JP7234182B2 - ガラス母材の絞り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用のガラス母材を加熱しつつ端部を引っ張り、該端部に絞り形状を形成するガラス母材の絞り加工方法に関する。

光ファイバ用のガラス母材は、線引き工程がスムーズに行われるように母材の端部は、図１に示すような絞り形状に整えられる。このように母材の端部を処理する工程は「絞り」工程と呼ばれる。
ガラス母材は、線引き工程において、絞り形状部を加熱して引き落とすことにより線引きが開始されるため、絞り形状部の先端外径が細く、絞り形状部のテーパー長が短い方が、線引きに要する時間的ロスやガラス母材のロスが少なく、好ましい。例えば、図１のような形状においては、目標となる先端外径が得られる位置Aと、テーパー部が始まる位置Bの間の距離Cを、テーパー長とすることが多い。先端径としては、テーパー部先端の外径Dを用いることが一般的である。テーパー部が始まる位置Ｂは、一般に、ガラス母材の直胴部外径の９８％の外径を有する位置とされるが、これらはガラス母材の形状や線引き方法などで適宜変わることが多い。当該絞り加工方法の一例が特許文献１に開示されている。

特許６３０２８３３号

絞り加工装置の一例を図２に示す。ガラス母材１は、接続部材２および吊り下げシャフト３を介して、昇降装置４に吊り下げられる。加熱炉５は、ヒーター６、断熱材７、及びチャンバー８から構成されている。ガラス母材１を溶融させるためには、２０００℃前後の高温加熱が可能なヒーターが必要とされるため、ヒーター６には一般的にカーボンヒーターが用いられる。カーボンは大気中５００℃以上で酸化して損耗するため、加熱炉５内は、窒素などの不活性ガス雰囲気とする必要があり、炉内に大気の侵入を防ぐ為に、加熱炉５には、上部ガスシール９および下部ガスシール１０が設けられる。ガラス母材１の下部には引取りシャフト１１が接続され、引取シャフト１１は引取ローラー１２によって把持される。
このような構成の下、引取ローラー１２を回転させ、加熱されたガラス母材１の下部を引き下げることで、加熱部が細径化され、絞り加工を行うことができる。図示しないが、ヒーター６の温度は放射温度計などで測定される。

ガラス母材の絞り加工方法を、図３を用いて説明する。
絞り加工装置には、図２に示すような絞り加工装置が用いられるが、図３では、絞り加工装置の、絞り加工がなされるガラス母材１の下部とヒーター６以外は図示が省略されている。
ガラス母材１は、母材として有効な有効部１３と、有効部１３に隣接する非有効部１５とを備えている。非有効部１５の端部は引取シャフト１１に接続され、引取ローラー１２を回転させることで引き下げられる。ガラス母材１は、有効部１３と非有効部１５との境界部１４がヒーター６の高さ方向の略中間に来るように絞り加工装置にセットされる（図３(a)参照）。

ヒーター６により加熱を開始し、加熱温度が２０００℃以上に昇温すると、ガラス母材１は昇温し、軟化する。このガラス母材１の昇温によって、図３(b)の破線１６、１７間の領域が変形可能となる。
このように加熱した後、引取ローラー１２を回転させてガラス母材１の下端（非有効部１５の端部）の引き下げが行われる（図３(c)参照）。その結果、境界部１４は縮径しつつヒーター６の下部へ移動し、縮径した境界部１４を絞り端とする絞り形状の絞り部が、境界部１４の有効部１３側に形成される（図３(d)参照）。一方、境界部１４から非有効部１５側は加熱溶断して除去される。

この例では、引取ローラーで母材の下端を引き下げているが、母材の下端をチャックで把持して、チャック自体を引き下げる方法もある。また、この例では、ガラス母材の下部を加熱しつつ下端を引き下げることにより絞り部を形成しているが、ガラス母材は、実際には有効部を挟んで両端に非有効部を備えるため、ガラス母材の上部を加熱しつつ上端を引き上げて、母材の上端側に絞り部を形成してもよい。

