JP2015029942A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの光源のみを用いて、円環状の照射エリアを同時に照射可能な光照射装置を提供すること。【解決手段】所定の位置に配置された照射対象物の円環状の照射エリアに対し光を照射する光照射装置が、光を出射するＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子と共通の光軸を有し、ＬＥＤ素子から出射された光の広がり角を狭め、所定の広がり角を有する光に成形する第１レンズと、第１レンズと共通の光軸を有し、第１レンズを透過した光を光軸を中心とする円環状の光となるように屈折する第２レンズと、第２レンズと共通の光軸を有し、第２レンズを透過した光を照射エリア上に円環状にフォーカスする第３レンズと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、照射対象物に対し円環状の紫外光を照射可能な光照射装置に関する。

従来、プラスチックレンズ等の光学部品をホルダに固定する場合等、光学部品の接着用途に紫外線硬化樹脂が広く使用されている。このような紫外線硬化樹脂は、波長３６５ｎｍ付近の紫外光の照射によって硬化するように設計されており、紫外線硬化樹脂の硬化には、紫外光を照射する光照射装置（いわゆる紫外線照射装置）が用いられる。

紫外線照射装置としては、従来から高圧水銀ランプや水銀キセノンランプ等を光源とするランプ型照射装置が知られているが、近年、消費電力の削減、長寿命化、装置サイズのコンパクト化の要請から、従来の放電ランプに替えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源として利用した紫外線照射装置が実用に供されている（例えば、特許文献１）。

一般に、プラスチックレンズ等の光学部品をレンズホルダ（鏡筒）に固定する場合には、プラスチックレンズの外周部とレンズホルダとが接触する複数箇所に紫外線硬化樹脂を塗布し、複数箇所の紫外線硬化樹脂を同時に硬化させる（つまり、紫外光を同時照射する）必要がある。このため、特許文献１に記載の紫外線照射装置は、紫外光を照射可能なＬＥＤを備えた光源ユニット（ヘッド）を複数設け、同一円周上の複数箇所に塗布された紫外線硬化樹脂に対し、紫外光を同時照射可能に構成している。

特許第４３０３５８２号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の紫外線照射装置においては、紫外線硬化樹脂の各塗布位置に対応して光源ユニットを配置しなければならず、複数の光源ユニットが必要となるため、装置全体のサイズが大型化するといった問題がある。また、紫外光が紫外線硬化樹脂に確実に照射されるように、紫外線硬化樹脂の各塗布位置において光源ユニットから出射される紫外光のアライメント調整（つまり、光学部品と光源ユニットとの位置合わせ）を行う必要がある。

ここで、アライメント調整をなくし、かつ同一円周上の複数箇所に塗布された紫外線硬化樹脂に対し、同時に紫外光を照射する構成としては、ホルダと光学部品とを覆うような大きなビーム径（つまり、広い照射エリア）の紫外光を照射することも考えられる。しかしながら、このような構成の場合、紫外光の照射エリアが広くなるため、単位面積当たりの紫外光のパワーが小さくなり、紫外線硬化樹脂を安定、かつ確実に硬化させるためには、紫外光のパワーを大きくするか、または照射時間を長くする必要がある。紫外光のパワーを大きくするためには、高出力タイプのＬＥＤを使用しなければならず、紫外線照射装置全体のコストがアップするといった問題が生じる。また、照射時間を長くすると、紫外線硬化樹脂を硬化させるための工程に時間を要し、生産効率が低下すると言った問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高出力タイプのＬＥＤの使用や照射時間を長くすることなく、アライメント調整を不要とし、かつ１つの光源ユニット（つまり、１つの光源）を用いて、同一円周上の複数箇所に塗布された紫外線硬化樹脂に対し（つまり、円環状の照射エリアに対し）、同時に紫外光を照射可能な紫外線照射装置（つまり、光照射装置）を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の光照射装置は、所定の位置に配置された照射対象物の円環状の照射エリアに対し光を照射する光照射装置であって、光を出射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子と、ＬＥＤ素子と共通の光軸を有し、ＬＥＤ素子から出射された光の広がり角を狭め、所定の広がり角を有する光に成形する第１レンズと、第１レンズと共通の光軸を有し、第１レンズを透過した光を該光軸を中心とする円環状の光となるように屈折する第２レンズと、第２レンズと共通の光軸を有し、第２レンズを透過した光を照射エリア上に円環状にフォーカスする第３レンズと、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、ＬＥＤ素子から出射される光が円環状の光に成形されて照射対象物の円環状の照射エリアに照射される。このため、例えば、照射エリア内に紫外線硬化樹脂が塗布されている場合、当該紫外線硬化樹脂は、光を受光して一度に（つまり、同時に）硬化する。

