JP2021032993A - 光ファイバケーブル、及びそれを用いたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸付近を効率的に冷却し、高エネルギーの光の伝送に適した光ファイバケーブルを提供する。【解決手段】光ファイバ２の先端に、光学部材３の後端が接続された光ファイバケーブルであって、光学部材の後端と、光ファイバの先端付近は、光ファイバの長さ方向に沿って供給される冷媒が接触して冷却されるとともに、光学部材の後端は、冷媒の供給方向に対して略垂直な複数の垂直面ＳＶと、冷媒の供給方向に対して略平行な平行面ＳＨを有することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光に代表される高エネルギーの光を伝送する光ファイバを有する光ファイバケーブルに関するものである。

高エネルギーの光を伝送する光ファイバケーブルは、レーザ切削、レーザ溶接など、レーザを用いた加工分野において、レーザ光源から出力されたレーザ光を目的の場所まで伝送するために使用される。

このような分野で用いられる光ファイバケーブルに要求される事項として、高エネルギーに対する耐久性がある。特に、レーザが入力/出力される光ファイバケーブルの入射端/出力端はエネルギーが集中し、高温となるため、光ファイバケーブルの入射端/出力端付近に冷却手段が設けられることが多い。

光ファイバケーブルの入射端/出力端付近に冷却手段を設けた例として、特許文献１が挙げられる。特許文献１では光ファイバの先端に、後端が円錐状となっている石英棒を接続し、円錐面に冷却剤を接触させることで光ファイバケーブルの端部の冷却を促している。

しかしながら、エネルギーは光ファイバの光軸付近に集中するため、光ファイバと石英棒の接続点から石英棒の先端にかけて、光軸と円錐面との距離が増大する特許文献１の構造は、エネルギーが集中する光軸付近を効率的に冷却できる構造とは言い難い面も存在する。

特表２００９−５２６２６５号公報

本発明の課題は、光軸付近を効率的に冷却し、高エネルギーの光の伝送に適した光ファイバケーブルを提供することにある。

本発明者は、光ファイバケーブルの構造を鋭意検討した結果、光ファイバに接続される光学部材の後端形状を工夫し、光学部材の光軸方向に平行な面と、光軸方向に垂直な面の両方を冷却することで、冷却効率に優れた光ファイバケーブルを得るに至った。

本発明の光ファイバケーブルは、光ファイバの先端に、光学部材の後端が接続された光ファイバケーブルであって、光学部材の後端と、光ファイバの先端付近は、光ファイバの長さ方向に沿って供給される冷媒が接触して冷却されるとともに、光学部材の後端は、冷媒の供給方向に対して略垂直な複数の垂直面と、冷媒の供給方向に対して略平行な平行面を有することを特徴とする。

本発明の光ファイバケーブルにあっては、以下に記載した優れた効果が期待できる。

（１）光学部材の後端に形成された垂直面と平行面の両方が冷媒に接触するため、光学部材と冷媒の接触面積を確保でき、効率的な冷却が可能である。

（２）エネルギーが集中する光軸付近と、光学部材の冷却面との距離が短く、エネルギーが集中する光軸付近の冷却が促される。

本発明の光ファイバケーブルに用いる光学部材の基本的構造である。 光学部材の変形例である。 光ファイバ、冷媒供給路、冷媒排出路の位置関係を示す断面図である。 冷媒供給路と光学部材の位置関係を示す図である。 本発明の実施形態の一例である。

以下、本発明の光ファイバケーブルの基本構成について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の光ファイバケーブル１を構成する部材の一部を示したものであり、２は光ファイバ、３は光学部材、４は冷媒である。また、図の右側が先端側、左側が後端側であり、以下の図でも特に断りが無い限り同様である。

本発明で特徴的なことは、光ファイバ２の先端に、光学部材３の後端が接続されており、光学部材３の後端と、光ファイバ２の先端付近が、光ファイバ２の長さ方向に沿って供給される冷媒４が接触して冷却されるとともに、光学部材３の後端は、冷媒４の供給方向に対して略垂直な複数の垂直面Ｓ_Ｖと、冷媒４の供給方向に対して略平行な平行面Ｓ_Ｈを有することである。

本発明は、光学部材３に向かって供給された冷媒４が、光学部材３が有する垂直面Ｓ_Ｖと平行面Ｓ_Ｈの両方に接触するため、光学部材３と冷媒４の接触面積を確保でき、光学部材３を効率的に冷却することができる。

