JP2007003582A - ポリイミド被覆イメージファイバとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被覆層に十分な遮光性を持ち、細径にすることができ、耐熱性に優れたポリイミド被覆イメージファイバの提供。
【解決手段】 画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたことを特徴とするポリイミド被覆イメージファイバ。画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を分散させたポリイミドワニスを塗布し、次いで該塗布層を３８０℃〜６００℃の温度で加熱してポリイミドを架橋せしめ、画像伝送用のイメージファイバ上にカーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたポリイミド被覆イメージファイバを得ることを特徴とする製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバの被覆材料としてポリイミドを用いるイメージファイバとその製造方法に関する。

耐熱性に優れたポリイミド樹脂を被覆材として用いた光ファイバは公知である（例えば、特許文献１参照）。
光ファイバ上にポリイミド被覆層を形成するには、例えば、ＮＭＰ等の溶剤にポリイミドあるいはその前駆体を溶解したワニス（以下、ポリイミドワニスと記す。）を用い、このポリイミドワニスを光ファイバ表面に塗布し、これを架橋炉内に導いて加熱し、ポリイミド樹脂を架橋硬化させることによってポリイミド被覆層を形成している。

一方、イメージサークル内に多数の画素が配置されてなり、画像伝送に用いられるイメージファイバについては、ポリイミド樹脂を被覆材として用いた例は少なかった。
イメージファイバの場合、ファイバ横方向からの可視光の導光、いわゆる迷光が邪魔になる。この迷光を防ぐため、イメージファイバ上にカーボン粒子を混入した黒色樹脂からなる被覆層を形成することが望ましい。ポリイミド被覆層に十分な遮光性を持たせるためには、相応量のカーボン粒子をポリイミド被覆層中に均一に分散させなければならない。しかし、使用するカーボン粒子の粒径が大きいと、硬化前のポリイミドワニスにカーボン粒子を均一に分散させることが難しくなり、硬化後に得られたポリイミド被覆層内へのカーボン粒子の分散が不良になり、外観むらやブツ等が生じやすくなる。またクラスター化したカーボンがイメージファイバ表面を傷付けやすくなるため、イメージファイバの強度が劣化するという問題点があった。

この問題点を解決するために、例えば、特許文献１が提案されている。
この特許文献１に開示されたイメージファイバは、イメージファイバの表面にポリイミドを被覆し、その外側にカーボンブラックを混入したシリコーン樹脂層を設けることにより、遮光性及びファイバ強度などの要求性能を満たすようにしている。
特表２００１−５０３３６５号公報 特開平５−２７３４４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、イメージファイバに十分な強度を持たせるためには、比較的厚いシリコーン樹脂層を持たせる必要があり、太径になる。これは、できる限り細径化することが望ましいイメージファイバにとって、大きな欠点となる。
また、折角ポリイミドを用いていながら、耐熱性がシリコーン樹脂層の耐熱性で制限されてしまい、耐熱性はせいぜい１８０℃程度が上限である。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、被覆層に十分な遮光性を持ち、細径にすることができ、耐熱性に優れたポリイミド被覆イメージファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたことを特徴とするポリイミド被覆イメージファイバを提供する。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバにおいて、前記ポリイミド被覆層に含まれるカーボン粒子の粒径が１μｍ以下であることが好ましい。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバにおいて、前記ポリイミド被覆層のカーボン粒子含有量が１．５質量％〜１５質量％の範囲であることが好ましい。

