JP4787731B2 - プラスチック光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は車載通信用、家庭内ネットワーク用、オフィス用等に好適に用いられ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と略する。）は、石英系光ファイバに対して大口径、安価、取り扱い性が良い等の長所があり、ライティング、センサー、ＯＡ、ＦＡ機器間配線等の分野で実用化されている。実用化されているＰＯＦの大部分は、ＳＩ（ステップインデックス）型光ファイバである。ＳＩ型光ファイバは、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂を芯材として、その外周を芯材より屈折率の低い鞘材で取り囲んだ芯−鞘構造、あるいは芯−鞘の外周に保護材を設けて一体被覆した芯−鞘−保護構造を有している。

前記構造をしたＰＯＦの工業的製造プロセスとしては、芯材であるＰＭＭＡ樹脂の外周に、鞘材のポリマー、または鞘材と保護材のポリマーを同心円状に配置し、複合ノズルを用いてこれらの樹脂を溶融紡糸することでファイバ状に賦形した後、ファイバの機械的強度を向上させるために、加熱延伸処理を施すのが一般的である。
加熱延伸処理を施すと、ＰＯＦを構成する樹脂の分子鎖が延伸方向に分子配向するため、ＰＯＦの機械的強度を向上させることができる。しかし、加熱延伸処理後のＰＯＦ内部には、この分子配向とは異なる残留歪み、すなわち残留応力もそのまま凍結されてしまう。そのため、このような状態のＰＯＦが芯材のガラス転移温度（Ｔｇｃ）近傍に再度加熱されると、凍結されていた残留応力が開放されるために、ＰＯＦが大きく収縮を起こし、それにともない機械的強度と光学特性が低下してしまう。

残留応力を予め取り除いて熱収縮の発生を防止するには、加熱延伸処理後のＰＯＦに残留応力の緩和を目的とした熱処理（以下、ＰＯＦの残留応力緩和処理と略する。）を施す必要がある。加熱延伸処理により付与された分子配向を維持しつつ、機械的強度と光学特性を損なわずに残留応力のみを除去するには、ＰＯＦの芯材のＴｇｃ近傍でＰＯＦの残留応力緩和処理を施すのが効果的である。

ところで、ＰＯＦの生産性を向上させるには、生産ラインにおけるＰＯＦの走行速度を高速化することが重要となる。しかし、加熱炉長と加熱温度を変えずにＰＯＦの走行速度のみを高速化した場合、ＰＯＦは加熱炉内を短時間で通過してしまうため、ＰＯＦの残留応力緩和処理を充分に施しにくかった。
ＰＯＦの走行速度の高速化に対応したＰＯＦの残留応力緩和処理方法には、従来、加熱炉内の高温化、加熱炉内の加熱気体の風速アップによる加熱効率の向上（特許文献１）、加熱炉長の延長、あるいは加熱気体の流動状態の工夫等が試みられてきた。
特開平５−１１１２８号公報

加熱炉内の高温化や、加熱炉内の加熱気体の風速アップによる加熱効率の向上は、ＰＯＦを目的の温度にまで急速に加熱することができる。しかしながら、これらの方法でＰＯＦを急速に加熱した場合、ＰＯＦの表層と中心部間で温度差が生じるため、残留応力の除去が不均一になり、機械的強度と光学特性の低下を招く恐れがあった。
加熱炉長の延長は、加熱炉内の通過時間が長いので、ＰＯＦの残留応力緩和処理を充分に施すことができる。しかしながら、この方法によると、加熱炉前後でＰＯＦを支持するガイド間の距離が長くなり、加熱炉内でのＰＯＦの揺動、垂下が増大し、ＰＯＦが加熱炉内で垂れ落ち易かった。特に、ＰＯＦの残留応力緩和処理では、ＰＯＦには加熱延伸処理のような高い張力を作用させられないため、ＰＯＦの揺動や垂下が延伸処理時に比べて増大し易かった。また、加熱炉長の延長は、設備の設置空間や設備費の増大を生じてしまう。

本発明は前記のような状況に鑑みてなされたものであり、ＰＯＦの残留応力緩和処理において、ＰＯＦの機械的強度と光学特性を低下させることなくＰＯＦの走行速度の高速化が可能であることで生産性が向上し、かつ設備の省スペース化が図れるＰＯＦの製造方法を提供する。

本発明によるＰＯＦの製造方法は、加熱延伸処理後のＰＯＦの残留応力緩和処理において、加熱炉内を走行する搬送部材でＰＯＦを支持しつつＰＯＦに赤外線波長領域の電磁波（以下、赤外線と略する。）を照射することを特徴とする。本発明によるＰＯＦの製造方法は、赤外線の照射を温調された雰囲気内で行うことが好ましい。

