(57)【要約】溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程、第一基板と第二の基板をホットプレスしてマトリクス基板とする工程、光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程、を有する複合材料の製造方法。容易に作製が可能であって、より高い信頼性を有する複合材料及びその製造方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程、
前記第一基板と第二の基板をホットプレスしてマトリクス基板とする工程、
前記光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程、を有する複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程の後、
該工程により形成される前記マトリクス基板の端面における凹部に他の光ファイバを挿入する請求項１記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程は、
前記光ファイバにおける切欠の位置がマトリクス基板の端面から前記光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内となるよう前記光ファイバを配置する請求項１記載の複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程は、該工程により形成される前記マトリクス基板の端面における凹部の底面の深さが前記光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内となるよう前記光ファイバを引き抜く請求項１記載の複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程において、
前記光ファイバの周囲であって、前記光ファイバにおける切欠からマトリクス基板の端面側に、潤滑剤が塗布されている請求項１記載の複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程は、前記光ファイバに形成された前記切欠から前記光ファイバを破断し引き抜く工程である請求項１記載の複合材料の製造方法。
【請求項７】
マトリクス基板に光ファイバが埋設された複合材料であって、
前記光ファイバの端面は、前記マトリクス基板端面より内側にある複合材料。
【請求項８】
前記光ファイバの端面は、前記光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内で内側にある請求項７記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料及びその製造方法に関し、特に、光ファイバを内蔵した複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料等の高性能な構造材料中に特殊な光ファイバセンサを埋め込み、そのひずみや損傷を探知する等常時モニタ−しようとする試みが多くなされている。この応用として、例えば下記特許文献１には基板中に予備亀裂を与えた光ファイバを埋め込んだ後に曲げ破断させることで光干渉型のひずみセンサとする技術が提案されている。【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８２９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
確かに、上記特許文献１に記載の技術では、センサをその場形成できる点において有用である。しかしながら光ファイバは脆く、このセンサと外部回路との接続において問題が残る。即ち、特許文献１に記載の技術を用いた場合であっても、脆い光ファイバは基板外部に突出せざるをえず、外部回路との接続の際この光ファイバに予定しない力が加わると破断してしまうおそれがある。これは作製における困難さをもたらし、また、作製後においても、センサとして強度に課題を残す。【０００５】
そこで本発明は、上記課題を鑑み、容易に作製が可能であって、より高い信頼性を有する複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、上記課題を解決する第一の手段として、本発明に係る複合材料の製造方法は、溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程、第一基板と第二の基板をホットプレスしてマトリクス基板とする工程、光ファイバの一部をマトリクス基板から引き抜く工程、を有する。【０００７】
なお、本手段において、限定されるわけではないが、光ファイバの一部を前記マトリクス基板から引き抜く工程の後、この工程により形成されるマトリクス基板の端面における凹部に他の光ファイバを挿入することが好ましい。【０００８】
また、本手段において、限定されるわけではないが、溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程は、光ファイバにおける切欠の位置がマトリクス基板の端面から光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内となるよう光ファイバを配置することが好ましく、より好ましくは４倍以上２４倍以下である。【０００９】
