JP2004223590A - 光ファイバ伝送装置及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバに誤入射があってもクラッド層やサポート層等に伝播することを防止することで、温度上昇に伴う損傷を防止することができるファイバ伝送装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバ200の出力端部が挿入されるとともに光ファイバ200の出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に開口する凹状の保持マウント43が設けられたスリーブ41と、保持マウント43に取付けられた光学素子50とを備え、光学素子50は、スリーブ41側に開口するとともに、被加工物W側からスリーブ41側に広がる斜面52を有していることを特徴とする。
【選択図】 図2
【解決手段】光ファイバ200の出力端部が挿入されるとともに光ファイバ200の出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に開口する凹状の保持マウント43が設けられたスリーブ41と、保持マウント43に取付けられた光学素子50とを備え、光学素子50は、スリーブ41側に開口するとともに、被加工物W側からスリーブ41側に広がる斜面52を有していることを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高出力のレーザビームを高い信頼性で伝搬させることができる光ファイバ伝送装置及びこの光ファイバ伝送装置が組み込まれ被加工物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置に関し、特にレーザ入射光のミスアライメントや、被加工物からの反射光を原因とする光ファイバの破損を防止できるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバは、光を導光するコア層と、その外側のクラッド層とを構成されるものや、クラッド層の外側にさらにサポート層が設けられて構成されているものが知られている。光ファイバでは、サポート層の外側にさらに樹脂層があり、外套管のなかに収められるのが一般的である。
【0003】
図11は、光ファイバ200及びこの光ファイバ200の端部が取付けられるコネクタ装置300を示す図である。これら光ファイバ200及びコネクタ装置300により、光ファイバ伝送装置が構成されている。
【0004】
光ファイバ200は、外側から内側に向けて外套管210、樹脂層220、ファイバ芯線230となるような構造となっている。ファイバ芯線230は、光学材料で形成され、中心側からコア層231、クラッド層232、サポート層233の三層構造となっている(図3参照)。
【0005】
光ファイバコネクタ装置300は、スリーブ310を備えている。スリーブ310には、光ファイバ200が挿入される貫通孔320と、スリーブ310の先端側であって被加工物等のレーザビームの照射対象側には凹部340とが設けられている。貫通孔320は、内径が光ファイバ200の外径よりも僅かに大きい第1の貫通孔321と、内径が第1の貫通孔321より小さい第2の貫通孔322とを備えている。第1の貫通孔321には、径方向に設けられた第1及び第2のビス孔323,324が接続されており、これら第1及び第2のビス孔323,324には、止めビス325,326がそれぞれ螺合されている。
【0006】
第1の貫通孔321には、筒状の治具330が嵌入されており、この治具330は、光ファイバ200の樹脂層220を支持固定している。
【0007】
また、外套管210及び治具330は、第1及び第2のビス孔323,324に螺合された止めビス325,326により固定されている。
【0008】
一方、凹部340には、光学素子でできたフェルール350が嵌め込まれ、光ファイバ芯線230の先端部を固定されている。
【0009】
このような光ファイバ200においては、フェルール350のサイズが小さいため、入射光のアライメントミスが発生するとレーザ光がスリーブ310に照射され、スリーブ310が破損する虞がある。
【0010】
このため、市販される光ファイバコネクタ装置300の中には、図12のように大型のフェルール351を用いるとともに、その表面にレーザ光に対して全反射コートを施すことにより、光ファイバ200の先端部の信頼性を向上を図ったものもある。
【0011】
例えば、光ファイバ200の先端部やスリーブ310を保護するために、ファイバ芯線230の端部に金属皮膜を施し、光ファイバ伝送装置の信頼性の向上を図ったものが開示されている(特許文献1参照)。
【0012】
また、光ファイバ200の先端部に溶融シリカ毛細管を挿入し、毛細管のファイバ端部と反対側の端面を斜めにカットすることにより、毛細管に誤入射されたレーザ光を外に取り出す構造とすることにより、光ファイバ伝送装置の信頼性の向上を図ったものが開示されている(特許文献2参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−120641号公報(図1)
【0014】
【特許文献2】
特開2001−166176号公報(図7)
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光ファイバ伝送装置であると次のような問題があった。すなわち、図12に示された従来例の光ファイバや、特許文献1に開示された光ファイバは、図11に示された光ファイバに比較して、入射光のミスアライメントに対して強い構造となっているが、やはり数百W程度の誤入射により破損してしまうという欠点を有している。
【0016】
また、特許文献2に開示された光ファイバ伝送装置では、誤入射光を全て毛細管により導光し、外部に取り出す構造となっている。このため、誤入射光には強いが、構造が複雑である点や、光ファイバのクラッド層やサポート層に入射された光は、光ファイバの樹脂層の部分で吸収され発熱し、光ファイバ破損の原因になるという欠点を有している。
【0017】
そこで本発明は、光ファイバに誤入射があってもクラッド層やサポート層等に伝播することを防止することで、温度上昇に伴う損傷を防止することができるファイバ伝送装置及びこの光ファイバ伝送装置が組み込まれたレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光ファイバ伝送装置及びレーザ加工装置は次のように構成されている。
