JP6520122B2 - 照光プラスチック光ファイバ、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、照光プラスチック光ファイバとその製造方法、それを用いた照光プラスチック光ファイババンドル、光ファイバ照光装置、光ファイバセンサー、光ファイバシート、光ファイバ織物、および光ファイバ編物に関する。
一般に光伝送用に使用されているプラスチック光ファイバは、透明樹脂からなるコア（内層）とクラッド（外層）とが同心円状の真円形に構成されている。このような構成からなるプラスチック光ファイバは、一端から入射した光がコアとクラッドとの界面で全反射を繰り返しながら他端部に効率よく伝達されるため、医療用の内視鏡や工業用、自動車用などの照明用光伝送材などとして有効に使用されている。これらは、いずれも一端から入光した光を途中で漏光させることなく他端に伝達する手段としてのものであるが、これを長手方向途中（側面）から漏光させて線状発光体として機能させることができれば、屋内外の照明用途、ネオンサインや電光表示の代替用途、その他装飾用途など、更にはセンサー用途などに用途展開することができる。
このような側面発光用のプラスチック光ファイバとして、例えば、コア、クラッドの外層に光拡散層を形成した側面発光ケーブルが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、光拡散層を設けることにより、側面発光ケーブルの外径が大きくなることに加え、弾性が高くなることにより、曲げ性が低く、取扱性や特定の用途への施工性が困難であるという課題があった。
一方、光拡散層以外の手段を用いた側面発光用のプラスチック光ファイバとして、例えば、全部若しくは漏光すべき所望部分のクラッドが結晶化されている照光プラスチック光ファイバが提案されている（例えば、特許文献３参照）。この技術はクラッドの全部若しくは照光すべき所望部分を選択的に結晶化する湿熱条件で湿熱処理するものであるが、明細書中に記載のクラッドは照光性に乏しいという課題があった。
また、コアの断面形状が非円形で、クラッドの断面形状が真円形である側面漏光プラスチック光ファイバが提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、照光部分が一部分であるため、照光が弱く、また、方向によっては照光しない部分が存在する課題があった。さらに、例えば、クラッドが除去されたコアが露出した露出領域が形成された光ファイバが提案されている（例えば、特許文献５参照）。しかしながら、露出領域によりプラスチック光ファイバの機械的な強度が低下したり、照光が不均一となる課題があった。
そこで本発明の目的は、長手方向に均一に発光する照光プラスチック光ファイバを提供することである。
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を有する。すなわち、本発明は、コアとクラッドを有し、ファイバ側面から照光するプラスチック光ファイバであって、前記クラッドがフッ化ビニリデンを９０重量％以上含む重合成分を重合して得られる重合体からなり、前記クラッドの結晶化度が４５％〜５２％である照光プラスチック光ファイバである。
本発明によれば、長手方向に均一に発光する照光プラスチック光ファイバ、およびそれを用いた照光プラスチック光ファイババンドル、光ファイバ照光装置、プラスチック光ファイバセンサー、光ファイバシート、光ファイバ織物、および光ファイバ編物を提供することができる。
本発明におけるプラスチック光ファイバは、コア（内層）とクラッド（外層）の透明な樹脂から形成された２層構造からなり、横断面形状が丸断面である。
本発明において、コアに用いる透明樹脂としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、メチルメタクリレートを主成分とする共重合体、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリオルガノシロキサン（シリコーン）、ノルボルネン等を挙げることができ、なかでも特にポリメチルメタクリレートは透明性、屈折率、曲げ特性、耐熱性において光ファイバとして好ましい樹脂である。
また、クラッドに用いる透明樹脂としては、フッ化ビニリデンを９０重量％以上含む重合成分を重合して得られる重合体で、その結晶化度が４５％〜５２％である必要がある。
フッ化ビニリデンを９０重量％以上含む重合成分としては、フッ化ビニリデン単体、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロアセトンなどフッ化ビニリデンを含む共重合体が合成される重合成分が挙げられる。共重合体においては、共重合成分としてのフッ化ビニリデンを重量換算する。中でも、フッ化ビニリデンを９５重量％以上含有する重合成分を重合して得られる重合体であることが好ましい。
