JPS592003A - フアイバ−型光導波路の保護層 - 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】 この発明は、手元側で曲り易いファイバー型光導波路の
保護層に係る。

レーザメス、レーザ加工装置に於いて、Ｃ０２レーザ、
・ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ、ルビーレーザなどが用途
によシ用いられる。光を導く導波路として、光フアイバ
導波路とミラー導波路がある。

光ファイバを用いるものは、取扱い易く、便利である。

Ｃ０２レーザは、波長が長いので、ミラー導波路が主流
であるが、ファイバ導波路も実用に供されるようになっ
てきた。ＹＡＧレーザなどは、ファイバ導波路で、損失
少く伝送する事ができる。

第１図はレーザ装置の全体構成を示す図である。

レーザ発振器１は、ＣＯ□レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒ
レーザ、ルビーレーザなどである。電源制御部２は、レ
ーザ発振器１を駆動させる。入射光学系３は、レーザ光
を絞って、ファイバー光導波路４へ入射させる。

レーザ光は、ファイバー光導波路４の中を伝搬し、ハン
ドビーフ５から出射され、対象物（図示せず）に照射さ
れる。

ファイバー光導波路４のレーザ発振器１、入射光学系３
に近い方を入射端側Ａと呼び、ハンドピース５に近い方
を出射端側Ｂと呼ぶ。

ファイバー光導波路４は、自在に曲らなければならない
。

第２図は従来例に係るファイバー光導波路の一部断面図
である。これによって、ファイバー光導波路の彎曲可能
な構成を説明する。

導波路４の中心には、光ファイバ６が収められ、光ファ
イバ６を囲むようにテフロンチューブ７がある。テフロ
ンチューブ７の外側には、軸方向に、多数個の段付き円
筒８が、互に重なシ合いながら連続している。段（１き
円筒８の継目にはＯリング９が嵌込んである。

段付き円筒８．０リング９のさらに外側には、柔軟な被
覆１０が被せである。

剛性のある物は、段付き円筒８だけである。

従来の光導波路４は、このような構造が一様に入射端側
Ａから出射端側Ｂまで連続していた。段付き円筒８の大
径筒部、小径筒部の内外径、長さともに同じものを、始
めから終シまで使用している。

このため、従来の光導波路には次の欠点があった。

ハンドビーフ５の設けられた出射端側Ｂで、光導波路４
は曲シにくい。操作性が悪い。

レーザ発振器１につながる入射端側Ａでは、反面、片持
ちばシ構造で、曲がったままの状態になる事が多い。導
波路４の自重による曲げモーメントが入射端側Ａで最大
になる事が多いからである。

従来のファイバー光導波路４が、同一寸法の段付き円筒
８を入射端側Ａから出射端側Ｂまで、一様に、採用した
のは、多分、次の理由による、と本発明者は推察する。

中心の光ファイバ６は、一様な構造で、一様な直径を持
つ。従って、光ファイバの許容曲げ半径Ｒｆは、光導波
路４の全長にわたって、一様である。

光ファイバの最少曲げ半径Ｒｍｉｎは、段付き円筒８の
、外筒、内筒の寸法差、重な多部分の長さなどによって
決まる。

当然、光導波路の全長にわたって、 Ｒｍｉｎ　　＞　　　Ｒ（− でなければならない。

Ｒｆは全長にわたって一定である。そこで、Ｒｍｉｎも
全長にわたって一定な値にするのが良いように思える。

Ｒｍｉｎを一定にするというのは、同一寸法の段付き円
筒８を同一間隔で配置する、という事である。

このような理由で、従来は一様な導波路を採用した。し
かし、このような思想には誤シがある。

光ファイバの許容曲げ半径Ｒｒが、光導波路の全長にわ
たって同一であるとしても、光導波路に加わる曲げモー
メン）Ｍは同様に一様であるわけではない。

自由状態に於て、ファイバー先導波路４は垂れ下った状
態で静止する。

ハンドビーフ５の中心を通る鉛直線をＧとする。

鉛直線Ｇから、光導波路上の点Ｐまでの距離をＸとする
。

鉛直線Ｇと、導波路の入射端Ｈとの距離をＸｍとするＯ ファイバー光導波路４に働く曲げモーメントは、（ｉ）
ｘ＝ｏで　　　Ｍ＝Ｑ （ｉｉ）ｘ＝ＸｍテＭは最大値ＭＯｒｒａｘをとる。

