Hintergrund der Erfindung
Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtübertragungs-
Glasfaser, die bei der optischen fernmeldetechnischen
Übertragung verwendet wird. Insbesondere betrifft sie eine
Dünnschicht-überzogene Lichtübertragungs-Glasfaser (mit
einem äußeren Durchmesser des Überzuges von höchstens 200
µm). In der vorliegenden Erfindung wird das
Beschichtungsharz einer Harz-überzogenen optischen Faser
verbessert.
Beschreibung des Standes der Technik
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Da lichtübertragende Glasfasern (optische Glasfasern)
schlechte mechanische Eigenschaften und schlechte
Lichtübertragungseigenschaften im Zustand der gezogenen
Faser haben, sind sie an ihrer Peripherie mit einer
Überzugsschicht versehen, wie einer solchen aus
Polymermaterial.
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Als polymeres Material wird im allgemeinen ein
Ultravioletthärtendes Harz (nachfolgend bezeichnet als "UV-Harz") im
Hinblick auf die Produktivität verwendet. Der Überzug hat im
allgemeinen einen zweischichtigen Aufbau. Die innere Schicht
ist eine relativ weiche Pufferschicht (der äußere
Durchmesser der Schicht: etwa 200 µm, Young-Modul: etwa (0,1
bis 0,2) x 9,8 MPa (0,1 bis 0,2 kg/mm²)) und die äußere
Schicht ist eine harte Schutzschicht (äußerer Durchmesser
des Überzugs: etwa 250 µm, Young-Modul: (30 bis 100) x 9,8
MPa (30 bis 100 kg/mm²)).
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Kürzlich wurde eine höhere Dichte eines
Telekommunikationskabels gefordert bei der Veränderung des
Kabels zu einem optischen Faserkabel für ein Telefonnetz.
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In einem Flachbandkabel, bei dem die gesammelten
Mehrbandglasfasern, die durch parallele Einknüpfung mehrerer
mit UV-Harz beschichteter optischer Fasern zu einem Bündel
geformt wurden und der Überzug des Bündels mit einem
üblichen UV-Harzüberzug erfolgt ist, kann der übliche äußere
Durchmesser (etwa 250 µm) zu keiner höheren Dichte führen.
Daher wurde ein dünner Überzug (äußerer Durchmesser der
äußersten Schicht: höchstens etwa 200 µm) entwickelt.
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Allerdings führt die Dünnschicht-überzogene optische Faser
(äußerer Durchmesser der Überzugsschicht: höchstens 200 µm)
mit einem konventionellen UV-Harz (Young-Modul: (30 bis 100)
x 9,8 MPa (30 bis 100 kg/mm²)) als Überzugsmaterial der
äußersten Schicht zu einem extremen Abfall der seitlichen
Druckbeständigkeit infolge der dünnen überzugsschicht.
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Um somit die äußere Druckbeständigkeit in einer
Dünnschichtüberzogenen optischen Faser (äußerer Durchmesser der
Überzugsschicht: höchstens 200 µm) zu verbessern, ist
beabsichtigt, einen sehr hohen Young-Modul zu erreichen,
wodurch im wesentlichen die gleiche seitliche
Druckbeständigkeit erreicht wird wie bei der konventionell
überzogenen optischen Faser (äußerer Durchmesser der
Überzugsschicht: etwa 250 µm).
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Der Begriff "seitliche Druckeigenschaft" bedeutet hier, daß
eine leichte Krümmung auftritt, um den
Lichtübertragungsverlust der Faser zu erhöhen, wenn ein
äußerer Druck (seitlicher Druck) auf die Faser ausgeübt
wird. Der Begriff "seitliche Druckbeständigkeit" bedeutet,
daß das Ansteigen des Lichtübertragungsverlustes bei
Anwendung des seitlichen Druckes gehemmt wird.
