(57)【要約】      （修正有）【課題】安価且つ簡単な構成で余剰光を除去することが可能な光コネクタを提供する。【解決手段】光コネクタは、光ファイバ２４を保持するファイバ保持部２５４と、光ファイバ２４の端面に接続される光学ブロック２５３と、ファイバ保持部２５４と光学ブロック２５３との間に延びる光ファイバ２４の一部を収容するファイバ収容孔２６０が形成された内側シャフト２５５と、軸方向に沿って螺旋状に延びるコイルバネ４０を備える。コイルバネ４０の接触面４０１は、ファイバ収容孔２６０と共通の中心軸を有する円筒の外周面の一部により構成される。【選択図】図３
2020194108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを保持するファイバ保持部と、
前記光ファイバの端面に接続される光学ブロックと、
前記ファイバ保持部と前記光学ブロックとの間に延びる前記光ファイバの少なくとも一部を収容するファイバ収容孔が形成されたシャフト部と、
軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部材であって、前記シャフト部の前記ファイバ収容孔の半径方向内側に装填される螺旋部材と
を備える、光コネクタ。
【請求項２】
前記ファイバ収容孔に装填されていない状態における前記螺旋部材の外径は、前記ファイバ収容孔の内径よりも大きい、請求項１に記載の光コネクタ。
【請求項３】
前記螺旋部材は、前記ファイバ収容孔の内周面と面接触する接触面を有する、請求項１又は２に記載の光コネクタ。
【請求項４】
前記螺旋部材の前記接触面は、前記ファイバ収容孔と共通の中心軸を有する円筒の外周面の一部により構成される、請求項３に記載の光コネクタ。
【請求項５】
前記螺旋部材の前記ファイバ収容孔の内部空間に露出する部分の少なくとも一部は曲面により構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の光コネクタ。
【請求項６】
前記螺旋部材はコイルバネにより構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光コネクタ。
【請求項７】
レーザ光を生成するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されるレーザ光を伝搬する光ファイバと、
請求項１から６のいずれか一項に記載された光コネクタであって、前記光ファイバの端部に接続される光コネクタと
を備える、レーザ出力装置。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ出力装置と、
前記レーザ出力装置の前記光コネクタが接続される加工ヘッドと
を備える、レーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光コネクタ、レーザ出力装置、及びレーザ加工システムに係り、特にレーザ加工システムの加工ヘッドに接続される光コネクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高出力のレーザ光を用いて溶接や切断を行うレーザ加工システムの加工ヘッドには、レーザ光源から延びる光ファイバの端部に取り付けられた光コネクタが接続される。このような光コネクタでは、光ファイバのクラッドの外周面を粗面化し、クラッドを伝搬するクラッドモード光をクラッドの外周面から散乱させて除去する構造が知られている。例えば、特許文献１に開示されている光コネクタにおいては、ファイバ収容部の内面にネジ溝を形成し、クラッドの外周面で散乱したクラッドモード光や被加工物から反射した戻り光（以下、余剰光という）をこのファイバ収容部のネジ溝で反射、散乱、及び吸収させて除去している。
【０００３】
ここで、余剰光のパワー密度を均一にして余剰光を効率的に除去するために、例えばネジ溝に反射率の高い金メッキを施すことなどが考えられるが、従来の光コネクタにおいては、ファイバ収容部の内面に直接ネジ溝が形成されているため、ネジ溝のみにメッキ処理を施すためには、メッキ処理に加え、ネジ溝以外の部分にマスク処理又はメッキ剥離処理を施す必要がある。このようなマスク処理やメッキ剥離処理は煩雑であるとともに、処理自体も難しいものである。この結果、光コネクタの製造コストが上昇してしまう。
【０００４】
