JP7009585B2 - その粘度に基づく母材または管引抜のための機器及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、ガラス母材または管を加工すること、特に、母材または管の粘度を制御することに関するものであり、母材または管は、母材または管に加えられる保持力を測定かつ計算することによって引き抜かれる。

光学母材、石英ガラス管、またはロッドは、下端が軟化し、ストランドを形成し始めるように、石英ガラス部材（たとえば、シリンダ、インゴット、または、シリンダ内に挿入されるコアロッドを有するつぶれていないロッドインシリンダ（ＲＩＣ）アセンブリ）を縦向きの加熱帯に導入することによって製作される。次いで、ストランドは、引張装置、たとえば１つまたは複数の組の引張ホイールを含む装置に配置される。ストランドの引き抜きの速度は、引張ホイールの速度によって制御され、それは、形成帯温度または粘度、及びホイールによって支持されるストランドの重量に依存する下向き力または上向き力を加えてもよい。

繰り返し可能な製造プロセスを実現するために、形成帯における（すなわち、加熱帯での、または、加熱帯直下での）石英ガラス部材の粘度を、所定の母材または管寸法、スループット、及び部材形状のために制御しなければならない。炉温があまりに高いまたはあまりに低い（すなわち、ガラス粘度があまりに低いまたはあまりに高い）とき、コアロッドガラスは、光ファイバの用途に対して歪んだ許容できない導波路になるオーバークラッドガラスとは異なる速度で流れるため、これは特に、つぶれていないＲＩＣアセンブリからの母材引き抜きに適している。たとえば、ガラスが２０００℃まで加熱されるとき、＋／－１０℃の変化は、粘度に大きな影響を与える。母材または管引抜を制御する現在の技術は、加熱帯より上のガラス温度、加熱帯より下のガラス温度、及び／または、加熱要素の外面の温度を測定する光高温計の使用を含む。しかしながら、測定される高温計温度は、高温計の観測におけるばらつき、高温計管上の障害、高温計レンズの清浄度、または、センサ自体の較正及び変動などの差異のために大きく変化する可能性があるため、母材または管引抜を制御する温度に基づく方法は信頼できない。粘度は温度と指数関係がある（たとえば、いくつかの場合においては、３０℃の温度変化が２００％の粘度変化をもたらす可能性がある）ため、測定温度における小さな誤差さえ、粘度、したがって形成挙動における大きなばらつきとなる。そのため、有効粘度、したがってより正確な絶対引抜温度を求めて、次いでそれを使用して母材または管引抜を制御することが望まれる。

本発明は、ガラス母材または管の加工プロセスの形成領域の有効粘度を求めるための方法を提供する。加工プロセスの間、バルクガラス部材は加熱され、ストランドがバルクガラス部材から引き抜かれる。引張装置は、上向き力または下向き力をストランドに加えることによってストランドを引き抜く速度を制御するために使用される。本発明はさらに、ある温度で形成領域におけるバルクガラス部材を加熱することと、形成領域でバルクガラス部材からストランドを引き抜くことと、ストランドをバルクガラス部材から引き抜く速度を制御するために引張装置を使用することと、軟化領域によって加えられる保持力を計算することと、保持力が形成領域の所望の粘度に基づく所望の保持力と等しいかどうかを判定することと、保持力が所望の保持力と等しくない場合に形成領域の温度を調整することとを含む、ガラスの細長い部材を製作する方法を提供する。本方法において、粘度は、バルクガラス部材によってストランドに加えられる保持力を計算することと、保持力を形成領域の粘度と関連付けることとによって測定される。

いくつかの実施形態において、保持力は、ストランドに加えられる重力を求めることと、引張装置によってストランドに加えられる引張力を求めることと、重力及び引張力に基づきバルクガラス部材によってストランドに加えられる保持力を計算することとによって計算される。保持力と、引張力と、重力との合計はゼロに等しい（一定の引抜速度で加速度がなく、したがって、ストランド上の正味の力がゼロであるため）。

