JP7407630B2

JP7407630B2 - 光ファイバ保持具

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Publication number: JP7407630B2
Application number: JP2020046599A
Authority: JP
Inventors: 貫一角田; 和男長谷川; 朋也岡崎
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP2021148870A

Description

本発明は、光ファイバ保持具に関する。

光ファイバにおいて、例えば、ファイバレーザに用いる光ファイバでは、励起光を効率よくコアに吸収させ、出力の向上を図っている。励起光を効率よくコアに吸収させる方法として、従来、数ｍ～数十ｍ程度の光ファイバを曲げて束ねることが知られている（非特許文献１参照）。

一方、励起光をコアに入射し易くするための方法として、光ファイバのクラッドの断面形状を円形から多角形に変えたり、さらにねじりを加えたものがある（例えば、特許文献１～３参照）。

特許第６２５５５３２号公報国際公開第２００３／０６７７２３号特許第５４６９０６４号公報

"Ｈｉｇｈ－ＰｏｗｅｒＤｉｏｄｅＬａｓｅｒｓ"，Ｒ．Ｄｉｅｈｌ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｐ３８１

非特許文献１に記載の技術では、支柱を立て、支柱に光ファイバを巻いて、いわゆる、キドニーシェイプを形成している。しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、曲げの曲率が制御できないため、曲げの曲率が小さくなった場合に、励起光が外部に放出されて励起光を効率よくコアに吸収させることができず、出力が低下する虞がある。また、光ファイバが固定されていないために持ち運びが困難であり実用的でないという課題もある。

また、特許文献１～３に記載の技術のように、光軸と直交する断面においてクラッド形状が多角形やねじれを加えた光ファイバにおいても、励起光を効率よく吸収させるダブルクラッドファイバを用いることができるが、コストが高くなるという課題がある。また、内部に角部がある光ファイバでは、曲げた際に角部に応力集中が発生するため、曲げの曲率を大きくすることが好ましい。そのため、設備的に広いスペースを必要とする。

本発明は、光ファイバを巻き固定する光ファイバ保持具において、光ファイバの出力低下を抑制する他の技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、光ファイバ保持具が提供される。この光ファイバ保持具は、自身の外周に前記光ファイバが巻かれる巻き芯部と、前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを、前記巻き芯部の内側に向かって押し付ける押付部であって、前記光ファイバに接触する接触部の平面形状が略円弧状である押付部と、を備え、前記巻き芯部は、略円弧状の複数の円弧部と少なくとも１つの凹部とを有する平面形状の平板状の第１部材と、自身の少なくとも一部が前記凹部に配置され、前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを略円環状にする第１位置と、前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを曲線状の凹凸を有する環状にする第２位置と、に移動可能な第２部材であって、前記巻き芯部の外周となる外周部の平面形状が略円弧状に形成された第２部材と、を備え、前記押付部は、前記第１部材の前記凹部に向かって前記光ファイバを押し付けた状態で固定される。

この構成によれば、光ファイバ保持具において、巻き芯部が第１部材と第２部材を備え、第２部材が第１部材の凹部内の位置を変更可能に構成されているため、第２部材を第１位置に配置した状態で光ファイバを巻き芯部の外周に巻き付けた後、第２部材を第２位置に移動させるとともに、前記押付部にて光ファイバを凹部に向かって押し付けて固定することにより、巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを曲線状の凹凸を有する環状に、容易に形成することができる。また、この構成によれば、光ファイバを曲線状の凹凸を有する環状に固定して保持することができるため、光ファイバ内における反射角が逐次変化し、励起光がクラッドファイバのコアを通過し吸収され易くなり、光ファイバの出力を向上させることができる。また、光ファイバは、第１部材の円弧部と押付部の略円弧状の接触部とに沿って巻かれた状態で固定されるため、第１部材の円弧部と押付部の接触部の曲率に応じた所定の曲率を加えることができ、環状に巻かれた光ファイバを、適切な曲率に、容易にコントロールすることができる。そのため、曲率が小さいことによる光ファイバの出力の低下を抑制することができる。

（２）上記形態の光ファイバ保持具であって、前記第１部材は、１つの前記凹部と、前記凹部の両側に配置される２つの第１円弧部と、前記２つの第１円弧部の端と繋がる、前記第１円弧部より大きい径の第２円弧部と、で構成される平面形状であってもよい。このようにすると、環状に巻かれた光ファイバを、いわゆる、キドニーシェイプにすることができる。

（３）上記形態の光ファイバ保持具であって、前記第１円弧部と前記第２円弧部との比は、略１：３であってもよい。このようにすると、光ファイバの割れや、励起光の放出を適切に抑制することができる。

