JP4966766B2 - 光ファイバの紡糸装置および光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Description
POFは、例えば、特許文献1に示す溶融紡糸法によって製造される。まず、芯および鞘の原料である熱可塑性樹脂を溶融させて、芯になる溶解樹脂(以下、芯材と称する。)および鞘になる溶解樹脂(以下、鞘材と称する。)を得る。次いで、芯材および鞘材を、定量ポンプを用いて紡糸ヘッドに供給する。紡糸ヘッドに供給された芯材および鞘材は、それぞれ紡糸ヘッド内に設けられた溶融樹脂流路を通過した後、紡糸ヘッド下部に設けられた吐出口近傍の合流部で合流する。合流部では、芯材の溶融樹脂流路の周囲に、鞘材の溶融樹脂流路が配されており、ここで合流した芯材および鞘材は、芯材の外面を鞘材が覆った状態で吐出口から吐出される。なお、紡糸ヘッド内の溶融樹脂流路には、200〜300℃の熱に耐えうる耐熱性、加工性、剛性、耐蝕性などを有したSUS316などのステンレス素材が広く用いられてきた。
溶融樹脂流路を形成する金属は、腐蝕によって溶融樹脂流路から遊離し、溶融樹脂中に混入する。このように、金属異物が混入したPOFは、POFの伝送損失を増大させ、さらには、外径の均一性を低下させる要因となり、その結果、POFの品質が低下する。また、溶融樹脂流路が腐蝕すると、その腐蝕表面に鞘材が滞留し、鞘材の炭化が生じやすくなる。POFにこのような炭化鞘材が混入すると、金属異物と同様に、POFの品質低下を生ずる。
POFの品質を維持するには、これらの異物混入を避ける必要がある。しかしながら、従来は、腐蝕した溶融樹脂流路の清掃や部品の交換を頻繁に行うことでしか対処できず、メンテナンス費用の高騰を招いていた。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの伝送損失を低減し、かつ光ファイバの外径の均一性を向上することができ、さらにはメンテナンス費用を低減できる光ファイバの紡糸装置およびそれを用いた光ファイバの製造方法を目的とする。
側面を支持するケースと、該ケースに設けられた樹脂供給口と、前記ケース内に設けられた蓋体と、樹脂供給口から流入された溶融樹脂の流路となる溶融樹脂流路と、前記溶融樹脂流路を通過した溶融樹脂を吐出する吐出口が形成されたノズルパックとを有した紡糸ヘッドを備えた光ファイバの紡糸装置であって、
少なくとも前記ケース及び蓋体内に形成された溶融樹脂流路がNi−Mo系合金、Ni−Cr−Mo系合金、Ni−Cr系合金、Ni−Cr−Mo−Fe系合金のうち、いずれか一種以上で形成され、前記ノズルパック内に形成された溶融樹脂流路がSUS316で形成されていることを特徴とする光ファイバの紡糸装置。
前記Ni−Cr−Mo系合金にTaが含まれることが望ましい。
紡糸ヘッド内には温度制御手段が備えられていることが望ましい。
その温度制御手段は溶融樹脂流路内を流れる溶融樹脂に直接接触するように配置されていることが望ましい。
本発明の光ファイバの製造方法は、上記光ファイバの紡糸装置を用いる。
また、これらの溶融樹脂を定速で紡糸ヘッド9に供給する定量ポンプ5、6、7と、POF8を紡糸する紡糸ヘッド9を備えている。さらに、紡糸ヘッド9により紡糸されたPOF8を延伸処理する延伸処理装置10と、延伸されたPOF8を巻き取る巻き取り装置11とを備えている。なお、本実施形態例のPOFの製造装置1の構成要素におけるPOFの紡糸装置12は、押出機2、3、4と、定量ポンプ5、6、7と、紡糸ヘッド9とから概略構成されたものである。
ケース20内には、芯材が流れる溶融樹脂主流路24と、第一の鞘材が流れる溶融樹脂主流路25と、第二の鞘材が流れる溶融樹脂主流路26とが設けられている。さらに、ケース20には、溶融樹脂主流路24から芯材が分岐して流れる溶融樹脂従流路27と、溶融樹脂主流路25から第一の鞘材が分岐して流れる溶融樹脂従流路28と、溶融樹脂主流路26から第二の鞘材が分岐して流れる溶融樹脂従流路29とが設けられている。
