JP5766157B2 - ガラス母材の延伸方法 - Google Patents
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Description
延伸装置により延伸されたガラスロッドには、例えば±3%といった比較的大きな外径変動があるため、これをガラス旋盤と称されるバーナーを加熱源とした延伸装置で再度精密に延伸して、製品に要求される外径変動、例えば±1%以内に入るように調整されている。
しかしながら、外径120mmといった太径のプリフォームになると、ガラス旋盤による外径調整は困難である。これは、バーナーによる加熱が解放大気中で行われるため、加熱と同時に放射による冷却が起こり、外径が大きくなるほど放射による冷却の効果が大きくなり、温度を十分に上げることができないためである。
このため、延伸装置で得られるガラスロッドの外径変動を、最終製品で求められる±1%以内か、それに近い変動まで抑えることが求められている。
延伸装置は、大きく分けて加熱炉・送り部・引取り部の3つの部分からなっている。加熱炉は、ヒーター1、断熱材2を内包した水冷チャンバー3、その上部に連結されたトップチャンバー4、及び水冷チャンバー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、該送り機構7に接続された吊下げシャフト5及び接続治具6からなっている。吊下げシャフト5はトップチャンバー4内に挿入されている。
延伸時には、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りダミー14を引取りローラー10,11で引き下げることで、ガラス母材12からより細径のガラスロッドが得られる。
例えば、特許文献1では、延伸前の外径を測定し、その外径変化に基づいて加熱炉内での形状の変化を想定し、精密な引下げ速度の制御を行うことでガラスロッド全長にわたって径変動を抑制している。
また、特許文献2では、トップチャンバーの材質に透明度の高い石英ガラスを用いることにより、ガラス母材の内部を上に向けて伝搬して来た赤外線や可視光を効率よく外部へ放出し、ガラス母材上部のテーパー部に熱がたまらないようにすることで、延伸終了部付近の径変動を抑制している。
さらに、特許文献3では、多孔質ガラス母材を経て製造されたガラス母材を用いて、未焼結の不透明部を含むテーパー部が下側に、全体が透明ガラス化されているテーパー部が上側に来るように配置して延伸することにより、延伸終了部付近の径変動を抑制している。
これにより、延伸の終了部付近で上側のテーパー部が意図せずに伸びてしまうことにより、ガラス母材の送り速度が設定よりも実質的に速くなり、ガラスロッド外径が太る現象が起きていたが、特許文献3の方法では、ガラス母材を透明ガラス化工程とは逆向きに吊り下げて、上側のテーパー部全体を透明ガラス部とすることにより、上側のテーパー部に到達した光を効率よく外へ放出し、上側テーパー部の局所的な温度上昇を防いで、延伸終了部付近のガラスロッド外径の太りを抑制している。
第1の問題は、多孔質ガラス母材を透明ガラス化後、これを反転して吊り下げる際に、吊下げ側のテーパー部が曲がっている場合、吊り下げたガラス母材の直胴部が鉛直方向を向かないことである。このテーパー部の曲がりは、多孔質ガラス母材の透明ガラス化工程において、多孔質ガラス母材の軸芯が加熱炉の中心に無い状態でガラス化が行われた場合に生じる。
この方法によれば、母材の直胴部の曲がりを十分に小さくすることはできるが、先端部付近の曲がりを完全に無くすことは難しい。これは、下方の先端部付近を加熱する場合には、加熱されている部分より下側に重量が無いため、周方向の微小な温度偏差による多孔質ガラスの収縮力の偏差がそのまま曲がりに影響するためである。
なお、直胴部を加熱する場合は、それより下側に既にガラス化されたテーパー部の重量が下向きにかかっているため、微小な収縮力の偏差が生じたとしても、下側にある重量が曲がりを矯正する力となり、テーパー部の先端に比べて大きな曲がりが生じにくい。
特許文献4のような曲がり低減技術を用いない場合、曲がり量のバラツキは大きくなり、最大で3°以上に達することもある。
吊下げ部分のたわみ等によって、吊下げ部中心線からの実際のずれ量は計算値よりも小さくなるが、このようなずれがあると、ガラス母材と加熱炉が接触して、吊下げ部に過大な曲げ応力がかかることにより、吊下げシャフトが破損する等のリスクが高まる。また、ガラス母材が鉛直に吊り下げられていないことによって、ガラスロッドの曲がりが大きくなる。
第2の問題は、延伸初期に、この不透明ガラス部を加熱する際、不透明ガラス部が割れたり膨れたりすることが挙げられる。
不透明ガラス部のうち焼結があまり進んでいない多孔質部分の空隙は、空気で満たされている。この部分が加熱されて表面からガラス化が進むと、内部に空気が閉じ込められて逃げ場がなくなり、さらに高温に加熱されたときに、閉じ込められた空気が膨張して不透明ガラス部が膨れたり割れたりすることがあった。
