[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による測定装置について図1及び図2を用いて説明する。
まず、本実施形態による測定装置の構成について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態による測定装置の構成を示す概略図である。本実施形態による測定装置は、測定対象である被測定物に関する複数種類の物理量を測定することが可能である装置である。被測定物は、特に限定されるものではないが、時間経過とともにその複数の物理量が変化しうる物である。
図1に示すように、本実施形態による測定装置10は、その測定対象である被測定物202が存在する製造装置20に対して設置されている。本実施形態による測定装置10は、センサヘッド102と、制御ユニット104とを有している。センサヘッド102は、複数のセンサ106、108と、回転ステージ110とを有している。制御ユニット104は、ネットワークNWを介してデータサーバ30に通信可能に接続されている。
製造装置20は、壁204により区画された製造室、反応室、チャンバ等の区画206内において被測定物202として被製造物を製造する装置である。壁204には、窓部であるビューポート208が設けられている。ビューポート208は、センサヘッド102の複数のセンサ106、108がそれぞれ物理量を測定するために利用する光が透過する光透過性材料により構成されている。なお、ビューポート208は、単純に穴が開いているだけで、光透過性材料がなくてもよい。
製造装置20は、例えば、VAD(Vapor phase Axial Deposition)法、OVD(Outside Vapor Deposition)法等により被測定物202として光ファイバ母材であるスート堆積体を合成する光ファイバ母材の製造装置である。また、製造装置20は、例えば、熱間圧延、冷間圧延等により被測定物202として板材を製造する圧延機であってもよい。また、製造装置20は、例えば、射出成形、押出成形等により被測定物202として成形品を製造する成形機であってもよい。なお、被測定物202は、製造装置において製造される被製造物に限定されるものではなく、あらゆる物であってよい。なお、製造装置20が圧延機や成型機である場合、区画206を明確に区切る必要がない場合もある。すなわち、製造装置20は、その種類によって区画206が区切られているものもあれば、区画206が区切られていないものもある。
本実施形態による測定装置10は、複数のセンサ106、108により測定が行われる測定点P1、P2を被測定物202の表面に沿って走査方向に同一線上において線状に走査して複数のセンサ106、108により互いに異なる複数種類の物理量を測定する。測定点P1、P2は、点そのものに限られず、一定の面積を有する領域でありうる。かかる測定点P1、P2が同一線上にあるとは、測定点P1、P2が互いに完全に一致して重なる場合のみならず、一定の面積を有する測定点P1、P2が互いに部分的に重なる場合をも含む。本実施形態による測定装置10は、製造装置20とともに、被測定物202を製造する製造システムを構成しうる。ここで、測定点P1、P2の走査方向をZ方向、Z方向に直交する方向をX方向、X方向及びZ方向の各方向に直交する方向をY方向とする。なお、X方向、Y方向及びZ方向は、互いに交差する方向であればよい。また、X方向に沿った軸とZ方向に沿った軸を含む平面をXZ平面とする。
センサヘッド102は、製造装置20の区画206内の被測定物202に対してX方向に位置する壁204を介して区画206外に設置されている。センサヘッド102は、ビューポート208の近くにビューポート208に隣接してビューポート208にX方向に対向するように位置している。センサヘッド102に含まれる複数のセンサ106、108は、区画206内の被測定物202に対してビューポート208を介して配置されている。本実施形態による測定装置10は、小面積のビューポート208の近くに設置されたセンサヘッド102により後述するように広い範囲で複数の物理量を測定することができる。
センサヘッド102において、複数のセンサ106、108は、回転ステージ110に取り付けられて固定されている。センサヘッド102は、その構成部品である複数のセンサ106、108及び回転ステージ110が一体化されてユニット化されている。センサヘッド102がユニット化されていることによりセンサヘッド102の配置の変更が容易であるため、被測定物202における測定位置の変更、センサヘッド102を設置する製造装置20の変更、センサヘッド102の保守点検等を容易に行うことができる。
複数のセンサ106、108は、被測定物202の互いに異なる種類の複数の物理量を測定するように構成されている。複数のセンサ106、108は、例えば、それぞれ光を利用して被測定物202の物理量を測定する非接触式のセンサである。また、複数のセンサ106、108は、例えば、それぞれ被測定物202の表面を点で測定するセンサである。
複数のセンサ106、108としては、被測定物202の互いに異なる種類の物理量を測定するセンサが選定されている。複数のセンサ106、108は、例えば、それぞれ被測定物202と当該センサとの間を伝搬する光を利用して物理量を測定する。複数のセンサ106、108は、具体的には、例えば、被測定物202に照射した光が被測定物202で反射した反射光、被測定物202から放射される赤外光、可視光等の放射光等の光を利用して物理量を測定することができる。
具体的には、例えば、センサ106は、被測定物202に照射したレーザ光が被測定物202で反射した反射光を利用する三角測量方式により、被測定物202の形状を反映する被測定物202までの距離を測定するレーザ変位計である。また、例えば、センサ108は、被測定物202から放射される赤外光を利用して被測定物202の表面の温度を測定する放射温度計である。
