JP2007320803A - ガラスパイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外径制御の安定性を向上させて高精度な外径寸法を有するガラスパイプを高い歩留まりで製造する。
【解決手段】本発明のガラスパイプの製造方法は、ガラスパイプＧを一端側から他端側へ向かって加熱して軟化させつつ両端を相対的に移動させて延伸成形する方法であって、ガラスパイプＧの両端の相対的な移動速度を、ガラスパイプＧの外径及び内径から計算される初期の断面積と延伸目標の外径及び内径から計算される延伸後の断面積から算出される所定の送り込み速度Ｖ１及び引き取り速度Ｖ２まで上昇させる定圧延伸工程と、ガラスパイプＧの内圧を上昇させて延伸外径値Ｄｐｖを目標外径値Ｄｓｐ以上とする加圧延伸工程と、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上となった後に、延伸外径値Ｄｐｖを目標外径値Ｄｓｐにすべく延伸外径値Ｄｐｖに基づいて内圧を制御する内圧制御延伸工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラスパイプに内圧を印加しながら当該ガラスパイプを加熱して軟化させ、その長手方向に引き伸ばして所定の外径及び内径のガラスパイプとするガラスパイプの製造方法に関する。

従来、ガラスの加工を行う各種の用途に応じて、ガラスパイプを延伸して細径化させ、所定の径に加工することが行われている。
ガラスパイプを延伸する際には、ガラスパイプの一端を送り側把持治具で把持し、他端を引き取り側把持治具で把持する。そして、送り側把持治具と引き取り側把持治具との間で加熱源によりガラスパイプを加熱しながら、送り側把持治具と引き取り側把持治具をガラスパイプの長手方向に沿って送り側把持治具で把持した端から引き取り側把持治具で把持した端へ向かう方向へ移動させつつ、送り側把持治具と引き取り側把持治具の間隔を広げていき、ガラスパイプを引き伸ばしていく。すなわち、ガラスパイプは送り側把持治具により加熱源に向けて送り込まれ、軟化して延伸された部分は加熱源から引き取り側把持治具により引き取られる。

ガラスパイプを加熱して軟化させてから、送り側把持治具または引き取り側把持治具を前記ガラス体の長手方向に沿って加熱源に対して相対的に移動させて延伸を開始する。送り側把持治具および引き取り側把持治具の移動速度は連続的にまたは段階的に移動速度が上昇して所定の設定基準速度に到達する。この間に、ガラス体には、その軟化した部分が徐々に縮径していくテーパ部が形成されていく。そして、延伸体の径が一定となる延伸の定常状態となるまでの間、テーパ部は徐々に長くなっていく。ここで定常状態とは、送り側把持部と引き取り側把持部のそれぞれの移動速度が両方とも設定基準速度に到達した以後をいう。

このように延伸により所定の径のガラスパイプを製造する方法には、種々の方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

例えば、特許文献１には、ガラスパイプを回転させながら内部に窒素ガスを吹き込んで内圧を付与しつつ、このガラスパイプを一端側から他端側へ向かって加熱し、長手方向にわたって所定の外径及び内径とすることが記載されている。パイプ内を加圧することによって、ガラスパイプの外径／内径の値で定義される外径／内径比が、延伸出発母材のガラスパイプの値より小さい、任意の外径／内径比を有するガラスパイプに延伸成形される。

また、特許文献２には、軟化温度に加熱して溶融させたガラス材料を下方に向かって円筒状に引き出してガラスパイプを形成する際に、ガラスパイプの内部と外部との圧力差を一定に維持することにより、このガラスパイプを所定の外径及び内径とすることが記載されている。

特公平４−７５８５３号公報 特許第２７５５７８０号公報

しかし、ガラスパイプに内圧を印加しながら延伸する上記技術でガラスパイプを形成する場合、ガラスパイプの外径制御が不安定のまま推移したり、また、最終的にはガラスパイプの外径が安定化するまでに、外径制御の開始時点から長時間を要し、結果的に不良率が高くなる場合がある。

