JP5051195B2 - ガラス母材の延伸方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材を所定の外径に延伸するガラス母材の延伸方法に関するものである。

一般に、光ファイバは、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等で得られた多孔質母材をガラス化し、得られたガラス母材を、延伸装置によって線引きに適した外径に延伸した後、線引き装置によって更に所望外径に線引きすることで製造される。
ガラス母材を所望の外径に延伸する方法として、ガラス母材の両端を第１把持部及び第２把持部により把持し、第１把持部を第２把持部よりも速い速度となるようにして第１把持部及び第２把持部をガラス母材の長手方向に移動させると共に、ガラス母材を順次加熱部により加熱軟化させ、ガラス母材に加わる引張力により延伸させて延伸体としている。

そして、この延伸方法では、延伸過程にあるガラス母材におけるテーパー部の特定位置の外径について基準値を設定し、特定位置の実際の外径を測定して実測値を取得し、基準値及び実測値より得られる値に基づいて、第１把持部及び／又は第２把持部の速度を制御している（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１１−１００２２４号公報 特開平９−２２１３３４号公報

ところで、ガラス母材を延伸する場合、その延伸終了側では、投入したガラス母材での外径変動などの外乱の影響を受けやすい。このため、フィードバック制御式でのゲインを大きくして制御量を大きくする必要がある。
しかし、延伸開始時には、延伸前のガラス母材の重量が上方側の把持部にかかり、延伸荷重が大きい状態となっているため、一律にフィードバック制御式のゲインを大きくすると、急な荷重変化が生じ、把持部に大きな負担が加わり、把持部や把持部が把持しているダミー棒が損傷するおそれがある。

本発明の目的は、把持部やダミー棒の損傷などの不具合なく、長手方向の外径変動を小さく延伸することが可能なガラス母材の延伸方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明のガラス母材の延伸方法は、ガラス母材の上下
端を上部把持部及び下部把持部でそれぞれ把持し、前記上部把持部及び前記下部把持部を
移動させながら前記ガラス母材を加熱軟化させて予め設定した目標外径値に延伸するガラ
ス母材の延伸方法であって、
前記ガラス母材の延伸途中の外径を測定し、その測定外径値と前記目標外径値との差分
に応じて前記上部把持部及び前記下部把持部の移動速度を調節する比例ゲインを含む制御
式を用い、前記測定外径値が前記目標外径値に一致するように、前記上部把持部及び前記
下部把持部の移動速度を制御し、
前記制御式を、

Ｖ：上部把持部及び下部把持部の移動速度
Ｖ _０ ：上部把持部及び下部把持部の移動初期速度
Ｋｐ：比例ゲイン
Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
Ｔ _Ｉ ：積分時間
Ｔ _Ｄ ：微分時間
とし、
前記比例ゲインＫｐの値を前記ガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくすることを特徴とする。

また、前記上部把持部及び前記下部把持部の移動速度の調整量を計算する制御式を、
Ｖ_Ａ：上部把持部の移動速度
Ｖ_Ｂ：下部把持部の移動速度
Ｖ_０Ａ：上部把持部の移動初期速度
Ｖ_０Ｂ：下部把持部の移動初期速度
Ｋｐ_Ａ：比例ゲイン
Ｋｐ_Ｂ：比例ゲイン
Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
Ｔ_ＩＡ：上部把持部の積分時間
Ｔ_ＩＢ：下部把持部の積分時間
Ｔ_ＤＡ：上部把持部の微分時間
Ｔ_ＤＢ：下部把持部の微分時間
とし、それぞれの比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂを、前記ガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくすることが好ましい。

また、｜Ｖ_Ａ−Ｖ_０Ａ｜／Ｖ_０Ａ＞｜Ｖ_Ｂ−Ｖ_０Ｂ｜／Ｖ_０Ｂ
を満たすように前記比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂを設定することが好ましい。

本発明のガラス母材の延伸方法によれば、測定外径値が目標外径値に一致するように上部把持部及び下部把持部の移動速度を制御する制御式に含まれる比例ゲインの値を、ガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくする。これにより、ガラス母材の重量による上部把持部への負荷が大きい延伸開始時には、比例ゲインを小さくして上部把持部側への負荷を極力抑えて上部把持部やダミー棒などの損傷を防止することができる。また、外乱などの影響によって大きな制御量を要する延伸終了時には、迅速な制御によって早期に外径変動を抑えることができる。

