JP4009824B2 - 石英ガラス管の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラス管の製造方法及び製造装置に関し、さらに詳しくは、石英ガラス素材の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接し、穿孔治具を圧入することで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラス管は、半導体工業の分野における炉芯管等の部品や、光ファイバ用のプリフォームとして、需要が急増している。
このような石英ガラス管の製造方法として、特許２７９８４６５号や特開平７−１０９１３５号に記載されているようなピアシング法が普及している。
【０００３】
ピアシング法とは、図６に示すように、石英ガラス素材１０１に穿孔治具１０２を当接し、穿孔治具１０２の当接部周辺を加熱炉１０３により加熱しながら穿孔治具１０２を石英ガラス素材１０１に押圧して圧入させることで、石英ガラス素材１０１を先端側から漸次円筒状の石英ガラス管１０５に成形する方法である。
【０００４】
なお、前記加熱炉１０３は、石英ガラス素材１０１と穿孔治具１０２の当接部周辺を覆う円筒状の発熱体１０３ａと、この発熱体１０３ａの外周に配される適宜巻き数のコイル１０３ｂとを備えた構成である。コイル１０３ｂへ交流電流を流した際の誘導加熱で、発熱体１０３ａを石英ガラス素材１０１の軟化点以上の温度に昇温させて、穿孔治具１０２の当接部周辺の石英ガラス素材１０１を加熱する。
【０００５】
また、発熱体１０３ａによる加熱領域の始端位置をａ、穿孔治具１０２の圧入によって成形を開始する成形開始位置をｂ、成形開始位置ｂから穿孔治具１０２の圧入による成形が終了する成形完了位置をｃ、加熱領域の終端位置をｄと定義すると、従来、各位置ａ，ｂ，ｃ，ｄにおける温度は、単一のコイル１０３ｂによる誘導加熱のため、図７の温度分布特性線ｆ５に示すように、どの位置でも、石英ガラス素材１０１の軟化点以上の略同一の温度となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光ファイバ用のプリフォームとして石英ガラス管１０５を使用する場合は、更にＭＣＶＤ法またはＰＣＶＤ法によるガラス層の内スス付け、ロッドインコラプス等の工程を経た後に、所定の加熱環境下で高速の線引き成形を行うことで、光ファイバとする。そのとき、石英ガラス管１０５に生じていた偏肉や、偏心、断面の真円度や、軸線の直線性、不純物の付着・混入量等の品質特性は、そのまま引き継がれて、光ファイバの諸性能に大きく影響する。
そのため、光ファイバ用のプリフォームとしての石英ガラス管１０５の製造に対しては、偏肉や偏心を抑えて断面の真円度を向上させること、軸線の直線性を向上させること、不純物の付着・混入の防止を図ること等が重要な課題となる。
【０００７】
ところが、前述した従来の製造方法では、発熱体１０３ａによる加熱領域は、始端位置ａから終端位置ｄまでの全域が、略均一に軟化点以上の温度に加熱される。そのため、始端位置ａから成形開始位置ｂまでの区間で加熱しすぎると、軟化した石英ガラス素材１０１が自重で撓み変形して、穿孔治具１０２による穿孔に際して、偏肉や偏心といった不都合を招き、高品位の光ファイバに必要とされる高精度化が困難になるという問題があった。
【０００８】
更に、成形完了位置ｃから終端位置ｄまでの区間で加熱しすぎると、軟化した成形済みの石英ガラス管１０５が自重によって撓み変形して、断面の真円度の低下や、軸線の直線性の低下、あるいは表面張力による大きな縮径作用に起因した寸法精度の低下等の品質低下を招き、やはり、高品位の光ファイバに必要とされる高精度化が困難になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止でき、また、断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑え、かつ、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止して、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易かつ安定して製造することのできる石英ガラス管の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項１に係る石英ガラス管の製造方法は、石英ガラス素材の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接し、穿孔治具を圧入することで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造方法において、加熱領域を、穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、成形開始位置から穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分し、ヒートゾーンにおける加熱温度を、石英ガラス素材の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御し、前加熱ゾーン及び後加熱ゾーンにおける加熱温度を、軟化点以下の温度に制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、穿孔治具によって穿孔を行うヒートゾーンは、石英ガラス素材が加工し易い状態まで軟化するように、加熱温度が軟化点以上に制御される。
一方、ヒートゾーンの前後に位置する前加熱ゾーンと後加熱ゾーンは、いずれも、加熱温度が石英ガラス素材の軟化点以下に制御される。
従って、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。
また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、加熱温度が軟化点以下であるので、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
従って、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、更に、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項２に係る石英ガラス管の製造方法は、請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法であって、ヒートゾーンの長さを、石英ガラス素材の外径の０．５倍〜２倍に設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、外径が異なる石英ガラス素材を石英ガラス管に加工する場合等でも、作業者の熟練度等に関係なく、単純な計算で適正なヒートゾーンの長さを設定することができる。したがって、ガラス管の加工精度を常に良好に保つことができる。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項３に係る石英ガラス管の製造方法は、請求項１又は２に記載の石英ガラス管の製造方法であって、前記穿孔治具の圧入によって成形した前記石英ガラス管を、前記加熱領域の終端の近傍で強制冷却することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００１６】
