JP5041450B2 - 光ファイバ着色心線 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバケーブル内に収納される光ファイバ着色心線に関するものであり、具体的には、使用環境や経年劣化による光ファイバの伝送ロス増加を抑制した光ファイバ着色心線に関し、特に水浸漬においても長期にわたり伝送損失が増加しにくい光ファイバ着色心線に関するものである。

光ファイバの製造に関しては石英ガラスの線引き工程において、光ファイバの強度低下を防ぐため、直ちにその外周に被覆樹脂が被覆され、識別のために着色層を設けている。光ファイバ用被覆樹脂としては、主に紫外線硬化樹脂が用いられている。紫外線硬化樹脂としてはウレタンアクリレートやエポキシアクリレートが用いられている。

光ファイバは様々な外的応力やそれによって発生するマイクロベンドによって伝送ロス増が発生する。そのため、そのような外的応力から光ファイバを保護するために一般的に光ファイバ素線は軟質層と硬質層の２層構造からなる被覆が施されている。石英ガラスと接触する内層には比較的弾性率の低い軟質樹脂を用いることでバッファー層とし（以下プライマリ層）、外層には比較的ヤング率の高い硬質樹脂を用いることで保護層している（以下、セカンダリ層）。一般的にはプライマリ層の弾性率は３MPa以下、セカンダリ層は弾性率５００MPa以上の樹脂が用いられている。

光ファイバの製造方法では、石英ガラスを主成分とするプリフォームから線引き炉によって加熱溶融、線引きされた石英ガラス製光ファイバにコーティングダイスを用いて液状の紫外線硬化樹脂を塗布し、続いてこれに紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させる。このような方法により、プライマリ層とセカンダリ層とを光ファイバに被覆して光ファイバ素線が製造される。
さらに次工程において、得られた光ファイバ素線の外周に着色樹脂からなる被覆層を被覆することにより光ファイバ着色心線が製造される。

本明細書においてはこのようにガラス光ファイバをプライマリ層及びセカンダリ層により被覆したものを光ファイバ素線と称し、光ファイバ素線の外周に着色樹脂からなる被覆層をさらに被覆してなるものを光ファイバ着色心線、さらに光ファイバ着色心線を複数本平面上に並べ、テープ樹脂により一括被覆したものを光ファイバテープ心線と称するものとする。

さて、光ファイバ着色心線を６０℃温水に浸漬した状態で使用しても伝送ロス増大を防いだ信頼性の高いファイバとするために、特許文献１では、着色層の弾性率をセカンダリ層の弾性率よりも高くすること、および着色層のガラス転移温度をセカンダリ層のガラス転移温度より高くすることが提案されている。

特開２００２−２５５５９０号公報 特許２９２５０９９号公報

近年光ファイバの著しい普及によって、光ファイバケーブルは適用範囲が拡大しており、光ファイバケーブルの長期信頼性に対する要求は非常に厳しくなっている。そのため、水に浸漬した状態で使用した場合においてもよりいっそう伝送ロスが増加しにくい光ファイバ着色心線が求められている。

しかしながら、各層界面の接着力のバランスを取りながら、上記問題を対処することには限界があり、引用文献１に記載の光ファイバ着色心線を用いてもその長期信頼性は十分ではなかった。

本発明の目的は、水に浸漬した状態でも伝送ロスが増加しにくい光ファイバ着色心線を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、光ファイバ着色心線であって、ガラス光ファイバと、前記ガラス光ファイバを被覆する一次被覆層と、前記一次被覆層を被覆する二次被覆層と、前記二次被覆層を被覆する着色層とを備え、前記二次被覆層の体積膨張係数に対する、前記二次被覆層と該二次被覆層を被覆する前記着色層とを有する積層体の体積膨張係数の比が０．９８以上１．０３以下であり、かつ、前記二次被覆層の−１００℃〜１５０℃の温度範囲における動的粘弾性のガラス転移温度に対する、前記積層体のガラス転移温度の比が０．９６以上１．０３以下であることを特徴とする。

