JP6067332B2 - 光ファイバテープ心線 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに関して、特に複数本の光ファイバ心線をテープ状にして一体化させた光ファイバテープ心線に関する。

インターネットや企業ネットワークの高速通信への需要に伴い、光ファイバケーブルの普及が急速に拡がっている。

光ファイバは石英ガラスからなるため外部からの力及び外部の環境に対して非常に脆弱である。そのため光ファイバは一般的にその周囲を保護被覆層で覆うことにより、外力及び外部の環境から保護されている。このように保護被覆層によって覆われた光ファイバは光ファイバ心線と呼ばれる。そしてこの光ファイバ心線を複数本並べて配列し、周囲を紫外線硬化樹脂で覆うことによりテープ状の光ファイバテープ心線が形成される。

このように構成された光ファイバテープ心線を敷設する際、光ファイバテープ心線から保護被覆層を剥離させ、光ファイバ心線を取り出す作業が必要になる。光ファイバテープ心線と保護被覆層との剥離の容易性は光ファイバテープ心線を扱う際の作業効率に大きく影響する。このため、光ファイバ心線と保護被覆層との剥離容易性を表す指標として単心分離性を用いて、光ファイバテープ心線を評価する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。光ファイバテープ心線の単心分離性はテープ材料と光ファイバ心線の最外層との密着力により決まる。単心分離性が過度に良い、つまり密着力が過度に弱いと、水浸漬によりテープ材料層と最外層との間で剥離が発生する。この剥離は光ファイバの伝送損失を増大させる恐れがある。逆に単心分離性が過度に悪い、つまり密着力が過度に強いと、敷設時において単心分離をする作業に時間が掛かるようになり、結果として作業効率を悪化させる。

光ファイバの保護被覆層の材料開発が進みその材料特性が改善されるに伴い、テープ材料特性の改善に対する要求も強くなってきているが、光ファイバテープ心線の単心分離性においても、光ファイバテープ心線に使われるテープ材料の特性に大きく依存する。光ファイバテープ心線のテープ材料として一般に使用されている紫外線硬化型のウレタンアクリレート樹脂は、長鎖部を有するポリオール成分を骨格成分とする。このポリオール成分に、イソシアネート成分、不飽和二重結合を有するヒドロキシアクリレートから構成される反応性オリゴマー、同じく不飽和二重結合を有する反応性多官能及び／又は反応性単官能アクリレートモノマー、ビニルモノマー、光重合開始剤、及び複数の添加剤を反応させることにより、テープ材料は構成される。このように構成されたテープ材料に紫外線を照射すると、光重合開始剤がラジカル化することにより、オリゴマーやモノマーの不飽和二重結合部分が架橋する。オリゴマーのポリオール成分として、ポリプロピレングリコール、エチレンオキサイド−ブタジエンオキサイド共重合体やポリテトラメチレングリコールが挙げられる。中でもポリテトラメチレングリコール（以下において「ＰＴＭＧ」と記す）は、高い耐熱性を有し、又機械強度及び伸び特性や靭性に優れているため、テープ材料として幅広く使用されている。

特許４６３０２１０号公報

しかしながらＰＴＭＧは２０℃付近に融点を持ち、またその分子構造が直鎖型のため他のポリエーテルと比較して低温で結晶化し易い、という問題点がある。そのため、融点以下の環境で保管した際にＰＴＭＧが結晶化してしまうため、線引きや一括被覆の際には、テープ被覆樹脂の温度を融点以上に上昇させて融解させる必要がある。このことは作業性を著しく低下させる。

また、ＰＴＭＧは紫外線硬化反応に関与しないため、一括被覆層の中に未反応のＰＴＭＧが存在すると、紫外線照射による硬化被覆層の形成後もＰＴＭＧはそのまま硬化被覆層内に残存することになる。ＰＴＭＧのような結晶性物質が一定量以上被覆層に残存した光ファイバが低温環境下に長期間曝される場合、結晶性物質が被覆層中で結晶化することにより析出することがある。このことは光ファイバの伝送損失を著しく増大させる恐れがある。

