JP2015163572A - ガラスロッドの加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絞り加工による利用効率低下を防止するガラスロッドの加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】ガラスロッドの一部を加熱して軟化する軟化段階と、ガラスロッドに張力として作用する絞り荷重が予め定めた範囲を超えないことを条件とする絞り速度で、ガラスロッドの一端に対して他端を相対移動させて、ガラスロッドに絞り形状を形成する絞り段階とを備え、絞り段階において、絞り速度が上昇した場合に、ガラスロッドの加熱温度が低下するように調整する段階を有し、加工方法において、絞り速度に対応した加熱温度を予め格納した加熱温度テーブルを参照して、絞り段階におけるガラスロッドの加熱温度を決定する段階を有するガラスロッドの絞り加工方法および加工装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガラスロッドの加工方法および加工装置に関する。

光ファイバの製造においては、線引き工程に先立って、ガラスロッドの端部に紡錘形をなす絞り形状を有する絞り部を形成する「絞り」または「口出し」と呼ばれる加工段階がある。

［特許文献１］特開平５−０２４８７７号公報

ガラスロッドに絞り部を形成する過程で、ダミー棒の破断、装置の過負荷、絞り部の整形不良等が生じて、ガラスロッドの利用効率が低下する場合がある。

本発明の第１の態様においては、ガラスロッドの一部を加熱して軟化する軟化段階と、ガラスロッドに張力として作用する絞り荷重が予め定めた範囲を超えないことを条件とする絞り速度で、ガラスロッドの一端に対して他端を相対移動させて、ガラスロッドに絞り形状を形成する絞り段階とを備えるガラスロッドの加工方法が提供される。

本発明の第２の態様においては、ガラスロッドの一部を加熱して軟化する軟化部と、ガラスロッドに作用する絞り荷重が予め定めた範囲を超えないことを条件とする絞り速度で、ガラスロッドの一端に対して他端を相対移動させて、ガラスロッドに絞り形状を形成する絞り部とを備えるガラスロッドの加工装置が提供される。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

絞り加工装置１００による絞り加工のひとつの段階を示す概略図である。 絞り加工装置１００による絞り加工の他の段階を示す概略図である。 絞り加工装置１００による絞り加工のまた他の段階を示す概略図である。 絞り加工装置１００による絞り加工のまた他の段階を示す概略図である。 引取り部２１の駆動状態と、ロードセル１８の指示値の変化との関係を示すグラフである。 引取り部２１の駆動状態と、ロードセル１８の指示値の変化との関係を示すグラフである。 加熱装置７の設定温度と引取り部２１の駆動速度との関係を示すグラフである。 絞り部中心線のズレ量を示す概略図である。 絞り加工装置１００による他の絞り加工の段階を示す概略図である。 絞り加工装置１００による他の絞り加工の他の段階を示す概略図である。 キャリッジ４の上昇速度とステップ番号との関係を示すグラフである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
［実施例１］

図１は、ガラスロッド６の下端に絞り部２０を形成する絞り加工に用いる絞り加工装置１００の構造と、当該絞り加工装置１００を用いた絞り加工のひとつの段階を示す概略図である。絞り加工装置１００は、コラム１、キャリッジ４、トップチャンバ１１、加熱装置７、および架台１７を備える。

コラム１は、ガイドレール２およびボールネジ３を有する。ガイドレール２は、重力方向に延在して、キャリッジ４の移動方向を案内する。ボールネジ３は、ガイドレール２に沿ってキャリッジ４を駆動する。キャリッジ４の下部には吊下げシャフト５が取り付けられている。吊下げシャフト５には、ガラスロッド６が垂下される。

コラム１の下部には加熱装置７が配される。図示の加熱装置７は、ヒーター８、断熱材９、および炉体１０の他に、ヒーター８に電力を供給する電極等を有する電気炉として形成される。加熱装置７の熱源としては、ヒーター８に換えて、ガスバーナー等を用いてもよい。

ヒーター８、断熱材９等の材料をカーボンとする場合は、炉内に大気が混入すると炉材が損耗する。よって、少なくとも炉体１０の内部を不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。図示の絞り加工装置１００においては、炉体１０上部からの大気混入を防ぐ目的で、ガラスロッド６を覆うトップチャンバ１１が、トップチャンバ吊下げ機構１２を介してキャリッジ４に取り付けられている。また、炉体１０下部からの大気混入を防ぐ目的で、炉体１０底面における開口径を調整するシャッター１３が加熱装置７の底部に装着されている。

架台１７は、加熱装置７の下方に配される。架台１７は、ガイドローラー１４、引取り部２１、およびロードセル１８を有する。ガイドローラー１４は、引取りダミー１９またはガラスロッド６を挟むか否かについて開閉自在な２つ以上のローラーを含む。引取りダミー１９等を挟んだ場合、ガイドローラー１４は、引取りダミー１９の昇降に従って自由に回転する。ガイドローラー１４は、引取りダミー１９等を把持することにより、引取りダミー１９および引取りダミー１９に接続されたガラスロッド６を、図中水平方向について位置を決めする。

引取り部２１は、引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６を有する。引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６のそれぞれは、引取りダミー１９およびガラスロッド６の少なくとも一方を挟むか否かについて、個別に開閉自在な２つ以上のローラーを含む。これにより、ガラスロッド６および引取りダミー１９の外径が不連続な場合等に、複数の引取りローラーを使いわけて、ガラスロッド６の引取り速度を継続的に制御できる。また、複数の引取りローラーを、ガラスロッド６の引取り方向に配列することにより、引取り部２１全体として、ガラスロッド６を引取り始めてから引取り終わるまでの期間を長くして、ガラスロッド６の端から端まで制御を継続できる。

