光ファイババンドルおよび光照射装置

【課題】光源との光結合効率を高め、十分な光出力が得られる光ファイババンドルおよび光照射装置の提供。
【解決手段】複数本の光ファイバ２が束ねられた本体部３と、本体部３の先端に設けられて光の入射端となるテーパー部４とを備えた光ファイババンドル１。テーパー部４は、光ファイバ２が一体化されて形成され、先端側に向けて外径が小さくなる部分円錐形状とされている。本体部３の先端部分３ａにおいて、全断面積に対するコアの断面積の比率は０．８５〜１．００である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外線硬化樹脂の硬化などに用いられる紫外線照射装置としては、これまでのランプ式紫外線照射装置に代わって、低消費電力で耐久性に優れたＬＥＤ式の紫外線照射装置が開発されている。
この種の光照射装置において光の伝搬路として用いられる光ファイババンドルでは、光ファイバ径に対するコア径の割合を最適化することによって、光の入射効率を高めることが試みられている（例えば特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開２００６−７２０２５号公報
【特許文献２】特開２００４−１３１３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
紫外線硬化樹脂の硬化などの用途では、紫外線光量だけでなく高いパワー密度が必要となるため、より細い光ファイババンドルに大きな光量を取り込むことのできるように、光源との光結合効率の向上が要望されている。
特許文献１および特許文献２に示されるように、光ファイババンドル断面のコア面積比を増加させるだけでも、平行光線と光ファイババンドルとの光結合効率は良くなる。
しかしながら、上記光ファイババンドルでは、コア面積を増加させても、特にＬＥＤのように配光角の大きな光源との光結合効率の向上には限界がある。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、配光角の大きな光源との光結合効率を高め、十分な光出力が得られる光ファイババンドルおよび光照射装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の請求項１にかかる発明は、複数本の光ファイバが束ねられた本体部と、この本体部の先端に設けられて光の入射端となるテーパー部とを備え、前記テーパー部は、前記光ファイバが一体化されて形成され、先端側に向けて外径が小さくなる部分円錐形状とされ、前記テーパー部が設けられる前記本体部の先端部分は、全断面積に対するコアの断面積の比率が０．８５〜１．００であることを特徴とする。
本発明の請求項２にかかる発明は、請求項１において、前記テーパー部は、クラッドを除去した前記光ファイバをガラス管に挿通させて、これらを溶融一体化させて得られたものであることを特徴とする光ファイババンドルである。
本発明の請求項３にかかる発明は、請求項２において、前記ガラス管は、フッ素添加石英ガラスからなることを特徴とする光ファイババンドルである。
本発明の請求項４にかかる発明は、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の光ファイババンドルと、この光ファイババンドルにテーパー部から光を入射する光源とを備えていることを特徴とする光照射装置である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、本体部の先端部分におけるコアの断面積の比率が０．８５〜１．００である。これにより、光源との光結合効率を高めることが可能になり、十分な光出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して本発明の光ファイババンドルの一実施形態を説明する。
図１は、本発明による光ファイババンドルの第１の実施形態を用いた光照射装置を模式的に示す側面図である。図２は、この光ファイババンドル１の図１におけるＡ１−Ａ１矢視断面の一部を示す図である。
