JP2010086789A - 光ファイバセンサ及び投光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投光素子の発光体から発せられた光における光ファイバのコア内を実質的に伝搬される光量を十分に確保することにより、投光素子と光ファイバとの光結合効率の向上を好適に図ることができる投光装置及び該投光装置を備えた光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】投光装置１２において、透明パッケージ体３３内に封止された発光体２９の発光面から光ファイバ３５のコア３６の端面までのレンズ部３７の頂点を通過する光軸Ｐ方向における距離Ｌと、レンズ部３７を該レンズ部３７における頂点を通過する光軸Ｐを含む平面で切断した場合の断面形状の曲率半径Ｒとの数値関係を、距離Ｌを０．２ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すると共に、曲率半径Ｒを０．２ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍとなるように設定したことにより、光結合効率が向上した。
【選択図】図１

Description

本発明は、投光素子から発せられた光を光ファイバを介して投光する投光装置、及び、そのような投光装置と該投光装置から投光された光を受光用の光ファイバを介して受光素子により受光可能な受光装置とを備えた光ファイバセンサに関するものである。

一般に、光ファイバセンサは、投光素子と光ファイバを主体に構成された投光装置と、受光素子と光ファイバを主体に構成された受光装置とを備えている。そして、投光装置における投光素子の発光動作に伴い投光用の光ファイバを介して被検出領域に投光された光が受光装置における受光用の光ファイバを介して受光素子により受光されたか否か、又は受光した場合における受光量の変化度合い基づき、被検出領域での被検出物の検出を行うようにしている。

こうした光ファイバセンサにおいて、その検出精度の向上を図るためには、特に、投光装置の投光素子から発せられた光を効率良く投光用の光ファイバのコア内に入射させると共に、そのコア内に入射した光をコア内からクラッド側へ透過させることなくクラッドとの界面での全反射を繰り返させながら被検出領域に向けて伝播させることが重要となる。すなわち、投光素子から発せられた光の光量に対する光ファイバでの光伝搬に寄与できる光量の割合である「光結合効率」を可及的に高い値にすることが望まれる。そこで、従来から、例えば特許文献１に記載されるように、投光装置における投光素子と光ファイバとの光結合効率の向上を図った光ファイバセンサが提案されている。

この特許文献１の光ファイバセンサが備える投光装置は、投光素子における発光体としてのＬＥＤチップを透明樹脂からなる透明パッケージ体内に封止すると共に、該透明パッケージ体におけるＬＥＤチップの発光面側となる表面上に凸球面状のレンズ部を形成している。そして、該レンズ部の頂点を光ファイバにおける直径が１ｍｍのコアの端面に当接させた状態で、投光素子のＬＥＤチップから発せられた光を透明パッケージ体のレンズ部を介して光ファイバのコア内に入射させるようにしている。

すなわち、この特許文献１の光ファイバセンサが備える投光装置では、ＬＥＤチップから放射状に発せられた光を透明パッケージ体のレンズ部で屈折させ、透明パッケージ体の表面にレンズ部が形成されていない場合よりも光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光を多くすることにより、光結合効率の向上を図ろうとしていた。
特開２００４−２０７６２６号公報

ところで、投光素子における透明パッケージ体の表面に凸球面状のレンズ部を形成すると、透明パッケージ体内のＬＥＤチップの発光面から透明パッケージ体の表面に形成されたレンズ部の頂点までの距離（すなわち、ＬＥＤチップの発光面から光ファイバのコアの端面までの距離）が大きくなってしまう。

そのため、ＬＥＤチップの発光面から放射状に発せられた光のうち光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光の割合が少なくなってしまい、実質的には光結合効率の向上を好適に図ることができなくなるという問題があった。こうした問題に対しては、ＬＥＤチップの発光面から光ファイバのコアの端面までの距離を小さく設定すれば、光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光を多くすることは可能である。

しかしながら、その場合にコア内に入射する光についてはコア内への入射角度の大きい光の割合が多くなるだけで、そうした入射角度の大きい光は、たとえ光ファイバのコア内に入射したとしても、コアとクラッドとの界面で全反射することなく、クラッド側に透過してしまい、コア内を実質的に伝搬される光の光量を増加させることはなかった。また、ＬＥＤチップから発せられた光を屈折させつつ光ファイバのコア内に入射させるレンズ部の断面形状の曲率半径も、コア内への光の入射角度に関係するので無視はできなかった。

