JP7279362B2 - プラスチック光ファイバ、プラスチック光ファイバケーブル、ワイヤーハーネス及び車両 - Google Patents

プラスチック光ファイバ、プラスチック光ファイバケーブル、ワイヤーハーネス及び車両 Download PDF

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Description

本発明は、プラスチック光ファイバ、プラスチック光ファイバケーブル、ワイヤーハーネス及び車両に関する。
光ファイバは、通信、センサ、照明、装飾、ディスプレイ等の幅広い用途で用いられている。ガラス系の光ファイバは、広い波長に亘って光伝送性に優れる一方で、加工性や機械特性に劣る等の課題を有する。一方、プラスチック光ファイバは、例えば、ポリメチルメタクリレート等の透明性の高い樹脂からなるコアに、コアよりも低屈折な透明性の高い樹脂でコアの外周を被覆した構造を有するものが挙げられ、ガラス系光ファイバに比べて、加工性や柔軟性に優れる等の特徴を有する。
また、プラスチック光ファイバは、近年、製造技術の向上に伴って、伝送可能距離が長くなっていて、列車内、航空機内、自動車等の車両内等での光情報通信や、ファクトリーオートメーション(FA)分野での光情報通信等、その用途が広がっている。
通常、プラスチック光ファイバは、自動車等の車両内やFA分野の光情報通信に用いられる場合、エンジン等の高温体に近い環境で使用されたり、夏期に高温環境下で使用されるので、長時間熱に曝露されても伝送損失が増加しないよう、長期耐熱性の優れたプラスチック光ファイバが望まれている。
近年は、プラスチック光ファイバは、高速駆動が可能な可視赤色光源と組み合わせ、高速LANの信号伝送線として利用されつつあり、帯域特性の優れたプラスチック光ファイバが望まれている。
また、通常プラスチック光ファイバは、自動車等の車両内配線として用いられる場合、狭い空間に屈曲した状態で敷設して使用される。この場合、プラスチック光ファイバには、半径10mmで屈曲されても光量ロスの少ないこと(低曲げ損失)、すなわち柔軟性が望まれている。
さらに、プラスチック光ファイバは、自動車等の車両内で振動などの機械的作用を受けた状態で使用されたり、ファクトリーオートメーション(FA)分野で、屈曲された状態と直線状に保持された状態を繰り返しながら使用されても、プラスチック光ファイバのコアやクラッドに割れが発生したり、若しくは、コアとクラッド間での剥離又は2層以上のクラッドではクラッド間の剥離が発生して、伝送損失が増加しないことが望まれている。すなわち、機械的耐久性に優れたプラスチック光ファイバが望まれている。
プラスチック光ファイバの伝送帯域を改善する方法として、例えば、特許文献1及び4には、クラッドを構成する材料を好適化した光ファイバが開示されている。また、特許文献2(例えば実施例9)には、耐熱性(ガラス転移温度)等を改善する方法として、2層構造のクラッドの1層目のクラッドを構成する材料を好適化した光ファイバが開示されている。プラスチック光ファイバの長期耐熱性と柔軟性を改善する方法として、例えば、特許文献3には、第2クラッドを構成する材料を好適化した光ファイバが開示されている。
WO01/48538号公報 WO2015/111506号公報 特開2003-139973号公報 特開2003-14952号公報
しかしながら、特許文献1に開示されているプラスチック光ファイバは、長期耐熱性、柔軟性、機械的耐久性が十分でない。また、特許文献2の実施例9に開示されているプラスチック光ファイバは、長期耐熱性が十分でない。また、特許文献3に開示されているプラスチック光ファイバは、伝送帯域が狭い。従来のクラッド構造で高次モードを減衰させ、伝送帯域を広くしようとすると、低励振NA入射光での帯域は広いが、高励振NA入射光での帯域は狭かった。特許文献4に開示されているプラスチック光ファイバは、機械的耐久性が十分でない。
そこで、本発明の目的は、伝送帯域が広く、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性に優れるプラスチック光ファイバを提供することにある。
本発明の第一の態様によれば、1つのコアと、該コアの外周面上に形成された少なくとも1層からなるクラッドとを有するプラスチック光ファイバであって、波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域が、100MHz以上であり、波長650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの伝送損失が、350dB/km以下である、プラスチック光ファイバが提供される。
本発明の第二の態様によれば、メチルメタクリレートの単独重合体、又は、メチルメタクリレートと1種類以上のビニル系単量体との共重合体からなるコアと、前記コアの外周面上に第1クラッド、第2クラッドの順で同心円状に形成されたクラッドを有するプラスチック光ファイバであって、
前記第1クラッドを構成する材料は、第1クラッドを構成する材料の総質量に対して、下記式(1)又は下記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートの少なくとも一種(但し、式(1)は2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレートを除く)に由来する繰り返し単位0~70質量%と、2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート由来の繰り返し単位7~55質量%を含む共重合体からなり、且つ、前記第1クラッドを構成する材料の屈折率が、1.430~1.485であり、
Figure 0007279362000001
