JP2014073947A - ガラス母材の吊下げ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 出発部材もしくはガラス母材の吊下げに際し、吊下げシャフト管と吊下げ部材を緊密（強固）に接続することができ、かつ吊下げ部材とガラス母材の中心を鉛直方向に一致させることのできるガラス母材の吊下げ機構を提供する。
【解決手段】 光ファイバ用ガラス母材の製造装置もしくは光ファイバの線引き装置において、出発部材もしくはガラス母材を吊下げるための吊下げシャフト管を有し、該吊下げシャフト管は側部に中心軸を通る横穴があけられ、出発部材もしくはガラス母材の上部に吊下げ部材を有し、該吊下げ部材には傾斜した平面部を有する横穴があけられ、前記吊下げシャフト管に前記吊下げ部材を挿入し、両横穴の位置を合わせて吊下げピンを挿通し接合することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材製造装置もしくは光ファイバ線引き装置に係り、特には、曲がりや偏芯、非円が小さく精度のよい製品が得られるガラス母材の吊下げ機構に関する。

光ファイバは、その中心に光が通る高屈折率のコアと、その周囲に低屈折率のクラッドを有する。現在の光通信用光ファイバには主に石英ガラスが用いられており、コアの直径はおよそ9μm、クラッドの直径は125μmである。

通信用光ファイバに求められる重要な特性として、クラッドの非円率が小さいこと、クラッド中心に対するコア中心の偏芯率(以下、偏芯率と略称)が小さいことが挙げられる。非円率や偏芯率が大きいと、光ファイバ同士を接続する際にお互いの芯がずれてしまうことにより、接続損失が大きくなる。

光ファイバは、光ファイバ用ガラス母材(以下、ガラス母材と略称)と称される円柱状ガラス棒をその下端から加熱延伸することにより製造され、原料となるガラス母材の非円率や偏芯率が光学特性上重要となる。また、ガラス母材が曲がっていたり、ガラス母材を光ファイバ製造装置に装着する際に鉛直からずれた場合、原材のガラス母材の偏芯率及び非円率よりも、光ファイバの偏芯率及び非円率が大きくなることがある。

光ファイバ用ガラス母材は、多孔質ガラス母材を製造するVAD工程やOVD工程といった堆積工程、多孔質ガラス母材を焼結する焼結工程、得られた大型のガラス母材を加熱延伸して光ファイバの製造に適したサイズに調整する延伸工程などを経て製造されるが、その際、縦に吊るして処理されることが多い。例えばVAD工程では、垂直に吊下げた出発部材の先端にスートを堆積させて多孔質ガラス母材を製造する。また、縦型OVD工程では、垂直に吊下げた出発部材の側面にスートを堆積させて多孔質ガラス母材を製造する。焼結工程では、VAD工程やOVD工程で得られた多孔質ガラス母材を垂直に吊下げて加熱炉の中で透明ガラス化する。延伸工程でも、ガラス母材を垂直に吊下げて加熱している。

偏芯や非円を小さくするには、ガラス母材や出発部材を鉛直下向きに正確に吊下げることが非常に重要である。例えば、焼結工程で多孔質ガラス母材を透明ガラス化する際に、多孔質ガラス母材の鉛直が確保されていないと、ある方向だけ加熱炉との距離が近くなり、その部分の温度が周方向の他の部分に比べ高くなる。温度の高くなった部分は優先的に透明ガラス化が進み、多孔質ガラスの収縮が周方向で不均一となり、曲がりや偏芯、非円が生じる。
また、延伸工程でもガラス母材が鉛直からずれていると、周方向の加熱状態が均一にならず、延伸で引取り力をかけたときに、曲がりや非円を生じることがある。さらに、線引き工程でもガラス母材が鉛直からずれていると、炉内の気流の対称性が崩れ、光ファイバの径変動やファイバカールと称される曲がり、ファイバの偏芯や非円が生じる。

上述のように、ガラス母材や出発母材を各装置に鉛直に吊下げることは非常に重要である。また、ガラス母材や出発母材と装置の接続部が緊密に結合されていないと、回転力や引取力によって容易にガラス母材の中心がずれて鉛直性が崩れ、はじめから鉛直に吊下げられていなかったときと同じような結果をもたらす。

従来のガラス母材の吊下げ機構として、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、吊下げ部材（ガラス母材のハンドル部分）の側面にクサビ状の切り欠き部を設け、吊下げシャフト管にあけた横穴と吊下げ部材の切り欠き部を合わせて吊下げピンで接合するものがある。また、特許文献３に記載されたように、吊下げ部材の中心軸を通るように横穴を設け、吊下げシャフト管にあけた横穴と吊下げ部材の横穴を合わせて吊下げピンで接合するものがある。