【0019】
(1)レーザ光を伝送する光ファイバと、その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に開口する凹状の保持マウントが設けられたスリーブと、上記保持マウントに取付けられた光学素子とを備え、上記光学素子は、上記スリーブ側に開口するとともに、被加工物側からスリーブ側に広がるテーパ面を有していることを特徴とする。
【0020】
(2)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光学素子には、上記光ファイバを上記スリーブ側から上記被加工物側に貫通させるための貫通孔が設けられていることを特徴とする。
【0021】
(3)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記保持マウントの内壁面の少なくとも一部は、表面は、上記レーザ光に対して高反射率を有する反射面又は散乱面であることを特徴とする。
【0022】
(4)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記テーパ面の角度θは、nを光学素子の屈折率、NAを光ファイバの開口数としたときに、
θ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)}×2
であることを特徴とする。
【0023】
(5)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光ファイバは、中心部から少なくともコア層、クラッド層の順で構成されており、上記クラッド層より外側の部分で先端側から基端側にかけて面取りされていることを特徴とする。
【0024】
(6)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光ファイバの少なくとも一部に、クラッド層又はサポート層の外側にクラッド層及びサポート層の屈折率よりも高い屈折率を有する光学素子が密着して設けられていることを特徴とする。
【0025】
(7)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光学素子の上記スリーブ側に第2の光学素子が配置されていることを特徴とする。
【0026】
(8)レーザ光を伝送する光ファイバと、その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に保持マウントが設けられたスリーブと、上記保持マウントに取付けられその出射面に反射防止コート材が施された光学素子とを備え、上記光学素子には、上記光ファイバの先端部がインデックスマッチング部材を介して接続されていることを特徴とする。
【0027】
(9)上記(1)〜(8)記載の光ファイバ伝送装置と、この光ファイバ伝送装置により伝送されたレーザビームを集光し被加工物に照射するレーザ集光光学系とを備えていることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10を模式的に示す断面図である。レーザ加工装置10は、加工装置本体20と、この加工装置本体20に接続された光ファイバ伝送装置30とを備えている。光ファイバ伝送装置30はコネクタ装置40と光ファイバ200とから構成されている。
【0029】
加工装置本体20は、筒状の本体21と、この本体21内に設けられたレーザ集光光学系22と、本体の端部に設けられた光ファイバレセプタクル23とを備えている。なお、図1中Wは被加工物を示している。本体21内部には遮光壁21aが設けられている。
【0030】
光ファイバ200は、外側から内側に向けて外套管210、樹脂層220、ファイバ芯線230となるような構造となっている。ファイバ芯線230は、中心側からコア層231、クラッド層232、サポート層233の三層構造となっている(図3参照)。
【0031】
図2の(a)は、上述した光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置40を示す縦断面図である。コネクタ装置40は、スリーブ41を備えている。スリーブ41には、光ファイバ200が挿入される貫通孔42と、スリーブ41の先端側であって被加工物等のレーザビームの照射対象側には保持マウント43とが設けられている。貫通孔42は、内径が光ファイバ200の外径よりも僅かに大きい第1の貫通孔42aと、内径が第1の貫通孔42aより小さい第2の貫通孔42bとを備えている。第1の貫通孔42aには、径方向に設けられた第1及び第2のビス孔44a,44bが接続されており、これら第1及び第2のビス孔44a,44bには、止めビス45a,45bがそれぞれ螺合されている。
【0032】
第1の貫通孔42aには、筒状の治具46が嵌入されており、この治具46は、光ファイバ200の樹脂層220の外周を支持固定している。
【0033】
また、外套管210及び治具46は、第1及び第2のビス孔44a,44bに螺合された止めビス45a,45bにより固定されている。
【0034】
一方、保持マウント43には、円柱状の光学素子50が嵌め込まれ、ファイバ芯線230の先端部が固定されている。光学素子50は、例えば、石英、サファイア、アンドープYAG結晶等の光学ガラス、光学結晶等から形成されている。光学素子50の外径は上述した保持マウント43の内径よりも1mm程度小さく形成されており、保持マウント43と光学素子50との間には隙間Sが形成される。
【0035】
光学素子50は、図2の(c)に示すように、3つのビス孔47a〜47cに螺合される3つの止めねじ48a〜48cによって固定され、上述した隙間を利用してその位置が微調整される。また、保持マウント43の光学素子50に接する部分43aには、例えば金メッキ膜48が施されており、レーザ光Lに対して高い反射率を有する構造となっている。
【0036】
光学素子50は、図2の(b)に示すように、円錐状の凹部51がスリーブ41側に設けられている。この凹部51は円錐状の斜面52を有している。なお、凹部51の底部にはファイバ芯線230の先端部が嵌合される孔部51aが形成されており、出力端230aと端面53とはほぼ面一となっている。また、光学素子50の端面53は被加工物W側に向けられている。
【0037】
なお、光学素子50の凹部51の斜面52の角度θ(全角)は次式で表される。すなわち、nを光ファイバの屈折率(クラッドの屈折率)、NAをファイバの開口数としたときに、
