KR20060097058A - 광 파이버 모재의 연신 방법 및 연신 장치 - Google Patents

광 파이버 모재의 연신 방법 및 연신 장치 Download PDF

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KR20060097058A
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Abstract

광 파이버 모재의 길이 방향의 양쪽 끝을 한 쌍의 파지구로 파지하고, 그 한 쌍의 파지구의 한쪽 또는 양쪽을 상기 길이 방향으로 평행한 제1방향으로 이동시킴으로써 광 파이버 모재를 잡아당기면서 가열 장치를 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 광 파이버 모재에 대하여 상대적으로 이동시키는 것을 포함하는 광 파이버 모재의 연신 방법 및 장치로서, 상기 상대적인 이동 속도 Vb(x)를 식 (1)에 따라 변화시키면서 상기 광 파이버 모재의 연신을 실시하는 연신 방법 및 장치이다：
Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
Figure 112006047582039-PCT00023
Vb(x)
Figure 112006047582039-PCT00024
Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경, 및 Vb(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 각각 나타낸다.

Description

광 파이버 모재의 연신 방법 및 연신 장치{METHOD OF STRETCHING OPTICAL FIBER BASE MATERIAL AND STRETCHING DEVICE}
본 발명은, 광 파이버 모재(母材)를 가열 연화시키면서 소망의 외경(外徑)이 되도록 연신하는 광 파이버 모재의 연신 방법 및 그 방법의 실시에 사용되는 연신 장치에 관한 것이다.
광 파이버는, 광 파이버 모재(preform)를 드로오잉(drawing) 가공함으로써 제조된다. 이 모재는, 외경의 길이 방향으로의 변화가 비교적 큰 광 파이버 모재(출발 모재)를 가열 수단에 의해 가열 연화시키면서, 소망의 외경이 되도록 잡아 늘이는 연신 가공에 의해 얻어진다. 가열 수단으로서는, 산소, 수소, 메탄 등을 연료 가스로 한 가열 버너 화염이나, 저항 가열 히터 등을 사용한 전기로 등이 사용되고 있다.
근년, 광 파이버의 생산성을 향상시키기 위해서 대형의 출발 모재를 사용하도록 되어가고 있다. 그러나 외경이 100mm를 초과하는 출발 모재의 경우, 발열량이 큰 가열 수단이 필요한데, 가열 수단으로서 가열 버너를 사용하는 것은 곤란하다. 따라서, 통상적으로 저항 가열 히터 등을 가진 전기로가 사용된다.
그러나 히트 존(heat zone)이 큰 전기로를 사용한 연신 가공에 의해 얻어지 는 광 파이버 모재, 즉 preform의 치수 정밀도는 가열 버너를 사용한 연신 가공에 의해 얻어지는 것과 비교하면 뒤떨어진다.
따라서 가열 수단으로서 전기로를 사용해서 연신 가공한 광 파이버 모재는 길이 방향에서의 외경(outer diameter) 치수의 변동이 커지기 때문에, 최종의 드로오잉 가공에 지장이 없도록 하기 위해서, 통상적으로는, 전기로를 사용한 연신 가공 후에, 소형의 가열 수단, 예를 들면, 소형 가열 버너(연료 가스: 산소, 수소, 메탄 등) 혹은 소형 전기로를 사용하여 마무리 연신 가공이 실시되고 있다.
외경이 큰 출발 모재를 연신해서 제조된 것으로서 길이 방향에 외경 치수의 변동이 있는, 예를 들면, 전기로 연신 모재를 다음 공정에서 마무리 연신 가공할 경우, 종래의 연신 방법에서는, 광 파이버 모재는 단위 시간당의 공급 열량을 일정하게 하여, 모재의 길이 방향으로 일정한 속도로 이동하는 가열 수단에 의해 가열된다. 그러나 이러한 종래의 마무리 연신 가공에서는, 외경이 큰 부분에서 모재의 가열이 불충분하게 되고, 모재가 충분히 연화하지 않아 모재가 파괴되는 경우가 있었다. 또한 모재의 외경 치수의 변동이 크면, 모재의 가장 큰 지름부분에서 인장력이 극단적으로 커질 경우가 있어, 연신 설비가 파손되는 경우도 있었다. 더욱이 외경이 작은 부분은 필요 이상으로 가열되어, 외경 제어에 악영향을 미치는 경우가 있었다.
이러한 이유로 해서, 종래에는, 외경 변동이 큰 광 파이버 모재는 마무리 연신 가공 처리함이 없이 불량품으로서 배제되고 있으므로, 이것이 생산성을 저하시키는 요인이 되어 있었다.
본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위해서 된 것인데, 광 파이버 모재를 연신했을 때, 그 지름 치수의 길이 방향의 변동을 적게 함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 광 파이버 모재의 연신 방법 및 그 방법의 실시에 사용하는 연신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 종래의 방법으로 처리했을 경우, 길이 방향의 외경 치수의 변동이 커지는 경향이 있는 전기로 연신 광 파이버 모재이더라도 마무리 연신 가공을 할 수 있는 광 파이버 모재의 연신 방법 및 그 방법의 실시에 사용하는 연신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 방법은, 광 파이버 모재의 길이 방향의 양쪽 끝을 한 쌍의 파지구(把持具; gripping device)로 파지하고, 이 한 쌍의 파지구의 한쪽 또는 양쪽을 상기 길이 방향으로 평행한 제1방향으로 이동시킴으로써 광 파이버 모재를 잡아당기면서 가열 장치를 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 광 파이버 모재에 대하여 상대적으로 이동시키는 것을 포함하는 광 파이버 모재의 연신 방법으로서, 상기 상대적인 이동 속도 Vb(x)를 식 (1)에 따라 변화시키면서 상기 광 파이버 모재를 연신하는 연신 방법이다:
Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
Figure 112006047582039-PCT00001
Vb(x)
Figure 112006047582039-PCT00002
Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경, 및 Vb(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 각각 나타낸다.