したがって、光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光を多くすることを目的として、ＬＥＤチップの発光面から光ファイバのコアの端面までの距離を小さくしたとしても、それだけでは光ファイバのコア内を実質的に伝搬される光の光量を十分に確保することができず、依然として実質的に光結合効率の向上を好適に図ることはできなかった。

なお、こうした問題は、受光装置と共に光ファイバセンサに具備される投光装置に限らず、その他の光通信装置などにおいて使用される投光装置においても同様に指摘されるところであった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、投光素子の発光体から発せられた光における光ファイバのコア内を実質的に伝搬される光量を十分に確保することにより、投光素子と光ファイバとの光結合効率の向上を好適に図ることができる投光装置及び該投光装置を備えた光ファイバセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の投光装置は、投光素子における発光体を透明材料からなる透明パッケージ体内に封止すると共に、該透明パッケージ体における前記発光体の発光面側となる表面上に凸球面状のレンズ部を形成し、該レンズ部の頂点を光ファイバにおけるコアの端面に対向させた状態で、前記発光体から発せられた光を前記光ファイバを介して被検出領域に向けて投光するようにした投光装置において、前記発光体の発光面から前記光ファイバのコアの端面までの前記レンズ部の頂点を通過する光軸方向における距離Ｌと、前記レンズ部を該レンズ部における前記頂点を通過する光軸を含む平面で切断した場合の断面形状の曲率半径Ｒとの数値関係を、前記距離Ｌを０．２ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すると共に、前記曲率半径Ｒを０．２ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍとなるように設定した。

この構成によれば、発光体の発光面から光ファイバのコアの端面までの距離Ｌとレンズ部の曲率半径Ｒが光結合効率の向上に寄与する適切な数値関係に設定される。すなわち、発光体の発光面から光ファイバのコアの端面までの距離Ｌは０．２ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍという小さな数値に設定されるので、発光体の発光面から発せられた光のうちレンズ部を介して光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光の割合を多くすることができる。また、その場合において、レンズ部の曲率半径Ｒが０．２ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍという小さな数値に設定されるので、発光体の発光面から発せられた光を光ファイバのコアの端面からコア内に入射角度を大きくすることなく好適に入射させることが可能となる。その結果、投光素子の発光体から発せられた光における光ファイバのコア内を実質的に伝搬される光量が十分に確保される。したがって、投光素子と光ファイバとの光結合効率の向上を好適に図ることができる。

また、本発明の投光装置においては、前記光ファイバのコア径Φを０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍとなるように設定することが好ましい。
この構成によれば、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径の光ファイバを使用した場合には、その光ファイバのコアの端面からコア内に入射する光は入射角度の小さい光しか入射されないため、コア内に入射した光のうちコア内からクラッド側に透過してしまう光の割合を減少させることができる。その結果、前記距離Ｌを小さくすれば、光ファイバのコア内に入射する光の割合を増加させることができると共に、入射した光におけるコア内を伝搬される光量の減少を抑制できるので、この点で効果的に光結合効率を向上させることができる。

また、本発明の投光装置においては、前記距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すると共に、前記曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍとなるように設定することが好ましい。

この構成によれば、例えば投光素子における発光体の発光面にワイヤボンディングする必要がある場合にも、その場合のワイヤが透明パッケージ体の表面から外部に露出する虞を低減することができる。また、レンズ部の曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍと設定することでレンズ部の有効径が大きくなるので、発光体の発光面から放射状に発せられた光のうちレンズ部を介して光ファイバのコアの端面からコア内に入射される光の割合を増加させることができ、この点でも効果的に光結合効率を向上させることができる。

また、本発明の投光装置においては、前記光ファイバのコア径Φを０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍとなるように設定した上で、前記曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦０．８ｍｍとなるように設定した場合には、前記距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定する一方、前記曲率半径Ｒを０．８ｍｍ＜Ｒ＜２ｍｍとなるように設定した場合には、前記距離Ｌを０．４ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定することが好ましい。

この構成によれば、コア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍの光ファイバを使用した場合において、レンズ部の曲率半径Ｒの数値が０．８ｍｍ以下か又は０．８ｍｍよりも大きいかによって、発光体の発光面から光ファイバのコアの端面までの距離Ｌが好適な数値に選択設定されるため、光結合効率の向上を効果的に図ることができる。

