CN1656030A - 玻璃母材的拉伸方法及用于该方法的拉伸装置 - Google Patents

Abstract

为了以短时间实现高精度的外径控制，以提供可靠性高的光纤母材，测量玻璃母材拉伸部分的外径。在根据该外径的目标值和测量值对拉伸条件进行反馈控制时，根据上述测量值和目标值之差以及每单位时间该差的变化值中的至少一个来转换至少一个正在测量的控制项目的控制方式。

Description

玻璃母材的拉伸方法及用于该方法的拉伸装置

技术领域

本发明涉及玻璃母材的拉伸方法及用于该方法的拉伸装置，尤其是玻璃母材的外径控制。

背景技术

以往，将光纤用母材拉伸至所需外径的方法通常使用如下的方法：利用电阻加热炉等加热装置进行加热，使玻璃母材从一端开始顺序软化，并施加拉伸应力等，而且一边测量直径收缩了的玻璃母材的外径一边对母材施加拉伸应力，使获得的测量值与目标值一致，并控制抓持上述母材的上端和下端的上部抓持装置和下部抓持装置的移动速度。

于是人们对外径控制提出了各种方法。

例如有如下方法：对玻璃物品的尺寸进行在线测量，并测量拉伸速度的变化和对于测量尺寸的变化的影响，从而对荒废的时间进行补偿(特开平7-2539号公报)。

在该方法中，将玻璃母材拉伸至一定的外径时，因为对于外径小的拉伸体可以提高拉伸速度，所以控制响应较快。但是若要获得30mm左右粗的拉伸体，则由于拉伸速度慢而使得控制响应需要很长时间，所以存在不稳定、达到稳定的时间长、废弃量增多等问题。

另外还提出了如下方法：为了进一步提高拉伸体的外径精度，在两处设置外径测量器，根据在两处测量的预制件的外径值来控制拉伸速度(特开平10-167745号)。

在该方法中，由于外径测量器有两台，所以存在控制参数复杂的问题。另外由于拉伸开始端与中央部分附近的外径变化的周期不同，所以存在两处的外径测量器之间联系困难的问题。

如上所述，利用现有的方法很难高效率地对外径进行高精度的控制。

发明内容

本发明就是鉴于上述实际情况而提出的，其目的在于提供一种容易实现高精度的外径控制的、可靠性高的光纤母材。

本发明的拉伸方法包括如下工序：测量玻璃母材拉伸部分的外径；根据预先设定的上述外径的目标值，对拉伸条件进行反馈控制，其特征在于包括如下工序：根据上述外径的测量值与目标值之差和该差的单位时间的变化值这两者中的至少一者，至少切换一个作为测量对象的控制项目的控制方式。

即，本方法的特征在于：在外径变化大的部分和小的部分，使用不同的控制方式(控制的方法)。

在拉伸工序中，由于测量值与目标值之差大时和小时的拉伸状态有很大区别，所以，可以认为进行合理的控制所需的参数也不同。因此，预先决定两种或两种以上的参数(与控制项目有关的系数)，根据测量值与目标值之差或该差的斜率即单位时间的变化值来切换它们的控制参数，就可以在整个拉伸长度上进行合理的控制。

为了提高完工后的直径的精度，需要使外径测量器的测量位置尽可能靠近完工外径，但是在靠近完工外径的位置进行的外径控制，由于加热部分与外径测量部分的间隔长而使得响应时间变长，从而很难利用外径控制将外径调整到一定的值。但是本发明的方法不仅采用了基于和与目标外径之差成比例的量的比例控制，还采用了将其与对应于积分量与微分量的控制进行组合的PID控制等，通过选择合理的控制方式进行切换，可以进行响应性良好的控制。

例如利用PID控制进行拉伸时，与目标值之差大的地方往往是拉伸开始端。由于拉伸开始端变化大，需要迅速响应至目标值，因此需要加强微分控制(预测外径变化，尽快向反方向控制)。

