JP4453552B2

JP4453552B2 - ガラス母材の延伸方法

Info

Publication number: JP4453552B2
Application number: JP2004515499A
Authority: JP
Inventors: 希一郎川崎; 寿美夫星野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: US20050172672A1; KR20050013197A; CN100354220C; KR100987866B1; EP1559691A1; EP1559691A4; US7886561B2; CN1656030A; JPWO2004000740A1; WO2004000740A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガラス母材の延伸方法に係り、特にガラス母材の外径制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバ用ガラス母材を所望の外径に延伸する方法としては、一般に、抵抗加熱炉などの加熱手段を用いて、ガラス母材の一方の端部から順次加熱軟化させて引っ張り応力等を加え、縮径されたガラス母材の外径を測定しながら、得られた測定値が目標値と一致するように、ガラス母材に引っ張り応力を加えるべく、前記ガラス母材の上端及び下端を把持する上部把持手段および下部把持手段の移動速度を制御する方法がとられている。
そしてこの外径制御の方法が種々提案されている。
例えば、ガラス物品の寸法がオンラインで測定され、延伸速度の変化と測定寸法に対する変化の影響を測定し、無駄時間を補償する制御方法が提案されている（特開平７−２５３９号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この方法では、一定外径となるように延伸する際、外径が小さい延伸体の場合は延伸速度を比較的大きくすることができるため、制御の応答が速くなる。しかしながら、３０ｍｍ程度の太い延伸体を得ようとすると、延伸速度が遅くなるため制御の応答に時間がかかり、安定しなかったり、安定するまでに時間がかかり、棄却量が増えてしまうという問題がある。
また、延伸体の外径精度をより向上させるべく、２箇所に外径測定器を設置し、二箇所で測定されたプリフォームの外径値に基づいて延伸速度を制御するという方法も提案されている（特開平１０−１６７７４５号）がとられている。
この方法では、外径測定器が２台になると、その分制御パラメータも複雑化するという問題がある。また延伸開始端と中央部付近とは外径変動のサイクルが異なることが多く、２段の外径測定器の連携が困難になるという問題があった。
このように、従来の方法では、高精度の外径制御を効率よく行うことは極めて困難であった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、容易に高精度の外径制御を実現し、信頼性の高い光ファイバ母材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の延伸方法では、ガラス母材延伸部の外径を測定し、あらかじめ設定した、前記外径の目標値に基づいて、延伸条件をフィードバック制御する工程を含む延伸方法において、前記外径の測定値と目標値の差およびこの差の単位時間あたりの変化値の少なくとも一つに基づいて、測定対象となる制御項目の少なくとも一つの制御方式を切り替える工程を含むようにしたことを特徴とする。
すなわち、この方法では、外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式（制御のしかた）を替えるようにしたことを特徴とする。
【０００５】
延伸工程において、測定値と目標値との差が大きい場合と小さい場合とで、延伸状態は大きく異なるため、適正な制御を行うために必要なパラメータも異なってくると考えられる。そこであらかじめ２種以上の制御パラメータ（制御項目にかかる係数）を用い、測定値と目標値との差あるいはこの差の傾きすなわち単位時間あたりの変化値によって、これらの制御パラメータを切り替えることで、延伸全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。
ところで仕上がり径の精度を上げるためには、外径測定器による測定位置をより仕上がり外径に近い部分にする必要があるが、仕上がり外径に近い位置による外径制御は、加熱部と外径測定部の間隔が離れるので応答時間が遅くなり、外径制御により一定の外径に調整することが困難となる。しかしながら本発明の方法によれば、目標外径との差に比例した量に基づく比例制御だけでなく、積分量と微分量に応じた制御を組み合わせたＰＩＤ制御等、適切な制御方式を選択しこれに切り替えることで、応答性の良好な制御を行うことが可能となる。
例えばＰＩＤ制御を用いて延伸を行う場合、目標値との差が大きいのは延伸開始端であることが多い。延伸開始端は変動が大きく、早く目標値に応答させる必要があり、外径変動を予測して早めに逆方向への制御をかける微分制御を強くしておく必要がある。
【０００６】
これに対し、目標値に到達すると、延伸外径はあまり変動しない。従って、微分制御はそれほど必要ではなく、逆に微分が強過ぎると、例えばノイズによる測定値の変動にも制御をかけてしまうことになり、さらに変動が増幅されて変動が収束しなくなる、いわゆるハンチングを引き起こしてしまう原因となることがある。
このように、延伸制御に関しては、延伸開始端から目標値に到達するまでは、変動が大きく、一旦目標値に到達すると変動しにくい。本発明の方法はこの点に着目してなされたものである。
従って、開始時と、目標値到達後で制御を行うための方式を変えることでより最適な制御を行うことが可能となる。
望ましくは、フィードバック制御の制御演算式を切り替えることによって、この制御方式を切り替える。
【０００８】
本発明の方法は、ガラス母材延伸部の外径を所定の位置で測定し、下記の式に基づき、制御項目を制御し、ガラス母材を延伸する方法であり、

