(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯を鞘が被覆している芯／鞘構造のプラスチック光ファイバにおいて、前記芯は全体にわたって同一組成のポリマーからなっており、前記芯はその外周部において前記芯の中心領域より０．００１以上高い屈折率の部分を有することを特徴とするプラスチック光ファイバ。
【請求項２】
前記外周部は前記中心領域より０．００２以上高い屈折率の部分を有することを特徴とする、請求項１に記載のプラスチック光ファイバ。
【請求項３】
前記外周部の厚さは５０μｍであり、前記中心領域の半径は前記外周部の内径と１００μｍとのうちの小さい方の値であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載のプラスチック光ファイバ。
【請求項４】
前記鞘の周囲には保護層が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のプラスチック光ファイバ。
【請求項５】
前記芯のポリマーはポリメチルメタクリレートであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のプラスチック光ファイバ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかのプラスチック光ファイバの周囲に被覆層が形成されていることを特徴とするプラスチック光ファイバケーブル。
【請求項７】
少なくとも一方の端部に、前記プラスチック光ファイバの端面を露出させるようにしてコネクタが取付けられていることを特徴とする、請求項６に記載のプラスチック光ファイバケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送の技術分野に属するものであり、特に機械的特性なかでも繰り返し屈曲耐久性に優れたプラスチック光ファイバ及び光ファイバケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
プラスチック光ファイバ及びこれを用いて構成される光ファイバケーブルは、ロボット内のセンサと信号処理回路との間の信号伝送や移動体内でのデータリンクなどの短距離光通信の用途に使用されている。これらの用途では、ロボットの機械的動作に基づき或は移動体の移動の際に生ずる慣性力や振動外力などに基づき、光ファイバが頻繁に屈曲作用を受ける。従って、このような環境で使用されるプラスチック光ファイバには、光学的特性に優れることはもちろんのこと、機械的特性特に繰り返し屈曲作用に対する耐久性に優れることが要求される。
【０００３】
一般に、プラスチック光ファイバの機械的特性の向上のためには、適当な温度において適当な延伸倍率で延伸処理することがなされる。しかし、延伸処理により、プラスチック光ファイバに光学的特性の低下や熱収縮性の増加などが発生することがあるので、これらの発生の抑制を考慮する必要があり、一概に延伸倍率を高くすれば良いというものではない。即ち、一般的に言って、延伸倍率を高めると、機械的特性は向上する方向ではあるが、熱収縮性が大きくなり、高温で使用される場合に、ケーブル端部に取付けられるコネクタとの位置ずれが発生して、光源との結合あるいは受光器との結合における結合損が大きくなりやすいという問題が生じる。
【０００４】
通常のステップインデックス型プラスチック光ファイバは、芯材と鞘材とを、若しくは繰り返し屈曲耐久性の改善のために鞘の外周に更に保護層が用いられる場合には該保護層の材料をも、複合紡糸ノズルを用いて溶融複合紡糸することにより未延伸糸を作製し、また芯材のみを溶融紡糸しその周囲に鞘材や保護層材をコーティングして鞘や保護層を形成して未延伸糸を作製し、その後、延伸工程を経て製造されている。この際の紡糸においては、従来、紡糸ノズルの内外にて歪みがかかることによって光学的特性の悪化が引き起こされると考えられていたので、この光学的特性の悪化を生じさせないように、低速度で紡糸されている。
【０００５】