また本発明は、画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を分散させたポリイミドワニスを塗布し、次いで該塗布層を３８０℃〜６００℃の温度で加熱してポリイミドを架橋せしめ、画像伝送用のイメージファイバ上にカーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたポリイミド被覆イメージファイバを得ることを特徴とするポリイミド被覆イメージファイバの製造方法を提供する。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法において、前記カーボン粒子の粒径が１μｍ以下であることが好ましい。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法において、前記ポリイミド被覆層のカーボン粒子含有量が１．５質量％〜１５質量％の範囲であることが好ましい。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバは、イメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられた構成としたので、カーボン粒子を含むポリイミド被覆層によって十分な遮光性を得ることができ、イメージファイバ上の被覆層を薄くすることができ、さらに被覆層をポリイミド被覆層のみとすることで優れた耐熱性を得ることができる。従って、本発明によれば、被覆層に十分な遮光性を持ち、細径にすることができ、耐熱性に優れたポリイミド被覆イメージファイバを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のポリイミド被覆イメージファイバの一実施形態を示す断面図である。本実施形態のポリイミド被覆イメージファイバ１は、画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層４が設けられた構成になっている。このイメージファイバは、石英ガラスからなり、多数の画素５とそれらを囲む共通クラッド６とからなるイメージサークル２と、該イメージサークル２を囲むジャケット管３とから構成されている。

前記ポリイミド被覆層４は、ポリイミドを主材とし、これにカーボン粒子（カーボンブラックなどとも称される）が均一に分散した黒色のポリイミド樹脂からなっている。このポリイミド被覆層４の厚さは、イメージファイバを十分に保護できるような厚さであればよいが、医療用途をはじめとして、一般にイメージファイバはできる限り細径化することが望ましいことから、この被覆厚は１０μｍ〜３０μｍの範囲とすることが好ましい。

このポリイミド被覆層４に含まれるカーボン粒子は、粒径が１μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以下であることがより好ましい。粒径が１μｍ以下のカーボン粒子を用いることで、ポリイミド被覆層４中の分散状態が良好となり、またカーボン粒子がイメージファイバ表面を傷付け難くなり、ポリイミド被覆イメージファイバ１の機械強度劣化を防ぐことができる。カーボン粒子の粒径が１μｍを超えると、ポリイミド被覆層４中の分散状態が不良になり、外観むらやブツ等が生じやすく、またクラスター化したカーボンがイメージファイバ表面を傷付けやすくなるため、ポリイミド被覆イメージファイバ１の強度が劣化する可能性がある。

このポリイミド被覆層４のカーボン粒子含有量は、被覆厚が１０μｍ〜５０μｍ程度である場合、１．５質量％〜１５質量％の範囲とすることが好ましい。カーボン粒子含有量を前記範囲内に設定することで、ポリイミド被覆層４の遮光性が十分となるとともに、ポリイミド被覆層４の機械強度が良好になり、破断し難いイメージファイバを構成することができる。このカーボン粒子含有量が前記範囲未満であると、被覆を厚くしても十分な遮光性が得られず、迷光によってポリイミド被覆イメージファイバ１の画像品質が劣化するおそれがある。また、カーボン粒子含有量が前記範囲を超えると、ポリイミド被覆層４の機械強度が悪化し、ポリイミド被覆イメージファイバ１の破断強度が低下する可能性がある。

本実施形態において、ポリイミド被覆層４上には、カーボン粒子を含まないポリイミド被覆層を設けてもよいし、或いはポリイミド被覆層４上にカーボン粒子を含まないポリイミド被覆層とカーボン粒子を含むポリイミド被覆層を交互に１層以上積層した構成としてもよい。

次に、本発明のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法を説明する。
図２は、本発明のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法において好適な製造装置を例示する構成図である。なお、図２に示す製造装置は、２層コート用の製造装置であるが、これは一例に過ぎず、本発明は２層コートのイメージファイバにのみ限定されない。

