JPS6211804A - 光パワ−伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （２）技術分野 本発明は、レーザ光のパワーを伝送するための光ファイ
バ系の改良に関する。

パワー伝送のための光ファイバは、工業分野に於けるレ
ーザ加工機、医療分野に於けるレーザ治療機などに於て
、広く用いられるようになってきた。

炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザなどのレー
ザ光は、エネルギーとして利用する事ができる。

ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザなどは石英ガラスファイバに
よってパワー伝送できる。

炭酸ガスレーザの光は波長が長いので、石英ガラスファ
イバによって伝送できない。ミラーによって伝送するこ
とはできるが、関節の構造が複雑で使いにくいという欠
点があった。ところが、銀ハライド、タリウムハライド
、アルカリハライド結晶質ファイバが発明され、これに
よって炭酸ガスレーザの光を伝送する事が可能になった
。

光ファイバによって光パワーを伝送する事の利点は、狭
隘な空間、彎曲の多い複雑な場所へも、任意に光を導き
、被照射物に向って光を照射できるという事である。

これは、光ファイバが、細径であること、自在に撓むこ
とができること、などの優れた特長を持っているためで
ある。

パワー伝送用の光ファイバは、光信゛号伝送用のファイ
バに比べて、コア径が太く、ファイバの全長が短い。

印従来技術とその問題点 光ファイバの一端は、レーザ光源に接続されるが、他端
は、露出している事が多い。被照射物に向って、レーザ
光を当てる必要があるからである。

しかし、レーザ光を出射する方の端部（単に出射端とい
う）は、狭隘な空間や彎曲の多い空間、液体や固体によ
って満たされた空間に挿入される事が多く、汚染されや
すい。

レーザ光のパワー伝送に用いる光ファイバ出射端は、使
用環境によって粉塵、水滴、あるいは血液など異物が付
着する。

異物が付着したままレーザ光を通すと、レーザ光によシ
異物が加熱され、ファイバ端面に焼付くことがある。異
物が端面に焼付くと、レーザ光の透過特性が低下したシ
、異物によって吸収されたレーザ光のエネルギーによっ
て温度が急上昇し、ファイバ出射端が破損することがあ
る。

このような事故を防ぐ必要がある場合、従来は、ファイ
バ出射端に開閉可能なカバーを設けていた。

レーザ光を出射する時だけカバーを開き、レーザ光を出
射しない時はカバーを閉じる。こうすると出射光のない
時は、カバーによってファイバ出射端が保護される。

しかし、レーザ光自体に、粉塵、血液、水滴などの出射
端への付着を防ぐ力があるわけではない。

水滴、あるいは血液などの液体の多い環境に光ファイバ
出射端が存在する時、保護カバーを開いてレーザ光を出
射している間に、液体が出射端面に付着する。これは端
面の透過率を低下させ、レーザ光の処理能力を大きく減
退させる。また端面で急な加熱が起るので、出射端が破
壊される事もある。

沙）　　　目　　　　　的 パワー伝送用の光ファイバに於て、光ファイバの出射端
への異物の付着、焼付を防ぐようにした光ファイバの構
造を与えることが、本発明の目的である。

に）構　成 本発明の光ファイバは、出射端に開閉可能な保護カバー
を設けるが、さらに送風機を光ファイバの光源側に設け
て、気体を光ファイバに沿って、出射端へ送給し、気体
によって出射端近傍から液体を排除し、出射端を保護す
るものである。

また、気体圧力センサを設けて、出射体近傍の気体の圧
力をモニタする。

以下、図面によって説明する。

第１図は本発明の光ファイバの全体構成図である。第２
図は出射端近傍拡大断面図である。

光導体１は、光ファイバの中心を書き、レーザ光を導く
材料である。これは、既に述べたように、細径、可撓性
に富む光導体である。炭酸ガスレーザの場合は、銀ハラ
イド、タリウムハライド、アルカリハライド結晶ファイ
バである。Ｙ　Ａ　Ｇ　、　Ａｒレーザの場合は、石英
ガラスファイバである。