また、好ましくは、請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法において示した強制冷却は、請求項４に記載したようにガスを吹き付ける方法、または、請求項５に記載したように液体を石英ガラス管の周囲に流動させる方法を採用すると良い。
これらの冷却方法は、形成する石英ガラス管の外径の変更等にも、容易且つ柔軟に対応することができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項６に係る石英ガラス管の製造装置は、石英ガラス素材を加熱する加熱炉を有し、加熱炉の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接させ、穿孔治具を圧入させることで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造装置において、加熱炉は、穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、成形開始位置から穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分される加熱領域を有するとともに、加熱領域の区分ゾーン毎に加熱温度を制御可能なように構成され、前記加熱炉による加熱領域の終端近傍に、成形された石英ガラス管を強制冷却する冷却装置が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、加熱温度を区分ゾーン毎に制御することができる。よって、ヒートゾーンの加熱温度を石英ガラス素材の軟化点以上に制御するとともに、前加熱ゾーンと後加熱ゾーンの加熱温度を軟化点以下に制御すれば、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、さらに、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
すなわち、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
また、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００１９】
また、好ましくは、請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置において示した加熱炉は、請求項７に記載したように、加熱領域で石英ガラス素材の周囲を覆う円筒状の発熱体と、加熱領域の区分ゾーン毎に発熱体の外周に配置された複数組のコイルと、区分ゾーン毎にコイルに流す交流電流を制御可能な電流制御手段とを備えるとともに、各コイルに高周波電流を流した時の誘導加熱によって発熱体を所定の温度分布に発熱させる誘導加熱炉であると良い。
【００２２】
なお、上記の製造方法及び製造装置において、石英ガラス素材は、具体的には、適宜な製造法によって所定の寸法に仕上げた石英ガラスロッド、石英ガラスインゴット、石英ガラスパイプ等を使用することが挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る石英ガラス管の製造方法及び製造装置の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１は、本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図、図２は、図１に示した加熱炉近傍の模式図である。図３は、図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフ、図４は、図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。また、図５は、図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の石英ガラス管の製造装置１１は、所謂ピアシング法によって石英ガラス管を製造するものであり、ガラスインゴット１３を加熱する加熱炉１９と、加熱炉１９の上流側に配置された上流側固定台２１と、加熱炉１９の下流側に配置された下流側固定台２７とが設けられている。
【００２５】
上流側固定台２１の上には、ガラス素材であるガラスインゴット１３の一端を把持して図中左右方向にスライド移動する第１移動テーブル１５が備えられている。第１移動テーブル１５は、所望の速度でスライドすることが可能であり、さらに、ガラスインゴット１３をチャック１５ａにより把持して、ガラスインゴット１３をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能である。
さらに、上流側固定台２１の上には、ガラスインゴット１３の自重を支えるサポータ２３が備えられている。サポータ２３は、把持されたガラスインゴット１３の高さに合わせてその高さを変更でき、さらに上流側固定台２１の上をガラスインゴット１３の軸方向にスライド可能である。また、サポータ２３の支承部分２３ａは、ガラスインゴット１３の軸回転を拘束することのないローラである。
【００２６】
また、下流側固定台２７の上には、ガラス製ダミーパイプ１４の一端を把持するとともに、第１移動テーブル１５の移動に合わせて図中左右方向にスライド移動が可能な第２移動テーブル２９が備えられている。第２移動テーブル２９は、把持されたダミーパイプ１４をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能である。また、その回転は、第１移動テーブル１５によるガラスインゴット１３の回転に合わせて調整される。
【００２７】
ガラスインゴット１３は、第１移動テーブル１５に把持されていない他端が、第２移動テーブル２９によって把持されたダミーパイプ１４の他端と融着されている。したがって、ガラスインゴット１３とダミーパイプ１４が、軸方向に一体になって加熱炉１９の内部に導入された状態で、第１移動テーブル１５と第２移動テーブル２９とに把持される。
【００２８】
さらに、下流側固定台２７の上には支持台３１が設けられており、これによって穿孔治具の固定軸２５が支持される。穿孔治具は、固定軸２５の先端に設けられた穿孔駒１７を備えている。固定軸２５は、穿孔駒１７と同一の中心軸を有し、さらにガラスインゴット１３に中心軸を一致させた状態に支持される。また、下流側固定台２７の上に備えられたサポータ２３により、固定軸２５の自重が支えられている。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態の加熱炉１９は、高周波誘電加熱方式の炉であり、コイル４３ａ〜４３ｆに交流電流を流すことで発熱体４１が発熱する。発熱体４１はガラスインゴット１３と穿孔駒１７の当接部周辺を覆う円筒形状の黒鉛であり、発熱体４１の発熱によってガラスインゴット１３を加熱して軟化させる。コイル４３ａ〜４３ｆに流す交流電流は、電流制御手段４５によって制御することができる。
