专利名称：由光纤和发光元件或接收元件组成一体的光学部件及其制造方法
概括地说，本发明涉及一种光学部件及其制造方法和应用。具体地说，本发明涉及一种由发光元件或接收元件与至少一根光导体固化或结合为一体的光学部件，这种光学部件不用把发光元件或接收元件与光导体彼此相连。本发明还涉及上述结构的光学部件的制造方法。本发明还提供与各种传感器、光路、显示板照明器以及其它元件共同工作的光传输系统，它们利用本发明的光学部件并能用在各种家用电器、汽车、工业机器设备和其他装置上。
在光源(如发光二极管发光元件)与光导体(如光纤)连接方面，有一种利用插入的透镜系统实现的连接方法和一种利用“OPTRONICS”杂志第4期第50-57页(1984年)、日本公开专利申请No.132110/1982(JP-A-57-132110)等所公开的连接器实现的连接方法。尽管可以减低这些连接的损耗，但是这些连接光纤和光源的已知方法需要高级的技巧，而且耗费大。其次，现有的连接技术在应用领域受到很大限制。附
图1A到1C所表示的连接方法是一些已知的简单的连接方法。更具体地说，根据图1A所示方法，由连接了引出线1并封在环氧树脂模压壳体里的半导体基片构成的发光二极管或LED2，在其端部用粘接剂5直接和由玻璃芯3及玻璃包层4组成的光纤相连。图1C所表示的连接方法与图1A所表示的类似，不同的是LED的端部是平的。图1B所表示的连接结构是用这样的方法得到的，即用透镜6汇聚LED2发出的光，然后再把该光投射到光纤端面，光纤和LED没有连在一起。
虽然上述方法只用简单的连接技术，但是它们造成很大的连接传输损耗，并且只限于一些特殊应用，现有技术的连接技术主要考虑能够保证单一光源发出的光均匀地分布到每根光纤上的连接方位或布局(例如，光纤相对于光源的安装角度)。例如，下面将考虑JP-A-55-7742和JP-A-50-126438的情况，根据在主要考虑单一光源相对于多根光纤的安装角度的这些出版物中公开的连接方法，采用了如图2A到2C所示的连接方法。参照图2A，把多根光纤12的各个光纤的端部与球体18的表面互相接触，使光纤光轴分别与垂直于球面的方向一致，用粘接材料14把光纤固定之后，再拆除球体18。最后得到辐射状排列的光纤，然后用图2B所表示的方法把光纤和光源9连接起来。另外，在图2C所表示的连接方法中，平头锥形束10的每一根都是平头锥体，而且每一根都有可容纳所连光纤12的中心孔。然后把光纤分别穿过各个中心孔的平头锥体，并在其小端捆起来，使它们彼此准直并形成一个三维辐射状排列的光纤。然后对光源9定位。但是上述各种连接方法在实践中有很多困难。比如，在图2A和2B所示的连接方法中，各个光纤在由粘接剂材料固定之前，很难把它们按适当角度分别固定在各自预定位置。此外，另一个问题是由于这些光纤端面有可能被从球形模元件18的球面拆下光纤束的拆除剂及粘接材料14污染，所以很难有效地利用或传输光。同样，图2C所表示的连接工艺在实践上是非常难的，因为需要为每一根光纤准备平头锥形元件。在这情况下，图2C所示的安排目前在实践中是不适用的。
JP-A-62-89914所公开的方法着重在很大程度上解决上述问题。根据这种方法，用与光纤芯的材料一样的材料或用与光纤芯的折射率一样的材料把发光元件或接收元件与光纤作成一个整体。由于发光元件或光接收元件与光导体按该方法固化成一体，因此不需把发光元件或接收元件与光导体相互连接。此外，由于发光元件或接收元件是模压或封装为一体的，并且用一种与光导体芯材的折射率一样的硅树脂把它与光纤整体连接，所以连接损耗显著地降低了。但是，这种方法有如下所述的缺点。只要这种光学结构在室温附近较低的环境温度下使用和工作，这种方法确实没有下面提到的实际问题。的确，当以图14A所示的结构把发光元件或接收元件与光导体成一体的光学部件在高温环境条件下(例如130℃或更高)使用，光纤的芯子就从其端部突出来，如图14B所示，从而裸露的芯子部分的漏光造成的光损耗显著增大。另一个问题是有可能在发光元件或接收元件与封装树脂的界面上或界面附近出现开裂或破碎，从而引起光损耗增大。
因此本发明的目的是提供一种包括发光元件或接收元件与光导体整体固化组件的光学部件，从而不需要发光元件或接收元件与光导体之间的相互连接，这个光学部件不仅可以在室温下使用，也可以在高温环境下使用，而没有明显的光传输损耗。
本发明的另一目的是提供一种制造上述光学部件的方法。
本发明的又一个目的是提供可以使用上述光学部件并适合用在家用电器、汽车、各种工业机器和设备上的装有各种传感器、光路、显示板照明器等的光传输系统。
当用硅树脂作包括如上所述整体结构的发光元件或接收元件和光导体的光学部件的光导体或光纤的芯材时，在环境温度130℃或更高时，芯子部分有可能向外突出。换句话说，嵌入发光元件或接收元件处的芯子部分有向外突出的倾向。其次，在发光元件或接收元件与封装树脂之间的界面上或界面上附近有开裂现象。所有这些现象都使光传输效率大大降低。
在对引起上述有害现象的原因作了如下所述的详细研究和验证的基础上，得到了预期改进上述光学部件的本发明。
