JP2006317691A - プラスチック光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱炉全長で最大限に延伸を可能とすることにより、長さ方向の外径変動が小さいＰＯＦを得ることができるＰＯＦの製造方法を提供すること。
【解決手段】 本発明のプラスチック光ファイバの製造方法は、未延伸状態のプラスチック光ファイバ１を、加熱炉３２内を走行させながら延伸する延伸工程４を備えたプラスチック光ファイバの製造方法であって、延伸工程において、加熱炉入口直前のプラスチック光ファイバの温度が、Tg−９０℃以上、Tg−３０℃以下に設定されている（Tgはプラスチック光ファイバの芯材のガラス転移温度）ことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラスチック光ファイバの製造方法に関し、詳細には、長手方向における外径変動が小さいプラスチック光ファイバを得ることができるプラスチック光ファイバの製造方法に関する。

プラスチック光ファイバ（以下、ＰＯＦという。）は、石英系光ファイバに対して大口径、安価、取り扱い性が良いなどの長所を有しており、ライティング、センサ、ＯＡ，ＦＡ機器間配線などの分野で使用されている。

現在、実用化されているＰＯＦの大部分はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を芯材料とした芯鞘構造、あるいは鞘の外周に更に保護層を一体被覆した芯鞘保護層構造の光ファイバである。一般的なＰＯＦの工業的製造プロセスでは、まず、複合ノズルを用いて紡糸工程で芯材料であるＰＭＭＡを鞘、又は鞘及び保護層の材料のポリマーと同心円状に配置して溶融紡糸することでファイバ状に賦形する。次いで、延伸工程において加熱延伸等を行ない、機械的特性を向上させる。

上述した延伸工程では、ＰＯＦの機械的特性を向上させるだけでなく、長さ方向の外径の均一性を得ることも重要である。このとき、紡糸工程で賦形された材料に外径変動が生じていると、延伸工程において外径が細い部分には太い部分よりもより大きな引張応力が作用する。このため、まず外径の細い部分が先に延伸され次に太い部分が延伸される。この結果、延伸工程においてＰＯＦが加熱不足の状態でありながらに延伸を行うと外径の細い部分のみ延伸され太い部分がほとんど延伸されない状態となり、紡糸工程で生成された外径変動が延伸工程で大幅に増幅されてしまう。

このような外径変動の増幅を抑制するためには、加熱炉（延伸炉）内で加熱媒体を使用しＰＯＦへの熱伝達向上を図る必要がある。この熱伝達向上を図るため方法として、例えば、特許文献１に記載されているように加熱炉中での加熱気体の流動状態を改善したり、炉内の熱風風速を上げることによって加熱気体とＰＯＦの熱交換効率を向上させ、延伸が可能な温度まで加熱炉内でＰＯＦを昇温させる方法が提案されている。

特開平５−１１１２８号公報

しかしながら、上述したような従来の方法では紡糸工程で室温状態まで冷却した未延伸状態のＰＯＦを加熱炉内に挿入し延伸させるため、ＰＯＦが延伸可能な温度に達するまでに時間を要し、加熱炉全長にわたって十分な延伸を行うことができず、この結果、外径変動の増幅を十分に抑制することができなかった。
さらに、生産速度が向上した場合には、外径変動の増幅を抑制するために加熱炉の長大化を図らなければならなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、加熱炉全長で最大限に延伸を可能とすることにより、長さ方向の外径変動が小さいＰＯＦを得ることができるＰＯＦの製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、未延伸状態のプラスチック光ファイバを、加熱炉内を走行させながら延伸する延伸工程を備えたプラスチック光ファイバの製造方法であって、前記延伸工程において、前記加熱炉入口直前のプラスチック光ファイバの温度が、Tg−９０℃以上、Tg−３０℃以下に設定されている（Tgはプラスチック光ファイバの芯材のガラス転移温度）ことを特徴とするプラスチック光ファイバの製造方法が提供される。
なお、本明細書において、「プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）の温度」とは、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）の表面の温度を指す。

