JP2011035053A

JP2011035053A - 光ファイバの放熱装置

Info

Publication number: JP2011035053A
Application number: JP2009177799A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Harada; 伸一原田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】光ファイバへの光の通過に伴い生じる熱を、効率良く放熱を行うことが出来る光ファイバの放熱装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバの放熱装置１は、光ファイバ２０が発する熱を放熱する放熱板１０と、放熱板１０に設けられ、熱伝導が成される円筒ガイド１１とを備え、円筒ガイド１１の内壁面１２に沿って光ファイバ２０が巻回される構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの放熱装置に関する。

光ファイバは一般に弾性を有し、許容曲げ範囲で巻回してコンパクトに収納した状態で使用可能である。例えば、ファイバレーザ装置の増幅器として光ファイバが使用される場合には、レーザ光の大きな増幅を得るための長い光ファイバを、巻回してコンパクトに収納することが一般に行われる。

光ファイバを巻回して収納する方法としては、例えば、円筒形の糸巻き型ボビンの外周円筒面に光ファイバを巻回して収納する装置が知られている。

また、例えば、光ファイバ余長処理装置が知られている。これによれば、光ファイバを収納する筐体には、内円筒と、内円筒の外周に同心に設けられた外円筒が備えられている。内円筒には、光ファイバを固定する固定部と、光ファイバの引き込み部が取り付けられている。引き込み部は、内円筒に設けられる弧状の板ばねで、光ファイバを固定する固定部の位置と、固定部の位置から内円筒の中心線に略対称の位置に設けられ、いずれも外円筒方向に延びている。光ファイバは、板ばねによって、内円筒に対してある適当な空間を持って巻き付けられる（特許文献１を参照）。

特開平６−１０９９３０号公報

しかしながら、許容曲げ範囲であっても、曲げた状態の光ファイバに光を通すと光ファイバが発熱し易くなる。光ファイバが発熱すると、光ファイバの光学特性が変化してしまう虞がある。また、高出力のファイバレーザ装置を使用する場合など、発熱が大きい場合には、光ファイバの焼損の虞がある。光ファイバの光学特性の変化や焼損を防ぐためには、光ファイバからの放熱性を向上させるのが有効であると考えられる。

しかしながら、円筒形糸巻きボビンの外周円筒面に巻回して光ファイバを収納する装置では、巻回された光ファイバにボビン外側へ広がる弾性力が作用し、光ファイバとボビンとの間に隙間が生じ、光ファイバからボビンへの伝熱による放熱が十分に得られない。また、ボビンとの間に隙間が生じた部位では、ボビンに沿う場合と比較して、光ファイバの曲率が局部的に小さくなる傾向がある。光ファイバの発熱温度は、光ファイバの曲率が小さいほど高くなるため、発熱温度がより高い部位について十分な放熱が得られない。

また、特許文献１の光ファイバ余長処理装置では、光ファイバが内円筒と外円筒の間の空間に保持されるため、光ファイバからの放熱は主に内円筒と外円筒の間の空気へとなされることになる。よって、光ファイバからの放熱が十分に行われない。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光ファイバへの光の通過に伴い生じる熱を、効率良く放熱出来る光ファイバの放熱装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の課題解決手段は、光ファイバの放熱装置は、光ファイバの発する熱を放熱する放熱板と、前記放熱板に設けられ、熱伝導が成される円筒ガイドとを備え、前記円筒ガイドの内壁面に沿って光ファイバが巻回される構成としたことである。

この場合、前記円筒ガイドの前記内壁面に沿って巻回された前記光ファイバに伝熱グリスが塗布されて伝熱グリス層が形成されると良い。

また、光ファイバの放熱装置を加工用ファイバレーザ装置に適用すると良い。

本発明によれば、光ファイバへの光の通過に伴い生じる熱を、円筒ガイドを介して放熱板へ効率良く放熱出来る。また、光ファイバが、円筒ガイドの内壁面に沿って巻回されるため、円筒の外壁面に巻回する場合と比較して、外部の物体が光ファイバに直接接触しにくくなり、光ファイバ表面の損傷を防止することが出来る。

この場合、伝熱グリスにより、巻回された光ファイバ同士の間及び光ファイバと円筒ガイドとの間の隙間が埋められると、光ファイバから円筒ガイドへの伝熱効率が向上する。また、伝熱グリスの粘度が高い場合には、光ファイバが円筒ガイドに対して粘着状態に固定され、耐振動性が向上する。

