JP2012082089A - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの外径の均一性を損なうことなく、線引コストを低減可能な光ファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】線引炉１０の炉心１３の上部と下部から、炉心１３内を不活性ガスＧ１，Ｇ２でパージしつつ、炉心１３内で加熱溶融させた光ファイバ母材Ｐを線引する光ファイバの製造方法において、炉心１３の上部からパージする不活性ガスＧ１がＡｒであり、炉心１３の下部からパージする不活性ガスＧ２がＨｅである。
【選択図】図１

Description

本発明は、線引炉の炉心内で加熱溶融させた光ファイバ母材を線引する光ファイバの製造方法に関するものである。

一般に、光ファイバは、図３に示すような製造装置を用いて製造される。この製造装置では、先ず、線引炉４０において、光ファイバ母材１０１を加熱、溶融させた後、垂直下方に線引きを行うことで、炉下出口５５から光ファイバ１０２を引き出す。線引炉４０は、主に、光ファイバ母材１０１が収容される炉心管５１と、光ファイバ母材１０１を加熱し、溶融させるヒータ５４と、引き出された光ファイバ１０２が通されるインナー炉心管５２とで構成される。炉心管５１の内部空間により炉心５３が形成される。

引き出された光ファイバ１０２は、外径測定器４３で外径の測定がなされた後、冷却管４４内で冷却ガスが吹き付けられて冷却される。その後、コーティング器４５において光ファイバ１０２の周りに樹脂（例えば、紫外線硬化樹脂）を被覆した後、その光ファイバ１０２を樹脂硬化炉４６内に通すことで、樹脂が硬化される。この冷却、樹脂被覆、及び樹脂硬化のステップは、適宜、繰り返し行われ、これにより光ファイバ素線１０３が得られる。光ファイバ素線１０３は、ターンプーリ４７により走行方向が転換され、引取キャプスタン４８を経て巻取器４９に巻き取られる。

線引炉４０は、石英ベースの光ファイバ母材１０１を２０００℃程度に加熱する必要があることから、炉心管５１及びインナー炉心管５２の材質としては、一般に、高純度カーボンやジルコニアなどのセラミックスが用いられる。

高純度カーボン製の炉心管５１及びインナー炉心管５２を備えた線引炉を用いて光ファイバの製造を行う場合、炉心５３内での炉心管５１及びインナー炉心管５２の酸化を防ぐために、炉心５３内に供給した不活性ガスにより、炉心５３内のパージがなされる。この時、不活性ガスの流れ方向により、線引炉は、不活性ガスが上向きに流れるアップフロータイプと、不活性ガスが下向きに流れるダウンフロータイプに大別される。

ところで、線引炉４０の炉心５３内に光ファイバ母材１０１を出し入れする際、炉心５３内に外気が混入することがある。この外気が、光ファイバ母材１０１の加熱時に、炉心管５１の構成材であるカーボンと反応することで酸化、燃焼され、ダストが発生する。また、光ファイバ母材１０１の溶融時にも、石英が蒸発することでダストが発生する。

アップフロータイプにおいては、ダストは、炉心管５１の上部に設けられた隙間から不活性ガスと共に排気されることになる。このため、光ファイバ母材１０１の表面にダストが付着するおそれがあった。また、ダウンフロータイプにおいては、ダストは、炉心管５１の下部に設けられた隙間から不活性ガスと共に排気されることになる。このため、光ファイバ１０２の表面にダストが付着し、光ファイバ１０２の強度低下が生じるおそれがあった。

上記のような問題に対し、アップフロータイプとダウンフロータイプを組み合わせた構造（以下、複合タイプという）の線引炉がある（例えば、特許文献１参照）。複合タイプの線引炉では、線引炉の炉心の上部と下部から、炉心内を不活性ガスでパージし、上部からパージした不活性ガスと下部からパージした不活性ガスが合流する合流部付近から、両不活性ガスを排出するようにしているため、光ファイバ母材や光ファイバにダストが付着することを抑制できる。

