JP4191366B2

JP4191366B2 - 耐熱プラスチック光ファイバケーブル

Info

Publication number: JP4191366B2
Application number: JP2000142864A
Authority: JP
Inventors: 真一豊島
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001324626A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は自動車内ケーブル、家庭内ケーブル、工場配線、光電センサ用ケーブルとして利用できる、耐熱性に優れたプラスチック光ファイバ及びケーブルを提供する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信分野において様々なプラスチック光ファイバの開発が行われている。例えば、特公昭６３−６７１６４号公報には、ビニリデンフロライド単独重合体、或いはビニリデンフロライドを主成分とする共重合体とポリメチルメタクリレート系共重合体とからなる樹脂組成物を用いて鞘層を構成したプラスチック光ファイバが開示されている。また、本発明者は、ビニリデンフロライドを主成分とする共重合体とメチルメタクリレートを主成分とする樹脂からなる樹脂組成物を用いて第１層目の鞘層を形成し、第２層目の鞘層を該第１層目の鞘層を構成する樹脂組成物より屈折率の低いビニリデンフロライドを主成分とする樹脂を用いて形成したプラスチック光ファイバを先に特開平９−２４３８３６号に提案した。さらに、本発明者は、第２鞘層を構成する樹脂として、ビニリデンフロライド成分３０〜９２モル％、テトラフロロエチレン成分０〜５５モル％、ヘキサフロロプロペン成分８〜２５モル％からなり、屈折率が１．３５〜１．３８である樹脂を用いることを特開平１１−１０１９１５号に提案した。また、被覆材がナイロン１２であることも同公報に提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、プラスチック光ファイバの高速化が進み、それに伴うＬＥＤの発熱の問題から、１００〜１０５℃程度の高温条件で長期間の使用に耐えるプラスチック光ファイバが要求されてきた。合わせて、プラスチック光ファイバの端末の処理方法においても、従来はファイバの先端部を熱板に押し当てて膨大化せしめ、ファイバがコネクターのフェルールから引っ込む現象を防いでいたが、近年では、当該処理が省略されるようになった。そのため、ファイバが使用中熱によって縮み被覆の中に入り込む（以下、「ピストニング」と呼ぶ）程度を極端に小さくする必要が出てきた。ピストニングが大きい場合、ＬＥＤとファイバ、ファイバとファイバ、ファイバとＰＤなどの結合時の光ロスが大きくなるという不都合が生じるからである。ファイバの縮みやピストニングを小さくするにはファイバの延伸配向をとってやれば良いが、その結果、ファイバは機械的に非常に脆いものとなり実用的ではない。
【０００４】
本発明の課題は、１００〜１０５℃の高温に長時間放置してもピストニングが小さく、且つ機械的強度も十分な耐熱プラスチック光ファイバケーブル及びこれに用いるファイバを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一は、耐熱プラスチック光ファイバを裸線として、その周囲にナイロン１２を被覆してなるプラスチック光ファイバケーブルであって、耐熱プラスチック光ファイバが、芯の周囲に第１鞘層を形成し、さらに該第１鞘層の周囲に第２鞘層を形成してなる耐熱プラスチック光ファイバであって、上記芯が、モノマー成分としてメチルメタクリレートを９０重量％以上含有するポリメチルメタクリレート系樹脂からなり、第１鞘層が、モノマー成分としてビニリデンフロライドを９５モル％以上含有するビニリデンフロライド系樹脂６０〜９０重量％と、ポリメチルメタクリレート系樹脂１０〜４０重量％を混合してなり、ナトリウムＤ線での屈折率が１．４３〜１．４５、融点が１４０〜１８０℃である樹脂組成物からなり、第２鞘層が、ビニリデンフロライド成分２５〜５０モル％、ヘキサフロロプロペン成分１０〜１５モル％、テトラフロロエチレン成分３８〜６４モル％からなり、ナトリウムＤ線での屈折率が１．３４〜１．３７、融点が１４０〜１８０℃である共重合体からなる裸線であり、ナイロン１２被覆層の厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍであり、該ケーブル５０ｃｍを１０５℃の環境下に５００時間放置した時の端部における裸線とナイロン１２被覆層との位置ずれが０．０６ｍｍ以下であり、−２０℃で曲げ半径５ｍｍで±９０°に屈曲させた際の耐屈曲性が１０００回以上であることを特徴とする耐熱プラスチック光ファイバケーブルである。