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、先端外径を十分に細くするためには、ローラーやチャックでの非常に長い引っ張り量が必要になり、装置サイズや部品確保、コストなどの点から現実的ではない。十分な引っ張り量が確保できたとしても、テーパー部長さも長くなってしまうため、長さの短いテーパー部を求める絞り形状に対する要求を満たすことは困難である。
このため、顧客要望にかなう絞り部を形成するために、絞り加工装置での絞り加工後、更にガラス旋盤で追加の先端絞りを行うなどの追加工が行われている。この追加工のため、作業人員や装置、ガスなどの費用がかさむ上、近年出荷量が増加傾向にある外径１５０ｍｍ以上の大型プリフォームをガラス旋盤で追加工する場合は、プリフォームの落下による装置破損や人員の怪我などの危険を伴うため、コスト上昇の一因となっていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、先端径が細く長さの短いテーパー部を、簡便かつ安価な方法で形成することのできるガラス母材の絞り加工方法を提供することを、目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のガラス母材の絞り加工方法は、ガラス母材をヒーターで加熱しつつ該ガラス母材を引っ張ることにより、加熱部に絞り形状を形成するガラス母材の絞り加工方法であって、前記ガラス母材を前記ヒーターで第一加熱温度にて加熱しながら前記ガラス母材を引っ張る第一絞り工程と、引っ張りを停止して前記ヒーターの温度を所定の冷却温度まで下げる冷却工程と、再度前記ヒーターを第二加熱温度で加熱して前記ガラス母材を引っ張る第二絞り工程とを有することを特徴としている。
また本発明において、前記ガラス母材を引っ張る第一絞り工程において、前記ガラス母材を引っ張る距離は、前記ガラス母材の絞り加工目標位置の外径の０．５倍以上２．５倍以下とするのが好ましい。
また本発明は、前記第一加熱温度を２０００℃以上とし、前記冷却温度を１８００℃以下とし、前記第二加熱温度を１９００℃以上とするのが好ましい。
さらに本発明は、前記第二絞り工程の後に続けて、追加で一ないしは複数の、追加冷却工程と追加絞り工程とを設けても良い。

本発明においては、ガラス母材をヒーターで第一加熱温度にて加熱しながらガラス母材を引っ張る第一絞り工程と、引っ張りを停止してヒーターの温度を所定の冷却温度まで下げる冷却工程と、再度ヒーターを第二加熱温度で加熱してガラス母材を引っ張る第二絞り工程とを行うことにより、先端径が細く長さの短いテーパー部を、簡便かつ安価な方法で形成することができる。

絞り形状の一例を説明する図である。 絞り加工装置の構成例を示す概略断面図である。 従来の絞り加工方法を、順を追って説明する概略図である。 本発明の絞り加工方法を、順を追って説明する概略図である。

鋭意検討の結果、従来の絞り加工装置による絞り加工方法では、周囲が断熱されたヒーターによって加熱されていることから、ガラス母材は絞り加工の目的部だけではなく、その近傍まで加熱され昇温している。そのためガラス母材は、絞り加工の目的部だけでなく、その周囲も低粘度化していることから、ガラス母材の変形可能範囲が広くなり、絞り加工によって長く先端径の太いテーパーが形成されていることが判明した。
絞り加工目的部のみを昇温するようにするためには、加熱範囲が広くならないようにヒーター部周辺の断熱材を減らすなどの方法が考えられるが、その場合は、熱効率が悪化してコストが上昇する上に、周辺装置への熱ダメージが大きくなる等の悪影響が生じる。

そこで本発明では、図４に示すように、ガラス母材を、ヒーターで加熱しながら引っ張って絞り加工する際に、ガラス母材１は、有効部１３と非有効部１５との境界部１４がヒーター６の高さ方向の略中間に来るように絞り加工装置にセットされる（図４(a)参照）。
その後、ヒーター６により加熱を開始し、加熱温度が２０００℃以上に昇温すると、ガラス母材１は昇温し、破線１６、１７間の領域が軟化し変形可能となる（図４(b)参照）。なお、破線１６の位置が絞り加工を開始する絞り加工目標位置となる。
その後、２０００℃以上の高い温度でヒーター加熱を行いながら絞る第一絞り工程（図４(c)参照）を行い、次いで、絞りを一旦止めてヒーターの温度を１８００℃以下に下げる冷却工程（図４(d)参照）を行い、再度高い加熱温度でヒーターを加熱して絞る第二絞り工程（図４(e),４(f)参照）を行う。
第一絞り工程で、一旦短い絞り加工を行った後、ヒーター温度を下げてガラス母材を冷却し、再度加熱することで、第二絞り工程においては、先に形成された絞り加工部のみが集中的に加熱されることにより、図４(g)に示すように、短く先端の細いテーパー部を形成することができる。

以下に本発明のガラス母材の絞り加工方法を更に詳細に説明する。
下記の実施形態は一例であって、特許請求の範囲に係る発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、様々な態様が可能である。さらに、下記の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。

