JP5571853B2 - 石英ガラス製の円筒形部品を製造するための引き出し方法 - Google Patents

Description

本発明は、石英ガラスストランドが、軟化された石英ガラス塊から、連続して、引き出し方向である垂直下方に引き出され、重量Ｇを有する分割片が、時刻ｔ１において自由ストランド端から分離され、前記分割片から円筒形部品が製造される、石英ガラス製の円筒形部品を製造するための引き出し方法に関する。

垂直引き出しプロセスにおいては、石英ガラス管又は石英ガラスロッドが、ルツボ内の軟化された石英ガラス塊から、又は、ゾーンごとに軟化された石英ガラスプリフォームから、引き出し器具により制御された引き出し速度で連続的に引き出される。引き出される石英ガラスストランドの形状の変化を避けるため、引き出し速度は一定に保たれる。

多くの場合、引き出された石英ガラスストランドは所定の長さの分割片に分離されなければならないという問題がある。このため、例えば擦過又は切傷の手段で、外面領域を傷つけることにより、通常、引き出し器具より下に、所定の切断位置がまず形成され、続いて、ガラスストランドが、例えば衝撃により、その所定の切断位置の領域にパルス状に作用する力が加えられることにより、その所定の切断位置で切断される。

分離動作中の機械的パルスにより、軟化された領域に乱れが生じ、それらにより、石英ガラスストランドが引き出される間の直径及び壁厚の変動につながる恐れがある。これとは別に、石英ガラスストランドの重量は、所望の長さの分割片が分離されるまで連続的に増加するが、分離の際には、急激な重量の減少が起こる。この効果は、残りのガラスストランドの反動につながる恐れのある引き出し制御の変動につながる。この結果、乱れは軟化された石英ガラス塊の領域に伝わり、これは、引き出された石英ガラスストランドにおいて光学的に明確に認識可能な隆起として観察できる。

特に部品の寸法安定性に対する要求が高い用途では、直径の変動は不良品を生じる恐れがある。

先行技術

軟化された石英ガラス塊から石英ガラスストランドを引き出す方法の一般的な方法は、独国特許第１０ ２００９ ０１４ ４１８ Ｂ３号から知られている。分割片の分離の際の機械的パルスによって生じる直径の変動に起因する材料の無駄を最小限にするため、直径変動が部品の端部又は２つの部品の間に位置するように、分離位置が配置される。

この方法では、引き出されたガラスストランドにおける形状の変動が材料の無駄が少量となるように配置されるが、変動が回避されるものではない。

国際公開第ＷＯ２００３／０２２７５７Ａ１号（米国特許第７，６００，３９９Ｂ２号）は、制御技術によってストランド分割片の分離の際の急激な重量減少を克服し、同時に引き出し器具による表面の損傷を最小化することを目標としている。このため、引き出し器具は、ガラスストランド上で回転し、該ガラスストランドの周囲に配置されている複数の回転体であって、そのうち１つは基準回転体を形成しその他は補助回転体を形成するもので構成されている。引き出し速度は基準回転体の回転数により制御され、その際、基準回転体のトルクの値は引き出される石英ガラスストランドの重量に応じて連続的に決定され、その値は全ての補助回転体のトルクの目標値として用いられる。

引き出し器具の下の分割片の分離の際の補償は、せいぜい軽重量の場合に成功し、いずれにしろ一定の制御と調節の努力が必要である。

欧州特許第ＥＰ ０ ３９５ ６４０ Ｂ１号には、石英ガラスの管状ストランドを、水中又は管の内孔の中の圧力と同じような圧力が存在する圧力チャンバーの中で分離することが提案されている。

この方法は、分割片を分離する際に、管の内圧の変動を抑えることに役立つ。それは構造上比較的複雑であり、急激な重量の変化により発生する石英ガラスストランドの形状の乱れには効果がない。

米国特許１，６２０，５１１Ａ号は、石英ガラスストランドを製造する方法を記載しており、その方法においては、軟化された石英ガラス塊が、自重により単独で、すなわち、いかなる追加の機械的引き出し器具もなく、また、いかなる引き出し制御もなく、引き出される石英ガラスストランドの最大長さを収容することに適した管状の容器に流出する。ストランドの長さが増加するのとともに実効質量をほぼ一定に保つため、重量補償が示唆されており、それは、管状の容器内に下降する間、石英ガラスストランドが台を下へ押し下げ、台が機械的な平衡錘を滑車により同時にほぼ同じ重さの鎖の形で上へと押し上げるというものである。

