GRIN透镜纤维的线径控制方法及拉丝装置

摘要

本发明公开了一种GRIN透镜纤维的线径控制方法及拉丝装置，旨在改善由预制件拉制GRIN透镜纤维时的线径控制，提高线径在所希望范围内的GRIN透镜纤维的制造成品率。本发明中，以根据使用在加热炉外测量GRIN透镜纤维外径的线径测量仪B测出的线径b和预定时间T前的线径a的值即线径α对使用测量在加热炉内拉伸中的GRIN透镜纤维外径的线径测量仪A测出的线径a加以修正后的线径c为准，控制拉丝速度，以此解决了上述课题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种由预制件拉制GRIN透镜纤维时的线径控制方法 及GRIN透镜纤维拉丝装置。

背景技术

所谓的GRIN透镜是指圆柱状梯度折射率透镜(GRaded INdex 透镜)，它是通过在玻璃内部形成梯度折射率改变光的行进方向从而发 挥透镜作用的。通常，将切成近1mm的透镜熔接在光纤顶端上，用 于光通讯用光学系统的各类用途。近年来，对高NA(开口数)GRIN 透镜的需求在增加，如下列专利文献1等所公开的那样，这种GRIN 透镜的预制件是用溶胶-凝胶法来制造的。用溶胶-凝胶法制成的预制 件，最小的是直径约5mm、长度约30～50mm，呈圆柱形，远远小于 通常的光纤预制件。

对GRIN透镜纤维的预制件进行拉制时的线径控制是，在加热拉 伸预制件的加热炉的外边，设置测量拉出来的GRIN透镜纤维的线径 的线径测量仪，将其测量值(线径)送到自动控制装置，控制拉丝速 度，以使线径能够接近目标值。

下列专利文献2公开了一种在将光纤用石英玻璃锭拉伸作成预制 件时控制预制件外径的方法。这是在加热炉内进行拉伸中的两处设置 外径测量仪，根据在两处测出的预制件的外径值对拉伸速度进行控制 的方法。

专利文献1：日本特开2005-115097号公报

专利文献2：日本特开平10-167745号公报

一般而言，在拉制光纤的时候，在纤维离开加热炉后其外径固定 下来的位置测量线径，根据此值控制拉丝速度，来拉成一定外径的纤 维。另外，光纤预制件的大小为直径30～80mm，大的预制件是直径 为150mm，全长为1～1.5m，由于操作时间等的关系，拉丝速度一 般是数百m/分，可认为即使加热炉与线径测量仪相距几米，也用不了 1秒钟的时间就会到达此位置。

GRIN透镜纤维的拉制工序也同样地在加热炉外配置线径测量 仪，但其预制件的大小是最小的，有的还不到光纤预制件的1％，其 拉丝速度为数m/分。即使使线径测量仪靠近离加热炉最近的位置，加 热炉中心与线径测量仪之间还有200mm的距离，按照标准的拉丝速 度进行拉伸，到测量线径的时间会产生几秒钟的延迟，如果以这样测 出的值为准进行线径控制，也不能做到准确的控制，导致成品率低。

于是，为了能够在加热炉内GRIN透镜纤维的拉伸基本完成的位 置测量线径，在炉身的侧表面上穿孔，使用配上照相机的图像处理装 置进行了线径测量，而由于到对象(纤维)位置的距离、视场角和透 镜精度等关系，景深比较浅，不能够简单地对准焦点。还有，由于吹 入加热炉中的惰性气体所产生的对流、缩颈的位置和拉丝过程中 GRIN透镜纤维所产生的谐振等原因，有时测量对象的GRIN透镜纤 维的位置会变动，难以准确测量线径。

另外，除了照相机以外还有遮光式尺寸测量仪等，但也没有可将 投光器和受光器隔开足以夹上加热炉的距离而做到高精度测量的遮光 式测量仪，所以这种仪器不适合加热炉内的线径测量和线径控制，难 以使用。

上述专利文献2的技术是，根据在两处测出的预制件外径的测量 值对拉伸速度进行控制的。两处的外径测量仪都是对加热炉中的外径 进行测量的。在此场合，测量对象比较大，为30～80mm，易于对准， 另外，吹扫气体动荡等对炉内环境的影响也少。

