JP3875354B2

JP3875354B2 - 多芯プラスチック光ファイバケーブル

Info

Publication number: JP3875354B2
Application number: JP15563997A
Authority: JP
Inventors: 真一豊島
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: JPH112747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術】
本発明は、光通信として、パソコン通信、工場の機械装置の制御、航空機や船舶、自動車等移動体の中での信号伝送、さらには物体の有無や大きさなどを検出する光ファイバ式の光電スイッチなどに使用する光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多芯プラスチック光ファイバは、曲げによる光量のロスを小さくすることができ、開口数を下げて高速通信を行なうことができることから信号伝送媒体として広く利用が始まっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多芯プラスチック光ファイバを信号伝送などの用途で使用する場合、複数の芯と該芯の間隙を鞘樹脂で埋めてなる裸線の上にケーブル被覆を行なって使用するが、この時の裸線の最外周に配置された芯は必ずしもその断面は真円状を保っておらず、つぶされたりして変形している。そのため、多芯プラスチック光ファイバの有効な導光断面としては、最外周の芯群を除いて設計しなければならない。これは多芯プラスチック光ファイバ裸線の太さを余分に大きくしなければならないことになり、生産コストの増加とファイバの柔軟性を損なう結果となる。
【０００４】
本発明の目的は、多芯プラスチック光ファイバケーブルにおいて、上記問題を解決し、生産コストを削減し、ケーブルの柔軟性を向上することにある。具体的には、多芯プラスチック光ファイバ裸線の太さを最小限に抑えたケーブルを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明な芯樹脂からなる複数の芯と該芯の間隙を埋める芯樹脂よりも屈折率の低い透明な鞘樹脂からなる鞘とを有する多芯プラスチック光ファイバの周囲に被覆層を設けた多芯プラスチック光ファイバケーブルであって、多芯プラスチック光ファイバに上記ファイバの中心から同心円状に複数の主要芯が７本以上配置して有効導光部を形成し、且つ該有効導光部の外側を上記主要芯よりも直径の小さい保護芯で略同心円状に取り囲み保護部を形成してなることを特徴とする多芯プラスチック光ファイバケーブルである。
【０００６】
本発明においては、多芯プラスチック光ファイバケーブルにおいて、導光部となる主要芯よりも直径の小さい保護芯で主要芯を取り囲むことにより、従来よりも裸線を細く構成することができ、生産コストを削減し、柔軟性を向上させることができたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に使用する多芯プラスチック光ファイバは、その断面において、鞘の海の中に複数の芯の島が点在する海−島構造が好ましいが、場合によっては、各芯の周囲を鞘樹脂が同心円状に取り囲んだ島が第３の樹脂の海に点在するような構造であっても良い。以下、前者の芯の島と鞘の海からなる多芯プラスチック光ファイバを例に挙げて本発明を詳細に説明する。
【０００８】
図１に本発明の多芯プラスチック光ファイバケーブルの一実施形態の断面図を示す。図中、１は主要芯、２は保護芯、３は鞘、５は被覆層である。また、図２は従来の多芯プラスチック光ファイバケーブルの一例の断面図である。図中、４は最外周の芯を示す。
【０００９】
多芯プラスチック光ファイバを信号伝送に使用する場合、特に大切なことは、効率よく光を受光することであり、特にファイバの中央部はＬＥＤの発光中心の存在するところであり、高密度に光が伝送されてくる。そのため、特に中央部は芯の充填率が高くなるように整然と芯を配置する必要があり、中央の１本の芯を配置が安定するように６本の芯で取り囲んだ７芯、さらにその外側を１２本の芯で同心円状に囲んだ１９芯、さらに外側を順次同心円状に取り囲んだ３７芯、６１芯、９１芯のように最も外側の芯が六角形を形成するように芯が配置される。芯の配置は芯の本数が大きくなるほど円状に近づいていく。
【００１０】