なお、本実施形態では、センサヘッド102が2つのセンサ106、108を有する場合について説明するが、これに限定されるものではない。センサヘッド102のセンサ数は、2以上の複数であればよい。複数のセンサ106、108としては、レーザ変位計、放射温度計のほか、例えば、表面粗さ計、膜厚計等を、被測定物に応じて任意に組み合わせて用いることができる。表面粗さ計としては、白色干渉方式、共焦点方式等のものを用いることができる。膜厚計としては、反射率分光式、赤外線方式等のものを用いることができる。
センサ106は、ビューポート208を介して対向する被測定物202とセンサ106との間のXZ平面に沿った光軸L1に沿って伝搬する光を利用して、光軸L1上の被測定物202の表面における測定点P1で物理量を測定する。センサ106は、後述するように走査される測定点P1で物理量を連続的又は間欠的に測定する。
例えば、センサ106がレーザ変位計である場合、センサ106は、光軸L1に沿って伝搬する光としてレーザ光を被測定物202の測定点P1に照射する。この場合、センサ106は、測定点P1に照射したレーザ光が被測定物202で反射した反射光を受光し、受光した反射光に基づき、測定点P1における被測定物202とセンサ106との間の距離を物理量として測定する。測定点P1における被測定物202とセンサ106との間の距離、すなわち、測定点P1における被測定物202までの距離は、被測定物202の形状を反映する物理量である。かかる物理量を測定することにより、被測定物202の形状を測定することができる。
センサ108は、ビューポート208を介して対向する被測定物202とセンサ108との間のXZ平面に沿った光軸L2に沿って伝搬する光を利用して、光軸L2上の被測定物202表面における測定点P2で物理量を測定する。センサ108は、後述するように走査される測定点P2で物理量を連続的又は間欠的に測定する。
例えば、センサ108が放射温度計である場合、センサ108は、光軸L2に沿って伝搬する光として被測定物202から放射される赤外光を受光し、受光した赤外光に基づき測定点P2における被測定物202表面の温度を測定する。
複数のセンサ106、108は、測定点P1と測定点P2とが互いに一致して同一点となる向きで回転ステージ110に設置されている。すなわち、複数のセンサ106、108は、同一時点で複数の測定点P1、P2が互いに一致するように設置されている。
なお、センサ106とセンサ108とは、測定点P1と測定点P2とが走査方向であるZ方向に所定の間隔を空けて隣接する向きで回転ステージ110に設置されていてもよい。すなわち、複数のセンサ106、108は、同一時点で複数の測定点P1、P2が走査方向であるZ方向にずれるように設置されていてもよい。
複数のセンサ106、108は、それぞれ測定点P1、P2で測定した互いに異なる種類の物理量の測定値データを制御ユニット104に送信するように構成されている。
回転ステージ110は、複数のセンサ106、108が設置されて複数のセンサ106、108を支持する回転可能な支持部である。回転ステージ110は、回転するための回転機構を含んでいる。回転ステージ110は、制御ユニット104の制御に従って、Y方向に沿った中心軸を回転軸として所定の角度範囲で交互に互いに異なる方向に回転して繰り返し所定の角度範囲で往復回転する。これにより、回転ステージ110は、これに設置された複数のセンサ106、108を所定の角度範囲で交互に互いに異なる方向に回転させて繰り返し所定の角度範囲で往復回転させる。こうして複数のセンサ106、108が繰り返し所定の角度範囲で往復回転すると、所定の角度範囲で光軸L1、L2が交互に互いに異なる方向に揺動して繰り返し所定の角度範囲で往復揺動する。この結果、測定点P1、P2が、被測定物202表面に沿ってZ方向に同一線上において線状に繰り返し往復移動するように走査される。なお、回転ステージ110は、往復回転のほか、1方向に連続回転することによっても、測定点P1、P2を、被測定物202表面に沿ってZ方向に同一線上において線状に繰り返し走査させることができる。
回転ステージ110は、上述のように測定点P1、P2を走査することにより、複数のセンサ106、108が複数の物理量を被測定物202の表面に沿って同一線上において測定するように走査を行う走査部として機能する。
制御ユニット104は、複数のセンサ106、108と回転ステージ110とを含むセンサヘッド102の動作を制御する制御部として機能する。制御ユニット104は、複数のセンサ106、108の測定の開始及び終了を制御することができる。また、制御ユニット104は、回転ステージ110を所定の角度範囲、所定の回転速度で交互に逆方向に繰り返し往復回転させることができる。これにより、制御ユニット104は、複数のセンサ106、108の測定点P1、P2を、被測定物202表面に沿ってZ方向に線状に往復移動するように所定の走査速度、所定の走査長で走査させることができる。
また、制御ユニット104は、複数のセンサ106、108により測定点P1、P2で測定された各物理量の測定値データをセンサヘッド102から受信してデータサーバ30に送信するように構成されている。
データサーバ30は、制御ユニット104から送信される各物理量の測定値データに対して後述する処理を実行する処理部として機能する。また、データサーバ30は、製造装置20に通信可能に接続されており、製造装置20の動作状況をリアルタイムで記録し、製造装置20の動作状況を示す動作情報をデータベース等により管理する管理部として機能する。
なお、処理部として機能するデータサーバ30の一部は、本実施形態による測定装置10の一部を構成しうる。また、制御ユニット104の機能及びデータサーバ30の処理部としての機能は、単一の制御装置により実現することもできる。
次に、本実施形態による測定装置10の動作についてさらに図2を用いて説明する。図2は、本実施形態による測定装置10及びデータサーバ30の動作を示すフロー図である。
図2に示すように、測定装置10の制御ユニット104は、データサーバ30にアクセスして、データサーバ30から製造装置20の動作状況を示す動作情報を取得する(ステップS102)。
次いで、制御ユニット104は、データサーバ30から取得した動作情報に基づき、製造装置20が動作中であるか否かを判定する(ステップS104)。製造装置20が動作中である場合、製造装置20において被測定物202が製造されている。
