JP4244591B2

JP4244591B2 - Manufacturing method of glass tube

Info

Publication number: JP4244591B2
Application number: JP2002233926A
Authority: JP
Inventors: 知巳守屋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004075405A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス管の製造方法に関し、さらに詳しくは、軟化させたガラス素材に穿孔治具を圧入することで、ガラス素材を漸次ガラス管に成形するガラス管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進歩に伴い、光ファイバの利用が高まってきている。特に、高ビットレート化、波長多重度の高度化により、情報伝達容量の高密度化が高まっており、高品質の伝送特性を持つ光ファイバが強く望まれている。
【０００３】
光ファイバの製造に際しては、通常はプリフォームと呼ばれるガラス成形体を高速で線引きすることによって所望の光ファイバを得るという方法がとられている。したがって、光ファイバの形状は、プリフォームの形状および品質を引き継いでしまうため、プリフォームの形成に際しては、極めて高精度の形状および品質制御が求められている。
【０００４】
例えばＭＣＶＤ法は、ガラス管からなる内付け用パイプの内壁にガラス微粒子（すす）を堆積する方法であるが、このガラス管はそのまま用いられるため、非円率および偏心率が小さく、肉厚が均一で、特性の優れたものである必要がある。非円率または偏心率の大きなガラス管から作製された光ファイバは偏波分散（ＰＭＤ）が大きな値となってしまう。
【０００５】
このようなガラス管の製造方法の例として、特許２７９８４６５号公報や特開平７−１０９１３５号公報にピアシング法が記載されている。
【０００６】
ピアシング法とは、例えば図６に示すように、ガラス素材１０１に穿孔治具１０２を当接し、穿孔治具１０２の当接部周辺を加熱炉１０３により加熱しながら穿孔治具１０２をガラス素材１０１に押圧して圧入させることで、ガラス素材１０１を先端側から漸次円筒状のガラス管１０５に成形する方法である。穿孔治具１０２は、少なくともガラス素材１０１に接触する部分が、ガラスの軟化温度で使用可能であって、ガラスと化学反応することが極めて少ない、例えばカーボン等の材料から形成されている。
【０００７】
なお、加熱炉１０３は、ガラス素材１０１と穿孔治具１０２の当接部周辺を覆う円筒状の発熱体１０３ａと、この発熱体１０３ａの外周に配置された適宜の巻き数のコイル１０３ｂとを備えた構成である。コイル１０３ｂへ高周波電流を流した際の誘導加熱で、発熱体１０３ａをガラス素材１０１の軟化点以上の温度に昇温させて、穿孔治具１０２の当接部周辺のガラス素材１０１を加熱する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、穿孔治具によって穿孔された直後のガラス管は、温度が軟化点以上にあり、変形しやすい。そのため、自重等によって形状が歪んで、長手方向に均一な内径及び外径を得ることが難しいという状況にあった。
【０００９】
特に、ガラス素材は周囲から加熱されて軟化するため、穿孔時のガラス素材は、中心部分に比べて外周部分が高温となっている。また、穿孔の際には、穿孔した孔の内周部分が穿孔治具との接触によって冷やされる。これらの要因によって、穿孔された直後のガラス管は、内周部分より外周部分が高温になり、径方向の温度分布に大きな差が生じ、軟化しているガラス管が冷却されていく過程でその温度差により形状が歪みやすかった。
【００１０】
このように、従来のピアシング法ではガラス管の形状を高精度に維持することが困難であるため、多くの場合ピアシングの後工程でガラス管の成形処理（フォーミング）が必要であった。
【００１１】
本発明の目的は、穿孔直後のガラス管の変形を防止して、高品質のガラス管を得ることのできるガラス管の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係るガラス管の製造方法は、円柱状または円筒状のガラス素材の周囲に配置した発熱体によりガラス素材を加熱して軟化させ、ガラス素材の軟化した領域に穿孔治具を圧入することで、ガラス素材を漸次ガラス管に成形するガラス管の製造方法において、穿孔治具をガラス素材に圧入する際に、前記ガラス管の内圧及び外圧を制御することによりガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御することを特徴とする。
【００１３】
なお、ガラス素材として、具体的には、適切な製造法によって所定の寸法に仕上げた円柱状のガラスロッドや円筒状のガラスパイプ等を使用することが挙げられる。また、ここでいう穿孔とは、円柱状のガラス素材に孔をあけることのみならず、円筒状のガラス素材の孔の内径を拡げる（拡径する）ことも含まれる。
【００１４】
また、ガラス管の内圧と外圧との圧力差の変動値が１３．３Ｐａ以下となるように制御することが好ましい。
【００１５】
また、ガラス管の内圧及び外圧を制御すること、及び穿孔治具をガラス素材の軟化点以上の温度に加熱することにより、ガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御することが好ましい。
ここで、穿孔治具の加熱方法としては、例えば、誘導加熱炉を用いてガラス素材を加熱し、主に黒鉛からなる穿孔治具を用いて穿孔する場合に、ガラス素材の周囲に配置する発熱体の厚さを薄くして、穿孔治具も誘導加熱することが挙げられる。
また、誘導加熱炉に用いる高周波電流の周波数を１０ｋＨｚ以下に下げることで、穿孔治具も誘導加熱することも可能である。
