(57)【要約】【課題】耐熱性、耐湿性、耐薬品性が大きく伝送損失が小さなクラッド層を有さないプラスチック製光ファイバーを提供する。【解決手段】プラスチック光ファイバーにおいて、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物の成形後に延伸されたものであってクラッド層を有さないプラスチック光ファイバーであって、表面への各種の液体の付着を検出するセンサーに利用可能である。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック光ファイバーにおいて、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物の成形後に延伸されたものであってクラッド層を有さないことを特徴とするプラスチック光ファイバー。
【請求項２】
液体センサーにおいて、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物の成形後に延伸されたものであってクラッド層を有さないプラスチック光ファイバーの一端に発光手段を設け、他端には光量変化検出機能を有する受光手段を設けた、該光ファイバー表面の液体を検出することを特徴とする液体センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック光ファイバーに関するものであり、耐熱性、耐寒性、耐食性、耐摩擦性等の特性が大きく、伝送損失が小さく、とくに液体センサー等としても有用な光ファイバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーには、石英ガラス等からなるガラス系光ファイバーとともにプラスチックからなる光ファイバーが用いられている。プラスチック光ファイバーは、石英ガラス系のものに比べて伝送損失が大きく、長距離の信号の伝送には適さないが、可撓性に富んでおり、径の大きいものを使用することができるために取り扱いや末端部の処理が容易であるという特徴を有している。
このような特徴を生かして、近距離の信号の伝送、建造物内部、あるいは自動車等の機器内での信号の伝送、照明、光学的な表示装置、各種のセンサー類の用途において用いられている。
【０００３】
プラスチック光ファイバーとしては、メチルメタクリル酸の重合体等の透明性が大きな樹脂製のコアの周囲にクラッド層を被覆したものが提供されたが、これらのアクリル樹脂系の光ファイバーは、化学構造中にＣ−Ｈ結合を有しているので、Ｃ−Ｈ結合の赤外振動吸収の高調波吸収による伝送損失の増加を招くとともに、耐熱性、耐湿性、耐薬品性が充分なものではなく、高温下での使用、あるいは光ファイバーの被覆に使用される塩化ビニル樹脂の可塑剤の作用によってアクリル樹脂が劣化する等の問題点があった。更に耐湿性が十分でない場合には、赤外振動吸収による伝送損失の増加を避けることができなかった。
そこで、アクリル樹脂等に代えて非晶質フッ素樹脂製の光ファイバーが提案された。非晶質フッ素樹脂は、透明性が良好なものの結晶性合成樹脂に比べて耐熱性等の点で充分ではないという問題点があった。
【０００４】
一方、部分的に結晶化したフッ素樹脂を延伸することによって、光ファイバーの伝送損失を低下させることが提案されているが（例えば、特許文献１参照）、伝送損失は３０ｄＢ／ｍ以上あり、減衰量が大きく実用的なものではなく、具体例として挙げられているフッ素樹脂であるフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンを含有する共重合体、すなわちＴＨＶと称される熱可塑性フッ素樹脂は融点が低く、耐熱性が充分なものではなく、また共重合体の成分としてフッ化ビニリデンを含有しているためにアクリル樹脂系の光ファイバーと同様に、Ｃ−Ｈ結合を化学構造中に有している。このためＣ−Ｈ結合の赤外振動吸収の高調波吸収による伝送損失の増加の影響を避けることができなかった。
【０００５】
また、光ファイバーを用いた各種の液面センサーが知られており、先端部に設けたセンサー部を光ファイバーと結合したものが知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。あるいは、クラッドとの屈折率差によっては検出が困難な液体を光の波長帯域を選択することによって検出する液体センサーが提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、光ファイバーのクラッド上にクラッドよりも大きな屈折率を有し、液体に対する屈折率差に応じた出力光を出力する樹脂層を設けた液体センサーが提案されている（例えば、特許文献５参照）。これらは、いずれもコアにクラッドを形成し、クラッドとの屈折率差を利用して検出するものであった。
【特許文献１】
特表平８−５０７８７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６５７５１号公報
【特許文献３】
特開平８−２１０８９７号公報
【特許文献４】
特開２０００−９７８５０号公報
【特許文献５】
