JPH05297255A

JPH05297255A - 耐熱光ファイバ

Info

Publication number: JPH05297255A
Application number: JP4077325A
Authority: JP
Inventors: Kimimichi Yamada; 公道山田; Yoshinori Kurosawa; 芳宣黒沢; Toshihide Tokunaga; 利秀徳永; Takeshi Okubo; 豪大窪; Masashi Nakamura; 正志中村; Takeyoshi Takuma; 勇悦詫摩
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】長距離伝送が可能で、耐熱性、疲労特性、耐水
素性にも優れたポリイミド被覆光ファイバを得る。【構成】光ファイバ１の外周部にこれを囲繞するように
低引張弾性率の軟質シリコーン樹脂の被覆層３を形成す
る。軟質シリコーン樹脂被覆層３の引張弾性率は５０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²未満で、この被覆層の膜厚は４〜５０μｍ
の範囲とする。軟質シリコーン樹脂被覆層３の外周部に
これを囲繞するように耐熱性樹脂であるポリイミド樹脂
の被覆層２が形成されている。軟質シリコーン樹脂被覆
層３の内側にはカーボン層４が形成されている。カーボ
ン層が疲労特性、耐水素性を向上し、軟質シリコーン樹
脂がポリイミド樹脂の硬化収縮を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被覆構造を改善して特性
の向上を図った耐熱光ファイバに係り、特にポリイミド
樹脂を被覆した耐熱偏波面保存光ファイバにあっては消
光比特性を向上したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】石英ガラスで構成される光ファイバは一
般のガラスと同様表面に傷がつきやすいので、表面を保
護するため線引と同時に樹脂が被覆される。この光ファ
イバを保護する被覆材には、一般に紫外線硬化型樹脂
（ＵＶ樹脂）が用いられているが、この樹脂の保証温度
はたかだか１００℃である。

【０００３】通常の光ファイバの使用環境ではこの程度
の温度でもよいが、例えば光複合架空地線（ＯＰＧＷ）
や高温炉回りに組込まれるようなものには、これよりも
高温、高熱下での使用に耐える耐熱光ファイバが要請さ
れる。

【０００４】また、偏波面保存光ファイバは、光の強弱
情報の他に位相や偏波面の情報も安定に伝送できるた
め、通信分野ばかりでなく、干渉や偏波を利用したセン
サ等の計測分野にも使用されている。偏波面保存光ファ
イバを応用した種々のセンサの中でも最も注目されてい
るのが、回転角速度を検出する光ファイバジャイロ（Ｏ
ＦＧ）である。現在ＯＦＧは、実用化の研究が進み、自
動車、無人搬送車等のナビゲーション用に一部製品化も
行われている。最近、ＯＦＧを高温環境下にある移動体
（例えばトンネル掘削機等）の方向制御システムに使用
するという要求が高まっている。このようなシステムに
ＯＦＧを適用するには、２００℃程度の高温に耐える耐
熱偏波面保存光ファイバが要請される。

【０００５】上述した要請に基づき、高い耐熱性を持た
せるための被覆材料としてＵＶ樹脂に代えて金属、セラ
ミックス、ポリイミド樹脂等が検討されている。しか
し、金属被覆は、被覆プロセスの複雑さ、被覆膜の収縮
によるマイクロベンド等の問題があり、またセラミック
被覆は、被覆膜が延性に乏しいため曲げに対して極度に
弱かったり、初期強度が低かったりする等の問題があ
る。

【０００６】これに対してポリイミド樹脂は通常の光フ
ァイバの耐熱被覆材料として度々使用されている（例え
ば特開平１−１７３００６号公報）。このような従来の
耐熱光ファイバの断面構造を図３に示す。従来は光ファ
イバ裸線１の表面に単一の耐熱性樹脂層（ポリイミド、
ポリチタノカルボシラン、ラダー型シリコーン等）２を
厚さ１０〜２０μｍ被覆していた。即ち、この耐熱光フ
ァイバでは、耐熱性樹脂２を直接に光ファイバ裸線１の
表面に被覆していた。ここで、光ファイバ裸線とは通常
のシングルモード光ファイバにあってはコアとクラッド
からなるガラス光ファイバを意味し、偏波面保存光ファ
イバにあっては、コアないしクラッド、応力付与材、及
びサポート層からなる光ファイバを意味する。

