JP2005288562A - ガラス管の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極めて小さな偏肉率のガラス管を製造する。
【解決手段】 本発明のガラス管の製造方法は、ガラス管Ｇの両端を可動チャック１３に把持させ、肉厚測定器２３及び外径測定器２４によってガラス管Ｇの肉厚、外径及び振れ回りを測定する。ガラス管Ｇに形成された内孔Ｈの内周円中心位置Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎの座標を複数箇所で求めて、中心位置との偏差が最小となるような直線Ｏ２を求める。そして、直線Ｏ２がガラス管Ｇの回転軸Ｏ１に一致するように、可動チャック１３によってガラス管Ｇの位置を調整する。可動チャック１３の駆動を制御し、研削位置にて、常に内孔Ｈの内周円中心位置Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎが回転軸Ｏ１に一致するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス管の製造方法及び製造装置に関する。

ガラス管を製造する方法として、石英ガラスインゴットの中心を、熱間炭素ドリル圧入法により穴あけする方法が知られている。また、この方法により得られたガラス管を回転させながらその外周を研削する円筒研削加工を施すことにより、偏肉を修正することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
また、機械的穴あけ加工した後に内周にホーニングマシンにより超精密研削加工を施し、さらに、外周面に円筒研削加工を施して偏肉を抑えたガラス管を製造する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平７―１０９１３５号公報 特開平７−１０９１４１号公報

ところで、上記のようにガラス管の外周面に円筒研削加工を施して偏肉を抑制するためには、ガラス管の内周円の中心を回転軸に一致させた状態で加工を行う必要がある。

そこで、本発明の目的は、偏肉を確実に改善して極めて小さな偏肉率のガラス管を製造することにある。

また、従来の円筒研削加工を行う円筒研削装置は、ガラス管の両端を把持するものであるので、ガラス管の両端においてのみ内周円の中心を回転軸に合わせることしかできない。
このため、両端以外の中間部分においては、内周円の中心のずれが直線的に推移していると仮定して外周の研削を行わざるを得ず、内周円の中心のずれが長手方向へ沿って曲がってずれているような場合には、全長にわたって偏肉を設定通り改善することが困難であった。

本発明のさらなる目的は、ガラス管の全長にわたって偏肉を確実に改善して、極めて小さな偏肉率のガラス管を製造することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るガラス管の製造方法は、ガラス管の外周を研削するガラス管の製造方法であって、前記ガラス管の内周円の中心を複数箇所で求め、各前記内周円の中心との偏差が最も小さくなるように近似した直線を、前記ガラス管の回転軸に一致させるように前記回転軸に近づけて外周研削を行うことを特徴としている。

また、本発明のガラス管の製造方法において、前記ガラス管の肉厚と外径とから前記中心を求めることが好ましい。
また、前記回転軸に対する前記ガラス管の位置と、前記ガラス管に対する砥石の切り込み量の少なくとも一方を調整しながら外周研削することが好ましい。

また、本発明のガラス管の製造方法において、前記ガラス管の外周研削箇所における前記中心の位置を前記回転軸上にあるように外周研削を行うことが好ましい。その際、前記ガラス管に対する砥石の切り込み量を調整しながら外周研削することがより好ましい。
さらに、前記ガラス管の外周研削中に、前記ガラス管の未研削箇所における少なくとも２カ所の内周円の中心の位置を求め、これらの中心が研削開始時の位置からずれたずれ量をそれぞれ求め、前記ずれ量から研削位置における内周円の中心の位置と前記回転軸とのずれ量を求め、研削位置における内周円の中心の位置を前記回転軸に一致させるように近づけることが好ましい。

また、上記目的を達成するための本発明に係るガラス管の製造装置は、ガラス管の両端を把持するチャックを有し、前記チャックによって把持した前記ガラス管を回転させながら前記ガラス管の外周を研削するガラス管の製造装置であって、前記チャックは、把持している前記ガラス管の位置を前記チャックの回転軸に対して調整可能であることを特徴としている。

また、本発明のガラス管の製造装置において、前記ガラス管の複数箇所における内周円の各中心との偏差が最も小さくなるように近似した直線を、前記ガラス管を回転させる回転軸に近づける制御装置を有することが好ましい。
さらに、前記制御装置は、前記ガラス管の外周研削をする砥石の前記ガラス管に対する径方向の位置合わせが可能であることが好ましい。