一般来说，当用一种桥连或桥接(即交连)树脂作光导体或光纤的芯材时，先制作一个包复层或包复层和外套的组件，然后把芯材注入，最后对它进行加热或紫外线照射固化。这时，在这样一种条件下进行固化，使得在用来增加包复层和芯子沿其之间界面的固着力的压力作用下，包复层略微向外突出或伸长。换句话说，芯子应作得外径略大于包复层或包复层和外套组件的内径。因此，制作完后，该光纤处于应力状态下，因为芯子总被包复层或外套束缚得紧紧的。显然，该应力加大了芯子与包复层之间的固着力，然而，我们看到当用非常软的芯材时，在包复层束紧力的作用下芯材很可能被挤出来。当温度升高时，上述现象就更明显。事实上，我们看到，当温度在130℃或更高时，芯材就很快向外突出来。
芯材从包复层或包复层与外套的组件中突出出来的原因分析说明如下。如前所述，用制作芯子的单体填满以FEP(4-fluorethylene-6-fluoropropyleneresin)作的管子(其直径用dA表示)，然后加压。由于压力的作用，FEP管的直径增大到dB。这时发生单体的聚合作用，使体积缩小。因此管子直径从dB略微减小到dC(内径为di)。与初始直径dA相比，FEP管的直径增大Δd1＝dC-dA。由于FEP管有恢复初始直径dA的倾向，因此该管子总是对芯子施加夹紧力或挤压力。加热时，芯子在该夹紧力的作用下产生形变，因此使芯子向外突出。下面参照图15A及15C详细说明该现象。
首先考虑包复层对芯子施加的夹紧力。假定有一个内压力作用在薄壁管上，从而芯子被使管径dA为di所需的压力夹紧。现在求包复层直径增加Δd1＝dC-dA所需的压力P。包复层沿径向受的应力δ1由下式给出σ1=P · dx · rA=P · dx(dO+ei2)(dO-di2)dx]]>=P(dO+di)dO-di…………………(1)]]>式中d0是包复层的外径，di是包复层的内径(它也就等于芯子的外径)。
包复层的应变ε1由下式求出ε1=σ1E1=P(dO+di)E1(do-di)]]>包复层直径的增加Δd1由下式求出△d1=dO+di2· ε1=P(dO+di)22E1(dO-di)]]>
因此，让作成的光纤包复层的直径由初始直径dA达到直径dC的压力P，即芯子被夹紧的压力，可由下式表示P =△d12E(dO-di)(dO+di)2=△d1E1tr2……(2)]]>式中t为包复层的厚度，r为包复层的平均半径。显然，对于分别给定的Δd1和r值，该夹紧力取决于包复层的杨式模量E1、厚度t0换句话说，该夹紧力与E1和t乘积有关。
下面考虑由包复层的夹紧力引起的芯子的形变量。
为了简单起见，下面考虑裸光纤在径向压力作用下产生的形变量。如果芯子沿径向的形变量为δ1，沿轴向的形变量为δ2，压力为P1，芯子直径为di，芯子材料的杨式模量为E2，芯材沿径向的应变为ε3，沿轴向应变为ε2，泊松系数为μ(＝ε3/ε2)，则有δ2=P ·diE2ε3=PE2ε2=ε3μ=PμE2]]>
因此，芯子沿轴向的形变δ1由下式求出δ1=ε2d=PμE2dx ………………(3)]]>由(2)和(3)式得到δ1=△d1E1tμE2r2dx ………………(4)]]>最后，将考虑处于用包复层封住状态的芯子以及在芯子和包复层之间的摩擦力(固着力)，这时认为芯子沿轴向的形变量δ1比由(4)式求出的小，它可由下式求出δ1=PμE2dx-λ Pπd/E2]]>=△dE1tμr2E2dx-λπdipr2E2…………(5)]]>因此，为了减小沿轴向的形变量δ1，需要减小(5)式中第一项的值，或者增大第二项的值。减小E1＊t值或增大杨氏模量E2可以使第一项的值减小。对于芯材的给定的杨式模量值和夹紧力，芯子的形变量随芯子与包复层之间的摩擦力(固着力)λ的增加而减小。
最后看到，减小E1＊t值(弹性模量与包复层厚度的乘积)或增加E2值(芯子的弹性模量)或者增加λ值(芯子与包复层之间的固着力或摩擦力)都可以抑制芯子向外突出。
为了方便起见，在下面的叙述中E1t用包复层的刚性表示，E2用芯子的刚性表示。
由于上述原因，当包复层用氟系列材料，芯子用硅系列树脂制作时，(5)式中的第一项的值将减少，因为，芯子较软而且E2值小。此外，因为氟系列树脂与硅系列树脂之间的固着力λ(摩擦力)非常小，所以(5)式中第二项的值很小。因此，芯子沿轴向形变δ1很大。芯子从光导体包复层突出的机理现在清楚了。
根据对各种作光纤芯子的材料的实验结果，本发明指出，要用硬的材料作芯子，并且应当让芯子与包复层或包复层/外套组件之间的固着强度大。具体地说，在使用包括整体结构的发光元件或接收元件和光导体的光学部件的气氛或环境中(在低温或高温环境中)，芯材和包复层/外套材料的组合应这样选择，让芯子与包复层或包复层/外套组件之间的固着强度大，让芯材的刚性比包复层或包套层和外套组件的刚性大，使芯材在包复层或包复层/外套的束紧力产生的应力作用下不发生形变。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种光学部件，它包括一个由透明芯材和折射率比该芯材小的包复层构成的光导体和一个发光元件或接收元件，其中用和芯材一样的或折射率与芯材一样的，而刚性比包复层或包复层/外套材料大的材料把发光元件或接收元件与光导体作成一体，从而保证芯子与包复层或包复层/外套之间的固着强度大。
根据本发明的第二方面，提供一种光学部件，它包括由透明材料制造芯材的光导体，折射率比芯材小的包复层以及分别用透明桥接树脂(也叫桥连或交连树脂)和其他折射率比桥接树脂(即交连树脂)小的树脂双层模压的发光元件或接收元件，其中发光元件或接收元件与光导体用和光导体芯材一样的或折射率与芯材一样的，而刚性比包复层或包复层/外套大的材料，作成一体，使得保证芯子与包复层或包复层/外套之间的固着强度大。