また、加工用ファイバレーザ装置に光ファイバの放熱装置を適用することで、加工用ファイバレーザ装置における光ファイバの発熱焼損を防止することが出来る。

実施例１に係る光ファイバの放熱装置を示す上面図である。実施例１に係る光ファイバの放熱装置を示す側面図である。実施例１に係る光ファイバの放熱装置の円筒ガイドを示し、図１のＡ−Ａでの要所部分断面図である。実施例１に係る光ファイバの放熱装置の別の例を示し、図３の変形例である。実施例２に係る光ファイバの放熱装置が適用された加工用ファイバレーザ装置を示すブロック図である。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、実施例１に係る光ファイバの放熱装置を示す上面図である。実施例１の光ファイバの放熱装置１は、基板としての放熱板１０と、放熱板１０に立設され、図１の上方に開口を有する円筒ガイド１１とを備え、円筒ガイド１１の内壁面１２に沿って光ファイバ２０が巻回される。巻回された光ファイバ２０は耐熱性の接着テープ３０で円筒ガイド１１の内壁面１２に固定されている。円筒ガイド１１の開口には光ファイバ挿通口１３が設けられており、光ファイバ２０の一端および他端は、光ファイバ挿通口１３を通って両者が交差して円筒ガイド１１の外に出る構成となっている。

図２は、実施例１に係る光ファイバの放熱装置１の側面図である。実施例１では、放熱板１０に、円筒ガイド１１が取り付けられている。放熱板１０は長方形の平板状である。円筒ガイド１１は、円板形の底部１４と底部１４の縁から延びる円筒壁部１５を備えている。放熱板１０は耐熱性、熱伝導性を持った材料で構成され、実施例１ではアルミ材で構成されている。円筒ガイド１１も、耐熱性、熱伝導性を持った材料で構成され、実施例１ではアルミ材で構成されている。円筒ガイド１１は、アルミ材の円板に同じくアルミ材の円筒状部材を溶接で固定して形成される。円筒ガイド１１は、放熱板１０に対して、溶接で固定される。放熱板１０は、図示しない架台にねじ止めされる。

図３は、実施例１に係る光ファイバ放熱装置１の円筒ガイド１１を示す、図１に示すＡ−Ａでの要所部分断面図である。光ファイバ２０は、放熱板１０に設けられた円筒ガイド１１の内壁面１２に沿い、光ファイバ２０の一部が円筒ガイド１１の内壁面１２に接触するように、複数回（例えば、光ファイバ２０の長さに応じて、例えば、７回）だけ巻回される。複数回だけ巻回する際は、光ファイバ２０を放熱板１０に設けられた円筒ガイド１１の内壁面１２に沿ってらせん状に巻回する。

巻回される際に曲げられた光ファイバ２０には、元に戻ろうとする方向、即ち円筒形の外側方向への弾性力が生じる。この弾性力は巻回する径が小さい、即ち光ファイバ２０を曲げる曲率半径が小さいほど大きくなり、弾性力が高いほど円筒ガイド１１との間の接触が向上し、光ファイバ２０から円筒ガイド１１への放熱性が向上する。また、巻回する径が小さいほど、光ファイバ２０をコンパクトに収納出来る。但し、光ファイバ２０の曲げ許容半径よりも小さく曲げてしまうと、光ファイバ２０の破損の虞が発生し、光ファイバ２０の曲げ半径が小さくなるほど、光を通した際の発熱が大きくなる傾向にある。よって、光ファイバ２０の巻き径、即ち、円筒ガイド１１の径は、光ファイバ２０の弾性力、曲げ許容半径、収納サイズ、発熱特性等の兼ね合いによって適当な値を決定する。

実施例１の作用効果を説明する。光ファイバ２０の一端から光が入射され、光ファイバ２０を通過する際、光ファイバ２０は入射された光の強度に応じて発熱を生じる。光ファイバ２０に生じた熱は、円筒ガイド１１との接触を介して円筒ガイド１１へ放熱され、さらに円筒ガイド１１から放熱板１０へと放熱される。よって、光ファイバ２０への光の通過に伴い生じる熱を、円筒ガイド１１を介して放熱板１０へ効率良く放熱出来、光ファイバ２０の熱による光学特性の変化や、焼損を防ぐことが出来る。

