JP2001343558A - 高エネルギー光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光のスポットビームの入射位置がコア
開口面から外れることがあっても、光ファイバの各部位
が熱破壊する問題が解消された高エネルギー光伝送装置
を提供することを課題とする。 【解決手段】 本発明の高エネルギー光伝送装置は、高
エネルギー光のスポットビーム３１が光ファイバ１１の
コアの開口面１５ａから外れて照射される場合には、か
かるスポットビーム３１の光ファイバ１１の方への進行
を防止する遮光部材５をコアの開口面１５ａと対向する
箇所に設置する。なお上記遮光部材５は、コアの開口面
１５ａに入射せんするスポットビーム３１に対しては、
それの通過を許容する光通過孔５１を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高エネルギー光伝
送装置に関し、特にＹＡＧレーザなどのレーザ発振器か
ら発振される高出力レーザ光や高度に集光された太陽光
などの高エネルギー光を伝送する高エネルギー光伝送装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工技術においては、一般的に加
工用の高出力レーザ光は光ファイバで伝送されて所望の
加工箇所において光ファイバから出射される。このため
にＹＡＧレーザなどのレーザ発振器から発振される高出
力レーザ光は、光ファイバにより伝送するために光ファ
イバに入射される。レーザ光の光ファイバへの入射技術
に関して、実開平４−５９９７０号公報あるいはその他
においては集光レンズを用いた方法が開示されている。

【０００３】図４は、従来の高エネルギー光伝送装置の
典型例の断面図（但し、樹脂製保護層１２は側面図）で
あって、１は光ファイバケーブル、１１はコアの上にク
ラッドを有する、高エネルギー光を伝送するための石英
ガラス系の光ファイバ、１２は光ファイバ１１の先端部
以外の箇所を保護するシリコン樹脂などの有機高分子で
形成された樹脂製保護層、１３は金属製保護管、１４は
光ファイバ１１と金属製保護管１３とを固定する端末金
具、１５は光ファイバ１１の開口面、１６は光ファイバ
１１と端末金具１４との間に生じる隙間、１７は光ファ
イバ１１を端末金具１４に固定するための固定部材であ
って、光ファイバケーブル１は上記１１〜１７の諸部か
らなる。また２は共振機構を具備するレーザ出射装置、
３はレーザ出射装置２から出射されたレーザ光、４はレ
ーザ光３を集光する集光レンズ、３１は集光レンズ４に
より集光されたレーザ光３のスポットビームである。

【０００４】図５は、光ファイバ１１の開口面１５の拡
大平面図であって、１１ａは光ファイバ１１のコア、１
１ｂは光ファイバ１１のクラッドであり、しかして光フ
ァイバ１１の開口面１５は、コア開口面１５ａとクラッ
ド開口面１５ｂとからなる。レーザ出射装置２から出射
され、集光レンズ４により集光されたスポットビーム３
１はコア開口面１５ａに照射され、該開口面１５ａから
コア内に入射される。金属の溶接や切断を行なうレーザ
加工においては、通常、レーザ光３は数百Ｗ〜数ｋＷ程
度の高出力となり、一方、光ファイバ１１としてはその
コア１１ａの径が３００〜１２００μｍ程度のものが用
いられる。またかかる高出力のレーザ光３は、集光レン
ズ４によりコア開口面１５ａに照射されるスポット径が
１００〜３００μｍ程度の小さなスポットビーム３１に
集光されるため、コア開口面１５ａにおけるスポットビ
ーム３１のエネルギー強度は、例えば１０⁴ Ｗ／ｍｍ²
程度にも達する。

【０００５】レーザ出射装置２や集光レンズ４は、スポ
ットビーム３１がコア開口面１５ａを照射するように位
置決めされるが、レーザ出射装置２の種類によっては出
射されるレーザ光３の出力の変化により出射角度が僅か
に変化し、この結果、スポットビーム３１の照射位置が
コア開口面１５ａから外れたり、あるいは外れないまで
もその一部がクラッド開口面１５ｂに掛かることもあ
る。またレーザ出射装置２と集光レンズ４との間にレー
ザ光３の光路を切換える機械的なレーザ光路切換装置
（図示せず）を設置する場合には、その設置位置の変
化、レーザ光路切換時の誤作動などの理由によりレーザ
光３の出射角度が変化して上記と同様の問題が生じる。

