JP3959647B2 - ガラスパイプの拡径方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスパイプを加熱し軟化させて所定の径に膨らませるガラスパイプの拡径方法に関する。

従来、各種の用途に応じて、円筒状のガラスパイプを膨らませて所定の径とすることが行われている。例えば、光ファイバ母材を製造するための工程において、ガラスパイプを所望の径となるように精度良く拡径する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ガラスパイプを膨らませて拡径するには、例えば図４に示すような加工装置が用いられている。
この加工装置５０では、ガラスパイプＧの両端をチャック５１によって把持してその軸回りに回転させつつ、一端側（図中左側）から窒素ガスを吹き込んでガラスパイプＧの内側を加圧し、一端側から他端側（図中右側）へバーナ５３を移動させてガラスパイプＧの長手方向に沿って加熱する。これにより、ガラスパイプＧは、加熱により軟化された部分が一端側から順次膨らませられて、長手方向にわたって所定の径に拡径される。

特開昭６２−１６２６３２号公報

ところで、ガラスパイプＧの内側の圧力は、加熱されることによるガスの熱膨張によって変動する。ガラスパイプＧの内側の圧力は、ガラスパイプＧが膨らむ度合を左右する要因である。そのため、作業者は、ガラスパイプＧの一端側に設けられたガスの導入路５３の圧力を、圧力計５４により監視しながら、導入路５３に接続された排出路５６の弁５７を調整し、ガラスパイプＧ内の圧力が一定となるように図っていた。

しかしながら、このような圧力の調整は、その作業者のスキルに頼って行われているため、仕上がったガラスパイプの形状精度は、その作業者によって差が発生してしまう。

また、外径測定器によってガラスパイプＧの外径が一定となるように、ガラスパイプＧ内の圧力やバーナ５２の移動速度を調整することも考えられる。しかし、この場合、既に拡径されて硬化した部分を測定したのでは、仕上がり部分の外径変動を抑えるには充分なフィードバック制御ができず、また、拡径途中で軟化している箇所を測定するのでは正確性に欠けてしまい、結局、作業者のスキルに頼らざるを得ない状況にあった。

本発明の目的は、作業者の熟練度に左右されずに圧力の変動を抑えて、ガラスパイプを極めて容易に高精度で所望の外径に膨らませることが可能なガラスパイプの拡径方法を提供することにある。

上記目的を達成することのできる本発明のガラスパイプの拡径方法は、ガラスパイプの内側に加圧ガスを導入しつつ、前記ガラスパイプを一端側から他端側に向かって順次加熱し、前記ガラスパイプの内径を大きくするガラスパイプの拡径方法であって、前記ガラスパイプの前記一端側及び前記他端側の少なくとも一方に、前記ガラスパイプと連通するバッファタンクを設け、前記バッファタンクの内圧が一定となるように調整することを特徴としている。

また、本発明のガラスパイプの拡径方法において、前記バッファタンクは前記ガラスパイプの前記他端側に設けられており、前記加圧ガスを、前記ガラスパイプの前記一端側から導入して前記他端側から排出することが好ましい。

また、本発明のガラスパイプの拡径方法において、前記バッファタンクに調整ガスを導入し、前記調整ガスの導入量を調整して、前記バッファタンクの内圧が一定となるように制御することが好ましい。

本発明のガラスパイプの拡径方法によれば、ガラスパイプに連通したバッファタンクを設け、このバッファタンクの内圧が一定になるように調整しながらガラスパイプを膨らませるため、加熱により加圧ガスが熱膨張しても、熱膨張による圧力変動をバッファタンクによって吸収して、ガラスパイプ内の圧力変動を抑えることができる。
これにより、作業者の熟練度に左右されずに圧力の変動を抑えて、ガラスパイプを極めて容易に高精度で所望の外径に膨らませることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るガラスパイプの拡径方法を実施することのできる加工装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、この加工装置１０は、基台１１の上部に一対の支持部１２ａ，１２ｂを備えている。支持部１２ａ，１２ｂは、それぞれチャック１３を有し、これらチャック１３は、ガラスパイプＧの端部を回動可能に把持する。そして、これらチャック１３にガラスパイプＧの端部を把持させることにより、ガラスパイプＧが、支持部１２ａ，１２ｂに水平に支持される。

