JP6051443B2

JP6051443B2 - 液体ライトガイドの製造方法

Info

Publication number: JP6051443B2
Application number: JP2014003985A
Authority: JP
Inventors: 戸祐幸森
Original assignee: U Vix Corp
Current assignee: U Vix Corp
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: JP2015132706A

Description

本発明は、チューブの中空部にコアとなる導光液が充填された液体ライトガイドの製造方法に関する。

液体ライトガイドは、例えば太陽光などの大光量の光を屋外から屋内に導くために使用され、最も基本的構成として、クラッドとしての光学的機能と、ライトガイドの機械強度を維持する構造体としての機能を併せ持つチューブに、コアとなる導光液が充填したものが知られている（特許文献１参照）。

図３はこのようなこの液体ライトガイド３１を示し、クラッド材で形成された中空チューブ３２内に、コアとなる導光液３３が充填され、チューブ３２の両端がガラス、石英などの透光性プラグ３４で液密に封止されている。
クラッド材としては、一般に低屈折率のフッ素樹脂アモルファス共重合体が用いられるが、極めて高価であるため、液体ライトガイドの価格も高価とならざるを得ない。

この場合に、図４に示すように、クラッドとなるチューブ３２に直接保護チューブ３５を設けた液体ライトガイドも提案されているが、チューブ３２でクラッドを形成する以上、高価なクラッド材の使用量を大幅に減らすことができないので、液体ライトガイドのコストを低減することができない。

そこで、図５に示すように、ライトガイド４１のクラッドとしての光学的機能と、ライトガイドの機械強度を維持する構造体としての機能を分離し、構造体となるサポートチューブ４２の内面に、クラッドとしての光学的機能を有するクラッド層４３を形成し、その内部に導光液４４を充填し、両端を透光性プラグ４５で封止した液体ライトガイドが提案されている（特許文献２−５参照）。

この場合に、クラッド層４３を形成する方法として、特許文献２には、サポートチューブ４２となる樹脂材料とクラッド材料とを共押出ししたり、サポートチューブ４２の内面をクラッド材を溶かした有機溶剤溶液でコーティングする方法が開示されている。
しかし、クラッド材を共押出しする場合は、クラッド層４３の厚さは薄くても０.１ｍｍ程度になってしまうため、薄膜状の極めて薄いクラッド層を形成して低コスト化を図るためコーティング法が用いられる。

コーティング法によれば、μオーダーの薄膜を形成することができるので、クラッド材の使用量を大幅に減少することができる。また、サポートチューブ４２の屈折率に関係なく、クラッド層４３とコアとなる導光液４４の屈折率差によりライトガイドを構成することができるので、サポートチューブ４２に高価な材料を使用する必要がなく、材料費を抑えて安価な液体ライトガイドを製造することができる。

しかしながら、サポートチューブ４２あるいはクラッド層４３として水蒸気透過性の高い材料を使用すると、導光液４４の水蒸気分圧と外気の水蒸気分圧の差により、水蒸気分子がサポートチューブ及び薄膜クラッドの内外を透過し、液体コア内に気泡が発生するなどして光透過率が低下するという問題が指摘されている。

このため、図６に示すように、サポートチューブ４２の外側に、水蒸気透過率の低い材料で形成した保護チューブ４６を設けたものも提案されている（特許文献４及び５参照）。
そして、特許文献４では、サポートチューブ４２と保護チューブ４６の隙間４７に導光液４４と同程度の水蒸気分圧を有する保護液を充填しており、水蒸気が透過したとしても隙間４７に充填した保護液内に気泡を生じさせることにより、導光液４４に気泡を生じさせないようにしている。

しかしながら、サポートチューブ４２及び保護チューブ４６の材料として水蒸気透過性の極めて低いＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）が使用されているため、気泡が水蒸気分子の透過に起因するものとは考えにくい。
この点に関し本発明者が研究したところ、内部気泡が生ずるのは水蒸気よりも、むしろ、空気、酸素、ＣＯ_２の分子の透過率の影響が高いのではないかという推論に至った。
例えば、サポートチューブを形成する代表的なフッ素樹脂ＦＥＰ及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のガス透過率は表１の通りである。

特許文献５では、サポートチューブ４２の内面にクラッド層４３を形成したクラッド材が空気透過性の低い場合に、サポートチューブ４２の外側に空気透過性の低い保護チューブ４６を設け、且つ、サポートチューブ４２と保護チューブ４６の隙間を４７を気密に形成して外気を遮断している。
しかしながら、この隙間４７を気密に形成しても、隙間４７に空気が存在する以上、その空気がサポートチューブ４２を透過して導光液に気泡が生ずることは避けられない。

さらに、この種の液体ライトガイド４１を、太陽光導光器として使用する場合、太陽追尾装置によりライトガイド４１の光入射面が常に太陽を向くようにサポートチューブ４２を屈曲させて動かす必要があるが、これらのフッ素樹脂は比較的硬いため、柔軟性を確保するためにはある程度薄く形成しなければならず、薄くすれば小さな力で屈曲させることができる反面、座屈しやすく、さらに、ガス透過抵抗も下がるという問題がある。