ケース20の側面には、溶融樹脂従流路27に流れる芯材の流量を制御するギアポンプ30と、溶融樹脂従流路28に流れる第一の鞘材の流量を制御するギアポンプ31と、溶融樹脂従流路29に流れる第二の鞘材の流量を制御するギアポンプ32とが設けられている。溶融樹脂従流路27、28、29は、これらギアポンプ30、31、32をそれぞれ介して、さらに蓋体33内へと伸び、さらにノズルパック34へと伸びている。
また、紡糸ヘッド9には、溶融樹脂主流路24を流れてきた芯材を排出する溶融樹脂排出口61と、溶融樹脂主流路25を流れてきた第一の鞘材を排出する溶融樹脂排出口62と、溶融樹脂主流路26を流れてきた第二の鞘材を排出する溶融樹脂排出口63とが設けられている。なお、図2では、ノズルパック34内での溶融樹脂従流路27、28、29の分岐および合流は省略し、それらは後述する図3の説明にゆだねる。
蓋体33内に形成された溶融樹脂従流路27、28、29は、さらにノズルパック34内まで伸びており、ここで複数の溶融樹脂分岐流路35、36、37にそれぞれ分岐している。
なお、この実施形態例において、溶融樹脂従流路27、28、29は、それぞれ4つの溶融樹脂分岐流路35、36、37に放射状に分岐しているが、図3では、紙面鉛直方向に分岐した2つの溶融樹脂分岐流路35、36、37は省略し、4つのうち紙面と水平方向に分岐した2つの溶融樹脂分岐流路35、36、37のみ表記している。
それぞれ4つに分岐した溶融樹脂分岐流路35は、放射状に水平方向に伸びた後、それぞれ紡糸ヘッド9の下側に向けて鉛直に屈曲し、図面下側に向けて伸びている。溶融樹脂分岐流路35は、途中で溶融樹脂分岐流路36と合流部38で合流し、さらに溶融樹脂分岐流路37と合流部39で合流した後、ノズルパック34の下端部に設けられた吐出口40へとつながっている。
溶融樹脂分岐流路35、36、37の断面形状は特に限定されないが、加工のしやすさ、および溶融樹脂の流れやすさなどから、円形が好ましい。また、吐出口40の開口形状は、製造するPOF8の断面形状に合わせた形状を有しており、基本的には円形である。
このような構造によって、紡糸ヘッド9は、溶融樹脂供給口21、22、23から供給された溶融樹脂を複数の吐出口40から吐出し、同時に複数の糸状のPOF8を紡糸できるようになっている。
本発明では、紡糸ヘッド9の溶融樹脂流路の少なくとも一部が、Ni−Mo系合金、Ni−Cr−Mo系合金、Ni−Cr系合金、Ni−Cr−Mo−Fe合金系のうち、いずれか一種以上で形成されることを特徴とする。Ni(ニッケル)を含むこれらの合金は、Ni基合金と呼ばれ、ハステロイ(登録商標)という名称で知られている。
なお、MAT−21の公称化学組成は、Crが19質量%、Moが19質量%、Taが1.8質量%、Feが1質量%未満、Cが0.015質量%未満、Siが0.08質量%未満で、残りをNiが占める。
Ni基合金に好ましく含まれるCr、Mo、Feなどの各添加元素の耐蝕性への作用は次のとおりである。まず、Crは、Cr不動態皮膜(CrCOOH)を形成し、これにより酸化性環境での耐蝕性を発揮する。Moは、その高い水素過電圧によって、還元性環境での耐蝕性が向上し、耐局部腐蝕性を発揮する。Feは、主にコストダウンの目的で添加されるが、Cr不動態皮膜の形成を促進する作用があるとも云われている。
