JP6665695B2 - 光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法に関し、詳細には、光ファイバ用線引炉の上端開口部と上端開口部から挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造、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）の上端開口部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。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、線引炉の上端開口部とガラス母材との隙間でうまく気密が取れていないと（シールされていないと）、外気を線引炉内に巻き込んで線引炉の寿命に影響を与える。例えば、特許文献１には、線引炉の上端開口部とガラス母材との隙間を塞ぐためのシール構造の技術が開示されている。

特開２０１２−１０６９１５号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、ガラス母材の側面に当接するブレード部材（封止要素）が筐体（チャンバ）に収容されているが、通常、線引炉内の部材としてカーボンが多く使用されており、酸素が線引炉内に混入するとこれら部材が酸化劣化する。このため、筐体内に供給したガスの全部または一部が線引炉内へ漏れ出ることを考慮し、筐体内を線引炉内と同じ不活性ガス雰囲気としている。しかしながら、筐体内を不活性ガス雰囲気にし、ブレード部材やガイド部材に、カーボンや石英、金属を使用すると、高温下ではブレード部材の接触面の摩擦係数が増加し、ブレード部材の摺動性が低下する場合があることが判明した。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、摩擦係数の増加を抑えてブレード部材の摺動性を良好に維持する光ファイバ用線引炉のシール構造、光ファイバの製造方法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用線引炉のシール構造は、光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するブレード部材と、該ブレード部材を収容すると共に、該ブレード部材を摺動自在に支持するガイド部材を収容した筐体とを備え、該筐体内における前記ブレード部材と前記ガイド部材との摺動面の少なくとも一部または全部が、少なくとも水分あるいは酸素を０．１％以上含む雰囲気の空間にある。

上記によれば、摩擦係数の増加を抑えてガイド部材に対するブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。

本発明の一実施形態による光ファイバ用線引炉の概略を説明する図である。 シール構造の一例を示す図である。 図２のブレード部材およびガイド部材を説明する図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 シール構造の円筒スリットバネの一例を示す図である。 ブレード部材の他の例を示す図である。

［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用線引炉のシール構造は、（１）光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するブレード部材と、該ブレード部材を収容すると共に、該ブレード部材を摺動自在に支持するガイド部材を収容した筐体とを備え、該筐体内における前記ブレード部材と前記ガイド部材との摺動面の少なくとも一部または全部が、少なくとも水分あるいは酸素を０．１％以上含む雰囲気の空間にある。筐体内を、水分を含む雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気にすることにより、摩擦係数の増加を抑えてガイド部材に対するブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。

（２）前記水分あるいは酸素を含む雰囲気が大気雰囲気である。筐体内を大気雰囲気（酸素が２１％、湿度０．１〜８０％程度の空気からなる雰囲気）にすれば、水分を含む雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気の空間を容易に形成可能になる。
（３）前記光ファイバ用線引炉内の圧力が、前記筐体内の圧力よりも高い。線引炉内を筐体内よりも陽圧にし、筐体内の水分や酸素が線引炉内に入り込むのを防止できる。

（４）前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方がカーボンで形成されている。筐体内を、水分を含む雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気にすることにより、いずれかの部材にカーボンが用いられたとしても、高温下でカーボンの自己潤滑性が失われないので、摩擦係数の増加を抑制できる。
（５）前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方が金属で形成されている。筐体内を、水分を含む雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気にすることにより、いずれかの部材に金属が用いられたとしても、表面の酸化膜を維持できるため、摩擦係数の増加を抑制できる。
（６）前記金属として、ステンレス、二硫化モリブデン、フッ素コート金属、金メッキ金属、窒化クロムコート金属、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コート金属の何れかを含むとよい。
（７）前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方が石英ガラスで形成されている。筐体内を、水分を含む雰囲気あるいは酸素を含む雰囲気にすることにより、いずれかの部材に石英ガラスが用いられたとしても、石英ガラス表面を清浄な状態にしないことで、摩擦係数の増加を抑制できる。

