JP4319090B2 - 表面漏光光導波路及び光触媒モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、入射した光を所望部分のみから均一に漏光させる機能を持つ表面漏光光導波路とそれを用いた光触媒モジュールに関する。
近年、光触媒反応による有機物、汚染物の分解に関する研究・応用が積極的に行われている。従来の光触媒を使用した光触媒モジュールは、担持体の表面に光触媒を担持し、外部の光源からの励起光の直接照射により光触媒反応を生じさせている。しかし、このような従来の光触媒モジュールは、光触媒の表面が、埃、その他の有機物・無機物などの汚染物に覆われると、光源からの光が光触媒層の表面に十分に到達することができなくなり、光触媒反応を起こすことができず、あるいは反応力不足を生じるなど、実用上問題がある。さらに、外部からの光照射の場合、光源から光触媒層の間に距離があって、出射した光量は乱射、散乱及び吸収などにより損失し、全部の出射光量を光触媒反応に利用することができず、効率が悪い問題がある。
この問題を解決するため、漏光機能を持つ光ファイバなどの導波路に光触媒を担持した構造により、光を直接光触媒に照射することができる光触媒フィルタやモジュールが提案されている。例えば、光ファイバのコア部とクラッド部の界面に、クラッド部の材料の屈折率と異なる屈折率を持つ粒子を添加することによって、従来の光導波路の全反射伝搬条件を一部し、コア部の光を伝搬しながら、前記の添加物（以下「散乱体」と記す。）によって散乱や放射することとなり、光を徐々に導波路表面に散乱させることが可能な光導波路が提案されている。（特願２００４−１３６７６）
図１は、クラッド部内の散乱体の濃度による光ファイバの長手方向の漏れ特性を示すグラフである。図１において、横軸は導波路（本例では光ファイバ）の長さ、縦軸は一定の入射光に対する漏光の割合である。図１に示したように、光ファイバの長手方向に、散乱体の濃度に従って必要長さで所望光量を漏らすように設計することができる。
図４は、光導波路の屈折率分布を示すグラフであり、この例示では屈折率の高いコア部１を囲んで屈折率の低いクラッド部２が設けられ、ステップ型の屈折率分布を有するコア部１内を光が伝搬するようになっている。
図５は、クラッド部２に一様な密度で散乱体３を添加した表面漏光光導波路の構造を示す図である。この従来の表面漏光光導波路は、コア部１と、それより屈折率の低い材料からなり、コア部１を囲むように設けられたクラッド部２と、クラッド部２に一様な濃度で添加された散乱体３とからなっている。コア部１に入射された光は、コア部１とクラッド部２との境界部にある散乱体３によってコア部１から散乱又は放射され、クラッド部２表面から漏光するようになっている。
図４は、光導波路の屈折率分布を示すグラフであり、この例示では屈折率の高いコア部１を囲んで屈折率の低いクラッド部２が設けられ、ステップ型の屈折率分布を有するコア部１内を光が伝搬するようになっている。
図５は、クラッド部２に一様な密度で散乱体３を添加した表面漏光光導波路の構造を示す図である。この従来の表面漏光光導波路は、コア部１と、それより屈折率の低い材料からなり、コア部１を囲むように設けられたクラッド部２と、クラッド部２に一様な濃度で添加された散乱体３とからなっている。コア部１に入射された光は、コア部１とクラッド部２との境界部にある散乱体３によってコア部１から散乱又は放射され、クラッド部２表面から漏光するようになっている。
しかし、前述した光触媒モジュールを使用する場合、前記光導波路は、光源から光触媒反応を起こしたい場所まで距離があるときには、例えば水処理の場合では、光源が直接に水処理容器内、すなわち水の流路上に取り付けられないため、光源から容器までに導入部分（以下「リード部分」と記す。）が必要となり、その部分の漏光が無駄となり、効率が悪い。
光触媒モジュールが短尺で大光量の漏光が要求される場合には、図１より散乱体の濃度を高くすれば、この要求を満たすことができるが、リード部分が必要な場合には、高濃度の散乱体を添加した光導波路は、最初の部分（リード部分）にて入射光の殆どを漏光させてしまい（以下「無駄漏れ」と記す。）、光触媒機能を果たすことができなくなる。また、リード部分の漏れを少なくするためには、散乱体濃度を低くすれば良いが、短尺モジュールの場合には、漏光が少なく殆ど透過することになり、入射光を十分に利用することができない。すなわち、従来の光触媒モジュールは、光導波路のクラッド部分の散乱体濃度が一様な分布であるため、リード部分からの無駄漏れを減少することと、短尺・大光量漏光の要求を同時に満たすことが困難である。
光触媒モジュールが短尺で大光量の漏光が要求される場合には、図１より散乱体の濃度を高くすれば、この要求を満たすことができるが、リード部分が必要な場合には、高濃度の散乱体を添加した光導波路は、最初の部分（リード部分）にて入射光の殆どを漏光させてしまい（以下「無駄漏れ」と記す。）、光触媒機能を果たすことができなくなる。また、リード部分の漏れを少なくするためには、散乱体濃度を低くすれば良いが、短尺モジュールの場合には、漏光が少なく殆ど透過することになり、入射光を十分に利用することができない。すなわち、従来の光触媒モジュールは、光導波路のクラッド部分の散乱体濃度が一様な分布であるため、リード部分からの無駄漏れを減少することと、短尺・大光量漏光の要求を同時に満たすことが困難である。
