JP5398026B2 - ガラス母材の延伸方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材を加熱炉で処理し延伸して、所望の外径を有するガラスロッドを製造するガラス母材延伸方法及び装置に関する。

光ファイバプリフォームに代表されるような石英ガラスロッドの製造には、予め大型のガラス母材を製造し、それを図１に示すような延伸炉を用いて延伸し、より細径のガラスロッドとする方法が用いられる。
延伸炉は、加熱炉１、送り機構２、引取機構３の３つの主要な機構からなり、送り機構２には、吊下げ接続部材４を介してガラス母材５が吊り下げられ、ガラス母材５の下部は、引取接続部材６を介して引取機構３に連結されている。ガラス母材５の延伸は、引取機構３の下降速度（引取速度）を送り機構２の下降速度（送り速度）よりも速くすることで行われ、延伸後のガラスロッドの外径を延伸前のガラス母材の外径よりも細くすることができる。その際、ガラスロッドの外径を一定に保つために、送り速度と引取速度は適切に調整される。

引取機構は、図１に示したガラス母材５の下端を把持して延伸するチャックタイプの他に、図２に示すような、回転する引取ローラー７，８で延伸されたガラスロッド９を挟持して引取り延伸するローラータイプも知られている。
ローラータイプでは、ダミーロッドと延伸されたガラスロッドとの接続部等の段差がローラー部分に来ると、該ローラーを開いてその部分をやり過ごすことができるように、引取ローラーは把持・解放が可能になっている。通常、１組の引取ローラーが解放中でも引取りができるように、２組の引取ローラーを備えている。

チャックタイプの延伸（以下、単にチャック延伸と称する）では、引取機構の動作ストローク以上の長さには延伸できないため、得られるガラスロッド長に制約があるものの、ガラスロッドの表面に傷をつけることは無く、引取速度の制御性も良いというメリットがある。
ローラータイプの延伸（以下、単にローラー延伸と称する）では、引取ローラーから下の部分のガラスロッドを所定の長さごとに切断することにより、引取機構の動作ストロークが事実上無限となるため、大きなガラス母材から長尺のガラスロッドを得る場合に特に有利である。

ローラー延伸により、大型のガラス母材を延伸する場合、得られるガラスロッドの曲がりが大きくなり易いという問題があった。これは、出発材であるガラス母材に元々曲がりがあるだけでなく、１組の引取ローラーで延伸する場合、ガラスロッドの引取方向が不安定になり、曲がりが発生すること、また、一度生じた曲がりがローラーを通過する際に、加熱部において新たな曲がりが発生すること等、様々な原因が挙げられる。

代表的なガラスロッドとして、光ファイバプリフォームを例に挙げると、要求される曲がりの精度は1mあたり0.5mm以下（例えば、0.2mm以下）である場合が多い。
曲がりを小さくする方法として、特許文献１に示されるように、延伸中、ガラス母材のネックダウンの位置が水平面内の目標の位置にあるように、ガラス母材吊り下げ部のXY方向水平位置を調整する方法が知られている。
なお、曲がりは、図３に示したように、ガラスロッド９の両端を間隔L［m］のVブロック１０上に保持して回転させた場合の最大の振れ幅を２R［mm］としたときに、R／L［mm/m］で表される。

特開2005-104763号公報

特許文献１に記載の実施例では、チャック延伸により引取りを行っているが、チャック延伸は、曲がりが抑えられるという特徴があるものの、大型・長尺のガラス母材の延伸には不適である。他方、ローラー延伸は、長尺のガラス母材の延伸には向いているが、延伸終了側では十分に小さな曲がりで延伸できるものの、延伸開始側では曲がりが2mm/m以上と大きく、曲がりが発生し易いという特徴がある。
先述の通り、大型のガラス母材から長尺のガラスロッドを得る場合には、チャック延伸が事実上不可能であるため、ローラー延伸を行うことになるが、従来のローラー延伸技術では、延伸したガラスロッド全域にわたって曲がりの小さな製品を得ることはできなかった。曲がりの大きな製品は、別途ガラス旋盤を用いて曲がりを修正する必要があり、余計な追加コストが必要となっていた。