发明内容

本发明的目的在于改善由预制件拉制GRIN透镜纤维时的线径控 制，提高线径在所希望范围内的GRIN透镜纤维的制造成品率。

本发明是一种GRIN透镜纤维的线径控制方法，该方法以在由预 制件拉制GRIN透镜纤维的时候使GRIN透镜纤维的外径成为预定外 径的方式进行控制，其中，根据使用测量在加热炉内拉伸中的GRIN 透镜纤维外径的线径测量仪A测出的线径a和使用在加热炉外测量 GRIN透镜纤维外径的线径测量仪B测出的线径b，对拉丝速度进行 控制。(权利要求1)

基于线径a和线径b进行控制的方法，具体而言，是以根据使用 在加热炉外测量GRIN透镜纤维外径的线径测量仪B测出的线径b和 预定时间T前的线径a的值即线径α对使用测量在加热炉内拉伸中的 GRIN透镜纤维外径的线径测量仪A测出的线径a加以修正后的线径 c为准，对拉丝速度进行控制的(权利要求2)，可将线径c送到自动 控制装置，进行自动控制，使其接近目标值。

因为线径a是加热炉内的线径测量值，所以由于上述理由可认为 是不准确的值。另一方面，线径b在加热炉之外，并在满足测量仪规 格要求的条件下进行测量，因此可认为是准确的值。如果线径测量仪 A和B之间的距离是固定的，拉丝速度是标准的速度的话，某一时点 的线径测量仪B的测量值可认为是与预定时间T前的线径测量仪A的 值即线径α相接近的值。因此，通过比较线径b和线径α，可掌握线 径测量仪A的测量值即线径a有多大误差，通过用线径b和线径α对 线径a加以修正，则可以高精度测量实际拉丝中的部分(加热炉内) 的线径c。

对线径a加以修正而得到的线径c，具体而言，可这样给定：

线径c＝线径a+线径b-线径α。(权利要求3)

其中，(线径b-线径α)是测量了GRIN透镜纤维基本相同部分的 线径测量仪B(准确的测量值)和线径测量仪A(不准确的测量值) 之差，也就是说是线径测量仪A的测量误差(差分D)，通过给线径a 加差分D，线径测量仪A的测量值(不准确的测量值)可得到修正， 能够接近准确的值。

所述预定的时间T，具体而言，将GRIN透镜纤维行进路线上线 径测量仪A的测量位置与所述线径测量仪B的测量位置之间的距离作 为d(mm)，将所述拉丝速度作为V(mm/秒)的时候，可定为：

(d-20)/V≤T≤(d+20)/V。(权利要求4)

“GRIN透镜纤维行进路线上的距离”是，在线径测量仪A的测量 位置(测量位置的中心点)和线径测量仪B的测量位置(测量位置的 中心点)之间的GRIN透镜纤维长度。

如果T＝d/V，线径α会成为与用线径测量仪B测出的GRIN透镜 纤维测量点完全相同的地方的线径测量仪A的测量值，这是最优选的， 然而，由于拉丝速度V会通过控制发生变动，因此难以形成完全是 T＝d/V的情况。如果T在(d±20)/V的范围内，线径b与线径α在 GRIN透镜纤维上的测量位置之差会成为±20mm以下，实质上可没有 问题地进行准确的线径控制。

为进一步减少误差，还可以这样做：检测信号进来的时点的拉丝 速度，根据该速度算出预定时间T，根据该时点的线径测量仪B的测 量值即线径b和预定时间T前的线径测量仪A的测量值即线径α，对 线径a的值加以修正得出线径c，以此为准，对拉丝速度进行控制。

控制拉丝速度的控制方法，具体而言，可使用最普遍的自动控制 方法即PI控制或PID控制。(权利要求5)

另外，本发明是一种GRIN透镜纤维拉丝装置，具有在加热炉内 测量拉伸中的GRIN透镜纤维的外径的线径测量仪A和在加热炉外测 量GRIN透镜纤维外径的线径测量仪B，根据用所述线径测量仪A测 出的线径a和用所述线径测量仪B测出的线径b控制拉丝速度。(权 利要求6)

这是以实施上述GRIN透镜纤维线径控制方法的第1个技术方案 为目的的GRIN透镜拉丝装置。

基于线径a和线径b的控制，具体而言，设置修正装置和自动控 制装置，将修正装置根据使用在加热炉外测量GRIN透镜纤维外径的 线径测量仪B测出的线径b和预定时间T前的线径a的值即线径α对 使用测量在加热炉内拉伸中的GRIN透镜纤维外径的线径测量仪A测 出的线径a加以修正后的线径c送给自动控制装置，自动控制装置可 对拉丝速度进行自动控制，以使线径c接近目标值。(权利要求7)

