JP5924788B2

JP5924788B2 - ガラス母材の延伸装置

Info

Publication number: JP5924788B2
Application number: JP2014220928A
Authority: JP
Inventors: 乙坂　哲也; 哲也乙坂
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-05-02
Also published as: JP2015083535A

Description

本発明は、ガラス母材を加熱してより細い外径のガラスロッドに延伸加工するガラス母材の延伸装置に関する。

光ファイバプリフォームに代表されるような石英ガラスロッドの製造には、予め大型のガラス母材を製造し、それを図１に示すような延伸炉を用いて加熱延伸し、より細径のガラスロッドとする方法が用いられる。
延伸炉は、主に加熱炉１、送り機構２、引取機構３の３つの機構からなっており、送り機構２には、吊り下げ接続部４を介してガラス母材５が吊り下げられ、ガラス母材５の下部は、引取ダミー６及び引取チャック７を介して引取機構３に連結されている。引取チャック７には、鉛直上向き及び下向きへの荷重を測定するための荷重計が備えられている。

加熱炉１には一般的にカーボンヒーターが用いられ、酸化による損耗を防ぐため、加熱炉内部には窒素、アルゴンなどの不活性ガスが導入される。また、炉内への外気の侵入を防ぐため、トップチャンバ８及び炉出口部ガスシール９が設けられている。
ガラス母材５は、送り機構２によって加熱炉１内に送り込まれ、加熱軟化される。ガラス母材の下部は引取機構３によって引取られ、より細径のガラスロッド10となる。このとき、送り機構２の下降速度V₁に比べて、引取機構３の下降速度V_２は大きく設定される。ガラスロッドの外径を一定に保つために、V₁とV_２は適切に調整される。

加熱炉１の温度が比較的高い時には、ガラス母材のネックダウン１１の粘度が低くなり、引取機構３にガラスロッド１０の重量が鉛直下向きに掛かる。即ち、引取機構３を押し下げるような力が発生する。逆に、加熱炉１の温度が比較的低い時には、ネックダウン１１の粘度が高いため、ガラスを変形させるために強い力で引取らなければならず、引取機構３には鉛直上向きの力が掛かる。即ち、引取機構３を引っ張り上げるような力が発生する。また、延伸が進んでガラスロッド１０の重量が増加するにつれて、加熱炉の温度が同じであっても引取機構３に鉛直下向きに掛かる力が徐々に大きくなってくる。この他に、ガラス母材５の外径が変動している場合には引取機構３に掛かる力が変動する。

引取機構３に掛かる鉛直下向きの力の経時変化の例を図２に示した。なお、縦軸の＋側が鉛直下向きに掛かる力、−側が鉛直上向きに掛かる力である。ガラス母材の径変動による波打ち１２があるものの、全体に右上がりとなっている。これは即ち、延伸開始時には引取機構がガラスロッドを引き下げて変形させているのに対し、延伸後半では引取機構がガラスロッドの自重による落下を受け止めて速度を制限しているということを表している。延伸終了部１３では特に顕著な荷重増加が見られるが、これはガラス母材上部にある、直胴部より細いテーパー部が軟化したことによるものである。

引取機構３に下向きの荷重が掛かっているBの領域では、引取機構３がガラスロッド１０が自重で落ちようとするのを支えている状態にあるため、引取チャック７を中心としてロッドが倒れる方向の力が発生する可能性がある。この力が大きくなると、ネックダウン１１で、ガラスロッド１０とガラス母材５に軸ズレが生じ、倒れが発生した後の部分に曲がりが生じる。曲がりが生じた部分については、破棄するか曲がりを修正しなければならず、製造コスト及び歩留まりの悪化に繋がっていた。
そのため、このようなガラス母材の延伸後半にガラスロッドの曲がりが大きくなる問題に関して、有効な解決策が求められていた。

本発明は、ガラス母材を加熱延伸してより細い外径のガラスロッドに延伸加工する工程において、曲がりの小さなガラスロッドが安定して得られるガラス母材の延伸装置を提供する。

本発明のガラス母材の延伸装置は、棒状のガラス母材を延伸し、より細径のガラスロッドを製造するガラス母材延伸装置であって、加熱炉、ガラス母材送り機構及びガラスロッド引取チャックを備え、該引取チャックと前記加熱炉との間に調芯ガイド装置を備え、該調芯ガイド装置のガイド中心を移動させてガラスロッドの軸芯に合わせる調芯機構及び固定機構を有することを特徴としている。

