JP2012074146A

JP2012074146A - 光照射装置

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Publication number: JP2012074146A
Application number: JP2010216079A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Okamoto; 大輔岡本
Original assignee: CCS Inc
Current assignee: CCS Inc
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP5305173B2

Abstract

【課題】レンズホルダにレンズ体を取り付ける際の作業性を向上させるとともに、光源とレンズ体との距離を精度良く設定及び維持できる光照射装置を提供する。
【解決手段】光源１０と、光源１０を保持する基板２０と、レンズ体３０と、レンズ体３０を保持するレンズホルダ４０と、レンズホルダ４０が締結される台座部材５０とを具備するものであって、レンズホルダ４０が、レンズ体３０を収容する貫通孔４１の内周から径方向に突出し、レンズ体３０の光射出側の面に係合する係止部材４５と、貫通孔４１の内周から径方向に突出しレンズ体３０の光入射側の面に当接する抑え板４６とを具備し、これら係止部材４５及び抑え板４６によってレンズ体３０を光軸方向から挟み込んで保持する樹脂製のものであり、前記抑え板４６における反レンズ側の面が、前記締結によって基板２０を押圧し基板２０を台座部材５０との間で挟み込むようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、光源からの光をレンズ体を通して射出する光照射装置に関し、例えば光ファイバ等の光伝送部材に光を供給する光照射装置に関するものである。

この種の光照射装置では、レンズ体とＬＥＤとの距離が集光性等に大きな影響を与える。従って、装置ごとのバラつきを防ぎつつ、前記距離を精度良く設定する必要がある。

そこで、特許文献１に示すように、レンズ体及びＬＥＤを接触させるようにしたものが考えられている。具体的には、ＬＥＤを保持する基板を台座部材（取付基板に相当する）に取り付け、前記ＬＥＤ及び前記レンズ体が接触するように、レンズ体を保持する内筒を前記台座部材に取り付けるようにしている。

しかしながら、例えば組立時や振動が加わった時など、不測の場合に、レンズ体がＬＥＤを押圧して破損させてしまう恐れがある。

そこで、図８に示すように、レンズ体２３０及びＬＥＤ２１０を離間させるようにしたものも考えられている。具体的には、レンズ体２３０を収容するレンズホルダ２４０を締結具２６０によって台座部材２５０に締結し、当該締結によって、前記レンズホルダ２４０の周縁部２４０ａと前記台座部材２５０との間で、ＬＥＤ２１０を保持する基板２２０を挟圧保持する。そして、レンズホルダ２４０における基板２２０に当接する部分２４０ａと、レンズホルダ２４０におけるレンズ体２３０に当接する部分２４０ｂとの光軸方向の距離を、レンズ体２３０及びＬＥＤ２１０を離間させるように設定してある。このレンズホルダ２４０は、例えばアルミニウム等の金属によって形成されている。

しかしながら、アルミニウムはほとんど弾性変形しないため、レンズ体２３０をガタなく保持するためには、Ｏリング２４１のような弾性体を用いる必要があり、レンズホルダ２４０にレンズ体２３０を取り付ける際の作業性が悪いという問題がある。またアルミニウム製なので製造コストの低減が難しい。

特開２００８−３０５５８４号公報

そこで、本発明は、上記の問題を一挙に解決すべく図ったものであり、レンズホルダにレンズ体を取り付ける際の作業性を向上できるとともに、光源とレンズ体との距離を精度良く設定でき、しかも光源やレンズ体に無理な力がかからないようにできる光照射装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち、本発明に係る光照射装置は、光源と、該光源を保持する基板と、前記光源から射出された光を透過させるレンズ体と、該レンズ体を保持するレンズホルダと、前記レンズホルダが締結される台座部材とを具備し、前記締結によって、前記台座部材と前記レンズホルダとの間で前記基板を挟圧保持するように構成した光照射装置であって、前記レンズホルダを、前記レンズ体を収容する貫通孔の内周から径方向に突出し、前記レンズ体の外縁部における光射出側を向く面に係合する係止部材と、該貫通孔の内周から径方向に突出し、前記レンズ体の外縁部における光入射側を向く面に当接する抑え板とを具備し、これら係止部材及び抑え板によってレンズ体を光軸方向から挟み込んで保持する樹脂製のものにするとともに、前記抑え板のレンズ体とは反対側の面で、前記締結に伴って前記基板を押圧し、該基板を前記台座部材との間で挟み込むように構成したことを特徴とするものである。

