JP4987666B2

JP4987666B2 - 光ファイバセンサー

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Publication number: JP4987666B2
Application number: JP2007287648A
Authority: JP
Inventors: 誠司佐生
Original assignee: Asahi Kasei E Materials Corp
Current assignee: Asahi Kasei E Materials Corp
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-11-05
Also published as: JP2009115976A

Description

本発明は物体の有無や大きさなどを検出する光ファイバ式の光電スイッチなどに使用する光ファイバセンサーに関するものである。

光ファイバセンサーは光ファイバ式の光電スイッチなどに使用されているものであり、発光素子、例えば発光ダイオードと、受光素子、例えばフォトダイオードと、その間の光の通路となる光ファイバからなるものである。タイプとしては、発光素子と光ファイバとの間、光ファイバと受光素子の間、または光ファイバと光ファイバの間の光の通路となっている空間において物体が光を遮ることで物体を検知する透過型と物体から反射する光を捕らえて物体を検知する反射型とがある。用途は、ＦＡやＯＡなどにおける物体検出や位置検出に使用する。

従来、光ファイバセンサーに使用する多芯プラスチック光ファイバとしては、屈折率の高い透明な芯樹脂からなる、個々の芯の直径が５ミクロン乃至５０ミクロンであり、少なくとも５００個以上の芯樹脂の島とそれを取り囲む屈折率の低い鞘樹脂からなる海島構造体、あるいは芯樹脂とそれを取り囲む屈折率の低い鞘樹脂が同心円構造の島とし、その周りを第３の樹脂で充満した海島構造体として一纏めにした、断面が円状の多芯光ファイバが提案されていた（特許文献１参照）。

また、ファイバＮＡが小さく高速通信が可能で、かつ曲げによる光ロスが小さいプラスチック多芯光ファイバとしては、透明な芯樹脂からなる複数本の芯樹脂とその各々の芯樹脂を取り囲む芯樹脂のよりも低い屈折率の樹脂からなる第１鞘樹脂と、第１鞘を取り囲む、第１鞘より屈折率の低い樹脂からなる第２鞘からなる光信号伝送用多芯プラスチック光ファイバが提案されている（特許文献２参照）。
特開平５−４０１８０号公報国際公開第９８／３５２４７号パンフレット

上述の特許文献１記載の発明においては、出射光角度に対する光強度分布が単純な強度分布を持つ光ファイバセンサーを実現するために個々の芯の直径を５ミクロン乃至５０ミクロンと非常に小さくした多芯プラスチック光ファイバを使用することが提案されている。しかしながら、レンズでこの光ファイバセンサーの出射光を絞らなくてよいように出射光角度を小さくすることを目的としてファイバＮＡを小さく設定した場合には、多芯プラスチック光ファイバ部の曲げによる光ロスが無視できなくなるという問題があることが判明した。
本発明は、低出射光角度を有するとともに曲げによる光ロスが少ない光ファイバセンサーを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために特許文献２記載の屈折率が段階的に異なる二重の鞘で囲まれた芯を有する多芯プラスチック光ファイバを利用することを考えたが、うまく行かなかった。

即ち、上記多芯プラスチック光ファイバに入射した光は、ファイバの中を進行するにつれ、最初は、あたかも、芯と第２鞘層からなる光ファイバであるかのごとく、ファイバ軸に対し比較的大きな角度で進行する光もより小さな角度で進行する光も伝播させていくが、ファイバ内の伝搬距離が長くなるにつれ、ついには芯と第１鞘層からなる光ファイバであるかのようにファイバ軸に対してより小さな角度で伝播する光と化していくものと考えられる。即ち、比較的大きな角度で芯に入射した光は、芯と第１鞘層との境界面を貫通して行き、第１鞘層と第２鞘層との境界面で全反射しながら光ファイバ内を進行して行く。しかしながら、通常の多芯プラスチック光ファイバにおいて第１鞘層を構成するフッ素樹脂は芯繊維を構成するポリメチルメタクリレート系樹脂ほどの光透過性はないので、比較的大きな角度で芯に入射した光は、反射の繰り返しのうちに減衰して消失するか、或は何らかの反射角度の変化により、芯と第１鞘層との境界面で全反射して行く有益な光に変換されるものと考えられる。

