(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバとガラスブロックとの接合強度の高い構造体を製造可能な製造方法を実現する。【解決手段】端面１１ａが凸面状である光ファイバ１１と、底面１２ａが光ファイバの端面に接合されたガラスブロック１２と、を備えた構造体１の製造方法において、底面を凹面化する凹面化工程Ｓ１２と、凹面状である底面に凸面状である光ファイバの端面を接触させることによって、光ファイバとガラスブロックとを一体化する一体化工程Ｓ１３と、を含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、一方の底面が上記光ファイバの一方の端面に接合された柱状のガラスブロックと、を備えた構造体の製造方法において、
上記ガラスブロックの上記底面に上記光ファイバの上記端面を接触させることによって、上記光ファイバと上記ガラスブロックとを一体化する一体化工程を含んでおり、
上記光ファイバの上記端面は、上記一体化工程の実施前に凸面状であり、
上記ガラスブロックの上記底面は、上記一体化工程の実施前に凹面状である、
ことを特徴とする構造体の製造方法。
【請求項２】
上記一体化工程の実施前に、上記ガラスブロックの上記底面を溶融させることによって、上記ガラスブロックの上記底面を凹面化する凹面化工程を更に含んでいる、
ことを特徴とする請求項１に記載の構造体の製造方法。
【請求項３】
上記凹面化工程と上記一体化工程とは、一連の加熱により実現される、
ことを特徴とする請求項２に記載の構造体の製造方法。
【請求項４】
上記光ファイバの上記端面は、上記一体化工程の実施前に球面状であり、
上記凹面化工程において、ガスバーナを用いて上記ガラスブロックの上記底面を少なくとも三方から加熱することによって、上記ガラスブロックの上記底面を溶融させる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の構造体の製造方法。
【請求項５】
上記凹面化工程の実施前に、上記底面の近傍において上記ガラスブロックを細径化する細径化工程を更に含んでいる、
ことを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバと、該光ファイバの一方の端面に接合されたガラスブロックと、を備えた構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料加工にレーザ加工機がよく用いられている。このようなレーザ加工機が備えるＢＤＯ（Beam Delivery Optics）は、レーザ光源から出力されたレーザ光を導波する光ファイバと、光ファイバを導波されたレーザ光のエネルギー密度を低下させるガラスブロックと、を備えた構造体により構成される。加工対象物には、ガラスブロックを透過したレーザ光が照射される。このような構造体を開示した文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１９１１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバとガラスブロックとを備えた構造体は、光ファイバと端面とガラスブロックの底面とを融着することにより製造される。この際、光ファイバの端面が平坦であると、光ファイバとガラスブロックとの間に気泡が残留する場合がある。光ファイバとガラスブロックとの間に気泡が残留すると、融着面積が減少し、その結果、光ファイバとガラスブロックとの接合強度が低下するという問題を生じ得る。
【０００５】
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバとガラスブロックとの接合強度の高い構造体を製造することが可能な製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様１に係る構造体の製造方法は、光ファイバと、一方の底面が上記光ファイバの一方の端面に接合された柱状のガラスブロックと、を備えた構造体の製造方法であって、上記ガラスブロックの上記底面に上記光ファイバの上記端面を接触させることによって、上記光ファイバと上記ガラスブロックとを一体化する一体化工程を含んでおり、上記光ファイバの上記端面は、上記一体化工程の実施前に凸面状であり、上記ガラスブロックの上記底面は、上記一体化工程の実施前に凹面状である。
