WO2004000740A1 - ガラス母材の延伸方法およびこれに用いられる延伸装置 - Google Patents

ガラス母材の延伸方法およびこれに用いられる延伸装置 Download PDF

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    • C03B37/0124—Means for reducing the diameter of rods or tubes by drawing, e.g. for preform draw-down
    • C03B37/01242—Controlling or regulating the down-draw process

Definitions

  • the present invention relates to a method for drawing a glass base material and a drawing apparatus used for the method, and more particularly to controlling the outer diameter of the glass base material.
  • a heating means such as a resistance heating furnace is used to sequentially heat and soften the glass preform from one end to obtain a tensile stress or the like. While measuring the outer diameter of the reduced glass preform, a tensile stress should be applied to the glass preform so that the measured value matches the target value.
  • a method of controlling the moving speed of the upper gripping means and the lower gripping means for gripping the lower end has been adopted.
  • the stretching speed can be relatively increased in the case of a stretched body having a small outer diameter, so that the control response becomes faster.
  • the response time of the control is slow because the stretching speed is slow, and it is not stable or it takes time to stabilize, and the amount of rejection increases.
  • This method has a problem in that the control parameters become complicated as the number of outer diameter measuring devices becomes two.
  • the cycle of the outer diameter variation is often different between the stretching start end and the vicinity of the center, and there has been a problem that it is difficult to link two-stage outer diameter measuring instruments.
  • it has been extremely difficult with the conventional method to efficiently perform high-precision outer diameter control.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a highly reliable optical fiber preform that easily realizes highly accurate outer diameter control.
  • the stretching method includes a step of measuring an outer diameter of the stretched portion of the glass base material, and performing a feed pack control of the stretching conditions based on a preset target value of the outer diameter.
  • the method includes a step of switching at least one control method of a control item to be measured based on at least one of a difference between the measured value of the outer diameter and the target value and a change value of the difference per unit time. It is characterized by the following. That is, this method is characterized in that the control method (control method) is changed between a portion having a large outer diameter variation and a portion having a small outer diameter variation.
  • the stretching state is greatly different between the case where the difference between the measured value and the target value is large and the case where the difference is small, so it is considered that the parameters necessary for performing appropriate control will also be different. Therefore, two or more control parameters (coefficients related to control items) are used in advance, and these control parameters are switched according to the difference between the measured value and the target value or the slope of this difference, that is, the change value per unit time. Appropriate control can be performed over the entire stretching length.
  • the fluctuation is large from the starting point of the stretching until the target value is reached.
  • the method of the present invention has been made focusing on this point.
  • this control method is switched by switching the control arithmetic expression of feedback control.
  • the glass base material is heated using a heat source, the relative input speed of the glass base material to the heat source, the relative take-off speed of the glass base material to the heat source, and the heating of the heat source
  • the difference between the target value and the measured value of the outer diameter at the measurement position of the outer diameter of the stretched portion of the glass base material is A
  • Control based on a formula that includes A, B, and C, and at least one of the coefficients related to A, B, and C is non-zero,
  • At least one of A and C exceeds a predetermined value, at least one of the coefficients related to A, B, and C in the above equation is changed from the first value to a second value different from the first value. It changes to control the control item.
  • the method of the present invention is a method of measuring the outer diameter of the glass base material extending portion at a predetermined position, controlling the control items based on the following equation, and extending the glass base material,
  • K P at least one of T I T D, is changed to a different second value from said first value from the first value.
  • X the control item. Any of the relative input speed of the glass base material to the heat source for heating the glass base material, the relative take-off speed of the glass base material to the heat source and the heating temperature of the heat source,
  • K P , T 1 T D Coefficient. At least one coefficient is non-zero.
  • control parameter is switched at a switching point at which the difference between the measured outer diameter and the target outer diameter is at least in the range of 0.1 to 1.0 mm.
  • control parameter is set at a switching point at which the change value per unit time of the difference between the measured outer diameter and the target outer diameter is within a range of at least 0.3 to 3.0 mmZ. Switch.
  • the present inventors performed control using different control parameters according to a difference from a target value or a change value of the difference per unit time, thereby performing appropriate control over the entire length of the stretched body. It was found that the optical fiber preform with good outer diameter accuracy could be obtained as a result.
  • the magnitude (change value) of the gradient of the difference is an important factor as much as the difference from the target value of the outer diameter.
  • control by using a PID control method for at least one of the control methods, in addition to the proportionality according to the difference from the target value, the control according to the differential amount (change value per unit time) and the integral amount is performed.
  • Control can be performed at high speed and with high reliability.
  • the value of the control coefficient is a coefficient relating to the difference and is 10 to 200.
  • Minute- 1 a coefficient relating to an integral value of the difference for a predetermined time is 50 minutes or more, and a coefficient relating to a change value of the difference per unit time is 5 minutes or more.
  • the PID control method includes a difference from a target outer diameter or a time corresponding to the difference. If the change value of the difference is smaller than a predetermined value, the value of the control coefficient is a coefficient relating to the difference, 10 to 200 minutes ⁇ 1 , and a coefficient relating to an integral value of the difference for a predetermined time is 500,000. And a coefficient relating to a change value of the difference per unit time is 200 minutes or less.
  • this control method includes control based on the proportionality of the difference between the measured value of the outer diameter and the target value, and switches the proportional constant.
