(57)【要約】【課題】  ガラス物品製造の際の加熱制御を正確に行うこと。【解決手段】  ガラス物品に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス物品を加熱する工程を含むガラス物品の製造方法であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導コイルに通電することにより前記誘導発熱体を発熱させ、前記誘導発熱体に穴を開けて前記穴から前記ガラス物品の温度を測定し、測定された温度に基いて通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整するガラス物品の製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス物品に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス物品を加熱する工程を含むガラス物品の製造方法であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導コイルに通電することにより前記誘導発熱体を発熱させ、前記誘導発熱体に穴を開けて前記穴から前記ガラス物品の温度を測定し、測定された温度に基いて通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整するガラス物品の製造方法。
【請求項２】
誘導発熱体に複数の穴を開けてガラス物品の温度分布を求め、該温度分布に基いて前記誘導発熱体の発熱量を調整することを特徴とする請求項１に記載されたガラス物品の製造方法。
【請求項３】
誘導発熱体の発熱部の中央付近に穴を開ける請求項１又は２に記載されたガラス物品の製造方法。
【請求項４】
加熱する工程がＭＣＶＤ法によるガラス母材の製造方法、ガラス母材の延伸工程又はガラス部材のコラプス工程に適用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたガラス物品の製造方法。
【請求項５】
ガラス管内にガラス原料含有ガスを流しつつ前記ガラス管に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス管を加熱して前記ガラス管内でガラス微粒子を生成させ、前記ガラス微粒子を前記ガラス管の内壁に堆積させるガラス部材の製造方法であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導コイルに通電することにより前記誘導発熱体を発熱させ、前記誘導発熱体に穴を開けて前記穴から前記ガラス物品の温度を測定し、測定された温度に基いて通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整することを特徴とするガラス部材の製造方法。
【請求項６】
ガラス物品に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス物品を加熱する手段を含むガラス物品の製造装置であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導発熱体に設けられた穴から前記ガラス物品の温度を測定する手段を有し、該手段により測定された温度に基いて前記誘導コイルに通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整するようにしたガラス物品の製造装置。
【請求項７】
誘導発熱体に設けられた穴が誘導コイルが巻回されている誘導発熱体の発熱部の中心位置若しくはその近傍にあり、該穴を通して測定された温度に基づいて誘導コイルに通電することを特徴とする請求項６に記載のガラス物品の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス物品の製造方法及びそのための装置、特に加熱源として誘導発熱体（以下、サセプタということがある）と誘導コイルからなる誘導加熱炉を用いるガラス物品の製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英ガラス管と石英ガラスロッドを溶着一体化して光ファイバ用石英ガラス母材を製造する場合等に加熱源として抵抗炉や誘導炉を用いることが知られている（特許文献１）。ここで誘導炉とは発熱体の近傍で高周波電流を流すことにより該発熱体に誘導電流を発生させて発熱させる炉であって円筒形状のものが一般的である。
【０００３】
この種の誘導炉は、例えば、図５に示されるような構成を有し、誘導コイル３１が巻回されており、この誘導コイル３１の内側に断熱材３２を介してカーボン製の導電性発熱物であるサセプタ３３が本体に取り付けられている。サセプタ３３の内側には挿入部３５が設けられており、サセプタ３３を誘導電流により発熱させ挿入部３５を昇温させることにより、ガラス物品３６を作製するものである。
【０００４】