図１および図２に示すように、この光照射装置は、光源５と、光源５からの光が入射する入射端を有する光ファイババンドル１とを備えており、光源５からの光を前記入射端から光ファイババンドル１に入射させ、出射端（図示略）から出射させることができるようになっている。
光源５としては、紫外線光、可視光等を発する発光素子、例えばＬＥＤなどが使用できる。
【０００７】
光ファイババンドル１は、複数本の光ファイバ２を束ねて構成された本体部３と、その先端に形成されたテーパー部４とを備えている。
図３に示すように、光ファイバ２は、石英ガラス等からなるコア２ａと、コア２ａの周囲を覆うクラッド２ｂとを有する。具体的には、例えばコア２ａの径が１９０μｍ、クラッド２ｂの径が２００μｍであるものや、コア２ａの径が２００μｍ、クラッド２ｂの径が２３０μｍのものが挙げられる。
図２に示すように、本体部３の先端部分３ａは、複数の光ファイバ２が束ねられて構成されている。
【０００８】
図１に示すように、テーパー部４は、光源５からの光の入射端となるもので、複数の光ファイバ２が一体化されて、先端に向けて外径が小さくなる部分円錐形状に形成された部分（一体化部）である。図示例のテーパー部４は、円錐台形状とされている。
テーパー部４の先端面４ａは平坦に形成されている。なお、先端面４ａは曲面としてもよい。
【０００９】
テーパー部４は、クラッド２ｂを除去した光ファイバ２の先端部分を、ガラス管（図示略）に挿通させて溶融させ一体化することで形成することができる。ガラス管は、純粋石英ガラス製であってもよいし、フッ素添加石英ガラス製であってもよい。クラッド２ｂはフッ酸処理などにより除去することができる。
具体的には、例えば、クラッド２ｂを除去した光ファイバ２の先端部分をガラス管に挿通させ、ガラス旋盤（図示略）にセットし、軸回りに回転させつつバーナーで加熱する。ガラス管およびコア２ａが軟化しはじめたところでガラス管を延伸することによって、コア２ａ同士、およびコア２ａとガラス管とが一体化する。
延伸した部分の所定の位置を切断し、端面を研磨することによってテーパー部４を形成することができる。
テーパー部４は、クラッド２ｂを除去した光ファイバ２の先端部を、テーパー形状の型に入れて溶融させてテーパー形状に成形し、端面および側面を研磨することによって形成することもできる。
【００１０】
図１に示すように、ＬＥＤなどの光源５からの光５ａ（例えば紫外線光、可視光）の一部は、テーパー部４の先端面４ａで伝搬方向が曲げられてテーパー部４に入射した後、テーパー面４ｂで反射して本体部３の先端部分３ａに入射する。このテーパー面４ｂにおける反射により、先端部分３ａへの入射角を先端面４ａへの入射角より小さくできる。
【００１１】
図４は、本発明による光ファイババンドルの第２の実施形態を模式的に示す側面図である。図５は、この光ファイババンドル１１の図４におけるＡ２−Ａ２矢視断面の一部を示す図である。なお、以下の説明において、既出の構成については同じ符号を付して説明を省略する。他の実施形態も同様とする。
光ファイババンドル１１では、本体部１３の先端部分１３ａは、クラッド２ｂを除去した複数の光ファイバ２が束ねられて構成されている。すなわち、図５に示すように、この先端部分１３ａは複数のコア２ａが束ねられて構成されている。
【００１２】
図６は、本発明による光ファイババンドルの第３の実施形態を模式的に示す側面図である。図７は、この光ファイババンドル２１の図６におけるＡ３−Ａ３矢視断面を示す図である。
光ファイババンドル２１では、本体部２３の先端部分２３ａは、クラッド２ｂを除去した複数の光ファイバ２が一体化されて構成されている。すなわち、図７に示すように、この先端部分２３ａは複数のコア２ａが溶融し一体化されたものである。
【００１３】
図８は、本発明による光ファイババンドルの第４の実施形態を模式的に示す側面図である。図９は、この光ファイババンドル３１の図８におけるＡ４−Ａ４矢視断面を示す図である。
光ファイババンドル３１では、本体部３３の先端部分３３ａは、コア２ａが一体化したコア３２ａとその周囲を覆うクラッド部３２ｂからなる。コア３２ａは図６に示す先端部分２３ａと同じ構成である。
