JP2583523B2 - プラスチック光ファイバー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、低損失、高開口数を示し、機械的強度、た
わみ性及び耐熱性の優れたプラスチツク光フアイバーに
関するものである。

従来の技術 光フアイバーには、石英系光フアイバーとプラスチツ
ク光フアイバーがあるが、後者は前者に比べたわみ性を
有し、また端面処理や接続が容易な上に大口径、高開口
数をとりうることから、機器内配線、短距離通信、各種
センサー、ライトガイド、装飾材料などの分野で広く用
いられるようになつてきている。

そして、このプラスチツク光フアイバーの素材として
は、これまで、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹
脂、ポリメチルメタクリレート樹脂などが主として用い
られてきた。この中でポリスチレン樹脂は、屈折率1.59
で透明性も良好であるため、ポリメチルメタクリレート
樹脂のさや材と組み合わせて使用する芯材として実用に
供されている。また、ポリカーボネート樹脂は、透明性
が良好な上に、ガラス転移点が150℃と高いので耐熱性
が要求される光フアイバーの材料として注目されてい
る。さらに、ポリメタクリレート樹脂は、透明性に優
れ、たわみ性もよいという長所を有するが、屈折率は1.
49と比較的低いため、これを芯材として用いようとすれ
ば、さや材にはさらに屈折率の低い樹脂を選ばなければ
ならず、利用範囲が制限されるのを免れない。

低屈折率の樹脂としては、これまで含フツ素メタクリ
レート樹脂が知られている（特公昭43−8978号公報）。
このさや材は、非晶質で透明性が良好であるため、これ
を用いた光フアイバーは、伝送損失が小さく、かつ85℃
という高温下でも安定した光伝送特性を維持することが
できる。しかし、このさや材は、芯材への接着性を欠
き、またもろいため、これを用いた光フアイバーを小さ
な曲げ半径で屈曲させると光の損失が大きくなる傾向が
ある上に、機械的強度が低いという欠点を有している。

そのほか、フツ化ビニリデン60〜80モル％を含むフツ
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
さや材とした光フアイバーも提案されている（特開昭50
−20737号公報）。しかし、この光フアイバーは、曲げ
による光損失や機械的強度の点では問題がないものの、
高温の環境下で使用すると伝送損失が増大するという欠
点がある。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、メチルメタクリレート系非晶質透明性樹脂
から成る芯材とフツ化ビニリデン系樹脂から成るさや材
とで構成される低損失、高開口数の光フアイバーで、し
かも機械的強度、たわみ性が優れ、屈曲しても光損失が
少なく、かつ耐熱性の高いプラスチツク光フアイバーを
提供することを目的としたものである。

問題点を解決するための手段 本発明者らは、優れた性質を有し、実用性の高い光フ
アイバーを開発するために鋭意研究を重ねた結果、光フ
アイバーのミクロ構造がその機械的性質や光伝送性能に
影響を与えること、及びこれまで強固な結合が得られな
かつたり、また接合面における相互作用によりそれぞれ
の長所がそこなわれるために実用性を欠くとされていた
２種のプラスチツクの組合せを芯材及びさや材として用
いた場合でも、両者の接合部に、これら２種のプラスチ
ツクの混合層を所定の厚さで設けることにより、非常に
優れた性質をもつ光フアイバーとなしうることを見出
し、この知見に基づいて本発明をなすに至つた。

すなわち、本発明は、メチルメタクリレート系非晶質
透明性樹脂から成る芯材とフッ化ビニリデン系樹脂の単
一層から成るさや材とで構成されたプラスチック光ファ
イバーにおいて、芯材とさや材の接合部に、上記メチル
メタクリレート系非晶質透明性樹脂と上記フッ化ビニリ
デン系樹脂との混合層が光ファイバーの直径の6/10000
〜20/10000で、かつ1.4μｍ以下の厚さに形成されてい
ることを特徴とするプラスチック光ファイバーを提供す
るものである。

