JP2023082612A - 光ファイバ固定部材、及びそれを用いた光コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】光コネクタが高温になった場合でも、光ファイバに発生する負荷が抑制される光ファイバコネクタを提供することにある。【解決手段】光ファイバが挿通されるとともに、光ファイバの外周面を覆う包囲部と、光ファイバの外周面の半周以上を覆わないよう光ファイバが積載される積載部を有する光ファイバ固定部材を使用して、光コネクタを構成する。光ファイバの固定は積載部上で固定剤を使用して行い、包囲部には固定剤が存在しないようにする。【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザ光に代表される高エネルギーの光を伝送する光ファイバに設けられる光コネクタに関するもので、特に光コネクタを構成する部材に関するものである。

高エネルギーの光を伝送する光ファイバケーブルは、レーザ切削、レーザ溶接など、レーザを用いた加工分野において、レーザ光源から出力されたレーザ光を目的の場所まで伝送するために使用される。

このような分野で使用される光ファイバケーブルに設けられる光コネクタは、光ファイバから漏れたレーザ光による焼損が発生しないことが求められ、一例として特許文献１に記載の光コネクタが挙げられる。

特許文献１の光コネクタでは、光ファイバの屈折率より低い屈折率を有する低屈折率接着剤によって光ファイバをフェルールに対して接着することで光ファイバの外周面からのレーザ光の出射を防止し、光ファイバコネクタを構成する部材の焼損、破損を防いでいる。

しかしながら、高エネルギーのレーザ光を伝送するため、光ファイバ及び光コネクタが高温となり、光ファイバ、光コネクタの構成部材、及び接着剤の熱膨張が発生する。この時、光ファイバの接着固定部分において熱膨張に伴う光ファイバへの負荷が発生し、光ファイバの歪みの増大に伴う光ファイバ自身の破損や、レーザ光の漏れ量の増大による焼損の恐れがある。

光ファイバ及び光コネクタの温度上昇を抑制した先行技術としては、特許文献２のようにクーラントによる冷却を行うものなどが存在するが、光コネクタの大型化、構造の複雑化といった課題が存在する。

特開平９－６１６６９号公報 特表２０００－５１４９３０公報

本発明の課題は、光コネクタの構造を複雑化することなく、高温になった場合でも光ファイバに発生する負荷が抑制される光コネクタを提供することにある。

本発明者らは、光コネクタの構造を鋭意検討した結果、光コネクタ内において光ファイバが直接接触し、光ファイバが固定される光ファイバ固定部材の構造を工夫することで、光ファイバに発生する負荷が抑制されるとともに、温度上昇の抑制にも寄与する光コネクタを得るに至った。

本発明の光ファイバ固定部材は、光ファイバが挿通されるとともに、光ファイバの外周面を覆う包囲部と、光ファイバの外周面の半周以上を覆わないよう光ファイバが積載される積載部を有することを特徴とする。

本発明の光ファイバ固定部品にあっては、高温となった際でも光ファイバに対して発生する応力が緩和され、光ファイバへの悪影響が抑制されるという優れた効果が期待できる。

本発明の基本的構造である。 固定剤の熱膨張の様子を示す模式図である。 本発明の好ましい態様である。 本発明の具体的構造の一例である。 本発明を使用した光コネクタの組立途中の図である。 本発明を使用した光コネクタである。 加熱試験の結果である。

以下、図１を参照しながら本発明について説明する。

本発明の光ファイバ固定部材１は図１に示すように、光ファイバ１００が挿通されるとともに、光ファイバ１００の外周面を覆う包囲部１０と、光ファイバ１００が積載される積載部２０を有する。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）を左側から見た際の径方向断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）を右側から見た際の径方向断面図である。

包囲部１０は、光ファイバ１００を挿通するための貫通孔１３が形成されていれば、その外形は特に限定されないが、通常は種々の光コネクタを構成する部品で採用されている円筒形に形成すれば良い。

