JP5557866B2 - 光ファイバ母材加熱用ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材を加熱して光ファイバの紡糸を行う紡糸炉や、光ファイバ母材を細径化する延伸炉に使用できる光ファイバ母材加熱用ヒータに関する。

図９は、光ファイバ母材加熱用ヒータの一例を示すもので、ここに示すヒータ３０は、概略円筒状の発熱部１と、電極（図示略）に接続された一対の給電部２と、発熱部１と給電部２とを接続する接続部３３とを備えている（特許文献１参照）。
発熱部１には、周方向に所定間隔ごとにスリット４が形成されている。スリット４は、発熱部１の上端から下端近くまで切り込まれたスリット４Ａと、発熱部１の下端から上端近くまで切り込まれたスリット４Ｂとを有する。
スリット４Ａ、４Ｂは、発熱部１の周方向に交互に形成されているため、発熱部１は、直線部５と折返し部６とが繰返される蛇行構造となっている。

給電部２、２は、発熱部１の径方向外方に延出する板状とされ、発熱部１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称となる位置に形成されている。給電部２は、接続部３３を介して発熱部１に給電できる。
接続部３３、３３は、発熱部１の下端から下方に延出し、それぞれ給電部２の径方向内方の端部２ａに達しており、互いに回転対称となる位置にある。

光ファイバ母材を発熱部１内に導入するとともに、給電部２からの給電により発熱部１を発熱させると、光ファイバ母材は加熱により軟化し、線引き等が可能となる。

特開平８−１１９６６２号公報

図１０に示すように、光ファイバ母材加熱用ヒータ３０では、発熱部１は高温となって熱膨張するが、その際、給電部２および接続部３３の位置は変化しない。
そのため、発熱の際に、接続部３３が形成された箇所での発熱部１の径は変化しない一方、接続部３３から離れた箇所での発熱部１の径は大きくなり、その結果、発熱部１の平面視形状が真円形（図１０（ａ）参照）から、非円形（楕円形）（図１０（ｂ）参照）となるおそれがあった。
発熱部１が非円形化すると、光ファイバ母材に対する距離が周方向に均一でなくなる結果、加熱温度が不均一となり、光ファイバが非円形となり、光ファイバの特性、例えば偏波モード分散（ＰＭＤ）等に影響が及ぶ可能性がある。
近年では、光ファイバ母材の大型化・太径化に対応して、径が大きい発熱部１が用いられるため、前述の発熱部１の非円化による加熱特性の不均一化が起こりやすくなっていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発熱部に非円化が生じない光ファイバ母材加熱用ヒータを提供することを目的とする。

本発明は、光ファイバ母材が導入される円筒状の発熱部と、前記発熱部に給電する２つの給電部と、前記発熱部と前記給電部とを連結する接続部と、を備え、前記発熱部に対する前記接続部の接続箇所である第１接続箇所と、前記給電部に対する前記接続部の接続箇所である第２接続箇所とは、前記発熱部の周方向の位置が互いに異なり、前記接続部は、前記第１接続箇所から前記第２接続箇所にかけて延在して形成された延在部を有し、前記延在部は、前記第１接続箇所と前記第２接続箇所との間で、平面視において前記発熱部の周方向に沿って形成され、前記第１接続箇所が前記発熱部の中心軸から離間する方向の弾性的な曲げ変形が可能である光ファイバ母材加熱用ヒータを提供する。
前記第１接続箇所に対する前記第２接続箇所の前記周方向の角度は、４５度以上、１８０度以下であることが好ましい。
前記延在部は、前記発熱部に比べて電気抵抗が小さいことが好ましい。
前記延在部は、発熱部の径方向の寸法が、発熱部の中心軸方向の寸法より小さいことが好ましい。

