JP3914228B2

JP3914228B2 - レーザエネルギー伝送用中空導波路及びその製造方法

Info

Publication number: JP3914228B2
Application number: JP2004319960A
Authority: JP
Inventors: 栄介大島
Original assignee: Yoshida Dental Mfg Co Ltd
Current assignee: Yoshida Dental Mfg Co Ltd
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP2006133337A

Description

本発明は、レーザ光を伝送するために用いられるレーザエネルギー伝送用中空導波路及びその製造方法に関する。

レーザエネルギー伝送用中空導波路は医療、計測、分析の各種分野において、大出力のレーザ光を伝送するために用いられている。特許文献１には、波長１０．６μｍ帯域のＣＯ２レーザ（炭酸ガスレーザ）、波長２．９４μｍ帯域のＥｒ−ＹＡＧレーザ、波長５μｍ帯域のＣＯレーザ等のレーザ光に対して低損失での伝送が可能な中空導波路が記載されている。

特許文献１に記載される従来のレーザエネルギー伝送用中空導波路は、金属パイプの内部に環状ポリオレフィン溶液を注入して付着させた後、高温の熱処理を行った乾燥、固化させることにより環状ポリオレフィンの誘電体膜を金属パイプの内面に析出させ、この誘電体膜によって区画される中空領域を導波路とするものである。
特開２００２−７１９７３号公報

従来のレーザエネルギー伝送用中空導波路では、誘電体膜を構成する環状ポリオレフィンの引張り破断伸びが小さいため、衝撃が加わったり、曲げや引張りが加わると、誘電体膜が簡単に剥離したり破断する。このため、耐久性に劣るばかりでなく、導波路を屈曲させて配索することが難しく、配索の自由度が小さい問題を有している。

また、環状ポリオレフィンは可視光の透過率が小さく、中空導波路を屈曲させて使用する場合には、可視光の透過率が極端に低下する。このため、レーザ光のガイド光として可視光を同軸に用いた場合にガイド光の伝送損失が大きくなり、見えにくい問題も有している。そして、このようにガイド光の伝送損失が大きく、見えにくい場合には、例えば、手術中における焦点位置が分かりにくくなり誤切開等の事故を誘発する危険性がある。このような危険性を回避するためには、ガイド光を同軸に用いることなく、別のファイバを用いてガイド光を導光する必要があり、この場合には、構造が複雑となる。さらに、レーザエネルギー伝送用に用いた中空導波路が折れた場合には、別のファイバからのガイド光だけが光るため、中空導波路からレーザ出力がされていない判断ができないものともなる。

さらに、また、環状ポリオレフィンの誘電体膜を形成するためには、熱処理して焼き付けを行う必要があり、そのための温度条件や加熱媒体等に対する制御が必要となるばかりでなく、製造工程が面倒であり、長時間を要する問題を有している。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、衝撃や曲げ、引張り等の外力に対する強度が大きく耐久性を有していると共に、配索を簡単に行うことができ、しかもガイド光に用いる可視光の伝送損失が小さく、見えやすいばかりでなく、誘電体膜を簡単に形成することが可能なレーザエネルギー伝送用中空導波路及びその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明のレーザエネルギー伝送用中空導波路は、内面が鏡面となっている管状部材と、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなり、管状部材の内面に被着された誘電体膜とを備えていることを特徴とする。

請求項１記載の発明では、管状部材の内面側で導波路を構成する誘電体膜が可撓性を有しており、曲げに対して良好に追従することができると共に引張りに対しても十分に伸びることができる。また、誘電体膜はスチレン樹脂を主成分とすることにより衝撃に対して大きな強度を有している。これらにより、誘電体膜が剥離したり、破断することがなく大きな耐久性を有している。従って、例えば、管状部材を曲げても、その曲げに良好に追随することができるため、配索を簡単に行うことができると共に配索の自由度を増大させることができる。

また、誘電体膜に用いるスチレンブタジエン共重合体は、スチレン樹脂を主成分とすることにより可視光の透過率が大きく、中空導波路を曲げて使用しても可視光の伝送損失が大きくなることがない。このため、レーザ光に加えて可視光をガイド光として通してもガイド光の伝送損失が小さく、使用に際して見えやすく操作性が向上する。このため、誤切開等の事故の発生を防止することができる。さらに、ガイド光を同軸に用いることができるため、ガイド光が出力されない場合には、レーザエネルギー伝送用に用いている中空導波路に破損が生じていることを予測することができる等の的確な判断をすることが可能となる。