【０００７】しかし、光ファイバ裸線１の表面に直接ポ
リイミド樹脂などの耐熱性樹脂２を被覆すると、ポリイ
ミド樹脂は、ＵＶ樹脂と比べて硬く、引張弾性率が大き
い上、硬化時の収縮率も大きいので、その製造過程で光
ファイバ裸線に側圧を加え、マイクロベンドを受けて損
失が増加したり、消光比を劣化させてしまうという問題
があった。例えばポリイミドの場合、引張弾性率（ヤン
グ率）が２５０ｋｇｆ／ｍｍ²以上と大きく、焼付乾燥
炉での硬化収縮により光ファイバはマイクロベンドを受
け、φ１２５μｍのＳＭ光ファイバ（シングルモード光
ファイバ）では、損失が０．０３〜０．０８ｄＢ／ｋｍ
（λ＝１．３０μｍ）増加した。

【０００８】またＳＰ光ファイバ（偏波面保存光ファイ
バ）では、２〜３ｄＢ／ｋｍ（λ＝０．８０μｍ）の損
失増とともに、消光比が１０〜１５ｄＢ／ｋｍ（λ＝
０．８０μｍ）劣化した。特に、ポリイミド樹脂層には
緩衝層としての機能が殆どなく、外部からの側圧が、直
接光ファイバ裸線に加わってしまうため、ポリイミド被
覆ＳＰ光ファイバは、コイル状に重ね巻きすると、消光
比が大きく劣化してしまうという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、耐熱
性樹脂を直接光ファイバに被覆した従来の耐熱光ファイ
バでは、被覆過程で損失が増加し、長距離伝送用として
の使用が難しかった。また、ポリイミド樹脂を被覆した
ＳＰ光ファイバでは、コイル状に重ね巻きすると、消光
比が大きく劣化するという欠点があった。

【００１０】本発明の目的は、前述した従来技術の欠点
を解消して、伝送特性に優れた耐熱光ファイバを提供す
ることにある。また、本発明の目的は、さらに疲労特
性、耐水素性にも優れた耐熱光ファイバを提供すること
にある。また、本発明の目的は、高温環境下においても
使用でき、コイル状に重ね巻きしても消光比が劣化しな
い耐熱光ファイバを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、光ファイバ裸
線の外方に低引張弾性率の軟質シリコーン樹脂の被覆層
を緩衝層として設け、この軟質シリコーン樹脂被覆層の
外方に耐熱性樹脂の被覆層を設けたものである。耐熱性
樹脂としてはポリイミド樹脂、ポリチタノカルボシラ
ン、またはラダー型シリコーンなどが好ましい。

【００１２】また、伝送特性をさらに向上させるため
に、軟質シリコーン樹脂被覆層の引張弾性率を５０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²未満、好ましくは０．０１〜３０ｋｇｆ／ｍ
ｍ²とし、この被覆層の膜厚を４〜５０μｍの範囲内、
好ましくは６〜５０μｍとする。ここで、シリコーンの
ヤング率を５０ｋｇｆ／ｍｍ²未満としたのは、５０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上では緩衝効果がなくなるからである。
また、シリコーンの膜厚を４μｍから５０μｍの範囲と
したのは、４μｍ未満では緩衝効果が低く伝送特性が劣
化し、５０μｍ以上ではシリコーンとポリイミド等の耐
熱樹脂層との間に剥離が生じ機械的強度が低下するため
である。

