JP2002156559A

JP2002156559A - 光ファイバ整列部材およびその加工方法

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Publication number: JP2002156559A
Application number: JP2000353564A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kobayashi; 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-05-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】要求される寸法精度、表面品質を満足する製品
を生産性よく低コストで製造することができ、しかも、
強度、靱性、耐食性に優れ、摩耗、変形、欠け等が発生
し難く長期間の使用に耐えることができる光ファイバ整
列部材およびその加工方法の提供。【解決手段】基板の表面に光ファイバ２０を保持するた
めの凹部として複数の平行溝１３が形成された光ファイ
バ整列部材１０において、少なくともガラス遷移領域を
有する非晶質合金から作製することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光通信等に使用さ
れる、光コネクタや光モジュール等に用いられる光ファ
イバや光半導体素子等の光学素子を保持するための光フ
ァイバ整列部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光ファイバ整列部材として、
複数の溝を備えた基板が用いられている。例えば、図４
（ａ）（ｂ）に示す光ファイバ整列部材１０は、光ファ
イバ保持用のＶ溝１３を形成した板状体であって、上記
Ｖ溝１３中に光ファイバ２０の被覆を剥がした素線２１
を並べて保持し、これを蓋体１５で覆って、両者の隙間
に接合部材１６を充填して固定すれば、各素線２１は３
点で確実に支持され、複数の光ファイバ２０を高精度に
整列して保持することができる。また、上記光ファイバ
保持用のＶ溝１３の両端部に位置決め用のガイドピンを
挿入するためのＶ溝１４を備えておくこともできる（特
開昭６２−２１５２０８号公報等参照）。

【０００３】そして、この光ファイバ整列部材１０の端
面１０ａ同士を当接させて光コネクタとしたり、あるい
は光ファイバ整列部材１０の端面１０ａに光導波路を接
続したり、受発光素子を接続して光モジュールとしたり
することができる。

【０００４】上記光ファイバ整列部材１０及び蓋体１５
の材質としては、各種セラミックスやガラスが用いられ
ており、上記光ファイバ整列部材１０上に精密加工を施
すことによって、高精度に位置決めされたＶ溝１３を形
成してある。しかし、光ファイバ整列部材１０に精密加
工を施して溝１３を形成する工程は非常に手間がかかる
ため、できるだけ簡単な工程でＶ溝１３を高精度に加工
することが求められている。

【０００５】これに対し、近年、シリコン基板を用い
て、エッチングによりＶ溝を形成することが行われてい
る。これは、図５（ａ）に示すように、所定の結晶方位
となるように作製した単結晶シリコンの板状体からなる
光ファイバ整列部材１０に、熱酸化膜を形成してマスキ
ング３１とし、Ｖ溝１３を形成する部分の熱酸化膜を除
去するためにレジスト３２をパターニングした後、バッ
ファフッ酸を用いて熱酸化膜をエッチングして開口部３
３を形成する。

【０００６】さらに水酸化カリウム等を用いて異方性エ
ッチングを施すことにより、マスキング３１のない部分
のみがエッチングされ、しかもシリコンの結晶面にそっ
てＶ字状にエッチングされ、Ｖ溝１３が形成されること
になる。したがって、エッチング条件を管理することに
より、所定の深さのＶ溝１３を高精度に形成することが
できる。

【０００７】また、このシリコン製の光ファイバ整列部
材１０には、図５（ｂ）に示すように、直接受発光素子
２２を搭載して、Ｖ溝１３に光ファイバ２０を保持して
光モジュールを構成することもできる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５に示すシ
リコン製の光ファイバ整列部材１０では、エッチングを
行うためにＶ溝１３の加工に時間がかかるという問題が
あった。また、エッチングでＶ溝１３を形成するため、
深さの異なる複数のＶ溝１３を同時に形成することがで
きなかった。

【０００９】例えば図４に示すように、光ファイバ保持
用のＶ溝１３とガイドピン挿入用のＶ溝１４の二種類を
同時に形成することができなかった。さらに、シリコン
をエッチングする際には結晶面に沿ってエッチングが進
むため、Ｖ字状にしか加工できず、角溝や丸溝を形成す
ることができなかった。

【００１０】また、シリコン製の光ファイバ整列部材１
０は強度が低いために、光ファイバ２０を接合部剤１６
と蓋体１５を用いて固定後のヒートサイクル試験におい
て、シリコン製の光ファイバ整列部材１０が破断すると
いう問題があり、補強板が必要であるという課題もあっ
た。