【０００７】
上記の製造方法によれば、上記一体化工程を実施する前に、凹面状であるガラスブロックの底面に接合される光ファイバの端面が凸面状である。このため、上記一体化工程を実施する際に、光ファイバとガラスブロックとの間に気泡が残留し難くなる。したがって、光ファイバとガラスブロックとの間に気泡が残留することによって生じ得る、光ファイバとガラスブロックとの接合強度の低下を抑えることができる。
【０００８】
また、上記の製法方法によれば、上記一体化工程を実施する前に、凸面状である光ファイバの端面に接合されるガラスブロックの底面が凹面状である。このため、上記一体化工程を実施する際に、光ファイバをガラスブロックに深く差し込まなくても、光ファイバの端面の外周部をガラスブロックの底面に融着することが可能になる。したがって、（１）光ファイバをガラスブロックに深く差し込むことによって生じ得る、光ファイバのコアの歪みを抑えると共に、（２）光ファイバの端面の外周部がガラスブロックの底面に融着されないことによって生じ得る、光ファイバとガラスブロックとの接合強度の低下を抑えることができる。なお、光ファイバのコアの歪みは、構造体を使用する際のビーム品質の低下の原因となる。したがって、光ファイバのコアの歪みを抑えることは、構造体を使用する際のビーム品質の低下を抑えることに繋がる。
【０００９】
本発明の態様２に係る構造体の製造方法は、本発明の態様１に係る構造体の製造方法において、上記一体化工程の実施前に、上記ガラスブロックの上記底面を溶融させることによって、上記ガラスブロックの上記底面を凹面化する凹面化工程を更に含んでいる。
【００１０】
上記の製造方法によれば、上記ガラスブロックの底面が予め凹面状であるか否かに依らず、光ファイバとガラスブロックとの接合強度の高い構造体を製造することができる。また、上記ガラスブロックの底面を研磨する場合と比べて、上記ガラスブロックの上記底面を容易に凹面化することができる。
【００１１】
本発明の態様３に係る構造体の製造方法は、本発明の態様２に係る構造体の製造方法において、上記凹面化工程と上記一体化工程とは、一連の加熱により実現される。
【００１２】
上記の製造方法によれば、より簡単に構造体を製造することができる。
【００１３】
本発明の態様４に係る構造体の製造方法は、本発明の態様２又は３に係る構造体の製造方法において、上記光ファイバの上記端面は、上記一体化工程の実施前に球面化されており、上記凹面化工程において、ガスバーナを用いて上記ガラスブロックの上記底面を少なくとも三方から加熱することによって、上記ガラスブロックの上記底面を溶融させる。
【００１４】
上記の製造方法によれば、凹面状であるガラスブロックの底面の形状と、凸面状（球面状）である光ファイバの端面の形状との相補性をより高めることができる。したがって、光ファイバとガラスブロックとの接合強度のより高い構造体を製造することができる。
【００１５】
本発明の態様５に係る構造体の製造方法は、本発明の態様２〜４の何れか一態様に係る構造体の製造方法において、上記凹面化工程の実施前に、上記底面の近傍において上記ガラスブロックを細径化する細径化工程を更に含んでいる。
【００１６】
上記の構成によれば、ガラスブロックを水冷管などの管状体に挿入することが困難になるなどの問題を生じ難い構造体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様によれば、光ファイバとガラスブロックとの接合強度の高い構造体を製造することが可能な製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図２に示す製造方法により製造される構造体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る構造体の製造方法を示す模式図である。
【図３】図２に示す製造方法に含まれる凸面化工程の実施例を示す図である。
