JP2008273798A - ガラス体延伸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】延伸後のガラス体の内部の屈折率構造の長手方向に沿った変動を抑制することができるガラス体延伸方法を提供する。
【解決手段】ガラス体２０の長手方向のうち加熱源１３による加熱によって芯部２１の外径が減少途中にある範囲において、外径測定装置１４により芯部２１の外径を測定する。この測定された芯部２１の外径に基づいて、延伸後の芯部２１の外径が所望値となるように、保持部１１と保持部１２との離間速度またはガラス体２０の長手方向への加熱源１３の移動速度を決定する。そして、この決定された速度に基づいて、保持部１２または加熱源１３を移動させてガラス体２０を延伸する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス体延伸方法に関するものである。

光ファイバ母材を線引きして製造される光ファイバは、径方向の屈折率分布に依存した特性を有することから、所望の特性を有するには所望の屈折率分布を有していることが必要である。また、光ファイバの特性に対する精度要求の高まりに応じて、光ファイバの屈折率分布に対する精度要求も高くなってきている。このような要求に応えるため、所望の屈折率分布を有する光ファイバ母材を高精度に製造することができる方法が求められている。

ところが、光ファイバ母材を製造する過程の１工程である中間母材を延伸する際に、延伸精度が低下すると、屈折率構造が軸方向で変化してしまうという問題があった。特許文献１には、このような問題を解消することを意図した発明が開示されている。この文献に開示された発明では、延伸中に中間母材の外径を測定して、この測定された外径に基づいて中間母材の延伸速度を制御する。
特表２００４−０００７４０号公報

しかしながら、上記公報に開示された発明では、中間母材の内部の屈折率構造と中間母材の外径との倍率が長手方向で一様でない場合、中間母材の外径が一定となるように中間母材を延伸しても、中間母材の内部の屈折率構造が長手方向に変動してしまうことが不可避である。

これに加え、延伸中に中間母材の一部が加熱により蒸発する。延伸中の加熱プロファイルの変化等により、この蒸発量が長手方向でばらつくことにより、延伸後の仕上がり外径を精密に制御しても、中間母材の内部の屈折率構造が長手方向に変動してしまうことがあった。

このような問題は、光ファイバ母材を製造する過程の１工程である中間母材を延伸する際だけでなく、一般に、略円柱状の芯部と芯部を取り囲む外周部とを含み芯部および外周部それぞれの屈折率が互いに異なるガラス体を延伸する際にも存在する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、延伸後のガラス体の内部の屈折率構造の長手方向に沿った変動を抑制することができるガラス体延伸方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガラス体延伸方法は、略円柱状の芯部と芯部を取り囲む外周部とを含み芯部および外周部それぞれの屈折率が互いに異なるガラス体の両端部を第１保持部および第２保持部により保持し、ガラス体の長手方向に移動する加熱源によりガラス体を加熱し軟化させて延伸する方法である。本発明に係るガラス体延伸方法は、(1) ガラス体の長手方向のうち加熱源による加熱によって芯部の外径が減少途中にある範囲において第１外径測定装置により芯部の外径を測定し、(2)この測定された芯部の外径に基づいて、延伸後の芯部の外径が所望値となるように、第１保持部と第２保持部との離間速度またはガラス体の長手方向への加熱源の移動速度を決定し、(3)この決定された速度に基づいて、第１保持部もしくは第２保持部または加熱源を移動させてガラス体を延伸することを特徴とする。本発明では、延伸中の芯部の外径の測定値に基づいて制御を行うことにより、延伸後のガラス体の内部の屈折率構造の長手方向に沿った変動を抑制することができる。

本発明に係るガラス体延伸方法では、第１外径測定装置が撮像部を含み、ガラス体を撮像部により撮像し、この撮像により得られた画像に基づいて芯部の外径を測定するのが好適である。また、本発明に係るガラス体延伸方法では、第１外径測定装置が、ガラス体を挟んで一方側に設けられた撮像部と、他方側に設けられた明部および暗部を有する背景画像を表示する表示部と、を含み、ガラス体を通して背景画像を撮像部により撮像し、この撮像により得られた画像に基づいて芯部の外径を測定するのも好適である。この画像を解析することで、ガラス体の芯部の外径を高精度に測定することができる。

本発明に係るガラス体延伸方法では、複数の第１外径測定装置を用いてガラス体の長手方向に沿って複数点で芯部の外径を測定し、この測定された複数点での芯部の外径に基づいて、延伸後の芯部の外径が所望値となるように、第１保持部と第２保持部との離間速度またはガラス体の長手方向への加熱源の移動速度を決定するのが好適である。この場合には、複数点での芯部の外径の測定値に基づいて多変量解析を行うことにより、延伸中の芯部の外径に応じた最適な制御を行うことができる。

