JP2004205764A

JP2004205764A - レーザガイド

Info

Publication number: JP2004205764A
Application number: JP2002374109A
Authority: JP
Inventors: Terunobu Iio; 輝伸飯尾; Yukitsugu Kimura; 幸嗣木村; Toshiyuki Baba; 俊之馬場
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】レーザガイドにおける光ファイバの破損等において、破損部から漏洩するレーザ光に対して敏感に溶断しながらも、屈曲に対しては優れた強度を有するよう破損検知線を改善すること。
【解決手段】レーザ光Ｌを伝送するための光ファイバ１の外周に破損検知線２を螺旋状に巻き付けてレーザガイドＡとする。破損検知線２の線材としては、有機繊維（特にポリエステル繊維）２１の外周に金属皮膜（特に、銀）２２を形成した導電性繊維を１本以上用いてなる線材を用いる。レーザ光が漏洩すると、金属皮膜が溶断して破損検知線に接続された破損検知回路を動作させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の光エネルギーを伝送するための光ファイバを有してなるレーザガイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザガイドは、医療用機器（例えば、外科用レーザメス、内視鏡レーザ）や、工業用機器（例えば、カッティング、マーキング）など、種々のレーザ加工の分野においてさかんに利用されている。レーザガイドは、手元部のレーザ光源装置から発せられた強い光エネルギーを有するレーザ光を、光ファイバを通じて先端部へ伝送する構成とされる。従って、使用時において光ファイバに断線などの破損が生じた場合、強い光エネルギーが断線箇所から放散して、周囲の機器・生体などに被害を及ぼすことになる。
【０００３】
上記のような被害を防止するための安全装置の１つとして、光ファイバに上記破損が生じて強い光エネルギーが漏洩すると、そのエネルギーに即座に反応してヒューズの如く溶断し、レーザ光源装置の出力を停止する破損検知線が、光ファイバに沿って設けられている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
特許文献１では、光ファイバの全長にわたってその外周に、低融点ハンダからなる金属線または金属箔が破損検知線として螺旋状に巻回されている。
特許文献２では、光ファイバの全長にわたって、先ず、その外周にゴムまたはプラスチックよりなる保護層が設けられ、その上に、特許文献１の金属線に相当するテープ状の可溶断導体（鉛やハンダ）が破損検知線として螺旋状に巻き付けられており、それによって、従来の金属パイプを用いた安全構造の屈曲し難い欠点を改善し、レーザガイドに可撓性を与えている。
特許文献３では、特許文献１の金属線に替えて、低融点金属からなる回路パターンが破損検知線として光ファイバの外周に直接形成されている。その形成方法としては、プリント回路の製法のごときサブトラクティブ手法が用いられている。
【０００５】
上記文献のいずれにおいても、破損検知線は、光ファイバの破損部から漏洩する光エネルギーによって溶断するよう低融点金属線を用いて形成され、光ファイバに沿って設けられ、破損検知回路の一部を構成している。破損検知回路の両端は、破損検知装置に接続されており、破損検知線の断線を該装置が検知すれば、直ちにレーザ光源装置の出力を停止する構成とされる（例えば、特許文献１の第３図）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５６−１７３０３号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１３０３０１号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１３９２４１号公報
【特許文献４】
特許第２８９４４９３号
【非特許文献１】
