(57)【要約】【課題】  フッ素樹脂からなるクラッド材の内部に液体、流動体を充填した光伝送体において、伝送損失が小さな光伝送体を提供する。【解決手段】  光伝送体において、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形後に加熱下で延伸したクラッド材の内部に、前記クラッド材よりも屈折率が大きな流体、もしくはコア材中で硬化したエラストマーが充填された光伝送体。【選択図】  図１
2007052321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝送体において、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形後に加熱下で延伸したクラッド材の内部に、前記クラッド材よりも屈折率が大きなコア材が形成されたことを特徴とする光伝送体。
【請求項２】
コア材が流体、もしくはコア材中で硬化したエラストマーからなることを特徴とする請求項１記載の光伝送体。
【請求項３】
光伝送体の製造方法において、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形後にガラス転移点以上の温度で加熱下で延伸して得られたクラッド材中に、前記クラッド材よりも屈折率が大きな液体を充填した後に両端の開口部を封止栓で封口するか、あるいは前記クラッド材中にエラストマーの前駆体を注入して硬化させることを特徴とする光伝送体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光伝送体に関するものであり、光通信、各種の波長の光のライトガイド、太陽光の利用システム等の光伝送体に関するものであって、特に大量の光エネルギーの伝送が可能な光伝送体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光伝送体として使用されている光ファイバは、透明性が大きなコアの周囲にコアよりも屈折率が低いクラッドを被覆し、コアとクラッドとの屈折率の違いにより光伝送を行うものである。コアとしては透明性の高い石英、あるいはポリメチルメタクリレート等の合成樹脂が用いられている。
【０００３】
光ファイバーは、光信号の優れた伝送体であって、信号の伝送には径の小さなものが用いられている。これに対して大量の光エネルギーを伝送するためには光伝送面積が大きな光ファイバーが必要となるが、大口径の光ファイバーは可撓性に乏しいため、大口径の光ファイバーは現実的ではなく、直径が１０μｍ〜１０００μｍの細いファイバを多数本束ねて伝送面積を大きくすることが必要であった。
【０００４】
ところが、断面が円形の光ファイバーを高密度に束ねても、各光ファイバー間には空隙が生じることを避けることはできない。各光ファイバーの空隙に照射された光は伝送されないので、端面に到達した光のうち実質的に光ファイバーへ入射する光量が少なくなり、光の伝送効率が悪くなるという問題点があった。
【０００５】
そこで、従来から用いられている光ファイバーに代えて、可撓性の中空管状体からなるクラッド材の内部にクラッド材よりも屈折率が大きく透明性が高い液体やエラストマーを充填したチューブあるいはホース状の光伝送体が提案されている。
クラッドとして用いる合成樹脂材料は、コアとして用いる物質よりも屈折率が小さい材料を選択する必要がある。コアとクラッドとの屈折率の違いが大きいほど、より広い角度で光を取り込むことができ、またより小さな曲げ半径においても伝送損失を抑えることができるためにクラッド材としては、屈折率が小さなものを用いることが必要である。
【０００６】
また、クラッド内部に充填するコア材料に対して溶解や膨潤等が起こらない特性も求められる。さらに、様々な使用環境を考慮すると、耐熱性、耐侯性、難燃性、防汚性なども必要とされるので、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）やテトラフルオロエチレンーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂が好ましい材料である。
【０００７】
