JPH08510573A - 光ファイバを溶接するための電子的制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電極（１）の間に発生する電気アークにより光ファイバを永久接続する時、溶接の期間中、アークの中に発生する電力が測定される。雰囲気圧力が変化するといったような雰囲気条件が変動する時、この電力が一定に保たれる。溶接電圧を表す信号が、電圧分割器回路（Ｒ₁、Ｒ₂）の中央端子にタップ接続することにより得られる。溶接電流を表す信号が、抵抗器（Ｒ₃）の両端に発生する。これらの信号が乗算回路（２３）に入力される。乗算回路（２３）の出力信号が比較器（２９）の１つの入力に送られる。前記比較器の他の入力には、基準電圧（Ｕ_Ref）が供給される。比較器（２９）からのエラー信号が、電極（１）の間に電圧を発生するための回路に制御信号を供給する制御回路（３１）に対する入力信号である。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバを溶接するための電子的制御 技術分野 本発明は、電気アークを用いて光ファイバを溶接する、および／または、電気 アークを用いて光ファイバを加熱する際の、電子的制御に関する。さらに詳細に いえば、本発明は、電気アークの電気的諸量の制御に関する。 背景 光ファイバが電気アークの中で強く加熱されて溶接される場合、まわりの空気 の圧力が変化する時、アークに変動が起こる。この場合、空気の圧力が減少する と電気アークの両端の電圧が低下し、その結果、電気アークを流れる電流が減少 する。このことにより、電気アークの中およびそれにより加熱されるファイバの 領域内の温度が低下する。このために、低品質に溶接された接続部、通常は大き な減衰を有する、が作成される。 先行技術 外部の空気圧力の変動による影響を補償する種々の方法が提案されている。 フジクラ会社（Fujikura Ltd．）名の欧州特許出願ＥＰ−Ａ１ ０ ５０４ ５１９は、光ファイバの溶融融着のための電気アークを得るための放電装置２と 、周囲の大気の圧力に対応する信号を供給する圧力センサ６と、この圧力信号に 応答して放電の期間中最適の電流が放電装置２に供給されるように放電を制御す る「放電制御装置３」とを有する光ファイバ溶接装置を開示している。溶接電極 回路の中の抵抗器２５１から導線を通してのフィードバックにより、溶接電流を 一定に保持することができる。また、フジクラ会社（Fujikura Ltd．）名で公開 されている日本国特許出願ＪＰ−Ａ ６３−１０６７０６は、同様な種類の光フ ァイバ溶接装置を開示している。 カベルメタル電気会社（Kabelmetal electro GmbH）名で公開されているドイ ツ国特許出願ＤＥ−Ａ１ ３７ ２４ ９１４は、電気アークからのエネルギー を用いて２本の光ファイバを接続するための工程を開示している。この工程は、 特に、電気アークのまわりに存在する（ガスの）圧力の制御、および電気アーク を流れる電流の制御を含んでいる。 シザント（Szanto）らの米国特許ＵＳ−Ａ ５，００２，３５１は、光ファイ バのための溶解溶接装置に関している。この溶接装置は、その特許の要約によれ ば、「対向する電極の間にいったんアークが発生すれば、接続工程の期間中、一 定の電力が供給される」、ように構成されている。この特許の明細書では、「電 力」という用語は何を意味するのか、またはどのようにして「一定の電力」が達 成されるのか、は明確ではない。 要約 本発明の１つの目的は、高品質に溶接された接続部が得られる手段、すなわち 、電気アークの中で光ファイバを相互に溶接する時、減衰が小さくかつ良好な強 度を有する接続部が得られる手段、を提供することである。 本発明のまた別の目的は、周囲の空気に変動がある時でも、仕上った接続部の 品質が事実上同じであるように、光ファイバを相互に溶接する際に用いられる電 気アークの電気的諸量の制御を提供することである。 前記で説明された目的は、本発明による方法と装置により達成される。