本発明によれば、ＰＯＦの残留応力緩和処理において、ＰＯＦの機械的強度と光学特性を低下させることなくＰＯＦの走行速度の高速化が可能であることで生産性が向上し、かつ設備の省スペース化が可能なＰＯＦの製造方法を提供できる。

図面を参照して、本発明の製造方法に係るＰＯＦの残留応力緩和用熱処理装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態の残留応力緩和用熱処理装置３は主に、ＰＯＦ１を加熱するための加熱炉２と、ＰＯＦ１を加熱炉２に送るための供給機６と、ＰＯＦ１を加熱炉２から引き出すための引き出し機７から構成される。
加熱炉２には、加熱炉２内に加熱気体を送り込むためのエアーノズルマニホールド４と、ＰＯＦ１に赤外線を照射するための赤外線放射体５が配置されている。
熱処理を施すＰＯＦ１としては、芯−鞘構造、あるいは鞘の外周に保護層を被覆した芯−鞘−保護層構造が挙げられる。

図１の残留応力緩和用熱処理装置３は、ＰＯＦ１が加熱炉２内を非接触の状態で通過する。本実施形態の別形態である図２の熱処理用加熱装置１０では、ＰＯＦ１が搬送部材８によって支持されながら加熱炉２内を通過する。搬送部材８は、支持部材９の回転に連動して、ＰＯＦ１との接触面がＰＯＦ１の走行方向に動くようになっている。
ＰＯＦの残留応力緩和処理には、ＰＯＦ１にできるだけ張力を加えない事が好ましいため、図２に示す残留応力緩和用熱処理装置１０が好ましく用いられる。残留応力緩和用熱処理装置１０であれば、搬送部材８がＰＯＦ１を支持するので、ＰＯＦ１を無張力の状態で熱処理することができる。なお、搬送部材８としては、コンベアベルト等が挙げられる。

本発明の製造方法の特徴は、ＰＯＦの残留応力緩和処理において、図１および図２に示した加熱炉２内で、赤外線放射体５を用いて赤外線をＰＯＦ１に照射することにある。赤外線としては、０．８３〜１，０００μｍの近〜遠赤外線が具体的に挙げられる。特に波長領域１〜３０μｍの赤外線は、物質を構成する分子の熱運動を直接励起できるため好ましい。一般に分子の振動スペクトルは赤外線波長領域に現れるため、赤外線を照射された物質は分子レベルで加熱される。したがって、赤外線の照射によるＰＯＦの残留応力緩和処理は、熱風による加熱に比べて、ＰＯＦを短時間かつ内部まで均一に昇温できる。

赤外線放射体５の材質は特に限定しないが、例えば、セラミックス体や、表面にセラミックスをコーティングしたアルミニウム等の金属体を挙げることができる。これらの材質を有していれば、加熱炉２内の高温の雰囲気で加熱されることにより赤外線を照射できるため好ましい。
赤外線放射体５の構造は特に限定しないが、例えば、内部に電熱線を有する構造や、内部に気体や液体の熱媒体を循環させる経路を有する構造が挙げられる。赤外線放射体５の表面温度を所望する温度に設定できるものであれば特に好ましい。これらの構造を有していれば、赤外線をより広範囲の面積に、より均一に照射できるため好ましい。
赤外線放射体５の形状は特に限定はしないが、例えば、プレート状や、パイプ状が挙げられる。中でもプレート状は、パイプ状に比べて放射面積が広いので、広範囲にわたって均一に赤外線を照射できるため好ましい。

赤外線によるＰＯＦ１の残留応力緩和処理は、温調された雰囲気内で実施することが好ましい。本実施形態の熱処理加熱装置３のエアーノズルマニホールド４には、加熱気体を供給するための熱風発生機等が接続されている。また、エアーノズルマニホールド４には、図３に示すように複数の温調風供給ノズル１１が設けられている。温調風供給ノズル１１から加熱炉２内へ加熱気体を噴出することで、加熱炉２内に温調された雰囲気を形成する。
エアーノズルマニホールド４および赤外線放射体５の配置数は特に制限せず、加熱炉長等の諸条件により適宜変更される。また、エアーノズルマニホールド４と赤外線放射体５の配置順序は特に制限しないが、図３に示すように、交互に配置されていることが好ましい。なお、エアーノズルマニホールド４に配置されている温調気体供給ノズル１１の配置数は１個、あるいは図3に示すように複数個設けられていてもよい。なお、温調気体供給ノズル１１のノズル形状は、図3に示すように丸穴でもよく、その他の形状でもよい。