（４）前記第１部材の前記凹部は、２本の平行線を有する平面形状であり、前記第２部材および前記押付部は、前記凹部の前記２本の平行線に沿って移動可能に構成されていてもよい。このようにすると、第２部材と押付部とによって光ファイバを挟んだ状態で、第２部材と押付部とを、同時に同一直線上を移動させることができる。そのため、より安定して容易に適当な曲率を光ファイバに付与することができる。

（５）上記形態の光ファイバ保持具であって、前記光ファイバを冷却する冷却部を備えてもよい。このようにすると、光ファイバ内で発生した熱を、光ファイバ保持具により放出させることができる。そのため、光ファイバの温度上昇を抑制することができる。

（６）上記形態の光ファイバ保持具であって前記第１部材の外周面は、熱伝導性が高い金属により形成されていてもよい。このようにすると、光ファイバ内で発生した熱を、より効率よく放出させることができる。そのため、光ファイバの温度上昇を、さらに抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、光ファイバ保持具を備える加工装置、光ファイバ保持具を備える加工装置通信装置、光ファイバ保持方法などの形態で実現することができる。

第１実施形態における光ファイバ保持具の構成を概略的に示す説明図である。光ファイバ保持具の平面構成を概略的に示す説明図である。第２部材の配置位置の説明図である。光ファイバ保持具を用いた光ファイバの巻き付け方法を示す説明図である。光ファイバ保持具を用いた光ファイバの巻き付け方法を示す説明図である。第２実施形態の光ファイバ保持具の概略構成を示す説明図である。変形例の光ファイバ保持具の概略構成を示す説明図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における光ファイバ保持具１００の構成を概略的に示す説明図である。図２は、光ファイバ保持具１００の平面構成を概略的に示す説明図である。光ファイバ保持具１００は、光ファイバを巻き固定する。本実施形態において、光ファイバは、産業用レーザ加工装置に用いられる。他の実施形態では、例えば、通信用、照明用等種々の用途に用いられる光ファイバを保持してもよい。

光ファイバ保持具１００は、自身の外周に光ファイバＬＦが巻かれる巻き芯部１１０と、巻き芯部１１０の外周に巻かれた光ファイバＬＦを、巻き芯部の内側に向かって押し付ける押付部３０と、光ファイバＬＦの巻き付け状態を保持する２つの保持部５０と、巻き芯部１１０と押付部３０と保持部５０とが配置される台座部４０と、を備える。

図２に示すように、光ファイバＬＦは、巻き芯部１１０の外周に巻きつけられると共に、押付部３０によって、巻き芯部１１０の内側に向かって押し付けられて、いわゆるキドニーシェイプ（腎臓曲げ）の環状に巻き付けられている。

巻き芯部１１０は、第１部材１０と、第２部材２０と、を備える。図２に示すように、第１部材１０は、１つの凹部１３と、凹部１３の両側に配置される２つの第１円弧部１１と、２つの第１円弧部１１の端と繋がる、第１円弧部より大きい径の第２円弧部１２と、で構成される平面形状の平板状に形成されている。第１円弧部１１の第１半径Ｒ１と第２円弧部１２の第２半径Ｒ２との比は、１７：５０であり、略１：３である。凹部１３は、２本の平行線１４を有する平面形状である。第１円弧部１１および第２円弧部１２を、単に、「円弧部」とも呼ぶ。

第２部材２０は、２本の等しい長さの平行線と二つの円弧からなる長円形（角丸長方形）の平面形状であり、第１部材１０の凹部１３に配置され、凹部１３の２本の平行線１４に沿って、矢印方向に移動可能に構成されている。図２において、図面下方に配置される円弧状の外周部２４は、巻き芯部１１０の外周の一部を構成する。

押付部３０は、第２部材２０と同じ形状に形成されている。図示するように、押付部３０は巻き芯部１１０の外側に配置され、第２部材２０と押付部３０とで光ファイバＬＦを挟持して、第１部材１０の凹部１３に向かって光ファイバＬＦを押し付けた状態で固定される。押付部３０において、光ファイバＬＦに接触する接触部３４の平面形状が略円弧状である。押付部３０も、第２部材２０と同様に、凹部１３の２本の平行線１４に沿って、矢印方向に移動可能に構成されている。