特開平０８−１０１３１５号公報特開平０７−２１８７４１号公報特表平０９−５０４１２１号公報特許第４２３４３２４号公報特開平０８−０９４８７２号公報

そこで本発明は、高価なクラッド材料の使用量を少なくするだけでなく、屈曲性を向上させたりガス透過率を低下させるなど設計時に要求される使用状況に応じた複合的な物理的特性を簡単な構成で付与することのできる液体ライトガイドの製造方法を提供することを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、サポートチューブの中空部にコアとなる導光液を充填し、その両端を透光性プラグで封止する液体ライトガイドの製造方法において、前記サポートチューブとして、複数種類の樹脂を管状に共押出しして、最外層が最内層に比して柔軟で、最内層が最外層に比してガス透過率の低い多重積層チューブを形成し、当該積層チューブの中空部に面して薄膜状クラッド層をコーティング形成することを特徴としている。

本発明によれば、サポートチューブの中空部に面して薄膜状クラッド層がコーティング形成されているので、高価な材料を使用する場合でも、その使用量を減らして製造コストを低減することができる。
また、サポートチューブが積層チューブで形成されているので、液体ライトガイドに求められる機械的特性に応じてその材質を適宜選択することにより、複合的な特性を有する液体ライトガイドを製造することができる。

例えば、クラッド層として、低屈折率フッ素樹脂アモルファス共重合体を使用する場合は、その付着性を考慮して最内層をフッ素樹脂で形成することが望ましい。
フッ素樹脂は比較的硬いため、柔軟性を向上させたい場合は、その外側層をウレタン系エラストマー、より好適には、フッ素含有ウレタン系エラストマーで形成し、硬い樹脂と柔軟な樹脂を共押出成形することにより、内側の硬い樹脂が外側の柔らかい樹脂で覆われるため、屈曲時に座屈し難くなる。

また、サポートチューブの最外層と最内層のいずれか一方を、ガス透過率の低い樹脂で形成すれば、他方にガス透過率の高い材料を使用しても、ガス透過による導光液への影響を排除することができる。
その結果、サポートチューブとして、クラッド層を形成しやすく、柔軟性を向上させ、且つ、ガスバリア性を向上させるという複合的な特性を付与することができる。

さらに、サポートチューブとクラッド層の間にプライマー層を形成すれば、最内面側により薄いクラッド層を形成しても、プライマー層がサポートチューブの表面欠陥をカバーすることとなり、クラッド層がサポートチューブ内面の表面欠陥の影響を受けることがない。

また、プライマー層の屈折率は、導光液の屈折率より低く、クラッド層の屈折率より高く選定されているので、導光液に接するクラッド層の屈折率が最も低く、ライトガイドの光学的性質は、従来のものと同等に維持される。
したがって、同等の光学性能を有しながら、高価な材料を必要とするクラッド層を薄く形成することができ、ひいては、液体ライトガイドをより安価に製造できる。

また、サポートチューブとクラッド層の間に形成される少なくとも一のプライマー層の硬度を、クラッド層の硬度より低く選定すれば、当該プライマー層が緩衝層として機能するので、サポートチューブの変形によるせん断力が緩和されてクラッド層に伝わり、その結果、クラッド層がより剥がれにくくなるという効果がある。

本発明により製造された液体ライトガイドの一例を示す説明図。その屈折率分布を示す模式図。本発明により製造された他の液体ライトガイドの例を示す説明図。従来技術を示す説明図。他の従来技術を示す説明図。さらに他の従来技術を示す説明図。

本発明は、屈曲性を向上させたりガス透過率を低下させるなど設計時に要求される使用状況に応じた複合的な物理的特性を付与するという課題を達成するために、サポートチューブの中空部にコアとなる導光液を充填し、その両端を透光性プラグで封止する液体ライトガイドの製造方法において、前記サポートチューブとして、複数種類の樹脂を管状に共押出しして、他の層に比してガスバリア性の高い層と、他の層に比して柔軟性の高い層を備えた多重積層チューブを形成し、当該積層チューブの中空部に面して薄膜状クラッド層をコーティング形成した。

本発明方法により製造される液体ライトガイド１は、サポートチューブ２の中空部にコアとなる導光液３が充填され、その両端が石英などの透光性プラグ４で液密封止されている。
また、サポートチューブ２の中空部に面して薄膜状クラッド層５がコーティング形成され、サポートチューブ２とクラッド層５の中間に、当該クラッド層５を支持する１層以上のプライマー層６がコーティング形成され、各プライマー層６の屈折率は、導光液３の屈折率より低く、クラッド層５の屈折率より高く選定されている。

導光液３としては、長期間変質しない化学的安定性の高いものが用いられ、例えば、リン酸ナトリウム水溶液（ＮａＨ_２ＰＯ_４）、リン酸カリウム水溶液（Ｋ₂ＨＰＯ₄）、塩化カルシウム水溶液（ＣａＣｌ）、ＰＣＴＦＥオイルなどが用いられる。
これらは、いずれも屈折率ｎ＝１.４０〜１.４２程度である。