θ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)}×2 …(1)
図4は、ファイバ芯線230の先端部を示す説明図である。ファイバ芯線230の先端部において、クラッド層232及びサポート層233に面取加工がされており、面取部234が形成されている。面取部234の面取角度φは次式で表される。すなわち、nは光ファイバの屈折率(クラッドの屈折率)、NAはファイバの開口数としたときに、
φ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)} …(2)
となる。
【0038】
このように構成されたレーザ加工装置10では、次のようにしてレーザビーム加工を行う。すなわち、光ファイバ200により伝送された光は、コネクタ装置40に接続された光ファイバレセプタクル23を介して加工装置本体20の本体21内に入射する。次に、レーザ集光光学系22により絞られて、レーザビーム光Lとして、被加工物Wに照射される。
【0039】
一方、被加工物Wに照射されたレーザビーム光Lのうち、一部は反射し、誤入射光Mとして加工装置本体20内に戻る。誤入射光Mの大部分は本体21内の遮光壁21aによって遮られるが、一部はコネクタ装置40まで戻り、光学素子50に入射する。
【0040】
光学素子50に入射した誤入射光Mは、光学素子50の内面の斜面52で屈折し、反射光Rの様に進み、コネクタ装置40から外部へ拡散する。このため、誤入射光Mに起因する発熱を最小限に抑えることができ光ファイバ200及びコネクタ装置40の損傷を防ぐことが可能となる。
【0041】
すなわち、ファイバ芯線230の端面に垂直に入射した誤入射光Mだけでなく、ファイバ芯線230の開口NAの範囲で集光照射された誤入射光Mも全て光学素子50で反射もしくは、散乱させることが可能となる。
【0042】
さらに、ファイバ芯線230に入射した全ての誤入射光Mを面取部234で散乱させることができ、クラッド層232、サポート層233への誤入射光Mの進入を防ぐことが可能となる。これにより、クラッド層232、サポート層233への誤入射に起因する樹脂層220での破損を抑制することが可能となる。
【0043】
上述したように、本第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10によれば、光ファイバ伝送装置30への誤入射光Mをファイバ芯線230及びコネクタ装置40への誤入射光Mを散乱させることができる。このため、誤入射光Mをコア層231以外のクラッド層232、サポート層233に入射させないようにすることが可能となり、クラッド層232及びサポート層233に伝搬した光が、樹脂層220に漏れ出し、温度上昇により損傷し、光ファイバ200自体を損傷させていたことを防ぐことができる。
【0044】
図4は上述した光学素子50の第1の変形例に係る光学素子60を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子60は、円錐状の凹部61がスリーブ41側に設けられている。この凹部61は円錐状の斜面62を有している。なお、凹部61の底部にはファイバ芯線230の先端部が嵌合される孔部61aが形成されており、出力端230aと端面63とはほぼ面一となっている。また、光学素子60の他方の端面63は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子60の凹部61の斜面62の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0045】
本変形例においても上述した光学素子50を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【0046】
図5は上述した光学素子50の第2の変形例に係る光学素子70を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子70は、円錐状の凹部71がスリーブ41側に設けられている。この凹部71は円錐状の斜面72を有している。なお、凹部71の底部71aは平面となっており、ファイバ芯線230の出力端230aが当接している。また、光学素子70の他方の端面73は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子70の凹部71の斜面72の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0047】
本変形例によれば、上述した光学素子50を用いた場合と同様の効果を得ることができるとともに、ファイバ芯線230の出力端230aに埃がつくのを防ぐことができる。
【0048】
図6は上述した光学素子50の第3の変形例に係る光学素子80を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子80は、円錐状の凹部81がスリーブ41側に設けられている。凹部81の底部には孔部61aが形成されており、出力端230aと端面63とはほぼ面一となっている。この凹部81は円錐状の斜面82を有している。この斜面82には、ファイバ芯線230の先端部が当接している。また、光学素子80の他方の端面83は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子80の凹部81の斜面82の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0049】
また、孔部81aの直径をコア層231の径と等しくすることにより、クラッド層232及びサポート層233に誤入射光が照射されるのを抑制することができる。
【0050】
図7は本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30に組み込まれたファイバ芯線230及び光学スリーブ240を示す縦断面図である。光学スリーブ240は、サポート層233よりも屈折率の高い材料で円筒状に形成されており、ファイバ芯線230のサポート層233の外壁に密着させて装着されている。
【0051】
このように構成された光ファイバ伝送装置30では、クラッド層232及びサポート層233へ誤入射光Mが入射した場合であっても、誤入射光Mは、屈折率の高い光学スリーブ240側に屈折し、外部に取り出すことが可能となる。したがって、誤入射光Mが樹脂層220に入り込むことを防止でき、樹脂層220の温度上昇を防止し、ファイバ芯線230の損傷を防止することができる。
