JP6582946B2 - 光ファイバの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの製造方法および製造装置に関し、詳細には、光ファイバ用ガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却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。光ファイバは、線引炉で２０００℃程度に達し、樹脂塗布までの間に冷却装置で室温程度に冷却される。

光ファイバの生産性向上のために線引き速度が高速になると、冷却装置の冷却能力が不足する傾向になる。そこで、例えば、特許文献１には、冷却装置内の液体を振動させて冷却能力の向上を図る技術が開示されている。なお、特許文献２には、冷却後のコーティングの際に、ＵＶ放射と超音波を用いてコーティングの硬化を促進させる技術が開示され、特許文献３には、コーティングの際に、振動付与装置による振動を用いて偏波モード分散を小さくさせる技術が開示されている。また、特許文献４には、冷却管を振動させてファイバ屑を冷却管に付着させない技術が開示されている。

特開平６−１００３３６号公報 特開２００３−１８３０５５号公報 特開平１１−３０２０４２号公報 実開平４−１２３２２１号公報

しかしながら、上記特許文献１では、液体冷却に関するものであって、ガス冷却については開示されていない。なお、上記特許文献２，３のような、コーティング位置よりも下流で振動が付与された場合、振動はコーティングダイスで把持された箇所よりも上流には伝わりにくい。また、上記特許文献４のような冷却管の振動は、冷却ガスを介して光ファイバには伝わらない。

また、冷却能力の向上を図るために、小径の冷却管を用いて光ファイバと冷却管との距離を小さくすることも考えられるが、光ファイバが冷却管に接触しやすくなって、ガラスの強度低下や断線が増えることになる。あるいは、冷却管内の温度を例えば液体窒素の温度まで下げることも考えられるが、冷却管の開口付近に結露や霜が発生し、光ファイバが結露や霜に接触しやすくなるし、光ファイバを結露や霜に接触しないように取り扱うのも難しい。あるいは、冷却管内に冷却ガスの乱流を発生させることも考えられるが、ヘリウムガスでは乱流になりにくい。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、冷却ガスを用いて光ファイバを冷却する際に、熱伝達率の向上を達成できる光ファイバの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法および製造装置は、光ファイバ用ガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバの製造方法および製造装置であって、前記光ファイバ用ガラス母材を線引炉に向けて吊り下げる吊り支持装置を強制的に振動させることにより、前記冷却管内で、前記冷却ガス雰囲気を移動する前記光ファイバが強制的に振動する。

上記によれば、熱伝達率の向上を達成することができる。

本発明の一実施形態による光ファイバの製造装置の概略構成図である。 冷却装置の構成例を示す図である。 振動装置の一例を示す図である。 振動周波数と冷却能力（熱伝達率）との関係を説明するための図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本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）光ファイバ用ガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却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を線引炉に向けて吊り下げる吊り支持装置を強制的に振動させることにより、前記冷却管内で、前記冷却ガス雰囲気を移動する前記光ファイバが強制的に振動する。冷却管内の光ファイバが、自然振動ではなく、強制的に振動すれば、光ファイバ周囲の冷却ガスの定常流れが乱れるので、熱伝達率の向上を図ることができる。そして、線引炉よりも下流の設備をそのまま利用できる。

（２）前記光ファイバを振動させる振動周波数が１０Ｈｚを超える値に設定される。冷却管内で光ファイバが、１０Ｈｚを超える値で強制的に振動すれば、光ファイバ周囲の冷却ガスの定常流れを乱すことができる。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、（３）光ファイバ用ガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバの製造装置であって、前記冷却管内で、前記冷却ガス雰囲気を移動する前記光ファイバが強制的に振動する振動装置を有し、前記振動装置は、前記光ファイバ用ガラス母材を線引炉に向けて吊り下げる吊り支持装置を強制的に振動させる。冷却管内の光ファイバが、自然振動ではなく、強制的に振動すれば、光ファイバ周囲の冷却ガスの定常流れが乱れるので、熱伝達率の向上を図ることができる。そして、線引炉よりも下流の設備をそのまま利用できる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態に係る光ファイバの製造方法と製造装置の具体例を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光ファイバの製造装置の概略構成図である。当該製造装置は、線引炉１０、冷却装置２０、樹脂塗布装置４０、樹脂硬化装置５０、ガイドローラ６０、および巻き取り装置７０を備える。