このような構成によれば、加熱炉の入口直前でのＰＯＦの温度の下限が、Ｔｇ−９０℃以上にされているので、加熱炉内でＰＯＦを延伸可能にする温度に到達するまでの時間が短縮でき、加熱炉内でＰＯＦが延伸されている時間を長くすることができる。このため、外径の太さに左右されずに十分な延伸が施され、均一な外径を得ることができる。一方、ＰＯＦの加熱炉入口直前の温度の上限をＴｇ−３０℃以下に抑制されているので、ガイド或いは供給ニップロール等に接触した場合でもＰＯＦ表面が損傷する可能性が少なくなる。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記延伸工程において、前記ＰＯＦはが、前記加熱炉の前段で延伸が可能な温度まで昇温させられ、前記前段より加熱速度が低い加熱炉の後段で延伸される。

このような構成によれば、ＰＯＦの内部と外部との温度差が少ない状態で延伸が施されるので均一な延伸が可能となる。

本発明によれば、長さ方向の外径変動が小さいＰＯＦを得ることができるＰＯＦの製造方法が提供される。

以下、本発明の好ましい実施形態のＰＯＦの製造方法について詳細に説明する。図１は、本実施形態で使用されるＰＯＦ１の製造工程の概略的な束面図である。

図１に示されているように、この製造工程は、紡糸工程２および延伸工程４を含んでいる。紡糸工程２には、ＰＯＦを吐出する紡糸口金６と、紡糸口金６から吐出されたＰＯＦ１が通過する保温筒８とが設けられている。紡糸口金６は、円周状、千鳥状或いは一直線上に配置された１つ以上の吐出口を有している。また、保温筒８は、ヒータ或いは熱媒等の加熱手段を備え、内部を所定温度に加熱できるように構成されている。保温筒８の下端には、遮断板１０が取付けられ、下方からの冷却風が保温筒３の内部へ侵入することを防止している。

保温筒８の下流側（図１の下方）には、多段構造型の冷却装置１２が取付けられている。冷却装置１２は、保温筒８を通過したＰＯＦ１に冷風をあてて冷却する装置であり、個別に風速、温度を制御可能な上段、中段、下段の３つの冷却器１４、１６、１８を備えている。

冷却装置１２の下流側には、水またはエチレングリコール等の媒体を収容した冷却水槽２０が配置されている。冷却水槽２０内には、ＰＯＦ１を案内する第１のガイド２２が取付けられている。冷却水槽２０に収容されている冷却媒体の温度は調整可能とされている。

さらに、冷却水槽２０の下流側には、第２のガイド２４、レーザ外径測定器２６、ニップロール２８および第３のガイド３０が設けられている。レーザ外径測定器２６は、冷却水槽２０から出てきて加熱炉３２に供給されるＰＯＦ１の外径を計測する。また、ニップロール２８は、冷却水槽２０から出てきた未延伸状態のＰＯＦ１を、加熱炉３２に一定速で供給する。

加熱炉３２は、水或いは蒸気等を加熱媒体とした多段構造型の加熱炉であり、前段部分３４と後段部分３６とを備えている。前段部分３４と後段部分３６はそれぞれ、独立して内部の温度を調整できるように構成されている。
加熱炉３２の下流には、水またはエチレングリコール等を冷却媒体とした冷却水槽３８、第４のガイド４０および延伸後のＰＯＦを一定の比率で引き取る供給ニップロール４２が設けられている。冷却水槽３８に収容されている冷却媒体の温度も調整可能とされている。

次に、上述のＰＯＦ製造工程における温度条件について説明する。
本実施形態のＰＯＦの製造方法においては、延伸工程４において、加熱炉３２の入口直前のＰＯＦ１の温度が、Ｔｇ−９０℃以上Ｔｇ−３０℃以下（Ｔｇは芯材のガラス転移温度）、より好ましくは、Ｔｇ−７０℃以上Ｔｇ−４０℃以下にされる。例えば芯材がＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）からなる場合には、Ｔｇを１１２℃として、ＰＯＦ１の温度は２２℃〜８２℃にあればよく、４２℃〜７２℃の範囲であればより好ましい。