制御ユニット104は、製造装置20が動作中でないと判定すると(ステップS104、NO)、任意の待機時間で待機し(ステップS106)、その後、動作情報を取得するステップS102に移行して製造装置20の動作状況をモニタする。なお、制御ユニット104は、ステップS106を経ずにステップS102に移行して連続的に製造装置20の動作状況をモニタすることもできる。
一方、制御ユニット104は、製造装置20が動作中であると判定すると(ステップS104、YES)、センサヘッド102を制御して測定点P1、P2を走査する(ステップS108)。具体的には、制御ユニット104は、複数のセンサ106、108を動作させつつ、回転ステージ110を、Y方向に沿った中心軸を回転軸として所定の角度範囲で互いに異なる方向に回転させて所定の角度範囲で1回往復回転させる。これにより、複数のセンサ106、108が所定の角度範囲で互いに異なる方向に回転して所定の角度範囲で1回往復回転し、所定の角度範囲で光軸L1、L2が互いに異なる方向に揺動して所定の角度範囲で1回往復揺動する。この結果、測定点P1、P2が被測定物202表面に沿ってZ方向に同一線上において線状に1回往復移動するように走査される。なお、制御ユニット104は、ステップS102を経ずにステップS108に移行して製造装置20の動作情報によらず測定点P1、P2を走査させることもできる。これにより、センサヘッド102の位置の較正等を容易に行うことができる。
複数のセンサ106、108は、それぞれ走査される測定点P1、P2で連続的に又は間欠的に被測定物202の物理量を測定し、物理量の測定値データを制御ユニット104に送信する。複数のセンサ106、108は、走査される測定点P1、P2の往復移動における往路移動及び復路移動のそれぞれの間、物理量を測定することができる。なお、複数のセンサ106、108は、往路移動及び復路移動のいずれか一方の間だけ、物理量を測定することもできる。
制御ユニット104は、複数のセンサ106、108から受信した複数種類の物理量の測定値データをデータサーバ30に送信する(ステップS110)。続いて、制御ユニット104は、任意の待機時間で待機するステップS106を経て又はステップS106を経ずにステップS104に移行して製造装置20の動作状況をモニタする。制御ユニット104は、製造装置20が動作している間、ステップS108、S110を繰り返して実行する。
データサーバ30は、制御ユニット104から受信した複数種類の物理量の測定値データに対して以下のように処理を実行する。
まず、データサーバ30は、検出部として機能し、物理量の測定値データに基づき、走査方向であるZ方向における被測定物202の先端部等の端部の位置Eを検出する(ステップS112)。被測定物202に関する物理量は、被測定物202の先端部等の端部において大きく増加又は減少して変動することが通常である。このため、かかる物理量の変動を閾値を用いて検出して被測定物202の端部の位置Eを検出することができる。
具体的には、例えばセンサ106により測定される物理量の測定値について閾値が設定されている。この場合、データサーバ30は、センサ106により測定された物理量の測定値データに基づき、予め設定された閾値が測定された測定点P1の位置を、Z方向における被測定物202の端部の位置Eとして検出することができる。なお、データサーバ30は、別のセンサ108により測定された物理量を用いて同様に被測定物202の端部の位置を検出することもできる。また、データサーバ30は、複数のセンサ106、108により測定された物理量を用いてそれぞれ被測定物202の端部の位置Eを検出して、各検出結果から総合的に被測定物202の端部の位置Eを決定することができる。
こうして、データサーバ30は、複数のセンサ106、108により測定された複数の物理量のうちの少なくともいずれかについて測定された閾値を用いて、走査方向であるZ方向における被測定物202の端部の位置Eを検出することができる。
次いで、データサーバ30は、センサ106、108により測定された物理量の測定値データについて補正処理を実行する(ステップS114)。補正処理において、データサーバ30は、以下の各処理を実行する補正部として機能する。
例えば、データサーバ30は、被測定物202の端部の位置Eを基準に用いて、複数のセンサ106、108の測定値についてZ方向における原点の補正を行うことができる。これにより、センサ106、108による物理量の測定値データについてセンサヘッド102の位置ずれによる影響を補正することができる。
また、例えば、データサーバ30は、センサ106がレーザ変位計である場合、センサ106により測定点P1で測定された物理量であるセンサ106と被測定物202との間の距離を補正して、被測定物202の形状を反映する物理量に変換して取得する。この場合、データサーバ30は、回転ステージ110の回転角、被測定物202の基準位置とセンサ106との間のX方向の距離を用いて、センサ106と被測定物202との間の距離を補正して、被測定物202の形状を反映する物理量に変換することができる。被測定物202の形状を反映する物理量は、被測定物202の半径、直径等のX方向における被測定物202の寸法である。こうして、データサーバ30は、レーザ変位計であるセンサ106により測定された被測定物202までの距離から被測定物202の寸法を取得することができる。
また、例えば、データサーバ30は、測定点P1と測定点P2とが互いに一致せずに走査方向であるZ方向に所定の間隔を空けて隣接して走査される場合、測定点P1と測定点P2との位置ずれを補正することができる。この場合、データサーバ30は、複数のセンサ106、108により測定された各物理量のZ方向の位置が対応するように測定点P1と測定点P2との位置ずれを補正することができる。例えば、センサ106、レーザ変位計、センサ108が放射温度計である場合、データサーバ30は、センサ106により得られた被測定物202の寸法と、センサ108により得られた被測定物202表面の温度とをZ方向において対応させることができる。
こうして、データサーバ30は、複数のセンサ106、108による測定値データを補正する補正部として機能して、補正後の測定値データを得ることができる。