一方、本発明の光ファイバセンサは、上記のように構成された投光装置と、該投光装置から投光された光を受光用の光ファイバを介して受光素子により受光可能な受光装置とを備えた。

この構成によれば、上記投光装置において得ることができる作用効果と同様の作用効果を光ファイバセンサにおいて得ることが出来る。

本発明によれば、投光装置及び該投光装置を備えた光ファイバセンサにおいて、投光素子の発光体から発せられた光における光ファイバのコア内を実質的に伝搬される光量を十分に確保することにより、投光素子と光ファイバとの光結合効率の向上を好適に図ることができる。

以下、本発明を光ファイバセンサ及びその投光装置において具体化した実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の光ファイバセンサ１１は、投光装置１２と受光装置１３とを備え、投光装置１２及び受光装置１３には、コントローラ１４が接続されている。投光装置１２は、コントローラ１４の制御に基づき被検出領域１５越しに受光装置１３側に向けて被検出物１６の検出用の光を投光し、受光装置１３は、投光装置１２から被検出領域１５に向けて投光された光が被検出物１６により遮光されない場合に、その光を受光可能に構成されている。すなわち、この光ファイバセンサ１１では、投光装置１２から投光された光を受光装置１３が受光したか否か、又は受光した場合の受光量の変化度合いに基づき、コントローラ１４によって被検出領域１５での被検出物１６の検出の有無が判別されるようになっている。

こうした光ファイバセンサ１１における投光装置１２及び受光装置１３の具体的構成について、まず、受光装置１３から先に説明する。
さて、図１に示すように、受光装置１３は有底筒状をなす装置本体１７を備えている。そして、装置本体１７内には、基板１８上に搭載されたフォトダイオード等からなる受光体１９をリードフレーム２０にワイヤ２１を介して接続してなる受光素子２２がエポキシ樹脂等の透明樹脂からなる透明パッケージ体２３内に封止された状態で配設されている。また、装置本体１７における軸方向の先端部（すなわち、被検出領域１５側の端部）には基端部よりも小径の嵌合筒部２４が形成されており、この嵌合筒部２４に受光用の光ファイバ２５の基端側が嵌入されている。

受光装置１３の装置本体１７内において、透明パッケージ体２３は、受光体１９の受光面（図１において右側の面）側となる表面が平坦に形成されており、該透明パッケージ体２３の平坦な表面に対して光ファイバ２５の基端面が当接している。すなわち、受光用の光ファイバ２５は、その芯となるコア２６の基端面を透明パッケージ体２３の平坦な表面に当接させた状態で、そのコア２６の先端面からコア２６内に入射した光を基端側に伝搬し、透明パッケージ体２３内の受光素子２２（具体的には受光体１９の受光面）に向けて出射するようになっている。

ちなみに、この受光装置１３においては、受光用の光ファイバ２５として、コア２６のコア径が０．５ｍｍのプラスチック系ファイバが使用されている。そして、その組み付け状態において、透明パッケージ体２３内の受光体１９の受光面から光ファイバ２５のコア２６の基端面までの光軸Ｐ方向における距離Ｍは、汎用タイプの受光装置において主流の０．７ｍｍに設定されている。

次に、投光装置１２の具体的構成について説明する。
さて、図１に示すように、投光装置１２は、受光装置１３の場合と同様に、有底筒状をなす装置本体２７を備えている。そして、装置本体２７内には、基板２８上に搭載された発光ダイオード等からなる発光体２９をリードフレーム３０にワイヤ３１を介して接続してなる投光素子３２がエポキシ樹脂等の透明樹脂（透明材料）からなる透明パッケージ体３３内に封止された状態で配設されている。また、装置本体２７における軸方向の先端部（すなわち、被検出領域１５側の端部）には基端部よりも小径の嵌合筒部３４が形成されており、この嵌合筒部３４に投光用の光ファイバ３５の基端側が嵌入されている。

