(57)【要約】これは、線引きされる光ファイバの温度を測定するための装置（１００）である。該ファイバは、上部通路（１１３）を通過して、もう１つの通路（１１５）から出て行く。サーモパイル（１２０）は、前記ファイバの温度を測定するために使用される。サーモパイル（１２０）の基準接合部は、他の通路（１３２）に一定温度の流体を循環させることにより均一に維持される。
2004500300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線引き炉内の加熱光導波路プレフォームから線引きされる光導波路ファイバの温度Ｔｆを測定する方法であって、
前記光導波路ファイバが前記線引き炉の下流に位置するチャンバを通過するステップと、
複数の差動サーモパイルの各々の一方の表面の基準表面温度Ｔｓを維持するステップであって、前記差動サーモパイルの各々が前記チャンバの内面に固定されているステップと、
前記チャンバ内の前記差動サーモパイルによって吸収された放射エネルギーを表す合計出力信号を生成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記通過ステップが、複数の側壁と、上部壁から下部壁まで前記チャンバを横断する中央の溝とを有する前記チャンバを提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数の差動熱電対の対を直列に相互接続して、前記複数の差動サーモパイルの１つを形成するステップと、
前記複数の差動サーモパイルの前記１つを前記チャンバの前記側壁の各々の内面に固定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記差動熱電対の各々の第１熱電対が第２熱電対から熱的に隔離され、前記第２熱電対が前記チャンバの前記側壁と熱的に接触することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記チャンバ内の前記差動サーモパイルの各々を電圧計に直列に相互接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記チャンバの前記側壁と熱的に接触する冷却システムであって、前記差動サーモパイルの前記第２熱電対の各々の基準表面温度を実質的に維持するように構成された冷却システムを提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記提供ステップが、おおよその温度Ｔｓを有するクーラントを収容するように構成された複数の溝を前記チャンバの前記側壁内に形成するステップを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記差動サーモパイルによって吸収された前記放射エネルギーの量が、前記チャンバ内のある長さの光導波路ファイバの平均光導波路ファイバ温度Ｔｆの４乗に実質的に比例することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記チャンバがアルミニウムから製造されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
光導波路ファイバを製造する方法であって、
光導波路プレフォームを提供するステップと、
前記光導波路プレフォームを線引き温度まで加熱するステップと、
前記加熱した光導波路プレフォームから光導波路ファイバを線引きするステップと、
光導波路ファイバの入口と、光導波路ファイバの出口とを有する熱流束チャンバを提供するステップと、
前記線引き光導波路ファイバを前記入口に通して前記出口から出すステップと、
前記チャンバ内で前記光導波路ファイバによって放射された熱流束を非光学的に測定するステップと、を含む方法。
【請求項１１】
前記非光学的測定ステップが、
熱流束センサのアレイを前記熱流束チャンバの複数の側壁の内面に直列に相互接続するステップと、
前記熱流束チャンバの前記複数の側壁と熱的に接触し、前記熱流束センサの各々の基準表面温度を実質的に維持するように構成された冷却システムを提供するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバの測定熱流束に基づいて、前記線引き温度を調節するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記測定熱流束が、前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバの平均温度の４乗に比例することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
線引き温度まで加熱した線引き炉内の加熱光導波路プレフォームから線引きされるある長さの光導波路ファイバの平均温度Ｔｆを非光学的に測定するための光導波路温度装置であって、
複数の側壁と、上部壁から下部壁まで前記チャンバを横断する中央の溝とを有し、熱的に隔離されたチャンバであって、線引きされる前記長さの光導波路ファイバを前記中央の溝を介して収容するように構成されたチャンバと、
前記チャンバの前記側壁の内面に固定された複数の差動サーモパイルであって、前記差動サーモパイルの各々の第１表面が第２表面から熱的に隔離され、前記差動サーモパイルの各々の前記第１表面が前記中央の溝に面して、暗色の吸収性表面を有し、前記差動サーモパイルの各々の前記第１表面が前記熱流束に暴露され、前記第２表面が前記チャンバの前記側壁と熱的に接触し、前記差動サーモパイルの前記第２表面が、約Ｔｓの基準表面温度を有する差動サーモパイルと、
前記チャンバの前記側壁と熱的に接触する冷却システムであって、前記チャンバの前記側壁の前記基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成された冷却システムと、
を備える装置。
【請求項１５】
前記冷却システムが、前記チャンバの前記側壁に組み込まれた溝のネットワークであって、前記差動サーモパイルの各々の前記基準平均表面温度Ｔｓを実質的に維持する外部チラーからクーラントを収容するように構成されている溝のネットワークを備えることを特徴とする請求項１４記載の温度装置。
【請求項１６】
