JP4466036B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材を加熱して線引きし、得られたガラスファイバに樹脂を被覆することにより光ファイバを製造する光ファイバの製造方法に関する。

一般に、光ファイバは、線引き炉によって加熱された光ファイバ母材を線引きしてガラスファイバとし、その後、そのガラスファイバの外周に樹脂を被覆することによって製造される。
光ファイバの被覆は、目標とする外径に対して安定して行われることが好ましいが、被覆外径は、光ファイバ母材の形状や樹脂を被覆するダイス形状のばらつき、被覆する樹脂の温度や圧力、あるいは線引き速度の変動等の様々な要因によって変動する。
この変動を抑えるための手段として、線引きした光ファイバの外径及び線引きの加速度をそれぞれ測定し、これらの測定値に基づいて、樹脂を被覆する前のガラスファイバを冷却する冷却装置への冷却ガスの流量を制御し、光ファイバの樹脂外径を安定化させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１０３６４９号公報

ところで、光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する際、線引き速度が次第に上昇する線引き開始時から、光ファイバの外径が目標値となって線引き速度を所望の速度で安定させる、定常運転状態に移行する。この定常運転時には、加速度の変化がほとんどなくなる。
したがって、上記のような線引き時の加速度を変数とする制御は、定常運転時においては、光ファイバの外径安定化には有効性が低いため、定常運転時における外径の安定化を高精度に行うことが困難であった。そのため、得られる光ファイバの外径にばらつきが生じてしまい、製品の品質を低下させてしまう要因となっていた。

本発明は、所望の被覆外径を有する高品質な光ファイバを安定して製造することが可能な光ファイバの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成することができる本発明の光ファイバの製造方法は、加熱された光ファイバ母材を線引きしてガラスファイバを形成し、冷却した後に、ガラスファイバの外周に樹脂を被覆して光ファイバとする光ファイバの製造方法であって、光ファイバの線引き速度が上昇する線引き開始時に、光ファイバの線引き速度に基づいてガラスファイバの冷却を制御するオープンループ制御を行い、光ファイバの線引き速度が安定した定常運転時に、光ファイバの外径に基づいてガラスファイバの冷却を制御するフィードバック制御を行うことを特徴としている。
なお、冷却を制御する方法としては、例えば冷却溶媒の流量や温度を制御することが好ましい。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、定常運転時に、線引きの上流側における冷却をオープンループ制御により行い、下流側における冷却をフィードバック制御により行うことが好ましい。
なお、ここでいう上流側とは、線引きされたガラスファイバのパスラインにおける上流側であり、すなわち、光ファイバ母材に近い側を指す。また、ここでいう下流側とは、線引きされたガラスファイバのパスラインにおける下流側であり、ガラスファイバの外周に樹脂が被覆される箇所に近い側を指す。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、下流側における冷却を、オープンループ制御とフィードバック制御とにより併せて行うことが好ましい。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、上流側で、オープンループ制御による冷却とは別にガラスファイバを冷却することが好ましい。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、オープンループ制御による冷却とは別の冷却を、１０℃以上室温以下の範囲内の温度で行うことが好ましい。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、フィードバック制御の制御量を、積分処理を用いて求めることが好ましい。

また、本発明の光ファイバの製造方法において、フィードバック制御による前記ガラスファイバの冷却、または、オープンループ制御およびフィードバック制御による前記ガラスファイバの冷却を、−２０℃以下の冷却温度にて行うことが好ましい。

本発明の光ファイバの製造方法によれば、所望の被覆外径を有する高品質な光ファイバを安定して製造することができる。

以下、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態の光ファイバの製造方法を行うことのできる装置の概略構成図である。
図１に示すように、光ファイバ母材１は、その下端部分が線引き炉の発熱部２によって加熱されて軟化し、その部分が下方へ張力をかけられて引き延ばされ（いわゆる線引き）、ガラスファイバ１ａが形成される。
線引きにより形成された高温のガラスファイバ１ａは、冷却部７を通って冷却される。この冷却部７では、ガラスファイバ１ａは、まず、上流側に設けられた第１冷却筒３及び第２冷却筒４に通され、さらに、下流側に設けられた第３冷却筒５に通される。