(式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、5~13の整数である。)
Figure 0007279362000002
(式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、1~4の整数である。)
前記第2クラッドを構成する材料は、テトラフルオロエチレン単位を含み、示差走査熱量測定(DSC)における結晶融解熱が40mJ/mg以下である含フッ素オレフィン系重合体からなる、プラスチック光ファイバが提供される。
本発明の他の態様によれば、前記プラスチック光ファイバと、その外周に設けられた被覆層を有する、プラスチック光ファイバケーブルが提供される。
本発明の他の態様によれば、前記プラスチック光ファイバケーブルを含む、ワイヤーハーネスが提供される。
本発明の他の態様によれば、前記プラスチック光ファイバを含む、車両が提供される。
本発明の他の態様によれば、前記プラスチック光ファイバケーブルを含む、車両が提供される。
本発明の他の態様によれば、前記ワイヤーハーネスを含む、車両が提供される。
本発明の実施形態によれば、伝送帯域が広く、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性に優れるプラスチック光ファイバを提供できる。
本発明の実施形態によるプラスチック光ファイバの一例を示す模式的断面図である。
本発明のプラスチック光ファイバ(以下「光ファイバ」と適宜略する)は、波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域が、100MHz以上であり、且つ、波長650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの伝送損失が、350dB/km以下である。
本発明のプラスチック光ファイバの一つの態様は、1つのコアと、該コアの外周面上に形成された少なくとも1層からなるクラッドとを有する光ファイバである。本発明の光ファイバは、コアと、該コアの外周に第1クラッド、第2クラッドの順で同心円状に積層された少なくとも2層のクラッドを有することが好ましい。
本発明の光ファイバの様態は限定されず、例えば、公知のステップ・インデックス型光ファイバ、マルチステップ・インデックス型光ファイバ等が挙げられる。これらの光ファイバの種類の中でも、伝送帯域、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性の両立に優れ、光ファイバの受光量が大きく、長距離の通信を可能とすることから、ステップ・インデックス型光ファイバが好ましい。
図1は、本発明の実施形態によるステップ・インデックス型光ファイバの一例を示す模式的断面図である。図1に示す光ファイバ10は、クラッドが2層からなる光ファイバであり、コア11の外周を第1クラッド12aが取り囲み、第1クラッド12aの外周を第2クラッド12bが取り囲んでいる。
<コア>
本発明の光ファイバのコアを構成する材料(コア材)は、透明性の高い樹脂であれば特に限定されず、使用目的等に応じて適宜選択することができる。
透明性の高い樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン樹脂、カーボネート樹脂等が挙げられる。これらの透明性の高い樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの透明性の高い重合体の中でも、光ファイバの伝送損失を低減させることができることから、アクリル樹脂が好ましい。
アクリル樹脂としては、例えば、メチルメタクリレートの単独重合体(PMMA)、メチルメタクリレートと1種類以上のビニル系単量体との共重合体が挙げられる。前記共重合体としては、具体的には、メチルメタクリレート単位を50質量%以上含む共重合体等が挙げられる。これらのアクリル樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらのアクリル樹脂の中でも、光学特性、機械特性、耐熱性、透明性に優れることから、メチルメタクリレート単独重合体、メチルメタクリレート単位を50質量%以上含む共重合体(メチルメタクリレート系共重合体)が好ましい。メチルメタクリレート系共重合体としては、メチルメタクリレート単位を60質量%以上含む共重合体が好ましく、メチルメタクリレート単位を70質量%以上含む共重合体が更に好ましい。メチルメタクリレートの単独重合体がコア材として特に好ましい。
尚、本明細書において、(メタ)アクリレートとは、アクリレート、メタクリレート又はその両方をいう。
アクリル樹脂等のコア材の屈折率は、1.485~1.50が好ましく、1.490~1.495がより好ましい。
尚、本明細書において、屈折率は、後述する方法に従って測定した値とする。
コア材の製造は、公知の重合方法で行うことができる。コア材を製造するための重合方法としては、例えば、塊状重合法、懸濁重合法、乳化重合法、溶液重合法等が挙げられる。これらの重合方法の中でも、異物の混入を抑制することができることから、塊状重合法、溶液重合法が好ましい。
<クラッド>
本発明の光ファイバのクラッドを構成する材料(クラッド材)は、コア材より屈折率の低い材料である。
本発明の光ファイバのクラッドは、コアの外周に、第1クラッド、第2クラッドの順で同心円状に積層された少なくとも2層のクラッドであることが好ましい。
<第1クラッド>
コア材として上記の透明性の高い樹脂(好ましくはアクリル樹脂)を用いる場合、第1クラッドを構成する材料(第1クラッド材)は、光ファイバの伝送帯域を広くすることができることから、屈折率が1.430~1.485の材料が好ましく、屈折率が1.440~1.480の材料がより好ましく、屈折率が1.450~1.475の材料が更に好ましい。
