JP4296809B2

JP4296809B2 - ガラス母材の延伸方法

Info

Publication number: JP4296809B2
Application number: JP2003081035A
Authority: JP
Inventors: 慎二中原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004284905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス母材の延伸方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等により作製されたガラス母材を、通常、延伸装置によって線引に適した外径に延伸した後、線引装置によって所望の外径に成形して製作される。ガラス母材の延伸は、ガラス母材を加熱炉内に所定の母材送り速度で供給しながら加熱して軟化させ、溶融したガラス母材を所定の引取速度で加熱炉から引き出すことにより行われる。ここでは、延伸後のガラス母材の外径が一定の公差範囲内に収まるようにするべく、加熱軟化部の所定位置における外径を測定装置で測定し、その測定値に基づいて母材送り速度及び／又は引取速度を制御する技術が知られている。
【０００３】
また、母材インゴットの末端周辺部を延伸する際、直胴部での平均引取り速度よりも速い速度で引き伸ばす区間と、直胴部での平均引取り速度よりも遅い速度で引き伸ばす区間とに区分けして延伸し、外径精度の高いガラス母材を得ようとしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−５９２７４号公報（第２−４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すように、ガラス母材１は、コアロッド６の端部にガラス母材１を把持するためのダミーロッド８が接合されたロッド２を有し、それらの外周面にクラッド用ガラス９が所定の厚さで設けられた構造となっており、クラッド用ガラス９の両端が末端に向かうに従って次第に小径に形成されてなるテーパ部１ｂ，１ｂ’を有している。
【０００６】
このような、ガラス母材１を、母材送り速度と引取り速度の少なくとも一方を制御する従来のガラス母材の延伸方法で延伸すると、延伸されたガラス母材１に関し、外径が所望の公差範囲内とならない領域が多いという不具合があった。これは、図７に示すように、コアロッド６とダミーロッド８との接合部である端部７を境にロッド２の粘度が不連続であることや、テーパ部１ｂ，１ｂ’の形状に起因して、加熱軟化部に局部的に外径が急激に変動している局所変動部１ｄが形成されやすく、上記した従来のガラス母材の延伸方法が、この局部的な外径の変動に対して、有効に対応していないものと考えられる。さらに、テーパ部１ｂに対してなされた前記速度の制御が、テーパ部１ｂに連続する直胴部１ｃの延伸結果にも波及し、直胴部１ｃが延伸された領域においても外径が安定しない区間を増長させている虞れがある。
【０００７】
特許文献１で開示されている従来の延伸方法は、ガラス母材１の末端周辺部を直胴部１ｃでの平均引取り速度よりも速い速度で引き伸ばす区間と、直胴部１ｃでの平均引取り速度よりも遅い速度で引き伸ばす区間とに区分けして延伸することによって、延伸後のガラス母材の最終外径を一定に保とうとしている。
【０００８】
しかしながら、この方法では、コアロッド６とダミーロッド８との接合部である端部７に起因する局部的な外径の変動には対応できない。さらに、テーパ部１ｂに起因する局部的な外径の変動に関しても、その効果は不十分である。
【０００９】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外径精度の高いガラス母材を効率良く延伸することができるガラス母材の延伸方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明に係るガラス母材の製造方法は、コアロッドとダミーロッドとが互いに接する接合部を有するガラス母材を加熱軟化させ、加熱軟化中の前記ガラス母材のモニタ外径に基づき、ガラス母材送り速度と延伸体引取り速度の少なくとも一方の速度を制御してガラス母材を延伸するガラス母材の延伸方法であって、前記接合部を延伸する際には、前記接合部周辺の所定の区間においては、前記ガラス母材のモニタ外径に依存せず所定の延伸速度で延伸する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るガラス母材の延伸方法を実施するガラス母材の延伸装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明に係るガラス母材の延伸方法を実施するガラス母材の延伸装置１０は、加熱炉１１と、把持部１ｅを把持してガラス母材１を加熱炉１１内にガラス母材送り速度ＶＳで供給する母材供給機構１２と、ダミーロッド８を把持してガラス母材１の延伸体を引取速度ＶＰで引っ張って延伸する引取り機構１３とを備えている。
