JP4244591B2

JP4244591B2 - ガラス管の製造方法

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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

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。
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。
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。
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。