また、図１から分かるように、前記散乱体を一様に分布した構造の光導波路の漏れ特性は、近似的に指数関数となっているため、図２に示すように、単位長さあたりの減衰率が均一であるが、漏光量においては、図３に示すように導波路の長手方向に従って徐々に減少している。図３において、縦軸は光導波路（本例では光ファイバ）の単位長あたりの、一定入射光に対する漏光の割合であって、本明細書中ではそれを「漏光線密度」と定義する。図３に示したように、光触媒を担持した導波路の前部は大量漏光しているのに対して、後部の漏光が少なく、全長に渡って反応能力が不均一である。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、リード部分からの無駄漏れを減少することと、短尺・大光量漏光の要求を同時に満たすことができる表面漏光光導波路とそれを用いた光触媒モジュールの提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、コア部と、該コア部よりも屈折率の低い材料からなり、該コア部を囲むように設けられたクラッド部とを備え、且つ少なくとも前記コア部とクラッド部との境界部に、コア部内を伝搬する光を散乱又は放射させてクラッド部の表面から漏光させる欠陥を備えてなるファイバ状の表面漏光光導波路であり、前記欠陥は、前記コア部とクラッド部との界面のクラッド部側に添加された、クラッド部をなす材料の屈折率と異なる屈折率を持つ粒子状の散乱体であり、ファイバ状の表面漏光光導波路の入射側から近い長さ方向の第１の領域と、第１の領域の出射側に連続する長さ方向の第２の領域とを備え、第１の領域は、コア部とクラッド部との界面に、ａ質量％の散乱体が添加された第１の散乱層を有し、第２の領域は、前記第１の散乱層のコア部側界面にさらにｂ質量％（ａ＜ｂ）の散乱体が添加された第２の散乱層を有し、光触媒モジュール用であることを特徴とする表面漏光光導波路を提供する。
本発明の表面漏光光導波路において、前記散乱体は、クラッド部となる材料中に散乱体を分散させた被覆材料でコア部表面を被覆し、クラッド部の形成と同時に該クラッド部に添加されることが好ましい。
また本発明は、かかる表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路と、該光触媒担持導波路のコア部に励起光を入射する光源と、被処理流体を前記光触媒担持導波路と接触させる処理部を有する装置本体とを備えたことを特徴とする光触媒モジュールを提供する。
また本発明は、紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ａ質量％で添加した第１の有機溶媒と、紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ｂ（ａ＜ｂ）質量％で添加した第２の有機溶媒と、を作製するステップと、コアとなるアクリルロッドを前記作製した第２の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第１の長さｍだけ塗布する第１の塗布ステップと、前記第１の塗布ステップに引き続き、前記アクリルロッドを前記作製した第１の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第２の長さｎ（ｎ＞ｍ）だけ塗布する第２の塗布ステップと、を含む、光触媒モジュール用表面漏光光導波路の製造方法を提供する。
本発明の表面漏光光導波路において、前記散乱体は、クラッド部となる材料中に散乱体を分散させた被覆材料でコア部表面を被覆し、クラッド部の形成と同時に該クラッド部に添加されることが好ましい。
また本発明は、かかる表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路と、該光触媒担持導波路のコア部に励起光を入射する光源と、被処理流体を前記光触媒担持導波路と接触させる処理部を有する装置本体とを備えたことを特徴とする光触媒モジュールを提供する。
また本発明は、紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ａ質量％で添加した第１の有機溶媒と、紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ｂ（ａ＜ｂ）質量％で添加した第２の有機溶媒と、を作製するステップと、コアとなるアクリルロッドを前記作製した第２の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第１の長さｍだけ塗布する第１の塗布ステップと、前記第１の塗布ステップに引き続き、前記アクリルロッドを前記作製した第１の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第２の長さｎ（ｎ＞ｍ）だけ塗布する第２の塗布ステップと、を含む、光触媒モジュール用表面漏光光導波路の製造方法を提供する。
また本発明は、前述した本発明に係る表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路と、該光触媒担持導波路のコア部に励起光を入射する光源と、被処理流体を前記光触媒担持導波路と接触させる処理部を有する装置本体とを備えたことを特徴とする光触媒モジュールを提供する。
本発明の表面漏光光導波路は、コア部内を伝搬する光を散乱又は放射させてクラッド部の表面から漏光させる欠陥の密度を長手方向に沿って変化させた構成としたので、前記欠陥の密度を光導波路の長手方向に従って、段階的に増大させることにより、無駄漏れがなるなり、コア部に入射した光を導波しながら徐々に、且つ均一にクラッド表面から漏光させることができる。
