JP7348641B2 - 光ファイバ照明装置 - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバ照明装置に関する。

従来、光ファイバの側面を光らせて照明として用いる光ファイバ照明装置が知られている。照明装置に用いられる光ファイバは、コアの長手方向の少なくとも一端から入射された光を、クラッドを通して漏光させる。例えば、特許文献１に記載の光ファイバは、コア内部またはコアとクラッドとの境界に複数のナノサイズ構造体を設けて、比較的均一に光を散乱する。

特開２０１９－１５３５９０号公報

しかし、ナノサイズ構造体のように光を散乱させる粒子を含む光ファイバは、適切に粒子を分散させることが難しく、製造の難易度が高い。つまり、特許文献１に記載の光ファイバは、特別な方法を用いて製造される。

かかる点に鑑みてなされた本開示の目的は、製造に特別な方法を用いない光ファイバを使用し、側面からの発光量を改善した光ファイバ照明装置を提供することにある。

本開示の一実施形態に係る光ファイバ照明装置は、複数の光ファイバと、束ねられた前記複数の光ファイバを覆って光を発する樹脂外装と、を有し、第１の端部および第２の端部が研磨された光ファイバ束と、前記複数の光ファイバの開口角よりも広い角度範囲の光を前記光ファイバ束に出射するように、前記第１の端部に近接して配置される第１の光源と、を備える。

本開示の一実施形態によれば、製造に特別な方法を用いない光ファイバを使用し、側面からの発光量を改善した光ファイバ照明装置が提供され得る。

図１は、一実施形態に係る光ファイバ照明装置の外観を示す図である。 図２は、図１の光ファイバ照明装置の部分断面図である。 図３は、図２の断面領域Ａの拡大図である。 図４は、光ファイバ束の断面図である。 図５は、光源と光ファイバ束の端部との距離および入射角を説明する図である。 図６は、光源と光ファイバ束の端部との距離と、光量割合との関係を示す図である。 図７は、光の入射角の違いによる側面発光量の変化を示す図である。 図８は、光ファイバの開口数の違いによる側面発光量の変化を示す図である。 図９は、光ファイバの開口数と光量割合との関係を示す図である。 図１０は、変形例に係る光ファイバ照明装置の外観を示す図である。 図１１は、別の変形例に係る光ファイバ照明装置の外観を示す図である。 図１２は、距離ｄ、距離Ｌおよび距離ｈを説明する図である。

図１は、一実施形態に係る光ファイバ照明装置１の外観を示す図である。光ファイバ照明装置１は、外観上、樹脂外装１０１で覆われた光ファイバ束１０と、第１の光入射部２０－１と、第２の光入射部２０－２と、を有する。樹脂外装１０１は、光ファイバ束１０の側面に対応し、光を発する部分である。光ファイバ束１０は、長手方向において、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、を有する。第１の端部および第２の端部は研磨されている。第１の端部および第２の端部は、例えば光学研磨面に形成された平坦面である。第１の光入射部２０－１および第２の光入射部２０－２は、それぞれ、光ファイバ束１０の第１の端部および第２の端部に光を入射する。入射された光が光ファイバ束１０の内部で漏れ出して樹脂外装１０１によって拡散されるため、光ファイバ照明装置１の側面が発光する。本実施形態に係る光ファイバ照明装置１は、第１の光入射部２０－１および第２の光入射部２０－２を備える。しかし、光ファイバ照明装置１は、第１の光入射部２０－１および第２の光入射部２０－２のうち１つだけを備える構成であってよい。また、本実施形態において、第１の光入射部２０－１は第２の光入射部２０－２と同じ構造である。しかし、第１の光入射部２０－１は第２の光入射部２０－２と異なる構造であってよい。

