JP5824856B2 - 光ファイバケーブル - Google Patents

Description

本発明は、例えばレーザ光といった高強度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。

高強度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としては、例えば特許文献１に記載されているように、光ファイバの端部の外被面を包囲する冷却液（例えば冷却水）を包被する壁と、光ファイバの端面と光学接触された透明窓とを備えたものが知られている。

特許第３６９９４８６号

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、一般に冷却液は循環しており、その冷却液が漏れないように透明窓と壁との間は密封性を保つ必要がある。このため、透明窓は壁に十分な固定力を加えて固定される必要があり、透明窓に力がかかる。また、冷却液の流れによっても透明窓に力がかかるため、透明窓が変形し、透明窓の屈折率が変化する。従って、透明窓を通過するレーザ光の強度分布が変化したり、レーザ光の歪みが生じる等、レーザ光の品質が悪化する。その結果、レーザ光によるレーザ加工における加工精度の悪化につながる。

一方、透明窓と壁との間の密封性を確保するためにゴム製のＯリングを使うと、透明窓を壁に固定するために加える荷重を軽減することはできる。しかし、レーザ光が漏れてＯリングに当たると、Ｏリングが損傷することがある。

また、透明窓を通過したレーザ光のうち光ファイバのコアに入射しなかったレーザ光の一部が、直接冷却液に入って吸収される。冷却液としては、通常はイオン交換水など、純度が高いものが用いられる。しかし、冷却液に不純物が混入すると、冷却液の光吸収率が高くなるため、冷却液が突沸し、結果的に壁が損傷するおそれがある。

本発明の目的は、光ファイバの端面に光学接触された透明窓の変形と冷却液の突沸とを防止することができる光ファイバケーブルを提供することである。

本発明は、レーザー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おいて、光ファイバの端末部を収容する管部材と、光ファイバの端面に光学接触されると共に、管部材に保持された外側透明窓と、管部材の内部における外側透明窓の内側に配置されると共に、管部材及び光ファイバのクラッドに、レーザー光が漏れて当たったとしても損傷のおそれがないように密封固定された内側透明窓とを備え、管部材の内部における内側透明窓の内側の空間は、冷却液を流通させるための冷却液流通領域を形成しており、外側透明窓と内側透明窓との間には空隙部が設けられ、外側透明窓は、動かない程度に管部材に保持されており、管部材と外側透明窓との保持力は、管部材と内側透明窓との固定力よりも小さいことを特徴とするものである。

このような本発明の光ファイバケーブルを使用する場合には、管部材の内部における内側透明窓の内側の空間（冷却液流通領域）に冷却液が流通される。このとき、冷却液は内側透明窓に接触するが、内側透明窓は管部材及び光ファイバのクラッドに密封固定されているため、冷却液によって内側透明窓に力がかかり、内側透明窓が変形する。しかし、内側透明窓は光ファイバのクラッドに固定されているため、内側透明窓が変形しても、光ファイバのコアを伝搬する光に影響を与えることは無い。一方、外側透明窓は光ファイバの端面に光学接触されているが、外側透明窓と内側透明窓との間には空隙部が設けられているため、内側透明窓の変形が外側透明窓に伝わることは無い。従って、光ファイバの端面に光学接触された外側透明窓の変形を防止することができる。

また、外側透明窓の外側の面は空気との界面であり、外側透明窓の内側の面と内側透明窓の外側の面との間には空隙部が設けられており、内側透明窓の内側の面は冷却液と接している。このため、外側透明窓を通過した光のうち光ファイバのコアに入射されなかった光は、外側透明窓の内側の面、内側透明窓の外側の面及び内側の面において少しずつ反射されるようになる。従って、冷却液に吸収される光の強度が低くなるため、冷却液の突沸を防止することができる。また、管部材と外側透明窓との保持力が管部材と内側透明窓との固定力よりも小さい場合には、外側透明窓を管部材に簡単な構造で保持させることができる。