本発明によれば、第１接続箇所と第２接続箇所との周方向の位置が異なるため、接続部は十分な長さを有し、第１接続箇所が外方移動する方向に容易に変形する。このため、温度上昇時において、発熱部には移動規制は加えられず、発熱部は真円形を保ったまま径が大きくなる。
発熱部の非円化が生じないため、光ファイバ母材に対する発熱部の距離は周方向に均一となり、均一な加熱が可能となる。
従って、光ファイバの非円率を小さくでき、光ファイバの特性（偏波モード分散（ＰＭＤ）等）の悪化を防ぐことができる。

本発明の光ファイバ母材加熱用ヒータの第１実施形態を示す斜視図である。 図１の光ファイバ母材加熱用ヒータの延長部を示す断面図である。 図１の光ファイバ母材加熱用ヒータを模式的に示す平面図である。 図１の光ファイバ母材加熱用ヒータの高温時の状態を示す模式図である。 本発明の光ファイバ母材加熱用ヒータの第２実施形態を示す平面図である。 実施例のヒータ内の温度分布を示す図である。 実施例のヒータ内の温度分布を示す図である。 比較例のヒータ内の温度分布を示す図である。 従来の光ファイバ母材加熱用ヒータを示す斜視図である。 （ａ）前図の光ファイバ母材加熱用ヒータを模式的に示す平面図である。（ｂ）前図の光ファイバ母材加熱用ヒータの高温時の状態を示す模式図である。

以下、本発明の光ファイバ母材加熱用ヒータの実施形態を詳しく説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の光ファイバ母材加熱用ヒータ（以下、単にヒータということがある）の第１実施形態であるヒータ１０を示す斜視図である。図２は、接続部３の延長部８の断面図である。図３は、このヒータ１０を模式的に示す平面図である。
図１に示すように、ヒータ１０は、概略円筒状の発熱部１と、一対の給電部２、２と、これら発熱部１と給電部２とをそれぞれ接続する一対の接続部３、３とを備えている。
以下の説明において、「上」および「下」とは図１における上および下であり、発熱部１の中心軸Ｃ１に沿う方向である。また、周方向とは発熱部１の周方向である。

発熱部１は、例えば導電性のカーボン材料からなり、抵抗値を大きくして発熱量を多くするために、周方向に所定間隔ごとにスリット４が形成されている。
スリット４は、発熱部１の上端から下方に向けて下端近くまで切り込まれたスリット４Ａと、発熱部１の下端から上方に向けて上端近くまで切り込まれたスリット４Ｂとを有する。
スリット４Ａ、４Ｂは、発熱部１の周方向に交互に形成されているため、発熱部１は、上下方向に直線的に延在する直線部５と、折返し部６とが繰返される蛇行構造となっている。
具体的には、発熱部１では、直線部５A下端と、これに隣接する直線部５B下端とが折返し部６Aにより連結され、直線部５B上端と、これに隣接する直線部５C上端とが折返し部６Bにより連結される構造が周方向に繰り返されている。
直線部５および折返し部６の断面形状は特に限定されないが、例えば矩形とすることができる。

給電部２、２は、例えば導電性のカーボン材料からなり、平面視において発熱部１の径方向外方に延出する板状とされ、互いに周方向の位置を違えて設けられている。図示例の給電部２、２は、発熱部１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称となる位置に形成されている。
給電部２は電極（図示略）に接続されており、接続部３を介して発熱部１に給電できる。
給電部２の数は、３以上の任意の数としてよく、これらのうち少なくとも２つは周方向に位置を違えて設けられる。

接続部３は、例えば導電性のカーボン材料からなり、発熱部１の下端から下方に延出する基部７と、基部７の下端７ｂから発熱部１の周方向に沿って延在する延長部８（延在部）とを有する。
基部７は、隣り合う２つの直線部５、５および折返し部６から下方に延出して形成されている。図示例の基部７は、直線部５、５および折返し部６を、厚さおよび幅を変えずにそのまま下方に延長した形状であって、発熱部１と一体に形成されている。
基部７の上端７ａは、発熱部１の下端に接続された第１接続箇所である。以下、上端７ａを第１接続箇所７ａということがある。

