JP4221277B2 - 光ファイバ母材の延伸方法 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバ母材の延伸方法に関し、特に、光ファイバ母材を所望外径のストレートロッド状に延伸する延伸方法に関するものである。

光ファイバ母材の延伸方法として、加熱炉の内部に加熱手段であるヒータが設けられ、加熱炉の上側に送側チャックが、下側に引側チャックが各々上下方向（光ファイバ母材の延伸方向）に移動可能に設けられた縦型の延伸装置を用いて行う方法が知られている（たとえば、特許文献１）。

この延伸方法では、送側チャックと引側チャックとによって光ファイバ母材の両端を把持し、光ファイバ母材を加熱炉のヒータによって光ファイバ母材のガラス軟化点以上に加熱した状態で、引側チャックの移動速度が送側チャックの移動速度より速い速度差をもって当該両チャックを同方向に移動（降下移動）させる。

これにより、引側チャックと送側チャックの移動速度差によって光ファイバ母材に中心軸線方向の張力が与えられ、光ファイバ母材全体が降下しつつ、換言すれば、加熱炉を通過して加熱されつつ光ファイバ母材が所望外径のストレートロッド状に延伸される。

光ファイバのコストダウンの一つの手法として、光ファイバ母材の延伸時間を短くすることが検討されている。上述の延伸方法において、延伸時間を短縮するためには、延伸時に光ファイバ母材に負荷する張力を高くする必要が生じる。

これは、加熱炉内の温度を上げずに延伸時間を短くするためである。加熱炉内の温度を上げるには、加熱炉の大幅な改造が必要となり、コストアップとなる。例えば、カーボンヒータを利用している場合には、カーボンヒータに供給する電力を上げることで、加熱炉内の温度が上がるが、しかし、カーボンヒータの寿命が極端に短くなる。これ以外にも、炉周囲の断熱材の寿命が短くなり、最悪の場合には、炉体が溶けてしまう虞れがあり、対策として、炉部品の全面的な熱対策が必要となる。また、投入する電力が上がるために、加熱炉までの電力ケーブルを太くするなどの対応も必要となる。

また、光ファイバ母材が大型化した場合には、加熱炉内温度が同じで、大型化する前の延伸の速度（引き側の速度）で延伸すると、光ファイバ母材に負荷される張力が高くなる。これは、目標の延伸径にするための光ファイバ母材の外径の変化量が大きくなるためである。

張力を同じにするためには、加熱炉内温度を上げるか、延伸の速度を低くすればよいが、加熱炉内温度は、前述したようにコストアップの要因になり、延伸の速度を低くした場合には、延伸作業の高速化と逆行してしまう。

このように、延伸の高速化や、延伸する光ファイバ母材の大型化が行われると、延伸張力が高くなってしまい、それを防ぐためには、コストが掛かる。このような状況で、現在は、延伸張力が以前より高くなる傾向がある。

しかしながら、延伸張力が高くなると、前述のような延伸装置による光ファイバ母材の延伸では、延伸された光ファイバ母材に曲がりが生じ、延伸された光ファイバ母材の真直性が得られなくなる現象が生じる。

なお、光ファイバ母材の曲がりは、母材有効部両端の断面中心を通る直線からの偏差を母材長手方向に測定し、その偏差の最大値、あるいは母材中央での偏差値で評価される。

光ファイバ母材に曲がりの原因のひとつとしては、一端を送りねじ機構やチェーン、ワイヤ等による駆動手段に連結された片持ちのアームの先端に、送側チャックや引側チャックが設けられており、延伸の張力が高くなったことや、光ファイバ母材の大型化により母材重量が増えたために、送側チャック、引側チャックを片持ちで支持しているアーム（チャック支持アーム）が延伸中に撓みが生じることが考えられる。

調査を重ねた結果、降下移動による延伸する場合、光ファイバ母材の曲がりが、延伸された光ファイバ母材の上部（延伸終了側）に集中していることがわかった。この原因は、延伸時には張力が掛かっていてチャック支持アームが撓んでいるが、延伸終了時には、チャックの移動が止まり、張力が掛からなくなり、チャック支持アームの弾性復元によりチャック支持アームの撓みがなくなる。その時には、延伸終了寸前にヒータ部にいた光ファイバ母材の上部側がまだ熱く、柔らかいため、チャック支持アームの撓みがなくなることで、光ファイバ母材の上部が曲げられると考えられる。