【００３０】
また、本実施形態において、発熱体４１による加熱領域は、ガラスインゴット１３の未成形部分を加熱する前加熱ゾーンＺ１と、ガラスインゴット１３を穿孔する素材成形区間を加熱するヒートゾーンＺ２と、穿孔成形済みのガラス管１４を加熱する後加熱ゾーンＺ３とに区分している。
前加熱ゾーンＺ１は、始端位置ａから、穿孔駒１７の圧入によってガラスインゴット１３を穿孔する成形開始位置ｂより手前までの区間である。また、ヒートゾーンＺ２は、成形開始位置ｂから穿孔駒１７の圧入による穿孔が終了する成形完了位置ｃまでの素材成形区間である。また、後加熱ゾーンＺ３は、成形完了位置ｃから加熱領域の終端位置ｄまでの区間である。
【００３１】
そして、６個のコイル４３ａ〜４３ｆの内、コイル４３ａ，４３ｂは上記の加熱領域の前加熱ゾーンＺ１に、コイル４３ｃ，４３ｄは上記の加熱領域のヒートゾーンＺ２に、コイル４３ｅ，４３ｆは上記の加熱領域の後加熱ゾーンＺ３に、それぞれ割り当てられている。
また、電流制御手段４５は、加熱領域の区分毎に独立に、さらには、各区分に割り当てられた各コイル単位で、供給する交流電流を制御可能なものである。
【００３２】
図３に示すように、加熱領域における温度分布は、電流制御手段４５によって各区分に配置されたコイルへの供給電流を制御することで、曲線ｆ１のように設定される。
すなわち、ヒートゾーンＺ２（ｂ〜ｃ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御する。また、前加熱ゾーンＺ１（ａ〜ｂ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以下の温度に制御し、後加熱ゾーンＺ３（ｃ〜ｄ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以下で徐冷点以上の温度範囲に制御する。
【００３３】
例えば、不純物が少ないＶＡＤ法で作成された純シリカの石英ガラスの徐冷点、軟化点、作業点の各温度は、それぞれ、１２００℃、１７００℃、２２００℃程度である。
このような徐冷点、軟化点、作業点は、ガラスインゴット１３の成分組成（不純物含有量）に依存して変化するが、基本的には、次のように定義する。
【００３４】
徐冷点とは、石英ガラスの粘度が１０12パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、ガラス加工で生じた内部歪が約１５分で除去される温度に相当する。
軟化点とは、石英ガラスの粘度が１０6.6パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、直径０．５５〜０．７５ｍｍ、長さ２３ｃｍのガラス糸を熱したときに１ｍｍ／ｍｉｎの速さで伸びる温度に相当する。
作業点とは、石英ガラスの粘度が１０3パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、作業温度範囲の上限の温度である。
【００３５】
ところで、ヒートゾーンＺ２として必要な長さは、ガラスインゴット１３の外径、及び、穿孔駒１７の寸法形状に応じて変更する必要がある。よって、ヒートゾーンＺ２の長さを、作業者の熟練度に頼って設定すると、ヒートゾーンＺ２の長さにばらつきが生じて、製品品質を不安定にする要因となる。
そこで、図４に示すように、本実施形態では、ヒートゾーンＺ２の長さを、ガラスインゴット１３の外径の一次関数ｆ２，ｆ３，ｆ４によって設定する。
一次関数ｆ２は、ヒートゾーンの長さの基準値を求めるもので、一次関数ｆ３，ｆ４は、それぞれ基準値からの許容差を設定している。関数ｆ２は、インゴット外径をＸ、ヒートゾーンの長さをＹとすると、Ｙ＝Ｘである。また、関数ｆ３はＹ＝２Ｘであり、関数ｆ４はＹ＝０．５Ｘである。
したがって、ヒートゾーンの長さは、一次関数ｆ３と一次関数ｆ４とで挟まれる範囲で設定すれば良い。例えば、インゴット外径がＸ1のとき、ヒートゾーンの長さを０．５Ｘ1〜２Ｘ1の間に設定する。
【００３６】
また、加熱領域の後加熱ゾーンＺ３（ｃ〜ｄ）は、急激な冷却によって歪みが残留することを防止するために、徐冷点まで緩やかに加熱温度を降下させる。
そして、加熱領域の終端ｄから微小距離離れた位置ｅまでの区分Ｚ４は、本実施形態では、自然冷却とし、区分Ｚ４の直後（実際には、加熱炉１９の出口近傍）に、成形された石英ガラス管を室温まで強制冷却する冷却装置５１を設けている。
本実施の形態における冷却装置５１は、冷却用ガス５３をガラス管１４に吹き付けるガス冷却式である。冷却用ガス５３は、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス、又はクリーンエアを使用すると良い。
【００３７】
上述した石英ガラス管の製造装置１１では、加熱炉１９内に送られたガラスインゴット１３を、上述した温度分布に加熱しながら、穿孔駒１７を圧入することで、ガラスインゴット１３を先端側から漸次円筒状の石英ガラス管１４に成形する。
そして、加熱炉１９による加熱領域の３つの区分の内、ヒートゾーンＺ２における加熱温度は、石英ガラス素材１３の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御し、前加熱ゾーンＺ１及び後加熱ゾーンＺ３における加熱温度は、何れも、軟化点以下の温度に制御する。
【００３８】
従って、ヒートゾーンＺ２の手前に位置する前加熱ゾーンＺ１で、ガラスインゴット１３に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンＺ２に入るガラスインゴット１３の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前のガラスインゴット１３の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。
また、ヒートゾーンＺ２の後に位置する後加熱ゾーンＺ３でも、加熱温度が軟化点以下であるので、穿孔によって形成した石英ガラス管１４に軟化による歪みが発生することがない。
従って、成形直後のガラス管１４の撓みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、さらに、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
即ち、偏肉や偏心が無く、また、断面の真円度が高く、軸線の直線性の優れるなど、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易且つ安定して製造することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、ヒートゾーンＺ２の長さを、ガラスインゴット１３の外径の一次関数で設定しているため、外径が異なるガラスインゴットをガラス管に加工する場合等でも、作業者の熟練度等に関係なく、単純な計算で適正なヒートゾーンの長さを設定することができ、製造するガラス管の品質の安定化を図ることができる。
