JP5923997B2 - 光ファイバ用線引炉および光ファイバ線引方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融して、光ファイバを線引きする光ファイバ用線引炉と線引方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を加熱溶融して光ファイバを線引きする線引炉は、炉内の温度が大よそ２５００Ｋ位と、非常に高温となる。このため、線引炉の炉心管には、耐熱性に優れたカーボンが用いられるが、このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中では、酸化して消耗する。これを防止するためには、線引炉の内部を、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや窒素ガス（以下、不活性ガス等という）の雰囲気に保つ必要がある。また、炉外の外気（酸素）が炉内に入り込まないように、ガラス母材の線引炉内への挿通口が気密よく封止されている必要がある。

また、ガラス母材は、通常、上端がテーパ状に縮径され、径の小さいダミー棒（支持棒ともいう）を接続し、線引炉内に吊り下げ支持されるが、径が大きく変化するテーパ状の部分およびダミー棒との連結部分のシールが難しい。このため、線引炉の炉心管を上方に延長する形態で上部チャンバを配し、テーパ状の部分及びダミー棒との連結部分を含めてガラス母材を上部チャンバ内に収容し、ダミー棒の導入部分の隙間をシールする方法がある。

しかし、この方法は、ガラス母材の線引きが進行するにしたがって上部チャンバ内の空間容積が増大することから、炉内圧力が変動し、チャンバ内のガスの流れが時間的に変化し、ガラス母材の溶融部の熱伝達量が変化し、ガラス径の変動が発生する。さらに、ガラス母材は、上部チャンバの大きさによって制限されるため、ガラス母材の大型化への対応を阻害する要因ともなっている。

これに対して、例えば、特許文献１には、線引炉内への挿通口とガラス母材との隙間をシールする第１のシールユニットと、ガラス母材の縮径したテーパ部が前記の挿通口を通過する際にテーパ部を囲うようにしてシールする第２のシールユニットを備えた線引炉が開示されている。
図４は、上記特許文献１に開示の線引炉を模式的に示した図である。ガラス母材１は、直胴部１ａ（本体部）がテーパ部１ｂで縮径されて、連結部材３により細径のダミー棒２（シャフトまたは支持棒）に連結され、吊り下げ支持される。線引炉は、炉心管４の外側にヒータ５を配し、その外側を断熱材６で覆い、全体を炉筐体７で囲って構成される。

ガラス母材１と該ガラス母材の挿通口４ａ（炉心管４の上端）との間の隙間は、直胴部１ａが挿通口４ａを通過する際には第１のシールユニット８によりシールされる。ガラス母材１の上端には、テーパ部１ｂと連結部材３を囲う円筒部材（キャップ部材）が配されテーパ部１ｂが挿通口４ａを通過する際には、該キャップ部材はその下面が炉心管４の上端に接し、ダミー棒２に対し移動可能とされてダミー棒２との隙間をシールする、第２のシールユニット９とされる。

ガラス母材１のテーパ部１ｂが線引炉の上方から突き出て残っている状態では、ガラス母材１の直胴部１ａは、第１のシールユニット８により挿通口４ａとの隙間がシールされる。ガラス母材１の線引きが進んで、ガラス母材１のテーパ部１ｂが挿通口４ａに到達すると、第２のシールユニット９が第１のシールユニット８に接して挿通口４ａを覆い、ダミー棒２との隙間をシールして、線引炉内に外気が侵入するのを阻止している。

特開２００９−６２２６５号公報

線引炉のヒータにより炉心管が加熱され、この加熱で生じる輻射光の黒体輻射スペクトルは、３μｍ以下の波長の範囲でそのスペクトル強度が大きい。また、３μｍ以下の波長範囲での輻射光は、ガラス母材のような透明な石英ガラスでの吸収係数がほぼゼロであり、輻射光のほとんどは透過する。線引炉のヒータ加熱で生じた上記の輻射光は、ガラス母材内を伝播し、その多くの部分が上方のテーパ部およびダミー棒から外方に向けて放射される。

図４の構成において、上記の輻射光は、第２のシールユニットのキャップ部材に向けて放射される。キャップ部材は、耐熱性と強度を要することから、一般的に金属材などで形成される場合が多いが、その場合、放射された輻射光は、キャップ部材で吸収、一部は反射されてガラス母材側に戻される。しかし、全てが反射される訳ではないので、キャップ部材は輻射光により加熱され、温度上昇してガラス母材１との間の温度差（温度勾配）が小さくなる。
発明者らがこの温度差について種々検討した結果、キャップ部材とガラス母材との温度勾配が小さいと、炉内温度、および炉内圧力が時間的に変動し、この結果、線引きされる光ファイバの外径が変化することが判明した。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、ガラス母材と、ガラス母材のテーパ状部を囲うキャップ部材間の温度差（温度勾配）を大きくして、炉内温度および炉内圧力の変動を抑制し、光ファイバの外径変化の少ない光ファイバ用線引炉と線引方法の提供を目的とする。