図２は、本実施形態に係る光ファイバ照明装置１の部分断面図である。光ファイバ束１０は、樹脂外装１０１で覆われた発光部分と、樹脂外装１０１で覆われてなくライトガイド２０１として機能する導光部分と、を有する。光ファイバ束１０は、発光部分を挟んで、長手方向の両端付近のそれぞれに導光部分を有する。第１の光入射部２０－１は、光源２００と、筐体２０２と、スイッチ２０３と、を備える。光源２００は、光ファイバ束１０に入射される光のソースであって、例えばランプ、ＬＥＤまたはレーザ等であり得る。光源２００は、配光分布が広いもの、すなわち光が広く拡散するものが好ましい。本実施形態において、光源２００は可視光のＬＥＤである。また、筐体２０２は、光源２００、ライトガイド２０１およびスイッチ２０３の一部等を収納し、光源２００とライトガイド２０１との位置関係を定める部品である。筐体２０２は、例えば樹脂または金属等で形成され得る。本実施形態において、筐体２０２の材質は樹脂である。スイッチ２０３は、光源２００を光らせるための電子部品である。本実施形態において、スイッチ２０３が光ファイバ照明装置１のユーザによってオン状態にされると、光源２００のＬＥＤが発光して光ファイバ束１０に光が入射される。

上記のように、第２の光入射部２０－２は、第１の光入射部２０－１と同じ構造である。すなわち、第２の光入射部２０－２は、第１の光入射部２０－１と同じく、光源２００と、筐体２０２と、スイッチ２０３と、を備える。ここで、第１の光入射部２０－１と第２の光入射部２０－２の光源２００を区別する場合に、第１の光入射部２０－１の光源２００は、第１の光源２００－１と表記される。また、第２の光入射部２０－２の光源２００は、第２の光源２００－２と表記される。

図３は、図２における第１の光入射部２０－１の断面領域Ａの拡大図である。第１の光入射部２０－１において、第１の光源２００－１は、光ファイバ束１０の第１の端部１０２に発光面を向けて、近接して配置される。第１の光源２００－１と光ファイバ束１０の導光部分とは筐体２０２内に収納されており、第１の光源２００－１と第１の端部１０２との位置関係は保たれる。第２の光入射部２０－２においても、第２の光源２００－２は、光ファイバ束１０の第２の端部に発光面を向けて、近接して配置される。第２の光源２００－２と光ファイバ束１０の第２の端部との位置関係は、第２の光入射部２０－２の筐体２０２によって保たれる。

図４は、光ファイバ束１０の断面図である。光ファイバ束１０は、断面視で、中間部１００と、中間部１００を覆う樹脂外装１０１と、を有する。中間部１００において、複数の光ファイバ１１が束ねられる。本実施形態において、複数の光ファイバ１１は、少なくとも光ファイバ束１０の発光部分において、固化剤等によって固定されることなく単に束ねられた状態で可撓性のある樹脂外装１０１によって覆われる。そのため、ユーザは、光ファイバ照明装置１の発光部分を容易に曲げることができる。それぞれの光ファイバ１１は、コア１１ａと、その外周面を覆うクラッド１１ｂと、で構成される単芯光ファイバである。本実施形態において、束ねられる複数の光ファイバ１１は、開口数ＮＡが同じ１つの種類である。しかし、複数の光ファイバ１１は、開口数ＮＡの異なる２種類以上の光ファイバを含んでよい。

一般的に、光ファイバ１１の開口数ＮＡは、コア１１ａの屈折率をｎ₁とし、クラッド１１ｂの屈折率をｎ₂とし、光ファイバ１１の外部が空気（屈折率が１）とすると、下記の式（１）により求められる。

コア１１ａの屈折率ｎ₁およびクラッド１１ｂの屈折率ｎ₂は、コア１１ａおよびクラッド１１ｂが例えばガラスから構成される場合、日本光学硝子工業会規格における「光学の屈折率測定方法」を用いて測定して得られる。