その後、ガラスファイバ１ａは、ダイス８にて、例えば、紫外線硬化型樹脂が被覆されて光ファイバ１ｂとなり、キャプスタン９によってさらなるパスラインの下流側へ引き取られ、巻き取りボビン（図示せず）に巻き取られる。
また、ダイス８によって樹脂が被覆された光ファイバ１ｂは、その外径が外径測定器１０によって測定される。

上流側の第１冷却筒３、第２冷却筒４及び下流側の第３冷却筒５は、それぞれ二重管構造となっており、その外側の管と内側の管との間には、冷却溶媒が適宜流れるようになっている。また、内側の管の内側の空間は、ガラスファイバ１ａが通る冷却路となっており、その冷却路には、例えばヘリウムガス等の冷却ガスが送り込まれるようになっている。すなわち、これらの冷却管３，４，５は、二重管の間に流された冷却溶媒によってその内側の冷却ガスが冷却され、その冷却ガス雰囲気中をガラスファイバ１ａが通ることで、線引き後のガラスファイバ１ａを適切な温度に冷却できるように構成されている。

また、第１冷却筒３、第２冷却筒４及び第３冷却筒５は、流量調整器１１，１２，１３を有し、これら流量調整器１１，１２，１３は、第１冷却筒３、第２冷却筒４及び第３冷却筒５のそれぞれの冷却路への冷却ガスの流量を調整する。

次に、この図１に示す装置に設けられた制御系について説明する。
設定部２１は、第１冷却筒３の流量調整器１１、演算部２２，２３及び外径比較部２４に接続されている。そして、この設定部２１は、第１冷却筒３の流量調整器１１に制御信号を出力し、演算部２２，２３に、それぞれ各種設定値を送信し、外径比較部２４に光ファイバ１ｂの目標外径値である設定外径値を送信する。

演算部２２，２３には、キャプスタン９から線引き速度値が入力され、この線引き速度値と設定部２１からの設定値とに基づいて、制御量を演算して出力する。演算部２２は、演算した制御量を制御信号として第２冷却筒４の流量調整器１２に出力し、演算部２３は、演算した制御量を、加算部２５に出力する。

外径比較部２４は、外径測定器１０から送信された光ファイバ１ｂの測定外径値と、設定部２１からの設定外径値とを比較し、設定外径値に対する測定外径値の平均偏差値を判断部２６に出力する。判断部２６は、外径比較部２４からの平均偏差値に基づいて動作条件を判断し、平均偏差値が所定の範囲である場合に、演算部２７へ平均偏差値とともに演算の指令の信号を出力する。

演算部２７は、判断部２６からの平均偏差値に基づいて所定の演算を行って制御量を演算し、その制御量を積分回路部２８へ出力する。積分回路部２８は、演算部２７からの制御量に積分処理を行い、加算部２５に出力する。
そして、加算部２５は、演算部２３からの制御量に、積分回路部２８にて積分処理された制御量を加算し、その加算後の制御量を制御信号として第３冷却筒５の流量調整器１３に送信する。

次に、上記制御系を備えた装置による光ファイバの製造方法について説明する。
（線引き開始時）
まず、光ファイバ母材１の線引きを開始し、光ファイバ１ｂが所望の径となる安定した線引き状態となるまでの、線引き開始時における制御について説明する。
最初に、光ファイバ母材１を加熱しつつ、光ファイバ母材１からガラスファイバ１ａを引き延ばして、線引きを開始する。このとき、線引きされたガラスファイバ１ａの径は、得ようとする所望の径より大きい。そのため、径を次第に小さくするために、線引き速度を上げていく。

そして、キャプスタン９によって測定される、樹脂が被覆された光ファイバ１ｂの速度（線引き速度）が、約５００ｍ／分程度となった時点で、まず、設定部２１からの制御信号によって第１冷却筒３の流量調整器１１が制御され、第１冷却筒３の冷却路に一定流量にて冷却ガスが送り込まれ、第１冷却筒３によるガラスファイバ１ａの冷却が開始される。
この第１冷却筒３では、後述するオープンループ制御による冷却とは別の冷却を、１０℃以上室温以下の範囲内の温度で行う。例えば、本実施の形態では、第１冷却筒３内の冷却溶媒を室温に維持し、冷却路には室温のヘリウムガスを一定流量で流す。これにより、最初の冷却部分である第１冷却筒３ではガラスファイバ１ａを急冷しないように図られ、被覆径の変動を防いでいる。