紡糸ヘッド9において、溶融樹脂流路が形成されている構成要素は、ケース20、ギアポンプ30、31、32、蓋体33、およびノズルパック34である。本発明では、これらの構成要素全てにNi基合金を用いてもよく、一部にだけ用いてもよい。Ni基合金の加工性を考慮すると、直線流路を主体とした溶融樹脂流路を有する構成要素にNi基合金を用いるのが好ましい。具体的には、ケース20、蓋体33がNi基合金で形成されるのが好ましい。Ni基合金は、機械的強度が高い反面、切削加工性が必ずしもよいわけではない。そこで、直線流路が主体の蓋体33およびケース20であれば、曲線流路を有する他の構成要素と比べて加工がやりやすく、加工コストを低減できる。ノズルパック34もNi基合金で形成されるのが理想的ではあるが、ノズルパック34内の溶融樹脂流路は、分岐および合流が複雑なため、これらの流路を形成するための加工は難しく、加工コストが高くなる。したがって、ノズルパック34はSUS316などを用いるのが、加工コストの点から好ましい。
図6に示すように、紡糸ヘッド9内には、温度制御手段43が備えられていることが好ましい。図6の紡糸ヘッド9において、図3と同じ構成要素に関しては、同じ符号を付して説明を省略する。
温度制御手段43を用いれば、溶融樹脂分岐流路35を流れる芯材を加熱または冷却して温度制御でき、芯材の流動性を制御することができる。すなわち、芯材を加熱すれば、粘度が低下するために流動性が高くなり、冷却すれば、芯材の粘度が上昇するために、流動性が低下する。このように、温度制御手段43を用いて芯材の流動性を制御すれば、吐出口40から吐出される芯材の流量を加減することができる。そして、その加減を厳密に制御することによって、POF8の外径の均一性の向上を図ることができる。温度制御手段43としては、例えば、温度計付のヒータなどを用いることができる。
なお、この実施形態例では、少なくとも温度制御手段43の一部が、溶融樹脂分岐流路内32aに挿通されている。すなわち、温度制御手段43が、溶融樹脂分岐流路35を流れる溶融樹脂に直接接触するように配置されているため、溶融樹脂の温度変化をより早く、かつ高精度に制御できる。
この実施形態例では、芯材が流れる溶融樹脂分岐流路35にのみ温度制御手段43が接するように設けたが、さらには、第一の鞘材、第二の鞘材に対しても温度制御手段43を設けて温度制御できるように構成してもよい。
紡糸ヘッド9により紡糸されたPOF8の外径は、外径測定装置44によって連続的または断続的に測定される。外径測定装置44で測定された外径の測定値は信号化され、外径データ信号線45を介して外径変動制御装置46に送られる。外径変動制御装置46は、測定された外径の結果と、あらかじめ設定された外径目標値とを比較し、その比較結果に基づいた制御信号を、温度制御信号線47を介して温度制御手段43に送る。温度制御手段43は、温度制御信号に応じて、芯材への加熱冷却を行い、芯材の粘度を変化させ、これによりPOF8の外径を変化させる。なお、外径測定装置44としては、例えば、レーザ、LEDなどによって外径を測定する装置を用いることができる。
このようにして、POF8の外径の均一性を高めることができれば、加熱延伸処理後における直径の変動幅も小さく抑えられ、外径の設定値に対する外径変動率が±3%以内のPOF8を製造することができる。ここで、POF8の外径変動率は下式により示される。
直径変動率(%)=((糸長1000mあたりの変動直径/平均直径)−1)×100
温度制御手段43は、例えば図8、9のように、パックケース42内に設けられていてもよい。ここで、図9は図8の実施形態例を下側から見た底面図である。なお、図8、9において、図6と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
図8、9に示す実施形態例の場合、ノズルパック34の中心軸50を中心として、同心円状に4つの吐出口40がノズルパック34の下面に設けられている。同じく、ノズルパック34の中心軸50を中心として、底面カバー41を貫通するように4つの温度制御手段43が同心円状に配置されている。
この実施形態例のように、パックケース42内に温度制御手段43を設ける場合には、ノズルパック34、パックケース42などの温度制御手段43から溶融樹脂分岐流路35との間に存在する構成要素は、良好な伝導性を有する金属材から構成されることが好ましい。
