JP7501171B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバの製造方法に関する。

光ファイバのガラス外径の変動を悪化させる要因の一つとして、線引タワーの振動が知られている。特許文献１には、線引タワーと光ファイバ母材との間に時定数が１秒以下の振動抑制機構を設けることにより、線引タワーの振動に起因する光ファイバのガラス外径の変動を抑制する方法が記載されている。

特開２０１６－７９０７３号公報 特開平８－２９５５２８号公報

光ファイバの重要な特性の一つとして、偏波モード分散（ＰＭＤ：(Polarization Mode Dispersion）が挙げられる。特許文献２には、ガイドローラを周期的に揺動させることにより光ファイバにねじれを付与し、ＰＭＤを抑制する方法が記載されている。しかしながら、特許文献２に記載の方法では、光ファイバの走行位置及び距離が変化することにより、ガラス外径が変動する。その上、特定の条件で特異的にガラス外径の変動が悪化する場合がある。このような場合、ガラス外径の変動を抑制するために、線引速度を著しく低下させたり、ねじれの付与をできるだけ小さくしたりするなどの方法が採られる。しかしながら、生産性及び歩留りが著しく損なわれる。特許文献１に記載の方法によれば、ガラス外径の変動がある程度改善されるものの、十分ではない。

本開示は、生産性及び歩留りを悪化させることなく、ガラス外径の変動を更に抑制可能な光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

本開示の光ファイバの製造方法は、加熱炉内で加熱され、線引きされたガラス繊維のガラス外径を測定して時間の関数を得ることと、関数を周波数領域に変換することと、周波数領域において、第一線引条件に起因する第一ピークと、第二線引条件に起因する第二ピークとを同定することと、第一ピークの周波数をｆｍ、第一ピークの半値全幅をｗｍ、及び、第二ピークの周波数をｆｎとしたときに、ｆｎ＜ｆｍ－ｗｍ／２またはｆｎ＞ｆｍ＋ｗｍ／２を満足するように第二線引条件を調整することと、を含む。

本開示によれば、生産性及び歩留りを悪化させることなく、ガラス外径の変動を更に抑制可能な光ファイバの製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る光ファイバの製造方法に用いられる製造装置の構成図である。 図２は、揺動ガイドローラをパスラインの上流側から見た図である。 図３は、実施形態に係る光ファイバの製造方法を示すフローチャートである。 図４は、揺動ガイドローラの揺動を制御する工程について示すフローチャートである。 図５は、ガラス外径変動が悪化した場合のガラス外径変動の時間変化を示すグラフである。 図６は、ガラス外径変動が悪化した場合のガラス外径変動の周波数スペクトルを示すグラフである。 図７は、制御部によるフィードバック制御を行った場合のガラス外径変動の周波数スペクトルを示すグラフである。 図８は、制御部によるフィードバック制御を行った場合のガラス外径変動の時間変化を示すグラフである。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示の一実施形態に係る光ファイバの製造方法は、加熱炉内で加熱され、線引きされたガラス繊維のガラス外径を測定して時間の関数を得ることと、関数を周波数領域に変換することと、周波数領域において、第一線引条件に起因する第一ピークと、第二線引条件に起因する第二ピークとを同定することと、第一ピークの周波数をｆｍ、第一ピークの半値全幅をｗｍ、及び、第二ピークの周波数をｆｎとしたときに、ｆｎ＜ｆｍ－ｗｍ／２またはｆｎ＞ｆｍ＋ｗｍ／２を満足するように第二線引条件を調整することと、を含む。

この光ファイバの製造方法では、第一線引条件に起因する第一ピークと第二線引条件に起因する第二ピークとが、互いに重ならないように、第二線引条件が調整される。これにより、第一ピーク及び第二ピークの重なりによる大振幅の発生が抑制される。よって、生産性及び歩留りを悪化させることなく、ガラス外径の変動の悪化を更に抑制することができる。

ガラス外径のサンプリング間隔は１００ｍｓ以下であってもよい。この場合、ガラス外径の短周期の変動を確実に検知することができる。

上記光ファイバの製造方法は、ガラス繊維に被覆層を形成して光ファイバとした後、揺動ガイドローラを用いて光ファイバにねじれを付与することを更に含んでもよい。この場合、光ファイバにねじれを付与するために、揺動ガイドローラを揺動する必要があるので、揺動ガイドローラの揺動周波数が第二線引条件となり、揺動周波数に起因して第二ピークが生じ得る。よって、第一ピークと第二ピークとが互いに重ならないようにすることが更に有効となる。