次いで、データサーバ30は、走査方向であるZ方向の位置を基準として、補正後の複数のセンサ106、108による測定値データについて合成処理を実行する(ステップS116)。これにより、データサーバ30は、Z方向の位置を基準として、補正後の複数のセンサ106、108による測定値データを互いに関連付ける。
次いで、データサーバ30は、取得部として機能し、複数のセンサ106、108による測定値データを用いて、複数のセンサ106、108が測定する物理量とは別の物理量の値を間接的に取得する(ステップS118)。データサーバ30は、位置ずれを補正した後の各測定点における補正後の複数のセンサ106、108による測定値データを用いて別の物理量を取得する。
具体的には、データサーバ30は、補正後の複数のセンサ106、108による測定値データと別の物理量との関係に基づき、別の物理量の値を導出して取得することができる。データサーバ30は、補正後の複数のセンサ106、108による測定値データと別の物理量との関係を、計算式、データベース、テーブル等の形式にて参照可能に記憶している。また、データサーバ30は、補正後の複数のセンサ106、108による測定値データを入力として、学習済の機械学習モデルを用いて別の物理量の値を予測して取得することもできる。
例えば、上述のようにセンサ106による測定結果から取得された被測定物202の寸法及びセンサ108により得られた被測定物202表面の温度を用いて、被測定物202の各測定点における密度を計算式により計算して取得することができる。
次いで、データサーバ30は、上述のようにして得られた被測定物202についての測定結果に関するデータである測定結果データを互いに関連付けて記憶装置において記憶する(ステップS120)。データサーバ30が記憶する測定結果データは、ステップS112で検出した被測定物202の端部の位置、ステップS114、S116を経た補正後の複数のセンサ106、108による測定値データ、及びステップS118で取得した別の物理量の値を含む。また、データサーバ30が記憶する対象には、補正前の各測定値データも含まれる。
データサーバ30は、制御ユニット104から複数種類の物理量の測定値データを受信するたびに、上記ステップS112からステップS120までの各処理を実行して、被測定物202についての測定結果データを取得する。データサーバ30は、測定装置10による測定の間、リアルタイムに若しくはほぼリアルタイムに又は所定の遅延時間で測定結果データを取得することができる。なお、データサーバ30は、測定装置10による測定の後に演算処理を実行して測定結果データを取得することもできる。また、データサーバ30は、補正前の各測定値データについては測定装置10による測定の間であっても取得することができる。
こうして、本実施形態による測定装置10は、測定点P1、P2を繰り返して走査して複数のセンサ106、108による測定を行うことにより、被測定物202について複数の物理量を測定する。これにより、被測定物202について複数の物理量及びこれらから間接的に取得される別の物理量の経時変化をモニタすることができる。なお、測定点P1、P2は、必ずしも繰り返して走査する必要はなく、1回走査するだけであってもよい。
本実施形態では、複数のセンサ106、108が物理量の測定に利用する光が伝搬する光軸L1、L2を回転ステージ110により揺動させることにより、測定点P1、P2を被測定物202表面に沿ってZ方向に同一線上において線状に走査させる。このため、本実施形態によれば、特定の位置に設置されたセンサヘッド102に含まれる複数のセンサ106、108により、被測定物202について複数の物理量をより広い範囲で測定することができる。
また、本実施形態では、複数のセンサ106、108が回転ステージ110に固定されているため、センサ106とセンサ108との間に相対的な位置ずれが生じることがない。このため、本実施形態によれば、複数のセンサ106、108の相対的な位置ずれによる測定精度の低下を回避することができる。
また、本実施形態では、センサ106又はセンサ108により測定される物理量の変動を検出して被測定物202の端部の位置Eを検出する。このため、本実施形態によれば、被測定物202の端部の位置Eを基準に用いて、複数のセンサ106、108による複数の物理量の測定値データについてセンサヘッド102の位置ずれによる影響を補正することができる。したがって、本実施形態によれば、センサヘッド102の位置ずれによる影響を補正して、複数の物理量についてより高精度の測定を実現することができる。
このように、本実施形態によれば、被測定物202について複数の物理量をより広い範囲及びより高い精度で測定することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による測定装置について図3を用いて説明する。なお、上記第1実施形態による測定装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
上記第1実施形態では、センサヘッド102において、回転ステージ110により複数のセンサ106、108を回転させて光軸L1、L2を揺動させることにより測定点P1、P2を走査させる場合について説明した。しかしながら、測定点P1、P2を走査させるセンサヘッド102の構成は、第1実施形態において説明した構成に限定されるものではない。以下、本実施形態では、測定点P1、P2を走査させるセンサヘッド102の別の構成について図3を用いて説明する。図3は、本実施形態による測定装置10の構成を示す概略図である。
図3に示すように、本実施形態による測定装置10におけるセンサヘッド102は、複数のセンサ106、108と、ステージ112と、ミラー114と、回転機構116とを有している。
本実施形態において、複数のセンサ106、108は、第1実施形態とは異なり、ステージ112に設置されて支持されている。ステージ112は、回転不可の固定された支持部である。
ミラー114は、センサヘッド102において、ステージ112に対して被測定物202の側に位置するように配置されている。ミラー114は、回転機構116に取り付けられて固定されている。ミラー114は、被測定物202とミラー114との間におけるXZ平面に沿った光軸L1、L2の向きを反射により変更するように構成された反射部である。