この方法では分割片の分離は必須ではなく、また、示唆されている重量補償は、切断の際の急激な重量変動を防止するために適したものでもない。

技術的課題

本発明の目的は、形状の乱れ、特には、石英ガラスストランドが切断されたときの急激な重量変動による直径又は壁厚の変動が低減された、石英ガラス部品を製造するための単純な引き出し方法を示すことである。

上記形式の引き出し方法から出発して、この目的は、ｔ１より前の時刻ｔ０において、分離される分割片に重量補償力が加えられ、この重量補償力は、引き出し方向と反対に作用し、時間とともに増加し、分割片の重量Ｇを完全に又は部分的に補償するものである、本発明によって達成される。

本発明による方法では、重量補償力が、分割片の分離より前に分離される分割片に加えられており、この重量補償力は石英ガラスストランドの重力と反対の向きに作用し、分離される分割片の重量を完全に又は部分的に補償する。このとき、完全な補償は、分割片の重量よりも大きい重量補償力によっても達成できる。

以下では、まず、重量補償力の時間的な増加と減少の理想的な場合とともにその作用について説明する。

重量補償力が連続的に増加し、分割片の分離の際に、時刻ｔ１においてその最大値に達する。その時、その重量補償力の量は、対応する分割片の重量に正確に対応する。残りのストランドからの分割片の分離及び除去の後、重量補償力は急激に再びゼロに戻る。同時に、分離プロセスにおいて最大値に達するまで、新たな増加が始まる。その際、重量補償力は引き出された石英ガラスストランドの重量の増加と同期して増加する。

このように、引き出し制御は、常に、引き出されるストランドの一定の重量を定める。分離中における低速の又は急激な重量減少による制御の介入は必要ない。「隆起」のような直径及び壁厚の変動はこのように回避される。

実際には、上記の理想的な場合を満たしていない手段も、ストランドの形状の変動の減少に寄与する。例えば、重量補償力の増加が分離の直後よりも遅れて始まってもよいし、その増加が線形ではなく、引き出されたストランドの重量の増加に対応するより速いペースでなくてもよいし、重量補償力の最大量が分離される分割片の重量より小さくてもよい。分離される分割片の重量よりも大きい重量補償力は、改善をもたらしもするであろうが、分割片の分離及び除去に際して特別な補償手段が必要となり、そのため、好ましくない（以下の記述が重量補償力の「目標値」に言及する限り、これは、最大、分離される分割片の重量と同じ大きさの値を表す）。

徐々に増加する重量補償力が、分離される分割片に作用することが重要である。分離された分割片が除去されると、重量補償力も取り除かれる。これは、いかなる大きな制御及び調節の努力も必要とせずに、分割片の重力の排除と重量補償力との同期を保証する。

好ましくは、重量補償力は時刻ｔ０から時刻ｔ１まで連続的に増加する。

この間に重量補償力の増加は急激な変動や反転を示さず、連続的であるため、その変動は簡単に検出され、処理され、必要であれば引き出し制御により簡単に補償される。

上記の理想的な場合においては、ｔ０は前回の分割片が分離された時刻に対応するので、ｔ０とｔ１の間の時刻間隔は、分割片を引き出すのに必要な期間を定義する。ただし、この時刻間隔は短くてもよい。

これに関して、ｔ０とｔ１の間の時刻間隔における重量補償力の増加が、同じ時刻間隔における石英ガラスストランドの重量の増加よりも大きい場合、有利であることが判明した。

重量補償力の増加が、石英ガラスストランドの重量増加よりも速いペースで行われるので、重量補償力は、分離される分割片の引き出しのための期間よりも短い期間で、その目標値に達する。そのため、ｔ０を、例えばｔ１の直前のような「遅い」時刻に移動することができる。そのため、分割片に重量補償力を加える期間を短く選択することができ、それにより取り扱いを単純にし、重量補償力を生じさせる器具を小型にすることができる。

好ましくは、ｔ０及びｔ１の間の時刻間隔において、重量補償力の増加が、石英ガラスストランドの重量の増加よりも、２〜２０倍、好ましくは４〜１０倍、大きい。

比較的小さい倍率である２（好ましくは倍率４）においては、重量補償力の開始からその目標値が得られるまで比較的長い期間があり、この比較的長い期間は、引き出し制御のオーバーシュートを確実に防止し、操作者が分割片の分離の予備的手段、例えば所定の切断位置の形成を行うことが容易となる。

２０を超えるような比較的大きい倍率においては、重量補償力の開始からその目標値が得られるまで短い期間であり、その期間内に重量の変動が生じる。これは、引き出し制御による取り扱いがより難しい。

時刻ｔ１において重量補償力の値がＧの値よりも小さい場合、有用であることが判明した。

時刻ｔ１、すなわち、分割片の分離の際、引き出し方向に作用する重力Ｇは、その反対の向きに作用し、分割片に作用する重量補償力よりも大きい。その結果、分割片は分離後に残りのストランドから下向きに移動し、重量補償力の低減のような、分割片の除去のために要求されるいかなる追加の手段なしで、すぐに分割片を除去することができる。

重量補償力は分割片の外側の円筒状表面に加えることができる。ただし、重量補償力が、引き出し方向とは反対に、石英ガラスストランドの先端面に作用する方法が、実行しやすくそのため特に好ましい。

ここでは、さらなる下降の間に徐々に増加し、また、引き出し方向とは反対に作用する力を、引き出される石英ガラスストランドの先端面に対して作用する「重量補償力」と称する。

この力は、石英ガラスストランドが引き出される際に弾性支台に衝突することによって生じることが好ましい。

弾性支台は、例えば、１つ又は複数の機械的又は油圧のバネであり、例えば螺旋状の、膜状の、円盤状の又はガス圧のバネ等である。先端面の下端が弾力のある弾性支台に衝突するので、下方の先端面の定義された終了位置を得ることができる。分離面の所定の高さと併せて、これにより、分割片の一定の切断長さの監視を容易にする。例えば、ストランドが最初に支台の上に置かれたとき、所定の切断位置を所定の高さに形成することができる。

本発明による引き出し方法は、引き出されたストランドの重量を測定して、目標値に達したときに分割片の分離を開始することも可能とする。

分離のプロセスは手動又は自動で開始することができる。同様に、重量補償力が連続的に測定され、目標値に達したときに分割片が分離される方法の変更も行うことができる。

さらに、石英ガラスストランドに所定の切断位置を規定し、分割片の分離より前に、所定の切断位置の上の領域及び下の領域において作用する機械的なクランプが取り付けられることが有用であることが判明した。

機械的なクランプは、所定の切断位置の上と下で石英ガラスストランドを掴み、分割片の分離の際のストランドのたわみを低減する。この防振手段は、寸法安定性とストランドの形状の一貫性に関する追加的な有利な効果を有する。

本発明による方法は、石英ガラス塊が、溶融ルツボ内で軟化され、底部出口を経て石英ガラスストランドとして引き出される、垂直引き出し方法による石英ガラスストランドの引き出しに特に適している。

このようなルツボ引き出し方法により、特に、大きな切断長さとそれに対応して大きな質量を有する大体積の石英ガラス管を引き出すことができるので、対策なしで石英ガラスストランドが切断される際に特に重大な重量変動が起こる。

［実施形態］
本発明を実施形態及び図面を参照してより詳細に説明する。以下の図に概略的に示される。

本発明による方法に基づいた石英ガラス管の引き出すための装置である。 引き出しプロセスのより遅い段階における同装置の一部分である。 引き出し器具において除去されるストランド材料の重量の時間経過を示すプロファイルである。 本発明により引き出された管状ストランド片に沿った壁厚の典型的な曲線に関するグラフである。 従来技術により引き出された管状ストランド片に沿った壁厚の典型的な曲線に関するグラフである。

図１による装置は、模式的に、溶融ルツボ１を示している。溶融ルツボ１の内部で、石英ガラス粒１２が２１００℃を超える温度まで加熱され、石英ガラス塊１３へと軟化される。石英ガラス塊１３は、石英ガラスストランド２として溶融ルツボ１の底部出口１４を経て垂直下方に引き出され、その縦軸は引き出し軸３とできるだけ平行に向けられる。このルツボ引き出し法は、一般に知られており、構造の詳細及び方法手段の記載は省略する。

管状ストランド２の外側の円筒状表面上の同じ高さ水準にあり、相対する２つの引き出しロールを具備するロール引っ張り手段６が引き出し器具として用いられる。

引き出しプロセスの際、引き出された管状ストランド２の壁厚プロファイルが記録される直径及び壁厚測定器具５は、溶融ルツボ１の下に配置される。

引き出し操作の際、管状ストランド２の自由端は、同一の構造設計の４つの螺旋状バネ８により支持される、曲げ耐性のあるプラスチック板７を有する支台に当接する。プラスチック板７及び螺旋状のバネ８は計量板９に支えられている。螺旋状のバネ８は、約８０ｃｍの長さ及び約１４５Ｎ／ｍのばね定数を有する。

図２は、引き出しプロセスのより遅い時点、すなわち、螺旋状のバネ８の最大荷重時における同じ装置の一部分を示している。

石英ガラス管を製造するための本発明による引き出し方法を行うための実施形態を、図１及び図２を参照して、より詳細に説明する。

石英ガラス管２は、１ｍｍ／ｓの制御された引き出し速度で、１９７ｍｍの目標外径及び６．５ｍｍの目標壁厚として溶融ルツボ１から引き出される。管状ストランド２の内孔にガスが導入される。

以下において図２を参照してさらに詳細に説明するように、引き出された管状ストランド２の壁厚プロファイルが、直径及び壁厚測定器具５により連続的に記録される。

引き出された管状ストランド２は、両側における５ｃｍの余裕を含めて、それぞれ３ｍの分割片１５に分離される。従って切断長さＬは３ｍである。この長さの分割片１５は約３０ｋｇの重量を有する。２．９０ｍの最終的な寸法を有する管状の石英ガラス部品は、これらの分割片から製造される。

ストランド２の下端が分離面Ｔに達した直後、各分割片１５は切断面Ｓの高さで分離される。これは時刻ｔ１に対応し、その対応する位置（分離面Ｔの高さ）は計量板９により示される重量に基づいて検出される。引き出しプロセスの段階は、図２に示されている。

石英ガラスストランド２の下端が分離面Ｔに達する前に、それがプラスチック板７に当接し、それにより螺旋状バネ８を変形させる。これは時刻ｔ０に対応し、ここから重量補償力が徐々に増加するが、図１に示されるように、螺旋状バネはまだ無荷重である。管状ストランド２のさらなる下降の間、重量補償力は螺旋状バネ８のバネ作用により連続的に増加し、このとき、この重量補償力は、引き出し方向３と反対に管状ストランド２に作用して、その重量を部分的に補償する。

分離面Ｔはプラスチック板７の下端より０．５ｍ下である（ブロック矢印１０により示されるように）。プラスチック板７の下端が分離面Ｔに達した（すなわち、時刻ｔ１であり、これはｔ０すなわち管状ストランド２及びプラスチック板７の最初の接触から約５００秒後である。）直後、また、所定の目標重量が計量板９上に示された後、３ｍの長さを有する分割片１５が切断面Ｓで分離される。この時点の重量補償力の値は、分離される分割片１５の重力よりもわずかに（約１ｋｇ）小さい。

分離の前に、所定の切断位置１１が石英ガラスストランド２上に形成され、曲げ耐性のあるクランプ（図１には不図示）が取り付けられる。このクランプは所定の切断位置１１の上及び下の領域を連結し、それにより、切断の際の衝撃パルスによる過剰なたわみを防止する。

任意のばね定数に起因して、螺旋状のバネ８は、分離される分割片１５の重力に概ね対応する重量補償力を時刻ｔ１まで生じる。螺旋状のバネ８の圧縮長さは０．５ｍであり、従って、分離される分割片１５の長さの１／６に過ぎない。そのため、ｔ０とｔ１の間の時刻間隔内において、重量補償力の増加は、同じ時刻間隔の石英ガラスストランド２の重量の増加よりも６倍大きい。

分離された分割片１５が除去されるとき、引き出しプロセスのパラメーターとして重力及び重量補償力の両者が相殺され、そのため、このプロセスは引き出し制御による重量変動の形によっては記録されない。

図３のグラフは、理想的な場合（曲線Ａ）及び従来技術（曲線Ｂ）と比較した、上記にて説明した実施形態（曲線Ｃ）の引き出しプロセスにおける重量の経時変化を示している。

引き出された石英ガラスストランドの重量変化「ΔＧ」（単位：ｋｇ）がｙ軸上に、引き出し継続時間「ｔ」（単位：秒）に対してプロットされている。

・曲線Ａは、重量補償力が重力と同期して増加及び減少する理想的な場合を表しており、そのため、重量変動がない。

・曲線Ｂは、従来技術による引き出し法における重量の時間変化を示している。分割片が分離された後、重量が（本実施形態では）３０ｋｇの最大値まで連続的に増加し、分割片１５が分離されると再び初期値０に急激に減少する。この急激な重量の変化は、オーバーシュート及びそれに伴う形状の変化を伴わずに電気的制御により補償することが困難であり、特に、重い分割片１５の場合は困難である。

・曲線Ｃは、本実施例のデータに基づいた本発明による方法の重量の経時変化の経過を示す。分割片１５を分離した後、重量が時刻ｔ０における約２５ｋｇの最大値まで連続的に増加する。その後、下端がプラスチック板７に当接し、重量補償力が増加し始め、それは、さらなる引き出しの間に、一定のばね定数によってストランド２の重量の増加よりも速いペースで増加する。この理由により、それまで増加した重量差は再び減少し、分離時刻ｔ１において初期値にほぼ達し、またそのため、距離制御は分離の際の重量差（本実施例では１ｋｇ）をほとんど補償しなくてもよい。曲線Ｃに概略的に示されている重量変化の経過は、いかなる急激な変化も示しておらず、電気的な引き出し制御により簡単に制御できる緩やかな重量変化のみが示されている。