【００１１】一方、セラミックス製やガラス製の光ファ
イバ整列部材１０では、強度は高いものの、前述したよ
うにＶ溝１３の加工に手間がかかるという問題があっ
た。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
基板の表面に複数の平行溝が形成された光ファイバ整列
部材１０において、少なくともガラス遷移領域を有する
非晶質合金からなることを特徴とする。

【００１３】また、温度幅３０Ｋ以上のガラス遷移領域
を有する非晶質合金からなることを特徴とする。

【００１４】更に、下記一般式で示され、少なくとも体
積率５０％以上の非晶質相を含む非晶質合金からなるこ
とを特徴とする。

【００１５】一般式：Ｘ_aＭ_bＡｌ_c 但し、ＸはＺｒ及びＨｆから選ばれる１種又は２種の元
素。ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕよりなる群か
ら選ばれる少なくとも１種の元素。ａ、ｂ、ｃは原子％
で、２５≦ａ≦８５、５≦ｂ≦７０、０＜ｃ≦３５、ａ
＋ｂ＋ｃ＝１００。

【００１６】しかも、溶解用容器で非晶質合金を生じ得
る合金材料を溶解し、製品成形用キャビティを持つ強制
冷却鋳型内に溶融した合金溶湯を注入し、上記強制冷却
鋳型内で合金溶湯を急冷凝固して非晶質化させることを
特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図によっ
て説明する。

【００１８】図１および図２に示す光ファイバ整列部材
１０は、光学素子である光ファイバ２０を保持するため
の凹部として、複数のＶ溝１３を備えた板状体である。

【００１９】そして、このＶ溝１３に光ファイバ２０の
被覆を剥がした素線２１を配置し、素線２１の端面と光
ファイバ整列部材１０の端面１０ａが同一面となるよう
にして、蓋体１５で覆い、両者の隙間に接着剤、はん
だ、またはガラス等からなる接合部材（不図示）を充填
することによって、複数の光ファイバ２０を整列して高
精度に位置決めし、保持することができる。

【００２０】そして、この光ファイバ整列部材１０の端
面１０ａ同士を当接させて光コネクタとしたり、あるい
は光ファイバ整列部材１０の端面１０ａに光導波路を接
続したり、受発光素子を接続して光モジュールとしたり
することができる。

【００２１】本発明の光ファイバ整列部材１０はガラス
遷移領域を有する非晶質合金から作製する。ガラス転移
領域を有する非晶質合金は、セラミックスに比べて硬度
が低いと共に弾性が高く、引張強度や曲げ強度が高く、
耐久性、耐衝撃性、表面平滑性等に優れているため、光
ファイバ整列部材１０の材質として最適である。

【００２２】また、ガラス転移領域を有する非晶質合金
は、高精度の鋳造性及び加工性を有し、金型鋳造法や金
型成形法によって金型のキャビティ形状を忠実に再現し
た表面の平滑な光ファイバ整列部材１０を製造できる。

【００２３】前記したように、従来のセラミック製の光
ファイバ整列部材１０の場合、一次成形後焼結すること
によって収縮を生ずるため、焼結後、必ず所定の寸法と
なるようにＶ溝１３の加工を行う必要があるが、ガラス
転移領域を有する非晶質合金製の光ファイバ整列部材１
０の場合、焼結工程が不要であり、焼結によって製品に
収縮を生ずるということがないため、その後の寸法調整
又は表面粗さ調整の工程を省略でき、あるいは大巾に短
縮できる。従って、所定の形状、寸法精度、表面品質を
満足した光ファイバ整列部材１０を単一プロセスで量産
性良く製造できる。

【００２４】ここで非晶質金属を加熱していき、ガラス
遷移温度（Ｔｇ）を越えると材料に粘性が生じ、この温
度を境に熱膨張係数等の材料物性がかわってしまい、更
に加熱を続けると結晶化温度（Ｔｘ）となり、非晶質金
属が結晶化してしまうことになる。この結晶化温度（Ｔ
ｘ）とガラス遷移温度（Ｔｇ）との間がガラス遷移領域
（過冷却液体領域）であり、ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔｇをガラ
ス遷移領域の温度幅とする。

【００２５】一般的な非晶質合金はガラス遷移領域まで
加熱すると長時間の保持によって結晶化が始まるが、本
発明ではガラス遷移領域の温度幅（ΔＴｘ）が広い合金
を用いることにより、非晶質相が安定であり、ΔＴｘ内
の温度を適当に選べば２時間程度までは結晶が発生せ
ず、通常の成形加工においては結晶化を懸念する必要は
ない。

