JP4318646B2 - ガラス母材の延伸方法及び延伸装置 - Google Patents

Description

本発明は、合成石英からなる光ファイバ用ガラス母材の延伸に係り、特には、延伸して得られるプリフォームの外径を精密に制御するガラス母材の延伸方法及び延伸装置に関するものである。

合成石英を素材とする光ファイバ用プリフォームの従来の製造方法では、VAD法やOVD法等で合成したスート体を脱水、焼結し、透明ガラス化することで、母材インゴットが得られる。
通常、母材インゴットの直径は、150〜200mmφであるが、実際に、光ファイバの線引きに使用されるプリフォームの直径は50〜120mmφであるため、母材インゴットを電気炉で延伸・縮径して、所望の外径を有するプリフォームを製造している。

近年、光ファイバ及び光ファイバ用母材の生産性を向上するために、光ファイバ用母材は大型化されてきている。これにともない、光ファイバの線引きに好適な径に母材インゴットを縮径する延伸加工の困難さが増し、その延伸精度、すなわち、延伸して得られるプリフォームの外径精度を高めることが求められている。

母材インゴットの延伸装置は、母材インゴットを炉の上部から送り込み、約2000℃に加熱した炉内で一端から順次加熱軟化させ、炉の下方から延伸したプリフォームを引き取るようになっている。このような延伸装置については、例えば、特許文献１に開示されているが、これには、最大で直径52mmφのガラスロッドを直径４mmφに延伸して縮径する例が記載され、さらに、延伸後のガラスロッド径を制御する方法についても記載している。それによるとこの方法では、加熱炉から出てきたガラスロッドの径を一箇所で測定し、測定値の時間変化を基に、延伸前後のガラスロッドの外径を、むだ時間を補償するプロセスモデルに基づいて制御している。

特許文献２〜４は、２箇所に設けた外径測定器を用いて外径制御する方法を開示している。これらの方法は、第一の目標径の設定を間欠的に行うもの、第一の外径測定器の目標径を一定にするもの、あるいは既に延伸を終了したところに第二の外径測定器を設置するものである。

特開平7‐2539号公報 特開平10‐167745号公報 特開2001‐10839号公報 特開2002‐293564号公報 特許第2,697,927号

しかし、本発明が対象としている母材インゴット及び延伸後のプリフォームの径は、従来のものに比べて非常に大きいため、加熱炉も大型化する必要があった。その結果、炉内の断熱材が占める熱容量が増大し、このことにより、炉内では母材インゴットの温度分布がその軸方向において変化していた。

光ファイバ用ガラス母材の合成石英ガラスの軟化温度は1600℃以上であるが、実際に延伸する場合には十分加熱し、粘度を低くする必要があるため、通常、加熱炉の最高温度は2000℃前後に設定される。しかし、延伸され炉から出てきたプリフォームの外径に基づいて、延伸速度を制御しようとすると、加熱部から炉外部までの時間遅れが大きく、延伸速度が異常に変動し、ハンチングを起こすため、この方法ではプリフォーム径を制御することができない。また、これらの径変動は製品の歩留まりを低下させ、ガラス旋盤による再加工が必要となるなど、コスト低減の妨げになるという問題があった。

例えば、特許文献２によれば、延伸中、第一の目標径の設定が間欠的で不連続に行われるため、結果として得られるプリフォームの外径は、ある許容範囲には入るものの、目標径を変更した箇所で径が変動していた。
特許文献３の方法では、第二の外径測定器の測定位置が延伸の終了後の位置にあるため、前述のごとく、加熱部から炉外部までの移動距離が長く、そのため母材が縮径する時間も長くなり、制御上、大きな時間遅れを生じ、延伸速度が大きく変動してハンチングを起こし、なかなか良好なものが得られなかった。

特許文献４は、引き下げ速度を、第一の外径測定器の目標径と測定値の偏差から制御し、引き取り速度を、第二の外径測定器の目標径と測定値の偏差から制御する構成を記載しているが、外径変動を有した大型の母材の場合、第一の外径測定器の目標径が一定のままでは、結果として、長手方向で安定した良好な精度のプリフォームが得られない。

