JP2009175506A - 光ファイバ部品およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】テーパファイバ周囲の温度上昇を防止する。
【解決手段】光ファイバ部品１００は、主ファイバ１１０と、該主ファイバの先端に接続され、コア径が光軸に沿って縮小するテーパファイバ１２０と、細径ファイバ１３０とを有する光ファイバ１４０を備え、テーパファイバ１２０の全外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部には、熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導物質である放熱シリコーン接着剤１５０が塗布されている。光ファイバ１４０の入射端には、不図示の出力１０Ｗの半導体レーザが接続され、この半導体レーザから射出された光は、光ファイバ１４０内を伝播して出射端１４１から射出される。主ファイバ１１０を伝播し、テーパファイバ１２０へ入射した光の一部は、テーパファイバ１２０のクラッドから放射される。このクラッドから放射された光により発生した熱は、放熱シリコーン接着剤１５０を伝導して放熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、テーパファイバを含む光ファイバを備える光ファイバ部品および該光ファイバ部品を備えたレーザ加工機に関するものである。

従来、印刷あるいは加工分野等の種々の分野でレーザ加工機が使用されている。また近年、半導体レーザの高出力化が実現され、高出力半導体レーザから出力される高出力レーザ光を、光ファイバを介して伝送して出力する光ファイバ部品が知られている。光ファイバ部品は、特許文献１に示すように、光ファイバの先端をＶ溝などに接着固定して使用されることが多い。レーザ加工機においても、このような光ファイバ部品の使用が検討されている。
特開２００３−２４８１４１号公報

また、ビーム径の細い光を出力可能とするために、光ファイバの先端にコア径が光軸に沿って縮小するテーパファイバ部を備えた光ファイバが知られている。例えば、コア径１０５μｍ、ファイバ外形１２５μｍの主ファイバの先端を加熱・延伸した後、切断することにより、コア径が１０５μｍから６０μｍへ縮小するコアと外径が１２５μｍから８０μｍまで縮小するクラッドからなるテーパファイバを、主ファイバの先端へ形成することができる。

通常、テーパファイバのＮＡ（広がり角）をＮＡ（Ｔ）とし、母材となる主ファイバのＮＡをＮＡ(主)、入射側のコア系をＤin、出射側のコア径をＤoutとすると、
ＮＡ（Ｔ）＝ＮＡ（主）÷（Ｄin／Ｄout）
となる。上記の場合であれば、
ＮＡ（Ｔ）＝ＮＡ(主)÷（１０５／６０）＝０．５７ＮＡ(主)
となる。このため、主ファイバを伝播し、テーパファイバに入射した光のうち、０．５７ＮＡ（主）より大きい角度で入射した光は、テーパファイバ内を伝播できず、クラッドから外部へ放射される。

例えば、上記特許文献１に示されるようなＶ溝にテーパファイバが接着固定されている場合、特に熱伝導率が小さいエポシキ系接着剤等で接着固定されている場合には、テーパファイバのクラッドから放射された光がエポシキ系接着剤に吸収され、接着剤の温度が上昇して変質劣化する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、テーパファイバを含む光ファイバを備える光ファイバ部品において、テーパファイバのクラッドから放射される光によりテーパファイバ周囲の温度が上昇することを抑制可能な光ファイバ部品を提供すること、また該光ファイバ部品を用いたレーザ加工機を提供することを目的とするものである。

本発明の光ファイバ部品は、第１のコア径のコアを有する主ファイバと、該主ファイバの先端に接続され、コア径が光軸に沿って前記第1のコア径から該第１のコア径よりも小さい第２のコア径に縮小するコアを有するテーパファイバと、該テーパファイバの先端に接続され、前記第２のコア径のコアを有する細径ファイバとを有する光ファイバと、
前記テーパファイバの外周に設けられた放熱構造とを備えることを特徴とするものである。

