JP2020149051A - 光コネクタ用スリーブおよび光コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】脱粒が少なく、機械的強度に優れ、摩擦抵抗や熱膨張による光ファイバの位置ずれが発生しにくいスリーブおよび、光コネクタを提供する。【解決手段】スリーブ３は、サファイアからなり、光ファイバの端部に設けられたフェルールを挿入して保持する光コネクタ用スリーブであって、スリーブの軸方向とサファイア結晶構造のｃ軸とのなす角が７５°以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、本発明は、光ファイバを接続するためのスリーブおよびスリーブを備えた光コネクタに関する。

光コネクタは、光ファイバ同士、または各種光素子と光ファイバとを接続する部品である。光コネクタは、プラグとレセプタクル（アダプタ）から構成される。プラグは、光ファイバの端末部に取り付ける部品で、光ファイバを保持固定するフェルールがハウジングに装着された構造を有する。レセプタクルとアダプタは、プラグを挿入して接続する部品で、一般に、機器に取り付けて使用するものをレセクタプル、光ファイバ同士を中継して延長接続するものをアダプタと呼ぶ。レセプタクル（アダプタ）内部には筒状のスリーブが装着され、スリーブの端からフェルールを挿入することで、光ファイバの中心軸を合わせて接続する。スリーブには、軸方向にスリットが形成された割スリーブと、スリットが形成されていない精密スリーブとがある。

フェルールとしては、ジルコニアセラミック製のものが多く使用される。スリーブは、ジルコニア、アルミナ等のセラミック、リン青銅などの金属で作製されることが多い（特許文献１）。

本発明者は、特許文献２において、光コネクタ用部材として、サファイア製フェルールを提案した。サファイアとは単結晶アルミナのことである。サファイア製フェルールの長所としては、脱粒（パーティクル）の低減、光ファイバとの熱膨張係数差に起因する熱応力の低減、機械的強度、耐熱衝撃性、硬度が高いこと、透光性が高く光ファイバを容易に観察できること、光硬化型の接着剤を用いて光ファイバを固定可能なこと、表面粗さ（＝摩擦抵抗）を小さくしやすいことが挙げられる。

さらに、本発明者は、スリーブの材質にサファイアを使用することを考えた。スリーブにおいても、サファイアは、従来の材料と比べて、脱粒の低減、機械強度と耐熱衝撃性と硬度が高いこと、透光性が高くフェルールを容易に観察できること、表面粗さを小さくしやすいことが利点となる。一方、サファイアは熱膨張係数に異方性を有する材料である。そのため、使用環境の温度変化によって、スリーブが変形し、フェルールおよび光ファイバの軸がずれる恐れがある。

特開平２−２３１５４５号公報 特開２０１７−６７８８４号公報

本開示は、脱粒が少なく、機械的強度に優れ、摩擦抵抗や熱膨張による光ファイバの位置ずれが発生しにくいスリーブおよび、光コネクタを提供することを課題とする。

本開示のスリーブは、サファイアからなり、光ファイバの端部に設けられたフェルールを挿入して保持する光コネクタ用スリーブであって、軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上である。

本開示によれば、脱粒が少なく、機械的強度に優れ、摩擦抵抗や熱膨張による光ファイバの位置ずれが発生しにくいスリーブおよび、光コネクタを提供することができる。

本開示の光コネクタを示す概略図である。 本開示のスリーブを示す概略図である。 サファイアの結晶構造と結晶方位の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜スリーブおよび光コネクタ＞
図１、図２は、本発明の光コネクタ１０およびスリーブ３の概略図である。

光コネクタ１０は、光ファイバ１同士、または各種光素子と光ファイバ１とを接続する部品である。図１は、光ファイバ１同士を接続する光コネクタ１０である。光コネクタ１０は、光ファイバ１を保持、固定するフェルール２と、フェルール２を挿入する筒状のスリーブ３とを備える。スリーブ３は、サファイアからなり、スリーブ３の軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上である。スリーブ３の軸方向とは筒状体の両端面の中心を結ぶ方向のことである。

光ファイバ１は、例えば、屈折率の異なる二重構造の石英ファイバと樹脂等からなる被覆層からなる。光ファイバ１の径は、例えば、０．２５ｍｍまたは０．９ｍｍである。

フェルール２は、光ファイバ１の端部に設けられて光ファイバ１を保持、固定する。フェルール２の材質は、例えば、ジルコニアセラミック、ステンレス鋼、サファイアである。フェルール２は、光ファイバ１が挿通される貫通孔を有し、光ファイバ１の端部は、フェルール２の貫通孔に接着などの方法で固定される。