本発明は、ガラスパイプに内圧を印加しながら加熱し軟化させ、出発材の外径／内径比以下の任意の外径／内径比を有するガラスパイプに延伸するガラスパイプの製造方法において、外径制御の安定性を向上させて高精度な外径寸法を有するガラスパイプを高い歩留まりで製造することが可能なガラスパイプの製造方法を提供することを目的としている。

本発明者は、鋭意検討の結果、ガラスパイプに印加する内圧に基づくガラスパイプ外径のフィードバック制御の安定性及び制御を開始した後に実際に所望の外径変動幅内に安定するのに要する安定化時間には、ガラスパイプの延伸の開始時における外径フィードバック制御の開始条件が密接に関与していることを確認した。

上記課題を解決することのできる本発明のガラスパイプの製造方法は、ガラスパイプを一端側から他端側へ向かって加熱して軟化させつつ前記ガラスパイプの両端をそれぞれ把持する把持部を相対的に移動させて延伸成形するガラスパイプの製造方法であって、前記把持部の移動速度が延伸速度設定値に到達し、かつ、前記ガラスパイプに所定の内圧を印加した後に、当該ガラスパイプの内圧を操作変数とした前記ガラスパイプの延伸外径値のフィードバック制御を開始することを特徴とする。

また、本発明のガラスパイプの製造方法において、前記所定の内圧が、当該ガラスパイプの延伸外径値を目標外径値以上とする内圧であることが好ましい。

また、本発明のガラスパイプの製造方法において、延伸外径値のフィードバック制御を開始する際の延伸外径値Ｄｐｖと目標外径値Ｄｓｐとの関係が、Ｄｓｐ≦Ｄｐｖ≦１．１Ｄｓｐであることが好ましい。

また、本発明のガラスパイプの製造方法において、延伸前のガラスパイプの外径又は断面積の変動に基づいて、前記把持部の相対速度を制御することが好ましい。

本発明のガラスパイプの製造方法によれば、ガラスパイプの内圧を操作変数とした延伸外径値のフィードバック制御を適切な条件で開始するため、ガラスパイプの外径のオーバーシュートと、制御を開始した後に実際に所望の外径変動幅内に安定するのに要する安定化時間を極力小さく抑えることができる。その結果、外径制御の安定性を向上させて、高精度な外径寸法を有するガラスパイプを高い製造歩留まりで製造することができる。

以下、本発明に係るガラスパイプの製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガラスパイプの製造方法を適用する加工装置の模式図である。
図１に示すように、この加工装置１０は、上部移動機構１１及び下部移動機構１２を備えており、これら上部移動機構１１及び下部移動機構１２は、それぞれ鉛直方向へ相対的に移動可能とされている。これら上部移動機構１１及び下部移動機構１２は、それぞれガラスパイプＧを把持するチャック（図示省略）を備えており、このチャックにガラスパイプＧの端部を把持させることにより、ガラスパイプＧが鉛直に支持される。

また、この加工装置１０は、上部移動機構１１と下部移動機構１２との間に、ガラスパイプＧを加熱する加熱手段として、電圧の印加により発熱体を発熱させる抵抗加熱式のヒータ１３を備えている。
さらに、加工装置１０は、ガラスパイプＧの上端側からガラスパイプＧ内に不活性ガスを送り込む内圧調整器２１を備えている。不活性ガスとしてはＮ_２を使用した。また、加工装置１０は、ヒータ１３の下方側に設置された非接触式の光学センサ２２からの検出結果に基づいて、ガラスパイプＧの外径を測定する外径測定器２３を備えている。

さらに、この加工装置１０では、上部移動機構１１、下部移動機構１２、ヒータ１３、内圧調整器２１及び外径測定器２３が接続された制御部２４を備えている。そして、この制御部２４は、上部移動機構１１、下部移動機構１２、ヒータ１３及び内圧調整器２１を制御する。

次に、上記加工装置１０を用いてガラスパイプＧを所定の外径に形成する方法について説明する。
なお、本実施形態はガラスパイプＧに内圧を印加しながらガラスパイプＧを加熱して軟化させ、その長手方向に引き伸ばして所定の外径及び内径のガラスパイプとするガラスパイプの製造方法であり、延伸して得られるガラスパイプＧは、延伸前のガラスパイプＧの外径／内径比以下の、任意の外径／内径比を有するガラスパイプである。

