JP2005200238A - 光ファイバ用ガラスロッド加工装置及びガラスロッドの端部絞り方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 作業者が加工装置につきっきりで、バーナーのガス量や可動チャックの移動速度の調節を必要としない、光ファイバ用ガラスロッド加工装置及びガラスロッドの端部絞り方法を提供する。
【解決手段】 本光ファイバ用ガラスロッド加工装置は、ガラスロッド４をその両端で把持する少なくとも一方がガラスロッドの軸方向に移動可能な可動チャック５と、ガラスロッドを回転させる回転機構と、ガラスロッドを加熱するバーナー６と、該バーナーの移動機構と、バーナーへの供給ガス量を制御するガス量調節機構１３と、加熱部を撮影する撮像装置７と、得られた画像情報を処理し縮径された縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求める画像処理装置と、該画像処理装置から得られる情報に基づき、バーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御する制御コンピューターとを有している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光ファイバ用ガラスロッド（以下、単にガラスロッドと称する）の端部を光ファイバの線引きに都合のよい形状に絞り加工するガラスロッド加工装置及びガラスロッドの端部絞り方法に関する。

光ファイバ用石英ガラス母材は、ＶＡＤ法等により生成したガラス微粒子を堆積し、形成した多孔質スート体を塩素系ガス雰囲気中で脱水し、さらに不活性ガス雰囲気中で焼結し透明ガラス化することにより製造される。石英ガラス母材の直径は、通常φ130〜200mmであるが、実際に光ファイバの線引きに好ましく用いられるガラスロッドの直径はφ30〜90mmである。

外径がφ100mmを超える太径の石英ガラス母材の延伸は、一次、二次に分けて行われる。一次延伸は、火炎バーナーでは熱量が不足するため、通常、電気炉を備えた延伸装置で行われる。延伸は、例えば図１に示すように、電気炉１の上部から石英ガラス母材２を約2000℃に加熱された炉内に垂下し、下方の引取り機構３で挟持して、延伸、縮径しつつ炉の下方からガラスロッド４を連続的に引き取ることにより行われる。この一次延伸加工品の直径は、製品直径より３〜5mm太く設定される。縮径されたガラスロッドは、さらにガラス旋盤を用いて二次延伸加工され、精密に製品直径に整えられる。

図２に従来のガラスロッド加工装置の概略構造を示す。ガラスロッド加工装置は、プロパンや水素の燃焼ガス、酸素を助燃ガスとする燃焼火炎によりガラスロッド４を軟化させ、牽引して所定の直径に加工するものである。ガラスロッド４を挟持する一方のチャックは固定され、他方のチャック（可動チャック５）は可動で牽引力が作用する。チャックに挟持されたガラスロッド４は、バーナー６で加熱しながら可動チャック５を徐々に引っ張り方向に移動することで延伸され、目標の外径に加工される。

ガラスロッドは、光ファイバへの線引きに先立ち、両端もしくは一端が線引きに都合のよい形状に加工される。端部を図３に示すような絞り形状に加工することで、線引きの開始に要する時間が短縮され、かつ材料ロスが低減される。絞り形状は、線引き工程での使い易さという観点からは、先端が緩やかに細くなっていることが望ましいが、材料ロスの低減という観点からは、絞り部分が短いほどよく、通常、絞り部分の長さ（絞り長さ）はガラスロッドの外径とほぼ同じ程度の長さとされる。絞り部分の望ましい長さの範囲は、例えば特許文献１に紹介されている。

絞り形状の加工は、バーナーへの供給ガス量を調節しながら、可動チャックをガラスロッドの軸方向に移動させてガラスロッドの一部を徐々に細くしていき、最後に火炎を細く絞って火炎温度を上げ溶断している。この工程においては、個々のバーナーに火力差（個体差）があること、被加工ガラスロッドの外径にバラツキがあることなどの理由により、ガラスロッドの軟化時間にバラツキが存在する。そのため、作業者がガラス旋盤につきっきりで、個々のバーナーへの供給ガス量、さらに、可動チャックやバーナーの移動速度を手動で調節していた。このため、絞り加工工程の省力化が困難であるという問題があった。

このような問題を解決しようとして特許文献２，３の方法が提案されている。しかしながら、これらの方法は、事前に定められた手順に従って工程が進行するシーケンス制御であるため、被加工ガラスロッドの外径が変化すると、絞り形状も大きく変化する。すなわち、同一条件でガラスロッドの絞り加工を行うと、ガラスロッドの外径が小さい方が、絞り長さ（テーパ形状部）が長くなる傾向がある。

