JPH0455138B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 本発明は光フアイバ特に被膜付き光フアイバに
関する。

従来技術の背景 一般に、光フアイバはガラス体（一般的にプリ
フオームと称される）から引出され有機保護被膜
をつけられ、これらはひとつの連続した工程で行
なわれる。この連続工程は装置（引出し塔）を用
いて行なわれる。光フアイバは初めにプリフオー
ムから引出され、次にこれを有機材料の入つた室
を通すことによつて被膜をつけている。例えば、
エポキシアクリラートやウレタンアクリラート等
のアクリラートレジンのように紫外線によつて硬
化する有機液体やシリコン等の熱硬化する有機液
体を用いることが多いので、単なる照射や加熱に
よつて最終被膜を簡単に完成することができる。

引出し工程でなく被膜工程は、許容される被膜
付き光フアイバが製造される最大速度を通常制限
している。引出し塔には大きな資本が投資されて
いるので、許容される品質の被膜にかなつた最高
速度で引出しおよび被膜工程を行なうことが当然
ながら望ましい。代表的な被膜工程、例えば紫外
線硬化によるウレタンアクリラートの被膜を用い
引出し点と被膜点との距離が1.25ｍにおいて直径
125μmの光フアイバを製造する際には、約
1.3m／secの引出し速度が用いられている。さら
に速い速度では、一般に、溶着物や不均一な厚み
等の不規則な被膜が生じ、さらにひどい場合には
被膜のつかない部分がところどころに発生する。
多数の光フアイバを有する光フアイバケーブルの
望ましい伝播特性を確実にするためには、一般
に、被膜の外径が±10％以上変動しないことであ
る。

不規則な被膜の形成に影響する重要な因子は、
被膜用液体内に入つてくる光フアイバの温度であ
る。光フアイバが充分冷却されていないと、被膜
材料は許容される均一性を有した連続した膜を形
成しないと考えられている。従つて、被膜形成速
度が速いとそれだけ冷却の時間が短くなり、適当
な被膜形成がされなくなる。

被膜の品質を維持しつつ引出しおよび被膜形成
速度をより早くできるように種々の技術が研究さ
れている。望ましい速度を達成できる確立された
技術は、光フアイバの引出し点とこれが被膜用液
体に入る点との距離を長くして、冷却用の時間を
増やしている。しかし、距離を長くすると引出し
装置が非常に大きなものとなり投下資本がそれに
よつて大きくなる。

被膜形成速度を高める技術は他にも研究されて
いる。例えば、光フアイバが引出され被膜を形成
する前に空気を光フアイバに吹付けている。この
工程ではふたつの重大な悪影響が生じた。速度を
かなり高くするのに充分な空気は光フアイバに実
質的な振動をもたらす。この振動によつて光フア
イバの直径に許容できない変動が生じる（許容で
きる変動は、光フアイバの全長に対して１％以
下、好ましくは0.25％の標準偏差である）。さら
に、空気を使用すると光フアイバの機械特性が劣
化することが報告されている。（ピークおよびシ
ユレーダによる“応用光学（Applied Optics）”
1981年第20巻を参照されたい）。空気ではなくヘ
リウムを冷媒として使用することも提案されてい
る（1982年１月11日出願の欧州特許出願第
82305708.8号、公開番号第8079186号を参照され
たい）。ヘリウムを光フアイバの径方向にあてて
光フアイバの被膜形成速度を高めることが報告さ
れている。