本発明に係るガラス体延伸方法では、加熱源によるガラス体の加熱の際にガラス体の温度が１５００℃を越えないようにガラス体を加熱しながら延伸するのが好適である。この場合には、ガラス体の被加熱部位の温度を１５００℃以下とすることにより、延伸が可能となる粘性を得ながら、画像の取得が可能となる。

本発明に係るガラス体延伸方法では、ガラス体の長手方向のうち延伸後の範囲において第２外径測定装置により芯部の外径を測定し、この測定された芯部の外径に基づいて、ガラス体の長手方向に沿った第１外径測定装置による外径測定位置と加熱源による加熱位置との間の距離を決定し、この決定された距離に基づいて第１外径測定装置を配置するのが好適である。

本発明によれば、延伸後のガラス体の内部の屈折率構造の長手方向に沿った変動を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１および図２は、ガラス体２０を延伸する延伸装置１の構成図である。図１は、延伸装置１における保持部１１、保持部１２、加熱源１３、外径測定装置１４および放射温度計１５それぞれの配置を示している。図２は、特に、芯部２１および外周部２２を含むガラス体２０の構造を説明するとともに、ガラス体２０の長手方向における外径測定装置１４による外径測定の位置を説明するものである。

延伸されるべきガラス体２０は、略円柱状の芯部２１と、芯部２１を取り囲む外周部２２とを含み、芯部２１および外周部２２それぞれの屈折率が互いに異なるものである。ガラス体２０は、例えば、光ファイバ母材であり、或いは、光ファイバ母材を製造する際の途中段階である中間母材であり、より具体的には、石英ガラスを主成分とするシングルモード光ファイバのコアとなるべき部分を含む。ただし、ガラス体２０は、これらに限られない。

このガラス体２０は、一方の端部が保持部１１により保持され、他方の端部が保持部１２により保持される。このとき、ガラス体２０の両端それぞれにダミー棒が融着されていて、このダミー棒が保持部１１，１２により保持されていてもよい。保持部１１および保持部１２の双方または何れか一方は、両者を結ぶ直線に沿って移動することが可能であり、したがって、保持部１１と保持部１２との間の距離が可変である。

加熱源１３は、ガラス体２０を加熱して軟化させるものであり、好適には、酸水素バーナ、抵抗炉、誘導炉、プラズマバーナ等である。加熱源１３とガラス体２０との間の距離が可変であり、これにより、加熱源１３によるガラス体２０の加熱の範囲が調整可能となる。外径測定装置１４は、ガラス体２０の長手方向のうち加熱源１３による加熱によってガラス体２０内部の芯部２１の外径が減少途中にある範囲（図２中の範囲ａ）において芯部２１の外径を測定する。放射温度計１５は、ガラス体２１の被加熱部位の温度を被接触で測定するものである。これら加熱源１３，外径測定装置１４および放射温度計１５それぞれは、ガラス体２０の長手方向に移動することが可能である。

以降では、図１および図２において、保持部１１，１２のうち左にある保持部１１が位置固定され、保持部１２が右方に移動するものとし、また、加熱源１３，外径測定装置１４および放射温度計１５それぞれがガラス体２０の右端から左端に向かって移動するものとして、ガラス体２０を加熱し軟化させて延伸するものとする。

本実施形態に係るガラス体延伸方法では、ガラス体２０の長手方向のうち加熱源１３による加熱によって芯部２１の外径が減少途中にある範囲（図２中の範囲ａ）において、外径測定装置１４により芯部２１の外径を測定する。この測定された芯部２１の外径に基づいて、延伸後の芯部２１（図２中の範囲ｂにおける芯部２１）の外径が所望値となるように、保持部１１と保持部１２との離間速度またはガラス体２０の長手方向への加熱源１３の移動速度を決定する。そして、この決定された速度に基づいて、保持部１２または加熱源１３を移動させてガラス体２０を延伸する。

このように、ガラス体２０の外周部２２の外径ではなく芯部２１の外径を外径測定装置１４により測定して、この測定値に基づいて、延伸後の芯部２１の外径が所望値となるように、保持部１２または加熱源１３の移動速度に対してフィードバック制御を行って、ガラス体２０を延伸する、これにより、ガラス体２０の火研量（酸水素炎で削り取られるガラス体２０の外周部分の量）に左右されず、所望の屈折率構造を得ることができる。

