いため、ヒータ２が炉心管１内に形成する温度分布は、曲線Ｃ３で示すように、図３に示す曲線Ｃ２とほぼ同様な分布形状となっている。その結果、炉心管１内の温度分布は周方向で均一に維持されることとなる。

図５は、図３に示したＡ−Ａ線断面における炉心管１の直下の温度分布を模式的に示した図である。矢印Ａ１、Ａ２は貫通孔３ａ、３aの形成方向を示し、色の濃淡が温度の高低を示している。図５に示すように、延伸装置１においては、炉心管１の直下においても、その温度分布は周方向で均一に維持される。

一方、図６は、長手方向の長さが周方向で同一の炉心管を用いた場合の炉心管の直下での温度分布を模式的に示した図である。矢印Ａ３、Ａ４は貫通孔の形成方向を示している。図６に示すように、長手方向の長さが周方向で同一の炉心管を用いた場合は、貫通孔からの熱の流出のため、矢印Ａ３、Ａ４の方向で温度が低くなり、これと直交する方向で温度が高くなっている。

つぎに、延伸装置１０を用いて光ファイバ母材を製造する方法について説明する。図７は、図１に示す延伸装置１０を用いて光ファイバ母材を製造する方法について説明する説明図である。なお、図７では、炉体４、窓５の記載を省略している。

はじめに、たとえば石英ガラス製の光ファイバ母材７の上下端に石英ガラス製の支持棒を溶着し、その上下端をそれぞれチャックで支持しながら炉心管１内に配置する。つぎに、ヒータ２により炉心管１内を最高温度が２０００℃以上になるように加熱し、光ファイバ母材７の下端近傍を加熱、軟化する。すると、光ファイバ母材７の外径が徐々に縮径してメニスカス部７ａが形成され、延伸した光ファイバ母材８が製造される。延伸装置１０は、炉心管１内の温度分布が周方向で均一に維持されているため、曲がりや非円のない光ファイバ母材８を製造できる。

なお、光ファイバ母材７、８を支持するチャックは、光ファイバ母材７、８に張力を加えるように上昇または下降させる。このチャックの上昇、下降速度およびヒータ２の温度等は、断熱材３の貫通孔３ａ、３ａを介して外径測定器６によって測定された光ファイバ母材８の外径が一定になるようにフィードバック制御される。

以上説明したように、本実施の形態に係る延伸装置１０によれば、曲がりや非円の発生なく光ファイバ母材を延伸でき、曲がりや非円のない光ファイバ母材を製造できる。

なお、本発明の実施例として、本実施の形態に係る延伸装置１０の構造を有し、図２に示す部分１ａ、１ｂの長さがそれぞれ８０ｍｍ、１１０ｍｍであり、長さＬ１が３０ｍｍである延伸装置を用いて、外径９０ｍｍの光ファイバ母材から外径が約５０ｍｍの光ファイバ母材を製造した。一方、本発明の比較例として、延伸装置１０と同様の構造を有するが、長さＬ１が０ｍｍである延伸装置を用いて実施例と同様の光ファイバ母材を作製した。なお、いずれの場合も、炉心管内の最高温度は２０００℃とし、最高温度となる位置が炉体４に形成された貫通孔４ｃ、４ｃの上端から９０ｍｍ程度の位置になるようにした。

このとき貫通孔４ｃ、４ｃの中心の高さで、炉心管壁近傍の炉心管内の温度を外周にわたって測定したところ、温度の最大値と最小値との差は、比較例の場合は１０℃であったが、実施例の場合は１℃以下であった。なお、炉心管壁近傍の炉心管内の温度の測定は以下のようにして行った。まず、石英ガラス製の支持棒の下端をチャックで支持し、さらにその上端に、延伸前の光ファイバ母材とほぼ同径のカーボン製円盤を、その中心軸が支持棒の中心軸と一致するように設置する。この状態で円盤が貫通孔４ｃ、４ｃの少し上の高さに位置するように加熱炉内に円盤付きの支持棒を配置し、この状態で炉心管壁近傍の炉心管内の温度を測定した。

そして、製造した光ファイバ母材の曲がりについては、比較例の場合は触れ回り半径（母材をその長手方向を中心軸として回転させたときの、回転中心軸からの母材中心軸のずれ量）で５ｍｍであったが、実施例の場合は２ｍｍ以下であった。さらに、製造した光ファイバ母材の外径については、比較例の場合は円周方向で最大５０±０．３ｍｍであり、大きな非円が発生していたが、実施例の場合は円周方向で最大５０±０．１ｍｍであり、非円の発生が抑制されていた。

