JP2521710B2

JP2521710B2 - 光伝送ホ−ス

Info

Publication number: JP2521710B2
Application number: JP61072494A
Authority: JP
Inventors: 公一石見; 壽夫内藤; 壽男本田
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1986-04-01
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JPS62231904A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光伝送用ホースに関するものであり、更に言
えば、大容量光・中距離伝送用に適した口径の大きなホ
ースを提供するものである。

（従来の技術）異なる屈折率の２種の物質の界面における全反射を利
用して、光を伝送するシステムは、光通信用途、内視鏡
等のイメージガイドや紫外・可視・赤外各種波長光のラ
イトガイド等として産業分野や医療分野等で、広く利用
されている。

光の伝送形態面から、これらの特徴をみた場合、光通
信用途は微弱容量光の長距離伝送、イメージガイドとラ
イトガイドは、小〜中容量光の短距離伝送としてそれぞ
れ分類されている。

最近これら従来のタイプ方式とは異なる光伝送方式
が、海洋の豊度化を狙いとした海洋牧場構想や都心の生
活環境のより一層の快適化を目的としたマンション等の
住宅関連における光利用システム構想等において必要と
なってきている。

ここで必要とされる伝送距離は30m〜100mと中距離で
あり、また必要とされる伝送光量は極めて大きい容量で
ある。

この観点からこの種の光伝送方式は大容量光・中距離
伝送方式と呼ばれるもので、従来の光伝送方式とは全く
異なるタイプのものである。

この大容量光・中距離伝送方式の満たすべき具体的要
件は、経済的に大容量の光伝送が可能であり、かつ伝送
距離約30mにおける光の減衰割合が、入射光の1/1〜1/50
であることの２点に要約される。

（本発明が解決しようとする問題点）従来の光伝送システムとしては、石英ファイバー系、
光学硝子系、プラスチックファイバー系と液体系が公知
であるがこの観点からみた場合、残念ながら満足すべき
系は現在まだ見出されていない。

即ち、石英ファイバー系は優れた特性は有するものの
可撓性には限界があり、又大容量光伝送のための大口径
化には、直径10〜200μ程度のファイバーを多数束ねる
必要がある。また如何に高密度に束ねてもファイバー間
には空隙が残るので光伝送効率が悪いことは言うまでも
ない。また石英系ファイバー系は比較的高価であり比重
も高いのでコスト面での難点がある。加えて特性面では
石英ファイバー系は長波長赤外域（2.5μ以上）では10³
dB/km以上の高損失を示し、この波長領域では光伝送体
としての価値は低い。またプラスチックファイバー系は
石英ファイバー系に比較し柔軟性であることやより安価
なため、短距離通信、ディスプレーやファイバースコー
プ等に応用されているが、反面耐熱性や光の伝送効率が
石英系に比べて大幅に劣る。加えて大口径化にあたり、
多数のファイバーを束ねる必要性がある点では石英ファ
イバー系と何等変りがない。

光学硝子系は安価なライトガイドとしてのメリットは
あるが伝送損失が大きいため、短距離伝送用途に限定さ
れるばかりでなく、大口径化にあたり多数のファイバー
を束ねる必要がある点では前２者のタイプと全く同様の
欠点を有している。

液体系は中空のチューブ内に液体を充填したシステム
であり、大口径化は容易であり、この特徴を生かして紫
外線硬化型の樹脂を硬化させるための紫外光のガイドと
して利用されているが、従来のものは光の伝送損失が大
きく、短距離伝送用に使用が限定されているのが現状で
ある。

（問題点を解決するための手段）上記の観点から、本発明者等は、鋭意研究の結果、常
温で液状の物質を光伝送用媒体とし、これを封入するた
めの一本のホースとから構成した光伝送体において、該
ホースを大口径でかつ特定材料とし、しかもホース内壁
面の表面粗さが、光の伝送効率に大きい効果があること
を突き止め、本発明を完成するに至った。即ち、本発明
は常温で液状の物質を光伝送媒体とし、該媒体と、これ
を封入するための一本のホースとから構成した光伝送ホ
ースにおいて、前記ホースは弗素含有ポリマー及びシリ
コーン系ポリマーから選択される可撓性材料よりなり、
内壁面の表面粗さ（Ｒ_a表示）が0.030μ以下としたこと
を特徴とする光伝送ホースに関するもので、通常、当該
ホースの口径5mmφ以上のものである。

以下に本発明による光伝送ホースについて実施例と図
面を参照して詳細に説明する。

本発明による光伝送ホースを図１に模式的に示した。
図１において１は口径の大きな封入ホース本体、２は封
入ホースの内壁、３は封入ホースの外壁、４は保護被覆
層、５は光伝送媒体、６は末端封止栓、７は末端封止栓
の内壁、８は末端封止栓の外壁、９は保護口金である。