本発明に係るガラス母材の延伸方法を実施する延伸装置の形態例の概略構成図である。 図１に示した延伸装置における制御形態を示すブロック図である。

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、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るガラス母材の延伸方法に用いられる延伸装置の概略構成図である。
ガラス母材の延伸装置４０は、ガラス母材４１を発熱体４３によって加熱して軟化させる加熱炉４５と、ガラス母材４１の上端に一体化されたダミー棒４１ａを把持する母材送り込み用チャック（上部把持部）４７と、この母材送り込み用チャック４７を加熱炉４５に向かって所定速度で降下させることでガラス母材４１を加熱炉４５内に投入する母材供給機構４９と、加熱炉４５から出たガラス母材下端のダミー棒４１ｂを所定速度で引き取る引き取り機構５１とを備えている。

母材供給機構４９は、母材送り込み用チャック４７を上下動可能に支持する移動用ボールねじ４８と、移動用ボールねじ４８を回転駆動するモータ５３とを備えている。この母材供給機構４９は、モータ５３による移動用ボールねじ４８の回転速度を制御することで、母材送り込み用チャック４７の移動速度Ｖ_Ａを任意に設定可能である。

引き取り機構５１は、ダミー棒４１ｂを把持する母材引き取り用チャック（下部把持部）５５と、この母材引き取り用チャック５５を上下動可能に支持する移動用ボールねじ５７と、移動用ボールねじ５７を回転駆動するモータ５９とを備えている。この引き取り機構５１は、モータ５９による移動用ボールねじ５７の回転速度を制御することで、母材引き取り用チャック５５の移動速度Ｖ_Ｂを任意に設定可能である。

この延伸装置４０は、加熱炉４５に投入されたガラス母材４１を発熱体４３によって加熱して軟化させた状態で、ダミー棒４１ｂを引き取り機構５１によって所定移動速度Ｖ_Ｂで引き取ることで、ガラス母材４１の外径を予め設定した目標外径値に縮径させた延伸体６３を形成する。

この延伸装置４０は、図示のように、加熱炉４５内の引落部４６の延伸終端付近に、延伸途中のガラス母材４１の外径を検出する外径測定器６５を設けている。
また、加熱炉４５内の延伸終端における延伸体外径（仕上がり径）を上記した目標外径値に維持するために、母材送り込み用チャック４７の移動速度Ｖ_Ａ及び母材引き取り用チャック５５の移動速度Ｖ_Ｂを、外径測定器６５が測定した測定外径値と目標外径値とに基づいて制御する制御装置６７を備えている。

この制御装置６７は、図２に示すように、内蔵のＰＩＤ調整器６７ａによって、測定外径値と目標外径値との差（Ｅ（ｔ））を積分量と微分量に応じた制御を組み合わせて調整するＰＩＤ制御を実施する。それにより、母材送り込み用チャック４７の移動速度Ｖ_Ａ及び母材引き取り用チャック５５の移動速度Ｖ_Ｂを算出し、かつ算出した移動速度Ｖ_Ａ及び移動速度Ｖ_Ｂとなるように母材供給機構４９及び引き取り機構５１の動作を制御することで、延伸体６３の仕上がり径を目標外径値に維持する。

ここで、移動速度Ｖ_Ａ及び移動速度Ｖ_Ｂは、下記の比例ゲインを含む移動速度を算出する制御式（１）を基本としてそれぞれ設定される。

Ｖ：上部把持部及び下部把持部の移動速度
Ｖ_０：上部把持部及び下部把持部の移動初期速度
Ｋｐ：比例ゲイン
Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
Ｅ（ｕ）：任意の時間における測定外径値と目標外径値との差分
Ｔ_Ｉ：積分時間
Ｔ_Ｄ：微分時間

また、上記制御式（１）において、比例ゲインＫｐの値を延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくする。

移動速度Ｖ_Ａ及び移動速度Ｖ_Ｂは、上記の制御式（１）を基本とし、それぞれ以下の制御式（２），（３）とされ、さらに、各比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂの値を延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくする。