前記調芯ガイド装置には、そのガイド中心をガラスロッドの軸芯に合わせる調芯機構と、調芯位置で固定する固定機構を設け、さらに、前記引取チャックに掛かる鉛直方向の荷重を測定する荷重計を設けるのが好ましい。前記調芯機構は、ガラスロッドに当接・離間自在の複数のガイドローラーを有し、各ガイドローラーが同期して作動し、ガラスロッドの軸芯に向けて該調芯機構のガイド中心を移動させるように構成される。

前記調芯ガイド装置に、前記調芯機構を浮上させる浮上機構及び真空吸着方式により固定する固定機構を設けるのが好ましい。あるいは、前記調芯ガイド装置に、ガラスロッドの水平位置調整機構及びロッド位置認識装置を設け、前記水平位置調整機構として電動ＸＹテーブルを使用し、前記ロッド位置認識装置としてカメラと画像処理装置の組み合わせ、あるいはレーザー外径測定器、もしくはレーザー測距計を使用することもできる。

本発明のガラス母材の延伸装置によれば、曲がりの小さなガラスロッドを安定して得ることができる。

ガラス母材延伸装置の概略を説明する概略立面図である。引取機構に掛かる鉛直下向きの力の経時変化の例を示す図である。本発明のガラス母材延伸装置の概略を説明する概略立面図である。本発明による、ガラスロッドの軸芯に向けて調芯する調芯機構を示す上面図であり、上図は調芯前の状態を示し、下図は調芯後の状態、すなわちガラスロッドの軸芯に調芯された状態を示している。（ａ）〜（ｄ）は、実施例１で使用した調芯ガイド装置の調芯機構の動作を説明する概略側面図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施例２で使用した調芯ガイド装置の調芯機構の動作を説明する概略側面図である。ガラスロッドの曲がり量（ＢＯＷ値）の測定方法を説明する図である。

本発明のガラス母材延伸装置は、図３に示すように、引取チャック７と加熱炉１の間に調芯ガイド装置１４を備えている。この調芯ガイド装置１４は、そのガイド中心を延伸されたガラスロッド１０の軸芯に合わせる調芯機構と調芯後の位置で固定する固定機構を備えている。
調芯機構は、ベース板１５上にエアシリンダ駆動のスライドテーブル１６と複数のガイドローラー１７が取り付けられており、ガイドローラー１７を閉じる前もしくは閉じる途中にガラスロッド１０の軸芯に、調芯ガイド装置１４のガイド中心を合わせるための機構である。
ガラスロッド１０の中心位置は延伸ごとに毎回ずれるため、調芯機構が無い場合、複数のガイドローラー１７の中心へ向けてガラスロッドを押しつけることになり、ガラスロッド１０に曲がりが生じるが、調芯機構があると、ガラスロッド１０の位置を動かすこと無く、ガラスロッド１０の軸芯に向けて各ガイドローラー１７を閉じることができ、ガイドローラー１７を閉じることによって曲がりを発生させることがない。

固定機構は、調芯機構によって位置合わせをした位置で調芯機構を固定し、ガイドローラー１７の水平方向への移動を抑制するものである。
引取機構３に下向きの荷重がかかっている図２のBの領域では、前述したように引取チャック７を中心としてロッドが倒れる方向の力が発生する可能性がある。この倒れを抑制するため、引取機構３に下向きの荷重が掛かる手前もしくは下向きの荷重がかかった直後に、調芯ガイド装置１４を作動させ、ガイドローラー１７をガラスロッド１０の軸芯に向けて調芯しつつ移動させて、ガラスロッド１０の軸芯に調芯ガイド装置１４のガイド中心を合わせ、その位置で固定することで、その後、ガラスロッド１０が倒れないようにガイドし、ガラスロッド１０の曲がりを防止することができる。

次に、ガラスロッドの軸芯に向けて、３基のガイドローラー１７を開閉させる調心機構について、図４（上面図）を用いて説明する。ベース板１５上にエアシリンダ駆動のスライドテーブル１６が３台取り付けられ、ベース板１５の中心にはガラスロッド１０が挿通する貫通孔が設けられている。各スライドテーブル１６の先端にはカーボン製のガイドローラー１７が取り付けられている。３台のスライドテーブル１６は、ベース板１５に取り付けられた６個のガイドプーリー１８を介して３本の同期ワイヤ１９によって連結され、３台のスライドテーブル１６が同期して駆動するように構成されている。
これによって、スライドテーブル１６のポジションにかかわらず、３個のガイドローラー１７の中心、即ち調芯ガイド装置のガイド中心は一定に保たれる。