また、引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６のそれぞれは、モーター等により回転駆動され、把持した引取りダミー１９またはガラスロッド６を、図中水平方向に位置決めすると共に、図中上下方向に移動させる。なお、以降の説明において引取り部２１と記載した場合は、引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６の少なくとも一方を指すものとする。

ロードセル１８は、架台１７の図中下部に結合され、架台１７を下方から支持すると共に、架台１７に作用する正および負の荷重を測定する。ロードセル１８による荷重測定値は、引取り部２１が何も把持していない状態時をゼロ荷重として風袋引きしてある。よって、キャリッジ４および引取り部２１の少なくとも一方がガラスロッド６を昇降させた場合に、引取りダミー１９およびガラスロッド６にかかる荷重を測定できる。また、キャリッジ４および引取り部２１の少なくとも一方を駆動してガラスロッド６に絞り部を形成する場合に、ロードセル１８の測定値と、加熱装置７より下方に位置するガラスロッド６の重量とに基づいて、ガラスロッド６に作用する絞り荷重を算出できる。

ところで、ガラスロッド６を光ファイバ母材として用いる場合、光ファイバとして用いることができない非有効部分が、ガラスロッド６の端部に存在する。非有効部は、線引き工程に先立って加熱溶断して除去される。また、非有効部を取り除いたガラスロッド６の有効部の端部には、絞り加工により紡錘形の絞り形状が形成される。これにより、ガラスロッド６から光ファイバを円滑に線引きできる。

絞り加工装置１００を用いてガラスロッド６の絞り加工を実行する場合は、まず、ガラスロッド６の上端を、吊下げシャフト５の下端に結合して、トップチャンバ１１の内部にガラスロッド６を垂下させる。ここで、キャリッジ４は、ボールネジ３によりコラム１に沿って上昇しており、トップチャンバ１１は、図中上下方向に延伸している。また、ガラスロッド６は、その下端近傍が加熱装置７のヒーター８の内部に位置する。

図２は、絞り加工装置１００を用いた絞り加工の他の段階を示す概略図である。図示のように、ガラスロッド６に続いて、引取りダミー１９が絞り加工装置１００に装填される。引取りダミー１９は、ガイドローラー１４に案内されつつ、引取り部２１により駆動されて、加熱装置７に図中下側から進入する。

加熱装置７において、ガラスロッド６の下端は、ヒーター８により加熱されて軟化する。加熱装置７に進入した引取りダミー１９の上端は、軟化したガラスロッド６の下端に当接して、ガラスロッド６に接続される。こうして、ガラスロッド６と引取りダミー１９とが一体化する。ここまでの段階において、シャッター１３は、引取りダミー１９の外径に合わせて開口を狭めている。

図３は、絞り加工装置１００を用いた絞り加工のまた他の段階を示す概略図である。次に、ボールネジ３によりキャリッジ４を降下させることにより、ガラスロッド６と引取りダミー１９との接続部を、ヒーター８よりも下方に移動させる。この状態でヒーター８を稼働させることにより、ガラスロッド６自体の下端近傍の位置を加熱して、ガラスロッド６の一部を部分的に軟化した軟化部を形成する。

図４は、絞り加工装置１００を用いた絞り加工のまた他の段階を示す概略図である。続いて、キャリッジ４を固定した状態で、引取り部２１により引取りダミー１９を引き取ることによりガラスロッド６の一端に対して他端を移動させ、ガラスロッド６に絞り荷重としての張力を作用させる。これにより、ヒーター８の加熱で軟化した軟化部においてガラスロッド６が引き延ばされて、外径が漸減する絞り部２０がガラスロッド６に形成される。

なお、ガラスロッド６に絞り荷重が作用した状態であって、例えば、ガラスロッド６の軟化の程度に対して絞り荷重が過大になった場合、引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６のいずれかに把持された引取りダミー１９またはガラスロッド６が滑ってしまい、引取り速度の制御精度が低下する。よって、ガラスロッド６に作用させる絞り荷重は、ガラスロッド６または引取りダミー１９を把持する引取りローラーが滑り始める絞り荷重よりも低く設定してもよい。

また、ガラスロッド６に絞り荷重が作用した状態であって、例えば、ガラスロッド６の軟化の程度に対して絞り荷重が過剰に低い場合、引取り部２１による引取り速度に関わりなく、軟化したガラスロッド６が自重で融け落ちて絞り部２０に曲がりが生じる、絞り部２０の形状が通常と異なったものになる、等の現象が生じる。よって、ガラスロッド６に作用させる絞り荷重は、ロードセル１８の指示値が示す絞り荷重が、引取りダミー１９の重さと、絞り部２０より先端側の除去する部分の重さとの合計を超えないように設定してもよい。

更に、図示の状態においては、ガラスロッド６の下端近傍の一部が、加熱装置７の図中下端から抜け出る。この状態のガラスロッド６に対する干渉を防止する目的で、ガラスロッド６の外径に合わせてシャッター１３の開口を開いてもよい。

図５は、上記のような絞り加工の開始に至るまでの絞り加工装置１００の動作を示すグラフである。図示のグラフの横軸は、経過時間を示す。また、図示の上段のグラフにおける縦軸は、引取り部２１の動作方向および動作速度を示す。また、図示の下段のグラフにおける縦軸は、ロードセル１８の指示値を示す。

図１に示したように、当初、引取りダミー１９を接続される前のガラスロッド６の下端は、加熱装置７の内部に位置する。一方、ロードセル１８に支持された架台１７においては、加熱装置７の内部に上端が位置する引取りダミー１９を、引取りローラー（上）１５が保持する。よって、ロードセル１８は、引取りダミー１９の重量に相当する指示値を示す。図示の例では、図５の区間ａに示すように、ロードセル１８の指示値が１０ｋｇｆとなる。