以上のようにして製造されている従来のプラスチック光ファイバ及びこれを用いた光ファイバケーブルは、上記の用途で使用可能ではあるが、機械的特性特に繰り返し屈曲耐久性を更に向上させることが要求されている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き技術的課題を解決するものとして、芯を鞘が被覆している芯／鞘構造のプラスチック光ファイバにおいて、前記芯は全体にわたって同一組成のポリマーからなっており、前記芯はその外周部において前記芯の中心領域より０．００１以上高い屈折率の部分を有することを特徴とするプラスチック光ファイバ、が提供される。
【０００７】
本発明の一態様においては、前記外周部は前記中心領域より０．００２以上高い屈折率の部分を有する。本発明の一態様においては、前記外周部の厚さは５０μｍであり、前記中心領域の半径は前記外周部の内径と１００μｍとのうちの小さい方の値である。本発明の一態様においては、前記鞘の周囲には保護層が設けられている。本発明の一態様においては、前記芯のポリマーはポリメチルメタクリレートである。
【０００８】
また、本発明によれば、以上の如き技術的課題を解決するものとして、以上のようなプラスチック光ファイバの周囲に被覆層が形成されていることを特徴とするプラスチック光ファイバケーブル、が提供される。本発明の一態様においては、少なくとも一方の端部に、前記プラスチック光ファイバの端面を露出させるようにしてコネクタが取付けられている。
【０００９】
一般に、材料の破壊において破壊の開始点は、外部からの刺激によって応力集中が起こりやすい材料内部の欠陥点である。光ファイバの場合には、光散乱を極限まで下げるために異物やボイドなどの欠陥点を内部に作らない製造方法が採られているので、破壊開始点は外部刺激によるダメージを受けやすい表面付近となる場合が多い。よって、プラスチック光ファイバの屈曲や振動による疲労破壊を減少させるためには、特に表面付近の力学的強度を増すことが重要となる。そこで、本発明者は、熱収縮を小さく抑えプラスチック光ファイバの力学的強度を増すことを目的に鋭意検討した結果、以上のような本発明に到達したものである。
【００１０】
本発明のプラスチック光ファイバにおいては、屈折率が高くなっている芯外周部は芯中心領域に比べて分子配向が大きくなっており、このため外表面付近の力学強度が向上しているものと推測される。即ち、分子配向が進むと密度が大きくなる。クラウジウス・モソッティの関係式より、分子分極率が同じ物質つまり分子構造が同じ物質においては、物質の密度が大きくなればその物質の屈折率は高くなることが知られている。これにより、芯外周部の屈折率が高くなるものと考えられる。
【００１１】
本発明者は様々な検討を行なった結果、ある紡糸条件下で紡糸を行ったプラスチック光ファイバには、同じ組成の材料からなる芯内の径方向の外方において屈折率が高くなる構造が形成されていることを発見した。つまり、径方向の外方において分子配向が大きくなることで、その部分の密度も高くなっているものと思われ、本発明者らは、このような構造を有し機械特性的に優れたプラスチック光ファイバを製造する方法を見いだした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本発明によるプラスチック光ファイバ（以下、「ＰＯＦ」と略称することがある）の一実施形態を示す模式的断面図であり、図２はこれを用いた本発明による光ファイバケーブルの一実施形態を示す模式的断面図である。
【００１４】
図１には、ＰＯＦの長手方向に直交する断面が示されており、このＰＯＦは芯／鞘構造を有しており、即ち、芯１２がその周囲に配された鞘１４により被覆されている。鞘１４はその周囲に配された保護層１６により被覆されている。
【００１５】
ＣはＰＯＦの中心（中心軸）を示している。芯１２は、半径（ＰＯＦ中心Ｃからの距離）がＲ１であり、ＰＯＦ中心Ｃを含みその周囲の半径Ｒ０までの領域であり、屈折率が実質的に変化しない（例えば屈折率の最大値と最小値との差が０．００１以下の）中心部１２１と該中心部１２１の周囲に位置し上記鞘１４と接する外周部１２２とからなっている。ＰＯＦ中心Ｃから鞘１４の外面までの距離はＲ２であり、ＰＯＦ中心Ｃから保護層１６の外面までの距離はＲ３である。