第1クラッド材を構成する材料としては、フッ素化(メタ)アクリレート系重合体を用いることができる。具体的には、フルオロアルキル(メタ)アクリレート重合体、フルオロアルキル(メタ)アクリレート/アルキル(メタ)アクリレート共重合体等のフッ素化(メタ)アクリレート系重合体を挙げることができる。
第1クラッド材を構成する材料は、2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート(13FM)由来の繰り返し単位(以下、「13FM単位」と略する。)を含む共重合体、又は、13FM単位と下記式(1)又は下記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートの少なくとも一種(但し、式(1)は13FMを除く)に由来する繰り返し単位を含む共重合体であることが好ましく、該材料の総質量に対して、下記式(1)又は下記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートの少なくとも一種に由来する繰り返し単位(以下、「フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位」と略する。)0~70質量%と、13FM単位7~55質量%を含む共重合体であれば、得られる光ファイバは、伝送帯域が広く、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性に優れることから好ましい。
Figure 0007279362000003
(式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、5~13の整数である。)
Figure 0007279362000004
(式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、1~4の整数である。)
特に、第1クラッド材に、13FM単位を含む共重合体を用いることにより、光ファイバの長期耐熱性と伝送帯域を維持しつつ、光ファイバの機械的耐久性を良好にできるので好ましい。
第1クラッド材を構成する共重合体に含まれる13FM単位の含有量の下限値は、該共重合体の総質量に対して、7質量%以上が、光ファイバの機械的耐久性が良好となる観点から好ましく、10質量%以上がより好ましく、15質量%以上がさらに好ましい。一方、13FM単位の含有量の上限値は、該共重合体の総質量に対して、55質量%以下が、光ファイバの長期耐熱性が良好となる観点から好ましく、45質量%以下がより好ましく、35質量%以下がさらに好ましい。
また、第1クラッド材が、前記フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位を含む共重合体であれば、第1クラッドが透明性に優れるので長距離通信に好適であり、また、光ファイバの柔軟性や伝送帯域が良好となることから好ましい。
第1クラッド材を構成する共重合体に含まれる、前記フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位の含有量の下限値は、該共重合体の総質量に対して、5質量%以上が、光ファイバの柔軟性が良好となる観点から好ましく、8質量%以上がより好ましく、13質量%以上がさらに好ましい。一方、含有量の上限値は、該共重合体の総質量に対して、70質量%以下が、光ファイバの長期耐熱性が良好となる観点から好ましく、65質量%以下がより好ましく、60質量%以下がさらに好ましい。
前記式(1)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートを用いることにより、光ファイバの柔軟性が良好となる。具体的には、2-(パーフルオロオクチル)エチルメタクリレート(17FM)、2-(パーフルオロデシル)エチルメタクリレート(21FM)等の長鎖フルオロアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
前記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートを用いることにより、光ファイバの伝送帯域が良好となる。具体的には、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート(3FM)、2,2,3,3-テトラフルオロプロピルメタクリレート(4FM)、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルメタクリレート(5FM)、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチルメタクリレート(8FM)等の短鎖フルオロアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
第1クラッドを構成する前記共重合体は、必要に応じて、本発明の光ファイバの性能を損なわない範囲で、共重合可能な他の単量体に由来する繰り返し単位を含むことができる。
前記共重合可能な他の単量体としては、13FM並びに前記式(1)又は前記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートと共重合可能であれば、特に限定されるものではなく、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の公知の(メタ)アクリル酸アルキルエステルや、メタアクリル酸等の化合物の単位を挙げることができる。特に、メタクリル酸メチルは、クラッドの透明性が向上するので、光ファイバの光量ロスが少なくなり、長距離通信に好適である。