炉心内をパージする不活性ガスとしては、Ｈｅが一般に用いられている。これは動粘性係数の大きいＨｅを用いることで、炉心内に供給された不活性ガスを層流の状態に保ち、線引炉内の内圧の変動を抑制して、光ファイバの外径を安定させるためである。

特開２００６−２４０９３０号公報

ところで、Ｈｅは不活性ガスの中でも価格が高く、光ファイバの線引コストの増大を招いている。そのため、安価な不活性ガスでの代替が求められている。

しかしながら、炉心内をパージする不活性ガスとしてＨｅ以外の不活性ガスを用いると、炉心内に供給された不活性ガスが乱流の状態となりやすく、線引炉内の内圧の変動が大きくなり、光ファイバの外径が安定しなくなる場合があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光ファイバの外径の均一性を損なうことなく、線引コストを低減可能な光ファイバの製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、線引炉の炉心の上部と下部から、前記炉心内を不活性ガスでパージしつつ、前記炉心内で加熱溶融させた光ファイバ母材を線引する光ファイバの製造方法において、前記炉心の上部からパージする不活性ガスがＡｒであり、前記炉心の下部からパージする不活性ガスがＨｅである光ファイバの製造方法である。

前記炉心の上部からパージするＡｒの流量が１０Ｌ／ｍｉｎであり、前記炉心の下部からパージするＨｅの流量が１０Ｌ／ｍｉｎであるとよい。

前記光ファイバ母材にはＡｒが接し、かつ、線引された光ファイバにはＨｅが接するようにし、ＡｒとＨｅの合流部付近から両不活性ガスを排出するとよい。

本発明によれば、光ファイバの外径の均一性を損なうことなく、線引コストを低減可能な光ファイバの製造方法を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光ファイバの製造方法に用いる線引炉の概略構成図である。 （ａ），（ｂ）は、図１の線引炉で用いる排気経路形成部材の斜視図である。 光ファイバ製造装置の全体模式図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法に用いる線引炉について説明する。

図１は、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法に用いる線引炉の概略構成図である。

図１に示すように、線引炉１０は、炉心１３内で加熱溶融させた光ファイバ母材Ｐを、矢印Ａの方向（図１中では下方向）に線引きして光ファイバＯＦを作製するものである。この線引炉１０は、主に、炉心管（外側炉心管）１１、炉殻１６、インナー炉心管（内側炉心管）１２で構成される。

炉心管１１は上下に開口端を有する管材で構成され、上部開口端から、光ファイバ母材Ｐの長手方向の一部が収容される。炉心管１１の内部空間が炉心１３を形成する。

この炉心管１１を取り囲むように炉殻１６が設けられる。炉殻１６内には、光ファイバ母材Ｐを加熱し、溶融させるためのヒータ（加熱手段）１４が設けられる。このヒータ１４は、炉心管１１の長さ方向（図１中では上下方向）中央部付近を取り囲むように配置される。炉殻１６は水冷構造となっており、炉殻１６の上面壁１６ａ及び下面壁１６ｂには、冷却水を循環供給させる冷却水循環手段（図示せず）が接続されている。これによって、炉殻１６が水冷され、炉殻１６の過熱が防止される。

インナー炉心管１２は炉心管１１よりも小径の管材で構成され、炉心管１１の下部開口端に、インナー炉心管１２の長手方向の少なくとも一部を挿入して設けられる。インナー炉心管１２の下端には、適宜、インナー炉心管１２と同径の金属製（例えば、ステンレス鋼製）の管材７１を接続してもよい。勿論、管材７１を接続する代わりに、インナー炉心管１２を長尺に形成してもよい。

