JP5077590B2 - 光ファイババンドルおよび光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の伝送に用いられる光ファイババンドルおよびこれを用いた光照射装置に関する。

光の伝送に用いられる光ファイババンドルの入射端部は、この光ファイババンドルを構成する複数本の光ファイバの端部を溶融一体化して形成されている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、このような光ファイババンドルを構成する光ファイバは、純粋石英ガラスからなるコアと、このコアより屈折率の小さいフッ素添加石英ガラスからなるクラッドとを有している。

上記のようなコアに純粋石英ガラスを用いた光ファイバは、その製法上の制限から受光角（開口数）が小さく、１１°〜１４°程度の角度で入射した光しか伝送できない。このため、光ファイバの受光角よりも大きな広がり角を有する光源から放射される光を伝送するような場合では、光源と光ファイババンドルとの結合効率が低くなるという問題があった。

一方、近年、多くの産業分野において、接着剤やコーティング剤の硬化方法として、紫外線硬化法が利用されている。紫外線硬化法は、紫外線硬化材料に紫外線を照射して光重合反応を生じさせ、モノマー（液体）をポリマー（固体）に変化させる技術である。

従来から、紫外線硬化法では、光源として紫外線ランプを備えた紫外線照射装置が用いられてきたが、紫外線を発生することのできる発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の開発に伴い、紫外線ランプに代えて紫外線ＬＥＤを用いた紫外線照射装置が実用化されている。

この紫外線ＬＥＤを光源に用いた紫外線照射装置としては、例えば特許文献２に開示されたものがある。

特許文献２に開示された紫外線照射装置は、紫外線を出射する光照射ヘッドの中に紫外線ＬＥＤが組み込まれている。このように、光照射ヘッドの中に熱源にもなる光源を設置すると、光照射ヘッドの冷却が困難であり、また、操作中に光照射ヘッドを手で保持する操作者の体温や、被照射物の発熱などによっても光照射ヘッドの温度が上昇するおそれがある。

そして、光照射ヘッドの温度が上昇して紫外線ＬＥＤに熱が蓄積すると、その光出力が変化するという問題があった。
特開２００６−７２０２５号公報 特開２００６−２８１１３０号公報

本発明は上記に鑑みてなされたもので、光源との結合効率を向上することができる光ファイババンドルを提供することを目的とする。

また、この光ファイババンドルを用い、光源に熱が蓄積することによる光出力の変化を抑制することができる光照射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光ファイババンドルは、複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、前記一体化部の側面が、当該光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面において、前記一体化部の先端面側の端点と後端側の端点とを結ぶ直線よりも径方向外側に凸となる弧状となり、かつ当該光ファイババンドルの前記一体化部以外の部分の輪郭をなす線の前記一体化部側への延長線よりも径方向内側になるように形成されていることを特徴とする。
また、本発明の光ファイババンドルは、複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる第１のテーパ面と、この第１のテーパ面の先端側に連接され、先端側に進むにつれて外径が小さくなる第２のテーパ面とを有し、前記第１のテーパ面が当該光ファイババンドルの中心軸となす角度が、前記第２のテーパ面が前記中心軸となす角度よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明の光ファイババンドルは、複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、前記一体化部の側面が、当該光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面において、前記一体化部の先端面側の端点と後端側の端点とを結ぶ直線よりも径方向外側に凸となる第１の弧と、この第１の弧の先端側に連接され、前記直線よりも径方向内側に凸となる第２の弧とからなる略Ｓ字状となり、かつ当該光ファイババンドルの前記一体化部以外の部分の輪郭をなす線の前記一体化部側への延長線よりも径方向内側になるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の光照射装置は、光を放射する１つ以上の発光素子と、前記各発光素子に対応した入射端を有し、前記各発光素子から対応する前記各入射端に入射される光を伝搬する伝搬部と、この伝搬部の出射側の端部に設けられ、前記伝搬部により伝搬された前記各発光素子からの光を集光して外部に出射する出射部と、前記各発光素子に接合され、前記各発光素子で発生する熱を吸収して放熱する放熱部とを備え、前記伝搬部は、前記各発光素子に対応した第１の光ファイババンドルを束ねた第２の光ファイババンドルからなり、前記第１の光ファイババンドルは、上記した本発明の光ファイババンドルからなることを特徴とする。