【００１６】
加熱炉１１内には、ヒータ１４が内蔵されており、供給されたガラス母材１を略２０００℃まで加熱して軟化できるようになっている。加熱炉１１のヒータ１４の下流側には、例えばレーザを照射して寸法を測定する外径測定装置１５が配置されており、加熱炉１１内のガラス母材１の加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０を測定するようになっている。
【００１７】
母材供給機構１２及び引取り機構１３は、例えば移動用ボールねじ（図示せず）及び移動用ボールねじを回転駆動するモータ（図示せず）、把持部１ｅ又はダミーロッド８を把持する把持腕（図示せず）、等で構成された移動機構であって、モータによって移動用ボールねじを回転させ把持腕で把持するガラス母材１を所定の方向に所定の速度（ガラス母材送り速度ＶＳ、延伸体引取り速度ＶＰ）で移動させるようになっている。
【００１８】
母材供給機構１２及び引取り機構１３のそれぞれのモータ、外径測定装置１５は、制御装置（図示せず）に電気的に接続されており、後述する外径制御の実施時に前記モータの回転速度は、外径測定装置１５によって測定されたモニタ外径Ｄ０の測定データに基づいて、延伸速度であるガラス母材送り速度ＶＳと延伸体引取り速度ＶＰの少なくとも一方が所定の手順に従って制御されるようになっている。
【００１９】
ガラス母材１は、コアロッドとダミーロッドとが互いに端部で接してなるロッドを包含しており、より具体的には、図６に示すように、コアロッド６の端部７にガラス母材１を把持するためのダミーロッド８が接合されたロッド２を有し、それらの外周面にクラッド用ガラス９が所定の厚さで設けられた構造となっている。また、ガラス母材１は、クラッド用ガラス９の両端が末端に向かうに従って次第に小径に形成されてなるテーパ部１ｂ，１ｂ’を有している。コアロッド６の他端部には、クラッド用ガラス９が設けられないか、あるいは、端部にて別のダミーロッドが接続されるなどして、把持部１ｅが形成されている。
【００２０】
コアロッド６は、ＳｉＯ₂を主成分とし、さらに、屈折率を向上させるための添加剤（ＧｅＯ₂等）が含有されてなる。単にガラス母材１を把持するのためのダミーロッド８は、通常、ＳｉＯ₂だけから構成されている。クラッド用ガラス９は、ＳｉＯ₂を主成分とし、例えば屈折率を低下させるための添加剤（フッ素等）が含有されてもよい。
【００２１】
本発明の実施形態に係るガラス母材の延伸方法においては、前記端部７を加熱軟化させて延伸する際には、端部７周辺の所定の区間において、所定の区間において、所定の延伸速度（ＶＳとＶＰを所定の速度）で延伸する。すなわち、この区間においては、ガラス母材のモニタ外径Ｄ０に基づいた延伸速度の制御（本実施形態では“外径制御”ともいう）は実施されない。
また、ガラス母材１のテーパ部１ｂを加熱軟化させて延伸する場合、テーパ部１ｂを含む所定の区間において所定の延伸速度で延伸する。この区間においても、外径制御は実施されない。
【００２２】
以下、本実施形態を経時的に詳細に説明する。
図１に示すように、母材供給機構１２によって把持部１ｅが把持されたガラス母材１は、所定のガラス母材送り速度ＶＳで加熱炉１１内に供給され、ヒータ１４で加熱されて軟化する。一方、ダミーロッド８を把持する引取り機構１３は、所定の延伸体引取り速度ＶＰでガラス母材１を引っ張り、加熱炉１１から引き出して延伸を開始する。
【００２３】