いくつかの他の実施形態において、保持力は、加熱領域と引張装置との間の点でストランドの応力誘起複屈折を測定することと、測定された応力誘起複屈折に対応する点でストランドに加えられる力の量を求めることと、加熱領域とその点との間でストランドの重量の重力効果に対する力の量を補正することによって保持力を計算することとによって計算される。

形成領域の粘度に基づいて母材または管引抜を制御するための機器は、形成帯のすぐ上の、バルクガラス部材を加熱するための加熱帯と、引張装置によってストランドに加えられる力を求めるためのシステムと、ストランドの重量を求めるためのシステムとを含む。１つの実施形態において、引張装置によってストランドに加えられる力を求めるためのシステムは、引張装置のモータに印加される電圧を測定するための電圧計であり、ここで、電圧は引張装置によってストランドに加えられる力によって較正することができる。別の実施形態において、引張装置によってストランドに加えられる力を求めるためのシステムは、引張装置に取り付けられる１つまたは複数のロードセルである。

本発明は、添付の図面とともに読まれるとき、以下の詳細な説明から最も理解される。共通の実施に従って、図面の種々の特徴はスケールによらないことが強調される。逆に、種々の特徴の寸法は、明瞭にするために、任意に拡大または縮小される。以下の図が図面に含まれる。

本発明の実施形態による、ガラス母材または管を形成するための機器の概略図である。 本発明の実施形態による、図１の機器によって形成されるガラスストランドに加えられるさまざまな力を示す図である。 保持力（図３Ａ）が、本発明の実施形態に従って、例示的な母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを示すグラフである。 引張装置力（図３Ｂ）が、本発明の実施形態に従って、例示的な母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを示すグラフである。 ストランド長さ（図３Ｃ）が、本発明の実施形態に従って、例示的な母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを示すグラフである。 ガラス温度（図３Ｄ）が、本発明の実施形態に従って、例示的な母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを示すグラフである。 引抜速度（図３Ｅ）が、本発明の実施形態に従って、例示的な母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを示すグラフである。

図１を参照すると、機器１０は、バルクガラス部材１２０（たとえば、ガラスシリンダまたはインゴット）からガラスストランド１１０を形成するために使用されてもよい。加熱帯２００でガラス部材１２０を加熱することによって、ガラス部材１２０の下端が軟化し、ストランド１１０を形成する。ストランド１１０を、複数の引張ホイール３１０を駆動するモータ３０５を含む引張装置３００に入れてもよく、ここで、引張ホイール３１０は下向き力または上向き力のいずれかをストランド１１０に加え、ガラス部材１２０からの引き抜きの速度を制御する。下向き力は引き抜きの速度を増大させ、その一方で、上向き力は引き抜きの速度を減少させる。

図２を参照すると、実施形態は、ガラスストランド１１０上の形成領域２１０によって与えられる保持力Ｆ_ｈを計算することによって形成領域２１０の粘度を求めるために機器１０を採用している。形成領域２１０の保持力Ｆ_ｈの大部分は、溶融ガラスの表面張力からの小さく、比較的一定の寄与を有するガラスの粘度による。粘度の温度に対する指数関数的な依存関係のため、形成領域の小さな絶対温度の変化でさえ、粘度の大きな変化をもたらし、その後、保持力Ｆ_ｈの大きな変化をもたらすことがある。したがって、母材または管引抜のために、特に、クラッド対コアの比の最小の変形を必要とする導波路または光ファイバの用途のために、形成領域で保持力Ｆ_ｈまたは有効粘度を制御することは、より正確で繊細な方法であり、従来の高温計に基づく温度測定及びその多くの不正確さを有する制御を使用することよりも、製造における高い品質及び歩留りを達成する。保持力Ｆ_ｈが形成領域２１０の所望の粘度に基づく所望の保持力から逸脱する場合、加熱帯に供給する熱を補正して、形成領域２１０における所望の粘度を達成してもよい。

