JP4143650B2

JP4143650B2 - 光ファイバーの製造方法

Info

Publication number: JP4143650B2
Application number: JP2006037929A
Authority: JP
Inventors: 辰也砂本
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2006209139A

Description

本発明は、光学的に異方性の溶融相を形成し得る熱可塑性ポリマー（以下、これを熱可塑性液晶ポリマーと略称することがある）からなるフィルムを二次被覆材として使用した光ファイバーの製造方法に関する。

光ファイバー心線は、コアと呼ばれる高屈折率領域と、コアを取り囲む低屈折率のクラッドからなる二重構造を持つ透明な繊維である。

光ファイバー心線は、通常脆い石英ガラスで作られるので、破断を起こしやすい。また、光ファイバー心線に外部からの応力、特に側圧がかかって曲率の小さい曲がりが生じると、その部分で光の拡散が起こって、伝送損失が増大する。そこで、破断防止と安定した伝送特性を実現するために、光ファイバーには、通常、光ファイバー心線の外側に柔軟な一次被覆層および剛性の高い二次被覆層が設けられる。

光ファイバーの二次被覆材料に対しては、高弾性率、低線膨張率といった性能が要求される。現行の材料としては、ナイロンやＵＶ硬化型のアクリル樹脂が使用されることが多いが、これらの熱膨張係数は１００ｐｐｍ／℃程度であって、光ファイバー心線の素材として使用される石英ガラスの熱膨張係数（０．１ｐｐｍ／℃のオーダーである）の１０００倍にも達する。
近年、光ファイバーの二次被覆材料として熱可塑性液晶ポリマーを使用することが提案されている（小出直之編「液晶ポリマー−合成・成形・応用−」株式会社シーエムシー、１９８７年６月５日発行、第２２８〜２３８頁参照）。熱可塑性液晶ポリマーの特徴として、分子の配向による低線膨張率化が挙げられており、熱可塑性液晶ポリマーで被覆した光ファイバーは、低温での伝送損失が小さいことが示されている。

しかし、上記において提案されている、熱可塑性液晶ポリマーからなる二次被覆層は、光ファイバー心線の長さ方向に沿って熱可塑性液晶ポリマーを溶融押出成形して形成したものであり、中空繊維状の形状を有し、主として光ファイバー心線の長さ方向に分子が配向している。かかる二次被覆層は、光ファイバー心線の長さ方向に関しては、要求される低線膨張率が達成されているものの、心線の長さ方向と直交する方向に関しては考慮されていない。光ファイバーの高性能化に際しては、心線の長さ方向と直交する方向に関しても、低線膨張率化を達成する必要がある。

本発明は、熱可塑性液晶ポリマーによって形成される二次被覆層を有する光ファイバーにおいて、伝送損失のさらなる低減化を図り、伝送特性をさらに向上させることができる光ファイバーの製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意研究を行った結果、熱可塑性液晶ポリマーからなる等方性のフィルムを使用して、光ファイバーの二次被覆層を形成し、該フィルムを熱処理して、
フィルムの熱膨張係数を光ファイバー心線の熱膨張係数に似通ったものとすることによって上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、ガラスを主成分とする光ファイバー心線の外側に一次被覆層を被覆し、ついで、前記一次被覆層上を、分子配向度ＳＯＲが０．９〜１．３の範囲内にある、光学的に異方性の溶融相を形成し得る熱可塑性液晶ポリマーフィルムからなる二次被覆層で被覆した後、前記熱可塑性液晶ポリマーの融点よりも４０℃低い温度から１０℃高い温度までの範囲内の温度で前記フィルムを熱処理することにより、前記熱可塑性液晶ポリマーフィルムと前記一次被覆層とを接合するとともに、前記フィルムの機械軸方向及び前記機械軸方向と直交する方向のフィルムの熱膨張係数を、光ファイバー心線の熱膨張係数と同じ正の符号とし、かつ、光ファイバー心線の熱膨張係数との差が４．４ｐｐｍ／℃以下であるように調整することを特徴とする光ファイバーの製造方法である。

本発明の製造方法によれば、光ファイバーの伝送損失の低減化を図って伝送特性をより向上させることができる。

本発明において使用される熱可塑性液晶ポリマーの原料は特に限定されるものではないが、その具体例として、以下に例示する（１）から（４）に分類される化合物およびその誘導体から導かれる公知のサーモトロピック液晶ポリエステルおよびサーモトロピック液晶ポリエステルアミドを挙げることができる。但し、光学的に異方性の溶融相を形成し得るポリマーを得るためには、各々の原料化合物の組み合わせには適当な範囲があることは言うまでもない。

