JP4101060B2 - 光ファイバの線引張力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は光ファイバの製造方法に関するものであって、具体的には光ファイバの線引中の張力を正確かつ安定に測定するための方法に関する。

一般に、光ファイバを製造する際、光ファイバ母材を下端部から加熱溶融してその溶融変形部を線状に延伸する。また加熱延伸直後に得られる光ファイバの表面を熱硬化型樹脂または紫外線硬化型樹脂などで被覆する。こうした加熱延伸手段で光ファイバを製造することを一般に「線引き」と称している。

光ファイバ母材を線引して光ファイバを得る場合、線引時の張力が管理されないと光ファイバの伝送特性、特に伝送損失に長手方向の変化が現れるので、線引時の張力は所要の値となるように管理する必要がある。具体的には光ファイバの線引時の張力を測定し、制御する必要がある。

また、光ファイバの張力を測定する場合、接触式の測定器を用いると光ファイバに傷が付くので、一般に非接触式の測定器を用いて光ファイバの張力が測定される。

ここで、光ファイバの線引張力測定方法について説明する。光ファイバの線引張力の測定は、線引き時における光ファイバの振動を利用する方法が一般的である。

この方法は、測定された振動波形のスペクトルのピークから基本振動数ｆを求めた後、その基本振動数ｆを下記の数式（１）に代入して目的の張力Ｔを求めるというものである。

上記数式（１）中、Ｌは光ファイバ母材と光ファイバに第１被覆層を形成するときのコーティング用ダイス（第１コーティング用ダイス）との間の距離である。また、ρは線密度、αは補正係数である。

一方、上記数式（１）で張力Ｔを測定するためには、基本振動数ｆを求める必要がある。従来の方法として、特開昭６２−１３７５３１号に示されるように、振動波形をフーリエ変換してその振動数成分から基本振動数を決定する方法が知られている。

しかし、特開昭６２−１３７５３１号公報に示された方法では、基本振動数以外のスペクトルピークが現れた場合には基本振動数の認定が困難となる。現実には基本振動数の整数倍振動のピークや、基本振動数の整数倍に該当しないピークが現れるため、それらの影響を除去しなければならない。

そこで、米国特許５，０７９，４３３号公報に示されるように、スペクトルピークから基本振動と２倍振動との関係に近いものを見つける方法がある。

また、特開平１０−３１６４４６号公報に示されるように、初回のピーク振動数検索を行う際に、例えば目標値近傍などのようにピーク振動数を含むことが予測される振動数範囲内で行い、前回検出のピーク振動数にピーク振動数検索の中心値を移動させた状態で次回以降のピーク振動数検索を行う方法などがある。

しかし、米国特許５，０７９，４３３号公報や特開平１０−３１６４４６号公報に記載された技術は、ノイズが光ファイバの基本振動数またはその整数倍振動に近い振動数である場合や、ピーク検索範囲内にノイズピークがある場合には、基本振動数の誤測定を行うおそれがある。

そのため、従来法においては、ノイズの発生状況にかかわらず光ファイバの基本振動数を正確に認識することにより、正確に光ファイバの線引張力を測定する手段が求められていた。

本発明は、光ファイバの線引時に該光ファイバの振動を測定し、該振動波形を振動数解析してスペクトル成分を求め、該スペクトル成分に含まれるピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定し、該基本振動数を前記光ファイバの線引中の張力に換算する光ファイバの線引張力測定方法において、
前記光ファイバの基本振動数の決定は、前記スペクトル成分に含まれている複数のピーク振動数から、振動数０と一番目のピーク振動数との間隔、一番目のピーク振動数と二番目のピーク振動数との間隔、・・・、ｎ−１番目のピーク振動数とｎ番目のピーク振動数（ｎは自然数）との間隔が等しくなる少なくとも２個のピーク振動数を含むピーク振動数の群を調和振動列群として特定する工程と、
特定された該調和振動列群に含まれる各ピーク振動数に基づいて前記光ファイバの基本振動数を決定する工程
とを含んだ工程により行われ、前記調和振動列群を特定する際に、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調することを特徴とする光ファイバの線引張力測定方法である。

本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面とともに考慮することにより、下記の記載からより明らかになるであろう。