回転機構116は、制御ユニット104の制御に従って、Y方向に沿った中心軸を回転軸として所定の角度範囲で交互に互いに異なる方向にミラー114を回転させて繰り返し所定の角度範囲で往復回転させる。こうしてミラー114が繰り返し所定の角度範囲で往復回転すると、被測定物202とミラー114との間で、所定の角度範囲でミラー114での反射により向きが変わる光軸L1、L2が交互に互いに異なる方向に揺動して繰り返し所定の角度範囲で往復揺動する。この結果、本実施形態でも、測定点P1、P2が、被測定物202表面に沿ってZ方向に線状に繰り返し往復移動するように走査される。なお、回転機構116は、往復回転のほか、ミラー114を1方向に連続回転させることによっても、測定点P1、P2を、被測定物202表面に沿ってZ方向に同一線上において線状に繰り返し走査させることができる。
ミラー114及びこれを回転させる回転機構116は、上述のように測定点P1、P2を走査することにより、複数のセンサ106、108が複数の物理量を被測定物202の表面に沿って同一線上において測定するように走査を行う走査部として機能する。
制御ユニット104は、複数のセンサ106、108と回転機構116とを含むセンサヘッド102の動作を制御する制御部として機能する。制御ユニット104は、回転機構116を所定の角度範囲、所定の回転速度で交互に逆方向に繰り返し往復回転させることができる。これにより、制御ユニット104は、複数のセンサ106、108の測定点P1、P2を、被測定物202表面に沿ってZ方向に線状に往復移動するように所定の走査速度、所定の走査長で走査させることができる。
本実施形態のように、ミラー114及び回転機構116を含むセンサヘッド102の構成により測定点P1、P2を走査させることもできる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による光ファイバ母材の製造装置及び光ファイバ母材の製造方法について図4乃至図6を用いて説明する。なお、上記第1及び第2実施形態による測定装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
本実施形態では、製造装置20がVAD法による光ファイバ母材の製造装置であり、上記第1実施形態による測定装置10による被測定物202が合成中の光ファイバ母材であるスート堆積体である場合について説明する。本実施形態では、レーザ変位計であるセンサ106によりスート堆積体の寸法を測定し、放射温度計であるセンサ108によりスート堆積体の表面の温度を測定する。さらに、本実施形態による製造装置20は、測定装置10によるスート堆積体の測定結果を、スート堆積体を製造する際の条件である製造条件にフィードバックして、測定結果に応じて製造条件を適宜変更する。
まず、本実施形態による製造装置20について図4を用いて説明する。図4は、本実施形態による製造装置20を示す概略図である。
本実施形態による製造装置20は、第1実施形態による測定装置10による被測定物202として、VAD法により光ファイバ母材であるスート堆積体202aを合成して製造するものである。製造装置20は、壁204を含む反応容器の内部である区画206内において、スートを種棒212に堆積させてスート堆積体202aを合成する。
図4に示すように、本実施形態による製造装置20は、種棒212と、把持回転機構214と、引き上げ機構216と、バーナー218、220と、制御ユニット222とを有している。種棒212及びバーナー218、220は、壁204を含む反応容器の内部である区画206内に配置されている。なお、本実施形態では、重力が働く方向である鉛直方向をZ方向とし、X方向及びY方向をZ方向に対して直交する水平方向とする。
製造装置20に対しては、第1実施形態による測定装置10のセンサヘッド102が壁204を介して第1実施形態と同様に区画206外に設置されている。なお、本実施形態では、第1実施形態による測定装置10を用いる場合について説明するが、第1実施形態による測定装置10に代えて第2実施形態による測定装置10を用いることもできる。
こうして、測定装置10と、製造装置20、データサーバ30とを有し、VAD法によりスート堆積体202aを合成して製造する光ファイバ母材の製造システムが構成されている。
種棒212は、光ファイバ母材を形成するためのターゲットとなる棒材である。種棒212は、例えば石英ガラス棒である。後述するように、Z方向に中心軸が沿うように把持回転機構214により上端部が把持された種棒212の下端部である先端部には、バーナー218、220により生成された石英ガラスのガラス微粒子が堆積する。かかるガラス微粒子は、スートと呼ばれる。種棒212の先端部にスートが堆積することにより、スート堆積体202aからなる多孔質の光ファイバ母材が形成される。スート堆積体202aは、引き上げ機構216により種棒212が引き上げられるZ方向を長手方向として合成される。
把持回転機構214は、種棒212の中心軸がZ方向に沿うように種棒212の上端部を把持するとともに、種棒212の中心軸を回転軸として種棒212を回転可能に保持する。把持回転機構214は、制御ユニット222による制御に従って、種棒212の中心軸を回転軸として種棒212を回転させるように構成されている。把持回転機構214は、制御ユニット222による制御に従って、種棒212を回転させる回転速度を変更することができる。
引き上げ機構216は、制御ユニット222による制御に従って、把持回転機構214により把持されて回転されている種棒212をZ方向に沿って引き上げるように構成されている。引き上げ機構216は、把持回転機構214をZ方向に引き上げることにより、把持回転機構214により回転されている種棒212をZ方向に引き上げることができる。引き上げ機構216は、制御ユニット222による制御に従って、種棒212を引き上げる引き上げ速度を変更することができる。
