JP2015006962A - ガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度の変動を抑制することによりガラス微粒子堆積体の外径の変動を低減することができるガラス微粒子堆積体の製造方法を提供する。【解決手段】少なくともロッドにガラス微粒子を堆積させる初期段階からガラス微粒子を略一定径で定常的に堆積させる定常段階に移行するまでの間における、ガラス微粒子堆積体の先端部の初期目標位置パターンＸａを用意し、初期段階からガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、先端部が初期目標位置パターンＸａに沿って成長するように、ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス微粒子をロッドに堆積させてガラス微粒子堆積体を作製するガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

従来、ガラス微粒子堆積体を製造する方法としてＶＡＤ法が知られている。下記特許文献１には、ＶＡＤ法の一例として、ロッドに堆積されたガラス微粒子堆積体の引き上げ制御を行なうに際し、レーザー光線を用いて堆積面を検出する製造方法の一例が開示されている。

特開昭６０−４１５３８号公報 特開２００６−１９３３６０号公報 特開２０００−２８１３７８号公報

一般的に、特許文献１に開示されたようなレーザー光線を用いて堆積面を検出する製造方法では、初期段階では一定の速度でガラス微粒子堆積体を引き上げ、その堆積面がレーザー光線を遮るようになった定常段階ではレーザー光線の受光量が一定になるように引上速度を制御する。このため、初期段階から定常段階に切り替わる時点において、ガラス微粒子堆積体を引き上げる速度に変動が発生し易く、この変動の発生に伴ってガラス微粒子堆積体の外径に変動が生じてしまうことがあった。

そこで、本発明は、ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度の変動を抑制することによりガラス微粒子堆積体の外径の変動を低減することができるガラス微粒子堆積体の製造方法の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法は、ガラス微粒子をロッドに吹き付けて軸方向に堆積させていくことによってガラス微粒子堆積体を形成するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
少なくとも前記ロッドに前記ガラス微粒子を堆積させる初期段階から前記ガラス微粒子を略一定径で定常的に堆積させる定常段階に移行するまでの間における、前記ガラス微粒子堆積体の先端部の初期目標位置パターンを用意し、
前記初期段階から前記ガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、当該先端部が前記初期目標位置パターンに沿って成長するように、前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御する、ものである。

本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度の変動を抑制することができ、ガラス微粒子堆積体の外径の変動を低減することができる。

本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造装置の構成を示す図である。 ガラス微粒子堆積体における先端部の目標位置パターンの一例を示す図である。 図２に示す目標位置パターンに沿って成長するように制御されたガラス微粒子堆積体の引上速度、及び従来のレーザー光線を用いた制御による引上速度を示す図である。 ガラス微粒子堆積体の外径の変動を対比した図である。

＜本発明の実施形態の概要＞
最初に本発明の実施形態の概要を説明する。
（１）ガラス微粒子堆積体の製造方法は、ガラス微粒子をロッドに吹き付けて軸方向に堆積させていくことによってガラス微粒子堆積体を形成するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
少なくとも前記ロッドに前記ガラス微粒子を堆積させる初期段階から前記ガラス微粒子を略一定径で定常的に堆積させる定常段階に移行するまでの間における、前記ガラス微粒子堆積体の先端部の初期目標位置パターンを用意し、
前記初期段階から前記ガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、当該先端部が前記初期目標位置パターンに沿って成長するように、前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御する、ものである。

上記のガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度は、ガラス微粒子を堆積させる少なくとも初期段階から、ガラス微粒子堆積体の先端部が目標位置パターンに沿って成長するように制御される。このため、初期段階から定常段階に移行するまでの間、ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を、定常段階における引上速度に向けて徐々に近づけることができる。この結果、定常段階に移行した際の引上速度に大幅な変動（ハンチング）が発生することを抑制することができる。これにより、ガラス微粒子堆積体の外径を安定化させることができ、ガラス微粒子堆積体の生産性を向上させることができる。

（２）また、上記（１）のガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記初期目標位置パターンは、前記定常段階に移行する際の前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度が、前記定常段階の前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度に略一致するように制御されるパターンに設定されていることが好ましい。

この製造方法によれば、ガラス微粒子を定常的に堆積させる定常段階に移行する際のガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を、定常段階のガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度に略一致するように制御できるので、定常段階に移行した際の引上速度の変動をより滑らかになるように、抑制することができる。