これに対して、光ファイバ部の長さが５０ｃｍ以上５ｍ以下程度であり、伝搬距離の短い光ファイバセンサーにおいては、比較的大きな角度で芯に入射した光が十分に減衰しないまま残るので出射光角度が大きいまま維持されると考えられる。
そこで、本発明者は、短い伝搬距離であっても比較的大きな角度で芯に入射した光を十分に減衰させることができればよいと考え、多芯プラスチック光ファイバに開口数が小さく短い多芯プラスチック光ファイバを接続するとの着想に基づき検討した結果、本発明の第一の多芯プラスチック光ファイバと第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーに想到した。

即ち、本発明は、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂及び第１鞘樹脂、第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1,ｎ_CLAD2とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義し、ファイバＮＡ２を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD２ ²）^0.5で定義した時に、ファイバＮＡ１が０．４５以上０．６５以下であるか、またはファイバＮＡ２が０．４５以上０．６５以下かつｎ_CLAD1＞ｎ_CLAD2である第一の多芯プラスチック光ファイバと、ファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さい第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有することを特徴とする光ファイバセンサーであり、好ましい態様としては以下の３つがあげられる。

第一は、屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、及び第１鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．４５以上０．６５以下であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサーである。

第二は、屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層、及び各々の該第1鞘層の周りを取り囲む第２鞘樹脂からなる第２鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1,ｎ_CLAD2とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義し、ファイバＮＡ２を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD2 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ２が０．４５以上０．６５以下かつｎ_CLAD1＞ｎ_CLAD2であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサーである。

第三は、屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層、及び各々の該第1鞘層の周りを取り囲む第２鞘樹脂からなる第２鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1,ｎ_CLAD2とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのＮＡ１が０．４５以上０．６５以下であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサーである。

上記の三態様において、第二の多芯プラスチック光ファイバの長さが１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、第一の多芯プラスチック光ファイバが第二の多芯プラスチック光ファイバより長いことがより好ましい。

本発明の光ファイバセンサーは、低出射光角度を有するとともに曲げによる光ロスが小さいという効果を有する。

本発明は、屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の外側を取り囲む第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバ（以下、「一鞘第一の多芯プラスチック光ファイバ」ともいう。）、または屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層、及び各々の該第１鞘層の外側を取り囲む第２鞘樹脂からなる第２鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバ（以下、「二鞘第一の多芯プラスチック光ファイバ」ともいう。）と、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有することを特徴とする光ファイバセンサーである

なお、一鞘第一の多芯プラスチック光ファイバにおける第１鞘層は、第１鞘層同士がくっついて海部になっている構成を含むものとする。すなわち、一鞘第一の多芯プラスチック光ファイバの断面において、芯繊維からなる島部に対して該第１鞘層が海部となる海島構造であっても、芯繊維と第１鞘層からなる島部に対して別の樹脂からなる海部を有する海島構造であってもよい。同様に、二鞘第一の多芯プラスチック光ファイバにおける第２鞘層は、第２鞘層同士がくっついて海部になっている構成を含むものとする。すなわち、二鞘第一の多芯プラスチック光ファイバの断面において、芯繊維と第１鞘層からなる島部に対して該第２鞘層が海部となる海島構造であっても、芯繊維と第１鞘層と第２鞘層からなる島部に対して別の樹脂からなる海部を有する海島構造であってもよい。同様に、第ニの多芯プラスチック光ファイバにおける第１鞘層は、第１鞘層同士がくっついて海部になっている構成を含むものとする。すなわち、第ニの多芯プラスチック光ファイバの断面において、芯繊維からなる島部に対して該第１鞘層が海部となる海島構造であっても、芯繊維と第１鞘層からなる島部に対して別の樹脂からなる海部を有する海島構造であってもよい。

本発明の光ファイバセンサーは、第一の多芯プラスチック光ファイバと第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体、並びに受光素子及び発光素子からなるものであることが好ましい。発光素子としてはＬＥＤ等が、受光素子としてはフォトダイオード等が好適に使用される。以下、本発明の光ファイバセンサーの特徴部分である上記構造体の構成について説明する。
上記構造体は、第一の多芯プラスチック光ファイバと第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続したものである。ここで、第二の多芯プラスチック光ファイバは、第一の多芯プラスチック光ファイバの受光素子側に接続することが好ましい。第一の多芯プラスチック光ファイバの長さは０．１〜５．０ｍが好ましく、第二の多芯プラスチック光ファイバの長さは片側１０〜２００ｍｍが好ましい。