極めて有用な引出し速度を達成したが、非常に
高速の場合にはそれ相応の経済性をもたらす。

発明の概要 光フアイバの冷却効率そして被膜形成速度は光
フアイバの囲りの加熱ガス境界層に非常に大きく
依存していることを見出した。この加熱ガス境界
層を、繰返しすなわち３回以上にわたつて光フア
イバからストリツプしなければ、冷却効率がかな
り減少し、このため被膜形成速度を制限してしま
う。従つて本発明の技術はガス境界層を数回にわ
たつてストリツプし光フアイバの製造速度を高め
る。本発明技術では、少なくともも３回ガス境界
層をストリツプしている。さらに、適切なストリ
ツプを施すことによつて被膜形成速度をかなり高
めることができる。詳述すると、第１ストリツプ
手段を用いて、ストリツプしない場合の厚さの多
くとも1/10にガス境界層の厚さを減少させる。さ
らに、少なくとも第２および第３ストリツプ手段
を以下の３個の基準を満足させるように配設す
る。第１は、第２および第３ストリツプ手段によ
るストリツプはパラメータ（１／Re_a）・ｘ／ａ
が1000を超える前に行なわれる。ここでｘは前段
のストリツプによるストリツプと後段のストリツ
プ手段による境界層減少の開始との距離であり、
ａは光フアイバの半径であり、Re_aはレイノルド
数で光フアイバの速度Ｖとガスの運動学上の粘度
ＵでＶ・ａ／Ｕによつて規定される。第２は、ス
トリツプ手段間の最小間隔は10Δよりも大きく、
ここでΔは光フアイバの表面からストリツプ手段
までの平均距離あるいは3.2mmのいずれか短い方
である。第３は、第２および第３ストリツプ手段
はガス境界層の厚さを少なくとも90％減少させ
る。

ひとつの実施例では、光フアイバ通過用の直径
約1.5mmの開孔を有し、互いに約25mm離して配設
した障壁板を用いている。空気あるいはヘリウム
等のガスである冷却流体をストリツプ容器内で進
行する光フアイバと逆方向に流すことによつて障
害板を用いてストリツプを起こさせている。（光
フアイバと同一進行方向に流すことも可能であ
る。）ストリツプされたガス境界層からの熱を充
分に伝達できるように、ストリツプ板（障壁板）
内においてストリツプ容器の構造体に一体にピン
を配設している。これらピンは構造体の表面積を
大きくし、ストリツプ容器内のストリツプ流体か
ら構造体へ熱を伝達する。ストリツプ容器の壁内
に冷媒を循環させることによつて熱伝達をより始
めることが可能である。このような手段によつ
て、光フアイバの特性を本質的に劣化させること
なく、被膜形成速度を高めている。

詳細説明 前述したように本発明では、被膜形成前の光フ
アイバを囲むガス境界層の多数回（３回以上）ス
トリツプを行つている。境界層はストリツプ手段
によつてストリツプを施さない場合の厚みの10％
以下に減少するようにストリツプされる。（ガス
境界層は、流体温度が光フアイバの表面温度と周
囲温度の差の１％に周囲温度を加えた温度となる
点と光フアイバ表面までの径方向の領域によつて
規定される。） 上述のストリツプを施すのには種々の手段が可
能である。例えば、一実施例においては、ガスの
流れに対する物理的な障壁を用いている。この障
壁は好ましくは光フアイバ表面と極めて近接して
いる。しかし、光フアイバの製造工程でいくらか
の径方向の動きがあるだろうから、代表的には光
フアイバの中心合せのフイードバツク機構を用い
ないで物理的な障壁は光フアイバに対して0.25mm
以下に近接してはならない。第１図に示す実施例
では、円形の金属板６が容器９内で担持され、光
フアイバが通過する直径約1.5mmの円形の開孔を
有している。（第１図はわかりやすくするため装
置の断面を示している。） 障壁の目的は、障壁を通過するガス流量が所望
のストリツプを行うのに充分であることを確実に
することである。（もし、光フアイバの望ましく
ない振動をもたらすことなく他の手段で充分なガ
ス流量が得られるならば障壁は不要である。）ス
トリツプガス流の方向は光フアイバの進行する方
向かあるいはその逆の方向である。（このガス流
は過剰な振動を引起こさないように光フアイバに
対して対称であるように規制することが好まし
い。）一般に、第１ストリツプ手段によつて境界
層の減少を望ましいレベルまで行うには、例えば
代表的には500000sec^-1よりも大きい光フアイバ
表面での径方向速度勾配を有したガス流等の流体
流によつて90％以上のガス境界層減少がもたらさ
れる。（アール・ビー・バード等による“伝達現
象（Transport Phenomena）”ジヨンウイリ
ー・アンド・サンズ、ニユーヨーク、1960年頁３
〜５、径方向速度勾配の定義を参照されたい。）
例えば、１〜３mmの障壁開口において10〜40／
ｍのガス流は90％あるいはそれ以上の境界層減少
がもたらされる。ストリツプを行うのに使用する
流体は別に臨海的なものでない、空気、ヘリウム
あるいは窒素等の流体が適切である。（しかし、
他のガスよりもヘリウムの方がより高い被膜形成
速度が得られる。）ストリツプ流体は取囲んでい
る境界層よりも低温にすることが有利である。す
なわち、光フアイバとストリツプ流体の温度差
は、少なくともストリツプ流体と周囲温度との差
の温度よりも大きする。