（１）芳香族または脂肪族ジヒドロキシ化合物（代表例は表１参照）

(２) 芳香族または脂肪族ジカルボン酸（代表例は表２参照）

(３) 芳香族芳香族ヒドロキシカルボン酸（代表例は表３参照）

（４）芳香族ジアミン、芳香族ヒドロキシアミンまたは芳香族アミノカルボン酸（代表例は表４参照）

これらの原料化合物から得られる熱可塑性液晶ポリマーの代表例として表５に示す構造単位を有する共重合体（ａ）〜（ｅ）を挙げることができる。

本発明において使用される熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、以上の液晶ポリマーを押出成形して得られる。任意の押出成形法がこの目的のために利用されるが、周知のＴダイ法、インフレーション法等が工業的に有利である。特にインフレーション法では、フィルムの機械軸方向（ＭＤ方向）だけでなく、これと直交する横方向（ＴＤ方向）にも応力が加えられるため、ＭＤ方向とＴＤ方向との間における機械的性質および熱的性質のバランスのとれたフィルムを得ることができる。本発明で使用する熱可塑性液晶ポリマーフィルムの厚さは、１０〜１５０μｍの範囲内にあることが好ましく、１５〜７５μｍの範囲内にすることがより好ましい。

本発明では、分子配向度ＳＯＲが１．３以下の熱可塑性液晶ポリマーフィルムを使用する。分子配向度ＳＯＲが１．３以下の熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、ＭＤ方向とＴＤ方向との間における機械的性質および熱的性質のバランスが良好である。本発明では、分子配向度ＳＯＲが０．９〜１．１である熱可塑性液晶ポリマーフィルムを使用することが好ましく、分子配向度ＳＯＲが０．９５〜１．０３である熱可塑性液晶ポリマーフィルムを使用することがより好ましい。

ここで、分子配向度ＳＯＲ（Segment Orientation Ratio ）とは、分子で構成されるセグメントについての分子配向の度合いを与える指標をいい、一般的なＭＯＲ（Molecular Orientation Ratio ）とは異なり、物体の厚さを考慮した値である。この分子配向度ＳＯＲは、以下のように算出される。

まず、周知のマイクロ波分子配向度測定機において、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを、マイクロ波の進行方向にフィルム面が垂直になるように、マイクロ波共振導波管中に挿入し、該フィルムを透過したマイクロ波の電場強度（マイクロ波透過強度）が測定される。そして、この測定値に基づいて、次式により、ｍ値（屈折率と称する）が算出される。
ｍ＝（Ｚｏ／△ｚ）×［１−νmax ／νｏ］
ただし、Ｚｏは装置定数、△ｚは物体の平均厚、νmax はマイクロ波の振動数を変化させたとき、最大のマイクロ波透過強度を与える振動数、νｏは平均厚ゼロのとき（すなわち物体がないとき）の最大マイクロ波透過強度を与える振動数である。

次に、マイクロ波の振動方向に対する物体の回転角が０°のとき、つまり、マイクロ波の振動方向と、物体の分子が最もよく配向されている方向であって、最小マイクロ波透過強度を与える方向とが合致しているときのｍ値をｍ₀、回転角が９０°のときのｍ値をｍ₉₀として、分子配向度ＳＯＲはｍ₀／ｍ₉₀により算出される。

本発明で使用する熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、熱処理により熱膨張係数を調整することができる。本発明では、二次被覆層を構成する熱可塑性液晶ポリマーフィルムのＭＤ方向とＴＤ方向のそれぞれの熱膨張係数が、光ファイバー心線の熱膨張係数と似通ったものであることが好ましい。
二次被覆層を構成する熱可塑性液晶ポリマーフィルムのＭＤ方向およびＴＤ方向の熱膨張係数は、後記の実施例１および２に示されているように、光ファイバー心線の熱膨張係数と同じ正の符号を有し、熱可塑性液晶ポリマーフィルムのＭＤ方向およびＴＤ方向の熱膨張係数と光ファイバーの熱膨張係数との差は、後記の実施例１および２における結果から、いずれの方向も、４．４ｐｐｍ／℃以下であることが好ましく、１ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。
ここで、熱可塑性液晶ポリマーフィルムのＭＤ方向およびＴＤ方向の熱膨張係数と光ファイバー心線の熱膨張係数との差が１０ｐｐｍ／℃を超えると、寒暖の変化などにより光ファイバー心線や被覆材が伸縮したときに、界面剥離などにより伝送損失が発生しやすくなる。

熱処理によるフィルムの熱膨張係数の調整は、後述するように、二次被覆層を形成する際に熱圧着と同時に行うことが簡便であり望ましいが、二次被覆層を形成する前に行ってもよい。

熱可塑性液晶ポリマーフィルムの熱膨張係数を調整する際の熱処理手段としては、特に制限はなく、熱風循環炉、熱ロール、セラミックヒーター、熱プレスなどを例示することができる。