そして、線引き速度が次第に上昇し、約７００ｍ／分程度となると、第２冷却筒４におけるオープンループ制御による冷却が開始される。
ここで、この第２冷却筒４におけるオープンループ制御について説明する。
演算部２２には、設定部２１から設定値として設定線速Ｖ_S（ｍ／分）、冷却線速Ｖ₀₂（ｍ／分）及び定数ａ₂，ｂ₂（例えば、ａ₂＝０.００４、ｂ₂＝０.０１）が送信される。ここで、冷却線速とは、冷却が必要となる最低の線速のことを指す。また、演算部２２には、キャプスタン９から実際の線引き速度値である実際線速Ｖ（ｍ／分）が送信される。
そして、演算部２２では、これらの設定値及び速度値から次式（１）により冷却ガスの流量Ｈ_b2（リットル／分）を割り出す。
Ｈ_b2＝ａ₂×（Ｖ−Ｖ₀₂） …（１）
次いで、演算部２２は、演算した流量Ｈ_b2にて第２冷却筒４に冷却ガスを流すべく、流量調整器１２へ制御信号を出力する。流量調整器１２は、その制御信号により、Ｈ_b2の流量で、第２冷却筒４に冷却ガスを流す。
本実施の形態では、第２冷却筒４内の冷却溶媒を室温に維持し、冷却路には室温のヘリウムガスを流量Ｈ_b2にて流す。これにより、ガラスファイバ１ａの急冷を防ぎつつ、しかも線引き速度に応じて冷却の度合を調節している。

その後、線引き速度がさらに上昇し、約８００ｍ／分程度となると、第３冷却筒５におけるオープンループ制御による冷却が開始される。
ここで、この第３冷却筒５におけるオープンループ制御について説明する。
演算部２３には、設定部２１から設定値として設定線速Ｖ_S、冷却線速Ｖ₀₃（ｍ／分）及び定数ａ₃，ｂ₃（例えば、ａ₃＝０．００４、ｂ₃＝０．０１）が送信される。また、演算部２３には、キャプスタン９から実際の線引き速度値である実際線速Ｖが送信される。
そして、演算部２３では、これらの設定値及び速度値から次式（２）により冷却ガスの流量Ｈ_b3（リットル／分）を割り出す。
Ｈ_b3＝ａ₃×（Ｖ−Ｖ₀₃） …（２）
そして、演算部２３は、演算した流量Ｈ_b3の制御量を加算部２５に送信する。

一方、外径比較部２４では、設定部２１からの設定外径値と外径測定器１０からの測定外径値とが比較され、設定外径値に対する測定外径値の平均偏差値Δｄ_ave（μｍ）が求められる。なお、この平均偏差値Δｄ_aveは、例えば、３秒間毎に１０データを測定したときの偏差値を平均したものである。

そして、この外径比較部２４で求められた平均偏差値Δｄ_aveが判断部２６に送信され、この判断部２６によって、平均偏差値Δｄ_aveが所定の範囲内の値であるか否かが判定される。そして、平均偏差値Δｄ_aveが所定の範囲内である場合に、演算部２７での演算が行われる。
ここで、平均偏差値Δｄ_aveの所定の範囲とは、例えば０.０１μｍ≦Δｄ_ave≦１０μｍである。線引き速度が遅い線引き開始時では、光ファイバ１ｂの外径が設定外径値に対して２０〜４０μｍ程度大きい状態である。つまり、線引き開始時には、０.０１μｍ≦Δｄ_ave≦１０μｍの動作条件を満たさない。したがって、このときは演算部２７では制御量の演算が行われない。
したがって、線引き開始には、加算部２５には、積分回路部２８から積分処理された制御量が送信されず、よって、加算部２５は、演算部２３からの流量Ｈ_b3の制御量だけを制御信号として、第３冷却筒５の流量調整器１３へ出力する。流量調整器１３は、加算部２５からの制御信号により、Ｈ_b3の流量で、第３冷却筒５に冷却ガスを流す。

本実施の形態では、第３冷却筒５内の冷却溶媒を、−２０℃以下、例えば、−４０℃に維持し、冷却路に流したヘリウムガスを冷却している。これにより、この線引き開始時には、ガラスファイバ１ａを線引き速度に応じてオープンループ制御により積極的に冷却している。

