JP4289173B2

JP4289173B2 - ガラス体の延伸方法及び装置

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Publication number: JP4289173B2
Application number: JP2004050508A
Authority: JP
Inventors: 正榎本; 健太郎武田; 充高城; 裕一大賀; 隆夫吉田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005239475A

Description

本発明は、ガラス体の延伸方法及び装置に関する。

光ファイバの製造に使用するガラス体の延伸方法として、加熱炉にガラス体を挿入して加熱軟化させ、ガラス体の両端間の間隔を広げながら、ガラス体の両端を各々加熱炉に対して相対的に移動させることにより、ガラス体を延伸する方法が知られている。

従来、その一つの方法として、ガラス体を加熱軟化させて延伸する際に、ガラス粘性変形部途中の外径を測定し、その外径測定値により延伸速度を調整して、所定外径のガラス体を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、別の方法として、ガラスインゴットを加熱溶融して延伸する際に、ガラスインゴットが加熱炉で延伸縮径されている箇所と、概ね延伸が終了した箇所のそれぞれに第１、第２の外径測定器を設置し、第２の外径測定器の測定値に基づき第１の外径測定器の設定値（目標値）を変更しつつ、その第１の外径測定器の設定値に第１の外径測定器の測定値が合うように、延伸速度を調整する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭５６−４５８４３号公報特許第３１８８４０４号公報

しかし、上述した従来のガラス体の延伸方法はいずれも、外径測定値をそのまま制御変数として、延伸速度を調整し外径制御を行うものであるため、延伸ガラス体の外径変動幅が十分には低減されない。特に、出発母材に長手方向に沿って外径変動がある場合、この外径変動が延伸後のガラス体にも残る傾向があり、この場合には長手方向に均一な外径を有するガラス体が得られない。また、実際には、延伸ガラス体の平均外径（中心値）と目標外径の間に若干のズレが残存することが散見されている。さらに、ガラス母材を縦にして延伸する場合は、ガラスの垂れが延伸体の径に影響し、ガラス母材の温度が高くなりすぎると延伸後の径が目標値よりも太くなってしまう。

本発明は、上記事情を考慮し、延伸ガラス体の外径変動を低減すること、及び、延伸ガラス体の平均外径と目標外径の間のズレを減少して目標外径（中心値）に対する対称性を確保することができ、高精度の外径制御が可能なガラス体の延伸方法及び装置を提供することを目的とする。
さらに、ガラス母材を縦にして延伸する場合、ガラスの垂れによる影響の少ないガラス体の延伸方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガラス体の延伸方法は、加熱炉にガラス母材を挿入して加熱軟化させ、延伸してガラス体を得るガラス体の延伸方法において、前記ガラス母材が前記加熱炉内で延伸・縮径されている延伸変形部の延伸方向に離間した少なくとも２点のガラス母材の外径を測定し、前記測定値に基づいて前記少なくとも２点間の所定領域を円錐台に近似して、前記ガラス母材の延伸方向の前記所定領域における体積値を得て、該体積値と所定の目標値の差分に基づいて延伸速度を調整することを特徴とする。

また、参考例によれば、前記延伸変形部を撮影して、前記ガラス母材の外径を求めるようにしてもよい。

本発明に係るガラス体の延伸装置は、ガラス母材を加熱軟化させる加熱炉と、前記加熱炉にて加熱軟化されたガラス母材を延伸する延伸駆動装置と、前記ガラス母材が前記加熱炉内で延伸・縮径されている延伸変形部の延伸方向に離間した少なくとも２点のガラス母材の外径を測定する外径測定器と、前記外径測定器の測定値に基づいて前記少なくとも２点間の所定領域を円錐台に近似して、前記ガラス母材の延伸方向の前記所定領域における体積値を算出する算出手段と、前記体積値と所定の目標値の差分に基づいて前記延伸駆動装置によるガラス体の延伸速度を調整する制御手段と、を有することを特徴とする。

