JP2005162577A

JP2005162577A - ガラス管の加熱方法

Info

Publication number: JP2005162577A
Application number: JP2003406924A
Authority: JP
Inventors: Taiichiro Yamashita; 泰一郎山下; Naoyuki Kani; 直行可児
Original assignee: NIPPON FA SYSTEM KK; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: NIPPON FA SYSTEM KK; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】例えばＭＣＶＤ法やコラプス等における、ガラス管を加熱する工程において、ガラス管の径、特に被加熱部分のガラス管の外径及び／又は内径を厳密に制御するための加熱方法を提供する。
【解決手段】ガラス管の画像を取得するための画像取得手段を配置するとともに、前記画像取得手段に対してガラス管の背面位置に反射板を配置し、さらに、プラズマバーナを用いて前記ガラス管を加熱するとともに、前記プラズマバーナから放射された光を前記反射板によって反射して前記ガラス管に照射することにより前記ガラス管の暗部を明るくし、前記画像取得手段を用いて前記ガラス管の被加熱部分の画像情報を取得し、前記画像情報から前記ガラス管の外径及び／又は内径を測定し、前記外径及び／又は内径の測定値を得るとともに、前記ガラス管を加熱することを特徴とするガラス管の加熱方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、光ファイバ母材を製造する場合のＭＣＶＤ法やコラプス等においてガラス管を加熱する場合に、ガラス管の外径及び／又は内径の変動を制御し、外径及び／又は内径を目標とする値に調整することができる方法に関する。

例えば、光ファイバ母材の製造工程においては、ガラス管を加熱するとともにガラス管内部でガラス原料ガスを気相化学反応させることにより、ガラス管内面にガラス微粒子を堆積させる方法（例えば、ＭＣＶＤ（内付けＣＶＤ）法）（例えば、特許文献１参照）や、ガラス管の内部にガラスロッド等を挿入してガラス管を加熱することにより縮径させ、ガラス管及びガラスロッドを一体化するコラプス（例えば、特許文献２参照）等が用いられるなど、ガラス製品の製造においてはガラス管を加熱しながら行う工程が数多く存在する。また、このようなガラス管を加熱する方法としては、プラズマバーナ及び酸水素バーナ等のバーナによる加熱法や、抵抗炉及び誘導炉等のヒータを用いる加熱法、並びにＣＯ₂レーザー等を用いたレーザーによる加熱法などが知られている。

特開２００３−１２３３８号公報特開平３−１７７３２７号公報

一般に、ＭＣＶＤ法やコラプスにおいてガラス管を加熱した場合、加熱された部分のガラス管が軟化し、特に外力を加えなくてもその部分が表面張力により縮径することが知られている。しかしながら、ＭＣＶＤ法においては、ガラス管が部分的に縮径すると、ガスの流速の乱れやガラス肉厚の変化による内壁の温度変化等により、ガラス管の長手方向に各種特性が均一なガラス微粒子堆積体を得ることが難しくなる等の不都合が生じる場合がある。また、コラプスにおいては、ガラス管が部分的に縮径すると、コアとなるガラスロッドとの間に気泡が入ってしまう場合がある。

したがって、ＭＣＶＤ法やコラプス等においてガラス管を加熱する場合、加熱される部分（被加熱部分）のガラス管の外径及び／又は内径が、被加熱部分以外の外径及び／又は内径に対して変動しないようにすること、又は目標とする外径及び／又は内径の値に対して変動しないようにすることが好ましい。また、特にコラプスにおいてはガラス管の縮径速度をガラス管全体にわたって均一に保つため、被加熱部分のガラス管の外径及び／又は内径が他の部分に比べて大きな変動を生じないようにすること等が必要である。いずれにしても、加熱時におけるガラス管の被加熱部分の外径及び／又は内径を厳密に制御する必要があった。

本発明は、例えばＭＣＶＤ法やコラプス等における、ガラス管を加熱する工程において、ガラス管の径、特に被加熱部分のガラス管の外径及び／又は内径を厳密に制御するためのガラス管の加熱方法を提供しようとするものである。

すなわち本発明のガラス管の加熱方法は、ガラス管の画像を取得するための画像取得手段を配置するとともに、前記画像取得手段に対してガラス管の背面位置に反射板を配置し、さらに、プラズマバーナを用いて前記ガラス管を加熱するとともに、前記プラズマバーナから放射された光を前記反射板によって反射して前記ガラス管に照射することにより前記ガラス管の暗部を明るくし、前記画像取得手段を用いて前記ガラス管の被加熱部分の画像情報を取得し、前記画像情報から前記ガラス管の外径及び／又は内径を測定し、前記外径及び／又は内径の測定値を得るとともに、前記ガラス管を加熱することを特徴とするものである。