ところが、これらの成形可能なフッ素樹脂によってクラッド材を成形し、コア材を充填した光伝送体は、光の伝送損失が大きいという問題点があった。
また、フッ素樹脂は炭化水素系の合成樹脂に比べて気体の透過率が大きく、コア材として用いる液体が蒸発したり、逆に低温時に、コアとクラッドの体積膨張係数の違いから、内部に負圧が発生し、コア材にフッ素樹脂を通じて空気が取込まれてしまい、コア中に気泡が生じる可能性があった。
【０００８】
コア中に気泡が生じた光ファイバは気泡によって光が散乱し、伝送損失が大きくなってしまうという問題点があった。そこで、フッ素樹脂製のクラッドの外周をポリビニルアルコール等で被覆した気体透過性の小さな光伝送体が提案されている（例えば、特許文献１）。また、押出成形したフッ素樹脂の管状体の内部にシリコーンゴムからなるコア材が充填された光伝送体が提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、これらの光伝送体においては、フッ素樹脂製のクラッド材に起因するものと考えられる光伝送体の伝送損失の低下を防止するものではなかった。
【特許文献１】特許第３１６１０３６号公報
【特許文献２】特開平１１−１５３７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、結晶性のパーフルオロ樹脂からなるクラッド材の内部に、コア材として流体、エラストマー等体を充填した可撓性が大きな光伝送体において、クラッド材に起因する光伝送損失を低下させるとともに、クラッド材の気体透過性が小さく、コア中に気泡が生じることがない光伝送体を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の課題は、光伝送体において、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形後に加熱下で延伸したクラッド材の内部に、前記クラッド材よりも屈折率が大きなコア材が形成された光伝送体によって解決することができる。
また、コア材が流体、もしくはコア材中で硬化したエラストマーからなること前記の光伝送体である。
また、コア材がシリコーンオイル、多価アルコール、ポリエーテル、ポリエステル、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、リン酸エステル類、無機塩類水溶液から選ばれる流体である前記の光伝送体である。
また、コア材がシリコーンゴム前駆体をクラッド材中において硬化して得られたシリコーンゴムである前記の光伝送体である。
また、光伝送体の製造方法において、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形後にガラス転移点以上の温度で加熱下で延伸して得られたクラッド材中に、前記クラッド材よりも屈折率が大きな液体を充填した後に両端の開口部を封止栓で封口するか、あるいは前記クラッド材中にエラストマーの前駆体を注入して硬化させる光伝送体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光伝送体は、結晶性パーフルオロ樹脂からなる溶融物を中空管状に成形した後に加熱下で延伸したので、成形時に生成した球晶の成長による成形体表面の凹凸が減少し、クラッド材の内面での光の散乱に起因すると考えられる光伝送損失を低下させ、更には結晶性パーフルオロ樹脂の成形体の気体透過率を低下させることができるので、中空管状体の内部にクラッド材よりも屈折率が大きな流体を充填したり、あるいはエラストマーをクラッド材中で形成した場合には光伝送損失が小さく、コア材中の気泡の生成による伝送損失の低下を防止した光伝送体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、結晶性パーフルオロ樹脂の溶融物を中空管状体に成形してクラッド材を製造した場合には、成形物中に球晶が成長するために中空管状体の内面に凹凸が生じる結果、コアとの界面において光の散乱が生じることが光の伝送損失を高めているものであることを見出し、さらに成形物中の球晶は加熱下で延伸した場合には、結晶性パーフルオロ樹脂の成形時に形成された球晶が延伸されて中空管状体の内面が平滑なものとなり光の散乱によって生じる光の伝送損失を小さくすることが可能であることを見出したものである。
