JPS63284506A - 単結晶ファイバの製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、例えばレーザ素子、光アイソレータ等の高
機能光素子、超耐熱性ファイバなどとして使用される単
結晶ファイバの製造装置に関する。

「従来の技術」 従来より、このような単結晶ファイバは、種々の製造装
置により製造されている。この中でも、例えば浮遊帯溶
融法（Ｆｌｏａｔ　Ｚｏｎｅ法：以下、ＦＺ法と言う。

）による製造装置は、高融点材料からなる単結晶ファイ
バも引上げ可能であるなどの点で有望視されている。

このような製造装置は、例えば第４図に示すように、結
晶ロッド（以下、ロッドと言う。）Ｒの上方への送出し
を行なうベルトローラ式のロッド送出し装置１と、この
ロッド送出し装置ｌにより送出されたロッドＲの上部を
加熱溶融する加熱装置２と、この溶融部Ｓに接触させた
種結晶（図示路）の上方への引上げを行ない、引上げら
れた種結晶の下部に単結晶ファイバ（以下、ファイバと
言う。）Ｆを成長させるベルトローラ式のファイバ引上
げ装置３から概略構成されている。

そして、このような構成の製造装置では、ロフト送出し
装置ｌおよびファイバ引上げ装置３としてベルトローラ
式のものを用いているので、ファイバＦの連続引上げが
可能であり、ファイバＦを長尺て製造することが可能で
ある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、このような製造装置では、例えばロッド
Ｒの外径が変動した際に、その変動に応じてロッドＲか
ら溶融部Ｓに供給される融液の量か増減するため、溶融
部Ｓにおける融液の人出量の均衡が崩れ、その結果ファ
イバＦにも外径変動か生しる問題があった。そして、こ
のようなファイバＦの外径変動は、その変動幅が僅かで
あっても、ベルトローラ式のファイバ引上げ装置３の振
動により増幅され易く、この場合には、溶融部Ｓの成長
点とファイノ＼Ｆとの相対的な位置関係が変動し、得ら
れるファイバＦの結晶方位が変動する問題もあった。

「問題点を解決するための手段」 そこで、この発明の単結晶ファイバの製造装置は、溶融
部内の成長点の位置を検出する検出手段と、上記溶融部
から引上げられつつある単結晶ファイバの外径寸法を計
測する計測手段と、この計測手段および上記検出手段に
よるデータに基づいて結晶ロッドの送出し速度および単
結晶ファイバの引上げ速度を制御しかつ結晶ロッドと単
結晶ファイバとの相対位置を制御する制御手段を具備し
たことにより、上記の問題点の解決を図った。

「実施例」 第１図は、この発明の第１実施例を示すもので、第２図
は、この発明の第１実施例の検出手段および計測手段に
より拡大視した溶融部を示すものである。

この発明による製造装置が第４図に示した従来の製造装
置と共通する構成部分については、同一符号を符し、そ
の部分の説明を省略する。

この発明による製造装置の構成が従来の製造装置の構成
と異なる点は、下記の通りである。

（１）溶融部Ｓ内の成長点Ｇの位置を検出する検出手段
が設けられた点。

（２）溶融部Ｓから引上げられつつあるファイバＦの外
径寸法を計測する計測手段が設けられた点。

（３）上記検出手段および計測手段によるデータに基づ
いてロッドＲの送出し速度およびファイバＦの引上げ速
度を制御しかつロッドＲとファイバＦとの相対位置を制
御する制御手段が設けられた点。

次に、このような検出手段、計測手段および制御手段の
具体的構成について詳述する。

この例の検出手段としては、第１図に示すように、Ｉ　
Ｔ　Ｖ　（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｅ１ｅｖｉｓｉｏ
ｎ；工業用テレヒ）カメラ４が用いられている。このＩ
ＴＶカメラ４は、その内部に備えられた実体顕微鏡によ
り第２図に示すように、溶融部Ｓおよびその近傍を拡大
視するとともに、溶融部Ｓ内の成長点Ｇの位置を輝度に
より検出するものである。そして、このようなＩＴＶカ
メラ４には、そのモニタの走査線の本数が例えば１００
０本以上の、いわゆる高品位のものか好適に用いられる
。これは、ｒＴＶカメラ４のモニタの走査線の本数が多
くなれば、分解能が向上し、画像がより鮮明となり、上
記酸長点Ｇの位置の検出をより正確に行なえることにな
るからである。また、このＩＴＶカメラ４は、溶融部Ｓ
およびその近傍を三次元的に観測するために、溶融部Ｓ
の周囲に複数配設されることが望ましく、この例におい
てはファイバＦの引上げ方向に直交する方向から溶融部
Ｓおよびその近傍を観測できる位置に２台のＩＴＶカメ
ラ４．４が配設されている。