【図４】図２に示す製造方法に含まれる凹面化工程の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔構造体の構成〕
本発明の一実施形態に係る製造方法Ｓ１（後述）により製造される構造体１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、構造体１の斜視図である。
【００２０】
構造体１は、図１に示すように、光ファイバ１１と、ガラスブロック１２と、を備えている。ガラスブロック１２は、光ファイバ１１の一方の端面１１ａに接合（例えば、融着）されている。構造体１は、例えば、レーザ装置（例えば、レーザ加工機）のＢＤＯ（Beam Delivery Optics）として利用される。この場合、レーザ光源（例えば、ファイバレーザ）にて生成されたレーザ光は、（１）光ファイバ１１を順方向（レーザ光源から遠ざかる方向）に伝播し、（２）ガラスブロック１２を順方向に伝播し、（３）構造体１の外部に出力される（例えば、加工対象物に照射される）。すなわち、光ファイバ１１は、レーザ装置のデリバリファイバとして機能し、ガラスブロック１２は、レーザ装置の出力ヘッド（例えば、加工ヘッド）として機能する。
【００２１】
光ファイバ１１は、コア１１１と、クラッド１１２と、を備えている。コア１１１は、ガラス（例えば、石英ガラス）により構成された、柱状（例えば、円柱状）の構造体である。クラッド１１２は、ガラス（例えば、石英ガラス）により構成された、管状（例えば、円管状）の構造体である。コア１１１及びクラッド１１２は、クラッド１１２の内側面がコア１１１の外側面を覆ように、一体化されている。コア１１１及びクラッド１１２の一方又は両方には、コア１１１の屈折率をクラッド１１２の屈折率よりも高くする、又は、クラッド１１２の屈折率をコア１１１の屈折率よりも低くするためのドーパントが添加されている。これにより、コア１１１は、光導波路として機能する。
【００２２】
光ファイバ１１は、太径ファイバであり、光ファイバ１１の直径（クラッド１１２の外径）は、例えば、４ｍｍである。本実施形態においては、クラッド１１２の厚みを通常よりも厚くすることによって、光ファイバ１１の太径化を実現している。なお、光ファイバ１１を太径化する方法は、これに限定されない。例えば、ガラス管を装着することによって、光ファイバ１１を太径化してもよい。この場合、ガラス管は、その内側面がクラッド１１２の外側面を覆うように、光ファイバ１１に装着される。
【００２３】
ガラスブロック１２は、ガラス（例えば、石英ガラス）により構成された、柱状（例えば、円柱状）の構造体である。ガラスブロック１２の屈折率は、光ファイバ１１のコア１１１の屈折率と同一又は同程度であり、光ファイバ１１のクラッド１１２の屈折率よりも高い（換言すれば、光ファイバ１１のクラッド１１２の屈折率は、ガラスブロック１２の屈折率よりも低い）。ガラスブロック１２の一方の底面１２ａは、光ファイバ１１の一方の端面１１ａと融着接続されている。
【００２４】
〔構造体の製造方法〕
本発明の一実施形態に係る構造体１の製造方法Ｓ１について、図２を参照して説明する。図２は、製造方法Ｓ１を示す模式図である。
【００２５】
製造方法Ｓ１は、図２に示すように、凸面化工程Ｓ１１と、凹面化工程Ｓ１２と、一体化工程Ｓ１３と、凝固工程Ｓ１４と、を含んでいる。凸面化工程Ｓ１１、凹面化工程Ｓ１２、一体化工程Ｓ１３、及び凝固工程Ｓ１４は、この順に実施される。なお、凹面化工程Ｓ１２及び一体化工程Ｓ１３において、ガラスブロック１２は、その底面１２ａが鉛直上方を向くように配置される。
【００２６】
凸面化工程Ｓ１１は、光ファイバ１１の端面１１ａを凸面化（例えば、球面化）する工程である。凸面化工程Ｓ１１においては、例えば、研磨によって、或いは、エッチングによって、光ファイバ１１の端面を凸面化する。なお、凸面化工程Ｓ１１の実施例については、参照する図面を代えて後述する。なお、製造方法Ｓ１を実施する前に光ファイバ１１の端面１１ａが予め凸面状である場合、凸面化工程Ｓ１１は省略可能である。
【００２７】