本発明 による方法と装置の詳細な特性は、請求の範囲に明確に示されている。 前記のようにして光ファイバが溶接される際、実際の電気アーク回路の中の電 力がフィードバックされる。この電力は、例えば、溶接電極の間の整流された電 圧、例えば全波整流された電圧、の平均値に対応する電圧と、アークの中を１つ の電極から他の電極へ流れる整流された電流、例えば全波整流された電流、の平 均値に同様に対応する電流と、の積として測定される。 この時、溶接中の電気アークの中に発生する電力の瞬間値に比例する第１電圧 を生成することができる。溶接の期間中電力が事実上一定であるように、電極の 間に高い電圧を発生するための回路を制御する制御回路に、この第１電圧がフィ ードバックされる。ここで、溶接電極を流れる電流を表すまたは溶接電極を流れ る電流に比例する第２電圧と、２つの溶接電極の間の電圧を表すまたは２つの溶 接電極の間の電圧に比例する第３電圧と、を発生することができる。この第２電 圧と第３電圧とが乗算回路の中で相互に乗算され、その結果、第１電圧が発生さ れる。 図面の簡単な説明 本発明は、下記の実施例と添付図面とを参照して、さらに詳細に説明される。 下記の実施例は例示された実施例であって、本発明の範囲がこれらの実施例に限 定されることを意味するものではない。 第１図は、電気アークの中で溶接中の光ファイバの、ファイバの断面方向から 見た、全体的な概要図。 第２ａ図と第２ｂ図は、光ファイバを溶接する際に用いられる電圧パルスの図 であって、第２ａ図は高電圧変圧器に送られる電圧パルスを時間の関数として示 した図、第２ｂ図は電極電圧の挙動を時間の関数として示した図。 第３図は、電極電圧において電気的に重要な量を周囲の空気の圧力の関数とし て示した図。 第４図は、光ファイバの間の接続部を一定の電極電圧の下で作成した時の減衰 を周囲の空気の圧力の関数として示した図。 第５図は、光ファイバを溶接する際に電気アークを発生するための電気回路の 、一部分がブロック形式で示された、回路図。 第６図は、第５図の回路図の一部分のまた別の実施例の図。 詳細な説明 第１図は、側方から見た電極１の概要図である。電極１は、電圧Ｕ_sekに接続 される。これらの電極は、電極１の先端の間に発生する電気アーク５により、１ 個または複数個の光ファイバ３を溶接するのに用いられる、または場合によって は単に加熱するのに用いられる。電気アーク５を発生するには、通常、交流電圧 が用いられる。この場合、電圧Ｕ_sekは典型的には周期的に変動する。 電圧Ｕ_sekは、通常、変圧器の２次巻線に発生する高電圧から得られる。この 変圧器の１次巻線にはパルス状の電圧Ｕ_primが供給される。詳細については、第 ５図およびその説明を参照。第２ａ図は、起動電圧パルスＵ_primを時間の関数と して示したグラフであり、そして第２ｂ図は、変圧器の２次巻線の両端および電 極１の間に得られる、２次電圧Ｕ_sekのグラフである。 １次電圧Ｕ_primは、典型的な場合、周期的に回帰する同様な形状の正および負 の方形電圧パルスである。電極間の電気アーク５の中の電流の大きさを変更する ために、またはそれと等価であるが電気アーク５の中の電力の発生を変更するた めに、この方形電圧パルスの幅が変えられる（パルス幅変調）。電圧パルスの幅 を変える替わりに、溶接電極１の間の電流を変化させるために（また、電気アー クの中に変化する電力を発生するために）パルスの高さを変える（振幅変調）こ とも用いることができる。パルスの周波数は、典型的には、２０ｋＨｚ〜３０ｋ Ｈｚの範囲内にある。 電気アーク５の中の特殊な物理的工程により、２次電圧Ｕ_sekは、すなわち電 極１の間の電圧は、第２ｂ図に時間の関数として示されているように、かなり複 雑な挙動をする。電気アークが点火される時、電極の間にまず大きな短い電圧パ ルスが発生することが分かる。この電圧パルスは点火電圧と呼ばれており、その 大きさはＶ_Tである。この点火電圧の後、電圧がほぼ一定でわずかに減少する期 間があり、その平均の電圧はＶ_Bである。この期間の電圧は燃焼電圧と呼ばれる 。