加熱炉３２入口直前でのＰＯＦ１の温度の下限を、Ｔｇ−９０℃以上にすることにより、加熱炉３２内でＰＯＦ１を延伸可能にする温度に到達するまでの時間が短縮できるので、加熱炉３２内でＰＯＦ１が延伸されている時間を長くすることができる。このため、外径の太さに左右されずに十分な延伸が施され、均一な外径を得ることができる。

一方、ＰＯＦ１の加熱炉３２入口直前の温度の上限をＴｇ−３０℃以下に抑制することにより、ガイド２４或いは供給ニップロール２８に接触した場合でもＰＯＦ１表面に損傷を発生させる可能性が少なくなる。

加熱炉３２入口直前のＰＯＦ１の温度をＴｇ−９０℃以上Ｔｇ−３０℃以下とする方法としては、紡糸工程２での紡糸口金６や保温筒８、冷却装置１２、冷却水槽２０等の温度設定条件を調節する方法が挙げられる。
ここで、この温度設定条件とは、例えば、紡糸口金６や保温筒８であれば紡糸口金６自体の温度や保温筒８内部の温度の条件であり、また冷却装置１２であればＰＯＦ１にあてる冷風の強さ（速度）や温度或いは冷却時間の条件であり、さらに冷却水槽２０であれば冷却水の温度やＰＯＦが冷却水槽中に浸水する時間などの条件である。

紡糸口金６や保温筒８、冷却装置１２等の設定条件の変更は、紡糸工程２で得られる未延伸状態のＰＯＦ１の外径変動に大きな影響を及ぼすため、設定条件をあまり大きく変動させることができない。このため、上段の冷却器１４の風速と温度は外径変動に大きく影響を及ぼさない条件に設定することが好ましい。また、中段および下段の２つの冷却器１６、１８の風速や温度、冷却時間の条件、或いは、冷却水槽２０内の冷媒の温度や冷却水槽２０内での冷却時間の条件を調整することが好ましい。

なお、冷却装置１２および冷却水槽２０のいずれか一方だけを備えた構成でもよく、また、これらの構造は公知の他の構造でもよい。

加熱炉３２入口直前のＰＯＦ１の温度をＴｇ−９０℃以上Ｔｇ−３０℃以下とするとともに、表面温度と内部温度とに差がない（例えば、差が２０℃以下）状態でＰＯＦ１を加熱炉３２内に供給することが、加熱炉３２内で短時間にＰＯＦ１を延伸可能な温度に昇温させる点から好ましい。
ただし、高温のＰＯＦ１を加熱炉３２内に供給する前に、ガイド２４、３０或いは供給ニップロール２８等との接触によりＰＯＦ１が損傷を負う可能性がある場合には、ＰＯＦ１の表面のみを冷却風等の冷却手段を用いてＰＯＦ内部が冷却されない程度まで冷却しても良い。または、非接触のガイド等を用いても良い。

その他、加熱炉３２入口直前のＰＯＦ１の温度をＴｇ−９０℃以上Ｔｇ−３０℃以下にする方法として、冷却装置１２と加熱炉３２入口との間に熱風等の加熱手段を設けても良い。また、外部雰囲気との温度差によるＰＯＦ１から放熱を防ぐため、冷却装置１２から加熱炉３２入口手前までの間に保温ボックス等を設けるなどの対策を施しても良い。

次に、加熱炉３２入口直前でのＰＯＦ１の温度をＴｇ−９０℃以上Ｔｇ−３０℃以下にした状態で、多段構造型の加熱炉３２に導入し、ＰＯＦ１の延伸を行う。本実施形態では、加熱炉３２の前段部分３４でＰＯＦ１を延伸可能な温度まで昇温させた後、加熱速度が前段部分３４よりも低い後段部分３６内で延伸が行なわれる。

このような方法で延伸することにより、ＰＯＦ１の内部と外部との温度差が少ない状態で延伸が行われる。
上記加熱方法で加熱延伸させることで、ＰＯＦ１が延伸可能な温度まで昇温するまでの時間を更に短縮することが可能となる。
加熱炉３２は図１に示されるような構造に限定されるものではなく、ＰＯＦを効率よく加熱炉３２内で延伸可能とする方法であれば、他の構造の加熱炉を使用してもよい。

