JP6299088B2 - 光ファイバの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を、アルゴンまたは窒素を含有するガスで満たした線引炉内に挿入し、線引炉内で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および製造装置に関する。

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下降させながらその先端を加熱溶融し、このガラス母材の先端を細径化して線引炉の下方から線引きすることにより製造される。このときの線引炉内の温度は、約２０００℃と非常に高温となるので、線引炉内の部品には、耐熱性に優れたカーボンが用いられている。

このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中で酸化して消耗する性質を有する。このため、線引炉内は、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガス、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。
この場合、線引炉内を陽圧にし、外気（酸素）が線引炉内に入り込むことを防いでいるが、線引炉内の圧力変動が大きくなると、外気を巻き込んだり、光ファイバの外径変動に影響を与えたりする。そこで、例えば、特許文献１には、線引炉内の圧力が一定になるように、不活性ガス等の供給量を制御する構造が開示されている。また、特許文献２には、線引炉内の圧力が一定になるように、マスフローコントローラ（MFC）を用いてシールガス流量を制御する構造が開示されている。また、特許文献３には、線引炉内の圧力が一定になるように、供給ガス流量を調整することが開示されている。

特開２０１１−４６５６３号公報 特開２０００−２６４６７０号公報 特開２０００−０６３１４２号公報

ところで、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等のような不活性ガス等を使用した場合、線引炉内の圧力や光ファイバの外径の変動が大きくなることが知られている。この線引炉内の圧力変動や外径変動の測定結果を周波数解析すると、数Ｈｚ程度（〜２Ｈｚ）の周波数成分が多く存在することが判明した。つまり、このような周波数成分の線引炉内の圧力変動に対応して圧力が一定になるように調整するには、上記特許文献２に記載のマスフローコントローラのような数秒程度の応答時間（応答速度とも言う）を備えた構造ではなく、０.５秒未満の応答速度を備えた構造が必要になる。しかし、上記特許文献１〜３には、ガス供給手段の具体的な構造や制御方法については開示されておらず、これでは、光ファイバの外径変動を少なくできないという問題がある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、光ファイバの外径変動の少ない光ファイバの製造方法および製造装置の提供を目的とする。

本発明による光ファイバの製造方法は、光ファイバ用ガラス母材を、アルゴンまたは窒素を含有するガスで満たした線引炉内に挿入し、前記線引炉内で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、ガス供給部により、前記線引炉内の圧力が予め設定された前記線引炉内の圧力の目標値よりも高い値になるようにガスを前記線引炉内に一定量送り込み、測定部により、前記線引炉内の圧力を測定し、制御部により、前記目標値と前記測定部で測定された前記線引炉内の圧力の測定値とを比較し、開度を調整することにより前記線引炉内のガスを排出して前記線引炉内の圧力を下げる自動開閉バルブを制御し、前記線引炉内の圧力変動の周波数成分のうち、５Ｈｚ以下の周波数成分の圧力変動に追従するよう前記自動開閉バルブの開度を調整することにより、前記測定値が前記目標値となるようにガスを前記線引炉内から排出する。

本発明による光ファイバの製造装置は、光ファイバ用ガラス母材を、アルゴンまたは窒素を含有するガスで満たした線引炉内に挿入し、前記線引炉内で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装置であって、ガスを前記線引炉内に一定量送り込むガス供給部と、前記線引炉内の圧力を測定する測定部と、開度を調整することにより前記線引炉内のガスを排出して前記線引炉内の圧力を下げる自動開閉バルブと、予め設定された前記線引炉内の圧力の目標値と前記測定部で測定された前記線引炉内の圧力の測定値とを比較し、前記ガス供給部からのガス流量および前記自動開閉バルブの開度を制御する制御部とを備え、前記ガス供給部は、前記線引炉内の圧力が前記目標値よりも高い値になるようにガスを前記線引炉内に送り込み、前記自動開閉バルブは、前記線引炉内の圧力変動の周波数成分のうち、５Ｈｚ以下の周波数成分の圧力変動に追従するよう開度を調整することにより、前記測定値が前記目標値となるようにガスを前記線引炉内から排出する。

