JP2006047426A - ライトガイド - Google Patents

Abstract

【課題】 照射効率に優れるとともに耐熱性、可撓性に優れたライトガイドを提供することにある。
【解決手段】ライトガイド（１）の端部（１ｂ）近傍（長さＬ）部分のファイバ素線群（１ａ）を熱融着によりテーパ状（Ｔ）に集束する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ライトガイドの端部の改良に関し、更に詳しくは、治療用、照明用あるいは工業用光源に使用されるライトガイドの出射端部の改良に関するものである。

従来から、光ファイバ素線束の出射端部を熱融着してなるライトガイドは知られている（特許文献１参照）。
この熱融着構造は、図６に示すように、該素線束の出射端部（１ｂ）を中空円筒状の集束口金（４）に挿入した状態で、該口金（４）全体を加熱して該端部の素線（１ａ）同志を融着することにより得られる。尚、（１）はライトガイド、（１ｃ）は出射端面、（１ｄ）は入射端部、そして（１ｅ）は入射端面である。
ところで、この方式では、集束口金（４）の内径が該素線束の外径より大きいので、該口金（４）の内壁面と素線束外周間に隙間が生じる。したがって、得られる熱融着部の断面は、図７に示すように、集束密度（充填率）の低いものとなり、照射効率の向上や均一光には自ずと限界がある。しかも、熱融着時に、集束口金（４）内部の光ファイバ素線束あるいは該口金（４）との境界部（Ａ）の光ファイバ素線束が自由膨張しながら変形するので、光ファイバ素線の光伝送特性が劣化するという問題も併発する。とりわけ、集束口金（４）との境界部（Ａ）の光ファイバ素線束は該口金（４）による規制がないので、文字どおり自由膨張して過度の膨張変形を起こし、該素線束の光伝送特性の劣化もその分だけ大きくなる。更には、この膨張変形はライトガイドの局所的な外径増加につながり、その結果、該ガイドの照射効率を阻害するという問題もある。
上記熱膨張の問題の回避策として、光ファイバ素線束の出射端部を接着剤で固着することも知られている。しかし、この回避策では、光ファイバ素線束の充填度が低い、耐熱性に劣る、更には接着剤の劣化といった別の問題を抱えている。

特開平６−２８９２３２号

したがって、本発明の課題は、上記の問題点を解消することにより、照射密度及び耐熱性に優れたライトガイドを提供することにある。

本発明者等は、ライトガイドを構成する光ファイバ素線束の出射端部近傍をテーパ状の熱融着構造とすることにより、従来の問題を容易に解消できることを究明した。

本発明のライトガイドは、その出射端部が選択的に熱融着されてテーパ状に集束している。この結果、
（ａ）該テーパ状部の集光効果により単位面積当たりの照射密度が大幅に増加する。
（ｂ）該テーパ状部は、接着剤を一切使用せず、熱融着により光ファイバ素線束を一体化しているので、該素線間に隙間が生ぜず、素線充填率が上がる。特に、熱融着の際、該光ファイバ素線同志を六方稠密構造に配置することにより、細径化が可能になる。併せて、該テーパ状部は融着構造であることから優れた耐熱性を呈する。
（ｃ）ライトガイド全体としてみるとき、該融着構造のテーパ状部と該テーパ状部に隣接する非融着素線束部（可撓性本体部ないし中間部）とが連続的に一体化されているので、従来の別体の場合における接続損失が無くなる。同時に、該ライトガイド自体の構造も簡略化され、コスト低減につながる。