本発明の第１の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。 図１に示す光ファイババンドルを構成する光ファイバの一例を示す縦断面図である。 図１に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 図１に示す光ファイババンドルを構成する光ファイバの他の一例を示す縦断面図である。 図１に示す光ファイババンドルを製造する工程を示す図である。 図１に示す光ファイババンドルを製造する工程を示す図である。 図１に示す光ファイババンドルを製造する工程を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。 図６に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 図６に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。 図８に示す光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面図である。 図８に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。 図１１に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 図１１に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。 図１３に示す光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面図である。 図１３に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 図１３に示す光ファイババンドルに入射した光の光路を示す図である。 一体化部のサイズを説明するための図である。 実施例１〜８におけるテーパ長と結合効率との関係を示す図である。 テーパ長と結合効率との関係を説明するための模式図である。 実施例１０〜２７における一体化部の先端面と光源との間隔と結合効率との関係を示す図である。 実施例２８〜３６における一体化部のサイズを説明するための図である。 実施例２８〜４５におけるテーパ長と結合効率との関係を示す図である。 本発明に係る光照射装置を示す構成図である。 光照射ヘッドの端面の一例を示す図である。 光照射ヘッドの端面の他の一例を示す図である。 ＬＥＤの出射光を直接使用する光照射装置における光出力の光パワー分布を示すモデル図である。 図２２に示す光照射装置の光出力の光パワー分布を示すモデル図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係る光ファイババンドル１は、複数本の光ファイバ２を規則的にもしくはランダムに束ねた密集束で構成され、この複数本束ねられた光ファイバ２の先端部を溶融一体化して形成した一体化部３を備える。光ファイババンドル１は略円柱形状を有し、一体化部３は、複数の光ファイバ２が溶融して一体化した部分であり、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、その先端面３ａは、研磨された平面になっている。

光ファイバ２は、図２に示すように、純粋石英ガラス等からなり、入射する光を伝送するコア２ａと、このコア２ａの周囲を覆うように設けられた被覆部２ｂとからなる。被覆部２ｂはクラッドとしても機能し、コア２ａよりも小さな屈折率を有する樹脂などの物質からなる。

第１の実施の形態に係る光ファイババンドル１においては、図３に示すように、ＬＥＤ等からなる光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部３の先端面３ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部３のテーパ面３ｂで反射して光ファイバ２に入射する。これにより光ファイバ２への入射角を、先端面３ａへの入射角よりも小さくすることができる。図３に示す例では、テーパ面３ｂでの反射によって、光ファイバ２への入射角がほぼ０°になっている。

このように第１の実施の形態の光ファイババンドル１によれば、一体化部３のテーパ面３ｂで光源４からの入射光の少なくとも一部を反射することで、光源４からの放射角を小さくして光ファイバ２の開口数に近づけることができ、これにより光源４との結合効率を向上することができる。

なお、光ファイババンドル１を構成する光ファイバとしては、図２に示す光ファイバ２の替わりに、図４に示すような、入射する光を伝送するコア５ａと、このコア５ａの周囲を覆うように設けられたクラッド５ｂと、このクラッド５ｂの周囲を覆うように設けられた樹脂からなる被覆部５ｃからなる光ファイバ５を用いてもよい。純粋石英ガラス等からなるコア５ａに伝送する光を閉じ込めておくために、クラッド５ｂはコア５ａよりも屈折率の小さな物質からなり、例えばフッ素添加石英ガラスからなる。

図２に示すようなコア２ａと低屈折率の被覆部２ｂとからなる光ファイバ２では、ガラスであるコア２ａ全体が光の伝送路として使用可能であるが、図４に示すようなコア５ａとクラッド５ｂと被覆部５ｃとからなる光ファイバ５では、クラッド５ｂはガラスであるが伝送路としては機能しないため、クラッド５ｂが結合効率を低下させる要因になる。また、図２に示す光ファイバ２の方が、クラッドとしても機能する被覆部２ｂとコア２ａとの屈折率差を大きくすることが可能であるため、大きな開口数を得ることができる。上記２点においては、図２に示す光ファイバ２を用いるほうが有利である。

一方、図２に示す光ファイバ２では、被覆部２ｂが光を吸収することによって起こりうる光パワーの損失や被覆部２ｂの劣化が問題になる場合がある。これに対し、図４に示す光ファイバ５では、コア５ａがガラスのクラッド５ｂに囲まれているため、このような問題は発生せず、安定した特性が確保できる。