バーナー218、220は、初期位置にある種棒212に対向するように設置されている。具体的には、クラッド用のバーナー218は、種棒212の側面に対向するように設置されている。コア用のバーナー220は、種棒212の下端部である先端部に対向するように設置されている。バーナー218、220は、制御ユニット222による制御に従って、X方向、Y方向及びZ方向における位置並びに火炎を噴出する向きを変更することができる。
バーナー218、220は、それぞれ種棒212の側面及び先端部に向けて、ガラス微粒子を生成するための火炎を噴出口から形成して噴出するバーナー部である。なお、バーナー部は、バーナー単体に限定されるものではなく、複数のバーナーが一体となったバーナーアレイであってもよい。バーナー218、220の数は、複数であってもよいし1つであってもよい。
バーナー218、220は、噴出口から火炎を形成してその火炎中に原料ガスを導入するため、火炎形成用ガス及び原料ガスを含む複数種のガスが供給されるようになっている。火炎形成用ガスは、例えば、水素等の燃焼性ガス、酸素等の助燃性ガスを含んでいる。複数のバーナー218、220に供給される複数種のガスは、例えば、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、原料ガス等である。原料ガスには、ガラスの原料となる四塩化ケイ素、屈折率を調整するためドーパント源となる四塩化ゲルマニウム等が含まれる。キャリアガス等としてアルゴンガスが適宜用いられる。
各バーナー218、220においては、水素ガス及び酸素ガスの燃焼により酸水素火炎が形成されるとともに、その酸水素火炎中に原料ガスが導入される。火炎に導入された原料ガスが火炎加水分解を受けることにより、ガラス微粒子が生成されて種棒212の側面及び先端部に堆積する。バーナー218、220に供給される原料ガスの構成を変更することにより、一方をコア用、他方をクラッド用として用いることができる。コア用のバーナーは、スート堆積体202aのコアに相当する部分を堆積させるために用いられる。クラッド用のバーナーは、スート堆積体202aのクラッドに相当する部分を堆積させるために用いられる。バーナー218、220に供給される複数種のガスの流量は、それぞれ制御ユニット222により制御されるマスフローコントローラ等を介して制御ユニット222により制御される。
制御ユニット222は、種棒212にスートを堆積してスート堆積体を製造する間、製造装置20の各部の管理及び制御を行う制御部として機能する。なお、制御ユニット222、データサーバ30及び測定装置10の制御ユニット104の機能の全部又は一部は、単一の制御装置により実現することもできる。
制御ユニット222は、ネットワークNWを介してデータサーバ30に通信可能に接続されている。制御ユニット222は、データサーバ30から測定装置10による測定結果データを取得して、取得した測定結果データに基づき、後述するように製造装置20の動作を制御してスート堆積体の製造条件を調整することができる。
次に、本実施形態による製造装置20による光ファイバ母材の製造方法についてさらに図5及び図6を用いて説明する。図5は、本実施形態による製造装置20の動作を示すフロー図である。図6は、本実施形態による製造装置20において測定されるスート堆積体202aの表面形状及び温度を模式的に示すグラフである。
図5に示すように、製造装置20は、把持回転機構214により把持された種棒212の先端部が初期位置に位置する状態からスート堆積体202aの製造を開始する(ステップS202)。スート堆積体202aの製造を開始するにあたり、制御ユニット222は、バーナー218、220を制御して複数のバーナー218、220により火炎を形成してスートの生成を開始する。また、制御ユニット222は、把持回転機構214を制御して、把持回転機構214による種棒212の回転を開始する。さらに、制御ユニット222は、引き上げ機構216を制御して、引き上げ機構216による種棒212の引き上げを開始する。こうして、製造装置20は、スートを種棒212の先端部に堆積させて種棒212の先端部にスート堆積体202aを合成していく。スート堆積体202aは、合成されていくにつれて、Z方向を長手方向とする棒状に成長していく。
測定装置10は、図2に示す第1実施形態と同様に、ステップS104にて製造装置20の動作状況をモニタし、製造装置20が動作している間、ステップS108、S110を繰り返して実行する。
ステップS108において、レーザ変位計であるセンサ106は、鉛直方向であるZ方向に走査される各測定点P1において、測定点P1における被測定物202とセンサ106との間の距離を測定する。測定点P1における被測定物202とセンサ106との間の距離、すなわち、測定点P1における被測定物202までの距離は、スート堆積体202aの形状を反映する物理量である。また、放射温度計であるセンサ108は、鉛直方向であるZ方向に走査される各測定点P2において、スート堆積体202aの表面の温度を測定する。
また、ステップS110において、制御ユニット104は、センサ106により測定された距離の測定値データ及びセンサ108により測定された温度の測定値データをデータサーバ30に送信する。
データサーバ30は、制御ユニット104から距離及び温度の測定値データを受信するたびに、図2に示すステップS112からステップS120までの各処理を実行して、スート堆積体202aについての測定結果データを取得する。データサーバ30は、測定装置10による測定の間、リアルタイムに若しくはほぼリアルタイムに又は所定の遅延時間で測定結果データを取得する。
ステップS112において、データサーバ30は、例えば、センサ106により測定された距離の測定値データに基づき、Z方向におけるスート堆積体202aの先端部の位置Eaを検出する。この場合、データサーバ30は、例えば、予め設定された閾値の距離が測定された測定点P1の位置を、Z方向におけるスート堆積体202aの先端部の位置Eaとして検出することができる。
また、ステップS114において、データサーバ30は、スート堆積体202aの先端部の位置Eaを基準に用いて、センサ106、108による距離及び温度の測定値データについてセンサヘッド102の位置ずれによる影響を補正することができる。
