JP5208134B2 - 多電極システムおよび加熱プラズマ場を生成する方法 - Google Patents

Description

本発明の概念は、光ファイバの分野に関し、より詳細には、光ファイバの接合および被覆剥ぎ取りを行うシステムならびに方法に関する。

光ファイバの融着接続機は、通例、放電を利用してファイバが共に溶融されるまで十分にファイバを加熱する。この放電は、この産業界において「アーク」として知られている。ただし、一部の情報源によれば、この電流レベルの放電は、真のアークではなく、高温のプラズマ場を生成するコロナ放電である。

近年、これと同じタイプのアークは、ファイバから被膜を剥ぎ取り、機械的に被覆が剥ぎ取られたファイバから残留破片を洗い落す用途に採用されている。アークは、通常、図１Ａに示すように、１ｍｍから１０ｍｍの間隔で離隔した電極ペアの鋭利な先端の間に形成される。一度に複数のファイバ（たとえば、ファイバリボン）を接合するため、および図１Ｂに示すような直径の大きいファイバを接合するためには、より大きな電極間隔が必要になる。一部の接合機の光学設計でも、電極が光ファイバの経路を物理的に塞がないように、電極の間の「隙間」を大きくすることが求められる場合がある。

電極は、通例、タングステンで形成される。ただし、セリウムまたはトリウムがタングステンに合金される場合もある。これらの元素は、電極の熱電子仕事関数を低下させて、電極表面から電子がより容易に離脱できるようにする。これにより、より低い初期電圧で放電を開始できるようになる。これに代わる構成として、外部イオン源を設けて、放電の開始を補助することもできる（たとえば、３ＳＡＥテクノロジー社（３ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．）によるイオン強化低温プラズマ（Ｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｏｌｄ Ｐｌａｓｍａ）技術）。一般的な鋼電極を用いて、外部イオン化を行わずに適切なアークを提供することは可能であるが、アーク特性の再現性は概して乏しいものになる。

電極に印加される電圧は、ＤＣ（通常は、より小さい電極間隔と組み合わせて利用される）であっても、またはＡＣ（電極の先端間の間隔を最大１０ｍｍ以上まで大きくできる）であってもよい。放電を開始するために必要な電圧はパッシェンの法則によって決定され、この法則は、隙間内に存在するガス（一般には、たとえば、通常の空気）、圧力、湿度、電極形状、電極材料、および隙間距離の関数（複雑な非線形関数）に、電極間の隙間の降伏電圧を対応付けるものである。このシステムにパッシェンの法則を適用するために必要なパラメータの多くは未知であるため、接合機アークの定量的かつ理論的解析はほとんど行われていない。一般に、始動電圧は、５ｋＶから３０ｋＶの範囲になるように実験的に決定される。

アークが発生し始めた後、放電における持続的なプラズマのイオン化に必要とされるのは、最初に印加された電圧よりも低い電圧である。回路素子としてのプラズマのインピーダンス（すなわち、印加電圧と電流の比）は予測が難しい。接合機アークは、一部の周波数および電流レベルにおいて、負のインピーダンスを呈するのではないかと推測されている。これらの特性は、接合機アークの「定電圧」動作を実現することを極めて困難なものにする。したがって、このようなシステムのほとんどは、一定の平均電流を提供するように制御される。これにより、放電に送られる観測電力と、結果的に得られるファイバの温度との相関が、合理的に予見可能な形で得られる。

ファイバに送られるアーク電力を変化させる手段を設けて、異なるタイプのファイバに適正な加熱を提供し、更に各種の条件を補正すると有用である。これは、継続しているアークに送られる電流を変化させる（前述した制御回路を用いて変化させる）ことによって、またはアークをオンとオフに脈動させることによって実現できる。

図１Ａに示したような、最も一般的な光ファイバの直径は、８０μｍから１２５μｍ（外部被膜を含まない）である。ただし、高出力ファイバレーザなど、一部の用途では、直径が１ｍｍ以上に至るファイバを必要とする。ほとんどの融着接続機は、直径が２００μｍより大きいファイバを受け入れない。設計特性によって異なるが、各種の最大直径特性を持つ大直径ファイバ（ＬＤＦ）に対応した特殊な接続機が存在する。

上限側のＬＤＦ（＞６００μｍ）分布に対応した良好な接続機は、通常、アークではなく抵抗フィラメント加熱またはレーザ加熱を使用している。これらの大きいファイバでは、プラズマ場の中にファイバの全周を包み込む代わりに、ファイバ材料の誘電性の性質が、図１Ｂに示したように、ファイバの周りでアークを湾曲させてしまう。このことは、ファイバの加熱を不均一にするため、結果的に質の悪い接合になる。

また、アークを利用してファイバの被覆を剥ぎ取る装置には、不均一な加熱効果の問題も生じ得る。これらの「アーク被覆剥ぎ取り機」は、一般に、プラズマ場のすぐ外側（上方または下方）にファイバを配置するため、アークからの熱で被膜が溶解する。このことは、必然的に、ファイバの一方の側が他方よりも高温になるという事態をもたらす。ほとんどの被膜では、このことは問題にはならない。ただし、一部の被膜は、効果的な除去のための温度範囲が比較的狭く、より均一な温度分布から効果を得るようになっている。

複数の電極を用いて、１つ以上の光ファイバの熱処理に利用されるアークを発生させるシステムおよび方法を提供する。前述の熱処理は、接合、アニール、拡散（diffusion）、被覆剥ぎ取り、先細化、およびアブレーションを含むが、これらに限定されるものではない。このようなシステムおよび方法は、光ファイバカップリングの作製など、他の用途および状況にも有用であり得る。