ここで、「光射出側を向く面」とは、その面の法線ベクトルに、光射出方向を向く光軸方向と平行な成分が含まれていることをいう。同様に、「光入射側を向く面」とは、その面の法線ベクトルに、光入射方向を向く光軸方向と平行な成分が含まれていることをいう。

このようなものであれば、抑え板におけるレンズ体と反対側の面が基板を押圧するので、その基板からの反力によって、抑え板が基板とレンズ体との間に挟みこまれてこれらに密着する。従って、抑え板の厚みによって、レンズ体と、基板ひいては該基板に保持された光源との光軸方向の距離を正確に規定することができる。
そして、このことから、例えば光源とレンズ体との距離（隙間）を０乃至可及的に小さくすることができるため、光源からの光をレンズ体に効率よく導入できるなど、光量ロスを可及的に低減できる。
さらに、レンズ体から射出される光の集光性等に係る特性を器差なく揃えることもできるようになる。この結果、例えば光ファイバに光を導入する場合に、その導入部分での集光性のばらつきに起因するロスを低減することができ、こういった点でも光の効率的な伝達に資することができるようになる。
しかも、例えばレンズ体に不測の力が加わった場合でも、前記距離が変化してしまうことを防止できるので、光源やレンズ体に無理な力がかからないようにして、光源やレンズ体が破損しないようにできる。

また、レンズホルダが樹脂製であるため、Ｏリングのような別部材を用いることなく、レンズホルダ自身の弾性変形を利用して、レンズ体等をガタ無く保持することが容易にできる。具体的には、例えば前記基板からの反力によって、抑え板が若干弾性変形し、そのレンズ体側の面がレンズ体を押圧して、レンズ体を係止部材との間で挟み込んでガタなく固定できる。また、このことにより、レンズホルダにレンズ体を取り付ける際の作業性を向上できるし、金属製のものよりも、製造コストを抑えることが容易にできる。なお、「レンズホルダが樹脂製」とは、レンズホルダの全ての構成部品が樹脂であることまでを求めるものではなく、少なくとも、レンズホルダの主機能であるレンズ体をホールドするという機能を奏する構成部品が樹脂で形成されていればよいという意味である。

作業性を更に向上させるためには、前記レンズホルダが、前記係止部材の形成された第１保持体と、前記第１保持体とは光軸方向に分離可能な別体で形成され、前記抑え板の形成された第２保持体とを組み合わせて構成されるものが望ましい。

光源やレンズ体の破損をより確実に防止するには、前記レンズ体と前記光源との間に隙間があくように、前記抑え板の厚みが設定されたものが望ましい。この隙間は、０．０５ｍｍ以上１．００ｍｍ以下で管理しておけば、製造コストの増大を招くことなく、光学的な特性、例えば光のロスや集光特性等、を一定以上に担保できる。光学的特性をより向上させるには、前記隙間は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下がよく、本願発明者の検討によれば、前記隙間は０．２ｍｍが最も好ましい。

また、抑え板に要求される厚みが比較的大きい場合、抑え板が弾性変形しにくくなってしまう恐れがあるが、前記抑え板が、平板状の抑え板本体及び該抑え板本体のレンズ体とは反対側の面に設けられた突起を有するものであれば、突起の厚みによって抑え板の厚みを確保しつつも、抑え板本体を薄くすることができ、抑え板の弾性変形を担保できる。
より具体的には、前記光源が、平板状をなし、その表面に光の射出面が設定されたチップ型ＬＥＤであり、前記レンズ体が、球の一部を平面で切り取った部分球状をなし、その平面部に、前記光射出面に対向して前記光源からの光が入射する入射面が設定されたものを挙げることができる。このとき、光軸方向から視て、前記射出面の外輪郭よりも前記入射面の外輪郭が外側となるようにしておけば、光源からレンズ体へ極めて効率よく光を導入することができる。面積比としては、光入射面が光射出面の１．２倍以上がよく、より好ましくは、π／２倍以上が好適である。