通常、貫通孔１３は包囲部１０の径方向断面における中心部に形成される。

積載部２０は、光ファイバ１００の外周面の半周以上を覆わないように形成され、半円状の溝や後述する平面状に形成すれば良い。

包囲部１０は光ファイバ１００の外周面を覆うことで、光ファイバ固定部材１上における光ファイバ１００の径方向への移動を規制し、光ファイバ固定部材１の中心軸近辺に光ファイバ１００を留めることができる。

積載部２０では、包囲部１０と比較して光ファイバ１００の外周面が光ファイバ固定部材１によって覆われる量が小さいため、光ファイバ固定部材１に覆われることによって光ファイバ１００に対する好ましくない影響が発生する場合、その影響を抑制することができる。

光ファイバ固定部材１による光ファイバ１００への影響を小さくする観点では、積載部２０は平面状に形成するのが好ましい。平面状の積載部２０に積載された光ファイバ１００は、積載部２０に対して線接触に近い状態で接触することになるため、光ファイバ固定部材１と光ファイバ１００の接触面積が小さくなり、光ファイバ固定部材１による光ファイバ１００への影響の抑制に寄与する。

光ファイバ固定部材１に光ファイバ１００を固定する際は、接着剤等の固定剤３０を使用することがあるが、固定剤３０を使用して光ファイバ１００を固定する時は、積載部２０上で固定するのが好ましい。

固定剤３０を使用して光ファイバ１００を固定する時は、十分な固定強度が得られるよう、固定剤３０で光ファイバ１００の外周面が覆われた状態になるように固定することが多い。

光ファイバ１００の外周面が固定剤３０に覆われた部分では、高温時に固定剤３０の熱膨張によって光ファイバ１００に対する応力が発生し、光伝送への悪影響や光ファイバ１００の破損が発生する恐れがある。

光ファイバ１００の外周面の半周以上を覆わないように構成された積載部２０で光ファイバ１００を固定することで、図２に示すように固定剤３０が光ファイバ１００の径方向外側に向かって熱膨張できる余地が生まれるため、光ファイバ１００に対する応力が緩和され、光ファイバ１００に発生する悪影響を抑制することができる。

一方、包囲部１０においては、固定剤３０が存在しない状態とするのが好ましい。包囲部１０は光ファイバ１００の外周面を全周に渡って覆うため、固定剤３０が存在する場合は光ファイバ１００の径方向外側に向かって固定剤３０が熱膨張できる余地が少なく、光ファイバ１００に対する応力が高まる傾向にある。

包囲部１０に固定剤３０が存在しないことで、光ファイバ１００の外周面と包囲部１０の内周面との間に遊びが発生し、光ファイバ１００及び包囲部１０の熱膨張によって発生する光ファイバ１００に対する応力が緩和される。

加えて、図３に示すように包囲部１０と積載部２０の境界付近には凹部２１を形成するのが好ましい。

固定剤３０を介して光ファイバ１００を積載部２０に固定する際、毛細管現象によって光ファイバ１００と積載部２０の間の僅かな隙間に固定剤３０が浸透し、包囲部１０に固定剤３０が浸入する可能性が存在する。

包囲部１０と積載部２０の境界付近に凹部２１を形成することで、固定剤３０が包囲部１０に到達する前に凹部２１へと逃がすことができ、包囲部１０へ固定剤３０が意図せず浸入してしまうことを抑制できる。

図３は凹部２１を包囲部１０の手前に設けた場合を示しているが、凹部２１を設ける場所はこの位置に限定されず、包囲部１０への固定剤３０の浸入を抑制できる位置に形成すれば良い。凹部２１の具体的な形状としては、光ファイバ固定部材１の長さ方向に対して直交する矩形状の溝や、積載部２０に設けた丸穴などが挙げられる。

本発明の光ファイバ固定部材１は、光コネクタの一部品として光コネクタ内部で光ファイバ１００を保持することを意図した部材であり、光コネクタの一部品として使用されることを想定した態様にするのが好ましい。