また、本手段において、限定されるわけではないが、光ファイバの一部をマトリクス基板から引き抜く工程は、この工程により形成されるマトリクス基板の端面における凹部の底面の深さが光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内となるよう光ファイバを引き抜くことが好ましく、より好ましくは４倍以上２４倍以下である。【００１０】
また、本手段において、限定されるわけではないが、溝が形成された第一の基板に切欠が形成された光ファイバを配置する工程において、光ファイバの周囲であって、光ファイバにおける切欠からマトリクス基板の端面側に、潤滑剤が塗布されていることも好ましい。【００１１】
また、本手段において、限定されるわけではないが、光ファイバの一部をマトリクス基板から引き抜く工程は、光ファイバに形成された切欠から光ファイバを破断し引き抜く工程であることが好ましい。【００１２】
また、上記課題を解決するための他の一手段として、本発明に係る複合材料は、マトリクス基板に光ファイバが埋設され、光ファイバの端面は、マトリクス基板端面より内側にあることとする。【００１３】
また、本手段において、限定されるわけではないが、光ファイバの端面は、光ファイバの直径の２倍以上５０倍以下の範囲内で内側にあることが好ましく、より好ましくは４倍以上２４倍以下である。
【発明の効果】
【００１４】
以上本発明により、容易に作製が可能であって、より高い信頼性を有する複合材料及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。【００１６】
（実施形態）
図１に、本実施形態に係る光ファイバセンサを内蔵した材料の製造方法に係る工程を概念的に示す。本実施形態に係る複合材料の製造方法は、図１で示すとおり、溝１１が形成された第一の基板１に切欠２１が形成された光ファイバ２を配置する工程（図１（Ａ））、第一基板１と第二の基板３をホットプレスしてマトリクス基板４とする工程（図１（Ｂ））、光ファイバ２の一部を前記マトリクス基板４から引き抜く工程（図１（Ｃ））、を少なくとも有する。【００１７】
本実施形態で用いる光ファイバ２としては、光を伝搬させることができるものであれば限定されること無く周知のものを採用することができるが、基盤に金属系構造材料を用いる場合には耐熱性の観点から、例えば石英又はサファイア系の光ファイバであることは好ましい。また、限定されるわけではないが、光ファイバ２の径としては４０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲にあることが好ましい。【００１８】
また、光ファイバ２における切欠２１は、後に詳細に説明するが光ファイバ２の一部をマトリクス基板４から引き抜き光ファイバ２の端面を形成するために有用なものであって、この効果を達成できる一方、光ファイバ２が第一の基板に配置する際に破断してしまわない程度のものである限り限定されない。切欠の形状としては、限定されるわけではないが、形成される光ファイバ２１の端面の形状と外部回路との接続の容易性や高信頼性を考慮し、光ファイバの延伸方向に対しほぼ垂直に周回するよう形成されることは好ましい態様である。また、切欠の深さとしては、上記の通り限定されず、光ファイバの材質や直径等に応じて適宜調整可能であるが、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内におあることが好ましい。なお、光ファイバ２の切欠２１は、限定されるわけではないが、例えば光ファイバ用のカッター等で形成することが好適である。【００１９】
本実施形態において用いられる第一の基板１としては、光ファイバを複合化できる限りにおいて限定されず、例えば金属系ではアルミニウム系材料、マグネシウム系材料、チタン系材料及び鉄系材料の少なくともいずれかを好ましく用いることができる。第一の基板の幅や奥行きは光ファイバ２を配置することができる限りにおいて限定されない。また厚さは、同じく光ファイバ１０を配置する観点から、光ファイバの直径の１．５倍以上であることが好ましい。【００２０】
第一の基板１における溝１１は、光ファイバを配置するために形成される溝である。溝の断面の形状としては、光ファイバを配置することができる限りにおいて限定されず、例えば断面がＵ字状、半円状、四角形状、Ｖ字状を挙げることができるが、後述するように溶融した材料が溝内に十分に隙間なく充填されるようにするためにはＵ字状、半円状であることがより好ましい。また、溝の深さ（溝の最深部から基板表面までの距離をいう。）は、光ファイバ２を配置する観点から、配置される光ファイバ２の直径よりも１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内で大きいことが好ましい。【００２１】