相反，若到达了目标值，则拉伸外径就不太变化。因此，此时不大需要微分控制。相反，若微分过强，反而会对例如因噪声而引起的测量值的变化也进行控制，使得变化进一步放大，从而使变化无法收敛，成为引起所谓的摆动的原因。

如上所述，对于拉伸控制来说，从拉伸开始端到达到目标值之前为止，变化大，一旦到达目标值就很难变化。本发明的方法就是考虑到这一点而作出的。

因此，通过在开始时与到达目标值之后使用不同的控制方式，可以进行最合理的控制。

优选通过切换反馈控制的控制运算式来切换控制方式。

即，本发明的方法是如下的方法：

利用热源加热玻璃母材，对上述玻璃母材相对于上述热源的相对送入速度、上述玻璃母材相对于上述热源的相对拉伸速度，以及上述热源的加热温度这三个控制项目中的至少一个进行控制；

设上述玻璃母材拉伸部分外径的测量位置处的外径目标值与测量值之差为A，A的预定时间的积分值为B，A的单位时间的变化值为C，基于包含A、B、C，且A、B、C的系数中至少有一个不是零的式子进行控制；

在A与C中的至少一个超过预定值时，至少将上述式子中的系数A、B、C中的一个从第一值变更为不同于该第一值的第二值之后控制上述控制项目。

另外，本发明的方法是如下的方法：

在预定位置测量玻璃母材拉伸部分的外径，基于下式 $X=V_0+K_P(E\left(t\right)+1/T_1{\∫}_0^{t}E\left(u\right)\mathrm{du}+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/\mathrm{dt})$ 来对控制项目进行控制，拉伸玻璃母材；

在上式中，在上述E(t)和dE(t)/dt中的至少一个超过预定值时，至少将K_P、T₁、T_D中的一个从第一值变更为不同于该第一值的第二值；其中，

E(t)为上述测量点的上述外径的测量值与目标值之差， ${\∫}_0^{t}E\left(u\right)\mathrm{du}$ 为E(t)的预定时间的积分值，dE(t)/dt为E(t)的单位时间的变化值，X为上述控制项目，即玻璃母材相对于对其进行加热的热源的相对送入速度、玻璃母材相对于上述热源的相对拉出速度，以及上述热源的加热温度这三者中的任一个，V₀为常数，K_P、T₁、T_D为系数，其中至少一个系数不是零。

优选在测量外径与目标外径之差至少在0.1-1.0mm范围内的切换点切换控制参数。

如此，通过使切换之差的大小在1mm以内，能够更加高效率地控制母材外径的变化，可以获得外径变化量为±0.2mm的母材。

若小于0.1mm，则因变化太大而难以控制。

若超过1mm，则分为两段的意义就变小了。

另外，优选在测量外径与目标外径之差的单位时间的变化值至少在0.3-3.0mm/分的范围内的切换点切换控制参数。

拉伸控制时，因为测量外径与目标外径之差大的时候(拉伸开始端)与小的时候(尤其是拉伸体(光纤母材)中央附近)的状态大不相同，所以，可以认为进行合理的控制所需的控制参数不同。

本发明者们从各种实验结果中发现：根据与目标值之差或每单位时间差的变化值而使用不同的控制参数进行控制，能够在拉伸体的全长进行合理的控制，结果可以获得外径精度良好的光纤母材。

因为只要拉伸条件相同，拉伸的外径变化的波形周期(时间)就大致不变，所以与目标值之差越大，斜率(单位时间的差的变化值)就越大。另外，与目标值的差相同时，其变化值越大，越需要迅速地进行逆控制。因此，差的斜率的大小(变化值)是和与外径目标值之差同等重要的因素。

因此，作为该控制参数的切换条件，除了与目标外径之差以外还设定差的单位时间的变化值，由此能够以更好的响应性检测出拉伸状态的变化。

优选在至少一种控制方式中使用PID控制方式，这样不仅能够根据对应于与目标值之差的比例进行控制，还能够根据其微分量(单位时间的变化值)和积分量进行控制，从而可以进行高速且可靠性高的控制。