また、ガラス素材の周囲に配置する発熱体と穿孔治具の少なくとも一方の電気抵抗値を任意の値に設定することで、穿孔治具を誘導加熱することができる。
また、ガラス素材の周囲に配置する発熱体の一部に、穿孔治具に対して磁束を直接作用させる形状（例えば間隙を有する形状）に形成することで、穿孔治具を誘導加熱することもできる。
また、誘導加熱を用いずに、直接に穿孔治具を抵抗加熱させることも可能である。
【００１６】
また、穿孔治具は、黒鉛からなり、少なくともガラス素材に接触する部分が、炭化ケイ素、熱分解炭素、金属炭化物のいずれかを含有するように表面処理されていることが好ましい。
また、穿孔治具の黒鉛は、黒鉛以外の不純物イオンの含有量が１ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガラス管の製造方法の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
（第１実施形態）
この第１実施形態では、穿孔治具をガラス素材に圧入する際に、ガラス管の内圧及び外圧を制御することにより、ガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御する態様について説明する。
図１に示すように、本実施形態に用いられるガラス管の製造装置１は、所謂ピアシング法によってガラス管を製造するものであり、ガラスロッド３を加熱する加熱炉４０と、加熱炉４０の入口側に配置された入口側固定台１０と、加熱炉４０の出口側に配置された出口側固定台２０とが設けられている。
また、孔あけされるガラスロッド３の一端には、ガラス製のダミーパイプ４が接続されている。
【００１８】
入口側固定台１０の上には、所望の速度で図中左右方向にスライド移動することが可能な第１送りテーブル１１が備えられている。この第１送りテーブル１１は、ガラスロッド３の穿孔終了端側を第１チャック１２により把持して、さらに、ガラスロッド３をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能なように構成されている。
【００１９】
また、出口側固定台２０の上には、第１送りテーブル１１と同様に図中左右方向にスライド移動が可能な第２送りテーブル２１が備えられている。第２送りテーブル２１の移動速度は、第１送りテーブル１１の移動速度に対応して適宜制御される。この第２送りテーブル２１は、ガラスロッド３の穿孔開始端側に接続されたダミーパイプ４の一端を第２チャック２２により把持して、ガラスロッド３をその長手方向の軸を中心に回転させることが可能なように構成されている。また、その回転は、第１送りテーブル１１の回転に同期させるように制御可能である。
【００２０】
さらに、出口側固定台２０の上には、穿孔治具３０を固定するための固定部材３５が設けられている。穿孔治具３０は、支持ロッド３２と、支持ロッド３２の先端に設けられた駒３１を備えており、固定部材３５に対して支持ロッド３２が固定されている。また、支持ロッド３２は、駒３１と同一の中心軸を有し、さらにガラスロッド３と中心軸を一致させるように支持される。
【００２１】
駒３１は、ガラスロッド３の軟化温度で使用可能であって、ガラスロッド３と殆ど化学反応することのない材料から形成されている。好適には、駒３１は黒鉛（グラファイト）によって形成されている。黒鉛は、ガラスが軟化する高温時においても安定性に優れているとともに、高い導電性を有している。
また、一般的な黒鉛に含まれる不純物の含有率は４００ｐｐｍ程度であるが、本実施形態の駒３１には、高純度の黒鉛を用いることが好ましい。より好ましくは、不純物の含有量を１ｐｐｍ以下とする。これにより、駒３１をガラスロッド３に圧入する際に、駒３１からガラスロッド３に対して不純物が浸入しにくくなる。
【００２２】
さらに、駒３１は、少なくともガラスに接触する部分が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、熱分解炭素（ＰｙＣ）、金属炭化物のいずれかを含有するように表面処理されていると良い。なお、金属炭化物は、例えばニオブカーバイト（ＮｂＣ）、タンタルカーバイト（ＴａＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ジルコンカーバイト（ＺｒＣ）を好適な材質として例示できる。
表面処理の方法として、例えば駒３１の表面に上記の炭化ケイ素等の被膜層を形成しておくことで、強度や耐磨耗性を向上させることができ、高温状態における酸化も防止できる。さらに、このような表面処理は駒３１の表面を高純度に維持することができるとともに、駒３１の内部からガラスロッド３への不純物の拡散も防止することができる。
【００２３】
また、本実施形態の加熱炉４０は、高周波誘電加熱方式の炉であり、コイル４２に交流電流を流すことで発熱体４１が発熱する。発熱体４１は、ガラスロッド３と駒３１の当接部周辺を覆う円筒形状の黒鉛である。この発熱体４１がガラスの軟化点以上の温度に発熱することによって、ガラスロッド３を加熱して軟化させる。
なお、ＶＡＤ法等により作成された純度の高いガラス素材の場合、軟化点は１７００℃程度である。
【００２４】
次に、ガラス管の成形時に、ガラス管の内圧及び外圧を制御するための構成について述べる。
図２（ａ）に示すように、加熱炉４０には、ガラスロッド３を加熱する空間４７に連通した給気孔４５及び排気孔４６が形成されている。給気孔４５は、図２（ｂ）に示す給気部５０に接続されている。排気孔４６は、図２（ｂ）に示す排気部５５に接続されている。
【００２５】
給気部５０は、所望の種類のガスを供給するガス供給部５１から、流量調節器（以後ＭＦＣと呼ぶ）５２を介して供給管５３へとガスを供給する。供給管５３は、給気孔４５に接続されており、空間４７に向けて（矢印Ａ１方向）所望のガスを供給する。ここで供給するガスは、成形したガラス管６の品質に悪影響を与えることのないものが好ましく、例えばアルゴン等の不活性ガスを用いることができる。