一方の支持部１２ａは、基台１１に固定され、他方の支持部１２ｂは、一方の支持部１２ａに対して近接離間方向にスライド可能に基台１１上に支持されている。
基台１１は、支持部１２ａ，１２ｂによって水平に支持されたガラスパイプＧの下方位置に、ガラスパイプＧに向かって酸水素火炎を発生させてガラスパイプＧを加熱するバーナ１４を備えている。このバーナ１４は、基台１１上に水平に設けられたレール１５に支持されており、このレール１５に沿った方向、すなわちガラスパイプＧの長手方向に沿って移動することができる。

なお、ガラスパイプＧを加熱する加熱手段としては、酸水素火炎を発生させるバーナ１４に限らず、例えば、円筒状の発熱体の周りにコイルを備え、コイルから誘導式に発熱体を加熱する誘導加熱炉、電圧の印加により発熱体を発熱させる抵抗加熱炉あるいはプラズマ火炎を生じさせるプラズマバーナなどを用いることが可能である。

一方の支持部１２ａには、加圧ガスが送り込まれる加圧ガス導入路２２が接続されており、この加圧ガス導入路２２によって支持部１２ａのチャック１３に把持されたガラスパイプＧの内側に、その一端側（図中左側）から加圧ガスが導入される。ここで用いる加圧ガスは、窒素ガスを用いると良い。

他方の支持部１２ｂは、バッファタンク１６を備えており、このバッファタンク１６は、チャック１３に把持されたガラスパイプＧの内側と連通するようになっている。
図２に示すように、このバッファタンク１６には、調整ガス導入路１９が接続されており、この調整ガス導入路１９によってバッファタンク１６内に調整ガスが導入される。ここで用いる調整ガスも、窒素ガスを用いると良い。
なお、バッファタンク１６は、例えば縦０．３ｍ×横０．３ｍ×奥行き０．３ｍの大きさのものを使用すると良い。バッファタンク１６が大きすぎると、ガラスパイプＧの内圧の変動を吸収しやすくなるが、その分、調整ガスによる内圧の調整も精度が低下しやすくなる。この反対に、バッファタンク１６が小さすぎると、ガラスパイプＧの内圧の変動を吸収しきれずにバッファタンク１６の内圧も変動しやすくなり、バッファタンク１６による効果が得られにくくなってしまう。

バッファタンク１６には、排気弁１８を有する排気路１７が接続されており、バッファタンク１６内のガスが排気路１７を介して一定流量にて排気される。
また、加圧ガス導入路２２及び調整ガス導入路１９には、それぞれ流量調節器２３，２０が設けられている。流量調節器２３には、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）２４が接続され、ＰＬＣ２４は、流量調節器２３を制御して、加圧ガス導入路２２におけるガスの流量を制御する。

また、バッファタンク１６には、このバッファタンク１６内の圧力を検出する圧力トランスジューサ２１が設けられている。この圧力トランスジューサ２１は、指示調節計２５に接続されており、検出したバッファタンク１６の内側の圧力を測定して、それを信号として検出し、その検出信号を指示調節計２５に出力する。指示調節計２５は、さらにＰＬＣ２４及びＭＦＣ２０と接続されている。バッファタンク１６の目標内圧値がＰＬＣ２４から指示調節計２５に送られ、指示調節計２５ではこの目標値と圧力トランスジューサ２１から検出された測定値とを比較して、バッファタンク１６内の圧力を一定にすべく、流量調節器２０に対して流量の制御指令を送る。これにより、調整ガス導入路１９におけるガスの流量を制御する。

なお、上記の加工装置１０は、ガラスパイプＧからガスを排気する側にバッファタンク１６を設ける形態としたが、本発明においては、ガラスパイプＧにガスを導入する側にバッファタンク１６を設けても良い。
また、バッファタンク１６の内圧を調整する手段として、調整ガスを導入する方法に限らず、ＰＬＣ２４により排気弁１８を制御してバッファタンク１６からの排気量を調節しても良い。