次に、第１の実施の形態に係る光ファイババンドル１を製造する方法の一例について、図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。

まず、図５Ａに示すように、端部の被覆部２ｂを除去してコア２ａを口出しした光ファイバ２を複数本用意する。

次に、図５Ｂに示すように、コア２ａを口出しした複数の光ファイバ２を束ねて、ガラスパイプ８内に充填する。ガラスパイプ８はコア２ａと同じ物質（例えば純粋石英ガラス）からなる。

次に、図５Ｃに示すように、光ファイバ２のコア２ａを充填したガラスパイプ８を例えばガラス旋盤（図示せず）に取り付け、その軸の回りに回転させつつ、その中心部付近を酸水素バーナ９で加熱する。そして、ガラスパイプ８およびコア２ａが軟化しはじめたところで、ガラスパイプ８を両端に向かって延伸してコア２ａ同士およびガラスパイプ８を溶融一体化する。あるいは、ガラスパイプ８を垂直に立てて鉛直方向に延伸させて光ファイバ２をガラスパイプ８と一体化する（以下、各実施の形態で共通）。

次に、溶融一体化された部分を切断し、所望の先端面３ａの直径および一体化部３の長さを得るために、切断部の先端を研磨する。

なお、図４に示す光ファイバ５を用いる場合は、被覆部５ｃを除去してクラッド５ｂを口出しし、上記と同様の工程でガラスパイプ８、コア５ａ、およびクラッド５ｂを溶融一体化した後、溶融一体化された部分を切断し、切断部の先端を研磨する。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。なお、図６では上記第１の実施の形態と重複する部分には、同一の符号を付して重複する部分の説明を省略する。他の実施の形態についても同様とする。

図６に示すように、第２の実施の形態に係る光ファイババンドル６は、複数本の光ファイバ２を規則的にもしくはランダムに束ねた密集束で構成され、この複数本束ねられた光ファイバ２の先端部を溶融一体化して形成した一体化部７を備える。光ファイババンドル６は略円柱形状を有し、一体化部７は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、その先端面７ａは曲面になっている。

第２の実施の形態に係る光ファイババンドル６においては、図７Ａに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部７の先端面７ａでレンズ効果により伝搬方向が曲げられた後、光ファイバ２にそのまま入射する。また、図７Ｂに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、先端面７ａでレンズ効果により伝搬方向が曲げられた後、一体化部７のテーパ面７ｂで反射して光ファイバ２に入射する。

これにより、上記第１の実施の形態と同様に、光ファイバ２への入射角を先端面７ａへの入射角よりも小さくすることができ、光源４との結合効率を向上することができる。

なお、第２の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、図２に示す光ファイバ２の替わりに、図４に示す光ファイバ５を用いてもよい。

第２の実施の形態に係る光ファイババンドル１を製造する方法は、上記第１の実施の形態で説明した製造方法と同様の工程でガラスパイプ８およびコア２ａを溶融一体化し、溶融一体化された部分を切断した後、切断面をそのまま加熱溶融して、表面張力により曲面を形成する。

（第３の実施の形態）
図８は本発明の第３の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図、図９は図８に示す光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面図である。

図８、図９に示すように、第３の実施の形態に係る光ファイババンドル１１は、複数本の光ファイバ２を規則的にもしくはランダムに束ねた密集束で構成され、この複数本束ねられた光ファイバ２の先端部を溶融一体化して形成され、その先端側に進むにつれて外径が小さくなる一体化部１２を備える。

一体化部１２は、図９に示すように、その側面１２ｂが、略円柱形状を有する光ファイババンドル１１の中心軸１３に沿う縦断面において、その先端面１２ａ側の端点１４と後端側の端点１５とを結ぶ直線１６よりも径方向外側に凸となる弧状となり、かつ光ファイババンドル１１の一体化部１２以外の部分の輪郭をなす線の一体化部１２側への延長線１７よりも径方向内側になるように形成されている。一体化部１２の中心軸１３に直交する断面は略円形であり、先端面１２ａは、研磨された平面になっている。

第３の実施の形態に係る光ファイババンドル１１においては、図１０に示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部１２の先端面１２ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部１２の側面１２ｂで反射して光ファイバ２に入射する。これにより光ファイバ２への入射角を、先端面１２ａへの入射角よりも小さくすることができる。