本発明によれば、多電極システムは、外界条件、部分真空、または完全真空において動作するように構成された三相系統であってよい。このようなシステムおよび方法にはいくつかの利点がある。

たとえば、このようなシステムおよび方法は、部分真空内または完全真空内に配置されると、対流が排除（または低減）されるため、向上したプラズマ場の等温安定性をもたらす。従来のシステムおよび方法と比較すると、従来は、プラズマからの熱が増加する（大気圧において）につれて、乱流性の上昇微風が形成されており、この微風は、プラズマを擾乱すると共に、プラズマの熱平衡を変化させるか、または加熱されているファイバの区画の位置を僅かに変更する可能性がある。

また、このようなシステムおよび方法は、部分真空内または完全真空内に配置されると、対流が排除（または低減）されるため、プラズマ場の拡張された等温範囲を提供する。従来のシステムおよび方法と比較すると、従来は、プラズマからの熱が増加する（大気圧において）につれて、電極間のイオン痕跡を擾乱し得る乱流性の上昇微風が形成されていた。この混乱は、そうでない場合には真空内または部分真空内で完全に安定しているはずのプラズマを不安定にして、空気中に消失させることになる。空気は絶縁体であるため、電極間の絶縁性は、真空または部分真空内で大きく低下する。この絶縁性の低下により、アークの発生が可能になり、空気中で達成できるレベルよりもはるかに低い電力レベルでアークを維持できるようになる。

また、このようなシステムおよび方法は、部分真空内または完全真空内に配置されると、電極の酸化を抑制する。プラズマ生成中に存在する酸素レベルを削減することにより、電極の劣化速度がかなり遅くなる。

また、このようなシステムおよび方法は、部分真空内または完全真空内に配設されると、燃焼反応の除去を提供する。アクリレート（最も一般的なファイバ被膜）などのファイバ被膜の中には、大気圧の空気中において可燃性で、標準アークに曝されると燃焼し得るものがある。真空内または部分真空内で同一のプロセスを実施した場合は、酸素の欠乏が被膜の燃焼を防止して、熱による被膜の剥離（「バースト技術」と同様のプロセス）を実現できる。

本開示の一態様によれば、少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成される支持部と、前記支持部によって保持されたときに、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに配置される、少なくとも３つの電極から成る１組の電極とを含み、前記電極は、隣接する電極間にアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに実質的に均一な加熱場を生成するように構成される多電極システムが提供される。

前記少なくとも一つの光ファイバは、少なくとも約１２５ミクロンの直径を持つ、少なくとも一つの大直径光ファイバであってよい。

前記電極は、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに一定の角度で配設することができる。

前記アークは、プラズマアークであってよく、前記加熱場は、加熱プラズマ場であってよい。

前記システムは、パルス幅変調、イオン注入、およびフィードバック制御のうちの一つ以上を利用して、電極の出力を制御するように構成される制御装置を更に含むことができる。

前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、３つのみの電極であってよい。

前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、前記少なくとも一つの光ファイバと略垂直な平面に存在することができる。

前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、それぞれ異なる平面に存在することができる。

前記実質的に均一な加熱場は、少なくとも約１６００℃のファイバ表面温度を発生させることができる。

前記実質的に均一な加熱場は、少なくとも約３０００℃のファイバ表面温度を発生させることができる。

実質的に均一な加熱場は、光ファイバの被覆剥ぎ取りに関して、約２５℃から約９００℃の範囲のファイバ表面温度を発生させることができる。

前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、部分真空内または完全真空内に配置することができる。

前記電極は、２２”〜２４”の水銀柱ゲージ圧真空、２００〜１５０絶対トール内に配置することができる。

前記部分真空は、約４００℃未満の温度でプラズマを含む、酸素富化部分真空であってよい。

前記均一な加熱場は、少なくとも約６５℃の温度を有するプラズマ場であってよい。

前記システムは、前記少なくとも一つの光ファイバの被覆を剥ぎ取るように構成することができる。

前記システムは、イオン性酸化によって、前記少なくとも一つの光ファイバの被覆を剥ぎ取るように構成することができる。

前記電極は、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を調整するように構成される電極支持部によって保持することができる。

前記電極支持部は、前記少なくとも一つの光ファイバの直径に応じて、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を自動的に調整するように構成することができる。

前記電極支持部は、前記少なくとも一つのファイバの被覆剥ぎ取りまたは接合のいずれが行われるのかに応じて、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を自動的に調整するように構成することができる。

前記アークは、交番位相配列でオンに切り換えることができる。

アークをオンに切り換えるために利用される周波数は、前記少なくとも一つの光ファイバおよび周囲空気の熱時定数が、アークの振動周期よりも実質的に大きくなる、十分に高い周波数であってよい。

前記システムは、前記電極に電圧を供給してアークを発生させるように構成される一つ以上の変圧器を更に含むことができる。

前記システムは、前記一つ以上の変圧器に制御電流波形を提供して電圧を供給するように構成される一つ以上の電流供給装置を更に含むことができる。

前記制御電流波形は、当該波形のサイクル周期の約１％から４９％の範囲内で２つの不感帯を含むことができ、この２つの各不感帯において、前記変圧器の一次側に流れる電流は実質的に存在しない。

前記少なくとも一つの光ファイバは、複数の光ファイバであってよい。

本発明の他の態様によれば、少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成されるファイバ支持部と、前記支持部に保持されたときに、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに分配されるように、少なくとも部分真空内に配置される２つ以上の電極から成る１組の電極とを含み、前記電極は、隣接する電極間にプラズマアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成するように構成される、多電極システムが提供される。