第1クラッド材を構成する材料が、該材料の総質量に対して、前記フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位0~70質量%と、13FM単位7~55質量%と、前記共重合可能な他の単量体に由来する繰り返し単位23~88質量%からなる共重合体であれば、長期耐熱性及び機械的耐久性に優れることから好ましい。
具体的には、前記組成の13FM/17FM/メチルメタクリレート(MMA)/メタクリル酸(MAA)共重合体、13FM/21FM/MMA/MAA共重合体、13FM/MMA/MAA共重合体が好ましい。中でも、13FM/MMA/MAA共重合体は、光ファイバの機械的耐久性を、より優れたものにできるので好ましい。
<第2クラッド>
コア材として上記の透明性の高い樹脂(好ましくはアクリル樹脂)を用い、第1クラッド材として好ましくは前記材料を用いる場合、第2クラッド材は、含フッ素オレフィン系重合体を用いることができる。
含フッ素オレフィン系重合体としては、具体的には、光ファイバの長期耐熱性、柔軟性、機械的耐久性に優れることから、テトラフルオロエチレン単位を含み、示差走査熱量測定(DSC)における結晶融解熱が40mJ/mg以下である含フッ素オレフィン系重合体を用いることができる。テトラフルオロエチレン単位を含むことで、光ファイバの機械的耐久性が良好となる。DSCの結晶融解熱が40mJ/mg以下であれば、光ファイバの長期耐熱性が良好となる。
第2クラッド材は、屈折率が1.340~1.395の材料が好ましく、屈折率が1.350~1.390の材料がより好ましく、屈折率が1.360~1.390の材料が更に好ましい。
具体的には、フッ化ビニリデン(VDF)/テトラフルオロエチレン(TFE)/ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、VDF/HFP共重合体、エチレン/TFE/HFP共重合体等の含フッ素オレフィン系重合体が好ましい。
前記VDF/TFE/HFP共重合体として、具体的には、VDF単位25.01~92モル%、TFE単位0.01~54モル%、HFP単位3.0~20.99モル%を含む重合体が挙げられる。VDF単位37.01~92モル%、TFE単位0.01~54モル%、HFP単位4.0~7.99モル%を含む重合体は、光ファイバの長期耐熱性、機械的耐久性がより良好となるので好ましい。
クラッド材を3層以上に積層する場合、各層の屈折率は、その層に接する内層の屈折率より低ければ、構成する材料は特に限定されないが、光ファイバの伝送帯域を広くすることができることから、前述のフッ素化(メタ)アクリレート系重合体が好ましい。
<光ファイバの製造>
光ファイバの製造は、公知の製造方法を用いて行うことができ、例えば、溶融紡糸法で行うことができる。
溶融紡糸法による光ファイバの製造は、例えば、コア材及びクラッド材をそれぞれ溶融し、複合紡糸することにより行うことができる。
<光ファイバ>
本発明の光ファイバの一つの態様としては、光ファイバの外径をA(μm)、前記第1クラッドの厚みをa(μm)としたとき、下記式(i)及び(ii)を満足する光ファイバを挙げることができる。
900≦A≦1100 (i)
3.0≦a≦35 (ii)
式(i)を満足する場合、光ファイバの取り扱い性が良好となり、敷設が容易になる。さらに式(ii)を満足する場合、伝送帯域、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性の両立に優れるので、自動車等の車両内配線に好適である。
本発明の光ファイバは、波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域が、100MHz以上であり、且つ、波長650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの伝送損失が、350dB/km以下である。
ファイバを急峻に曲げて配線した場合には、低い入射NAで光ファイバに入射した光は、低次モードの光として光ファイバ内を全反射していくうちに、曲げた部分で光の反射角が乱れ、高次モードに変換される光が増え、伝送帯域が低下するので、高速通信の信頼性が損なわれる傾向がある。しかし、本発明の光ファイバのように、波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域が100MHz以上であると、ファイバを急峻に曲げて配線しても、光ファイバの伝送帯域は十分広く維持できるので、高速LANの信号伝送線として利用できるので好ましい。波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域は、150MHz以上がより好ましく、175MMHz以上がさらに好ましく、220MHz以上が特に好ましい。
さらに、本発明の光ファイバは、波長650nm、励振NA=0.2の条件で測定した伝送帯域が、150MHz以上であると、光源としてLED素子を用いたときの光ファイバの伝送帯域が十分広く、高速LANの信号伝送線として利用できるので好ましい。波長650nm、励振NA=0.2の条件で測定した伝送帯域は、200MHz以上がより好ましく、230MHz以上がさらに好ましく、260MHz以上が特に好ましい。
波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域を100MHz以上とする手段としては、例えば、クラッド層を少なくとも2層にし、且つ、第1クラッド材の屈折率を1.430~1.485の範囲とし、第1クラッド材に、該第1クラッド材の総質量に対して、フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位0~70質量%と、13FM単位7~55質量%を含む共重合体を使用することにより、波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域を、100MHz以上にすることができる。さらに、第2クラッドを構成する材料の屈折率を、1.340~1.395の範囲とすることが好ましい。
