JP4704492B2 - 光ファイバ構造体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ構造体の製造装置に関する。

レーザーガイドは、エネルギー密度の高いレーザー光を伝送する光ファイバ部品として加工装置等に広く用いられている。

かかるレーザーガイドとして、特許文献１には、レーザーガイド用の光ファイバの少なくとも一方端に光ファイバよりも太径の円柱状のブロック状チップ（ロッド）を同軸に結合したものが開示されている。

米国特許第５６１９６０２号公報

ところが、特許文献１に開示されているレーザーガイドでは、光ファイバのファイバ端の端面の面積とブロック状チップのチップ端の端面の面積との面積差が大きく、両者の熱容量が格段に異なるため、放電やバーナーなどでそれらを融着することが困難であり、その作業性が悪く、生産性が低いという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光ファイバとブロック状チップとの融着が容易であって生産性の高い光ファイバ構造体の製造装置を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の光ファイバ構造体の製造装置は、基端側部分がチップ端に向かってボトルネック形状の先細り形状に形成されたブロック状チップが光ファイバに結合した光ファイバ構造体のものであって、
ブロック状チップを保持するチップ保持部と、
光ファイバを保持するファイバ保持部と、
上記チップ保持部で保持されたブロック状チップと上記ファイバ保持部で保持された光ファイバとが同軸で当接するように、該チップ保持部及び該ファイバ保持部を相対移動させる移動部と、
上記チップ保持部で保持されたブロック状チップ及び上記ファイバ保持部で保持された光ファイバを加熱する加熱部と、
上記チップ保持部で保持されたブロック状チップのファイバ結合側チップ端とは反対側のチップ端から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察する軸位置関係観察部と、
を備え、
上記移動部は、各々、上記ファイバ保持部側に設けられた、
上記ファイバ保持部を、上記チップ保持部で保持されたブロック状チップ及び該ファイバ保持部で保持された光ファイバの軸方向をＸ方向として、該Ｘ方向に移動させるＸ方向可動部材、
上記ファイバ保持部を、上記Ｘ方向に直交する方向をＹ方向として、該Ｙ方向に移動させるＹ方向可動部材、
並びに上記ファイバ保持部を、上記Ｘ方向及び上記Ｙ方向の双方に直交する方向をＺ方向として、該Ｚ方向に移動させるＺ方向可動部材、
を有し、
上記軸位置関係観察部は、Ｘ方向観察カメラにより構成されており、
上記Ｙ方向から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察するＹ方向観察カメラと、
上記Ｚ方向から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察するＺ方向観察カメラと、
をさらに備えたことを特徴とする。

上記の構成によれば、光ファイバとブロック状チップとの融着が容易であって高い生産性を得ることができる。

光ファイバ構造体を示す側面図である。 ブロック状チップを示す側面図である。 光ファイバ構造体の製造装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光ファイバ構造体１０を示す。この光ファイバ構造体１０は、加工装置用のレーザーガイド等に組み込まれて使用されるものである。

この光ファイバ構造体１０は、光ファイバ１１ａとその少なくとも一方のファイバ端に結合したブロック状チップ１２とを備えている。

光ファイバ１１ａは、ファイバ中心をなす純粋石英で形成された高屈折率のコアとそれを被覆するように一体に設けられフッ素等がドープされた石英で形成された低屈折率のクラッドとを備えている。また、光ファイバ１１ａは、クラッドを被覆するように一体に設けられた純粋石英で形成されたサポート層を備えたものであってもよい。光ファイバ１１ａは、例えば、長さが５ｍｍ〜３００ｍ、外径が１２５〜１５００μｍ及びコア径が５０〜１２００μｍである。サポート層を有する場合、クラッドは、例えば、層厚さが３〜９０μｍであり、サポート層は、層厚さが５〜６０μｍである。また、光ファイバ１１ａは、例えば、コアの屈折率が１．４５８であり、クラッドの屈折率が１．４４０〜１．４５４、サポート層を有する場合、サポート層の屈折率が１．４５８である。なお、光ファイバ１１ａは、ＵＶ硬化型樹脂等で形成された被覆層１１ｂにより被覆されて光ファイバ心線１１を構成していてもよい。

