(57)【要約】【課題】延伸ガラス体の外径変動を低減する。【解決手段】加熱炉５にガラス体の母材１Ａを挿入して加熱軟化させ、外径を制御しつつ延伸するガラス体の延伸方法において、前記ガラス体の母材１Ａが加熱炉５内で延伸・縮径されている延伸変形部（ネック部１Ｃ）もしくはその近傍の外径値ＤPVを測定する。そして、外径測定値の二乗値ＤPV2の目標値Ｄ2SPとの差分ｅ（＝Ｄ2SP−ＤPV2）に基づいてガラス体の延伸速度を調整するか、または、外径測定値とガラス外径の目標値との差分値ｅ（＝ＤSP−ＤPV）の２次関数値Ｅ＝−ｅ2/２ＤSP＋ｅに基づいてガラス体の延伸速度を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス母材を加熱軟化させ、延伸してガラス体を得るガラス体の延伸方法であって、
前記ガラス母材が加熱炉内で延伸縮径されている延伸変形部の外径測定値を測定し、前記外径測定値の二乗値を算出し、前記外径測定値の二乗値に基づいて延伸速度を調整することを特徴とするガラス体の延伸方法。
【請求項２】
ガラス外径の二乗値の目標値と前記外径測定値の二乗値との差分に基づいて延伸速度を調整することを特徴とする請求項１記載のガラス体の延伸方法。
【請求項３】
前記外径測定値とガラス外径の目標値との差分値を求め、前記差分値を変数とする２次関数の値に基づいて延伸速度を調整することを特徴とする請求項１記載のガラス体の延伸方法。
【請求項４】
前記２次関数を−ｅ2/２ＤSP＋ｅ（ここで、ｅ：差分値，ＤSP：ガラス外径の目標値）として、延伸速度を調整することを特徴とする請求項３記載のガラス体の延伸方法。
【請求項５】
ガラス母材を加熱軟化させる加熱炉と、
前記加熱炉にて加熱軟化されたガラス母材を延伸する延伸駆動装置と、
前記ガラス母材が加熱炉内で延伸縮径されている延伸変形部の外径値を測定する外径測定手段と、
前記外径測定値の二乗値に基づいて延伸速度を調整する制御装置とを備えたことを特徴とするガラス体の延伸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス体の延伸方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス体の延伸方法として、ガラス体を加熱軟化させ、ガラス体の両端間の間隔を広げながら、ガラス体の両端を各々加熱炉に対して相対的に移動させることにより、ガラス体を延伸する方法が知られている。
【０００３】
従来、その一つの方法として、ガラス体を加熱軟化させて延伸する際に、ガラス粘性変形部途中の外径を測定し、その外径測定値により延伸速度（引き延ばし速度）を調整して、所定外径のガラス体を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の方法として、ガラスインゴットを加熱溶融して延伸する際に、ガラスインゴットが加熱炉で延伸縮径されている箇所と、概ね延伸が終了した箇所のそれぞれに第１、第２の外径測定器を設置し、第２の外径測定器の測定値に基づき第１の外径測定器の設定値（目標値）を変更しつつ、その第１の外径測定器の設定値に第１の外径測定器の測定値が合うように、延伸速度を調整する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５６−４５８４３号公報
【特許文献２】特許第３１８８４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来のガラス体の延伸方法はいずれも、外径測定値をそのまま制御変数とし、それに基づいて延伸速度を調整し外径制御を行うので、延伸ガラス体の外径変動幅が十分には低減されず、また、延伸ガラス体の平均外径（中心値）と目標外径の間に若干のズレが残存することが散見された。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮し、延伸ガラス体の外径変動を低減すること、及び、延伸ガラス体の平均外径と目標外径の間のズレを減少して中心値に対する対称性を確保することができ、高精度の外径制御が可能なガラス体の延伸方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の構成により達成される。