次に、上記の加工装置１０を用いてガラスパイプＧを拡径する方法について説明する。
まず、加工装置１０の支持部１２ａ，１２ｂのチャック１３に、ガラスパイプＧの両端をそれぞれ把持させる。

次いで、ＰＬＣ２４によって流量調節器２３を制御して、加圧ガス導入路２２からガラスパイプＧ内へ一定流量にて加圧ガスを導入し、ガラスパイプＧの内圧を所定圧力に上昇させる。ガラスパイプＧの内圧は、バッファタンク１６の内圧と等しいとみなせるため、圧力トランスジューサ２１によって測定することができる。
なお、このガラスパイプＧに導入された加圧ガスは、ガラスパイプＧの他端からバッファタンク１６へ導かれ、その後、排気路１７から排気される。

ここで、指示調節計２５は、ＰＬＣ２４からの目標値と圧力トランスジューサ２１からの測定値とを比較して、バッファタンク１６内の圧力を一定にすべく、流量調節器２０を制御し、調整ガス導入路１９からバッファタンク１６内へ調整ガスを導入する。そのとき、流量調節器２３の制御は行う必要はなく、加圧ガス導入路２２の流量は一定としておけば良い。
例えば、外径３６ｍｍφ、内径２６ｍｍφのガラスパイプＧを、仕上がり外径５０〜６０ｍｍφ、仕上がり内径４５〜５５ｍｍφ程度に拡径する際には、流量調節器２３を介して加圧ガス導入路２２から導入するガスの流量は５〜１５ＳＬＭの範囲内で設定し、流量調節器２０を介して調整ガス導入路１９から導入するガスの流量は２〜５ＳＬＭの範囲内で設定すれば良い。

この状態で、ガラスパイプＧを回転させるとともに、バーナ１４からガラスパイプＧへ向かって火炎を吹き付け、バーナ１４を移動機構１５によってガラスパイプＧの一端側から他端側へ向かって一定速度で移動させる。
このようにすると、内圧が高められているガラスパイプＧは、バーナ１４の火炎による加熱部分が次第に膨らまされ、所定の径に形成される。なお、ガラスパイプＧを膨らませながら長手方向に引き延ばす場合には、他方の支持部１２ｂをスライドさせる。

加熱の開始時には、それまで室温程度であったガラスパイプＧの内側の温度が急上昇し、ガスが熱により膨張する。そのとき、ガラスパイプＧの内圧は、熱膨張によるガスの体積の変動がバッファタンク１６の空間によって吸収されて小さく抑えられる。また、バッファタンク１６への調整ガスの導入により、僅かに変動した内圧が所望の値に戻され、維持される。
これにより、ガラスパイプＧは、内圧が安定した状態で一定に維持されて加熱され、長手方向へわたって高精度に膨らまされて所定の径に形成される。

つまり、本実施形態のガラスパイプの拡径方法によれば、作業者の熟練を要することなく、ガラスパイプＧの内圧を容易かつ高精度に一定に維持しながら、ガラスパイプＧを膨らませることができる。
また、バッファタンクに調整ガスを導入し、この調整ガスの流量を調整してバッファタンク１６の内圧を調整するため、その調整を極めて容易に行うことができる。

そして、このガラスパイプの拡径方法によれば、極めて高精度な仕上がり外径及び仕上がり内径にてガラスパイプＧを膨らませることができ、膨らませたガラスパイプＧを、仕上がり外径及び仕上がり内径に精度が要求される各種の用途に用いることができる。
例えば、屈折率分布を調整する複数の孔を有するコアを備えたホーリーファイバの母材を延伸させる際に、その端部に接続するダミーパイプとして高精度な仕上がり外径及び仕上がり内径に形成されたガラスパイプを用いることにより、孔を閉塞することなく孔が形成されていない外周縁部分にガラスパイプを接続することができる。