図２は、ブロック状チップ１２を示す。

ブロック状チップ１２は、先端側部分１２ａが円柱状等に形成されている。また、基端側部分１２ｂがチップ端に向かってボトルネック形状の先細り形状に形成されており、基端側部分１２ｂのチップ端の端面が先端側部分１２ａのチップ端の端面に平行に形成されている。そして、その基端側部分１２ｂのチップ端の端面が光ファイバ１１ａのファイバ端の端面に融着により結合している。つまり、このブロック状チップ１２の先端側部分１２ａの端面が光入射部又は光出射部を構成し、基端側部分１２ｂのチップ端がファイバ結合側チップ端を構成している。このような構成によれば、ファイバ端の端面よりも広いブロック状チップ１２の先端側部分１２ａの端面で光を入出射するので、入出射する光の強度及び密度を下げても光ファイバ１１ａではそれらが集約されて高強度及び高密度の光の伝送を行うことができ、高強度及び高密度の光が直接的にファイバ端面に入出射して光ファイバ１１ａがダメージを受けるのを回避することができる。なお、ブロック状チップ１２の基端側部分１２ｂの先細り形状は、ボトルネック形状に限定されるものではなく、テーパー形状等に形成されていてもよい。

また、ブロック状チップ１２は、図２に示すように、先端側部分１２ａのチップ端の端面、つまり、光入射端面、或いは、光出射端面がＡＲコート（Anti Reflection coating）１３で被覆されているものであってもよい。光ファイバ１１ａのファイバ端の端面にＡＲコートを施す場合には、光ファイバ心線１１全体を蒸着機に入れるか、或いは、専用の蒸着機を用いる必要があり、前者の場合には低効率で生産性が悪く、後者の場合には装置の改造が必要である。しかしながら、上記のような構成であれば、光ファイバ１１ａとの融着前にブロック状チップ１２のみを汎用の蒸着機に多数入れて蒸着処理することが可能である。なお、ＡＲコート１３としては、例えば、ＨｆＯ_２−ＳｉＯ_２膜、Ｔａ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２膜、Ｎｂ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２膜等が挙げられる。

さらに、ブロック状チップ１２は、少なくとも先端側部分１２ａの外周面がサンドブラスト等により表面が荒らされているものであってもよい。このような構成であれば、迷光等が外部から入射したときに、それが反射することなく外部に逃がすことができる。

また、ブロック状チップ１２は、例えば、長さが５〜３０ｍｍ、先端側部分１２ａのチップ端の端面の外径Ｄが１〜２５ｍｍ及び基端側部分１２ｂのファイバ結合側チップ端の端面の外径ｄが０．２〜３ｍｍである。また、ブロック状チップ１２は、図２に示すように、先端側部分１２ａの長さをＡ、先細りに形成された基端側部分１２ｂの長さをＢ、及び、基端側部分１２ｂの広がり角をθとしたとき、それらが、光ファイバ１１ａからの光の広がり角θ’がθ以下となり、且つ、先端側部分１２ａのチップ端の端面での光の光径Ｄ’がＤ以下となるように設定されていることが好ましい。なお、レーザ光の広がりは、光ファイバ１１ａの開口数（ＮＡ）に依存する。これらのことを考慮した上で、例えば、Ａが１〜２９ｍｍ、Ｂが１〜２９ｍｍ及びθが１０〜２５°である。なお、光ファイバ１１ａと融着するときにブロック状チップ１２をＶ溝等で保持する際の作業性の観点からは、Ａが１ｍｍ以上であることが好ましい。

このような光ファイバ構造体１０は、それ自身を光学素子として用いることができるが、また、光ファイバ１１ａの長さが５〜１００ｍｍと比較的短く且つブロック状チップ１２が一方のファイバ端にのみ結合した構成のものを光学部品として用いることができる。このような光学部品を用いれば、その他方のファイバ端と他の光ファイバ１１ａのファイバ端との光ファイバ同士の接続によりファイバ端にブロック状チップ１２が設けられた新たな光ファイバ構造体１０を容易に構成することができる。

以上のような構成の光ファイバ構造体１０は、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端を加熱しながら当接させることにより形成することができる。

この光ファイバ構造体１０では、上記のように、ブロック状チップ１２がファイバ結合側チップ端に向かって先細り形状に形成されているので、光ファイバ１１ａのファイバ端の端面の面積とブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端の端面の面積との面積差が小さくされ、両者の熱容量が近くなるため、それらを容易に融着することができ、その結果、高い生産性を得ることができる。

ここで、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端の熱容量と光ファイバ１１ａのファイバ端の熱容量が近いことが望ましいという観点からは、前者の端面の外径が後者の端面の外径の１〜５倍であることが好ましい。

また、光ファイバ１１ａは、ブロック状チップ１２と接続する際の加熱による変形のコア及びクラッドに及ぶ影響が小さいという観点から、コア及びクラッドからなる二層構造よりもコア、クラッド及びサポート層からなる三層構造のものが好ましい。

次に、光ファイバ構造体製造装置２０について説明する。

図３は、その光ファイバ構造体製造装置２０の構成を示す。

この光ファイバ構造体製造装置２０は、直方体形状を横置きした本体ステージ２１を備えている。なお、この本体ステージ２１の長さ方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、及び、幅方向をＺ方向とする。