好ましくは、クラッドの外周面には、クラッドを伝搬する光を取り除くための処理が施されている。この場合には、光ファイバのクラッドを伝搬する光が散乱して光ファイバの外部に放射されやすくなるため、クラッドを伝搬する光が低減される。このため、例えば光ファイバケーブルの曲がり部分でクラッドから光が出て光ファイバケーブルの外被が断線する等といった不具合を防ぐことができる。

また、好ましくは、内側透明窓の屈折率は、クラッドの屈折率と同等以上である。より好ましくは、内側透明窓は、クラッドと融着されている。この場合には、光ファイバのクラッドを伝搬する光が内側透明窓に導かれやすくなるため、クラッドを伝搬する光が低減される。このため、例えば光ファイバケーブルの曲がり部分でクラッドから光が出て光ファイバケーブルの外被が断線する等といった不具合を防ぐことができる。

さらに、好ましくは、内側透明窓は、管部材と内側透明窓との間にメタルガスケットを挟んだ状態で、メタルガスケットを押し潰す方向の力を内側透明窓に付与することで、管部材に密封固定されている。この場合には、内側透明窓を管部材に確実に密封固定させることができる。

本発明によれば、光ファイバの端面に光学接触された透明窓の変形を防止できるので、当該透明窓を通過する光の品質悪化を防ぐことができる。また、冷却液の突沸を防止できるので、管部材の損傷を防ぐこともできる。

本発明に係わる光ファイバケーブルの一実施形態を示す断面図である。 図１に示した管部材の内部に入ったレーザ光の通る方向を模式的に示す図である。 図１に示した内側透明窓及び外側透明窓を管部材に取り付ける構造を示す断面図である。

以下、本発明に係わる光ファイバケーブルの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる光ファイバケーブルの一実施形態を示す断面図である。同図において、本実施形態の光ファイバケーブル１は、高強度（例えば２ｋＷ〜１０ｋＷ）のレーザ光を照射して車両のボデー等の鉄板を溶接・切断するレーザ加工機に使用されるものである。

光ファイバケーブル１は、レーザ光を伝搬する光ファイバ２と、この光ファイバ２の端末部を収容する金属製の管部材３とを備えている。管部材３は、光ファイバケーブル１の両側の端末部に設けられている。なお、光ファイバケーブル１における端末部を除く部分は、特に図示はしないが、例えば光ファイバ２をステンレス製のフレキシブル管で保護し、そのフレキシブル管の表面上に樹脂層が形成された構造となっている。

光ファイバ２の端末部は、樹脂被覆が除去された状態で管部材３の基端部（後端部）に固定されている。光ファイバ２は、コア２ａと、このコア２ａの周囲に設けられたクラッド２ｂとを有している。

クラッド２ｂの外周面には、コア２ａに入らずに漏れた光のうちクラッド２ｂに入ってクラッド２ｂを伝搬する光（クラッドモード光）を取り除くためのモードストリップ処理が施されている。コア２ａに入らずに漏れた光としては、アライメントのずれによりコア２ａに入射されなかった光（ミスアライメント光）や光ファイバ２から出射されて加工対象物（鉄板）で反射して戻ってきた光（反射戻り光）等がある。モードストリップ処理としては、具体的には、液相エッチング等によりクラッド２ｂの外周面を粗面化する。

クラッドモード光が存在していると、例えば光ファイバケーブル１の曲がり部分でクラッドモード光が光ファイバ２から出ることで、フレキシブル管が熱くなって樹脂層が焼けてしまい、最終的に光ファイバケーブル１が断線する可能性がある。また、コア２ａから出射されたレーザ光は加工対象物の所望位置に当たるが、クラッド２ｂから出射されたレーザ光は所望位置からずれて当たるため、加工対象物にダメージを与えることがある。上記のモードストリップ処理を行うことにより、図２に示すように、クラッドモード光が散乱してクラッド２ｂの外部に放射される（実線Ｐ参照）ようになるため、光ファイバケーブル１の断線や加工対象物へのダメージを抑えることができる。

光ファイバ２の端面には、円形状の外側透明窓４が融着等により光学接触されている。外側透明窓４は、管部材３の先端部（前端部）の内周面に接触保持されている。外側透明窓４は、コア２ａと同じ材質で形成されていると共に、コア２ａよりも大きな径を有している。