波長650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの伝送損失が、350dB/km以下であると、光ファイバを高温環境下で使用できるので好ましく、300dB/km以下がより好ましく、280dB/km以下が更に好ましい。
例えば、クラッド層を少なくとも2層にし、第2クラッド材を、テトラフルオロエチレン単位を含み、示差走査熱量測定(DSC)における結晶融解熱を40mJ/mg以下である含フッ素オレフィン系重合体を用いることで、650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの光ファイバの伝送損失を350dB/km以下にすることができる。
尚、本明細書において、伝送損失と伝送帯域は、後述する方法で測定して得た値とする。
本発明の光ファイバは、波長650nm、全モード励振で測定した、光ファイバを直線状に保持した状態の光量と、光ファイバを曲げ半径10mm、曲げ角度90°で屈曲させた状態の光量との差(静置曲げ損失)が、1dB以下であることが好ましく、0.7dB以下がより好ましく、0.5dB以下が更に好ましい。光量差が1dB以下であると、光ファイバは柔軟性に優れるので、自動車等の車両内配線として用いられる場合、狭い空間に屈曲した状態で敷設することができる。
クラッド層を少なくとも2層にし、且つ、第2クラッド材の屈折率を1.340~1.395の範囲にすることにより、上述した静置曲げ損失を1dB以下にすることができる。さらに、第1クラッド材の屈折率を1.430~1.485の範囲にすることがより好ましい。
尚、本明細書において、静置曲げ損失は、後述する方法で測定した値とする。
本発明の光ファイバは、IEC 60794-1-21:2015に準拠して繰り返し曲げ試験により測定した繰返屈曲回数が、14500回以上であることが好ましく、17000回以上がより好ましく、20000回以上が更に好ましい。繰返屈曲回数が14500回以上であると、光ファイバは機械的耐久性に優れるので、ファクトリーオートメーション(FA)分野で、屈曲された状態と直線状に保持された状態を繰り返しながら使用される環境下や、自動車等の車両内で振動などの機械的作用を受ける環境下で使用できる。
クラッド層を少なくとも2層にし、且つ、第1クラッド材に、該第1クラッド材の総質量に対して、前記フルオロアルキル(メタ)アクリレート単位0~70質量%と、13FM単位7~55質量%を含む共重合体を用いることで、上述した繰返屈曲回数を14500回以上にすることができる。
特に、第1クラッド材に、13FM単位を含む共重合体を用いることにより、光ファイバの長期耐熱性と伝送帯域を維持しつつ、光ファイバの機械的耐久性を良好にできるので好ましい。
尚、本明細書において、繰返屈曲回数は、後述する方法で測定した値とする。
<光ファイバ、コアおよびクラッドのサイズ>
光ファイバの直径は、光ファイバの取り扱い性に優れ、光素子との結合効率や光軸ずれに対する許容度の観点から、0.1mm~5mmが好ましく、0.2mm~3mmがより好ましく、0.3~2mmが更に好ましく、0.9~1.1mmが特に好ましい。
光ファイバの直径に対するコアの直径は、光素子との結合効率や光軸ずれに対する許容度の観点から、光ファイバの直径に対して85%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。クラッドの厚み斑に対する許容度の観点から、光ファイバの直径に対して99.9%以下とすることが好ましい。
第1クラッドの厚さは、伝送帯域に優れ、光素子との結合効率や光軸ずれに対する許容度の観点から、光ファイバの直径に対して15%以下が好ましく、10%以下がより好ましく、7%以下が更に好ましい。第1クラッドの厚さは光ファイバの直径に対して0.05%以上とすることが好ましい。例えば、ファイバの直径が1.0mmの場合、第1クラッドの厚さは、0.5~150μmが好ましく、1.0~100μmがより好ましく、2.0~50μmがさらに好ましく、3.0~35μmが特に好ましい。
第2クラッドの厚さは、光ファイバの耐熱性、柔軟性、耐衝撃性、耐薬品性に優れ、光素子との結合効率や光軸ずれに対する許容度の観点から、以下のようにすることが好ましい。すなわちクラッドの最内層を1層目とするn層構造の場合、(n-1)層目とn層目の厚さの比、(n-1):nは、1:0.1~1:5が好ましく、1:0.1~1:4がより好ましく、1:0.1~1:3が更に好ましく、1:0.2~1:3が特に好ましい。例えば、前記厚さの比は、クラッドが2層構造の場合、1層目(最内層)と2層目(最外層)の厚さの比、クラッドが3層構造の場合、2層目と3層目(最外層)の厚さの比となる。2層目以上のクラッドのそれぞれの層の厚さは、2~20μmとすることが好ましい。このように、クラッドは、前記厚さの比及び各層の厚さを適宜設定し積層構造とすることができる。第1クラッドの厚みに依存することなく、光ファイバの伝送帯域を広くし、かつ耐熱性に優れるものとするためには、前記のようなクラッドの構成とすることが好ましい。
(後処理)
光ファイバの機械特性を向上させるため、光ファイバを加熱延伸処理することが好ましい。加熱延伸処理は、光ファイバの材料によって処理条件を適宜設定すればよく、連続でもよく、バッチでもよい。
光ファイバを温度差の大きい環境で用いる場合、ピストニングを抑制するため、光ファイバをアニール処理することが好ましい。アニール処理は、光ファイバの材料によって処理条件を適宜設定すればよく、連続でもよく、バッチでもよい。
<光ファイバケーブル>
