(57)【要約】【課題】  入射光を効率よく導光体内に結合させて、漏光させる必要のない領域では安定に導光し、漏光させる必要のある領域では導光体表面に担持させた光触媒物質に対して均一且つ効果的に光を照射し得る光導波路構造体の提供。【解決手段】  高屈折率材料からなる高屈折率部４と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部５とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、長手方向に沿って低屈折率部の厚さを変化せしめて漏光量を制御したことを特徴とする光導波路構造体１。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、長手方向に沿って低屈折率部の厚さを変化せしめて漏光量を制御したことを特徴とする光導波路構造体。
【請求項２】
低屈折率部が厚く形成され実質的に漏光のない導光部分と、低屈折率部が薄く形成された漏光部分とが長手方向に沿って区画されてなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造体。
【請求項３】
低屈折率部の厚さを長手方向に沿って漸次減少させ、長手方向に沿って漏光量分布を均一化したことを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造体。
【請求項４】
高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、低屈折率部と高屈折率部との界面を長手方向に沿って不整にし、この界面の不整状態によって漏光量を制御したことを特徴とする光導波路構造体。
【請求項５】
高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、低屈折率部が、光導波路構造体に曲げを与えた部分で漏光が生じ、曲げを与えない部分では実質的に漏光が生じない一定の厚さとされ、光導波路構造体に少なくとも１箇所の曲げ部が設けられたことを特徴とする光導波路構造体。
【請求項６】
高屈折率部が石英ガラスまたはＰＭＭＡからなり、低屈折率部がフッ素系樹脂からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路構造体。
【請求項７】
漏光部分の低屈折率部の厚さが５０〜２０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路構造体。
【請求項８】
低屈折率部の表面に光散乱処理が施されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光導波路構造体。
【請求項９】
光導波路構造体が外径０．０１ｍｍ〜１０ｍｍのコア・クラッド構造を持つ光ファイバまたはロッドであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路構造体。
【請求項１０】
低屈折率部の表面に光触媒作用を有する物質を含む光触媒層が設けられたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる機能を有する光導波路構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
光触媒反応は、光照射下で励起された光触媒活性物質により生じる反応であり、多くの場合において、光触媒物質に対して紫外線または紫外線を含む光を照射する必要がある。光触媒物質が光励起されると、例えば光触媒物質表面は、水との接触角が１０度以下となる超親水化を発現し、また、光触媒的酸化還元反応により、電子−正孔対を生成し、生成した電子は表面酸素を還元してスーパーオキサイドアニオン（・Ｏ２）を生成すると共に、正孔は表面水酸基を酸化して水酸ラジカル（・ＯＨ）を生成し、これらの反応性活性酸素種の酸化還元反応によって、有機物質が高効率で光分解する。
【０００３】
このような光触媒作用を有する光触媒物質としては、例えば二酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化ガドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが知られている。
【０００４】