特開平03-012336号公報 特許第4,309,550号 特許第4,018,247号

特許文献１及び特許文献２に記載された、吊下げ部材の側面にクサビ状の切り欠き部を設け、吊下げシャフト管にあけた横穴と切り欠き部を合わせて吊下げピンで接合する方法の問題点について、図５を用いて説明する。
吊下げ部材１の側面に設けられたクサビ状の切り欠き部２に、吊下げシャフト管３の側面にあけられた横穴４を合わせて吊下げピン５を挿通することにより、吊下げ部材１と吊下げシャフト管３とを接合し、ガラス母材の重量により、吊下げ部材１の切り欠き部２とは反対側の面が吊下げシャフト管３の内側面に密着し、緊密に接合される。

この方法では、吊下げピン５の位置がガラス母材の重心６から水平方向にずれているため、ガラス母材の重心６が吊下げピンの真下に向けて動こうとする力Ｆが働き、重心６は吊下げピン５の真下に来ようとする。実際には、吊下げ部材１の上端と吊下げシャフト管内面との接点７で回転が規制されていることと、吊下げシャフトやガラス母材各部のたわみ等が影響し、重心６は吊下げ部材１の中心と吊下げピン５の間に落ち着き、ガラス母材の中心軸は鉛直から角度をもって傾いてしまう。

特許文献３に記載された、吊下げ部材と吊下げシャフト管とを接合する方法の問題について、図６を用いて説明する。
吊下げ部材１の中心軸を通るようにあけられた横穴８に、吊下げシャフト管３にあけられた横穴４を合わせ、吊下げピン５を挿通して接合している。吊下げ部材１には、中心部が細くなったテーパーつき横穴８があけられている。

この方法では、ガラス母材の重心６と支点９は鉛直になっているため、ガラス母材に傾きは生じない。しかしながら、吊下げ部材１の周囲には吊下げシャフト管３との間に全周にわたって隙間10があり、吊下げシャフト管３と吊下げ部材１を緊密に接合させる力が働かないために、わずかな力でガラス母材が傾く。特に堆積工程や焼結工程ではガラス母材を回転させるため、回転中心とガラス母材の重心との僅かなずれで遠心力が生じ、ガラス母材に傾きが生じる。また、延伸工程では引取力を作用させるため、軟化部のわずかな周方向の温度差でも横方向に動こうとする力が働き、ガラス母材が傾く。

このように従来の方法では、吊下げシャフト管と吊下げ部材とを緊密に接合させ、かつ吊下げ部材とガラス母材の中心とを鉛直方向に一致させることはできなかった。

本発明の目的は、出発部材もしくはガラス母材の吊下げに際し、吊下げシャフト管と吊下げ部材を緊密（強固）に接続することができ、かつ吊下げ部材とガラス母材の中心を鉛直方向に一致させることのできるガラス母材の吊下げ機構を提供することにある。

本発明のガラス母材の吊下げ機構は、光ファイバ用ガラス母材の製造装置もしくは光ファイバの線引き装置において、出発部材もしくはガラス母材を吊下げるための吊下げシャフト管を有し、該吊下げシャフト管は側部に中心軸を通る横穴があけられ、出発部材もしくはガラス母材の上部に吊下げ部材を有し、該吊下げ部材には傾斜した平面部を有する横穴があけられ、前記吊下げシャフト管に前記吊下げ部材を挿入し、両横穴の位置を合わせて吊下げピンを挿通し接合することを特徴としている。

前記吊下げピンは、円柱材の側面の一部に平面部を設けた形状を有し、該平面部を前記吊下げ部材の横穴の平面部と接するように接合させることができる。
前記吊下げ部材にあけられた横穴が丸穴で、該丸穴に円柱材の側面の一部を平面とした部材を取り付けて、横穴内に傾斜した平面部を形成してもよい。
前記吊下げ部材の横穴内に形成された傾斜した平面部と水平面とのなす角は、20度〜60度の範囲にあるのが好ましい。
前記吊下げピンの側面に形成された平面部と、前記吊下げ部材の横穴内に形成された平面部とが緩衝材を介して接合するようにしても良い。
前記吊下げシャフト管のたて穴（吊下げ部材の差し込み穴）の中心を、該吊下げシャフト管の外径中心からずらして設けることもできる。
なお、前記光ファイバ用ガラス母材の製造装置は、多孔質ガラス母材堆積装置、多孔質ガラス母材焼結装置、ガラス母材延伸装置、あるいは光ファイバ線引き装置のいずれかである。

本発明のガラス母材の吊下げ機構を用いることで、吊下げシャフト管と吊下げ部材との鉛直かつ緊密な結合が実現され、これにより光ファイバ用ガラス母材の堆積工程における偏芯の発生が低減され、焼結工程では非円や偏芯、曲がりの発生が抑制され、延伸工程では非円や曲がりの発生が抑制され、さらに光ファイバの線引き工程においてはファイバカールや非円、偏芯の発生が抑制される、等の優れた効果を奏する。