第二線引条件は、揺動ガイドローラの揺動周波数であってもよい。この場合、揺動ガイドローラの揺動周波数を調整することにより、生産性及び歩留りを悪化させることなく、ガラス外径の変動の悪化を更に抑制することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の光ファイバの製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（光ファイバの製造装置）
図１は、実施形態に係る光ファイバの製造方法に用いられる製造装置の構成図である。図１に示される製造装置１００（線引機）は、光ファイバプリフォーム１０１からガラス繊維１０４を経て光ファイバ１１０を製造するための装置である。製造装置１００は、把持部１０２と、加熱炉１０３と、保温炉１０５と、測定器１０６と、冷却器１０７と、ダイス１０８と、紫外線照射機１０９と、揺動ガイドローラ１１１と、キャプスタン１１２と、巻き取り機１１３と、制御部１１４と、を備える。

把持部１０２は、光ファイバプリフォーム１０１を把持して、加熱炉１０３に一定の速度で送り込む。光ファイバプリフォーム１０１は、把持部１０２により把持される基端部１０１ａと、加熱炉１０３の内部に挿入される先端部１０１ｂと、を有する。把持部１０２は、光ファイバプリフォーム１０１を加熱炉１０３に供給する供給部として機能する。

加熱炉１０３は、光ファイバプリフォーム１０１が挿入される開口１０３ａと、開口１０３ａと対向し、ガラス繊維１０４が引き出される開口１０３ｂと、を有している。加熱炉１０３は、加熱炉１０３の内部に供給された光ファイバプリフォーム１０１の先端部１０１ｂを加熱して軟化させる。加熱により軟化された先端部１０１ｂから、ガラス繊維１０４が引き出される。ガラス繊維１０４は、開口１０３ｂを通じて加熱炉１０３の外部に引き出される。

保温炉１０５は、ガラス繊維１０４を保温し、ガラスの構造を緩和する。測定器１０６は、ガラスの構造が緩和された状態のガラス繊維１０４の外径（ガラス外径）を測定する。測定器１０６は、例えば、レーザをガラス繊維１０４に照射してガラス外径を測定する。測定器１０６によるガラス外径のサンプリングの時間間隔は、例えば、１００ｍｓ以下である。線引速度にも依存するが、サンプリング間隔が長くなると、ガラス外径の短周期の変動を検知できなくなるおそれがある。測定器１０６は、測定したガラス外径を制御部１１４に送信する。

冷却器１０７は、測定器１０６の後段に配置され、ガラス繊維１０４を冷却する。ダイス１０８は、入線されたガラス繊維１０４の外周面に樹脂を塗布し、被覆樹脂を形成する。樹脂は、アクリレート系の紫外線硬化性樹脂を含む。紫外線照射機１０９は、ガラス繊維１０４に形成された被覆樹脂に紫外線を照射し、被覆樹脂を硬化させる。それにより、ガラス繊維が樹脂で被覆されることで光ファイバ１１０が形成される。

揺動ガイドローラ１１１は、軸方向を周期的に傾けることにより、光ファイバ１１０にねじれを付与する。揺動ガイドローラ１１１は、制御部１１４に電気的に接続されており、制御部１１４によって制御され揺動することで光ファイバ１１０にねじれを付与する。揺動ガイドローラ１１１の前後には一対の固定ガイドローラが配置されていてもよいが、揺動ガイドローラ１１１の揺動が他の部分に伝わることを完全には抑制できない。

図２は、揺動ガイドローラをパスラインの上流側（紫外線照射機側）から見た図である。図２に示されるように、揺動ガイドローラ１１１は、その回転軸線Ｍ１と所定の軸線Ｍ２とのなす角度が±θの範囲で揺動する。この揺動としての首振り運動の結果、揺動ガイドローラ１１１の回転軸線Ｍ１が所定の軸線Ｍ２に対して角度＋θ傾くと、光ファイバ１１０に横方向の力が加わり、揺動ガイドローラ１１１の表面上を光ファイバ１１０が転がって、光ファイバ１１０にねじれが付与される。揺動ガイドローラ１１１が所定の軸線Ｍ２に対して角度－θだけ傾くと、光ファイバ１１０に反対方向のねじれが付与される。