また、本発明のガラス管の製造装置において、前記ガラス管の外径及び肉厚を測定する測定器を備えていることが好ましい。

本発明のガラス管の製造方法及び製造装置によれば、ガラス管の複数箇所で求めた内周円の中心との偏差が最も小さくなるように近似した直線を、ガラス管を回転させる回転軸に一致させるように外周研削を行うため、ガラス管の偏肉を確実に改善することができ、偏肉の極めて小さい高品質なガラス管を製造することができる。
さらに、研削途中に、その研削位置において研削開始時からずれた量を修正することによって、ガラス管の偏肉を全長にわたって良好に改善することができる。

以下、本発明に係るガラス管の製造方法及び製造装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のガラス管の製造方法を実施できるガラス管の製造装置の概略側面図である。図２は、図１に示す製造装置における可動チャックの正面図である。

図１に示すように、このガラス管の製造装置１０は、基台１１の上部に一対の支持部１２を備えている。支持部１２は、それぞれ可動チャック１３を有し、これらの可動チャック１３は、内孔Ｈを有するガラス管Ｇの端部を回動可能に把持する。そして、それぞれの可動チャック１３にガラス管Ｇの端部を把持させることにより、ガラス管Ｇが、支持部１２間にほぼ水平に支持される。ガラス管Ｇは、長さが約７００〜３０００ｍｍ程度のものを好適に使用できる。

支持部１２の一方は、主軸駆動モータ１４を有しており、この主軸駆動モータ１４は、可動チャック１３を回転させることにより各支持部１２の可動チャック１３に支持したガラス管Ｇを回転させる。
図２に示すように、可動チャック１３は、周方向に間隔をあけて複数（ここでは一例として４つを示す）のチャック部１５を備えている。チャック部１５は、回転軸と直交する径方向へ移動可能な可動部１５ａと、この可動部１５ａによって移動されてガラス管Ｇの外周面に当接する保持部１５ｂとを有している。このように構成された可動チャック１３は、回転軸に対して直交する方向に可動部１５ａを移動させることで、把持したガラス管Ｇの位置を可動チャック１３の回転軸に対して調整することができる。

また、図１に示したガラス管の製造装置１０は、支持部１２に支持されるガラス管Ｇの上方及び下方位置に、水平方向に配置された送りネジ２１、２２を備えている。
上方の送りネジ２１には、肉厚測定器２３が設けられており、この肉厚測定器２３は、支持部１２に支持されるガラス管Ｇの長手方向に沿うように水平方向に移動可能である。この肉厚測定器２３は、例えば超音波肉厚測定器を好適に用いることができ、ガラス管Ｇに対して照射した超音波がガラス管Ｇの外周面及び内周面で反射する作用を利用して肉厚を測定することができる。

また、下方の送りネジ２２には、外径測定器２４及び研削装置２５が設けられており、これらの外径測定器２４及び研削装置２５は、支持部１２に支持されるガラス管Ｇの長手方向に沿うように水平方向に移動可能である。
外径測定器２４は、回転中心に対するガラス管Ｇの外径及び振れ回りを測定するものであり、例えば、レーザスキャンマイクロメータを好適に用いることができる。その場合、外径測定器２４に対向して設けられた受光部２４ａも、外径測定器２４とともに水平方向に移動可能である。

研削装置２５は、ガラス管Ｇの外周面に当接される砥石２６を有し、この砥石２６は、ガラス管Ｇの外周面に対して、ガラス管Ｇの径方向の位置合わせが可能である。そして、この研削装置２５は、下方の送りネジ２２によってガラス管Ｇの長手方向に適宜移動して、砥石２６をガラス管Ｇの外周面に当接させることにより、ガラス管Ｇの外周面を研削していくことができる。

また、ガラス管の製造装置１０は、ガラス管Ｇの回転角度を検出するエンコーダ（図示せず）を備えている。そして、肉厚測定器２３及び外径測定器２４は、エンコーダからの出力により求められたガラス管Ｇの回転角度に応じて、肉厚、外径及び外周面の振れ回りを測定することができる。また、送りネジ２１、２２にも、エンコーダ（図示せず）が設けられ、このエンコーダによって、ガラス管Ｇに対する肉厚測定器２３及び外径測定器２４の長手方向の位置が検出可能とされている。