さらに本発明の光学部材３は、複数の垂直面Ｓ_Ｖを有する形状のため、平行面Ｓ_Ｈが形成される領域は、
光学部材３の最大外径部よりも小さい外径となり、この点においても光学部材３の冷却を促す点で好適である。

通常、光ファイバ２は、光学部材３の中心軸付近に接続されるため、光ファイバケーブル１によって伝送される光は、光学部材３の中心軸付近を透過することになる。光がレーザに代表される高エネルギーの光である場合、光学部材３の中心軸付近にエネルギーが集中し、光学部材３の中心軸付近が発熱することになる。

本発明の光学部材３は、平行面Ｓ_Ｈが形成される領域の外径が小さくなるため、冷媒４が接触する平行面Ｓ_Ｈと光学部材３の中心軸との間の距離が短くなり、温度勾配が大きくなる。このため光学部材３の冷却が促進される。

光学部材３の形状は、複数の垂直面Ｓ_Ｖと、１つ以上の平行面Ｓ_Ｈを有していれば特に限定されない。
光学部材３の基本的な形状は、図１に示した２つの垂直面Ｓ_Ｖと、１つの平行面Ｓ_Ｈを有した形状であるが、図２に示した、５つの垂直面Ｓ_Ｖと４つの平行面Ｓ_Ｈを有した形状など、複数の垂直面Ｓ_Ｖと複数の平行面Ｓ_Ｈを有した形状などに変更可能である。

図２に示した複数の平行面Ｓ_Ｈを有する光学部材３は、後端に向かうにつれて光学部材３の外径が段階的に減少するため、光学部材３の冷却がより促される点で好適である。

また、光学部材３の長さ方向に垂直な断面の形状は特に限定されないが、光ファイバ２の長さ方向に垂直な断面の形状が通常円形であることを鑑みて、光ファイバ２と同様に円形とするのが好ましい。特段の断りが無い限り、光学部材３の長さ方向に垂直な断面の形状は円形として説明する。

光ファイバ２と光学部材３の接続の観点では、光学部材３の最後端に形成された平行面Ｓ_Ｈの外径は、
光ファイバ２の外径の１〜５倍の範囲にあることが好ましい。平行面Ｓ_Ｈの外径がこの範囲にあることで、光ファイバ２と光学部材３の後端部の外径差が小さくなるとともに、平行面Ｓ_Ｈの外径が過度に小さくなってしまうこともなく、光ファイバ２と光学部材３の接続作業が容易に行える。
安定した接続作業のためには、平行面Ｓ_Ｈの外径は光ファイバ２の外径の１〜３倍の範囲にあることがより好ましい。

光ファイバ２と光学部材３の接続は、光ファイバ２と光学部材３との間での光の伝送を妨げない方法であれば、種々の光学的接続を採用することができるが、通常は光ファイバ２と光学部材３とが一体化されることで強度に優れ、光の損失も少ない融着接続が好ましい。
また、通常は光ファイバ２のコアの中心軸と、光学部材３の中心軸が一致するように両者を接続するが、部品寸法や所望する伝送特性に応じて、光ファイバ２のコアの中心軸と光学部材３の中心軸とをずらして接続しても良い。

光学部材３の材料は、光の透過性、高エネルギーに対する耐久性に優れた石英ガラスが好ましく利用できる。通常、光学部材３は均一な屈折率を有し、伝送される光をそのまま透過するように形成すれば良いが、必要に応じて屈折率分布や、ファイバブラッググレーティングによる反射機能、レンズ面による集光機能などを設けても良い。

本発明に使用される光ファイバ２は特に限定されず、伝送する光に応じた光ファイバ２を選択して利用できる。本発明はレーザ光の伝送を意図したものであるため、レーザ光伝送向けに設計された光ファイバを適宜選択して使用すれば良い。

本発明において、冷媒４の供給方法は特に限定されないが、光ファイバ２の長さ方向に沿って冷媒４を供給する観点から、光ファイバ２の長さ方向に沿って冷媒供給路５を設け、冷媒供給路５を通じて冷媒４を供給する態様が好適に利用できる。

光ファイバ２の長さ方向に沿って冷媒供給路５を設けて冷媒４を供給する場合は、冷媒供給路５に沿って冷媒排出路６を設け、冷媒４を光ファイバケーブル１外へ排出する態様とすれば良い。