スリーブ３は、サファイアからなり、スリーブ３の軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上である。サファイアはアルミナの単結晶である。本開示において、サファイアとは、アルミナを主成分とし、サファイアと同じ結晶構造を有する単結晶を含む。主成分とは、質量の５０％以上のことをいう。サファイアの副成分は、主成分以外の意図的な添加物と不可避不純物を含む。副成分の例としては、イットリア、シリカ、カルシア、酸化クロム、酸化鉄、チタニアなどが挙げられる。

また、スリーブ３がサファイアからなるとは、スリーブ３の本体部分がサファイアであることをいう。サファイアの結晶構造は、図３に示すように，六方晶系で近似的に表される。ｃ面は、ユニットセル（単位格子）を形成する正六角柱の底面に平行な面であり、ｃ軸は、角柱の高さ方向に平行な軸である。ａ面は、側面間の６本の稜線のうち、１つおいて隣の２稜線を含むと平行な面であり、ａ軸は、底面の対向する２つの頂点を結ぶ直線に平行な軸である。なお、スリーブ３が、結晶方位の異なるサファイアからなる複数の部分領域を含有する場合は、スリーブ３の少なくとも５０％以上を構成する部分領域において、軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上であることとする。

スリーブ３の端からフェルール２を挿入し、ばね、袋ナット等で押圧することで、光ファイバ１の中心軸を、対向する光ファイバ１または光素子の中心軸と合わせて接続する。

スリーブ３は、図２ａのような、軸方向にスリット３ａを有して、フェルール２を弾性的に保持する割スリーブであってもよいし、図２ｂのような、スリットのない精密スリーブであってもよい。また、図２ｃのように、スリーブ３の内周面に、複数箇所の凸部３ｂを設けて、凸部３ｂでフェルール２を支持していてもよい。スリーブ３の内径（凸部３ｂを有する場合は凸３ｂに当接する円の内径）は、例えば、０．１２５ｍｍまたは０．２５ｍｍである。割りスリーブは、フェルール２の抜去力を保証できるよう、スリーブ３の内径を、フェルール２の外径よりも若干小さくする。精密スリーブは、フェルール２を挿入するために、スリーブ３の内径を、フェルール２の外径より若干大きくする。

光コネクタ１０は、寒冷地などの低温環境、産業設備などの高温環境、または温度変化の大きい環境で使用されることがある。サファイアの熱膨張係数は、ｃ軸に平行な方向が７．７×１０^−６／℃、ｃ軸に垂直な方向が７．０×１０^−６／℃と異方性を有する。したがって、製造時と使用環境との温度差や使用環境の温度変化に伴う熱膨張、熱収縮によって、スリーブ３が変形（熱変形）し、フェルール２および光ファイバ１の軸がずれる恐れがある。

スリーブ３は、軸方向とサファイアのｃ軸とのなす角が７５°以上、つまり、軸方向とサファイアのｃ軸とがほぼ垂直である。このため、軸方向の熱変形が比較的小さくなるとともに、熱膨張係数の大きい方向と小さい方向が軸にほぼ垂直な面（直交する径方向）に配置され、スリーブ３の内周面は、軸に対してほぼ垂直に膨張、収縮する。そのため、温度変化によるフェルール２および光ファイバ１の位置ずれが生じにくい。

また、サファイアの熱膨張係数は、フェルール２によく使用される、ジルコニアの熱膨張係数（１０．５×１０^−６／℃）、リン青銅の熱膨張係数（１８．０×１０^−６／℃）と、光ファイバ１に使用される石英の熱膨張係数（０．５×１０^−６／℃）との間の値である。そのため使用環境の温度が変化しても、光ファイバ１、フェルール２との熱膨張差に伴う熱応力が比較的小さい。そのため、熱応力によるフェルール２および光ファイバ１の位置ずれが生じにくい。

スリーブ３と組み合わせて使用するフェルール２がアルミナ（サファイア）からなる場合、フェルール２とスリーブ３の熱膨張係数差が小さいので、温度変化による光コネクタ１０の変形および位置ずれが生じにくい。フェルール２がサファイアからなる場合、スリーブ３は、軸方向とサファイアのｃ軸とのなす角が７５°以上、つまり、軸方向とサファイアのｃ軸とがほぼ垂直であると、軸方向の熱変形が比較的小さくなるとともに、熱膨張係数の大きい方向と小さい方向が軸にほぼ垂直な面（直交する径方向）に配置され、フェルール２の外周面は、軸に対してほぼ垂直に膨張、収縮するので、温度変化によるフェルール２および光ファイバ１の位置ずれがさらに生じにくくなる。特に、フェルール２のｃ軸とスリーブ３のｃ軸とのなす角が１５°以下、つまり、フェルール２のｃ軸とスリーブ３のｃ軸とがほぼ平行であれば、フェルール２の外周面とスリーブ３の内周面、および、フェルール２の軸方向とスリーブ３の軸方向の熱膨張係数がほぼ同じとなるため、温度変化による位置ずれがほとんど発生しなくなる。