光ファイバ母材などのガラス物品の製造方法には、ガラス管に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス管を加熱する工程を含むものがある。その代表的な例である内付けＣＶＤ法（ＭＣＶＤ法）による光ファイバ用ガラス母材などのガラス物品の製造は、一般に図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、出発材であるガラス管４１を回転させつつ該ガラス管４１内にガス供給側（上流側）から排気側（下流側）に向けてガラスの主原料であるＳｉＣｌ4、ＧｅＣｌ4やＢＣｌ3等の添加物及びＯ2等からなるガラス原料含有ガス（原料ガス）４２を流しながら、ガラス管４１の外側に設けた加熱源（この例では加熱用のバーナ４３）とガラス管４１とを相対的に往復運動（トラバース）させて外側から加熱する方法で行われている。図６の場合は、バーナ４３を移動させている。
【０００５】
バーナ４３の移動に従い主原料ガスであるＳｉＣｌ4が酸化されて生成するガラス微粒子がバーナ４３の下流側のガラス管４１の内壁に堆積しガラス微粒子層４４が形成され、さらにバーナ４３が移動して加熱されると堆積しているガラス微粒子が透明ガラス化してガラス層４５が形成される。バーナ４３はトラバースターン部まで移動した後、上流側の初期の位置に戻される。このトラバースを所定の回数繰り返して所望の厚さ、層数の堆積ガラス層４５を形成させる。
同様に、サセプタと同軸の誘導螺線からなる誘導炉を加熱源として用いてガラス被膜を形成する方法と光ファイバプリフォームを製造する方法も知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−１２８５５８号公報
【特許文献２】米国特許第５，３１８，６１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来技術のうち、ＭＣＶＤ法によるガラス母材の製造方法では、酸水素バーナーを加熱源として原料ガスを反応させ、サーモホレシス効果を利用してガラスパイプ内にガラス微粒子を堆積させ焼結透明化させているが、酸水素バーナーを用いる場合は、反応後水が生成されるためＯＨ基がガラス母材内に浸透して伝送ロスの原因となる。そこで、近年、酸水素を使用しない加熱源として誘導炉を用いる方法が低ロス化技術の一つとして注目されているが、この誘導炉を用いる方法では、バーナを使用する場合よりも加熱領域が広くなり、その加熱領域の温度を精度よくコントロールすることが必要である。
従って、本発明は、誘導コイル中心部にあるサセプタに穴をあけて直接石英ガラスの温度を測定することにより、より正確な加熱制御を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するため一般に下記の構成、態様を採るものである。
（１）ガラス物品に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス物品を加熱する工程を含むガラス物品の製造方法であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導コイルに通電することにより前記誘導発熱体を発熱させ、前記誘導発熱体に穴を開けて前記穴から前記ガラス物品の温度を測定し、測定された温度に基いて通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整するガラス物品の製造方法。
（２）誘導発熱体に複数の穴を開けてガラス物品の温度分布を求め、該温度分布に基いて前記誘導発熱体の発熱量を調整することを特徴とする上記（１）に記載されたガラス物品の製造方法。
【０００８】
（３）誘導発熱体の発熱部の中央付近に穴を開ける上記（１）又は（２）に記載されたガラス物品の製造方法。
（４）加熱する工程がＭＣＶＤ法によるガラス母材の製造方法、ガラス母材の延伸工程又はガラス部材のコラプス工程に適用されることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載されたガラス物品の製造方法。
（５）ガラス管内にガラス原料含有ガスを流しつつ前記ガラス管に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス管を加熱して前記ガラス管内でガラス微粒子を生成させ、前記ガラス微粒子を前記ガラス管の内壁に堆積させるガラス部材の製造方法であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導コイルに通電することにより前記誘導発熱体を発熱させ、前記誘導発熱体に穴を開けて前記穴から前記ガラス物品の温度を測定し、測定された温度に基いて通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整することを特徴とするガラス部材の製造方法。
【０００９】
（６）ガラス物品に対して相対的に移動する加熱源により前記ガラス物品を加熱する手段を含むガラス物品の製造装置であって、前記加熱源が前記ガラス物品を囲む誘導発熱体と誘導コイルとを含み、前記誘導発熱体に設けられた穴から前記ガラス物品の温度を測定する手段を有し、該手段により測定された温度に基いて前記誘導コイルに通電する電流の大きさを調整して前記誘導発熱体の発熱量を調整するようにしたガラス物品の製造装置。
