JP3811761B2 - ファイバ型ブラッググレーティング素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバブラッググレーティング素子及びその製造方法に係り、特に歪や温度、水位等の検出に適したファイバブラッググレーティング素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年光ファイバに関する応用製品の開発が活発に行われてきており、この中で様々な光デバイスが提案されてきている。この光デバイスの一種であるファイバ型ブラッググレーティング素子（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ素子、以下「ＦＢＧ素子」という）は歪や温度あるいは水位等の検出を行う光センサとしての適用が期待されている。
【０００３】
ＦＢＧ素子は、光ファイバのコアに紫外線を照射するなどして書き込まれたブラッググレーティングのピッチが歪や温度によって変化すると、その変化に応じてブラッググレーティングを透過する光のスペクトルあるいは反射する光のピーク波長が変化する現象を利用するものである。
【０００４】
従来、ＦＢＧ素子は紫外線硬化型樹脂などからなる被覆を施した光ファイバ心線の前記被覆樹脂を除去して、光ファイバの一部、長さ約１〜１０ｃｍ程度を露出させ、この露出部分に紫外線やレーザ光を照射してコアにブラッググレーティングを書き込み、その後前記露出部分をポリイミド樹脂、フッ素樹脂等の耐熱性が高く高弾性係数を有する熱硬化性樹脂により再被覆して用いられていた。再被覆樹脂として熱硬化性の樹脂を用いるとＦＢＧ素子としての耐熱性に優れ、また高弾性係数を有する樹脂を用いると外部からの応力がブラッググレーティング書き込み部に伝わりやすく、従って信号伝達性が向上するため高温下においても信頼性の高い検出が可能になるためである。
【０００５】
また、ＦＢＧ素子はブラッググレーティングを書き込んだ部分を対向する耐熱性に優れた樹脂フィルムでサンドイッチ状に挟み、その間に接着剤を充填して固定するフィルム型の素子も開発されている。このようなフィルム型ＦＢＧ素子は施行現場における取り扱い性が優れているという効果を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
即ち、ブラッググレーティング書き込み部を再被覆しただけのＦＢＧ素子は施行現場での取り扱い性に難点があり、必要以上に慎重に作業を行わなければならなかった。
【０００７】
一方、フィルム型ＦＢＧ素子は取り扱い性が優れているためによく用いられているが、耐熱性樹脂フィルム間に常温硬化型の液状の接着剤を充填して固定しており、樹脂フィルムでブラッググレーティング書き込み部を挟み込む際に液状の接着剤を手作業で塗布しているために接着剤層の厚さにばらつきが生じ、結果として接着剤が硬化した後残留歪がばらつき、特性が安定しないという問題があった。
【０００８】
また、従来のフィルム型ＦＢＧ素子は常温硬化型の液状の接着剤を使用しているために、製造工程に時間がかかり、さらに機械化が困難であるために製造コストがなかなか低減できないという問題もあった。
【０００９】
本発明は接着剤を使用しない特性の安定したＦＢＧ素子を提供するものであり、また接着剤を使用しないために製造工程を効率化できるＦＢＧ素子の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。
〈構成１〉
光ファイバの被覆樹脂の一部を所定の長さだけ除去した部分のコアにブラッググレーティングを書き込んだブラッググレーティング書き込み部を有するファイバ型ブラッググレーティング素子であって、上記ブラッググレーティング書き込み部は対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持され、上記対向する熱硬化性樹脂フィルム間が熱可塑性樹脂により充填されていることを特徴とするファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１１】
〈構成２〉
上記ブラッググレーティング書き込み部は、対向する熱硬化性樹脂フィルムの一方のフィルム上に設けられた上記熱硬化性樹脂フィルムの幅方向に所定の間隔だけ離間して設けられた複数のファイバガイド部の上記離間部に配置されていることを特徴とする構成１記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１２】
〈構成３〉
上記ファイバガイド部は金属薄膜からなることを特徴とする構成２記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１３】
〈構成４〉
上記ブラッググレーティング書き込み部の両端部に接着剤による補強部が設けられていることを特徴とする構成１から構成３までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１４】
〈構成５〉