ガラス母材１のテーパ部１ｂの延伸をするときには、テーパ部１ｂを含む所定の区間において所定の延伸速度で延伸する。より具体的には、例えば、テーパ部１ｂに関して外径制御をしない領域に対応した母材供給機構１２からの母材送り長Ｘ’を設定し、母材送り長がＸ’に至るまで外径制御を実施せずに、所定の延伸速度でガラス母材１を延伸する。ガラス母材送り速度ＶＰ及び延伸体引取り速度ＶＳは、それぞれ、ガラス母材送り速度設定値及び延伸体引取り速度設定値に向けて次第に増加するように制御装置が母材供給機構１２及び引取り機構１３のそれぞれのモータを制御するようになっており（ガラス母材送り速度設定値＜延伸体引取り速度設定値）、ガラス母材の延伸は、ＶＳとＶＰとの速度差に従って開始される。すなわち、外径が小から大になるテーパ部１ｂにおいて、その延伸速度が０から所定の延伸速度に増加で設定されている。これにより、ガラス母材１や延伸装置等の設備に対して過度な負荷を与えることなく、ガラス母材１の破断、設備の破損等が防止されるとともに、延伸されたガラス母材１の外径を短時間で所定の公差範囲内に収束させることができる。
【００２４】
母材供給機構１２からの母材送り長（以下、単に、母材送り長という）がＸ’となるまでガラス母材１を延伸した後は、外径制御を実施しながら延伸する。即ち、ガラス母材送り速度ＶＳと延伸体引取り速度ＶＰは、加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０を外径測定装置１５で測定し、その測定値に基づいて加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０が一定の許容公差内となるように、ガラス母材送り速度ＶＳと延伸体引取り速度ＶＰとの少なくとも一方が制御装置によって制御される（これを、本明細書では“制御工程”ともいう）。
【００２５】
具体的には、外径測定装置１５で加熱軟化部の所定位置１ａの外径Ｄ０を測定し、測定値が所定の寸法（例えばΦ４４ｍｍ）より大きい場合、ガラス母材送り速度ＶＳを遅くするか、又は延伸体引取り速度ＶＰを速くすることにより加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０が小さくなるように制御する。また、加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０の測定値が所定の寸法（例えばΦ４２ｍｍ）より小さい場合、ガラス母材送り速度ＶＳを速くするか、又は延伸体引取り速度ＶＰを遅くすることにより加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０が大きくなるように制御する。
【００２６】
上述したように、加熱軟化部の所定位置１ａの外径Ｄ０が許容公差内（例えば、Φ４３±１ｍｍ）となるように延伸速度を制御することによって、延伸されたガラス母材１の最終外径Ｄ１を所定の許容公差内（例えば、Φ４０±１ｍｍ）に納め、外径精度の高いガラス母材１を延伸することができる。
【００２７】
ここで、外径制御が開始する母材送り長Ｘ’は、ガラス母材１の寸法（テーパ部１ｂの寸法を含む）、加熱条件等に応じて、適宜選択可能であり、制御装置に予め設定されている。
【００２８】
次いで、ガラス母材の前記端部７周辺を延伸する際には、端部７周辺の所定の区間において、所定の延伸速度で延伸する（本明細書では“非制御工程”ともいう）。本実施形態においては、母材送り長がＹからＺに（Ｚ＞Ｙ）に至る範囲で外径制御を実施しないことによって、前記端部７にては外径制御を実施しなくなるように設定されている。そして、非制御工程では、外径制御を停止した時の最終母材送り速度ＶＳｆ及び最終引取り速度ＶＰｆで延伸するように制御装置が母材供給機構１２及び引取り機構１３のそれぞれのモータを制御するようになっている。これにより、非制御工程における延伸速度を制御工程の最終時点における延伸速度とすることができ、延伸速度を急激に変化することなくガラス母材１を延伸できる。よって、非制御工程におけるガラス母材１の最終外径Ｄ１の変動を小さく抑えることができ、ガラス母材１の端部７に起因する局部的な外径の変動を短時間で所定の許容公差内に収束させることができる。
なお、母材送り長Ｙ及び母材送り長Ｚは、コアロッドの組成、ダミーロッドの組成、加熱条件等に応じて、加熱条件等に応じて、適宜選択可能であり、制御装置に予め設定されている。
【００２９】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、前述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００３０】
【実施例】