第３の実施の形態では、一体化部１２の側面１２ｂが縦断面において径方向外側に凸の弧を描くように形成されているため、第１の実施の形態と比較して、先端面１２ａに入射した光のうち、少ない反射回数で光ファイバ２に結合する入射角になる光の割合を大きくすることができ、結果として光源４と光ファイババンドル１１の結合効率を向上することができる。

なお、第３の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、図２に示す光ファイバ２の替わりに、図４に示す光ファイバ５を用いてもよい。

また、上記第２の実施の形態と同様に、一体化部１２の先端面１２ａを曲面により構成してもよい。

第３の実施の形態に係る光ファイババンドル１１の製造方法は、上記第１の実施の形態で説明した製造方法と同様であるが、酸水素バーナ９による加熱時の温度や加熱位置を適切に調整することにより、図８、図９に示すような一体化部１２を形成することができる。

（第４の実施の形態）
図１１は本発明の第４の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図である。

図１１に示すように、第４の実施の形態に係る光ファイババンドル２１は、複数本の光ファイバ２を規則的にもしくはランダムに束ねた密集束で構成され、この複数本束ねられた光ファイバ２の先端部を溶融一体化して形成した一体化部２２を備える。一体化部２２の先端面２２ａは、研磨された平面になっている。

光ファイババンドル２１は略円柱形状を有し、一体化部２２は、その先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐状の第１のテーパ面２２ｂと、この第１のテーパ面２２ｂの先端側に連接され、その先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐状の第２のテーパ面２２ｃとを有する。第１のテーパ面２２ｂ、第２のテーパ面２２ｃは、第１のテーパ面２２ｂが光ファイババンドル２１の中心軸２３となす角度θ_１が、第２のテーパ面２２ｃが中心軸２３となす角度θ_２よりも小さくなるように形成されている。

第４の実施の形態に係る光ファイババンドル２１においては、図１２Ａに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、先端面２２ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部２２の第１のテーパ面２２ｂで反射して光ファイバ２に入射する。また、図１２Ｂに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部２２の先端面２２ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部２２の第２のテーパ面２２ｃで反射して光ファイバ２に入射する。

第４の実施の形態では、一体化部２２に第１のテーパ面２２ｂ、第２のテーパ面２２ｃが形成されているため、第１の実施の形態と比較して、先端面２２ａに入射した光のうち、少ない反射回数で光ファイバ２に結合する入射角になる光の割合を大きくすることができ、結果として光源４と光ファイババンドル２１との結合効率を向上することができる。

なお、第４の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、図２に示す光ファイバ２の替わりに、図４に示す光ファイバ５を用いてもよい。

また、上記第２の実施の形態と同様に、一体化部２２の先端面２２ａを曲面により構成してもよい。

第４の実施の形態に係る光ファイババンドル２１の製造方法は、上記第１の実施の形態で説明した製造方法と同様であるが、酸水素バーナ９による加熱温度、加熱位置、加熱時間、加熱面積、酸水素バーナの数、酸水素バーナの方向（加熱方向）等の条件を適切に選択することにより、図１１に示すような一体化部２２を形成することができる。

なお、適切な形状の一体化部を形成するために上記条件の適切を選択することが必要なことは本発明において共通であるが、他の実施の形態では加熱温度と加熱位置の適切な調整が必要とのみ便宜的に記載している。

また、周知のようにガラスをバーナで加熱した場合、工業生産的には一体化部の形状を厳密に同一形状となるように製作することは容易でない。

したがって、各実施の形態の一体化部の形状は、最も代表的な実施の形態を示しているものとする。

（第５の実施の形態）
図１３は本発明の第５の実施の形態に係る光ファイババンドルを示す側面図、図１４は図１３に示す光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面図である。

図１３、図１４に示すように、第５の実施の形態に係る光ファイババンドル３１は、複数本の光ファイバ２を規則的にもしくはランダムに束ねた密集束で構成され、この複数本束ねられた光ファイバ２の先端部を溶融一体化して形成され、その先端側に進むにつれて外径が小さくなる一体化部３２を備える。

