JP2007197225A - ガラス母材の延伸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 延伸処理時にガラス母材に作用する張力の変動を抑止して、仕上がり径の変動が少ない高品位の延伸母材を生産することのできるガラス母材の延伸方法を得る。
【解決手段】 ガラス母材３の両端を把持手段であるチャック５，７で把持し、前記ガラス母材３を加熱中にチャック５，７を移動させることで、ガラス母材３を所定の外径に延伸するガラス母材の延伸方法において、延伸時には前記チャック５を移動させる駆動手段１１の出力トルクを検出し、この出力トルクがガラス母材３の延伸長に対して規定のトルク変動パターンで変化するように、前記チャック５の移動を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガラス母材の両端を把持手段で把持し、ガラス母材の加熱中に把持手段を移動させることで、ガラス母材を所定の外径に延伸するガラス母材の延伸方法に関する。

光ファイバ用のガラス母材を所定の外径に延伸する延伸装置として、図５に示す構成のものが知られている。
このガラス母材の延伸装置１は、光ファイバ用のガラス母材３を鉛直に吊した姿勢で延伸を行う所謂縦型延伸装置で、ガラス母材３の上端に結合されたダミー棒４を把持する上端把持手段としての上チャック５と、ガラス母材３の下端に結合されたダミー棒６を把持する下端把持手段としての下チャック７と、上下のチャック５，７により吊持されたガラス母材３の所定位置を所定温度に加熱するヒーター８と、このヒーター８の加熱により軟化するガラス母材３の加熱軟化部３ａの下方に装備されて延伸されたガラス母材の外径を測定する外径測定器９と、上下のチャック５，７をそれぞれ個別に移動操作する駆動手段１１，１２と、これらの駆動手段１１，１２の移動速度を制御して延伸状態の制御を行う制御手段１４とを具備して構成される。

駆動手段１１，１２は、把持手段であるチャック５，７をガラス母材３の軸方向に移動自在に支持するボールねじ１５と、このボールねじ１５を回転駆動することで各チャック５，７をガラス母材３の軸方向に移動させるチャックモータ１７とを具備して構成される。

制御手段１４は、ヒーター８の温度制御と、各駆動手段１１，１２による上下のチャック５，７の移動速度の制御を行う。
ヒーター８の温度制御は、温度センサ２１によりヒーター８の温度を監視して、ヒーター８が所定の加熱温度に維持されるように温度調節計２２によりヒーター８への給電を制御する。制御手段１４には、上チャック５の移動速度を決定する上チャック速度設定手段２４と、下チャック７の移動速度を決定する下チャック速度設定手段２５とが備えられている。これらの上チャック速度設定手段２４及び下チャック速度設定手段２５によって、上下のチャック５，７がそれぞれ独立して速度制御される。
制御手段１４は、上下のチャック５，７の速度差によってガラス母材３の延伸が実現するように、各チャック５，７の移動速度を各速度設定手段２４，２５により制御する。

但し、延伸後のガラス母材の外径（以下、「仕上がり外径」という）を一定にするために、延伸処理時には加熱軟化部３ａに設置した外径測定器９で外径を測定し、この外径測定器９で測定した実測外径を目標外径設定手段２６に設定されている目標外径と比較し、実測外径と目標外径との偏差分を上チャック速度設定手段２４にフィードバックすることで、実測外径が目標外径に一致するように、上チャック５の移動速度を調整する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２７７０９２号公報

ところが、上記のように、加熱軟化部３ａの実測外径が目標外径に一致するように、チャックの移動速度を制御するだけでは、仕上がり外径の均一化に限界があり、例えば、延伸終了近くで仕上がり外径が徐々に太くなるという問題を解消することができなかった。

これは、延伸処理の進展に伴う延伸長の変動等の影響で、加熱軟化部に作用する張力が変動し、この張力の変動によって延びが不安定になるために、仕上がり外径が不安定になると考えられる。
そこで、このように加熱軟化部に作用する張力の変動に起因した仕上がり外径のばらつきを防止する対応策として、ガラス母材３に作用する張力を検出するロードセルを上チャック５に追加し、該ロードセルにより検出される張力が一定となるように、各チャック５，７の移動速度をフィードバック制御することが検討された。