【００１３】また、本発明はＳＰ光ファイバにも適用で
きる。耐熱性樹脂被覆層には例えばポリイミド樹脂被覆
層を用いて、ＳＰ光ファイバ裸線とポリイミド樹脂被覆
層の間に、側圧の緩衝層としてシリコーン樹脂被覆層を
設けたものである。特に消光比を向上させるために、ポ
リイミド樹脂被覆層の厚さを１５μｍ以上にすることが
好ましく、この場合、シリコーン樹脂被覆層の引張弾性
率や膜厚は上記した範囲内にあることが好ましいが、必
ずしもその範囲内にある必要はない。

【００１４】さらに、光ファイバ裸線と軟質シリコーン
樹脂被覆層との間、または軟質シリコーン樹脂被覆層と
耐熱性樹脂被覆層との間に任意層を設けてもよいが、特
に疲労特性、耐水素性を向上させるために、光ファイバ
と軟質シリコーン樹脂被覆層との間にカーボン層を設け
た３層構造とすることが好ましい。

【００１５】

【作用】光ファイバ裸線の外方に緩衝層として軟質シリ
コーン樹脂被覆層を所定の厚さ設けると、引張弾性率の
大きい保護層である耐熱性樹脂の硬化収縮時の収縮力が
シリコーン樹脂被覆層により緩和され、光ファイバにマ
イクロベンドが発生するのが有効に防止される。これに
より伝送特性が大幅に改善する。

【００１６】また、同様にＳＰ光ファイバ裸線とポリイ
ミド樹脂被覆層との間に、シリコーン樹脂被覆層を介在
させることによって、コイル状に重ね巻きしたときに光
ファイバ裸線に加わる側圧が低減し、消光比が大幅に向
上する。

【００１７】特に、本発明の耐熱ＳＰ光ファイバを、数
十ｍｍの小さな径のボビンに数百ｍ巻き付けるようなセ
ンシングコイルに適用する場合には、ポリイミド樹脂被
覆層の厚さが既述したように１５μｍ以上であることが
望ましい。この理由をポリイミド樹脂被覆層の厚さとセ
ンシングコイルの消光比の関係を示した図６から説明す
る。ボビンの直径は３０ｍｍ、巻き付けた光ファイバ長
さは５００ｍである。図６から、ポリイミド樹脂被覆層
の厚さが１５μｍ以下になると消光比が急激に悪くなる
ことが分かる。これは、被覆層の剛性が小さくなり、光
ファイバ心線の重なりによって発生する側圧が光ファイ
バ裸線に加わったためである。

【００１８】なお、いずれの耐熱光ファイバでも、軟質
シリコーン樹脂被覆層の内側に更にカーボン層を設ける
ことで、光ファイバの耐水素特性、疲労特性が良好とな
り信頼性が一層向上する。

【００１９】以上述べたように本発明の被覆光ファイバ
によれば、通常の光ファイバにせよ、ＳＰ光ファイバに
せよ、高温特性が優れていることは勿論、長距離伝送用
としての使用が可能となり応用範囲を広げることができ
る。さらに、カーボン被覆も可能となり、曲げ損失や耐
水素性も考慮した耐熱光ファイバとして有効である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２１】［実施例１］石英光ファイバ母材を線引速
度３０ｍ／ｍｉｎで溶融、紡糸し、光ファイバ外径φ１
２５μｍとした後、外周にシリコーン樹脂（ヤング率＝
０．１ｋｇｆ／ｍｍ²）を塗布し、４００℃で焼付乾燥
後の膜厚を８μｍとした。その外側にポリイミド（東レ
（株）製トレニース２０００）を塗布し、２００℃〜４
００℃の焼付乾燥炉内で硬化させ、最終的なコーティン
グ外径をφ１８０μｍとした。図２はこのとき得られた
耐熱光ファイバの断面構造を示したもので、光ファイバ
裸線１の外周部にこれを囲繞するようにシリコーン樹脂
被覆層３が形成され、この外周部にこれを囲繞するよう
にポリイミド樹脂被覆層２が形成されている。