ＰＴＭＧオリゴマーに側鎖を有することで、凝集や結晶化をしにくくすることは可能であるが、結晶化を完全に回避できるわけではない。そこで、オリゴマーとしてＰＴＭＧの替わりに非結晶性のポリプロピレングリコール（以下ＰＰＧ）などを使用することで、使用環境におけるモノマーの結晶化を抑制することは可能である。しかしながら、ＰＰＧはＰＴＭＧと比較して機械特性や靱性に劣ることから単心分離の際にテープ材料が破断しやすい、などの問題があった。更にモノマーにおいても、例えばラウリルアクリレート（融点：−８℃）やビニルカプロラクタム（融点：３５℃）のように、使用環境下における温度において結晶化しうるものもある。一般に、テープ層の下には架橋密度の高い着色材があるため結晶成分が光ファイバの内部へ移行することは遮断されているものの、モノマーの結晶化による光ファイバの伝送特性に対する影響の懸念は依然として残る。
そのため、非結晶性のＰＰＧなどの材料を使用して、作業効率向上のための良好な単心分離性をもち、且つ層間剥離を発生させないための耐水性を満たす光ファイバテープ心線を提供することが困難であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、光ファイバテープ心線のテープ材料に非結晶性のＰＰＧ及びモノマーを採用することにより、使用環境下でのテープ材料の結晶化を確実に回避しつつ、ＰＰＧに不足している靭性を諸特性でコントロールすることによって、ＰＴＭＧに匹敵する単心分離性及び層間剥離を抑制する耐水性を備える光ファイバテープ心線を提供することにある。

ＰＰＧにおける課題である靱性を向上するために、単心分離のメカニズムを検証した結果、テープ材を剥がす際の材料の弾性変形内の降伏点と密着力に注目した。これらを精査した結果、テープ材の降伏点応力までの伸び量、平衡弾性率、密着力をコントロールすることで、単心分離の際にテープ材がちぎれることなく分離することを見出した。且つ水浸漬の問題においても耐水性が良好であることを見出した。

目的を達成するために、本発明による光ファイバテープ心線は、非結晶性のＰＰＧ及びモノマーを含む紫外線硬化樹脂からなり、光ファイバ心線の周囲に構成された一括被覆層を有し、一括被覆層は、１２ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の平衡弾性率、及び５％以上９％以下の降伏点伸びを備え、一括被覆層と光ファイバ心線の最外層との密着力が、１２Ｎ／ｃｍ以上１５Ｎ／ｃｍ以下の特性を備える。

また本発明による光ファイバテープ心線は、ＰＰＧの数平均分子量が５００乃至１００００であることが好ましい。また本発明による光ファイバテープ心線は、ＰＰＧの数平均分子量を調整することで、一括被覆層の平衡弾性率、降伏点伸び、及び密着力を最適化することが可能である。また本発明による光ファイバテープ心線は、紫外線硬化樹脂に、更に添加剤として非結晶性の単官能モノマー又は／及び多官能モノマーを含むことが可能である。また本発明による光ファイバテープ心線は、単官能モノマー又は／及び多官能モノマーの官能基の比率を調整することで、一括被覆層の平衡弾性率、降伏点伸び、及び密着力を最適化することが可能である。

本発明によれば、紫外線硬化樹脂を含む一括被覆層に非結晶性のＰＰＧを使用し、更にＰＰＧの分子量及び紫外線硬化樹脂に含まれる非結晶性モノマーの官能基の比率を調整することで、光ファイバテープ心線を単心分離する際に、テープ材料が破断することなく良好な作業性を得ることができる。更に温水への浸漬環境においても層間剥離を発生することなく、良好な耐水性を得ることができる。また、使用環境下においてテープ材料の結晶化を完全に抑制することが可能である。

本発明の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。 本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線の作製に使用された一括被覆層の平衡弾性率及びガラス転移温度の測定結果の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線の作製に使用された一括被覆層と着色層との間の密着力を測定するための試料を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線の作製に使用された一括被覆層と着色層との間の密着力を測定する方法を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同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こともある。