光ファイバ２の長さ方向に沿って冷媒供給路５を設けると共に、冷媒供給路５に沿って冷媒排出路６を設ける際は、図３に示したように、光ファイバケーブル１を、光ファイバケーブル１の長さ方向に垂直な面で断面視した際に、光ファイバ２を中心軸として、冷媒供給路５となる空間と、冷媒排出路６となる空間を同軸上に配置する方法が採用できる。
冷媒供給路５、冷媒排出路６となる空間を形成するには、ステンレスや銅といった金属材料で形成された管状部材を、光ファイバ２を中心軸として同軸状に配置する方法で形成することができる。

光ファイバ２の長さ方向に沿って冷媒供給路５を設けて冷媒４を供給する場合は、図４に示したように、光学部材３の垂直面Ｓ_Ｖと平行面Ｓ_Ｈの境界辺Ｂが、冷媒供給路５の延長線上に存在しないよう構成することが好ましい。

光学部材３の垂直面Ｓ_Ｖと平行面Ｓ_Ｈの境界辺Ｂが冷媒供給路５の延長線上に存在しないことで、冷媒供給路５から供給された冷媒４は、平行面Ｓ_Ｈの手前に存在する垂直面Ｓ_Ｖによって妨げられることなく、平行面Ｓ_Ｈに沿って平行面Ｓ_Ｈの奥に存在する垂直面Ｓ_Ｖに到達する。このため平行面Ｓ_Ｈとその奥に存在する垂直面Ｓ_Ｖを効率的に冷却することができる。

光学部材３の垂直面Ｓ_Ｖと平行面Ｓ_Ｈの境界辺Ｂが冷媒供給路５の延長線上に存在しないように構成する場合、図４に示したように。光ファイバ２の周囲の空間を冷媒排出路６とし、冷媒排出路６の外周に冷媒供給路５を設ける構成が好ましい。

光ファイバ２の周囲の空間を冷媒排出路６とし、冷媒排出路６の外周に冷媒供給路５を設けた構成の場合、冷媒供給路５から供給された冷媒４は、平行面Ｓ_Ｈの中でも外径が大きい部分に優先的に供給されることになる。平行面Ｓ_Ｈの外径が大きい部分は、平行面Ｓ_Ｈとエネルギーが集中する中心軸付近との距離が相対的に大きいため、光学部材３の冷却効率が相対的に下がる領域となる。

通常、冷媒４は冷媒供給路５から供給された時点が最も低温を示すため、冷媒排出路６の外周に冷媒供給路５を設けた構成の場合は、相対的に低温の冷媒４が平行面Ｓ_Ｈの外径が大きい部分に優先的に供給されるため、外径の大きさに起因する相対的に低い冷却効率を補うことができ、効率的な冷却を促すことができる。

なお、図４に示したように、冷媒供給路５を構成する壁面の延長線と、平行面Ｓ_Ｈとが一致する場合は、光学部材３の垂直面Ｓ_Ｖと平行面Ｓ_Ｈの境界辺Ｂが冷媒供給路５の延長線上に存在していないと見なす。

また、光ファイバ２の周囲の空間を冷媒排出路６とし、冷媒排出路６の外周に冷媒供給路５を設ける構成は、光ファイバ２の断線防止の観点においても好ましい構成である。冷媒供給路５に冷媒４を供給する際、一定の圧力を加えて供給することになるが、冷媒排出路６の外周に冷媒供給路５を設けた構成の場合、冷媒４の供給時に発生する高い圧力が光ファイバ２に直接作用する構成ではないため、圧力による光ファイバ２の断線を抑制することができる。

本発明の光ファイバケーブル１に供給される冷媒４としては、水、空気、不活性ガスなどが利用できる。

以上、光学部材３の後端形状を中心に説明したが、光ファイバケーブル１を高エネルギーの光の伝送に使用することを鑑みた場合、光学部材３の先端形状も考慮の余地がある。

高エネルギーの光の伝送に用いられる光ファイバケーブルにおける光学部材３の確実な固定の観点から、光学部材３の先端は、図２に示したように先端に向かって先細りするテーパー状とするのが好ましい。

光ファイバケーブル１において、光学部材３は光ファイバケーブル１を構成する他の部材に固定されることが多いが、光学部材３の形状を先端に向かって先細りするテーパー状とした場合、図５に示したように光学部材３のテーパー形状に相当するテーパー状内周面を有する光学部材固定部材７によって、光学部材３を押圧する態様を使用することができる。