以下、本発明のライトガイドについて、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のライトガイドの一例を示す斜視図である。
図２は、本発明のライトガイドの出射端面における融着状態を示す横断面図である。
図３は、本発明の別の態様を示す斜視図である。
図４は、本発明のライトガイドの製造に際して用いる融着用治具の一例を示す斜視図である。
図５は、融着用治具の他の例を示す斜視図である。
図６は、従来のライトガイドの一例を示す斜視図である。
図７は、従来のライトガイドの出射端面における融着状態を示す横断面図である。
図１〜図２において、（１）は光ファイバ素線（１ａ）を集束してなるライトガイド、（１ｂ）はその出射端部、（１ｃ）は出射端面、（１ｄ）は入射端部、（１ｅ）は入射端面、（φ１）は出射端面（１ｃ）の外径、（φ２）は他方の端面である入射端面（１ｅ）の外径、（Ｔ）は出射端部（１ｂ）に形成された熱融着構造のテーパ状部、（Ｌ）は該テーパ状部（Ｔ）の長さ、そして、（θ）はテーパ状部（Ｔ）のテーパ角である。
図３には、図１のテーパ状部（Ｔ）をその開始部ないしその近傍で屈曲させて屈曲部（Ｓ）を設けた例が示されている。このような屈曲部（Ｓ）を設けることにより、照射物に対して最適な照射角度が容易に得られるので、特に歯科用光重合、照射用あるいは画像処理用としての用途が期待できる。屈曲部（Ｓ）の位置及び屈曲度合は、仕様・用途に合わせて、適便選択すればよい。

本発明で特徴的なことは、ライトガイドを構成する光ファイバ素線束の出射端部を熱融着構造のテーパ状部としたこと、更に好ましい態様にあっては、その出射端面（１ｃ）の外径（φ１）を入射端面（１ｅ）の外径（φ２）より細くしたことにある。
こうすることにより、テーパ状部（Ｔ）による集光効果により、ライトガイドの出射端面（１ｃ）からの照射密度が大幅に向上する。このために有効なテーパ角（θ）は、０．５度〜４０度、特に５度〜１５度である。更に、後述するように、テーパ状部（Ｔ）の形成に際して各光ファイバ素線の断面を六方稠密構造とすることにより、出射端面（１ｃ）はより細径化され、照射効率もそれに応じて向上する。このテーパ角（θ）は、以下のように定義される。
θ＝ｔａｎ^−１（φ２−φ１）／２Ｌ
テーパ状部の長さ（Ｌ）は、１ｍｍ〜５００ｍｍ、特に３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあるのが好ましい。この（Ｌ）の値が１ｍｍ未満では、テーパ部（Ｔ）の必要固着力が確保されず、他方、５００ｍｍを超えると、熱融着時に光ファイバ素線が過大変形して光伝送特性が悪化する。出射端面（１ｃ）の外径は、照射対象の大きさにもよるが、一般には０．５ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
本発明で使用する光ファイバ素線（１ａ）としてはプラスチック光ファイバ素線やガラス光ファイバ素線が挙げられる。これらの素線外径は、２５μｍ〜５ｍｍ、好ましくは、２５μｍ〜１ｍｍの範囲にあればよい。一般に、この素線外径が小さ過ぎると、素線自体の強度が弱くなり、融着加工上の問題を生ずる。逆に、素線外径が大き過ぎると、素線の集束密度が低下する。そして、上記の光ファイバ素線の場合は、３０本〜１５０本の範囲で集束し、又、ガラス光ファイバ素線の場合は２８００本〜４６０００本の範囲で集束してライトガイトとするのが好ましい。
なお、ライトガイド本体の外径は特に制約は無いが、通常１ｍｍ〜２００ｍｍの範囲にあればよい。