【０００６】図５に、スポットビーム３１のスポットの
照射位置の三例、即ち、スポット３１ａ、３１ｂ、３１
ｃを例示する。このうちのスポット３１ａは、コア開口
面１５ａの略中心に存在して正常照射の例である。スポ
ット５ｂは、クラッド開口面１５ｂの近くに寄っている
が、コア開口面１５ａ内に存在しているので同じく正常
照射の例である。一方、スポット３１ｃはコア開口面１
５ａから大きく外れてその大部分がクラッド開口面１５
ｂ内に位置し、このためにコア１１ａとクラッド１１ｂ
との境界やクラッド１１ｂとに前記したエネルギー強度
のスポットビーム３１が入射して上記境界が熱破壊する
問題がある。それのみならず、高出力エネルギーが光フ
ァイバ１１から漏れ出て、樹脂製保護層１２や端末金具
１４などを焼くこともある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける上記した実情に鑑み、レーザ光のスポットビーム
の入射位置がコア開口面から外れることがあっても、光
ファイバあるいは光ファイバケーブルの各部位が熱破壊
する問題が解消された高エネルギー光伝送装置を提供す
ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の高エネルギー光
伝送装置は、（１）コアの上にクラッドを有する高エネ
ルギー光を伝送するための光ファイバ、および上記コア
の開口面に対向して設置されると共に上記高エネルギー
光のスポットビームが通過し得る大きさであり、且つ上
記コアの開口面の形状と面積が同じ、あるいは上記形状
は同じまたは異なり上記面積より小さい面積を有する光
通過孔が設けられた遮光部材を備えたものである。 （２）上記（１）において、光ファイバは、金属保護管
により保護された石英系光ファイバであって上記金属保
護管の先端部は端末金具に固定されており、遮光部材は
上記端末金具の先端面に、且つ高エネルギー光のスポッ
トビームがその光通過孔を通過して上記光ファイバのコ
ア内に入射し得る位置に固定されているものである。 （３）上記（１）または（２）において、遮光部材は、
その表面が高エネルギー光に対して良反射率を有する材
料で形成されているものである。 （４）上記（３）において、遮光部材は、表面が金メッ
キされた銅で形成されているものである。 （５）上記（１）または（２）において、光ファイバの
コアの開口面と遮光部材との間にエアギャップを設けた
ものである。 （６）上記（１）または（２）において、遮光部材の温
度を検知する温度検知モニターを有することものであ
る。 （７）上記（１）または（２）において、光ファイバの
コアに入射されずに遮光部材により反射される高エネル
ギー光の光量を検知する光量検知モニターを有するもの
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１〜図３は、本
発明の高エネルギー光伝送装置における実施の形態１を
説明するためのものである。図１、図２はいずれも実施
の形態１の断面図（但し、樹脂製保護層１２は側面図）
であり、図３は図１の矢印Ａの方向から見た実施の形態
１の正面図である。図１〜図３においては、前記図４〜
図５における部位と同じ部位については同じ符号で示
し、５は遮光部材、６は遮光部材５の表面に感温部が押
し当てられた、温度検知モニターの一例としての熱電
対、７はフォトダイオードを搭載した、光量検知モニタ
ーの一例としての光検出器である。

【００１０】遮光部材５は、光通過孔５１（図３参照）
を有するドーナツ状の円板体であって、例えば厚さ数ｍ
ｍ程度の銅で形成されており、その光通過孔５１の中心
が光ファイバ１１のコア１１ａの中心と一致するよう
に、端末金具１４の先端面上に溶接、ネジ止めなどの方
法により固定されている。遮光部材５の集光レンズ４と
対向する表面は、後記する高エネルギー光の反射を良く
するために金メッキされている。光通過孔５１は、コア
開口面１５ａと相似形の円形孔であるが、コア開口面１
５ａの径より少し小さく（図３参照）、且つ被伝送のレ
ーザ光３のスポットビーム３１の径、あるいはそのスポ
ットより大きい径を有する。したがってスポットビーム
３１は、その中心が光通過孔５１の中心と一致するよう
に入射されるときは遮光部材５に遮られることなくその
全部が光通過孔５１を通過することができる。

