JP3984203B2

JP3984203B2 - 光ファイバ線引き装置及び光ファイバ母材供給速度制御方法

Info

Publication number: JP3984203B2
Application number: JP2003281068A
Authority: JP
Inventors: 明燮李; 基太鄭; 宰弘朴
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: KR100492964B1; US20050257569A1; US20040016264A1; KR20040011232A; JP2004059426A; CN1482084A; CN1297502C

Description

本発明は光ファイバの線引き速度を安定化して一定外径の光ファイバを得るための光ファイバ線引き装置及び光ファイバ母材供給(feed)速度制御方法に関する。

一般的に光ファイバが線引きされる場合、光ファイバの外径は線引き速度を用いて制御されている。図１に基本的な光ファイバ線引き装置の構成を示す。

図１に示した光ファイバ線引き装置は、光ファイバ母材(preform)１、光ファイバ母材１を線引きする量だけ溶融炉(furnace)３に供給する光ファイバ母材供給(feeder)部２、光ファイバ母材１を熱して溶融する溶融炉３、線引きされた光ファイバ６の外径を測定する外径測定部４、湿度、摩耗、汚染物質などから光ファイバを保護するために光ファイバ６をコーティングする光ファイバコーティング部５、摩擦力で引っ張りながら光ファイバ６を均一な外径に維持するキャプスタン７、光ファイバを巻き取るスプール８及びＰＩＤ制御部９から構成される。

ここで、光ファイバ母材１の溶融温度は少なくとも溶融炉３の溶融温度に設定されており、光ファイバ母材１の供給速度は固定されている。光ファイバの溶融率は光ファイバの線引き率と同一であり、線引き速度は数式１で与えられる。

線引き過程は、光ファイバの光減衰を最小化して張力を高めるために、可能な限り一定サイズの外径をもつ光ファイバを生成するように遂行される。

従来は、一定の光ファイバ外径を維持するために、キャプスタンの速度が光ファイバ母材の溶融率の変化に従って制御されていた。この従来技術による制御方法を図２に基づき簡単に説明すると次の通りである。

図２は従来技術による光ファイバ外径の制御過程を示すフローチャートである。先ず、光ファイバ外径を表す信号を受信し(S21:INPUT OUTER DIAMETER SIGNAL)、自動制御を遂行するか否かを決定する(S22:AUTO CONTROL?)。自動制御をしない場合(S23:NO)、キャプスタンの速度を固定する信号が出力される(S24:OUTPUT FIXED CAPSTEN SPEED)。自動制御をする場合(S25:YES)、外径信号が判定され(S26:CHECK OUTER DIAMETER?)、この判定結果に従ってキャプスタン速度がＰＩＤ制御器(S27:PID CONTROL OF CAPSTAN SPEED)で制御される。

しかし、通常、光ファイバ母材の長さは図３に示したように母材の終端部に進むにつれて短くなり、母材溶融熱が母材内部に蓄積されるようになる。この熱の蓄積によって母材の溶融率が変化、即ち、溶融率が増加することになる。また、光ファイバ外径を一定に維持するための線引き速度も母材溶融率の増加により変化される。

図３（Ａ）は正常母材の形状を、図３（Ｂ）は中心部を消耗した母材の形状を、図３（Ｃ）は最終端部だけが残留した母材の形状をそれぞれ示した図である。ここで、符号３１は結合チューブ、符号３２は母材を示している。

図４は母材中心部を消耗した場合の従来技術による光ファイバ線引き速度の変化を示すグラフである。ここで、縦軸は正常(normalized)Δ線引き速度を、横軸は線引き時間(minute)を示す。

図４に示したように、線引き速度変化の傾きは、母材中心部が消耗し始めるまでの最初の２５分間は緩やかであるが、消耗が続き母材の量が減れば減るほど急激に増加する。母材の最終端部（図３（Ｃ））では、溶融母材が不足するので線引き速度が急激に減少するようになり、最終的に光ファイバ線引き過程が終了する。

それ故、上述した従来技術のようにキャプスタンのみを用いて光ファイバ外径を制御する場合、次のような問題が発生するようになる。

第一に、光ファイバの非直線発生率が増加して光ファイバの光特性欠陥率が上がる。第二に、線引き速度変化による光ファイバ及びコーティング外径の不均一性が増加する。第三に、連続的な監視が供給速度の制御のために不可欠なので、作業人力の利用が非効率的である。

従って、前述の問題を解決するために本発明は、光ファイバ線引き過程の間に、熱蓄積に起因する母材内部の熱量変化があっても、光ファイバの線引き速度を一定に維持することができる光ファイバ母材の供給速度を制御するための光ファイバ線引き装置及び光ファイバ母材供給速度制御方法を提供することに、その目的がある。