本発明によれば、ガス供給部により線引炉内の圧力が目標値よりも高い値になるようにガスを線引炉内に送り込む一方、速い応答速度で開閉できる自動開閉バルブをガス供給部とは別に排気ラインに設けているため、数十Ｈｚ以上の変動に追従することは難しいものの、上記した数Ｈｚ程度の圧力変動には追従して線引炉内圧力を調整することができ、光ファイバの外径変動を抑えることができる。

本発明の一形態による光ファイバの製造装置の概略を説明する図である。 アルゴンガスの比率と光ファイバの外径変動の関係を示す図である。 線引炉内の圧力変動と光ファイバの外径変動の関係を示す図である。 線引炉内の圧力および光ファイバの外径の時間変化の一例を示す図である。 図４の周波数解析の結果を示す図である。 線引炉内の圧力変動に対する光ファイバの外径変動のゲイン特性を示す図である。 上部チャンバーの圧力変動および下部チャンバーの圧力変動の一例を示す図である。 制御内容を示す図である。

図１により、本発明が適用される光ファイバの製造装置の概略を説明する。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。
図において、１０は線引炉、１１は光ファイバ用ガラス母材、１２は光ファイバ、１３はダミー棒、１４は連結部分、１５は炉心管、１６はヒータ、１７は断熱材、１８は炉筐体、１９は下部チャンバー、２０は上部チャンバー、２１は蓋体、２１ａは上端開口、２２はガス導入路、２３はガス供給部、２４はガス排気路、２５は自動開閉バルブ、２６は測定部、３０は制御部を示す。

線引炉１０は、炉筐体１８、下部チャンバー１９、上部チャンバー２０からなる。炉心管１５は、炉筐体１８の中央部に円筒状で形成され、下部チャンバー１９および上部チャンバー２０と連通している。炉心管１５はカーボン製で、この炉心管１５内には、光ファイバ用ガラス母材１１（以下、ガラス母材という）が上部チャンバー２０を介して挿入される。
上部チャンバー２０は、炉心管１５と同程度の内径を有し、その上端に蓋体２１を配して封止（シール）される。蓋体２１には上端開口２１ａが形成され、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を挿通させる。

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を下部チャンバー１９から垂下させる。
ガラス母材１１は、ダミー棒１３に連結する連結部分１４にて溶着、若しくは、連結部材を介して接続一体化される。ガラス母材１１は、移動機構（図示省略）により線引方向（下方向）に移動可能となっている。

線引炉１０には不活性ガス等による炉内ガスの供給機構が設けられている。詳しくは、上部チャンバー２０には、ガス導入路２２が設けられており、例えば、アルゴンガスとヘリウムガスとを混合した不活性ガス等が炉心管１５内に一定量送り込まれる。これにより、炉心管１５内やヒータ１６の周りの酸化や劣化防止を図る。この不活性ガス等の供給量は、ガス供給部（マスフローコントローラ（MFC）とも言う）２３で制御され、供給される。

なお、この不活性ガス等は、ガス排気路２４から排気されるほか、ガラス母材１１と炉心管１５の隙間を通り、線引きされた光ファイバ１２と共に、下部チャンバー１９の下方のシャッター部分などからも外部に放出される。
一方、上部チャンバー２０には測定部２６が設けられ、線引炉１０内の圧力を測定している。この測定結果は制御部３０に出力される。線引炉内の圧力変動の位相差はほとんど無い為、圧力は炉内のどの位置で測定してもよい。

線引炉１０には、不活性ガス等による炉内ガスの排出機構が設けられている。具体的には、上部チャンバー２０のうち上端開口２１ａの近傍には、自動開閉バルブ２５を有したガス排気路２４が設けられている。この排気用のガス排気路２４を上部チャンバー２０に設けたため、線引炉１０内の圧力変動を速やかに低減することができる。