本発明によれば、水に浸漬した状態で使用しても伝送ロスが増加しにくい光ファイバ着色心線を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ素線の断面図である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバ着色心線の断面図である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバテープ心線の断面図である。 本発明の一実施形態に係るチューブ被覆サンプルの線膨張率の温度依存性を示す図である。 本発明の一実施形態に係るファイバサンプルの線膨張率の温度依存性を示す図である。 本発明の一実施形態に係るガラス転移温度の求め方を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
水浸漬状態に曝された光ファイバ心線の伝送ロスが増大する原因を鋭意研究した結果、伝送ロスが増大した光ファイバ心線は、ガラス光ファイバ/プライマリ界面における剥離、すなわちデラミネーションが観察されることを見出した。さらには、セカンダリ/着色層界面や着色/テープ層界面における剥離も観察されることを見出している。
ガラス光ファイバと被覆層界面において被覆層を引き剥がそうとする力が、ガラス光ファイバと被覆層界面の接着力を超えた時にデラミネーションが発生する。そしてガラス光ファイバに不均一な力が加わることで伝送ロスが発生する。

本発明を実施するための形態としては、ガラス光ファイバにプライマリ層、セカンダリ層を被覆した光ファイバ素線を作製し、当該光ファイバ素線に着色層を被覆することにより光ファイバ着色心線を作製する。各被覆層に用いられる樹脂は紫外線硬化樹脂を用いる。さらにこの光ファイバ着色心線を複数本平面上に並行に並べ、紫外線硬化樹脂からなるテープ樹脂で一括被覆することで光ファイバテープ心線とすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ素線１４の断面図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ着色心線１６の断面図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る光ファイバテープ心線１８の断面図である。

図１において、光ファイバ素線１４は、ガラス光ファイバ１１と、該ガラス光ファイバ１１を被覆する被覆層２０とを備える。該被覆層２０は、ガラス光ファイバ１１を被覆するプライマリ層（以降、“一次被覆層”とも呼ぶ）１２と、該一次被覆層１２を被覆するセカンダリ層（以降、“二次被覆層”とも呼ぶ）１３とを有する。上記一次被覆層１２は軟質樹脂であるので比較的弾性率が低い。一方、二次被覆層１３は硬質樹脂であるので、一次被覆層１２よりも弾性率が高い。なお、一次被覆層１２上に二次被覆層１３が形成されているので、被覆層２０は、一次被覆層１２と二次被覆層１３とをこの順番で円筒状に積層させた積層体と言える。

また、図２において、光ファイバ着色心線１６は、ガラス光ファイバ１１と、該ガラス光ファイバ１１を被覆する被覆層２２とを備える。該被覆層２２は、上記一次被覆層１２と、上記二次被覆層１３と、該二次被覆層１３を被覆する着色層１５とを有する。すなわち、光ファイバ着色心線１６は、着色層１５により光ファイバ素線１４を被覆した構造を有する。なお、一次被覆層１２上に二次被覆層１３が形成され、さらに該二次被覆層１３上に着色層１５が形成されているので、被覆層２２は、一次被覆層１２と二次被覆層１３と着色層１５とをこの順番で円筒状に積層させた積層体と言える。また、図２において、符号２１は、二次被覆層１３と該二次被覆層１３を被覆するように形成された着色層１５との積層体である。

さらに、図３において、光ファイバテープ心線１８は、平面状に並べられた複数の光ファイバ着色心線１６と、平面状に並べられた複数の光ファイバ着色心線１６を被覆するテープ樹脂１７とを備える。

なお、光ファイバ素線１４の一次被覆層１２および二次被覆層１３の原材料となる被覆樹脂や、光ファイバ着色心線１６の着色層１５の原材料となる着色樹脂として用いる紫外線硬化樹脂は、例えば、主なるものとして、オリゴマー、希釈モノマー、光開始剤、シランカップリング剤、増感剤、顔料、各種添加剤を含む。オリゴマーとしては、ポリエーテル系ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、シリコーンアクリレートなどが主に用いられる。希釈モノマーとして単官能モノマーもしくは、多官能モノマーが用いられる。

