JP2006329984A - 火炎の空間温度分布を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、テーパ光ファイバの製造において使用されるバーナーノズルから発される火炎の空間温度分布を測定する方法及び装置を与えることを目的とする。
【解決手段】方法及び装置は、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラの製造における使用に対してバーナーノズルから発される火炎の空間温度分布を測定するよう与えられる。バーナーの位置は、製造中、火炎の最も熱的に安定した部分内で光ファイバを位置決めするよう修正され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は火炎の空間温度分布を測定する方法及び装置に係る。より特には、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラを製造するよう使用されるバーナーノズルによってもたらされる火炎内の温度分布を正確に測定する方法及び装置に係る。

テーパ光ファイバ及びヒューズカプラは、光ファイバ通信システムにおける低損失全ファイバ部品として広く使用される。テーパ光ファイバ及びヒューズカプラ機器を製造する典型的な方法は、ファイバが引きこまれ溶解する際にファイバを柔らかくするよう小さな炎において加熱する段階を有する。光ファイバを柔らかくするよう使用される火炎の特徴は、テーパの均一性、及び機器の性能に影響をもたらす。バーナーによって発生された火炎は、高さ及び幅の寸法を有し、バーナーノズルの直径、ガス及びガス混合の流速に従って寸法が変化し、異なる寸法の火炎内の多種の位置で温度は、同一ではない。製造の反復可能性及び機器の均一性を確実にするよう、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラは、火炎の最も熱的に安定している部分を使用して製造されるべきである。したがって、火炎の空間温度分布を正確に確定することが重要であり、バーナーの位置設定は、製造工程に対して調整され得る。

多種の技術が過去に取り入れられてきており、該技術は、直接火炎の温度を測定するか、あるいは火炎に与えられた光ファイバから放射された熱を測定することによって間接的に測定するかのいずれかに使用され得る。例えば、米国特許第６，３７９，０３８号明細書（特許文献１）及び米国特許第５，７７２，３２３号明細書（特許文献２）中に開示される分光パイロメータは、加熱されたボディから発された黒体放射を集め、波長に応じる放射率及び黒体放射の絶対温度を確定するようスペクトル処理を使用する。光ファイバを形成するよう使用されるガラスは、低放射率を有し、加熱された光ファイバから放射される光は、分光パイロメータを使用して検出することが難しい。

温度を測定する他の機器は、熱電対であり、例えば米国特許第６，８５７，７７６号明細書（特許文献３）及び米国特許第６，６３２，０１８号明細書（特許文献４）に開示される。熱電対は、２つの異なる金属の接合部で熱電効果に基づいて作動する。熱の適用に応じて、温度に比例する電圧が接合部をわたって生成される。熱電対において使用される金属の導電率及び放射率は、ガラスのファイバのそれとは非常に異なる。追加的に、例えば１７００度乃至１９００度の関心温度範囲での熱電対の温度測定は、不確実性の度合いが高い。

単一及び複数の波長パイロメータはまた、温度を測定するよう用いられる。この種類の機器は、温度を測定するよう赤外線を使用するが、かかる測定の精度は、対象の材料の放射率の認識に依存する。放射率は、多くの材料の加熱サイクル中に変化する性質であり、上述された通り、ガラスは低放射率を有する。これらの要因によって、パイロメータが光ファイバに対して適用された火炎温度の正確な測定を与えることは、困難になる。
米国特許第６，３７９，０３８号明細書 米国特許第５，７７２，３２３号明細書 米国特許第６，８５７，７７６号明細書 米国特許第６，６３２，０１８号明細書

本発明は、テーパ光ファイバの製造において使用されるバーナーノズルから発される火炎の空間温度分布を測定する方法及び装置を与える、ことを目的とする。

現在の望ましい実施例では、光ファイバは、Ｘ軸に沿った位置における一組の真空チャック（ｖａｃｕｕｍ ｃｈｕｃｋ）又は他の取付け構造によって保持される。光ファイバの一端は、電力計に対して結合され、該電力計は次にパーソナルコンピュータ又は同様のもの等のコントローラと連動する。該コンピュータは、Ｙ軸及びＺ軸を有する平面において光ファイバに対してバーナーノズルを動かすことができるステッピングモータ又は他の機器等であるモータドライバに対して結合される。

バーナーノズルは、光ファイバを加熱する火炎を発し、該ファイバを白熱させ、熱的放射光を作るようにさせる。熱的放射光は、光ファイバに沿って光の電力を測定する電力計に送られる。かかる光電力の測定は、ファイバがバーナーの火炎によって過熱される不連続の長さにわたって光ファイバの温度に対して比例すると考えられる。かかる電力測定は、コンピュータにおいて記録される。