【００１１】熱電対６は、実施の形態１の高エネルギー
光伝送装置が稼働している間における遮光部材５の温度
を常時測定する機能をなす。また光検出器７は、その受
光窓が図示する通りに遮光部材５の光通過孔５１の方向
に向けて設置固定されており、光通過孔５１の方向から
の反射光の有無を常時監視する機能をなす。

【００１２】つぎに遮光部材５の機能について説明す
る。図４の従来例の場合と同様に、レーザ出射装置２か
ら出射されたレーザ光３は、出力数ｋＷ程度に及び、こ
れが集光レンズ４により集光されてスポット径１００〜
３００μｍ程度のスポットビーム３１となって遮光部材
５の光通過孔５１を通過する。光通過孔５１は、前記の
通り上記スポット径より大きい径を有するので、図３の
スポット３１ａやスポット３１ｂのように光通過孔５１
を通過するスポットビーム３１、特にスポット３１ａの
ように光通過孔５１の中心を通過するスポットビーム３
１は、コア１１ａに入射して光ファイバケーブル１によ
り所望箇所に伝送される。一方、レーザ出射装置２の内
部状態の変化、レーザ出射装置２と集光レンズ４との間
に設置されることのあるレーザ光路切換装置の誤作動な
どが原因でレーザ光３の出射角度が変化してスポットビ
ーム３１が図３のスポット３１ｃのような位置に照射さ
れると、かかるスポットビーム３１の大部分は光ファイ
バ１１に入射せずに遮光部材５により図２に示すように
反射される。この結果、光ファイバケーブル１の各部
は、熱破壊から免れることになる。

【００１３】スポット３１ｃのような異常なスポットビ
ーム３１は、遮光部材５により反射されると言えども、
遮光部材５の反射率が不良であったり、あるいは反射率
が良好であっても遮光部材５が長時間にわたり受光を持
続すると、その温度が上昇して遮光部材５自体が熱破壊
することがある。この熱破壊を防止するために、遮光部
材５の表面の金メッキ、熱電対６、および光検出器７な
どが有効である。即ち、金メッキは各種のレーザ光に対
する反射率が良好であって、例えば波長１．０６４μｍ
のＹＡＧレーザの金メッキ表面における反射率は９５％
以上である。このために金メッキは異常なレーザ光３を
反射して少なくとも遮光部材５の昇温を遅延する効果が
ある。また熱電対６は、遮光部材５の温度を常時測定し
てその測定値を熱破壊防止装置のような保全機構（図示
せず）に入力する機能をなす。保全機構は、熱電対６か
らの入力データが規定値、例えば室温＋５０°Ｃ、に達
すると、自動的にレーザ出射装置２の稼働を停止させる
指示を出す。

【００１４】またスポット３１ｃのような異常照射が生
じると、遮光部材５の温度上昇を待つ前にレーザ出射装
置２の稼働を停止させる必要のある場合がある。光検出
器７は、異常照射が生じて遮光部材５からの反射光や散
乱光があると（図２参照）、それが極く僅かであっても
急激な光量増加として瞬時にそれらを検知することがで
き、この検知を上記のような保全機構に入力し得るの
で、異常監視手段として有用である。光検出器７による
異常照射の検知は、遮光部材５の忌むべき高温加熱や部
分的な溶融、光ファイバケーブル１の熱破壊などを確実
に防止する上で効果がある。

