JPWO2015087600A1 - 光伝送体 - Google Patents

Abstract

優れた耐久性、耐摩耗性および潤滑性と、優れた接着性とを両立した光伝送体を提供する。実施形態に係る光伝送体は、ファイバー素線と被覆層とを含む。ファイバー素線は、ガラスから成るコアおよび前記コアの外周面を被覆するガラスから成るクラッドで構成される。被覆層は、前記クラッドの外周面を被覆する、フッ素置換されていない複数のアルキル基から成り、前記アルキル基の各々は前記クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている。

Description

本発明の実施形態は、光伝送体、複数の光伝送体を含むイメージガイドまたはライトガイド、並びにイメージガイドおよびライトガイドの少なくとも１つを含む内視鏡に関する。

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鉛含有光ファイバーが通されている。鉛含有光ファイバーは、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。

鉛含有光ファイバーは優れた透過率および配光特性を有している。しかしながら、鉛等の有害物質に対する規制が厳しくなっているため、鉛非含有光ファイバーの開発が進められている。しかし、鉛非含有光ファイバーは鉛含有光ファイバーと比べて物性的に硬い上、柔軟性が低い。それ故、内視鏡の先端部において繰り返し厳しく曲げられた場合、鉛非含有光ファイバーは折れやすいという問題がある。光ファイバーが折れた場合、内視鏡の観察性能が低下する。

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鉛非含有光ファイバーは、優れた耐久性、耐摩耗性およ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および劣化を低減することが可能となった。しかしながら、この層を形成すると、光ファイバーの最表面にはフッ素アルキル基が存在する。光ファイバーの最表面にフッ素アルキル基が存在すると、接着性が低下し、光ファイバー端面の成型性および研磨精度が悪化する。そのため、十分な光伝達ができなくなり、その結果、満足できる観察性能を達成できないという問題が生じる。

本発明の目的は、優れた耐久性、耐摩耗性および潤滑性と、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。

実施形態に係る光伝送体は、ファイバー素線と被覆層とを含む。ファイバー素線は、ガラスから成るコアおよび前記コアの外周面を被覆するガラスから成るクラッドで構成される。被覆層は、前記クラッドの外周面を被覆する、フッ素置換されていない複数のアルキル基から成り、前記アルキル基の各々は前記クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている。

本発明によれば、内視鏡先端部において繰り返し厳しく曲げられた後でも、ファイバーの保護効果が損なわれず、優れた耐久性、耐摩耗性および潤滑性が維持され、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、実施形態に係るイメージガイドまたはライトガイドを示す図である。 図４は、図５中の線ＶＩ−ＶＩで切断された、イメージガイドまたはライトガイドの断面図である。 図５は、実施形態に係る内視鏡の先端部を示す図である。 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、断面は円形または方形であってよい。

実施形態に係る光伝送体は、ファイバー素線および被覆層３を含む。

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

被覆層３は、主に、ファイバー素線の保護、および複数の光伝送体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３は、クラッド２の外周面を被覆する。被覆層３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３が薄すぎると、ファイバー素線を十分に保護できず、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３は、複数のアルキル基から成る。１つ１つのアルキル基は、クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている。図２には、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を示す。図２中では、アルキル基の例としてＣＨ₃−（ＣＨ₂）₁₇−が記載されている。このアルキル基が、−Ｓｉ−Ｏ−結合を介してクラッド２に繋がっている。図２中には、外周面に生じた傷５の部分に繋がっているアルキル基が存在する。このアルキル基のように、アルキル基は、Ｓｉ原子を共有する２つ以上の−Ｓｉ−Ｏ−結合を介してクラッド２に繋がっていてもよい。あるいは、Ｓｉ原子は、クラッド２との結合を生じていない水酸基を有してもよく、この水酸基は、隣接するＳｉ原子が有する水酸基、又はクラッド２の表面に存在する水酸基との間で脱水縮合を生じ、さらなる−Ｓｉ−Ｏ−結合を生じてもよい。なお、アルキル基は、フッ素置換されていない。