前記算出手段は、前記延伸変形部を撮影して延伸変形部画像を取得する撮影手段と、前記延伸変形部画像を基に、前記ガラス母材の外径を求める演算器とを備えていてもよい。

本発明によれば、ガラス母材が加熱炉内で延伸・縮径されている延伸変形部の延伸方向の所定領域における体積値を測定し、その体積値と目標値の差分に基づいてガラス体の延伸速度を調整するので、高精度の外径制御が可能となる。即ち、ガラス体の延伸における延伸速度制御のための制御基準値として、従来のように外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、ガラス延伸変形部の体積値を採用することにより、延伸制御の基準となる偏差量と、延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保することができるようになる。また、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができるようになる。従って、これにより、外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できる。また、延伸前の母材が長手方向に外径変動を有している場合においても、高精度の延伸が可能となる。また、延伸が進むにつれて延伸されたガラス体の外径が漸増する場合であっても、ガラス体の外径の漸増を抑制することができる。

また、本発明によれば、延伸変形部の延伸方向に離間した少なくとも２点のガラス体の外径を測定し、その外径の測定値から前記所定領域におけるガラス体の体積値を算出するようにしたので、体積値を求めるのに複数台の外径測定器を使用すれば済み、比較的簡易に制御変数を算出可能となる。

また、本発明によれば、ガラス母材の体積値の算出を、前記所定領域を円錐台に近似して行うので、制御変数の算出が簡単に短時間でできる。

また、参考例によれば、前記延伸変形部を撮影して、前記ガラス母材の外径を求めるようにしたので、延伸変形部の形状を関数で近似的に表す精度が高く、高い精度でガラス母材の体積値を算出することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
具体的な実施形態の説明に入る前に、本発明者らが得た知見について先に述べる。

本願発明者は、延伸ガラス体の外径変動幅が十分には低減されず、また、延伸ガラス体の平均外径（中心値）と目標外径の間に若干のズレが残存する理由を詳細に調べたところ、ガラス体の外径目標値と外径測定値との偏差の方向、つまり、外径が目標値より大きいか小さいかによって、同じ偏差量であっても、延伸速度調整によるガラス外径変化量に若干の差が出ることが確認された。目標値よりも外径が大きい場合、同じ偏差量分目標値よりも外径が小さい場合よりも、延伸速度調整にかかるゲインが大きくなる。即ち、偏差量に対する、延伸速度調整によるガラス外径変化量の非直線性により、上記の問題が生じていることが判明した。

また、本発明者らはさらに鋭意研究を行った結果、ガラス体延伸制御において、延伸速度制御の基準となる偏差値を、従来の外径目標値と外径実測値の差分ではなく、ガラス体のネック部（延伸変形部）の一部の体積値を制御変数として採用して、この体積値と所定の目標値との差分とすることにより、常にガラス形状に応じて好適な操作変数調整（延伸速度調整）がなされることを確認した。なお、ここで、延伸速度とは、具体的にはガラス母材の挿入速度とガラス体の引取速度との差を指す。また、体積値とは、延伸得変形部の所定の区間の形状を直線や曲線で近似し、その近似直線又は曲線から計算して求められる値である。

これにより、制御偏差に対する、延伸速度調整によるガラス外径変化量の直線性、目標値に対する直線性を確保することができる。これに伴い、延伸ガラス体の外径変動幅の低減を実現できると共に、延伸ガラス体の外径の目標中心値に対するズレ量の解消に有効な効果が得られる。

また、ネック部の一部の体積値をベースとする制御方法を採用することにより、出発ガラス母材の長手方向に若干の外径変動を有する場合の延伸においても、延伸後のガラス体の外径変動への影響を大幅に低減することができ、ひいては目標値に対する狙い通りのガラス体の延伸が実現できる。

ネック部の体積値は、例えば、外径モニタ等の外径測定器を複数使用して算出することが可能である。あるいは、ＣＣＤモニタ等の画像撮影装置によってネック部を撮影し、ガラス母材の軸を含む断面におけるガラス母材の形状からネック部の体積を求めるようにしてもよい。