特開２００１−９１４５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、耐湿性、耐熱性をはじめとする特性が良好で、Ｃ−Ｈ結合の赤外振動吸収に起因する伝送損失がないプラスチック光ファイバーを提供することを課題とするものであり、とくにクラッド層を設けることなく周囲の空気層との界面において屈折して導光が行われる光ファイバー、およびそれを用いたセンサーを提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、プラスチック光ファイバーにおいて、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物の成形後に延伸されたものであってクラッド層を有さないプラスチック光ファイバーによって解決することができる。
また、プラスチック光ファイバーの製造方法において、結晶性パーフルオロ樹脂の溶融物を成形後に延伸するプラスチック光ファイバーの製造方法である。
結晶性パーフルオロ樹脂の溶融物を成形後に急冷する前記の光ファイバーの製造方法である。
結晶性パーフルオロフッ素樹脂が、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体から選ばれるフッ素樹脂である前記のプラスチック光ファイバーの製造方法である。
【０００８】
また、液体センサーにおいて、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物の成形後に延伸されたものであってクラッド層を有さないプラスチック光ファイバーの一端に発光手段を設け、他端には光量変化検出機能を有する受光手段を設けた、該光ファイバー表面の液体を検出する液体センサーによって解決することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来、光ファイバーのクラッドあるいは保護被覆材料等として用いられることはあっても、光ファイバーの導光用材料、すなわちコアとして用いられることはなかった、半透明なテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等の結晶性パーフルオロ樹脂の溶融物から作製した成形体を延伸して軸方向に配向性を付与することによって光透過性を高めるができることを見出したものである。そして、光透過性を高めた部材は、導光用材料として利用可能であって、結晶性パーフルオロ樹脂が備えた大きな耐熱性、耐寒性、耐湿性、耐薬品性、耐溶剤性、低摩擦性、耐燃性、耐候性、非吸水性、非吸湿性、耐発煙性等を備えた光ファイバーを提供することが可能であることを見いだしたものである。
【００１０】
そして、これらの導光用材料は、表面にクラッド層を形成しなくとも、空気との界面に形成される屈折率の差によって充分な導光特性が得られることを見出したものである。クラッド層を有さない光ファイバーは、表面が塵埃等の付着によって汚染されると導光特性に変化が生じるので限られた環境下での使用に限定されるが、同時に表面の変化によって光量が変化をするという特性を利用することによって、表面に液体等が付着したことを検出する液体センサーとして利用することが可能であるという特徴を有している。
【００１１】
本発明の液体センサーは、光ファイバー表面への液体の付着を検出することが可能であるので、液体中への浸漬のみではなく、雰囲気から結露した場合のように少量の液体が光ファイバー表面に付着した場合にも検出することが可能である。とくに、本発明の光ファイバーは耐薬品性に優れた結晶性パーフルオロフッ素樹脂を原料としたものであるので、炭化水素系のプラスチックスを侵す有機溶剤に対しても耐食性が優れた液体センサーを提供することができる。また、本発明の液体センサーは、プラスチック光ファイバーと光ファイバーの表面に付着した液体との屈折率の差によって、検出をするものであり、
以下に本発明のプラスチック光ファイバーの製造方法について説明する。
【００１２】
本発明のプラスチック光ファイバーの製造工程は、結晶性パーフルオロフッ素樹脂の溶融物の押出等によるモノフィラメントの成形工程、延伸用材料の延伸工程等から形成されている。
本発明の光ファイバーは、結晶性パーフルオロフッ素樹脂の溶融物を押出等によってモノフィラメントを成形した後に速やかに冷却し、最終的な製品の径と延伸倍率から決定される延伸用材料を作製した後に、延伸用材料にガラス転移点以上、融点以下の温度において張力を印加して所望の芯材を作製し、芯材を加熱して熱固定することによって製造することができる。
また、本発明の光ファイバーの延伸は、送り速度と引張り速度との比を調整し、一度の操作で所定の線径まで延伸しても、数回に分けて延伸を行っても良い。
【００１３】
プラスチック光ファイバーの製造工程は、一般に雰囲気中の汚染物質の濃度が少ない環境において製造することが要求されている。特に芯材の形成工程において、雰囲気の塵埃の数が多い場合には、芯材中、芯材の表面に塵埃が混入する結果、光学的特性が大きく低下するので、塵埃の量が制限された清浄な環境において製造することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光ファイバーに使用することができる結晶性パーフルオロ樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）を挙げることができ、この中でも加熱溶融した後に押出成形等の方法によってモノフィラメントを作製することが可能な熱可塑性パーフルオロ樹脂であることが好ましく、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）が好ましい。
これらの樹脂は、一般的な熱可塑性樹脂と同様の溶融成形法によって成形することができ、樹脂を溶融させてダイから押し出して、気体、液体等によって冷却してモノフィラメントを製造することができる。また、モノフィラメントの外径は、その後の延伸率を考慮して決定される。