また、第３レンズを第２レンズに対して相対的に移動させるレンズ移動手段をさらに備えることができる。このような構成によれば、照射対象物の位置に応じて、第２レンズを透過した光のフォーカス位置を変更することができる。

また、第２レンズは、円錐面を第１レンズ側又は第３レンズ側に向けたアキシコンレンズで構成することができる。

また、第２レンズは、円錐面を第１レンズ側及び第３レンズ側に備えたアキシコンレンズで構成することができる。

また、第２レンズは、円錐面を第１レンズ側又は第３レンズ側にそれぞれ備えた一対のアキシコンレンズで構成することができる。

また、円錐面の頂点の角度が、１２０°〜１５０°であることが望ましい。

また、第１レンズは、両凸レンズ、平凸レンズ又は凸凹レンズで構成することができる。

また、第３レンズは、両凸レンズ、平凸レンズ又は凸凹レンズで構成することができる。

また、光照射装置から照射される光が、紫外域の波長の光であることが望ましい。また、この場合、紫外域の波長の光は、紫外線硬化型樹脂に作用する波長を含む光であることが望ましい。

以上のように、本発明の光照射装置によれば、１つのＬＥＤ素子から出射される光が円環状の光に成形されて照射対象物の円環状の照射エリアに照射される。このため、従来のように光源ユニットを複数設けることなく、照射エリア内の複数箇所に塗布された紫外線硬化樹脂を同時に照射することができる。また、従来必要とされたアライメント調整が不要となる。さらに、円環状の照射エリアのみに光が照射されるため、高出力タイプのＬＥＤを使用する必要もなく、また照射時間を長くする必要もない。

本発明の実施形態に係る光照射装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る光照射装置の光学ヘッドの構成を説明する側断面図である。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズをＸ軸方向から見たときの外形図である。 本発明の実施形態に係る光照射装置の光学ヘッドをＸ軸方向から見たときの（つまり、Ｙ−Ｚ平面上の）光路図の一例である。 図４のＷＤ＝２０ｍｍの位置における照射強度分布を示す濃淡図である。 図４のＷＤ＝２０ｍｍ、ＷＤ＝３０ｍｍ、ＷＤ＝４０ｍｍの各位置におけるＹ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の光学ヘッドをＸ軸方向から見たときの（つまり、Ｙ−Ｚ平面上の）光路図の一例である。 本発明の実施形態に係る光照射装置の光学ヘッドをＸ軸方向から見たときの（つまり、Ｙ−Ｚ平面上の）光路図の一例である。 図７のＷＤ＝３０ｍｍの位置におけるＹ軸方向の照射強度分布と、図８のＷＤ＝４０ｍｍの位置におけるＹ軸方向の照射強度分布とを示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの入射面の頂点の角度αを１６０°に変更したときの光路図、及び所定のワークディスタンスＷＤ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの入射面の頂点の角度αを１５０°に変更したときの光路図、及び所定のワークディスタンスＷＤ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの入射面の頂点の角度αを１２０°に変更したときの光路図、及び所定のワークディスタンスＷＤ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの入射面の頂点の角度αを１００°に変更したときの光路図、及び所定のワークディスタンスＷＤ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの入射面の頂点の角度αを８０°に変更したときの光路図、及び所定のワークディスタンスＷＤ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第１の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第２の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第３の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第４の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第５の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る光照射装置の第２レンズの第６の変形例を示す光路図、及びＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る光照射装置１の概略構成を示す斜視図である。本実施形態の光照射装置１は、被照射対象物（レンズＬ）の外周面から円環状に突出するフランジ部Ｌａに所定の照射強度分布（ビームプロファイル）の紫外光（例えば、波長３６５ｎｍの光）を照射する装置である。フランジ部Ｌａの基端面Ｌｂ（図１中、斜線で示す側の面）は、接着面となっており、複数箇所に紫外線硬化樹脂が塗布され、不図示のレンズホルダと当接している。フランジ部Ｌａに紫外光が照射されると、フランジ部Ｌａとレンズホルダ間の紫外線硬化樹脂が硬化し、レンズＬがレンズホルダに固定される。

図１に示すように、光照射装置１は、紫外光を出射する光学ヘッド１００と、光学ヘッド１００に電力を供給すると共に、光学ヘッド１００から出射される紫外光の照射強度を調節する電源ユニット２００と、光学ヘッド１００と電源ユニット２００とを電気的に接続するケーブル３００とを備えている。なお、本実施形態のケーブル３００は、後述するＬＥＤ素子１２のアノード端子及びカソード端子にそれぞれ接続される２本のリード線３００ａ、３００ｂ（図２）とで構成されている。

レンズＬは、光学ヘッド１００から所定の距離だけ離れ、かつ光軸ＡＸが光学ヘッド１００の光軸Ｏと同軸となるように位置調整されて配置される。以下、光学ヘッド１００の出射端面とレンズＬの基端面Ｌｂ（接着面）との間の距離を「ワークディスタンスＷＤ」という。