（７）誘導発熱体に設けられた穴が誘導コイルが巻回されている誘導発熱体の発熱部の中心位置若しくはその近傍にあり、該穴を通して測定された温度に基づいて誘導コイルに通電することを特徴とする上記（６）に記載のガラス物品の製造装置。
【発明の効果】
【００１０】
誘導炉中心部にある誘導発熱体（サセプタ）に誘導コイルに向き合う部分である発熱部のその中心付近に穴を開け、また、石英ガラス管表面の温度を放射温度計により直接測定することでその温度分布を正確に求め、それにより精度の良い加熱制御を行うことができる。また、ＯＨ基が石英ガラス管に付着又は浸透することがなくその点でのガラスの品質の悪化もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の方法及び装置について、特にコラプス法によってガラス物品を製造する場合について図面を参照して説明する。
図３は本発明の方法に従い石英ガラス管のようなガラス物品を誘導加熱により加熱処理する際の制御システムを模式的に示す概念図である。すなわち、この場合は、石英ガラス管１を、黒鉛などのサセプタ（誘導発熱体）２及び誘導コイル３からなる誘導炉８中で誘導コイル３に通電してサセプタ２を発熱させることにより予め設定された温度（９００〜２３００℃）に加熱する。ここで本発明の特徴の一つとして重要なことは、サセプタ２に穴４，５を開けて矢印方向にトラバースさせながら石英ガラス管１表面の温度をガラス温度測定用の放射温度計６で測定する点にある。温度を測定する箇所は最高温度部分が好ましい。つまり、発熱部の中心付近に穴を設けることが好ましい。複数の箇所で温度を測定するとさらに好ましい。就中、少なくとも一つは発熱部中心付近に穴を設け、それ以外の箇所にも穴を設ける。穴４は石英ガラス管表面の最高温度部分測定用のもの、穴５は余熱部分測定用のものであり、これらの穴を経て測定された温度に基いて制御系７により通電される電流の大きさを制御することができる。また、石英ガラス管表面の温度勾配を求め、その温度勾配に基づいて電流を制御することができる。穴の大きさ（径）は通常３ｍｍφ〜１０ｍｍφの範囲とし、該加熱制御は設定値の±５℃の範囲で行うのが好ましい。
従来は、石英ガラス管１の温度を、測定されたサセプタ２の温度との経験的な相関関係から推定することで加熱温度制御を行っていたが、本発明では石英ガラス管そのものの表面温度を測定することができるのでより精度良く加熱制御を行うことが可能となる。
【００１２】
次に本発明に係る加熱方法を、図１を参照しながらガラス微粒子を石英ガラス管の内壁に堆積させるガラス部材の製造方法（ＭＣＶＤ法）に適用する場合について説明する。この場合は、慣用のガラス旋盤１２に両端を把持され、回転する出発材である石英ガラス管１内に、例えば、ＳｉＣｌ4、ＧｅＣｌ4、ＰＯＣｌ3若しくはＢＣｌ3、ＳｉＦ4、ＳＦ6及びＯ2等からなる原料ガス２を供給し、加熱源である図３に示されるような誘導炉８を原料ガスの上流側から下流側へ移動させる。該誘導炉８により加熱されている位置（反応点）では、原料ガス中のガラス原料が反応してガラス微粒子が生成し、ガラス管の内壁に堆積したガラス微粒子は更に加熱されてガラス化しガラス層が形成される。該誘導炉８の移動を所定の回数繰り返すことによって任意の厚さ、例えば、０．０１〜２ｍｍの厚さのガラス層が形成される。このときガラス管の方を移動させてもよく、また、操作中温度を低く保って一旦ガラス微粒子のままのガラス微粒子堆積層を形成してから透明化することもできる。
この方法では、ガラス管１の上流側の端部からガラス原料２を含むガスが供給され、下流側の端部から排気される。この場合、ガラス管１の下流側端部で配管１３からバルブ１４を経て加圧用ガス（窒素等）１５を導入することによりガラス管１内の圧力を所定の圧力となるように制御するのが一般的である。
【００１３】
上記のガラス微粒子堆積方法において、一実施形態では図２に示すように、断熱材２５及びサセプタ２３に孔２６、３１を設け、石英ガラス管２１の表面温度を直接測定できるようにしている。誘導炉２２に設けられた覗き窓２８には、例えば赤外線を用いて石英ガラス管２１の放射の波長域を計測することにより温度測定を行う放射温度計２７が設けられており、常時石英ガラス管２１の温度測定を行うことが可能になっている。また、覗き窓２８と断熱材２５の孔２６とを管２９でコイル２４と接触させないようにして接続し、更に、管２９を窒素ガス等の不活性ガス供給管３０、３０に接続してある。
不活性ガス供給管３０から管２９を介してサセプタ２３に向けて不活性ガスを噴出させサセプタ周囲を不活性ガス雰囲気とすることにより、サセプタ２３が酸素と接触しないようにしてある。また、断熱材２５に形成された穴３３に窒化珪素等の高耐熱性のスリーブを嵌め込んでおく。
また、サセプタ２３の外周面には、断熱材２５とサセプタ２３が接触しない非接触部として少なくとも誘導コイル２４の幅を有する凹部３２が設けられており、これによりサセプタ２３と断熱材２５とが接触して断熱材２５が劣化することを防止する。
【００１４】
本発明においては、誘導コイル中心部のサセプタに１以上の箇所に穴を開けてヒートゾーンでの石英ガラス管の表面温度を直接測定し、測定結果を制御系にフィードバックすることでより高い精度（±５℃以下）で加熱制御を行うことが可能となる。
【００１５】