フッ化ビニリデンが９０重量％未満である重合成分を重合して得られる重合体をクラッドとして用いた場合、光の拡散効果が小さくなり、ファイバ側面からの発光効果が低減し、照明の機能を損なうこととなる。
また、結晶化度が４５％未満では光の拡散効果が小さくなり、ファイバ側面からの発光効果が低減する。また、５２％よりも大きい場合は光の拡散効果は大きいが、使用可能なファイバ長が短くなり過ぎて実用に耐えなくなってしまう。
結晶化度は、ファイバ側面からの発光効果と実用性の観点からより好ましくは４６％〜５０％の範囲である。
これら樹脂をコアとクラッドとに組合せるときは、コアに用いる樹脂の屈折率がクラッドに用いる屈折率よりも大となるような組合せとすることが必要である。
コア、およびクラッドの屈折率に関しては、式（１）で示される開口数（Ｎ．Ａ）を０．４５以上０．６５以下とすることが好ましい。
なお、理論開口数は次式のようにコア、およびクラッドの屈折率差にて表される。
開口数＝（（コアの屈折率）２ −（第１クラッドの屈折率）２ ）１／２ 式（１）
これまでに実用化されているＰＭＭＡをコアとしたプラスチック光ファイバの開口数は０．４５〜０．６５であり、理論開口数をこれに合わせることにより、同じく実用化されている光源や受発光素子等の周辺部品への互換性を保持することが出来る。
これまでに実用化されているＰＭＭＡをコアとしたプラスチック光ファイバの開口数は０．４５〜０．６５であり、理論開口数をこれに合わせることにより、同じく実用化されている光源や受発光素子等の周辺部品への互換性を保持することが出来る。
また、ファイバのクラッド層の厚みは、３．０μｍ〜１５．０μｍであることが好ましく、４．０μｍ〜１２．０μｍであることが更に好ましい。
３．０μｍよりも小さい場合はコアとクラッドとの界面で全反射ができず、光が側面から照光し、使用可能なファイバ長さが短くなり、実用に耐えなくなってしまい、またファイバの耐屈曲性も悪化する。また、１５．０μｍより大きい場合は前述した高結晶化度の重合体を使用してもクラッド内での吸収が大きくなり、ファイバ側面からの発光効果が低減するため、ファイバに発光ムラを生じる。
また、本発明のプラスチック光ファイバに用いるクラッドのメルトフローレート（以下、ＭＦＲと略記することがある。）値は、一般に、５〜１００ｇ／１０分（条件：温度２３０℃、荷重３．８ｋｇ、オリフィス径２ｍｍ、長さ８ｍｍ）であることが好ましい。特に好ましいＭＦＲの範囲は、１０〜６０ｇ／１０分である。ＭＦＲを１０〜１００ｇ／１０分とすることで押出が容易となり、紡糸が円滑に進む。また、ＭＦＲを１０〜１００ｇ／１０分とすることにより、コア層との密着性を適度に保つことができ、均一な厚みのクラッド層を形成することができ、プラスチック光ファイバとしての外径変動を抑制することができる。
次に、本発明の照光プラスチック光ファイバの製造方法の例について説明する。
本発明の照光プラスチック光ファイバは、芯鞘型複合紡糸口金による複合紡糸方法によって容易に製造することができる。また、この複合紡糸方法によって製糸した光ファイバは、コアとクラッドとの断面形状を、長手方向の任意の断面において全く同一にすることができる。したがって、光ファイバの長手方向全体から均一に照光させることができるようになる。
さらに均一な照光とするためには、複合紡糸の際のコアとクラッドの溶融複合紡糸における溶融複合紡糸温度（Ｔ）とクラッドポリマ吐出量（Ｗ）が下記式を満たすことが好ましい。
２８０≦ Ｔ／Ｗ ≦１５００ 式（２）
Ｔ：紡糸温度（℃）
Ｗ：クラッドポリマ吐出量（g/min）
Ｔ／Ｗ が１５００より大きい場合はコアとクラッドの粘度差により界面が不均一となり、光の反射、吸収、および拡散性が長手方向で不均一となり、ファイバ側面からの発光効果が低減するため、照光性も不均一となる傾向にある。
Ｔ：紡糸温度（℃）
Ｗ：クラッドポリマ吐出量（g/min）
Ｔ／Ｗ が１５００より大きい場合はコアとクラッドの粘度差により界面が不均一となり、光の反射、吸収、および拡散性が長手方向で不均一となり、ファイバ側面からの発光効果が低減するため、照光性も不均一となる傾向にある。
一方、Ｔ／Ｗ が２８０より小さい場合は高結晶化度の重合体を使用してもファイバ側面からの発光効果が低減するため、ファイバの長さ方向に照光性が不均一となる傾向にある。
特に好ましくは ３００≦ Ｔ／Ｗ ≦ １０００である。
続いて、機械特性を向上させる目的で、一般的な１．２〜３倍の延伸処理を行いプラスチック光ファイバとなる。本発明のプラスチック光ファイバの外径は、通常、０．１ｍｍ〜３ｍｍであり、目的に応じて適宜選択すればよいが、取扱性などの面から、０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍのものが好ましい。
