JPH0782130B2 - プラスチック光ファイバ−の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は機械的強度、特に耐屈曲性、透光性および寸法
安定性に優れ、かつ線径変動の小さい高品位なプラスチ
ック光ファイバーの製造方法に関する。

［従来の技術］ 通信技術分野の技術革新の中核をなす光学繊維の発展
は、ガラス系光学繊維をベースとして著しいものがあ
り、コスト並びに加工性の重要視される短距離伝送分野
においては有機系光学繊維の活用が注目されている。

有機系光学繊維、すなわちプラスチック光ファイバー
は、ガラス系光学繊維に比較して透光性には劣るが、安
価で、取り扱い性に優れているために、短距離伝送用と
して広く利用されようとしている。

しかしながら、このプラスチック光ファイバーは、通
常、一般的な合成繊維の製造法である溶融紡糸法を適用
して製造されるが、通常の合成繊維とは異なり、使用す
る重合体が結晶性を有しないこと、光学繊維特性の上か
ら使用する重合体の純度が極度に高純度であり、繊維製
造工程での異物や不純物の混入を完全に防止する必要が
あり、加えて複合される芯および鞘両成分間界面に不整
がないことなど極めてシビアな製造プロセスおよび条件
を採用されねばならないという工業的実施に際しての技
術的困難性がある。

このような技術的困難性の中でも、該プラスチック光フ
ァイバーの機械的性質、特に耐屈曲性および可撓性を改
良するために、溶融紡糸された未延伸繊維を加熱延伸
し、繊維軸方向に高分子鎖を配向させることが必要であ
る。ところが、この加熱延伸工程では、後述するよう
に、プラスチック光ファイバーを構成する芯成分と鞘成
分との界面不整や界面剥離が生じたり、加熱の不均一に
よる糸斑が生じたりする。このため得られるプラスチッ
ク光ファイバーの透光損失を低下させたり、線径変動を
小さくするといった問題の解決が極めて重要である。

［発明が解決しようとする問題点］ かかる延伸工程において、加熱ロールや加熱板などのよ
うな従来の加熱方式では、延伸過程の擦過によって鞘成
分が損傷、脱落を生じ易い。この結果として透光性およ
び機械的強度を低下させるので、接触加熱延伸ではなく
て、非接触加熱延伸、たとえば加熱空気や窒素などの加
熱雰囲気中で間接的に繊維を加熱しながら延伸する手段
が採用されている。

しかるに、この非接触加熱延伸の場合は、繊維の均一加
熱が困難となり易く、不均一な状態で延伸による変形を
受けると界面不整を生じ、プラスチック光ファイバーの
透光性を低下させ、かつ延伸も不安定になって線径変動
を十分に小さくできないという問題があった。

本発明の目的は、機械的強度、特に耐屈曲性、透光性お
よび寸法安定性に優れ、線径変動の小さい高品位なプラ
スチック光ファイバーが得られる方法を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するため、本発明は、プラスチック光フ
ァイバーを非接触下で加熱延伸するに際して、加熱気流
を光ファイバの走行方向に対して向流となるように加熱
延伸帯域に導入すること、及び、下記式で示される条件
下において延伸するプラスチック光ファイバーの製造方
法からなる。

ただし、A:延伸ファイバーの断面積（mm²） V₁:加熱延伸帯域へのプラスチック光ファイバーの供給
ローラー速度（m/秒）、 V₂:加熱延伸帯域からのプラスチック光ファイバーの引
出ローラー速度（m/秒）、 L:加熱延伸帯域の長さ（ｍ） 本発明の非接触加熱延伸において、未延伸プラスチック
光ファイバーを加熱延伸する帯域へ供給するローラー速
度をV₁（m/秒）、延伸されたプラスチック光ファイバー
を加熱延伸帯域から引出すローラー速度をV₂（m/秒）と
するとき、加熱延伸帯域中でのファイバーの平均速度と
して相加平均である（V₁＋V₂）/2を用いることができ
る。したがって長さＬ（ｍ）の加熱延伸帯域を走行する
ときのファイバーの平均通過時間Ｔ（秒）は、Ｔ＝2L/
（V₁＋V₂）で表わされる。該加熱延伸帯域を走行するフ
ァイバーの平均通過時間として好ましい範囲を種々の線
径を有するプラスチック光ファイバーについて鋭意検討
したところ、延伸されたプラスチック光ファイバーの断
面積をＡ（mm²）とするとき、第４図に示した通り、 の斜線の範囲にある場合は、透光性や耐屈曲性の良好な
線径変動も小さい高品位なプラスチック光ファイバーが
得られることを見出し、本発明に到達したものである。