溶融物の成形においては冷却時に徐冷すると結晶が成長して透明性が低下するので、冷却は速やかに行うことが好ましく、溶融押出後、直ちに水、その他の冷却媒体中に浸漬することが好ましい。
【００１５】
作製されたモノフィラメントは、それぞれの樹脂のガラス転移温度以上であって融点以下に加熱した状態で張力を与えて延伸する。延伸によって長さ方向の分子の配向度が大きくなり、光透過性が上昇するので、延伸倍率は大きくすることが好ましく、モノフィラメントが切断しない範囲で可能な限り大きくすることが好ましい。
【００１６】
また、結晶性パーフルオロ樹脂は、その重合方法によっても光透過性等の特性が変化するので、光透過性等の特性が大きなフッ素樹脂を使用することが好ましい。また、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体としては、具体的には半導体製造工程等の各種の機器用に用いられている不純物の含有量が少なく透明性に優れたものが好ましく、具体的にはテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体としては、透明性が良好なＡＰ−２３１ＳＨ（ダイキン製）、４５１ＨＰ−Ｊ（三井デュポンフロロケミカル製）、９５０ＨＰ−ｐｌｕｓ（デュポン製）、Ｐ−８０２ＵＰ（旭硝子製）等を挙げることができる。また、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体としては、ＮＰ−４０（ダイキン製）等を挙げることができる。
以上の説明では、円柱状の部材について説明したが、板状の部材であっても良い。
【００１７】
【実施例】
以下に、実施例を示し本発明を説明する。
実施例１
テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）（三井デュポン・フロロケミカル製　４５０ＨＰ−Ｊ）を押出成形機からダイ温度４００℃で、横方向に押し出し後、４０℃において水冷を行い直径２．１ｍｍのモノフィラメントを作製した。
次いで、空気中２９０℃において、延伸速度０．８ｍ／ｍｉｎで張力を加えて当初の長さの４．５倍に延伸し、直径１．０ｍｍの延伸素材を得た。
次いで、張力を加えた状態で空気中２３０℃で３０分間保持して熱固定を行いして光ファイバーとした。
【００１８】
クラス１００００のクリーンブース内において得られた光ファイバーをエタノール中で超音波洗浄を行った後に、自然乾燥し、測定光の波長を、１．３μｍ、０．８５μｍ、および白色光に変えて伝送損失を測定した。その結果を表１に示す。
伝送損失は、カットバック法によって、安定化光源（アンリツ製　ＭＧ９００１Ａ）からの光をＧＩ型ガラス製光ファイバーを介して試料の光ファイバーに入射し、出射光を光パワーメータ（安藤電気製　ＡＱ−１１３５Ｅ）によって測定して、単位長さ当たりの伝送損失を求めた。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
実施例２
パーフルオロ樹脂をテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）（デュポン社製　９５０ＨＰ−ｐｌｕｓ）に変えるとともに、延伸倍率を変えた点を除き、実施例１と同様にして光ファイバーを作製した。
得られた光ファイバーについて、測定光の波長０．８５μｍにおいて実施例１と同様に伝送損失を測定し、その結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
実施例３
実施例１で製造した光ファイバー（屈折率ｎ＝１．３２８）と、押出成形のみで延伸しなかった部材の、それぞれの長さ３００ｍｍを試料としてループ状にし、図１に示すように、光ファイバー１の一端を、波長６５０ｎｍの光源２、他端を光検出センサー３（オムロン製　Ｅ３Ｘ−ＤＡ−Ｎ）に取り付け、中央部Ａの２０ｍｍを、屈折率が異なる、水、メタノール、エタノールを入れた浸漬槽４へ浸漬した場合に、液体中への浸漬によって光量が５０％以上変化がしたものについては検出可能として表３に示す。
本発明の光ファイバーは、光の伝送損失が小さなものであるので、液体の付着によって光ファイバーの周囲から光が漏洩した場合には、検出器によって光量の変化を検出することが可能となった。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
【発明の効果】
本発明は、耐熱性、耐湿性、耐薬品性等の特性に優れたパーフルオロ樹脂からなる伝送損失が小さなプラスチック光ファイバーを提供することを可能としたものであり、とくに、表面への各種の有機溶剤の付着によって生じる伝送される光量の変化で、これらの有機溶剤の付着や、有機溶剤中へ直接浸漬することができる液体センサーを製造することができる。また、本発明のプラスチック光ファイバーを用いたセンサーは、従来のアクリル樹脂系のプラスチック光ファイバーに比べて、屈折率が低いので、たとえ被検出液体の屈折率が低くても被検出液体の付着、あるいは被検出液体の液面を容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１…光ファイバー、２…光源、３…光検出センサー、４…浸漬槽
【図１】
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