Bei der Dünnschicht-überzogenen optischen Faser (äußerer
Durchmesser des Überzugs: höchstens 200 µm), die eine
äußerste Überzugsschicht eines UV-Harzes hat, das einen sehr
hohen Young-Modul von wenigstens 9,8 x 10² MPa (100 kg/mm²)
hat, wird die Lichtübertragungseigenschaft verschlechtert,
und die Abschirmungsbruchfestigkeit verringert sich.
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Der Grund dafür besteht scheinbar darin, da das für die
äußerste Schicht verwendete UV-Harz einen hohen Young-Modul
hat und eine sehr geringe Dehnung (etwa 6 %),
(1) daß ein Kratzer auf der Überzugsoberf läche leicht ein
Bruch wird und die äußerste Schicht uneben wird und beim
Glasteil zu einer ungleichmäßigen Distortion führt, so daß
sich die Lichtübertragungseigenschaft verschlechtert, und
(2) daß die Faser leicht an der Abschirmung bricht infolge
des Bruchwachstums.
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Der Begriff "Abschirmung" bedeutet hier eine Test, bei dem
eine minimale Festigkeit in Längsrichtung durch Anwendung
einer konstanten Zugkraft auf die gesamte Länge der Faser
gesichert ist.
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Der Begriff "Dehnung" bedeutet hier das Verhältnis in
Prozenten der Dehnungslänge zur ursprünglichen Länge bis zum
Bruch der Probe in einem Zugtest.
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Die EP-A-0311186 offenbart eine optische Glasfaser, die mit
einem synthetischen Harzüberzug versehen ist. Dabei hat eine
erste Ummantelungsschicht aus synthetischem Kautschuk einen
Elastizitätsmodul von 0,1 bis 10 MPa und eine Dicke von 5
bis 20 µm, und eine nachfolgende Ummantelungsschicht aus
synthetischem Harz hat einen Elastizitätsmodul von mehr als
1000 MPa. Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden
beide Schichten aus härtbaren synthetischen
Harzzusammensetzungen gebildet, die durch Exponierung
gegenüber UV-Licht gehärtet werden können.
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Die EP-A-0239641 offenbart eine Harzzusammensetzung, die
einen speziellen Di(Meth)crylester, ein
Polyurethan(meth)acrylat, ein monoethylenisch ungesättigtes
Monomeres und eine Gegebenenfalls-Komponente eines
Fotopolymerisationsinitiators enthält. Die
Harzzusammensetzung wird zum Überziehen der Oberfläche einer
optischen Glasfaser verwendet. Die Dehnung des Harzüberzuges
der durch Härtung der obigen Zusammensetzung erhalten wird,
wird als groß beschrieben (35 bis 86 %), und der Grad der
Wasserabsorption des Harzüberzuges wird als klein definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Lichtübertragungs-Glasfaser, die eine ausgezeichnete
Seitendruckeigenschaft hat, eine ausgezeichnete
Lichtübertragungseigenschaft und eine verbesserte
Abschirmfestigkeit.
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Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden mit
einer Lichtübertragungs-Glasfaser erreicht, die wenigstens
eine überzugsschicht aus einem durch Ultraviolettstrahlung
aushärtendem Harz auf einer äußeren Oberfläche der Faser
hat, wobei das Ultraviolett-härtende Harz, das für die
äußerste Schicht verwendet wird, einen Young-Modul von
wenigstens 9,8 x 10² MPa (100 kg/mm²) hat, und die
Lichtübertragungs-Glasfaser einen äußerer Durchmesser der
äußersten Schicht von höchstens 200 µm hat und eine
Bruchdehnung von wenigstens 30 %.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Seitendruckeigenschaft und dem Young-Modul des Harzes an der
äußersten Schicht zeigt.
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Lichtübertragungseigenschaft und der Dehnung des Harzes der
äußersten Schicht zeigt.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der
Lichtübertragungseigenschaft und dem Wert [Dehnung(%) -
Young-Modul( x 9,8 MPa (kg/mm²)] des Harzes der äußersten
Schicht.