入射端（Ｘｍ）Ｈで、最大曲げモーメン）　Ｍｍａｘが
加わる。光導波路４は、”ｒｒａｘに対して、曲げ半径
”ｍｉ。をとるとする。

当然（１）式のＲｍｉｎに対し、 Ｒ”　　　＞　　　Ｒｍｉｎ　　　　　（２）ｌｎ であることが必要である。

入射端Ｈで、最大曲げモーメンｌ−Ｍｍａｘが加わるか
ら、入射端で、導波路は最も強く曲る。入射端から遠ざ
かるに従って、導波路の曲げ半径は大きくなシ、ハンド
ピース近傍（Ｘ＝０）では、曲げ半径は無限大となる。

入射端での曲げ半径ＲＩＴＬｉ。は（２）の不等式を満
足する。光導波路を強く下方に引張る事もあるから、こ
のような状態群での最小の曲げ半径がＲｍｉｎよシ大き
くなければならない。

ハンドビーフ５は自由に動くことが望ましい。

ハンドビーフの軸方向の動き、軸と垂直な方向の動きは
、出射端側Ｂと離れた部分での曲げ状態の変化を伴う。

入射端側Ａ近傍での曲げ状態の変化が、ハンドピースま
での距離の積としてハンドビーフの移動量を与える。

従って、ハンドビーフの軸方向、軸垂直方向の動きは、
比較的楽である。

移動ではなく、方向変化をハンドピースに与えようとす
ると、これはにわかに困難となる。小さい曲率半径で曲
げようとすると、ハンドビーフ５自体に、操作者が手で
曲げモーメントを直接加えなければならない。

曲げモーメントに対する、曲率（曲げ半径の逆数）の比
は、この場合、光導波路の全長にわたって同一である。

従って、ハンドビーフ５を持って、方向を変えようとす
ると、入射端側Ａに常時加わっている程度の強い曲げモ
ーメントを操作者が加えなければならない。

望ましいファイバー光導波路は、一様な曲げ剛性をもつ
ものではなく、入射端側Ａでは曲シにくく、出射端側Ｂ
では曲シやすいものである。

曲げ剛性が大きいという事と、曲げ最小半径Ｒｍｉｎが
大きいという事とは区別しなければならない。

曲げ剛性は、被覆１０の肉厚、直径に強く依存する。０
リング９の弾性にも依存する。

最小曲げ半径Ｒｍｉｎは、段付き円筒８の形状、寸法に
よって決まる。

入射端Ａで曲げ難く、出射端Ｂで曲は易い、という条件
は、曲げ剛性に関する。最小曲げ半径Ｒｍｉｎとは無関
係のように見える。

まず第１に、最小曲げ半径Ｒｍｉｎが、段付き円筒８の
形状、寸法によシ、とのよ゛うに決定されるかを考案す
る。

第３図は、段付き円筒８の断面図である。

段付き円筒８は、大径筒部１１と小径筒部１２を、中間
の段部１３で連結した形状である。

大径筒部１１の中へ、隣りの段付き円筒の小径筒部１２
を差込む。大径筒部１１の内径Ｄ、小径筒部１２の外径
ｄ、段付き円筒の長さをＬとする。

Ｄ）ｄであるので、段付き円筒８を組合わせたものは自
由に曲シうる。

いまひとつ重要な因子がある。

大径筒部１１へ隣シの小径筒部１２がどれほどの長さ差
込まれているか、という事である。２つの段付き円筒の
重なり部分、すなわち差込み長さを４とする。

第４図は、段付き円筒の組合わせが最小曲げ半径Ｒｍｉ
ｎで曲げられた状態の一部断面平面図である。

曲率中心Ｏから、段付き円筒８のひとつの繰返し長（Ｌ
−ｎ　）を見込む角をθとする。

段付き円筒８の小径筒部１２は、隣りの円筒８の大径筒
部１１の内面に前後で当接する。

大径暗部１１′の端部での接点をＦとする。小径筒部１
２の端点をＥとし、Ｅから大径筒部１１面へ下した垂線
の足をＣとする。△ＣＦＥについて考える。

曲率中心００周シに、段付き円筒８は、回転対・称位置
にある。ピッチ角が０である。従って、円筒８同士がな
す角もθである。つまシ、／ＥＦＣ＝θ　　　　　　（
３） である。