使含有式(6)给出的单官能团单体作为必要成分的化合物和式(7)给出的多官能团单体化合物发生聚合反应，可以得到制造芯材的桥接树脂(即交连树脂)。
(其中R1表示H或CH3，R2表示H或从1到18碳烷基中选出的基，
(其中R3和R4代表从H，CH3构成的族中选出的基，n表示1到23的整数)。
使含有式(8)给出的多官能团单体作为必要成分的化合物发生聚合反应，可以得到桥接树脂，
(其中R3和R4表示从H和CH3构成的族中选出的基，n表示1到23的整数)。
另外，使聚四氟乙烯和聚六氟丙烯发生聚合反应，可以得到具有小折射率的用于制造包复层或包复层/外套的树脂。
根据本发明的第三方面，提供一种制造包括光导体和发光元件或接收元件的光学部件的方法，该光导体由用透明芯材作成的芯子和用折射率比该芯材小的包复层材料作成的包复层组成，这种制造方法包括两步，第一步是用与光导体芯材一样的材料或与芯材的折射率一样的材料，使发光元件或接收元件模压成型，该成型材料应能保证芯子和包复层/外套之间的固着强度很大，并且其刚性大于包复层或包复层/外套的刚性，第二步是用与光导体包复层一样的材料或与包复层折射率一样的材料使已封装的发光元件或接收元件的表面模压成形，从而发光元件或接收元件与光导体作成一体。
根据本发明的第四方面，提供一种制造这种由包括光导体和发光元件或接收元件的光学部件的方法，该光导体由用透明材料作的芯子和用折射率比芯材小的包复材料作成的包复层组成，该发光元件或接收元件用透明桥接树脂和折射率比该桥接树脂小的树脂双层模压成型，其中发光元件或接收元件用与芯材一样的或与芯材折射率一样的，而刚性比包复层或包复层/外套大的材料包封住，上述材料能保证芯子和包复层或包复层/外套之间的固着强度大，已包封的发光元件或接收元件用与光导体包复层一样的材料或者与包复层材料的折射率一样的材料再包封一次，从而发光元件或接收元件与光导体作成一个整体。最好从本发明第二方面提到的那些材料中选取桥接材料。
根据本发明的第五方面，提供一种光探测光学部件，它包括光导体和探测置于发光元件和接收元件之间的介质的光传感器，光导体由用透明材料作的芯子和用比芯材折射率小的包复材料作的包复层组成，其中用与芯材一样的材料或与芯材折射率一样的材料把发光元件或接收元件与芯子作成一个整体。在上述光探测光学部件应用的典型实例中，它可用作自动洗衣机的部件、自动吸尘器的部件、装有汽油和/或润滑油箱的汽车的部件、装有汽油和/或润滑油箱的工业机器的部件，可用作在包复层提供漏光部分的显示装置，还可在转数测量仪中用作检测转角的光学传感器等等。
根据本发明的第六方面，提供一种利用发光元件和接收元件之间的光传输进行信息或能量传递的光传输系统，其中该光传输系统包括光导体和发光元件或接收元件，该光导体由用透明芯材作的芯子和用折射率比芯材小的包复材料作成的包复层组成，该发光元件或接收元件用与该芯材一样或者与该芯材折射率一样的材料与该芯子作成一体。
由于上述本发明光学部件的结构是把发光元件或接收元件与光导体作成一体，这都可以大大减小或完全避免由发光元件或接收元件与发光导体之间的连接引起的光传输损耗，从而可以最有效地利用从光源发出的光。此外，它可以避免发光元件或接收元件与光导体之间的连接问题一这个实际应用中的最大障碍。还有，现有技术的发光元件或接收元件与光导体的组件用在高温气氛或环境时，传输损耗增加，这个困难或问题可以根据本发明满意地解决。本发明的光学部件的应用范围十分广泛，它不仅可以用在工业机器和仪器设备上，而且可以用在民用电器(如家用电器、汽车等)上，更不用说现有技术的元件已经应用了的特殊领域了。
如前所述，本发明提供一种把发光元件或接收元件与光导体用透明树脂模压成型为一体的方法，其中成型材料(芯材)对包复层有限大的固着强度，并且其刚性比包复层或包复层/外套组件大。更具体地说，用与光导体芯材一样的材料或与芯材折射率一样的材料通过模压成型把发光元件或接收元件封装起来，然后再用与光导体的包复层材料一样的或与包复层材料的折射率一样的材料将其封装起来。按照这种方法，发光元件或接收元件像光导体一样被埋在双层叠层结构中，从而可以满意地得到将发光元件或接收元件与光导体固化或结合为一体的组件。当然，制造本发明整体结构光学部件的方法不限于上述方法。可以想象，有很多其他方法可以把发光元件或接收元件与光导体作成整体结构，只要光导体可以用双层结构制造。例如，可以先加工出光导体的包复层，然后把芯材灌到该包复层里，再把发光元件或接收元件埋在该芯材里。
关于可以用来实现本发明的材料，芯材必须保证芯子与包复层或包复层/外套之间的固着强度大，并且其刚性比包复层或包复层/外套材料大。作为芯材的典型例子最好用上面提到的各种材料。但是只要满足上述所需条件，其他材料如芳香族乙烯单体的均聚合物或共聚物，聚丙烯甲基丙烯单体与芳香族乙烯单体的共聚物等都可使用。
至于包复层，可以用聚四氟乙烯-聚六氟丙烯(FEP)作包复层，但是包复材料的折射率要小于芯材。
在实现本发明的最好方式中，包封发光元件或接收元件的芯材的折射率应当与光导体芯材的一样，而包封发光元件或接收元件的包复层材料的折射率应当与光导体包复层材料的一样。这样，光的传输损耗可以更显著地降低。为此，发光元件或接收元件的封装层最好和光导体的封装层用同一种材料。