図２は、本実施形態のガラス母材の絞り加工に使用した絞り加工装置の一例である。
ガラス母材１は接続部材２および吊り下げシャフト３を介して、昇降装置４に吊り下げられる。ガラス母材１の下部には引取りシャフト１１が接続され、引取シャフト１１は引取ローラー１２によって把持される。このような構成の下、引取ローラー１２を回転させ、ヒーター６で加熱されたガラスロッド１の下部を引き下げることで、絞り加工を行うことができる。

図４においては、図２に示す絞り加工装置の全体構成から、ガラス母材１の下部及びヒーター６の部分を抜粋し、他は図示を省略して示されている。ガラス母材１は、有効部１３と有効部１３に隣接する非有効部１５とを備え、有効部１３と非有効部１５の境界部１４がヒーター６の高さ方向の略中間に来るように絞り加工装置にセットされる。

ガラス母材１を所定の位置にセットした後、第一絞り工程として、ヒーター６による加熱を開始して加熱温度を２１５０℃まで昇温する。ガラス母材１が軟化したら、引取ローラー１２を回転させてガラス母材１の下端を引き下げる。この場合、第一絞り工程におけるガラス母材１の下端引き下げ量は、ガラス母材１の絞り加工目標位置の外径の０．５倍以上２．５倍以下とすることが好ましい。これは、引き下げ量が小さすぎると、第一絞り工程で必要な縮径を果たすことができないが、引き下げ量が大きすぎても縮径が過剰になり、テーパー長が長くなりすぎてしまうためである。

第一絞り工程の後、冷却工程として、ヒーター６の加熱と引取ローラー１２の回転を停止し、ヒーター６による加熱温度を１８００℃以下まで降温させる。これにより、第一絞り工程で形成した縮径部が固化し、変形しにくくなる。
冷却工程の後、第二絞り工程として、ヒーター６による加熱を再度開始して加熱温度を２０００℃まで昇温し、先の第一絞り工程で形成した縮径部が軟化したら、引取ローラー１２を再度回転させてガラス母材１の下端を引き下げる。この場合、第二絞り工程におけるガラス母材１の下端引き下げ量は、引取りシャフト１１とガラス母材１の下端の境目が引取ローラー１２に迫り、引き取れなくなる限界付近まで引き下げてしまってよい。１０００ｍｍ前後が目安となる。

このように、ガラス母材を加熱して一旦短い縮径部を形成し、冷却してから、再度加熱温度を上げ、再び絞り加工を行うことで、縮径部が集中的に加熱され、局所的に軟化するため、短い縮径部の中央部のみに集中して絞り加工を行うことができ、テーパー長を短く、先端径を細くすることが可能になる。
このような絞り加工は、ガラス母材の延伸加工後に続けて行ってもよい。また、ガラス母材の下端ではなく、上端や中央部などで行っても同様の効果を発揮することができる。また、第一絞り工程と第二絞り工程では、ガラス母材の位置を変更してもよい。
また、本発明における第二絞り工程の引き下げを途中で停止し、冷却、再加熱することで、第三、第四などの追加絞り工程を行っても同様の効果を発揮することができ、テーパー長をより短くすることができる。

図２に示す絞り加工装置を用いて、外径１５０ｍｍのガラス母材１の絞り加工を行った。ガラス母材１の絞り加工目標位置での外径は１５０ｍｍであった。ヒーター６は内径２５０ｍｍ、高さ２１０ｍｍのカーボンヒーターを用いた。ガラス母材１を、有効部１３と非有効部１５の境界部１４がヒーターの高さ方向の略中間に来るように絞り加工装置にセットした。

［比較例１］
先ず、比較例１として、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

［実施例１］
実施例１においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を５０ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃に到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

［実施例２］
実施例２においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を４００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

［実施例３］
実施例３においては、ヒーター６で１９５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。１９５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を２００ｍｍ引き下げて絞り加工を行おうとしたが、ガラス母材１が軟化しておらず、引き下げることができなかった。

［実施例４］
実施例４においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を２００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１７５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃に到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

［実施例５］
実施例５においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を２００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で１８８０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。１８８０℃に到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り加工を行おうとしたが、ガラス母材１が軟化しておらず、引き下げることができなかった。

［実施例６］
実施例６においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を２００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃に到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

［実施例７］
実施例７においては、ヒーター６で２１５０℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２１５０℃に到達後、温度を保持してガラス母材１の下端を２００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。再度、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃に到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を２００ｍｍ引き下げた。その後、ヒーター６の温度保持を停止し、１６５０℃まで降温させた。更に、ヒーター６で２０００℃まで昇温速度６０℃／分で加熱した。２０００℃到達後、温度を保持してガラスロッド１の下端を１０００ｍｍ引き下げて絞り部を形成した。