また、上記の可動チャック１３、肉厚測定器２３、外径測定器２４、研削装置２５、砥石２６は、ガラス管の製造装置１０に設けられた制御装置３０によってその駆動や位置が制御される。制御装置３０は、数値制御指令を出すＮＣ（Numerical Control）装置３１と、各種データを記憶するメモリ３２と、研削量データと偏芯データを算出する演算部３３を備えている。

次に、上記のガラス管の製造装置１０によって外周研削を行い、ガラス管を製造する方法について説明する。
ガラス管Ｇの外周面を研削する際には、まず、外周研削前工程を行う。ここで、この外周研削前工程を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

まず、ガラス管Ｇの両端を、それぞれ可動チャック１３に把持させ、ガラス管Ｇを回転させる。その際、肉厚測定器２３及び外径測定器２４によってガラス管Ｇの長手方向の複数箇所における肉厚、外径及び外周面の振れ回りを測定する（ステップＳ１）。なお、これらの測定は、ガラス管Ｇの回転軸の角度に応じて行う。

そして、これらの測定データから、ガラス管Ｇの長手方向にわたる外周面の切り込み量である研削量データを作成する（ステップＳ２）。
また、これらの測定データから長手方向の複数箇所におけるガラス管Ｇの内周円の中心位置のずれ量を示す偏芯データを作成する（ステップＳ３）。

ここで、上記のステップＳ１からＳ３に示した研削量データと偏芯データの作成について、図４に示すフローチャートに沿って詳しく説明する。
まず、肉厚測定器２３及び外径測定器２４によってガラス管Ｇの肉厚及び外径を測定する（ステップＳ１１）。

そして、これらの肉厚及び外径の測定データから、ガラス管Ｇの長手方向にわたる外周面の切り込み量である研削量データを作成する（ステップＳ１２）。
さらに、外径測定器２４によってガラス管Ｇの外周面の振れ回りを測定する（ステップＳ１３）。なお、振れ回りの測定は、ダイヤルゲージ等を用いて行っても良い。

次に、肉厚、外径及び外周面の振れ回りの測定データから、図５に示すように、ガラス管Ｇの長手位置（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…Ｌｎ）における回転軸Ｏ１に対して偏芯している内孔Ｈの各内周円の中心位置（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）を、回転軸Ｏ１と直交するＸ、Ｙ座標で求める（ステップＳ１４）。

次いで、これら長手位置（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…Ｌｎ）における内孔Ｈの各内周円の中心位置（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）の座標データから、各内周円中心との偏差が最小となるように近似した直線Ｏ２を求め、この直線Ｏ２がガラス管Ｇの回転軸Ｏ１から偏芯した値である偏芯データを作成する（ステップＳ１５）。

そして、上記のようにして作成した偏芯データから、図６に示すように、ガラス管Ｇの両端を把持している可動チャック１３を移動して、直線Ｏ２がガラス管Ｇの回転軸Ｏ１に一致するように近づけて調整し、芯出しを行う（ステップＳ４）。
つまり、この可動チャック１３の各チャック部１５の可動部１５ａを移動させることにより、保持部１５ｂによって把持されているガラス管Ｇの端部の位置を調整する。

ここで、この調整作業は、外径測定器２４によってガラス管Ｇの長手方向における少なくとも２カ所の振れ回りを測定することにより確認しながら行う。
また、この調整作業は、直線Ｏ２と回転軸Ｏ１とが所定の精度（例えば０．０５ｍｍ）内に一致して振れ回りがなくなるとみなされるまで繰り返し行う（ステップＳ５）。

次いで、ガラス管Ｇの各長手位置（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…Ｌｎ）における内孔Ｈの内周円中心位置（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）の回転軸Ｏ１からのずれ量及びガラス管Ｇの外周面への砥石２６の切り込み量を制御データとして制御装置３０のメモリ３２に登録する（ステップＳ６）。
その後、可動チャック１３の各チャック部１５及び研削装置２５を、メモリ３２に登録された制御データに基づいて制御しつつ、ガラス管Ｇの外周研削を実行する（ステップＳ７）。

上記のようにしてガラス管Ｇの外周研削を実行すると、ガラス管の製造装置１０は、メモリ３２に登録されている研削位置における内孔Ｈの内周円中心位置と回転軸Ｏ１とのずれ量に基づいて、可動チャック１３の各チャック部１５の位置を制御する。これにより、ガラス管Ｇは、その外周円の中心位置が内周円の中心位置に一致するように外周面が研削され、長手方向にわたって偏肉が小さくされる。