投光装置１２の装置本体２７内において、透明パッケージ体３３における発光体２９の発光面（図１において左側の面）側となる表面には投光用の光ファイバ３５におけるコア３６の基端面に向けて凸球面状をなすレンズ部３７が膨出形成されている。そして、このレンズ部３７の頂点に対して投光用の光ファイバ３５の基端面が当接している。すなわち、投光用の光ファイバ３５は、その芯となるコア３６の基端面を透明パッケージ体３３におけるレンズ部３７の頂点に当接させた状態で、透明パッケージ体３３内の発光体２９の発光面から発せられた光のうちレンズ部３７を介してコア３６の基端面からコア３６内に入射した光を先端側に伝搬して被検出領域１５に出射（投光）するようになっている。

ちなみに、この投光装置１２においては、投光用の光ファイバ３５として、コア３６のコア径Φが０．５ｍｍのプラスチック系ファイバが使用されている。また、発光体２９としては、光軸Ｐと直交する方向でのチップサイズＳが０．４ｍｍのＬＥＤチップが使用されている。そして、その組み付け状態において、透明パッケージ体３３内の発光体２９の発光面から光ファイバ３５のコア３６の基端面（すなわち、レンズ部３７の頂点）までのレンズ部３７の頂点を通過する光軸Ｐ方向における距離（以下、「チップ〜頂点間距離」ともいう。）Ｌは０．４ｍｍに設定されている。すなわち、そのチップ〜頂点間距離Ｌは汎用タイプの投光装置において主流の０．７ｍｍよりも小さな数値に設定されている。

また、この投光装置１２において、透明パッケージ体３３の表面に形成されたレンズ部３７は、そのレンズ部３７の頂点を通過する光軸Ｐを含む平面で切断した場合の断面形状の曲率半径Ｒが０．４ｍｍとなるように設定されている。すなわち、レンズ部３７は通過した光を屈折させ得る有効径Ｎが０．８ｍｍとなり、発光体２９の発光面における光軸Ｐと直交する方向でのチップサイズＳ（０．４ｍｍ）よりも大きな数値に設定されている。なお、本実施形態の光ファイバセンサ１１における投光装置１２と受光装置１３の図示においては、図面理解の便宜のため実寸よりも誇張した寸法比で図示していると共に、コアの外側のクラッドについては図示を省略している。

次に、以上のように構成された光ファイバセンサ１１の作用に関し、特に投光装置１２から光が投光される場合の作用に着目して以下説明する。
さて、投光装置１２は、コントローラ１４の制御に基づき投光素子３２の発光体２９が発光動作すると、その発光体２９の発光面から光が放射状に発せられる。この光のうち、透明パッケージ体３３のレンズ部３７を通過する光は、レンズ部３７において角度が屈折させられることにより、光ファイバ３５のコア３６の端面からコア３６内に入射する割合が増加する。そして、この光ファイバ３５のコア３６内に入射した光は、コア３６とクラッド（図示略）との界面での全反射を繰り返しつつコア３６内を先端側に伝搬され、そのコア３６の先端側の端面から被検出領域１５に出射（すなわち、投光）される。

このとき、投光装置１２から被検出領域１５に投光された光が被検出物１６により遮光されない場合には、その光は受光装置１３における受光用の光ファイバ２５のコア２６の先端面からコア２６内に入射し、そのコア２６内を基端側に伝搬されて受光素子２２の受光体１９により受光される。すると、コントローラ１４は、投光装置１２から投光された光の光量に相当する光量の光を受光装置１３が受光したことに基づき、被検出領域１５に被検出物１６は存在しないと判別する。

一方、被検出領域１５を被検出物１６が通過する場合などで、投光装置１２から被検出領域１５に投光された光が被検出物１６により遮光された場合には、受光装置１３は光を受光できないことになる。そのため、この場合、コントローラ１４は、投光装置１２から投光された光の光量に相当する光量の光を受光装置１３が受光していないことに基づき、被検出領域１５には被検出物１６が存在すると判別する。

ところで、光ファイバセンサ１１において被検出物１６の検出の有無を判別する場合、その検出精度は投光装置１２における光結合効率の数値が高いほど向上する。すなわち、投光装置１２の投光素子３２から発せられた光の光量に対する投光用の光ファイバ３５での光伝搬に寄与できる光量の割合が多いほど、光ファイバセンサ１１における検出精度は向上する。そして、この光結合効率の数値は、投光装置１２におけるレンズ部３７の曲率半径Ｒとチップ〜頂点間距離Ｌというパラメータの組み合わせにより規定される。

