JP2009084070A - ガラス丸棒材の製造装置、ガラス丸棒材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造装置を提供する。
【解決手段】本ガラス丸棒材の製造装置は、基台上に設けられ、ガラス丸棒材の一端側を把持し、ガラス丸棒材を回転させる回転チャックと、基台上を移動可能に設けられ、ガラス丸棒材を加熱するバーナーと、このバーナーの反回転チャック側にこのバーナーと離間して配置され、加熱されたガラス丸棒材を押し上げる押上コテと、この押上コテにより押し上げられるガラス丸棒材の変位を検知する変位センサーと、バーナーにより加熱されたガラス丸棒材の加熱部位の温度を検知する温度センサーと、バーナーとこのバーナーの移動に同期して押上コテを移動させる移動機構と、この移動機構および押上コテの上昇を制御する制御装置を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明はガラス丸棒材の製造装置、ガラス丸棒材の製造方法に係り、特にガラス丸棒材の曲がりを修正するガラス丸棒材の製造装置、ガラス丸棒材の製造方法に関する。

従来、ガラス丸棒材の曲がり修正（曲がり直し）は、熟練の作業者が視覚的に曲がりを把握し、人手又は旋盤によりガラス丸棒材を回転させながら湾曲部をバーナーで加熱し、手動でコテを押し当てることで修正を行っていた。

人手作業による曲がり修正は、曲がり箇所の判定を目視で行っているために、曲がり修正後の石英ガラス丸棒材の品質にばらつきが生じていた。また、石英ガラスを軟化させるためには、高温を要し、さらに、加熱された石英ガラスが発する光は高光度であるため、作業環境としては危険を伴う問題があった。

そこで、これらの問題を解決するために、多くの曲がり修正装置に関する提案がなされている。この曲がり修正装置は、主として光ファイバ用ガラス母材を対象ワークとしたものである。

例えば、特許文献１に記載される曲がり修正方法は、旋盤に取り付けたワークを回転させ、常時点火させたバーナーと回転軸方向に直角に上下する支持棒及び外径測定器を搭載したバーナー台を、チャック側からワーク先端側へ回転軸方向に移動させて曲がりを修正する。支持棒の上下移動量とバーナー台の移動速度は、ワーク外径とロードセルの指示値を基に調節される。

特許文献２に記載される曲がり修正方法は、特許文献１に記載の方法におけるバーナーが独立して稼動し、初期動作で感知したワークの曲がり箇所を加熱、支持棒の代わりにローラーでワーク全周を押圧することで曲がりを修正する。

特許文献３に記載される曲がり修正方法は、片側チャックで回転するワークの曲がり箇所を順次バーナーで加熱し、バーナーに対してワーク先端側に配置したコテに掛かる荷重を元に消火のタイミングとコテの押し上げ量を決定、ワーク全長に渡り振れ量が１．０ｍｍ以下になるまで修正を行うものである。

特許文献１に記載の方法は、径の大きなもの程移動速度が低速になる。従ってワークの径が大きい程、過加熱部が生じ易く、適切な軟化状態での曲がり修正が困難であり、優れた真直性が要求されるガラス丸棒材を得ることは困難である。

特許文献２に記載の方法は、曲がり修正部を全周から押圧し、ワークへの負荷が大きく、曲がり修正の支点となる加熱部の歪が増大し、自然冷却の後にワークが破損するおそれがある。

また、特許文献３に記載される曲がり修正方法は、コテに掛かるワークの荷重を基にし、径の小さいワークである程コテにかかる荷重が小さいため、消火、コテ移動量への反映が困難であり、高精度の曲がり修正は困難である。
特開平６−１１５９６１号公報 特開平１０−３３０１２６号公報 特開２００４−３５３６４号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造装置を提供することを目的とする。