本発明のガラス母材の吊下げ機構の概略を示す縦断面図である。 本発明にかかる、吊下げ部材の一例を示す概略図である。 本発明にかかる、吊下げシャフト管の一例を示す概略図である。 本発明にかかる、吊下げピンの一例を示す概略図である。 従来のガラス母材の吊下げ機構の概略を示す縦断面図である。 従来のガラス母材の吊下げ機構の概略を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のガラス母材の吊下げ機構において、出発部材もしくはガラス母材を吊下げるための吊下げシャフト管は、その側部に中心軸を通る横穴があけられ、出発部材もしくはガラス母材の上部に設けられた吊下げ部材には、傾斜した平面部を有する横穴があけられ、前記吊下げシャフト管に前記吊下げ部材を挿入し、吊下げシャフト管の横穴と、吊下げ部材の横穴の位置を合わせて吊下げピンを挿通し、接合することを特徴としている。

このように、吊下げ部材の横穴内に形成された平面部が傾斜していることにより、吊下げピンが挿通されると、吊下げピンにかかる荷重により、吊下げ部材は吊下げシャフト管の内側面に沿って押し付けられる。これにより、ガラス母材の重心を通る鉛直線は、吊下げピンの中心を通ることになり、ガラス母材が傾くことがなく、しかも吊下げシャフト管と吊下げ部材とを潔密に接続することができる。
吊下げピンは、円柱材の側面の一部を切り取って平面部を有する形状をしており、該平面部と吊下げ部材の横穴の平面部とが接合するように形成されている。これにより、吊下げピンと吊下げ部材の接触が線接触から面接触になり、接触荷重が増大し、接触部での破損を防ぐことができる。

吊下げ部材は、その側面に丸穴をあけ、この丸穴内に円柱の側面の一部を切り取って平面部を形成した平面部形成部材を取り付けた構造とするのが好ましい。吊下げ部材はガラス母材と同質の石英ガラスであるため、複雑な加工には手間とコストがかかるため、この方法を用いることで、石英ガラス棒側面の丸穴あけ加工、及び石英ガラス丸俸からの平面部形成部材の切り出し加工という、単純な工程のみとすることができ、手間とコストを削減することができる。

吊下げ部材の横穴内に形成された傾斜した平面部と水平面とのなす角は、20度〜60度の範囲にあるのが好ましい。吊下げ部材を吊下げシャフト管の内側面へ押し付ける力は、摩擦力を無視すると、ガラス母材の重量をW としてW・sinθで表される。すなわち、θが20度未満では押し付け力が弱まり、吊下げシャフト管の内壁と吊下げ部材の側面が離間する。またθが60度を超えると、加熱・冷却のサイクルによって吊下げシャフト管、吊下げ部材、もしくは吊下げピンが破損したり、吊下げピンが吊下げシャフト管及び吊下げ部材に固着してしまうことがある。この現象を焼きばめと称する。

焼きばめは、熱膨張係数の小さな石英ガラス製の吊下げ部材と、それよりも熱膨張係数の大きな吊下げシャフト管を用いた場合に顕著となる。吊下げシャフト管が高温で膨張すると、生じた隙間（シャフト管の隙間やピン穴の隙間）の分だけ吊下げ部材が斜め方向に下がり、その後、冷却されたときに吊下げピンに対して圧縮及び曲げ応力が働き、吊下げシャフト管のピン穴部に対しては引張応力が働き、吊下げ部材に対しては圧縮応力が働く。これらの力によって焼きばめが起こる。

ガラス母材重量、吊下げ部材径、及び吊下げシャフト管の材質等によって最適なθは異なってくるが、例えばガラス母材の重量が80〜150kg、吊下げ部材の直径が40mm、吊下げシャフト管及び吊下げピンに窒化珪素セラミックスを用いた場合、θを20度〜60度に設定することで焼きばめの回避をしつつ適切な押し付け力を生じさせることができる。

吊下げピンと吊下げ部材の横穴との平面部同士の接触部に緩衝材を挟むことで、この焼きばめの発生を緩和することができる。緩衝材には耐熱性とクッション性が求められ、適用可能な材質としては、膨張黒鉛シートやC/Cコンポジットシート、テフロンシート（商標名）等が挙げられる。特に高温になる焼結工程、延伸工程、線引き工程においては、高耐熱性と低汚染性が求められるため、必要に応じて高純度化された膨張黒鉛シートまたはC/Cコンポジットシートが用いられる。