【００２６】本発明の非晶質合金はＸ_aＭ_bＡｌ_cなる一
般式で示され、少なくとも体積率５０％以上の非晶質相
を含む非晶質合金からなる。ここで、ＸはＺｒ及びＨｆ
から選ばれる１種又は２種の元素であり、ＭはＭｎ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕよりなる群から選ばれる少なく
とも１種の元素であり、ａ、ｂ、ｃは原子％で２５≦ａ
≦８５、５≦ｂ≦７０、０＜ｃ≦３５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１
００で示される。

【００２７】なお、Ｍの一部をＴｉ、Ｃ、Ｂ、Ｇｅ、Ｂ
ｉなどの元素で置き換えすることもできる。

【００２８】ここで、少なくとも体積率５０％以上の非
晶質相を含むとしているのは、５０％未満であれば本発
明のガラス遷移領域の効果がなくなってしまうからであ
る。

【００２９】上記非晶質合金であるＺｒ−Ｍ−Ａｌ系及
びＨｆ−Ｍ−Ａｌ系非晶質合金は、高強度、高耐食性で
あると共に、ガラス遷移領域の温度幅ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔ
ｇが３０Ｋ以上であり、特にＺｒ−Ｍ−Ａｌ系非晶質合
金はΔＴｘが６０Ｋ以上と極めて広く、この温度領域で
は粘性流動により数１０ＭＰａ以下の低応力でも非常に
良好な加工性を示す。

【００３０】本発明に利用されるこのＺｒ−Ｍ−Ａｌ系
及びＨｆ−Ｍ−Ａｌ系非晶質合金は、合金組成、測定法
によっても異なるが、非常に大きなΔＴｘの範囲を持っ
ている。

【００３１】具体的には、例えばＺｒ₆₀Ｃｏ_2.5Ｎｉ_7.5
Ｃｕ₁₅Ａｌ₁₅合金（Ｔｇ：６５２Ｋ、Ｔｘ：７６８Ｋ）
のΔＴｘは１１６Ｋと極めて広い。耐酸化性も極めて良
く、空気中でＴｇまでの高温に熱してもほとんど酸化さ
れない。又、硬度は室温からＴｇ付近までビッカース硬
度でＨｖ４６０、引張強度は１６００ＭＰａ、曲げ強度
は３０００ＭＰａに達する。熱膨張率αは室温からＴｇ
付近まで１×１０^-5／Ｋと小さく、ヤング率は９１ＧＰ
ａ、圧縮時の弾性限界は４〜５％を超える。さらに靭性
も高く、シャルピー衝撃値で６〜７Ｊ／ｃｍ₂ を示す。
このように非常に高強度の特性を示しながら、ガラス遷
移領域まで加熱されると、流動応力は１０ＭＰａ程度ま
で低下する。

【００３２】また、本発明で用いる非晶質合金は、溶湯
からの凝固においても特性を如何なく発揮する。一般的
な非晶質合金の製造には急速な冷却が必要とされるが、
本発明で用いる非晶質合金は冷却速度１０Ｋ／ｓ程度の
冷却で溶湯から容易に非晶質単相からなるバルク材を得
ることができ、その凝固表面はやはり極めて平滑であ
り、金型表面のミクロンオーダーの研磨傷でさえも忠実
に再現する転写性を持っている。

【００３３】従って、上記非晶質合金で光ファイバ整列
部材１０を形成すれば、金型表面が光ファイバ整列部材
１０の要求特性を満たす表面品質を持っておれば、成形
材においても金型の表面特性をそのまま再現し、従来の
金型鋳造法、金型成形法においても寸法調整、表面粗さ
調整の工程を省略又は短縮することができる。

【００３４】上記非晶質合金を光ファイバ整列部材１０
に適用することによって、以下の様な効果を得ることが
できる。

【００３５】第１に高精度の製品を量産化できることが
挙げられる。従来、セラミック材料の射出、脱脂、焼結
を経て製造される成形材は、光ファイバ整列部材１０と
しての寸法精度、表面品質を満足できないため、予め加
工代を考慮した寸法の成形材として製造し、後でダイヤ
モンド砥石を用いたＶ溝１３の加工によって仕上げられ
るのが普通である。

【００３６】本発明においては、適切に準備された金型
を用いれば、鋳造によっても、粘性流動加工（ガラス成
形加工）によっても、仕上げ研磨の必要がない又は補足
的で簡易な仕上げ加工で量産でき、特に光ファイバ整列
部材１０のＶ溝１３の表面仕上げの効果が大きい。従っ
て、製造工程を大幅に短縮することができる。

