JP4430561B2

JP4430561B2 - 光ファイバ母材加工装置及び光ファイバ母材加工方法

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Publication number: JP4430561B2
Application number: JP2005037547A
Authority: JP
Inventors: 孝和後藤; 俊一郎平船
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP2006225179A

Description

本発明は、光ファイバを製造するための光ファイバ母材加工装置及び光ファイバ母材加工方法に関し、特に光ファイバ母材の曲がりを修正する技術に関する。

光ファイバは、一般に以下の手順を経て製造される。
まず、ＶＡＤ（Vapor phase Axial Deposition）法などにより、コアとなる部分を含むガラス微粒子の堆積体を製作し、その後、この堆積体を焼結することにより中間母材を得る。
次に、中間母材の外側にガラスの微粒子を堆積させ、高温下でガラス化することにより光ファイバ母材を得る。
そして、この光ファイバ母材を線引き（延伸）することにより光ファイバを得ることができる。

しかしながら、上記のような工程を経て得られた光ファイバ母材には曲がりが生じている場合があり、高品質な光ファイバを製造するにあたっては、この曲がりを修正する必要がある。

これにあたっては、光ファイバ母材の片側のみを固定し、これを回転させ、この光ファイバ母材の曲がりが生じている部分を加熱し、この加熱部分より先端側（固定されていない側）の適当な部分に荷重をかける方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

この方法においては、バネが設けられた鏝を使用し、荷重を計測しながら、光ファイバ母材の中心軸と直交する方向に沿って鏝を移動させ、これにより曲がりを修正する。
特開平６−１４４８６１号公報

しかしながら、上記の方法においては、光ファイバ母材の直径が大であると曲がりを修正するのに時間を要し、また、加熱部位における外径減少も高品質な光ファイバを製造することへの阻害要因となっている。

特に、近年光ファイバのさらなる高品質化に対する要求から、紡糸前に曲がりを修正する必要があり、さらに曲がりを０．５ｍｍから１０００ｍｍに留める必要もある。

また、曲がりを修正するにあたっては、上記のとおり光ファイバ母材をバーナで加熱し、これを部分的に溶解させるため、加熱位置においてはＳｉＯが揮発してしまい、品質に影響を与える場合がある。

特に、母材径が増大すると、光ファイバ母材の中心が加熱により曲がりの修正に必要な粘度となった時には、光ファイバ母材の外周の温度が高くなりすぎており、さらに多くのＳｉＯが揮発してしまう。このため、コアとクラッドの比率が変化し、光ファイバの品質の低下がさらに深刻なものとなってしまう。

このような事情に鑑み本発明は、短時間で効率的に曲がり修正を行うことが可能な光ファイバ母材加工装置及び光ファイバ母材加工方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、光ファイバの母材の基端を把持し、回転させる把持回転手段と、母材を加熱する加熱手段と、母材に荷重を加えることにより光ファイバに生じた曲がりを修正する修正手段と、荷重の程度と母材の加熱位置から荷重付加位置までの距離の少なくともいずれかを調整することにより荷重を付加する際の曲げモーメントを所定の範囲内に収める調整手段とを有し、調整手段は、母材の加熱位置から先端までの重量をＷ、加熱位置から先端までの長さをＬ、加熱位置から荷重付加位置までの距離をａ、荷重の中心値をＰとした場合に、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）を満たすようにａとＰの少なくともいずれかを調整する手段であることを要旨とする。

請求項２に記載の本発明は、光ファイバの母材の基端を把持し、回転させる把持回転工程と、母材を加熱する加熱工程と、母材に荷重を加えることにより光ファイバに生じた曲がりを修正する修正工程と、荷重の程度と母材の加熱位置から荷重付加位置までの距離の少なくともいずれかを調整することにより荷重を付加する際の曲げモーメントを所定の範囲内に収める調整工程とを有し、調整工程は、母材の加熱位置から先端までの重量をＷ、加熱位置から先端までの長さをＬ、加熱位置から荷重付加位置までの距離をａ、荷重の中心値をＰとした場合に、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）を満たすようにａとＰの少なくともいずれかを調整する工程であることを要旨とする。

本発明によれば、短時間で効率的に曲がり修正を行うことが可能となり、光ファイバの品質の低下を防止できる。

以下、本発明の光ファイバ母材加工装置及び光ファイバ母材加工方法についての説明を行う。
なお、以下の実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。
また、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、これに関する反復説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係る光ファイバ母材加工装置１の構成図である。
この光ファイバ母材加工装置１は、チャック部３と、バーナ部４と、スライド部５と、鏝部６と、制御部７とを有する。