また、ステップS114において、データサーバ30は、測定点P1で測定されたセンサ106とスート堆積体202aとの間の距離を補正して、スート堆積体202aの形状を反映するスート堆積体202aの半径に変換することができる。この場合、データサーバ30は、回転ステージ110の回転角、被測定物202又は種棒212の基準位置とセンサ106との間のX方向の距離を用い、センサ106とスート堆積体202aとの間の距離を補正してスート堆積体202aの半径に変換することができる。
また、ステップS114において、データサーバ30は、測定点P1と測定点P2とが互いに一致せずにZ方向に所定の間隔を空けて隣接して走査される場合、測定点P1と測定点P2との位置ずれを補正する。これにより、センサ106により得られたスート堆積体202aの半径と、センサ108により得られたスート堆積体202aの表面の温度とをZ方向において対応させることができる。
また、ステップS116において、データサーバ30は、Z方向の位置を基準として、補正後の複数のセンサ106、108によるスート堆積体202aの半径及び表面の温度の測定値データを互いに関連付ける。
また、ステップS118において、データサーバ30は、スート堆積体202aの半径及びセンサ108により得られたスート堆積体202aの表面の温度を用いて、スート堆積体202aの各測定点における密度を計算式により計算して取得する。
また、ステップS120において、データサーバ30は、スート堆積体202aの半径、温度及び密度を含む測定結果データを互いに関連付けて記憶装置において記憶する。
図6は、ステップS112からステップS120が繰り返されることにより取得されたスート堆積体202aの半径及びスート堆積体202aの表面の温度を模式的に示すグラフである。図6中、縦軸は種棒212の位置を基準としたZ方向の位置、横軸はスート堆積体202aの半径を表している。図6において、個々の線は、測定点P1、P2の1走査ごとのスート堆積体202aの表面形状を示している。また、個々の線の濃淡は、スート堆積体202aの表面の温度を示している。スート堆積体202aは、図6中に矢印で示すZ方向に沿った方向に合成が進行する。
一方、図5に示すように、製造装置20の制御ユニット222は、データサーバ30からネットワークNWを介して測定結果データを取得する(ステップS204)。制御ユニット222は、スート堆積体202aの測定装置10による測定の間、リアルタイムに若しくはほぼリアルタイムに又は所定の遅延時間で測定結果データをデータサーバ30から取得する。制御ユニット222は、測定装置10による複数の物理量の測定結果である測定結果データに基づき、スート堆積体202aの製造条件を以下のようにして適宜変更して調整する。
次いで、制御ユニット222は、取得した測定結果データから、スート堆積体202aをガラス化して得られるガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量を推定して当該物理量の推定値を取得する(ステップS206)。なお、スート堆積体202aは、製造装置20において製造された後、例えば電気炉にて焼結することによりガラス化される。制御ユニット222は、所定の条件でスート堆積体202aをガラス化して得られるガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量を推定する。
推定するガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量は、例えば、コア径、クラッド径、外径等の母材の寸法、母材中のゲルマニウム等のドーパントの添加量、母材の密度等である。制御ユニット222は、測定結果データとガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量との関係に基づき、ガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量の推定値を取得することができる。制御ユニット222は、測定結果データとガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量との関係を、計算式、データベース、テーブル等の形式にて参照可能に記憶している。また、制御ユニット222は、測定結果データを入力として、学習済の機械学習モデルを用いてガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量の推定値を取得することもできる。
次いで、制御ユニット222は、測定結果データから推定したガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量の推定値と、当該物理量について予め設定された目標値との間のずれ量を算出する(ステップS208)。目標値は、任意に設定された値であってもよいし、推定に用いられた測定結果データが得られた測定から所定の時間前の時間等の基準の時間での測定から得られた測定結果データに基づいて決定された値であってもよい。制御ユニット222は、例えば、ガラス化後の光ファイバ母材のコア径、クラッド径、外径等の寸法、ドーパントの添加量等について推定値と目標値との間のずれ量を算出することができる。
次いで、制御ユニット222は、算出した推定値と目標値との間のずれ量が小さく又はなくなるように、製造中のスート堆積体202aの製造条件を適宜変更して調整する(ステップS210)。制御ユニット222は、製造条件として、例えば、バーナー条件、回転条件、引き上げ条件等を適宜変更することができる。こうして、制御ユニット222は、製造中のスート堆積体202aについて測定装置10により測定された測定結果データを当該製造中のスート堆積体202aの製造条件にフィードバックして、当該製造条件を適宜変更する。
バーナー条件は、例えば、燃焼性ガス、助燃性ガス、原料ガス等のバーナー218、220に供給するガスの流量、スート堆積体202aに対するバーナー218、220の火炎の相対位置等である。制御ユニット222は、バーナー218、220を制御することによりバーナー条件を適宜変更することができる。
