JPH0151805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は芯−鞘三層構造からなる光伝送性に優
れた光伝送性繊維に関するものである。

従来、光伝送性繊維としては、広い波長にわつ
てすぐれた光伝送性を有する無機ガラス系光学繊
維が知られているが、加工性が悪く、曲げ応力に
弱いばかりでなく高価であることから合成樹脂を
基体とする光伝送性繊維が開発されている。合成
樹脂製の光伝送性繊維は屈折率が大きく、かつ光
の透過性が良好な重合体を芯とし、これよりも屈
折率が小さくかつ透明な重合体を鞘として芯−鞘
構造を有する繊維を製造することによつて得られ
る。光透過性の高い芯成分として有用な重合体と
しては無定形の材料が好ましくポリメタクリル酸
メチル、あるいはポリスチレンが一般に使用され
ている。

このうちポリメタクリル酸メチルは透明性をは
じめとして力学的性質、熱的性質、耐候性等に優
れ、高性能プラスチツク光学繊維の芯材として工
業的に用いられている。

しかしこのポリメタクリル酸メチルの屈折率は
1.48〜1.50と比較的小さく、従つてこの重合体を
芯に用いる場合には鞘成分として特別に屈折率の
小さな重合体を使用する必要がある。屈折率の小
さな重合体としては例えば特公昭43−8978号、特
公昭56−8321号、特公昭56−8322号、特公昭56−
8323号および特開昭53−60243号等に記載されて
いるようなメタクリル酸とフツ素化アルコール類
とからなるエステル類を重合させたもの、および
特公昭53−42260号に記載されているような弗化
ビニリデンとラトラフルオロエチレンの共重合体
からなるものが公知である。

これらの弗素含有重合体はいずれも汎用的なも
のではなく、特殊で非常に高価なものである。そ
の上、鞘成分重合体のもつべき特性、芯成分との
接着性、均一で平滑な芯−鞘界面構造確保のため
の好ましい成形性、摩擦や屈曲に耐える力学的性
能、使用環境、あるいは加工条件に耐え得る耐熱
性、および耐薬品性等については不充分なものが
多い。それどころかこれらの特性を完全に満たし
得る鞘成分用重合体は未だ知られていないのが現
状である。

芯−鞘構造よりなる光伝送性繊維の製造方法と
しては鞘成分の被覆方法からみて次の２つの方法
を挙げることができる。１つは芯−鞘両成分を溶
融状態のもとで特殊ノズルによつて配合しつつ吐
出して芯−鞘構造を付与する方法であり、所謂複
合紡糸方式といわれるものである。他の１つはま
ず芯成分を所定の繊維に賦形したのち、これに適
当な溶剤に溶かした鞘成分を被覆し、脱溶剤して
光伝送性繊維とする所謂コーテイング方式であ
る。

この両者を比較した場合、複合紡糸方式は生産
性が高く、装置の簡略化をもはかることができる
省力、省エネルギープロセスである。さらに広範
囲の太さの光伝送性繊維を製造することができ
る、工程の管理が容易である等の利点をもつてお
り、工業的にきわめて有利な方式であり、この方
式により低コストの高性能繊維の製造が可能であ
る。しかし複合紡糸方式はコーテイング方式に比
較して技術的に、より困難であり、芯−鞘界面の
均一平滑性の確保の面でノズルの設計、重合体の
選定等に高度の技術を必要とする。

本発明者らは従来の複合紡糸方式をさらに改良
し、芯−鞘界面の光反射率を向上し光伝送性を改
良向上させるのみならず、従来の鞘材重合体の力
学的性能、耐熱性、耐薬品性等の種々の短所を補
い、顕在化させない工夫をし、さらに高価な鞘材
用重合体の使用量を大巾に節約し光伝送性繊維の
低コスト化を実現させるために鋭意検討の結果本
発明に到達したものである。

すなわち本発明は芯材層１、鞘材層２および最
外被覆層３からなる三層構造の光伝送性繊維であ
つて、芯材層１と最外被覆層３が同一のメタクリ
ル酸メチル単位を少なくとも70重量％含有する透
明なメタクリル系重合体からなり、鞘材層２が芯
材層１の屈折率より１％以上低い屈折率を有する
実質的に透明な重合体から形成されていることを
特徴とする光伝送繊維にある。

本発明の光伝送性繊維の構造はその横断面図第
１図に示す如く、内部より芯材層１、鞘材層２、
最外被覆層３の三層構造からなつており、芯材層
１中を光が伝送し、鞘材層２によつて光が全反射
され、芯材層１中の光は閉じこめられる。最外被
覆層３は芯材層１と同一の組成からなり鞘材層２
を保護している。

