JP2005106766A - 被加熱物品の表面温度測定方法、これを用いた加熱方法、及び光ファイバプリフォームの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所、及び熱源に晒されていないが昇温している領域内の少なくとも一箇所の表面温度を同時に測定し、熱源に晒されていない領域内の測定箇所での温度を反映して、熱源に晒されている領域内での測定箇所での温度を求めることを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法、及び前記の表面温度測定方法により被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所の表面温度を測定し、さらに被加熱物品の熱源に晒されていないが昇温している領域内の複数箇所の表面温度を測定して測定位置に対する温度分布を作成し、測定していない位置での表面温度を推定することを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法。
【選択図】 図2
Description
プラズマCVD装置としては、プラズマエネルギーで成膜される対象物の温度を非接触式温度計で測定するものが提案されている(特許文献2参照)。
また、特にガラス製品の場合、製品の種類や工程により、要求されるヒートゾーンの大きさや、ヒートゾーン内外の温度差などに違いがある。被加熱物品の最高温度だけを把握しても、ヒートゾーンの大きさなどはわからないため、適切に加熱の調整を行えないという問題があった。
(1)被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所、及び熱源に晒されていないが昇温している領域内の少なくとも一箇所の表面温度を同時に測定し、熱源に晒されていない領域内の測定箇所での温度を反映して、熱源に晒されている領域内での測定箇所での温度を求めることを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法。
(2)(1)記載の表面温度測定方法により被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所の表面温度を測定し、さらに被加熱物品の熱源に晒されていないが昇温している領域内の複数箇所の表面温度を測定して測定位置に対する温度分布を作成し、測定していない位置での表面温度を推定することを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法。
(4)(2)記載の表面温度測定方法において作成される温度分布が所望の形となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
(5)(2)記載の表面温度測定方法において作成される温度分布から推定される最高温度となっている位置と、そこから一定の距離だけ離れた位置の温度がそれぞれ所望の温度となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
(6)前記一定の距離が、被加熱物品が中実である場合は表面から物品の中心までの距離以上であり、中空である場合は物品の肉厚以上である(5)記載の物品の加熱方法。
(7)前記一定の距離が、被加熱物品が中実である場合は表面から物品の中心までの距離の50倍以下であり、中空である場合は物品の肉厚の50倍以下である(5)記載の物品の加熱方法。
(8)被加熱物品が中空であって、(1)又は(2)記載の測定方法により測定された被加熱物品の表面温度より内部表面温度を推定し、所望の内部表面温度となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
(9)被加熱物品がガラスであることを特徴とする(3)〜(8)のいずれか一項記載の物品の加熱方法。
(10)(3)〜(8)のいずれか一項記載の加熱方法によりガラス母材を加熱し、光ファイバプリフォーム又は光ファイバプリフォーム中間体を製造することを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。
(11)中空の石英ガラス体の内部に少なくとも一種のガラス原料となる化合物を導入し、(3)〜(8)のいずれか一項記載の加熱方法によりガラス体を加熱し、ガラス体内部に新規のガラス層を堆積させる(以下、MCVD法という)ことを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。
また、本明細書において「光ファイバプリフォーム」とは、そのまま線引きして光ファイバとなるガラス体であってもよいし、延伸、クラッド部の合成、コラプス、外周研削等の方法により、さらに加工された後に線引きして光ファイバとなるガラス体(光ファイバプリフォーム中間体)であってもよい。