一体化部３２は、図１４に示すように、その側面が、略円柱形状を有する光ファイババンドル３１の中心軸３３に沿う縦断面において、その先端面３２ａ側の端点３４と後端側の端点３５とを結ぶ直線３６よりも径方向外側に凸となる第１の弧３２ｂと、この第１の弧３２ｂの先端側に連接され、直線３６よりも径方向内側に凸となる第２の弧３２ｃとからなる略Ｓ字状となり、かつ光ファイババンドル３１の一体化部３２以外の部分の輪郭をなす線の一体化部３２側への延長線３７よりも径方向内側になるように形成されている。この場合においても一体化部３２の先端の外径は光ファイババンドル３１の一体化開始部分の径よりも小さいのだから、先端側に進むにつれて外径が次第に小さくなる部分円錐形状を有しているということができる。一体化部３２の中心軸３３に直交する断面は略円形であり、先端面３２ａは、研磨された平面になっている。

第５の実施の形態に係る光ファイババンドル３１においては、図１５Ａに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部３２の先端面３２ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部３２の第１の弧３２ｂに対応する曲面で反射して光ファイバ２に入射する。また、図１５Ｂに示すように、光源４から放射された光の少なくとも一部が、一体化部３２の先端面３２ａでスネルの法則により伝搬方向が曲げられた後、一体化部３２の第２の弧３２ｃに対応する曲面で反射して光ファイバ２に入射する。

第５の実施の形態の光ファイババンドル３１によれば、一体化部３２の側面で光源４からの入射光の少なくとも一部を反射することで、光源４からの放射角を小さくして光ファイバ２の開口数に近づけることができ、これにより光源４との結合効率を向上することができる。

なお、第５の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、図２に示す光ファイバ２の替わりに、図４に示す光ファイバ５を用いてもよい。

また、上記第２の実施の形態と同様に、一体化部３２の先端面３２ａを曲面により構成してもよい。

第５の実施の形態に係る光ファイババンドル３１の製造方法は、上記第１の実施の形態で説明した製造方法と同様であるが、酸水素バーナ９による加熱時の温度や加熱位置を適切に調整することにより、図１３、図１４に示すような一体化部３２を形成することができる。

以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。

（実施例１〜８）
３２０本の光ファイバ２を束ねて光ファイババンドル１とし、その先端部を溶融一体化して、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状の一体化部３を形成し、この一体化部３の先端面３ａを研磨平面とした。光ファイバ２の開口数は０．２のものを用いた。実施例１では、一体化部３の先端面３ａの径Ａ＝２．５ｍｍ、一体化部３の最大径Ｂ＝４．３ｍｍ、一体化部３の長さ（テーパ長）Ｃ＝１．０ｍｍとした（図１６参照）。実施例２〜８では、一体化部３の長さＣのみを変更した。

光源４として波長３６５ｎｍ、エミッタサイズ１ｍｍ×１ｍｍの紫外線ＬＥＤを用い、光源４の中心と一体化部３の中心とを一致させて（以下、各実施例において共通）、一体化部３の先端面３ａと光源４との間隔Ｄ＝１．５ｍｍとして、光源４と光ファイババンドル１との結合効率を測定した。

（実施例９）
３２０本の光ファイバ２を束ねて光ファイババンドル６とし、その先端部を溶融一体化して、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状の一体化部７を形成し、一体化部７の先端面７ａを曲面とした。実施例９では、一体化部７の先端面７ａの径Ａ＝２．０ｍｍ、一体化部７の最大径Ｂ＝４．３ｍｍ、一体化部７のテーパ部の長さＣ＝５．０ｍｍとした（図１６参照）。

実施例１と同じ光源４を用い、一体化部７の先端面７ａと光源４との間隔Ｄ＝１．５ｍｍとして、光源４と光ファイババンドル６との結合効率を測定した。

（比較例）
３２０本の光ファイバを束ねて光ファイババンドルとし、その先端部を溶融一体化し、一体化部の先端面を研磨平面とした。この比較例では、一体化部はテーパ状ではなく、先端面の径Ａ＝４．３ｍｍ、一体化部の径Ｂ＝４．３ｍｍの円柱状とした。

実施例１と同じ光源４を用い、一体化部の先端面と光源４との間隔Ｄ＝１．５ｍｍとして、光源４と光ファイババンドルとの結合効率を測定した。

実施例１〜９、比較例における一体化部のサイズおよび結合効率の測定結果を表１にまとめて示す。また、実施例１〜８におけるテーパ長Ｃと結合効率との関係を図１７に示す。

表１の測定結果に示されるように、実施例１〜９による光ファイババンドルでは、比較例による光ファイババンドルと比較して、高い結合効率が得られた。

また、先端面が平面の場合、一体化部３の長さＣが４．０ｍｍまでの範囲（実施例１〜４）においては、一体化部３の長さＣが大きくなるほど高い結合効率が得られた。この理由について、図１８を参照して説明する。

