JP5178214B2

JP5178214B2 - 光コネクタ構造

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Publication number: JP5178214B2
Application number: JP2008017215A
Authority: JP
Inventors: 元彦山崎; 忠彦中井; 武史佐竹; 隆史兵頭; 晴郎大泉; 昌弘星野; 賢治佐藤
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: US20100310212A1; US8348520B2; WO2009095976A1; JP2009180770A

Description

本発明は、レーザーガイド等に用いられる光コネクタ構造に関する。

レーザーガイドは、レーザー発振装置から入射されたレーザーを伝送するレーザー光導波デバイスである。このようなレーザーガイドは、光ファイバが補強繊維層及び被覆層で被覆されて可撓管に挿通されると共に、その両端のそれぞれに光コネクタが取り付けられた構成を有する。

レーザーガイドの光コネクタは、その先端部分のフェルールの端面がレーザー発振装置のコネクタ部材であるレセプタクルのセット面に当接するように接続される。このレーザーガイドとレーザー発振装置との接続において、ミスアライメントが発生した場合などにレーザーガイドに損傷が生じるのを低減するために、フェルールと光ファイバとの間に空気層を設けたエアギャップ構造の光コネクタが製造されている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−２４８９６５号公報

近年、レーザーはより高出力化しており、一方で、光ファイバは小さいコア径が要求される用途が増えてきている。このため、図５（ａ）に示すように、レーザー発振装置からレーザー光が光ファイバのコア１１１に直接入射されると、レーザー光の集光密度が高くなり、その結果、光ファイバ１００の端面が損傷を受けるという問題がある。

かかる問題に対し、純粋石英ガラスで形成された石英チップ１２０を光ファイバ本体１１０の光入射端側に一体に設けた光ファイバ１００を用い、それをフェルール２００に保持して固定すると共にこのフェルール２００をレセプタクル２１の大径孔２１ｂに挿入することが考えられる。これによると、レーザー密度が高くなることによる光ファイバ１００の端面が受ける損傷を抑止することができる。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、レーザー光は石英チップ１２０の端面に集光され、レーザー光が集光された後は、レーザー光は石英チップ１２０で再び拡散してしまうので、レーザー入射光のうち全てを光ファイバのコア１１１に入射することができず、光が漏れてしまうという問題が生じる。このため、このフェルール２００をレセプタクル２１に取り付ける場合、光コネクタを取り付けた後にレーザー発振装置の内部のレンズの焦点距離を修正する処理等が必要となり、調整のための手間を要する。

本発明の目的は、レーザー光による光ファイバの光入射端面の損傷を抑止すると共に、レーザー光を漏れることなく光ファイバに入射させることのできるコネクタ構造を提供することである。

本発明に係る光コネクタ構造は、
レーザー光入射端に石英チップが一体に設けられた光ファイバと、
上記光ファイバの上記石英チップを含む部分が挿入されると共に該光ファイバの部分を保持して固定するフェルールと、
上記フェルールを覆うように設けられ、開口側に形成された大径孔とそれに続いて段差を有して奥側に形成された小径孔とを有するレセプタクルと、
を備え、
上記フェルールは、その先端部が上記レセプタクルの上記奥側の上記小径孔に挿入されていると共に、その後方本体部が上記レセプタクルの上記大径孔に挿入されていることを特徴とする。

上記フェルールは、上記先端部が小径部及び上記後方本体部が大径部にそれぞれ構成されるように段差が形成され、該段差が、該先端部の小径部のみが上記レセプタクルの上記小径孔に挿入されるように該レセプタクルに係合していてもよい。

また、上記フェルールは、上記先端部のみが上記レセプタクルの上記小径孔に挿入されるように該レセプタクルに係合する係合部材が設けられていてもよい。

この場合、上記係合部材は、上記フェルールの上記先端部の上記レセプタクルの上記小径孔への挿入長さの調節が可能なように、上記フェルールの長さ方向に可動に設けられていることが好ましい。

上記光ファイバに一体に設けられた石英チップは、その外径がファイバ外径よりも大きいものであってもよい。

本発明によれば、光ファイバの光入射端側に石英チップが一体に設けられているので、レーザー光による光入射端面の損傷を抑止することができる。また、本発明によれば、
その光ファイバが保持固定されたフェルールの先端部がレセプタクルの奥側の小径孔に挿入され、その後方本体部がレセプタクルの大径孔に挿入されているので、レーザー光を漏れることなく光ファイバに入射させることができる。