光コネクタの一部品として使用されることを想定した態様として、図３に示した包囲部１０の外周面に他の部材を係合固定できる係合手段４０が形成された態様が挙げられる。

光ファイバ固定部材１に係合固定される他の部材としては、光コネクタの外郭となるハウジング部材や、光ファイバケーブルを構成する際に光ファイバ１００の保護管を固定するスリーブ部材などが挙げられる。

係合手段４０としては、光ファイバ固定部材１と他の部材との間に空隙が形成されるように両者を係合固定できるものが好ましい。

本発明はレーザ光伝送用途など、光ファイバ１００が高温となる環境で使用されることを想定したものであるが、そのような環境では光ファイバ固定部材１に係合固定された他の部材も高温となり、その熱が光ファイバ固定部材１、光ファイバ１００へと伝わることが想定される。

光ファイバ１００でレーザ光を伝送している際は、光ファイバ１００、光ファイバ固定部材１が既に高温になっているため、周辺の部材からの伝熱は極力抑制するのが好ましい。特に、後述する実施例で使用されるフェルール固定部材２３０やハウジング部材２５０など、光ファイバ固定部材１よりも光ファイバ１００の先端側に位置する部品は、クラッド露出部から漏れたレーザ光や光ファイバ１００に結合されなかったレーザ光を吸収することになるため、特に高温になりやすい。これらの部材からの伝熱を抑制することで、高温に起因する光ファイバ固定部材１への影響を効果的に抑制できる。

係合手段４０として光ファイバ固定部材１と他の部材との間に空隙が形成されるものを採用することで、空隙が断熱層となり、光ファイバ固定部材１に対する他の部材、特に光ファイバ固定部材１と光ファイバ１００の先端部との間に存在する部材からの伝熱を抑制することができる。

具体的な係合手段４０としては、螺合手段が挙げられる。螺合手段を使用する際は包囲部１０の外周面に雄ネジ、他の部材に雌ネジを形成すれば良く、簡便に形成できるともに、螺合部において微小な空隙が複数形成されるため断熱機能にも優れる。

螺合手段は、本発明の光ファイバ固定部材１を使用した光コネクタを組み立てる際に、螺合の調整によって光コネクタ内における光ファイバ１００の位置合わせが可能かつ、位置合わせ後に不意に位置がずれることも抑制できる点でも好ましい係合手段４０である。

図３では係合手段４０（螺合手段）を包囲部１０の周囲のみに設けた場合を示しているが、係合手段４０は光ファイバ固定部材１の全長に渡って設けても良い。

また、本発明の光ファイバ固定部材１は図４に示したように、包囲部１０として積載部２０の一端側に形成された第１包囲部１１と、積載部２０の他端側に形成された第２包囲部１２とを有した態様としても良い。第１包囲部１１と第２包囲部１２の２箇所で光ファイバ１００の外周面を覆うことで、光ファイバ固定部材１の中心軸近辺に光ファイバ１００をより安定して留めることができる。

第１包囲部１１と第２包囲部１２を形成する際は、両者の内径を異なったものにしても良い。例えば、第１包囲部１１の内径は光ファイバ１００のクラッドの外径に相当する寸法、第２包囲部１２の内径は光ファイバ１００の保護被覆層の外径に相当する寸法に設定し、第１包囲部１１で光ファイバ１００のクラッド露出部を、第２包囲部１２で保護被覆層の外周を覆った態様とすることができる。また、第１包囲部１１、第２包囲部１２ともに光ファイバ１００の保護被覆層の外周を覆う場合においても、光ファイバ１００の先端側を覆う包囲部は保護被覆層の外径に相当する寸法、光ファイバ１００が他端側へと向かう側を覆う包囲部は保護被覆層の外径に対して十分な間隙を形成できる寸法とすることで、先端側では光ファイバ固定部材１の中心軸近辺に光ファイバ１００を留めつつ、他端側では光ファイバ１００が曲がった際に発生する負荷を間隙によって緩和させることが期待できる。