この例の計測手段としては、上記のＩＴＶカメラ４．４
とこれらＩＴＶカメラ４．４にそれぞれ接続された寸法
計測装置５．５とから構成されている。

この寸法計測装置５は、上記のＩＴＶカメラ４のモニタ
の走査線の被計測部分に対応する本数を計数することに
より、第２図に示すように、溶融部Ｓから引上げられつ
つあるファイバＦの外径寸法Ｓ１、溶融部Ｓのファイバ
引上げ方向に沿う長さ寸法Ｓ、およびロッドＲの外径寸
法Ｓ３を計測するものである。

そして、これら寸法計測装置５．５は、いずれも入出力
インターフェース（以下、■１０バッファと言う。）６
を介して制御手段としてのプロセッサ７に接続されてい
る。このプロセッサ７は、ＩＴＶカメラ４．４により検
出された溶融部Ｓの成長点Ｇの位置、ＴＴＶカメラ４．
４および寸法計測装置５．５により計測されたファイバ
Ｆの外径寸法Ｓ１、溶融部Ｓのファイバ引上げ方向に沿
う長さ寸法Ｓ、およびロッドＲの外径寸法Ｓ３の各計測
値の変化に基づいてロッドＲの送出し速度およびファイ
バＦの引上げ速度を制御しかつロッドＲとファイバＦと
の相対位置を制御するものである。

そして、このプロセッサ７は、Ｉ１０バッファ６を介し
てロッド送出し装置１の駆動部分と、ファイバ引」−げ
装置３の駆動部分とにそれぞれ接続され、これらロッド
送出し装置ｌとファイバ引上げ装置３と上記プロセッサ
７とは速度制御機構を構成している。

また、上記のプロセッサ７は、ロッド送出し装置１およ
びファイバ引上げ装置３をそれぞれ載置するＸＹステー
ジ８．９にも接続されている。これらＸＹステージ８．
９は、ファイバＦの引上げ方向をＺ方向とした場合、そ
のＺ方向に直交するＸＹ方向に移動可能なもので、この
ものは上記プロセッサ７の命令によりＸＹ方向に移動す
るようになっている。そして、これらＸＹステージ８．
９と上記プロセッサ７とは、姿勢制御機構を構成してい
る。

次に、このような構成の製造装置を用いたファイバＦの
引上げ方法を説明する。この例の製造装置では、ロッド
送出し装置１、加熱装置２およびファイバ引上げ装置３
を用いたＦＺ法による一連のファイバＦの引上げを行な
う際に、常時、溶融部Ｓおよびその近傍を観測しながら
、溶融部Ｓの成長点Ｇの位置を検出するとともに、溶融
部Ｓおよびその近傍の観測データからファイバＦの外径
寸法Ｓ　Ｉｓ溶融部Ｓのファイバ引上げ方向に沿う長さ
寸法Ｓ、およびロッドＲの外径寸法Ｓ３を計測する。

ここで、溶融部Ｓの成長点Ｇの位置検出は、次のような
方法により行なわれる。すなわち、この例においては、
ＴＴＶカメラ４．４により溶融部Ｓからの放射光が受光
され、この放射光から溶融部Ｓの各点における輝度が検
出される。そして、溶融部Ｓ内の各点の輝度から最も高
い輝度を有する点か成長点Ｇとされる。次いで、この成
長点Ｇの移動は、固定されたＩＴＶカメラ４のモニタ上
の任意位置に設定された基準点Ｘにおける輝度を基準信
号としたうえで、この基準信号に対する比較信号として
出力される。なお、上記の基準点Ｘは、通常、モニタの
中心点とされる。

このようにして出力された比較信号は、Ｉ１０バッファ
６を介してプロセッサ７に送られて、比較信号が制御信
号とされたうえで、プロセッサ７から速度制御機構およ
び姿勢制御機構に出力される。

そして、上記の成長点Ｇの移動がＺ方向（ファイバＦの
引上げ方向）に沿うものであれば、上記の制御信号はロ
ッド送出し装置１の駆動部分およびファイバ引上げ装置
３の駆動部分にそれぞれ出力され、ロッドＲの送出し速
度およびファイバＦの引上げ速度が制御される。