吊下げシャフト管と吊下げ部材とを組み合わせたときに、吊下げ部材に傾きがあるような場合、吊下げ部材の中心と吊下げシャフト管の中心を一致させるために、吊下げシャフト管のたて穴（吊下げ部材の差し込み穴）の中心を、吊下げシャフト管の外径中心からずらして設けることもできる。
なお、本発明を適用できるガラス母材の製造装置としては、多孔質ガラス母材堆積装置、多孔質ガラス母材焼結装置、ガラス母材延伸装置、光ファイバ線引き装置等が挙げられる。

本発明のガラス母材の吊下げ機構について、図１〜４を用いてさらに詳細に説明する。
図１は 、本発明にかかるガラス母材の吊下げ機構の一例を示す概略図であり、図２は、本発明にかかるガラス母材の吊下げ部材の一例を示している。
吊下げ部材１には横穴11があけられており、横穴11の上面には、水平から角度θだけ傾けられた平面部12が形成されている。平面部12は、平面部形成部材13を円形の横穴11の上面に接合して形成することができ、その接合方法としては、その使用温度及び求められる低汚染性等を考慮し、耐熱性セラミック用接着剤、エポキシ接着剤、両面テープ等が選択される。

図３は、本発明にかかる吊下げシャフト管の一例を示しており、吊下げシャフト管３には、横穴４が設けられている。
吊下げシャフト管３と吊下げ部材１とを組み合わせたときに、吊下げ部材１の中心と吊下げシャフト管３の中心を一致させるために、吊下げシャフト管３のたて穴の中心14を吊下げシャフト管３の外径中心15からずらしてもよい。

図４は、本発明にかかる吊下げピンの一例を示している。吊下げピン５は、単純な円柱形状のものでもよいが、図のように、円柱材の側面の一部を切り取って、平面部16を形成することが好ましい。
吊下げ部材１は、吊下げシャフト管３のたて穴に挿入され、吊下げシャフト管３の横穴４と吊下げ部材１の横穴11には、吊下げピン５が挿通され、接合される。
吊下げピン５と吊下げ部材１の横穴11の接触面には、緩衝材として膨張黒鉛シート等を挟みこんでもよい。

上述のようにして、吊下げシャフト管３に吊下げ部材１を吊下げることで、ガラス母材の重心６は、吊下げピン５の鉛直下にあるために、ガラス母材が傾くことはない。さらに、吊下げ部材１の横穴上面に、水平面から角度θをもって設けられた平面部12の効果により、吊下げ部材１は、吊下げシャフト管３の内面（図１では左面側)に密着し、吊下げ部材１と吊下げシャフト管３ は緊密に接合される。

１．吊下げ部材、
２．クサビ状の切り欠き部、
３．吊下げシャフト管、
４．横穴、
５．吊下げピン、
６．重心、
７．接点、
８．横穴、
９．支点、
１０．隙間、
１１．横穴、
１２．平面部、
１３．平面部形成部材、
１４．吊下げシャフト管のたて穴の中心、
１５．吊下げシャフト管の外径中心、
１６．平面部。

Claims (7)

1. 光ファイバ用ガラス母材の製造装置もしくは光ファイバの線引き装置において、出発部材もしくはガラス母材を吊下げるための吊下げシャフト管を有し、該吊下げシャフト管は側部に中心軸を通る横穴があけられ、出発部材もしくはガラス母材の上部に吊下げ部材を有し、該吊下げ部材には傾斜した平面部を有する横穴があけられ、前記吊下げシャフト管に前記吊下げ部材を挿入し、両横穴の位置を合わせて吊下げピンを挿通し接合することを特徴とするガラス母材の吊下げ機構。
2. 前記吊下げピンは、円柱材の側面の一部に平面部を設けた形状を有し、該平面部を前記吊下げ部材の横穴の平面部と接するように接合させる請求項１に記載のガラス母材の吊下げ機構。
3. 前記吊下げ部材にあけられた横穴が丸穴で、該丸穴に円柱材の側面の一部を平面とした部材を取り付けて、横穴内に傾斜した平面部を形成してなる請求項１又は２に記載のガラス母材の吊下げ機構。
4. 前記吊下げ部材の横穴内に形成された傾斜した平面部と水平面とのなす角が20度〜60度の範囲にある請求項１乃至３のいずれかに記載のガラス母材の吊下げ機構。
5. 前記吊下げピンの側面に形成された平面部と、前記吊下げ部材の横穴内に形成された平面部とが緩衝材を介して接合されている請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス母材の吊下げ機構。
6. 前記吊下げシャフト管のたて穴の中心が、該吊下げシャフト管の外径中心からずらして設けられている請求項１乃至５のいずれかに記載のガラス母材の吊下げ機構。
7. 前記光ファイバ用ガラス母材の製造装置が、多孔質ガラス母材堆積装置、多孔質ガラス母材焼結装置、ガラス母材延伸装置、あるいは光ファイバ線引き装置のいずれかである請求項１に記載のガラス母材の吊下げ機構。

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