JP3949748B2 - 光学用部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、物体の有無や大きさなどを検出する光ファイバ式の光電スイッチやその他の検出装置などに使用する光ファイバセンサー或いは光ファイバ照明等に用いられる光学用部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光電スイッチなどに用いられる光ファイバセンサーのプラスチック光ファイバとしては、芯の周りに同心円状に鞘樹脂を被覆した単芯の光ファイバを使用するのが一般的で、直径が０．２５ｍｍ〜３ｍｍ程度のファイバが１本ずつ使用されるか、場合によっては該単芯光ファイバを複数本の束にして使用する。
【０００３】
また、特開平５−４０１８０号公報には、芯の直径が５〜５０μｍであり、５００個以上の多数の芯樹脂の島からなる断面が円状の多芯光ファイバを用いて光を出射又は受光させるものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の光ファイバでは、その光出射や受光性能に制限があった。本発明の目的は、特に大幅な設備投資や製造工程の変更を加えることなく、多様化した機能を有する光学用部品を提供し、より多機能な光ファイバセンサーや光ファイバ照明を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、屈折率の高い透明な芯樹脂からなる７〜４９９個の芯繊維と、その周りを上記芯樹脂の屈折率よりも０．００５〜０．２５低い屈折率を有する鞘樹脂で取り囲み、それらを一纏めにしてなる多芯プラスチック光ファイバであって、該多芯プラスチック光ファイバの裸線の断面積が０．０１〜９．０ｍｍ²で、該断面積に占める全ての芯の断面積の和の割合が３０〜９８％である多芯プラスチック光ファイバの先端部端面を複数個に縦分割することを特徴とする光学用部品の製造方法である。
【０００６】
本発明の光学用部品は、光ファイバセンサー部品或いは光ファイバ照明部品として好適に用いることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の光学用部品は、特定の構造を有する多芯プラスチック光ファイバであって、該多芯プラスチック光ファイバの芯樹脂としては、各種の透明樹脂が使用できる。特に好ましい樹脂としてメチルメタクリレート（ＭＭＡ）系の公知の樹脂が使用できる。例えば、メチルメタクリレート単独重合体（ＰＭＭＡ）や、メチルメタクリレートを５０重量％以上含んだ共重合体で、共重合可能な成分として、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、ｎ−アクリル酸ブチルなどのアクリル酸エステル類、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸シクロヘキシルなどのメタクリル酸エステル類、マレイミド類、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸、スチレンなどがあり、この中から一種類以上適宜選択して共重合させることができる。メチルメタクリレート系樹脂は透明性が高いので、長距離伝送を行なうことができる。
【０００８】
その他好ましい樹脂として、スチレン系樹脂が使用できる。例えば、スチレン単独重合体やスチレン−メチルメタクリレート共重合体などである。その他好ましい樹脂として、ポリカーボネート系樹脂が使用できる。ポリカーボネート系樹脂は、耐熱性が高いこと及び吸湿性が少ないという特長を有する。また、アモルファスのポリオレフィン樹脂も使用できる。例えば、日本国内で製造されている日本合成ゴム社製「アートン」、三井石化社製「ＡＰＯ」、日本ゼオン社製「ＺＥＯＮＥＸ］などのような樹脂がある。アモルファスのポリオレフィン樹脂は耐熱性に優れている。
【０００９】
本発明において、多芯プラスチック光ファイバの鞘樹脂としては、芯樹脂より屈折率が０．００５〜０．２５低いものを用いる。ここで、屈折率とは、ナトリウムＤ線で、２０℃で測定した屈折率を言う。芯樹脂の屈折率をｎ_x、鞘樹脂の屈折率をｎ_yとすると、光ファイバの最大受光角２Θは次式で推定される。
【００１０】
ｓｉｎ^-1Θ＝（ｎ_x ²−ｎ_y ²）^0.5＝ＮＡ（開口数）
【００１１】
これにより、光ファイバセンサーや光ファイバ照明に用いる場合の芯樹脂と鞘樹脂の屈折率を適宜決めることができる。