上記の式において、前記Ｅ（ｔ）およびｄＥ（ｔ）／ｄｔの少なくとも１つが所定の値を超えた時点で、
Ｋ_Ｐ、Ｔ_Ｉ、Ｔ_Ｄの少なくとも１つを、第１の値から前記第１の値とは異なる第２の値に変更する。
ここで、
Ｅ（ｔ）：前記測定点における前記外径の測定値と目標値との差、

ｄＥ（ｔ）／ｄｔ：Ｅ（ｔ）の単位時間あたりの変化値、
Ｘ：前記制御項目。ガラス母材を加熱する熱源に対するガラス母材の相対投入速度、前記熱源に対するガラス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温度のいずれか、
Ｖ_０：定数
Ｋ_Ｐ、Ｔ_Ｉ、Ｔ_Ｄ：係数。少なくとも１つの係数は、０でない。
【０００９】
また望ましくは、測定した外径と目標外径との差が少なくとも０．１〜１．０ｍｍの範囲にある切り替え点で制御パラメータを切り替える。
このように、切り替える差の大きさを１ｍｍ以内とすることで、より効率よく母材の外径変動を抑制することができ、外径変動量±０．２ｍｍの母材を得ることができる。
また、０．１ｍｍより小さくなると変動が大きくて制御が困難である。
更にまた１ｍｍを越えると２段階にした意味が薄れてしまうという欠点がある。
【００１０】
また望ましくは、測定した外径と目標外径との差の単位時間あたりの変化値が、少なくとも０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲にある切り替え点で制御パラメータを切り替える。
延伸制御の場合、測定した外径と目標外径との差が大きい時点（延伸開始端）と、目標との外径差が小さい時点（特に延伸体（光ファイバ母材）の中央部付近）の状態が大きく異なるため、適正な制御を行うために必要な制御パラメータは異なってくると考えられる。
【００１１】
種々の実験結果から本発明者らは、目標値との差あるいは差の単位時間当たりの変化値に応じて異なった制御パラメータを用いて制御を行うことで、延伸体全長にわたって適正な制御を行うことができ、結果として外径精度の良好な光ファイバ母材を得ることができるということを発見した。
延伸の外径変動の波形の周期（時間）は同じ延伸条件であれば大体一定になるため、目標値との差が大きいほど傾き（単位時間あたりの差の変化値）は大きくなる。また差が同じ場合でもその変化値が大きいほどその分、急速な逆制御をかける必要がある。従って差の傾きの大きさ（変化値）は、外径の目標値との差と同程度に重要な要素となっている。
そこでこの制御パラメータの切り替え条件として、目標外径との差に加えて差の単位時間当たりの変化値を設定することで、延伸状態の変化をより応答性よく検知することができる。
望ましくは、この制御方式の少なくとも一方に、ＰＩＤ制御方式を用いることにより、目標値との差に応じた比例に加え、その微分量（単位時間あたりの変化値）および積分量に応じて制御を行うことができ、高速でかつ信頼性の高い制御が可能となる。
また望ましくは、このＰＩＤ制御方式は、目標外径との差あるいは前記差の単位時間当たりの変化値が大きい場合、前記制御係数の値は前記差に係る係数で１０〜２０００分^−１、前記差の所定時間の積分値に係る係数で５０分以上、および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で５分以上とする。
この構成では、目標外径との差が大きい場合は積分項に対して相対的に微分項での制御を強くする必要がある。
【００１２】
また望ましくは、ＰＩＤ制御方式は、目標外径との差あるいは前記差の時間当たりの変化値が所定の値より小さい場合、前記制御係数の値は前記差に係る係数で１０〜２０００分^−１、前記差の所定時間の積分値に係る係数で５００分以下、および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で２００分以下であることを特徴とする。
この構成では、目標外径との差が大きい場合は積分項の制御を強くする必要がある。