また、特許文献５は、外径測定器を設置する位置を指定しているが、実施例に記載された火炎による延伸方法は、被延伸母材の外径が13〜23mmφと非常に小さいために加熱溶融部の長さは短くて済み、このため、指定された部分を測定し制御することで良好な精度のものが得られていたと思われる。しかし、電気炉で大径の母材を延伸する場合には、溶融に大きな熱量が必要とされるため、加熱溶融部を長い範囲に取る必要がある。さらに外径変動を伴う母材を延伸する場合には、一箇所の測定では十分とは云えない。

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、光ファイバ用ガラス母材、特に大径の母材インゴットをプリフォームに延伸する際に、高い精度で外径制御を行うことのでき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、光ファイバ用ガラス母材を延伸して所定の径に縮径する方法であって、該ガラス母材が加熱炉で延伸される途中の第一の測定位置に第一の外径測定器を、延伸が概ね終了した第二の測定位置に第二の外径測定器をそれぞれ設置して外径を測定し、第二の測定位置で得られた測定値に基づき、第一の測定位置での設定値を逐次変更して延伸するに際し、ガラス母材の延伸該当部の長手方向の平均外径をＤ _av 、プリフォームの仕上がり径をd、予め設定した加熱炉内へのガラス母材の引き下げ速度をＶ１ _sv とし、式（Ｄ _av ／ｄ） ² ×Ｖ１ _sv から求められる加熱炉からのプリフォームの引き取り速度をＶ２ _sv 、制御機器より演算された引き下げ速度及び引き取り速度を順にＶ１ _sp 、Ｖ２ _sp とするとき、
Ｖ１ _sp ＝Ｖ１ _sv ＋k(Ｖ２ _sv −Ｖ２ _sp ) …ただし、kは正の実数
の関係式を満たしながら、ガラス母材の引き下げ速度と延伸されたプリフォームの引き取り速度を同時に制御することを特徴としており、変更された設定値と第一の測定位置で測定された測定値との差がなくなるように、ガラス母材１の引き下げ速度と延伸されたプリフォーム２の引き取り速度が同時に制御される。
なお、第一の測定位置での設定値は、第二の測定位置での設定値と測定値に基づき、PID制御により設定変更される。さらに、第一の測定位置での設定値と測定値をもとに、PID制御によりガラス母材の引き下げ速度とプリフォームの引き取り速度が制御される。

なお、本発明において、延伸が概ね終了した第二の測定位置とは、母材インゴットの延伸がほぼ終了した、最終目標外径より0.5〜2.5mm程度太い外径となった位置を指している。
本発明は、ガラス母材の延伸該当部（直胴部）の外径がその長手方向に0〜20%の範囲で連続的に変化しているものであっても、高い外径精度を有するプリフォームに延伸することができる。

本発明で用いたガラス母材の延伸装置は、光ファイバ用ガラス母材を延伸して所定の径に縮径する装置であって、第一の外径測定器が、ガラス母材が加熱炉で延伸される途中の第一の測定位置に、第二の外径測定器が、延伸が概ね終了した第二の測定位置にそれぞれ設置され、第一の測定位置に設定された設定値が第二の外径測定器で測定された測定値に基づいて逐次設定変更される設定手段を備えていることを特徴とし、これには、該設定手段で設定された設定値と第一の外径測定位置で測定された測定値との差がなくなるように、ガラス母材の引き下げ速度と延伸されたプリフォームの引き取り速度とを同時に制御する速度制御手段を設けるのが好ましい。

さらに延伸装置は、第一の測定位置での設定値が第二の測定位置での設定値と測定値との偏差量を基にしたPID演算により設定変更される演算手段を有し、第一の測定位置での設定値と測定値との偏差量を基に、PID演算により延伸速度が制御される速度制御手段を有している。なお、第二の測定位置は、外径が延伸目標径より0.5〜2.5mm太いところ、好ましくは１〜1.5mm太いところを測定位置とするのがよい。