前記不透明ガラス部を含むガラステーパー部の一部を切断し、該切断面に延伸装置の引取り機構に接続される引取りダミーが溶着される。該切断面は、連続気泡が残らない部分で切断され、該切断面における外径D1と延伸目標径Drとの関係がD1≦1.1Drを満すように切断されるのが好ましい。
前記切断面への引取りダミーの溶着接続に際し、前記不透明ガラス部を加熱し透明化の促進がなされる。該引取りダミーの溶着接続は、延伸装置の加熱炉内にて行うのが好ましい。
なお、該切断面は、連続気泡が残らない部分で切断されていることが、以下の理由により好ましい。
不透明ガラス部には微細な気泡が存在しているが、これらの気泡はひとつひとつが独立している独立気泡と、気泡同士が繋がっている連続気泡に分類される。独立気泡には、多孔質ガラス母材の透明ガラス化工程での雰囲気ガス(通常、ヘリウム及びハロゲン含有ガス)が閉じ込められているが、焼結温度から室温まで降下する際に、気泡内に新たにガスが供給されることはなく、温度が下がった分だけ気泡内部の圧力は大気圧に比べて低くなっている。一方、連続気泡は大気と繋がっているため、内部の圧力は大気圧と等しくなっている。
切断面の不透明部の泡が独立気泡であるかどうかは、表面にインクをしみこませてから軸方向に切断することで確認される。独立気泡の場合は、表面だけに色がつくが、連続気泡の場合はインクが内部まで浸透する。なお、透明ガラス化された各ガラス母材に対するこの検査は手間がかかるため、連続気泡が無くなる長手位置を、事前のインク浸透テストで確認しておき、通常の工程では、同じ位置で切断することで検査の手間を省くことができる。
120mmで延伸するのに先立ち、不透明ガラス部を含むテーパー部を径D1が108mm, 120mm,132mm, 144mmの4種類の位置で切断して引取りダミーを溶着し、延伸した所、D1≦132mm(=1.1Dr) の範囲では、延伸開始側直胴部の外径変動に影響を与えないことがわかった。D1=144mmでは、延伸されたガラスロッド有効部の外径にハンチングが見られ、ガラスロッドの収率がD1≦1.1Drの時に比べて2%悪化した。
よって、前記切断面における外径D1と、延伸工程における延伸目標径Drの関係はD1≦1.1Drを満足させることが好ましく、これにより延伸開始側の外径変動を抑制することができる。
該切断面への引取りダミーの溶着接続に際し、前記不透明ガラス部を加熱し透明化の促進がなされるのが好ましいが、これは、不透明ガラス部を加熱する際に、空気を含む不透明ガラス部を表面から加熱すると、表面がガラス化して内部に取り残された空気が膨張し、不透明ガラス部が膨れたり割れたりする可能性があるためである。不透明ガラス部に膨れが生じた場合、炉内に機械的な損傷を与えたり、溶着接続がうまくできないなどの問題が発生する。
引取りダミーの溶着接続は、延伸装置の加熱炉内にて行われるのが好ましい。ガラス母材の延伸装置へのセットに先立って、溶着接続することも可能であるが、そうすると吊下げダミー、ガラス母材及び引取りダミーの全体を合わせたワーク全長が長くなりすぎ、取り回しに要する空間や天井高を確保するのが困難になる。
図2は、本発明による延伸方法のプロセスを示し、図3は、図2−2の時点での延伸装置の全体図を示している。図4は、延伸工程に入る前のガラス母材の前処理工程を説明する概略図である。なお、図2では、トップチャンバー及び送り機構周辺の部材は省略されている。
まず、延伸工程前のガラス母材の前処理について図4を用いて説明する。
ガラス母材12の透明ガラステーパー部の端部16は、乾式もしくは湿式のダイヤモンドホイール等を用いて切断される。また、不透明部15を含む側のテーパー部は、外径が延伸径とほぼ等しい部分で切断される。
ヘッドストック側チャック20には吊下げダミー13が把持され、吊下げダミー13の先端とガラス母材12の透明ガラステーパー部の端部16が酸水素火炎21によって加熱軟化され、吊下げダミー13の軸芯と直胴部の軸芯とが一致して溶着される。
なお、吊下げダミー13には、搬送や吊下げシャフトへの接続に必要な突起や穴、切り欠きなどを設けておいても良い。このように準備されたガラス母材12は、溶着された吊下げダミー13によって延伸装置の送り機構に接続され、吊り下げられる。
まず、図2−1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の温度を1800〜2200℃程度まで上げ、下部テーパー部内の不透明ガラス部15の透明化を促進しつつ、ガラス母材12の下端を軟化させる。このときの温度上昇速度は30〜60℃/minが適切である。温度上昇速度が速すぎると、ガラスの表層部と内部との温度差が大きくなり、後の延伸工程での外径変動につながる。温度上昇速度が遅すぎると、工程にかかる時間が長くなりすぎ、生産性が良くない。
引取りダミー14の溶着後、送り機構によってガラス母材12を下降させつつ引取りローラー(上)10を駆動させて引取りダミー14を下降させ、延伸を行う。
引取りローラー(下)11で引取りダミー14を把持できるようになったら、引取りローラー(下)11を閉じて引取りローラー10,11の両方を用いて延伸する。
