JP2911852B2 - 光ファイバ伝送部材成端用のフェルール部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は光ファイバ接続をなす
に用いられるフェルール部材に関する。特にこの発明は
フェルールのチップがそれに保持されるファイバと同じ
熱膨脹係数を呈するように製せられるフェルール部材に
関する。このようにすると熱サイクル時のファイバとフ
ェルールの間の応力の排除または著減を助けて両要素間
の「ピストニング」とも称される相対運動を防止する。 【０００２】 【従来の技術と問題点】たいていの光ファイバコネクタ
は有機高分子或いは高密度アルミナ、または金属から製
造した「フェルール」を含んでいる。フェルールの先端
片即ち「チップ」の主な役割は、他のファイバやデバイ
スの端面の位置出しの基準となりうる、ファイバ端面の
固定位置を備えることである。フェルール内のファイバ
の軸方向の動きは光コネクタ損の増加を招いたり、両フ
ァイバ端が互いに直接に接触しているとその一方が圧潰
すことにもなりうる。組立てられたコネクタ端末の温度
サイクル時に、ファイバとフェルールの熱膨脹が蜜に整
合していない場合は、ガラスファイバの端面の、これを
取巻くフェルールの端面に対する相対運動を予期しなけ
ればならない。このような整合不良は、金属、高密度ア
ルミナまたは種々のエンジニアリングプラスチックから
製造したフェルールと、遠隔通信および信号伝送用の最
も普通に用いられる単モードおよび多モードファイバと
に存在する。これらのファイバは非晶質二酸化珪素
（「溶融シリカ」、また時に「クォーツガラス」とも）
を主なガラス構成成分とするオキサイドガラスで作られ
る。このファイバのコアには、シリカに加えて、ゲルマ
ニウム、燐、硼素等の酸化物のうちその一つ以上を比較
的大量（通常は５重量％超）に含むことがある。これら
のファイバは通常は、光学的理由からまた予備成形物お
よびファイバの製造を容易ならしめるために、溶融シリ
カでクラッドされる。 【０００３】溶融シリカは線熱膨脹係数が、約０．６pp
m/℃（摂氏度当りパートパーミリオン）、非晶質二酸化
ゲルマニウムは溶融シリカの構造等価物であるが線熱膨
張係数は約７．７ppm/℃であり、溶融シリカに添加する
とその熱膨張を顕著に高める。このようなファイバの有
用温度範囲内で有効な、線熱膨張係数のムリのない見積
り値は、０．５〜３ppm/℃であろう。故に、低膨脹のフ
ァイバと熱的に整合するフェルールに適当な材料は線熱
膨張係数、０〜３ppm/℃の範囲のものとすべきである。 【０００４】しかしながら、熱膨脹係数が３ppm/℃を著
しく超える材料でできた光ファイバを光ファイバ端末に
おいて封止するためには、そのファイバを保持するフェ
ルールを相応に高い熱膨張の材料で製造しなければなら
ない。この種のファイバは例えば、多コンポーネント高
インデックス光学ガラスのコアと低インデックスのクラ
ッディングを持つファイバである。最もよく使われる、
ガラスクラッドのガラスおよびプラスチッククラッドの
ガラスのファイバには線熱膨張係数約５〜９ppm/℃の範
囲のフェルール材料が必要である。 【０００５】プラスチックファイバのプラスチッククラ
ッドは熱膨張がさらに高く、熱整合のためには線熱膨張
係数約４０〜８０ppm/℃のフェルール材料を必要とす
る。これには現在光ファイバのコネクタフェルールに用
いられている有機高分子（例えばポリブチレンテレフタ
レート（ＰＢＴ）などの、充填剤入りもしくは無充填剤
のポリエステル類）が適している。 【０００６】たいていの充填剤のない有機高分子は、例
えば−５０〜１５０℃の温度変化にあうとそれぞれ約１
％だけ膨脹し収縮する。この係数は温度に依存するが、
熱膨張率が大きく異なる材料の比較に使える。ここに挙
げた１％の膨脹は約６０ppm/℃の平均線熱膨張係数によ
って生じる。たいていの金属はその線熱膨張係数がプラ
スチックと同程度の大きさ即ち１０ppm/℃のオーダーで
ある。 【０００７】遠隔通信ラインに用いられる光ファイバの
膨脹係数は０．１ppm/℃のオーダーである。従って、そ
の熱膨張はフェルールに使われるプラスチックや金属の
それよりも小さくその０．０１倍である。それらのフェ
ルールは、適当な接着剤を介して光ウェーブガイドの末
端を機械的に支持する役をするので、ファイバと支持す
るフェルールとの間に激しい熱応力が発生しかねない。
それらの応力はファイバと接着剤の間およびフェルール
と接着剤の間それぞれの固着強さを超過しうる。格別に
強い固着の場合は熱応力が接着剤自体の凝着強さを超過
することもありうる。接着剤が効力を失わないとして
も、ファイバの前端に作用する力は軸方向の動きを生じ
てファイバをその原位置から前進もしくは後退させる。
この相対運動は「ピストニング」といって知られる。 【０００８】先行技術における多数の特許は、ファイバ
をフェルール内に正しく整合させて二つの光ファイバ間
の接続点にゆがみが起らないようにすること、もしくは
ファイバをやはり光伝送の品質が損われないようにフェ
ルール内に固く維持するという問題に関するものであ
る。 【０００９】即ち、例えば、ジャクソン氏らの米国特許