また、多芯プラスチック光ファイバを信号伝送に使用し、長距離の伝送を行なうには伝送損失を大きくしないことが必要である。プラスチック光ファイバの芯の直径が０．２０ｍｍ程度までであれば伝送損失は十分小さくできるが、芯の直径がさらに数十μｍ程度まで小さくなると、一定の長さの光ファイバで比べた場合、光が鞘で反射する回数が多くなり、その分ロスが増えるという問題が出てくるので、目的とする伝送距離に対応するように芯の最小径を選ぶ必要がある。芯の直径は小さければ小さい程、ファイバを曲げた時の光量ロスは小さくなるので、両者のバランスから多芯プラスチック光ファイバの芯径が決まる。
【００１１】
通常芯の直径は３０〜２００μｍであり、ロスを小さくしたい場合には５０〜２００μｍの比較的大きな径が好ましい。長距離伝送の場合、芯の直径は５０μｍ以上が好ましく、芯の本数は５００本以下の少ない芯数で構成する場合が多く、この芯の役割は重要である。そのため、有効導光部に当たる部分の芯は、損傷なく完璧に保つ必要がある。しかしながら、前記したように、最外周の芯は有効導光範囲としてカウントできないため、芯を一層分付したファイバを準備しなければならない。これを図２に基づいて説明すると、有効導光部は１９本の主要芯１からなり、その外側の１８本の芯４は導光しない可能性から排除しなければならないため、結局３７本の芯が必要になり、芯の有効面積比率は５１％に留まる。多芯プラスチック光ファイバの裸線のファイバ径としては有効径（有効導光部の直径）の７／５倍に大きくしなければならないのである。これは、ファイバ素材の大きなロスであり、且つ、ファイバの直径が太くなることで剛直になり、好ましくない。
【００１２】
本発明においては、最外層の芯を有効導光部を保護する専用層とすることにより、効率的な構造とした多芯プラスチック光ファイバケーブルである。即ち、図１に示すように、主要芯１からなる有効導光部の外側に、主要芯１よりも直径の小さい保護芯２を万遍なく配置し、外周が比較的円になるように形成する。
【００１３】
有効導光部を直径の一様な主要芯１で埋め尽くした場合、その外周はほぼ六角形にあるので、その周囲を保護芯２で取り囲む時、全ての保護芯２の直径を同じにしても良いし、また、異なる直径の保護芯を組み合わせても良い。保護芯２は鞘３で取り囲まれ、主要芯１と同じ材料構成であるため、熱的な膨張も同様となり、且つ、ケーブル被覆時の損傷や、長期保存中のストレスによる損傷は、主要芯１よりも直径が小さい保護芯２で十分に食い止めて主要芯１への影響を防止することができる。
【００１４】
本発明において、保護芯２の直径は主要芯１の直径より小さいことが必須であるが、好ましくは、主要芯１の直径の１０％〜９０％であり、より好ましくは４０〜８０％である。図１では主要芯１の直径の５０％のものと７０％のものを組み合わせて用いている。このように構成することにより、全芯面積に対する有効導光部面積の比率は６９％に向上する。同時に、多芯プラスチック光ファイバの裸線のファイバ径としては有効導光部系の６／５倍に大きくするだけで良いということになり、従来よりも細いファイバとすることができる。
【００１５】
本発明において、主要芯１及び保護芯２を形成する芯樹脂としては、各種の透明樹脂が使用できる。特に好ましい樹脂としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）系の公知の樹脂が使用できる。例えば、メチルメタクリレート単独重合体や、メチルメタクリレートを５０重量％以上含んだ共重合体で、共重合可能な成分として、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、ｎ−アクリル酸ブチルなどのアクリル酸エステル類、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸シクロヘキシルなどのメタクリル酸エステル類、マレイミド類、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸、スチレンなどがある。このようなメチルメタクリレート系樹脂は透明性が高いので長距離の伝送を行なうことができる。
【００１６】
その他好ましい樹脂としては、スチレン系樹脂が使用できる。例えば、スチレン単独重合体や、スチレン−メチルメタクリレート共重合体などである。また、ポリカーボネート系樹脂も使用できる。ポリカーボネート系樹脂は、耐熱性が高いこと及び吸湿性が少ない特徴を有する。その他にも、耐熱性に優れたアモルファスのポリオレフィン樹脂が使用できる。例えば日本国内で製造されている日本合成ゴム社製「アートン」、三井石化社製「ＡＰＯ」、日本ゼオン社製「ＺＥＯＮＥＸ］などの樹脂がある。
【００１７】
本発明に用いられる鞘樹脂としては、芯樹脂よりも屈折率の低いものを使用する。ここで屈折率の目安としては、ナトリウムＤ線で、２０℃で測定した屈折率を指標にして、芯樹脂よりも０．００５〜０．２５程度低い樹脂であれば良い。
【００１８】