  • a proportional control method which is a simpler parameter control method, instead of the PID control.
  • the method comprises: gripping the upper and lower sides of the glass base material with an upper gripping means and a lower gripping means and pulling the glass base material; and changing the speed of the upper gripping means and the speed of the lower gripping means. And changing at least one of the relative input speed of the glass base material and the relative take-off speed of the glass base material.
  • This control method is characterized in that the rate of change of the speed of the upper gripping means and the rate of change of the speed of the lower gripping means are changed.
  • the stretching apparatus of the present invention includes: an upper gripping means and a lower gripping means for gripping both ends of the glass base material; a heat source for heating the glass base material; An outer diameter measuring device for measuring a diameter; and a glass for the heat source based on a difference between a measured value obtained by the outer diameter measuring device and a target value of the outer diameter of the stretched portion of the glass base material.
  • Control means for controlling at least one control item of a relative input speed of the base material, a relative take-up speed of the glass base material with respect to the heat source, and a heating temperature of the heat source, and controlling a stretching condition; Wherein at least one of an integral value of the difference at a predetermined time and a coefficient of a change value of the difference per unit time is not zero.
  • At least one of the coefficients of the change value per unit time of the difference is not zero, the change value of the difference and the difference per unit time
  • At least one of the control formulas of the control item when at least one of the difference and a change value of the difference per unit time exceeds a predetermined value, at least one of the coefficients in the formula One can be set to change from the first value to a second value different from the first value.
  • the control method is changed between a portion having a large outer diameter variation and a portion having a small outer diameter variation.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a stretching control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a stretching device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in outer diameter of a glass base material stretched by the method of Example 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in outer diameter of a glass base material stretched by the method of Comparative Example 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a change in outer diameter of a glass base material stretched by the method of Comparative Example 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing a change in outer diameter of a glass base material stretched by the method of Comparative Example 3.
  • symbol in a figure 1 is a glass base material, 2 is a dummy rod, 3 is a dummy rod,
  • 4 is an upper drive unit
  • 5 is a lower drive unit
  • 6 is a heater
  • the control method can be changed between a portion having a large outer diameter variation and a portion having a small outer diameter variation, including a PID method.
  • the control cut is composed of the diameter control regulators 1 and 2,
  • the control output value calculated by the controller 12 is fed back to the control target based on the difference between the target value 11 and the measurement value of the outer diameter measuring device 13.
  • the stretching apparatus used here is composed of a glass base material 1 having dummy rods 2 and 3 at both ends, an upper drive unit 4 and a lower drive unit 5 which hold the glass base material through the dummy rods 2 and 3, respectively.
  • a heater 6 as a heat source for heating the pre-stretched glass base material gripped by the upper drive unit chuck and the lower drive unit chuck (not shown) attached to the upper drive unit 4 and the lower drive unit 5;
  • An outer diameter measuring device 7 for measuring the outer diameter of the drawn portion 1 E of the base material 1, a measured value of the outer diameter of the drawn portion 1 E of the glass base material 1 obtained by the outer diameter measuring device 7, and the outer diameter
  • a control cut 8 for performing feedback control of the stretching condition based on the target value.
  • control unit is configured to switch the coefficient based on one of a difference between the measured value of the outer diameter and the target value and a change value of the difference per unit time.
  • a glass base material 1 is installed inside the core tube, and upper drive unit chucks of the upper drive unit 4 and the lower drive unit 5 via dummy rods 2 and 3 exposing the glass base material 1 at both ends.
  • the lower drive unit is gripped by a lower drive unit chuck, and the lower drive unit 5 is lowered so that the lowering speed of the upper drive unit 4 is higher than the lowering speed of the upper drive unit 4 to perform stretching.
  • an inert gas introduction section for introducing an inert gas as necessary is formed in the furnace tube, so that oxidation is prevented by supplying the inert gas.
  • the stretching state greatly differs between the case where the difference between the measured value of the outer diameter after stretching and the target value is large and the case where the difference is small, but by appropriately switching the control parameters at the appropriate time, the appropriate Control can be performed.
  • This stretching step is performed as follows. First, a glass base material having dummy rods at upper and lower ends is gripped by upper and lower drive chucks and set in a drawing furnace. Next, the temperature of the heater is raised, and the glass base material is sufficiently heated. Then, the glass base material is stretched by giving a speed difference to the vertical drive unit and lowering the glass base material.
  • the lowering speed of the upper drive unit chuck is lower than the lowering speed of the lower drive unit chuck.
  • the outer diameter of the drawn glass base material is controlled while adjusting by the control unit 8 based on the measurement output by the outer diameter measuring device 7.
  • the lowering speed of the lower drive unit chuck or the heating temperature may also be adjusted by the control unit.
  • control method is switched between when the outer diameter difference from the target at the stretching start end is large and when the outer diameter difference from the target near the center of the stretched body is small, and an appropriate control method is set for each. By using this, appropriate control can be performed over the entire stretching length.
  • a glass base material with an outer diameter of 8 Omm is prepared.
  • the glass base material having the dummy rods at the upper and lower parts is attached to the stretching apparatus described in the above embodiment.
  • the heater 6 is turned on, and the furnace temperature is raised from room temperature to 1700 to 2200 ° C.
  • the glass base material take-up speed is set to 4 Om / min, and drawing is started.