本発明によれば、大径の母材インゴットを延伸する際にも、延伸して得られるプリフォームの外径を精密に制御することができる。その結果、製品の歩留まりが向上し、製品のコスト低減に寄与する。

本発明のガラス母材の延伸方法及び延伸装置は、合成石英からなるガラス母材が延伸される途中の第一の測定位置と、延伸が概ね終了した第二の測定位置でそれぞれ母材の外径を測定し、第二の測定位置での測定値に基づき、第一の測定位置での設定値を逐次変更し、変更された設定値と第一の測定位置で測定された測定値との差がなくなるように、ガラス母材の引き下げ速度と延伸されたプリフォームの引き取り速度を同時に制御するものである。

以下、本発明を図に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明によるガラス母材の延伸装置の一例を概略縦断面図で示した。この延伸装置は、母材インゴット１の吊り下げ装置３、引き下げ駆動装置４、加熱炉５、延伸されたプリフォーム２を引き取る延伸駆動装置６、３箇所に設けられた外径測定器７,８，11、これらの外径測定値に基づき引き下げ駆動装置４及び延伸駆動装置６の駆動速度を制御するモータドライバ（速度制御装置）９、さらに制御コンピュータ（制御演算部）10から構成されている。

OVD法等で合成され、脱水焼結工程を経ることで製造された、直径100〜200mmφ、直胴部の長さ1000〜2000mmの母材インゴット１は、延伸装置上部の吊り下げ装置３に取り付けられ、引き下げ駆動装置４により、引き下げ速度Ｖ１で加熱炉５に挿入される。約2000℃の加熱炉５の中で加熱された母材インゴット１は、長手方向の一部分が軟化する。加熱された母材インゴット１は、加熱炉５の下部に設置された延伸駆動装置６により、予め設定されたプリフォーム径(ｄ＝50〜120mmφ)に引き取り速度Ｖ２で引き取られ、延伸・縮径される。

本発明では、少なくとも２箇所に外径測定器７，８が設置される。第一の外径測定器７は、加熱炉５の中で母材インゴット１が延伸途中の第一の測定位置（Ａ点）に設置され、第二の外径測定器８は、第一の外径測定器７の下方でプリフォーム２の外径が最終延伸目標径より0.5〜２mm程度の太さまで延伸される第二の測定位置（Ｂ点）に設置され、これらの外径測定器７，８で測定された値に基づいて、プリフォームの外径が制御される。なお、第三の外径測定器11をプリフォーム２の外径がほぼ安定し、最終延伸径の確認が行えるＣ点に設けても良い。

なお、第１の外径測定器７が設置される位置は、加熱炉５で母材インゴット１が延伸途中にあるＡ点であり、この位置は、最も急激に延伸、縮径が行われている位置であり、延伸途中にある部分の長さのほぼ中間の位置に相当する。第２の外径測定器８が設置される位置は、母材インゴットの延伸がほぼ終了し、最終目標外径より0.5〜2.5mm程度太い外径となったＢ点の位置であり、かつＡ点に極力近い位置に設定するのが好ましい。そのため、Ａ点とＢ点との間の距離は、母材インゴット１の径が150〜200mmφの場合には、100〜250mmの範囲に設定するのが好ましい。このような大きさの径の母材インゴット１では、加熱炉中で延伸途中にある部分の長さが300〜600mmにも達する。第三の外径測定器11を設置する場合は、プリフォーム２の最終延伸径が確認できる位置であればよい。

母材インゴット１の引き下げ速度と延伸されたプリフォーム２の引き取り速度は、次のようにして制御される。
先ず、加熱炉内への母材インゴット１の引き下げ速度Ｖ１_svを設定し、加熱炉５からのプリフォーム２の引き取り速度Ｖ２_svを下記の式から求める。
Ｖ２_sv＝（Ｄ_av／ｄ）²×Ｖ１_sv
上式において、Ｄ_avは予め測定しておいた母材インゴット１の直胴部の長手方向の平均外径であり、dはプリフォーム２の仕上がり径（最終延伸径）である。

