JP2012523578A - 固体コア光ファイバ心線 - Google Patents
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Abstract
本発明は、光導波路技術で光信号を伝送するために使用され、かつ、照明の目的で光を伝送するためにも使用される固体コア光ファイバ心線（１）に関する。固体コア光ファイバ心線（１）は、被覆（３）を有するガラスファイバ（２）を有する。被覆（３）は、ポリエーテルエーテルケトンと、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有する。被覆（３）の外径は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆（３）の外径Ｄとガラスファイバ（２）の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは２〜６である。ガラスファイバ（２）への被覆（３）の圧力は、ガラスファイバ（２）と被覆（３）との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。
【選択図】図１ａ
【選択図】図１ａ
Description
本発明は、光導波路技術において、光信号を伝送するために使用され、かつ、例えば最小侵襲外科手術といった医療分野でも照明または処置の目的で光を伝送するためにも使用される固体コア光ファイバ心線に関する。
光導波路は、以下においてファイバと称されるガラスまたはプラスチック製の光伝送媒体を有する。ファイバを保護するために、ファイバは、材料および構造をファイバの保護要求に適合させた被包を備えている。例えば欧州特許第１４５６７０４号（Ｂ１）に記載されている固体コア光ファイバ心線では、被包がファイバの被膜（いわゆるコーティング）に直接被着される。これには押出し法が導入されている。欧州特許第１４５６７０４号（Ｂ１）に記載されている固体コアファイバ心線の構造は、被包がファイバ上を滑動することを出発点としている。このために、被包には、この滑動特性をもたらす、例えば滑石、またはテフロンの中間層などの成分が添加される。
しかし、被包内でのファイバの滑動が望ましくない用途もある。例えば独国特許第１０２００４０４５７７５号（Ｂ４）には、特に車両のエンジンルーム内で生じるような温度変動時に被包がファイバに対して変位し、すなわち、ファイバと被包との間の相対運動が生じることが記載されている。その原因は、ファイバ材料と被包の材料の膨張係数が異なることである。この現象は「ピストニング」と称され、信号伝送の品質に悪影響を及ぼすが、それは、被包に対するファイバの変位により、結合箇所においてファイバ端部が剥離してしまうからである。そのため、ピストニングを回避するための提案が多数なされており、これらは、独国特許出願公開第１９９１４７４３号（Ａ１）、特開平０４−１２７１０７号、欧州特許ドイツ語翻訳第６０１０４４９７号（Ｔ２）、国際公開第００／６０３８２号、韓国特許出願公開第１０２００１０１１３７１７号（Ａ）、欧州特許出願公開第１１７４７４６号（Ａ１）、または独国特許出願公開第１００４４５８５号（Ａ１）に記載されている。
ピストニングは、固体コアファイバ心線が曲げられても生じるが、それは、被包の材料が曲率半径の外側で伸長し、内側で圧縮されるので、ファイバ表面と被包の内側との間にせん断力が発生し、被包に対するファイバの変位がもたらされるからである。スティックスリップ現象により、ファイバの光学特性に悪影響を及ぼす可能性のある力学的応力が増加し得る。
したがって、本発明の課題は、ピストニング現象が僅少であるか、好ましくは生じない固体コア光ファイバ心線を提供することにより、この固体コアファイバ心線が温度変動および強度の力学的変形にさらされることがあっても、光ファイバの伝送品質に悪影響が及ぼされないようにすることである。本発明の別の課題は、このような固体コア光ファイバ心線を製造する方法を提供することである。
上記課題は、請求項１の固体コア光ファイバ心線および請求項１０の製造方法により解決される。
請求項１によると、固体コア光ファイバ心線は、被覆を有するガラスファイバを備え、ここで、被覆がポリエーテルエーテルケトンと、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有する。被覆の外径は、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆の外径Ｄとガラスファイバの直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、２〜６である。ガラスファイバへの被覆の圧力は、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。
本発明に係る固体コア光ファイバ心線は、必要な光学的特性を維持しながら、非常に良好な力学的特性を有している。固体コアファイバ心線では、たとえファイバ長に沿って温度分布の差があっても、検出可能なピストニング現象は生じない。さらに、固体コアファイバ心線が複数回にわたって異なった方向に曲げられた場合でもピストニング現象が現れることはない。
