(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、しかも不用な外力から保護することができる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をコアとし、このコアの周囲に撥水性多孔質層を設けた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をコアとし、このコアの周囲に撥水性多孔質層を設けた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をコアとし、このコアの周囲に撥水性多孔質層を設けた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】
【発明が属する技術分野】
本発明は、プラスチック光ファイバーに関し、伝送損失が小さく、耐熱性、耐寒性、耐食性、耐摩擦性等の特性に優れると共に、このプラスチックファイバーを保護することができ、とくに液体センサー等として用いた場合には被検知液を選択的に検知できる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、アクリル樹脂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ふっ素樹脂製の光ファイバーが提案された。非晶質ふっ素樹脂は、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ふっ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ふっ素樹脂であるふっ化ビニリデン、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ふっ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ふっ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。
【０００６】
これらに対し、本願出願人は、耐熱性、耐湿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、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プラスチック光ファイバ、およびそれを用いたセンサーを特願２００２−２６１３５２号において提案している。
【０００７】
特願２００２−２６１３５２号において提案されているプラスチック光ファイバ、およびそれを用いたセンサーは、これまでのプラスチック光ファイバに見られない優れた効果を示している。しかし、この提案されているプラスチック光ファイバ、およびそれを用いたセンサーでは、クラッド層を備えていないので、使用環境によっては、プラスチック光ファイバとしてのコアに空気中のゴミ、ほこり等が付着するという問題が生じたり、あるいはコアに不用な外力が加わった場合にコア表面に損傷を生じるおそれがあり、その場合には、光透過性に問題が生じ、センサーとして用いている場合には誤検知を生じることがある。
【０００８】
また、このプラスチック光ファイバを用いたセンサーで、例えば水以外の所望の被検知液体を検知しようとする場合において、水の結露などによりコア表面に水が付着すると、それを検知する意図がなくても、水のコア表面への付着により光透過に変化が起こり、その結果、水を被検知液体と誤検知することがある。
【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
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、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く、しかも不用な外力からコアを保護することができる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。
さらに、本発明は、水以外の被検知液体を選択的に検知することができるセンサーを提供することを課題とするものである。
【００１０】
【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をコアとし、このコアの周囲に撥水性多孔質層を設けた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。
結晶性パーフルオロふっ素樹脂が、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ふっ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。
【００１１】
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をコアとして、このコアの周囲に撥水性多孔質層を設けた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検出センサーによって解決することができる。
【００１２】
【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こと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出したものである。
【００１３】
本発明による、コアの外周に撥水性多孔質層を設けた光ファイバーを使用した液体センサーは、光ファイバーのコア表面への液体の付着を検出することが可能であると共に、撥水性多孔質層によって塵埃やキズがコアに直接付着することを防止する。
コアの外周に撥水性多孔質層を設けた光ファイバーを使用した液体センサーは、撥水性多孔質層によって、例えば結露や結氷といった現象や水あるいは水溶液の付着を防いで誤検知を防止し、撥水性多孔質層を透過する被検出液のみを選択して検出する選択検知機能をもたせ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ふっ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のコアと光ファイバーのコア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。
【００１４】
本発明のプラスチック光ファイバーの製造方法は、結晶性パーフルオロふっ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ふっ素樹脂の溶融物を押出等によってモノフィラメントを形成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。
【００１５】
本発明のコアの外周に撥水性多孔質層を設けてなるプラスチック光ファイバーの製造方法は、例えば前記プラスチック光ファイバーのコアに直接、撥水多孔質テープ（例えばゴアテックス＆ｒｅｇ；テープ；Ｗ．Ｌゴア社製）を巻回することによって製造することができる。このテープを巻回する場合、テープの幅方向端部が重なるように巻回されることが望ましい。
なお、撥水性多孔質層を設ける製造方法において、上記巻回方法は一例であってこれに限定されるものではなく、シガレット巻等その他の製造方法を用いても構わない。
【００１６】
プラスチック光ファイバーの製造方法は、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。
【００１７】
また、本発明の光ファイバーのコア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、その後の延伸倍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。
【００１８】
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せずマイクロボイドなどのような欠陥が生じない範囲で可能な限り大きくすることが好ましい。
【００１９】
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、光透過性の良好なふっ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（ダイキン工業製）、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（ダイキン工業製）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。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明を説明する。
実施例１
結晶性パーフルオロ樹脂として、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、横方向へ押出し後、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１．０ｍ／ｍｉｎで張力を加えて当初の長さの５倍に延伸し、直径１．０ｍｍの延伸材料を得た。
次いで、張力を加えた状態で空気中２３０℃で１０分間保持して熱固定を行い光ファイバーとした。
次いで、比重０．６、空孔率７０％、厚さ０．０８ｍｍの多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テープを、上記光ファイバーの周囲に、テープ幅が約２／３重なり合うようにラッピングし、直径１．４，１．８，２．１，２．４，２．６ｍｍの光ファイバとした。
【００２１】
得られた光ファイバの伝送損失を測定光の波長を１．３μｍ，０．８５μｍ、および白色光に変えて測定した。その結果を表１に示す。
なお、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。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
実施例２
結晶性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。
【００２４】
【表２】
パーフルオロ樹脂ＰＦＡ（９５０ＨＰ−ｐｌｕｓ）、測定波長０．８５μｍ
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【００２５】
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１ｍ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−ＤＡ２１−Ｎ）に取り付け、中央部Ａの２０ｍｍを、屈折率が異なる、メタノール、エタノール、アセトンを入れた浸漬槽４へそれぞれ浸漬した場合に、液体中への浸漬によって光量が５０％以上変化したものについて検出可能として表３に示す。
このように本発明の光ファイバーをセンサーとして用いた場合には、周囲に撥水性多孔質層が設けられているが、これらの液体は、この撥水性多孔質層を透過でき、しかもこの光ファイバのコアの屈折率より大きい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、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。なお、作製した試料は多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のラッピング厚さに関係なく、どれも液体に浸漬してから２秒以内で光量の変化を検出することができた。
なお、白灯油のような油は撥水性多孔質層を透過できるので、この撥水性多孔質層を透過できるものの検知にも適用できる。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
【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く、不用な外力から保護することができる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、この光ファイバーをセンサーとして用いた場合には、撥水性多孔質層を透過する被検知液体としての各種有機溶剤や油の光ファイバコア表面への付着によって伝送される光量の変化を生じ、その結果、これらの有機溶剤や油の付着を検知することができると共に、液体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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