（３）また、上記（１）または（２）のガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記定常段階における前記ガラス微粒子堆積体の先端部の定常目標位置パターンを用意し、前記定常段階においても前記ガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、当該先端部が前記定常目標位置パターンに沿って成長するように、前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御することが好ましい。

この製造方法によれば、ガラス微粒子を定常的に堆積させる定常段階においてもガラス微粒子堆積体の先端部が目標位置パターンに沿って成長するように制御される。このため、定常段階における引上速度の制御の切り替えを行うことが無く、定常段階に移行してからも引上速度に変動（ハンチング）が発生することを抑制することができる。これにより、ガラス微粒子堆積体の外径を安定化させることができ、ガラス微粒子堆積体の生産性を向上させることができる。

（４）また、上記（１）から（３）のいずれかのガラス微粒子堆積体の製造方法において、
前記初期目標位置パターンは、０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲に含まれる傾きを有するように設定されていることが好ましい。

この製造方法によれば、堆積の初期段階において、０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲内の傾きでガラス微粒子堆積体の堆積面が堆積されるように先端部の目標位置がパターン化されている。このため、初期段階における引上速度が高すぎたり低すぎたりすることなく、安定したガラス微粒子堆積体の製造が可能になり、生産性を向上させることができる。

＜本発明の実施形態の詳細＞
以下、本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法の実施形態の一例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態のガラス微粒子堆積体の製造方法を実施することのできる製造装置１の構成を示す。
図１に示すように、製造装置１は、ガラス微粒子堆積体Ｍが形成される反応容器２と、反応容器２の上方から内部に吊り下げられた支持棒３と、支持棒３に取り付けられたガラスロッド４（ロッドの一例）とを備えている。また、製造装置１は、反応容器２の内部下方に配置されたガラス微粒子生成用バーナ５と、反応容器２の側面に取り付けられた排気管６と、反応容器２の外部に配置されたＣＣＤカメラ（撮像装置の一例）７とを備えている。さらに、製造装置１は、支持棒３を昇降および回転させる昇降回転装置１０と、ガスの流量制御を行なうＭＦＣ（マスフローコントローラ）１１と、ガラス微粒子堆積体Ｍの堆積データを処理する堆積データ処理装置１２と、各部の動作を制御する制御部１３とを備えている。

支持棒３は、反応容器２の上壁に形成された貫通穴を挿通して上下方向に配置されており、反応容器２内に配置された一方の端部（図において下端部）にはガラスロッド４が取り付けられている。支持棒３は、他方の端部（図において上端部）を昇降回転装置１０により把持されており、昇降回転装置１０の制御に基づいて昇降および回転される。

ガラスロッド４は、ガラス微粒子が堆積されるロッドであり、支持棒３に取り付けられている。ガラスロッド４は、支持棒３の動作に伴って反応容器２内を支持棒３の方向に昇降されたり、支持棒３の軸まわりに回転される。

ガラス微粒子生成用バーナ５は、原料ガスが火炎加水分解されて生成されたガラス微粒子をガラスロッド４に噴き出し堆積するバーナであり、コア部を堆積するコア用バーナ５ａとクラッド部を堆積するクラッド用バーナ５ｂとによって構成されている。コア用バーナ５ａとクラッド用バーナ５ｂの先端部は反応容器２の内部に突出して配置されている。

排気管６は、ガラスロッド４およびガラス微粒子堆積体Ｍに付着しなかったガラス微粒子を反応容器２の外部に排出する管である。

ＣＣＤカメラ７は、ガラス微粒子が堆積されている最中のガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａをモニターする映像取得手段である。ＣＣＤカメラ７は、実際には、先端部Ｍａのうち、ガラスロッド４の軸から左右方向に所定の距離だけ離れた外周位置における観察点の軸方向の変位を観察する。ＣＣＤカメラ７は、軸方向の変位を観察するためにガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａおよびその周囲近傍の輝度データを測定する。ＣＣＤカメラ７は、ガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａの軸方向（図において上下方向）に走査した複数点の輝度データを測定する。ＣＣＤカメラ７は、堆積データ処理装置１２を介し制御部１３から送信されてくる制御信号に基づいて先端部Ｍａのモニターを行う。モニターによって取得された輝度データは堆積データ処理装置１２へ送信される。

