JP3717125B2 - 光ファイバーにおける引張り応力を測定する測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバー又は類似のワイヤにおける引張り応力（tensile stress）を測定する測定装置に関するもので、この測定装置には、光ファイバーに振動サージ（vibration surge）を起こす装置が設けられており、この振動サージは、ある予め選ばれた周波数で振動し、これは，直線方向に偏ったワイヤウエーブ（linearly polarized wire wave）として前進するものであり、さらに、前記測定装置には、前記ワイヤウエーブの前進速度を測定する光学位置感知（optical location-sensitive）インジケーターが設けられ、そして、前記測定装置には、前記光ファイバーを照明するイルミネーターが設けられていて、振動する光ファイバーの影またはイメージが前記インジケーターに投影され、これによって、単位長さ当たりの光ファイバーの質量が分かっていれば、光ファイバーの引張り応力が式Ｔ＝ｖ²・Ｍから計算できるものである。
光ファイバーは、直径が約１５０マイクロメーターの細いガラスファイバーである。光ファイバーは、遠距離通信における銅の導線に置き換わるものとして使用されており、これは、光ファイバーのデータ通信キャパシティが銅の導線のそれをはるかに上回るものであるからである。さらに、銅の場合には原料素材に不足を生じるが、光ファイバーには、原料素材に不足を生じることはない。
光ファイバーは、大きなタワーで、高さが約８〜９メーターある所謂ドロータワーと称されるものにおいて調製されるもので、該タワーのトップエンドにおいて、溶融ガラスが下方へ引かれて細いファイバーになるものである。ホットなファイバーが下降するとき、冷却され、その後、前記タワーの下位エンドにおいて、前記ファイバーは、特殊のコーティング槽において、ある種のポリマーでコーティングされる。コーティング後、前記ファイバーは、テンションメーターを経て特殊のローラーへ送られ、ローラーに巻き取られる。裸のファイバーは、折り曲げることができないもので、これは、ばらばらに壊れてしまうからである。前記ポリマーコーティングの後は、前記ファイバーは、曲げに十分耐えるものである。前記ファイバーの引き取り速度は、現在では、毎秒約４〜１０メーターであって、とりわけ、前記ファイバーの引取速度と、部分的に前記ファイバーの細さは、テンションメーター手段により規制されるようになっている。しかしながら、現在では、コーティング処理の後でしか応力の測定を行っていないものであり、これは、裸のファイバーには、接触することができないからである。しかしながらコーティング後に行われるテンション測定は遅すぎるものであって、裸のファイバーにおける引張り応力に関する正しい結果が得られない。現在使用されている光ファイバーのテンションメーターは、スプリングで付勢されたローラーであり、このローラーの上をコーティングされたファイバーが前進するようになっている。負荷の大きさが光ファイバーの応力を示す。光を裸のファイバーに投射し、複屈折の大きさを測定することによる光の複屈折を測定することで、裸のファイバーにおける引張り応力を測定する手段のメーターがある。しかしながら、このようなメーターは、極めて複雑で、高価であり、それ自体の現象も弱い。したがって、これは、評価されていない。
本発明の目的は、新規な音波（acousto）−光学式測定器であり、これは、長さ当たりのファイバーの質量が分かっていれば、ワイヤーウエーブによりファイバーの応力を測定するものである。この測定器により、前記ファイバーに接触せずに前記ファイバーにおける引張り応力が測定でき、これによって前記ファイバーの前進速度をも補償するものである。この原理は、以下のようなものであって、即ち、前進する振動を前記ファイバーに発生させ、前記振動の前進速度ｖを測定するものである。長さ単位当たりの前記ファイバーの質量が分かっていれば（これは、原則として常にそうである）、前記ファイバーにおける引張り応力Ｔは、簡単な式から計算できる：
Ｔ＝ｖ²・Ｍ
この式で、Ｍは、長さ単位当たりの前記ファイバーの質量である。
このように、前記測定器においては、まず最初、前記裸のファイバーに適切な前進ワイヤーウエーブ・サージを発生させなければならず、そして、前記サージの前進速度を前記ファイバーと接触せずに、なんらかの手段で測定する。この場合、前記引張り応力は、上記した式から計算できる。