第一の多芯プラスチック光ファイバと第二の多芯プラスチック光ファイバとの接続には、公知の方法が使用できる。すなわち、切断されたファイバの端面を平滑に研磨し、フェルールをつけて接続する。本発明で使用するプラスチック光ファイバは多芯ファイバであるため、接続時の芯のアライメント調整は機械的な精度で定まるもので十分である。
なお、以降においては、第一の多芯プラスチック光ファイバと第二の多芯プラスチック光ファイバに共通な事項については、単に「多芯プラスチック光ファイバ」と記載する。同様に、第一の芯樹脂と第二の芯樹脂に共通な事項については、単に「芯樹脂」と記載し、第一の第１鞘樹脂と第二の第１鞘樹脂に共通な事項については、単に「第１鞘樹脂」と記載する。

本発明において使用される多芯プラスチック光ファイバの断面の直径は、０．１ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ〜１．５ｍｍであることがより好ましい。上記第１と第２の多芯プラスチック光ファイバの断面の直径は異なっていてもよいが、直径の差が直径の平均の１０％以下であることが好ましく、直径が同じことがより好ましい。芯繊維の数としては最低７個で円形配置が可能となり好ましく、最大数については、特に制限がないがファイバの製造の容易さから１００００個以内が好ましい。より好ましくは１９個〜１０００個である。芯繊維の直径は５μｍ〜５００μｍ程度までである。より好ましくは６０μｍ〜２００μｍである。また、第一の多芯プラスチック光ファイバにおける第１鞘層の厚みは０．８〜３．０μｍが好ましい。

本発明に使用する多芯プラスチック光ファイバの芯樹脂としては、各種の透明樹脂が使用できる。特に好ましい樹脂としてはポリメチルメタクリレート系の樹脂が使用できる。例えばメチルメタクリレート単独重合体や、メチルメタクリレートを５０重量％以上含んだ共重合体で、共重合可能な成分として、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチルなどのアクリル酸エステル類、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸シクロヘキシルなどのメタクリル酸エステル類、イソプロピルマレイミドのようなマレイミド類、アクリル酸、メタクリル酸、スチレンなどがあり、これらの中から一種以上適宜選択して共重合させることができる。その他好ましい樹脂として、スチレン系樹脂が使用できる。例えばスチレン単独重合体やスチレン−メチルメタクリレート共重合体などである。その他好ましい樹脂として、ポリカーボネート系樹脂が使用できる。ポリカーボネート系樹脂は耐熱性が高いこと、及び吸湿性が低いという特徴を有する。

次に芯樹脂と第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率の関係について述べる。屈折率は、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定する。芯樹脂、第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれ、ｎ_CORE、ｎ_CLAD1、及びｎ_CLAD2としたとき、多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１とファイバＮＡ２は次式で規定される。
ファイバＮＡ１＝（ｎ_CORE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5
ファイバＮＡ２＝（ｎ_CORE ²−ｎ_CLAD２ ²）^0.5

さて、第１鞘樹脂として具体的に例をあげれば、芯樹脂がポリメチルメタクリレート系樹脂の場合であれば、フルオロアルキルメタクリレートを含む樹脂やビニリデンフロライド系樹脂やビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂を混合したアロイなどである。特にフルオロアルキルメタクリレートを含む樹脂は結晶性がなく好ましい。フルオロアルキルメタクリレートとしては次式の化合物である。

上式において、ｎは１または２、ｍは１〜１１までの整数、ＸはＨまたはＦである。これらで示されるフルオロアルキルメタクリレートモノマの１種類以上と、他の共重合可能なフルオロアルキルアクリレートやアルキルメタクリレートやアルキルアクリレートなどとの共重合体が第１鞘樹脂として好適である。

さらに具体的に例をあげれば、フルオロアルキルメタクリレートとしては、トリフロオロエチルメタクリレート（以下、「３ＦＭＡ」ともいう。）、テトラフルオロプロピルメタクリレート（以下、「４ＦＭＡ」ともいう。）、ペンタフルオロプロピルメタクリレート、ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート（以下、「１７ＦＭＡ」ともいう。）、オクタフルオロペンチルメタクリレートなどがあり、フッ化アクリレートモノマーとしては，トリフルオロエチルアクリレート、テトラフルオロプロピルアクリレート、オクタフルオロペンチルアクリレートなどがある。