光ファイバ２は高パワーのレーザ光を伝搬するため、光ファイバ２の端面にゴミ等が付着すると、光ファイバ２の端面が焼き付いて損傷してしまう。光ファイバ２の端面に外側透明窓４を光学接触させることにより、光ファイバ２の端面が露出しなくなると共に、光ファイバ２と外部（空気）との界面での光のエネルギー密度が低下するため、ゴミ等が付着することによる光ファイバ２の損傷が生じにくくなる。

管部材３の内部における外側透明窓の内側（後端側）には、内側透明窓５が配置されている。内側透明窓５は、レーザ光が当たっても吸収して損傷しないような透明材料で形成されている。内側透明窓５の屈折率は、クラッド２ｂの屈折率と同じか、クラッド２ｂの屈折率よりも大きくなっている。これにより、図２に示すように、上記のクラッドモード光が内側透明窓５に導かれる（実線Ｑ参照）ため、上述した光ファイバケーブル１の断線や加工対象物へのダメージを更に抑えることができる。外側透明窓４と内側透明窓５との間には、空隙部６が設けられている。

管部材３の内部における内側透明窓５の内側において管部材３と内側透明窓５とで囲まれる空間は、冷却液（ここでは冷却水）を流すための冷却液流通領域７を形成している。管部材３には、冷却液流通領域７に冷却水を流入させるための入口部８と、冷却液流通領域７から冷却水を流出させるための出口部９とが形成されている。レーザ加工機の使用時には、冷却ファンを含む循環系（図示せず）によって冷却水が冷却液流通領域７を循環する。

このとき、冷却水が空隙部６に漏れずに確実に冷却液流通領域７に閉じ込められるように、内側透明窓５と管部材３の内周面とは密封固定されている。

また、上記のクラッドモード光を内側透明窓５に一層導きやすくすると共に、冷却水が空隙部６に漏れないようにするために、内側透明窓５と光ファイバ２のクラッド２ｂとは、融着により密封固定されている。内側透明窓５とクラッド２ｂとを融着することにより、反射戻り光（前述）による損失を低減することができる。

一方、外側透明窓４と管部材３との間には、特に冷却水を閉じ込めるための密封性は必要ない。つまり、外側透明窓４は、動かない程度に管部材３に保持されていれば良い。従って、管部材３と外側透明窓４との保持力は、管部材３と内側透明窓５との固定力よりも小さくなっている。

内側透明窓５及び外側透明窓４を管部材３に取り付ける構造を図３（ａ）に示す。同図に示すものでは、管部材３と内側透明窓５との間にメタルガスケット１０を挟み込んだ状態で、ボルト１１を押さえリング１２を介して管部材３にねじ込むことにより、押さえリング１２により内側透明窓５をメタルガスケット１０側に押し込むようにしている。このとき、ボルト１１及び押さえリング１２によりメタルガスケット１０を押し潰す程度の力を内側透明窓５に加えることで、内側透明窓５がメタルガスケット１０を介して管部材３に確実に密封固定されるようになる。

また、外側透明窓４は、押さえネジリング１３により管部材３に保持されている。管部材３の内周面には、押さえネジリング１３と螺合するネジ部が形成されている。そのネジ部に押さえネジリング１３をねじ込むことで、外側透明窓４が管部材３に密封されない程度に保持されることとなる。

内側透明窓５及び外側透明窓４を管部材３に取り付ける他の構造を図３（ｂ）に示す。同図に示すものでは、管部材３と内側透明窓５との間にメタルガスケット１０を挟み込んだ状態で、押さえネジリング１４により内側透明窓５をメタルガスケット１０側に押し込むようにしている。管部材３の内周面には、押さえネジリング１４と螺合するネジ部が形成されている。そのネジ部に押さえネジリング１４をねじ込むことで、メタルガスケット１０を押し潰す程度の力が内側透明窓５に付与され、内側透明窓５がメタルガスケット１０を介して管部材３に確実に密封固定されるようになる。なお、外側透明窓４を管部材３に保持する構造は、図３（ａ）に示すものと同様である。