另外优选在该PID控制方式中，当与目标外径之差或上述差的单位时间的变化值大时，上述控制系数的值中与上述差有关的系数为10～2000分^-1与上述差的预定时间的积分值有关的系数大于等于50分，与上述差的单位时间的变化值有关的系数大于等于5分。

按照该结构中，与目标外径之差小时，相对于积分项，需要加强微分项的控制。

另外优选在PID控制方式中，当与目标外径之差或上述差的单位时间的变化值小于预定值时，上述控制系数的值中与上述差有关的系数为10-2000分^-1，与上述差的预定时间的积分值有关的系数为500分或500分以下，与上述差的单位时间的变化值有关的系数为200分或200分以下。

按照该结构，与目标外径之差大时，需要加强积分项的控制。

或者，该控制方式包括根据外径的测量值与目标值之差的比例而进行的控制，切换该比例常数。这样，在进行不需要太快的响应的拉伸时，优选不进行PID控制，而使用更加简单的参数的控制方式，即比例控制方式。

另外优选在上述方法中，用上部抓持装置和下部抓持装置保持上述玻璃母材的上下部分进行拉伸，至少变更上述上部抓持装置和下部抓持装置两者之一的速度变化量的比例，且至少变更上述玻璃母材的相对送入速度和上述玻璃母材的相对拉出速度两者中的一个。

此控制方式的特征是变更上部抓持装置的速度变化量和下部抓持装置的速度变化量的比例。

根据该控制方法，利用反馈上部抓持装置和下部抓持装置的操作量的方向不同，可以根据速度的变化量来营造不同的拉伸状态。

另外，根据本发明的拉伸装置包括：

用于抓持上述玻璃母材两端的上部抓持装置和下部抓持装置；用于对上述母材进行加热的热源；用于测量上述玻璃母材拉伸部分外径的外径测量器；以及控制装置，该控制装置根据由上述外径测量器获得的测量值与上述玻璃母材拉伸部分的上述外径目标值之差，对上述玻璃母材相对于上述热源的相对送入速度、上述玻璃母材相对于上述热源的相对拉出速度、以及上述热源的加热温度这三个控制项目中的至少一个进行控制，以此来控制拉伸条件。

并且能够进行设定，使得：

在上述差、上述差的预定时间的积分值和上述差的单位时间的变化值中至少一个的系数不是零的上述控制项目的控制式中，在上述差和上述差的单位时间的变化值中至少一个的系数不是零的上述控制项目的控制式中，以及在上述差和上述差的单位时间的变化值中至少一个不是零的上述控制项目的控制式中，在上述差和上述差的单位时间的变化值中至少一个超过预定值时，将上述式中的至少一个系数从第一值变更为不同于第一值的第二值。

该拉伸装置在外径变化大的部分和变化小的部分使用不同的控制方式。预先准备两种或两种以上的系数，根据测量值与目标值之差或该差的单位时间的变化值来切换这些系数，从而可以在整个拉伸长度上进行合理的控制。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的拉伸控制方式的框图；

图2是表示本发明实施方式的拉伸装置的图；

图3是表示利用本发明实施例1的方法拉伸的玻璃母材的外径变化的图；

图4是表示利用比较例1的方法拉伸的玻璃母材的外径变化的图；

图5是表示利用比较例2的方法拉伸的玻璃母材的外径变化的图；

图6是表示利用比较例3的方法拉伸的玻璃母材的外径变化的图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明光纤母材制造方法的实施方式。

在本实施方式中，如图1所示，由含有以能够根据测量值与目标值之差或该差的单位时间的变化值来进行切换以使外径变化大的部分和小的部分的控制方式不同的PID方式构成的外径控制用调节器12构成控制单元，并根据目标值11与外径测量器13的测量值之差，将由调节器12计算出来的控制输出值反馈给控制对象。