また本発明の光触媒モジュールは、前述した本発明に係る表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路を用いたものなので、無駄漏れがなく、光源からコア部に入射した光を損失なく直接光触媒層に照射でき、有機物など汚染物を効率よく分解できる。
また本発明の光触媒モジュールは、前述した本発明に係る表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路を用いたものなので、無駄漏れがなく、光源からコア部に入射した光を損失なく直接光触媒層に照射でき、有機物など汚染物を効率よく分解できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図６及び図７は、本発明の表面漏光光導波路の一実施形態を示す図である。これらの図中、符号１はコア部、２はクラッド部、３は欠陥となる粒子である散乱体、４は表面漏光光導波路である。
図６及び図７は、本発明の表面漏光光導波路の一実施形態を示す図である。これらの図中、符号１はコア部、２はクラッド部、３は欠陥となる粒子である散乱体、４は表面漏光光導波路である。
本実施形態の表面漏光光導波路４は、コア部１と、コア部１よりも屈折率の低い材料からなり、コア部１を囲むように設けられたクラッド部２とを備え、且つ少なくともコア部１とクラッド部２との境界部に、コア部１内を伝搬する光を散乱又は放射させてクラッド部２の表面から漏光させる欠陥となる粒子状の散乱体３を備えてなり、前記散乱体３の密度が長手方向に沿って異なっていることを特徴としている。
前記散乱体３は、表面漏光光導波路４の入射側から漏光させたい場所までのリード部分のクラッド部２には添加せず、このリード部分（散乱体濃度０質量％の部分）は漏光機能を持たない通常の光導波路と同様な構造である。そして、リード部分より後方側の光触媒反応させたい部分にだけ、クラッド部２となる材料中に散乱体３となる粒子を添加・分散し、コア部１を囲むようにしてクラッド部２を形成することにより、コア部１とクラッド部２との界面のクラッド部２側に散乱体３を添加する。
本実施形態の表面漏光光導波路４は、散乱体３の密度（クラッド部中の散乱体の濃度）を長手方向に沿って変化させ、リード部分では漏光させず、リード部分の後方側の光触媒を反応させたい部分において、比較的均一に漏光させるため、光導波路の長手方向に散乱体３の濃度を段階的に増大させている。図６及び図７の例示では、リード部分（散乱体濃度０質量％）のすぐ後方側では、散乱体３を比較的低い濃度でクラッド部２に添加した領域（散乱体濃度ａ質量％）とし、その後方側にａよりも高い濃度ｂなる濃度で散乱体３をクラッド部２に添加した領域（散乱体濃度ａ質量％；ただし、ａ＜ｂ）を形成している。なお、本発明は、係る例示に限定されず、導波路の長手方向に沿って散乱体３の濃度を３段階以上で変化させることもできる。
本実施形態の表面漏光光導波路４の形状は限定されず、ファイバ形状はもちろん、リボン状、シート状でも同様な漏光特性を持たせることができる。
次に、本実施形態の表面漏光光導波路４の特徴について詳細を説明する。
（１）前述したように、長手方向に散乱体３が一様に分布した光導波路を用いた光触媒モジュールは、リード部分が必要な時には、無駄漏れ問題が生じる。しかし、本発明で用いる表面漏光光導波路４は、光導波路の入射側から反応させたい場所までのクラッド部には散乱体の添加がなく、従来の導波路と同様な構造である。すなわち、リード部分はコア部１と、該コア部１よりも屈折率の低い材料からなり、該コア部１を囲むようにしてクラッド部２を備えた光導波路である。従って、本光導波路４を用いる光触媒モジュールは、入射光源から、光触媒反応をさせたい場所までの部分は、光漏れることがなく、入射光のほぼ１００％を伝搬させることができ、無駄漏れを避けることができる。
（１）前述したように、長手方向に散乱体３が一様に分布した光導波路を用いた光触媒モジュールは、リード部分が必要な時には、無駄漏れ問題が生じる。しかし、本発明で用いる表面漏光光導波路４は、光導波路の入射側から反応させたい場所までのクラッド部には散乱体の添加がなく、従来の導波路と同様な構造である。すなわち、リード部分はコア部１と、該コア部１よりも屈折率の低い材料からなり、該コア部１を囲むようにしてクラッド部２を備えた光導波路である。従って、本光導波路４を用いる光触媒モジュールは、入射光源から、光触媒反応をさせたい場所までの部分は、光漏れることがなく、入射光のほぼ１００％を伝搬させることができ、無駄漏れを避けることができる。
前記コア部１をなす材料としては、コア部内を伝搬する光の波長域に吸収を持たない材料が望ましく、例えば、石英ガラスや、ポリメチルメタクリレート、フッ素系樹脂などの合成樹脂などが用いられる。
上記クラッド部をなす材料としては、上記のコア部をなす材料の屈折率より低く、且つ漏れ光の波長域に吸収を持たない材料が望ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート、フッ素系樹脂などの合成樹脂などが用いられる。また、クラッド部をなす材料は溶液状態であれば、コア部の外側にコートすることだけで簡単に導波路を作製できるため、前記の材料の中でも、有機溶媒に溶解できる合成フッ素系樹脂がより望ましい。
