JP6269640B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、上部に縮径部が存在する光ファイバ用ガラス母材の上端近傍にダミー棒を連結し、線引炉内で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の製造方法に関する。

光ファイバは、石英を主成分とする光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）の上方から炉心管内に挿入し、ガラス母材の先端が加熱溶融して細径化されることにより、線引炉の下方から線引きされる。
通常、ガラス母材は、小径のシード棒が出発ガラスとなり、その端部分にガラス微粒子を堆積させてガラス化し、製造される。このため、ガラス母材は、直胴部（本体部ともいう）の上端からシード棒との境界部分までがテーパ状に縮径されており（テーパ部ともいう）、シード棒に略同径のダミー棒を連結して、線引炉の炉心管内に吊り下げられる。

このように、ガラス母材には径が大きく変化するテーパ部があるので、このテーパ部やシード棒、ダミー棒の位置でのシールが非常に難しい。そこで例えば、特許文献１には、ガラス母材へのシールを安定させる技術が開示されている。
また、このテーパ部が加熱部に近づいた場合、線引炉内の空間容積が大きくなり、線引炉内のガスの流れが変わって光ファイバの外径変動が大きくなる場合がある。そこで例えば、特許文献２には、線引炉内のガス流れの変動を小さくする技術が開示されている。

特開２０１４−１６２６７１号公報 特開２０１５−７４６００号公報

しかしながら、上記特許文献１では、シール用途のスリーブ部材をダミー棒に設けているが、テーパ部やシード棒の周囲に空間が残されていることがあるため、ガラス母材の線引き進行に伴い、線引炉内の空間容積が大きくなる場合がある。
一方、上記特許文献２では、円筒状の部材をテーパ部やシード棒の周囲に設けた構造が開示されているが、ダミー棒の径がシード棒と略同径の場合、ダミー棒部の周囲の空間が、外径変動に悪影響を及ぼす可能性があった。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、ガラス母材の線引き進行に伴う線引炉内の空間容積の増加を防止し、光ファイバの外径変動を小さく抑える光ファイバの製造方法の提供を目的とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、上部に縮径部が存在する光ファイバ用ガラス母材の上端近傍にダミー棒を連結し、線引炉内で前記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の製造方法であって、前記光ファイバ用ガラス母材の前記縮径部の位置にキャップ部材を設け、該キャップ部材の上端が前記ダミー棒の下端に近接するように配置し、前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記キャップ部材の外径比を横軸ｘ、前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記ダミー棒の外径比を縦軸ｙとする直交座標軸を設定したとき、前記キャップ部材の外径比ｘおよび前記ダミー棒の外径比ｙが、式ｙ≧０．１５２７×ｘ^-3.103を満たす。

上記によれば、光ファイバの外径変動を小さく抑えることが可能になる。

本発明の一実施形態による光ファイバの製造方法の概略を説明する図である。 図１のキャップ部材およびダミー棒の例を示す図であり、縮径部１１ｃ近傍が、第１シール部を通過し始める図である。 他のダミー棒の例を示す図である。 ガラス母材に対するキャップ部材の外径比、ガラス母材に対するダミー棒の外径比と、ガラス外径変動との関係を示す図である。 他のキャップ部材の例を示す図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、（１）上部に縮径部が存在する光ファイバ用ガラス母材の上端近傍にダミー棒を連結し、線引炉内で前記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の製造方法であって、前記光ファイバ用ガラス母材の前記縮径部の位置にキャップ部材を設け、該キャップ部材の上端が前記ダミー棒の下端に近接するように配置し、前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記キャップ部材の外径比を横軸ｘ、前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記ダミー棒の外径比を縦軸ｙとする直交座標軸を設定したとき、前記キャップ部材の外径比ｘおよび前記ダミー棒の外径比ｙが、式ｙ≧０．１５２７×ｘ^-3.103を満たす。
キャップ部材と大径化したダミー棒を用いて線引炉内の空間を埋めるため、縮径部、ダミー棒の順に線引炉内に到達した場合にも、線引炉内の空間容積が大きくならない。よって、光ファイバの外径変動を小さく抑えることが可能になる。