以下、実施形態１〜３について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザーガイド１０を示す。

レーザーガイド１０は、医療分野におけるレーザーメスや機械加工分野におけるレーザー加工機において、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を伝送するためのレーザー光伝送用導波路として用いられるものである。

レーザーガイド１０は、例えば、光ファイバ１００がＳＵＳ可撓管等の可撓管１１に挿通されると共に、光ファイバ１００の両端のそれぞれに光コネクタ１２が取り付けられた構成となっている。そして、レーザーガイド１０は、光ファイバ１００の光入射端側がレーザー発振装置２０のレーザー光出射口に設けられたレセプタクル２１に嵌挿されてレーザー発振装置２０に接続される。

光ファイバ１００は、光ファイバ本体１１０とその光入射端側に一体に設けられた石英チップ１２０とを備えている。

光ファイバ本体１１０は、石英ガラスで形成されており、ファイバ中心のコア１１１とそれを被覆するクラッド１１２とを有する。光ファイバ本体１１０は、例えば、ファイバ長が５０ｍｍ〜１ｋｍ、ファイバ径が５０〜３０００μｍ及びコア径が１０〜２５００μｍに形成されており、例えば、ファイバ径７５０μｍ及びコア径６００μｍであることが好ましい。

光ファイバ本体１１０は、純粋石英ガラスでコア１１１が形成され、及び、フッ素（Ｆ）等がドープされた石英ガラスでクラッド１１２が形成されたＳＩ型光ファイバで構成されていても、或いは、ゲルマニウム（Ｇｅ）等がドープされた石英ガラスでコア１１１が形成され、及び、純粋石英ガラスでクラッド１１２が形成されたＧＩ型ファイバで構成されていても、いずれでもよい。

石英チップ１２０は、例えば、純粋石英ガラスで形成されている。石英チップ１２０は、例えば、径７５０μｍ及び厚さ２．７ｍｍの円柱状のものである。石英チップ１２０は、その光入射端面に表面溶融処理が施されて平滑に形成されていることが好ましい。

石英チップ１２０の厚みは、光ファイバ本体１１０の開口数（ＮＡ）等が勘案されて、受光したレーザー光の全てが集光されて光ファイバ本体１１０のコア１１１に入射されるように設定される。具体的には、石英チップ１２０の光入射端面から後述のレセプタクル２１のセット面までの光学距離と石英チップ１２０の光入射端面から石英チップ１２０及び光ファイバ本体１１０の界面までの光学距離（つまり、石英チップ１２０の厚みに相当する長さの光学距離）とが、等しくなるように設計される。

光ファイバ１００は、光ファイバ本体１１０と石英チップ１２０とを溶融して一体化することにより形成される。具体的には、光ファイバ本体１１０の光入射端側の端面と石英チップ１２０の光ファイバ融着面とを当接させ、その当接部分をバーナー等を用いて加熱溶融させることにより、形成される。また、石英チップ１２０の光入射端面には、バーナー等の火炎を当てることにより、或いは、ＣＯ_２レーザー光等を照射することにより、表面を平滑化させる表面溶融処理が施される。この表面溶融処理の前に、研磨処理を行ってもよい。

光コネクタ１２は、その先端部分にフェルール２００を備えている。

このフェルール２００は、略円筒状であり、フェルールの先端部２１０は小径部に、後方本体部２１１は大径部に構成されており、その小径部及び大径部を隔てる部分に、段差が形成されている。この段差は、小径部である先端部２１０のみがレセプタクル２１の小径孔２１ａに挿入されると共に、大径部である後方本体部２１１はレセプタクル２１の大径孔２１ｂに挿入されるように、レセプタクル２１のセット面に係合するためのものである。フェルール２００の先端部２１０は、例えば、長さ１．９ｍｍ、外径２．８ｍｍ及び内径２ｍｍである。フェルール２００の後方本体部２１１は、例えば、長さ１０ｍｍ、外径４ｍｍ及び内径２ｍｍである。そして、小径部２１０及び大径部２１１を構成する段差は、例えば高さ０．６ｍｍである。

フェルール２００は、例えば、銅、真鍮、アルミニウム、リン青銅、ステンレス鋼等の金属や、それらにニッケルのめっきを施したもの等で形成されている。

フェルール２０のうち側面には、例えば先端から１．５ｍｍの位置に、円筒状のファイバセンタリング部材２１２が設けられている。ファイバセンタリング部材２１２は、光ファイバ１００がフェルールの中心に配置されるように保持するためのものであり、例えば、サファイアチップ等で構成されている。このファイバセンタリング部材２１２は、例えば、外径３ｍｍ、内径７７０μｍ及び長さ４ｍｍである。