【００１３】
同時に、結晶性パーフルオロ樹脂の成形物の加熱下での延伸によって、気体透過性が小さくなり、寸法安定性および引張り強度も向上し、中空管状体中に満たしたコア材中へ透過する気体の量が少なくなり、コア中での気泡の生成がなく機械的強度にも優れた光伝送体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。
【００１４】
本発明の光伝送体のクラッド材の中空管状体の製造に使用することができる結晶性パーフルオロ樹脂としては、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（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、これらの樹脂は、加熱溶融した後に押出成形等の方法によって中空管状体を成形することが可能である。
【００１５】
成形された中空管状体は、それぞれの結晶性パーフルオロ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した後に、熱固定することが好ましい。
加熱下で延伸することによって、成形時に生じた球晶が延伸されて中空管状体の内面の凹凸を小さなものとすることができる。
【００１６】
延伸によって肉厚が小さくなるにしたがって球晶による中空管状体の内面の凹凸も小さなものとなるので、延伸は伝送損失の低下には効果があるが、延伸倍率が過度に大きくなると中空管状体の機械的強度が低下し、割れたり座屈し易くなる。したがって、中空管状体の外径が２〜５０ｍｍの場合には、その厚さを０．３〜３ｍｍとすることが好ましく、より好ましくは０．５〜１．０ｍｍである。また、延伸倍率は２〜１０倍とすることが好ましく、３〜６倍とすることがより好ましい。
【００１７】
延伸は、押出成形等によって得られた中空管状体をガラス転移点以上の温度に加熱した状態で、引き速度の遅い引き取りロール、引き速度の速い引き取りロールの順にロールを通過させることによって延伸を行うことができ、引き速度の比で延伸倍率を決定することができる。例えば、引き速度０．２ｍ／ｍｉｎと引き速度０．６ｍ／ｍｉｎの引き取りロールを順に通過させることによって、引き速度の比である３倍の延伸が可能となる。
【００１８】
次いで、延伸後には、ガラス転移温度以上において、融点以下の温度下で、引き速度が速い引き取りロール、引き速度が遅い引き取りロールの順に通過させることによって熱固定を行って所定の内径および外径を有する中空管状体を製造することができる。
延伸工程の引き速度の速いロールの引き速度と、熱固定工程の引き速度が速い引き取りロールの引き速度が異なる場合には、両工程の間に速度の違いを補償する手段を設けることが好ましい。
【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特性が変化するので、光透過特性が良好なフッ素樹脂を使用することが好ましい。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９５０ＨＰ−ＰＬＵＳ、４５０ＨＰ−Ｊ、４５１ＨＰ−Ｊ（いずれも三井デュポンフロロケミカル製）、Ｐ−８０２ＵＰ（旭硝子）、ＡＰ−２３１ＳＨ、ＡＰ−２３０ＳＨ（ダイキン工業）等を挙げることができる。
【００２０】
また、コア材として流体を用いる場合には、クラッド材よりも屈折率が高い、液体または流動性の透明材料が用いられる。具体的には、ジメチルシリコーンオイルまたはメチルフェニルシリコーンオイル等のシリコーンオイル、エチレングリコールまたはグリセリン等の多価アルコール、ポリエーテル、ポリエステル、流動パラフィン等の炭化水素、三フッ化塩化エチレンオイル等のハロゲン化炭化水素、トリス（クロロエチル）ホスフェートやトリオクチルホスフェート等のリン酸エステル類、無機塩類水溶液等を挙げることができる。
【００２１】