また、熱可塑性液晶ポリマーフィルムの熱処理温度は、熱可塑性液晶ポリマーフィルムの融点よりも４０度低い温度から、融点よりも１０度程度高い温度までの温度範囲を選択することが好ましい。熱膨張係数は、熱処理温度だけではなく、熱処理時間によっても、調整することが可能である。

上記した熱可塑性液晶ポリマーフィルムを使用して光ファイバーの二次被覆層を形成する方法としては、外側に一次被覆層が設けられた光ファイバー心線に対し、フィルムを熱圧着により接合する方法が好適に採用される。
具体的には、所望の幅の短冊状に裁断した熱可塑性液晶ポリマーフィルムを、一次被覆層の上に巻き付け、次いで熱処理を施して一次被覆層に接合させる。この際、加圧することによって圧着することが好ましい。なお、熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、１枚のフィルムを巻き付けてもよいし、所望の厚さとなるよう、複数枚のフィルムを重ねて巻き付けてもよい。また、巻き付けの方向については特に制限はない。
本発明による光ファイバーは、二次被覆層を十分な強度を有する熱可塑性液晶ポリマーフィルムで形成したことから、二次被覆層の厚さを薄くすることが可能である。従って、細径化した光ファイバーとすることができ、高密度多心光ファイバーケーブルとして利用することが可能である。

本発明による光ファイバーは、二次被覆層を十分な強度を有する熱可塑性液晶ポリマーフィルムで形成したことから、二次被覆層の厚さを薄くすることが可能である。従って、細径化した光ファイバーとすることができ、高密度多心光ファイバーケーブルとして利用することが可能である。

図１は、本発明にかかる光ファイバーの一実施形態を示す斜視図である。
同図において、光ファイバー１は、光ファイバー心線２と、心線２の外側に設けられた一次被覆層３と、さらにその外側に設けられた二次被覆層４から構成されており、二次被覆層４は、上記で説明した熱可塑性液晶ポリマーフィルムによって形成されている。
光ファイバー心線２は、コアとクラッドからなる、ガラスを主成分とした繊維であり、通常、１２５μｍ程度の太さである。心線２を構成するガラスとしては、石英ガラス；アルカリ土類金属化合物、アルミニウム化合物、遷移金属化合物などを含有する多成分系ガラスなどが挙げられる。これらの中でも、石英ガラスが一般的に使用されている。また、一次被覆層３は、柔軟性を有する材料から構成される。一次被覆層３を構成する材料としては、一般に、ウレタンアクリレート等の紫外線または放射線硬化型樹脂、シリコーン、熱可塑性ゴムなどが使用される。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。以下の実施例において、熱可塑性液晶ポリマーフィルムの融点、熱膨張係数、膜厚は以下の方法により測定した。

融点
示差走査熱量計を用いて、フィルムの熱挙動を観察して得た。つまり、供試フィルムを２０℃／分の速度で昇温して完全に溶融させた後、溶融物を５０℃／分の速度で５０℃まで急冷し、再び２０℃／分の速度で昇温した時に現れる吸熱ピークの位置をフィルムの融点として記録した。

熱膨張係数
熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて、室温から５℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、２０℃／分の速度で３０℃まで冷却し、再び５℃／分の速度で昇温した時の３０℃と１５０℃の間で測定した。

膜厚
膜厚は、デジタル厚み計（株式会社ミツトヨ製）を用い、得られたフィルムをＴＤ方向に１ｃｍ間隔で測定し、中心部および端部から任意に選んだ１０点の平均値を膜厚とした。

実施例１
６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸単位２７モル％、ｐ−ヒドロキシ安息香酸単位７３モル％からなるサーモトロピック液晶ポリエステルを用い、これを単軸押出機により２８０から３００℃で加熱混練して、直径３５ｍｍ、スリット間隔０．５ｍｍのインフレーションダイからせん断速度１０００sec^-1で押出し、厚さ５０μｍの熱可塑性液晶ポリマーフィルムを得た。得られた熱可塑性液晶ポリマーフィルムの融点は２８０℃であり、分子配向度ＳＯＲは１．００であった。また、得られたフィルムの熱膨張係数は、ＭＤ方向、ＴＤ方向ともに、約−１０ｐｐｍ／℃であった。

上記で得られた熱可塑性液晶ポリマーフィルムを幅１ｍｍの短冊状に裁断した。クラッドの外径が１２５μｍでコア部の直径が５０μｍの石英ガラス製の心線（熱膨張係数：０．６ｐｐｍ／℃）をシリコーンからなる被覆材（光ファイバーとしたときに一次被覆層となるものである）で被覆してなるものの外周面に前記短冊状に裁断された熱可塑性液晶ポリマーフィルムを、該フィルムからなる層の厚さが２００μｍとなるように螺旋状に複数回巻き付け、全体の外径を９２５μｍとした。