本発明のガラス母材の延伸方法に係る実施例と、比較例について説明する。実施例及び比較例ともに、ガラス母材１［直胴部１ｃの外径：Φ９０ｍｍ、コアロッド６（ＧｅＯ₂を６重量％で含有するＳｉＯ₂）の外径：Φ２０ｍｍ、ダミーロッド８（ＳｉＯ₂）の外径：Φ２０ｍｍ、テーパー部１ｂ，１ｂ’を構成する円錐台の高さ：８０ｍｍ、テーパー部１ｂを構成する円錐台の上面から端部７までの距離：３０ｍｍ、クラッド用ガラス９の組成：ＳｉＯ₂、ガラス母材１の全長：１０００ｍｍ］を２０００℃の加熱炉１１内に供給し、最終外径Ｄ１がΦ４０±１ｍｍとなるように延伸する。
【００３１】
（実施例）
実施例の延伸条件は、下記のように制御する。
（１）延伸開始から母材供給機構１２の送り長Ｘ（６０ｍｍ）までの区間
延伸体引取り速度ＶＰは、延伸に伴なって０から７６ｍｍ／分まで次第に増加させる。ガラス母材送り速度ＶＳは、延伸に伴なって０から１５ｍｍ／分まで次第に増加させる。
（２）母材供給機構１２の送り長Ｘ（６０ｍｍ）以降の区間
延伸体引取り速度ＶＰを７６ｍｍ／分にて、ガラス母材送り速度ＶＳを１５ｍｍ／分にて、母材供給機構１２の母材送り長Ｘ’（７０ｍｍ）まで、それぞれ一定とする。
次いで、ガラス母材送り速度ＶＳは外径測定装置１５による加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０の測定値がΦ４３ｍｍとなるように増減させて外径制御を行う（制御工程）。ここで、加熱軟化部の所定位置１ａは、ヒータ１４の中心から１００ｍｍ下方に位置している。
なお、母材供給機構１２の母材送り長がＸ’（７０ｍｍ）は、テーパー部１ｂの軸方向長さ（８０ｍｍ）より小さいことから、本実施例は、ガラス母材のテーパ部の一部に対して外径制御を実施せず、その間、所定の延伸速度で延伸を実施する例である。
（３）ガラス母材１の端部７周辺を含む区間（母材供給機構１２の母材送り長Ｙ：１００ｍｍから母材送り長Ｚ：１３０ｍｍまでの３０ｍｍの区間）
ガラス母材送り速度ＶＳは外径制御を停止したときの最終母材送り速度ＶＳｆを１４．５ｍｍ／分、最終引取り速度ＶＰｆを７６ｍｍ／分とする（非制御工程）。母材供給機構１２の母材送り長がＺとなった時点で、前記（２）の制御工程を再開する。
【００３２】
実施例の結果を図２及び図３に示す。図２は、ガラス母材送り速度ＶＳ、延伸体引取り速度ＶＰ及びモニタ外径Ｄ０と母材送り長との関係を示す図である。図３は、最終外径Ｄ１と母材長さとの関係を示す図である。
【００３３】
モニタ外径Ｄ０を示す測定曲線２０は、「テーパ部１ｂ」及び「ガラス母材１の端部７周辺を含む区間」を延伸するとき変動するが、減衰率の大きなカーブとなっており、短時間で目標の直径Φ４３ｍｍに近づいていることが分かる。また、外径制御を行っているときのガラス母材送り速度ＶＳは、曲線２１に示すように、外径測定装置１５の測定値に基づいて僅かに変動しながらモニタ外径Ｄ０を所定の値に制御している。
【００３４】
延伸されたガラス母材１の最終外径Ｄ１は、図３の曲線２３に示すように、目標外径Φ４０±１ｍｍから外れる範囲２３ａ，２３ｂが、「テーパ部１ｂ」の延伸時に母材長さで約５００ｍｍ、「ガラス母材１の端部７周辺を含む区間」の延伸時に母材長さで約１５０ｍｍとなる。
【００３５】
（比較例）
比較例の延伸は、延伸体引取り速度ＶＰを７６ｍｍ／分にて一定とし、ガラス母材送り速度ＶＳは外径測定装置１５による加熱軟化部の所定位置１ａのモニタ外径Ｄ０の測定値がΦ４３ｍｍとなるように増減させて外径制御を行う。
【００３６】
比較例の結果を図４及び図５に示す。図４は、ガラス母材送り速度ＶＳ、延伸体引取り速度ＶＰ及びモニタ外径Ｄ０と母材送り長との関係を示す図である。図５は、最終外径Ｄ１と母材長さとの関係を示す図である。
【００３７】
図４に示すように、モニタ外径Ｄ０の測定曲線３０は、「テーパ部１ｂ」及び「ガラス母材１の端部７周辺を含む区間」を延伸するとき、激しく上下しながら目標の直径Φ４３ｍｍに近づいている。また、ガラス母材送り速度ＶＳは、曲線３１に示すように、モニタ外径Ｄ０の測定値が目標の直径より大きい（曲線３０の点３０ａ）ときには小さくなり（曲線３１の点３１ａ）、モニタ外径Ｄ０の測定値が目標の直径より小さい（曲線３０の点３０ｂ）ときには大きくなって（曲線３１の点３１ｂ）、延伸体引取り速度ＶＰとの相対速度を激しく増減させてモニタ外径Ｄ０を目標の直径Φ４３ｍｍに近づけるように制御していることが分かる。これによって、測定曲線３０に示すように、モニタ外径Ｄ０は激しく上下しながら目標の直径Φ４３ｍｍに近づき、目標の直径内に収束するまでの母材送り長は、図２に示す実施例と比較して長くなっている。
【００３８】