在此使用的拉伸装置包括：两端具有伪棒2、3的玻璃母材1；分别通过伪棒2、3来抓持该玻璃母材的上侧驱动部分4和下侧驱动部分5；作为热源对拉伸前玻璃母材进行加热的加热器6，该拉伸前的母材由安装在该上侧驱动部分4和下侧驱动部分5上的未图示的上侧驱动部分夹头和下侧驱动部分夹头抓持；测量该玻璃母材1的拉伸部分1E的外径的外径测量器7；以及控制单元8，它根据由外径测量器7获得的玻璃母材1的拉伸部分1E的外径测量值与该外径的目标值，对拉伸条件进行反馈控制。

在此，该控制单元以能够根据外径的测量值与目标值之差和该差的单位时间的变化值两者中的一个来切换系数的方式构成。

具体构成如下：

在炉心管的内部设置玻璃母材1，通过该玻璃母材1的两端露出的伪棒2、3，分别用上侧驱动部分4和下侧驱动部分5的上侧驱动部分夹头和下侧驱动部分夹头抓持该玻璃母材1，以下侧驱动部分5的下降速度高于上侧驱动部分4的下降速度的方式下降，从而进行拉伸。而且在该炉心管内形成有根据需要而导入惰性气体的惰性气体导入部分，通过提供惰性气体能够防止氧化。

拉伸后外径的测量值与目标之差大时和小时的拉伸状态大不相同，通过在恰当的时机适当地切换控制参数，可以在整个拉伸长度上进行合理的控制。

该拉伸工序是这样进行的。首先，用上下侧驱动部分夹头抓持上下端具有伪棒的玻璃母材，将其设置在拉伸炉中。接着，使加热器升温，充分加热玻璃母材之后，使上下驱动部分以不同的速度下降(使其具有速度差)，从而拉伸母材。

此时，一边在小于下侧驱动部分夹头的下降速度的范围内，根据外径测量器7的测量输出、用控制单元8调整上侧驱动部分夹头的下降速度，一边控制拉伸后的玻璃母材的外径。

另外，此时也可以用控制单元调整下侧驱动部分夹头的下降速度或加热温度。

即，在拉伸开始端与目标外径的差大的时点和在拉伸体中央附近与目标外径的差小的时点转换控制方式，通过分别使用合理的控制方式来在整个拉伸长度上进行合理的控制。

实施例

首先，准备外径为80mm的玻璃母材。

接着，将上下部分具有伪棒的玻璃母材安装在已经在上述实施方式中说明了的拉伸装置中。

在该状态下接通加热器6，将炉内温度从常温升至1700-2200。

这样，当升至目标温度之后将玻璃母材的拉出速度设定为40m/分，开始拉伸。此时，测量拉伸中的外径，将其与预先设定的设定外径之差反馈给送入母材的送进速度(上侧驱动部分夹头的速度)Va，如此进行外径控制。

在此，设定外径为30.5mm，对设定外径与外径测量值之差(E(t))进行由式 $V_a=V_0+K_P(E\left(t\right)+1/T_1{\∫}_0^{t}E\left(u\right)\mathrm{du}+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/\mathrm{dt})$ 表示的PID控制后，对送入速度V_a进行了控制。在此，初始速度V₀＝5.5mm/分。

另外，根据由外径测量器测得的外径与目标外径之差的大小程度改变上述式中的参数K_P、T₁、T_D的值。即，外径差小于0.3mm时，使K_P＝1000分^-1、T₁＝40分、T_D＝10分，在外径差达到0.3mm时，切换上述式中的K_P、T₁、T_D的值，在外径差大于等于0.3mm时，K_P＝1000分^-1、T₁＝1000分、T_D＝100分。

图3示出了如此进行控制后的结果。

结果如图3所示，外径为30±0.2mm，良好。在此，纵轴表示外径D、横轴表示拉伸长度L。

比较例1

在此例中，与上述实施例1样，也是利用图1和图2所示的拉伸装置与控制装置进行控制，但是不切换系数，在整个拉伸工序中使K_P＝1000分^-1、T₁＝40分、T_D＝10分。