また、サファイアは、単結晶であるため、結晶粒界がなく、また、セラミックのような粒子がないため、セラミックや金属と比べて、脱粒が少なく、また、表面粗さも小さくしやすい。そのため、パーティクルや挿入抵抗に起因した軸ずれによる接続損失が生じにくい。スリーブ３の内周面、すなわちフェルール２との接触面の表面粗さは小さくすることが好ましい。サファイア製のフェルール２の場合、研磨条件を調整することで、内周面の算術平均粗さＲａを例えば０．００５μｍ以下にすることが可能である。また、スリーブ３の外周面が、金具等に挿入されて使用される場合、外周面の表面粗さも小さくすることが好ましい。サファイア製のフェルール２の場合、外周面の算術平均粗さＲａを０．００
５μｍ以下にすることが可能である。算術平均粗さＲａは、例えばキーエンス社製レーザー顕微鏡装置ＶＫ−９５１０等を用いて測定することができる。

また、サファイアは、機械強度と耐熱衝撃性と硬度が高いので、外力や温度変化にともなう変形、損傷が生じにくい。さらに、サファイアは透光性が高いので、挿入したフェルール２の外観上の不良や故障を比較的容易に発見することができる。

スリーブ３の軸方向がｃ軸と垂直（なす角が９０°）であれば、端面は、ａ面、ｍ面などｃ面と垂直な面であり、スリーブ３の軸方向がｃ軸とほぼ垂直（なす角が７５°以上）であれば、端面はｃ面とほぼ垂直な面（ｃ面から７５°以上の面）である。

スリーブ３が、割スリーブである場合、フェルール２の挿入による応力は、スリット３ａの反対側の面で最大となる。そして、サファイアの抗折強度は、ａ面のｃ軸方向に荷重点がある場合に最大となる。軸方向をｍ軸と平行（なす角が０°）とし、スリット３ａをａ面に配置すると、最大応力発生箇所はａ面ｃ軸方向となる。したがって、軸方向とｍ軸とのなす角が１５°以下であり、スリット３ａはａ面から１５°以下の面に配置されていると、スリーブ３の強度が高く、破損しにくい。ここで、スリット３ａの配置面とは、端面から見て、スリット３ａを挟んで相対する内周面の端部同士を結ぶ直線を軸方向に移動させた面である。

端面が、ａ面、ｍ面などｃ面と垂直な面であれば、内周面（外周面）には、１周する間に、ｃ面が２回、ｃ面と直交する面が２回現れる。端面が、ｃ面とほぼ垂直な面（ｃ面から７５°以上の面）であれば、内周面（外周面）を１周する間に、ｃ面とほぼ平行な（ｃ面から１５°以下の）領域が２箇所、ｃ面とほぼ垂直な（ｃ面から７５°以上の）領域が２箇所存在する。

スリーブ３が、内周面にフェルール２を支持する複数の凸部３ｂを有する場合、凸部３ｂが３列であれば、端面が熱膨張係数の異方性を有する結晶面であっても、フェルール２を安定して支持できる。凸部３ｂが４列以上の場合は、軸心を挟んで対向する位置に配置されていると、端面が熱膨張係数の異方性を有する結晶面であっても、熱変形による軸心（つまり光ファイバ１）の位置ずれが生じにくい。

凸部３ｂが、ｃ面とほぼ平行な領域、またはｃ面とほぼ垂直な領域にあると、熱膨張係数の異方性による凸部３ｂの不均一な熱変形が大きくなる。そのため、凸部３ｂはｃ面から１５°〜７５°離れた面、特に好ましくは、ｃ面から３０°〜６０°離れた面に配置されていると、熱膨張係数の異方性による凸部３ｂの不均一な熱変形が小さい。ここで、凸部３ｂの配置面とは、端面から見て、凸部３ｂを挟んで相対する内周面の円弧の端部（凸部３ｂと内周面の円弧との接続部）同士を結ぶ直線を軸方向に移動させた面である。