光ファイバ１２は、ガラス母材１１を線引炉１０で加熱溶融し、線引炉１０の下方から線引きされている。線引きされた光ファイバ１２は、冷却装置２０で後述のように強制的に冷却された後、樹脂塗布装置４０で紫外線硬化樹脂が塗布され、樹脂硬化装置５０でこの樹脂が硬化される。続いて、樹脂塗布後の光ファイバ１３は、ガイドローラ６０を経て巻き取り装置７０によって巻き取られる。

図２は、冷却装置の構成例を示す図である。冷却装置は、線引き方向に沿って細長く形成された冷却管２１を有する。冷却管２１は、例えばφ１０ｍｍ、長さＬ（例えば１ｍ）の円筒状に形成されており、外壁面が例えば水冷可能に構成されている。

また、冷却管２１には、冷却ガス（例えばヘリウムガス）を供給する冷却ガス供給路２４が形成され、冷却ガスが導入開口２２から冷却管２１内に供給されている。
これにより、図１に示した線引き直後の光ファイバ１２は、導入開口２２から導入され、下方に移動する。冷却ガス供給路２４からの冷却ガスは冷却管２１内を下向きに流れて光ファイバ１２に接触して冷却する。そして、冷却された光ファイバ１２は冷却ガスと共に導出開口２３から導出される。

ここで、冷却ガス雰囲気を移動する光ファイバは、熱伝達率を向上させるために、冷却管２１内で強制的に振動している。
例えば、図３（Ａ）に示すように、振動装置（例えば超音波振動子など）８０が樹脂塗布装置４０に設置されており、樹脂塗布装置４０を高周波数で強制的に振動させる。これにより、冷却管の構造を改良することなく、冷却管内で光ファイバの強制振動が可能になる。

あるいは、図３（Ｂ）に示すように、ガラス母材１１は、小径のシード棒１４の端部分にガラス微粒子を堆積させてガラス化したものであり、シード棒１４は、例えば連結部１５を介して、ガラスロッドからなるダミー棒１６（支持棒ともいう）に連結されている。ダミー棒１６の上端は例えば吊り支持装置１７で把持され、振動装置８０が吊り支持装置１７に設置されており、吊り支持装置１７を高周波数で強制的に振動させる。この場合にも、冷却管の構造を改良することなく、冷却管内で光ファイバの強制振動が可能になる。

なお、冷却管内の光ファイバを、音波（音圧）を利用して非接触状態で振動させてもよい。この場合にも、図３で説明した例と同様に、冷却管の構造を改良することなく冷却管内で光ファイバの強制振動が可能になるので、従来に比べてガラスの強度低下や断線を防止できる。

線引きされた光ファイバ内の温度が一様（つまり、光ファイバの熱伝導率が無限大）と擬制できる場合、光ファイバ全体に対するエネルギーバランスを考えることができる。詳しくは、まず、体積Ｖの光ファイバにΔＴの温度変化が生ずるために必要なエネルギーは、光ファイバの密度ρ、定圧比熱Ｃｐとすると、ρＣｐＶΔＴである。

一方、外部から光ファイバに加わるエネルギーは、光ファイバの伝熱面積Ｓ、熱流束ｑ、経過時間Δｔとすると、ｑＳΔｔである。この経過時間は、図２で説明した冷却管２１の長さに置き換え可能なので、外部から光ファイバに加わるエネルギーは、線速Ｖｚを用いてｑＳΔｚ／Ｖｚである。このエネルギーが熱伝達による場合、熱伝達率ｈ、光ファイバと冷却管の壁との温度差Ｔ−Ｔ_Wallとすると、ｑ＝−ｈ（Ｔ−Ｔ_Wall）である。

そして、体積Ｖの光ファイバにΔＴの温度変化が生ずるために必要なエネルギーと、外部から光ファイバに加わるエネルギーとは等しくなるため、ρＣｐＶΔＴ＝−ｈＳ（Ｔ−Ｔ_Wall）Δｚ／Ｖｚとなる。ρＣｐＶ・Ｖｚ／ＳをＡと置くと、数１のような基本式で示される。

この数１を解けば数２のように示される。図２で説明した導入開口２２直前の光ファイバの温度Ｔ₀とすると、数２のＴ^*はＴ₀−Ｔ_Wallであるので、数３のように示すことができる。

よって、数３に示すように、光ファイバの温度は、指数関数的に冷却管の壁の温度に近づき、その速さはｈ／Ａの大きさで決まる。そこで、ｈ／ＡをＣと置き、この熱伝達率ｈに比例するＣを評価した。
詳しくは、図２で説明した冷却管２１の導入開口２２と導出開口２３における光ファイバの温度を測定した。線速１０００ｍ／分以上、境界条件はＴ₀＝４７７℃程度、Ｔ_Wall＝２７℃程度（つまりＴ^*＝４５０℃程度）である。