【００４０】
また、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００４１】
また、本実施形態の強制冷却は、ガス冷却なので、形成するガラス管の外径の変更等にも、容易かつ柔軟に対応することができる。
【００４２】
なお、図２に示した冷却装置５１は、ガス冷却の代わりに、図５に示すような水冷管６３を用いても良い。
図５に示すように、石英ガラス管の製造装置６０は、加熱炉１９の出口近傍に、成形されたガラス管を室温まで強制冷却する水冷管６３を設けている。水冷管６３は、成形されたガラス管の周囲を囲むように円筒状に形成されており、管の内部に供給された冷却水を、周方向に流動させて排出する。管内には常に冷却水が供給されるとともに、管内の冷却水は常に流動しているので、ガラス管に対して安定した放射冷却効果を得ることができる。また、形成するガラス管の外径の変更等にも、容易かつ柔軟に対応することができる。
【００４３】
（実施例）
以下に、本発明に係る実施例について説明する。
加熱領域における温度分布を上記実施の形態に従って製造したガラス管の実施例と、加熱領域における温度分布を従来の均一分布にして製造したガラス管の比較例とで、偏肉率の比較を行った。
【００４４】
実施例と比較例の両方において、外径が４６ｍｍ、長さが１０００ｍｍのガラスインゴットに対し、外径４０ｍｍの穿孔駒を用いて穿孔し、外径が１００ｍｍ、内径が４０ｍｍ、長さが１０００ｍｍの大型石英ガラス管を製造した。
これらの実施例と比較例に関して、異なる製造条件は上記の加熱領域における温度分布のみで、インゴットの回転速度やその他の条件は一致させた。
本発明に係る実施例では、上記の製造装置１１を用い、図３に示すような温度分布を設定した。ここで、ヒートゾーンの長さを４５ｍｍに設定し、最高加熱温度を１８００℃に設定した。
一方、比較例では、製造装置１１を用いたが、加熱領域の温度分布は、図７に示すような従来の温度分布である長手方向一定に設定した。なお、この一定の加熱温度を１８００℃に設定した。
【００４５】
製造したそれぞれのガラス管について、各ガラス管を回転させて、長さ方向に５０ｍｍ間隔で、管壁の肉厚の最大値ｔmax及び最小値ｔminを測定した。そして、次の［数１］を用いて偏肉率Ｈを算出した。
【００４６】
【数１】
【００４７】
その結果、本発明に係る実施例の場合は、管全長での偏肉率の最大値が０．５０％であったのに対し、従来の製造法に準じた比較例では、管全長での偏肉率の最大値が３％であった。
以上の結果により、本実施形態の温度分布に従って製造することで偏肉率を６分の１程度に減少させることができ、本発明によって得られる効果を明確に確認することができた。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の石英ガラス管の製造方法及び製造装置によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、加熱温度を区分ゾーン毎に制御することができる。よって、ヒートゾーンの加熱温度を石英ガラス素材の軟化点以上に制御するとともに、前加熱ゾーンと後加熱ゾーンの加熱温度を軟化点以下に制御すれば、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、更に、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
すなわち、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
したがって、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易かつ安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図、図２は、図１に示した加熱炉近傍の模式図である。図３は、図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフ、図４は、図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。また、図５は、図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【図１】本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図である。
【図２】図１に示した加熱炉近傍の模式図である。
【図３】図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフである。
【図４】図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。
【図５】図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【図６】従来の石英ガラス管の製造装置の要部模式図である。
【図７】図６に示した加熱炉内での温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 石英ガラス管の製造装置
１３ ガラスインゴット（石英ガラス素材）
１４ 石英ガラス管
１５ 第１移動テーブル
１７ 穿孔駒（穿孔治具）
１９ 加熱炉
２１ 上流側固定台
２５ 固定軸
２７ 下流側固定台
２９ 第２移動テーブル
４１ 発熱体
４３ａ〜４３ｆ コイル
４５ 電流制御手段
５１ 冷却装置
６０ 石英ガラス管の製造装置
６３ 水冷管（冷却装置）
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラス管の製造方法及び製造装置に関し、さらに詳しくは、石英ガラス素材の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接し、穿孔治具を圧入することで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラス管は、半導体工業の分野における炉芯管等の部品や、光ファイバ用のプリフォームとして、需要が急増している。
このような石英ガラス管の製造方法として、特許２７９８４６５号や特開平７−１０９１３５号に記載されているようなピアシング法が普及している。
【０００３】
ピアシング法とは、図６に示すように、石英ガラス素材１０１に穿孔治具１０２を当接し、穿孔治具１０２の当接部周辺を加熱炉１０３により加熱しながら穿孔治具１０２を石英ガラス素材１０１に押圧して圧入させることで、石英ガラス素材１０１を先端側から漸次円筒状の石英ガラス管１０５に成形する方法である。
【０００４】
なお、前記加熱炉１０３は、石英ガラス素材１０１と穿孔治具１０２の当接部周辺を覆う円筒状の発熱体１０３ａと、この発熱体１０３ａの外周に配される適宜巻き数のコイル１０３ｂとを備えた構成である。コイル１０３ｂへ交流電流を流した際の誘導加熱で、発熱体１０３ａを石英ガラス素材１０１の軟化点以上の温度に昇温させて、穿孔治具１０２の当接部周辺の石英ガラス素材１０１を加熱する。