電極１の間の電圧がなお同じ極性を保っている限り、このことが保持される。 電気アーク付近において周囲の空気の圧力が変化すると、電気アークの電気的 特性に変化が起こる。その１つの例が第３図に示されている。第３図は、電極の 間を流れる電流、したがって電気アーク５の中の電流、が一定の場合、燃焼電圧 Ｖ_Bを雰囲気空気の圧力の関数として示したグラフである。このグラフの曲線で 示されているように、燃焼電圧Ｖ_Bは雰囲気圧力に事実上比例して変化する。 変動する空気圧力に対する電気的条件が種々に変動すると、それは電気アーク ５の物理的条件に影響を与える。したがって、ある一定の溶接電流とある一定の 空気圧力に対して、２本の光ファイバ３の間で電気アークにより作成される接続 部の減衰ができるだけ小さい減衰を与えるように、ある周囲空気圧力に対して最 適の溶接電流が初期値として設定されたとすると、空気圧力が変化した時、同じ この溶接電流で溶接された接続部の減衰は増大することになるであろう。第４図 のグラフにこのことが示されている。第４図は、空気圧力が９５０ミリバールの 場合に小さな減衰を与えるように設定された一定の溶接電流に対し、ファイバの 永久接続部の損失、すなわち減衰、を雰囲気空気の圧力の関数として示したグラ フである。 変動する圧力の効果を補償するために、電気アークを発生するための従来の駆 動回路は、事実上一定の溶接電流が得られるように構成されている。けれども、 この駆動回路により、要求された適切な結果が必ずしも得られるとは限らなかっ た。すなわち、そのようにして作成された接続部の減衰は、圧力が変化した場合 、常に小さな値を保持するとは限らなかった。その代わりに、圧力が変動する環 境の中でファイバの接続部を作成する際、もし電気アークの中に発生する電力が 一定に保たれるならば、さらに前記で説明したのと対応するやり方で電力が周囲 の空気の圧力の初期値に対してファイバの接続部に小さな減衰を与えるように設 定されるとすれば、種々の周囲空気圧力で作成された接続部において、さらに良 好な安定度が得られ、かつその場合、ほぼ同じに小さな減衰が持続して得られる であろう。 第５図は、溶接アークの中の電力を一定に保つための１つの回路の図である。 第５図の回路図は、一部分がブロック形式で示されており、そして光ファイバ３ を溶接するために電気アーク５を発生するように設計されている。接続端子７お よび９の間に、直流電圧が加えられる。パルス幅変調回路１１がこの電圧を受け 取る。パルス幅変調回路１１は変圧器１５の１次巻線１３に、パルスで構成され る電圧Ｕ_primを出力する。第２ａ図を参照。このパルスの幅が制御される、すな わち、パルス幅変調が用いられる。 前記で説明したように、このパルス幅変調の代わりに、振幅変調を用いること ができる。この場合には、１次電圧Ｕ_primのパルスの高さが制御される。 変圧器１５において、１次巻線１３の電圧Ｕ_primが、２次巻線１７において高 い電圧Ｕ_sekに変換される。２次巻線の両端には、主として、１次巻線と一般的 に同じ特性を有する方形波電圧が誘起される。第２ａ図を参照。この方形波電圧 が、電気アークにより、２次電圧Ｕ_sekに変化する。２次巻線１７の２個の端子 は、２個の溶接電極１に接続される。２個の溶接電極１の間に電気アーク５が発 生し、それにより電極１の先端の間に配置された光ファイバが加熱され、および ／または、溶接される。 ２次電圧Ｕ_sekは非常に高く、典型的な場合には、５００ボルト〜１０００ボ ルトの程度である。この高い電圧を直接に測定することは適切でない。このため に、２個の抵抗器Ｒ₁およびＲ₂で構成される電圧分割回路の中間接続点から、２ 次巻線１７の電圧Ｕ_sekに比例する小さな電圧が引き出される。この電圧分割回 路の他の端子は、電極１に、即ち２次巻線１７の接続端子に接続される。これら の抵抗器の中の第２の抵抗器Ｒ₂の他の端子は、アースに接続される。引き出さ れた電圧、即ちＲ₂の両端の電圧は、アクティブ型全波整流器、即ち測定整流器 １９により整流される。整流器１９はまた、小さな電圧信号を整流するように設 計されている。