本発明の特徴の１つは、ガラス光ファイバ１１と、該ガラス光ファイバ１１上に形成された、一次被覆層１２および二次被覆層１３とを備える光ファイバ素線１４の外周に着色層１５を有する光ファイバ着色心線１６において、二次被覆層１３の熱膨張係数に対する、二次被覆層１３と着色層１５の積層体２１の熱膨張係数の比が０．９８以上１．０３以下であることである。

また、本発明の他の特徴は、二次被覆層１３の−１００℃〜１５０℃の温度範囲における動的粘弾性のガラス転移温度Ｔｇに対する、二次被覆層１３と着色層１５の積層体２１のガラス転移温度Ｔｇの比が０．９６以上１．０３以下であることである。

本発明では、上記２つの特徴によって水浸漬したときのセカンダリ層としての二次被覆層と着色層との間の内部歪を抑えることができる。
すなわち、本発明の光ファイバ着色心線によれば、上記第１の特徴により、温度変化や光ファイバ着色心線１６を温水浸漬した場合、二次被覆層１３と着色層１５とを同じように膨張、収縮させることができ、二次被覆層１３と着色層１５との間の内部歪を小さくすることができる。これにより、二次被覆層１３と着色層１５の接合面のずれを低減することができる。従って、伝送ロスの増加に寄与するガラス光ファイバ１１と一次被覆層１２との界面などのガラス光ファイバ１１と被覆樹脂との界面へのダメージを減少させることができ、ロス増の原因であるデラミネーションを抑制することができる。

また、上記第２の特徴によっても、温度変化や光ファイバ着色心線１６を温水浸漬した場合、二次被覆層１３および着色層１５の両者が同じように膨張、収縮することで、二次被覆層１３と着色層１５との間の内部歪を小さくすることができる。従って、ガラス光ファイバ１１とプライマリ層としての一次被覆層１２との界面において、ガラス光ファイバ１１から一次被覆層１２を引き剥がそうとする力を抑えることができる。

また、光ファイバ着色心線１６を水に浸漬したとき、水が着色層１５を通過して二次被覆層１３と一次被覆層１２中に侵入し、ガラス光ファイバ１１と一次被覆層１２との界面の密着力が弱い部分が剥がれデラミネーションを起こすことがある。このようにデラミネーションが生じると、浸透圧の影響によりデラミネーションした部分に濃度を薄めようと浸透圧が発生し、たくさんの水を取り込もうとするが、二次被覆層１３と着色層１５とのガラス転移温度や熱膨張係数を合わせることにより、光ファイバ着色心線１６内に水が溜め込まれないようにすることができる。

例えば、特許文献１では、プライマリ層、セカンダリ層、および着色層の弾性率およびガラス転移温度を内側から外側に向かって高くなるように配列することにより、各被覆層の歪などに起因する内部応力の不均一な伝達を緩和し、各層間の密着力の弱い部分の剥離やブリスタの発生を抑えることができる、としている。しかしながら、セカンダリ層より着色層の弾性率が高く、またセカンダリ層より着色層のガラス転移温度が高くなるように配列することによって、セカンダリ層と着色層界面には内部歪が発生しやすくなる。

また、弾性率が高いと熱膨張係数が小さくなる傾向にある。これにより、特許文献１に開示された光ファイバ着色心線を温水浸漬した場合、セカンダリ層と着色層界面には内部歪が発生し、該内部歪によってガラス光ファイバとプライマリ層界面の密着力が弱い部分が剥がれデラミネーションを起こすことがある。そのデラミネーションした部分に溶出成分が溜まると特許文献２で述べているように濃度を薄めようと浸透圧が発生し、たくさんの水を取り込もうとする。しかし、特許文献１に開示された光ファイバ着色心線では、弾性率の高い着色層があるために、光ファイバ着色心線内に溜め込まれた水が該光ファイバ着色心線外に出られない状態が生じると推定できる。

