JP2007304121A - 固定部位付き照明用プラスチック光ファイバー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤によらない固定手段を備えた照明用プラスチック光ファイバーを提供する。
【解決手段】一端から入射された光を他端に向けて伝送可能な光透過性樹脂からなるコア材と、前記コア材の周囲を被覆している、前記コア材よりも屈折率が低いクラッド材とを含む照明用プラスチック光ファイバー1であって、熱成形により、軸方向の一部に窪み３を設けた照明用プラスチック光ファイバー１。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定部位付き照明用プラスチック光ファイバー及びその製造方法に関する。

照明用プラスチック光ファイバーは、直径が概して約１ｍｍ未満である光データ通信用プラスチック光ファイバーと異なり、直径約１ｍｍ以上で、通常、約２ｍｍ以上のファイバーである。また、照明用プラスチック光ファイバーは、通常、コアの長さ方向の少なくとも一端から入射された光を、コアの周面（すなわち、側面）と接するクラッドを通して漏光させる、いわゆる側面発光型光ファイバーである。側面発光型の照明用光ファイバーとしては、（１）コアの長さ方向に沿ってコアの周面の一部に密着した、ストライプ状の光拡散反射膜を有するタイプ、（２）コアの周面と接するクラッドが光散乱粒子を含有し、コアからクラッド内に漏れ出た光をクラッドが散乱し、漏光させるタイプ等が代表的である。

照明用プラスチック光ファイバーは、ファイバーの端末部に光源を固定したり、ファイバー自体をある位置に固定することが要求される。固定手段としては接着剤の使用などが考えられる。光ファイバーのクラッド部のためにはコアの屈折率よりも低い屈折率の材料を選択せねばならず、このような材料としては一般にフッ素系ポリマー材料が用いられている。しかし、フッ素系ポリマー材料は、接着剤による接着性が非常に低く、接着剤を固定手段として選択することはきわめて困難な場合が多い。このため、接着剤によらない、照明用プラスチック光ファイバーの固定手段を開発することが望まれている。

固定手段に関する技術ではないが、以下のとおりの従来技術が存在する。特許文献１（特開平１０−２６８１４６号公報）は、１つのプラスチック光ファイバーを光源と接続する場合において、接続部分にあたる光ファイバーの端部の径を光ファイバーの端部以外のファイバー部分の径よりも大きくし、また、光源の径よりも大きくことで、集光部品を用いることなく、光の漏れを防止しつつ、光源と光ファイバーとの接続をすることを提案している。

特許文献２（特開２０００−１８０６３８号公報）は、コアとクラッドからなり、コア断面形状が場所によって異なるプラスチック光ファイバーを開示している。特許文献２は、コア断面形状が矩形で、比較的に断面積が小さく、この部分が別個の支持部材によって支持されることも開示している。しかし、開示された光ファイバーは照明用プラスチック光ファイバーでなく、コア径が２００μｍ〜１ｍｍまでの光データ通信用光ファイバーに関するものである。

特開平１０−２６８１４６号公報 特開２０００−１８０６３８号公報

そこで、本発明の目的は、接着剤によらない固定手段を備えた照明用プラスチック光ファイバーを提供することである。

本発明は、１つの態様によると、（１）一端から入射された光を他端に向けて伝送可能な光透過性樹脂からなるコア材と、前記コア材の周囲を被覆している、前記コア材よりも屈折率が低いクラッド材とを含む照明用プラスチック光ファイバーであって、熱成形により、軸方向の一部に窪みを設けた照明用プラスチック光ファイバーを提供する。

本発明は、別の態様によると、（２）直径が２ｍｍ以上であり、かつ、窪み変形部の最小断面積が光ファイバーの変形前の断面積の８０％以上である、上記（１）記載の照明用プラスチック光ファイバーを提供する。なお、本明細書中において、用語「最小断面積」とは、光ファイバーの断面積のうち最小の断面積を意味する。

本発明は、さらに別の態様によると、（３）コア材のガラス転移温度（Ｔｇ）が３０℃以上である、上記（１）又は（２）記載の照明用プラスチック光ファイバーを提供する。

本発明は、さらに別の態様によると、（４）前記クラッド材はフッ素系ポリマーからなる、上記（１）〜（３）のいずれか１項記載の照明用プラスチック光ファイバーを提供する。