なお、テーパファイバが「主ファイバの先端に接続される」とは、テーパファイバが主ファイバと一体的に形成されて接続されているものであってもよいし、テーパファイバが主ファイバの先端に融着されて接続されたものであってもよい。同様に、細径ファイバが「テーパファイバの先端に接続される」とは細径ファイバが主ファイバと一体的に形成されて接続されているものであってもよいし、細径ファイバがテーパファイバの先端に融着されて接続されたものであってもよい。

前記放熱構造は、前記テーパファイバの外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質からなるものであってもよい。

なお、「前記テーパファイバの外周に接触している」高熱伝導物質とは、この高熱伝導物質が少なくともテーパファイバの外周の一部へ接触していることを意味している。

なお、前記高熱伝導物質は、テーパファイバの全外周に接触しているものであってもよいし、あるいはライン状または網目状の高熱伝導物質がテーパファイバの外周に均一に接触しているものであってもよい。

また、前記高熱伝導物質は、前記テーパファイバの外周に塗布されているものであってもよい。

さらに、前記細径ファイバ部が曲げ部を有するものであれば、
該曲げ部の外周に放熱構造を備えてもよい。

前記放熱構造は、前記曲げ部の外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質であってもよい。

なお、「前記曲げ部の外周に接触している」高熱伝導物質とは、この高熱伝導物質が少なくとも細径ファイバの曲げ部の外周の一部へ接触していることを意味している。

なお、前記高熱伝導物質は、曲げ部の全外周に接触しているものであってもよいし、あるいはライン状または網目状の高熱伝導物質が曲げ部の外周に均一に接触しているものであってもよい。

また、前記高熱伝導物質は、前記曲げ部の外周に塗布されているものであってもよい。

本発明の光ファイバ部品は、その出射端面に端面保護用透明部材がオプティカルコンタクトにより接合されているものであってもよい。この端面保護用透明部材の出力側には反射防止膜が設けられていてもよい。また、光ファイバから射出される光の出力は１Ｗ以上であってもよい。

本発明のレーザ加工機は、請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバ部品と、該光ファイバ部品により伝送されるレーザ光を射出するレーザとを備えたことを特徴とするものである。

本発明の光ファイバ部品は、第１のコア径のコアを有する主ファイバと、該主ファイバの先端に接続され、コア径が光軸に沿って前記第1のコア径から該第１のコア径よりも小さい第２のコア径に縮小するコアを有するテーパファイバと、該テーパファイバの先端に接続され、前記第２のコア径のコアを有する細径ファイバとを有する光ファイバと、前記テーパファイバの外周に設けられた放熱構造とを備えているため、テーパファイバのクラッドから放射される光によりテーパファイバの周囲に発生した熱は、放熱されるので、テーパファイバ周囲の温度が上昇することが抑制される。

前記放熱構造が、前記テーパファイバの外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質からなるものであれば、テーパファイバの周囲に発生した熱は効率良く伝導され、テーパファイバ外周の近傍に熱が留まることはなく、テーパファイバ周囲の温度の上昇が抑制される。

また、前記高熱伝導物質が、前記テーパファイバの外周に塗布されているものであれば、高熱伝導物質がテーパファイバから外れる虞が少なく、光ファイバ部品の信頼性が向上する。

前記細径ファイバ部が曲げ部を有するものであり、該曲げ部の外周に放熱構造を備える場合であれば、クラッド内を伝播している光がこの曲げ部において、クラッドから放射されるため、クラッドを伝播している光が光ファイバの出射端からノイズ光として射出されることを防止でき、またこの曲げ部においてクラッドから射出される光により、曲げ部の周囲の温度が上昇することも抑制することができる。

前記放熱構造が、前記曲げ部の外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質からなるものであれば、曲げ部の周囲に発生した熱は効率良く伝導され、曲げ部外周の近傍に熱が留まることはなく、曲げ部周囲の温度の上昇が抑制される。また、前記高熱伝導物質が、前記曲げ部の外周に塗布されているものであれば、高熱伝導物質が曲げ部から外れる虞が少なく、光ファイバ部品の信頼性が向上する。

本発明のレーザ加工機は、上記の光ファイバ部品と、該光ファイバ部品により伝送されるレーザ光を射出するレーザとを備えているため、光ファイバ部品のテーパファイバ周囲の温度が上昇することが抑制され、信頼度が向上する。