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Fig. 4 ist die Querschnittsansicht einer Harz-überzogenen
optischen Faser der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 5 ist die schematische Ansicht einer Vorrichtung zur
Herstellung einer Lichtübertragungsfaser der vorliegenden
Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der Young-Modul der äußersten Harzschicht beträgt
vorzugsweise (130 bis 160) x 9,8 MPa (130 bis 160 kg/mm²).
Die Grenzdehnung der äußersten Harzschicht beträgt
vorzugsweise 30 bis 100 %, bevorzugter 40 bis 60 %.
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In der Faser der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert
Dehnung (%)/Young-Modul ( x 9,8 MPa (kg/mm²)) des
Ultraviolett-härtenden Harzes, das für die äußere Schicht
verwendet wird, vorzugsweise wenigstens 0,2, bevorzugter von
0,3 bis 0,5.
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Der äußere Durchmesser der äußersten Schicht beträgt
vorzugsweise höchstens 200 µm, vorzugsweise von 180 bis 200
µm.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf
die dazugehörigen Zeichnungen erläutert.
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Die Lichtübertragungs-Glasfaser der vorliegenden Erfindung
hat grundsätzlich eine mehrschichtigen Aufbau, vorzugsweise
einen Zweischichtaufbau im Hinblick auf den dünnen Überzug,
wie in Fig. 4 gezeigt. Eine Glasfaser 1 wird mit einer
Pufferschicht 2 und äußeren Schutzschicht 3 überzogen, die
die Werte für die betreffenden Eigenschaften haben, die in
der vorliegenden Erfindung definiert sind, um eine
Lichtübertragungsfaser 11 zu bilden. Der Durchmesser der
Glasfaser 2 beträgt üblicherweise 100 bis 150 µm,
vorzugsweise 120 bis 130 µm, bevorzugter 124 bis 126 µm. Die
Dicke der Pufferschicht beträgt üblicherweise 10 bis 30 µm.
Die Dicke der äußeren Schicht 3 beträgt üblicherweise 10 bis
30 µm.
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Das Ultraviolett-härtende Harz, das die äußerste
Schutzschicht 3 bildet, ist in keiner Weise eingeschränkt,
sofern es nach dem Aushärten den hohen Young-Modulwert und
den hohen Dehnungswert erreicht, wie er oben definiert ist.
Bevorzugte Beispiele des Ultraviolett-härtenden Harzes sind
ein Epoxyacrylat, ein Urethanacrylat und ein Esteracrylat,
da diese relativ leicht die hohen Young-Modulwerte und den
hohen Dehnungswert ergeben.
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Obgleich das Ultraviolett-härtende Harz (üblicherweise in
Form eines Oligomeren) allein verwendet werden kann, kann
ein Fotoinitiator und/oder ein polyfunktionelles Monomeres
zusammen mit dem Harz eingesetzt werden.
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Die Pufferschicht kann das gleiche Harz wie das
Ultraviolett-härtende Harz der äußeren Schicht sein, oder es
kann ein relativ weiches Überzugsmaterial wie Siliconharz
sein.
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Falls erforderlich kann eine zusätzliche Schicht vorgesehen
sein, ein Material, das das gleiche oder ein anderes ist als
die Schutzschicht 3 oder die Pufferschicht 2.
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Die Lichtübertragungs-Glasfaser der vorliegenden Erfindung
kann über eine übliche Vorrichtung zur Herstellung von
optischen Fasern, wie in Fig. 5 gezeigt, hergestellt werden.
Ein Glasfaserrohling 4 wird zu einer Glasfaser 1 gezogen,
und die Glasfaser 1 wird mit den Harzschichten überzogen, um
eine Harz-überzogene Lichtübertragungsfaser 11 zu bilden.