台座部４０は、角が４５°面取りされた略長方形状の平板である。台座部４０には、第１部材１０が固定されており、第２部材２０と押付部３０とを、第１部材１０の凹部１３の２本の平行線１４に沿って、矢印方向に移動させるための、溝部４２が形成されている。図１に示すように、押付部３０は台座部４０の溝部４２に嵌る突起部３２を備える。ユーザは、押付部３０の突起部３２を溝部４２に嵌めて、溝部４２に沿って押付部３０を動かすことにより、第１部材１０の凹部１３の２本の平行線１４（図２）に沿って、矢印方向（図２）に移動させることができる。第２部材２０も、押付部３０と同じ突起部（不図示）を備えるため、同様に、溝部４２に沿って移動させることができる。また、台座部４０は、第２部材２０および押付部３０を、所定の位置で固定可能に構成されている。本実施形態の光ファイバ保持具１００は、台座部４０を介して、産業用レーザ加工機に取り付けられる。

保持部５０は、円柱状に形成されており、台座部４０に固定される。図２に示すように、光ファイバＬＦは、２つの保持部５０と第１部材１０によって挟持されると共に、第２部材２０と押付部３０に挟持されて、キドニーシェイプが維持されている。

本実施形態において、第１部材１０、第２部材２０、押付部３０、および保持部５０は、銅により形成されている。銅は、熱伝導性が高いため、光ファイバＬＦ内で発生した熱を、効率よく放出させることができる。その結果、光ファイバＬＦの溶融や光学破壊、スペクトルの変化などの発生を抑制することができる。他の実施形態では、アルミニウム、銀、金等の熱伝導率が高い金属、熱伝導率が高い金属の少なくとも一種を含む合金や、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の高熱伝導性セラミックスや、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、緻密質炭素物質等の炭素材料等の熱伝導性が高い材料を用いることができる。また、これらの熱伝導性が高い材料により、光ファイバＬＦと接触する面を形成し、他の部分を別の材料で形成してもよい。例えば、光ファイバＬＦと接触する面積が大きい第１部材１０の外周面を、銀により形成し、他の部分を銀より熱伝導性が低い材料により形成してもよい。熱伝導性が高い材料としては、熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上の材料が好ましい。

台座部４０の材料は、特に限定されない。第１部材１０、第２部材２０、押付部３０、および保持部５０の少なくとも一つと同じ材料で形成してもよいし、樹脂等の熱伝導性が高くない材料により形成してもよい。例えば、ゴム材料等を用いて形成し、振動吸収、絶縁性を確保してもよい。

図３は、第２部材２０の配置位置の説明図である。上述の通り、第２部材２０は、第１部材１０の凹部１３の２本の平行線１４（図２）に沿って移動可能に構成されている。具体的には、図３の左側に示す第１位置から図３の右側に示す第２位置に移動可能であり、その逆に第２位置から第１位置へも移動可能である。第１位置（図３の左図）は、巻き芯部１１０の外周に巻かれた光ファイバＬＦを略円環状にする位置であり、第２部材２０の外周部２４の最突出位置Ｐ１が、第１部材１０の凹部１３の開口位置より突出し、さらに、第１部材１０の第１円弧部１１より突出している。第２位置（図３の右図）は、巻き芯部１１０の外周に巻かれた光ファイバＬＦを曲線状の凹凸を有する環状にする位置であり、第２部材２０の外周部２４の最突出位置Ｐ１が、第１部材１０の凹部１３内に配置されている。

図４、図５は、光ファイバ保持具１００を用いた光ファイバＬＦの巻き付け方法を示す説明図である。まず、図４（Ａ）に示すように、光ファイバ保持具１００において、押付部３０と、２つの保持部５０を外し、第２部材２０を第１位置に配置する。図示するように、第２部材２０は、台座部４０の溝部４２に嵌る突起部２２を備える。ユーザは、第２部材２０の外周部２４を溝部４２に嵌めて、溝部４２に沿って第２部材２０を動かし、螺子等により、第２部材２０を台座部４０に固定する。これにより、第２部材２０が第１位置（図３）に配置された状態で、巻き芯部１１０の形状が固定される。

次に、図４（Ｂ）に示すように、巻き芯部１１０の外周に光ファイバＬＦが巻き付けられる。このとき、光ファイバＬＦは、ゆるみがないように巻き付けられ、巻き芯部１１０に巻き付けられた光ファイバＬＦには張力が発生する。この工程では、第２部材２０が第１位置に配置されており、第２部材２０の外周部２４が第１部材１０の第１円弧部１１より突出しているため、光ファイバＬＦは、容易に、略円環状に巻き付けられる。

その後、図５（Ａ）に示すように、２つの保持部５０が台座部４０に固定される。保持部５０は、台座部４０の螺子孔４４（図４）を用いて、螺子により固定される。これにより、光ファイバＬＦの巻き付け状態が保持される。