（定常運転時）
次に、光ファイバ１ｂの線引き速度が設定値まで上昇し、光ファイバ１ｂが所望の径となる安定した定常運転状態に移行した場合の制御について説明する。
線引き速度が、設定値の近く、例えば約１５００ｍ／分で一定となり定常運転状態となると、第２冷却筒４及び第３冷却筒５におけるオープンループ制御の変更が行われる。
ここで、第２冷却筒４におけるオープンループ制御では、演算部２２が次式（３）により冷却ガスの流量Ｈ_b2を演算する。
Ｈ_b2＝ａ₂×（Ｖ−Ｖ₀₂）＋ｂ₂×（Ｖ−Ｖ_S） …（３）
そして、演算部２２は、演算した流量Ｈ_b2にて第２冷却筒４に冷却ガスを流すべく、流量調整器１２へ制御信号を出力する。

第３冷却筒５におけるオープンループ制御では、演算部２３が次式（４）により冷却ガスの流量Ｈ_b3を演算する。
Ｈ_b3＝ａ₃×（Ｖ−Ｖ₀₃）＋ｂ₃×（Ｖ−Ｖ_S） …（４）
そして、演算部２３は、演算した流量Ｈ_b3の制御量を加算部２５に送信する。
また、第３冷却筒５では、オープンループ制御とともにフィードバック制御による冷却が開始される。

ここで、この第３冷却筒５におけるフィードバック制御について説明する。
前述したように、外径比較部２４では、設定部２１からの設定外径値と、外径測定器１０からの測定外径値とが比較され、設定外径値に対する測定外径値の平均偏差値Δｄ_aveが求められる。そして、この外径比較部２４で求められた平均偏差値Δｄ_aveが判断部２６に送信され、この判断部２６によって、平均偏差値Δｄ_aveが、所定の範囲内０.０１μｍ≦Δｄ_ave≦１０μｍであることを満たしているか否かが判定される。この双方の動作条件が満たされている場合、判断部２６から演算部２７に平均偏差値Δｄ_aveとともに演算の指令の信号が出力される。

そして、演算部２７は、平均偏差値Δｄ_aveに基づいて、次式（５）により流量ΔＨ_cを演算する。
ΔＨ_c＝（Δｄ_ave／Δｄ_max）×Ｐ_g×Ｈ_max …（５）
ここで、Δｄ_max（μｍ）：最大偏差（平均化に用いた測定外径値の最大値）
Ｐ_g：比例ゲイン
Ｈ_max（リットル／分）：制御最大冷却ガス流量
である。

この演算部２７によって求めた流量ΔＨ_c（リットル／分）は、積分回路部２８に送信され、積分回路部２８によって積分処理されて制御量が求められる。そして、この制御量は加算部２５に送られる。
したがって、加算部２５では、オープンループ制御にて算出された流量Ｈ_b3の制御量に、フィードバック制御にて算出されたΔＨ_cを加算し、制御信号として第３冷却筒５の流量調整器１３へ出力する。流量調整器１３は、加算部２５からの制御信号により、Ｈ_b3＋ΔＨ_cの流量で、第３冷却筒５に冷却ガスを流す。

よって、第３冷却筒５には、オープンループ制御とともに光ファイバ１ｂの外径に基づくフィードバック制御によって制御された、流量Ｈ_b3の冷却ガスが送り込まれ、ガラスファイバ１ａが第３冷却筒５によって冷却される。このときも、線引き開始時と同様に、第３冷却筒５の冷却溶媒の温度は、−２０℃以下、例えば、−４０℃である。本明細書中において、冷却温度とは、この冷却溶媒の温度を指す。
つまり、線引きされた高温のガラスファイバ１ａに対して、第２冷却筒４によってオープンループ制御による冷却が行われるとともに、第３冷却筒５にてオープンループ制御と測定外径に基づくフィードバック制御とによる冷却が行われる。そのため、被覆された樹脂の外径が安定した光ファイバ１ｂを得ることができる。

このように、本実施の形態の光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ１ｂの線引き速度が上昇する線引き開始時は、線引き速度に基づいてガラスファイバ１ａの冷却を制御するオープンループ制御を行い、光ファイバ１ｂの線引き速度が安定した定常運転時は、光ファイバ１ｂの外径に基づいてガラスファイバ１ａの冷却を制御するフィードバック制御を行っている。したがって、線引き開始時だけでなく、線速が安定した定常運転時であっても、製造する光ファイバ１ｂの外径を所望の値に安定させることができ、得られる光ファイバ１ｂの品質の大幅な向上を図ることができる。
これにより、特に、１本の光ファイバ母材１から製造する光ファイバ１ｂの外径の変動を極力抑えることができ、さらに、異なる光ファイバ母材１間における線引きした光ファイバ１ｂの外径中心値の差も小さく抑えることができる。