アルキル基は、化学式ＣＨ₃（ＣＨ₂）_m−として表される。この式において、ｍは０以上のあらゆる整数であってよいが、好ましくは７以上の整数である。より好ましくはｍは７以上且つ１７以下の整数であり、最も好ましくはｍ＝９である。

被覆層は、クラッド２の外周面に対して、フッ素置換されていないアルキルシランを含む処理液を塗布することにより形成されたものであってよい。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、ディッピング法また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。

処理液に含まれるアルキルシランの例は、化学式ＣＨ₃（ＣＨ₂）_mＳｉ（ＯＲ）_n（Ｒ’）_3-nで表されるものである。この化学式において、ｍは０以上のあらゆる整数であってよいが、好ましくは７以上の整数であり、より好ましくはｍは７以上且つ１７以下の整数であり、最も好ましくはｍ＝９である。ｎは、０から３の整数であってよい。また、Ｒはそれぞれ独立に−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃であってよく、Ｒ’はそれぞれ独立に−Ｈ、−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃であってよい。上記式中の−ＯＲ基および−Ｒ’基は、処理液中において水酸基に変化し、クラッド２の表面に存在する水酸基との間で脱水縮合が可能な状態となる。

処理液は、アルキルシランの他に、界面活性剤および水を含んでいてもよい。界面活性剤としては、例えば、非イオン性界面活性剤を使用できる。非イオン性界面活性剤としては、好ましくはソルビタン脂肪酸エステルを使用することができ、より好ましくはポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルを使用することができ、最も好ましくはモノオレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（２０Ｅ．Ｏ．）を使用することができる。非イオン性界面活性剤は、刺激性および腐食性が低いという点で適している。

実施形態に係る光伝送体は、好ましくは鉛を含まない。すなわち、光伝送体を構成するファイバー素線および被覆層は、好ましくは鉛を含まない。

被覆層の外周面には、固体潤滑剤が塗布されていてよい。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。

本発明の第２実施形態はイメージガイドに関する。また、本発明の第３実施形態はライトガイドに関する。イメージガイドおよびライトガイドは、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３および図４には、実施形態に係るイメージガイドまたはライトガイドの一例を示す。図４は、図３中の線ＩＶ−ＩＶで切断された、イメージガイドまたはライトガイドの断面図である。この例では、束ねられた複数の光伝送体１３が外装チューブ１１内に収容され、外装チューブの両端には口金１２が取り付けられている。

本発明の第４実施形態は内視鏡に関する。内視鏡は、第２実施形態に係るイメージガイドおよび第３実施形態に係るライトガイドの少なくとも１つを含む。

図５には、実施形態に係る内視鏡の先端部の一例を示す。この例における内視鏡１５では、先端部部材２０中に、イメージガイド１６およびライトガイド１７が挿入されている。また、先端部部材２０には、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１８、およ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１９も設けられている。

実施形態に係る光伝送体は、従来の光伝送体には達成できない優れた効果を達成することができる。

図６および図７には、従来の光伝送体の例を示す。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り、図７は、フッ素アルキルシラン層４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。

図６のような被覆層を有さない光伝送体は、被覆層を有した光伝送体と比較して、耐久性、耐摩耗性および潤滑性に劣る。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、物性的に硬い上、柔軟性が低い。そのため、鉛非含有ガラスから成り且つ被覆層を有さない光伝送体を束ねたイメージガイド又はライトガイドが、内視鏡先端部において繰り返し厳しく曲げられることにより、ファイバー素線が折れることが多く、結果として、内視鏡として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４を有する光伝送体は、フッ素アルキルシラン層により、優れた耐久性、耐摩耗性および潤滑性が付与され、十分な観察性能が得られる程度に折れおよび劣化を低減できる。しかしながら、フッ素アルキルシラン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ことにより、複数の光伝送体を束ねたときの光伝送体間の接着性が低下する。