（１）  ガラス母材を加熱軟化させ、延伸してガラス体を得るガラス体の延伸方法であって、
前記ガラス母材が加熱炉内で延伸縮径されている延伸変形部の外径測定値を測定し、前記外径測定値の二乗値を算出し、前記外径測定値の二乗値に基づいて延伸速度を調整することを特徴とするガラス体の延伸方法。
（２）  ガラス外径の二乗値の目標値と前記外径測定値の二乗値との差分に基づいて延伸速度を調整することを特徴とする請求項１記載のガラス体の延伸方法。
（３）  前記外径測定値とガラス外径の目標値との差分値を求め、前記差分値を変数とする２次関数の値に基づいて延伸速度を調整することを特徴とする請求項１記載のガラス体の延伸方法。
（４）  前記２次関数を−ｅ2/２ＤSP＋ｅ（ここで、ｅ：差分値，ＤSP：ガラス外径の目標値）として、延伸速度を調整することを特徴とする請求項３記載のガラス体の延伸方法。
（５）  ガラス母材を加熱軟化させる加熱炉と、
前記加熱炉にて加熱軟化されたガラス母材を延伸する延伸駆動装置と、
前記ガラス母材が加熱炉内で延伸縮径されている延伸変形部の外径値を測定する外径測定手段と、
前記外径測定値の二乗値に基づいて延伸速度を調整する制御装置とを備えたことを特徴とするガラス体の延伸装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のガラス体の延伸方法及び装置は、ガラス母材が延伸・縮径される延伸変形部の少なくとも１点の外径測定値を測定し、この外径測定値の二乗値に基づいて延伸速度を調整するように構成されている。具体的には、本発明のガラス体の延伸方法及び装置は、外径測定値の二乗値を算出し、二乗値の目標値との差分に基づいて延伸速度を調整するように構成されている。即ち、本発明では、ガラス体の延伸における外径制御のための制御基準値として、従来のように外径偏差（外径目標値と実測値の差分）ではなく、外径実測値の二乗値と目標値の差分を採用することにより、延伸制御の基準となる差分量（制御変数）と、延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保するとともに、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができるようになる。したがって、本発明のガラス体の延伸方法及び装置によれば、ガラス体延伸時の外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できる。
【００１０】
また、本発明によれば、延伸変形部もしくはその近傍の少なくとも１点の外径値を測定し、その外径測定値とガラス外径の目標値との差分値を求め、その差分値の２次関数の値に基づいてガラス体の延伸速度を調整するように構成してもよい。具体的な２次関数としては、例えばＥ＝−ｅ2/２ＤSP＋ｅ（ここで、ｅ：差分値，ＤSP：ガラス外径の目標値）を用いることができる。
【００１１】
このような構成の場合であっても、延伸制御の基準となる差分量（制御変数）と、延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保するとともに、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができるようになる。したがって、本発明のガラス体の延伸方法及び装置によれば、ガラス体延伸時の外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できる。特に、本発明によれば、最初に実測値と目標値の差分を計算し、それを演算することで最終的な制御変数を求めるように構成されているので、演算器内での演算桁数の低減を図ることができ、演算器に対する負担を減らせる。これは、大径のガラス母材の延伸を行う場合に特に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明する。
具体的な実施形態の説明に入る前に、本発明者らが得た知見について先に述べる。
【００１３】