  • the outer diameter during the stretching is measured, and the difference from the preset outer diameter is fed back to the base material feed speed (upper drive chuck speed) V a to control the outer diameter. went.
  • the set outer diameter is set to 30.5 mm, and the difference (E (t)) between the set outer diameter and the measured outer diameter is subjected to PID control expressed by the following formula, and then the injection speed Va is controlled. did.
  • FIG. 3 shows the results of the control performed in this way.
  • the outer diameter was as good as 30 ⁇ 0.2 mm.
  • the vertical axis indicates the outer diameter D
  • the horizontal axis indicates the stretching length L.
  • Fig. 4 shows the results of the control performed in this way.
  • the outer diameter has a large fluctuation of 30 ⁇ 0.5 mm.
  • Fig. 5 shows the results of the control performed in this way.
  • the outer diameter fluctuates to 30 ⁇ 0.4 mm.
  • control is performed using the stretching device and the control device shown in FIGS. 1 and 2, but the stretching is performed by using a method represented by the following relational expression as a control method. Was done.
  • V a V. + K (E (t »
  • K p 50 min - was 1 - 1
  • V 0 50 min.
  • Figure 6 shows the results of the control performed in this way.
  • the switching was performed when the difference between the measured outer diameter and the target outer diameter was 0.3 mm, but as a result of various experiments, the switching point was in the range of 0.1 to 1.0 mm. It was found that high-precision outer diameter control could be performed if the coefficient was changed by using.
  • the change value per unit time of this difference can be predicted earlier, and the magnitude of the change value per unit time of the difference can be predicted.
  • the control method may be switched based on this. Even with such control, detection can be performed with higher responsiveness.
  • control method uses the PID to switch the parameters. At least one of the control methods uses the PID to provide the proportionality according to the difference between the measured outer diameter value and the target value, and the derivative thereof. Even if control is performed according to the amount of integration, high-speed and highly reliable control is possible.
  • the parameters of the PID control method also have a proportional constant, a differentiation time, and an integration time. Set these values in two steps, and the difference from the target value when stretching is actually performed. Alternatively, it is also possible to select which setting value is to be used and to switch automatically depending on the magnitude of the change value per unit time of the difference.
  • the present invention can be applied not only to PID control but also to simpler proportional control.