上記熱硬化性樹脂フィルムは耐熱性樹脂フィルムであることを特徴とする構成１から構成４までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１５】
〈構成６〉
上記熱硬化性樹脂フィルムはポリイミド樹脂フィルムであることを特徴とする構成５記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１６】
〈構成７〉
上記ブラッググレーティング書き込み部は高弾性係数の樹脂により再被覆されていることを特徴とする構成１から構成６までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
【００１７】
〈構成８〉
光ファイバの被覆樹脂の一部を所定の長さだけ除去した部分のコアにブラッググレーティングを書き込んだブラッググレーティング書き込み部を有するファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法であって、上記ブラッググレーティング書き込み部を対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟む際に、上記対向する熱硬化性樹脂フィルムのうち少なくとも一方の熱硬化性樹脂フィルムに上記ブラッググレーティング書き込み部側に熱可塑性樹脂フィルムが積層されたものを用いて挟み、次いで上記対向する熱硬化性樹脂フィルム同士を押圧して上記ブラッググレーティング書き込み部を挟持した後上記ブラッググレーティング書き込み部を加熱して上記熱可塑性樹脂フィルムを上記対向する熱硬化性樹脂フィルム間に溶融充填させることを特徴とするファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００１８】
〈構成９〉
上記ブラッググレーティング書き込み部を対向する熱硬化性樹脂フィルムの一方のフィルム上に設けられた上記熱硬化性樹脂フィルムの幅方向に所定の間隔だけ離間する複数のファイバガイド部の上記離間部に配置した後、上記ブラッググレーティング書き込み部を上記対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持することを特徴とする構成８記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００１９】
〈構成１０〉
上記ファイバガイド部は金属薄膜からなることを特徴とする構成９記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００２０】
〈構成１１〉
上記ブラッググレーティング書き込み部の両端に接着剤による補強を施した後上記対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持することを特徴とする構成８から構成１０までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００２１】
〈構成１２〉
上記熱硬化性樹脂フィルムは耐熱性樹脂フィルムであることを特徴とする構成８から構成１１までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００２２】
〈構成１３〉
上記熱硬化性樹脂フィルムはポリイミド樹脂フィルムであることを特徴とする構成１２記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００２３】
〈構成１４〉
上記ブラッググレーティング書き込み部は高弾性係数の樹脂により再被覆されていることを特徴とする構成８から構成１３までのいずれかの構成に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。なお、これから説明する各図において同一個所は同一番号で表すこととする。
【００２５】
図１は本発明のＦＢＧ素子の一実施の形態を示した図である。図１（ａ）はその側面図であり、図１（ｂ）はＸ−Ｘで切断した（ａ）の矢印方向から見た横断面図である。図１において、本発明のＦＢＧ素子は光ファイバ心線１の被覆樹脂の一部、約３０ｃｍを除去して光ファイバが露出された部分のコアの長手方向の一部にブラッググレーティング２が書き込まれ、ブラッググレーティング書き込み部３が形成されている。耐熱性のある樹脂としては例えばポリイミド樹脂やフッ素樹脂が挙げられる。このブラッググレーティング書き込み部３は対向する熱硬化性樹脂フィルム４ａ、４ｂにより挟持され、熱硬化性樹脂フィルム４ａ、４ｂの間に熱可塑性樹脂５が充填されブラッググレーティング書き込み部３が固定されている。
【００２６】
なお、熱硬化性樹脂フィルムとしては前記したようにポリイミド樹脂からなるフィルムやフッ素樹脂からなるフィルムが挙げられるが熱可塑性樹脂との接着性を考慮するとポリイミド樹脂からなるフィルムを用いることが好ましい。
【００２７】