【００１２】
芯樹脂と鞘樹脂の屈折率の差は通常汎用的に使用されているプラスチック光ファイバで０．０９±０．０１程度であるが、より光を絞って出射させたり受光する必要のある場合には、この値を小さくしてゆけば良い。センサーなどで実用的な程度としては０．００５が下限であり、これより低いと光量が落ち実用性がない。受光角を広くする方向は、鞘樹脂の低屈折率材料の調達が困難になることから０．２５が上限となる。
【００１３】
本発明に用いられる鞘樹脂として具体的に例を挙げれば、芯樹脂がＭＭＡ系樹脂の場合であれば、ビニリデンフロライド系樹脂やフルオロアルキルメタクリレートを含む樹脂などが代表的である。中でも、本発明に適した樹脂はビニリデンフロライド系樹脂である。この樹脂は、芯樹脂のＰＭＭＡとの相溶性及び加工性に優れ、芯と鞘が溶融しあって、物性的にも伸びがあり、機械的強度の高い光ファイバを作製できる。
【００１４】
上記ビニリデンフロライド系樹脂としては例を挙げれば、ビニリデンフロライドとヘキサフロロアセトンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体が非常に好ましい。さらに、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体、さらにビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの２元共重合体、特に、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％からなる共重合体が好ましい。その他、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンの２元共重合体などがある。
【００１５】
これらのビニリデンフロライド系樹脂は屈折率が１．４０近辺と比較的低いが、より狭い角度での出射角を望む場合には、これらのビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂を混合したアロイを使用すると良い。メタクリレート系の樹脂としては、メチルメタクリレートやエチルメタクリレートの単独重合体や、或いはこれらを主体とする共重合体であり、これらにメチルメタクリレートやブチルアクリレートなどのアルキルアクリレートやアルキルメタクリレートなどを共重合しても良い。
【００１６】
ビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂の混合割合は、それぞれの樹脂の屈折率と配合重量割合の重量平均でおよそ求められる屈折率が所望の値になるように、それぞれの混合比率を１％程度から９９％程度の範囲で適度に選択すれば良い。
【００１７】
その他、加工性はやや劣るが、フルオロアルキルメタクリレート系やフルオロアルキルアクリレート系の重合体も使用できる。これらの重合体としては、フッ化メタクリレートモノマーとしては、トリフロオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、ペンタフルオロプロピルメタクリレート、ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート、オクタフルオロペンチルメタクリレートなどがあり、フッ化アクリレートモノマーとしては、トリフルオロエチルアクリレート、テトラフルオロプロピルアクリレート、オクタフルオロペンチルアクリレートなどがある。そしてこれらのフッ素系モノマーの他に、高屈折率成分として、メチルメタクリレートやエチルメタクリレートなどのメタクリレートモノマーやメチルアクリレートやエチルアクリレート、ブチルアクリレートなどのアクリレートモノマーなどとのいろいろな組合せによる共重合体が挙げられる。その他、芯樹脂をＰＭＭＡ以外に変えた時には、既に単芯のプラスチック光ファイバで公知の鞘樹脂を用いることができる。
【００１８】
本発明に使用する多芯プラスチック光ファイバは、その断面において多数の芯繊維が島として鞘樹脂の海に点在する形態が好ましいが、場合によっては、多数の芯繊維のそれぞれを鞘樹脂が同心円状に取り囲んだ島が、第３の樹脂の海に点在するような形態でも良い。以下の説明では前者の芯繊維の島と鞘の海からなる多芯プラスチック光ファイバを中心に述べる。
【００１９】