すなわち、 では、ファイバーの加熱が不十分で、変形を受けるファ
イバーの粘度が高かったり、または、ファイバーの単位
長さあたりの変型速度が高まったりするために、変形応
力が大きくなり、高張力延伸となる結果、大きな歪が生
じ易くなり、不均一延伸を起しやすい。特に、一般的な
溶融紡糸においては、融液輸送時の計量手段としてギア
ポンプが用いられるため、その回転変動やギアーの刃ご
とのクリアランス変動に基く線径変動や口金孔から吐出
される際の吐出孔導入部でのメルトフラクチャーや、吐
出孔内壁でのスティック−スリップによるメルトフラク
チャー等に基く線径変動を未延伸プラスチック光ファイ
バーは有している。このため、上記のような高張力延伸
作用を受けると、未延伸プラスチック光ファイバーの細
径部分に先ず応力集中する。次いで太径部分に応力伝搬
していくために、延伸プラスチック光ファイバーは線径
変動が増幅され、平均線径が延伸により細くなったにも
かかわらず未延伸プラスチック光ファイバーの有してい
た線径変動の数倍以上、極端な場合は10倍以上にも達し
てしまう。線径変動の目標は中心線径に対して±２％以
下である。あるいは、一般的にプラスチック光ファイバ
ーを構成する芯成分重合体と鞘成分重合体とは異種の重
合体を用いる。特に、鞘成分重合体としては低屈折率で
あることが要求されるので、フッ素含有重合体がよく用
いられるために、 では、均一に加熱されなかったり、加熱が不十分なまま
延伸による変形を受けると界面不整を生じ、プラスチッ
ク光ファイバーの透光性を低下させてしまう。また では、収縮率も大きく、寸法安定性の悪いプラスチック
光ファイバーしか得られない。

一方、 では、加熱過多となり延伸による分子鎖の配向度が低く
なるために耐屈曲性等の機械的強度が弱いファイバーし
か得られなく、延伸操作上からも問題である。

次に、第１図に本発明の非接触加熱延伸の代表例を示
す。

第１図に沿ってさらに本発明を説明する。未延伸プラス
チック光ファイバーを加熱延伸する帯域（以下、加熱延
伸帯域（６）という）の出口付近で、光ファイバーの周
囲から、加熱気流（13）をあてると共に、光ファイバー
の走行方向に対する加熱気流の流れが向流となるように
加熱気流を導入部（９）から加熱延伸帯域内に導入す
る。このような加熱流体の加熱延伸帯域への導入および
光ファイバーと加熱流体との向流接触によって、光ファ
イバーの延伸による細化完了点を加熱延伸帯域の出口部
分の加熱気流出口付近に固定するとともに、加熱延伸帯
域を短くすることが可能になるのである。

ここで、延伸による細化完了点とは、必ずしもポリエス
テル繊維などで見られるようなネッキング部分ではな
い。この点を第２図に基いて説明する。すなわち、第２
図ではプラスチック光ファイバーの延伸による細化完了
点を示す側面図であるが、図に示したように、設定繊維
径（D₁）の未延伸プラスチック光ファイバーが点（P₁）
から細化を開始し、延伸プラスチック光ファイバーの目
標繊維径（D₃）の103％に細化された繊維径（D₂）の点
（P₂）を延伸による細化完了点とするものである。100
％としないのは線径変動による誤差を考慮したためであ
る。