【0052】
図8は本発明の第3の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置90を示す縦断面図である。なお、図8において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0053】
保持マウント43には、さらに保持マウント91が設けられている。この保持マウント91には、光学フェルール92が配置されている。また、保持マウント91の内壁面93は高反射面に形成されている。光学フェルール92が設けられており、かつ、内壁面93が高反射面であることから、さらに誤入射光Mに対する耐光強度を大きくすることが可能となる。
【0054】
図9は本発明の第4の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置100を示す縦断面図である。なお、図9において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0055】
スリーブ41の先端側であって被加工物W側には保持マウント101が設けられている。この保持マウント101には、銅材製で円筒状のスリーブ102が配置されている。また、保持マウント101の内壁面103には金メッキが施されている。さらに、スリーブ102内には、全反射ミラー104及び円板状の光学素子105が配置されている。なお、光学素子105の出射面105aには反射防止コートが施されている。
【0056】
光学フェルール105の入射面105bにはファイバ芯線230の出力端230aがインデックスマッチング部材106を介して当接している。インデックスマッチング部材106は、ファイバ芯線230及び光学素子105と屈折率が等しい材質のものが用いられる。インデックスマッチング部材106の他、同様の機能を有するインデックスマッチング液を用いてもよい。この場合、全反射ミラー104と光学素子105との間をインデックスマッチング液で満たしてもよい。
【0057】
このように構成されていると、誤入射光Mは全反射ミラー104で反射され、ファイバ芯線230に誤入射することがない。また、ファイバ芯線230から出射する光は、屈折することなく、インデックスマッチング部材106及び光学素子105を介して外部に出射される。
【0058】
図10は本発明の第5の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置110を示す縦断面図である。なお、図10において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0059】
スリーブ41の先端側であって被加工物W側には保持マウント111が設けられている。この保持マウント111の開口部112には、上述した光学素子70が取付けられている。さらに、保持マウント111内のファイバ芯線230には、上述した光学スリーブ240が取付けられている。
【0060】
このようにすることにより、光学素子70で誤入射光Mを散乱させることができるとともに、ファイバ芯線230内に入った誤入射光Mに対する耐光強度を大きくすることが可能となる。
【0061】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、光ファイバに誤入射があってもクラッド層やサポート層等に伝播することを防止することで、温度上昇に伴う損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す断面図。
【図2】同レーザ加工装置に組み込まれた光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す図であって、(a)は縦断面図、(b)は先端部を拡大して示す縦断面図、(c)は横断面図。
【図3】同光ファイバ伝送装置に組み込まれた光ファイバの先端部を拡大して示す説明図。
【図4】同光ファイバ伝送装置のコネクタ装置に組み込まれた光学素子の第1の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図5】同コネクタ装置に組み込まれた光学素子の第2の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図6】同コネクタ装置に組み込まれた光学素子の第3の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図8】本発明の第3の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図9】本発明の第4の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図10】本発明の第5の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図11】従来の光ファイバ伝送装置のコネクタ装置の一例を示す縦断面図。
【図12】従来の光ファイバ伝送装置のコネクタ装置の別の例を示す縦断面図。
【符号の説明】
10…レーザ加工装置、30…光ファイバ伝送装置、40,90,100,110…コネクタ装置、50,60,70,80…光学素子、200…光ファイバ、210…外套管、220…樹脂層、230…ファイバ芯線、231…コア層、232…クラッド層、233…サポート層、240…光学スリーブ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高出力のレーザビームを高い信頼性で伝搬させることができる光ファイバ伝送装置及びこの光ファイバ伝送装置が組み込まれ被加工物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置に関し、特にレーザ入射光のミスアライメントや、被加工物からの反射光を原因とする光ファイバの破損を防止できるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバは、光を導光するコア層と、その外側のクラッド層とを構成されるものや、クラッド層の外側にさらにサポート層が設けられて構成されているものが知られている。光ファイバでは、サポート層の外側にさらに樹脂層があり、外套管のなかに収められるのが一般的である。