すなわち、揺動ガイドローラ１１１が所定の軸線Ｍ２に対して角度±θで揺動する対称的な往復運動が繰り返されることにより光ファイバ１１０に進行方向（線引き方向）に対する時計回りのねじれと反時計回りのねじれが交互に付与される。揺動ガイドローラ１１１は、このように光ファイバ１１０にねじれを付与しながら、光ファイバ１１０をキャプスタン１１２に導く。

キャプスタン１１２は、光ファイバ１１０を所定の速度及び張力で牽引する。巻き取り機１１３は、キャプスタン１１２で牽引された光ファイバ１１０を巻き取る。制御部１１４は、測定器１０６で測定されたガラス外径を測定器１０６から受信し、当該ガラス外径に基づき、揺動ガイドローラ１１１の揺動をフィードバック制御する。制御部１１４は、製造装置１００全体を制御してもよい。

制御部１１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（RandomAccess Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリと、タッチパネル、マウス、キーボード、ディスプレイなどの入出力装置と、ネットワークカードなどの通信装置とを含むコンピュータシステムとして構成されてもよい。制御部１１４は、メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくプロセッサの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、制御部１１４の機能を実現する。

（光ファイバの製造方法）

図３は、実施形態に係る光ファイバの製造方法を示すフローチャートである。光ファイバ１１０の製造方法は、光ファイバプリフォーム１０１を加熱炉（線引炉）１０３に挿入する工程Ｓ１と、光ファイバプリフォーム１０１の先端部１０１ｂを加熱する工程Ｓ２と、先端部１０１ｂからガラス繊維１０４を引き出す工程Ｓ３と、ガラス繊維１０４を保温する工程Ｓ４と、ガラス繊維１０４の外径を測定する工程Ｓ５と、ガラス繊維１０４を冷却する工程Ｓ６と、ガラス繊維１０４に被覆層を形成して光ファイバ１１０とする工程Ｓ７と、光ファイバ１１０にねじれを付与する工程Ｓ８と、光ファイバ１１０を巻き取る工程Ｓ９と、を含む。なお、工程Ｓ４以降の工程は、光ファイバ１１０の長さ方向のある一点に着目した場合の順番で示されている。

工程Ｓ１では、光ファイバプリフォーム１０１が把持部１０２により一定速度で加熱炉１０３の内部に挿入される。光ファイバプリフォーム１０１は、基端部１０１ａが把持された状態で、先端部１０１ｂが加熱炉１０３の開口１０３ａを通じて加熱炉１０３の内部に送り込まれる。工程Ｓ２では、先端部１０１ｂは、加熱炉１０３により加熱されて軟化される。

工程Ｓ３では、加熱により軟化された先端部１０１ｂから開口１０３ｂを通じてガラス繊維１０４が引き出される。工程Ｓ３におけるガラス繊維１０４の引き出し速度（線引速度）に応じて、工程Ｓ１における光ファイバプリフォーム１０１の挿入速度を設定することができる。

工程Ｓ４では、引き出されたガラス繊維１０４が保温炉１０５により保温される。これにより、ガラスの構造が緩和される。工程Ｓ５では、ガラス繊維１０４の外径が、測定器１０６により測定される。工程Ｓ６では、ガラス繊維１０４が冷却される。

工程Ｓ７では、まず、ダイス１０８によりガラス繊維１０４の外周面に樹脂が塗布され、被覆樹脂が形成される。続いて、被覆樹脂が紫外線照射機１０９から照射された紫外線により硬化され、ガラス繊維１０４を取り囲む被覆層となる。これにより、ガラス繊維１０４の外周面に被覆層が形成される。その結果、光ファイバ１１０が得られる。工程Ｓ７が繰り返されることにより、複数の被覆層が形成されてもよい。

工程Ｓ８では、揺動ガイドローラ１１１の周期的な揺動により、光ファイバ１１０にねじれが付与される。工程Ｓ９では、光ファイバ１１０がキャプスタン１１２により所定の速度及び張力で牽引された後、巻き取り機１１３により巻き取られる。

図４は、揺動ガイドローラの揺動を制御する工程について示すフローチャートである。光ファイバ１１０の製造方法は、図４に示されるような工程Ｓ１０を更に含む。工程Ｓ１０は、工程Ｓ５において測定されたガラス外径に基づき、揺動ガイドローラ１１１の揺動を制御する工程である。工程Ｓ１０は、制御部１１４によって行われる。制御部１１４は、まず、ガラス外径を取得する工程Ｓ１１を実行する。具体的には、制御部１１４は、工程Ｓ５において測定されたガラス外径を測定器１０６から受信する。