また、余剰光の吸収率を高めるために、ファイバ収容部のネジ溝以外の部分には吸収率の高いメッキを施すことも考えられるが、ファイバ処理部のネジ溝とネジ溝以外の部分で異なるメッキを施す工程は非常に複雑であり、実現することが非常に難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／０３３１２４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価且つ簡単な構成で余剰光を除去することが可能な光コネクタ、レーザ出力装置、及びレーザ加工システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、安価且つ簡単な構成で余剰光を効率的に除去することが可能な光コネクタが提供される。この光コネクタは、光ファイバを保持するファイバ保持部と、上記光ファイバの端面に接続される光学ブロックと、上記ファイバ保持部と上記光学ブロックとの間に延びる上記光ファイバの少なくとも一部を収容するファイバ収容孔が形成されたシャフト部と、軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部材とを備える。この螺旋部材は、上記シャフト部の上記ファイバ収容孔の半径方向内側に装填される。このような螺旋部材としてコイルバネを用いることができる。
【０００８】
本発明によれば、余剰光を反射ないし散乱させる部材として、シャフト部とは別部材の螺旋部材を用いているため、軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部材をシャフト部のファイバ収容孔に装填するだけで、ファイバ収容孔内の余剰光を反射ないし散乱させる構造を形成することができる。これにより、ファイバ収容孔内の余剰光のパワー密度を軸方向に沿ってより均一にした状態で、余剰光を効率的にファイバ収容孔の内周面に吸収させることができる。
【０００９】
また、余剰光を反射ないし散乱させる部材として、シャフト部とは別部材の螺旋部材を用いているため、余剰光を反射ないし散乱させる部材をシャフト部の材質とは異なる材質により構成することができるとともに、余剰光を反射ないし散乱させる部材の加工及びメッキ処理をシャフト部とは別に行うことができる。このため、余剰光を反射ないし散乱させる部材の加工及びメッキ処理が従来に比べて容易になるとともに、余剰光を反射ないし散乱させる部材と余剰光を吸収させるシャフト部とに対して異なるメッキ処理を施して余剰光がより効果的に吸収されるように構成することが容易となる。この結果、光コネクタの製造コストの上昇を抑えることができ、余剰光の効率的な除去を安価に実現することができる。
【００１０】
上記ファイバ収容孔に装填されていない状態における上記螺旋部材の外径は、上記ファイバ収容孔の内径よりも大きいことが好ましい。このような構成によれば、螺旋部材をファイバ収容孔の内側に装填した際に、螺旋部材がファイバ収容孔の内側からシャフト部を押し付けることとなり、螺旋部材とシャフト部との間の密着性を高めることができる。ここで、「螺旋部材の外径」は、螺旋部材の中で中心軸から最も遠い部分と中心軸との間の距離をいうものとする。
【００１１】
上記螺旋部材は、上記ファイバ収容孔の内周面と面接触する接触面を有することが好ましい。このように螺旋部材が接触面においてファイバ収容孔の内周面と面接触することで、螺旋部材とシャフト部との間の密着性を高めることができる。
【００１２】
上記螺旋部材の上記接触面は、上記ファイバ収容孔と共通の中心軸を有する円筒の外周面の一部により構成されることが好ましい。このように螺旋部材の接触面を上記円筒の外周面の一部により構成することで、螺旋部材とファイバ収容孔の内周面との接触面積を増やすことができるので、螺旋部材とシャフト部との間の密着性をより高めることができる。
【００１３】
上記螺旋部材の上記ファイバ収容孔の内部空間に露出する部分の少なくとも一部は曲面により構成されることが好ましい。このような構成によれば、余剰光を反射ないし散乱させる螺旋部材の部分が曲面となるため、その入射角度によらず余剰光を反射ないし散乱させやすくなる。したがって、余剰光のパワー密度をより均一にした状態で、余剰光を効率的にファイバ収容孔の内周面に吸収させることができる。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、安価且つ簡単な構成で余剰光を除去することが可能なレーザ出力装置が提供される。このレーザ出力装置は、レーザ光を生成するレーザ光源と、上記レーザ光源から出力されるレーザ光を伝搬する光ファイバと、上述した光コネクタとを備える。上記光コネクタは、上記光ファイバの端部に接続される。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、安価且つ簡単な構成で余剰光を除去することが可能なレーザ加工システムが提供される。このレーザ加工システムは、上述したレーザ出力装置と、上記レーザ出力装置の上記光コネクタが接続される加工ヘッドとを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安価且つ簡単な構成で余剰光を除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ加工システムを模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ加工システムにおける光コネクタを示す正面図である。