また、本明細書においては、光学ヘッド１００から出射される紫外光の出射方向（つまり、光軸ＡＸ方向）をＺ軸方向とし、Ｚ軸と直交し、かつ互いに直交する２方向をＸ軸方向及びＹ軸方向と定義して説明する。

図２は、光学ヘッド１００の構成を説明する側断面図である。図２（ａ）は、光学ヘッド１００の組立前の分解図であり、図２（ｂ）及び（ｃ）は光学ヘッド１００の組立後の側断面図である。図２に示すように、本実施形態の光学ヘッド１００は、ＬＥＤユニット１０と、第１レンズユニット２０と、ロックネジ３０と、第２レンズユニット４０とで構成されている。図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本実施形態の光学ヘッド１００は、ロックネジ３０の位置を調整することにより、第１レンズユニット２０と第２レンズユニット４０の相対的な位置関係を調整可能に構成されている。

ＬＥＤユニット１０は、ケース１１と、ケース１１に固定されたＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子１２とを備えている。ケース１１は、開口部１１ａと、円筒形の側壁部１１ｂと、側壁部１１ｂに連接して一体的に形成された底部１１ｃとを有する有底筒状体形状の部材であり、ケーブル３００が開口部１１ａから挿入されて固定されている。また、底部１１ｃには、光学ヘッド１００の光軸Ｏと平行に延びる２つの貫通孔１１ｃａ、１１ｃｂが形成されており、貫通孔１１ｃａ、１１ｃｂからは、ケーブル３００の２本のリード線３００ａ、３００ｂがそれぞれ引き出され、ＬＥＤ素子１２のアノード端子（不図示）及びカソード端子（不図示）にそれぞれ接続されている。また、底部１１ｃには、ＬＥＤ素子１２を接着固定するための突起部１１ｄが光学ヘッド１００の光軸Ｏに沿って突出するように形成されている。

ＬＥＤ素子１２は、略正方形状の発光面１２ａ（図２において不図示）と、カバーガラス１２ｂ（図２において不図示）とを有し、該発光面１２ａで発光した波長３６５ｎｍの紫外光をカバーガラス１２ｂを通して出射する半導体発光素子である。ＬＥＤ素子１２は、その光軸が光学ヘッド１００の光軸Ｏと一致するように（つまり、ケース１１の中心軸と一致するように）位置調整され、突起部１１ｄの先端に接着固定される。上述したように、ＬＥＤ素子１２のアノード端子及びカソード端子は、ケーブル３００を介して電源ユニット２００に接続されており、ＬＥＤ素子１２からは、電源ユニット２００から供給される駆動電流に応じた所定の光量の紫外光が出射される。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１２からは、光軸Ｏを中心に６０°の広がり角で円形状に広がりながら進行する紫外光が出射されるものとして説明する。

第１レンズユニット２０は、鏡筒２１と、第１レンズ２２と、第２レンズ２３とを備えている。鏡筒２１は、開口部２１ａ、２１ｂと、円筒形の側壁部２１ｃとを有する中空筒状体形状の部材である。鏡筒２１の開口部２１ａ側の内径は、ケース１１の側壁部１１ｂの外径よりも若干大きくなっており、ケース１１（つまり、ＬＥＤユニット１０）が開口部２１ａから挿入されて鏡筒２１内の所定の位置に固定されている（図２（ｂ）、（ｃ））。なお、詳細は後述するが、鏡筒２１の側壁部２１ｃの外周面には、ロックネジ３０の内周面及び第２レンズユニット４０の内周面に形成された雌ネジ部と係合可能な雄ネジ部（不図示）が形成されている。

また、鏡筒２１の開口部２１ｂ側には、第１レンズ２２及び第２レンズ２３が、収容されている。第１レンズ２２は、その光軸がＬＥＤ素子１２の光軸（つまり、光学ヘッド１００の光軸Ｏ）と一致するように鏡筒２１の内周面に位置決めされて接着固定されており、ＬＥＤユニット１０が鏡筒２１内に収容されたとき、第１レンズ２２はＬＥＤ素子１２に近接して（例えば、０．３５ｍｍの間隔をおいて）配置される。本実施形態の第１レンズ２２は、厚さ３．７５ｍｍの両凸レンズであり、ＬＥＤ素子１２から出射された紫外光の広がり角を狭め、所定の広がり角を有する光に成形する。