具体的には、芯樹脂としてＰＭＭＡ系樹脂を用いた場合であれば、ビニリデンフロライド系樹脂やフルオロアルキルメタクリレートを含む樹脂などが代表的である。中でも、本発明に適した樹脂はビニリデンフロライド系樹脂である。この樹脂は、芯樹脂であるＰＭＭＡ系樹脂との相溶性に優れ、芯と鞘とが溶融しあって一体化し、物性的にも伸びが有り、機械的強度が強く、加工性に優れているため、非常に好ましい。
【００１９】
上記ビニリデンフロライド系樹脂としては、ビニリデンフロライドとヘキサフロロアセトンとの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらにトリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体が非常に好ましい。さらに、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体、さらにビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの２元共重合体、特に、ビニリデンフロライドが８０モル％とテトラフロロエチレンが２０モル％の共重合体が好ましい。その他、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンとの２元共重合体も好ましい。これらのビニリデンフロライド系樹脂は、屈折率が１．４０近辺と比較的低いが、より狭い角度での出射角を望む場合には、これらのビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂を混合したアロイを使用すると良い。該メタクリレート系樹脂としては、メチルメタクリレートやエチルメタクリレートの単独重合体やこれらを主体とする共重合体であり、これらに、メチルメタクリレートやブチルアクリレートなどのアルキルアクリレートやアルキルメタクリレートなどを共重合しても良い。ビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレートを主成分とする樹脂の混合割合は、それぞれの樹脂の屈折率と配向重量割合の重量平均でおよそ求められる屈折率が所望の値になるように、それぞれの混合比率を１重量％程度から９９重量％程度の範囲で適宜選択すれば良い。
【００２０】
その他、加工性はやや劣るが、フルオロアルキルメタクリレート系樹脂やフルオロアルキルアクリレート系樹脂も使用することができる。これらの樹脂としては、フッ化メタクリレートモノマーとして、トリフルオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、ペンタフルオロプロピルメタクリレート、ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート、オクタフルオロプロペンチルメタクリレートなどがあり、フッ化アクリレートモノマーとしては、トリフルオロエチルアクリレート、テトラフルオロプロピルアクリレート、オクタフルオロペンチルアクリレートなどがある。そしてこれらのフッ素系モノマーの他に、高屈折率成分として、メチルメタクリレートやエチルメタクリレートなどのメタクリレートモノマーやメチルアクリレートやエチルアクリレート、ブチルアクリレートなどのアクリレートモノマーなどとの種々の組み合わせによる共重合体が挙げられる。その他、芯がＰＭＭＡ以外の場合には、既に単芯のプラスチック光ファイバで公知の鞘樹脂を使用することができる。
【００２１】
本発明に係る多芯プラスチック光ファイバの製造方法は、溶融状態にある芯樹脂と鞘樹脂とを、海−島構造のファイバに成形する複合紡糸方式を用いる。芯の配置は、複合紡糸ダイのノズル配置を所望の構造断面に応じて構成すれば良い。
【００２２】
また、溶融芯樹脂、溶融鞘樹脂を複合紡糸ダイに供給する比率を制御することで多芯プラスチック光ファイバ断面における芯面積の比率を設定することができる。本発明において芯の面積比率は６０〜９０％であり、通常７０〜９０である。この範囲で芯と芯との間に鞘樹脂を充填するが、その厚さ（芯と芯との間隙の距離）は０．５〜１０μｍが好ましく、より好ましくは１〜４μｍとする。
【００２３】
上記複合紡糸方式で得た裸線は、延伸と熱処理を行ない、０．２ｍｍ〜３ｍｍ程度の裸線とする。
【００２４】
上記裸線に、被覆層５を形成して本発明の多芯プラスチック光ファイバケーブルとする。被覆層５には、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ゴム、各種の熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル、架橋ポリオレフィン、架橋ポリ塩化ビニル、塩素化ポリエチレンコンパウンド、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などが用いられる。
