JP4224705B2 - ガラス母材の延伸方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材を加熱して延伸する方法に関する。

従来、ガラス母材を加熱炉内で加熱して延伸する際には、ガラス母材を加熱炉内に配置する前、あるいは、ガラス母材を加熱炉内に配置するときに、加熱炉のヒータをガラス母材の延伸を行う温度まで昇温させていた。そして、ガラス母材を所定の位置に配置させた直後に、ガラス母材を把持する送り側と引取り側のチャックを相対移動させてガラス母材に張力をかけ、延伸を開始していた。

また、母材インゴットをこれより小径の母材ロッドに延伸して光ファイバ母材を製造する方法において、母材インゴットの引取りを開始するまでに、引取り側においてロッドに張力を与えたときの伸びを測定することにより、母材インゴットの引取り開始時期を決定することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された延伸方法によれば、延伸後の光ファイバ母材の曲がりを低減化することができるとされている。

特許第３１５１３６７号公報

ところで、ヒータの温度が延伸を行う温度に達しても、ガラス母材（母材インゴット）がその内部まで十分に加熱されるまでには、ある程度の時間を要する。そのため、上記の延伸方法では、ガラス母材が十分に軟化しないまま延伸が開始され、ガラス母材を把持する部分に過大な荷重がかかってしまうことがあった。

そして、ガラス母材を把持するチャックに所定の値以上の荷重が加わると、延伸装置の安全装置が働いて、延伸装置の運転が停止してしまうことがあった。その場合には、延伸装置の稼働率が低下し、得られるガラス母材の生産性が低下してしまう。
また、ガラス母材が十分に軟化しないままガラス母材に大きな張力が加わると、ガラス母材の両端側に取り付けられた、ガラス母材を把持するためのダミー棒が損傷してしまうおそれもあった。ダミー棒が損傷してしまうと、安全に延伸作業を行うことが困難となるため、一旦ガラス母材を延伸装置から外して、損傷したダミー棒を再加工するか、あるいは交換しなければならなかった。

また、上記特許文献１に記載された延伸方法においても、まず引取り側のチャックから母材インゴットに張力を与えて、母材の伸び量を測定するため、チャックやダミー棒には過大な荷重がかかってしまうことが同様に想定される。

本発明は、延伸開始時にガラス母材を把持する部分にかかる負荷を低減することのできるガラス母材の延伸方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明に係るガラス母材の延伸方法は、加熱部を備えた加熱炉内にガラス母材を配置し、前記加熱部により前記ガラス母材を加熱して、前記ガラス母材を支持している荷重を測定し、加熱開始後に前記測定した荷重が所定の時間にわたり所定の値になった後、前記ガラス母材の延伸を開始するものである。

また、本発明に係るガラス母材の延伸方法において、前記荷重は、前記ガラス母材をその両端を把持して垂直方向に配置し、その上端側で前記ガラス母材を支持している荷重であることが好ましい。

また、本発明に係るガラス母材の延伸方法において、前記加熱炉内に前記ガラス母材を配置した後、前記加熱部の温度を１７００℃以上に昇温させてから延伸を開始することが好ましい。なお、ガラス母材の延伸を良好に行うためにガラスを十分に軟化させる加熱部の温度が１７００℃以上であり、例えば好適な温度範囲は、１７００℃から１９００℃程度である。また、ここで挙げた加熱部の温度とは、ガラス母材を加熱するための部材（ヒータや炉心管等を含む）の内側表面の最高温度を基準としている。

また、本発明に係るガラス母材の延伸方法において、前記加熱炉内に前記ガラス母材を配置する際の前記加熱部の温度を１１００℃以下とすることが好ましい。

本発明によれば、延伸開始時にガラス母材を把持する部分にかかる負荷を低減することができ、確実かつ安全性の高い延伸作業を行うことができる。

以下、本発明に係るガラス母材の延伸方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１に、本発明に係るガラス母材の延伸方法を実施することのできる延伸装置を示す。図１に示すように、本実施形態で用いられる延伸装置１は、ガラス母材Ｇを垂直に配置する縦型の延伸装置であり、ガラス母材Ｇを加熱する加熱炉２と、ガラス母材Ｇに接続されたダミー棒Ｇ１，Ｇ２を把持する上部チャック３及び下部チャック４を備えている。上部チャック３は加熱炉２の上側に配置され、下部チャック４は加熱炉２の下側に配置されている。

加熱炉２には、ガラス母材Ｇを加熱するための円筒状の炉心管５が設けられ、炉心管５の外周側には円筒状のヒータ６が設けられている。これらの炉心管５とヒータ６により、加熱炉２の加熱部が構成されている。炉心管５及びヒータ６は、カーボンで形成されている。特に、炉心管５及びヒータ６は、ガラス母材Ｇに不純物を付着させることを防止するために、高純度カーボンであることが好ましい。
ヒータ６は、通電させることで抵抗加熱することができ、炉心管５は、ヒータ６により加熱されて昇温する。但し、ヒータ６は誘導加熱方式で発熱させても良い。
さらに、加熱炉２は、ガラス母材Ｇを配置する加熱炉２の内側の空間に窒素等の不活性ガスを導入できるように構成されている。