式（１）において、θは光ファイバ１１の受光角度である。２θを開口角という。式（１）からわかるように、光ファイバは、コア１１ａの屈折率ｎ₁とクラッド１１ｂの屈折率ｎ₂との差が大きいと、開口数ＮＡは大きくなり、広い角度範囲の光を受光して、広い角度範囲に光を出射するようになる。逆に、光ファイバは、コア１１ａの屈折率ｎ₁とクラッド１１ｂの屈折率ｎ₂との差が小さいと、開口数ＮＡは小さくなり、狭い角度範囲の光を受光して、狭い角度範囲に光を出射するようになる。

ここで、本実施形態において、光ファイバ１１は、光を散乱させる粒子を含むようなものではなく、製造に特別な方法を用いるものでない。例えば光ファイバ１１のコア１１ａおよびクラッド１１ｂがガラスから構成される場合、以下のように、光ファイバ束１０が製造され得る。まず、コアガラスおよびクラッドガラスがそれぞれ製造される。コアガラスおよびクラッドガラスの材料は多成分ガラスである。その後、二重坩堝法により紡糸し、コアガラスとそれを覆うクラッドガラスとが同心円状にされた単芯ファイバすなわち光ファイバ１１を得る。二重坩堝法は、コア用坩堝とクラッド用坩堝とが同心円状に配設された二重坩堝を用いて、各坩堝内のコアガラスとクラッドガラスを加熱して、二重坩堝のノズルから単芯ファイバを連続的に線引き（紡糸）するものである。その後、単芯ファイバはクリーンルーム内で所定の長さに裁断される。そして、図４に示すように、裁断された５０～１０００００本程度の単芯ファイバを束ねて、樹脂外装１０１で覆うことによって、光ファイバ束１０が得られる。

上記のような製造方法で作られる光ファイバ束１０は量産性に優れる。しかし、このような光ファイバ束１０の側面から発する光量は低く、照明の用途には不十分であるとの課題があった。この課題を解決するための方途について鋭意究明したところ、光源２００と光ファイバ束１０の端部との位置関係を、光ファイバ１１の開口数ＮＡに関連する所定の関係を満足させることによって、側面発光量が向上することを見出すに至った。つまり、本実施形態に係る光ファイバ照明装置１は、光源２００と光ファイバ束１０の端部とが、以下に説明する位置関係にあることによって、十分に側面発光量を向上させることが可能である。

図５は、光源２００と光ファイバ束１０の第１の端部１０２との距離ｄおよび光の入射角θｉを説明する図である。光源２００と第１の端部１０２との距離ｄが近付くにつれて、光の入射角θｉは大きくなる。ここで、図５では、光ファイバ束１０の第１の端部１０２を例に説明するが、第２の端部についても入射角θｉと距離ｄとの関係は同じである。

上記のように、光ファイバ束１０を構成する光ファイバ１１は所定の開口数ＮＡを有しており、開口角２θが決まっている。開口角２θよりも広い角度範囲の光が入射されても、光ファイバ１１によって伝送されない光が生じる。従来、伝送効率を高めるために、集光レンズを用いて入射角θｉをθ以下にすることが通常であった。集光レンズを用いることは、光量を減らさずに、距離ｄをある程度大きくとることに対応する。

本実施形態に係る光ファイバ照明装置１では、第１の光源２００－１は、複数の光ファイバ１１の開口角２θよりも広い角度範囲の光を光ファイバ束１０に出射するように、集光レンズを用いることなく、第１の端部１０２に近接して配置される。図６は、後述する実施例１の光ファイバ１１を用いて、第１の光源２００－１と第１の端部１０２との距離ｄを変化させた場合における側面発光量を示す図である。図６の横軸は、第１の光源２００－１と第１の端部１０２との距離ｄを示す。また、図６の縦軸は、側面発光量の変化を相対的に示す光量割合である。縦軸は、第１の光源２００－１と第１の端部１０２とが接している場合、すなわち、距離ｄがゼロの場合の側面発光量を１とする比率で示される。図６に示されるように距離ｄが大きくなると側面発光量が減少するため、光源２００は、第１の端部１０２に近接して配置されることが好ましい。距離ｄがゼロの場合と比べて側面発光量は１／４よりも大きいことが好ましい。そのため、近接とは、距離ｄが２ｍｍ未満であることをいう。近接とは、より好ましくは、距離ｄが１ｍｍ未満であることをいう。近接とは、さらに好ましくは、距離ｄが０．５ｍｍ未満であることをいう。側面発光量を減少させないとの観点において、光源２００と光ファイバ束１０の端部とは接していることが最も好ましい。