このガス排気路２４を経て線引炉１０の外部に排出される流量は、自動ニードルバルブ等の自動開閉バルブ２５の開度で調整される。この自動開閉バルブ２５は、例えば、比例制御弁で構成され、１秒未満の応答速度（例えば、０．０５秒〜０．３秒程度）を備えており、制御部３０からの信号に基づき、ソレノイド（図示省略）の磁力を用いて開閉駆動する。
制御部３０は、ガス導入路２２から線引炉１０内への給気量やガス排気路２４から外部への排気量を制御し、線引炉１０内の圧力変動を所定値に保持する。

図２は、アルゴンガスの比率と光ファイバの外径変動の関係を示す図である。
熱伝導率の低いアルゴンガスを熱伝導率の高いヘリウムガスに混ぜることにより、ヘリウムガスを１００％使用する場合に比べて温度むらに起因した圧力変動が発生しやすくなり、図２に示すように、光ファイバの外径変動が大きくなる。

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。そして、アルゴンガスを混ぜない場合（ヘリウムガスを１００％使用した場合）、光ファイバの外径変動（３σ）は±０.０９μｍに抑えられるが、アルゴンガスを１２.５％使用した場合（ヘリウムガスを８７.５％使用した場合）、光ファイバの外径変動（３σ）は±０.６８μｍになる。

また、アルゴンガスを２５％使用した場合（ヘリウムガスを７５％使用した場合）、光ファイバの外径変動（３σ）は±０.６１μｍ、アルゴンガスを５０％使用した場合（ヘリウムガスを５０％使用した場合）、光ファイバの外径変動（３σ）は±１.１１μｍ、アルゴンガスを１００％使用した場合（ヘリウムガスを使用しない場合）、光ファイバの外径変動（３σ）は±１.４０μｍまで大きくなる。なお、アルゴンガスに替えて窒素ガスを用いても概ね似たような結果となる。

図３は、線引炉（上部チャンバー）内の圧力変動と光ファイバの外径変動の関係を示す図である。線引炉内の圧力変動と光ファイバの外径変動とは相関があり、例えば、線引炉内の圧力変動を±２.２Ｐａまで低くすれば、光ファイバの外径変動を±１μｍにまで抑制でき、線引炉内の圧力変動を±１.０Ｐａまで低減すれば、光ファイバの外径変動を±０.４０μｍに抑制可能になる。この場合の光ファイバは、多心光コネクタへの光ファイバ付けの歩留まりが良好になると共に、接続損失を小さくすることができる。さらに、線引炉内の圧力変動を±０.５Ｐａまで低減できれば、光ファイバの外径変動を±０.１５μｍ程度に抑えることが可能である。

この図３に示した線引炉内の圧力変動と光ファイバの外径変動とは相関がある点について詳述する。線引炉内のガスをＡｒ５０％、Ｈｅ５０％とし、線引炉内の圧力および光ファイバの外径を測定すると、図４に太線で示すように、線引炉内の圧力（大気圧との差圧）が、例えば、９Ｐａ〜１３Ｐａの範囲内で変化した場合、図４に細線で示すように、光ファイバの外径は、例えば、−１.０μｍ〜＋１.５μｍの範囲内で、線引炉内の圧力に追従するように上下方向に変化することが分かる。

図５は、図４の周波数解析の結果を示す図であり、図５に太線で示した線引炉内の圧力変動周期と図５に細線で示した光ファイバの外径変動周期とは、周波数の比較的低い約２Ｈｚ以下の領域でほぼ一致している。また、この図５に示すように、線引炉内の圧力および光ファイバの外径は、２Ｈｚ未満で強度が大きくなっている。このため、線引炉内の２Ｈｚ未満での圧力変動を減らせば、光ファイバの外径変動をより一層小さくできることが分かる。その一方で、周波数が高くなるほど、圧力変動と光ファイバの外径変動の相関は小さくなるので、５Ｈｚ程度までの圧力変動を減らせば、ほぼ十分であると言える。このことについて、次に説明する。

