JP2011154107A - プラスチッククラッド光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】頻繁に着脱等が繰り返されるような使用環境下においても、それに耐えうる疲労特性を備えたプラスチッククラッド光ファイバを提供する。
【解決手段】石英ガラスからなるコア層２の外周に、硬化性樹脂組成物を硬化することにより形成されたクラッド層３を設けたプラスチッククラッド光ファイバ１であって、該コア層と該クラッド層との界面の密着力が１．５ｇ／ｍｍ〜４．０ｇ／ｍｍである。また２．５ｍｍの曲げ半径で使用可能である。さらに前記コア層の径が５０μｍ〜１００μｍ、前記クラッド層の厚さが１２μｍ〜３８μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英ガラスからなるコア層の外周に、硬化性樹脂組成物を硬化することにより形成されたクラッド層を設けたプラスチッククラッド光ファイバに関する。

光ファイバの一種に、プラスチッククラッド光ファイバと呼ばれるものがある。このプラスチッククラッド光ファイバは、例えば純シリカなどの石英系ガラスからなるコア層と、該コアガラスを中心としてその外周上に設けられたプラスチックからなるクラッド層を有する。かかる構造のプラスチッククラッド光ファイバは、通常、線引機で石英系ガラス母材を溶融線引きして光ファイバのコア層を形成した後、該コア層の外周にコーティングダイス等によってクラッド層となる硬化性樹脂を塗布し、硬化させることにより形成される。

プラスチッククラッド光ファイバは、このように層状になっているため、クラッド層とコア層の界面が剥離すると、その部分の強度が低下し、コア層にクラックが発生するなどの劣化につながる。従って、層間の密着力を維持することは、従来から重要な課題とされており、例えば特許文献１では、敷設された環境における使用温度の変化のためにコア層とクラッド層間の密着力が低下することを抑制した光ファイバ心線が提案されている。また、特許文献２では、使用環境温度の変化によるコア層とクラッド層の密着力の低下が原因となり、ファイバ裸線の突出しが生じることを防止した光ファイバ心線が提案されている。

従来、このようなプラスチッククラッド光ファイバは、例えば、工場などの施設内の短距離光伝送用に敷設されることが多く、一度敷設されると長期間そのまま使用されるので、頻繁に敷設し直されることはない。特許文献１及び２で提案された光ファイバ心線は、このような使用状況を前提に提案されたものである。

特開２００２−２０１０４８号公報 特開２００１−２６４５９７号公報

光複合ＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブルなど、個人が家庭などで使用する機器の接続用ケーブル等にまでプラスチッククラッド光ファイバを使用する場合、機器を使用する度に頻繁にケーブルの着脱が行われ、また丁寧に取り扱われるという保証もないため、厳しい使用条件に耐えうる疲労特性を有することが非常に重要となる。即ち、静置用として設計された特許文献１及び２の光ファイバを転用したとしても、このような使用には耐えられず、層間の剥離に伴い破断が生じると考えられる。

本発明は、従来のプラスチッククラッド光ファイバにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、頻繁に着脱等が繰り返されるような使用環境下で使用された場合においても、それに耐えうる疲労特性を備えたプラスチッククラッド光ファイバを提供することである。

頻繁に外力、特に曲げ応力が加えられることを前提としたプラスチッククラッド光ファイバの場合、上述のように、疲労特性をコントロールすることが重要と考えられる。ここで、光ファイバの疲労特性を示す指標の一つとして、疲労係数（以下、ｎ値という）がある。ｎ値は、光ファイバ表面におけるクラックの成長速度に関連する強度を表すパラメータの１つであり、光ファイバに繰り返し応力や応力変動が加えられたときの、光ファイバの破断に対する信頼保証を示す指標として用いられる数値である。ｎ値と破断確率との間には相関関係があり、ｎ値が上がると破断確率の数値が下がる（即ち、破断し難くなる）ので、要求される破断確率から逆算してｎ値を規定することで、その光ファイバの信頼保証を示すことができる。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、プラスチッククラッド光ファイバにおけるｎ値と、層間の界面密着力との関係に着目し、該密着力を規定することにより所望のｎ値を得ることができ、ひいては要求される破断確率を担保できることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明のプラスチッククラッド光ファイバは、石英ガラスからなるコア層の外周に、硬化性樹脂組成物を硬化することにより形成されたクラッド層を設けたプラスチッククラッド光ファイバであって、前記コア層と前記クラッド層との界面の密着力が１．５ｇ／ｍｍ〜４．０ｇ／ｍｍであることを特徴とする（請求項１）。