また、コア材としてエラストマーを用いる場合には、フェニル変性ジメチルシロキサン系シリコーンゴム前駆体等のシリコーンゴム前駆体を注入した後に硬化することによって製造することができる。
【００２２】
また、封止栓の材料としては、ガラス、石英、フッ素樹脂、ポリメチルメタクリレート等の透明性が大きな材料を挙げることができる。封止栓に用いるガラス材料、フッ素樹脂等は、コア材と等しい屈折率を有するものを用いることが好ましく、表面には反射防止膜を形成しても良い。
また、本発明の光伝送体のクラッド材は外装材によって被覆しても良い。
【００２３】
図１は、中空管状体の延伸を行う延伸装置の一例を説明する図である。
延伸装置１は、送り出し機２、第一加熱炉３１、第二加熱炉３２、巻き取り機４、および速度差を調整する緩衝手段５等から構成されている。
中空管状体６は、送り出し機２に設けた送り出しロール２１に装填されており、中空管状体６は、送り出しロール２１から第一引き取りロール７１によって引き出される。さらに、中空管状体は、そのガラス転移温度以上の所定の温度に加熱した第一加熱炉３１によって加熱された状態で、第一引き取りロールよりも引き取り速度が大きな第二引き取りロール７２によって引き取られて延伸される。
【００２４】
次いで、第二引き取りロール７２で引き取られて延伸された中空管状体６は、多数のロールを設けて引き取り速度差を吸収する緩衝手段５を通過させた後に、第三引き取りロール７３で引き取られて、ガラス転移温度以上の温度に加熱した第二加熱炉３２を通過し、さらに第三引き取りロールよりも引き取り速度が遅い第四引き取りロール７４によって引かれて熱固定が行われる。
熱固定が完了した中空管状体は、巻き取り機４の巻き取りロール４１に巻き取られる。
【００２５】
以下に実施例、比較例を示し本発明を説明する。
なお、本発明の光伝送体の光学特性に関する実施例、比較例とともに、クラッド材の製造方法と同様に製造した管状体の気体透過特性を測定し、実施例３および比較例２として示した。なお、気体透過特性の測定試料は、実施例１の光特性測定用試料に比べて、気体の透過が大きく観測されるように延伸倍率を大きくした試料を用い、管状体の内部に取扱が容易な酸素飽和水を通水し、圧力差で管壁から透過する酸素濃度を測定して気体透過率を求めた。
【実施例１】
【００２６】
（光伝送体の作製）
テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニル共重合体（三井・デュポンフロロケミカル製９５０ＨＰ−ＰＬＵＳ）をダイ温度３８０℃で一軸押出し機から押出し、内径７．３ｍｍ、外径９．１ｍｍの中空管状体に成形した。得られた中空管状体を引き速度０．２ｍ／ｍｉｎで引きながら、温度２８０℃の長さ２ｍの加熱炉内で加熱し、引き速度０．６ｍ／ｍｉｎの引き取りロールで延伸し３倍の延伸を行った。
【００２７】
次いで、引き速度０．６ｍ／ｍｉｎで引きながら温度２６０℃、長さ２ｍの加熱炉内で加熱し、引き速度０．５ｍ／ｍｉｎのロールで引き取って熱固定を行った。熱固定後の中空管状体は内径４．２ｍｍ、外径５．４ｍｍであった。
【００２８】
得られた中空管状体を、それぞれ１ｍ、５ｍ、１０ｍに切断し、いずれの内部にもジメチルシリコーンオイル（信越化学工業製  ＫＦ９６−３０ＣＳ）を充填した。両端に外径４．５ｍｍの円柱状のポリメチルメタクリレートを圧入して、光伝送体の測定試料とした。
【００２９】
（伝送損失の測定）
白色光源（清和光学製作所製  ＦＡ−１５０Ｅ）から光をそれぞれの長さの試料に入射し、出射光の強度を光パワーメータ（ＡＱ−１１３５Ｅ安藤電気製）で計測し、試料長さと出射光の強度との関係をＸ軸とＹ軸にプロットし、得られたグラフの傾きから伝送損失を求めたところ、光伝送体の伝送損失は６１０ｄＢ／ｋｍであった。
【実施例２】
【００３０】
（光伝送体の作製）
実施例１と同様にして一軸押出成形を行った後に、延伸条件を、引き速度０．２ｍ／ｍｉｎで温度２８０℃の長さ２ｍの加熱炉内で加熱しながら、引き速度０．８ｍ／ｍｉｎのロールで引き取って４倍の延伸を行った。
次いで、引き速度０．６ｍ／ｍｉｎで温度２６０℃の長さ２ｍの加熱炉内で加熱しながら、引き速度０．５ｍ／ｍｉｎのロールで引き取って熱固定を行った。熱固定後の中空管状体は内径３．７ｍｍ、外径４．７ｍｍであった。