芯材層１として使用されるメタクリル系重合体
は単量体重量％に換算して少なくとも70％がメタ
クリル酸メチルからなる重合体である。30重量％
を超えない範囲で他のビニル単量体を共重合する
ことができるが、メタクリル酸メチルと共重合可
能な単量体として好適なものとしては、例えばア
クリル酸メチル、アクリル酸エチル等を挙げるこ
とができる。これらの共重合単量体はメタクリル
系重合体の加工性、然熱性を良くするものである
が、大量の添加は光伝送性能を低下させる傾向に
あるので前述の範囲、さらに好ましくは10重量％
以下の範囲で共重合させるのが好ましい。

鞘材層２としては、芯成分の屈折率より１％以
上小い屈折率を有する実質的に透明な重合体が使
用されるが、好ましくは芯成分の屈折率より２％
以上小さい屈折率を有するものがよい。例えば特
公昭43−8978号、特公昭56−8321号、特公昭56−
8322号、特公昭56−8323号および特開昭53−
60243号等に開示されているようなメタクリル酸
とフツ素化アルコール類とからなるエステル類を
重合させたものも、賦形条件に合うように適当な
重合度、共重合組成を選べば使用可能である。

これらの鞘材は一般的にガラス転移温度が80℃
以下、ものによつて室温近くと極めて低く、また
脆くて柔軟性に欠け、従来の芯−鞘二層構造の光
伝送性繊維としては実用上の耐熱性、加工性、取
扱性に問題があるものであつた。しかし本発明に
よる三層構造の光伝送性繊維としてこれらの鞘材
を使用すれば弱い鞘材層２が強い最外被覆層３に
保護され、耐熱性が向上し、少々乱暴な取扱いを
しても光伝送性に影響を与えることなくなる。ま
た、例えば特公昭43−8978号あるいは特公昭53−
42260号に記載されているような弗化ビニリデン
系重合体も鞘材層２として使用することができ
る。一般に弗化ビニリデン系ポリマーはアミン物
質と反応して黒変することが知られているが弗化
ビニリデン系ポリマーを従来の芯−鞘二層構造の
鞘材として使用した場合には、例えばイメージガ
イド、センサー等に加工するに際しエポキシ系接
着剤を使用する場合にはこの点を充分留意する必
要がある。本発明の三層構造とすることにより耐
薬品性は改善されエポキシ系接着剤を使用しても
何ら変質しない光伝送性繊維が得られる。また弗
化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重
合体は実験室的には光伝送性繊維の鞘材として製
造することは可能であるがゴム弾性体であり繊維
とした場合粘り付き、実用上不可能なものであつ
た。この点も本発明の三層構造をとることによ
り、実用的にもすぐれた光伝送性繊維とすること
ができる。

最外被覆層３は芯材層１と同一のメタクリル系
重合体である。光伝送性繊維を単に保護するため
には最外被覆層３は芯材層１と同一の組成の重合
体を使用する必然性は全くないが、本発明の高性
能の光伝送性繊維を、鞘ポリマーの欠点を補いつ
つ、工業的に安価に提供することを目的としてお
り、後述する様なノズル口金を使用することによ
り、工業的に単純で合理的なプロセスで安定した
品質の光伝送性繊維を製造することができる。

本発明の三層構造の光伝送性繊維は一対の芯成
分溶融押出機と鞘成分溶融押出機からなる複合紡
糸機によつて製造される。芯成分は溶融押出機で
溶融され、計量ポンプで一定量紡糸ヘツド供給さ
れ、鞘成分も同様にして紡糸ヘツドに供給され
る。紡糸ヘツド内の例えば第３図の様な構造の紡
糸口金で三層構造に賦形され吐出され、冷却固化
の後、巻取られ、場合によつては延伸される。第
３図でＡから鞘材がＢから芯材が入り、Ｃから吐
出される。

ここで光伝送性繊維の低損失化すなわち、芯鞘
の界面の平滑性の確保を計る上で紡糸口金のもつ
役割は非常に大きい。本発明者らは従来の芯−鞘
二層構造のノズルを用い、種々検討を重ねた結
果、鞘成分は紡糸ノズル内で非常に薄い皮膜とな
つて流動し、ノズル壁面との摩擦によつて平滑な
流動を妨げられ、芯鞘界面に微細な凹凸が発生し
やすい。また、ノズルから吐出した時ベーラス効
果と、ノズル開孔部エツジ面の微細な傷、ノズル
面の汚れとの相乗効果により芯鞘の界面に損傷を
与えることをつきとめ、本発明に到達したもので
ある。本発明の三層構造ノズルでは芯材が鞘材で
溶融状態で被覆された後のＬ／Ｄは必要最小限に
することができ、糸斑の抑制に効果をもたらす
Ｌ／Ｄの長い部分は鞘材は直接にノズル壁面に当
らず流動する。また、吐出時の芯鞘界面の乱れも
最外層の部分が凹凸を緩和吸収し、芯鞘界面の平
滑性が保たれる。