前記差動サーモパイルの各々が複数の差動熱電対の対を備え、前記差動熱電対の対の各々の第１熱電対が第２熱電対から熱的に隔離され、前記チャンバの前記側壁と熱的に接触し、前記第２熱電対が約Ｔｓの基準平均温度を有することを特徴とする請求項１４記載の温度装置。
【請求項１７】
前記差動サーモパイルの各々が、前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバから吸収された放射エネルギーの量に実質的に比例する出力信号を生成することを特徴とする請求項１４記載の温度装置。
【請求項１８】
前記線引き炉の前記線引き温度を維持するための線引き炉制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の温度装置。
【請求項１９】
前記線引き炉が前記チャンバに整列して下流に位置することを特徴とする請求項１４記載の温度装置。
【請求項２０】
前記長さの光導波路ファイバの前記温度Ｔｆを使用して、前記線引き炉の前記線引き温度を調節することを特徴とする請求項１９記載の温度装置。
【請求項２１】
前記差動サーモパイルによって吸収された放射エネルギーの最大量が、前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバの前記平均光導波路ファイバ温度Ｔｆの４乗に実質的に比例することを特徴とする請求項２０記載の温度装置。
【請求項２２】
前記チャンバが、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２３７Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属から製造されることを特徴とする請求項２１記載の温度装置。
【請求項２３】
前記チャンバの前記側壁の各々が、少なくとも１０００個の熱電対の対が直列に相互接続されたアレイを備えることを特徴とする請求項２２記載の温度装置。
【請求項２４】
前記チャンバの前記側壁の各々が、約１６００個の熱電対の対が直列に接続されたアレイを備えることを特徴とする請求項２３記載の温度装置。
【請求項２５】
前記溝のネットワークが、前記外部チラーに接続するように構成された複数の可撓性管を備えることを特徴とする請求項２４記載の温度装置。
【請求項２６】
前記溝内に収容される前記クーラントが、前記外部チラーによって前記温度Ｔｓに実質的に維持されることを特徴とする請求項２５記載の温度装置。
【請求項２７】
前記チャンバに整列して下流に位置する光導波路ファイバコーティング装置をさらに備えることを特徴とする請求項２６記載の温度装置。
【請求項２８】
前記差動サーモパイルの各々が、出力信号測定装置に直列に相互接続されることを特徴とする請求項２７記載の温度装置。
【請求項２９】
前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項２８記載の温度装置。
【請求項３０】
光導波路ファイバ製造装置であって、
線引き温度まで加熱される線引き炉と、
前記線引き炉内に配置され、前記線引き温度まで加熱される光導波路プレフォームと、
前記加熱光導波路プレフォームから線引きされる光導波路ファイバの平均温度Ｔｆを非接触的に測定するための温度監視装置であって、前記線引き炉に整列し、
複数の側壁と、上部壁から下部壁まで前記チャンバを横断する中央の溝とを有し、熱的に隔離されたチャンバであって、前記線引き炉の下流に配置され、前記光導波路プレフォームから線引きされる前記光導波路ファイバを前記中央の溝を介して収容するように構成されたチャンバ、
前記チャンバ内の前記光導波路ファイバによって放射された熱流束の量を測定するように構成された複数の熱流束センサであって、各々の熱流束センサが前記チャンバの前記側壁の内面に固定して取り付けられた熱流束センサ、および
前記チャンバの前記側壁に熱的に接触する冷却システムであって、前記熱流束センサの各々の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成された冷却システム、を含む温度監視装置と、
を備える光導波路ファイバ製造装置。
【請求項３１】
前記線引き温度を維持するための線引き炉制御装置であって、前記温度監視装置からの入力を含む線引き炉制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
前記光導波路ファイバの前記温度Ｔｆを使用して、前記線引き炉の前記線引き温度を調節することを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３３】
前記熱流束センサの各々が、複数の差動熱電対の対を備え、前記チャンバ内の前記光導波路ファイバによって放射された熱流束の量によって、前記差動熱電対の対の各々全体に温度勾配が生じることを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３４】
前記差動熱電対の対の各々が第２熱電対から熱的に隔離され、前記第２熱電対が前記チャンバの前記側壁の前記内面に熱的に接触することを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３５】
前記冷却システムが複数の可撓性溝を備え、該溝の各々が、外部チラーによって温度が基準表面温度Ｔｓに実質的に維持されるクーラントを収容するように構成されていることを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３６】
前記差動熱電対の各々の前記第２熱電対が前記溝の少なくとも１つと熱的に接触し、前記溝を介して収容されるクーラントが、前記第２熱電対の各々の前記基準表面温度Ｔｓを実質的に維持することを特徴とする請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
前記差動熱電対の対の各々が直列に相互接続されて差動サーモパイルを形成することを特徴とする請求項３６記載の装置。
【請求項３８】
前記チャンバが４つの側壁を有し、前記差動サーモパイルが前記側壁の各々に固定され、前記チャンバの前記中央の溝に面する前記差動サーモパイルの各々の表面が暗色の吸収性表面を有することを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