【００２２】このようにして得られた耐熱光ファイバの
初期強度は６ｋｇｆ／ｍｍ²であり、さらに常温で伝送
特性を評価したところ、従来のポリイミドのみを単層被
覆したＳＭ光ファイバに比べ、本実施例のシリコーン／
ポリイミドを２層被覆したＳＭ光ファイバは、波長１．
３μｍ帯での伝送損失が０．３８ｄＢ／ｋｍから０．３
３ｄＢ／ｋｍに低下した。また、大気雰囲気で２００℃
×３００時間にわたり高温処理をした結果、ＳＭ光ファ
イバの伝送損失、消光比に変化は見られず、優れた高温
特性を示した。

【００２３】［実施例２〜５及び比較例１〜４］実施例
１と同様に石英光ファイバ母材を溶融、紡糸し、光ファ
イバ外径φ１２５μｍとした後、シリコーン樹脂（ヤン
グ率０．０４ｋｇｆ／ｍｍ²，熱膨張率２．６×１０^-4
／℃、信越化学（株）社製のＯＦ−１８２）を塗布し、
４００℃で焼付乾燥後の膜厚を３μｍ未満から６０μｍ
以上と変えた。シリコーンの外側には、実施例１と同様
にポリイミドを塗布し、２００℃〜４００℃の焼付乾燥
炉内で硬化させ、最終的なコーティング外径をφ１８０
μｍとした。このようにして得られたシリコーン膜厚の
異なる耐熱光ファイバについて、剥離と伝送特性を測定
した。その結果を表１に示す。シリコーン膜厚４μｍで
は伝送特性が若干劣化するものの問題はないが、膜厚５
μｍ以下ではファイバがダイスに接触して製造が難しく
なるため、６μｍ以上が好ましい。

【００２４】

【表１】

【００２５】［実施例６〜１０及び比較例５〜６］実施
例１と同様に光ファイバ母材を溶融、紡糸し、光ファイ
バ外径φ１２５μｍとした後、ヤング率０．０１未満か
ら５５ｋｇｆ／ｍｍ²の異なるシリコーンを塗布し、４
００℃で焼付乾燥後の膜厚を８μｍとした。そして、実
施例１と同様にポリイミドを塗布し、２００℃〜４００
℃の焼付乾燥炉内で硬化させ、最終的なコーティング外
径をφ１８０μｍとした。このようにして得られたシリ
コーンヤング率の異なる耐熱光ファイバについて、伝送
特性と被覆状態を測定した。その結果を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】［実施例１１］図１に断面構造を示すよう
に、実施例１と同様な光ファイバ裸線１と軟質シリコー
ン樹脂被覆層３との間にカーボン層４を設け、中心より
カーボン−シリコーン−ポリイミドの３層構造とした。
即ち、外径１２５μｍに紡糸した光ファイバ裸線１の外
周に、まずアモルファスカーボンを熱ＣＶＤ法によって
被覆（厚さ５００オングストローム）し、次にその外周
にシリコーン樹脂被覆層３を外径が１４０μｍになるよ
うに形成した後、さらにその外周にポリイミド樹脂被覆
層２を外径が１８０μｍになるように形成した。このよ
うにして得られた耐熱光ファイバの伝送特性は実施例１
と同等であり、さらに耐熱性とともに疲労特性、耐水素
性も向上した。

【００２８】［実施例１２］楕円ジャケット型ＳＰ光フ
ァイバ母材を線引炉によって外径１２５μｍに紡糸した
後、外周にシリコーン樹脂を塗布し、これを３５０℃の
電気炉を通過させて焼付け硬化させ外径１４０μｍの被
覆層を形成した。さらに、その外周にポリイミド（東レ
（株）製トレニース２０００）を塗布し、５００℃に設
定した電気炉を通過させて硬化させ外径１８０μｍの被
覆層を形成した（ポリイミドの膜厚は２０μｍ）。この
ようにして製造した耐熱ＳＰ光ファイバの断面構造を図
４に示す。同図において１は楕円ジャケット型ＳＰ光フ
ァイバ裸線で、コア５、クラッド６、楕円ジャケット層
７、サポート層８からなる。１３はシリコーン樹脂の被
覆層、１２はポリイミド樹脂の被覆層である。

