JP2015196626A - 光ファイバの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線引きする場合に、誤検知を抑制しつつ、ガラス径異常箇所を検知することができる光ファイバの製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する。光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号を選別するハイパスフィルタ２３ａと、光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、選別データが第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定する第１の比較判定部２３ｂと、測定データを第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、測定データが第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定する第２の比較判定部２３ｃとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、線引炉内で光ファイバを加熱、線引きする光ファイバの製造方法および製造装置に関する。

光ファイバは、光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）で加熱溶融し、線引炉の下方から線引きして製造される。
光ファイバの外径（クラッド外径）は、例えば所定のシングルモード光ファイバの規格で１２５±１μｍと規定されており、光ファイバの外径制御は正確に行われなければならない。そのため、ガラス母材から線引きされた光ファイバの外径を測定している。

例えば、特許文献１，２には、光ファイバの外径を一定に制御するために、光ファイバの外径を測定して光ファイバの引き取り速度を調整する技術が開示されている。また、特許文献３，４には、光ファイバの外径を一定に制御するために、線引炉内の圧力データやガラス母材の測定データをフィルタリングし、所定周波数の信号を選別する技術が開示されている。

線引中に光ファイバの外径を測定していると、急峻で大きなガラス径変動が現れる場合がある（スパイク状のガラス径変動ともいう）。これは、ガラス母材中に生じていた気泡や、異物が原因となって発生すると考えられる。この光ファイバの外径が瞬間的に大きく変化した箇所（ガラス母材が原因のガラス径異常なので、以下、ガラス母材起因のガラス径異常という）は、上記したように気泡などが生じており、光ファイバの強度不足や伝送損失の低下などを招く虞があるため、除去する必要がある。そこで、上記特許文献１には、光ファイバの引き取り速度の変化を求めてガラス母材起因のガラス径異常を検知する技術が開示されている。なお、ガラス母材起因のガラス径異常はスパイク状のガラス径変動となるため、この異常箇所を外径測定器で検知する場合、センシング周期や平均化回数にもよるが、外径測定器が追従できず、実際のガラス径変動の値と比較して小さく測定されてしまう場合がある。このため、一般的には閾値を下げて（光ファイバの外径の規格を１２５±１μｍとした場合、これよりも厳しくして）ガラス径異常箇所を検知している。

特開平６−２３９６４１号公報 特公昭５９−２９５３１号公報 特開２０００−６３１４２号公報 特開２００１−１６３６３１号公報

ところで、線引炉内は、線引き中に約２０００℃となるので、線引炉内の部品には、耐熱性に優れたカーボンが用いられている。このカーボンは、高温の酸素含有雰囲気中で酸化して消耗する性質を有する。このため、線引炉内は、アルゴンガスやヘリウムガス等の希ガス、窒素ガス（以下、不活性ガス等という）の雰囲気に保つ必要がある。

しかしながら、ヘリウムガスを用いて線引きする場合は問題無いものの、ヘリウムガスよりも熱伝導率の低いアルゴンガスまたは窒素ガスを含むガスを用いて線引きする場合、線引炉内のガス流の乱れが大きくなる等により、ガラス径変動が大きくなるという問題が生じる。このガラス径変動箇所は、上記したガラス母材起因のスパイク状のガラス径変動よりも長周期であり、上記した気泡などの異常箇所は含まれない。このようなガス流の乱れ等に起因するガラス径変動が、上記したガラス母材起因のガラス径異常を判定するための閾値を超える場合、誤ってガラス径異常箇所と判定してしまう（誤検知してしまう）という問題がある。

一方、このガラス母材起因のガラス径異常を検知するための閾値を大きく設定すると、検知すべきガラス母材起因のガラス径異常箇所を見逃すという問題が生じる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、アルゴンガスまたは窒素ガスを含むガスを用いて線引きする場合に、誤検知を抑制しつつ、ガラス径異常箇所を検知することができる光ファイバの製造方法および製造装置の提供を目的とする。

本発明による光ファイバの製造方法および製造装置は、線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造方法および製造装置であって、測定された前記光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号をハイパスフィルタを用いて選別するステップと、選別された前記光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、前記選別データが前記第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定するステップと、前記測定データを前記第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定するステップとを含む。

本発明の光ファイバの製造方法および製造装置によれば、アルゴンガスまたは窒素ガスを含むガスを用いて線引きする場合に、誤検知を抑制しつつ、ガラス径異常箇所を検知することができる。