前記側壁の各々が少なくとも１０００個の差動熱電対の対を備えることを特徴とする請求項３８記載の装置。
【請求項４０】
前記差動サーモパイルが直列に相互接続されて、前記チャンバ内の前記光導波路ファイバから吸収される放射エネルギーの最大量を表す合計出力信号を生成することを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
前記合計信号が、前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバの前記平均光導波路ファイバ温度Ｔｆに実質的に比例することを特徴とする請求項４０記載の装置。
【請求項４２】
前記チャンバ内の前記光導波路ファイバから吸収される放射エネルギーに前記最大量が、前記チャンバ内の前記長さの光導波路ファイバの前記平均温度Ｔｆの４乗に実質的に比例することを特徴とする請求項４１の装置。
【請求項４３】
前記チャンバが、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２３７Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属から製造されることを特徴とする請求項４２記載の装置。
【請求項４４】
前記光導波路プレフォームから線引きされる前記光導波路ファイバを収容するために前記チャンバを開閉する係止機構をさらに備えることを特徴とする請求項４３記載の装置。
【請求項４５】
前記線引き炉および前記温度監視装置の各々に整列して下流に位置する光導波路ファイバ冷却装置をさらに備えることを特徴とする請求項４４記載の装置。
【請求項４６】
前記温度監視装置に整列して下流に位置する第２温度監視装置をさらに備えることを特徴とする請求項４５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、光導波路が、線引き温度まで加熱した線引き炉を出る時に、移動する光導波路の平均温度を非光学的に測定することを含む光導波路を製造する装置および方法に関する。特に、この装置は、複数の異なるサーモパイルを有するチャンバを備え、これらサーモパイルは、チャンバ内の光導波路ファイバが放射する放射エネルギーの最大量を表す出力信号を生成する。本発明は、その他のタイプの光導波路の製造に使用することができるが、シリカ光導波路の製造に特に適するため、これに関連して特に説明する。
【０００２】
背景技術
光導波路ファイバは、線引き炉内に位置する加熱光導波路のプレフォームから垂直に光導波路ファイバを線引きして製造される。線引きされて移動する光導波路ファイバは約１５００℃〜１８００℃の高温であり、光導波路ファイバの直径は小さいため（約１２５μｍ）、このように小さくて移動し、触れることができない光導波路の場合、非接触温度測定が好ましい選択肢である。光導波路ファイバの温度を測定する１つの非接触的な方法は、放射線温度計を使用することである。
【０００３】
放射線温度計による温度測定は、すべての物体は放射エネルギーを放射するという事実に基づく。放射エネルギーは、光の速度で移動する光子の流れであると考えられる電磁波の形態で放射される。高温の物体が放射する放射エネルギーの波長は、紫外の０．１μｍから遠赤外の１００μｍまでの範囲である。しかし、１５００℃〜１８００℃の物体が放射するエネルギーの大部分は、近赤外領域の１．０〜２．０μｍにある。放射線温度計は、温度を測定される物体上のスポットから受信する熱電磁放射線の量を測定することにより、光導波路などの物体の温度を測定する。物体が放射する放射線の強度および波長は、物体の放射率および温度によって決まる。放射率は、物体が放射エネルギーを放射する能力の測定単位である。物体の放射率は、特定温度において放射されるエネルギーと同じ温度における完全なエミッタつまり「黒体」のエネルギーとの比率である。エミッタンスは物体ごとに異なるため、放射線温度計を校正するために、黒体と呼ばれる標準が基準として使用され、温度に応じた放射線の強度および波長の関係を定義する原理の基準として使用される。黒体は、放射線を反射または通過させない表面を有する物体である。黒体は、暴露されるすべての電磁放射線を吸収し、プランクの法則により可能な最大スペクトルの放射線を再放射するため、完全なエミッタと考えられる。放射エネルギーの強度は、温度が上昇するにつれて増加する。したがって、こうした装置は、物体が放射する放射線の強度を測定することができる。
【０００４】
放射線温度計は、物体が放射する放射エネルギーを収集して集束させる光学レンズを備え、放射線検出器／センサが、集束した放射エネルギーを電気信号に変換し、表示器が測定の指示値を表示する。放射線温度計の欠点は、被測定物体の光学的特性、詳細には物体の放射率を予め知る必要があることである。物体による熱放射線は、物体の領域を取り巻く環境が放射し、物体の表面によって反射される迷放射線を常に含む。したがって、放射線温度計の高度な測定精度を維持するためには、正確な補正／調整が必要である。たとえば、４．９μｍ〜５．５μｍの波長範囲に感応し、スポットサイズつまり視野が１．１ｍｍの放射線温度計は、いくつかの理由で、直径０．１２５ｍｍの光ファイバの温度を測定しようとする場合、正確な温度データを形成しない。第１に、放射線温度計の精度は、放射線温度計の感応波長範囲、つまり４．９μｍ〜５．５μｍの範囲内のファイバの放射率の関数である。放射率は、特定の波長および温度で物体が放射する放射線と同じ波長および温度で黒体から放射される放射線との比率であり、残念ながら、放射率は温度および幾何学的形状に依存する可能性がある。この場合の物体は、主にシリカから製造される光導波路ファイバである。シリカは、特定の厚さの場合、約８μｍより短い波長の放射線に対して部分的に透過性である。また、ファイバの円筒状の幾何学的形状がファイバの放射率に与える影響は、十分に分かっていない。上記の放射率の不確実さ、ファイバが温度計の視野の約１５％のみを占めるという事実、および視野の内外における振動によって、放射線温度計を使用してファイバの温度を測定しようとすると不確かになる。放射線温度計の１つのバージョンは、光導波路ファイバを見る領域をパンするパニングミラーを使用し、時間の経過によるピーク温度を記録することにより、振動するファイバの問題を克服しようとしている。したがって、温度がピークである場合、光導波路ファイバは、視野の最大１５％を占めると考えられるが、ファイバの有効放射率は未知であるため、温度計に記録することはできない。放射線温度計のもう１つの欠点は、非常に高価である点である。