Die Vorrichtung besteht aus a) einem Ziehofen 5, b) zwei
Harzüberzugseinheiten 6 und 6', c) zwei Einrichtungen zur
Ultraviolettbestrahlung 9 und 9', ausgestattet mit einer UV-
Bestrahlungslampe 7 (und 7'), einem Rohr 8 (und 8') und
einem Reflektor 10 (und 10'), und d) einer
Aufwickeleinrichtung 12.
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Die äußerste Schutzschicht 3 wirkt dahingehend, daß sie die
Glasfaser 1 vor äußerem Druck schützt. Je höher der Young-
Modul der äußeren Schutzschicht 3 ist, desto höher ist die
Beständigkeit der äußeren Schutzschicht 3 gegenüber äußerem
Druck (seitlichem Druck). Wenn allerdings die äußerste
Schicht 3 eine niedrige Dehnungseigenschaft hat, hat die
äußere Schicht eine außerordentliche niedrige Beständigkeit
gegenüber Biegung und bricht leicht.
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Die niedrige Dehnungseigenschaft führt zu einer
Ungleichmäßigkeit der Schutzschichtoberfläche und führt zu
einer Distortion des Glases, so daß die
Lichtübertragungseigenschaft verschlechtert wird und sich
die Festigkeit der Faser verringert. Daher muß das Harz der
äußersten Schicht einen hohen Young-Modul und eine hohe
Dehnungseigenschaft haben.
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In der vorliegenden Erfindung wurde die Beziehung zwischen
der Lichtübertragungseigenschaft und dem Young-Modul des
Materials der äußeren Schutzschicht und die Beziehung
zwischen der Lichtübertragungseigenschaft und der Dehnung
des Materials der äußeren Schutzschicht untersucht. Bei der
Faser mit dem dünnen Überzug (äußerer Durchmesser des
Überzugs: höchstens 200 µm) fanden wir Werte des Young-
Moduls und der Dehnung, die eine gute
Lichtübertragungseigenschaft zusammen mit guter seitlicher
Druckbeständigkeit ergaben.
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Bei der Faser mit der dickeren Überzugsschicht (äußerer
Durchmesser des Überzugs: etwa 250 µm) ist die Wirkung des
hohen Young-Moduls der äußeren Schutzschicht gering, und der
hohe Young-Modul ist nahezu nicht erforderlich, da die
Schutzschicht ausreichend dick ist. Allerdings sind in der
Faser, die die dünne Schutzschicht hat (äußerer Durchmesser
des Überzugs: höchstens 200 µm) der hohe Young-Modulwert und
der hohe Dehnungswert, wie sie in der vorliegenden Erfindung
definiert sind, erforderlich.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden
Beispiele erläutert, die die vorliegende Erfindung nicht
einschränken.
Beispiele 1 bis 8
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Unter Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung der
optischen Faser, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, wurde der
Glasfaserrohling 4 in dem Ziehofen 5 gezogen, um die
Glasfaser 1 (Durchmesser: 125 µm) herzustellen. Die
Glasfaser 1 wurde durch die Vorrichtungen zum Harzüberzug 6
und 6' geführt, um die Ultraviolett-härtenden
Harzbeschichtungen auf die Glasfaser 1 aufzubringen. Die
Ultraviolett-härtenden Harzüberzüge wurden in den
Einrichtungen zur Ultraviolettbestrahlung 9 und 9' gehärtet,
um die in Fig. 4 gezeigte Dünnschicht-überzogene optische
Faser 11 zu bilden.
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In den Beispielen 1 bis 6 wurde ein Ultraviolett-härtendes
Urethanacrylatharz mit einem Young-Modul von 0,10 x 9,8 MPa
(0,10 kg/mm²) bei Raumtemperatur als innere Schicht
(Pufferschicht) 2 verwendet, und der Außendurchmesser der
inneren Schicht 2 betrug 150 µm.