外径測定装置１４は、ガラス体２０の側方からガラス体２０を撮像部により撮像し、この撮像により得られた画像を処理することで芯部２１の外径を測定してもよい。撮像部は例えばＣＣＤカメラである。この撮像部により撮像された画像を解析することで、ガラス体２０の内部にある芯部２１の外径を測定することができる。

また、図３に示されるように、外径測定装置１４は、ガラス体２０を挟んで一方側に設けられた撮像部１４Ａと、他方側に設けられた明部および暗部を有する背景画像を表示する表示部１４Ｂと、を含んでいてもよい。この場合、ガラス体２０を通して背景画像を撮像部１４Ａにより撮像すると、この撮像により得られる画像は、ガラス体２０内部の屈折率構造に応じて背景画像が歪んだものとなる。この画像を解析することで、芯部２１の外径を高精度に測定することができる。

表示部１４Ｂにより表示される背景画像は、図３または図４（ａ）に示されるように明部と暗部との境界が１本の直線で表されるものであってもよいし、図４（ｂ）に示されるように撮像部１４Ａから見たときにガラス体２０の中心軸に対して対称なものであってもよい。後者の場合には、撮像部１４Ａの撮像により得られる画像において明部と暗部との境界の識別性が優れ、芯部２１の外径を更に高精度に測定することができる。

また、図５に示されるように、複数の外径測定装置を用いてガラス体の長手方向に沿って複数点で芯部の外径を測定してもよい。このとき、各々の外径測定装置により、ガラス体２０の長手方向のうち加熱源１３による加熱によって芯部２１の外径が減少途中にある延伸中の範囲において少なくとも１箇所で芯部２１の外径を測定する他、この延伸中の範囲において他の箇所でも芯部２１の外径を測定してもよいし、ガラス体２０の長手方向のうち延伸前の範囲において芯部２１の外径を測定してもよいし、また、ガラス体２０の長手方向のうち延伸後の範囲において芯部２１の外径を測定してもよい。

このようにガラス体２０内部の構造を複数点で測定して、この測定された複数点での芯部２１の外径に基づいて、延伸後の芯部２１の外径が所望値となるように、保持部１２の移送速度または加熱源１３の移動速度を決定する。延伸前、延伸中、延伸後及び保持部速度を蓄積し、多変量解析を逐次行うことにより、延伸中の芯部２１の外径に応じた最適な保持部移動速度を算出することができる。

加熱源１３によるガラス体２０の加熱の際にガラス体２０の温度が１５００℃を越えないようにガラス体２０を加熱しながら延伸するのが好ましい。ガラス体２０の加熱温度が高くなりすぎると、ガラス体２０からの発光が強くなるので、ガラス体２０の画像を取得することが困難となり、ひいては、芯部２１の外径を精確に測定することが困難となる。これに対して、ガラス体２０の被加熱部位の温度を１５００℃以下とすることにより、延伸が可能となる粘性を得ながら、画像の取得が可能となる。

また、ガラス体２０の長手方向のうち延伸後の範囲において外径測定装置により芯部の外径２１を測定し、この測定された芯部２１の外径に基づいて、ガラス体２０の長手方向に沿った外径測定装置１４による外径測定位置と加熱源１３による加熱位置との間の距離を決定し、この決定された距離に基づいて外径測定装置１４を配置するのが好ましい。

ガラス体２０の軟化部の範囲のうち、仕上がり径に近い所で測定した芯部２１の外径に基づいて制御を行えば、制御値と仕上がり径との差が小さくなるので、仕上がり径の精度が向上し、径の長手方向の変動は小さくなる。しかし、被測定部位が被加熱部から遠くなると、制御の時間遅れが大きくなるので、仕上がり径を安定に制御することが困難となる。また、被測定部位を被加熱部に近い位置にすると、制御性は良くなるが、制御径の値と仕上がり径との差が大きいことから、その影響が仕上がり径に現れ易く、径変動が起こりやすくなる。したがって、一般には、この制御の応答性と外径変動の安定性とのトレードオフとして、ガラス体２０の被加熱部位から一定の距離だけ離れたテーパー状の軟化部の範囲において経験的に発見した最適位置で芯部２１の外径を測定し、引っ張り速度を制御する。図６に示されるように、延伸工程中に加熱源１３と外径測定位置との距離を変更しながら、芯部２１の外径の単位長さ当たりの変動量をモニタし、最も仕上がり径の変動が小さくなる位置を探すことで、初期形状によらず最適な外径測定位置を見つけることができる。