被加熱物品も種類、形状とも特に制限はないが、棒状または管状の形状の物品を扱う場合に本発明は有効である。材質としては例えばガラスがあげられる。ガラス管やガラス棒は延伸や火炎研磨を目的として加熱される。また、ガラス管の場合にはガラス管を中実化するコラプス(ガラス管にロッドを挿入し、ガラス管とロッドを一体化するロッドインコラプスを含む)やMCVD法のための加熱も行われる。ガラス製品のほかにも金属、セラミクスなどを被加熱物品とすることができる。
本発明において用いられる温度計は、非接触式のものであれば特に制限はなく、放射温度計、輝度温度計、放射温度計の素子を2次元配置したものを用いたサーモトレーサーなどが使用できる。測定可能な温度範囲は一般的には、室温〜3000℃である。
また、熱源に晒されていない領域では表面温度が変化していないのに熱源に晒された領域内の表面温度は急激に変化している場合、それがノイズであるか実際の温度変化であるかを判断する基準としては、(1)フーリエ変換フィルターを用いてノイズ成分を判断する、(2)移動平均をとって比較判断する、(3)双方の表面温度の時間微分を比較する、などの手法を採用しうる。ここでいう「移動平均」とは、例えば直近の測定値i個の平均を逐次算出したものをいい、近くの測定値ほど重みが増すように各値に係数(an)を掛けてもよい。ただし、Σan(=a1+a2+・・・+ai)=iとする。
第一の発明の方法により求められた、熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所の測定結果を用いることにより、温度分布の精度や、推定される最高温度の確度がよくなる。熱源に晒されていないが昇温している領域内での測定箇所の数は、温度分布が作成できればいくつでもよく、測定箇所の位置も特に制限はないが、熱源に晒されている領域内での測定箇所も含め全体で3箇所以上(好ましくは熱源に晒されている部分、その前後の熱源に晒されていないが昇温している領域、でそれぞれ少なくとも1箇所ずつ)測定するのが好ましい。また、熱源に晒されている領域の両側にそれぞれ測定箇所が存在するほうが好ましい。温度分布は必ずしも熱源を中心とする左右対称の形にならないためである。
例えば熱源がプラズマバーナーである場合、加熱強度はプラズマ源に供給される電力、周波数、供給するガスの種類、流量、流速を変更することで調整される。加熱範囲は、供給するガスの流出範囲、バーナーと被加熱物品の相対距離を変更することで調整される。また、例えばバーナーを多重管にしておいてガスが流出する管を変更することで炎の大きさを調整する方法が考えられる。また、シャッターによって炎の出口の大きさを調整するなどの方法も可能である。加熱時間は、バーナーの相対的な移動速度を変更することで調整できる。
熱源が酸水素バーナーである場合は、加熱強度は供給するガスの流量、流速を変更することで調整される。加熱範囲は、供給するガスの流出範囲、バーナーと被加熱物品の相対距離を変更することで調整される。多重管やシャッターもプラズマバーナーと同様に採用できる。加熱時間はバーナーの相対的な移動速度を変更することで調整できる。
熱源がヒーターである場合は、加熱強度はヒーターに供給する電力を変更することで調整される。加熱範囲は、ヒーターのサイズ、ヒーターと被加熱物品の相対距離を変更することで調整される。加熱時間はヒーターの相対的な移動速度を変更することで調整できる。
別の加熱方法としては、上記第二の発明の方法において作成した温度分布の形が、予め設定した所望の形となるように調整するものがある。推定もしくは測定される被加熱物品表面の最高温度が同じでも、温度分布の形によって加熱の状態は大きく異なり、ヒートゾーンを狭くしたい場合又は広くしたい場合やヒートゾーン内外の温度差を急峻につけたい場合など、それぞれに応じた温度分布の形がある。単なる加熱温度ではなく、温度分布の形として加熱状態を調整することで、製造物や製造工程に応じて要求される適切な加熱を行うことができ、製品の品質や歩留まりを向上させることができる。
ヒートゾーンを広くしたい場合とは例えば、ガラス管を縮径する場合、太径のガラス管又は円柱状のガラス等を加工する場合であり、狭くしたい場合とは例えば、細径のガラス管又は円柱状のガラス等を加工(延伸等)する場合である。また、温度差を急峻につけたい場合とは例えば、MCVD法でガラス管内にガラス微粒子を堆積させる場合がある。
T1(t)(時間tにおける温度T1)とT2(t)(同T2)をそれぞれ周波数成分τ1(ω)、τ2(ω)にフーリエ変換し、両者を比較する。τ1(ω)で観測される成分のうち、τ2(ω)で観測される周波数成分をフィルタリングした後、T1(t)に変換し、熱源に晒されている領域の温度を求める。周波数成分は、温度T2(t)の安定性、放射温度計の測定精度等に大きく依存するが、数mHz〜数十Hz程度である。
温度の取り込み速度は例えば0.01秒に1回であり、これをi回分(移動速度100mm/分で移動距離0.5mmであればi=30。典型的にはiは5〜100)平均してT1とT2で比較する。平均化処理は単純な平均のほか、0014段落で述べたように近くの測定値ほど重みを増すように各値に係数をかけてもよい。または母集団i回の中心値(メジアン値)をとる例が挙げられる。