（８）前記ブレード部材は、複数の材質からなる。ブレード部材を複数の材質から構成し、ガラス母材に当接する前方部の材料と、ガイド部材に対して摺動する後方部の材料とを変えることにより、前方部をガラスに接触しても問題ない材料（カーボン、石英ガラス）とし、後方部をその他の材料（金属など）にすることができる。
（９）前記ガイド部材は水冷される。水冷することで、ガイド部材に使用するカーボンや金属が、熱により劣化するのを抑制することができる。

（１０）本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、上記いずれかの光ファイバ用線引炉のシール構造を用いて光ファイバを線引きする。上述のシール構造を用いているため、線引き中の気密能力を維持することができる。また、ガラス母材の挿入時や取出し時におけるガラス母材やシール構造の破損も防止できる。

［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用線引炉のシール構造、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、ガラス母材の吊り下げ機構や、断熱材の構成なども、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用線引炉の概略を説明する図である。線引炉１は、炉筐体２と、炉心管３と、加熱源（ヒータ）４と、シール構造１０とを備えている。炉筐体２は、上端開口部２ａと下端開口部２ｂを有し、例えば、ステンレス鋼製で形成されている。炉心管３は、炉筐体２の中央部に円筒状で形成され、上端開口部２ａと連通している。炉心管３はカーボン製であり、この炉心管３内には、ガラス母材５が上端開口部２ａからシール構造１０でシールされた状態で挿入される。

炉筐体２内には、ヒータ４が炉心管３を囲むように配置され、断熱材７がヒータ４の外側を覆うように収納されている。ヒータ４は、炉心管３の内部に挿入されたガラス母材５を加熱溶融し、その下端部５ａから溶融縮径された光ファイバ５ｂを垂下させる。ガラス母材５は、別途設けた移動機構により線引方向（下側方向）に移動可能であり、ガラス母材５の上側には、ガラス母材５を吊り下げて支持するための支持棒６が連結されている。また、線引炉１には不活性ガス等による炉内ガスの供給機構（図示省略）が設けられ、炉心管３内やヒータ４の周りに、酸化や劣化防止のための不活性ガス等を供給可能である。

なお、図１では、炉心管３の内壁の上端部がそのまま上端開口部２ａを形成している例を挙げているが、これに限ったものではない。例えば、炉心管３の内径ｄよりさらに狭い上端開口部となる上蓋を炉心管３の上側に設けてもよく、この場合にシール対象となる隙間は、この狭い上端開口部とガラス母材５との間に生じる隙間となる。また、ガラス母材５の断面形状は、基本的に真円を目指して生成されたものとするが、その精度を問わず一部で非円が存在してもよく、また楕円形などであってもよい。また、上端開口部２ａの断面は円形としておけばよいが、この精度は問わない。

本発明の一実施形態は、線引炉１の上端開口部２ａと上端開口部２ａから挿入されたガラス母材５の外周との間の隙間Ｓを塞ぐためのシール構造１０を対象とするものであり、特に、上端開口部２ａに設けたシール構造１０によって炉外の外気を巻き込まないようにしながら、線引炉内のガラス母材５をヒータ４により加熱している。

以下、図２〜図５を参照してシール構造の一例を説明する。図２はシール構造の一例を示す図、図３は図２のブレード部材およびガイド部材を説明する図、図４は図２の筐体内におけるＡ−Ａ矢視断面図であり、図５は、シール構造の円筒スリットバネの一例を示す図である。
シール構造１０は、耐熱性を持った複数のブレード部材１４，１５と、これらブレード部材１４，１５や、ブレード部材１４，１５を直線的にスライド移動させるためのガイド部材１６，１７を収容する筐体１１とを備えている。なお、筐体の一部がガイド部材となるように、筐体とガイド部材とを一体成型した構成としてもよい。

図２に示すように、筐体１１は、同心の貫通孔を有した円盤状の部材であり、図２を拡大した図３（Ａ）に示すように、ブレード部材１５を挿通させるための開口１１ｂや、図３（Ａ）よりも奥の断面図である図３（Ｂ）に示すように、ブレード部材１４を挿通させるための開口１１ａが、筐体１１の内周面上に、例えば互い違いに設けられている。なお、筐体１１は、例えばステンレス鋼製で形成され、ブレード部材１４，１５を例えば４００℃以下（カーボン製のブレード部材の場合には３００℃以下にすることが好ましい）となるように冷却する機構（例えば水冷方式）を有することもでき、これにより、後述するガイド部材を冷却することができる。