（開始工程）
まず、上部移動機構１１の把持部に、ガラスパイプＧの上端を把持させる。そして、このガラスパイプＧの延伸開始位置である下端側をヒータ１３による加熱領域ＨＡへ配置させ、ガラスパイプＧの下端に予め溶着した中実なガラスロッドを下部移動機構１２の把持部に把持させ、ヒータ１３によってガラスパイプＧの下端側を加熱する。ここで、ガラスパイプＧの下端に予め溶着したガラスロッドは、延伸開始後にガラスパイプに内圧を印加する際の栓となる。

（延伸開始工程）
一定時間が経過してガラスパイプＧの下端側が軟化したら、上部移動機構１１によってガラスパイプＧの上端側を下降させてガラスパイプＧを加熱領域ＨＡへ送り込むとともに、下部移動機構１２によってガラスパイプＧの下端側を引き下げる（図２における記号Ａの領域参照）。送り込み速度より引き出し速度が速い状態としてそれぞれの移動速度を徐々に上昇させることで、上部移動機構１１及び下部移動機構１２による下端と上端との相対移動の速度差が生じ、この速度差によってガラスパイプＧは、ヒータ１３の加熱領域ＨＡで軟化された部分が延伸され、徐々に縮径が進む。

目標とする延伸速度を与える上部移動機構１１の送り込み速度Ｖ１及び下部移動機構１２の引き取り速度Ｖ２にそれぞれ到達した後は、上部移動機構１１及び下部移動機構１２を一定速度で移動させる。
ここで、送り込み速度Ｖ１とガラスパイプＧを加熱領域ＨＡから引き取る下部移動機構１２における引き取り速度Ｖ２とは、ガラスパイプＧの延伸前の初期外径値および内径値から求められる断面積Ｓ１と、目標とする外径値および内径値に延伸した際の断面積Ｓ２から、次式（１）の関係が成立する。

Ｖ２＝（Ｓ１／Ｓ２）×Ｖ１ …（１）

ここで、内圧印加型のガラスパイプの延伸は、ガラスパイプに内圧を印加しながら加熱し軟化させ、出発材の外径／内径比以下の任意の外径／内径比を有するガラスパイプに延伸するものである。内圧を印加しない状態で延伸を行う際には外径／内径比はほぼ一定の状態で変形する。この状態では、延伸成形後のガラスパイプＧの外径／内径比は、ガラスパイプＧが肉厚であることより、目標の外径／内径比より大きくなる。内圧を印加しない状態で延伸を行うと、延伸外径値Ｄｐｖと目標外径値Ｄｓｐとは、次式（２）の関係となる。

Ｄｐｖ＜Ｄｓｐ …（２）

実際には、出発材の外径／内径比と延伸目標の外径／内径比は大きく異なる場合が多く、このような場合には、延伸開始工程において内圧を印加しないとＤｐｖの値が目標値Ｄｓｖより大幅に小さくなる。特に延伸後の内径が極度に小さくなる場合にはガラスパイプの穴が潰れてしまう問題が生じることもある。このため延伸開始工程においては、内圧調整器２１によって、式（２）の関係が崩れない程度の内圧を印加しても良い。

（内圧制御延伸工程）
ヒータ１３の加熱領域ＨＡにおけるガラスパイプＧが延伸され、その延伸外径値Ｄｐｖが安定し始めたら、内圧調整器２１を手動によって操作し、ガラスパイプＧ内へＮ_２ガスを導入することにより、ガラスパイプＧへの内圧の上昇を開始させる（図２における記号Ｂの領域参照）。

具体的には、ガラスパイプＧの延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上になるまで内圧調整器２１を操作して内圧を上昇させる。