保持力Ｆ_ｈを決定するために、ガラスストランド１１０に与えられる他のすべての力を考慮しなければならない。つまり、引張装置３００によって加えられる引張力Ｆ_ｐ、及び重力Ｆ_ｇ（すなわち、形成領域２１０より下のストランド１１０の重量）である。引張力Ｆ_ｐは、保持力Ｆ_ｈと同方向の上向き力として図２に示されるが、上述のように、引張装置３００は、下向き力または上向き力のいずれかをストランド１１０に加えることができる。そのため、式で使用されるとき、Ｆ_ｐは、引張装置３００が重力Ｆ_ｇの反対方向に上向き力をストランド１１０に加えるとき正であり、引張装置３００が重力Ｆ_ｇと同じ方向に下向き力をストランド１１０に加えるとき負である（定義上、本明細書で負数である）ことが理解されよう。ガラスストランドがゼロ加速度の一定の速さで引き抜かれるため、ストランド１１０に加えられる正味の力がゼロであり（式１）、保持力は、ストランド１１０に作用する他の力の代数和の逆として計算されてもよい（式２）。
（１）Ｆ_ｈ＋Ｆ_ｐ＋Ｆ_ｇ＝０
（２）Ｆ_ｈ＝－（Ｆ_ｇ＋Ｆ_ｐ）
したがって、保持力Ｆ_ｈは、ストランド１１０に加えられる重力Ｆ_ｇと引張力Ｆ_ｐとの代数和を求めることによって計算されてもよい。次いで、保持力Ｆ_ｈを計算することによって、形成領域２１０の有効粘度が求められてもよい。

重力Ｆ_ｇは、ストランド１１０の質量ｍに重力定数ｇ（たとえば、約－９．８１ｍ／ｓ^２、ここで、負号は重力加速度または重力が下向きであることを示す）を乗じたものを求めることによって計算されてもよい（式４）。ストランド１１０の質量ｍは、その断面積Ａにストランド１１０の密度ρを乗じたものに、ストランド１１０の長さＬを乗じたものに等しい（式３）。
（３）ｍ＝Ｌ×Ａ×ρ
（４）Ｆ_ｇ＝ｍ×ｇ＝Ｌ×Ａ×ρ×ｇ
ストランド１１０の断面積Ａ及び密度ρは、特定のプロセス及びガラス材料について、一定であり、あらかじめ決められている。いくつかの実施形態において、断面積Ａは、ゲージ４１０、４２０で求めてもよい、または確認してもよい。例示的な実施形態において、断面積Ａは、約１ｃｍ^２～約４００ｃｍ^２の範囲でもよい。シリカガラスストランドの密度ρは典型的に、約２．２ｇ／ｃｍ^３である。しかしながら、たとえばシリカ以外の材料から作られるガラスストランドのために、より大きい、そしてより小さい断面積及び密度が明確に意図される。管について、断面積Ａは管の中空内部を含まないことに留意されたい（たとえば、外径ｄ_１及び内径ｄ_２を有する管については、Ａ＝π［（ｄ_１／２）^２－（ｄ_２／２）^２］）。ストランドの長さＬは、ストランド１１０が形成される速度を測定すること、または、追跡システム５１０（図１）を使用してストランド１１０の端部１１５の位置を求めることのいずれかによって、求められる。追跡システム５１０は、カメラ視覚システム、レーザシステム、または、ストランド１１０の端部１１５の垂直位置を求める機械的装置を含んでもよい。図２は、追跡システム５１０を単一の構成部品のみ含むものとして示すが、追跡システム５１０は、複数の構成部品、たとえば、ストランド１１０に沿って垂直に配列される一連のカメラを含んでもよい。

