JP5378611B2 - 光ファイバに放電を印加するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに放電を印加するための装置及び方法に関する。

２本の光ファイバの端面同士を融着して接続するには、一般的にアーク放電を利用しており、その高い熱エネルギーで光ファイバの端面を溶融させて接続している。そのための装置は、一般に光ファイバ融着接続装置あるいはスプライサと呼ばれている。かかる技術分野においては、より均一な溶融を実現するために、加熱領域の拡大や加熱の均一化が試みられている。特許文献１乃至３は、関連する技術を開示する。

特開２００３−２４８１３３号公報 米国特許第７６７００６５号明細書 特開２００３−８４１６６号公報

いくつかの状況では、大きな領域を均一に加熱するだけでなく、入熱される箇所を動的に制御したい場合がある。本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、光ファイバに対する電極の位置を動的に制御しながら放電を印加することができる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、光ファイバに一対の電極により放電を印加するための装置は、一方の前記電極を前記光ファイバの軸方向に対して直交する第１の方向に制御可能に移動する第１の移動機構と、一方の前記電極を前記第１の方向とは異なる第２の方向に制御可能に前記第１の移動機構と同期して移動する第２の移動機構と、他方の前記電極を前記第１の方向に制御可能に移動する前記第１の移動機構とは異なる第３の移動機構と、他方の前記電極を前記第２の方向に制御可能に前記第３の移動機構と同期して移動する前記第２の移動機構とは異なる第４の移動機構と、を備える。

本発明の他の態様によれば、光ファイバに一対の電極により放電を印加するための方法は、第１の移動機構により、一方の前記電極を前記光ファイバの軸方向に対して直交する第１の方向に移動させるとともに、第２の移動機構により、一方の前記電極を前記第１の方向とは異なる第２の方向に同期して移動させ、前記第１の移動機構とは異なる第３の移動機構により、他方の前記電極を前記第１の方向に移動させるとともに、前記第２の移動機構とは異なる第４の移動機構により、他方の前記電極を前記第２の方向に同期して移動させ、一方の前記電極および他方の前記電極に給電して放電を生じさせる、ことを含む。

本発明によれば、光ファイバに対する電極の位置を動的に制御しながら放電を印加することができる。

［図１］図１は一対の電極を光ファイバに対してどのように移動するかを説明する模式図である。
［図２］図２は光ファイバ融着接続機のうち電極を光ファイバに対して接近離反するように該電極の軸方向に移動する第１、第３の駆動機構を示す模式図である。
［図３］図３は光ファイバ融着接続機のうち電極を光ファイバの軸方向に対して垂直方向に移動する第２、第４の駆動機構を示す模式図である。
［図４］図４は電極に給電して発生する放電による放電路の光ファイバに対する位置及び向きを動的に制御する例を示す模式図であり、図４（ａ）は一対の電極を光ファイバの軸方向に対して垂直方向に移動させる過程を示し、図４（ｂ）はこの垂直方向に加えて一対の電極をその軸方向にも移動させた過程を示す。
［図５］図５は光ファイバに対する電極の移動パターンを示す動作図であり、図５（ａ）は陽電極と陰電極の相対位置をずらして垂直移動させる例であり、図５（ｂ）は陽電極と陰電極を常に同一軸上で同期して垂直移動させる例であり、図５（ｃ）は陽電極と陰電極の相対位置をずらして垂直移動させることに加えて光ファイバに接近離反するように水平移動させる例である。
［図６］図６は傷、欠け、ハックルがある光ファイバ端面の拡大正面図である。
［図７］図７は傷、欠け、ハックルがある光ファイバの端面を電極を移動させながら放電して光ファイバ端面を補修する例を示す動作図である。
［図８］図８は垂直方向及び水平方向の何れにも可動しない電極で両光ファイバの端面同士を融着する例を示し、図８（ａ）は電極の軸を光ファイバの軸中心と同一高さとした時の放電路の状態図、図８（ｂ）は電極の軸を光ファイバの軸中心よりも高い位置とした時の放電路の状態図、図８（ｃ）は電極の軸を光ファイバの軸中心より低い位置とした時の放電路の状態図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［光ファイバ融着接続機の構造説明］
本発明の一実施形態に係る光ファイバ融着接続機について図１から図３を参照して説明する。この装置は専ら光ファイバの融着に利用できるが、端面を補修したり、清浄化したりする目的や、その被覆を除去する目的、あるいは光ファイバの熱処理の目的にも利用しうる。