レンズ体及び光源との光軸方向と直交する方向の位置決めのためには、前記レンズホルダと前記基板との各対向面のいずれか一方に設けられた凸部と、前記各対向面の他方における前記凸部に対応する位置に設けられた凹部とを具備し、前記凸部が前記凹部に嵌まって、前記レンズ体が前記光源に対して、光軸方向と直交する方向に位置決めされる位置決め手段を具備するものが望ましい。

従って、本発明によれば、光源とレンズ体との距離を精度良く設定できるので、光の伝達効率や集光性などに係る光学的特性を向上させることができる。また、レンズホルダを樹脂製にしているので、その弾性変形を利用して光源やレンズ体を無理なく確実に支持できるし、レンズホルダにレンズ体を取り付ける際の作業性等をも向上できる。さらに、レンズホルダが樹脂製であることから、軽量化や製造コストの低減を図ることも可能になる。

本発明の実施形態における光照射装置の全体斜視図。同実施形態における光照射装置の分解斜視図。同実施形態における光源及び基板の斜視図。同実施形態におけるレンズホルダの斜視図。同実施形態におけるレンズホルダの平面図。同実施形態におけるＡ−Ａ線で切断したレンズホルダ及び周辺部材を組み立てた状態を示すＡ−Ａ線部分縦断面図。同実施形態におけるＢ−Ｂ線で切断したレンズホルダ及び周辺部材を組み立てた状態を示すＢ−Ｂ線部分縦断面図。従来装置における光照射装置の縦断面図。

本発明の実施形態に係る光照射装置１００について、図面を参照して説明する。この光照射装置１００は、光源１０からの光を、レンズ体３０によって集光して、光ファイバのような光を伝送する光伝送部材（図示しない）に供給するものである。図１に示すように、この光照射装置１００は、大きくは概略直方体形状の筐体１１０と、その筐体１１０に収容され、前記光伝送部材が光学的に接続される光射出口１２０ａが設けられている光学機構１２０とからなる。

各部を詳述する。前記光学機構１２０は、図２に示すように、光源１０と、該光源１０を保持する基板２０と、前記光源１０から射出された光を透過させるレンズ体３０と、該レンズ体３０を保持するレンズホルダ４０と、前記レンズホルダ４０が締結される台座部材５０とを具備する。

前記光源１０は、図３に示すように、射出面１０ａが矩形平面状である概略平板状をなす表面実装チップ型の白色ＬＥＤパッケージである。前記基板２０は概略等厚平円板状をなすプリント基板であり、中央部に前記光源１０が取り付けてある。

前記レンズ体３０は、図６に示すように、球の一部を平面で切断した部分球状をなすボールレンズであり、その平面部に、光の入射面３０ａが設定されている。

前記レンズホルダ４０は、図４及び図６等に示すように、概略円筒形状をなすものであり、前記レンズホルダ４０の中央部に設けられ光軸方向に延びる貫通孔４１を有する。貫通孔４１は前記レンズ体３０を収容するものであり、内径がレンズ体３０の径と略一致する。このレンズホルダ４０は主に２つの部材からなり、より詳しくは、概略円筒形状の第１保持体４２と、該第１保持体４２とは別体で形成した概略円筒形状の第２保持体４３とを、概略円環形状の結合リング４４によって結合して構成してある。

前記第１保持体４２は、前記貫通孔４１の内周面における一方の開口端よりも若干奥まった位置から径方向に突出する、前記内周面を周回するように突出し、その断面が三角形状乃至爪状の係止部材４５を有する。この係止部材４５は、前記レンズ体３０の外縁部における光射出側を向く面に係合し、言い換えれば、レンズ体３０における光軸方向と直交する赤道面よりもやや光射出側の表面に係合するものである。