光伝送媒体５を保持する封入ホース本体１は通常使用
時には、従来のように束ねる必要はなく一本で用いら
れ、このホースの材料は伝送光の波長に対するその屈折
率ｎ₂が媒体の屈折率ｎ₁より小さいことが望ましい。た
だこのことは必ずしも封入ホース１の全厚さ方向にわた
って必要ではなく、光伝送媒体５に接する内壁２の性質
が特に重要な因子として作用する。

封入ホース１の材質としては、可撓性を有しかつ、後
述の実施例で記すように口径5mm或いはそれ以上の大き
な口径のチューブ状に成型可能な熱可塑性樹脂やエラス
トマーが特に好ましく、シリコーンゴム、ポリジメチル
シロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ弗化ビ
ニル、ポリ弗化ビニリデン、ポリトリフロロエチレン、
ポリクロルトリフロロエチレン、四弗化エチレン−六弗
化プロピレン共重合体、四弗化エチレン−パーフルオロ
アルコキシエチレン共重合体、四弗化エチレン−エチレ
ン共重合体、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロ
プロピレン共重合体等が挙げられ、中でも低屈折率のも
のがより好ましい材料であり、この点では高弗素含有率
のポリマーやシリコーン系ポリマーが特に優れている。
これらのポリマーは、単体又はブレンド物として用いら
れる。また伝送媒体に接する表面のみを処理したものが
用いられる。

本発明者等は伝送媒体の封入パイプの内壁２につき本
発明の急所の一つである重要な発見に到達した。即ち触
針式表面粗さ計で測定した内壁の表面粗さをＲ_a表示で
0.030μ以下とすることにより我々の目的とする中距離
伝送が可能であることを見出した。

ここでいうＲ_a値とは汎く使用されている表面粗さの
表示法で、波形の中心線から測定した波形プロフィール
の偏差値の幾可平均である。我々はこの測定をTAYLOR-H
OBSON社の触針式表面粗さ計により行った。

次に被覆層４は用途によっては不要であるが、外傷や
高温・高湿からの保護やホースの曲げによるキンク防止
等の目的で設けられる。例示としては、金属・プラスチ
ック蛇腹管、ラセン状スプリング、カーボンファイバ
ー、有機や無機繊維の織物、例えば、レーヨン、ナイロ
ン、ビニロン、ポリエステル、石綿、グラス等のスパイ
ラル巻き、補強層入りゴム、プラスチック等の手段が講
じられる。

なお図１で示されなかったが、内管材を２重管又は多
重管とし、これを単独又は上記の被覆層との組み合わせ
で使用することも可能である。

２重管の外管部の材質としてはプラスチックスやエラ
ストマーが一般には用いられる。

次に光伝送媒体５について説明する。

均質で、かつ不純物を可及的に含まない伝送媒体にお
いては、各媒体は光の波長に対し、それぞれ特有の易透
過性波長領域を有している。即ち、媒体の種類によりこ
の易透過性波長領域の狭いものもあるし、また広いもの
もある。どの種類の伝送媒体を採用するかは、使用目的
に応じて決める必要がある。

本発明に用いられる光伝送媒体としては、使用温度下
で液体（１〜10⁸センチポアズ）であればよい。その具
体例としては、無機塩の水溶液、エチレングリコールや
グリセリン等の多価アルコール、ジメチルシロキサンを
はじめとするシリコーン油、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、ハロゲン化炭化水素
やポリマーを適当な溶媒で希釈したポリマー溶液があげ
られる。特に広い易透過性波長領域範囲を必要とする場
合には炭素とハロゲン元素又はこれに更に酸素を含有し
ている一般式（Ｉ）〜（XIV）で示される化合物が適し
ている。

一般式（Ｉ）〜（VI）において、Ｘ₁〜Ｘ₈はすべて同
種又は異種のハロゲン元素であってもよく、また一部が
他の元素や置換基、例えば水素、アルキル基やアルコキ
シ基等で置換されたものであってもよい。この具体例と
してはジクロロメタン、トリブロモモノフロロメタン、
ジブロモモノフロロメタン、テトラクロロ−1,2−ジフ
ロロエタン、1,1,2−トリクロロトリフロロエタン、1,
1,1−トリクロロトリフロロエタン、1,1,1,2−テトラク
ロロモノフロロエタン、1,2−ジクロロ−1,2−ジフロロ
エタン、１−クロロ−2,2ジフロロエタン、1,1−ジクロ
ロジフロロエチレン、1,1,2,2−テトラクロロテトラク
ロロシクロブタンや1,2,2−トリクロロ−3,3,4,4−テト
ラフロロシクロブタン等をあげることができる。