次に、具体的な本発明に係るガラス体の延伸方法及び装置の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る縦型のガラス体の延伸装置１０の概略構成図である。図１において、１Ａは延伸しようとするガラス母材、１Ｂはガラス母材１Ａを基に延伸されたガラス体、そして１Ｃはガラス母材１Ａが加熱軟化されて延伸・縮径される途中の変形部分であるネック部（延伸変形部）である。

ガラス体の延伸装置１０は、縦型の延伸装置であって、主として、ガラス母材１Ａの上端を把持する上部チャック１２と、延伸されたガラス体１Ｂの下端を把持する下部チャック１３と、それぞれ上部チャック１２及び下部チャック１３をガラス母材１Ａの長手方向に摺動可能に保持する延伸駆動装置１４，１５と、ガラス母材１Ａを加熱軟化させる加熱炉１６と、延伸駆動装置１４，１５、加熱炉１６等を制御する制御装置１７とを有している。

延伸駆動装置１４，１５は、ボールネジ１４ｂ，１５ｂと、ボールネジ１４ｂ，１５ｂを回転駆動するモータ１４ａ，１５ａをそれぞれ有している。各ボールネジ１４ｂ，１５ｂは、それぞれ上部チャック１２及び下部チャック１３にそれぞれ形成されたボールナット部１２ａ，１３ａと螺合している。ガラス母材１Ａの延伸時、モータ１４ａ，１５ａが駆動されてボールネジ１４ｂ，１５ｂが回転すると、上部チャック１２及び下部チャック１３は、ガラス母材１Ａの長手方向に平行な方向に移動する。ここで、上部チャック１２の移動速度は、ガラス母材１Ａの加熱炉１６への挿入速度Ｖｆに相当し、下部チャック１３の移動速度は、ガラス体１Ｂの加熱炉１６からの引取速度Ｖｆｃに相当する。延伸時には、Ｖｆ＞Ｖｆｃの関係が満たされており、下部チャック１３は、上部チャック１２から時間の経過とともに離れていく。

加熱炉１６は、略円環形状の加熱部材１６ａを有している。ガラス母材１Ａは、上方からこの加熱部材１６ａの環状孔内に挿入され、この加熱部材１６ａにより加熱軟化させられる。この状態で、延伸駆動装置１４，１５を介して上部チャック１２及び下部チャック１３が加熱炉１６に対して相対的に移動させられることによりガラス母材１Ａは延伸され、ガラス母材１Ａから所定の外径を有するガラス体１Ｂが生成される。このガラス母材１Ａが変形してガラス体１Ｂが生成される過程においては、加熱炉１６内の加熱部材１６ａによる加熱及び上部チャック１２及び下部チャック１３の相対移動によってガラス母材１Ａの外径が細くなった領域、ネック部（延伸変形部）１Ｃが形成される。このネック部１Ｃの外径は、ネック部１Ｃの長手位置に応じて変化している。

加熱炉１６内に形成されたネック１Ｃの周囲には、２台の外径測定器２１，２２がガラス母材１Ａの長手方向に距離ｈだけ離間した状態で近接配置されている。これらの外径測定器２１，２２は、例えばレーザを用いた外径測定器であり、それぞれガラス母材１Ａの長手方向にｈだけ離間した２点でガラス体のネック部１Ｃの外径を測定する。この外径測定器２１，２２によって測定された外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂は、それぞれ制御装置１７に出力される。

制御装置１７は、延伸装置１０の全体の動作を制御する制御器であり、外径測定器２１，２２によって測定された外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂による測定結果に応じて、モータ１４ａ若しくはモータ１５ａ、またはその双方の駆動を制御することにより、上部チャック１２若しくは下部チャック１３、またはその双方の移動速度をフィードバック制御して、ガラス母材１Ａから延伸されたガラス体１Ｂの外径を一定に保つように動作する。

より具体的には、制御装置１７は、外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂に基づいてネック部１Ｃにおける外径測定器２１，２２間に挟まれた寸法ｈの所定領域の体積値Ｖを演算し、この体積値Ｖに基づいて延伸速度を調整し、外径を一定に保つように制御を行う。ここで、外径制御においては、例えばＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）、Ｐ制御（比例制御）等が実施されることが好ましい。