【００２６】
排気部５５は、排気孔４６に接続された排気管５６から、空間４７のガスを排気（矢印Ｂ１方向）する。排気部５５は、下流側に向かって順に、圧力計５７と、ＭＦＣ５８と、機械式ダンパ６０とが設けられている。
圧力計５７は、空間４７から排気管５６に排気されてきたガスの圧力をモニタする。この圧力計５７によって計測された圧力は、空間４７内の圧力とほぼ等しい。ＭＦＣ５８は、導入管５９から所望の量の余剰空気を適宜導入して、空間４７から機械式ダンパ６０への排出ガスの流量を調節する。すなわち、機械式ダンパ６０に流れるガスの流量は、空間４７から排気されるガスの量と、ＭＦＣ５８から導入された余剰空気の量の総和量である。機械式ダンパ６０は、予め設定された所望の排気量を得るように流量が設定されている。また、機械式ダンパ６０には、上流側の異常加圧を防ぐために逃し弁６１が設けられている。
【００２７】
このように構成された給気部５０及び排気部５５は、さらに、ＭＦＣ５２，５８と、圧力計５７とが、１つの制御系によって制御可能なように構成されている。これにより、圧力計５７により計測された圧力を基準として、ＭＦＣ５２，５８を制御し、空間４７への給気量と排気量とを調節することができる。したがって、空間４７の圧力を所望の値に制御することが可能である。
【００２８】
また、加熱炉４０の入口と出口には、空間４７を画成するガスシール４３，４４が設けられている。これらのガスシール４３，４４は非接触型であり、ガラスロッド３及び穿孔後のガラス管６との間に微小な間隙を設けるように構成されている。
ガスシール４３，４４が非接触型であることから、空間４７の気圧を安定させるためには、空間４７の気圧が誘導加熱炉４０の外部空間の気圧に比べて陽圧になるように制御することが好ましい。
【００２９】
また、図２（ａ）に示すように、第２チャック２２により把持されたダミーパイプ４の端部には、キャップ２３が装着されている。キャップ２３は、穿孔治具の支持ロッド３２に対して相対回転しないように相互の間を密閉するように固定され、その一方、ダミーパイプ４に対しては、Ｏリング２４を介して相互に密閉した状態で相対回転するように構成されている。
【００３０】
さらに、このキャップ２３には、ガラス管６の孔５に連通した給気孔２５及び排気孔２６が形成されている。これらの給気孔２５及び排気孔２６は、図２（ｂ）に示す給気部５０及び排気部５５と同じ構成の給気部及び排気部に接続されている。これにより、給気孔２５から孔６に向けて（矢印Ａ２方向）、所望の流量に制御されたガスが給気されるとともに、孔６から排気孔２６を通して（矢印Ｂ２方向）、所望の流量に制御されたガスが排気される。
したがって、孔６の内圧は、上述した空間４７と同様にして、所望の値となるように制御することが可能である。
【００３１】
本実施形態においてガラス管を製造する際には、上記の給気部及び排気部を稼働させた状態で、図１に示すように、加熱炉４０の内部に送られたガラスロッド３を、発熱体４１を発熱させることにより加熱して軟化させ、その軟化した領域に穿孔治具３０の駒３１を圧入することで、ガラスロッド３を漸次穿孔し、ガラス管６を成形してゆく。
このように、駒３１をガラスロッド３に圧入する際に、ガラス管６の内圧及び外圧を制御して、ガラス管６の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御することができる。したがって、穿孔直後のガラス管６に対して、その形状を維持するように内圧及び外圧を作用させて、所望の内径及び外径を精度良く得ることができる。
【００３２】
また、好ましくは、ガラス管６の内圧と外圧との圧力差がほぼ一定となるように制御すると良い。特に、内外圧の気圧差の変動値が１３．３Ｐａ以下となるように制御すると、長手方向に均一な形状のガラス管６が得られやすい。
【００３３】
なお、空間４７の気圧を制御する制御系と、孔６の気圧を制御する制御系は、それぞれ独立して個々の設定値に向けて制御しても良く、互いにリンクさせて内外圧の気圧差を調整するように制御しても良い。
【００３４】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、穿孔治具をガラスロッドに圧入する際に、穿孔治具をガラスロッドの軟化点以上の温度に誘導加熱することにより、ガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御する態様について説明する。
本実施形態で用いられるガラス管の製造装置の構成は、図１に示したガラス管の製造装置１とほぼ同様である。本実施形態の要部について、図３を参照して説明する。
【００３５】
図３に示すように、本実施形態にて使用する加熱炉４０ａは、発熱体４１ａの厚さｔを、通常の発熱体より薄く形成したものである。
誘導加熱において、被加熱部材に生じる誘導電流の密度は、コイル側の表面が最も高く、内部に向かって減少してゆく（これを表皮効果という）。すなわち、通常の誘導加熱炉では、誘導電流は加熱炉の発熱体のみに生じ、その内側の穿孔治具に誘導電流を発生させるには至らない。
【００３６】
本実施形態では、通常より薄い発熱体４１ａを用いることによって、発熱体４１ａの内側に配置された駒３１にも誘導電流を発生させることができ、駒３１は積極的に誘導加熱される。
【００３７】
また、誘導加熱の表皮効果は、被加熱部材の電気抵抗、比透磁率、及びコイルに流れる交流電流の周波数によって決まる。一般に、被加熱部材のコイル側表面の電流密度を１としたとき、電流密度が３６．７％まで減衰する距離が、電流の浸透深さδと定義されている。被加熱部材の電気抵抗をρ（Ωｃｍ）、被加熱部材の比透磁率をμ、交流電流の周波数をｆ（Ｈｚ）とおくと、浸透深さδ（ｃｍ）は、［数１］によって表すことができる。
【００３８】
【数１】