図１は、本発明の実施形態に係る光ファイバ着色心線１０の断面図である。光ファイバ着色心線１０は、ガラス光ファイバ１０１、プライマリ層１０３、セカンダリ層１０５及び着色層１０７を備えて構成されている。ガラス光ファイバ１０１は石英ガラスから構成され、その周囲にはプライマリ層１０３及びセカンダリ層１０５が順に形成されている。プライマリ層１０３及びセカンダリ層１０５はそれぞれ紫外線硬化樹脂から構成されている。セカンダリ層１０５の周囲には着色層１０７が形成されている。着色層１０７はエポキシアクリレート系の樹脂から構成されている。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、添加剤から構成される。これら構成材料を換えることにより、複数種類の光ファイバ素線を得ることができる。ガラス光ファイバ１０１、プライマリ層１０３及びセカンダリ層１０５の外径は、好ましくは各々１２５μｍ、１８５μｍ又は１９５μｍ、２４５μｍであり、光ファイバ着色心線１０の外径は２５５μｍである。

図２は、本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線２０の断面図である。光ファイバテープ心線２０は、４本の光ファイバ着色心線１０及び一括被覆層２０１を備えて構成されている。すなわち、４本の光ファイバ着色心線１０が並行に配列され、これらの光ファイバ着色心線１０は一括被覆層２０１によって被覆されている。一括被覆層２０１は紫外線硬化樹脂からなるテープ樹脂によって構成されている。なお、光ファイバ着色心線１０の本数は４本に限定されることなく、８本、又は１２本等、任意の本数であっても良い。本実施形態において、光ファイバ心線２０の厚さは好ましくは０．３０ｍｍである。

一括被覆層２０１に使用されているオリゴマーのポリオール成分として、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）が使用される。ＰＰＧは非結晶性であるため、従来使用されていたポリテトラメチレングリコール（ＰＴＭＧ）における課題であった、低温環境下でのＰＴＭＧの結晶化による光ファイバの伝送損失の著しい増大を完全に回避することが可能となる。ＰＰＧの数平均分子量は、好ましくは５００乃至１００００であり、より好ましくは１０００乃至８０００であり、特に好ましくは２０００乃至４０００である。

一括被覆層２０１に使用されているオリゴマーのポリオール成分であるＰＰＧの分子構造の両端には、イソシアネートとしてポリエーテルウレタン系オリゴマーが構成される。ポリエーテルウレタン系オリゴマーは、トリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等を介して結合させたエチレン性不飽和基を有するヒドロキシアクリレートから構成される。

このようにして構成された一括被覆層２０１に使用されているオリゴマーは更に、反応希釈剤としての不飽和二重結合を有する反応性多官能、及び／又は、反応性単官能アクリレートモノマーやビニルモノマー、光重合開始剤、種々の添加剤と合成される。これらの合成の結果、一括被覆層２０１は紫外線硬化樹脂として生成される。

一括被覆層２０１の材料特性は、一括被覆層２０１の骨格成分となるポリオールの材料選択及び材料の分子量、並びに一括被覆層２０１生成の際に添加するモノマーの材料選択及び添加量によって適宜調整することが可能である。例えば、本実施形態で使用されるＰＰＧの分子量を小さくすること、又は合成するモノマーの官能基を増やすことで、一括被覆層２０１のヤング率、ガラス転移温度、及び平衡弾性率を高くすることが可能である。逆に、ＰＰＧの分子量を大きくすること、又は合成するモノマーの官能基を減らすことで、一括被覆層２０１のヤング率、ガラス転移温度、及び平衡弾性率を低くすることが可能である。

