(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを被覆するための装置であって、
テーパ領域と、隣接ランド領域とを備えるボアを有し、前記ボアに硬化性被覆材が供給されるサイジングダイであって、前記テーパ領域が、所定の角度により規定される入口部分の開口部から、前記所定の角度よりも狭い角度によって規定される該開口部の下流側の開口部へと先細になる、サイジングダイと、
前記被覆材を硬化させるための手段とを備え、前記サイジングダイがハウジングとインサートとを含み、前記インサートが前記ボアの前記テーパ領域の少なくとも一部および前記ランド領域を画定し、かつ、前記被覆材の塗布中に発生する熱が前記インサートから効率的に取り出されるよう、５Ｗ／ｃｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、サイジングダイ内壁の温度が前記インサート周辺で均一に維持される、光ファイバを被覆するための装置。
【請求項２】
前記インサートがダイヤモンドインサートである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ランド領域が、前記テーパ領域のすぐ下流側にある、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記インサートが、前記ハウジングに加えられた被覆である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
光ファイバに被覆材を被覆するためのサイジングダイであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に置かれたダイインサートとを備え、前記ハウジングと前記ダイインサートが共に、テーパ領域と、前記テーパ領域の下流側に配置されているランド領域とを有するボアを画定し、前記テーパ領域が、所定の角度により規定される入口部分の開口部から、前記所定の角度よりも狭い角度によって規定される該開口部の下流側の開口部へと先細になり、前記ダイインサートが前記ボアの前記テーパ領域の少なくとも一部および前記ランド領域を画定し、前記被覆材の塗布中に発生する熱が前記インサートから効率的に取り出されるよう、前記ダイインサートの熱伝導率が５Ｗ／ｃｍ・Ｋ以上であり、サイジングダイ内壁の温度が前記インサート周辺で均一に維持される、光ファイバに被覆材を被覆するためのサイジングダイ。
【請求項６】
前記ダイインサートがダイヤモンドインサートである、請求項５に記載のサイジングダイ。
【請求項７】
前記ダイインサートが、前記ハウジングに加えられた被覆である、請求項５または６に記載のサイジングダイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆材が同心状に塗布され、被覆材の厚さが均一になるような、光ファイバを被覆するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバはプリフォームから線引きされた後、次の製造ステップまたは次の使用中におけるファイバ表面の損傷を防止するため、紫外（ＵＶ）光への露光により硬化されるアクリレートベースの組成物などの保護被覆材で被覆される。通常、この被覆ステップは、線引きプロセスに必須の部分として、被覆ダイを使用して実施されている。被覆材は、単層または多層に塗布することができる。
【０００３】
被覆材層を塗布するプロセスで重要なことは、被覆材層をファイバに対して同心状に塗布すること、および一層または複数層の被覆材の径が一様であることである。これらの特性は、光ファイバを接続しやすくするために極めて重要である。
【０００４】
参照により本明細書に組み込む、Ａｍｏｓらへの米国特許第５，３６６，５２７号で考察されているように、被覆材を、増大する線引き速度で同心状により一様に塗布することを確実にするために、大変な努力がなされてきた。製造コストを下げ、ファイバの生産量を増やすためには、線引き速度をより速くする必要があるが、線引き技法が十分に適合しない場合、ファイバ被覆材の一様性に悪影響を与えることになってしまう。
【０００５】
線引き速度を速くすることによる直接の結果は、２０００℃近い温度でのファイバ形成とファイバ被覆との間の遅延が減少することにある。その結果、被覆装置に入るファイバの温度が高すぎ、強制冷却を適用しない限り、被覆材を良好に塗布することができない。第１の被覆材層を受ける前に、線引きされた光ファイバを冷却するための様々なシステムが、Ｐａｅｋらへの米国特許第４，５９４，０８８号、Ｄａｒｃａｎｇｅｌｏらへの米国特許第４，５１４，２０５号、およびＣａｉｎらへの米国特許第５，０４３，００１号に開示されている。
【０００６】