そしてこれらの低屈折率成分であるフッ素系モノマーの他に、高屈折率成分として、メチルメタクリレート（以下、「ＭＭＡ」ともいう。）やエチルメタクリレートなどのメタクリレートモノマーやメチルアクリレートやエチルアクリレート、ブチルアクリレートなどのアクリレートモノマー、メタクリル酸やアクリル酸などとのいろいろな組合せによる共重合体が挙げられる。

ビニリデンフロライド系樹脂として例を挙げれば、ビニリデンフロライドとヘキサフロロアセトンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体。さらに、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさらに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加えた３元以上の共重合体、さらにビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの２元共重合体がある。これらの中でも、特に、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％からなる共重合体が好ましい。その他、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンの２元共重合体などがある。そしてさらにこれらのビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂を混合したアロイを使用すると良い。メタクリレート系の樹脂としては、メチルメタクリレートやエチルメタクリレートの単独重合体や、或いは、これらを主体とする共重合体であり、これらにメチルメタクリレートやブチルアクリレートなどのアルキルアクリレートやアルキルメタクリレートなどを共重合しても良い。

また、ファイバＮＡ１が０．２５よりも低い場合の第１鞘樹脂としては、メチルメタクリレートとブチルアクリレートの共重合体のようにフッ素成分を含まぬ樹脂組成物も可能である。さて第１鞘樹脂は、ファイバＮＡを調整するために屈折率が調整選択されるが、さらに第１鞘は、光の反射層というだけではなく、光透過層としての機能もある程度は必要であり、透明性がより高い方が好ましく、その理由からフルオロアルキルメタクリレート系の鞘やビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂の混合体で透明度の高いものがより好ましい。

第２鞘樹脂としては、第１樹脂と同様なフルオロアルキルメタクリレート系樹脂やビニリデンフロライド系樹脂が好ましく、より好ましくはビニリデンフロライド系樹脂である。その理由は、ビニリデンフロライド系樹脂は、可撓性があり、機械的に強度があり、さらに第１鞘がフルオロアルキルメタクリレート系樹脂やビニリデンフロライド系樹脂とメタクリレート系樹脂の混合物の場合などの場合には、それらとよく接着して機械的にも強固な多芯プラスチック光ファイバが得られるからである。

それらのビニリデンフロライド系樹脂は、ビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの共重合体、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、ビニリデンフロライドとヘキサフロロアセトンの共重合体、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンの共重合体、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンとヘキサフロロアセトンの共重合体、ビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンとヘキサフロロアセトンの共重合体、ビニリデンフロライドとトリフロロエチレンとヘキサフロロアセトンの共重合体、ビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンとヘキサフロロプロペンの共重合体などをあげることができる。

上述の樹脂を用いて周知の複合紡糸を行うことによって、多芯プラスチック光ファイバを製造することができる。多芯プラスチック光ファイバの断面形状は、押出延伸によって円になり、また延伸比を変化させる事により外径及び各々の芯径は、細くする事ができる。

第一の多芯プラスチック光ファイバ断面の一例の模式図を図１に示す。図１においては第２鞘樹脂は海部を構成しているが、第２鞘樹脂が第２鞘層を構成し、別の樹脂からなる海部を有するものであってもよい。また、第二の多芯プラスチック光ファイバ断面の一例の模式図を図２に示す。図２においては第１鞘樹脂は海部を構成しているが、第１鞘樹脂が第１鞘層を構成し、別の樹脂からなる海部を有するものであってもよい。また、多芯プラスチック光ファイバは、上述のように芯繊維と第１鞘層と第２鞘層または海部からなる多芯プラスチック光ファイバ裸線であってもよいし、該裸線をポリエチレン等の保護層で被覆した多芯プラスチック光ファイバケーブルであってもよい。

本発明に使用する多芯プラスチック光ファイバを接続した構造体の好ましい一例としては、ファイバＮＡ１が０．４５以上０．６５以下の第一の多芯プラスチック光ファイバと、ファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さい第ニの多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体Ａをあげることができる。構造体Ａにおける第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は大きいほうが曲げに強いため、０．５０以上がより好ましく、０．５５以上がさらに好ましい。また、構造体Ａにおける第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は小さいほうが出射光角度を低くできるため、０．３５以下がより好ましく、０．３０以下がさらに好ましい。