【０００５】
上記の点から、移動する光導波路の温度を正確に測定する装置および方法を提供することが望ましい。さらに、迷放射線および／または周囲温度の変化が光導波路の温度測定に影響するのを最小限にする装置および方法を提供することが望ましい。さらに、頑丈であり、高温に耐えることができる装置、および正確な平均温度測定値を一貫して提供し、反応時関が速い装置を提供することが望ましい。本発明のその他の目的は、シリカガラス光導波路を製造し、製造工程において導波路の温度を確実に監視および制御する信頼できる方法を提供することである。最後に、比較的安価に製造することができる装置を提供することが望ましい。
【０００６】
発明の概要
したがって、本発明は、光導波路ファイバが加熱線引き炉を出る時の移動する光導波路ファイバの平均温度を非光学的に測定することを含む光導波路を製造する装置および方法を目的とする。特に、本発明は、移動する光導波路の平均温度を測定する装置および方法であって、移動する光導波路が放射する放射エネルギーが、温度装置よって非光学的に処理される装置および方法を提供する。本発明は、光導波路の温度監視装置、および移動する光導波路が放射する放射エネルギーを非光学的に検出し、中央の溝を通って移動する光導波路を収容するように構成されたチャンバ内で移動する光導波路が放射する熱流束を非光学的に測定することにより、移動する光導波路の平均温度を測定する方法を提供する。本発明の主な利点は、上記の先行技術の制約および欠点を克服する装置を提供することである。本発明のその他の特徴および利点は、以下の説明に記載し、この説明から部分的に明らかになるか、または本発明の実施により知ることができる。本発明の目的およびその他の利点は、本発明の明細書および請求の範囲並びに添付の図面に特に指摘する装置により具体化され、達成される。
【０００７】
一実施態様によると、本発明は、光導波路の製造に使用する温度装置および監視装置である。温度装置は、複数の側壁と、上部壁から下部壁までチャンバを横断する中央の溝とを有する熱的に隔離されたチャンバであって、線引きされる光導波路ファイバを中央の溝を介して収容するように構成されたチャンバを備える。この装置は、熱流束センサをさらに備え、このセンサは、好ましい実施態様では、チャンバの側壁の内面に固定された差動サーモパイルである。中央の溝に面する各々の熱流束センサの第１表面は、光導波路ファイバが放射する熱エネルギーに暴露される暗色の吸収性表面を有し、各々の熱流束センサの第２表面は、第１表面から熱的に隔離され、チャンバの側壁に熱的に接触する。温度監視装置は、側壁に熱的に接触し、好ましくはチャンバの側壁に組み込まれている冷却システムをさらに備える。冷却システムは、チャンバの側壁の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成される。したがって、各々の熱流束センサの第２表面は、冷却システムにより基準表面温度Ｔｓに実質的に維持される。したがって、温度勾配は、熱流束センサの第１表面と第２表面との間に展開し、この温度勾配は、すべての熱流束センサが吸収した熱／放射エネルギーまたは測定した熱流束に比例する出力／電圧信号に変換される。熱流束センサが吸収した熱流束の量に基づいて、光導波路ファイバの平均温度を決定することができる。また、各々の熱流束センサは直列に相互接続され、チャンバ内ですべての熱流束センサが吸収した放射エネルギーの最大量に実質的に比例する合計出力信号を生成する。さらに、各々の熱流束センサは、すべての熱流束センサが生成した合計出力信号を登録する測定装置または表示器に接続された電極を有する。出力信号は、各々の熱流束センサが吸収した熱／放射エネルギーに比例する。好ましい実施態様では、測定装置は電圧計である。
【０００８】
もう１つの実施態様では、本発明は、光導波路ファイバ製造装置を提供する。この製造装置は、線引き温度まで加熱した線引き炉と、線引き炉内に配置された光導波路プレフォームとを備え、光導波路プレフォームは線引き温度まで加熱される。製造装置は、加熱光導波路プレフォームから線引きされる光導波路ファイバの平均温度Ｔｆを非接触および非光学的に測定するための温度監視装置をさらに備える。温度監視装置は、線引き炉と整列し、線引き炉の下流にある。温度監視装置は、複数の側壁と、上部壁から下部壁までチャンバを横断する中央溝とを有する熱的に隔離されたチャンバを備え、このチャンバは、光導波路プレフォームから線引きされる光導波路ファイバを中央の溝を介して収容するように構成される。このチャンバは複数の熱流束センサを有し、各々の熱流束センサは、チャンバの各々の側壁の内面上に取り付けられる。好ましくは、各々の熱流束センサは直列に相互接続され、チャンバ内のすべての熱流束センサが吸収した放射エネルギーの最大量に実質的に比例する合計出力信号を生成する。合計出力信号は、チャンバ内のある長さの光導波路ファイバの平均光導波路ファイバ温度Ｔｆに実質的に比例することが好ましい。さらに、チャンバ内の光導波路ファイバから吸収される放射エネルギーの最大量は、チャンバ内のその長さの光導波路ファイバの平均温度Ｔｆの４乗に実質的に比例する。温度監視装置は、チャンバの各側壁と熱的に接触する冷却システムをさらに備える。冷却システムは、チャンバの各側壁の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成される。
【０００９】
もう１つの態様では、本発明は、光導波路ファイバを製造する方法であって、光導波路プレフォームを形成するステップと、光導波路プレフォームを線引き温度まで加熱するステップと、次に、加熱した光導波路プレフォームから光導波路ファイバを線引きするステップとを含む方法を提供する。この方法は、光導波路ファイバ入口と、光導波路ファイバ出口とを有する熱流束チャンバを形成し、線引きされた光導波路ファイバをチャンバの入口から通して出口から出すことをさらに含む。最後に、この方法は、チャンバ内の光導波路ファイバが放射する熱流束を非光学的に測定するステップを含む。好ましくは、非光学的に測定するステップは、熱流束センサのアレイを熱流束チャンバの複数の側壁に直列に接続するステップと、熱流束チャンバの複数の側壁に熱的に接触する冷却システムであって、熱流束センサの基準表面温度を実質的に維持するように構成された冷却システムを提供するステップとを含む。この方法は、チャンバ内の光導波路ファイバの測定熱流束に基づいて線引き温度を調整することをさらに含み、測定熱流束は、チャンバ内のある長さの光導波路ファイバの平均温度の４乗に比例する。