次に、上記の状態で加熱装置７の温度を例えば２０００℃まで上げ、ガラスロッド６の下端と、引取りダミー１９の上端とを軟化させる。次いで、図５の区間ｂに示すように、引取りローラー（上）１５を駆動して引取りダミー１９を上昇させる。これにより、図２に示したように、引取りダミー１９の上端がガラスロッド６の下端に当接する。この時点で、図５のタイミングｃに示すピークのように、ロードセル１８の指示値は、引取りダミー１９の重量よりも大きくなる。

その後、ロードセル１８の指示値が大きくなりすぎないように引取りダミー１９の上昇速度を調整する。そのような制御は、例えば、ロードセル１８の指示値を目標値（例えば１５ｋｇｆ）として引取りローラー（上）１５の駆動速度をＰＩＤ制御することで実現できる。あるいは、図５の区間ｄに示すように、引取りダミー１９の上昇速度パターンを予め決めておいて、当該上昇速度パターンを踏襲するように引取りローラー（上）１５を駆動してもよい。次いで、上昇量が所定の値に達した時点で引取りダミー１９の上昇を停止することにより、図２に示したように、引取りダミー１９とガラスロッド６とを溶着する。

次に、加熱装置７の温度を例えば１３００℃程度まで低下させて、引取りダミー１９とガラスロッド６との溶着部を固化させる。このとき、軟化していたガラスが固化すると共に熱収縮するので、図５の区間ｅに示すように、ロードセル１８の指示値は低下する。

次に、引取りローラー（上）１５を開いて引取りダミー１９を解放した状態で、ボールネジ３によりキャリッジ４を下降させる。これにより、ガラスロッド６と引取りダミー１９を下降させて、図３に示したように、ガラスロッド６において絞り加工する部分を、加熱装置７のヒーター８の位置に合わせる。次いで、引取りローラー（上）１５を閉じて、ガラスロッド６に接続された引取りダミー１９を把持させる。この間、図５の区間ｆに示すように、ロードセル１８の指示値は零となる。

こうして、引取りダミー１９を接続したガラスロッド６が用意されたので、ガラスロッド６の絞り加工を開始できる状態になる。そこで、加熱装置７のヒーター８を稼働させてガラスロッド６の加熱を開始し、更に、引取りローラー（上）１５に駆動させて、引取りダミー１９を図中で降下する方向に移動させる。引取りローラー（上）１５による駆動は、図５の区間ｇに示すように、ロードセル１８の指示値が予め定めた駆動停止閾値（図示の例では−４０ｋｇｆ）に達した時点で停止する。

図５に示した区間ｇの終期に引取りローラー（上）１５が停止した時点で、ガラスロッド６には引張り力が作用している。ガラスロッド６に絞り部２０を形成する場合は、例えば、ガラスロッド６を２１００℃に加熱して絞り加工する。しかしながら、ガラスロッド６の温度が絞り加工の温度に達していない場合、ガラスロッド６は、軟化せずに固い状態のまま熱膨張する。このため、図５の区間ｈ１に示すように、ガラスロッド６に作用する引張り力は一旦弱まり、ロードセル１８の指示値は増加する。

次に、増加したロードセル１８の指示値が予め定めた駆動開始閾値（図示の例では１０ｋｇｆ）に達すると、引取りローラー（上）１５が再度駆動して、引取りダミー１９を図中で降下する方向に移動させる。引取りローラー（上）１５による駆動は、図５の区間ｋ１に示すように、ロードセル１８の指示値が上記の駆動停止閾値（図示の例では−４０ｋｇｆ）に達するまで継続する。これにより、ロードセル１８の指示値が再び上昇する。

以降は、図５の区間ｈ〜ｈ７および区間ｋ２〜ｋ６に示すように、ロードセル１８の指示値が駆動開始閾値に達すると引取りローラー（上）１５を駆動させ、ロードセル１８の指示値が駆動停止閾値に達した時点で引取りローラー（上）１５の駆動を停止させる動作を繰り返す。このように引取りローラー（上）１５の駆動と停止を、ロードセル１８の指示値を基準として繰り返すうちに、ガラスロッド６の温度が上昇して、ガラスロッド６が軟化する。

これにより、引取りローラー（上）１５が引取りダミー１９を降下させる駆動時間が相対的に長くなり、ガラスロッド６が延伸するのを待って引取りローラー（上）１５が停止する時間が相対的に短くなる。そこで、図５の区間ｋ７に示すように、引取りローラー（上）１５が引取りダミー１９を降下させる駆動時間が、予め定めた閾値時間（例えば１分間）を超えても、ロードセル１８の指示値が駆動停止閾値に達しない状態になった場合、ガラスロッドが十分に軟化したと判断して、絞り加工装置１００の動作は、図４に示した絞り加工に移行する。こうして、絞り加工装置１００において、ガラスロッド６の絞り加工が開始される。

このように、絞り加工装置１００を用いて絞り加工をする場合は、加熱したガラスロッド６に継続的な絞り荷重を掛けて絞り加工する前に、ガラスロッドに僅かわずかな引張り張力を作用させた状態で引張り操作を停止し、その後の絞り荷重の変化を検知することによりガラスロッドの軟化の状態を判断する段階を設けてもよい。これにより、ガラスロッドの軟化が足りないうちに絞り加工を開始した場合に、わずかな引張り操作により過大な絞り荷重が発生し、吊下げシャフト５や吊下げダミー等に機械的なダメージを生じることが防止できる。

図６は、図５に示した段階に続いて、ガラスロッド６を絞り加工する絞り加工装置１００の動作を示すグラフである。図示のグラフの横軸は、経過時間を示す。図示の上段におけるグラフの縦軸は、加熱装置７におけるヒーター８の設定温度の変化を示す。図示の中段のグラフにおける縦軸は、引取りローラー（上）１５および引取りローラー（下）１６を併せた引取り部２１の動作方向および動作速度を示す。図示の下段のグラフにおける縦軸はロードセル１８の指示値を示す。