また、本発明のプラスチッククラッド光ファイバの好適形態は、上記プラスチッククラッド光ファイバが２．５ｍｍの曲げ半径で使用可能であることを特徴とする（請求項２）。

また、本発明のプラスチッククラッド光ファイバの別の好適形態は、前記コア層の径が５０μｍ〜１００μｍ、前記クラッド層の厚さが１２μｍ〜３８μｍであることを特徴とする（請求項３）。

本発明によれば、頻繁に着脱等を繰り返される使用環境下においても、それに耐えうる疲労特性を備えたプラスチッククラッド光ファイバを提供することができる。

本発明のプラスチッククラッド光ファイバの一例を示す概略断面図である。 ｎ値と界面の密着力の関係を表した概念図である。 歪みを計算する際に、必要なパラメータを示す概略断面図である。 ｎ値を求めるための概念図である。 破断確率を１ｐｐｍにするのに必要なｎ値と歪みとの関係を表す概略図である。

以下、本発明のプラスチッククラッド光ファイバについて、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のプラスチッククラッド光ファイバの一例を示す概略断面図である。
プラスチッククラッド光ファイバ１は、純シリカなどの石英系ガラスからなるコア層２の外周に紫外線硬化型樹脂などを硬化させてなるクラッド層３を有する。
例えば、該コア層２の外径は５０μｍ〜１００μｍ、該クラッド層３の厚さは１２μｍ〜３８μｍ（クラッド層３の外径１２５μｍ）とすることができるが、特に家庭用光複合ＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブルに用いる場合は、最小許容曲げ半径を小さくして取扱易くするために、該コア層２の外径を５０μｍ〜９０μｍ、該クラッド層３の厚さを１７μｍ〜３８μｍ（クラッド層３の外径１２５μｍ）として、比較的、細径にすることが好ましい。なお、最小許容曲げ半径については、後に詳述する。

また、前記コア層２と前記クラッド層３の界面の密着力は、１．５ｇ／ｍｍ〜４．０ｇ／ｍｍである。密着力を当該値に規定することにより、プラスチッククラッド光ファイバ１に外力がかかったときの剥離を抑制することができる。
即ち、プラスチッククラッド光ファイバ１に外力、特に曲げ歪みが発生した場合、湾曲部においてクラッド層３の外側界面にはせん断応力が、内側界面には圧縮応力が生じクラッド層３をコア層２から剥がそうとする力が働く。そのため界面の密着力が弱いとクラッド層３が剥離する。特に、コア層２をカバーしていたクラッド層３の内側界面が剥がれると、当該部分のコア層２に他の部分よりも小径の曲げが発生する。そして緩衝材として働くはずのクラッド層３が剥離して空孔ができている為に、その部分での微小クラックの発生が急速に進行し、破断する可能性が高くなる。
従って、曲げ応力が加わったときのクラッド層３の剥離に伴う破断を抑制するには、界面の密着力を上記の値に規定する必要がある。

ここで、曲げ応力などによりプラスチッククラッド光ファイバ１に歪みが生じたときの破断の可能性を把握するためのパラメータとして、ｎ値を用いることができる。ｎ値は、大きいほど歪みに対して疲労しにくくなることを示す。例えば、上述のように界面の密着力が弱く、クラッド層３が剥離して空孔ができるとｎ値が小さくなるため、破断する可能性が高くなる。このようなｎ値と界面の密着力の関係を表した概念図を図２に示す。
本発明のプラスチッククラッド光ファイバ１において要求されるｎ値は、その用途により異なるが、例えば、２３〜３６とすることができる。

