JP2012246159A - 光ファイバ用線引炉のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】径変動が大きい光ファイバ母材であっても、光ファイバ用線引炉における上端開口部と光ファイバ母材との間に生じる隙間を簡易で破損しにくい構造でシールすることを可能にする光ファイバ用線引炉のシール構造を提供する。
【解決手段】本発明に係るシール構造は、リングの一部３１を切断した不連続のリングからなる、カーボンを主成分とするシール部材３０を、シール部材３０の内周側に光ファイバ母材を通した状態で、シール部材３０の径方向の収縮力により光ファイバ母材の側面にシール部材３０の内面が接触するように設けている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバ用線引炉の上端開口部と光ファイバ母材との間の間隙をシールするための光ファイバ用線引炉のシール構造に関するものである。

光ファイバは、例えば石英を主成分として形成された光ファイバ母材を線引炉にて加熱して引き出される。この線引炉の炉内部品材料としては、主にカーボンが使われており、このカーボンの酸化を防ぐためにヘリウム、アルゴンなどの希ガスまたは窒素ガス（以下、不活性ガス等と称す）が炉内に充填されている。

そして、さらに炉内圧力を陽圧にすることにより、炉外の空気（酸素）が炉内に入り込むことを防いでいるが、線引炉の上端部における光ファイバ母材の導入口の隙間、つまり線引炉の上端開口部における光ファイバ母材との隙間でうまく気密がとれていないと（シールされていないと）、炉外の空気を巻き込んでしまうことになる。
従って、炉外空気を炉内に巻き込まないように、線引炉の上端部の隙間をシールするシール機構が必要となる。また、この部分をうまくシールすることができれば、不活性ガス等の使用量を減らすことができ、コスト低減につなげることも可能である。

特許文献１には、シール構造をもった光ファイバの線引装置が開示されている。この線引装置は、光ファイバ母材を通す挿通口を設けたＸ−Ｙテーブルと、その挿通口の内周部に配置された内径可変形のシール機構と、Ｘ−Ｙテーブルの直上にあり、光ファイバ母材の外径を計測する外径計測手段と、Ｘ−ＹテーブルのＸ方向中心に対する光ファイバ母材のずれ量及びＹ方向中心に対するずれ量を計測するずれ量計測手段とを備えている。ここで、外径計測手段及びずれ量計測手段としてはＣＣＤカメラが設けられている。

さらに、この線引装置は、ずれ量計測手段の計測データを元に、Ｘ−Ｙテーブルの中心位置が光ファイバ母材の中心に一致すべくＸ−Ｙテーブルの移動制御を行うとともに、外径計測手段の計測データを元に、シール機構の内径を光ファイバ母材の外径に対し常時一定のクリアランスに保持すべく縮開制御を行う制御手段を備えている。

また、特許文献２には、光ファイバ母材の周りを囲むように線引炉体の上端部に設置する上部シールリングと、その外周に上部シールリングの中心方向に力を作用させる伸縮機構とを備え、上部シールリングが光ファイバ母材に常に密着するように線引炉体の上端部の隙間をシールするシール構造が開示されている。ここで、上部シールリングは、複数の内側シールリング片を連結して構成された内側シールリングと、その外周に配置される、複数の外側シールリング片を連結して構成された外側シールリングとから構成されており、且つ内側シールリング片の連結部と外側シールリング片の連結部とが重ならないように配置されている。

また、特許文献３には、光ファイバ用線引炉におけるシール構造として、リング状のシール部材を光ファイバ母材の周囲に設ける技術が開示されている。図４は、このシール構造を示す図で、図４（Ａ）はシール構造の断面図、図４（Ｂ）はスリット無しカーボンシートの上面図、図４（Ｃ）はスリット付きカーボンシートの上面図である。