本実施形態の光ファイバ融着接続機は、端面１ａ同士を突き合わせて配置された２本の光ファイバ１に対して、一対の電極（陽電極２と陰電極３）に給電して発生する放電を印加して両光ファイバ１の端面１ａ同士を融着して接続する装置である。一例として、以下の説明では、図１から図３において左側の電極を陽電極２、右側の電極を陰電極３と呼称しているが、もちろんこの呼称は本発明に対して限定的でない。また本実施形態は、直流放電の場合だけでなく、交流放電や矩形波放電あるいは脈流放電の場合にも適用できる。

本実施形態の光ファイバ融着接続機では、図１に示すように、陽電極２と陰電極３を光ファイバ１の軸方向（長手方向）Ｙに対して垂直な垂直方向（第２の方向）Ｚに移動自在とされ且つそれら陽電極２と陰電極３をそれぞれ独立して移動自在とし、また、これら陽電極２と陰電極３を光ファイバ１に対して接近離反するように該電極２、３の軸方向（長手方向（第１の方向））Ｘに駆動する駆動装置を備えている。なお、以下の説明の中で、陽電極２及び陰電極３の軸方向Ｘを便宜上、水平方向と言い換える。

移動装置は、陽電極２及び陰電極３を光ファイバ１に対して接近離反するように該電極２、３の軸方向（第１の方向）Ｘに移動自在とする図２の第１の移動機構４Ａ及び第３の移動機構４Ｂと、陽電極２及び陰電極３を光ファイバ１の軸方向Ｙに対して直交する方向Ｚ（第２の方向）に移動自在とする図３の第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂとからなる。

第１の移動機構４Ａ及び第３の移動機構４Ｂは、図２に示すように、固定ベース６と、この固定ベース６に対してスライド自在なスライダ７と、スライダ７をスライド移動するスライダ移動部８とからなる。

固定ベース６には、スライダ７が図２中矢印Ｘで示す方向（電極２、３の軸方向Ｘと同一方向）にスライド自在に取り付けられている。また、固定ベース６には、スライダ７をスライド移動するためのスライダ移動部８が取り付けられている。

スライダ移動部８は、サーボモータによって回転駆動制御されるボールねじ９を前記スライダ７に取り付けることで、当該スライダ７を前記固定ベース６に対してスライド自在としている。

第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂは、図３に示すように、前記スライダ７に対して支点軸１０を中心として回動可能に取り付けられたアーム１１と、このアーム１１を移動するアーム移動部１２とからなる。

アーム１１は、例えば、略Ｌ字形状をなすアーム本体部１１Ａと、アーム本体部１１Ａを前記支点軸１０に連結させる連結部１１Ｂと、陽電極２又は陰電極３を固定する固定部１１Ｃと、アーム移動部１２からの移動力を受ける作用部１１Ｄとを有している。

固定部１１Ｃはアーム本体部１１Ａの一方の端に設け、作用部１１Ｄは好ましくは他方の端に設けられる。連結部１１Ｂは、固定部１１Ｃと作用部１１Ｄとの略中間位置に設けられている。

固定部１１Ｃには、陽電極２又は陰電極３が固定されている。これらの電極は、何れも、好ましくは、丸棒形状であってその先端は円錐状である。あるいは、丸棒形状に代えて角棒形状や平板状、あるいは塊状でもよく、先端部は角錐状やその他のテーパ形状であってもよい。作用部１１Ｄは、アーム本体部１１Ａから突出して斜め後方に延びるようにして設けてもよい。

アーム移動部１２は、作用部１１Ｄに対して略直線的な運動を与えるべく構成される。そのような構成に、例えばサーボモータを備えたボールねじ１３が利用できる。あるいは、油圧装置や適宜のリンク機構を適用してもよい。

作用部１１Ｄが方向Ａに動くと、前記アーム１１は、支点軸１０を支点として回動し、陽電極２又は陰電極３が方向Ｚに沿って略直線的な運動をする。作用部１１Ｄから支点軸１０までの距離と電極先端から支点軸１０までの距離とは、略等しくてもよいし、運動を増大または縮小する目的で異ならせてもよい。あるいは、単純なアームに代えて、適宜のクランク機構やリンク機構を適用することもできる。適宜なリンク機構により、より正確な直線運動を実現してもよい。

