(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドを有するガラス光ファイバと、該ガラス光ファイバ上に被覆された１次保護層と、該１次保護層上に施された２次保護層と、該２次保護層の外周に施された３次保護層とを有する光ファイバにおいて、
前記１次保護層の厚さが１０μｍ以下であり、ガラス転移温度を−５℃以上、かつ５℃以下とし、
前記２次保護層のガラス転移温度を−１０℃以下とし、
前記３次保護層のガラス転移温度を５０℃以上、かつ１００℃以下とし、
前記１次保護層のガラス転移温度を前記２次保護層のそれより高くしたことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記１次保護層の厚さが前記２次保護層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を伝送する光ファイバにおいて、信頼性の高い被覆層を有する光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ファイバは、第４図が示すように中心部に光信号を通すコア１と、その外側に設けられたクラッド２を有する石英ガラスからなるガラス光ファイバの上に、柔軟なプライマリ層１３を被覆せしめ、このプライマリ層１３の上に硬質のセカンダリ層１４をさらに被覆した構造を有するものが一般的である。
そして一般的には、前記プライマリ層１３にはヤング率が３ＭＰａ以下の紫外線硬化型樹脂が、セカンダリ層１４にはヤング率が５００ＭＰａ以上の紫外線硬化型樹脂がそれぞれ使用されている。
ところで、高分子材料はガラス転移温度（以下単にＴｇという）を境にして物性が大きく変化する。特に、光ファイバにおいては、被覆材料である紫外線硬化型樹脂のＴｇによる物性変化の違いを利用することで、光ファイバを透過する光信号の伝送損失が外力によって影響をより受けないように工夫されている。
具体的には、プライマリ層１３には緩衝作用を持たせるため柔軟な材料としてＴｇの低い材料が用いられている。つまり使用環境温度より低いＴｇを持つ材料が選択され、通常の場合には、室温よりも低いＴｇを持ったものが用いられている。言い換えれば、使用環境温度はＴｇよりも上に存在しているので、プライマリ層１３は使用環境温度では柔軟なゴム状態となっていることによって緩衝層としての機能を持つことになる。
一方、セカンダリ層１４と称する硬質層は、使用環境温度よりも高いＴｇを有していることから、使用環境温度ではガラス状態で使用されることとなり、硬質の保護層として作用することとなる。
このような光ファイバを水に浸漬した場合、ガラス光ファイバとプライマリ層１３間に剥離を生じる場合がある。
もちろん第４図に示す光ファイバに着色層を施したり、その着色層付き光ファイバ、すなわち光ファイバ心線を複数本平面状に並べてこれにテープ層を施してテープ心線を構成した場合には、セカンダリ層１４と着色層間、あるいは着色層とテープ層間でも剥離が生じる恐れがある。
このような剥離が生じた場合、とりわけガラス光ファイバとプライマリ層１３との界面で剥離が生じた場合には、これが原因でガラス光ファイバに不均一な力が作用して、マイクロベンドを生じさせ、伝送ロスを増加させることとなる。
そこで被覆層間の剥離を生じさせないために、各被覆層の材質をよく吟味すること、とりわけガラス光ファイバとプライマリ層１３との界面には十分な接着性を確保するために多大な努力がなされている。
このガラス光ファイバとプライマリ層との界面の接着性を向上せしめることを目的としたものの一例として特開２００１−１１４５３５号公報（特許文献１）に開示されている発明がある。
特許文献１には、ガラス光ファイバとプライマリ層との接着性を向上せしめる目的で、プライマリ層を多層の被覆層で形成した光ファイバが開示されている。具体的には、軟質のプライマリ層を複数の層で形成し、内側の被覆層ほど光重合開始剤の濃度を高くしてガラス光ファイバとプライマリ層との界面の接着性を向上せしめたものが提案されている。
ところで、光ファイバの被覆に用いるプライマリ層１３用の紫外線硬化型樹脂には、第一にマイクロベンドに対する耐性を向上させるため柔軟性が強く求められている。特に、使用環境温度が低温になる冬場を想定すると、プライマリ層１３用の紫外線硬化型樹脂のＴｇは、光ファイバの使用環境温度より低くすることが望まれる。