異なるガラスロッドの外径に対して、それぞれ条件（プログラムパターン）を設定することも可能であるが、考えられ得る全ての外径に対してそれぞれ条件を設定することは、非常に多大な労力と時間を必要とする。また、これらの条件は、バーナーの個体差によって異なるため、バーナー交換の際には、上記条件を全て再設定する必要があり、特許文献２，３の方法は現実的ではない。

特開2000−264662号公報 特開2000−143268号公報 特開2000−203864号公報

本発明の課題は、作業者が加工装置につきっきりで、バーナーのガス量や可動チャックの移動速度の調節を必要としない、ガラスロッドの端部絞りが容易に行えるガラスロッド加工装置及びガラスロッドの端部絞り方法を提供することにある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、請求項１に記載のガラスロッド加工装置は、ガラスロッドをその両端で把持する少なくとも一方がガラスロッドの軸方向に移動可能な可動チャックと、ガラスロッドを回転させる回転機構と、ガラスロッドを加熱するバーナーと、該バーナーの移動機構と、バーナーへの供給ガス量を制御するガス量調節機構と、加熱部を撮影する撮像装置と、得られた画像情報を処理し縮径された縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求める画像処理装置と、該画像処理装置から得られる情報に基づき、バーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御する制御コンピューターとを有することを特徴としている。
なお、撮像装置には、ＣＣＤカメラを用いるのが好ましく、これに赤外線遮蔽フィルタ及び／又はＮＤフィルタを取り付けるとよい。

請求項４に記載のガラスロッドの端部絞り方法は、ガラスロッドをその軸周りに回転させつつバーナーで加熱し、可動チャックを移動させて加熱部に縮径部を形成し、該縮径部を撮像装置で撮影し、得られる画像情報を画像処理装置で処理して縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求め、これに基づき制御コンピューターを介してバーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御することを特徴としている。

請求項５に記載のガラスロッドの端部絞り方法は、ガラスロッドを加工装置にに装着し、端部をテーパ形状に絞り加工する端部絞り方法であって、絞り加工の工程が順に下記の工程、すなわち、（１）ガラスロッドをバーナー火炎で軟化温度近くまで加熱する予備加熱工程、（２）可動チャックを移動させて加熱部に一次縮径部を形成する一次縮径工程、（３）バーナーを移動させて一次縮径部の一部分を加熱する二次加熱工程、（４）可動チャックを移動させて二次縮径部を形成する二次縮径工程、（５）二次縮径部の最細径部をバーナー火炎で吹き飛ばし溶断する溶断工程、から構成され、上記（２）〜（５）の工程において、撮像装置で撮影した加熱部の画像情報を処理することにより、縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求め、これに基づき制御コンピューターを介してバーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御することを特徴としている。

本発明のガラスロッド加工装置及びガラスロッドの端部絞り方法によれば、作業者が加工装置につきっきりで、バーナーへの供給ガス量や可動チャックの移動速度の調節を必要とせず、ガラスロッドの端部絞りを全て自動で行え、これを線引きすることで、光学特性に優れた光ファイバが得られる。

以下、本発明のガラスロッドの端部絞り方法について説明する。
図４は、本発明によるガラスロッド加工装置の一例である。ガラスロッド４は、可動チャック５と固定チャック８との間に取り付けられる。これを加熱するバーナー６は、両チャックを結ぶ軸線と平行に配設された移動用ねじ９に沿って移動自在に組み付けられ、ガラスロッド４に沿ってエンコーダー10付き駆動モーター11によりタイミングベルト12やギヤ等を介して駆動される。なお、チャック５，８は一方を固定式とし、他方を可動式とするものを例示したが、これに限らず、両方のチャックを可動式としてもよい。

バーナー６に供給されるガス量は、マスフローコントローラー13で調整される。可動チャック５も同様に、モーターによりタイミングベルトやギヤ等を介して駆動される。これらの移動距離や速度、バーナーへの供給ガス量は制御コンピューターにより制御される。撮像装置７は、ガラスロッド４に対してバーナーの加熱位置と同一位置を撮影するように設置されており、ガラスロッド４の縮径部の外径と輝度分布を測定する。測定された外径、輝度分布の情報は前記制御コンピューターへ入力される。これによりガラスロッドの自動絞り加工が可能となる。
絞り形状加工は、燃焼ガスに水素、助燃ガスに酸素を用いる拡散混合方式のバーナーを用いて行うのがよく、さらに、酸素系統が同芯状に内側と外側の二系統に分かれ、それぞれ個別に流量調節できるバーナーを使用するのが望ましい。