このときのガラスパイプＧへの加圧幅は、ガラスパイプＧの軟化部分におけるガラスの粘度、外径あるいは内径によって異なるが、概ね２０〜２０００Ｐａ、好ましくは３０〜１０００Ｐａの範囲で付与する。このとき、加圧幅が２０Ｐａ以下でもガラスパイプＧが拡径する状態だと、ガラスの粘度が低すぎて内圧変化によるガラスパイプＧの径変化が敏感になり、制御が困難である。また、ガラスパイプＧの拡径に必要な加圧幅が２０００Ｐａ以上であると、ガラスの粘度が高すぎて延伸に必要な張力が高くなり、延伸されたガラスパイプＧが破損する可能性が出る。

手動による内圧の調整によって延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上になったら、制御部２４による自動内圧延伸モードに切り替える（図２における記号Ｃの領域参照）。
このようにすると、制御部２４は、ガラスパイプＧの内圧を操作変数としてガラスパイプＧの延伸外径値ＤｐｖのＰＩＤ（Proportional Integral Difference）制御を開始する。

ガラスパイプに内圧を印加しない状態でフィードバック制御を開始すると、延伸外径値と目標外径値が大きく乖離した状態で制御を開始することになる。所定の内圧を印加した状態からフィードバック制御を開始することが肝要である。
この所定の内圧は、ガラスパイプＧの延伸外径値Ｄｐｖを目標外径値Ｄｓｐ以上とする内圧であると更に好ましい。

ここで、ガラスパイプＧ内と外部との差圧を増加させた際の外径拡大速度は、ガラスパイプＧの外径が拡径してガラスパイプＧの肉厚が薄くなるほど大きくなる。これは、ガラスパイプＧの肉厚が薄くなる程、差圧に対する抗力絶対値が小さくなるためである。
したがって、ガラスパイプＧの延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐより小さい領域で内圧制御を開始すると、ガラスパイプＧの外径を拡径する方向に差圧制御量が蓄積される。

具体的には、ガラスパイプＧの延伸外径値Ｄｐｖが小さい状態、つまり、ガラスパイプＧの肉厚が厚い状態だと、差圧による延伸外径値Ｄｐｖの変化量が少ないため、差圧制御量が適切な制御量より大きく蓄積されてしまう。

延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上となってから内圧制御を開始する本実施形態では、ガラスパイプＧの肉厚がある程度薄くなり、差圧により延伸外径値Ｄｐｖが十分変化している状態となる。したがって、差圧制御量が適切な制御量より大きく蓄積されるようなことがなく、ガラスパイプＧの外径のオーバーシュートが小さく抑えられることとなる。

このように、上記実施形態に係るガラスパイプの製造方法によれば、所定の内圧を印加した後に内圧による外径フィードバック制御を開始する、更には、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上となってから制御部２４によるフィードバック制御を開始することにより、自動制御開始時におけるガラスパイプＧの外径のオーバーシュートを極力小さく抑えることができる。
つまり、ガラスパイプＧの外径制御の安定性を向上させて短時間で高精度な外径寸法を有するガラスパイプＧを高い歩留まりで製造することができる。
そして、このガラスパイプの製造方法によれば、極めて高精度な仕上がり外径のガラスパイプＧを得ることができるので、このガラスパイプＧを仕上がり外径に精度が要求される各種の用途に用いることができる。

なお、上記実施形態では、鉛直に支持したガラスパイプＧを延伸する縦型の加工装置を用いたが、本発明は、縦型に限らず、水平に支持したガラスパイプＧを回転させながら加熱する横型の加工装置にも適用可能である。横型の場合、延伸時にガラスパイプＧを回転させることが必要であるが、縦型の場合には、回転させてもさせなくても良い。

また、加熱手段としては、抵抗加熱式のヒータ以外の加熱手段、例えば、発熱体の周りのコイルから誘導式に発熱体を加熱する誘導加熱タイプのヒータ、酸水素火炎を噴出するバーナであっても良く、また、横型の加工装置の場合は、プラズマ火炎を生じさせるプラズマバーナであっても良い。

なお、本実施形態では、ガラスパイプＧの延伸外径を内圧のみで制御しているが、内圧と併せてガラスパイプＧの送り込み速度Ｖ１及びガラスパイプＧの延伸速度（Ｖ２−Ｖ１）の何れかまたは両方を制御しても良い。