光導体１の全体は、保護内層２によって被覆されている
。これは、可撓性を損わないため、柔軟な合成樹脂で作
製する事が多い。

光導体の出射端Ｓには、開閉可能な先端保護カバー３が
設けられている。

保護内層２の全体は、保護外層４で囲まれているが、可
撓性を損わないように、内外層の間は空間となっている
。本発明では、この空間に気体を通すようにする。そこ
で通風路８と呼ぶことにする。

光ファイバの他端には、レーザ光源５を接続する。これ
は、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザなどで
ある。光ファイバの光源に近い端部を光源端Ｔと呼ぶ。

この他に、先端保護カバー３を開閉するための機構が必
要である。

先端保護カバーの蓋を開閉するための構造は、既にいく
つも提案されている。蓋を機械的に開閉するものとして
は、駆動源としてのモータを光ファイバ出射端の近傍に
設けるものがある。電線は、保護外層の中に通す。

モータは光源端にあって、ワイヤで先端保護カバーを開
閉する機構のものもある。ワイヤが光ファイバの保護外
層の中に通されている。

また油圧、空気圧によって先端保護カバーを開閉するも
のもある。このような圧力液体、気体は、保護外層の中
にチューブを挿入することによって伝達路を作る。

しかし、この例では、これらの機械的な先端保護カバー
と違って、形状記憶合金を用いている。

本発明に於ては、これらの構成に加えて、光ファイバの
光源端Ｔの近傍に、送風器６と、気体圧力センサ７とを
設けている。

送風器６と、光ファイバの保護外層４とを接続チューブ
１６によって接続する。ｌた、気体圧力センサ７と接続
チューブ１６とを、接続チューブ１７によって接続する
。

先端保護カバー３は、ボス部１４と、開閉蓋部１５とよ
りなる。ボス部１４を軸方向に貫く通風孔９が設けられ
る。

通風孔９は、先端保護カバー３によって囲まれる空間と
、保護外層４によって囲まれる通風路８とを連通ずる。

先端保護カバー３の開閉機構は任意である。ここでは形
状記憶合金を用いている。

形状記憶合金は、熱弾性マルテンサイト変態および逆変
態に基づく形状の復元力を有する合金である。ここでは
、低温で閉状態、高温で開状態を記憶させておく。

レーザ光が出射されると、これによって保護カバーが加
熱され昇温すると、開状態となる。レーザ光が停止する
と、冷却されて、閉状態に戻る。

形状記憶合金としては、ＮｉＴｉ合金、Ｃｕ−３ｎ合金
、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ａ１合金などがある。

送風器から光ファイバ内に送られる気体は、Ａｒガス、
Ｎ２ガスが望ましいが、場合にょシ空気であってもよい
。

ただし、送風気体の湿度は十分低くなければならない。

相対湿度は４０％以下でなければならない。

０％が最も望ましい。

湿度の高い気体を送ると、光ファイバ出射端近傍で結露
する事がある。大出力のレーザ光を伝送する光ファイバ
の場合、レーザ光の一部が水滴によって吸収され、高温
になる。このためファイバ出力端が破損されることもあ
シうる。

このような事故を回避するため、低湿度が要求される。

送風器によって送給される気体の圧力は、出射端で、液
体などを排除できるに足るものであればよい、圧力が高
すぎると、出射端から外部へ出る気体量が多くなって好
ましくない。であるから、液体などを排除できる範囲で
、できるだけ低い圧力であることが望まれる。光ファイ
バの通風路の圧損にもよるが、光源端の気体圧力センサ
７でモニタした場合２ｋｇ／ｄ以下である事が望ましい
。

たとえば１．０１〜１．２＃／ｄの圧力にするのが良い
。

（３）作　用 レーザ光源５がオフの時、レーザ光は発生していない。

光ファイバ先端の保護カバー３は閉じている。送風器６
を駆動する。保護外層４の内部の通風路８の圧力が上る
が、保護カバー３が閉じているので、気体は出射端から
外部へ出ない。第２図、第３図の状態である。