絞り加工装置１００においてガラスロッド６の絞り加工が開始されると、引取り部２１により駆動される引取りダミー１９およびガラスロッド６の下端近傍の移動速度である絞り速度は、ガラスロッド６に対する絞り荷重の値として設定された目標値によりＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）制御される。ここで、ガラスロッド６の絞り荷重は、ロードセル１８の指示値として検出できる。

これにより、ガラスロッド６に形成される絞り部２０にかかる張力（絞り荷重）が略一定となるように、絞り速度が制御される。ここで言う絞り速度とは、引取り部２１によるガラスロッド６端部の牽引速度を意味し、ガラスロッド６両端間の離間速度でもある。このように、ガラスロッド６に対する絞り荷重を略一定に制御することにより、絞り部２０の過度な軟化による絞り部２０の曲がりや垂れを防止できる。

絞り加工装置１００における絞り速度のＰＩＤ制御においては、絞り加工を開始した当初の期間と、ガラスロッド６に継続的な絞り荷重をかける絞り加工中の期間とでＰＩＤパラメータを変えてもよい。絞り加工を開始した当初の期間は、ガラスロッド６の加熱が不十分でガラスロッド６の粘度が高い場合があり、そのような場合は、僅かな絞り荷重の変化に対して、絞り速度が大きく変化する鋭いＰＩＤパラメータを用いると、制御が安定しにくい。よって、絞り加工を開始した当初の期間は、図６に示す期間ｍのように、比例ゲインが低く、感度の鈍いＰＩＤパラメータを用いることにより、安定した絞り荷重で絞り加工を実行できる。

また、ガラスロッド６が十分に加熱されると、引取り部２１による引取りダミー１９の駆動速度が徐々に大きくなり、ガラスロッド６に継続的な絞り荷重をかけて絞り加工ができる状態になる。この期間は、図６に示す期間ｎのように、絞り加工の開始当初の期間よりも比例ゲインが高く、感度の鋭いＰＩＤパラメータにより、絞り荷重の変化に対してより大きく絞り速度を変化させる高精度なＰＩＤ制御ができる。図示の例では、引取り部２１の駆動速度は、ロードセルの指示値を略一定（例えば３０ｋｇｆ）とするようにＰＩＤ制御される。

なお、ＰＩＤパラメータの切り替えタイミングは、例えば引取り部２１による引取りダミー１９の駆動速度が予め決めた閾値を越えたときに行ってもよい。また、ロードセルの指示値が制御値よりも予め決めた値（例えば２０ｋｇｆ）だけ大きくなったとき（図示の例では−１０ｋｇｆ）に行ってもよい。

なお、絞り加工の開始当初の期間と継続的な絞り加工との間でＰＩＤパラメータを切り替えるタイミングは、例えば、絞り加工装置１００による絞り速度を基準とすることができる。即ち、絞り荷重により定めた目標値により絞り速度をＰＩＤ制御した場合、加熱によりガラスロッド６が軟化するにつれて絞り速度が上昇するので、絞り速度が予め定めた閾値に達した時点で、ＰＩＤパラメータを切り換えることにより、制御の過大なハンチングを起こさずに絞り操作を継続できる。

また、絞り加工中のＰＩＤパラメータは、ガラスが十分に軟化しているため、絞り開始時よりも比例ゲインを強くした、鋭いＰＩＤパラメータを用いるとロードセル指示値が安定しやすい。なお、絞り加工を進めて行くと、ガラスロッド６における被加熱部の外径が小さくなり、ロードセル１８の指示値を一定に保つために引取り部２１の駆動速度が上昇する。ここで、図６の区間ｎに示すように、引取り部２１の駆動速度に応じて加熱装置７の温度を徐々に下げてガラスの粘度を上昇させ、引取り部２１による引取りダミー１９の駆動速度が過度に大きくなることを防止してもよい。これにより、ガラスロッド６における絞り部２０の長さの制御が困難になることを回避できる。

上記絞り加工において、制御した絞り速度に応じてガラスロッド６の加熱量を調整してもよい。例えば、絞り加工において、ガラスロッド６の一端を引き取る絞り速度が上昇した場合、ガラスロッド６の加熱温度が低下するように調整して、絞り速度を抑制できる。また、ガラスロッド６の絞り速度が低下した場合は、ガラスロッド６の加熱温度が上昇するように調節することにより、絞り速度を上昇させることができる。

加熱量の調整は、例えば、絞り速度と加熱量との関係を関数あるいはテーブルなどで予め設定し、これを参照して加熱量を調整することにより、絞り速度の増減に対応した加熱量を迅速に決定できる。例えば、加熱装置が電気ヒーターの場合は、設定温度や電流、電圧、電力値で行い、加熱装置がバーナーの場合には、燃焼ガスあるいは支燃ガスの流量や流路の選択で行うことができる。これにより、絞り加工の進行に従って絞り部の径が縮小した場合に上昇する絞り速度を加熱量により調整して、絞り速度の過度の上昇を抑制できる。

ガラスロッド６に口出し部を形成する絞り加工において、ガラスロッドの口出し位置付近の加熱を、予め設定した加熱時間の経過により管理した場合は、加熱装置７の状態により加熱能力が変化した場合、あるいは、ガラスロッド６の外径のばらつきにより、ガラスロッド６の軟化が不足する場合がある。軟化が不十分な状態でガラスロッド６を引っ張ると、相対的にガラスロッド６よりも細いダミー棒の破断、絞り加工装置１００の故障等が生じる場合がある。

また、ガラスロッド６が軟化し過ぎた場合は、溶融したガラスが重力により垂れて、ガラスロッド６における絞り部２０先端の口出し部が曲がってしまう場合がある。特に、ガラスロッド６の上部に口出し部を形成した場合、長尺のガラスロッド６の中央を加熱して、上下に２分割しつつその両端に口出し部を形成した場合には、過度の軟化による口出し部の同芯度が悪化する。