（変形例）
つぎに、上記実施の形態の変形例について説明する。この変形例に係る延伸装置２０は、炉心管が実施の形態に係る延伸装置１０よりも短くなっている。さらに、炉体および断熱材に形成される貫通孔も、より上方のメニスカス部が形成される高さ領域に位置している。

図８は、実施の形態の変形例に係る延伸装置の構成およびこの延伸装置を用いて光ファイバ母材を製造する方法について説明する説明図である。図８に示すように、この延伸装置２０は、炉心管１１と、ヒータ１２と、断熱材１３と、外径測定器６、６と、不図示の炉体および窓とを備える。外径測定器６、６、炉体、窓は延伸装置１０と同様のものである。一方、炉心管１１と、ヒータ１２とは、メニスカス部１７ａの長さを短くするために、延伸装置１０のものよりも短くなっている。また、断熱材１３は、貫通孔１３ａ、１３ａが、延伸装置１０のものよりも高い、メニスカス部１７ａが形成される高さ領域に位置している。また、外径測定器６、６も貫通孔１３ａ、１３ａに対応する位置に配置されている。

この延伸装置２０によれば、光ファイバ母材１７のメニスカス部１７ａの外径を測定し、この外径に基づいてフィードバック制御を行うことができる。メニスカス部１７ａは粘度が低いので、光ファイバ母材１７の昇降速度を変化させたときの外径の変化の度合いが大きい。したがって、メニスカス部１７ａの外径に基づいてフィードバック制御を行うことによって、より制御応答性の高いフィードバック制御を行うことができ、延伸した光ファイバ母材１８をより高精度に所望の外径にすることができる。さらに、この延伸装置２０では、炉心管１１とヒータ１２との長さを短くしてメニスカス部１７ａの長さを短くしているので、制御応答性がさらに高くなっている。

なお、制御応答性を高くするために、外径測定の位置は、ヒータ１２の下端から０〜１００ｍｍの高さが好ましく、０〜５０ｍｍの高さがより好ましい。したがって、貫通孔１３ａ、１３ａの位置も同様の高さとするのが好ましい。

以下、最適な外径測定の位置についてさらに具体的に説明する。外径測定の位置は、よりヒータ１２に近いほうが、制御応答性が高くなる。ここで、特許文献３にも記載のとおり、最適な外径測定の位置は、メニスカス部１７ａの傾きに依存する。すなわち、ある位置でのメニスカス部１７ａの勾配をＡ[ｍｍ／ｍｍ]、外径をＤ[ｍｍ]とすると、Ａ／Ｄ≧０．２×１０^−２[ｍｍ^−１]となる位置で外径を測定するのが、外径の制御性を高くするためには好ましい。

しかしながら、特許文献３にも記載のとおり、外径測定の位置が、メニスカス部１７ａの下端部からあまり離れると、外径測定の位置の下流でもメニスカス部１７ａが縮径するため、外径の測定値と最終的な外径との差が大きくなる。さらに、フィードバック制御によって下側のチャックの移動速度が変わると、光ファイバ母材８にかかる張力が変化する。そのため、最終的な外径の変動が、測定値の変動よりも大きくなる場合があり、好ましくない。したがって、メニスカス部１７ａの下端部をＡ／Ｄが０．５×１０^−３[ｍｍ^−１]となる位置と定義すると、外径測定の位置は、メニスカス部１７ａの下端部から１００ｍｍ以内が好ましく、５０ｍｍ以内がより好ましい。なお、メニスカス部１７ａの下端部と外径測定の位置を近づけるためには、メニスカス部１７ａの勾配を大きくして、メニスカス部１７ａの長さを短くすればよい。

上記のような、メニスカス部１７ａの下端部から好ましい範囲であり、しかもＡ／Ｄ≧０．２×１０^−２[ｍｍ^−１]を満たすような外径測定の位置を実現するためには、炉心管１１内の最高温度の８５％の温度となる位置が、最高温度位置から１２０ｍｍ以内になるようにするのが好ましく、７０ｍｍ以内にすることがより好ましい。

（その他の変形例）
なお、上記実施の形態およびその変形例では、炉心管が貫通孔の形成位置の直上の部分において矩形状に延びて形成されていることによって、炉心管の長手方向の長さがその位置によって異なるようになっていたが、本発明はこれに限られない。図９は、本発明の実施形態の別の変形例に係る延伸装置に備えた炉心管の模式的な展開図である。図９に示すように、本変形例における炉心管３１は、長手方向の長さが正弦波状に形成されており、部分３１ａから、部分３１ａと直交する位置にある部分３１ｂへ連続的に短くなっている。この炉心管３１を、部分３１ａが貫通孔の形成位置の直上に位置するように延伸装置内に配置することによって、炉心管内の温度分布を周方向でより均一に維持することができる。