昇降回転装置１０は、支持棒３およびガラスロッド４を介してガラス微粒子堆積体Ｍを昇降動作および回転動作させる装置である。昇降回転装置１０は、制御部１３から送信されてくる制御信号に基づいて支持棒３を回転させながら引き上げる動作を制御している。

ＭＦＣ１１は、コア用バーナ５ａおよびクラッド用バーナ５ｂに供給する原料ガスの流量制御を行なう装置である。ＭＦＣ１１は、制御部１３から送信されてくる制御信号に基づいて、原料ガスの供給量の制御を行なっている。原料ガスは、原料容器２１内に収容された液体原料を気化させたものが供給される。

堆積データ処理装置１２は、ＣＣＤカメラ７によって測定されたガラス微粒子堆積体Ｍのデータを処理する装置である。堆積データ処理装置１２は、ＣＣＤカメラ７によって測定されたガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａおよびその周囲近傍の輝度データの演算処理を行なっている。堆積データ処理装置１２は、連続した２点間の輝度変化率から微分波形を取得するとともに取得した微分波形からガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａの外周位置を算出している。堆積データ処理装置１２は、ＣＣＤカメラ７によって測定される輝度データに基づいて、ガラス微粒子が継続して堆積されている最中にオンタイムでガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａの外周位置を特定している。特定された先端部Ｍａのデータは、堆積データ処理装置１２に設けられた記憶部１２ａに記憶される。

制御部１３は、昇降回転装置１０、ＭＦＣ１１、ＣＣＤカメラ７等の動作を制御している。図示を省略するが、制御部１３は、制御を司るＣＰＵと、ＣＰＵに係る各種処理を実行するプログラムが保持されたＲＯＭとを備えている。ＣＰＵはプログラムにしたがって各動作を制御するための制御信号を昇降回転装置１０、ＭＦＣ１１、ＣＣＤカメラ７等に送信する。また、制御部１３は記憶部１３ａを備えており、記憶部１３ａには、例えば、ガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａの目標位置パターンのデータ、ガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度のデータ等が記憶されている。ここで、目標位置パターンとは、各堆積時間における先端部Ｍａの目標位置を示したパターンであり、予め設定されているパターンである。

次に、本例のＶＡＤ法によるガラス微粒子堆積体Ｍの製造方法について説明する。
先ず、昇降回転装置１０に支持棒３が取り付けられることにより、支持棒３の先端に取り付けられたガラスロッド４が反応容器２内に納められる。

ＭＦＣ１１は、制御部１３から送信される制御信号に基づき、原料ガス、火炎形成ガス、およびバーナシールガスを、コア用バーナ５ａおよびクラッド用バーナ５ｂに供給する。この実施形態では、ＭＦＣ１１は、設定した量の原料ガスを供給する。コア用バーナ５ａおよびクラッド用バーナ５ｂへは、原料ガス及び火炎形成ガスを投入し、原料ガスを加水分解反応させてガラス微粒子を生成する。そして、生成したガラス微粒子をガラスロッド４に対し吹き付けて、継続的にガラス微粒子を堆積させる。

ＣＣＤカメラ７は、制御部１３から送信される制御信号に基づき、ガラスロッド４に堆積されたガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａをモニターする。昇降回転装置１０は、制御部１３から送信される制御信号に基づき、ガラス微粒子堆積体Ｍの成長に合わせて、ガラス微粒子堆積体Ｍが堆積されたガラスロッド４を回転させながら引き上げる。

制御部１３は、ガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａが予め定められた目標位置パターンに沿って成長するように、ガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度の制御を行っている。図２は、先端部Ｍａの目標位置パターンの一例を示したものである。横軸にガラス微粒子の堆積時間を示し、縦軸に先端部Ｍａの目標位置を示す。縦軸において、目標位置０ｍｍの位置とは、定常段階でのガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａの目標位置を示している。また、目標位置のマイナス（−）方向は図１における上方向を示している。

