JP5481830B2 - 光ファイバの製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の伝送路として使用される光ファイバの製造装置および製造方法に関する。

光ファイバの製造において、コア部分およびクラッド部分を完全な真円形で、かつ同心状で形成することは難しく、わずかに楕円または歪んだ円形状となる。このため、光ファイバの断面構造における屈折率分布は均等ではない。この結果、光ファイバ断面内の直交する２偏波間の郡速度に差異が生じ、偏波モード分散（ＰＭＤ）が大きくなるという問題がある。このＰＭＤを低減する方法として、例えば、光ファイバ母材からガラス光ファイバを製造する際に、光ファイバに捻りを付与して線引きすることが知られている。

光ファイバに捻りを付与する方法としては、例えば、特許文献１に揺動ガイドローラを用いる方法が開示されている。この方法は、図５（Ａ）に示すように、揺動ガイドローラ２の回転中心となる軸心Ｘを＋θと−θの範囲で交互に傾動（揺動ともいう）させることにより、揺動ガイドローラ２のローラ表面２ａが、矢印ａで示すように実線と点線で示す位置に揺動する。ガイドバー３を通過した光ファイバ１は、揺動するローラ表面２ａ上を転動して、交互方向に捻りが付与される。

図５（Ｂ）は、揺動ガイドローラ２を揺動させる機構を示す図である。この揺動機構１０は、ベース１１上にピニオンギア１２を回動可能に配し、ピニオンギア１２上に固定されたローラ支持体１３に、揺動ガイドローラ２を支軸１４により回転可能に支持している。また、ベース１１上で、モータ等により駆動される回転板１５に、駆動アーム１６の一端をピン１６ａで連結し、他端を可動部材１７上に配したスライド部材１９に結合させている。可動部材１７は、ピニオンギア１２と噛み合って、これを回転駆動するラックギア１８を備え、ガイド部１７ａによりベース１１に設けたガイド溝に沿って矢印ｂ方向に往復移動する。また、スライド部材１９は、ガイド突部１９ａにより矢印ｃ方向に摺動案内される。

回転板１５が一定速度で駆動回転されると、駆動アーム１６のピン１６ａの回転移動し、これによって、駆動アーム１６が一定速度で移動する。この駆動アーム１６の移動で、スライド部材１９が、ガイド突部１９ａ上を矢印ｃ方向に移動すると共に、可動部材１７を矢印ｂ方向に直線移動させる。この可動部材１７の直線移動によりラックギア１８と噛み合うピニオンギア１２が、矢印ｄ方向に往復回動される。このピニオンギア１２の往復回動ｄは、揺動ガイドローラ２の揺動範囲ａとなる。

また、特許文献２には、往復移動ローラを用いて光ファイバに捻りを付与する方法が開示されている。この方法は、図６に示すように、光ファイバ１を一対の往復移動ローラ２１と２２の表面に接するように通過させ、往復移動ローラ２１と２２を互いに反対の方向に所定の周期で往復移動させる機構（図示せず）により、光ファイバ１に捻りを付与するものである。なお、往復移動ローラは、１つでもよく、３つ以上であってもよいとされている。

往復移動ローラ２１と２２は、ベースフレーム２５により平行に支持され、その上下に第１案内ローラ２３と第２の案内ローラ２４を配して、光ファイバ１を往復移動ローラ２１，２２の表面に押し付けている。往復移動ローラ２１，２２の表面は、光ファイバ１が滑らずに転動するような摩擦係数を有している。光ファイバ１が走行によって、往復移動ローラ２１，２２が回転すると共に、往復移動ローラ２１と２２とは、互いに反対の軸方向に所定の周期で往復移動される。これにより、光ファイバ１は、往復移動ローラ２１と２２の表面を転動して捻りが付与される。
特開平９−２４３８３３号公報 特開２００２−２２６２２９号公報

図５の揺動ガイドローラを用いる方法においてはローラの揺動機構１０を、図６の往復移動ローラを用いる方法においてはローラの往復移動機構を必要とし、いずれの機構も複雑で、装置が大型なものとなる。また、光ファイバの捻り方向を反転させるのに、ローラの駆動方向を反転させるが、この反転時に捻り操作が一時中断される。このため、捻り速度が遅くなり捻り回数も少なくなるなどで、ＰＭＤ特性にばらつきが生じやすい。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、構造簡単で小型化された装置で、捻り方向を反転させる際に、捻り操作が中断されず、連続的に効果的に捻りを付与することが可能な光ファイバの製造装置および製造方法を提供する。