アーム移動部１２により作用部１１Ｄに図３中矢印Ａで示す方向に前進又は後退させる運動を与えると、アーム１１を介して陽電極２又は陰電極３が方向Ｚに沿って移動される。方向Ｚは、光ファイバ１の軸方向（長手方向）Ｙに対して直交する。図３では、陽電極２と陰電極３は、同図中実線の位置と二点鎖線の位置の範囲を可動する。

そして、本実施形態の光ファイバ融着接続機では、陽電極２を可動する第２の移動機構５Ａと陰電極３を可動する第４の移動機構５Ｂは、それぞれ独立して動くようになっている。例えば、陽電極２と陰電極３を常に相対向するように互いに同期させて同じ軌跡を描くように移動することができる。さらに、両電極２、３の位置がずれた状態を維持するように一方が上方移動時に他方が下方移動するように移動することもできる。

また、本実施形態の光ファイバ融着接続機では、第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂおよび第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂを制御するコントローラ（図２、図３参照）１８を有している。このコントローラ１８は、２つの第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂおよび２つの第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂをそれぞれ独立して駆動することも、それらを同期して駆動することもできる。さらには、コントローラ１８は、第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂおよび第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂを同期して駆動させることもできる。

外部の電源により陽電極２と陰電極３との間に電力を印加すれば、その間に放電が発生する。図４（ａ）および（ｂ）には、放電の経路である放電路に参照番号１４を付して示している。

以上のように構成された光ファイバ融着接続機では、前記光ファイバ１に対する陽電極２及び陰電極３の垂直方向Ｚ及び水平方向Ｘの移動により、図４に示すように放電路１４の前記光ファイバ１に対する位置及び向きを動的に制御することができる。

例えば、図４（ａ）の実線で示すように、一方の第２の移動機構５Ａを作動させて陽電極２を光ファイバ１が配置されるファイバ固定位置よりも下方に移動させると共に、他方の第４の移動機構５Ｂを作動させて陰電極３をファイバ固定位置よりも上方に移動させるようにする。このような電極配置とすると、放電路１４は、図４（ａ）の実線で示すように光ファイバ１の右側周面に沿うような形で当該光ファイバ１の端面１ａに当たることになる。かかる状態では、入熱は右側周面に集中する。

この一方、図４（ａ）の二点鎖線で示すように、一方の第２の移動機構５Ａを作動させて陽電極２を光ファイバ１が配置されるファイバ固定位置よりも上方に移動させると共に、他方の第４の移動機構５Ｂを作動させて陰電極３をファイバ固定位置よりも下方に移動させるようにする。このような電極配置とすると、放電路１４は、図４（ａ）の二点鎖線で示すように光ファイバ１の左側周面に沿うような形で当該光ファイバ１の端面１ａに当たることになる。かかる状態では、入熱は左側周面に集中する。

放電を維持しながら、第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂを作動させれば、図４（ａ）の実線の状態から二点鎖線の状態に連続的に遷移する。すると、入熱箇所を右側周面から下側周面へ、そして左側周面へと、連続的に遷移させることができる。

第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂをさらに作動させて、図４（ｂ）の実線の状態とすることもできる。すると、放電を維持しながら、第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂを作動させれば、図４（ｂ）の実線の状態から二点鎖線の状態に連続的に遷移する。すると、入熱箇所を左側周面から上側周面へ、そして右側周面へと、連続的に遷移させることができる。

上述の過程において、第２の移動機構５Ａ及び第４の移動機構５Ｂと同期して第１の移動機構４Ａ及び第３の移動機構４Ｂを作動させ、陽電極２と陰電極３の一方または両方を、方向Ｘに移動させ、電極間距離を一定にするように制御してもよい。一定の電極間距離は、放電の安定化を促し、入熱量を一定化するのに有利である。あるいは、電極間距離を動的に制御してもよい。これは、入熱箇所により入熱量を変化させることにつながる。

すなわち、本実施形態によれば、光ファイバの周方向に沿って入熱することができる。光ファイバの溶融の軸対称性を向上することができ、以って接合部の伝送損失の抑制が可能となる。また入熱箇所により入熱量を変化させることができるので、特定箇所を重点的に加熱することができる。これは、例えば異方性を有する光ファイバを融着させる場合や、特別な熱処理を行う場合に利点を提供する。加熱領域を拡大したり加熱を均一化するだけでは、これらの効果は得られない。