상기 광 파이버 모재의 연신 방법의 바람직한 실시형태는 아래의 (A) 내지 (H)와 같은데, 경우에 따라 이들 중에서 적당히 두가지 이상을 조합하는 것도 가능하다.
(A) 연신에 앞서, 광 파이버 모재의 외경을 그 길이 방향에 걸쳐 측정하고, 상기 측정 결과에 기초하여, 상기 파이버 모재에 대한 가열 장치의 상대 이동 속도를 변화시키면서 상기 모재의 연신을 실시하는 상기한 연신 방법.
(B) 광 파이버 모재의 인장 속도를 아래의 식 (2)를 만족하는 범위 내로 설정하는 상기한 연신 방법:
0.5
Figure 112006047582039-PCT00003
(Dt/Dmax)2
Figure 112006047582039-PCT00004
0.99 (2）
위의 식 중에서, Dt는 연신 목표 외경이며, Dmax는 상기 식 (1)에서 정의한 의미와 같다.
(C) 상기 가열 장치는 버너이고, 가열 버너 화구(火口; nozzle)의 중심선과 광 파이버 모재의 축선(軸線)이 수직으로 교차하는 점이, 가열 버너의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 제2방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 상기한 연신 방법.
(D) 가열 장치에 사용하는 연소 가스가 산소이고, 가연성 가스가 수소 또는 프로판인 상기한 연신 방법.
(E) 상기 가열 장치는 전기로이고, 상기 광 파이버 모재의 길이 방향과 평행하게 상기 전기로를 배치하고, 전기로의 길이 방향 중앙과 광 파이버 모재의 축선이 수직으로 교차하는 점이, 상기 전기로의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 제2방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 상기한 연신 방법.
(F) 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽을 고정하고, 상기 가열 장치를 상기 제2방향으로 이동시킴으로써 생기는 상대속도인 상기한 연신 방법.
(G) 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 상기 제1방향으로 상이한 속도로 이동시키고, 또한 상기 가열 장치를 고정함으로써 생기는 상대속도인 상기한 연신 방법.
(H) 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 상기 제1방향으로 상이한 속도로 이동시키고, 또한 상기 가열 장치를 상기 제2방향으로 이동시킴으로써 생기는 상대속도인 상기한 연신 방법.
더욱이 본 발명은, 광 파이버 모재의 길이 방향의 양쪽 끝을 파지하는 한 쌍의 파지구와, 광 파이버 모재의 외주를 가열하는 가열 장치와, 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽 또는 양쪽을 상기 길이 방향으로 평행한 제1방향으로 상기 광 파이버 모재를 잡아당기도록 이동시키는 파지구 이동 장치와, 연산 제어부를 구비하는 광 파이버 모재의 연신 장치로서, 상기 연산 제어부는, 광 파이버 모재의 피가열 위치의 목표 이동 속도를 상기 광 파이버 모재에 대한 상기 가열 장치의 상대 이동 속도로서 설정하여 연산 제어하고, 상기 상대 이동 속도를 Vb(x)라고 할 때, Vb(x)를 식 (1)에 따라 변화시키는, 광 파이버 모재의 연신 장치를 제공하는 것이다:
Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
Figure 112006047582039-PCT00005
Vb(x)
Figure 112006047582039-PCT00006
Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경, 및 Vb(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 각각 나타낸다.
상기 광 파이버 모재의 연신 장치의 바람직한 실시형태는 아래의 (a) 내지 (i)와 같은데, 경우에 따라 이들 중에서 적당히 두가지 이상을 조합하는 것도 가능하다.
(a) 상기 광 파이버 모재의 길이 방향의 각 위치에서의 외경을 측정하기 위한 외경 측정 장치를 추가로 포함하는 상기한 연신 장치.
(b) 상기 연산 제어부는, 상기 광 파이버 모재의 길이 방향의 각 위치의 외경 치수에 근거하여 상기 광 파이버의 인장 속도도 연산하고, 그 결과에 근거하여 상기 파지구 이동 장치가 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽 혹은 양쪽을 이동시키는 상기한 연신 장치.
(c) 상기 광 파이버의 인장 속도를 아래의 식 (2)를 만족하는 범위로 설정하는 상기한 연신 장치:
0.5
Figure 112006047582039-PCT00007
(Dt/Dmax)2
Figure 112006047582039-PCT00008
0.99 (2）
위의 식 중에서, Dt는 연신 목표 외경이며, Dmax는 상기 식 (1)에서 정의한 의미와 같다.
(d) 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 이동시킬 경우, 길이 방향의 양쪽 끝의 파지구는 상기 제1방향으로 상기 광 파이버 모재가 인장되도록 상이한 속도로 상기 파지구 이동 장치에 의해 이동되는 상기한 연신 장치.
(e) 상기 가열 장치가 가열 버너인 상기한 연신 장치.