ブレード部材１４，１５は、筐体１１の中心軸に対して、それぞれ放射状に延びて筐体１１内に設置され、ブレード部材１４は筐体１１の内周面に沿って等間隔で複数設けられ、ブレード部材１５も筐体１１の内周面に沿って等間隔で複数設けられている。ブレード部材１４，１５は、例えば、移動方向に垂直な面での断面形状が略長方形となる略直方体形状であり、上下２段で互い違いに配されている。

また、図３に示すように、ブレード部材１４，１５は、筐体１１から突出してガラス母材の周方向側面に当接可能な先端部１４ａ，１５ａ、図４にも示すように、筐体１１内でガイド部材１６，１７に接触して摺動する外周面部１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ、ブレード部材を押圧する、例えば後述するような円筒スリットバネ１８に当接する後端部１４ｆ，１５ｆで構成されている。なお、外周面部１４ｂ〜１４ｅ，１５ｂ〜１５ｅが本発明の摺動面に相当する。
先端部１４ａ，１５ａは、ガラス母材の側面に当接した際に、ガラス母材との隙間を可能な限り小さくする必要がある。このため、先端部１４ａ，１５ａの先端は、ガラス母材の半径として想定される最大値（使用されるガラス母材の最大径）に合うような曲率を持つ円弧形状にしておくことが好ましい。

先端部１４ａ，１５ａがガラス母材の側面に当接した際に、先端部１４ａと先端部１５ａとの間は、上下方向に隙間が生じないようにし、さらに、隣接する先端部１４ａで生じる隙間を先端部１５ａで埋めて、隣接する先端部１５ａで生じる隙間を先端部１４ａで埋めている。これにより、図１の隙間Ｓを塞ぎ、外気を炉内に巻き込まないようにシールすることができる。

ブレード部材１４，１５の材料はカーボンであることが好ましい。カーボンは、耐熱性に優れるだけでなく、やわらかい素材であるためガラス母材を傷付ける心配もない。特に、本例のブレード部材１４，１５には、ショア硬度１００以下の軟質のカーボンを採用することが好ましい。また、カーボンは、プレス成型や削り出しなどにより容易に成型することができる点でも好ましい。

また、ブレード部材１４，１５の材料としては、カーボンの他に、例えば、石英ガラス、ＳｉＣコートカーボンなどを採用することもできる。他の硬質の材料を用いた場合でも、例えば、先端部分のみだけでも軟質のカーボンを使用することで、ガラス母材を傷付けないようにすることは可能である。
なお、上述したブレード部材１４，１５の幅や枚数は、使用するガラス母材の外径や外径変動量や曲がり量などに応じて、適宜選べばよい。

ガイド部材１６，１７は、図３，４に示すように、ブレード部材１４，１５の外周面部１４ｂ〜１４ｅ，１５ｂ〜１５ｅを挿通させる筒状に形成され、例えば筐体１１の底面、上面に設置されている。詳しくは、ガイド部材１６，１７は、ブレード部材１４の外周面部１４ｂ〜１４ｅの周囲に位置する摺動面１６ｃ〜１６ｅ，１７ｄを有し、この摺動面１６ｃ〜１６ｅ，１７ｄがブレード部材１４の外周面部１４ｂ〜１４ｅに四方から当接可能に構成されている。また、摺動面１７ｄよりも低い位置で、ブレード部材１５の外周面部１５ｂ〜１５ｅの周囲に位置する摺動面１６ｂ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｅを有し、この摺動面１６ｂ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｅがブレード部材１５の外周面部１５ｂ〜１５ｅに四方から当接可能に構成されている。なお、ガイド部材１６，１７の摺動面１６ｂ〜１６ｅ，１７ｂ〜１７ｅも本発明の摺動面に相当する。

ガイド部材１６，１７の材料もカーボンであることが好ましいが、窒化ボロン（ＢＮ）や、金属の場合にはステンレス、二硫化モリブテン（ＭｏＳ₂）などの金属を採用することもできる。あるいは、酸化膜を有した金属、フッ素コートや金メッキ、窒化クロムコート、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コートなどの各種コーティングを施した金属、若しくは石英ガラスなどを採用してもよい。