ここで、典型的な母材または管引抜プロセスにおいて、一定の引抜速度（及び、ガラスストランド上のゼロの正味の力）を維持するために、ガラスストランド（Ｌ）の長さ及びその重量（Ｆ_ｇ）をどちらも増加させ、引張装置力（Ｆ_ｐ）も増加させなければならない（すなわち、より多くの上向き力を加えるが、温度または粘度に依存する保持力Ｆ_ｈは一定にとどまる）ことに留意されたい。ストランド１１０は定期的に切られてもよく、その場合、引張力Ｆ_ｐに対するより大きな調整が必要である。図３Ａ～３Ｅは、保持力（Ｆ_ｈ）、引張装置力（Ｆ_ｐ）、ストランド長さ（Ｌ）、ガラス温度、及び引抜速度が、母材または管引抜プロセスの間、時間の関数としてどのように変化する可能性があるかを例示的に示す。引張装置力（Ｆ_ｐ）及びストランド長さ（Ｌ）についての鋸歯状の挙動は、（ａ）引き抜きの間、引張装置によって保持されるストランドの長さ及び重量の増加、（ｂ）それを支持し、一定の引抜速度を維持するのに必要な引張装置力の増加、及び、（ｃ）ストランド１１０の定期的な切断及び除去のためである。

１つの実施形態において、引張力Ｆ_ｐは、引張装置３００に印加される電圧と、引張ホイール３１０のトルクとによって求められる。所定のモータについて、モータによって加えられるトルクは、モータに印加される電圧に基づいて求めることができる。トルクの大きさは、力の大きさと、トルクが測定されるところと力が加えられるところとの間の距離とに依存するため、トルクから、引張力Ｆ_ｐが引張ホイール３１０の直径に基づいて計算されてもよい。引張装置３００に印加される電圧は、引張装置に取り付けられる電圧計で測定されてもよい。

別の実施形態において、引張力Ｆ_ｐは、引張装置３００のフレーム３１５に直接取り付けられるロードセル３２０の出力を測定することによって求められる。ロードセル３２０は、引張ホイール３１０によって各ロードセル３２０の歪ゲージ（図示せず）に加えられる力を電気信号に変換するトランスデューサである。次いで、電気信号が測定されて、歪ゲージに加えられる力と相関してもよい。例示的なロードセルは、油圧式ロードセル、空気圧式ロードセル、及び歪ゲージロードセルを含む。別の実施形態において、引張装置３００は、ストランドを締め付け、加熱帯２００の下に設置されるタワー上を垂直に移動するチャックまたはクランプ（図示せず）などの把持装置を含んでもよい。このような実施形態において、引張力Ｆ_ｐは、把持装置のアームまたは往復台にロードセル３２０を取り付けることで測定されてもよい。

別の実施形態において、保持力Ｆ_ｈは、ストランド１１０内の応力誘起複屈折を測定することによって求めてもよい。機械的応力のために変形するとき、応力誘起複屈折はガラスなどの材料の屈折率の変化に関連する。機械的応力の程度が大きいほど、屈折率の変化は大きい。応力誘起複屈折の大きさを求めるために、センサ６１０を形成帯２１０に、またはその下、たとえば、形成帯２１０と引張装置３００との間の距離ｘのところに設置してもよい。偏光光源（図示せず）により、ストランド１１０上に偏光を発し、ストランド１１０を通る透過の程度をセンサ６１０で測定してもよい。

距離ｘは好ましくは、機械的引張応力誘起複屈折が測定されるとき、ストランド１１０がまだほぼアニール温度にあるだけ十分に小さく維持される。距離ｘがあまりに大きい場合、ストランド１１０は形成帯２１０においてアニール温度から冷え始め、冷却の程度によって引き起こされる熱及び残留応力がストランド１１０に生じて、それを考慮しなければならず、力Ｆ_ｈ、Ｆ_ｐ、及びＦ_ｇから機械的誘起応力のみを求めることが非常に複雑になる。

