JP5885897B1 - 光伝送体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性と、優れた接着性とを両立した光伝送体を提供することを目的とする。実施形態によれば、第１のガラスから成るコア、及び、第２のガラスから成り、コアの外周面を被覆するクラッドから構成されるファイバー素線と、クラッドの外周面を被覆した被覆層とを含み、被覆層は複数の非イオン性界面活性剤分子からなり、非イオン性界面活性剤分子の各々はクラッドに水素結合している光伝送体が提供される。

Description

本発明は、光伝送体、複数の光伝送体を含むイメージガイド又はライトガイド、イメージガイド及びライドガイドの少なくとも１つを含む内視鏡、及び光伝送体の製造方法に関する。

従来の内視鏡では、観察時の明るさを確保するため、内視鏡の挿入部にガラス製の光ファイバーが通され、光源から先端部に向かう照明光の伝達に使用されている。

光ファイバーは優れた透過率及び配光特性を有しているが、物性的に硬い上、柔軟性が低い。内視鏡は先端部が繰り返し鋭く曲げられるため、先端部において光ファイバーが折れやすいという問題がある。また、内視鏡の内部には光ファイバーが密に充填されているため、先端部以外の箇所においても、互いに擦れ合うことにより光ファイバーが折れるという問題がある。内視鏡内部で光ファイバーが折れると透過光量が減少するため、内視鏡の観察性能が低下してしまう。

このような問題を解決する光ファイバーとして、特許第４２２９８９０号公報には、ファイバー素線の外周面にフッ素置換アルキル基含有有機ケイ素化合物を含む被覆層（以下、フッ素アルキルシラン層）を形成した光伝送体が開示されている。このフッ素アルキルシラン層を形成した光ファイバーは、優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性が付与され、内視鏡観察性能を満足するレベルまで光ファイバーの折れ及び劣化を低減することが可能である。しかしながら、このような光ファイバーは最表面にフッ素アルキル基が存在するため、接着性が低下し、光ファイバー端面の成型及び研磨が難しくなる。そのため、十分な量の光を伝達することが難しく、観察性能が低下するという問題があった。

本発明の目的は、優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性と、優れた接着性とを両立した光伝送体を提供することにある。

本発明の一側面によると、第１のガラスから成るコア、及び、第２のガラスから成り、前記コアの外周面を被覆するクラッドから構成されるファイバー素線と、前記クラッドの外周面を被覆した被覆層とを含み、前記被覆層は複数の非イオン性界面活性剤分子からなり、前記非イオン性界面活性剤分子の各々は前記クラッドに水素結合している光伝送体が提供される。

本発明によれば、優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性を有し、さらに、十分な接着性を有する光伝送体が提供される。

図１は、実施形態に係る光伝送体の軸方向の断面図である。 図２は、図１中の破線で囲まれた領域Ａを拡大して表した、実施形態に係る光伝送体の軸方向の断面図である。 図３は、実施形態に係る内視鏡の先端部を示す図である。 図４は、実施形態に係るイメージガイドを示す図である。 図５は、図４中の線ＩＶ−ＩＶで切断された、イメージガイドの断面図である。 図６は、被覆されていない、従来の光伝送体の軸方向の断面図である。 図７は、フッ素アルキルシラン層により被覆されている、従来の光伝送体の軸方向の断面図である。

本発明の第１実施形態は光伝送体に関する。図１には、光伝送体の軸方向の断面図を示す。

光伝送体とは、光波、信号、像などを伝搬させる光導波路として用いられるものを意味し、例えば、光ファイバー、ライトガイド、光ファイバセンサーなどを含む。その形状に特に制限はなく、断面は円形又は方形であってよい。

図１に示すように、本発明の光伝送体１０は、ファイバー素線１３及び被覆層１４を含む。

ファイバー素線１３は、光伝送体１０において、主に光の伝送を担う。ファイバー素線１３は、円柱形状に形成されたコア１１と、その外周面を被覆するクラッド１２とから成る。コア１１及びクラッド１２は、ともにガラスから成る。これらのガラスは光に対して高い透過性を有していることが好ましい。さらに、コア１１を構成する第１のガラスは、クラッド１２を構成する第２のガラスよりも屈折率が高いことが好ましい。第１のガラス及び第２のガラスとして、例えば、添加物を含む石英ガラスを用いることができる。

