JP4496092B2 - 光ファイバ母材の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造に係り、高品質の光ファイバ母材を安定して供給することのできる光ファイバ母材の製造方法及び装置に関する。

光ファイバ母材の製造方法として、ＶＡＤ法はよく知られている。この方法では、例えば、反応室内に設置されたスートコア堆積用バーナ及びクラッド堆積用バーナで生成したガラス微粒子を、回転しつつ上昇するシャフトに取り付けられた出発部材の先端に堆積させ、スートコア層とクラッド層からなる多孔質母材が製造される。得られた多孔質母材は、その後、脱水、透明ガラス化され、光ファイバ母材とされる。

このような製造方法においては、堆積中、スートコアの先端位置が一定となっていることが、光ファイバ母材の特性を安定させるために望ましい。そのために、スートコアの先端位置を検出し、その位置が一定となるように、引上げ速度あるいは原料ガスの流量を逐次調整することが一般的に行われている。その場合においても、それによる引上げ速度あるいは原料ガスの流量変動もできる限り小さく抑えられていることが望ましい。

スートコアの先端位置を一定に保つには、先ず、先端位置を常に正確に把握している必要がある。先端位置を認識する方法には、特許文献１や特許文献２に記載されているような、カメラにより堆積中の画像を取得し、その画像から先端位置を決定する方法がある。この画像処理は、カメラの走査線数で解像度が制限される上、コンピュータなどを用いてデジタル処理により行われるため、認識される先端位置は、必然的に非連続的、すなわち離散的な値をとる。

このような識別方法では、離散的な値を取った場合の隣り合う２つの先端位置の間隔をｄとした場合、離散的な先端位置±ｄ/２の間に先端位置があると、ほぼ全てがその離散的な先端位置として認識される。これにより、実際には先端位置が上昇あるいは下降していても、その先端位置変化が認識されるまでに、しばらくの時間を要する（タイムラグ）という問題があった。
さらに、先端位置制御の調整が行われた後、その調整が大きすぎた場合には、再調整が行われるまでに要する時間が長くなってしまい、結果的に大きな速度変動を招いてしまうという問題があった。
特開昭５３−８７２４５号公報 特開昭６０−１２２７３６号公報

本発明は、ガラス微粒子の堆積中、スートコアの先端位置を一定に保つことができ、光ファイバ母材の特性を安定させることのできる光ファイバ母材の製造方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、スートコアの先端位置をデジタル処理で離散的に認識する工程と、認識した先端位置を予め定められた時間で平均化する工程と、平均化された先端位置が一定になるようにスートコアの製造条件を調整する工程とを有し、前記平均化された先端位置と、予め離散的に認識され得る隣り合う２つの位置の間に設定した目標位置との差がゼロとなるように製造条件を逐次調整することを特徴としている。
なお、前記目標位置は、離散的に認識され得る隣り合う２点の０.４〜０.６の内分点内にあり、前記逐次調整される製造条件としては、引上げ速度あるいはスートコア堆積に用いられる原料ガスの流量が挙げられる。

本発明の光ファイバ母材の製造装置は、ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造装置であって、スートコアの先端位置を撮影するＣＣＤカメラと、撮影した画像をデジタル処理してスートコアの先端位置を離散的に認識する画像処理装置と、これをアナログ信号に変換して予め定められた時間で平均化するＰＩＤコントローラと、前記平均化された先端位置と、予め離散的に認識され得る隣り合う２つの位置の間に設定した目標位置との差がゼロとなるように、製造条件を逐次調整する制御調整装置を備え、該制御調整装置には、引上げ速度を調整する引上げ速度制御装置、又は原料ガスの流量をＭＦＣを介して制御するＭＦＣ制御装置が挙げられる。

本発明によれば、堆積中、スートコアの先端位置を常に正確に認識し、目標位置との差を引上げ速度及び／又はバーナへの原料流量を調整することで、スートコアの先端位置を一定に保つことができ、光ファイバ母材の特性を安定させることができる。

一般的に、スートコアの先端位置の管理目標は、離散的に認識される位置のいずれかに設定されている。しかしながら上述したように、このことが先端位置変動の原因であり、この位置変動を調整するために、結果的に引上げ速度の変動あるいは原料ガス流量の変動を引き起こしている。
そこで、先端位置の管理目標を上記離散的な２つの値の間に設定すると、先端位置は、常に一定の割合で２つの離散的な値のいずれかとして認識されることになり、常に細かな調整が行われることになる。従って、細かな変動が常にあるが、結果的に先端位置の僅かな変化も検知して、すばやく適切な調整が行われ、大きな変動は防止される。
以下、本発明の態様について、実施例、比較例を挙げてさらに詳細に説明する。

（実施例１）
ＶＡＤ法により、回転しつつ引上げられる種棒１の先端に、四塩化珪素などの原料ガスを火炎加水分解して生成されるシリカ微粒子を堆積させ、光ファイバ母材２の製造を行った。堆積中、スートコアの先端位置３をＣＣＤカメラで撮影し、画像処理装置によりその画像からスートコアの先端位置３を検出した（図１参照）。なお、先端位置の検出は画像の明度変化により行った。明度変化から先端位置を検出する方法には、閾値を用いる方法や、明度の変化率による方法などがあるが、いずれの方法によっても得られる先端位置は、画像の解像度に依存した離散的な値となる。