本発明における「被加熱部分」とは、ガラス管のうち熱源に晒されて直接加熱されている領域及び熱源に直接は晒されていないが昇温している領域を合わせた領域をいう。ガラス管を加熱する手段がガラス管に対して相対的に移動する場合は、被加熱部分もガラス管上を移動する。

本発明のガラス管の加熱方法を用いることにより、ガラス管の外径及び／又は内径の変動、特に被加熱部分におけるガラス管の外径及び／又は内径の変動を小さくすることができ、例えばＭＣＶＤ法を用いて光ファイバ用のガラス母材を製造する場合は、長手方向に均一な特性を有するガラス母材を製造することができ、また、例えばコラプスに用いる場合は、部分的にガラス管が縮径することを防止できるため、コアとガラス管との間への気泡の混入を防止することができる。

本発明のガラス管の加熱方法は、上述のとおり、ＭＣＶＤ法やコラプスのようにガラス管を加熱する工程を含むガラス製品の製造方法において用いることができる。ガラス管の加熱方法としては、ガラス管をその中心軸の回りに回転させながらガラス管の周囲から加熱する方法が一般的であり、好ましい方法として用いることができる。

本発明の方法においては、プラズマバーナを用いてガラス管を加熱する。プラズマバーナは、加熱されるガラス管の長手方向に沿ってガラス管に対してトラバースさせてガラス管を加熱することが一般に行われるが、本発明においてもこの方法を用いることが好ましい。

本発明においては、ガラス管を加熱する手段、及びガラス管の被加熱部分の外径及び／又は内径（以下、まとめて「外径等」とも記す。）を測定するためにガラス管の被加熱部分の画像を取得するための画像取得手段、具体的には画像取得装置を用いる。この場合、ガラス管を加熱する手段に邪魔されることなくガラス管の被加熱部分の画像情報を取得できるように装置を構成する。この画像情報に基づいてガラス管の被加熱部分の外径等を測定するが、プラズマ火炎の影響をできるだけ受けないようにして外径等の測定精度を高めるため、プラズマ火炎と画像取得手段が、ガラス管の軸に垂直な一つの面上において対向しないように配置されることが好ましい。また、本発明においては、加熱装置の移動に伴ってガラス管上の被加熱部分が移動する場合、画像取得手段も被加熱部分の移動にあわせて移動させることにより、被加熱部分の画像の取得、さらには取得した画像情報に基づく外径等の測定を適切に行うことができるようにすることが好ましい。

本発明では、ガラス管を挟んで画像取得手段と概略対向する位置に、光を反射するための反射板を配置し、プラズマバーナから放射された光のうち、反射板に届いた光を反射してガラス管に照射し、ガラス管の暗部を明るくする。このようにガラス管の被加熱部分における暗部を明るくすることによって、被加熱部分のうち強く加熱されている明るい部分と、加熱が比較的弱い暗い部分の両方の画像情報を画像取得手段によって取得することを容易にすることができる。これによりガラス管の非加熱部分において画像情報を得ることができる範囲が広くなるので、後述するように複数の測定点の外径等を測定することができる等、測定の自由度を大きくできる。

ガラス管の被加熱部分の外径及び／又は内径を測定するための方法としては、画像取得手段、具体的には画像取得装置を用いてガラス管の被加熱部分の画像を得、これを画像処理する方法を用いることが好ましい。画像取得装置としてはＣＣＤカメラを例示できるが、ＣＣＤカメラに限定されるものではなく、いかなる画像取得装置を用いることもできる。ＣＣＤカメラを用いてガラス管の外径等を測定する場合、具体的には、ガラス管の被加熱部分の画像をＣＣＤカメラで撮影し、得られた画像情報をコンピュータで画像処理することによってガラス管の外径等を求める。このような画像処理の方法は、公知の方法を用いることができる。ガラス管の被加熱部分の外径等を測定するために、上記以外の、例えば、レーザー式の外径測定装置を併用することもできる。