这种包括整体结构的发光元件或接收元件与光导体的光学部件的光传输效率非常高，而且其应用范围也大大扩大了。
具体地说，现有技术的光学部件总是需要把发光元件或接收元件与光导体连接起来，而有很大的连接损耗，而且需要很高技巧才能把传输损耗减小到实际上可以应用的水平。在这种情况下，当光学部件出现意外故障时，象批发商或家用电器维修站，汽车修理店及其他部门这样的水平实际上不可能修复这种有毛病的光学部件。因此，尽管需求这种光学部件的领域和数量非常大，但是使用目前所知的这种光学部件的工业领域受到很大限制。事实上，尽管很难推断这种光学部件的实用性，但它目前只局限于少数特殊工业领域，而很少用在家用电器设备方面。
与此相反，本发明的光学部件可以很好地用在各个方面，其中包括现有技术的光学部件不能应用的那些领域，例如用在洗衣机里检测水的肮脏程度，用在吸尘器里检测收集的灰尘量，用在各种家用电器设备里，用在转角传感器或转数传感器上，用在汽车上作为指示汽油和润滑油的量和确定该润滑油使用寿命的传感器。不言而喻，在许许多多各种各样的家用电器设备、汽车、工业机器和仪器中，光学传感器远比电传感器优越得多。因此，可以使光学传感器代替迄今使用的电传感器的本发明，对发展和改进可以应用光传感器的各种各样的仪器和机器做出划时代的贡献。
此外，本发明的光学部件除了用作上面所述的种种传感器之外，还可以不受限制地广泛用在各种电路里。例如，假定有一个放在高压设施附近的电路。不用说，该电路受到很大噪声信号的干扰。这个问题是用光学回路或光路可以彻底解决。但是在这方面，把发光元件或接收元件与光导体连接起来是一个大障碍，使得基本上不能使用光学回路。现在本发明的教导使光学回路或光路同样可以实际用于上述领域。
其次让我们考虑显示照明方面的情况，显然，采用与光导体-对应的LED(发光二极管)作光源，不如用单个光源和多个光导体或光纤的作法好，在后一种方法中，用单个光源可以照明不同的地方。但是，因为连接LED和光导体有困难，所以目前这种光源与光导体-对应的结构只用在照亮一个位置或地方的情况。换句话说，照多个地方就得用多个LED。相反，用本发明的光学部件(它可以由LED与光导体如光纤作成一体来实现)可以最有效地利用光源而不需要任何昂贵的连接器或透镜系统。最后，应当指出，可直接连到电路上的本发明的光学部件，还可用在除各种家用电器、汽车等以外的各种工业机器和设备的控制面板上。
正如由上述所知道的，根据把发光元件或接收元件与光导件作成一体的本发明，显著地减小了在其他情形由于发光元件或接收元件与光导体的连接引起的巨大传输损耗。再有，由于不用把发光元件或接收元件与光导体连起来，本发明光学部件可以直接连到电路及其他仪器上。换句话说，按照本发明的教导完全消除了因把发光元件或接收元件与光导体连起来需要很高技术而使其应用遇到最大困难。随着本发明光学部件的出现，完全可以予料到，这种光学技术将在各种各样的领域得到广泛的实际应用，其中包括在各种家用电器，为数众多的工业设备及机器上的应用。
借助附图，通过对下面的实施例的研究，本发明的上述及其它目的、特征和优点将更清楚。
图1A到1C概括地表示一个发光元件与单根光纤连在一起的传统方法。
图2A到2C概括地表示出迄今所知的一个发光元件与多个光导体连接在一起的方法。
图3A到3C表示根据本发明实施例把一个发光元件与单根光纤作成一个整体的方法。
图4A到4D表示根据本发明实施例把一个发光元件与多根光纤整体连接的方法。
图5A到5D及图6A到6C分别表示根据本发明实施例把多根光纤与一个发光元件整体连接在一起的其它方法。
图7A和图7B是使用本发明光学部件的电动洗衣机的结构简图。
图8A和8B是使用本发明光学部件的电吸尘器结构简图。
图9及图10是使用本发明光学部件的汽车油箱结构简图。
图11是使用本发明光学部件的润滑油箱结构简图。
图12A及12B是可以使用本发明光学部件的显示板装置结构简图。
图13是使用本发明光学部件的转速计结构透视图。
图14A及14B是现有技术的光学部件结构图。
图15A到15C表示光学部件在高温条件下，芯子从包复层或包复层/外套组件中突出的机制。
图16列表给出了实现本发明的方式的例2到例3中和比较例1和比较例2中所用材料的成分，以及对相应光学部件所做的加热实验的结果。
现在结合实施例说明本发明。包括制造发光元件与光导体整体耦合或结合的光学部件的方法，以及该光学部件的典型应用。
例1(1)制备作光导体芯材的单体化合物，其含有70克甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate)，20克乙烯二乙醇二丙烯酸甲酯(ethyleneglycoldimethacrylate)，10克丁基丙烯酸盐(butylacrylate)，0.5克十二烷酰过氧化物(lauroylperoxide)(用作热聚合的接触剂)。
(2)制备把发光元件与光导体结合为一体的芯材单体化合物，其含有70克甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate)，20克乙烯二乙醇二丙烯酸甲酯(ethyleneglycoldimethacrylate)，10克丁基丙烯酸盐(butyl/acrylate)，3.0克安息香乙醚(benzoinethylether)(作紫外线聚合反应的接触剂)。
把发光(或接收)元件与光导体结合为一体;