本発明による光ファイバ用線引炉は、光ファイバ用ガラス母材とは径が異なるダミー棒が上部に接続された光ファイバ用ガラス母材を加熱炉で加熱し、光ファイバを線引きする光ファイバ用線引炉である。線引炉は、光ファイバ用ガラス母材の外周面と加熱炉上端の挿通口との隙間をシールする第１のシール部と、光ファイバ用ガラス母材上部のテーパ状部を囲い、テーパ状部が上記の挿通口を通過する際に第１のシール部を上から封止し、ダミー棒の外周面との隙間をシールする第２のシール部を上部に有するキャップ部材と、を備える。そして、前記のキャップ部材は、加熱炉および光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスにより形成され、上記のキャップ部材の外側を、輻射光を反射する反射材で覆うことを特徴とする。
また、該反射材は、金属反射材であり、また、アルミ箔で形成することができる。また、上記のキャップ部材と反射材との間に、気体が介在する間隙を有するようにしてもよい。

また、本発明による光ファイバ線引方法は、光ファイバ用ガラス母材とは径が異なるダミー棒が上部に接続された光ファイバ用ガラス母材を加熱炉で加熱し、光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法である。この線引方法は、光ファイバ用ガラス母材の外周面と加熱炉上端の挿通口との隙間を第１のシール部でシールし、光ファイバ用ガラス母材上部のテーパ状部が上記の挿通口を通過する際に、テーパ状部を囲うように配されたキャップ部材で第１のシール部を上から封止し、ダミー棒の外周面との隙間を前記のキャップ部材上部に設置された第２のシール部でシールする。そして、上記のキャップ部材に加熱炉および光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスを用い、上記キャップ部材の外側を、輻射光を反射する反射材で覆って光ファイバを線引きすることを特徴とする。

本発明によれば、キャップ部材が、輻射光を透過する石英ガラスで形成されることにより、ガラス母材との間の温度差を大きくして、炉内温度および炉内圧力の変動を抑制することができる。

本発明の参考例の概略を説明する図である。 図１の動作状態を説明する図である。 本発明の実施形態を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図１，２により本発明の参考例を説明する。図１は、光ファイバの線引開始〜中間の状態を示し、図２は光ファイバの線引終盤の状態を示す図である。図において、１０は線引炉、１１はガラス母材、１１ａはテーパ状部、１１ｂは下端部、１２は光ファイバ、１３はダミー棒、１４は連結部材、１５は炉心管、１５ａは上端部の開口、１６はヒータ、１７は断熱材、１８は炉筐体、１９は下部延長管、２０は第１のシール部、２１はキャップ部材、２１ａは上壁、２１ｂは開口、２１ｃは下端、２２は第２のシール部を示す。

光ファイバの線引きでは、図１に示すように、吊下げ支持される光ファイバ用ガラス母材１１（以下、ガラス母材という）の下部を加熱し、加熱溶融により下端部１１ｂからガラスの光ファイバ１２を溶融垂下させて所定の外径となるように線引きして行われる。ガラス母材１１は、その上端部分に縮径されたテーパ状部１１ａを有し、ガラス母材１１と同種のガラスロッドからなるダミー棒１３に、連結部材１４により連結される。そして、ガラス母材１１は、ダミー棒１３の上端部を支持装置（図示省略）で把持することで、上下方向に移動可能に吊り下げ支持され、線引炉１０内に収容される。

線引炉１０の主体となる加熱炉は、ガラス母材１１が挿入供給される炉心管１５を囲むようにして、加熱用のヒータ１６を配し、このヒータ１６の熱が外部に放散されないようにカーボンフェルト等の断熱材１７で囲い、その外側全体を炉筐体１８で囲って構成される。炉筐体１８の上端には、ガラス母材１１が挿入される挿通口を有し、該挿通口とガラス母材１１との間の隙間をシールするように第１のシール部２０が設けられる。なお、図においては、上記の挿通口は、炉心管１５の上端部の開口１５ａであり、上記の隙間は、炉心管１５の内壁とガラス母材１１の外周面との間に生じる隙間で示される。また、炉筐体１８の下部には下部延長管１９が配され、線引直後のガラスの光ファイバ１２が導出される。

ガラス母材１１の上部には、そのテーパ状部１１ａとダミー棒１３を連結する連結部材１４とを囲うキャップ部材２１が配される。このキャップ部材２１は、その上壁２１ａにダミー棒１３が挿通される開口２１ｂを有し、該開口２１ｂを連結部材１４で塞ぐようにし、連結部材１４の上方への移動が可能なように連結部材１４の上に載置される。開口部２１ｂは、キャップ部材２１が上方へ移動できるようにダミー棒１３との間に若干の隙間を持たせているため、キャップ部材２１の上壁２１ａには、ダミー棒１３と開口２１ｂとの隙間をシールするように第２のシール部２２が設けられる。