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Verschiedene Ultraviolett-härtende Urethanacrylatharze, die
in der Tabelle aufgeführt sind und die unterschiedliche
Young-Modulwerte und Dehnungswerte hatten, wurden als äußere
Schicht (Schutzschicht) 3 verwendet, und der
Außendurchmesser der äußeren Schicht betrug 180 µm.
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Die seitliche Druckeigenschaft und die
Lichtübertragungseigenschaft wurde bewertet. Die Ergebnisse
sind in der Tabelle aufgeführt.
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Die Ergebnisse für eine übliche optische Faser mit einer
dicken Überzugsschicht (äußerer Durchmesser des Überzugs:
250 µm) (Beispiele 7 und 8) sind ebenso in der Tabelle
aufgeführt.
Tabelle
Beispiel
Material der äußeren Überzugsschicht
Seitendruck
Lichtübertragung
Frequenz der Abschirmungsbruchfestigkeit (Anzahl Male)
Anmerkung:
1) Platten-Seitendrucktest: Angezeigt durch die Erhöhung des Lichtübertragungsverlustes; Δα
(1,55 µm) bei einer Last von 50 kg.
2) Lichtübertragungseigenschaft mit der auf eine Trommel aufgerollten Faser (1,55 µm).
3) Bruchzahl pro 100 km in einen 700 g Abschirmtest.
4) Young-Modul und Dehnung wurden bestimmt gemäß dem JIS-Verfahren
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Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der seitlichen
Druckeigenschaft und dem Young-Modul der überzogenen
optischen Fasern der Beispiele 1 bis 6, die in der Tabelle
aufgeführt sind.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der
Lichtübertragungseigenschaft und der Dehnung.
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Aus den obigen Ergebnissen ist klar, daß die Faser mit der
dünnen Überzugsschicht nahezu die gleiche
Seitendruckeigenschaft wie die Faser hat, die die dicke
Überzugsschicht aufweist, wenn das Harz der äußersten
Schicht einen Young-Modul von wenigstens 9,8 x 102 MPa (100
kg/mm²) hat.
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Zusätzlich ist klar, daß die Faser mit der dünnen
Überzugsschicht nahezu die gleiche
Lichtübertragungseigenschaft und Faserfestigkeit wie die
Faser mit der dicken Überzugsschicht hat, wenn das Harz der
äußersten Schicht eine Dehnung von wenigstens 30 % aufweist.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der
Lichtübertragungseigenschaft und den Wert [Dehnung (%) -
Young-Modul ( x 9,8 MPa (kg/mm²))] der äußeren Harzschicht.
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Aus diesen Ergebnissen wird deutlich, daß die Faser mit der
dünnen Überzugsschicht nahezu die gleiche
Lichtübertragungseigenschaft und Faserfestigkeit hat wie die
Faser mit der dicken Überzugsschicht, wenn der Wert [Dehnung
(%) - Young-Modul ( x 9,8 MPa (kg/mm²))] der äußeren
Schutzschicht wenigstens 0,2 beträgt.
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Nach der obigen Erläuterung hat die Faser der vorliegenden
Erfindung eine Innenschicht und eine Außenschicht. Die Faser
der vorliegenden Erfindung kann wenigstens eine
überzugsschicht aus Ultraviolett-härtendem Harz haben.
Beispielsweise kann die Faser der vorliegenden Erfindung
eine Überzugsschicht oder wenigstens drei Überzugsschichten
haben. Die äußerste Schicht des Überzugs muß die definierten
Werte des Young-Moduls und der Dehnung aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung kann eine optische Faser
bereitstellen mit einer dünnen Überzugsschicht (äußerer
Durchmesser der Überzugsschicht: höchstens 200 µm), die eine
gute Lichtbeständigkeitseigenschaft und Faserfestigkeit hat
und die sehr nützlich für ein optisches Kabel mit hoher
Dichte ist.