本発明において、多芯プラスチック光ファイバは、その基本構成である芯繊維を鞘樹脂で取り囲んだ裸線の断面形状が円形であるのが普通であるが、場合によっては楕円形にしたり、多角形にすることもできる。そして、該裸線の断面積は０．０１〜９．０ｍｍ²である。このことは、もし円形断面を持つ裸線の場合であれば、０．１〜３．５ｍｍ程度の直径を想定していることになる。これは、微細な光ファイバセンサーとして０．１ｍｍ程度の細いものが要求される一方、３．５ｍｍ程度と太いものはその先端部分を如何様にも加工することができるためである。
【００２０】
本発明において、裸線断面積に占める全ての芯の断面積の和の割合は３０〜９８％、芯繊維の数は７〜４９９個である。該芯の断面積比率は、裸線の直径が小さくなるに従い、そして芯繊維の数が増えるに従い、下げる必要がある。これは芯と芯との間に存在する鞘樹脂の厚みを０．５〜２μｍ程度に確保することによって、伝送損失を安定化し、且つ明るさを維持するのに好適であるからである。また、島である芯繊維の断面積に比べて鞘樹脂からなる海の面積が必要以上に大きいと、光伝送面積が小さくなって不利である。
【００２１】
芯繊維の数は、多芯プラスチック光ファイバの先端面と物体との距離と、該光ファイバの裸線の開口数、個々の芯の径によって決まるが、本発明においては、芯数が７〜４９９本であれば該光ファイバの先端面と物体との距離が該光ファイバの長径の１０倍程度以上あれば充分均一に光を出射でき、単芯のプラスチック光ファイバに見られるような、光源との接続位置が変わったり、光ファイバ端面とスクリーン間の距離の変化による光の強弱に由来する縞模様の複雑な出没現象が生じないことがわかった。ただし、個々の芯径が５０μｍ程度より低くなるにつれて伝送損失値が高くなり、且つ、高温下での伝送損失が大きくなる傾向があるので、芯径の小さいものを使用する場合には、光パワーに余裕を持って使用することが望ましい。
【００２２】
本発明において芯繊維の数は許容される限り少ない方が設備投資的にも、設備保守上も有利であり、且つ、多芯プラスチック光ファイバの伝送損失自体も、引き落とし倍率が低くでき、好結果が得られる。従って、本発明において芯繊維の数は５００個未満、即ち４９９個を上限とする。一方、できるだけ光ファイバの断面の均一化を図る必要から、芯繊維の数は芯の配置が安定する７個以上とする。該７個配置の外側にさらに１２本の芯繊維で円状に囲んだ１９芯、さらに順次外側に円状に囲んだ３７芯、６１芯、９１芯…等の多芯プラスチック光ファイバなどが比較的芯繊維数の少ない形態である。このうち、最外層の芯繊維は時によっては製造時に損傷を受けて形状が変形したりして信頼性が低いこともあるので、好ましくは設計段階では外側の層は保護被覆層と見放し、内部の信頼性の良い部分を使うのが良い。
【００２３】
本発明において同じ光ファイバ中の芯径は必ずしも全部同じ太さにする必要はなく、必要に応じて芯径に分布をつけたりすることも可能である。
【００２４】
本発明において、多芯プラスチック光ファイバの製造方法は、溶融状態にある芯樹脂と鞘樹脂とを、海−島構造を持つ多芯プラスチック光ファイバに成形する複合紡糸方式や、芯樹脂と鞘樹脂とを同心円状にし、第３の樹脂で周りを包む方式の複合紡糸方式で行ない、裸線を得る。その後、必要に応じて、該裸線の外側に保護被覆用の樹脂組成物を被覆して耐熱性や機械的特性をさらに向上させて、多芯プラスチック光ファイバケーブルにして使用する。
【００２５】
図１に上記多芯プラスチック光ファイバケーブルを構成した場合の断面図を示す。図中、１は芯繊維、２は鞘、３は保護被覆層である。
【００２６】
上記裸線の被覆用樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ゴム、各種の熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル、架橋ポリオレフィン、架橋ポリ塩化ビニル、塩素化ポリエチレンコンパウンド、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などである。
【００２７】