图3A到3C分步说明把单个LEC(发光二极管)与光纤端部连成一体的过程，该光纤通过使作为包复层的FEP(聚四氟乙烯-聚六氟丙烯)作成的管子填满上述(1)的单体化合物进行热聚合来制造。具体地说，图3A是该光纤端部的放大视图，其中23表示光纤芯，24表示包复层。参照图3B，由于只把芯材从光纤端部去掉了，所以图3A中所表示的光纤端部向里缩了。因此在光纤端部形成一个空洞28。然后把LED元件21(表示没有任何透明树脂覆盖的裸露发光元件)插到该空洞28里。随后把前面(2)中所说的单体化合物注入该包复层即FEP管24里，如图3C所示。最后用紫外线照射该端部，产生聚合反应。结果，可以得到一个包括整体固化或结合的发光元件与光纤的光学部件，其中LED的包封材料的折射率与芯材的完全一样，因为它们是同一种化合物，而包复层24没有发生什么变化并作为光纤的整体部分保持互相接触。显然该LED可用光接收元件代替。
用这种方法制造的光学部件在150℃环境中放100小时，没有发现芯材突出到包层边缘之外的现象。
例2到例13按照与上述例1类似的方法，用图16表中给出的单体化合物，用例1里作为包复层的FEP管，制造出了光学部件。每个都包括做成一体的发光元件或接收元件与光纤的这些光学部件，在150℃下经受100小时耐热实验，被实验的光学元件之中没有任何一个发生比较向外突出的现象。
比较例1
用商业名称为“CY52-113”的硅树脂填充用FEP作成的直径为1mm的管子，然后把它加热到100℃，保持3小时，作成光纤。按2米长一段切开，根据下述方法加工成包括与光纤结合为一体的发光元件的光学选件，把切成2米长一段的光纤端部加热到100℃左右使其软化，随后把芯子去掉10毫米左右，把一个LED元件(即没有模压成型在树脂内的元件)放到去掉芯子而留下的空洞里。此后把加工光纤时用作芯材的硅树脂“CY52-113”注到装上了LED的空洞里，并把它们加热到100℃，然后固化。这样得到了一个由光纤和LED组成的整体组件。
用上述方法制造的光学部件在温度为150℃的气氛下放置100小时，发现在光纤两端，其中包括埋有LED的端部，芯子突出了包复层边缘以外。
比较例2除了用商业名称为“CY52-110”的硅树脂作芯材以外，用与比较例1同样的方法制作出一个光学部件。在和比较例1相同的实验条件下进行的热性能实验表明，芯子突出到了包复层以外。
例14和16这个实例中用的芯材与例1中的成分一样。下面所说的例17和18也用这种材料。参考图4A到4D说明例16，其中多根光纤直接整体耦合到一个LED元件T。图4A中，M1表示有孔25的模子，这些孔用来安放相应数量的光纤，使每根光纤轴线的延长线分别垂直于模子的球形(LED定位在其中心处)内壁表面的切线方向。制造模子M1的材料与也是模压成型的光纤包复层的材料相同。每根都由芯子23和包复层24构成的光纤F按图4B所示分别插到模子M1的安装孔25里。然后把制造光纤F的芯材23所用的单体化合物23A注入模子M1，如图4C所示。接着把装在引线架1上的LED的半导体芯片T定位在模子M1的球形内表面的中心，如图4D所示。最后，通过加热使注入模子M1里的单体化合物发生聚合反应，这就得到了一个由单个LED与多根光纤结合成一个整体的光学部件。因为使LED成型的材料(即包封LED的芯材)与光纤芯材23一样，并且LED的包复层材料(即模M1的材料)与光纤的包复层材料24一样，所以由LED构成的光源效率很高。下面将说明用这种方法得到的光学部件的典型应用。显然，LED可用光接收元件如光电二极管代替。
例15这个实例描述把多个光波导或光导体与单个LED整体连接的方法。首先，用带有圆柱形细棒30的铸模39制造出带有一套光连接头31的模子M2，安装细棒30使其轴线的延长线垂直于球形铸模(LED定位在其中心)表面的切线方向，如图5A所示。然后抽掉细棒30，把铸模39的顶部去掉，如图5B所示。随后注入透明的成型材料23A，再放上连在引线架1上的LED元件;如图5C所示。在透明材料23A固化以后，拆掉铸模39。这样制出了包括与多个光波导或光导体结合成一体的LED的光学部件。由于带有连接头组件，所以很容易把相应数量的光纤与LED连在一起。LED的电极可以在接连到电路上。
例16参考图6A到6D，这个实例主要说明由一个LED元件与多根光纤作成一体的光学部件的制作方法。例中用的模子37有很多个孔，每个孔的轴线延长线与模子的球形(LED放在其中心位置)内表面的法线方向一致。把每根由芯子23和包复层24组成的相应数量的光纤分别插入各个孔里，然后把与制造光纤所用材料的单体化合物一样的成型材料经成型树脂注入口27注到模里，如图6A所示。再把连到引线架1上的LED放到预定位置，即放在成型室的球形壁的中心位置，如图6B所示。在这状态下进行固化处理。固化反应完成以后，去掉模子37，如图6C所示，最后，把成型的产品浸到折射率与光纤F的包复层24一样的聚合物溶液池里，从而在包封LED元件的成型材料(芯材)的整个表面和光纤F的部分表面都涂上了一层涂覆材料34。用这种方法，LED元件的表面包上分别由芯材23和包复材料34形成的两层，象光纤的情况一样。由于芯材23A和包复材料34的折射率分别与光纤芯和光纤包复层的一样，因此可以得到光源(LED)和光导体(光纤)固化或结合成一体的光学部件。采用这种光学部件的结构可以用极其简单的方式以整体耦合的光纤把光传到所需的地方，而不需任何光学连接器，只简单地把LED的端线与电路相连。