上述の過程において、光ファイバ１は固定された位置に留めることができる。それゆえ光ファイバ１の位置決めを精密に行うことができる。

また、本実施形態の光ファイバ融着接続機では、２つの第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂ及び第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂをそれぞれ独立して移動させることができるように構成しているため、図５の各図に示すような形態で陽電極２と陰電極３を移動させることができる。

図５（ａ）では、陽電極２と陰電極３の相対位置（高さ位置）をずらして垂直方向Ｚに往復するように移動させている。図５（ｂ）では、陽電極２と陰電極３を共に同一軸上に設けてこの対向配置状態を常に保つように同期して垂直方向Ｚに往復するように移動させている。図５（ｃ）では、陽電極２と陰電極３の相対位置（高さ位置）をずらして垂直方向Ｚに往復するように移動させることに加えて、陽電極２と陰電極３を光ファイバ１に対して接近又は離反するように水平移動させている。

これら図５（ａ）〜（ｃ）の電極移動パターンは、融着接続する光ファイバ１の直径に応じて適宜選択する。光ファイバ１の直径が小さいものに対しては、図５（ｂ）で示す電極移動パターンだけで十分に光ファイバ１の端面１ａ全体を加熱することができる。光ファイバ１の直径が大きなものに対しては、図５（ｂ）で示す電極移動パターンだけでは足りないと判断した時には、図５（ａ）又は図５（ｃ）で示す電極移動パターンを適用する。

［光ファイバ融着接続方法の説明］
次に、前記構成の光ファイバ融着接続機を使用した光ファイバ融着接続方法について説明する。先ず、両光ファイバ１の端面１ａ同士を融着して接続する前に、図６に示すように光ファイバ１の端面１ａに傷１５や欠け１６或いはハックル１７がある場合、これらの部位に放電を印加して補修をする。

補修作業は、図７に示すように、コントローラ１８で２つの第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂ及び第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂをそれぞれ独立して作動させて陽電極２と陰電極３の相対位置（高さ位置及び水平対向距離）をずらして垂直方向Ｚ及び水平方向Ｘに移動させることで、放電路１４を傷１５や欠け１６或いはハックル１７がある部位に動かして放電する。これら傷１５等の大きさや位置によっては、必要に応じて第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂと第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂのどちらか一方だけを作動させる。

光ファイバ１の端面１ａに放電が印加されると、その部位が溶けて傷１５や欠け１６或いはハックル１７が修復される。

次に、両光ファイバ１の端面１ａ同士を突き合わせる。そして、陽電極２と陰電極３に給電して発生する放電を、前記光ファイバ１の端面１ａ同士が突き合わされた部位に印加する。この放電中において、第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂを作動して陽電極２と陰電極３を図５（ａ）又は図５（ｂ）の垂直移動パターンで移動させ、光ファイバ１に対する放電路１４の位置及び向き（傾き）を可変させて両光ファイバ１の端面１ａ同士を融着接続する。

光ファイバ１に対する放電路１４の位置及び向きが端面１ａ全面にむら無く当たらない場合は、第２の移動機構５Ａ、第４の移動機構５Ｂの作動に加えて第１の移動機構４Ａ、第３の移動機構４Ｂを作動させる。これにより、図５（ｃ）の垂直及び水平移動パターンの電極移動により、光ファイバ１の端面１ａ全体に渡って放電を印加することができる。

これに対して、図８に示すように、陽電極２及び陰電極３が常に同一軸上に対向配置された状態で垂直方向Ｚに移動しない場合は、直径の大きな光ファイバ１では放電路１４が端面１ａ全体に印加されない。両電極２、３の軸と光ファイバ１の中心が同じ位置の場合、放電路１４は、図８（ａ）に示すように光ファイバ１の上又は下を通る。両電極２、３の軸が光ファイバ１の中心より高い場合、放電路１４は、図８（ｂ）に示すように光ファイバ１の下側には当たらない。両電極２、３の軸が光ファイバ１の中心より低い場合、放電路１４は、図８（ｃ）に示すように光ファイバ１の上側には当たらない。また、これら図８（ａ）〜（ｃ）の何れの場合も電極に一番近い光ファイバ１の部位には放電路１４が当たらず加熱量が低くなる。これに対して、本発明では、光ファイバ１の端面１ａ全体にむら無く放電路１４を当てることができる。