本発明によれば、下記の手段が提供される：
（１）光ファイバの線引時に該光ファイバの振動を測定し、該振動波形を振動数解析してスペクトル成分を求め、該スペクトル成分に含まれるピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定し、該基本振動数を前記光ファイバの線引中の張力に換算する光ファイバの線引張力測定方法において、
前記光ファイバの基本振動数の決定は、前記スペクトル成分に含まれている複数のピーク振動数から、振動数０と一番目のピーク振動数との間隔、一番目のピーク振動数と二番目のピーク振動数との間隔、・・・、ｎ−１番目のピーク振動数とｎ番目のピーク振動数（ｎは自然数）との間隔が等しくなる少なくとも２個のピーク振動数を含むピーク振動数の群を調和振動列群として特定する工程と、
特定された該調和振動列群に含まれる各ピーク振動数に基づいて前記光ファイバの基本振動数を決定する工程
とを含んだ工程により行われ、前記調和振動列群を特定する際に、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調することを特徴とする光ファイバの線引張力測定方法、および
（２）前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調する際に、自己相関計算後のデータを平滑化することを特徴とする（１）項記載の光ファイバの線引張力測定方法。

本発明者らは、上記の点に鑑み鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、
光ファイバの振動波形のスペクトル成分に含まれるピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定する際に、先ず前記スペクトル成分に含まれている複数のピーク振動数から、振動数０と一番目のピーク振動数との間隔、一番目のピーク振動数と二番目のピーク振動数との間隔、・・・、ｎ−１番目のピーク振動数とｎ番目のピーク振動数（ｎは自然数）との間隔が等しくなる少なくとも２個のピーク振動数を含むピーク振動数の群を調和振動列群として特定することで、該調和振動列群に該当しない非周期的なピーク振動数をノイズであると判定して、前記ピーク振動数群から除去し、次に該調和振動列群に含まれる各ピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定することにより、正確に光ファイバの基本振動数を求めることが可能となる。

また、前記調和振動列群を抽出する際に、スペクトル成分の自己相関を計算して、等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調することにより、簡単かつ確実に前記調和振動列群を特定することが可能となる。

さらに、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調する際に、自己相関計算後のデータを平滑化することにより、より簡単かつ確実に調和振動列群を特定することが可能となる。

以下に本発明の実施態様を、図面に基づき説明する。
図１は本発明に係る光ファイバの線引張力測定方法に用いられる光ファイバの線引装置の一例を示す説明図である。図１に例示された線引装置は、加熱炉１内に挿入された光ファイバ母材２をヒータ３により下端部から加熱溶融し、その溶融部を延伸し、光ファイバ母材２→光ファイバ４ａ→１次被覆光ファイバ４ｂ→２次被覆光ファイバ４ｃというように、２次被覆光ファイバ４ｃを連続的に製造するものである。

図１において、加熱炉１は円筒形のカーボン製ヒータ３を内蔵している。リング形をした外径測定器５は、加熱炉１外に出た線引き直後の光ファイバ４ａの外径を測定するためのものである。細長い円筒形をした冷却器６は、外径測定器５を通過した後の光ファイバ４ａを冷却するためのものである。非接触式振動検出センサ７は、冷却器６を通過した後にその内部を通る光ファイバ４ａの振動を検出するためのものであり、例えばレーザ式変位計からなる。第１のコーティング用ダイス９は、その内部を通る光ファイバ４ａの外周面に熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂を塗布して１次被覆層を形成するためのものである。第１の被覆硬化装置１０は、その内部を通る１次被覆光ファイバ４ｂに塗布された被覆樹脂を硬化させるためのものである。この第１の被覆硬化装置１０については、例えば被覆樹脂が熱硬化性樹脂のときには加熱式のものが用いられ、被覆樹脂が紫外線硬化性樹脂のときには紫外線照射式のものが用いられる。第２のコーティング用ダイス１１や第２の被覆硬化装置１２は、既述の第１のコーティング用ダイス９や第１の被覆硬化装置１０とそれぞれ実質的に同じかこれらに準ずるものである。ターンシーブ１３は、第２の被覆硬化装置１２を通過した後の２次被覆光ファイバ４ｃを図示しない巻取機へ誘導するために進行方向を変えるものである。