【００３９】
この［数１］に示すように、被加熱部材への誘導電流の浸透深さは、交流電流の周波数が低いほど大きく、被加熱部材の電気抵抗が高いほうが大きい。
【００４０】
通常の誘導加熱炉においてコイルに流す交流電流の周波数は、４０ｋＨｚ程度であるが、本実施形態では、１０ｋＨｚ以下の周波数を用いる。これにより、誘導電流の浸透深さが大きくなり、発熱体４１ａだけでなく駒３１にも誘導電流を発生させて、駒３１を積極的に誘導加熱することができる。
【００４１】
また、発熱体４１ａ及び駒３１の少なくとも一方を、所望の電気抵抗値となるように構成することにより、駒３１ａに誘導電流を発生させやすくすることもできる。例えば、発熱体４１ａを、多孔質状の黒鉛とすることにより、発熱体４１ａの電気抵抗値が高くなる。これによって誘導電流の浸透深さを大きくして、駒３１に誘導電流を発生させやすくすることができる。
【００４２】
以上述べたように、本実施形態では、発熱体４１ａの厚さｔを薄くする方法、交流電流の周波数を低くする方法、あるいは発熱体４１ａや駒３１の電気抵抗値を任意に設定する方法のうち、１つ以上の方法を選択的に採用することにより、発熱体４１ａの温度と駒３１を、ともにガラスの軟化点以上の温度となるように加熱する。例えば、発熱体４１ａの厚さｔを薄くするとともに、交流電流の周波数を低くすることにより、効果的に駒３１を誘導加熱することができる。
ここで、駒３１の温度は、非接触型の放射温度計を用いるか、あるいは駒３１に直接熱電対を設けて測定する。そして、ガラス管６の成形時に、内周側と外周側の温度がほぼ等しくなるように、発熱体４１ａの厚さｔと、コイル４２に流す交流電流の電力を設定する。
これにより、穿孔されたガラス管６が軟化温度から冷えていく際に、ガラス管６の内周側と外周側の温度差によって付加される内部応力のばらつきを減少させることができ、ガラス管６の形状の歪みを抑えることができる。
また、従来のように穿孔治具によってガラス管６を冷やしてしまうことがないため、加熱効率が向上して、コイル４２に交流電流を流すための電力を有効に利用することができる。
【００４３】
（第３実施形態）
この第３実施形態では、上述した第２実施形態と同様に、穿孔治具をガラス素材の軟化点以上の温度に誘導加熱するための態様について説明する。
図４に示すように、本実施形態で用いられる加熱炉４０ｂは、発熱体４１ｂがガラスロッド３の穿孔方向に２つに分割された構成である。発熱体４１ｂを分割したことにより形成された間隙に対して、駒３１を並列させるように配置することにより、駒３１に対してコイル４２から発生した磁束を直接作用させることができる。したがって、駒３１を積極的に誘導加熱して、軟化点以上の温度に昇温させることができる。
したがって、第２実施形態の場合と同じく、ガラス管６の成形時に、内周側と外周側の温度をほぼ等しくすることが可能となり、ガラス管６の形状の歪みを抑えることができる。
【００４４】
（第４実施形態）
この第４実施形態では、穿孔治具をガラス素材の軟化点以上の温度に加熱する際に、抵抗加熱方式を用いた態様について説明する。
図５に示すように、本実施形態で用いられる加熱炉は、ガラスロッド３を加熱するための構成が、第１実施形態において述べた加熱炉４０と同様である。一方、駒３１には、この駒３１に電流を流すための電源６５が接続されている。駒３１は、上述したようにカーボンを主体とした材質であるため、電流を流すことでジュール熱を発生させ、抵抗加熱することができる。
【００４５】
このような構成により、加熱炉４０の発熱体４１及び駒３１の加熱温度をそれぞれ制御して、ガラス管６の成形時に、内周側と外周側の温度をほぼ等しくすることができる。したがって、ガラス管６が冷えるときに内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御して、ガラス管６の変形を抑えることができる。
【００４６】
以上、本発明に係る第１〜第４実施形態について説明したが、本発明においてはこれらの実施形態を組み合わせて実施することもできる。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて、ガラス管の内外圧、及び温度を同時に制御することにより、さらに効果的にガラス管の形状の歪みを防止することができる。
【００４７】
なお、上述した実施形態では、円柱状のガラス素材であるガラスロッドに孔あけを行う態様について説明したが、本発明のガラス管の製造方法は、円筒状のガラス素材であるガラスパイプの孔の内径を拡径する場合についても、同様に採用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガラス管の製造方法によれば、穿孔直後のガラス管の変形を防止して、高品質のガラス管を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガラス管の製造方法を実施するための製造装置を示す概要図である。
【図２】図１に示した製造装置における気圧の制御を示す模式図である。
【図３】図１に示した製造装置の第２実施形態を示す要部模式図である。
【図４】図１に示した製造装置の第３実施形態を示す要部模式図である。
【図５】図１に示した製造装置の第４実施形態を示す要部模式図である。
【図６】従来のガラス管の製造方法を実施する装置の要部模式図である。
【符号の説明】
１ガラス管の製造装置
３ガラスロッド（ガラス素材）
４ダミーパイプ
５孔
６ガラス管
１０入口側固定台
１１第１送りテーブル
１２第１チャック
２０出口側固定台
２１第２送りテーブル
２２第２チャック
３０穿孔治具
３１駒
３２支持ロッド
３５固定部材
４０，４０ａ，４０ｂ加熱炉
４１，４１ａ，４１ｂ発熱体
４２コイル
４７空間
５０給気部
５５排気部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glass tube manufacturing method, and more particularly to a glass tube manufacturing method in which a glass material is gradually formed into a glass tube by press-fitting a punching jig into a softened glass material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the use of optical fibers has been increasing with the progress of optical communication technology. In particular, as the bit rate and wavelength multiplexing become higher, the density of information transmission capacity is increasing, and an optical fiber having high quality transmission characteristics is strongly desired.
[0003]
In manufacturing an optical fiber, a method is usually used in which a desired optical fiber is obtained by drawing a glass molded body called a preform at a high speed. Therefore, since the shape of the optical fiber takes over the shape and quality of the preform, extremely high-precision shape and quality control are required when forming the preform.
[0004]
For example, the MCVD method is a method in which glass fine particles (soot) are deposited on the inner wall of an internal pipe made of a glass tube. Since this glass tube is used as it is, the non-circularity and eccentricity are small, and the wall thickness is small. It must be uniform and have excellent characteristics. An optical fiber made from a glass tube having a large non-circularity or eccentricity has a large polarization dispersion (PMD) value.
[0005]
As an example of such a glass tube manufacturing method, a piercing method is described in Japanese Patent No. 2798465 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-109135.
[0006]
In the piercing method, for example, as shown in FIG. 6, a punching jig 102 is brought into contact with a glass material 101, and the periphery of the contact portion of the punching jig 102 is heated by a heating furnace 103, and the punching jig 102 is moved to the glass material 101. In this method, the glass material 101 is gradually formed into a cylindrical glass tube 105 from the front end side by being pressed and pressed. The perforating jig 102 is formed of a material such as carbon, for example, at least a portion in contact with the glass material 101 can be used at the softening temperature of the glass and very little chemically reacts with the glass.
[0007]
The heating furnace 103 includes a cylindrical heating element 103a that covers the periphery of the contact portion between the glass material 101 and the drilling jig 102, and a coil 103b having an appropriate number of turns disposed on the outer periphery of the heating element 103a. It is a configuration. The heating element 103a is heated to a temperature equal to or higher than the softening point of the glass material 101 by induction heating when a high-frequency current is passed through the coil 103b, and the glass material 101 around the contact portion of the punching jig 102 is heated.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the glass tube immediately after being pierced by the piercing jig has a temperature above the softening point and is easily deformed. For this reason, the shape is distorted by its own weight and it is difficult to obtain uniform inner and outer diameters in the longitudinal direction.