前記システムは、２つの電極のみを含むことができる。

前記システムは、３つの電極のみを含むことができる。

前記３つの電極のうちの一つは接地されてよい。

前記システムは、前記３つの電極に電圧を供給してプラズマアークを発生させるように構成される１組の変圧器と、３つの制御電流波形であって、各波形は、他の２つの波形から位相が１２０度ずれている３つの制御電流波形を前記１組の変圧器に供給して、電圧を生成するように構成される一つ以上の電流供給装置と、を更に含むことができる。

前記プラズマアークは、交番位相配列でオンに切り換えることができ、実質的に一定かつ均一な加熱プラズマ場を維持する十分な周波数を有する。

本発明の他の態様によれば、少なくとも一つの光ファイバの周りに実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する方法であって、相対的に固定された位置に前記少なくとも一つの光ファイバを維持し、前記１組の光ファイバの周りに少なくとも３つの電極を分散させ、前記電極のうちの隣接するもの同士の間にプラズマアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成することを含む方法が提供される。

前記少なくとも３つの電極は、３つの電極のみであってよい。

前記３つの電極は、少なくとも部分真空内に配置することができる。

前記３つの電極のうちの一つは接地されてよい。

前記３つの電極は、それぞれ、他の２つの電極を駆動する波長と位相が１２０度ずれた波長で駆動することができる。

本発明の他の態様によれば、少なくとも一つの光ファイバの周りに実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する方法が提供され、この方法は、相対的に固定された位置に前記少なくとも一つの光ファイバを維持し、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに２つの電極を分散させ、少なくとも部分真空内に配置される前記２つの電極間にプラズマアークを発生させることを含み、前記プラズマアークは、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する。

本発明の他の態様によれば、少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成される支持部と、前記支持部によって保持されたときに、前記少なくとも一つの光ファイバの近くに配置される少なくとも３つの電極から成る１組の電極とを含み、前記電極は、隣接する電極間にアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面に、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成するように構成される、多電極システムが提供される。

前記システムは、少なくとも部分真空を更に含むことができ、前記部分真空内に、少なくとも３つの電極から成る前記１組の電極が配置される。

光ファイバの接合に利用される従来の二連電極配列を、直径の小さいファイバと共に示す図である。 光ファイバの接合に利用される従来の二連電極配列を、直径の大きいファイバと共に示す図である。 本発明の態様に係る、３電極配列の実施形態を示す図である。 図２Ａの実施形態で利用できる、電極支持部およびファイバ支持部を示すブロック図である。 少なくとも部分真空内に従来の２電極配列を示した、一実施形態の図である。 図２の３つの電極の相対正弦波位相を示すグラフである。 図３の結果を得るために、１組の変圧器の一次側に適用される電流の好ましい波形を示すグラフである。 図２の３電極配列を駆動する回路の一実施形態を模式的に示す図である。 本発明の態様に係る、３電極配列の他の実施形態を示す図である。 図６の３電極配列を駆動する回路の一実施形態を模式的に示す図である。 図７のマイクロコントローラユニットで実施できる、実時間制御アルゴリズム８００の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の態様に係る、３電極配列の他の実施形態を示す図である。 本発明の態様に係る、３電極配列の他の実施形態を示す図である。 本発明の態様に係る、３電極配列の他の実施形態を示す図である。 本発明の態様に係る、３電極配列の他の実施形態を示す図である。

図面は、限定するためではなく、例示するために、好ましい実施形態を表したものである。図において、同様の参照番号は、同一または類似の要素を表す。

各種の要素を記述するために、本明細書では第１、第２などの用語を利用するが、前述の要素はこのような用語に限定されないことは理解されるであろう。これらの用語は、一つの要素を別の要素と区別するために使用されるもので、要素を必要とする順序を含意するものではない。たとえば、本発明の範囲から外れずに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２要素を第１要素と呼ぶこともできる。本明細書において、「少なくともいずれか」という用語は、関連して列挙した一つ以上の項目の一部またはすべての組み合わせを含む。

要素について、他の要素の「上にある」、または他の要素に「接続される」もしくは「結合される」と記載される場合、その要素は、他の要素のすぐ上に位置できること、直接他の要素に接続もしくは結合できること、または間に介在する要素が存在できることは理解されるであろう。逆に、要素について、他の要素の「真上にある」、または他の要素に「直接接続される」もしくは「直接結合される」と記載される場合、間に介在する要素は存在しない。要素の関係を記述するために用いられる他の表現（たとえば、「挟まれる」と「直接挟まれる」、「隣接する」と「直接隣接する」など）も、同様に解釈されるものである。

本明細書に用いる専門用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ用いられるもので、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書において、「一つの」および「その」という単数形式は、内容において単数であることが明確に指定されていない限り、複数の形式も同様に含むことを意図したものである。また、「含む」、「含んでいる」、「備える」、および「備えている」の少なくともいずれかの用語は、本明細書では、記載した特徴、ステップ、動作、要素、および構成部材の少なくともいずれかが存在することを示すが、一つ以上の他の特徴、ステップ、動作、要素、構成部材、およびこれらの組み合わせの少なくともいずれかの存在または追加を除外するものではない。

本発明の態様によれば、多電極配列を有するシステムが提供され、この多電極配列は、光ファイバの周りにほぼ均一に分布する熱を提供するように構成される少なくとも３つの電極を備える。当業者であれば理解されるように、本明細書に記載する技法は、光ファイバの被覆剥ぎ取りおよび接合の少なくともいずれかに利用されるアークを提供することに適用できる。このような多電極システムは、アニール、拡散、先細化、およびアブレーションなどの他の状況および用途においても有用であり得る。また、このようなシステムおよび方法は、光ファイバカップリングの作製などの他の用途および状況においても有用であり得る。このようなシステムは、一般に、多電極システムと呼ぶことができる。