前記第２保持体４３は、前記貫通孔４１の内周面における他方の開口端から径方向に突出する概略円板状の抑え板４６を有する。この抑え板４６は、円板の中央に矩形状の貫通孔を設けた形状の抑え板本体４６ａ、及び該抑え板本体４６ａのレンズ体３０とは反対側の面（基板２０に対向する面）に設けられた突起４６ｂ（ここでは４つ）からなる。図６に示すように、抑え板本体４６ａのレンズ体３０に対向する面（以下、第１当接面４６ｃともいう）は、前記レンズ体３０における前記レンズ体３０の外縁部における光入射側を向く面に当接し、より詳しくは該レンズ体３０の平面部における外縁部に当接する。
そして、該平面部における、前記矩形状の貫通孔によって見える中央部分が、光の入射面３０ａとして機能する。この入射面３０ａは、光源１０の射出面１０ａと平行に配置され、かつ、その外輪郭が光軸方向から視て、前記射出面１０ａよりも外側になるように構成されている。射出面１０ａと入射面３０ａとの面積比は、ここでは約１：１．２である。
しかして、前記突起４６ｂの先端面（以下、第２当接面４６ｄともいう）は、前記基板２０における光源１０が配置された側の表面２０ａであって、該光源１０の周囲近傍部位に当接する。なお、抑え板本体４６ａ及び突起４６ｂの厚みの和である抑え板４６の厚みは、前記光源１０の厚みよりも大きくなるように設定してあるので、前記抑え板４６の中央部に形成される開口に光源１０が収容されるように、前記レンズホルダ４０と前記基板２０とを当接させた状態において、前記レンズ体３０と前記光源１０との間に隙間Ｓがあくこととなる。この隙間Ｓの光軸方向寸法は、ここでは０．２ｍｍに設定してある。

このレンズホルダ４０にレンズ体３０を収容する際には、第２保持体４３の前記貫通孔４１に前記レンズ体３０を収容して、前記レンズ体３０の入射面３０ａを、前記抑え板４６の第１当接面４６ｃに当接させる。次に、第１保持体４２の前記貫通孔４１に前記レンズ体３０をはめて、前記係止部材４５を前記レンズ体３０に係合させる。そして、各保持体４２、４３の接合部に、溶融した樹脂によって結合リング４４を形成して溶融結合するようにしてある。この状態において、第１保持体４２の係止部材４５及び第２保持体４３の抑え板４６によって、レンズ体３０を光軸方向から挟み込んで保持してある。

また、この光照射装置１００は、レンズ体３０を光源１０に対して光軸方向と直交する方向に位置決めする位置決め手段を具備している。位置決め手段は、図７に示すように、レンズホルダ４０の第２保持体４３の基板２０との対向面に設けられた、概略棒状の複数の凸部４７（ここでは２つ）と、前記基板２０におけるレンズホルダ４０との対向面における前記凸部４７に対応する位置に設けられた、複数の嵌合孔２１（請求項でいう凹部に相当する。ここでは２つ）とを具備する。前記レンズホルダ４０及び前記基板２０を重ね合わせる際には、前記凸部４７を前記嵌合孔２１に嵌めて、前記凸部４７の径方向外側の面を前記嵌合孔２１の側面に当接させる。これにより、前記レンズホルダ４０及び前記基板２０が相対的に位置決めされ、前記レンズ体３０が前記光源１０に対して、光軸方向と直交する方向にガタなく位置決めされる。

また、レンズホルダ４０における第１保持体４２の光射出側を向く面には、前記光射出口１２０ａが設けられている。なお、レンズホルダ４０は、樹脂（ここではポリブチレンテレフタレート）によって形成されている。