光学部材３のテーパー面Ｔを、光学部材固定部材７のテーパー状内周面で押圧することで、光ファイバケーブル１の先端側への光学部材３の移動を規制するように、光学部材３を固定することができる。この固定構造は高エネルギーの光による焼損、劣化の可能性がある接着剤を使用しなくても光学部材３を固定することができるため、光ファイバケーブル１の高エネルギーに対する信頼性向上に寄与する。
なお、この態様は光学部材３の固定に接着剤を使用することを否定するものではなく、高エネルギーの光に対して一定の耐久性を示す接着剤等を併用して、光学部材３を固定しても良い。併用する接着剤等としては無機接着剤、有機接着剤、半田、低融点ガラス等が挙げられる。

光学部材固定部材７の具体的な態様としては、先端側の内周面がテーパー状に形成され、後端側の内周面には、冷媒供給路５もしくは冷媒排出路６を構成する部材に形成された雄ネジと螺合する雌ネジを形成した円筒状部材が挙げられる。

また、光学部材３の先端が光学部材固定部材７から突出する場合は、光学部材３の先端を保護する光学部材保護部材８を設けても良い。

本発明は以上述べた内容を軸とし、温度検知機能や、異常時に光を停止・遮断する機能など、高エネルギー伝送用の光ファイバケーブルに適用される他の技術を適宜適用することで、高エネルギー伝送用の光ファイバケーブルとして好適に利用でき、特にレーザ加工機に代表される各種のレーザ装置におけるレーザ伝送用の光ファイバケーブルとして好適に利用できる。

以下、本発明の実施例として、図５の光ファイバケーブル１を示す。

予め、光ファイバ２に後述する内スリーブパイプ９と外スリーブパイプ１０を通しておく。

光ファイバ２として、長さ２０ｍ、コア径１００μｍ、クラッド径３３０μｍ、ＮＡ＝０．２２の石製ガラス製光ファイバを準備した。
また、光ファイバ２の先端付近から５０ｍｍの範囲に渡ってその表面を粗面化し、クラッドモード光除去部１１を形成した。

光学部材３として、円柱状の石英部材を加工し、図２に示したような、垂直面Ｓ_Ｖを計５面、平行面Ｓ_Ｈを計４面有した形状の光学部材を準備した。
光学部材３の全長は２０ｍｍ、後端部の外径は０．９ｍｍ、最太部の外径は９ｍｍとし、先端部には先細となるよう５°のテーパー面Ｔを設けた。
また、最太部と垂直面Ｓ_Ｖとの境界にもテーパー面を設けた。
加えて、先端面と光ファイバ２と接続される後端面は光学研磨面とし、それ以外の光学部材３の表面は擦りガラス状の粗面とした。

以上の光ファイバ２の先端と、光学部材３の後端を融着接続した。

次いで、光ファイバ２の外径に略等しい内径の光ファイバ固定部と、光ファイバ固定部よりも大きい内径の広径部とを有するステンレス製の内スリーブパイプ９を、光ファイバ２の所定の位置に固定する。
内スリーブパイプ９の広径部内と光ファイバ２との間に形成された空間を冷媒排出路６とする。また、広径部の側面には開口部が設けられており、冷媒４を外部に排出する冷媒排出管１２が接続される。

次いで、内スリーブパイプ９の外径に略等しい内径の内スリーブパイプ固定部と、内スリーブパイプ固定部よりも大きい内径の広径部とを有する、ステンレス製の外スリーブパイプ１０を、内スリーブパイプ９の所定の位置に固定する。
外スリーブパイプ１０の広径部内と内スリーブパイプ９との間に形成された空間が冷媒供給路５となる。また、広径部の側面には開口部が２つ設けられており、一方は外部から冷媒４を供給する冷媒供給管１３が接続され、他方にはは先述の冷媒排出管１２が挿通される。
また、外スリーブパイプ１０の先端外周面には、後述する光学部材固定部材７を固定するため雄ネジが形成されている。

次いで、後端側内周面には雌ネジ、先端側内周面には光学部材３の先端テーパー形状に合わせたテーパー面が形成された円筒状の光学部材固定部材７を、外スリーブパイプ１０の先端に設けられた雄ネジに螺合させ、光学部材３を外スリーブパイプ１０と光学部材固定部材７とで挟持するように光学部材３の固定を行う。なお、光学部材３の最太部と垂直面Ｓ_Ｖとの境界に存在し、外スリーブパイプ１０と接触するテーパー面には予めレーザ光に対して一定の耐久性を示す有機接着剤を塗布し、有機接着剤を併用する形で光学部材３の固定を行った。
また、光学部材３の先端部は光学部材固定部材７の先端から突出しているとともに、光学部材固定部材７の先端外周面には、先端側から順に雄ネジ部と、非ネジ部が形成されている。

