JP2015132705A

JP2015132705A - 液体ライトガイドとその製造方法

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Publication number: JP2015132705A
Application number: JP2014003984A
Authority: JP
Inventors: 戸祐幸森; Yuko Morito
Original assignee: U Vix Corp
Current assignee: U Vix Corp
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-23

Abstract

【課題】サポートチューブの表面欠陥の影響を受けないようにクラッドをさらに薄膜化することにより、同等の光学性能を有しながら材料費をより低減する液体ライトガイドとその製造方法を提供する。
【解決手段】サポートチューブ２の中空部に面してクラッド層３が支持形成されると共に、中空部にコアとなる導光液４が充填され、その両端が透光性プラグ５で液密封止された液体ライトガイド１であって、サポートチューブ２とクラッド層３の中間に、クラッド層３を支持する１層以上のプライマー層６がコーティング形成され、各プライマー層６の屈折率は、導光液４の屈折率より低く、クラッド層３の屈折率より高く選定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、チューブの中空部にコアとなる導光液が充填された液体ライトガイドに関する。

液体ライトガイドは、例えば太陽光などの大光量の光を屋外から屋内に導くために使用され、最も基本的構成として、クラッドとしての光学的機能と、ライトガイドの機械強度を維持する構造体としての機能を併せ持つチューブに、コアとなる導光液が充填したものが知られている（特許文献１参照）。

図３はこのようなこの液体ライトガイド３１を示し、クラッド材で形成された中空チューブ３２内に、コアとなる導光液３３が充填され、チューブ３２の両端がガラス、石英などの透光性プラグ３４で液密に封止されている。
クラッド材としては、一般に低屈折率のフッ素樹脂アモルファス共重合体が用いられるが、極めて高価であるため、液体ライトガイドの価格も高価とならざるを得ない。

そこで、図４に示すように、ライトガイド４１のクラッドとしての光学的機能と、ライトガイドの機械強度を維持する構造体としての機能を分離し、構造体となるサポートチューブ４２の内面に、クラッドとしての光学的機能を有するクラッド層４３を形成し、その内部に導光液４４を充填し、両端を透光性プラグ４５で封止した液体ライトガイドが提案されている（特許文献２−５参照）。

この場合に、クラッド層４３を形成する方法として、特許文献２には、サポートチューブ４２となる樹脂材料とクラッド材料とを共押出ししたり、サポートチューブ４２の内面をクラッド材を溶かした有機溶剤溶液でコーティングする方法が開示されている。
しかし、クラッド材を共押出しする場合は、クラッド層４３の厚さは薄くても０.１ｍｍ程度になってしまうため、薄膜状の極めて薄いクラッド層を形成して低コスト化を図るためコーティング法が用いられる。

コーティング法によれば、μオーダーの薄膜を形成することができるので、クラッド材の使用量を大幅に減少することができる。また、サポートチューブ４２の屈折率に関係なく、クラッド層４３とコアとなる導光液４４の屈折率差によりライトガイドを構成することができるので、サポートチューブ４２に高価な材料を使用する必要がなく、材料費を抑えて安価な液体ライトガイドを製造することができる。

ただし、サポートチューブ４２は一般に樹脂製であるから、その内面には、製造時に表面欠陥やキズなどの不連続・不均一な部分が形成されやすく、このような表面欠陥を覆って内面を均一にするために、クラッド層４３の膜厚は、最低でも３〜５μｍの厚さで形成する必要がある。
したがって、サポートチューブ４２の表面欠陥の影響を排除して、ライトガイド４１の光学的性能を維持するためには、クラッド層４３の膜厚をこれ以上薄く形成することができない。

さらに、この種の液体ライトガイド４１を、太陽光導光器として使用する場合、太陽追尾装置によりライトガイド４１の光入射面が常に太陽を向くようにサポートチューブ４２を屈曲させて動かす必要があるため、使用期間が長くなると、経時的にサポートチューブ４２の内面にコーティングした薄膜状のクラッド層４３が剥がれやすいという問題があった。

特開平０８−１０１３１５号公報特開平０８−０９４８７２号公報特開平０７−２１８７４１号公報特表平０９−５０４１２１号公報特許第４２３４３２４号公報

そこで本発明は、サポートチューブの表面欠陥の影響を受けないようにクラッドをさらに薄膜化することにより、同等の光学性能を有しながら材料費をより低減することができるだけでなく、より好ましい態様として、液体ライトガイドを屈曲使用しても薄膜クラッドが剥落しにくい液体ライトガイドを提供することを課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、サポートチューブの中空部に面してクラッド層が支持形成されると共に、当該中空部にコアとなる導光液が充填され、その両端が透光性プラグで液密封止された液体ライトガイドにおいて、
前記サポートチューブとクラッド層の中間に、前記クラッド層を支持する１層以上のプライマー層がコーティング形成され、各プライマー層の屈折率は、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高く選定されたことを特徴とする。