図２Ａの例示的実施形態において、多電極ファイバ被覆剥ぎ取りシステム２００は、３つの電極２０２，２０４、および２０６を含み、これらの電極は、少なくとも一つの光ファイバ２１０の周りに配置することができる。一部の実施形態において、電極２０２，２０４、および２０６は、点線２２０で示すように、少なくとも部分真空内に配置されてもよい。２２”〜２４”の水銀柱ゲージ圧真空（たとえば、２００〜１５０絶対トール）の部分真空において、６５℃程度の低温のプラズマ温度が達成されている。より高い真空レベルでは、室温のプラズマも実現可能である。一部のファイバ被膜については、酸素富化部分真空内で低温（４００℃未満）のプラズマを用いてファイバ被覆を剥ぎ取ることによって、このプロセスを拡張する（より適切かつ高速に結果を得る）ことができる。この手法は、ファイバから被膜をエッチ除去するもので、ファイバを弱化して、剥ぎ取り窓の境界面に炭（すなわち、炭素）を残すことができる熱分解除去とは異なる。

図示してはいないが、少なくとも一つのファイバ２１０は、電極２０２，２０４，２０６の間に位置できるように、ファイバ支持部によって保持される。少なくとも部分真空を利用する場合、一つまたは複数のファイバの先端部分は、必要に応じて、既知の適切な密封装置を介して真空筐体から外に出ることができる。

電極２０２，２０４，２０６は、少なくとも部分真空に配置されるかどうかに関わらず、内部に少なくとも一つの光ファイバを配置できる接合領域の周りに、３つの尖頭電極の出力部が正三角形の頂点を形成するように３つの尖頭電極を配置することによって、ファイバ２１０の周囲に極めて均等に分布する熱を提供することができる。「三相」構造の高周波（たとえば、３０ｋＨｚ）ＡＣ電圧を用いて３つの電極２０２，２０４、および２０６を駆動することによって、図２Ａにアーク２１２、アーク２１４、およびアーク２１６として示した３つの個別のアークを発生させることができる。

図２Ａの実施形態において、ファイバ２１０は、非常に均一な熱分布を有する加熱プラズマ場を提供するプラズマアーク２１２，２１４、および２１６によって完全に囲まれる。本発明の態様に係るシステムおよび方法の少なくともいずれかは、３つより少ない電極を利用したシステムおよび方法によって生成されるものと同様のファイバ表面温度を生成するが、均一性の向上したファイバ表面温度であることは理解されるであろう。たとえば、本発明に係るシステムは、被覆剥ぎ取りについては約２５℃〜９００℃の範囲、接合については約１，６００℃以上に至るファイバ表面温度を発生させる十分なプラズマ場を生成できる。たとえば、３，０００℃を超える温度が達成されている。ただし、ファイバの物理的組成、ファイバ被膜、環境条件、および他の関連パラメータの少なくともいずれかの要件によっては、他のファイバ表面温度を達成するようにプラズマ場を形成することもできる。

電極２０２，２０４、および２０６は、ファイバ２１０の比較的近くに位置してもよく、この場合、ファイバは直接プラズマ場に曝されることになる。これに代えて、電極２０２，２０４、および２０６は、より遠方に位置することもでき、この場合、ファイバはプラズマの輻射熱で加熱されることになり、この方式は、被覆剥ぎ取り／洗浄処理により適したものになる。各種の実施形態において、多電極システムは、複数の設定、たとえば、大きいファイバおよび小さい／標準ファイバの接合もしくは被覆剥ぎ取り、またはその両方にそれぞれ一つの設定を備えることができる。各種の実施形態において、多電極システムは、所定の位置範囲内で電極２０２，２０４，２０６間の距離を調整するように構成することもできる。各種の実施形態において、多電極装置は、ファイバのサイズを検出し、そのファイバのサイズと、たとえば、接合、アニール、拡散、被覆剥ぎ取り、先細化、アブレーション、カップリングの作製などの所望の処理とに基づいて、電極２０２，２０４、および２０６が自動的に位置決めされるように構成することができる。

一部のファイバ被膜の剥ぎ取りについては、一例として、アークプラズマへの直接暴露が有利である。プラズマ場内のイオン化酸素原子は、被膜を酸化および剥離させて除去する。電極の間隔は、被膜面を直接プラズマに曝すように構成することができる。これ以外の点では、前述の効果を利用した方法は、熱分解による被覆剥ぎ取りと同等である。

電極２０２，２０４、および２０６は、ファイバ付近の他の要素（接合機内の光学系のレンズなど）の要件に応じて、図示したように「下方に一つ、上方に２つ」の構成、またはその逆の構成で配置することができる。これに代わる構成として、電極２０２，２０４、および２０６は、各種の用途に応じて、水平面に配置されても、または不規則な間隔もしくは角度で配置されてもよい。

従来の２電極システムでアーク性能を改善および制御する各種の既知の技法も実施形態に適用または適合させることができ、このような技法には、パルス幅変調、イオン注入、フィードバック制御などがある。電極には、シールドや、集束スリーブや、アーク分布を変更することを目的とした他の技法を装着することもできる。プラズマ場の近くに挿入された誘電体を利用する、既に知られているアーク曲げ技法も利用できる。