ガラス管の被加熱部分の外径等の測定にＣＣＤカメラを用いる場合、測定対象であるガラス管の被加熱部分が高温に加熱されてガラス管自体が赤く光ることによる妨害やバーナ火炎からの熱などによる妨害を受けることなくガラス管の被加熱部分の鮮明な画像を得るためには、ＣＣＤカメラに赤外領域の光をカットするフィルタ、例えば、光学式バンドパスフィルタを付けることが特に好ましい。また、ＣＣＤカメラ等の画像取得装置は、ガラス管を加熱する工程という高温環境下で使用されるため、装置の周囲には窒素ガスを流す等によって冷却するなどの、熱対策を行うことが好ましい。

ＣＣＤカメラを用いる場合は、上述のとおり、ガラス管の被加熱部分の画像情報を得て、それを画像解析することにより被加熱部分の所望する箇所の外径等のデータを取得することができる。この画像解析によれば、被加熱部分のガラス管の外径のみならず内径を求めることもできる。ＣＣＤカメラにより得られた画像情報から、少なくとも一つの測定点の外径及び／又は内径を経時的に測定する。測定点は、ガラス管の被加熱部分のうちの最高温度にある部位の近傍であることが好ましく、特に熱源の中心に対向する点の近傍であることが好ましい。ＣＣＤカメラに併用してレーザー式の外径測定装置を使用してガラス管の被加熱部分の外径を測定する場合、ガラス管の長手方向に沿った１箇所以上において、ガラス管の被加熱部分の外径の測定を行う。

上記の外径等を測定する点は多い方が精度の高い測定を行うことができるが、一般にガラス管の被加熱部分の外径等は連続的になだらかに変化するため、実際に得た被加熱部分の外径等の測定値に基づいて、外径等の測定を行わなかった箇所における非加熱部分の外径等を推算することができる。例えば、ガラス管の被加熱部分の外径等の測定値とその測定を行ったガラス管上における測定位置との関係を例えばグラフに表し、各測定値を通る近似関数を求めるか、または各測定値を結ぶ折れ線グラフを作成する。得られた近似関数又は折れ線グラフ等から、外径等を測定した箇所以外のガラス管の被加熱部分における外径等を推算する。

本発明においては、ガラス管の被加熱部分における実際の外径等と設計値との差の最大値、または最大値及び最小値が測定又は推算できるように、外径等の測定箇所を多くするか又は妥当な推算値が計算できるように測定箇所を設定することが特に好ましい。一般に、ガラス管の被加熱部分における外径等が設計値から最も大きく変位しやすい箇所は、加熱源との相対的な位置関係において概略一定の箇所になることが多いため、その箇所を中心としてガラス管長手方向前後に外径等の測定箇所を設けることが好ましい。

一方、本発明の加熱方法においては、ガラス管の外径及び／又は内径を制御する場合の所望の設計値を定め、加熱するガラス管の外径及び／又は内径をその設計値に基づいて制御する。この設計値はガラス管の加熱工程全体にわたって一定の値でも、またコラプス等の場合には加熱工程の進行に応じて設計値を変化させてもよい。この制御は、ガラス管の外径等の設計値と、実際に上述のようにして測定されたガラス管の外径等の測定値及び／又はその測定値から推算された外径等の推算値とに基づいて行う。具体的には、上述したガラス管の被加熱部分の外径等の測定値及び／又は外径等の測定を行っていない箇所における被加熱部分の外径等の推算値と、外径等の設計値との間の差をとる。この差の値に基づいてガラス管の外径等を以下のように制御する。

第１の制御方式は、ガラス管の被加熱部分の外径等の測定値及び／又は外径等の測定を行っていない箇所における被加熱部分の外径等の推算値と、外径等の設計値との間の差の最大値を求め、さらにこの最大値の絶対値が小さくなるようにガラス管の被加熱部分の外径等を調整するものである。この方式は被加熱部分におけるガラス管の外径等を、外径等の測定値及び／又は推算値と設計値との差の最大値に基づいて制御を行い、ガラス管の外径等をその設計値に近づけるものである。

第２の制御方式は、ガラス管の被加熱部分の外径等の測定値及び／又は外径等の測定を行っていない箇所における被加熱部分の外径等の推算値と、外径等の設計値との間の差の最大値及び最小値を求め、さらにこの最大値と最小値との差をとり、その差の絶対値が小さくなるように、ガラス管の被加熱部分の外径等を調整するものである。この方式は被加熱部分におけるガラス管の外径等のばらつきが少なくなるように制御を行うものである。この第２の制御方式は、上記第１の制御方式とともに行うことが好ましく、そうすることにより、ガラス管の外径等のばらつきを少なくするとともに、ガラス管の外径等を設計値に近づけることができる。