次に、ブレード部材を押圧する機構の一例である円筒スリットバネ１８は、ブレード部材１４，１５の後端部１４ｃ，１５ｃに当接するように設置されており、図５に示すように、上方向からのスリット１８ａと下方向からのスリット１８ｂとが互い違いに形成されている。なお、円筒スリットバネ１８の材料は、耐熱性の材料、例えば、カーボン、セラミックス、カーボン−セラミックス複合材、金属材のいずれかで形成されていることが望ましく、２００℃以上の耐熱性を持つことが好ましい。

円筒スリットバネ１８による円筒径方向への収縮力により、複数のブレード部材１４，１５の先端をガラス母材の側面に当接させる。これにより、線引きの進行によりガラス母材５が図２に矢印で示すように下降し、ガラス母材５の外径が、例えば、φ１からφ２（＞φ１）まで増加しても、円筒スリットバネ１８は、周方向に均一にブレード部材１４，１５を締め付けた状態で外側に延びる。逆にガラス母材５の外径が減少した場合、円筒スリットバネ１８は、周方向に均一にブレード部材１４，１５を締め付けた状態で内側に縮むことができる。なお、円筒スリットバネ１８はブレード部材を押圧する機構の一例であり、スリットバネ以外でも、ガスの給排気でブレード部材を押し引きしたり、コイルバネやエアシリンダを用いたりしてもよい。

ところで、図２に示した筐体１１には、その内部の大気溜り１２と筐体１１の外部とを接続し、外部から空気を導入する給排ポート１３が設けられており、この筐体１１内におけるブレード部材１４，１５とガイド部材１６，１７との摺動面は、少なくとも水分あるいは酸素を０．１％以上含む雰囲気の空間に配置されている。
カーボンのブレード部材とガイド部材を使用した場合、水分や酸素が無い高温の不活性ガス雰囲気ではカーボン同士の結合が強固になってしまうため、摺動性が悪化し、その後、室温に下がっても摺動性は悪化した状態が維持される。しかし、筐体内を、水分を含む雰囲気（乾燥していない雰囲気）や酸素を含む雰囲気にすれば、カーボン同士の結合が強固にならず、ガイド部材に対するブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。すなわち、水分や酸素を含む雰囲気にすれば、カーボンの自己潤滑性が失われないので、摩擦係数の増加を抑制できる。
なお、水分や酸素が無い高温の不活性ガス雰囲気となる箇所では、部材同士を接触させないことが好ましく、例えば線引炉内の雰囲気に近い、筐体１１とブレード部材１４，１５との間には若干の隙間を空け、接触しないようにしておくことが好ましい。

また、例えば、酸化膜を有した金属をガイド部材に用いた場合、不活性ガス雰囲気では酸化膜が除去されるため、摺動性が悪化するが、筐体内に外気（酸素）を供給して、筐体内を、酸素を含む雰囲気にすれば、摩擦係数の増加を抑制できるので、ブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。
また、例えば、石英ガラスのブレード部材とガイド部材を使用した場合、筐体内を、水分を含む雰囲気（乾燥していない雰囲気）にすれば、清浄化によって洗浄研磨された乾燥状態で大きくなる摩擦が生じないので、ブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。
ブレード部材にカーボンを用い、ガイド部材にカーボン以外の材料を用いた場合など、それぞれの部材として上記した材料を組み合わせた場合も、同様に、筐体内を水分あるいは酸素を含む雰囲気にすれば、摺動面において摩擦係数の増加が生じにくくなり、ブレード部材の摺動性を良好に維持することができる。

そして、摩擦係数の増加を抑制したシール構造を用いた光ファイバの製造方法によれば、線引き中の気密能力を維持することができる。また、ガラス母材の挿入時や取出し時には、ブレード部材の摺動性を良好に維持できるため、ガラス母材が引っ掛かることなく、ガラス母材やシール構造の破損も防止できる。
なお、線引中における線引炉内の圧力は、筐体内の圧力よりも大きくすることが好ましい。線引炉内を陽圧にし、筐体内の水分や酸素が線引炉内に入り込むのを防止するためである。また、大気溜り１２には例えば湿度センサあるいは酸素センサなどを設け、コントローラ（図示省略）からの指示に応じて給排ポート１３から大気溜り１２に外気を供給してもよい。