上記のメチルメタクリレート系非晶質透明性樹脂の例
としては、メチルメタクリレートの単独重合体、メチル
メタクリレート単位を50重量％以上含有するメチルメタ
クリレートと他の単量体との共重合体を挙げることがで
きる。そして、このメチルメタクリレートと共重合させ
る他の単量体としては、例えばメチルアクリレート、エ
チルアクリレートのようなアルキルアクリレート類、エ
チルメタクリレート、プロピルメタクリレート、ボルニ
ルメタクリレートのようなメタクリル酸エステル類、オ
ルトメチルフエニルマレイミド、シクロヘキシルマレイ
ミド、フエニルマレイミドのようなマレイミド類や、メ
タクリル酸、アクリル酸、無水マレイン酸、スチレンな
どが用いられる。

次にこのようなメチルメタクリレート系非晶質透明性
樹脂の芯材と組み合わせて、さや材として用いるフツ化
ビニリデン系樹脂とは、例えばフツ化ビニリデン構造単
位を含む樹脂であり、さらにこれに加えてフツ化ビニル
エーテル構造単位、フツ素化ポリエーテル構造単位、ト
リフルオロエチレン構造単位、テトラフルオロエチレン
構造単位、ヘキサフルオロプロペン構造単位又は、フツ
化ビニル構造単位などを１種又は２種以上含むフツ化ビ
ニリデン系共重合体の中で芯材の樹脂よりも低い屈折率
をもつものが好適である。このような共重体の例として
は、フツ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／トリ
フルオロメチル・フルオロビニルエーテル共重合体、フ
ツ化ビニデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオ
ロプロペン／トリフルオロメチルトリフルオロビニルエ
ーテル共重合体などを挙げることができる。

本発明においては、前記メチルメタクリレート系非晶
質透明性樹脂から成る芯材と前記フツ化ビニリデン系樹
脂との接合部に、これら両方の樹脂の混合層が、光フア
イバーの直径の6/10000ないし20/10000で、かつ1.4μｍ
以下の厚さに形成されていることが必要である。

この混合層は、前記メチルメタクリレート系非晶質透
明性樹脂と前記フツ化ビニリデン系樹脂を複合紡糸して
得られる光フアイバーを、薄く輪切りにして、透過型電
子顕微鏡により6000〜20000倍程度の倍率で観察したと
きに、芯部分とさや部分の接合部には、明らかに芯部分
及びさや部分とは異なった組成の層、すなわち芯材を構
成するメチルメタクリレート系非晶質透明性樹脂とさや
材を構成するフッ化ビニリデン系樹脂とが相互に溶け合
った混合物から成る層が認められる。この混合層が形成
される段階は、溶融状態のまま芯−さやの二重構造が成
形されて特殊ノズルから紡出された後、冷えて固まるま
での数秒間である。このときに、サブミクロンオーダー
ないしミクロンオーダーの、極めて薄いが一周にわたつ
て厚さの均一な混合層が形成される。このため少々の衝
撃や屈曲、引つ張り、加熱では芯とさやとが剥離するこ
とはないし、接合面に不整合が発生することもない。曲
げた状態で使用しても、接合面は剥がれず滑らかに曲が
るので、光量損失は比較的小さい。このようにして、機
械的衝撃や屈曲、引張りなどの外乱に対して光量損失の
小さい、耐久性のあるプラスチツク光フアイバーが形成
される。

しかも、透明度が非常に高い芯材と相容することによ
つて、混合層の透明度は鞘材自体の透明度よりも向上し
ていることが分つた。透過型電子顕微鏡写真で見ると、
結晶性のある鞘材には濃淡があるが、混合層は均一で結
晶らしき筋は見られない。このため、混合層を持つプラ
スチツク光フアイバーの伝送損失は比較的小さくなつて
いる。ところで、従来実用化されていたフツ化ビニリデ
ンとテトラフルオロエチレン共重合体をさやとするプラ
スチツク光フアイバーについてその断面を観察してみる
と、やはりこのような混合層の存在が認められたが、そ
の厚さ0.3μｍ程度にすぎず著しく薄いものであつた。
そして、この従来の光フアイバーは初期光伝送性能は良
好であつたが高温下において光損失が認められた。そこ
で本発明では、鞘用共重合体の成分・メルトインデツク
スと、紡糸条件を工夫し混合層の幅を直径6/10000以上
に増大させることで、伝送損失、耐熱性を向上させるの
に成功したのである。