このことに対して、チャック支持アームが撓まないよう、チャック支持アーム自体の剛性を上げたり、チャックの支持を両持ちにすることで対応は可能であるが、しかし、大きな装置改造が伴い、コストアップにつながってしまう。チャックの支持を両持ちにすると、延伸開始時の光ファイバ母材の取付作業や、延伸終了時の光ファイバ母材の取外作業に支障が生じる虞れがある。
特開平１１−１１９７０号公報

この発明が解決しようとする課題は、延伸中のチャック支持アームの撓みに起因した光ファイバ母材の曲がりが生じることがなく、装置改造を伴うことなく、光ファイバ母材を高精度に延伸することである。

この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、各々光ファイバ母材の延伸方向に移動可能に設けられた送側把持部と引側把持部とによって光ファイバ母材の両端を把持し、加熱手段によって前記光ファイバ母材を加熱した状態で、前記引側把持部の移動速度が前記送側把持部の移動速度より速い速度差をもって当該両把持部を同方向に移動させ、前記引側把持部と前記送側把持部の移動速度差によって前記光ファイバ母材に張力を与え、光ファイバ母材を延伸する光ファイバ母材の延伸方法において、延伸終了時には、前記加熱手段による前記光ファイバ母材の加熱を停止し、加熱停止後も、前記引側把持部と前記送側把持部の移動速度差によって前記光ファイバ母材に張力を与えた状態を維持する。

この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、好ましくは、前記光ファイバ母材の温度あるいは光ファイバ母材温度を代表する温度を監視し、加熱停止後、前記温度が所定値に低下するまで前記光ファイバ母材に張力を与えた状態を維持する。

また、この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、好ましくは、延伸終了時の前記加熱手段による前記光ファイバ母材の加熱温度を、それ以前の加熱温度より低くする。

また、この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、好ましくは、加熱停止後の前記引側把持部の移動速度と前記送側把持部の移動速度を各々徐々に低下し、前記引側把持部と前記送側把持部の移動を同時停止する。

また、この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、好ましくは、前記光ファイバ母材に作用する張力を監視し、前記引側把持部の移動速度と前記送側把持部の移動速度の制御により、加熱停止以後の張力を加熱停止以前の張力とほぼ同値に維持する。ここで、ほぼ同値とは、延伸時の張力の±３０％程度である。

この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、延伸終了時に加熱手段による光ファイバ母材の加熱を停止した後も、引側把持部と送側把持部の移動速度差によって光ファイバ母材に張力を与えた状態を維持するから、加熱停止直後、光ファイバ母材がまだ熱く、光ファイバ母材が柔らかい状態下で、引側把持部や送側把持部を支持するアーム等の撓みがなくなることが回避され、アーム等の弾性復元に起因した光ファイバ母材の曲げが生じることがなくなる。

この発明による光ファイバ母材の延伸方法の実施に使用される縦型延伸装置の一つの実施形態を図１を参照して説明する。

縦型延伸装置は、炉内部に加熱手段であるヒータ１１が設けられた加熱炉１０を有する。加熱炉１０は、固定配置で、光ファイバ母材Ｗが上下方向に通過可能な構造になっている。加熱炉１０には、ヒータ１１の温度を計測する放射温度計１２が設けられている。

加熱炉１０の上側には光ファイバ母材Ｗの上端部（上ダミー部Ｗａｄ）を把持する送側チャック（送側把持部）２０が、下側には光ファイバ母材Ｗの下端部（下ダミー部Ｗｌｄ）を把持する引側チャック（引側把持部）３０が互いに同心位置に配置されている。

光ファイバ母材Ｗは、上ダミー部Ｗａｄを送側チャック２０によって把持され、下ダミー部Ｗｌｄを引側チャック３０によって把持されることにより、図示されているように、加熱炉１０を上下に貫通して垂直（延伸方向）に保持される。