一括被覆層２０１を生成する際に添加するモノマーとして、例えば単官能モノマーにおいては、ＰＯ変性ノニルフェノールアクリレート、イソボルニルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、イソノニルアクリレート、イソデシルアクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカプロラクタムなどが挙げられる。また二官能モノマー及び多官能モノマーとしては、１−６ヘキサンジアクリレート、ビスフェノールＡエポキシアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、トリシクロデカンジメチロールジアクリレートなどが挙げられる。なお単官能モノマーは、二官能モノマー及び多官能モノマーと比較して、平衡弾性率を低くする効果が大きい。これは、単官能モノマーが二官能モノマー及び多官能モノマーよりも一括被覆層２０１の分子構造における架橋点を減らす作用が大きいためである。

本実施形態においては、ＰＰＧの分子量及び添加剤としてのモノマーを調整することにより、一括被覆層２０１の平衡弾性率、降伏点伸び、及び一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力を最適化する。この最適化により、従来使用されていたＰＴＭＧと同様の良好な単心分離性を実現できると同時に、光ファイバテープ心線２０の加工時においても層間剥離のない良好な作業性を担保できる。特に本実施形態によると、添加するモノマーとして非結晶性の材料を選択し、更にモノマーの官能基の比率を上げることにより、一括被覆層２０１のテープ材料としての伸び及び靱性に関する特性を改善させることができる。

以下に本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線２０の材料特性の測定方法及び測定結果を示す。測定に使う試料には材料の異なる４種類の着色層（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４）で被膜された４種類の光ファイバ着色心線１０を作製した。この目的は、一括被覆層２０１と着色層１０７との界面における特性に関して、その特性が着色層１０７の材料に依存するか否かを確認するためである。作製された光ファイバ着色心線１０を４本並行して配列し、その後ＰＰＧを含む一括被覆層２０１によって、配列した複数本の光ファイバ着色心線１０を被覆して４種類の光ファイバテープ心線２０を作製した。

まず一括被覆層２０１の平衡弾性率及びガラス転移温度を測定した。図３は、本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線２０の作製に使用された一括被覆層２０１の平衡弾性率及びガラス転移温度の測定結果の一例を示す図である。測定に使う試料は、片刃を使用して一括被覆層２０１を長手方向にスライスすることにより作製した。ガラス転移温度Ｔｇの測定は、ＴＡインスツルメント社のＲＳＡ３を使用しての動的粘弾性試験（ＤＭＡ）にて行った。本測定においては、測定値であるｔａｎδの最大値が現れる温度をガラス転移温度Ｔｇとした。またガラス転移温度の測定に使用した試料と同様の試料を使い、引張法にて平衡弾性率を測定した。測定条件は、標線間を２０ｍｍ、周波数を１Ｈｚ、昇温速度を３℃／分とした。平衡弾性率の測定は−１００℃から２００℃の温度範囲にて行い、この温度範囲内の測定値における最低値を試料の平衡弾性率とした。

次に、図３に示した平衡弾性率及びガラス転移温度の測定と同様のスライス状の試料を用いて一括被覆層２０１の引張ヤング率を測定した。測定にはテンシロン万能引張試験機を用いた。測定方法として、まず試料の一端をアルミ板に接着し、アルミ板を試験機にチャックした後、試料を標線間隔２５ｍｍ、引張速度１ｍｍ／分にて伸張させた。そして試料が２．５％伸張した時における応力を測定し、この応力値と伸張量から引張ヤング率を算出した。測定は、温度２３℃及び湿度５５％ＲＨの環境下で行った。

更に引張ヤング率の測定と同様のスライス状の試料を用いて、一括被覆層２０１の降伏点伸びを測定した。測定には引張ヤング率の測定と同様にテンシロン万能引張試験機を用いた。測定方法として、まず試料の一端をアルミ板に接着し、アルミ板を試験機にチャックした後、試料を標線間隔２５ｍｍ、引張速度５０ｍｍ／分にて伸張させた。そして試料に加わる応力が弾性変形から塑性変形を起こす降伏点に達したときの試料の伸張量を測定し、この伸張量を降伏点伸びとした。

