(57)【要約】  光ファイバのコア外側に存在する光吸収率の高い層において、光吸収に起因する温度上昇の結果生じる光ファイバの性能劣化や安全性低下の問題を、簡易な方法により解決する。光線を閉じ込めて伝送するコア１６と前記コアの外周を覆う被覆部材１００であるクラッド層１７および被覆層１８とを備える光ファイバ芯線１５において、前記被覆部材１００の装着開始部２２を覆い前記被覆部材１００と直接接する熱伝導部材２３を備え、該熱伝導部材２３を周囲との熱交換により冷却することで被覆部材１００を冷却する構成とする。
2010087145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を閉じ込めて伝送するコアと前記コアの外周を覆う被覆部材とを備える光ファイバ芯線の前記被覆部材の装着開始部を覆い前記被覆部材と直接接する熱伝導部材を備える光ファイバ。
【請求項２】
被覆部材の装着開始部からコアが突出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
熱伝導部材は周囲との熱交換により被覆部材を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
熱伝導部材は外部からの圧力により変形させられることで被覆部材と直接接することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
光ファイバ芯線の長さ方向の熱伝導部材の長さは、コアから被覆部材へ漏れ出す光量の第一ピークを覆う長さより長いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
熱伝導部材の被覆部材と接する面に突起部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
熱伝導部材は、光ファイバ芯線を固定する機能を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項８】
被覆部材はクラッド層または被覆層であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の光ファイバを備えたことを特徴とする照明用光源装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の照明用光源装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明用光源装置や画像表示装置等において、光伝送手段として用いられる光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源と、この光源から射出される光の出力端が別位置に配置されるような光源装置においては、光伝送路の構成に高い自由度を与えることが可能な、光ファイバがよく用いられる。特に、光源に、微小サイズの発光点から指向性の高い光を射出することが可能なレーザを用いる場合には、光ファイバへのレーザ光の入射において高い光利用効率が得られるため、光ファイバはレーザ光源を採用した光源装置の光伝送手段として有効である。【０００３】
光ファイバ芯線は、光を導くコアと、被覆部材であるクラッド層、被覆層から構成される。このクラッド層、被覆層は、一般に樹脂系材料等の光吸収率が高い材料からなるものが多く、これらの層に光が入射すると、光吸収に起因する温度上昇が生じる。特に、光ファイバ入射端面や入射端近傍においては、光ファイバの結合部からの光線の漏れが多く被覆部材であるクラッド層または被覆層に光が入射する場合に、コア外周のクラッド層または被覆層における発熱量が大きくなり、光ファイバの物性変化や熱損傷による性能劣化や、燃焼による安全性低下の問題を引き起こす可能性がある。【０００４】
光通信機器等、光源に低出力のレーザ光源を採用する場合には、上記光吸収に起因した発熱量が小さく、特に放熱構造を必要としない。一方、レーザ加工装置等、光源に高出力のレーザ光源を採用する場合には、光ファイバ入射端における光吸収量が大きくなるため、温度上昇を抑制するための放熱構造が必要となる。【０００５】
たとえば、実開昭５９−３８４０３号（特許文献１）には、光ファイバ外周に冷却用流体の通路を備え、その通路内に水等の冷却流体を流入させることにより光ファイバを冷却する装置が開示されている。また、特開昭６１−２２１７０４号（特許文献２）には、光ファイバ端部に半導体素子を備え、ペルチェ効果により光ファイバを冷却する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭５９−３８４０３号公報
【特許文献２】特開昭６１−２２１７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
照明用光源装置や画像表示装置等に用いられるレーザ光源は、レーザ加工装置等に使用されるレーザ光源ほどには高出力ではないが、比較的に高い出力のものが採用されるため、レーザ光源の光が結合される光ファイバ入射端においても、温度上昇を抑制するための放熱構造が必要となる。しかしながら、前記水冷装置やペルチェ装置を備える方法は装置が複雑になるという問題を有しており、装置の小型化、低コスト化等のため簡易な構成が要求される照明用光源装置や画像表示装置等に備える放熱構造としては最適ではない。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な構成にて光ファイバ入射端の放熱を効率良く行い、比較的高い出力を有するレーザ光の伝送を可能にする光ファイバ、また、この光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光ファイバは、光線を閉じ込めて伝送するコアと前記コアの外周を覆う被覆部材とを備える光ファイバ芯線の前記被覆部材の装着開始部を覆い前記被覆部材と直接接する熱伝導部材を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で光ファイバ入射端部の温度上昇を抑え、比較的高い出力を有する光線の伝送を可能にする光ファイバ、また、この光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１を示す光ファイバの構成を示す断面図である。