図７は、引取り部２１により引取りダミー１９を駆動する場合の駆動速度と、加熱装置７によるガラスロッド６の加熱温度との関係を例示するグラフである。図示のような関係を予め決定して記録したテーブルを用意し、絞り加工装置１００においてガラスロッド６を加熱する場合に参照することにより、加熱装置７の制御を簡素化できる。ただし、加熱装置７による温度調整は必ず必要なものではなく、絞り部２０の長さに対する要求精度が低い場合や、絞り部２０の目標径が比較的太く、絞り加工開始直後に加熱を停止する場合は、絞り工程中の温度調整を省略してもよい。

再び図６を参照すると、絞り加工装置１００を用いた絞り加工においては、引取りダミー１９の引き下げ長さが所定の値に達した時点で、図６に示す区間ｐのように、加熱装置７の加熱を停止してもよい。この時点では引取り部２１による引取りダミー１９の駆動を停止せず、ロードセル１８の指示値を目標としたＰＩＤ制御を継続する。

加熱装置７による加熱を停止した後は、ガラスロッド６の温度が低下するに連れて、ガラスロッド６の粘度が上昇する。粘度の上昇に伴い、引取りローラーの駆動速度の小さな変動に対してロードセル１８の指示値が大きく変化するようになるので、加熱を停止した後であって、ガラスロッド６の粘度がある程度上昇した時点でＰＩＤパラメータを絞り加工の終盤に適したパラメータに切り換えてもよい。

ここで、ＰＩＤパラメータを切り替えるタイミングは、例えば引取り部２１による引取りダミー１９の駆動速度が、予め決めた閾値を下回った場合にしてもよい。また、ロードセルの指示値のハンチング周期が予め決めた値よりも小さくなった場合に、ＰＩＤパラメータを切り替えてもよい。絞り加工の終盤に設定するＰＩＤパラメータを、絞り加工中よりも比例ゲインを低くした鈍いＰＩＤパラメータにすることにより、図６に示す区間ｑのように、ロードセル１８の指示値を安定させることができる。

更に、加熱装置７の温度が予め設定した温度（例えば１３００℃）まで下がった時点で引取り部２１の駆動を完全に停止する。このとき、ガラスロッド６が固化し切っていない場合は、絞り部２０よりも図中下方に位置する部分の荷重が徐々にロードセル１８にかかるので、図６に示す区間ｒのように、ロードセル１８の指示値が一旦上昇する。しかしながら、ガラスロッド６が固化し切った後は、ガラスロッド６の熱収縮に伴って引取り部２１を持ち上げる力が生じるので、図６に示す区間ｓのように、ロードセル１８の指示値が低下する。

こうして、絞り加工装置１００を用いて、ガラスロッド６の絞り加工が完了する。上記のように、ロードセル１８の指示値の低下によりガラスロッド６の完全な固化を確認した後、図６に示す区間ｔのように、引取り部２１により引取りダミー１９を解放してから、キャリッジ４によりガラスロッド６を引き下げ、絞り部２０をガラスロッド６から切断もしくは溶断により除去して、ガラスロッド製品とすることができる。
［作製例１］

絞り加工装置１００を用いて、図１〜図７を参照して説明した手順に従って絞り加工を実行し、ガラスロッド６の端部に絞り部２０を形成した。用いたガラスロッド６は、外径が略一定の直胴部において外径φ１５０ｍｍ、絞り加工装置１００に装填した状態で下端側の外径φ１２０ｍｍの物を用いた。ガラスロッド６に接続した引取りダミー１９は、長さは２３１４ｍｍ、外径はφ５０ｍｍ、重量１０ｋｇｆであった。また、引取りダミー１９において、ガラスロッド６に接続する上端は、僅かに凸型になるように研削した。

ガラスロッド６に対する引取りダミー１９の溶着は、加熱装置７の設定温度を２０００℃として、ロードセル１８の指示値が約１５ｋｇｆとなるように制御しながら、引取りダミー１９がガラスロッド６に接触してからの上昇量が２５ｍｍとなるまで引取りダミー１９を上昇させ、その後、加熱装置７の設定温度を１３００℃にして溶着部分を固化させた。

絞り加工装置１００において、まず、引取りローラー（上）１５を開いてからキャリッジを２５０ｍｍ下降させて、ガラスロッド６において絞り部２０とする部分を加熱装置７の中に移動した。次に、引取りローラー（下）１６を閉じて、引取りダミー１９を把持させた。次いで、加熱装置７の設定温度を２１００℃として、ガラスロッド６を加熱し、加熱装置７の内部において引取りダミー１９を部分的に軟化させた。

次に、ロードセル１８指示値による駆動停止閾値を−４０ｋｇｆ、駆動開始閾値を−１０ｋｇｆとして、ガラスロッド６に与える張力を制御しつつ、引取り部２１を１ｍｍ／分の速度で下方向に間欠駆動してガラスロッド６の軟化を待った。引取り部２１により引取りダミー１９を駆動して１分間引き下げても、ロードセル１８の指示値が駆動停止閾値に達しなくなった時点で、絞り加工装置１００の動作を絞り段階へ移行した。加熱装置７の設定温度を２１００℃にしてから、絞り加工を開始するまでの軟化待ちの時間は、加熱装置７の温度が２１００℃に到達してから１５分であった。

絞り加工装置１００における絞り工程では、ロードセル１８の指示値による絞り荷重で−３０ｋｇを目標値として、引取り部２１の駆動速度をＰＩＤ制御した。絞り加工開始当初の期間は、ＰＩＤパラメータを、Ｐ＝３５０、Ｉ＝１５、Ｄ＝０とした。絞り加工中のＰＩＤパラメータは、Ｐ＝１５０、Ｉ＝１５、Ｄ＝０とした。なお、絞り加工中の加熱装置７の温度設定は、引取り部２１による駆動速度と、図７に示した対応表とを参照して決定した。に従って加熱炉の設定温度を変更した。