電極の間の電気アークの点火の際に得られるパルス以外の、すな わち点火電圧Ｖ_Tに等しい高さを有するパルス以外の、電子回路から生ずる主に リップルのような非常に急速に変化する電圧変動を消去するために、例えばフィ ードバック・ループの中にダイオードを有する演算増幅器とフィルタ作用を行う 低域フィルタ２１とを備えた従来の方式で整流器１９を構成することができる。 第２ｂ図を参照。整流されそしてフィルタ作用を受けた電圧は、平滑化された直 流電圧の形状でもって、乗算器回路２３の１つの端子に送られる。この直流電圧 は、２次電圧Ｕ_sekの中の電圧パルスの平均の大きさを反映している、すなわち 雰囲気空気の圧力に応じて変化する燃焼電圧Ｖ_Bの大きさを実質的に反映してい る。 ２次巻線１７および溶接電極１を流れる電流に比例する電圧、すなわち溶接電 流に比例する電圧は、２次巻線１７と溶接電極１とで構成される回路の中に抵抗 器Ｒ₃を直列に接続することにより、従来の方法で取り出して測定することがで きる。抵抗器Ｒ₃の１つの端子はアースに接続される。抵抗器Ｒ₃の他の端子は２ 次巻線１７の１つの接続端子に接続され、そしてこの接続点から２次電流を表す 電圧を取り出すことができる。この２次電流を表す電圧を取り出す方法は、前記 で説明した２次電圧を表す電圧を取り出す方法と同じ方法で行われ、そして同じ ように処理される。したがって、この電圧は、まず、アクティブ型全波整流回路 、即ち測定整流器２５により整流され、そして低域フィルタ回路２７によりフィ ルタ作用を受ける。このようにして整流されそしてフィルタ作用を受けて得られ た電圧は、溶接電流に比例する。この電圧が、乗算回路２３の第２入力端子に送 られる。 乗算回路２３は、その入力に送られてくる２つの電圧を乗算するように設計さ れており、そしてその出力である第３接続線に乗算の結果を送り出す。この出力 線に送り出される電圧は、入力に送られてきた２つの電圧の積に比例し、したが って出力電圧は一般的に、これら２つの電圧の積に１つの因子Ｋを乗算したもの に等しいとすることができる。 次に、この積の電圧が、比較器２９の１つの入力に送られる。比較器２９の他 の入力には、基準電圧、すなわち制御電圧、Ｕ_refが図示されていない適切な方 法で供給される。例えば最も簡単な場合には、手動で調整可能なポテンシオメー タ回路（図示されていない）を用いる方法である。比較器２９の出力には、その ２つの入力の電圧の差に比例する電圧が出力される。比較器２９からの出力は、 制御回路３１に送られる。制御回路３１は、パルス幅変調回路１１に制御信号を 送り、それによりパルス幅変調回路１１が制御される。このパルス幅の調整は、 制御回路への入力の誤差信号ができるだけ小さくなるように行なわれる。 このように、電気アークを有する２次回路の電圧と電流の積が一定に保たれる ように、この積がフィードバックされる。この積は、変圧器１５の２次回路の中 に発生する電力、すなわち、実質的に電気アーク５の中に発生する電力、に比例 する。このフィードバックと、電力に比例する電圧を一定値に保持することとに より、前記で説明したように、この回路は雰囲気圧力の変動にあまり敏感ではな く、変動する空気圧力の環境の中で作成されたファイバの永久接続部に小さな減 衰を持続して保持することができる。 第６図は、第５図による回路の一部分に対するまた別の回路の詳細図である。 この回路の場合、乗算器回路２３からの出力はスイッチ３３に接続される。スイ ッチ３３がその正規の位置にある時、乗算器回路２３からの出力信号は、抵抗器 Ｒ₄を通り、そして演算増幅器３５の反転入力に送られる。演算増幅器３５は、 このような接続の場合、比Ｒ₅／Ｒ₄により定められる利得ｋ₁を有する増幅器と して動作する。抵抗器Ｒ₅は、演算増幅器３５の同じ反転入力とその出力との間 に接続された抵抗器である。演算増幅器３５の非反転入力には、基準電圧Ｕ_ref が供給される。ここには示されていないまた別の装置により、溶接工程の全体を 制御するために用いられる信号が、プロセッサ３７により得られる。