【００１０】
さらにもう１つの実施態様では、本発明は、線引き炉内の加熱光導波路プレフォームから線引きされる光導波路ファイバの平均温度Ｔｆを測定する方法を提供する。この方法は、複数の側壁と、上部壁から下部壁を横断する中央の溝とを有するチャンバを形成するステップを含む。この方法は、複数の差動熱電対の対を基板上に直列に相互接続して差動サーモパイルを形成するステップと、各々の差動サーモパイルをチャンバの各々の側壁の内面に確実に固定するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、差動サーモパイルが生成した合計出力信号を指示する表示器に各々の差動サーモパイルを直列に相互接続することを含み、合計出力信号は、チャンバ内の差動サーモパイルが吸収した放射エネルギーの最大量を表す。この方法は、線引きされる光導波路ファイバをチャンバ内の中央の溝に通すステップを含む。この方法は、複数の差動サーモパイルの各々の一方の表面の基準表面温度Ｔｓを維持するステップをさらに含み、各々の差動サーモパイルは側壁の内面に固定され、各々の差動サーモパイルの一方の表面はチャンバの側壁と熱的に接触する。この方法は、チャンバ内の差動サーモパイルが吸収した放射エネルギーの最大量を表す合計出力信号を生成することをさらに含む。この方法は、チャンバの側壁と熱的に接触する冷却システムであって、差動サーモパイルの一方の表面の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成された冷却システムを提供することをさらに含む。この方法は、クーラントを温度Ｔｓに維持する外部チラーからクーラントを受け入れるように構成された複数の溝をチャンバの側壁内に提供することをさらに含む。また、好ましい実施態様では、この方法は、各々の差動熱電対の対の第１熱電対を含み、第１熱電対は第２熱電対から熱的に隔離され、第１熱電対は、光導波路ファイバから放射する放射エネルギーに暴露され、第２熱電対は、チャンバの側壁の内面と熱的に接触する。好ましい実施態様では、この方法は、アルミニウムから製造されるチャンバを提供することを含む。
【００１１】
上記の一般的な説明および以下の詳細な説明は、例示して説明するものであり、請求する本発明をさらに説明することを意図している。
【００１２】
添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本発明の実施態様を表し、説明と共に、本発明の目的、利点および原理を説明するために役立つ。
【００１３】
発明の説明
本明細書に開示する発明は、光導波路ファイバが加熱線引き炉を出て行く時に移動する光導波路ファイバの平均温度を温度装置または監視装置を使って非光学的に測定することを含む光導波路製造装置および方法の提供を実現するものである。特に、本発明は、移動する光導波路の平均温度を測定する装置および方法であって、移動する光導波路が放射する放射エネルギーが、レンズなどの光学部品を有する装置によって直接光学的に処理されない装置および方法を提供する。むしろ、本発明は、光導波路の温度監視装置、および移動する光導波路が放射する放射エネルギーを非光学的に検出し、移動する光導波路を中央の溝を介して収容するように構成されたチャンバ内で移動する光導波路が放射する熱流束を非光学的に測定することにより、移動する光導波路の平均温度を測定する方法を提供する。概して、熱流束は、公式ＨＦ＝σＦ（Ｔｆ４−Ｔｓ４）により計算され、ここで、σはステファン−ボルツマン定数、Ｆは、高さｈ、中央開口部の半径ｒ１、光ファイバの半径ｒ２、ここでｒ１＞ｒ２を有する壁によって囲まれたファイバの長さに対する内壁について計算した視野係数である。さらに詳細には、本発明は、光導波路プレフォームから線引きされて移動する光導波路ファイバの平均温度を測定するための光導波路温度監視装置を提供する。光導波路は、チャンバの上部から下部まで中央の溝を通過する。好ましくは、チャンバの各々の側壁は、チャンバの内側、好ましくはチャンバの側壁にのみ固定されるかまたは取り付けられた複数の熱流束センサを有する。熱流束センサは、光導波路ファイバが放射する熱／放射エネルギーを吸収し、熱流束に実質的に比例する電圧出力信号を生成する。詳細には、本発明に使用する熱流束センサは、エネルギーの全波長に感応する差動サーモパイルであり、好ましい実施態様では、光導波路からの放射エネルギーの最大量を検出して測定できるように光ファイバを囲む。したがって、熱流束センサは、光導波路が放射するエネルギーの最大量を吸収し、出力信号、つまり熱流束センサが吸収した熱流束または熱／放射エネルギーの量に実質的に比例する電圧信号を生成する。特に、チャンバ内のある長さの光導波路から放射される熱流束の量は、ある長さの光導波路の温度の４乗に比例する。また、ある表面が吸収する熱流束の量は表面温度の関数なので、熱流束センサの表面温度を監視して制御する必要がある。したがって、中央の開口部に面する熱流束センサの第１表面は、光導波路ファイバが放射する熱／放射エネルギーに暴露されるが、各々の熱流束センサの対向する第２表面は、チャンバの側壁に熱的に接触する。さらに、チャンバの側壁は、基準表面温度Ｔｓを実質的に維持する冷却システムを有する。熱流束センサの第２表面は側壁に熱的に接触し、熱流束センサの第２表面はさらに、冷却システムにより温度Ｔｓに実質的に維持される。したがって、温度勾配は、熱流束センサの第１表面と第２表面との間、つまり複数のサーモパイルの各々の厚さを横断して展開し、この温度勾配は、吸収される熱／放射エネルギー、つまり各々のサーモパイルの中央の溝に面する表面で熱流束センサが測定した熱流束に比例する出力／電圧信号に変換される。差動サーモパ��ルからの出力信号は、電極／接点を介して表示器、好ましくは電圧計に接続され、電圧は、観察された温度に比例する。熱流束センサが吸収した熱流束の量に基づいて、光導波路の平均温度を決定することができる。さらに、長時間にわたる測定期間では、基準温度を実質的に維持する温度監視装置の冷却システムは、移動する光導波路の温度を繰り返し正確にする。