その後、引取りダミーの引き下げ長が１２０ｍｍとなった時点で加熱装置７のヒーター８を停止し、引き続き絞り加工を行いながら、引取り部２１の駆動速度が１ｍｍ／分を下回った時点で、ＰＩＤ制御のＰＩＤパラメータを、絞り加工中のパラメータから絞り終盤のパラメータへ切り替えた。絞り加工終盤のＰＩＤパラメータは、Ｐ＝８００、Ｉ＝１５、Ｄ＝０とした。絞り開始時から絞り加工中へのＰＩＤパラメータの切替は、引取りローラーの駆動速度が６ｍｍ／分を越えた時点で行った。

最終的にガラスが固化した時点で、絞り部２０の長さは２２０ｍｍであった。また、絞り部２０の最細部の外径はおよそφ２５ｍｍであった。ガラスロッド６を絞り加工装置１００から取り出して絞り部２０の最細部をダイヤモンドカッターで切断し、絞り加工を終了した。得られたガラスロッド６において、絞り部２０の形状精度を示す指標として、図８に示すように、ガラスロッド６の直胴部の中心線と、絞り部２０先端の中心線とのズレ量ｄを測定したところ、０．６ｍｍと極めて小さかった。
［比較例１］

作製例１と同じ仕様のガラスロッド６および引取りダミー１９を用いて、比較例１としてのガラスロッド６を絞り加工した。ガラスロッド６に引取りダミー１９を接続するまでの手順も、作製例１と同様に実行した。

比較例１においては、ガラスロッド６に引取りダミー１９を接続した後、ガラスロッド６において絞り部２０となる部分を加熱装置７の中にセットした。次に、加熱装置７を２１００℃まで昇温させた後、２５分間にわたってガラスロッド６を加熱してから、引取り部２１を２０ｍｍ／分の速度で８分間下向きに駆動させて加熱を停止した。更に、さらに引取り部２１の駆動を３分間続けてから停止した。

このように、処理時間により管理して絞り加工したガラスロッド６において、形成された絞り部２０最細部の外径はおよそφ２５ｍｍであった。ガラスロッド６を絞り加工装置１００から取り出して、絞り部２０の最細部をダイヤモンドカッターによって切断した。当該切断により形成された切断面における中心と、図８に示した、ガラスロッド６の直胴部の中心線とのズレ量を測定したところ、絞り部２０の先端における中心のズレ量ｄは１．８ｍｍと、作製例１よりも大きかった。
［比較例２］

使用したガラスロッド６および引取りダミー１９の仕様は作製例１と同様のものを用い、ガラスロッド６に引取りダミー１９を接続するまでの段階も、作製例１と同様にして、ガラスロッド６の絞り加工を試みた。ガラスロッド６に引取りダミー１９を接続した後、ガラスロッド６において絞り部２０となる部分を加熱装置７の中にセットして、ガラスロッド６を２１００℃まで昇温した。その後、１５分間加熱してから、引取り部２１を２０ｍｍ／分の速度で下向きに駆動させたところ、引取りダミー１９とガラスロッド６との溶着面が剥がれ、ガラスロッド６に絞り部２０を形成できなかった。
［実施例２］

図９は、絞り加工装置１００を用いた他の絞り加工方法を説明する図である。図示の例では、ガラスロッド６を絞り加工して、ガラスロッド６の図中上端に絞り部２０を形成する。

なお、ガラスロッド６の一端を固定し、他端を移動させて絞り加工する場合は、固定されている側に形成される絞り部２０に対して、移動する側の絞り部の方が長くなる傾向がある。このため、ガラスロッド６の図中上端に絞り部２０を形成する場合は、ガラスロッド６の直胴部側を固定し、ガラスロッド６の上端側を移動させて絞り部２０を形成することにより、絞り部２０の長さを抑制できる。

まず、絞り加工装置１００において、ガラスロッド６の図中上端を吊下げシャフト５に接続する。次いで、ボールネジ３によりキャリッジ４を駆動して、ガラスロッド６において絞り部２０を形成する部分を、加熱装置７の内部に移動させた後、引取りローラー（下）１６によりガラスロッド６を保持して、ガラスロッド６の下端側を固定する。なお、本実施例の方法においては、引取りダミー１９は用いない。

次に、キャリッジ４および引取りローラー（下）１６を固定したまま加熱装置７を稼働させてガラスロッド６を加熱する。加熱によるガラスロッド６の軟化が十分か否かは、キャリッジ４または引取り部２１によりガラスロッド６に張力を間欠的に作用させることにより、図５を参照して説明したように確認できる。

次いで、加熱により軟化したガラスロッド６に対して、絞り部２０を形成する絞り加工段階が開始される。図１０は、絞り加工装置１００によるガラスロッド６に対する絞り加工段階を示す概略図である。絞り加工段階においては、キャリッジ４または引取り部２１を駆動することによりガラスロッド６に張力を作用させる。本実施例では、キャリッジ４を上昇させることによりガラスロッド６に張力を作用させて、ガラスロッド６に絞り部２０を形成できる。

上記の方法によれば、ガラスロッド６に引取りダミー１９を溶着する段階を省くことができる。このため、絞り加工に要する時間を短縮できると共に、引取りダミー１９の消費も回避できる。よって、製品として吊下げダミーが必要ない場合に、コストおよび生産性の面で有利である。

なお、上記の例では、引取り部２１を固定して、キャリッジ４を駆動してガラスロッド６に絞り荷重を発生させた。しかしながら、引取り部２１を動作させてガラスロッド６に絞り荷重を発生させることもできる。また、キャリッジ４および引取り部２１を両方動作させて、ガラスロッド６に絞り荷重を発生させながら、加熱装置７による加熱位置を調整することもできる。