ｎ値の測定方法にはいくつかの方法があるが、ここではその一例として巻付け静疲労特性について、図面を参照して以下に説明する。なお、ここでは光ファイバとしてプラスチッククラッド光ファイバ１の周囲に樹脂外被を更に設けた構造であって、コア層２とクラッド層を含めた外被層１１とからなる光ファイバ１０を想定している。

（静疲労特性の測定方法）
図３は、歪みを計算する際に必要なパラメータを示す概略断面図であり、光ファイバ１０をマンドレル１２に巻いている状態をモデル的に描写したものである。図４は、ｎ値を求めるための概念図である。
（１）数種類の径の棒（マンドレル１２）に光ファイバ１０を各サンプル１ｍずつ巻きつけて放置し、次々と破断する光ファイバ１０の破断までに要した時間を測定する。またサンプル数は、例えば１５とする。
（２）破断時間の中央値（５０％のサンプルが破断する時間：ｔ_ｆ）を求める。サンプル数を１５とした場合は、８番目に破断したサンプルの破断時間がｔ_ｆとなる。
（３）下記計算式を用いて、図３に示すパラメータ値であるマンドレル１２の径（Ｔ）、光ファイバ１０のガラス径（コア層２の径：Ｄ１）及び外被径（外被層１１の径：Ｄ２）からガラス（コア層２）にかかる歪みを算出する。
歪み＝｛（ガラス部外周の巻径：ｘ）−（ガラス部中心の巻径：ｙ）｝／｛（マンドレル径：Ｔ）＋（外被径：Ｄ２）｝＝（ガラス径：Ｄ１）／｛（マンドレル径：Ｔ）＋（外被径：Ｄ２）｝
（４）図４に示すように、ｌｏｇ歪み対ｌｏｇｔ_ｆをプロットしてグラフの傾きを求める。この傾きに−１を乗じたものがｎ値となる。

ここで、ｎ値が光ファイバの破断する可能性（破断確率）を把握するためのパラメータとして有効な理由を以下に説明する。
図５は、破断確率を１ｐｐｍにするのに必要なｎ値と歪みとの関係を表す概略図である。破断確率が１０^−６（１ｐｐｍ）の光ファイバは、１００万回に１回の割合で破断する確率を有することを示す。
本発明のプラスチッククラッド光ファイバ１において要求される破断確率は、その用途により異なるが、歪が１.６〜１．９％の曲げで１０ターン１年間保持した場合に１ｐｐｍとするには、ｎ値が２３〜３６であることが求められる。このようにｎ値は光ファイバの破断可能性を把握するためのパラメータとして有効な値である。

次に、本発明のプラスチッククラッド光ファイバ１の別の実施形態について説明する。本例のプラスチッククラッド光ファイバ１は、特に、家庭用光複合ＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブルに用として取扱い易くしたものであり、最小許容曲げ半径が２．５ｍｍのものである。

最小許容曲げ半径とは、使用可能な最小の曲げ半径のことをいい、例えば、従来から汎用的に使用されているコア層２の外径が２００μｍ、クラッド層３の外径が２３０μｍ（クラッド層の厚さが１５μｍ）のプラスチッククラッド光ファイバ１については、その最小許容曲げ半径は１６ｍｍ前後である。
一方、家庭用光複合ＵＳＢケーブルなどでは、折り畳んだ形態で使用されることもあるため、ケーブルが１８０度折り曲げられた状態でも使用可能であることが求められるが、そのときの最小許容曲げ半径を２．５ｍｍ以下とすることができる。このとき、プラスチッククラッド光ファイバ１を細径（コア層２外径：５０μｍ〜１００μｍ、クラッド層３の厚さ：１２μｍ〜３８μｍ（クラッド層３外径：１１０μｍ〜１３０μｍ））にすると、比較的簡単に曲げ半径を小さくできるため、より好ましい。