[0009]
In particular, since the glass material is softened by being heated from the periphery, the outer peripheral portion of the glass material at the time of drilling has a higher temperature than the center portion. Further, at the time of drilling, the inner peripheral portion of the drilled hole is cooled by contact with the drilling jig. Due to these factors, the glass tube immediately after drilling has a higher temperature in the outer peripheral portion than the inner peripheral portion, a large difference in the temperature distribution in the radial direction, and in the process of cooling the softened glass tube The shape was easily distorted due to the temperature difference.
[0010]
Thus, since it is difficult to maintain the shape of the glass tube with high accuracy by the conventional piercing method, in many cases, a glass tube forming process (forming) is required in the post-piercing process.
[0011]
An object of the present invention is to provide a glass tube manufacturing method capable of preventing a glass tube from being deformed immediately after drilling and obtaining a high-quality glass tube.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the glass tube manufacturing method according to the present invention heats and softens a glass material by a heating element arranged around a columnar or cylindrical glass material, and in a softened region of the glass material. In the method of manufacturing a glass tube in which a glass material is gradually formed into a glass tube by press-fitting a punching jig, glass is controlled by controlling the internal pressure and the external pressure of the glass tube when the punching jig is pressed into the glass material. The stress applied to the inner peripheral side and the outer peripheral side of the tube is controlled.
[0013]
Specific examples of the glass material include using a cylindrical glass rod or a cylindrical glass pipe finished to a predetermined size by an appropriate manufacturing method. The perforation referred to here includes not only making a hole in a cylindrical glass material but also expanding (increasing) the inner diameter of the hole in the cylindrical glass material.
[0014]
Further, it is preferable that the variation value of the pressure difference between the inside pressure and the outside pressure of the glass pipe is controlled to be less 13.3 Pa.
[0015]
In addition, by controlling the internal and external pressures of the glass tube and heating the drilling jig to a temperature above the softening point of the glass material, the stress applied to the inner and outer peripheral sides of the glass tube is controlled. It is preferable.
Here, as a heating method of the drilling jig, for example, when a glass material is heated using an induction heating furnace and drilling is performed using a drilling jig mainly made of graphite, heat generated around the glass material is generated. It is possible to reduce the thickness of the body and to induction-heat the drilling jig.
Further, by reducing the frequency of the high-frequency current used in the induction heating furnace to 10 kHz or less, the drilling jig can also be induction-heated.
Moreover, the perforation jig can be induction-heated by setting an electric resistance value of at least one of the heating element and the perforation jig arranged around the glass material to an arbitrary value.
In addition, the punching jig may be induction-heated by forming it in a shape (for example, a shape having a gap) in which a magnetic flux directly acts on the punching jig in a part of the heating element arranged around the glass material. it can.
It is also possible to directly resistance-heat the drilling jig without using induction heating.
[0016]
Further, the drilling jig is preferably made of graphite and surface-treated so that at least a portion in contact with the glass material contains any of silicon carbide, pyrolytic carbon, and metal carbide.
Further, the graphite of the drilling jig preferably has a content of impurity ions other than graphite of 1 ppm or less.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a glass tube according to the present invention will be described with reference to FIGS.
(First embodiment)
In this first embodiment, when press-fitting a drilling jig into a glass material, the internal pressure and the external pressure of the glass tube are controlled to control the stress applied to the inner peripheral side and the outer peripheral side of the glass tube, respectively. Will be described.
As shown in FIG. 1, a glass tube manufacturing apparatus 1 used in the present embodiment manufactures a glass tube by a so-called piercing method, and includes a heating furnace 40 that heats a glass rod 3, and an inlet of the heating furnace 40. An inlet-side fixing base 10 disposed on the side and an outlet-side fixing base 20 disposed on the outlet side of the heating furnace 40 are provided.
A glass dummy pipe 4 is connected to one end of the glass rod 3 to be drilled.
[0018]