光ファイバ母材Ｗは、コア及びクラッドの一部もしくは全てを有する半製品母材であり、コアはＧｅやＦなどのドーパントが入った合成石英により構成されている。上ダミー部Ｗａｄ、下ダミー部Ｗｌｄは、天然石英製である。

送側チャック２０は張力測定を行うロードセル２５を介して上側チャック支持アーム２１の先端（一端）に取り付けられている。上側チャック支持アーム２１は、水平アームで、基端（他端）を送りナット２２に連結され、送りナット２２によって支持されている。送りナット２２は、垂直方向（光ファイバ母材Ｗの延伸方向）に移動可能に設けられた送側送りねじ棒２４にねじ係合し、送側送りねじ棒２４の回転によって上下方向に移動する。送側送りねじ棒２４には送側駆動モータ２３が連結されており、送側駆動モータ２３は送側送りねじ棒２４を回転駆動する。

引側チャック３０は下側チャック支持アーム３１の先端（一端）に取り付けられている。下側チャック支持アーム３１は、水平アームで、基端（他端）を送りナット３２に連結され、送りナット３２によって支持されている。送りナット３２は、垂直方向（光ファイバ母材Ｗの延伸方向）に移動可能に設けられた引側送りねじ棒３４にねじ係合し、引側送りねじ棒３４の回転によって上下方向に移動する。引側送りねじ棒３４には引側駆動モータ３３が連結されており、引側駆動モータ３３は引側送りねじ棒３４を回転駆動する。

縦型延伸装置は、マイクロコンピュータ等による電子制御式のコントローラ４０を有する。コントローラ４０は、送側駆動モータ２３、引側駆動モータ３３の速度制御、換言すれば、送側チャック２０、引側チャック３０の移動速度を制御するモータ制御部４１と、ヒータ１１に供給する電力を制御するヒータ電力制御部４２とを有する。

コントローラ４０は、放射温度計１２より信号を入力し、ヒータ１１の温度を監視（モニタ）する。また、コントローラ４０は、ロードセル２５より信号を入力し、光ファイバ母材Ｗに作用する張力を監視（モニタ）する。

光ファイバ母材Ｗの延伸は、図２（ｄ）に示されているように、ヒータ電力制御部４２による炉電力制御のもとに、ヒータ１１に電力供給を行い、ヒータ１１によって加熱炉１０内で光ファイバ母材Ｗを加熱する。

この加熱状態で、モータ制御部４１による送側駆動モータ２３と引側駆動モータ３３の速度制御により、図２（ａ）に示されているように、引側チャック３０の移動速度（引側速度）Ｖｂが送側チャック２０の移動速度（送側速度）Ｖａより速い速度差をもって両チャック２０、３０を降下移動させる。

これにより、光ファイバ母材Ｗは、引側チャック３０と送側チャック２０の移動速度差（Ｖｂ−Ｖａ）によって中心軸線方向（軸長線方向）の張力（図２（ｂ）参照）を与えられ、全体が降下移動しつつ、延伸される。

図２（ｃ）に示されているように、延伸長が予め設定されている終了長Ｌｅになると、この時点を延伸終了時点Ｔｅとし、ヒータ１１に対する電力供給を遮断（電断）する。なお、延伸長が予め設定されている終了長Ｌｅになったことは、送側チャック２０あるいは引側チャック３０の降下位置を、図示されていない位置検出スイッチや位置検出センサによって検出することにより、見いだすことができる。

この延伸終了時点Ｔｅ後、送側駆動モータ２３の速度、すなわち、送側チャック２０の移動速度Ｖａを徐々に低下し、ロードセル２５より計測される光ファイバ母材Ｗに作用する張力が、図２（ｂ）に示されているように、延伸中と同じ程度（±３０％以内）になるように、送側駆動モータ２３の速度をフィードバック制御し、引側チャック３０の移動速度Ｖｂも徐々に低下させる。そして、引側と送側のチャック３０、２０が同じ速度になるのを待ち、同じ速度になった時点で、送側と引側のチャック２０、３０の移動を同時に停止した。