また、クラッド層５は、導光液３より屈折率が低いのはもちろんのこと、導光液３と長期間接触しても変質しないように、耐薬品性、耐熱性、耐光性、耐候性に優れたものが望ましく、デュポン社のテフロンＡＦ（商品名）などのような低屈折率フッ素樹脂アモルファス共重合体（屈折率ｎ＝１.２９）や、メルク社のＳｉｏｓｏｌ（商品名）などのような低密度ＳｉＯ_２ゾルゲル材料（屈折率ｎ＝１.２２）を用いることもできる。

プライマー層６は、クラッド層５を形成しやすいようにクラッド層の材質に近いものが選ばれ、光学的には、その屈折率が、導光液３の屈折率より低く、クラッド層５の屈折率より高く選定され、ヘキサフロロアクリレートポリマー等のフッ化ウレタンアクリレート（屈折率ｎ＝１.３３前後）が用いられる。
例えば、ポリテック社のＭｙｐｏｌｙｍｅｒＭＹ−１３０シリーズ（屈折率ｎ＝１.３２−１.３３）、ファイバーオプティックセンター社のＡｎｇｓｔｒｏｍｌｉｎｋＡＬ−２２３３（屈折率ｎ＝１.３３）、オプティマックス社の９１３２（屈折率ｎ＝１.３２）を用いることができる。
このとき、クラッド層５との関係で、プライマー層６の硬度が、クラッド層５の硬度より低いことが望ましい。

サポートチューブ２は、複数種類の樹脂を管状に共押出しして一体形成された多重積層チューブが用いられ、本例では、サポートチューブ２の最内層となる内管２Ａと、最外層となる外管２Ｂが共押出しされた二重積層チューブが用いられている。

内管２Ａは、外管２Ｂと共押出しすることから押し出し成型が可能で、且つ、プライマー層６の付着性がよいものが選定される、
プライマー層６として上述したようなフッ素樹脂を使用する場合、例えば、
ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、
ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシポリマー）、
ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、
ＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）、
ＰＣＴＦＥ（ポリクロルトリフルオロエチレン）
等の押出成型が可能なフッ素樹脂を用いることが好ましい。

ガスバリア性を高くする必要がある場合は、この中でも、ＰＶＤＦやＥＴＦＥを用いることが好ましい。これらのガス透過率は表２の通り、表１のフッ素樹脂に比して、空気透過率、酸素透過率、ＣＯ_２透過率とも格段に小さい。

また、上述のフッ素樹脂は、比較的硬く屈曲性に乏しいので、無理に曲げると折れやすいという問題がある。
そこで、外管２Ｂとして、ウレタン系エラストマーを用いる。ウレタン系エラストマーは、ガスバリア性が低いものの、柔軟性に富んでいるので、フッ素樹脂と共押出しして痛い成形することにより、サポートチューブ２の屈曲時に撓みを均一に分散させてフッ素樹脂で成る内管２Ａの座屈を防止することができる。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
本例の液体ライトガイド１によれば、サポートチューブ２が異なる樹脂材料を共押出しした多重の積層チューブで形成されているので、サポートチューブ２を形成する樹脂材料に応じた複合的な特性を付与することができる。
本例のように、内管２Ａと外管２Ｂの二層に形成され、内管２Ａにガスバリア性の高い材料を用い、外管２Ｂに柔軟性を有する材料を用いれば、液体ライトガイド１に、ガスバリア性及び柔軟性という複合的な特性を付与することができる。

なお、上述の実施例では、サポートチューブ２を二層に形成した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限らず、付与すべき特性に応じて三重、四重に積層形成したものを用いてもよい。
また、クラッド層５は、プライマー層６を介してサポートチューブ２の内面に支持される場合について説明したが、これに限らず、サポートチューブ２の内面に直接形成される場合であってもよい。

本発明は、大光量の光を導く用途に使用され、特に、太陽光を屋外から屋内に導く液体ライトガイドの用途に適用し得る。

本発明は、大光量の光を導く用途に使用され、特に、太陽光を屋外から屋内に導く液体ライトガイドを製造する用途に適用し得る。

Claims

サポートチューブの中空部にコアとなる導光液を充填し、その両端を透光性プラグで封止する液体ライトガイドの製造方法において、
前記サポートチューブとして、複数種類の樹脂を管状に共押出しして、他の層に比してガスバリア性の高い層と、他の層に比して柔軟性の高い層を備えた多重積層チューブを形成し、
当該積層チューブの中空部に面して薄膜状クラッド層をコーティング形成することを特徴とする液体ライトガイドの製造方法。
前記最内層をフッ素樹脂で形成した請求項１記載の液体ライトガイドの製造方法。
前記最外層をウレタン系エラストマーで形成した請求項１又は２記載の液体ライトガイドの製造方法。
前記サポートチューブと前記薄膜状クラッド層の中間に位置するように、前記積層チューブの内面に、屈折率が導光液より低く、前記クラッド層より高い１層以上のプライマー層をコーティング形成した請求項１乃至３いずれか記載の液体ライトガイドの製造方法。
少なくとも一のプライマー層を、前記薄膜状クラッド層の硬度より低い硬度で形成した請求項４記載の液体ライトガイドの製造方法。