図４（Ａ）で示すように、このシール構造５０は、光ファイバ用線引炉の炉筐体１１の上端面（及び炉心管１２の上端面）に設けられている。シール構造５０は、その外壁となる上蓋付き円筒５７にパージガス導入管５８が設けられると共に、光ファイバ母材１の周囲に何層にも渡ってシール部材５１，５２，５３が設けられている。シール部材５２，５３はシート支持部材５９に載置されている。そのうち、シール部材５１は、炉筐体１１の上端面に図４（Ｂ）のスリット無しカーボンシート６１を載置し、その上に図４（Ｃ）のように、内周から切り込むように形成された内周側スリット６３ａと外周から切り込むように形成された外周側スリット６３ｂが設けられたカーボンシート６３を載置し、さらにその上に図４（Ｂ）のスリット無しカーボンシート６２を載置して形成されている。そして、最後にその上がシート押さえ６４で押さえられている。

特開平１０−１６７７５１号公報 特開２００６−３４２０３０号公報 特開２０１０−１７３８９５号公報

上述した線引炉の上端開口部のシール構造に関し、光ファイバ母材径の変動が小さければ、その母材径に合わせて線引炉体の上端開口部と光ファイバ母材との隙間を単に塞いでおけば、十分なシール効果が得られる。
しかし、光ファイバ母材径の変動が例えば±５ｍｍ程度以上と大きいような場合には、上記隙間の間隔が大きく変動するため、その隙間の変動分を加味しながらシールできるシール構造が必要となる。

しかしながら、特許文献１に記載のシール構造では、内径を一様に変形することが可能な内径可変形のシール機構としてシャッタ板が設けられており、ＣＣＤカメラでの計測結果に基づきそのシャッタ板の開口径を縮開させるといった電子制御を行う必要があり、その機構も複雑でコストの嵩むものとなる。
また、特許文献２に記載のシール構造では、各シールリング片が連結された構造であるため、光ファイバ母材の径変動が長手方向について大きい場合は、その径変動に追従させることが難しい。

また、特許文献３に記載のシール構造は、光ファイバ母材の周囲にスリット付きカーボンシートを設けて、上端開口部に生じる隙間をシールする構造であるが、カーボンシートの伸縮性に限界があるため、光ファイバ母材の長手方向の径変動が±２ｍｍ程度に対応できる程度である。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、径変動が大きい光ファイバ母材であっても、光ファイバ用線引炉における上端開口部と光ファイバ母材との間に生じる隙間を簡易で破損しにくい構造でシールすることを可能にする、光ファイバ用線引炉のシール構造を提供することにある。

本発明に係る光ファイバ用線引炉のシール構造は、光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から挿入された光ファイバ母材との間の隙間をシールするための構造である。そして、このシール構造は、リングの一部を切断した不連続のリングからなる、カーボンを主成分とするシール部材を、そのシール部材の内周側に光ファイバ母材を通した状態で、そのシール部材の径方向の収縮力により光ファイバ母材の側面にそのシール部材の内面が接触するように設けたことを特徴とする。

上記シール構造は、上記シール部材の切断部分を覆うようにスリーブを設けることが好ましい。
また、上記シール部材は、複数個の切断されたリングからなり、それらリングの切断部分をずらすように重ねて設けられることが好ましく、またその断面が四角形であることが好ましい。さらに、上記シール部材は、その断面の厚みと径方向の幅との比を、厚み／幅≧０.２とすることが好ましい。
また、上記シール部材は、２００℃以上の耐熱性をもつことが好ましい。
また、上記シール部材の上部及び／または下部に、耐熱性のある不連続でないリング状部材がさらに重ねて設けられることが好ましい。

本発明によれば、径変動が大きい光ファイバ母材であっても、光ファイバ用線引炉における上端開口部と光ファイバ母材との間に生じる隙間を簡易で破損しにくい構造でシールすることが可能になる。

本発明に係るシール構造と光ファイバ線引炉体の概略を説明するための図である。 本発明に係るシール構造の一例を示す図で、図１中のシール構造の詳細を示す断面図である。 図２のシール構造の主要部を示す図である。 従来技術によるシール構造を示す断面図である。

図１は、本発明に係るシール構造の一例と光ファイバ線引炉体を示し、図中、１は光ファイバ母材（光ファイバ用のガラス母材）、１０は光ファイバ線引炉の本体（以下、単に線引炉体という）、２０はシール構造、４０は蓋体である。
図１に示すように、線引炉体１０は、炉筐体１１と、その内部に設けられた炉心管１２と、炉心管１２の外周に設けられた筒状の加熱源（ヒータ）１３、ヒータ１３の外周に設けられた断熱材１４とを備える。

