JP2008247617A - ガラス管の延伸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリカガラス管を連続延伸する際に、延伸するシリカガラス管の内側を閉塞空間として保つことができるガラス管の延伸方法を提供する。
【解決手段】ガラス管母材１Ａ内の気圧を所定の気圧となるように調整しながら、ガラス管母材１Ａを加熱して軟化させるとともに引っ張って延伸させ、延伸した延伸部であるガラス管１Ｂを所定の長さ毎に切断する方法であって、ガラス管１Ｂを切断する前に、縮径部１Ｃを通常の延伸時以上に軟化させることにより、切断する箇所より延伸方向上流側でガラス管１Ｂの内側を閉鎖させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス管を加熱して軟化させるとともに引っ張って延伸させ、薄肉または細径のガラス管とするガラス管の延伸方法に関する。

ガラス管の延伸は、例えば、光ファイバ用ガラス母材の製造工程の中で、所望の薄肉または細径のガラス管を作製するときに行なわれている。
ガラス管の延伸方法としては、例えば、延伸中のガラス管の外径などを測定しながらガラス管の内側の気圧（内圧）を調整することにより、ガラス管の外径などを所定の大きさに調整する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、ガラス管の延伸中の縮径部または縮径後のガラス管の外径を測定し、その外径測定値と外径目標値の差分（偏差）に基づいてガラス管の内圧を制御し、所望のガラス管を得るようにしている。

また、中実な円柱状のガラス棒を延伸する方法において、延伸前のガラス棒から複数本の延伸したガラス棒を作製する際に、延伸後のガラス棒の合計長さが延伸装置におけるガラス棒の支持可能な長さを超える場合には、延伸装置で支持可能な長さの範囲内で延伸した部分のガラス棒を切り取り、さらに未延伸部分を延伸していく方法（連続延伸と呼ばれる）が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−４４９７９号公報 特開２００４−１６８５７２号公報

ところで、ガラス管の内圧を調整して延伸する方法では、延伸するときにガラス管内を閉鎖空間とする（ガラス管の両端を閉じる）必要がある。しかしながら、ガラス管を連続延伸する場合には、延伸したガラス管を切断する時にその切断箇所が開放端となってしまうため、その後延伸を行なう未延伸部分のガラス管内を閉塞空間に保つことが難しかった。

そこで、本発明の目的は、シリカガラス管を連続延伸する際に、延伸するシリカガラス管の内側を閉塞空間として保つことができるガラス管の延伸方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明に係るガラス管の延伸方法は、シリカガラス管内の気圧を所定の気圧となるように調整しながら、前記シリカガラス管を加熱して軟化させるとともに引っ張って延伸させ、延伸した延伸部を所定の長さ毎に切断するガラス管の延伸方法であって、前記延伸部を切断する前に、切断する箇所より延伸方向上流側で前記延伸部の内側を閉鎖させることを特徴とする。

また、本発明のガラス管の延伸方法において、前記シリカガラス管を加熱する時間または温度を、通常の延伸時と切断直前時とで変更し、切断直前時には、通常の延伸時以上の加熱時間または加熱温度として前記シリカガラス管を強く軟化させ、かつ前記シリカガラス管内の気圧を前記シリカガラス管外の気圧以下に下げてその内側を閉塞させることが好ましい。

また、本発明のガラス管の延伸方法において、前記シリカガラス管の軟化させた軟化領域を捻ることにより、前記延伸部の内側を閉鎖させることが好ましい。

本発明によれば、延伸したシリカガラス管（延伸部）を切断する前に、切断する箇所より延伸方向上流側で前記延伸部の内側を閉鎖させるため、延伸するシリカガラス管の内側を閉塞空間として保ちながら連続延伸することができる。したがって、シリカガラス管の内圧調整を良好に行なうことができるため、所望の外径及び内径に延伸したシリカガラス管を得ることができる。

以下、本発明に係るガラス管の延伸方法の実施形態の例を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るガラス管の延伸方法を実施可能なガラス管の延伸装置１０を示すものであり、このガラス管の延伸装置１０は、延伸加工するシリカガラス管を支持するための構成として、延伸前のシリカガラス管であるガラス管母材１Ａの上端部を把持する上部チャック１２と、延伸された延伸部であるガラス管１Ｂの下端部を把持する下部チャック１３と、上部チャック１２及び下部チャック１３をそれぞれガラス管母材１Ａの長手方向（図１では上下方向）に移動可能に支持する延伸駆動装置１４，１５と、を備えている。さらに、ガラス管の延伸装置１０は、ガラス管母材１Ａを加熱して軟化させる加熱炉１６と、延伸されたガラス管１Ｂを保持可能なローラ１７と、延伸駆動装置１４，１５及び加熱炉１６等を制御する制御部１８と、圧力制御手段２と、計測手段３と、切断手段４と、を有している。