また、作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るガラス丸棒材の製造装置は、基台と、この基台上に設けられ、ガラス丸棒材の一端側を把持し、ガラス丸棒材を回転させる回転チャックと、前記基台上を移動可能に設けられ、ガラス丸棒材を加熱するバーナーと、このバーナーの反回転チャック側にこのバーナーと離間して配置され、加熱されたガラス丸棒材を押し上げる押上コテと、この押上コテにより押し上げられるガラス丸棒材の変位を検知する変位センサーと、前記バーナーにより加熱されたガラス丸棒材の加熱部位の温度を検知する温度センサーと、前記バーナーとこの前記バーナーの移動に同期して押上コテを移動させる移動機構と、この移動機構および押上コテの上昇を制御する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明に係るガラス丸棒材の製造方法は、ガラス丸棒材を回転チャックにより水平に把持して回転させる工程と、石英ガラス丸棒材の曲がり修正前の振れ量の測定を行う工程と、バーナーにより、ガラス丸棒材の所定部位を加熱軟化させる工程と、前記加熱部位が所定の温度まで昇温したら、前記バーナーを消火し、前記振れ量の測定値に基づき、所定高さ押上コテを上昇させて、石英ガラス丸棒材に押し当て、石英ガラス丸棒材の回転軸に対する振れを修正する工程と、押上コテを押し当てたまま、回転する石英ガラス丸棒材を冷却させる工程とを備え、この冷却させる工程終了後、前記軟化させる部位と前記押上コテを押し当てる位置を反回転チャック側に変更した後、前記振れ量の測定を行う工程から前記石英ガラス丸棒材を冷却させる工程を繰り返して行うことを特徴とする。

本発明に係るガラス丸棒材の製造装置によれば、作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造装置を提供することができる。

また、本発明に係るガラス丸棒材の製造方法によれば、作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置の一部を切り欠いて側面を示す概念図、図２はその断面を示す概念図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置１は、中空長尺状で案内溝２ａを設けた基台２を備え、この基台２上にはガラス丸棒材Ｇの一端側を把持し、ガラス丸棒材Ｇを回転させ、回転用モータ（図示せず）によって回転される回転チャック３が設けられる。

ガラス丸棒材Ｇは中実ガラス丸棒材あるいは中空ガラス丸棒材（ガラス管）を意味し、石英ガラスをはじめ如何なるガラスであってもよい。

回転チャック３は、曲がり修正を行うガラス丸棒材Ｇを把持するもので、ガラス丸棒材Ｇの把持形態は、曲がりのあるガラス丸棒材Ｇの回転軸に対する振れ回りを考慮し、片持ち式とする。回転チャック３によりガラス丸棒材Ｇを回転させる際の回転速度は、曲がり修正の対象となるガラス丸棒材Ｇの外径及び材質特性に応じて、適切な値を検証し、設定する。なお、回転方向については、曲がり修正精度への影響はないため、時計回り、反時計回りのいずれでもよい。

また、基台２上には移動可能にガラス丸棒材Ｇを加熱する火力可変のバーナー４が設けられ、バーナー４の移動は、バーナー４が立設する移動基材５を移動機構６によって、移動基材５を基台２上で移動させることで行われる。

ガラス丸棒材Ｇを加熱するバーナー４は、加工対象が高純度であることが求められる場合、火炎源として酸素ガス及び水素ガスを用いる酸水素火炎バーナーとするのがよい。また、金属不純物の付着を考慮し、金属製バーナーよりも石英ガラス製バーナーを用いることが好ましい。

さらに、バーナー４の反回転チャック側に、このバーナー４と所定距離Ｄ離間して配置され、加熱されたガラス丸棒材Ｇを押し上げる押上コテ７が基台２に沿って移動可能に設けられる。所定距離Ｄは、実現し得る範囲で可能な限り短縮することが、高精度の曲がり修正を行う上で好ましい。これは、バーナー４の加熱位置と押上コテ７の接触位置が、それぞれ曲がり修正を行う際の支点と力点に相当し、両者の間隔を短縮することで、支点・力点間の曲がり残りを、極力除去できるからである。