図面を参照して、本発明に係る第１の実施形態である光ファイバ部品について説明する。図１は光ファイバ部品１００の概略構成図である。

図１に示すように、光ファイバ部品１００は、コア径１０５μｍのコア１１２と外形１２５μｍのクラッド１１４とからなる主ファイバ１１０と、コア径が１０５μｍから６０μｍへ縮小するコア１２２と外径が１２５μｍから８０μｍまで縮小するクラッド１２４とからなるテーパファイバ１２０と、コア径６０μｍのコア１３２と外形８０μｍのクラッド１３４とからなる細径ファイバ１３０とからなる光ファイバ１４０と、テーパファイバ１２０の外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部へ塗布された放熱シリコーン接着剤１５０とから構成されている。各ファイバは全てマルチモードファイバである。

テーパファイバ１２０は、コア径１０５μｍ、外形１２５μｍのファイバの先端を加熱・延伸した後、切断することにより、主ファイバ１１０の先端に形成される。なお、テーパファイバ１２０を形成する際には、できるかぎり低温で、短時間に処理することが好ましい。これは過熱の際に、ファイバのクラッドのドーパントが熱拡散により広がり、クラディングが弱くなり、放射損失が増加するためである。例えば、フッ素ドープクラッドのマルチモードファイバの先端にテーパファイバを形成する場合であれば、１４００℃以下で、６０Ｓ以内に形成することが好ましい。また、細径ファイバ１３０は、テーパファイバ１２０の先端に融着されている。

放熱シリコーン接着剤１５０は、熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導物質であり、テーパファイバ１２０の全外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部に塗布されている。放熱シリコーン接着剤は、エポシキ系接着剤に比べ、接着強度が弱く、粘性も高いため、精密な位置決めが要求されるような場合には不適であるが、本実施形態のように精密な位置決めが不要な場合には、支障なく使用することができる。また、テーパファイバ１２０の全外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部に、熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導物質である放熱シリコーン接着剤１５０が塗布されているため、外気と接触する表面積が増加し、放熱効果が増大する。

光ファイバ部品１００は、光ファイバ１４０の出射端１４１と逆側の端部（不図示）には、不図示の出力１０Ｗの半導体レーザが接続されている。この半導体レーザおよび光ファイバ部品１００とは、本発明のレーザ加工機として機能している。半導体レーザから射出されたレーザ光は、光ファイバ１４０内を伝播して出射端１４１から射出される。

本実施の形態においては、テーパファイバ１２０の全外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部に、熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋの熱の良導体である放熱シリコーン接着剤１５０が塗布されているため、外気と接触する表面積が増加し、放熱効果が増大するので、テーパファイバ１２０のクラッドから放射される光によりテーパファイバ１２０の周囲の温度が上昇することが抑制される。なお、テーパファイバ１２０内を伝播できず、クラッドへ漏れた光の一部は、テーパファイバ１２０へ融着されている細径ファイバ１３０のクラッド内へも伝播し、この部分から外部へ放射される。このためテーパファイバ１２０の近傍の細径ファイバ１３０の周囲にも放熱シリコーン接着剤１５０を塗布し、放熱効果を増大することが好ましい。

また、放熱シリコーン接着剤１５０がテーパファイバ１２０の外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部に塗布されているため、放熱シリコーン接着剤１５０がテーパファイバ１２０の外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部から剥がれる虞が少なく、光ファイバ部品１００の信頼性が向上する。

次に、本発明に係る第２の実施形態である光ファイバ部品について説明する。図２は光ファイバ部品２００の概略構成図である。なお、図１に示す光ファイバ部品１００と同一部分には同番号を付し、説明を省略する。

光ファイバ部品２００は、４本の光ファイバ１４０と、各光ファイバ１４０の先端部１４１が固定されている先端固定部２１０と、各光ファイバ１４０の各テーパファイバ１２０が固定されているテーパ固定部２２０とから構成されている。