図２は本発明のＦＢＧ素子の他の実施の形態を示した図である。図２（ａ）はその側面図であり、図２（ｂ）はＸ−Ｘで切断した（ａ）の矢印方向から見た横断面図である。図２において、図１と同様にして形成したブラッググレーティング書き込み部３は熱硬化性樹脂フィルム４ａ、４ｂにより挟持され、熱可塑性樹脂５が充填されているが、本実施の形態においては、熱硬化性樹脂フィルム４ａ、４ｂの一方のフィルム４ａ上にファイバガイド部６が設けられている。このファイバガイド部６は熱硬化性樹脂フィルム４ａの幅方向に所定の間隔だけ離間して設けられている。そしてこの離間した箇所にブラッググレーティング書き込み部３を配置し、熱硬化性樹脂フィルム４ａ、４ｂにより挟持して、その間に熱可塑性樹脂５を充填して固定している。
【００２８】
これらファイバガイド部６の間隔はブラッググレーティング書き込み部３の外径より若干大きい間隔だけ離間して設ければよい。このようにするとブラッググレーティング書き込み部３を熱硬化性樹脂フィルム４ａ上に配置する場合に位置決めが容易になるためである。従って、間隔があまり広すぎてはガイドの役目を果たさず、ブラッググレーティング書き込み部３の外径より狭くては離間部の間にブラッググレーティング書き込み部が収納できず位置が不安定になる。なお、ファイバガイド部６は多数設けてもよい。この場合には複数のブラッググレーティング書き込み部３を並列に熱硬化性樹脂フィルム４ａ上に配置することができる。
【００２９】
本実施の形態におけるファイバガイド部６は金属薄膜により構成することが好ましい。これはブラッググレーティング書き込み部の外径が１２５〜２００μｍ程度であるためにガイドとしては１２５〜５００μｍ程度の幅でよく、従ってフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を作成する技術を応用して行えば金属薄膜によるファイバガイド部を作成することができるためである。ＦＰＣを作成する技術を応用する場合、ファイバガイド部の金属としては銅を用いることが好ましい。これは安定した技術として確立されているために低コストで作成できからである。
【００３０】
ところで、熱硬化性樹脂フィルム上にファイバガイド部を銅からなる薄膜で作成する場合には、実質的には熱硬化性樹脂フィルム上に銅の薄膜をパターニングして作成する。そして、熱硬化性樹脂フィルム上に銅の薄膜をパターニングして作成する際に、ＦＢＧ素子の中央位置や製品名等を同時にパターニングして作成すれば製造工程の効率化や製品識別の容易性などの効果も併せて得ることができる。
【００３１】
図３は熱硬化性樹脂フィルム上に銅の薄膜をパターニングした例を示した平面図である。図３において、銅の薄膜のパターニングは光ファイバ心線１を配置するためのガイドとしての役割を果たすファイバガイド部６の他にブラッググレーティング書き込み部３の中央位置を示す位置表示部７、７や製品識別部８等が示されている。なお、これらのパターニングは必要に応じて種々のものを設ければよく、本実施の形態に限定されるものではない。
【００３２】
このようにブラッググレーティング書き込み部３を樹脂で再被覆することなく直接熱硬化性樹脂フィルムで挟持してその間に熱可塑性樹脂を充填すると、外部からの応力がブラッググレーティング書き込み部に伝わりやすく、歪の伝達感度が敏感になり、センサとしての機能が向上するという効果を有している。
【００３３】
一方、ブラッググレーティング書き込み部３は光ファイバの表面が露出しているために取扱中に傷が付く虞もないではない。そのような懸念に対処するためにブラッググレーティング書き込み部３に樹脂を再被覆してもよい。この場合に用いられる樹脂は耐熱性のある高弾性係数を有するポリイミド樹脂やフッ素樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましい。これは高温下での使用を保証するとともに高弾性係数を有する樹脂を用いると歪の伝達感度が一般的に光ファイバの被覆に用いられる緩衝性のある紫外線硬化型樹脂に比べると高くなるため、センサとしての機能に優れているからである。
【００３４】
図４は上記した本発明のＦＢＧ素子のさらに他の実施の形態を示した図である。図４において、ブラッググレーティング書き込み部３は高弾性係数を有する熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂により被覆され、再被覆樹脂層９が設けられている。そして熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂにより挟持、固定され、ポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂの間に熱可塑性樹脂５が充填されている。
【００３５】
図５はさらに他の実施の形態を示した図である。図５において、ブラッググレーティング書き込み部３はその両端部が光ファイバ心線１に跨って接着剤により固定されており、補強部１０が構成されている。補強部を設けることによりポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂの張り合わせ部をさらに強固にすることができ、ＦＢＧ素子としての強度が向上し、結果として高強度センサとしての信頼性が高い素子を実現することができる。
【００３６】
次に本発明のＦＢＧ素子の製造方法について説明する。