本発明による光ファイバの製造は、光ファイバの進行方向に交差して配されたガイドローラのローラ表面に光ファイバを接触転動させて、光ファイバに交互に捻りを付与する。ガイドローラは、ガイドローラの軸心Ｘと一致する方向に配されたローラ支持軸を介して駆動装置により駆動される回転軸に対してフリー回転可能に配され、かつ、ガイドローラの軸心Ｘを回転軸の軸心Ｙに対してガイドローラの中央で交わるように傾斜させて支持される。また、傾斜の角度は、ローラ支持軸の両端部を回転軸のそれぞれの内側端部に設けた角度調整部材により連結固定することにより変更可能とされる。

本発明によれば、ガイドローラを回転可能に支持した軸を回転させるだけの機構で、ガイドローラを揺動させることができ、簡単な構成で装置の小型化を可能とし、また、捻りを交互にむらなく均一に付与することができる。

図１により本発明のベースとなるガイドローラの揺動機構の概略を説明する。図１（Ａ）はガイドローラの揺動機構を説明する図、図１（Ｂ）は揺動機構の配設位置を説明する図、図１（Ｃ）はガイドローラの揺動速度（回転／ｓ）を示す図である。図中、１は光ファイバ、３はガイドバー、４は固定ローラ、５は案内ローラ、３０は揺動機構、３１はガイドローラ、３１ａはローラ表面、３２はローラ支持ブロック、３２ａは軸孔、３３は回転軸、３４はベアリング、３５ａ，３５ｂは回転軸支持体、３６は軸受け、３７は駆動モータを示す。

図１（Ａ）に示すガイドローラの揺動機構３０は、例えば、ガイドローラ３１をローラ支持ブロック３２に一対のベアリング３４を介してフリー回転可能に取付け、ローラ支持ブロック３２を回転軸３３と一体に回転するように組み付けて構成される。なお、回転軸３３は、両端をベアリング等で形成される軸受け３６を介して回転軸支持体３５ａ，３５ｂにより支持される。回転軸３３一方の端部には、駆動モータ３７が結合され、回転軸３３およびローラ支持ブロック３２は、所定の回転数で一方向に回転される。

ガイドローラ３１は、ガイドローラ３１の軸心Ｘを中心として、ローラ支持ブロック３２の周りをフリー回転する。このガイドローラ３１の軸心Ｘが、ローラ支持ブロック３２と一体の回転軸３３の軸心Ｙに対して、ガイドローラ３の中央で交わるように傾斜角θを有するように構成されている。このため、回転軸３３と一体に回転するローラ支持ブロック３２の軸孔３２ａは、軸心Ｘに対してθの傾斜角をもって斜めに形成され、回転軸３３に固定される。

駆動モータ３７により、回転軸３３が所定の回転速度で一方向に駆動されると、ローラ支持ブロック３２が回転軸３３と一体に回転される。そして、ローラ支持ブロック３２の外周に同心状に配されているガイドローラ３１は、ローラ支持ブロック３２の半回転で、実線の位置状態から一点鎖線の位置状態に矢印ａで示すように変動する。引き続く次の半回転では、一点鎖線の位置状態から実線の位置状態に変動する。すなわち、回転軸３３の１回転で、ガイドローラ３１の位置状態が元に戻る。このガイドローラ３１の回転位置の変動は、図５に示す従来の揺動ガイドローラの揺動と同じ揺動形態を示し、光ファイバ１はローラ表面３１ａ上を転動して、光ファイバ１に捻りが付与される。以下、上記のガイドローラの回転位置の変動を揺動という。

ガイドローラの揺動機構３０は、図１（Ｂ）に示すように、例えば、固定ローラ４と案内ローラ５の間に配置され、ガイドバー３等により光ファイバ１を揺動機構３０の所定の位置に案内する。光ファイバ１は、ガイドローラ３１のローラ表面３１ａに、例えば、９０°以上の周回で巻き付けられる。また、ガイドローラ３１のローラ表面３１ａが通常、摩擦係数の大きい材料で形成されているので、光ファイバ１とガイドローラ３１とは、良好に摩擦接触し、光ファイバ１はローラ表面３１ａ上で滑らずに転動することができる。この結果、光ファイバ１にガイドローラ３１の揺動により、交互に捻りが付与される。

なお、図１（Ａ）に示す揺動機構は、光ファイバ母材からガラスファイバを線引きして光ファイバを製造する工程中で、ガラスファイバに保護被覆を施した後に組み込んで、光ファイバに捻りを付与することができる。この場合、加熱溶融状態にあるガラスファイバ自体に、捻りを付与することができる。しかし、線引きされ保護被覆が施された光ファイバをドラムに巻き取った後に、あらためて着色あるいは巻き替えを行う際に、実施することも可能である。