本発明の一形態による光ファイバの製造装置の概略を説明する図である。 図１の制御部の構成を説明する図である。 光ファイバの外径測定データを、周波数解析した結果を示す図である。 光ファイバの外径の時間変化の一例を示す図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願の光ファイバの製造方法発明は、（１）線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造方法であって、測定された前記光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号をハイパスフィルタを用いて選別するステップと、選別された前記光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、前記選別データが前記第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定するステップと、前記測定データを前記第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定するステップとを含む。
このように、ガラス径異常箇所の検知を、第１ルートと第２ルートとを使って行う。第１ルートでは、ガス流の乱れ等に起因する長周期のガラス径変動の影響を除くために、遮断周波数よりも高い周波数の信号をハイパスフィルタを用いて選別する。この選別データを用い、第１の閾値によりガラス径異常箇所を判定するため、ガス流の乱れ等による誤検知を抑制しつつ、ガラス母材起因のガラス径異常箇所を検出することができる。また、光ファイバの外径値自体（選別していない信号）が規格内に入っている必要があるため、第２ルートでは、第１の閾値径より大きい第２の閾値径を設定し、選別していない外径の測定データが第２の閾値径を超えた箇所をガラス径異常箇所と判定している。

（２）前記遮断周波数は、５Ｈｚ以下の周波数とする。例えば、アルゴンガスや窒素ガス等のような不活性ガス等を使用した場合、ガラス径変動の測定結果を周波数解析すると、３Ｈｚ未満の周波数成分が多く存在する。このため、ここでは５Ｈｚの周波数を設定し、この周波数よりも低い周波数の信号を遮断する。これにより、第１ルートでの、ガス流の乱れ等に起因する長周期のガラス径変動に相当する周波数成分を確実に除去することができ、誤検知を抑制しつつ、ガラス径異常箇所を検知することができる。
（３）前記線引炉内を満たすガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスを１％以上含有する。特にアルゴンガスまたは窒素ガスを１％以上含有するガスを使用した場合、線引炉内のガス流の乱れ等が大きくなるため、本発明のように２ルートでガラス径異常箇所を判定する効果が、より高くなる。

本願の光ファイバの製造装置発明は、（４）線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造装置であって、測定された前記光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号を選別するハイパスフィルタと、選別された前記光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、前記選別データが前記第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定する第１の比較判定部と、前記測定データを前記第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定する第２の比較判定部とを備える。
本製造装置を用いることにより、上記と同じように、誤検知を抑制しつつ、ガラス径異常箇所を検知することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
図により、本発明が適用される光ファイバの製造方法および製造装置の概略を説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。
図１は、本発明の一形態による光ファイバの製造装置の概略を説明する図である。光ファイバ製造装置１は、線引炉１０、加熱装置（ヒータ）１３、外径測定部１４、冷却装置１５、塗布装置（樹脂塗布ダイス）１６、硬化装置１７、ガイドローラ１８、キャプスタン１８ａ、巻き取りドラム２０、および制御部２１を備える。

線引炉１０には、その上方からガラス母材１１がセットされる。ガラス母材１１は、その中心部にコア部を有し、コア部の周りにクラッド部を有する。セットされたガラス母材１１の下端部分が線引炉１０内の加熱装置１３で加熱されると、このガラス母材１１の下端部分が溶融して垂下し、下部チャンバ１０ａから下方に引き出され、光ファイバ１２となる。
線引炉１０内の酸化劣化の防止を図るために、線引炉１０には不活性ガス等による炉内ガスの供給機構（図示省略）が設けられている。炉内ガスとしては、例えば、アルゴンガスとヘリウムガスとを混合したガスが線引炉１０内に供給され、このガスは、線引きされた光ファイバ１２と共に、下部チャンバ１０ａから放出される。

線引きされた光ファイバ１２は、冷却装置１５で強制的に冷却された後、塗布装置１６で例えば、紫外線硬化樹脂を塗布して保護される。この樹脂は硬化装置１７で硬化される。次いで、光ファイバ１２は、ガイドローラ１８を経てキャプスタン１８ａで引き取られ、巻き取りドラム２０で巻き取られる。
また、例えば、加熱装置１３と冷却装置１５との間には外径測定部１４が設置されている。外径測定部１４は、例えば、線引きされた光ファイバ１２の側面の投光画像をモニタして画像処理を施すことにより、光ファイバ１２の外径を測定している。この測定結果は制御部２１に送られる。なお、外径測定部は、冷却装置１５と塗布装置１６との間、あるいは、下部チャンバ１０ａと冷却装置１５との間に設置することも可能である。また、外径測定部は複数個所あっても良い。

