JP2010072485A - Optical fiber bundle and optical irradiation device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an optical fiber bundle and a light irradiation apparatus using the same.
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。)。
In an optical fiber bundle used as a light propagation path in this type of light irradiation device, an attempt is made to increase the light incident efficiency by optimizing the ratio of the core diameter to the optical fiber diameter (for example, Patent Documents). 1 and 2).
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。
In applications such as curing UV curable resins, high power density is required in addition to the amount of UV light, so there is a need to improve the optical coupling efficiency with the light source so that a large amount of light can be taken into a thinner optical fiber bundle. Has been.
As shown in
However, the optical fiber bundle has a limit in improving the optical coupling efficiency with a light source having a large light distribution angle, such as an LED, even if the core area is increased.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical fiber bundle and a light irradiation device that can increase the optical coupling efficiency with a light source having a large light distribution angle and obtain a sufficient light output.
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。
The invention according to
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the tapered portion is obtained by inserting the optical fiber from which the cladding has been removed through a glass tube and fusing them together. Is an optical fiber bundle characterized by
The invention according to
An invention according to a fourth aspect of the present invention includes the optical fiber bundle according to any one of the first to third aspects, and a light source that makes light incident on the optical fiber bundle from a tapered portion. It is the light irradiation apparatus characterized.
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。 According to the present invention, the ratio of the cross-sectional area of the core at the tip portion of the main body is 0.85 to 1.00. As a result, it is possible to increase the optical coupling efficiency with the light source and obtain a sufficient light output.
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。
Hereinafter, an embodiment of an optical fiber bundle of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a side view schematically showing a light irradiation apparatus using the first embodiment of the optical fiber bundle according to the present invention. FIG. 2 is a view showing a part of the cross section taken along the line A1-A1 in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the light irradiation device includes a
As the
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。
The
As shown in FIG. 3, the
As shown in FIG. 2, the
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。
As shown in FIG. 1, the tapered portion 4 serves as an incident end of light from the
The
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。
The tapered portion 4 can be formed by inserting and melting the tip portion of the
Specifically, for example, the tip portion of the
The tapered portion 4 can be formed by cutting a predetermined position of the stretched portion and polishing the end face.
The tapered portion 4 can also be formed by putting the tip portion of the
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。
As shown in FIG. 1, a part of
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。
FIG. 4 is a side view schematically showing a second embodiment of the optical fiber bundle according to the present invention. FIG. 5 is a view showing a part of the cross section taken along the line A2-A2 in FIG. In the following description, the same reference numerals are given to the above-described configurations, and description thereof is omitted. The same applies to other embodiments.
In the
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。
FIG. 6 is a side view schematically showing a third embodiment of the optical fiber bundle according to the present invention. FIG. 7 is a view showing a cross section taken along the line A3-A3 in FIG.
In the
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。
FIG. 8 is a side view schematically showing a fourth embodiment of an optical fiber bundle according to the present invention. FIG. 9 is a view showing a cross section of the
In the
The
The
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。
In the optical fiber bundle of the present invention, the ratio of the cross-sectional areas of the
By setting the cross-sectional area ratio of the
When the cross-sectional area ratio of the
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dcとすると次に示す式(1)で示される。
This cross-sectional area ratio is obtained as follows.
In the
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(dc/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(dc/d)の増加とともに増加し、dc=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。
As shown in the equation (1), the core area ratio is determined only by the ratio of the diameter of the
For example, in the
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。
In the
Since the optical output is a value corresponding to the core area ratio, the optical output of the optical fiber bundle 11 (see FIGS. 4 and 5) is 1.11 respectively compared to the optical fiber bundle 1 (see FIGS. 1 and 2). Double (when the optical fiber diameter is 200 μm and the core diameter is 190 μm) and 1.32 times (when the optical fiber diameter is 230 μm and the core diameter is 200 μm).
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。
In the
Since the optical output is a value corresponding to the core area ratio, the optical output of the optical fiber bundle 21 (see FIGS. 6 and 7) is 1.22 respectively compared to the optical fiber bundle 1 (see FIGS. 1 and 2). Double (when the optical fiber diameter is 200 μm and the core diameter is 190 μm) and 1.46 times (when the optical fiber diameter is 230 μm and the core diameter is 200 μm).
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。
In the
2, 5, 7, and 9 have the same shape as the tip surfaces of the
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。
According to the optical fiber bundle of the present invention, the optical coupling efficiency with the light source can be increased.
For example, in the
Similarly, in the
If the optical coupling efficiency between the light source and the optical fiber bundle is too low, the power density is also lowered. In particular, in the transmission of ultraviolet light, the light output necessary for curing the ultraviolet effect resin cannot be obtained.
On the other hand, in the
(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。)
(1) When the diameter of the optical fiber bundle is constant <Examples 1 to 4>
The clad 2b at the tip of the optical fiber 2 (core diameter 190 μm, clad diameter 200 μm) is removed by hydrofluoric acid treatment, this portion is filled in a glass tube, melted by heating and integrated to form a tapered portion 4 and light. Fiber bundles 1 and 11 were obtained. The
In each example, the removal rate of the clad 2b was changed so that the
A glass tube made of pure quartz glass was used.
The tapered portion 4 had a maximum diameter of 4.0 mm, a minimum diameter of 2.2 mm, and an axial length of 6.0 mm.
The number of
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。
The optical coupling efficiency of each optical fiber bundle was measured as follows.
As shown in FIG. 11, the light of the
The distance between the
For comparison, as shown in FIG. 12, light output measurement was performed without using an optical fiber bundle.
The ratio of the light output when using the optical fiber bundle to the light output when there is no optical fiber bundle was calculated as the optical coupling efficiency. The results are shown in Table 1.
<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。
<Example 5>
As shown in FIG. 8, an
<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。
<Example 6>
As shown in FIG. 6, the
<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。
<Comparative Example 1>
An optical fiber bundle was produced in the same manner as in Example 1 except that the clad 2b was not removed. The optical coupling efficiency of this optical fiber bundle was measured. The results are shown in Table 1.
(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。
(2) When the number of optical fiber bundles is constant <Examples 7 to 10>
<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。
<Example 11>
As shown in FIG. 8, an
<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。
<Example 12>
In accordance with Example 6, the
<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。
<Comparative example 2>
An optical fiber bundle was produced in the same manner as in Example 7 except that the clad 2b was not removed. The optical coupling efficiency of this optical fiber bundle was measured. The results are shown in Table 2.
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。 From Table 1 and Table 2, it can be seen that excellent optical coupling efficiency was obtained in Examples in which the core area ratio of the tip portion of the main body was 0.85 to 1.00.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 A main body portion in which a plurality of optical fibers are bundled, and a tapered portion that is provided at the tip of the main body portion and serves as an incident end of light,
The tapered portion is formed by integrating the optical fiber, and has a partial conical shape in which the outer diameter decreases toward the tip side.
The tip portion of the main body provided with the tapered portion has a ratio of the cross-sectional area of the core to the total cross-sectional area of 0.85 to 1.00.
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