【図３】図３は、図２に示す光コネクタの部分拡大断面図である。
【図４】図４は、図２に示す光コネクタにおけるコイルバネを示す斜視図である。
【図５】図５は、図２に示す光コネクタにおけるコイルバネを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る光コネクタの実施形態について図１から図５を参照して詳細に説明する。なお、図１から図５において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図５においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ加工システム１を模式的に示す図である。本実施形態におけるレーザ加工システム１は、高パワーのレーザ光を出力するレーザ出力装置２と、レーザ出力装置２に接続される加工ヘッド３と、加工対象物Ｗを保持するステージ４とを含んでいる。このようなレーザ加工システム１においては、レーザ出力装置２から出力される高パワーのレーザ光Ｌが、加工ヘッド３の先端からステージ４上の加工対象物Ｗに向けて照射され、加工対象物Ｗの溶接や切断が行われる。
【００２０】
レーザ出力装置２は、レーザ光を生成可能な複数のレーザ光源２１と、それぞれのレーザ光源２１から延びる光ファイバ２２と、これらの光ファイバ２２が接続される出力光コンバイナ２３と、出力光コンバイナ２３から延びる光ファイバ２４と、光ファイバ２４の端部に接続される光コネクタ２５とを含んでいる。光ファイバ２４の端部に接続された光コネクタ２５は、加工ヘッド３に設けられた光プラグ３１に連結される。
【００２１】
このようなレーザ出力装置２においては、それぞれのレーザ光源２１において生成されたレーザ光が出力光コンバイナ２３で結合され、この出力光コンバイナ２３で結合された高パワーのレーザ光Ｌが光ファイバ２４を通って加工ヘッド３から出射される。なお、本明細書では、特に言及されていない場合には、レーザ光源２１からレーザ光が出射される方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。
【００２２】
レーザ出力装置２の複数のレーザ光源２１は同一の構成であるため、以下ではそのうちの１つのレーザ光源２１についてのみ説明する。レーザ光源２１は、光共振器２１０と、光共振器２１０に導入する励起光を生成可能な複数の励起光源２１１と、複数の励起光源２１１からの励起光を結合して光共振器２１０に出力可能な光コンバイナ２１２とを備えている。光共振器２１０は、イッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバ２１３、増幅用光ファイバ２１３の上流側に形成された高反射ファイバブラッググレーティング部（高反射ＦＢＧ部）２１４と、増幅用光ファイバ２１３の下流側に形成された低反射ファイバブラッググレーティング部（低反射ＦＢＧ部）２１５とから構成されている。
【００２３】
増幅用光ファイバ２１３は、例えばコアの周囲に内側クラッド層と外側クラッド層が形成されたダブルクラッドファイバから構成されている。この外側クラッド層の屈折率は内側クラッド層の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層の内側には光導波路が形成される。光コンバイナ２１２は、複数の励起光源２１１から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ２１３の内側クラッド層に導入するように構成されている。励起光源２１１の発振波長は、増幅用光ファイバ２１３のコアに添加される希土類元素の吸収波長帯を含んでおり、この発振波長を有する励起光が増幅用光ファイバ２１３の内側クラッド層中を伝搬するようになっている。
【００２４】
高反射ＦＢＧ部２１４は、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。低反射ＦＢＧ部２１５は、高反射ＦＢＧ部２１４と同様に、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、高反射ＦＢＧ部２１４で反射される波長帯の光の一部（例えば９０％）を通過させ、残りを反射するものである。
【００２５】
このような光共振器２１０において、増幅用光ファイバ２１３の内側クラッド層を伝搬する励起光は、コアを通過する際に希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光が高反射ＦＢＧ部２１４と低反射ＦＢＧ部２１５との間で再帰的に反射され、特定の波長帯（例えば１５５７ｎｍや９７５ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長など）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２１０で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ２１３のコア内を伝搬し、その一部が低反射ＦＢＧ部２１５を透過して光ファイバ２２を通って出力光コンバイナ２３に至る。出力光コンバイナ２３では、それぞれのレーザ光源２１からのレーザ光が結合され、結合された高パワーのレーザ光が光ファイバ２４を通って加工ヘッド３に送られる。