次に、本発明の実施形態を以下の実施例により具体的に説明する。
尚、実施例及び比較例中の評価方法は以下の通りである。
（１）外径変動の増幅率
紡糸工程２及び延伸工程４後のＰＯＦ１の外径を、それぞれ、キーエンス（株）製のレーザ外径測定器２２、４０によりサンプル間隔０．１ｓｅｃ、サンプル時間３００ｓｅｃで測定し、この外径測定データから標準偏差を求めた。次に、この標準偏差の３倍値（３σ）を外径変動とし、この値を用いて外径変動の増幅率を求めた。尚、外径変動の増幅率とは次式で算出されるものである。
外径変動の増幅率＝（延伸工程後の外径変動（３σ））／（紡糸工程後の外径変動（３σ））
（２）ＰＯＦ温度の測定
加熱炉３０入口から２００ｍｍ手前の位置で、走行中のＰＯＦ１の側面を安立計器（株）製の走行線用温度センサと接触させることにより測定した。
（３）ガラス転移温度の測定
セイコーインスツルメンツ(株)製ＤＳＣ−２２０を使用した。サンプルを昇温速度１０℃／分で２００℃まで昇温して、１０分間保持し溶融させた後２０℃まで急冷した。その後、再び昇温速度１０℃／分で昇温して測定した。

（実施例）
芯材としてポリメチルメタクリレート、鞘材としてフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン（８０／２０ｍｏｌ％）の共重合体を用いて、図１に示した製造プロセス及び表１に示した条件でＰＯＦ１の製造を試みた。得られたＰＯＦの芯材のガラス転移温度は１１２℃であった。

この際、加熱炉３２入口手前のＰＯＦ１の温度を２８．７℃、４３．５℃、７０．１℃と変化させた外径変動の増幅率の結果を表２に示した。加熱炉３２手前のＰＯＦ１の温度を高くするごとに外径変動の増幅率が抑制されることを確認できた。

（比較例１）
加熱炉３２入口手前のＰＯＦ１の温度を１４．３℃とした以外は、上記実施例と同様にしてＰＯＦ１の製造を試みた。このとき、外径変動の増幅率の結果を表３に示した。加熱炉３２手前のＰＯＦ１の温度が低すぎると外径変動の増幅率が悪化した。

（比較例２）
加熱炉３２入口手前のＰＯＦ１の温度を８９．２℃とした以外は、上記実施例と同様にしてＰＯＦ１の製造を試みた。このとき、外径変動の増幅率の結果を表４に示した。外径変動の増幅率は抑制することができたが、ＰＯＦ１が高温であったため、加熱炉３２入口手前のガイド３０或いは供給ニップロール２８と接触し、ＰＯＦが損傷するとともに、伝送損失を悪化させた。

本発明の実施形態で使用されるＰＯＦの製造プロセス（紡糸工程及び延伸工程）を示す概略的な側面図である。

符号の説明

１：ＰＯＦ
２：紡糸工程
４：延伸工程
６：紡糸口金
8：保温筒
１２：冷却装置
２０：冷却水槽
２６：レーザ外径測定器
２８：ニップロール
３２：加熱炉
３４：（加熱炉の）前段部分
３６：（加熱炉の）後段部分
３８：冷却水槽

Claims (2)

1. 未延伸状態のプラスチック光ファイバを、加熱炉内を走行させながら延伸する延伸工程を備えたプラスチック光ファイバの製造方法であって、
   前記延伸工程において、前記加熱炉入口直前のプラスチック光ファイバの温度が、Tg−９０℃以上、Tg−３０℃以下に設定されている、
   （Tgはプラスチック光ファイバの芯材のガラス転移温度）
   ことを特徴とするプラスチック光ファイバの製造方法。
2. 前記延伸工程において、前記プラスチック光ファイバが、前記加熱炉の前段で延伸が可能な温度まで昇温させられ、前記前段より加熱速度が低い加熱炉の後段で延伸をされる、
   請求項１に記載のプラスチック光ファイバの製造方法。

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