押上コテ７は好ましくはカーボン製であり、Ｌ字形状の支持部材７ａの一端に取り付けられ、他端は電動シリンダ７ｂに取り付けられ、押上コテ７は、電動シリンダ７ｂによって鉛直方向に上下運動を行う。また、電動シリンダ７ｂはほぼＬ字形状の一端で移動基材５に取り付けられ、この移動基材５を移動機構６によって移動することで、押上コテ７は支持部材７ａ、電動シリンダ７ｂと一体的に水平移動される。

従って、バーナー４と共に移動基材５に取り付けられる押上コテ７は、バーナー４の移動に同期し、所定距離Ｄ離間した状態を保ったまま移動する。

この押上コテ７の上方には、押上コテ７により押し上げられるガラス丸棒材Ｇの変位を、カーボン製のセンサー測定子８ａを介して検知する変位センサー８が設けられ、この変位センサー８は変位センサー支持部材８ｂによって移動基材５に取り付けられる。

押上コテ７の移動量は、ガラス丸棒材Ｇを介して変位センサー８によって測定され、回転するガラス丸棒材Ｇの振れ量を基に決定される。

変位センサー８で測定されたガラス丸棒材Ｇの振れ量を正確に押上コテ７の移動量に反映し、高精度な曲がり修正を可能とするため、回転チャック３の回転軸と直交する鉛直方向の対面同軸上に、変位センサー８はガラス丸棒材Ｇの上側に、押上コテ７は下側に各々配置される。

さらに、バーナー４により加熱されたガラス丸棒材Ｇの加熱部位の温度を検知する温度センサー９が設けられる。この温度センサー９は、温度センサー支持部材９ａによって、移動基材５に取り付けられて、回転チャック３の回転軸の真上に位置し、ガラス丸棒材Ｇの加熱部位に仰角０〜９０°で焦点を合わせられる位置に配置される。

この温度センサー９はガラス丸棒材Ｇの加工に最適な軟化状態を把握するもので、例えば放射温度計、サーモビュアー等を用いるのがよい。

曲がり修正中、バーナー４で軟化点付近まで加熱されたガラス丸棒材Ｇは、加熱部位、非加熱部位共高温であり、輻射熱の影響でレーザー等による非接触の振れ計測は誤差が大きい。従って、より高精度の温度を検知するためには、変位センサー８を接触式とすることが好ましい。

移動機構６はパルスモータ６ａと、このパルスモータ６ａにより回転されるボールねじ６ｂと、このボールねじ６ｂに螺合して水平移動し、移動基材５に取り付けられる雌ねじ部材６ｃを備え、装置全体を制御する制御装置１０によって制御され、パルスモータ６ａを作動することで、図３に示すように、所定等間隔（ピッチ）Ｐでバーナー４と押上コテ７を送る。

また、制御装置１０には、変位センサー８が接続され、変位センサー８によって測定されたガラス丸棒材Ｇの振れ量に基づき、電動シリンダ７ｂを介して、押上コテ７の昇降を制御する。さらに、制御装置１０は、ガス流量制御器（図示せず）を介して、バーナー４の火力を制御する。

曲がり修正工程中、制御装置１０によるガラス丸棒材の製造装置１の各駆動装置の制御は、事前に制御装置１０にプログラムされた制御手順に従って行われ、また、作業者が必要に応じ制御装置１０に設けられた入力手段（図示せず）からの入力により行われる。

なお、押上コテ７及び変位センサー８が、バーナー４と近接する場合は、バーナー４の炎による熱トラブルを防止するために、これらの間に遮熱板１１を設けることが好ましい。また、ガラス丸棒材Ｇの表面に沿って、炎が押上コテ７及び変位センサー８の位置へ回り込む場合は、例えば遮熱板１１のバーナー４に対して裏側に、Ａｉｒ又はＮ_２を流すことで、遮熱板１１の冷却を行うと共に、炎の回り込みを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、変位センサーと温度センサーを移動基材に取り付けて、バーナーと押上コテと共に移動するようにする例で説明したが、基台あるいは基台以外の場所に固定的に取り付けてもよい。