本発明の三層構造をとることにより、工業的大
量生産型プラスチツク光伝送性繊維の伝送損失の
大幅な低減化を実現しうるのである。

本発明の三層構造光伝送性繊維の芯材層１、鞘
材層２、最外被覆層３の構成比厚さ及び太さは光
伝送性繊維の使用目的に応じて自由に設定され
る。例えば第３図の紡糸口金では芯材層１と最外
被覆層３の割合は分配器のオリフイスの管径、管
長を変えることによりコントロールすることがで
きる。

第２図は紡糸口金に供給される溶融状態の芯ポ
リマーがあらかじめ芯用と最外被覆用に分配され
ている場合の紡糸口金の一例を示す断面図であ
る。鞘材の供給口Ａ、芯材の供給口B₁，B₂より
ポリマーが供給され吐出孔Ｃより取出される。芯
材ポリマーの芯材層用B₁と最外被覆層用B₂への
配分量比は別々のギヤポンプあるいはダブルギヤ
ポンプ等で計量され、設定することが可能であ
る。

現在工業的に製造されているメチルメタクリレ
ート系重合体を芯材としたプラスチツク光学繊維
の鞘材の厚さは、10〜20μm程度と鞘材ポリマー
が高価である上、力学的性質、耐熱性加工性等の
限界から厚く被覆せざる得ないため鞘ポリマーの
原単位が大きく、コスト高になつている。

本発明の三層構造光伝送性繊維においては最外
被覆層３が鞘材の種々の弱点をカバーするため現
行品よりも鞘成分を薄く設定することができ、コ
スト低減が可能となる。

以下実施例により、本発明を詳細に説明する。

なお実施例中の部は重量部を示す。

実施例において光伝送性能の評価は次の方法で
行なつた。

※ 光伝送損失の評価 得られた光伝送性繊維の伝送損失は第４図に示
す装置によつて測定した。

安定化電源１０１によつて駆動されるハロゲン
ランプ１０２から出た光はレンズ１０３によつて
平行光線にされた後、干渉フイルター１０４によ
つて単色化され、光伝送繊維１００と等しい開口
数を持つレンズ１０５の焦点に集められる。この
焦点に光伝送性繊維の入射端面１０６が位置する
よう調節して光伝送性繊維１００に光を入射させ
る。入射端面１０６から入射した光は減衰して出
射端面１０７から出射する。この出射光は十分に
広い面積のフオトダイオード１０８によつて電流
に変換され、電流−電圧変換型の増幅器１０９に
よつて増幅された後、電圧計１１０により、電圧
値として読み取られる。

伝送損失の測定は次の手順により行なう。まず
光伝送繊維１００をloの長さになるように、両端
面を繊維軸に直角に切断し、平滑な面に仕上げ、
前記の装置に入射端面１０６および出射端面１０
７が測定中動かないように装着する。暗室にして
電圧計の指示値を読取る。この電圧値をI₁とす
る。次に、室内灯を点灯し、出射端面１０７を装
置からはずし、この端面から長さｌの点１１１で
光伝送繊維１００を切り取る。そして、装置に装
着されている方の光学繊維の端面を最初と同じよ
うに繊維軸に直角な面に仕上げ、これを新しい出
射端面として装置に装着する。これらの作業中、
入射光量を一定に保つため、入射端面１０６は動
かないように注意する。再び暗室にして、電圧計
の指示値を読み取り、これをI₂とする。光伝送損
失αは次式により計算する。

α＝10／ｌlog（I₂／I₁）（dB／km） こゝで ｌ：光学繊維の長さ（km） I₁，I₂：光量（電圧計読取値） なお、本発明での測定条件は次の通りである。

干渉フイルター（主波長）：646nm lo（光学繊維の全長さ）： 15m ｌ（ 〃 の切断長さ）： 10m Ｄ（ボビンの直径）：190mm こゝでボビンは装置をコンパクトにするために
使用し、入射端面１０６と出射端面１０７間の距
離が1m程度になるようにして、残余の光学繊維
をボビン（図示せず）に巻いておく。

実施例 １ スパイラルリボン型撹拌機をそなえた反応槽と
２軸スクリユーベント型押機からなる揮発物分離
装置を使用して連続塊状重合法によりメタクリル
酸メチル100部、ｔ−ブチルメルカプタン0.40部、
ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド0.0017部からなる
単量体混合物を重合温度155℃、平均滞在時間4.0
時間で反応させ、次いでベント押出機の温度をベ
ント部240℃、押出部230℃、ベント部真空度４mm
Hgとして揮発部を分離後230℃に保たれたギヤポ
ンプ部を経て230℃の芯鞘複合紡糸頭に供給した。