次に、本発明のライトガイド（１）の製造例について述べる。
ライトガイド（１）の製造にあたっては、光ファイバ素線束の出射端部（１ｂ）を熱融着構造のテーパ状部（Ｔ）として形成する必要がある。このためには、例えば、図４あるいは図５に示すような融着用治具を用いる。
図４の融着用治具は、簡易的にテーパ状部（Ｔ）を形成するためのもので、耐熱性と熱伝導性に優れた、上下２片の半割式アタッチメント（２ａ）、（２ｂ）から構成されている。そして、各アタッチメント（２ａ）、（２ｂ）の長手方向には、それぞれ、テーパ状溝（２ｃ）が形成され、これら一対のテーパ状溝（２ｃ）は両アタッチメントが互いに接したときに、テーパ状挿入孔を形成する。このときのテーパ状挿入孔の長さは、テーパ状部長さ（Ｌ）に対応している。
更に、アタッチメント（２ａ）、（２ｂ）はそれらを上下から連続的に加圧する駆動部（図示せず）に接続される。この状態で融着用治具全体が加熱雰囲気下に置かれる。より具体的には、図４に示すように、アタッチメント（２ａ）、（２ｂ）の間に間隙を設けた状態で、光ファイバ素線束の一方の端部（１ｂ）をテーパ状挿入孔が形成される箇所に充填する。次いで、融着用治具全体を加熱しながらアタッチメント（２ａ）、（２ｂ）を上下から連続的に駆動して該端部（１ｂ）全体に亘って加熱圧縮する。そして、両アタッチメント（２ａ）、（２ｂ）が互いに接触した時点で圧力を開放する。これにより、熱融着構造のテーパ状部（Ｔ）が得られる。この例においては、一回の工程で、熱融着構造とテーパ状部とが同時に形成できるという、特徴がある。
上記熱融着の条件としては、光ファイバ素線束がプラスチック光ファイバ素線束の場合には、加熱温度１２０〜２００℃、加圧力１０〜１００Ｎ程度で加圧し、他方、ガラス光ファイバ素線束の場合には、加熱温度５００〜７００℃、加圧力２００〜６００Ｎ程度で加圧すればよい。又、加熱の際は、融着用治具の一方の境界部近傍（図６の（Ａ）近傍に相当）の光ファイバ素線束の自由膨張を防ぐため、テーパ状挿入孔の大径部から小径部に向かって温度が上昇するような温度勾配をつけることが好ましい。
更に、図４の簡易的治具に対し、より高密度融着が可能で、しかも自由度の高い熱融着の態様について、図５を参照しながら述べる。
図５の融着用治具は図４の融着用治具と同様、耐熱性と熱伝導性に優れた、上下２片の半割式アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）及びリングヒータ（３ｄ）から構成されている。そして、各アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）の長手方向には、それぞれ、溝幅が同一の溝（３ｃ）が形成され、これらの溝（３ｃ）は両アタッチメントが互いに接したときに、ストレート状挿入孔を形成する。勿論、このときのストレート状挿入孔の長さはテーパ状部長さ（Ｌ）に対応している。
更に、アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）も図４の融着用治具と同様、それらを上下から連続的に加圧する駆動部（図示せず）に接続される。この状態で融着用治具全体が加熱雰囲気下に置かれる。図４の場合と同様に、アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）の間に間隙を設けた状態で、光ファイバ素線束の一方の端部（１ｂ）をストレート状挿入溝に相当する箇所に充填した後、融着用治具全体を加熱しながらアタッチメント（３ａ）、（３ｂ）を連続的に駆動して該端部（１ｂ）全体に亘って加熱圧縮する。そして、両アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）が互いに接触した時点で圧力を開放する。これにより熱融着構造の円筒状（ストレート状）端部（１ｂ）が形成される。加熱時には、図４の場合と同様に、融着用治具の一方の境界部近傍（図６の（Ａ）近傍に相当）の光ファイバ素線束の自由膨張を防ぐため、該（Ａ）部から端面（１ｃ）に向かって温度が上昇するような温度勾配をつけることが好ましい。
次に、アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）の加熱を止め、一旦圧力を開放し、上記の熱融着された端部（１ｂ）を金型端部からリングヒータ（３ｄ）の方へ引き出して露出させる。この状態で、アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）を駆動・加圧して、ストレート状挿入孔に移動していた非融着素線部分を固定する。最後に、上記の露出した熱融着端部をリングヒータ（３ｄ）で加熱しながら、矢印方向に引張ることにより、テーパ部（Ｔ）を形成する。この例では、２工程を要するが、テーパ角が固定されている図４の場合とは対照的にテーパ角を自由に調整でき、特に大きなテーパ角を形成する場合に有用である。
更に、屈曲部（Ｓ）を設ける場合には、先にテーパ状部（Ｔ）を形成した後、リングヒータ（３ｄ）で加熱しながら、曲げ加工を施すか、あるいは、テーパ部（Ｔ）を形成させると同時に曲げ加工を施せばよい。
このような融着用治具の利点として、光ファイバ素線束の端部全体に亘って一定の加圧力が作用するので、熱融着された各ファイバ素線（１ａ）は外径の変形度が極めて小さく、しかも、素線間の変形度のばらつきも少なくなる。その結果、図２に示すように、六方稠密構造（最密充填構造）を呈する熱融着構造が得られる。換言すれば、この加熱圧縮処理により熱融着構造のテーパ状部（Ｔ）の出射端面（１ｃ）の外径細径化が実現される。しかも、この端面外径の細径化は、ライトガイド全体からすれば、テーパ効果による入射開口角（ＮＡ）の増加につながる。