这是以实施上述GRIN透镜纤维线径控制方法的第2个技术方案 为目的的GRIN透镜拉丝装置。

对线径a加以修正而得到的线径c，具体而言，可定为：

线径c＝线径a+线径b-线径α。(权利要求8)

这是以实施上述GRIN透镜纤维线径控制方法的第3个技术方案 为目的的GRIN透镜拉丝装置。

所述预定的时间T，具体而言，将GRIN透镜行进路线上线径测 量仪A的测量位置与所述线径测量仪B的测量位置之间的距离作为d (mm)，将所述拉丝速度作为V(mm/秒)的时候，可定为：

(d-20)/V≤T≤(d+20)/V。(权利要求9)

这是以实施上述GRIN透镜纤维线径控制方法的第4个技术方案 为目的的GRIN透镜纤维拉丝装置。

控制拉丝速度的自动控制装置，具体而言，为最普遍的自动控制 装置即PID控制装置，可通过用此进行PI控制或PID控制来控制拉 丝速度。(权利要求10)

在本发明中，在加热炉内用线径测量仪A测量GRIN透镜纤维线 径的位置，优选的是，预制件的拉伸基本完成的位置。在通常情况下， 该位置是离开加热器的最高温度部(发热部中心)70mm以上的位置。 另外，该位置会因拉丝时的温度和拉丝速度等条件的不同而变动。

线径测量仪A的测量误差起因于照相机上使用的透镜景深浅，容 易受到加热炉内的环境或纤维状态的影响，但是，对操作时间短的 GRIN透镜纤维的拉制来说，拉丝过程中环境发生剧变的情况少，与 线径变动相比其变动幅度比较小，另外，对误差的方向性而言，误差 针对目标外径只有一个方向的情况多。

如上所述，线径测量仪A的位置是预制件的拉伸基本完成的位置， 在设置了线径测量仪B的炉外，其拉伸已完全结束，所以用线径测量 仪A和线径测量仪B测量的线径会基本一致。

所分别设置的线径测量仪A和线径测量仪B之间的距离是固定 的，在将拉丝速度定为某一固定速度的情况下，纤维在A-B间移动的 预定时间T会是一定的时间，因此可认为通过线径测量仪B的那一瞬 间的测量值即线径b是线径测量仪A在早T这一预定时间的时候测量 的值即线径a。

拉制GRIN透镜纤维时的线径变化会是这样的：刚开始拉丝的时 候线径变动大，然后进行线径控制以使变动幅度收敛起来。在线径变 动收敛、线径在接近目标外径的时候，拉丝速度变动的幅度也会变小， 因此纤维在线径测量仪A-B之间移动的时间也会在

(d-20)/V≤T≤(d+20)/V的范围之内，可修正为非常接近于线 径a测量位置的线径实际尺寸的值。也就是说，输入到自动控制装置 的修正后的线径c成为非常接近于在加热炉内拉伸基本完成的GRIN 透镜线径的实际尺寸的线径，能够做到优选的线径控制。

在拉丝过程中的线径变动大，进行线径控制以致拉丝速度不匀的 情况下，如果预定时间T是固定的，那么，线径b与预定时间T前的 时点的线径测量仪A的线径α之间的差就会变大。优选的是在线径控 制在一定程度上稳定下来之后再进行线径修正，具体而言，优选的是 在开始拉丝大约60秒～90秒钟后进行修正。

本发明的GRIN透镜纤维线径的控制方法及拉丝装置能够将非常 接近于在加热炉内基本完成拉伸的GRIN透镜纤维的实际线径的线径 输入到自动控制装置来进行线径控制，所以与以往方法和装置相比， 所制成的GRIN透镜纤维的线径接近目标值，同时变动也少，因此， 能以高成品率制造线径误差在容许范围之内的GRIN透镜纤维。

附图说明

图1为实施例的GRIN透镜拉丝装置的说明图(控制拉丝速度 时)。

图2为实施例的GRIN透镜拉丝装置的说明图(安装预制件时)。

图3为实施例的GRIN透镜拉丝装置的说明图(计时器启动时)。

图4为修正装置的流程图。

符号说明

1  加热炉

2  加热器

3  升降装置

4  卷筒

5  线径测量仪A

6  线径测量仪B

7  传感器

8  修正装置

9  自动控制装置

10 预制件

11 GRIN透镜纤维

12 重锤

13 石英棒

具体实施方式

〔实施例〕

图1～3所示的是实施例的GRIN透镜拉丝装置。此拉丝装置具 有加热炉1、加热器2、升降装置3、卷筒4、线径测量仪A(5)、线 径测量仪B(6)、传感器7、修正装置8和自动控制装置9。