さらに、スチレンブタジエン共重合体からなる誘電体膜はスチレン樹脂を主成分とすることにより溶媒への均一な溶解が可能であると共に、溶媒から容易に析出させることが可能となっている。従って、管状部材内面への被着に際しては、溶媒を飛散させるだけで良く、熱処理を行う必要がなくなる。これにより、管状部材内面への誘電体膜の形成を簡単に行うことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザエネルギー伝送用中空導波路であって、管状部材の内面に金属薄膜がコーティングされていることを特徴とする。

請求項２記載の発明のように、管状部材の内面に金属薄膜をコーティングすることにより、管状部材の内面を鏡面とすることができるため、レーザ光の伝送効率を向上させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のレーザエネルギー伝送用中空導波路であって、金属薄膜が銀、金、モリブデンまたはニッケルの薄膜であることを特徴とする。

請求項３記載の発明では、金属薄膜として銀、金、モリブデンまたはニッケルの薄膜を用いるため、管状部材内面への金属薄膜の形成を容易に行うことができる。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の中空導波路であって、管状部材が石英からなる中空ガラス管、金属パイプ、非金属パイプまたはフッ素樹脂製パイプであることを特徴とする。

請求項４記載の発明のように、管状部材として石英製の中空ガラス管や金属パイプ、非金属パイプまたはフッ素樹脂製パイプを用いることにより、中空導波路の原料としての管状部材の安定供給が可能となる。

請求項５記載の発明のレーザエネルギー伝送用中空導波路の製造方法は、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなる誘電体の溶液を、内面が鏡面となっている管状部材の内部に流動させて誘電体膜を被着した後、溶媒を飛散させて誘電体膜を析出させることを特徴とする。

請求項５記載の発明では、誘電体膜を管状部材の内面に被着させた後、誘電体の溶媒を飛散させて誘電体膜を析出させるため、誘電体膜被着のための熱処理を行う必要がなく、管状部材内面への誘電体膜の形成を簡単に行うことができる。このため、製造を簡単に行うことができると共に、迅速な製造を行うことが可能となる。

請求項６記載の発明のレーザエネルギー伝送用中空導波路の製造方法は、銀イオン溶液と還元液とを管状部材の内面に流通させながら管状部材の内部で銀を析出させて銀膜を管状部材の内面にコーティングする工程と、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなる誘電体の溶液を管状部材の内部に流動させて銀膜上に誘電体膜を被着した後、溶媒を飛散させて誘電体膜を析出させることを特徴とする。

請求項６記載の発明では、請求項５記載と同様の作用を有するのに加え、銀鏡反応によって銀膜を析出させることにより、管状部材の内面を鏡面とするため、鏡面の形成を容易且つ迅速に行うことが可能となる。

本発明のレーザエネルギー伝送用中空導波路によれば、誘電体膜が可撓性を有しているため、衝撃や引張り、曲げ等の外力が作用しても誘電体膜が剥離したり破断することなく、耐久性を向上させることができると共に、導波路の配索を確実且つ容易に行うことができる。また、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％のスチレンブタジエン共重合体からなる誘電体膜は、スチレン樹脂を主成分としており、可視光の透過率が大きく可視光をガイド光として通しても伝送損失が小さいため、使用に際して見えやすく操作性が向上する。

本発明のレーザエネルギー伝送用中空導波路の製造方法によれば、管状部材内面への誘電体膜の形成のために熱処理を行う必要がないため、誘電体膜の形成を簡単に行うことができ、製造の制御が容易となると共に、迅速に製造することができる。

図１及び図２は、本発明の一実施の形態におけるレーザエネルギー伝送用中空導波路（以下、中空導波路）１を示し、管状部材２と、管状部材２の内面に被着された誘電体膜３とを備えており、誘電体膜３の内面によって区画される中空領域４がレーザ光の導波路となる。レーザ光としては、波長１０．６μｍ帯域のＣＯ２レーザ、波長３近辺帯域のＥｒ−ＹＡＧレーザ、波長５μｍ近辺帯域のＣＯレーザ等を用いることができる。