第２レンズ２３は、第１レンズ２２と所定の間隔（例えば、１．５ｍｍの間隔）をおき）、その光軸が第１レンズ２２の光軸（つまり、光学ヘッド１００の光軸Ｏ）と一致するように鏡筒２１の内周面に位置決めされて接着固定されている。本実施形態の第２レンズ２３は、円錐面を第１レンズ２２側に向けた厚さ４ｍｍのアキシコンレンズであり、第１レンズ２２を透過した紫外光を、光軸Ｏを中心とする円環状の光となるように（つまり、光軸Ｏの周辺を通る光がなくなるように）屈折させる。図３は、本実施形態の第２レンズ２３をＸ軸方向から見たときの外形図である。図３に示すように、本実施形態の第２レンズ２３は、円錐状の入射面２３ａと平面の出射面２３ｂとを有するアキシコンレンズであり、本実施形態においては、円錐状の入射面２３ａの頂点の角度α（つまり、第２レンズ２３のＹ−Ｚ平面における断面の２本の稜線間の角度）が１４０°のものを用いている。

ロックネジ３０（図２）は、中心にネジ穴３０ａを有した円環状の部材であり、後述する第２レンズユニット４０を鏡筒２１に対して固定する。ネジ穴３０ａの内径は、鏡筒２１の側壁部２１ｃの外径よりも若干大きく、ネジ穴３０ａには、鏡筒２１の側壁部２１ｃの外周面に形成された雄ネジ部と係合する雌ネジ部（不図示）が形成されている。従って、ネジ穴３０ａに鏡筒２１（つまり、第１レンズユニット２０）の先端部（開口部２１ｂ側の端部）をねじ込み、ロックネジ３０を時計方向に回転させることにより、ロックネジ３０は鏡筒２１の側壁部２１ｃに取り付けられる。

第２レンズユニット４０は、鏡筒４１と、第３レンズ４２とを備えている。鏡筒４１は、開口部４１ａ、４１ｂと、円筒形の側壁部４１ｃとを有する中空筒状体形状の部材である。鏡筒４１の開口部４１ａ側の内径は、鏡筒２１の側壁部２１ｃの外径よりも若干大きく、鏡筒４１の内周面には、鏡筒２１の側壁部２１ｃの外周面に形成された雄ネジ部と係合する雌ネジ部（不図示）が形成されている。従って、鏡筒４１の開口部４１ａに鏡筒２１（つまり、第１レンズユニット２０）の先端部（開口部２１ｂ側の端部）をねじ込み、時計方向に回転させることにより、鏡筒２１は鏡筒４１の内部に挿入される。そして、鏡筒４１は、鏡筒４１の基端部（開口部４１ａ側の端部）がロックネジ３０と当接した位置で固定される。このように、本実施形態の鏡筒４１とロックネジ３０は、いわゆるダブルナットの構造となっており、ロックネジ３０の位置を変更することにより、鏡筒４１を鏡筒２１に対して光軸Ｏに沿って（つまり、Ｚ軸方向に）移動させることができるようになっている。つまり、換言すると、ロックネジ３０の位置を変更することにより、第２レンズ２３と第３レンズ４２の間隔を変更することが可能となる。鏡筒２１に鏡筒４１を取り付けた後、ロックネジ３０を反時計方向に回転させることにより、鏡筒４１が鏡筒２１に対して完全に固定される。

鏡筒４１の開口部４１ｂ側には、第３レンズ４２が収容されている。第３レンズ４２は、その光軸が第１レンズ２２及び第２レンズ２３の光軸（つまり、光学ヘッド１００の光軸Ｏ）と一致するように鏡筒４１の内周面に位置決めされて接着固定されている。本実施形態においては、鏡筒２１が鏡筒４１に取り付けられたとき、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔は、ロックネジ３０の位置に応じて、２ｍｍ（図２（ｂ））〜２５ｍｍ（図２（ｃ））の範囲内で調整される。本実施形態の第３レンズ４２は、厚さ３ｍｍの平凸レンズであり、第２レンズ２３を透過した紫外光を、所定のワークディスタンスＷＤ上に配置されたレンズＬの基端面Ｌｂ（接着面）に円環状にフォーカス（投影）する。

図４は、本実施形態の光学ヘッド１００をＸ軸方向から見たときの（つまり、Ｙ−Ｚ平面上の）光路図の一例であり、ワークディスタンスＷＤが２０ｍｍとなるように（つまり、光学ヘッド１００の出射端面から２０ｍｍ離れた位置に円環状の紫外光が投影されるように）、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を、所定の距離（例えば、１９ｍｍ）に調整した場合の光路図である。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１２から円形状に広がりながら進行する紫外光が照射されるため、Ｚ軸を通るいかなる平面上の光路図も図４と同様となる。このため、本明細書においては、図４を用いてＹ−Ｚ平面上の光路についてのみ説明する。