以上の説明では、ライトガイド（１）の光入射端面、光出射端面の形状がともに円形の例であるが、これらの断面は楕円形や方形などに、本発明の思想の範囲内であれば随時且つ種々の変更および応用が可能である。
又、テーパ状部の形状についても、ここでは、直線状テーパの例を示したが、曲線状テーパあるいは、直線部と曲線部との組み合わせ等であってもよい。
更に、熱融着についても、入射端部（１ｄ）についても光ファイバ素線束のバラケ防止のため適用してもよい。勿論、その入射端面（１ｅ）の外径（φ２）が出射端面（１ｃ）の外径（φ１）より大きいことが好ましい。更に、両端部（１ｂ）及び（１ｄ）の機械的損傷を防止するため、これら端部に耐熱性樹脂あるいは金属からなる保護カバーを取り付けてもよい。
一方、ライトガイド表層部保護、特に可撓性本体分の表層部保護の観点から、その表面をネット状の部材あるいはチューブ状部材やステンレス管等の保護管で全体的にカバーしてもよい。この状態のライトガイドでは、本体部分が可撓性であるので、治療時あるいは作業時における取扱性にも優れている。

以下に、図１〜図２に示したライトガイドの製造例について示す。
先ず、素線径が０．５ｍｍのアクリル樹脂の光ファイバ素線(１ａ)を１１２本集束して、外径が６ｍｍ、全長が２０００ｍｍの光ファイバ素線束を作成した。次いで、図５に示した融着用治具のアタッチメント（３ａ）、（３ｂ）の間に３ｍｍの間隙を設けた状態で、光ファイバ素線束の一方の端部（長さ（Ｌ）＝８ｍｍ）を一対のストレート状溝（３ｃ）の間に充填した。この状態で、アタッチメント（３ａ）、（３ｂ）を上下から連続的に駆動して、温度１５０℃、加圧力５０Ｎの融着条件下に３０分間、加熱圧縮しながら熱融着処理を施し、両アタッチメントが接した時点で加熱・圧縮を停止して、ストレート状の熱融着端部を得た。尚、ここでは、各ストレート溝（３ｃ）の溝幅は５．３ｍｍとし、更に、図６の境界部（Ａ）での光ファイバ素線束の自由膨張を防ぐため、境界部（Ａ）の加熱温度が１００℃、端面の加熱温度が１５０℃になるようにヒータのＷ数を調整して５０℃の温度勾配をつけた。
得られた熱融着構造の端部（１ｂ）の端面（１ｃ）は、図２に示すように、全ての素線が均一に熱融着して隙間の無い六方稠密構造のロッド状であった。
次に、両アタッチメントの圧力を開放した状態で、熱融着構造の端部（１ｂ）をリングヒータ（３ｄ）の方にスライドさせ、５０ｍｍの長さ（Ｌ）で露出させた後、再度、両アタッチメントを駆動して加圧し、可撓性本体部分を固定した。
次に、リングヒータ（３ｄ）を１５０℃に加熱しながら該露出部の先端部を引張用の治具を用いて３０Ｎの力で矢印方向に引張ることによりテーパ状部（Ｔ）を形成した。
得られた出射端面（１ｃ）の外径は４ｍｍで、可撓性本体部分の外径６ｍｍに対して２ｍｍ細径化されていた。このときのテーパ状部（Ｔ）の長さは２０ｍｍ、テーパ角（θ）は約１．４度であった。
次に、このライトガイド（１）の入射端面（１ｅ）に１００Ｗのハロゲンランプからの入射光を入射させ、出射端面（１ｃ）からの出射光を照度計にて測定した。
比較のため、実施例と同様の方法にて、光ファイバ素線束の出射端部２０ｍｍに渡り熱融着した、外径が５．３ｍｍのテーパ部を設けない、所謂ストレートタイプのライトガイド（１）を得た（比較例１）。
又、実施例で用いた光ファイバ素線束の端部（出射端部）を内径が６ｍｍの集束口金(４)で２０ｍｍに渡り集束してから、該口金（４）全体を１５０℃で３０分間加熱融着処理して、図６に示すようなライトガイド（１）を得た（比較例２）。
更に、実施例で用いた光ファイバ素線束の出射端部を２０ｍｍに渡り、従来の接着材（（株）エス・エス・アイ社製、エポキシ接着剤、アレムコボンド５２６Ｎ）で接着してライトガイドを得た（比較例３）。
又、夫々のライトガイドの入射端部については、実施例及び比較例１では、円筒状熱融着で止金無し、比較例２では円筒状熱融着で止金有り、そして、比較例３では接着剤による接着とした。
表１に上記の試験結果を記す。