本発明は、ローラー延伸により、曲がりの小さなガラスロッドを得ることのできるガラス母材延伸方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のガラス母材延伸方法は、少なくともガラス母材の送り機構と、加熱炉と、該加熱炉の下方にガラス母材の引取機構とを備えたガラス母材延伸装置を用いて、ガラス母材を延伸しより細径のガラスロッドを製造する方法であって、前記加熱炉内部もしくは加熱炉近傍にガラス母材の水平面位置計測手段を設け、前記送り機構にガラス母材水平面位置調整手段を設け、前記引取機構に、ガラスロッドの水平面内の位置を一定に保つための把持及び解放可能な引取ローラーを３組以上設け、前記引取機構に設けた３組以上ある引取ローラーのうち、延伸中は常に２組以上を把持状態とし、延伸中のガラス母材の水平面内の位置を、ガラス母材水平面位置調整手段を制御して予め定めた目標位置に合わせ延伸することを特徴としている。

なお、ガラス母材へのダミーロッドの接続は、ガラス母材延伸装置の加熱炉内での融着により行うのが好ましい。また、ガラス母材に接続されるダミーロッドの曲がりは、延伸して得られるガラスロッドの曲がり目標値の２倍以下とする。

本発明で用いるガラス母材延伸装置は、ガラス母材を加熱・延伸してより細径のガラスロッドを製造する装置であって、少なくともガラス母材の送り機構と、加熱炉と、該加熱炉の下方にガラス母材の引取機構とを備え、前記加熱炉内部もしくは加熱炉近傍にガラス母材の水平面位置計測手段を設け、前記送り機構に、延伸中のガラス母材の水平面内の位置を予め定めた目標位置に合わせるためのガラス母材水平面位置調整手段を設け、前記引取機構に、ガラスロッドの水平面内の位置を一定に保つための把持及び解放可能な引取ローラーを３組以上設けてなることを特徴としている。

本発明によれば、延伸中のガラス母材の水平面内の位置を予め定めた目標位置に合わせることができ、３組以上の引取ローラーで延伸することにより、曲がりの小さなガラスロッドを容易に得ることができる。

従来のガラス母材延伸装置を示す概略図である。 ローラー延伸を説明する概略図である。 ガラスロッドの曲がり測定方法を説明する概略図である。 本発明のガラス母材延伸装置の一例を説明する概略図である。 （ａ）〜（ｅ）は、延伸初期における引取機構の引取ローラーの把持・解放動作について説明する概略図である。 比較例で使用したガラス母材延伸装置を示す概略図である。 ガラスロッドの曲りの程度を比較するグラフである。

本発明のガラス母材延伸方法及び装置は、加熱炉内部もしくは加熱炉近傍にガラス母材の水平面位置計測手段を設け、送り機構にガラス母材水平面位置調整手段を設け、引取機構には、ガラスロッドの水平面内の位置を一定に保つための把持及び解放可能な引取ローラーを３組以上設け、延伸中のガラス母材の水平面内の位置を、ガラス母材水平面位置調整手段を制御して予め定めた目標位置に合わせて延伸するものであり、引取機構の引取ローラーを３組以上としたことにより、ダミーロッドとガラスロッドとの接続部等の段差が引取ローラー部分に来たときに、該引取ローラー対を解放してその部分をやりすごし、他の２組の引取ローラーは把持状態としておくことで、ガラスロッドの引取を鉛直方向に安定して保つことができる。

ガラス母材へのダミーロッドの接続は、延伸前に加熱炉内で融着接続することが好ましい。なお、ダミーロッドとガラス母材の接続をピン接続等の機械的な方法によった場合、ガタつきが発生してガラスロッドに曲がりを生じさせる原因となる。機械的にガタつきの無い方法で接続しようとすると、接合部に熱がかかったときに破損したり、接合部の部材が大型になるため引取ローラー間隔を広く取らなければならず、装置の大型化が避けられない。
加熱炉内にガラス母材を挿入する前に、ダミーロッドを融着接続する方法を採ることもできるが、この方法は、大型のガラス母材にさらに長尺のダミーロッドを接続することになり、ハンドリングが困難となる。さらに、加熱炉への挿入のために必要なスペースも大きくなるため、装置や建屋が大型化し、経済的に不利である。