追加すべき有利な点として、可逆的な高可塑性がある。固体コアファイバ心線は、例えば９０度に曲げた状態で保たれる。最小半径を維持しながら結び目を作ることさえ可能である。この結び目は、再び解くこともでき、光学的パラメータを損なうことなく固体コアファイバ心線を再び直線状にすることができる。こうした高い可塑性は、従来技術から公知の固体コアファイバ心線と比較しても知られておらず、固体コアファイバ心線が、例えば、車両のエンジンルーム内のかなり曲がり角の多い内壁に敷設されるべき場合、または多数の固体コアファイバ心線をつないでケーブルハーネスにしなければならない場合等には特に重要である。固体コアファイバ心線が固定バンドに結び合わせられなくても、編むか、または撚ることによりケーブルハーネスを自律的に安定させられる。例えば、非常に小さい範囲を照らし出すか、または処置するために必要な場合など、固体コアファイバ心線は、医療分野でも使用することができる。可塑性にもとづいて、固体コアファイバ心線の端部を曲げることができるので、医療処置される部分にうまく到達させることができる。
請求項２によると、ガラスファイバへの被覆の圧力は、少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２である。このような圧力では、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない。したがって、温度変動時も力学的変形時もピストニング現象は現れない。
請求項３によると、ガラスファイバは、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜を備えたガラスコアを有する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）の被膜またはコーティングは、固体コア光ファイバ心線を製造する際にガラスファイバに被覆を押出しする作業を行うのに十分な化学的安定性を有する。通常典型的に使用されるアクリル酸およびポリイミドのコーティングではそうはならない。
請求項４によると、無機充填材は、ケイ酸塩であり、請求項５によると、無機充填材は、層状ケイ酸塩であり、請求項６によると、無機充填材は、滑石、白墨、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである。上述の充填材は、上記で説明した本発明に係る固体コア光ファイバ心線の特性を可能にすることができ、すなわち検出できるピストニング現象が生じず、高可塑性が生じる。
請求項７によると、無機充填材の添加混合は、少なくとも２５重量パーセント、および最大４０重量パーセントである。このことにより、塑性特性のさらなる改善を達成することができる。
請求項８によると、無機充填材の添加混合は、少なくとも２７重量パーセント、および最大３３重量パーセントである。こうして、塑性特性のなおもさらなる改善を達成することができる。
請求項９によると、粒径は、少なくとも０．１μｍ、および最大１０μｍである。この粒径は、被覆とガラスファイバとの良好な接続を可能にする。
請求項１０によると、固体コア光ファイバ心線を製造する方法は、ガラスファイバを提供するステップと、ガラスファイバに被覆を押出すステップとを包含する。ここで、被覆は、次の組成物、すなわち、ポリエーテルエーテルケトンと、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有する。被覆の外径は、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆の外径Ｄとガラスファイバの直径ｄとの比率Ｄ／ｄは２〜６である。製造後のガラスファイバへの被覆の圧力は、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。
本発明に係る方法で製造された固体コア光ファイバ心線は、上記に詳述したように、必要な光学的特性を維持しながら、非常に良好な力学的特性を有し、検出できるピストニング現象を有することなく、高可塑性を有する。
請求項１１によると、押出成形のパラメータは、製造後のガラスファイバへの被覆の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２であるように選定される。このような圧力では、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない。したがって、温度変動時も力学的変形時もピストニング現象は現れない。
請求項１２によると、ガラスファイバを提供するステップは、ガラスコアを提供するステップと、ガラスコアにＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜を被せるステップとを包含する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）製の被膜もしくはコーティングは、固体コア光ファイバ心線を製造する際にガラスファイバに被覆を押出しする作業を行うのに十分な化学的安定性を有する。通常典型的に使用されるアクリル酸およびポリイミド製のコーティングではそうはならない。
請求項１３によると、無機充填材はケイ酸塩であり、請求項１４によると、無機充填材は層状ケイ酸塩であり、請求項１５によると、無機充填材は、滑石、白墨、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである。上述の充填材は、上記で説明した本発明に係る固体コア光ファイバ心線の特性を可能にすることができ、すなわち、検出できるピストニング現象を有することなく、高可塑性を有する。