プライマリ層１３は、そのＴｇが低いほど低温における伝送特性は良好となり、柔軟であればあるほどマイクロベンドに対する耐性は良好となる。そのために、一般的には、プライマリ層１３は耐寒性を考慮して、そのＴｇを低くし、柔軟性を考慮して架橋点間分子量を大きくする材料設計がなされている。
しかしながら被覆材料のＴｇを低くして架橋点間分子量を大きくすると、柔軟ではあるが架橋の網目が粗くなるため、光ファイバが水に曝されて水分が被覆層に浸透した際に、プライマリ層１３内にはいわゆる水泡が生じ易くなるという問題がある。そのため実際には、この水泡の発生を防止するためにプライマリ層１３のヤング率を目安として架橋点間分子量を調整しているが、これを満足するプライマリ層１３としてＴｇが−２０℃以上のものが用いられていることが多い。
特に、水泡がガラス光ファイバとプライマリ層１３の界面やガラス光ファイバの近傍で生じるとマイクロベンドロスが生じ易くなってしまう。そのため、プライマリ層１３の水泡を発生し難くするための材料面の工夫が精力的に検討されている。
【発明の開示】
【０００３】
前述したように光ファイバにおいては、例えばガラス光ファイバとプライマリ層の層間に剥離を生じたり、プライマリ層内に水泡を生じたりするとマイクロベンドによって伝送ロスが増加するという問題がある。
これを解決するため、プライマリ層への要求特性として、ガラスに対する接着性と耐水性、さらに外部からの応力に対する緩衝性等の多様な要求特性を満足することが不可欠なものとなっている。
しかしながら、特許文献１に開示されている光ファイバは、基本的にはガラス光ファイバとプライマリ層の接着性を向上させることのみ追求しているだけであり、プライマリ層内における水泡発生防止に関しては何も言及していない。
しかも、特許文献１に記載されている光ファイバの構造では、接着性の課題を解決するためにプライマリ層を複数層にし、しかも光重合開始剤の添加量をプライマリ層の内側の層ほどその濃度を高くしなければならない等、非常に複雑な構成とならざるを得ず、製造面における制約も大きなものとなっていた。
上記の問題に鑑み本発明の目的は、被覆を構成する組成物が複雑でなく、それ故製造面における制約も少なく、しかもガラス光ファイバとプライマリ層の層間剥離やプライマリ層中に水泡の生じ難い光ファイバを提供することにある。
前記目的を達成すべく請求項１記載の光ファイバは、コアとクラッドを有するガラス光ファイバと、該ガラス光ファイバ上に被覆された１次保護層と、該１次保護層上に施された２次保護層と、該２次保護層の外周に施された３次保護層とを有する光ファイバにおいて、前記１次保護層のガラス転移温度を−２０℃より大きく、かつ１０℃以下とし、前記２次保護層のガラス転移温度を−１０℃以下とし、かつ前記１次保護層のガラス転移温度を前記２次保護層のそれより高くしたことを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項１記載の光ファイバによれば、１次保護層のＴｇを−２０℃より大きく、かつ１０℃以下とし、かつ２次保護層のＴｇよりも高くしたことによって、ガラス光ファイバと接触する１次保護層の水泡発生が起こり難くなる。したがって、ガラス光ファイバと１次保護層の層間における剥離は生じ難くなっていることが推測される。
また、１次保護層のＴｇを−２０℃より大きく、かつ１０℃以下とし、かつ２次保護層のそれより高くすることによって、動的機械分析から得られるｔａｎδの値は常温、すなわち使用環境温度付近においても高い値が得られることになる。その結果、１次保護層のガラス光ファイバに対する接着性は常温においても高くなっていると推察される。
さらに、２次保護層のＴｇを１次保護層のそれより低くし、かつ−１０℃以下として使用環境温度よりも低くしていることによって、使用環境温度の範囲内において柔軟性も維持できる。そのため、ガラス光ファイバに対するマイクロベンドをより生じさせ難くなっている。
このように耐マイクロベンド特性が向上していることによってヒートサイクルによる伝送ロス増も起こし難くなり、いわゆる伝送路としての性能が高く、かつ信頼性の高いものが得られる。