先端部分３３ａの先端に形成されたテーパー部３４は、テーパー部４（図６等参照）と同じ構成のテーパー部本体３４ａと、その周囲を覆うクラッド部３４ｂからなる。
光ファイババンドル３１は、クラッド２ｂを除去した光ファイバ２をガラス管内に挿通させ、溶融させ成形することで形成できる。このガラス管はクラッド部３２ｂ、３４ｂとなるもので、フッ素添加石英ガラス製が好ましい。
【００１４】
本発明の光ファイババンドルでは、図１、図４、図６、図８に示す先端部分３ａ、１３ａ、２３ａ、３３ａにおける、全断面積に対するコア２ａ、３２ａの断面積比は０．８５〜１．００（好ましくは０．９０〜１．００）とされる。
このコア２ａの断面積比をこの範囲とすることによって、光源５からの光５ａを効率よく先端部分３ａ、１３ａ、２３ａ、３３ａに入射させることができる。このため、光源５との光結合効率を高め、十分な光出力が得られる。
コア２ａの断面積比が０．８５未満であると、光結合効率が減少し、特にパワー密度が重要な紫外線光の伝送においては、十分な光出力が得られない。
【００１５】
この断面積比は、次のようにして求められる。
図１および図２に示す第１の実施形態の光ファイババンドル１では、光ファイバ２を六方細密構造となるよう束ねた構成（図２参照）とされた本体部３の先端部分３ａにおいて、光ファイバ２Ａを囲む６本の光ファイバ２Ｂのコア２ａの中心点２ｃが構成する６角形の領域の面積に占めるコア２ａの断面積の割合（以下、コア面積比という）は、光ファイバ２の径をｄ、コア２ａの径をｄ_ｃとすると次に示す式（１）で示される。
【００１６】
【化１】

【００１７】
式（１）が示すように、コア面積比は、光ファイバ２の径とコア２ａの径の比（ｄ_ｃ／ｄ）のみで決まり、図１０に示すように、コア面積比は、光ファイバ２の径とコア２ａの径の比（ｄ_ｃ／ｄ）の増加とともに増加し、ｄ_ｃ＝ｄのときπ／２√３、すなわち約０．９１となる。
例えば、図１および図２に示す光ファイババンドル１において、光ファイバ２の径が２００μｍ、コア２ａの径が１９０μｍである場合、コア面積比は約０．８２となる。光ファイバ２の径が２３０μｍ、コア２ａの径が２００μｍである場合、コア面積比は約０．６７となる。
【００１８】
図４および図５に示す光ファイババンドル１１においては、先端部分１３ａはコア２ａのみからなるため、コア面積比は約０．９１となる。このコア面積比は、クラッド２ｂが除去されていない光ファイババンドル１（図１および図２参照。光ファイバ径２００μｍ、コア径１９０μｍ）に比べ、１．１１倍である。光ファイバ径が２３０μｍ、コア径が２００μｍである場合に比べれば、１．３２倍である。
光出力はコア面積比に応じた値となるため、光ファイババンドル１１（図４および図５参照）の光出力は、光ファイババンドル１（図１および図２参照）に比べ、それぞれ１．１１倍（光ファイバ径２００μｍ、コア径１９０μｍである場合）、１．３２倍（光ファイバ径２３０μｍ、コア径２００μｍである場合）となる。
【００１９】
図６および図７に示す光ファイババンドル２１においては、先端部分２３ａはコア２ａが溶融一体化されて形成されているため、コア面積比は１．００となる。このコア面積比は、クラッド２ｂが除去されていない光ファイババンドル１（図１および図２参照。光ファイバ径２００μｍ、コア径１９０μｍ）に比べ、１．２２倍である。光ファイバ径が２３０μｍ、コア径が２００μｍである場合に比べれば、１．４６倍である。
光出力はコア面積比に応じた値となるため、光ファイババンドル２１（図６および図７参照）の光出力は、光ファイババンドル１（図１および図２参照）に比べ、それぞれ１．２２倍（光ファイバ径２００μｍ、コア径１９０μｍである場合）、１．４６倍（光ファイバ径２３０μｍ、コア径２００μｍである場合）となる。
【００２０】
図８および図９に示す光ファイババンドル３１においては、先端部分３３ａは、コア２ａが一体化されたコア３２ａの周囲にクラッド部３２ｂが設けられているため、コア面積比は１．００より小さくなる。すなわち、コア面積比は、０．８５以上、１．００未満とされる。クラッド部３２ｂとなるガラス管として肉厚が十分に薄いものを用いれば、コア面積比は１．００に近い値となる。