更に、例えば、ひとつのガラスロッド６を長さ方向に分割してそれぞれに絞り部２０を形成する場合は、キャリッジ４と引取り部２１とを同時に動作させて、分割する位置に対して上下でガラスロッド６が互いに遠ざかるように移動させる。これにより、分割したガラスロッド６のそれぞれに、短い絞り部２０が形成される。このようにして形成した短い絞り部２０を有するガラスロッド６は、ストロークの短い線引き機でも線引きできるので使いやすい。

上記の方法において、キャリッジ４の上昇速度は、次に説明するようにステップ制御してもよい。図１１は、絞り加工段階におけるキャリッジ４の上昇速度をステップ制御する場合に参照するキャリッジ４の上昇速度とステップ番号との関係を示すグラフである。

キャリッジ４の上昇速度をステップ制御する場合、制御対象の上昇速度に対して、ガラスロッド６の絞り荷重について，低速側の閾値と高速側の閾値とを設定する。本実施例では、低速側閾値を−４０ｋｇｆ、高速側閾値を−１０ｋｇｆと設定した。

上昇速度を制御する場合は、まず、最初のステップ番号に対応するキャリッジ上昇速度でキャリッジ４を上昇させ、ロードセル１８の指示値を読む。ここで、ロードセル１８の指示値が上記の高速側閾値を上回った場合は、図１１に示したグラフにおいてステップ番号を１つ増やす。これにより、キャリッジ４の上昇速度が上昇する。一方、キャリッジ４が上昇している場合にロードセル１８の指示値が低速側閾値を下回った場合は、図１１に示したグラフにおいてステップ番号を１つ減らす。これにより、キャリッジ４の上昇速度は低下する。

上記のようにステップ制御によると、ロードセルの指示値、即ち、ガラスロッド６にかかる張力である絞り荷重の変動は、予め定めた低速側閾値と高速側閾値との間の範囲に収まる。よって、過大なハンチングが生じないので、絞り加工によりガラスロッド６に過大な絞り荷重がかかることが防止される。また、絞り加工装置１００の稼働にＰＩＤ調節計が不要になるので、設備コストも低減される。

なお、上記の方法において、ロードセル１８の配置は、架台１７の下に限られるわけではない。例えば、キャリッジ４にロードセル１８を取り付けて、吊下げシャフト５にかかる荷重を測定することによってガラスロッド６にかかる絞り荷重を検出してもよい。また、ガラスロッド６の上端に絞り部２０を形成する上記のような場合であっても、キャリッジ４の上昇速度を、第一の実施形態と同様に、ロードセル１８の指示値を目標としてＰＩＤ制御してもよいことはもちろんである。
［作製例２］

絞り加工装置１００を用いて、図９〜図１１を参照して説明した実施例２の手順に従って、ガラスロッド６の上端部に絞り部２０を形成した。絞り加工したガラスロッド６は、外径φ１８０ｍｍの直胴部を有していた。

まず、絞り加工装置１００において、吊下げシャフト５の下端にガラスロッド６を接続した。次いで、ボールネジ３によりキャリッジ４を降下させて、絞り部２０となる部分を加熱装置７の中に移動し、設定温度を２１００℃でガラスロッド６を加熱した。

次に、ロードセル１８の指示値による駆動停止閾値を−４０ｋｇｆ、駆動開始閾値を−１０ｋｇｆとしてガラスロッド６に加わる張力を制御しながら、キャリッジを１ｍｍ／分の速度で上方向に間欠駆動させてガラスロッド６の軟化を待った。やがて、１ｍｍ／分の速度で１分間キャリッジ４を駆動し続けても駆動停止閾値に達しなくなった時点で、絞り加工装置１００の動作を絞り段階へ移行した。なお、加熱装置７が設定温度に達してから絞り加工段階に移行するまでの軟化待ちの時間は１９分であった。

絞り加工段階においては、低速側における絞り荷重の閾値を−４０ｋｇｆ、高速側の絞り荷重の閾値を−１０ｋｇｆに設定し、図１１に示したステップ番号とキャリッジ４の上昇速度との関係に従ってキャリッジ４の上昇速度を決定した。最初のステップ番号のキャリッジ上昇速度から開始して、ロードセル１８の指示値が高速側の絞り荷重の閾値を上回った時点でステップ番号を１つ増やし、キャリッジ４の上昇速度を上昇させた。また、ロードセル１８の指示値が低速側における絞り荷重の閾値を下回った時点でステップ番号を１つ減らし、キャリッジ４の上昇速度を下げた。これにより、ロードセル１８の指示値の変動は、−１０〜−４０ｋｇｆの範囲に収まった。

ガラスロッド６の軟化が進行してキャリッジ４の上昇量が６０ｍｍを越えた時点で、加熱装置７を停止させた。ただし、ロードセル１８の指示値に基づいて絞り速度を管理しつつ、ボールネジ３によるキャリッジ４の駆動を継続した。ガラスロッド６の温度の低下に従ってキャリッジ４の上昇速度は徐々に下がった。やがて、キャリッジ４の上昇量が１０５ｍｍになった時点でキャリッジ４の上昇を停止した。

こうして絞り加工したガラスロッド６において、絞り部２０の外径はおよそφ５０ｍｍであった。ガラスロッド６を絞り加工装置１００から取り出して、絞り部２０の最細部をダイヤモンドカッターで切断し、図８に示した通りの方法で測定したガラスロッドの中心線からの絞り部先端中心線のズレ量ｄは０．３ｍｍと極めて小さかった。
［比較例３］