【0003】
図11は、光ファイバ200及びこの光ファイバ200の端部が取付けられるコネクタ装置300を示す図である。これら光ファイバ200及びコネクタ装置300により、光ファイバ伝送装置が構成されている。
【0004】
光ファイバ200は、外側から内側に向けて外套管210、樹脂層220、ファイバ芯線230となるような構造となっている。ファイバ芯線230は、光学材料で形成され、中心側からコア層231、クラッド層232、サポート層233の三層構造となっている(図3参照)。
【0005】
光ファイバコネクタ装置300は、スリーブ310を備えている。スリーブ310には、光ファイバ200が挿入される貫通孔320と、スリーブ310の先端側であって被加工物等のレーザビームの照射対象側には凹部340とが設けられている。貫通孔320は、内径が光ファイバ200の外径よりも僅かに大きい第1の貫通孔321と、内径が第1の貫通孔321より小さい第2の貫通孔322とを備えている。第1の貫通孔321には、径方向に設けられた第1及び第2のビス孔323,324が接続されており、これら第1及び第2のビス孔323,324には、止めビス325,326がそれぞれ螺合されている。
【0006】
第1の貫通孔321には、筒状の治具330が嵌入されており、この治具330は、光ファイバ200の樹脂層220を支持固定している。
【0007】
また、外套管210及び治具330は、第1及び第2のビス孔323,324に螺合された止めビス325,326により固定されている。
【0008】
一方、凹部340には、光学素子でできたフェルール350が嵌め込まれ、光ファイバ芯線230の先端部を固定されている。
【0009】
このような光ファイバ200においては、フェルール350のサイズが小さいため、入射光のアライメントミスが発生するとレーザ光がスリーブ310に照射され、スリーブ310が破損する虞がある。
【0010】
このため、市販される光ファイバコネクタ装置300の中には、図12のように大型のフェルール351を用いるとともに、その表面にレーザ光に対して全反射コートを施すことにより、光ファイバ200の先端部の信頼性を向上を図ったものもある。
【0011】
例えば、光ファイバ200の先端部やスリーブ310を保護するために、ファイバ芯線230の端部に金属皮膜を施し、光ファイバ伝送装置の信頼性の向上を図ったものが開示されている(特許文献1参照)。
【0012】
また、光ファイバ200の先端部に溶融シリカ毛細管を挿入し、毛細管のファイバ端部と反対側の端面を斜めにカットすることにより、毛細管に誤入射されたレーザ光を外に取り出す構造とすることにより、光ファイバ伝送装置の信頼性の向上を図ったものが開示されている(特許文献2参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−120641号公報(図1)
【0014】
【特許文献2】
特開2001−166176号公報(図7)
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光ファイバ伝送装置であると次のような問題があった。すなわち、図12に示された従来例の光ファイバや、特許文献1に開示された光ファイバは、図11に示された光ファイバに比較して、入射光のミスアライメントに対して強い構造となっているが、やはり数百W程度の誤入射により破損してしまうという欠点を有している。
【0016】
また、特許文献2に開示された光ファイバ伝送装置では、誤入射光を全て毛細管により導光し、外部に取り出す構造となっている。このため、誤入射光には強いが、構造が複雑である点や、光ファイバのクラッド層やサポート層に入射された光は、光ファイバの樹脂層の部分で吸収され発熱し、光ファイバ破損の原因になるという欠点を有している。
【0017】
そこで本発明は、光ファイバに誤入射があってもクラッド層やサポート層等に伝播することを防止することで、温度上昇に伴う損傷を防止することができるファイバ伝送装置及びこの光ファイバ伝送装置が組み込まれたレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光ファイバ伝送装置及びレーザ加工装置は次のように構成されている。
【0019】
(1)レーザ光を伝送する光ファイバと、その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に開口する凹状の保持マウントが設けられたスリーブと、上記保持マウントに取付けられた光学素子とを備え、上記光学素子は、上記スリーブ側に開口するとともに、被加工物側からスリーブ側に広がるテーパ面を有していることを特徴とする。
【0020】
(2)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光学素子には、上記光ファイバを上記スリーブ側から上記被加工物側に貫通させるための貫通孔が設けられていることを特徴とする。
【0021】
(3)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記保持マウントの内壁面の少なくとも一部は、表面は、上記レーザ光に対して高反射率を有する反射面又は散乱面であることを特徴とする。
【0022】
(4)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記テーパ面の角度θは、nを光学素子の屈折率、NAを光ファイバの開口数としたときに、
θ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)}×2
であることを特徴とする。
【0023】
(5)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光ファイバは、中心部から少なくともコア層、クラッド層の順で構成されており、上記クラッド層より外側の部分で先端側から基端側にかけて面取りされていることを特徴とする。
【0024】
(6)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光ファイバの少なくとも一部に、クラッド層又はサポート層の外側にクラッド層及びサポート層の屈折率よりも高い屈折率を有する光学素子が密着して設けられていることを特徴とする。
【0025】
(7)上記(1)に記載された光ファイバ伝送装置であって、上記光学素子の上記スリーブ側に第2の光学素子が配置されていることを特徴とする。