辺ＣＦは、差込み長ｌにほぼ等しい。

辺ＥＣは、はＩ丁（Ｄ−ｄ　）に等しい。

これらは、いずれもθが１より、かなり小さいとした近
似である。

すると　　　　　　　　Ｄ−ｄ θ　　＝　　　−（４） となる。

一方、曲率中心Ｏから、最小曲率半径）ｊｍｉｎの円上
に、段イス１き円筒８があシ、円筒の１周期の長さは（
Ｌ−１であるから、 吉なる。

（４）、（５）よシ、 を得る。

差込み長４ば、Ｌ／２以下である。ひとつの段付き円筒
と、２つ離れた段付き円筒とは重なり合う事がないから
である。

（１＜Ｌ／２の範囲で考える。

（１）Ｌが小さい程、段付き円筒の長さＬが小さい程、
Ｒｍｉｎは小さい。

（２）　　差込み長ｌは、小さければ小さい程、Ｒｍｉ
ｎは小さい。

（３）直径の差（Ｄ　−ｄ　）　カ大きい程、Ｒｍｉｎ
は小さい。

以」二、３つの場合があシうる。

既に述べたように、曲げ剛性と、最小曲げ半径Ｒｍｉｎ
は区別して考えなければならない。

ハンドピース５が手元で方向を変えるのが容易なために
は、曲げ剛性が手元で小さい、という事を要求する。最
小曲げ半径Ｒｍｉｎが小さいという事を要求しているの
ではない。Ｒｍｉｎは段付き円筒８の形状、寸法だけに
よって決定される。

しかしながら、曲げ剛性は０リング９を通して最小曲げ
半径Ｒｍｉｎに関係する。

曲げ剛性を決定するものは、被覆１０の肉厚、直径だけ
ではない。段付き円筒８の、隣接する大径筒部１１の間
に嵌込んだ０リング９の弾性にも依存する。

第４図に１個の０リング９を示して説明する。

導波路４が彎曲すると、内側のＯリング９ａは圧縮され
る。

曲げモーメン１．　Ｍと圧縮量は比例するから、曲げモ
ーメン）Ｍに対応する、Ｏリング９ａの弾性力が生ずる
。

最小曲げ半径Ｒｍｉｎは段付き円筒８の形状、寸法で決
まるが、曲げ半径Ｒが、無限大からＲｍｉｎに変化する
までの曲げ剛性を決定する重要な因子として、０リング
９は機能する。

０リングを単位長さ押縮めるのに要する力を、ここでＯ
リングの弾性係数と仮に呼ぶことにする。

０リングの材質、太さを適当に変えると、任意の弾性係
数を持つＯリングを製造する事ができる。

０リングの弾性係数を任意に与える事ができるとすれば
、逆に、どのよりな０リングの分布を、ファイバー光導
波路に与えるのが望ましいか？という事を考察する事が
できる。

第５図は、ファイバー先導波路４の出射側Ｂから入射側
Ａにかけての曲げモーメン）Ｍを示すグラフである。

自由状態でＭは８点でＯで、Ａ点に至るまで単調に増大
する。グラフｇ０によって示す。

ハンドピース５を持って、下へ曲げると、モーメン）Ｍ
は全体として上に移行するグラフ弊で示す。

ハンドピース５を持って、上へ曲げるとモーメン）Ｍは
全体として下に移行する。グラフ社で示す。

ハンドピースの運動は、この鉛直面内だけの運動に限ら
ない。しかし、鉛直面内での運動に苅するモーメン）Ｍ
が最大であることに疑いない。鉛直面を外れる方向へ曲
げる場合、大きい曲げモーメントＬを必要としない。