最後に、図５（Ｂ）に示すように、押付部３０の接触部３４と第２部材２０の外周部２４とで光ファイバＬＦを挟むように押付部３０を配置して、第２部材２０の固定を解除し、押付部３０を矢印の方向へ押し込む。そうすると、押付部３０と第２部材２０とで光ファイバＬＦを挟んだ状態で、押付部３０と第２部材２０とが一緒に、矢印の方向に移動される。第２部材２０が第２位置（図３）になったところで、第２部材２０と押付部３０とが台座部４０に固定される。これにより、巻き芯部１１０の外周に巻かれた光ファイバＬＦを曲線状の凹凸を有する環状（本実施形態ではキドニーシェイプ）にすることができる（図２）。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ保持具１００によれば、光ファイバＬＦの巻き付け形状を、曲線状の凹凸を有する、いわゆるキドニーシェイプの環状に、容易に形成することができる。

また、光ファイバ保持具１００によれば、光ファイバＬＦをキドニーシェイプの環状に固定して保持することができるため、光ファイバＬＦ内における反射角が逐次変化し、励起光がクラッドファイバのコアを通過し吸収され易くなり、光ファイバＬＦの出力を向上させることができる。

また、光ファイバＬＦは、第１部材１０の第１円弧部１１、第２円弧部１２と押付部３０の略円弧状の接触部３４とに沿って巻かれた状態で固定されるため、第１円弧部１１、第２円弧部１２および接触部３４の曲率に応じた所定の曲率を加えることができ、環状に巻かれた光ファイバを、適切な曲率に、容易にコントロールすることができる。そのため、曲率が小さいことによる光ファイバの出力の低下を抑制することができる。

本実施形態の光ファイバ保持具１００によれば、適切な曲率のキドニーシェイプに光ファイバＬＦを巻き保持することができる。そのため、光ファイバの光軸と直交する断面においてクラッド形状を多角形にしたり、ねじれを加えなくても、断面形状が円形状の一般的なクラッドを用いて、光ファイバの出力を向上させることができる。また、断面形状が多角形状のクラッドの光ファイバを用いる場合と比較して、光ファイバを巻く際の曲率を小さくすることができるため、光ファイバ保持具１００の小型化することができる。

また、光ファイバ保持具１００によれば、光ファイバＬＦがキドニーシェイプに巻かれた状態で固定されるため、持ち運びが容易である。そのため、光ファイバ保持具１００に光ファイバＬＦが巻かれた状態で、搬送したり、販売することが可能となる。

光ファイバ保持具１００によれば、第１円弧部１１と第２円弧部１２との比が、略１：３であるため、光ファイバＬＦの割れや、励起光の放出を適切に抑制することができる。

光ファイバ保持具１００によれば、第２部材２０と押付部３０とによって光ファイバＬＦを挟んだ状態で、第２部材２０と押付部３０とを、同時に同一直線上を移動させることができる。そのため、より安定して容易に適当な曲率を光ファイバに付与することができる。

光ファイバ保持具１００によれば、第１部材１０、第２部材２０、および保持部５０が、銅により形成されている。銅は、熱伝導性が高いため、光ファイバＬＦ内で発生した熱を、より効率よく放出させることができる。その結果、光ファイバＬＦの溶融や光学破壊、スペクトルの変化などの発生を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の光ファイバ保持具１００Ａの概略構成を示す説明図である。本実施形態の光ファイバ保持具１００Ａは、第１実施形態の光ファイバ保持具１００の構成に加え、光ファイバＬＦを冷却する冷却部としての冷却水流路１８を備える。以下に説明する実施形態において、光ファイバ保持具１００と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。

図示するように、第１部材１０Ａは、内部に冷却水流路１８を備える。冷却水流路１８には、図に矢印で示すように、公知の冷却水が流通される。このようにすると、光ファイバと冷却水と熱交換により、光ファイバＬＦ内で発生した熱を放出させることができる。そのため、光ファイバＬＦの温度上昇をさらに抑制することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・光ファイバ保持具は、台座部４０および保持部５０を備えなくてもよい。例えば、巻き芯部１１０および押付部３０を、直接、産業用レーザ加工機等の光ファイバを用いる装置に取り付けてもよい。

・第１部材１０、第２部材２０、および押付部３０の形状は、上記実施形態に限定されない。第１部材１０が、複数の凹部を有する平面形状に形成されてもよい。円弧部の数も上記実施形態に限定されない。一例を、図７に示す。但し、上記実施形態の光ファイバ保持具１００は、光ファイバＬＦを曲線状の凹凸を有する環状に形成するのが容易であり、かつ、第１部材１０が複数の凹部を有する平面形状の場合と、略同等の出力向上効果を得ることができるため、好ましい。