本発明は、さらに別の態様によると、（５）上記（１）〜（４）のいずれか１項記載の照明用プラスチック光ファイバーの製造方法であって、
一端から入射された光を他端に向けて伝送可能な光透過性樹脂からなるコア材と、前記コア材の周囲を被覆している、前記コア材よりも屈折率が低いクラッド材とを含む照明用プラスチック光ファイバーを用意し、
加熱状態において、前記光ファイバーの側面に圧力を加えることにより、窪みを設けることを含む、方法を提供する。

本発明によれば、光ファイバー端末部付近に窪みを設けることで、照明用光源を簡単かつ確実に光ファイバーに固定することができる。
光ファイバーを他の部材に固定する手段として、接着剤及び機械的な手段が必要ない。

光ファイバー
本発明の光ファイバーは、照明用プラスチック光ファイバーであり、光透過性のコアの外周面（周側面とも呼ばれる）と直接的に接するようにクラッドが配置される。

コアの屈折率は、通常、１．４〜２．０の範囲である。コアを形成する材料は、たとえば、ポリマーを含む光透過性材料である。コアの形態は、たとえば、ポリマー材料から形成された中実コア、可撓性プラスチックチューブの中にシリコーンジェル等の比較的高屈折率の液体を封入した液体封入型コアなどである。

コア
コアを形成するためのポリマーを含む光透過性材料として、アクリル系ポリマー、ポリメチルペンテン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル−塩化ビニル共重合体等が使用できる。コアを形成するためのポリマーは好ましくはメタクリルポリマーである。ポリマーの屈折率は通常１．４〜１．７、全光線透過率は通常８０％以上である。また、コア自体の耐熱性を高めるために、ポリマーを架橋することができる。

中実コアの製法を、アクリル系コアを例にして次に説明する。まず、コアの原料であるアクリルモノマー（混合物またはモノマー単体）を、長手方向に延び、少なくとも一端に開口部を有するチューブ状の反応容器（好ましくは、光ファイバーを構成する「クラッド」である。なお「クラッド」の製造については後述する）に充填する。次に、上記アクリルモノマーの反応が、その容器チューブの他端側から開口端に向けて順送りに生じるように、反応温度以上の温度にて、アクリルモノマーを順送りに加熱する。すなわち、加熱位置を他端側から開口端に向けて移動させる。反応は、アクリルモノマーと接触する加圧ガスにより、アクリルモノマーを加圧しながら行う。また、開口端までの加熱が完了した後、完全に反応を終了させるために、容器チューブ全体を数時間さらに加熱するのが好適である。

コアの原料となるアクリルモノマーは、好ましくは、得られるポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）が３０℃より高くなるようなモノマーの種類と量が選択される。ガラス転移温度（Ｔｇ）が３０℃未満であると、冷熱サイクル（たとえば、１００℃２４時間、−４０℃２４時間）の間にコアとクラッドの熱膨張係数の違いにより、特に、低温時にコアとクラッド間の界面剥離が発生し、発光が不均一になるからである。また、ガラス転移温度（Ｔｇ）が３０℃未満であると、周囲環境がこのガラス転移温度付近又はそれ以上に上昇することで、熱成形によって一旦設けた窪みが消失してしまうことがあるからである。一方、得られるポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）は、好ましくは、７５℃未満である。Ｔｇが７５℃より高いと、著しく曲げ弾性率が高くなり、可とう性が低くなるからである。具体的には、コアの原料となるモノマーは、（メタ）アクリレート（たとえば、ｎ−ブチルメタクリレート、メチルメタクリレート、メチルアクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、ｎ−プロピルメタクリレート、フェニルメタクリレートなど）から選択されて使用することができる。たとえば、ｎ−ブチルメタクリレート（ｎ−ＢＭＡ）とメチルメタクリレート（ＭＭＡ）との混合物は使用されてよく、ｎ−ＢＭＡ：ＭＭＡ＝８５／１５（Ｔｇ＝３０℃）〜３０／７０（Ｔｇ＝７５℃）は好ましい混合物である。なお、ガラス転移温度（Ｔｇ）は粘弾性試験機レオメトリクス社製ＲＳＡIIにて測定した。測定条件は圧縮（Compression）モードを用い、周波数１rad/s、昇温速度1℃/min.とした。尚、Ｔｇはtanδのピークの温度にて定義した。

また、架橋剤として、ジアリルフタレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート等の多官能性モノマーを上記混合物に添加することもできる。なお、用語「（メタ）アクリレート」とはアクリレート及び／又はメタクリレートを意味する。

アクリル系モノマーの加熱による重合には、ラウロイルパーオキサイドなどの過酸化物熱重合開始剤を用いることができる。

上記のようにして形成されたアクリル系コアは、コアの長さ方向一端から他端まで均一な重合体とすることができ、良好な光伝送性能と、コア自体の撓みに対する十分な機械的強度とを有する。