表１から明らかなように、出射端部がストレートタイプの比較例１〜３と比較して、本発明では、熱融着構造のテーパ効果により入射開口角（ＮＡ）が増加し、出射照度、照射効率ともに優れている。
更に、上記の実施例、および比較例２〜３のライトガイドの耐熱性試験を行った。その結果、本発明のライトガイドでは、出射端面（１ｃ）が１５０℃の高温状態になって１２時間経過後でも、照度劣化や出射端部の熱変形は一切起きず、該端面（１ｃ）は十分な耐熱性を有していることが確認された。これに対して、上記の１５０℃の加熱、１２時間経過後には、比較例２のライトガイドでは、ファイバ素線間の隙間による照度低下が起き、又、比較例３のライトガイドでは、接着剤が劣化し照度低下が起きた。
更に、本発明のライトガイドの屈曲性についても、屈曲試験条件（曲げ半径２０ｃｍ、５万回）にて試験した所、光ファイバ素線に断線を生ずることがなく、十分な屈曲性を有していることも確認された。比較例２のライトガイドでは、口金境界部（Ａ）にファイバ素線の断線が起き、また比較例３のライトガイドでは、接着剤が剥離しファイバ素線にずれが生じた。

本発明のライトガイドは照射効率及び耐熱性の点で優れているので、照明用あるいは工業用用途のみならず、歯科治療等の医療用あるいは美容用にも使用できる。

本発明のライトガイドの一例を示す斜視図である。 本発明のライトガイドの出射端部における融着状態を示す横断面図である。 屈曲部を設けた、本発明の別の態様を示す斜視図である。 本発明のライトガイドの製造に際して用いる融着用治具の一例を示す斜視図である。 融着用治具の他の例を示す斜視図である。 従来のライトガイドの一例を示す斜視図である。 従来のライトガイドの出射端部における融着状態を示す横断面図である。

符号の説明

１ ライトガイド
１ａ 光ファイバ素線
１ｂ
出射端部
１ｃ 出射端面
１ｄ 入射端部
１ｅ 入射端面
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ 半割式アタッチメント
２ｃ
テーパ状溝
３ｃ ストレート状溝
３ｄ リングヒータ
４ 集束口金
Ｔ
テーパ状部
Ｌ
テーパ状部の長さ
θ テーパ角
Ｓ 屈曲部
φ１ 出射端面の外径
φ２ 入射端面の外径

Claims (9)

1. 光ファイバ素線束からなるライトガイドであって、その出射端部が選択的に熱融着されてテーパ状に集束していることを特徴とするライトガイド。
2. 該テーパ状部又はその近傍に屈曲部が設けられた請求項１に記載のライトガイド。
3. 該テーパ状部の光ファイバ素線の断面が六方稠密構造にある請求項１又は２に記載のライトガイド。
4. 該テーパ状部のテーパ角が０．５度〜４０度の範囲にある請求項１〜３のいずれかに記載のライトガイド。
5. 該テーパ状部の長さが１ｍｍ〜５００ｍｍの範囲にある請求項１〜４のいずれかに記載のライトガイド。
6. 該テーパ状部の端面外径が０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある請求項１〜５のいずれかに記載のライトガイド。
7. 該光ファイバ素線の径が２５μｍ〜５ｍｍの範囲にある請求項１〜６のいずれかに記載のライトガイド。
8. 該ライトガイド本体の外径が１ｍｍ〜２００ｍｍの範囲にある請求項１〜７のいずれかに記載のライトガイド。
9. 該ライトガイドが金属管に収納・固定されている請求項１〜８のいずれかに記載のライトガイド。