また、図４においては、図面を見易くするために、光学ヘッド１００の一部の構成を省略してＬＥＤ素子１２と、第１レンズ２２と、第２レンズ２３と、第３レンズ４２とを示し、ＬＥＤ素子１２から出射される６０°の広がり角の紫外光の光路を１０°毎に示している。なお、図４においては、ＬＥＤ素子１２から出射される紫外光のうち、光軸Ｏを通る光路の紫外光を広がり角０°の光（つまり、出射角度０°の光）とし、光軸Ｏよりも上側（つまり、Ｙ軸方向＋側）に向かって出射される紫外光を＋の広がり角の紫外光とし、光軸Ｏよりも下側（つまり、Ｙ軸方向−側）に向かって出射される紫外光を−の広がり角の紫外光として示している。また、図４においては、ワークディスタンスＷＤが２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍの位置を、それぞれ「ＷＤ＝２０ｍｍ」、「ＷＤ＝３０ｍｍ」、「ＷＤ＝４０ｍｍ」として示している。

図４に示すように、ＬＥＤ素子１２の発光面１２ａで発光した波長３６５ｎｍの紫外光は、カバーガラス１２ｂを通り、第１レンズ２２に入射する。第１レンズ２２に入射した紫外光は、第１レンズ２２によって屈折し、広がり角を狭められ、第２レンズ２３に入射する。本実施形態においては、ＬＥＤ素子１２から出射される広がり角±６０°の紫外光のほぼ全てが第２レンズ２３に入射するように構成されている。

第１レンズ２２を透過した紫外光は、第２レンズ２３の入射面２３ａに入射する。上述したように、本実施形態の第２レンズ２３はアキシコンレンズであり、入射面２３ａは円錐面となっているから、各光路は光軸Ｏの方向に向かって折り曲げられる。そして、第２レンズ２３の出射面２３ｂから出射される紫外光は、第２レンズ２３の内側を通る光ほど（つまり、広がり角の小さな光ほど）出射角度（光軸Ｏとなす角度）が大きくなり、第２レンズ２３に近い位置で光軸Ｏと交差するように出射される。このように、本実施形態の第２レンズ２３の出射面２３ｂから出射される紫外光は、光軸Ｏに近い光ほど大きな角度で屈折され、光軸Ｏから離れた光ほど小さな角度で屈折されるため、光軸Ｏの周辺を通る光がなくなり（つまり、光軸Ｏの周辺を通る光が光軸Ｏから離れた光に徐々に重なり）、光軸Ｏを中心とする略円環状の光となるように出射される。

第２レンズ２３を透過した紫外光は、第３レンズ４２によってさらに屈折され、ＷＤ＝２０ｍｍの位置において円環状にフォーカスされる。そして、ＷＤ＝２０ｍｍの位置に円環状にフォーカスされた紫外光は、距離が遠ざかるにつれて、徐々にディフォーカスしていく。

図５は、図４のＷＤ＝２０ｍｍの位置における照射強度分布を示す濃淡図である。図５の縦軸は、光軸Ｏを０とするＹ軸方向の距離（ｍｍ）を示し、横軸は、光軸Ｏを０とするＸ軸方向の距離（ｍｍ）を示し、照射強度（ｍＷ／ｃｍ^２）を４段階の濃淡によって示している。また、図６は、図４のＷＤ＝２０ｍｍ、ＷＤ＝３０ｍｍ、ＷＤ＝４０ｍｍの各位置におけるＹ軸方向の照射強度分布を示すグラフである。図６の縦軸は、照射強度（ｍＷ／ｃｍ^２）であり、横軸は、光軸Ｏを０とするＹ軸方向の距離（ｍｍ）である。

図５及び図６に示すように、ＷＤ＝２０ｍｍの位置においては、光学ヘッド１００から出射された紫外光が円環状にフォーカスされるため、約１８００ｍＷ／ｃｍ^２のピーク強度を有する直径約８ｍｍの円環状の紫外光が得られる。

また、図６に示すように、ＷＤ＝３０ｍｍの位置においては、紫外光がディフォーカスするためにピーク強度が約６００ｍＷ／ｃｍのなだらかな照射強度分布となり、ＷＤ＝４０ｍｍの位置においては、紫外光がさらにディフォーカスするために、円環状の光にならないことがわかる。

このように、本実施形態においては、光源として、６０°の広がり角の紫外光を出射するＬＥＤ素子１２を用いているため、第２レンズ２３の入射面２３ａには平行光が入射せず、第３レンズ４２を透過した紫外光は平行な円環状の紫外光とはならない。このため、ワークディスタンスＷＤが異なると、所望する照射強度の円環状の紫外光が得られないといった問題がある。そこで、本実施形態においては、所望するワークディスタンスＷＤ上で所望する照射強度の円環状の紫外光を得ることができるように、鏡筒４１を鏡筒２１に対して光軸Ｏに沿って移動可能に構成し、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を調整できるようにしている。

