JP6515483B2 - 光ファイバ線引装置及び光ファイバ線引方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ線引装置及び光ファイバ線引方法に関する。

光ファイバは、線引タワー上部に設けた母材送り装置に光ファイバ母材をセットし、その光ファイバ母材の先端部分を線引炉内に保持して加熱溶融し、線引炉の下方から線引きして製造される。この光ファイバ母材は、線引きの進行に伴い、徐々に線引炉に送り込まれることになる。

ここで、光ファイバ母材は、母材把持機構に光ファイバ母材のシード棒の部分を直接把持して吊下げられるか、若しくは母材送り装置に設けられた母材把持機構に取り付けられたダミー棒の先端に取り付けられて吊下げられる。そのため、光ファイバ母材にダミー棒や母材把持機構を介して何らかの振動が伝わると、それが光ファイバ母材で増幅される。その際、光ファイバ母材の加熱溶融領域の振動も増幅されるため、光ファイバの外径変動が発生してしまう。

これに対し、特許文献１には、光ファイバ母材のロッド部分を保持して上下動させるロッドキャッチャと、ロッドキャッチャを駆動するモータと、を備えた光ファイバ線引装置において、ロッドキャッチャとモータとの間に振動吸収部材を介在させ、モータに起因する光ファイバ母材の振動を吸収させる技術が開示されている。また、この光ファイバ線引装置では、ロッド部分を支持するロッド支持ローラとロッド支持ローラの支持台とを備え、それらの間にも振動吸収部材を介在させている。

また、特許文献２には、光ファイバ母材の水平方向の位置決めを行うための位置決めＸＹステージに、光ファイバ母材の振動を減衰させる粘弾性体を設ける技術が開示されている。

特開平１−１０８１３３号公報 特開２００４−２３８２４９号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の技術をはじめとする従来技術では、実際には線引タワーの振動を十分に吸収させることができず、結果として光ファイバ外径変動を充分抑制することができない。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、線引タワーの振動に起因する光ファイバの外径変動を充分抑制することが可能な光ファイバ線引装置及び光ファイバ線引方法を提供することにある。

本発明による光ファイバ線引装置は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、上記線引炉の上方に配置され、上記光ファイバ母材のシード棒又は上記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って上記光ファイバ母材を上記線引炉に送り出す母材送り装置と、上記線引炉及び上記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置であって、上記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、上記線引タワーと上記光ファイバ母材との間に、時定数が１秒以下の振動緩和機構を有するものである。

本発明による光ファイバ線引方法は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、上記線引炉の上方に配置され、上記光ファイバ母材のシード棒又は上記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って上記光ファイバ母材を上記線引炉に送り出す母材送り装置と、上記線引炉及び上記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置において光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法であって、上記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、上記線引タワーと上記光ファイバ母材との間に振動緩和機構を設け、上記振動緩和機構の時定数を１秒以下として線引きを行うものである。

本発明によれば、線引タワーの振動に起因する光ファイバの外径変動を充分抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ線引装置の一構成例を示す模式図である。 図１Ａの光ファイバ線引装置における母材把持機構の一例を示す図である。 光ファイバ外径変動及びそのピーク周波数に関して、図１Ａの光ファイバ線引装置を用いて測定した結果を示す表である。

［本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。
（１）本発明による光ファイバ線引装置は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、上記線引炉の上方に配置され、上記光ファイバ母材のシード棒又は上記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って上記光ファイバ母材を上記線引炉に送り出す母材送り装置と、上記線引炉及び上記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置であって、上記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、上記線引タワーと上記光ファイバ母材との間に、時定数が１秒以下の振動緩和機構を有するものである。これにより、線引タワーの振動に起因する光ファイバの外径変動を充分抑制することが可能になる。

（２）上記（１）の光ファイバ線引装置において、上記振動緩和機構はオイルを用いた振動緩和機構であるようにしたものである。オイルを用いた振動緩和機構（つまりオイルダンパ）は一般的に安価であり、低コストで外径変動を抑制することができる。