次いで、円筒状の光学部材保護部材８を光学部材固定部材７の先端に被せる。
光学部材保護部材８の後端内周面には、後端側から順に、光学部材固定部材７に形成された非ネジ部よりも短い長さの雌ネジ部、光学部材固定部材７に形成された雄ネジ部よりも長い非ネジ部が形成されている。また、光学部材固定部材７の非ネジ部にはコイルバネ１４が設けられている。
この結果、光学部材保護部材８は、光学部材固定部材７の先端に被せられる際に一旦螺合するが、最終的には螺合が解除された状態になるともに、コイルバネ１４の弾性によって移動が規制された状態で光学部材固定部材７上に設けられることになる。光学部材固定部材７と光学部材保護部材８との螺合が解除され、かつ再螺合も起こりにくい状態のため、光学部材固定部材７からの光学部材保護部材８の脱落が抑制される。

光学部材保護部材８を設けて、光ファイバケーブル１の片端側が完成した。

次いで、光ファイバ２の他端側から所定の長さに切断した光ファイバ保護管１５を通し、外スリーブパイプ１０に対して固定を行った。さらに、光ファイバ２の他端側にも上記と同様の光学部材３を接続し、上記と同様の構造を設けて、本発明の光ファイバケーブル１が完成した。

完成した光ファイバケーブル１の両端に、冷媒４として温度２３℃の水を、流量１．５Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、４．５ｋＷのレーザ光を８時間連続入力し、異常は起きず、高エネルギー伝送用の光ファイバケーブルとして十分な冷却能力と、伝送能力を有することが確認できた。

以上述べた実施例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であり、適宜変更されて供されることは言うまでもない。
実施例に記載した光ファイバケーブルの製造手順や部品形状も一例であり、完成した光ファイバケーブルが本発明の思想の範囲内である限り、他の製造手順や部品形状を採用しても良い。

本発明の光ファイバケーブルは、レーザ切削機やレーザ溶接機など、レーザを用いた加工機や装置におけるレーザ伝送用途として好適に用いられるものであるが、用途はこれらに限定されるものでは無く、レーザ以外の高エネルギーを伝送する光ファイバケーブルや、高温環境下で用いられるため冷却が必要とされる光ファイバケーブルにも好適に利用できる。

１ 光ファイバケーブル
２ 光ファイバ
３ 光学部材
４ 冷媒
５ 冷媒供給路
６ 冷媒排出路
７ 光学部材固定部材
８ 光学部材保護部材
９ 内スリーブパイプ
１０ 外スリーブパイプ
１１ クラッドモード光除去部
１２ 冷媒排出管
１３ 冷媒供給管
１４ コイルバネ
１５ 光ファイバ保護管
Ｓ_Ｖ 垂直面
Ｓ_Ｈ 平行面
Ｔ テーパー面
Ｂ 境界辺

Claims (8)

1. 光ファイバの先端に、光学部材の後端が接続された光ファイバケーブルであって、
   該光学部材の後端と、該光ファイバの先端付近は、該光ファイバの長さ方向に沿って供給される冷媒が接触して冷却されるとともに、
   該光学部材の後端は、該冷媒の供給方向に対して略垂直な複数の垂直面と、該冷媒の供給方向に対して略平行な平行面を有することを特徴とする、光ファイバケーブル。
2. 該光学部材の後端は、該冷媒の供給方向に対して略平行な面を複数有することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバケーブル。
3. 該光学部材の後端の外径は、接続される光ファイバの外径の１〜５倍の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバケーブル。
4. 該冷媒は、該光ファイバの長さ方向に沿って設けられた冷媒供給路を通じて供給されるとともに、
   該冷媒供給路に沿って設けられた冷媒排出路を通じて、光ファイバケーブル外に排出されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の光ファイバケーブル。
5. 該垂直面と該平行面の境界辺が、該冷媒供給路の延長線上に存在しないことを特徴とする、請求項４に記載の光ファイバケーブル。
6. 該光学部材の先端に、先端に向かって先細りするテーパー面が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の光ファイバケーブル。
7. 該テーパー面を、内周にテーパー面が形成された光学部材固定部材で押圧したことを特徴とする、請求項６に記載の光ファイバケーブル。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の光ファイバケーブルを使用したレーザ装置。
   

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