さらにこの移動平均T1 AVE(t)、T2 AVE(t)を測定時間に対して連続的に比較することができる。
ある時刻tiにおける温度差
ΔT(ti)=T1 AVE(ti)−T2 AVE(ti)
と、次の時刻(次の時刻とはtiから0.01〜1秒程度後の時刻)tiiにおける温度差
ΔT(tii)=T1 AVE(tii)−T2 AVE(tii)
の変動が大きい場合(例えば差が±5%以上のとき)T1 AVE(tii)は真の値でないと判断し、
T1 AVE(tii)=T2 AVE(tii)+ΔT(ti)
のように補正する。
dT1(t)/dtとdT2(t)/dtを時刻に対して連続的に比較する。
ある時刻taで
dT1(ta)/dt=k(ta)×dT2(ta)/dt
であり、次の時刻(次の時刻とはtaから0.01〜1秒程度後の時刻)tbで
dT1(tb)/dt=k(tb)×dT2(tb)/dt
であったとき、k(ta)とk(tb)を比較し、変動が大きい(例えば±5%以上)場合、tbは測定できていないと判断し、
dT1(tb)/dt=k(ta)×dT2(tb)/dt
としたうえで温度T1(tb)を補正する。
本発明の表面温度測定方法及び加熱方法は、光ファイバプリフォームの製造に用いることができる。ここで、光ファイバプリフォームの製造とは、ガラス管内表面の気相エッチング、ガラス微粒子堆積体の製造、透明ガラス化、縮径、脱水、火炎研磨、コラプスなどの各工程を含む。これらのうち、特に、MCVD法によるガラス微粒子堆積体の製造工程に好適に用いることができる。
(実施例1)
図5に示すようなプロファイルを持つ光ファイバの試作において、第二ディプレスト部となる、外径42mm、肉厚3mmのF添加SiO2パイプを準備する。
このパイプを気相エッチングで内表面を研削して清浄化するとともに平滑化する。このとき、パイプの内部圧力は外部圧力に対して+50Paとし、熱源はプラズマバーナー、熱源の移動速度は100mm/分とする。
温度測定は非接触式温度計を用い、図6(a)に示すように7点(熱源に晒されている領域で3点、晒されていない領域で4点)で行い、得られるパイプの表面温度分布から計算される最高温度Tmaxについて、図6(a)中、黒矢印で示した、熱源に晒されている領域から10mmだけ離れている箇所Bの表面温度TBの変動を反映させて、上述の第一の発明の方法で最高温度を求め(具体的には、最高温度Tmaxと黒矢印の点Bでの表面温度TBの関係は、Tmax=TB+600℃であるとし、Tmaxを推定した)、この温度が2000℃となるよう加熱強度を制御、調整する。この方法によれば、パイプの内面を均一径にエッチングでき、肉厚を2.80±0.03mmの範囲とすることが可能である。
これに対し熱源に晒されている部分の実測温度を用いた場合、温度が良好に測定できていないため、温度制御の実施が困難となり、肉厚が2.80±0.07mm程度まで変動してしまう。
実施例1で得られたパイプ内に、リング部となるGeO2添加SiO2ガラス層、及び第一ディプレスト部となるF添加SiO2ガラス層を、プラズマバーナーを熱源としたMCVD法により内付けする。この時、熱源の移動速度は100mm/分、パイプ内部の圧力はパイプの外径が42mmで均一となるよう、パイプ内部と外部の差圧が+100〜+400Paの範囲内となるようにパイプの内圧を制御する。
表面温度の測定方法及び最高温度の決定については実施例1と同様とするが、実施例1とは異なり決定された最高温度、温度分布、及びMCVD法を実施しているガラスパイプの肉厚から、パイプ内表面の温度を推定し、その内部温度が一定となるように制御を実施する。
例えば、GeO2−SiO2層の内付けを実施している際において、以下の制御を行う。なお、外表面の温度は放射温度計を用いて測定する。
(1)得られた外表面の温度分布から、1900℃以上となる範囲が75mmの一定値となるように、プラズマバーナーに流すガスの流量を制御する(図6(b))。
(2)MCVD法で内付けしたガラス膜の肉厚と、出発パイプの肉厚とから、ある層の内付けを実施しているときのパイプの合計肉厚を求める。合計肉厚を求めるには、直接測定してもよいし、測定できない場合は、MCVD法で内付けしているガラス層の層数と、出発パイプの形状とから算出してもよい。
(3)内表面の最高温度が1500℃となるように、ガラス表面の最高温度をコンピュータシミュレーションによって算出する。このとき、温度分布はある典型的な形状と仮定し、ガラスの比熱、熱伝導率などといった物性値から、所望とする内表面の温度を求める。
(4)MCVD法の内付け層毎に異なる、計算された最高温度となるように、プラズマバーナーに与える電力値を制御する。
このようにして得られた内付け層の屈折率の変動は極めて小さく、変動率で±0.5%以下であった。一方、ガラス表面の熱源に晒された部分の温度を制御する方式では、測定値のばらつきによって制御が困難となり、屈折率の変動率は±1%程度である。
実施例2で得られたパイプをプラズマバーナーにより熱縮径する。このとき、実施例1,2と同様の測定方法により、パイプ外表面の温度分布を求める。ここでは、最高温度が2300℃であり、かつ、1900℃以上となる領域が90mmとなるように加熱強度及び加熱範囲を制御する。