加热炉1是可升温到2100℃的超高温竖形管状炉。

卷筒4具有横移机构，以防纤维相重叠。在本实施例中，拉出来 的GRIN透镜用卷筒4直接卷取，通过控制卷筒转速，进行对拉丝速 度的控制。还可以在卷筒的前面设置导轮，通过控制导轮转速，进行 对拉丝速度的控制。

线径测量仪A(5)是配上照相机的市场上现成的图像处理装置， 有必要事先用光纤等尺寸已知物校准照相机。

用线径测量仪A测出的线径a被送到修正装置8。

线径测量仪A(5)设于GRIN透镜纤维的拉伸基本完成的位置， 在本实施例中，该位置是从加热器2的发热部的中心向下离开约80mm 的地方。

线径测量仪B(6)使用了市场上现成的遮光式外径测量仪。用线 径测量仪B测出的线径b被送到修正装置8。

线径测量仪B(6)的测量位置，优选的是尽量靠近加热炉出口， 在本实施例中，该位置是从线径测量仪A的测量位置向下离开约 200mm的地方。GRIN透镜纤维的行进方向是铅直方向，因此，GRIN 透镜纤维行进路线在线径测量仪A的测量位置与线径测量仪B的测量 位置之间所行进的距离

如图3所示，传感器7是为了检测重锤12的下端通过而设置的， 它向修正装置8输送检测信号。

修正装置8根据来自线径测量仪A的线径a和来自线径测量仪B 的线径b将线径c输出到自动控制装置9。

自动控制装置9控制卷筒转速(拉丝速度)，以使线径c接近指定 的目标值。通过对卷筒转速的控制，可控制GRIN透镜纤维的拉丝速 度。

触发修正线径的是传感器7，除此之外还可以进行人工进给。

下面对本发明的GRIN透镜的线径控制方法的实施例进行说明。

将加热炉1的温度升高到预定的温度后，使卷筒4开始转动和横 向移动，将熔接有石英棒13的预制件10放在了升降装置3上。

使升降装置3开始下降，直至预制件10到达预定的位置为止。此 状态如图2所示。到预制件10软化、重锤12在一定程度上向加热炉 下部降下来的时候，使升降装置3开始以一定的速度下降。此下降速 度是配合GRIN透镜拉丝速度的一定的速度。

如图3所示，在重锤12的下端通过传感器7的那一瞬间，传感器 7的检测信号就被送到修正装置8，使得修正装置8的计时器ON。对 计时器事先设定好能使拉出来的GRIN透镜纤维的线径稳定下来的适 当时间(在本实施例中，设为85秒钟)，过了这个时间(计时器归0 的时候)，修正装置8就进行线径a的修正并将修正后的线径c送到自 动控制装置9。在计时器未归到0之前，先不进行线径a与线径b的 差分，因此此时的线径c是线径a+0。

到了重锤12降到离卷筒4不远的地方的时候，切断重锤12，将 拉伸部分的端部用胶带贴在卷筒4上，开始卷取和拉丝。在此同时， 启动自动控制装置9。

卷筒对某一直径的预制件的平均转速是配合目标直径与进给速度 的比例而设定的。但是，到计时器归0以前，不进行线径a与线径b 的差分，而由自动控制装置9根据置入有线径a+0的线径c进行自动 控制，所以转速会不断地变化。

到了开始拉丝后54秒钟的时候，线径则通过自动控制稳定下来。 过了85秒钟，计时器归到0的时候，修正装置8开始修正。此时，线 径测量仪a的测量值即线径a为125.3μm，线径测量仪B的测量值即 线径b为比它细3.6μm的121.7μm，线径测量仪A的测量值出现了误 差。

修正是通过以预定时间T秒前线径测量仪A的测量值为线径α、 对线径a加上差分(线径b-线径α)作为线径c来进行的。也就是说， 线径c＝线径a+线径b-线径α。线径c从修正装置8送入自动控制装置 9，进行自动控制，以使线径c接近目标值124.5μm。在本实施例中， 预定时间T在1.9～1.99秒钟的范围以10ms的间隔变动，而拉丝速度 V基本上是106.7mm/秒钟，线径测量仪A的测量位置与上述线径测 量仪B的测量位置之间的距离因此T基本上在如下公式 的范围变动。