図２に示す製造装置は、イメージファイバ紡糸用の母材７を加熱してイメージファイバを紡糸する紡糸炉８と、紡糸されたイメージファイバの外径を測定するファイバ径測定器９と、イメージファイバ表面にカーボン粒子入りのポリイミドワニス１１を所定厚さとなるように塗布する第１のコーティングポット１０と、ワニス塗布済みのイメージファイバを加熱してポリイミドを架橋硬化させてポリイミド被覆層４を形成する第１の架橋炉１２と、第１の架橋炉１２を出たポリイミド被覆イメージファイバの外径を測定する被覆径測定器１３と、ポリイミド被覆イメージファイバ上にポリイミドワニスを塗布する第２のコーティングポット１４と、ワニス塗布済みのイメージファイバを加熱してポリイミドを架橋硬化させて外側のポリイミド被覆層を形成する第２の架橋炉１５と、第２の架橋炉１５を出たポリイミド被覆イメージファイバの外径を測定する被覆径測定器１６と、被覆形成後のポリイミド被覆イメージファイバを巻き取る巻取リール１７とを備えて構成されている。

この製造装置において、巻取リール１７を回転駆動する駆動手段は、ファイバ径測定器９により測定されるイメージファイバの外径値をフィードバックし、その外径値が予め設定した外径値許容範囲に入るように巻取リール１７の回転数を制御することにより、イメージファイバの紡糸線速を制御できるようになっている。

本発明の製造方法によってポリイミド被覆イメージファイバ１を製造するには、第１のコーティングポット１０にカーボン粒子入りのポリイミドワニス１１を入れておき、紡糸されたイメージファイバの表面にこのポリイミドワニス１１を塗布し、次いで該塗布層を３８０℃〜６００℃の温度で加熱してポリイミドを架橋させ、イメージファイバ上にカーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層４を形成する。

ここで用いるポリイミドワニス１１としては、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）やＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）などの溶媒に溶かしたワニスに、硬化時のカーボン粒子含有量が１．５〜１５質量％の範囲となるように粒径１μｍ以下のカーボン粒子を分散させたカーボン粒子入りのポリイミドワニス１１が用いられる。このポリイミドワニス１１の固形分は１０〜４０質量％の範囲として良く、好ましくは３０〜３５質量％程度とされる。

架橋炉１２，１５内の温度は、３８０℃〜６００℃の範囲とされ、特に４８０℃〜５２０℃の範囲とすることが望ましい。架橋時の温度が３８０℃未満であると、通常の線速でイメージファイバを製造する際に、ポリイミド被覆層４を架橋するために必要な架橋炉長が長くなり、製造装置の長大化を招いたり、紡糸線速を低下させる必要があることから製造効率が悪化する問題がある。

この製造装置において、イメージファイバの紡糸線速は、０．５〜２０ｍ／分の範囲が望ましく、特に、２〜１０ｍ／分の範囲が望ましい。紡糸線速が０．５ｍ／分よりも低いと、イメージファイバの製造効率が悪化するために好ましくない。一方、紡糸線速を２０ｍ／分よりも高くすると、イメージファイバの外径のばらつきが増加したり、ポリイミド被覆層４の架橋度合が不十分となって機械強度が低下するおそれがある。

この製造装置を用い、紡糸したイメージファイバの外周に、硬化時のカーボン粒子含有量が１．５〜１５質量％の範囲となるように粒径１μｍ以下のカーボン粒子を分散させたカーボン粒子入りのポリイミドワニス１１を塗布し、それを架橋炉１２内で加熱架橋させることによって、図１に示すようにイメージファイバ上にカーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層４が設けられたポリイミド被覆イメージファイバ１を効率よく製造することができる。

このポリイミド被覆イメージファイバ１は、イメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層４が設けられた構成としたので、カーボン粒子を含むポリイミド被覆層４によって十分な遮光性を得ることができ、イメージファイバ上の被覆層を薄くすることができ、さらに被覆層をポリイミド被覆層のみとすることで優れた耐熱性を得ることができる。従って、本発明によれば、被覆層に十分な遮光性を持ち、細径にすることができ、耐熱性に優れたポリイミド被覆イメージファイバ１を提供することができる。