また、実施例１によれば、光ファイバ２０は、円筒ガイド１１の内壁面１２に沿って巻回されるため、円筒の外壁面に巻回する場合と比較して、外部の物体が光ファイバ２０に直接接触しにくくなり、発熱に伴う光ファイバ２０表面の損傷を確実に防止することも出来る。

図４は、実施例１に係る光ファイバの放熱装置の別の例を示す、図３の変形例である。上記構成において、巻回した光ファイバ２０を接着テープ３０で固定する前に、シリコン伝熱グリス等の伝熱グリスを塗布して、巻回された光ファイバ２０同士の間および光ファイバ２０と円筒ガイド１１との間の隙間を埋める伝熱グリス層４０を形成すると、光ファイバ２０から円筒ガイド１１へと伝熱グリス層４０を介して伝熱されるため、伝熱グリス層４０がない場合より光ファイバ２０から円筒ガイド１１への放熱がさらに向上する。ここで、伝熱グリスの粘度が高い場合には、伝熱グリスによって光ファイバ２０が円筒ガイド１１に対して粘着状態に固定されるので、接着テープ３０が不要となる。なお、移動により振動が加わる場合には、光ファイバ２０が円筒ガイド１１に対して相対移動してしまう可能性があるが、光ファイバ２０を円筒ガイド１１に対して粘着状態に固定することで、耐振動性が向上する。

なお、実施例１では、放熱板１０は架台にねじ止めされているが、これに限られず、嵌合などの他の取り付け方法を用いても良い。また、架台に限らず、光ファイバ２０等を収納するケーシングに取り付けても良い。

また、実施例１では、光ファイバ挿通口１３は円筒ガイド１１に一つ設けられ、光ファイバ２０の一端および他端の両方が光ファイバ挿通口１３を挿通したが、光ファイバ挿通口１３が円筒ガイド１１に二つ設けられ、光ファイバ２０の一端および他端のそれぞれが別の光ファイバ挿通口１３を挿通する構成でも良い。

また、実施例１では、円筒ガイド１１は、アルミ材の円板に同じくアルミ材の円筒状部材を溶接で固定して形成されているが、これに限られず、例えば、アルミ材の円板に円柱状の凹部を穿設して形成しても良いし、円筒ガイド形状を鋳造、鍛造等の工法で一体成型しても良い。

また、実施例１では、円筒ガイド１１が放熱板１０に溶接で固定されているが、これに限られず、締結等の他の固定方法を用いても良いし、放熱板１０に円筒ガイド１１を穿設して形成しても良い。

また、実施例１では、放熱板１０および円筒ガイド１１はアルミ材で構成されているが、他の金属材料で構成しても良い。放熱板１０および円筒ガイド１１は、耐熱性、熱伝導性が得られるならば、樹脂材料で構成しても良い。この場合、放熱板１０および円筒ガイド１１は、互いに接着剤で接着しても良いし、一体で樹脂成形しても良い。

また、実施例１では、巻回された光ファイバ２０は接着テープ３０で円筒ガイド１１の内壁面１２に固定された構成としたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、光ファイバ２０が巻回される方向に延在する円筒ガイド１１の円筒壁部１５の端部１６から内径側に延在するフランジ部１７を設けて、光ファイバ２０の円筒ガイド１１からの脱落を防いでも良い。