光触媒への光の供給方法は、光触媒を担持した構造体（成形体）に外部から光を照射する方法（例えば、特許文献１参照。）、光源自体に光触媒を付けたもの（例えば、特許文献２参照。）などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、光触媒が機能するためには、光触媒に光が照射されている必要があるため、光源と光触媒の間に光を遮ったり吸収してしまう物質が介在すると、光触媒に供給される光の強さが弱まり光触媒機能が有効に発揮されなくなるといった問題があった。特に、着色したり濁った水の処理や、粉塵が含まれるガスのように、処理しようとする対象物（被処理物に同じ。）が光を通しにくい場合には、光触媒の適用が困難である。また、光源自体に光触媒を付ける場合、小型化や高密度化が困難であるといった問題があった。
【０００６】
これらの問題を解消するために、光触媒を担持した透明構造体（導光体）中に光を伝播させ、その光路を制御して光触媒層に内部から照射するようにした導光体構造が提案されている（例えば、特許文献３〜５参照。）。
【特許文献１】特開２０００−５７４７号公報
【特許文献２】特開平１１−１７６３８３号公報
【特許文献３】特開平９−２２５２６２号公報
【特許文献４】特開２０００−２８８４０６号公報
【特許文献５】特開２００２−３５０６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特許文献３〜５に記載された従来技術には、次のような問題があった。
特許文献３には、光ファイバのコアに相当する導光体の表面に、光ファイバのクラッドに相当する光触媒物質を担持する方法が開示されている。しかし、このような光ファイバにおいては、クラッド材質の屈折率はコアよりも大きく、本質的に利用する波長の光を吸収する物質であるため、基本的に光は導光せず、すぐに減衰、消失してしまう。
【０００８】
また、特許文献４には、導光体をコア・クラッド構造とし、クラッドの外側に光触媒物質を担持する方法が開示されている。しかし、長手方向の導光体の構造は一定であり、実質的にコア−クラッド間の屈折率差のみを調整して全反射の成立しない条件で光を漏洩する構成となっており、漏れ光のコントロールが非常に難しい。また、光を漏れやすくするために、屈折率差を小さくすると、導光体の開口数（ＮＡ）も小さくなって、外部光源から導光体に入射する際の結合効率が低下してしまう欠点があった。
【０００９】
また、特許文献５には、ガラスその他の透光性物質を賦形化して外部との境界面に光触媒領域を形成すると共に、光源からの入射光を受ける光源面と該入射光を前記光触媒領域を除く外部へ透過又は漏洩させないように処理した反射処理部を有してなる光触媒担持用ガラス構造体が提案されているが、漏洩される部分と導光部分の構造が全く異なるため、作製が煩雑であるという欠点があった。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、入射光を効率よく導光体内に結合させて、漏光させる必要のない領域では安定に導光し、漏光させる必要のある領域では導光体表面に担持させた光触媒物質に対して均一且つ効果的に光を照射し得る光導波路構造体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、長手方向に沿って低屈折率部の厚さを変化せしめて漏光量を制御したことを特徴とする光導波路構造体を提供する。
この光導波路構造体において、低屈折率部が厚く形成され実質的に漏光のない導光部分と、低屈折率部が薄く形成された漏光部分とが長手方向に沿って区画されてなる構成とすることが好ましい。
この光導波路構造体において、低屈折率部の厚さを長手方向に沿って漸次減少させ、長手方向に沿って漏光量分布を均一化した構成としてもよい。
また本発明は、高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、低屈折率部と高屈折率部との界面を長手方向に沿って不整にし、この界面の不整状態によって漏光量を制御したことを特徴とする光導波路構造体を提供する。
さらに本発明は、高屈折率材料からなる高屈折率部と該高屈折率部よりも屈折率の低い材料からなり高屈折率部の表面に設けられた低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体であって、低屈折率部が、光導波路構造体に曲げを与えた部分で漏光が生じ、曲げを与えない部分では実質的に漏光が生じない一定の厚さとされ、光導波路構造体に少なくとも１箇所の曲げ部が設けられたことを特徴とする光導波路構造体を提供する。
本発明の光導波路構造体において、高屈折率部が石英ガラスまたはＰＭＭＡからなり、低屈折率部がフッ素系樹脂からなることが好ましい。
本発明の光導波路構造体において、漏光部分の低屈折率部の厚さが５０〜２０００ｎｍの範囲であることが好ましい。
本発明の光導波路構造体において、低屈折率部の表面に光散乱処理が施されたことが好ましい。
本発明の光導波路構造体において、光導波路構造体が外径０．０１ｍｍ〜１０ｍｍのコア・クラッド構造を持つ光ファイバまたはロッドであることが好ましい。