(f) 상기 피가열 위치가, 가열 버너의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 가열 버너의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 상기한 연신 장치.
(g) 상기 가열 장치에 사용하는 연소 가스가 산소이고, 가연성 가스가 수소 또는 프로판인 상기한 연신 장치.
(h) 상기 가열 장치가 전기 저항 가열로인 상기한 연신 장치.
(i) 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 상기 가열 장치를 이동시키는 가열 장치 이동 장치를 추가로 포함하는 상기한 연신 장치.
[발명의 효과]
본 발명에 의한 광 파이버 모재의 연신 방법 및 연신 장치에서는 광 파이버 모재에 대한 가열 장치의 상대적인 이동 속도를 연신 전의 광 파이버 모재의 외경 치수(단면적)의 길이 방향에서의 변화에 따라서 제어한다. 따라서, 광 파이버 모재의 큰 외경부에 있어서는, 가열 장치의 이동 속도를 보다 저속으로 함으로써 광 파이버 모재의 연화에 충분한 열량을 부여할 수 있게 되고, 또한 작은 외경부에 있어서는, 가열 장치의 이동 속도를 보다 고속으로 함으로써 광 파이버 모재를 필요 이상으로 가열하는 것을 피할 수 있기 때문에, 정밀하게 소망의 외경 또는 지름이 되도록 광 파이버 모재를 연신하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 발명은 연신 가공에 요하는 시간 및 가스 소비량이 저감 가능하므로 비용 절감에 기여한다.
그리고 본 발명에 의하면, 가장 긴 지름이 100mm를 초과하고, 또한 외경의 길이 방향의 변동이 큰 대형의 광 파이버 모재(preform)이더라도, 균일한 외경의 프리폼(preform)으로 마무리 연신 가공하는 것이 가능해 진다. 따라서, 광 파이버의 제조 비용을 절감할 수 있다.
더욱이 본 발명에 의하면, 연신 설비에 과대한 부하를 가함이 없이 광 파이버 모재를 연신하는 것이 가능해진다. 따라서, 종래 길이 방향에서의 외경 치수의 변동이 크게 불량품으로서 배제되고 있었던 광 파이버 모재에 대해서도 마무리 연신 가공이 가능해지므로 제품 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 연신 장치를 이용하면, 광 파이버 모재의 작은 지름부 쪽에서부터 큰 지름부 쪽으로 가열 버너를 이동시켜서 연신을 하더라도, 광 파이버 모재의 각 부위에 연신에 필요한 열량을 공급할 수 있기 때문에, 종래의 연신 장치와 같이 가열 부족으로 연신을 할 수 없게 될 우려는 없다.
[도 1] 본 발명의 연신 장치의 한가지 실시형태의 구성을 나타내는 개략도.
[도 2] 광 파이버 모재(출발 모재)의 외경을 측정하는 장치의 발광부 및 수광부를 나타내는 도면.
[도 3] 본 발명의 연신 장치의 다른 예의 구성을 나타내는 개략도.
[도 4] 본 발명의 연신 장치의 또 다른 예의 구성을 나타내는 개략도.
[도 5] 광 파이버 모재의 외경과 가열 버너의 이동 속도 및 광 파이버 모재의 인장 속도와의 관계를, 도 1에 나타내는 본 발명의 연신 장치의 경우 및 종래의 연신 장치의 경우에 대해서 비교해서 나타내는 그래프.
[도 6] 본 발명의 연신 장치에 의한 광 파이버 모재의 연신 가공 전후의 외경 치수의 길이 방향에서의 변동을 나타내는 그래프.
(부호의 설명)
1 …… 광 파이버 모재, 2 …… 고정 척(chuck), 3 …… 이동 척(chuck)
4 …… 가열 버너, 5 …… 버너대(burner table) 이동 장치
6 …… 이동 척 이동 장치, 7 ……연산 제어부
8 …… 외경 측정 장치, 8a ……발광부, 8b ……수광부
9 …… 모재 공급 척(supply chuck) 이동 장치,
14 …… 전기로, 15 …… 전기로 이동 장치 E …… 연신 장치
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명의 최선의 형태를 도면을 이용해서 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용하는 각 용어의 의미를 아래에 설명한다.
본 명세서에서 말하는 「광 파이버 모재」라 함은, 60mm 내지 120mm의 외경 또는 지름을 가진 프리폼을 의미한다. 그러나 본 발명의 방법 및 장치는, 더욱 큰 지름의 잉곳(ingot), 예를 들면, 200mm 정도까지의 잉곳의 연신에 적용하는 것도 가능하다.
「기준속도」라 함은, 가열 장치로부터의 열량을 일정하다고 했을 때, 소정의 외경<예를 들면, 80mm>을 가진 광 파이버 모재에 대한 가열 장치의 상대 이동 속도를 말한다. 이 기준속도는 가열 방식(가열 버너 혹은 전기 저항 가열로), 버너 사용의 경우에는 사용 가스의 종류, 처리 모재의 외경 변동 폭, 연신 목표 외경 등이 결정되면, 경험적으로 정할 수 있는 것이다. 실시예에도 그 기재가 있는 바와 같이, 외경이 길이 방향으로 75mm∼96mm 이고, 연신 개시 끝(stretch starting end)의 외경이 85mm, 연신 목표 지름이 75mm일 때, 기준속도를 경험적으로 6.9mm/분으로 설정할 수 있다.