本発明の高い被膜形成速度を達成するには、少
なくとも第２および第３のストリツプが必要とな
る。第１のストリツプで述べたと同じ手段が適切
である。しかし、第２および第３のストリツプは
第１のストリツプと同一方法で行う必要はなく、
また第２および第３のストリツプを互いに同一方
法で行う必要もない。第２および第３のストリツ
プに使用する手段は別に臨海的なものでないが、
ストリツプ間の間隔が非常に重要である。詳述す
ると、ストリツプは以下の３個の基準を満たすよ
うに調整する。（本発明では、ストリツプ手段に
よるストリツプ境界層の厚さが最小値に減少され
る光フアイバ進行軸に沿つた最後の位置で行なわ
れるものとする。）第２および第３のストリツプ
は、前段のストリツプ後のパラメータ（１／
Re_a）・ｘ／ａが100を超える前に行なう。ここで
ｘは前段のストリツプ手段によるストリツプと後
段のストリツプ手段による境界層減少の開始との
間の距離であり、ａは光フアイバの半径であり、
Re_aはレイノルド数であつて、光フアイバ速度Ｖ
とガスの運動学上の粘度ＵとによるＶ・ａ／Ｕに
よつて規定される。（デイ・ボーネとデイ・エリ
ストンによる“熱と質量伝達の国際ジヤーナル
（International Journal of Heat and Mass
Transfer）“13、583（1970）を参照されたい。）
第２および第３のストリツプは前段のストリツプ
よりも10Δより離れた距離で行なわれる。ここに
Δは光フアイバ表面とストリツプ手段との平均径
方向距離あるいは3.2mmのいずれか短い方である。
（ストリツプ手段はストリツプガス流の方向器と
して機能する最直近の物理的構造の位置において
Δを測定する目的で置かれている。）第２および
第３ストリツプ手段（および必ずしも必要ではな
いが好ましくはすべての後段のストリツプ手段）
は、各々、各ストリツプ手段によつてストリツプ
が施されなかつた時の厚さの少なくとも90％にガ
ス境界層を減少させる。すなわち、第２ストリツ
プ手段に対してはこれ以外のストリツプ手段によ
つてストリツプが施された時の厚さの90％の減少
が測定される。同様に３ストリツプ手段に対して
はこれ以外のストリツプ手段によつてストリツプ
が施された時の厚さの90％の減少が測定される。
（この場合、第２および第３ストリツプ手段は隣
接する手段である必要はない。第２および第３ス
トリツプ手段が上述の条件を満足するならば中間
のストリツプ手段は除外されない。） ストリツプ間隔の前記基準を満足させる種々の
実施例が可能である。たとえば、１〜３mmの光フ
アイバ用の開口を有した３個の物理的障壁を互い
に平行に１〜５cm間隔で配設する。さらに10〜40
／ｍの流量でストリツプ流体流を用いる。３個
の障壁の正確な位置決めならびに正確な流量は、
障壁を含む容器の特定の形状、光フアイバの引出
し速度およびストリツプ手段周辺からの熱の除去
に依存するが、所望の基準を確定する制御サンプ
ルは容易には使用できる。（ガス境界層減少の程
度は、エフ・クライスおよびエム・ボーンンによ
る“熱伝達原理（Principles of Heat
Transfer）”頁357〜358、バーパ・アンド・ロー
（1986）記載された高温ワイヤ風速計で測定す
る。） 適当なストリツプ間隔による３個のストリツプ
工程は光フアイバの特性を劣化させることなく被
膜形成速度をかなり高めるのに充分であるが、さ
らにストリツプ工程を加えることによつて速度が
さらに高まる。例えば、12個のストリツプ工程を
用いると、ストリツプ工程を用いない時の４ｍ／
secに比して５〜12ｍ／secの速度が可能となる。
一般に、間隔が使用するストリツプ手段の数を制
限する主たるものである。代表的には光フアイバ
の進行方向において炉からキヤプスタンあるいは
シーブ等の最初の光フアイバ支持部材までの距離
の半分以下がストリツプ装置によつて占有される
ことが、被膜装置、硬化装置および測定装置の空
間的制約の理由から望ましい。従つて一般にスト
リツプ工程数は50以下に制限される。しかし空間
的制約がない場合、ストリツプ工程数を増やすこ
とが有利である。