加熱気体供給ノズル１１からの加熱気体の噴出パターンは、加熱炉２内の雰囲気が均一に温調できれば特に限定しない。
加熱気体の種類は特に限定しないが、例えば、空気等の酸素含有の活性気体や、窒素やアルゴン等の不活性気体が挙げられる。なお、加熱気体は、ＰＯＦ１表面への異物の付着防止や、加熱炉２内を清浄に保つため、エアーフィルターでろ過した後に、加熱炉２内へ供給されるのが好ましい。
加熱炉２内の雰囲気の風速は、加熱炉２内の雰囲気が均一な温度になるようであれば特に限定しない。雰囲気の風速が速いほど、加熱炉２内の雰囲気が均一な温度になり易いが、ＰＯＦ１の近傍においては２５ｍ／ｓ以下であることが、ＰＯＦ１の揺動が抑えられるので好ましい。
雰囲気の温度は、ＰＯＦ１の芯材のＴｇｃ未満が好ましい。雰囲気の温度がＰＯＦ１の芯材のＴｇｃ未満であれば、加熱延伸処理でＰＯＦに付与された分子配向が、雰囲気の温度によって解除されることを防ぐことができる。
雰囲気の温度をより均一にする方法としては、例えば、加熱炉２の外壁に保温材を配置する、攪拌ペラを加熱炉２内へ配置して雰囲気を攪拌する、加熱炉２の出入口に配置したエアーカーテンから出入口の鉛直方向に向けて温調したエアーを吹き付ける方法が挙げられる。これらの方法は、単独で実施してもよく、併用してもよい。

本発明によるＰＯＦの製造方法によれば、ＰＯＦの残留応力緩和処理に赤外線を使用しているため、ＰＯＦを短時間、かつ内部まで均一に加熱できる。これにより、ＰＯＦの機械的強度と光学特性を低下させることなくＰＯＦの走行速度を高速化できるため、ＰＯＦの生産性が向上する。また、ＰＯＦの熱処理が短時間で施せるため、加熱炉長を短縮できる。したがって、熱処理工程設備の省スペース化を図ることが可能になり、設備費の節減が実現できる。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、熱収縮率の測定方法と、使用したＰＯＦは以下の通りである。
（熱収縮率の測定）
ＰＯＦ１に実施例と比較例による残留応力緩和処理を施した後、これらのＰＯＦ１に１ｍ（Ｌ_０）間隔で目印を付け、９０℃に設定した乾熱乾燥機内に、乾燥機内壁に触れないように静置した。２４時間後、ＰＯＦ１を取り出し、室温（約２０℃）まで放冷した後、再度目印の間隔（Ｌ_１）を測定し、Ｌ_０およびＬ_１から下式（１）にて熱収縮率を算出した。
熱収縮率（％）＝〔（Ｌ_０−Ｌ_１）／Ｌ_０〕×１００ （１）

（プラスチック光ファイバ）
実施例および比較例のＰＯＦ１には、三菱レイヨン株式会社製プラスチック光ファイバＧＫ４０Ｂ（帯域４０ＭＨｚ、伝送損失１５０ｄＢ以下／ｋｍ）をそれぞれ３０ｍ用いた。なお、該プラスチック光ファイバには、１４４℃、延伸倍率２００％にて加熱延伸処理が施されている。

（残留応力緩和用熱処理装置）
ＰＯＦ１の残留応力緩和処理に用いた図２の残留応力緩和用熱処理装置１０は、加熱炉長１ｍの加熱炉２と、搬送部材８に該当するコンベアベルト（メッシュ状コンベアベルト 開孔率２０％、基材：ガラス繊維、表面コーティング：ＰＴＦＥ）を主な構成物とした。
加熱炉２の外壁には保温材を配置し、熱炉２内には、複数個のエアーノズルマニホールド４と、複数個の赤外線放射体５を配置した。なお、赤外線放射体５にはプレート状のセラミックスヒーター（遠赤外線セラミックプレートヒーター 型式：ＰＬＣ−３２２ ２００Ｗ電熱線内蔵 株式会社ノリタケカンパニーリミテド製）を使用した。