また、ガラスパイプＧの内側にコアとなるガラスロッドを挿入して加熱し、クラッドとなるガラスパイプＧを収縮させてガラスロッドと一体化させるロッドインコラプス法により光ファイバの母材を作製する場合にも、上記実施形態の拡径方法により加工されたガラスパイプを好適に用いることができる。
つまり、ガラスパイプの仕上がり外径及び仕上がり内径が高精度であるので、ガラスロッドと一体化させた際に、これらガラスロッドの外周面とガラスパイプの内周面とを長手方向にわたって精度良く接合させ、気泡の残留などの不具合なく光ファイバ母材を製造することができる。
また、ガラスパイプの仕上がり外径及び仕上がり内径の真円度を長手方向にわたって向上させ、均一化させることができるため、コアに応力を付与して光の波形を制御するための応力付与部を備えた偏波保持光ファイバの外周を覆うジャケットとしても好適に用いることができる。

本発明に係るガラスパイプの拡径方法（実施例）と、従来技術による拡径方法（比較例）によって、それぞれガラスパイプＧを拡径させた際の仕上がり外径を比較した。
実施例と比較例のそれぞれの方法において、外径３５ｍｍφ、内径２６ｍｍφ、長さ７００ｍｍのガラスパイプＧを、目標値である仕上がりの外径５０ｍｍφ、内径４５ｍｍφとなるように膨らませた。なお、バーナ１４による加熱温度は、ガラスパイプＧの表面温度が約１２００℃となるようにした。

ここで、実施例では、容積約２.７Ｌ（寸法０．３ｍ×０．３ｍ×０．３ｍ）のバッファタンク１６を用い、加圧ガス導入路２２からガラスパイプＧ内へ導入する加圧ガスの流量を５〜１５ＳＬＭとし、調整ガス導入路１９からバッファタンク１６へ導入する調整ガスの流量を２〜５ＳＬＭとし、バッファタンク２２内の圧力を０.０７６〜０.２５ＭＰａの範囲内に維持した。

その結果、バッファタンクを用いない比較例の場合は、加工したサンプル数１０本の間で、仕上がり外径のばらつきが±３ｍｍであったのに対して、実施例では、加工したサンプル数１０本の間で、仕上がり外径のばらつきが±０.５ｍｍに抑えられた。

また、図３に、実施例と比較例における外径変動を調べた結果のグラフを示す。このグラフ中、横軸は、加熱を開始した箇所から測ったガラスパイプの長手方向の位置を表す。
この図３に示すように、実施例では、比較例と比較して、外径変動の収束が大幅に早まった。つまり、本発明に係る拡径方法によれば、外径変動を小さく抑制するとともにいち早く収束させ、目標外径となった有効部を多く形成することができた。

本発明に係るガラスパイプの拡径方法を実施できる加工装置を示す概略構成図である。 図１に示した加工装置におけるガスの制御構成を示す模式図である。 実施例と比較例の比較試験の結果を示すグラフ図である。 従来のガラスパイプの拡径方法を行う加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 加工装置
１４ バーナ
１６ バッファタンク
１７ 排気路
１９ 調整ガス導入路
２０，２３ 流量調節器（ＭＦＣ）
２１ 圧力トランスジューサ
２２ 加圧ガス導入路
２４ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
２５ 指示調節計
Ｇ ガラスパイプ

Claims (3)

1. ガラスパイプの内側に加圧ガスを導入しつつ、前記ガラスパイプを一端側から他端側に向かって順次加熱し、前記ガラスパイプの内径を大きくするガラスパイプの拡径方法であって、
   前記ガラスパイプの前記一端側及び前記他端側の少なくとも一方に、前記ガラスパイプと連通するバッファタンクを設け、前記バッファタンクの内圧が一定となるように調整することを特徴とするガラスパイプの拡径方法。
2. 前記バッファタンクは前記ガラスパイプの前記他端側に設けられており、
   前記加圧ガスを、前記ガラスパイプの前記一端側から導入して前記他端側から排出することを特徴とする請求項１に記載のガラスパイプの拡径方法。
3. 前記バッファタンクに調整ガスを導入し、前記調整ガスの導入量を調整して、前記バッファタンクの内圧が一定となるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガラスパイプの拡径方法。

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