前記台座部材５０は、図２に示すように、基板取付面が平面であり、その裏面に放熱フィン６１が取り付けられた概略板状をなすものである。この台座部材５０にレンズホルダ４０を取り付ける際には、図６に示すように、締結具６０（ここではネジ）を、レンズホルダ４０の挿通孔４８及び基板２０の挿通穴２２に挿通させ、台座部材５０のめねじ孔５１に螺合させて、レンズホルダ４０及び台座部材５０を締結し、前記締結によって、前記台座部材５０と前記レンズホルダ４０との間で前記基板２０を挟圧保持する。レンズホルダ４０と、レンズ体３０及び基板２０との関係をより詳しく言えば、前記締結によって、レンズホルダ４０の抑え板４６がわずかにたわんで、抑え板４６の第１当接面４６ｃが前記レンズ体３０に密着して押さえ込み、該レンズ体３０を前記係止部材４５との間で固定する一方、抑え板４６のレンズ体とは反対側の面（第２当接面４６ｄ）が前記基板２０に密着して押さえ込み、該基板２０を前記台座部材５０との間で挟み込むようにしてある。なお、この状態において、レンズホルダ４０の凸部４７の先端部は、前記台座部材５０に対して離れているか、わずかに接触している。

本実施形態の光照射装置１００によれば、抑え板４６におけるレンズ体３０と反対側の面が基板２０を押圧するので、その基板２０からの反力によって、抑え板４６が基板２０とレンズ体３０との間に挟みこまれてこれらに密着する。従って、抑え板４６の厚みによって、レンズ体３０と、基板２０ひいては該基板２０に保持された光源１０との光軸方向の距離を正確に規定することができる。しかも、例えばレンズ体３０に不測の力が加わった場合でも、前記距離が変化してしまうことを防止でき、光源１０やレンズ体３０に無理な力がかからないようにでき、光源１０やレンズ体３０が壊れないようにできる。

また、前記基板２０からの反力によって、抑え板４６のレンズ体３０側の面がレンズ体３０を押圧し、レンズ体３０を係止部材４５との間で挟み込んでガタなく固定できる。このとき、レンズホルダ４０を樹脂によって形成しているので、前記抑え板４６の弾性変形により、レンズ体３０をガタなく固定できるため、Ｏリングのような別部材を用いる必要がなく、レンズホルダ４０にレンズ体３０を取り付ける際の作業性を向上できる。また、アルミニウム製のものよりも、製造コストを抑えることができる。

また、前記基板２０からの反力によって、抑え板４６のレンズ体３０側の面がレンズ体３０を押圧し、レンズ体３０を係止部材４５との間で挟み込んでガタなく固定できる。このとき、レンズホルダ４０を樹脂によって形成しているので、前記抑え板４６の弾性変形により、レンズ体３０をガタなく固定できるため、Ｏリングのような別部材を用いる必要がなく、レンズホルダ４０にレンズ体３０を取り付ける際の作業性を向上できる。

また、抑え板４６の第１当接面４６ｃ及びレンズ体３０の入射面３０ａと、抑え板４６の第２当接面４６ｄ及び基板２０の表面２０ａがそれぞれ面接触するので、抑え板４６に加わる圧力を低減でき、抑え板４６の変形を防止することができ、レンズ体３０及び基板２０の距離を抑え板４６の厚み分で規定される距離に保つことができる。

さらに、レンズホルダ４０の貫通孔４１の径は、レンズ体３０の径と略一致するので、貫通孔４１の内周面をレンズ体３０の外縁部に当接させて、レンズ体３０を径方向（光軸方向と直交する方向）にずれないように保持することができる。

なお、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、レンズホルダは別体で設けられた第１保持体及び第２保持体を、溶融結合によって結合させて構成するものとしたが、レンズホルダ及び台座部材を締結具によって締結することによって、第１保持体及び第２保持体とを結合させて構成するものとしてもよい。さらに、レンズホルダを一体成形するようにしてもよい。

凹部は基板を貫通する嵌合孔としたが、基板を貫通しない窪みとしてもよい。また、基板には凸部を設け、レンズホルダにおける凸部と対応する位置に凹部を設けるようにしてもよい。