また、成長点Ｇの移動がＸ方向、Ｙ方向（いずれも上記
Ｚ方向に直交する方向）に沿うものであれば、上記の制
御信号はロッド送出し装置ｌのＸＹステージ８およびフ
ァイバ引上げ装置３のＸＹステージ９にそれぞれ出力さ
れ、ロッドＲとファイバＦとの相対位置が制御される。

さらに、成長点Ｇの移動がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のい
ずれもの方向をも含むものであれば、上記の制御信号は
、速度制御機構および姿勢制御機構にそれぞれ出力され
、ロッドＲの送出し速度、ファイバＦの引上げ速度、ロ
ッドＲとファイバＦとの相対位置がそれぞれ制御される
。

また、溶融部Ｓおよびその近傍の各寸法を計測する際に
は、次のような方法により行なわれる。

すなわち、この例においては、上記ＩＴＶカメラ４．４
により得られた溶融部Ｓおよびその近傍のモニタから、
寸法計測装置５．５により、被計測部分に対応する走査
線の本数が計数される。そして、これら計測データは、
寸法計測装置５．５からＩ１０バッファ６を介してプロ
セッサ７に送られ、このプロセッサ７からは被計測部分
に対応する走査線の本数の変化に応じて速度制御機構あ
るいは姿勢制御機構に制御信号が出力され、各寸法８１
〜Ｓ３が適切な値となるように制御される。

なお、これら溶融部Ｓの成長点Ｇの位置検出および溶融
部Ｓの各寸法Ｓ、−９３の計測にあたっては、ＩＴＶカ
メラ４．４にそれぞれ特定波長光のみを通過させるフィ
ルタを取り付けることにより、ロッＩ”　Ｒと溶融部Ｓ
との固液界面、溶融部ＳとファイバＦとの固液界面およ
び溶融部Ｓの気液界面を明確にてき、より正確な検出お
よび計測を行なうことができる。

そして、このような制御を行なうことにより、溶融部Ｓ
内の成長点Ｇの位置が見掛は上不動となるように保持さ
れるとともに、溶融部Ｓから引上げられつつあるファイ
バＦの外径寸法Ｓ１、溶融部Ｓのファイバ引上げ方向に
沿う長さ寸法Ｓ、およびロッドＲの外径寸法Ｓ３の各寸
法がほぼ一定に制御される。

したがって、この製造装置によれば、見掛は上不動とな
るように保持された成長点Ｇと引上げられたファイバＦ
との相対的な位置関係を一定に保つことができるので、
上記ファイバＦを直線状のものとすることができる。ま
た、この製造装置によれば、ファイバＦの外径寸法Ｓ、
を常に計測し、この計測データに基づいて速度制御機構
および位置制御機構を動作させるようにしたので、得ら
れたファイバＦの外径をほぼ一定に制御することができ
る。

さらに、この例の製造装置によれば、ファイバＦの外径
寸法Ｓ、と同時に、溶融部Ｓの長さ寸法Ｓ２およびロッ
ドＲの外径寸法Ｓ３を計測するようにしたので、これら
各寸法Ｓ２およびＳ３の変化により、ファイバＦの外径
寸法Ｓｔおよび成長点Ｇの移動を事前に検知でき、これ
によって変化に対する対応を迅速なものとすることがで
きる。

第３図は、この発明の第２実施例を示すものである。こ
の例では、その検出手段および計測手段としてレーザ式
の外径測定装置ｌＯが用いられて＝１１＝ いる。この外径測定装置ＩＯは、溶融部Ｓにこの溶融部
Ｓの中心波長と異なる波長のレーザ光を照射し、この照
射光と溶融部Ｓの中心波長光との輝度差により現れろ後
方散乱パターンを測定することて、溶融部Ｓの成長点Ｇ
の位置および溶融部Ｓの各寸法を測定するものである。

そして、この外径測定装置１０は、レーザ光源１１とＣ
ＣＤアレイ１２と積分器１３から概略構成されている。

このＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄ　ｅ
ｖｉｃｅ；電荷結合素子）アレイ１２は、後方散乱パタ
ーンの光の強弱を電気信号に変換する光電変換素子であ
り、積分器１３は上記の後方散乱パターンを平均化処理
するものである。