Ｖ_Ａ：上部把持部の移動速度
Ｖ_Ｂ：下部把持部の移動速度
Ｖ_０Ａ：上部把持部の移動初期速度
Ｖ_０Ｂ：下部把持部の移動初期速度
Ｋｐ_Ａ：比例ゲイン
Ｋｐ_Ｂ：比例ゲイン
Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
Ｅ（ｕ）：任意の時間における測定外径値と目標外径値との差分
Ｔ_ＩＡ：上部把持部の積分時間
Ｔ_ＩＢ：下部把持部の積分時間
Ｔ_ＤＡ：上部把持部の微分時間
Ｔ_ＤＢ：下部把持部の微分時間

このような制御式（２），（３）を用い、しかも、各比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂの値を延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくするので、ガラス母材４１の重量による母材送り込み用チャック４７への負荷が大きい延伸開始時では、比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂを小さくして母材送り込み用チャック４７側への負荷を極力抑えて母材送り込み用チャック４７やダミー棒４１ｂなどの損傷を防止することができる。また、外乱などの影響によって大きな制御量を要する延伸終了時では、比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂを大きくして迅速な制御によって早期に外径変動を抑えることができる。

また、制御式（２），（３）において、比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂは、次式（４）を満たすように設定されている。
｜Ｖ_Ａ−Ｖ_０Ａ｜／Ｖ_０Ａ＞｜Ｖ_Ｂ−Ｖ_０Ｂ｜／Ｖ_０Ｂ …（４）

母材移動速度の変化量に対する延伸外径変化量の割合は、母材送り側である母材送り込み用チャック４７の方が大きい。よって、比例ゲインＫｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂを、式（４）を満たすように設定して、母材送り込み用チャック４７の制御量を母材引き取り用チャック５５より大きくすることにより、ガラス母材４１を、より迅速に目標外径値に一致させることができる。

外径８０ｍｍ、長さ５００ｍｍのガラス母材を、外径４０ｍｍ、長さ２０００ｍｍに延伸する際、異なる延伸条件にて下記のように延伸を行った。
（実施例）
上部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ａ：１０ｍｍ／分
下部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ｂ：４０ｍｍ／分
比例ゲインＫｐ_Ａ：７５（ｍｍ／分）／ｍｍ
比例ゲインＫｐ_Ｂ：１５（ｍｍ／分）／ｍｍ
上部把持部及び下部把持部の積分時間Ｔ_ＩＡ，Ｔ_ＩＢ：３０秒
上部把持部及び下部把持部の微分時間Ｔ_ＤＡ，Ｔ_ＤＢ：６０秒
この条件で延伸を開始し、延伸終了時に、Ｋｐ_Ａ：１５０（ｍｍ／分）／ｍｍ、Ｋｐ_Ｂ：４０（ｍｍ／分）／ｍｍとなるように、Ｋｐ_Ａ及びＫｐ_Ｂの値を徐々に大きくした。また、延伸中のＶ_Ａは２〜１８ｍｍ／分の範囲で変化するようにしてＶ_０Ａに対する調節量はＶ_０Ａの８０％とし、Ｖ_Ｂは３０〜５０ｍｍ／分の範囲で変化するようにしてＶ_０Ｂに対する調節量はＶ_０Ｂの２５％となるようにした。
このような条件で延伸を行った結果、延伸後のガラス母材の外径は全長にわたって４０ｍｍ±０．２ｍｍの範囲内で安定したものとなった。

（比較例１）
上部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ａ：１０ｍｍ／分
下部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ｂ：４０ｍｍ／分
比例ゲインＫｐ_Ａ：７５（ｍｍ／分）／ｍｍ
比例ゲインＫｐ_Ｂ：１５（ｍｍ／分）／ｍｍ
上部把持部及び下部把持部の積分時間Ｔ_ＩＡ，Ｔ_ＩＢ：３０秒
上部把持部及び下部把持部の微分時間Ｔ_ＤＡ，Ｔ_ＤＢ：６０秒
この条件で延伸を開始し、延伸終了まで同一条件で延伸を行った。
このような条件で延伸を行った結果、延伸後のガラス母材の外径は、延伸開始側は４０ｍｍ±０．２ｍｍの範囲内であったが、延伸終了端から延伸開始側に向かって５００ｍｍの間にわたり外径の変動量が±０．６ｍｍの範囲に大きくなってしまった。