図１（Ｃ）は、揺動機構３０によるガイドローラ３１の揺動速度（回転／ｓ）を示す図である。この図１（Ｃ）に示すように、回転軸３３の回転を一定とすると、回転軸が半回転する間で、図１（Ａ）のガイドローラ３１が実線で示す状態から一点鎖線で示す状態になるまでの揺動速度（右回転）は一定である。引き続いて、次の回転軸の半回転で、ガイドローラ３１が一点鎖線で示す状態から実線で示す状態になるまでの揺動速度（左回転）も一定である。また、揺動方向の反転は、回転軸３３の一方向への回転により停止動作を経ることなく連続して行われ、光ファイバの捻り操作も中断されることなく連続して行うことができる。
なお、図１（Ａ）において、ガイドローラの軸心Ｘと回転軸の軸心Ｙの傾斜角θによって、ガイドローラの揺動範囲ａ（揺動角度）を変えることができる。

図２は、本発明による実施形態を説明する図で、ガイドローラの揺動角度を可変とする構成例である。図中、４０は揺動機構、４１はガイドローラ、４１ａはローラ表面、４２はローラ支持軸、４３ａ，４３ｂは回転軸、４４はベアリング、４５ａ，４５ｂは回転軸支持体、４６は軸受け、４７は駆動モータ、４８ａ，４８ｂは角度調整部材、４９ａ、４９ｂは調整ピンを示す。

図２に示すガイドローラの揺動機構４０は、ガイドローラ４１をその軸心Ｘと一致するように配したローラ支持軸４２によりフリー回転可能に支持する例である。本発明においては、図１の例と同様にガイドローラ４１は、ガイドローラ４１の軸心Ｘを中心として、ローラ支持軸４２の周りをフリー回転する。このガイドローラ４１の軸心Ｘが、ローラ支持軸４２を回動させる回転軸４３ａ，４３ｂの軸心Ｙに対して、ガイドローラ４１の中央で交わるように傾斜角θを有するように構成される。このため、ローラ支持軸４２は、その両端を回転軸４３ａ，４３ｂに連結され、回転軸４３ａ，４３ｂに対して角度調整部材４８ａ，４８ｂにより、所定の角度θを有するように連結固定される。

本例においては、ガイドローラ４１を支持するローラ支持軸４２が、ガイドローラ４１の軸心Ｘと一致し、図１の例のように傾斜していないため、ガイドローラ４１を一対の小径のベアリング４４により支持することができる。ガイドローラ４１を小径のベアリングで支持することにより軸受機構を安価なものとすることができる共に、ローラ回転の回転抵抗（メカロス）を低減することができる。光ファイバの巻取り張力は、最終的には数十ｇ程度になるように低減する必要があり、ガイドローラ４１のベアリング径を小さくすることは、メカロス低減には有効である。

回転軸４３ａと４３ｂは、それぞれをベアリング等で形成される軸受け４６を介して回転軸支持体４５ａ.４５ｂにより支持される。一方の回転軸４３ａには駆動モータ４７が結合され、回転軸４３ａは、所定の回転数で一方向に回転される。なお、本例のように小径のベアリング４４でフリー回転支持させる代わりに、図１に示したのと同様に大径のベアリングとローラ支持ブロックを用いて支持させてもよい。

角度調整部材４８ａ，４８ｂは、回転軸４３ａ，４３ｂのそれぞれの内側端部に取付け固定される。この角度調整部材４８ａ，４８ｂには、ローラ支持軸４２の両端が、回転軸４３ａ，４３ｂの軸心Ｙに対して、所定の傾斜角θで回転軸４３ａ，４３ｂと共に一体に回転されるように、ローラ支持軸４２の両端を連結固定される。角度調整部材４８ａ，４８ｂには、例えば、複数の調整ピン４９ａ、４９ｂを設け、この調整ピンを選択してローラ支持軸４２を連結することにより、回転軸４３ａ，４３ｂの軸心Ｙに対して、５°、１０°、１５°と言うような所定の角度で連結固定することができる。

上記のように構成されたガイドローラの揺動機構４０は、駆動モータ４７により、一方の回転軸４３ａが所定の回転速度で駆動されると、ローラ支持軸４２は、回転軸４３ａともう一方の回転軸４３ｂと共に一体に回転される。そして、ローラ支持軸４２上に同心状に配されているガイドローラ４１は、図１で説明したのと同様に、回転軸４３ａ，４３ｂの半回転で、実線の位置状態から一点鎖線の位置状態に矢印ａで示すように揺動する。引き続く次の半回転で、一点鎖線の位置状態から実線の位置状態に揺動する。すなわち、回転軸４３ａの１回転で、ガイドローラ４１の位置状態が元に戻る。このガイドローラ４１の回転位置の揺動により、光ファイバ１は、ローラ表面４１ａ上で交互に方向を変えて転動され、捻りが付与される。

