JP5582583B2 - ガラス母材の延伸方法及び延伸装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス母材を加熱してより細い外径のガラスロッドに延伸加工するガラス母材の延伸方法及び延伸装置に関する。

光ファイバプリフォームに代表されるような石英ガラスロッドの製造には、予め大型のガラス母材を製造し、それを図１に示すような延伸炉を用いて延伸し、より細径のガラスロッドとする方法が用いられる。
延伸炉は、大きく分けて加熱炉、送り部、引取り部の３つの部分から構成されている。
加熱炉は、ヒーター１および断熱材２を内包した水冷チャンバー３およびその上部に連結されたトップチャンバー４、水冷チャンバー３の下部に取り付けられた下部ガスシール８からなっている。
送り部は、加熱炉の上部に設けられた上下動可能な送り機構７、送り機構７に接続された吊り下げシャフト５および接続治具６からなっている。吊り下げシャフト５はトップチャンバー４内に挿入されている。

引取り部は、ガラス母材12の下端に接続された引取ダミー14または延伸したガラスロッドの把持・開放可能なガイドローラー９、引取ローラー10，11からなっている。ガイドローラー９は、カーボン等の耐熱性のローラーで形成され、引取ダミー14やガラスロッドを装置の軸芯にガイドする役割を果たす。引取ローラー10，11は、不図示のモーターによって駆動され、引取ダミー14またはガラスロッドを把持して引き下げ、ガラス母材12を適切な径に延伸する機能を有している。
ガラス母材12は、その上端に接続された吊下ダミー13の上端で、接続治具６及び吊り下げシャフト５を介して送り機構７と連結されている。

延伸開始時には、送り機構７を介してガラス母材12を引き下げながら、それよりも速い速度で引取ダミー14を引取ローラーで把持し引き下げることで、ガラス母材12からより細径のガラスロッドが得られる。
所望の外径のガラスロッドを得るために、予めガラス母材12の形状を測定しておき、それを元に、全長にわたってガラス母材12を引き下げる送り速度およびガラスロッドを引き下げる引取速度を予め決めておくフィードフォワード制御や、細径化が行われるガラス軟化部分での外径や、延伸されたガラスロッドの外径を測定して送り速度および引取速度を決定するフィードバック制御などが用いられる。

近年、光ファイバの製造では、生産性を向上させるためにより太径の光ファイバプリフォームを使用する傾向がある。これに伴い、ガラス母材と延伸したガラスロッドとの外径差が小さくなってきている。ロッド径がφ90mm程度までのガラスロッドはガラス旋盤による延伸加工が可能であるため、従来、延伸炉による粗延伸が行われ、その後ガラス旋盤による精密延伸を行うという手法が広く用いられていた。
しかしながら、光ファイバプリフォームとして用いられるガラスロッドの径がφ100〜120mm以上といった太い物になると、ガラス旋盤での延伸加工は容易ではなく、また、可能であっても経済的に不利であるため、ガラス旋盤での延伸加工が不要となるように、延伸炉での外径制御性を向上させるニーズが高まって来た。

延伸加工の外径制御性を向上させるためには、ガラス母材の被加熱領域を狭くする必要がある。ガラス母材のテーパー部と直胴部との境目等の外径変化の大きな部分は、局所的に加熱しないと延伸後のガラスロッドに、延伸前のガラス母材の形状の影響が残りやすくなるためである。しかしながら、被加熱領域を狭くすると外径制御性は向上するが、ガラスを軟化変形させるために必要な引取力は、その軟化変形部の長さに反比例して大きくなる。
また、延伸開始時には、ガラス母材を加熱して軟化させ、下部の引取ダミーを引取ローラーで引き下げて延伸するが、延伸初期はガラスの温度が十分に上昇していなかったり、被加熱領域が定常延伸時よりも狭いことなどにより、ガラス母材の直胴部分を延伸する定常延伸時よりも大きな引取力を与えないと、所望の形状に変形させることができない。

このように延伸に大きな引取力が必要な場合、引取ローラーと引取ダミーの接触面が滑り、実際の引取速度が設定した引き下げ速度よりも遅くなることがあり、延伸されたガラスロッドの外径は、目標とする延伸径よりも太くなる。外径制御性の向上を求めて被加熱領域を狭くした場合、このような延伸初期の引取ローラーと引取ダミー間での滑りが顕著に起こる。
引取力を低減するために、延伸初期の温度を定常延伸時の温度（定常温度）より高く設定したり、送り速度及び引取速度を定常延伸時の速度（定常速度）よりも遅く設定することもできるが、温度の変更や送り速度の変更は、ガラス軟化部分の形状や温度分布が変化するため、延伸されたガラスロッドの外径が変動するという問題を生じ、延伸炉による外径制御性を向上させるという目的を達成することができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためなされたもので、ガラス母材を延伸してより細径のガラスロッドに延伸加工するに際し、引取ダミーもしくはガラスロッドに対する引取ローラーの滑りを抑制し、延伸炉の外径制御性を向上させるガラス母材の延伸方法及び延伸装置を提供することを目的としている。