図１８において、テーパ長Ｃ_１のテーパ面４１では、実線矢印で示す光、および点線矢印で示す光がともに反射しないため、反射による光の進行角を小さくする効果が得られない。これに対し、テーパ長Ｃ_２（＞Ｃ_１）のテーパ面４２では、点線矢印で示す光は反射しないが、実線矢印で示す光の反射が生じるため、テーパ面４１よりも反射によって結合効率が改善される。さらに、テーパ長Ｃ_３（＞Ｃ_２）のテーパ面４３では、実線矢印で示す光、および点線矢印で示す光がともに反射するので、テーパ面４１，４２と比較して、反射される光の割合が増えることになり、さらに結合効率が改善される。

このように、テーパ長が長くなるにしたがって、テーパ面で反射してから光ファイバに到達する光の存在する割合が大きくなる。つまり、反射によって光ファイバに入射する角度が小さくなる光の割合が多くなり、これにより結合効率が高くなる。

一方、図１８において、点線矢印で示す光の光ファイバへの入射角が、光ファイバの受光角（開口数）より小さい場合、点線矢印で示す光はテーパ面での反射の有無にかかわらず、光ファイバに結合される。つまり、テーパ面４２とテーパ面４３とで、テーパ面の角度に違いがあるので厳密には差が生じるものの、点線矢印で示す光に対する違いがほとんど現れないことになる。このように、テーパ長がある程度より長くなると、光の進行角がコアへの結合に対して十分小さくなるため、反射の効果が現れなくなり、結合効率がほとんど変化しなくなる。

このため、先端面が平面の場合の一体化部３の長さＣが５．０〜８．０ｍｍの範囲（実施例５〜８）では結合効率はほとんど変化していないが、いずれも実施例４と同様の高い結合効率が得られた。

（実施例１０〜２７）
実施例１に対して一体化部３の長さＣ、および一体化部３の先端面３ａと光源４との間隔Ｄを変更して製造した実施例１０〜２７の光ファイババンドル１について、実施例１と同じ光源４との結合効率を測定した。

実施例１０〜２７における一体化部３のサイズおよび結合効率の測定結果を表２にまとめて示す。また、実施例１０〜２７における間隔Ｄと結合効率との関係を図１９に示す。

表２および図１９の測定結果に示されるように、テーパ長Ｃが４．０ｍｍ，６．０ｍｍ，８．０ｍｍのいずれの場合でも、間隔Ｄが２．０ｍｍ以上の範囲（実施例１９〜２７）において、間隔Ｄが大きくなるほど結合効率が低下する。これは、間隔Ｄが大きくなるほど、一体化部３の先端面３ａに入射せずに外部に漏れる光が多くなるためであり、良好な結合効率を得るためには、間隔Ｄをある程度小さくすることが必要となる。間隔Ｄが１．５ｍｍ以下の範囲（実施例１０〜１８）においては、いずれも良好な結合効率が得られた。

（実施例２８〜３６）
３２０本の光ファイバ２を束ねて光ファイババンドル２１とし、その先端部を溶融一体化して、第１のテーパ面２２ｂと第２のテーパ面２２ｃとを有する一体化部２２を形成し、この一体化部２２の先端面２２ａを研磨平面とした。光ファイバ２の開口数は０．２２のものを用いた。実施例２８では、一体化部２２の先端面２２ａの径Ａ＝２．５ｍｍ、一体化部２２の最大径Ｂ＝４．３ｍｍ、第２のテーパ面２２ｃの最大径Ｂ_ｍｉｄ＝３．４ｍｍ、一体化部２２の長さ（テーパ長）Ｃ＝３．０ｍｍ、第２のテーパ面２２ｃが形成された部分の長さＣ_ｍｉｄ＝１．４ｍｍとした（図２０参照）。実施例２９〜３６では、一体化部３の長さＣ、および第２のテーパ面２２ｃが形成された部分の長さＣ_ｍｉｄを変更した。