日本化学会「化学と工業」Vol.55, No.4, 2002, 第467〜470頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のように、ハンダなどの低融点金属からなる線材を破損検知線として用いた構成では、該破損検知線が屈曲に対して弱く、光ファイバ破損時の熱による断線のみならず、光ファイバを屈曲させることによっても断線してしまうという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２のように、柔軟な保護層を設け、その上に可溶断導体を螺旋状に巻き付けた構成では、それ以前の金属パイプによる保護構造に比べて柔軟性は向上しているが、屈曲に対して弱いという問題は解決されておらず、しかも下層である保護層が、光ファイバ破損時の熱伝導の障害となるために、検知性能が低下するという問題があった。
【０００９】
また、特許文献３のように、光ファイバの表面に直接的に導電性皮膜を形成し回路パターンとする態様では、光ファイバと破損検知線とが一体不可分となっているために、破損検知線の性能を、光ファイバとは別個に単独で見極めることができない。そのため、該破損検知線が不良である場合には、本体の光ファイバも廃棄しなければならないという無駄がある。さらに、破損検知線として低融点金属からなる線材を用いる態様と比べて、特許文献３のような回路パターンの材料は、光ファイバの表面に良好に密着させるためのバインダーを含有しているため、金属線に比べて導電性が低く、検知性能が良好でないという問題があった。
【００１０】
本発明の課題は、上記問題を解決し、レーザガイドにおける光ファイバの破損等において、破損部から漏洩するレーザ光に対して敏感に溶断しながらも、屈曲に対しては優れた強度を有するよう破損検知線を改善することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）レーザ光伝送用の光ファイバと、該光ファイバの外周に長手方向に沿って設けられた破損検知線とを有し、該破損検知線として用いられている線材が、有機繊維の外周に金属皮膜を形成した導電性繊維を１本以上用いてなる線材であることを特徴とする、レーザガイド。
【００１２】
（２）導電性繊維が、ポリエステル繊維の外周に銀皮膜を形成してなるものである、上記（１）記載のレーザガイド。
【００１３】
（３）破損検知線が、導電性繊維を複数本束ねてなるものであって、該破損検知線の繊度が５０〜１５０デニールである、上記（１）記載のレーザガイド。
【００１４】
（４）破損検知線が、上記光ファイバの外周に螺旋状に巻回されながら長手方向に沿って設けられている、上記（１）記載のレーザガイド。
【００１５】
（５）破損検知回路が、光ファイバの破損を検知すべき区間を往復する配線回路として配置され、破損検知線が該区間の片道の配線として配置され、残る片道の配線として絶縁電線が配置されている、上記（１）記載のレーザガイド。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）に示すように、本発明によるレーザガイドＡは、レーザ光Ｌを伝送するための光ファイバ１と、破損検知線２とを少なくとも有する。用途によっては、光ファイバ１に沿って種々の信号用配線、管、屈曲機構などが配置され、さらに外側には、レーザガイド全体としての被覆層が設けられるが、それらは図示を省略している。破損検知線２は、光ファイバ１の外周に該ファイバの長手方向に沿って設けられている。図１（ａ）は、レーザガイドＡを含んだレーザ加工装置全体の構成を概略的に示しており、光ファイバ１の破損を検知すべき区間（検知区間）のうち片道（例えば、往路）に破損検知線２が配置され、残る片道（例えば、復路）には絶縁電線２ａが配置され、往路と復路とによって閉じた破損検知回路となっており、破損検知装置（計測装置）３に接続されている。破損検知装置は、破損検知回路の導通を監視しており、該回路の導通が断たれると、信号線３ａを通じてレーザ光源装置４の作動を停止させる制御構成となっている。
【００１７】