本願発明者は、延伸ガラス体の外径変動幅が十分には低減されず、また延伸ガラス体の平均外径（中心値）と目標外径の間に若干のズレが残存する理由を詳細に調べたところ、ガラス体の外径目標値と外径測定値との偏差の方向、つまり、外径が目標値より大きいか小さいかによって、同じ偏差量であっても、延伸速度調整によるガラス外径変化量に若干の差が出ることが確認された。即ち、偏差量に対する、延伸速度調整によるガラス外径変化量の非直線性により、上記の問題が生じていることが判明した。
【００１４】
また、本発明者らはさらに鋭意研究を行った結果、ガラス母材を加熱軟化させ、延伸してガラス体を得るガラス体の延伸制御（方法）において、ガラス母材が加熱炉内で延伸縮径されている延伸変形部の外径測定値ＤPVを測定し、外径測定値の二乗値ＤPV2を算出し、外径測定値の二乗値ＤPV2に基づいて延伸速度を調整することによって、常にガラス形状に応じて好適な操作変数調整（延伸速度調整）がなされることを確認した。
【００１５】
また、本実施形態では、外径測定値の二乗値ＤPV2と二乗値の目標値Ｄ2SPとの差分ｅ（＝Ｄ2SP−ＤPV2）を偏差として制御を行うことにより、制御偏差に対する延伸速度調整によるガラス外径変化量の直線性、及び目標値に対する直線性を確保することができ、ガラス体延伸外径値の安定化に要する制定時間の短縮を図れることが確認できた。更に、これに伴い、延伸ガラス体の外径変動幅の低減を実現できると共に、延伸ガラス体の外径の目標中心値に対するズレ量の解消に有効な効果を得られることが確認できた。
【００１６】
また、外径測定値ＤPVとガラス外径の目標値ＤSPとの差分値ｅ（＝ＤSP−ＤPV）を求め、その差分値の２次関数値Ｅ＝ａｅ2＋ｂｅ＋ｃ（ただしａ、ｂ、ｃは定数）を、制御変数として採用することによっても、同様の効果が得られることを確認した。その場合、特に、前記２次関数値Ｅを、Ｅ＝−ｅ2/２ＤPV＋ｅとすることで、良好な結果を収めることができることも確認できた。
【００１７】
次に具体的な本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る縦型のガラス体の延伸装置１０の実施形態を示す構成図である。
図１において、１Ａは延伸しようとするガラス母材、１Ｂはガラス母材１Ａを基に延伸されたガラス体、そして１Ｃはガラス母材１Ａが加熱軟化されて延伸・縮径される途中の変形部分であるネック部（延伸変形部）である。
【００１８】
ガラス体の延伸装置１０は、縦型の延伸装置であって、主として、ガラス母材１Ａの上端を把持する上部チャック１２と、延伸されたガラス体１Ｂの下端を把持する下部チャック１３と、それぞれ上部チャック１２及び下部チャック１３をガラス母材１Ａの長手方向に摺動可能に保持する延伸駆動装置１４，１５と、ガラス母材１Ａを加熱軟化させる加熱炉１６と、延伸駆動装置１４，１５、加熱炉１６等を制御する制御装置１７とを有している。
【００１９】
延伸駆動装置１４，１５は、ボールネジ１４ｂ，１５ｂと、ボールネジ１４ｂ，１５ｂを回転駆動するモータ１４ａ，１５ａをそれぞれ有している。各ボールネジ１４ｂ，１５ｂは、それぞれ上部チャック１２及び下部チャック１３にそれぞれ形成されたボールナット部１２ａ，１３ａと螺合している。ガラス母材１Ａの延伸時、モータ１４ａ，１５ａが駆動されてボールネジ１４ｂ，１５ｂが回転すると、上部チャック１２及び下部チャック１３は、ガラス母材１Ａの長手方向に平行な方向に移動する。ここで、上部チャック１２の移動速度は、ガラス母材１Ａの加熱炉１６への挿入速度Ｖｆに相当し、下部チャック１３の移動速度は、ガラス体１Ｂの加熱炉１６からの引取速度Ｖｆｃに相当する。延伸時には、Ｖｆ＞Ｖｆｃの関係が満たされており、下部チャック１３は、上部チャック１２から時間の経過とともに離れていく。
【００２０】
加熱炉１６は、略円環形状の加熱部材１６ａを有している。ガラス母材１Ａは、上方からこの加熱部材１６ａの環状孔内に挿入され、この加熱部材１６ａにより加熱軟化させられる。この状態で、延伸駆動装置１４，１５を介して上部チャック１２及び下部チャック１３が加熱炉１６に対して相対的に移動させられることによりガラス母材１Ａは延伸され、ガラス母材１Ａから所定の外径を有するガラス体１Ｂが生成される。このガラス母材１Ａが変形してガラス体１Ｂが生成される過程においては、加熱炉１６内の加熱部材１６ａによる加熱及び上部チャック１２及び下部チャック１３の相対移動によってガラス母材１Ａの外径が細くなった領域、ネック部（延伸変形部）１Ｃが形成される。このネック部１Ｃの外径は、ネック部１Ｃの長手位置に応じて変化している。
