JP4403606B2

JP4403606B2 - 光ファイバ線引方法および線引装置

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Publication number: JP4403606B2
Application number: JP20783499A
Authority: JP
Inventors: 宏史高見澤; 豊岩村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2001031441A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ母材を加熱線引して光ファイバを製造する光ファイバ線引方法および線引装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ母材を加熱線引して光ファイバを製造する工程において、光ファイバ線引速度（以下、「線引速度」を「線速」ともいう。）の変動中は光ファイバの品質が担保されないため、光ファイバの線速が設定線速に達して安定した後に製造された光ファイバの部分が良品とされている。従って、不良部分の発生量を減少させるためには、光ファイバの線速を設定線速に早期に到達させ、安定させる必要がある。この要求に基づいて、特開平１０−８１５３８号公報には、所望の設定線速まで線速をばらつきなく短時間で上昇させようとする技術が開示されている。即ち、特開平１０−８１５３８号公報に開示された技術では、線速上昇開始から設定線速と実際線速との線速差に基づいて母材供給速度を制御し、実際線速が設定線速の７０%程度に達したときに、単位時間当たりの線速変化量に基づく制御を加えて母材をマイナス方向に後退させ、線速上昇を抑制して実際線速を早期に設定線速に近づけるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、母材形状のばらつき、線引炉体セット位置ずれ、加熱炉温度、制御を開始するタイミング等によって単位時間当たりの母材溶解量が異なり、それによって線速加速度も変化するが、特開平１０−８１５３８号公報に開示された技術では、ある線速までは設定線速を目標にした制御を行うため、線速変化量での制御が加算されるまでは母材の供給が継続される。従って、線速はますます加速され、線速変化量で行う制御が働いても設定線速を越えてしまい、線速のオーバーシュートが起こってしまう場合があった。この線速のオーバーシュートが起こると、光ファイバの外径が変動して一定の品質を維持することができず、不良品扱いとなって歩留まりが低下するという問題があった。このオーバーシュートの問題を解決するために、線速変化量で行う制御の制御定数を大きくして線速を急激に減少させることも考えられるが、線速のハンチングが発生して断線等が起こるおそれがあった。
【０００４】
そこで本発明は、線速のオーバーシュートを発生させることなく光ファイバの線速を短時間で安定に設定線速まで到達させることができる光ファイバの線引方法及び線引装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバ線引方法は、光ファイバの線引速度が設定線速に到達するまでの間、光ファイバの線引速度の一定時間当たりの実際変化量を求め、光ファイバの線引速度の一定時間当たりの設定変化量と実際変化量との差に基づいて、線引される光ファイバ母材の加熱炉への供給速度を制御する光ファイバ線引方法であって、設定変化量は、光ファイバの設定線速と実際の線引速度との線引速度差の関数であることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の光ファイバ線引装置は、光ファイバ母材を加熱線引して光ファイバを製造する光ファイバ線引装置において、光ファイバ母材を供給する母材供給手段と、光ファイバの線引速度の一定時間当たりの設定変化量と実際変化量との差に基づいて、光ファイバ母材の供給速度を算出する演算手段と、光ファイバの線引速度が設定線速に到達するまでの間、演算手段により算出された供給速度に基づいて、母材供給手段による光ファイバ母材の供給速度を制御する制御手段と、を備え、設定変化量は、光ファイバの設定線速と実際の線引速度との線引速度差の関数であることを特徴とする。