図２に示す製造装置を用い、紡糸したイメージファイバの外周に、粒径１μｍ以下のカーボン粒子を分散させたカーボン粒子入りのポリイミドワニス１１を塗布し、それを架橋炉１２内で加熱架橋させることによって、図１に示すポリイミド被覆イメージファイバ１を製造した。

本実施例において、架橋炉１２の加熱長は５０ｃｍとした。紡糸時の線速は２０ｍ／分以下で紡糸が可能である。すなわち、架橋炉１２内の通過時間が１．５秒以上であれば、被覆の硬化が可能である。このときの架橋炉の温度は６００℃であった。また、線速を０．５ｍ／分とし、架橋時間を１分間に設定した場合、架橋炉温度が３８０℃以上であれば、被覆の硬化が十分であることを確認した。ただし、製造効率を考慮すると、２ｍ／分以上の線速が望ましく、この線速の場合、最低架橋温度は４８０℃であった。また、ポリイミド樹脂の熱分解温度が５３０℃程度であるため、架橋温度は５２０℃以下が望ましく、その場合の最高線速は１０ｍ／分であった。
以下に、本実施例において製造したポリイミド被覆イメージファイバの諸特性を以下の通り調べた。

＜遮光性＞
被覆樹脂に混合するカーボン粒子濃度と被覆厚を変えた複数のポリイミド被覆イメージファイバを試作し、横方向から強いハロゲン光を照射し、伝送画像への影響を調べた。実験系を図３に示す。図３中、符号１８は供試ファイバ、１９は対物レンズ、２０は対象物、２１はハロゲン光源、２２は画像確認用のＣＣＤ、２３は接眼レンズである。イメージファイバは、画素数が１６００〜５００００画素程度、ファイバ径が２００〜１１００μｍ程度が一般的であることから、その代表的な例として、供試ファイバ１８は、ファイバ径５００μｍ、画素数１００００画素、開口数（Ｎ．Ａ．）０．４のイメージファイバを用いて実験した。供試ファイバ１８の長さは１ｍとした。

前記イメージファイバ上に、粒径１μｍ以下のカーボン粒子を、硬化後のポリイミド被覆層中に０．３〜３．６質量％の範囲となるように混合したポリイミドワニスを用い、各種のカーボン粒子濃度のポリイミドワニスを、硬化後の被覆厚が１０μｍ〜５０μｍとなるように塗布し、内部温度が６００℃の架橋炉１２を線速１０ｍ／分で通過させ（架橋時間３秒）、表１に示すカーボン粒子濃度と被覆厚を持ったポリイミド被覆層を有するカーボン粒子入りポリイミド被覆イメージファイバを試作した。長さ１ｍに切断したそれぞれの供試ファイバ１８を、図３に示す実験系にセットし、供試ファイバ１８の側方からハロゲン光を照射し、入射光による伝送画像の影響を調べた。この実験結果を表１に示す。

表１の結果から、実用的な厚みである被覆厚３０μｍにおいて、硬化後のポリイミド樹脂に対して１．５質量％以上となるようにカーボン粒子を含有させることによって、十分な遮光性を得ることができ、迷光による伝送画像の劣化を防止できることがわかる。

＜ファイバ強度＞
ポリイミド被覆層中のカーボン粒子濃度を６質量％とし、混入するカーボン粒子の粒度を変えて供試ファイバを試作した。供試ファイバは、ファイバ径２００μｍ、画素数１６００画素、被覆厚２０μｍとした。得られた供試ファイバの平均破断強度をＪＩＳ Ｃ ６８２１に記載の方法に準じて測定し、使用したカーボン粒子の粒度と平均破断強度との関係を調べた。その結果を図４に示す。