上記構造体Ａにおいては、ファイバＮＡ１が大きい第一の多芯プラスチック光ファイバを使用するために曲げによる光ロスが少ない。そして、該第一の多芯プラスチック光ファイバのみでは大きい出射光角度を、該第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側にファイバＮＡ１が小さい第ニの多芯プラスチック光ファイバを接続することによって小さくすることができる。上記第一の多芯プラスチック光ファイバは、一鞘第一の多芯プラスチック光ファイバでも二鞘第一の多芯プラスチック光ファイバでも実現できるが、二鞘第一の多芯プラスチック光ファイバの方が、第一鞘層で必要なファイバＮＡ１を確保するとともに、第二鞘層で耐熱性、耐湿性がよりすぐれた別の樹脂を使用することができるため、設計の自由度が向上する点でより好ましい。

本発明に使用する多芯プラスチック光ファイバを接続した構造体の好ましい別の例としては、ファイバＮＡ２が０．４５以上０．６５以下かつｎ_CLAD1＞ｎ_CLAD2である第一の多芯プラスチック光ファイバと、ファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さい第ニの多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体Ｂをあげることができる。構造体Ｂにおける第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ２は大きいほうが曲げに強いため、０．５０以上がより好ましい。構造体Ｂにおける第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は小さいほうが高速応答性にすぐれるため、０．３５以下がより好ましく、０．３０以下がさらに好ましい。また、構造体Ｂにおける第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は小さいほうが出射光角度を低くできるため、０．３５以下がより好ましく、０．３０以下がさらに好ましい。

上記構造体Ｂにおいては、ファイバＮＡ２が大きい第一の多芯プラスチック光ファイバを使用するために曲げによる光ロスが少ない。そして、該第一の多芯プラスチック光ファイバのみではファイバＮＡ１とＮＡ２に依存する出射光角度を、該第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側にファイバＮＡ１が小さい第ニの多芯プラスチック光ファイバを接続することによって小さくすることができる。また、前述の構造体Ａを採用した場合に比較して、第一の多芯プラスチック光ファイバ部のファイバＮＡ１を小さく設計できるため、より高速応答性に優れる光ファイバセンサーが可能となる。

本発明の光ファイバセンサーにおいては、第二の多芯プラスチック光ファイバの長さが１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、第一の多芯プラスチック光ファイバが第二の多芯プラスチック光ファイバより長い上記構造体を用いることが好ましい。このようにすることで、光ファイバセンサーを設置した時に、光ファイバ部分に曲率が小さい曲げ箇所が発生する場合であっても、該当箇所がファイバＮＡ１またはファイバＮＡ２が大きい第一の多芯プラスチック光ファイバ部分にくるように配置することが可能になる。

以下、本発明を実施例と比較例により説明する。

［実施例１］
第一の芯樹脂として、屈折率ｎ_core１．４９２のポリメチルメタクリレート樹脂でメルトフローインデックスが２３０℃、荷重３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件で、１．５ｇ／１０分であるものを用いた。なお、実施例及び比較例記載の各樹脂において、メルトフローインデックスは上記と同条件を用いて測定した。
第一の第１鞘樹脂として、ビニリデンフロライド５７モル％、テトロフロロエチレン３２モル％、ヘキサフロロプロペン１１モル％からなる共重合体で、メルトフローインデックスが７．２ｇ／１０分、屈折率が１．３６４の樹脂を用いた。
第２鞘樹脂として、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、メルトフローインデックスが３０ｇ／１０分、屈折率は１．４０２の樹脂を用いた。

複合紡糸ダイとしては、３７芯を有し、各々の芯繊維を第１鞘層と第２鞘層とが二層に被覆する構造のダイスを用いた。この複合紡糸ダイに、第一の芯樹脂と第一の第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積の比率が８０対１０対１０になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．０ｍｍの第一の多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。この多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は、０．６であった。さらにこの裸線を黒色ポリエチレンで被覆し、直径２．２ｍｍの第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ａ）を得た。