かかる方法及び装置によれば、光ファイバの線速の一定時間当たりの設定変化量と実際変化量との差に基づいて、光ファイバ母材を供給すべき速度が演算手段により算出され、母材供給手段による光ファイバ母材の供給速度は、演算手段により算出された速度に基づいて、制御手段により制御される。そして、光ファイバの線速は、早期かつ安定に設定線速に制御される。また、設定変化量を光ファイバの設定線速と実際線速との線速差に関して変化させることで、光ファイバの線引速度が更に早期かつ安定に設定線速に到達する。
【０００８】
また、本発明の光ファイバ線引方法及び装置では、設定変化量は、少なくとも線引速度差の絶対値が所定値以下のときに当該線引速度差に比例することを特徴としてもよい。このようにすれば、光ファイバの線引速度がふらつきなく短時間のうちに設定線速に到達する。
【０００９】
また、本発明の光ファイバ線引装置では、演算手段は、互いに一定時間だけ異なる光ファイバの実際の線引速度の差を実際変化量として出力する第１の減算器と、光ファイバの線引速度の設定変化量と、第１の減算器から出力された実際変化量との差を出力する第２の減算器と、第２の減算器から出力された差に係数を乗算し、その結果を出力する乗算器と、光ファイバの設定線速に対応した光ファイバ母材の供給速度に、乗算器からの出力を加算し、その結果を光ファイバ母材を供給すべき速度として出力する加算器と、を備えることを特徴としてもよい。このようにすれば、第１の減算器により、互いに一定時間だけ異なる光ファイバの実際線速の差が実際変化量として出力され、第２の減算器により、光ファイバの線速の設定変化量と、第１の減算器から出力された実際変化量との差が出力され、さらに、乗算器により、第２の減算器から出力された差に係数が乗算されてその結果が出力され、そして、加算器により、光ファイバの設定線速に対応した光ファイバ母材の供給速度に、乗算器からの出力が加算され、その結果が、光ファイバ母材を供給すべき速度として出力される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引装置１０の基本構成を示している。図示の通り、母材供給装置１１に保持された光ファイバ母材１２は、加熱炉１３に供給され、加熱線引されて光ファイバ１４となる。その光ファイバ１４は、外径測定器１５により外径がオンライン測定され、その測定値がキャプスタン１６にフィードバックされて外径が一定になるように制御される。そして、光ファイバ１４は冷却装置１７において冷却され、プライマリコーティングダイス１８によりコーティング樹脂液を塗布される。次に、樹脂硬化炉１９によりコーティング樹脂が加熱硬化され、光ファイバ素線２０となる。そして、光ファイバ素線２０は、キャプスタン１６を経て巻取機２１により巻き取られる。
【００１２】
母材供給装置１１は、ドライバ２２からの電気信号に基づいて回転するモータ２３により、光ファイバ母材１２を加熱炉１３に供給する。また、ドライバ２２は、演算部２４からの指示によりモータ２３に送るべき電気信号を出力する。この演算部２４は、光ファイバ１４の線速の一定時間当たりの設定変化量と実際変化量との差に基づいて、光ファイバ母材１２を供給すべき速度を演算により求める。あるいは、この演算部２４は、加算器、減算器および乗算器などから構成される回路であってもよい。なお、実際線速は、例えばキャプスタン１６の回転速度から求められる。
【００１３】
次に、光ファイバ母材１２の供給速度の制御方法について説明する。以下に説明する光ファイバ母材１２の供給速度は、演算部２４により求められるものである。
【００１４】
光ファイバ母材１２の外径をＤ、光ファイバ１４の外径をｄ、光ファイバ１４の設定線速をｖ₁とすると、この光ファイバ１４の設定線速に対応した光ファイバ母材１２の設定供給速度Ｖ_f1は、
Ｖ_f1＝ｖ₁・ｄ²／Ｄ² ・・・（１）