また、予め測定したガラスパイプＧの長手方向の外径変動データや加工装置１０でガラスパイプＧの外径を直接測定した外径変動データに基づいて、もしくは予め測定したガラスパイプＧの長手方向の断面積変動データに基づいて、単位時間当たりのガラスパイプＧの加熱領域ＨＡへの導入体積が一定となるようにガラスパイプＧの送り込み速度Ｖ１を制御しても良い。このようにすると、ガラスパイプＧの導入量の変化に起因するガラスパイプＧの肉厚変動を低減することができ、延伸精度の更なる向上を図ることができる。

例１〜例６として、下記の試験条件で自動内圧制御の開始タイミングを異ならせてガラスパイプを延伸させた。

（１）試験条件
試験ガラスパイプ：外径６５ｍｍ、内径４５ｍｍの純シリカガラス製
延伸目標形状：外径（Ｄｓｐ）４０．０ｍｍ、内径３６．０ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ
設定加熱温度：２０００℃
送り込み速度Ｖ１：１７．８ｍｍ/分
延伸速度（Ｖ２−Ｖ１）：１２９ｍｍ/分
内圧ＰＩＤ制御の定数は、延伸の動特性に基づいて決定した値を用い、全ての試験で一定とした。

（２）パイプ内圧による延伸外径フィードバック制御自動内圧制御の開始タイミング
例１：延伸外径値Ｄｐｖ＝３５ｍｍ（Ｄｐｖ＜Ｄｓｐ）
例２：延伸外径値Ｄｐｖ＝３９ｍｍ（Ｄｐｖ＜Ｄｓｐ）
例３：延伸外径値Ｄｐｖ＝４２ｍｍ（Ｄｐｖ≧Ｄｓｐ）
例４：延伸外径値Ｄｐｖ＝４３ｍｍ（Ｄｐｖ≧Ｄｓｐ）
例５：延伸外径値Ｄｐｖ＝４４ｍｍ（Ｄｐｖ≧Ｄｓｐ）
例６：延伸外径値Ｄｐｖ＝４５ｍｍ（Ｄｐｖ≧Ｄｓｐ）
いずれの場合も、フィードバック制御開始時の内圧は４００〜５００Ｐａ程度であった。
内圧を印加しないで延伸を開始すると、定常延伸速度に到達した状態では延伸外径値が１７ｍｍ程度となる。延伸目標値との乖離が大きいため試験は実施していない。

（３）試験結果
例１〜例６の試験結果を表１及び図３〜図５に示す。なお、製品取りの基準としては、ガラスパイプの外径変動幅で目標値±０．５ｍｍ（変動全幅で１．０ｍｍ）とした。
また、例１及び例６におけるガラスパイプの延伸外径値Ｄｐｖの目標外径値Ｄｓｐへの整定状況を図６及び図７に示す。

表１及び図３に示すように、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐより小さい時に自動内圧制御を開始させた例１，例２では、図３に示すように、制御開始後におけるオーバーシュートが大きく発生し、図４に示すように、制御後１０分経過時点における残留変動幅もかなり大きく、図５に示すように、制御開始後の不良長が長くなった。
例えば、図６に示すように、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ（４０．０ｍｍ）より小さい３５ｍｍの時に自動内圧制御を開始させた例１では、自動内圧制御開始後、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐを大きく上回ったオーバーシュート（３．３ｍｍ）が生じた後、不安定な状態が持続し、かなりの時間を要して目標外径値Ｄｓｐに近似した。

これに対して、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ以上の時に自動内圧制御を開始させた例３〜例６では、図３に示すように、制御開始後におけるオーバーシュートが例１，例２より小さく抑えられ、図４に示すように、制御後１０分経過時点における残留変動幅もかなり小さくなり、図５に示すように、制御開始後の不良長が大幅に短縮された。
例えば、図７に示すように、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐ（４０．０ｍｍ）以上である４５ｍｍの時に自動内圧制御を開始させた例６では、自動内圧制御開始後、延伸外径値Ｄｐｖが目標外径値Ｄｓｐを一旦下回って小さなオーバーシュートが生じた後、比較的短時間で目標外径値Ｄｓｐに近似した。