上で論じられたように、ストランドは加速度のない一定の速さで引き抜かれるため、ストランド１１０上の正味の力はゼロである。そのため、ストランドに沿った各点で、上向き力と下向き力とは等しい大きさであるが、方向は反対である。反対の上向き力と下向き力とにより、２つの状況がもたらされる可能性がある。（１）ストランドが２つの端部でロープのように引っ張られて正応力になる引張。（２）ストランドが２つの端部で押されて負応力になる圧縮。引張であるか圧縮であるかにかかわらず、ストランド１１０がまだほぼアニール温度であるストランド１１０に沿った任意の点で、測定された機械的誘起応力Ｓの大きさにストランドの断面積Ａを乗じたものは、その点でストランドに加えられる上向き力または下向き力の大きさに等しい。
（５）｜Ｓ×Ａ｜＝｜上向き力｜＝｜下向き力｜

形成帯２１０の下の距離ｘでの、形成帯２１０と引張装置３００との間の点については、上向き力は、式（６）に従って、保持力Ｆ_ｈから、点より上のストランドの重量を引いたものに等しい。
（６）（上向き力）＝Ｆ_ｈ－（点より上のストランド重量）＝Ｆ_ｈ－｜ｘ×Ａ×ρ×ｇ｜

ｇが負である上記の符号付与方法により、以下のようになる。
（７）（上向き力）＝Ｆ_ｈ＋（ｘ×Ａ×ρ×ｇ）。

ストランド上の正味の力がゼロであるため、上向き力の大きさは下向き力の大きさに等しく、式（７）は上向き力の式（５）に置換されて、式（８）としてもよい。式（８）を使用して、Ｆ_ｈを式（９）によって求めてもよい。
（８）Ｓ×Ａ＝Ｆ_ｈ＋（ｘ×Ａ×ρ×ｇ）
（９）Ｆ_ｈ＝（Ｓ×Ａ）－（ｘ×Ａ×ρ×ｇ）

式（８）に示されるように、ｘがゼロに近づくと、保持力Ｆ_ｈは単にＳ×Ａになる。その他の場合には、保持力Ｆ_ｈは、Ｓ×Ａに、点ｘより上のストランドの重量（すなわち、｜ｘ×Ａ×ρ×ｇ｜）を加えたものである。

各項目からもたらされる応力誘起複屈折の量は、ストランド１１０の材料の知られている特性であり、重力効果または補正（すなわち、｜ｘ×Ａ×ρ×ｇ｜）は、すべての知られている、基本的には一定の値（すなわち、ｘ、Ａ、ρ、及びｇ）から容易に求められるため、保持力Ｆ_ｈは、測定された応力誘起複屈折（すなわち、Ｓ×Ａ）をもたらす力の量を求めることによって導き出してもよい。換言すれば、本実施形態においては、保持力Ｆ_ｈは、連続的に変化するガラスストランド長さＬまたは引張力Ｆ_ｐを直接測定する必要なしに、知られている距離ｘでのガラスストランド内の応力から求めてもよい。

Claims (17)