【0026】
(8)レーザ光を伝送する光ファイバと、その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に保持マウントが設けられたスリーブと、上記保持マウントに取付けられその出射面に反射防止コート材が施された光学素子とを備え、上記光学素子には、上記光ファイバの先端部がインデックスマッチング部材を介して接続されていることを特徴とする。
【0027】
(9)上記(1)〜(8)記載の光ファイバ伝送装置と、この光ファイバ伝送装置により伝送されたレーザビームを集光し被加工物に照射するレーザ集光光学系とを備えていることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10を模式的に示す断面図である。レーザ加工装置10は、加工装置本体20と、この加工装置本体20に接続された光ファイバ伝送装置30とを備えている。光ファイバ伝送装置30はコネクタ装置40と光ファイバ200とから構成されている。
【0029】
加工装置本体20は、筒状の本体21と、この本体21内に設けられたレーザ集光光学系22と、本体の端部に設けられた光ファイバレセプタクル23とを備えている。なお、図1中Wは被加工物を示している。本体21内部には遮光壁21aが設けられている。
【0030】
光ファイバ200は、外側から内側に向けて外套管210、樹脂層220、ファイバ芯線230となるような構造となっている。ファイバ芯線230は、中心側からコア層231、クラッド層232、サポート層233の三層構造となっている(図3参照)。
【0031】
図2の(a)は、上述した光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置40を示す縦断面図である。コネクタ装置40は、スリーブ41を備えている。スリーブ41には、光ファイバ200が挿入される貫通孔42と、スリーブ41の先端側であって被加工物等のレーザビームの照射対象側には保持マウント43とが設けられている。貫通孔42は、内径が光ファイバ200の外径よりも僅かに大きい第1の貫通孔42aと、内径が第1の貫通孔42aより小さい第2の貫通孔42bとを備えている。第1の貫通孔42aには、径方向に設けられた第1及び第2のビス孔44a,44bが接続されており、これら第1及び第2のビス孔44a,44bには、止めビス45a,45bがそれぞれ螺合されている。
【0032】
第1の貫通孔42aには、筒状の治具46が嵌入されており、この治具46は、光ファイバ200の樹脂層220の外周を支持固定している。
【0033】
また、外套管210及び治具46は、第1及び第2のビス孔44a,44bに螺合された止めビス45a,45bにより固定されている。
【0034】
一方、保持マウント43には、円柱状の光学素子50が嵌め込まれ、ファイバ芯線230の先端部が固定されている。光学素子50は、例えば、石英、サファイア、アンドープYAG結晶等の光学ガラス、光学結晶等から形成されている。光学素子50の外径は上述した保持マウント43の内径よりも1mm程度小さく形成されており、保持マウント43と光学素子50との間には隙間Sが形成される。
【0035】
光学素子50は、図2の(c)に示すように、3つのビス孔47a〜47cに螺合される3つの止めねじ48a〜48cによって固定され、上述した隙間を利用してその位置が微調整される。また、保持マウント43の光学素子50に接する部分43aには、例えば金メッキ膜48が施されており、レーザ光Lに対して高い反射率を有する構造となっている。
【0036】
光学素子50は、図2の(b)に示すように、円錐状の凹部51がスリーブ41側に設けられている。この凹部51は円錐状の斜面52を有している。なお、凹部51の底部にはファイバ芯線230の先端部が嵌合される孔部51aが形成されており、出力端230aと端面53とはほぼ面一となっている。また、光学素子50の端面53は被加工物W側に向けられている。
【0037】
なお、光学素子50の凹部51の斜面52の角度θ(全角)は次式で表される。すなわち、nを光ファイバの屈折率(クラッドの屈折率)、NAをファイバの開口数としたときに、
θ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)}×2 …(1)
図4は、ファイバ芯線230の先端部を示す説明図である。ファイバ芯線230の先端部において、クラッド層232及びサポート層233に面取加工がされており、面取部234が形成されている。面取部234の面取角度φは次式で表される。すなわち、nは光ファイバの屈折率(クラッドの屈折率)、NAはファイバの開口数としたときに、
φ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)} …(2)
となる。
【0038】
このように構成されたレーザ加工装置10では、次のようにしてレーザビーム加工を行う。すなわち、光ファイバ200により伝送された光は、コネクタ装置40に接続された光ファイバレセプタクル23を介して加工装置本体20の本体21内に入射する。次に、レーザ集光光学系22により絞られて、レーザビーム光Lとして、被加工物Wに照射される。
【0039】
一方、被加工物Wに照射されたレーザビーム光Lのうち、一部は反射し、誤入射光Mとして加工装置本体20内に戻る。誤入射光Mの大部分は本体21内の遮光壁21aによって遮られるが、一部はコネクタ装置40まで戻り、光学素子50に入射する。
【0040】
光学素子50に入射した誤入射光Mは、光学素子50の内面の斜面52で屈折し、反射光Rの様に進み、コネクタ装置40から外部へ拡散する。このため、誤入射光Mに起因する発熱を最小限に抑えることができ光ファイバ200及びコネクタ装置40の損傷を防ぐことが可能となる。
【0041】
すなわち、ファイバ芯線230の端面に垂直に入射した誤入射光Mだけでなく、ファイバ芯線230の開口NAの範囲で集光照射された誤入射光Mも全て光学素子50で反射もしくは、散乱させることが可能となる。
【0042】
さらに、ファイバ芯線230に入射した全ての誤入射光Mを面取部234で散乱させることができ、クラッド層232、サポート層233への誤入射光Mの進入を防ぐことが可能となる。これにより、クラッド層232、サポート層233への誤入射に起因する樹脂層220での破損を抑制することが可能となる。
【0043】