本発明の照光プラスチック光ファイバはイルミネーシヨン、衣装等の装飾用途や工業用、家庭用照明用途、工業・医療・環境用途など各種センサーとして好適な側面照光用ファイバであり、ファイバの端面に入射させた光をフアイバの側面から漏洩させ、屋内外を光で彩ったり、物体の形状や存在を示したり、行き先や方向を示したり、その他種々の飾り等、また、各種照明等や温度・圧力等を検知するセンサーとして使用される。
本発明のプラスチック光ファイバは、通常シート状、または複数本を束状にした光ファイババンドルとして用いられる。ここで「束状」とは、複数のプラスチック光ファイバを単に集合化した状態、ロープ状・紐状に撚った状態、シート状に引き揃えたものを丸めた状態、更に前記のファイバ集合体を更に集めて束ねた状態及びこれらを撚り合わせた状態を含む。光ファイババンドル束の本数は、任意であり、目的に応じて適宜選択変更することができ、１本の束に、例えば５本から２００本のプラスチック光ファイバが使用される。
また、このような光ファイババンドルは、これをさらに単に複数本束ねた集合体として使用することが好ましく、プラスチック光ファイバを複数のグループの束に分け、これらの束を撚り回数１〜２０回／ｍの割合で撚り合わせたものとすることがより好ましい。このような構造のプラスチック光ファイババンドルはマイクロベンディングにより、プラスチック光ファイバの照光効率をより向上させることができ、高輝度の照光装置にすることが可能となる。
本発明の光ファイババンドルは、保護を目的として光ファイババンドルを透明なチューブに挿入、あるいは透明樹脂で被覆しても良い。透明チューブの材質は、例えば、軟質若しくは可撓性プラスチックからなる透明性を有し、無色若しくは着色されたものであり、具体的には、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂などがある。これらの主成分に適宜、可塑剤、助剤などの副材料を添加してもよい。
また、本発明の照光プラスチック光ファイバは、その少なくとも一端の端面に光源を接続して使用される。本発明において好ましい光源は、特に高い輝度をもつメタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプやＬＥＤなどが用いられる。なお、反射鏡及びレンズの装着、ランプ形状、消費電力など用途目的に応じて適宜変更することができる。
本発明のプラスチック光ファイバは、温度や圧力などの測定、アンモニア、湿度、酸素、アルカン及びガソリン蒸気などの環境測定など各種センサーとして使用しても良い。
また、本発明のプラスチック光ファイバはシートや織物、および編物として使用しても良く、感圧センサーや装飾用途として用いることができる。
光ファイバシートとしては光ファイバを平面状に並べて接着、または融着して形成する。
また、光ファイバ織物として使用する場合は、一般的には経糸として光ファイバを用い、光ファイバの間に配列された糸条及び緯糸により光ファイバを保持するように織成した織物が知られている。こうした織物以外にも光ファイバをモノフィラメントとして経編により光ファイバを保持するように編成した光ファイバ編物でもよい。
光ファイバとしては上述した光ファイバを用い、光ファイバを保持する糸としては、光ファイバよりも細い繊度で柔軟性のある糸を用いるとよい。糸としては、繊度や力学特性を調整しやすい合成繊維を用いるのが好ましいが、合成繊維以外の天然繊維、再生繊維又は半合成繊維を用いてもかまわない。合成繊維としては、例えば、オレフィン系合成繊維、ナイロンに代表される脂肪族ポリアミド系合成繊維、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）に代表されるポリエステル系合成繊維等が挙げられる。
以下、本発明を実施例により、更に詳細に説明する。評価は、次の方法で行った。
・ファイバ側面照度：光源としてハロゲンランプ(12V100W)を使用し、照度計＜ミノルタ社製Ｔ−１Ｍ＞にて試長５ｍの光ファイバの表面の照度をファイバの長さ方向で１ｍ間隔で測定した。
また、ファイバの光源からの距離１ｍの地点におけるファイバ円周方向４箇所の側面照度を測定し、測定値の最大値と最小値の差をバラツキとして発光ムラの指標とした。
・結晶化度：光ファイバ表面のクラッド層を削り取り、Ｘ線回析装置＜Bruker AXS社製D8 DISCOVER μ HR Hybrid＞を使用して広角Ｘ線回析法にて測定を実施した。