このように、透明度の高い、熱的に安定な比較的幅の
広い混合層を持つことで、伝送損失・たわみ性・耐久性
・耐熱性が大幅に改善された。

混合層は、透過型電子顕微鏡を用いて観察することが
できる。短く切つたプラスチツク光フアイバーをエポキ
シ樹脂に包埋し、ウルトラミクロトームにて超薄切片を
作製し、検鏡用グリツドに載せてカーボンを薄く蒸着さ
せ、検鏡用試料とした。混合層の厚みは、芯材とさや材
との組み合わせ、メルトインデツクス、熱処理の温度や
時間、紡糸温度、紡糸速度を適度にコントロールするこ
とにより、1000μｍ程度の直径を有する光フアイバーで
はその厚さを、0.6〜2.0μｍの間に制御することができ
る。相容性の良い組み合わせや、分子量が低くメルトイ
ンデツクスの大きい樹脂は、分子が拡散しやすく混合層
の幅も大きくすることができる。

前記したように、本発明の光フアイバーにおける芯材
とさや材との間の混合層は、光ファイバーの直径6/1000
0〜20/10000の厚さを有することが必要であり、これよ
りも薄すぎると熱処理により芯材とさや材の影響を受
け、両者を緩衝する作用が不十分になるし、また厚すぎ
ても混合層の間の濃度分布が広範囲に変動し、屈折率ゆ
らぎ、組成ゆらぎによる散乱損失が大きくなるおそれが
ある。通常光フアイバーの直径は100〜1000μｍの範囲
で選ばれるが、まれには100μｍ未満又は1000μｍより
も大きいものがある。本発明における芯材とさや材との
混合層の厚さは、これらの標準直径のもとでのものであ
り、100μｍ未満や1000μｍよりも大きい場合には、そ
れぞれ100μｍ又は1000μｍとして選択すれば十分であ
る。

本発明のプラスチツク光フアイバーを製造するには、
公知の方法で精製したメチルメタクリレートなどの単量
体を、異物が混入しないように完全密閉下で溶液重合、
又は塊状重合行つた後押出機に送り、そこで溶融状態の
鞘材と、特殊な二重ノズルによつて芯−鞘構造を形成さ
せるいわゆる複合紡糸方式によるのが最適である。そし
て混合層の厚さを直径の6/10000〜20/10000の間に制御
するため、ダイスの温度は210〜300℃の間で、芯材のメ
ルトインデツクスは紡糸ダイスの温度において1g/10分
〜50g/10分の間に、さや材のメルトインデツクスは20g/
10分〜200g/10分の間になるように各樹脂を選択し、か
つ紡糸条件に適当に変化させることによつて所定の厚さ
にする。また、通常紡糸されたプラスチツクフアイバー
は、たわみ性、耐屈曲性、引張強度などの機械的特性を
付与させるため、紡出直後、1.2〜3.0倍の延伸処理を施
す。本発明のプラスチツク光フアイバーは、芯とさやと
が相容しており延伸をかけても芯−さや接合面に剥離な
どの乱れが発生することはないので、機械的特性にも優
れたプラスチツク光フアイバーが作製できる。

実施例 以下、具体的実施例を示すが、本発明はこの実施例に
より限定されるものではない。なお、伝送損失は（株）
オペレツクス製 フアイバー損失分光器FP−889を使用
し、52m〜2mのカツトバツク法により測定した。メルト
インデツクスは、東洋精機製 メルトインデクサーを使
用し、ASTM−1238、試験温度230℃、荷重3.8kg、ダイス
内径2.0955mmの条件で測定した。混合層の観察には、透
過型電子顕微鏡HITACTI H−500を使用した。