【００１４】
図面を参照すると、図１は、光導波路ファイバ２１６の平均温度Ｔｆを非光学的に測定するための光導波路ファイバ温度監視装置１００の斜視図を示し、図６は、約２０００℃の線引き温度まで加熱する線引き炉２１２内の加熱光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６の平均温度を測定するための温度監視装置１００を組み込まれた光導波路製造装置２００の断面図を示す。本発明について、光導波路ファイバの平均温度の測定に関連して説明するが、当業者には、その他のタイプの光導波路の温度を特定するように変更することは明白である。図１〜図６に示すように、温度監視装置１００は、複数の側壁１１２と、上部壁１１２から下部壁１１８までチャンバ１１０を横断する中央の溝１１４とを有する熱的に隔離されたチャンバ１１０を備え、チャンバ１１０は、中央の溝１１４を介して、線引きされる光導波路ファイバ２１６を収容するように構成される。装置１００は、複数の熱流束センサ１２０をさらに備え、これら熱流束センサ１２０は、好ましい実施態様では、チャンバ１１０の側壁１１２の内面に固定された差動サーモパイル１２０（図２および図５参照）である。中央の溝１１４に面する各々の熱流束センサ１２０は、光導波路ファイバ２１６が放射する熱エネルギーに暴露される暗色の吸収性表面１２２を有し、各々の熱流束センサ１２０の第２表面は、第１表面から熱的に隔離され、チャンバ１１０の側壁１１２に熱的に接触する。温度監視装置１００は冷却システム１３０をさらに備え、この冷却システム１３０は、側壁１１２に熱的に接触し、好ましくはチャンバ１１０の側壁１１２に組み込まれる。冷却システム１３０は、チャンバ１１０の側壁１１２の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成される。したがって、各々の熱流束センサ１２０の第２表面は側壁１１２に熱的に接触し、第２表面は、冷却システム１３０により基準表面温度Ｔｓに実質的に維持される。したがって、温度勾配は、熱流束センサ１２０の第１表面と第２表面との間に展開し、この温度勾配は、熱流束センサ１２０が吸収した熱／放射エネルギーまたは測定した熱流束に比例する出力／電圧信号に変換される。熱流束センサ１２０が吸収した熱流束の量に基づいて、光導波路ファイバ２１６の平均温度を決定することができる。また、各々の熱流束センサ１２０は直列に相互接続され、チャンバ１１０内のすべての熱流束センサ１２０が吸収した放射エネルギーの最大量に実質的に比例する合計出力信号を生成する。さらに、各々の熱流束センサは、すべての熱流束センサ１２０が生成する合計出力信号を登録する測定装置または表示器２３０に接続される電極１２７を有する。出力信号は、熱流束センサ１２０が吸収した熱／放射エネルギーに比例する。好ましい実施態様では、測定装置２３０は電圧計である。しかし、別法による実施態様では、測定装置２３０は、表示器、好ましくは熱流束センサ１２０が測定する熱流束を指示するディジタルディスプレーユニットである。さらに、好ましくは、各々の熱流束センサ１２０は先ず、出力信号を増幅する差動増幅器に接続され、次に電圧計２３０によって測定される。別法によると、各々の熱流束センサ１２０は、熱流束センサ１２０が生成した出力信号を計算して加算し、測定した熱流束を表示することができるコンピュータシステムに接続された測定装置２３０に個々に接続することができる。
【００１５】
一実施態様では、冷却システム１３０は、チャンバ１１０の側壁１１２に組み込まれた溝１３２（図３Ａ〜図３Ｃ参照）のネットワークを備える。特に、溝１３２のネットワークは、タップ１３４（図１に示す）を介して温度監視装置１００に取り付けられた外部チラー（図示しない）からクーラント、好ましくは水を収容するように構成される。クーラントは、側壁１１２の内側領域を通って供給され、各々の側壁１１２の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持し、各々の熱流束センサ１２０の第２表面を基準表面温度Ｔｓに実質的に維持する。また、好ましい実施態様では、溝１３２のネットワークは、外部チラーからクーラントを収容するように構成された複数の可撓性管を備える。溝１３２内に収容されたクーラントは、外部チラーによって温度Ｔｓに実質的に維持される。
【００１６】
さらに、図４および図５に示す熱流束センサ１２０の製造を考えると、各々の熱流束センサ１２０は、複数の差動熱電対の対１２４から構成される。詳細には、図４に示すように、各々の差動熱電対の対１２４の各々の第１熱電対１２４Ａは第２熱電対１２４Ｂから熱的に隔離され、第２熱電対１２４Ｂはチャンバ１１０の側壁１１２の内面に熱的に接触する。さらに、図１、図２、図４および図５に示すように、差動サーモパイル１２０はそれぞれ直列に接続され、チャンバ１１０内のすべてのサーモパイル１２０が吸収した放射エネルギーの最大量を実質的に表す合計出力信号を生成する。合計出力信号は、チャンバ１１０内のある長さの光導波路ファイバ２１６の平均光導波路ファイバ２１６温度Ｔｆに実質的に比例する。一実施態様では、チャンバ１１０の各々の側壁１１２は、少なくとも１０００個の熱電対の対１２４、好ましくは少なくとも約１６００個の熱電対の対１２４が直列に相互接続されたアレイから構成される差動サーモパイル１２０を備える。本発明に使用する差動サーモパイル１２０は、ＥＰＩＳＥＮＳＯＲの商標で販売されており、バージニア州、クリスチャンバーグのＶａｔｅｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。しかし、本発明に使用する差動サーモパイル１２０は、ＥＰＩＳＥＮＳＯＲサーモパイルとは異なり、各々の差動サーモパイル１２０に埋め込むことができる随意の箔熱電対を除外するように差動サーモパイル１２０を変更し、さらに各々のサーモパイル１２０が、約１６００個の熱電対の対１２４から成る約２インチの方形のサーモパイルであるように差動サーモパイル１２０を構成した。差動サーモパイルの構造の詳細は、１９９９年１１月２３日に発行された米国特許第５，９９０，４１２号に記載されており、この特許の明細は本明細書に援用する。