しかし、ロードセルを追加して、ロードセルの検出値に基づいて、ガラス母材３に作用する張力が一定となるように各チャック５，７の移動速度を制御するガラス母材の延伸方法は、ロードセルの追加やロードセルの検出データを処理する回路の追加のために、装置の構成が繁雑化し、コストアップを招くという問題が生じる。

本発明の目的は、張力検出用のロードセル等の部品を追加せずとも、延伸処理時にガラス母材に作用する張力の変動を抑止して、仕上がり外径の変動が少ない高品位の延伸母材を生産することのできるガラス母材の延伸方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載のガラス母材の延伸方法は、ガラス母材の両端を把持手段で把持し、前記ガラス母材を加熱中に前記把持手段を移動させることで、前記ガラス母材を所定の外径に延伸するガラス母材の延伸方法であって、
前記把持手段の移動時には前記把持手段を移動させる駆動手段の出力トルクを検出し、前記出力トルクが前記ガラス母材の延伸長に対して規定のトルク変動パターンで変化するように、前記把持手段の移動を制御することを特徴とする。

本発明に係る請求項２記載のガラス母材の延伸方法は、請求項１に記載のガラス母材の延伸方法において、前記ガラス母材の延伸前の外径に応じて、前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする。

本発明に係る請求項３記載のガラス母材の延伸方法は、請求項１又は２に記載のガラス母材の延伸方法において、縦型の延伸装置において、前記ガラス母材の延伸長より延伸部に作用する延伸されたガラス母材の重量を算出し、延伸長に応じて、前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする。

本発明に係る請求項４記載のガラス母材の延伸方法は、請求項１に記載のガラス母材の延伸方法において、前記ガラス母材の延伸前の外径に応じて、前記ガラス母材の加熱温度を変化させることを特徴とする。

本発明に係る請求項５記載のガラス母材の延伸方法は、請求項１に記載のガラス母材の延伸方法において、前記ガラス母材の延伸中に、延伸された部位が切り離された際に前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする。

延伸時にガラス母材の加熱軟化部に作用する張力は、ガラス母材の両端を把持している把持手段の移動により発生するもので、張力の変動は把持手段を移動させる駆動手段の出力トルクの変動を伴う。従って、駆動手段の出力トルクの変動を監視すれば、ロードセル等を追加装備してガラス母材に作用する張力そのものを測定せずとも、ガラス母材に作用する張力の変動を検知できる。
そして、出力トルクの実測値が張力の変動が無い理想の延伸状況下でのトルク変動パターンとなるように、把持手段の移動制御をフィードバック制御することで、仕上がり外径の変動が少ないガラス母材の延伸を実現することができる。

以下、本発明に係るガラス母材の延伸方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るガラス母材の延伸方法を実現するガラス母材の延伸装置の一実施の形態の構成を示すブロック図、図２は図１に示したガラス母材の延伸装置で実施されるガラス母材の延伸方法の処理手順を示すフローチャート、図３は図２に示したガラス母材の延伸方法で利用するトルク変動パターンの説明図である。

図１に示したガラス母材の延伸装置１００は、光ファイバ用のガラス母材３を鉛直に吊した姿勢で延伸を行う所謂縦型延伸装置で、ガラス母材３の上端に結合されたダミー棒４を把持する上端把持手段としての上チャック５と、ガラス母材３の下端に結合されたダミー棒６を把持する下端把持手段としての下チャック７と、上下のチャック５，７により吊持されたガラス母材３の所定位置を所定温度に加熱するヒーター８と、このヒーター８の加熱により軟化するガラス母材３の加熱軟化部３ａの下方に装備されて延伸されたガラス母材の外径を測定する外径測定器９と、上下のチャック５，７をそれぞれ個別に移動操作する駆動手段１１，１２と、これらの駆動手段１１，１２によるチャック５，７の移動速度を制御して延伸状態の制御を行う制御手段３１とを具備した構成になっている。

駆動手段１１，１２は、把持手段であるチャック５，７をガラス母材３の軸方向に移動自在に支持するボールねじ１５と、このボールねじ１５を回転駆動することで各チャック５，７をガラス母材３の軸方向に移動させるチャックモータ１７とを具備して構成されている。
なお、図示はしていないが、各チャック５，７には、把持しているガラス母材３をその軸周りに回転（軸回転）させる機構が組み込まれている。