本実施形態では、制御装置１７は、２台の外径測定器２１，２２に挟まれるネック部の形状を円錐台で近似することによりネック部１Ｃの体積を算出している。具体的には、円錐台近似した部分の体積は、以下のように表される。

（円錐台の体積値Ｖ）＝πｈ／１２（Ｄ₁ ²＋Ｄ₁Ｄ₂＋Ｄ₂ ²）

すなわち、本実施形態では、ネック部１Ｃの体積値ＶをＤ₁ ²＋Ｄ₁Ｄ₂＋Ｄ₂ ²の関数として近似的に表すように構成されている。本実施形態では、この体積値を制御変数とし、この制御変数を目標値に近づけるように制御することで、体積値を用いた延伸速度調整を実行している。

本実施形態では、上記のように構成することによって、ガラス体１Ｂの延伸における外径制御のための制御基準値として、従来のように外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、ネック部１Ｃの体積値を採用している。これにより、延伸制御の基準となる偏差量と、延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保することができる。また、外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、ネック部１Ｃの体積成分（体積値または体積関連値）を採用することにより、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができ、これにより、外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できるようになる。また、延伸前の母材が長手方向に外径変動を有している場合においても、高精度の延伸が可能となる。また、延伸が進むにつれて延伸されたガラス体の外径が漸増する場合であっても、ガラス体の外径の漸増を抑制することができる。

なお、上記説明では、ネック部１Ｃの体積値は、二つの外径測定器２１，２２によって測定された外径値に基づいて算出されるとして説明を行ったが、これに限られることはない。例えば、ネック部１Ｃの体積値をより精密に算出する場合には、ネック部１Ｃに対して３台以上の外径測定器を設け、これらの外径測定器によって測定された外径値を基に体積値を求めるようにしてもよい。

図２は、延伸装置１０に３台の外径測定器２１，２２，２３を設けた例の概略構成図である。延伸装置１０の基本的な構成は、図１における説明と同等であるため、説明を省略する。

図２に示す例では、加熱炉１６内に形成されたネック１Ｃの周囲には、３台の外径測定器２１，２２，２３がガラス母材１Ａの長手方向に沿って順に近接配置されている。外径測定器２１と外径測定器２２は、距離ｈ１だけ離間して、そして外径測定器２２と外径測定器２３は、距離ｈ２だけ離間してそれぞれ配置されている。この状態で、各外径測定器２１，２２，２３は、ガラス母材１Ａの長手方向の３点でガラス体のネック部１Ｃの外径をそれぞれ測定する。外径測定器２１，２２，２３によって測定された外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃は、それぞれ制御装置１７に出力される。

制御装置１７は、外径測定器２１，２２，２３によって測定された外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃による測定結果に応じて、モータ１４ａ若しくはモータ１５ａ、またはその双方の駆動を制御することにより、上部チャック１２若しくは下部チャック１３、またはその双方の移動速度をフィードバック制御して、ガラス母材１Ａから延伸されたガラス体１Ｂの外径を一定に保つように動作する。

より具体的には、制御装置１７は、外径測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃に基づいてネック部１Ｃにおける外径測定器２１，２２間に挟まれた寸法ｈ１の所定領域の体積値Ｖ１及び外径測定器２２，２３間に挟まれた寸法ｈ２の所定領域の体積値Ｖ２を演算してネック部１Ｃの体積値Ｖ（＝Ｖ₁＋Ｖ₂）を求め、この体積値Ｖに基づいて延伸速度を調整し、外径を一定に保つように制御を行う。ここで、外径制御においては、例えばＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）、Ｐ制御（比例制御）等が実施されることが好ましい。

図２の例においても、制御装置１７は、外径測定器２１，２２及び外径測定器２２，２３に挟まれるネック部の形状をそれぞれ円錐台で近似することによりネック部１Ｃの体積を算出している。具体的には、体積値Ｖ₁，Ｖ₂及び体積値Ｖは、以下のように表される。