チャック部３は、回転機構を有し、光ファイバ母材２の一端（基端）を把持し、この長手方向軸を回転軸として回転させる。

バーナ部４は、通常、光ファイバ母材２の斜め下方に配置されており、図示しないガス供給機構により水素及び酸素が供給され、酸水素炎を光ファイバ母材２に噴射する。なお、この際の火力は自由に変更可能である。

鏝部６は、光ファイバ母材２に荷重を与え、これの曲がりを修正するためのものである。この鏝部６は、光ファイバ母材２と接触する接触部と、この接触部を昇降させることにより、曲がりに起因する光ファイバ母材２の位置変位に対応して荷重を与えるための昇降部と、鏝部６にかかる荷重を測定するためのロードセル等を有する。

なお、本実施例における昇降部は、バネを有しているが、これに代えて空気圧により膨張・収縮するエアクッション等を設けることもできる。

また、上記の変位に対する荷重変化は、２ｋｇ／ｍｍ以上が望ましく、さらには５ｋｇ／ｍｍ以上が望ましい。これは、変位に対する荷重変化が小さすぎると、変位（揺れ幅）が小さくなった際に曲がりを修正できなくなり、また、前記のロードセル等を用いるために荷重の変化量と電気ノイズとを判別することができなくなるためである。

スライド部５は、上記のバーナ部４と鏝部６を光ファイバ母材２の長手方向に沿って移動させるためのものであり、そのためのモータ等を含み、これにより、バーナ部４と鏝部６との距離を調整することができる。

制御部７は、上記のチャック部３の回転速度、バーナ部４の火力、鏝部６により付与される荷重、スライド部５の動作等を制御する。このため、自動的に曲がり修正を行うことができ、省人化及びコストの低減を実現できる。

以下、上記の構成を有する光ファイバ母材加工装置１の曲がり修正における数値設定の詳細について説明する。
図２に示すとおり、光ファイバ母材２の加熱位置から先端までの重量をＷ（ｋｇ）、この加熱位置から先端までの長さをＬ（ｃｍ）、加熱位置から荷重付加位置までの距離をａ（ｃｍ）とする。

また、鏝部６にかかる荷重、換言すれば鏝部により付与される荷重ｐ（ｋｇ）は、光ファイバ母材２を回転させると、図３に示すように周期的に変動する。

この際の中心荷重をＰ（ｋｇ）とすると、Ｐａ−ＷＬ／２（ｋｇ・ｃｍ）が加熱部位における曲げモーメントの中心値となる。光ファイバ母材２の外径がほぼ一定である場合は、母材の半径をＲ（ｃｍ）として、Ｗ＝πＬＲ ^２ ×０．００２２とすることができる。

また、曲がりを修正するにあたっての加熱位置は、光ファイバ母材２の形状によってほぼ決定されるため、Ｗは必然的に決定される。そこで、加熱部位における曲げモーメントを制御するためには、ａまたはＰ、もしくは両方を適切に設定することがよい。ただし、ａは母材の形状により決定されてしまうため、Ｐを適切な値とすることがより望ましい。

また、上記の曲げモーメントの中心値を仮に０に設定すると、荷重ｐが図３に示すように変動しており、且つｐが小、つまり母材が曲がりの存在により上側に揺れている場合には、曲げモーメントが負となり、下向きのモーメントが加熱部位にかかる。

一方、ｐが大、つまり母材が曲がりの存在により下側に揺れている場合には、上向きのモーメントが加熱部位にかかり、曲がり修正の効率が最も良好となる。

実際には、一般的なＳｉＯ_２を基本組成とした光ファイバ用の母材の場合、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）の条件を満たしていれば、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜＝０（ｋｇ・ｃｍ）の場合とほぼ同じ時間で曲がりを修正することができる。

なお、上記の範囲を超えると、曲がりの修正により多くの時間を要することとなり、さらに超えると、曲がりの修正そのものが行えなくなる。

次に、本実施例の光ファイバ母材加工装置により曲がり修正作業の手順について説明する。
まず、光ファイバ母材２の一方の端部（基端部）をチャック部３に把持させ、光ファイバ母材２を回転させる。この際、光ファイバ母材２に曲がりが存在する場合は先端部の位置が変化する。つまり、前記の変位が生じる。

このように光ファイバ母材２を把持させるにあたっては、これを直接チャック部３に固定してもよいが、母材の基端部側に曲がりが生じている場合、加熱位置とチャック部３とが近すぎることにより、このチャック部３が過剰に加熱されてしまう場合がある。したがって、チャック部３にダミーとなる部材を把持させ、これのもう一方の端部に光ファイバ母材２を装着する構成としてもよい。