また、前記凸部は、径方向外側の面が前記凹部の側面に当接するものとしたが、径方向内側の面が前記凹部の側面に当接するものとしてもよいし、前記凹部にガタなくはまるようにしてもよい。また、前記凸部を角柱状又は角柱状の部材を組み合わせた形状とし、前記凹部を前記凸部がガタなくはまる形状としてもよい。このようなものであれば凸部及び凹部がそれぞれ１つであっても、確実に位置決めすることができる。

本実施形態では、レンズホルダをポリブチレンテレフタレートによって形成するものとしたが、これに限られるものではなく、その他の弾性変形する樹脂を用いてもよい。

また、レンズ体の入射面及び基板の表面を平面状とするとともに、抑え板の厚みを光源の厚みよりも大きくなるように設定して、レンズ体と記光源との間に隙間が空くようにしたが、抑え板の厚みを光源の厚みと略一致するように設定して、レンズ体及び光源が接触するようにしてもよい。

なお、レンズ体の入射面が平面状である場合には、抑え板の厚み（第１当接面と第２当接面との距離）は、光源の厚みと、レンズ体と光源との光軸方向の距離との和とすればよい。一方、例えばレンズ体が球状のボールレンズであり、レンズ体がレンズホルダの第１当接面から基板側にはみ出る場合には、抑え板の厚みは、光源の厚みと、レンズ体と光源との光軸方向の距離と、前記第１当接面からレンズ体の基板側の端部までの距離との和とすればよい。その他、本発明は前記実施形態に限られず、趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００・・・光照射装置
１０・・・光源
２０・・・基板
３０・・・レンズ体
４０・・・レンズホルダ
４１・・・貫通孔
４５・・・係止部材
４６・・・抑え板
５０・・・台座部材
Ｓ・・・隙間

Claims

光源と、該光源を保持する基板と、前記光源から射出された光を透過させるレンズ体と、該レンズ体を保持するレンズホルダと、前記レンズホルダが締結される台座部材とを具備し、前記締結によって、前記台座部材と前記レンズホルダとの間で前記基板を挟圧保持するように構成した光照射装置であって、
前記レンズホルダが、前記レンズ体を収容する貫通孔の内周から径方向に突出し、前記レンズ体の外縁部における光射出側を向く面に係合する係止部材と、該貫通孔の内周から径方向に突出し、前記レンズ体の外縁部における光入射側を向く面に当接する抑え板とを具備し、これら係止部材及び抑え板によってレンズ体を光軸方向から挟み込んで保持する樹脂製のものであり、
前記抑え板のレンズ体とは反対側の面が、前記締結によって前記基板を押圧し、該基板を前記台座部材との間で挟み込むように構成したことを特徴とする光照射装置。
前記レンズホルダが、前記係止部材の形成された第１保持体と、前記第１保持体とは別体で形成され、前記抑え板の形成された第２保持体とを組み合わせて構成される請求項１記載の光照射装置。
前記レンズ体と前記光源との間に隙間があくように、前記抑え板の厚みが設定された請求項１又は２記載の光照射装置。
前記隙間が０．０５ｍｍ以上１．００ｍｍ以下である請求項３記載の光照射装置。
前記抑え板が、平板状をなす抑え板本体と、該抑え板本体のレンズ体とは反対側の面に設けられた突起とを有するものである請求項１乃至３いずれかに記載の光照射装置。
前記光源が、平板状をなし、その表面に光の射出面が設定されたチップ型ＬＥＤであり、
前記レンズ体が、球の一部を平面で切り取った部分球状をなし、その平面部に、前記光射出面に対向して前記光源からの光が入射する入射面が設定されたものであり、
光軸方向から視て、前記射出面の外輪郭よりも前記入射面の外輪郭が外側となるようにしてある請求項１乃至５記載の光照射装置。
前記レンズホルダと前記基板との各対向面のいずれか一方に設けられた凸部と、前記各対向面の他方における前記凸部に対応する位置に設けられた凹部とを具備し、前記凸部が前記凹部に嵌まって、前記レンズ体が前記光源に対して、光軸方向と直交する方向に位置決めされる位置決め手段を具備する請求項１乃至６いずれかに記載の光照射装置。