制御手段３１は、ヒーター８の温度制御と、各駆動手段１１，１２による上下のチャック５，７の移動速度の制御を行う。
ヒーター８の温度制御は、温度センサ２１によりヒーター８の温度を監視して、ヒーター８が所定の加熱温度に維持されるように温度調節計２２によりヒーター８への給電を制御する。本実施の形態の制御手段３１の場合、温度調節計２２には、加熱温度の設定変更を行うヒーター温度設定回路３３が接続されている。このヒーター温度設定回路３３は、加熱軟化部３ａの延伸特性が変動しないように、ガラス母材３の延伸前の外径に応じて、ヒーター８によるガラス母材３の加熱温度を設定変更する。

制御手段３１には、上チャック５の移動速度を決定する上チャック速度設定手段３５と、下チャック７の移動速度を決定する下チャック速度設定手段２５とが備えられている。これら上チャック速度設定手段３５及び下チャック速度設定手段２５によって、上下のチャック５，７がそれぞれ独立して速度制御される。
制御手段３１は、上下のチャック５，７の速度差によってガラス母材３３の延伸が実現するように、各チャック５，７の移動速度を各速度設定手段３５，２５により制御する。

本実施の形態の制御手段３１の場合、延伸後のガラス母材３の仕上がり外径を一定にするために、延伸処理時には加熱軟化部３ａに設置した外径測定器９で外径を測定し、この外径測定器９により測定した実測外径を目標外径設定手段２６に設定されている目標外径と比較し、実測外径と目標外径との偏差分を上チャック速度設定手段３５にフィードバックすることで、実測外径が目標外径に一致するように、上チャック５の移動速度を調整する。

さらに、本実施の形態の制御手段３１では、把持手段であるチャック５，７の移動時には、上チャック５を移動させる駆動手段１１のチャックモータ１７の出力トルク（駆動トルクTapv）を検出し、該出力トルクを上チャック速度設定手段３５にフィードバックする。
上チャック速度設定手段３５は、入力された実測の出力トルクがガラス母材３の延伸長Ｌに対して規定のトルク変動パターンで変化するように、上チャック５の移動を制御する。

本実施の形態の場合、駆動手段１１のチャックモータ１７の出力トルクＴは、上チャック５を移動させるチャックモータ１７の駆動電流値を測定し、その駆動電流値から算出される。
上記出力トルクＴは、ガラス母材３の全重量をＷ、延伸長をＬ、延伸前のガラス母材の外径をＤ、延伸後のガラス母材の外径をｄ、ガラスの粘度に応じた延伸に要する力の係数（加熱温度に応じて変化する）をｋ、ガラスの単位面積あたりの重量の係数をａとすると、次の（１）式で表される。
Ｔ＝Ｗ＋ｋ（Ｄ／ｄ）²-ａ（π／４）・ｄ²Ｌ＋α ……（１）
本実施の形態の延伸装置１００において、駆動手段１１のチャックモータ１７の出力トルクＴは、図３に示すように、延伸開始時に最大値を取り、その後、延伸長の増大に伴って徐々に減少するトルク変動パターンＰ１を示す。
図３に示したトルク変動パターンＰ１上において、微少な振幅を繰り返す部位ｘ１は、ガラス母材の延伸外径の変動に伴うトルク変動箇所である。そして、隣接するトルク変動箇所ｘ１の間に書き込んだ箇所ｙ１，ｙ２，……が、延伸母材を所定長毎に切り分ける位置である。
なお、ガラス母材３の全重量Ｗは、一定長の延伸が完了したら切り分けていく場合には、切り分けた分だけ、徐々に減少していく。また、ガラス母材の外径Ｄは、延伸の進捗に伴い、適時、再測定する。延伸長Ｌは、延伸処理を終了するまでの延伸された部分の長さで、延伸の進捗に伴い変化する。

この図３に示したトルク変動パターンＰ１は、延伸前のガラス母材３の外径が異なる場合や、延伸済みの母材を切り離した場合に、相応して変化する。
そこで、本実施の形態では、予め、延伸前の外径が異なる各種のガラス母材３について、トルク変動パターンのデータを収集しておき、ガラス母材３の延伸前の外径に応じて、規定のトルク変動パターンを変更する。