先行技術に関していえば、光の複屈折を基にして前記ファイバーの引張り応力を測定する上記のエレクトロ−オプチカル測定器が挙げられる。ガラスファイバー材料は、多くの場合、石英であり、その光の複屈折は、前記応力に対し比例する。このような測定器にあっては、細さが150マイクロメーターの移動するガラスファイバーに正確に光の焦点を合わせて、その後に複屈折を測定しなければならない点で問題がある。
フィンランド特許７９，４１０と米国特許４，８３３，９２８の刊行物においては、動いている薄いフィルム又は膜における応力を本発明に若干似た手段で測定することが記載されている。拡声器を前記膜の傍らに置き、拡声器により機械的サージを前記膜に起こすと、このサージが前記膜におけるテンション方向へ前進する。前記膜における異なる二点で前記膜の振動を光学的に測定することにより前記サージの前進速度を測定する。前記波の速度と前記膜の基礎重量が分かれば、前記応力が測定できる。しかしながら、そのような測定器は、細い透明なガラスファイバーにおける引張り応力の測定に使用できない。
米国特許５，３５９，９０４とフィンランド特許８９，５３７の刊行物は、フィラメントにおける所謂ワイヤウエーブの前進と前記ウエーブの速度の測定を用いて光ファイバーにおける引張り応力を測定する装置を明記している。しかしながら前記刊行物においては、離れた二つの光学測定ステーションを用い、この手段によりワイヤウエーブの速度を測定している。また、前記刊行物においては、コーティング槽からのワイヤウエーブの反射はいずれも利用していない。しかしながら、本発明は、上記した特許とは、以下に分かるように本質的に種々相違している。本発明においては、引張り応力の測定には、ただ一つの光学測定ステーションを用い、前記ファイバーの端部からの反射を積極的に利用する。さらに、速度補償は、この新規な装置により自動的に達成される。前記ファイバーの引取速度が早まり、前記引取の”立ち上げ（ramp-up）”の間、速度補償はより一層重要になる。かくて、本測定装置は、かなり著しく簡素化される。
本発明は、測定装置におけるインジケーターデバイスが出発するワイヤーウエーブサージのバイパスタイムとコーティング槽から反射されるワイヤーウエーブサージのバイパスタイムとを測定するのに適しており、前記の点で、インジケーターデバイスとコーティング槽との間の距離が分かっていれば、出発した振動と到着した振動との間の時間差を測定することにより、ワイヤウエーブの速度が測定されることを特徴とするものである。
ドロータワーにおいてファイバーが下方へドローされるとき、該ファイバーがコーティング槽へ入るまでは、数メーターの距離の間は、裸のものである。まず、エンクロージャーの前面壁に狭い間隙があるように収納（enclosed）された拡声器を前記領域に設置することが可能であり、この間隙を介してサウンドウエーブサージが放出できる。前記間隙は、前記ファイバーと平行であって、この結果、放出される圧縮空気により、かき鳴らされるギターの弦と同じように前記ファイバーは、振動し出す。実際には、引張り応力測定の目的には、約３００Ｈｚのサージ振動周波数が適切であることが分かっている。この後、前記ファイバーの振動の前進速度が従来技術における場合の二つのデテクターではなしに、唯一つの光学デテクターにより光学的に測定される。
図面の図に示された発明の好ましい実施例を参照しながら発明を詳細に記載するが、この発明は、前記実施例のみに限定されると思ってはならない。
図１は、測定機構の略図であって、拡声器（ラウドスピーカー）により光ファイバーに発生した振動の進み並びに光学検出器（オプティカルディテクター）の前面における前記ファイバーの振動を示す。
図２は、コーティング槽からの到達方向におけるワイヤーウエーブの反射を示す。
図１と図２に示された実施例においては、測定デバイスは、一般に符号１０で示されている。封入されたラウドスピーカー１２により発生された音響圧力サージ（acoustic pressure surge）により、光ファイバー１１は、直線方向に偏った振動運動（linearly polarized vibration）をするようになるもので、前記ラウドスピーカーの前面には、狭い間隙１３が設けられていて、此の間隙は、前記ファイバー１１と平行になっている。コンピューター１４で制御される周波数が約３００ｈＺの電子サージ信号がラウドスピーカーへ送られ、該サージ信号が前記アコースティック（音響）ワイヤーウエーブサージに変換される。前記ファイバーに発生したベンド（湾曲部）１５０が前記ファイバー１１の両方向へ進み始める。このベンド、即ち、ワイヤーウエーブ１５の進み方が早ければ早いほど、前記ファイバーにおけるテンションが高いことになる。ワイヤーウエーブ１５の速度は、１基の光学インジケーター１６によって測定されるもので、これは、このインジケーターにおける照射されたファイバー１１の影の位置を測定する。光ファイバー１１への照射は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプであり得るイルミネーター１７により行われる。ファイバー１１への照射により、インジケーター１６に影が投影され、ついで、インジケーター１６に接続されたコントロール・コンピューター１４により前記影の位置がリアルタイムに測定される。