また、研削装置２５による研削工程中は、外径測定器２４により、ガラス管Ｇの未研削箇所における少なくとも２カ所の外径を測定する。そして、これらの測定箇所における内孔Ｈの内周円の中心位置を求める。内周円の中心位置は、さらにその測定箇所の肉厚を測定することで、外径と肉厚とから求めることができる。

次いで、この内周円中心位置と研削開始時の当該測定位置における内孔Ｈの内周円中心位置とのずれ量をそれぞれ求める。これら測定位置における各中心位置のずれ量から、研削開始時の各内周円中心を近似した直線Ｏ２と当該研削工程中の測定時の直線Ｏ２とのずれ量を求める。この両者の間にずれがある場合には、当該測定時の直線Ｏ２を、研削開始時の直線Ｏ２に一致させるように、可動チャック１３の可動部１５ａを移動させてガラス管Ｇを動かす。
これにより、ガラス管Ｇの内周円の中心位置を、確実に回転軸Ｏ１に一致させて外周研削を行うことができ、偏肉の抑制をさらに効果的に行うことができる。

上述したように、研削工程中に未研削箇所の外径を測定して内周円中心位置のずれを補正しつつ研削する場合は、研削開始時の研削位置の内周円中心を回転軸Ｏ１上に位置させるようにガラス管Ｇの位置を決めるのみであっても良い。この場合、上記のステップ５を省略して、研削の進行に合わせて研削位置の内周円中心を回転軸Ｏ１上に位置させるようにガラス管Ｇを動かしていけば良い。

以上説明したように、上記の実施形態に係るガラス管の製造方法及び製造装置によれば、ガラス管Ｇの複数箇所で求めた内孔Ｈの内周円の中心位置にそれぞれ近似する直線Ｏ２を、ガラス管Ｇを回転させる回転軸Ｏ１に合わせて外周研削を行うため、ガラス管Ｇの偏肉を良好に落とすことができ、偏肉の極めて小さい高品質なガラス管Ｇを製造することができる。
しかも、可動チャック１３を制御してガラス管Ｇの外周研削箇所における内周円の中心位置を回転軸Ｏ１に合わせながら外周研削を行うことで、長手方向にわたって偏肉をさらに効果的に小さくすることができる。

なお、上記の実施形態では、ガラス管Ｇの中心位置を調整するために、可動チャック１３のチャック部１５を可動させたが、研削装置２５の砥石２６の切り込み量を調整しても良く、さらには、可動チャック１３と研削装置２５との両方を制御して調整しても良い。

石英ガラスインゴットの中心を、熱間炭素ドリル圧入法（ピアシング法）により穴あけして得られたガラス管Ｇを、上記の実施形態の製造方法に基づいて下記のように外周研削し、偏肉率を調べた。偏肉率は、内周円中心軸に垂直な断面における最大肉厚と最小肉厚を用いて、次式（１）にて求めた。
偏肉率（％）＝２×（最大肉厚−最小肉厚）／（最大肉厚＋最小肉厚） ・・・（１）
なお、外周研削前のガラス管Ｇは、外径１４０ｍｍ、内径８５ｍｍ、長さ１０００ｍｍであり、偏肉は１ｍｍ／ｍ、最大偏肉率は３．６％であった。

（外周研削前工程）
ガラス管Ｇの両端を可動チャック１３に把持させ、外径測定器２４を用い、ガラス管Ｇを４５°づつ回転させながら外径測定器２４の基準からのガラス管Ｇの外径の位置を測定した。
また、ガラス管Ｇの長手方向に１０ｍｍ間隔で外径測定器２４を移動させ、ガラス管Ｇの全長にわたり、各回転角の方位における回転軸から外周面までの距離を求めた。

さらに、外径測定位置におけるガラス管Ｇの肉厚を、肉厚測定器２３によって測定した。
次に、各回転角の方位における回転軸から外周面までの距離と、その測定位置におけるガラス管Ｇの肉厚の測定値から、ガラス管Ｇの形状を３次元座標化し、ガラス管Ｇに形成された内孔Ｈの内周円中心位置の座標を全長にわたって求めた。

ここで、この求めた内周円の中心位置は、ガラス管Ｇの全長を通した直線上に乗らないため、最小自乗法により中心位置との偏差が最小となるように近似した直線Ｏ２を推定計算した。
そして、この近似した直線Ｏ２が回転軸Ｏ１に一致するように、可動チャック１３のチャック部１５によってガラス管Ｇの位置を調整した。