「광 파이버의 피가열 위치」라 함은, 가열 장치가 가열 버너일 때, 가열 버너의 화구(火口; nozzle)의 중심을 통과하는 중심선과 모재의 축선이 수직으로 교차하는 점에 대응하는 모재의 표면을 의미한다. 가열 장치가 전기 저항 가열로일 경우에는, 모재의 길이 방향으로 모재와 평행하게 배치되는 가열로의 중앙부에 대응하는 모재표면을 말한다.
이하, 도면을 사용해서 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은, 본 발명에 의한 광 파이버 모재의 연신 장치의 한가지 실시형태의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이 실시형태의 장치에서는 가열 장치가 가열 버너이고, 이 버너가 이동한다. 광 파이버 모재의 양단(兩端)을 파지하는 파지 장치는 한쪽만이 이동하고, 다른 쪽은 고정되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연신 장치(E)는, 광 파이버 모재(1)의 한쪽 끝을 파지하는 고정식 스크롤 척(scroll chuck; 이하, "고정 척"이라 함)(2) 및 다른 쪽의 끝을 파지하는 이동식 스크롤 척(이하, "이동 척"이라 함)(3), 가열 버너(4), 버너대 이동 장치[가열 버너(4)의 이동 장치](5), 이동 척(3)을 이동시키는 이동 척 이동 장치(6), 및 버너대 이동 장치(5)와 이동 척 이동 장치(6)의 이동 속도를 제어하는 연산 제어부(7)를 포함한다.
버너대 이동 장치(5)는, 가열 버너(4)의 이동 속도가 연산 제어부(7)로부터 보내지는 지령에 따라서 아래에 설명하는 목표 이동 속도가 되도록 가열 버너(4)를 이동시키도록 구성되어 있다. 이동 척 이동 장치(6)는, 이동 척(3)의 이동 속도가 연산 제어부(7)로부터 보내지는 지령에 따라서 아래에 설명하는 목표 인장 속도가 되도록 이동 척(3)을 이동시키도록 구성되어 있다.
도 2는 광 파이버 모재의 외경 측정법의 원리를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연신 가공에 앞서, 발광부(8a) 및 수광부(8b)를 가진 외경 측정 장치(8), 예를 들면, 레이저 외경 측정 장치에 의해서 광 파이버 모재(1)의 외경을 그 길이 방향 전체에 걸쳐서 연속적으로 혹은 일정한 간격으로 측정한다. 외경 측정 장치(8)는 발광부(8a)와 수광부(8b)를 가진다. 발광부(8a)와 수광부(8b)는 광 파이버 모재(1)를 사이에 끼워서 서로 마주보는 위치에 위치함으로써, 발광부(8a)로부터 레이저광을 송출하고, 수광부(8b)에서 이 레이저광을 수광한다.
광 파이버 모재(1)의 연신 가공은, 버너대 이동 장치(5)가 이동 척(3) 쪽으로부터 고정 척(2) 쪽(제2방향)으로 이동시키는 가열 버너(4)의 화염에 의해 광 파 이버 모재(1)의 외주면을 가열하고, 그것과 동시에 이동 척 이동 장치(6)에 의해 이동 척(3)을 광 파이버 모재를 인장하는 방향(제1방향)으로 이동시켜 광 파이버 모재(1)의 용융 연화한 부분을 잡아 늘임으로써 실시된다. 가열 버너(4)에 의한 가열 중에 광 파이버 모재(1)의 소정의 외주면을 균일히 가열하기 위해서, 광 파이버 모재(1)를 그 길이 방향 축의 주변을 회전시킨다. 따라서 연신 가공 중에 고정 척(2)과 이동 척(3)은 공지의 회전 기구(機構)<도면에 도시하지 않음>에 의해서 서로 동기(同期)해서 회전하도록 구성되어 있다.
가열 버너(4)의 광 파이버 모재(1)에 대한 상대 이동 속도 및 이동 척(3)의 이동 속도는, 연산 제어부(7)에서 광 파이버 모재(1)의 외경 치수의 길이 방향에서의 변동에 따라서 제어된다. 따라서 상기 외경 측정 장치의 발광부(8a)와 수광부(8b)를 이동 척(3) 쪽으로부터 고정 척 쪽으로(혹은 그 반대로) 이동시킴으로써 광 파이버 모재의 길이 방향의 전체 면에 걸쳐서 혹은 일정한 간격으로 상기 모재의 외경을 측정한다. 일정한 간격으로 측정할 경우에는, 그 간격을, 예를 들면 0.5mm 내지 2mm 정도로 해서, 그 간격에서 광 파이버 모재(1)의 외경을 측정한다. 얻어진 측정 데이터는 연산 제어부(7)에 입력된다.
연산 제어부(7)에서는, 이 측정 데이터에 근거하여, 아래에 설명하는 바와 같이, 가열 버너(4) 및 이동 척(3)의 이동 속도를 광 파이버 모재(1)의 피가열 위치 x [예를 들면, 가열 버너(4)의 고정 척(2)으로부터의 거리]의 함수로서 산출한다. 또한 연산 제어부(7)에는 미리 각종 데이터가 입력되어 있는데, 광 파이버 모재(1)의 외경 측정 결과를 변수로서 입력하고, 가열 방식의 종류, 버너를 사용할 경우에는 사용하는 가스의 종류 등의 미리 결정되어 있는 파라미터를 사용 조건에 맞춰서 설정해 두면, 자동적으로 버너의 이동 속도 및 이동 척의 연신 장력이 연산을 통해서 구해지도록 구성되어 있다.