より簡略化して言えば、請求項１記載の光ファイバによれば、Ｔｇの高い１次保護層を設けることで、１次保護層では水泡発生が起こり難くなり、ガラス光ファイバと１次保護層の層間における剥離が発生し難くなる。その結果、緩衝層の大半を占める２次保護層のＴｇを従来の光ファイバに比べてより低くすることが可能となり、その柔軟性によって２次保護層による耐マイクロベンド特性を向上させることができ、ヒートサイクルに関しても良好な光ファイバを得ることが可能となる。
しかもその被覆構造も単純な３層構造であり、かつそれら被覆層を形成する組成物も特許文献１記載の光ファイバのように光重合開始剤の濃度をその厚さ方向に制御しなければならないような複雑なものではないから、製造面での制約も少なくて済み、製造も容易である。
また本発明の請求項２記載の光ファイバは、請求項１記載の光ファイバにおいて、前記１次保護層の厚さが前記２次保護層の厚さ以下であることを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項２記載の光ファイバによれば、２次保護層のＴｇよりも１次保護層のＴｇが高いことにより柔軟性に劣る１次保護層の厚さが２次保護層の厚さよりも薄いため、ガラス光ファイバへの影響を最小限に止めることができる。すなわち、ガラス光ファイバとの接着性を向上させるために１次保護層のＴｇを２次保護層のそれより高くしたことによる耐マイクロベンド特性への悪影響を最小限に抑えることができる。
また本発明の請求項３記載の光ファイバは、請求項２記載の光ファイバにおいて、前記１次保護層の厚さが１０μｍ以下であることを特徴とするものである。
このようにしてなる光ファイバによれば、１次保護層の厚さを１０μｍ以下と極めて薄くしたことにより、前述した請求項２記載の光ファイバにおける作用効果を確実に得ることができる。
以上のように本発明によれば、被覆を構成する組成物が複雑でなく、それ故製造面における制約も少なく、しかもガラス光ファイバとプライマリ層の層間剥離やプライマリ層中に水泡の生じ難い光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
第１図は、本発明の光ファイバの一実施例を示す横断面模式図である。
第２図は、本発明の光ファイバの外周に着色層を施した光ファイバ心線の一実施例を示す横断面模式図である。
第３図は、第２図に示す光ファイバ心線を用いたテープ心線の一実施例を示す横断面模式図である。
第４図は、従来の光ファイバの一例を示す横断面模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に本発明の光ファイバを図を用いて詳細に説明する。
第１図は本発明の光ファイバの一実施例を示す横断面模式図である。第１図が示すように本発明の光ファイバは、中心部に光信号を通すコア１を有し、その外周にクラッド２を有するガラス光ファイバと、このガラス光ファイバ上に被覆された１次保護層３と、この１次保護層３上に施された２次保護層４と、この２次保護層４の外周にさらに施された３次保護層５とを有するもので、１次保護層３のガラス転移温度Ｔｇを−２０℃より大きく、かつ１０℃以下とし、２次保護層４のそれを−１０℃以下とし、かつ１次保護層３のＴｇを２次保護層４のそれより高くしたことを特徴としている。
ところで１次保護層３と２次保護層４は、ともにそのヤング率が数ＭＰａ以下の柔軟な被覆層である。但し、１次保護層３の方がそのＴｇが２次保護層４のＴｇより高い分、通常の使用環境温度下では、２次保護層４よりも若干硬めになっていて、１次保護層３内における水泡がより発生し難くなっており、その結果としてガラス光ファイバとの界面での剥離が起き難くなっている。
また、３次保護層５はヤング率が数百ＭＰａ以上と硬質で、外部からの圧力から内側のガラス光ファイバを保護する役目を担っている。
これらの各保護層３〜５には、主に紫外線硬化型樹脂組成物が用いられており、硬化速度や特性の観点からウレタン−アクリレート系やエポキシ−アクリレート系のオリゴマーを主成分としたものが最適である。但し、本発明の効果を損なわない限りにおいては上記ウレタン−アクリレート系やエポキシ−アクリレート系のオリゴマーを主成分とした紫外線硬化型樹脂組成物に限定されるものではなく、他の樹脂組成物を使用してもよい。
