JP6500364B2 - 光ファイバの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、線引炉内で加熱され線引きされた光ファイバの異常点を検知しつつ、光ファイバを製造する光ファイバの製造方法および製造装置に関する。

光ファイバは、光ファイバ用ガラス母材（以下、ガラス母材という）を光ファイバ用線引炉（以下、線引炉という）で加熱溶融し、線引炉の下方から線引きして製造される。
ガラス母材を製造する際、その製造時の雰囲気やガラス中の不純物によって、ガラス母材の内部に気泡や異物などの異常点が発生する場合がある。この異常点が生じているガラス母材を用いて線引きすると、光ファイバに異常点が残り、光ファイバの強度不足や伝送損失の低下などを招く虞があるため、光ファイバの異常点を検知する必要がある。

例えば、特許文献１には、一例の気泡センサを設けた技術が開示されている。この気泡センサの例では、冷却装置の内部に設置され、線引きされた光ファイバからの放出光を測定しており、この測定値の変化から光ファイバ内の気泡を検知する。
また、線引中に光ファイバの外径を測定していると、急峻で大きなガラス径変動が現れる場合がある（スパイク状のガラス径変動であり、ガラス母材中に生じていた気泡や、異物が原因となって発生すると考えられるため、以下ではガラス母材起因のガラス径異常という）。特許文献２には、光ファイバの引き取り速度の変化を求めてガラス母材起因のガラス径異常を検知する技術が開示されている。なお、ガラス母材起因のガラス径異常は、上記したようにスパイク状のガラス径変動となるため、この異常箇所を外径測定器で検知する場合、センシング周期や平均化回数にもよるが、外径測定器が追従できず、実際のガラス径変動の値と比較して小さく測定されてしまう場合がある。このため、一般的には閾値を下げて（光ファイバのガラス外径の規格を１２５±１μｍとした場合、これよりも厳しくして）ガラス径異常箇所を検知している。

特開平７−２２９８１３号公報 特開平６−２３９６４１号公報

しかしながら、光ファイバには多種多様の異常点が存在し、例えば特許文献１に記載されているような一般的な気泡センサでは、比較的長周期の変動で捉えられる気泡は、ほぼ検知できるが、この気泡センサの検出周期や感度などが影響し、短周期の変動で捉えられる気泡については検知し難いという問題がある。また、比較的長周期の変動で捉えられる気泡であっても、見逃す可能性がある。
一方、ガラス外径を測定することにより異常点を検知する方法では、例えば、気泡センサで検知できない短周期の変動で捉えられる気泡についても検知することができるが、ガラス径変動自体が大きくなると、この変動に埋もれてしまうため、異常点を検知し難い、という問題がある。特に、線引炉内のガスとして、ヘリウムガスよりも熱伝導率の低いアルゴンガスまたは窒素ガスを含むガスを用いて線引きする場合、線引炉内のガス流の乱れが大きくなる等により、比較的長周期のガラス径変動が大きくなるという問題が生じるため、より、このようなガラス径変動に埋もれやすくなる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、異常点をほぼ漏れなく検知することができる、光ファイバの製造方法および製造装置の提供を目的とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法および製造装置は、光ファイバ用ガラス母材を線引炉内で加熱して線引き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であって、気泡センサで検知した箇所を光ファイバの異常点と判定するステップと、線引きされた前記光ファイバのガラス外径の測定データから、所定の周波数（２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号（選別データ）を第１の閾値と比較し、前記第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定するステップとを含み、前記気泡センサで検知し判定した箇所、または／および前記ガラス外径の選別データが第１の閾値を超えた箇所を、異常点と判定して処理する。