差動サーモパイル１２０は、厚膜印刷インク製造方法を使用して構成される。導電性および誘電性インクの複数の層は、薄く平坦な陽極酸化アルミニウム基板上に均一に付着／印刷され、図５に示す差動サーモパイルが製造される。したがって、各々の熱電対の対１２４は、熱抵抗材料の薄い層により分離される。差動サーモパイル１２０は、薄く平坦なアルミニウム基板全体の温度差を測定する。基板は、熱流の方向に垂直に向けられ、温度差は、基板を通過する熱流束の量に比例する。薄いフィルム構造によって、これら差動サーモパイル１２０はより頑丈になり、差動サーモパイルの反応時間が改善する。差動サーモパイルの熱伝導は、少なくとも約６４Ｗ／ｍｏＫである。さらに、差動サーモパイル１２０は、チャンバ１１０の側壁１１２に接触する表面に接着剤の基材を有する。好ましくは、接着剤の基材は均一であって気泡がなければ、チャンバ１１０の側壁１１２との熱接触が良好になり、正確に測定することができる。さらに、差動サーモパイル１２０は、高度の放射率を有するコーティングを入射光に暴露される表面に有する。好ましくは、コーティングは、少なくとも０．９４の放射率を有する高温の黒色ペンキである。
【００１７】
さらに、図６に示す製造装置２００の好ましい実施態様では、温度監視装置１００は線引き炉２１２に整列して下流に位置する。温度監視装置１００は、温度監視装置１００からの入力を有する線引き炉制御装置２２０（図６に示す）をさらに備え、この入力は、制御装置２２０が線引き炉２１２の線引き温度を維持することを可能にする。特に、この長さの光導波路ファイバ２１６の測定温度Ｔｆは、線引き炉２１２の線引き温度を制御するために使用される。また、もう１つの実施態様では、製造装置２００は、温度監視装置１００に整列して下流に位置する光導波路ファイバコーティング装置２１８（図６に示す）をさらに備える。
【００１８】
また、好ましい実施態様では、チャンバ１１０は４つの側壁１１２を有し、各々の差動サーモパイル１２０が、各々の差動サーモパイル１２０の第１表面、好ましくは暗色の吸収性表面１２２がチャンバ１１０の中央の溝１１４に面し、チャンバ１１０内の光導波路ファイバ２１６が放射する放射エネルギーに暴露されるように、４つの側壁１１２の１つに固定される。さらに、好ましい実施態様では、チャンバ１１０は、好ましくは３０Ｗ／ｍ．Ｋ〜４００Ｗ／ｍ．Ｋ、の範囲の高い熱伝導率、より好ましくは１７０Ｗ／ｍ．Ｋ〜２３７Ｗ／ｍ．Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属から製造され、好ましい実施態様では、チャンバはアルミニウムから製造される。温度監視装置１００は、高さが約３インチであり、厚さ約１／２インチの壁を備える。さらに、チャンバ１１０上に取り付けられた熱流束センサまたは差動サーモパイル１２０は、各々の辺が約２インチの方形である。さらに、光導波路ファイバの直径は約１２５μｍであり、中央の溝１１４の直径は約０．５ｃｍである。好ましい実施態様では、光導波路は、各々の熱流束センサ１２０の中心から約１インチ離れており、各々の熱流束センサ１２０の縁部から約１．４インチ離れている。さらに、好ましい実施態様では、温度監視装置１００は、中央の溝１１４内の光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６を収容するためにチャンバ１１０を開閉する係止機構１０２を有する。
【００１９】
もう１つの実施態様では、本発明は、図６に示す光導波路ファイバ製造装置２００を提供する。製造装置２００は、線引き温度まで加熱する線引き炉２１２と、線引き炉２１２内に配置された光導波路プレフォーム２１４から成り、光導波路プレフォーム２１４は線引き温度まで加熱される。製造装置２００は、加熱した光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６の平均温度Ｔｆを非接触的および非光学的に測定する温度監視装置１００をさらに備える。温度監視装置１００は、線引き炉２１２に整列して下流に位置する。温度監視装置１００（図１〜図６参照）は、複数の側壁１１２と、上部壁１１６から下部壁１１８までチャンバ１１０を横断する中央の溝１１４を有する熱的に隔離されたチャンバ１１０を備え、チャンバ１１０は、光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６を中央の溝１１４を介して収容するように構成される。チャンバ１１０は、複数の熱流束センサ１２０を有し、各々の熱流束センサ１２０は、チャンバ１１０の各々の側壁１１２の内面上に取り付けられる。好ましくは、各々の熱流束センサ１２０は直列に相互接続され、チャンバ１１０内のすべての熱流束センサ１２０が吸収する放射エネルギーの最大量に実質的に比例する合計出力信号を生成する。合計出力信号は、チャンバ１１０内のある長さの光導波路ファイバ２１６の平均光導波路ファイバ２１６温度Ｔｆに実質的に比例することが好ましい。さらに、チャンバ１１０内の光導波路ファイバ２１６から吸収される放射エネルギーの最大量は、チャンバ１１０内のその長さの光導波路ファイバ２１６の平均温度Ｔｆの４乗に実質的に比例する。温度監視装置１００は、チャンバ１１０の各々の側壁１１２に熱的に接触する冷却システム１３０をさらに備える。冷却システム１３０は、チャンバ１１０の各々の側壁１１２の基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成される。
【００２０】
好ましい実施態様では、温度監視装置１００内の各々の熱流束センサ１２０は、複数の差動熱電対の対１２４から成る差動サーモパイル１２０である。また、好ましい実施態様では、溝１３２のネットワークは、外部チラーからクーラント、好ましくは水を収容するように構成された複数の可撓性管を備える。溝１３２内に収容されるクーラントは、外部チラーにより温度Ｔｓに実質的に維持される。光導波路ファイバ製造装置２００内の温度監視装置１００の構造は、本明細書の上記の構造に従う。
【００２１】