なお、図２、図５、図７、図９に示す断面図は、本体部３、１３、２３、３３の先端部分３ａ、１３ａ、２３ａ、３３ａの先端面と同じ形状となる。
【００２１】
本発明の光ファイババンドルによれば、光源との光結合効率を高めることができる。
例えば、図１に示す光ファイババンドル１では、光源５からの光５ａをテーパー面４ｂで反射することによりこの光５ａの放射角を小さくすることができるため、光源５との光結合効率を高くできる。
光ファイババンドル１１、２１、３１（図４〜図９参照）においても、同様に、光源５からの光をテーパー面４ｂで反射することによりこの光の放射角を小さくすることができるため、光源５との光結合効率を高くできる。
光源と光ファイババンドルの光結合効率が低すぎればパワー密度も低くなり、特に紫外線光の伝送においては、紫外線効果樹脂を硬化させるのに必要となる光出力が得られない。
これに対し、光ファイババンドル１、１１、２１、３１では、光源５との光結合効率を高くできる。光結合効率は例えば３６％以上（好ましくは４０％以上）とすることができる。従って、紫外線光等のパワー密度が向上し、効率的な光伝送を実現できる。
【実施例】
【００２２】
（１）光ファイババンドルの径を一定にした場合
＜実施例１〜４＞
光ファイバ２（コア径１９０μｍ、クラッド径２００μｍ）の先端部のクラッド２ｂをフッ酸処理で除去し、この部分をガラス管に詰め、加熱により溶融し一体化させてテーパー部４を形成して光ファイババンドル１、１１を得た。本体部３、１３の先端部分３ａ、１３ａはクラッド２ｂの一部または全部をフッ酸処理で除去して形成した。
各実施例において、先端部分３ａ、１３ａは、光ファイバ径が１９０〜１９６μｍの範囲で２μｍ刻みとなるようクラッド２ｂの除去割合を変えた。（表１に「ファイバ径」として示す。）
ガラス管は純粋石英ガラスからなるものを用いた。
テーパー部４は、最大径４．０ｍｍ、最小径２．２ｍｍ、軸方向長さ６．０ｍｍとした。
ガラス管に詰める光ファイバ２の本数はクラッド２ｂの除去割合に応じて増減させた。（表１に「ファイバ本数」として示す。）
【００２３】
各光ファイババンドルの光結合効率を次のようにして測定した。
図１１に示すように、光源５の光を、テーパー部４を入射端として光ファイババンドル１、１１に入射し、光ファイババンドル１、１１を経た光の出力をパワーメータ６（検出器）で測定した。光源５としては、紫外線光を発するＬＥＤ（波長３６５ｎｍ、エミッタサイズ１ｍｍ×１ｍｍ）を用いた。表示部７は検出値を表示するものである。
テーパー部４の先端面４ａと光源５との距離は、１．５ｍｍとした。
比較のため、図１２に示すように、光ファイババンドルを用いずに光の出力測定を行った。
光ファイババンドルがない場合の光出力に対する、光ファイババンドルを用いた場合の光出力の比を光結合効率として算出した。結果を表１に示す。
【００２４】
＜実施例５＞
図８に示すように、フッ素添加石英ガラスからなるガラス管を用いて光ファイババンドル３１を作製した。ガラス管は厚さ０．０６ｍｍのものを使用した。その他の条件は実施例４と同様とした。この光ファイババンドル３１の光結合効率を測定した。結果を表１に示す。
【００２５】
＜実施例６＞
図６に示すように、光ファイバ２の先端部のクラッド２ｂ全てをフッ酸処理で除去し、テーパー形状の型に入れて加熱により溶融してテーパー部４を形成するとともに、クラッド２ｂを除去した光ファイバ２を溶融一体化させて先端部分２３ａを形成し、光ファイババンドル２１を作製した。その他の条件は実施例４と同様とした。この光ファイババンドル２１の光結合効率を測定した。結果を表１に示す。
【００２６】
＜比較例１＞
クラッド２ｂを除去しないこと以外は実施例１と同様にして光ファイババンドルを作製した。この光ファイババンドルの光結合効率を測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
（２）光ファイババンドルの本数を一定にした場合
＜実施例７〜１０＞