そこで次に、本実施形態の投光装置１２における光結合効率に関して、レンズ部３７の曲率半径Ｒとチップ〜頂点間距離Ｌとの数値関係に着目して、図２に示す実験データ表を参照しながら以下説明する。

なお、図２に示す実験データ表は、そのチップサイズＳが０．４ｍｍの発光体２９を使用し、投光用の光ファイバ３５におけるコア３６のコア径Φが１ｍｍ、０．５ｍｍ、及び０．２５ｍｍの各場合において、レンズ部３７の曲率半径Ｒとチップ〜頂点間距離Ｌとを様々に変化させてシミュレーションした場合の光結合効率の数値を示している。また、この場合の光ファイバ３５は、本実施形態の場合と同様にプラスチック系ファイバであり、さらに、レンズ部３７が表面上に膨出形成される透明パッケージ体３３も、本実施形態の場合と同様に透明なエポキシ樹脂からなるものである。

さて、本実施形態の光ファイバセンサ１１の投光装置１２では、透明パッケージ体３３の表面に形成されたレンズ部３７の曲率半径Ｒが０．４ｍｍに設定されると共に、発光体２９の発光面から投光用の光ファイバ３５のコア３６の基端面（すなわち、レンズ部３７の頂点）までのチップ〜頂点間距離Ｌが０．４ｍｍに設定されている。そして、投光用の光ファイバ３５はコア径Φが０．５ｍｍであって、投光素子３２における発光体２９のチップサイズＳは０．４ｍｍとされている。そこで、このような数値設定がされた投光装置１２における光結合効率をシミュレーションによって求めてみると、その光結合効率は、図２の実験データ表にあるとおり、「１３．９９」となる。

一方、本実施形態の投光装置１２と光結合効率が対比される汎用タイプの投光装置は、レンズ部の曲率半径Ｒが２ｍｍに設定されると共に、チップ〜頂点間距離が０．７ｍｍに設定されている。そして、この従来主流の汎用タイプの投光装置における光結合効率は、光ファイバのコア径が本実施形態の投光装置１２の場合と同じ０．５ｍｍであるとした場合、図２の実験データ表の最下段に示されるとおり、「７．０６」となる。

すなわち、本実施形態の投光装置１２においては、チップ〜頂点間距離Ｌと、レンズ部３７の曲率半径Ｒとの数値関係が、チップ〜頂点間距離Ｌが０．４ｍｍであって、且つ、レンズ部３７の曲率半径Ｒが０．４ｍｍという、従来主流の汎用タイプの投光装置での数値関係（Ｌ＝０．７ｍｍ、Ｒ＝２ｍｍ）よりも小さな数値に設定されている。そのため、本実施形態の投光装置１２においては、こうした小さな数値関係（Ｌ＝０．４ｍｍ、Ｒ＝０．４ｍｍ）としたことにより、従来比１９８％という優れた光結合効率を得ている。

したがって、本実施形態の投光装置１２では、従来主流の汎用タイプの投光装置の場合よりも、投光素子３２の発光体２９から発せられた光における光ファイバ３５のコア３６内を実質的に伝搬される光量が十分に確保されることになる。その結果、本実施形態の投光装置１２では、投光素子３２と光ファイバ３５との光結合効率の向上を好適に図ることが可能となる。

また、こうした投光装置１２における光結合効率は、上記したレンズ部３７の曲率半径Ｒとチップ〜頂点間距離Ｌとの数値関係を変化させて組み合わせた場合、光ファイバ３５のコア径Φとも関連して、一定の傾向を示すということが図２の実験データ表から確認できる。そこで、以下においては、図２の実験データ表を参照しながら、レンズ部３７の曲率半径Ｒとチップ〜頂点間距離Ｌとの数値関係を変化させた場合の光結合効率について説明する。

まず、レンズ部３７の曲率半径Ｒを変化させた場合について説明する。
さて、図２の実験データ表からも明らかなように、レンズ部３７の曲率半径Ｒは、コア径Φ及びチップ〜頂点間距離Ｌが同じ数値であるとした場合（例えば、Φ＝０．５ｍｍ、Ｌ＝０．４ｍｍとした場合）、その曲率半径Ｒの数値が小さくなるほど光結合効率の数値は高くなるという一定の傾向を有している。これは、曲率半径Ｒの小さいレンズ部３７の方が曲率半径Ｒの大きいレンズ部３７の場合よりも、該レンズ部３７を通過する光の屈折率が高くなるため、光ファイバ３５のコア３６の端面からコア３６内に入射する光の割合を多くすることができるためと考えられる。