制御部２１では、光ファイバ１２の外径を測定した結果、後述のように、閾値を超えるガラス径変動を検知した場合は、その箇所をガラス径異常箇所と判定する。そして、制御部２１は、例えば、ガラス径異常箇所の位置を記憶したり、ガラス径異常箇所の光ファイバの被覆部表面にマーキングをしたりして、光ファイバ１２を巻き取りドラム２０に巻き取る。

図２は、図１の制御部の構成を説明する図であり、制御部２１は、外径信号入力部２２、処理部２３、設定値入力部２４、記憶部２５、および出力部２６を備える。
外径信号入力部２２は、外径測定部１４からの測定結果を受け取って処理部２３に送っている。設定値入力部２４は、光ファイバ製造装置１のオペレータが各種の設定値や操作値を入力するために用いることができる。記憶部２５はこれら各種の設定値や操作値、出力値（ガラス径異常箇所の位置）を記憶できる。出力部２６は、処理部２３の処理結果を記憶部２５などに出力している。

ここで、処理部２３は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２３ａ、第１の比較判定部２３ｂ、および第２の比較判定部２３ｃを有しており、外径信号入力部２２からハイパスフィルタ２３ａ、第１の比較判定部２３ｂを経由して出力部２６に至る第１ルートと、外径信号入力部２２から第２の比較判定部２３ｃを経由して出力部２６に至る第２ルートとに分けられている。
詳しくは、第１ルートでは、外径測定部１４の測定データ３０は、外径信号入力部２２からハイパスフィルタ２３ａに送られる。ハイパスフィルタ２３ａは、測定データ３０から、遮断周波数（５Ｈｚ以下の周波数で、例えば、３Ｈｚ、より好ましくは２.５Ｈｚ）よりも低い周波数の信号を遮断し、この遮断周波数よりも高い周波数の信号を選別する。

図３は、光ファイバの外径測定データを周波数解析した結果を示す図である。アルゴンガスまたは窒素ガスを含有するガスを用いて線引きすると、線引炉内のガス流の乱れ等の影響により、光ファイバのガラス径変動が大きくなる場合がある。例えば、線引炉内の不活性ガス等をＡｒ５０％、Ｈｅ５０％とし、ガラス径変動の測定結果を周波数解析すると、線引炉内のガス流の乱れ等の影響により、図３に示すように３Ｈｚ未満の周波数成分が多く存在する場合がある。なお、アルゴンガスに替えて窒素ガスを用いても概ね似たような結果となる。このため、図２に示すハイパスフィルタ２３ａで低い周波数の信号を除去し、線引炉内のガス流の乱れ等の影響による誤検知を抑制しつつ、ガラス母材起因のガラス径異常箇所を検知する。

図２に戻り、ハイパスフィルタ２３ａを通した選別データ３１は第１の比較判定部２３ｂに送られる。第１の比較判定部２３ｂは、選別データ３１と第１の閾値径とを比較し、選別データ３１が第１の閾値径を超えた箇所をガラス母材起因のガラス径異常箇所と判定する。このようにして判定されたガラス母材起因のガラス径異常箇所が、本発明の第１のガラス径異常箇所に相当する。また、この第１の閾値径は、上記で説明したように、気泡や異物のようなガラス母材起因による、スパイク状の急峻なガラス径変動を判定するための閾値であり、一般的な外径の規格値（例えば１２５±１μｍ）より小さくした値であり、例えば、±０.５μｍに設定されている。なお、この第１の閾値径は、炉内ガスとしてヘリウムガスを使用している場合と同じ閾値径にすれば良く、例えば±０.７μｍや±０.６μｍに設定してもよい。

図４は、光ファイバの外径の時間変化の一例を示す図であり、同じガラス径変動の信号に対し、図４（Ａ）はハイパスフィルタを通していない測定データ３０を用い、図４（Ｂ）はハイパスフィルタを通した選別データ３１を用い、それぞれガラス母材起因のガラス径異常箇所を判定した場合を示している。
図４（Ａ）では、光ファイバの外径は線引炉内のガス流の乱れ等の影響により、スパイク状のガラス径変動に比べて、長周期のガラス径変動が生じている。第１の閾値径を例えば±０.５μｍに設定した場合、図４（Ａ）にＧで示すように、この長周期のガラス径変動が第１の閾値径（１２５.５μｍ）を超えてしまい、長周期のガラス径変動（線引炉内のガス流の乱れ等の影響）であるにも拘らず、ガラス母材起因のガラス径異常箇所と判定される。つまり、誤検知が発生する。