入るファイバの高い温度だけが、被覆材塗布を妨げるおそれのある唯一の熱源ではない。線引き速度を速くすることは、被覆材流の粘性低下によって発生する熱の大きな増加の原因にもなっている。粘性低下に関連する熱出力は、被覆材塗布器内のファイバに影響をおよぼす線引き速度および粘性抵抗を知ることで、容易に計算することができる。塗布器毎の１Ｎの観測される抵抗力に対して、現在の線引き速度９００から１，０００ｍ／ｍｉｎで発生する熱出力は、約１５Ｗである。上記システムはいずれも、この明らかに異なる熱源に対処し、あるいは免れるようには構成されていない。
【０００７】
粘性低下は、被覆材流中のずり応力が最も高いところで、すなわち塗布器室内、特にサイジングダイの最も狭い部分である円筒状ランド領域内のファイバの周囲で最も強く発生する。円筒状ランド領域では、ダイの内壁によって制限された狭い半径方向の範囲に、高ずり速度および粘性低下が集中する。これは、ファイバの周囲のずり速度を最小にし、その結果としてダイの内壁上でずり速度が最大になるようにした最適被覆条件の結果である。熱の発生は、この周囲の領域で最も高くなっている。
【０００８】
被覆材径と被覆材の同心性は、数値シミュレーションが示すように、主としてランド領域内の温度と圧力のプロファイルに左右されるため、一様に被覆するためにはこの熱源は特に有害である。このことは、ランド領域内のダイ温度を調節することによって被覆材径を制御する技法を開示した米国特許第５，３６６，５２７号、およびサイジングダイ内のランド領域を非軸対称加熱することによって被覆材の同心性を制御するファイバ被覆システムを開示した、ＰＣＴ公報第ＷＯ９７／２０２３７−Ａ２号で間接的に確認されている。後者のシステムは、被覆材流中に生じる見掛けの非軸対称加熱あるいは温度プロファイルを補償することができる。しかし、これらのシステムは極めて複雑で、被覆材径および／または被覆材の同心性をモニタできること、ならびに被覆ダイの温度を局部的に（例えば、ダイの底面部分を）制御できなければならない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、一様な被覆された径をもたらすようファイバに同心状に塗布される被覆材を光ファイバに被覆するための比較的簡単な装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、低線引き速度で広く行われている被覆条件を可能な限り取り戻し、フィードバックによって補償するのではなく、粘性低下による影響の大部分を抑制することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、１Ｗ／ｃｍ・Ｋより大きい高熱伝導率を有するインサートを含む被覆ダイを提供することによって実現される。好ましい実施形態によれば、インサートは、熱伝導率の範囲が５から２０Ｗ／ｃｍ・Ｋのダイヤモンド製である。
【００１２】
粘性低下のほとんどは、ランド領域内のダイの内壁に極めて近い部分で生じるため、この高熱伝導率インサートを使用することにより、被覆材中の粘性低下によって発生する熱を最も効率的に放散させることができる。
【００１３】
また、高熱伝導率インサートは、ファイバが中心からずれている場合に、ファイバの対向する両側の壁の温度差を無視できるレベルにまで小さくし、したがって、低線引き速度で広く行われている条件、および結果として満足すべき中心に置く力を取り戻す。
【００１４】
インサートの高い熱伝導率がダイ内壁温度間の差または不平衡を最小にし、その結果、内壁の温度が概ね均一になることが分かっている。したがって、壁温度の変動による中心に置くことに反する力の発生に関して上記で考察した影響は、実質的に小さくなるかまたは取り除かれる。特に、不均一粘性プロファイルによって発生する局部的な熱は、熱伝導率が小さいダイの中では熱放散が少ないため比較的高く、熱伝導率が大きいダイの中で発生する熱は、速やかに放散され、温度の均一性が実質的に改善される。したがって、ファイバの一方の側面がダイの隣接する壁に向かって中心を外れ始めたとしても、ファイバのその側面の温度上昇は最小限である。その結果、ファイバの周囲の粘性および圧力プロファイルは、ランド領域内のファイバの周囲で概ね均一に維持され、したがってファイバが片側に線引きされることはなく、ダイのテーパ領域内で発生する中心に置く力によって可能な限り最良の心出しを取り戻すことができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態についての以下の説明は、本発明の原理を例示するためのものであり、本発明を制限するものではない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、ファイバ形成および被覆ライン１０の基本構造を示す概略図である。