図１および図３に示すように、延長部８は、平面視において発熱部１の周方向に沿う円弧状に形成されている。
延長部８の一端８ａは、基部７の下端７ｂに対し一体に接合して形成されている。基部７は上下方向に沿う形状であるため、延長部８の一端８ａと、基部７の上端７ａ（第１接続箇所７ａ）との周方向の位置はほぼ同じである。
この例の延長部８では、平面視において内縁８ｃの径方向位置が発熱部１の外縁１ａの径方向位置にほぼ一致しており、発熱部１に対して外方に張り出して形成されている。

延長部８の他端８ｂは、給電部２の径方向内方の端部２ａに一体に接続された第２接続箇所である。以下、他端８ｂを第２接続箇所８ｂということがある。
延長部８は、一端８ａが中心軸Ｃ１に対して接近および離間するような弾性的な曲げ方向の変形が可能である。このため、延長部８は、一端８ａが外方移動する方向の弾性変形が可能である（図３および図４を参照）。

図２に示すように、延長部８の横断面形状は矩形とすることができる。
延長部８は、発熱部１の径方向（図２の左右方向）の寸法Ｗ１を、高さ方向（図２の上下方向。中心軸Ｃ１方向）の寸法Ｈ１より小さくすると、前述の曲げ方向の変形が起こりやすくなるため好ましい。
この例の延長部８の横断面形状は矩形であるが、延長部８の横断面形状はこれに限らず、多角形（台形等）、円形、楕円形など、任意としてよい。
なお、接続部３は、全長にわたって図２に示す形状であってもよい。

接続部３は、少なくとも一部において、発熱部１よりも電気抵抗が小さいと、発熱が小さくなるため好ましい。
例えば、延長部８が発熱部１と同じ材料からなる場合には、延長部８の断面積（図２に示す横断面の面積）を発熱部１の直線部５および折返し部６の断面積（横断面の面積）より大きくすると、発熱部１に比べて電気抵抗が小さくなり、延長部８における発熱を小さくできる。
なお、接続部３は、全長にわたって発熱部１に比べて電気抵抗が小さくてもよい。

図１および図３に示すように、接続部３は、周方向に延在する延長部８を有するため、発熱部１側の第１接続箇所７ａと、給電部２側の第２接続箇所８ｂとの周方向の位置は互いに異なる。
図３に示すように、第１接続箇所７ａに対する第２接続箇所８ｂの周方向の角度θ１は４５度以上が好ましく、９０度以上がさらに好ましい。角度θ１をこの範囲とすることによって、延長部８に十分な長さを与え、後述する温度上昇時の変形を起こりやすくできるため、発熱部１の非円化を防ぐ効果を高めることができる。
角度θ１は、１８０度以下とすると、構造が複雑化してヒータ１０が大型化するのを避けることができる。

なお、第１接続箇所７ａと第２接続箇所８ｂとの周方向位置が異なるとは、第１接続箇所７ａに対する第２接続箇所８ｂの周方向の角度θ１が０度を越えることをいう。角度θ１は、３６０度またはその２以上の倍数であってもよい。

延長部８は、周方向に沿って形成されているため、第２接続箇所８ｂが発熱部１に近接した位置にあることから、ヒータ１０の小型化を図ることができる。

接続部３、３は、給電部２、２をそれぞれ発熱部１に接続している。
接続部３、３は、互いに周方向の位置を違えて設けられており、２つの第１接続箇所７ａ、７ａは互いに周方向位置が異なる。
図示例では、給電部２、２が、中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称となる位置に形成されているため、接続部３、３も互いに回転対称となる位置に形成されている。このため、２つの第１接続箇所７ａ、７ａも互いに回転対称となる位置にある。
接続部３の数は、３以上の任意の数としてよく、これらのうち少なくとも２つは、第１接続箇所７ａが周方向に位置を違えるように形成される。