【００２６】
次に、本実施形態における光コネクタ２５について図２から図５を参照してより詳細に説明する。図２は、光コネクタ２５を示す正面図である。図２に示すように、光コネクタ２５は、光ファイバ２４の端部が挿通されるファイバ挿通部２５１と、レーザ光によって生じる熱を除去する冷却部２５２と、冷却部２５２の先端に設けられた光学ブロック２５３とを含んでいる。
【００２７】
図３は、光コネクタ２５の冷却部２５２近傍の部分拡大断面図である。図３に示すように、光コネクタ２５の内部には、光ファイバ２４を保持するファイバ保持部２５４が設けられており、このファイバ保持部２５４に保持された光ファイバ２４は光コネクタ２５の内部を光学ブロック２５３まで延びている。光学ブロック２５３は、例えば石英から構成され、本実施形態では、円柱と円錐とを組み合わせた形状となっている。この光学ブロック２５３には光ファイバ２４の端面が融着される。
【００２８】
光コネクタ２５は、ファイバ保持部２５４に隣接して内側シャフト２５５（シャフト部）と外側シャフト２５６とを有している。外側シャフト２５６は、内側シャフト２５５の半径方向外側に配置されており、内側シャフト２５５と外側シャフト２５６との間には、冷却媒体（例えば水）が流れる流路２５７が形成されている。なお、外側シャフト２５６には、流路２５７に冷却媒体を導入する導入ポート２５８Ａと、流路２５７から冷却媒体を排出する排出ポート２５８Ｂが設けられている。
【００２９】
内側シャフト２５５の中央には、光学ブロック２５３を保持するためのブロック保持孔２５９と、ブロック保持孔２５９に連通するファイバ収容孔２６０とが形成されている。ファイバ収容孔２６０の内部には、上述したファイバ保持部２５４から光学ブロック２５３まで延びる光ファイバ２４が収容されている。このファイバ収容孔２６０内では、光ファイバ２４の被覆が除去されてクラッドが外部に露出しており、この外部に露出しているクラッドの表面はエッチングにより粗面化されている。
【００３０】
図３に示すように、内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０の半径方向内側には、軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部材としてコイルバネ４０が装填されている。図４はこのコイルバネ４０を示す斜視図、図５は断面図である。例えば、コイルバネ４０をステンレスや銅合金から形成してもよく、半径方向及び軸方向に多少の弾性を有することが好ましい。
【００３１】
このようなコイルバネ４０が内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０の内側に装填されているため、ファイバ収容孔２６０内の光ファイバ２４のクラッドの外周面から出射されるクラッドモード光や加工対象物Ｗから反射し光学ブロック２５３を通ってファイバ収容孔２６０内に入射する戻り光などの余剰光の多くは、コイルバネ４０の表面で反射ないし散乱する。これにより、ファイバ収容孔２６０内の余剰光のパワー密度を軸方向に沿ってより均一にすることができ、余剰光のパワー密度を軸方向に沿ってより均一にした状態で、余剰光をファイバ収容孔２６０の内周面に吸収させることができる。ファイバ収容孔２６０の内周面に吸収された余剰光は熱に変換され、内側シャフト２５５の外側の流路２５７を循環する冷却媒体によって光コネクタ２５から除去される。
【００３２】
本実施形態では、余剰光を反射ないし散乱させる部材として、内側シャフト２５５とは別部材のコイルバネ４０を用いているため、コイルバネ４０を内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０に装填するだけで、ファイバ収容孔２６０内の余剰光を反射ないし散乱させる構造を形成することができる。これにより、ファイバ収容孔２６０内の余剰光のパワー密度を軸方向に沿ってより均一にした状態で、余剰光を効率的にファイバ収容孔２６０の内周面に吸収させることができる。
【００３３】