次に本実施形態のガラス丸棒材の製造装置を用いたガラス丸棒材の曲がり修正について図３に示す曲がり修正フローに従って説明する。

図１に示すように、曲がり修正を行うガラス丸棒材例えば石英ガラス丸棒材Ｇを、回転チャック３により基台２に対し水平に把持し、回転させる。

石英ガラス丸棒材Ｇの所定位置について、変位センサー８により曲がり修正前の振れ量の測定を行う。測定値は制御装置１０に記録される。

変位センサー８の検出値に基づき、押上コテ７を回転する石英ガラス丸棒材Ｇと接触する寸前の位置に待機させる。

バーナー４により、石英ガラス丸棒材Ｇの所定部位を加熱軟化させる（図３（ａ））。バーナー４の火力は、石英ガラス丸棒材Ｇの外径及び材質特性に応じて、調整することが好ましい。

石英ガラス丸棒材Ｇの加熱部位の温度は、温度センサー９によって検出され、加熱部位が所定の温度例えば１８００〜１９００℃に到達したら、制御装置１０を介してバーナーを消火する。同時に、押上コテ７が上昇し、石英ガラス丸棒材Ｇの回転チャック３の回転軸に対する振れを修正する（図３（ａ））。

上昇する押上コテ７の移動量は、変位センサー８によって測定された、曲がり修正前の振れ量の１／２である。すなわち、センサ測定子８ａで測定される最大振れ量と最小振れ量の差の１／２である。

押上コテ７を押し当てたまま、回転する石英ガラス丸棒材Ｇを自然放冷させる。この間も温度センサー９は加熱部位の温度の検出を続け、加熱部位が所定の温度、例えば９００℃まで冷却されたら、押上コテ７を石英ガラス丸棒材Ｇから離し、変位センサー８で曲がり修正後の振れ量の測定を行う。この時、曲がり直し後の石英ガラス丸棒材Ｇに高い真直性を求める場合、例えば振れが０．１ｍｍ以内であることが好ましい。

曲がり修正後の振れ量が所定値以内であることが確認されたら、移動基材５を回転チャック３側から石英ガラス丸棒材Ｇの反把持端側へ所定等間隔（ピッチ）Ｐで移動させる。

移動基材５の所定等間隔Ｐの移動により、バーナー４、押上コテ７、変位センサー８、温度センサー９も等間隔Ｐだけ移動する。

バーナー４、押上コテ７が、等間隔Ｐだけ移動した状態で、上記説明し図３（ａ）に示すと同様の方法で、石英ガラス丸棒材Ｇの曲がり修正を行う（図３（ｂ））。

さらに、同様にして、バーナー４、押上コテ７、変位センサー８、温度センサー９を所定等間隔Ｐ移動させて、同様の方法で、石英ガラス丸棒材Ｇの曲がり修正を順次実行する（図３（ｃ））。

曲がり修正が完了した石英ガラス丸棒材Ｇはほぼ真直ぐになる（図３（ｄ））。

石英ガラス丸棒材の曲がり修正工程において、移動基材５の移動間隔Ｐは、既に曲がり修正を行った箇所が、次の移動基材５の停止位置におけるバーナー４の加熱位置と押上コテ７の接触位置の間に位置しないように、移動基材５の移動間隔Ｐはバーナー４と押上コテ７の間隔Ｄより大きいか、等しく設定することが好ましい。これは、バーナー４の加熱位置と押上コテ７の接触位置が、曲がり修正動作における支点、力点に相当するため、既に曲がり修正を行った箇所が両者の間に含まれていると、曲がり修正の際に、既に曲がり修正を行った箇所の振れが、曲がり修正後における振れの規定値から外れてしまうためである。