その結果、縮径後のパイプの外径が32.5mmとなった。また、この時の外径の楕円率は0.1%以下と良好である。(ここで、楕円率は、長軸の長さをa、短軸の長さをbとしたとき、{(a−b)×100}/{(a+b)/2}と定義する。)
実施例3で得られたパイプ内に、中心コア部となる領域及びその外周に第一ディプレスト部となる領域を有するガラスロッドを挿入し、プラズマバーナーで過熱し、パイプとロッドを一体化するというロッドインコラプスを実施する。このとき、ロッドとパイプとの空隙の圧力は絶対圧力で1kPaとなるようにし、実施例1と同様の方法でガラス表面の最高温度が1200℃になるように加熱強度を制御する。
その結果、外径が32mmであり、中心から順に中心コア部、第一ディプレスト部、第一リング部、第二ディプレスト部を有する、光ファイバ母材を得た。
クラッド部を合成した光ファイバ母材をガラス部の外径が125μmとなるように線引きし、光ファイバとした。その波長1550nmにおける伝送特性は、
伝送損失=0.19dB/km
分散=+8.0ps/nm/km
分散スロープ=+0.023ps/nm2/km
ケーブル状態でのカットオフ波長=1300nm
PMD=0.02ps/km1/2
Aeff=44μm2
と分散スロープが小さい、分散シフトファイバとして良好な特性を有する光ファイバを得ることができた。
また、MCVD法において、温度を正確に制御して内付けを実施することで、各特性の変動が小さい。分散特性については、ファイバ長20kmにおいて、分散値:8.0±0.5ps/nm/km、分散スロープ:+0.023±0.001ps/nm2/kmと極めて良好である。
2、2’、13、13’ 非接触式温度計
3、12 プラズマバーナー
4 筐体
5 窓
14 データ処理手段
15 制御手段
A 熱源に晒されている領域
Claims (11)
- 被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所、及び熱源に晒されていないが昇温している領域内の少なくとも一箇所の表面温度を同時に測定し、熱源に晒されていない領域内の測定箇所での温度を反映して、熱源に晒されている領域内での測定箇所での温度を求めることを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法。
- 請求項1記載の表面温度測定方法により被加熱物品の熱源に晒されている領域内の少なくとも一箇所の表面温度を測定し、さらに被加熱物品の熱源に晒されていないが昇温している領域内の複数箇所の表面温度を測定して測定位置に対する温度分布を作成し、測定していない位置での表面温度を推定することを特徴とする被加熱物品の表面温度測定方法。
- 請求項1記載の表面温度測定方法により測定された又は求められた熱源に晒されている領域内の測定箇所での表面温度が所望の温度となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
- 請求項2記載の表面温度測定方法において作成される温度分布が所望の形となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
- 請求項2記載の表面温度測定方法において作成される温度分布から推定される最高温度となっている位置と、そこから一定の距離だけ離れた位置の温度がそれぞれ所望の温度となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
- 前記一定の距離が、被加熱物品が中実である場合は表面から物品の中心までの距離以上であり、中空である場合は物品の肉厚以上である請求項5記載の物品の加熱方法。
- 前記一定の距離が、被加熱物品が中実である場合は表面から物品の中心までの距離の50倍以下であり、中空である場合は物品の肉厚の50倍以下である請求項5記載の物品の加熱方法。
- 被加熱物品が中空であって、請求項1又は2記載の測定方法により測定された被加熱物品の表面温度より内部表面温度を推定し、所望の内部表面温度となるように加熱強度、加熱範囲及び加熱時間から選ばれる少なくとも1つを調整することを特徴とする物品の加熱方法。
- 被加熱物品がガラスであることを特徴とする請求項3〜8のいずれか一項記載の物品の加熱方法。
- 請求項3〜8のいずれか一項記載の加熱方法によりガラス母材を加熱することを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。
- 中空の石英ガラス体の内部に少なくとも一種のガラス原料となる化合物を導入し、請求項3〜8のいずれか一項記載の加熱方法によりガラス体を加熱し、ガラス体内部に新規のガラス層を堆積させることを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。
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