（３）本発明による光ファイバ線引方法は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、上記線引炉の上方に配置され、上記光ファイバ母材のシード棒又は上記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って上記光ファイバ母材を上記線引炉に送り出す母材送り装置と、上記線引炉及び上記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置において光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法であって、上記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、上記線引タワーと上記光ファイバ母材との間に振動緩和機構を設け、上記振動緩和機構の時定数を１秒以下として線引きを行うものである。これにより、線引タワーの振動に起因する光ファイバの外径変動を充分抑制することが可能になる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光ファイバ線引装置（光ファイバ製造装置）及び光ファイバ線引方法（光ファイバ製造方法）の具体例を、図面を参照しながら説明する。
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る光ファイバ線引装置の一構成例を示す模式図で、図１Ｂは、図１Ａの光ファイバ線引装置における母材把持機構の一例を示す図である。

図１Ａで例示する本実施形態に係る光ファイバ線引装置１は、地面１０にほぼ鉛直方向に立設された線引タワー１１と、線引タワー１１の上部に設けられ光ファイバ母材２２をヒータ３２ａで加熱溶融する線引炉３２と、光ファイバ２３を冷却する冷却装置３５と、線引きされた光ファイバ２３の外径を測定する外径測定器３６と、光ファイバ２３の周囲に樹脂の被覆を施す被覆塗布装置３７及び紫外線照射装置３８と、被覆された光ファイバを引き取るキャプスタン３９と、その光ファイバを巻き取る巻き取りボビン（図示せず）とを備えている。

なお、線引タワー１１は、これを取り囲む建物等に連結されることなく、独立して基礎の上に建てられていることが望ましい。また、線引炉３２として、加熱源であるヒータ３２ａにより炉心管を加熱する抵抗炉を挙げて説明するが、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も適用可能である。

そして、この光ファイバ線引装置１は、光ファイバ母材（以下、ガラス母材或いは母材と言う）２２を線引炉３２に送る母材送り装置２０を備えている。母材送り装置２０は、線引炉３２の上方に配置され、ガラス母材２２のシード棒２１を把持し、線引きの進行に伴ってガラス母材２２を線引炉３２に送り出す（徐々に降下させる）装置であり、線引タワー１１に設置されている。

母材送り装置２０は、例えば、シード棒２１を把持する把持機構１４と、把持機構１４を取り付けて上下に昇降させる昇降台１３と、昇降台１３を上下に昇降させるための支柱１２と、支柱１２に対して昇降台１３を鉛直方向（上下方向）に移動させる駆動機構（図示せず）と、を備える。より具体的には、例えば図１Ｂで例示するように、昇降台１３に孔１３ａを設けておき、その孔１３ａに支柱１２を貫通させ、駆動機構により昇降台１３が支柱１２に対して上下に昇降できるようにしておけばよい。この駆動機構により、シード棒２１及びそれに接続されたガラス母材２２を昇降させることができ、ガラス母材２２を線引炉３２内に挿入することができるようになる。

なお、母材送り装置２０について、シード棒２１を把持することを前提に説明しているが、シード棒２１ではなく、ガラス母材２２（ガラス母材２２にあるシード棒２１）に接続されたダミー棒を把持するように構成することもできる。

図１Ａで例示する線引炉３２は、下部チャンバ３３を有している。但し、線引炉３２は、無論、図１Ａで図示するような構成に限ったものではない。
線引炉３２には供給機構（図示せず）によりＡｒやＮ₂、Ｈｅ等のガスが供給されている。これにより、線引炉３２の本体（ヒータ３２ａが存在する部分）から下部チャンバ３３の内部へと通じる炉内の雰囲気を一定に保つことができる。

また、線引炉３２内に供給されたガラス母材２２は、その先端部（下端側の母材加熱溶融領域）２２ａが加熱溶融され、下方に引き伸ばされて細径化し、ガラス体の光ファイバ２３が形成される。下部チャンバ３３は、その光ファイバ２３を大気から隔離するために設けられており、その下端に位置する出口にはシャッタを設けることが好ましい。

外径測定器３６は、線引炉３２の下方に設けられた例えばレーザ光式の測定器であり、線引炉３２を出た光ファイバ２３は、この外径測定器３６によりその外径が測定される。線引き時には、外径測定器３６により測定された外径値が所定の範囲内に収まるように、例えばキャプスタン３９の駆動がフィードバック制御され、光ファイバ２３の外径が制御される。

冷却装置３５は、外径測定器３６の下方に設けられており、長手方向にわたって光ファイバ２３が通される挿通孔が形成されている。この挿通孔には冷却ガスが送り込まれ、挿通孔に挿通された光ファイバ２３が冷却される。