가열 버너(4)에 의해, 광 파이버 모재의 피가열 부분에서의 최고 표면온도가 2100℃ 전후, 바람직하게는 2000℃ 내지 2200℃의 범위가 되도록 가열한다. 또한 광 파이버 모재(1)의 연신되고 있는 부분은 지름이 크게 변화하여, 목(neck) 형상을 나타낸다. 이 목 형상의 부분에서 지름 변화율이 가장 커지는 개소(도 1의 a)는 가열 버너(4)의 중심선 위치(도 1의 b)로부터 가열 버너(4)의 이동 방향과는 반대 방향으로, 예를 들면 100mm 정도 떨어진 위치에 있다. 또한 가열 버너(4)의 중심선 위치는, 광 파이버 모재(1)의 지름이 변화되는 연신 직전 위치(도 1의 c)로부터 가열 버너의 이동 방향으로, 예를 들면 50mm 정도 떨어진 위치에 있다.
이와 같이, 광 파이버 모재의 열전도율은 작기 때문에 그 코어부(core portion)까지 충분히 열이 전달되기 위해서는 시간을 요하므로, 가열 버너의 가열 위치와 연신 개시 위치는 반드시 일치하지 않는다.
본 발명의 최대의 특징은, 가열 장치로부터 광 파이버 모재에 공급되는 열량을 일정하다고 할 때, 광 파이버 모재에 대한 가열 버너의 상대 이동 속도를 연산 제어장치에 의해 어떻게 결정하는가에 있다. 이 실시형태의 경우에는, 양단(兩端)의 척 중에서 이동 척만이 연신을 위하여 이동하는 구성이므로, 가열 버너의 이동 속도가 상기 상대 이동 속도에 상당하다. 본 발명에서는, 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 Vb(x)로 할 때, 아래의 식 (1)이 성립하도록, 측정된 광 파이버 모재의 외경을 데이터로서 입력했을 때에, 연산 제어부(7)가 연산, 제어한다:
Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
Figure 112006047582039-PCT00009
Vb(x)
Figure 112006047582039-PCT00010
Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경을 나타내고, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경을 나타내며, 또한 Vb(x)는 위에서 정의한 의미를 가진다. 즉, 멱수(冪數; power number)를 n으로 할 때, n은 2
Figure 112006047582039-PCT00011
n
Figure 112006047582039-PCT00012
3을 만족하는 값을 취하면 좋고, 정수일 필요는 없다.
여기서, 기준속도 Vb는, 용어의 정의의 항에 나온 바와 같이, 처리하고자 하는 광 파이버 모재의 외경의 변동 범위, 목표 연신 외경 등을 알면, 경험적으로 설정할 수 있는 속도이다. 광 파이버 모재의 최대 외경 Dmax 및 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경 D(x)로서는, 외경 측정 장치에 의한 측정 결과를 입력하면 좋다. 따라서 광 파이버 모재의 외경을 측정하면, 상대 이동 속도 Vb(x)의 범위는 자동적으로 결정된다. 또한 피가열 위치 x라 함은 도 1의 가열 버너(4)의 중심선 위치를 말한다.
상대 이동 속도 Vb(x)를 Vb·[Dmax/D(x)]2 이상, 또한 Vb·[Dmax/D(x)]3 이하로 설정하면 외경 변동이 적은 연신을 할 수 있는 이유는 아래와 같다.
즉, 광 파이버 모재를 소정의 연신 가능 온도까지 가열하기 위해서는, 단면적이 커질수록 상대 이동 속도를 느리게 할 필요가 있다. 한편, 광 파이버 모재의 중심까지 충분히 가열하기 위해서는, 위치가 결정되면 측정 결과에 근거해서 값이 결정되는 [Dmax／D(x)]의 값의 자승에 비례하도록 하는 것이 합리적이다. 일반적으로 말하면, 연신을 원활하게 진행시키기 위해서는, 연신하는데 불충분한 온도에서 하는 것 보다도 조금 과잉 기미의 열량을 가해 인장 속도와의 상관 관계에서 연신을 하는 것이 바람직한데, 그 의미에서는, [Dmax/D(x)]의 값의 3승에 비례하도록 하여 연신을 하는 것은 특히 문제가 없다.
단, 본 발명에서는, 기준속도에 대하여 [Dmax/D(x)]의 값의 자승 부근의 값을 사용하는 것은, 비교적 섬세한 지름의 광 파이버 모재, 예를 들면, 약 90mm의 모재를 최대 외경과 목표 연신 외경과의 차이가 기껏해서 5mm 내지 10mm 정도인 경우이다. 한편, 상기 값의 3승에 가까운 값을 사용할 경우는, 큰 지름, 예를 들면, 약 120mm의 모재이거나, 최대 외경과 목표 연신 외경의 차이가 큰 경우, 예를 들면, 10mm를 초과하는 차이가 있는 경우이다.