【０００６】
また、本発明のケーブルは、裸線をナイロン１２で被覆した後、１１０〜１２０℃に１時間以上放置してなることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のプラスチック光ファイバは、芯と、該芯の周囲に形成した第１鞘層と、該第１鞘層の周囲に形成した第２鞘層とからなる裸線であり、本発明のプラスチック光ファイバケーブルは該裸線にナイロン１２を被覆してなる。
【０００８】
本発明のプラスチック光ファイバの芯は、芯樹脂として、モノマー成分としてメチルメタクリレート（ＭＭＡ）を９０重量％以上含有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）系樹脂を用いてなる。かかるＰＭＭＡ系樹脂には、ＭＭＡ以外のモノマー成分として、他のアクリル酸エステルやメタクリル酸エステル、或いはアクリル酸、メタクリル酸等の他の共重合可能なモノマーを含有することができる。
【０００９】
また、本発明のプラスチック光ファイバの第１鞘層を形成する第１鞘樹脂としては、モノマー成分としてビニリデンフロライドを９５モル％以上含有するビニリデンフロライド系樹脂６０〜９０重量％と、ＰＭＭＡ系樹脂１０〜４０重量％を混合してなる樹脂組成物が用いられる。ビニリデンフロライド系樹脂には、ビニリデンフロライド以外のモノマー成分として、テトラフロロエチレン、トリフロロエチレン、ヘキサフロロプロペン、ヘキサフロロアセトンなどを用いることができる。中でも、当該ビニリデンフロライド系樹脂がＰＭＭＡ系樹脂と混合して樹脂組成物とした時、透明性が高く且つ高温湿熱下でも白濁しないという特徴から、ビニリデンフロライドの成分が高い方が好ましく、特に単独重合体が好ましい。
【００１０】
また、該ビニリデンフロライド系樹脂と混合されるＰＭＭＡ系樹脂としては、ＭＭＡ単独重合体（ＰＭＭＡ）の他、ＭＭＡと他の共重合可能なモノマー、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレートなどのアクリレート類、エチルメタクリレート、イソプロピルマレイミド等マレイミド類などとの共重合体が挙げられる。尚、共重合体を用いる場合には、モノマー成分としてＭＭＡを５０重量％以上含有することが望ましい。
【００１１】
上記ビニリデンフロライド系樹脂６０〜９０重量％とＰＭＭＡ系樹脂１０〜４０重量％とを完全に相溶するように良く混練して樹脂組成物とする。本発明では、該樹脂組成物の中でも特に、融点が１４０〜１８０℃と非常に高いものがピストニングや縮みを防ぐのに有効であることから、当該高融点のものを選択して用いる。この高融点の樹脂組成物は室内状態で透明であり、更に、８５℃、９５％湿度の状態でも透明性が保持されることから本発明には特に好ましい。また、ＰＭＭＡ系樹脂からなる芯とも相溶して一体的に密着し、機械的強度が高いことからも、非常に重要な組合せといえる。
【００１２】
即ち、ピストニングを抑えるためにファイバの配向を抑制するとき、機械的強度が著しく低下するのを防ぐ上で、第１鞘層がしっかりとＰＭＭＡ系樹脂からなる芯に付着し、第１鞘層自体は変形流れを起こすことなく形を保っていることが重要である。
【００１３】
さらに、本発明において用いられる第１鞘樹脂はナトリウムＤ線での屈折率（以下、「屈折率」とはナトリウムＤ線での屈折率を指す）が１．４３〜１．４５という比較的高いものを用い、プラスチック光ファイバのＮＡを０．３５〜０．４３程度にして耐熱高速通信用途に対応させる。
【００１４】
次に、本発明のプラスチック光ファイバの第２鞘層を形成するための第２鞘樹脂としては、ビニリデンフロライド成分２５モル％〜５０モル％、ヘキサフロロプロペン成分１０モル％〜１５モル％、テトラフロロエチレン成分３８〜６４モル％からなる共重合体であり、融点が１４０〜１８０℃以上、屈折率が１．３４〜１．３７である透明な樹脂を用いる。
【００１５】
本発明において、上記第２鞘樹脂からなる第２鞘層を設ける第１の目的は、先ず第１鞘層にこの第２鞘層を密着させ、裸線として一体化することにある。また、第２の目的は、本発明のケーブルを構成する際に、一体化した裸線とその上に被覆するナイロン１２とを非常に強い密着力で密着させて、１０５℃程度の高温下でも長期にわたりピストニングを防ぐためである。従って、第２鞘樹脂には、融点が１４０℃〜１８０℃という高い耐熱性と、ナイロン１２との強い密着性が必要となる。
【００１６】