本発明の光導波路構造体において、低屈折率部の表面に光触媒作用を有する物質を含む光触媒層が設けられた構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は高屈折率部と低屈折率部とを備え、入射した光触媒励起光を適所で漏光させる光導波路構造体において、長手方向に沿って低屈折率部の厚さを変化せしめて光導波路からの漏光量を制御したものなので、長手方向に沿って低屈折率部の厚みを変化させることによって実質的に漏光のない導光部分と漏光部分とを簡単に作製することができる。
また漏光部分においても低屈折率部が存在するので、漏光部分で光が急激に漏れ出すことがない。
また低屈折率部の厚さを長手方向に沿って漸次減少させ、長手方向に沿って漏光量分布を均一化した構成としたことにより、光導波路から漏出する光強度を位置に依存せず一定とすることができる。
また、低屈折率部の厚さを一定とした場合でも、低屈折率部と高屈折率部の界面を不整にしたり、曲げを与えるなどの他のパラメータを操作することにより、漏出する光強度を調整することができる。
さらに、光導波路として石英ガラスまたはＰＭＭＡからなるコアと、フッ素系樹脂からなるクラッドからなる光ファイバ又はロッドとすることで開口数（ＮＡ）を大きくとることができ、光源との結合効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の光導波路構造体の実施形態を説明する。
図１〜３は本発明による光導波路構造体の一実施形態を示す図であり、図１は光導波路構造体１の一部断面視した要部正面図、図２は図１中のＡ−Ａ部断面図、図３は図１中のＢ−Ｂ部断面図である。
【００１４】
この光導波路構造体１は、石英ガラスまたはＰＭＭＡからなる高屈折率部４（以下、コアと言う場合がある。）と、それよりも屈折率の低いフッ素系樹脂からなり前記高屈折率部４を被覆して設けられた低屈折率部５（以下、クラッドと言う場合がある。）とからなるコア・クラッド構造を備えている。この光導波路構造体１は、低屈折率部５が厚く形成され実質的に漏光のない導光部分２と、低屈折率部５が薄く形成された漏光部分３とが長手方向に沿って区画された構造になっている。漏光部分３の低屈折率部５表面は、薄いシリカコート層６が設けられており、このシリカコート層６上には光触媒作用を有する二酸化チタン微粒子を含む光触媒層７が設けられている。
【００１５】
低屈折率部５の厚さは、導光部分２では実質的に漏光が生じないように厚く形成され、漏光部分３では適当な光強度で漏光が生じるような厚さに形成されている。漏光部分３の低屈折率部５の厚さは、５０〜２０００ｎｍの範囲であることが好ましい。漏光部分３の低屈折率部５の厚さが前記範囲より小さいと、漏光部分３からの漏光量が大きくなり、長手方向に沿って均一に漏光させる目的を達し得ない。漏光部分３の低屈折率部５の厚さが前記範囲を超えると、漏光量が少なすぎ、光触媒の励起の目的を達し得なくなる。
【００１６】
この光導波路構造体１は、コアとなる高屈折率部４の入射端側に配された図示しない光源から、光触媒の励起に適した波長の光を入射することによって、導光部分２では実質的に漏光が起こらず、光パワーは減少することなく導光され、漏光部分３においてこの光が低屈折率部５から外部に漏れ出すようになっている。漏光部分３には薄い低屈折率部５が存在するので、漏光部分３で光が急激に漏れ出すことがなく、漏光部分３の全域にわたり漏光が生じる。
【００１７】
漏光部分３において、低屈折率部５から漏れ出した光は、光触媒層７に照射される。光触媒層７は光を照射されて光触媒活性が励起され、光触媒層７に接している被処理物を分解する。
【００１８】
次にこの光導波路構造体１の製造方法を説明する。この光導波路構造体１を製造するには、まずコアとなる石英ガラス製またはＰＭＭＡ製のファイバ又はロッドを用意する。一方、クラッドとなるフッ素系樹脂を適当な有機溶剤に溶かした樹脂溶液を用意する。このフッ素系樹脂としては、例えばフッ化ビニリデンなどが挙げられる。また樹脂溶液中のフッ素系樹脂含有量は樹脂溶液全量に対し１〜２０質量％の範囲とすることが好ましい。
【００１９】
次に、前記コア又はロッドを樹脂溶液中に入れ、引き出して乾燥し、フッ素系樹脂をコーティングするディップコートを複数回繰り返し、全体に漏光部分３のクラッド厚さの樹脂がコーティングされた時点で、漏光部分のディップコートを止め、導光部分のみディップコートを繰り返すことによって、漏光部分と導光部分とでクラッド厚さの異なる光導波路を作製する。なお、クラッドとなる樹脂のコーティング方法はこれに限定されず、従来公知の他のコーティング方法を採用し得る。
【００２０】