線引炉１０の上部には第１不活性ガス供給手段７２が設けられる。より具体的には、炉殻１６の上面壁１６ａに当接させて、炉心管１１を取り囲むように円筒部材７３が設けられる。この円筒部材７３は、円筒部７３ａと、円筒部７３ａの上部（炉心管１１と反対側）に形成されるフランジ部７３ｂで構成される。円筒部７３ａに形成した貫通穴７３ｃにガスタンクを備えた第１ガス供給ライン（図示せず）が接続される。フランジ部７３ｂの上部には、光ファイバ母材Ｐとほぼ同径の穴を有する円環状の耐熱封止部材７８が設けられる。耐熱封止部材７８は、例えば、光ファイバ母材Ｐの外径に応じて穴の大きさが縮・拡径自在に調整される。または、穴の大きさの異なる耐熱封止部材７８を予め複数個用意しておき、光ファイバ母材Ｐの外径に応じて使い分けるようにしてもよい。この耐熱封止部材７８によって、光ファイバ母材Ｐと線引炉本体のシールがなされる。

線引炉１０の下部には第２不活性ガス供給手段７５が設けられる。より具体的には、管材７１の下端にディスク材７６が接続される。このディスク材７６の上面中央部には管材７１の外径と同径の穴７６ａが設けられ、この穴７６ａに管材７１の下端部が挿入される。穴７６ａの中央底部にはより小径の貫通穴７６ｂが設けられ、この貫通穴７６ｂが炉下出口１５を形成する。貫通穴７６ｂの径は、光ファイバＯＦの外径よりもやや大きい程度とされる。ディスク材７６の周面には穴７６ａと周面を連通する貫通穴７６ｃが形成され、この貫通穴７６ｃにガスタンクを備えた第２ガス供給ライン（図示せず）が接続される。

インナー炉心管１２の上端（管材７１と反対側の端部）の周りには排気経路形成部材２０が装着され、これによって、炉心管１１とインナー炉心管１２の間隙が塞がれる。排気経路形成部材２０は、断熱材で構成されている。断熱材は、熱のやり取りが少ない、熱を伝えにくい材料であり、例えば、内部に空気を含有している。ここで、炉殻１６の下面壁１６ｂと排気経路形成部材２０の下端は面一に形成することが好ましい。

図２（ａ）に示すように、排気経路形成部材２０は厚肉管で構成されるものであり、その中央部の穴２１にインナー炉心管１２が嵌入される。また、排気経路形成部材２０は、炉心管１１の内部と外部を連通させるために、厚肉本体部２２の上端面と下端面を連絡する排気経路２３を備える。排気経路２３は、厚肉本体部２２の長手方向（図２（ａ）中では上下方向）に沿って、かつ、周方向に所定の間隔で複数本（図２（ａ）中では等間隔で６本を図示）設けられる。

炉殻１６の下面壁１６ｂに当接させて、インナー炉心管１２及び排気経路形成部材２０を取り囲むように排気炉殻１７が一体に設けられる。排気炉殻１７とインナー炉心管１２（管材７１）で囲まれた空間が排気小室１８を形成する。この排気小室１８は、排気経路形成部材２０の排気経路２３を介して炉心１３と連絡され、また、排気炉殻１７の貫通穴１７ａに接続された排気ライン１９と連絡される。排気小室１８の容積は、排気経路形成部材２０における全排気経路２３の容積よりも大容積に形成される。排気ライン１９は、内圧を制御するためのバルブ（図示せず）を備えていてもよい。

排気経路形成部材２０を構成する断熱材としては、炉心１３内で使用可能な材料、すなわち約２０００℃の高温に耐え得る耐熱性を有した材料であれば特に限定するものではなく、例えば、断熱性及び耐熱性がともに良好なカーボン断熱材（発泡炭素）が挙げられる。

炉心管１１及びインナー炉心管１２の構成材としては、高純度カーボンやジルコニアなどのセラミックスが挙げられる。

尚、本実施の形態においては、図２（ａ）に示す排気経路形成部材２０を用いる場合を説明したが、これに限定するものではなく、例えば、図２（ｂ）に示すような排気経路形成部材３０を用いてもよい。排気経路形成部材３０は、円環状のフランジ部３２と少なくとも１本の管部３５で構成される。フランジ部３２には、管部３５の数と同数の貫通穴３４が、周方向に所定の間隔で複数個（図３中では等間隔で６個を図示）設けられる。フランジ部３２と各管部３５は、各貫通穴３４と各管部３５の穴３６が連通するように接続される。または、フランジ部３２と各管部３５の接続は、フランジ部３２の各貫通穴３４に各管部３５を嵌入させてもよい。貫通穴３４及び穴３６が排気経路２３を形成する。排気経路形成部材３０のフランジ部３２及び管部３５は全て断熱材で構成されるが、これに限定されるものではなく、フランジ部３２の貫通穴３４及び各管部３５の穴３６の少なくとも表面に断熱層を有するものであってもよい。