A first feed table 11 that is slidable in the left-right direction in the figure at a desired speed is provided on the entrance-side fixed base 10. The first feed table 11 is configured such that the end of the piercing end of the glass rod 3 can be gripped by the first chuck 12 and the glass rod 3 can be rotated about its longitudinal axis. ing.
[0019]
Further, a second feed table 21 that can slide in the left-right direction in the figure is provided on the outlet-side fixed base 20 in the same manner as the first feed table 11. The moving speed of the second feed table 21 is appropriately controlled according to the moving speed of the first feed table 11. The second feed table 21 grips one end of the dummy pipe 4 connected to the piercing start end side of the glass rod 3 by the second chuck 22 and rotates the glass rod 3 around its longitudinal axis. Is configured to be possible. The rotation can be controlled so as to be synchronized with the rotation of the first feed table 11.
[0020]
Further, a fixing member 35 for fixing the drilling jig 30 is provided on the outlet side fixing base 20. The drilling jig 30 includes a support rod 32 and a piece 31 provided at the tip of the support rod 32, and the support rod 32 is fixed to the fixing member 35. The support rod 32 has the same central axis as that of the piece 31 and is supported so that the glass rod 3 and the central axis coincide with each other.
[0021]
The piece 31 can be used at the softening temperature of the glass rod 3 and is made of a material that hardly reacts with the glass rod 3. Preferably, the piece 31 is made of graphite. Graphite is excellent in stability even at a high temperature at which the glass softens and has high conductivity.
Moreover, although the content rate of the impurity contained in general graphite is about 400 ppm, it is preferable to use high purity graphite for the piece 31 of this embodiment. More preferably, the content of impurities is 1 ppm or less. This makes it difficult for impurities to enter the glass rod 3 from the piece 31 when the piece 31 is press-fitted into the glass rod 3.
[0022]
Further, the piece 31 may be surface-treated so that at least a portion in contact with the glass contains any of silicon carbide (SiC), pyrolytic carbon (PyC), and metal carbide. Examples of suitable metal carbides include niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), titanium carbide (TiC), and zircon carbide (ZrC).
As a surface treatment method, for example, by forming a coating layer such as silicon carbide on the surface of the piece 31, the strength and wear resistance can be improved, and oxidation in a high temperature state can also be prevented. Furthermore, such a surface treatment can maintain the surface of the piece 31 with high purity, and can also prevent diffusion of impurities from the inside of the piece 31 to the glass rod 3.
[0023]
The heating furnace 40 of the present embodiment is a high frequency dielectric heating type furnace, and the heating element 41 generates heat when an alternating current is passed through the coil 42. The heating element 41 is cylindrical graphite that covers the periphery of the contact portion between the glass rod 3 and the piece 31. When the heating element 41 generates heat to a temperature equal to or higher than the softening point of the glass, the glass rod 3 is heated and softened.
In addition, in the case of a high purity glass material prepared by the VAD method or the like, the softening point is about 1700 ° C.
[0024]
Next, a configuration for controlling the internal pressure and the external pressure of the glass tube when the glass tube is formed will be described.
As shown in FIG. 2A, the heating furnace 40 is formed with an air supply hole 45 and an exhaust hole 46 communicating with a space 47 for heating the glass rod 3. The air supply hole 45 is connected to the air supply unit 50 shown in FIG. The exhaust hole 46 is connected to the exhaust part 55 shown in FIG.
[0025]
The air supply unit 50 supplies gas from a gas supply unit 51 that supplies a desired type of gas to a supply pipe 53 via a flow rate regulator (hereinafter referred to as MFC) 52. The supply pipe 53 is connected to the air supply hole 45 and supplies a desired gas toward the space 47 (in the direction of arrow A1). The gas supplied here is preferably a gas that does not adversely affect the quality of the molded glass tube 6, and an inert gas such as argon can be used.
[0026]
The exhaust part 55 exhausts the gas in the space 47 from the exhaust pipe 56 connected to the exhaust hole 46 (in the direction of arrow B1). The exhaust part 55 is provided with a pressure gauge 57, an MFC 58, and a mechanical damper 60 in order toward the downstream side.
The pressure gauge 57 monitors the pressure of the gas exhausted from the space 47 to the exhaust pipe 56. The pressure measured by the pressure gauge 57 is substantially equal to the pressure in the space 47. The MFC 58 appropriately introduces a desired amount of surplus air from the introduction pipe 59 to adjust the flow rate of the exhaust gas from the space 47 to the mechanical damper 60. That is, the flow rate of the gas flowing through the mechanical damper 60 is the sum of the amount of gas exhausted from the space 47 and the amount of excess air introduced from the MFC 58. The flow rate of the mechanical damper 60 is set so as to obtain a preset desired exhaust amount. The mechanical damper 60 is provided with a relief valve 61 in order to prevent upstream abnormal pressurization.
[0027]
The air supply unit 50 and the exhaust unit 55 configured as described above are further configured such that the