なお、開口２１ｂとダミー棒１３との間の気密が十分取れるのであれば、第２のシール部２２は、必ずしも必要ではない。また、本実施形態では、第２のシール部２２が連結部材１４の上部でシールするようにしているが、テーパ状部１１ａと連結部材１４との間の長さが十分取れるのであれば、連結部材１４の下部でシールするようにしても良い。

上記のように構成された線引炉では、図１のガラス母材１１のテーパ状部１１ａが線引炉の上方から突き出ている状態（線引開始〜線引中盤）では、第１のシール部２０によりガラス母材１１の本体部分とその挿通口である開口１５ａとの隙間がシールされる。ガラス母材１１の線引きが進んで線引終盤になると、ガラス母材１１のテーパ状部１１ａが第１のシール部２０に接近し、キャップ部材２１もガラス母材１１と一緒に下降して、その下端２１ｃが第１のシール部２０の上端に接する状態となる。

この後、さらに線引きが進行すると、図２に示すように、キャップ部材２１はその下端２１ｃが第１のシール部２０に接触して、キャップ部材２１は第１のシール部２０を上から覆って封止する。そして、キャップ部材２１に設けられた第２のシール部２２が機能して、ダミー棒１３とキャップ部材の上壁２１ａの開口２１ｂとの隙間をシールする。
この結果、ガラス母材１１のテーパ状部１１ａが第１のシール部２０に近接し通過する際に、第１のシール部２０によるシール機能が失われても、キャップ部材２１上の第２のシール部２２により、引き続いて炉内のシールが確保され、炉心管内に外気が入り込むのを防止することができる。

線引炉１０が、図２の状態に変化すると、キャップ部材２１の内面は、外気から遮断されて炉心管内からの熱伝導と熱輻射により熱せられて温度上昇する。また、ガラス母材を透過した波長３μｍ以下の輻射光の影響も受け、キャップ部材２１が従来の金属材等で形成される場合には、キャップ部材２１が輻射光の一部を吸収し、さらに温度は上昇する。
キャップ部材の温度上昇により、キャップ内面と、ガラス母材１との間の温度差（温度勾配）が小さくなると、炉内温度および炉内圧力が変動し、この結果、線引きされる光ファイバの外径が変化する虞がある。

本発明は、上記のキャップ部材２１を、ガラス母材１１と同種の石英ガラスで、炉筐体内からの輻射光を透過する透明な石英ガラスで形成されていることを特徴としている。
キャップ部材２１を透明な石英ガラスで形成することにより、ガラス母材１１を透過してキャップ部材２１に向けて放射される輻射光（波長３μ以下の輻射光）は、ガラス母材と同様にキャップ部材２１で吸収されることなく透過し、外部（大気中）に放射される。

この結果、キャップ部材２１は、炉心管及びガラス母材１１からの熱伝導による温度上昇のみで、ガラス母材１との間の温度差（温度勾配）を大きくとることができる。これにより、炉内温度や炉内圧力の変動を抑制することができ、光ファイバの外径変化を低減することができる。

図３は、本発明の実施形態を説明する図である。この実施形態は、図１，２の参考例に対して、石英ガラスからなるキャップ部材２１の外側に、反射材２３を配している点が異なる。キャップ部材２１を石英ガラスで形成すると、加熱炉からの輻射光が透過してしまうため、熱としては逃げてしまいエネルギーロスとなる。キャップ部材２１の外周を断熱材で覆っても、断熱材で熱を吸収・放出するだけであるので、キャップ部材２１を透過する輻射光のエネルギーが有効に活用されることにはならない。
なお、反射材はキャップ部材２１の内側にあってもエネルギーロスに対しては効果があるが、反射材が汚染源となって光ファイバ用ガラス母材にロス増などの悪影響を与えるため、キャップ部材２１の外側に配する方が望ましい。

本例による図３（Ａ）の線引炉１０ａも、図１，２で説明したものと同様な線引炉の構成である。すなわち、炉筐体１８の上端には、ガラス母材１１が挿入される開口１５ａを有し、該開口１５ａとガラス母材１１との間の隙間をシールするように第１のシール部２０が設けられる。なお、上記の開口１５ａは、炉心管１５の上端部の開口であり、上記の隙間は、炉心管１５の内壁とガラス母材１１の外周面との間に生じる隙間で示される。

ガラス母材１１の上部には、そのテーパ状部１１ａとダミー棒１３を連結する連結部材１４とを囲うキャップ部材２１が配される。このキャップ部材２１は、炉筐体内からの輻射光を透過する透明な石英ガラスで形成され、その上壁２１ａにダミー棒１３が挿通される開口２１ｂを有し、該開口２１ｂを連結部材１４で塞ぐようにして連結部材１４の上に載置される。また、キャップ部材２１の上壁２１ａには、ダミー棒１３と開口２１ｂとの隙間をシールするように第２のシール部２２が設けられる。