実施例１ 芯材にポリメチルメタクリレート樹脂を用い、さや材
にフツ化ビニリデン構造単位、テトラフルオロエチレン
構造単位、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエー
テル構造単位がモル比で79:15:6を有する共重合体を使
用して、プラスチツク光フアイバーを調製した。すなわ
ち、ダイスの温度は240℃とし、ダイスの孔径1.5mm、ダ
イスからの吐出速度7m/分で紡出し、直径1000μｍのフ
アイバーを得た。この際の芯材のメルトインデツクスは
2g/10分、さや材のメルトインデツクスは400g/10分であ
つた。このフアイバーの断面を透過型電子顕微鏡で1300
0倍に拡大して観察したところ芯材とさや材との間に厚
さ1.1μｍの混合層が認められた。伝送損失は、波長650
nmで130dB/kmであり、該プラスチツク光フアイバーを2m
の長さに切り、LED光源（Anritsu Handy Visible Light
Source MG927A）と光パワーメーター（Anritsu Optica
1 Handy Power Meter ML96B）を用いて曲げ特性を測つ
た。直径10mmの鉄の棒に360゜巻き付けたとき、芯内光
量は巻き付けないときの76％であり、ポリフツ化メタク
リレート系のさやを用いた光伝送繊維のその値が50％で
あるのに対し優れた巻きつけによる光保持率を示した。
次にこのプラスチック光ファイバー裸線をポリエチレン
で被覆し、2.2mm外径を有するコードを作成した。この
コードの伝送損失は、裸線と同じく650nmにおいて130dB
/kmであった。このコードを温度85℃で湿度95％のオー
ブンの中に入れ、このプラスチツク光伝送繊維を400時
間経つたところで光の波長650nmでの伝送損失を測つた
ところ、165dB/kmであり、損失増加は小さく安定してい
た。

実地例２ 鞘材を変えた以外は実施例１と同様にしてプラスチツ
ク光ファイバー裸線とポリエチレン被覆コードとを作成
した。その伝送損失と混合層の厚み、光保持率を表に示
す。

実施例３ 芯材にメチルメタクリレート構造単位95重量％とメチ
ルアクリレート単位５重量％からなる共重合体でそのメ
ルトインデツクス3g/10分を用い、さや材にフツ化ビニ
リデン／ヘキサフロロプロペンの94モル対６モルからな
る共重合体、そのメルトインデツクスは45g/10分を使用
して、複合紡糸ダイにより紡糸を行つた。ダイスの温度
は260℃であり、ダイスの穴の直径は1.5mm、ダイスから
溶融繊維の吐出速度を7m/分で吐出し、引落を行い、直
径1.00mmの光フアイバーを作製した。このフアイバーの
断面を透過型電子顕微鏡で13000倍に拡大して観察する
と芯相とさや相の間に0.7μｍの比較的均一な混合層が
観測された。

この光ファイバー裸線をポリエチレンで被覆し、2.2m
mの外径を有するコードを得た。その伝送損失を52mと2m
のカツトバツク法によつて測定したところ、650nmにて1
60dB/kmであつたが、温度85℃で湿度95％のオーブンの
中で400時間経過したときには195dB/kmであつた。

比較例 芯材にポリメチルメタクリレート樹脂を用い、さや材
にフツ化ビニリデン／テトラフロロエチレンの79モル対
21モルからなる共重合体、そのメルトインデツクスは30
g/10分を使用して、複合紡糸ダイにより紡糸を行つた。
ダイスの温度は240℃であり、ダイスの穴の直径は1.5m
m、ダイスから溶融フアイバーの吐出速度を7m/分で吐出
し、引落を行い、直径1.00mmの光フアイバーを作製し
た。この繊維の断面を透過型電子顕微鏡で13000倍に拡
大して観測すると芯相と鞘相の間に0.3μｍの比較的均
一な混合層が観測された。

この光ファイバー裸線をポリエチレンで被覆し、2.2m
m外径を有するコードを得た。その伝送損失を52mと2mの
カツトバツク法によつて測定したところ、650nmにて150
dB/kmであつたが、温度85℃で湿度95％のオーブンの中
で200時間経過したときには450dB/kmになつてしまつ
た。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メチルメタクリレート系非晶質透明性樹脂
   から成る芯材とフッ化ビニリデン系樹脂の単一層から成
   るさや材とで構成されたプラスチック光ファイバーにお
   いて、芯材とさや材の接合部に、上記メチルメタクリレ
   ート系非晶質透明性樹脂と上記フッ化ビニリデン系樹脂
   との混合層が光ファイバーの直径の6/10000〜20/10000
   で、かつ1.4μｍ以下の厚さに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ー。