上面通过几个例子说明了其中的发光元件和光导体耦合或结合成一体的化学部件的制造。虽然至此假定使用LED元件，但是很容易理解，当用半导体激光器或光接收元件时，其制造方法当然完全一样。
在叙述了把发光元件(或接收元件)与光导体(光纤)作成一体的光学部件的制作方法之后，下面将说明这种光学部件的典型应用。
图7A和图7D，图8A和图8B仅仅举例说明这种把发光元件或接收元件与光导体(光纤)作成一体的光学部件在家用电器上的应用。具体地说，图7A和7B说明该光学部件在洗衣机上的应用，图8A和8B表示它在电吸尘器上的应用。参考图7A和7B，首先说明它在洗衣机上的应用。图中的洗衣机包括内筒40和其底部有一个排水口42的外筒41。把两个测量水位的光传感器P1和P2沿不同垂直位置分别安装在外筒41的竖直壁上。第三个指示洗涤水肮脏程度的传感器P3安装在排水口或排水管42附近。图7A中实线圈起的部分表示水位传感器P1结构的放大图。可以看到，棱镜PR装在筒壁上，而根据本发明由发光元件LED和光导纤维F构成一体的第一个光学部件，与根据本发明由光接收元件PD(例如光电二极管)与光纤F构成一体的第二光学部件安装在一起，其中从第一个光学部件的LED发出的光经连接光纤F传到棱镜PR，由棱镜表面反射的光经连接光纤介质传到光电二极管PD。在这种连接方式中，应该注意，棱镜PR的反射面确定了外筒41内壁表面的一部分，不用说，当棱镜反射面与空气接触和与水接触时，该棱镜的反射角不一样。因此，当水面到达与该棱镜反射面相接触的地方时，射到光电二极管PD上的光的多少将产生变化。因此这就能够探测出洗衣机里的水位。
通过光电二极管PD的电路和进水管(未画出)上的电磁阀电路适当地匹配，可以自动可靠地控制给洗衣机加水。另外，如上所述，沿不同高度安装传感器P1和P2，可以选择不同的洗涤水量。
如上所述由LED和光电二极管PD组成并安装在出口42的传感器P3可以探测出水是否全部排干。另外，当把本发明由发光元件和光纤构成一体的第一个光学部件和本发明由光接收器和光纤构成一体的第二个光学部件按图7B所示方式共同安装在排水口上时，不仅在洗涤时，而且在漂洗时都可以测出水的肮脏程度。因此可以适当控制洗涤。漂洗等过程的长短。具体地说，在图7B所示光学部件的布置中，把第一个有LED的光学部件和第二个有光电接收器的光学部件沿排水管42的直径方向相对安装。因此，当流过这两个光学部件的水变脏时，传到光电接收元件即光电二极管PD上的光强就大大降低。相反，漂洗时流过排水管42的水的透明度增加，结果使传到光接收元件或光电二极管PD上的光强增加，因此可以定出适当的漂洗时间。
实际上洗衣机是一种用水设备。因此，为上述目的使用电传感器可能遭到诸如漏电一类的麻烦。为此，需要和倾向于使用光传感器。然而由于如前所述在连接发光元件和/或光接收元件与光导体或光纤时有很多困难，所以实际应用光学传感器探测水位和水的肮脏程度一直是不成功的。随着本发明的由发光元件或接收元件与光导体构成一体的光学部件的出现，不用任何光连接器就能使光传感器在洗衣机及其它各种家用电器上用于各种各样的目的。只要把发光元件或接收元件的电极与适当的电路连起来，就能使本发明的光学部件工作。
图8A和8B表示本发明的由发光元件或接收元件与光导体(光纤)构成一体的光学部件在电吸尘器上的应用。参照图8A，传感器组件，即由发光元件LED和光纤F构成一体的第一个光学部件和由光接收元件PD及光纤F构成一体的第二个光学部件，沿直径方向彼此相对地装在吸尘器45的吸气口46的四周。通过吸气口46的灰尘使传到光接收元件PD上的光减弱，这本身意味着可以测定吸入的灰尘的量。更具体地说，把光接收元件PD输出的有用数据用到适当电路上控制与吸尘器轮相连的驱动单元，可以实现按指令能探测出已清扫过的地方并移到其他地方去的无人操纵吸尘器。
图9是本发明光光部件在汽车油箱或汽车齿轮箱上的应用，其目的是探测出箱内汽油或润滑油的数量和润滑油的使用寿命。
参看图9，四个棱镜式探测器装在汽车油箱47的箱壁48上。每个传感器的结构都与图7A里放大部分所表示的一样，而且它们包括由LED(发光二极管)和光纤F构成一体的第一个光学部件和由光接收元件(如光电二极管)及光纤构成一体的第二光学部件，以及一个有反射面P1(其确定了油箱47的壁的一部分)的棱镜PR。根据箱47里油的高度，该棱镜反射面将与空气或汽油接触。由于空气和汽油的折射率不一样，所以棱镜面P1接触到汽油和空气时，LED发出的并穿过光纤F的入射光在棱镜表面P1的反射角不一样。这样便通过第二个光学部件的光纤F并射到光电二极管PD上的光的多少发生变化。由光接收单元输出的可用数据可以用来确定油箱内是否有油。另外，安装上多个上述结构的传感器，可以探测出油箱内的剩余油量。
把电传感器用于上述目的，可能引起汽油爆炸等危险。而用本发明的光学部件作成的光传感器，可以完全排除这种危险。换句话说，根据本发明的教导，可以十分安全而可靠地测量出油箱内是否有油。
图10表示本发明光学部件用到汽车油箱上测量油箱47里油量的另一种应用。由于传感器的连接和安装关系，图10所示装置与图9的不同。具体地说，图10所示装置中，辅助管49装在油箱47上，其中每根辅助管装了包括由发光元件LED和光纤F构成一体的第一个光学部件和由光接收元件PD与光纤F构成一体的第二个光学部件的传感器，在管49的四周沿直径方向相对地安装上第一个和第二个光学部件，如实线圈起来的局部放大视图所示，其中第二个光学部件的光接收元件PD接收第一个光学元件的LED发出的光。由于在管内是空气还是汽油时通过管子49的光量不同，所以根据光接收元件PD的输出可以确定油箱内是否有汽油。