ガス境界層が適切にストリツプされると、スト
リツプガスの熱を取除く。この熱を取除かないと
ストリツプ流体と光フアイバとの温度差がなくな
り、熱伝達が減少する。一般に、ストリツプガス
境界層の熱を取除いて、光フアイバの進行方向の
軸に沿つた各点において、光フアイバとストリツ
プ流体との温度差を少なくともストリツプ流体と
周囲温度との温度差にする。これを行なうには
種々な方法が可能である。例えば、ヒートシンク
を設ける。そのような手段の一例が第１図に示す
構成である。ストリツプ容器の構造体に埋込まれ
たピン２０は拡張された表面積として作用し、ス
トリツプガスから熱を取除いてストリツプ容器の
構造体に伝達する。

以下の例は本発明の例示である。

第１例 被膜形成を行なつた塔は、2200℃に維持された
引出し炉と、レーザフオーワード散乱モニタと光
フアイバの直径を均一にする制御システムによつ
て規制したキヤプスタンと、ここで参考のために
導入する1984年11月６日発行の米国特許第
4480898号に詳述されている設計による被膜付着
器と、フユージヨンシステム社の販売する被膜付
き光フアイバの硬化用の２個の300w／inランプ
（Ｄバルブ）とを有している。ランプ反射器シス
テムの焦点が光フアイバにくるようにランポを位
置決めした。被膜付着器にはウレタナクリレート
被膜成分を供給し、引出し炉の基部から約3.31ｍ
離れて設置した。一部を第１図に概略として示す
ストリツプ装置は、引出し炉の底部から約2.75ｍ
にその頂部入開孔がくるように設置した。ストリ
ツプ装置は２個に等分された直方体を有し、各々
がヒンジ結合されるとともに２個を互いに閉止す
る手段を備えている。ストリツプ装置はアルミニ
ウム製でその長さは約45.7cmである。閉止した
時、ストリツプ装置は１，27cmの空胴を有してい
る。閉止した状態で、中心に直径1.59mmの開口を
有する円形のストリツプ板を互いに3.8cm離して
設置した。ストリツプ板の設置に使用した空胴と
同じ直径を有した出および入ポートをストリツプ
容器に備えた。各ストリツプ板間の領域には、空
胴壁から径方向に放射しストリツプ板間でスパイ
ラル状に均一に離間した10本のピンを設けた。ア
ルミニウムのこれらピンは直径1.6mmである。ピ
ンは、ストリツプ容器の構造体の適当な位置に開
孔された孔に圧入され約4.76mm構造体内部にもぐ
り込ませた。約3.75×2.5×2.5cmの寸法を有する
中央室を５部室の上部と下部との間に形成し、導
管によつてガス源手段に接続した。蛇行する水冷
路であつて構造体内部の全長に沿つて三回その方
向を変える水冷路を、直径6.35mmのボールエンド
ミルを用いて、ストリツプ容器の各半分に約6.35
mmの深さに形成した。この水冷路は厚さ約9.5mm
のアルミニウム板で覆うことによつてシールし
た。

光フアイバが開口の中央を通つて出入するよう
にストリツプ容器を光フアイバ通路に沿つ配設し
た。シリコン真空グリースを用いて各半分を互い
にシールした。圧力クランプ装置によつて２個の
各半分を互いに固定した。ストリツプガスを導管
より導入して互いに約180度離れている中央室の
２個の場所に入れた。このストリツプガス流は、
Ｒ−６−15−Ｂサイズの管と流量制御弁とを有し
たブルツクスモデル1370−01C2AAAのロトメー
タ（rotometer）を用いて測定ならびに制御を行
なつた。ストリツプ容器に入る前のガス流は
0.6μmのミリポアテフロン（Mfllipore Teflon、
登録商標）フイルタを用いて濾過した。ロトメー
タは使用する各ガス流の組成に対して校正を行な
つた。約４℃の冷却水をストリツプ容器の各半分
の冷却通路に導入した。被膜形成の間この冷却水
を連続的に流した。