図６は本発明のＦＢＧ素子の製造方法の一実施の形態である。図６において、（ａ）は光ファイバ心線１に形成されたブラッググレーティング書き込み部３を熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂フィルム４ａ上に配置して、上部からポリイミド樹脂フィルム４ｂで覆い挟持するところを示している。この時、ポリイミド樹脂フィルム４ｂとしてその内側、即ちブラッググレーティング書き込み部３に対向する側に熱可塑性樹脂からなる層４ｃが設けられた樹脂フィルムを用いる。そしてこれらの対向するポリイミド樹脂フィルム同士をプレス機１１により矢印方向へ押圧して密着させつつ熱可塑性樹脂の溶融温度以上の温度に図示しない加熱器により加熱する。このようにすると（ｂ）に示すように対向するポリイミド樹脂４ａ、４ｂ間に熱可塑性樹脂層４ｃが溶融し充満する。その後加熱を終了させ、温度を常温まで戻すとブラッググレーティング書き込み部３はポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂ間に熱可塑性樹脂５により強固に固定される。
【００３７】
上記のような製造方法を用いると、従来常温硬化型の接着剤によりブラッググレーティング書き込み部と熱硬化性樹脂フィルムとを接着していた場合に比べて極めて短時間にＦＢＧ素子を製造することができる。また、熱可塑性樹脂層４ｃの厚さを一定にしておけば、常に一定量の熱可塑性樹脂が熱硬化性樹脂フィルム間に充填されることになり、手作業で接着剤を塗布していた従来の方法に比べるとＦＢＧ素子毎の特性のばらつきをなくすことができ、非常に特性の安定したＦＢＧ素子を製造することができる。
【００３８】
次に本発明のＦＢＧ素子の製造方法の他の実施の形態を説明する。
図７は本発明のＦＢＧ素子の製造方法の他の実施の形態である。図７の実施の形態は、熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂フィルム４ａ上にブラッググレーティング書き込み部３が配置され、その両端部に接着剤による補強部を設ける場合の製造方法である。まず（ａ）で示すように、ブラッググレーティング書き込み部３の両端部に光ファイバ心線１の被覆部に跨って熱硬化型樹脂からなる補強用の接着剤１２が塗布される。そしてポリイミド樹脂フィルム４ａ及び内側に熱可塑性樹脂層４ｃが設けられているポリイミド樹脂フィルム４ｂでブラッググレーティング書き込み部３を覆い挟持する。その後両端部にテーパのついたプレス機１３によりポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂを矢印方向に押圧して加熱し、ポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂ間に熱可塑性樹脂５を充満させるとともに接着剤を硬化させる。この後加熱を終了させ常温まで戻すと、（ｂ）で示すようにブラッググレーティング書き込み部３の両端部のポリイミド樹脂フィルム４ｂがテーパ状になったＦＢＧ素子ができる。このようにすると接着剤がブラッググレーティング書き込み部３の端部及び光ファイバ心線１の被覆部まで充分に行き渡り強固に固定されたブラッググレーティング書き込み部の補強部１０を形成することができ、ポリイミド樹脂フィルム４ａ、４ｂの張り合わせ部の強度をさらに補強することができるので高強度のＦＢＧ素子を製造することができる。
【００３９】
なお、図６及び図７で示した製造方法は、ブラッググレーティング書き込み部の外周に高弾性係数の熱硬化性樹脂による再被覆樹脂層が設けられたＦＢＧ素子にももちろん適用できる。この時、図７で示した補強部を設けた場合にはブラッググレーティング書き込み部両端部での再被覆樹脂層の剥がれを防止するという効果も有することになる。
【００４０】
【発明の効果】
上記したように本発明によれば、ブラッググレーティング書き込み部を熱硬化性樹脂フィルムで挟持してその間に熱可塑性樹脂を充満させＦＢＧ素子を構成する場合、熱硬化性樹脂フィルムの一方に熱可塑性樹脂層を設け、加熱により熱可塑性樹脂を溶融させるので、一定量の熱可塑性樹脂で熱硬化性樹脂フィルム間を充填させることができ、特性のばらつきのないＦＢＧ素子を提供することができるとともに極めて短時間にＦＢＧ素子を製造することができる。また、ブラッググレーティング書き込み部の位置決めのためにファイバガイド部を設けたので作業効率が向上できる。さらに、ブラッググレーティング書き込み部の両端部に接着剤による補強部を設けたので高強度の信頼性の高いＦＢＧ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＦＢＧ素子の一実施の形態を示した縦断面と横断面図である。
【図２】本発明のＦＢＧ素子の他の実施の形態を示した縦断面と横断面図である。
【図３】熱硬化性樹脂フィルム上に銅の薄膜をパターニングした例を示した平面図である。
【図４】本発明のＦＢＧ素子のさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図５】本発明のＦＢＧ素子のさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図６】本発明のＦＢＧ素子の製造方法の一実施の形態を示した縦断面図である。