图11表示本发明的光学部件在汽车润滑油箱上检测其油量和该润滑油使用寿命的光探测器上的应用。
实线S1圈起来的局部放大视图清楚地表示出了装在润滑油箱上探测润滑油量的传感器的结构。它与图9和图10中所表示的棱镜式传感器装置基本一样。另外实线S2圈起来的局部放大视图表示装在润滑油箱50的辅助管51上的用于确定该润滑油使用寿命的光探测器装置。具体地说，在辅助管51的横断面上沿直径方向彼此相对地安装上由LED和光纤构成一体的第一个光学部件和由光电二极管和光纤组成一体的第二个光学部件。众所周知，经过一段使用时间后，机器润滑油就逐渐地混上了齿轮磨损产生的金属微粒，从而被污染。因此，由第一个光学部件的LED发出的并由第二个光学部件的光电二极管接收到的光的强弱，随着由于磨损产生的并混到第一个和第二个光学部件之间的润滑油中的金属颗粒的多少以及该润滑油变质产生的颜色变化而变化。从而可以确定出该润滑油的使用寿命。用与上述光传感器相连的报警电路，可以确定出更换润滑油的时间，从而可以有效地保养齿轮机构。
在上述应用中，根据该光学部件的用途，可以选择使用由一个发光元件或接收元件及一根光导体(光纤)构成一体的光学部件或由一个发光元件或接收元件与多根光纤构成一体的光学部件。
如上所述，本发明提供了一种把发光元件或接收元件与光导体或光导管作成一体的并且具有很高传输效率的光学部件。本发明的光学部件可以广泛用在各种设备、仪器、机器、仪表上，以及用在那些最好使用这类或类似的光学元件，但因连接发光元件或接收元件与光纤的困难而没有用上的各种家用电器上。只要把发光元件或接收元件与相应电路简单相连而无需昂贵的连接器和高超的技术就可使用本发明的光学部件。随着本发明光学部件的出现，许多工业领域其中包括家用电器制造厂商正在利用本发明的光学部件。
图12A和12B是由发光元件和光导体作成一体的光学部件在照明显示板上的应用实例。
在图12A所示实例中，直径为10mm的由芯子和包复层组成的圆柱形光传输棒52为光导体。对包复层上互不相连的几个地方进行热处理形成一些让发光元件LED发出的光向外泄漏的窗孔53。让面板55的显示部分54与窗孔53一一对应，从窗孔53漏出的光可以照亮显示部分54，圆柱形光传输棒52可以转动地支承。让棒52的转动与开关装置(未画出)的动作协调一致，使照明器在“A”方式工作时，标了“A”的窗孔53靠近标了“A”的显示部分使其被照明。同样，标了“B”和“C”的显示部分可以通过棒52的转动和开关的协调工作使其被照亮。因此用单个光源可以把很多显示部分照亮。
图12B表示使用由单个LED和多个光纤构成一体的光学部件的照明器。具体地说，光纤F1到F3整体耦合到LED元件，其中每根光纤的端部分别牢固地连到面板55的显示窗56。在光纤的中间部分用一开关装置挡住光束，这样可以只照亮预定的显示部分。
上面例举的面板照明可以被广泛地用在各种工业设备、机器、仪表及家用电器上。
图13是本发明光学部件在转速计(转速表)上的应用。参照该图，把一个具有许多沿圆周彼此等距分布的狭缝62的圆盘安装在待测或待控制的仪器的轴60上。把由发光元件LED和光纤F构成一体的第一个光学部件和由光电二极管PD及光纤构成一体的第二个光学部件分别安装在C形传感器63的两头，使LED元件发出的光在轴60旋转时通过狭缝62射到光电二极管62上。因此根据光电二极管接收到的光脉冲个数可以测量出轴60的转速。用由此得到的数据可以控制轴60的转速，当圆盘上的狭缝用一些反射元件代替时，被反射的光线射到第二个光学部件的光电二极管上，因此也能测出并控制轴60的转数。
由上面的叙述可知，这种把发光元件或接收元件与连接器(其连接该元件同光导体或使它们牢固地结合在一起)作成一体的光学部件，使发光元件或接收元件非常容易地与光纤或光纤束连在一起，而不需要昂贵的连接器或透镜等。
权利要求
1.一种用于光传输的光学部件，其特征在于包括一个光导体和发光和/或接收元件，光导体包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所说芯材的折射率小的高分子材料制造的包复层或包复层/外套组件，发光和/或接收元件与所说光导体的至少一端相连，其中所说的芯子的刚性比所说的包复层或包复层与外套组件的刚性大，并且其中把所说发光元件和/或接收元件与所说光导体至少在一端结合成一体的高分子材料的折射率和所说的芯材的基本一样。
2.一种用于光传输的光学部件，其特征在于包括一个光导体和发光和/或接收元件，光导体包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所说芯材的折射率小的高分子材料制造的包复层或包复层/外套组件，发光和/或接收元件与所说光导体的至少一端相连，其中所说的芯子的刚性比所说的包复层或包复层/外套组件的刚性大，并且其中把所说发光元件和/或接收元件与所说光导体至少在一端结合成一体的高分子材料的成分与该芯材的基本一样。
3.根据权利要求1或2的用于光传输的光学部件，其中把所说发光元件和/或接收元件与所说光导体至少在一端结合为一体的所说高分子材料是一种透明的桥接(交连)型树脂。