以上のように構成した光ファイバケーブル１においては、内側透明窓５の後端面（内側の面）は冷却水と接触するため、上述したように内側透明窓５と管部材３及び光ファイバ２との間に密封性を維持するように、内側透明窓５は管部材３及び光ファイバ２に強く固定されている。このため、冷却水により内側透明窓５に応力が加わり、内側透明窓５が変形する。この内側透明窓５の変形は光ファイバ２に伝わるが、内側透明窓５は光ファイバ２のクラッド２ｂと接触しているので、光ファイバ２のコア２ａを通るレーザ光の品質に影響を与えることは殆ど無い。

一方、外側透明窓４は光ファイバ２の端面に光学接触されているが、外側透明窓４は動かない程度に管部材３に保持されているうえ、外側透明窓４と内側透明窓５との間には空隙部６が形成されているため、内側透明窓５の変形が外側透明窓４に伝わることは無い。このため、外側透明窓４には応力がかからないため、外側透明窓４の変形が防止される。これにより、外側透明窓４の屈折率が変化することが無いため、外側透明窓４を通過するレーザ光の強度分布が変化したり、レーザ光の歪みが生じること等の不具合を防止することができる。

また、外側透明窓４と内側透明窓５との間には空隙部６が形成されているため、外側透明窓４を通過して光ファイバ２のコア２ａに結合されなかった光は、図２に示すように、外側透明窓４の後端面（内側の面）、内側透明窓５の前端面（外側の面）及び後端面（内側の面）において少しずつ反射されるようになる（破線Ｒ参照）。このとき、空隙部６では、光の多重反射が起きやすくなる。従って、冷却水に吸収される光の強度が低くなるので、冷却水に不純物が混入されている場合でも、冷却水の突沸を防止することができる。

以上のように本実施形態によれば、光ファイバ２の端面に光学接触されると共に、管部材３の前端部に接触保持された外側透明窓４と、管部材３の内部に配置され、管部材３及び光ファイバ２に密封固定された内側透明窓５とを備え、外側透明窓４と内側透明窓５との間に空隙部６を設けたので、外側透明窓４を通るレーザ光の品質悪化を防止することができる。これにより、レーザ光によるレーザ加工時における加工精度の悪化を防ぐことができる。また、冷却水の突沸が防止されるので、管部材３の損傷を防ぐこともできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、光ファイバ２を１本としたが、光ファイバ２の本数としては複数本でも良く、或いはファイバ束を用いても良い。

１…光ファイバケーブル、２…光ファイバ、２ａ…コア、２ｂ…クラッド、３…管部材、４…外側透明窓、５…内側透明窓、６…空隙部、７…冷却液流通領域、１０…メタルガスケット。

Claims (5)

1. レーザー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おいて、
   前記光ファイバの端末部を収容する管部材と、
   前記光ファイバの端面に光学接触されると共に、前記管部材に保持された外側透明窓と、
   前記管部材の内部における前記外側透明窓の内側に配置されると共に、前記管部材及び前記光ファイバのクラッドに、前記レーザー光が漏れて当たったとしても損傷のおそれがないように密封固定された内側透明窓とを備え、
   前記管部材の内部における前記内側透明窓の内側の空間は、冷却液を流通させるための冷却液流通領域を形成しており、
   前記外側透明窓と前記内側透明窓との間には空隙部が設けられ、
   前記外側透明窓は、動かない程度に前記管部材に保持されており、
   前記管部材と前記外側透明窓との保持力は、前記管部材と前記内側透明窓との固定力よりも小さいことを特徴とする光ファイバケーブル。
2. 前記クラッドの外周面には、前記クラッドを伝搬する光を取り除くための処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバケーブル。
3. 前記内側透明窓の屈折率は、前記クラッドの屈折率と同等以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバケーブル。
4. 前記内側透明窓は、前記クラッドと融着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光ファイバケーブル。
5. 前記内側透明窓は、前記管部材と前記内側透明窓との間にメタルガスケットを挟んだ状態で、前記メタルガスケットを押し潰す方向の力を前記内側透明窓に付与することで、前記管部材に密封固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光ファイバケーブル。

Images