次に、一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力を測定した。図４は、本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線２０の作製に使用された一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力を測定するための試料４０を示す模式図である。図４に示すように試料４０は、４本の光ファイバ着色心線４０１、４０２、４０３及び４０４と部分的一括被覆層４１０とを備えて構成されている。

以下に図４に示す試料４０の作製手順の例を示す。まず長さ３００ｍｍの光ファイバテープ心線２０から、長さ１０ｍｍの部分的一括被覆層４１０を残して残りの部分の一括被覆層を全て除去する。次に４本の露出した光ファイバ着色心線４０１乃至４０４の中から、三番目の光ファイバ着色心線４０３を引き出す。結果として図４に示すような、光ファイバテープ心線２０の一端において三番目の光ファイバ着色心線４０３だけが引き出された試料が作製される。

図４に示した試料を用いて一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力を測定した。図５は、本発明の実施形態に係る光ファイバテープ心線２０の作製に使用された一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力を測定する方法を示す概略図である。図４に示した試料の一端は、三番目の光ファイバ着色心線４０３が引き出されており、引き出された光ファイバ着色心線４０３は引張試験機の下部チャック５０１にチャッキングされる。一方で試料の他端においては、光ファイバ着色心線４０１、４０２、４０４が引張試験機の上部チャック５０３に三本まとめてチャッキングされる。次に引張試験機の下部のチャック５０１を下方へ移動させることにより、三番目の光ファイバ着色心線４０３を部分的一括被覆層４１０から完全に引き抜く。引き抜く際の下部チャック５０１の引張速度は１０ｍｍ／分とした。このとき三番目の光ファイバ着色心線４０３を部分的一括被覆層４１０から引き抜く際に発生する力を上部チャック５０３の上方に設置されたロードセル５０５により計測した。ロードセル５０５により計測された力の最大値を三番目の光ファイバ着色心線４０３を引き抜いた長さで割った値を算出し、算出された値を一括被覆層２０１と着色層１０７との間の密着力とした。

次に図２に示す作製した光ファイバテープ心線２０の単心分離性を評価した。単心分離性は敷設の際の作業性に大きく影響する特性であるので、実際の敷設作業に即した官能測定を行った。具体的には、二番目の光ファイバ着色心線４０２と三番目の光ファイバ着色心線４０３の間に爪を入れて縦に引き裂く。結果として光ファイバテープ心線２０は一番目及び二番目の光ファイバ着色心線４０１、４０２のユニットと、三番目及び四番目の光ファイバ着色心線４０３、４０４のユニットとの二つのユニットに分離される。最後に単心の光ファイバ着色心線を取り出す。この作業をそれぞれの試料に対して１０回ずつ繰り返した。このとき、両端の心線である光ファイバ着色心線４０１と光ファイバ着色心線４０４の周囲の一括被覆層２０１がちぎれることなく単心の光ファイバ着色心線を分離できた試料は、求められる単心分離性を満たすものとして評価した。１０回の試験中１回でも一括被覆層２０１がちぎれ、結果として光ファイバ着色心線４０１又は光ファイバ着色心線４０４の周囲に一括被覆層２０１が残存した場合、その試料は求められる単心分離性を満たさないものとして評価した。

次に図２に示す製造した光ファイバテープ心線２０を用いて光ファイバテープ心線２０の耐水性を測定した。光ファイバテープ心線２０の耐水性は、長さ１ｋｍの光ファイバテープ心線２０を６０℃の温水に浸漬し、浸漬後の伝送損失を測定することにより評価した。伝送損失の測定は、アンリツ社製の光パルス試験機ＭＷ９０７６を用いて、光後方散乱損失係数（ＯＴＤＲ）により評価した。伝送信号の波長は１．５５μｍとした。測定方法としては、まず浸漬前の光ファイバテープ心線２０の伝送損失を測定し、その後６０℃の温水に６０日浸漬後に同様の伝送損失の測定をし、浸漬前後の伝送損失を比較することで評価した。光ファイバテープ心線２０の伝送損失が０．０５ｄＢ／ｋｍ以上増加している場合は、光ファイバテープ心線２０内における一括被覆層２０１と着色層１０７との間に層間剥離が生じているものとみなした。従って本測定後に伝送損失が０．０５ｄＢ／ｋｍ以上増加している光ファイバテープ心線２０は、使用環境下における耐水性を満たさないものと評価した。