管状部材２としては、金属パイプ、非金属パイプ、フッ素樹脂パイプあるいは石英からなる中空ガラス管を使用することができる。レーザ光は、誘電体膜３内方側の中空領域４内に導入されることにより、中空領域４と誘電体膜３との境界及び誘電体膜３と管状部材２との境界で反射を繰り返すことにより伝搬される。このため、誘電体膜３との境界面である管状部材２の内面が鏡面に形成されるものである。

この実施の形態において、管状部材２の内面に金属薄膜５をコーティングすることにより、管状部材２の内面を鏡面とするものである。金属薄膜５としては、銀、金、モリブデン、ニッケルその他の金属の薄膜を用いることができる。これらの金属薄膜５は、管状部材２の内面に対してメッキ処理や蒸着処理、その他の処理を施すことにより形成することができる。

なお、金属薄膜５として銀膜を形成する場合には、銀鏡反応を行うことにより簡単に管状部材２の内面をコーティングすることが可能となる。銀膜のコーティングは、管状部材２として中空ガラス管を用い、この中空ガラス管の内部に還元液と銀イオン溶液を流動させながら銀鏡反応を行って中空ガラス管の内面に銀膜を形成するものである。この場合、中空ガラス管としては、０．５〜１．０ｍｍ程度の内径を有したものが使用される。このような銀鏡反応によって形成される銀膜は、粒子間の隙間が狭く、しかも粒子が小さいため、レーザ光を効率良く反射させることができるメリットを有している。この銀膜としては、０．１〜０．２μｍ程度の薄い膜厚で目的の反射を行うことができる。

管状部材２の内面を鏡面とする他の手段としては、管状部材２として金属パイプを用い、この金属パイプの内面に対して電解研磨、放電研磨等の研磨処理を行って鏡面としても良い。この場合には、管状部材２の内面に対して金属薄膜５をコーティングする必要がなくなる。

上述した誘電体膜３としては、スチレン樹脂を主成分とする可撓性を有した材料が用いられる。誘電体膜３として、スチレン樹脂を主成分とする材料を用いることにより、誘電体膜３の透過率が大きくなり、小さな損失でレーザ光を伝送することが可能となる。

管状部材２の内面に対する誘電体膜３の被着は、上述した材料を有機溶剤等の溶媒に溶解し、この溶液を管状部材２の内部に流動させて誘電体膜３を管状部材２の内面に付着させる。その後、管状部材２の内部に窒素ガス等の不活性ガスまたは圧縮空気あるいは不活性ガス及び圧縮空気の双方を供給して溶媒を飛散させて乾燥させることにより誘電体膜３を析出させることにより行うことができる。これに限らず、上述した材料の溶液に管状部材２を浸漬させてその内面に誘電体膜３を付着させ、その後、同様に乾燥することによっても誘電体膜３を被着させることができる。このような操作では、溶媒を飛散させるだけで確実に誘電体膜３を被着させることができる。このため、誘電体膜３の被着のために熱処理して焼き付けする必要がなくなり、誘電体膜３の被着を簡単で且つ短時間に行うことができるのに加え、工程数を削減することが可能となる。

この実施の形態において、誘電体膜３としてスチレン樹脂を主成分とすることにより、上述したようにレーザ光の良好な伝送効率を備えることができるのに加え、誘電体膜３の衝撃、曲げ等の外力に対する大きな強度を有したものとすることができる。さらに、誘電体膜３が可撓性を有していることにより、曲げに対して良好に追従することができるばかりでなく、引張りに対しても十分に伸びることができる。これらにより、誘電体膜３が破断したり、管状部材２から剥離することがなく、十分な耐久性を有したものとすることができる。従って、中空導波路１の配索のために、管状部材２を曲げても誘電体膜３がその曲げに良好に追従することができる。これにより、中空導波路１の配索を簡単且つ確実に行うことができる。

スチレン樹脂を主成分とし、且つ可撓性を有する材料としては、スチレン樹脂とブタジエン樹脂との共重合体を用いることができる。この共重合体は、スチレン樹脂としての衝撃等に対する強度を有するのに加え、ブタジエン樹脂としての可撓性を有した特性を備えるものである。スチレン樹脂及びブタジエン樹脂の重合度は、耐衝撃性や引張り強度等の誘電体膜３として要求される特性を考慮して設定されるものであり、例えば、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％の範囲、より好ましくは、スチレン樹脂６０〜８０重量％、ブタジエン樹脂４０〜２０重量％の範囲で適宜変更することができる。スチレン樹脂が５０重量％未満の場合には、ブタジエン樹脂が相対的に多くなって誘電体膜３としての耐衝撃性を備えることができず、スチレン樹脂が９０重量％を超える場合には、可撓性が必要以上に低下するため好ましくない。