MFCs

52 and 58 and the pressure gauge 57 can be controlled by one control system. Accordingly, the

MFCs

52 and 58 can be controlled on the basis of the pressure measured by the pressure gauge 57, and the supply air amount and the exhaust gas amount to the space 47 can be adjusted. Therefore, the pressure in the space 47 can be controlled to a desired value.
[0028]
In addition, gas seals 43 and 44 that define a space 47 are provided at the inlet and the outlet of the heating furnace 40. These gas seals 43 and 44 are of a non-contact type, and are configured to provide a minute gap between the glass rod 3 and the glass tube 6 after drilling.
Since the gas seals 43 and 44 are non-contact type, in order to stabilize the atmospheric pressure in the space 47, control is performed so that the atmospheric pressure in the space 47 becomes a positive pressure compared to the atmospheric pressure in the external space of the induction heating furnace 40. It is preferable.
[0029]
Further, as shown in FIG. 2A, a cap 23 is attached to the end of the dummy pipe 4 held by the second chuck 22. The caps 23 are fixed so as to seal each other so as not to rotate relative to the support rod 32 of the drilling jig, while the dummy pipes 4 are sealed to each other via an O-ring 24. In such a state, it is configured to rotate relatively.
[0030]
Further, the cap 23 has an air supply hole 25 and an exhaust hole 26 communicating with the hole 5 of the glass tube 6. These air supply holes 25 and exhaust holes 26 are connected to an air supply part and an exhaust part having the same configuration as the air supply part 50 and the exhaust part 55 shown in FIG. Thereby, the gas controlled to have a desired flow rate is supplied from the air supply hole 25 toward the hole 6 (in the direction of arrow A2), and at the desired flow rate through the exhaust hole 26 (in the direction of arrow B2). The controlled gas is exhausted.
Therefore, the internal pressure of the hole 6 can be controlled to be a desired value in the same manner as the space 47 described above.
[0031]
In manufacturing the glass tube in the present embodiment, the glass rod 3 sent into the heating furnace 40 is heated as shown in FIG. The body 41 is heated and softened by generating heat, and the piece 31 of the punching jig 30 is press-fitted into the softened region, whereby the glass rod 3 is gradually punched and the glass tube 6 is formed.
Thus, when press-fitting the piece 31 into the glass rod 3, the internal pressure and the external pressure of the glass tube 6 can be controlled, and the stress applied to the inner peripheral side and the outer peripheral side of the glass tube 6 can be controlled. . Therefore, it is possible to obtain the desired inner diameter and outer diameter with high precision by applying the internal pressure and the external pressure to the glass tube 6 immediately after drilling so as to maintain the shape thereof.
[0032]
Moreover, it is preferable to control so that the pressure difference between the internal pressure and the external pressure of the glass tube 6 is substantially constant. In particular, when the fluctuation value of the pressure difference between the internal and external pressures is controlled to be 13.3 Pa or less, the glass tube 6 having a uniform shape in the longitudinal direction can be easily obtained.
[0033]
It should be noted that the control system for controlling the pressure in the space 47 and the control system for controlling the pressure in the hole 6 may be controlled independently for each set value. You may control to adjust.
[0034]
(Second Embodiment)
In this second embodiment, when the punching jig is press-fitted into the glass rod, the punching jig is added to the inner and outer peripheral sides of the glass tube by induction heating to a temperature above the softening point of the glass rod. A description will be given of how each stress is controlled.
The configuration of the glass tube manufacturing apparatus used in the present embodiment is substantially the same as that of the glass tube manufacturing apparatus 1 shown in FIG. The principal part of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.
[0035]
As shown in FIG. 3, the heating furnace 40a used in the present embodiment is one in which the thickness t of the heating element 41a is formed thinner than that of a normal heating element.
In induction heating, the density of the induced current generated in the member to be heated is highest on the coil side surface and decreases toward the inside (this is called the skin effect). That is, in a normal induction heating furnace, the induction current is generated only in the heating element of the heating furnace, and the induction current is not generated in the drilling jig inside thereof.
[0036]
In the present embodiment, by using a heating element 41a thinner than usual, an induced current can be generated also in the piece 31 arranged inside the heating element 41a, and the piece 31 is positively heated by induction.
[0037]
Further, the skin effect of induction heating is determined by the electric resistance of the member to be heated, the relative permeability, and the frequency of the alternating current flowing through the coil. In general, when the current density on the coil side surface of the member to be heated is 1, the distance at which the current density attenuates to 36.7% is defined as the current penetration depth δ. When the electrical resistance of the member to be heated is ρ (Ωcm), the relative permeability of the member to be heated is μ, and the frequency of the alternating current is f (Hz), the penetration depth δ (cm) is expressed by [Equation 1]. be able to.
[0038]
[Expression 1]