ここで、Ｐは、加熱延伸帯域出口部分における加熱気流
出口から延伸による細化完了点までの距離（cm）である
が、式|P|≦10（cm）となるように条件設定して延伸す
ることが好ましい。ここでいう延伸による細化完了点の
測定法の１例としては、延伸中のプラスチック光ファイ
バーを加熱延伸帯域の入口と延伸ロールの直前で同時に
把持しつつ切断し、実質的に引張や収縮を与えないで加
熱延伸帯域からすばやく取除き１〜5cm間隔にマーキン
グし、マイクロメーター等でその繊維径変化、つまり細
化プロフィールを調べる方法があり、このような方法に
よって、前述した定義に基づいた延伸点を求めることが
できる。また、Ｐの値の正負については、次のように定
義することができる。

すなわち、該延伸帯域出口部分の加熱気流出口の位置が
Ｐ＝０であり、延伸による細化完了点が延伸帯域内方向
にある場合は、Ｐの値はマイナス（−）値、延伸による
細化完了点が延伸帯域出口から外の方向にある場合はＰ
の値はプラス（＋）値で表すことができ、Ｐ値が−10≦
Ｐ≦＋10の範囲内にある時に、繊維直径の変動が小さく
て、界面不整などに起因する透光損失の少ない耐屈曲性
などの機械的性質に優れた高品位なプラスチック光ファ
イバーを得ることができるのである。

Ｐ値が−10cmよりも小、つまり、延伸帯域の内部側に延
伸による細化完了点がある場合は、光ファイバーの耐屈
曲性の改良の点から好ましくない。また、Ｐ値が＋10cm
よりも大、すなわち、延伸帯域出口からかなり離れた領
域に延伸による細化完了点がある場合は、繊維直径の変
動の抑制、品位の改良の点から好ましくない。

このような非接触加熱延伸において、延伸帯域出口付近
に光ファイバーの延伸による細化完了点を固定する上で
望ましいことは、延伸帯域出口に加熱流体の吹き込み、
他方、吹き込まれた加熱流体を延伸大意入口付近から、
例えばエゼクターなどを用いて積極的に排出し、延伸帯
域を流れる加熱流体の流れを安定化することである。こ
のような加熱流体の導入および排出手段を適用すること
によって延伸帯域を走行する光ファイバー表面の伝熱境
膜を常時更新することができ、細化完了点を固定できる
ために均一な延伸が可能となり、また、熱効率が高くな
るるために加熱延伸帯域を短くすることが可能となる。
なお、熱効率を高め、熱エネルギーを再利用する点か
ら、一般的には排気加熱流体は循環使用することが望ま
しい。

また、プラスチック光ファイバーを構成する芯成分重合
体のガラス転移点をTgとするとき、非接触加熱延伸温度
をθ（℃）として、Tg−10≦θ≦Tg＋80の範囲内の温度
下に非接触延伸することが好ましい。ここで、θとして
Tg−10以上としたのは、延伸張力下ではDSC等で10℃／
分ずつ昇温して静的に測定した場合よりもガラス転移点
は低下することが一般的に知られており、実際の非接触
加熱延伸においても、線径変動もさほど大きくなく、透
光性もほとんど悪化しないことから採用できる。それ未
満では、延伸張力が高まり、線径変動が大きくなった
り、透光性の悪化が生じる。

一方、Tg＋80（℃）を越える場合では変形応力が低いた
めに分子鎖配向が不十分となり、耐屈曲性等の機械的性
質が劣る。

次に、延伸された光ファイバーに寸法安定性及び均一性
を付与するために、第１図に示すように、加熱延伸帯域
（６）と分離した熱処理帯域（６′）を設けることが好
ましい。この熱処理帯域（６′）では、非接触加熱延伸
温度範囲内から選定した温度下で、非接触定長熱処理を
施すことが好ましい。

即ち、上記非接触定長熱処理によって、得られる延伸光
ファイバーの収縮率をかなりの程度まで減少させ、寸法
安定性を向上させることができる。この寸法安定性付与
のための熱処理に際しても、非接触加熱延伸手段と同様
に、加熱流体が循環する加熱帯域内に光ファイバーを通
過させて定長下に熱処理し、目的とする光ファイバーの
最高使用温度の乾熱下で24時間の熱処理した後の光ファ
イバーの収縮率が２％以下、好ましくは１％以下になる
ように熱処理を施すのがよい。