ファイバー１１が振動すると、当然のことながら、その影も振動する。振動がファイバー１１にそって伝播するとき、振動は、まず最初、ラウドスピーカー１２の下位に配置されたオプティカルインジケーター１６をバイパスし、ついでコーティング槽１８へと下降し、下降した時点で、前記槽１８の面で反射され、ワイヤーウエーブ１５は、到達の方向に対し後戻りするように反射され、前記ウエーブは、再び、オプティカルインジケーター検出器１６に達する。かくて、ワイヤーウエーブの速度は、出発する振動と到達する振動との間の時間差を測定することにより得られる。勿論、これには、コーティング槽１８とオプティカルインジケーター１６との間の距離ｘが分かっていなければならないものである。実際には、光ファイバーのドロータワーにおいては、距離ｘは、３〜４メーターのオーダーである。この点に関して、ワイヤーウエーブサージは、溶融状態の所謂プリフォーム、即ち、ガラスブランクに向かって上方へも進むことに注目すべきである。しかしながら、溶融したプリフォームからは一切反射されないもので、これは、溶融したガラスが振動を効率的に減衰してしまうからである。注目すべき重要な点は、ラウドスピーカー１２が前記ファイバーにいわゆる直線方向に偏った振動（linearly polarized vibration）という振動を起こすことで、これは、ファイバー１１がオプティカルインジケーター１６の測定方向に対し垂直な面で振動し、例えば、円形の偏った面では振動しないことを意味する。このような場合、例えば、ファイバー１１の直径の光学的測定は、妨げられるものではない。
ワイヤウエーブ１５がファイバー１１にそって進むとき、当然、ワイヤウエーブは、ファイバー１１の上端と下端とに達するが、上記したように、前記上端からの反射はなく、ポリマーのコーティング槽１８からの十分に強力な反射があり、測定原理が実施できるようになる。図２は、反射の形成と状態とを示すものであって、ファイバー１１においては、二つのワイヤウエーブが互いに反対の方向へ進むようになっている。また注目すべき点は、前記ファイバーにはスタンディング（静止）のウエーブは、発生せず、進むウエーブ運動が発生するもので、その進行速度は、前記コーティング槽からの前記インジケーターの距離ｘが分かっていれば、ラウドスピーカーの下位に配置されたオプティカルインジケーターによる前記振動の時間差から比較的簡単に測定できる。
図２は、出発してゆくワイヤウエーブサージ１５とコーティング槽１８から反射されてくるワイヤウエーブサージ１９がインジケーター１６の前を通過する状況を示すもので、インジケーター１６の前面で振動するファイバーは、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ１７によって照射され、該インジケーターに投影される前記ファイバーの影の動きが電子的にモニターされる。オプティカルインジケーター１６によって発生された電子信号がコンピューター１４へ送られ、そこで分析されて、前記ウエーブの動きの速度とファイバー１１における引張り応力が、コンピューター１４の通常のコンピューティング・アルゴリズムにより、上記の式から計算される。
光ファイバー１１の引取速度は、毎秒約４〜１０ｍである。他方、普通に使用されている引取応力での引取状態下でのワイヤウエーブ１５の速度は、毎秒１００ｍであることが分かっている。そして、このことは、ファイバー１１の固有の動きにより、測定精度に約５〜１０％の誤差があることを意味する。この誤差は、不利なものであって、補償が必要である。ファイバー１１の固有の速度は、ファイバー１１の引取速度が分かっていれば、計算によるコンピューターで補償することができる。取引の開始時、このような状態においては、引取応力を知ることが極めて重要なことであり、ファイバー１１は、”立ち上がり（ランプ−アップ）”と称される加速の動きにあるので難しい。コンピューター１４により、速度を連続的に補償することは便宜がよくない。そこで、ファイバー１１に発生したウエーブがラウドスピーカー１２から見てファイバー１１の動きに関し”上流”と”下流”の両方へ進むことから、速度補償を自動的に行うことが本発明の第２の重要な特徴である。