한편, 미리 광 파이버 모재의 최대 지름 Dmax 부분의 지름을 1 내지 10mm 감축하도록 연신할 경우의 척의 이동 속도(모재의 인장 속도)에 주목하면, 앞서 설명한 상대 이동 속도 Vb(x)의 한정을 고려하여, 이동 척(3)의 이동 속도를 0.5
Figure 112006047582039-PCT00013
(Dt/Dmax)2 0.99의 관계가 만족되는 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
가열 버너(4)의 화염강도가 일정할 때, 가열 버너(4)의 이동 속도를 종래의 연신 장치와 같이 일정하게 하면, 광 파이버 모재(1)의 큰 지름부에 대한 가열이 부족하게 되는 한편, 섬세한 지름부에 대한 가열이 과대하게 된다. 따라서 본 실시형태는, 연신 전의 광 파이버 모재(1)의 외경 또는 지름 치수의 길이 방향에서의 변동을 고려하여, 가열 버너의 이동 속도를 변화시키는 구성으로 되어 있는 것은 앞서 설명한 바와 같다.
구체적으로는 광 파이버 모재(1)의 큰 지름부를 가열하는 위치에서는, 가열 버너(4)의 이동 속도, 즉 광 파이버 모재의 피가열 부분의 이동 속도를 느리게 함으로써, 큰 지름부에 대한 가열 부족을 방지한다. 그렇게 함으로써 광 파이버 모재의 연화 부족에서 기인하는 광 파이버 모재의 파손이나 연신 설비의 손상을 피할 수 있다. 또한, 섬세한 지름부를 가열하는 위치에서는, 가열 버너(4)의 이동 속도를 빨리함으로써, 섬세한 지름부가 필요 이상으로 가열되는 것을 방지한다.
지름이 길이 방향으로 서서히 커지는(또는 서서히 작아지는) 광 파이버 모재를 연신할 경우, 연신 초기에 발생하는 지름의 헌팅(hunting)을 적게 하기 위해서는, 지름이 작은 쪽의 끝을 연신 개시 끝(stretch starting end), 즉 인장측으로 하는 것이 바람직하다.
상기 실시형태에서는 가열 버너를 이동시키지만, 도 3에 나타낸 바와 같이, 가열 버너를 고정하고, 광 파이버 모재(출발 모재)를 이동시키는 구성으로서 해도 좋다. 이 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 도 1의 고정 척(2) 대신에 가동(可動)의 모재 공급 척(9)을 사용하고, 가열 버너(4)를 이동시키는 버너대(burner table) 이동 장치(5) 대신에 모재 공급 척(9)을 이동시키는 모재 공급 척 이동 장치(10)를 사용하면 좋다. 이 경우에 있어서, 광 파이버 모재의 인장 속도는 이동 척(3)의 이 동 속도와 모재 공급 척(9)의 이동 속도와의 차이가 된다. 이와 동시에, 이 모재 공급 척의 이동 속도가 가열 버너의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도가 된다. 이동 척 이동 장치(6) 및 모재 공급 척 이동 장치(10)는, 광 파이버 모재의 피가열 부분의 이동 속도가 연산 제어부(7)가 연산한 목표 이동 속도가 되도록, 또한, 이동 척(3)과 모재 공급 척(9)의 이동 속도와의 차이가 연산 제어부(7)가 연산한 목표 인장 속도가 되도록, 이동 척(3)과 모재 공급 척(10)을 각각 이동시킨다. 상기한 예에서는, 가열 버너를 고정하고 있지만, 모재 공급 척(9)도 이동시키면서, 가열 장치, 이 경우에는 가열 버너도 이동시킬 수 있는 것은 물론이다.
도 1 및 도 3에 나타내는 연신 장치에서는, 가열 장치로서 가스버너를 사용하고 있는데, 이들 가열 장치에 사용하는 가스의 예로서는, 가연성 가스로서 수소 가스, 연소 가스로서는 산소 가스의 조합, 혹은 가연성 가스로서 프로판 가스, 연소 가스로서는 산소 가스의 조합을 들 수 있다.
상기 실시형태에서는 가열 장치로서 가열 버너를 사용했지만, 소형의 전기로를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 가열 버너(4) 대신에 전기로(14)를 사용하고, 버너대 이동 장치(5) 대신에 전기로 이동 장치(15)를 사용하면 좋다. 전기로는 당업계에서 공지의 것이라면 특히 제한 없이 사용 가능하다.
[실시예]
아래에, 도 1의 구성의 연신 장치를 사용한 광 파이버 모재의 연신 가공의 구체적인 예를 설명한다.
실시예 1
출발 모재로서, 외경이 길이 방향으로 75mm∼96mm의 범위에서 변동하는 광 파이버 모재를 사용하였다. 가열 버너(4)에 가연성 가스로서 수소 가스를 390 리터/분, 연소 가스로서 산소 가스를 160 리터/분의 비율로 각각 공급하고, 피가열 부분에서의 최고 표면온도가 2100℃ 전후가 되도록 가열 제어하였다. 연신 개시끝(stretch starting end)으로서 광 파이버 모재의 외경이 85mm인 부분으로 하고, 연신 목표 외경을 75mm로 하였다. 가열 버너의 기준 이동 속도 Vb는, 경험적으로 6.9mm/분으로 하였다.
가열 버너(4)가 위치[고정 척(2)으로부터의 거리] x에 있을 때의 가열 버너(4)의 목표 이동 속도 Vb(x)는, 출발 모재의 길이 방향 위치 x에서의 지름을 D(x)로 하고, 출발 모재의 최대 외경을 D로 하며, 연신 목표 외경을 Dt라고 할 때, 식 (3)으로 산출하였다. 즉, 기준 이동 속도 Vb를 [Dmax/D(x)]의 3승에 비례하도록 해서 변화시켰다.