【図２】クラッドに漏れ出す光の空間光強度分布を示す特性図である。
【図３】実施の形態２を示す光ファイバの構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態３を示す光ファイバの構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態４を示す光ファイバの構成を示す斜視分解図である。
【図６】実施の形態５を示す光ファイバの構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態６を示す光ファイバのコアの中の光線の伝播を示す断面図である。
【図８】実施の形態６を示す光ファイバのコアの中の光線の伝播を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る光ファイバについて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態に発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は実施の形態１における光ファイバの構成を示す断面図、図２はクラッド層に漏れ出す光の強度分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。本実施の形態１の光ファイバ１４は、光ファイバ芯線１５と熱伝導部材２３から構成される。光ファイバ芯線１５は、光吸収率の低い石英ガラスからなるコア１６と、石英ガラスより屈折率が低いフッ素含有樹脂からなるクラッド層１７と、ＵＶ硬化樹脂からなる被覆層１８から構成される。
【００１４】
クラッド層１７および被覆層１８で構成される被覆部材１００は、光ファイバ１４の光入射端１９から図１中右方向である光ファイバ１４の光出射端（図示せず）の方向に略１５ｍｍの位置まで除去されている。すなわち、コア１６は被覆部材１００の装着開始部２２から略１５ｍｍ突出し、コア突出部２０においてコア１６の外周は空気層に接している。被覆部材１００の装着開始部２２の近傍には、高い熱伝導率と耐熱性を有する黄銅を母材とし、その中心に光ファイバ芯線１５の外周つまり被覆層１７の外形より微小に大きい直径の挿入穴が貫通している筒状の熱伝導部材２３が取り付けられている。
【００１５】
熱伝導部材２３の挿入穴に光ファイバ芯線１５が通され、熱伝導部材２３の光入射側の端部２４は、被覆部材１００の装着開始部２２より略０．１ｍｍ光ファイバ１４の図１中左方向である光入射端１９側に位置するように取り付けられている。この熱伝導部材２３は、外部からの圧力により変形させられることにより被覆層１８と直接に接する。光ファイバ芯線１５は、熱伝導部材２３が備えられる位置より図１中右方向である光ファイバ１４の光出射端側の位置で、図示しないフェルールに固定される。
【００１６】
上記のように、光ファイバ１４の光ファイバ芯線１５は、石英ガラスからなるコア１６と、フッ素含有樹脂からなるクラッド層１７と、ＵＶ硬化樹脂からなる被覆層１８より構成される。これは、コア１６には高屈折率のガラス系材料、クラッド層１７には低屈折率の樹脂系材料を使用することにより、コア１６とクラッド層１７の屈折率差により決定される光ファイバ１４の許容受光角を大きくすることができるためである。また、クラッド層１７の外周を覆いクラッド層１７の表面を保護する被覆層１８においては、製造性の高さからＵＶ硬化樹脂や熱硬化樹脂が採用されている。
【００１７】
一般的に、光ファイバの被覆部材１００であるクラッド層１７または被覆層１８には、本実施の形態１と同様に、光ファイバの許容受光角の広角化や製造性の高さから樹脂系材料が広く用いられる。これらの樹脂系材料は、一般に光吸収率が高く、特に短波長の光に対して光吸収率が顕著に増加する。照明用光源装置や映像表示装置等は、可視光領域である３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの光を使用することが多く、特に青色を表示するために用いられる５００ｎｍ以下の光は樹脂系材料において光吸収率が高い。また、これらの樹脂系材料は熱伝導性や耐熱性に乏しく、光吸収により発生した熱が放出されないため局所的に高温になり、性能劣化や損傷等の問題が生じる。
【００１８】
本実施の形態１においては、被覆部材１００に樹脂系材料を使用しながらも、被覆部材１００で発生する熱を効率良く放熱する構造を有するため、光ファイバ１４の許容受光角の広角化や高い製造性を実現しながら、性能劣化や損傷による安全性の低下を抑制することが可能となる。詳しくは、光線の漏れにより高温となる被覆部材１００の装着開始部２２を覆うように熱伝導部材２３を備え、例えば、図１中の白矢印の方向に熱伝導部材２３に外側から圧力を加え、熱伝導部材２３を変形させることにより被覆層１８と熱伝導部材２３を直接に密着させ熱源である被覆部材１００と放熱部材である熱伝導部材２３との間の熱抵抗を小さくしている。
【００１９】
また、熱伝導部材２３を取り付けることで、冷却ファンなどを使用せず、光ファイバの周辺の自然対流による自然冷却で冷却きるが、冷却効果が不足する場合には冷却風を積極的に取り入れて熱伝導部材２３に吹き付けて冷却すると効率良く高い放熱効果を得られる。
【００２０】
本実施の形態１の光ファイバ１４は、コア１６が被覆部材１００の装着開始部２２から略１５ｍｍ突出し、このコア突出部２０においてコア１６の外周が空気層に接している。このコア突出部２０により、光ファイバ結合光学系の設置ずれやレーザ光源の揺らぎ等により、光ファイバ１４の入射端面１９において光結合漏れが発生した場合にも、光ファイバ入射端１９に光吸収率の高い被覆層１８が存在しないため、光ファイバ芯線１５は光ファイバ入射端１９における損傷や性能劣化を回避することができる。
【００２１】