（外周研削）
研削装置２５の砥石２６として、幅３０ｍｍ、＃１２０のダイヤモンドホイールを使用し、最大切り込み量を１．０ｍｍとして研削を行った。
また、このとき、３次元座標化したガラス管Ｇのデータに基づいて、砥石２６の研削位置と切り込み量とにあわせて可動チャック１３のチャック部１５の駆動を制御し、研削位置で、常に内孔Ｈの内周円中心位置が回転軸Ｏ１に一致するように制御した。

（研削結果）
このようにして研削したガラス管Ｇは、チャックした両端部分のそれぞれ長さ５０ｍｍの部分を除き、長さ９００ｍｍの領域で全長にわたって偏肉が小さくされ、外径１３６ｍｍ、内径８５ｍｍ、最大偏肉率を約０.１％とすることができた。また、各内周円に近似した直線Ｏ２を回転軸Ｏ１に一致させる作業も、可動チャック１３によって高精度にかつ手際よく行うことができた。

本発明に係るガラス管の製造装置の一実施形態を示す概略側面図である。 図１に示した製造装置におけるチャック部分の正面図である。 外周研削前工程の作業の流れを示すフローチャートである。 研削量データ及び偏芯データの作成の手順を示すフローチャートである。 回転軸と内周円中心に近似した直線を示すガラス管の概略斜視図である。 内周円中心に近似した直線を回転軸に一致させたガラス管の概略斜視図である。

符号の説明

１０ ガラス管の製造装置
１３ 可動チャック（チャック）
２３ 肉厚測定器（測定器）
２４ 外径測定器（測定器）
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ 中心位置
Ｇ ガラス管
Ｈ 内孔
Ｏ１ 回転軸
Ｏ２ 内周円中心に近似した直線

Claims (10)

1. ガラス管の外周を研削するガラス管の製造方法であって、
   前記ガラス管の内周円の中心を複数箇所で求め、各前記内周円の中心との偏差が最も小さくなるように近似した直線を、前記ガラス管の回転軸に一致させるように前記回転軸に近づけて外周研削を行うことを特徴とするガラス管の製造方法。
2. 請求項１に記載のガラス管の製造方法であって、
   前記ガラス管の肉厚と外径とから前記中心を求めることを特徴とするガラス管の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のガラス管の製造方法であって、
   前記ガラス管の外周研削箇所における前記中心の位置を前記回転軸上にあるように移動させながら外周研削を行うことを特徴とするガラス管の製造方法。
4. 請求項３に記載のガラス管の製造方法であって、
   前記ガラス管の外周研削中に、前記ガラス管の未研削箇所における少なくとも２カ所の内周円の中心の位置を求め、これらの中心が研削開始時の位置からずれたずれ量をそれぞれ求め、前記ずれ量から研削位置における内周円の中心の位置と前記回転軸とのずれ量を求め、研削位置における内周円の中心の位置を前記回転軸に一致させるように近づけることを特徴とするガラス管の製造方法。
5. 請求項１または２に記載のガラス管の製造方法であって、
   前記回転軸に対する前記ガラス管の位置と、前記ガラス管に対する砥石の切り込み量の少なくとも一方を調整しながら外周研削することを特徴とするガラス管の製造方法。
6. 請求項３または４に記載のガラス管の製造方法であって、
   前記ガラス管に対する砥石の切り込み量を調整しながら外周研削することを特徴とするガラス管の製造方法。
7. ガラス管の両端を把持するチャックを有し、前記チャックによって把持した前記ガラス管を回転させながら前記ガラス管の外周を研削するガラス管の製造装置であって、
   前記チャックは、把持している前記ガラス管の位置を前記チャックの回転軸に対して調整可能であることを特徴とするガラス管の製造装置。
8. 請求項７に記載のガラス管の製造装置であって、
   前記ガラス管の複数箇所における内周円の各中心との偏差が最も小さくなるように近似した直線を、前記ガラス管を回転させる回転軸に近づける制御装置を有することを特徴とするガラス管の製造装置。
9. 請求項８に記載のガラス管の製造装置であって、
   前記制御装置は、前記ガラス管の外周研削をする砥石の前記ガラス管に対する径方向の位置合わせが可能であることを特徴とするガラス管の製造装置。
10. 請求項７から９のいずれか１項に記載のガラス管の製造装置であって、
    前記ガラス管の外径及び肉厚を測定する測定器を備えていることを特徴とするガラス管の製造装置。