本発明の調芯ガイド装置の調芯機構及び固定機構について、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。
先ず、第一の形態について図５（側面図）を用いて説明する。なお、本図は簡略化して、図４で示した同期ワイヤ及びガイドプーリーの図示は省略しているが、各ガイドローラー１７は同期して動作する。また、ガイドローラー１７の個数についてもわかりやすく対面２個で図示されているが、実際には３個もしくはそれ以上の個数となっている。
架台２０に取り付けられたガス吹出／吸着ブロック２１上にはベース板１５が載置され、図４で説明したように、ベース板１５上にスライドテーブル１６及びカーボン製のガイドローラー１７が取り付けられている。なお、ガス吹出／吸着ブロック２１にはガス出入ポート２２が設けられている。

先ず、引取機構３に下向きの荷重が掛かったことを確認した後、調芯ガイド装置１４の調芯機構を動作させるが、ガイドローラー１７をガラスロッド１０の軸芯に向けて移動させるのに先立ち、図５（ａ）のように、ガス出入ポート２２に圧縮ガスを供給すると、ガス吹出／吸着ブロック２１の上面からガスが噴き出し、ベース板１５を浮上させ、ベース板１５は水平方向に容易にスライドできるようになる。

この状態でスライドテーブル１６を同期動作させると、図５（ｂ）のように、先ず１個のガイドローラー１７ａがガラスロッド１０に接触する。このまま続けてスライドテーブル１６を同期動作させ続けると、ベース板１５から上の部分全体が横滑りしていき、最終的に図５（ｃ）のようにガラスロッド１０に全てのガイドローラー１７が接触した状態で止まる。図５（ｂ）から（ｃ）に至るまでの間、ベース板１５から上の部分が浮上しているため、ガイドローラー１７ａがガラスロッド１０を押す力は非常に弱く、ガラスロッド１０の位置に影響を与えることなく、調芯ガイド装置のガイド中心がガラスロッド１０の軸芯に向けて調芯される。
続けて、自動調芯された位置で全てのガイドローラー１７を固定するため、図５（ｄ）のように、ガス吹出／吸着ブロック２１内部のガスをガス出入ポート２２から真空排気する。これにより、ベース板１５がガス吹出／吸着ブロック２１に真空吸着され、固定されて水平方向へ動くことがなくなる。
これによりガラスロッド１０が倒れることなく延伸を続けることができ、曲りの少ないガラスロッド１０を安定して得ることができる。

本発明の調芯ガイド装置の調芯機構及び固定機構の第２の形態について、図６（側面図）を用いて説明する。なお、本図は第２の形態と同様に簡略化して示されている。
架台２０上に水平位置調整機構としての電動XYテーブル２３が取り付けられ、電動XYテーブル２３上にはベース板１５が固定されており、図４で説明したように、ベース板１５上にスライドテーブル１６及びカーボン製のガイドローラー１７が取り付けられている。
さらに、架台２０にはロッド位置認識装置２４が取り付けられており、ガラスロッドの水平位置を測定することができる。ロッド位置認識装置２４としては、カメラと画像処理装置の組み合わせや、レーザー外径測定器、レーザー測距計といった、対象物の水平方向位置を測定できる装置をX方向・Y方向にそれぞれ１組、計２組を組み合わせたものが用いられる。なお、図６では簡単のため、Y方向用のロッド位置認識装置２４のみが図示されている。

ガイドローラー１７をガラスロッド１０の軸芯に向けて移動させるのに先立ち、図６（ａ）の状態で、ロッド位置認識装置２４から得たガラスロッド１０の位置情報を元に、電動ＸＹテーブル２３の位置を調整して、調芯ガイド装置１４のガイド中心をガラスロッド１０の軸芯に一致させて図６（ｂ）の状態に至る。この状態で、電動ＸＹテーブル２３は駆動を停止して固定され、スライドテーブル１６を同期動作させて各ガイドローラー１７を図６（ｃ）のようにガラスロッド１０に当接させる。