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、外装チューブに収容した後、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４を有する光伝送体のように、光伝送体間の接着性が低い場合、個々の光伝送体の固定が不十分であり、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。その結果、内視鏡としての観察性能が低下するという問題がある。

これに対し、実施形態に係る光伝送体では、被覆層の存在により、優れた耐久性、耐摩耗性および潤滑性が付与され、折れおよび劣化が低減される。さらに、光伝送体の表面にフッ素成分が存在しないため、光伝送体間の接着性が向上し、適切な研磨が可能となる。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およびライトガイドを提供することが可能である。更に、このようなイメージガイドおよ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可能である。

また、実施形態に係る光伝送体は、被覆層の外周面に塗布された固体潤滑剤をさらに含んでもよい。固体潤滑剤が被覆層の外周面に存在する場合、複数の光伝送体を束ねた際に光伝送体同士を密着しにくくすることができ、高温・高圧水蒸気（オートクレーブ）や薬液による洗浄・消毒・滅菌操作に供しても固着することを防ぐことができる。また、固体潤滑剤の存在により、イメージガイド及びライトガイドに対し、折れに対する耐性を付与することができる。

実施形態に係る光伝送体を製造し、耐久性および研磨の状態を評価した。

＜アルキルシランを含む処理液の作製＞
０.０１％〜２０％のアルキルシラン（一般式ＣＨ₃（ＣＨ₂）_mＳｉ（ＯＲ）_n（Ｒ’）_3-n）および０〜２０％の分散剤を水に溶解して、処理液を作製した。ただし、アルキルシランと分散剤との合計が３０％以下となるようにした。また、アルキルシランおよび分散剤の具体的な化合物名は後述する表１に記載される通りとした。分散剤としては、有機溶剤または界面活性剤を使用した。これにより、１４種類の処理液を得た（実施例１から１４）。

また比較として、アルキルシランの代わりに、０．０１％〜１０％のフッ素置換アルキル基含有有機ケイ素化合物を使用した処理液も作製した（比較例１）。

＜ファイバー素線への処理液の塗布＞
上記の通り作製した１５種類の処理液それぞれに対し、ファイバー素線を１０秒間浸漬させた。これにより、ファイバー素線と被覆層とを含む光伝送体が得られた。

＜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、このシリコーンチューブ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、１５種類のバンドルを得た。

また、被覆層を設けておらず、ファイバー素線のみから成る光伝送体についても、バンドルを作製した（比較例２）。

このようにして、１６種類のバンドルを作製した。

＜耐久性の評価＞
作製した１６種類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実施した。内視鏡使用時よりも高い負荷を繰り返し一定の回数与えた後、折れた光伝送体の数を数えた。その結果から、
折れ率（％）＝＜試験後に折れた光伝送体の数＞／＜光伝送体の全数＞×１００
という計算式により折れ率（％）を算出した。

結果を、後述する表１にまとめた。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。

＜研磨状態の評価＞
さらに、作製した１６種類のバンドルについて、研磨状態の評価を行った。

研磨されたバンドル端面の状態を観察した。結果を表１に記載した。表１中、内視鏡としての観察性能上、使用可能なレベルのものを「○」とし、使用不可なレベルを「×」とした。

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、研磨状態が悪かった。比較例２は、研磨状態は良好だが、耐久性が悪かった。よって、比較例１及び２はいずれも使用に適さないことが示された。一方、実施例１から１４はいずれも、優れた耐久性および研磨性を有することが示された。特に、ｍが７以上である実施例５から１４は、特に優れた耐久性を有することが示された。

１…コア、２…クラッド、３…被覆層、４…フッ素アルキルシラン層、５…傷、１１…外装チューブ、１２…口金、１３…光伝送体、１５…内視鏡、１６…イメージガイド、１７…ライトガイド、１８…鉗子口、１９…ノズル、２０…先端部部材。