【００２１】
加熱炉１６内に形成されたネック１Ｃの周囲には、外径測定器２１が近接配置されている。外径測定器２１は、例えばレーザを用いた外径測定器であり、それぞれネック部１Ｃの外径を測定する。この外径測定器２１，２２によって測定された外径測定値ＤPVは、制御装置１７に出力される。
【００２２】
制御装置１７は、延伸装置１０の全体の動作を制御する制御器であり、外径測定器２１によって測定された外径測定値ＤPVに応じて、モータ１４ａ若しくはモータ１５ａ、またはその双方の駆動を制御することにより、上部チャック１２若しくは下部チャック１３、またはその双方の移動速度をフィードバック制御して、ガラス母材１Ａから延伸されたガラス体１Ｂの外径を一定に保つように動作する。
【００２３】
本実施形態では、制御装置１７は、入力された外径測定値ＤPVの二乗値ＤPV2と二乗値の目標値Ｄ2SPとの差分ｅ（＝Ｄ2SP−ＤPV2）を求め、この差分ｅに基づいて延伸速度を調整し、外径制御を行う。ここで、外径制御においては、例えばＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）、Ｐ制御（比例制御）等が実施されることが好ましい。
【００２４】
なお、上記説明では、制御装置１７は入力された外径測定値ＤPVの二乗値ＤPV2と二乗値の目標値Ｄ2SPとの差分ｅ（＝Ｄ2SP−ＤPV2）を求め、この差分ｅに基づいて延伸速度を調整し、外径制御を行うとしたが、これに限られることはなく、たとえば、外径測定値ＤPVを予め特定の形に演算した上で、延伸速度制御を行うように構成してもよい。
【００２５】
外径測定値ＤPVを予め特定の形に演算した上で、延伸速度制御を行う場合について、図２を用いて説明する。
外径測定器２１の中には、付属する測定回路１８に外径目標値ＤSPを予め与えておくと、実測した測定値ＤPVと外径目標値ＤSPとの偏差ｅ（＝ＤSP−ＤPV）を自動的に出力するものがある。このような場合は、制御装置１７には、外径測定値と目標値の偏差ｅ（＝ＤSP−ＤPV）が入力され、制御装置１７は、この偏差を用いて制御のための計算を行うことになる。図２の制御系では、制御装置１７には、ＰＩＤ制御を行って挿入速度Ｖｆを出力するＰＩＤ演算部２２が設けられており、ここで演算した結果に基づいて延伸駆動装置１４，１５が制御される。ここでは、例えば、測定回路１８から出力された外径目標値ＤSPと実測した測定値ＤPVとの偏差ｅは、Ｅ＝−ｅ2/２ＤPV＋ｅに代入され、得られた値Ｅを制御に用いる偏差Ｅとして延伸速度の制御を行ってもよい。
【００２６】
制御装置１７は、上記いずれの場合も、外径測定値または外径測定値と外径目標値との偏差から制御変数を求めて、ガラス体の延伸速度を調整して、ガラス体の外径制御を行う。
【００２７】
このように、制御装置１７は、入力された外径測定値ＤPVの二乗値ＤPV2と二乗値の目標値Ｄ2SPとの差分ｅまたは差分ｅを変数として有する二次関数を用いて外径制御を行うため、高精度の外径制御が可能となる。即ち、ガラス体１Ｂの延伸における外径制御のための制御基準値として、従来のように外径偏差（＝外径目標値−実測値）ではなく、上述のように外径測定値ＤPVの二乗値ＤPV2と目標値Ｄ2SPとの差分ｅまたは差分ｅを変数として有する二次関数を用いて外径制御を行うことにより、延伸制御の基準となる偏差量と延伸速度調整によるガラス外径変化量との間の直線性を確保することができる。また、中心値（目標値）に対する対称性を確保することができ、これにより、外径変動幅の低減が図れ、同時に、目標値に対するズレ量も大幅に低減できるようになる。
【実施例】
【００２８】
次に図１を参照してガラス体延伸の実施例を説明する。
（ａ）延伸形態：縦型延伸機を使用して抵抗炉で加熱する。
（ｂ）出発材：シリカガラス（ＳiＯ2ガラス）、外径８０ｍｍ
（ｃ）延伸目標形状：外径３０．５ｍｍφ
（ｄ）延伸条件：初期挿入速度Ｖf0＝５．５ｍｍ／分、引取速度Ｖｆc＝４０ｍｍ／分、ヒータ（加熱部材１６ａ）の温度１７７０℃（温度が一定になるようにヒータ出力自動調整）
【００２９】