以上に説明したようなガラス体製造方法を用いてガラス体を延伸すると、少なくとも長さ１００ｍｍ当たりの軸方向の芯部の外径の変化が５０μｍ以下であるようなガラス体を得ることができる。

以下では、より具体的な実施例について説明する。図１および図２に示されるような延伸装置１を用い、ガラス体２０の両端にダミー棒を融着して、このダミー棒を保持部１１，１２により保持した。加熱源１３として酸水素バーナを用い、芯部２１の外径の制御が安定になるようにガラス体２０からの距離を５３ｍｍとした。外径測定装置１４として図３に示された構成のものを使用し、撮像部１４ＡとしてＣＣＤカメラを使用し、表示部１４Ｂとして液晶表示パネルを使用し、表示部１４Ｂに表示される背景画像は図４（ａ）に示されたものとした。

延伸すべきガラス体２０は、石英ガラスを主成分とする円柱状のものであって、延伸に供する初期の長さが約６００ｍｍであり、図７に示されるように外周部２２の屈折率に対して芯部２１の最大比屈折率差が１.２％であった。延伸前のガラス体２０の芯部２１の外径ｄおよび外周部２２の外径Ｄそれぞれの長手方向の変動は、図８に示されるとおりであった。

このようなガラス体２０に対して、第１回の延伸により芯部２１の外径を約７.０ｍｍΦとなるように仮延伸し、第２回の延伸により芯部２１の外径を目標径である５.０ｍｍΦとなるように延伸した。第１回および第２回それぞれにおいて、測定された芯部２１の外径に基づいて、芯部２１の外径ｄが所定の径となるように保持部１２の速度へフィードバックしながら、芯部２１の外径ｄが長手方向に渡って一定となるように延伸を行った。

第１回の延伸の開始直後の長さ５０ｍｍのガラス体部分を用いて、延伸後の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動が小さくなるように、加熱源１３と外径測定位置との間の距離の最適化を行った。加熱源１３と外径測定位置との間の距離に対して、延伸後の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動（平均値に対する標準偏差）は、図９に示される結果となった。また、加熱源１３と外径測定位置との間の距離が５.０ｍｍ及び４.６ｍｍそれぞれの場合において、延伸後の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動は、図１０に示される結果となった。この結果から、加熱源１３と外径測定位置との間の距離を５.０ｍｍとした。

また、延伸中のガラス体２０の最高温度は１４００℃であった。この温度では、表示部１４Ｂに表示させた背景画像を撮像部１４Ａにより明瞭に撮像することができた。

第２回の延伸の後のガラス体２０の芯部２１の外径ｄおよび外周部２２の外径Ｄそれぞれの長手方向の変動は、図１１に示されるとおりであった。この図に示されるように、本実施例のガラス体延伸方法を用いることにより、延伸後のガラス体２０の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動が±０.０５ｍｍ以下である領域が長さ２０００ｍｍ以上に亘って得られていることが判る。

本実施例のガラス体延伸方法（芯部の外径ｄを制御する方法）を用いた場合に、延伸後のガラス体の芯部の外径の長手方向の標準偏差を２倍した値(２σ(d))の頻度分布は、図１２に示されるとおりである。一方、特許文献１に記載された従来技術のガラス体延伸方法（外周部の外径Ｄを制御する方法）を用いた場合に、延伸後のガラス体の芯部の外径の長手方向の標準偏差を２倍した値(２σ(d))の頻度分布は、図１３に示されるとおりである。これらの図において、延伸前のガラス体の芯部および外周部それぞれの外径の比(Ｄ／ｄ)の長手方向の標準偏差を２倍した値(２σ(D/d))が０.０１未満、０.０１以上０.０３未満および０.０３以上の３つの場合それぞれについて、頻度分布が示されている。

このように、本実施例においては、初期の比(Ｄ／ｄ)の長手方向の偏差(２σ(D/d))が大きくなっても、延伸後のガラス体において芯部の外径の長手方向の偏差(２σ(d))を６０ｍｍ以下に制御できている。一方、従来技術では、外周部の外径Ｄが一定になるように制御しているので、初期の比(Ｄ／ｄ)の長手方向の偏差(２σ(D/d))が大きくなると、延伸後の芯部の外径ｄを一定に制御することができなくなり、芯部の外径の長手方向の偏差(２σ(d))が悪化することが判る。

本実施例では、ガラス体の芯部の外径ｄが一定になるように延伸を実施したが、長手方向に異なる目標値を設定し延伸する場合にも有効である。また、延伸後のガラス体の外径が一定になるように研削することにより、延伸により形成した芯部の外径ｄの長手方向の分布を保ったまま、ガラス体を加工することが容易となる。