本発明においては、多芯プラスチック光ファイバの先端部に、光が出射したり受光する方向に適合するように、指向性を持たせることが好ましい。具体的には、多芯プラスチック光ファイバの先端部端面を複数に縦分割して、その分割先端を曲げて光を分散照射したり、受光検出したりすることができる。このような先端加工を行なう場合、特に鞘樹脂にビニリデンフロライドを含んだ樹脂を使用すると、多芯プラスチック光ファイバを剃刀刃で容易に切ることができ、加工性に優れている。またさらに、受光面にホトダイオードアレイを配置し、１〜数個の画素を１単位としたミクロセンサとすることもできる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を一層明確にするために実施例を挙げて説明するが、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
［測定方法］
メルトインデックス：東洋精機社製メルトインデクサーを使用し、ＡＳＴＭ−１２３８に準じ、試験温度２３０℃、荷重３．８ｋｇ、ダイス内径２．０９５５ｍｍの条件で測定した。
【００３０】
屈折率：アタゴアッベ屈折計１型を使用し、ナトリウムＤ線を用いて２０℃の恒温室内で測定した。
【００３１】
［参考例］
芯樹脂として、メルトフローインデックスが２．０ｇ／１０分、屈折率１．４９２のＰＭＭＡを用い、鞘樹脂として、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％からなり、メルトフローインデックス３０ｇ／１０分、屈折率が１．４０３の樹脂を用いた。
【００３２】
溶融した上記樹脂をそれぞれ押出機からギヤポンプを介して、芯樹脂は供給量を７００ｍｌ／ｈｒ、鞘樹脂は供給量を３００ｍｌ／ｈｒで複合紡糸ダイに供給し、芯樹脂を４６９個の孔から押出しながら同時に該芯繊維を鞘樹脂で被覆し、該芯繊維を島とし鞘を海とする海−島構造のストランドを冷却しながら引き伸ばし、裸線ファイバ径１．０ｍｍ、即ち断面積が０．７８５ｍｍ²の多芯プラスチック光ファイバを得た。断面における芯繊維の占める面積は７０％であった。
【００３３】
この多芯プラスチック光ファイバの伝送損失は１０ｍと１ｍのカットバック法で測定すると、６５０ｎｍの平行光で、３５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００３４】
この多芯プラスチック光ファイバを２ｍ切り取り、両端面を剃刀で直角に切断した。この光ファイバの片端面をＬＥＤに接続し、スクリーン上に出るスポットを観察すると、円のほぼ中央部が最も明るく、周辺になるにつれ徐々に暗くなり、途中に明暗の山谷によるリングが現れないものであり、アナログ的に光の強弱を読み取ることさえできる光ファイバセンサーや光ファイバ照明の部品として好適であることがわかった。
【００３５】
［実施例］
参考例で作製した多芯プラスチック光ファイバを２ｍ取り、図２に示すように、その一端の端面を剃刀で縦方向に２分割し、その分割間隙に黒色の楔スペーサーを挿入して接着剤で固定した後、先端面を研磨した。この先端から出射される光は２個の円状スポットであり、個々の円スポットはほぼ中央部が最も明るく且つ周辺に向かうにつれ徐々に暗くなる素直なスポットであった。従ってこれらの二つの円状スポット領域に相当する方向への光照射又はその方向からの受光に適した光ファイバ照明或いは光ファイバセンサーの部品として好適であることがわかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると実施例に例示したように素直な光のスポットが得られ、さらに、光ファイバ先端を加工することによって該スポットに容易に指向性を付与することができ、所望の方向への光照射を行なう照明、或いは所望の方向からの光を検知する光ファイバセンサーを繁雑な工程の付加や高価な設備投資を行うことなく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる多芯プラスチック光ファイバケーブルの断面図である。
【図２】本発明の実施例における多芯プラスチック光ファイバの先端部端面を示す図である。
【符号の説明】
１ 芯繊維
２ 鞘
３ 保護被覆層
４ 楔スペーサー

Claims (2)

1. 屈折率の高い透明な芯樹脂からなる７〜４９９個の芯繊維と、その周りを上記芯樹脂の屈折率よりも０．００５〜０．２５低い屈折率を有する鞘樹脂で取り囲み、それらを一纏めにしてなる多芯プラスチック光ファイバであって、該多芯プラスチック光ファイバの裸線の断面積が０．０１〜９．０ｍｍ²で、該断面積に占める全ての芯の断面積の和の割合が３０〜９８％である多芯プラスチック光ファイバの先端部端面を複数個に縦分割することを特徴とする光学用部品の製造方法。
2. 鞘樹脂がビニリデンフロライド系樹脂である請求項１に記載の光学用部品の製造方法。

Images