実施形態に係る光伝送体は、ファイバー素線と被覆層とを含む。ファイバー素線は、ガラスから成るコアおよび前記コアの外周面を被覆するガラスから成るクラッドで構成される。被覆層は、前記クラッドの外周面を被覆する、フッ素置換されていない複数のアルキル基から成り、前記アルキル基の各々は前記クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている。前記アルキル基はＣＨ ₃ （ＣＨ ₂ ） _m −で表され、この化学式において、ｍは７以上の整数である。

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、研磨状態が悪かった。比較例２は、研磨状態は良好だが、耐久性が悪かった。よって、比較例１及び２はいずれも使用に適さないことが示された。一方、実施例１から１４はいずれも、優れた耐久性および研磨性を有することが示された。特に、ｍが７以上である実施例５から１４は、特に優れた耐久性を有することが示された。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
ガラスから成るコアおよび前記コアの外周面を被覆するガラスから成るクラッドで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する、フッ素置換されていない複数のアルキル基から成る被覆層であって、前記アルキル基の各々は前記クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている被覆層と
を含む光伝送体。
［２］
前記アルキル基はＣＨ ₃ （ＣＨ ₂ ） _m −で表され、この化学式において、ｍは７以上の整数である［１］に記載の光伝送体。
［３］
前記被覆層は、前記クラッドの外周面に対して、フッ素置換されていないアルキルシランを含む処理液を塗布することにより形成される［１］または［２］に記載の光伝送体。
［４］
前記アルキルシランは、ＣＨ ₃ （ＣＨ ₂ ） _m Ｓｉ（ＯＲ） _n （Ｒ’） _3-n で表され、この化学式において、ｍは７以上の整数であり、ｎは０から３の整数であり、Ｒはそれぞれ独立に−ＣＨ ₃ または−ＣＨ ₂ ＣＨ ₃ であり、Ｒ’はそれぞれ独立に−Ｈ、−ＣＨ ₃ または−ＣＨ ₂ ＣＨ ₃ である［３］に記載の光伝送体。
［５］
前記処理液は、前記アルキルシラン、界面活性剤および水を含む［３］または［４］に記載の光伝送体。
［６］
前記ファイバー素線および前記被覆層は鉛を含まない［１］から［５］の何れか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［１］から［６］の何れか１に記載の光伝送体。
［８］
［１］から［７］の何れか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］
［１］から［７］の何れか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］
［８］に記載のイメージガイドおよび［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。

Claims (10)

1. ガラスから成るコアおよび前記コアの外周面を被覆するガラスから成るクラッドで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する、フッ素置換されていない複数のアルキル基から成る被覆層であって、前記アルキル基の各々は前記クラッドに対してシロキサン結合を介して繋がっている被覆層と
   を含む光伝送体。
2. 前記アルキル基はＣＨ₃（ＣＨ₂）_m−で表され、この化学式において、ｍは７以上の整数である請求項１に記載の光伝送体。
3. 前記被覆層は、前記クラッドの外周面に対して、フッ素置換されていないアルキルシランを含む処理液を塗布することにより形成される請求項１または２に記載の光伝送体。
4. 前記アルキルシランは、ＣＨ₃（ＣＨ₂）_mＳｉ（ＯＲ）_n（Ｒ’）_3-nで表され、この化学式において、ｍは７以上の整数であり、ｎは０から３の整数であり、Ｒはそれぞれ独立に−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃であり、Ｒ’はそれぞれ独立に−Ｈ、−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃である請求項３に記載の光伝送体。
5. 前記処理液は、前記アルキルシラン、界面活性剤および水を含む請求項３または４に記載の光伝送体。
6. 前記ファイバー素線および前記被覆層は鉛を含まない請求項１から５の何れか１項に記載の光伝送体。
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から６の何れか１項に記載の光伝送体。
8. 請求項１から７の何れか１項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から７の何れか１項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および請求項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。

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