JP5512808B2

JP5512808B2 - 光ファイバ素線の製造方法

Info

Publication number: JP5512808B2
Application number: JP2012515904A
Authority: JP
Inventors: 健志岡田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: WO2011145648A1; JPWO2011145648A1; US20130061637A1; US9321670B2

Description

この発明は、光ファイバ母材およびこの光ファイバ母材を用いた光ファイバ素線の製造方法に関する。
本願は、２０１０年５月２１日に、日本に出願された特願２０１０−１１７３７４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

光ファイバ素線の製造方法の１つにオンライン・ロッドインシリンダー法と呼ばれている方法がある。この方法は、クラッドを形成する石英管の内部空間にコアまたはコアとクラッドの一部を形成するコアロッドを挿入し、これを線引きする際に線引きと同時に石英管とコアロッドとを融着して一体化して光ファイバ裸線を製造し、引き続いて被覆層を設けて光ファイバ素線を形成する。

このオンライン・ロッドインシリンダー法では、石英管とその内部に挿入されたコアロッドとから形成される光ファイバ母材の先端部の形状が、線引き作業の作業性、製造性、光ファイバ素線の特性安定化、コストなどの観点から重要な要素となっている。

下記特許文献１には、オンライン・ロッドインシリンダー法に用いられる光ファイバ母材に関して、石英管の先端部を加熱してテーパ状として封止し、コアロッドの先端部を同様に加熱してテーパ状としたのち、この石英管内にコアロッドを挿入して光ファイバ母材を形成する方法が開示されている。
下記特許文献２には、石英管内にコアロッドを挿入した後、これの先端部分を加熱して先端テーパ部を形成して光ファイバ母材を形成する方法が開示されている。

しかしながら、これら従来技術では、石英管とコアロッドとを別々に加熱するかあるいは石英管とコアロッドとの組み込み物を加熱しているので、熱容量の大きな部材を加熱することになり、加熱に要する時間が数時間以上と長くなる。
近時、光ファイバ母材は大型化しており、石英管およびコアロッドが大型となってさらに加熱に長時間を要することになる。

日本国特開２００４−４３２０１号公報日本国特開２００６−２７９２４号公報

本発明は、オンライン・ロッドインシリンダー法による光ファイバ素線の製造に好適な光ファイバ母材を短い加工時間で効率よく得ることを課題とする。また、本発明は、この光ファイバ母材を用いた光ファイバ素線の製造に適する製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の第１の態様に係る光ファイバ母材は、クラッドを形成する石英管内にコアを形成するコアロッドを挿入してこれを線引きすると同時に前記石英管と前記コアロッドとを一体化する方法に用いられる光ファイバ母材であって、前記石英管の先端部の外周部分を先細り状に研削したテーパ部と；前記テーパ部の先端部の外径とほぼ同一外径を有するダミー管を前記テーパ部の前記先端部に溶着し、前記ダミー管を加熱して引き伸ばして形成された円錐状部と；を備え、前記石英管内に前記コアロッドが挿入されている。
上記本発明の第１の態様に係る光ファイバ母材では、前記ダミー管の外径と前記石英管の前記テーパ部の先端部の外径との差が、０ｍｍ〜５ｍｍであってもよい。

本発明の第２の態様に係る光ファイバ素線の製造方法は、上記本発明の第１の態様に係る光ファイバ母材を用いて線引きを行う光ファイバ素線の製造方法であって、線引き装置の加熱炉のヒータの上下方向の中間位置に前記光ファイバ母材の円錐状部の先端を配置して線引きを開始し；線引き開始と同時に前記光ファイバ母材を下降させるとともに線引き速度を増速し；石英管とダミー管との溶着部分がヒータ中間位置付近に達したら、下降を停止し；前記光ファイバ母材の下降停止時においても、同じ増速率で増速しつつ線引きを続行し；光ファイバ裸線の外径が目標外径に対して１０〜２０％太くなるまで、その状態を維持したのち、前記光ファイバ母材を一旦上昇させ；前記光ファイバ裸線の外径が細くなるように調整して目標外径となった時点で、前記光ファイバ母材を再度下降させ；前記線引き速度を設定線速まで増速する。