本発明の重要な特徴は、図１（ｂ）に拡大して示すように、破損検知線の構成として、有機繊維２１の外周に金属皮膜２２を形成した導電性繊維（以下、この導電性繊維を「金属コート有機繊維」ともいう）を１本以上用いた構成としているという点である。導電性繊維を１本以上用いてなる線材とは、１本の導電性繊維（長繊維）を単線そのままで線材としたものであるか、複数本の導電性繊維を後述のとおり集合させて１本の線材としたものである。このようにして構成した破損検知線を、光ファイバの長手方向に沿って、何本、どのように配置するかは限定されないが、公知の配置パターンを参照してもよい（後述）。
【００１８】
従来、金属コート有機繊維は、装飾的用途に利用されている他は、導電性を有する繊維であるという点が着目され、導電性フィラーとして導電性塗料の形成に用いられるか、糸・布とされて電磁波シールド材、静電気防止材の形成に用いられていた。
これに対して、本発明では、金属コート有機繊維の導電性のみならず、優れた屈曲性を有しかつ破損検知線に求められる溶断性を有するという点に着目し、破損検知線の素材として好適に適用できることを見出している。
【００１９】
金属コート有機繊維を用いて破損検知線を構成することで、次の作用効果が得られる。
▲１▼金属コート有機繊維が柔軟であり金属皮膜が屈曲によっても破断し難いために、上記特許文献１に記載されたような低融点金属線からなる破損検知線に比べて、レーザガイドの屈曲動作による破損検知線の破損が抑制される。
▲２▼金属コート有機繊維は、導電部分（金属皮膜）が繊維表面にあるため、該導電部分を光ファイバに直接接触させて配置することができる。これによって、光ファイバ破損の際に漏洩する光エネルギーにより速く反応して溶断状態となるので、上記特許文献２のような態様に比べて検知速度が向上する。
▲３▼上記特許文献３のような、光ファイバ上に回路パターンを一体的に形成する態様ではなく、破損検知線を独立して形成するので、該破損検知線のみの品質検査ができ、製品歩留まりが低下しない。
▲４▼金属コート有機繊維の本数を選択することで、あらゆる線径の破損検知線を容易に形成することができる。
【００２０】
本発明において破損検知線を構成する金属コート有機繊維は、破損検知線としての信号伝達が可能であり、かつ、光ファイバ破損時に放散する光エネルギーによって少なくとも導電部分が溶断し得るものであればよい。素材としての金属コート有機繊維自体は、従来公知のものから選択してもよい。
【００２１】
破損検知線は、比較的太い金属コート有機繊維を１本単線のまま利用したものであってもよいが、金属コート有機繊維の柔軟性と、導電部分の断面積とをより大きく確保する点からも、細い金属コート有機繊維を複数本集合させて１本の破損検知線用の線材とする態様が好ましく、その繊度は、５０デニール〜１５０デニール、特には、８０デニール〜１２０デニールが好ましい。
【００２２】
金属コート有機繊維のうちの有機繊維は、天然または合成の有機物の繊維であればよく、例えば、綿、絹、麻、再生セルロース、ポリアミド、アクリル、ポリオレフィン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステルなどの繊維が挙げられる。これらの繊維のなかでも、被覆する金属（特に銀）との密着性が良好であるという点で、ポリエステルの繊維が好ましい。
【００２３】
金属コート有機繊維のうちの金属皮膜の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルなど、導電性を有する金属であればよい。良導体であって、耐食性、延性を有する点で、銀が好ましい材料である。
金属皮膜の厚さは、該金属固有の導電率や、成膜法の影響を受けた金属皮膜としての導電率によっても異なるが、５０ｎｍ〜７００ｎｍ程度、より好ましくは、１００ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００２４】
有機繊維の表面に対して金属膜を形成する方法は、従来技術などを参照してもよく、例えば、無電解メッキ、蒸着、低温スパッタリングなどが挙げられるが、長尺物である有機繊維に対しては、無電解メッキが好ましい方法である。
【００２５】
金属コート有機繊維を複数本集合させて破損検知線とする場合の、該繊維の集合のさせ方は限定されないが、例えば、両端を結束することによって得られる単純な繊維束の態様、撚り線の態様、編組線の態様などが挙げられる。これらの態様によって、取り扱い性が向上する。
【００２６】