本発明の光ファイバは、必要に応じて、前記光ファイバの外周に被覆層を設けて、光ファイバケーブルの形態とすることで、光ファイバが建物内の配線や自動車の各装置間の接続のために用いられるときに、光ファイバを機械的に保護したり、ガソリン、バッテリー液やウィンドウォッシャー液等による被液から光ファイバを保護できる。
被覆層を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のオレフィン樹脂;塩化ビニル樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂等の塩素樹脂;フッ素樹脂;ウレタン樹脂;スチレン樹脂;ポリアミド樹脂等が挙げられる。これらの被覆層を構成する材料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの被覆層を構成する材料の中でも、機械特性に優れることから、オレフィン樹脂、塩素樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、スチレン樹脂、ポリアミド樹脂が好ましく、ポリアミド樹脂がより好ましい。
被覆層は、1層でもよく、2層以上でもよい。
<光ファイバケーブルの製造方法>
光ファイバの外周に被覆層を被覆する方法としては、例えば、クロスヘッドダイを備えた押出被覆装置を用いて被覆する方法が挙げられる。特に、プラスチック光ファイバに被覆層を被覆する場合、均一な直径の光ファイバケーブルを得ることができることから、クロスヘッドダイを備えた押出被覆装置を用いて被覆する方法が好ましい。
1層ずつ順に被覆層を被覆してもよく、同時に複数の被覆層を被覆してもよい。
<ワイヤーハーネス>
本発明の光ファイバケーブルは、必要に応じて、前記光ファイバケーブルと、電線とを、押さえ巻きテープやバンド等の公知の方法を用いて束ねたワイヤーハーネスの形態にして、自動車の各装置間の接続や建物内の配線等に用いることができる。ワイヤーハーネスの形態とすることで、自動車内や建物内等に光ファイバケーブルと電線を配設するときの作業性が向上する。
<用途>
本発明の光ファイバ、光ファイバケーブル、ワイヤーハーネスは、伝送帯域が広く、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性に優れることから、例えば、列車内、航空機内、自動車等の車両内、建物内での光情報通信や、ファクトリーオートメーション(FA)分野での光情報通信に好適に用いることができる。特に、自動車等の車両内等の狭い空間に屈曲した状態で、機械的ストレスと高温環境下にさらされた状態での使用に好適である。
<車両>
前記光ファイバケーブル又は前記ワイヤーハーネスを含む車両は、本発明の光ファイバを含むので、自動ブレーキシステムやカメラネットワーク等の安全制御システム、車間通信や交通情報・GPS通信等の車外通信システム、及び、運転アシストや自律運転等の次世代通信システムの導入が可能となる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(屈折率の測定)
各種材料の屈折率については、各種材料を用いて、溶融プレスにより厚さ200μmのフィルム状の試験片を作製し、アッベ屈折計(機種名「NAR-3T」、(株)アタゴ製)を用いて、25℃でナトリウムD線により測定した。
(伝送帯域の測定)
後述のようにして得られた光ファイバの外周に、樹脂被覆用クロスヘッド型40mmケーブル被覆装置((株)聖製作所製)を用いて、厚さ0.6mmの被覆層(黒色顔料を含むポリエチレン樹脂)を被覆し、直径2.2mmの光ファイバケーブルを得た。
得られた50mの光ファイバケーブルを用いた帯域測定について以下に記す。
発光素子には赤色LD(商品名「LL650-GI」、(株)グラビトン製、ピーク波長約658nm)を、受光装置にはO/E変換器(商品名「検出器1」、浜松ホトニクス(株)、帯域幅300MHz以上)を備えた信号伝送装置と、スペクトラムアナライザ(トラッキングジェネレータ内蔵信号送受信機、商品名「E4402B」、アジレント社製)とを用いて、励振NA=0.65と励振NA=0.20のそれぞれの条件で送受信信号を比較し、周波数特性を測定し、伝送帯域を確認した。伝送帯域の確認方法は、平成12年度新エネルギー・産業技術総合開発機構研究受託成果報告書 新規産業支援型国際標準開発事業「プラスチック光ファイバの試験評価方法の標準化」(平成13年3月、発行者:(財)日本規格協会、(社)日本化学工業協会)の50頁に記載されている「周波数掃引法」に準拠した。具体的には、長さ50mの光ファイバケーブルを用意し、周波数掃引法により波長650nm、励振NA=0.65と励振NA=0.20における-3dB帯域(単位:MHz)を、サンプリングオシロスコープを用いて測定した。
励振NA=0.65における伝送帯域を以下の判断基準で評価した。
S :伝送帯域が220MHz以上
AA:伝送帯域が175MHz以上
A :伝送帯域が100MHz以上175MHz未満
B :伝送帯域が100MHz未満
励振NA=0.2における伝送帯域を以下の判断基準で評価した。
S :伝送帯域が260MHz以上
AA:伝送帯域が230MHz以上260MHz未満
A :伝送帯域が150MHz以上230MHz未満
B :伝送帯域が150MHz未満
(長期耐熱性の測定)
後述のようにして得られた光ファイバを、温度105℃の環境下に1000時間曝露させ、波長650nm、励振NA=0.1の条件で、25m-1mのカットバック法により測定した。
25m-1mのカットバック法による測定は、IEC 60793-1-40:2001に準拠して行った。具体的には、25mの光ファイバを測定装置にセットし、出力パワーP2を測定した後、光ファイバをカットバック長(入射端から1m)に切断し、出力パワーP1を測定し、下記数式(1)を用いて光の伝送損失(単位:dB/km)を算出した。以上の測定は、遮光された環境下で実施した。