本発明の原理は、４つ以上の電極のシステムにも拡張できるが、３つの電極は、確定的なアーク配列と、ほぼ均一な加熱とを提供する。

図２Ｂは、前述した図２Ａのシステムに利用できる電極支持部およびファイバ支持部の実施形態を示した図である。電極支持部２３２を利用して、電極２０２，２０４，２０６を軸の周りで所望の向きに維持することができ、この軸上に、少なくとも一つのファイバ２１０を配置して、接合、アニール、拡散、被覆剥ぎ取り、先細化、およびアブレーションを行ったり、光ファイバカップリングを作製したりできる。少なくとも一つの光ファイバは、ファイバ支持部２３４によって所定の位置に保持および維持される。電極支持部２３２は、少なくとも一つの光ファイバ２１０に対する電極２０２，２０４，２０６の距離を調整するように構成できる。また、電極支持部２３２は、少なくとも一つの光ファイバの直径に応じて、たとえば、制御装置２３０に接続された圧電アクチュエータを利用して、少なくとも一つの光ファイバまでの電極の距離が自動的に調整されるように構成することもできる。

図２Ｃは、本明細書に記載したような、少なくとも部分真空内の２電極配列を示した、一実施形態の図である。すなわち、このような電極配列は、本発明の態様によれば、前述したような真空内での動作から利益を得ることもできる。少なくとも部分真空において、２つの電極は、ほぼ均一な熱分布を有するプラズマ場を達成することもできる。

図３は、図２Ａに示したような三相のアークを発生させるために、電極２０２，２０４，２０６に供給できる電圧の例を示したグラフ３００である。図示した例は、ピークトゥピーク電圧が２０ｋＶである、約２２ｋＨｚの全体周波数を有する。グラフ線３１２は電極２０２、グラフ線３１４は電極２０４、グラフ線３１６は電極２０６について示したものである。

この例において、グラフ線３１４および３１６を見ると、時間０μｓにおいて、電極２０４と２０６との間にアークが存在する。グラフ線３１２および３１６を見ると、約６μｓにおいて、アークは、電極２０２と２０６との間の空間に移行する。グラフ線３１２および３１４を見ると、１３μｓにおいて、アークは、電極２０２および２０４に移動する、という具合である。ある所定の時刻において、アークは、電極間の電位差が最も大きい２つの電極の間に存在する。位相配列の交番はきわめて素早く行われるため、アークは常時オンであるように見え、また、ファイバおよび周囲空気の熱時定数は、アークの振動周期よりも実質的に長いため、ほぼ一定の加熱が提供される。

背景情報において述べたように、実際に電極の電圧を制御することは極めて困難である。ただし、例示的実施形態において、昇圧変圧器の一次側への電流を制御するという遥かに実用的な方法を適用することができる。図４に、変圧器の一次側に適用される電流の好ましい波形を表したグラフ４００を示す。このシステムの駆動電流は、図３に示したものにほぼ匹敵する、制御可能な三相のアークを発生させる出力電圧波形を生成する。

変圧器の一次側駆動電流は、０度位相、１２０度位相、２４０度位相に配置される３つの波形を必要とする。これらの波形は、リングカウンタなど、周知のデジタルまたはアナログの手段によって生成することができる。グラフ４００において、グラフ線４１２は電極２０２、グラフ線４１４は電極２０４、およびグラフ線４１６は電極２０６について示したものである。

図５は、図２Ａの３つの電極２０２，２０４，２０６の配列を駆動するように構成された回路５００の実施形態を模式的に示した図である。６つのＤ型フリップフロップＤ１〜Ｄ６は、循環シフトレジスタを実現する構成である。回路５００を初期化するために、短い開始パルスが適用される。当初、電極２０２は正で、電極２０４は負であるが、それぞれ、後に各種の位相状態に順次設定される。一例として、全体周波数は、本実施形態において、１３２ｋＨｚのクロック周波数の６分の１であってよい。他の実施形態において、この値は、好ましくは、ほぼ均一または均等に加熱されるプラズマ場を維持しながら、変動してもよい。ＣＤ４０５０バッファ５１０，５１２，５１４，５１６，５１８、および５２０の代わりに、電流制御回路（図示せず）を利用することもできる。

必要な電圧は、３つの個別の１０ＣＴ：７８０高圧変圧器５２２，５２４，５２６から、または単一のコアに巻かれた同調ＬＣ構成から得ることができる。また、３つの変圧器５２２，５２４，５２６の二次側は、「デルタ」配置で接続することも可能で、この「デルタ」配置では、二次側のコイルは、図５における場合のように接地を基準とするのではなく、隣接する電極ペアの間で接続される。

図５において、ＭＯＳＦＥＴ５３０，５３２，５３４，５３６，５３８、および５４０は、変圧器５２２，５２４、および５２６を駆動する。本発明の各種の態様によれば、多電極システムは、不感帯特性を含むことができ、これにより、「正駆動」デバイスと「負駆動」デバイスの間での導通の重複を防ぐことによって、駆動トランジスタ／ＭＯＳＦＥＴ５３０，５３２，５３４，５３６，５３８，５４０内の効率を向上させる一方で損失を抑制することができる。不感帯特性は、アーク出力を調整（たとえば、不感帯の幅を変化させることによって調整）する機構も提供できる。また、不感帯特性は、位相配列内で次のアークが構築される直前での既存のアークの消失を実現することで、アークの状態間の移行をより明確にすることもできる。

不感帯特性は、変圧器の一次側に流れる電流がほとんど存在しない不感帯として、サイクル周期の１％から４９％の２つの不感帯を含むように制御電流波形を生成することで実現できる。