また、テトラフロロエチレンの多量体、ヘキサフロロ
プロピレンの多量体や下記の一般式（VII）〜（XIV）で
示される重合体があげられる。

一般式（VII）〜（XIV）において、Ｘ₁〜Ｘ₁₄はすべ
て同種又は異種のハロゲン元素であってもよく、また一
部が他の元素や置換基、例えば、水素、水酸基、アルキ
ル基、フェニル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エ
ステル基やアミド基等で置換されていてもよい。なおＹ
は二価の元素で例えば酸素、硫黄を示す。またＺは二価
の基を示し、アルキル基、フェニル基や多環式炭化水素
基等の二価の残基を示す。ｎ₁〜ｎ₁₀は任意の正の整数
を示す。その具体例としては三弗化−塩化エチレン重合
体、二弗化塩化エチレン重合体、1,1−二弗化エチレン
重合体、1,2−二弗化エチレン重合体、一弗化エチレン
重合体、六弗化プロピレン重合体やパーフルオロアルキ
ルポリエーテル等があげられる。

また、これら重合体の混合物でもよいし、上記重合体
のベースモノマーの共重合体でもよい。また上述の物質
群において水素の一部又は全部が重水素で置換されてい
てもよい。

我々はこれら光伝送媒体に対し光学的純度指数という
尺度を導入規定した。即ちゴミや埃を含む低純度の伝送
媒体においては、これらゴミや埃が光の散乱点となり伝
送効率を低下させることは周知である。然しながらある
種の媒体においては高精度の濾過技術によってもその見
掛上の透明感にも拘らず光伝送損失が極めて大きいこと
を突き止めた。

なお、この種の伝送媒体では、液体の側面より、出力
1mWのHe/Neレーザー光を入射したときに、ゴミや埃と同
様な散乱点を有していることが判った。

また一方、伝送効率の良好な伝送媒体ではこの様な散
乱点は極めて微少であることも明かになった。

これらの知見をベースに検討を重ねた結果光学的純度
指数が0.6以上であることが光伝送媒体として特に好ま
しいことを見出した。

ここで光学的純度指数とは、出力1mWのHe/Neレーザー
光を媒体の側面から入射し、光路中に認められる輝点を
写真撮影した時の光路面積から輝点面積を差し引いた値
の光路面積に対する割合で示される。例えば光路面積１
に対し輝点面積が0.5の場合の光学的純度指数は0.5とな
る。

なお、実際に計測する場合にはレーザー光を上下に走
査することにより光路面積は増大するのでより正確な測
定が可能となる。また計測すべき輝点は明瞭なものに限
定し、曖昧な像は除外する必要がある。その理由は容器
壁からの反射に基く再帰照射光が不明瞭な輝点を発生さ
せることがあるためである。

次に末端封止栓６について説明する。

ホース両端の封止栓６は伝送媒体の保持のため設けら
れる。この形状は液の漏れを防ぐため、各種の工夫、例
えばチューブ内径よりやや大きく設計する、ヒートシー
ルする、Ｏリングと組み合せる等の手段が講じられる。
この封止栓の材料は伝送光の波長に対し透過性の良いこ
とは勿論のことであるが、その内壁７で接触する伝送媒
体と化学的に反応しないこと、更には、その外壁８で触
れる大気中のガスや水分等とも化学的に安定であること
が必要である。この封止栓用材料の具体例としては、熔
融石英、ホウ酸硝子、フリント硝子、クラウン硝子、ソ
ーダ硝子、カルコゲナイト系硝子、弗化物系硝子、弗化
リチウム、弗化ナトリウム、弗化カルシウム、弗化−バ
リウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化カリウ
ム、臭化タリウム、沃化カリウム、KRS−５、KRS−６、
サファイア、氷晶、マグネシア、チタニア、アルミナ、
硅素、ゲルマニウム、ポリスチレン（含ハイインパク
ト）、アクリロニトリルスチレン共重合体、ABS、スチ
レンマレイン酸共重合樹脂、メチルメタクリレートスチ
レン共重合樹脂、スチレン無水マレイン酸系樹脂、メタ
クリル系樹脂、セルロースアセテート、ポリエステルカ
ーボネート、ポリエステル、ポリメチルペンテン、ポリ
アリレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエ
ーテルケトン、ポリカーボネート、ナイロン、ポリスリ
フォン等があげられ、使用目的や条件等を考慮して、材
料単体での使用に加えて、複層又は表面処理等の手段も
講じられる。

また、内、外壁７、８は、良く研磨され、必要に応じ
て反射防止膜や保護膜等を設けるなどの手段を施しても
良い。この反応防止膜はその要素特性を支配する設計フ
ァクターとして、そん屈折率ｎは膜厚ｄはｄ＝λ/4nで与えられる。ここでｎ_gは封止栓材
質の屈折率で、λは光の波長である。特に広範囲の波長
を含む光の反射用としては、多層コーテイングがより好
ましい。反射防止膜用材料例としては氷晶石、弗化マグ
ネシウム、弗化トリウム、弗化セリウム、一酸化シリコ
ン、ジルコニア、硫化亜鉛、チタニア、二酸化セリウ
ム、ゲルマニウムやテルル化鉛等があり、通常CVD、真
空蒸着、イオンプレーティングやスパッタ法等を用いて
作製される。