離散的な値として認識され得る先端位置３の最小間隔は、画像の解像度により変化するが、本実施例において使用したシステムでは０.２ｍｍであった。この先端位置３をアナログの電気信号に変換し、ＰＩＤコントローラに入力し、ＰＩＤコントローラ側で２０秒間の平均化処理を行い、平均化された先端位置と目標位置の差分が０となるように、吊下げ機構４を介して図示していない引上げ装置により引上げ速度を調整するシステムとした。このときの制御は、差分に対しての比例成分とオフセットを防止するための積分成分を使用したＰＩ制御とした。

目標位置は、２つの隣り合う離散的な値の中間の値としたところ、図３に示すように、先端位置及び引上げ速度は、常に細かく変動していたが、どちらも大きく変動することはなかった。
目標位置が離散的な値から、例えば、２つの離散的な値の間隔の１/２０程度という僅かな量でもずれていれば、同様の効果が見られたが、特に効果が顕著なのが２つの隣り合う離散的な値の０.４〜０.６の内分点内に、目標位置が位置する場合であった。この範囲に先端位置がある場合、僅かな速度の変更で先端位置を調整でき、場合によっては、スート堆積体の回転や堆積に用いている火炎の明るさによる画像の揺らぎから適度な割合で、先端位置が２つの離散的な値としてそれぞれ認識されるため、小さいがゼロではない速度調整で、極めて狭い範囲で先端位置を制御できる。

（実施例２）
実施例１と同様のシステムで光ファイバ母材の製造を行った。
シリカ微粒子の堆積中、ＣＣＤカメラと画像処理装置で検出したスートコアの先端位置３をアナログの電気信号に変換し、ＰＩＤコントローラに入力し、ＰＩＤコントローラ側で２０秒間の平均化処理を行った。なお、先端位置３の制御は、平均化処理を行って得た先端位置と目標位置との差分が０となるように、ＭＦＣ（流量制御装置）によりバーナ５への原料ガスの流量を変化させるシステムとした（図２参照）。このときの制御は、差分に対しての比例成分とオフセットを防止するための積分成分を使用したＰＩ制御とした。

目標位置を２つの隣り合う離散的な値の中間としたところ、実施例１と同様に先端位置及び原料ガス流量は、常に細かく変動していたが、どちらも大きく変化することはなかった。
目標位置が離散的な値から、例えば、２つの離散的な値の差の１/２０程度という僅かな量でもずれていれば、同様の効果が見られたが、特に効果が顕著なのが２つの隣り合う離散的な値の０.４〜０.６の内分点に、先端位置が位置する場合であった。この付近に先端位置がある場合、僅かな原料ガス流量の変更で先端位置を調整できる。

（比較例１）
実施例１と同様のシステムでシリカ微粒子の堆積を行ったが、スートコア先端の目標位置は、離散的な値とほぼ一致させた。
その結果、引上げ速度がほぼ一定の時間帯と、大きく変化する時間帯とに分かれた。引上げ速度がほぼ一定の時間帯では、認識された先端位置は目標位置と一致しているが、実際には、０.２ｍｍ程度の幅を持った位置にある間は、常に同じ位置にあると認識されており、例えば、自動的に調整された速度が先端位置を一定に保つよりも僅かに遅くても、最大で０.２ｍｍ先端位置が変化するまでは、先端位置が少しずれていることが検知されない。その結果、図４に見られるように、認識される先端位置の急激な変化が突然生じ、比較的大きな速度変動の原因となっていた。

高品質の光ファイバ母材の安定した生産に寄与する。

実施例１によるスートコア先端位置の制御システムを示す概略説明図である。 実施例２によるスートコア先端位置の制御システムを示す概略説明図である。 実施例１によるスートコア先端位置の制御状態を示すグラフである。 比較例１によるスートコア先端位置の制御状態を示すグラフである。

符号の説明

１……種棒、
２……光ファイバ母材、
３……スートコアの先端位置、
４……吊下げ機構、
５……バーナ。

Claims (6)

1. ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造方法において、スートコアの先端位置をデジタル処理で離散的に認識する工程と、認識した先端位置を予め定められた時間で平均化する工程と、平均化された先端位置が一定になるようにスートコアの製造条件を調整する工程とを有し、前記平均化された先端位置と、予め離散的に認識され得る隣り合う２つの位置の間に設定した目標位置との差がゼロとなるように製造条件を逐次調整することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記目標位置が、離散的に認識され得る隣り合う２点の０.４〜０.６の内分点内にある請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記逐次調整される製造条件が、引上げ速度である請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. 前記逐次調整される製造条件が、スートコア堆積に用いられる原料ガスの流量である請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
5. ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造装置であって、スートコアの先端位置を撮影するＣＣＤカメラと、撮影した画像をデジタル処理してスートコアの先端位置を離散的に認識する画像処理装置と、これをアナログ信号に変換して予め定められた時間で平均化するＰＩＤコントローラと、前記平均化された先端位置と、予め離散的に認識され得る隣り合う２つの位置の間に設定した目標位置との差がゼロとなるように、製造条件を逐次調整する制御調整装置を備え、該制御調整装置が、引上げ速度を調整する引上げ速度制御装置であることを特徴とする光ファイバ母材の製造装置。
6. ＶＡＤ法による光ファイバ母材の製造装置であって、スートコアの先端位置を撮影するＣＣＤカメラと、撮影した画像をデジタル処理してスートコアの先端位置を離散的に認識する画像処理装置と、これをアナログ信号に変換して予め定められた時間で平均化するＰＩＤコントローラと、前記平均化された先端位置と、予め離散的に認識され得る隣り合う２つの位置の間に設定した目標位置との差がゼロとなるように、製造条件を逐次調整する制御調整装置を備え、該制御調整装置が、原料ガスの流量をＭＦＣを介して制御するＭＦＣ制御装置であることを特徴とする光ファイバ母材の製造装置。

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