で決められる速度になる。また、線引中のある時刻ｔにおける光ファイバ１４の実際線速をｖ（ｔ）とし、一定時間dt前の線速をｖ（ｔ−dt）とすると、線速の一定時間dt当たりの実際変化量Δｖ_dtは、
Δｖ_dt＝ｖ（ｔ）−ｖ（ｔ−dt）・・・（２）
で表される。例えば、現在の線速が３００ｍ／ｍｉｎ、１０秒前の線速が２９０ｍ／ｍｉｎの場合は、Δｖ₁₀は１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃとなる。本制御をＰＬＣ（Programmable Logic Controller）で行う場合は、まず１スキャン（約１００ｍｓ）で１個の線速データを取得すると共に、累積された過去の線速データのうち最新の１０個の線速データの移動平均化を行い、現在の線速を求める。次に、現在の線速（移動平均値）から一定時間dt前の線速（移動平均値）を減算し、一定時間dtにおける線速の実際変化量Δｖ_dtを求める。ＰＬＣによる制御では、１０秒より短かい時間で線速の実際変化量を計測しようとすると、ＰＬＣのスキャン単位で読み込む線速フィードバックのばらつきの影響が大きくなる傾向があるため、１０秒以上の時間をかけて線速の実際変化量を計測することが好ましい。
【００１５】
また、線速の一定時間dt当たりの設定変化量をΔｖ_dtsetとし、設定変化量Δｖ_dtsetと実際変化量Δｖ_dtとの差に供給速度制御ゲインＶ_fgを乗じた値をΔＶ_f1とする。すなわち、ΔＶ_f1は、
ΔＶ_f1＝Ｖ_fg・｛Δｖ_dtset−Δｖ_dt｝・・・（３）
で表される。
【００１６】
そして、時刻ｔにおける光ファイバ母材１２の供給速度Ｖ_f（ｔ）は、ΔＶ_f1に基づいて求められる。すなわち、光ファイバ母材１２の供給速度Ｖ_f（ｔ）は、
Ｖ_f（ｔ）＝Ｖ_f1+ΔＶ_f1 ・・・（４）
で表される。
【００１７】
ここで、線速の設定変化量Δｖ_dtsetは、光ファイバ１４の設定線速ｖ₁と実際線速ｖ（ｔ）との線速差に比例して変化させる。即ち、図２に示すように、線速の設定変化量Δｖ_dtsetを縦軸に取り、設定線速ｖ₁と実際線速ｖ（ｔ）との線速差｛ｖ₁−ｖ（ｔ）｝を横軸に取ると、設定変化量は原点を通り線速差に比例したグラフで表される。このように、線速の設定変化量を変化させることで、線速の上昇を効率よく抑制することができ、また設定変化量を線速差に比例して変化させることで、線速のふらつきを防止することができる。なお、本実施形態では、設定線速ｖ₁と実際線速ｖ（ｔ）との線速差の絶対値が所定値以下のとき（例えば、｜ｖ₁−ｖ（ｔ）｜≦０．２ｖ₁のとき）は、設定変化量Δｖ_dtsetを線速差に比例して変化させ、それ以外の範囲においては設定変化量Δｖ_dtsetを一定値（例えば、Δｖ_10set＝１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃ、−１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃ）に維持している。これは、線引装置１０の能力上の限界に配慮したものである。
【００１８】
このようにして演算部２４で求められた光ファイバ母材１２の供給速度Ｖ_f（ｔ）に基づいて、ドライバ２２はモータ２３を回転させ、光ファイバ母材１２を供給速度Ｖ_f（ｔ）で供給する。
【００１９】
例えば、設定変化量をΔｖ_10set＝１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃとし、供給速度制御ゲインＶ_fgを０．３Ｖ_f1とした場合、１０秒間で線速が上昇しなかった場合には、Ｖ_f1にはΔＶ_f1の最大値である３Ｖ_f1（設定供給速度の３倍）が加算されることになり、また線速の実際変化量が１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃの場合はΔＶ_f1は０ｍｍ／ｍｉｎとなり、母材の供給速度Ｖ_f（ｔ）は設定供給速度のＶ_f1となる。
【００２０】