本体ステージ２１には、一方端に光ファイバ１１ａを保持するファイバ保持部２２が設けられていると共に、他方端にブロック状チップ１２を保持するチップ保持部２３が設けられている。

ファイバ保持部２２は、Ｘ方向に可動なＸ方向可動部材２４、Ｙ方向に可動なＹ方向可動部材２５、及び、Ｚ方向に可動なＺ方向可動部材２６が下から順に積層された上に設けられている。ファイバ保持部２２は、上下一対の部材で構成されており、上側部材の下面側及び下側部材の上面側にそれぞれＶ溝が形成されており、それらのＶ溝でボビンから引き出された光ファイバ心線１１を上下に狭持して保持するようになっている。

チップ保持部２３も、上下一対の部材で構成されており、上側部材の下面側及び下側部材の上面側にそれぞれＶ溝が形成されており、それらのＶ溝でブロック状チップ１２の先端側部分１２ａを上下に狭持して保持するようになっている。

本体ステージ２１には、ファイバ保持部２２とチップ保持部２３との間に加熱部２７が設けられている。

加熱部２７は、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向に可動な可動部材２８とその上に設けられたガスやアーク放電による炎を出す加熱部本体２９とを備えている。また、加熱部２７は、炎の強弱を調節する加熱調節部３０に接続されている。

また、この光ファイバ構造体製造装置２０は、光ファイバ１１ａとブロック状チップ１２とを結合させる位置において、その上方に設けられたＹ方向観察カメラ３２、各々、その側方に設けられたＺ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４、並びに、チップ保持部２３で保持されるブロック状チップ１２のファイバ接続側チップ端とは反対側に設けられたＸ方向観察カメラ（軸位置関係観察部）３１を備えている。

Ｙ方向観察カメラ３２、Ｚ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４、並びに、Ｘ方向観察カメラ３１のそれぞれは、ＣＣＤカメラで構成されている。Ｙ方向観察カメラ３２、Ｚ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４のそれぞれは、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端の軸位置関係を軸直方向から観察する。Ｘ方向観察カメラ３１は、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端の軸位置関係を軸方向から観察する。

Ｙ方向観察カメラ３２、Ｚ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４、並びに、Ｘ方向観察カメラ３１のそれぞれは、モニター３５に接続されている。モニター３５は、画面が四分割されてこれらのカメラのそれぞれの画像を表示するようになっている。

次に、この光ファイバ構造体製造装置２０を用いた光ファイバ構造体１０の製造方法について説明する。

まず、被覆層１１ｂが剥がされて露出した光ファイバ１１ａが内側に突出するようにファイバ保持部２２で光ファイバ心線１１を保持すると共に、先細り形状に形成された基端側部分１２ｂが内側に突出するようにチップ保持部２３でブロック状チップ１２を保持する。

次いで、Ｘ方向可動部材２４、Ｙ方向可動部材２５、及び、Ｚ方向可動部材２６を用いて、ファイバ保持部２２に保持された光ファイバ１１ａを、ファイバ端の端面がチップ保持部２３に保持されたブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端の端面に対向するように位置付ける。従って、Ｘ方向可動部材２４、Ｙ方向可動部材２５、及び、Ｚ方向可動部材２６が移動部を構成する。このとき、モニター３５で、Ｙ方向観察カメラ３２、Ｚ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４、並びに、Ｘ方向観察カメラ３１のそれぞれ映像を見て、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端の軸位置関係を確認する。

次いで、可動部材２８により加熱部２７を光ファイバ１１ａのファイバ端とブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端との間に位置付ける。

次いで、加熱部２７により光ファイバ１１ａのファイバ端及びブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端を加熱すると共に、Ｘ方向可動部材２４によりファイバ保持部２２を移動させて光ファイバ１１ａのファイバ端をチップ保持部２３に保持されたブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端に徐々に近接させながら当接させて融着させる。このときも、モニター３５で、Ｙ方向観察カメラ３２、Ｚ方向観察カメラ３３及びＺ方向拡大観察カメラ３４、並びに、Ｘ方向観察カメラ３１のそれぞれ映像を見て、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端の軸位置関係を確認する。

続いて、加熱部２７による加熱を停止すると共に、Ｘ方向可動部材２４によりファイバ保持部２２を移動させて光ファイバ１１ａとブロック状チップ１２との融着部分に弱く張力を負荷する。