(d-12.3)V≤T≤(d-2.7)/V

也就是说，T在(d±20)/V的范围内，线径b与线径α在GRIN 透镜上测量位置之差小于或等于±20mm，实质上可没有问题地进行准 确的线径控制。

开始修正数秒钟后，线径b(GRIN透镜纤维的实际线径)基本 上都在124.5±1μm的范围之内，获得了良好线径的纤维。

下面按照图4，对修正装置8的程序进行说明。

启动后，如图3所示，在步骤101“重锤12是否通过传感器7？” 中判断重锤12的下端是否已经到达传感器7。如是“NO”，则反复执 行步骤101直至重锤12的下端到达传感器7为止，在此期间处于等待 状态。到了“YES”的时候则进入步骤102。

在步骤102中执行“计时器启动”动作，修正装置8内装的计时器 变为“ON”。对计时器事先设定了能使拉出来的GRIN透镜纤维的线径 稳定下来的适当时间(在本实施例中，把它设为85秒钟)。

在步骤103“计时器是否是0？”中判断是否已经过了设定的时间 (85秒钟)，如是“NO”，则进入步骤104，如是“YES”，则执行步骤 105以后的修正动作。

在步骤104执行“从修正装置8获得线径c(线径a+0)送到自动 控制装置9”的动作。此时，因尚未执行修正动作(差分D＝线径b-线 径α)，所以差分D的值为0，从线径测量仪A获得的线径a作为线径 c送到自动控制装置9中。下面以10ms的间隔反复执行该动作直至计 时器归0为止，自动控制装置进行自动控制以使由修正装置送来的线 径a接近预先设定的目标值(124.5mm)。

在步骤103判定计时器为“0”后，在步骤105执行“从存储器取出 线径α，从线径测量仪A、B取出线径a、b”的动作。

存储器装于修正装置内，依次存储线径测量仪A每100ms送来的 20个线径a，超过20个则从排在最前头的(最先存的)线径开始依次 废弃。也就是说，存放在最前面的线径A是比最后存放的线径a早1.9 秒钟测出的，因线径α(存放在最前面的线径a)是每10ms(0.01秒) 被存入一次的，所以被存入的线径α是在1.9秒～1.99秒钟前测出的 线径a的值。在此同时，当前的线径a和b被从线径测量仪A和B取 进来。

在步骤106“计算差分D＝线径b-线径α”中算出差分D。

线径b是线径测量仪B刚刚测出的测量值，线径α是线径测量仪 A在1.9秒～1.99秒钟前测出的GRIN透镜上线径b的近旁处的值。 线径b测量准确，线径α因炉内测量的关系很可能测量不准确，“差 分D＝线径b-线径α”相当于线径测量仪A的测量误差。

在步骤107中执行“计算线径c＝线径a+差分D，将线径c送到自 动控制装置”的动作。

线径c是对线径测量仪A刚刚测出的线径a加以修正消除(或减 少)了测量误差的值，成为在线径测量仪A的测量位置基本准确的线 径。线径c被送入自动控制装置9，自动控制装置进行自动控制，以 使送自修正装置的线径c接近事先设定的目标值(124.5mm)。

以10ms间隔反复执行步骤105～107，线径c以10ms间隔被送 入自动控制装置。

如上所述，通过本发明，能够准确测量在加热炉内预制件拉伸基 本完成部分的线径(线径c)，根据此线径进行自动控制，与以往相比 收率(成品率)有了飞跃性的提高。

表1为按照上述实施例进行了5次拉丝后的结果，表2为比较例 的结果，按照只根据设置在加热炉外的线径测量仪B的线径b进行自 动控制的以往方法(其他条件与实施例相同)进行了5次拉丝。

[表1]

  收率(％)   实施例1   53.20   实施例2   59.19   实施例3   71.89   实施例4   78.61   实施例5   54.77   平均   63.53

[表2]

  收率(％)   比较例1   42.81   比较例2   24.94   比较例3   43.32   比较例4   31.81   比较例5   48.14   平均   38.20

在表1和表2中，“收率”是指适合规格要求(目标径±1.0μm)部 分的长度在全长所占百分比％。表1和2明确显示，本发明与以往的 方法相比，收率平均提高了约25％。