（２）前記キャップ部材が、カーボン、セラミックス、または石英ガラスの少なくとも１つからなる。耐熱性のあるカーボン、セラミックス、または石英ガラスで構成すれば、キャップ部材は線引き炉内で溶融し難く、ガラス母材とも溶着し難い。
（３）前記キャップ部材が、上方部と下方部とに分割可能に構成されている。上下に分割可能に構成すれば、キャップ部材が線引炉内に到達し、下方部が溶融したとしても、下方部だけを交換すればよく、上方部は継続使用が可能になる。また、下方部に上方部より耐熱性のある材料を使用すれば、より溶融し難くなる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明による光ファイバの製造方法の好適な実施の形態について説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。また、ガラス母材とダミー棒の接続方法などについても、下記で説明するのは一例であり、これに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態による光ファイバの製造方法の概略を説明する図であり、図２は、図１のキャップ部材およびダミー棒の例を示す図であり、縮径部１１ｃ近傍が、第１シール部を通過し始める図である。
図１に示すように、線引炉１０は、例えば、炉筐体１８、下部チャンバ１９、上部チャンバ２０からなる。炉筐体１８の中央部には、カーボン製で円筒状の炉心管１５が設けられ、下部チャンバ１９および上部チャンバ２０と連通している。

上部チャンバ２０は、例えば、炉心管１５と同程度の内径を有し、ガラス母材１１が上方から挿入される。ガラス母材１１の上端は、後述のダミー棒１３（支持棒ともいう）に連結されている。
また、上部チャンバ２０には、気密を取るためのシール機構が設けられている。具体的には、炉筐体１８の上面には第１シール部２１が設置され、ガラス母材１１との隙間をシール可能に構成されている。第１シール部２１には、例えばアルゴンガスの不活性ガス等を炉心管１５内に供給するガス供給口２１ａが設けられている。

上部チャンバ２０の上端には、第１シール部２１と同様のシール機能を有した第２シール部２２が設置されている。第２シール部２２にも、例えばアルゴンガスの不活性ガス等を炉心管１５内に供給するガス供給口２２ａが設けられている。
ガラス母材１１は、第１，２シール部２１，２２によりシールされながら炉心管１５内に吊り下げられて降下する。詳しくは、線引き開始時は、第１シール部２１がガラス母材１１の図２に示す直胴部１１ａでシールする。

次いで、ガラス母材１１の図２に示す縮径部１１ｃ近傍が第１シール部２１を通過し始める以降は、第１シール部２１から第２シール部２２に切り替わり、第２シール部２２がダミー棒１３の外周面をシールする。なお、ダミー棒１３の外周面ではなく、後述するキャップ部材２５の外周面をシールすることとしてもよい。
なお、この第２シール部２２は、例えばダミー棒に蓋状のシール部材を搭載しておき、上部チャンバの上端に当接した後は、その位置に留まって上部チャンバを塞ぐ蓋のように機能し、蓋状のシール部材に設けられたダミー棒用の孔の隙間でダミー棒の外周面をシールするようにしてもよい。

炉筐体１８内には、ヒータ１６が炉心管１５を囲むように配され、断熱材１７がヒータ１６の外側を覆うように収納されている。ヒータ１６は、炉心管１５の内部に挿入されたガラス母材１１を加熱溶融し、溶融縮径した光ファイバ１２が下部チャンバ１９から垂下される。線引炉１０で線引きされた光ファイバは冷却装置（図示省略）に向かう。なお、線引炉内に送り込まれた不活性ガス等も、ガラス母材１１と炉心管１５の隙間を通り、下部チャンバ１９の下方のシャッタ部分などから外部に放出される。

図２に示すように、ガラス母材１１は、小径のシード棒１１ｄが出発ガラスとなっており、ガラス母材１１の大径の直胴部１１ａと後述のダミー棒本体１３ａとの間には、テーパ状に縮径されたテーパ部１１ｂおよび小径のシード棒１１ｄからなる縮径部１１ｃが形成されている。シード棒１１ｄは、例えばアダプタ１４を用いてダミー棒本体１３ａに連結されている。

アダプタ１４の一例の構成として、アダプタ１４は略円筒状のアダプタ本体１４ａを有し、アダプタ本体１４ａの内径は、シード棒１１ｄやダミー棒本体１３ａの外径よりも大きく形成されている。シード棒１１ｄは、アダプタ本体１４ａの下方から挿入され、所定位置で断面円形状の第１ピン部材１４ｂが差し込まれてアダプタ本体１４ａに固定される。ダミー棒本体１３ａは、アダプタ本体１４ａの上方から挿入され、所定位置で断面円形状の第２ピン部材１４ｃが差し込まれて固定される。なお、第１ピン部材１４ｂと第２ピン部材１４ｃとは、平行ではなく交差して配されていてもよい。また、アダプタ１４において、ダミー棒本体１３ａ、アダプタ本体１４ａ、シード棒１１ｄを、例えばボルトなどで一体固定してもよい。