さらに、前記ウレタン−アクリレート系やエポキシ−アクリレート系のオリゴマーを主成分とした紫外線硬化型樹脂組成物に、硬化速度や架橋密度そしてガラス光ファイバとの接着性を制御する添加剤、劣化防止剤等の各種添加剤が配合されるのが一般的である。
前述した第１図に示す構造の光ファイバにおいて、１次保護層３、２次保護層４のＴｇや厚さを変えて本発明の実施例に相当する光ファイバ及び比較例の光ファイバを用意した。これを表１に示す。
ここで、高分子のＴｇはその分子構造や架橋密度に依存するので、紫外線硬化樹脂組成物のＴｇを変えるには、一般的には添加する希釈モノマーの種類や添加量を変えることで達成される。すなわち、モノマー単独で重合して得られるポリマーのＴｇが高いものを添加すれば紫外線硬化樹脂組成物のＴｇを上げることができるし、単官能モノマーの代わりに２官能モノマーといった多官能モノマーを添加することでもＴｇを高くすることができる。
【表１】
0005202943.tif 000002
表１に示すように３次保護層５については、そのＴｇが９０℃で、その厚さは３０μｍで一定とした。光ファイバに必要とされる機械的強度の観点から３次保護層５のＴｇは５０〜１００℃、厚さは２０〜４０μｍが好ましい。
用意したこれら各光ファイバには、第２図が示すように３次保護層５上にさらに紫外線硬化型樹脂組成物からなる厚さ約５μｍの着色層、具体的には赤色の着色層６を設けて光ファイバ心線とし、さらにこの光ファイバ心線４本を第３図が示すように平面状に並行に並べ、これにテープ心線用として市販の紫外線硬化型樹脂組成物を用いてテープ層７を施し、通常使用されている４心のテープ心線を得た。
因みに、着色材としては市販の光ファイバ用の赤色紫外線硬化型樹脂組成物製着色材を用いているが、色は赤色に限るものではなく、何色であってもかまわない。また、着色層の厚さは一般的には４μｍ〜８μｍである。
このテープ心線を用いて各種評価を行った。伝送特性の評価は６０℃の温水にテープ心線を１ヶ月浸漬した後の伝送ロス増とヒートサイクル中の伝送ロス増を１５５０ｎｍの波長を用いて測定した。
ヒートサイクル試験を具体的に示すと、テープ心線を２３℃で１時間保持した後、４０℃／時間の速度で−４０℃まで降温して同温度で１時間保持し、その後４０℃／時間の速度で−６０℃まで降温して同温度で１時間保持し、次いで４０℃／時間の速度で２３℃まで昇温して同温度で１時間保持した後、４０℃／時間の速度で８０℃まで昇温して同温度で１時間保持した後、４０℃／時間の速度で２３℃まで降温するヒートサイクルパターンを４回繰り返した時の伝送ロスの変動量を測定し、得られた伝送ロスの変動量をヒートサイクル時の伝送ロス増とした。
評価基準としては、６０℃の温水にテープ心線を１ヶ月浸漬した後の伝送ロスの測定においては、温水に浸漬する前の伝送ロスに対する伝送ロス増が０．０５ｄＢ／ｋｍ以下なら○（伝送ロス増なし）、０．０５〜０．２ｄＢ／ｋｍならば△（若干伝送ロス増あり）、０．２ｄＢ／ｋｍ以上であった場合には×（伝送ロス増あり）と判断した。
また、ヒートサイクル時の伝送ロス増については、０．０３ｄＢ／ｋｍ以下を○（伝送ロス増なし）、０．０３ｄＢ／ｋｍ〜０．０５ｄＢ／ｋｍを△（若干伝送ロス増あり）、０．０５以上ｄＢ／ｋｍを×（伝送ロス増あり）とした。
そして、６０℃の温水に１ヶ月浸漬した後の伝送ロス増とヒートサイクル中の伝送ロス増の評価結果のなかに×もしくは△が１つでもある場合には、その光ファイバは用いることができないと判断した。以上の結果についても表１に示した。
ところで、ガラス転移温度を境にして、比熱容量、熱膨張率および機械的弾性率などの物理量の変化が観察される。したがって、Ｔｇは、示差走査熱分析（ＤＳＣ）、熱機械分析（ＴＭＡ）および動的機械分析（ＤＭＡ）といった各種の分析装置を用いることで測定することができる。
しかしながら、測定方法の種類によって得られるＴｇの値も変わってくるため、本発明においては、すべて動的機械分析（ＤＭＡ）を用いてＴｇを測定した。この方法は、ガラス転移領域では分子運動が著しく増大し、弾性率が大きく変化することを利用して測定する方法である。すなわち、ガラス状態からゴム状態に移行することによって、樹脂のヤング率は約１０００ＭＰａから約１ＭＰａ、すなわち３桁も大きく変化することから、高感度でガラス転移を測定可能となることを利用して測定するものである。