次に、光ファイバ母材加熱用ヒータ１０を用いて、光ファイバ母材を加熱する方法について説明する。
光ファイバ母材としては、例えば石英ガラス製のものを例示できる。
図３および図４に示すように、光ファイバ母材Ｐ１を発熱部１内に導入するとともに、給電部２からの給電により発熱部１を発熱させる。発熱部１の温度は、例えば１５００℃以上、好ましくは２０００℃以上とすることができる。発熱部１による加熱によって光ファイバ母材は軟化し、線引きや細径化等が可能となる。

図４に示すように、発熱部１が高温となると、発熱部１には、熱膨張によって径が大きくなる方向への力が働く。
上述のように、ヒータ１０では、第１接続箇所７ａと第２接続箇所８ｂとの周方向の位置が異なるため、延長部８は十分な長さを有し、一端８ａおよび第１接続箇所７ａが外方移動する方向に容易に弾性変形する。
このため、温度上昇時において、給電部２および第２接続箇所８ｂの位置は変化しないにもかかわらず、発熱部１には移動規制は加えられない。
よって、延長部８の一端８ａおよび第１接続箇所７ａが外方に変位するとともに、発熱部１は真円形を保ったまま径が大きくなる。
発熱部１の非円化が生じないため、光ファイバ母材Ｐ１に対する発熱部１の距離は周方向に均一となり、均一な加熱が可能となる。
従って、光ファイバの非円率（（長径−短径）／長径＊１００（％））を小さくでき、光ファイバの特性（偏波モード分散（ＰＭＤ）等）の悪化を防ぐことができる。

図５は、本発明の第２実施形態であるヒータ２０は、接続部１３の延長部１８が平面視において直線的に延在して形成されている点で、図３等に示すヒータ１０と異なる。
延長部１８の一端１８ａは、基部７の下端７ｂに接合されており、一端１８ａと第１接続箇所７ａとの周方向の位置はほぼ同じである。延長部１８の他端１８ｂは、給電部２の端部２ａに接続された第２接続箇所である。
延長部１８は、第１接続箇所７ａにおける発熱部１の接線方向に沿う直線状とすることができる。
なお、第１接続箇所７ａと第２接続箇所１８ｂとの周方向の位置は互いに異なっていれば、延長部１８の延在方向は、発熱部１の接線方向に限定されない。

接続部１３は、延長部１８を有するため、第１接続箇所７ａと第２接続箇所１８ｂとの周方向の位置は互いに異なる。第１接続箇所７ａに対する第２接続箇所１８ｂの周方向の角度θ２は、４５度以上、１８０度以下が好ましい。

ヒータ２０では、図３等に示すヒータ１０と同様に、接続部１３の第１接続箇所７ａと第２接続箇所１８ｂとの周方向の位置が異なるため、延長部１８は十分な長さを有し、一端１８ａおよび第１接続箇所７ａが外方移動する方向に容易に弾性変形する。
このため、高温時において発熱部１の非円化が生じず、光ファイバ母材に対する均一な加熱が可能となることから、光ファイバの特性の悪化を防ぐことができる。

ヒータ２０では、延長部１８が直線状に形成されているため曲げ方向の変形が起こりやすい。このため、発熱部１の非円化を防ぐ効果の点で優れている。

なお、発熱部１、給電部２および接続部３の構成材料としては導電性のカーボン材料を例示したが、前記構成材料は導電性であれば特に限定されず、例えば窒化珪素等のセラミクス材料であってもよい。また、発熱部１、給電部２および接続部３のうち１または２の少なくとも一部に、それ以外の構成とは異なる材料を使用してもよい。
また、図示例の接続部３は、第１接続箇所７ａを有する基部７と、基部７から第２接続箇所８ｂに至る延長部８とを有する構造であるが、第１接続箇所７ａから直接的に第２接続箇所８ｂに達する構造としてもよい。
例えば、接続部は、基部７がなく、延長部８（または延長部１８）が第１接続箇所７ａから第２接続箇所８ｂにわたって形成された構造であってもよい。
本発明は、光ファイバ母材を加熱して光ファイバの紡糸を行う紡糸炉や、光ファイバ母材を細径化する延伸炉に適用できる。