あるいは、この制御方式は、外径の測定値と目標値との差の比例による制御を含み、その比例定数を切り替えるようにする。このように、あまり早い応答を必要としない延伸の場合は、ＰＩＤ制御ではなく、より単純なパラメータの制御方式である比例制御方式を用いるのが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバ母材の製造方法の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施の形態では、図１に示すようにあるいは差の単位時間あたりの変化値によって、外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式を替え得るように構成されたＰＩＤ方式を含む外径制御用の調節器１２によって制御ユニットを構成し、目標値１１と、外径測定器１３の測定値との差に基づいて、調節器１２で計算された制御出力値を制御対象にフィードバックさせるようにしている。
【００１６】
ここで用いられる延伸装置は、両端にダミーロッド２，３を具備したガラス母材１と、このガラス母材を夫々ダミーロッド２，３を介して把持する上側駆動部４及び下側駆動部５と、この上側駆動部４及び下側駆動部５に取付けられた図示しない上側駆動部チャックおよび下側駆動部チャックで把持された延伸前ガラス母材を加熱する熱源としてのヒータ６と、このガラス母材１の延伸部１Ｅの外径を測定する外径測定器７と、外径測定器７で得られたガラス母材１の延伸部１Ｅの外径の測定値と、前記外径の目標値とに基づいて、延伸条件をフィードバック制御する制御ユニット８とを含む。
【００１７】
ここで、この制御ユニットは、外径の測定値と目標値との差およびこの差の単位時間当たりの変化値のうちの一つに基づいて、係数を切り替えうるように構成されている。
【００１８】
炉心管の内部に、ガラス母材１を設置し、このガラス母材１をその両端に露呈するダミーロッド２、３を介してそれぞれ上側駆動部４および下側駆動部５の上側駆動部チャックおよび下側駆動部チャックで把持し、下側駆動部５の下降速度が上側駆動部４の下降速度よりも大きくなるように下降させ、延伸を行うように構成されている。さらにまた、この炉心管内に必要に応じて不活性ガスを導入する不活性ガス導入部が形成されており、不活性ガスの供給により酸化を防止し得るように構成されている。
【００１９】
そして、延伸後外径の測定値と目標値との差が大きい場合と、小さい場合とで、延伸状態は大きく異なるが、適正な時点で制御パラメータを適切に切り替えることで、延伸全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。
この延伸工程は次のように実行される。まず、上下端部にダミーロッドを備えたガラス母材を上下側駆動部チャックで把持し、延伸炉にセットする。次に、ヒータを昇温させ、ガラス母材を十分に加熱した後、上下駆動部に速度差を与えて下降させることにより、ガラス母材を延伸する。
【００２０】
この時、上側駆動部チャックの下降速度を下側駆動部チャックの下降速度より小さい範囲で、外径測定器７による測定出力に基づいて制御ユニット８で調整しつつ延伸後のガラス母材の外径を制御する。
また、この時下側駆動部チャックの下降速度、あるいは加熱温度についても制御ユニットで調整するようにしてもよい。
すなわち、延伸開始端の目標との外径差が大きい時点と、延伸体の中央部付近の、目標との外径差が小さい時点とで、制御方式を切り替え、夫々に適切な制御方式を用いることで延伸長全体にわたって適正な制御を行うことができるようにしたものである。
【００２１】
〈実施例〉
まず、外径８０ｍｍのガラス母材を用意する。
そして前記実施の形態で説明した延伸装置に、上下部にダミーロッドを有するガラス母材を装着する。
この状態で、ヒータ６をオンし、炉内温度を常温から１７００〜２２００℃に昇温する。
このようにして目的温度に到達すると、ガラス母材引取り速度を４０ｍ／分に設定し、延伸を開始する。このとき、延伸途中の外径を測定して、あらかじめ設定しておいた設定外径との差を投入する母材の送り速度（上側駆動部チャック速度）Ｖａにフィードバックして外径制御を行った。
ここで、設定外径は３０．５ｍｍとし、設定外径と外径測定値との差（Ｅ（ｔ））を下記の式で表されるＰＩＤ制御を行った後、投入速度Ｖａを制御した。