第１包囲部１１と第２包囲部１２を形成する際においても、それぞれの包囲部には固定剤３０が存在しない状態とするのが好ましい。それぞれの包囲部へ固定剤３０が浸入するのを防ぐために、第１包囲部１１に対応する第１凹部２１１、第２包囲部１２に対する第２凹部２１２を設けるのが好ましい。係合手段４０を設ける際は、必要に応じて第１包囲部１１と第２包囲部１２の両方に設けても良いし、一方のみに設けても良い。

上述した通り、本発明の光ファイバ固定部材１は、光ファイバ１００にレーザ光が入力され、光ファイバ１００やその周辺が高温となる場合に好ましく利用でき、レーザ光伝送用の光ファイバケーブルの端部に設けられる光コネクタを構成する部品の１つとして好適に利用できる。

以下、本発明の実施例として、本発明の光ファイバ固定部材１を使用した光コネクタ２００を作成する。

[実施例１]
実施例１として、本発明の光ファイバ固定部材１にコア径が１０５μｍ、クラッド径が１２５μｍ、保護被覆層の外径２５０μｍの光ファイバ１００を固定したものを用いて光コネクタ２００を構成する。

光ファイバ固定部材１として、図４に示したものを作成した。具体的には長さ２５ｍｍ、外径４ｍｍのステンレス製の円柱状部材から、長さ方向中心部を長さ１５ｍｍ、深さ２．１ｍｍに渡って半円状に除去して積載部２０となる平面部を形成し、両端に残った円柱状部分の径方向断面における中心部に貫通孔１３を設け、第１包囲部１１、第２包囲部１２とした。

貫通孔１３の内径は、第１包囲部１１においては０．５ｍｍ、第２包囲部１２においては１ｍｍに設定した。

積載部２０の両端（第１包囲部１１、第２包囲部１２の手前）に、直径２ｍｍ、最大深さ１ｍｍのドリル穴を設け、第１凹部２１１、第２凹部２１２を形成した。

光ファイバ１００の先端４５ｍｍに渡って保護被覆層を除去してクラッドを露出させ、光ファイバ固定部材１の第２包囲部１２側から光ファイバ１００のクラッド露出部を挿入し、クラッド露出部を第１包囲部１１から突出させた。

クラッド露出部の基端部に位置する保護被覆層の先端部が第１包囲部１１から僅かに突出した状態で、積載部２０上に配置された光ファイバ１００の保護被覆層に固定剤３０としてエポキシ系耐熱接着剤を塗布し、加熱硬化させて光ファイバ１００を光ファイバ固定部材１の積載部２０に固定した。

固定剤３０は、凹部２１１、２１２の間に位置する光ファイバ１００の長さ約１０ｍｍの範囲に渡って塗布した。その際、固定剤３０の一部は凹部２１１、２１２に到達し、その中に溜まったが、第１包囲部１１、第２包囲部１２まで浸入することは無かった。

次いで、光コネクタ２００を構成するために光ファイバ固定部材１、及び光ファイバ１００の周辺に設ける部材を準備する。

フェルール固定部材２３０の先端にフェルール２２０を圧入し、フェルール固定部材２３０の外周に光コネクタ２００を所定のレセプタクルに固定するための固定ナット２４０を被せた。

ハウジング部材２５０に光ファイバ固定部材１を通し、ハウジング部材２５０の先端から第１包囲部１１が突出した状態となるよう、ハウジング部材２５０の後端内周面に対し第２包囲部１２を仮固定した。

フェルール２２０に光ファイバ１００のクラッド露出部を挿入しつつ、フェルール固定部材２３０の後端部とハウジング部材２５０の先端部とを嵌合固定させる。嵌合固定の完了後、ハウジング部材２５０の後端内周面に対する第２包囲部１２の仮固定を解除し、フェルール２２０の先端部から光ファイバ１００の先端部を所定量突出させた後、再度仮固定を行い、図５の状態とする。