＜スリーブの製造方法＞
本発明のスリーブ３の製造方法の一例を示す。スリーブ３の製造工程は、育成工程、切断工程、外周面加工工程、内周面加工工程、端面加工工程を有する。各工程は、スリーブ３の製造に支障のない範囲で入れ替えてもよいし省略してもよい。

育成工程では、ＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth Method）などの方法で、長
い管（チューブ）状のサファイアを育成する。スリーブ３の軸方向をｃ軸とほぼ垂直とするためには、管状サファイアの軸方向（種結晶の引上げ方向）がｃ軸とほぼ垂直となるようにサファイアを育成する。なお、棒（ロッド）状のサファイアを育成して、マシニングセンタ等を用いて内周面を形成し、管状に加工してもよい。（内周面形成工程）。内周面に凸部３ｂを有するスリーブ３は、育成工程で凸部３ｂを形成してもよいし、内周面形成
工程で凸部３ｂを形成してもよい。

切断工程では、育成した管状サファイアを、平面研削盤、外周刃切断機、内周刃切断機等を用いて、所定の長さに切断する。

外周面加工工程では、センタレス研削盤、円筒研削盤等を用いて外周研削を行う。さらに、砥粒の粒径の小さい砥石を用いて外周面を所望の表面粗さに研磨してもよい。

内周面加工工程では、ホーニング加工機やピン研磨機等で内周面を研磨する。ホーニングとピン研磨の双方を行い、内径精度を向上させてもよい。内周面加工の最初は大きな粒径の砥粒で加工を開始し、最終的に、小さな粒径の砥粒で仕上げてもよい。仕上げに１μｍのダイヤモンド砥粒を用いることにより、内周面の算術平均粗さＲａを０．０１μｍ以下とすることが可能である。なお、割りスリーブの場合は、スリーブ３の内径を、フェルール２の外径よりも若干小さく加工する。精密スリーブの場合は、スリーブ３の内径を、フェルール２の外径より若干大きく加工する。

端面加工工程では、平面研削盤等を用いて円筒体の全長を製品寸法に調整する。さらに、ブラシ研磨機等で両端面の曲面加工を行う。回転するブラシ毛にダイヤモンドペーストを塗布し、円筒体とブラシ毛を逆回転させながら押し付けて研磨する。ブラシ研磨により、面取り加工を行うことなく、端面を曲面状に加工することができ、フェルール２をスリーブ３に挿入しやすくなる。また、レセプタクル等に使用されるスリーブ３を金具等に圧入しやすくなる。

スリーブ３が、割スリーブの場合は、平面研削盤等を用いてスリット３ａを形成する（スリット加工工程）。スリット３ａはａ面から１５°以下の面に形成するとチッピングが生じにくい。スリーブ３の内側に保護部材を充填し加工してもよい。これにより、スリーブ３への加工ストレスが低減される。スリット加工工程は、端面加工工程のブラシ研磨よりも前に行うと、スリット３ａと端面との接続部の面取り加工を省略できるのでよい。

以上、本発明の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るものでない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。例えば、スリーブ３は、サファイアからなる本体部分の表面に他の材料からなる被覆部を有していてもよい。

１ 光ファイバ
２ フェルール
３ スリーブ
３ａ スリット
３ｂ 凸部
１０ 光コネクタ

Claims (10)

1. サファイアからなり、光ファイバの端部に設けられたフェルールを挿入して保持する光コネクタ用スリーブであって、軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上である。
2. 記軸方向に延伸するスリットを有し、前記軸方向とｍ軸とのなす角が１５°以下であり、前記スリットはａ面から１５°以下の面に配置されている、請求項１に記載のスリーブ。
3. 内周面にフェルールを支持する凸部を有し、前記凸部は３列、または、軸心を挟んで対向する位置に４列以上配置されている、請求項１に記載のスリーブ。
4. 前記凸部はｃ面から１５°〜７５°離れた面に配置されている、請求項３に記載のスリーブ。
5. 前記凸部はｃ面から３０°〜６０°離れた面に配置されている、請求項４に記載のスリーブ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のスリーブを備える光コネクタ。
7. 前記フェルールはアルミナからなる、請求項６に記載の光コネクタ。
8. 前記フェルールはサファイアからなり、前記フェルールの軸方向とｃ軸とのなす角が７５°以上である、請求項７に記載の光コネクタ。
9. 前記フェルールのｃ軸と前記スリーブのｃ軸とのなす角が１５°以下である、請求項８に記載の光コネクタ。
10. 前記フェルールはサファイアよりも熱膨張係数の大きい材料からなる、請求項６に記載の光コネクタ。