【００２５】
【実施例】
［実施例１］
屈折率が１．４９２、２３０℃、３．８ｋｇ荷重の条件でのメルトフローインデックスが２．０ｇ／１０分のメチルメタクリレート単独重合体を芯樹脂として用い、鞘樹脂としては、屈折率が１．４０３でメルトフローインデックスが３０ｇ／１０分のビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体を用い、複合紡糸法にて多芯プラスチック光ファイバ裸線を形成した。該裸線は、直径が８９５μｍで、中央に直径が１４６μｍの主要芯１９本が、隣接芯間の距離が３μｍになるように鞘を配して整然と配置し、その外側に直径が７３μｍと１００μｍの保護芯を１２本ずつ配置し、１９本の主要芯が形成する７５０μｍの直径の円に納まる六角形の有効導光部を有していた。
【００２６】
上記裸線に黒色ポリエチレン樹脂を被覆し、直径が２．２ｍｍの多芯プラスチック光ファイバケーブルを得た。
【００２７】
上記ケーブルを５０ｍとり、両端を目視により観察したところ、中央の有効導光部の主要芯は全て健全に光を通しており、その周囲の保護芯は１／３が光が通りにくくなっていた。このケーブルの伝送損失を５２ｍと２ｍのカットバック法により測定した。測定は６６０ｎｍのＬＥＤでファイバ端面に照射する光のスポットは６５０μｍであった。伝送損失の値は２２０ｄＢ／ｋｍであり、優れた損失値を示した。
【００２８】
さらに、上記ケーブルを７０℃のオーブン中に１０００時間放置した後の伝送損失値も上記と変わらない値を示した。ケーブルの端面の目視検査では、保護芯の１／２が損傷を受けていたが、主要芯は健全であった。
【００２９】
本実施例のケーブルにおいては、直径が７５０μｍの有効導光部の安定性が、周囲に保護芯を配して直径８９５μｍとすることにより確保され、多芯プラスチック光ファイバの有効面積比率は７０％であった。
【００３０】
また、本実施例のケーブルを曲げ半径１０ｍｍの棒に巻きつけたところ、反発力が少なく、素直に巻きつけることができた。
【００３１】
［比較例１］
実施例１と同じ芯樹脂、鞘樹脂、被覆樹脂を用い、芯の直径を１４６μｍ、隣接芯間の距離を３μｍとなるようにして、同じ直径の芯を３７本整然と略六角形に配した多芯プラスチック光ファイバ裸線を形成し、ケーブル被覆を施した。該裸線の直径は１０４５μｍ、ケーブルの直径は２．２ｍｍであった。
【００３２】
実施例１と同様に、５０ｍのケーブルの端面を目視で検査したところ、最外層の芯のうち２本がやや暗くなっていた他は健全な明るさを示した。このケーブルを７０℃のオーブン中に１０００時間放置したところ、最外層の芯のうち約１／３が損傷を受けていた他は健全であった。
【００３３】
本比較例のケーブルの伝送損失を実施例１と同様に測定したところ、２２０ｄＢ／ｋｍと同じであった。本比較例の結果より、最外層の芯は信頼性に欠けることから、有効導光部はその内側の芯に限るべきであることがわかる。従って、本比較例のファイバの有効導光部は直径７５０μｍの１９芯となり、最外層の芯を含めた直径１０４５μｍの多芯プラスチック光ファイバは実質５１％の芯が有効であった。
【００３４】
また、本比較例のケーブルを曲げ半径１０ｍｍの棒に巻きつけた時、実施例１に比べて明らかに反発力が強くなっていた。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多芯プラスチック光ファイバケーブルは、同じ面積の有効導光部を有するケーブルに比べて、ファイバ径が小さいため、柔軟性が高く、取り扱い易い上、且つ、有効面積比が高いため、生産コストが低く、従来と同じ伝送損失のケーブルをより安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多芯プラスチック光ファイバケーブルの一実施形態の断面図である。
【図２】従来の多芯プラスチック光ファイバケーブルの一例の断面図である。
【符号の説明】
１主要芯
２保護芯
３鞘
４最外周芯
５被覆層

Claims

透明な芯樹脂からなる複数の芯と該芯の間隙を埋める芯樹脂よりも屈折率の低い透明な鞘樹脂からなる鞘とを有する多芯プラスチック光ファイバの周囲に被覆層を設けた多芯プラスチック光ファイバケーブルであって、多芯プラスチック光ファイバに上記ファイバの中心から同心円状に複数の主要芯が７本以上配置して有効導光部を形成し、且つ該有効導光部の外側を上記主要芯よりも直径の小さい保護芯で略同心円状に取り囲み保護部を形成してなることを特徴とする多芯プラスチック光ファイバケーブル。