Figure 0007279362000005
また、伝送損失を以下の判断基準で評価した。
AA:伝送損失が200dB/km未満
A :伝送損失が200dB/km以上350dB/km未満
B :伝送損失が350dB/km以上
(柔軟性の測定)
光ファイバの柔軟性の指標として、以下の方法により静置曲げ損失を測定した。
後述のようにして得られた長さ2mの光ファイバの一方の端面に全モード励振となる光源(赤色LED(商品名「TOTX170A」)、波長650nm)、他方の端面に光パワーメータ(商品名「AQ1135E」、安藤電気(株)製、受信感度-70dBm)を接続し、光ファイバを直線状に保持した状態の光量と、光ファイバを曲げ半径10mm、曲げ角度90°で屈曲させた状態の光量との差から静置曲げ損失(単位:dB)を算出した。以上の測定は、遮光された環境下で実施した。
また、柔軟性を以下の判断基準で評価した。
A :静置曲げ損失が1.0dB以下
B :静置曲げ損失が1.0dBを超えた
(機械的耐久性の測定)
光ファイバケーブルの機械的耐久性の指標として、以下の方法により繰返屈曲回数を測定した。
繰返屈曲の測定は、IEC 60794-1-21:2015に準拠して行った。具体的には、前述のようにして得られた長さ4mの光ファイバケーブルを繰返屈曲装置(恒温槽付き光ファイバ屈曲試験機、(株)安田精機製作所製)に取り付け、一端に荷重500gf(4.9N)をかけ、この光ファイバケーブルの中央を直径15mmの2本の円管にて挟持した。この光ファイバケーブルの他端を一方の円管側に移動させて、光ファイバケーブルが90度折れ曲がるように円管外周に巻き付けた後、他方の円管側に移動させて光ファイバケーブルが90度折れ曲がるように円管外周に巻き付けて合計180度屈曲させ、これを繰り返した。初期値より1dB伝送損失が増加した時点で試験終了とし、終了時点の繰返屈曲回数を確認した。
また、機械的耐久性を以下の判断基準で評価した。
S :繰返屈曲回数が20000回以上
AA:繰返屈曲回数が15000回以上20000回未満
A :繰返屈曲回数が10000回以上15000回未満
B :繰返屈曲回数が10000回未満
(材料)
光ファイバのコアを構成するコア材、クラッドを構成するクラッド材は以下の材料を用いた。
コア材(A-1):アクリル樹脂(メチルメタクリレート100質量%の重合体)
第1クラッド材(B-1):フッ素樹脂(13FM/MMA/MAA共重合体、13FM:MMA:MAA=25:73:2(質量比)、屈折率1.465)
第1クラッド材(B-2):フッ素樹脂(13FM/3FM/MMA/MAA共重合体、13FM:3FM:MMA:MAA=39:41:18:2(質量比)、屈折率1.417)
第2クラッド材(C-1):フッ素樹脂(VDF/TFE/HFP共重合体、VDF:TFE:HFP=48:43:9(質量比)、屈折率1.374)
第2クラッド材(C-2):フッ素樹脂(VDF/TFE共重合体、VDF:TFE=80:20(質量比)、屈折率1.402)
[実施例1]
コア材をアクリル樹脂(A-1)、第1クラッド材をフッ素樹脂(B-1)、第2クラッド材をフッ素樹脂(C-1)とし、溶融させたアクリル樹脂(A-1)、フッ素樹脂(B-1)、フッ素樹脂(C-1)を、それぞれ225℃の紡糸ヘッドへ供給し、3層構造の同心円状複合紡糸ノズルを用いて紡糸し、140℃の熱風加熱炉中で繊維軸方向に2倍に延伸し、第1クラッドの厚さが5μm、第2クラッドの厚さが10μmの直径1mmの光ファイバを得た。
得られた光ファイバの評価結果を、表2に示す。
[実施例2~4]
第1クラッドの厚みを表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様の操作を行い、光ファイバを得た。得られた光ファイバの評価結果を、表2に示す。
[比較例1~2]
材料を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様の操作を行い、光ファイバを得た。得られた光ファイバの評価結果を、表2に示す。
Figure 0007279362000006
Figure 0007279362000007
実施例で得られた光ファイバは、伝送帯域が広く、長期耐熱性、柔軟性及び機械的耐久性に優れていた。
一方、比較例1で得られた光ファイバは、実施例の光ファイバに比べて、長期耐熱性、柔軟性、機械的耐久性に劣っていた。また、比較例2で得られた光ファイバは、伝送帯域が狭かった。
10 プラスチック光ファイバ
11 コア
12a 第1クラッド
12b 第2クラッド

Claims (15)

  1. 1つのコアと、該コアの外周面上に形成された少なくとも1層からなるクラッドとを有するプラスチック光ファイバであって、
    波長650nm、励振NA=0.65の条件で測定した伝送帯域が、220MHz以上255MHz以下であり、
    波長650nm、励振NA=0.1の条件で測定した、温度105℃の環境下に1000時間曝露したときの伝送損失が、181dB/km以上280dB/km以下であり、
    前記コアと、該コアの外周に第1クラッド、第2クラッドの順で同心円状に形成された少なくとも2層のクラッドを有し、
    前記第1クラッドを構成する材料が、該材料の総質量に対して、下記式(1)又は下記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートの少なくとも一種(但し、式(1)は2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレートを除く)に由来する繰り返し単位0~70質量%と、2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート由来の繰り返し単位7~55質量%を含む共重合体であり、