図７は、変形例の光ファイバ保持具１００Ｃの概略構成を示す説明図である。光ファイバ保持具１００Ｃは、巻き芯部１１０Ｃと、２つの押付部３０とを備える。巻き芯部１１０Ｃは第１部材１０Ｃと、２つの第２部材２０Ｃを備える。第１部材１０Ｃは、４つの第１半径Ｒ１の第１円弧部１１と、２つの第２半径Ｒ２の第２円弧部１２と、２つの凹部１３Ｃとを有する平面形状である。変形例の光ファイバ保持具１００Ｃでは、光ファイバＬＦが、曲線状の凹凸を有する環状に形成される。

・第１部材１０における第１円弧部１１と第２円弧部１２との比は、上記実施形態に限定されない。

・第１部材１０は、円弧と円弧との間を直線により繋いだ形状にしてもよい。また、円弧部は、楕円弧であってもよい。

・第１部材１０の凹部１３の平面形状は、上記実施形態に限定されない。２本の平行線１４を備えなくてもよい。

・上記実施形態において、第２部材２０が突起部２２を備えると共に押付部３０が突起部３２を備え、台座部４０の溝部４２に沿って移動可能に構成される例を示したが、第２部材２０および押付部３０は突起部を備えなくてもよい。第２部材２０は自身の直線部を第１部材１０の凹部１３の平行線１４に沿わせて移動可能であり、押付部３０は、第２部材２０の外周部２４を押すことにより、光ファイバＬＦに凹みを加えることができる。

・上記実施形態の光ファイバ保持具１００において、光ファイバＬＦがキドニーシェイプに形成された後に、第２部材２０が取り外されてもよい。このようにしても、押付部３０により光ファイバＬＦが押さえられており、光ファイバＬＦの形状を維持することができる。

・光ファイバ保持具１００は、さらに、ヒートシンクや、冷却ファン等の冷却部を備えてもよい。

・光ファイバ保持具の各部の形成材料は、上記実施形態に限定されず、種々の材料を用いることができる。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｃ…第１部材
１１…第１円弧部
１２…第２円弧部
１３、１３Ｃ…凹部
１４…平行線
１８…冷却水流路
２０、２０Ｃ…第２部材
２２、３２…突起部
２４…外周部
３０…押付部
３４…接触部
４０…台座部
４２…溝部
４４…螺子孔
５０…保持部
１００、１００Ａ、１００Ｃ…光ファイバ保持具
１１０、１１０Ｃ…巻き芯部
ＬＦ…光ファイバ
Ｐ１…最突出位置
Ｒ１…第１半径
Ｒ２…第２半径

Claims

光ファイバを巻き固定する光ファイバ保持具であって、
自身の外周に前記光ファイバが巻かれる巻き芯部と、
前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを、前記巻き芯部の内側に向かって押し付ける押付部であって、前記光ファイバに接触する接触部の平面形状が略円弧状である押付部と、
を備え、
前記巻き芯部は、
略円弧状の複数の円弧部と少なくとも１つの凹部とを前記光ファイバが巻かれる外周に有する平面形状の平板状の第１部材と、
自身の少なくとも一部が前記凹部に配置され、前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを略円環状にする第１位置と、前記巻き芯部の外周に巻かれた前記光ファイバを曲線状の凹凸を有する環状にする第２位置と、に移動可能な第２部材であって、前記巻き芯部の外周となる外周部の平面形状が略円弧状に形成された第２部材と、
を備え、
前記押付部は、前記第１部材の前記凹部に向かって前記光ファイバを押し付けた状態で固定される、
光ファイバ保持具。
請求項１に記載の光ファイバ保持具であって、
前記第１部材は、１つの前記凹部と、前記凹部の両側に配置される２つの第１円弧部と、前記２つの第１円弧部の端と繋がる、前記第１円弧部より大きい径の第２円弧部と、で構成される平面形状である、
光ファイバ保持具。
請求項２に記載の光ファイバ保持具であって、
前記第１円弧部の半径と前記第２円弧部の半径との比は、略１：３である、
光ファイバ保持具。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ファイバ保持具であって、
前記第１部材の前記凹部は、２本の平行線を有する平面形状であり、
前記第２部材および前記押付部は、前記凹部の前記２本の平行線に沿って移動可能に構成されている、
光ファイバ保持具。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光ファイバ保持具であって、
前記光ファイバを冷却する冷却部を備える、
光ファイバ保持具。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバ保持具であって、
前記第１部材の外周面は、熱伝導性が高い金属により形成されている、
光ファイバ保持具。