かかるスチレン樹脂とブタジエン樹脂との共重合体としては、例えば、商品名「アサフレックス８３０」（旭化成ケミカルズ（株）製）を用いることができる。この「アサフレックス８３０」は、スチレン樹脂７０重量％、ブタジエン樹脂３０重量％の共重合体である。また、「アサフレックス８３０」は、ペットボトル等の包装容器の材料として使用が許可されており、安全性の高いものとなっている。

誘電体膜３の膜厚としては、伝送されるレーザ光により適宜変更されるものであり、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザの場合には、１．１〜１．５μｍ程度、より好ましくは、１．３μｍ近辺の膜厚が良好である。

以上の構成からなるレーザエネルギー伝送用中空導波路１は、例えば、管状部材２の内径を０．７ｍｍとした場合、１．５ｍ以上の長さで作成することができる。

このような中空導波路１は、上述した特性に加えて、誘電体膜３としてスチレン樹脂を主成分としていることから、可視光の透過率が大きくなっている。このため、レーザ光を伝送する際に、可視光をガイド光として中空導波路１内に同軸に導入した場合においても、ガイド光の伝送損失が小さく、見え易く、操作性が向上するというメリットを有している。

なお、管状部材２として中空ガラス管を用い、その内面に銀膜をコーティングする場合について説明すると、まず中空ガラス管の内部を精製水により洗浄する。この洗浄は、真空ポンプの吸引力によって精製水を中空ガラス管内部に流動させることにより簡単に行うことができる。次に、還元液と銀イオン液の２種類の溶液を中空ガラス管の内部に流動させることにより、中空ガラス管内で銀鏡反応を行わせて中空ガラス管の内面に銀膜をコーティングする。銀膜のコーティングの後、中空ガラス管内に上述と同様にして精製水を流して洗浄し、その後、中空ガラス管内にエタノールを注入して付着している水分を除去する。ガラス管内に圧縮空気または不活性ガスあるいはこれらの双方を導入してエタノール及び残っている水分を揮散させ、コーティング処理を終了する。

銀膜のコーティングの後には、「アサフレックス８３０」を用いて誘電体膜を被着させる。まず、銀膜コーティングの中空ガラス管内に窒素ガスを流して水分及び埃を除去する。一方、「アサフレックス８３０」をシクロヘキサンによって溶解した溶液を作成し、この溶液を中空ガラス管内に流動させて「アサフレックス８３０」を中空ガラス管の銀膜上に付着させる。その後、中空ガラス管の内部に窒素ガス等の不活性ガスまたは圧縮空気あるいはこれらの双方を流して溶媒としてのシクロヘキサンを飛散させる。これにより、「アサフレックス８３０」からなる誘電体膜を銀膜上に析出させることができる。

ここで、「アサフレックス８３０」を始めとしたスチレン樹脂とブタジエン樹脂の共重合体はシクロヘキサンに極めて溶解し易い性質を有している。このため、スチレンブタジエン共重合体の溶液の調整を短時間で行うことができ、その分、誘電体膜の形成を迅速に行うことが可能となる。なお、「アサフレックス８３０」の溶媒としては、アセトン、トルエン、ジエチルエーテル、クロロホルム等のシクロヘキサン以外の有機溶媒も用いることが可能である。

内径０．７ｍｍ、長さ１．５ｍの中空ガラス管の内面に対して上述した銀鏡反応によって銀膜をコーティングした。一方、「アサフレックス８３０」をシクロヘキサンに溶解することにより、９重量％、９．５重量％、１０重量％、１０．５重量％、１１重量％のそれぞれの濃度の「アサフレックス８３０」溶液を作成した。これらの「アサフレックス８３０」溶液を上述した中空ガラス管の内部に１４ｃｍ／ｍｉｎの速度で送液して「アサフレックス８３０」を中空ガラス管の内面に付着させた。その後、中空ガラス管内に窒素ガスを流してシクロヘキサンを飛散させて乾燥し、「アサフレックス８３０」からなる誘電体膜を被着させることによりレーザエネルギー伝送用中空導波路を作成した。