【００２９】このようにして得られた耐熱ＳＰ光ファイ
バの特性を束取り状態で測定したところ、波長０．８μ
ｍで伝送損失が２．８ｄＢ／ｋｍから２．３ｄＢ／ｋｍ
へと改善され、消光比が−１６ｄＢ／ｋｍから−２８ｄ
Ｂ／１ｋｍへと改善された。この特性は通常のＵＶ樹脂
を被覆したＳＰ光ファイバの特性とほぼ同等である。次
に、この耐熱ＳＰ光ファイバ１ｋｍを直径３０ｍｍのボ
ビン（材質：インバ合金）に重ね巻きしたセンシングコ
イルを試作し特性を評価したとろこ、重ね巻きによる損
失の増加、消光比の劣化は殆どなかった。さらに、この
センシングコイルの消光比は、−４０℃〜２００℃の温
度範囲で−２６ｄＢ以下と良好であった。また、２００
℃で４００時間の加熱後も、ＳＰ光ファイバの伝送損
失、消光比に変化は見られず、優れた高温特性を示し
た。

【００３０】

【表３】

【００３１】なお、本実施例では楕円ジャケット型ＳＰ
光ファイバを用いているが、他のＳＰ光ファイバ、例え
ば楕円コアファイバ、ＰＡＮＤＡファイバ等を用いても
構わない。またＳＰ光ファイバ裸線の外径も１２５μｍ
より太径でも、細径であっても差し支えない。

【００３２】［実施例１３］外径１２５μｍに紡糸した
ＳＰ光ファイバ裸線の外周に、まずアモルファスカーボ
ンを熱ＣＶＤ法によって被覆（厚さ５００オングストロ
ーム）し、次にその外周にシリコーン樹脂被覆層を外径
が１４０μｍになるように形成した後、さらにその外周
にポリイミド樹脂被覆層を外径が１８０μｍになるよう
に形成した。このようにして得られた耐熱ＳＰ光ファイ
バの損失、消光比は実施例１２と同等の特性であった。
さらに、本実施例の耐熱ＳＰ光ファイバの動疲労特性を
評価したところ、疲労係数ｎ値は２００以上（通常ＵＶ
樹脂被覆ファイバのｎ値は２０〜３０）であった。

【００３３】［比較例７］外径１２５μｍに紡糸したＳ
Ｐ光ファイバ裸線の外周に、直接ポリイミド樹脂被覆層
を外径が１６０μｍになるように形成した。断面構造を
図５に示す。この耐熱ＳＰ光ファイバの消光比は、たか
だか−１８ｄＢ（ファイバ１ｋｍ）程度であった。

【００３４】［比較例８］外径１２５μｍに紡糸したＳ
Ｐ光ファイバ裸線の外周に、シリコーン樹脂被覆層を外
径が１４０μｍになるように形成した後、さらにその外
周にポリイミド樹脂被覆層を外径が１６０μｍになるよ
うに形成した（ポリイミドの膜厚は１０μｍ）。このよ
うにして得られた耐熱ＳＰ光ファイバの、束取り状態で
測定した損失、消光比は実施例１２と同等の特性であっ
た。しかし、この耐熱ＳＰ光ファイバを直径３０ｍｍの
ボビンに重ね巻きしたところ、消光比が著しく劣化し
た。

【００３５】［実施例１４（ポリチタノカルボシラン、
ラダー型シリコーンの実施例）］実施例１〜１３及び比
較例１〜８において、ポリイミド樹脂被覆に代えて、ポ
リチタノカルボシラン又はラダー型シリコーンを被覆し
たところ、ポリチタノカルボシランを被覆したもの、ラ
ダー型シリコーンを被覆したもの共に、ポリイミド樹脂
を被覆した場合とほぼ同様な結果が得られた。