図５に本発明による端部絞り方法の制御システムの概念図を示した。
撮像装置７により撮影された画像は、画像処理装置15に送られ、ここでガラスロッドの縮径部の縮径部形状と縮径部の輝度分布が計算される。これらの情報はさらに制御コンピューター16へ送られ、必要とされる水素ガス量、酸素ガス量に加えて、バーナーの移動速度及び可動チャックの移動速度が求められる。画像処理装置15によって処理された縮径部の形状を図６に示した。図中、画面全体に刻まれたディスプレイメッシュ18に重ねてガラスロッド外形17が示されている。

本発明の端部絞り方法は、ガラスロッド縮径部の形状を測定し、あるいは該形状と輝度分布を測定し、これに基づいてバーナーへの供給ガス量、バーナーの移動速度及び可動チャックの移動速度が制御される。
可動チャックの移動量として、制御コンピューターが指示した値を用いることもできるが、可動チャック移動用モーターあるいはこのモーターに付随したエンコーダーの信号から求めた値を用いることも可能である。通常は、いずれであっても差し支えないが、バーナーの個体差などが原因で、ガラスロッドが十分に加熱されていないと、モーターにかかる負荷が大きすぎ可動チャックが移動できないときがある。

このように、可動チャック移動用モーターの能力が十分大きくない場合には、エンコーダーからの信号に基づき制御する方が望ましい。ＡＣサーボモーターのように、出力軸のトルクを検出できる場合には、このトルクに閾値を設け、閾値を超えたとき、ガラスロッドの加熱が不十分と判断し、可動チャックの移動速度を下げたり、バーナーへの供給ガス量を増やすなどのフィードバック制御を行うこともできる。

ガラスロッドの絞り工程は、図７に示すように、主に５つの工程から構成されている。すなわち、（１）バーナー６の火炎でガラスロッド４を軟化温度近くまで加熱する予備加熱工程、（２）バーナー６で加熱しながら可動チャックを移動させることにより、ガラスロッド４の加熱部を縮径して一次縮径部を形成する一次縮径工程、（３）一次縮径部の中心よりやや内側（図における左方）にバーナー６を移動し、火炎を細くして一次縮径部の一部分を加熱する二次加熱工程、（４）可動チャックの移動により一次縮径部から二次縮径部を形成する二次縮径工程、及び（５）細く絞った火炎で二次縮径部の最も細径の部位を吹き飛ばす溶断工程、からなっている。なお、ガラスロッド４には、加工中、これを把持するためにダミー棒14が溶着されている。

ガラスロッド絞り工程のフロー図を図８に示す。
図８の（２）一次縮径工程においては、可動チャックを移動させて縮径を行いつつ、撮像装置により縮径部の外径が測定され、縮径部の形状及び最細径部の外径が二次加熱開始条件を満たしているか否かが制御コンピューターにより判断される。（３）二次加熱工程では、加熱中、撮像装置により縮径部の外径及び加熱領域の輝度が測定され、これに基づきバーナーの加熱位置及び供給ガス量が計算される。（４）二次縮径工程においては、二次縮径を行いつつ撮像装置により縮径部の外径が測定され、最細径部の外径及び縮径部の形状が溶断開始条件を満たしているか否かが制御コンピューターにより判断され、前工程または次工程への振り分けが行われる。（５）溶断工程においては、ガラスの微小部分が高温加熱されたときに発光し輝点を生じる現象を利用して、溶断工程の終了が判断される。

テスト用として外径がφ80，φ83，φ85，φ87，φ89mmの５種のガラスロッドを用意し、それぞれについて自動による絞り加工を行った。ガラスロッドの端部に形成した絞り形状の評価は、絞り長（テーパ形状部の長さ）Ｌとガラスロッド径Ｄとの比Ｌ/Ｄを計算して求め、その比較を行った。

（実施例１）
図７に示すように、先ず、予備加熱工程（１）において、バーナー６に予め決められたガス量を供給し規定時間加熱後、一次縮径工程(２)に移行した。
一次縮径工程(２)では、バーナー加熱状態で可動チャックを移動させ、加熱部に一次縮径部を形成する。この工程の終了は次のようにして判断する。すなわち、図７(２)に示すように、一次縮径部の最細径部の外径を撮像装置７で測定し、最細径部の外径が規定範囲に入ると一次縮径工程(２)の終了とする。この工程での最細径部の外径の規定範囲は、ガラスロッド４の外径の55〜70％とした。撮像装置７には、赤外線遮蔽フィルタとＮＤフィルタを取り付けた。