なお、このような細径プラスチッククラッド光ファイバ１の場合は、実際の使用形態に近づけるために、上記ｎ値は１８０度折り曲げ試験により求めることもできる。
最小許容曲げ半径を小さくした細径プラスチッククラッド光ファイバ１では、このようにより大きな値のｎ値が要求される場合もあるので、密着力を１．５ｇ／ｍｍ〜４．０ｇ／ｍｍとすることがより好ましい。

本発明のプラスチッククラッド光ファイバ１を構成する材料は、例えば下記の材料を挙げることができる。

クラッド層３はフッ素系紫外線硬化型樹脂を含有する硬化性組成物を硬化することで形成される。フッ素系紫外線硬化型樹脂としては、コア層２をなす石英ガラス対して屈折率が低く、紫外線等の活性エネルギー線で硬化することが可能であり、さらにはこの樹脂を含む硬化性組成物を硬化することによって機械的強度があり、可撓性を有し、かつ透明性に優れた硬化物が得られる樹脂であることが好ましい。このような樹脂には、フッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物、フッ素化されたポリエーテルを構造中に有する（メタ）アクリレート化合物、（メタ）アクリレート化されたフッ素原子含有ビニル重合体が挙げられる。

フッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物は、例えば、フッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物とジイソシアネート化合物を反応させることにより得ることができる。また、ポリエーテルを分子構造中に有するフッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物は、例えば、フッ素原子含有（メタ）アルコール化合物と、フッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物またはアクリル酸とを反応させることによって得ることができる。

硬化性組成物には、フッ素系紫外線硬化型樹脂以外に、例えばＮ−ビニルカプロラクタムなどの重合性不飽和モノマーや、下記光重合開始剤、後述する一般式（Ｉ）で表されるシランカップリング剤あるいは各種添加剤など、プラスチッククラッド光ファイバ１のクラッド層３の形成材料として通常用いられるものを使用することができる。

特に、規定の密着力が実現できるように、硬化性組成物にはシランカップリング剤を含有することが望ましく、特に下記一般式（１）で表わされるシランカップリング剤を含有することが望ましい。

一般式（Ｉ）

（上記一般式（Ｉ）中、Ｚは、（メタ）アクリル基、メルカプト基またはエポキシ基を表す。Ｘは、-ＯＣＨ_３、-ＯＣ_２Ｈ_５またはＣＨ_３を表す。但し、Ｘの少なくとも１つは-ＯＣＨ_３または-ＯＣ_２Ｈ_５である。-ＯＣ_２Ｈ_５で十分に作用するが、強度の点ｎで-ＯＣＨ_３が好ましい。Ｒは、Ｃ_ｎＨ_ｎ（ｎ＝１，２，３）を表す。）

更に、硬化性組成物における上記シランカップリング剤以外の成分は、上記シランカップリング剤を除く成分を混合した硬化性組成物を硬化させた際の屈折率が１．４０１以上１．４５０以下となるものを用いることが好ましい（ここでいう「シランカップリング剤以外の成分」とは、クラッド層３の形成に実質的に関与する、重合性化合物、光重合開始剤、あるいは紫外線硬化型樹脂等を意味する（単に溶解させる等のみに添加される揮発性溶媒等は含まない））。この範囲の屈折率の硬化性組成物で優れたファイバ強度と伝送特性を両立することが確認されている（具体的には１．４０１、１．４１３、１．４３０、１．４５０）。屈折率が１．４５０を超えるとコア層２との屈折率の差が小さく光信号を伝搬するに適さない。また、シランカップリング剤とクラッド層３を構成する主材料となるフッ素系紫外線硬化型樹脂等の相溶性が低下すると、クラッド層３を構成する樹脂が白濁してしまい、伝送特性の低下の原因となる。本硬化性組成物においては、クラッド層３のシランカップリング剤以外の成分を混合した硬化性組成物の屈折率を上記数値範囲とすることで、クラッド層３を構成する主材料となるフッ素系紫外線樹脂等と上記シランカップリング剤との相溶性を担保している。硬化性組成物における上記シランカップリング剤以外の成分を硬化させた後の屈折率を１．４０１以上１．４５０以下とするためには、紫外線硬化型樹脂中におけるフッ素含有量あるいは樹脂種を適宜調整することで達成できる。