演算増幅器 ３５の出力の電圧変動は、比例定数Ｋ₁が前記で説明した定数により与え られる時、演算増幅器３５の入力の電圧の間の差の変動に比例する。 プロセッサ３７は、アナログ信号Ｕ_refを発生するためのＤ／Ａ変換器３９と 、それぞれの溶接型に対し、適切な溶接電流Iにより与えられるような、対応す る基準値Ｕ_refが記憶されるテーブルのためのメモリ４１とを有する。基準値Ｕ_{r ef} は、図示されているような回路により、電気アークの中の電力の発生を決定す る。 演算増幅器３５の出力はさらに、比較器４３の反転入力に接続される。比較器 ４３は、第５図の制御回路３１で構成される。比較器４３の他の入力には、すな わちその非反転入力には、第２基準電圧Ｕ′_Refが供給される。比較器４３から の出力信号は、その入力の間に存在する電圧の差に比例する。比較器４３からの 出力信号は、パルス幅変調信号１１に送られる。 スイッチ３３の状態が変更される時、乗算器回路２３は非接続になり、その代 わりに、電気アークの中の電流を表す低域フィルタ２７からの電圧が、比較器４ ３の反転入力に直接に送られる。それは、溶接期間中の電流を一定に保つように 、溶接電流のみの制御を行う。このような制御は、例えば電極１の先端が非常に 悪い時のように、電力の制御が作動しない場合に対処するために必要となること がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２個の電極の間に発生する電気アークにより、光ファイバの２個の端部を 相互に溶接するための方法であって、溶接中の電力が一定に保持されることを特 徴とする、前記方法。 ２．請求項１記載の方法において、溶接中の電力の瞬間値に比例する電圧を発 生させ、溶接工程の期間中前記電力が事実上一定に保たれるように、電極に対す る電気的駆動装置の制御のための制御回路に前記電圧をフィードバックすること を特徴とする、前記方法。 ３．請求項１記載の方法において、溶接電極を流れる電流を表すまたは溶接電 極を流れる電流に比例する電圧を発生させ、溶接電極に加わる電圧を表すまたは 溶接電極に加わる電圧に比例する電圧を発生させ、その後これら２つの比例電圧 が相互に乗算されることを特徴とする、前記方法。 ４．２個の電極の間に発生する電気アークにより、光ファイバの２個の端部を 溶接により接続するための装置であって、溶接の期間中前記アークの電力を事実 上一定に保持するための手段を具備することを特徴とする、前記装置。 ５．請求項４記載の装置において、 電極に対する電気的駆動装置の制御のための制御回路と、 溶接中の電力の瞬間値に比例する電圧を発生する手段と、 溶接の期間中前記制御回路が電力を事実上一定に保持するように、これらの手 段から前記制御回路に前記電圧をフィードバックする導線と、 を具備することを特徴とする、前記装置。 ６．請求項４記載の装置において、 溶接電極を流れる電流を表すまたは溶接電極を流れる電流に比例する電圧を発 生する手段と、 溶接電極に加わる電圧を表すまたは溶接電極に加わる電圧に比例する電圧を発 生する手段と、 これら２つの比例するまたは表す電圧を相互に乗算する手段と、 を具備するとを特徴とする、前記装置。 ７．請求項６記載の装置において、前記乗算手段が２個の入力と１個の出力と を備えた乗算器回路を有し、前記乗算器回路の２個の入力が前記２つの電圧発生 手段に接続され、それらの入力に存在する電圧の積に比例する電圧信号が前記乗 算器回路の出力に供給されることを特徴とする、前記装置。 ８．請求項７記載の装置において、前記乗算器回路の前記出力端子が比較器の １つの入力に接続されることと、前記比較器の他の入力が一定の基準電圧を発生 する手段に接続されることと、前記比較器の出力が電極に対する電気的駆動装置 の制御のための制御回路に接続されることとを特徴とする、前記装置。 ９．請求項８記載の装置において、一定の基準電圧を発生するための前記手段 が、接続される光ファイバの形式に応じて種々の一定基準電圧を発生するように 構成されることを特徴とする、前記装置。