これにより、延伸終了時点Ｔｅでヒータ１１による光ファイバ母材Ｗの加熱を停止した後も、引側チャック３０と送側チャック２０の移動速度差によって光ファイバ母材Ｗに張力が与えた状態が維持され、加熱停止直後、光ファイバ母材Ｗがまだ熱く、光ファイバ母材Ｗが柔らかい状態下で、送側チャック２０や引側チャック３０を支持する上側チャック支持アーム２１、下側チャック支持アーム３１の撓みがなくなることが回避される。

このことにより、張力解除に伴う上側チャック支持アーム２１、下側チャック支持アーム３１、の弾性復元に起因した光ファイバ母材Ｗの曲げが生じることがなくなり、装置改造を伴うことなく、光ファイバ母材Ｗを高精度に延伸することができる。

また、延伸終了時点Ｔｅ後、すなわち、加熱停止後、光ファイバ母材Ｗに張力を与えた状態を維持する期間Ｃは、光ファイバ母材Ｗの温度あるいは光ファイバ母材温度を代表する温度を監視し、加熱停止後、監視温度が所定値、たとえば、光ファイバ母材Ｗの軟化温度（ガラス転移温度）相当以下に低下するまでに限定することもできる。この監視温度は、放射温度計１２によって計測されるヒータ１１の温度であってよい。

他の実施形態として、図３（ａ）〜（ｄ）に示されているように、延伸終了時点Ｔｅより少し前の時点Ｔａで、炉電力を徐々に低下し、ヒータ１１による光ファイバ母材Ｗの加熱温度を、それ以前の加熱温度より低くし、光ファイバ母材Ｗがガラス転移温度以下に冷めるまでの時間を短縮することもできる。

この場合も、光ファイバ母材Ｗに作用する張力は、時点Ｔａ以降も、時点Ｔａ以前とほぼ同値に維持する制御を行うため、時点Ｔａ以降、送側チャック２０の移動速度Ｖａと引側チャック３０の移動速度Ｖｂｔが、ともに徐々に低下する。

なお、ヒータ１１による光ファイバ母材Ｗの加熱温度をあまり低くすると、それに伴い送側チャック２０、引側チャック３０の移動速度Ｖａ、Ｖｂｔが遅くなり、延伸時間が長くなるから、これが、光ファイバ母材Ｗが冷める時間を短くするよりも長くなると意味がない。この温度低下は、定常時の２０％程度以内で、延伸終了時点Ｔｅから３００ｍｍ以内が好ましい。

なお、上述の実施形態では、降下移動方式の縦型延伸装置を用いたが、この発明による光ファイバ母材の延伸方法は、上昇移動方式の縦型延伸装置でも同様に実施でき、また、水平方向に延伸する横型の延伸装置でも同様に実施できる。

図１に示されているような縦型延伸装置を使用し、延伸終了時に、光ファイバ母材が冷えて固まるまで張力を掛け続けることにした。このときの延伸速度は、引き側で６２．５ｍｍ／ｍｉｎ、送り側で４０ｍｍ／ｍｉｎとし、加熱炉内温度は直接測れないので、ヒータの温度を放射温度計で測定したところ２５００℃であった。このときの延伸張力は１０００Ｎとし、延伸前外径１００ｍｍの光ファイバ母材を目標外径８０ｍｍに延伸した。

延伸終了時（送側チャックもしくは引側チャックが設定位置まで移動した時点）に、加熱炉のヒータ電源を切る。そして、送側チャックの移動速度を徐々に遅くし、張力が延伸中と同じ程度になるように、引側チャックの速度を変化させて、引側と送側のチャックが同じ速度になるのを待つ。そして同じ速度になった時点で、送側と引側のチャックの移動を同時停止した。その結果、光ファイバ母材が曲がらずに延伸ができた。

なお、延伸終了後に掛ける張力により、母材上部（終了時にまだ柔らかい部分）の外径が変化する。張力が低いほうが光ファイバ母材が細くならずにすむが、曲がりが大きくなる。おおよそ、延伸時に光ファイバ母材に掛かる張力の±３０％までならば、あまり大きな母材曲がりが生じず、光ファイバ母材が細くならない。