保護金具９はホース末端の保護、加締や他の機器やホ
ース同士間の接続等の目的で設けられるもので、金属や
プラスチック等からなり、ホース本体との間にＯリング
等を設けたり或いはそれ自体にネジ溝等を設ける等の手
段を講ずることも出来る。またこのホースの末端封止口
には必要あればレンズやフィルター等を設けることもで
きる。

（実施例）以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。

実施例１光伝送体ホースとしては極めて大口径である内径５
φ、外径６φ、長さ3m内壁面の表面粗さＲ_a＝0.015μの
四弗化エチレン−六弗化プロピレン共重合体（屈折率ｎ
_D＝1.338）の円形チューブに、純度指数＝0.95の流動パ
ラフィンを充填した後、外径５φ、長さ30mmの石英ロッ
ドにより両端を封止し光伝送体Ａを作製した。

次に同一の内、外径で、長さ9mのチューブを用い、同
様にして光伝送体Ｂを作製した。

図２はこれら光伝送体Ａ、Ｂを用い光伝送損失（dB/
m）を測定する方法を説明したもので、１は、白色光源
としてのハロゲンランプであり、これを２の銀干渉フィ
ルター（東芝製KL40〜KL80）にて、特定波長成分光を取
り出し、３の光伝送体Ａを通過させた。なお図中の３−
１は伝送媒体、３−２は封入用本体、３−３及び３−
３′は末端封止栓である。光伝送体を通過させた光は４
の光パワーメーター（カンタムエレクトロニクス社製22
×LA、センサーヘッド400）にて、dB/m表示で計測し
た。同様手順を光伝送体Ｂについても行った。いまある
特定波長成分の光伝送体Ａ、及びＢにおける計測値をＸ
_A−Ｘ_Bとすればこの波長における光伝送損失（dB/m）
は、（Ｘ_B、Ｘ_A）／（Ｌ_B−Ｌ_A）、となる。但しここで
Ｌ_A、Ｌ_Bはそれぞれ伝送体Ａ、Ｂの長さを示す。

結果は図３に示す通りである。この結果から流動パラ
フィンを光伝送媒体とする光伝送ホースでは波長550nm
近辺に易透過性波長領域を有することが判る。

実施例２伝送媒体を流動パラフィンから純度指数0.90の三弗化
一塩化ポリエチレンオリゴマー｛粘度10〜30センチポア
ズ（25℃）、屈折率ｎ_D＝1.40｝を用たい以外は実施例
１と全く同様にして波長に対する伝送損失を測定した。
結果を図４の中の実施例２に示す。この結果から、この
系では易透過性波長領域が著しく広く400nm〜800nmと可
視光全体にわたり良く光を透過させることが判る。

比較例１内壁面の表面粗さＲ_a＝0.31μの円形チューブを用い
た以外は、実施例１と全く同様にして波長に対する伝送
損失を測定した。結果を図４の比較例１に示す。この結
果及び実施例の結果より、伝送ホース内壁面の表面粗さ
如何が、光の透過効率に極めて大きい効果のあることが
判る。

（発明の効果）本発明による大きな口径の、かつ一本のホースからな
る光伝送体により、これまで問題であった大容量化・中
距離伝送が可能となりこの長所を生かしての応用や用途
範囲は極めて広く産業界等に与えるインパクトは大きい
ものと期待される。

例えばロボット等に装着して紫外〜赤外光（含レーザ
ー）を伝送して、接着剤、レジストの硬化やパターンニ
ング切断加工、穴あけや化学反応等に応用できる。また
海中、地下室、ビルや家屋内に太陽光を伝送し、照明に
供したり、生物の育成を行うことも可能となる。

更には航空機、自動車や鉄道車輌等に集中光源をお
き、光伝送体により各部に分配して利用することもでき
る。また変った応用分野の一つとして、この伝送体に、
外部からの加圧等により変形を与えることにより光伝送
容量を変化させることも可能で、この機能を利用したセ
ンサーとしての用途も期待される。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の光伝送体の模式図、図２は光量の測定方
法と装置、図３と図４は測定結果を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】常温で液状の物質を光伝送媒体とし、該媒
体と、これを封入するための一本のホースとから構成し
た光伝送ホースにおいて、前記ホースは弗素含有ポリマ
ー及びシリコーン系ポリマーから選択される可撓性材料
よりなり、内壁面の表面粗さ（Ｒ_a表示）が0.030μ以下
としたことを特徴とする光伝送ホース。