上記クラッド部をなす材料としては、上記のコア部をなす材料の屈折率より低く、且つ漏れ光の波長域に吸収を持たない材料が望ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート、フッ素系樹脂などの合成樹脂などが用いられる。また、クラッド部をなす材料は溶液状態であれば、コア部の外側にコートすることだけで簡単に導波路を作製できるため、前記の材料の中でも、有機溶媒に溶解できる合成フッ素系樹脂がより望ましい。
（２）リード部分より後方側の、光触媒反応させたい部分では、前記光導波路のコア部１とクラッド部２との界面に散乱体３を添加することにより、光を導波しながら徐々に、且つ均一に外側に漏光させる。
まず、散乱体３による漏光のメカニズムを以下に説明する。
通常の光導波路、例えば屈折率の高いコア部１と屈折率の低いクラッド部２からなる光ファイバの場合には、図４に示したように、光はコア部１内に閉じ込められ、全反射しながら伝搬（導波）され、光導波路の前方に進む。しかし、光導波路のコア部１とクラッド部２の界面に散乱体３を添加することにより、光導波路の全反射条件が一部破壊され、そのため光を伝搬しながら、散乱や放射させることにより、光を徐々にクラッド表面から漏光させることができる（図５、図６参照。）。
通常の光導波路、例えば屈折率の高いコア部１と屈折率の低いクラッド部２からなる光ファイバの場合には、図４に示したように、光はコア部１内に閉じ込められ、全反射しながら伝搬（導波）され、光導波路の前方に進む。しかし、光導波路のコア部１とクラッド部２の界面に散乱体３を添加することにより、光導波路の全反射条件が一部破壊され、そのため光を伝搬しながら、散乱や放射させることにより、光を徐々にクラッド表面から漏光させることができる（図５、図６参照。）。
前記光導波路を光触媒モジュールとして使用する場合、前記散乱体３としては、励起光として用いる紫外帯域の光を吸収しないもの（たとえばＳｉＯ２、シリコン樹脂、アクリル樹脂）はもちろん、場合によって、実際の漏光させたい波長帯すなわち光触媒反応発生波長帯にて吸収がないものであれば良い。例えば、可視光型光触媒を使用すれば、紫外領域に吸収があっても、可視光を透過できれば良い。
前記散乱体３の添加方法としては、コア部１の屈折率より低い屈折率を持ったクラッド部２となる樹脂材料を用意し、この樹脂材料を有機溶媒に溶解した後、欠陥となる散乱体３を所定濃度でその溶液中に添加し、分散する。その後、コア部１の外側に溶液を被覆・コートすれば良い。
（３）前記の散乱体３の濃度を一様に分布させた表面漏光光導波路における長手方向の漏光量が不均一となる問題を解消するため、本発明は、漏光させたい部分において、光導波路の長手方向に、クラッド部２中に添加する散乱体３の濃度を段階的に増大させている。これにより、前記表面漏光光導波路４の長手方向に従って漏光率が増大し、漏光量が長手方向に沿って比較的均一になる。図７は本発明の表面漏光光導波路４の構造を示し、一例として、図８中のＣに本発明の表面漏光光導波路４の導波路の漏れ特性を示す。図８中のＣのグラフに一例を示す通り、本発明の表面漏光光導波路４では、リード部分における漏光は殆ど無く、リード部分より後方側では比較的均一な漏光が得られる。
図８中のＣの光導波路はファイバ形状である。そのファイバの製造方法の一例を以下に述べる。
まず、紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率１．３７）を有機溶媒（アセトン）で溶解した後、その溶液を３等分した。その後、これらの樹脂溶液の２つに対し、紫外透過型のアクリル系散乱体（平均粒径３μｍ、屈折率約１．４６）を所定濃度（ａ、ｂ質量％、ａ＜ｂ）で添加し、撹拌して分散させた。その後、市販のアクリルロッド（φ２ｍｍ、長さ１．５ｍ）をコアとし、ディップコート法でｂ質量％（片側から０〜５０ｃｍ）、ａ質量％（前記片側から０〜１００ｃｍ）、０質量％（全長０〜１５０ｃｍ）の溶液を順番に塗布し、乾燥させてクラッド部を形成した。
まず、紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率１．３７）を有機溶媒（アセトン）で溶解した後、その溶液を３等分した。その後、これらの樹脂溶液の２つに対し、紫外透過型のアクリル系散乱体（平均粒径３μｍ、屈折率約１．４６）を所定濃度（ａ、ｂ質量％、ａ＜ｂ）で添加し、撹拌して分散させた。その後、市販のアクリルロッド（φ２ｍｍ、長さ１．５ｍ）をコアとし、ディップコート法でｂ質量％（片側から０〜５０ｃｍ）、ａ質量％（前記片側から０〜１００ｃｍ）、０質量％（全長０〜１５０ｃｍ）の溶液を順番に塗布し、乾燥させてクラッド部を形成した。
得られたファイバのリード部分（散乱体０質量％）を入射側として、紫外光源（水銀−キセノンランプ）から励起光をコア部に入射し、長手方向の伝送損失をカットバック法で測定した。前記ファイバの入射側から０〜５０ｃｍの部分は散乱体を添加していないリード部分であるため、通常の漏光機能を持たないファイバと同様に、入射光が殆ど損失無く伝搬されている。
一方、入射側から５０〜１００ｃｍのリード部分より後方側は、コア部１とクラッド部２の界面に、ａ質量％の散乱体３を添加しているため、光が伝搬されながら散乱体３による欠陥で一部の光が散乱または放射され、クラッド部２表面に漏れてくる。その時、前記ａ質量％の散乱体３を含有するクラッド部２の外側にさらに１層の散乱体を含まない（散乱体０質量％）クラッド部を設けているが、前記散乱体による漏光のメカニズムで説明した通り、この表面漏光光導波路４はコア部１とクラッド部２の界面の散乱体３によってのみ漏光機能を有し、前記の外側の散乱体０質量％のクラッド部は実質的に機能しない。