次に、演算部２４を回路で構成した場合における回路ブロックについて説明する。図３は、光ファイバ母材１２の供給速度を求める演算回路の回路ブロック図である。
【００２１】
第１の減算器３０は、光ファイバ１４の実際線速ｖ（ｔ）と、その一定時間dt前の実際線速ｖ（ｔ−dt）とを入力してこれらの差より線速の実際変化量Δｖ_dtを求める。第２の減算器３１は、線速の設定変化量Δｖ_dtsetと実際変化量Δｖ_dtとを入力してこれらの差を求める。乗算器３３は、その差に供給速度制御ゲインＶ_fgを乗算して上記（３）式で表されるΔＶ_f1を出力する。そして、加算器３４は、上記（１）式で表される光ファイバ母材１２の設定供給速度Ｖ_f1に、乗算器３３から出力されたΔＶ_f1を加算し、その結果を光ファイバ母材１２の供給速度Ｖ_f（ｔ）として出力する。
【００２２】
なお、乗算器３３に入力される供給速度制御ゲインＶ_fgの値は一定値であってもよいが、可変であってもよい。供給速度制御ゲインＶ_fgの値が可変であれば、光ファイバ１４の線引速度を設定線速まで上昇させる時間を調節することができる。
【００２３】
次に、線引開始後の線速上昇時における光ファイバ線引方法について、図４に沿って説明する。本実施形態における線引方法では、線引開始当初から上記（４）式に従って光ファイバ母材１２の供給速度を制御するものである。
【００２４】
時刻ｔ＝Ｔ₀までは、光ファイバ１４の実際の線速は、口出し時の低線速ｖ₀であり、光ファイバ母材１２の供給速度は、それに対応した速度Ｖ_f0であり、この間は、演算部２４は上述の演算を行わない。時刻ｔ＝Ｔ₀以降、光ファイバ１４の線引速度を設定線速ｖ₁に上昇させるべく、演算部２４は上記（４）式の演算を行う。
【００２５】
時刻ｔ＝Ｔ₀の時に、母材供給速度Ｖ_f（ｔ）をＶ_f0からＶ_f1まで上昇させた時、供給速度Ｖ_f（ｔ）（＝Ｖ_f1+ΔＶ_f1）は最大値をとる。その後、線速の実際変化量Δｖ_dtが設定変化量Δｖ_dtsetに近づくにつれΔＶ_f1は小さくなって行くため、供給速度Ｖ_f（ｔ）は図４（ｂ）のように減速して行く。時刻ｔ＝Ｔ₁の時に線速の実際変化量Δｖ_dtが設定変化量Δｖ_dtsetと一致すると、ΔＶ_f1が０となり、母材供給速度Ｖ_f（ｔ）が設定供給速度Ｖ_f1と一致した状態がしばらく続く。しかし、既に母材１２が過剰供給されているため、実際変化量Δｖ_dtは設定変化量Δｖ_dtsetを超過する。更に、時刻ｔ＝Ｔ₂において実際線速ｖ（ｔ）が設定線速ｖ₁の一定割合に達した時（例えば、実際線速が設定線速の８０％に達した時）、設定変化量Δｖ_dtsetを一次傾きで減少させるため、実際変化量Δｖ_dtと設定変化量Δｖ_dtsetとの差が大きくなり、ΔＶ_f1はマイナス方向に大きく働く。それによって、母材１２は加熱炉１３から遠ざかる方向へ移動し、実際変化量Δｖ_dtは急速に減少して設定変化量Δｖ_dtsetに近づいて行く。その結果、ΔＶ_f1も０に近づき、最終的に母材は設定供給速度Ｖ_f1で供給され、線速は設定線速ｖ₁で安定するようになる。
【００２６】
次に、上記実施形態にかかる光ファイバ線引方法による実験を行った結果について説明する。
【００２７】
図５は、本発明の実施形態に係る光ファイバ線引方法による線引の実験結果のグラフであり、これには比較のために従来技術（特開平１０−８１５３８号公報に記載の技術）の光ファイバ線引方法による線引の実験結果のグラフをも記してある。
【００２８】
これらの実験において共通の条件は以下の通りである。光ファイバ母材として、外径９０ｍｍφのものを用い、当該光ファイバ母材から外径１２５μｍφの光ファイバを線引した。光ファイバの口出し時の線速を３０ｍ／ｍｉｎ（対応する光ファイバ母材の供給速度は０．０５７９ｍｍ／ｍｉｎ）とし、光ファイバの設定線速を１０００ｍ／ｍｉｎ（対応する母材の設定供給速度は１．９３ｍｍ／ｍｉｎ）とした。
【００２９】