硬化性組成物において、上記一般式（Ｉ）で表されるシランカップリング剤は、硬化性組成物に含まれる該シランカップリング剤以外の成分１００重量部に対して、０．０５〜６重量部含有することが好ましい。クラッド層３を形成する硬化性組成物において、一般式（Ｉ）で表されるシランカップリング剤を上記数値範囲で含有させることにより、硬化性組成物の硬化前の初期１秒間における動的接触角の低下量を大きくでき、即ち、硬化性組成物とコア層２とが短時間でなじむため、形成されるクラッド層３とコア層２との密着力を格段に向上させることができる。上記一般式（Ｉ）で表されるシランカップリング剤の添加量が０．０５重量部未満であると密着力向上効果が得られず、一方、添加量が６重量部を超えると、ファイバ強度は向上するものの、一般式（Ｉ）で表されるシランカップリング剤とフッ素系紫外線硬化型樹脂の相溶性が低下し、樹脂が白濁することにより伝送特性が低下する懸念がある。

硬化性組成物における光重合開始剤としては公知のどのような光重合開始剤を用いても構わないが、配合した後の貯蔵安定性のよいことが要求される。このような光重合開始剤の具体例としては、例えば、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン等を挙げることができる。

以下、本発明に係る実施例及び比較例を用いた評価試験の結果を示し、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

クラッド層をフッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物で構成し表１に示す光ファイバサンプル（実施例１〜５、比較例１、２）を用いて、密着力及びｎ値の評価を下記の要領で行った。

（密着力測定方法）
（１）サンプル調整
硬化性組成物を入れたボトルにシランカップリング剤を所定量添加し、７０ｒｐｍで１ｈ回転攪拌する。
（２）攪拌・脱泡
恒温槽６０℃に２時間静置し、気泡がないことを確認する。
（３）フィルム作製
板ガラス（大型スライドガラス、７６×５２ｍｍ）に上記シランカップリング剤を添加した硬化性組成物を厚さ１０μｍになるようにスピンコーティングし、１００ｍＪ/ｃｍ^２のＵＶ光を照射して硬化して板ガラス上に樹脂フィルムを形成する。
（４）ピール試験
常温で一昼夜以上放置後、樹脂フィルムに切込みを入れ、ポリエステル製極薄テープ（住友３Ｍ製Ｎｏ．９３９１）を貼る。ガラス片端とポリエステルテープ端を引張試験機（東洋精機製ＳＴＲＯＧＲＡＰＨ）チャックで挟み１８０°剥離強度を測定する。測定は、５０Ｎのロードセルを使用し、引張強度１００ｍｍ/ｍｉｎとする。

（ｎ値評価方法）
上記静疲労特性の測定方法によりｎ値を算出した。

各例の評価結果を表１に示す。なお、ｎ値が２０以上で、実測したｎ値と実測のコア径から計算される破断確率が１ｐｐｍ以下となるサンプルを合格とした。

上記結果に示すように、所定の密着力を有する実施例１〜５においては、要求されるｎ値を満足していることが確認された。

１…プラスチッククラッド光ファイバ、２…コア層、３…クラッド層、１１…外被層、１０…光ファイバ、１２…マンドレル、Ｔ…マンドレル１２の径、Ｄ１…光ファイバ１０のガラス径（コア層１の径）、Ｄ２…外被径（外被層１１の径）、ｘ…ガラス部外周の巻径、ｙ…ガラス部中心の巻径。

Claims (3)

1. 石英ガラスからなるコア層の外周に、硬化性樹脂組成物を硬化することにより形成されたクラッド層を設けたプラスチッククラッド光ファイバであって、
   前記コア層と前記クラッド層との界面の密着力が１．５ｇ／ｍｍ〜４．０ｇ／ｍｍであることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ。
2. ２．５ｍｍの曲げ半径で使用可能であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチッククラッド光ファイバ。
3. 前記コア層の径が５０μｍ〜１００μｍ、前記クラッド層の厚さが１２μｍ〜３８μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチッククラッド光ファイバ。

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