また、炉心管５の内径は、例えば直径１００ｍｍである。この場合、延伸を行うガラス母材Ｇは、例えば直径が８０ｍｍ程度のものを使用することができる。

また、炉心管５の上方には、ガラス母材Ｇを炉心管５の内側に導入するための空間を形成する上筒７が設けられている。そして、この上筒７の上端には開閉可能な上蓋８が取り付けられている。

ガラス母材Ｇの両端には、それぞれダミー棒Ｇ１，Ｇ２が接続されており、一方のダミー棒Ｇ１が上部チャック３に把持され、他方のダミー棒Ｇ２が下部チャック４に把持される。ダミー棒Ｇ１，Ｇ２は、ガラス製のものを好適に用いることができる。
ダミー棒Ｇ１，Ｇ２を含むガラス母材Ｇは、上部チャック３と下部チャック４とによって支持される。本実施形態では、上部チャック３に荷重測定器（ロードセル）１０が取り付けられており、ダミー棒Ｇ１と上部チャック３との間にかかる荷重、すなわち上部チャック３がガラス母材Ｇを支持している荷重を測定することができる。

また、上部チャック３及び下部チャック４はそれぞれ昇降装置（図示せず）に取り付けられており、制御部９によってその駆動が制御される。上部チャック３は、加熱炉２内へのガラス母材Ｇの送り装置として機能する。下部チャック４は、延伸したガラス母材Ｇの引取り装置として機能する。これらの上部チャック３及び下部チャック４の昇降をそれぞれ制御することによって、ガラス母材Ｇの位置制御を行ってガラス母材Ｇに対して適切な加熱を行うことができるとともに、ガラス母材Ｇに張力を加えて、加熱されて軟化した領域を延伸して細径化することができる。
その際、荷重測定器１０の測定値は、制御部９により検出される。

また、制御部９はヒータ６に流す電流量を制御して、ヒータ６の発熱温度を制御することができる。ヒータ６に流す電流量は、炉心管５の内側表面の最高温度が所定の値となるように制御すると良い。炉心管５の温度は、加熱炉２に取り付けられた放射温度計によって測定することができる。

この延伸装置１を用いてガラス母材Ｇの延伸を行うには、まず、荷重測定器１０が取り付けられた上部チャック３によりダミー棒Ｇ１を把持し、上蓋８を開いて上筒７の上方から加熱炉２内にガラス母材Ｇを導入する。そして、ガラス母材Ｇの下部のダミー棒Ｇ２を下部チャック４により把持し、上部チャック３と下部チャック４の位置を制御して、ガラス母材Ｇの下端近傍部分が最初に加熱されるように炉心管５の内側にガラス母材Ｇを配置する。なお、このとき上部チャック３と下部チャック４との間でガラス母材Ｇに若干の張力を作用させ、ガラス母材Ｇの位置を安定させる。

ガラス母材Ｇが炉心管５の内側に配置されるときには、ガラス母材Ｇの急激な加熱を避けるため、ヒータ６に電流を流さずにヒータ６及び炉心管５を室温のままとしておく。もしくは、炉心管５を延伸温度より低い温度に加熱しておく。好ましくは、炉心管５の内側表面の最高温度が１１００℃以下となるようにしておくと良い。

ガラス母材Ｇを延伸させる際の炉心管５の温度は、上記のように１７００℃から１９００℃程度の高温であるため、この延伸温度の状態でガラス母材Ｇを炉心管５の内側に配置した場合には、急激な加熱が行われることとなって、ガラス母材Ｇに歪みやクラックが発生してしまうおそれがある。例えば、ガラス母材Ｇとダミー棒Ｇ２との境界部分にクラックが発生しやすい。そのため、本実施形態では、ガラス母材Ｇを延伸開始位置に配置した後、炉心管５の温度を延伸温度まで昇温させるようにしている。そして、ガラス母材Ｇが延伸を良好に行うことのできる温度まで加熱されて十分に軟化したことを検知した後に、下部チャック４を下方に移動させてガラス母材Ｇの延伸を開始する。