しかしながら、光ファイバ１４の許容受光角以上の光が光ファイバ１４に入射する、あるいは光ファイバ１４に入射した光が散乱するなどして、光ファイバ１４の許容受光角を越えた光が存在する場合には、上記のように光入射端１９の被覆部材１００を除去することのみでは、伝播光がコア１６から被覆部材１００へ漏れ出すことによる被覆部材１００の温度上昇を回避することができない。なぜなら、空気は存在する最も屈折率の低い物質であり、ガラス系材料からなるコア１６に対しその周囲を空気層とした場合には光ファイバ受光角は９０度となり、如何なる入射角度をもつ光であってもコア１６内を伝播することができる。
【００２２】
一方、コア１６の周囲に被覆部材１００を備えた部位においては、コア１６と被覆部材１００の屈折率差により決まる光ファイバ許容受光角は、コア１６と空気層との屈折率差から決まる光ファイバ許容受光角より小さくなる。従って、散乱等により光ファイバ１４の許容受光角を超えた光は、コア突出部２０においては減衰することなく伝播し、被覆部材１００の装着開始部２２に差し掛かるとコア１６の外へと漏れ出すため、被覆部材１００の装着開始部２２における温度上昇が顕著に生じる。
【００２３】
光ファイバ許容受角より大きい入射角度を有する光が光ファイバに入射した場合に、コア１１の外側にあるクラッド層１７に漏れ出す光の強度分布をシミュレーションした結果を図２に示す。ここで、図２（ａ）はクラッド層１７に漏れ出す光の２次元の空間光強度分布を示し、横軸はクラッド層装着開始部１３からの距離であり、その一目盛は０．２ｍｍである。図２（ｂ）は１次元光強度分布を示し、横軸はクラッド層装着開始部１３からの距離であり、一目盛は０．２ｍｍである。また、縦軸は光強度であるが、本シミュレーションでは光強度分布の傾向のみを確認することを目的とするため、その単位は任意としている。
【００２４】
本シミュレーションにおいては、開口数０．４５（許容受光角半角２６．７度）の光ファイバ９に対し、最外殻光入射角度半角３０度の光１０を入射させている。光源１０は均一な空間光強度分布、角度光強度分布を有する均一光源とした。光ファイバ入射端から１５ｍｍの位置までは屈折率１．５０のコアがその周囲を屈折率１．００の空気層に囲まれ、１５ｍｍより後方においてはコア１１の外周に屈折率１．４３のクラッド層１２が装着されている。
【００２５】
図２より明らかなように、光ファイバ許容受光角以上の光は、コア１１とクラッド層１２の境界面において反射する毎にその一部の光がクラッド層１２に漏れ出しており、特にクラッド層１２の装着開始部１３の近辺においてその漏れ光量が顕著に大きい。なお、図２では図１で説明した光ファイバ芯線１５に相当するものを光ファイバ９としている。
【００２６】
図２（ｂ）から、クラッド層１２の装着開始部１３から０．５ｍｍから１．４ｍｍの範囲で最も漏れ出す光の強度が高いことがわかる。このことからクラッド層１２の温度上昇を推定すると、クラッド層装着開始部１３から０．５ｍｍから１．４ｍｍの範囲の光強度が高い部位をピークとして、その位置およびその位置に近接する被覆層端部１３まで熱が伝わり、温度も十分高くなると考えられる。また、図２のシミュレーション条件においては被覆端部１３に入射する光がないが、例えば光の入射角度がもっと大きい場合、より被覆端部１３に近い位置に入射する光が存在する可能性があり、その部位で熱が発生することになる。
【００２７】
このことからも、被覆端部１３を熱伝導部材２３で覆うことにより被覆端部１３を含む被覆部材１００の装着開始部分の温度上昇による熱損傷、性能劣化を抑えることができる。図１では熱伝導部材２３は図１中左右方向である光ファイバ９の軸方向に一定の長さを有しているが、その長さは少なくとも図２（ｂ）における光の強度の第一ピークの範囲を覆うように形成されている。
【００２８】
本実施の形態１の光ファイバ１４は、上記理由に基づき、被覆部材１００の装着開始部２２を含む被覆部材１００の装着開始部分を熱伝導部材２３で覆い、温度上昇が顕著に生じる被覆部材１００の装着開始部分と熱伝導部材２３が直接に接する構成をとる。被覆部材１００の装着開始部分にて発生した熱は熱伝導部材２３に伝わり、また熱伝導部材２３は、熱伝導部材２３の周囲の空気との熱交換による自然冷却によって被覆部材１００を冷却する。本構成によると、熱源となる被覆部材１００の装着開始部２２を含む被覆部材１００の装着開始部分と熱伝導部材２３とが直接接するため、その間の熱抵抗が小さくなり、効率の良い放熱作用が得られる。
【００２９】
また、熱伝導部材２３は外部から圧力を加え変形させることにより熱源となる被覆部材１００と熱伝導部材２３とが隙間無く接するため、それらの間の熱抵抗が小さくなり、高い放熱効果を得ることができる。
【００３０】
熱伝導部材２３を変形させる方法としては、例えば円筒形状の熱伝導部材２３に、軸に平行な切り込みを一端から入れ、切り込みの無い他端を固定端として片持ち梁のように撓ませる方法が考えられる。この場合、円筒形状の外径が切り込みの無い端面から切り込みのある端面に向けて徐々に小さくなる傾斜をもった形状とする。一方、その傾斜に対応する傾斜した内径をもつ円筒形状のスリーブ部材を熱伝導部材２３の外側に熱伝導部材２３の切り込みのある端部の軸方向から挿入する。これにより、スリーブ部材の傾斜を持った内壁により熱伝導部材２３の切り込みのある端部側が内径側に撓み光ファイバ芯線１５の被覆層１８に密着する。
【００３１】
本実施の形態１の光ファイバ１４は、熱伝導部材２３の光入射側端部２４が被覆部材１００の装着開始部２２より光入射側０．１ｍｍの位置に取り付ける構成としたが、本発明はこれに限られるものではない。最も温度上昇が顕著に生じる被覆部材１００の装着開始部２２を含む被覆部材１００の装着開始部分における放熱効果を高めるため、被覆部材１００の装着開始部２２を含む被覆部材１００の装着開始部分と熱伝導部材２３との間の熱抵抗を小さくする構成であればよく、熱伝導部材２３の光入射側端部１９端面が必ず、被覆部材１００の装着開始部２２端面と同一面上にあるか、もしくは装着開始部２２より光ファイバ１４の光入射端１９側に位置すれば良い。但し、製造工程の簡易化を考慮し、熱伝導部材２３の光入射側端部２４を被覆部材１００の装着開始部２２より０．１ｍｍから１ｍｍ程度光入射側に配置する構成とすることが望ましい。
【００３２】