本発明によれば、サポートチューブとクラッド層の間にプライマー層が形成されているので、最内面側にいままでより膜厚の薄いクラッド層を形成しても、プライマー層がサポートチューブの表面欠陥をカバーすることとなり、クラッド層がサポートチューブ内面の表面欠陥の影響を受けることがない。
また、プライマー層の屈折率は、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高く選定されているので、導光液に接するクラッド層の屈折率が最も低く、ライトガイドの光学的性質は、従来のものと同等に維持される。
したがって、同等の光学性能を有しながら、高価な材料を必要とするクラッド層を薄く形成することができ、ひいては、液体ライトガイドをより安価に製造できる。

また、サポートチューブとクラッド層の間に形成される少なくとも一のプライマー層の硬度を、クラッド層の硬度より低く選定すれば、当該プライマー層が緩衝層として機能するので、サポートチューブの変形によるせん断力が緩和されてクラッド層に伝わり、その結果、クラッド層がより剥がれにくくなるという効果がある。

本発明に係る液体ライトガイドの一例を示す説明図。本発明に係る液体ライトガイドの屈折率分布を示す模式図。従来の液体ライトガイドを示す説明図。従来の他の液体ライトガイドを示す説明図。

本発明は、サポートチューブの表面欠陥の影響を受けないようにクラッドをさらに薄膜化することにより、同等の光学性能を有しながら材料費をより低減するという課題を解決するために、サポートチューブの中空部に面してクラッド層が支持形成されると共に、当該中空部にコアとなる導光液が充填され、その両端が透光性プラグで液密封止された液体ライトガイドにおいて、サポートチューブとクラッド層の中間に、クラッド層を支持する１層以上のプライマー層をコーティング形成し、各プライマー層の屈折率を、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高く選定した。

本実施例による液体ライトガイド１は、サポートチューブ２の中空部に面してクラッド層３が支持形成されると共に、当該中空部にコアとなる導光液４が充填され、その両端が石英などの透光性プラグ５で液密封止されている。
また、サポートチューブ２とクラッド層３の中間に、クラッド層３を支持する１層以上のプライマー層６がコーティング形成され、プライマー層６の屈折率は、導光液４の屈折率より低く、クラッド層３の屈折率より高く選定されている。

導光液４としては、長期間変質しない化学的安定性の高いものが用いられ、例えば、リン酸ナトリウム水溶液（ＮａＨ_２ＰＯ_４）、リン酸カリウム水溶液（Ｋ₂ＨＰＯ₄）、塩化カルシウム水溶液（ＣａＣｌ）、ＰＣＴＦＥオイルなどが用いられる。
これらは、いずれも屈折率ｎ＝１.４０〜１.４２程度である。

また、クラッド層３は、導光液４より屈折率が低いのはもちろんのこと、導光液４と長期間接触しても変質しないように、耐薬品性、耐熱性、耐光性、耐候性に優れたものが望ましく、デュポン社のテフロンＡＦ（商品名）などのようなアモルファスフルオロポリマー（屈折率ｎ＝１.２９）や、メルク社のＳｉｏｓｏｌ（商品名）などのような低密度ＳｉＯ_２ゾルゲル材料（屈折率ｎ＝１.２２）を用いることもできる。

プライマー層６は、クラッド層３を形成しやすいようにクラッド層の材質に近いものが選ばれ、また、サポートチューブ２の内面側に付着し易いものが選定される。
クラッド層３としてフッ素系樹脂を用いる場合は、プライマー層６及びサポートチューブ２もフッ素系樹脂が好ましい。

サポートチューブ２は、例えば、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＴＦＢ（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）、ＰＦＥ（四フッ化エチレン−パーフロロアルコキシエチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロルトリフルオロエチレン）等を用いることができる。

また、プライマー層６は、その屈折率が、導光液４の屈折率より低く、クラッド層３の屈折率より高く選定され、ヘキサフロロアクリレートポリマー等のフッ化ウレタンアクリレート（屈折率ｎ＝１.３３）が用いられる。
例えば、ポリテック社のＭｙｐｏｌｙｍｅｒＭＹ−１３０シリーズ（屈折率ｎ＝１.３２−１.３３）、ファイバーオプティックセンター社のＡｎｇｓｔｒｏｍｌｉｎｋＡＬ−２２３３（屈折率ｎ＝１.３３）、オプティマックス社の９１３２（屈折率ｎ＝１.３２）を用いることができる。
このとき、クラッド層３との関係で、プライマー層６の硬度が、クラッド層３の硬度より低いことが望ましい。

次にその製造方法について説明する。
（１）サポートチューブ表面処理行程
まず、ＦＥＰ製のサポートチューブ２の内面を洗浄して乾燥させ、プラズマ処理により粗面加工する。

（２）プライマー層形成工程
屈折率が、導光液４の屈折率より低く、クラッド層３の屈折率より高くなるように選定された樹脂材料を溶かした溶液を塗布し、これを加熱乾燥する薄膜形成工程を繰り返し、１層以上のプライマー層６をコーティング形成する。
本例では、導光液４として、高純度（９９．９％以上）のリン酸ナトリウム水溶液（ＮａＨ_２ＰＯ_４：屈折率ｎ＝１.４０程度）を用い、クラッド層３を非晶質フッ素樹脂（ｎ＝１.２９）で形成するので、プライマー層６として、クラッド層３より硬度が低いフッ化ウレタンアクリレート（屈折率ｎ＝１.３３）を用いた（図２（ａ）参照）。
具体的には、フッ化ウレタンアクリレートの溶液中にサポートチューブ２を浸漬させ、当該チューブ２内に液膜を形成をした後、これを加熱乾燥させる１回の薄膜形成工程で、膜厚約１μのプライマー層が形成されるので、例えば設計値が２μであれば、薄膜形成工程を２回繰り返せばよい。