図10の配置例では、中心軸50を中心として、ノズルパック34下面に同心円状に吐出口40が8つ配置され、さらに、中心軸50から各吐出口40に向けて直線を引いたとき、その延長線上の底面カバー41に、温度制御手段43が配置されている。
図11の配置例では、図10で示した温度制御手段43が、中心軸50を中心に22.5度の角度でずらされて配置されている。
図13の配置例では、図12における温度制御手段43が、中心軸50を中心に22.5℃ずらされて配置されている。
図14の配置例では、計16つの温度制御手段43が、互いに隣接する温度制御手段43間の距離が等間隔になるように配置されている。
図12、13、14の配置例は、図10、11の配置例に比べて、温度制御手段43の数が倍なので、吐出口40周辺の温度のムラ(温度斑)を低減できる。吐出口40周辺の温度斑が少ないほど、より外径の均一性の高いPOFを得られる。また、1つの溶融樹脂分岐流路35に対して、温度制御手段43を2つ1セットとして用いれば、個々の温度制御手段43を小型化することもでき、小型化により温度制御手段43のレイアウトの自由度が向上し、かつ、メンテナンスなどの作業性も向上する。さらには、2つ1セットの温度制御手段43のいずれか1つが故障した際にも、残りの1つが稼動していれば、POFの品質低下を最小限に抑えることができる。なお、図12の温度制御手段43と吐出口40との配置関係を採用した紡糸ヘッド9によると、溶融樹脂温度200〜250℃に対して±10℃程度の設定で、芯の中心径を5μm程度可変できる。
ただし、図10の配置例のように、各吐出口40とそれに対応する温度制御手段43が1対1で、かつ、各吐出口40とそれに対応する温度制御手段43との距離が短い場合は、各温度制御手段43に対応する吐出口40の温度制御を、他の吐出口40にできるだけ及ぼすことなく行え、POF8の外径の制御をより精度よく行えるという利点がある。そのため、必ずしも1つの吐出口40に対しての温度制御手段43の本数を増やすことが、POFの外径の均一性の向上に有利であるとは限らない。よって、どの実施形態例を採用するかは、上述した利点などを考慮した上で適宜選択される。
本発明では、図15に示すように、溶融樹脂従流路27、28、29およびノズルパック34が複数セット備えられた紡糸ヘッド60を用いてもよい。紡糸ヘッド60から排出される芯材の溶融樹脂排出流路64には、圧力制御用背圧弁65を備え、紡糸ヘッド60から排出される溶融樹脂の流量を制御してもよい。溶融樹脂排出流路64を流れる芯材の流量を圧力制御用背圧弁65で制御することで、紡糸ヘッド60に供給される芯材の供給量、および複数のギアポンプ30にかかる溶融樹脂の背圧をより細かく制御することができる。図示しないが、鞘材の排出流路に関しても、同様の構成要素が備えられていてもよい。また、溶融樹脂排出流路64の下流には、排出された芯材を回収する回収槽などを設けるのが好ましい。なお、図15では、6つのギアポンプ30を有する紡糸ヘッド9(ノズルパック34を6つ有する)としているが、この数は特に限定されない。図15おいて、図2と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
溶融樹脂主流路24を流れる芯材は、その少なくとも一部が溶融樹脂従流路27に引き込まれ、ギアポンプ30によって流量が制御された上で、ノズルパック34に送り込まれる。このように、複数の溶融樹脂従流路27によって芯材が引き込まれる毎に、溶融樹脂主流路24の芯材の流量は減少するため、後段にあるギアポンプ30にかかる芯材の背圧は、前段のギアポンプ30にかかる背圧に比べて低くなる。このように、前段と後段でのギアポンプ30の背圧に差が生じると、それぞれの溶融樹脂従流路27に引き込まれる芯材の流量に差が生じやすくなる。個々の溶融樹脂従流路27内を流れる芯材の流量に差が生じると、複数のノズルパック34から吐出される複数のPOF8の外径にばらつきが生じやすくなる。