そして、この例においては、レーザ光源１１からのレー
ザ光がビームスプリッタ１４、反射鏡１５．１６を介し
て溶融部Ｓに照射され、この照射光の後方散乱パターン
は二つのＣＣＤアレイ１２．１２により観測される。そ
して、ＣＣＤアレイ１２の表面に多数配設されたフォト
ダイオード（以下、Ｉ）　Ｄと言う。）により、溶融部
Ｓ内の輝度が＝１２− 計測され、これにより成長点Ｇの位置および溶融部Ｓの
各寸法が検出あるいは計測される。次いで、これらのデ
ータは、積分器１３、Ｉ１０バッファ６を通じてプロセ
ッサ７に送られる。次に、このプロセッサ７からは、上
記の散乱パターン中の成長点である成長点Ｇの位置が見
掛は上不動となるように、または溶融部Ｓの各寸法が適
切な範囲で一定となるように、速度制御機構および姿勢
制御機構に制御信号が出力される。

この例においては、ＣＣＤアレイ１２に用いられている
ＰＤの設置数を増やすことにより、検出および計測の精
度の向上を図ることができるなどの優れた効果が得られ
る。

「実験例」 第１図に示した製造装置を用いて外径的１ｍｍのサファ
イア結晶からなるロッドから外径３００μ屑程度のサフ
ァイア単結晶からなるファイバの引上げを行なった。ず
なわち、上記ロッドの溶融部から２つのＩＴＶカメラを
それぞれ約８０＋ｍ＋＋離して設置した。これらのＴＴ
Ｖカメラは、そのモニ夕の走査線が１０２４本のもので
ある。そして、このｒＴＶカメラの視野に溶融部および
その近傍の２Ｉ角の部分を入れるようにしたので、この
ＩＴＶカメラの分解能は約２μ肩となった。そして、加
熱手段としては、出力１８ｗの炭酸ガスレーザを用いた
。

そして、ＩＴＶカメラにより検出した成長点の位置、寸
法計測装置により計測したファイバ外径寸法、溶融部の
長さ寸法およびロッドの外径寸法の各変化に基づいて、
ロッドの送出し速度、ファイバの引上げ速度およびロッ
ドとファイバとの相対位置を制御したところ、長さ７０
０■、外径３００μｍのファイバを±３μｍ程度の外径
公差で引上げることができた。このファイバは、その直
線状のものであり、高品質のものであった。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明の製造装置は、成長点の
位置を検出する検出手段と、この検出データに基づいて
ロッドの送出し速度、ファイバの引上げ速度およびロッ
ドとファイバとの相対位置を制御する制御手段を設けた
ものであるので、溶融部の成長点の位置をほぼ一定に保
持できるとともに、この成長点とファイバとの相対的な
位置関係をほぼ一定とすることができる。したがって、
この製造装置からは、たとえ引上げ装置にベルトローラ
式のものを用いても直線状のファイバを長尺で得ること
ができる。

また、この製造装置は、ファイバの外径を常に計測する
計測手段と、この計測データに基づく上記の制御手段を
設けたものであるので、はぼ一定の外径に制御されたフ
ァイバを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例を示す概略構成図、第
２図は、この発明の第１実施例の計測手段により拡大視
した溶融部を示す概略構成図、第３図は、この発明の第
２実施例を示す一部を省略した概略構成図、第４図は、
従来のファイバの製造装置を示す概略構成図である。 Ｒ・・・ロッド（結晶ロッド）、Ｓ　・溶融部、Ｆ・・
・ファー　１り− イバ（単結晶ファイバ）、Ｇ・・・成長点、４−　Ｉ　
Ｔ　Ｖカメラ（検出手段および計測手段）、５・・寸法
計測装置（計測手段）、７・・・プロセッサ（制御手段
）、８．９・・ＸＹステージ（制御手段）、１０・・・
外径測定装置（検出手段および計測手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 結晶ロッドを上方へ送出しつつこの結晶ロッドの上部を
   加熱溶融し、この溶融部から単結晶ファイバを引上げる
   単結晶ファイバの製造装置において、 上記溶融部内の成長点の位置を検出する検出手段と、上
   記溶融部から引上げられつつある単結晶ファイバの外径
   寸法を計測する計測手段と、この計測手段および上記検
   出手段によるデータに基づいて結晶ロッドの送出し速度
   および単結晶ファイバの引上げ速度を制御しかつ結晶ロ
   ッドと単結晶ファイバとの相対位置を制御する制御手段
   が具備されたことを特徴とする単結晶ファイバの製造装
   置。