コアの幅方向（長さ方向と直交する方向）の断面形状は、本発明の効果を損なわない限り、特に限定されない。たとえば、円形、楕円形、半円形、半円より大きな面積の弓形等、コアの可撓性を維持可能な幾何学形状である。コアの直径は、幅方向の断面が円形である場合で、通常１ｍｍ以上であり、好適には２ｍｍ以上であり、通常、４０ｍｍ以下である。

クラッド
クラッドは、たとえば、樹脂ペレットを溶融成形して作製する。また、成形装置としては、たとえば、エクストルーダー等が使用できる。このようにして得られた中空のクラッドの中に、上述のとおり、コアの原料を注入し、重合させることで光ファイバーを製造することができる。なお、クラッドを構成するポリマーの溶融物と、コアを構成するポリマーの溶融物とを同時押出成形することで、光ファイバーを形成することもできる。

クラッドのための樹脂は、通常、コアを構成する光透過性材料の屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂材料であり、たとえば、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）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・フッ化ビニリデン共重合体（ＴＨＶ）が好適に用いられる。

また、側面発光型光ファイバーとするために、クラッドのための樹脂に、酸化チタン粒子や酸化亜鉛粒子などの無機粒子を分散させて形成することもできる。酸化チタン粒子や酸化亜鉛粒子などの無機粒子は、コアと、クラッドとの界面付近で光散乱を生じさせ、光ファイバーが側面から発光するように作用する。二酸化チタン光散乱粒子を用いる場合、クラッド材の重量を基準として、５０ｐｐｍ〜４０００ｐｐｍ含有することが好ましい。酸化亜鉛粒子は好ましくはクラッド材の重量を基準として０．１５〜３０重量％の量で含まれることが好ましい。粒子の量が多量でありすぎると、光の漏洩が過度に進み、側面全体に均一な発光を行うことができず、また、少量であると、発光輝度が低くなりすぎるからである。無機粒子は光散乱性能を維持するために、好ましくは０．１〜１０μｍの粒子径である。なお、「粒子径」は空気透過法により測定される平均粒子径である。光散乱無機粒子の他の例は、一般に、１．５〜３．０の範囲の屈折率を有する無機粒子であり、例えば、マグネシア、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、シリカ、タルク、珪灰石などの粒子が挙げられる。これらの光散乱粒子も酸化亜鉛粒子などと同様の粒子径を有し、一般に０．１〜１０μｍである。

なお、本発明の効果を損なわない限り、クラッドは上記材料の他、各種の添加剤を含むことができる。適当な添加剤としては、たとえば、架橋剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、界面活性剤、可塑剤、酸化防止剤、防黴剤、蓄光性材料、粘着剤、粘着付与剤等がある。

クラッドは、通常の側面発光型光ファイバーに用いられるクラッドの厚さであってよく、特に限定するものではないが、適切には、１００μｍ〜８００μｍであることができる。

熱成形
光ファイバーは加熱状態において、前記光ファイバーの側面に圧力を加え、窪みを設けることで製造される。図１は、光ファイバーの熱成形のようすを示す略図である。プラスチック光ファイバー１を用意し、たとえば、７０℃〜９０℃程度に加熱し、この加熱された状態で、プレス機の型押し部材２でプレスする。プレス機の型押し部材２は円形であってよく、型押し部材２をファイバー１に加圧しながら、ファイバー１の中心を軸としてファイバー１を回転させると、ファイバー１の周囲にわたってくぼみ３を形成したファイバー１を得ることができる（図２を参照）。次いで、装飾品４をファイバー１に装着し、光源６を備えた光源ユニット５をファイバー１に装着すると、照明装置７が得られる（図３を参照）。
熱成形により光ファイバーの断面積が小さくなり、光ファイバーによって伝わる光量が減少してしまうが、その光損失は成形前に比べて２０％以下であることが好ましい。

上記の側面発光用途の場合、クラッドによって被覆されたコアの長さは、通常０．１〜５０ｍ、好適には０．２〜３０ｍ、特に好適には０．３〜１５ｍの範囲である。０．１ｍ未満であると、ライン状発光装置には適さないおそれがあり、反対に５０ｍを超えると、ファイバーの全長に亙る輝度の均一性が低下するおそれがある。光源には、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、発光ダイオード、蛍光燈等の通常のものが使用できる。光源の消費電力は、通常０．０５〜３００Ｗである。