上記本発明の第１の態様に係る光ファイバ母材によれば、石英管の外周部分の研削を機械的に行えるので、作業は短時間で済む。また、太径、肉厚で熱容量の大きな石英管の全周を加熱する必要がなく、加熱は細径のダミー管の円錐状部の形成時のみとなる。このため、加工に要する加熱時間は、従来技術と比較して格段に短縮される。
さらに、石英管のテーパ部の加工に機械的に研削する方法を用いているので、テーパ部の管軸方向の長さを短くすることができる。このため、石英管の無駄となる部分（テーパ部）が少なくなり、歩留まりが向上する。

上記本発明の第２の態様に係る光ファイバ素線の製造方法によれば、光ファイバ母材として石英管とダミー管との熱容量が異なる部位を有している光ファイバ母材を使用しても、良好な線引きが可能になる。また、線引き開始から定常状態となるまでの所要時間も短縮され、製品として採取できない無駄となる線引き部分も少なくなる。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ母材の製造工程を示す説明図である。同実施形態に係る光ファイバ母材の製造工程を示す説明図である。同実施形態に係る光ファイバ母材の製造工程を示す説明図である。同実施形態に係る光ファイバ母材の製造工程を示す説明図である。同実施形態に係る光ファイバ母材の製造工程を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る製造方法の工程を示す説明図である。同実施形態に係る製造方法の工程を示す説明図である。

図１Ａ〜図１Ｅは、この発明の一実施形態に係る光ファイバ母材を製造する方法を工程順に示す説明図である。
まず、クラッドを形成する石英管１を用意する。この石英管１は、例えば外径が１００〜１８０ｍｍであり、内径が４０〜５０ｍｍであり、長さが１０００〜３０００ｍｍ程度である直管状の合成石英からなる石英管が用いられる。
ついで、図１Ａに示すように、この石英管１の一端の外周部分を旋盤などによって機械的に研削してテーパ部１ａを形成する。テーパ部１ａの管軸方向の長さＬ１は、３０〜１５０ｍｍ程度である。

続いて、図１Ｂに示すように、石英管１のテーパ部１ａの先端にダミー管２を溶着する。溶着には、双方の管の端部をバーナで加熱して密着させる等の方法で行われる。
このダミー管２は、合成石英からなる直管状のダミー管である。ダミー管の寸法は、例えば、外径が５０〜８０ｍｍであり、内径が２０〜５０ｍｍであり、長さが５０〜２００ｍｍである。ここで、このダミー管２の外径が重要であり、石英管１のテーパ部１ａの先端の外径をＤ１とし、ダミー管２の外径をＤ２としたとき、０ｍｍ≦Ｄ２−Ｄ１≦５ｍｍとなるように設定する必要があり、Ｄ１＝Ｄ２がより好ましい。

一般に、光ファイバ母材の外径のわずかな変化が、光ファイバ裸線の外径の変化に繋がる。
テーパ部１ａの外径Ｄ１よりもダミー管２の外径Ｄ２が小さいと、溶着部分に形成される段差部分が線引きされずに残るため、この部分が引き出されるときに、光ファイバ裸線の外径が著しく太くなり、最悪の場合、被覆層形成のためのコーティング装置のダイスなどに裸線が詰まり、断線することもある。一方、ダミー管２の外径Ｄ２がテーパ部１ａの先端部分の外径Ｄ１よりも５ｍｍ以上太くなると、逆に裸線が細くなりすぎて、線引き中の引っ張り張力に耐えられず、断線する場合がある。

ついで、図１Ｃに示すように、ダミー管２の管軸方向のほぼ中間部分をバーナなどで加熱し、引き伸ばしてダミー管２を２つの部分に分離させ、ダミー管２に円錐状部２ａを形成する。この時、円錐状部２ａの先端の領域は、中実となる。この状態でのダミー管２の管軸方向の長さＬ２は、２５〜１００ｍｍ程度である。
この状態の石英管１内の空間に、図１Ｄに示すように、コアまたはコアとクラッドの一部となるコアロッド３を先端まで挿入して、図１Ｅに示す光ファイバ母材４が得られる。コアロッド３には、外径が３０〜４５ｍｍであり、長さが１０００〜３０００ｍｍ程度であるコアロッドが用いられる。この構成により、石英管１にコアロッド３を挿入した場合に、石英管１とコアロッド３との間に２〜５ｍｍ程度の隙間が残る。この隙間は線引き加工時に減圧されるかあるいは窒素、アルゴンなどの不活性ガスが送り込まれる。