ワイヤウエーブ１５が前進し出すとき、一方のウエーブは、ファイバー１１の速度にしたがって下流へ進み、反射された他方のウエーブは、ファイバー１１の動きと反対の方向の上流へと再び移動する。ファイバー１１のこの固有の動きがこれらウエーブのそれぞれに速度エラーを生じさせ、該エラーは、反対の符号をもつ。前記ウエーブの速度をまず下流（下方）への速度で測定し、その後、上流（上方）への反射の速度を測定すれば、ファイバー１１の固有の速度が自動的に消去されるもので、これは、ファイバー１１の固有の動きが一方のウエーブで合計され、それを他方から引くからである。即ちワイヤウエーブ１５の速度については、ファイバー１１の固有速度が存在しない値が得られる。これにより、唯１基のオプティカル測定検出器で十分になる。
応力の計算には、長さ単位当たりのファイバー１１の密度を知らなければならない。これは、ファイバー１１の直径を光学的に測定することで計算できる。すべてのファイバー１１のドロータワーは、ＣＣＤカメラが多く使用されている光学式ファイバー直径測定器を含んでいる。ファイバー１１の振動は、直線方向に偏っているから、振動の偏りをそれがファイバー１１の直径の測定に支障を来さないようにアレンジすればよい。
ファイバー１１の振動は、また、ファイバー１１の引取とコーティングを邪魔をし、ファイバー上の不均一さの原因となる。しかし実施には、振動の大きさは、ファイバー１１の直径のオーダーのものであり、ポリマー・コーティング槽１８と溶融ガラス内で振動は急速に減衰するので、前記振動の有害な作用は，ミニマムのものである。
本発明が１基のオプティカルインジケーター１６のみにより前記ファイバー１１における引張り応力を測定し、同時に、前記ファイバー１１の固有の引取速度から生ずる引取応力における誤差を自動的に補正する点で、従来の技術とは本質的に相違することが上記記述から明らかになる。連続的に増大する引取速度に伴い、速度誤差の補正は、ますます重要になる。

Claims (3)

1. 光ファイバー１１がコーティング槽１８中でコーティングされる前の光ファイバー１１の引張り応力を測定するための測定装置１０であって、
   該装置１０は、
   光ファイバー１１に振動サージ（vibration surge）１５０を発生させるための機器１２であって、該振動サージはある所定の振動数で振動し、直線方向に偏ったワイヤーウエーブ（linearly polarized wire wave）１５として伝播するものである機器１２と、
   振動サージ１５０を発生させるための前記機器１２とワイヤーウエーブ１５の伝播速度（v）を測定するためのコーティング槽１８の間に配置された光学式位置インディケーター１６、および
   光ファイバー１１を照明するためのイルミネーター１７、
   とを具備し、
   前記イルミネーター１７による照明は振動する光ファイバー１１の影または像が前記インディケーター１６上に投影されるよう照明され、
   ここで、光ファイバー１１の引張り応力は式Ｔ＝ｖ²Ｍで表され、同式においてＭは光ファイバー１１の単位長さあたりのファイバー質量を示すものであり、
   該装置１０は、
   前記インディケーター１６が、ワイヤーウエーブ１５が振動サージ１５０を発生させるための前記機器１２からコーティング槽１８へ伝播する方向で前記インディケーター１６を通過する時間およびコーティング槽１８から反射されたワイヤーウエーブ１９が前記インディケーターを通過する時間を測定するように配列され、ワイヤーウエーブ１５の速度は前記インディケーターにより通過されるワイヤーウエーブ１５、１９の時間差および前記インディケーター１６とコーティング槽１８間の距離の差から得られることを特徴とするものである測定装置。
2. 振動サージ１５０を発生させるための前記機器１２は、光ファイバー１１に形成される波が前記インディケーターの光学測定軸に対し垂直な偏った面で振動するような構造と配置をしていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 振動サージを発生させるための前記機器１２は、光ファイバー１１に相対して配置されるラウドスピーカーを具備し、
   該ラウドスピーカーは、狭い間隙１３が該ラウドスピーカーと光ファイバー１１との間であって該ラウドスピーカーの前面に形成されるように配置されてなることを特徴とする請求項１または２の測定装置。

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