本実施の形態１の光ファイバ１４は、コア１６が被覆部材１００の装着開始部２２から略１５ｍｍ突出し、該コア突出部２０においてコア１６の外周が空気層に接する構成としたが、本発明はこれに限られるものではない。温度上昇が最も顕著に生じる被覆部材１００の装着開始部２２を含む被覆部材１００の装着開始部分に熱伝導部材２３を必ず接触させて高い熱伝導効果および放熱効果を得ることが重要である。
【００３３】
本構成が達成されていれば、コア突出部２０の長さに依らず大きな効果が得られるが、被覆部材１００の装着開始部２２を図１中右側である後方にずらしコア突出部２０を長くとることにより、光ファイバ１４内を伝播した光の空間強度分布が均一化された後に被覆部材１００の装着開始部２２から光が被覆部材１００に漏れ出すため、漏れ出す光のエネルギー密度が低減され、局部的に高温になることを阻止することが可能となる。
【００３４】
従って、できる限り被覆部材１００であるクラッド層１７および被覆層１８の装着開始部２２を光ファイバ入射端１９から遠い位置にすることが望ましい。このように、コア突出部２０を設けることと、被覆部材１００の装着開始部２２に熱伝導部材２３を設けることを併用することで、より光ファイバ１４の温度上昇を抑えることができる。この場合、被覆部材１００が装着されている部位にて成される光ファイバの固定も、光ファイバ入射端１９から離れた位置にて施されることになるため、該構成が光ファイバ先端部の位置精度や強度等に及ぼす影響も考慮される必要がある。
【００３５】
熱伝導部材２３の長さを決めるための光入射側端部２４の位置は被覆部材装着開始部２２の位置から決まる。一方、光出射端側端部２Ａの位置は、少なくとも、光ファイバ１４の許容受光角以上の角度で光ファイバ１４に入射する光が、被覆部材１００の装着開始部２２より後方つまり、図１中右側の光ファイバ１４の光出射端側方向で最初に反射する位置より後方にあることが必要である。これにより、コア１６外へ漏れ出す光量が顕著に多く、これにより発熱量が大きくなる被覆部材１００の部位が熱伝導部材２３と必ず接するため、効率良く放熱作用がなされる。
【００３６】
以上のように、本実施の形態１に係わる光ファイバ１４は、光ファイバ芯線１５の被覆部材１００であるクラッド層１７または被覆層１８の光入射端１９近傍部を除去し、被覆部材１００の装着開始部２２を熱伝導部材２３により覆い、この熱伝導部材２３に外部から圧力を加え変形させて熱伝導部材２３と被覆部材１００とを直接に密着させる構成とすることにより、簡易な構成にて高い放熱効果を得て光ファイバ入射端部の温度上昇を抑えることができる。これにより、光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【００３７】
実施の形態２．
本実施の形態２の光ファイバ２５は、熱伝導部材３３ならびに光ファイバ芯線２６が光吸収率が低い石英ガラスからなるコア２７および石英ガラスより屈折率が低いフッ素含有樹脂からなるクラッド層２８から構成されている。図３は、実施の形態２における光ファイバ２５の構成を示す断面図である。
【００３８】
光ファイバ２５の光入射端２９から１０ｍｍ後方の位置まで被覆部材であるクラッド層２８が除去されコア２７が突出し、このコア突出部３０においてコア２７外周が空気層に接している。クラッド層２８の装着開始部３２の近傍には、高い熱伝導率を有する黄銅を母材とし、光ファイバ芯線２６の外周を覆う筒状の熱伝導部材３３が、熱伝導部材３３の光入射側端部３４がクラッド層２８の装着開始部３２より０．１ｍｍから１ｍｍ程度図３中左側である光入射端２９側に位置するよう備えられる。熱伝導部材３３を外側から圧力を加え変形させることによりクラッド層２８に押し当て、熱伝導部材３３とクラッド層２８とを密着させる。光ファイバ芯線２６は、熱伝導部材３３が備えられる位置より図３中右側である後方にて、フェルール（図示せず）に固定される。
【００３９】
以上より、本実施の形態２の光ファイバ２５は、実施の形態１と同様の放熱効果を得ることができる。本実施の形態２においては、熱源となるクラッド層２８と直接接しており、クラッド層２８と熱伝導部材３３との間の熱抵抗が非常に小さくなるため、クラッド層２８に対し高い熱伝導効果および放熱効果を得ることが可能となる。これにより、簡易な構成にて高い放熱効果を得て光ファイバ入射端部の温度上昇を抑えることができ、光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【００４０】
実施の形態３
本実施の形態３では、熱伝導部材４４の内側面の部分に三角形の突起部４４０を有する場合を示す。図４は、実施の形態３における光ファイバ３５の構成を示す断面図であるである。
【００４１】
本実施の形態３の光ファイバ３５は、光ファイバ芯線３６が光吸収率の低い石英ガラスからなるコア３７、石英ガラスより屈折率が低いフッ素含有樹脂からなるクラッド層３８、ＵＶ硬化樹脂からなる被覆層３９から構成されている。被覆部材３００であるクラッド層３８および被覆層３９は、光ファイバ３５の光入射端４０から１０ｍｍ程度図４中右側である後方の位置まで除去されている。コア３７は被覆部材３００から突出し、そのコア突出部４１においてコア３７外周が空気層に接している。
【００４２】
クラッド層３８および被覆層３９の装着開始部４３の近傍には、光ファイバ芯線３６の外周面を覆う筒状で高い熱伝導率を有する黄銅を母材とする熱伝導部材４４が備えられている。熱伝導部材４４は、内側面の部分に三角形の突起部４４０を有している。熱伝導部材４４の光入射側端部４５は、被覆部材３００の装着開始部４３より０．１ｍｍから１ｍｍ程度図４中左側である光入射側に位置している。熱伝導部材４４を外部から圧力を加え変形させることにより被覆層３９に押し当て、熱伝導部材４４と被覆層３９とを密着させる。光ファイバ芯線３６は、熱伝導部材４４が備えられる位置より後方にて、図示しないフェルールに固定される。
【００４３】
本実施の形態３の光ファイバ３５によれば、実施の形態１に記述したとおり、光吸収率の高い被覆部材３００の装着開始部４３の近傍においてコア３７から光が漏れ出すことにより、被覆部材３００において光吸収に起因する温度上昇が生じる。しかし、被覆部材３００の装着開始部４３を含む被覆部材３００の装着開始部分を覆うように熱伝導部材４４を備え、熱伝導部材４４に外側から圧力を加え変形させることにより被覆層３９と熱伝導部材４４を直接密着させる。
【００４４】
これにより、熱源である被覆部材３００と放熱部材である熱伝導部材４４との間の熱抵抗を小さくし、熱伝導部材４４が周囲の空気との熱交換による自然冷却によって被覆部材３００を冷却する構成とする。熱伝導部材４４は、効率良く高い放熱効果により被覆部材３００の温度上昇が抑制し、光ファイバの性能劣化を回避し、信頼性を向上させることが可能となる。特に本実施の形態３の熱伝導部材４４は、被覆層３９と接する面において突起部４４０を有するため、被覆層３９と接する表面積が大きくなり、より高い放熱効果が得られ、さらなる温度上昇抑制能力を有する。
【００４５】
以上より、簡易な構成にて高い放熱効果を得て光ファイバ入射端部の温度上昇を抑えることができ、光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態３の熱伝導部材４４は、筒形状の円周方向に伸びる三角形の突起形状を成しているが、本発明はこれに限られるものではい。その突起形状は、例えば筒形状の長さ方向である軸方向に伸びる三角形の突起形状でも良く、また三角形ではなく波型や矩形形状等、被覆層３９との接する表面積が大きくなる形状であれば如何なる形状でもよい。
【００４７】
実施の形態４
本実施の形態４では、２つの熱伝導部材５２ａ、５２ｂが光ファイバ芯線４７の被覆層５０を挟む構成の場合を示す。図５は実施の形態４における光ファイバ４６の構成図を示す斜視分解図である。
【００４８】
本実施の形態４の光ファイバ４６は、熱伝導部材５２ａ、５２ｂならびにコア４８および被覆層５０からなる光ファイバ芯線４７で構成されている。コア４８は光吸収率の低い石英ガラスからなり、クラッド層４９は石英ガラスより屈折率の低いフッ素含有樹脂、被覆層５０は石英ガラスより屈折率の低いＵＶ硬化樹脂からなる。
【００４９】
クラッド層４９および被覆層５０からなる被覆部材４００の装着開始部５１の近傍には、高い熱伝導率を有する黄銅を母材とする熱伝導部材５２ａ，５２ｂが備えられる。熱伝導部材５２ａ，５２ｂの光入射側端部５３ａ，５３ｂは、被覆部材４００の装着開始部５１より０．１ｍｍから１ｍｍ程度図５中左側である光入射側に位置するよう備えられる。熱伝導部材５２ａ，５２ｂは、光ファイバ芯線４７の外径より微小に小さい径の溝部５２０ａ、５２０ｂを有する。光ファイバ芯線４７は、熱伝導部材５２ａ，５２ｂが備えられる位置より図５中右側である後方にて、図示しないフェルールに固定される。
【００５０】
板形状の部材である熱伝導部材５２ａ，５２ｂは、光ファイバ芯線４７と対向する面に、光ファイバ芯線４７の外径より微小に小さい径の半円状の断面で１次元方向である直線形状に延びる溝部５２０ａ，５２０ｂを有する。光ファイバ芯線４７は、熱伝導部材５２ａ，５２ｂの半円状の溝部５２０ａ，５２０ｂに、その被覆部材４００の装着開始部５１が熱伝導部材５２ａ，５２ｂの光入射側端部５３ａ，５３ｂよりも０．１ｍｍから１ｍｍ程度図５中右側である図示しない光ファイバ出射端側に位置するように配置される。熱伝導部材５２ａと５２ｂとは、ネジにより接続固定される。これにより、熱伝導部材５２ａと５２ｂの溝部５２０ａ，５２０ｂは、光ファイバ芯線４７の被覆層５０を圧縮し、光ファイバ被覆層５０と直接に密着する。
【００５１】
本実施の形態４の光ファイバ４６の図５中左側である光入射端側では、光吸収率の高い被覆部材４００の装着開始部５１を含む被覆部材４００の装着開始部分において、コア４８から光が漏れ出す。被覆部材４００において光が吸収され発熱するが、被覆層４７が熱伝導率の高い熱伝導部材５２ａ，５２ｂと密着しているため、クラッド層４９や被覆層５０における温度上昇が抑制される。これにより、光ファイバの性能劣化を回避することができ、信頼性を向上させることが可能となる。
【００５２】
以上より、簡易な構成にて高い放熱効果を得て光ファイバ入射端部の温度上昇を抑えることができ、光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【００５３】
実施の形態５．
本実施の形態５では、熱伝導部材がフェルールと一体である場合を示す。図６は実施の形態５における光ファイバ５５の構成を示す断面図である。
【００５４】
本実施の形態５の光ファイバ５５は、熱伝導部材の機能を有するフェルールならびにコア５７およびクラッド層５８からなる光ファイバ芯線５６から構成される。コア５７は光吸収率が低い石英ガラスからなり、被覆部材５００は石英ガラスより屈折率が低いフッ素含有樹脂からなるクラッド層５８とＵＶ硬化樹脂からなる被覆層５９とから構成される。
【００５５】
光ファイバ芯線５６のクラッド層５８と被覆層５９とからなる被覆部材５００は、光入射端６０から１０ｍｍ程度図６中右側である後方の位置まで除去され、コア５７が被覆部材５００から突出している。フェルール６３の内径は、コア５７の直径より大きく、コア突出部６１においてコア５７の外周は空気層に接している。
【００５６】
光ファイバ芯線５６は、光ファイバ芯線５６の径よりも内径が大きい貫通穴を有する黄銅製フェルール６３に通される。フェルール６３の、クラッド層５８および被覆層５９の装着開始部６４を含む被覆部材５００の装着開始部分に対応する部位６５を外側から圧縮することにより、フェルール６３と被覆層５９を密着させる。このとき、フェルール圧縮部６５の光入射側位置６６は、クラッド層５８および被覆層５９の装着開始部６４より０．１ｍｍから１ｍｍ程度図５中左側である光入射側に位置する。
【００５７】
本実施の形態５の光ファイバ５５においては、フェルール６３に、光ファイバ芯線５６を固定する機能に加え、前記実施の形態１から４と同様、熱伝導率の高い部材であるフェルール６３を光吸収率の高い被覆部材５００に密着させる。フェルール６３は、周囲の空気との熱交換による自然冷却によって被覆部材５００を冷却する。これにより、フェルール６３に高い放熱効果による温度上昇抑制機能を付加することができ、少ない部品数により、光ファイバの性能劣化を回避し、信頼性を向上させることが可能となる。