このような光ファイバ母材４では、石英管１の外周部分の研削を機械的に行えるので、作業は短時間で済む。また、太径、肉厚で熱容量の大きな石英管１の全周を加熱する必要がなく、加熱は細径のダミー管２の円錐状部２ａの形成時のみとなる。このため、加工に要する加熱時間は、従来技術と比較して格段に短縮される。
さらに、石英管１のテーパ部１ａの加工に機械的に研削する方法を用いているので、テーパ部１ａの管軸方向の長さを短くすることができる。このため、石英管１の無駄となる部分（テーパ部１ａ）が少なくなり、歩留まりが向上する。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ素線の製造方法は、前述の光ファイバ母材４を用いる方法であるが、光ファイバ母材４の構造が新しい構造であるので、それに応じた線引き条件で実施する必要がある。すなわち、石英管１のテーパ部１ａでの熱容量とダミー管２での熱容量とが異なるため、テーパ部１ａはダミー管２と比較して変形に時間が掛かる。この点を留意する必要がある。

まず、図２Ａに示すように、線引き装置の加熱炉のヒータ１１の上下方向の中間位置１１Ａに前記光ファイバ母材４のダミー管２の円錐状部２ａの先端を配置して線引きを開始する。線引き開始と同時に光ファイバ母材４を下降速度５ｍｍ／分〜２０ｍｍ／分で下降させるとともに線引き速度を増速率２０ｍ／分^２〜５０ｍ／分^２で増速する。
光ファイバ母材４を下降させ、図２Ｂに示すように、その石英管１とダミー管２の溶着部分がヒータ中間位置１１Ａ付近に達したら、下降を停止する。ここで、中間位置１１Ａ付近とは、中間位置１１Ａに対してヒータ１１の長さの＋１０％〜−１０％の範囲を言う。この光ファイバ母材４の下降停止時においても、同じ増速率で増速しつつ線引きを続行し、光ファイバ裸線１２の外径が増加傾向を示し、目標外径（１２５μｍ）に対して１０〜２０％太くなるまで、その状態を維持する。

光ファイバ裸線の外径が目標外径に対して１０〜２０％太くなった時点で、光ファイバ母材４を一旦上昇させ、光ファイバ裸線の外径が細くなるように調整する。そして、光ファイバ裸線の外径が目標外径となった時点で、再度光ファイバ母材４を再度下降させ、線引き速度を設定線速まで増速する。この時の光ファイバ母材４の下降速度は０．２ｍｍ／分〜５ｍｍ／分とされ、増速率は５０ｍ／分^２〜１５０ｍ／分^２とされる。

線引き速度が設定速度となり、光ファイバ裸線の外径が目標外径になって安定し、定常状態となったならば、線引きされた光ファイバ裸線は、コーティング装置に導いて被覆層を形成して光ファイバ素線とされて巻き取られるが、被覆層の形成は最初の線引き時から行われる。

この製造方法では、ダミー管２の円錐状部２ａと石英管１のテーパ部１ａの熱容量が異なるため、テーパ部１ａは円錐状部２ａと比較してテーパ形状が変化しにくく変形に時間が掛かる。このため、その変形にかかる時間分、光ファイバ母材４の下降を停止して待機する必要がある。待機せずに光ファイバ母材４の下降を続けた場合、遅れて生じた変形の影響が現れ、光ファイバ裸線の外径が太くなり、その後光ファイバ母材４を上昇させたとしても、光ファイバ裸線の外径が太くなる速度に追従することができず、光ファイバ裸線の外径を細くすることができず、コーティング装置のダイスに光ファイバ裸線が詰まって断線する可能性がある。
このため、光ファイバ母材４の溶着部分がヒータ１１の中間位置１１Ａ付近に来た際に、光ファイバ母材４の下降を停止し、溶着部付近のテーパ形状を変形させ、遅れて発生する変形を待つことで、その後の光ファイバ母材４の上昇動作により光ファイバ裸線の外径変動に対応出来、断線することなく増速することができる。