・連続屈曲回数：ファイバの一端に５００ｇの荷重をかけ、直径２０ｍｍφのマンドレルで支持し、その支持点を中心にファイバの他端を角度９０°で連続的に屈曲させて、ファイバが切断するまでの回数を測定した。（ｎ＝５の平均値）
・メルトフローレート（ＭＦＲ）：日本工業規格ＪＩＳ Ｋ７２１０（１９９９）に準じて、２３０℃、荷重３．８ｋｇ、ノズル径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件下で、ノズルから１０分間に吐出される量を測定した。
・屈折率：測定装置としてアッベ屈折率計（（株）アタゴ製ＤＲ−Ｍ２）を使用して、室温２５℃雰囲気にて測定した。
・コア径／クラッド厚 ：測定装置として小型測定顕微鏡（オリンパス社製STM6）にて室温２５℃雰囲気にて測定した。
・ファイバ側面照度：光源としてハロゲンランプ(12V100W)を使用し、照度計＜ミノルタ社製Ｔ−１Ｍ＞にて試長５ｍの光ファイバの表面の照度をファイバの長さ方向で１ｍ間隔で測定した。
また、ファイバの光源からの距離１ｍの地点におけるファイバ円周方向４箇所の側面照度を測定し、測定値の最大値と最小値の差をバラツキとして発光ムラの指標とした。
・結晶化度：光ファイバ表面のクラッド層を削り取り、Ｘ線回析装置＜Bruker AXS社製D8 DISCOVER μ HR Hybrid＞を使用して広角Ｘ線回析法にて測定を実施した。
・連続屈曲回数：ファイバの一端に５００ｇの荷重をかけ、直径２０ｍｍφのマンドレルで支持し、その支持点を中心にファイバの他端を角度９０°で連続的に屈曲させて、ファイバが切断するまでの回数を測定した。（ｎ＝５の平均値）
・メルトフローレート（ＭＦＲ）：日本工業規格ＪＩＳ Ｋ７２１０（１９９９）に準じて、２３０℃、荷重３．８ｋｇ、ノズル径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件下で、ノズルから１０分間に吐出される量を測定した。
・屈折率：測定装置としてアッベ屈折率計（（株）アタゴ製ＤＲ−Ｍ２）を使用して、室温２５℃雰囲気にて測定した。
・コア径／クラッド厚 ：測定装置として小型測定顕微鏡（オリンパス社製STM6）にて室温２５℃雰囲気にて測定した。
実施例、比較例ではコア、およびクラッドを構成する物質は下記のように記載した。
・ＰＭＭＡ ：ポリメチルメタクリレート
・ＶＤＦ ：フッ化ビニリデン
・ＴＦＥ ：テトラフルオロエチレン。
・ＰＭＭＡ ：ポリメチルメタクリレート
・ＶＤＦ ：フッ化ビニリデン
・ＴＦＥ ：テトラフルオロエチレン。
［実施例１］
クラッド材として、表１に示す組成のＶＤＦホモポリマ(屈折率：１．４２）を、複合紡糸機に供給した。さらに、連続魂状重合によって製造したＰＭＭＡ（（屈折率１．４９２）をコア材として複合紡糸機に供給して、２２０℃の温度でコアとクラッドを芯鞘複合溶融紡糸し、ファイバ径１０００μｍ（コア径９８０μｍ、クラッド厚１０．０μｍ）のプラスチック光ファイバを得た。
クラッド材として、表１に示す組成のＶＤＦホモポリマ(屈折率：１．４２）を、複合紡糸機に供給した。さらに、連続魂状重合によって製造したＰＭＭＡ（（屈折率１．４９２）をコア材として複合紡糸機に供給して、２２０℃の温度でコアとクラッドを芯鞘複合溶融紡糸し、ファイバ径１０００μｍ（コア径９８０μｍ、クラッド厚１０．０μｍ）のプラスチック光ファイバを得た。
このようして得られたプラスチック光ファイバを、前記の評価方法により評価し、その結果を表２、表３に示した。表２、表３からわかるように、側面照度、連続屈曲がいずれも良好であり、また、側面照度のバラツキも良好であった。
［実施例２〜６］
クラッド厚を表１のとおりに変更した（ただし、ファイバ径をすべて１０００μｍに統一）こと以外は、実施例１と同様にしてプラスチック光ファイバを得た。これらのプラスチック光ファイバを実施例１と同じ評価を行い、その結果を表２、表３に示した。
クラッド厚を表１のとおりに変更した（ただし、ファイバ径をすべて１０００μｍに統一）こと以外は、実施例１と同様にしてプラスチック光ファイバを得た。これらのプラスチック光ファイバを実施例１と同じ評価を行い、その結果を表２、表３に示した。
本発明の実施例２〜４，６は、側面照度、連続屈曲がいずれも良好であったが、実施例５については側面照度のバラツキが大きく、ファイバの発光ムラが観察された。
［実施例７］
芯鞘複合溶融紡糸の時の温度を２４０℃にした以外は、実施例６と同様の条件でプラスチック光ファイバを得た。このプラスチック光ファイバを前記の評価方法により評価し、その結果を表２、表３に示した。
芯鞘複合溶融紡糸の時の温度を２４０℃にした以外は、実施例６と同様の条件でプラスチック光ファイバを得た。このプラスチック光ファイバを前記の評価方法により評価し、その結果を表２、表３に示した。
［実施例８］