但し、この曲率半径Ｒの数値が小さくなるほど光結合効率の数値が高くなるという一定の傾向は、その下限が曲率半径Ｒ＝０．３ｍｍまでであり、図２の実験データ表にあるとおり曲率半径Ｒ＝０．２ｍｍとなるまで小さくすると、その光結合効率の数値は、それまでの上昇傾向から一転して下降傾向となる。すなわち、曲率半径Ｒ＝０．２ｍｍとした場合の光結合効率は、曲率半径Ｒ＝０．３ｍｍとした場合の光結合効率（「１５．３７」）の数値よりも低い「１０．４４」となる。

これは、レンズ部３７の曲率半径Ｒを０．２ｍｍとなるまで小さくすると、図３に示す比較例１のように、レンズ部３７の有効径Ｎが発光体２９のチップサイズＳとの相対関係において小さくなりすぎてしまい、レンズ部３７にて屈折されてコア３６内に入射される光の割合が少なくなり、その結果、光結合効率が低下するからと考えられる。また、この場合には、図３に示す比較例１のように、発光体２９とリードフレーム３０との間を接続するワイヤ３１が透明パッケージ体３３から外部に露出してしまう虞がある。

したがって、このようにレンズ部３７の曲率半径Ｒを０．２ｍｍとなるまで小さくする場合には、図４に示す変形例１のように、ワイヤ３１を使用せずに発光体２９を該発光体２９の裏面側のバンプ３８を介して基板２８上のパッド部（図示略）に接続する、所謂、フリップチップタイプの投光素子３２を使用するのが好ましい。こうすれば、ワイヤ３１が透明パッケージ体３３から外部に露出してしまうという問題もなく、そして、従来主流の汎用タイプの投光装置の場合（光結合効率は「７．０６」）よりも高効率の光結合効率「１０．４４」を得ることができる。

次に、チップ〜頂点間距離Ｌを変化させた場合について説明する。
さて、図２の実験データ表からも明らかなように、チップ〜頂点間距離Ｌは、コア径Φ及びレンズ部３７の曲率半径Ｒが同じ数値であるとした場合（例えば、Φ＝０．５ｍｍ、Ｒ＝０．４ｍｍとした場合）、そのチップ〜頂点間距離Ｌの数値が小さくなるほど光結合効率の数値は高く（又は低く）なるという一定の傾向を有している。但し、この場合、光ファイバ３５のコア径Φが０．５ｍｍ以下であるか又は０．５ｍｍよりも大きいかにより数値の変化する方向が逆になる。

すなわち、光ファイバ３５におけるコア３６のコア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径である場合には、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が小さくなるほど光結合効率の数値は高くなるという傾向を示す。これは、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径の光ファイバ３５の場合、もともと入射角度の小さい光しか、その光ファイバ３５のコア３６内には入射されないため、コア３６内に入射した光のうちコア３６内からクラッド側に透過してしまう光の割合も小さいということが起因していると考えられる。そのため、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径である場合には、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が小さくなるほど、光ファイバ３５のコア３６内に入射させる光の割合を増加させることができ、しかも入射した光におけるコア３６内を伝搬される際の光量の減少を抑制できることから、光結合効率は上昇することになる。

その一方、光ファイバ３５におけるコア３６のコア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍのように少し太い場合には、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍである場合とは逆に、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が小さくなるほど光結合効率の数値は低くなるという傾向を示す。これは、コア径Φが太い場合には、チップ〜頂点間距離Ｌを小さくすることでコア３６内に入射する光を多くすることができたとしても、その場合に入射する光は入射角度の大きな光の割合が多くなってしまい、コア３６内からクラッド側に透過する光が増えるため、コア３６内を伝搬される光の光量を十分に確保できないからと考えられる。そのため、コア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍのように少し太い場合には、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径の場合とは逆に、図２の実験データ表に示すように、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が大きくなるほど、光結合効率は上昇することになる。