【００５８】
以上より、簡易な構成にて高い放熱効果を得て光ファイバ入射端部の温度上昇を抑えることができ、光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【００５９】
本実施の形態１から５においては、コアに石英ガラス、クラッドにフッ素含有樹脂、被覆にＵＶ硬化樹脂を用いたが、本発明はこれに限るものではない。コア材料には光吸収率の低い材料を採用し、またクラッド材料には必要な光ファイバ許容受光角を実現する屈折率を有した材料を採用すれば、製造上問題のない範囲において如何なる材料を採用してもよい。このとき、クラッドの材料として、光吸収率が低く、コア材料より低い屈折率を有する例えばドープドガラス等を使用する場合は、熱伝導率の高い部材は光吸収率の高い被覆の装着開始部に密着させる構成とすることにより、温度上昇による光ファイバの性能劣化を回避し、信頼性を向上させることが可能となる。
【００６０】
本実施の形態１から５においては、熱伝導部材の光入射側端部が被覆部材であるクラッド層または被覆層の装着開始部より０．１ｍｍないし１ｍｍ程光入射側に配される構成としたが、本発明はこれに限るものではない。最も温度上昇が顕著に生じる被覆部材の装着開始部における放熱効果を高めるため、被覆部材の装着開始部と熱伝導部材との間の熱抵抗を小さくすることが重要であり、熱伝導部材の光入射側端部が、被覆部材の装着開始部と同一平面上にくるか、あるいは被覆部材の装着開始部より光ファイバの光入射端側に位置すれば良い。但し、組立てばらつきに対する製造工程の簡易化を考慮し、熱伝導部材の光入射側端部を被覆部材の装着開始部より０．１ｍｍから１ｍｍ程光入射側に配置する構成とすることが望ましい。
【００６１】
本実施の形態１から５おいては、熱伝導部材やフェルールの母材を黄銅としたが、本発明はこれに限るものではない。鉄、アルミニウム、ステンレス等から成る、熱伝導率の高い他の部材を採用してもよい。また、放熱性を向上させるため、放熱フィン等を設けることは有効である。
【００６２】
本実施の形態１から５においては、クラッド層または被覆層の装着開始部は光ファイバ入射端から１０ｍｍあるいは１５ｍｍ程後方の位置としたが、本発明はこれに限るものではない。先に述べたように、クラッド層あるいは被覆層において最も温度上昇が顕著に起こるのがそれらの装着開始部であるから、該部分が必ず熱伝導部材に覆われ、密着することが重要である。本構成が達成されていれば、被覆部材の装着開始部の位置に依らず大きな効果が得られる。
【００６３】
しかし、被覆部材の装着開始部を後方にずらしコア突出部の長さを長くすることにより光ファイバ入射端面における損傷が回避できる。また、光ファイバ内を伝播した光は空間強度分布が均一化された後に被覆部材の装着位置に到達するため、被覆部材の装着開始部における光のエネルギー密度が小さくなり、光がコア外に漏れ出すことにより被覆部材が局部的に高温になることを阻止することが可能となる。従って、できる限り被覆部材であるクラッド層または被覆層の装着開始部を光ファイバ入射端から遠い位置にすることが望ましい。この場合、被覆部材であるクラッド層または被覆層が装着されている部位にて成される光ファイバの固定も、光ファイバ入射端から離れた位置にて施されることになるため、該構成が光ファイバ先端部の位置精度や強度等に及ぼす影響も考慮される必要がある。
【００６４】
実施の形態６．
実施の形態６では、熱伝導部材２３に必要な長さについて説明する。図７、図８は光ファイバ芯線１５の断面図でコア１１の中の光線１０ａの伝播を示している。なお、光線１０ａのコア１１内の伝播を分かり易くするために、コア１１の切断面に平行斜線を引いていない。また、被覆部材はコア１１と直接接しているクラッド層１２としている。
【００６５】
光線１０ａは光ファイバ入射端１９でスネルの法則に従い屈折する。その後コア１１の壁面で全反射して進行していく。しかし、被覆部材がコア１１を被覆する部分に入ると、コア１１と被覆部材との屈折率差が、コア１１と空気との屈折率差より小さくなるため全反射角より小さい反射角の光線１０ａは被覆部材の方に進行し、光線１０ａがコア１１外に漏れ出すことになる。
【００６６】
ここで、光ファイバ芯線１５の許容受光角をθｍａｘ、コア１１とクラッド層１２との境界面における臨界角をθｃ、光ファイバ芯線１５のコア１１の直径をｄ、クラッド層１２の屈折率をｎｃ、コア１１の屈折率をｎｇ、クラッド層１２を除去したコア突出部２０の長さをＬ、光ファイバ入射端１９から光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２との境界面に入射する位置までの長さをａ、被覆部材装着開始部２２から光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２の境界面に入射する位置までの長さをＸ、クラッド層１２を装着している部分のうち光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２の境界面において反射したときのコア１１内での総反射回数をαとすると、コア１１とクラッド層１２との境界面における臨界角θｃは次の式（１）で表される。なお、光ファイバ許容受光角とは、光ファイバ入射端面への光結合部において、入射端面の法線と光線のなす角度のうち光ファイバ内を伝播可能な最大の角度を指し、これはコアとクラッド層との屈折率の比により一意に決まる。レーザ光の角度強度分布は、一般的に中心強度が高く、広角になるにつれ指数関数的に強度が低くなる形状を有しているが、広角においても若干の強度を有している。このようなレーザ光を光ファイバに入射する場合、レーザ光の角度強度分布の全ての光線を光ファイバ許容受光角θｍａｘ内に入れることは実質的には困難であり、広角範囲に存在する光は光ファイバの許容受光角θｍａｘを超える光として光ファイバ内に入射することになる。これらの光は臨界角をθｃを超えるため、クラッド層１２に漏れ出す。これらのことを考慮すると、光ファイバ許容受光角θｍａｘが最初にクラッド層１２の部分で反射する位置までを熱伝導部材２３で覆うことが実際的で有効であることがわかる。