次に、シリカコート液を用意し、漏光部分３の表面にこれを薄くコーティングする。
次に、二酸化チタン微粉末を混入したコート液を用意し、シリカコート層６上に二酸化チタン微粉末を含む光触媒層７を形成する。
光触媒物質としては、二酸化チタン以外に、酸化タンタル、酸化スズ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化ガドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが使用可能である。
【００２１】
本発明の光導波路構造体は、長手方向に沿って低屈折率部の厚さを変化せしめて光導波路からの漏光量を制御したものなので、長手方向に沿って低屈折率部の厚みを変化させることによって実質的に漏光のない導光部分と漏光部分とを簡単に作製することができる。
また漏光部分においても低屈折率部が存在するので、漏光部分で光が急激に漏れ出すことがない。
【００２２】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変更が可能である。
例えば、低屈折率部の厚さを長手方向に沿って漸次減少させ、長手方向に沿って漏光量分布を均一化した構成としてもよい。
また、低屈折率部と高屈折率部との界面を長手方向に沿って不整にし、この界面の不整状態によって漏光量を制御することもできる。
また、低屈折率部が、光導波路構造体に曲げを与えた部分で漏光が生じ、曲げを与えない部分では実質的に漏光が生じない一定の厚さとされ、光導波路構造体に少なくとも１箇所の曲げ部が設けられた構成とすることもできる。
【００２３】
本発明では、コア・クラッド構造を有する導光体において、所定のコア・クラッドの屈折率差のもとでクラッドの厚みを調整することにより、クラッド外に漏洩する光の量をコントロールし、光触媒が無く漏光させる必要のない領域では損失を抑えて安定に導光し、漏光させる必要のある領域では漏光部分の表面に担持させた光触媒物質に対して均一に光を照射し得る。
【００２４】
コア・クラッド構造の光導波路において、光はコア・クラッド界面で全反射を繰り返して伝播するが、その際、光電磁界はクラッド側にわずかに染み出す。クラッドが光の波長程度以下に十分薄く、クラッドの外にそれよりも屈折率の高い媒質、例えば二酸化チタンが接していたり、クラッドの表面が荒らされていて不整な状態であったりすると、コア・クラッド界面で全反射条件を満たしていても、光はクラッドを超えて漏れ出すこととなる。この場合に漏れ出す光の量は、クラッド厚に依存するので、これを調節することにより漏れ光量もコントロールすることができる。
【００２５】
例えば、クラッドの外に二酸化チタン光触媒層をコートした光ファイバ型の導波路において、光波長３６０ｎｍ、屈折率差Δ＝０．４％程度で光ファイバが直線状の場合、クラッド厚１μｍ以上では実質的に光は漏洩しない。１μｍより薄くなっていくと、光触媒層の状態や、光触媒層とクラッド界面の状態にもよるが、徐々に漏洩するようになり、さらにクラッド厚が５０ｎｍ以下になると実質的に全反射状態が維持できなくなって、漏れ光のコントロールができなくなる。
【００２６】
また、直線状態では光が漏れ出さないようなクラッド厚であっても、適度な曲げを与えることによって光を漏れ出させるようにすることも可能である。
【００２７】
このような構成の光導波路は、特に光ファイバをバンドル化して、光ファイバの表面に光触媒をコートする場合に、導光部分ではクラッド層を厚くして損失無く光を伝達し、光触媒作用の必要な部分ではクラッド厚を薄くして光触媒に漏光した光を照射することができるので有効である。
【００２８】
クラッド層の厚さの調節は、例えばＰＣＦ（ポリマークラッドファイバ）、ＰＯＦ（ポリマーオプティックファイバ）であれば、コーティングを数回に分けて行えばよいので容易である。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
全長３ｍ、外径１２５μｍの１００％石英ガラスベアファイバに溶剤可溶のフッ素系樹脂（屈折率１．４０）を複数回ディップコートし、樹脂厚３μｍの部分が１ｍ、樹脂厚０．３μｍの部分が２ｍのファイバを得た。このファイバの樹脂厚０．３μｍの部分に０．１μｍのシリカコートを施し、さらに二酸化チタン光触媒２μｍをコートし、図１〜３に示す構造を有する光導波路構造体を作製した。
前記シリカコートは、市販のポリシラザン２０％を含有するコート液を用いてディップコートして形成した。また前記二酸化チタン光触媒は、市販の二酸化チタン微粉（平均粒径５〜１００ｎｍ程度）を５質量％含有したコート液を用いてディップコートして形成した。
【００３０】