【０００５】
また、発熱体１０３ａによる加熱領域の始端位置をａ、穿孔治具１０２の圧入によって成形を開始する成形開始位置をｂ、成形開始位置ｂから穿孔治具１０２の圧入による成形が終了する成形完了位置をｃ、加熱領域の終端位置をｄと定義すると、従来、各位置ａ，ｂ，ｃ，ｄにおける温度は、単一のコイル１０３ｂによる誘導加熱のため、図７の温度分布特性線ｆ５に示すように、どの位置でも、石英ガラス素材１０１の軟化点以上の略同一の温度となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光ファイバ用のプリフォームとして石英ガラス管１０５を使用する場合は、更にＭＣＶＤ法またはＰＣＶＤ法によるガラス層の内スス付け、ロッドインコラプス等の工程を経た後に、所定の加熱環境下で高速の線引き成形を行うことで、光ファイバとする。そのとき、石英ガラス管１０５に生じていた偏肉や、偏心、断面の真円度や、軸線の直線性、不純物の付着・混入量等の品質特性は、そのまま引き継がれて、光ファイバの諸性能に大きく影響する。
そのため、光ファイバ用のプリフォームとしての石英ガラス管１０５の製造に対しては、偏肉や偏心を抑えて断面の真円度を向上させること、軸線の直線性を向上させること、不純物の付着・混入の防止を図ること等が重要な課題となる。
【０００７】
ところが、前述した従来の製造方法では、発熱体１０３ａによる加熱領域は、始端位置ａから終端位置ｄまでの全域が、略均一に軟化点以上の温度に加熱される。そのため、始端位置ａから成形開始位置ｂまでの区間で加熱しすぎると、軟化した石英ガラス素材１０１が自重で撓み変形して、穿孔治具１０２による穿孔に際して、偏肉や偏心といった不都合を招き、高品位の光ファイバに必要とされる高精度化が困難になるという問題があった。
【０００８】
更に、成形完了位置ｃから終端位置ｄまでの区間で加熱しすぎると、軟化した成形済みの石英ガラス管１０５が自重によって撓み変形して、断面の真円度の低下や、軸線の直線性の低下、あるいは表面張力による大きな縮径作用に起因した寸法精度の低下等の品質低下を招き、やはり、高品位の光ファイバに必要とされる高精度化が困難になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止でき、また、断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑え、かつ、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止して、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易かつ安定して製造することのできる石英ガラス管の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項１に係る石英ガラス管の製造方法は、石英ガラス素材の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接し、穿孔治具を圧入することで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造方法において、加熱領域を、穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、成形開始位置から穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分し、ヒートゾーンにおける加熱温度を、石英ガラス素材の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御し、前加熱ゾーン及び後加熱ゾーンにおける加熱温度を、軟化点以下の温度に制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、穿孔治具によって穿孔を行うヒートゾーンは、石英ガラス素材が加工し易い状態まで軟化するように、加熱温度が軟化点以上に制御される。
一方、ヒートゾーンの前後に位置する前加熱ゾーンと後加熱ゾーンは、いずれも、加熱温度が石英ガラス素材の軟化点以下に制御される。
従って、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。
また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、加熱温度が軟化点以下であるので、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
従って、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、更に、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項２に係る石英ガラス管の製造方法は、請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法であって、ヒートゾーンの長さを、石英ガラス素材の外径の０．５倍〜２倍に設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、外径が異なる石英ガラス素材を石英ガラス管に加工する場合等でも、作業者の熟練度等に関係なく、単純な計算で適正なヒートゾーンの長さを設定することができる。したがって、ガラス管の加工精度を常に良好に保つことができる。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項３に係る石英ガラス管の製造方法は、請求項１又は２に記載の石英ガラス管の製造方法であって、前記穿孔治具の圧入によって成形した前記石英ガラス管を、前記加熱領域の終端の近傍で強制冷却することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法によれば、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００１６】
また、好ましくは、請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法において示した強制冷却は、請求項４に記載したようにガスを吹き付ける方法、または、請求項５に記載したように液体を石英ガラス管の周囲に流動させる方法を採用すると良い。