ここで初期速度Ｖ_０＝５．５ｍｍ／分とした。
また外径測定器によって測定された外径が目標径に対してどの程度差を持つかに応じて前記式のパラメータＫ_ｐ、Ｔ_Ｉ、Ｔ_Ｄの値を変化させた。すなわち、外径差が０．３ｍｍ未満の時はＫ_ｐ＝１０００分^−１、Ｔ_Ｉ＝４０分、Ｔ_Ｄ＝１０分とし、０．３ｍｍ差となった時点で、前記式のＫ_ｐ、Ｔ_Ｉ、Ｔ_Ｄの値を切り替え、外径差が０．３ｍｍ以上となると、Ｋ_ｐ＝１０００分^−１、Ｔ_Ｉ＝１０００分、Ｔ_Ｄ＝１００分とした。
このようにして制御を行った結果を図３に示す。
この結果、図３に示したように外径は３０±０．２ｍｍと良好であった。ここで縦軸は外径Ｄ、横軸は延伸長Ｌを示す。
【００２２】
（比較例１）
この例では、前記実施例１と同様、図１及び図２に示した延伸装置及び制御装置を用いて、制御を行っているが、係数を切り替えることなく、延伸工程全体にわたって、Ｋ_ｐ＝１０００分^−１、Ｔ_Ｉ＝４０分、Ｔ_Ｄ＝１０分とした。
このようにして制御を行った結果を図４に示す。
この結果、図４に示したように外径は３０±０．５ｍｍと変動が大きくなっている。
【００２３】
（比較例２）
この例では、前記実施例１と同様、図１及び図２に示した延伸装置及び制御装置を用いて、制御を行っているが、係数を切り替えることなく、延伸工程全体にわたって、Ｋ_ｐ＝１０００分^−１、Ｔ_Ｉ＝１０００分，Ｔ_Ｄ＝１００分とした。
このようにして制御を行った結果を図５に示す。
この結果についても、図５に示したように外径は３０±０．４ｍｍと変動が大きくなっている。
【００２４】
（比較例３）
この例では、前記実施例１と同様、図１及び図２に示した延伸装置及び制御装置を用いて、制御を行っているが、制御方式として下記の関係式で示される方式を用いて延伸を行った。
Ｖａ＝Ｖ_０＋Ｋ（Ｅ（ｔ））
ここでも、係数を切り替えることなく、延伸工程全体にわたって、Ｋ_ｐ＝５０分^−１、Ｖ_０＝５０分^−１とした。
このようにして制御を行った結果を図６に示す。
この結果、図６に示したように外径は変動が大きくなっている。
【００２５】
前記実施例１と比較例１乃至３との比較から、制御項目にかかる少なくとも１つの係数を外径の測定値の目標値との差に応じて切り替えることにより、高精度の外径制御を行うことができることがわかる。
前記実施例では、測定した外径と目標外径との差が０．３ｍｍの時点で切り替えたが、種々の実験を行った結果、０．１〜１．０ｍｍの範囲にある切り替え点で係数を切り替えるようにすれば、高精度の外径制御を行うことが可能であることがわかった。
【００２６】
また、外径の測定値と目標値との差ではなく、この差の単位時間当たりの変化値によっても、より早めに変化を予測することができ、差の単位時間あたりの変化値の大きさにもとづいて制御方式を切り替えるようにしてもよい。このような制御によっても、より応答性よく検知することができる。
【００２７】
前記実施例では、制御方式はＰＩＤを用い、パラメータを切り替えるようにしたが、少なくとも一方に、ＰＩＤを用いることにより、外径の測定値の目標値との差に応じた比例に加え、その微分量および積分量に応じて制御を行うようにしても、高速でかつ信頼性の高い制御が可能となる。
ＰＩＤ制御方式によるパラメータも、比例定数、微分時間、積分時間があり、これらの設定値を２段階設定しておくようにし、実際に延伸を行っている場合の目標値との差およびまたはこの差の単位時間当たりの変化値の大きさによって、どちらの設定値を使用するか選択して自動的に切り替えるようにしてもよい。
【００２８】
さらにまた、ＰＩＤ制御に限らずもっと単純な比例制御にも応用することができる。この場合はＰＩＤ値ではなく、比例定数を２段階設定しておくようにし、この比例定数を切り替えるようにしてもよい。この切り替えは、ある時点の前後、例えば目標値の近傍に到達した後は、制御をしないで、一定条件で延伸を行うような場合も含むものとする。
【００２９】
望ましくはこの制御方式は、外径の測定値と目標値との差の比例による制御を含み、その比例定数を切り替えるようにする。このように、あまり早い応答を必要としない延伸の場合は、ＰＩＤ制御ではなく、より単純なパラメータの制御方式である比例制御方式を用いるようにしてもよい。また外径の測定値と目標値との差または差の単位時間あたりの変化値がある値よりも小さくなったあとは、係数を０にするすなわち制御しないようにすることも可能である。
【００３０】
また望ましくは制御方式のみならず、制御対象を変化させるようにし、上側駆動部チャック速度の変化量および下側駆動部チャック速度の変化量の割合を変更する方式であることを特徴とする。
【００３１】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００２年６月１９日出願の日本特許出願（特願２００２−１７８３７２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【００３２】
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、延伸制御の場合、延伸開始端と延伸後ガラス母材の中央部付近では状態が大きく異なるため、適正な制御を行うために必要な制御パラメータとなるように、その時点に応じて異なる制御パラメータを用いて制御を行うことで、ガラス母材全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。
また、制御パラメータの切り替え条件として、測定値の目標外径との差に加えて、単位時間あたりの差の変化値を設定することで、延伸状態の変化をより応答性よく検知することができ、高速でかつ信頼性の高い制御が可能となる。
【００３３】
本発明に用いる延伸装置によれば、測定値と目標値の差および単位時間あたりの差の変化値の少なくとも一つに基づいて、測定対象となる制御項目の少なくとも一つの制御方式を切り替えうるように切り替え手段を具備し外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式を替えるようにしているため、延伸全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態の延伸制御方式を示すブロック図である。
図２は、本発明の実施の形態の延伸装置を示す図である。
図３は、本発明の実施例１の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。
図４は、比較例１の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。
図５は、比較例２の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。
図６は、比較例３の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。
【００３５】
【符号の説明】
なお、図中の符号、１はガラス母材、２はダミーロッド、３はダミーロッド、４は上側駆動部、５は下側駆動部、６はヒータである。