（ｅ）延伸制御：
・制御変数Ｅ(t)として、実施例１、実施例２で異なるものを採用する。
実施例１：Ｅ(t)＝Ｄ2SP−ＤPV2を制御変数とする。
実施例２：Ｅ(t)＝−ｅ2/２Ｄsp＋ｅを制御変数とする。
（ただし、ｅ＝ＤSP−ＤPV）
・上記の制御変数に基づいて挿入速度Ｖfを調整するＰＩＤ制御を次式（１）を用いて行った。
【００３０】
【数１】
2005289759.tif 000003
【００３１】
ここで、Ｅ(t)は制御偏差（制御変数）、ＫP は比例ゲイン、ＴI は積分時間、ＴD は微分時間である。また、設備稼働の安全上、挿入速度Ｖfを０ｍｍ／分≦Ｖf ≦１５ｍｍ／分に制限した。
【００３２】
上記式（１）により求められた挿入速度Ｖfを用いて、ガラス体の延伸を行った。その結果、次の表１の実施例１、２に示すようなデータが得られた。なお、同表には、比較例として、従来の外径制御方法、つまり制御変数Ｅ(t)＝ＤSP−ＤPVにより延伸制御を行ったときの結果も並記する。
【００３３】
【表１】
2005289759.tif 000004
【００３４】
表１に示すように、比較例では、目標外径３０．５０ｍｍに対し、外径中心が３０．７８ｍｍと０．９２％程度のズレが生じたが、実施例１では、目標外径３０．５０ｍｍに対し外径中心が３０．５１ｍｍとなり、０．０３％程度のズレしか生じなかった。さらに、実施例２では、目標外径３０．５０ｍｍに対し外径中心が３０．５０ｍｍとなり、目標値に対する０．０１ｍｍオーダでの有意な差異が観測されなかった。
【００３５】
また、外径の変動幅も、比較例が±０．３５ｍｍであるのに対して、実施例１の変動幅は±０．１２ｍｍであり、実施例１では、比較例に比べて振動幅を１／３程度に抑制することができた。また、さらに実施例２の振動幅は、±０．０８ｍｍであり、実施例２では、比較例に比べて振動幅を１／４程度に抑制することができた。
以上の結果より、実施例１及び実施例２では、比較例に比べて安定した制御によって、延伸結果を目標外径に近づけられることがわかった。
【００３６】
以上の実施例１、２の結果から分かるように、本発明によれば、外径変動幅を大幅に低減することができた。特に、実施例２では、優れた効果を奏することが実証できた。
【００３７】
なお、上記実施形態では、縦型の延伸装置に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は縦型に限らず、横型でも同様の効果を奏することが確認できた。
【００３８】
また、上記実施形態では、加熱炉の形式として抵抗炉の場合を示したが、酸水素加熱（燃焼ガス加熱）、誘導炉加熱、その他のガラス母材加熱炉等を利用することもできる。
【００３９】
また、上記実施形態では、ＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）によるガラス体延伸制御について説明したが、Ｐ制御（比例制御）、ＰＩ制御（比例・積分制御）においても、それぞれ、従来の外径値偏差を用いた制御よりも有効性を発揮できる。
【００４０】
また、上記実施形態では、シリカガラス（ＳiＯ2）体延伸の場合を示したが、シリカガラスに他の元素（ＧeＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｆ他）を全体もしくはその一部に添加したものでも同様の効果を奏することができる。
【００４１】
また、上記実施形態では、制御変数に基づき、操作変数としてガラス送り速度（実施例では挿入速度）を調整する方式を記載したが、操作変数としてガラス引取速度を調整する方式、また、ガラス送り速度と引取速度の両方を同時に調整する方式でも同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るガラス体延伸装置の構成説明図である。
【図２】制御系のブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ  ガラス体の母材
１Ｂ  延伸されたガラス体
１Ｃ  ネック部（延伸変形部）
１４，１５  延伸駆動装置
１６  加熱炉
１７  制御装置
【図１】
2005289759.tif 000005
【図２】
2005289759.tif 000006