  • a proportional constant may be set in two stages instead of the PID value, and the proportional constant may be switched. This switching includes a case where stretching is performed under a certain condition without performing control before and after a certain point of time, for example, after reaching a target value.
  • this control method includes control based on the proportionality of the difference between the measured value of the outer diameter and the target value, and switches the proportional constant.
  • a proportional control method that is a simpler parameter control method may be used instead of the PID control.
  • the measured value of the outer diameter and the target value After the difference or the change per unit time of the difference becomes smaller than a certain value, the coefficient can be set to 0, that is, not controlled.
  • the state is greatly different between the drawing start end and the vicinity of the central part of the glass base material after drawing, so that the control parameters necessary for proper control are set.
  • appropriate control can be performed over the entire length of the glass base material.
  • At least one control method of a control item to be measured can be switched based on at least one of a difference between a measured value and a target value and a change value of a difference per unit time. Since the control method is changed between a portion having a large variation in outer diameter and a portion having a small variation in outer diameter, appropriate control can be performed over the entire stretching length.

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Abstract

短時間で高精度の外径制御を実現し、信頼性の高い光ファイバ母材を提供すべく、ガラス母材延伸部の外径を測定し、前記外径の目標値とに基づいて、延伸条件をフィードバック制御するに際し、測定値と目標値の差および差の単位時間あたりの変化値の少なくとも一つに基づいて、測定対象となる制御項目の少なくとも一つの制御方式を切り替える工程を含む。

Description

明 細 書 ガラス母材の延伸方法およびこれに用いられる延伸装置 <技術分野 >
この発明は、 ガラス母材の延伸方法およびこれに用いられる延伸装置に係り、 特にガラス母材の外径制御に関する。
ぐ背景技術 >
従来、光ファイバ用ガラス母材を所望の外径に延伸する方法としては、 一般に、 抵抗加熱炉などの加熱手段を用いて、 ガラス母材の一方の端部から順次加熱軟化 させて引っ張り応力等を加え、 縮径されたガラス母材の外径を測定しながら、 得 られた測定値が目標値と一致するように、ガラス母材に引っ張り応力を加えるベ く、前記ガラス母材の上端及び下端を把持する上部把持手段および下部把持手段 の移動速度を制御する方法がとられている。
そしてこの外径制御の方法が種々提案されている。
例えば、ガラス物品の寸法がオンラィンで測定され、延伸速度の変化と測定寸法 に対する変化の影響を測定し、無駄時間を補償する制御方法が提案されている（特 開平 7— 2 5 3 9号公報)。
この方法では、 一定外径となるように延伸する際、 外径が小さい延伸体の場合 は延伸速度を比較的大きくすることができるため、制御の応答が速くなる。しかし ながら、 3 O mm程度の太い延伸体を得ようとすると、延伸速度が遅くなるため制 御の応答に時間がかかり、安定しなかったり、安定するまでに時間がかかり、棄却 量が増えてしまうという問題がある。
また、 延伸体の外径精度をより向上させるベく、 2箇所に外径測定器を設置し、 二箇所で測定されたプリフォームの外径値に基づいて延伸速度を制御するという 方法も提案されている （特開平 1 0— 1 6 7 7 4 5号） がとられている。
この方法では、外径測定器が 2台になると、その分制御パラメータも複雑化する という問題がある。 また延伸開始端と中央部付近とは外径変動のサイクルが異な ることが多く、 2段の外径測定器の連携が困難になるという問題があった。 このように、 従来の方法では、 高精度の外径制御を効率よく行うことは極めて 困難であった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、容易に高精度の外径制御を実現し、 信頼性の高い光ファイバ母材を提供することを目的とする。
く発明の開示 >
そこで本発明の延伸方法では、 ガラス母材延伸部の外径を測定し、 あらかじめ 設定した、 前記外径の目標値に基づいて、 延伸条件をフィードパック制御するェ 程を含む延伸方法において、 前記外径の測定値と目標値の差およびこの差の単位 時間あたりの変化値の少なくとも一つに基づいて、 測定対象となる制御項目の少 なくとも一つの制御方式を切り替える工程を含むようにしたことを特徴とする。 すなわち、この方法では、外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式（制 御のしかた） を替えるようにしたことを特徴とする。