回転条件は、把持回転機構214により種棒212及びこれに合成されるスート堆積体202aを回転する回転速度である。制御ユニット222は、把持回転機構214を制御することにより回転条件を適宜変更することができる。
引き上げ条件は、引き上げ機構216により種棒212及びこれに合成されるスート堆積体202aを引き上げる引き上げ速度である。制御ユニット222は、引き上げ機構216を制御することにより引き上げ条件を適宜変更することができる。
制御ユニット222は、例えば、ガラス化後の光ファイバ母材の物理量について設定された目標値を用いて、上記バーナー条件、回転条件及び引き上げ条件の少なくともいずれかを適宜変更して調整することができる。
制御ユニット222は、例えば、種棒212の重量変化を検出した結果、堆積したスートの厚さを検出した結果、製造開始からの経過時間等に基づき、スート堆積体202aの製造を終了するか否か判定する(ステップS212)。
制御ユニット222は、スート堆積体202aの製造を継続すると判定すると(ステップS212、NO)、ステップS204に移行する。こうして、制御ユニット222は、測定装置10により測定される測定結果データに応じて製造条件を適宜変更しつつスート堆積体202aの製造を継続する。
一方、制御ユニット222は、スート堆積体202aの製造を終了すると判定すると(ステップS212、YES)、製造装置20の各部の動作を停止してスート堆積体202aの製造を終了する。
このように、本実施形態による製造装置20は、製造中のスート堆積体202aについて測定装置10により測定された測定結果である測定結果データを、当該製造中のスート堆積体202aの製造条件にフィードバックして製造条件を適宜変更して調整する。すなわち、本実施形態による製造装置20は、製造中のスート堆積体202aについてセンサ106、108により複数の物理量を測定し、複数の物理量の測定結果に基づき、製造中のスート堆積体202aの製造条件を調整する。これにより、本実施形態による製造装置20は、スート堆積体202aの製造状況に応じて適切な製造条件を用いることができるため、高品質のスート堆積体202aを製造することができる。例えば、本実施形態による製造装置20は、長手方向の品質がより均一である高品質のスート堆積体202aを製造することができる。
このように、本実施形態によれば、高品質のスート堆積体202aを製造することができる。
なお、上記では、ステップS208において、測定結果データから推定したガラス化後の光ファイバ母材に関する物理量の推定値と当該物理量の目標値との間のずれ量を算出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。ガラス化後の光ファイバ母材の物理量について設定された目標値に代わる目標値を用いてスート堆積体202aの製造条件を調整することもできる。
例えば、ステップS206を省略するとともに、ステップS208において、測定結果データに含まれる複数の物理量のうちの少なくともいずれかの測定値と当該物理量について設定された目標値との間のずれ量を算出することができる。この場合、目標値は、任意に設定された値であってもよいし、対象の測定結果データが得られた測定から所定の時間前の時間等の基準の時間での測定から得られた測定結果データに基づいて決定された値であってもよい。この場合、制御ユニット222は、例えば、スート堆積体202aの半径等の寸法、表面の温度、密度等について測定値と目標値との間のずれ量を算出することができる。また、この場合、ステップS210において、制御ユニット222は、測定値と目標値との間のずれ量が小さく又はなくなるように、製造中のスート堆積体202aの製造条件を適宜変更して調整する。
こうして、センサ106、108により測定される複数の物理量の測定値の少なくともいずれかについて設定された目標値を用いて、上記バーナー条件、回転条件及び引き上げ条件の少なくともいずれかを適宜変更して調整することもできる。
また、上記では、製造中のスート堆積体202aについてセンサ106、108により複数の物理量を測定し、複数の物理量の測定結果に基づき製造中のスート堆積体202aの製造条件を調整する場合について説明したが、これに限定されるものではない。過去に製造されたスート堆積体202aについて測定装置10により測定された測定結果データを新たに製造する別のスート堆積体202aの製造条件にフィードバックして、当該製造条件を適宜変更することもできる。すなわち、一のスート堆積体202aについて測定装置10により測定された測定結果データに基づき、一のスート堆積体202aとは別のスート堆積体202aの製造条件を適宜変更して調整することもできる。これにより、複数のスート堆積体202aの間で品質の均一化を図りつつ複数のスート堆積体202aを製造することができる。
[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、測定装置10の測定対象である被測定物202が製造装置20において製造される被製造物である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。測定装置10は、被製造物のほか、あらゆる物体を測定対象とすることができる。
また、上記実施形態では、センサ106、108としてそれぞれ被測定物202と当該センサとの間を伝搬する光を利用して物理量を測定するものを用いたが、これに限定されるものではない。測定すべき被測定物202の物理量に応じて任意の測定原理のセンサを用いることができる。
また、上記実施形態では、センサ106、108として例えばレーザ変位計及び放射温度計を組み合わせて用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。測定すべき被測定物202の物理量に応じて任意の種類のセンサを任意の数で組み合わせて用いることができる。
また、上記第3実施形態では、製造装置20がVAD法により光ファイバ母材を製造する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。製造装置20は、例えばOVD法により光ファイバ母材を製造するものであってもよい。