なお、延伸終了時にすぐに送り出しを停止させた場合には、張力が瞬間的に高くなり（引き取り側の減速との時間差による）、その部分の外径が細くなった。また、送側と引側を同時に止め、その後、送り出し側を延伸の時と逆方向に移動させることでも張力を掛けることが可能であるが、この方法では光ファイバ母材に曲がりが生じてしまった。これは、送り出しを逆方向に動かすまでの間に光ファイバ母材に掛かる張力が低くなることで、チャックが本来の位置に戻ることにより光ファイバ母材が曲がってしまった。

また、比較例として、光ファイバ母材の上部のダミー部を太くしてダミー部まで延伸することで、延伸終了時に光ファイバ母材の有効部が十分さめて曲がらない位置までくるようにしてみた。結果、光ファイバ母材の曲がりは低減されたが、ダミー部（天然石英）と光ファイバ母材（合成石英）の高温時の粘度が違うために、延伸終了側の光ファイバ母材の延伸後の外径が大きく変動してしまった。

延伸前外径１００ｍｍの母材を目標８０ｍｍに延伸したところ、ダミー部との境界から１００ｍｍ程度のところが変動し、境界近傍が一番細く外径７８ｍｍ程度となってしまった。このときの延伸速度は、引き側で６２．５ｍｍ／ｍｉｎ、送り側で４０ｍｍ／ｍｉｎとし、加熱炉内温度は直接測れないので、ヒータの温度を放射温度計で測定したところ２５００℃であった。このときの延伸張力は、１０００Ｎであった。

この方法では、ダミー部が多く必要になるため、コストアップにつながり、たとえ、粘度が光ファイバ母材と同じようなダミー部を利用して延伸してもコストアップとなってしまう。

この発明による光ファイバ母材の延伸方法の実施に使用される縦型延伸装置の一つの実施形態を示す構成図である。 （ａ）〜（ｄ）はこの発明による光ファイバ母材の延伸方法の一つの実施形態を示すタイムチャートである。 （ａ）〜（ｄ）はこの発明による光ファイバ母材の延伸方法の他の実施形態を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ 加熱炉
１１ ヒータ
１２ 放射温度計
２０ 送側チャック
２１ 上側チャック支持アーム
２２ 送りナット
２３ 送側駆動モータ
２４ 送側送りねじ棒
２５ ロードセル
３０ 引側チャック
３１ 下側チャック支持アーム
３２ 送りナット
３３ 引側駆動モータ
３４ 送側送りねじ棒
４０ コントローラ
４１ モータ制御部
４２ ヒータ電力制御部

Claims (5)

1. 各々光ファイバ母材の延伸方向に移動可能に設けられた送側把持部と引側把持部とによって光ファイバ母材の両端を把持し、加熱手段によって前記光ファイバ母材を加熱した状態で、前記引側把持部の移動速度が前記送側把持部の移動速度より速い速度差をもって当該両把持部を同方向に移動させ、前記引側把持部と前記送側把持部の移動速度差によって前記光ファイバ母材に張力を与え、光ファイバ母材を延伸する光ファイバ母材の延伸方法において、
   延伸終了時には、前記加熱手段による前記光ファイバ母材の加熱を停止し、加熱停止後も、前記引側把持部と前記送側把持部の移動速度差によって前記光ファイバ母材に張力を与えた状態を維持する光ファイバ母材の延伸方法。
2. 前記光ファイバ母材の温度あるいは光ファイバ母材温度を代表する温度を監視し、加熱停止後、前記温度が所定値に低下するまで前記光ファイバ母材に張力を与えた状態を維持する請求項１記載の光ファイバ母材の延伸方法。
3. 延伸終了時の前記加熱手段による前記光ファイバ母材の加熱温度を、それ以前の加熱温度より低くする請求項１または２記載の光ファイバ母材の延伸方法。
4. 加熱停止後の前記引側把持部の移動速度と前記送側把持部の移動速度を各々徐々に低下し、前記引側把持部と前記送側把持部の移動を同時停止する請求項１〜３の何れか１項記載の光ファイバ母材の延伸方法。
5. 前記光ファイバ母材に作用する張力を監視し、前記引側把持部の移動速度と前記送側把持部の移動速度の制御により、加熱停止以後の張力を加熱停止以前の張力とほぼ同値に維持する請求項１〜４の何れか１項記載の光ファイバ母材の延伸方法。

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