このように、例１〜例６において、内圧自動制御開始から制御が安定し製品取り開始可能となるまでの不良長を、内圧自動制御開始時における延伸外径値と目標外径値との差（Ｄｐｖ−Ｄｓｐ）の値で整理すると、Ｄｐｖ−Ｄｓｐが０以上となると不良長が短くなる傾向が顕著である。
また、内圧自動制御開始から１０分の時点で残留するガラスパイプの外径変動幅に注目すると、例１（Ｄｐｖ−Ｄｓｐ＝−５）では±０．５ｍｍであり、まだ完全に安定していない状態であることがわかるのに対して、例６（Ｄｐｖ−Ｄｓｖ＝５）では±０．３ｍｍまで収束している。さらに、（Ｄｐｖ−Ｄｓｐ）／Ｄｓｐが１０％以下の領域では、±０．１５ｍｍ以下と、極めて安定していた。なお、例２（Ｄｐｖ−Ｄｓｖ＝−１）でも±０．３ｍｍまで収束しているが、例３〜６と比較して、自動内圧制御開始直後のオーバーシュートが２．０ｍｍと大きくなってしまい、制御開始後の不良長も３．３ｍと長くなっており、好ましくない。

上記のように、内圧を付与してガラスパイプを加工する延伸制御においては、ガラスパイプに印加する内圧に基づくガラスパイプ外径のフィードバック制御の安定性及び制御を開始した後に実際に所望の外径変動幅内に安定するのに要する安定化時間には、ガラスパイプの延伸の開始時における外径フィードバック制御の開始条件が密接に関与していることが確認された。安定的な制御を実現するためには、Ｄｐｖ≧Ｄｓｐ、より好ましくは、Ｄｓｐ≦Ｄｐｖ≦１．１Ｄｓｐの条件で内圧自動制御を開始することが必要であることが確認された。

本発明に係るガラスパイプの製造方法を実施する加工装置の一例を示す模式図である。 各工程におけるガラスパイプの外径及び内圧を示すグラフ図である。 実施例における試験結果を示すグラフ図である。 実施例における試験結果を示すグラフ図である。 実施例における試験結果を示すグラフ図である。 実施例におけるガラスパイプの外径の変動状況を示す図である。 実施例におけるガラスパイプの外径の変動状況を示す図である。

符号の説明

１０ 加工装置
１１ 上部移動機構
１２ 下部移動機構
１３ ヒータ
２１ 内圧調整器
２３ 外径測定器
２４ 制御部
Ｄｓｐ 目標外径値
Ｄｐｖ 延伸外径値
Ｇ ガラスパイプ
ＨＡ 加熱領域
Ｖ１ 送り込み速度（移動速度）
Ｖ２ 引き取り速度（移動速度）

Claims (4)

1. ガラスパイプを一端側から他端側へ向かって加熱して軟化させつつ前記ガラスパイプの両端をそれぞれ把持する把持部を相対的に移動させて延伸成形するガラスパイプの製造方法であって、
   前記把持部の移動速度が延伸速度設定値に到達し、かつ、前記ガラスパイプに所定の内圧を印加した後に、
   当該ガラスパイプの内圧を操作変数とした前記ガラスパイプの延伸外径値のフィードバック制御を開始することを特徴とするガラスパイプの製造方法。
2. 前記所定の内圧が、当該ガラスパイプの延伸外径値を目標外径値以上とする内圧であることを特徴とする請求項１に記載のガラスパイプの製造方法。
3. 延伸外径値のフィードバック制御を開始する際の延伸外径値Ｄｐｖと目標外径値Ｄｓｐとの関係が、
   Ｄｓｐ≦Ｄｐｖ≦１．１Ｄｓｐ
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラスパイプの製造方法。
4. 延伸前のガラスパイプの外径又は断面積の変動に基づいて、前記把持部の相対速度を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のガラスパイプの製造方法。

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