次に、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を説明する。

まず、線引炉１０の炉心１３をヒータ１４によって加熱する。線引炉１０の上方からは、第１不活性ガス供給手段７２を介して不活性ガスＧ１が供給され、線引炉１０の下方からは、第２不活性ガス供給手段７５を介して不活性ガスＧ２が供給される。

線引炉１０の上方では、線引炉１０と光ファイバ母材Ｐの間隙が耐熱封止部材７８でほぼ完全にシールされている。また、線引炉１０の下方では、炉下出口１５と光ファイバＯＦの間が開放されているものの、その間隙は非常に小さい。よって、不活性ガスＧ１のほぼ全量は、炉心管１１と光ファイバ母材Ｐの間隙を介して炉心１３内部へと導かれる。また、不活性ガスＧ２の大部分は、インナー炉心管１２と光ファイバＯＦの間隙を介して炉心１３内部へと導かれる。

インナー炉心管１２の下方から供給された不活性ガスＧ２は、インナー炉心管１２内を上側に向かって流れると共に、インナー炉心管１２の上端から炉心１３内に噴き出される。これによって、インナー炉心管１２内および炉心１３内のパージが行われる。また、炉心管１１の上端側から炉心１３内に供給された不活性ガスＧ１は、炉心管１１と光ファイバ母材Ｐの間隙を通じて下側に向かって流れ、これによって、炉心１３内のパージが行われる。

このように、線引炉１０の炉心１３の上部と下部から、炉心１３内を不活性ガスＧ１，Ｇ２でパージしつつ、炉心１３内で不活性ガスＧ１，Ｇ２にヒータ１４の熱を伝熱させて光ファイバ母材Ｐを溶融させ、光ファイバＯＦを線引きする。

本実施の形態に係る光ファイバの製造方法では、炉心１３の上部からパージする不活性ガスＧ１としてＡｒを用い、炉心１３の下部からパージする不活性ガスＧ２としてＨｅを用いる。

不活性ガスＧ１にＡｒを用いた理由は、Ｈｅに比べて価格が低く、同じ不活性ガスの窒素に比べて、熱伝達率と動粘性係数で優れているためである。また、不活性ガスＧ１をＡｒ、不活性ガスＧ２をＨｅとしたのは、動粘性係数に優れたＨｅを吹き上げる形にした方が、不活性ガスＧ１，Ｇ２が乱流になり難く、炉心管１１の内圧が安定するためである。炉心管１１の内圧は、３０Ｐａ程度とすればよい。ここでは、炉心管１１の内圧を３０Ｐａに設定する場合を説明する。

また、本実施の形態では、炉心１３の上部からパージするＡｒの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、炉心１３の下部からパージするＨｅの流量が１０Ｌ／ｍｉｎとする。ＡｒとＨｅの流量をそれぞれ１０Ｌ／ｍｉｎとするのは、炉心管１１の内圧が最も安定し、炉心管１１の内圧の変動を±０．２Ｐａ程度（２９．８〜３０．２Ｐａ）に抑えることができるためである。これにより、線引きされる光ファイバＯＦの外径が非常に安定する。