Ｖ₁＝πｈ₁／１２（Ｄ₁ ²＋Ｄ₁Ｄ₂＋Ｄ₂ ²）
Ｖ₂＝πｈ₂／１２（Ｄ₂ ²＋Ｄ₂Ｄ₃＋Ｄ₃ ²）
Ｖ＝Ｖ₁＋Ｖ₂
＝π／１２｛ｈ₁（Ｄ₁ ²＋Ｄ₁Ｄ₂＋Ｄ₂ ²）＋ｈ₂（Ｄ₂ ²＋Ｄ₂Ｄ₃＋Ｄ₃ ²）｝

すなわち、本実施形態では、ネック部１Ｃの体積値ＶをＤ₁ ²＋Ｄ₁Ｄ₂＋Ｄ₂ ²及びＤ₂ ²＋Ｄ₂Ｄ₃＋Ｄ₃ ²の関数として近似的に表すように構成されている。本実施形態では、この体積値を制御変数とし、この制御変数を目標値に近づけるように制御している。

さらに一般化すると、ｎ組ｎ＋１台（ｎ：自然数）の外径測定器を設け、これらの外径測定器によって測定された外径値を基に体積値を求めるようにしてもよい。
この場合は、上記１組２台の外径測定器を使用する場合と同様に考えると、先頭からｋ台目とｋ＋１台目に挟まれる円錐台の体積値Ｖ_kは、以下のように表される。

Ｖ_k＝πｈ／１２（Ｄ_k1 ²＋Ｄ_kＤ_k+1＋Ｄ_k+1 ²）
Ｖ_k∝Ｄ_k1 ²＋Ｄ_kＤ_k+1＋Ｄ_k+1 ² （ｈが一定値の場合）

従って、制御変数として、Ｖ＝ΣＶ_kを採用すれば、上記と同様の制御を行うことにより、ネック部の体積値をより高い精度で算出することができ、精緻な延伸が可能となる。

なお、上記例では、基本的に２つの外径測定器を用いて、２つの外径値を測定し、得られた２つの外径値と２つの外径測定器の間隔から体積値Ｖを求めるように構成したが、これに限られることはない。例えば、図３に示すように、２つの外径測定器を用いてネック部１ＣのＰ₁，Ｐ₂における外径値Ｄ₁，Ｄ₂をそれぞれ測定し、測定された二つの外径値Ｄ₁，Ｄ₂から非測定位置Ｐ₃におけるネック部１Ｃの外径値Ｄ₃を外挿法により算出し、この非測定位置Ｐ₃における外径値Ｄ₃と２つの外径測定位置Ｐ₁，Ｐ₂の一方により測定された外径値Ｄ₁，Ｄ₂を基に、体積値Ｖを近似的に求めるように構成してもよい。

また、ネック部１Ｃの体積値を円錐台によって近似して求める代わりに、複数の測定値を基にネック部の外径形状を関数で近似して表し、この関数をガラス母材の延伸変形部の所定区間で積分することにより、体積値を求めるようにしてもよい。具体的には、測定された測定値を最小自乗法を用いて所定の関数形でフィッティングすることによりネック部１Ｃの断面外径形状を関数で表現し、この関数の回転体をネック１Ｃ区間またはその一部区間にわたって積分することにより、回転体の体積、すなわちネック部１Ｃの体積値Ｖを求めるように構成してもよい。

（参考例）
図４は、参考例に係る縦型のガラス体の延伸装置３０の概略構成図である。参考例では、第１実施形態の延伸装置１０と同等の機能を有する部材に関しては、記載の省略を避けるために、同一の参照番号を付して説明を割愛する。

参考例では、加熱炉１６内に形成されたネック１Ｃの周囲には、画像撮影装置３１が設けられている。この画像撮影装置３１は、例えばレンズ、ＣＣＤカメラ等の光学素子からなり、ガラス体のネック部１Ｃを撮影して、ネック部１Ｃの側面形状を含む画像データを取得する。この画像撮影装置３１によって撮影され取得された画像データは、制御装置１７に出力される。