レーザーガイド１０は、光ファイバ１００の光ファイバ本体１１０部分が補強繊維層（例えば、アラミド繊維等）及び被覆層（例えば、ナイロン、塩化ビニル、フッ素樹脂等）で被覆された光ファイバ心線として用いられ、それが可撓管１１に挿通されると共に両端部に光コネクタ１２のフェルール２００が取り付けられて構成される。このレーザーガイド１０は、フェルール２００が光ファイバ本体１１０の部分を接着剤（例えば、エポキシ系樹脂等）やかしめ構造等で保持固定すると共にファイバセンタリング部材２１２が光ファイバ１００の先端部を保持することにより、光ファイバ１００がフェルール２００の中心に挿入して固定される。その一方で、ファイバセンタリング部材２１２よりもさらに先端部分においては、光ファイバ１００とフェルール２００との間に空気層が形成されてエアギャップ構造となっている。

レーザー発振装置２０は、レーザー発振装置本体２２の内部にレーザー光源（図示せず）、及び、レンズ等の光学装置２３を有し、また、レーザー光出射口には、レーザー発振装置本体２２の表面にレセプタクル２１がネジ止め等によってレーザー発振装置本体２２と一体に取り付けられている。これは、レーザーガイド等をレーザー発振装置２０に接続するためのコネクタ部材となるものである。

レセプタクル２１は、開口側に形成された大径孔２１ｂとそれに連続して奥側に形成された小径孔２１ａとを有する。レセプタクル２１の小径孔２１ａは、例えば、内径３ｍｍ及びファイバ方向長さ１ｍｍであり、レセプタクル２１の大径孔２１ｂは、例えば、内径４ｍｍ及びファイバ方向長さ９．９ｍｍである。また、小径孔２１ａ及び大径孔２１ｂの境界部分を構成する段差の高さは０．５ｍｍであり、この段差がレセプタクル２１のセット面を構成する。

レセプタクル２１は、例えば、銅、真鍮、アルミニウム、リン青銅、ステンレス鋼等の金属や、それらにニッケルのめっきを施したもの等で形成されている。レセプタクル２１の外形の形状は、例えば、円形、矩形等である。

図２は、このコネクタ構造Ｃの断面を示す。

コネクタ構造Ｃは、レーザーガイド１０のフェルール２００がレセプタクル２１に嵌挿されて構成される。このとき、このレセプタクル２１のセット面、つまり、小径孔２１ａと大径孔２１ｂとの境界を構成する段差に、上記のフェルール２００の小径部２１０及び大径部２１１を隔てる段差を係合し、レセプタクル２１の小径孔２１ａにフェルール２００の先端部２１０のみが挿入されると共に後方本体部２１１はレセプタクル２１の大径孔２１ｂに挿入される。レセプタクル２１の大径孔２１ｂの内径とフェルール２００の大径部２１１の外径とはほぼ同寸となっているので、フェルール２００はその大径部２１１がレセプタクル２１の大径孔２１ｂに嵌合されて固定される。

このコネクタ構造Ｃを構成するレーザーガイド１０及びレーザー光発振装置２０においては、レーザー光源から出射されたレーザー光が光学装置２３により屈折されてレーザーガイド１０の石英チップ１２０の光入射端面に入射し、光ファイバ本体１１０のコア１１１内を増幅しながら伝送されて、光出射端側から出射されて加工対象物（図示せず）に所定の加工を行う。

以上の構成によれば、光ファイバ１００の光入射端側に石英チップ１２０が一体に設けられているので、レーザー光による光入射端面の損傷を抑止することができる。

また、以上の構成によれば、フェルール２００は、その先端部の小径部２１０のみがレセプタクル２１の奥側の小径孔２１ａに挿入され、その後方本体部２１１がレセプタクルの大径孔２１ｂに挿入されており、光ファイバ１００に入射されたレーザー光は、石英チップ１２０と光ファイバ本体１１０との界面に集光されるので、レーザー光をもれなく光ファイバ本体１１０に入射してレーザー光を伝送することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係るレーザーガイド１０は、実施形態１と同様、例えば、光ファイバ１００がＳＵＳ可撓管等の可撓管１１に挿通されると共に、光ファイバ１００の両端のそれぞれに光コネクタ１２が取り付けられた構成であり、例えば、Ｈｏ−ＹＡＧレーザー光を伝送するためレーザー光伝送用導波路として用いられるものである。