炉心管１２は、上端開口部から挿入された光ファイバ母材１を内部に収容する。ヒータ１３は、炉心管１２に収容された光ファイバ母材１を加熱して溶融する。また、線引炉体１０には図示しない不活性ガス等の供給機構が設けられており、炉心管１２内やヒータ１３の周りに酸化や劣化防止のために不活性ガス等を供給するようになっている。

また、線引炉体１０において、光ファイバ母材１は、別途設けた移動機構により線引方向（下側方向）に移動させることが可能となっており、光ファイバ母材１の上側には、その光ファイバ母材１を上側から吊り下げて支持するための支持棒２が連結されている。
この支持棒２は、光ファイバ母材１と一体に形成されたものでもよく、別々に製造して、融着させてもよい。支持棒２の断面形状としては円形が挙げられるが、それに限ったものではない。また、支持棒２と光ファイバ母材１とを接続するために別途、接続部（嵌合部）を設けてもよい。

なお、図１では、炉心管１２の内壁の上端部がそのまま線引炉体１０の上端部１１ａにおける上端開口部を形成している例を挙げているが、これに限ったものではない。例えば、炉心管１２の内径ｄよりさらに狭い上端開口部となる上蓋を炉心管１２の上側に設けてもよく、この場合にシール対象となる隙間は、この狭い上端開口部と光ファイバ母材１との間に生じる隙間となる。また、光ファイバ母材１の断面形状は、基本的に真円を目指して生成されたものとするが、その精度を問わず一部で凸凹が存在してもよく、また楕円形などであってもよい。また、上記上端開口部の断面は円形としておけばよいが、この精度は問わない。

上述した線引炉体１０における光ファイバ線引工程を概略的に説明する。線引炉体１０では、上端部１１ａに設けた後述のシール構造２０によって炉外空気を巻き込まないようにしながら、炉内の光ファイバ母材１の下部を炉心管１２内でヒータ１３により加熱する。線引炉体１０では、こうして加熱溶融されて細径となった光ファイバ母材１の下端から光ファイバ３を溶融垂下させて、炉筐体１１の下端部に設けられた排出孔１６からその光ファイバ３を引き出す。そして、線引が進むに連れて、支持棒２と共に光ファイバ母材１を移動機構により徐々に下降させていく。

本発明に係るシール構造２０は、線引炉体１０の上端部１１ａにおいて円形断面の光ファイバ母材１を貫通（緩挿）させるために設けられた貫通孔（つまり上端開口部）と、そこから挿入された円形断面の光ファイバ母材１との間に生じる隙間１５をシールするための構造である。

以下、図２及び図３を併せて参照し、本発明に係るシール構造２０の主たる特徴について説明する。ここで、図２はシール構造２０の詳細を示す断面図である。また、図３は図２のシール構造の主要部を示す図で、図３（Ａ）はその斜視図、図３（Ｂ）はその上面図、図３（Ｃ）は図４は他の例を示す上面図である。なお、蓋体４０については後述する。

図２で例示するシール構造２０は、中空の円盤状の部材である筐体（収納部）２７を備え、その内部に後述のシール部材３０を備える。そして、筐体２７には、図示しない供給機構により不活性ガス等が供給されるガス導入口２７ａが設けられている。内部の部材のうち、少なくともシール部材３０では後述のようにカーボンを用いており、ガス導入口２７ａから不活性ガス等が筐体２７の内部に行き渡ることで、シール部材３０等の部材の酸化や劣化を防止することができる。なお、ここでの不活性ガス等は、炉内へ供給するガスと同じであってもよいし、異なる種類であってもよい。

また、筐体２７の上側にはスリーブ部２１を設けている。このスリーブ部２１は、光ファイバ母材１の最大径に内径が合うように設計されており、隙間の狭い部分を上部に作ることにより外気の侵入を防いでいる。なお、このスリーブ部２１の高さは、外気の侵入を防ぐためには長い方が望ましいが、一方で線引プロセス中で他のパーツと干渉しないような高さにする必要がある。また、スリーブ部２１の内径は、光ファイバ母材１の最大径に近いほど隙間を狭くできるが、光ファイバ母材１の“曲がり”などによりぶつからない程度の隙間を持たせることが必要である。このような形状のスリーブ部２１を設けることにより、炉内ガスをより漏れにくくすることができる。