この後、２８０℃で５分間熱処理して、熱可塑性液晶ポリマーフィルムとシリコーンからなる被覆材を接合するとともに、同熱可塑性液晶ポリマーフィルムの熱膨張係数を調整し、熱可塑性液晶ポリマーフィルムよりなる二次被覆層を有する光ファイバーを得た。得られた光ファイバーの性能は表６に示すとおりである。なお、表６中に示した熱膨張係数の値は、光ファイバーの製造時に使用した分子配向度ＳＯＲが１．００の熱可塑性液晶ポリマーフィルムを単独で２８０℃、５分間熱処理して得られたフィルムの熱膨張係数の値である。

実施例２
実施例１と同じサーモトロピック液晶ポリエステルを使用し、実施例１と同様の方法で得た、分子配向度ＳＯＲが１．０８、厚さ５０μｍの熱可塑性液晶ポリマーフィルム（ＭＤ方向の熱膨張係数：１０ｐｐｍ／℃、ＴＤ方向の熱膨張係数：−１０ｐｐｍ／℃）を幅１ｍｍの短冊状に裁断した。クラッドの外径が１２５μｍでコア部の直径が５０μｍの石英ガラス製の心線（熱膨張係数：０．６ｐｐｍ／℃）をシリコーンからなる被覆材（光ファイバーとしたときに一次被覆層となるものである）で被覆してなるものの外周面に前記短冊状に裁断された熱可塑性液晶ポリマーフィルムを、該フィルムからなる層の厚さが２００μｍとなるように螺旋状に複数回巻き付け、全体の外径を９２５μｍとした。

この後、２８０℃で５分間熱処理して、熱可塑性液晶ポリマーフィルムとシリコーンからなる被覆材を接合するとともに、同熱可塑性液晶ポリマーフィルムの熱膨張係数を調整し、熱可塑性液晶ポリマーフィルムよりなる二次被覆層を有する光ファイバーを得た。得られた光ファイバーの性能は表６に示すとおりである。なお、表６中に示した熱膨張係数の値は、光ファイバーの製造時に使用したＳＯＲが１．０８の熱可塑性液晶ポリマーフィルムを単独で２８０℃、５分間熱処理して得られたフィルムの熱膨張係数の値である。

表６中の「温度による伝送損失の変化」は、得られた光ファイバーを液体窒素に浸漬させて低温化し、低温化状態で測定したときと、常温状態で測定したときとの伝送損失の変化を表している。伝送損失は、ＪＩＳＣ６８２３に記載されたカットバック法に従い、波長０．８〜１．６μｍのレーザー光を使用して測定した。
また、同表には、現行のナイロンで被覆された光ファイバーの性能を比較例として示している（上述した文献の小出直之編「液晶ポリマー−合成・成形・応用−」株式会社シーエムシー、１９８７年６月５日発行、第２２９頁および２３６頁から引用した）。

以上のように、比較例では低温度での伝送損失が大きいのに対し、実施例１，２では、温度による影響を受けることがなく、伝送損失の低減化が図れて伝送特性を向上できることがわかる。

以上には、石英ガラスを主成分とする光ファイバーについて説明したが、本発明は、シリコーン樹脂からなるクラッドの被覆材としても適用できる。

本発明にかかる光ファイバーの一実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

1…光ファイバー、２…光ファイバー心線、３…一次被覆層、４１…熱可塑性液晶ポリマーフィルムからなる二次被覆層。

Claims

ガラスを主成分とする光ファイバー心線の外側に一次被覆層を被覆し、ついで、前記一次被覆層上を、分子配向度ＳＯＲが０．９〜１．３の範囲内にある、光学的に異方性の溶融相を形成し得る熱可塑性液晶ポリマーフィルムからなる二次被覆層で被覆した後、前記熱可塑性液晶ポリマーの融点よりも４０℃低い温度から１０℃高い温度までの範囲内の温度で前記フィルムを熱処理することにより、前記熱可塑性液晶ポリマーフィルムと前記一次被覆層とを接合するとともに、前記フィルムの機械軸方向及び前記機械軸方向と直交する方向のフィルムの熱膨張係数を、光ファイバー心線の熱膨張係数と同じ正の符号とし、かつ、光ファイバー心線の熱膨張係数との差が４．４ｐｐｍ／℃以下であるように調整することを特徴とする光ファイバーの製造方法。
請求項１において、短冊状に裁断された前記フィルムを前記一次被覆層上に螺旋状に巻きつけることにより二次被覆を行なうことを特徴とする光ファイバーの製造方法。