第二の芯樹脂として、上記第一の芯樹脂と同一の樹脂を使用し、第二の第１鞘樹脂として、１７ＦＭＡ１４重量％、４ＦＭＡ６重量％、３ＦＭＡ６重量％、ＭＭＡ７４重量％をキャスト重合して、メルトフローインデックスが３１ｇ／１０分、屈折率が１．４７の樹脂を用いた。
複合紡糸ダイとしては、２１７芯を有し、各々の芯繊維を第１鞘層が被覆する構造のダイスを用いた。この複合紡糸ダイに、第二の芯樹脂と第二の第１鞘樹脂の容積の比率が８０対２０になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．０ｍｍの第二の多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。この多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は、０．２６である。さらにこの裸線を黒色ポリエチレンで被覆し、直径２．２ｍｍの第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）を得た。

次に、この第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ａ）を４ｍ、第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）を２００ｍｍの長さに切り取り、端面を平滑に研磨した後フェルールをつけて密着させて接続し構造体を得た。
該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ａ）側から、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を入射せしめ、上記構造体を通して第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）側から出射される光量の該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ａ）部分における曲げによる変化を測定したところ、０．１ｄBであった。曲げによる光量変化測定方法は以下のとおりである。
図３のように、ｐｈｏｔｏｍ２０５と上記構造体を接続し、該構造体にＬＥＤ光を入射し、フォトダイオード（ＰＤ）で光量を測定する。まず構造体に曲率半径２ｃｍ未満の屈曲を与えない状態で測定した時の光量を０ｄＢとし、次にファイバ全長の中央部分を曲率半径２ｍｍで９０°折り曲げた光量を測定し、両者の差を曲げによる光量変化とする。

次に、上記構造体に、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を入射せしめ、上記構造体を通して出射される出射光角度を測定したところ、３０°であった。出射光角度の測定方法は以下のとおりである。
図４のように、ｐｈｏｔｏｍ２０５と上記構造体を接続し、該構造体にＬＥＤ光を入射し、ファイバ端から１０ｍｍ離れたところのスクリーン上に写る光のスポット径を定規を用いて目視で測定し、出射光角度を求める。

次に、第一の多芯プラスチック光ファイバケーブルの中央部２ｍを温度８５度、湿度８５％の恒温高湿槽内で２４時間処理した。処理後の曲げによる光量変化と出射光角度は０．１ｄＢと３０°であり、処理前の値に対する変化は認められなかった。

［比較例１］
実施例１の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ａ）を１ｍの長さに切り取り、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を一端から入射せしめ、曲げによる光量変化と出射光角度を測定した。光量変化は０．１ｄＢ、出射光角度は７４°であった。

［実施例２］
第一の芯樹脂として、屈折率ｎ_core１．４９２のポリメチルメタクリレート樹脂でメルトフローインデックスが１．５ｇ／１０分であるものを用いた。
第一の第１鞘樹脂として、１７ＦＭＡ１４重量％、４ＦＭＡ６重量％、３ＦＭＡ６重量％、ＭＭＡ７４重量％をキャスト重合して、メルトフローインデックスが３１ｇ／１０分屈折率が１．４７の樹脂を用いた。
第２鞘樹脂として、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、同条件で測定したメルトフローインデックスが３０ｇ／１０分、屈折率は１．４０２の樹脂を用いた。

複合紡糸ダイとしては、３７芯を有し、各々の芯繊維を第１鞘層と第２鞘層が二層に被覆する構造のダイスを用いた。この複合紡糸ダイに、第一の芯樹脂と第一の第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積の比率が８０対１０対１０になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．０ｍｍの第一の多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。この多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は、０．２６、ファイバＮＡ２は、０．５である。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆し、直径２．２ｍｍの多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｃ）を得た。

次に、この第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｃ）を１ｍ、実施例１記載の第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）を２０ｍｍの長さに切り取り、端面を平滑に研磨した後フェルールをつけて密着させて接続し、構造体を得た。
該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｃ）側から、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を入射せしめ、上記構造体を通して第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）側から出射される光量の該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｃ）部分における曲げによる光量変化と出射光角度を測定した。光量変化は０．１ｄＢ、出射光角度は３６°であった。

［比較例２］
実施例２の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｃ）を１ｍの長さに切り取り、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を一端から入射せしめ、曲げによる光量変化と出射光角度を測定した。光量変化は０．１ｄＢ、出射光角度は６１°であった。