上述された通り、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラの製造において重要なのは、製造の反復性及び機器の均一性を確実にするよう、バーナーの火炎の最も熱的に安定している部分を用いることである。本発明の方法及び装置は、高い空間分解能を有する火炎内の温度分布及び火炎の形状を正確に測定することによって、これらの目的を達成する。コントローラは、Ｙ軸及びＺ軸を有する平面内の光ファイバに対する多種の位置にバーナーノズルを動かすようモータドライバを操作する。Ｙ軸及びＺ軸はいずれも、光ファイバの軸に対して垂直である。火炎の範囲よっては他より熱いものがあるため、光ファイバによって作られた熱的放射光は、フレームの位置に従って電力に差がある。電力計は、各位置での光の電力を感知し、このデータは、フレーム内の温度分布及び火炎の形状についての表現又は「マップ」を作るよう、コントローラにおいて処理される。火炎内の最も安定した範囲は、このようにして迅速に認識され、また、反復可能且つ均一な結果を得るよう、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラの製造中に光ファイバに対してバーナーノズルの位置を調整するよう使用される。テーパ光ファイバ及びヒューズカプラを形成するよう使用される同一の光ファイバが、火炎をマップするよう使用される機器又は「センサ」を有するためであるため、火炎の形状及び温度の分布の高い空間分解能は、本発明の方法及び装置を有して与えられる。追加的に、直接及び正確なデータは、モータドライバ及びバーナーノズルに対する位置設定を確定するよう与えられ、故に、テーパ光ファイバ又はヒューズカプラが製造される際、光ファイバは常に、火炎の最も安定している部分において確実に位置決めされる。

本発明の現在の望ましい実施例の構造、操作、及び利点は、添付の図面と共に以下の説明を考慮に入れて更に明らかとなる。

図面を参照すると、本発明の装置は、Ｘ軸に沿って光ファイバ１４を取り付ける一組の真空チャック１０及び１２を有する。図３中図示する通り、光ファイバ１４は、クラッディング１７によって取り囲まれたコア１５を有する。真空チャック１０，１２が図示されているが、他の取付け機器が以下に説明される測定工程中に固定された位置において光ファイバ１４を維持するよう用いられ得る、ことは意図される。光ファイバ１４の一端は、熱的放射光の電力をミリワット等のワットで測定することができる電力計１６に対して結合される。適切な電力計１６は、在カリフォルニア州、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ社からの型番号８１６３４Ａで入手可能である。電力計１６は、汎用インタフェースバス又は他の適切な手段によって、パーソナルコンピュータ１８等のコントローラに対して結合される。次に、コンピュータ１８は、バーナーノズル２２及びそれが作る火炎２４を光ファイバ１４に対して動かすよう操作可能であるステッピングモータ等のモータドライバ２０に対して結合される。

本論議に対し、Ｘ軸は、図４中に図示する通り光ファイバ１４の軸を参照し、Ｙ軸は、Ｘ軸に対して横断し、図１に図示されるバーナーノズル２２の向きにおいて上下方向に垂直に延びる、Ｚ軸は、Ｘ及びＹの両軸に対して垂直である。バーナーノズル２２が作る火炎２４は、「高さ」寸法及び「幅」寸法を有する。火炎２４の高さ寸法は、垂直に、又はＹ軸に沿った上下方向において測定され、図２及び図４中に図示される通りに方向におかれた火炎を有する。火炎２４の幅寸法は、Ｚ軸に沿って、即ち、図１中に図示されるページを出入りして、又は図２及び図４中に図示される向きにおける火炎２４を有して前方から後方へ、測定される。

バーナーノズル２２が作る火炎２４はその高さ及び幅にわたって同一の温度ではない、ことは、理解される。図２は、Ｙ軸に沿った上下方向において、及び、Ｚ軸に沿った前後方向において測定された火炎２４内の温度分布を概略的に図示する。火炎２４のボディ内に引かれた線は、一定温度の等高線を示すよう意図され、火炎２４の中心の範囲２８が最も熱く、範囲３０及び３２が徐々に冷たい。均一であり、同一の性能パラメータを示すテーパ光ファイバ又はヒューズカプラを製造するよう、バーナーノズル２２の位置は、光ファイバ１４が常に火炎２４の最も安定した部分に位置決めされるよう調整されるべきである。

本発明の方法は、基本的に、高い空間分解能を有し、制度及び反復可能な結果を有するヒューズカプラ（図示せず）又はテーパ光ファイバの製造を可能にするよう、火炎２４内の形状及び温度分布の表示又は「マップ」を作る。最初に、コンピュータ１８は、光ファイバ１４に対してバーナーノズル２２を位置付けるようモータドライバ２０を操作し、その火炎２４が光ファイバ１４を加熱するようにする。熱の適用に応じて、光ファイバ１４は、白熱し、熱的放射光を発生させる。該光の電力は、火炎２４によって加熱される光ファイバ１４の不連続の長さに沿って火炎２４の温度に比例する。熱的放射光は、電力計１６に対して光ファイバ１４に沿って送られる。電力計は、光の電力を感知するよう効果的であり、且つ、電力を示す信号を有するコンピュータ１８、及び火炎２４の温度の大きさを与えるよう効果的である。電力計１６は、ワット又はワットの一部で光の電力の測定値を作り、コンピュータ１８はかかる測定値を記録するのみである。測定する電力の計算又は相関関係は、温度の値を特定の電力の測定値に割り当てるという意味で、コンピュータ１８によって行われる。バーナー火炎２４の温度は、電力計１６によって感知された電力測定値に比例すると考えられる。