続いて、制御部１１４は、取得したガラス外径を時間の関数として記録する工程Ｓ１２を実行する。制御部１１４は、例えば、メモリに外径と時間とを対応付けて記憶する。続いて、制御部１１４は、記録した関数を周波数領域に変換する工程Ｓ１３を実行する。この変換は、例えば、フーリエ変換によって行われる。

続いて、制御部１１４は、変換された周波数領域において、第一線引条件に起因する第一ピークＰ１と、第二線引条件に起因する第二ピークＰ２とを同定する工程Ｓ１４を実行する。第一線引条件は、例えば、製造装置１００、建屋、又は光ファイバプリフォーム１０１の振動に起因する振動数である。ここでは、第一線引条件は、製造装置１００の固有振動周波数である。第二線引条件は、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数（揺動回転の回転周期）などの外乱に起因する周波数である。第一ピークＰ１は、比較的広い帯域幅を有する。第二ピークＰ２は、第一ピークＰ１よりも狭い帯域幅を有する。

第二ピークＰ２は、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数及びその倍数に対応するピークであることから、制御部１１４は、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数に基づき、第二ピークＰ２を同定することができる。第二ピークＰ２が特定されれば、制御部１１４は、第二ピークＰ２の帯域幅との比較により、第一ピークＰ１を同定することができる。帯域幅の代わりに半値全幅による比較が行われてもよい。

続いて、制御部１１４は、第一ピークＰ１の周波数をｆｍ、第一ピークＰ１の半値全幅ｗｍ、第二ピークＰ２の周波数をｆｎとしたときに、ｆｍ－ｗｍ／２＜ｆｎ＜ｆｍ＋ｗｍ／２を満足するように第二線引条件を調整する工程Ｓ１５を実行する。第二ピークＰ２は、揺動ガイドローラ１１１の周波数及びその倍数に対応するので、複数の第二ピークＰ２が存在する。したがって、各第二ピークＰ２の周波数ｆｎについて、上記関係式を満足するように第二線引条件が調整される。

本実施形態では、制御部１１４は、第二線引条件として、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数を調整する。これにより、第二ピークＰ２を第一ピークＰ１からずらし、第一ピークＰ１と重ならないようにすることができる。この結果、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２とが互いに重なり、ガラス外径変動の振幅が大きくなることが抑制される。ここで、第二ピークＰ２が第一ピークＰ１と重なるとは、第二ピークＰ２の周波数ｆｎが、第一ピークＰ１の周波数ｆｍを中心とし、かつ、半値全幅ｗｍと同じ幅を有する周波数範囲内にあることを意味する。

以上のように、制御部１１４が工程Ｓ１０を実行することにより、揺動ガイドローラ１１１の揺動が制御される。製造装置１００の固有振動周波数は、光ファイバプリフォーム１０１の残長によっても変化する。したがって、一旦、工程Ｓ１０によって、第二ピークＰ２を第一ピークＰ１からずらしても、第一ピークＰ１が変化して第二ピークＰ２と再び重なる場合がある。よって、光ファイバ１１０の製造中は、ガラス外径を常時モニタし、工程Ｓ１０を繰り返し実行し、第二線引条件のフィードバック制御を行うことが有効である。工程Ｓ１０は、例えば、工程Ｓ５が所定回数実行されるごとに行われてもよいし、所定時間ごとに行われてもよい。

図５は、ガラス外径変動が悪化した場合のガラス外径変動の時間変化を示すグラフである。図５の横軸は時間、縦軸はガラス外径変動（μｍ）を示す。ガラス外径変動は、目標とするガラス外径との差である。一般的な光ファイバでは、ガラス外径の目標値は１２５μｍに設定される。図５のグラフでは、ガラス外径変動の３σは０．４１μｍであった。

図６は、ガラス外径変動が悪化した場合のガラス外径変動の周波数スペクトルを示すグラフである。図６は、図５に示されるガラス外径変動の時間変化をフーリエ変換した結果である。図６の横軸は周波数、縦軸は強度を示す。図６に示される周波数スペクトルには、帯域幅が比較的広い第一ピークＰ１と、帯域幅が狭い第二ピークＰ２とが存在する。上述のように、第一ピークＰ１は、製造装置１００の固有振動周波数に由来する。第二ピークＰ２は、ねじれを付与する揺動ガイドローラ１１１の周波数及びその倍数に対応する。ここでは、第一ピークＰ１が第二ピークＰ２の一つと重なっている。このように、第一ピークＰ１及び第二ピークＰ２が互いに重なると、ガラス外径変動の振幅が大きくなる。