【００３１】
得られた中空管状体を、それぞれ１ｍ、５ｍ、１０ｍに切断し、いずれの内部にもジメチルシリコーンオイル（信越化学工業製  ＫＦ９６−３０ＣＳ）を充填した。両端に外径４．１ｍｍの円柱状のポリメチルメタクリレートを圧入して、光伝送体の測定試料とした。
【００３２】
（伝送損失の測定）
実施例１と同様に伝送損失を求めたところ、光伝送体の伝送損失は３８０ｄＢ／ｋｍであった。
【実施例３】
【００３３】
（気体透過率測定用の中空管状体の作製）
テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニル共重合体（三井・デュポンフロロケミカル製９５０ＨＰ−ＰＬＵＳ）をダイ温度３８０℃で一軸押出し機から押出し、内径１３．４ｍｍ、外径１７．９ｍｍの中空管状体に成形した。得られた中空管状体を引き速度０．１５ｍ／ｍｉｎで温度２８０℃の長さ２ｍの加熱炉内で加熱しながら、引き速度０．９ｍ／ｍｉｎで引き取って６倍の延伸を行った。
【００３４】
次いで、引き速度０．６０ｍ／ｍｉｎで、温度２００℃の長さ２ｍの加熱炉内で加熱しながら、引き速度０．５０ｍ／ｍｉｎで引き取って熱固定を行い気体透過率測定用の中空管状体を作製した。
【００３５】
（気体透過率の測定）
作製した気体透過率測定用の中空管状体の長さ１０８０ｍｍの試料を減圧容器内に装着し、温度２５℃において酸素を飽和させた精製水を定量ポンプで１０ｍｌ／ｍｉｎの流量で試料の中空管状体内部を通過させて、減圧容器を５．３ｋＰａに減圧して、減圧容器中へ透過した精製水の溶存酸素量を溶存酸素濃度測定装置で測定し、溶存酸素濃度の違いから気体透過率を求めたところ、０．２３ｇ／ｍｉｎ／ｃｍ2 であった。
【００３６】
比較例１
（光伝送体の作製）
テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニル共重合体（三井・デュポンフロロケミカル製９５０ＨＰ−ＰＬＵＳ）をダイ温度３８０℃で一軸押出し機から押出し、内径４．０ｍｍ、外径６．０ｍｍの中空管状体に成形した。
得られた中空管状体を、それぞれ１ｍ、５ｍに切断し、いずれの内部にもジメチルシリコーンオイル（信越化学工業製  ＫＦ９６−３０ＣＳ）を充填した。両端に外径４．５ｍｍの円柱状のポリメチルメタクリレートを圧入して、比較例の光伝送体の測定試料とした。
【００３７】
（伝送損失の測定）
実施例１と同様に伝送損失を求めたところ、光ファイバの伝送損失は１３７０ｄＢ／ｋｍであった。
【００３８】
比較例２
（気体透過率測定用の中空管状体の作製）
テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニル共重合体（三井・デュポンフロロケミカル製９５０ＨＰ−ＰＬＵＳ）をダイ温度３８０℃で一軸押出し機から押出し、内径６．０ｍｍ、外径８．０ｍｍの中空管状体に成形した。
【００３９】
（気体透過率の測定）
作製した気体透過率測定用の中空管状体の長さ１０８０ｍｍの試料を減圧容器に装着し、実施例３における気体透過率の測定方法と同様にして気体透過率を求めたところ、０．５３ｇ／ｍｉｎ／ｃｍ2 であった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の光伝送体は、可撓性にすぐれるとともに光の伝送損失および気体透過性が小さいので、コア液体への気体の侵入がなく、優れた光伝送特性を長期間にわたり維持することができ、大容量の光エネルギーの伝送体として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、中空管状体の延伸を行う延伸装置の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…延伸装置、２…送り出し機、２１…送り出しロール、３１…第一加熱炉、３２…第二加熱炉、４…巻き取り機、４１…巻き取りロール、５…緩衝手段、６…中空管状体、７１…第一引き取りロール、７２…第二引き取りロール、７３…第三引き取りロール、７４…第四引き取りロール
【図１】
2007052321.tif 000003