被覆層１４は、主に、ファイバー素線１３の保護、及び複数の光伝送体１０を束ねたときの光伝送体間の接着性の調節を担う。被覆層１４は、クラッド１２の外周面を被覆する。被覆層１４の厚さは、特別な限定はないが、１ｎｍから１００ｎｍであってよく、例えば約１０ｎｍである。被覆層１４が薄すぎると、ファイバー素線を保護する役割を十分に達成できない。一方、厚すぎると、光伝送体の断面に占めるファイバー素線１３の面積の割合が小さくなり、光の伝送の効率が下がる可能性がある。

被覆層１４は、複数の非イオン性界面活性剤分子から成る。被覆層１４は、典型的には単分子層である。非イオン性界面活性剤分子の１つ１つは、クラッド１２に対して水素結合を介して繋がっている。

非イオン性界面活性剤は、水に溶解した際に、イオン化しない親水性基を有している界面活性剤である。非イオン性界面活性剤には、エーテル型やエステル型等の分類がある。本実施形態で使用する非イオン性界面活性剤は、親水性基に水酸基を有することが好ましい。例えば、この水酸基がクラッドに対して水素結合することにより、クラッドの外周に非イオン性界面活性剤分子から成る被覆層が形成される。

図２に、図１中の破線で囲まれた領域Ａを拡大して表した、実施形態に係る光伝送体の軸方向の断面図を示す。図２中では、非イオン性界面活性剤分子として１−Ｏ−テトラデシルグリセリンを用いた場合を示した。図２に示したように、非イオン性界面活性剤分子中の水酸基が水素結合を介してクラッド１２に結合することにより、被覆層１４が形成される。

このような被覆層１４を形成することにより、光伝送体同士の接触面に働く摩擦力を低減させることができる。それ故、ファイバー素線１３の耐久性、耐摩耗性、潤滑性を向上させることができる。

また、図２に示すように、クラッド１２の外周面にはミクロな傷１５が存在することがある。非イオン性界面活性剤分子は、このような傷１５を覆うことができるため、傷１５に起因するファイバー素線１３の折れを生じ難くし、光伝送体の耐久性を向上させることができる。

非イオン性界面活性剤分子は、１分子あたり２以上の水酸基を有することが好ましい。水酸基の数が多いほど、各分子がクラッド１２の外周面に対してより強く結合し、被覆層１４がより剥がれにくくなる。それ故、耐久性及び耐摩耗性をより向上させることができる。水酸基の数は、例えば１２以下であることが好ましい。水酸基の数を過度に多くすると、クラッド１２と水素結合できない水酸基が増える。そのため、クラッド１２の外周面上において、界面活性剤の水酸基同士が相互作用し、ファイバー素線１３の潤滑性を減少させる可能性がある。水酸基の数は、１分子あたり３〜１０であることがより好ましい。

また、１分子あたりの水酸基の数が２以上の場合、図２に示したように、２つ以上の水酸基のそれぞれが、クラッド１２の外周面に存在するミクロな傷１５を跨ぐようにしてクラッドと結合し得る。これにより、傷を被覆する効果がさらに高くなると考えられる。

非イオン性界面活性剤分子は、典型的にはエーテル結合及びエステル結合の少なくとも１つを有しており、このエーテル結合及びエステル結合の少なくとも１つが有する酸素原子と、クラッドの水酸基とが水素結合を介して繋がっていてもよい。非イオン性界面活性剤分子は、水酸基とエーテル結合及びエステル結合とを、分子内に合計２つ以上有していることが好ましい。

非イオン性界面活性剤分子は、クラッドの水酸基と水素結合を生じていない水酸基を有していてもよく、この水酸基は、隣接する他の非イオン性界面活性剤分子の水酸基や、クラッドの表面に存在する水酸基との間で脱水縮合を生じていてもよい。

非イオン性界面活性剤の疎水性基は、炭素数が８以上の炭化水素鎖を有することが好ましい。疎水性基の炭化水素は、飽和した炭化水素鎖であってもよく、不飽和の炭化水素鎖でもよい。なお、ここでは、非イオン性界面活性剤の親水性基と疎水性基とがエステル結合によって隔てられている場合、エステル結合の炭素は疎水性基の炭素とは見なさない。