ファイバクリーバでカットしたファイバ端面に水銀−キセノンランプ光を集光して入射し、カットバック法で伝送損失を測定した。光源にはバンドパスフィルタを入れて３６０ｎｍ付近の波長のみとした。
樹脂厚３μｍの部分の伝送損失は０．１ｄＢ／ｍ以下であったが、樹脂厚０．３μｍの部分は３．８ｄＢ／ｍであった。
【００３１】
この光ファイバ５００本を束ねてファイババンドルとし、樹脂厚０．３μｍの部分を、１００ｐｐｍのアセトアルデヒドを充填した１０００ｍＬの密閉容器内に導入し、バンドル端面から水銀−キセノンランプ光を３０００ｍＷ／ｃｍ２の光強度で入射したところ、４０分間でアセトアルデヒド濃度は１ｐｐｍ以下となった。
【００３２】
（比較例１）
全長３ｍ、外径１２５μｍの１００％石英ガラスベアファイバに二酸化チタン光触媒光触媒２μｍをコートした。ファイバクリーバでカットしたファイバ端面に水銀−キセノンランプ光を集光して入射し、カットバック法で伝送損失を測定した。光源にはバンドパスフィルタを入れて３６０ｎｍ付近の波長のみとした。
その結果、伝送損失は１０ｄＢ／ｍ以上あり、安定な測定は行えなかった。
【００３３】
（実施例２）
全長３ｍ、外径１２５μｍの１００％石英ガラスベアファイバに溶剤可溶のフッ素系樹脂（屈折率１．４０）を複数回ディップコートし、樹脂厚３μｍの部分が１ｍ、樹脂厚０．６μｍの部分が２ｍのファイバを得た。このファイバの樹脂厚０．６μｍの部分に、実施例１と同様に０．１μｍのシリカコートを施し、さらに二酸化チタン光触媒２μｍをコートした。
【００３４】
ファイバクリーバでカットしたファイバ端面に水銀−キセノンランプ光を集光して入射し、カットバック法で伝送損失を測定した。光源にはバンドパスフィルタを入れて３６０ｎｍ付近の波長のみとした。
樹脂厚３μｍの部分の伝送損失は０．１ｄＢ／ｍ以下であったが、樹脂厚０．６μｍの部分は０．３ｄＢ／ｍであった。
次に樹脂厚０．６μｍの部分をφ８０ｍｍの円柱に巻き付けて固定し、同様にカットバック法で巻き付けた部分の伝送損失を測定したところ、３．１ｄＢ／ｍであった。
【００３５】
（実施例３）
長さ１．５ｍ、直径３ｍｍの石英ガラスロッドに、クラッド厚３μｍのフッ素添加石英ガラス層を外付けした。このロッドの下部１ｍをフッ化水素酸１０％水溶液に浸漬して速度を調節しながら引き上げて、クラッド厚０．１〜１μｍで徐々に厚さが変化し、表面の荒らされたロッドを得た。
【００３６】
バンドパスフィルタを入れて３６０ｎｍ付近の波長のみとした水銀−キセノンランプ光を端面から２０００ｍＷ／ｃｍ２の光強度で入射し、フッ化水素酸に浸漬した部分から放射される光強度をロッドから５ｍｍ離れた位置で測定したところ、中間０．８ｍの部分で０．１４〜０．２１ｍＷ／ｃｍ２の範囲にあり、十分に金いるな漏れ光が得られた。
【００３７】
このロッドに酸化チタン光触媒をコーティングして１４本を束ね、下部１ｍを５００ｍＬのメチレンブルー２０μｍｏｌ／Ｌ溶液に浸漬し、端面から水銀−キセノンランプ光を３０００ｍＷ／ｃｍ２の光強度で入射したところ、２時間でほぼ完全にメチレンブルーは分解されて、溶液は無色透明になった。
【００３８】
（比較例２）
全長３ｍ、外径１２５μｍの１００％石英ガラスベアファイバに溶剤可溶のフッ素系樹脂（屈折率１．４０）を複数回ディップコートし、樹脂厚３μｍの部分が１ｍ、樹脂厚０．３μｍの部分が２ｍのファイバを得た。このファイバの樹脂厚０．３μｍの部分に、実施例１と同様に０．１μｍのシリカコートを施し、さらに二酸化チタン光触媒２μｍをコートした。
【００３９】
ファイバクリーバでカットしたファイバ端面に水銀−キセノンランプ光を集光して入射し、カットバック法で伝送損失を測定した。光源にはバンドパスフィルタを入れて３６０ｎｍ付近の波長のみとした。
樹脂厚３μｍの部分の伝送損失は０．１ｄＢ／ｍ以下であったが、樹脂厚０．６μｍの部分は０．３ｄＢ／ｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による光導波路構造体の一実施形態を示す一部断面視した要部正面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ部断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ部断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…光導波路構造体、２…導光部分、３…漏光部分、４…高屈折率部（コア）、５…低屈折率部（クラッド）、６…シリカコート層、７…光触媒層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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