一方メタクリル酸クロライドと２，２，２−ト
リフルオロエタノールとから製造したメタクリル
酸２，２，２−トリフルオロエチルをアゾビスイ
ソブチロニトリルを触媒として少量のｎ−オクチ
ルメルカプタンの存在下で重合し、屈折率1.413
の鞘成分重合体を得た。この鞘成分重合体を200
℃に設定されたスクリユー溶融押出機でギヤポン
プを経て230℃の芯鞘複合紡糸頭に供給した。

同時に供給された芯と鞘の溶融ポリマーは第３
図に示した紡糸口金（ノズル口径３mmφ）を用
い、230℃で吐出され、冷却固化の後、３mm／
minの速度で引き取り、さらに連続して非接触式
の熱風延伸炉にて160℃で1.8倍に延伸して巻取
り、芯材部径884μm鞘材部厚さ8μm、最外被覆層
厚さ50μmからなる外径約１mmの三層構造の光伝
送性繊維を得た。顕微鏡による観察では芯材層・
鞘材層・最外被覆層は同心円に配置した真円であ
り、気泡や異物の存在は認められなかつた。

この光伝送性繊維の光伝送損失は199dB／km
と極めて優れたものであつた。

比較例 １ 実施例１においてノズル口金を通常の芯鞘二層
型の口金を使用する以外は実施例１と全く同様に
して芯−鞘二層型光伝送性繊維を得た。芯材部径
986μm、鞘材厚さ7μm、であり、光伝送損失は
250dB／kmであつた。

実施例 ２ 実施例１で得られた三層構造光伝送性繊維と比
較例１で得られた、二層構造光伝送性繊維に全く
同一条件でクロスヘツド型ケーブル加工機を用い
カーボンブラツク入りポリエチレンを溶融被覆加
工した。被覆ポリエチレンの吐出温度が135℃で
加工速度50m／minでは両者共伝送損失の劣化は
認められなかつたが、145℃にすると比較例１の
光伝送性繊維は伝送損失は350dB／kmに低下し、
155℃では全く光は透過しなくなつた。しかし本
発明の実施例１の三層構造光伝送性繊維は全く変
化せずそれに加えて155℃で加工速度が300m／
minに上昇しても、安定な工程通過性を示し、伝
送損失も全く変化しなかつた。

実施例 ３ 実施例１において鞘ポリマーを弗化ビニリデン
とテトラフロロエチレンの80モル％−20モル％の
共重合体に変えた以外は実施例１と同様にして三
層構造光伝送性繊維を得た。得られた繊維の伝送
損失は230dB／kmであつた。

さらに比較例１において鞘ポリマーを弗化ビニ
リデンとテトラフルオロエチレンの80モル％−20
モル％の共重合体にする以外は比較例１と同様に
して二層構造光伝送性繊維を得た。得られた繊維
の伝送損失は290dB／kmであつた。

これら両者の光伝送性繊維を使用して反射型光
センサーを作成し、端面の加工にエポキシ樹脂系
接着剤（アラルダイト−スタンダード）を用い60
℃で２時間熱処理して、接着剤を硬化させた後、
端面を研磨して仕上げた。

三層構造光伝送性繊維を用いたものは応答が非
常にシヤープな高性能反射型光センサーとなつた
のに比較して二層構造光伝送性繊維を用いたもの
は接着剤が付着した部分が黒褐色に変化し、端面
を研磨しても光量が著しく少なく出射光の角度分
布が極めて狭くなつており反射型光センサーとし
ては全く使用できないものであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の三層構造からなる光伝送性繊
維の横断面図、第２図、第３図は三層構造光伝送
性繊維製造用の紡糸口金の構造の一例を示す断面
図、第４図は光伝送性繊維の伝送損失を測定する
装置の概略図、 図において１：芯材層、２：鞘材層、３：最外
被覆層、Ａ：鞘材供給口、Ｂ，B₁，B₂：芯材供
給口、１００：光伝送性繊維、１０２：ハロゲン
ランプ、１０４：干渉フイルター、１０６：入射
端面、１０７：出射端面、１０８：フオトダイオ
ード、１０９：増幅器、１１０：電圧計である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 芯材層１、鞘材層２および最外被覆層３から
   なる三層構造の光伝送性繊維であつて、芯材層１
   と最外被覆層３が同一のメタクリル酸メチル単位
   を少なくとも70重量％含有する透明なメタクリル
   系重合体からなり、鞘材層２が芯材層１の屈折率
   より１％以上低い屈折率を有する実質的に透明な
   重合体から形成されていることを特徴とする光伝
   送性繊維。