光ファイバ本体１１０は、実施形態１のものと同一構造であり、例えば、ファイバ径３００μｍ及びコア径２２０μｍである。

石英チップ１２０は、例えば、径５００μｍ及び厚さ８００μｍの円柱状のものである。

フェルール２００は、略円筒状であり、フェルールの先端部２１０は小径部に、後方本体部２１１は大径部に構成されており、その小径部及び大径部を隔てる部分に、段差が形成されている。さらに、フェルール２００の小径部２１０には、内側面に段差が形成され、その段差よりも先端側の部分が、より壁薄になっている。フェルール２００の先端部２１０は、例えば外径１．５ｍｍであり、先端部２１０の先端側の壁薄部は、例えば、内径１ｍｍ及び長さ０．５ｍｍであり、さらに、先端部２１０の段差よりも後方側の部分は、例えば、内径０．５１ｍｍである。そして、フェルール２００の後方本体側２１１は、例えば、外径３．１７ｍｍ、内径０．５１ｍｍ及び長さ９．８ｍｍである。

上記の光ファイバ１００とフェルール２００とから構成されるレーザーガイド１０は、フェルール２００の先端部２１０の内側面に段差が設けられてその先端側が壁薄に形成されているので、レーザーガイド１０の先端部分において、光ファイバ１００とフェルール２００との間に空気層が設けられたエアギャップ構造となっている。

レーザー発振装置本体２２に取り付けられたレセプタクル２１は、実施形態１のものと同一構造を有する。このレセプタクル２１は、例えば、小径孔２１ａの内径１．６ｍｍ及びファイバ方向長さ１ｍｍであり、大径孔２１ｂの内径３．１７ｍｍ及びファイバ方向長さ９．８ｍｍである。また、小径孔２１ａ及び大径孔２１ｂの境界部分を構成する段差の高さは、例えば０．７８５ｍｍである。

図３は、実施形態２に係る光コネクタ構造Ｃを示す。

光コネクタ構造Ｃは、実施形態１と同様にして形成される。

以上の構成によれば、光ファイバ本体１１０のファイバ径よりも大きい外径の石英チップ１２０を光ファイバ本体１１０と一体になるように設けてレーザーガイド１０を構成しても、レーザー光の集光密度が高くなることにより光ファイバの光入射端面が損傷を受けるのを抑止することができる。

その他の構成及び効果は、実施形態１と同一である。

（実施形態３）
実施形態３に係るレーザーガイド１０は、実施形態１と同様、例えば、光ファイバ１０
０がＳＵＳ可撓管等の可撓管１１に挿通されると共に、光ファイバ１００の両端のそれぞれに光コネクタ１２が取り付けられた構成であり、例えば、ファイバレーザー光を伝送するためレーザー光伝送用導波路として用いられるものである。

光ファイバ本体１１０は、実施形態１のものと同一構造であり、例えば、ファイバ径７５０μｍ及びコア径６００μｍである。

石英チップ１２０は、例えば、テーパコーン状であり、光ファイバを接続する面の径１．２ｍｍ、ファイバ先端側の径７ｍｍ及び厚さ１３ｍｍである。

フェルール２００は、略円筒状のフェルール本体２２０とその外周面に設けられたリング状の係合部材２２１とからなる。この係合部材２２１は、例えばネジ構造により、フェルール２００の先端部の、レセプタクル２１の小径孔２１ａへの挿入長さの調節が可能なように、フェルール２００の長さ方向に可動に設けられていることが好ましい。フェルール本体２２０は、例えば、外径１５ｍｍ、内径７ｍｍ及び長さ１００ｍｍである。このうち、フェルール本体２２０の先端から２０ｍｍまでの部分は、例えば、外周面上に、係合部材２２１を取り付けるため、Ｍ１０のネジ溝が形成されている。

係合部材２２１は、例えば、外径１３ｍｍ、内側ネジ径Ｍ１０及び長さ８ｍｍである。

レーザー発振装置本体２２に取り付けられたレセプタクル２１は、実施形態１のものと同一構造を有する。このレセプタクル２１は、例えば、小径孔２１ａの内径１１ｍｍ及びファイバ方向長さ８ｍｍであり、大径孔２１ｂの内径１５ｍｍ及びファイバ方向長さ９０ｍｍである。また、小径孔２１ａ及び大径孔２１ｂの境界部分を構成する段差の高さは、例えば２ｍｍである。