図2−4まで延伸を進めたら下部ガスシール8を開き、延伸されたガラスロッドが加熱炉外へ出られるようにする。
図2−5に至ると引取りローラー(上)10で延伸することができなくなるため、引取りローラー(上)10を開き、引取りローラー(下)11のみで延伸を行う。この後、引取りローラー(上)10と引取りローラー(下)11を開閉しつつさらに延伸を進めていく。
なお、この図2に示す例ではローラーを用いた引取り方法で説明したが、鉛直方向に動作する引取りチャックによって引取りダミーを直接把持して引き取る方法や、引取りローラーに代えて引取り耐熱ゴムベルトを用いる方法等、既知の別の方法で行っても良い。
直胴部の長さ1800mm、 両端のテーパー部の長さ500mm、及び 直胴部の外径180mmのガラス母材100本を、延伸目標径Dr 120mmの条件で延伸を行った。不透明ガラス部を含むテーパー部は、切断面端部の外径D1が115≦D1≦132の範囲で、かつ切断面における不透明ガラス部に連続気泡が含まれない位置で切断した。
不透明ガラス部を含まない透明ガラステーパー部側は、先端の外径が80mmの位置で切断し、該切断面に外径40mmの吊下げダミーを接続した。接続には、図4に示したガラス旋盤を用い、ガラス母材直胴部の中心軸と吊下げダミーの中心軸が一致するようにして溶着した。
図2に示したように、ガラス母材下端がヒーター中心と同一の高さになるようにセットし、室温から2100℃までは40℃/minで昇温し、その後引取りダミーを溶着してから延伸を行った。
加熱初期におけるガラス母材の割れや膨れは一度も発生せず、また、延伸終了部付近のガラスロッドの太りは、目標延伸径に比べて+0.2〜+1.1mm(平均0.7mm)であった。延伸されたガラスロッドの長さは全長で約4000mmあり、これを半分に切断して約2000mmのガラスロッドを得た。切断されたガラスロッドの両端をVブロックに載せて回転させ、最大振れ回り量を曲がりとして計測した所、0.3〜1.8mm(平均0.9mm)と良好であった。
直胴部の長さ1800mm、 両端のテーパー部の長さ500mm、及び 直胴部の外径180mmのガラス母材100本を、延伸目標径Dr 120mmの条件で延伸を行った。実施例1 とは異なり、両端のダミー部は、透明ガラス化工程以前に装着した物をそのまま用い、引取りダミーはガラス母材の下端に機械的に接続した。
ガラス母材を吊り下げたときに、ガラス母材下端と加熱炉中心とのずれが大きすぎて延伸装置にセットできない物が5本あった。また、加熱初期においてガラス母材の割れまたは膨れが8本で発生した。延伸終了部付近のガラスロッドの太りは、目標延伸径に比べて+0.2〜+1.3mm(平均0.7mm)であった。延伸されたガラスロッドの長さは全長で約4000mmあり、これを半分に切断して約2000mmのガラスロッドを得た。切断されたガラスロッドの両端をVブロックに載せて回転させ、最大振れ回り量を曲がりとして計測した所、0.8〜4.5mm(平均2.2mm)であり、実施例よりも平均値で約2.4倍大きかった。
2.断熱材、
3.水冷チャンバー、
4.トップチャンバー、
5.吊下げシャフト、
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.引取りローラー(上)、
11.引取りローラー(下)、
12.ガラス母材、
13.吊下げダミー、
14.引取りダミー、
15.不透明部、
16.透明ガラステーパー部の端部、
17.ガラス旋盤、
18.テールストック側チャック、
19.センタリングローラー、
20.ヘッドストック側チャック、
21.酸水素火炎。
Claims (5)
- 大径のガラス母材を延伸して、より細径のガラスロッドを製造する方法であって、直胴部の片端に透明ガラステーパー部を有し、他端に不透明ガラス部を含むガラステーパー部を有するガラス母材を延伸するに際し、該延伸に先立って前記透明ガラステーパー部の先端に吊下げダミーを溶着し、該吊下げダミーを送り機構に連結し、該ガラス母材の下部から加熱炉内に挿入し、前記不透明ガラス部を含むガラステーパー部の一部を切断して形成した切断面に延伸装置の引取り機構に接続される引取りダミーを溶着した後、延伸することを特徴とするガラス母材の延伸方法。
- 前記切断面が、連続気泡が残らない部分で切断される請求項1に記載のガラス母材の延伸方法。
- 前記切断面における外径D1と延伸目標径Drとの関係がD1≦1.1Drを満す請求項1又は2に記載のガラス母材の延伸方法。
- 前記切断面への引取りダミーの溶着接続に際し、前記不透明ガラス部を加熱し透明化の促進がなされる請求項1乃至3のいずれかに記載のガラス母材の延伸方法。
- 前記吊下げダミーを溶着するに際し、該吊下げダミーの軸芯とガラス母材直胴部の軸芯とが一致するように接続される請求項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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