ここで、図５に示す比較例２のように、チップ〜頂点間距離Ｌを０．２ｍｍとなるまで小さくすると、図３に示した比較例１の場合と同様に、発光体２９とリードフレーム３０との間を接続するワイヤ３１が透明パッケージ体３３から外部に露出してしまう虞がある。したがって、チップ〜頂点間距離Ｌを０．２ｍｍとなるまで小さくする場合には、図６に示す変形例２のように、ワイヤ３１を使用せずに発光体２９を該発光体２９の裏面側のバンプ３８を介して基板２８上のパッド部（図示略）に接続する、所謂、フリップチップタイプの投光素子３２を使用するのが好ましい。

また、図２の実験データ表によれば、次のようなことも確認できる。
すなわち、光ファイバ３５のコア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍである場合において、レンズ部３７の曲率半径Ｒが０．３ｍｍ≦Ｒ≦０．８ｍｍとなるときには、チップ〜頂点間距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すれば、従来主流の汎用タイプの投光装置における光結合効率（「１３．９７」）よりも高効率の光結合効率（「１４．３０」〜「３３．８３」）を得ることができる。また、同じく光ファイバ３５のコア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍである場合において、レンズ部３７の曲率半径Ｒが０．８ｍｍ＜Ｒ＜２ｍｍとなるときには、チップ〜頂点間距離Ｌを０．４ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すれば、従来主流の汎用タイプの投光装置における光結合効率（「１３．９７」）よりも高効率の光結合効率（「１４．０６」〜「１８．２３」）を得ることができる。

なお、図２の実験データ表には、コア径Φが１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍという三種類の光ファイバ３５のシミュレーション結果による光結合効率しか示していないが、図２の実験データ表の表示内容から、コア径Φが０．２５ｍｍと０．５ｍｍの間の数値となる光ファイバ３５の場合にも、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が小さくなるほど光結合効率の数値が高くなるという傾向を示すことは十分に類推可能である。同様に、コア径Φが０．５ｍｍと１ｍｍの間の数値となる光ファイバ３５の場合にも、チップ〜頂点間距離Ｌの数値が大きくなるほど光結合効率の数値が高くなるという傾向を示すことは十分に類推可能である。

以上説明した本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）投光装置１２では、発光体２９の発光面から光ファイバ３５のコア３６の基端面までの距離Ｌを０．２ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍという小さな数値に設定することによって、発光体２９の発光面から発せられた光のうちレンズ部３７を介して光ファイバ３５のコア３６の基端面からコア３６内に入射する光の割合を多くすることができる。また、その場合において、レンズ部３７の曲率半径Ｒが０．２ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍという小さな数値に設定されるので、発光体２９の発光面から発せられた光を光ファイバ３５のコア３６の基端面からコア３６内に入射角度を大きくすることなく好適に入射させることが可能となる。その結果、投光素子３２の発光体２９から発せられた光における光ファイバ３５のコア３６内を実質的に伝搬される光量を十分を確保することができ、投光素子３２と光ファイバ３５との光結合効率の向上を好適に図ることができる。

（２）投光装置１２では、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍという細径の光ファイバ３５を使用した場合、その光ファイバ３５のコア３６の端面からコア３６内に入射する光は入射角度の小さい光しか入射されないため、コア３６内に入射した光のうちコア３６内からクラッド側に透過してしまう光の割合を減少させることができる。その結果、チップ〜頂点間距離Ｌを小さくすれば、光ファイバ３５のコア３６内に入射する光の割合を増加させることができると共に、入射した光におけるコア３６内を伝搬される光量の減少を抑制できるので、この点で効果的に光結合効率を向上させることができる。

（３）また、チップ〜頂点間距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍに設定すると共に、レンズ部３７の曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍに設定した場合には、例えば投光素子３２における発光体２９の発光面にワイヤボンディングする必要がある場合にも、そのワイヤ３１が透明パッケージ体３３の表面から外部に露出する虞を低減できる。また、レンズ部３７の曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍと設定することでレンズ部３７の有効径が大きくなるので、発光体２９の発光面から放射状に発せられた光のうちレンズ部３７を介して光ファイバ３５のコア３６の端面からコア３６内に入射される光の割合を増加させることができ、この点でも効果的に光結合効率を向上させることができる。