実施例１
光ファイバーの製造
押出機にデュポン社製の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、ＦＥＰ１００Ｊ（商品名）を投入し、所定のダイをとおして押出成形することで、約７．８ｍｍの外径、コア径７．２ｍｍの管状クラッド材を得た。

次に、コア材を作製するために、６０重量部のｎ−ブチルメタクリレート及び４０重量部のメチルメタクリレートからなるモノマーと、１重量部のジメタクリル酸トリエチレングリコール架橋性モノマーを混合して、モノマーの混合液を調製した。その後、この混合液に、１．０重量部のラウロイルパーオキサイドを熱重合開始剤として加え、コア前駆体を調製した。

前述の管状クラッド材の一端からコア前駆体を注入した後に、一端を封止し、他端から窒素で加圧しながら、封止した一端から順次水槽中で加熱重合して、光ファイバーが得られた。このコア材のガラス転移温度（Tg）は、粘弾性試験機レオメトリクス社製ＲＳＡIIにて測定した。測定条件は圧縮（Compression）モードを用い、周波数１rad/s、昇温速度1℃/min.とした。尚、Ｔｇはtanδのピークの温度にて定義した。その結果、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４９℃であった。
この光ファイバーの仕上がり外径は７．８ｍｍであり、クラッド材の厚さは０．２ｍｍであった。

この光ファイバーを５０ｃｍにカットし、８０℃の温水中に１０分間入れ、それを取り出して速やかにプレス機にセットし、プレス機の型押し部材でプレスしながらファイバーを回転させた。これにより、ファイバーの外周にわたって深さ０．３５ｍｍの窪み（半円状窪み）を設けた光ファイバーを得た。最小断面積は８３％（＝（７．１ｍｍ/２）^２／（７．８ｍｍ/２）^２＊１００）であった。この光ファイバーに図３に示すような光源ユニットを装着し、光を伝送した。ルーメン計 ＦＬＭＳ−２００Ｐ（米国 Labsphere社製）によって、窪みを通過した後の光量を測定したところ、光損失はプレス前に対して１４％であった。

比較例１
実施例１と同様の方法で得られたファイバーを、８０℃に加熱することなく、熱成形を試みたが、樹脂が硬すぎて十分な窪みを形成することができなかった。

参考例
窪みを０．５ｍｍ（＝（６．８ｍｍ/２）^２／（７．８ｍｍ/２）^２＊１００＝７６％）とする以外は、実施例１と同様に光ファイバーを形成した。このときの最小断面積は７６％であった。この光ファイバーに図３に示すような光源ユニットを装着し、光を伝送した。ルーメン計 ＦＬＭＳ−２００Ｐ（米国 Labsphere社製）によって、窪みを通過した後の光量を測定したところ、光損失はプレス前に対して２１％となった。このため、窪みの深さは、プレス後の断面積／プレス前の断面積＝８０％以上となるようにすることが望ましいことが判る。

光ファイバーの熱成形のようすを示す略図である。 窪みを形成したプラスチック光ファイバーの上面図を示す。 本発明のプラスチック光ファイバーを用いた照明装置の略図を示す。

符号の説明

１ ファイバー
２ 型押し部材
３ 窪み
４ 装飾品
５ 光源ユニット
６ 光源
７ 照明装置

Claims (5)

1. 一端から入射された光を他端に向けて伝送可能な光透過性樹脂からなるコア材と、前記コア材の周囲を被覆している、前記コア材よりも屈折率が低いクラッド材とを含む照明用プラスチック光ファイバーであって、熱成形により、軸方向の一部に窪みを設けた照明用プラスチック光ファイバー。
2. 直径が２ｍｍ以上であり、かつ、窪み変形部の最小断面積が光ファイバーの変形前の断面積８０％以上である、請求項１記載の照明用プラスチック光ファイバー。
3. コア材のガラス転移温度（Ｔｇ）が３０℃以上である、請求項１又は２記載の照明用プラスチック光ファイバー。
4. 前記クラッド材はフッ素系ポリマーからなる、請求項１〜３のいずれか１項記載の照明用プラスチック光ファイバー。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の照明用プラスチック光ファイバーの製造方法であって、
   一端から入射された光を他端に向けて伝送可能な光透過性樹脂からなるコア材と、前記コア材の周囲を被覆している、前記コア材よりも屈折率が低いクラッド材とを含む照明用プラスチック光ファイバーを用意し、
   加熱状態において、前記光ファイバーの側面に圧力を加えることにより、窪みを設けることを含む、方法。

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