また、好ましい実施態様では、チャンバ１１０は４つの側壁１１２を有し、各々の差動サーモパイル１２０は、各々の差動サーモパイル１２０の第１表面、好ましくは暗色の吸収性表面１２２がチャンバ１１０の中央の溝１１４に面し、チャンバ１１０内の光導波路ファイバ２１６が放射する放射エネルギーに暴露されるように、４つの側壁１１２の１つに固定される。好ましい実施態様では、温度監視装置１００の各々の側壁１１２は、少なくとも１０００個の差動熱電対の対１２４、好ましくは約１６００個の差動熱電対の対１２４を備える。さらに、好ましい実施態様では、温度監視装置１００は、光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６を収容するためにチャンバ１１０を開閉する係止機構１０２をさらに備える。また、好ましくは、光導波路ファイバ製造装置２００は、線引き炉２１２の線引き温度を維持するための線引き炉制御装置２２０をさらに備え、線引き炉制御装置２２０は、図６に示すように、温度監視装置１００からの入力を含む。したがって、光導波路ファイバ２１６の測定温度Ｔｆは、線引き炉２１２の線引き温度を制御するために使用される。さらに、光導波路ファイバ製造装置２００は、それぞれ線引き炉２１２および温度監視装置１００に整列して下流に位置する光導波路ファイバコーティング装置２１８をさらに備える。さらにもう１つの実施態様では、光導波路ファイバ製造装置２００は、光導波路ファイバコーティング装置２１８に整列して下流に位置する第２の温度監視装置１００をさらに備える。
【００２２】
もう１つの態様では、本発明は、光導波路ファイバ２１６を製造する方法であって、光導波路プレフォーム２１４を提供するステップと、光導波路プレフォーム２１４を線引き温度まで加熱するステップと、次に加熱した光導波路プレフォーム２１４から光導波路ファイバ２１６を線引きするステップとを含む方法を提供する。この方法は、光導波路ファイバの入口１１３と光導波路ファイバの出口１１５とを有する熱流束チャンバ１１０を提供することをさらに含む。最後に、この方法は、チャンバ１１０内で光導波路ファイバ２１６が放射する熱流束を非光学的に測定するステップを含む。好ましくは、非光学的に測定するステップは、熱流束センサ１２０のアレイを熱流束チャンバ１１０の複数の側壁の内面に直列に相互接続するステップと、熱流束チャンバ１１０の複数の側壁１１２に熱的に接触する冷却システム１３０であって、熱流束センサ１２０の基準表面温度を実質的に維持するように構成された冷却システム１３０を提供するステップを含む。この方法は、チャンバ１１０内の光導波路ファイバ２１６の測定熱流束に基づいて線引き温度を調節するステップを含み、測定熱流束は、チャンバ１１０内のある長さの光導波路ファイバ２１６の平均温度の４乗に比例する。
【００２３】
さらにもう１つの実施態様では、本発明は、線引き炉２１２内で加熱した光導波路プレフォーム２１４から線引きされる光導波路ファイバ２１６の平均温度Ｔｆを測定する方法を提供する。この方法は、複数の側壁１１２と、上部壁１１６から下部壁１１８までチャンバ１１０を横断する中央の溝１１４とを有するチャンバ１１０を提供するステップを含む。この方法は、複数の差動熱電対の対１２４を基板上に直列に相互接続して差動サーモパイル１２０を形成するステップと、各々の差動サーモパイル１２０をチャンバ１１０の各々の側壁１１２の内面に確実に固定するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、差動サーモパイル１２０が生成する合計出力信号であって、チャンバ内の差動サーモパイルによって吸収された放射エネルギーの最大量を表す合計出力信号を指示する表示器に各々の差動サーモパイル１２０を直列に相互接続するステップを含む。この方法は、線引きされる光導波路ファイバ２１６をチャンバ１１０内の中央の溝に通すステップを含む。この方法は、複数の差動サーモパイル１２０の各々の一方の表面１２４Ｂの基準表面温度Ｔｓを維持するステップを含み、各々の差動サーモパイル１２０はチャンバ１１０の側壁の内面に固定され、各々の差動サーモパイルの一方の表面１２４Ｂはチャンバ１１０の側壁１１２に熱的に接触する。この方法は、チャンバ１１０内の差動サーモパイル１２０によって吸収された放射エネルギーの最大量を表す合計出力信号を生成することをさらに含む。この方法は、チャンバ１１０の側壁１１２に熱的に接触する冷却システム１３０であって、差動サーモパイル１２０の一方の表面１２４Ｂの基準表面温度Ｔｓを実質的に維持するように構成される冷却システム１３０を提供することをさらに含む。この方法は、クーラントを温度Ｔｓに維持する外部チラーからクーラントを収容するように構成された複数の溝１３２をチャンバ１１０の側壁１１２内に提供することをさらに含む。また、好ましい実施態様では、この方法は、各々の差動熱電対の対１２４の第１熱電対１２４Ａを含み、第１熱電対１２４Ａは２熱電対１２４Ｂから熱的に隔離され、第１熱電対１２４Ａは光導波路ファイバから放射される放射エネルギーに暴露され、第２熱電対１２４Ｂはチャンバ１１０の側壁１１２の内面に熱的に接触する。好ましい実施態様では、この方法は、アルミニウムから製造されるチャンバ１１０を提供することを含む。
【００２４】
本発明の好ましい実施態様およびその特定の変形について本明細書で説明したが、当業者には、本発明の精神および範囲を逸脱せずに様々な変更および変形が可能であることが明白である。したがって、本発明は、添付の請求の範囲およびこれと等価なものに含まれる限り、本発明の変更および変形を網羅することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による光導波路温度監視装置を示す斜視図
【図２】
図１の光導波路温度監視装置の斜視図であり、装置の内部を示す
【図３Ａ】
図２に示す装置の上部壁の２分の１における冷却システムを示す部分平面図
【図３Ｂ】
図２に示す装置の下部壁の２分の１における冷却システムを示す部分平面図
【図３Ｃ】
図２に示す装置の２分の１における冷却システムを示す長手方向の平面図
【図４】
直列に相互接続されて出力信号を生成する１対の熱電対の構成を示す斜視図
【図５】
本発明の実施態様による熱流束センサの平面図
【図６】
本発明の実施態様による光導波路製造装置の長手方向断面図
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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