ガラス体２０を延伸する延伸装置１の構成図である。 ガラス体２０を延伸する延伸装置１の構成図である。 外径測定装置１４の一構成例を示す図である。 外径測定装置１４の表示部により表示される背景画像および撮像部により得られる画像の一例を示す図である。 ガラス体２０の長手方向において芯部の外径を測定する位置を示す図である。 延伸工程中における加熱源１３と外径測定位置との関係を示す図である。 ガラス体２０の屈折率分布を示す図である。 延伸前のガラス体２０の芯部２１の外径ｄおよび外周部２２の外径Ｄそれぞれの長手方向の変動を示す図である。 加熱源１３と外径測定位置との間の距離と、延伸後の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動（平均値に対する標準偏差）と、の関係を示す図である。 加熱源１３と外径測定位置との間の距離が５.０ｍｍ及び４.６ｍｍそれぞれの場合において、延伸後の芯部２１の外径ｄの長手方向の変動を示す図である。 延伸後のガラス体２０の芯部２１の外径ｄおよび外周部２２の外径Ｄそれぞれの長手方向の変動を示す図である。 本実施例のガラス体延伸方法（芯部の外径ｄを制御する方法）を用いた場合における延伸後のガラス体の芯部の外径の長手方向の標準偏差を２倍した値(２σ(d))の頻度分布を示す図である。 従来技術のガラス体延伸方法（外周部の外径Ｄを制御する方法）を用いた場合における延伸後のガラス体の芯部の外径の長手方向の標準偏差を２倍した値(２σ(d))の頻度分布を示す図である。

符号の説明

１…延伸装置、１１，１２…保持部、１３…加熱源、１４…外径測定装置、１５…放射温度計、２０…ガラス体、２１…芯部、２２…外周部。

Claims (6)

1. 略円柱状の芯部と前記芯部を取り囲む外周部とを含み前記芯部および前記外周部それぞれの屈折率が互いに異なるガラス体の両端部を第１保持部および第２保持部により保持し、前記ガラス体の長手方向に移動する加熱源により前記ガラス体を加熱し軟化させて延伸する方法であって、
   前記ガラス体の長手方向のうち前記加熱源による加熱によって前記芯部の外径が減少途中にある範囲において第１外径測定装置により前記芯部の外径を測定し、
   この測定された前記芯部の外径に基づいて、延伸後の前記芯部の外径が所望値となるように、前記第１保持部と前記第２保持部との離間速度または前記ガラス体の長手方向への前記加熱源の移動速度を決定し、
   この決定された速度に基づいて、前記第１保持部もしくは前記第２保持部または前記加熱源を移動させて前記ガラス体を延伸する、
   ことを特徴とするガラス体延伸方法。
2. 前記第１外径測定装置が撮像部を含み、
   前記ガラス体を前記撮像部により撮像し、この撮像により得られた画像に基づいて前記芯部の外径を測定する、
   ことを特徴とする請求項１記載のガラス体延伸方法。
3. 前記第１外径測定装置が、前記ガラス体を挟んで一方側に設けられた撮像部と、他方側に設けられた明部および暗部を有する背景画像を表示する表示部と、を含み、
   前記ガラス体を通して前記背景画像を前記撮像部により撮像し、この撮像により得られた画像に基づいて前記芯部の外径を測定する、
   ことを特徴とする請求項１記載のガラス体延伸方法。
4. 複数の前記第１外径測定装置を用いて前記ガラス体の長手方向に沿って複数点で前記芯部の外径を測定し、
   この測定された複数点での前記芯部の外径に基づいて、延伸後の前記芯部の外径が所望値となるように、前記第１保持部と前記第２保持部との離間速度または前記ガラス体の長手方向への前記加熱源の移動速度を決定する、
   ことを特徴とする請求項１記載のガラス体延伸方法。
5. 前記加熱源による前記ガラス体の加熱の際に前記ガラス体の温度が１５００℃を越えないように前記ガラス体を加熱しながら延伸することを特徴とする請求項１記載のガラス体延伸方法。
6. 前記ガラス体の長手方向のうち延伸後の範囲において第２外径測定装置により前記芯部の外径を測定し、
   この測定された前記芯部の外径に基づいて、前記ガラス体の長手方向に沿った前記第１外径測定装置による外径測定位置と前記加熱源による加熱位置との間の距離を決定し、
   この決定された距離に基づいて前記第１外径測定装置を配置する、
   ことを特徴とする請求項１記載のガラス体延伸方法。