光ファイバ２の本数を一定（３２０本）として、光ファイババンドル１、１１を作製した。各実施例において、光ファイバ２を詰めるガラス管は、光ファイバ２の本数に応じて径が異なるものを使用した（表２に「バンドル径」として示す。）。その他の条件は実施例１〜４に準じた。これら光ファイババンドル１、１１の光結合効率を測定した。結果を表２に示す。
【００２９】
＜実施例１１＞
図８に示すように、フッ素添加石英ガラスからなるガラス管を用いて光ファイババンドル３１を作製した。ガラス管は厚さ０．０６ｍｍのものを使用した。その他の条件は実施例１０と同様とした。この光ファイババンドル２１の光結合効率を測定した。結果を表２に示す。
【００３０】
＜実施例１２＞
実施例６に準じて、図６に示す光ファイババンドル２１を作製した。この光ファイババンドル２１の光結合効率を測定した。結果を表２に示す。
【００３１】
＜比較例２＞
クラッド２ｂを除去しないこと以外は実施例７と同様にして光ファイババンドルを作製した。この光ファイババンドルの光結合効率を測定した。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表１および表２より、本体部の先端部分のコア面積比が０．８５〜１．００である実施例では、優れた光結合効率が得られたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の光ファイババンドルの第１の実施形態を用いた光照射装置を模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示す光ファイババンドルのＡ１−Ａ１矢視断面の一部を示す図である。
【図３】図１に示す光ファイババンドルに使用できる光ファイバを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の光ファイババンドルの第２の実施形態を模式的に示す側面図である。
【図５】図４に示す光ファイババンドルのＡ２−Ａ２矢視断面の一部を示す図である。
【図６】本発明の光ファイババンドルの第３の実施形態を模式的に示す側面図である。
【図７】図６に示す光ファイババンドルのＡ３−Ａ３矢視断面を示す図である。
【図８】本発明の光ファイババンドルの第４の実施形態を模式的に示す側面図である。
【図９】図８に示す光ファイババンドルのＡ４−Ａ４矢視断面を示す図である。
【図１０】６方細密構造をとった光ファイババンドルにおけるコア径とコア面積比の関係を示す図である。
【図１１】光結合効率の測定に使用した試験装置を示す概略構成図である。
【図１２】光結合効率の測定に使用した試験装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１、１１、２１、３１・・・光ファイババンドル、２・・・光ファイバ、２ａ、３２ａ・・・コア、２ｂ・・・クラッド、４・・・テーパー部、４ａ・・・先端面、５・・・光源。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の光ファイバが束ねられた本体部と、この本体部の先端に設けられて光の入射端となるテーパー部とを備え、
前記テーパー部は、前記光ファイバが一体化されて形成され、先端側に向けて外径が小さくなる部分円錐形状とされ、
前記テーパー部が設けられる前記本体部の先端部分は、全断面積に対するコアの断面積の比率が０．８５〜１．００であることを特徴とする光ファイババンドル。
【請求項２】
前記テーパー部は、クラッドを除去した前記光ファイバをガラス管に挿通させて、これらを溶融一体化させて得られたものであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイババンドル。
【請求項３】
前記ガラス管は、フッ素添加石英ガラスからなることを特徴とする請求項２に記載の光ファイババンドル。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の光ファイババンドルと、この光ファイババンドルにテーパー部から光を入射する光源とを備えていることを特徴とする光照射装置。

【図１】