图4示出了如此进行控制后的结果。

结果如图4所示，外径为30±0.5mm，波动变大。

比较例2

在此例中，与上述实施例1样，也是利用图1和图2所示的拉伸装置与控制装置进行控制，但是不切换系数，在整个拉伸工序中使K_P＝1000分^-1、T₁＝1000分、T_D＝100分。

图5示出了如此进行控制后的结果。

结果如图5所示，外径为30±0.4mm，波动变大。

比较例3

在此例中，与上述实施例一样，也是利用图1和图2所示的拉伸装置与控制装置进行控制，但是使用了由如下的关系式所表示的方式作为控制方式进行了拉伸。

V_a＝V₀+K(E(t))

在此也没有切换系数，在整个拉伸工序中使K_P＝50分^-1、V₀＝50分^-1。

图6示出了如此进行控制后的结果。

结果如图6所示，外径波动很大。

将上述实施例1与比较例1至3进行比较可知，根据外径的测量值与目标值之差，至少改变一个控制项目的系数，可以进行高精度的外径控制。

上述实施例是在测得的外径与目标外径之差为0.3mm的时候进行切换的，但是通过各种试验得知，只要在0.1-1.0mm范围内的切换点切换系数，都能够进行高精度的外径控制。

另外，不利用外径的测量值与目标值之差，而利用该差的单位时间的变化值，能够更加迅速地预测变化，因此，也可以根据该差的单位时间的变化值的大小来切换控制方式。利用这种控制能够以更好的响应性进行检测。

在上述实施例中，使用了PID控制方式，并对参数进行了切换。通过至少在一个项目中使用PID，除了根据对应于外径的测量值与目标值之差的比例之外，还可以根据其微分量和积分量来进行控制，也能够进行高速且可靠性高的控制。

PID控制方式的参数也可以有比例常数、微分时间、和积分时间，可以分两个阶段来设定这些设定值，根据实际进行拉伸时的与目标值之差和/或该差的单位时间的变化值的大小来选择某一个设定值，自动进行切换。

另外，不限于PID控制，也可以用于更加简单的比例控制。此时不是将PID值，而是将比例常数分两个阶段设定，也可以切换该比例常数。这种切换包括这种情况：在某一时刻的前后，例如到达目标值附近之后，不进行控制，而以固定的条件进行拉伸。

优选该方式包含根据外径的测量值与目标值之差的比例进行的控制，切换该比例常数。如此，在进行不需要太快的响应的拉伸时，可以不用PID控制，而利用更加简单的参数控制方式即比例控制方式。另外，在外径的测量值与目标值之差或差的单位时间的变化值小于某一值以后，也可以使系数为零，即不进行控制。

另外优选如下方式：不仅改变控制方式，还改变控制对象，其特征是改变上侧驱动部分夹头速度的变化量和下侧驱动部分夹头速度的变化量的比例。

虽然参照特定的实施方式对本发明进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员很清楚，能够在不脱离本发明的思想和范围的前提下进行各种变更和改动。

本发明是基于2002年6月19日提出申请的日本特许申请(特愿2002-178372)的发明，将其内容作为参照写进了这里。

产业效果

如上所述，在进行拉伸控制时，由于拉伸开始端与拉伸后玻璃母材中央附近的状态大不相同，因此根据不同的时机使用不同的参数进行控制，使其成为合理的控制所需的控制参数，由此可以在玻璃母材的全长进行合理的控制。

另外，作为控制参数的切换条件，除了测量值与目标值之差以外，通过设定单位时间的差的变化值，由此能够以更好的响应性来检测拉伸状态的变化，从而可以进行高速且可靠性良好的控制。

由于本发明的拉伸装置具备切换装置，能够根据测量值与目标值之差以及单位时间的差的变化值中的至少一个，切换成为测量对象的控制项目中的至少一个，使外径变化大的部分与小的部分的控制方式不同，所以能够在整个拉伸长度上进行合理的控制。

Claims (8)