図４は、実施形態３に係る光コネクタ構造Ｃを示す。

光コネクタ構造Ｃは、レーザーガイド１０のフェルール２００の係合部材２２１の先端側端面が、レセプタクル２１セット面に係合し、フェルール２００の先端部のみがレセプタクル２１の小径孔２１ａに挿入されると共に、係合部材２２１の先端側端面よりも後方部はレセプタクル２１の大径孔２１ｂに挿入されるようにして形成される。

以上の構成によれば、係合部材２２１がフェルール２００の長さ方向に可動に設けられているので、光ファイバ１００をフェルール２００に保持固定した後に、レーザー光が石英チップ１２０と光ファイバ本体１１０の先端側端面との界面に入射されるようにレセプタクル２１との係合位置を調整することができる。

その他の構成及び効果は、実施形態１及び２と同一である。

（その他の実施形態）
実施形態１〜３では、光ファイバ１００の光ファイバ本体１１０は石英クラッドファイバとしたが、これに限定されるものではなく、ポリマークラッドファイバであっても、ダブルクラッドファイバであっても、その他の種類の光ファイバであってもよい。ただし、ポリマークラッドファイバの場合は、樹脂クラッドが除去された状態で石英チップが融着される。

実施形態１〜３では、光ファイバ１００に一体に設けられる石英チップ１２０は全体が純粋石英で構成されるとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、光導波部分がコアとなっているようなＳＩ型光ファイバで石英チップ１２０を構成してもよい。

実施形態１〜３では、光ファイバ１００の先端部とフェルール２００の端面とが面一になるようにしたが、フェルール２００が光ファイバ１００に対して突出してレーザーガイド１０が構成されていてもよい。また、フェルール２００の端面とレセプタクル２１の小径孔２１ａ側の端面（レーザー発振装置本体２２へのレセプタクル２１の取り付け面）は、面一になるようにしてもよく、レセプタクル２１に対してフェルール２００が突出するように設けられていてもよく、或いは、フェルール２００の先端部がレセプタクル２１の小径孔２１ａの端面に到達していなくてもよい。

本発明は、光コネクタ構造について有用である。

レーザー発振装置にレーザーガイドを接続した状態の概略を示す側面図である。実施形態１に係る光コネクタ構造を示す断面図である。実施形態２に係る光コネクタ構造を示す断面図である。実施形態３に係る光コネクタ構造を示す断面図である。（ａ）従来技術の光コネクタ構造を示す断面図、及び、（ｂ）その問題点についての説明図である。

符号の説明

Ｃコネクタ構造
２１レセプタクル
２１ａ小径孔
２１ｂ大径孔
１００光ファイバ
１２０石英チップ
２００フェルール
２１０先端部（小径部）
２１１後方本体部（大径部）
２２１係合部材（調整リング）

Claims

レーザー光入射端に石英チップが一体に設けられた光ファイバと、
上記光ファイバの上記石英チップを含む部分が挿入されると共に該光ファイバの部分を保持して固定するフェルールと、
上記フェルールを覆うように設けられ、開口側に形成された大径孔とそれに続いて段差を有して奥側に形成された小径孔とを有するレセプタクルと、
を備え、
上記フェルールは、その先端部が上記レセプタクルの上記奥側の上記小径孔に挿入されていると共に、その後方本体部が上記レセプタクルの上記大径孔に挿入されていることを特徴とする光コネクタ構造。
請求項１に記載された光コネクタ構造において、
上記フェルールは、上記先端部が小径部及び上記後方本体部が大径部にそれぞれ構成されるように段差が形成され、該段差が、該先端部の小径部のみが上記レセプタクルの上記小径孔に挿入されるように該レセプタクルに係合していることを特徴とする光コネクタ構造。
請求項１に記載された光コネクタ構造において、
上記フェルールは、上記先端部のみが上記レセプタクルの上記小径孔に挿入されるように該レセプタクルに係合する係合部材が設けられていることを特徴とする光コネクタ構造。
請求項３に記載された光コネクタ構造において、
上記係合部材は、上記フェルールの上記先端部の上記レセプタクルの上記小径孔への挿入長さの調節が可能なように、上記フェルールの長さ方向に可動に設けられていることを特徴とする光コネクタ構造。
請求項１乃至４のいずれかに記載された光コネクタ構造において、
上記石英チップは、その外径がファイバ外径よりも大きいことを特徴とする光コネクタ構造。