光ファイバ１００の先端部を所定量突出させたら研磨治具を装着し、光ファイバ１００の先端に光学研磨を施す。

光学研磨を終えたら研磨治具を取り外し、ハウジング部材２５０の後端内周面に対する第２包囲部１２の仮固定を解除する。ハウジング部材２５０の後端内周面に第１包囲部１１が位置するよう、光ファイバ固定部材１を後端側に向かって移動させた後、フェルール２２０の先端部と光ファイバ１００の先端部とが面一になるように位置合わせを行う。

位置合わせを終えたら、ハウジング部材２５０の後端内周面と第１包囲部１１との本固定を行う。本固定には固定剤３０として使用したエポキシ系耐熱接着材を使用した。

次いで、ハウジング部材２５０の後端外周、及びフェルール固定部材２３０の後端から突出した光ファイバ固定部材１を覆うようにスリーブ部材２６０を被せ、スリーブ部材２６０の先端部をハウジング部材２５０の後端に固定する。

スリーブ部材２６０の後端に光ファイバ保護管２７０を挿入、固定し、図６に示した実施例１の光コネクタ２００が完成した。

[実施例２]
実施例２として、実施例１の光ファイバ固定部材１において、第１包囲部１１、第２包囲部１２の外周面に係合手段４０（螺合手段）としてＭ４の雄ネジを形成したものを用い、実施例１と同様に光コネクタ２００を構成する。

実施例２の光コネクタ２００の構成、組み立て方は実施例１と同等のものであるが、光ファイバ固定部材１に螺合手段を設けたことに伴い、以下の変更がある。

ハウジング部材２５０は、後端内周面に第１包囲部１１及び第２包囲部１２と螺合できるＭ４の雌ネジが形成されたものを使用する。これにより、光ファイバ固定部材１とハウジング部材２５０とを螺合固定させることができる。

光ファイバ固定部材１とハウジング部材２５０との螺合固定によって、両者が自然に仮固定された状態となるとともに、そのまま螺合状態を調整することで光ファイバ１００の先端部の位置調整ができる。このため、仮固定の実施、解除を都度行う必要が無くなり、光コネクタ２００の組立作業の工数削減に寄与する。

加えて、螺合状態の調整は微調整が容易に行えるため、光ファイバ１００の先端部の突出量の調整作業、及びフェルール２２０の先端部と光ファイバ１００の先端部とを面一にする位置合わせ作業を精度よく行うことができ、光コネクタ２００の組立作業が容易になる。

[比較例]
比較例として、光ファイバ固定部材１の代わりに、内径０．５ｍｍ、外径４ｍｍ、長さ１５ｍｍのステンレス製パイプを、実施例に使用したものと同じ固定剤３０によって光ファイバ１００の保護被覆層に固定したものを用いたほかは、実施例１と同様に光コネクタを組み立てたものを準備した。

以上のように作成した実施例、比較例の光コネクタに対し、以下に述べる試験を行って性能を評価した。

[レーザ耐久試験]
光ファイバ１００にレーザ光を入力し、光コネクタに発生する影響を確認した。

光ファイバ１００の全長は５ｍとし、光ファイバ１００の他端側（光コネクタが設けられていない側）は光学研磨のみを施した。

光ファイバ１００の他端側をレーザ光源に接続し、光ファイバ１００に２００Ｗのレーザ光を入力する。

比較例１では、ステンレス製パイプを固定した部分で光ファイバ１００の焼損が発生した。光ファイバ１００が全周に渡って固定剤３０とステンレス製パイプに覆われているため、レーザ光の伝送に伴う発熱によって各部材が熱膨張し、その応力が光ファイバ１００に作用して光ファイバ１００の歪みが大きくなり、光ファイバ１００からの漏れ光が増えた結果、焼損に至ったと考えられる。

一方、実施例１、２では光ファイバ固定部材１を固定した部分で、光ファイバ１００の焼損など、目立った悪影響は確認されなかった。固定剤３０が設けられた積載部２０では光ファイバ１００の全周が覆われていないとともに、第１包囲部１１、第２包囲部１２には固定剤３０が存在しないため、熱膨張による影響が抑制され、２００Ｗのレーザ光伝送に対する耐久性が得られたと考えられる。