ダミーロッドの曲がりは、延伸して得られるガラスロッドの曲がり目標値の２倍以下であることが好ましい。これは、延伸終了側の曲がりよりも延伸開始側の方が、曲りが大きいという事実にもとづいている。また、ダミーロッドの曲がりが小さいほど、延伸して得られるガラスロッドの曲がりも小さくなるが、ダミーロッドの曲がりを小さくする程、ダミーロッドの製作に手間が掛かりコストが上昇する。引取ローラーの配置にもよるが、曲がりの値が安定しない延伸開始側では、曲がりの大きさは１mごとにおよそ半分に減っていくため、ダミーロッドの曲がりがガラスロッドの曲がり目標値の２倍程度であれば、十分使用が可能である。

本発明の方法について、図を用いてさらに詳細に説明する。
図４に示すように、ガラス母材５は、吊下げ接続部材４を介して送り機構２に吊り下げられ、吊下げ接続部材４と送り機構２の間には水平面位置調整手段１１が設置されている。これによってガラス母材５の水平面内の位置をXY方向に調整することができる。この水平位置調整手段１１として、例えばXYテーブルを挙げることができる。

加熱炉１の上部には、水平面位置計測手段１２が配設されている。これによってガラス母材の水平面内の位置を検出し、ガラス母材の水平面内の位置が目標位置と一致するように、水平面位置調整手段１１を調整する。水平面位置計測手段１２として、カメラと画像処理装置の組み合わせや、レーザー外径測定器のセンター位置出力を用いることができる。ガラス母材５の周囲は、伸縮式のトップチャンバ１３で覆われており、外気が加熱炉１内に侵入して内部の炉材が損耗するのを防いでいる。

加熱炉１の下部には引取機構１４が配設され、３組の引取ローラー１５，１６，１７で構成されている。これら３組の引取ローラーは、いずれも独立して把持及び解放可能となっており、常に３組中２組以上を把持状態とすることで、引取中のガラスロッドの方向を鉛直に安定させることができる。また、引取ローラー１５，１６，１７のうち１組、例えば引取ローラー１５に駆動機構を設けず、単にガラスロッドを軸芯にガイドする機能だけのものとしても良い。

ガラス母材５の下端に引取り用のダミーロッド１８を接続するには、先ず、ガラス母材５を加熱炉内に吊り下げ、他方、ダミーロッド１８を引取機構１４で把持し、引取ローラーを逆転させて加熱炉内に下方から上昇させることで、加熱されたガラス母材５の下端にダミーロッド１８を加熱融着させることができる。なお、加熱融着時には、水平面位置計測手段１２及び水平面位置調整手段１１を用いてガラス母材５の水平面内の位置を制御目標位置に一致させておく。

次に、ダミーロッド融着後の引取ローラー開閉動作（把持・解放）について、図５（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。
図５（ａ）は、ダミーロッドの融着接続直後の状態を示しており、ここから延伸を開始する。先ず、引取ローラー１５，１６を引取方向に駆動させてダミーロッド１８を引取りつつ、ガラス母材５を引き下げて延伸を行う。延伸中は、ガラス母材５の水平面内の位置が常に制御目標位置に一致するように調整する。

ガラス母材５とダミーロッド１８との融着接続部１９には段差や大きな径変動を伴うことが多いため、融着接続部１９が引取ローラー１５にさしかかる前に、図５（ｂ）に示すように、引取ローラー１５を解放し、引取ローラー１６，１７は把持状態とする。続いて、融着接続部１９が引取ローラー１６にさしかかる前に、図５（ｃ）に示すように、引取ローラー１５，１７を把持状態とし、引取ローラー１６は解放する。さらに、融着接続部１９が引取ローラー１７にさしかかる前に、図５（ｄ）に示すように、引取ローラー１５，１６を把持状態とし、引取ローラー１７は解放する。