なお、上記の各値の計算は制御部７により行われる。

次に、図４に示すように、前記の変位の程度、つまり光ファイバ母材２の形状を測定し（Ｓ１）、曲がりを修正するにあたっての適切な加熱位置（バーナ部４の位置）を決定し（Ｓ２）、荷重を付加する位置（鏝部６の位置）を決定する（Ｓ３）。

なお、変位の測定方法としては、外径測定器を使用する方法や、接触式の変位計を使用する方法、または、鏝部６を測定部位にあて、ｐの変化量から算出する方法等が挙げられる。

次に、バーナ部４及び鏝部６を決定された加熱位置にセットする。この際、バーナ部４から光ファイバ母材２の先端までの長さＬ（ｃｍ）を測定する。

また、事前に測定していた母材径とＬより、バーナ部４から光ファイバ母材２の先端までの母材重量Ｗ（ｋｇ）を計算する。

なお、母材径がほぼ一定の場合には、前記のとおり、Ｗを（母材半径［ｃｍ］）²×π×Ｌ×０．００２２とすることができる。ただし、母材径の変化が著しい時は、母材の体積を測定し、Ｗを算出する必要がある。

次に、回転している光ファイバ母材２に鏝部６を接触させると、図３に示すような荷重変化が得られる。この荷重変化よりに基づいて、中心荷重Ｐ（ｋｇ）の値を｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）の式を満たすように決定し（Ｓ４）、この値を満たすように鏝部６の高さを決定する（Ｓ５）。

次に、バーナ部４へ水素及び酸素を供給、これに点火し、前記の工程において決定された位置に対して加熱を開始する（Ｓ６）。加熱により光ファイバ母材２が軟化すると荷重変化量Δｐは減少する。このΔｐが規定値以下になったならば（Ｓ７：Ｙｅｓ）、速やかに加熱が停止される（Ｓ８）。

なお、Δｐが規定値以下でない場合（Ｓ７：Ｎｏ）、加熱が続行される。なお、この判断も制御部７が行う。

また、Δｐが所定の値というのは、振れ幅の目標値と、変位に対する荷重変化とに基づいて決定される。例えば、変位に対する荷重変化が１０ｋｇ／ｍｍの鏝を使用している場合、振れ幅の目標値が０．２ｍｍ以下であれば、Δｐが２ｋｇ以下になったところで火炎を停止させればよい。

また、光ファイバ母材２に複数の曲がりが生じている場合には、バーナ部４及び鏝部６を移動させ、前記の方法を反復実行することにより全長にわたって曲がりが修正された光ファイバ母材２を得ることができる。

このように、中心荷重Ｐを決定し、Δｐをモニタしながら母材を加熱し、Δｐを所定の値以下になったところで速やかに火炎を停止することにより、曲がりの修正に要する時間を大幅に短縮させることが可能となり、これに付随して、母材外径の変化量も最低限に抑えることも可能となる。

次に、本実施例に係る光ファイバ母材加工装置を用いた曲がり修正の結果について説明する。
まず、ＶＡＤ法を用いて作製した多孔質母材を焼結し、延伸して中間ロッドを作製しこの中間ロッドの外側にスート粒子を堆積させ、焼結し、光ファイバ母材を得た。なお、この光ファイバ母材の長さは１２００ｍｍである。

また、この光ファイバ母材２は、上記のチャック部３により回転させ、加熱位置をバーナ部４で加熱し、軟化したところで回転を止めることで、意図的に所望の曲がりを生じさせたものである。

次に、以下の表に示す条件で曲がり修正を行った。曲がり修正は、鏝部６を接触させた位置における振れ量を０．２ｍｍ以下にすることを目的とした。

加熱部位においては、バーナ部４にＨ₂ １６０Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ６５Ｌ／ｍｉｎを供給し、酸水素火炎により加熱を行った。鏝部６には、ばね定数８ｋｇ／ｍｍのばねを実装した。

そして、加熱により、荷重変化量Δｐが８（ｋｇ／ｍｍ）×０．２（ｍｍ）×０．２（ｍｍ）〜１．６（ｋｇ）、加熱を停止するまでの時間及び加熱位置における母材の削れ量（外径の減少量）を測定した。

また母材が冷却した後の、鏝部６の接触位置における母材振れ量を測定した。

以下にその結果を示す。

＜本実施例＞
表１のＡに示す条件で曲がり修正を行った。バーナ部４による加熱中は、鏝部６にかかる荷重ｐ（ｋｇ）をモニタし、Δｐ＝１．４５ｋｇとなったところで加熱を停止した。加熱を停止するまでの時間は９．４分であった。鏝部６の接触位置における振れ幅は０．１８ｍｍであり、目標通りの振れ幅が得られた。また、加熱位置における外径減少量は０．０７ｍｍであった。