[加熱試験]
２００Ｗのレーザ光伝送が行えることが確認できた実施例１、２の光コネクタ２００を加熱し、光ファイバ固定部材１の温度変化を確認した。

固定剤３０に温度測定用の熱電対を接続し、補償導線は光ファイバ保護管２７０を通じて光コネクタ２００から十分離れた場所へ逃がした。

光コネクタ２００の側面に工業用ドライヤーを使用して２００℃の熱風を当て、時間経過に伴う固定剤３０の温度変化を確認した。結果を図７に示す。

実施例１の光コネクタ２００では、実験開始から１分後に約８５℃、２分後に約１０５℃に到達した。レーザ光伝送を意図した光ファイバ１００に設ける光コネクタ２００としては許容できる温度だが、急な温度上昇に伴う光ファイバ１００への影響は発生すると考えられる。

一方、実施例２の光コネクタ２００では、実験開始から１分後に約４０℃、２分後に約５５℃への到達に留まり、実施例１と比較して温度上昇速度は緩やかになった。このため温度上昇に伴う光ファイバ１００への影響は緩和され、光コネクタ２００が発熱するレーザ用途で特に好ましく利用できる態様と評価できる。

本発明の光ファイバ固定部材は、レーザ切削機やレーザ溶接機など、レーザ光を用いた加工機や装置におけるレーザ光伝送用途として好適に用いられるものであるが、用途はこれらに限定されるものでは無く、レーザ光以外の高エネルギーを伝送する光ファイバケーブルや、高温環境下で用いられる光ファイバケーブルにも好適に利用できる。

１ 光ファイバ固定部材
１０ 包囲部
１１ 第１包囲部
１２ 第２包囲部
１３ 貫通孔
２０ 積載部
２１ 凹部
２１１ 第１凹部
２１２ 第２凹部
３０ 固定剤
４０ 係合手段
１００ 光ファイバ
２００ 光コネクタ
２２０ フェルール
２３０ フェルール固定部材
２４０ 固定ナット
２５０ ハウジング部材
２６０ スリーブ部材
２７０ 光ファイバ保護管

Claims (12)

1. 光ファイバの固定に使用される光ファイバ固定部材であって、該光ファイバ固定部材は、該光ファイバが挿通されるとともに、該光ファイバの外周面を覆う包囲部と、該光ファイバの外周面の半周以上を覆わないよう該光ファイバが積載される積載部を有することを特徴とする、光ファイバ固定部材。
2. 該積載部は平面状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ固定部材。
3. 該光ファイバの固定は、該積載部上で固定剤を使用して行われていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ固定部材。
4. 該包囲部には、該固定剤が存在しないことを特徴とする、請求項３に記載の光ファイバ固定部材。
5. 該包囲部と該積載部の境界付近に凹部が形成されていることを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材。
6. 該包囲部の外周面に、該光ファイバ固定部材と他の部材とを係合固定できる係合手段が形成されていることを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材。
7. 該係合手段は、該光ファイバ固定部材と該他の部材との間に空隙が形成されるよう、該光ファイバ固定部材と該他の部材とを係合固定できることを特徴とする、請求項６の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材。
8. 該係合手段は螺合手段であることを特徴とする、請求項６または７に記載の光ファイバ固定部材。
9. 該包囲部として、該積載部の一端側に形成された第１包囲部と、該積載部の他端側に形成された第２包囲部を有することを特徴とする、請求項１～８の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材。
10. 該第１包囲部の内径と、該第２包囲部の内径が異なることを特徴とする、請求項９に記載の光ファイバ固定部材。
11. 該光ファイバにはレーザ光が入力されることを特徴とする、請求項１～１０の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材。
12. 請求項１～１１の何れか一項に記載の光ファイバ固定部材を使用して形成された光コネクタ。
    

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