従来では、着色層の架橋密度が高くセカンダリ層の架橋密度が低いので、着色層を通過して内部に水が浸入すると、該内部に侵入した水は架橋密度が高い着色層にせき止められ、着色層から外部へと出づらい。すなわち、従来では、光ファイバ着色心線に水は浸入するが、浸入した水は外部に出にくい。これに対して、本発明では、二次被覆層１３と着色層１５とのガラス転移温度および熱膨張係数を同程度にすることにより、着色層１５を通過して光ファイバ着色心線１６内部に水が浸入しても、該浸入した水が着色層１５を通過し易くなる。すなわち、着色層１５において水が出入りできるようになるので、光ファイバ着色心線１６内部に不意に水が浸入しても、該浸入した水を外部へと排出するのが容易となり、光ファイバ着色心線１６内に浸透圧を発生し難くすることができる。

このように、本発明では、二次被覆層１３と着色層１５とを温度変化によって同様に膨張、収縮させることが重要であり、このために、二次被覆層１３と着色層１５との熱膨張係数およびガラス転移温度を同じ、ないしは略同じにしている。本発明では、これを実現するために、二次被覆層１３と積層体２１とに着目し、二次被覆層１３と着色層１５の熱膨張係数およびガラス転移温度を同程度にする指標として、上記第１および第２の特徴を採用している。

本発明において、二次被覆層１３と、該二次被覆層１３と着色層１５の積層体２１とにおいて、着色層１５と二次被覆層１３の熱膨張係数やガラス転移温度に大きな差があれば、二次被覆層１３と積層体２１とにおける熱膨張係数およびガラス転移温度も大きな差が生じる。一方、着色層１５と二次被覆層１３の熱膨張係数およびガラス転移温度が同程度であれば、二次被覆層１３と積層体２１とにおける熱膨張係数およびガラス転移温度も同程度になるはずである。本発明では、二次被覆層１３と着色層１５の両者を同様に膨張、収縮させることが重要であり、二次被覆層１３と着色層１５との熱膨張係数およびガラス転移温度を同程度にすることが重要なのである。上述のように、二次被覆層１３と積層体２１との熱膨張係数およびガラス転移温度が、二次被覆層１３と着色層１５との熱膨張係数およびガラス転移温度に連動しているので、本発明では、二次被覆層１３の熱膨張係数およびガラス転移温度が着色層１５の熱膨張係数およびガラス転移温度と同程度であるかについて、二次被覆層１３および積層体２１の熱膨張係数およびガラス転移温度を指標に間接的に決定しているのである。

（実施例）
本実施例として、図１の石英ガラスからなるガラス光ファイバ１１を、一次被覆層１２、二次被覆層１３の２層を有する被覆樹脂層（被覆層２０）により被覆した光ファイバ素線１４を作製した。各樹脂として紫外線硬化樹脂を用いた。紫外線硬化樹脂は、オリゴマー、希釈モノマー、光開始剤、連鎖移動剤、添加剤を含み、構成材を変えることで数種の光ファイバ素線１４を得た。また、光ファイバ着色心線１６は、図２に示すように、石英ガラスからなるガラス光ファイバ１１の外径を１２５μｍ、一次被覆層１２の外径を１８３μｍ及び１９６μｍ、二次被覆層１３の外径を２４５μｍとした光ファイバ１４を作製した後、別工程にて着色層１５を被覆して外径２５５μｍの光ファイバ着色心線１６を得た。なお、光ファイバ素線１４としての特性を維持するために、通常、ガラス光ファイバ１１の外径は８０μｍ〜１２５μｍ、一次被覆層１２の外径は１２０μｍ〜２００μｍ、二次被覆層１３の外径は１６５μｍ〜２４５μｍ、着色層１５（光ファイバ着色心線１６）の外径は１３５μｍ〜２５５μｍが採用される。さらに、得られた光ファイバ着色心線１６を図３に示すように、４本平面状に並行に並べ、紫外線硬化樹脂からなるテープ樹脂１７で一括被覆して光ファイバテープ心線１８とした。
なお、本発明で用いる光ファイバ素線１４のガラス光ファイバ１１と一次被覆層１２の密着力は５N〜２０Nである。ここで密着力の測定方法は、48th International Wire and Cable Symposium “Polymer coatings For Optical fibers“のPullout forceを使用している。速度は５ｍｍ／minを採用した。