金属コート有機繊維の中でもより好ましい形態は、金属皮膜の材料として銀を用いた、所謂、銀コート有機繊維（または銀被覆有機繊維）である。銀を金属皮膜の材料とすることによって、高密着力、高導電性という利点が得られる。銀コート有機繊維の構成や製造方法などについては、例えば、上記特許文献４などを参照してもよい。
【００２７】
さらに、銀コート有機繊維のなかでも特に好ましい形態は、有機繊維としてポリエステル繊維を用いた、所謂、銀コートポリエステル繊維である。
銀コートポリエステル繊維は、上記非特許文献１に記載されているように、製造プロセスとして、繊維表面の洗浄工程、繊維表面の活性化処理工程、繊維表面への無電解銀メッキ工程、乾燥仕上げ工程の各製造条件を最適に限定することによって、銀皮膜の厚さがより均一で緻密となって十分な導電性を示し、銀皮膜が繊維表面に十分に密着して他の繊維（アクリル繊維、ナイロン繊維）に比べて剥離し難いなど、導電性繊維としての優れた特徴を備えることもできる。この銀コートポリエステル繊維を破損検知線に転用すれば、屈曲に対しては銀皮膜が破断し難いために導通状態が維持され、光エネルギーの漏洩に対しては敏感に反応して溶断し、さらに、耐環境性（耐腐食性）が高いので使用環境による検知性能が常に安定するという、破損検知線として最適な作用効果を得ることができる。
【００２８】
銀コートポリエステル繊維自体の製造方法については、例えば、上記特許文献４などを参照してもよい。
破損検知線として用いる場合の銀コートポリエステル繊維の太さ（繊度）、それに用いるポリエステル繊維の太さは、使用するレーザ光の出力などに応じて適宜決定すればよい。
【００２９】
上記破損検知線を、該光ファイバの外周に長手方向に沿って設ける際の配置パターンは、光ファイバの損傷を発見できるパターンであればよく、本数に限定はない。また、従来公知のレーザガイドに設けられている破損検知線の配置態様を参照してもよい。
図１（ａ）の例は、光ファイバ１の外周に破損検知線２を螺旋状に巻回しながら長手方向に沿って進行させる配置パターンであって、光ファイバの屈曲動作に破損検知線がよく追従し、しかも光ファイバの胴体外周を密に覆う好ましいパターンである。
【００３０】
上記したように、破損検知回路は、検知区間を往復する配線回路とされて、外部の破損検知装置に接続される。破損検知線は、この往復の配線回路の少なくとも片道の配線として配置する。
破損検知線は、往復両方の線として用いてもよいが、その場合、該破損検知線の表面に導体層が露出しているので、２条の螺旋巻きとして往復させるなど、往復線が短絡しないように考慮すべきである。
【００３１】
往復線の短絡を防止するための好ましい態様としては、片道の配線に上記破損検知線を用い、残る片道の配線に絶縁電線を用いる態様が挙げられる。これによって、破損検知線をより密に巻きつけることができ、短絡のおそれもなくなる。特に、片道の配線に耐熱性を有する絶縁電線を用いることによって、該絶縁電線と破損検知線とが、それぞれ溶断するが互いに短絡もするというような、溶断が検出されない危険な現象を防止することができる。
好ましい耐熱絶縁電線としては、例えば、ＵＬ３２６５ＡＷＧ２４に規定された撚り線などが挙げられる。
【００３２】
本発明のレーザガイドを構成するのに必要な光ファイバ、被覆管等は、従来公知のものを用いてよい。また、本発明のレーザガイドを用いてレーザ加工装置を構成するのに必要なレーザ光源装置およびそのレーザ光の波長、破損検知装置自体も従来公知のものを用いてよい。
【００３３】
【実施例】
本実施例では、図１（ａ）に示すレーザ装置を実際に製作した。
破損検知回路の往復線のうち片道を、銀コートポリエステル繊維からなる破損検知線２とし、残る片道を耐熱絶縁電線２ａとして、破損検知装置３に接続した。破損検知装置３は、破損検知回路の断線を検知するとレーザ光源装置４の作動を停止するように構成されている。
【００３４】
用いた光ファイバの主な仕様は、コア径：６００μｍ、コア材：石英ガラス、クラッド径：７５０μｍ、開口数（ＮＡ）：０．２０、保護皮膜：（シリコーン樹脂＋ナイロン樹脂）、トータル径：１．７ｍｍである。
レーザ光源装置としては、ＹＡＧレーザ（発振波長１．０６μｍ）を用いた。
【００３５】