延伸駆動装置１４，１５は、ボールネジ１４ｂ，１５ｂと、これらのボールネジ１４ｂ，１５ｂを回転駆動するモータ１４ａ，１５ａと、をそれぞれ有している。各ボールネジ１４ｂ，１５ｂは、それぞれ上部チャック１２及び下部チャック１３にそれぞれ形成されたボールナット部１２ａ，１３ａと螺合されている。モータ１４ａ，１５ａが駆動してボールネジ１４ｂ，１５ｂが回転すると、上部チャック１２及び下部チャック１３は、ガラス管母材１Ａの長手方向に平行な方向（同図中、上下方向）に移動する。

ここで、上部チャック１２の移動速度は、ガラス管母材１Ａの加熱炉１６への送り速度に相当し、下部チャック１３の移動速度は、ガラス管１Ｂの加熱炉１６からの引き取り速度に相当する。延伸時には、「送り速度＜引き取り速度」の関係が満たされており、下部チャック１３は、上部チャック１２から時間の経過とともに徐々に離れていく。ここで、送り速度及び引き取り速度については、進行方向（図１における下方向）を正方向とする。また、把持したガラス管母材１Ａに対して、上部チャック１２側が延伸方向の上流側であり、下部チャック１３側が延伸方向の下流側である。

加熱炉１６は、例えば、抵抗炉型の加熱炉であって、略円環形状の加熱部材１６ａを有している。加熱部材１６ａとしては、通電することにより発熱する電気式のものを採用できる。また、この加熱炉１６は、制御部１８に接続されており、制御部１８によってガラス管母材１Ａを延伸させる際の加熱温度が調節可能とされている。

なお、この加熱炉１６は、垂直方向に沿って配設されており、ガラス管母材１Ａを延伸させる際、ガラス管母材１Ａが垂直に配置される。そのため、ガラス管母材１Ａの自重方向と延伸方向が一致し、延伸したガラス管母材１Ａが比較的細長くなる場合、または大型のガラス管母材１Ａを延伸する場合であっても、ガラス管母材１Ａが屈曲することがなく、確実に支持して延伸することが可能である。

ガラス管母材１Ａは、所定の寸法を有するシリカガラス管であり、加熱部材１６ａの内側の加熱空間内に挿入され、加熱部材１６ａにより加熱して軟化される。そして、延伸駆動装置１４，１５を動作させることにより、上部チャック１２によりガラス管母材１Ａが加熱空間に向けて徐々に送り込まれつつ、加熱空間内で加熱されて軟化したガラス管母材１Ａの軟化領域が、下部チャック１３によって下方に引っ張られて延伸される。これにより、ガラス管母材１Ａから少なくとも外径が縮径されて所定の外径を有するガラス管１Ｂが形成される。その際、ガラス管母材１Ａの軟化領域では、延伸方向上流側から下流側に向かって外径が徐々に細くなった縮径部１Ｃが形成される。

また、上部チャック１２は、ガラス管母材１Ａの開口された上端部を覆い、上部チャック１２の内部には、ガラス管母材１Ａの内部空間１Ｄに連通するガス導入部１２ｂが形成されている。このガス導入部１２ｂは、ガス導入管２４と連通しており、ガス供給部２１からガス導入管２４を介してガラス管母材１Ａの内部空間１Ｄにガスが供給可能に構成されている。なお、延伸されたガラス管１Ｂの端部（下端部もしくはその近傍）は塞がれており、ガス導入部１２ｂからガスを内部空間１Ｄに適宜導入することにより、内部空間１Ｄ内の気圧が調整される。

ローラ１７は、連続延伸作業中に、ガラス管１Ｂの切断部分の近傍で次の延伸部分の始端側を下部チャック１３が保持するまでの間だけ一時的に保持しておくものであり、ガラス管１Ｂに向けて進退可能とするために、進退機構を有している。そして、このローラ１７は、後述する切断手段４が作動するのに先立ち、制御部１８からの制御信号により所定のタイミングで前進動作して、延伸されたガラス管１Ｂを把持する。