図２に、本実施形態における、ガラス母材Ｇの延伸を開始する際の上部チャック３の荷重Ｆ（Ｎ）の時間軸変化と炉心管５の内側表面の最高温度Ｔ（℃）の時間軸変化のグラフを示す。
まず、時間軸（横軸）の開始点（グラフ中左端）は、ガラス母材Ｇが延伸開始位置に配置された時を示しており、この時の炉心管５の温度Ｔは室温である。そして、これ以降にヒータ６への通電を開始して炉心管５の温度Ｔを昇温させる。炉心管５の温度Ｔが延伸温度近くまで上がると、ガラス母材Ｇの下端近傍部分は加熱されて徐々に軟化していく。そして、炉心管５の温度Ｔが延伸温度で安定した直後にはガラス母材Ｇの軟化は外周近傍部分のみであり、その後ある程度の時間が経過してから、ガラス母材Ｇは内部まで十分に軟化される。

ガラス母材Ｇが軟化する前は、ガラス母材Ｇとダミー棒Ｇ１，Ｇ２の総重量が上部チャック３と下部チャック４とに分配されて支持されているが、ガラス母材Ｇの下端近傍部分が軟化するにつれて、ガラス母材Ｇの下端近傍部分とダミー棒Ｇ２の重量は下部チャック４により支持され、ガラス母材Ｇの大部分とダミー棒Ｇ１の重量は上部チャック３により支持されるようになる。したがって、図２に示すように、上部チャック３にかかる荷重はガラス母材Ｇの下端近傍部分の軟化とともに増加し、内部まで十分に軟化された後は荷重が所定の値で安定する。そして、制御部９では、炉心管５の温度を延伸温度に昇温させた後に、荷重測定器１０から検出した荷重の測定値が予め設定された所定時間ｔ１（秒）にわたって安定したことを検知すると、ガラス母材Ｇが十分に軟化したとみなして、上部チャック３及び下部チャック４の移動を開始して延伸を行う。

なお、荷重Ｆや温度Ｔの一例を示すと、ガラス母材Ｇの外径が８０ｍｍで、ダミー棒Ｇ１，Ｇ２を含めたガラス母材Ｇの総重量が例えば１１ｋｇｆである場合は、炉心管５の温度Ｔを１８００℃まで昇温させて、ガラス母材Ｇの下端近傍部分が軟化した後に荷重が安定して荷重測定器１０で検出される値は８ｋｇｆである。また、本実施形態では、軟化を判断する上記の所定時間ｔ１を６０秒とした。

以上説明した本実施形態のガラス母材の延伸方法によれば、ガラス母材を支持する荷重の変化によりガラス母材が十分に軟化したことを検知して、その後延伸を開始するため、ガラス母材を把持する部分にかかる負荷を低減することができる。したがって、ガラス母材の歪みや割れを防止するとともに、延伸装置の運転を停止させることも防ぐことができる。

なお、上記の実施形態では、力測定器を上部チャックに取り付けてガラス母材を支持する荷重を測定したが、下部チャックに荷重測定器を取り付けて、ガラス母材を下方で支持する荷重を測定することによってガラス母材の軟化を検出しても良い。その場合には、ガラス母材の軟化に伴って、測定される荷重は減少していき、十分に軟化されたときにその測定値は安定する。
また、荷重測定器を取り付ける位置は、上部または下部のチャックに限らず、チャックを昇降させる昇降装置に取り付けても良い。

さらに、本発明はガラス母材を横（水平）方向に配置して、横方向に延伸させる場合にも適用可能である。横方向に延伸する場合には、ガラス母材の自重による変形の影響を抑えるためにガラス母材を軸回りに回転させながら張力をかけていく。その際、チャックにロードセルまたはトルクセンサ等の荷重測定器を取り付けて、延伸開始前にチャックにかかる荷重を測定することで、上記の縦型の延伸方法と同様に荷重の上昇または下降の変化の後に測定値が安定したことを検出して、ガラス母材が十分に軟化したことを検知することができる。

本発明に係る延伸装置を示す既略断面図である。 ガラス母材の延伸を開始する際のチャックの荷重と炉心管の温度の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 延伸装置
２ 加熱炉
３ 上部チャック
４ 下部チャック
５ 炉心管
６ ヒータ
７ 上筒
８ 上蓋
９ 制御部
１０ 荷重測定器
Ｇ ガラス母材
Ｇ１，Ｇ２ ダミー棒

Claims (4)

1. 加熱部を備えた加熱炉内にガラス母材を配置し、前記加熱部により前記ガラス母材を加熱して、前記ガラス母材を支持している荷重を測定し、加熱開始後に前記測定した荷重が所定の時間にわたり所定の値になった後、前記ガラス母材の延伸を開始するガラス母材の延伸方法。
2. 前記荷重は、前記ガラス母材をその両端を把持して垂直方向に配置し、その上端側で前記ガラス母材を支持している荷重である請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。
3. 前記加熱炉内に前記ガラス母材を配置した後、前記加熱部の温度を１７００℃以上に昇温させてから延伸を開始する請求項１または２に記載のガラス母材の延伸方法。
4. 前記加熱炉内に前記ガラス母材を配置する際の前記加熱部の温度を１１００℃以下とする請求項１から３の何れか１項に記載のガラス母材の延伸方法。