銀コートポリエステル繊維は、ポリエステル繊維（単線）として平均径２０μｍのものを用い、表面を洗浄して繊維表面の活性化処理を行い、繊維表面への無電解銀メッキを行い、乾燥仕上げを施して、厚さ１００ｎｍの銀皮膜を形成したものである。この銀コートポリエステル繊維を、複数本用いて１５０デニールとなるように束ね、破損検知線とした。該破損検知線の抵抗値は０．６Ω／ｃｍであった。
【００３６】
図１（ａ）に示すように、上記破損検知線２を光ファイバ１の検知区間において一定の送りピッチにて螺旋状に巻きつけ、先端部を絶縁電線２ａと接続し破損検知回路として、本発明によるレーザガイドとした。破損検知線２、絶縁電線２ａの、それぞれの操作側端部を破損検知装置３に接続し、破損検知線が断線するとレーザ光源装置４が停止する構成とした。また、光ファイバ１、その導体に配置された破損検知線２、絶縁電線２ａを、フッ素樹脂性チューブ（内層チューブ）に通し、これをさらにＳＵＳ製の可撓管（ＳＵＳ帯を螺旋状に巻いて屈曲可能な管としたもの）に通し、製品として完成させた。
【００３７】
（評価）
上記で得られたレーザガイドの検知区間に対して、屈伸を１０００回繰り返し、屈伸させた部位の破損検知線の破断状態を観察したところ、素線である銀コートポリエステル繊維の銀皮膜には亀裂や破断は全く生じていなかった。
また、検知区間の光ファイバの胴体に傷をつけた後、該光ファイバにレーザ光（出力５００Ｗ）を入射したところ、破損検知線の銀皮膜は瞬時に溶断し、安全装置として良好な応答性を示すことがわかった。
【００３８】
比較例１
銀コートポリエステル繊維からなる破損検知線に代えて、ホルマール銅線を単線のまま用いたこと以外は、上記実施例１と同様にレーザガイドを構成した。
得られたレーザガイドの破損検知線は、屈伸に対しては問題はなかったが、光ファイバの胴体に傷をつけた溶断実験では、銅線表面が被覆層（焼き付けワニス）に保護されているため、レーザ光が漏洩しても溶断しなかった。
【００３９】
比較例２
銀コートポリエステル繊維からなる破損検知線に代えて、はんだ線（含有金属の重量％比は鉛：スズ＝３８：６２、線径１．０ｍｍ）を単線のまま用いたこと以外は、上記実施例１と同様にレーザガイドを構成した。
得られたレーザガイドの破損検知線を上記実施例と同様に評価したところ、従来技術の問題について述べたとおり、破損検知線は、レーザ光の漏洩にはすばやく応答して溶断したが、レーザガイドの屈伸によって断線した。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のレーザガイドは、金属コート有機繊維（特に、銀コートポリエステル繊維）からなる線材を破損検知線として用いているので、光ファイバが破損した際に漏洩するレーザ光に敏感に反応して溶断し、しかも、レーザガイドが屈曲しても破損検知線は破断し難い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザガイドの構成を示す概略図である。図１（ａ）は、レーザ光源や計測装置などの付帯装置を含めたレーザ加工装置全体の構成を示している。図１（ｂ）は、破損検知線の素線である金属コート有機繊維を拡大し、その断面を見せた斜視図である。
【符号の説明】
１光ファイバ
２破損検知線
３破損検知装置
４レーザ光源装置
Ｌレーザ光
２１有機繊維
２２金属皮膜

Claims

レーザ光伝送用の光ファイバと、該光ファイバの外周に長手方向に沿って設けられた破損検知線とを有し、
該破損検知線として用いられている線材が、有機繊維の外周に金属皮膜を形成した導電性繊維を１本以上用いてなる線材であることを特徴とする、レーザガイド。
導電性繊維が、ポリエステル繊維の外周に銀皮膜を形成してなるものである、請求項１記載のレーザガイド。
破損検知線が、導電性繊維を複数本束ねてなるものであって、該破損検知線の繊度が５０〜１５０デニールである、請求項１記載のレーザガイド。
破損検知線が、上記光ファイバの外周に螺旋状に巻回されながら長手方向に沿って設けられている、請求項１記載のレーザガイド。
破損検知回路が、光ファイバの破損を検知すべき区間を往復する配線回路として配置され、破損検知線が該区間の片道の配線として配置され、残る片道の配線として絶縁電線が配置されている、請求項１記載のレーザガイド。