制御装置１７は、画像撮影装置３１によって取得された画像データに応じて、モータ１４ａ若しくはモータ１５ａ、またはその双方の駆動を制御することにより、上部チャック１２若しくは下部チャック１３、またはその双方の移動速度をフィードバック制御して、ガラス母材１Ａから延伸されたガラス体１Ｂの外径を一定に保つように動作する。

より具体的には、制御装置１７は、取得した画像データを基に、ネック部１Ｃの体積値Ｖを演算し、それに基づいて延伸速度を調整し、外径を一定に保つように制御を行う。ここで、延伸速度制御においては、例えばＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）、Ｐ制御（比例制御）等が実施されることが好ましい。

図５は、取得した画像データの例を示す模式図である。
図５に示すように、ネック部１Ｃの画像には、ネック部１Ｃの外径形状が曲線Ｃによって示されている。制御装置１７は、この曲線Ｃを所定の関数形でフィッティングすることにより関数ｆ（ｚ）で表す。ネック部１Ｃの体積値Ｖは、この関数ｆ（ｚ）の回転体の体積で近似される。具体的に、関数ｆ（ｚ）のｚ軸（ここでは、ガラス体１Ｂの中心軸）まわりの回転体を所定の積分区間（Ｐ₁，Ｐ₂）で積分した値は、次式で表される。
なお、計算を簡略化させる場合には、曲線Ｃを直線で近似して、円錐台の体積を求めるように構成してもよい。

参考例では、上記のように構成することによって、ガラス体１Ｂの延伸における外径制御のための制御基準値として、従来のように外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、ネック部１Ｃの体積値を採用している。これにより、延伸制御の基準となる偏差量と、延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保することができる。また、外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、ネック部１Ｃの体積成分（体積値または体積関連値）を採用することにより、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができ、これにより、外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できるようになる。また、延伸前の母材が長手方向に外径変動を有している場合においても、高精度の延伸が可能となる。また、延伸が進むにつれて延伸されたガラス体の外径が漸増する場合であっても、ガラス体の外径の漸増を抑制することができる。

次に図１を参照してガラス体延伸の実施例１を説明する。
（ａ）延伸形態：縦型延伸機を使用して抵抗炉で加熱する。
（ｂ）出発材：外径８０ｍｍの円柱形状のシリカガラス（ＳiＯ₂ガラス）、母材長手方向に１００ｍｍ周期で０．５ｍｍ程度の周期的外径変動が存在している。
（ｃ）延伸目標形状：外径３０．５ｍｍφ
（ｄ）延伸条件：挿入速度Ｖｆ（可変）、初期挿入速度Ｖ_f0＝５．５ｍｍ／分、引取速度Ｖ_fc＝４０ｍｍ／分（一定）、ヒータ（加熱部材１６ａ）の温度１７７０℃（温度が一定になるようにヒータ出力自動調整）

（ｅ）延伸制御：
・ネック部ガラス径が概ね
(a)ガラス体最終延伸径＋２．０ｍｍ
(b)ガラス体最終延伸径＋１．０ｍｍ
となる位置に、２台のレーザ外径測定器２１、２２を設置した。それぞれの外径測定値をＤ₁、Ｄ₂とする。また、レーザ外径測定部間の距離ｈは４０．０ｍｍである。

・延伸制御に当たっては、上記のレーザ外径測定器２１、２２で外径が計測される２箇所に挟まれるネック形状を円錐台と近似し、その体積を下記式にて算出するように延伸機付設の制御装置１７にプログラムを導入する。
・制御変数：ネック部体積Ｖ_PVは次式（１）で求まる。

・延伸最終外径が目標値となるように、上記制御変数の目標値Ｖ_spを設定し、現在値と目標値の偏差に対して、挿入速度Ｖｆを調整するＰＩＤ制御を次式（２）、（３）に基づいて実施する。

ここで、Ｅ(t)は制御偏差、Ｋ_Pは比例ゲイン、Ｔ₁は積分時間、Ｔ_Dは微分時間である。また、設備稼働の安全上、挿入速度を０ｍｍ／分≦Ｖ_f0≦１５ｍｍ／分に制限する。