また本実施形態において第一の基板１には、第一の薄膜１２が形成されている。第一の薄膜１２は、第一の基板１と第二の基板３との接合に好適に用いられるものである。第一の薄膜１２の材質は、上記機能を達成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、この材料の選択において、第一の基板１の材質との関係を考慮することはより好ましい。例えば第一の基板１がアルミニウムである場合、第一の薄膜１２は銅、亜鉛またはＡｌ−Ｓｉ合金であることが好ましい。なお、第一の薄膜１２の厚さとしては、光ファイバを破損しない限りにおいて限定されず、銅の場合においては５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。５μｍ以上とすることで第一の基板1と第二の基板３との接着を十分に行うことができるようになり、２０μｍ以下であれば不必要な薄膜成分の残存やアルミニウムとの反応による溝深さの過度な減少による光ファイバの破損を防ぐことができるようになる。なお、第一の薄膜１２の形成は、第一の基板１に溝１１を形成した後であっても、前であってもよい。【００２２】
なお、図２に、第一の基板１に溝１１を形成する工程の一例を示す。本図の例では、第一の薄膜１２が形成された第一の基板１に、形成しようとする溝１１の幅に等しい棒状部材を押し当てる例を示す。このようにすることで、Ｕ字状、半円状の溝を容易に形成することができる。なお溝１１は、上述のとおり、第一の基板１に第一の薄膜１２を配置した後に形成してもよく、第一の薄膜１２を形成した後に形成しても良い。【００２３】
第二の基板３は、第一の基板１とホットプレスされマトリクス基板の一部となるものであり、材質、形状とも第一の基板１と同様のものを採用することができる。第一の基板１と全く同じであっても、異なっていてもよい。【００２４】
第一基板１と第二の基板３をホットプレスしてマトリクス基板４とする工程における条件は、材料の組合せにより異なるが、第一基板１と第二の基板３をいずれもアルミニウム、第一の薄膜１２を銅とする場合、例えば温度は、両者が化学反応を起こす温度である共晶温度５４８℃を考慮し、５５０℃以上６２０℃以下であることが好ましく、より好ましくは５７０℃以上６００℃以下の範囲内である。また圧力は、溝をつぶすことなく基板同士を接合する観点から、例えば１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下が好ましく、より好ましくは１．ＭＰａ以上２．７ＭＰａ以下の範囲内であることがより好ましい。また、加圧する時間は、例えば１分以上４０分以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは５分以上１０分以下である。【００２５】
光ファイバ２の一部を前記マトリクス基板４から引き抜く工程は、切欠を付した光ファイバ２の延伸方向に引張り、破断させることで実現できる。切欠を付した光ファイバとすると、切欠を付さない場合に比べ１０分の１程度の張力で光ファイバを破断させることができ、しかも切欠の部分を境に引き抜くことができるようになる。つまりこの破断により、光ファイバ２には端面が形成されるとともにマトリクス基板４の端面には引き抜かれた光ファイバ２の存在した部分に相当する窪んだ凹部が形成される。【００２６】
本実施形態に係る複合材料は、光ファイバの端面が硬いマトリクス基板４に囲まれた構造となっているため、外部回路との接続の際、脆い光ファイバを露出させることなく外部回路の一部（例えば他の光ファイバ）を挿入することが可能であり、しかも凹部はほぼ光ファイバの直径と等しいため、光ファイバの挿入を行なえば確実にマトリクス基板内部の光ファイバの端面との芯合わせを確実に行なうことができ、センサなどを容易に作製にできるだけでなく、強度が高く高信頼性となるといった効果もある。また本実施形態に係る光ファイバ２では予め破断を想定した切欠を設けるため、外部回路との接続面となる光ファイバ２の端面を精度よく制御することができ、センサとしての精度も向上するといった効果もある。なお、図３に、本実施形態における複合材料に外部回路の一部としての光ファイバを挿入する際の工程を示しておく。特段限定されるわけではないが、外部回路側の光ファイバとしてはマトリクス基板中の光ファイバと同様の材質、径の面でほぼ同様のものを使用することが好ましい。【００２７】
なお、上記のマトリクス基板４の凹部を形成するためには、光ファイバにおける切欠がマトリクス基板４の端面からマトリクス基板４の内部側にあることが必要であるため、第一の基板に光ファイバを配置する際、第一の基板１の端面より内側に切欠を配置することが必要である。しかし一方で、あまり第一の基板１の端面より内側過ぎると光ファイバを引き抜く際切欠きよりも端面側の予期しない部分で破断してしまうため、光ファイバの直径の４倍以上２４倍以下の範囲内に切欠を配置することが好ましい。４倍以上とすることで他の光ファイバをマトリクス基板４に挿入した際の安定性を確保することができ、２４倍以下とすることで、切欠き位置での光ファイバの破断とそこからの引き抜きを確実にすることができる。もちろん、結果的に光ファイバの端面がマトリクス基板４の端面（第一の基板における端面と第二の基板における端面とがずれている場合は、光ファイバの端面により近い側の端面）の直径の４倍以上２４倍以下の範囲内の深さにあればよい。【００２８】
また本実施形態において、光ファイバ２を第一の基板１の溝１１に配置する際、光ファイバ２の切欠２１周囲に潤滑剤を塗布することもマトリクス基板４から光ファイバを引き抜きやすくする点において好ましい。潤滑剤は、限定されるわけではないが、例えば窒化ホウ素微粒子や黒鉛微粒子が好ましい。【００２９】