Claims

ガラス母材延伸部の外径を所定の位置で測定し、
下記の式に基づき、制御項目を制御し、ガラス母材を延伸する方法であり、

上記の式において、前記Ｅ（ｔ）およびｄＥ（ｔ）／ｄｔの少なくとも１つが所定の値を超えた時点で、
Ｋ _Ｐ、Ｔ _Ｉ、Ｔ _Ｄの少なくとも１つを、第１の値から前記第１の値とは異なる第２の値に変更するガラス母材の延伸方法。
Ｅ（ｔ）：前記測定点における前記外径の測定値と目標値との差、

ｄＥ（ｔ）／ｄｔ：Ｅ（ｔ）の単位時間あたりの変化値、
Ｘ：前記制御項目。ガラス母材を加熱する熱源に対するガラス母材の相対投入速度、前記熱源に対するガラス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温度のいずれか、
Ｖ _０：定数
Ｋ _Ｐ、Ｔ _Ｉ、Ｔ _Ｄ：係数。少なくとも１つの係数は、０でない。
前記外径の目標値と、前記外径の測定値との差における前記所定の値は、０．１〜１．０ｍｍの範囲内にある請求の範囲第１に記載のガラス母材の延伸方法。
前記外径の目標値と前記外径の測定値との差の単位時間当りの変化値の前記所定の値は、少なくとも０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲内にある請求の範囲２に記載のガラス母材の延伸方法。
前記外径の目標値と前記外径の測定値との差、あるいは前記差の単位時間あたりの変化値が、前記所定の値より大きい場合、前記制御係数の前記第２の値は前記差に係る係数で１０〜２０００分 ^−１の範囲内、前記差の所定時間の積分値に係る係数で５０分以上、および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で５分以上とした請求の範囲１に記載のガラス母材の延伸方法。
前記外径の目標値と前記外径の測定値との差、あるいは前記差の単位時間あたりの変化値が前記所定の値より小さい場合、前記制御係数の前記第２の値は前記差に係る係数で１０〜２０００分 ^−１の範囲内、前記差の所定時間の積分値に係る係数で５００分以下、および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で２００分以下である請求の範囲１に記載のガラス母材の延伸方法。