延伸工程において、測定値と目標値との差が大きい場合と小さい場合とで、延伸 状態は大きく異なるため、適正な制御を行うために必要なパラメータも異なって くると考えられる。 そこであらかじめ 2種以上の制御パラメータ （制御項目にか かる係数）を用い、測定値の目標値との差あるいはこの差の傾きすなわち単位時間 あたりの変化値によって、これらの制御パラメータを切り替えることで、延伸全長 にわたつて適正な制御を行うことが可能となる。
ところで仕上がり径の精度を上げるためには、 外径測定器による測定位置をよ り仕上がり外径に近い部分にする必要があるが、 仕上がり外径に近い位置による 外径制御は、加熱部と外径測定部の間隔が離れるので応答時間が遅くなり、外径制 御により一定の外径に調整することが困難となる。 しかしながら本発明の方法に よれば、 目標外径との差に比例した量に基づく比例制御だけでなく、 積分量と微 分量に応じた制御を組み合わせた P I D制御等、適切な制御方式を選択しこれに 切り替えることで、 応答性の良好な制御を行うことが可能となる。 例えば P I D制御を用いて延伸を行う場合、目標値との差が大きいのは延伸開 始端であることが多い。延伸開始端は変動が大きく、早く目標値に応答させる必要 があり、 外径変動を予測して早めに逆方向への制御をかける微分制御を強くして おく必要がある。
これに対し、 目標値に到達すると、 延伸外径はあまり変動しない。 従って、 微 分制御はそれほど必要ではなく、 逆に微分が強過ぎると、 例えばノイズによる測 定値の変動にも制御をかけてしまうことになり、 さらに変動が増幅されて変動が 収束しなくなる、 いわゆるハンチングを引き起こしてしまう原因となることがあ る。
このように、 延伸制御に関しては、 延伸開始端から目標値に到達するまでは、 変動が大きく、 一旦目標値に到達すると変動しにくレ、。 本発明の方法はこの点に 着目してなされたものである。
従って、開始時と、目標値到達後で制御を行うための方式を変えることでより最 適な制御を行うことが可能となる。
望ましくは、 フィードバック制御の制御演算式を切り替えることによって、 こ の制御方式を切り替える。
すなわち、 本発明の方法は、 熱源を用いてガラス母材を加熱し、 前記熱源に対 する前記ガラス母材の相対投入速度、 前記熱源に対する前記ガラス母材の相対引 取り速度および前記熱源の加熱温度の少なくとも 1つの制御項目を制御するガラ ス母材の延伸方法であり、
前記ガラス母材の延伸部の外径の測定位置における外径の目標値と測定値との 差を A、
Aの所定時間の積分値を B、
Aの単位時間あたりの変化値を Cとし、
A、 B、 Cを含み、 かつこれら A、 B、 Cに係る係数の少なくとも 1つがゼロ でない式に基づき制御し、
Aおよび Cの少なくとも 1つが所定の値を超えた場合は、 前記式の A、 B、 C に係る係数の少なくとも 1つを第 1の値から前記第 1の値とは異なる第 2の値に 変更して、 前記制御項目を制御している。
また、 本発明の方法は、 ガラス母材延伸部の外径を所定の位置で測定し、 下記 の式に基づき、制御項目を制御し、ガラス母材を延伸する方法であり、
X = V0 + Kp (E ( t ) + 1/T i j E(u)du + TO d E ( t) / ά t ) 上記の式において、 前記 E ( t) および d E ( t) /d tの少なくとも 1つが 所定の値を超えた時点で、
KP、 TI TDの少なくとも 1つを、 第 1の値から前記第 1の値とは異なる第 2の値に変更する。
ここで、
E ( t) ：前記測定点における前記外径の測定値と目標値との差、
I E(u)du E ( t) の所定時間の積分値、 d E ( t) /d t : E ( t) の単位時間あたりの変化値、
X：前記制御項目。 ガラス母材を加熱する熱源に対するガラス母材の相対投入 速度、前記熱源に対するガラス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温度 のいずれか、
v0：定数
KP、 T1 TD :係数。 少なくとも 1つの係数は、 0でない。
また望ましくは、 測定した外径と目標外径との差が少なくとも 0. 1~ 1. 0 mmの範囲にある切り替え点で制御パラメータを切り替える。
このように、 切り替える差の大きさを 1 mm以内とすることで、 より効率よく 母材の外径変動を抑制することができ、 外径変動量 ± 0. 2 mmの母材を得るこ とができる。
また、 0. 1 mmより小さくなると変動が大きくて制御が困難である。
更にまた lmmを越えると 2段階にした意味が薄れてしまうという欠点がある。 また望ましくは、測定した外径と目標外径との差の単位時間あたりの変化値が、 少なくとも 0. 3〜3. 0 mmZ分の範囲にある切り替え点で制御パラメータを 切り替える。
延伸制御の場合、 測定した外径と目標外径との差が大きい時点 （延伸開始端） と、目標との外径差が小さい時点 （特に延伸体 （光ファイバ母材） の中央部付近） の状態が大きく異なるため、適正な制御を行うために必要な制御パラメータは異 なってくると考えられる。
種々の実験結果から本発明者らは、 目標値との差あるいは差の単位時間当たり の変化値に応じて異なった制御パラメータを用いて制御を行うことで、 延伸体全 長にわたって適正な制御を行うことができ、 結果として外径精度の良好な光ファ ィバ母材を得ることができるということを発見した。
延伸の外径変動の波形の周期 （時間） は同じ延伸条件であれば大体一定になる ため、目標値との差が大きいほど傾き （単位時間あたりの差の変化値）は大きくな る。また差が同じ場合でもその変化値が大きいほどその分、急速な逆制御をかける 必要がある。従って差の傾きの大きさ （変化値） は、外径の目標値との差と同程度 に重要な要素となっている。
そこでこの制御パラメータの切り替え条件として、 目標外径との差に加えて差 の単位時間当たりの変化値を設定することで、 延伸状態の変化をより応答性よく 検知することができる。
望ましくは、 この制御方式の少なくとも一方に、 P I D制御方式を用いること により、目標値との差に応じた比例に加え、その微分量（単位時間あたりの変化値） および積分量に応じて制御を行うことができ、 高速でかつ信頼性の高い制御が可 能となる。