（４）コア径Φが０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍの光ファイバ３５を使用した場合において、レンズ部３７の曲率半径Ｒの数値が０．８ｍｍ以下か又は０．８ｍｍよりも大きいかによって、発光体２９の発光面から光ファイバ３５のコア３６の端面までの距離Ｌが好適な数値に選択設定されるため、光結合効率の向上を効果的に図ることができる。

（５）特に、レンズ部３７の曲率半径Ｒ及びチップ〜頂点間距離Ｌの双方を０．４ｍｍに設定した場合には、光ファイバ３５のコア径Φが１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍの各場合（すなわち、コア径Φが０．２５ｍｍ≦Φ≦１ｍｍの場合）の全てにおいて、従来主流の汎用タイプの投光装置よりも、光結合効率を大幅に向上することができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・上記実施形態において、光ファイバセンサ１１は、投光装置１２の光ファイバ３５の先端から投光された光が被検出物１６により反射され、その反射された光が受光装置１３の光ファイバ２５の先端からコア２６内に入射して受光される反射型の光ファイバセンサであってもよい。

・上記実施形態において、光ファイバ２５，３５は、その芯となるコア２６，３６がガラス製のガラス系ファイバであってもよい。
・上記実施形態において、受光体１９は、例えばＰＩＮフォトダイオードからなる構成であってもよく、発光体２９は、例えばレーザダイオードからなる構成であってもよい。

・上記実施形態において、透明パッケージ体３３の表面上のレンズ部３７は、その頂点が光ファイバ３５のコア３６の基端面に対向しているならば、必ずしも当接していなくてもよい。

・投光装置は、受光装置と共に光ファイバセンサに具備される投光装置に限定されず、光ファイバセンサ以外の他の光通信装置などにおいて使用される投光装置に具体化されたものであってもよい。

実施形態における光ファイバセンサの概略構成図。 シミュレーションにより得られた光結合効率の実験データ表。 比較例１の投光装置の断面図。 変形例１の投光装置の断面図。 比較例２の投光装置の断面図。 変形例２の投光装置の断面図。

符号の説明

１１…光ファイバセンサ、１２…投光装置、１３…受光装置、１５…被検出領域、２２…受光素子、２５…受光用の光ファイバ、２９…発光体、３２…投光素子、３３…透明パッケージ体、３５…投光用の光ファイバ、３６…コア、３７…レンズ部、Ｌ…距離、Ｒ…曲率半径、Φ…コア径、Ｐ…光軸。

Claims (5)

1. 投光素子における発光体を透明材料からなる透明パッケージ体内に封止すると共に、該透明パッケージ体における前記発光体の発光面側となる表面上に凸球面状のレンズ部を形成し、該レンズ部の頂点を光ファイバにおけるコアの端面に対向させた状態で、前記発光体から発せられた光を前記光ファイバを介して被検出領域に向けて投光するようにした投光装置において、
   前記発光体の発光面から前記光ファイバのコアの端面までの前記レンズ部の頂点を通過する光軸方向における距離Ｌと、前記レンズ部を該レンズ部における前記頂点を通過する光軸を含む平面で切断した場合の断面形状の曲率半径Ｒとの数値関係を、
   前記距離Ｌを０．２ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すると共に、前記曲率半径Ｒを０．２ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍとなるように設定したことを特徴とする投光装置。
2. 請求項１に記載の投光装置において、
   前記光ファイバのコア径Φを０．２５ｍｍ≦Φ≦０．５ｍｍとなるように設定したことを特徴とする投光装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の投光装置において、
   前記距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定すると共に、前記曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦２ｍｍとなるように設定したことを特徴とする投光装置。
4. 請求項１に記載の投光装置において、
   前記光ファイバのコア径Φを０．５ｍｍ＜Φ≦１ｍｍとなるように設定した上で、
   前記曲率半径Ｒを０．３ｍｍ≦Ｒ≦０．８ｍｍとなるように設定した場合には、前記距離Ｌを０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定する一方、
   前記曲率半径Ｒを０．８ｍｍ＜Ｒ＜２ｍｍとなるように設定した場合には、前記距離Ｌを０．４ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍとなるように設定したことを特徴とする投光装置。
5. 請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の投光装置と、該投光装置から投光された光を受光用の光ファイバを介して受光素子により受光可能な受光装置とを備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。

Images