３電極システムの他の実施形態は、図２Ａを参照しながら上記で説明した３電極システムとほぼ同じ特性を持つアークを発生させることができるが、ここでは、一つの電極を接地して、２つの電極のみに電力を供給する。

図６に、接地された一つの電極と、通電される２つの電極とを有する３電極ファイバ被覆剥ぎ取りシステム６００の例示的実施形態を示す。このシステム６００は、少なくとも部分真空内に配置されてもよい。このような場合、図６の実施形態でも、図２Ａを参照しながら上記で説明したものに匹敵する利点を実現できる。

図２Ａを参照しながら説明した三相アークシステム２００において、各電極２０２，２０４，２０６は、３つの電圧波形の位相が１２０°離れている電圧波形によって駆動される。これにより、アーク２１２，２１４、および２１６が発生する。この実施形態において、電極６０２および６０４は、共通の軸上に並べられており、電極６０６と共に「Ｔ」構造を形成する。性能は、図２Ａの実施形態のように、電極が互いに１２０°離隔して配置される場合とほぼ同じである。ただし、この実施形態では、性能を損なわずに、構造がよりコンパクトになり、たとえば、融着接続機に組み込まれることにより適している。ここで、当業者であれば、本開示の利点を備える他の電極配向を利用できることは理解されるであろう。

図６の本実施形態において、電極６０６は接地される。電極６０２および６０４が、それぞれ、相対位相０°の同一の波形によって駆動される場合、電極６０２と６０４との間に電位差が存在しなくなるため、アーク６１２は形成されない。２つの等しいアーク、すなわちアーク６１４および６１６が発生して、「Ｖ」形状を形成する。

電極６０６を接地したまま、電極６０２および６０４が、逆の極性（すなわち、１８０°の相対位相）の電圧波形で駆動された場合は、アーク６１２のみが形成されることになる。これは、電極６０２と６０４との間の電位差が、電極６０２および６０４のうちの一方と接地された電極６０６との間の電位差の２倍の大きさになるためである。

前述の状況を考慮すると、論理的には、電極６０２および６０４に適用される電圧波形間の特定の度数の位相離隔（０°および１８０°の間）において、電極６０６が接地されている場合に、３つのアーク６１２，６１４、および６１６がすべて実質的に等しい強度で形成されると考えられる。理論解析（ベクトル数学に基づく）は、前述の状況が６０°の相対位相において生じることを示唆している。実際には、駆動波形の周波数と出力、電極の間隔と条件など、各種の実施要因に応じて、約４０°から１６０°の間で位相を変化させる必要があることが判明している。

図７は、図６の３電極配列６００を駆動するための回路７００の一実施形態を模式的に示した図である。図７の実施形態は、バッファ、ＭＯＳＦＥＴ、および変圧器に関しては図５の実施形態と同様であるが、図７において、第３の電極は、図５とは異なり、接地されており、バッファ、ＭＯＳＦＥＴ、および変圧器の回路を含まない。

図７の実施形態において、駆動ＭＯＳＦＥＴ７３２，７３４，７３６、および７３８のオンとオフを切り換える信号は、プログラマブルマイクロコントローラユニット７５０で生成して、バッファ７１０，７１２，７１４、および７１６を介して供給することができる。たとえば、ＭＯＳＦＥＴ駆動部７３２，７３４，７３６、および７３８は、ＭＣ３４１５１（またはこれと同等の）ＭＯＳＦＥＴであってよく、マイクロコントローラ７５０は、マイクロチップ社（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ， Ｉｎｃ．）製のＰＡＬ１８Ｆ２５２５０であってよい。本実施形態のこの回路は、駆動信号の持続時間および位相関係についての実時間制御および実時間調整を行うことができる。実時間調整を行って、アーク６１２，６１４，６１６の強度を実質的に等しくする、または、各種の目的に応じてアークの相対強度を意図的に変化させることができる。

マイクロコントローラ７５０がアーク強度を検出できるようにするために、値の小さい抵抗Ｒ１（たとえば、１００オームの抵抗）を、各駆動信号の接地帰還経路と直列に接続することができる。電圧は、抵抗Ｒ１の両端において、電極６０２によって送り出されるアーク電流に正比例する。検出抵抗Ｒ１は、各電極に供給される。たとえば、電極６０２からの２０ｍＡの電流は、１００オーム検出抵抗Ｒ１において２Ｖの信号になる。

検出抵抗の信号は、高周波ＡＣ電圧の形式である。これらの信号を整流およびフィルタリングして、マイクロコントローラユニット７５０による測定により適したＤＣ電圧を生成することができる。

図示した簡単な整流／フィルタリング回路網は、ダイオードＤ、２つの抵抗Ｒ２およびＲ３、ならびにコンデンサＣを含み、３つの電極にそれぞれ設けられる。この回路網は、検出抵抗電圧の絶対値の算術平均（すなわち平均）に比例した電圧を生成する。より高い精度が必要な場合は、周知の手段を利用して、検出抵抗電圧の二次平均（たとえば、二乗平均平方根すなわちＲＭＳ）に比例する電圧を得ることができる。ＲＭＳ値は、アークに送られる電力のより適切な測定値であり、一部の用途では、この値が重要になり得る。

この実施形態に対する追加の改良を行って、図７に「１２Ｖ」として示されている電力供給を調整可能なものにすることができる。この分野でよく知られている調整可能な降圧レギュレータ回路は、電圧を調整して、１２Ｖから極めて低い電圧（たとえば、１Ｖ）まで、または任意の所望の中間電圧まで低下させることができる。ＭＯＳＦＥＴに対する非常に小さいパルス幅（低電力動作を得る以前の方法）は、アーク動作を不安定にする可能性があると認識されているため、前述の調整は、非常に低い電力のアークが必要な場合に有用である。これに代えて、より低い入力電圧もしくはより低い変圧器昇圧比、またはその両方を、昇圧型レギュレータと組み合わせて利用して、同等範囲の電圧を提供してもよい。