上述の第１及び／又は第２の制御方式に基づいてガラス管の外径等を制御するが、そのための好ましい具体的方法としては、ガラス管の被加熱部分の加熱温度及び／又は加熱範囲を調節すること、さらに具体的にはガラス管の非加熱部分の加熱温度を高くするか又は低くする、被加熱部分の加熱範囲を広くするか又は狭くする等の方法、ガラス管の内圧及び／又は外圧を高くするか又は低くすることによりそれらの差圧を調整する方法が挙げられる。例えば、ＭＣＶＤ法又はコラプスにおいて、被加熱部分のガラス管の外径等が設計値よりも小さくなっている部分については、第１の制御方法として、被加熱部分の加熱温度を下げることにより縮径がさらに進まないようにする方法を挙げることができ、そのためには外径等が設計値よりも小さくなっている部分を加熱範囲から除く方法（すなわち、その部分を加熱しない方法）、加熱範囲を小さくしてその部分の過度の加熱を防止する方法、その部分を加熱する時にプラズマバーナの火炎を弱くする方法などが例示できる。

プラズマバーナの火炎を弱くすることは、励磁コイルに流す電流を減らす、プラズマガスを減らす等によって行うことができる。また、加熱範囲を狭くするなどの調整は、プラズマバーナに供給するプラズマガスの量を調節することでガラス管の長手方向に沿った火炎の幅を変えることによって行うことができる。

また、ガラス管の外径等を制御するための第２の方法としては、ガラス管の被加熱部分の外径等が設計値よりも小さくなっている場合、その被加熱部位を加熱するときに、ガラス管の内圧を上げる及び／又はガラス管の外圧を下げることによって内圧と外圧の差圧を調節する方法を例示できる。所望により、加熱温度の制御及び差圧の制御の両者を行うこともできる。一方、例えば、コラプスにおいて、被加熱部分のガラス管の外径等が設計値よりも大きくなっている場合は、上記の場合とは逆に、その部分の加熱温度を上げる方法や、その部分を加熱するときにガラス管の内圧を下げる及び／又はガラス管の外圧を上げることによりガラス管の内圧と外圧の差圧を調節する方法、及びその両者を行う方法を用いることにより、実際のガラス管の外径等を設計値に近づけることができる。

上述のように、本発明におけるガラス管の被加熱部分の外径等の制御は、その部分のガラス管の外径等の測定値及び／又は推算値と、設計値との差の最大値の絶対値が小さくなるように、及び／又は差の最大値及び最小値の間の差の絶対値が小さくなるように、その制御の強さを調節することが好ましい。それは、そのように制御することが、ガラス管の被加熱部分の外径等を設計値に制御すること及び／又はガラス管の被加熱部分の外径等のばらつきを小さくするために有効だからである。したがって、具体的には、第１の方式として、ガラス管の被加熱部分の中で設計値と最も乖離の大きな箇所を基準として、その箇所における外径等の測定値及び／又は推算値と設計値との差に応じて、ガラス管の外径等に対する上述した制御の強さを変えることが好ましい。つまり、ガラス管の被加熱部分の設計値と測定値及び／又は推算値との間の差が大きければ、上述した加熱温度の変更やガラス管の内圧と外圧との差圧の変更などによる制御を強くし、差が小さければこれらの制御を弱くすることによって、ガラス管の被加熱部分の外径等を設計値に近づけることができる。ガラス管の被加熱部分の外径等の設計値と、測定値及び／又は推算値とに基づいて、上記制御の強弱をどのように具体的に行うかについては、加熱されるガラス管の材質や外径、ガラス管壁の厚さ、実際に用いる加熱装置や製造工程に応じて、好ましい制御条件を適宜決定することができる。

図１は、本発明のガラス管の加熱方法の一実施態様の全体図を概念的に示した図である。図１において、１は加熱するガラス管、２は反射板、３はプラズマバーナ、４はプラズマバーナ移動装置、５は画像取得装置（すなわち、画像取得手段）、６は画像処理システム、７は演算装置、及び８は制御装置を表す。