本発明のガラス母材の延伸方法は、加熱炉、送り機構及び引取機構を備えたガラス母材延伸装置を用いて棒状のガラス母材を延伸し、より細径のガラスロッドを製造するガラス母材の延伸方法であって、前記引取機構は、少なくとも２組の把持／開放可能な第一の引取ローラーとその下方に設けられた第二の引取ローラー及びこれらを駆動する回転駆動機構を備え、下端に引取ダミーが接続されたガラス母材の下端テーパー部分における目標延伸径D_１を有する点Aから引取ダミー先端までの長さL_１を、加熱炉内のヒーター中心から第二の引取ローラーの中心までの距離L_２よりも長くしておき、延伸開始後、引取ダミーの下端が第二の引取ローラーの中心より下に達してから第二の引取ローラーを閉じ、第一の引取ローラーと合わせて２組のローラーで引取ダミーを挟持し引き下げることを特徴としている。
なお、延伸開始後、前記点Aがヒーター中心に達した時点で、第一の引取ローラーと第二の引取ローラーで引取ダミーが引き下げられるように、引取ダミーの長さは設定されている。

本発明で用いたガラス母材の延伸装置は、加熱炉、送り機構及び引取機構を備えたガラス母材延伸装置を用いて棒状のガラス母材を延伸し、より細径のガラスロッドを製造するガラス母材の延伸装置であって、前記引取機構は、少なくとも２組の把持／開放可能な第一の引取ローラーとその下方に設けられた第二の引取ローラー及びこれらを駆動する回転駆動機構を備え、下端に引取ダミーが接続されたガラス母材の下端テーパー部分における目標延伸径D_１を有する点Aから引取ダミー先端までの長さL_１よりも、加熱炉内のヒーター中心から第二の引取ローラーの中心までの距離L_２が短く設定されている。

本発明によれば、延伸中、特に大きな引取力を必要とする延伸初期において、引取ローラーと引取りダミー間の滑りを抑制することができ、延伸炉の外径制御性が向上し、延伸して得られるガラスロッドの外径精度を増すことができる、等の優れた効果を奏する。

延伸装置の一例を示す概略縦断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、延伸開始初期の状態を順に示す概略縦断面図である。 引取力と時間との関係を示すグラフである。

本発明の延伸方法について、図２を用いて詳細に説明する。
図２は、延伸中における加熱炉と、ガラス母材、引取ローラー及び引取ダミーとの位置関係の経時変化を示している。なお、加熱炉の上部に設置されるトップチャンバー及び送り機構周辺の部材は図示を省略している。
先ず、図２（ａ）に示すように、ガラス母材12を、その下端がヒーター１の中心に来るようにセットする。この状態でヒーター1の温度を1800〜2200℃程度まで上げ、ガラス母材12の下端を軟化させる。なお、ガラス母材12下端のテーパー部分において、延伸目標径D₁を有する点を点Aとし、ガラス母材直胴部の下端から、その外径D_０長だけ上の点を点Bとする。

続いて、図２（ｂ）に示すように、石英ガラス製の引取ダミー14をガイドローラー９および第一の引取ローラー10で把持し、該引取ローラー10を駆動することによって引取ダミー14を上昇させて、ガラス母材12の下端に溶着する。なお、この引取ダミー14を溶着する工程を予め別の装置において実施しておくことで引取ダミー14の接続に要する時間を削減することも可能である。
引取ダミー14の溶着後、ガラス母材12を下降させつつ第一の引取ローラー10を駆動させて引取ダミー14を引き取り、延伸を行う。ガラス母材12の点Ａがヒーターの中心付近に来る図２（ｃ）の時点から実質的な延伸が開始され、ここからガラス母材12の送り速度V_０と引取ダミー14の引取速度V_１との比（V_１／V_０）が大きくなっていくとともに、延伸に必要な引取力が急速に大きくなっていく。

点Ａがヒーターの中心付近に来た図２（ｃ）の時点で、ガラス母材12の点Ａから引取ダミー下端までの距離L_１を、ヒーター中心から第二の引取ローラー11の中心までの距離L_２より大きくしておくことで、第一の引取ローラー10に加えて第二の引取ローラー11も閉じて引取ダミー14を把持することができ、これにより引取ダミー14に対して、第一の引取ローラー10のみを駆動させていたときの倍の把持力が得られ、引取ダミー14と引取ローラー11,12の間に滑りが生じることなく延伸することができる。

ガラス母材12の直胴部がヒーター1に掛かり始める図２（ｄ）の前後で引取りに要する力は極大となり、ガラス母材12の点Bがヒーター中心に来る図２（ｅ）では、引取力はほぼ定常値まで下がり、この時点で必要な引取力は、１つのローラーでの滑り限界力を下まわっており、図２（ｆ）のように第一の引取ローラー10を開放しても引取ダミー14と第二の引取ローラー11の間に滑りが生じることはない。

図２の（ａ）〜（ｆ）に示した延伸工程において必要な引取力の経時変化を図３に示した。引取力は、ガラス母材12の点Ａがヒーターの中心付近に来た時点から次第に大きくなり（図２（ｃ））、ガラス母材12の直胴部下端がヒーター1に掛かり始める前後で極大となる（図２（ｄ））。その後、点Ｂがヒーター中心に達すると（図２（ｅ））、引取力は定常状態となり、１つの引取ローラーで滑ることなく引取が可能となる。
このように、引取力が大きくなる図２（ｃ）から図２（ｅ）の間を１つの引取ローラーで延伸していると、引取ダミーと引取ローラーの間に滑りが生じ、引取速度が設定値よりも遅くなり、結果として延伸されるガラスロッドに径変動（太り）が生じる。そこで、点Ａがヒーター中心に達した時点で、２つの引取ローラーで把持して延伸することで、径変動を抑制することができる。

実施例１；
直胴部の径D_０=180mmのガラス母材10本を、延伸径D_１=120mm, 点A から引取ダミー下端までの距離L_１=1350mm、ヒーター中心から第二の引取ローラーの中心までの距離L_２=1200mmの条件で延伸を行った。
図２（ｃ）のように、ガラス母材の点Aがヒーター中心に来た時点で第一の引取ローラーと第二の引取ローラーの両方で引取ダミーを把持し、図２（ｆ）のように、ガラス母材の点Bがヒーター中心を過ぎた時点で第一の引取ローラーを開放し、第二の引取ローラーのみで把持し延伸を行った。
その結果、延伸中に引取ローラーと引取りダミーの間に滑りが生じることなく、それにともなう外径変動も認められなかった。

比較例１；
直胴部の径D_０=180mmのガラス母材10本を、延伸径D_１=120mm, 点A から引取ダミー下端までの距離L_１=1100mm、ヒーター中心から第二の引取ローラーの中心までの距離L_２=1200mmの条件で延伸を行った。
図２（ｃ）に示した状態とは異なり、ガラス母材の点Aがヒーター中心に来た時点では、未だ引取ダミーの下端は第二の引取ローラーに達せず、第一と第二の引取ローラーの両方を用いて引取ダミーを把持して引取ることができず、延伸中に第一の引取ローラーと引取りダミーの間に滑りが生じ、それにともない+2mmから+9mmの外径変動が10本中8本で生じた。

１．ヒーター、
２．断熱材、
３．水冷チャンバー、
４．トップチャンバー、
５．シャフト、
６．接続治具、
７．送り機構、
８．下部ガスシール、
９．ガイドローラー、
１０．第一の引取ローラー、
１１．第二の引取ローラー、
１２．ガラス母材、
１３．吊下ダミー、
１４．引取ダミー。

Claims (2)

1. 加熱炉、送り機構及び引取機構を備えたガラス母材延伸装置を用いて棒状のガラス母材を延伸し、より細径のガラスロッドを製造するガラス母材の延伸方法であって、前記引取機構は、少なくとも２組の把持／開放可能な第一の引取ローラーとその下方に設けられた第二の引取ローラー及びこれらを駆動する回転駆動機構を備え、下端に引取ダミーが接続されたガラス母材の下端テーパー部分における目標延伸径D_１を有する点Aから引取ダミー先端までの長さL_１を、加熱炉内のヒーター中心から第二の引取ローラーの中心までの距離L_２よりも長くしておき、延伸開始後、引取ダミーの下端が第二の引取ローラーの中心より下に達してから第二の引取ローラーを閉じ、第一の引取ローラーと合わせて２組のローラーで引取ダミーを挟持し引き下げることを特徴とするガラス母材の延伸方法。
2. 延伸開始後、前記点Aがヒーター中心に達した時点で、第一の引取ローラーと第二の引取ローラーで引取ダミーが引き下げられるように、引取ダミーの長さが設定されている請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。

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