図１の光ファイバ線引装置における張力測定系は、非接触式振動検出センサ７および非接触式振動検出センサ７から入力された信号に基づき光ファイバ４ａの張力Ｔを算出する張力測定器８などで構成される。これらの機器は、例えば非接触式振動検出センサ７→第１張力測定器８のように電気的に接続されている。

図１に例示された装置において、張力測定器８はパーソナルコンピュータ、プログラマブルコンピュータなどからなる。

図１の光ファイバ線引装置を用いて、光ファイバ母材２から光ファイバ４ａ、１次被覆光ファイバ４ｂ、２次被覆光ファイバ４ｃなどが以下のように段階的かつ連続的に製造される。

加熱炉１内にほぼ定速で挿入されていく光ファイバ母材２は、炉内のヒータ３で下端部から加熱溶融されその溶融部をたとえば１分あたり１００ｍ〜１５００ｍの速度で引き取られることで例えば直径が１２５μｍの極細の光ファイバ４ａになる。加熱炉１外へ出た直後の光ファイバ４ａは外径測定器５で外径を測定され、冷却器６内で冷却される。

冷却器６内を通過した光ファイバ４ａは非接触式振動検出センサ７によって振動を検出された後、第１のコーティング用ダイス９により樹脂を塗布されて１次被覆光ファイバ４ｂになり、その１次被覆層が第１の被覆硬化装置１０で硬化される。

被覆硬化装置１０内を通過した１次被覆光ファイバ４ｂは第２のコーティング用ダイス１１による樹脂コーティングを受けて２次被覆光ファイバ４ｃになり、その２次被覆層が第２の被覆硬化装置１２で硬化される。

さらに第２の被覆硬化装置１２内を通過した２次被覆光ファイバ４ｃは、ターンシーブ１３を経由して図示しない巻取機に巻き取られる。

図１を参照して述べた上記の例では、所定位置に配置された非接触式振動検出センサ７が光ファイバ４ａの振動を検出し、非接触式振動検出センサ７から振動検出信号を入力された張力測定器８が光ファイバ４ａの張力Ｔを算出する。

本発明において、光ファイバの振動を非接触式振動検出センサで検出し、その検出データに基づき光ファイバ張力を張力測定器で求める場合は、具体的一例として図２に示す下記ステップＳ１〜ステップＳ５が採用される。

ステップＳ１：スペクトル解析振動数範囲の設定
スペクトル解析振動数範囲を設定する。具体的には張力測定器８の初期値として設定する。

ステップＳ２：データ取り込み
張力測定器８において、たとえばサンプリング間隔を数ミリ秒〜数十ミリ秒にして非接触式振動検出センサ７から線位置データを数十秒間取り込み、その数十秒間で取り込んだ線位置データをメモリする。

ステップＳ３：ＦＦＴ演算
線位置データをＦＦＴ（高速フーリエ変換：fast Fourier transform）で演算して離散データのフーリエ成分を求める。

ステップＳ４：自己相関の計算
ステップＳ３で求められたＦＦＴ演算結果のスペクトル成分に含まれている複数のピーク振動数から、振動数０と一番目のピーク振動数との間隔、一番目のピーク振動数と二番目のピーク振動数との間隔、・・・、ｎ−１番目のピーク振動数とｎ番目のピーク振動数（ｎは自然数）との間隔が等しくなる少なくとも２個のピーク振動数を含むピーク振動数の群を調和振動列群として特定する。

調和振動列群を特定する際には、確実に調和振動列群を特定することができるように、スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調する。ここで、「強調」とは、該調和振動列群に該当しない非周期的なピーク振動数をノイズであると判定して、前記ピーク振動数群から除去し、等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数のみを残すことをいう。

ステップＳ４における自己相関の計算の際には、下記の数式（２）を用いる。

ここで、光ファイバの振動波形の一例を図３に、図３の振動波形をＦＦＴ演算して得られたスペクトル成分を図４に示す。

具体的には、上記数式（２）を用いるため、図４のスペクトル波形図で示されるスペクトルデータを振動数軸について離散されたデータとしてｎ個読み取る。次に、図４の振動数軸上に配置されるｋ番目（ｋは１からｎまでの整数）のデータｘ（ｋ）についての自己相関ρ（ｋ）を上記数式（２）により求める。なお、データ数ｎは、検出すべき個数のピーク振動数を超える振動数に相当する数であればよい。