ここで、実施例１における距離ｄは、図１２に示すように、光源２００の発光面（ＬＥＤ発光面）と光ファイバ束１０の第１の端部１０２との距離である。仮に集光レンズを介して光ファイバ束１０に光源２００の光が入射する場合、距離ｄは、集光レンズの焦点と光ファイバ束１０の第１の端部１０２との距離である。また、距離Ｌは、第１の端部１０２から光ファイバ束１０の長手方向（光ファイバ束１０が延びる方向）に沿った距離である。また、距離ｈは、光ファイバ束１０の表面のある位置から、光ファイバ束１０の長手方向に垂直な方向へ離れた距離である。上記の図６の側面発光量の測定において、側面発光量を測定する測定器（ディテクタ）は、光ファイバ束１０から長手方向に垂直な方向に離れて配置される。図６では、測定位置までの距離ｈは１．０ｍｍとした。第２の端部についても距離Ｌおよび距離ｈの定義は同じである。

図７は、光の入射角の違いによる側面発光量の変化を示す図である。実施例１は、本実施形態に係る光ファイバ照明装置１の一例であって、図１から図４で説明した構成を有する。また、実施例１は、光源２００であるＬＥＤと光ファイバ束１０の第１の端部１０２との距離ｄが０．５ｍｍ未満である。光ファイバ１１の開口角２θは１２０°であって、開口数ＮＡが０．８７である。実施例１の第２の光入射部２０－２は、第１の光入射部２０－１と同じである。本実験において、第１の光入射部２０－１のスイッチ２０３をオン状態にして、１つの光源２００によって光ファイバ束１０の側面が発光するようにした。そして、光ファイバ束１０の第１の端部１０２から距離Ｌが１７００ｍｍの位置まで、５０ｍｍごとに発光の強度が測定された。このとき、測定位置までの距離ｈは１．０ｍｍとした。ここで、光ファイバ束１０の発光部分が第１の端部１０２から２００ｍｍの位置から始まるため、最初の測定は当該位置から開始されている。

比較例１は、実施例１と光源２００が異なる。比較例１は、筐体２０２で固定されるＬＥＤに代えて、ＬＥＤ光源装置（ＬＳ－Ｌ１５０、住田光学ガラス社製）を光源２００として用いた。比較例１で使用したＬＥＤ光源装置は発光したＬＥＤの光をレンズで集光して光ファイバ束１０へ入射する。したがって光ファイバ束１０への入射角θｉがθ以下となる。すなわち、入射角の２倍の角度２θｉが開口角２θ以下となる。比較例１における距離ｄ（この場合は上記のようにレンズの焦点と第１の端部１０２の距離）は０．５ｍｍ以下である。ここで、実施例１と比較例１において光ファイバ束１０への入射光量が同等となるよう各光源の光量を調整した。その他については実施例１と同じである。

図７の横軸は、測定位置を第１の端部１０２からの距離Ｌで示したものである。また、図７の縦軸は、測定された発光の強度を示す。図７に示されるように、全ての距離Ｌにおいて、実施例１の発光の強度が比較例１を上回る。つまり、開口角２θよりも広い角度範囲の光を光ファイバ束１０に出射する構成である実施例１の方が、比較例１よりも側面発光量が向上し、照明用途として適していることが示されている。これは、開口角２θよりも広い角度範囲の光が、光ファイバ束１０の内部で漏れ出すことによって、発光の強度の上昇に寄与していると考えられる。