作成された中空導波路を波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザの伝送路として用いる場合、「アサフレックス８３０」の屈折率が１．５７２であり、伝送路内の空気の屈折率を約１とした場合、誘電体膜の膜厚は１．３μｍとなる。

図３は、上述した「アサフレックス８３０」の各濃度によって形成された誘電体膜の透過率を示す。この実施例では、濃度が１０重量％のとき、透過率８４％となり、この濃度が最も良い結果となっている。

図４は、この実施例によって作成された中空導波路を半径３００ｍｍで曲げた場合における９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、３６０°の各曲げ角度における透過率を測定した結果を示す。同図に示すように、半径３００ｍｍにおける３６０°の曲げ角度に対しても、透過率が７８％程度であり、良好な透過率となっている。これにより、この実施例の中空導波路を曲げても伝送損失が大きくなることがなく、レーザ光の良好な伝送が可能であることが分かる。

表１は、誘電体膜として「アサフレックス８３０」及び比較例としての環状ポリオレフィンを形成した中空導波路における可視光の透過率を示している。この中空導波路は、「アサフレックス８３０」及び環状ポリオレフィンを１０重量％濃度と、銀膜が内面にコーティングされた上述の中空ガラス管に対して１４ｃｍ／ｍｉｎの速度で送液して誘電体膜を形成したものである。可視光としては、波長約５３０ｎｍのグリーン光を伝送した。表１からわかるように、９０°曲げた場合の可視光の透過率が「アサフレックス８３０」では、環状ポリオレフィンに比べて３倍以上となっており、可視光の伝送損失が小さくなっている。

表２は、「アサフレックス８３０」及び環状ポリオレフィンの曲げ及び引張りに対する特性値を示す。「曲げ弾性率」で示すように、環状ポリオレフィンは２４５０ＭＰａ力を加えないと撓まないのに対し、「アサフレックス８３０」は１１００Ｍｐａの力で撓むことができる。また、「引張り破断伸び」で示すように、環状ポリオレフィンは１０％伸ばすと破断するのに対し、「アサフレックス８３０」は２５０％伸ばすまで破断することがない。これらにより「アサフレックス８３０」を用いた誘電体膜では、曲げに対して良好に追従することができると共に、引張りに対しても大きく伸びることができる可撓性を備えたものとなっている。

本発明の一実施の形態におけるレーザエネルギー伝送用中空導波路の断面図である。図１と直交した方向の断面図である。実施例における溶液濃度に対する透過率の特性図である。実施例における曲げ角度に対する透過率の特性図である。

符号の説明

１レーザエネルギー伝送用中空導波路
２管状部材
３誘電体膜
４中空領域
５金属薄膜

Claims

内面が鏡面となっている管状部材と、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなり、管状部材の内面に被着された誘電体膜とを備えていることを特徴とするレーザエネルギー伝送用中空導波路。
管状部材の内面に金属薄膜がコーティングされていることを特徴とする請求項１記載のレーザエネルギー伝送用中空導波路。
金属薄膜が銀、金、モリブデンまたはニッケルの薄膜であることを特徴とする請求項２記載のレーザエネルギー伝送用中空導波路。
管状部材が石英からなる中空ガラス管、金属パイプ、非金属パイプまたはフッ素樹脂製パイプであることを特徴とする請求項１または２記載の中空導波路。
スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなる誘電体の溶液を、内面が鏡面となっている管状部材の内部に流動させて誘電体膜を被着した後、溶媒を飛散させて誘電体膜を析出させることを特徴とするレーザエネルギー伝送用中空導波路の製造方法。
銀イオン溶液と還元液とを管状部材の内面に流通させながら管状部材の内部で銀を析出させて銀膜を管状部材の内面にコーティングする工程と、スチレン樹脂５０〜９０重量％、ブタジエン樹脂５０〜１０重量％からなる可撓性を有したスチレンブタジエン共重合体からなる誘電体の溶液を管状部材の内部に流動させて銀膜上に誘電体膜を被着した後、溶媒を飛散させて誘電体膜を析出させることを特徴とするレーザエネルギー伝送用中空導波路の製造方法。