本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引方法による線引実験では、上記（３）式における供給速度制御ゲインＶ_fg（＝３Ｖ_f1／１０）を０．５７９とし、また線速の設定変化量および実際変化量は、１０秒間における変化量Δｖ_10set、Δｖ₁₀を計測した。なお、図２に示すように、設定線速と実際線速との線速差の絶対値が所定値以下の場合、即ち、実際線速が設定線速の８０〜１２０％の間は、設定変化量Δｖ_10setを設定線速と実際線速との線速差に比例して変化させ、実際線速が設定線速の８０％より小さい場合、及び実際線速が設定線速の１２０％より大きい場合は、設定変化量Δｖ_10setをそれぞれ１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃ、及び−１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃの一定値とした。以上の数値を用いて上記（４）式に基づき、時刻０より光ファイバ母材の供給速度の制御を行って光ファイバの線引を行った。
【００３０】
一方、従来技術の光ファイバ線引方法による線引実験では、次式に基づいて線引の制御を行った。即ち、設定線速ｖ₁と実際線速ｖ（ｔ）との線速差に正の係数Ｋ₂を乗じた値をΔＶ_f2とする。また、光ファイバの実際線速ｖ（ｔ）の一定時間dt当たりの変化量に正の係数Ｋ₃を乗じた値をΔＶ_f3とする。すなわち、ΔＶ_f2およびΔＶ_f3はそれぞれ、
ΔＶ_f2＝Ｋ₂・｛ｖ₁−ｖ（ｔ）｝・・・（５）
ΔＶ_f3＝Ｋ₃・｛ｖ（ｔ）−ｖ（ｔ−dt）｝・・・（６）
で表される。そして、時刻ｔにおける光ファイバ母材の供給速度Ｖ_f（ｔ）は、ΔＶ_f2に基づいて、またはΔＶ_f2およびΔＶ_f3の双方に基づいて求められる。即ち、母材の供給速度Ｖ_f（ｔ）は、
Ｖ_f（ｔ）＝Ｖ_f1+ΔＶ_f2 ・・・（７）
または、
Ｖ_f（ｔ）＝Ｖ_f1+ΔＶ_f2−ΔＶ_f3 ・・・（８）
で表される。
【００３１】
線引速度上昇開始からは上記（７）式により、設定線速と実際線速との線速差に基づいて母材の供給速度を制御し、実際線速が設定線速の８０％に達したときに、上記（８）式により線速の実際変化量に基づく制御を加えて母材供給速度をマイナス方向に加算し、線速の増加を抑制するようにした。ここで、上記（５）式における係数Ｋ₂は（３×１．９３ｍｍ／ｍｉｎ）／（１０００ｍ／ｍｉｎ）とし、上記（６）式における係数Ｋ₃は（３×１．９３ｍｍ／ｍｉｎ）／（１０ｍ／ｍｉｎ／１０ｓｅｃ）とした。
【００３２】
以上の条件の下に行った実験の結果を示す図５のグラフを見ると、以下のことが分かる。即ち、本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引方法による線引実験では、光ファイバの線速はオーバーシュートを起こすことなく安定に設定線速まで到達し、光ファイバの線引速度が設定線速１０００ｍ／ｍｉｎに到達して安定するまでに要する時間は約２６分であった。
【００３３】
これに対して、従来技術の光ファイバ線引方法による線引実験では、線速上昇の開始時は同様の母材供給速度であるが、実際線速が設定線速の８０％になって線速変化量に基づく制御が開始されるまでは母材の供給が継続されるため、線速はますます加速されてオーバーシュートを起こし、光ファイバの線引速度が設定線速１０００ｍ／ｍｉｎに到達して安定するまで約３６分かかった。
【００３４】
以上のように、本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引方法では、光ファイバの線引速度をオーバーシュートを起こすことなく設定線速まで安定して到達させることができる。また、光ファイバの線引速度が設定線速に到達するまでに要する時間を、従来の技術による線引方法に比べて短くすることができる。従って、光ファイバの不良部分の発生量が少なくなり、生産性を向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引方法によれば、母材のセット位置、母材先端形状、加熱炉における加熱温度の変化等の外乱の影響にかかわらず、実際線速は設定線速に安定して到達していることが確認されており、従来技術による光ファイバ線引方法より約３０％ほど線速上昇時間が短縮されたことが確認された。