クラッド材の組成を表１に示したとおり変更したこと以外は、実施例１と同様の製造方法で作製したプラスチック光ファイバを、前記の評価方法により評価し、その結果を表２、表３に示した。表２、表３からわかるように、側面照度、側面照度のバラツキ、および連続屈曲がいずれも良好であった。
クラッド材の組成を表１に示したとおり変更したこと以外は、実施例１と同様の製造方法で作製したプラスチック光ファイバを、前記の評価方法により評価し、その結果を表２、表３に示した。表２、表３からわかるように、側面照度、側面照度のバラツキ、および連続屈曲がいずれも良好であった。
［比較例１］
クラッド材の組成を表１に示したとおり変更したこと以外は、実施例１と同様の製造方法で作製したプラスチック光ファイバを、前記の評価方法により評価し、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また連続屈曲も悪かった。
クラッド材の組成を表１に示したとおり変更したこと以外は、実施例１と同様の製造方法で作製したプラスチック光ファイバを、前記の評価方法により評価し、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また連続屈曲も悪かった。
［比較例２、３］
クラッド材の組成、およびクラッド厚を表１のとおりに変更した（ただし、ファイバ径をすべて１０００μｍに統一）こと以外は、実施例１と同様にしてプラスチック光ファイバを得た。これらのプラスチック光ファイバを実施例１と同じ評価を行い、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また比較例３は連続屈曲も悪かった。
クラッド材の組成、およびクラッド厚を表１のとおりに変更した（ただし、ファイバ径をすべて１０００μｍに統一）こと以外は、実施例１と同様にしてプラスチック光ファイバを得た。これらのプラスチック光ファイバを実施例１と同じ評価を行い、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また比較例３は連続屈曲も悪かった。
［比較例４］
芯鞘複合溶融紡糸の時の温度を２５０℃にした以外は、実施例６と同様の条件でプラスチック光ファイバを得た。このプラスチック光ファイバを前記の評価方法により評価し、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また連続屈曲も悪かった。
芯鞘複合溶融紡糸の時の温度を２５０℃にした以外は、実施例６と同様の条件でプラスチック光ファイバを得た。このプラスチック光ファイバを前記の評価方法により評価し、その結果を表２に示した。表２からわかるように、側面照度が低く、また連続屈曲も悪かった。
Claims (9)
- コアとクラッドを有し、ファイバ側面から照光するプラスチック光ファイバであって、前記クラッドがフッ化ビニリデンを９０重量％以上含む重合成分を重合して得られる重合体からなり、前記クラッドの結晶化度が４５％〜５２％である照光プラスチック光ファイバ。
- 前記クラッドの厚みが３．０μｍ〜１５．０μｍである請求項１に記載の照光プラスチック光ファイバ。
- コアを構成する材料とクラッドを構成する材料を溶融複合紡糸する照光プラスチック光ファイバの製造方法であって、溶融複合紡糸温度（Ｔ）とクラッドポリマ吐出量（Ｗ）が下記式（１）の関係を満たす請求項１または２記載の照光プラスチック光ファイバの製造方法。
２８０≦ Ｔ／Ｗ ≦ １５００ （１）
Ｔ：紡糸温度（℃）
Ｗ：ファイバ１本あたりのクラッドポリマ吐出量（ｇ／分） - 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバを複数本束ねてなる照光プラスチック光ファイババンドル。
- 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバとそのプラスチック光ファイバの少なくとも一端に光学的に接続した光源とを有する光ファイバ照光装置。
- 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバを少なくとも一部に有する光ファイバセンサー。
- 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバを少なくとも一部に有する光ファイバシート。
- 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバを少なくとも一部に有する光ファイバ織物。
- 請求項１または２に記載の照光プラスチック光ファイバを少なくとも一部に有する光ファイバ編物。
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