［実施例１］
図３、図４及び図５に示した装置を用い、直胴部長さ約2000mm, 外径約180mmのガラス母材を、長さ約2530mm, 外径160mmのガラスロッドに延伸した。延伸後半において、引取機構に下向きに荷重が掛かりはじめたところでスライドテーブルを同期動作させてガラスロッドの軸芯に調芯ガイド装置のガイド中心を合わせ、この位置で調芯機構を固定した。
延伸したガラスロッド20本の曲がり量（BOW値）を測定したところ、平均0.55mm/m、最大値で1.02mm/mであった。
なお、BOW値は図７に示すように、ガラスロッド両端からそれぞれ50mmの位置をローラーで支持して回転させた時の振れ回りの最大値G[mm]をローラー間隔Ｌ[mm]で除した値として定義される。

［実施例２］
図３、図４及び図６に示した装置を用い、直胴部長さ約2000mm, 外径約180mmのガラス母材を、長さ約2530mm, 外径160mmのガラスロッドに延伸した。延伸後半において、引取機構に下向きに荷重がかかりはじめたところでスライドテーブルを同期動作させてガラスロッドの軸芯に調芯ガイド装置のガイド中心を合わせ、この位置で調芯機構を固定した。
このようにして延伸したガラスロッド20本の曲がり量（BOW値）を測定したところ、平均0.59mm/m、最大値で0.98mm/mであった。

［比較例１］
図３、図４及び図５に示した装置を用い、直胴部長さ約2000mm, 外径約180mmのガラス母材を、長さ約2530mm, 外径160mmのガラスロッドに延伸した。延伸後半において、引取機構に下向きに荷重がかかりはじめても調芯ガイド装置は作動させずに、その状態で最後まで延伸を行った。
このようにして延伸したガラスロッド20本の曲がり量（BOW値）を測定したところ、平均1.58mm/m、最大値で3.26mm/mとなり、実施例１，２より大きな曲がり量となった。

１．加熱炉、
２．送り機構、
３．引取機構、
４．吊り下げ接続部、
５．ガラス母材、
６．引取ダミー、
７．引取チャック、
８．トップチャンバ、
９．炉出口部ガスシール、
１０．ガラスロッド、
１１．ネックダウン、
１２．波打ち、
１３．延伸終了部、
１４．調芯ガイド装置、
１５．ベース板、
１６．スライドテーブル、
１７．ガイドローラー、
１８．ガイドプーリー、
１９．同期ワイヤ、
２０．架台、
２１．ガス吹出／吸着ブロック、
２２．ガス出入ポート、
２３．電動XYテーブル（水平位置調整機構）、
２４．ロッド位置認識装置。

Claims

棒状のガラス母材を延伸し、より細径のガラスロッドを製造するガラス母材延伸装置であって、加熱炉、ガラス母材送り機構及びガラスロッド引取チャックを備え、該引取チャックと前記加熱炉との間に調芯ガイド装置を備え、該調芯ガイド装置のガイド中心を移動させてガラスロッドの軸芯に合わせる調芯機構及び固定機構を有することを特徴とするガラス母材の延伸装置。
前記調芯ガイド装置が、そのガイド中心をガラスロッドの軸芯に合わせる調芯機構と、調芯位置で固定する固定機構を有する請求項１に記載のガラス母材の延伸装置。
前記調芯機構が、ガラスロッドに当接・離間自在の複数のガイドローラーを有し、各ガイドローラーが同期して作動し、ガラスロッドの軸芯に向けて該調芯機構のガイド中心を移動させるように構成されている請求項１又は２に記載のガラス母材の延伸装置。
前記延伸装置が、前記引取チャックに掛かる鉛直方向の荷重を測定する荷重計を有する請求項１乃至３のいずれかに記載のガラス母材の延伸装置。
前記調芯ガイド装置が、前記調芯機構を浮上させる浮上機構及び真空吸着方式により固定する固定機構を有する請求項１又は２に記載のガラス母材の延伸装置。
前記調芯ガイド装置が、ガラスロッドの水平位置調整機構及びロッド位置認識装置を有する請求項１，２もしくは５のいずれかに記載のガラス母材の延伸装置。
前記水平位置調整機構が、電動ＸＹテーブルである請求項６に記載のガラス母材の延伸装置。
前記ロッド位置認識装置が、カメラと画像処理装置の組み合わせ、あるいはレーザー外径測定器、もしくはレーザー測距計である請求項６に記載のガラス母材の延伸装置。