そこで、制御部１１４によるフィードバック制御を行った。図７は、制御部によるフィードバック制御を行った場合のガラス外径変動の周波数スペクトルを示すグラフである。図７の横軸は周波数、縦軸は強度を示す。具体的には、第二ピークＰ２の周波数が第一ピークＰ１の周波数からずれるよう、第二ピークＰ２の周波数を調整した。揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数を低くすると、隣り合う第二ピークＰ２同士の周波数間隔が狭くなるので、第二ピークＰ２が第一ピークＰ１と重なり易い。よって、ここでは、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数を高くする調整を行った。

図８は、制御部によるフィードバック制御を行った場合のガラス外径変動の時間変化を示すグラフである。図８の横軸は時間、縦軸はガラス外径変動（μｍ）を示す。図８のグラフでは、ガラス外径変動の３σは０．２２μｍに改善した。なお、線引速度の変更は行われていない。よって、生産性が維持されると共に、ガラス外径変動が改善されている。

以上説明したように、実施形態に係る製造方法では、工程Ｓ１０において、第一線引条件に起因する第一ピークＰ１と第二線引条件に起因する第二ピークＰ２とが互いに重ならないように、第二線引条件が調整される。これにより、第一ピークＰ１及び第二ピークＰ２の重なりによる大振幅の発生が抑制される。よって、生産性及び歩留りを悪化させることなく、ガラス外径の変動の悪化を更に抑制することができる。

測定器１０６によるガラス外径のサンプリング間隔は１００ｍｓ以下である。よって、ガラス外径の短周期の変動を確実に検知することができる。

上記製造方法は、ガラス繊維１０４に被覆層を形成して光ファイバ１１０とした後、揺動ガイドローラ１１１を用いて光ファイバ１１０にねじれを付与する工程Ｓ８を含む。このため、光ファイバ１１０にねじれを付与するために、揺動ガイドローラ１１１を揺動する必要があり、揺動ガイドローラ１１１の揺動周波数が第二線引条件となる。したがって、揺動周波数に起因して第二ピークＰ２が生じ得る。よって、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２とが互いに重ならないようにする工程Ｓ１０が更に有効となる。

１００…製造装置
１０１…光ファイバプリフォーム
１０１ａ…基端部
１０１ｂ…先端部
１０２…把持部
１０３…加熱炉
１０３ａ…開口
１０３ｂ…開口
１０４…ガラス繊維
１０５…保温炉
１０６…測定器
１０７…冷却器
１０８…ダイス
１０９…紫外線照射機
１１０…光ファイバ
１１１…揺動ガイドローラ
１１２…キャプスタン
１１３…巻き取り機
１１４…制御部
Ｐ１…第一ピーク
Ｐ２…第二ピーク
Ｍ１…回転軸線
Ｍ２…軸線

Claims (2)

1. 加熱炉内で加熱され、線引きされたガラス繊維のガラス外径を測定して時間の関数を得ることと、
   前記関数を周波数領域に変換することと、
   前記周波数領域において、第一線引条件に起因する第一ピークと、第二線引条件に起因する第二ピークとを同定することと、
   前記第一ピークの周波数をｆｍ、前記第一ピークの半値全幅をｗｍ、及び、前記第二ピークの周波数をｆｎとしたときに、ｆｎ＜ｆｍ－ｗｍ／２またはｆｎ＞ｆｍ＋ｗｍ／２を満足するように第二線引条件を調整することと、
   前記ガラス繊維に被覆層を形成して光ファイバとした後、揺動ガイドローラを用いて前記光ファイバにねじれを付与することと、を含み、
   前記第一線引条件は、製造装置の固有振動周波数であり、
   前記第二線引条件は、前記揺動ガイドローラの揺動周波数であり、
   前記第二ピークは、前記第一ピークよりも狭い帯域幅を有する、
   光ファイバの製造方法。
2. 前記ガラス外径のサンプリングの時間間隔は１００ｍｓ以下である、
   請求項１に記載の光ファイバの製造方法。

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