疎水性基の炭素数が過度に少ないと、光伝送体に十分な耐久性、耐摩耗性及び潤滑性を付与することができない可能性がある。また、この炭素数が過度に多いと、炭化水素鎖がクラッド１２の外周面を被覆する面積が大きくなる。そのため、接着剤と反応基が相対的に少なくなり、接着力が減少すると考えられる。

非イオン性界面活性剤として、例えば、ポリオキシアルキレンエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンシルビトール脂肪酸エステル、グリセリルエーテル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油等を用いることができる。より好ましい例として、例えば、モノオレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（２０Ｅ．Ｏ．）、モノステアリン酸デカグリセリル、及びモノオレイルグリセリルエーテルを挙げることができる。

好ましい態様において、伝送体は鉛を含まない鉛非含有ファイバー素線により構成される。近年では鉛等の有害物質に対する規制が厳しくなっているため、鉛非含有ファイバー素線に対する要求が高まっている。しかし、鉛を含まないファイバー素線は、鉛を含むファイバー素線よりも硬く、且つ、柔軟性が低いため、耐久性が低いという問題がある。

しかしながら、本実施形態に従って、非イオン性界面活性剤分子から成る被覆層でファイバー素線を被覆することにより、鉛を含まないファイバー素線であっても十分な耐久性、耐摩耗性、潤滑性を備えることができる。

被覆層は、クラッドの外周面に対して、非イオン性界面活性剤と水とを含む処理液を塗布することにより形成することができる。処理液には、他の成分を含有させてもよいが、非イオン性界面活性剤及び水のみを含有してもよい。処理液中の非イオン性界面活性剤の割合は、例えば０．０１〜２０体積％であり、好ましくは０．２〜１０体積％である。上記割合がこの範囲内にある場合、非イオン性界面活性剤分子が適切な密度で被覆層を構成するため、十分な耐久性、耐摩耗性、潤滑性が得られると共に、被覆層が剥がれにくくなる。また、上記割合を過度に高めると、非イオン性界面活性剤分子がミセルを形成し、均質な被覆層を得られなくなり、耐久性、耐摩耗性、潤滑性が減少すると考えられる。

処理液を塗布する方法に特別な限定はなく、例えばダイスコート法、スプレー法、ディッピング法又はシャワー法により塗布することができる。ダイスコート法とは、コーティング液をダイスに供給しつつ、ダイス中にファイバー素線を通して、ファイバー素線表面に被覆層を形成する方法である。スプレー法とは、ファイバー素線表面にコーティング液を吹き付ける方法である。ディッピング法とは、コーティング液中にファイバー素線を浸漬する方法である。シャワー法とは、コーティング液のシャワー中にファイバー素線を通す方法である。

第２の実施形態は、イメージガイド及びライドガイド、並びにそれらを用いた内視鏡に関する。図３に、実施形態に係る内視鏡１の先端部の一例を示す。内視鏡１は、先端部部材８中に、イメージガイド２及びライトガイド３が挿入されている。また、組織の採取や病変の切除のための処置具を出し入れに使用される鉗子口６、及びレンズ洗浄のための水や体腔を膨らませるための空気を送り出すノズル７も設けられている。

イメージガイド２及びライトガイド３は、第１実施形態に係る光伝送体が複数本束ねられて成る。図４に、イメージガイド２の例を示す。図５は、図４中の線ＩＶ−ＩＶで切断された、イメージガイド２の断面図である。

図５に示すように、イメージガイド２は、複数の光伝送体１０が束ねられ、その束が外装チューブ４内に収容された構成を有している。

一つの態様において、各光伝送体１０は、外周面に固体潤滑剤が塗布されていてもよい。固体潤滑剤が塗布されることにより、光伝送体に潤滑性を付与し、光伝送体同士の接触面に働く摩擦力をより低減させることができる。

固体潤滑剤の例は、タルク、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、フッ化エチレンといったフッ化物樹脂、ポリアセタール、カーボングラファイト等である。

他の態様において、各光伝送体１０は、固体潤滑剤が塗布されていなくてもよい。即ち、被覆層１４が、光伝送体１０の最外周に存在していてもよい。第１実施形態に従って、非イオン性界面活性剤から成る被覆層１４を有している光伝送体は、十分な耐久性、耐摩耗性、潤滑性を有しているため、固体潤滑剤をさらに塗布することなく所望の性能を得ることができる。