また望ましくは、 この P I D制御方式は、 目標外径との差あるいは前記差の単 位時間当たりの変化値が大きい場合、 前記制御係数の値は前記差に係る係数で 1 0〜2 0 0 0分—1、 前記差の所定時間の積分値に係る係数で 5 0分以上、 および 前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で 5分以上とする。
この構成では、目標外径との差が大きい場合は積分項に対して相対的に微分項 での制御を強くする必要がある。
また望ましくは、 P I D制御方式は、 目標外径との差あるいは前記差の時間当 たりの変化値が所定の値より小さい場合、 前記制御係数の値は前記差に係る係数 で 1 0〜2 0 0 0分—1、 前記差の所定時間の積分値に係る係数で 5 0 0分以下、 および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数で 2 0 0分以下であることを 特徴とする。
この構成では、目標外径との差が大きい場合は積分項の制御を強くする必要が める。
あるいは、 この制御方式は、 外径の測定値と目標値との差の比例による制御を 含み、その比例定数を切り替えるようにする。 このように、あまり早い応答を必要 としない延伸の場合は、 P I D制御ではなく、 より単純なパラメータの制御方式 である比例制御方式を用いるのが望ましい。
また望ましくは、 上記方法は、 上部把持手段おょぴ下部把持手段で前記ガラス 母材の上下を把持し引っ張るものであり、 前記上部把持手段の速度の変化量およ ぴ前記下部把持手段の速度の変化量の割合の少なくとも 1つを変更し、 前記ガラ ス母材の相対投入速度および前記ガラス母材の相対引取り速度の少なくとも 1つ を変更する。
この制御方式は、 上部把持手段の速度の変化量および下部把持手段の速度の変 化量の割合を変更する方式であることを特徴とする。
かかる方法によれば、 フィードバックする操作量の方向が上部把持手段と下部 把持手段で異なることを利用して、速度の変化量に応じて異なる延伸状態をつく り出すことができる。
また本発明の延伸装置は、 前記ガラス母材の両端を把持するための上部把持手 段及び下部把持手段と、 前記ガラス母材を加熱するための熱源と、 前記ガラス母 材の延伸部の外径を測定するための外径測定器と、 前記外径測定器で得られた測 定値と前記ガラス母材の延伸部の前記外径の目標値との差に基づいて、 前記熱源 に対する前記ガラス母材の相対投入速度、 前記熱源に対する前記ガラス母材の相 対引取り速度および前記熱源の加熱温度の少なくとも 1つの制御項目を制御し、 延伸条件を制御する制御手段とを有し、 前記差、 前記差の所定時間の積分値およ び前記差の単位時間あたりの変化値の係数の少なくとも 1つがゼロでない前記制 御項目の制御式において、 前記差おょぴ前記差の単位時間当たりの変化値の係数 の少なくとも 1つがゼロでない前記制御項目の制御式において、 前記差および前 記差の単位時間あたりの変化値のいずれか少なくとも 1つが前記制御項目の制御 式において、 前記差および前記差の単位時間あたりの変化値のいずれか少なくと も 1つが所定の値を超えた場合、 前記式中の係数の少なくとも 1つを、 第 1の値 から前記第 1の値とは異なる第 2の値に変更するよう設定できるものである。。 この延伸装置では、 外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式を替える ようにしている。あらかじめ 2種以上の係数を用い、測定値の目標値との差あるい はこの差の単位時間あたりの変化値によって、これらの係数を切り替えることで、 延伸全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。 く図面の簡単な説明 >
図 1は、 本発明の実施の形態の延伸制御方式を示すプロック図である。
図 2は、 本発明の実施の形態の延伸装置を示す図である。
図 3は、 本発明の実施例 1の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図で ある。
図 4は、 比較例 1の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。 図 5は、 比較例 2の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。 図 6は、 比較例 3の方法で延伸したガラス母材の外径変動を示す図である。 なお、 図中の符号、 1はガラス母材、 2はダミーロッド、 3はダミーロッド、
4は上側駆動部、 5は下側駆動部、 6はヒータである。
<発明を実施するための最良の形態 >
以下、 本発明に係る光ファイバ母材の製造方法の実施形態を図面を参照しつつ 詳細に説明する。
本実施の形態では、 図 1に示すようにあるいは差の単位時間あたりの変化値に よって、外径変動の大きい部分と小さい部分とで制御方式を替え得るように構成 された P I D方式を含む外径制御用の調節器 1 2によって制御ュ-ットを構成し、 目標値 1 1と、外径測定器 1 3の測定値との差に基づいて、調節器 1 2で計算され た制御出力値を制御対象にフィードバックさせるようにしている。
ここで用いられる延伸装置は、 両端にダミーロッド 2 , 3を具備したガラス母 材 1と、 このガラス母材を夫々ダミーロッド 2， 3を介して把持する上側駆動部 4及び下側駆動部 5と、 この上側駆動部 4及び下側駆動部 5に取付けられた図示 しない上側駆動部チヤックおよび下側駆動部チヤックで把持された延伸前ガラス 母材を加熱する熱源としてのヒータ 6と、 このガラス母材 1の延伸部 1 Eの外径 を測定する外径測定器 7と、 外径測定器 7で得られたガラス母材 1の延伸部 1 E の外径の測定値と、 前記外径の目標値とに基づいて、 延伸条件をフィードバック 制御する制御ュ-ット 8とを含む。
ここで、 この制御ユニットは、 外径の測定値と目標値との差およびこの差の単 位時間当たりの変化値のうちの一つに基づいて、 係数を切り替えうるように構成 されている。
炉心管の内部に、ガラス母材 1を設置し、このガラス母材 1をその両端に露呈す るダミーロッド 2、 3を介してそれぞれ上側駆動部 4および下側駆動部 5の上側 駆動部チヤックおよび下側駆動部チヤックで把持し、 下側駆動部 5の下降速度が 上側駆動部 4の下降速度よりも大きくなるように下降させ、 延伸を行うように構 成されている。 さらにまた、 この炉心管内に必要に応じて不活性ガスを導入する 不活性ガス導入部が形成されており、 不活性ガスの供給により酸化を防止し得る ように構成されている。