また、コイルバネ４０を内側シャフト２５５の材質とは異なる材質により構成することができるとともに、コイルバネ４０の加工及びメッキ処理も内側シャフト２５５とは別に行うことができる。このため、余剰光を反射ないし散乱させる部材の加工及びメッキ処理が従来に比べて容易になるとともに、余剰光を反射ないし散乱させるためのコイルバネ４０と余剰光を吸収させる内側シャフト２５５とに対して異なるメッキ処理を施して余剰光がより効果的に内側シャフト２５５に吸収されるように構成することが容易となる。例えば、コイルバネ４０の表面に施すメッキ材料をファイバ収容孔２６０の内周面に施すメッキ材料よりも光の反射率が高い材料とすることで、コイルバネ４０での余剰光の反射又は散乱とファイバ収容孔２６０の内周面での吸収とを効率的に行うことができる。この結果、光コネクタ２５の製造コストの上昇を抑えつつ、余剰光を効率的に除去することができる。例えば、コイルバネ４０をステンレスや銅合金から構成し、その表面にニッケルメッキ又は金メッキを施してもよく、内側シャフト２５５を熱伝導率の高い銅合金から構成し、その表面にニッケルメッキを施してもよい。
【００３４】
図４及び図５に示すように、コイルバネ４０は、１つの円筒の外周面の一部を構成する接触面４０１と、断面が半円状の内側面４０２とを有している。コイルバネ４０と内側シャフト２５５との密着性を高めるためには、コイルバネ４０の接触面４０１が内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０の内周面と面接触することが好ましい。特に、本実施形態では、コイルバネ４０の接触面４０１の中心軸Ｃが、内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０の中心軸と同軸となっており、図３に示すように、コイルバネ４０を内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０に装填した際に、コイルバネ４０の接触面４０１が全面で内側シャフト２５５のファイバ収容孔２６０の内周面に密着するようになっている。これによりコイルバネ４０とファイバ収容孔２６０の内周面との接触面積を増やすことができ、コイルバネ４０とファイバ収容孔２６０の内周面との密着性がより高まる。このようなコイルバネ４０の接触面４０１は、一般的なコイルバネの径方向外側を研磨することにより作製することが可能である。
【００３５】
ここで、ファイバ収容孔２６０に装填される前の状態のコイルバネ４０の外径Ｄ（図５参照）は、ファイバ収容孔２６０の内径よりも大きいことが好ましい。この場合には、コイルバネ４０を弾性変形させてコイルバネ４０をファイバ収容孔２６０の内部に挿入して装填することができ、装填後は、コイルバネ４０の接触面４０１がファイバ収容孔２６０の内側から内側シャフト２５５を押し付けることとなる。したがって、コイルバネ４０と内側シャフト２５５との間の密着性を高めることができる。
【００３６】
また、コイルバネ４０の内側面４０２は、ファイバ収容孔２６０の内部空間に露出しているが、本実施形態では、この内側面４０２の断面が半円状になっており曲面で構成されている。このように、余剰光を反射ないし散乱させるコイルバネ４０の部分が曲面であるため、余剰光の入射角度によらず余剰光を反射ないし散乱させやすい。したがって、余剰光のパワー密度をより均一にした状態で、余剰光を効率的にファイバ収容孔２６０の内周面に吸収させることができる。
【００３７】
上述したレーザ加工システム１においては、レーザ光源２１が共振器型のファイバレーザにより構成されているが、レーザ光源２１の種類は、これに限られるものではなく、例えば主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）型のファイバレーザや半導体レーザを用いることもできる。
【００３８】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１      レーザ加工システム
２      レーザ出力装置
３      加工ヘッド
４      ステージ
２１      レーザ光源
２２      光ファイバ
２３      出力光コンバイナ
２４      光ファイバ
２５      光コネクタ
３１      光プラグ
４０      コイルバネ
２１０      光共振器
２１１      励起光源
２１２      光コンバイナ
２１３      増幅用光ファイバ
２１４      高反射ＦＢＧ部
２１５      低反射ＦＢＧ部
２５１      ファイバ挿通部
２５２      冷却部
２５３      光学ブロック
２５４      ファイバ保持部
２５５      内側シャフト（シャフト部）
２５６      外側シャフト
２５７      流路
２５９      ブロック保持孔
２６０      ファイバ収容孔
４０１      接触面
４０２      内側面
Ｃ      中心軸
Ｌ      レーザ光
Ｗ      加工対象物
【図１】
2020194108.tif 000003
【図２】
2020194108.tif 000004
【図３】
2020194108.tif 000005
【図４】
2020194108.tif 000006
【図５】
2020194108.tif 000007