図６は、圧力変動に対する光ファイバの外径変動のゲイン特性を示す図である。ゲイン特性は、伝達関数Ｇ（ｓ）を、Ｇ（ｓ）＝ガラス外径／炉内圧力としたときの、振幅の周波数特性を示す。この図より、周波数が高くなるほど振幅（ゲイン）は小さくなり、したがって、高い周波数成分の圧力変動を制御しても、光ファイバの外径変動にはほとんど影響しない（効果が無い）ことが分かる。周波数が５Ｈｚのときのゲインは−１１ｄＢ程度（振幅１／４程度）にまで下がる為、図５の結果と合わせ、５Ｈｚ程度までの圧力変動を制御して減らせば十分であると言える。なお、図６は、Ａｒ５０％、Ｈｅ５０％の時のゲイン特性であり、ガスの成分により、ゲイン特性は若干変わるが、大きくは変わらない。

また、サンプリング周期０.１秒にて、上部チャンバーの圧力と下部チャンバーの圧力とをそれぞれ測定すると、図７（Ａ）に示すように、上部チャンバーの圧力（大気圧との差圧）は４０Ｐａ〜５４Ｐａの範囲内で、下部チャンバーの圧力は０Ｐａ（大気圧に相当）〜１４Ｐａの範囲内でそれぞれ測定され、下部チャンバーの圧力は上部チャンバーの圧力よりも小さくなるものの、上部チャンバーと下部チャンバーの圧力の変動周期はほぼ一致している。図７（Ｂ）に、この図７（Ａ）の５秒〜８秒の区間を拡大した図を示すが、上部チャンバーの圧力の変動周期と下部チャンバーの圧力の変動周期とが一致していることがよく分かる。つまり、線引炉内の圧力変動の位相差はほとんど無く、圧力は炉内のどの位置で測定してもよい。

このように、上部チャンバーあるいは下部チャンバーの圧力変動は、いずれも線引炉内の圧力変動として同様に考えることができ、また、線引炉内の圧力変動と光ファイバの外径変動とは相関がある。一方、図２で説明したように、光ファイバの外径変動は、アルゴンガスの比率が高くなるほど大きくなる。

アルゴンガスの比率が高くなっても外径変動を小さく抑えるためには、線引炉１０内の圧力変動を小さくする必要がある。この圧力変動を制御するために、制御部３０は、まず線引炉１０内の圧力の目標値Ｐｓｅｔを設定する。このＰｓｅｔは、線引炉内を陽圧に保つ、などの最低限必要な圧力より高くなるような値に、設定する。
そして、この制御部３０は、測定部２６で測定された線引炉１０内の圧力（測定値Ｐ）が設定した目標値Ｐｓｅｔと一致するように、自動開閉バルブ２５の開度を制御する。目標値Ｐｓｅｔと測定値Ｐとの偏差から自動開閉バルブ２５の開度を設定する制御には、Ｐ制御（Proportional Control：比例制御）、Ｉ制御（Integral Control：積分制御）、Ｄ制御（Derivative Control：微分制御）、あるいは、これらを適宜組み合わせた各種制御が適用される。

具体的には、制御部３０は、線引炉１０内の自然対流などによる圧力変動を抑える（補正する）ために、この圧力変動を見込んだ圧力値（例えば、Ｐｓｅｔより３Ｐａ程度高くした値）を求め、ガス供給部２３に指示する。ガス供給部２３は、制御部３０の指示圧力（図８の二点鎖線（Ｐｓｅｔ）よりも高い値であり、図８の破線で示す）を満たす量の不活性ガス等を線引炉１０内に送り込む。