図４のグラフは、長さ約２ｍ及び公称壁厚６．５ｍｍを有する管状ストランド２の分割片について位置「Ｐ」上の壁厚「Ｗ」（単位：ｍｍ）の典型的なプロファイルを示している。管状片は、切断プロセスのため隆起や窪みが予想される縦部分を含む。軸方向の管軸位置が単位をｍｍとしてｘ軸上に、壁厚がｙ軸上にプロットされている。

壁厚のプロファイルが、多数の極小値及び極大値が管状ストランド分割片の全体にわたって概ね均等に分散していることを示していることは事実である。しかし、特に目立つ極端な値は生じていない。平均値からの検出可能な偏差は、実質的に、圧力変動及び重量変化がより遅いことによる引き出し制御の制御挙動に起因する。

比較のために、従来技術による引き出し方法を用いて製造された管状ストランド片に関する図５の厚さプロファイルを示す。図４のものと似た壁厚の変動が検出でき、これらは主に引き出し制御の制御挙動によるものである。しかしそれに加えて、分割片の分離の際の急激な重量変化に起因する顕著な極大値Ｍ１が検出できる。

Claims (10)

1. 石英ガラス製の円筒形部品を製造するための引き出し方法であって、石英ガラスストランド（２）が、軟化された石英ガラス塊（１３）から、連続して、引き出し方向（３）である垂直下方に引き出され、重量Ｇを有する分割片（１５）が、時刻ｔ１において自由ストランド端から分離され、前記分割片（１５）から前記円筒形部品が製造される方法において、時刻ｔ１より前の時刻ｔ０において、分離される前記分割片（１５）に重量補償力が加えられ、この重量補償力は、前記引き出し方向（３）と反対に作用し、時間とともに増加し、前記分割片（１５）の重量Ｇを完全に又は部分的に補償するものであり、前記ｔ０及びｔ１の間の期間において、前記重量補償力の増加が、同じ期間における前記石英ガラスストランド（２）の重量の増加よりも大きいことを特徴とする方法。
2. 前記ｔ０及びｔ１の間の期間において、前記重量補償力の増加が、前記石英ガラスストランド（２）の重量の増加よりも、２〜２０倍大きいことを特徴とする請求項１に記載の引き出し方法。
3. 前記重量補償力が、前記引き出し方向（３）とは反対に、前記石英ガラスストランド（２）の先端面に作用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の引き出し方法。
4. 前記重量補償力は、前記石英ガラスストランド（２）が引き出される際に弾性支台（８）に衝突することによって生じることを特徴とする請求項３に記載の引き出し方法。
5. 石英ガラス製の円筒形部品を製造するための引き出し方法であって、石英ガラスストランド（２）が、軟化された石英ガラス塊（１３）から、連続して、引き出し方向（３）である垂直下方に引き出され、重量Ｇを有する分割片（１５）が、時刻ｔ１において自由ストランド端から分離され、前記分割片（１５）から前記円筒形部品が製造される方法において、時刻ｔ１より前の時刻ｔ０において、分離される前記分割片（１５）に重量補償力が加えられ、この重量補償力は、前記引き出し方向（３）と反対に、前記石英ガラスストランド（２）の先端面に作用し、時間とともに増加し、前記分割片（１５）の重量Ｇを完全に又は部分的に補償するものであり、前記重量補償力は、前記石英ガラスストランド（２）が引き出される際に弾性支台（８）に衝突することによって生じることを特徴とする方法。
6. 前記重量補償力が時刻ｔ０から時刻ｔ１まで連続して増加していることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の引き出し方法。
7. 前記時刻ｔ１における重量補償力の値がＧの値よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の引き出し方法。
8. 前記引き出されるストランド（２）の重量が測定され、目標値に達したときに前記分割片（１５）が分離されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の引き出し方法。
9. 前記石英ガラスストランドに所定の切断位置（１１）が規定され、前記分割片（１５）の分離より前に、前記所定の切断位置（１１）の上の領域及び下の領域において作用するクランプが取り付けられることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の引き出し方法。
10. 前記石英ガラス塊（１３）が、溶融ルツボ（１）内で軟化され、底部出口（１４）を経て石英ガラスストランド（２）として引き出されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の引き出し方法。

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