図７及び図８は、本実施形態の光学ヘッド１００をＸ軸方向から見たときの（つまり、Ｙ−Ｚ平面上の）光路図の一例である。図７は、ワークディスタンスＷＤが３０ｍｍとなるように（つまり、光学ヘッド１００の出射端面から３０ｍｍ離れた位置に円環状の紫外光が投影されるように）、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を、所定の距離（例えば、１５ｍｍ）に調整した場合の光路図である。また、図８は、ワークディスタンスＷＤが４０ｍｍとなるように（つまり、光学ヘッド１００の出射端面から４０ｍｍ離れた位置に円環状の紫外光が投影されるように）、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を、所定の距離（例えば、８ｍｍ）に調整した場合の光路図である。また、図９は、図７のＷＤ＝３０ｍｍの位置におけるＹ軸方向の照射強度分布（図９中、「ＷＤ＝３０ｍｍ」と示す）と、図８のＷＤ＝４０ｍｍの位置におけるＹ軸方向の照射強度分布（図９中、「ＷＤ＝４０ｍｍ」と示す）とを示すグラフである。図９の縦軸は、照射強度（ｍＷ／ｃｍ^２）であり、横軸は、光軸Ｏを０とするＹ軸方向の距離（ｍｍ）である。

図７、図９に示すように、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を調整すると、円環状の紫外光をＷＤ＝３０ｍｍの位置にフォーカスさせることができ、ＷＤ＝３０ｍｍの位置に約５８０ｍＷ／ｃｍ^２のピーク強度を有する直径約１０ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。

また、図８、図９に示すように、第２レンズ２３と第３レンズ４２との間隔を調整すると、円環状の紫外光をＷＤ＝４０ｍｍの位置にフォーカスさせることができ、ＷＤ＝４０ｍｍの位置に約２００ｍＷ／ｃｍ^２のピーク強度を有する直径約１４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態の光照射装置１によれば、１つのＬＥＤ素子１２から出射される紫外光が円環状の紫外光に成形されて、ワークディスタンスＷＤ上に配置された照射対象物（つまり、レンズＬ）の円環状の照射エリア（つまり、基端面Ｌｂ）に照射される。このため、従来のように光源ユニット（光学ヘッド）を複数設けることなく、照射エリア内の複数箇所に塗布された紫外線硬化樹脂を紫外光によって同時に照射することができる。また、従来必要とされたアライメント調整が不要となる。さらに、円環状の照射エリアのみに紫外光が照射されるため、高出力タイプのＬＥＤを使用する必要もなく、また照射時間を長くする必要もない。

また、上述したように、本実施形態においては、ロックネジ３０の位置を変更することにより、第２レンズ２３と第３レンズ４２の間隔を変更することができるように構成されている。第２レンズ２３と第３レンズ４２の間隔を変更すると、第２レンズ２３を透過した紫外光のフォーカス位置が変更されるため、ワークディスタンスＷＤが変更される。つまり、本実施形態の構成によれば、第２レンズ２３と第３レンズ４２の間隔を変更することで、様々なワークディスタンスＷＤに対応でき、ワークディスタンスＷＤに応じた位置（つまり、レンズＬの基端面（接着面））に円環状の紫外光を効率よく照射することが可能となる。

以上が本実施形態の説明であるが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。

例えば、本実施形態の光照射装置１は、円環状の照射エリアの紫外線硬化樹脂を硬化させるものとして説明したが、このような用途に限定されるものではなく、円環状の光を必要とする他の用途（例えば、中心部に光を照射したくないような円形状の照射対象物に対する照射）にも適用することが可能である。

また、本実施形態の光照射装置１は、波長３６５ｎｍの紫外光を照射する装置であるとして説明したが、紫外域の他の波長の紫外光を照射するものであってもよい。近年、紫外域に近い波長（例えば、波長４０５ｎｍ）の光を照射するＬＥＤ素子が実用に供されているが、かかるＬＥＤ素子を本実施形態の光照射装置１に適用することも可能である。つまり、本明細書における「紫外光」、「紫外域の波長の光」とは、紫外域に近い波長の光を含む意であり、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。また、上述したように、本実施形態の光照射装置１を、円環状の光を必要とする他の用途（つまり、紫外線硬化樹脂を硬化させる用途以外の用途）に適用する場合には、光照射装置１は必ずしも紫外光を照射するものである必要はなく、可視域又は赤外域の波長の光を照射するものであってもよい。

また、本実施形態の第１レンズ２２は、両凸レンズであるとして説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、平凸レンズ又は凸凹レンズを適用することも可能である。

また、本実施形態の第３レンズ４２は、平凸レンズであるとして説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、両凸レンズ又は凸凹レンズを適用することも可能である。また、平凸レンズである場合に、凸面が入射面、平面が出射面となるように配置してもよい。