以下、本発明を模式図と関連付けた実施形態をもとにして詳細に説明する。
図１ａは、実施形態の固体コア光ファイバ心線１の縦断面の拡大図を示す。参照符号２でガラスファイバが、参照符号３で被包もしくは被覆が示される。図１ｂは、これに関する横断面を示す。
被覆３は、ポリエーテルエーテルケトンと、例えば、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有してもよい。以下において、ポリエーテルエーテルケトンはＰＥＥＫと称され、ＰＥＥＫと無機充填材との混合物はＰＥＥＫＦと称される。
無機充填材は、例えば、滑石（ケイ酸マグネシウム水和物、Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）、白墨、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、またはベントナイト（主成分（６０〜８０％）モンモリロン石（層状アルミニウムケイ酸塩、Ａｌ２［（ＯＨ）２／Ｓｉ４Ｏ１０］ｎＨ２Ｏ））、石英（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ガラス微小中空球、沈降ケイ酸、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、または酸化チタン（ＴｉＯ２）であってもよい。
ガラスファイバ２は、ガラスコア４とコーティングもしくは被膜５を有してもよい。被膜５の材料は、例えばＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）、すなわち無機・有機ハイブリッドポリマーであってもよい。
被覆３の外径Ｄは、例えば０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであってもよい。被覆３の外径Ｄとガラスファイバ２の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、例えば２〜６であってもよい。この実施形態では、ガラスファイバの直径ｄが０．１８５ｍｍであり、被覆の外径Ｄは０．６ｍｍである。
ガラスファイバ２への被覆３の圧力により、ガラスファイバ２と被覆３との間の相対運動を実質的に生じさせず、したがってピストニング現象も生じさせないようにすることが可能である。この場合、ガラスファイバ２への被覆３の圧力は、例えば１２０Ｎ／ｍｍ２〜２１６Ｎ／ｍｍ２であってよい。
無機充填材が配置された被覆３は、固体コア光ファイバ心線１の製造時に、押出し法でガラスファイバ２に被着される。ＰＥＥＫＦの融点が３７０℃を超えるので、押出し加工は高温で行われる。ゆっくりと冷却すると、ＰＥＥＫＦが凝固し始める境界温度から、冷却による温度低下に伴って、ガラスファイバ２の材料と被覆３の材料の膨張の差による圧力が発生する。例えば、ガラスの膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋであり、ＰＥＥＫＦの膨張係数は２５ｐｐｍ／Ｋであるとすると、この場合、差分は２４．５ｐｐｍ／Ｋになる。ＰＥＥＫＦが凝固し始める境界温度は、約１７０℃であり得る。そこで、例えば、約１７０℃から約２０℃に冷却する場合、例示的計算は次のとおりである：１５０Ｋ×２４．５ｐｐｍ／Ｋ。
したがって、ガラスファイバ２の材料と被覆３の材料の膨張の差が、被覆３とガラスファイバ２との結合をもたらす収縮プロセスを引き起こす。その際、押出成形の特定のパラメータと被覆材料ＰＥＥＫＦの特定の組成とによって、被覆３はガラスファイバ２に強固に圧着（ｆｅｓｔｋｒａｌｌｅｎ）される。
図２は、実施形態の固体コア光ファイバ心線１の第１応用例を示す。この応用例では、固体コア光ファイバ心線１が曲り角の多い土台４に敷設されている。固体コア光ファイバ心線１は、その可塑性にもとづいて、事前にこの形態に成形することができるので、固体コア光ファイバ心線１の敷設は比較的容易である。例えば３０℃の温度差であっても、図２に示されるように、固体コア光ファイバ心線１の光学的および塑性的特性が損なわれることはない。
図３は、実施形態の固体コア光ファイバ心線１の第２応用例を示す。この応用例では、固体コア光ファイバ心線１が、医療用の照明のために使用される。固体コアファイバ心線１の端部１ａは、事前に曲げられており、例えば細い血管内にうまく挿入することができる。
図４ａ、ｂは、実施形態の固体コア光ファイバ心線１の可塑性の例を示す。これらの例では、固体コア光ファイバ心線１の外径Ｄが０．７ｍｍであり、ガラスファイバ２の直径は０．１８５ｍｍである。この寸法では、固体コア光ファイバ心線１は、図４ａに示されるように、最小直径２０ｍｍの円形に変形した状態で保たれ、次に図４ｂに示されるように再び伸展される。さらに、固体コア光ファイバ心線１は、２ｍｍの最小半径で９０度変形された状態で保たれ、次に再び直線状にされる。
当業者にとっては、これらの特殊な塑性特性には多数の他の用途があることが自明である。
図５は、実施形態の光固体コアファイバ心線１を製造する方法の基本的ステップを具体的に説明するフローチャートである。ステップＳ１において、ガラスコア４が提供される。ステップＳ２において、ガラスコア４が被膜５で被覆される。ステップＳ１およびＳ２は、共に、ガラスファイバ２を提供するステップをなす。ステップＳ３において、ガラスファイバ２上に被覆３が押し出される。