被覆塗布装置３７は、冷却装置３５の下方に設けられ、光ファイバ２３に紫外線硬化型樹脂を塗布する装置である。紫外線照射装置３８は、例えば多灯のＵＶランプを有し、塗布された紫外線硬化型樹脂を硬化させるための装置である。また、紫外線照射装置３８の下方に外径測定器３６と同様の外径測定器（図示せず）を設けておき、被覆層が形成された光ファイバの外径を測定することが好ましい。ここで測定される光ファイバの外径が所定の値となるように、被覆塗布装置３７で紫外線硬化型樹脂が塗布される。

そして、本実施形態の主たる特徴として、線引きタワー１１と光ファイバ母材２２との間に、振動緩和機構となるダンパ（振動減衰装置、防振装置）を有する。このダンパの一例について図１Ｂを参照しながら説明する。

図１Ｂで例示するように、昇降台１３に取り付けられた把持機構１４には、その外縁部１４ａの内側にダンパ１４ｂ，１４ｃが設けられている。ダンパ１４ｂ，１４ｃは例えば４セット設けられており、４方向からシード棒２１を挟み込むことで、シード棒２１を把持している。なお、ダンパは把持機構１４に設けられることに限定されず、昇降台１３と把持機構１４との間、支柱１２と昇降台１３との間、線引きタワー１１と支柱１２の間のいずれかに設けられていてもよい。

把持機構１４にこのようなダンパ１４ｂ，１４ｃを設けることにより、地面（タワーベース）１０の振動Ｏ（ｔ）に起因する線引タワー１１の振動Ｐ（ｔ）がシード棒２１に伝わり、さらにガラス母材２２に増幅されて伝わることを阻害できる。その結果、光ファイバ２３の外径変動Ｄ（ｔ）が抑制されることになる。なお、図１Ａでは、シード棒２１の振動をＱ（ｔ）として表し、ガラス母材２２の先端部２２ａの振動をＲ（ｔ）として表している。

無論、ダンパの構造はこれに限ったものではなく、線引タワー１１から（つまり昇降台１３から）の振動Ｐ（ｔ）がシード棒２１に伝達することを抑制する構造であればよい。また、ダンパ１４ｂ，１４ｃはオイルダンパ（油圧ダンパ）であれば、一般的に安価であり、低コストで外径変動を抑制することができるため好ましいが、スプリングダンパなど他種のダンパであってもよい。

次に、図２を参照しながら、このようなダンパの性能について説明する。図２は、光ファイバ外径変動及びそのピーク周波数に関して、ダンパの有無、ダンパの時定数を変えて、図１Ａの光ファイバ線引装置１を用いて測定した結果を示す表である。

ダンパの性能は時定数τにより規定できる。この時定数τは下式の減衰項の係数τ_x，τ_yを指しており、τ秒後に１／ｅに減衰することを意味する。ここでは、水平面上の垂直な２方向に対して同じ減衰効果を得る必要があるため、τ_x＝τ_y（＝τ）としている。下式において、ｘ，ｙはそれぞれｘ，ｙ方向（ｘ方向とｙ方向とは垂直）の変位を指し、Ｆ_x，Ｆ_yはそれぞれ水平面上のｘ，ｙ方向の力を指し、ｔは時間を指す。また、ｋ_x，ｋ_yはそれぞれｘ，ｙ方向についての加速度にかける係数を指し、重さによって特徴づけられる値である。

Ｆ_x＝ｋ_x（∂²ｘ／∂ｔ²）−τ_x（∂ｘ／∂ｔ）
Ｆ_y＝ｋ_y（∂²ｙ／∂ｔ²）−τ_y（∂ｙ／∂ｔ）

光ファイバ母材としては、ガラス母材の太い部分の長さが１０００ｍｍでシード棒の外径が４０ｍｍのものを用いた。そして、ガラス母材の残長が８００ｍｍ、５５０ｍｍ、３００ｍｍの場合について、光ファイバ外径変動（以下、ガラス径変動と言う）とそのピーク周波数［Ｈｚ］を求めた。

比較例としての試験Ａでは、図１Ａの光ファイバ線引装置１においてダンパ無しの場合についてガラス径変動Ｄ（ｔ）の大きさ（変動幅）を測定した。その結果、全体で±０．３０μｍのガラス径変動Ｄ（ｔ）が存在することが分かった。