また、前記光ファイバ母材４の下降停止の前後について、増速時の増速率は、第一回目の下降時（下降停止前）では２０ｍ／分^２〜５０ｍ／分^２であり、第二回目の下降時（下降停止後）では５０ｍ／分^２〜１５０ｍ／分^２である必要がある。
第一回目の下降時の増速率が速過ぎると、光ファイバ母材先端の変形が間に合わず、増速中の光ファイバ裸線外径が細くなり、最悪の場合、増速にともない上昇していく線引張力に耐えられずに断線する場合が生じる。一方、増速率が遅すぎると、最終的な増速にかかる時間がかかりすぎるため、稼働率、歩留りを考慮すると望ましくない。
第二回目の下降時については、光ファイバ母材の先端の変形が実施されてきた結果、光ファイバ裸線外径が次第に太くなる傾向を示すため、増速率を速めることで、増速時間の短縮および光ファイバ裸線外径を適切な範囲に収めることができる。

換言すると、増速率が遅い場合、光ファイバ裸線外径が太くなりすぎ、新たに送り出しを上昇させるなどして、光ファイバ裸線を細くする必要が出てくる。最終的な設定線速まで増速した場合、結局は再び送り出しを下降させる必要が生じるため、無駄な作業が増えることになる。また、増速率が速過ぎると、光ファイバ裸線外径が細くなりすぎるため好ましくない。

また、増速時の光ファイバ母材４の下降速度については、第一回目の下降時では５ｍｍ／分〜２０ｍｍ／分であり、第二回目の下降時では０．２ｍｍ／分〜５ｍｍ／分である必要がある。
第一回目の下降速度が遅すぎると、増速率を速くすることが出来ないために増速時間が長くなる。一方、下降速度が速過ぎると、光ファイバ裸線外径が太くなるだけでなく、母材先端の変形が間に合わないため、比較的太い部分が加熱炉ヒータ中心に位置する。その結果、光ファイバ母材４の温度が下がり、粘度が上がり、線引張力が著しく上昇し、最悪の場合、光ファイバ裸線が断線する可能性がある。下降速度を５ｍｍ／分〜２０ｍｍ／分とすることで、送り出しを停止するまでの時間が適切で、紡糸張力の極端な上昇はなく、増速時間も適切な条件となる。

同様に、第二回目の下降時は、光ファイバ母材先端の変形が実施されてきているため、下降速度を速くする必要はない。このため、逆に遅い速度側で維持することが望ましい。下降速度が速すぎると、光ファイバ裸線外径が太くなりすぎるため、望ましくない。下降速度が遅すぎると、設定線速時に母材供給量が足りず、光ファイバ裸線外径が細くなりすぎるため、望ましくない。

このような光ファイバ素線の製造方法によれば、光ファイバ母材として石英管１とダミー管２との熱容量の異なる部位を有している光ファイバ母材を使用しても、良好な線引きが可能になる。また、線引き開始から定常状態となるまでの所要時間も短縮され、製品として採取できない無駄となる線引き部分も少なくなる。

以下、具体例を示す。
（実施例１）
外径φ１８０ｍｍ、内径φ５０ｍｍの石英管の先端をテーパ形状に研削し、石英管の先端外径をφ８０ｍｍにした。この先端部に外径φ８０ｍｍ、内径φ４０ｍｍのダミー管を溶着し、その後加熱してテーパ状に加熱、延伸して、先端を封止した。この時、ダミー管先端から溶着部までの長さを１００ｍｍとした。その後、外径φ４５ｍｍのコアロッドを石英管内に組込み、光ファイバ母材とした。この場合、［ダミー管外径−テーパ部先端外径］＝０ｍｍである。