図４に示すように、イメージガイド２は両端に口金５が取り付けられる。この口金５が、図３に示すように先端部部材８に設けられた貫通孔に挿入されることにより、内視鏡に組み込まれる。なお、ここではイメージガイド２を例に説明したが、ライトガイド３も同様の構成を有する。

実施形態に係る光伝送体は、従来の光伝送体と比較してより優れた効果を達成することができる。この効果について以下に説明する。

図６及び図７に、従来の光伝送体を例示する。図６は、コア２１及びクラッド２２からなり、被覆層を有さない光伝送体２０の軸方向の断面図である。図７は、コア２１及びクラッド２２からなり、フッ素アルキルシラン層からなる被覆層３３を有する光伝送体３０の軸方向の断面図である。

図６のような被覆層を有さない光伝送体２０は、耐久性、耐摩耗性及び潤滑性に劣る。特に、鉛非含有ガラスから成るファイバー素線は、鉛を含む場合と比較して、物性的に硬く、且つ、柔軟性が低い。それ故、ファイバー素線を密に充填させた内視鏡の先端部を、厳しい繰り返し曲げに晒した場合に、ファイバー素線が折れることが多い。その結果、内視鏡の観察性能が低下する。

また、図７のようなフッ素アルキルシラン層３３を有する光伝送体は、フッ素アルキルシランから成る被覆層により、優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性が付与される。それ故、十分な観察性能が得られる程度まで、折れ及び劣化を低減できる。しかしながら、被覆層中のフッ素アルキル基が光伝送体の表面に露出しているため、複数の光伝送体を束ねたとき、光伝送体間の接着性が低いという問題がある。

内視鏡に使用するためのイメージガイドやライトガイドを製造する際、一般に、複数の光伝送体を束ね、この束を外装チューブに収容する。その後、この束の端部を研磨する。これにより、個々の光伝送体の端面が磨かれて透過性が向上するとともに、複数の光伝送体の端面の位置を揃えることができる。しかしながら、フッ素アルキルシラン層を有する光伝送体は、光伝送体間の接着性が低い。このように、光伝送体間の接着性が低い場合、個々の光伝送体を固定しにくいため、研磨が困難である。それ故、個々の光伝送体の端面の縁が削られたり、光伝送体の一部が埋まったりすることが多い。その結果、内視鏡の観察性能が低下するという問題がある。

これに対し、本発明に係る光伝送体は、優れた耐久性、耐摩耗性及び潤滑性を有しながらも、高い接着性を有する。そのため、適切に研磨することが可能である。このような光伝送体を用いることにより、優れた耐久性及び光透過性を有するイメージガイド及びライトガイドを提供することが可能である。またさらに、このようなイメージガイド及びライトガイドを用いることにより、優れた観察性能を有する内視鏡を提供することができる。

実施形態に係る光伝送体を製造し、耐久性及び研磨の状態を評価した。

（実施例１）
＜処理液の調製＞
非イオン性界面活性剤を水に溶解して処理液を調製した。非イオン性界面活性剤としては、式１に示すモノオレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（２０Ｅ．Ｏ．）を使用した。処理液中の非イオン性界面活性剤の割合は１体積％であった。

＜光伝送体の作製＞
鉛を含有しないファイバー素線を用いて光伝送体を作製した。まず、上記で調製した処理液に、ファイバー素線を１０秒間浸漬した。次いで、ファイバー素線を処理液から取り出し、乾燥した。これにより、ファイバー素線の外周に被覆層が形成された光伝送体を得た。

＜バンドルの作製＞
上記で作製した光伝送体を複数本まとめてシリコーンチューブに収容した。次いで、光伝送体の両端を口金に挿入した後、接着剤で封止し、切断及び研磨した。これにより、実施例１のバンドルを得た。

（実施例２）
非イオン性界面活性剤として式２に示すモノステアリン酸デカグリセリルを使用したこと以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。

（実施例３）
非イオン性界面活性剤として式３に示すモノオレイルグリセリルエーテルを使用したこと以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。

（比較例１）
非イオン性界面活性剤の代わりにフッ素置換アルキル基含有有機ケイ素化合物を用い、水の代わりにフッ素系溶媒を用いて処理液を調製した以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。処理液中のフッ素置換アルキル基含有有機ケイ素化合物の割合は１体積％であった。