図１に示した装置を用いて、外径１２５ｍｍの光ファイバ母材を、定常運転時の線引き速度１５００ｍ／分にて線引きし、被覆外径２４４μｍの光ファイバを製造した。その際、第１冷却筒３にはヘリウムを４ｓｌｍ（standard liter/min）流し、第２冷却筒４には、線速に応じてオープンループ制御した流量のヘリウムを流し、第３冷却筒５には、光ファイバ１ｂの被覆外径に応じてフィードバック制御した流量のヘリウムを流した。

（被覆外径に対するフィードバック制御を行った場合）
比例ゲインをＰ_g＝０.０４としてフィードバック制御による冷却を行い、線引き速度が安定した状態から線引き速度を故意に変化させ、被覆外径値を測定してその変動を監視した。
その結果、線引き速度の変動を±１００ｍ／分とした場合に、被覆外径値の変動は、±１μｍとなることを確認した。

（被覆外径に対するフィードバック制御を行わなかった場合）
フィードバック制御における流量ΔＨ_cの制御量の算出に用いる比例ゲインをＰ_g＝０とすることにより、被覆外径を変数とするフィードバック制御による冷却を行わず、その線引き速度及び被覆外径値を記録した。
線引き速度が安定した状態から、線引き速度を故意に変化させ、被覆外径値を測定してその変動を監視した。
その結果、線引き速度の変動を±１００ｍ／分とした場合に、被覆外径値の変動は、±５μｍとなることを確認した。

このように、線引き速度が安定した定常運転状態において、被覆外径に対するフィードバック制御による冷却を行うことにより、被覆外径値の変動が大幅に低減されることがわかった。

上述した実施例１と同様の、被覆外径に対するフィードバック制御の冷却を行いながら、定常運転時に目標外径２４４μｍで光ファイバを線引きしている状態にて、目標外径を２４６μｍに変更した。
このとき、光ファイバは、大きなハンチングもなく、被覆外径値が目標値に変更されることを確認した。
つまり、上述した実施の形態に基づいて光ファイバを製造することにより、ダイスの温度変更等の熟練作業が必要であった目標外径の変更を、熟練を要さず短時間にて行うことができることを確認できた。

本発明に係る光ファイバの製造方法を実施することができる装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 光ファイバ母材
１ａ ガラスファイバ
１ｂ 光ファイバ
３ 第１冷却筒
４ 第２冷却筒
５ 第３冷却筒
６ 第４冷却筒
７ 冷却部

Claims (8)

1. 加熱された光ファイバ母材を線引きしてガラスファイバを形成し、冷却した後に、前記ガラスファイバの外周に樹脂を被覆して光ファイバとする光ファイバの製造方法であって、
   前記光ファイバの線引き速度が上昇する線引き開始時に、前記光ファイバの線引き速度に基づいて前記ガラスファイバの冷却を制御するオープンループ制御を行い、
   前記光ファイバの線引き速度が安定した定常運転時に、前記光ファイバの外径に基づいて前記ガラスファイバの冷却を制御するフィードバック制御を行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 請求項１に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記定常運転時に、線引きの上流側における冷却を前記オープンループ制御により行い、下流側における冷却を前記フィードバック制御により行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
3. 請求項２に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記下流側における冷却を、前記オープンループ制御と前記フィードバック制御とにより併せて行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
4. 請求項２または３に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記上流側で、前記オープンループ制御による冷却とは別に前記ガラスファイバを冷却することを特徴とする光ファイバの製造方法。
5. 請求項４に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記オープンループ制御による冷却とは別の冷却を、１０℃以上室温以下の範囲内の温度で行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記フィードバック制御の制御量を、積分処理を用いて求めることを特徴とする光ファイバの製造方法。
7. 請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記フィードバック制御による前記ガラスファイバの冷却を、−２０℃以下の冷却温度にて行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
8. 請求項３に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記オープンループ制御および前記フィードバック制御による前記ガラスファイバの冷却を、−２０℃以下の冷却温度にて行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。

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