第一と第二の測定位置において、一定時間間隔、例えば0.2〜0.3秒毎に母材の外径が測定され、第二の測定位置に予め設定された設定値ｄ_Bと第二の測定位置で測定された測定値に基づいて、PID制御により、第一の測定位置に予め設定された設定値ｄ_Aが逐次変更される。さらに、この設定変更された設定値ｄ_Aと第一の測定位置の測定値に基づいて、PID演算がなされ、その結果、引き下げ駆動装置４を制御するＶ１制御信号及び延伸駆動装置６を制御するＶ２制御信号がモータ制御器を介して発信され、母材インゴット１の引き下げ速度Ｖ１_spとプリフォーム２の引き取り速度Ｖ２_spとが同時に制御される。

これらの制御・演算は、モータドライバ９及び制御コンピュータ10で行われ、第一、第二の外径測定器７，８から測定値が入力される都度、次式の演算が行われる。
Ｖ１_sp ＝Ｖ１_sv ＋k(Ｖ２_sv −Ｖ２_sp )
なお、Ｖ１_spは制御機器により演算された母材インゴット１の引き下げ速度であり、Ｖ２_spは制御機器により演算されたプリフォーム２の引き取り速度である。kは正の実数である。

本発明においては、少なくとも２箇所に設置された外径測定器のうち、第一の外径測定器で測定された母材の外径測定値を第一の測定位置の設定値に合わせるように、引き下げ速度及び引き取り速度を制御するものであり、第一の測定位置での設定値は、第二の測定位置での測定値に基づき逐次設定変更される。

これはカスケード制御と呼ばれる方法で、Ａ点で延伸速度を制御すると、延伸速度の変化に対応して、即座にプリフォーム径の変化となって現れ、遅れ時間が小さいため、プリフォーム径を所定の径に保つことは比較的容易に行うことができる。さらに、第二の外径測定器８によりＢ点で測定された母材径は、予め設定されたＢ点での設定値ｄ_Bと比較される。この設定値ｄ_Bは、Ｂ点から完全に延伸が終了したＣ点との間で、さらにプリフォームが微妙に延伸されることを加味して、最終延伸目標径ｄより0.5〜2.5mm程度大きめの値に設定されている。

例えば、Ｂ点での測定値が設定値ｄ_Bより大きいときには、それに応じてＡ点での径が小さくなるように、Ａ点での第一の外径測定器７の設定値ｄ_Aの値が変更され、延伸速度が速くなるように修正される。これにより、Ｂ点での測定値が設定値ｄ_Bに近づくとともに、より径の安定したプリフォームが得られる。

しかし従来法による、Ａ点で外径を一定に制御する方法は、即座にまたは遅れ時間を加味しても、径変動を引き起こす外乱に対して十分な対応がとれず、良好な径制御ができない。また、Ｂ点のみで外径制御する方法では、時間遅れの影響が大きく、外径が緩やかにでも連続的に変化する母材に対しては、精度の高い外径制御を行うことができない。さらに、Ｂ点で測定した測定値の時間平均をもとに、Ａ点での目標径を一定時間間隔で修正する方法でも、修正時の外乱の影響を取り除くことができず、外径精度の良い延伸はできない。
これに対して、本発明の上記構成からなる延伸方法及び延伸装置によれば、母材インゴットから極めて高い外径精度を有するプリフォームが得られる。