これは、ガラス母材１の延伸は、テーパ部１ｂが延伸されることより開始されるとともに、ガラス母材１の端部７では粘度等の物性が急激に変化するため、外径制御を行っても、その応答の遅れからモニタ外径Ｄ０を均一に制御することが難しいことを示しており、実施例のように外径制御を行わずに延伸してモニタ外径Ｄ０がある程度安定してから外径制御を行った方が、モニタ外径Ｄ０を短時間で安定させることができるためと考えられる。
【００３９】
延伸されたガラス母材１の最終外径Ｄ１は、図５の曲線３３に示すように、目標外径Φ４０±１ｍｍから外れる範囲３３ａ，３３ｂが、「テーパ部１ｂ」の延伸時に母材長さＬで略９００ｍｍ、「ガラス母材１の端部７周辺を含む区間」の延伸時に母材長さで略３００ｍｍとなっている。これらの長さは、それぞれ、前記した実施例の母材長さＬと比較すると約２倍の長さとなっており、製品として使用できない無駄な部分が多くなることが分かる。
【００４０】
以上により、実施例のガラス母材の延伸方法によれば、最終外径Ｄ１が許容範囲外であることにより廃棄されるガラス母材の量を低減できるので、ガラス母材１の歩留りを向上させることができる。
【００４１】
なお、実施例においては、外径制御実施時の延伸体引取り速度ＶＰを一定速度とし、ガラス母材送り速度ＶＳを外径測定装置１５による測定データの基づいて変化させることにより制御するが、これに限定されるものではなく、ガラス母材送り速度ＶＳを一定とし、延伸体引取り速度ＶＰを外径測定装置１５による測定データの基づいて変化させるようにしてもよい。また、ガラス母材送り速度ＶＳと延伸体引取り速度ＶＰの両方を制御しても良い。
【００４２】
また、実施例においては、延伸開始部のガラス母材送り速度ＶＳ及び延伸体引取り速度ＶＰを直線的に増加させるように制御するが、これに限るものではなく、例えば放物線や対数曲線に沿って増加させるようにしてもよい。これらの増加カーブは、外径制御開始時のガラス母材送り速度ＶＳ及び延伸体引取り速度ＶＰにできるだけ滑らかに連続させることが加熱軟化部１ａのモニタ外径Ｄ０を早期に安定させる上で好ましい。最適のカーブ形状は、延伸するガラス母材の構成、組成、大きさや、加熱条件を鑑みて、適宜選択することができる。
【００４３】
さらに、実施例においては、ガラス母材のテーパ部の一部に対して外径制御を実施することなく所定の延伸速度でガラス母材１の延伸を行うが、ガラス母材のテーパ部の全長に渡って延伸速度の制御を実施することなく所定の延伸速度でガラス母材１の延伸を行ってもよい。この間、所定の延伸速度でガラス母材の延伸を実施してもよい。より具体的には、延伸前のガラス母材１においてテーパー部１ｂの軸方向長さ、あるいは、この長さを超える範囲に渡って、所定の延伸速度で延伸を実施してもよい。テーパ部に関し、外径制御を実施せずに、所定の延伸速度で延伸を行う範囲は、延伸するガラス母材の構成、組成、大きさや、加熱条件を鑑みて、適宜選択することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係るガラス母材の延伸方法によれば、外径精度の高いガラス母材を効率良く延伸することができるガラス母材の延伸方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス母材の延伸方法を実施するガラス母材の延伸装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】実施例に関し、ガラス母材送り速度ＶＳ、延伸体引取り速度ＶＰ及びモニタ外径Ｄ０に対する母材送り長の関係を示す図である。
【図３】実施例に関し、最終外径Ｄ１と母材長さとの関係を示す図である。
【図４】比較例に関し、ガラス母材送り速度ＶＳ、延伸体引取り速度ＶＰ及びモニタ外径Ｄ０に対する母材送り長の関係を示す図である。
【図５】比較例に関し、最終外径Ｄ１と母材長さとの関係を示す図である。
【図６】ガラス母材の構成を示す縦断面図である。
【図７】加熱軟化部の局部的な外径変形部を示すガラス母材の要部拡大図である。
【符号の説明】
１ガラス母材
１ａ加熱軟化部の所定位置
１ｂテーパ部
２ロッド
６コアロッド
７端部
８ダミーロッド

Claims

コアロッドとダミーロッドとが互いに接する接合部を有するガラス母材を加熱軟化させ、加熱軟化中の前記ガラス母材のモニタ外径に基づき、ガラス母材送り速度と延伸体引取り速度の少なくとも一方の速度を制御してガラス母材を延伸するガラス母材の延伸方法であって、前記接合部を延伸する際には、前記接合部周辺の所定の区間においては、前記ガラス母材のモニタ外径に依存せず所定の延伸速度で延伸するガラス母材の延伸方法。