続いて、制御部３０は、炉内圧力の測定値Ｐが目標値Ｐｓｅｔとなるように、測定値Ｐの偏差を補正するよう、自動開閉バルブ２５の開度を指示する。自動開閉バルブ２５は、測定値Ｐが大きい場合には開度を大きくして大量のガスを排気し、測定値Ｐが小さい場合には開度を小さくして少量のガスを排気するように、排気量を測定値Ｐの大きさに追従させる。図５に示すように、圧力変動は周波数が低い成分ほど強度が高く、また、図６に示すように、周波数が低い成分ほど光ファイバの外径変動に影響することから、バルブの応答速度は０.３ｓ以下、より好ましくは０.２ｓ以下とし、特に低周波成分の圧力変動に追従するように制御する。

線引炉内ガスをＡｒ５０％、Ｈｅ５０％とし、上記の排気制御を実施した結果、５Ｈｚ以下の圧力変動は、制御前の１／１０程度にすることができた。その結果、従来±１.１１μｍだった光ファイバの外径変動（３σ）も、±０.１５μｍ以下にすることができた。

以上のように、ガス供給部とは別に、ガス排気路に自動開閉バルブを設け、線引炉内の圧力の目標値Ｐｓｅｔと測定値Ｐとの偏差から自動開閉バルブの開度を設定し、ガス供給部により線引炉内の圧力が目標値よりも高い値になるようにガスを線引炉内に送り込む一方、速い応答速度で自動開閉バルブを開閉することによってガスを排気することにより、例えば、アルゴンや窒素を混ぜた場合であっても線引炉内の圧力変動を低減することが可能となり、光ファイバの外径変動を抑えることができる。

１０…線引炉、１１…光ファイバ用ガラス母材、１２…光ファイバ、１３…ダミー棒、１４…連結部分、１５…炉心管、１６…ヒータ、１７…断熱材、１８…炉筐体、１９…下部チャンバー、２０…上部チャンバー、２１…蓋体、２１ａ…上端開口、２２…ガス導入路、２３…ガス供給部、２４…ガス排気路、２５…自動開閉バルブ、２６…測定部、３０…制御部。

Claims (3)

1. 光ファイバ用ガラス母材を、アルゴンまたは窒素を含有するガスで満たした線引炉内に挿入し、前記線引炉内で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、
   ガス供給部により、前記線引炉内の圧力が予め設定された前記線引炉内の圧力の目標値よりも高い値になるようにガスを前記線引炉内に一定量送り込み、測定部により、前記線引炉内の圧力を測定し、制御部により、前記目標値と前記測定部で測定された前記線引炉内の圧力の測定値とを比較し、開度を調整することにより前記線引炉内のガスを排出して前記線引炉内の圧力を下げる自動開閉バルブを制御し、前記線引炉内の圧力変動の周波数成分のうち、５Ｈｚ以下の周波数成分の圧力変動に追従するよう前記自動開閉バルブの開度を調整することにより、前記測定値が前記目標値となるようにガスを前記線引炉内から排出する光ファイバの製造方法。
2. 前記線引炉内を満たすガスは、アルゴンまたは窒素を５０％以上含有する、請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 光ファイバ用ガラス母材を、アルゴンまたは窒素を含有するガスで満たした線引炉内に挿入し、前記線引炉内で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装置であって、
   ガスを前記線引炉内に一定量送り込むガス供給部と、前記線引炉内の圧力を測定する測定部と、開度を調整することにより前記線引炉内のガスを排出して前記線引炉内の圧力を下げる自動開閉バルブと、予め設定された前記線引炉内の圧力の目標値と前記測定部で測定された前記線引炉内の圧力の測定値とを比較し、前記ガス供給部からのガス流量および前記自動開閉バルブの開度を制御する制御部とを備え、
   前記ガス供給部は、前記線引炉内の圧力が前記目標値よりも高い値になるようにガスを前記線引炉内に送り込み、前記自動開閉バルブは、前記線引炉内の圧力変動の周波数成分のうち、５Ｈｚ以下の周波数成分の圧力変動に追従するよう開度を調整することにより、前記測定値が前記目標値となるようにガスを前記線引炉内から排出する光ファイバの製造装置。

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