同様に、入射側から１００〜１５０ｃｍの部分は、コア部１とクラッド部１の界面には、ｂ質量％（ａ＜ｂ）の散乱体を添加したクラッド部が形成されており、その外側にはさらに散乱体ａ質量％のクラッド部と散乱体を含まないクラッド部があるが、これら２層のクラッド部は光導波路の漏光特性には影響しない。
図８において、横軸は導波路（本例では光ファイバ）の長さ、縦軸は一定の入射光に対する漏光の割合である。本例示（図８中のＣ）の表面漏光光導波路は、最初のリード部分には散乱体が添加されていないため漏れがなく、光が伝搬されている。その後、漏光させたい場所での漏光特性は近似直線的となり、比較的均一に漏光されていることが分かる。
（４）前記表面漏光光導波路をファイバ形状、リボン状又はシート状とすることにより、光触媒を担持して反応させたい場所や、形状に応じて、光導波路の大きさ及び形状を変えることができる。
前記表面漏光光導波路をファイバ形状とし、コア部１を石英ガラスで作製する場合には、通常ＶＡＤ法で得られた石英ガラス母材を用い、通常の紡糸装置、通常の紡糸工程を用いて作製できる。まず、石英ガラス母材を焼結炉で溶融状態とし、下端から線引きして紡糸のパスラインを通して、ボビンまで巻き取る。その間に、被覆装置があり、従来、そこで保護用樹脂を被覆するが、この漏光ファイバを作製するために、被覆装置内に、有機溶媒に溶解した紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率約１．３７）を入れ、線引きしながらコア部の外周にクラッド部を被覆する。その後、架橋筒を通し、加熱、乾燥させれば、従来の導波路と同じ構造を持つ漏光しない光ファイバが得られる。そのファイバに漏光機能を寄与するためには、以下の処理を行う。
前記ファイバを一定の長さで切断し、漏光させたい部分だけ有機溶媒に浸漬して紡糸時コートされたクラッド部を再度溶解し、裸線化にする。その後、裸線化された部分を所望漏光量に応じて、前記紡糸時に使用したフッ素系樹脂溶液中に一定濃度で散乱体を分散した溶液中に入れ、ディップコート法によって再度散乱体が添加されているクラッド部を形成（リコート）すれば良い。
前記表面漏光光導波路をファイバ形状とし、コア部１を石英ガラスで作製する場合には、通常ＶＡＤ法で得られた石英ガラス母材を用い、通常の紡糸装置、通常の紡糸工程を用いて作製できる。まず、石英ガラス母材を焼結炉で溶融状態とし、下端から線引きして紡糸のパスラインを通して、ボビンまで巻き取る。その間に、被覆装置があり、従来、そこで保護用樹脂を被覆するが、この漏光ファイバを作製するために、被覆装置内に、有機溶媒に溶解した紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率約１．３７）を入れ、線引きしながらコア部の外周にクラッド部を被覆する。その後、架橋筒を通し、加熱、乾燥させれば、従来の導波路と同じ構造を持つ漏光しない光ファイバが得られる。そのファイバに漏光機能を寄与するためには、以下の処理を行う。
前記ファイバを一定の長さで切断し、漏光させたい部分だけ有機溶媒に浸漬して紡糸時コートされたクラッド部を再度溶解し、裸線化にする。その後、裸線化された部分を所望漏光量に応じて、前記紡糸時に使用したフッ素系樹脂溶液中に一定濃度で散乱体を分散した溶液中に入れ、ディップコート法によって再度散乱体が添加されているクラッド部を形成（リコート）すれば良い。
また、コア部をアクリルリボンとし、リボン状またはシート状の表面漏光光導波路を製造する場合には、市販の紫外透過型のアクリルリボンを用意し、また、所定濃度で散乱体を分散させたフッ素系樹脂溶液中で、前記のアクリルロッドと同様に、ディップコート法でクラッド部を形成すれば良い。
また、シート状の表面漏光光導波路を製造する場合にも、リボンと同様方法で製造できる。
また、シート状の表面漏光光導波路を製造する場合にも、リボンと同様方法で製造できる。
本実施形態の表面漏光光導波路４は、コア部１内を伝搬する光を散乱又は放射させてクラッド部２の表面から漏光させる散乱体３の密度を長手方向に沿って変化させた構成としたので、前記散乱体３の密度を光導波路の長手方向に従って、段階的に増大させることにより、コア部１に入射した光を導波しながら徐々に、且つ均一にクラッド表面２から漏光させることができる。
次に、本発明に係る光触媒モジュールの実施形態を説明する。
図１２は、本発明の光触媒モジュールの一実施形態を示す図であり、図１２（ａ）は光触媒モジュールの側面断面図、（ｂ）は処理部であるパイプ部分の断面図である。図１２中、符号１０は光触媒モジュール、１１は光触媒担持ファイバ、１２はＵＶ光源、１３はファイババンドル、１４は可撓性外管、１５はメッシュ、１６は電源、１７は入口側キャップ、１８は入口、１９はパイプ、２０は出口側キャップ、２１は出口、２２は被処理液である。
図１２は、本発明の光触媒モジュールの一実施形態を示す図であり、図１２（ａ）は光触媒モジュールの側面断面図、（ｂ）は処理部であるパイプ部分の断面図である。図１２中、符号１０は光触媒モジュール、１１は光触媒担持ファイバ、１２はＵＶ光源、１３はファイババンドル、１４は可撓性外管、１５はメッシュ、１６は電源、１７は入口側キャップ、１８は入口、１９はパイプ、２０は出口側キャップ、２１は出口、２２は被処理液である。