これらの冷却方法は、形成する石英ガラス管の外径の変更等にも、容易且つ柔軟に対応することができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項６に係る石英ガラス管の製造装置は、石英ガラス素材を加熱する加熱炉を有し、加熱炉の加熱領域で石英ガラス素材に穿孔治具を当接させ、穿孔治具を圧入させることで、石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造装置において、加熱炉は、穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、成形開始位置から穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分される加熱領域を有するとともに、加熱領域の区分ゾーン毎に加熱温度を制御可能なように構成され、前記加熱炉による加熱領域の終端近傍に、成形された石英ガラス管を強制冷却する冷却装置が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、加熱温度を区分ゾーン毎に制御することができる。よって、ヒートゾーンの加熱温度を石英ガラス素材の軟化点以上に制御するとともに、前加熱ゾーンと後加熱ゾーンの加熱温度を軟化点以下に制御すれば、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、さらに、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
すなわち、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
また、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００１９】
また、好ましくは、請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置において示した加熱炉は、請求項７に記載したように、加熱領域で石英ガラス素材の周囲を覆う円筒状の発熱体と、加熱領域の区分ゾーン毎に発熱体の外周に配置された複数組のコイルと、区分ゾーン毎にコイルに流す交流電流を制御可能な電流制御手段とを備えるとともに、各コイルに高周波電流を流した時の誘導加熱によって発熱体を所定の温度分布に発熱させる誘導加熱炉であると良い。
【００２２】
なお、上記の製造方法及び製造装置において、石英ガラス素材は、具体的には、適宜な製造法によって所定の寸法に仕上げた石英ガラスロッド、石英ガラスインゴット、石英ガラスパイプ等を使用することが挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る石英ガラス管の製造方法及び製造装置の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１は、本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図、図２は、図１に示した加熱炉近傍の模式図である。図３は、図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフ、図４は、図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。また、図５は、図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の石英ガラス管の製造装置１１は、所謂ピアシング法によって石英ガラス管を製造するものであり、ガラスインゴット１３を加熱する加熱炉１９と、加熱炉１９の上流側に配置された上流側固定台２１と、加熱炉１９の下流側に配置された下流側固定台２７とが設けられている。
【００２５】
上流側固定台２１の上には、ガラス素材であるガラスインゴット１３の一端を把持して図中左右方向にスライド移動する第１移動テーブル１５が備えられている。第１移動テーブル１５は、所望の速度でスライドすることが可能であり、さらに、ガラスインゴット１３をチャック１５ａにより把持して、ガラスインゴット１３をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能である。
さらに、上流側固定台２１の上には、ガラスインゴット１３の自重を支えるサポータ２３が備えられている。サポータ２３は、把持されたガラスインゴット１３の高さに合わせてその高さを変更でき、さらに上流側固定台２１の上をガラスインゴット１３の軸方向にスライド可能である。また、サポータ２３の支承部分２３ａは、ガラスインゴット１３の軸回転を拘束することのないローラである。
【００２６】
また、下流側固定台２７の上には、ガラス製ダミーパイプ１４の一端を把持するとともに、第１移動テーブル１５の移動に合わせて図中左右方向にスライド移動が可能な第２移動テーブル２９が備えられている。第２移動テーブル２９は、把持されたダミーパイプ１４をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能である。また、その回転は、第１移動テーブル１５によるガラスインゴット１３の回転に合わせて調整される。
【００２７】
ガラスインゴット１３は、第１移動テーブル１５に把持されていない他端が、第２移動テーブル２９によって把持されたダミーパイプ１４の他端と融着されている。したがって、ガラスインゴット１３とダミーパイプ１４が、軸方向に一体になって加熱炉１９の内部に導入された状態で、第１移動テーブル１５と第２移動テーブル２９とに把持される。
【００２８】
さらに、下流側固定台２７の上には支持台３１が設けられており、これによって穿孔治具の固定軸２５が支持される。穿孔治具は、固定軸２５の先端に設けられた穿孔駒１７を備えている。固定軸２５は、穿孔駒１７と同一の中心軸を有し、さらにガラスインゴット１３に中心軸を一致させた状態に支持される。また、下流側固定台２７の上に備えられたサポータ２３により、固定軸２５の自重が支えられている。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態の加熱炉１９は、高周波誘電加熱方式の炉であり、コイル４３ａ〜４３ｆに交流電流を流すことで発熱体４１が発熱する。発熱体４１はガラスインゴット１３と穿孔駒１７の当接部周辺を覆う円筒形状の黒鉛であり、発熱体４１の発熱によってガラスインゴット１３を加熱して軟化させる。コイル４３ａ〜４３ｆに流す交流電流は、電流制御手段４５によって制御することができる。
【００３０】
また、本実施形態において、発熱体４１による加熱領域は、ガラスインゴット１３の未成形部分を加熱する前加熱ゾーンＺ１と、ガラスインゴット１３を穿孔する素材成形区間を加熱するヒートゾーンＺ２と、穿孔成形済みのガラス管１４を加熱する後加熱ゾーンＺ３とに区分している。
前加熱ゾーンＺ１は、始端位置ａから、穿孔駒１７の圧入によってガラスインゴット１３を穿孔する成形開始位置ｂより手前までの区間である。また、ヒートゾーンＺ２は、成形開始位置ｂから穿孔駒１７の圧入による穿孔が終了する成形完了位置ｃまでの素材成形区間である。また、後加熱ゾーンＺ３は、成形完了位置ｃから加熱領域の終端位置ｄまでの区間である。
【００３１】
そして、６個のコイル４３ａ〜４３ｆの内、コイル４３ａ，４３ｂは上記の加熱領域の前加熱ゾーンＺ１に、コイル４３ｃ，４３ｄは上記の加熱領域のヒートゾーンＺ２に、コイル４３ｅ，４３ｆは上記の加熱領域の後加熱ゾーンＺ３に、それぞれ割り当てられている。
また、電流制御手段４５は、加熱領域の区分毎に独立に、さらには、各区分に割り当てられた各コイル単位で、供給する交流電流を制御可能なものである。
【００３２】
図３に示すように、加熱領域における温度分布は、電流制御手段４５によって各区分に配置されたコイルへの供給電流を制御することで、曲線ｆ１のように設定される。