図３は、参考例として示すもので、ガイドローラの揺動角度を可変とすると共に、片持ち支持の回転軸とする例である。図中、５０は揺動機構、５１はガイドローラ、５１ａはローラ表面、５２はローラ支持ジョイント、５３は回転軸、５４はベアリング、５５は回転軸支持体、５６は軸受け、５７は駆動モータ、５８はジョイント部材、５９は角度調整アーム、５９ａはタブ、５９ｂは調整スリーブを示す。

図３に示すガイドローラの揺動機構５０は、ガイドローラ５１をローラ支持ジョイント５２に一対のベアリング５４を介してフリー回転可能に支持し、ローラ支持ジョイント５２を、内部に設けられたジョイント部材５８を介して回転軸５３の一方の端部に連結する例である。回転軸５３は、ベアリング等で形成される軸受け５６を介して回転軸支持体５５により支持される。回転軸５３の他端には駆動モータ５７が結合され、回転軸５３は、所定の回転数で一方向に回転される。

ガイドローラ５１は、ガイドローラ５１の軸心Ｘを中心として、ローラ支持ジョイント５２の周りをフリー回転する。ローラ支持ジョイント５２は、回転軸５３の軸心Ｙに対して、所定の角度θとなるように連結固定される。回転軸５３には、ローラ支持ジョイント５２を所定の角度で取付けるための調整スリーブ５９ｂが設けられていて、角度調整アーム５９の一方の端部が連結される。角度調整アーム５９の他方の端部は、ローラ支持ジョイント５２に設けられたタブ５９ａに連結される。回転軸５３上での調整スリーブ５９ｂの位置を矢印方向に調整することにより、ガイドローラ５１の軸心Ｘと回転軸５３の軸心Ｙとを所定の角度θに設定することができる。

駆動モータ５７により、回転軸５３が所定の回転速度で駆動されると、ローラ支持ジョイント５２は、角度調整アーム５９とジョイント部材５８を介して、回転軸５３と共に一体に回転される。そして、ローラ支持ジョイント５２上に同心状に配されているガイドローラ５１は、図１で説明したのと同様に、回転軸５３の半回転で、実線の位置状態から一点鎖線の位置状態に矢印ａで示すように揺動する。引き続く次の半回転で、一点鎖線の位置状態から実線の位置状態に揺動する。すなわち、回転軸５３の１回転で、ガイドローラ５１の位置状態が元に戻る。このガイドローラ５１の回転位置の揺動により、光ファイバ１は、ローラ表面５１ａ上で交互に方向を変えて転動され、捻りが付与される。

図４は、上述した図１〜図３のガイドローラの揺動機構において、ガイドローラの両端の鍔部と光ファイバの位置関係を説明する図である。
上述のガイドローラの揺動機構により光ファイバに捻りを付与する条件によっては、ガイドローラの両端の鍔部に光ファイバが当たって、巻き取り中の光ファイバに振動や損傷を与える恐れがある。このため、ガイドローラの両端の鍔部に、上述した回転軸の軸心Ｙに対するガイドローラの軸心Ｘの傾斜角度、ガイドローラ径に応じたテーパ角を設定することが好ましい。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、ガイドローラのローラ半径をＲ、ローラ両端の鍔部の高さをＨ、鍔の厚さをＴ、上述したガイドローラの軸心Ｘの回転軸の軸心Ｙに対する傾斜角度をθ、鍔部のテーパ角をγとする。この図から明らかなように、光ファイバがガイドローラの鍔外縁部に当たるのを避けるには、Ｔ≧ｔａｎθ×√｛（Ｒ＋Ｈ）^２−Ｒ^２｝を満足させる必要がある。

図４（Ｃ）は、ローラ半径Ｒを、２０ｍｍ、３５ｍｍ、５０ｍｍとし、鍔高さＨを５ｍｍ（一定）とし、ガイドローラの傾斜角θを５°、１０°、１５°、１６°としたときの、鍔厚さＴと、テーパ角γの算出結果を示したものである。この算出結果に示すように、ローラ径が大きいほど鍔部の厚さＴ、テーパ角γを大きくする必要がある。例えば、ガイドローラの傾斜角θ（揺動角度）が１５°でも、光ファイバがガイドローラの鍔外縁部に当たらないようにするには、ローラ半径５０ｍｍでは、鍔部の厚さＴを６.１ｍｍ以上（テーパ角γを５１°以上）とする必要がある。また、ローラ半径３５ｍｍでは、鍔部の厚さＴを５.２ｍｍ以上（テーパ角γを４６°以上）、ローラ半径２０ｍｍでは、鍔部の厚さＴを４.０ｍｍ以上（テーパ角γを３９°以上）とする必要がある。