そして、 延伸後外径の測定値と目標値との差が大きい場合と、小さい場合とで、 延伸状態は大きく異なるが、適正な時点で制御パラメータを適切に切り替えるこ とで、延伸全長にわたって適正な制御を行うことが可能となる。
この延伸工程は次のように実行される。 まず、 上下端部にダミーロッドを備え たガラス母材を上下位駆動部チャックで把持し、 延伸炉にセットする。 次に、 ヒ 一タを昇温させ、 ガラス母材を十分に加熱した後、 上下駆動部に速度差を与えて 下降させることにより、 ガラス母材を延伸する。
この時、 上側駆動部チヤックの下降速度を下側駆動部チヤックの下降速度より 小さい範囲で、 外径測定器 7による測定出力に基づいて制御ュニット 8で調整し つつ延伸後のガラス母材の外径を制御する。
また、 この時下側駆動部チャックの下降速度、 あるいは加熱温度についても制 御ュ-ットで調整するようにしてもよい。
すなわち、 延伸開始端の目標との外径差が大きい時点と、 延伸体の中央部付近 の、目標との外径差が小さい時点とで、制御方式を切り替え、夫々に適切な制御方 式を用いることで延伸長全体にわたって適正な制御を行うことができるようにし たものである。
ぐ実施例〉
まず、 外径 8 Ommのガラス母材を用意する。
そして前記実施の形態で説明した延伸装置に、 上下部にダミーロッドを有する ガラス母材を装着する。
この状態で、 ヒータ 6をオンし、 炉内温度を常温から 1 700〜2200°Cに 昇温する。
このようにして目的温度に到達すると、 ガラス母材引取り速度を 4 Om/分に設 定し、延伸を開始する。 このとき、延伸途中の外径を測定して、 あらかじめ設定し ておいた設定外径との差を投入する母材の送り速度 （上側駆動部チャック速度） V aにフィードバックして外径制御を行った。
ここで、設定外径は 30. 5mmとし、設定外径と外径測定値との差（E (t)) を下記の式で表される P I D制御を行った後、 投入速度 V aを制御した。
Va=V0 + P (E ( t ) + 1 /T , j E(u)du + TO d E ( t) / ά t ) ここで初期速度 V。= 5. 5mmZ分とした。
また外径測定器によって測定された外径が目標径に対してどの程度差を持つか に応じて前記式のパラメータ Kp、 Tl TDの値を変化させた。 すなわち、 外径 差が 0. 3111111未満の時は1：1)= 1 000分-1、 1^ = 40分、 TD= 10分とし、 0. 3mm差となった時点で、前記式の Κρ、 Τ,, T Dの値を切り替え、外径差が 0. 3mm以上となると、 Kp= 1000分-1、 Τ！ = 1000分、 TD= 100 分とした。
このようにして制御を行った結果を図 3に示す。
この結果、図 3に示したように外径は 30 ± 0. 2 mmと良好であった。 ここで 縦軸は外径 D、 横軸は延伸長 Lを示す。
(比較例 1 )
この例では、前記実施例 1と同様、図 1及び図 2に示した延伸装置及び制御装置 を用いて、 制御を行っているが、 係数を切り替えることなく、 延伸工程全体にわ たって、 Kp= 1 000分—1、 1\ = 40分、 TD= 10分とした。
このようにして制御を行った結果を図 4に示す。
この結果、図 4に示したように外径は 30±0. 5 mmと変動が大きくなつてい る。
(比較例 2 )
この例では、前記実施例 1と同様、図 1及び図 2に示した延伸装置及び制御装置 を用いて、 制御を行っているが、 係数を切り替えることなく、 延伸工程全体にわ たって、 Kp= 1 000分-1、 T! Ι Ο Ο Ο分， TD= 100分とした。
このようにして制御を行った結果を図 5に示す。
この結果についても、図 5に示したように外径は 30±0.4 mmと変動が大き くなっている。
(比較例 3 )
この例では、前記実施例 1と同様、図 1及び図 2に示した延伸装置及び制御装置 を用いて、 制御を行っているが、 制御方式として下記の関係式で示される方式を 用いて延伸を行った。
V a =V。 + K (E ( t»
ここでも、 係数を切り替えることなく、 延伸工程全体にわたって、 Kp= 50 分-1、 V0= 50分—1とした。
このようにして制御を行った結果を図 6 示す。
この結果、図 6に示したように外径は変動が大きくなっている。 前記実施例 1と比較例 1乃至 3との比較から、 制御項目にかかる少なくとも 1 つの係数を外径の測定値の目標値との差に応じて切り替えることにより、 高精度 の外径制御を行うことができることがわかる。
前記実施例では、 測定した外径と目標外径との差が 0 . 3 mmの時点で切り替 えたが、 種々の実験を行った結果、 0 . 1〜1 . O mmの範囲にある切り替え点 で係数を切り替えるようにすれば、 高精度の外径制御を行うことが可能であるこ とがわかった。
また、 外径の測定値と目標値との差ではなく、 この差の単位時間当たりの変化 値によっても、 より早めに変化を予測することができ、 差の単位時間あたりの変 化値の大きさにもとづいて制御方式を切り替えるようにしてもよい。 このような 制御によっても、 より応答性よく検知することができる。
前記実施例では、 制御方式は P I Dを用い、 パラメータを切り替えるようにし たが、 少なくとも一方に、 P I Dを用いることにより、 外径の測定値の目標値と の差に応じた比例に加え、その微分量おょぴ積分量に応じて制御を行うようにし ても、 高速でかつ信頼性の高い制御が可能となる。
P I D制御方式によるパラメータも、比例定数、微分時間、積分時間があり、これ らの設定値を 2段階設定しておくようにし、実際に延伸を行っている場合の目標 値との差おょぴまたはこの差の単位時間当たりの変化値の大きさによって、どち らの設定値を使用するか選択して自動的に切り替えるようにしてもよい。
さらにまた、 P I D制御に限らずもっと単純な比例制御にも応用することがで きる。 この場合は P I D値ではなく、比例定数を 2段階設定しておくようにし、こ の比例定数を切り替えるようにしてもよい。 この切り替えは、 ある時点の前後、 例えば目標値の近傍に到達した後は、制御をしないで、一定条件で延伸を行うよう な場合も含むものとする。
望ましくはこの制御方式は、 外径の測定値と目標値との差の比例による制御を 含み、その比例定数を切り替えるようにする。 このように、あまり早い応答を必要 としない延伸の場合は、 P I D制御ではなく、 より単純なパラメータの制御方式 である比例制御方式を用いるようにしてもよい。 また外径の測定値と目標値との 差または差の単位時間あたりの変化値がある値よりも小さくなつたあとは、 係数 を 0にするすなわち制御しないようにすることも可能である。