また、図２の例では、筐体２７の底部から順に、カーボンシート２６、石英リング２５、カーボンシート２６、切り込み付きカーボンシート２４、カーボンシート２６、切り込み付きカーボンシート２４、シール部材３０、カーボンシート２６、切り込み付きカーボンシート２４、カーボンシート２６が積層されている。なお、本発明の主たる特徴であるシール部材３０により気密性を確保しているので、シール性を補助する目的で設けられるカーボンシート２６、切り込み付きカーボンシート２４などの部材は必ずしも必要では無いが、これらの部材と合わせることで、さらにシール性を確保できる。また、これらカーボンシートなどの部材は何層に重ねてもよく、何層かに重ねたものを何セットか設けてもよい。

そして、本発明では、リングの一部３１を切断した不連続なリングからなる、カーボンを主成分とするシール部材３０を用いる。より具体的には、本発明に係るシール構造２０は、このようなシール部材３０の内周側に光ファイバ母材１を通した状態で、シール部材３０の径方向の収縮力により光ファイバ母材１の側面にシール部材３０の内面が接触するように設けている。

シール部材３０に使用する材料としては、カーボンを主成分とする材質を用いる。カーボンは、耐熱性に優れるだけでなく、摩擦係数を小さく加工することができる（やわらかい素材である）ため、接触しても光ファイバ母材１を傷付ける心配もないためである。また、カーボンは、プレス成型などにより容易に成型することができる点でも好ましい。カーボンとしては、不純物混入の観点から、高純度カーボンと呼ばれるものを用いるのが好ましい。

上述の切断部分３１は、円周方向に一箇所入れられた切り込み部分であり、その隙間の開口度が変化することによりシール部材３０の内径が柔軟に変化する。切断部分３１は、図３（Ａ）で例示したように斜めに切断するようにしてもよいし、まっすぐ（つまりシール部材３０の円周方向に垂直な断面に沿って）切断するようにしてもよい。このシール部材３０の内側に光ファイバ母材１を挿入すると、光ファイバ母材１の外径に追従して隙間の開口度が変化するため、光ファイバ母材１の外径が変化しても、シール部材３０は光ファイバ母材１に接触し続ける。このとき、シール部材３０が光ファイバ母材１に押圧する力は、光ファイバ母材１の下降を阻害しない程度に弱いものとする。

これにより、図２で例示するように、線引きの進行により光ファイバ母材１が矢印で示すように下降し、光ファイバ母材１の外径が例えばφ_１からφ_２（＞φ_１）まで増加しても、シール部材３０は外側に延びたり逆に縮んだりすることができ、光ファイバ母材１の径変動を自動的に吸収することができる。

このように、本発明に係るシール構造２０では、シール部材３０が径方向に収縮して光ファイバ母材１の外径変化に追従するので、その結果として、光ファイバ母材１の長手方向における径変動にも対応することができる。具体的には、カーボンを主成分としてその柔軟性を活用することで、外径変動±５〜１５ｍｍ程度（光ファイバ母材径の１０％程度）でも、光ファイバ母材１の表面円周上に密着することができ、気密を確保することができる。

また、図２でその断面を示すように、シール部材３０は、その断面（つまりその円周方向に垂直な断面）が四角形であることが、気密性を確保する点で好ましい。さらに、シール部材３０の切断部分３１以外の部分は、その断面（つまり円周方向に垂直な断面）における、図３（Ａ），（Ｂ）で図示した厚みＤと径方向の幅Ｒとの比Ｄ／Ｒを、Ｄ／Ｒ≧０.２とすることが好ましい。このＤ／Ｒが０.２未満になると、シール部材３０が撓む、などの問題が生じる場合がある。