図８は、図７のマイクロコントローラユニット７５０で実行できる実時間制御アルゴリズム８００の一実施形態を示すフローチャートである。この制御アルゴリズム８００は、図７および図８に電流Ｉ_１，Ｉ_２、およびＩ_３として示されている、各電極６０２，６０４，６０６について検出された電流の評価を実行する。本方法において、電極６０２，６０４、および６０６のパルス幅は、検出された電流Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３が、初期電流設定を表す電流Ｉ_ｓｅtと実質的に等しいかどうかに基づいて、マイクロコントローラユニットによって調整される。

具体的には、ステップ８０２において、電極６０２，６０４、および６０６に、初期電流Ｉ_ｓｅｔを含む初期回路設定が登録される。ステップ８０４において、Ｉ_１＝Ｉ_２であるかどうかの判定が行われる。回答が「ＹＥＳ」である場合、本方法はステップ８１０に続く。ステップ８０４において、Ｉ_１＜Ｉ_２である場合、処理は、ステップ８０６に継続される。そこで、電極６０２のパルス幅が増やされる。ステップ８０４において、Ｉ_１＞Ｉ_２である場合、処理はステップ８０８に継続されて、電極６０４のパルス幅が増やされる。ステップ８０４と同様に、ステップ８０６，８０８の後、処理は８１０に続く。

ステップ８１０において、Ｉ_３＝Ｉ_１，Ｉ_２であるかどうかの判定が行われる。回答が「ＹＥＳ」である場合、処理はステップ８１６に続く。ステップ８１０において、Ｉ_３＞Ｉ_１，Ｉ_２である場合、処理はステップ８１２に継続され、そこで位相差が増やされる。ステップ８１０において、Ｉ_３＜Ｉ_１，Ｉ_２である場合、処理はステップ８１４に継続され、そこで位相差が削減される。ステップ８１０と同様に、ステップ８１２，８１４の後、処理はステップ８１６に継続され、Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３＝Ｉ_ｓｅｔであるかどうかの判定が行われる。回答が「ＹＥＳ」である場合、処理はステップ８０４に継続されて、繰り返される。ステップ８１６において、Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３＞Ｉ_ｓｅｔである場合は、ステップ８１８において、電極６０２および６０４のパルス幅が削減される。ステップ８１６において、Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３＜Ｉ_ｓｅｔである場合は、ステップ８２０において、電極６０２および６０４のパルス幅が増やされる。このいずれにおいても、処理はステップ８０４に継続されて繰り返される。

本発明の精神および範囲内で、電極の他の実現可能な配列が存在することは明らかであろう。これらの代替の配列は、ファイバの加熱パターンを変更する必要がある場合、または代替の配列が、より大きなシステム内の他の設備に対する電極の位置決めを容易にする場合に、好ましいものになり得る。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の態様に係る電極配列の他の実施形態を示す図である。これらの図には、３電極ファイバシステム９００が示されており、このシステム９００は、アーク９１２，９１４、および９１６が同一平面内で発生するように、水平面に配置された電極９０２，９０４、および９０６を含む。ファイバ９１０は、この平面の上方に配置されるため、実質的にはアーク領域からの熱の上昇対流によって加熱される。本実施形態における平面間の距離範囲は、１ｍｍ〜１０ｍｍである。電極は、適用先の要件に従って、または便利であるように、「Ｙ」構造、「Ｔ」構造、または同様の他の構造に配置することができる。たとえば、４つの電極を配置して、矩形アーク配列を形成しても、または５つを五角形形状に並べてもよい。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の態様に係る３電極配列の更に他の実施形態を示す図である。これらの図には、アーク１０１２，１０１４、および１０１６を発生させる電極１００２，１００４、および１００６を含む３電極ファイバシステム１０００が示されている。ファイバ１０１０は、電極１００２，１００４，１００６と同一の平面（たとえば、垂直平面）に配置されてよい。この配列において、ファイバ１０１０は、アーク１０１２，１０１４、および１０１６のうちの少なくとも２つと交差する。これにより、ファイバは、周方向の熱分布は他の実施形態ほど均一ではなくなるが、その長さ方向に沿ってより大きい部分が加熱されることになる。

これらは、電極およびファイバの実現可能な代替構成のほんの数例である。本発明は、複数の制御アーク放電を維持できるという特異な能力により、幅広い構成に適している。

３電極の実施形態のいずれにおいても、図５または図７の回路を利用して、電極を駆動することができる。

上記において、最適な態様もしくは他の好ましい実施形態、またはその両方であると考えられるものを説明したが、その中で各種の変更を行えること、および一つまたは複数の本発明は、各種の形式および実施形態において実現できること、ならびに本発明は、本明細書ではその一部のみが記載されているだけであるが、多数の用途に適用できることは理解されるであろう。下記の請求項は、文字通り記載されているもの、および各請求項の範囲内に入るすべての変更および変形例を含め、その等価物の権利を主張することが意図されたものである。

Claims (38)