レーザ光源５が駆動されたとする。

レーザ光は、光源端Ｔから光導体１に入射し、光導体１
の中を通過する。出射端から出た光は、先端保護カバー
３の開閉蓋部１５の裏面に当たる。

開閉蓋部１５は、加熱される。これは高温時に開くよう
に形状を記憶しているので、やがて開く。

以後、レーザ光は、直進し、ファイバ出射端前方の被照
射物に当る。同時に通風孔９から、送給された気体が前
方へ吹き出す。ファイバ出射端が液体や粘度の高い流動
体で囲まれている場合、この気体が液体や固体のファイ
バ出射端への接近を防ぐ。

第４図はこのような状態を例示する断面図である。

細管１１の中に液体２０などが満ちておシ、ここへ光フ
ァイバの先を差込んで、レーザ光を出射端から、被加工
材１２に照射している。

送給気体１０と、液体２０の界面は、ここでは球形にか
いているが、実際には多様な形状が可能で、しかも不安
定である。液体２０の粘度が高ければ、界面２１はよ多
安定する。

先端保護カバー３が開いたという事は、気体圧力センサ
７によって検知できる。気体圧力Ｐが急に下がれば、先
端保護カバー３が開いたということである。

加工が終了すると、レーザ光源５をオフにする。

レーザ光の発生が停止する。先端保護カバーを加熱して
′いたレーザ光が消失するのであるから、先端保護カバ
ーは降温し、もとの閉状態に戻る。

この間、気体は、送風器６から送給され続けている。周
囲の液体などは、気体の吹出しによって妨げられ、光導
体１の先端に接触する事がない。光導体１の先端は清浄
に保たれる。

先端保護カバー３が閉じたという事は、気体圧力センサ
７によシ、圧力の急な増大を検出することによって知る
事ができる。

この例では、先端保護カバー３の開閉蓋部１５はニラ割
シであった。ニラ割シでは形状記憶合金の開閉が難しい
という場合は、３〜１０割シにしてもよい。第５図はこ
のような例（８つ割）を示す先端保護カバー３の正面図
である。

ψ）効　果 パワー伝送用光ファイバの出射端に気体を吹出すように
した事によって、周囲の液体や流動体によって、光ファ
イバの出射端が汚染されない。これらの異物が付着する
と、レーザ光の伝送効率が低下し、出射端が異常加熱さ
れてファイバ出射端が破壊される事もあるが、本発明は
、このような事故を除゛くことができる。−水滴や血液
などが光ファイバ出射端に焼付くという事がないからで
ある。

また、レーザ光の照射を終った後も、気体によって、出
射端が保護される。　　　　　゛気体圧力をモニタする
事によって、先端保護カバーの開閉を知る事もできる。

さらに、レーザ光による加工終了後、不必要なガスの除
去をモニタする事ができ、体内にガスを残すことなく、
安全にレーザを使用できる。

に）実施例■ 光導体としてコア径が５００μｍの石英ガラスファイバ
を用いた。

石英ガラスファイバに対し、波長１．０６μｍのＹＡＧ
レーザ、波長０．５６μｍのＡｒレーザをレーザ光源と
して使用できる。ここでは、出力１００Ｗ（１２）　　
　　’ のＹＡＧレーザを光源として用いた。

先端保護カバーは、５０〜６０重景％の重量と、４０〜
５０重量％のＴｉとから々るＮｉＴｉ合金よシなる形状
記憶合金を用いて作製した。低温で閉、高温で開状態を
記憶させる。