本発明の他の目的は、母材中心部以降からの光ファイバ線引きについて光特性を安定化することができる光ファイバ母材の供給速度を制御するための光ファイバ線引き装置及び光ファイバ母材供給速度制御方法を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明の光ファイバ線引き装置は、光ファイバ母材を溶融する溶融炉と、溶融炉に母材を供給する母材供給部と、溶融炉で溶融された母材を引っ張ることで光ファイバを線引きするキャプスタンと、線引きされた光ファイバの外径を測定する外径測定部と、光ファイバの外径を制御する制御部と、からなり、制御部が、キャプスタンから出力される線引き速度信号を受信して母材の供給速度を計算する演算部を含み、制御部は、サンプリング周期間隔で光ファイバ線引き速度データを貯蔵し、現在の線引き速度が安定区間（目標速度から一定範囲内）にあるか、不安定区間（目標速度から一定範囲外）にあるかを判断し、線引き速度が不安定区間にあると判断すると、供給速度自動制御を開始し、貯蔵した線引き速度データから最近の線引き速度変化傾向を求め、線引き速度変化傾向から任意時間後の線引き速度の予測偏差を求め、予測偏差から母材供給速度の補償値を求め、安定区間に向けて線引き速度を加速するために、母材供給速度の補償値を補正した母材供給速度の補正値を求め、目標速度に母材供給速度の補正値を加減する、ことを特徴とする。

また、前述の目的を達成するために本発明では、（ａ）既設定されたサンプリング周期間隔で光ファイバ線引き速度データを貯蔵する過程と、（ｂ）現在の線引き速度が安定区間（目標速度から一定範囲内）にあるか、不安定区間（目標速度から一定範囲外）にあるかを判断する過程と、（ｃ）線引き速度が不安定区間にあれば、供給速度自動制御を開始する過程と、（ｄ）貯蔵した線引き速度データから最近の線引き速度変化傾向を求める過程と、（ｅ）線引き速度変化傾向から任意時間後の線引き速度の予測偏差を求める過程と、（ｆ）予測偏差から母材供給速度の補償値を求める過程と、（ｇ）安定区間に向けて線引き速度を加速させるために、母材供給速度の補償値を補正した母材供給速度の補正値を求める過程と、（ｈ）目標速度に母材供給速度の補正値を加減する過程と、からなることを特徴とする光ファイバ母材供給速度制御方法をも提供する。

また、前述の目的を達成するために本発明では、（ａ）既設定されたサンプリング周期間隔で光ファイバ線引き速度データを貯蔵する過程と、（ｂ）現在の線引き速度が安定区間にあるか、不安定区間にあるかを判断する過程と、（ｃ）線引き速度が不安定区間にあれば、供給速度自動制御を開始する過程と、（ｄ）貯蔵した速度データから最近の線引き速度変化傾向を求める過程と、（ｅ）線引き速度変化傾向から任意時間後の線引き速度の予測偏差を求める過程と、（ｆ）予測偏差から母材供給速度の補償値を求める過程と、（ｇ）安定区間に向けて線引き速度を加速させるために、母材供給速度の補償値を補正した母材供給速度の補正値を求める過程と、（ｈ）目標速度に母材供給速度の補正値を加減する過程と、からなることを特徴とする光ファイバ母材供給速度制御方法をも提供する。

本発明によれば、母材の供給速度を制御して線引き速度を安定化できるので、光ファイバの外径均一度を向上させることができるようになる。

また、本発明によれば、光ファイバ線引き過程において、母材中心部が消耗される場合にキャプスタン速度を安定化させるので、光ファイバの品質が向上し、特に損失発生率を減少させることができるようになる。

さらに、本発明によれば、母材の供給速度を自動制御することにより、作業人力の効果的な利用ができるようになる。

以下、本発明に従う好適な一実施形態について図５〜図８を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図５は本発明の一実施形態に従う光ファイバ線引き装置の信号の流れを示す図である。

本発明の一実施形態による光ファイバ線引き装置は、溶融炉(furnace)、供給部(feeder)、外径測定部、コーティング部、キャプスタン、スプールなどの構成を有する一般的な光ファイバ線引き装置と類似するので、本例では演算部を含む制御部に重点をおいて説明する。