図２に示すように、先端部Ｍａの目標位置パターンＸは、初期目標位置パターンＸａと、定常目標位置パターンＸｂとを有している。初期目標位置パターンＸａは、ガラス微粒子の堆積が開始された当初である初期段階からガラス微粒子が定常的に堆積される定常段階に移行するまでの期間における先端部Ｍａの目標位置を示す。これに対して、定常目標位置パターンＸｂは、ガラス微粒子が定常的に堆積される定常段階における先端部Ｍａの目標位置を示す。

初期目標位置パターンＸａは、目標位置が経時変化するパターンであり、この例では、初期段階における例えば堆積時間Ｔ１の目標位置が約−１６５ｍｍに定められており、定常段階に移行する堆積時間Ｔ２における目標位置がほぼ０ｍｍに定められている。また、初期目標位置パターンＸａの傾きは、０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲に含まれるように設定されており、初期段階では傾きが一定の大きい値に設定され、定常段階に近づくにしたがって傾きが徐々に小さい値になるように設定されている。

定常目標位置パターンＸｂは、初期目標位置パターンＸａに継続して設けられるパターンであり、目標位置が０ｍｍの固定した位置に定められており、その傾きは０ｍｍ／分に設定されている。

このように初期目標位置パターンＸａの傾きは定常段階に近づくにしたがって定常目標位置パターンＸｂの傾きに漸近するように設定されている。これにより、初期目標位置パターンＸａから定常目標位置パターンＸｂへと滑らかに目標位置のパターンが移行して、初期目標位置パターンＸａと定常目標位置パターンＸｂとによって連続した目標位置パターンＸが形成されている。

制御部１３は、堆積の初期段階、例えば図２の堆積時間Ｔ１の段階から目標位置パターンＸに基づいた引上速度の制御を行っている。制御部１３は、ＣＣＤカメラ７によってモニターされたガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａのデータを堆積データ処理装置１２の記憶部１２ａから読み出す。また、制御部１３は、先端部Ｍａの目標位置パターンＸのデータ、ガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度のデータを記憶部１３ａから読み出す。

制御部１３は、記憶部１２ａから読み出した先端部Ｍａの現在の位置のデータと、記憶部１３ａから読み出した目標位置パターンＸの現在の堆積時間における目標位置のデータとを比較し、両データの偏差を算出する。

制御部１３は、これらの算出したデータおよび読み出したデータ等に基づいて、先端部Ｍａを目標位置パターンＸに沿って成長させるための、ガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度を算出する。制御部１３は、算出した引上速度によってガラス微粒子堆積体Ｍの引き上げ動作を行うように、昇降回転装置１０の引上速度を制御する。これにより、目標位置パターンＸに沿って先端部Ｍａが成長するように形成されたガラス微粒子堆積体Ｍが製造される。

以上説明した本実施形態のガラス微粒子堆積体Ｍの製造方法により、ガラス微粒子堆積体Ｍの先端部Ｍａを予め定められた目標位置パターンＸに沿って成長させるようにガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度を制御すると、その引上速度は、図３に示す引上速度Ｙのようになる。

また、この引上速度Ｙの変化と対比するために、従来のレーザー光線を用いて引上速度の制御を行った場合の引上速度の変化を、図３に引上速度Ｚとして示す。レーザー光線を用いた制御の場合、堆積を開始した当初（Ｔ１からＴｚの期間）では、レーザー光線を用いた引上速度の制御は行なわれず、図３に示すように予め設定された一定の傾きの速度でガラス微粒子堆積体が引き上げられる。そして、堆積面がレーザー光線を遮る位置まで到達した時点（Ｔｚ）から堆積面の位置が一定に保持されるように引上速度Ｚの制御が開始される。この場合、制御が開始された時点（Ｔｚ時点）の引上速度は、引上速度と堆積面の位置を一定に保持するために必要な引上速度に比べて大幅に遅かったため、引上速度Ｚは堆積時間ＴｚにおいてＺ１からＺ２へと急激に速くなる方向へ制御される。このような引上速度Ｚの制御により、堆積面がレーザー光線を遮る位置に達してから暫らくの間は引上速度Ｚに変動（ハンチング）が発生し、この変動に伴いガラス微粒子堆積体の外径変動が生じる。