光ファイバの先端は、第４図に示すように粘シのある液
体で満たされた細管へ差入れた。　″送給する気体は、
相対湿度が４０％以下の空気とした。

このような装置で、ＹＡＧレーザを駆動する。

レーザ光によって、形状記憶合金の先端保護カバーが開
いた。

送給する気体の圧力は、１．０１〜１．２ｋｑ／ｄとし
た。

この気体によって、ファイバ出射端前方に、レーザ光の
吸収の少ない気体空間を形成することができた。そして
、レーザ光によシ被加工物を加工′することができた。

レーザ加工処理後、光ファイバを引抜いた。ファイバ出
射端を調べてみると、ここに液体が耐着していた形跡は
なかった。

り）実施例■ 光導体としてコア径１０００μｍの銀ハライドファイバ
を用いた。

レーザは、出力５０Ｗ、波長１０．６μｍの炭酸ガスレ
ーザを用いた。

先端保護カバーは、第２図、第３図に示すようなニラ割
の開閉蓋部を持つ形状記憶合金製とした。

送風器から湿度４０％以下の乾燥空気を入れた。

プラスチックの栓があシ、水の満たされた第４図に示す
ような細管に、光ファイバ先端を挿入した。

レーザ光を照射することによシ、保護カバーの開閉蓋部
を開くことができた。空気によって、細管の中に、液体
が排除された空間を確保する事ができた。レーザ光を照
射して、被加工体を加工する事ができた。この時の気体
の圧力は、１．０１〜１．２ｋｇ／ｄであった。

閃　　用　　　途 （１）工業分野におけるレーザ加工機（レーザ切断、熱
処理、溶接） ノ４．＋ （２）医療分野におけるレーザ治療機（レーザメス、レ
ーザコアギユレータ） などに用いることができる。特に内視鏡、及びカテーテ
ルのように、体液が多い場所で、小型細径の光ファイバ
が要求される分野に好適に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光パワー伝送装置の全体構成図。 第２図は光ファイバの先端部のみの断面図。 第３図は光フ゛アイパの出射端の正面図。 第４図は光ファイバの先端部を細管の中へ挿入しレーザ
光を照射している状態を示す縦断面図。 第５図は八ツ割の開閉蓋部をもつ先端保護カバーの正面
図。 １　・・・・−・　光　　導　　体 ２・・・・・・保護内層 ３　・・・・・・先端保護カバー ４・・・・・・保護外層 ５・・・・・・レーザ光源 ６・・・・・・送　風　器 ７　・・・・・・気体圧力センサ ８・・・・・・通風　路 ９・・・・・・通　風　孔 １０・・・・・・送給気体 １１・・・・・・細　　管 １２・・・・・・被加工材 １４・・・・・・ボ　ス　部 １５・・・・・・開閉蓋部 ２０・・・・・・　液　　　　　体　　。 ２１・・・・・・界　　面 発明者　　　　　　　　　　　高　　橋　　謙　　−葭
　　１）　典　　之

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を伝送する光導体と、光導体を保護する
   保護内層と、保護内層を囲みこれを保護する保護外層と
   よりなる光ファイバに於て、光ファイバの出射端に設け
   た開閉可能な先端保護カバーと、乾燥気体を光ファイバ
   の中へ送給する送風器と、光ファイバの保護外層と保護
   内層との間に形成され送風器に連通する通風路と、先端
   保護カバーを貫き通風路と連通する通風孔と、通風路内
   の気体の圧力をモニタするための気体圧力センサとより
   なる事を特徴とする光パワー伝送装置。
2. （２）乾燥気体は、相対湿度４０％以下の空気、又はＡ
   ｒ、もしくはＮ＿２である特許請求の範囲第（１）項記
   載の光パワー伝送装置。
3. （３）送風器によつて光ファイバ内に送給した乾燥気体
   の圧力が１．０１〜１．２ｋｇ／ｃｍ＾２である特許請
   求の範囲第（１）項又は第（２）項に記載の光パワー伝
   送装置。
4. （４）光導体が石英ガラスファイバであつて、レーザ光
   源がＹＡＧレーザ又はＡｒレーザである特許請求の範囲
   第（１）項〜第（３）項に記載の光パワー伝送装置。
5. （５）光導体が銀ハライド、タリウムハライド、アルカ
   リハライド結晶ファイバで、レーザ光源が炭酸ガスレー
   ザである特許請求の範囲第（１）項〜第（３）項のいず
   れかに記載の光パワー伝送装置。