図５に示したように本発明の一実施形態による制御部１０は、キャプスタン２０から光ファイバ線引き速度を示す信号を受信し、この受信した光ファイバ線引き速度信号を用いて母材供給速度を計算する。制御部１０は計算値に従う変換した母材供給速度信号を出力して母材供給部３０の供給速度を変化させる。母材供給速度が変化されると、溶融母材の進入率が変化するので、光ファイバ外径に変化が生じる。制御部１０は変化した外径信号を外径測定器４０から受信すると、外径を一定に維持するためにキャプスタン２０の速度を変化させ、これによって光ファイバ線引き速度が変わるようになる。

図６は本発明の一実施形態による光ファイバ母材の供給速度制御過程を示すフローチャートである。これを通じて光ファイバ母材供給速度制御過程を説明すると、次の通りである。

光ファイバ線引き過程が開始されると(S51:PROCESS START)、タイマをリセット(S52:RESET TIMER)し、タイマｔ１がスタートするごとに(S53:TIMER t1 ON?)、光ファイバ線引き速度を示すキャプスタン速度データを貯蔵する(S54:DATA1(D1)=>DATA2(D2), S55:PRESENT DATA(D)=>DATA1(D1))。ここで、ｔ１はデータを収集するためのサンプリング時間を示す。

母材供給速度自動制御アクチュエータを駆動させ(S56:START AUTO FEED-SPEED CONTROL)、タイマｔ２がスタートするごとに(S57:TIMER t2?)、現在の状態が母材線引き速度安定区間にあるか、不安定区間にあるかを判定する(S58:CHECK PRESENT STATE?)。安定区間にあれば(S59:STABLE RANGE)、タイマｔ２がスタートするごとに安定区間にあるか又は不安定区間にあるかの判定を繰り返し行う。不安定区間にあれば(S60:UNSTABLE RANGE)、母材供給速度自動制御が開始される(S61:AUTO FEEDING START)。

母材供給速度自動制御が開始されると(S61)、最近の線引き速度変化傾向を求める(S62:DETERMINE SPEED-CHANGE TENDENCY)。この線引き速度変化傾向はｔ１タイマがスタートするごとに収集されたデータから求め、加速、減速、一定速度の３つの基本状態と２つの異なる変化傾向監視区間の組み合わせを用いて変化傾向を５タイプに分類する。この速度変化パターンに従って、変化傾向は加速Ｌｔ(長区間加速（S621:IF(D-D1>0&D1-D2>0) V=((D-D2)*2+D2)-TARGET SPEED)、加速Ｓｔ(短区間加速（S622:IF(D-D1>0&D1-D2<=0) V=((D-D1)*3+D1)-TARGET SPEED)、一定速度(S623:IF(D-D1=0 ) V=(D-T)*3)、減速Ｓｔ(短区間減速（S624:IF(D-D1<0&D1-D2>=0) V=((D-D1)*3+D1)-TARGET SPEED)、減速Ｌｔ(長区間減速（S625:IF(D-D1<0&D1-D2<0) V=((D-D2)*2+D2)-TARGET SPEED)に分類される。

線引き速度変化傾向を決定(S62)した後、傾向ごとにｔ３後の予測偏差Ｖを計算する(S63:CALCULATE EXPECTED DEVIATION V OF TIME t3 LATER)。予測偏差とは現在の加速傾向としてｔ３後にキャプスタン速度がどのぐらいであるかを推定した値を示す。傾向の決定及び予測偏差計算は下記表１に従う。

（Ｄ：現在の線引き速度データ、Ｄ１：Ｔ１時間前の線引き速度データ、Ｄ２：Ｔ２時間前の線引き速度データをそれぞれ示す。また、Ｔ１＜Ｔ２である。）

予測偏差を計算した後(S63)、次の数式５により母材供給速度の補償値ＣＶを計算する(S64:CALCULATE COMPENSATION VALUE OF FEEDER)。

しかし、線引き速度が安定区間からさらに外れるようになると、安定区間に向けて線引き速度を加速させるために、母材供給速度の補償値ＣＶを補正する必要がある(S65:CALCULATE MODIFICATION VALUE OF FEEDER)。従って、母材供給速度の初期補償値ＣＶを計算した後(S64)、下記数式６により母材供給速度の補正値ＣＳを求める(S65)。

母材供給速度の補正値ＣＳを求めた後(S65)、ＣＳの符号、即ち、補正値ＣＳを正又は負にするかが決定される(S66:DETERMINE SIGN OF Csfeed)。つまり、補正値ＣＳの加減が決定される。ここで、補正値ＣＳの加減の決定はキャプスタン速度が安定区間に進行する方向に決定される。

最後に、安定状態に母材及び安定区間を維持するための決定した符号に従って目標速度ＴＳと補正値ＣＳを加減し母材供給速度を求める(S67:F=TSfeed+CSfeed)。