そして、しかる後、ファイバ保持部２２及びチップ保持部２３の保持を解除して光ファイバ構造体１０を取り出す。

光ファイバ同士を結合させるためのファイバ融着装置では、光ファイバのファイバ端の軸位置関係を軸直方向から確認することによる調芯を行うことはできるが、軸方向から確認することによる調芯を行うことはできない。しかしながら、この光ファイバ構造体製造装置２０では、Ｘ方向観察カメラ３１が設けられているので、ブロック状チップ１２のファイバ結合側チップ端及び光ファイバ１１ａのファイバ端の軸位置関係を軸方向から確認することによる調芯を行うことができる。これにより、融着部分での気泡の発生や光ファイバ１１ａのファイバ端の端面の変形など融着の良否を判断することができ、また、必要であれば、さらに加熱して気泡を除去したり、或いは、縮小させたりすることもできる。

以上に説明したように、本発明は、光ファイバ構造体の製造装置について有用である。

１０ 光ファイバ構造体
１１ 光ファイバ心線
１１ａ 光ファイバ
１１ｂ 被覆層
１２ ブロック状チップ
１２ａ 先端側部分
１２ｂ 基端側部分
１３ ＡＲコート
２０ 光ファイバ構造体製造装置
２１ 本体ステージ
２２ ファイバ保持部
２３ チップ保持部
２４ Ｘ方向可動部材
２５ Ｙ方向可動部材
２６ Ｚ方向可動部材
２７ 加熱部
２８ 可動部材
２９ 加熱部本体
３０ 加熱調節部
３１ Ｘ方向観察カメラ
３２ Ｙ方向観察カメラ
３３ Ｚ方向観察カメラ
３４ Ｚ方向拡大観察カメラ
３５ モニター

Claims (5)

1. 基端側部分がチップ端に向かってボトルネック形状の先細り形状に形成されたブロック状チップが光ファイバに結合した光ファイバ構造体の製造装置であって、
   ブロック状チップを保持するチップ保持部と、
   光ファイバを保持するファイバ保持部と、
   上記チップ保持部で保持されたブロック状チップと上記ファイバ保持部で保持された光ファイバとが同軸で当接するように、該チップ保持部及び該ファイバ保持部を相対移動させる移動部と、
   上記チップ保持部で保持されたブロック状チップ及び上記ファイバ保持部で保持された光ファイバを加熱する加熱部と、
   上記チップ保持部で保持されたブロック状チップのファイバ結合側チップ端とは反対側のチップ端から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察する軸位置関係観察部と、
   を備え、
   上記移動部は、各々、上記ファイバ保持部側に設けられた、
   上記ファイバ保持部を、上記チップ保持部で保持されたブロック状チップ及び該ファイバ保持部で保持された光ファイバの軸方向をＸ方向として、該Ｘ方向に移動させるＸ方向可動部材、
   上記ファイバ保持部を、上記Ｘ方向に直交する方向をＹ方向として、該Ｙ方向に移動させるＹ方向可動部材、
   並びに上記ファイバ保持部を、上記Ｘ方向及び上記Ｙ方向の双方に直交する方向をＺ方向として、該Ｚ方向に移動させるＺ方向可動部材、
   を有し、
   上記軸位置関係観察部は、Ｘ方向観察カメラにより構成されており、
   上記Ｙ方向から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察するＹ方向観察カメラと、
   上記Ｚ方向から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を観察するＺ方向観察カメラと、
   をさらに備えたことを特徴とする光ファイバ構造体の製造装置。
2. 請求項１に記載された光ファイバ構造体の製造装置において、
   上記Ｘ方向観察カメラ、上記Ｙ方向観察カメラ、及び上記Ｚ方向観察カメラが観察する画像を表示するモニターをさらに備えたことを特徴とする光ファイバ構造体の製造装置。
3. 請求項２に記載された光ファイバ構造体の製造装置において、
   上記モニターは、上記Ｘ方向観察カメラ、上記Ｙ方向観察カメラ、及び上記Ｚ方向観察カメラが観察する画像を、画面を分割して表示するように構成されていることを特徴とする光ファイバ構造体の製造装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された光ファイバ構造体の製造装置において、
   上記ファイバ保持部が一方端に及び上記チップ保持部が他方端にそれぞれ設けられた本体ステージをさらに備え、
   上記本体ステージの長さ方向を上記Ｘ方向、高さ方向を上記Ｙ方向、及び幅方向を上記Ｚ方向とすることを特徴とする光ファイバ構造体の製造装置。
5. 請求項４に記載された光ファイバ構造体の製造装置において、
   上記Ｚ方向から、ブロック状チップのファイバ結合側チップ端及び光ファイバのファイバ端の軸位置関係を拡大して観察するＺ方向拡大観察カメラをさらに備えたことを特徴とする光ファイバ構造体の製造装置。

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