上記によれば、異常点をほぼ漏れなく検知することができる。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造装置の概略を説明する図である。 図１の制御部の構成を説明する図である。 光ファイバのガラス外径測定データを、周波数解析した結果を示す図である。 図１の制御部の別の構成を説明する図である。 図１の制御部のさらに別の構成を説明する図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、（１）光ファイバ用ガラス母材を線引炉内で加熱して線引き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であって、気泡センサで検知した箇所を光ファイバの異常点と判定するステップと、線引きされた前記光ファイバのガラス外径の測定データから、所定の周波数（２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号（選別データ）を第１の閾値と比較し、前記第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定するステップとを含み、前記気泡センサで検知し判定した箇所、または／および前記ガラス外径の選別データが第１の閾値を超えた箇所を、異常点と判定して処理する。このように、光ファイバの異常点は２つのルートを併用して検知する。第１ルートでは、気泡センサを用い、光ファイバから放出される光の強度を測定するなどして、異常点を検知する。気泡センサでは、短周期の変動で捉えられる気泡については検知し難いものの、比較的長周期の変動で捉えられる気泡については、ほぼ漏れなく検知することができる。一方、第２ルートでは、気泡センサによる検知を補完するために、ガラス外径を測定することにより、短周期の変動で捉えられる異常点を検知する。但し、長周期のガラス径変動の影響を低減させるため、所定の周波数よりも高い周波数成分の信号（選別データ）を用い、ガラス外径の閾値により光ファイバの異常点を判定するため、短周期の変動で捉えられる異常点も、検知することができるようになる。
（２）（１）の光ファイバの製造方法であって、前記光ファイバのガラス外径の測定データから、前記所定の周波数よりも高い周波数の信号（選別データ）を選別する方法として、ハイパスフィルタを用いる。ハイパスフィルタを用いることにより、所定の周波数よりも高い周波数の信号を、確実に選別することができる。
（３）（１）の光ファイバの製造方法であって、さらに前記ガラス外径の測定データを前記第１の閾値より大きい第２の閾値と比較し、前記測定データが前記第２の閾値を超えた箇所を異常点と判定して処理する。気泡センサだけでは、比較的長周期の変動で捉えられる気泡についても見逃す可能性があること、また、気泡以外の異常点を検知する必要があるため、ハイパスフィルタを通さないガラス外径の測定データを用い、異常点を判定する。但し、第１の閾値を用いると、誤検知が多発する可能性があるため、第１の閾値より大きい第２の閾値を用いて異常点を判定する。このようにすることにより、より異常点を検知することができるようになる。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造装置は、（４）光ファイバ用ガラス母材を線引炉内で加熱し、線引き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装置であって、気泡センサで検知した箇所を光ファイバの異常点と判定する気泡センサ信号の比較判定部と、線引きされた前記光ファイバのガラス外径の測定データから、所定の周波数（２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号（選別データ）を第１の閾値と比較し、前記第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する第１の比較判定部とを備える。本製造装置を用いることにより、上記と同じように、長短様々な周期の変動で捉えられる異常点を検知でき、異常点をほぼ漏れなく検知することができる。
（５）（４）の光ファイバの製造装置であって、さらに、前記ガラス外径の測定データを前記第１の閾値より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する第２の比較判定部とを備える。本製造装置を用いることにより、上記と同様、さらに、異常点を検知することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
図により、本発明が適用される光ファイバの製造方法および製造装置の概略を説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。
図１は、本発明の一形態に係る光ファイバの製造装置の概略を説明する図である。光ファイバ製造装置１は、線引炉１０、加熱装置（ヒータ）１３、外径測定部１４、冷却装置１５、塗布装置（樹脂塗布ダイス）１６、硬化装置１７、ガイドローラ１８、キャプスタン１８ａ、気泡センサ１９、巻き取りドラム２０、および制御部２１を備える。

線引炉１０には、その上方からガラス母材１１がセットされる。ガラス母材１１は、その中心部にコア部を有し、コア部の周りにクラッド部を有する。セットされたガラス母材１１の下端部分が線引炉１０内の加熱装置１３で加熱されると、このガラス母材１１の下端部分が溶融して垂下し、下部チャンバ１０ａから下方に引き出され、光ファイバ１２となる。

線引炉１０内の酸化劣化の防止を図るために、線引炉１０には不活性ガス等による炉内ガスの供給機構（図示省略）が設けられている。炉内ガスとしては、例えば、アルゴンガスが線引炉１０内に供給され、このガスは、線引きされた光ファイバ１２と共に、下部チャンバ１０ａから放出される。
線引きされた光ファイバ１２は、冷却装置１５で強制的に冷却された後、塗布装置１６で例えば、紫外線硬化樹脂を塗布して保護される。この樹脂は硬化装置１７で硬化される。次いで、光ファイバ１２は、ガイドローラ１８を経てキャプスタン１８ａで引き取られ、巻き取りドラム２０で巻き取られる。

また、例えば、下部チャンバ１０ａと冷却装置１５との間には外径測定部１４が設置されている。外径測定部１４は、例えば、線引きされた光ファイバ１２の側面の投光画像をモニタして画像処理を施すことにより、光ファイバ１２のガラス外径を測定している。この測定結果は制御部２１に送られる。なお、外径測定部は、冷却装置１５と塗布装置１６との間に設置しても良い。また、外径測定部は複数個所あってもよい。

さらに、例えば、冷却装置１５の内面には、気泡センサ１９が設置されている。線引きされた光ファイバ１２には、ガラス母材１１の加熱で生じた光が照射されており、気泡センサ１９は、例えば光ファイバ１２の側面から外部に放出される光の強度を測定し、気泡を検知している。この検知結果も制御部２１に送られる。なお、気泡センサが気泡を検知する方法は、光強度を測定する方法でなくても良く、干渉光パターンを解析するなどしても良い。また、測定位置も、冷却装置１５内でなくても良く、冷却装置１５と塗布装置１６との間であっても良い。また、複数個所で測定しても良い。