さらに、上記実施の形態およびその変形例では、炉心管の長手方向の長さがその位置によって異なるように形成されていたが、ヒータの長手方向の長さがその位置によって異なっていてもよい。図１０は、本発明の実施形態のさらに別の変形例に係る延伸装置に備えた炉心管の模式的な展開図である。図１０に示すように、本変形例におけるヒータ４２は、貫通孔の形成位置の直上に配置する部分４２ａが、これと直交する位置にある部分４２ｂに対して矩形状に延びて形成されている。図１０に示す部分４２ａが部分４２ｂから延伸している長さＬ２は１０〜５０ｍｍである。これによって、上記実施の形態およびその変形例と同様に、炉心管内の温度分布を周方向で均一に維持することができる。なお、さらなる変形例として、ヒータの長手方向の長さを図９のように正弦波状に形成してもよい。さらに、炉心管とヒータの両方の長手方向の長さがその位置によって異なるように形成されていてもよい。

実施の形態に係る光ファイバ母材の延伸装置の模式的な断面図である。 図１に示す炉心管の模式的な展開図である。 図１に示す延伸装置を貫通孔の方向に沿って切断した断面と、この断面における炉心管内での高さ方向位置と温度分布との関係を示す図である。 図１に示す延伸装置を貫通孔の方向と直交する方向に沿って切断した断面と、この断面における炉心管内での高さ方向位置と温度分布との関係を示す図である。 図３に示したＡ−Ａ線断面における炉心管の直下の温度分布を模式的に示した図である。 長手方向の長さが周方向で同一の炉心管を用いた場合の炉心管の直下での温度分布を模式的に示した図である。 図１に示す延伸装置を用いて光ファイバ母材を製造する方法について説明する説明図である。 実施の形態の変形例に係る延伸装置の構成およびこの延伸装置を用いて光ファイバ母材を製造する方法について説明する説明図である。 実施の形態の別の変形例に係る延伸装置に備えた炉心管の模式的な展開図である。 実施の形態のさらに別の変形例に係る延伸装置に備えたヒータの模式的な展開図である。

符号の説明

１、１１、３１ 炉心管
１ａ、１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４２ａ、４２ｂ 部分
２、１２、４２ ヒータ
３、１３ 断熱材
３ａ、４ｃ、１３ａ 貫通孔
４ 炉体
４ａ、４ｂ 開口部
５ 窓
６ 外径測定器
７、８、１７、１８ 光ファイバ母材
７ａ、１７ａ メニスカス部
１０、２０ 延伸装置

Claims (6)

1. 光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸する延伸装置であって、
   前記光ファイバ母材が配置される円筒形状の炉心管と、
   前記炉心管を囲繞するように配置した円筒形状の加熱体と、
   前記炉心管および前記加熱体の外周に配置した断熱体と、
   前記炉心管と前記加熱体と前記断熱体とを収容する炉体と、
   を備え、前記断熱体および前記炉体は、前記炉心管の中心軸を挟んで対向する位置に形成された貫通孔をそれぞれ有し、前記炉心管および前記加熱体の少なくとも一方は、前記貫通孔の形成位置の直上部における長手方向の長さが、前記貫通孔の形成位置とは周方向に９０度をなす直交位置の直上部における長さよりも長くなるように形成されていることを特徴とする光ファイバ母材の延伸装置。
2. 前記炉体の外側に配置され、前記貫通孔から前記光ファイバ母材の外径を測定する外径測定器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の延伸装置。
3. 前記加熱体および前記炉心管の少なくとも一方は、長手方向の長さが前記形成位置の直上部から前記直交位置の直上部へ連続的に短くなるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ母材の延伸装置。
4. 前記貫通孔の中心は、前記光ファイバ母材が延伸する際にメニスカス部が形成される高さ領域に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光ファイバ母材の延伸装置。
5. 前記貫通孔の中心は、前記メニスカス部の下端から０〜１００ｍｍだけ下方に位置することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ母材の延伸装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバ母材の延伸装置の前記炉心管内に光ファイバ母材を配置し、前記加熱体によって前記配置した光ファイバ母材を加熱、軟化して延伸することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。

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