図８は、光ファイバ１１の開口数ＮＡの違いによる側面発光量の変化を示す図である。照明としての実用性の観点から、図７とは別に、光ファイバ束１０が有する複数の光ファイバ１１の種類を変更する実験が行われた。図８の横軸および縦軸は図７と同じである。

実施例１は、図７の実験で説明したものと同じである。比較例２は、光ファイバ１１の開口角２θが７０°であって、開口数ＮＡが０．５７である。比較例３は、光ファイバ１１の開口角２θが１５°であって、開口数ＮＡが０．１３である。比較例２および比較例３は、光ファイバ１１の種類以外については、実施例１と同じである。

図８に示されるように、全ての測定位置において、発光の強度は実施例１、比較例２、比較例３の順に大きい。つまり、開口数ＮＡが大きいほど側面発光量が向上し、照明用途として適していることが示されている。これは、開口数ＮＡが小さいと、開口角２θが小さいために多くの光が第１の端部１０２の近くで漏れ出してしまい、発光部分に光が届かずに側面発光量が低下したと考えられる。図９は、光ファイバの開口数ＮＡと光量割合との関係を示す図である。図９の横軸は開口数ＮＡを示す。また、図９の縦軸は、側面発光量の変化を相対的に示す光量割合である。縦軸は、実施例１の光ファイバ１１の開口数ＮＡを１とする比率で示される。図９に示されるように、開口数ＮＡが０．７５の場合に、光量割合は約０．５になる。また、開口数ＮＡが０．６０の場合に、光量割合は約０．２５になる。

ここで、例えば側面発光長さが５ｍ以下の光ファイバ照明装置１では、実用性の観点から、第１の端部１０２から１ｍの距離Ｌにおいて最低でも５μＷ程度の発光強度を有することが好ましい。測定位置までの距離ｈは１．０ｍｍである。実施例１は、第１の端部１０２から１ｍの距離Ｌにおいて５μＷの２倍以上の発光強度を有する。一方で、比較例２および比較例３は、第１の端部１０２から１ｍの距離における発光強度が５μＷに満たない。また、開口数ＮＡが０．７５の場合、図９のように実施例１に対する光量割合は約０．５であるため、第１の端部１０２から１ｍの距離Ｌにおいて５μＷ程度の発光強度を有する。すると、複数の光ファイバ１１の開口数ＮＡは０．７５以上であることが好ましい。複数の光ファイバ１１の開口数ＮＡは０．８０以上であることがより好ましい。複数の光ファイバ１１の開口数ＮＡは０．８５以上であることがさらに好ましい。ここで、複数の光ファイバ１１が異なる種類の光ファイバ１１で構成される場合には、複数の光ファイバ１１の平均の開口数ＮＡが０．７５以上であることが好ましい。また、複数の光ファイバ１１の全ての開口数ＮＡが０．７５以上であることがより好ましい。

以上、実施形態を諸図面および実施例に基づき説明したが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本開示の範囲に含まれることに留意すべきである。例えば、各部材、機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、第１の光入射部２０－１は１つであるものとして説明した。また、第２の光入射部２０－２は１つであるものとして説明した。ただし、本開示の光ファイバ照明装置１は、第１の光入射部２０－１および第２の光入射部２０－２の少なくとも１つが複数であってよい。

図１０は、変形例に係る光ファイバ照明装置１の外観を示す図である。本変形例に係る光ファイバ照明装置１は、赤色用の第１の光入射部２０－１ｒと、緑色用の第１の光入射部２０－１ｇと、青色用の第１の光入射部２０－１ｂと、を備える。それぞれの第１の光入射部２０－１は、それぞれ赤色用、黄色用、青色用の第１の光源２００－１を有する。つまり、本変形例に係る光ファイバ照明装置１において、第１の光源２００－１は複数である。光ファイバ束１０は分岐点において、複数の光ファイバ１１が赤色用、黄色用、青色用に分かれ、それぞれ第１の端部１０２を有する。そして、複数の第１の光源２００－１のそれぞれは、複数に分かれた第１の端部１０２のそれぞれに近接して配置される。ユーザが本変形例に係る光ファイバ照明装置１で、例えば赤色用の第１の光入射部２０－１ｒのスイッチ２０３をオン状態にすると、光ファイバ束１０の分岐していない部分、すなわち樹脂外装１０１で覆われた発光部分が赤色に光る。