パージ後の両不活性ガスＧ１，Ｇ２は、炉心１３の中央付近で合流し、その合流部付近から排出される。炉心１３内に臨んで配置される排気経路形成部材２０の後流側には排気小室１８が形成されているが、この排気小室１８は、排気経路２３よりも大容積に、かつ、炉心１３内よりも低圧に保たれている。よって、両不活性ガスＧ１，Ｇ２は、排気経路形成部材２０を介して排気小室１８、排気ライン１９へと流れ、炉心１３内に滞留することなく速やかに排気される。その結果、両不活性ガスＧ１，Ｇ２が逆流することはなく、高温の光ファイバＯＦは、常にクリーンなアップフローの不活性ガスＧ２（ここではＨｅ）と接触され、また、光ファイバ母材Ｐは、常にクリーンなダウンフローの不活性ガスＧ１（ここではＡｒ）と接触される。

なお、線引炉１０では、断熱材からなる排気経路形成部材２０を設けているため、両不活性ガスＧ１，Ｇ２は、水冷構造の下面壁１６ｂで冷却されず高温のまま排気小室１８へと至り、排気小室１８にて冷却される。このとき、両不活性ガスＧ１，Ｇ２中に含まれるガス状のダストが固化して排気小室１８に付着（固着）することになる。このように、ダストは炉心１３の外部に排出されるため、光ファイバ母材Ｐ及び光ファイバＯＦにダストが付着することがほとんどなく、強度が高い光ファイバＯＦを得ることができる。その結果、線引き途中での断線を抑制し、長尺の光ファイバＯＦを得ることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法では、炉心１３の上部からパージする不活性ガスＧ１としてＡｒを用い、炉心１３の下部からパージする不活性ガスＧ２としてＨｅを用い、さらに、ＡｒとＨｅの流量をそれぞれ１０Ｌ／ｍｉｎとしている。

これにより、Ｈｅと比較して安価なＡｒを用いても、線引炉１０の内圧、つまり炉心管１１の内圧を安定させて、外径の安定した光ファイバＯＦを線引することが可能となる。つまり、本発明によれば、光ファイバＯＦの外径の均一性を損なうことなく、線引コストを低減可能である。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施例として、図１の線引炉１０を用い、不活性ガスＧ１としてＡｒ、不活性ガスＧ２としてＨｅを用い、両不活性ガスＧ１，Ｇ２の流量を共に１０Ｌ／ｍｉｎとしたときの線引炉１０の内圧（炉心管１１の内圧）を測定した。

また、従来例として、両不活性ガスＧ１，Ｇ２を共にＨｅとし、不活性ガスＧ１の流量を２５Ｌ／ｍｉｎ、不活性ガスＧ２の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしたときの線引炉１０の内圧（炉心管１１の内圧）を測定した。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例と従来例の両者とも、線引炉１０の内圧は２９．８〜３０．２Ｐａであり、線引炉１０の内圧の変動が十分に抑えられていた。この結果から、不活性ガスＧ１をＡｒに変更し、両不活性ガスＧ１，Ｇ２の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしても、従来と同程度に炉心管１１の内圧が安定することが証明された。

また、上述の実施例において、線引長ごとの光ファイバＯＦの外径を測定した。測定結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例における光ファイバＯＦの外径変動は、±０．１４μｍであることが分かった。これは従来例と同等であった。つまり、本発明によれば、安価なＡｒを用い線引コストを低減しつつも、従来と同等の光ファイバＯＦの外径の均一性を実現できる。

１０ 線引炉
１１ 炉心管
１２ インナー炉心管
１３ 炉心
Ｐ 光ファイバ母材
Ｇ１，Ｇ２ 不活性ガス

Claims (3)

1. 線引炉の炉心の上部と下部から、前記炉心内を不活性ガスでパージしつつ、前記炉心内で加熱溶融させた光ファイバ母材を線引する光ファイバの製造方法において、
   前記炉心の上部からパージする不活性ガスがＡｒであり、前記炉心の下部からパージする不活性ガスがＨｅであることを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 前記炉心の上部からパージするＡｒの流量が１０Ｌ／ｍｉｎであり、前記炉心の下部からパージするＨｅの流量が１０Ｌ／ｍｉｎである請求項１記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記光ファイバ母材にはＡｒが接し、かつ、線引された光ファイバにはＨｅが接するようにし、ＡｒとＨｅの合流部付近から両不活性ガスを排出する請求項１または２記載の光ファイバの製造方法。

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