上述したように、本第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10によれば、光ファイバ伝送装置30への誤入射光Mをファイバ芯線230及びコネクタ装置40への誤入射光Mを散乱させることができる。このため、誤入射光Mをコア層231以外のクラッド層232、サポート層233に入射させないようにすることが可能となり、クラッド層232及びサポート層233に伝搬した光が、樹脂層220に漏れ出し、温度上昇により損傷し、光ファイバ200自体を損傷させていたことを防ぐことができる。
【0044】
図4は上述した光学素子50の第1の変形例に係る光学素子60を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子60は、円錐状の凹部61がスリーブ41側に設けられている。この凹部61は円錐状の斜面62を有している。なお、凹部61の底部にはファイバ芯線230の先端部が嵌合される孔部61aが形成されており、出力端230aと端面63とはほぼ面一となっている。また、光学素子60の他方の端面63は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子60の凹部61の斜面62の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0045】
本変形例においても上述した光学素子50を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【0046】
図5は上述した光学素子50の第2の変形例に係る光学素子70を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子70は、円錐状の凹部71がスリーブ41側に設けられている。この凹部71は円錐状の斜面72を有している。なお、凹部71の底部71aは平面となっており、ファイバ芯線230の出力端230aが当接している。また、光学素子70の他方の端面73は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子70の凹部71の斜面72の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0047】
本変形例によれば、上述した光学素子50を用いた場合と同様の効果を得ることができるとともに、ファイバ芯線230の出力端230aに埃がつくのを防ぐことができる。
【0048】
図6は上述した光学素子50の第3の変形例に係る光学素子80を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図である。光学素子80は、円錐状の凹部81がスリーブ41側に設けられている。凹部81の底部には孔部61aが形成されており、出力端230aと端面63とはほぼ面一となっている。この凹部81は円錐状の斜面82を有している。この斜面82には、ファイバ芯線230の先端部が当接している。また、光学素子80の他方の端面83は被加工物W側に向けられている。なお、光学素子80の凹部81の斜面82の角度θ(全角)は、上述した光学素子50の斜面52の角度θと同一である。
【0049】
また、孔部81aの直径をコア層231の径と等しくすることにより、クラッド層232及びサポート層233に誤入射光が照射されるのを抑制することができる。
【0050】
図7は本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30に組み込まれたファイバ芯線230及び光学スリーブ240を示す縦断面図である。光学スリーブ240は、サポート層233よりも屈折率の高い材料で円筒状に形成されており、ファイバ芯線230のサポート層233の外壁に密着させて装着されている。
【0051】
このように構成された光ファイバ伝送装置30では、クラッド層232及びサポート層233へ誤入射光Mが入射した場合であっても、誤入射光Mは、屈折率の高い光学スリーブ240側に屈折し、外部に取り出すことが可能となる。したがって、誤入射光Mが樹脂層220に入り込むことを防止でき、樹脂層220の温度上昇を防止し、ファイバ芯線230の損傷を防止することができる。
【0052】
図8は本発明の第3の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置90を示す縦断面図である。なお、図8において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0053】
保持マウント43には、さらに保持マウント91が設けられている。この保持マウント91には、光学フェルール92が配置されている。また、保持マウント91の内壁面93は高反射面に形成されている。光学フェルール92が設けられており、かつ、内壁面93が高反射面であることから、さらに誤入射光Mに対する耐光強度を大きくすることが可能となる。
【0054】
図9は本発明の第4の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置100を示す縦断面図である。なお、図9において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0055】
スリーブ41の先端側であって被加工物W側には保持マウント101が設けられている。この保持マウント101には、銅材製で円筒状のスリーブ102が配置されている。また、保持マウント101の内壁面103には金メッキが施されている。さらに、スリーブ102内には、全反射ミラー104及び円板状の光学素子105が配置されている。なお、光学素子105の出射面105aには反射防止コートが施されている。
【0056】
光学フェルール105の入射面105bにはファイバ芯線230の出力端230aがインデックスマッチング部材106を介して当接している。インデックスマッチング部材106は、ファイバ芯線230及び光学素子105と屈折率が等しい材質のものが用いられる。インデックスマッチング部材106の他、同様の機能を有するインデックスマッチング液を用いてもよい。この場合、全反射ミラー104と光学素子105との間をインデックスマッチング液で満たしてもよい。
【0057】
このように構成されていると、誤入射光Mは全反射ミラー104で反射され、ファイバ芯線230に誤入射することがない。また、ファイバ芯線230から出射する光は、屈折することなく、インデックスマッチング部材106及び光学素子105を介して外部に出射される。