＜比較例１＞
表１のＢからＧに示す条件で曲がり修正を行い、これにあたってはＰａ−ＷＬ／２の値を変化させた。

その結果、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０の領域においては、曲がりは９．４〜９．６分で修正できているが、前記範囲を超えると、急激に曲がり修正に要する時間が増加した。

特に、Ｐａ−ＷＬ／２を２４０まで増大させると、２０分間加熱しても曲がり修正はできなかった。

＜比較例２＞
加熱位置から母材端までの長さＬ、加熱位置から鏝部６までの長さａを変化させ、比較例１と同様の曲がり修正を行った結果を表２のＨからJに示す。

比較例１と同様、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０の領域では、曲がり修正が効率的にでき、外径減少量も少ないが、Ｐａ−ＷＬ／２を１８０まで増大させると、曲がり修正に要する時間が増加する結果となった。

＜比較例３＞
母材のサイズを変更させ、比較例１と同じ条件で曲がり修正を行った結果を表３のＫからＮに示す。

その結果、全体的に曲がり修正に必要な時間は短縮されたが、比較例１と同様に｜Ｐａ−ＷＬ／２｜＞１５０の条件では、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０の条件に比べて、曲がりが修正されるまでの時間が長くなっている。

この結果から、母材径が変化しても、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０とすることで、効率的に曲がりを修正できることが判明した。

＜比較例４＞
母材の組成を変化させるために、中間ロッドの外側にスート微粒子を堆積させた後、脱水を行った後焼結した母材を製造した。

この母材は、比較例１、２、３の母材と比較して、ＯＨ濃度が低く、Ｃｌ₂濃度が高くなっている。

上記のように組成を変えた母材において、比較例１と同様の実験を行った結果、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０とすることで、効率的に曲がりを修正することができた。

以上の結果より、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０となる条件で曲取りを行うことにより効率的に曲がり修正ができることが判明した。

また、上記の光ファイバ母材加工装置を用いた光ファイバ母材加工方法も本発明の範囲に含まれる。

以上のとおり、本発明の光ファイバ母材加工装置及び光ファイバ母材加工方法によれば、光ファイバ母材の曲がりを修正するにあたって、これに要する時間を大幅に短縮できる。

また、加熱による母材外径の減少を抑制し、これに起因する光ファイバの品質の低下を防止できる。

また、外径、組成が異なる光ファイバ母材に対しても上記の効果を発揮できる。

本発明の一実施例に係る光ファイバ母材加工装置の構成を示す図である。図１の光ファイバ母材加工装置の部分拡大図である。図１の鏝にかかる荷重の変化を説明するための図である。図１の光ファイバ母材加工装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１光ファイバ母材加工装置
２光ファイバ母材
３チャック部
４バーナ部
５スライド部
６鏝部
７制御部

Claims

光ファイバの母材の基端を把持し、回転させる把持回転手段と、
前記母材を加熱する加熱手段と、
前記母材に荷重を加えることにより該光ファイバに生じた曲がりを修正する修正手段と、
前記荷重の程度と前記母材の加熱位置から荷重付加位置までの距離の少なくともいずれかを調整することにより前記荷重を付加する際の曲げモーメントを所定の範囲内に収める調整手段と、
を有し、
前記調整手段は、前記母材の加熱位置から先端までの重量をＷ、前記加熱位置から前記先端までの長さをＬ、前記加熱位置から荷重付加位置までの距離をａ、前記荷重の中心値をＰとした場合に、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）を満たすように前記ａと前記Ｐの少なくともいずれかを調整する手段である、
ことを特徴とする光ファイバ母材加工装置。
光ファイバの母材の基端を把持し、回転させる把持回転工程と、
前記母材を加熱する加熱工程手段と、
前記母材に荷重を加えることにより該光ファイバに生じた曲がりを修正する修正工程と、
前記荷重の程度と前記母材の加熱位置から荷重付加位置までの距離の少なくともいずれかを調整することにより前記荷重を付加する際の曲げモーメントを所定の範囲内に収める調整工程と、
を有し、
前記調整工程は、前記母材の加熱位置から先端までの重量をＷ、前記加熱位置から前記先端までの長さをＬ、前記加熱位置から荷重付加位置までの距離をａ、前記荷重の中心値をＰとした場合に、｜Ｐａ−ＷＬ／２｜≦１５０（ｋｇ・ｃｍ）を満たすように前記ａと前記Ｐの少なくともいずれかを調整する工程である、
ことを特徴とする光ファイバ母材加工方法。