【００６７】
【数１】
2010087145.tif 000003
【００６８】
光ファイバ許容受光角θｍａｘは次の式（２）で表される。
【００６９】
【数２】
2010087145.tif 000004
【００７０】
光ファイバ入射端１９から光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２との境界面に入射する位置までの長さａは次の式（３）で表される。
【００７１】
【数３】
2010087145.tif 000005
【００７２】
被覆部材装着開始部２２から光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２との境界面に入射する位置までの長さＸは、長さａと長さＬとの差であるため、長さＸは次の式（４）で表される。
【００７３】
【数４】
2010087145.tif 000006
【００７４】
ただし、被覆層１８を装着している部分のうち光ファイバ許容受光角θｍａｘの光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２の境界面において反射したときのコア１１内での総反射回数αは、次の式（５）を満たす整数である。
【００７５】
【数５】
2010087145.tif 000007
【００７６】
以上より、光線１０ａが最初にクラッド層１２に漏れ出す位置は、被覆部材装着開始部２２から式（４）で表される長さＸの位置までであることがわかる。一方、光線１０ａがクラッド層１２に漏れ出す量は、最初に光線１０ａが初めてコア１１とクラッド層１２の境界面に入射する場合であることから、熱伝導部材２３の長さは、総反射回数αが式（５）の場合の式（４）で求められる長さＸより大きいことが必要である。
【００７７】
次に光線が散乱等で上述のレーザ光の角度強度分布を超える角度で入射した場合を検討する。つまり、許容受光角θｍａｘを大きく超える光が最初に被覆層に入射する可能性のある位置を必ず熱伝導部材２３で覆うための式について検討する。
【００７８】
上述のように、レーザ光の角度強度分布は、一般的に中心強度が高く、広角になるにつれ指数関数的に強度が低くなる形状を有しているが、広角においても若干の強度を有している。結合光学系では、この広角範囲に存在する光がファイバの許容受光角θｍａｘを超える光となって存在してしまう。
【００７９】
図８に示すように長さＸを求める。光が被覆部材装着開始部２２の直前の位置で反射した後、光が臨界角θcを超える入射角を入射角θsとする。つまり入射角θsの範囲は０°≦θs＜θcとなる。この入射角θsでコア１１とクラッド層１２の界面に入射する場合が、各入射角θsの光がクラッド層１２に入射し得る位置の中で最も後方になる。後方とは、図８中右側を示している。
【００８０】
従って、光が最初にクラッド層１２へと入射し得る全ての範囲を必ず熱伝導部材２３で覆うためには、熱伝導部材２３の後方の端面位置は、光ファイバ芯線１５の許容受光角θｍａｘの光が被覆部材装着開始部２２の直前の位置で反射した後、クラッド層１２に入射する位置より、後方とすることが必要となる。すなわち、熱伝導部材２３で覆われる被覆部材であるクラッド層１２の長さＸは次の式（６）で表される。
【００８１】
【数６】
2010087145.tif 000008
【００８２】
なお、式（３）ないし（５）で示した場合は、レーザ光の角度強度分布の内、角度的に少し溢れた光が被覆で吸収されることによる発熱を抑制できる条件となっており、製品を設計する上で光ファイバ許容受光角θｍａｘより若干狭い範囲で光を光ファイバに入射させる場合に近い。また、光ファイバ芯線１５の許容受光角θｍａｘ、被覆部材装着開始位置２２との組み合わせによっては熱伝導部材２３を密着させる部分が小さくて済むことになるという利点がある。
【００８３】
一方、式（６）の場合は、必要とされる熱伝導部材２３の長さＸが式（３）ないし（５）で示した場合に比べて長くなってしまう。しかし、光の散乱等によって許容受光角θｍａｘを超えた光が存在してしまう可能性もあるため、式（６）に基づき熱伝導部材２３を設ける方が確実に被覆層を冷却することができる。
【００８４】
これにより、複雑な冷却構造を使用せずに光ファイバ入射端の放熱を効率良く行うことができ、簡易な構成にて比較的高い出力を有するレーザ光の伝送を可能にする光ファイバ、該光ファイバを用いた照明用光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
レーザ光源等の光源から放射される光を本実施の形態１から５に示した光ファイバに結合し、その内部に閉じ込めて伝送することにより、簡易な構成にて、比較的高い出力を提供可能な光源装置とすることができる。また、この光源装置に照明光学系、投写光学系、およびスクリーンを備えることにより、簡易な構成により信頼性に優れた照明用光源装置あるいは映像表示機器を提供することができる。大画面映像表示機器の光源として、高い出力が必要な場合においても、本発明の光源装置を複数台搭載することにより、高輝度かつコンパクトな大画面映像表示機器を提供することが可能となる。【００８６】
本発明の光ファイバは、照明用光源装置や映像表示機器の他にも、比較的高い出力のレーザ光を必要とする機器に対して有効である。たとえば、レーザ顕微鏡や、レーザ計測装置、レーザ加工機、フォトリソグラフィー、固体レーザ励起等の光源装置として使用することが可能である。【００８７】
以上のように、本発明にかかる光ファイバは、熱源となりうる光吸収率が高い被覆部材の装着開始部を熱伝導性の高い部材で覆い、熱源となる被覆部材と放熱部材となる熱伝導部材を直接密着させる簡易な構成により、光吸収に起因する温度上昇により生じる光ファイバの性能劣化や安全性低下の問題を解決することを可能にする。
【符号の説明】
【００８８】