図１において、ガラス管１をその中心軸まわりに回転させるとともに、バーナ３によってガラス管１を加熱する。バーナ３は、ガラス管１の長手方向に沿って往復運動をさせる。反射板２としてセラミクス製の白色の反射板を用いる。本発明に用いる反射板は、光を有効に反射でき、かつ、使用温度に耐えうる材料からなることが好ましく、前記セラミクス製の反射板のほか金属板なども用いることができ、反射板の色は白色のほか銀白色などが光の反射率が高いことから特に好ましい。また、本発明における反射板は平面に限定されるものではなく、曲面や折り曲げられた面を有する反射板を用いることができる。プラズマバーナ３の火炎からの光、及びガラス管１が加熱され赤熱することにより発せられる光が、反射板２によって反射されてガラス管１に照射される。この反射板によって、ガラス管１を全体的に明るくし、特にガラス管１の被加熱部分のうちの比較的暗い部分、具体的には、例えば被加熱部分の両端近くの部分を明るくできる。これにより、ガラス管１の被加熱部分の両端部分を含めた被加熱部分の広い範囲にわたり、画像情報を画像取得装置５によって容易に取得できる。

図１においては、プラズマバーナ３とともに移動可能に配置した画像取得装置５によってガラス管の被加熱部分の画像情報を取得する。得られた画像情報は画像処理システム６によって処理され、画像解析によってガラス管１の被加熱部分の外径等を測定し、さらに所望によりその測定値に基づいて実際に測定をしていないガラス管の被加熱部分の外径等の推算値を計算する。得られた外径等の測定値及び／又は推算値は、演算装置７に送られる。一方、ガラス管１の被加熱部分の外径等についての設計値も演算装置７に入力される。演算装置７は、外径等の測定値及び／又は推算値と設計値とに基づいて、ガラス管１の被加熱部分の制御に用いる制御方法の種類に応じて、制御の強さ及びタイミングを決定して、制御装置８に制御情報を送る。制御装置８は送られた制御情報にしたがって、ガラス管の加熱の制御、具体的には、プラズマバーナ３による加熱強度の調整やガラス管１の内圧調整等を行う。

図２は、本発明のガラス管の加熱方法に用いる画像取得装置の一実施態様を概念的に示した図である。１０はＣＣＤカメラ、１１はペルチェ素子を用いた電子冷却装置（以下、単に電子冷却装置という）、１２は冷却ボックスを表す。ＣＣＤカメラ１０は電子冷却装置１１に接して配置し、これら全体を冷却ボックス１２内に配置する。冷却ボックス１２からＣＣＤカメラ１０による画像取得が可能なように冷却ボックスには所望により窓等を配置する。電子冷却装置１１によりＣＣＤカメラを冷却し、さらに冷却ボックス内には、例えば窒素ガスを流すことによってボックス内の温度を制御し、ＣＣＤカメラが過度に加熱されないようにする。このように冷却機能を有する画像取得装置を用いることによって、ガラス管の加熱雰囲気のような高温環境下でも安定した画像取得を可能にできる。

本発明のガラス管の加熱方法を用いることにより、ガラス管の被加熱部分の外径及び／又は内径を設計値又は設計値にきわめて近い値に制御しつつ、ガラス管を加熱することができる。

本発明のガラス管の加熱方法は、例えば、光ファイバ母材を製造するためのＭＣＶＤ法やコラプスなど、ガラス管の外径及び／又は内径をできるだけ厳密に制御した条件下でガラス管を加熱してガラス製品を製造するための加熱方法として用いることができる。

図１は、本発明のガラス管の加熱方法の一実施態様の全体図を概念的に示した図である。図２は、本発明のガラス管の加熱方法に用いる画像取得装置の一実施態様を概念的に示した図である。

符号の説明

１…ガラス管
２…反射板
３…プラズマバーナ
４…プラズマバーナ移動装置
５…画像取得装置
６…画像処理システム
７…演算装置
８…制御装置
１０…ＣＣＤカメラ
１１…ペルチェ素子を用いた電子冷却装置
１２…冷却用ボックス

Claims

ガラス管の画像を取得するための画像取得手段を配置するとともに、前記画像取得手段に対してガラス管の背面位置に反射板を配置し、さらに、プラズマバーナを用いて前記ガラス管を加熱するとともに、前記プラズマバーナから放射された光を前記反射板によって反射して前記ガラス管に照射することにより前記ガラス管の暗部を明るくし、前記画像取得手段を用いて前記ガラス管の被加熱部分の画像情報を取得し、前記画像情報から前記ガラス管の外径及び／又は内径を測定し、前記外径及び／又は内径の測定値を得るとともに、前記ガラス管を加熱することを特徴とするガラス管の加熱方法。