なお、必要があれば、異なる樹脂を用いて複数のプライマー層６ａ，６ｂを形成してもよい（図２（ｂ）参照）。
この場合に、各プライマー層６ａ，６ｂの屈折率は、内側に向かって段階的に低くなるようにその材料が選定される。

（３）クラッド層形成工程
プライマー層形成工程が終了した後、その最内面に、屈折率が導光液より低い樹脂材料を溶かした溶液を塗布し、これを加熱乾燥させる薄膜形成工程によりクラッド層３をコーティング形成する。
具体的には、プライマー層６が形成されたサポートチューブ２を、クラッド層３となる非晶質フッ素樹脂の溶液中に浸漬させ、当該チューブ２内にフッ素樹脂溶液の液膜を形成をした後、これを加熱乾燥させる１回の薄膜形成工程で、膜厚約１μのクラッド層３が形成されるので、例えば設計値が２μであれば、プライマー層形成工程同様、薄膜形成工程を２回繰り返せばよい。

（４）コア形成工程
最後に、サポートチューブ２の中空部に導光液を充填して、その両端を透光性プラグ５で液密封止する。
この場合、サポートチューブ２の一方の管端を透光性プラグ５で液密に封止した後、導光液４となるリン酸ナトリウム水溶液を充填して、脱気処理しながら他方の管端を透光性プラグ５で液密に封止して、液体ライトガイド１が完成する。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
本例の液体ライトガイド１によれば、サポートチューブ２とクラッド層３の間にプライマー層６が形成されているので、最内面側にいままでより膜厚の薄いクラッド層３を形成しても、プライマー層６がサポートチューブ２の表面欠陥をカバーすることとなり、クラッド層６がサポートチューブ２内面の表面欠陥の影響を受けることがない。

また、プライマー層６の屈折率は、導光液４の屈折率より低く、クラッド層３の屈折率より高く選定されているので、導光液４に接するクラッド層３の屈折率が最も低く、ライトガイドの光学的性質は、従来のものと同等に維持される。
したがって、同等の光学性能を有しながら、高価な材料を必要とするクラッド層３を薄く形成することができるので、液体ライトガイド１をより安価に製造できる。

さらに、フレキシブルなサポートチューブ３と、比較的硬いクラッド層３の間に形成される少なくとも一のプライマー層６の硬度が、クラッド層３の硬度より低く選定されているので、当該プライマー層６が緩衝層として機能し、サポートチューブ２の変形によるせん断力が緩和されてクラッド層６に伝わり、その結果、クラッド層６が剥がれにくくなるという効果もある。

本発明は、大光量の光を導く用途に使用され、特に、太陽光を屋外から屋内に導く液体ライトガイドの用途に適用し得る。

１液体ライトガイド
２サポートチューブ
３クラッド層
４導光液
５透光性プラグ
６プライマー層

Claims

サポートチューブの中空部に面してクラッド層が支持形成されると共に、当該中空部にコアとなる導光液が充填され、その両端が透光性プラグで液密封止された液体ライトガイドにおいて、
前記サポートチューブとクラッド層の中間に、前記クラッド層を支持する１層以上のプライマー層がコーティング形成され、各プライマー層の屈折率は、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高く選定されたことを特徴とする液体ライトガイド。
前記プライマー層の屈折率が、内側に向かって段階的に低く選定された請求項１記載の液体ライトガイド。
少なくとも一のプライマー層の硬度が、クラッド層の硬度より低く選定された請求項１又は２記載の液体ライトガイド。
サポートチューブの中空部に面してクラッド層が支持形成されると共に、当該中空部にコアとなる導光液が充填された液体ライトガイドの製造方法であって、
前記サポートチューブの内表面に、屈折率が、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高くなるように選定された樹脂材料を溶かした溶液を塗布し、これを加熱乾燥する薄膜形成工程を繰り返し、１層以上のプライマー層をコーティング形成するプライマー層形成工程と、
その最内面に、屈折率が導光液より低い樹脂材料を溶かした溶液を塗布し、これを加熱乾燥させる薄膜形成工程によりクラッド層をコーティング形成するクラッド層形成工程と、
サポートチューブの中空部に導光液を充填して、その両端を透光性プラグで液密封止するコア形成工程と、
を備えたことを特徴とする液体ライトガイドの製造方法。
前記プライマー層の屈折率が、内側に向かって段階的に低く選定された請求項４記載の液体ライトガイドの製造方法。
少なくとも一のプライマー層の硬度が、クラッド層の硬度より低く選定された請求項４又は５記載の液体ライトガイドの製造方法。