先端固定部２１０では、４本のＶ溝を有するＶ溝基板２１１の各Ｖ溝と、押え板２１２との間に、各光ファイバ１４０の先端部がエポシキ系接着剤２１３により固定されている。エポシキ系接着剤２１３は、熱伝導率が小さく、２００℃程度で変質劣化するという欠点があるが、接着強度が強く、粘性が低いという長所もある。本実施形態では、各光ファイバ１４０の先端部１４１は、細径ファイバ１３０から構成されているため、先端部１４１のクラッドからは光が射出することはほとんどなく、そのためエポシキ系接着剤２１３の温度が上昇し、劣化することもない。一方、各光ファイバ１４０の先端部１４１は、Ｖ溝基板２１１に対して、精密に位置決めされる必要があるため、接着強度が強く、粘性が低いエポシキ系接着剤の使用が好適である。

テーパ固定部２２０では、押え板２２１と押え板２２２との間に、各光ファイバ１４０のテーパファイバ１２０およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部が放熱シリコーン接着剤２２３により固定されている。押え板２２１および押え板２２２は、アルミから形成されている。また、アルミの熱伝導率は２０３Ｗ／ｍ・Ｋであり、押え板２２１および押え板２２２は放熱板としても機能している。なお、テーパ固定部２２０は、本発明の放熱構造として機能するものである。

本実施の形態においては、各テーパファイバ１２０の外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部の周囲に熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋの熱の良導体である放熱シリコーン接着剤２２３が充填され、またこの放熱シリコーン接着剤２２３の外側にはアルミからなる押え板２２１および押え板２２２が接触しているため、放熱効果が増大するので、テーパファイバ１２０のクラッドおよびテーパファイバ１２０へ融着されている細径ファイバ１３０のクラッドの一部から放射される光によりテーパファイバ１２０の周囲およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部の周囲の温度が上昇することがより抑制される。

なお、押え板２２１と押え板２２２は、空冷あるいは水冷により冷却されていてもよい。

次に、本発明に係る第３の実施形態である光ファイバ部品について説明する。図３は光ファイバ部品３００の概略構成図である。なお、光ファイバ部品３００は、端面保護用の透明部材３１０が出射端面に配置されている点を除けば、図１に示す光ファイバ部品１００と同様の構成であるため、同一部分には同番号を付し、説明を省略する。

図３に示すように、光ファイバ部品３００は、光ファイバ１４０と、光ファイバ１４０のテーパファイバ１２０およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ１３０の一部の外周に塗布された放熱シリコーン接着剤１５０と、光ファイバ１４０の出射端１４１とオプティカルコンタクトにより接合されている端面保護用の透明部材３１０とから構成されているから構成されている
透明部材３１０は、石英からなる円柱状の板であり、光ファイバ１４０の出射端１４１と接する面３１１ｂと逆側の面３１１ａには、反射防止膜３１２がコーティングされている。

このように、端面保護用の透明部材３１０を光ファイバ１４０の出射端１４１へオプティカルコンタクトさせることにより、光ファイバ１４０の出射端１４１から射出された光は、透明部材３１０を透過して、該透明部材３１０の面３１１ａから外部へ射出される。光ファイバ１４０の出射端１４１は透明部材３１０で覆われているため、ごみ等による光ファイバの出射端の焼け付きを防止することができる。

また、光ビームが透明部材３１０を透過する際にビーム径が広がるため、透明部材３１０を配置していない場合にくらべ、大気中に光ビームが射出される箇所、本実施形態では面３１１ｂ、における光密度が低下する。このため、透明部材３１０の面３１１ｂにおける焼け付きも防止され、さらに、透明部材３１０の面３１１ｂにコーティングされた反射防止膜３１２が損傷することも防止される。透明部材３１０を用いることにより、光ビームの出射面からの戻り光も減少するため、光ファイバ１４０の入射端に接続されているレーザの損傷も防止することができる。