また、本実施形態においては、第２レンズ２３の円錐状の入射面２３ａの頂点の角度αを１４０°として説明したが、このような構成に限定されるものではない。図１０〜図１４は、本実施形態の第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αをそれぞれ１６０°、１５０°、１２０°、１００°、８０°に変更したときの光路図（図１０（ａ）〜図１４（ａ））、及び所定のワークディスタンス（ＷＤ＝２０ｍｍ）上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１０（ｂ）〜図１４（ｂ））である。なお、図１０（ｂ）〜図１４（ｂ）の縦軸は、図６と同様、照射強度（ｍＷ／ｃｍ^２）であり、横軸は、光軸Ｏを０とするＸ軸方向及びＹ軸方向の距離（ｍｍ）である。

図１０に示すように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが１６０°の場合、第２レンズ２３による屈折力が小さくなるため、光軸Ｏ周辺（つまり、中心部）に２００ｍＷ／ｃｍ^２程度の光が残存し、完全な円環状の紫外光を得ることができない。このように、照射エリアの中心部に光が残存すると、その分だけ周辺の光の光量が減少するため、ピーク強度は若干低いものとなるが、所定のワークディスタンスＷＤ上の紫外線硬化樹脂を硬化させることができれば、このような構成を適用することができる。

図１１に示すように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが１５０°の場合、本実施形態と同様、所定のワークディスタンスＷＤ上に直径約１０ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。

図１２に示すように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが１２０°の場合、第２レンズ２３が厚くなるため、第１レンズ２２を透過した紫外光の一部（広がり角が大きい光）が第２レンズ２３に入射せず、光の利用効率が若干低下するものの、本実施形態と同様、所定のワークディスタンスＷＤ上に直径約１２ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例において光の利用効率を上げるためには、第２レンズ２３の外径を大きくすればよい。

図１３に示すように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが１００°の場合、角度αが１２０°の場合よりも第２レンズ２３が厚くなるため、光の利用効率がさらに低下するが、本実施形態と同様、所定のワークディスタンスＷＤ上に直径約１８ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例において光の利用効率を上げるためには、角度αが１２０°の場合と同様、第２レンズ２３の外径を大きくすればよい。

図１４に示すように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが８０°の場合、角度αが１００°の場合よりも第２レンズ２３がさらに厚くなるため、光の利用効率がさらに低下するが、本実施形態と同様、所定のワークディスタンスＷＤ上に直径約２４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例において光の利用効率を上げるためには、角度αが１２０°、１００°の場合と同様、第２レンズ２３の外径を大きくすればよい。

このように、本実施形態の第２レンズ２３の円錐状の入射面２３ａの頂点の角度αは、１４０°に限定されるものではなく、１６０°以下であれば、所定のワークディスタンスＷＤ上において円環状の紫外光を得ることができる。なお、上述したように、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αが１６０°の場合、中心部に光が残存するため光の利用効率が低下し、また角度αが小さくなるほど第２レンズ２３が厚くなり、光の利用効率が低下する。このため、第２レンズ２３の入射面２３ａの頂点の角度αは、１２０°〜１５０°が好適である。

また、本実施形態の第２レンズ２３は、円錐面を第１レンズ２２側に向けたアキシコンレンズであるとして説明したが、このような構成に限定されるものではなく、様々な変形例が考えられる。

図１５は、本実施形態の第２レンズ２３の第１の変形例を示す光路図（図１５（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１５（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３１は、円錐面を第３レンズ４２側に向けたアキシコンレンズである点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、円錐面を出射面側に配置しても本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、ＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約７ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。

図１６は、本実施形態の第２レンズ２３の第２の変形例を示す光路図（図１６（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１６（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３２は、第１レンズ２２側（つまり、入射面側）及び第３レンズ４２側（つまり、出射面側）に円錐面を有したアキシコンレンズである点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、入射面及び出射面を円錐面で構成しても本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、ＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約１４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例においては、光軸Ｏの周辺（つまり、中心部）においても若干の紫外光の照射が認められるが、ワークディスタンスＷＤ上で円環状の紫外光を得ることができれば、レンズＬの基端面Ｌｂの紫外線硬化樹脂を硬化させることができるため、特に問題とはならない。

図１７は、本実施形態の第２レンズ２３の第３の変形例を示す光路図（図１７（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１７（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３３は、円錐面を第３レンズ４２側に向けた第１のアキシコンレンズ２３３ａと、円錐面を第１レンズ２２側に向けた第２のアキシコンレンズ２３３ｂとで構成されている点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、円錐面が相対するように配置された一対のアキシコンレンズは、本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、このような構成によってもＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約１５ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。

図１８は、本実施形態の第２レンズ２３の第４の変形例を示す光路図（図１８（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１８（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３４は、円錐面を第１レンズ２２側に向けた第１のアキシコンレンズ２３４ａと、円錐面を第３レンズ４２側に向けた第２のアキシコンレンズ２３４ｂとで構成されている点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、円錐面が逆方向を向くように配置された一対のアキシコンレンズは、本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、このような構成によってもＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約１４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例においては、第２の変形例と同様、光軸Ｏの周辺（つまり、中心部）においても紫外光の照射が認められるが、ワークディスタンスＷＤ上で円環状の紫外光を得ることができれば、レンズＬの基端面Ｌｂの紫外線硬化樹脂を硬化させることができるため、特に問題とはならない。