上記ステップＳ４による図４のスペクトル成分の自己相関計算結果を図５に示す。なお、自己相関の計算の後、データの平滑化を行うことが好ましく、図５は平滑化後のものである。ここで、「平滑化」とは振幅の小さいノイズ成分の影響を除去することをいい、平滑化は常法により行うことができる。図５を図４と比較すると、図４における調和振動列群に該当しない非周期的なピーク振動数はノイズであると判定され、前記スペクトル成分中から除去されて、図５では調和振動列群に相当する振動数のみにピークが存在している。

ステップＳ５：張力の計算
ステップＳ４で特定された調和振動列群の基本振動数（最も低い振動数のピーク）を光ファイバの基本振動数ｆと決定し、その値を前記数式（１）に代入して光ファイバの張力Ｔを求める。

図２に示されるステップを実行した結果、光ファイバの線引中の張力は、ノイズの発生状況にかかわらずほぼ正確に測定された。

なお、本発明の実施態様は、図２の各ステップに具体例を示したものに限られず、特許請求の範囲に記載された範囲において自由に変更可能である。たとえばステップＳ４で特定される調和振動列群のピーク振動数の個数は２個以上であれば何個でもよく、ステップＳ５においては、ステップＳ４で特定された調和振動列群のピーク振動数間隔の平均値を光ファイバの基本振動数ｆと決定するなどの変更を行ってもよいことはいうまでもない。

本発明によれば、光ファイバの振動波形のスペクトル成分に含まれるピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定する際に、まず前記スペクトル成分に含まれている等間隔の調和振動列関係にある少なくとも２個のピーク振動数の群を調和振動列群として特定することで、該調和振動列群に該当しない非周期的なピーク振動数をノイズであると判定して、前記ピーク振動数の群から除去し、次に該調和振動列群に含まれる各ピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定することにより、正確に光ファイバの基本振動数を求めることが可能となる。

また、本発明によれば、調和振動列群を抽出する際に、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調することにより、簡単かつ確実に調和振動列群を特定することが可能となり、その結果、線引中の光ファイバの張力をより正確に測定することが可能となる。

さらに、本発明によれば、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調する際に、自己相関計算後のデータを平滑化することにより、より簡単かつ確実に調和振動列群を特定することが可能となる。

本発明の方法は、光ファイバの振動波形を利用することにより、線引中の光ファイバの張力をより正確、容易かつ安定に測定することができるので、線引時の張力を管理して、長手方向での伝送特性の変化を小さくして安定に光ファイバを製造する方法として好適である。

本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。

図１は、本発明の一実施態様である光ファイバの線引張力測定方法が適用される光ファイバ線引装置の一例を示す概略説明図である。 図２は、本発明の一実施態様における、光ファイバの線引張力を求めるときの各ステップを例示した流れ図である。 図３は、光ファイバの振動波形の一例を示す波形図である。 図４は、図３の波形図をスペクトル解析した結果を示す波形図である。 図５は、図４の波形図に示されたスペクトル成分の自己相関を計算した後、平滑化した結果を示す波形図である。

Claims (2)

1. 光ファイバの線引時に該光ファイバの振動を測定し、該振動波形を振動数解析してスペクトル成分を求め、該スペクトル成分に含まれるピーク振動数から前記光ファイバの基本振動数を決定し、該基本振動数を前記光ファイバの線引中の張力に換算する光ファイバの線引張力測定方法において、
   前記光ファイバの基本振動数の決定は、前記スペクトル成分に含まれている複数のピーク振動数から、振動数０と一番目のピーク振動数との間隔、一番目のピーク振動数と二番目のピーク振動数との間隔、・・・、ｎ−１番目のピーク振動数とｎ番目のピーク振動数（ｎは自然数）との間隔が等しくなる少なくとも２個のピーク振動数を含むピーク振動数の群を調和振動列群として特定する工程と、
   特定された該調和振動列群に含まれる各ピーク振動数に基づいて前記光ファイバの基本振動数を決定する工程
   とを含んだ工程により行われ、前記調和振動列群を特定する際に、前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調することを特徴とする光ファイバの線引張力測定方法。
2. 前記スペクトル成分の自己相関を計算して等間隔の調和振動列関係にあるピーク振動数を強調する際に、自己相関計算後のデータを平滑化することを特徴とする請求項１記載の光ファイバの線引張力測定方法。

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