なお、最細径部の外径は、ラインセンサーなどの外径測定器を用いて測定することもできるが、このような外径測定器を用いた場合は、最細径部を求めるために最細径部全体に渡って外径測定器をトラバースさせる必要があり、新たにトラバース機構、例えば、送りねじや駆動モーター等が必要となる。撮像装置ならばトラバース機構なしでも、細径部全体にわたって外径を測定し、測定結果から最細径部の外径と位置を求めることができる。さらに、撮像装置は、輝度分布も同時に求めることができ、これをコンピューター処理することで容易に温度分布が得られ、これに基づきバーナーへの供給ガス量を制御することができる。

次に、二次加熱工程(３)を行う。この工程での加熱は、図９に示すように（図７(３)参照）、ガラスロッドの軸方向をｘ軸とし、最細径部をｘ軸の原点とすると、加熱中心位置が原点からＸｂ＝（0.1−0.5）Ｗ₁の位置にあるように、かつ加熱範囲がＢ₁＝（0.2−0.6）Ｗ₁となるように、バーナーの位置及び供給ガス量を制御コンピューターで制御する。規定時間加熱後、次の二次縮径工程(４)へ移行する。なお、Ｗ₁は、最細径部から非縮径部端までの長さである。

二次縮径工程(４)では、ガラスロッドを加熱した状態で可動チャックを移動し、二次縮径部を形成する。この工程では、二次縮径部での最細径部の外径が規定値以下になると二次縮径終了と判断し、次の溶断工程(５)へ移行する。具体的には、撮像装置７で最細径部の外径を測定し、最細径部がφ３mm以下に入れば終了とする。これより太いと溶断工程(５)へ移行しても溶断できないことがある。

溶断工程(５)では、可動チャックの移動を停止し、供給ガス量を上げて縮径部の最細径部を火炎で吹き飛ばす。この様子を図10に示した。溶断中は最細径部が最も高温となり、一つの輝点Ａとして撮像装置で認識される。その後、最細径部が火炎流で吹き飛ばされ、二つの輝点Ｂ，Ｃを生じる。溶断中に、輝点Ａから輝点Ｂ及び輝点Ｃへの変化が撮像装置で観測されれば、溶断完了である。

絞り加工の結果を図11に示した。図から、ガラスロッドの外径がφ80〜89まで変化しても、絞り長Ｌとガラスロッド径Ｄとの比Ｌ/Ｄ値は0.8〜1.3の範囲内にあり、安定していた。なお、絞り加工の開始から終了まで、作業者の介入は全くなく、全て自動で行うことができた。本実施例においては、撮像装置にＣＣＤカメラを用いた。

（比較例１）
先に紹介した特許文献２に記載の方法でガラスロッドの絞り加工を行った。この方法は、移動させた可動チャックの移動量に基づいてバーナーへの供給ガス量を調節するものであり、外径の異なる各ガラスロッドに対するバーナーへの供給ガス量等の条件は、条件設定に要する労力の関係から概ね10mmピッチで設定している。例えば、φ80mm以上φ90mm未満のガラスロッドに対しては、同一の条件が適用される。この比較例１では、φ85mmのガラスロッドで供給ガス量等の条件を設定し、この条件で径の異なる他のガラスロッド（φ80〜89mm）についても絞り加工を行い、その結果を図12に示した。
外径がφ85mmより細いガラスロッドはＬ/Ｄが大きくなり、φ80mmではＬ/Ｄ＝2.5にも達し、材料ロスが大きい。φ85mmより太いガラスロッド、φ87mm、φ89mmについては、可動チャックの移動モーターが過負荷となり、絞り加工できなかった。このように条件設定に取り上げたφ85mm以外のガラスロッドに対しては、好ましくない結果となった。

（比較例２）
比較例１と同一の手法で絞り加工を行った。この比較例２では、φ89mmのガラスロッドで供給ガス量等の条件を設定し、この条件で径の異なる他のガラスロッド（φ80〜89mm）についても絞り加工を行い、その結果を図13に示した。
いずれも絞り加工は可能であったが、外径がφ80mmに近くなると、Ｌ/Ｄが極めて大きくなり、Ｌ/Ｄ＝3.5にも達し、材料ロスが極めて大きく生産効率が悪い。