着色層１５は、二次被覆層１３に使用した被覆樹脂と同等の組成物で構成することによって、二次被覆層１３と熱膨張係数をほぼ同じにすることができる。この場合、着色層１５に用いる紫外線硬化型樹脂の硬化度の低下が懸念されるが、これは、光開始剤の種類を変えることや、添加量を増量することで調整可能である。本実施例では、着色層に用いる紫外線硬化樹脂の光開始剤としてはアルキルフェノン系光重合開始剤やアシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤を添加している。また、イソボルニルアクリレートのような単官能モノマーを使用することによりガラス転移温度を上昇させずに弾性率を上げることが可能である。

（熱膨張係数測定方法）
熱膨張係数（体積膨張係数）を求める方法を説明する。光ファイバ素線１４の二次被覆層１３および光ファイバ着色心線１６の積層体２１の熱膨張係数を測定するために、二次被覆層１３、積層体２１のそれぞれに対して、２種類の被覆サンプルを作製した。１つは、ガラス光ファイバ上に被覆層（被覆層２０または被覆層２２）を被覆したファイバサンプル（光ファイバ素線１４または光ファイバ着色心線１６）である。また、もう１つは、ファイバサンプル（光ファイバ素線１４または光ファイバ着色心線１６）からガラス光ファイバを抜いた被覆層（被覆層２０または被覆層２２）のみからなるチューブ被覆サンプルである。熱膨張係数測定にはＴＭＡ熱機械分析（Mettler Toledo TMA-40）を用いて長手方向と外径方向の測定を行った。測定条件は、印加荷重０荷重、温度範囲−１００℃〜１００℃、昇温速度１０℃/minであり、長手方向については引張モードによりチューブ被覆サンプルを用いて測定を行い、外径方向についてはファイバサンプルを用いてガラス光ファイバが入った状態で圧縮モードにより測定を行った。被覆層の線膨張係数は、被覆層のガラス転移点近傍で大きく変化ため、測定する温度範囲は全ての被覆層のガラス転移点を含む範囲に設定することが好ましい。
測定された長手方向の温度と線膨張率の関係を図４に、外径方向の温度と線膨張率の関係を図５に示す。それぞれの線膨張係数は測定結果が直線的に変化する範囲、すなわち−５０〜２５℃の温度範囲の傾きから求めた。

通常、一次被覆層１２（プライマリ層）のガラス転移温度は−５０℃程度と低い。ガラス転移温度以上の温度範囲においてはチューブ被覆サンプルの一次被覆層１２（プライマリ層）は、弾性率が二次被覆層１３（セカンダリ層）や着色層１５に比べて著しく小さいことから、被覆層２０における二次被覆層１３、ならびに被覆層２２における二次被覆層１３および着色層１５は自由に伸縮することができる。
すなわち、被覆層２０の体積膨張係数は二次被覆層１３の体積膨張係数とほぼ同じであると言え、また、被覆層２２の体積膨張係数は、二次被覆層１３と着色層１５の積層体２１の体積膨張係数とほぼ同じであると言える。
したがって、二次被覆層１３、および積層体２１の線膨張係数からそれぞれの体積熱膨張係数を式１）を用いて求めることができる。
βｓ＝αSL＋２×αSR １）
βｓ：二次被覆層１３、積層体２１の体積膨張係数
αSL：二次被覆層１３、積層体２１の長手方向の線膨張係数
αSR：二次被覆層１３、積層体２１の外径方向の線膨張係数

このようにして算出された体積膨張係数について、表１では、各実施例において、二次被覆層１３についての体積膨張係数を「二次被覆層の体積膨張係数」欄に記載し、積層体２１についての体積膨張係数を「積層体の体積膨張係数」欄に記載する。