ここで、キャプスタン速度が急激に増加又は減少される場合、大きな変化量の入力は光ファイバの外径を変化させるので、これを防止するために図７のフローチャートに示した過程に従って供給速度が分類されて伝達される。

図７に示したように供給速度の修正は(S71:CORRECT SPPED)、先ず、目標速度から現在供給速度を引いた偏差を計算する(S72:CALCULATE DEVIATION(TARGET SPEED-PRESENT SPEED))。そして、偏差を判定し(S73:CHECK DEVIATION)、偏差が一定基準範囲内、例えば−０．１mm/min〜０．１mm/min範囲内であれば(S74:-0.1≦DEVIATION≦0.1)、現在供給速度と目標速度が類似しているので(S75:PRESENT SPEED=AHRVYTHREH)、供給速度が現在供給速度で維持される(S76:FEEDER SPEED=PRESENT SPEED)。また、偏差を判定して(S73)、偏差が−０．１mm/minより小さければ(S77:DEVIATION<-0.1)、現在供給速度から０．１だけを引いた後(S78:PRESENT SPEED=PRESENT SPEED -0.1)、この値を伝達する(S79)。偏差を判定して(S73)、偏差が０．１mm/minより大きければ(S80:DEVIATION>0.1)、現在供給速度に０．１だけ加えた後(S81:PRESENT SPEED=PRESENT SPPED+0.1)、この値を伝達する(S82)。このように目標速度から一定範囲内に現在供給速度が入るように前術の過程(S72〜S76)が繰り返される。

光ファイバ母材の供給速度が前述した過程により制御された場合、線引き速度変化は図８及び図９に示したようになる。

図８は線引き速度による損失特性を示すグラフである。グラフに示したように、線引き速度が安定している場合と線引き速度が不安定な場合を比較すると、母材中心部における損失特性が大幅に改善されていることを確認できる。

図９は母材中心部が消耗された場合の線引き速度変化を示すグラフである。グラフに示したように、本発明の一実施形態によって供給速度が自動制御された（Ａ）場合、母材中心部が消耗され始めた後にも線引き速度がほぼ一定であることを確認できる。これに反して、自動制御が行われない（Ｂ）場合は、図４に基づいて説明したように、母材中心部が消耗し始めるまでの最初の２５分間は傾きが緩やかであるが、母材の量が減れば減るほど急激に傾きが上昇し、母材最終端部では溶融される母材が不足して線引き速度が急激に減少し、最終的に線引き過程が終了することを確認できる。

以上、具体的な一実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、各種の変形が本発明の特許請求の範囲を逸脱しない限り、該当技術分野における通常の知識をもつ者により可能なのは明らかである。

基本的な光ファイバ線引き装置の構成を示す図。従来技術による光ファイバ外径の制御過程を示すフローチャート。母材形状を示す図。従来技術による母材中心部での線引き速度変化率を示す図。本発明の一実施形態による光ファイバ線引き装置の信号の流れを示す図。本発明の一実施形態による光ファイバ母材供給速度制御過程を示すフローチャート。本発明の一実施形態による供給速度が分類されて伝達される過程を示すフローチャート。線引き速度による損失特性を示すグラフ。母材中心部が消耗された場合の線引き速度変化を示すグラフ。