図４から、カーボン粒子の粒度が大きくなるほど、供試ファイバの破断強度が小さくなる傾向が見られた。特に、粒度が１μｍ以下の場合には、カーボン粒子を含まない被覆（カーボン濃度０％）と比較しても強度劣化が１０％以下であり、粒度が０．０５μｍ以下であると、ほぼ強度劣化がなく、大変良好であった。
一方、粒度が１μｍを超えると、強度劣化が顕著になる。カーボン粒子の粒度が大きいと、イメージファイバの表面付近に傷が付きやすく、これが強度劣化につながるものと思われる。

また、カーボン粒子の粒度を１μｍとしたときの、樹脂に混合するカーボン粒子の濃度と、被覆厚を一定にした供試ファイバの平均破断強度との関係を調べた。本実験において、供試ファイバは、ファイバ径２００μｍ、画素数１６００画素、被覆厚２０μｍとした。その結果を図５に示す。

図５から、カーボン粒子濃度が１５質量％を超えると、イメージファイバの強度劣化が見られる。これは、ポリイミド被覆層中にカーボン粒子を混入することによりカーボン粒子が樹脂分子のネットワーク内に入り、分子間の結合状態が変わるため、カーボン粒子の濃度がある割合を超えると、樹脂そのものの強度・伸びが劣化し、ファイバ強度に影響を与えるものと思われる。
なお、イメージファイバの被覆厚は、使用上から薄いほど望ましいが、厚み１５μｍ未満であると極端に強度劣化するため、ばらつきを避けるために被覆厚２０μｍに設定した。

＜耐熱性＞
前述したそれぞれの供試ファイバを３００℃×２４時間の環境に放置後、画像伝送状態及び強度を測定したが、特に変化は見られなかった。

なお、本発明は、前記供試ファイバ以外の、さまざまなファイバ径・画素数のイメージファイバに適用することが可能であり、特にファイバ径２００〜１５００μｍ、被覆径２４０〜２０００μｍ、画素数１６００〜７００００画素のイメージファイバに適しており、遮光性・強度ともに良好なポリイミド被覆イメージファイバを提供することができる。

本発明のポリイミド被覆イメージファイバの一実施形態を示す断面図である。 本発明のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法に好適な製造装置を例示する構成図である。 実施例で作製した供試ファイバの遮光性を評価するための実験系を示す構成図である。 実施例で作製した供試ファイバの平均破断強度と被覆中のカーボン粒度の関係を示すグラフである。 実施例で作製した供試ファイバの平均破断強度と被覆中のカーボン濃度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…ポリイミド被覆イメージファイバ、２…イメージサークル、３…ジャケット管、４…ポリイミド被覆層、５…画素、６…共通クラッド、７…母材、８…紡糸炉、９…ファイバ径測定器、１０，１４…コーティングポット、１１…ポリイミドワニス、１２，１５…架橋炉、１３，１６…被覆径測定器、１７…巻取リール、１８…供試ファイバ、１９…対物レンズ、２０…対象物、２１…ハロゲン光源、２２…ＣＣＤ、２３…接眼レンズ。

Claims (6)

1. 画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたことを特徴とするポリイミド被覆イメージファイバ。
2. 前記ポリイミド被覆層に含まれるカーボン粒子の粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のポリイミド被覆イメージファイバ。
3. 前記ポリイミド被覆層のカーボン粒子含有量が１．５質量％〜１５質量％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリイミド被覆イメージファイバ。
4. 画像伝送用のイメージファイバ上に、カーボン粒子を分散させたポリイミドワニスを塗布し、次いで該塗布層を３８０℃〜６００℃の温度で加熱してポリイミドを架橋せしめ、画像伝送用のイメージファイバ上にカーボン粒子を含む黒色のポリイミド被覆層が設けられたポリイミド被覆イメージファイバを得ることを特徴とするポリイミド被覆イメージファイバの製造方法。
5. 前記カーボン粒子の粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法。
6. 前記ポリイミド被覆層のカーボン粒子含有量が１．５質量％〜１５質量％の範囲であることを特徴とする請求項４又は５に記載のポリイミド被覆イメージファイバの製造方法。
   

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