制御部２１では、気泡センサ１９で気泡を検知した場合や、後述のように、閾値を超えるガラス外径を検知した場合は、その箇所を光ファイバの異常点と判定する。そして、制御部２１は、例えば、異常点の位置を記憶部２５に記憶したり、光ファイバの被覆部表面にマーキングをして光ファイバ１２を巻き取りドラム２０に巻き取る。

図２は、図１の制御部の構成を説明する図であり、制御部２１は、外径信号入力部２２、処理部２３、設定値入力部２４、記憶部２５、および出力部２６を備える。
設定値入力部２４は、例えば光ファイバ製造装置１のオペレータが各種の設定値や操作値を入力するために用いることができる。記憶部２５はこれら各種の設定値や操作値、出力値（異常点の位置）を記憶できる。出力部２６は、処理部２３の処理結果を記憶部２５などに出力できる。

ここで、処理部２３は、気泡センサ信号の比較判定部２３ａ、および第１の比較判定部２３ｃを有しており、気泡センサ信号の比較判定部２３ａを経由して出力部２６に至る第１ルートと、外径信号入力部２２から第１の比較判定部２３ｃを経由して出力部２６に至る第２ルートとに分けられている。

詳しくは、第１ルートでは、気泡センサ１９から検知信号３２が、気泡センサ信号の比較判定部２３ａに送られる。気泡センサ信号の比較判定部２３ａは、気泡センサ１９の検知結果をそのまま用いて光ファイバの異常点と判定しても良いし、何らかの判断を加えて、異常点と判定しても良い。

これに対し、第２ルートでは、外径測定部１４からのガラス外径の測定データ３０は、外径信号入力部２２から第１の比較判定部２３ｃに送られる。第１の比較判定部２３ｃでは所定の周波数（例えば、３Ｈｚ、より好ましくは２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号を閾値と比較し、判定する。

図３は、光ファイバのガラス外径測定データを周波数解析した結果を示す図である。ヘリウムガスよりも熱伝導率の低いアルゴンガスまたは窒素ガスを１％以上含有するガスを用いて線引きすると、上記したように、線引炉内のガス流の乱れ等が大きくなり、光ファイバのガラス径変動が大きくなる場合がある。例えば、線引炉内の不活性ガス等をＡｒ５０％、Ｈｅ５０％とし、ガラス径変動の測定結果を周波数解析すると、線引炉内のガス流の乱れ等の影響により、図３に示すように３Ｈｚ未満の周波数成分が多く存在する場合がある。なお、アルゴンガスに替えて窒素ガスを用いても概ね似たような結果となる。この低周波数の成分は、気泡や異物などによるガラス母材起因のガラス径変動によるものではないため、所定の周波数よりも高い、例えば３Ｈｚ以上の周波数の信号を用い、線引炉内のガス流の乱れ等の影響を抑えつつ、短周期のガラス径変動成分により検知できる光ファイバの異常点を検知する。

図２に戻り、第１の比較判定部２３ｃは、選別データ３１とガラス外径に関する第１の閾値とを比較し、選別データ３１が第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する。このガラス外径の閾値は、短周期の変動で捉えられる気泡や異物のような、スパイク状の急峻なガラス径変動を判定するための閾値であり、例えば、±０．５μｍに設定されている。なお、この第１の閾値径は、例えば±０．７μｍや±０．６μｍに設定してもよい。

このように、光ファイバの異常点は第１ルートと第２ルートとを併用して検知する。
第１ルートでは、気泡センサを用い、光ファイバから放出される光の強度を測定するなどして、異常点を検知する。気泡センサでは、短周期の変動で捉えられる異常点については検知し難いものの、比較的長周期の変動で捉えられる気泡などの異常点を検知することができる。一方、第２ルートでは、上記気泡センサによる検知を補完するために、ガラス外径を測定することにより、短周期の変動で捉えられる異常点を検知する。但し、長周期のガラス径変動の影響を低減させるため、所定の周波数よりも高い周波数の信号を選別する。この選別データ３１を用い、第１の閾値により光ファイバの異常点を判定するため、短周期の変動で捉えられる異常点も、ほぼ漏れなく検知することができる。なお、本実施形態では、所定の周波数よりも高い周波数の信号を第１の閾値と比較しているが、問題が無ければ、周波数を問わず、ガラス外径の測定データを第１の閾値と比較しても良い。

なお、上記の第２のルートでは、ガラス外径の測定データ３０が、そのまま第１の比較判定部２３ｃに送られているが、図４に示すように、外径信号入力部２２から第１の比較判定部２３ｃの間にハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２３ｂを設けても良い。ハイパスフィルタを設けることにより、より確実に所定の周波数より高い信号を選別することができる。