ガラス管にガラスロッドを挿入して中実化する場合も本発明に係る加熱装置を使用することができる。ガラス管の周囲に発熱体を配置してその周囲のコイルに通電して前記発熱体を発熱させガラス管を加熱する。このとき発熱体に開けた穴を通してガラス管の温度を測定し加熱温度を制御する。
同様にガラス棒を加熱して延伸する場合も本発明に係る加熱装置を使用することができる。延伸する場合は、ガラス棒を両端で把持し加熱しながら両把持部を遠ざけて引き延ばす。
以下本発明を実施例により詳細に説明するが限定を意図するものではない。
【実施例１】
【００１６】
図３に示されるように、石英ガラス管１をサセプタ２及び誘導コイル３からなる誘導炉８中で加熱してＭＣＶＤ法を実施する。この誘導炉８はサセプタ２及びサセプタ２を捲回する１組の同軸の誘導コイル３を有する。更に、該誘導炉８は黒鉛サセプタを装着することができ、炉の長さは、３００若しくは４００ｍｍ、サセプタの長さは２５０又は２７０ｍｍ、コイルの巻き幅３０ｍｍとする。温度計６として放射温度計を用い、制御系７と共に該誘導炉８の温度をコントロールする。該温度の測定は、サセプタ２に設けられた２つの穴（穴の大きさは５〜１０ｍｍφ、穴間隔は０〜５５ｍｍ）、すなわち、最高点用の穴４及び余熱用の穴５を通して行い測定された結果は制御系７にフィードバックして誘導コイルに供給される電流の大きさを制御する。
コイルに印加する電力を１５〜５０ＫＷ／ｈｒとして石英ガラス管の表面温度は９００〜２３００℃、内面温度は５００〜１７００℃、その制御精度は±５℃で制御可能である。
その間、石英ガラス管にはガラス原料ガス（例えばＳｉＣｌ4、ＧｅＣｌ4、Ｏ2）を供給し、一方誘導炉を矢印方向に１０〜３００ｍｍ／ｍｉｎの速さで往復運動させてガラス管内壁へのガラス微粒子の堆積と透明化を行い、厚さ０．０１〜２ｍｍのガラス被覆を形成する。
【実施例２】
【００１７】
この実施例は誘導炉による加熱領域と酸水素バーナーによる加熱領域が実質的に同一であることを明らかにするため行う。石英ガラス管の内面の固定点に温度計を固定し、このガラス管を酸水素バーナー又は誘導炉で加熱してそれぞれ温度を測定する。酸水素バーナーまたは誘導炉の移動速度はいずれも５ｍｍ／分とする。酸水素バーナーまたは誘導炉が温度計に近づいてくるにつれて温度は上昇し（図４では左端から右へ温度が上昇）、発熱部の中央付近が温度計を通過したときには約１５３０℃に達する。
添付の図４は上記のとおり、ある固定点の経時的な温度変化を示すものだが、ある瞬間の石英ガラス管全体の温度勾配を表すものと理解することもできる。したがって、上記のように、「酸水素バーナーの温度勾配と誘導炉の温度勾配とはほぼ同様」という結論になる。
この誘導炉は図３に示すように、炉の長さが３００ｍｍ、サセプタの長さが２５０ｍｍ、コイルの巻き幅が３０ｍｍ（この部分が発熱部分）である。
本発明に従い穴を開けられる誘導発熱体の中央付近で温度を測定し、測定された温度により加熱の程度を調整することで、被加熱物であるガラス物品の最高温度を調整することができる。また、炉の長さ方向において発熱体の複数箇所に穴を開けて、それぞれの箇所で温度を測定すると被加熱物の温度勾配が分かる。発熱体の温度や発熱体と被加熱物との相対速度を調整して、被加熱物の温度勾配を所定の勾配とする。これにより安定したガラス物品の製造ができる。
図４に示されるグラフにおいて、縦軸は石英ガラス管内面温度（℃）を示す。発熱部の中心近くではほぼ１５３０℃に達する。細線で示されるグラフが誘導炉による場合を、太線で示されるグラフが酸水素バーナーによる場合をそれぞれ示している。なお、図４で誘導炉上の小さい長方形はヒートゾーンを示す。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
精度良く加熱制御を行うことができる誘導加熱炉を加熱源として用いることにより、加熱源として酸水素を使用しない低ロス化技術の利用可能性を大きく増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る誘導加熱炉によりガラス旋盤により把持された石英ガラス管を加熱するための一実施形態を示す全体模式図。
【図２】本発明に係る石英ガラス管加熱用誘導加熱炉の部分拡大図。
【図３】本発明に係る誘導加熱炉により石英ガラス管を加熱するための一実施形態を示す模式図。
【図４】本発明の実施例において誘導炉を用いる場合と、比較のために酸水素バーナーを用いる場合との加熱制御の効果を示す石英ガラス管内の温度分布を示すグラフ。
【図５】従来法により誘導加熱炉を用いて石英ガラス母材を製造するための装置の模式図。
【図６】従来のＭＣＶＤ法によるガラス部材の製造工程におけるガラス微粒子堆積層の形成状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００２０】
１  石英ガラス管    ２  サセプタ    ３  誘導コイル    ４，５  穴
６  温度計    ７  制御系    ８  誘導炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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