［本実施形態の効果］
本実施形態によれば、光ファイバ融着接続機は、陽電極２及び陰電極３をそれぞれ独立して光ファイバ１の軸方向に対して垂直方向に移動自在とする移動装置を備え、それら陽電極２及び陰電極３を移動させて発生した放電路１４の光ファイバ１に対する位置及び向きを可変としている。直径の大きな光ファイバ１に対しても光ファイバ端面１ａ全体に放電路１４による加熱範囲を拡げて両光ファイバ１同士を融着接続することができる。これにより、接続された光ファイバ１の接続損失（伝送損失）を小さなものとすることができる。

また、本実施形態によれば、移動機構が、陽電極２及び陰電極３を光ファイバ１に対して接近離反するように該電極の軸方向に移動自在とするので、光ファイバ１に対する放電路１４の位置及び向きを更に可変することができ、より一層光ファイバ１の端面１ａ全体に渡って放電路１４を当てることができる。

また、本実施形態の光ファイバ融着接続機によれば、移動機構が放電中に陽電極２及び陰電極３を移動自在とするので、電極を移動せずに固定したまま放電した場合に、電極に近い光ファイバ１の部位に放電路１４が当たらないという問題を解決することができ、その電極に近い部位の加熱量を十分に確保することができる。

また、本実施形態によれば、電極を移動するのに複雑な構造を要しない。

また、本実施形態によれば、両光ファイバ１の端面１ａ同士を融着して接続する前に、光ファイバ１の端面１ａの傷１５、欠け１６或いはハックル１７がある部分を、電極２、３を移動させながら放電すると、それらの部位を補修することができる。

本発明は、光ファイバの融着やその他の目的で光ファイバを加熱することに利用しうる装置および方法を提供する。

Claims (9)

1. 光ファイバに一対の電極により放電を印加するための装置であって、
   一方の前記電極を前記光ファイバの軸方向に対して直交する第１の方向に制御可能に移動する第１の移動機構と、一方の前記電極を前記第１の方向とは異なる第２の方向に制御可能に前記第１の移動機構と同期して移動する第２の移動機構と、他方の前記電極を前記第１の方向に制御可能に移動する前記第１の移動機構とは異なる第３の移動機構と、他方の前記電極を前記第２の方向に制御可能に前記第３の移動機構と同期して移動する前記第２の移動機構とは異なる第４の移動機構と、を備える装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記第１乃至第４の移動機構の全てが同期して移動する装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、さらに、
   前記第１の移動機構および前記第２の移動機構を、同期して制御する第１のコントローラと、
   前記第３の移動機構および前記第４の移動機構を、同期して制御する第２のコントローラと、を備えた装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、
   前記第２の移動機構および前記第４の移動機構は、それぞれ、支点と、前記支点の周りに回動するアームと
   を備えた装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   前記第１の移動機構に第２の移動機構が取り付けられ、前記第３の移動機構に第４の移動機構が取り付けされた装置。
6. 光ファイバに一対の電極により放電を印加するための方法であって、
   第１の移動機構により、一方の前記電極を前記光ファイバの軸方向に対して直交する第１の方向に移動させるとともに、第２の移動機構により、一方の前記電極を前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記第１の移動機構と同期して移動させ、
   前記第１の移動機構とは異なる第３の移動機構により、他方の前記電極を前記第１の方向に移動させるとともに、前記第２の移動機構とは異なる第４の移動機構により、他方の前記電極を前記第２の方向に前記第３の移動機構と同期して移動させ、
   一方の前記電極および他方の前記電極に給電して放電を生じさせる、
   ことを含む方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記第１および第２の移動機構を同期させて、一方の前記電極が前記光ファイバに対して前記第２の方向の一方側にずれ、かつ前記第１の方向に接近した第１状態と、一方の前記電極が前記光ファイバに対して前記第２の方向の他方側にずれ、かつ前記第１の方向に離反した第２状態の間で、一方の前記電極を往復動させる
   ことを含む方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記第１状態において、他方の前記電極が前記光ファイバに対して前記第２の方向の他方側にずれ、かつ前記第１の方向に離反しており、
   前記第２状態において、他方の前記電極が前記光ファイバに対して前記第２の方向の一方側にずれ、かつ前記第１の方向に接近しており、
   前記第３および第４の移動機構をさらに同期させて、前記第１状態と前記第２状態の間で、一方の前記電極および他方の前記電極を往復動させる
   ことを含む方法。
9. 請求項６に記載の方法であって、さらに、
   前記光ファイバの傷または欠けを含む部分に前記放電が印加されるべく前記電極を移動させることにより前記光ファイバを補修する
   ことを含む方法。

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