上記延伸装置１００によるガラス母材の延伸方法は、概ね、図２に示す処理の流れとなる。
まず、ヒーター８による加熱により加熱軟化部３ａが所定の軟化状態になって延伸が開始されると（ステップＳ１０１）、直ぐに、外径測定器９による外径の検出（ステップＳ１０２）と、駆動手段１１のチャックモータ１７の出力トルクの検出（ステップＳ１０３）が開始される。そして、検出した実測外径と目標外径とを比較して変動があったか否かを判定する処理（ステップＳ１０４）と、検出した実測の出力トルクと規定のトルク変動パターンとを比較して張力変動を意味するトルク変動があったか否かを判定する処理（ステップＳ１０５）とが実施される。

そして、上記ステップＳ１０４やステップＳ１０５で変動有りと判定された場合は、ステップＳ１０６に進み、それらの変動が解消されるように、上チャック５の移動速度が調整される。そして、ステップＳ１０６における上チャック５の移動速度の調整が終了したら、再度、外径測定器９により外径測定が実施され（ステップＳ１０７）、測定された実測外径を目標外径と比較して、変動が解消されて外径が安定したか否かの判定が成される（ステップＳ１０８）。この判定で、外径が安定したと判定される場合には、次のステップＳ１０９に進むが、安定していないと判定された時には、ステップＳ１０６に戻って、上チャック５の移動速度の調整が繰り返される。

ステップＳ１０９ではステップＳ１０３と同様に、チャックモータ１７の出力トルクが実測され、次のステップＳ１１０では測定された出力トルクを規定のトルク変動パターンと比較してトルク変動が解消されて安定したか否かが判定される。
ステップＳ１１０で出力トルクが安定していると判定された場合には、上チャック５の移動速度の調整を終了する（ステップＳ１１１）。

以上に説明した延伸装置１００によるガラス母材の延伸方法では、延伸時にガラス母材３の加熱軟化部３ａに作用する張力は、ガラス母材３の両端を把持している把持手段であるチャック５，７の移動により発生するもので、加熱軟化部３ａに作用する張力の変動は把持手段であるチャック５，７を移動させる駆動手段１１の出力トルクの変動を伴う。
従って、本実施の形態のように駆動手段１１の出力トルクの変動を監視すれば、ロードセル等を追加装備してガラス母材３に作用する張力そのものを測定せずとも、ガラス母材３に作用する張力の変動を検知できる。
そして、出力トルクの実測値が張力の変動が無い理想の延伸状況下でのトルク変動パターンとなるように、把持手段であるチャック５の移動制御をフィードバック制御することで、仕上がり外径の変動が少ないガラス母材３の延伸を実現することができる。
即ち、本実施の形態のガラス母材の延伸方法によれば、張力検出用のロードセル等の部品を追加せずとも、延伸処理時にガラス母材３に作用する張力の変動を抑止して、仕上がり外径の変動が少ない高品位の延伸母材を安価に安定生産することが可能になる。

また、ガラス母材の延伸時における張力の変動は、延伸前のガラス母材３の外径に応じて変わるため、本実施の形態のように、チャック５の移動速度の制御に用いるトルク変動パターンを延伸前のガラス母材３の外径に応じて変更する構成であれば、各種の外径のガラス母材３について、検出した出力トルクに基づくフィードバック制御でチャック５の移動速度を最適化して、延伸時の張力変動を抑止することができる。

さらに、ヒーター８による加熱温度が一定の場合、延伸前のガラス母材３の外径が変わると、ガラス母材３の加熱軟化部３ａにおける軟化状態が変わって、ガラス母材３の延伸特性が変動してしまう。
しかし、本実施の形態の場合は、延伸前のガラス母材３の外径に応じて、ガラス母材３の加熱温度を変化させるため、ガラス母材３の加熱軟化部３ａにおける軟化状態の変動を抑えて、仕上がり外径の安定化を図ることができる。

なお、以上のような縦型の延伸装置で延伸する場合に、好ましくは、ガラス母材３の延伸長Ｌを検出し、この延伸長Ｌから延伸部（加熱軟化部３ａ）に作用する延伸されたガラス母材３の重量を算出し、延伸長Ｌに応じて、規定のトルク変動パターンを変更する構成とすると良い。