すなわち、ヒートゾーンＺ２（ｂ〜ｃ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御する。また、前加熱ゾーンＺ１（ａ〜ｂ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以下の温度に制御し、後加熱ゾーンＺ３（ｃ〜ｄ）における加熱温度は、ガラスインゴット１３の軟化点以下で徐冷点以上の温度範囲に制御する。
【００３３】
例えば、不純物が少ないＶＡＤ法で作成された純シリカの石英ガラスの徐冷点、軟化点、作業点の各温度は、それぞれ、１２００℃、１７００℃、２２００℃程度である。
このような徐冷点、軟化点、作業点は、ガラスインゴット１３の成分組成（不純物含有量）に依存して変化するが、基本的には、次のように定義する。
【００３４】
徐冷点とは、石英ガラスの粘度が１０12パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、ガラス加工で生じた内部歪が約１５分で除去される温度に相当する。
軟化点とは、石英ガラスの粘度が１０6.6パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、直径０．５５〜０．７５ｍｍ、長さ２３ｃｍのガラス糸を熱したときに１ｍｍ／ｍｉｎの速さで伸びる温度に相当する。
作業点とは、石英ガラスの粘度が１０3パスカル秒（Ｐａ・ｓ）となる温度であり、作業温度範囲の上限の温度である。
【００３５】
ところで、ヒートゾーンＺ２として必要な長さは、ガラスインゴット１３の外径、及び、穿孔駒１７の寸法形状に応じて変更する必要がある。よって、ヒートゾーンＺ２の長さを、作業者の熟練度に頼って設定すると、ヒートゾーンＺ２の長さにばらつきが生じて、製品品質を不安定にする要因となる。
そこで、図４に示すように、本実施形態では、ヒートゾーンＺ２の長さを、ガラスインゴット１３の外径の一次関数ｆ２，ｆ３，ｆ４によって設定する。
一次関数ｆ２は、ヒートゾーンの長さの基準値を求めるもので、一次関数ｆ３，ｆ４は、それぞれ基準値からの許容差を設定している。関数ｆ２は、インゴット外径をＸ、ヒートゾーンの長さをＹとすると、Ｙ＝Ｘである。また、関数ｆ３はＹ＝２Ｘであり、関数ｆ４はＹ＝０．５Ｘである。
したがって、ヒートゾーンの長さは、一次関数ｆ３と一次関数ｆ４とで挟まれる範囲で設定すれば良い。例えば、インゴット外径がＸ1のとき、ヒートゾーンの長さを０．５Ｘ1〜２Ｘ1の間に設定する。
【００３６】
また、加熱領域の後加熱ゾーンＺ３（ｃ〜ｄ）は、急激な冷却によって歪みが残留することを防止するために、徐冷点まで緩やかに加熱温度を降下させる。
そして、加熱領域の終端ｄから微小距離離れた位置ｅまでの区分Ｚ４は、本実施形態では、自然冷却とし、区分Ｚ４の直後（実際には、加熱炉１９の出口近傍）に、成形された石英ガラス管を室温まで強制冷却する冷却装置５１を設けている。
本実施の形態における冷却装置５１は、冷却用ガス５３をガラス管１４に吹き付けるガス冷却式である。冷却用ガス５３は、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス、又はクリーンエアを使用すると良い。
【００３７】
上述した石英ガラス管の製造装置１１では、加熱炉１９内に送られたガラスインゴット１３を、上述した温度分布に加熱しながら、穿孔駒１７を圧入することで、ガラスインゴット１３を先端側から漸次円筒状の石英ガラス管１４に成形する。
そして、加熱炉１９による加熱領域の３つの区分の内、ヒートゾーンＺ２における加熱温度は、石英ガラス素材１３の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御し、前加熱ゾーンＺ１及び後加熱ゾーンＺ３における加熱温度は、何れも、軟化点以下の温度に制御する。
【００３８】
従って、ヒートゾーンＺ２の手前に位置する前加熱ゾーンＺ１で、ガラスインゴット１３に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンＺ２に入るガラスインゴット１３の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前のガラスインゴット１３の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。
また、ヒートゾーンＺ２の後に位置する後加熱ゾーンＺ３でも、加熱温度が軟化点以下であるので、穿孔によって形成した石英ガラス管１４に軟化による歪みが発生することがない。
従って、成形直後のガラス管１４の撓みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、さらに、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
即ち、偏肉や偏心が無く、また、断面の真円度が高く、軸線の直線性の優れるなど、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易且つ安定して製造することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、ヒートゾーンＺ２の長さを、ガラスインゴット１３の外径の一次関数で設定しているため、外径が異なるガラスインゴットをガラス管に加工する場合等でも、作業者の熟練度等に関係なく、単純な計算で適正なヒートゾーンの長さを設定することができ、製造するガラス管の品質の安定化を図ることができる。
【００４０】
また、加熱領域の直後で直ちに強制空冷を実施するので、穿孔後のガラス管を速やかに冷却することができ、軸線の曲げ変形や断面の真円度の低下等の不都合の発生を防止することができる。
【００４１】
また、本実施形態の強制冷却は、ガス冷却なので、形成するガラス管の外径の変更等にも、容易かつ柔軟に対応することができる。
【００４２】
なお、図２に示した冷却装置５１は、ガス冷却の代わりに、図５に示すような水冷管６３を用いても良い。
図５に示すように、石英ガラス管の製造装置６０は、加熱炉１９の出口近傍に、成形されたガラス管を室温まで強制冷却する水冷管６３を設けている。水冷管６３は、成形されたガラス管の周囲を囲むように円筒状に形成されており、管の内部に供給された冷却水を、周方向に流動させて排出する。管内には常に冷却水が供給されるとともに、管内の冷却水は常に流動しているので、ガラス管に対して安定した放射冷却効果を得ることができる。また、形成するガラス管の外径の変更等にも、容易かつ柔軟に対応することができる。
【００４３】
（実施例）
以下に、本発明に係る実施例について説明する。
加熱領域における温度分布を上記実施の形態に従って製造したガラス管の実施例と、加熱領域における温度分布を従来の均一分布にして製造したガラス管の比較例とで、偏肉率の比較を行った。
【００４４】
実施例と比較例の両方において、外径が４６ｍｍ、長さが１０００ｍｍのガラスインゴットに対し、外径４０ｍｍの穿孔駒を用いて穿孔し、外径が１００ｍｍ、内径が４０ｍｍ、長さが１０００ｍｍの大型石英ガラス管を製造した。