結局、ファイバー光導波路が重力によって垂下している
時、これが含まれる鉛直面内での、ファイバー光導波路
の力学を考えれば良い事になる。

すると、ファイバー光導波路に加わるモーメントＭは、
自由状ｊ川でのグラフｇ。を適当に」１下したグラフ群
として考えることができる。

出射端側Ｂから測ったファイバー光導波路の座標をＳと
する。

８点についての最小曲げ半径Ｒｍｉｎ　（Ｓ）が予め決
っている。

モーメン）Ｍは、はぼＳに比例して増大する単調増加函
数である。

モーメンｌ−Ｍを全長にわたって増大させ又ゆく時、各
８点について曲げ半径Ｒ（Ｓ）は小さくなってゆく。

モーメントＭをさらに大きくすると、いずれかのＳの鎮
に対し、半径Ｒ（Ｓ）が最小曲げ半径に達する。モーメ
ン）Ｍをもつと大きくすると、半径Ｒ（Ｓ）が最小曲げ
半径Ｒｍｉｎ（Ｓ）に達する点が増えてゆく。

このように、Ｓの値に対し、最小曲げ半径Ｒｍｉｎ　（
Ｓ）に達する時刻が、一般的には異なる。

しかし、最も円滑にハンドピーヌが操作できるためには
、全てのＳの値に対し、同時に半径Ｒ（Ｓ）がＲｍｉｎ
（Ｓ）に収束するのが望ましい。

曲げ剛性Ｉ（を、 １Ｍ で定義する。ＫはＳの函数である。出射端側Ｂ（Ｓ＝０
）でＫは小さく、入射端側Ａ（Ｓ辷Ｓｏ　）でＫは大き
く、というのが、本発明の目的である。

第６図は、光導波路の各点Ｓに於いて、曲げ半径Ｒと曲
げモーメン１−の関係が如（ｉ＋Ｊなるものであるかを
示すグラフである。

（７）式から明らかなように、これは反比例のグラフに
なる。入射端側Ａで種定数Ｋが大きく、出射端側Ｂで種
定数には小さい。

第６図の左半分には座標Ｓをとり、ＳとモーメントＭの
グラフ群ｇ０、ｇ＋、ｇ十。を示す。

座標はＳ＝Ｑ、Ｓ　　、Ｓ　を例にとった。これ０／２
０ らのＳに対応するＭの値を読み、グラフ」二に横軸と平
行な直線を引く。対応する反比例グラフを切る点でのＨ
の値が、そのモーメントグラフ群に対応する曲げ半径を
与える。

各Ｒを結ぶ線にｇｏ、ｇ＋、ｇ＋十を伺けて示す。

ｇ＋＋は最大の曲げモーメン）Ｍを与えた状態であると
する。

この時全てのＳに対し、同時にＲ（Ｓ）が、最小曲げ半
径Ｒｍｉｎ（Ｓ）に達するとすれば、Ｒｍｉｎ（Ｓ）“
を結ぶ線は、はぼ直線でなければならない。しかも、原
点０の近くを通らなければならない。

ｇＨ（Ｓ）がＳに対し厳密に直線であるとすれば、Ｒｍ
ｉｎ（Ｓ）を結ぶ線は直線でなければならないし、原点
０を通らなければならない。これを臨界石礫と呼ぶ。

ｇ□−＋（Ｓ）は石礫に近いが、常に直線とは限らない
。そこで、Ｒｍｉｎ　（Ｓ　）を結ぶ直線は、理想的に
は、原点０を通る直線ＯＱ上にあり、一般には直線ＯＱ
に近い、という事ができる。

Ｒｍｉｎ（Ｓ）が直線ＯＱ上にある、という事は、Ｒｍ
ｉｎ（Ｓ）　カ、ｓ＝ｏで最小、５＝５０で最大となる
Ｓの一次函数だという事である。

言い換えると、「最小曲げ半径Ｒｍｉｎが出射端側Ｂで
小さく、入射端側Ａで大きい。」という要求は、 「光導波路の各点Ｓに於て、同時に最小曲げ半径に達す
る。」という円滑性の要求と両立させる時、気曲げ剛性
には出射端側Ｂで小さく、入射端側Ａで大きい“という
操作容易性の要求と全く等しくなるわけである。