この光触媒モジュール１０は、前述した表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持ファイバ１１と、該光触媒担持ファイバ１１のコア部に励起光を入射するＵＶ光源１２と、被処理流体２２を光触媒担持ファイバ１１と接触させる処理部となるパイプ１９を有する装置本体とを備えた構成になっている。
この光触媒担持ファイバ１１に担持する光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが挙げられ、この中でも酸化チタンが好ましい。酸化チタンからなる光触媒を塗布する場合、酸化チタン微粒子を含む市販の光触媒コーティング液を用いることができ、膜厚やコーティング回数などは所定の条件にしたがって形成すればよい。
前記ＵＶ光源１２としては、前記光触媒を励起可能な光を出力できればよく、特に限定されない。光触媒が紫外線（ＵＶ）励起の場合には、水銀−キセノンランプなどのＵＶ光源が用いられる。このＵＶ光源１２には電源１６が接続されている。
多数本の光触媒担持ファイバ１１のリード部分は、束ねてファイババンドル１３とし、可撓性外管１４内に収容してある。
多数本の光触媒担持ファイバ１１のリード部分よりも後方側は、一定間隔毎にメッシュ１５に固定し、該メッシュ１５を巻回し、処理部となるパイプ１９内に収容されている。メッシュ１５の一端側には、巻回を容易にするための芯材を設けることが好ましい。
多数本の光触媒担持ファイバ１１のリード部分は、束ねてファイババンドル１３とし、可撓性外管１４内に収容してある。
多数本の光触媒担持ファイバ１１のリード部分よりも後方側は、一定間隔毎にメッシュ１５に固定し、該メッシュ１５を巻回し、処理部となるパイプ１９内に収容されている。メッシュ１５の一端側には、巻回を容易にするための芯材を設けることが好ましい。
前記装置本体は、多数本の光触媒担持ファイバ１１を一定間隔毎にメッシュ１５に固定し、該メッシュ１５を巻回した処理部を収納するパイプ１９と、その一端に取り付けられた被処理流体２２の入口１８を有する入口側キャップ１７と、パイプ１９の他端に取り付けられた流体の出口２１を有する出口側キャップ２０とを備えている。また装置本体には、図示しないが、被処理流体２２を入口１８からパイプ１９内に導入し、出口２１から排出するポンプ等の流体搬送手段を設けることもできる。
この光触媒モジュール１０は、ＵＶ光源１２から出力した光を多数本の光触媒担持ファイバ１１に入射し、入口１８から液体や気体の被処理流体２２をパイプ１９内に導入することによって、被処理流体２２が入口２８から出口２１に向けて流れる間に、光触媒担持ファイバ１１表面に担持された光触媒と接触し、被処理流体２２に含まれる汚染物などが分解される。
本実施形態の光触媒モジュール１０は、前述した表面漏光光導波路４のクラッド部２外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持ファイバ１１を用いたものなので、ＵＶ光源１２からコア部１に入射した光を損失なく直接光触媒層に照射でき、有機物など汚染物を効率よく分解できる。
［実施例１］
本実施例の光導波路は、ファイバ形状であって、リード部分は５０ｃｍ、漏光させたい部分１ｍ、入射光の約７０％を漏光させるように設計した。
純粋石英ガラスをコア材とし、紡糸線引き装置を用い、コア石英母材を焼結炉で溶融状態とし、下端から線引きして紡糸のパスラインを通して、ボビンで巻き取った。焼結炉とパスラインの間に設けられた被覆装置内に、紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率約１．３７）を有機溶媒に溶かしたフッ素系樹脂溶液を入れ、線引きしながらコア部の外周にクラッド部を被覆した。その後、架橋筒を通して、加熱、乾燥させ、コア径２００μｍ、クラッド径２５０μｍのファイバを得た。
得られたファイバから１．５ｍの条長で２本を切断し、下記の作製方法でサンプルＡとサンプルＢを作製した。
本実施例の光導波路は、ファイバ形状であって、リード部分は５０ｃｍ、漏光させたい部分１ｍ、入射光の約７０％を漏光させるように設計した。
純粋石英ガラスをコア材とし、紡糸線引き装置を用い、コア石英母材を焼結炉で溶融状態とし、下端から線引きして紡糸のパスラインを通して、ボビンで巻き取った。焼結炉とパスラインの間に設けられた被覆装置内に、紫外透過型のフッ素系樹脂（屈折率約１．３７）を有機溶媒に溶かしたフッ素系樹脂溶液を入れ、線引きしながらコア部の外周にクラッド部を被覆した。その後、架橋筒を通して、加熱、乾燥させ、コア径２００μｍ、クラッド径２５０μｍのファイバを得た。
得られたファイバから１．５ｍの条長で２本を切断し、下記の作製方法でサンプルＡとサンプルＢを作製した。
（サンプルＡ）：１．５ｍのファイバの片側１ｍをアセトン中に３０分浸漬し、紡糸時被覆されたフッ素系樹脂を溶解させ、その部分を裸にした。次に、裸線の先端から５０ｃｍまでを、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し５質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドをリコートした。次に、最初に裸線にした全長１ｍの部分を、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し２質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドをリコートした。散乱体としては、平均粒径３μｍ、屈折率１．４６のアクリル樹脂粒子であり、以下の実施例も同じものを用いた。