作製例２と同じ仕様のガラスロッド６を絞り加工して、絞り部２０を形成した比較例３を作製した。絞り加工段階を開始するのでの手順は、作製例２と同様に実行した。

比較例３においては、ガラスロッド６において絞り部２０となる部分を加熱装置７の中にセットして、２１００℃まで昇温した後、４０分間加熱してから、キャリッジを１５ｍｍ／分の速度で４分間上向きに駆動させて加熱を停止した。更に、キャリッジの駆動を３分間続けてから停止した。ガラスロッド６に形成された絞り部２０の外径はおよそφ５０ｍｍであったが、絞り部２０は座屈して、くの字型に湾曲していた。絞り加工装置１００からガラスロッド６を取り出して、絞り部２０の最細部をダイヤモンドカッターによって切断した後、図８に示すようにして測定したガラスロッドの中心線からの絞り部２０の先端中心線のズレ量ｄを測定したところ、２５ｍｍあった。

上記の通り、ガラスロッド６を絞り加工する場合に、ガラスロッド６に形成される絞り部２０にかかる張力（絞り荷重）が略一定となるように絞り速度を制御することにより、絞り部２０の曲がりおよび中心線のズレ量ｄを抑制できることが判った。また、ガラスロッド６の加熱不足に起因する引取りダミー１９、吊下げシャフト５、吊下げダミー等の破損を防止できる。よって、高精度に形成された絞り部２０を有するガラスロッド６を安定に製造できる。上記の方法は、ＭＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ロッドインチューブ法などのいずれの方法で製造されたガラスロッドにも適用できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１ コラム、２ ガイドレール、３ ボールネジ、４ キャリッジ、５ 吊下げシャフト、６ ガラスロッド、７ 加熱装置、８ ヒーター、９ 断熱材、１０ 炉体、１１ トップチャンバ、１２ トップチャンバ吊下げ機構、１３ シャッター、１４ ガイドローラー、１５ 引取りローラー（上）、１６ 引取りローラー（下）、１７ 架台、１８ ロードセル、１９ 引取りダミー、２０ 絞り部、２１ 引取り部、１００ 絞り加工装置

Claims (14)

1. ガラスロッドの一部を加熱して軟化する軟化段階と、
   前記ガラスロッドに張力として作用する絞り荷重が予め定めた範囲を超えないことを条件とする絞り速度で、前記ガラスロッドの一端に対して他端を相対移動させて、前記ガラスロッドに絞り形状を形成する絞り段階と
   を備えるガラスロッドの加工方法。
2. 前記絞り荷重の範囲は、前記ガラスロッドを把持して移動させる工具が前記ガラスロッドに対して滑り始める絞り荷重よりも低く、且つ、前記ガラスロッドから前記工具にかかる絞り荷重が、当該ガラスロッドにおいて加熱により軟化した部分よりも重力方向について下方の部分の重量に達しないことを条件として定められる請求項１に記載のガラスロッドの加工方法。
3. 前記絞り段階において、絞り速度が上昇した場合に、前記ガラスロッドの加熱温度が低下するように調整する段階を含む請求項１または２に記載のガラスロッドの加工方法。
4. 前記絞り段階において、絞り速度が低下した場合に、前記ガラスロッドの加熱温度が上昇するように調整する段階を含む請求項１から３のいずれか一項に記載のガラスロッドの加工方法。
5. 前記絞り速度に対応した加熱温度を予め格納した加熱温度テーブルを参照して、前記絞り段階における前記ガラスロッドの加熱温度を決定する段階を有する請求項４に記載のガラスロッドの加工方法。
6. 前記絞り速度は、前記絞り荷重を目標値としてＰＩＤ制御される請求項１から５のいずれか一項に記載のガラスロッドの加工方法。
7. 前記絞り速度は、前記ガラスロッドが軟化するまでの期間に、前記ガラスロッドが軟化した後の期間よりも感度が鈍いＰＩＤパラメータでＰＩＤ制御される請求項６に記載のガラスロッドの加工方法。
8. 前記ＰＩＤパラメータは、前記絞り速度が予め定められた閾値に達した時点で切り替えられる請求項７に記載のガラスロッドの加工方法。
9. 前記絞り速度は、前記ガラスロッドの加熱終了よりも後の期間に、前記ガラスロッドの加熱が継続する期間よりも感度が鈍いＰＩＤパラメータでＰＩＤ制御される請求項６に記載のガラスロッドの加工方法。
10. 前記ＰＩＤパラメータは、前記絞り速度が予め定められた閾値に達した時点で切り替えられる請求項９に記載のガラスロッドの加工方法。
11. 前記絞り速度をステップ番号毎に段階的に対応付けた絞り速度テーブルと、前記絞り荷重の低速側閾値と、前記絞り荷重の高速側閾値とをそれぞれ設定する段階を更に備え、
    前記絞り段階において、前記絞り速度を、前記絞り荷重が前記低速側閾値を達した場合はひとつ減らした前記ステップ番号に対応した速度とし、前記絞り荷重が前記高速側閾値に達した場合はひとつ増やした前記ステップ番号に対応した速度とするステップ制御を実行する請求項１から５のいずれか一項に記載のガラスロッドの加工方法。
12. 前記ガラスロッドの一端を他端から引き離した場合に、前記ガラスロッドに作用する張力が予め定めた閾値張力に達するまでの時間を計測する段階と、
    予め定めた閾値時間が経過しても前記張力が前記閾値張力に達しない場合に、前記ガラスロッドが軟化したと判断する段階と
    を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のガラスロッドの加工方法。
13. ガラスロッドの一部を加熱して軟化する軟化部と、
    前記ガラスロッドに作用する絞り荷重が予め定めた範囲を超えないことを条件とする絞り速度で、前記ガラスロッドの一端に対して他端を相対移動させて、前記ガラスロッドに絞り形状を形成する絞り部と
    を備えるガラスロッドの加工装置。
14. 前記ガラスロッドに作用する張力を検出するロードセルを備える請求項１３に記載のガラスロッドの加工装置。

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