【0058】
図10は本発明の第5の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置30のコネクタ装置110を示す縦断面図である。なお、図10において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0059】
スリーブ41の先端側であって被加工物W側には保持マウント111が設けられている。この保持マウント111の開口部112には、上述した光学素子70が取付けられている。さらに、保持マウント111内のファイバ芯線230には、上述した光学スリーブ240が取付けられている。
【0060】
このようにすることにより、光学素子70で誤入射光Mを散乱させることができるとともに、ファイバ芯線230内に入った誤入射光Mに対する耐光強度を大きくすることが可能となる。
【0061】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、光ファイバに誤入射があってもクラッド層やサポート層等に伝播することを防止することで、温度上昇に伴う損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す断面図。
【図2】同レーザ加工装置に組み込まれた光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す図であって、(a)は縦断面図、(b)は先端部を拡大して示す縦断面図、(c)は横断面図。
【図3】同光ファイバ伝送装置に組み込まれた光ファイバの先端部を拡大して示す説明図。
【図4】同光ファイバ伝送装置のコネクタ装置に組み込まれた光学素子の第1の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図5】同コネクタ装置に組み込まれた光学素子の第2の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図6】同コネクタ装置に組み込まれた光学素子の第3の変形例に係る光学素子を示す図であって、(a)は正面図、(b)は縦断面図。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図8】本発明の第3の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図9】本発明の第4の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図10】本発明の第5の実施の形態に係る光ファイバ伝送装置のコネクタ装置を示す縦断面図。
【図11】従来の光ファイバ伝送装置のコネクタ装置の一例を示す縦断面図。
【図12】従来の光ファイバ伝送装置のコネクタ装置の別の例を示す縦断面図。
【符号の説明】
10…レーザ加工装置、30…光ファイバ伝送装置、40,90,100,110…コネクタ装置、50,60,70,80…光学素子、200…光ファイバ、210…外套管、220…樹脂層、230…ファイバ芯線、231…コア層、232…クラッド層、233…サポート層、240…光学スリーブ。
Claims (9)
- レーザ光を伝送する光ファイバと、
その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に開口する凹状の保持マウントが設けられたスリーブと、
上記保持マウントに取付けられた光学素子とを備え、
上記光学素子は、上記スリーブ側に開口するとともに、被加工物側からスリーブ側に広がるテーパ面を有していることを特徴とする光ファイバ伝送装置。 - 上記光学素子には、上記光ファイバを上記スリーブ側から上記被加工物側に貫通させるための貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ伝送装置。
- 上記保持マウントの内壁面の少なくとも一部は、表面は、上記レーザ光に対して高反射率を有する反射面又は散乱面であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ伝送装置。
- 上記テーパ面の角度θは、nを光学素子の屈折率、NAを光ファイバの開口数としたときに、
θ<{90°−sin−1(1/n)−sin−1(NA)}×2
であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ伝送装置。 - 上記光ファイバは、中心部から少なくともコア層、クラッド層の順で構成されており、上記クラッド層より外側の部分で先端側から基端側にかけて面取りされていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ伝送装置。
- 上記光ファイバの少なくとも一部に、クラッド層又はサポート層の外側にクラッド層及びサポート層の屈折率よりも高い屈折率を有する光学素子が密着して設けられていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ伝送装置。
- 上記光学素子の上記一方の端部側に第2の光学素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ伝送装置。
- レーザ光を伝送する光ファイバと、
その一方の端部側から上記光ファイバの出力端部が挿入されるとともに上記光ファイバの出力端部を固定し、かつ、他方の端部側に保持マウントが設けられたスリーブと、
上記保持マウントに取付けられその出射面に反射防止コート材が施された光学素子とを備え、
上記光学素子には、上記光ファイバの先端部がインデックスマッチング部材を介して接続されていることを特徴とする特徴とする光ファイバ伝送装置。 - 請求項1〜8記載の光ファイバ伝送装置と、この光ファイバ伝送装置により伝送されたレーザビームを集光し被加工物に照射するレーザ集光光学系とを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
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-
2003
- 2003-01-24 JP JP2003016293A patent/JP2004223590A/ja active Pending
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