シール部材３０として用いる、円周方向に垂直な断面が四角形で、カーボンを主成分とするリング状の一箇所に切り込みを設けたものは、例えばグランドパッキンと呼ばれるものがある。グランドパッキンは、その製造方法によって、主に「テープモールド型」と「カーボン成型品型」とに分けられ、本発明ではそのいずれの製造方法によるものを採用してもよいし、他の製造方法によるものを採用してもよい。テープモールド型は、テープ状カーボンシートを円周方向に積層して圧着一体化することで、グランドパッキンを製造するものである。一方で、カーボン成型品型は、カーボン粉及び／又はカーボンファイバを圧縮加熱成型一体化することで、グランドパッキンを製造するものである。

また、グランドパッキンのサイズは、その内周が、光ファイバ母材１の外径として想定される最小値（つまり使用される光ファイバ母材１の最小径）に合うように形成することが好ましい。光ファイバ母材１のサイズにもよるが、直径φが１４０ｍｍ程度の光ファイバ母材であれば、例えば、外径１６５ｍｍ×内径１３５ｍｍ×高さ（厚みＤ）１５ｍｍ、幅Ｒ＝１５ｍｍのものや、外径１７０ｍｍ×内径１４０ｍｍ×高さ（厚みＤ）１５ｍｍ、幅Ｒ＝１５ｍｍのものが考えられる。これらのいずれのサイズでも、上記した比Ｄ／Ｒは１となっている。

なお、図１の例では、隙間１５の幅は炉心管１２の直径ｄから光ファイバ母材１の直径φを引いて半分にした値となる。例えば光ファイバ母材１の直径φが１４０ｍｍで±１０ｍｍの径変動で形成されている場合には、炉心管１２の直径ｄが１６０ｍｍ程度であればよいため、隙間１５の幅、すなわち（ｄ−φ）／２は５〜１５ｍｍ程度となる。上記したグランドパッキンの幅Ｒは、この隙間１５の幅以上である必要がある。

また、シール部材３０以外の筐体２７内部の部材の内径は、上記隙間１５を埋められるように適宜決めておけばよい。シール部材３０以外の部材は収縮力がないことを前提としているので、これらの部材の内径は、光ファイバ母材１の半径として想定される最大値（つまり使用される光ファイバ母材１の最大径）に合わせて決定すればよい。

このように本発明では、光ファイバ母材１の外径φが変化してもシール部材が常に光ファイバ母材１に可能な限り接触した状態を保てる。つまり本発明によれば、径変動が大きい光ファイバ母材であっても、光ファイバ用線引炉における上端開口部と光ファイバ母材１との間に生じる隙間１５をシールすることができ、炉内に外気を巻き込むことを防ぐことができる。これにより、炉内のカーボン製品を劣化させることなく、線引することが可能になる。また、シール部材３０は、上述したように簡易な構造で済むだけでなく、破損しにくい構造である。このように、本発明に係るシール構造２０によれば簡易で破損しにくい構造のシール部材３０で隙間１５のシールが可能になる。

また、本発明に係るシール構造２０では、シール部材３０の柔軟性確保のため、円周方向１か所に切れ目（切断部分３１）が設けられるが、図３（Ｃ）で例示するように、その切断部分３１による気密不良を防ぐために、切断部分３１をスリーブ３２で覆って使用することが好ましい。つまり、シール構造２０では、シール部材３０の切断部分３１を覆うようにスリーブ３２を設けることが好ましい。スリーブ３２の材料としては、アルミナ、炭素、セラミック、ガラス、シリカなどの繊維や、紡織材、不織布などが挙げられる。

また、図示しないが、シール部材３０は、複数個のリングを、切断部分３１をずらすように重ねて設けることにしてもよい。つまり、シール部材３０の柔軟性確保のため、円周方向１か所に切れ目が設けられるが、その切れ目による気密不良を防ぐために、シール部材３０を複数個用意して切れ目箇所が重ならないように重ねて使用する、といった工夫を行ってもよい。前述したスリーブ３２を設ける構成とシール部材３０を複数個設ける構成とは、併用することもできる。