実施例１と同じ光源４を用い、一体化部２２の先端面２２ａと光源４との間隔Ｄ＝１．５ｍｍとして、光源４と光ファイババンドル２１との結合効率を測定した。

（実施例３７〜４５）
実施例１に対して、光ファイババンドル１を構成する光ファイバ２の開口数を０．２２に変更し、一体化部３の長さＣを変更して製造した実施例３７〜４５の光ファイババンドル１について、実施例１と同じ光源４との結合効率を測定した。

実施例２８〜４５における一体化部のサイズおよび結合効率の測定結果を表３にまとめて示す。また、実施例２８〜４５におけるテーパ長Ｃと結合効率との関係を図２１に示す。

表３の測定結果に示されるように、実施例２８〜４５による光ファイババンドルでは、いずれも良好な結合効率が得られた。特に、実施例２８〜３６では、実施例３７〜４５と比較して、入射した光のうち、少ない反射回数で光ファイバ２に結合する入射角に変わる光の割合を大きくすることができるため、より良好な結合効率が得られた。

図２２は、本発明に係る光ファイババンドルを用いた光照射装置を示す構成図である。

図２２に示すように光照射装置５０は、１つ以上の光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎと、各光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎに対応する光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎと、光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎを束ねた光ファイババンドル５３と、光照射ヘッド５４と、制御基板５５と、ヒートシンク５６と、冷却ファン５７とを備える。

光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎは、例えば、紫外線を放射する紫外線ＬＥＤからなり、ヒートシンク５６に熱的に接合して設置されている。

各光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎは、直径数百μｍ程度の光ファイバを数百本程度束ねた密集束で構成される。各光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎの直径は数ｍｍ程度である。光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎの一端は、それぞれ光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎに光結合され、その先端から光が入射されるようになっている。

光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎとしては、上記第１〜第５の実施の形態で説明した光ファイババンドル１，６，１１，２１，３１のいずれかを用いることができる。

光ファイババンドル５３は、光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎを密集束にして構成され、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎから光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎに入射した光を伝搬する。光ファイババンドル５３の周囲は、保護のため金属のフレキ管で覆われている。

光照射ヘッド５４には、光ファイババンドル５３の出射側の端部が挿入される。光照射ヘッド５４は、光ファイババンドル５３の出射端から出射される各光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎからの光を、内蔵する図示しない複数のレンズにより集光して出射する。

光照射ヘッド５４に挿入される光ファイババンドル５３は、多数の光ファイバの密集束により構成されるため、その出射側の端部の外形を様々な形状にすることができる。

図２３Ａは光ファイババンドル５３の出射側の端部の外形が円形である場合の光照射ヘッド５４の端面５４ａを示す図であり、この場合、光ファイババンドル５３により伝搬された光が円形の出射口５４ｂから外部に出射される。図２３Ｂは光ファイババンドル５３の出射側の端部の外形が矩形である場合の光照射ヘッド５４の端面５４ａを示す図であり、この場合、光ファイババンドル５３により伝搬された光が矩形の出射口５４ｃから外部に出射される。

制御基板５５は、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎのＯＮ／ＯＦＦや、駆動電流等を制御する電気基板である。

ヒートシンク５６は、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎで発生する熱を吸収して放熱する。冷却ファン５７は、制御基板５５およびヒートシンク５６に送風して冷却する。なお、冷却ファン５７を設けずに、放熱のみにより冷却するようにしてもよい。

上記のように構成された光照射装置５０において、操作者による図示しない操作部の操作に応じて、制御基板５５から光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎに駆動電流が供給される。光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎは、制御基板５５から駆動電流が供給されると、光を放射する。光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎから放射された光は、光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎの一端から入射する。

光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎ、および光ファイババンドル５３は、光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎの一端から入射した光を伝搬する。そして、光照射ヘッド５４は、光ファイババンドル５３の出射側の端部から出射される各光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎからの光を、内蔵する複数のレンズにより集光して出射する。操作者は、この光照射ヘッド５４を保持して、光硬化性樹脂等の被照射物に光を照射する作業を行う。

光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎは、その駆動中に発熱するが、この熱はヒートシンク５６に吸収され、ヒートシンク５６は、この吸収した熱を放熱する。そして、ヒートシンク５６および制御基板５５は、冷却ファン５７からの送風により冷却される。