制御部１８は、延伸装置１０の全体の動作を制御するものであり、上部チャック１２及び下部チャック１３を所定の移動速度で移動させるために、延伸駆動装置１４，１５のモータ１４ａ，１５ａを制御している。また、この制御部１８は、圧力計２３によって測定された内圧測定値と外径測定器３１によって測定された外径測定値とに応じて、流量調整器２２を制御することにより、内部空間１Ｄ内の内圧値をフィードバック制御する。さらに、この制御部１８は、ガラス管母材１Ａの延伸によりガラス管１Ｂが所定の外径寸法に縮径されるとともに所定長さに延伸されたときに、縮径部１Ｃの下方近傍位置でガラス管１Ｂを潰して封止する（以下、封止した箇所を「閉塞部」と呼ぶ）ために、上部チャック１２及び下部チャック１３の速度制御を行う。

圧力制御手段２は、ガラス管母材１Ａの内部空間１Ｄの内圧を制御するものであり、流量調整器（ＭＦＣ；Mass Flow Controller）２２と、圧力計２３とを備えている。流量調整器２２は、ガス導入管２４を介してガス導入部１２ｂに供給されるガスの流量を制御する制御器であり、制御部１８に接続されている。一方、圧力計２３は、内部空間１Ｄの内圧値を測定するものであり、ガス導入部１２ｂの近傍に設けられており、制御部１８に接続されている。圧力計２３によって測定された内圧測定値に関するデータは、制御部１８に出力される。

計測手段３は、延伸されたガラス管１Ｂの外径を測定する外径測定器３１を備えている。外径測定器３１は、加熱炉１６内に形成される縮径部１Ｃの終端（細径部）部分の近傍、もしくは延伸されたガラス管１Ｂの始端部分での外径を測定するために、発光部及び受光部などで構成されている。外径測定器３１は、測定した外径の急激な変化に基づき、閉塞部の位置を検出することもできる。この外径測定器３１は、測定された外径測定値に関するデータを制御部１８に出力させるため、制御部１８に接続されている。また、制御部１８は、ボールネジ１５ｂを回転駆動するモータ１５ａの回転量を検出することでボールネジ１５ｂに対する下部チャック１３の移動量が検出できるため、この移動量からガラス管１Ｂの延伸長さを逐次算出する。

切断手段４は、延伸したガラス管１Ｂを切断するグラインダ等により構成されている。この切断手段４は、ガラス管母材１Ａからガラス管１Ｂをそのまま無制限に延伸させていくと、ガラス管１Ｂが延伸装置１０における上部チャック１２と下部チャック１３の最大間隔よりも長くなり支持不可能となるため、ガラス管１Ｂを一定長ごとに切り出していくためのものである。また、この切断手段４は、ガラス管１Ｂを一定長ごとに潰して閉塞部を形成してから、その閉塞部よりも延伸方向の下流側を切り出していくようにするため、制御部１８によってその切断動作が適宜行われるように制御される。

次に、本実施形態のガラス管の延伸方法について説明する。
図１において、加熱炉１６で延伸すべきガラス管母材１Ａが順次加熱されるように、加熱炉１６内にガラス管母材１Ａの下端近傍が位置するようにセットする。例えば、ガラス管母材１Ａの上端部は上部チャック１２で把持し、その上部チャック１２を降下させて加熱炉１６の上方から加熱炉１６内へガラス管母材１Ａを挿入する。一方、ガラス管母材１Ａの下端部は下部チャック１３により把持する。そして、上部チャック１２及び下部チャック１３の移動により、加熱されて軟化したガラス管母材１Ａの軟化領域である縮径部１Ｃを延伸させていき、下方に引き取らせていく。

そして、延伸させたガラス管１Ｂが所定の長さになるまで下部チャック１３を降下し、ガラス管１Ｂを所定の長さに延伸させた段階で、制御部１８によって上部チャック１２の移動速度を通常の延伸時より一時的に遅くする。それにより、縮径部１Ｃを通常の延伸時より長く加熱して通常の延伸時以上に軟化させることで、縮径部１Ｃにおけるシリカガラスの粘度が下がり、表面張力などの作用によって中心軸方向に向けて潰れる（コラプスと呼ばれる）。つまり、中空状態であった縮径部１Ｃの一部が閉塞されて管内部が閉じ、閉塞部が形成される。また、この閉塞部は外径が縮径され、閉塞部を境にして２つに分断された中空のガラス管１Ｂが形成される。これにより、ガラス管母材１Ａ及びガラス管１Ｂでは、閉塞部を境界としてこれより上部と下部との２つの封鎖された閉鎖空間が形成される。