延伸結果を次の表１の実施例１に示す。なお、同表には、従来の外径制御方法により「最終外径＋２．０ｍｍ」の外径測定器の外径値に基づき延伸制御を行ったときの結果を比較例１として並記する。

表１に示すように、比較例１では、目標外径３０．５ｍｍに対し、外径中心が３０．８２ｍｍと１．０５％程度のズレが生じたが、実施例１では、目標外径３０．５ｍｍに対し外径中心が３０．５１ｍｍとなり、０．０３％程度のズレしか生じない。また、外径の変動幅も、比較例１が±０．６０ｍｍであるのに対して、実施例１の変動幅は±０．１２ｍｍであり、実施例１では、比較例１に比べて振動幅を１／５程度に抑制することができる。
以上の結果より、実施例１では、比較例１に比べて安定した制御によって、延伸結果を目標外径に近づけられることがわかる。

次に図２を参照してガラス体延伸の実施例２を説明する。
（ａ）延伸形態：（実施例１に同じ）
（ｂ）出発材：（実施例１に同じ）
（ｃ）延伸目標形状：（実施例１に同じ）
（ｄ）延伸条件：（実施例１に同じ）

（ｅ）延伸制御：
・ネック部ガラス径が概ね
(a)ガラス体最終延伸径＋２．０ｍｍ
(b)ガラス体最終延伸径＋１．５ｍｍ
(c)ガラス体最終延伸径＋１．０ｍｍ
となる位置に、３台のレーザ外径測定器２１、２２、２３を設置する。それぞれの外径測定値をＤ₁、Ｄ₂、Ｄ₃とする。また、レーザ外径測定部間の各々距離ｈ₁、ｈ₂は等しく２０．０ｍｍである。

・延伸制御に当たっては、上記のレーザ外径測定器２１、２２、２３で外径が計測される各２箇所に挟まれるネック形状を円錐台と近似し、その体積を下記式にて算出するように延伸機付設の制御装置１７にプログラムを導入する。
・制御変数：ネック体積Ｖ_PVは次式（４）で求まる。

・延伸最終外径が目標値となるように、上記制御変数の目標値Ｖ_SPを設定し、現在値と目標値の偏差に対して、挿入速度を調整するＰＩＤ制御を上式（２）、（３）に基づき行う。

延伸結果を、次の表２の実施例２に示す。

表２に示すように、実施例２では、目標外径３０．５ｍｍに対して外径中心が３０．５０ｍｍとなり、０．０１ｍｍ以上の有意なズレが観測されない。また、外径の変動幅も、比較例１が±０．６０ｍｍであるのに対して、実施例２の変動幅は±０．０９ｍｍであり、実施例２では、比較例１に比べて振動幅を１５％程度に、さらに実施例１と比べても３／４程度抑制することができる。
以上の結果より、実施例２では、比較例１に比べて安定した制御によって、延伸結果を目標外径に近づけられることがわかる。

以上の実施例１，２の結果によれば、比較例１の場合と比べて外径変動幅を大幅に低減することができた。特により実際の体積に近くなるように３箇所において外径を測定し体積値の円錐台近似を行った実施例２は、より優れた効果を奏する。

外径７０ｍｍのガラス母材を部分的に研削して外径の変動幅が１ｍｍのガラス母材を作製した。このガラス母材を実施例１と同様の制御を行い外径２７ｍｍまで延伸した（実施例３）。
また、比較例２として、同様のガラス母材（外径７０ｍｍのガラス母材を部分的に研削して外径の変動幅が１ｍｍのガラス母材）を比較例１と同様の制御を行い外径２７ｍｍまで延伸した。

比較例２では、外径変動の幅がほぼ０．３７ｍｍとなったのに対し、実施例３では、０．２３ｍｍと比較例２と比較して約６０％外径変動の幅を小さく抑制することができた。

外径９０ｍｍ、長さ５００ｍｍのガラス母材を外径３６ｍｍまで実施例１と同様の制御を行い延伸した（実施例４）。
また、同様のガラス母材（外径９０ｍｍ、長さ５００ｍｍのガラス母材）を外径３６ｍｍまで比較例１と同様の制御を行い延伸した（比較例３）。