これに対して、引上速度Ｙの場合にはＣＣＤカメラ７を用いて引上速度Ｙの制御を行っており、その制御は、ガラス微粒子の堆積を開始した初期段階、例えば堆積時間Ｔ１から行われている。このため、初期段階の堆積時間Ｔ１から定常段階に移行する堆積時間Ｔ２までの間において、ガラス微粒子堆積体Ｍを引き上げる引上速度Ｙａを徐々に速くすることができ、定常段階に移行する堆積時間Ｔ２の際の引上速度Ｙａを、定常段階における引上速度Ｙｂと略一致する速度に制御することができる。この結果、初期段階から定常段階に亘って滑らかな引上速度Ｙの変化を実現することができ、定常段階に移行した際に大幅な引上速度の変動（ハンチング）が発生するのを抑制することができる。

上記のように引上速度の変動の発生を抑制することができるので、ガラス微粒子堆積体Ｍの長手方向において成長速度を安定化することができる。これにより、ガラス微粒子堆積体Ｍの外径を安定化させることができ、ガラス微粒子堆積体Ｍの生産性を向上させることができる。

図４に本実施形態の製造方法によって製造されたガラス微粒子堆積体Ｍの外径Ｐｙと、従来のレーザー光線を用いて制御することによって製造されたガラス微粒子堆積体の外径Ｐｚを示す。横軸の長手位置において左側が堆積の開始側を示す。外径Ｐｚと比較すると、図４に示すように、特に堆積の開始側において外径Ｐｙの変動は大幅に抑制されていることが確認できる。

また、初期目標位置パターンＸａは、０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲に含まれる傾きを有するように設定されており、堆積の初期段階においてもこの初期目標位置パターンＸａに沿って成長するように制御されている。これにより、初期段階における引上速度が高すぎたり低すぎたりすることなく、ガラス微粒子堆積体Ｍのさらに安定した製造が可能になり、生産性を向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所等は、本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、上記実施形態では、初期段階から定常段階に至る間、および定常段階に移行した後においてもＣＣＤカメラ７によってモニターする場合を例示した。しかし、これに限定されず、例えば、初期段階から定常段階に至るまでをＣＣＤカメラ７によってモニターし、定常段階に移行した後はレーザー光線を用いてモニターするように切り換えても良い。この場合には、先端部Ｍａの目標位置パターンＸは、定常段階における定常目標位置パターンＸｂを有している必要はなく、初期目標パターンＸａを含んで構成されていれば良い。

Ｍ：ガラス微粒子堆積体、Ｍａ：先端部、Ｘ：目標位置パターン、Ｘａ：初期目標位置パターン、Ｘｂ：定常目標位置パターン、１：ガラス微粒子堆積体の製造装置、２：反応容器、３：支持棒、４：ガラスロッド、５：ガラス微粒子生成用バーナ、５ａ：コア用バーナ、５ｂ：クラッド用バーナ、６：排気管、７：ＣＣＤカメラ（撮像装置）、１０：昇降回転装置、１１：マスフローコントローラ、１２：堆積データ処理装置、１３：制御部

Claims (4)

1. ガラス微粒子をロッドに吹き付けて軸方向に堆積させていくことによってガラス微粒子堆積体を形成するガラス微粒子堆積体の製造方法であって、
   少なくとも前記ロッドに前記ガラス微粒子を堆積させる初期段階から前記ガラス微粒子を略一定径で定常的に堆積させる定常段階に移行するまでの間における、前記ガラス微粒子堆積体の先端部の初期目標位置パターンを用意し、
   前記初期段階から前記ガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、当該先端部が前記初期目標位置パターンに沿って成長するように、前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御する、ガラス微粒子堆積体の製造方法。
2. 前記初期目標位置パターンは、前記定常段階に移行する際の前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度が、前記定常段階の前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度に略一致するように制御されるパターンに設定されている、請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
3. 前記定常段階における前記ガラス微粒子堆積体の先端部の定常目標位置パターンを用意し、前記定常段階においても前記ガラス微粒子堆積体の先端部を撮像装置によってモニターし、当該先端部が前記定常目標位置パターンに沿って成長するように、前記ガラス微粒子堆積体を引き上げる引上速度を制御する、請求項１または請求項２に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
4. 前記初期目標位置パターンは、０．３〜３．０ｍｍ／分の範囲に含まれる傾きを有するように設定されている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。

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