これに対し、図４（Ｂ）ではハイパスフィルタ２３ａで選別しているため、図４（Ａ）で見られた線引炉内のガス流の乱れ等の影響が小さく抑えられ、第１の閾値径（１２５.５μｍ）を超える箇所は無いことが分かる。そして、図４（Ｂ）にＳで示すように、第１の閾値径（１２４.５μｍ、１２５.５μｍ）を超えたスパイク状のガラス径変動だけがガラス径異常箇所と判定されるので、誤検知が発生することなく、ガラス母材起因のガラス径異常箇所を検知できる。

より具体的には、図４（Ａ），（Ｂ）のように、ハイパスフィルタを通さない測定データ３０を用いた場合、ハイパスフィルタを通した測定データ３１を用いた場合のそれぞれについて１本のガラス母材を線引きして上記の方法でガラス径異常を判定したところ、選別データ３１を用いた図４（Ｂ）の場合でも、図４（Ａ）で検知されたスパイク状のガラス径変動を問題なく検知できた。そして、この選別データ３１を用いた図４（Ｂ）の場合には、図４（Ａ）で生じていた線引炉内のガス流の乱れ等の影響による誤検知の割合（誤検知率）が２％に減少し、ハイパスフィルタを通さない測定データ３０を用いた場合に比べ、誤検知率を９８％削減することができた。

再び図２に戻り、第１の比較判定部２３ｂの判定結果は記憶部２５や出力部２６に送られ、記憶部２５でガラス径異常箇所の位置を記憶したり、出力部２６からの信号によりガラス径異常と判定された箇所へのマーキングを行ったりする。
一方、第２ルートでは、外径測定部１４の測定データ３０は、そのまま外径信号入力部２２から第２の比較判定部２３ｃに送られる。

第２の比較判定部２３ｃは、外径信号入力部２２からの測定データ３０と第２の閾値径とを比較し、測定データ３０が第２の閾値径を超えた箇所をガラス径異常箇所と判定する。このガラス径異常箇所が本発明の第２のガラス径異常箇所に相当する。また、この第２の閾値径は、遮断周波数よりも低いガラス母材起因のガラス径変動や、線引炉内のガス流の乱れ等に起因するガラス径変動などを含め、全ガラス径変動を判定するための閾値であり、設定値入力部２４で上述の第１の閾値径より大きい、例えば、±１μｍに設定されている。

第２の比較判定部２３ｃの判定結果も記憶部２５や出力部２６に送られる。上記同様に、記憶部２５でガラス径異常箇所の位置を記憶したり、出力部２６からの信号でガラス径異常と判定された箇所へのマーキングを行ったりする。これにより、通常のガラス径異常箇所についても、ガラス母材起因のガラス径異常箇所と同様に排除することができる。巻き取りドラム２０に巻き取られた光ファイバ１２は、例えば、その巻き取りドラム２０を次工程のラインにセットして別のドラムに巻き取られる際に、記憶部２５で記憶された位置、またはマークを付した箇所で除去される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、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およ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。

１…光ファイバ製造装置、１０…線引炉、１０ａ…下部チャンバ、１１…光ファイバ用ガラス母材、１２…線引きされた光ファイバ、１３…加熱装置、１４…外径測定部、１５…冷却装置、１６…塗布装置、１７…硬化装置、１８…ガイドローラ、１８ａ…キャプスタン、２０…巻き取りドラム、２１…制御部、２２…外径信号入力部、２３…処理部、２３ａ…ハイパスフィルタ、２３ｂ…第１の比較判定部、２３ｃ…第２の比較判定部、２４…設定値入力部、２５…記憶部、２６…出力部、３０…測定データ、３１…選別データ。

Claims (4)

1. 線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造方法であって、
   測定された前記光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号をハイパスフィルタを用いて選別するステップと、
   選別された前記光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、前記選別データが前記第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定するステップと、
   前記測定データを前記第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定するステップとを含む、光ファイバの製造方法。
2. 前記遮断周波数は、５Ｈｚ以下の周波数とする、請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記線引炉内を満たすガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスを１％以上含有する、請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法。
4. 線引炉内で加熱、線引きされた光ファイバの外径を測定しながらガラス径異常箇所を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造装置であって、
   測定された前記光ファイバの外径を示す測定データから、遮断周波数よりも高い周波数の信号を選別するハイパスフィルタと、
   選別された前記光ファイバの外径を示す選別データを第１の閾値径と比較し、前記選別データが前記第１の閾値径を超えた箇所を第１のガラス径異常箇所と判定する第１の比較判定部と、
   前記測定データを前記第１の閾値径より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値径を超えた箇所を第２のガラス径異常箇所と判定する第２の比較判定部とを備える、光ファイバの製造装置。

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