【００１６】
Ｒ０は例えば１００〜１４００μｍであり、Ｒ１は例えば１２０〜１５００μｍであり、Ｒ２は例えば１２５〜２０００μｍであり、Ｒ３は例えば１３０〜３０００μｍである。本発明のＰＯＦの機械的特性を十分に向上させるためには、外周部１２２の厚さ（Ｒ１−Ｒ０）は、２０μｍ以上であることが好ましく例えば５０μｍに設定することができる。
【００１７】
芯１２は、中心部１２１及び外周部１２２の全体にわたって分子構造が同一のモノマー単位から構成される同一組成の一種類のポリマー（共重合体などを含む）からなっている。芯１２のポリマーとしては、通常、光ファイバにおいて用いられているポリメチルメタクリレート及びメチルメタクリレートと他のモノマーとの共重合体、ポリスチレン及びスチレンの共重合体、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィン等が用いられる。中でも、光伝送特性の観点からポリメチルメタクリレート及びメチルメタクリレートと他のモノマーとの共重合体が好ましい。更にポリメチルメタクリレートがより好ましい。
【００１８】
鞘１４の材料としては、芯１２の材料より低屈折率のものであれば公知のものを使用することができる。例えば、芯１２のポリマーとしてポリメチルメタクリレートを用いた場合には、鞘１４の材料としてフッ化アルキルメタクリレートとメチルメタクリレートとの共重合体、短鎖フッ化アルキルメタクリレートと長鎖フッ化アルキルメタクリレートとメチルメタクリレートとの共重合体、フッ化ビニリデン系ポリマー、及びフッ化ビニリデン系ポリマーとポリメチルメタクリレート系ポリマーとのブレンド体、等を用いることができる。
【００１９】
保護層１６は、耐屈曲性を一層向上させるために、柔軟性に優れた樹脂を用いて形成されている。このような保護層１６の材料としては、例えばフッ化ビニリデン系ポリマー、及びフッ化ビニリデン系コポリマーが特に好ましい。但し、この保護層１６は省略してもよい。
【００２０】
図２には、以上のようなＰＯＦ２０の周囲に被覆層２２を配して形成したプラスチック光ファイバケーブル（ＰＯＦケーブル）の長手方向に直交する断面が示されている。即ち、本発明のＰＯＦ２０は、耐久性や耐環境特性を良好なものとするために、外周に被覆層２２を形成したケーブルの形態で使用される。
【００２１】
被覆層２２の材料としては、各種の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、形状記憶樹脂、金属微粉末等を含んだ樹脂等が使用できる。熱可塑性樹脂で好ましい樹脂としては、塩化ビニル樹脂、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニルとエチレン−酢酸ビニル共重合体とのブレンド品、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。中でも、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニルとエチレン−酢酸ビニル共重合体のブレンド品等の弾性率の小さい樹脂がより好ましく用いられる。又、各種樹脂に可塑剤を添加する事も可能で、塩化ビニル樹脂の場合、可塑剤として例えばジオクチルフタレート、トリオクチルトリメリテート、トリクレジルフォスフェート等が用いられる。但し、可塑剤はＰＯＦ２０へと移行してその光学性能や機械特性を低下させる場合もあるので、このような悪影響の発生の少ないものを選択することが好ましい。また、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等が用いられる。光硬化性樹脂としては、例えばポリメチルメタクリレートと光重合開始剤とを組合せた物等が用いられる。形状記憶樹脂としては、アクリル樹脂、トランスイソプレン、ポリウレタン、ポリノルボルネン、スチレン／ブタジエン共重合体等が用いられる。
【００２２】
本実施形態においては、芯外周部１２２には、芯中心領域１２ａの屈折率に比べて、屈折率が０．００１以上高い部分を有する。ここで、中心領域１２ａはＰＯＦ中心Ｃを含む半径Ｒａの領域を指す。中心領域半径Ｒａは、例えば次のように設定することができる。即ち、Ｒａは、中心部１２２の半径Ｒ０が１００μｍ以下の場合にはＲ０と一致し、中心部１２２の半径Ｒ０が１００μｍを越える場合には１００μｍとする（外周部１２２の内径Ｒ０と１００μｍとのうちの小さい方の値とする）。そして、芯材中心領域１２ａの屈折率とは、芯材中心領域１２ａにおける最小屈折率（通常はＰＯＦ中心Ｃでの屈折率）を指すものとする。
【００２３】
ここで、ＰＯＦ芯の断面内の屈折率分布の測定方法及びＰＯＦ及びＰＯＦケーブルの繰り返し屈曲耐久性の評価方法の例を、以下に示す。
【００２４】
＜屈折率分布の測定方法＞
(1) ＰＯＦの鞘１４（保護層１６がある場合には保護層１６も）を剥がし、芯１２のみの測定サンプルを得る；
(2) 屈折率はポリマー中の水分量に依存するので、(1) のサンプルから水分を取り除くため、充分に乾燥させる；
(3) 文献「Y.Kokubun and K.Iga:"Precise measurement of the refractive index profile of optical fibers by a nondestructive interference method",Trans.IECE Japan Section E,E60,12,p.702(1977) 」に紹介されている横方向微分干渉法を用いて、半径方向の屈折率分布を測定する。
【００２５】
＜機械的特性：繰り返し屈曲耐久性の評価方法＞
図３は繰り返し屈曲耐久性の評価方法の概略説明図である。
【００２６】
2.3mm の隙間をもって隔てられ互いに平行に配置された半径15mmの２つのロール(2) の間に、直径2.2mm のＰＯＦケーブル(1) を通して垂らし、ロール(2) より下側においてＰＯＦケーブル(1) に0.5kg の重り(3) を取り付ける。ロール(2) より上側においてＰＯＦケーブル(1) には保持金具(6) が取り付けられており、該保持金具(6) は図３中に示されているロール(2) と平行な軸Ｏを中心として180 度回動する不図示の回動アームに取り付けられている。ここで、軸Ｏは２つのロール(2) の上部に接する平面と２つのロール(2) の配置の対称面との交線である。つまり、回動アームは、軸Ｏを中心として垂直姿勢位置から片側に90度倒れた第１の水平姿勢位置（この時のＰＯＦケーブルの状態が図３において実線で示されている）へと回動し、次に垂直姿勢位置へと戻るように回動し、次に反対側に90度倒れた第２の水平姿勢位置（この時のＰＯＦケーブルの状態が図３において一点鎖線で示されている）へと回動し、再び垂直姿勢位置へと戻るように回動するという動作を繰り返すことになる。この往復動作を屈曲回数１回として数え、１分間に30回の速度で屈曲動作を繰り返す。
【００２７】
光源(4) として波長660nm のLED を用い、光検出器(5) として光パワーメータを用い、光源(4) から発せられＰＯＦケーブル(1) を経て光検出器(5) に到達した光の検出値が初期値（繰り返し屈曲動作開始前の値）より1dB ダウンした時までの繰り返し屈曲の回数をもってＰＯＦ破断までの屈曲回数とし、これにより屈曲耐久性を評価する。尚、屈曲耐久性の評価は、５本のＰＯＦについての平均値とする。
【００２８】
以上のようにして測定されたＰＯＦの芯の半径方向の屈折率分布の具体例を図４〜６に示す。これらの図中の横軸の「中心からの距離」は、ＰＯＦ中心Ｃからの距離を芯の半径Ｒ１を１．０として正規化したものである。また、これらの図中の縦軸の「屈折率の変化量」は、ＰＯＦ中心Ｃの屈折率を基準（０．０００）として、これに対する屈折率差で表している。
【００２９】
図４は、芯全体にわたって屈折率がほぼ一定であるＰＯＦ芯の屈折率分布図であり、参考のために示すものである。このＰＯＦを用いて構成されたＰＯＦケーブルの繰り返し屈曲耐久試験での破断までの屈曲回数は、ファイバ径・延伸倍率・鞘材の組成や厚さなどによって異なるが、一般に約1 万回から10万回程度である。
【００３０】
図５は、本発明によって得られた、中心領域に比べて屈折率が0.001 程度大きくなっている部分を有する外周部をもつＰＯＦ芯の屈折率分布を表したものである。この程度の屈折率分布を持つＰＯＦの繰り返し屈曲耐久試験での破断回数は、図４に示されている屈折率分布の殆ど均一なものに比べて、約3 割向上する。
【００３１】
図６は、本発明によって得られた、中心領域に比べて屈折率が0.001 程度以上大きくなっている部分を有する外周部をもち、特に中心領域に比べて屈折率が0.002 程度大きくなっている部分を有するＰＯＦ芯の屈折率分布を表したものである。この程度の屈折率分布を持つＰＯＦの繰り返し屈曲耐久試験での破断回数は、図４に示されている屈折率分布の殆ど均一なものに比べて、約2 倍となる。
【００３２】
図５及び図６から分かるように、芯の屈折率分布はＰＯＦ中心から径方向外方へと進むに従い単調に増加している。なお、芯の中心領域と外周部との屈折率差は大きいほどよいが、通常は０．００５以下である。
【００３３】
本発明のプラスチック光ファイバを製造するには例えば複合紡糸法が用いられ、この場合、紡糸時に紡糸ノズル内を流れる樹脂のノズル壁面に近い外周部ポリマーとその内層のポリマーとに作用する剪断応力差を、ノズル吐出平均速度の高速化により、或いは紡糸温度を低下させ樹脂粘度を増大させることにより、通常より増大させた条件下で紡糸を行う。このような観点から、ノズル吐出平均速度は２０ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、４０ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることがより好ましい。また、紡糸温度は２３０℃以下とすることが好ましく、２００℃以下とすることがより好ましい。更に、芯の材料として用いられるポリマーのメルトインデックス（ＭＩ）は１０以下とすることが好ましい。尚、ＭＩは、ＪＩＳ  Ｋ７２１０に準じ、オリフィス径４ｍｍφ、オリフィス長さ８ｍｍ、試験温度２３０℃、試験荷重５ｋｇ、試料採取時間１０分として測定される。尚、製造を容易に行うためには、ノズル吐出平均速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ以下とするのが好ましく、芯材用ポリマーのＭＩは０．１以下とすることが好ましい。
【００３４】
また、紡糸の際の芯鞘界面不整を増大させないために、紡糸時にノズル内で微少な乱流ができないようにノズル内表面を光学研磨したり、外周部ポリマー特に鞘材の粘度を適度に下げるなどの工夫をすることにより、伝送損失の悪化がない光ファイバを作製できる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例及び比較例をもって本発明を説明する。
【００３６】
［実施例１〜７］
芯材としてＭＩが５のポリメチルメタクリレート（PMMA）を用い、鞘材として芯材より低屈折率のフッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体を用い、これらの樹脂を押出機を用いて連続溶融脱揮し、溶融脱揮された樹脂をギヤ式定量ポンプによって2 層複合紡糸ノズルに定量供給し、表１に示すような紡糸条件で紡糸を行い、紡糸ノズルより連続的に吐出させ所定の紡糸引き取り速度で引き取りながら冷却、固化することによって同心円2 層構造の未延伸ＰＯＦを得た。引き続き、この未延伸ＰＯＦを140 ℃の熱風が風速10m/sec で循環している長さ4 ｍの熱風加熱延伸炉に導入し、導入速度の2 倍の速度で引き取ることにより2 倍の加熱延伸処理を連続的に施した。表１の実施例No.1〜7 に示すような芯材中の屈折率差、ＰＯＦ破断までの繰り返し屈曲回数、伝送損失を有した、直径980[μｍ] のPMMAの芯の周りに、厚さ10[ μｍ] のフッ化ビニリデン系コポリマーの鞘が被覆された構造の直径1000[ μｍ] のＰＯＦ、及び、芯材と鞘材との吐出量比や総吐出量と紡糸引き取り速度との関係を変更し２倍の加熱延伸を施した、直径730[μｍ] のPMMAの芯の周りに、厚さ10[ μｍ] のフッ化ビニリデン系コポリマーの鞘が被覆された構造の直径750[μｍ] のＰＯＦを得た。
【００３７】
得られたＰＯＦに、ケーブル化装置を用い溶融ポリエチレンを連続的に被覆することにより被覆層を形成し、直径2.2mm のＰＯＦケーブルとした。
【００３８】
得られたＰＯＦをケーブル化したＰＯＦケーブルのＰＯＦ破断までの繰り返し屈曲回数は、100000回〜450000回と、繰り返し屈曲耐久特性に優れ、伝送損失も126 〜132[dB/km]と良好であった。
【００３９】
【表１】
0004183157.tif 000002
表中のノズル吐出平均速度とは、１秒間にノズルから吐出される樹脂の量（単位ｍｍ3 ）をノズル出口の面積（単位ｍｍ2 ）で除した値である。
【００４０】
また、表中の屈折率差とは、芯の中心領域の屈折率と外周部の屈折率との差を表している。ここで、中心領域の屈折率とは芯の中心から100[μｍ] までの範囲に観られる最小屈折率のことであり、外周部の屈折率とは芯の外周面から50[ μｍ] までの深さ範囲に観られる最大屈折率のことである。
【００４１】
［比較例１〜２］
表２に示すような通常のＰＯＦの紡糸条件で紡糸を行った以外は実施例１と同様にして、紡糸ノズルより連続的に樹脂を吐出させ、所定の速度で引き取りながら冷却、固化することによって同芯円2 層構造の未延伸ＰＯＦを得た。引き続き、この未延伸ＰＯＦを140 ℃の熱風が風速10m/sec で循環している長さ4 ｍの熱風加熱延伸炉に導入し、導入速度の2 倍の速度で引き取ることにより2 倍の加熱延伸処理を連続的に施した。表２の比較例No.1〜2 に示すような芯材中の屈折率差、ＰＯＦ破断までの繰り返し屈曲回数、伝送損失を有した、直径980[μｍ] のPMMAの芯の周りに、厚さ10[ μｍ] のフッ化ビニリデン系コポリマーの鞘が被覆された構造の直径1000[ μｍ] のＰＯＦ、及び、芯材と鞘材との吐出量比と紡糸引き取り速度との関係を変更し２倍の加熱延伸を施した、直径730[μｍ] のPMMAの芯の周りに、厚さ10[ μｍ] のフッ化ビニリデン系コポリマーの鞘が被覆された構造の直径750[μｍ] のＰＯＦを得た。
【００４２】
そして実施例３〜５と同様にケーブル化を行い直径2.2mm のＰＯＦケーブルを得た。
【００４３】
得られたＰＯＦをケーブル化したＰＯＦケーブルのＰＯＦ破断までの繰り返し屈曲回数は、78000 回、145000回と、実施例の同じ断面寸法を有したＰＯＦに比べ低いものであった。
【００４４】
【表２】
0004183157.tif 000003
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明のプラスチック光ファイバにおいては、全体にわたって同一組成のポリマーからなる芯の外周部に芯中心領域より０．００１以上高い屈折率の部分を有するので、光学特性を損なうことなく繰り返し屈曲耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラスチック光ファイバの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明による光ファイバケーブルの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図３】繰り返し屈曲耐久性の評価方法の概略説明図である。
【図４】光ファイバ芯の屈折率分布図である。
【図５】光ファイバ芯の屈折率分布図である。
【図６】光ファイバ芯の屈折率分布図である。
【符号の説明】
(1)   プラスチック光ファイバケーブル
(2)   ロール
(3)   重り
(4)   光源（LED ）
(5)   光検出器（光パワーメータ）
(6)   保持金具
１２    芯
１２ａ    芯中心領域
１２１    芯中心部
１２２    芯外周部
１４    鞘
１６    保護層
２０    プラスチック光ファイバ
２２    被覆層
【図１】
0004183157.tif 000004
【図２】
0004183157.tif 000005
【図３】
0004183157.tif 000006
【図４】
0004183157.tif 000007
【図５】
0004183157.tif 000008
【図６】
0004183157.tif 000009