凹面化工程Ｓ１２は、ガラスブロック１２の底面１２ａを溶融させることによって、ガラスブロック１２の底面１２ａを凹面化する工程である。凹面化工程Ｓ１２においては、例えば、ガスバーナを用いてガラスブロック１２の底面１２ａの中央を少なくとも三方から加熱することによって、ガラスブロック１２の底面１２ａを溶融させ、ガラスブロック１２の底面を凹面化する。なお、凹面化工程Ｓ１２の実施例については、参照する図面を代えて後述する。なお、製造方法Ｓ１を実施する前にガラスブロック１２の底面１２ａが予め凹面状である場合、凹面化工程Ｓ１２は省略可能である。
【００２８】
一体化工程Ｓ１３は、凹面状であるガラスブロック１２の底面１２ａに凸面状である光ファイバ１１の端面１１ａを接触させることによって、光ファイバ１１とガラスブロック１２とを一体化する工程である。なお、凹面化工程Ｓ１２において開始された加熱は、一体化工程Ｓ１３が終了するまで継続される。すなわち、凹面化工程Ｓ１２及び一体化工程Ｓ１３は、一連の加熱により実現される。このため、凹面状であるガラスブロック１２の底面１２ａは、一体化工程Ｓ１３が終了するまで溶融状態に維持される。
【００２９】
凝固工程Ｓ１４は、溶融されたガラスブロック１２の底面１２ａを冷却することによって、ガラスブロック１２の底面１２ａを凝固させる工程である。凝固工程Ｓ１４においては、例えば、溶融されたガラスブロック１２の底面１２ａを自然冷却することによって、ガラスブロック１２の底面１２ａを凝固させる。これにより、光ファイバ１１とガラスブロック１２との融着が完了する。
【００３０】
なお、製造方法Ｓ１は、図２に示すように、細径化工程Ｓ１０を更に含んでいてもよい。細径化工程Ｓ１０は、凹面化工程Ｓ１２を実施する前に、底面１２ａの近傍においてガラスブロック１２を細径化する工程である。細径化工程Ｓ１０において、ガラスブロック１２は、例えば、底面１２ａに近づくに従って、直径が小さくなるようにテーパー化される。また、底面１２ａの近傍が予め細径状（例えば、テーパ状）であるガラスブロック１２を原材料として用いる場合、細径化工程Ｓ１０は省略される。
【００３１】
〔製造方法の効果〕
構造体１を製造する際、光ファイバ１１の端面１１ａが平坦であると、光ファイバ１１とガラスブロック１２との間に気泡が残留し易い。光ファイバ１１とガラスブロック１２との間に気泡が残留すると、構造体１を使用する際、この気泡によるレーザ光の予期せぬ散乱が生じたり、この気泡による融着面積の低下に伴う接合強度の低下が生じたりし得る。そこで、製造方法Ｓ１においては、光ファイバ１１の端面１１ａを凸面化する凸面化工程Ｓ１１を実施することで、このような気泡の残留を抑制している。
【００３２】
しかしながら、凸面化された光ファイバ１１の端面１１ａと平坦なガラスブロック１２の底面１２ａとを融着する場合、光ファイバ１１の端面１１ａの中心部のみがガラスブロック１２の底面１２ａと融着され、光ファイバ１１の端面１１ａの外周部がガラスブロック１２の底面１２ａと融着されないことがある。そうすると、融着面積の低下に伴う接合強度の低下が生じる。
【００３３】
このような接合強度の低下は、光ファイバ１１の端面１１ａとガラスブロック１２の底面１２ａとを融着する際に、光ファイバ１１をガラスブロック１２に深く押し込むことで回避できる。しかしながら、そうすると、光ファイバ１１のコア１１１に歪みが生じ、構造体１を使用する際にビーム品質が低下する。そこで、本実施形態に係る製造方法Ｓ１においては、ガラスブロック１２の底面１２ａを凹面化する凹面化工程Ｓ１２を実施することで、光ファイバ１１をガラスブロック１２に深く押し込むことなく、光ファイバ１１の端面１１ａの外周部がガラスブロック１２の底面１２ａと融着されるようにしている。このため、本実施形態に係る製造方法Ｓ１によれば、光ファイバ１１とガラスブロック１２との接合強度が高く、且つ、ビーム品質の高い構造体１を製造することが可能になる。
【００３４】
なお、原材料となるガラスブロック１２の直径が均一である場合、凹面化工程Ｓ１２において溶融したガラスが一体化工程Ｓ１３においてガラスブロック１２の外周に向かって広がり、底面１２ａの近傍においてガラスブロック１２が太径化する場合がある。この場合、ガラスブロック１２を水冷管などの管状体に挿入することが困難になるなどの問題を生じ得る。上述した細径化工程Ｓ１０は、このような問題に対する対策である。底面１２ａの近傍においてガラスブロック１２を細径化する細径化工程Ｓ１０を予め実施しておけば、一体化工程Ｓ１３において底面１２ａの近傍においてガラスブロック１２が太径化しても、このような問題が生じ難くなる。