또한, 가열 버너(4)가 위치 x에 있을 때의 이동 척(3)의 이동 속도, 즉 광 파이버 모재의 목표 인장 속도 Vt(x)는, 식 (4)로 산출하였다.
Vb(x)=Vb·[Dmax/D(x)]3 (3）
Vt(x)=Vb(x)·[(D(x)/Dt)2-1] (4)
식 (4)로부터, 출발 모재의 최대 외경 부분의 외경이 5mm 감소하도록 연신할 경우에는, 이동 척(3)의 최대 이동 속도 Vt(x)max는, 식 (5)로 나타내어지는 것을 알 수 있다.
Vb(x)·[(Dmax/(Dmax-5))2-1] (5）
본 실시형태에서는, 출발 모재의 최대 외경은 96mm이며, 최대 외경 부분의 외경이 96 - 75 = 21(mm) 만큼 감소하도록 연신하는데, 연신 설비나 출발 모재에 과대한 부하(장력)가 걸리지 않도록 하기 위해서, 식 (5)에 Dmax/D(x)의 자승을 곱한 것인 식 (6)으로 나타내어지는 값을 Vt(x)의 상한치로 하였다.
Vb(x)·[(Dmax/(Dmax-5))2-1]·[Dmax/D(x)]2 (6）
식 (4)로 나타내어지는 값이 식 (6)으로 나타내어지는 값보다 클 경우는, 이동 척(3)의 목표 이동 속도 Vt(x)를 식 (6)으로 나타내어지는 값으로 설정하였다. 또한, 이 경우에는 가열 버너(4)의 목표 이동 속도 Vb(x)를 식 (7)로 나타내어지는 값으로 설정하였다.
Vb(x)=Vt(x)/[(D(x)/Dt)2-1] = Vt(x)·Dt2/[D(x)2-Dt2] (7)
가열 버너(4)의 이동 속도[=Vb(x)]와, 이동 척(3)의 이동 속도, 즉 광 파이버 모재의 인장 속도[=Vt(x)]는 도 5에 나온 바와 같다. 도 5의 그래프에서, 세로 축은 가열 버너(4)의 이동 속도(mm/분), 가로 축은 출발 모재의 외경(mm)을 나타낸다. 굵은 실선(實線) 및 가느다란 실선은 각각, 본 실시형태에서의 Vb(x) 및 Vt(x)를 나타낸다. 가열 장치의 이동 속도를 일정(6.9mm/분)한 것으로 한 종래의 방법에 의해서도 연신을 하였다. 굵은 점선 및 가느다란 점선은 각각 종래 기술의 연신 장치에서의 Vb(x) 및 Vt(x)를 나타낸다.
연신 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6의 그래프에 있어서 세로 축은 출발 모재(도 6에서는 점선으로 나타냄) 또는 연신 가공해서 얻어진 연신 모재, 즉 프리폼(도 6에서는 실선으로 나타냄)의 외경(mm), 가로 축은 가느다란 지름끝(thin diameter end)을 기준 위치(0mm)로 하는 출발 모재 또는 연신 모재의 길이 방향 위치(mm)이다. 연신 모재의 길이 방향에서의 외경 변동폭은 약 0.1mm 이었다. 본 발명에 의해, 출발 모재의 외경 변동폭이 21mm로 클 경우에도, 그것을 극히 균일한 외경으로 연신할 수 있다는 것이 확인되었다. 또한, 종래, 연신 초기에 자주 발생하고 있었던 연신 모재의 지름의 헌팅이 없는 것도 확인되었다. 따라서, 얻어진 연신 모재(프리폼)의 전체 영역을 제품으로서 이용할 수 있었다.
상기 실시형태에서는, 가연성 가스로서 수소 가스, 연소 가스로서 산소 가스를 사용하는 가열 버너를 가열 장치로서 사용했지만, 가연성 가스로서 프로판 가스, 연소 가스로서 산소 가스를 사용하는 가열 버너나 소형의 전기로를 사용해도 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 가열 버너 및 이동 척의 상대 이동 속도를, [Dmax/D(x)]값의 자승으로부터 3승의 범위 내에서 변화시켰지만, 가열 장치를 고정하고, 가열부에 대한 모재의 공급 이동 속도, 즉 모재 공급 척 이동 장치(10)를 통한 모재 공급 척(9)의 이동 속도를 연산 제어부에 의해 상기 값의 자승 내지 3승의 값으로 제어해도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.
연신 전과 연신 후의 외경 차이가 5.Omm 이하로 작을 경우에는, 표면적비(surface area ratio)의 영향을 무시할 수 있기 때문에, 외경비(outer diameter ratio)의 자승에 비례하도록 해서 가열 장치와 모재를 상대적으로 이동시켜도 충분히 정밀도가 높은 연신이 가능하다.

Claims (19)

  1. 광 파이버 모재의 길이 방향의 양쪽 끝을 한 쌍의 파지구(把持具; gripping device)로 파지하고, 이 한 쌍의 파지구의 한쪽 또는 양쪽을 상기 길이 방향으로 평행한 제1방향으로 이동시킴으로써 광 파이버 모재를 잡아당기면서 가열 장치를 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 광 파이버 모재에 대하여 상대적으로 이동시키는 것을 포함하는 광 파이버 모재의 연신 방법으로서, 상기 상대적인 이동 속도 Vb(x)를 식 (1)에 따라 변화시키면서 상기 광 파이버 모재를 연신하는 연신 방법:
    Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
    Figure 112006047582039-PCT00015
    Vb(x)
    Figure 112006047582039-PCT00016
    Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
    위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경, 및 Vb(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 각각 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서, 연신에 앞서, 광 파이버 모재의 외경을 그 길이 방향에 걸쳐 측정하고, 상기 측정 결과에 기초하여, 상기 파이버 모재에 대한 가열 장치의 상대 이동 속도를 변화시키면서 상기 모재의 연신을 실시하는 연신 방법.