ライン１０は、光ファイバ形成装置１２、ファイバ径測定装置１４、ファイバ被覆装置１６、一次被覆材塗布器１８、一次被覆材硬化装置２０、二次被覆材塗布器２２、二次被覆材硬化装置２４、被覆ファイバ径測定装置２６、およびキャプスタン２８を含んでいる。光ファイバ３０がファイバ形成装置１２から線引きされ、光ファイバ３０の径を測定するファイバ径測定装置１４を通過する。光ファイバ３０は次に、光ファイバ３０が一次層を被覆される一次被覆材塗布器１８を通過する。次に一次被覆材が一次被覆材硬化装置２０で硬化された後、光ファイバは、二次被覆層が塗布される二次被覆材塗布器２２を通過する。次に二次被覆材が二次被覆材硬化装置２４で硬化された後、被覆光ファイバの最終径が測定装置２６で測定される。光ファイバ３０は次にキャプスタン２８に巻き取られ、スプール装置（図示せず）へもたらされる。
【００１７】
本発明は、図２に示す一次被覆材塗布器１８の構成を対象にしたものである。図２は、被覆材塗布器１８の断面図である。被覆材塗布器１８は、長手方向に空間を有する円筒形ハウジング３２と、円筒形ハウジング３２を通って長手方向に延びた同軸ボア３４、３６および３８とを含んでいる。ハウジング３２は、鋼、ステンレス鋼、あるいはその他機械加工可能な金属などで形成されている。ボア３６および３８は、合わさって内部に突起した肩４０を形成し、肩４０にサイジングダイ４２が取り付けられている。サイジングダイ４２のすぐ上は、筒形の流れ配分領域４４になっており、そこにインレット４６を介して被覆材が供給される。ボア３４および３６も同様に合わさって肩４８を形成し、肩４８に案内ダイ５０が取り付けられている。案内ダイ５０は従来型のもので、テーパ状の長手方向の開口５２、その後部に案内ダイオリフィス５４に相当する円筒形開口を含んでいる。案内ダイオリフィス５４が存在することによって、被覆装置を通るファイバ３０の最初の給送を容易にしている。案内ダイオリフィス５４によって挿入されるファイバが心出しされ、引っ掛かることなく容易に被覆装置を通り抜けることができる。オリフィス５４は十分に大きく、そのためファイバを線引きし被覆する操作中に、オリフィスに接触することがない。
【００１８】
サイジングダイ４２は、中にダイヤモンドインサート５８が設けられたボア５６を有している。図３ａから図３ｃを参照してみると、３種類のサイジングダイの構成がある。第１の実施形態による図３ａを参照してみると、インレット端サイジングダイ４２は、比較的広角度θ（約９０°）で画定された広い開口部を有する第１のテーパ開口６０を含んでいる。逆に、ダイヤモンドインサート５８は、角度β（約１２°）で画定された比較的狭い開口部を有する第２のテーパ開口６２を含んでおり、開口６２の後部は円筒形ランド開口部６４になっている。したがってこの実施形態では、熱伝導性ダイヤモンドインサート５８は、サイジングダイのテーパ領域６２とランド領域６４の両方を含んでいる。したがって、高速かつ高ずり速度の被覆材流が接触するあらゆる位置において、壁の連続性と滑らかさが保証されている。それによって渦流を避けることができる。
【００１９】
インサートを延長してダイのテーパ領域６２の一部を含むことは有利ではあるが、熱伝達のためには必須ではない。例えば、第２の実施形態による図３ｂを参照してみると、サイジングダイ４２は、初めに比較的広角度θ（約９０°）で画定され、次により狭い角度β（約１２°）へテーパをつけられた単一のテーパ開口部６６を含んでいる。インサート５８は、サイジングダイ４２の下流側に位置しており、サイジングオリフィス７０を有するランド領域６８だけを含んでいる。オリフィス７０の寸法は、被覆される光ファイバの直径、被覆材の厚さ、使用する特定の被覆材を始めとする様々なパラメータによって決定される。
【００２０】
このように、この特定の実施形態では、熱伝導性インサートはサイジングダイの円筒形ランド領域しか含んでいない。サイジングダイ４２は、鋳鉄などの鋳造金属または類似の機械加工可能な材料でできている。粘性低下は主としてダイインサート５８のランド領域６８の内壁にわたって生じるため、粘性低下によって発生する熱の大部分を放散させるためには、この構成で十分である。インサート５８の上流側内壁の不連続性を避けるために、特別な注意を払わなければならない。インサート５８の上流側内壁部分は、被覆材流が極端に高速かつ高ずり速度になる領域であるため、連続性が保たれていない場合、被覆材流で乱流が始まる。成功裡に製造できるとすれば、この実施形態は、最新技術のタングステンカーバイドダイより安価であろう。
【００２１】
図３ｃを参照してみると、熱伝導性インサート５８を、サイジングダイの内壁の一部または全体に渡って十分な厚さを有するピロリチンダイヤモンドのような熱伝導性材料層７０に置き換えることによって、本発明による第３の全く異なる実施形態を実現することができる。
【００２２】