本実施形態のガラス丸棒材の製造装置によれば、作業者が高温、高光度の作業環境から解放されると共に、熟練を要さずに、容易にガラス丸棒材の高精度の曲がり修正作業を行うことができるガラス丸棒材の製造装置が実現される。

φ２０×１０００ｍｍの石英ガラス丸棒材について、図１に示す本実施形態のガラス丸棒材の製造装置を用いて曲がり修正を行った（実施例）。

設定条件は、回転チャック回転数９９ｒｐｍ、水素ガス流量９．０ｍ^３／ｈ、酸素ガス流量２．５ｍ^３／ｈ、押上コテ移動速度１．０ｍｍ／ｓ、バーナー加熱位置と押上コテ接触位置の間隔５０ｍｍ、移動基材の移動間隔５０ｍｍとし、バーナー台の各停止位置における曲がり修正後の振れ量を０．１ｍｍ以下にすることを修正目標とした。

図４は、試験に用いたφ２０×１０００ｍｍの石英ガラス丸棒材の曲がり修正前の真直度（修正前）、手作業による曲がり修正後の真直度（従来例）、実施例の真直度を比較したものである。

試験結果は図４からもわかるように、実施例は、従来例以上の曲がり修正精度を持つと共に、最大０．０８７ｍｍまで真直性の向上を図ることが可能であることが確認された。

本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置の側面を示す概念図。 図１のＡ−Ａ断面を示す概念図。 本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置を用いたガラス丸棒材の曲がり修正フロー図。 本発明の一実施形態に係るガラス丸棒材の製造装置の曲がり修正能力試験の結果図。

符号の説明

１ ガラス丸棒材の製造装置
２ 基台
２ａ 案内溝
３ 回転チャック
４ バーナー
５ 移動基材
６ 移動機構
６ａ パルスモータ
６ｂ ボールねじ
６ｃ 雌ねじ部材
７ 押上コテ
７ａ 支持部材
７ｂ 電動シリンダ
８ 変位センサー
８ａ センサー測定子
８ｂ 変位センサー支持部材
９ 温度センサー
９ａ 温度センサー支持部材
１０ 制御装置
１１ 遮熱板

Claims (2)

1. 基台と、
   この基台上に設けられ、ガラス丸棒材の一端側を把持し、ガラス丸棒材を回転させる回転チャックと、
   前記基台上を移動可能に設けられ、ガラス丸棒材を加熱するバーナーと、
   このバーナーの反回転チャック側にこのバーナーと離間して配置され、加熱されたガラス丸棒材を押し上げる押上コテと、
   この押上コテにより押し上げられるガラス丸棒材の変位を検知する変位センサーと、
   前記バーナーにより加熱されたガラス丸棒材の加熱部位の温度を検知する温度センサーと、
   前記バーナーとこの前記バーナーの移動に同期して押上コテを移動させる移動機構と、
   この移動機構および押上コテの上昇を制御する制御装置と
   を備えることを特徴とするガラス丸棒材の製造装置。
2. ガラス丸棒材を回転チャックにより水平に把持して回転させる工程と、
   石英ガラス丸棒材の曲がり修正前の振れ量の測定を行う工程と、
   バーナーにより、ガラス丸棒材の所定部位を加熱軟化させる工程と、
   前記加熱部位が所定の温度まで昇温したら、前記バーナーを消火し、前記振れ量の測定値に基づき、所定高さ押上コテを上昇させて、石英ガラス丸棒材に押し当て、石英ガラス丸棒材の回転軸に対する振れを修正する工程と、
   押上コテを押し当てたまま、回転する石英ガラス丸棒材を冷却させる工程とを備え、
   この冷却させる工程終了後、前記軟化させる部位と前記押上コテを押し当てる位置を反回転チャック側に変更した後、前記振れ量の測定を行う工程から前記石英ガラス丸棒材を冷却させる工程を繰り返して行うことを特徴とするガラス丸棒材の製造方法。

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