  3. 제1항에 있어서, 광 파이버 모재의 인장 속도를 아래의 식 (2)를 만족하는 범위 내로 설정하는 연신 방법:
    0.5
    Figure 112006047582039-PCT00017
    (Dt/Dmax)2
    Figure 112006047582039-PCT00018
    0.99 (2）
    위의 식 중에서, Dt는 연신 목표 외경이며, Dmax는 상기 식 (1)에서 정의한 의미와 같다.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열 장치는 버너이고, 가열 버너 화구(火口; nozzle)의 중심선과 광 파이버 모재의 축선(軸線)이 수직으로 교차하는 점이, 가열 버너의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 제2방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 연신 방법.
  5. 제4항에 있어서, 가열 장치에 사용하는 연소 가스가 산소이고, 가연성 가스가 수소 또는 프로판인 연신 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열 장치는 전기로이고, 상기 광 파이버 모재의 길이 방향과 평행하게 상기 전기로를 배치하고, 전기로의 길이 방향 중앙부와 광 파이버 모재의 축선이 수직으로 교차하는 점이, 상기 전기로의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 제2방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 연신 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽을 고정하고, 상기 가열 장치를 상기 제2방향으로 이동시킴으로써 생기는 상대속도인 연신 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 상기 제1방향으로 상이한 속도로 이동시키고, 또한 상기 가열 장치를 고정함으로써 생기는 상대속도인 연신 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 상대속도는, 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 상기 제1방향으로 상이한 속도로 이동시키고, 또한 상기 가열 장치를 상기 제2방향으로 이동시킴으로써 생기는 상대속도인 연신 방법.
  10. 광 파이버 모재의 길이 방향의 양쪽 끝을 파지하는 한 쌍의 파지구와, 광 파이버 모재의 외주를 가열하는 가열 장치와, 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽 또는 양쪽을 상기 길이 방향으로 평행한 제1방향으로 상기 광 파이버 모재를 잡아당기도록 이동시키는 파지구 이동 장치와, 연산 제어부를 구비하는 광 파이버 모재의 연신 장치로서, 상기 연산 제어부는, 광 파이버 모재의 피가열 위치의 목표 이동 속도를 상기 광 파이버 모재에 대한 상기 가열 장치의 상대 이동 속도로서 설정하여 연산 제어하고, 상기 상대 이동 속도를 Vb(x)라고 할 때, Vb(x)를 식 (1)에 따라 변화시키는, 광 파이버 모재의 연신 장치:
    Vbㆍ[Dmax/D(x)]2
    Figure 112006047582039-PCT00019
    Vb(x)
    Figure 112006047582039-PCT00020
    Vbㆍ[Dmax/D(x)]3 (1）
    위의 식 중에서, Vb는 기준속도, Dmax는 광 파이버 모재의 최대 외경, D(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 외경, 및 Vb(x)는 광 파이버 모재의 피가열 위치 x에서의 가열 장치의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 속도를 각각 나타낸다.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광 파이버 모재의 길이 방향의 각 위치에서의 외경을 측정하기 위한 외경 측정 장치를 추가로 포함하는 연신 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 연산 제어부는, 상기 광 파이버 모재의 길이 방향의 각 위치의 외경 치수에 근거하여 상기 광 파이버의 인장 속도도 연산하고, 그 결과에 근거하여 상기 파지구 이동 장치가 상기한 한 쌍의 파지구의 한쪽 혹은 양쪽을 이동시키는 연신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광 파이버의 인장 속도를 아래의 식 (2)를 만족하는 범위로 설정하는 연신 장치:
    0.5
    Figure 112006047582039-PCT00021
    (Dt/Dmax)2
    Figure 112006047582039-PCT00022
    0.99 (2）
    위의 식 중에서, Dt는 연신 목표 외경이며, Dmax는 상기 식 (1)에서 정의한 의미와 같다.
  14. 제10항에 있어서, 상기한 한 쌍의 파지구의 양쪽을 이동시킬 경우, 길이 방향의 양쪽 끝의 파지구는 상기 제1방향으로 상기 광 파이버 모재가 인장되도록 상이한 속도로 상기 파지구 이동 장치에 의해 이동되는 연신 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 가열 장치가 가열 버너인 연신 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 피가열 위치가, 가열 버너의 가열에 의해 광 파이버 모재의 외경이 변화를 시작하는 위치로부터 상기 가열 버너의 광 파이버 모재에 대한 상대 이동 방향으로 0 내지 50mm 떨어진 위치에 있는 연신 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 가열 장치에 사용하는 연소 가스가 산소이고, 가연성 가스가 수소 또는 프로판인 연신 장치.
  18. 제10항에 있어서, 상기 가열 장치가 전기 저항 가열로인 연신 장치.
  19. 제10항에 있어서, 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 상기 가열 장치를 이동시키는 가열 장치 이동 장치를 추가로 포함하는 연신 장치.
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