また、図４の第２ルートでは、ガラス外径の測定データ３０が、外径信号入力部２２からハイパスフィルタ２３ｂ、第１の比較判定部２３ｃに送られているが、図５に示すように、第３ルートとして、外径信号入力部２２から第２の比較判定部２３ｄにも送られるようにしても良い。この第２の比較判定部２３ｄは、ガラス外径の測定データ３０と上述した第１の閾値よりも大きい第２の閾値とを比較し、測定データ３０が第２の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する。第１の閾値よりも大きい第２の閾値を用いているので、低周波数の外径信号による誤検知が多発することなく、異常点を判定することができる。このような構成にすることにより、さらに異常点を検知しやすくすることができる。なお、この第２の閾値は、第１の閾値よりも大きければよく、例えば、±１．０μｍに設定されている。

より具体的には、異常点の一種である気泡の混入した試料を、気泡センサの検知信号３２による気泡センサ信号の比較判定部２３ａのみで光ファイバ内の気泡を判定したところ、気泡が存在する試料総数１３７件のうち９０件を気泡が存在する試料と検知でき、検知率は６６％程度になった。
これに対し、この気泡センサ信号の比較判定部２３ａの他、２Ｈｚ以上の外径信号を選別して第１の閾値を±０．５μｍとし、第１の比較判定部２３ｃも併用して光ファイバ内の気泡を判定したところ、同じ試料総数１３７件のうち１２６件を気泡が存在する試料と検知でき、検知率は９２％程度になった。このように、第１ルートと第２ルートとを併用して光ファイバ内の気泡を検知すれば、検知率が飛躍的に向上することが分かる。
また、さらに、第２の比較判定部２３ｄも併用して、第２の閾値を±１．０μｍとし、光ファイバ内の気泡を判定したところ、同じ試料総数１３７件のうち１２８件を気泡が存在する試料と検知でき、検知率は９３％程度になった。このように、第３ルートをさらに併用すると、より検知率が向上することが分かる。

なお、気泡センサ信号の比較判定部２３ａや第１の比較判定部２３ｃ、第２の比較判定部２３ｄの判定結果は記憶部２５や出力部２６に送られ、記憶部２５で異常点の位置を記憶したり、出力部２６からの信号により異常点と判定された箇所へのマーキングを行ったりする。巻き取りドラム２０に巻き取られた光ファイバ１２は、例えば、その巻き取りドラム２０を次工程のラインにセットして別のドラムに巻き取られる際に、記憶部２５で記憶された位置、またはマークを付した箇所で除去される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…光ファイバ製造装置、１０…線引炉、１０ａ…下部チャンバ、１１…光ファイバ用ガラス母材、１２…線引きされた光ファイバ、１３…加熱装置、１４…外径測定部、１５…冷却装置、１６…塗布装置、１７…硬化装置、１８…ガイドローラ、１８ａ…キャプスタン、１９…気泡センサ、２０…巻き取りドラム、２１…制御部、２２…外径信号入力部、２３…処理部、２３ａ…気泡センサ信号の比較判定部、２３ｂ…ハイパスフィルタ、２３ｃ…第１の比較判定部、２３ｄ…第２の比較判定部、２４…設定値入力部、２５…記憶部、２６…出力部、３０…外径の測定データ、３１…選別データ、３２…強度の測定データ。

Claims (5)

1. 光ファイバ用ガラス母材を線引炉内で加熱して線引き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であって、
   気泡センサで検知した箇所を光ファイバの異常点と判定するステップと、
   線引きされた前記光ファイバのガラス外径の測定データから、所定の周波数（２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号（選別データ）を第１の閾値と比較し、前記第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定するステップとを含み、
   前記気泡センサで検知し判定した箇所、または／および前記ガラス外径の選別データが第１の閾値を超えた箇所を、異常点と判定して処理する、光ファイバの製造方法。
2. 前記光ファイバのガラス外径の測定データから、前記所定の周波数よりも高い周波数の信号（選別データ）を選別する方法として、ハイパスフィルタを用いる、請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記ガラス外径の測定データを前記第１の閾値より大きい第２の閾値と比較し、前記測定データが前記第２の閾値を超えた箇所を異常点と判定して処理する、請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
4. 光ファイバ用ガラス母材を線引炉内で加熱し、線引き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装置であって、
   気泡センサで検知した箇所を光ファイバの異常点と判定する気泡センサ信号の比較判定部と、
   線引きされた前記光ファイバのガラス外径の測定データから、所定の周波数（２Ｈｚ）よりも高い周波数の信号（選別データ）を第１の閾値と比較し、前記第１の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する第１の比較判定部とを備える、光ファイバの製造装置。
5. 前記ガラス外径の測定データを前記第１の閾値より大きい第２の閾値径と比較し、前記測定データが前記第２の閾値を超えた箇所を光ファイバの異常点と判定する第２の比較判定部とを備える、請求項４に記載の光ファイバの製造装置。

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