1. 少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成される支持部と、
   前記支持部に保持されたときに、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに配置される、少なくとも３つの電極から成る１組の電極と、を含む多電極システムであって、前記電極は、隣接する電極間にアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに、実質的に均一な加熱場を生成するように構成される、システム。
2. 前記少なくとも一つの光ファイバは、少なくとも約１２５ミクロンの直径を持つ、少なくとも一つの大直径光ファイバである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電極は、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに均等な角度で配置される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記アークはプラズマアークであり、前記加熱場は加熱プラズマ場である、請求項１に記載のシステム。
5. パルス幅変調、イオン注入、およびフィードバック制御のうちの一つ以上を利用して、前記電極の出力を制御するように構成される制御装置を更に含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、３つの電極である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極は、前記少なくとも一つの光ファイバと略垂直な平面に存在する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記少なくとも３つの電極から成る１組の電極のうちの少なくとも２つは、異なる平面に位置する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記実質的に均一な加熱場は、少なくとも約１６００℃のファイバ表面温度を生成する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記実質的に均一な加熱場は、少なくとも約３０００℃のファイバ表面温度を生成する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記実質的に均一な加熱場は、光ファイバの被覆剥ぎ取りに関して、約２５℃から約９００℃の範囲のファイバ表面温度を生成する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記電極は、部分真空内または完全真空内に配置される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記電極は、２２”〜２４”の水銀柱ゲージ圧真空、２００〜１５０絶対トール内に配置される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記部分真空は、約４００℃未満の温度でプラズマを有する酸素富化部分真空である、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記均一な加熱場は、少なくとも約６５℃の温度を持つプラズマ場である、請求項１に記載のシステム。
16. 前記システムは、前記少なくとも一つの光ファイバの被覆剥ぎ取りを行うように構成される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記システムは、前記少なくとも一つの光ファイバの被覆剥ぎ取りを、イオン性酸化によって行うように構成される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記電極は、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を調整するように構成される電極支持部によって保持される、請求項１に記載のシステム。
19. 前記電極支持部は、前記少なくとも一つの光ファイバの直径に基づいて、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を自動的に調整するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記電極支持部は、前記少なくとも一つの光ファイバの被覆剥ぎ取りまたは接合のいずれが行われるのかに応じて、前記少なくとも一つの光ファイバに対する前記電極の距離を自動的に調整するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記アークは、交番位相配列でオンに切り換えられる、請求項１に記載のシステム。
22. 前記アークをオンにするために利用される周波数は、前記少なくとも一つの光ファイバおよび周囲空気の熱時定数が、前記アークの振動周期よりもかなり長くなる、十分に高い周波数である、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記電極に電圧を供給してアークを発生させるように構成される一つ以上の変圧器を更に含む、請求項１に記載のシステム。
24. 前記一つ以上の変圧器に制御電流波形を提供して、電圧を供給するように構成される一つ以上の電流供給装置を更に含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記制御電流波形は、当該波形のサイクル周期の約１％から４９％の範囲で２つの不感帯を含み、この２つの各不感帯において、前記変圧器の一次側に流れる電流は実質的に存在しない、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記少なくとも一つの光ファイバは、複数の光ファイバである、請求項１に記載のシステム。
27. 少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成されるファイバ支持部と、
    少なくとも部分真空内で、前記少なくとも一つの光ファイバが前記支持部に支持されたときに、前記光ファイバの周りに分散されるように配置される３つの電極から成る１組の電極と、を含む多電極システムであって、
    前記電極は、隣接する電極間にプラズマアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに実質的に均一な加熱プラズマ場を生成するように構成される、システム。
28. 前記３つの電極のうちの一つは接地される、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記３つの電極に電圧を供給して、プラズマアークを発生させるように構成される１組の変圧器と、３つの制御電流波形において、各波形が他の２つの波形の位相から１２０度ずれている３つの制御電流波形を、前記１組の変圧器に供給して電圧を生成するように構成される一つ以上の電流供給装置と、を更に含む請求項２７に記載のシステム。
30. 前記プラズマアークは、交番位相配列でオンに切り替えられ、実質的に一定かつ均一な加熱プラズマ場を維持する十分な周波数を有する、請求項２７に記載のシステム。
31. 少なくとも一つの光ファイバの周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する方法であって、
    相対的に固定された位置に前記少なくとも一つの光ファイバを維持して、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに少なくとも３つの電極を分散させ、
    前記電極のうちの隣接するもの同士の間にプラズマアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成すること、を含む方法。
32. 前記少なくとも３つの電極は、３つの電極である、請求項３１に記載の方法。
33. 前記３つの電極は、少なくとも部分真空内に配置される、請求項３２に記載の方法。
34. 前記３つの電極のうちの一つは接地される、請求項３１に記載の方法。
35. 前記３つの電極は、それぞれ、他の２つの電極を駆動する波形と１２０度位相がずれている波形で駆動される、請求項３１に記載の方法。
36. 少なくとも一つの光ファイバの周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する方法であって、
    相対的に固定された位置に前記少なくとも一つの光ファイバを保持して、前記少なくとも一つの光ファイバの周りに少なくとも３つの電極を分散させ、
    少なくとも部分真空内に配置された前記電極のうちの隣接するもの同士の間にプラズマアークを発生させることを含み、前記プラズマアークが、前記少なくとも一つの光ファイバの外面の周りに、実質的に均一な加熱プラズマ場を生成する方法。
37. 少なくとも一つの光ファイバを保持するように構成される支持部と、
    前記支持部に保持されたときに、前記少なくとも一つの光ファイバの近傍に配設される少なくとも３つの電極から成る１組の電極と、を含む多電極システムであって、前記電極は、隣接する電極間にアークを発生させて、前記少なくとも一つの光ファイバの外面に、実質的に均一な加熱場を生成するように構成される、システム。
38. 少なくとも部分真空を更に含み、少なくとも３つの電極から成る前記１組の電極は、前記部分真空内に配置される、請求項３７に記載のシステム。

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