1.一种玻璃母材的拉伸方法，包括下列步骤：

利用热源加热玻璃母材；

对上述玻璃母材相对于上述热源的相对送入速度、上述玻璃母材相对于上述热源的相对拉出速度、以及上述热源的加热温度中的至少一个控制项目进行控制；

设上述玻璃母材拉伸部分的外径测量位置的外径的目标值与测量值之差为A、A的预定时间的积分值为B、A的单位时间的变化值为C，基于包含系数A、B、C，且A、B、C中至少一个不为零的式子进行控制；

在A与C中的至少一个超过预定值时，至少将上述式子中的系数A、B、C中的一个从第一值变更为不同于该第一值的第二值之后控制上述控制项目。

2.一种玻璃母材的拉伸方法，

在预定位置测量玻璃母材拉伸部分的外径，基于下式

$X=V_0+K_P(E\left(t\right)+1/T_1{\∫}_0^{t}E\left(u\right)\mathrm{du}+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/\mathrm{dt})$ 来对控制项目进行控制，拉伸玻璃母材；

在上式中，在上述E(t)和dE(t)/dt中的至少一个超过预定值时，至少将K_P、T₁、T_D中的一个从第一值变更为不同于该第一值的第二值；其中，

E(t)为上述测量点的上述外径的测量值与目标值之差，

为E(t)的预定时间的积分值，dE(t)/dt为E(t)的单位时间的变化值，X为上述控制项目，即玻璃母材相对于对其进行加热的热源的相对送入速度、玻璃母材相对于上述热源的相对拉出速度，以及上述热源速度中的某一个，V₀为常数，K_P、T₁、T_D为系数，其中至少一个系数不是零。

3.如权利要求1或2所述的玻璃母材的拉伸方法，其中，上述外径的目标值与上述外径的测量值之差的上述预定值在0.1-1.0mm的范围内。

4.如权利要求3所述的玻璃母材的拉伸方法，其中，上述外径的目标值与上述外径的测量值之差的上述预定值在0.3-3.0mm/分的范围内。

5.如权利要求1或2所述的玻璃母材的拉伸方法，其中，在上述外径的目标值与上述外径的测量值之差或上述差的单位时间的变化值大于上述预定值时，在上述控制系数的上述第二值中，与上述差有关的系数为10～2000分^-1，与上述差的预定时间的积分值有关的系数为50分或50分以上，与上述差的单位时间的变化值有关的系数为5分或5分以上。

6.如权利要求1或2所述的玻璃母材的拉伸方法，其中，在上述外径的目标值与上述外径的测量值之差或上述差的单位时间的变化值小于上述预定值时，在上述控制系数的上述第二值中，与上述差有关的系数为10～2000分^-1，与上述差的预定时间的积分值有关的系数为500分或500分以下，与上述差的单位时间的变化值有关的系数为200分或200分以下。

7.如权利要求1所述的玻璃母材的拉伸方法，其中，

用上部抓持装置与下部抓持装置抓持上述玻璃母材的上下部分进行拉伸；

至少变更上述上部抓持装置的速度变化量和上述下部抓持装置速度变化量的比例中的一个，至少变更上述玻璃母材的相对送入速度和上述玻璃母材的相对拉出速度中的一个。

8.一种玻璃母材的拉伸装置，包括：

用于抓持上述玻璃母材两端的上部抓持装置和下部抓持装置；

用于对上述母材进行加热的热源；

用于测量上述玻璃母材拉伸部分外径的外径测量器；以及

控制装置，该控制装置根据由上述外径测量器获得的测量值与上述玻璃母材拉伸部分的上述外径目标值之差，对上述玻璃母材相对于上述热源的相对送入速度、上述玻璃母材相对于上述热源的相对拉出速度、以及上述热源的加热温度中的至少一个控制项目进行控制，以此来控制拉伸条件，

所述拉伸装置能够进行设定，使得：

在上述差、上述差的预定时间的积分值、和上述差的单位时间的变化值中至少一个的系数不是零的上述控制项目的控制式中，当上述差和上述差的单位时间的变化值中至少一个超过预定值时，将上述式中的至少一个系数从第一值变更为不同于第一值的第二值。

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