【００３７】第２は光ファイバ整列部材１０の強度及び
靭性などの機械的性質である。光ファイバ整列部材１０
はその着脱が頻繁に繰り返される多心コネクタに使用さ
れる場合があるが、その場合へたり、摩耗、欠けがあっ
てはならない。前述した硬度、強度、靭性は十分にそれ
に耐え得る値である。以上の特性を有する非晶質合金
は、光ファイバ整列部材１０に限らず、光コネクタの他
の構成部品、マイクロマシン等の精密部品などにも有利
に適用できる。

【００３８】次に、本発明の光ファイバ整列部材１０の
加工方法について図３を用いて説明する。

【００３９】本発明の光ファイバ整列部材１０の製造に
際しては、まず、溶解用容器５０が強制冷却鋳型４０の
下方に離間した状態において、原料収容部５２内の溶湯
移動具５４上の空間内に前記したような非晶質合金を生
じ得る組成の合金原料Ａを装填する。合金原料Ａとして
は棒状、ペレット状、粉末状等の任意の形態のものを使
用できる。

【００４０】次いで、誘導コイル５６を励磁して合金原
料Ａを急速に加熱する。合金原料Ａが溶解したかどうか
を溶湯温度を検出して確認した後、誘導コイル５６を消
磁し、溶解用容器５０をその上端部が下型４６の凹部４
８に嵌挿されるまで上昇させ、次いで油圧シリンダを作
動させて溶湯移動具５４を急速に上昇させ、溶湯を強制
冷却鋳型４０の注湯口４７から射出する。

【００４１】射出された溶湯は湯道４３を経て各製品成
形用キャビティ４２ａ，４２ｂ内に注入、加圧され、急
速に凝固される。キャビティ４２ａ、４２ｂには高精度
なＶ溝１３が形成されており、キャビティ４２ａ、４２
ｂの表面が光ファイバ整列部材１０の要求特性を満たす
表面品質を持っておれば、成形材である光ファイバ整列
部材１０においても金型の表面特性をそのまま再現する
ことができる。

【００４２】ここで、射出温度、射出速度等を適宜設定
することにより、１０³Ｋ／ｓ以上の冷却速度が得られ
る。また、上型４１と下型４６からなる強制冷却鋳型４
０の材質は耐摩耗性、耐熱性の点から超硬合金を用いる
ことが望ましい。

【００４３】その後、溶解用容器５０を下降させ、上型
４１と下型４６を分離して鋳造品を取り出す。この鋳造
品の光ファイバ整列部材１０から湯道部分を切断・分離
し、その切断面を研磨することにより、鋳型のキャビテ
ィ面を忠実に再現した平滑な表面を有する図１に示すよ
うな光ファイバ整列部材１０が得られる。

【００４４】以上に述べた方法によれば、鋳造圧力が約
１００ＭＰａまで、射出速度が数ｍ／ｓまで可能であ
り、以下のような利点が得られる。（１）溶湯の金型への充填が数ｍｓ以内で完了し、急冷
作用が大きい。（２）溶湯の金型との高密着性による冷却速度の増大と
ともに、精密成形が可能である。（３）鋳造品の凝固収縮時における引け巣などの欠陥を
低減できる。（４）複雑な形状の成形品の作製が可能になる。（５）高粘度の溶湯の鋳込みが可能になる。

【００４５】以上の例ではＶ溝１３を形成したものを示
したが、本発明の光ファイバ整列部材１０ではＶ溝１３
以外の凹部を形成することもでき、この凹部に各種光学
素子を保持することができる。

【００４６】なお、凹部に保持する光学素子としては光
ファイバ２０に限らず、さまざまなものを用いることが
できる。例えば、受発光素子を成す光半導体素子や、レ
ンズ、フィルタ、ミラー、光アイソレータ、あるいは光
ファイバ２０を保持したフェルールを上記凹部に保持さ
せることもできる。

【００４７】例えば、Ｖ溝１３に金属膜等を形成して、
光信号を反射させるミラーとすることができる。あるい
は光ファイバ２０を保持したフェルールを一端が突出す
るように溝１３に保持し、この突出部に他部材を接続す
ることもできる。

【００４８】

【実施例】ここで、以下に示す方法で実験を行った。

【００４９】本発明の非晶質合金製の光ファイバ整列部
材１０と比較例として従来のシリコン基板をエッチング
によりＶ溝形成した光ファイバ整列部材１０および従来
のほう珪酸ガラス製の機械研削加工によりＶ溝形成した
光ファイバ整列部材１０を試作した。