（比較例３）
絞り加工を、常時作業者が介入するようにして行った。その結果を図14に示した。外径がφ80mm〜φ89mmの間で変化しても、Ｌ/Ｄの値は0.7〜1.4の範囲で概ね安定しており、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。ただし、この場合は、常時作業者が介在するため、実施例１より製造コストは高くなる。

上記したように本発明は、ガラスロッドの絞り加工が、作業者の介入を全く必要とせず、安定して自動で行うことができ、これを線引きすることで、光学特性に優れた光ファイバが製造コストで得られる。

ガラス母材を延伸してガラスロッドとする延伸装置の一例を示す概略図である。 従来のガラスロッド加工装置の概略を示す概略正面図である。 ガラスロッド端部の絞り形状を示す正面図である。 本発明によるガラスロッド加工装置の一例を示す概略図である。 本発明の端部絞り方法の制御システムを示す概念図である。 画像処理装置で認識されたガラスロッドの縮径部を示す図である。 本発明の端部絞り加工の一例を工程順に示す概略説明図である。 本発明のガラスロッド絞り工程を説明するフロー図である。 二次縮径工程での加熱位置を説明する図である。 溶断工程を説明する図である。 実施例の絞り加工結果を示す図である。 比較例１の絞り加工結果を示す図である。 比較例２の絞り加工結果を示す図である。 比較例３の絞り加工結果を示す図である。

符号の説明

１・・・電気炉、
２・・・石英ガラス母材、
３・・・引取り機構、
４・・・ガラスロッド、
５・・・可動チャック、
６・・・バーナー、
７・・・撮像装置、
８・・・固定チャック、
９・・・移動用ねじ、
10・・・エンコーダー、
11・・・駆動モーター、
12・・・タイミングベルト、
13・・・マスフローコントローラ、
14・・・ダミー棒、
15・・・画像処理装置、
16・・・制御コンピューター、
17・・・ガラスロッド外形、
18・・・ディスプレイメッシュ。

Claims (7)

1. ガラスロッドをその両端で把持する少なくとも一方がガラスロッドの軸方向に移動可能な可動チャックと、ガラスロッドを回転させる回転機構と、ガラスロッドを加熱するバーナーと、該バーナーの移動機構と、バーナーへの供給ガス量を制御するガス量調節機構と、加熱部を撮影する撮像装置と、得られた画像情報を処理し縮径された縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求める画像処理装置と、該画像処理装置から得られる情報に基づき、バーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御する制御コンピューターとを有することを特徴とする光ファイバ用ガラスロッド加工装置。
2. 撮像装置が、ＣＣＤカメラである請求項１に記載の光ファイバ用ガラスロッド加工装置。
3. 撮像装置に、赤外線遮蔽フィルタ及び／又はＮＤフィルタが取り付けられている請求項１又は２に記載の光ファイバ用ガラスロッド加工装置。
4. ガラスロッドをその軸周りに回転させつつバーナーで加熱し、可動チャックを移動させて加熱部に縮径部を形成し、該縮径部を撮像装置で撮影し、得られる画像情報を画像処理装置で処理して縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求め、これに基づき制御コンピューターを介してバーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御することを特徴とする光ファイバ用ガラスロッドの端部絞り方法。
5. ガラスロッドを加工装置に装着し、端部をテーパ形状に絞り加工する端部絞り方法であって、絞り加工の工程が順に下記の工程、すなわち、（１）ガラスロッドをバーナー火炎で軟化温度近くまで加熱する予備加熱工程、（２）可動チャックを移動させて加熱部に一次縮径部を形成する一次縮径工程、（３）バーナーを移動させて一次縮径部の一部分を加熱する二次加熱工程、（４）可動チャックを移動させて二次縮径部を形成する二次縮径工程、（５）二次縮径部の最細径部をバーナー火炎で吹き飛ばし溶断する溶断工程、から構成され、上記（２）〜（５）の工程において、撮像装置で撮影した加熱部の画像情報を処理することにより、縮径部の形状、輝度分布及び最細径部の径を求め、これに基づき制御コンピューターを介してバーナーの移動速度、ガス量及び可動チャック移動速度を制御することを特徴とする光ファイバ用ガラスロッドの端部絞り方法。
6. 撮像装置が、ＣＣＤカメラである請求項４又は５に記載の光ファイバ用ガラスロッドの端部絞り方法。
7. 撮像装置に、赤外線遮蔽フィルタ及び／又はＮＤフィルタが取り付けられている請求項４乃至６のいずれかに記載の光ファイバ用ガラスロッドの端部絞り方法。
   
   
   

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