本発明の光ファイバーを構成する芯成分重合体として
は、特に限定されるものではなく、各種の優れた光透過
性を有するもの、例えば、メチルメタクリレートを主成
分とする単独重合体または共重合体やポリカーボネー
ト、ボルニル系単独重合体または共重合体、スチレンや
マレイミドを主成分とする単独重合体または共重合体な
どを挙げることができるし、同様に鞘成分を構成する重
合体としては、含弗素メタクリレート系重合体や弗化ビ
ニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体、含弗
素オレフィン系共重合体などを例示することができる。

また、これらの芯，鞘両重合体成分の組み合わせの例と
しては、両者に屈折率差があることは当然であるが、複
合紡糸を行なう点から、両重合体成分の融点はできるだ
け近いことが望ましい。

以下に、本発明の非接触加熱延伸−熱処理方法の一例を
図面に基いて具体的に説明する。

第１図は、本発明に使用する光ファイバーの延伸−熱処
理方法の一例を示す断面図である。図において、１はプ
ラスチック光ファイバー、２は紡糸口金、３は冷却チム
ニー、４は未延伸プラスチック光ファイバーの引取ロー
ラーであり、かつ、延伸帯域への供給ローラーも兼ねて
いる。このローラー速度がV₁（m/秒）である。５は除電
装置、６はブロックヒーターを装備する延伸帯域、６′
は熱処理帯域、７、７′は加熱流体循環用ファン、８、
８′は流体加熱用ヒーター、９、９′は、加熱流体導入
部、10は延伸ローラー、つまり延伸されたプラスチック
光ファイバーを延伸帯域から引出すローラーであり、こ
の速度がV₂（m/秒）である。11は巻取り部、13は加熱気
流を示す。

このように加熱帯域の中空部、すなわち糸通路内を向流
で循環させた場合は、糸通路内の温度が均一になり、上
述した通り光ファイバー表面の伝熱境膜を常時更新する
ことができるから、熱伝達が良好であり、そのためにヒ
ーター長の短尺化を図ることが可能になる。ブロックヒ
ーター加熱だけでは温度が不均一になり、上記効果を期
待できない。

第１図において、複合紡糸口金２ら吐出され冷却された
未延伸プラスチック光ファイバー１を徐電しつつ速度V₁
（m/秒）で延伸帯域６に導き、光ファイバー１の走行方
向に対向して９から加熱気流を吹込み、後方の速度V
₂（m/秒）の延伸ロールの牽引力によって所定の倍率に
延伸を行ない、引続き徐電した後、同様の装置で非接触
定長熱処理を行ない、十分に冷却した後に巻取られる。

第２図は延伸による細化完了点を示す図であり、前述の
通りである。

第３図は、本発明の製造方法を採用した場合の光ファイ
バーの延伸変形による細化プロフィルを示したものであ
り、ファイバーの断面積Ａ（mm²）と延伸加熱帯域の長
さＬ（ｍ）およびローラー速度条件、つまり を満足するように選び、さらに−10≦Ｐ≦10の範囲で延
伸による細化完了点を前記の如く考慮すると、一層均一
な光ファイバーが得られる。その場合は中央のBCのよう
に冷却域における光ファイバーのプロフィルも乱れず、
線径変動が小さく、目的とする透光性や耐屈曲性を付与
することができる。なおＡは加熱過多による場合であ
り、機械的性質が劣る。またＤの場合は加熱不足で線径
変動の大きなものになってしまう。

第４図は光ファイバーの断面積Ａ（mm²）を横軸にと
り、延伸帯域の平均通過時間を表す を縦軸にとった場合に、本発明の目的を満足する延伸条
件の領域を斜線で図示したものである。

以下、実施例に基き、本発明をさらに具体的に説明す
る。

［実施例］ なお、実施例において、透光性はタングステン−ハロゲ
ンランプを光源として使用し、回折格子分光器を用いて
波長特性を求めることによって確認した。通常は波長65
0nmでの値を用い、目標として、線径250ミクロンでは30
0dB/km以下、500ミクロン以上では180bB/km以下である
ことが好ましい。