【００３６】なお、ポリチタノカルボシラン被覆はポリ
チタノカルボシラン１００重量部に、煙霧質シリカ２０
重量部、テトラステアロキシチタン１．０重量部添加し
た組成物をキシレン、メチルセルソルブ混合溶剤で希釈
し、これを塗装ダイスを用いて紡糸した光ファイバに被
覆し、４００℃の加熱炉を通過させて硬化させた。

【００３７】またラダー型シリコーンは、下記構造式
（１）で表わされる重合体であるが、

【００３８】

【化１】

【００３９】（Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は各々アルキル
基またはアリール基を表わし、同じでも異なってもよ
い。Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴で表わされるアルキル基は
例えばメチル基、エチル基である。Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、
Ｒ4 で表わされるアリール基は例えばフェニル基であ
る。ｒは重合度を表わす正の整数である。）各実施例及
び比較例では前記構造式（１）でＲ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ
⁴が全てメチル基である前駆体のキシレン溶液を紡糸し
た光ファイバに塗布し、温度４００℃の電気炉を通過さ
せて、乾燥、硬化させた。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば次の効果がある。

【００４１】（１）請求項１〜２に記載の耐熱光ファイ
バによれば、光ファイバの表面に緩衝層としてシリコー
ン層を設け、保護層である耐熱性樹脂の硬化収縮時の収
縮力を緩和するようにしたので、伝送特性、引張強度を
向上することができる。

【００４２】（２）請求項３〜４に記載の耐熱光ファイ
バによれば、表面に、シリコーン樹脂とポリイミド樹脂
を被覆することによって、２００℃の高温状態でも消光
比が良好な耐熱偏波面保存光ファイバが得られる。さら
に、この偏波面保存光ファイバはコイル状に重ね巻きし
ても消光比が良好なので、センシングコイルに適用する
ことができる。従って、高温環境下における角速度、磁
界、電界等の計測が可能になり、工業上の寄与は極めて
大きい。

【００４３】（３）請求項５に記載の耐熱ファイバによ
れば、更にカーボン層を設けるようにしたので、疲労特
性、耐水素性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるカーボン層を付加したシ
リコーン／ポリイミド被覆光ファイバの構造を示す断面
図。

【図２】本発明の実施例によるシリコーン／ポリイミド
被覆光ファイバの構造を示す断面図。

【図３】従来例の耐熱光ファイバの構造を示す断面図。

【図４】本実施例の耐熱偏波面保存光ファイバの構造を
示す断面図。

【図５】従来例の耐熱偏波面保存光ファイバの構造を示
す断面図。

【図６】偏波面保存光ファイバを用いたセンシングコイ
ルにおけるポリイミド樹脂被覆層の厚さ依存性を示す消
光比の特性図。

【符号の説明】

１光ファイバ裸線２ポリイミド樹脂被覆層３軟質シリコーン樹脂被覆層４カーボン層５コア６クラッド７楕円ジャケット層８サポート層１１偏波面保存光ファイバ裸線１２ポリイミド樹脂被覆層１３シリコーン樹脂被覆層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大窪豪茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者中村正志茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (72)発明者詫摩勇悦茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバ裸線の外方に低引張弾性率の軟
質シリコーン樹脂の被覆層を設け、この軟質シリコーン
樹脂被覆層の外方に耐熱性樹脂の被覆層を設けたことを
特徴とする耐熱光ファイバ。
【請求項２】前記軟質シリコーン樹脂被覆層の引張弾性
率が０．０１ｋｇｆ／ｍｍ²〜５０ｋｇｆ／ｍｍ²の範
囲内にあり、この被覆層の膜厚が４〜５０μｍの範囲内
にあることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイ
バ。
【請求項３】前記光ファイバ裸線が偏波面保存光ファイ
バ裸線であることを特徴とする請求項１または２に記載
の耐熱光ファイバ。
【請求項４】前記耐熱性樹脂の被覆層がポリイミド樹脂
被覆層であり、その厚さが１５μｍ以上であることを特
徴とする請求項３に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項５】前記軟質シリコーン樹脂被覆層の内側に更
にカーボン層を設けたことを特徴とする請求項１ないし
４のいずれかに記載の耐熱光ファイバ。