[0039]
As shown in [Equation 1], the penetration depth of the induced current into the member to be heated is larger as the frequency of the alternating current is lower, and the electric resistance of the member to be heated is higher.
[0040]
The frequency of the alternating current flowing through the coil in a normal induction heating furnace is about 40 kHz, but in this embodiment, a frequency of 10 kHz or less is used. Thereby, the penetration depth of the induction current is increased, and the induction current can be generated not only in the heating element 41a but also in the piece 31 to positively heat the piece 31.
[0041]
In addition, it is possible to easily generate an induced current in the piece 31a by configuring at least one of the heating element 41a and the piece 31 to have a desired electric resistance value. For example, when the heating element 41a is made of porous graphite, the electric resistance value of the heating element 41a is increased. As a result, the penetration depth of the induced current can be increased, and the induced current can be easily generated in the piece 31.
[0042]
As described above, in the present embodiment, there is a method of reducing the thickness t of the heating element 41a, a method of reducing the frequency of the alternating current, or a method of arbitrarily setting the electrical resistance values of the heating element 41a and the piece 31. Of these, by selectively adopting one or more methods, the temperature of the heating element 41a and the piece 31 are both heated to a temperature equal to or higher than the softening point of the glass. For example, the piece 31 can be induction-heated effectively by reducing the thickness t of the heating element 41a and reducing the frequency of the alternating current.
Here, the temperature of the piece 31 is measured by using a non-contact type radiation thermometer or by providing a thermocouple directly on the piece 31. Then, when the glass tube 6 is formed, the thickness t of the heating element 41a and the power of the alternating current flowing through the coil 42 are set so that the temperatures on the inner peripheral side and the outer peripheral side are substantially equal.
Thereby, when the perforated glass tube 6 cools from the softening temperature, it is possible to reduce variations in internal stress applied due to a temperature difference between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the glass tube 6. The distortion of the shape can be suppressed.
In addition, since the glass tube 6 is not cooled by the drilling jig as in the prior art, the heating efficiency is improved, and the power for flowing an alternating current to the coil 42 can be used effectively.
[0043]
(Third embodiment)
In the third embodiment, as in the second embodiment described above, a mode for induction heating the drilling jig to a temperature equal to or higher than the softening point of the glass material will be described.
As shown in FIG. 4, the heating furnace 40 b used in the present embodiment has a configuration in which the heating element 41 b is divided into two in the perforating direction of the glass rod 3. By arranging the pieces 31 in parallel with the gap formed by dividing the heating element 41b, the magnetic flux generated from the coil 42 can be directly applied to the pieces 31. Therefore, the piece 31 can be actively induction-heated to raise the temperature to the softening point or higher.
Therefore, as in the case of the second embodiment, when the glass tube 6 is formed, the temperatures on the inner peripheral side and the outer peripheral side can be made substantially equal, and distortion of the shape of the glass tube 6 can be suppressed.
[0044]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a mode in which a resistance heating method is used when the punching jig is heated to a temperature equal to or higher than the softening point of the glass material will be described.
As shown in FIG. 5, the heating furnace used in the present embodiment has the same configuration for heating the glass rod 3 as the heating furnace 40 described in the first embodiment. On the other hand, the piece 31 is connected to a power source 65 for supplying a current to the piece 31. Since the piece 31 is made of a material mainly composed of carbon as described above, Joule heat can be generated and resistance heating can be performed by passing an electric current.
[0045]
With such a configuration, the heating temperatures of the heating element 41 and the piece 31 of the heating furnace 40 can be controlled, respectively, so that the temperature on the inner peripheral side and the outer peripheral side can be made substantially equal when the glass tube 6 is formed. Therefore, it is possible to suppress the deformation of the glass tube 6 by controlling the stress applied to the inner peripheral side and the outer peripheral side when the glass tube 6 is cooled.
[0046]
Although the first to fourth embodiments according to the present invention have been described above, the present invention can be implemented by combining these embodiments. For example, the distortion of the shape of the glass tube can be more effectively prevented by combining the first embodiment and the second embodiment and simultaneously controlling the internal and external pressure and temperature of the glass tube.
[0047]
In the above-described embodiment, the mode of drilling a glass rod that is a columnar glass material has been described. However, the method for manufacturing a glass tube of the present invention is a method for forming holes in a glass pipe that is a cylindrical glass material. The same can be applied to the case of expanding the inner diameter.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a glass tube of the present invention, it is possible to obtain a high-quality glass tube by preventing deformation of the glass tube immediately after drilling.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a manufacturing apparatus for carrying out a glass tube manufacturing method according to the present invention.
2 is a schematic diagram showing control of atmospheric pressure in the manufacturing apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram of a main part showing a second embodiment of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic view of the essential part showing a third embodiment of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a schematic diagram of a main part showing a fourth embodiment of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a schematic view of a main part of an apparatus for carrying out a conventional glass tube manufacturing method.
[Explanation of symbols]
1 Glass tube manufacturing equipment 3 Glass rod (glass material)
4 dummy pipe 5 hole 6 glass tube 10 inlet side fixing base 11 first feed table 12 first chuck 20 outlet side fixing base 21 second feed table 22 second chuck 30 punching jig 31 piece 32 support rod 35 fixing

member

40, 40a,

40b Heating furnace

41, 41a, 41b Heating element 42 Coil 47 Space 50 Air supply part 55 Exhaust part

Claims

円柱状または円筒状のガラス素材の周囲に配置した発熱体により前記ガラス素材を加熱して軟化させ、前記ガラス素材の前記軟化した領域に穿孔治具を圧入することで、前記ガラス素材を漸次ガラス管に成形するガラス管の製造方法において、
前記穿孔治具を前記ガラス素材に圧入する際に、前記ガラス管の内圧及び外圧を制御することにより前記ガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御することを特徴とするガラス管の製造方法。The glass material is gradually glass by heating and softening the glass material by a heating element arranged around a columnar or cylindrical glass material, and press-fitting a drilling jig into the softened region of the glass material. In the method of manufacturing a glass tube to be formed into a tube,
When press-fitting the perforating jig into the glass material, the stress applied to the inner peripheral side and the outer peripheral side of the glass tube is controlled by controlling the internal pressure and the external pressure of the glass tube, respectively. Manufacturing method of glass tube.

請求項１に記載のガラス管の製造方法において、前記制御は、前記ガラス管の内圧と外圧との圧力差の変動値が１３．３Ｐａ以下となるように行うことを特徴とするガラス管の製造方法。2. The glass tube manufacturing method according to claim 1 , wherein the control is performed such that a variation value of a pressure difference between an internal pressure and an external pressure of the glass tube is 13.3 Pa or less. Method.

請求項１または２に記載のガラス管の製造方法において、前記ガラス管の内圧及び外圧を制御すること、及び前記穿孔治具を前記ガラス素材の軟化点以上の温度に加熱することにより、前記ガラス管の内周側と外周側に付加される応力をそれぞれ制御することを特徴とするガラス管の製造方法。The method of manufacturing a glass tube according to claim 1 or 2, by controlling the internal pressure and external pressure of the glass tube, and by heating the drill jig to a temperature above the softening point of the glass material, the glass A method of manufacturing a glass tube, comprising controlling stresses applied to an inner peripheral side and an outer peripheral side of the tube, respectively .

請求項１から３の何れか一項に記載のガラス管の製造方法において、前記穿孔治具は、少なくとも前記ガラス素材に接触する部分が、炭化ケイ素、熱分解炭素、金属炭化物のいずれかを含有するように表面処理されていることを特徴とするガラス管の製造方法。In the manufacturing method of the glass tube as described in any one of Claim 1 to 3 , as for the said perforation jig | tool, at least the part which contacts the said glass raw material contains either silicon carbide, pyrolytic carbon, or a metal carbide. A method for producing a glass tube, wherein the surface treatment is performed.