また、ガラス径変動Ｄ（ｔ）の結果に対してフーリエ変換により周波数解析してピーク周波数を求めた結果を、図２に示している。図２のように、線引きが進む（母材残長が８００ｍｍから５５０ｍｍ、３００ｍｍへと減少する）ほどピーク周波数が０．５４Ｈｚから０．５９Ｈｚ、０．６２Ｈｚへと上昇（単調漸増）していることが分かった。

次に、試験Ｂ〜Ｄとして、図１Ｂに示すようなダンパを組み入れ、ダンパの時定数を変化させて同様にガラス径変動の大きさを測定した。その結果、例えば、ダンパの時定数が１秒、０．５秒、０．２秒の場合、ガラス径変動はそれぞれ、±０．２７μｍ、±０．２５μｍ、±０．２０μｍとなった。

時定数が１秒を超えると、外径変動を抑制しきれず（ダンパ無しと同程度になる）、ダンパを設ける効果が少ない。一方、時定数が小さいほど、外径変動は小さくなるが、振動数が速い成分は、光ファイバ母材部で減衰してしまうため、時定数を小さくしすぎても、外径変動に対する効果は少なくなる。

このように、時定数が１秒以下のダンパを用いると、線引タワー振動に起因するガラス径変動を充分抑制でき、その結果、ガラス径変動の抑制された高品質の光ファイバを製造できる。換言すると、本実施形態に係る光ファイバ線引装置１において光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法は、線引タワー１１と光ファイバ母材２２との間にダンパを設け、そのダンパの時定数を１秒以下として線引きを行っており、これにより高品質の光ファイバを製造することができる。

また、上述した試験Ａ〜Ｄは、Ａｒを用いて線引きを行った場合の結果である。線引タワー振動に起因するよるガラス径変動は、線引きの速度が速くなるほど顕著に現れ、且つ炉内雰囲気として熱伝導性の高いＨｅを用いた線引きに比べてＡｒやＮ₂とＨｅとの混合気体を用いた線引きの方が顕著に現れ、ＡｒやＮ₂を用いた線引きの方がさらに顕著に現れることが分かった。これらは、ガラス母材２２の先端部２２ａ、つまり母材加熱溶融領域（ネックダウン領域、ドローダウン領域、ガラス粘性変形領域などとも呼ばれる）が大きくなり、その分外乱による影響を受け易くなるためである。従って、そのようなケースほど、ダンパを設置する効果が高くなると言える。

今回開示された実施の形態は全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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…光ファイバ線引装置、１０…地面、１１…線引タワー、１２…支柱、１３…昇降台、１３ａ…孔、１４…把持機構、１４ａ…外縁部、１４ｂ，１４ｃ…ダンパ、２０…母材送り装置、２１…シード棒、２２…光ファイバ母材（ガラス母材）、２２ａ…先端部、２３…光ファイバ、３２…線引炉、３２ａ…ヒータ、３３…下部チャンバ、３５…冷却装置、３６…外径測定器、３７…被覆塗布装置、３８…紫外線照射装置、３９…キャプスタン。

Claims (3)

1. 光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、前記線引炉の上方に配置され、前記光ファイバ母材のシード棒又は前記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って前記光ファイバ母材を前記線引炉に送り出す母材送り装置と、前記線引炉及び前記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置であって、
   前記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、
   前記線引タワーと前記光ファイバ母材との間に、時定数が１秒以下の振動緩和機構を有する、光ファイバ線引装置。
2. 前記振動緩和機構はオイルを用いた振動緩和機構である、請求項１に記載の光ファイバ線引装置。
3. 光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、前記線引炉の上方に配置され、前記光ファイバ母材のシード棒又は前記光ファイバ母材に接続されたダミー棒を把持し、線引きの進行に伴って前記光ファイバ母材を前記線引炉に送り出す母材送り装置と、前記線引炉及び前記母材送り装置を設置する線引タワーと、を備えた光ファイバ線引装置において光ファイバを線引きする光ファイバ線引方法であって、
   前記線引炉の炉内雰囲気として、Ａｒ、Ｎ ₂ 、またはＡｒ、Ｎ ₂ とＨｅとの混合気体、を用い、
   前記線引タワーと前記光ファイバ母材との間に振動緩和機構を設け、前記振動緩和機構の時定数を１秒以下として線引きを行う、光ファイバ線引方法。

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