符号の説明

１０制御部
２０キャプスタン
３０母材供給部
４０外径測定器

Claims

光ファイバ母材を溶融する溶融炉と、
前記溶融炉に母材を供給する母材供給部と、
前記溶融炉で溶融された母材を引っ張ることで光ファイバを線引きするキャプスタンと、
前記線引きされた光ファイバの外径を測定する外径測定部と、
前記光ファイバの外径を制御する制御部と、からなり、
前記制御部が、前記キャプスタンから出力される線引き速度信号を受信して母材の供給速度を計算する演算部を含み、
前記制御部は、
サンプリング周期間隔で光ファイバ線引き速度データを貯蔵し、現在の線引き速度が安定区間（目標速度から一定範囲内）にあるか、不安定区間（目標速度から一定範囲外）にあるかを判断し、前記線引き速度が不安定区間にあると判断すると、供給速度自動制御を開始し、前記貯蔵した線引き速度データから最近の線引き速度変化傾向を求め、前記線引き速度変化傾向から任意時間後の線引き速度の予測偏差を求め、前記予測偏差から母材供給速度の補償値を求め、安定区間に向けて線引き速度を加速するために、前記母材供給速度の補償値を補正した母材供給速度の補正値を求め、目標速度に前記母材供給速度の補正値を加減する、ことを特徴とする光ファイバ線引き装置。
前記制御部は、光ファイバの外径変化を示す前記外径測定部から受信した信号に従って前記キャプスタンの速度を調節し前記光ファイバの外径を制御する請求項１記載の光ファイバ線引き装置。
前記演算部は、現在以前の任意時間の間の線引き速度の傾きを計算し、該計算した傾きを用いて任意時間後の予想線引き速度を求め、現在の線引き速度と目標線引き速度との差異による補償値と、現在の線引き速度と前記任意時間後の予想線引き速度との差異による補償値とを推定して前記母材の供給速度を演算する請求項１記載の光ファイバ線引き装置。
前記現在以前の任意時間は、前記母材供給部による自動供給前の期間を含む請求項３記載の光ファイバ線引き装置。
（ａ）サンプリング周期間隔で光ファイバ線引き速度データを貯蔵する過程と、
（ｂ）現在の線引き速度が安定区間（目標速度から一定範囲内）にあるか、不安定区間（目標速度から一定範囲外）にあるかを判断する過程と、
（ｃ）前記線引き速度が不安定区間にあると判断すると、供給速度自動制御を開始する過程と、
（ｄ）前記貯蔵した線引き速度データから最近の線引き速度変化傾向を求める過程と、
（ｅ）前記線引き速度変化傾向から任意時間後の線引き速度の予測偏差を求める過程と、
（ｆ）前記予測偏差から母材供給速度の補償値を求める過程と、
（ｇ）安定区間に向けて線引き速度を加速するために、前記母材供給速度の補償値を補正した母材供給速度の補正値を求める過程と、
（ｈ）目標速度に前記母材供給速度の補正値を加減する過程と、からなることを特徴とする光ファイバ母材供給速度制御方法。
前記貯蔵した線引き速度データから最近の線引き速度変化傾向を求める（ｄ）過程は、長区間加速、短区間加速、一定速度、長区間減速、短区間減速からなる５タイプの変化傾向に分類する過程を含む請求項５記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。
前記任意時間後の線引き速度の予測偏差を求める（ｅ）過程は、各変化傾向に対して数式１により決定される請求項６記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。
(数式１)
長区間加速の場合、Ｖ＝｛（Ｄ−Ｄ２）×２＋Ｄ２｝−Ｔ
短区間加速の場合、Ｖ＝｛（Ｄ−Ｄ１）×３＋Ｄ１｝−Ｔ
一定速度の場合、Ｖ＝（Ｄ−Ｔ）×３
長区間減速の場合、Ｖ＝｛（Ｄ−Ｄ１）×３＋Ｄ１｝−Ｔ
短区間減速の場合、Ｖ＝｛（Ｄ−Ｄ２）×２＋Ｄ２｝−Ｔ

ここで、Ｖ：予測偏差、Ｄ：現在速度、Ｄ１：Ｔ１時間前の速度、Ｄ２：Ｔ２時間前の速度、Ｔ：目標速度、また、Ｔ１＜Ｔ２である。
前記（ｆ）過程における母材供給速度の補償値は、数式２により決定される請求項５記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。
(数式２)
ＣＶ＝（Ｄｆ／Ｄｐ） ^２ ×２Ｖ
＝｛Ｄｐ√（Ｓｐ／（Ｓｆ×１０００））／Ｄｐ｝ ^２ ×２Ｖ
＝（Ｓｐ×２Ｖ）／（Ｓｆ×１０００）

ここで、Ｄｆ（ｍｍ）：線引き光ファイバの外径、Ｄｐ（ｍｍ）：母材の外径、Ｓｐ（ｍｍ／ｍｉｎ）：母材の供給速度、Ｓｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）：光ファイバの線引き速度、である。
前記（ｇ）過程における母材供給速度の補正値は、数式３により決定される請求項６記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。
前記目標速度に前記母材供給速度の補正値を加減する（ｈ）過程は、母材供給速度の急激な変化を防止するために、母材供給速度が分類されて伝達される過程を含む請求項５又は請求項９記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。
前記供給速度が分類されて伝達される過程は、
目標速度から現在供給速度を引いた偏差を求める第１過程と、
前記偏差が負の所定値から正の所定値までの一定基準範囲内であれば現在供給速度を維持し、前記偏差が一定基準範囲を外れる場合は現在供給速度に前記所定値を加減した後、これを現在供給速度に設定する第２過程と、
目標速度に到るまで前記第１過程及び第２過程を繰り返す第３過程と、からなる請求項１０記載の光ファイバ母材供給速度制御方法。