また、ガラス管１Ｂをコラプスするためにガラス管１Ｂを加熱する温度を高くしてもよく、温度を高くすると同時に上部チャック１２の移動速度を遅くしてもよい。その時、ガラス管１Ｂ内の気圧をガラス管１Ｂ外の気圧以下に下げると閉塞部が容易に形成される。ガラス管１Ｂ内の気圧の調整は、流量調整器２２よりガス導入部１２ｂに供給されるガスの流量を制御することにより行うことができる。ガラス管１Ｂ内に供給するガスの流量を減らすことにより、ガラス管１Ｂ内の気圧を下げることができる。

また、閉塞手段として機械的な潰し方も可能である。軟化した縮径部１Ｃにカーボン製などのこてを押し当てて閉塞部を形成することもできる。

次に、上部チャック１２の移動速度を通常の延伸時の速度まで戻して、引き続き、延伸を行なっていく。

そして、閉塞部はガラス管母材１Ａが潰れて外径が急激に変動して小さくなっているため、図２に示すように、ガラス管１Ｂの閉塞部が外径測定器３１を通過するときに、外径測定器３１からの信号に基づき、制御部１８はガラス管１Ｂの閉塞部の通過を検出する。

また、この制御部１８は、閉塞部を検出したときにタイミングを合わせて、あるいはその検出した時刻から一定時間経過したところで（ローラ１７と対向する部位を閉塞部が通過したことを検知してから）、所定の制御信号をローラ１７の進退機構へ出力する。すると、この制御信号を受けた進退機構では、直ちにローラ１７を前進移動させ、ガラス管１Ｂの閉塞部よりも延伸方向の上流側のところでガラス管１Ｂを把持する。

そして、図３に示すように、延伸されたガラス管１Ｂの所定部分をローラ１７で挟持したところで、切断手段４が、ローラ１７での把持部分や閉塞部よりも延伸方向の下流側で、ガラス管１Ｂを切断する。なお、切断手段４は、グラインダでガラス管１Ｂの切断予定部分に傷を付けた後、ハンマ等で叩いて切断するものであってもよい。

その後、切断されて残った部分、つまりガラス管母材１Ａと一体につながっている（閉塞部近傍で切り取られて残った）上側のガラス管１Ｂの部分は、その後も、加熱部１６で引き続き軟化されて延伸されるとともに、ローラ１７によって次のガラス管１Ｂとして引き取られていく。一方、切断された下部側の方のガラス管１Ｂは、下部チャック１３に把持されているため、適宜の手段で下部チャック１３から取り外す。

次に、ガラス管１Ｂを開放した下部チャック１３は、その後、上方に移動して、再び次のガラス管１Ｂを把持した後、下方へ移動することによってガラス管１Ｂを引き取っていく。また、ローラ１７の方は、次に縮径部１Ｃでの潰し動作を行う前に保持動作を解除させるため、所定のタイミングでガラス管１Ｂから離間する方向に後退する。以下、同様の動作が繰り返されて、次のガラス管１Ｂが切り出されていく。

このように、本実施形態では、毎回、連続延伸によって一定長さのガラス管１Ｂを形成してこれを切り出す際に、封止されていたガラス管１Ｂが切断部分で開口されガラス管１Ｂの内圧が変動することを防止するため、ガラス管１Ｂの一部を潰して閉塞させるようにしている。したがって、ガラス管母材１Ａを延伸してガラス管１Ｂを形成する際の内圧調整を良好に行なうことができるため、所望の外径及び内径に延伸したシリカガラス管を得ることができる。

なお、本実施形態では、上部チャック１２と下部チャック１３の間でガラス管１Ｂを支持するための構成としてローラ１７を用いているが、上部チャック１２及び下部チャック１３と同様なチャック機構を採用してもよい。また、本実施形態では、延伸装置１０は延伸方向が鉛直方向に沿うように設置されているが、水平方向に沿うように設置しても良い。その場合には、ガラス管母材１Ａを回転させるために、上部チャック１２、ローラ１７、下部チャック１３といった各把持手段を回転させる。