また、第１鞘層だけではファイバを曲げた時の光ロスが大きく、高い通信帯域で使用しづらいところ、かかる第２鞘層を設けることによって、第２鞘樹脂の屈折率が１．３４〜１．３７と非常に低いことから、第２鞘層によって曲げロスが解消され、さらに数ｍ程度の長さでは第２鞘層を通った光も通信に使うことができるという効果が得られる。この効果を得るためには、第２鞘樹脂自体が光を全反射できるように透明であり、且つ、第１鞘層と第２鞘層との界面で第１鞘樹脂の透明性を損なうような相互作用が無いことである。
【００１７】
本発明のプラスチック光ファイバの製造方法としては、溶融状態の芯樹脂、第１鞘樹脂、第２鞘樹脂を３層複合紡糸ダイに供給し、芯の直径を凡そ１．０ｍｍとすると、第１鞘層の厚さは２μｍ〜２５μｍ程度に、第２鞘層についても２μｍ〜２５μｍ程度になるよう各樹脂の供給量を調節する。この様に複合紡糸により裸線の元糸を得るが、その元糸は連続的に１３０〜２５０℃の温度で数秒〜数十秒程度で１．３〜３倍程度に延伸し、ファイバの機械的強度を付与し、引き続き連続的に同様の温度で数十秒以下の熱処理を行い、配向歪みを除去して寸法安定性を付与する。
【００１８】
本発明のプラスチック光ファイバは、その周囲に保護被覆として５０μｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さでエチレンビニルアルコール共重合体、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリビニリデンフロライド系樹脂などを被覆してケーブルとして用いることができる。低い温度での用途ではこれらケーブルはいずれもそのまま使用することができるが、中でも、被覆材をナイロン１２とした本発明のプラスチック光ファイバケーブルは、１００〜１０５℃程度の温度で長期間使用しても、ピストニングを小さく抑えることができる。
特に、該ケーブルを長時間熟成処理したものが好ましい。
【００１９】
長時間熟成処理が好ましい理由は、ＰＭＭＡ系樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）が１１０℃前後であるのに対し、本発明にかかる第１鞘樹脂や第２鞘樹脂の融点は１４０℃〜１８０℃と大きく隔たっているため、第１鞘層や第２鞘層の配向歪みと芯の配向歪みを適度にとる方法として従来の製造方法で行っていた連続加熱による短時間処理を行うだけでは、困難であったり、不十分であるからである。即ち短時間で且つ高い温度条件で処理を行った場合には芯の機械的強度を低下させ、逆に芯に合わせて低い温度条件で処理した場合には鞘層の歪みが取れないので縮みが生じる。そのため本発明の耐熱プラスチック光ファイバケーブルを製造するにあたっては、ＰＭＭＡ系樹脂のＴｇ前後の１００℃〜１２０℃程度の温度条件で、０．１時間〜５０時間程度の長時間の熱処理が好適である。この温度は湿度も加わる時には１０℃程度低めでも効果がある。より好ましい条件は１１０〜１２０℃で１時間以上で、１時間〜２４時間が望ましい。この温度が高すぎるとファイバの強度が低下するので上記範囲で実際に効果を確認しながら適宜条件を設定すれば良い。
【００２０】
本発明のプラスチック光ファイバケーブルの被覆層としてナイロン１２を用いる理由は、前記したように、第２鞘層との密着力が強く、上記熱処理後のケーブルのピストニングが小さく、寸法安定性がよいことと、高硬度であることである。該ナイロン１２被覆層の厚さとしては、耐熱性の観点から、０．１ｍｍ〜０．６ｍｍが十分な保持力があり好ましい。
【００２１】
本発明のプラスチック光ファイバケーブルの特に重要な性能は、ピストニングが低く、且つ機械的強度が高いことである。前記したように、ピストニングとは、裸線とその直接被覆層との間に生じる、裸線の引っ込み又は突出のことであり、その測定方法としては、５０ｃｍのケーブルの両端を垂直に切断し、試験環境下に所定時間放置した後、引っ込みか或いは飛び出しを顕微鏡で観察するものである。本発明のナイロン１２被覆を施したケーブルは、１０５℃で５００時間放置した時のピストニングが０．０６ｍｍ以下である。しかも、その時のケーブルの機械的強度としては、該ケーブルを−２０℃で曲げ半径５ｍｍで±９０°で屈曲せしめた時、１０００回以上の屈曲にも断線しない耐屈曲性を備えているものである。
【００２２】
【実施例】
芯樹脂として、重量平均分子量が１０万でＭＭＡ９９．５重量％とメチルアクリレート０．５重量％からなるＰＭＭＡ系樹脂を用いた。この樹脂の屈折率（ｎ_d20）は１．４９であった。
【００２３】