（実施例１）
図１〜図３に示すヒータ１０を作製した。
発熱部１は、内径が２８０ｍｍであり、厚さ（直線部５および折返し部６の厚さ）が２０ｍｍであり、平均断面積（直線部５および折返し部６の平均断面積）が４００ｍｍ^２であり、高さ１４０ｍｍである。
延長部８の断面積は８００ｍｍ^２であり、第１接続箇所７ａに対する第２接続箇所８ｂの角度θ１は１６５度である。
カーボン材料製の管体（炉心管）（図示略）を発熱部１内に設置し、光ファイバ母材を導入していない状態で、発熱部１の温度を１３００℃としたときの内部の温度分布を調べた。温度の測定点は、発熱体１最上部を横切る面に沿う、発熱体１と同心の半径１００ｍｍの円上の各点とした。結果を図６に示す。図中「８ａ」は、延長部８の一端８ａの位置を示す。管体内部の周方向の温度の変動幅は±２℃程度であった。
前記管体内に光ファイバ母材（外径１８０ｍｍ。非円率０．０５％）を導入するとともに、発熱部１の温度を２２００℃として紡糸を行った結果、光ファイバの非円率は０．０８％であった。

（実施例２）
第１接続箇所７ａに対する第２接続箇所８ｂの角度θ１が９０度であること以外は実施例１と同様のヒータ１０を使用して、実施例１と同様にして温度分布を測定した結果を図７に示す。管体内部の周方向の温度の変動幅は±３℃程度であった。
実施例１と同様にして紡糸を行って得た光ファイバの非円率は０．１１％であった。

（比較例１）
図９および図１０に示すヒータ３０を作製した。実施例１と同様にして温度分布を測定した結果を図８に示す。管体内部の周方向の温度の変動幅は±１０℃程度であった。
給電部２（接続部３３）に相当する箇所と、そこから９０度離れた箇所との温度差は約１０℃であった。
実施例１と同様にして紡糸により得た光ファイバの非円率は約０．３％であった。

これらの結果より、実施例１、２のヒータは、発熱部１内の温度分布を均一にすることができ、その結果、非円率が低い光ファイバが得られたことがわかった。

１・・・発熱部、２・・・給電部、３・・・接続部、Ｃ１・・・中心軸Ｃ１、７・・・基部、７ａ・・・第１接続箇所、８、１８・・・延長部（延在部）、８ｂ・・・第２接続箇所、１０、２０・・・光ファイバ母材加熱用ヒータ、θ１、θ２・・・第１接続箇所に対する第２接続箇所の周方向角度。

Claims (4)

1. 光ファイバ母材が導入される円筒状の発熱部と、
   前記発熱部に給電する２つの給電部と、
   前記発熱部と前記給電部とを連結する接続部と、を備え、
   前記発熱部に対する前記接続部の接続箇所である第１接続箇所と、前記給電部に対する前記接続部の接続箇所である第２接続箇所とは、前記発熱部の周方向の位置が互いに異なり、
   前記接続部は、前記第１接続箇所から前記第２接続箇所にかけて延在して形成された延在部を有し、
   前記延在部は、前記第１接続箇所と前記第２接続箇所との間で、平面視において前記発熱部の周方向に沿って形成され、前記第１接続箇所が前記発熱部の中心軸から離間する方向の弾性的な曲げ変形が可能であることを特徴とする光ファイバ母材加熱用ヒータ。
2. 前記第１接続箇所に対する前記第２接続箇所の前記周方向の角度は、４５度以上、１８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材加熱用ヒータ。
3. 前記延在部は、前記発熱部に比べて電気抵抗が小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ母材加熱用ヒータ。
4. 前記延在部は、発熱部の径方向の寸法が、発熱部の中心軸方向の寸法より小さいことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の光ファイバ母材加熱用ヒータ。

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