【００３５】
〔凸面化工程の実施例〕
上述した凸面化工程Ｓ１１の一実施例について、図３を参照して説明する。図３において、（ａ）は、凸面化工程Ｓ１１を実施することにより球面化された光ファイバ１１の端面１１ａの表面形状を示す画像であり、（ｂ）は、端面１１ａのうちＡ−Ａ’直線（図３の（ａ）参照）に沿った表面の表面形状を示すグラフである。
【００３６】
本実施例において、凸面化工程Ｓ１１は、端面１１ａを研磨することによって実施した。図３の（ａ）及び（ｂ）を参照すれば、凸面化工程Ｓ１１により得られた端面１１ａの表面形状は、最大突出量がおよそ６０μｍであり、且つ、曲率半径が約２ｍｍである球面であることが分かった。したがって、凸面化工程Ｓ１１により、端面１１ａを球面化できることが分かった。
【００３７】
〔凹面化工程の実施例〕
上述した凹面化工程Ｓ１２の実施例について、図４を参照して説明する。図４において、（ａ）は、凹面化工程Ｓ１２におけるガラスブロック１２及びガスバーナＢ１〜Ｂ３の配置を示す平面図であり、（ｂ）は、凹面化工程Ｓ１２におけるガラスブロック１２及びガスバーナＢ１〜Ｂ３の配置を示す断面図であり、（ｃ）は、凹面化工程Ｓ１２を実施することにより凹面化されたガラスブロック１２の底面１２ａの表面形状を示すグラフであり、（ｄ）は、底面１２ａのうちＣ−Ｃ’直線（図４の（ｃ）参照）に沿った表面の表面形状を示すグラフである。図４の（ｂ）に示す断面図は、図４の（ａ）に示すＢ−Ｂ’直線に沿った断面の断面図である。図４の（ａ）の平面図及び図４の（ｂ）の断面図は、凹面化工程Ｓ１２を実施する前の状態のガラスブロック１２を示している。なお、該断面図において、ガスバーナＢ２，Ｂ３の断面の構造は、省略している。
【００３８】
本実施例においては、底面１２ａを溶融させるために、３つのガスバーナＢ１〜Ｂ３を採用した。本実施例で採用したガスバーナＢ１〜Ｂ３は、酸素ガスと水素ガスとの混合ガスである酸水素ガスを燃料とする酸水素ガスバーナである。
【００３９】
本実施例では、ガスバーナＢ１〜Ｂ３を図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように配置した。図４の（ａ）に示した平面図において、各ガスバーナＢ１〜Ｂ３は、ガラスブロック１２の中心軸に対して等方的に配置されている。したがって、隣接するガスバーナの中心軸同士の中心角θ１は、１２０°である。また、図４の（ｂ）に示した断面図において、各ガスバーナ（例えばガスバーナＢ３）の中心軸と、底面１２ａとの成す仰角θ２は、４５°である。また、各ガスバーナの先端と、底面１２ａとの間隔は、１０ｍｍとした。
【００４０】
また、本実施例では、ガスバーナＢ１〜Ｂ３に供給する水素ガスの流量と酸素ガスの流量との比を４：１に設定し、加熱時間を１２０秒に設定した。
【００４１】
図４の（ｃ）及び（ｄ）を参照すれば、凹面化工程Ｓ１２により得られた底面１２ａの表面形状は、最大陥没量がおよそ１２μｍであり、且つ、曲率半径が約２ｍｍの球面により近似可能な滑らかな凹面であることが分かった。これにより、ガスバーナＢ１〜Ｂ３を用いて底面１２ａを三方から加熱する凹面化工程Ｓ１２により、光ファイバ１１の端面１１ａと相補的な形状になるように、ガラスブロック１２の底面１２ａを凹面化できることが確かめられた。
【００４２】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１        構造体
１１      光ファイバ
１１１    コア
１１２    クラッド
１１ａ    端面
１２      ガラスブロック
１２ａ    底面
【図１】
2020126159.tif 000003
【図２】
2020126159.tif 000004
【図３】
2020126159.tif 000005
【図４】
2020126159.tif 000006