【図７】本発明のＦＢＧ素子の製造方法の他の実施の形態を示した縦断面図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ心線
２ ブラッググレーティング
３ ブラッググレーティング書き込み部
４ａ 熱硬化性樹脂フィルム
４ｂ 熱硬化性樹脂フィルム
４ｃ 熱可塑性樹脂層
５ 熱可塑性樹脂
６ ファイバガイド部
７ 位置表示部
８ 製品識別部
９ 再被覆樹脂層
１０ 補強部
１１ プレス機
１２ 補強用接着剤
１３ テーパ付プレス機

Claims (12)

1. 光ファイバの被覆樹脂の一部を所定の長さだけ除去した部分のコアにブラッググレーティングを書き込んだブラッググレーティング書き込み部を有するファイバ型ブラッググレーティング素子であって、
   前記ブラッググレーティング書き込み部は対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持され、前記対向する熱硬化性樹脂フィルム間が熱可塑性樹脂により充填され、
   前記ブラッググレーティング書き込み部は、前記対向する熱硬化性樹脂フィルムの一方のフィルム上に設けられた前記熱硬化性樹脂フィルムの幅方向に所定の間隔だけ離間して設けられた複数のファイバガイド部の前記離間部に配置されていることを特徴とするファイバ型ブラッググレーティング素子。
2. 前記ファイバガイド部は金属薄膜からなることを特徴とする請求項１記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
3. 前記ブラッググレーティング書き込み部の両端部に接着剤による補強部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項２までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
4. 前記熱硬化性樹脂フィルムは耐熱性樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
5. 前記熱硬化性樹脂フィルムはポリイミド樹脂フィルムであることを特徴とする請求項４記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
6. 前記ブラッググレーティング書き込み部は高弾性係数の樹脂により再被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子。
7. 光ファイバの被覆樹脂の一部を所定の長さだけ除去した部分のコアにブラッググレーティングを書き込んだブラッググレーティング書き込み部を有するファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法であって、
   前記ブラッググレーティング書き込み部を、前記ブラッググレーティング書き込み部に対向する熱硬化性樹脂フィルムの一方のフィルム上に設けられた熱硬化性樹脂フィルムの幅方向に所定の間隔だけ離間する複数のファイバガイド部の前記離間部に配置した後、前記対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持し、次いで前記対向する熱硬化性樹脂フィルム同士を押圧しつつ前記ブラッググレーティング書き込み部を加熱して前記熱可塑性樹脂フィルムを前記対向する熱硬化性樹脂フィルム間に溶融充填させることを特徴とするファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
8. 前記ファイバガイド部は金属薄膜からなることを特徴とする請求項７記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
9. 前記ブラッググレーティング書き込み部の両端に接着剤による補強を施した後前記対向する熱硬化性樹脂フィルムで挟持することを特徴とする請求項７から請求項８までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
10. 前記熱硬化性樹脂フィルムは耐熱性樹脂フィルムであることを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
11. 前記熱硬化性樹脂フィルムはポリイミド樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１０記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。
12. 前記ブラッググレーティング書き込み部は高弾性係数の樹脂により再被覆されていることを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれかの請求項に記載のファイバ型ブラッググレーティング素子の製造方法。

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