実施形態の固体コア光ファイバ心線１を製造する方法において、押出成形のパラメータは、製造後のガラスファイバ２への被覆３の圧力が、ガラスファイバ２と被覆３との間の相対運動が実質的に生じず、したがって、ピストニング現象も現れ得ないような圧力であるように選定されてよい。この場合、ガラスファイバ２への被覆３の圧力は、例えば、１２０Ｎ／ｍｍ２〜２１６Ｎ／ｍｍ２であってもよい。
Claims (15)
- 被覆（３）を有するガラスファイバ（２）を有する固体コア光ファイバ心線（１）であって、
・ 前記被覆（３）が、ポリエーテルエーテルケトンと、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有し、
・ 前記被覆（３）の外径は、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであり、
・ 前記被覆（３）の外径Ｄと前記ガラスファイバ（２）の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、２〜６であり、かつ
・ 前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、前記ガラスファイバ（２）と前記被覆（３）との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である、固体コア光ファイバ心線。 - 前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２である、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記ガラスファイバ（２）は、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜を有するガラスコア（４）を有する、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記無機充填材は、ケイ酸塩である、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記無機充填材は、層状ケイ酸塩である、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記無機充填材は、滑石、白墨、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記無機充填材の添加混合は、少なくとも２５重量パーセント、および最大４０重量パーセントである、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記無機充填材の添加混合は、少なくとも２７重量パーセント、および最大３３重量パーセントである、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 前記粒径は、少なくとも０．１μｍ、および最大１０μｍである、請求項１に記載の固体コア光ファイバ心線（１）。
- 固体コア光ファイバ心線（１）を製造する方法であって、
・ ガラスファイバ（２）を提供するステップ（Ｓ１、Ｓ２）と、
・ 前記ガラスファイバ（２）に被覆（３）を押出すステップ（Ｓ３）とを包含し、ここで、
・ 前記被覆が、ポリエーテルエーテルケトンと、０．０８μｍ〜１２μｍの粒径で、少なくとも１０重量パーセント、および最大４０重量パーセント添加混合される無機充填材との混合物を有し、
・ 前記被覆（３）の外径は、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであり、
・ 前記被覆（３）の外径Ｄと前記ガラスファイバ（２）の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、２〜６であり、
・ 前記方法の終了後、前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、前記ガラスファイバ（２）と前記被覆（３）との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である、方法。 - 前記押出成形のパラメータは、前記方法の終了後、前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２であるように選定される、請求項１０に記載の方法。
- 前記ガラスファイバ（２）を提供するステップは、ガラスコア（４）を提供するステップ（Ｓ１）と、前記ガラスコア（４）をＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜（５）で被覆するステップとを包含する、請求項１０に記載の方法。
- 前記無機充填材は、ケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
- 前記無機充填材は、層状ケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
- 前記無機充填材は、滑石、白墨、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである、請求項１０に記載の方法。
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