実際に、内径１４０ｍｍのシール部材３０を３個使用して、切断部分３１がなす角度を１２０°（１周の３等分）となるように配置し積層しておき、φが１４０ｍｍ〜１５５ｍｍの外径変動を持つ光ファイバ母材１を挿入して線引きを行った結果、気密不良による炉内カーボン部材の消耗劣化等もなく、良好な線引きを行うことができた。
比較のために、図４（Ｃ）で示した内径１４０ｍｍの切り込み付きカーボンシート６３を３枚積層しておき、同じくφが１４０ｍｍ〜１５５ｍｍの外径変動を持つ光ファイバ母材１を挿入して線引きを行った結果、線引き開始時より線引き中のスパイクが多発し、途中で路上部から微かに白煙が上がり線引停止した。カーボンシート６３は一部折れ曲がっており、また炉内のカーボン部品が酸化消耗している様子が確認された。

また、シール部分は高熱となるため、シール部材３０やスリーブ３２は、２００℃以上の耐熱性をもつことが好ましい。なお、シール部材３０やスリーブ３２として、耐熱性があまり高くないものを採用する場合には、それらを冷却するような機構（例えば水冷方式）を設けるなどの工夫を行っておけばよい。

次に、図１の蓋体４０について説明する。
図１に示したように光ファイバ母材１に支持棒２が設けられた構成では、線引工程の進行により、支持棒２が炉心管１２の位置まで下がる場面、つまり支持棒２が線引炉体１０の上端部１１ａより下に位置する場面がある。

そのような場面でも炉内をシールし続けるために、本発明に係る光ファイバ母材のシール構造は、図１に示したようにシール構造２０の他に蓋体４０を有することが好ましい。蓋体４０は、支持棒２を貫通し光ファイバ母材１の上側に載置される蓋であり、図示したように、支持棒２用の貫通孔４０ａと肩部４０ｂとを有し、その内側はスリーブ部２１に嵌合するように形成されている。蓋体４０の材料としては、例えば石英や金属などが挙げられる。

蓋体４０を設けておくことで、光ファイバ３の線引が進み光ファイバ母材１及び支持棒２が下降しても、シール部材３０から光ファイバ母材１が離脱する前に、蓋体４０がスリーブ部２１に嵌合して蓋体４０の下端面がシール構造２０に接する状態に移行して、シール状態を維持することができる。
なお、蓋体４０が肩部４０ｂを有することを前提として説明したが、蓋体４０は単なる円盤に支持棒２の貫通孔４０ａを開けただけの形状であってもよい。このような形状でも、上述したような状態間の移行は同様に可能である。

１…光ファイバ母材、２…支持棒、３…光ファイバ、１０…線引炉体、１１…炉筐体、１１ａ…上端部、１２…炉心管、１３…ヒータ、１４…断熱材、１５…隙間、１６…排出孔、２０…シール構造、２１…スリーブ部、２６…カーボンシート、２４…切り込み付きカーボンシート、２５…石英リング、２７…筐体、２７ａ…ガス導入口、３０…シール部材、３１…切断部分、３２…スリーブ、４０…蓋体、４０ａ…貫通孔、４０ｂ…肩部。

Claims (7)

1. 光ファイバ用線引炉の上端開口部と該上端開口部から挿入された光ファイバ母材との間の隙間をシールするための光ファイバ用線引炉のシール構造であって、
   リングの一部を切断した不連続のリングからなる、カーボンを主成分とするシール部材を、前記シール部材の内周側に前記光ファイバ母材を通した状態で、前記シール部材の径方向の収縮力により前記光ファイバ母材の側面に前記シール部材の内面が接触するように設けたことを特徴とする光ファイバ用線引炉のシール構造。
2. 前記シール部材の切断部分を覆うようにスリーブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
3. 前記シール部材は、複数個の切断されたリングからなり、前記リングの切断部分をずらすように重ねて設けられる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用線引炉のシール構造。
4. 前記シール部材は、その断面が四角形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
5. 前記シール部材は、その断面の厚みと径方向の幅との比を、厚み／幅≧０．２とすることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
6. 前記シール部材は、２００℃以上の耐熱性をもつことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。
7. 前記シール部材の上部及び／または下部に、耐熱性のある不連続でないリング状部材がさらに重ねて設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光ファイバ用線引炉のシール構造。

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