これらの実施例と比較例に関して、異なる製造条件は上記の加熱領域における温度分布のみで、インゴットの回転速度やその他の条件は一致させた。
本発明に係る実施例では、上記の製造装置１１を用い、図３に示すような温度分布を設定した。ここで、ヒートゾーンの長さを４５ｍｍに設定し、最高加熱温度を１８００℃に設定した。
一方、比較例では、製造装置１１を用いたが、加熱領域の温度分布は、図７に示すような従来の温度分布である長手方向一定に設定した。なお、この一定の加熱温度を１８００℃に設定した。
【００４５】
製造したそれぞれのガラス管について、各ガラス管を回転させて、長さ方向に５０ｍｍ間隔で、管壁の肉厚の最大値ｔmax及び最小値ｔminを測定した。そして、次の［数１］を用いて偏肉率Ｈを算出した。
【００４６】
【数１】
その結果、本発明に係る実施例の場合は、管全長での偏肉率の最大値が０．５０％であったのに対し、従来の製造法に準じた比較例では、管全長での偏肉率の最大値が３％であった。
以上の結果により、本実施形態の温度分布に従って製造することで偏肉率を６分の１程度に減少させることができ、本発明によって得られる効果を明確に確認することができた。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の石英ガラス管の製造方法及び製造装置によれば、石英ガラス素材の加熱領域が、前加熱ゾーンとヒートゾーンと後加熱ゾーンとの３つの領域に区分され、加熱温度を区分ゾーン毎に制御することができる。よって、ヒートゾーンの加熱温度を石英ガラス素材の軟化点以上に制御するとともに、前加熱ゾーンと後加熱ゾーンの加熱温度を軟化点以下に制御すれば、成形直後の石英ガラス管の歪みに起因する断面の真円度の低下や軸線の直線性の低下を抑えることができ、更に、過剰加熱に起因した大きな縮径の発生を防止することができる。
すなわち、ヒートゾーンの手前に位置する前加熱ゾーンで、石英ガラス素材に軟化による撓みが発生することがないので、ヒートゾーンに入る石英ガラス素材の形状を維持したまま、穿孔を行うことができる。そのため、穿孔前の石英ガラス素材の撓みに起因する偏肉や偏心といった不都合の発生を確実に防止することができる。また、ヒートゾーンの後に位置する後加熱ゾーンでも、穿孔によって形成した石英ガラス管に軟化による歪みが発生することがない。
したがって、高品位の光ファイバに必要とされる高精度な石英ガラス管を、容易かつ安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図、図２は、図１に示した加熱炉近傍の模式図である。図３は、図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフ、図４は、図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。また、図５は、図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【図１】本発明の石英ガラス管の製造装置を示す概要図である。
【図２】図１に示した加熱炉近傍の模式図である。
【図３】図２に示した加熱炉による加熱領域の温度分布を示すグラフである。
【図４】図２に示したヒートゾーンの長さの範囲を示すグラフである。
【図５】図２に示した冷却装置の変形例を示す模式図である。
【図６】従来の石英ガラス管の製造装置の要部模式図である。
【図７】図６に示した加熱炉内での温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 石英ガラス管の製造装置
１３ ガラスインゴット（石英ガラス素材）
１４ 石英ガラス管
１５ 第１移動テーブル
１７ 穿孔駒（穿孔治具）
１９ 加熱炉
２１ 上流側固定台
２５ 固定軸
２７ 下流側固定台
２９ 第２移動テーブル
４１ 発熱体
４３ａ〜４３ｆ コイル
４５ 電流制御手段
５１ 冷却装置
６０ 石英ガラス管の製造装置
６３ 水冷管（冷却装置）
Claims (7)
- 石英ガラス素材の加熱領域で前記石英ガラス素材に穿孔治具を当接し、該穿孔治具を圧入することで、前記石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造方法において、
前記加熱領域を、前記穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、前記成形開始位置から前記穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、前記成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分し、
前記ヒートゾーンにおける加熱温度を、前記石英ガラス素材の軟化点以上で作業点以下の温度範囲に制御し、
前記前加熱ゾーン及び後加熱ゾーンにおける加熱温度を、軟化点以下の温度に制御することを特徴とする石英ガラス管の製造方法。 - 前記ヒートゾーンの長さを、前記石英ガラス素材の外径の０．５倍〜２倍に設定することを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス管の製造方法。
- 前記穿孔治具の圧入によって成形した前記石英ガラス管を、前記加熱領域の終端の近傍で強制冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載の石英ガラス管の製造方法。
- 前記強制冷却は、ガスを吹き付けて行うことを特徴とする請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法。
- 前記強制冷却は、液体を前記石英ガラス管の周囲に流動させて行うことを特徴とする請求項３に記載の石英ガラス管の製造方法。
- 石英ガラス素材を加熱する加熱炉を有し、該加熱炉の加熱領域で前記石英ガラス素材に穿孔治具を当接させ、該穿孔治具を圧入させることで、前記石英ガラス素材を漸次円筒状の石英ガラス管に成形する石英ガラス管の製造装置において、
前記加熱炉は、前記穿孔治具の圧入によって成形を開始する成形開始位置より手前の前加熱ゾーンと、前記成形開始位置から穿孔治具の圧入による成形が終了する成形完了位置までのヒートゾーンと、前記成形完了位置より後の後加熱ゾーンとに区分される加熱領域を有するとともに、
上記の加熱領域の区分ゾーン毎に加熱温度を制御可能なように構成され、
前記加熱炉による加熱領域の終端近傍に、成形された石英ガラス管を強制冷却する冷却装置が設けられていることを特徴とする石英ガラス管の製造装置。 - 前記加熱炉は、前記加熱領域で前記石英ガラス素材の周囲を覆う円筒状の発熱体と、前記加熱領域の前記区分ゾーン毎に前記発熱体の外周に配置された複数組のコイルと、前記区分ゾーン毎にコイルに流す交流電流を制御可能な電流制御手段とを備えるとともに、
前記各コイルに高周波電流を流した時の誘導加熱によって前記発熱体を所定の温度分布に発熱させる誘導加熱炉であることを特徴とする請求項６に記載の石英ガラス管の製造装置。
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