（サンプルＢ）：１．５ｍのファイバ全長をアセトン中に３０分浸漬し、紡糸時被覆されたフッ素系樹脂を溶解させ、全長を裸にした。次に、前記フッ素系樹脂溶液に（散乱体はフッ素系樹脂に対し５質量％）浸漬し、ディップコート法で、全長にクラッドをリコートした。
得られたサンプルＡ，Ｂにそれぞれ紫外光源（水銀−キセノンランプ）から紫外光を入射し、伝送損失をカットバック法で測定した。測定結果を図８に示す（図８中、Ａ，Ｂのグラフ参照）。同様に１．５ｍの長さで、５０ｃｍをリード部分として使用し、残りの１ｍを漏光部分とした時、入射側に散乱体が無く、且つ長手方向に段階的に散乱体の濃度を増大したサンプルは、リード部に無駄漏れがなく、漏光させたい部分で入射光の約７０％を漏光することができ、しかも漏光の殆どが利用され、効率的であった。それに対して、散乱体が一様に分布しているサンプルは、１．５ｍの全長で入射光の約９０％を漏光できるが、最初の５０ｃｍで入射光の約５０％以上を漏光させてしまい、結果的に入射光量の約半分しか利用されていないことが分かる。
また、図８に示したように、サンプルＡ，Ｂの漏光部分の漏光は、散乱体を一様に分布させたサンプルＢよりも長手方向に散乱体濃度を変えたＡの方が直線性が良くなり、長手方向の漏光線密度の差が小さく、長手方向に沿って比較的均一であることがわかる。前記光導波路Ａ，Ｂの長手方向の漏光線密度（＝単位長さで、一定入射光量に対する漏光の割合）の比較を図９に示す。
［実施例２］
本実施例の光導波路は、プラスチックファイバであって、リード部分は５０ｃｍ、漏光させたい部分１ｍとなるように設計した。
市販の紫外透過型のアクリルロッド（φ２ｍｍ、長さ１．５ｍ、屈折率１．４９）を２本用意し、下記の作製方法でサンプルＣとサンプルＤを作製した。
本実施例の光導波路は、プラスチックファイバであって、リード部分は５０ｃｍ、漏光させたい部分１ｍとなるように設計した。
市販の紫外透過型のアクリルロッド（φ２ｍｍ、長さ１．５ｍ、屈折率１．４９）を２本用意し、下記の作製方法でサンプルＣとサンプルＤを作製した。
（サンプルＣ）：長さ１．５ｍアクリルロッドの片側の５０ｃｍを、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し５質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。さらに、その上の５０ｃｍ部分もあわせて全長１ｍを、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し２質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。その後、全長１．５ｍを散乱体を添加していない前記フッ素系樹脂溶液に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。
（サンプルＤ）：アクリルロッドの１．５ｍ全長を、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し５質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。
得られたサンプルＣ，Ｄにそれぞれ紫外光源（水銀−キセノンランプ）から紫外光を入射し、伝送損失をカットバック法で測定した。測定結果を図８及び図９に示す（図中、Ｃ，Ｄのグラフ参照）。実施例１と同様に、入射側に散乱体を設けず、且つ長手方向に段階的に散乱体の濃度を増大したサンプルは、散乱体が一様に分布しているサンプルよりも漏光を効率的に利用できることが分かる。
［実施例３］
本実施例の光導波路は、プラスチックシートであって、リード部分は２０ｃｍ、漏光させたい部分３０ｃｍとなるように設計した。
市販の紫外透過型のアクリルシート（厚み２ｍｍ、横幅１０ｍｍ、長さ５０ｃｍ、屈折率１．４９）を２枚用意し、下記の作製方法でサンプルＥとサンプルＦを作製した。
本実施例の光導波路は、プラスチックシートであって、リード部分は２０ｃｍ、漏光させたい部分３０ｃｍとなるように設計した。
市販の紫外透過型のアクリルシート（厚み２ｍｍ、横幅１０ｍｍ、長さ５０ｃｍ、屈折率１．４９）を２枚用意し、下記の作製方法でサンプルＥとサンプルＦを作製した。
（サンプルＥ）：全長５０ｃｍのシートの片側１５ｃｍを、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し１５質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。次に、その上の１５ｃｍもあわせた３０ｃｍ部分を、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し１０質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。その後、全長５０ｃｍを、散乱体を添加していない前記フッ素系樹脂溶液に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。
（サンプルＦ）：５０ｃｍのシート全長を、前記フッ素系樹脂溶液に散乱体を均一に分散させた溶液（散乱体はフッ素系樹脂に対し１５質量％）に浸漬し、ディップコート法でクラッドを形成した。