前記光ファイバ母材先端が線引炉の中心になるようにセット（基準位置）し、線引を実施した。線引中において、石英管内は陰圧とした。線引する最終条件は、線引線速は１５００ｍ／分であり、スタート時線速を５０ｍ／分として増速を実施した。
増速開始時の下降速度は２０ｍｍ／分とし、増速率は２０ｍ／分^２とした。その後、基準位置に対して１００ｍｍ母材が下降したところで、下降を停止した。その後も同じ増速率にて増速を続けたところ、光ファイバ裸線外径は、次第に減少傾向を示した。
その後、線速４００ｍ／分付近まで増速したところで、光ファイバ裸線外径は、次第に増加傾向に転じた。その後、光ファイバ裸線外径が１３７．５μｍに達したところで、光ファイバ母材を２０ｍｍ上昇させ、光ファイバ裸線外径を１１２．５μｍとしたところで、下降速度を０．２ｍｍ／分として二回目の下降を開始し、増速率を１００ｍ／分^２とした。その後、断線することなく、線引速度は設定線速である１５００ｍ／分になり、安定後、良品部として光ファイバ素線の製造を開始した。

同様に実施した実施例および比較例についての線引き条件、その結果を表１に示した。以下に結果を考察する。

実施例１〜３は、本発明の請求の範囲に入る製造方法を示している。母材径φ１００〜１８０ｍｍの範囲であり、ダミー管の外径は石英管テーパ部先端の外径よりも０〜５ｍｍ太い範囲にある。また、増速中の下降停止時の母材下降量（＝溶着部位置）が、ヒータ中心に対し、ヒータ長換算で±１０％の範囲となっている。また、下降停止前の下降速度は５〜２０ｍｍ／分であり、増速率は２０〜５０ｍ／分^２である。また、下降停止後の下降速度は０．２〜５ｍｍ／分であり、増速率は５０〜１５０ｍ／分^２である。この状態で下降停止中の待機時にて、光ファイバ裸線径が次第に太くなるまで待機した。その後、一旦光ファイバ母材を上昇させた。以上の製造方法を行うことで、増速中に光ファイバが断線することなく設定線速まで増速することが可能であることがわかる。

次に、比較例１〜１０では、不適当な増速条件の例を示している。具体的には、比較例１，２は、送り出し停止時の母材送り込み量がヒータ中心に対して±１０％の範囲に入っていない場合、また、比較例３，４は、ダミー管の外径が石英管テーパ加工部の外径と比較して０〜５ｍｍの範囲に入っていない場合について示している。
下降停止時の位置がヒータ中心に対して±１０％の範囲に入っていない場合については、下降停止時の位置がヒータ中心に対して＋１０％より大きい場合は、光ファイバ母材先端部において、溶着部上部から溶け始めるため、溶着部の熱容量が異なる影響が大きくなる。その結果、急激に光ファイバ裸線外径が太くなり、その後に急激に光ファイバ母材を上昇させても光ファイバ裸線の外径を細くするのに間に合わず、コーティングの際のダイス、ニップル等の穴に詰まって断線してしまう。
一方、下降停止時の位置がヒータ中心に対して−１０％より小さい場合は、溶着部より下方のみ溶融されるため、溶着部が変形しにくい状況となる。このため、光ファイバ裸線外径が次第に太くなる状況とならない。その後、下降を再開させた場合は、やはり溶着部変形の影響が生じて、光ファイバ裸線外径が急激に太くなる状態となり、コーティング装置に光ファイバ裸線が詰まり断線してしまうため、望ましくない。

一方、ダミー管径が石英管テーパ部先端の外径と比較して、０〜５ｍｍの範囲外の場合については、まず、ダミー管外径が石英管テーパ部の外径より細い場合（０より小さい場合）は、膨出した石英管テーパ部の段差の部分が引き残りやすい。このため、急激に光ファイバ裸線の外径が太くなり、こちらもコーティング装置に詰まり断線する。また、ダミー管径が石英管テーパ部先端の外径と比較して５ｍｍより大きい場合は、逆に急激に光ファイバ裸線径が細くなり、加えられている線引張力に耐え切れず断線してしまうため、望ましくない。

比較例５，６は、送り出し停止中の送り出し上昇直前の光ファイバ裸線外径が１０〜２０％の範囲に入っていない場合について示している。光ファイバ裸線外径が２０％以上の場合、待機中における溶着部の変形が進んでいる状況となるため、その後に急激に光ファイバ母材を上昇させても光ファイバ裸線の外径を細くするのに間に合わず、コーティングの際のダイス、ニップル等の穴に詰まって断線してしまう。
一方、１０％より小さい場合は、溶着部の変形が不十分であるため、その後の２回目の送り出し下降および増速中にやはり溶着部変形の影響が生じて、光ファイバ裸線外径が急激に太くなる状況となり、コーティング装置に光ファイバ裸線が詰まり断線してしまうため、望ましくない。