また本実施形態においては、説明を簡単にするため溝を第一の基板１にのみ配置した例を示したが、第二の基板にも溝を形成させることも可能である。この場合における概念図を図４に示す。なおこの場合における溝の深さとは、第一の基板１における溝１１の溝の深さと第二の基板３における溝３１の溝の深さとの和をいう。【００３０】
（実施例）
ここで、本発明の効果を確認すべく、上記実施形態に記載の複合材料について実際の作製を行った。以下説明する。【００３１】
まず、純アルミニウムからなる第一の基板（６０ｍｍ×８ｍｍ×１．５ｍｍ）の板に純銅からなる厚さ１０μｍの薄膜を重ねた。その後、直径１８０μｍのバネ用ステンレス鋼線を用いて第一の基板に押し当て、深さ１６０μｍのＵ字状の溝を形成した。一方、石英ガラス製の光ファイバ（長さ９０ｍｍ、直径１２５μｍ）に光ファイバ用のカッター（光ファイバカッター付属のスライドカッター）で深さ５．３μｍの切欠を形成し、この切欠が第一の基板の端面より内側になるよう、光ファイバを第一の基板のＵ字状の溝に配置した。その後、純アルミニウムからなる第二の基板（６０ｍｍ×８ｍｍ×１．５ｍｍ）を第一の基板と重ね合わせ、温度５７０℃、２ＭＰａで５分ホットプレスした。その後、マトリクス基板から光ファイバの一部を引き抜いた。なおこの作業を複数回繰り返し、複数の複合材料を形成した。なおマトリクス基板から光ファイバの端面の距離はそれぞれ０．５ｍｍ（光ファイバの直径の約４倍、以下「複合材料１」という。）、１．２ｍｍ（光ファイバの直径の役９．６倍、以下「複合材料２」という。）、１．３ｍｍ（光ファイバの直径の約１０．４倍、以下「複合材料３」という。）、２．９ｍｍ（光ファイバの直径の約２３倍、以下「複合材料４」という。）のものを作製した。【００３２】
そして、上記各複合材料の破断面について、光学顕微鏡により確認した。この結果得られた画像について図５乃至図８に示す。なお図５は上記複合材料１の破断面を、図６は上記複合材料２の破断面を、図７は上記複合材料３の破断面を、図８は上記複合材料４の破断面を、それぞれ示す。この結果、図８は多少の乱れがあるものの、いずれも良好な断面を有していることが確認できた。なお、図９に、上記複合材料のうち一つ（複合材料３）について、光ファイバ長さ方向に沿って切断し、その断面について確認した結果の図を示す。図９で示すとおり、光ファイバはマトリクス基板の端面から１．３ｍｍ（ここでは第一の基板と第二の基板との端面がずれているため一方の基板（図面上部基板）からの距離としている）のところで破断していることがわかる。【００３３】
次に、この複合材料の機能を確認するため、図１０で示す測定系により光のパワーを測定した。本測定は、図１０で示すとおり、上記作成した複合材料において埋設される光ファイバの端面の一方に白色光源（Ａｎｒｉｔｓｕ社製、ＭＧ９２２Ａ）に接続された光ファイバを、もう一方の端面にパワーメーター（ＡＮＤＯ製、ＡＱ−２１２５）に接続された光ファイバを接続し、光のパワーを測定することで行なった。この結果、光のパワーは−３５ｄＢｍであり、確実に光ファイバの機能を維持していることを確認した。また、この測定において、マトリクス基板中の光ファイバとの接続する白色光源側の光ファイバ及びパワーメーター側の光ファイバの引き抜き、挿入を複数回繰り返したが光のパワーには殆ど変化がなかった。【００３４】
以上、本実施例により、容易に作製が可能であって、より高い信頼性を有する複合材料及びその製造方法の効果を確認した。特に本実施例においては、外部接続側の（他の）光ファイバ複数回の抜き差しにも耐えうることから、再使用にも耐えうる非常に有用な複合材料となっていた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本製造方法により、破断後の光ファイバの保守作業が容易になるだけでなく、予め切欠を施しておくことで、光ファイバの破断箇所を事前に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態１に係る複合材料の製造方法における工程の概念図である。
【図２】第一の基板に溝を形成する工程の一例を示す図である。
【図３】実施形態１における複合材料に他の光ファイバを挿入する場合の概念図である。
【図４】第一の基板及び第二の基板それぞれに溝を形成した場合の概念図である。
【図５】実施例で作製した複合材料の破断面を示す図である（深さ０．５ｍｍ）。
【図６】実施例で作製した複合材料の破断面を示す図である（深さ１．２ｍｍ）。
【図７】実施例で作製した複合材料の破断面を示す図である（深さ１．３ｍｍ）。
【図８】実施例で作製した複合材料の破断面を示す図である（深さ２．９ｍｍ）。
【図９】実施例で作製した複合材料における光ファイバの延伸方向における断面図である。
【図１０】実施例における複合材料の機能を確認するための測定系を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
1…第一の基板、２…光ファイバ、３…第二の基板、４…マトリクス基板、１１…溝、１２…薄膜、２１…切欠
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2008123285.tif 000013
2008123285.tif 000014
2008123285.tif 000015
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