上記のキャップ部材２１の外側には、金属などの反射材２３を配して、キャップ部材２１の外側を覆う。反射材２３としては、金属などの耐熱性のあるもの、例えば、ステンレス、インコネル、アルミ等の金属を用いることができる。反射材２３は、上記したような金属を予め円筒状に成形し、キャップ部材２１の外側に嵌合させる形態としてよいが、金属箔をキャップ部材の外側に配する形態であってもよい。成形した金属を用いる場合は、反射材２３のキャップ部材の外面に対向する内面に、鏡面加工や反射膜が付されていることが好ましい。
反射材としてアルミ箔を用いると、価格的にも安価である。なお、このアルミ箔をキャップ部材２１の外側に配しただけでも、１０％程度の省エネを図ることができた。

反射材２３として予め金属を成形したものを用いる場合は、図３（Ｂ）に示すようにキャップ部材２１と反射材２３との間に間隙２４（例えば、１ｃｍ程度）を有するようにして、この間隙２４に空気または不活性ガスを流すようにすることが好ましい。この間隙２４を設けることにより、反射材２３がキャップ部材２１に接触して熱伝導で加熱されるのを低減することができるので、熱で反射材２３の反射面が酸化して反射効率が低下するのを抑制することができる。また、流れを作ることにより、反射材２３とキャップ部材２１との間に熱をこもらせないようにすることができ、ガラス母材とキャップ部材２１との温度差が縮まるのを抑制することができる。
間隙２４には、空気または不活性ガスを強制的に流すようにしても良いが、自然対流による流れがあるだけでも良い。

上記のように、加熱炉からの輻射光を透過する石英ガラスからなるキャップ部材２１の外側を、当該輻射光を反射する反射材２３で囲うことにより、キャップ部材２１を透過した輻射光を、反射材２３でキャップ部材側に反射させる。キャップ部材２１に向けて反射された輻射光は、再度、炉内のガラス母材１１に向けて放射され、炉内の加熱に供することができ、エネルギーロスを軽減して、省エネ化することができる。

１０，１０ａ，１０ｂ…線引炉、１１…ガラス母材、１１ａ…テーパ状部、１１ｂ…下端部、１２…光ファイバ、１３…ダミー棒、１４…連結部材、１５…炉心管、１５ａ…上端部の開口、１６…ヒータ、１７…断熱材、１８…炉筐体、１９…下部延長管、２０…第１のシール部、２１…キャップ部材、２１ａ…上壁、２１ｂ…キャップ部材の開口、２１ｃ…下端、２２…第２のシール部、２３…反射材、２４…間隙。

Claims (5)

1. 光ファイバ用ガラス母材とは径が異なるダミー棒が上部に接続された前記光ファイバ用ガラス母材を加熱炉で加熱し、光ファイバを線引きする光ファイバ用線引炉であって、
   前記光ファイバ用ガラス母材の外周面と前記加熱炉上端の挿通口との隙間をシールする第１のシール部と、前記光ファイバ用ガラス母材上部のテーパ状部を囲い、前記テーパ状部が前記挿通口を通過する際に前記第１のシール部を上から封止し、前記ダミー棒の外周面との隙間をシールする第２のシール部を上部に有するキャップ部材と、を備え、
   前記キャップ部材は、前記加熱炉および前記光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスにより形成され、
   前記キャップ部材の外側を、前記輻射光を反射する反射材で覆うことを特徴とする光ファイバ用線引炉。
2. 前記反射材は、金属反射材であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用線引炉。
3. 前記金属反射材は、アルミ箔であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ用線引炉。
4. 前記キャップ部材と前記反射材との間に、気体が介在する間隙を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉。
5. 光ファイバ用ガラス母材とは径が異なるダミー棒が上部に接続された前記光ファイバ用ガラス母材を加熱炉で加熱し、光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法であって、
   前記光ファイバ用ガラス母材の外周面と前記加熱炉上端の挿通口との隙間を第１のシール部でシールし、
   前記光ファイバ用ガラス母材上部のテーパ状部が前記挿通口を通過する際に、前記テーパ状部を囲うように配されたキャップ部材で前記第１のシール部を上から封止し、前記ダミー棒の外周面との隙間を前記キャップ部材上部に設置された第２のシール部でシールし、
   前記キャップ部材に前記加熱炉および前記光ファイバ用ガラス母材からの輻射光を透過する石英ガラスを用い、
   前記キャップ部材の外側を、前記輻射光を反射する反射材で覆って光ファイバを線引きすることを特徴とする光ファイバ線引方法。

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