【００５０】形状は共に図１に示す形状とし、２×４×
６ｍｍの平板状の基板にピッチ１２５±０．５μｍ、深
さ８±０．５μｍ、Ｖ溝角度９０±１°のＶ溝を４列作
成した。

【００５１】本発明の光ファイバ整列部材１０は図３に
示す装置を用い、射出温度１２７３Ｋ、射出速度１ｍ／
ｓ、鋳造圧力１ＭＰａ、充填時間１００ｍｓの条件で、
内径２．５ｍｍ、外径３．１ｍｍ、凸部曲率半径０．３
ｍｍのＺｒ₆₅Ｎｉ₁₀Ｃｕ₁₅Ａｌ₁₀の組成を有する非晶質
合金からなる光ファイバ整列部材１０を作製した。得ら
れた光ファイバ整列部材１０は金型キャビティ面を忠実
に再現した表面平滑性に優れた製品であり、ヤング率８
０ＧＰａ、曲げ強度２９７０ＭＰａ、ビッカース硬度Ｈ
ｖ４００、熱膨張率α＝０．９５×１０^-5／Ｋの特性を
有していた。

【００５２】本発明及び従来の両サンプルに光ファイバ
２０を整列させて蓋体１５と接合部材１６を用いて固定
した後、ヒートサイクル試験器に投入し光ファイバ整列
部材１０の形状の変化の確認を行った。

【００５３】ヒートサイクル試験条件は−４０〜＋８５
°で１サイクル１時間で５００サイクルとした。

【００５４】その結果を表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】従来のシリコン製光ファイバ整列部材１０
は１００個中４３個の形状変形および破壊が生じ、また
従来のガラス製光ファイバ整列部材１０は１００個中２
７個の形状変形および破壊が生じた。これに対し本発明
の光ファイバ整列部材１０は１００個中１個の異常も発
生しなかった。

【００５７】

【発明の効果】このように本発明によれば、基板の表面
に複数の平行溝が形成された光ファイバ整列部材におい
て、少なくともガラス遷移領域を有する非晶質合金から
なすことにより、光ファイバ整列部材１０に要求される
寸法精度、表面品質を満足する製品を生産性よく低コス
トで製造することができ、強度、靭性、耐食性に優れ、
摩耗、変形、欠け等が発生し難く長期間の使用に耐える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ整列部材を示す斜視図であ
る。

【図２】図１中のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】本発明の加工装置の概略部分断面図である。

【図４】（ａ）は従来の光学素子保持部材を示す斜視
図、（ｂ）は（ａ）中のＺ−Ｚ線拡大断面図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は従来のシリコンを用いた光学
素子保持部材を示す図である。

【符号の説明】

１０：光ファイバ整列部材１０ａ：端面１１：基板１２：隔壁１３：Ｖ溝１４：Ｖ溝１５：蓋体１６：接合部材２０：光ファイバ２１：素線２２：受発光素子３０：成形型４０：強制冷却鋳型４１：上型４２ａ，４２ｂ：キャビティ４３：湯道４６：下型４７：注湯口５０：溶解用容器５２：原料収容部５３：原料収容孔５４：溶湯移動具Ａ：合金原料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面に複数の平行溝が形成された光
ファイバ整列部材において、少なくともガラス遷移領域
を有する非晶質合金からなることを特徴とする光ファイ
バ整列部材。
【請求項２】温度幅３０Ｋ以上のガラス遷移領域を有す
る非晶質合金からなることを特徴とする請求項１記載の
光ファイバ整列部材。
【請求項３】下記一般式で示され、少なくとも体積率５
０％以上の非晶質相を含む非晶質合金からなることを特
徴とする請求項１記載の光ファイバ整列部材。一般式：Ｘ_aＭ_bＡｌ_c 但し、ＸはＺｒ及びＨｆから選ばれる１種又は２種の元
素ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕよりなる群から選
ばれる少なくとも１種の元素。ａ、ｂ、ｃは原子％で、
２５≦ａ≦８５、５≦ｂ≦７０、０＜ｃ≦３５、ａ＋ｂ
＋ｃ＝１００
【請求項４】溶解用容器で非晶質合金を生じ得る合金材
料を溶解し、製品成形用キャビティを持つ強制冷却鋳型
内に溶融した合金溶湯を注入し、上記強制冷却鋳型内で
合金溶湯を急冷凝固して非晶質化させることを特徴とす
る光ファイバ整列部材の加工方法。