4.根据权利要求1到3中的一个的用于光传输的光学部件，其中所说光导体的芯材是一种透明的桥接(交连)型树脂。
5.一种用于光传输的光学部件，其特征在于包括一个光导体和发光/接收元件，光导体包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所说芯材的折射率小的材料作的包复层或包复层/外套组件，发光和/或接收元件与所说光导体相连，其中所说光导体有多根并在其一端相接在一起，所说芯子的刚性比所说包复层或该包复层/外套组件的刚性大，并且其中把所说发光元件和/或接收元件至少在所说的一端与所说的多根光导体结合成一体的高分子材料的折射率，与所说芯材的折射率基本一样。
6.一种用于光传输的光学部件，其特征在于包括一个光导体和发光/接收元件，光导体包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所说芯材的折射率小的材料作的包复层或包复层/外套组件，发光和/或接收元件与所说光导体相连，其中所说光导体有多根并在其一端相连在一起，所说芯子的刚性比所说包复层或包复层/外套组件的刚性大，并且其中把所说发光元件和/或接收元件与所说的多根光导体至少在所说的一端结合为一体的高分子材料的成份与该芯材的成分基本一样。
7.根据权利要求5或6的用于光传输的光学部件，其中所说光导体的芯材是一种透明的桥接(交连)树脂。
8.根据权利要求3到7中的一个的用于光传输的光学部件，其中所说的芯材是通过使包括由下述通用分子式(Ⅰ)给出的单体的单体化合物发生聚合反应，形成的高分子材料
其中R1和R2代表H或CH3，n表示1到23的整数。
9.根据权利要求3到8中的一个的用于光传输的光学部件，其中所说的芯材是通过使包括下述通用式(Ⅱ)给出的单体和由下述通用式(Ⅲ)给出的单体的单体化合物发生聚合反应，生成的高分子材料
其中R1、R2表示H或CH3，n表示1到23的整数，
其中R3表示H或CH3、R4表示H或从含碳原子个数为1到18的烷基类中选出的基。
10.一种制造光学部件的方法，其特征在于包括下述步骤制作光导体，该光导体包括用透明高分子材料作的芯子和用折射率比所说的芯材的折射率小的透明高分子材料作的包复层，所说的芯材的刚性比该包复层的刚性大。从所说的光导体端部去掉芯材;把发光元件和/或接收元件放到所说光导体的去掉了芯材的端部;用折射率与所说芯材基本一样的材料，把所说发光元件和/或接收元件和所说光导体作成一体。
11.一种制造光学部件的方法，其特征在于包括下述步骤制作一个折射率和所说光导体的包复层的折射率基本一样的透明高分子材料的连接元件，其上有插入所说光导体的孔和安装发光元件和/或接收元件的空腔;在所说光导体的插入孔中插入光导体，该光导体包括用折射率比制作所说光导体芯材的折射率小的高分子材料作的包复层，所说芯材的刚性比所说包复层的刚性大;把所说的发光元件和/或接收元件放进相应安装空腔;用与所说芯材的折射率基本一样的高分子材料，把所说的发光元件和/或接收元件作成一个整体。
12.一种制造光学部件的方法，其特征在于包括下述步骤把光导体插到有一个以上的光导体安装孔和发光元件和/或接收元件安装空间的成型模里，每个光导体包括用折射率比所说芯材的折射率小，刚性也比所说芯材的刚性小的高分子材料作的包复层;把所说的发光元件和/或接收元件放到所说的铸模里;把所说发光元件和/或接收元件用折射率与所说芯材的折射率一样的高分子材料成型。把折射率与所说包复层材料的折射率基本一样的材料涂覆在所说芯子的露出部分。
13.一种光学传感器装置，其特征在于包括一个光导体和发光和/或接收元件，光导体包括用透明高分子材料作的芯子和用折射率比所说芯材的折射率小的高分子材料作的包复层或包复层/外套组件，发光和/或接收元件与所说光导体的至少一端相连，其中所说的芯子的刚性比所说的包复层的刚性大，并且其中所说发光元件和/或接收元件与所说光导体在一端结合成一体的高分子材料的折射率与所说芯材的折射率基本一样。
14.根据权利要求13的光传感器装置，被用在洗衣机中检测水量和/或水的肮脏程度。
15.根据权利要求13的光传感器装置，被用在吸尘器上探测该吸尘器吸入的空气中的灰尘数量。
16.根据权利要求13的光传感器装置，被用在润滑油箱上探测润滑油的数量和/或润滑油被污染程度。
17.根据权利要求16的光传感器装置，其中使用该光传感器装置的所说的润滑油箱装在汽车上。
18.根据权利要求16的光传感器装置，其中使用该光传感器装置的所说的润滑油箱装在工业机器上。
19.根据权利要求13的光传感器装置，被用在转速计上作为探测装置。
全文摘要
一种光传输光学部件，包括由透明材料作的芯子和用折射率比该芯材小的材料作的包覆层组成的光导体，以及发光和/或接收元件。其中用和芯材一样的或者折射率与芯材一样的，刚性比包覆层和/或外套材料大的材料，把发光元件和/或接收元件作成一体。该光学部件可在高温下使用而没有任何明显的光传输损耗。
文档编号G01P3/486GK1033698SQ8810626
公开日1989年7月5日 申请日期1988年8月27日 优先权日1987年8月28日
发明者丹野清吉, 竹谷则明, 江口州志, 浅野秀树, 崎行雄, 沱摩勇悦, 射场本正彦, 向井淳二 申请人:株式会社日立制作所, 日立电线株式会社