JP4933839B2 - プラスチック光ファイバケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や航空機、船舶、電車等の移動体内、あるいはFA、家庭内機器、オフィス機器等の短距離通信用配線として用いられるプラスチック光ファイバケーブルの製法に関するもので、特にプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）に複数の被覆層を施す際に被覆状態を均一化するための技術に関するものである。

ＰＯＦは、短距離のデータ通信用配線や、センサー用途等ですでに実用化されている。その際、被覆材でＰＯＦの外周を保護したＰＯＦケーブルの形態として用いられることが多い。

このようなＰＯＦケーブルの構成に関しては、複数の被覆層を有する様々なＰＯＦケーブルが提案されている。例えば、特許文献１には、耐熱性およびＰＯＦと被覆層の密着性を向上させるため、ＰＯＦの外側にフッ化ビニリデン系樹脂を密着層として設け、その外側にポリアミド樹脂を被覆したＰＯＦケーブルが提案されている。また特許文献２には、機械特性、化学特性等の種々の特性を満足できるように、３層の被覆層を設けたＰＯＦケーブルが提案されている。
特開２０００−２７５４８１号公報

上記特許文献１で開示されているＰＯＦケーブルでは、その製造工程において、密着層を付与する工程、被覆層を付与する工程がそれぞれ別工程となっているため、ＰＯＦにかかる熱履歴が大きくなり、ＰＯＦケーブルとしての光学特性が損なわれる傾向にあった。また製造工程が増加し、ＰＯＦケーブルの製造が煩雑化するという問題点があった。

すなわち本発明の目的は、薄膜化された被覆内層を均一な厚さで被覆し、光学特性に優れたＰＯＦケーブルを得るための製造方法を提供することである。

本発明者らは鋭意検討した結果、ＰＯＦケーブルの被覆内層に用いる樹脂と、その外側の被覆層に用いる樹脂について、それらの動的粘度の関係が特定の範囲内になるように組み合わせることによって、薄膜化された被覆内層を均一な厚さに被覆でき、さらに被覆工程を簡略化することができ、ＰＯＦケーブルの光学特性の低下を防ぐことができることを見出した。

すなわち本発明は、芯−鞘構造を有するプラスチック光ファイバの外周に被覆内層を、さらにその外周に被覆外層を形成するプラスチック光ファイバケーブルの製造方法であって、被覆温度Ｔ（１９０℃≦Ｔ≦２３０℃） における被覆内層を形成する被覆材料Ａのせん断粘度をη_A(Ｐａ・ｓ)、被覆外層を形成する被覆材料Ｂのせん断粘度をη_B（Ｐａ・ｓ）としたとき、せん断速度が１０００／ｓ以上１００００／s以下の領域でのせん断粘度の比η_A／η_B を下記式（１）の範囲とし、かつ被覆内層の厚みをｄ_A、被覆外層の厚みをｄ_Bとしたとき、厚みの比ｄ_B／ｄ_A が下記式（２）の範囲となるように前記被覆内層および前記被覆外層を一括して被覆するプラスチック光ファイバケーブルの製造方法、に関する。
０．５≦ η_A／η_B ≦ ２・・・・・（１）
１．０≦ ｄ_B／ｄ_A ≦４９・・・・・・（２）

本発明の製造方法によれば、光学特性の低下を招くことなく被覆内層を薄膜化できるとともに均一な厚みで被覆することができるプラスチック光ファイバケーブルを提供することができる。

以下に、図１、図２および表1に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の製造方法によって製造されるＰＯＦケーブルの一実施形態を示す断面図である。芯１１Ａおよびその外周に形成された第1鞘１１Ｂと第1鞘１１Ｂの外周上に形成された第2鞘１１ＣからなるＰＯＦ１２の外周に、被覆内層Ａ１３が形成され、さらにその外側に被覆層外層Ｂ１４が形成されている。

ここで、ＰＯＦ１２としては、図１記載の構成以外にも公知のものが使用でき、例えば、中心から外周に向かって連続的に芯１１Ａの屈折率が低下するＧＩ型ＰＯＦ、中心から外に向かって芯１１Ａの屈折率が段階的に低下する多層ＰＯＦ、複数の芯１１Ａを鞘で取り囲んで一纏めにしたマルチコアＰＯＦなどが挙げられる。なかでもＰＯＦを広帯域化して高速信号伝送を行うには、多層ＰＯＦを用いることが好ましい。なお、ＧＩ型ＰＯＦまたは多層ＰＯＦの外周にさらに鞘１１Ｂを被覆したものを使用しても良い。

芯１１Ａには、各種の透明性の高い重合体が使用され、特に限定されるものではないが、好ましくはメチルメタクリレート単位を構成単位とする重合体が使用される。さらに好ましくは、メチルメタクリレート単独重合体、およびメチルメタクリレート単位を主構成単位とする重合体、ベンジルメタクリレート単位を主構成単位とする重合体、またはフッ素化アルキルメタクリレート単位を主構成単位とする重合体であり、これらのなかではメチルメタクリレート単独重合体が特に好ましい。

芯の外周に形成される鞘は、1層から形成されていても、２層以上の複数層から形成されても良い。鞘を形成する樹脂としては、フッ素化メタクリレート系重合体、フッ化ビニリデン系重合体、テトラフルオロエチレン系重合体等プラスチック光ファイバの鞘材として公知の材料を適宜選択することができる。

ＰＯＦケーブルの機械特性、耐熱性および耐衝撃性を十分に確保するためには、鞘を2層以上の複数層から形成し、最外層に位置する鞘層には、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）単位を少なくとも構成単位として有し、結晶融解熱が５９ｍＪ／ｍｇ以下の含フッ素オレフィン系樹脂を用いることが好ましい。ＴＦＥ単位を含む含フッ素オレフィン系樹脂としては、ＴＦＥ単位と、フッ化ビニリデン（ＶｄＦ）単位、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）単位、パーフルオロ(フルオロ)アルキルビニルエーテル（ＦＶＥ）単位のうち少なくとも１種を共重合して得られる共重合体、ＶｄＦ単位とＴＦＥ単位とヘキサフルオロアセトン単位との共重合体、ＴＦＥ単位とＨＦＰ単位とエチレン単位との共重合体等が挙げられるが、こられに限定されるものではない。ＴＦＥ単位との共重合成分としては、低コストであり、透明性が高く、かつ耐熱性に優れる点から、ＶｄＦ単位、ＨＦＰ単位、ＦＶＥ単位が特に好ましい。

内層の鞘層として好ましい樹脂としては、フッ素化メタクリレート系重合体、フッ化ビニリデン系重合体等ＰＯＦの鞘材として公知の材料を挙げることができる。特にフッ素化メタクリレート系重合体は、屈折率の調整が容易で、良好な透明性および耐熱性を有しながら屈曲性、加工性に優れる重合体であるため好ましい。

このようなＰＯＦ１２は、溶融紡糸法などの公知の方法で製造できる。また、ＰＯＦ１２を７０〜１０５℃程度の高温環境下や、温度差の激しい環境で用いる場合には、ピストニングを抑制するため、連続もしくはバッチ処理によってアニール処理を施しても良い。

本発明の製造方法によって得られるＰＯＦケーブルは、ＰＯＦの外側に接する被覆内層と、その外周上に位置する被覆外層とを少なくとも備えている。

被覆内層に用いられる被覆材料Ａには、ＰＯＦ外周と被覆外層に用いられる被覆材料Ｂとの密着性を向上させる機能や、被覆材料Ｂの中に存在する低分子量物、着色顔料、可塑剤等がＰＯＦ内部へ移行することを防止する機能等が要求される。このような被覆材料Ａとしては、ＰＯＦケーブルの被覆材料として公知の樹脂が使用可能であるが、高い耐熱性を有するＰＯＦケーブルを得るには、（メタ）アクリル酸メチル単位を主構成単位とする樹脂、スチレン単位を主構成単位とする樹脂、ポリカーボネートを主成分とする樹脂、プロピレン単位を主構成単位とする樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合体を主成分とする樹脂、ポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂、ポリフッ化ビニリデンを主成分とする樹脂のうちの少なくとも一種類を被覆内層として用いることが好ましい。

被覆外層として用いられる被覆材料Ｂには、耐薬品性を向上させる機能、外光の入射を防止する機能、機械的強度を向上させる機能、さらに耐熱性を向上させる機能等を備えていることが要求される。このような被覆材料Ｂとしては、ポリアミド系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、またはこれらの樹脂の２種以上を用いて得られた混合物などを挙げることができる。なかでもＰＯＦケーブルを車載用配線として用いる際には、耐薬品性、機械的強度、耐熱性向上などの機能を兼ね備えた材料として、ポリアミド系樹脂を用いることが好ましい。

ポリアミド系樹脂としてより具体的には、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６−１２などの単独重合体や、これら重合体の単量体単位の組み合わせからなるナイロン共重合体、これら重合体に柔軟なセグメントを導入したナイロン系エラストマー、あるいはナイロン系エラストマーと他のポリアミド系樹脂を含む混合物などが好ましい。

また、これら被覆材料Ｂには、ＰＯＦ内部への外光の入射を防止する機能を付与するためにカーボンブラックなどの遮光材を含有させてもよい。

さらにＰＯＦケーブルとしては、上記被覆外層のさらに外周に被覆層が形成されても良い。

このような構成のＰＯＦケーブルを製造する際、ＰＯＦに被覆層を付与する被覆工程においては、クロスヘッドダイを備えた押出被覆装置を用いてＰＯＦを被覆するが、本発明は、被覆内層および被覆外層を形成する被覆材料Ａおよび被覆材料Ｂを一括して被覆することを特徴としている。

ＰＯＦに被覆層を施す際の被覆温度Ｔ（℃）は、１９０≦Ｔ≦２３０ とすることが好ましい。１９０℃より低いと、被覆する樹脂が十分に溶融されず、塊となって被覆層の厚み変動が大きくなったり、被覆樹脂の被覆装置配管中の流れが悪くなり、樹脂吐出不足を起こし、所望の厚み制御が困難になる。また被覆温度Ｔが２３０℃より高くなると、ＰＯＦが溶融しやすくなり、被覆工程の被覆樹脂供給圧力で外径変動を起こしたり、熱劣化による伝送損失の増加等を招く恐れがある。被覆層の厚みをより薄く均一に制御し、且つＰＯＦの光学特性を維持する為には、被覆温度Ｔを２００≦Ｔ≦２２０の範囲とすることがより好ましい。

本発明においては、２層の被覆層の厚みをより均一に制御するために、被覆温度Ｔ℃（１９０≦Ｔ≦２３０）における、被覆材料Aおよび被覆材料Bのせん断粘度ηの関係を一定の範囲に制御することが重要である。

より具体的には、上述の被覆温度Ｔ℃（１９０≦Ｔ≦２３０） において、被覆内層に用いる被覆材料Ａの被覆温度Ｔにおけるせん断粘度η_A（Ｐａ・ｓ）、および被覆内層の外側に存する被覆外層に用いる被覆材料Bの温度Ｔにおけるせん断粘度η_B(Ｐａ・ｓ)について、せん断速度の範囲が１０００／s以上１０００００／s以下の領域において、η_Aおよびη_Bの比η_A／η_B（せん断粘度比）を下記式（２）の範囲とする必要がある。

０．５≦η_A／η_B≦２ ・・・・・（２）

ここで、１０００／ｓ以上１０００００／ｓ以下に設定したせん断速度の範囲は、被覆の際の被覆装置に用いるクロスヘッドダイ、およびダイス、ニップルにより形成される樹脂流路中に存在する、被覆樹脂材料のせん断速度に基づいて設定されたものである。

せん断粘度比η_A／η_Bの値が２より大きくなる、すなわち被覆材料Aの被覆材料Bに対する相対粘度が大きくなると、樹脂材料Bが樹脂材料Aの外側に均一に回りこむのを妨げてしまい、被覆内層の厚みが花弁状のような不均一なものとなってしまう。また、η_A／η_Bの値が０．５より小さくなる、すなわち被覆材料Ａの被覆材料Ｂに対する相対粘度が小さくなると、樹脂材料Ｂの内側に樹脂材料Ａの均一な層を作ることができず、層の厚み斑が大きくなってしまう。

被覆内層の厚みをより薄くかつ均一に制御する為には、せん断粘度比は下記式（３）の範囲であることが好ましい。

０．７≦η_A／η_B≦１．５・・・・・（３）

また、上記被覆材料AおよびBの双方の有する機能を有効に発現させる為には、被覆内層および外層の厚みの関係は、被覆内層の厚みをｄ_A、被覆外層の厚みをｄ_Bとして、下記式（１）の範囲とする必要がある。

１．１≦ｄ_B／ｄ_A≦４９・・・・・・（１）

被覆材料Ｂの中に存在する低分子量物や、着色顔料、可塑剤等がＰＯＦ内部への移行を十分に防止するためには、被覆内層の厚みはできる限り厚くした方が良いが、ｄ_B/ｄ_Aの値が１．１より小さくなると、被覆外層の耐薬品性や機械強度が大きく低下するため好ましくない。一方で、ＰＯＦと被覆層の密着性を向上させるためには被覆内層の厚みはできる限り薄くしたほうが良いが、ｄ_B/ｄ_Aの値が４９より大きくなると、被覆内層の移行防止効果は大きく低下してしまう。

このような理由から、ｄ_B/ｄ_Aが上記の範囲を満たすことが必要であるが、ｄ_B/ｄ_Aの値はより好ましくは、１．５≦ｄ_B／ｄ_A≦２５であり、さらに好ましくは、５≦ｄ_B／ｄ_A≦１２．５である。

次に、本発明のＰＯＦケーブルの製造に用いられるクロスヘッド被覆装置について説明する。図２は、クロスヘッド先端に取り付けられたダイス部を表す。中心軸２５がＰＯＦの通路であり、第一流路２３を被覆内層を形成する被覆材料Ａが、第二流路２４を被覆外層を形成する被覆材料Ｂが通過し、第三流路２６にて両者が合流する。その後、第三流路２６は角度θで中心軸２５に合流し、被覆材料ＡおよびＢがＰＯＦに被覆され、ＰＯＦケーブルが製造される。

ここで第３流路２６とＰＯＦの中心線２５とのなす角度θ（°）は１０度以上６０度以下の範囲であることが好ましい。すなわち、ＰＯＦと被覆材料Ａおよび被覆材料Ｂとが１０度から６０度で接触することが好ましい。θが１０度未満では、被覆材料Aおよび被覆材料BをＰＯＦに均一な厚みで被覆することが難しくなる傾向にあり、一方、６０度を超えると、高温に加熱された材料がＰＯＦに与える熱や応力が大きくなり、ＰＯＦの光学特性が劣化する場合がある。被覆内層をより薄く均一に形成するためには、θを２０度以上４５度以下の範囲に設定することがより好ましい。

なお、本発明の外側に更に被覆層を設ける場合についても、被覆温度やＰＯＦとの接触角度は上記範囲であることが好ましい。

以下、本発明を実施例に挙げて説明するが、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例における各評価方法は次の通りである。

（ＭＦＲ）
テクノセブン社製メルトインデクサ（Ｌ２１７−１５３１）を用い、ＪＩＳ Ｋ ７２１０Ａ法に基づき測定温度２１０度、荷重５ｋｇｆの条件下にて測定した。

（せん断粘度η）
ロザンド社製ツインキャピラリーレオメーター（RH7-2）を用い、ダイ直径１ｍｍ、ダイ全長１６ｍｍ、測定温度２１０度、条件化で、せん断速度１０００〜１０００００（／ｓ）の時のせん断粘度を測定した。

（被覆状態の断面形態判断）
プラスチック光ファイバケーブルの単面を、＃８０００番の研磨紙にて研磨した後、顕微鏡観察によって、断面状態を目視で観察した。被覆内層及び被覆外層が均一な厚みで被覆されている場合を優良（表中◎で表す。）、若干外形に変形が見られるが、大きな厚み変動の無いものを良（表中○で表す。）、厚みが不均一で大きな変動が見られるものを不良（表中×で表す。）と判断した。

〔実施例１〕
芯材として、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）の単独重合体（ＰＭＭＡ）、鞘材として、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート（３ＦＭ）／１，１，２，２−パーフルオロデシルメタクリレート（１７ＦＭ）／ＭＭＡ／メタクリル酸（ＭＡＡ）＝３１／５０／１８／１（重量％）の共重合体を用い、保護層として、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン＝７０／２０／１０（ｍｏｌ％）の共重合体を用い、これらを溶融して同心円状に中心から順次積層して複合紡糸し、芯径９７０μｍ、鞘厚５μｍ、保護層厚１０μｍのＰＯＦ１２を得た。

ついで、被覆材料Ａとしてエチレン−ビニルアルコール共重合体（エバールＦ１０４Ｂ クラレ社性：ＭＦＲ２５、η_A＝７０）、被覆材料Ｂとしてナイロン１２（ダイアミド１２ Ｌ１６４０、ダイセルヒュルス社製：ＭＦＲ１１３、η_B＝５０）を用い、これらを断面が図２で示されるコンプレッション式の２層一括被覆用クロスヘッド型被覆装置に供給して、ＰＯＦ１２の外周に被覆材料ＡおよびＢを一括被覆して、外径１．５ｍｍのＰＯＦケーブルを得た。その際の被覆層Ａの厚みｄ_Aは３０μｍ、被覆材料Ｂの厚みｄ_Bは２２０μｍ、すなわちｄ_B／ｄ_Aは７．３とし、被覆時の樹脂温度Ｔを２１０℃、ダイス２１については、厚みは３ｍｍ、ダイス２１の孔径１．５ｍｍとし第３流路２６とＰＯＦ中心軸線２５のなす角度θが、３５°、４５°の２種類のものを用いた。このようにして得られたＰＯＦケーブルの被覆状態の断面形態は、いずれも優良であった。

（実施例２〜実施例８）
被覆材料Ａを、表１に示した材料にかえた以外は実施例１と同様にして被覆を行い、断面形状観察を行った。その結果を表１に示す。

（比較例１および２）
被覆材料Ａをポリスチレン（ＭＦＲ３４、η_A＝２４）もしくはポリカーボネート（ＭＦＲ２０、η_A＝１０１）とした以外は実施例１と同様に被覆を行い、断面形状観察を行った。結果、その断面は厚みの斑が大きく、不良であった。

なお、表中の略号は下記の内容を示す。
ＥＶＡＬＡ ：エチレン−ビニルアルコール共重合体（クラレ社製 EVAL F104B）
ＥＶＡＬＢ ：エチレン−ビニルアルコール共重合体（クラレ社製 EVAL F101B）
ＰＢＴ Ａ ：ポリブチレンテレフタレート（東レ・デュポン社製 ハイトレル4047）
ＰＢＴ Ｂ ：ポリブチレンテレフタレート（東レ・デュポン社製 ハイトレル4767）
ＰＢＴ Ｃ ：ポリブチレンテレフタレート（東レ・デュポン社製 ハイトレル2474）
ＡｃｒｙｌＡ：17ＦＭ/ＭＭＡ/ＭＡＡの共重合体（組成比：30/68/2質量％）
ＡｃｒｙｌＢ：17ＦＭ/ＭＭＡ/ＭＡＡの共重合体（組成比：14/84/2質量％）
ＡｃｒｙｌＣ：ＢＡ/ＭＭＡ/ＭＡＡの共重合体（組成比：10/88/2質量％）
３ＦＭ ：トリフルオロエチルエタクリレート
１７ＦＭ ：１，１，２，２−パーフルオロデカニルメタクリレート
ＭＭＡ ： メチルメタクリレート
ＭＡＡ ： メタクリル酸
ＰＳ ：ポリスチレン（PS ジャパン社製 HIPS433）
ＰＣ ：ポリカーボネート（GEプラスチックス社製 OQ1020）
ＰＡ１２ ：ポリアミド１２（ダイセル・デグッサ社製 L1640）

本発明のＰＯＦケーブルの製造方法により得られるＰＯＦケーブルの一例を示す断面図である。 本発明のＰＯＦケーブルの製造方法に使用される被覆装置の一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ ・・・ＰＯＦケーブル
１１Ａ・・・コア
１１Ｂ・・・第１鞘
１１Ｃ・・・第２鞘
１２ ・・・ＰＯＦ
１３ ・・・被覆内層
１４ ・・・被覆外層
２１ ・・・ダイ
２２ ・・・ニップル
２３ ・・・第１流路
２４ ・・・第２流路
２５ ・・・ＰＯＦ１２の中心軸線
２６ ・・・第３流路
θ ・・・ダイ・ニップルのテーパー角

Claims (3)

1. 芯−鞘構造を有するプラスチック光ファイバの外周に、（メタ）アクリル酸メチル単位を主構成単位とする樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合体を主成分とする樹脂およびポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂の少なくとも一種の樹脂を用いて形成される被覆内層を形成し、さらにその外周に被覆外層を形成するプラスチック光ファイバケーブルの製造方法であって、被覆温度Ｔを１９０℃≦Ｔ≦２３０℃とし、当該被覆温度における被覆内層を形成する被覆材料Ａのせん断粘度をη_A(Ｐａ・ｓ)、被覆外層を形成する被覆材料Ｂのせん断粘度をη_B（Ｐａ・ｓ）としたとき、せん断速度が１０００／ｓ以上１００００／ｓ以下の領域でのせん断粘度の比η_A／η_B を下記式（１）の範囲とし、かつ被覆内層の厚みをｄ_A、被覆外層の厚みをｄ_Bとしたとき、厚みの比ｄ_B／ｄ_Aが下記式（２）の範囲となるように前記被覆内層および前記被覆外層を一括して被覆するプラスチック光ファイバケーブルの製造方法。
   ０．５≦ η_A／η_B ≦ ２・・・・・（１）
   １．０≦ ｄ_B／ｄ_A ≦４９・・・・・・（２）
2. ダイス内部において被覆材料Ａおよび被覆材料Ｂがプラスチック光ファイバに対して１０度以上４５度以下の角度で導入されることを特徴とした請求項１に記載のプラスチック光ファイバケーブルの製造方法。
3. 被覆材料Ｂがポリアミド系樹脂からなることを特徴とした請求項1ないし請求項２に記載のプラスチック光ファイバケーブルの製造方法。

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