火炎２４の形状及び温度分布の表示又は「マップ」は、光ファイバ１４に対してバーナーノズル２２を動かすことによって作られる。コンピュータ１８からの信号に応じて、モータドライバ２０は、Ｙ軸の方向に置いて上下に、及び、Ｚ軸の方向に置いて前後に、バーナーノズル２２を光ファイバ１４に対して動かす。Ｙ軸及びＺ軸は、Ｚ軸に対して垂直である同一の平面、例えば図３及び図４中の図面の平面にある。バーナーノズル２２は、Ｙ軸及びＺ軸の両方向において、該面内の多種の位置及びその組合せに動かされ、光ファイバ１４は、基本的に火炎２４の全範囲にその高さ寸法及び幅寸法の両方に沿って露出される。火炎２４の異なる領域又は範囲２８，３０，及び３２が、光ファイバ１４を巻き込むため、火炎２４内での位置に依存してより大きい又はより小さい範囲に加熱される。次に、光ファイバ１４が作った熱的放射光の電力は、火炎２４内の位置に伴って変化する。電力計１６は、Ｘ軸に対して垂直である平面内で動くため、バーナーノズル２２の多数の異なる位置の各々で熱的放射光の電力を測定する。このデータは、火炎２４の形状及び火炎２４内の温度分布をマッピングする又は識別するよう、コンピュータ１８によって処理される。この情報を有して、バーナーノズル２２の位置は修正され得、光ファイバ１４は、テーパ光ファイバ及び／又はヒューズカプラの製造中は火炎の最も熱的に安定した部分内に位置決めされる。

上述された通り、本発明の方法及び装置は、火炎の形状及び温度分布の高い精度の空間分解能を与える。これは、センサとして使用される機器、例えば光ファイバ１４が、テーパ光ファイバ及びヒューズカプラが作られるものと同一のアイテムであるためである。温度を測定する従来技術において開示された器具とは異なり、放射率又は他のパラメータに関する推測は必要とされない。追加的に、バーナーノズル２２に対する直接及び正確な位置設定は、電力計１６によって感知され、コンピュータ１８によって処理されたデータから得られ得る。

本発明は、望ましい一実施例を参照して説明されてきたが、多種の変更がなされ得、本発明の範囲を逸脱することなく同等のものが要素に代わり得ることが、当業者によって理解されるべきである。加えて、特定の状況又は材料を本発明の基本的な範囲を逸脱することなく本発明の教示に適合させるよう、多くの修正がなされ得る。例えば、バーナーノズル２２は、光ファイバ１４に対して動くよう、モータドライバ２０に対して結合されて図示されるが、バーナーノズル２２は、固定位置において保持され得、光ファイバ１４は上述される通りの測定を得るよう動かされる、ことが予測される。

したがって、本発明は、本発明を実行するよう考えられる最良の形態として開示される特定の実施例に制限されないが、本発明が添付の請求項の範囲内の全ての実施例を有する、ことが意図される。

本発明の方法及び装置の概略図である。 光ファイバに対してＹ軸及びＺ軸に沿ったバーナーノズルの異なる位置での火炎の温度測定に関するグラフ形状での概略図である。 図１中に図示される光ファイバの前面断面図である。 バーナーノズルの動きを表す、光ファイバを取り囲むバーナーノズルからの火炎の拡大該略図である。

符号の説明

１０ 真空チャック
１２ 真空チャック
１４ 光ファイバ
１６ 電力計
１８ パーソナルコンピュータ
２０ モータドライバ
２２ バーナーノズル
２４ 火炎

Claims (6)

1. 火炎の空間温度分布を測定する方法であって、
   （ａ） 高さ寸法と幅寸法とを有する火炎を与える段階と、
   （ｂ） 光ファイバの不連続の長さを前記火炎内に位置付け、前記光ファイバが前記光ファイバに沿って送られる熱的放射光を発生するようにする段階と、
   （ｃ） 前記光ファイバ及び前記火炎の相対運動を作り出す段階と、
   （ｄ） 前記火炎の前記高さ及び前記幅の寸法に沿って複数の異なる位置の各々で前記光ファイバによって発生された熱的放射光の電力を測定する段階と、
   を有し、
   前記電力測定は、前記光ファイバの前記不連続の長さで前記火炎の前記空間温度分布に比例する、
   方法。
2. 前記段階（ａ）は、バーナーノズルから火炎を与える段階を有する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記段階（ｃ）は、前記バーナーノズルを前記光ファイバに対して動かす段階を有する、
   請求項２記載の方法。
4. 前記段階（ｂ）は、Ｘ軸に沿って前記光ファイバを位置付ける段階を有する、
   請求項２記載の方法。
5. 前記段階（ｃ）は、Ｘ軸に対して垂直であるＹ軸及びＺ軸のいずれをも有する平面内で、前記バーナーノズルを前記光ファイバに対して動かす段階を有する、
   請求項４記載の方法。
6. 前記段階（ｃ）は、電力計を有して前記光ファイバに沿って送られる熱的放射光の電力を測定する段階を有する、
   請求項１記載の方法。

Images