このように光照射装置５０によれば、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎから放射される光を、光ファイババンドル５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎ，５３により伝搬するようにして、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎと光照射ヘッド５４とを分離したので、ヒートシンク５６および冷却ファン５７により光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎの冷却を効果的に行うことができる。これにより、光源５１ａ，５１ｂ，…，５１ｎに熱が蓄積することによる光出力の変化を抑制することができる。

また、光ファイババンドル５３の出射側の端部の外形を様々な形状にすることができるので、光を照射する対象領域の形状に応じて光ファイババンドル５３の出射側の端部の外形を形成することが可能になる。例えば、図２３Ｂに示すように光ファイババンドル５３の出射側の端部の外形を矩形にすることにより、矩形の領域に塗布された光硬化性樹脂に一度に光を照射して硬化させることができる。

特許文献２の紫外線照射装置のようにＬＥＤの出射光を直接使用する場合、その光出力の光パワー分布は図２４のようになり、ＬＥＤの発光部の照射パターンがある程度残り、光パワー分布は均一にならない。

これに対し、光照射装置５０では、多数の光ファイバを密集束にした光ファイババンドル５３を用いることで、個々の光ファイバの光パワーが異なっても、均一な光パワー分布が得られる。図２５は光照射装置５０の光出力の光パワー分布を示すモデル図である。図２５では、光パワー分布はトップハット形状となっており、図２４に示したようなＬＥＤの照射パターンは見られない。

Claims (11)

1. 複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、
   前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、
   前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、
   前記一体化部の側面が、当該光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面において、前記一体化部の先端面側の端点と後端側の端点とを結ぶ直線よりも径方向外側に凸となる弧状となり、かつ当該光ファイババンドルの前記一体化部以外の部分の輪郭をなす線の前記一体化部側への延長線よりも径方向内側になるように形成されていることを特徴とする光ファイババンドル。
2. 複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、
   前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、
   前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、
   前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる第１のテーパ面と、この第１のテーパ面の先端側に連接され、先端側に進むにつれて外径が小さくなる第２のテーパ面とを有し、前記第１のテーパ面が当該光ファイババンドルの中心軸となす角度が、前記第２のテーパ面が前記中心軸となす角度よりも小さいことを特徴とする光ファイババンドル。
3. 複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルであって、
   前記複数本の光ファイバの先端部を一体化して形成した一体化部を備え、
   前記一体化部は、先端側に進むにつれて外径が小さくなる部分円錐形状を有し、
   前記一体化部の側面が、当該光ファイババンドルの中心軸に沿う縦断面において、前記一体化部の先端面側の端点と後端側の端点とを結ぶ直線よりも径方向外側に凸となる第１の弧と、この第１の弧の先端側に連接され、前記直線よりも径方向内側に凸となる第２の弧とからなる略Ｓ字状となり、かつ当該光ファイババンドルの前記一体化部以外の部分の輪郭をなす線の前記一体化部側への延長線よりも径方向内側になるように形成されていることを特徴とする光ファイババンドル。
4. 前記一体化部の先端面が平面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
5. 前記一体化部の先端面が曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
6. 前記光ファイバは、入射光を伝送するコアと、このコアの周囲を覆うように設けられ、前記コアよりも小さな屈折率を有する被覆部とを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
7. 前記光ファイバは、入射光を伝送するコアと、このコアの周囲を覆うように設けられ、前記コアよりも小さな屈折率を有するクラッドと、このクラッドを覆うように設けられた被覆部とを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
8. 光を放射する１つ以上の発光素子と、
   前記各発光素子に対応した入射端を有し、前記各発光素子から対応する前記各入射端に入射される光を伝搬する伝搬部と、
   この伝搬部の出射側の端部に設けられ、前記伝搬部により伝搬された前記各発光素子からの光を集光して外部に出射する出射部と、
   前記各発光素子に接合され、前記各発光素子で発生する熱を吸収して放熱する放熱部とを備え、
   前記伝搬部は、前記各発光素子に対応した第１の光ファイババンドルを束ねた第２の光ファイババンドルからなり、
   前記第１の光ファイババンドルは、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ファイババンドルからなることを特徴とする光照射装置。
9. 前記放熱部に冷却風を送風する送風部をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の光照射装置。
10. 前記第２の光ファイババンドルの出射側の端部の外形は、光を照射する対象領域の形状に応じて形成されたことを特徴とする請求項８または９に記載の光照射装置。
11. 前記各発光素子は、紫外線を放射する紫外線発光ダイオードであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光照射装置。

Images