【００１５】本発明は、実施の形態１に限定されず、以
下に述べる種々の変形形態を包含する。以下、図１〜図
３を再度参照しつつ説明する。例えば、実施の形態１に
おいては、遮光部材５は端末金具１４の先端面上に溶
接、ネジ止めなどの方法により固定されているが、上記
先端面から数ｍｍ〜数ｃｍ程度のエアギャップが介在す
る位置に遮光部材５を設置してもよい。かくすると、た
とえ遮光部材５の温度が上昇しても、上記エアギャップ
が熱伝導の絶縁作用をなして光ファイバケーブル１の温
度上昇を回避する。一般的にエアギャップの介在は、レ
ーザ光３の出力が非常に高い場合やレーザ光３の前記し
た異常照射が長時間続く場合などに有用である。遮光部
材５の形成材料は、銅板に代えてセラミックや全反射コ
ーティングを施した光学ガラス例えば、石英ガラスあっ
てもよい。

【００１６】図３および図５においてスポット３１ａ、
３１ｂ、３１ｃの三スポットのうち、スポット３１ａ、
３１ｂは共にコア開口面１５ａの領域内にあるので一般
的には正常な照射ではあるが、スポット３１ｂのように
コア開口面１５ａの中心から外れてクラッド開口面１５
ｂに近づいていると、スポットビーム３１の種類によっ
てはそれが有するエネルギー分布中のテール部分がクラ
ッド開口面１５ｂの領域に入って、光ファイバ１１を発
熱させる場合がある。従って本発明においては、スポッ
トビーム３１は、可及的にコア開口面１５ａの中心また
はその近傍に入射するように遮光部材５の光通過孔５１
の孔を小さくするか、またはレーザ出射装置２からのレ
ーザ出射角度を調整することが好ましい。

【００１７】実施の形態１ではコア開口面、スポットビ
ームのスポット、および遮光部材の光通過孔、のいずれ
もが円形である場合を取り上げたが、それらの一つまた
は全部が円形以外の形状、例えば楕円形あるいはその他
の異形であってもよい。いずれにせよ本発明において
は、遮光部材の光通過孔は、高エネルギー光のスポット
ビームが余裕をもって通過し得る大きさを有し、換言す
るとスポットビームのスポットが有する形状と面積と同
じか、または上記スポットを内包し得る形状または面積
を有する。遮光部材の光通過孔は、また、光ファイバの
コア開口面の形状と面積が同じ、あるいは上記形状は同
じまたは異なり上記面積より小さい面積を有するもので
あればよい。

【００１８】

【発明の効果】本発明の高エネルギー光伝送装置は、以
上説明した通り、（１）コアの上にクラッドを有する高
エネルギー光を伝送するための光ファイバ、および上記
コアの開口面に対向して設置されると共に上記高エネル
ギー光のスポットビームが通過し得る大きさであり、且
つ上記コアの開口面の形状と面積が同じ、あるいは上記
形状は同じまたは異なり上記面積より小さい面積を有す
る光通過孔が設けられたものであるので、レーザ出射装
置の内部状態の変化、レーザ出射装置と集光レンズとの
間に設置されることのあるレーザ光路切換装置の誤作
動、あるいはその他の原因でレーザ光の出射角度が変化
してそのスポットビームが適正に上記コアの開口面に入
射されないときは、このような異常なスポットビームの
全部またはその大部分は光ファイバに入射せずに遮光部
材により反射されるので、光ファイバは熱破壊から免れ
ることができる。

【００１９】また（２）光ファイバは、金属保護管によ
り保護された石英系光ファイバであって上記金属保護管
の先端部は端末金具に固定されており、遮光部材は上記
端末金具の先端面に、且つ高エネルギー光のスポットビ
ームがその光通過孔を通過して上記光ファイバのコアに
入射し得る位置に固定されるようにすると、遮光部材の
取り付けが容易であり、且つ本発明の高エネルギー光伝
送装置がコンパクトな構造となる。

【００２０】また（３）遮光部材は、その表面が高エネ
ルギー光に対して良反射率を有する材料で形成されてい
ると、光ファイバのコアに入射しない異常なレーザ光３
を遮光部材が反射して、遮光部材の昇温が遅延する効果
がある。

【００２１】また（４）遮光部材は、表面が金メッキさ
れた銅で形成されていると、金メッキは各種のレーザ光
に対する反射率が良好であり、例えば波長１．０６４μ
ｍのＹＡＧレーザの金メッキ表面における反射率は９５
％以上であり、一方、銅は熱伝導率が大きいので遮光部
材の局部的な温度上昇を放熱により緩和する効果があ
る。