また、２３０℃、荷重３．８ｋｇのメルトフローインデックス（以下、「メルトフローインデックス」は当該条件のものを指す）が２０ｇ／１０分のビニリデンフロライドの単独重合体７０重量％と、上記芯樹脂と同じＰＭＭＡ系樹脂３０重量％とを溶融混合した透明な樹脂組成物を第１鞘樹脂として用いた。第１鞘樹脂の屈折率は１．４４であり、融点は１７０℃、メルトフローインデックスは１８ｇ／１０分であった。
【００２４】
さらに、第２鞘樹脂としては、ビニリデンフロライド成分４０モル％、テトラフロロエチレン成分４８モル％、ヘキサフロロプロペン成分１２モル％からなる共重合体で、屈折率が１．３６、融点が１５５℃、メルトフローインデックスが７ｇ／１０分の透明樹脂を用いた。
【００２５】
上記芯樹脂、第１鞘樹脂、第２鞘樹脂を溶融し、３層を同時に複合紡糸した。このファイバの紡糸工程では２倍の延伸倍率で線引きを行い、且つ数十秒の短時間の間、１５０℃で連続的に加熱による大きな配向除去の処理を経て、芯径が９７０μｍ、第１鞘層の厚さが７μｍ、第２鞘層の厚さが８μｍ、外径が１．００ｍｍのプラスチック光ファイバ裸線を得た。次いで、このプラスチック光ファイバ裸線にナイロン１２を厚さ２５０μｍで被覆し、外径が１．５ｍｍのケーブルを金属性のボビンに巻き取った。その後、該ボビンを１１５℃のオ−ブンに１５時間入れて熟成し、本発明のプラスチック光ファイバケーブルを得た。
【００２６】
本ケーブル５０ｍについて伝送損失を測定した。入射ＮＡ０．１５の単色光を用いて測定し、６５０ｎｍにて１８０ｄＢ／ｋｍであった。また、当該ケーブルを１０５℃に５００時間保存した後の伝送損失は１８５ｄＢ／ｋｍであった。同様に８５℃、９５％湿度で１０００時間保存したときの伝送損失は、２１０ｄＢ／ｋｍで吸湿によるＯＨ吸収の理論ロス増で、安定していた。
【００２７】
本ケーブルのピストニングを測定した。即ち、本ケーブル５０ｃｍを新しい剃刀で垂直に切り落とし、１０５℃で５００時間保存後のピストニングと、ケーブルの縮みを測定した。その結果、ピストニングは０．０３ｍｍで裸線が被覆の中に引っ込む程度で、ケーブルの縮みは０．２％に過ぎなかった。
【００２８】
本ケーブルの機械的強度として−２０℃で曲げ半径５ｍｍで±９０°で屈曲せしめた時、１５００回で断線した。また、１０５℃で５００時間保存後のケーブルのそれは１３００回と強い強度を示した。
【００２９】
このケーブルの曲げによる光保持率を測定した。測定は入射ＮＡ０．６のＬＥＤ光源を用い、曲げ半径１０ｍｍの棒に１回巻き付けた時の光ロスを求めたところ、１．６ｄＢと許容レベルであった。
【００３０】
このファイバの伝送帯域を、測定パルス法で測定したところ、２０ｍの帯域は入射ＮＡ０．６５で１７０ＭＨｚであった。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高温条件下の使用においても長期間ピストニングを低いレベルにとどめ、機械的強度にも優れた耐熱プラスチック光ファイバケーブルが提供され、各種配線、特に、高温度の条件で使用する配線として非常に有用である。

Claims

耐熱プラスチック光ファイバを裸線として、その周囲にナイロン１２を被覆してなるプラスチック光ファイバケーブルであって、耐熱プラスチック光ファイバが、芯の周囲に第１鞘層を形成し、さらに該第１鞘層の周囲に第２鞘層を形成してなる耐熱プラスチック光ファイバであって、上記芯が、モノマー成分としてメチルメタクリレートを９０重量％以上含有するポリメチルメタクリレート系樹脂からなり、第１鞘層が、モノマー成分としてビニリデンフロライドを９５モル％以上含有するビニリデンフロライド系樹脂６０〜９０重量％と、ポリメチルメタクリレート系樹脂１０〜４０重量％を混合してなり、ナトリウムＤ線での屈折率が１．４３〜１．４５、融点が１４０〜１８０℃である樹脂組成物からなり、第２鞘層が、ビニリデンフロライド成分２５〜５０モル％、ヘキサフロロプロペン成分１０〜１５モル％、テトラフロロエチレン成分３８〜６４モル％からなり、ナトリウムＤ線での屈折率が１．３４〜１．３７、融点が１４０〜１８０℃である共重合体からなる裸線であり、ナイロン１２被覆層の厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍであり、該ケーブル５０ｃｍを１０５℃の環境下に５００時間放置した時の端部における裸線とナイロン１２被覆層との位置ずれが０．０６ｍｍ以下であり、−２０℃で曲げ半径５ｍｍで±９０°に屈曲させた際の耐屈曲性が１０００回以上であることを特徴とする耐熱プラスチック光ファイバケーブル。
裸線をナイロン１２で被覆した後、１１０〜１２０℃に１時間以上放置してなる請求項２に記載の耐熱プラスチック光ファイバケーブル。