上記比較例１及び実施例１乃至実施例７の条件で、それぞれガラス母材１の絞り加工を行い、テーパー長を測定した。テーパー長は、元のガラス母材の外径１５０ｍｍの外径９７％の位置から、先端径２０ｍｍの位置までの長さとした。また、引き下げを完了することができなかった実施例３，５については、工程完了不可とした。それらの結果を表１にまとめて示した。

比較例１は、従来の絞り加工方法によるものであり、テーパー長は５５２ｍｍと長く、旋盤などでの追加工が必要であった。
実施例１と実施例２のテーパー長は、順に４４５ｍｍ、４１３ｍｍと比較例１よりは短くなったが、やや長いものであった。いずれも第一絞り工程を行った後、冷却工程を経て、第二絞り工程を行っているが、第一絞り工程における絞り距離が実施例１の５０ｍｍでは短すぎ、実施例２の４００ｍｍでは長すぎるため、本発明の効果が十分に発揮されなかった。よって、第一絞り工程における絞り距離は、ガラス母材の絞り加工目標位置の外径の０．５倍以上２．５倍以下とするのが好ましく、これによりテーパー長を短くすることができる。

実施例３は、第一絞り工程における加熱温度が１９５０℃と他の実施例の２１５０℃よりも低いために、実施例５は、第二絞り工程における加熱温度が１８８０℃と他の実施例の２０００℃よりも低いために、ガラス母材が十分に軟化されず、絞り工程を完了させることができなかった。よって、第一絞り工程における加熱温度は２０００℃以上とし、第二絞り工程における加熱温度は１９００℃以上とするのが好ましく、これにより本発明の効果が適切に発揮され、テーパー長を短くすることができる。

実施例４は、冷却工程での温度が１７５０℃と他の実施例の１６５０℃よりも高く、十分にガラス母材を固化させることができなかったため、第二絞り工程で広範囲が軟化され、テーパー長は比較例１の５５２ｍｍよりは短くなったが、３９２ｍｍとやや長くなった。よって、冷却工程における冷却温度が１７００℃以下のときに、本発明は適切に効果を発揮し、テーパー長を短くできることが判明した。

実施例６は、第一絞り工程、冷却工程、第二絞り工程におけるヒーター温度がそれぞれ順に２１５０℃、１６５０℃、２０００℃であり、第一絞り工程における絞り距離が２００ｍｍといずれも適切であったため、テーパー長は２８５ｍｍと十分に短くすることができた。
実施例７は、第一絞り工程、冷却工程、第二絞り工程の後に、更に追加の冷却工程と追加の絞り工程（第三絞り工程）を行ったものであり、実施例６の２８５ｍｍよりも短い２８０ｍｍと更にテーパー長を短くすることができた。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変形、改良など自在に行うことができる。

Ａ：目標となる先端外径、
Ｂ：テーパー部が始まる位置、
Ｃ：テーパー長、
Ｄ：テーパー部先端の外径、
１：ガラス母材、
２：接続部材、
３：シャフト、
４：昇降装置、
５：加熱炉、
６：ヒーター、
７：断熱材、
８：チャンバー、
９：上部ガスシール、
１０：下部ガスシール、
１１：引取シャフト、
１２：引取ローラー、
１３：有効部、
１４：境界部、
１５：非有効部、
１６，１７：破線。

Claims (4)

1. ガラス母材をヒーターで加熱しつつ該ガラス母材を引っ張ることにより、加熱部に絞り形状を形成するガラス母材の絞り加工方法であって、前記ガラス母材を前記ヒーターで第一加熱温度にて加熱しながら前記ガラス母材を引っ張る第一絞り工程と、引っ張りを停止して前記ヒーターの温度を所定の冷却温度まで下げる冷却工程と、再度前記ヒーターを第二加熱温度で加熱して前記ガラス母材を引っ張る第二絞り工程とを有することを特徴とするガラス母材の絞り加工方法。
2. 前記ガラス母材を引っ張る第一絞り工程において、前記ガラス母材を引っ張る距離が、前記ガラス母材の絞り加工目標位置の外径の０．５倍以上２．５倍以下とする請求項１に記載のガラス母材の絞り加工方法。
3. 前記第一加熱温度が２０００℃以上であり、前記冷却温度が１８００℃以下であり、前記第二加熱温度が１９００℃以上である請求項１に記載のガラス母材の絞り加工方法。
4. 前記第二絞り工程の後に続けて、追加で一ないしは複数の、追加冷却工程と追加絞り工程とを有する請求項１に記載のガラス母材の絞り加工方法

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