１０  光束、  １０ａ  光線  、  １１，１６，２７，３７，４８，５７  コア、  １２，１７，２８，３８，４９，５８  クラッド層、  １３，３２  クラッド層装着開始部、  ９，１４，２５，３５，４６，５５  光ファイバ、  １５，２６，３６，４７，５６  光ファイバ芯線、  １８，２１，３９，５０，５９  被覆層、  １９，２９，４０，６０  光ファイバ入射端、  ２０，３０，４１，６１  コア突出部、  ２２，４３，５１，６４  被覆部材装着開始部、  ２３，３３，４４，５２ａ，５２ｂ  熱伝導部材、  ２４，３４，４５，５３ａ，５３ｂ  熱伝導部材の光入射側端部、  ２Ａ  光出射端側端部、    １００，３００，４００，５００  被覆部材、  ５２０ａ，５２０ｂ  熱伝導部材の溝部、  ５Ａ  ネジ、  ６３  フェルール、  ６５  フェルール圧縮部、  ６６  フェルール圧縮部の光入射側位置。
【図１】
2010087145.tif 000009
【図２】
2010087145.tif 000010
【図３】
2010087145.tif 000011
【図４】
2010087145.tif 000012
【図５】
2010087145.tif 000013
【図６】
2010087145.tif 000014
【図７】
2010087145.tif 000015
【図８】
2010087145.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月2日(2011.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を閉じ込めて伝送するコアおよび前記コアの外周を覆う被覆部材を有する光ファイバ芯線と、
前記被覆部材の前記光線の入射側の装着開始部を覆い前記被覆部材と直接接する熱伝導部材と
を備える光ファイバ。
【請求項２】
前記熱伝導部材の前記光線の入射側の端面は、前記装着開始部の端面と同一面または前記装着開始部の端面より前記光線の入射側に位置することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記被覆部材の装着開始部から前記コアが突出することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記光ファイバ芯線の長さ方向の前記熱伝導部材の長さは、前記コアから前記被覆部材へ漏れ出す光量の第一ピークを覆う長さより長いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記被覆部材はクラッド層またはクラッド層及び被覆層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記熱伝導部材は外部からの圧力により変形させられることで前記被覆部材と直接接することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記熱伝導部材の前記被覆部材と接する面に突起部を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記熱伝導部材は、前記光ファイバ芯線を固定する機能を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れかに記載の光ファイバを備えたことを特徴とする照明用光源装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の照明用光源装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月6日(2011.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明による光ファイバは、光線を閉じ込めて伝送するコアと前記コアの外周を覆う被覆部材とを備える光ファイバ芯線の前記被覆部材の装着開始部を覆い前記被覆部材と直接接する熱伝導部材を備えることを特徴とする。
さらに、当該光ファイバでは、被覆部材の装着開始部から前記コアが突出し、被覆部材の光線の入射側の装着開始部は、コア内を伝搬した光線の光空間強度分布が均一となる位置に配されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を閉じ込めて伝送するコアおよび前記コアの外周を覆う被覆部材を有する光ファイバ芯線と、
前記被覆部材の前記光線の入射側の装着開始部を覆い前記被覆部材と直接接する熱伝導部材とを、備え、
前記被覆部材の装着開始部から前記コアが突出し、
前記被覆部材の前記光線の入射側の前記装着開始部は、
前記コア内を伝搬した前記光線の光空間強度分布が均一となる位置に配されている、
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記被覆部材はクラッド層またはクラッド層及び被覆層であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記光ファイバ芯線の長さ方向の前記熱伝導部材の長さは、前記コアから前記被覆部材へ漏れ出す光量の第一ピークを覆う長さより長いことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記熱伝導部材は外部からの圧力により変形させられることで前記被覆部材と直接接することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記熱伝導部材の前記被覆部材と接する面に突起部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記熱伝導部材は、前記光ファイバ芯線を固定する機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
請求項１から請求項６の何れかに記載の光ファイバを備えたことを特徴とする照明用光源装置。
【請求項８】
請求項７に記載の照明用光源装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【国際調査報告】
2010087145.tif 000017
2010087145.tif 000018
2010087145.tif 000019
2010087145.tif 000020