エアーノズルマニホールド４と赤外線放射体５は、ＰＯＦ１を搬送するコンベアベルト面に対し、法線方向の上下両面に配置した。上面に配置した赤外線放射体５とコンベアベルトとの距離は約９０ｍｍ、下面に配置した赤外線放射体５とコンベアベルトとの距離は約８０ｍｍとした。
エアーノズルマニホールド４と赤外線放射体５は、図３に示すように交互に配置した。エアーノズルマニホールド４には、複数個の加熱気体供給ノズル１１（φ１）を設けた。また、エアーノズルマニホールド４の長手方向が、搬送部材８の走行方向に対して直角になるよう配置した。
加熱気体の製造および加熱炉２への加熱気体の供給には、熱風発生機（電気式熱風発生機 型式：ＴＳＫ−６１ 株式会社竹綱製作所製）を用いた。なお、該熱風発生機から加熱炉内への加熱気体の供給量は約１５ｍ^３／ｍｉｎであった。加熱気体供給ノズル１１付近の風速は、４ｍ／ｓ（測定器：風速計 型式：６５１１ 日本カノマックス株式会社製）とした。なお、図示していないが、加熱炉内の雰囲気温度を均一化させるために、雰囲気撹拌用ノズル（φ４．５）を加熱炉２内の適所に複数個配置した。なお、該雰囲気撹拌用ノズル付近の風速は、１８ｍ／ｓであった。

（評価）
＜実施例＞
実施例は、加熱炉２内の雰囲気温度を１０７±２℃、赤外線放射体５の表面温度を１５５℃に設定し、ＰＯＦ１を走行させながら残留応力緩和処理を施した後、熱収縮率を測定した。熱処理条件および結果を表１に示す。
＜比較例＞
比較例は、赤外線放射体５を配置しないことを除き、実施例と同様の条件で残留応力緩和処理を施した後、熱収縮率を測定した。熱処理条件および結果を表１に示す。

（結果）
表１に示すとおり、実施例は、同じ熱処理時間においての熱収縮率が、比較例より低い値を示した。熱収縮率が低いほど、ＰＯＦ１の残留応力がより緩和されていることを示している。よって、実施例は、機械的強度と光学特性の低下が比較例より少ないことが確認できた。

図４に、熱処理時間と熱収縮率の関係をグラフ化したものを示す。０．２５％の熱収縮率に到達する時間は、比較例では約６８秒必要であるのに対して、実施例では約５１秒で到達できると読み取れる。つまり、本発明の製造方法によると、ＰＯＦの残留応力緩和処理に掛かる時間が短縮できるため、加熱炉長の短縮が可能であることを示唆している。
例として、ＰＯＦの熱収縮率が０．２５％に達するのに必要な加熱炉長を、ＰＯＦの走行速度を２０ｍ／ｍｉｎとした場合で求めたところ、実施例で１７ｍ（Ｌ_２）、比較例で２２．７ｍ（Ｌ_３）となった。したがって、加熱炉長の短縮長さは５．７ｍ（Ｌ_３−Ｌ_２）と算出され、加熱炉の短縮効果は約２５％〔（Ｌ_３−Ｌ_２）／Ｌ_３×１００）〕であると求められた。よって、伝送損失は未処理品とほぼ同程度で設備の占有面積を大幅に縮小することが可能となった。

本発明による光ファイバ製造方法によれば、ＰＯＦの機械的強度と光学特性を低下させることなくＰＯＦの走行速度を高速化できるため、ＰＯＦの生産性が向上する。また、加熱炉長を短縮できることで、熱処理工程設備の省スペース化を図ることができ、設備費の節減が実現できる。

本発明に係る残留応力緩和用熱処理装置の実施形態例を示す断面図である。 本発明に係る残留応力緩和用熱処理装置の他の実施形態例を示す断面図である。 エアーノズルマニホールドと赤外線放射体の配置例を示す部分拡大図である。 実施例と比較例の熱処理時間と熱収縮率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）
２ 加熱炉
３ 残留応力緩和用熱処理装置（ＰＯＦ非接触式）
４ エアーノズルマニホールド
５ 赤外線放射体
６ 供給機
７ 引き出し機
８ 搬送部材
９ 支持部材
１０ 残留応力緩和用熱処理装置（ＰＯＦ接触式）
１１ 加熱気体供給ノズル

Claims (2)

1. 加熱延伸処理後のプラスチック光ファイバを加熱炉内を走行する搬送部材で支持しつつ、該プラスチック光ファイバに赤外線波長領域の電磁波を照射する熱処理を施す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. 前記赤外線波長領域の電磁波の照射を、温調された雰囲気内で行うことを特徴とする請求項１に記載のプラスチック光ファイバの製造方法。

Images