本発明は、このような思想に基いてなされた。

本発明のファイバー先導波路は、出射端側Ｂで曲り易く
、入射端側Ａで曲シ難いという目的を達成するため、以
下の４つの因子を変化さぎる。

（１）段イ；１き円筒の差込み長ｌを変える。出射端側
Ｂでｌを短く、入射端側Ａでｅを長くする。差込み長の
変化は、段階的に或は連続的になされる。

第７図はこのような実施例を示すファイバー光導波路の
一部切欠き止面図である。

中・しに光ファイバ６、これを囲むテフロンチューブ７
、多数個重なｐ合いながら組合された段付き円筒８、緩
衝材（例えばＯリング）９、被覆１０よりなるファイバ
ー光導波路である。

出射端側Ｂと入射端側Ａの一部分だけを図示した。

差込み長さｅが、Ｂで短かくＡで長い。

その飴の因子、Ｄ、ｄ、Ｌは同一である。

（２）段付き円筒８の長さしを変える。出射端側ＢでＬ
を短く、入射端側ＡでＬを長くする。Ｌの変化は、段階
的又は連続的とする。

第８図はこのような実施例を示すファイバー光導波路の
一部切欠き正面図である。

この例ではＬだけを変えるのではなく、ｌも変えている
。（６）式にみる通シ、ｅ（Ｌ−１＞が変われば良いの
である。

（３）　　段付き円筒の大径筒部の内径りと小径筒部ｄ
の差を変える。

出射端［１１１Ｂで（Ｄ・−ｄ）を大きく、入射端側Ａ
で（Ｄ−ｄ）を小さくする。（Ｄ−ｄ）の変化は、段階
的又は連続的とする。

第９図はこのような実施例を示すファイバー導波路の一
部切欠き正面図である。

以上の３つの例は、（６）式のＲｍｉｎを斐えるもので
ある。

（４）　　被［１０の厚みを変、える。

出射端側Ｂで被覆を薄く、入射端側Ａで被覆を厚くする
。

第１Ｏ図はこのような実施例を示すファイバー導波路の
一部切欠き正面図である。

これは、前玉例と異なシ、直接に、出射端側を曲げ易く
、入射端側を曲げ難くするものである。

これら４つの因子の変化を複数組合わせてもよい。

最小曲げ半径Ｒｍｉｎ（Ｓ）は、前玉例と同じく、Ｓの
単調増加函数であるようにするとさらに良い。

（１）〜（３）の例も、弾衝材９の弾性係数を適当に選
び、最小曲率半径Ｒｍｉｎの小さい位置では、弾性係数
がこれに対応して小さくなるようにする、という条件が
課せられる。