（比較例２）
上部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ａ：１０ｍｍ／分
下部把持部の移動初期速度Ｖ_０Ｂ：４０ｍｍ／分
比例ゲインＫｐ_Ａ：１５０（ｍｍ／分）／ｍｍ
比例ゲインＫｐ_Ｂ：４０（ｍｍ／分）／ｍｍ
上部把持部及び下部把持部の積分時間Ｔ_ＩＡ，Ｔ_ＩＢ：３０秒
上部把持部及び下部把持部の微分時間Ｔ_ＤＡ，Ｔ_ＤＢ：６０秒
この条件で延伸を開始したが、上部把持部及び下部把持部の移動量が大きく、延伸荷重の変化が大きくなりすぎたため、途中で延伸を停止させた。

上記実施例によれば、比例ゲインの値をガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくすることにより、ガラス母材の全長にわたって外径変動を抑えられることがわかった。なお、実施例においては、「上部把持部の速度の調整量８０％（最大値）＞下部把持部の速度の調整量２５％（最大値）」としており、前記式（４）を満たすようにしている。
これに対して比較例１では、比例ゲインの値をガラス母材の延伸開始から延伸終了まで一定としており、延伸終了側では、外径変動が大きくなってしまった。
また、比較例２では、比例ゲインの値を延伸開始時から大きくしたため、延伸荷重が大きく変化して把持部やダミー棒などを損傷させてしまうおそれが生じた。

４１：ガラス母材、４７：母材送り込み用チャック（上部把持部）、５５：母材引き取り用チャック（下部把持部）

Claims (3)

1. ガラス母材の上下端を上部把持部及び下部把持部でそれぞれ把持し、前記上部把持部及び前記下部把持部を移動させながら前記ガラス母材を加熱軟化させて予め設定した目標外径値に延伸するガラス母材の延伸方法であって、
   前記ガラス母材の延伸途中の外径を測定し、その測定外径値と前記目標外径値との差分に応じて前記上部把持部及び前記下部把持部の移動速度を調節する比例ゲインを含む制御式を用い、前記測定外径値が前記目標外径値に一致するように、前記上部把持部及び前記下部把持部の移動速度を制御し、
   前記制御式を、
   
   Ｖ：上部把持部及び下部把持部の移動速度
   Ｖ _０ ：上部把持部及び下部把持部の移動初期速度
   Ｋｐ：比例ゲイン
   Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
   Ｔ _Ｉ ：積分時間
   Ｔ _Ｄ ：微分時間
   とし、前記比例ゲインＫｐの値を前記ガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくすることを特徴とするガラス母材の延伸方法。
2. 請求項１に記載のガラス母材の延伸方法であって、
   前記上部把持部及び前記下部把持部の移動速度の調整量を計算する制御式を、
   
   
   Ｖ _Ａ ：上部把持部の移動速度
   Ｖ _Ｂ ：下部把持部の移動速度
   Ｖ _０Ａ ：上部把持部の移動初期速度
   Ｖ _０Ｂ ：下部把持部の移動初期速度
   Ｋｐ _Ａ ：比例ゲイン
   Ｋｐ _Ｂ ：比例ゲイン
   Ｅ（ｔ）：測定外径値と目標外径値との差分
   Ｔ _ＩＡ ：上部把持部の積分時間
   Ｔ _ＩＢ ：下部把持部の積分時間
   Ｔ _ＤＡ ：上部把持部の微分時間
   Ｔ _ＤＢ ：下部把持部の微分時間
   とし、それぞれの比例ゲインＫｐ _Ａ 及びＫｐ _Ｂ を、前記ガラス母材の延伸開始から延伸終了にかけて徐々に大きくすることを特徴とするガラス母材の延伸方法。
3. 請求項２に記載のガラス母材の延伸方法であって、
   ｜Ｖ _Ａ −Ｖ _０Ａ ｜／Ｖ _０Ａ ＞｜Ｖ _Ｂ −Ｖ _０Ｂ ｜／Ｖ _０Ｂ
   を満たすように前記比例ゲインＫｐ _Ａ 及びＫｐ _Ｂ を設定することを特徴とするガラス母材の延伸方法。