［実施例３］
第一の芯樹脂として、屈折率ｎ_core１．４９２のポリメチルメタクリレート樹脂でメルトフローインデックスが１．５ｇ／１０分であるものを用いた。
第一の第１鞘樹脂として、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、メルトフローインデックスが３０ｇ／１０分、屈折率は１．４０２の樹脂を用いた。
複合紡糸ダイとしては、２１７芯を有し、各々の芯繊維を第１鞘層が被覆する構造のダイスを用いた。この複合紡糸ダイに、第一の芯樹脂と第一の第１鞘樹脂の容積の比率が８０対２０対になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．０ｍｍの第一の多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。この多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１は、０．５１である。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆し、直径２．２ｍｍの多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｄ）を得た。

次に、この第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｄ）を３ｍ、実施例１に記載の第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）を１００ｍｍの長さに切り取り、端面を平滑に研磨した後フェルールをつけて密着させて接続し、構造体を得た。
該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｄ）側から、波長が６５０ｎｍでＬＮＡが０．６以上のＬＥＤ光（ＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社ｐｈｏｔｏｍ２０５）を入射せしめ、上記構造体を通して第二の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｂ）側から出射される光量の該構造体の第一の多芯プラスチック光ファイバケーブル（Ｄ）部分における曲げによる光量変化と出射光角度を測定した。光量変化は０．２ｄＢ、出射光角度は３２°であった。

本発明の光ファイバセンサーは、光ファイバ式の光電スイッチなどの光センサーとして好適に使用できる。

本発明で使用される第一の多芯プラスチック光ファイバの一例の断面の模式図である。本発明で使用される第二の多芯プラスチック光ファイバの一例の断面の模式図である。曲げによる多芯プラスチック光ファイバの光量変化測定方法を説明する模式図である。多芯プラスチック光ファイバの出射光角度の測定方法を説明する模式図である。

符号の説明

１芯繊維
２第１鞘層
３海部
４第一の多芯プラスチック光ファイバ
５海部
６芯繊維
７第２の多芯プラスチック光ファイバ
８フェルール
９曲率半径２ｍｍの９０°曲げ部分
１０スクリーン上のスポット
１１出射光角度

Claims

屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、及び第１鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．４５以上０．６５以下であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサー。
屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層、及び各々の該第1鞘層の周りを取り囲む第２鞘樹脂からなる第２鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1,ｎ_CLAD2とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義し、ファイバＮＡ２を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD2 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ２が０．４５以上０．６５以下かつｎ_CLAD1＞ｎ_CLAD2であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサー。
屈折率の高い透明な第一の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第一の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第一の第１鞘樹脂からなる第１鞘層、及び各々の該第1鞘層の周りを取り囲む第２鞘樹脂からなる第２鞘層が一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第一の多芯プラスチック光ファイバと、屈折率の高い透明な第二の芯樹脂からなる７本以上１００００本以下の芯繊維、及び各々の該芯繊維の周りを取り囲み該第二の芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第二の第１鞘樹脂からなる第１鞘層を有し一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された第二の多芯プラスチック光ファイバとを接続した構造体を有する光ファイバセンサーであって、前記構造体は、前記第一の多芯プラスチック光ファイバの出射側に前記第ニの多芯プラスチック光ファイバが接続された構造体であり、ナトリウムのＤ線を用いて２０℃で測定した芯樹脂、第１鞘樹脂、及び第２鞘樹脂の屈折率をそれぞれｎ_CORE，ｎ_CLAD1,ｎ_CLAD2とし、ファイバＮＡ１を（ｎ_C0RE ²−ｎ_CLAD1 ²）^0.5で定義した時に、第一の多芯プラスチック光ファイバのＮＡ１が０．４５以上０．６５以下であり、第二の多芯プラスチック光ファイバのファイバＮＡ１が０．１１以上０．４５より小さいことを特徴とする光ファイバセンサー。
前記第二の多芯プラスチック光ファイバの長さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサー。
前記第一の多芯プラスチック光ファイバが第二の多芯プラスチック光ファイバより長いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンサー。
前記第一の多芯プラスチック光ファイバの長さが０．１ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバセンサー。
受光素子と発光素子を備え、前記第二の多芯プラスチック光ファイバが前記第一の多芯プラスチック光ファイバの受光素子側に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバセンサー。