JP2005513571A - Ｃｏ２レーザー光線を用いて光誘導ファイバーを分断させる方法 - Google Patents

Abstract

ＣＯ_２レーザー光線を用いて光誘導ファイバーを分断させる方法であって、種々の種類およびサイズのファイバー、被覆部を備えているファイバーまたは備えていないファイバー、ファイバー複合体およびファイバー要素に対し適用可能な前記方法。それぞれの材料に適合した特別なパルスエネルギーにより、最少量の材料を１つの線に沿って「鋸歯状の」プロセスで完全に分断されるまで切除する。

Description

本発明は、ＣＯ_２レーザー光線を用いて光誘導ファイバーを分断させる方法に関するものである。

この種の方法は、モノモードファイバーないしマルチモードファイバーから集束形ファイバーに至るまで、使用者特有の種々の径を持ったファイバーの幅広パレットに対し適用することができる。被覆ファイバーもこの種の方法で分断させることができる。特にこの種の方法はプラグ内のファイバー端面を大量生産するのに適しており、或いは、個別ガラスファイバーおよびファイバーバンドを電子光学変換器に連結させるための特殊な端面を大量生産するのに適している。この方法は融通性が大きいこと、分断面のクォリティが高いこと、したがって後加工が少ないこと、作業速度が高いこと、分断プロセスの自動化が可能であることを特徴としている。

世界的にブロードバンドデータ伝送が光誘導ファイバーへ切換えられていることに伴って、種々の応用分野でこのファイバーを効率的に大量生産する必要が生じている。この場合の基本的な問題は、分断により生じる端面に対する平面性の要求が高度であるため、一般にファイバーを他の光学素子または電子光学素子に低損失で連結できねばならず、簡単に分断がおなわれるようにすることである。

ファイバーを製造し応用するためのハイテクノロジーの方法とは異なり、現在の技術水準におけるファイバー分断方法はむしろ時代遅れのものである。

ファイバーの通常の分断方法は相変わらず純粋に手動で行われている。たとえば、ダイヤモンドチップによりファイバーに引っかき傷を作ることをベースにした分断器が使用される。典型的な作動態様は、被覆部を剥ぎ取ったファイバーを大きな案内溝の中に設置するというものである。ファイバー端の長さの決定は境界線を調整可能にすることにより可能になり、或いは、スケーリングにより可能になる。工具を閉じることによりファイバーを固定して予め緊張させ、次にダイヤモンド爪でファイバーに引っかき傷を作り、ファイバー軸線に対し直角に破断するか、或いは直角から８゜ずらして破断する。ファイバーが被覆されている場合には、加工場所で被覆部を剥がす作業が必要である。

機能的にさらに簡単には、ボールペン形状のダイヤモンド型割裂工具（ナイフ）を使用する。ダイヤモンド型割裂工具の場合、光ファイバーの分断(破断)はファイバーの表面（プラスチッククラッディングを備えたファイバーの場合にはコア、クオーツ／クオーツファイバーの場合にはクラッディング）を軽く引っかくことにより行う。ファイバーを引張ることによりファイバー軸線に対し平行な力が引っかき個所に作用し、ファイバーを破断させる。

上記の方法は一般に個別ファイバーに対してのみ適用され、最適化されるにすぎない。たとえばファイバーバンドを分断する際のようにこの方法を全く適用できない場合には、「切り落とす」という非常に荒っぽい方法が適用されるので、もちろん分断面にかなりの損傷が生じ、追加的に高い研磨コストを必要とする。

機械的な方法にはすべて一連の重大な欠点がある点で共通している。たとえば分断工程を自動化することができない。機械的な方法には融通性がなく、受け入れられる結果は特殊のファイバー形状および大量生産に対してのみ得られる。分断面に典型的なのは破裂、尖った突出したガラスの残片、微小割れであるので、後加工でかなりの作業コストをつぎ込まねばならない。

レーザーを用いて分断するには、基本的にはＣＯ_２レーザーが適している。ＣＯ_２レーザーの放射は光誘導ファイバーに適したガラス部位をすべて高吸収する点で優れているが、被覆に使用されるプラスチックをも吸収する。

脆い材料、特にガラスをレーザーにより分断するため、従来技術からはかなりの数の方法が知られている。ほとんどの場合、ＣＯ_２レーザーが放射源として使用される。

これらの方法の基本的な相違点は、材料を所望の分断線に沿って変態温度または軟化温度以上に加熱する方法（溶融切断法）と、レーザーにより熱応力を誘起させ、この熱応力により分断線に沿って自然発生的に破断させるか、或いはイニシャルクラックを設定した後に分断させる方法（破断法）とにある。溶融切断法を用いて分断を行なうものとしては、たとえば特許文献１のものが知られている。破断応力を発生させることによりガラスを分断させる方法はたとえば特許文献２ないし５に記載されている。特にこの種の方法の場合、分断面のクオリティを改善させることが発明の課題となっている。

しかしながら実際の検査で明らかになったところによると、溶融切断法も破断法も、分断面に必要なクオリティをもった光誘導ファイバーの分断には適していない。
ＥＰ００６２４８４ ＤＥ２８１３３０２ ＤＥ４３０５１０７ ＵＳ３５４３９７９ ＵＳ５０８４６０４

本発明の課題は、モノモードファイバー、マルチモードファイバー、集束形ファイバー、ガラスファイバー、プラスチックファイバーのような、被覆部を備えた或いは備えていない個別ファイバーまたはファイバー複合体としての種々の形状の光誘導ファイバーの分断を、分断面の可能な限り高精度の位置決めと分断面の高クオリティで可能にするような方法を提供することである。また、ファイバー軸線に対し直角に、或いはファイバーコアに対し傾斜して分断面を生成させるのに適した方法を提供すること、分断面の必要な後加工が最小限で済み、或いは、全く必要がないような方法を提供すること、完全に自動化可能であるような方法を提供することをも課題とするものである。

この課題は、本発明によれば、ＣＯ_２レーザー光線を用いて光誘導ファイバーを分断させる方法において、ＣＯ_２レーザー光線から、放射パラメータであるパルスピークパワーＰとパルス半値幅τ_ｉｍｐとパルス繰り返し数ｆ_ｉｍｐであってそれぞれ

の範囲にある前記放射パラメータを持った個別パルスから成る作業ビームを切り離すこと、作業ビームを位置固定した光誘導ファイバーに合焦させ、平面内で加工ゾーンに沿って往復動させ、その結果個別パルスごとに、光学的侵入深さｄと衝突するビーム横断面積との積にほぼ等しく且つ合焦径ｄ_ｆにほぼ等しい径を持った基本部分であって、いかなる場合も２ｄ_ｆよりも小さな径を持った前記基本部分を、光誘導ファイバーが完全に分断されるまで切除することを特徴とするものである。

本発明において重要なことは、本発明による方法は分断される個別ファイバーまたはファイバー複合体（対象物）の具体的な性質に関係なく行われるが、ガラスに対する従来の技術から知られているようにＣＯ_２レーザーの集中的な放射により「一気に」行われるのではなく、それぞれの材料に適合した特別なパルスエネルギーにより且つファイバーにとってやさしい態様で、完全に分断されるまで最少量の材料がパルスごとに１つの線に沿って「鋸歯状の」プロセスで切除されることである。すなわち、分断プロセス全体は多数の個別分断プロセスから組み立てられている。切除する材料の体積（以下では基本体積または基本量または基本部分と記す）のオーダーは、加工面内での放射横断面積と材料内への侵入深さとの積から決定する。放射横断面積をできるだけ小さくするため、レーザー放射を未加工対象物の表面に合焦させ、レーザー放射はレイリー長さが対象物の全径よりも大きくなるように形状化されているのが有利である。

この場合、パルスのピークパワーとその継続時間（よってパルスエネルギー）とは、１つのパルスによって前記基本量が切除される（実質的に蒸発する）ように選定されている。その際、発生する溶融材料成分が最小になるように、よってマイクロクラッカーへの傾向が最小になるように吸収をコントロールした切除が行わねばならない。

本発明による方法で、全径＞０．１ｍｍの光誘導ファイバーを分断するには、もちろん多数の個別パルスが必要である。それ故、慎重な加工速度になるには、パルス列周波数は充分大きくなければならず、典型的にはｋＨｚのオーダーでなければならない。しかしこれによって基本量切除という好ましい効果を低減させないようにするには、パルスがある程度オーバーラップして互いにぶつかり合い、よって基本量または基本部分がオーバーラップして切除されるような速さで、合焦したレーザービームを試料上方で移動させる必要がある。オーバーラップはほぼ７０％であるのが有利である。これにより、ビームを個別ファイバーまたはファイバー複合体上方で移動させると、ファイバー材への光線の侵入深さをあまり越えないような切断深さ、よって１０μｍのオーダーを越えないような切断深さが生じる。

分断全体は、個別ファイバーまたはファイバー複合体上方でビームを適当回数移動させることによって達成される（個別分断）。

個々の個別分断を発生させる時間間隔は、最後に加工したゾーンの十分な冷却が行なわれるような大きさに選定されている必要がある。これは、投入した放射パワーが加算されて許容されないほどに大きくなることによって大きな溶融成分が発生しないようにするためにも有効である。冷却時間は１０^−２ないし１０^−１秒のオーダーであるのが有利である。

本発明による方法を「鋸歯状の」プロセスに見立てる点について話を戻すと、鋸歯は放射パルスに相当し、「鋸」の往復動は個別ファイバーまたはファイバー複合体上方で光線を個々に移動させることに相当している。

本発明による方法は、ファイバー軸線に対し垂直な切断の実施を可能にするだけでなく、ファイバー軸線に対する分断面の位置に対し広い角度範囲を可能にする。この場合、多数の個別分断により分断全体を形成させることで、所望の角度の精度に対しきわめて好都合に影響する。というのは、結果的に生じる分断面の構成は、分断プロセスの際に生じる溶融成分によりわずかながらも影響されるからである。

本発明による方法の他の利点は、問題となるファイバー構成のすべての構成要素、すなわち種々のガラス、被覆用のプラスチック、或いは接着剤も、同じようにＣＯ_２レーザー光線を吸収するので、これら構成要素をすべて最適なパルスエネルギーで分断させることができる点にある。この場合、最適化はもちろん優先的にファイバーコアとファイバークラッディングとに集中する。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、図１ａと図１ｂを用いて、レーザービームによる被覆個別ファイバー分断時の基本的問題について説明する。

原理的な困難性は、第１に切断精度に対する要求が高度であることにあり、第２にファイバーコア１とファイバークラッディング２と保護被覆部３の３つの異なる材料から成っている光誘導ファイバーを同じビームパラメータで分断しなければならないという事実にある。

その結果、基本的には、保護被覆部３（一般にはプラスチックから成っている）がファイバーコア１およびファイバークラッディング２と比べて切除限界値が小さいためにかなり広範囲で切除されることになる。すなわち分断後、保護被覆部３は距離ｓだけファイバー端部に対し後退する。

さらに、ファイバーコア１とファイバークラッディング２との分断面は理想的に平らなものではなく、矢印で高さｈを示したようにある程度の丸みを帯びている。ファイバーの連結という観点でできるだけ平らな分断面を達成するには、前記高さｈをできるだけ低くしなければならず、その結果分断面の後加工が全く必要ないか、或いは、後加工に必要なコストはできるだけ低くなければならない。これにとって重要なことは、それぞれの材料に最適なパルスエネルギーで個々の基本量または基本部分(Elementarvolumina)を切除することにより段階的に分断を行なうことである。

図２は、本発明による方法を実施するための装置の典型的な基本構成を図示したものである。この装置は、少なくとも１つのＣＯ_２レーザー６と、モジュレータユニット７と、ビーム捕集ユニット１１と、ビーム偏向ユニット１２と、位置調整可能な保持装置１４と、中央の制御ユニット１７とを有している。

ＣＯ_２レーザー６の一般的には連続性のビーム４は、「二重透過」のシステムで作動するモジュレータユニット７により、作業ビーム８と残ビーム９の２つのビーム部分に分割される（ドイツ連邦共和国特許第４０４７４４Ｃ２号公報を参照）。その際、レーザービーム４から周期的にパルスがデカップリングされ、そのパラメータは広範囲で変化させることができ、それぞれの分離プロセスに対し最適に適合させることができる。残ビーム９はビーム捕集ユニット１１により捕集される。ビーム捕集ユニット１１は、簡単には放射を阻止する吸収体であり、或いは、放射パワーが一定であるかどうかをオンラインで監視するための測定器である。

作業ビーム８は、ビームガイドユニット１０（ミラーにより象徴的に図示した）によってビーム偏向ユニット１２へ誘導される。ビーム偏向ユニット１２は、有利には、合焦装置（たとえばＦΘレンズを備える）を一体化したスキャナーである。スキャナーは、合焦された作業ビーム８を加工対象物１３に関し偏向角Θだけ急激に移動させる用を成す。加工対象物１３は、被覆部を備えていない、または被覆部を備えている個別の光誘導ファイバー（個別ファイバー）、或いは、被覆部を備えていない、または被覆部を備えている光誘導ファイバーの束（ファイバー複合体）、或いは、ファイバーコンポーネントでもよい。加工対象物１３は位置調整可能な精密保持部１４上に固定されている。精密保持部１４は、たとえば１／１００ｍｍの精度範囲で加工対象物１３の精密なｘ−ｙ位置決めを可能にするとともに、ファイバー軸線とビーム入射面との成す所定の角度φの設定を可能にし、よって精密な傾斜断面を可能にさせる。

このような基本構成に加えて供給装置１５と搬出装置１６とを設けてもよい。その結果プロセス全体を自動的に経過させることができる。中央の制御ユニット１７は主要なすべての構成要素を適正に同期するように制御する用を成す。

本発明による方法の主要なポイントは、作業ビーム８のパルスパラメータの適正な選定にある。図３は、モジュレータ７で生成され、分断プロセス用の作業ビーム８として使用される特徴的なパルス列を示したものである。パルス列の主要なパラメータであるパルスピークパワーＰと、パルス半値幅τ_ｉｍｐと、パルス繰り返し数ｆ_ｉｍｐとは使用するモジュレータにより広範囲で変化させることができ、その都度の加工対象物の分断に対し最適化させることができる。

上記パラメータの典型的な範囲は以下のとおりである。

パルスパラメータは、分断される加工対象物の材料パラメータに依存して次のように選定され、すなわち１個のパルスにつき加工対象物によって吸収される放射パワーが数μｍの薄い表面層（光学的侵入深さｄ）をその蒸発温度へ加熱するように選定される。蒸発により、蒸発ゾーンのエッジ領域で発生する溶融成分が一緒に排除される。材料成分と溶融成分との排除は、作業ガス（たとえばガラスファイバーに対しては、約１バールの作業圧の、浄化した圧縮空気が適している）を試料に吹き込むことにより促すことができる。

パルスごとの排除部は前記の基本部分を表わしており、光学的侵入深さｄと衝突するビーム横断面積との積にほぼ等しい。

次に、図４と図５を用いて個別ファイバーを分断する方法について説明する。図４によれば、変調され、まだ加工されていない個別ファイバーの表面に対し合焦された作業ビーム８は、偏向角Θだけ往復的に回動することにより個別ファイバー上方を移動する。上方をかすめる際に、ほぼ光学的侵入深さｄ（１０^−５ｍのオーダー）だけ材料が切除される。以下ではこれを部分切断と記すことにする。

個々の部分切断に対し十分同じ合焦条件を持たせるには、合焦したビームのレイリー長さｚ_Ｒ（強度が最大で２ファクタだけ変化するようなビーム火面の範囲を特徴づけている）はファイバーの全径Ｄよりも大きくなければならない。これにより、ビーム径がそれぞれの加工面内で常に２ｄ_ｆよりも小さいことが保証される。

図５は、ファイバー横断面半部分を完全に分断した段階に相当する分断プロセス段階での切断継ぎ目の平面図である。この図には、他の主要な方法パラメータとして、隣接する基本部分の間隔ａ、すなわち個別パルスのオーバーラップが図示されている。このオーバーラップは典型的にはほぼ７０％である。

図６は他の適用例を図示したもので、３本の個別ファイバーから成る１つのファイバー束の分断を図示したものである。この場合、切断継ぎ目５の形成のために、個別ファイバーに対し説明した方法に対応する方法が適用される。

ファイバー軸線と分断面との所定の角度φで個別ファイバーおよびファイバー束を分断するには、方法に対し特別な高度な要求が課される。このケースのための幾何学的状況を図７に示す。

被覆された光誘導ファイバーの分断前の構成を示す図である。 被覆された光誘導ファイバーの分断後の構成を示す図である。 本発明による方法を実施するための装置の基本構成を示す図である。 衝突する光線の典型的なパルス列を示す図である。 本発明による方法のプロセスを説明するための補助図である。 個別パルスの切断継ぎ目オーバーラップの平面図である。 本発明をファイバー複合体に適用した場合を説明する補助図面である。 本発明をファイバー軸線に対し所定の角度で個別ファイバーに適用した場合を説明する補助図面である。

符号の説明

１ ファイバーコア
２ ファイバークラッディング
３ 保護被覆部
４ レーザービーム
５ 切断継ぎ目
６ ＣＯ_２レーザー
７ モジュレータユニット
８ 作業ビーム
９ 残ビーム
１０ ビームガイドユニット
１１ ビーム捕集ユニット
１２ ビーム偏向ユニット
１３ 加工対象物
１４ 位置調整可能な精密保持部
１５ 供給装置
１６ 搬出装置
１７ 中央の制御ユニット
ｓ 距離
τ_ｉｍｐ パルス半値幅
Ｄ ファイバーの全径
Ｐ パルスピークパワー
ｄ 光学的侵入深さ
ｆ_ｉｍｐ パルス繰り返し数
ｚ_Ｒ レイリー長さ

Claims (7)

1. ＣＯ_２レーザー光線を用いて光誘導ファイバーを分断させる方法において、
   ＣＯ_２レーザー光線から、放射パラメータであるパルスピークパワーＰとパルス半値幅τ_ｉｍｐとパルス繰り返し数ｆ_ｉｍｐであってそれぞれ
   

   

   の範囲にある前記放射パラメータを持った個別パルスから成る作業ビーム（８）を切り離すこと、
   作業ビーム（８）を位置固定した光誘導ファイバーに合焦させ、平面内で加工ゾーンに沿って往復動させ、その結果個別パルスごとに、光学的侵入深さｄと衝突するビーム横断面積との積にほぼ等しくかつ合焦径ｄ_ｆにほぼ等しい径を持った基本部分であって、いかなる場合も２ｄ_ｆよりも小さな径を持った前記基本部分を、光誘導ファイバーが完全に分断されるまで切除すること、
   を特徴とする方法。
2. 光誘導ファイバー上方での個々の往復運動の間に、１０．．．．．．１００ｍｓの範囲の冷却段階を導入して、加工ゾーンの十分な冷却を保証することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 加工中の放射パラメータを、光誘導ファイバーの種々の材料の材料特性に依存して適合させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 光誘導ファイバーが、形状と厚さの異なる個別ファイバーであり、たとえばモノモードファイバー、マルチモードファイバー、集束形ファイバー、被覆ファイバーまたは非被覆ファイバーであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. ファイバー束およびファイバー要素にも適用可能であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 基本部分が非常に小さく、すなわち完全に分断した際の全切除量に比べて１０^−３小さく、特に試料上方での光束の個々のオーバーランの際の光学的侵入深さｄがファイバーコア（１）の径に対し小さいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 加工ゾーンに作業ガスを吹き込ませ、たとえば浄化した圧縮空気を約１バールの作業圧で吹き込ませて、発生する材料蒸気を加工ゾーンから排出させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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