（二次被覆層１３及び積層体２１のガラス転移温度測定方法）
ガラス転移温度Tgを求める方法を説明する。二次被覆層１３、積層体２１のガラス転移温度Tg測定は、DMA動的粘弾性試験（TA社 RSA３）を用いて、図６に示すようにtanδの最大値が現れる温度をガラス転移温度とし、上記チューブ被覆サンプルを用いて引張法にて標線間２０ｍｍ,周波数１Ｈｚ，昇温速度２℃/ｍｉｎの条件で測定を行った。なお、−１００℃〜１５０℃の温度範囲で、チューブ被覆サンプルを測定すると、tanδピークは低温側と高温側に２つ現れる。低温側が一次被覆層１２（プライマリ層）のガラス転移温度を示すものであり、高温側が二次被覆層１３、着色層１５のガラス転移温度を示すものである。

このようにして得られたガラス転移温度について、表１では、各実施例において、二次被覆層１３についてのガラス転移温度を「二次被覆層のガラス転移温度」欄に記載し、積層体２１についての体積膨張係数を「積層体の被覆層のガラス転移温度」欄に記載する。

（伝送損失の測定方法）
製造された光ファイバ素線１４及び光ファイバ着色心線１６を用いて、長さ約１ｋｍの光ファイバ素線あるいは着色心線を６０℃温水に浸漬し、該浸漬後の伝送損失を測定した。伝送損失の測定は、アンリツ（株）製 光パルス試験器 MW９０７６Ｂを用い、光後方散乱損失係数（ＯＴＤＲ）により、波長１．５５μｍの伝送ロスを長手方向に測定することにより行った。そして、水温を６０℃まで上昇させ、９０日浸漬した後、伝送ロスが０．１ｄＢ／ｋｍ以上増加していると認められた場合には、使用環境に対する耐性がないと判断し、表１には×印で記した。

以上の説明から明らかなように、本発明の光ファイバ着色心線は、プライマリ層としての一次被覆層とセカンダリ層としての二次被覆層との２層の被覆層により被覆されたガラス光ファイバを備える光ファイバ素線に、着色樹脂からなる被覆層よりさらに被覆してなる光ファイバ着色心線であって、二次被覆層１３と、積層体２１（二次被覆層１３＋着色層１５）との熱膨張係数の比が０．９８以上１．０３以下、かつ、上記二次被覆層１３と積層体２１（二次被覆層１３＋着色層１５）の−１００℃〜１５０℃の温度範囲における動的粘弾性のガラス転移温度 Tgの比が０．９６以上１．０３以下である光ファイバ着色心線である。よって、表１に示されるように、本実施例では、６０℃の温水に３０日間浸漬しても伝送ロスが増大せず、さらには６０℃の温水に９０日間浸漬しても伝送ロスが増大しない、という効果を得ることができた。

以上の結果から二次被覆層と着色層との間に熱膨張に差がある場合、温度変化が加わると二次被覆層と着色層との界面に歪が発生し、被覆層に不均一な力が発生することでガラス光ファイバと一次被覆層とに不均一な力が加わり界面が剥離してロス増を及ぼす。そのため、積層体２１（二次被覆層１３＋着色層１５）と二次被覆層１３との熱膨張係数およびガラス転移温度は等しい、ないしは略等しいことが望ましい。

１１ ガラス光ファイバ
１２ 一次被覆層
１３ 二次被覆層
１４ 光ファイバ素線
１５ 着色層
１６ 光ファイバ着色心線

Claims (2)

1. ガラス光ファイバと、
   前記ガラス光ファイバを被覆する一次被覆層と、
   前記一次被覆層を被覆する二次被覆層と、
   前記二次被覆層を被覆する着色層とを備え、
   前記二次被覆層の体積膨張係数に対する、前記二次被覆層と該二次被覆層を被覆する前記着色層とを有する積層体の体積膨張係数の比が０．９８以上１．０３以下であり、かつ、
   前記二次被覆層の−１００℃〜１５０℃の温度範囲における動的粘弾性のガラス転移温度に対する、前記積層体のガラス転移温度の比が０．９６以上１．０３以下であることを特徴とする光ファイバ着色心線。
2. 請求項１に記載の光ファイバ着色心線を複数本並べ、テープ樹脂で一括化したことを特徴とする光ファイバテープ心線。

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