上記のいずれの例においても、光ファイバが接触転動するガイドローラの揺動動作は、ガイドローラを支持する回転軸を一定の速度で一方向に回転するだけの簡単な方法で実現することができる。特に、本発明の図２の方法によれば、簡単な形状の角度調整部材を用いることにより、揺動角度の変更を簡単に行うことができ、また、ガイドローラのローラ支持軸の両端を支持して、揺動動作を安定に行うことができる。
この方法により、光ファイバ心線の巻き替えを行った際に、巻き替え前のＰＭＤ値と捻りを付与した巻き替え後のＰＭＤ値を比較すると、ＰＭＤ値を４０〜７０％程度低減することができ、従来方法と比べて同程度のＰＭＤ低減を図ることができた。また、従来方法によるものと同程度のＰＭＤ値に保持することができた。

また、ガイドローラを揺動させる回転軸の駆動は、従来のようにモータ等の回転運動を直線運動に変換することなく、モータの回転そのものを伝動させる形態であるので回転制御が容易で、揺動機構を小型、簡単で安価に構成することができる。さらに、ガイドローラの揺動は、反転動作を含めて中断することなく一定な揺動速度で連続的に行うことができるので、光ファイバに効果的な捻りが付与されることとなり、特性面（ＰＭＤ低減）においても有利となる。

本発明のベースとなる揺動機構の概略を説明する図である。 本発明の実施形態を説明する図である。 本発明の参考例を説明する図である。 本発明のガイドローラの鍔部と光ファイバとの位置関係を説明する図である。 従来の技術を説明する図である。 従来の他の技術を説明する図である。

符号の説明

１…光ファイバ、３…ガイドバー、４…固定ローラ、５…案内ローラ、３０，４０，５０…揺動機構、３１，４１，５１…ガイドローラ、３１ａ，４１ａ，５１ａ…ローラ表面、３２…ローラ支持ブロック、３２ａ…軸孔、４２…ローラ支持軸、５２…ローラ支持ジョイント、３３，４３ａ，４３ｂ，５３…回転軸、３４，４４，５４…ベアリング、３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ，５５，…回転軸支持体、３６，４６，５６…軸受け、３７，４７，５７…駆動モータ、４８ａ，４８ｂ…角度調整部材。

Claims (3)

1. 光ファイバの進行方向に交差して配されたガイドローラのローラ表面で、前記光ファイバを接触転動させて、前記光ファイバに交互に捻りを付与する光ファイバの製造装置であって、
   前記ガイドローラは、前記ガイドローラの軸心Ｘと一致する方向に配されたローラ支持軸を介して駆動装置により駆動される回転軸に対してフリー回転可能に配され、かつ前記ガイドローラの軸心Ｘは、前記回転軸の軸心Ｙに対して前記ガイドローラの中央で交わるように傾斜し、前記傾斜の角度は、前記ローラ支持軸の両端部を前記回転軸のそれぞれの内側端部に設けた角度調整部材に連結固定することにより変更可能とされていることを特徴とする光ファイバの製造装置。
2. 前記ガイドローラは、両端に外側に広がるテーパ角を有する鍔部をもち、鍔の厚さをＴ、鍔の高さをＨ、ローラ半径をＲ、前記ガイドローラの軸心Ｘが前記回転軸の軸心Ｙに対する傾斜角度をθとしたとき、
   Ｔ≧ｔａｎθ×√｛（Ｒ＋Ｈ）^２−Ｒ^２｝
   を満足していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造装置。
3. 光ファイバの進行方向に交差して配されたガイドローラのローラ表面に、前記光ファイバを接触転動させて、前記光ファイバに交互に捻りを付与する光ファイバの製造方法であって、
   前記ガイドローラを、前記ガイドローラの軸心Ｘと一致する方向に配されたローラ支持軸を介して駆動装置により駆動される回転軸に対してフリー回転可能に配し、かつ前記ガイドローラの軸心Ｘを前記回転軸の軸心Ｙに対して前記ガイドローラの中央で交わるように傾斜させ、前記傾斜の角度を、前記ローラ支持軸の両端部を前記回転軸のそれぞれの内側端部に設けた角度調整部材に連結固定することにより変更可能にして前記光ファイバに交互の捻りを付与することを特徴とする光ファイバの製造方法。

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