次に、本発明に係る第４の実施形態である光ファイバ部品について説明する。図４は光ファイバ部品４００の概略構成図である。なお、図１に示す光ファイバ部品１００と同同一部分には同番号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、光ファイバ部品４００は、主ファイバ１１０と、テーパファイバ１２０と、直径１０ｃｍでファイバが巻回されている曲げ部４２６を有する、コア径６０μｍの外形８０μｍの細径ファイバ４２０とからなる光ファイバ４１０と、テーパファイバ１２０の外周およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバ４２０の一部に塗布された放熱シリコーン接着剤１５０と、曲げ部４２６を形成する細径ファイバの外周に塗布された放熱シリコーン接着剤４３０とから構成されている。

光ファイバ４１０のクラッド内を伝播している光は、曲げ部４２６において、クラッドから外部へ放射されるため、クラッドを伝播している光が光ファイバ４１０の出射端４１１からノイズ光として射出されることが防止される。また、曲げ部４２６の外周には３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質である放熱シリコーン接着剤４３０が塗布されているため、曲げ部４２６の周囲に発生した熱は効率良く伝導され、曲げ部４２６外周の近傍に熱が留まることはなく、曲げ部４２６周囲の温度の上昇が抑制される。放熱シリコーン接着剤４３０は曲げ部４２６の外周に塗布されているので、曲げ部４２６から外れる虞が少なく、光ファイバ部品４００の信頼性が向上する。

なお、各実施の形態においては、テーパファイバ１２０およびテーパファイバ１２０へ隣接している細径ファイバの一部あるいは曲げ部４２６の周囲に放熱シリコーン接着剤を塗布したが、これに限定されるものではなく、例えば放熱シリコーングリーズや放熱シート、あるいは熱伝導性フィラーを含むエポシキ系接着剤などを用いることもできる。

本発明の第１の実施形態の概略構成図 本発明の第２の実施形態の概略構成図 本発明の第３の実施形態の概略構成図 本発明の第４の実施形態の概略構成図

符号の説明

１００、２００、３００、４００ 光ファイバ部品
１１０ 主ファイバ
１２０ テーパファイバ
１３０、４２０ 細径ファイバ
１４０、４１０ 光ファイバ
１４１ 先端部
１５０ 放熱シリコーン接着剤
２１０ 先端固定部
２１１ Ｖ溝基板
２１２、２２１、２２２ 押え板
２２０ テーパ固定部
２２３ 放熱シリコーン接着剤
３１０ 透明部材
３１２ 反射防止膜
４１１ 先端部
４２６ 曲げ部
４３０ 放熱シリコーン接着剤

Claims (10)

1. 第１のコア径のコアを有する主ファイバと、該主ファイバの先端に接続され、コア径が光軸に沿って前記第1のコア径から該第１のコア径よりも小さい第２のコア径に縮小するコアを有するテーパファイバと、該テーパファイバの先端に接続され、前記第２のコア径のコアを有する細径ファイバとを有する光ファイバと、
   前記テーパファイバの外周に設けられた放熱構造とを備えることを特徴とする光ファイバ部品。
2. 前記放熱構造が、前記テーパファイバの外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質からなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ部品。
3. 前記高熱伝導物質が、前記テーパファイバの外周に塗布されていることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ部品。
4. 前記細径ファイバ部が曲げ部を有するものであり、
   該曲げ部の外周に放熱構造を備えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ部品
5. 前記放熱構造が、前記曲げ部の外周に接触している、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導物質からなることを特徴とする請求項４記載の光ファイバ部品。
6. 前記高熱伝導物質が、前記曲げ部の外周に塗布されていることを特徴とする請求項５記載の光ファイバ部品。
7. 前記光ファイバの出射端面に端面保護用透明部材がオプティカルコンタクトにより接合されていることを特徴とする請求項１から６いずれか1項記載の光ファイバ部品。
8. 前記の端面保護用透明部材の出力側に反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項７記載の光ファイバ部品。
9. 前記光ファイバから射出される光の出力が１Ｗ以上であることを特徴とする請求項１から８いずれか1項記載の光ファイバ部品。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバ部品と、該光ファイバ部品により伝送されるレーザ光を射出するレーザとを備えたことを特徴とするレーザ加工機。

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