（比較例２）
非イオン性界面活性剤の代わりに式４に示すミリスチン酸を用い、水の代わりにエタノールを用いて処理液を調製した以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。処理液中のミリスチン酸の割合は５体積％であった。

（比較例３）
非イオン性界面活性剤の代わりに式５に示すパルミチン酸を用い、水の代わりにエタノールを用いて処理液を調製した以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。処理液中のパルミチン酸の割合は、５体積％であった。

（比較例４）
処理液としてフッ素変性シリコーンオイル（１００体積％）を用いた以外は、実施例１と同様にバンドルを作製した。

（比較例５）
被覆層を有さないファイバー素線を用いて、実施例１と同様にバンドルを作製した。

＜耐久性の評価＞
実施例１〜３及び比較例１〜５のバンドルについて、耐久性の評価を行った。

評価のために、内視鏡先端部を繰り返し曲げ動作させた時にかかる負荷を模擬した試験を行った。各バンドルに、内視鏡使用時よりも高い負荷を繰り返し与え、一定の回数まで与えた後、折れた光伝送体の数を数えた。その結果から、次の計算式により折れ率（％）を算出した。折れ率（％）＝＜試験後に折れた光伝送体の数＞／＜光伝送体の全数＞×１００

実施例１〜３及び比較例１〜５のバンドルの耐久性の評価結果を表１に示す。表１中、折れ率が１０％未満であったものは「◎（優良）」とし、折れ率が１０％以上且つ６０％未満であったものは「○（良）」とし、折れ率が６０％以上であったものは「×（不可）」とした。なお、表１では、それぞれの実施例において使用した非イオン性界面活性剤が有する水酸基の数も示している。

＜研磨状態の評価＞
さらに、実施例１〜３及び比較例１〜５のバンドルについて、研磨されたバンドル端面の状態を観察した。この結果を表１に示す。表１中、内視鏡として使用可能な観察性能を有するものを「○」とし、使用不可な観察性能を有するものを「×」として表した。

表１に示される結果から、以下のことがわかる。比較例１は、耐久性が非常に優れているが、研磨状態が悪く、使用に適さないことが示された。被覆層として非イオン性界面活性剤を用いなかった比較例２、３及び４は、耐久性が低く、使用に適さないことが示された。また、被覆層を設けなかった比較例５は耐久性が著しく低かった。

これに対し、実施例に係る非イオン性界面活性剤を使用した例では、いずれも優れた耐久性及び研磨性を有することが示された。

Claims (11)

1. 第１のガラスから成るコア、及び、第２のガラスから成り、前記コアの外周面を被覆するクラッドから構成されるファイバー素線と、前記クラッドの外周面を被覆した被覆層とを含み、前記被覆層は複数の非イオン性界面活性剤分子からなり、前記非イオン性界面活性剤分子の各々は前記クラッドに水素結合している光伝送体。
2. 前記非イオン性界面活性剤分子は水酸基を有する請求項１に記載の光伝送体。
3. 前記非イオン性界面活性剤分子は、水酸基を２つ以上有している請求項２に記載の光伝送体。
4. 前記非イオン性界面活性剤分子は、分子内にエーテル結合及びエステル結合の少なくとも一つを有しており、前記水酸基とエーテル結合及びエステル結合との合計数が２以上である請求項２に記載の光伝送体。
5. 前記非イオン性界面活性剤分子は、炭素数が８以上の炭化水素鎖を有している請求項１に記載の光伝送体。
6. 前記ファイバー素線は鉛を含まない請求項１に記載の光伝送体。
7. 前記被覆層の外周面に塗布された固体潤滑剤をさらに含む請求項１に記載の光伝送体。
8. 請求項１に記載の光伝送体が複数本束ねられたイメージガイド。
9. 請求項１に記載の光伝送体が複数本束ねられたライトガイド。
10. 請求項８に記載のイメージガイド及び請求項９に記載のライトガイドの少なくとも１つを含む内視鏡。
11. 第１のガラスから成るコア、及び、第２のガラスから成り、前記コアの外周面を被覆するクラッドから構成されるファイバー素線の外周面に、非イオン性界面活性剤及び水からなる処理液を塗布することを含み、
    前記処理液中の非イオン性界面活性剤の割合は、０．０１乃至２０体積％である光伝送体の製造方法。

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