これにより、従来技術による光ファイバ線引方法では、各外乱の影響によって線速のオーバーシュート等が多発し、当該線引方法の実際の工場における使用頻度は３６％程度であったのが、本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引方法では線速が安定して設定線速まで到達することができるようになり、実際の工場における使用頻度がほぼ１００％となった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、線速のオーバーシュートを発生させることなく光ファイバの線引速度を短時間で設定線速まで安定して到達させることができる。従って、光ファイバの不良部分の発生量が少なくなり、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる光ファイバ線引装置の構成図。
【図２】光ファイバを線引する際における線速の設定変化量の変化を示すグラフ。
【図３】光ファイバ母材の供給速度を求める演算回路の回路ブロック図。
【図４】光ファイバ線引開始後の線速上昇時における光ファイバ線引方法の説明図。
【図５】実施形態にかかる光ファイバ線引方法による線引の実験結果のグラフ。
【符号の説明】
１０…光ファイバ線引装置、１１…母材供給装置、１２…光ファイバ母材、１３…加熱炉、１４…光ファイバ、１５…外径測定器、１６…キャプスタン、１７…冷却装置、１８…プライマリコーティングダイス、１９…樹脂硬化炉、２０…光ファイバ素線、２１…巻取機、２２…ドライバ、２３…モータ、２４…演算部、３０…第１の減算器、３１…第２の減算器、３３…乗算器、３４…加算器。

Claims

光ファイバの線引速度が設定線速に到達するまでの間、前記光ファイバの線引速度の一定時間当たりの実際変化量を求め、前記光ファイバの線引速度の一定時間当たりの設定変化量と前記実際変化量との差に基づいて、線引される光ファイバ母材の加熱炉への供給速度を制御する光ファイバ線引方法であって、
前記設定変化量は、前記光ファイバの設定線速と実際の線引速度との線引速度差の関数であることを特徴とする光ファイバ線引方法。
前記設定変化量は、少なくとも前記線引速度差の絶対値が所定値以下のときに当該線引速度差に比例することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ線引方法。
光ファイバ母材を加熱線引して光ファイバを製造する光ファイバ線引装置において、
前記光ファイバ母材を供給する母材供給手段と、
前記光ファイバの線引速度の一定時間当たりの設定変化量と実際変化量との差に基づいて、前記光ファイバ母材の供給速度を算出する演算手段と、
前記光ファイバの線引速度が設定線速に到達するまでの間、前記演算手段により算出された前記供給速度に基づいて、前記母材供給手段による前記光ファイバ母材の供給速度を制御する制御手段と、を備え、
前記設定変化量は、前記光ファイバの設定線速と実際の線引速度との線引速度差の関数であることを特徴とする光ファイバ線引装置。
前記設定変化量は、少なくとも前記線引速度差の絶対値が所定値以下のときに当該線引速度差に比例することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ線引装置。
前記演算手段は、
互いに一定時間だけ異なる前記光ファイバの実際の線引速度の差を前記実際変化量として出力する第１の減算器と、
前記光ファイバの線引速度の設定変化量と、前記第１の減算器から出力された前記実際変化量との差を出力する第２の減算器と、
前記第２の減算器から出力された前記差に係数を乗算し、その結果を出力する乗算器と、
前記光ファイバの設定線速に対応した前記光ファイバ母材の供給速度に、前記乗算器からの出力を加算し、その結果を前記光ファイバ母材を供給すべき速度として出力する加算器と、
を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の光ファイバ線引装置。