得られたサンプルＥ，Ｆを端面研磨し、それぞれ紫外光源（水銀−キセノンランプ）から紫外光を入射し、紫外照度計でシートの側面（平らの面）に当てて伝送損失を測定した。測定結果を図１０及び図１１に示す。実施例１，２と同様に、入射側に散乱体を設けず、且つ長手方向に段階的に散乱体の濃度を増大したサンプルは、散乱体が一様に分布しているサンプルよりも漏光を効率的に利用できることが分かる。
［実施例４］
（分解効果）
実施例１で作製したサンプルＡとＢ（それぞれ全長１．５ｍ）を１００本ずつ準備した。前記サンプルＡとＢのそれぞれの入射側から５０ｃｍ〜１５０ｃｍの表面に、市販の光触媒アンダーコート材（保護層）を塗布し、さらにその上に光触媒機能を有する酸化チタンコーティング溶液を塗布、乾燥し、ファイバ外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持ファイバを作製した。得られた酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
（分解効果）
実施例１で作製したサンプルＡとＢ（それぞれ全長１．５ｍ）を１００本ずつ準備した。前記サンプルＡとＢのそれぞれの入射側から５０ｃｍ〜１５０ｃｍの表面に、市販の光触媒アンダーコート材（保護層）を塗布し、さらにその上に光触媒機能を有する酸化チタンコーティング溶液を塗布、乾燥し、ファイバ外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持ファイバを作製した。得られた酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
得られたサンプルＡとＢを１００本ずつ片側（Ａは散乱体添加されていない側）を収束し、この部分を接着剤で接着した後、端面研磨してバンドル化した。その後、得られたバンドルを用い、図１２に示すパイプ型の光触媒モジュールを作製した（Ｌ＝１ｍ）。
この２つのモジュールを用いて、図１２に示すように密閉且つ完全遮光の状態とし、メチレンブルー分解実験を行った。
この２つのモジュールを用いて、図１２に示すように密閉且つ完全遮光の状態とし、メチレンブルー分解実験を行った。
メチレンブルーの初期濃度は１０μｍｏｌ／Ｌ程度に調整した。このメチレンブルー溶液１Ｌをパイプ内に注入した。紫外光源としては、水銀キセノンランプ（照度２０００ｍｗ／ｃｍ２）を用いた。一定時間経過毎にパイプ内のメチレンブルー溶液を分光透光度で測定した。この方法では分光透過率が高いほど溶液中のメチレンブルー濃度が低く、分解が進行していることがわかる。実験結果を図１３に示す。
図１３に示すように、サンプルＡはサンプルＢに比べて分解の進行速度がより速いことが確認された。
１…コア部、２…クラッド部、３…散乱体、４…表面漏光光導波路、１０…光触媒モジュール、１１…光触媒担持ファイバ（光触媒担持導波路）、１２…ＵＶ光源、１３…ファイババンドル、１４…可撓性外管、１５…メッシュ、１６…電源、１７…入口側キャップ、１８…入口、１９…パイプ（処理部）、２０…出口側キャップ、２１…出口、２２…被処理液。
Claims (4)
- コア部と、該コア部よりも屈折率の低い材料からなり、該コア部を囲むように設けられたクラッド部とを備え、且つ少なくとも前記コア部とクラッド部との境界部に、コア部内を伝搬する光を散乱又は放射させてクラッド部の表面から漏光させる欠陥を備えてなるファイバ状の表面漏光光導波路であり、
前記欠陥は、前記コア部とクラッド部との界面のクラッド部側に添加された、クラッド部をなす材料の屈折率と異なる屈折率を持つ粒子状の散乱体であり、
ファイバ状の表面漏光光導波路の入射側から近い長さ方向の第１の領域と、第１の領域の出射側に連続する長さ方向の第２の領域とを備え、
第１の領域は、コア部とクラッド部との界面に、ａ質量％の散乱体が添加された第１の散乱層を有し、第２の領域は、前記第１の散乱層のコア部側界面にさらにｂ質量％（ａ＜ｂ）の散乱体が添加された第２の散乱層を有し、
光触媒モジュール用であることを特徴とする表面漏光光導波路。 - 前記散乱体は、クラッド部となる材料中に散乱体を分散させた被覆材料でコア部表面を被覆し、クラッド部の形成と同時に該クラッド部に添加されることを特徴とする請求項１に記載の表面漏光光導波路。
- 請求項１又は２に記載の表面漏光光導波路のクラッド部外側の全面又は一部に光触媒が担持されてなる光触媒担持導波路と、該光触媒担持導波路のコア部に励起光を入射する光源と、被処理流体を前記光触媒担持導波路と接触させる処理部を有する装置本体とを備えたことを特徴とする光触媒モジュール。
- 紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ａ質量％で添加した第１の有機溶媒と、紫外透過型のフッ素系樹脂が溶解され、紫外透過型のアクリル系散乱体を濃度ｂ（ａ＜ｂ）質量％で添加した第２の有機溶媒と、を作製するステップと、
コアとなるアクリルロッドを前記作製した第２の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第１の長さｍだけ塗布する第１の塗布ステップと、
前記第１の塗布ステップに引き続き、前記アクリルロッドを前記作製した第１の有機溶媒にディップコート法でアクリルロッドの一端面から第２の長さｎ（ｎ＞ｍ）だけ塗布する第２の塗布ステップと、
を含む、光触媒モジュール用表面漏光光導波路の製造方法。
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