本発明の重要な態様によれば、各実施形態におけるダイインサート５８は、１Ｗ／ｃｍ・Ｋより大きい高熱伝導性を有する材料でできている。このような材料の例としては、天然または人工ダイヤモンド（熱伝導率範囲５から２０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、または同位体純Ｃ１２ダイヤモンド（熱伝導率５０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）などあらゆる種類のダイヤモンドがある。他にも炭化ケイ素（室温にて熱伝導率範囲１から１．３Ｗ／ｃｍ・Ｋ）があるが、この材料は適してはいるが性能が劣る。
【００２３】
これが、熱伝導率がわずか０．１５Ｗ／ｃｍ・Ｋの従来の被覆ダイインサートとの相違である。インサートの高い熱伝導率が、ダイ内壁の温度間の差または不平衡を最小にし、その結果、内壁の温度がダイインサートの周辺一帯で概ね均一になることが分かっている。したがって、壁温度の変動による中心に置くことに反する力の発生に関して上記で考察した影響は、実質的に小さくなるかまたは取り除かれる。特に、不均一粘性プロファイルによって発生する局部的な熱は、熱伝導率が小さいダイの中では熱放散が少ないため比較的高く、熱伝導率が大きいダイの中で発生する熱は速やかに放散され、局部的な加熱が実質的に小さくなる。したがって、ファイバの一方の側面が、ダイの隣接する壁に向かって中心を外れ始めたとしても、ファイバのその側面に接する液体中に残留する熱量は最小限に押さえられる。その結果、ファイバの周囲の圧力プロファイルは、ランド領域内で概ね均一なままであり、したがってファイバが片側に線引きされることはない。
【００２４】
このように、本発明は、被覆材の同心性をオンラインでモニタできることが要求される、上記で考察した従来技術によるシステムに対し、はるかに単純な解決法を提供している。
【００２５】
特に、高い熱伝導率を有するダイインサートが、粘性加熱（流体摩擦を介して機械エネルギーが熱エネルギーに変換されることによる）によって発生する熱を、速やかに放散させる点において有利であることは、数値シミュレーションによって確認されている。粘性加熱はほとんどの場合、被覆材流中のずり速度が最も高いところで発生する傾向がある。サイジングダイのランド領域では、ずり速度およびその結果による加熱が、サイジングダイの内壁上で最も大きくなる。ダイの熱伝導率が十分大きい場合、この熱を容易に取り出すことができる。
【００２６】
また、シミュレーションは、実際のファイバ製造においてはしばしば発生する状態であるが、ファイバの中心がサイジングダイに対してずれている場合、ファイバの対向する側面のずり速度および粘性消散が、不平衡になることを示している。ダイの熱伝導率が十分に大きく、熱を半径方向に排出し、ダイの内壁の周りに導いて可能な限り最良の温度均一性をもたらすものでない限り、この最初の不平衡が、次にファイバの対向する側面に温度、被覆材粘性および圧力の不平衡を誘発する。シミュレーションの結果によれば、高熱伝導率インサ−トを使用した場合、ダイのテーパ領域内に実質的に中心に置く力が発生し、中心を外れたファイバが引き戻される。その反対に、ファイバの両側面の温度が不平衡のまま放置され、制御されない場合、今度は被覆材の流量が、特にランド領域内で不平衡になり、全体的な中心に置く力が弱められ、被覆材の同心性を喪失する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるファイバ線引きおよび被覆装置の概略図である。
【図２】本発明による被覆材塗布器の断面図である。
【図３ａ】本発明の一実施形態に関連したサイジングダイの断面図である。
【図３ｂ】本発明の他の実施形態に関連したサイジングダイの断面図である。
【図３ｃ】本発明の他の実施形態に関連したサイジングダイの断面図である。
【符号の説明】
１０  ファイバ形成および被覆ライン
１２  光ファイバ形成装置
１４  ファイバ径測定装置
１６  ファイバ被覆装置
１８  一次被覆材塗布器
２０  一次被覆材硬化装置
２２  二次被覆材塗布器
２４  二次被覆材硬化装置
２６  被覆ファイバ径測定装置
２８  キャプスタン
３０  光ファイバ
３２  円筒形ハウジング
３４、３６、３８  同軸ボア
４０、４８  肩
４２  サイジングダイ
４４  流れ配分領域
４６  インレット
５０  案内ダイ
５２  開口
５４  案内ダイオリフィス
５６  ボア
５８  ダイヤモンドインサート
６０  第１のテーパ形状の開口
６４  円筒形ランド開口部
７０  サイジングオリフィス
７０  熱伝導性材料層
【図１】
0004815045.tif 000002
【図２】
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【図３ａ】
0004815045.tif 000004
【図３ｂ】
0004815045.tif 000005
【図３ｃ】
0004815045.tif 000006