比較例７，８は、送り出し停止前の送り出し速度および増速率が５〜２０ｍｍ／分、２０〜５０ｍ／分^２の範囲に入っていない場合、また、比較例９，１０は、送り出し停止後の送り出し速度および増速率が０．２〜５ｍｍ／分、５０〜１５０ｍ／分^２の範囲に入っていない場合について示している。
送り出し停止前の送り出し速度、増速率が２０ｍｍ／分、５０ｍ／分^２以上の場合は、送り出し停止前の増速中に、溶着部を含むテーパ部全体の変形が間に合わず、母材先端部の温度が下がり、粘度が上昇した結果、紡糸張力が増加して、断線してしまうため、望ましくない。
一方、送り出し停止前の送り出し速度、増速率が５ｍｍ／分、２０ｍ／分^２以下の場合は、溶着部がヒータ中心に達するまでに時間がかかりすぎ（比較例８では、単純計算で３５分かかる）、さらに、増速にも時間がかかりすぎ、溶着部がヒータ中心に達するまでの時間と、線速のバランスが悪く、溶着部の変形も進まないため、総合的に時間がかかり、望ましくない。

また、送り出し停止後の送り出し速度および増速率が５ｍｍ／分、１５０ｍ／分^２以上の場合は、送り出し停止後の再増速中の光ファイバ裸線の外径が太くなりすぎ、コーティング装置に光ファイバ裸線が詰まり断線してしまうため、望ましくない。
一方、送り出し停止後の送り出し速度および増速率が０．２ｍｍ／分、５０ｍ／分^２以下の場合も同様に、溶着部の変形が進み、自然に太くなる光ファイバ裸線が遅い増速率のため細く維持することが出来ず太くなりすぎ、コーティング装置に光ファイバ裸線が詰まり断線してしまうため、望ましくない。
以上のように、送り出し停止前、停止後の送り出し速度、増速率のバランスも重要であり、バランスが崩れると、溶着部の変形と光ファイバ裸線外径のバランスも崩れるため、断線等につながる。

１石英管
１ａテーパ部
２ダミー管
２ａ円錐状部
３コアロッド
４光ファイバ母材
１１ヒータ
１２光ファイバ裸線

Claims

クラッドを形成する石英管内にコアを形成するコアロッドを挿入してこれを線引きすると同時に前記石英管と前記コアロッドとを一体化する方法に用いられる光ファイバ母材であって、
前記石英管の先端部の外周部分を先細り状に研削したテーパ部と；
前記石英管の前記テーパ部の先端部の外径との差が、０ｍｍ〜５ｍｍである外径を有するダミー管を前記テーパ部の前記先端部に溶着し、前記ダミー管を加熱して引き伸ばして形成された円錐状部と；
を備え、
前記石英管内に前記コアロッドが挿入されている光ファイバ母材を用いて線引きを行う光ファイバ素線の製造方法であって、
線引き装置の加熱炉のヒータの上下方向の中間位置に前記光ファイバ母材の円錐状部の先端を配置して線引きを開始し；
線引き開始と同時に前記光ファイバ母材を下降させるとともに線引き速度を増速し；
石英管とダミー管との溶着部分がヒータ中間位置付近に達したら、下降を停止し；
前記光ファイバ母材の下降停止時においても、同じ増速率で増速しつつ線引きを続行し；
光ファイバ裸線の外径が目標外径に対して１０〜２０％太くなるまで、その状態を維持したのち、前記光ファイバ母材を一旦上昇させ；
前記光ファイバ裸線の外径が細くなるように調整して目標外径となった時点で、前記光ファイバ母材を再度下降させ；
前記線引き速度を設定線速まで増速する；
ことを特徴とする光ファイバ素線の製造方法。
前記線引き開始と同時に前記光ファイバ母材を５ｍｍ／分〜２０ｍｍ／分の速度で下降させる請求項１に記載の光ファイバ素線の製造方法。