1. ガラス母材または管の形成領域を加工プロセスにより加工している間、前記形成領域の粘度を測定する方法であって、前記加工プロセスは、
   加熱領域でバルクガラス部材を加熱することと、
   前記加熱領域内の熱を補正することによって、ストランドに加えられる保持力を制御することと、
   引張力を前記ストランドに加えるように構成される引張装置を使用することと、
   前記引張装置の前記引張力を調整し、前記バルクガラス部材の前記形成領域から前記ストランドを一定速度で引き抜き、一定の引き抜く速度を維持することと、
   を含み、前記方法は、
   前記引張力を決定することと、
   前記ストランドに加えられる重力を計算することと、
   前記保持力、前記重力および前記引張力の合計がゼロに維持されることに基づいて、前記形成領域によって前記ストランドに加えられる前記保持力を計算することと、
   前記保持力を前記形成領域の粘度と関連付けることと、
   を含む、
   方法。
2. 前記保持力は、前記保持力に基づいて前記バルクガラス部材の前記加熱を調整することによって、前記ガラス母材または管の加工プロセスを制御するために使用される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記重力を決定することは、
   前記ストランドの長さを決定することと、
   前記ストランドの質量を計算することと、
   を含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記引張装置によって前記ストランドに加えられる前記引張力を決定することは、
   前記引張装置に印加される電圧を測定することと、
   前記引張装置によって前記ストランドに加えられるトルクを測定することと、
   前記電圧および前記トルクから前記引張力を計算することと、
   を含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記引張装置によって前記ストランドに加えられる前記引張力を決定することは、前記引張装置に取り付けられるロードセルの出力を測定することを含む、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記引張装置は、前記ストランドを締め付け、垂直に移動させる把持装置を含む、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記保持力を計算することは、
   前記加熱領域以下の点で前記ストランドの応力誘起複屈折を測定することと、
   前記測定された応力誘起複屈折に対応する前記点で前記ストランドに加えられる力の量を決定することと、
   前記加熱領域と前記点との間で前記ストランドの重量の重力効果に対する前記力の量を補正することによって前記保持力を計算することと、
   を含み、
   前記点が前記形成領域にある場合、補正は、ゼロである、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記ストランドの前記応力誘起複屈折を測定することは、
   センサと偏光光源との間に前記ストランドを位置決めすることと、
   前記偏光光源から前記ストランド上に偏光を発することと、
   前記センサによって前記ストランドを通る前記偏光の透過の程度を測定することと、
   を含む、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記ストランドは、前記点で前記ストランドのほぼアニール温度である、
   請求項７に記載の方法。
10. ガラス部材の細長いストランドを製造する方法であって、前記方法は、
    加熱領域を有し、前記ストランドが一定速度で引き抜かれる前記ガラス部材を加熱するように構成される装置と、引張力を前記ストランドに加えるように構成される引張装置と、を提供することと、
    前記加熱領域内の前記ガラス部材を加熱し、前記ガラス部材内の形成領域を作成し、前記形成領域内の熱を補正することによって、前記ストランド上の保持力を制御することと、
    前記引張装置の前記引張力を調整し、一定の引き抜く速度を維持することと、
    前記引張力を決定することと、
    前記ストランドに加えられる重力を計算することと、
    前記保持力、前記重力および前記引張力の合計がゼロに維持されることに基づいて、前記保持力を計算することと、
    を含む、
    方法。
11. 前記保持力を計算することは、前記重力および前記引張力の代数和を決定することを含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記保持力を計算することは、
    前記形成領域以下の点で前記ストランドの応力誘起複屈折を測定することと、
    前記測定された応力誘起複屈折に対応する前記点で前記ストランドに加えられる力の量を決定することと、
    前記加熱領域と前記点との間で前記ストランドの重量の重力効果に対する前記力の量を補正することと、
    を含み、
    前記点が前記形成領域にある場合、補正は、ゼロである、
    を含む、
    請求項１０に記載の方法。
13. 前記ストランドの前記応力誘起複屈折を測定することは、
    センサと偏光光源との間に前記ストランドを位置決めすることと、
    前記偏光光源から前記ストランド上に偏光を発すること、
    前記センサによって前記ストランドを通る前記偏光の透過の程度を測定することと、
    を含む、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記引張装置によって前記ストランドに加えられる前記引張力を決定することは、
    前記引張装置に印加される電圧を測定することと、
    前記引張装置によって前記ストランドに加えられるトルクを測定することと、
    前記電圧および前記トルクから前記引張力を計算することと、
    を含む、
    請求項１０に記載の方法。
15. 前記引張装置によって前記ストランドに加えられる前記引張力を決定することは、前記引張装置に取り付けられるロードセルの出力を測定することを含む、
    請求項１０に記載の方法。
16. 前記引張装置は、把持装置を含み、前記把持装置は、アームを有し、前記ストランドを締め付け、前記加熱領域の下で移動させるように構成され、
    前記ロードセルは、前記把持装置の前記アームに取り付けられる、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記ストランドは、質量を有し、
    前記ストランドに加えられる前記重力を計算することは、重力定数を乗じた前記ストランドの前記質量を計算することを含む、
    請求項１０に記載の方法。

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