効果を述べる。

（１）　　ハンドピースのある出射端側では、曲シ易く
操作性が良い。

（２）光導波路は、入射端側ではあまシ曲らず、水平に
延びるから、レーザ発振器とハンドピースの水平方向の
距離を長くとる事ができる。

特にレーザメスによる手術に於て、ベッドとレーザメス
本体（レーザ発振器、電源制御部）とを離隔する事がで
きる。

テフロンチューブ７、段付き円筒８、弾衝材９、被覆１
０を光ファイバ６の保護層と呼ぶ。

（１）、（２）の効果は、いずれも、保検層が、一様で
なく、入射端側で曲シ難く、出射端側で曲シ易い事によ
る。

この発明は、レーザメス、レーザ加工装置のファイバー
型光導波路に用いる事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はファイバー光導波路を取付けたレーザ装置の全
体図。 第２図は、ファイバー光導波路の断面図。 第８図は段付き円筒の断面図。 第４図は互に差込まれた段付き円筒の集合が彎曲した状
態を示す一部切欠平面図。 ＠５図はファイバー光導波路の出射側Ｂから入射側Ａに
かけての曲げモーメン）Ｍの変化を示すグラフ。座標Ｓ
はＢ点からの長さを示す。ｇｏは自由状態、ｇ十は、出
射端１ＩｌｌＩ　Ｂをよシ下方へねじ曲げる状態、ｇ−
は出射端側Ｂを上方へ持上げる状！腹を示す。 第６図はファイバー光導波路の曲げ半径Ｒと曲げモーメ
ントＭ、ファイバ−光導波路上の位置Ｓと曲げモーメン
）Ｍとの関係を例示するグラフ。 曲げ半径Ｒと曲げモーメントＭは反比例関係にあシ、積
定数には、入射端Ａ（Ｓ＝８０）で最大、出射端Ｂ（Ｓ
＝Ｏ）で最小、中間点ＳＯ／２では中間値をとる。ＯＱ
は臨界直線で、ファイバー先導波路を曲げてゆくと、全
ての点Ｓで同時に、曲げ半径が最小値Ｒｍｉｎ（Ｓ）に
収束する串を条件として存在する。 第７図は本発明の実施例に係シ、差込み長さｌを変えた
もののファイバー光導波路の出射端側Ｂ及び入射端側Ａ
の断面正面図である。 第８図は他の実施例に係シ、段付き円筒の長さＬと、差
込み長さｌをＢ、Ａに件で変化させたものの一部切断正
面図である。 第９図は第３の実施例に係シ、段付円筒の大径筒部内径
りと、小径筒部外径ｄの差（Ｄ−ｄ）ｋ、８、Ａに於て
変化させたものの一部切断正面図である。 第１０図は第４の実施例に係シ、被覆Ｃ厚みを、Ｂ、Ａ
に於て変化させたものの一部切断正面図である。 １　・・・・・・・・・　レーザ発振器２　・・・・・
・・・・　電源制御部 ３　・・・・・・・・・　入射光学系 ４　　・・・・・・・・・　　ファイバー先導波路５　
・・・・・・・・・　ハンドピース６　・・・・・・・
・・　光ファイバ １　・・・・・・・・・　テフロンチューブ８　・・・
・・・・・・　段付き円筒 ９　・・・・・・・・・　弾衝材（０リノグ）１０　・
・・・・・・・・　　被　　　　覆１１　・・・・・・
・・・　大径筒部 １２・・・・・・・・・　小径筒部 １３　・・・・・・・・・　　段　　　　　部Ａ　・・
・・・・・・・　入射端側 Ｂ　・・・・・・・・・　出射端側 Ｄ　・・・・・・・・・　大径筒部の内径ｄ　・・・・
・・・・・　小径筒部の外径Ｌ　・・・・・・・・・　
段付き円筒の長さｌ　　・・・・・・・・・　段付き円
筒同士の差込み長さ第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバを囲むチューブと、該チューブの外側
   で大径筒部と小径筒部とを有し隣接するもの同士が互に
   差込まれて連結された多数個の段付き円筒と、隣接する
   段付き円筒の間に嵌込まれだ弾衝材と、段付き円筒及び
   弾衝材を被覆する被覆とよ構成るファイバー型光導波路
   の保護層において、入射端側Ａから出射端側Ｂにかけて
   、最小曲げ半径Ｒｍｉｎを小さくし、或は被覆を薄くす
   る事を特徴とするファイバー型光導波路の保護層。
2. （２）　　段付き円筒同士の差込長さｌを変化させて最
   小曲げ半径Ｒｍｉｎを変化させる事とした特許請求の範
   囲第（１）項記載のファイバー型光導波路の保護層。
3. （３）段付き円筒の長さＬを変化させて、最小曲げ半径
   Ｒｍｉｎを変化させる事とした特許請求の範囲第（１）
   項記載のファイバー型光導波路の保護層。
4. （４）段付き円筒の大径筒部内径りと、小径筒部外径ｄ
   との差（Ｄ−ｄ）を変化させて最小曲げ半径Ｒｍｉｎを
   変化させる事とした特許請求の範囲第（１）項記載のフ
   ァイバー型光導波路の保護層。