光フアイバの引出しは、均一な屈折率を有した
溶融シリカプリフオームを用いて開始した。引出
し炉の温度及び他の条件は125μmの光フアイバ直
径を得るように設定した。（均一屈折率のプリフ
オームは便宜上用いたもので実験結果には影響を
及ぼさなかつた。）最初の被膜形成はストリツプ
容器に空気を流さないで行なつた。光フアイバの
速度を、不安定な被膜形成が観察されるまで徐々
に増加した。この不安定な被膜形成の指標とし
て、光フアイバが被膜液体に入る時点での凹凸の
衝突を用いた。不安定が始まつた速度は約
2.6m／secであつた。次に空気を１／ｍを少し
超える流量でストリツプ容器に導入した。再度、
不安定が観察されるまで流量を増加した。空気流
の増大と不安定が始まる流量を観察する手順を繰
返し実行して第２図のグラフに示す結果を得た。
37.5／ｍの流量で9.75ｍ／secの速度が得られた
ことに注目されたい。

第２例 空気の代わりにヘリウムをストリツプガスとし
て使用して同様の手順を繰返した。その結果を第
２図に示す。23.5／ｍの流量で12.4ｍ／secの速
度が得られた。（実験の開始でのストリツプ容器
内の雰囲気は、空気雰囲気の場合に期待されるよ
りも少しよけいの冷却を与えるヘリウムガスが主
であるので、ストリツプガス流のない時の不安定
の始まりはヘリウムの場合の方が遅かつた。） 第３例 冷却水の温度を50℃、引出し速度を5.8ｍ／
sec、空気流を22〜27／ｍにして第１例の手順
を行つた。この条件で５Kmの被膜付き光フアイバ
を得た。次に空気流を止め、引出し速度を4m／
secに落として、第２番目の５Kmの光フアイバを
引出し、被膜を付けて得た。次にストリツプ容器
を完全に取除いて第３番目の５Kmの光フアイバを
引出し被膜を付けて3.9ｍ／secで得た。これら３
種類の５Km長の光フアイバを従来の自重型耐久試
験器を用いて1.38GPaで試験した。どの光フアイ
バにも故障は観察されなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用して好適なストリツプ手
段の一例を示す図、そして第２図は本発明によつ
て得られた結果を示すグラフである。 ＜主要部分の符号の説明＞、６……ストリツプ
板、９……ストリツプ容器、２０……ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱ガラス体から光フアイバを引出し、引き
   出された光フアイバを冷却し、引出されて冷却さ
   れた光フアイバに被膜をつける工程より成る被膜
   付き光フアイバの製造方法において、 前記冷却は、少なくとも第１〜第３ストリツプ
   手段を有する複数のストリツプ手段より成るスト
   リツプ装置によつて行なわれ、 (イ) 前記第１ストリツプ手段は、光フアイバを取
   囲むガス境界層をストリツプしない場合の厚さ
   の多くとも1/10に減少させ、 (ロ) 前記第２および第３ストリツプ手段は、
   各々、対応するストリツプ手段によつてストリ
   ツプしない場合の厚さの10％以上にはガス境界
   層をストリツプすることなく、ここで各第２お
   よび第３ストリツプ手段は（１／Re_a）・（ｘ／
   ａ）が1000を超える前にストリツプを開始し、
   ｘは前段のストリツプ手段のストリツプ点と
   各々第２および第３ストリツプ手段によつて生
   じたガス境界層の減少開始点との距離であり、
   ａは光フアイバの半径であり、Re_aはレイノル
   ド数であり、そして (ハ) 前記第１および第２ストリツプ手段ならびに
   第２および第３ストリツプ手段の最小間隔は
   10Δより大きく、ここでΔは光フアイバの表面
   とストリツプ手段との間の平均距離か3.2mmの
   小さい方であることを特徴とする被膜付き光フ
   アイバの製造方法。 ２ 前記ストリツプ手段から熱を取除く手段を有
   する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記熱を取除く手段は複数のピンより成る特
   許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 前記ストリツプ手段は光フアイバが通過し流
   体が流れる開口を有した本体より成る特許請求の
   範囲第３項記載の方法。 ５ 前記ストリツプ手段は光フアイバが通過し流
   体が流れる開口を有した本体より成る特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ６ 前記流体が空気である特許請求の範囲第５項
   記載の方法。 ７ 前記流体がヘリウムである特許請求の範囲第
   ５項記載の方法。