各ギアポンプ30にかかる背圧のばらつきを極力少なくするためには、溶融樹脂主流路24内の断面積を芯材の流れ方向に行くにしたがって細めるような流路を設けることが好ましい。これにより、複数のノズルパック34から得られるPOF8の外径にばらつきが生じにくくなり、外径の均一性の揃ったPOF8を得ることができる。溶融樹脂主流路24内の断面積の細める率は、材料、生産規模などを鑑みて適宜決定される。また、図16では、芯材に関する流路を示したが、鞘材に関しても同様の構成をとることが好ましい。
図8に示すように、紡糸ヘッド9に送り込まれた芯材、第一の鞘材、および第二の鞘材は、溶融樹脂主流路24、25、26から溶融樹脂従流路27、28、29に流れ込み、ギアポンプ30、31、32によって流量を制御された上で、ノズルパック34に送り込まれる。
芯材、第一の鞘材、および第二の鞘材は、ノズルパック34内で、複数の溶融樹脂分岐流路35、36、37に分岐して流れる。そして、溶融樹脂分岐流路35を流れる芯材は、第一の鞘材が流れる溶融樹脂分岐流路36と合流部38で合流し、芯材の周囲を第一の鞘材が覆った状態で2層構造の溶融樹脂となり、吐出口40に向けて流下する。次いで、溶融樹脂分岐流路37を流れる第二の鞘材が合流部39にて合流する。芯材の周囲を第一の鞘材で覆われた溶融樹脂は、さらにその外周に第二の鞘材を有した3層構造の状態となる。そして、この3層構造を有した溶融樹脂が、吐出口40から連続的に吐出されることにより、POF8が紡糸される。
この後、POF8は、図7に示すように、延伸処理装置10による延伸処理などが施されてから、巻き取り装置11によって巻き取られる。
2、3、4 押出機
5、6、7 定量ポンプ
8 POF(光ファイバ)
9、60、80 紡糸ヘッド
12 POFの紡糸装置
20 ケース
21、22、23 溶融樹脂供給口
24、25、26 溶融樹脂主流路
27、28、29 溶融樹脂従流路
30、31、32 ギアポンプ
33 蓋体
34 ノズルパック
35、36、37 溶融樹脂分岐流路
38、39 合流部
40 吐出口
41 底面カバー
42 パックケース
43 温度制御手段
44 外径測定装置
45 外径データ信号線
46 外径変動制御装置
47 温度制御信号線
Claims (5)
- 側面を支持するケースと、該ケースに設けられた樹脂供給口と、前記ケース内に設けられた蓋体と、樹脂供給口から流入された溶融樹脂の流路となる溶融樹脂流路と、前記溶融樹脂流路を通過した溶融樹脂を吐出する吐出口が形成されたノズルパックとを有した紡糸ヘッドを備えた光ファイバの紡糸装置であって、
少なくとも前記ケース及び蓋体内に形成された溶融樹脂流路がNi−Mo系合金、Ni−Cr−Mo系合金、Ni−Cr系合金、Ni−Cr−Mo−Fe系合金のうち、いずれか一種以上で形成され、
前記ノズルパック内に形成された溶融樹脂流路がSUS316で形成されていることを特徴とする光ファイバの紡糸装置。 - 前記Ni−Cr−Mo系合金にTaが含まれることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバの紡糸装置。
- 前記紡糸ヘッド内に温度制御手段が備えられている請求項1又は2に記載の光ファイバの紡糸装置。
- 前記温度制御手段が溶融樹脂流路内を流れる溶融樹脂に直接接触するように配置されている請求項3に記載の光ファイバの紡糸装置。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光ファイバの紡糸装置を用いた光ファイバの製造方法。
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