また望ましくは制御方式のみならず、制御対象を変化させるようにし、上側駆動 部チヤック速度の変化量および下側駆動部チヤック速度の変化量の割合を変更す る方式であることを特徴とする。 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、 本発明の精神と範 囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にと つて明らかである。
本出願は、 2002年 6月 19 S出願の日本特許出願 （特願 2002— 178372) に基づ くものであり、 その内容はここに参照として取り込まれる。 ぐ産業上の利用可能性 >
以上説明したように、延伸制御の場合、延伸開始端と延伸後ガラス母材の中央 部付近では状態が大きく異なるため、 適正な制御を行うために必要な制御パラメ ータとなるように、その時点に応じて異なる制御パラメータを用いて制御を行う ことで、ガラス母材全長にわたつて適正な制御を行うことが可能となる。
また、 制御パラメータの切り替え条件として、 測定値の目標外径との差に加え て、 単位時間あたりの差の変化値を設定することで、 延伸状態の変化をより応答 性よく検知することができ、 高速でかつ信頼性の高い制御が可能となる。
本発明の延伸装置によれば、 測定値と目標値の差および単位時間あたりの差の 変化値の少なくとも一つに基づいて、 測定対象となる制御項目の少なくとも一つ の制御方式を切り替えうるように切り替え手段を具備し外径変動の大きい部分と 小さい部分とで制御方式を替えるようにしているため、 延伸全長にわたって適正 な制御を行うことが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 熱源を用いてガラス母材を加熱し、
前記熱源に対する前記ガラス母材の相対投入速度、 前記熱源に対する前記ガラ ス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温度の少なくとも 1つの制御項目 を制御するガラス母材の延伸方法であり、
前記ガラス母材の延伸部の外径の測定位置における外径の目標値と測定値との 差を A、
Aの所定時間の積分値を B、
Aの単位時間あたりの変化値を Cとし、
A、 B、 Cを含み、 かつこれら A、 B、 Cに係る係数の少なくとも 1つがゼロ でない式に基づき制御し、
Aおよび Cの少なくとも 1つが所定の値を超えた場合は、 前記式の A、 B、 C に係る係数の少なくとも 1つを第 1の値から前記第 1の値とは異なる第 2の値に 変更して、 前記制御項目を制御するガラス母材の延伸方法。
2. ガラス母材延伸部の外径を所定の位置で測定し、
下記の式に基づき、制御項目を制御し、ガラス母材を延伸する方法であり、
X = V0 + Kp (E ( t ) + 1/Tj I E(u)du + TD d E ( t ) / d t )
JO 上記の式において、 前記 E ( t ) および d E ( t) Zd tの少なくとも 1つ が所定の値を超えた時点で、
KP、 TI TDの少なくとも 1つを、 第 1の値から前記第 1の値とは異なる 第 2の値に変更するガラス母材の延伸方法。
E ( t) ：前記測定点における前記外径の測定値と目標値との差、
Figure imgf000014_0001
： E ( t) の所定時間の積分値、 d E (t) /d t ： E ( t) の単位時間あたりの変化値、
X：前記制御項目。 ガラス母材を加熱する熱源に対するガラス母材の相対投 入速度、前記熱源に対するガラス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温 度のいずれか、
V0：定数
KP、 Tj, TD :係数。 少なくとも 1つの係数は、 0でない。
3. 前記外径の目標値と、前記外径の測定値との差における前記所定の値は、 0. 1〜1. Ommの範囲内にある請求の範囲第 1または 2のいずれか 1項に記 載のガラス母材の延伸方法。
4. 前記外径の目標値と前記外径の測定値との差の単位時間当りの変化値の 前記所定の値は、少なくとも 0. 3〜3. Omm/分の範囲内にある請求の範囲 3 に記載のガラス母材の延伸方法。
5. 前記外径の目標値と前記外径の測定値との差、 あるいは前記差の単位時 間あたりの変化値が、 前記所定の値より大きい場合、 前記制御係数の前記第 2の 値は前記差に係る係数で 10~2000分—1の範囲内、前記差の所定時間の積分 値に係る係数で 50分以上、 および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係数 で 5分以上とした請求の範囲 1または 2のいずれか 1項に記載のガラス母材の延 伸方法。
6. 前記外径の目標値と前記外径の測定値との差、あるいは前記差の単位時 間あたりの変化値が前記所定の値より小さい場合、前記制御係数の前記第 2の値 は前記差に係る係数で 1 0〜2000分—1の範囲内、 前記差の所定時間の積分 値に係る係数で 500分以下、および前記差の単位時間あたりの変化値に係る係 数で 200分以下である請求の範囲 1または 2のいずれか 1項に記載のガラス 母材の延伸方法。
7. 上部把持手段および下部把持手段で前記ガラス母材の上下を把持し引つ 張るものであり、
前記上部把持手段の速度の変化量および前記下部把持手段の速度の変化量の割 合の少なくとも 1つを変更し、 前記ガラス母材の相対投入速度および前記ガラス 母材の相対引取り速度の少なくとも 1つを変更する請求の範囲 1に記載のガラス 母材の延伸方法。
8 . ガラス母材の延伸装置であり、
前記ガラス母材の両端を把持するための上部把持手段及び下部把持手段と、 前記ガラス母材を加熱するための熱源と、
前記ガラス母材の延伸部の外径を測定するための外径測定器と、
前記外径測定器で得られた測定値と前記ガラス母材の延伸部の前記外径の目標値 との差に基づいて、 前記熱源に対する前記ガラス母材の相対投入速度、 前記熱源 に対する前記ガラス母材の相対引取り速度および前記熱源の加熱温度の少なくと も 1つの制御項目を制御し、 延伸条件を制御する制御手段とを有し、
前記差、 前記差の所定時間の積分値および前記差の単位時間あたりの変化値の 係数の少なくとも 1つがゼロでない前記制御項目の制御式において、 前記差およ び前記差の単位時間あたりの変化値のいずれか少なくとも 1つが所定の値を超え た場合、 前記式中の係数の少なくとも 1つを、 第 1の値から前記第 1の値とは異 なる第 2の値に変更するよう設定できる延伸装置。
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