【００２２】また（５）光ファイバのコアの開口面と遮
光部材との間にエアギャップを設けると、たとえ遮光部
材の温度が上昇しても、上記エアギャップが熱伝導の絶
縁作用をなして光ファイバケーブルの温度上昇を回避す
る。一般的にエアギャップの介在は、レーザ光の出力が
非常に高い場合や異常なレーザ光による遮光部材の照射
が長時間続く場合などに有用である。

【００２３】また（６）遮光部材の温度を検知する温度
検知モニターを有すると、それにより本発明の高エネル
ギー光伝送装置の稼働中における遮光部材の温度を常時
測定することができるので、例えば、その測定値を熱破
壊防止装置のような保全機構に入力し、この入力データ
が規定値、例えば室温＋５０°Ｃ、に達すると自動的に
レーザ出射装置の稼働を停止させることができる。

【００２４】またさらに、（７）光ファイバのコアに入
射されずに遮光部材により反射される高エネルギー光の
光量を検知する光量検知モニターを有すると、異常なス
ポットビームの大部分は光ファイバに入射せずに遮光部
材により反射され、光量検知モニターはかかる反射光を
瞬時に検知することができる。よってかかる検知を上記
のような保全機構に入力することにより、遮光部材の忌
むべき高温加熱や部分的な溶融、光ファイバケーブルの
熱破壊などを確実に且つ早期に防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１の断面図である。

【図２】 本発明の実施の形態１の他の断面図である。

【図３】 図１の矢印Ａの方向から見た実施の形態１の
正面図である。

【図４】 従来例の断面図である。

【図５】 図４の矢印Ａの方向から見た正面図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバケーブル、１１ 光ファイバ、１５ 光
ファイバの開口面、２ レーザ出射装置、３ レーザ
光、３１ レーザ光のスポットビーム、４ 集光レン
ズ、５は遮光部材、５１ 光通過孔、６ 熱電対、７
光検出器。

フロントページの続き (72)発明者 久国 晶 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA04 BA06 CA00 CA38 DA39 4E068 CE08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアの上にクラッドを有する高エネルギ
   ー光を伝送するための光ファイバ、および上記コアの開
   口面に対向して設置されると共に上記高エネルギー光の
   スポットビームが通過し得る大きさであり、且つ上記コ
   アの開口面の形状と面積が同じ、あるいは上記形状は同
   じまたは異なり上記面積より小さい面積を有する光通過
   孔が設けられた遮光部材を備えたことを特徴とする高エ
   ネルギー光伝送装置。
2. 【請求項２】 光ファイバは、金属保護管により保護さ
   れた石英系光ファイバであって上記金属保護管の先端部
   は端末金具に固定されており、遮光部材は上記端末金具
   の先端面に、且つ高エネルギー光のスポットビームがそ
   の光通過孔を通過して上記光ファイバのコア内に入射し
   得る位置に固定されていることを特徴とする請求項１記
   載の高エネルギー光伝送装置。
3. 【請求項３】 遮光部材は、その表面が高エネルギー光
   に対して良反射率を有する材料で形成されていることを
   特徴とする請求項１または請求項２記載の高エネルギー
   光伝送装置。
4. 【請求項４】 遮光部材は、表面が金メッキされた銅で
   形成されていることを特徴とする請求項３記載の高エネ
   ルギー光伝送装置。
5. 【請求項５】 光ファイバのコアの開口面と遮光部材と
   の間にエアギャップを設けたことを特徴とする請求項１
   または請求項２記載の高エネルギー光伝送装置。
6. 【請求項６】 遮光部材の温度を検知する温度検知モニ
   ターを有することを特徴とする請求項１または請求項２
   記載の高エネルギー光伝送装置。
7. 【請求項７】 光ファイバのコアに入射されずに遮光部
   材により反射される高エネルギー光の光量を検知する光
   量検知モニターを有することを特徴とする請求項１また
   は請求項２記載の高エネルギー光伝送装置。