以下、本発明を実施例と比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されず様々な態様が可能である。

［実施例１］
図１に示した延伸装置を用いて、直胴部の長さ1600mmで直径165mmφの母材インゴット１を延伸して、直径65mmφのプリフォーム２に加工した。加熱炉５は2000℃に設定し、母材インゴット１を炉内に挿入する引き下げ速度Ｖ１は23mm/分とした。Ａ、Ｂ点での測定値に基づいて、引き取り速度（延伸速度）Ｖ２を制御し延伸した（平均延伸速度=148.2mm/分）。Ｂ点での設定値ｄ_Bは66.7mmに設定し、Ａ点での設定値ｄ_Aは、Ｂ点での設定値ｄ_Bと測定値との差により逐次連続的にPID制御により設定変更した。その結果、図２に示すように、Ａ点とＢ点で測定された外径と延伸速度は経時変化し、最終的なプリフォーム径を65±0.3mmに制御することができた。

［比較例１］
図１に示した延伸装置を用いて、Ｂ点に設置した外径測定器８の測定値をもとに、一定時間毎に平均値を算出し、この結果をもとに、Ａ点での設定値を修正した。母材インゴット１は実施例１と同様に、直胴部の長さ1200mmで直径120mmφのものを使用し、延伸して得られるプリフォーム２の最終延伸径が54mmφとなるように加工した。その結果を図３に示した。
図３からは、Ａ点での設定変更の影響を受け、Ｂ，Ｃ点にも外径変動が生じ、正確な径制御ができず、プリフォーム径は53.5±1mmの範囲で変動していた。なお、Ａ点での設定値を一定にしても、Ｂ点での外径が一定にならないことが図３から読みとれる。

本発明によれば、外径精度の高いプリフォームが低コストで得られる。

本発明によるガラス母材の延伸装置の一例を示す概略縦断面図である。 実施例１における、Ａ点〜Ｃ点での外径経時変化を示したグラフである。 比較例１における、Ａ点〜Ｃ点での外径経時変化を示したグラフである。

符号の説明

1…母材インゴット、
2…プリフォーム、
3…吊り下げ装置、
4…引き下げ駆動装置、
5…加熱炉、
6…延伸駆動装置、
7、8、11…外径測定器、
9…モータドライバ（速度制御装置）、
10…制御コンピュータ（制御演算部）、
V1…引き下げ速度、
V2…引き取り速度。

Claims (5)

1. 光ファイバ用ガラス母材を延伸して所定の径に縮径する方法であって、該ガラス母材が加熱炉で延伸される途中の第一の測定位置に第一の外径測定器を、延伸が概ね終了した第二の測定位置に第二の外径測定器をそれぞれ設置して外径を測定し、第二の測定位置で得られた測定値に基づき、第一の測定位置での設定値を逐次変更して延伸するに際し、ガラス母材の延伸該当部の長手方向の平均外径をＤ _av 、プリフォームの仕上がり径をd、予め設定した加熱炉内へのガラス母材の引き下げ速度をＶ１ _sv とし、式（Ｄ _av ／ｄ） ² ×Ｖ１ _sv から求められる加熱炉からのプリフォームの引き取り速度をＶ２ _sv 、制御機器より演算された引き下げ速度及び引き取り速度を順にＶ１ _sp 、Ｖ２ _sp とするとき、
   Ｖ１ _sp ＝Ｖ１ _sv ＋k(Ｖ２ _sv −Ｖ２ _sp ) …ただし、kは正の実数
   の関係式を満たしながら、ガラス母材の引き下げ速度と延伸されたプリフォームの引き取り速度を同時に制御することを特徴とするガラス母材の延伸方法。
2. 前記変更された設定値と第一の測定位置で測定された測定値との差がなくなるように、ガラス母材の引き下げ速度と延伸されたプリフォームの引き取り速度を同時に制御する請求項１に記載のガラス母材の延伸方法。
3. 第一の測定位置での設定値が、第二の測定位置での設定値と測定値に基づき、PID制御により設定変更される請求項１又は２に記載のガラス母材の延伸方法。
4. 第一の測定位置での設定値と測定値をもとに、PID制御によりガラス母材の引き下げ速度とプリフォームの引き取り速度が制御される請求項３に記載のガラス母材の延伸方法。
5. ガラス母材の延伸該当部の外径が、長手方向に0〜20%の範囲で連続的に変化している請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス母材の延伸方法。

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