（実施例２）
図５は、実施例２に係る光ファイバの放熱装置が適用された加工用ファイバレーザ装置の構成を示すブロック図である。

加工用ファイバレーザ装置１００は、信号光出力装置（図示なし）と、信号光出力装置に接続された信号光入力用光ファイバ１１０と、信号光入力用光ファイバ１１０に接続された結合光学ユニット１２０と、結合光学ユニット１２０に接続された増幅用光ファイバ１３０と、増幅用光ファイバ１３０に接続された空間出力光学ユニット１４０と、空間出力光学ユニット１４０を介して増幅用光ファイバ１３０に励起光を供給する励起光発生装置（図示なし）と、空間出力光学ユニット１４０を介して増幅用光ファイバ１３０から出力される光の光路上に配置されて増幅用光ファイバ１３０から出力する方向にのみ光を通過させる光アイソレータ１５０、１５１と、光アイソレータ１５０、１５１を通過した光を平行光にするコリメートユニット１６０と、コリメートユニット１６０から出力される光を反射させる第１ミラー１７０と、第１ミラー１７０からの光を反射させる第２ミラー１８０と、第２ミラー１８０からの光を分散させ、レーザ装置の出射口からの出射光の時間幅調整を行うグレーティング１９０と、グレーティング１９０からの光を折り返す直角プリズム２００と、直角プリズム２００によって折り返され、再びグレーティング１９０を経た光を反射させる第３ミラー２１０と、第３ミラー２１０に反射された後グレーティング１９０、直角プリズム２００、グレーティング１９０、第２ミラー１８０を経た光を反射させる第４ミラー２２０、第５ミラー２３０及び第６ミラー２４０と、出力光を加工用ファイバレーザ装置のケーシング２５０から取り出すための出射口２６０と、出力光強度安定化のための光モニタ検出部２６０と、光モニタ検出部２７０の検出結果に基づいて出力光を安定化させるフィードバック回路を備えた回路基板２８０と、を備える。

実施例２に係る光ファイバの放熱装置１は、加工用ファイバレーザ装置の増幅用光ファイバ１３０に適用されている。光ファイバの放熱装置は、放熱板１０と、円筒ガイド１１と、円筒ガイドの内壁面１２に沿って巻回された増幅用光ファイバ１３０と、を備える。放熱板１０は、加工用ファイバレーザ装置の定盤２９０に固定される。なお、定盤２９０そのものを放熱板１０として構成しても良く、定盤２９０に円筒形の凹部を穿設する構成でも良い。

実施例２の動作を説明する。信号光出力装置から出力され、信号用出力光用ファイバ１１０から増幅用光ファイバ１３０へ入射した光は、増幅用光ファイバ１３０内で増幅され、空間出力光学ユニット１４０を介して増幅用光ファイバ１３０から出射する。増幅用光ファイバ１３０から出射した光は、光アイソレータ１５０、１５１を通過し、コリメートユニット１６０を通過して平行光にされ、第１ミラー１７０、第２ミラー１８０によって反射されてグレーティング１９０に入射する。グレーティング１９０から出射した光は直角プリズム２００で折り返され、再びグレーティング１９０に入射する。再びグレーティング１９０から出射した光は、第３ミラー２１０で折り返されて行きと同じ経路でグレーティング１９０、直角プリズム２００、グレーティング１９０、第２ミラー１８０を経由し、さらに第４ミラー２２０、第５ミラー２３０、第６ミラー２４０で反射されて出射口２６０から出力光として出射される。なお、アイソレータ１５０、１５１を通過した後の光の一部は、光強度を安定化させるために、光モニタ検出部２７０へと取り出され、その検出結果を元に、回路基板２８０に備えられたフィードバック回路によって、出力光強度が安定化される。実施例２では、信号用入力光のパワーは１．６ｍＷ、波長は１０４３ｎｍであり、出力光のパワーは１０００ｍＷ、波長は１０４３ｎｍであった。

加工用ファイバレーザ装置として、例えば、フェムト秒ファイバレーザ装置があるが、従来のフェムト秒ファイバレーザ装置の増幅用光ファイバでは、円筒形糸巻き型ボビンの外周円筒面に増幅用光ファイバを巻回する収納方法を採用した場合には、光ファイバの放熱が十分に得られないために、入出力値を上記のように設定すると発熱焼損等が生じる場合があった。実施例２によれば、増幅用光ファイバの放熱が十分に得られ、上記入出力値でも加工用ファイバレーザ装置（フェムト秒ファイバレーザ装置）における光ファイバの発熱焼損を防止出来た。

１光ファイバの放熱装置
１０放熱板
１１円筒ガイド
１２内壁面
２０光ファイバ
４０伝熱グリス層

Claims

光ファイバーが発する熱を放熱する放熱板と、
前記放熱板に設けられ、熱伝導が成される円筒ガイドとを備え、
前記円筒ガイドの内壁面に沿って、光ファイバが巻回されることを特徴とする光ファイバの放熱装置。
前記円筒ガイドの前記内壁面に沿って巻回された前記光ファイバに伝熱グリスが塗布された伝熱グリス層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの放熱装置。
請求項１又は２のいずれか一項に記載の光ファイバの放熱装置が適用された加工用ファイバレーザ装置。