図１１は、別の変形例に係る光ファイバ照明装置１の外観を示す図である。本変形例に係る光ファイバ照明装置１の第１の光入射部２０は、図１０の変形例に係る光ファイバ照明装置１と同じである。また、本変形例に係る光ファイバ照明装置１は、昼白色用の第２の光入射部２０－２ｗと、電球色用の第２の光入射部２０－２ｌと、を備える。それぞれの第２の光入射部２０－２は、色温度が異なる昼白色用、電球色用の第２の光源２００－２を有する。つまり、本変形例に係る光ファイバ照明装置１において、第２の光源２００－２は複数である。光ファイバ束１０は分岐点において、複数の光ファイバ１１が昼白色用、電球色用に分かれ、それぞれ第２の端部を有する。そして、複数の第２の光源２００－２のそれぞれは、複数に分かれた第２の端部のそれぞれに近接して配置される。ユーザが本変形例に係る光ファイバ照明装置１で、例えば電球色用の第２の光入射部２０－２ｌのスイッチ２０３をオン状態にすると、光ファイバ束１０の分岐していない部分、すなわち樹脂外装１０１で覆われた発光部分が電球色に光る。図１０および図１１の変形例に係る光ファイバ照明装置１は、ユーザが発光色を変更可能であるため、装飾用途に適している。

本開示において「第１」および「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」および「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」および「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

本開示に係る光ファイバ照明装置１は、例えば夜間照明、装飾照明または装着対象物の位置確認または状態確認のための照明等として、工業分野および装飾分野等の様々な分野で利用できる。本開示に係る光ファイバ照明装置１は、特に案内表示、車両の室内灯または室外灯として好適に利用できる。

１ 光ファイバ照明装置
１０ 光ファイバ束
１１ 光ファイバ
１１ａ コア
１１ｂ クラッド
２０－１ 第１の光入射部
２０－２ 第２の光入射部
１００ 中間部
１０１ 樹脂外装
１０２ 第１の端部
２００ 光源
２００－１ 第１の光源
２００－２ 第２の光源
２０１ ライトガイド
２０２ 筐体
２０３ スイッチ

Claims (6)

1. 複数の光ファイバと、束ねられた前記複数の光ファイバを覆って光を発する樹脂外装と、を有し、第１の端部および第２の端部が研磨された光ファイバ束と、
   前記複数の光ファイバの開口角よりも広い角度範囲の光を前記光ファイバ束に出射するように、前記第１の端部に近接して配置される第１の光源と、を備え、
   前記複数の光ファイバの開口数が０．７５以上である、光ファイバ照明装置。
2. 前記第１の光源は複数であり、
   複数の前記第１の光源のそれぞれは、複数に分かれた前記第１の端部のそれぞれに近接して配置される、請求項１に記載の光ファイバ照明装置。
3. 前記複数の光ファイバの開口角よりも広い角度範囲の光を前記光ファイバ束に出射するように、前記第２の端部に近接して配置される第２の光源、を備える、請求項１または２に記載の光ファイバ照明装置。
4. 前記第２の光源は複数であり、
   複数の前記第２の光源のそれぞれは、複数に分かれた前記第２の端部のそれぞれに近接して配置される、請求項３に記載の光ファイバ照明装置。
5. 前記複数の光ファイバの開口数が０．８０以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバ照明装置。
6. 前記複数の光ファイバの開口数が０．８５以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載の光ファイバ照明装置。

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