まず、冷却管内で光ファイバを強制的に振動させない（例えば１０Ｈｚ未満の自然振動を含む）場合には、導出開口２３における光ファイバの温度は３３４℃程度であり、Ｃは０．３８２４であった。
一方、図４に示すような、振動周波数を横軸、冷却能力（熱伝達率で示す）を縦軸とする直交座標軸を想定すると、振動周波数の上昇に伴って熱伝達率が上がることが分かる。そして、冷却管内で光ファイバが、振動周波数は低いが振幅の大きな正弦波で強制的に振動すると、熱伝達率が向上した。具体的には、光ファイバを振動周波数３０Ｈｚ、振動振幅３７５μｍで振動させた場合、導出開口２３における光ファイバの温度は３１１℃程度であり、Ｃは０．４５８９であった。よって、この場合のＣは、上記強制的に振動させない場合の熱伝達率の１．２倍になることが分かった。

あるいは、振幅は小さいが振動周波数を高くしてもよい。具体的には、光ファイバを振動周波数４００Ｈｚ、振動振幅１２５μｍで振動させた場合、導出開口２３における光ファイバの温度は３０４℃程度であり、Ｃは０．４８５２であった。よって、この場合のＣは、光ファイバを強制的に振動させない場合の熱伝達率の１．２７倍になり、冷却能力をさらに高めることが分かった。

このように、冷却管内で光ファイバを、自然振動（１０Ｈｚ未満）ではなく、強制的に振動させれば、光ファイバ周囲の冷却ガスの定常流れが乱れるので、熱伝達率の向上を図ることができる。例えば、１５Ｈｚ、２０Ｈｚと振動数を増加させるほど、より大きな効果が得られる。なお、上記のような３０Ｈｚ超の周波数で振動させても、光ファイバの外径変動にはほとんど影響しないことが分かっている。
なお、光ファイバを振動周波数４０Ｈｚ、振動振幅１２５μｍで振動させた場合、導出開口２３における光ファイバの温度は３２６℃程度、Ｃは０．４０８８であり、光ファイバを強制的に振動させない場合の熱伝達率の１．０７倍になった。また、光ファイバを振動周波数４０Ｈｚ、振動振幅２５０μｍで振動させた場合、導出開口２３における光ファイバの温度は３１４℃程度、Ｃは０．４４９８であり、光ファイバを強制的に振動させない場合の熱伝達率の１．１８倍になった。

振動周波数を横軸、振動振幅を縦軸とする直交座標軸を想定すると、直交座標軸では、上述した点（３０Ｈｚ，３７５μｍ）、上述した点（４００Ｈｚ，１２５μｍ）をプロットでき、これら二点を結ぶと、右下がりの直線が形成される。そして、振動周波数および振動振幅を他の値についても試したところ、振動周波数および振動振幅を、この直線より右上で、振動周波数が３０Ｈｚ以上であって振動振幅が１２５μｍ以上である領域内の値に設定すれば、熱伝達率を向上できることが分かった。したがって、振動周波数および振動振幅をこの直線よりも正方向の領域に設定すれば、熱伝達率の向上をより容易に達成できる。

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…光ファイバ用線引炉、１１…光ファイバ用ガラス母材、１２…線引き直後の光ファイバ、１３…樹脂塗布後の光ファイバ、１４…シード棒、１５…連結部、１６…ダミー棒、１７…吊り支持装置、２０…冷却装置、２１…冷却管、２２…導入開口、２３…導出開口、２４…冷却ガス供給路、４０…樹脂塗布装置、５０…樹脂硬化装置、６０…ガイドローラ、７０…巻き取り装置、８０…振動装置。

Claims (3)

1. 光ファイバ用ガラス母材から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却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を線引炉に向けて吊り下げる吊り支持装置を強制的に振動させることにより、前記冷却管内で、前記冷却ガス雰囲気を移動する前記光ファイバが強制的に振動する、光ファイバの製造方法。
2. 前記光ファイバを振動させる振動周波数が１０Ｈｚを超える値に設定される、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から線引きされた光ファイバを冷却管内で冷却ガスにより強制的に冷却する光ファイバの製造装置であって、
   前記冷却管内で、前記冷却ガス雰囲気を移動する前記光ファイバが強制的に振動する振動装置を有し、
   前記振動装置は、前記光ファイバ用ガラス母材を線引炉に向けて吊り下げる吊り支持装置を強制的に振動させる、光ファイバの製造装置。

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