また、例えばガスの給排気でブレード部材を押し引きする場合、ブレード部材とガイド部材との摺動面を少なくとも水分あるいは酸素を含む雰囲気の空間に置きつつ、給排ポートから筐体内のガスを供給（筐体内にガス溜りを形成）してブレード部材をガラス母材の側面に当接させる一方、給排ポートから筐体内のガスを排出してブレード部材をガラス母材の側面から離すことも可能である。

図６は、ブレード部材の他の例を示す図である。ブレード部材１４の例を挙げて説明すると、ブレード部材１４は、ガラス母材に当接する前方部１４ｇの材料と、ガイド部材に対して摺動する後方部１４ｈの材料とを変更した、複合材料で構成してもよい。なお、この場合、後方部１４ｈの側面が本発明の摺動面に相当する。
具体的には、前方部１４ｇの材料には、上述したカーボン、石英ガラス、ＳｉＣコートカーボンなどを採用するのに対し、後方部１４ｈの材料としては、上述したカーボンの他に、窒化ボロン（ＢＮ）、金属の場合にはステンレスや二硫化モリブテン（ＭｏＳ₂）など、前方部１４ｇとは異なる材料を採用することもできる。あるいは、酸化膜を有した金属、フッ素コートや金メッキ、窒化クロムコート、ＤＬＣコートなどの各種コーティングを施した金属、若しくは石英ガラスなどを採用してもよい。このような構成にすることで、母材と接触する材質をカーボンや石英などのガラス母材に接触しても問題ない（強度劣化や断線が生じない）材質を選定し、摺動面については、色々な材質の中から、より摩擦が生じにくい材質を選定することができる。

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。

１…光ファイバ用線引炉、２…炉筐体、２ａ…上端開口部、２ｂ…下端開口部、３…炉心管、４…ヒータ、５…光ファイバ用ガラス母材、５ａ…下端部、５ｂ…光ファイバ、６…支持棒、７…断熱材、１０…シール構造、１１…筐体、１１ａ，１１ｂ…開口、１２…大気溜り、１３…給排ポート、１４，１５…ブレード部材、１４ａ，１５ａ…先端部、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ…外周面部、１４ｆ，１５ｆ…後端部、１４ｇ…前方部、１４ｈ…後方部、１６，１７…ガイド部材、１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ…摺動面、１８…円筒スリットバネ、１８ａ，１８ｂ…スリット。

Claims (10)

1. 光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から挿入される光ファイバ用ガラス母材との間の隙間を塞ぐための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、
   前記光ファイバ用ガラス母材の周方向側面に当接するブレード部材と、該ブレード部材を収容すると共に、該ブレード部材を摺動自在に支持するガイド部材を収容した筐体とを備え、
   該筐体内における前記ブレード部材と前記ガイド部材との摺動面の少なくとも一部または全部が、少なくとも水分あるいは酸素を０．１％以上含む雰囲気の空間にある、光ファイバ用線引炉のシール構造。
2. 前記水分あるいは酸素を含む雰囲気が大気雰囲気である、請求項１に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
3. 前記光ファイバ用線引炉内の圧力が、前記筐体内の圧力よりも高い、請求項１または２に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
4. 前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方がカーボンで形成されている、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のシール構造。
5. 前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方が金属で形成されている、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のシール構造。
6. 前記金属は、ステンレス、二硫化モリブデン、フッ素コート金属、金メッキ金属、窒化クロムコート金属、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コート金属の何れかを含む、請求項５に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
7. 前記ブレード部材あるいは前記ガイド部材の少なくとも一方が石英ガラスで形成されている、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のシール構造。
8. 前記ブレード部材は、複数の材質からなる、請求項４〜７のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
9. 前記ガイド部材は水冷される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造を用いて光ファイバを線引きする、光ファイバの製造方法。
    

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