この状態で延伸を続けても良いが、把持する引取ローラーの間隔が広いほど曲がり精度は良くなるため、融着接続部１９が引取ローラー１７を通過した後は、図５（ｅ）に示すように、引取ローラー１６を解放し、引取ローラー１５と引取ローラー１７は把持状態として延伸するのが好ましい。このように、延伸中は常に２組以上の引取ローラーを把持状態とするのが好ましい。なお、引取ローラー１７を通過した部分は、適切な長さごとに切断される。

［実施例１］
図４、図５に示した装置を用い、直胴部長さ2000mm, 外径180mmのガラス母材を、長さ1m, 外径90mmのガラスロッド８本に延伸した。延伸中は、ガラス母材の水平面内の位置が一定の位置にあるように制御した。ダミーロッドの曲がりは0.40mm/mのものを用いた。その結果、分割して得られた各ガラスロッドの曲がり量は、図７の曲線Ａで示したようになり、全数で目標値0.2mm/m以下を達成した。

［比較例１］
図４、図５に示した装置を用い、直胴部長さ2000mm, 外径180mmのガラス母材を、長さ1m, 外径90mmのガラスロッド８本に延伸した。延伸中は、ガラス母材の水平面内の位置が一定の位置にあるように制御した。ダミーロッドの曲がりは0.82mm/mのものを用いた。その結果、分割して得られた各ガラスロッドの曲がり量は、図７の曲線Ｂで示したようになり、延伸開始側の１分割目のものは目標値0.2mm/m以下を達成することができなかった。

［比較例２］
図１０に示した、引取機構が２組の引取ローラーで構成される装置を用いて、直胴部長さ2000mm, 外径180mmのガラス母材を、長さ1m, 外径90mmのガラスロッド８本に延伸した。延伸中は、ガラス母材の水平面内の位置が一定の位置にあるように制御した。ダミーロッドとガラス母材とを機械的に接続したが、接続部には多少ガタが生じた。その結果、分割して得られた各ガラスロッドの曲がり量は、図７の曲線Ｃで示したようになり、延伸開始側の３分割目のものまで目標値0.2mm/m以下を達成することができず、特に延伸開始１分割目の曲がりは2.10mm/mと極めて大きかった。

１．加熱炉、
２．送り機構、
３．引取機構、
４．吊下げ接続部材、
５．ガラス母材、
６．引取接続部材、
７，８．引取ローラー、
９．ガラスロッド、
１０．Vブロック、
１１．水平面位置調整手段、
１２．水平面位置計測手段、
１３．トップチャンバ、
１４．引取機構、
１５，１６，１７．引取ローラー、
１８．ダミーロッド、
１９．融着接続部。

Claims (3)

1. 少なくともガラス母材の送り機構と、加熱炉と、該加熱炉の下方にガラス母材の引取機構とを備えたガラス母材延伸装置を用いて、ガラス母材を延伸しより細径のガラスロッドを製造する方法であって、前記加熱炉内部もしくは加熱炉近傍にガラス母材の水平面位置計測手段を設け、前記送り機構にガラス母材水平面位置調整手段を設け、前記引取機構に、ガラスロッドの水平面内の位置を一定に保つための把持及び解放可能な引取ローラーを３組以上設け、延伸中は常に２組以上を把持状態とし、延伸中のガラス母材の水平面内の位置を、ガラス母材水平面位置調整手段を制御して予め定めた目標位置に合わせ延伸することを特徴とするガラス母材延伸方法。
2. 前記ガラス母材へのダミーロッドの接続が、ガラス母材延伸装置の加熱炉内での融着により行われる請求項１に記載のガラス母材延伸方法。
3. 前記ガラス母材に接続されるダミーロッドの曲がりが、延伸して得られるガラスロッドの曲がり目標値の２倍以下とされる請求項２に記載のガラス母材延伸方法。

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