ところで、動的機械分析とは、物体に周期的に変化する歪みまたは応力を加えたときに観測される粘弾性である。動的機械分析を測定することによって、貯蔵弾性率（Ｇ’）、損失弾性率（Ｇ’’）、そして損失正接値（ｔａｎδ＝Ｇ’’／Ｇ’）のデータを得ることができる。
ここで、貯蔵弾性率は物質の弾性要素、損失弾性率は物質の粘性要素を表現しており、損失正接値は損失弾性率を貯蔵弾性率で割った値で弾性要素と粘性要素のバランスを表している。完全な弾性体の場合、応力と歪が比例し、与えられた応力に対して遅れなく（位相差ゼロ）応力が検出される。一方、完全な粘性体の場合は、応力と歪み速度が比例するため、応力をｓｉｎ（ωｔ）で与えると応答の歪みは、−ｃｏｓ（ωｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ−Π／２）となり、応力に対して歪が１／４波長分（位相差π／２）遅れて検出される。
測定は試料に交流力を与えたときの、試料の変位量を検出し、試料に加えた交流力と検出した変位量からフ−リエ演算処理を行い、位相差を求めるものである。
一般的な高分子は完全弾性体と粘性体の中間の性質を有しており、位相差は０〜π／２の間となる。応力と歪みの関係を測定し、力学特性である弾性成分の貯蔵弾性率と粘性成分の損失弾性率の比を表す損失正接値を出力するものである。そして、本発明においては、この損失正接値が極大値を示す温度をガラス転移温度、すなわちＴｇとしている。
ここで損失正接値は、動的粘弾性装置として、（株）セイコ−インスルメンツ製のＤＭＳ６１００（登録商標）を用い、下記の紫外線硬化シート作製条件にて紫外線硬化型樹脂を硬化させたシートから短冊状のサンプルを切り出し、これを引張型治具に固定して下記の動的粘弾性試験条件にて測定した。本測定において、極大値が現われる温度をＴｇとした。
紫外硬化シート作製条件：
厚み：１００μｍ
照度：１０００ｍＷ／ｃｍ２
照射量：  ５００ｍＪ／ｃｍ２
動的粘弾性試験条件
交流力の振動周波数：１Ｈｚ
試料の昇温速度    ：２℃／分
表１からわかるように、１次保護層３のＴｇを−２０℃より大きく、かつ１０℃以下とし、２次保護層４のＴｇを−１０℃以下とし、かつ１次保護層のガラス転移温度を前記２次保護層のそれより高くした光ファイバでは、６０℃の温水に１ヶ月浸漬した後の伝送ロス増もヒートサイクル中の伝送ロス増の評価結果も問題なく、○と判断した。
さらに実施例６および比較例４からわかるように、１次保護層３の厚さが２次保護層４の厚さより厚く、特にその厚さが１０μｍより厚い場合は、許容可能なＴｇの範囲が狭くなり、１次保護層３および２次保護層４のＴｇが高い場合はヒートサイクルにおいて伝送ロス増が起こってしまう。
したがって、１次保護層３の厚さが２次保護層４の厚さ以下で、特にその厚さが１０μｍ以下であることが好ましく、この場合には、ガラス光ファイバとの接着性を向上させるために１次保護層３のＴｇを２次保護層４のそれより高くしたことによる耐マイクロベンド特性への悪影響を最小限に抑えることができる。
また表１中の（デラミなし）とは、６０℃の温水に１ヶ月浸漬した後の光ファイバ心線のガラスと１次保護層３の界面を光学顕微鏡で観察することによって、剥離（デラミネーション）している部分がまったく見られていないことを意味する。
前述した第１図〜第３図では本発明の光ファイバ、これに着色層を施した光ファイバ心線及びこの光ファイバ心線を用いたテープ心線を示しているが、本発明の光ファイバはこれら以外に、例えば着色層を施して光ファイバ心線としたものを複数本集合して光コードや光ケーブルにすることもできるし、テープ心線を複数本集合して光ケーブルとしてもよく、汎用の種々の形態の光ファイバ心線、テープ心線、光コード、光ケーブルに使用できることはいうまでもない。
以上のように本発明の光ファイバによれば、被覆を構成する組成物が複雑でなく、それ故製造面における制約も少なく、しかもガラス光ファイバとプライマリ層の層間剥離やプライマリ層中に水泡の生じ難い光ファイバを得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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