    前記第2クラッドを構成する材料が、テトラフルオロエチレン単位を含み、示差走査熱量測定(DSC)における結晶融解熱が40mJ/mg以下である含フッ素オレフィン系重合体であり、
    前記第1クラッドを構成する材料の屈折率が、1.430~1.485であり、
    前記第2クラッドを構成する材料の屈折率が、1.340~1.395である、プラスチック光ファイバ。
    Figure 0007279362000008
    (式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、5~13の整数である。)
    Figure 0007279362000009
    (式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、1~4の整数である。)
  2. 波長650nm、励振NA=0.2の条件で測定した伝送帯域が、150MHz以上である、請求項1に記載のプラスチック光ファイバ。
  3. 波長650nm、全モード励振で測定した、光ファイバを直線状に保持した状態の光量と、光ファイバを曲げ半径10mm、曲げ角度90°で屈曲させた状態の光量との差が、1dB以下である、請求項1又は2に記載のプラスチック光ファイバ。
  4. IEC 60794-1-21:2015に準拠して繰り返し曲げ試験により測定した繰返屈曲回数が、14500回以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載のプラスチック光ファイバ。
  5. コアを構成する材料が、メチルメタクリレートの単独重合体、又は、メチルメタクリレートと1種類以上のビニル系単量体との共重合体である、請求項1~4のいずれか一項に記載のプラスチック光ファイバ。
  6. 前記第1クラッドを構成する材料の屈折率が1.450~1.475であり、
    前記第2クラッドを構成する材料の屈折率が1.360~1.390である、請求項1~のいずれか一項に記載のプラスチック光ファイバ。
  7. 第2クラッドを構成する材料が、
    ビニリデンフルオライド由来の繰り返し単位25.01~92モル%と、
    テトラフルオロエチレン由来の繰り返し単位0.01~54モル%と、
    ヘキサフルオロプロピレン由来の繰り返し単位3.0~20.99モル%
    を含む重合体である、請求項1~のいずれか一項に記載のプラスチック光ファイバ。
  8. メチルメタクリレートの単独重合体、又は、メチルメタクリレートと1種類以上のビニル系単量体との共重合体からなるコアと、前記コアの外周面上に第1クラッド、第2クラッドの順で同心円状に形成されたクラッドを有するプラスチック光ファイバであって、
    前記第1クラッドを構成する材料は、該材料の総質量に対して、下記式(1)又は下記式(2)で表されるフルオロアルキル(メタ)アクリレートの少なくとも一種(但し、式(1)は2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレートを除く)に由来する繰り返し単位0~70質量%と、2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート由来の繰り返し単位7~55質量%を含む共重合体からなり、且つ、
    前記第1クラッドを構成する材料の屈折率が、1.430~1.485であり、
    Figure 0007279362000010
    (式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、5~13の整数である。)
    Figure 0007279362000011
    (式中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Xは、水素原子又はフッ素原子であり、mは、1又は2であり、nは、1~4の整数である。)
    前記第2クラッドを構成する材料は、テトラフルオロエチレン単位を含み、示差走査熱量測定(DSC)における結晶融解熱が40mJ/mg以下であり、且つ、屈折率が1.340~1.395である含フッ素オレフィン系重合体からなる、プラスチック光ファイバ。
  9. 第2クラッドを構成する材料は、
    ビニリデンフルオライド由来の繰り返し単位25.01~92モル%と、
    テトラフルオロエチレン由来の繰り返し単位0.01~54モル%と、
    ヘキサフルオロプロピレン由来の繰り返し単位3.0~20.99モル%
    を含む重合体からなる、請求項に記載のプラスチック光ファイバ。
  10. プラスチック光ファイバの外径をA(μm)、前記第1クラッドの厚みをa(μm)としたとき、
    下記式(i)~(ii)を満足する、請求項又はに記載のプラスチック光ファイバ。
    900≦A≦1100 (i)
    3.0≦a≦35 (ii)
  11. 前記第1クラッドを構成する材料の屈折率が1.450~1.475であり、
    前記第2クラッドを構成する材料の屈折率が1.360~1.390である、請求項10のいずれか一項に記載のプラスチック光ファイバ。
  12. 請求項1~11のいずれか一項に記載の光ファイバと、該光ファイバの外周に設けられた被覆層を有する、プラスチック光ファイバケーブル。
  13. 被覆層を構成する材料が、ポリアミド樹脂である、請求項12に記載のプラスチック光ファイバケーブル。
  14. 請求項12又は13に記載のプラスチック光ファイバケーブルと、電線とを束ねてなる、ワイヤーハーネス。
  15. 請求項12又は13に記載のプラスチック光ファイバケーブル、並びに、請求項14に記載のワイヤーハーネスから選ばれる少なくとも1つを含む、車両。
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