ここで、ガラス母材１１の縮径部１１ｃの位置には、キャップ部材２５が設けられている。キャップ部材２５は、例えば耐熱性のある石英ガラスで形成され、その形状は、中央に、アダプタ本体１４ａを挿通させる挿通孔２５ｂを設けた円筒形状である。キャップ部材２５の外径はＤｃであり、ガラス母材１１の直胴部１１ａの外径はＤｇである。キャップ部材２５は、アダプタ１４の上方から降ろして挿通孔２５ｂにアダプタ本体１４ａを通し、例えば、アダプタ本体１４ａの外壁に形成された突起部分に係合される。これにより、キャップ下端２５ｃが縮径部１１ｃに近接配置される。

なお、キャップ部材は、断面形状が円筒形状でなくてもよく、略長方形など種々の形状を採用することが可能である。また、キャップ部材の上端を例えばワイヤを介して吊り下げるような、キャップ部材の自重がガラス母材に掛かり難い場合には、キャップ下端がテーパ部に接触してもよい。また、キャップ部材が１１５０℃を超える温度にならないようにすれば（ガラス母材の引き下げ位置の下限を決め、キャップ部材が線引き炉内に深く入り込まないようにする、内径を小さくしてキャップ部材がテーパ部に接触する位置をテーパ部のできるだけ上部にする、など）、ワイヤ等で吊り下げなくてもよく、キャップ下端がテーパ部に接触してもよい。但し、キャップ下端が１１５０℃を超える場合であっても、例えば溶融・変形した該当部分を取り換え可能として、キャップ部材の一部だけを交換することで、対処することもできる。なお、キャップ部材は石英ガラスでなくてもよく、カーボン材、セラミックスで形成してもよい。

一方、ダミー棒１３は、例えば大径のダミー棒であってもよく、あるいは、シード棒１１ｄと同径のガラスロッドからなるダミー棒本体１３ａと、ダミー棒本体１３ａの周囲にスリーブ部材１３ｂを有する構成としてもよい。
大径のダミー棒を用いる場合、その外径は、図２に示すＤｄとなる。この際、ダミー棒は中実であっても中空であってもよい。
スリーブ部材を用いる場合、スリーブ部材１３ｂは、例えば耐熱性のある金属や石英ガラス、カーボン材、ＳｉＣコートカーボン材などで形成され、その形状は、中央にダミー棒本体１３ａを挿通させる挿通孔１３ｃを設けた円筒形状である。また、この場合、スリーブ部材１３ｂの外径が図２に示すＤｄとなる。

スリーブ部材１３ｂは、その上端が例えばワイヤを介して吊り下げられており、アダプタ１４の上方から降ろし、挿通孔１３ｃを有した平坦面にアダプタ本体１４ａの上端を当接させる。これにより、スリーブ部材１３ｂの下端は、例えば、キャップ部材２５の上端に僅かな隙間を設けた状態でキャップ部材２５の上端に近接配置される。

図３は、他のダミー棒の例を示す図である。
図１，２の例では、キャップ部材２５の外径とダミー棒１３（若しくはスリーブ部材１３ｂ）の外径とがほぼ同等に示されている。しかし、図３に示すように、キャップ部材２５の外径Ｄｃをダミー棒１３の外径Ｄｄよりも大きくしてもよい。なお、この図３の例でも、ガラス母材１１の縮径部近傍が第１シール部２１を通過し始める以降は、第１シール部２１から第２シール部２２に切り替わり、第２シール部２２がダミー棒１３の外周面をシールする。なお、第２シール部２２がキャップ部材２５の外周面をシールしてもよい。

図４は、ガラス母材に対するキャップ部材の外径比、ガラス母材に対するダミー棒の外径比と、ガラス外径変動との関係を示す図である。
ガラス母材の降下と共に、大径化したキャップ部材および同じく大径化したダミー棒も降下してシール位置よりも下方の空間を埋めるため、ガラス母材の縮径部、ダミー棒がこの順にシール位置よりも下方に到達した場合にも、線引炉内の空間容積がそれほど大きくならない。よって、線引き終了時近傍においても、光ファイバの外径変動を小さく抑えることが可能になる。

具体的には、この光ファイバの外径変動は、例えば光ファイバの外径のばらつき（標準偏差σ）を３倍した値（３σ）で表すことができる。
図４（Ａ）に示すように、直胴部に対するキャップ部材の外径比（以下、Ｄｃ／Ｄｇと称する）を横軸、ガラス径１２５μｍの光ファイバの外径変動を縦軸とする直交座標軸を想定すると、直胴部に対するダミー棒の外径比（以下、Ｄｄ／Ｄｇと称する）が０．２８の場合（図４（Ａ）中に□で示す）、Ｄｃ／Ｄｇが０．８３以上のときには、線引き終了時近傍における光ファイバの外径変動（３σ）が、所定のシングルモード光ファイバへの規格に適合する、±０．７μｍ以下になった。