上記実施の形態のような縦型延伸の場合、延伸時のガラス母材３の加熱軟化部３ａには、該加熱軟化部３ａに連なる延伸済みの母材の重量が引張力として作用し、この重量は延伸済みの長さが長くなる程増大して、張力変動に大きな影響を及ぼすことになる。
そのため、延伸長に応じて、延伸済み母材の重量を考慮して、トルク変動パターンを変更する構成とすれば、延伸済み母材の重量に起因した誤差の発生を防止して、仕上がり外径の変動が少ない正確な延伸をより長期に渡って連続実施することが可能になる。

さらに、上記実施の形態のような縦型延伸の場合、ガラス母材３の延伸中に、延伸された部位が切り離された時には、上チャック速度設定手段３５で使用する規定のトルク変動パターンを変更すると良い。

延伸済みの部位が切り離されると、その分だけ、加熱軟化部３ａに作用する負荷が低減して、把持手段であるチャック５の移動に必要な出力トルクが変わって来るため、本発明の請求項５に記載のガラス母材３の延伸方法のように、延伸された部位が切り離された際に規定のトルク変動パターンを変更する構成とすることで、延伸済みの部位が切り離しの影響で延伸精度が低下することを防止できる。

なお、上記実施の形態では、上チャック５を移動操作する駆動手段１１の出力トルクを検出し、その検出した出力トルクを規定のトルク変動パターンと比較することで、上チャック５の移動速度を制御するようにした。
しかし、下チャック７を移動操作する駆動手段１２の出力トルクを検出し、その検出した出力トルクを規定のトルク変動パターンと比較することで、下チャック７の移動速度を制御するようにしても良い。

また、本発明のガラス母材の延伸方法は、図１に示した縦型の延伸装置に限らず、ガラス母材を水平な姿勢にして両端に張力をかける横型の延伸装置の場合にも適用することができる。
図４は、横型の延伸装置において、ガラス母材の両端を把持するチャックを移動操作して延伸する際のトルク変動パターンＰ２を示したものである。この場合のトルク変動パターンＰ２は、延伸済みの母材の重量が加熱軟化部に作用しないため、延伸終了まで、変動の少ない略平坦なトルク特性となる。
横型の延伸装置で延伸する場合の出力トルクＴは、延伸前のガラス母材の外径をＤ、延伸後のガラス母材の外径をｄ、ガラスの粘度に応じた延伸に要する力の係数（加熱温度に応じて変化する）をｋとすると、次の（２）式によって表される。
Ｔ＝ｋ（Ｄ／ｄ）² ……（２）

本発明の実現に使用されるガラス母材の延伸装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１のガラス母材の延伸装置で実施されるガラス母材の延伸方法の処理手順を示すフローチャートである。 図２に示したガラス母材の延伸方法で利用するトルク変動パターンの説明図である。 本発明に係るガラス母材の延伸方法で利用するトルク変動パターンの他の例の説明図である。 従来のガラス母材の延伸装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

３ ガラス母材
３ａ 加熱軟化部
５ 上チャック（把持手段）
７ 下チャック（把持手段）
８ ヒーター
９ 外径測定器
１１，１２ 駆動手段
１５ ボールねじ
１７ チャックモータ
２２ 温度調節計
２５ 下チャック速度設定手段
２６ 目標外径設定手段
３１ 制御手段
３３ ヒーター温度設定回路
３５ 上チャック速度設定手段

Claims (5)

1. ガラス母材の両端を把持手段で把持し、前記ガラス母材を加熱中に前記把持手段を移動させることで、前記ガラス母材を所定の外径に延伸するガラス母材の延伸方法であって、
   前記把持手段の移動時には前記把持手段を移動させる駆動手段の出力トルクを検出し、前記出力トルクが前記ガラス母材の延伸長に対して規定のトルク変動パターンで変化するように、前記把持手段の移動を制御することを特徴とするガラス母材の延伸方法。
2. 前記ガラス母材の延伸前の外径に応じて、前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。
3. 縦型の延伸装置において、前記ガラス母材の延伸長より延伸部に作用する延伸されたガラス母材の重量を算出し、延伸長に応じて、前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス母材の延伸方法。
4. 前記ガラス母材の延伸前の外径に応じて、前記ガラス母材の加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材。
5. 前記ガラス母材の延伸中に、延伸された部位が切り離された際に前記規定のトルク変動パターンを変更することを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。

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