以上説明した測定を上述の８種類の試料に対して行った。表１にそれぞれの試料における測定結果を示す。

表１に示す実験結果から、本発明の一括被覆層２０１は、ＰＰＧの分子量及び添加剤としてのモノマーを調整することにより、降伏点伸び特性及び靱性において作業時におけるテープ材の破断に対する高い耐性を備えていることがわかる。

実施例１は、比較例１と比較して平衡弾性率を低下させ、降伏点伸びを上昇させ、ガラス転移温度を下げ、密着力を低下させることにより単心分離性と温水特性を両立させた。

実施例２は、比較例２と比較して平衡弾性率を低下させ、降伏点伸びを上昇させ、ガラス転移温度を下げることにより単心分離性と温水特性を両立させた。

実施例３は、比較例３と比較して平衡弾性率を低下させ、降伏点伸びを上昇させ、ガラス転移温度を下げ、密着力を低下させることにより単心分離性と温水特性を両立させた。

実施例４は、比較例４と比較して平衡弾性率を低下させ、降伏点伸びを上昇させ、ガラス転移温度を下げ、密着力を低下させることにより単心分離性と温水特性を両立させた。

更に表１に示す単心分離評価及び温水での浸漬評価の結果から、表１に示すＰＰＧを含む本発明の一括被覆層２０１はいずれの着色材を使用しても良好な単心分離性と耐水性を両立できることが確認できる。すなわち、非結晶性のＰＰＧ及び添加剤の非結晶性モノマーが結晶化を抑制しつつ、ＰＰＧの分子量及び非結晶性モノマーの官能基の比率を調整することで着色層１０７と一括被覆層２０１との間の密着力を最適化することが可能となる。

本実施形態によれば、使用環境下において伝送損失の少ない良好な伝送特性と、敷設の際の良好な作業性とを両立させた光ファイバテープ心線を提供できる。従来においては、低温環境下における未反応分によるテープ材の結晶化が懸念されていた。また、光ファイバ心線との界面における層間剥離により伝送損失の著しい増加が懸念されていた。一方、本実施形態による光ファイバテープ心線は、テープ材に非結晶性のＰＰＧを使用することにより、テープ材の結晶化を完全に抑制することにより、良好な単心分離性と作業性を両立することができる。また本実施形態による光ファイバテープ心線は、ＰＰＧの分子量及び非結晶性モノマーの官能基の比率を調整することで、従来の光ファイバテープ心線と遜色のない特性を備えることが可能である。

１０ 光ファイバ着色心線
２０ 光ファイバテープ心線
１０１ ガラス光ファイバ
１０３ プライマリ層
１０５ セカンダリ層
１０７ 着色層
２０１ 一括被覆層
４０１ 第一番目の光ファイバ着色心線
４０２ 第二番目の光ファイバ着色心線
４０３ 第三番目の光ファイバ着色心線
４０４ 第四番目の光ファイバ着色心線
４１０ 部分的一括被覆層
５０１ 下部チャック
５０３ 上部チャック
５０５ ロードセル

Claims (2)

1. 複数の光ファイバ心線と、
   オリゴマー状の非結晶性のポリプロピレングリコールを含む紫外線硬化樹脂からなり、前記光ファイバ心線の周囲に構成された一括被覆層を有し、
   前記一括被覆層は、
   １２ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の平衡弾性率、及び
   ５％以上９％以下の降伏点伸び
   を備え、
   前記一括被覆層と前記光ファイバ心線の最外層との密着力が、
   １２Ｎ／ｃｍ以上１５Ｎ／ｃｍ以下
   である、光ファイバテープ心線。
2. 請求項１に記載の光ファイバテープ心線を使用した光ファイバケーブル。

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