次に、Ｄｄ／Ｄｇが０．４８の場合（図４（Ａ）中に■で示す）、Ｄｃ／Ｄｇが０．７以上のときには、線引き終了時近傍における光ファイバの外径変動（３σ）が±０．７μｍ以下になった。
続いて、Ｄｄ／Ｄｇが０．８３の場合（図４（Ａ）中に○で示す）、Ｄｃ／Ｄｇが０．５７以上のときには、線引き終了時近傍における光ファイバの外径変動（３σ）が±０．７μｍ以下になった。また、Ｄｄ／Ｄｇが０．９７の場合（図４（Ａ）中に●で示す）、Ｄｃ／Ｄｇが０．５６以上のときには、線引き終了時近傍における光ファイバの外径変動（３σ）が±０．７μｍ以下になった。

これらの結果を鑑み、図４（Ｂ）に示すように、Ｄｃ／Ｄｇを横軸、Ｄｄ／Ｄｇを縦軸とする直交座標軸において、線引き終了時近傍における光ファイバの外径変動（３σ）が±０．７μｍ以下になる範囲を想定すると、この直交座標軸では、図４（Ｂ）中に■で説明した点（０．７，０．４８）、図４（Ｂ）中に□で説明した点（０．８３，０．２８）、図４（Ｂ）中に○で説明した点（０．５７、０．８３）、図４（Ｂ）中に●で説明した点（０．５６，０．９７）を臨界的意義のある点としてプロットでき、これらの点を近似的に結ぶと、指数曲線（Ｄｄ／Ｄｇ）＝０．１５２７×（Ｄｃ／Ｄｇ）^-3.103が形成される。そして、Ｄｃ／ＤｇおよびＤｄ／Ｄｇを、この曲線を含む、正方向の領域に設定すれば、光ファイバの外径変動を小さく抑えることが可能になる。

図５は、他のキャップ部材の例を示す図である。
上記例のキャップ部材は石英ガラスだけで構成された例を挙げて説明した。しかし、図５に示すように、例えば、図２で説明したシード棒１１ｄの位置に設けられる上方部２５ａと、テーパ部１１ｂの位置に設けられる下方部２６とに分割することも可能である。この場合、上方部２５ａの下端を下方部２６の上端に嵌合させてもよい。また、上方部２５ａと下方部２６は、同じ材質であってもよいし、下方部２６に上方部２５ａ（例えば石英ガラス）より耐熱性のある材料（例えばカーボン材、セラミックス）を使用してもよい。

これにより、下方部２６は、ガラス母材のテーパ部に接触しても溶着することは無い。また、溶着したとしても、下方部２６だけを交換し、上方部２５ａは継続使用が可能になる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…線引炉、１１…ガラス母材、１１ａ…直胴部、１１ｂ…テーパ部、１１ｃ…縮径部、１１ｄ…シード棒、１２…光ファイバ、１３…ダミー棒、１３ａ…ダミー棒本体、１３ｂ…スリーブ部材、１３ｃ…挿通孔、１４…アダプタ、１４ａ…アダプタ本体、１４ｂ…第１ピン部材、１４ｃ…第２ピン部材、１５…炉心管、１６…ヒータ、１７…断熱材、１８…炉筐体、１９…下部チャンバ、２０…上部チャンバ、２１…第１シール部、２１ａ，２２ａ…ガス供給口、２２…第２シール部、２５…キャップ部材、２５ａ…上方部、２５ｂ…挿通孔、２５ｃ…キャップ下端、２６…下方部。

Claims (3)

1. 上部に縮径部が存在する光ファイバ用ガラス母材の上端近傍にダミー棒を連結し、線引炉内で前記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の製造方法であって、
   前記光ファイバ用ガラス母材の前記縮径部の位置にキャップ部材を設け、該キャップ部材の上端が前記ダミー棒の下端に近接するように配置し、
   前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記キャップ部材の外径比を横軸ｘ、前記光ファイバ用ガラス母材に対する前記ダミー棒の外径比を縦軸ｙとする直交座標軸を設定したとき、前記キャップ部材の外径比ｘおよび前記ダミー棒の外径比ｙが、式
   ｙ≧０．１５２７×ｘ^-3.103
   を満たす、光ファイバの製造方法。
2. 前記キャップ部材が、カーボン、セラミックス、または石英ガラスの少なくとも１つからなる、請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記キャップ部材が、上方部と下方部とに分割可能に構成されている、請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法。
   

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