また、ガラス管１Ｂを潰して閉鎖させる方法として、ガラス管１Ｂの軟化領域である縮径部１Ｃを捻ることで閉塞部を形成することもできる。その場合に使用される延伸装置は、上部チャック１２に対して下部チャック１３を相対的に回転させる回転機構を備えている。

この回転機構は、例えば図１において、下部チャック１３の左側にボールナット部１３ａが取り付けられているハウジング１３ｂ内に搭載されており、ガラス管１Ｂを直接把持しながら下方へ移動するのと同時にガラス管１Ｂの中心軸を回転軸として回転可能な構成である。この回転機構は、普段は動作が停止しており、延伸したガラス管１Ｂが一定長となったときに、ガラス管１Ｂを切断する前に動作させる。回転機構によってガラス管１Ｂを捻ることにより、軟化領域である縮径部１Ｃを周方向に捻って、閉塞部を形成することができる。
また、縮径部１Ｃを通常の延伸時より長く加熱するか、または、高温度で加熱して、通常の延伸時以上に軟化させつつガラス管１Ｂを捻ることで、閉塞部を形成することもできる。

なお、本発明に係る実施形態とは別の方法として、ガラス管の連続延伸において、ガラス管を切断した部分から外部の空気がガラス管内に入り込むのを防止するため、切断部分を水中に浸漬させてから水中で切断する方法が考えられる。つまり、ガラス管を水中で切断すると、ガラス管の内圧が水圧より高くないときには、水で栓がされてガラス管内が実質的に閉鎖空間となる。

ところが、この方法でシリカガラス管を閉じたときには、ガラスが水と反応してガラスの一部に分子構造の欠陥を発生している場合がある。すなわち、水中でガラス管を切断したときに、水分がガラス管内に蒸気として存在してしまい、加熱されて軟化している高温部分では、水分がＨとＯＨとに分解されてＨが簡単にガラス内部に入り込み、ガラス中の酸素が奪われてしまうことによって構造欠陥が生じる。シリカガラスは、理想的にはＳｉＯ_２のネットワーク構造であるが、水と反応すると、ＯＨ基が局所的に形成されてネットワーク構造が切れてしまう。シリカガラス管を光学用に使用するのであれば、ＯＨ基が形成されることによって光学特性上の問題が生じてしまう。つまり、伝送させる信号光の波長などによってはＯＨ基による吸収があること、また粘性が低下することなどの問題が発生する。

一方、上記の本発明に係る実施形態では、ガラス管を水に浸漬させないので、ＯＨ基によるガラスの欠陥が発生しない。そのため、光の吸収や粘性低下を生じさせない本発明に係る延伸方法は、光学用に使用されるシリカガラス管を延伸する方法として好適である。

本発明に係るガラス管の延伸方法を実施可能なガラス管の延伸装置の一例を示す概略図である。 図１に示すガラス管の延伸装置によってガラス管の閉塞部を形成するときの状態を示す概略図である。 図１に示すガラス管の延伸装置によってガラス管を切断するときの状態を示す概略図である。

符号の説明

１０ ガラス管の延伸装置
１２ 上部チャック
１３ 下部チャック
１４，１５ 延伸駆動装置
１６ 加熱炉
１６ａ 加熱部材
１７ ローラ
１８ 制御部
２ 圧力制御手段
３ 計測手段
４ 切断手段
１Ａ ガラス管母材（シリカガラス管）
１Ｂ ガラス管
１Ｃ 縮径部

Claims (3)

1. シリカガラス管内の気圧を所定の気圧となるように調整しながら、前記シリカガラス管を加熱して軟化させるとともに引っ張って延伸させ、延伸した延伸部を所定の長さ毎に切断するガラス管の延伸方法であって、
   前記延伸部を切断する前に、切断する箇所より延伸方向上流側で前記延伸部の内側を閉鎖させることを特徴とするガラス管の延伸方法。
2. 請求項１に記載のガラス管の延伸方法であって、
   前記シリカガラス管を加熱する時間または温度を、通常の延伸時と切断直前時とで変更し、切断直前時には、通常の延伸時以上の加熱時間または加熱温度として前記シリカガラス管を強く軟化させ、かつ前記シリカガラス管内の気圧を前記シリカガラス管外の気圧以下に下げてその内側を閉塞させることを特徴とするガラス管の延伸方法。
3. 請求項１または２に記載のガラス管の延伸方法であって、
   前記シリカガラス管の軟化させた軟化領域を捻ることにより、前記延伸部の内側を閉鎖させることを特徴とするガラス管の延伸方法。

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