実施例１〜13,比較例１〜10 市販のメチルメタクリレートを充分に精製した後、重合
槽に送液し、開始剤および連鎖移動剤を添加して連続塊
状ラジカル重合を行ない、脱モノマ工程に導き、重量平
均分子量84000,残存モノマ含有率0.11重量％のポリメチ
ルメタクリレート作成し、溶融複合紡糸部の芯側へ供給
した。DSC法で10℃／分ずつ昇温して測定したTgは118℃
であった。

他方、市販のビニリデンフルオライド−テトラフルオロ
エチレン系共重合体（80/20モル比）を前記複合紡糸部
の鞘側に供給し、紡糸温度240℃，冷却風速0.4m/秒で複
合紡糸した。この際に、線径ごとに芯側と鞘側の吐出量
を調整し、鞘部分の厚さとして、線径250ミクロンの場
合は５ミクロン,1000ミクロンおよび2000ミクロンの場
合は10ミクロンにした。このようにして得られた未延伸
プラスチック光ファイバーを連続して、第１図に示した
非接触加熱延伸−非接触定長熱処理装置へ導き、第１表
に示す条件下に延伸、定長熱処理を行なった。

延伸帯域中の光ファイバーを延伸帯域の入口と出口で把
持すると同時に両方で切断し、実質的に引張や収縮を与
えないで延伸帯域からすばやく取除き、延伸帯域におけ
る繊維径の変化をマイクロメーターで測定し、前述の定
義に基づいて延伸による細化完了点を求めた。

また、アンリツ製レーザー外径測定器により線径の変動
幅を求め、前述の方法で透光損失を測定した。さらに対
向する10mm径の丸棒を30mmの間隔で設置し、その間に光
ファイバーを張力下にＳ字状にかけて交互に連続的に屈
曲を与えて耐屈曲性を測定した。また、80℃の乾熱オー
ブン中で24時間無拘束下に処理し、処理前後の長さの変
化割合から収縮率を求めた。これらの結果を第２表にま
とめた。

本発明で測定する範囲内で延伸したプラスチック光ファ
イバーの特性は、すべて満足できるものであり、耐屈曲
性に優れた高品位なファイバーを得ることができた。

［発明の効果］ 本発明に基づいて製造したプラスチック光ファイバー
は、線径変動が小さく、機械物性、特に耐屈曲性に優
れ、長手方向に亘って均一で品位が高く、透光性や寸法
安定性も良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用する光ファイバーの延伸−熱処
理方法の一例を示す断面図である。 第２図はプラスチック光ファイバーの延伸による細化完
了点を示す側面図である。 第３図は本発明の製造方法を採用した場合の光ファイバ
ーの延伸による細化プロフィールを示す説明図である。 第４図は光ファイバーの断面積Ａ（mm²）を横軸にと
り、延伸帯域の平均通過時間を表す を縦軸にとった場合に、本発明の目的を満足する延伸条
件の領域を図示した関係図である。 1:プラスチック光ファイバー 2:紡糸口金 3:冷却チムニー 4:未延伸プラスチック光ファイバーの引取ローラー、か
つ延伸帯域への供給ローラー 5:除電装置 6:ブロックヒーターを装備する加熱延伸帯域 ６′：ブロックヒーターを装備する熱処理帯域 ７、７′：加熱流体循環用ファン ８、８′：流体加熱用ヒーター ９、９′：加熱流体導入部 10:延伸ローラー 11:熱処理ローラー 12:巻取部 13:加熱気流

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラスチック光ファイバーを非接触下で加
   熱延伸するに際して、加熱気流を光ファイバの走行方向
   に対して向流となるように加熱延伸帯域に導入するこ
   と、及び、下記式で示される条件下において延伸するこ
   とを特徴とするプラスチック光ファイバーの製造方法 ただし、A:延伸ファイバーの目標断面積（mm²） V₁:加熱延伸帯域へのプラスチック光ファイバーの供給
   ローラー速度（m/秒）、 V₂:加熱延伸帯域からのプラスチック光ファイバーの引
   出ローラー速度（m/秒）、 L:加熱延伸帯域の長さ（ｍ）