延伸が進むにつれて、延伸後のガラス体の外径が徐々に太くなることが観察された。比較例３では、３０００ｍｍの延伸体を延伸する間に、延伸されたガラス体の形他約０．１７ｍｍ漸増したのに対し、実施例４では約０．０８ｍｍ漸増した。これより、実施例４のガラス体では、比較例３のガラス体と比べて外径の漸増を半分以下に抑制することができた。

延伸が進むにつれて延伸されたガラス体の外径が漸増する原因は、延伸が進むにつれてガラス母材の最高温度が高くなり、ガラスの自重による垂れが多くなることにあると考えられる。ガラス母材の最高温度が高くなる理由の一つは、ガラス母材の上端からの輻射熱が熱源からの輻射熱と相まって、ガラス母材の最高温度が高くなることが考えられる。また、ガラス母材の残量が少なくなって、ガラス母材の熱容量が小さくなることもガラス母材の最高温度上昇の一因と考えられる。

なお、上記実施形態では、縦型の延伸装置に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は縦型に限らず、横型でも効果を奏する。

また、上記実施形態では、加熱炉の形式として抵抗炉の場合を示したが、酸水素加熱（燃焼ガス加熱）、誘導炉加熱、その他のガラス母材加熱炉等を利用することもできる。

また、上記実施例では、ＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）によるガラス体延伸制御について説明したが、Ｐ制御（比例制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）においても、それぞれ、従来の外径値偏差を用いた制御よりも有効性を発揮できる。

また、上記実施形態では、シリカガラス（ＳiＯ₂）体延伸の場合を示したが、シリカガラスに他の元素（ＧeＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、Ｆ他）を全体もしくはその一部に添加したものでも同様の効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、制御変数に基づき、操作変数としてガラス送り速度を調整する方式を記載したが、操作変数としてガラス引取速度を調整する方式、また、ガラス送り速度と引き取り速度の両方を同時に調整する方式でも効果を奏する。

また、本発明に係る上記手法は、延伸最終外径を制御装置にフィードバックさせて計算された目標値から制御変数値を決定する延伸制御においても有効である。

本発明に係る延伸装置の第１実施形態の構成説明図である。本発明に係る延伸装置の別例を示す図である。ガラス母材の延伸変形部を示す図である。参考例に係る延伸装置の構成説明図である。ガラス母材の延伸変形部を示す図である。

符号の説明

１Ａガラス母材
１Ｂ延伸されたガラス体
１Ｃネック部（延伸変形部）
１０延伸装置
１２上部チャック
１３下部チャック
１４，１５延伸駆動装置
１６加熱炉
１７制御装置

Claims

加熱炉にガラス母材を挿入して加熱軟化させ、延伸してガラス体を得るガラス体の延伸方法において、
前記ガラス母材が前記加熱炉内で延伸・縮径されている延伸変形部の延伸方向に離間した少なくとも２点のガラス母材の外径を測定し、前記測定値に基づいて前記少なくとも２点間の所定領域を円錐台に近似して、前記ガラス母材の延伸方向の前記所定領域における体積値を得て、該体積値と所定の目標値の差分に基づいて延伸速度を調整することを特徴とするガラス体の延伸方法。
ガラス母材を加熱軟化させる加熱炉と、
前記加熱炉にて加熱軟化されたガラス母材を延伸する延伸駆動装置と、
前記ガラス母材が前記加熱炉内で延伸・縮径されている延伸変形部の延伸方向に離間した少なくとも２点のガラス母材の外径を測定する外径測定器と、
前記外径測定器の測定値に基づいて前記少なくとも２点間の所定領域を円錐台に近似して、前記ガラス母材の延伸方向の前記所定領域における体積値を算出する算出手段と、
前記体積値と所定の目標値の差分に基づいて前記延伸駆動装置によるガラス体の延伸速度を調整する制御手段と、を有することを特徴とするガラス体の延伸装置。