図１９は、本実施形態の第２レンズ２３の第５の変形例を示す光路図（図１９（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図１９（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３５は、円錐面を第１レンズ２２側に向けた第１のアキシコンレンズ２３５ａと第２のアキシコンレンズ２３５ｂとで構成されている点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、円錐面が第１レンズ２２側を向くように配置された一対のアキシコンレンズは、本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、このような構成によってもＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約１４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例においても、第２、第４の変形例と同様、光軸Ｏの周辺（つまり、中心部）においても紫外光の照射が認められるが、ワークディスタンスＷＤ上で円環状の紫外光を得ることができれば、レンズＬの基端面Ｌｂの紫外線硬化樹脂を硬化させることができるため、特に問題とはならない。

図２０は、本実施形態の第２レンズ２３の第６の変形例を示す光路図（図２０（ａ））、及びＷＤ＝２０ｍｍ上におけるＸ軸方向の照射強度分布を示すグラフ（図２０（ｂ））である。本変形例の第２レンズ２３６は、円錐面を第３レンズ４２側に向けた第１のアキシコンレンズ２３６ａと第２のアキシコンレンズ２３６ｂとで構成されている点で本実施形態の第２レンズ２３と異なっている。このように、円錐面が第３レンズ４２側を向くように配置された一対のアキシコンレンズは、本実施形態の第２レンズ２３と同様に機能し、このような構成によってもＷＤ＝２０ｍｍ上で直径約１４ｍｍの円環状の紫外光を得ることができる。なお、本変形例においても、第２、第４、第５の変形例と同様、光軸Ｏ周辺においても紫外光の照射が認められるが、ワークディスタンスＷＤ上で円環状の紫外光を得ることができれば、レンズＬの基端面Ｌｂの紫外線硬化樹脂を硬化させることができるため、特に問題とはならない。

なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 光照射装置
１０ ＬＥＤユニット
１１ ケース
１１ａ 開口部
１１ｂ 側壁部
１１ｃ 底部
１１ｃａ、１１ｃｂ 貫通孔
１２ ＬＥＤ素子
１２ａ 発光面
１２ｂ カバーガラス
２０ 第１レンズユニット
２１ 鏡筒
２１ａ、２１ｂ 開口部
２１ｃ 側壁部
２２ 第１レンズ
２３、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６ 第２レンズ
２３ａ 入射面
２３ｂ 出射面
３０ ロックネジ
３０ａ ネジ穴
４０ 第２レンズユニット
４１ 鏡筒
４１ａ、４１ｂ 開口部
４１ｃ 側壁部
４２ 第３レンズ
１００ 光学ヘッド
２００ 電源ユニット
３００ ケーブル
３００ａ、３００ｂ リード線
Ｌ レンズ
Ｌａ フランジ部
Ｌｂ 基端面

Claims (10)

1. 所定の位置に配置された照射対象物の円環状の照射エリアに対し光を照射する光照射装置であって、
   前記光を出射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子と、
   前記ＬＥＤ素子と共通の光軸を有し、前記ＬＥＤ素子から出射された光の広がり角を狭め、所定の広がり角を有する光に成形する第１レンズと、
   前記第１レンズと共通の光軸を有し、前記第１レンズを透過した光を該光軸を中心とする円環状の光となるように屈折する第２レンズと、
   前記第２レンズと共通の光軸を有し、前記第２レンズを透過した光を前記照射エリア上に円環状にフォーカスする第３レンズと、
   を備えることを特徴とする光照射装置。
2. 前記第３レンズを前記第２レンズに対して相対的に移動させるレンズ移動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記第２レンズは、円錐面を前記第１レンズ側又は前記第３レンズ側に向けたアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光照射装置。
4. 前記第２レンズは、円錐面を前記第１レンズ側及び前記第３レンズ側に備えたアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光照射装置。
5. 前記第２レンズは、円錐面を前記第１レンズ側又は前記第３レンズ側にそれぞれ備えた一対のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光照射装置。
6. 前記円錐面の頂点の角度が、１２０°〜１５０°であることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の光照射装置。
7. 前記第１レンズは、両凸レンズ、平凸レンズ又は凸凹レンズであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光照射装置。
8. 前記第３レンズは、両凸レンズ、平凸レンズ、又は凸凹レンズであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光照射装置。
9. 前記光照射装置から照射される光が、紫外域の波長の光であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光照射装置。
10. 前記紫外域の波長の光は、紫外線硬化型樹脂に作用する波長を含む光であることを特徴とする請求項９に記載の光照射装置。

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