第4,113,346号は、光ファイバがフェルール内に固定さ
れて近似的にフェルール軸線上にあるようにする、光フ
ァイバ成端の方法を教える。同じように、ルーイス氏ら
の米国特許第4,261,642号は、二つのフェルールを互い
に圧迫し合せて二つの光ファイバ同志を正確に整合させ
る方法を教え、パール氏の米国特許第4,397,522号は、
筒状のハウジングをまず冷却してから収縮させて光ファ
イバを把持しこれを正しく整合させる方法を教える。パ
ール氏の特許は異なる材料間の熱膨張係数の相異を利用
するが、それも光ファイバが一層しっくりと把持される
ように利用している（欄１、行５０〜６９）。この特許
は、光ファイバと同じ熱膨張係数のフェルールの製造に
ついては教えていない。 【００１０】スタイル氏の米国特許第4,113,349号はや
はり熱膨張係数に関するが、この性質を使ってフェルー
ルが光ファイバの周りに一層しっくりと嵌合しうるよう
にしている。フェルールとファイバとの熱膨張係数の相
異や「ピストニング」の問題については論じていない。 【００１１】このように、光ファイバを正確に接続して
高品質の光伝送を確保する方法を論じる特許はいくつか
あるが、ピストニングの問題について或いは熱膨張係数
の相異によって生じる応力が光ファイバとこれを保持し
ているフェルールとの固着を破壊しやすいことについて
の議論は先行技術にはないようである。これまでの焦点
は、より強力な接着剤を供したり、高分子フェルールの
表面処理および（または）高分子フェルール中の炭素繊
維使用により接着用表面積を増加したりする手段によっ
て固着強さを向上させることに向けられていた。 【００１２】 【問題点を解決するための手段】本発明はピストニング
の問題を排除する手段を供するものである。 【００１３】特に本発明は軸線方向の熱膨脹係数が比較
的大きな光ファイバを保持するためのフェルール部材を
提供するものである。 【００１４】この発明の目的は、光ファイバとこれを収
容するデバイスとの間の熱膨張の整合不良が大きく減少
した、自由または固定されたコネクタ用の光ファイバ端
末を供するにある。 【００１５】この発明のもう一つの目的は、熱サイクル
中のファイバとフェルールの間の応力を除去または大き
く減少して両要素間の相対運動即ちピストニングを防止
するにある。 【００１６】この発明のさらに他の一目的は、可撓性で
研磨可能なフェルールという概念を失わずに膨脹係数を
増すために、２よりも低いモース硬度の充填剤を液晶高
分子に加えることによってフェルールを改変することで
ある。 【００１７】本発明の他の目的および利点は発明の記述
を進めるに伴って明らかにされる。 【００１８】たいていの有機高分子材料において熱およ
び弾性余効は非常に顕著であって、このことは、例え
ば、エンサイクロペディア・オブ・ポリマーサイエンス
・アンド・テクノロジー第８巻ページ４４５〜５１６の
「機械的性質」と題するヴィー・エイ・カーギン（Karg
in）氏の記事に論じられている通りであり、ここにその
開示全体を引用編入する。この挙動はプラスチック部品
に寸法変化を招いてプラスチック部品を精密光学要素に
不適当なものにする。本発明の提案する高分子材料で製
せられた射出成形部品は、他の有機高分子との比較では
これらの余効を呈しないことがわかった。周囲温度（約
２５℃）においては、流れ方向の収縮は全く観測できな
かった。１００℃で観測された偏差は実験誤差の範囲内
にあった。 【００１９】本発明はどんな型のフェルールにもどんな
型の光ファイバにも使用に適する。この発明の主要概念
は、フェルールのチップの膨脹係数は光ファイバの膨脹
係数と事実上同一であるべきであるということである。 【００２０】光ファイバは一般に、低膨脹、中膨脹およ
び高膨脹のファイバと記述される。これらの用語はこの
特許出願用に次の定義で用いられる。即ち、低膨脹ファ
イバは膨脹係数が２ppm/℃以下のファイバである。低膨
脹ファイバには溶融シリカおよびたいていのグレーデッ
ドインデックスファイバが含まれる。中膨脹ファイバは
膨脹係数が２〜９ppm/℃であって、これにはステップイ
ンデックスの光学ガラスファイバおよび一部のグレーデ
ッドインデックスファイバが含まれる。高膨脹ファイバ
は膨脹係数が９ppm/℃よりも大きいファイバであって、
これにはプラスチックコアファイバとＩＲ伝送性のカル
コジェナイド（Chalcogenide）ガラスファイバが含まれ
る。 【００２１】本発明の主要な一面によれば、充填剤を添
加し得て本発明のフェルールを製するに用いられるプラ
スチックは液晶高分子（ＬＣＰ）プラスチックである。
これらのＬＣＰプラスチックは、射出成形および押出の
可能な高パーフォーマンス樹脂の一族であって米国ニュ
ージャージー州サミットのセラニーズ（Celanese）スペ
シャルティズ・オペレーションズおよびニュージャージ
ー州パラマスのDARTCO製造会社から市販されている。 【００２２】無充填のネマチック熱可塑性高分子はまた
「液晶高分子」（ＬＣＰ）或いは「自己強化熱可塑性プ
ラスチック」（ＳＲＴ）として知られるが、異方性の挙
動を呈し流れ方向の線熱膨張係数がゼロまたは負であ
る。また、この方向に測った引張弾性率および引張強さ
は普通の「エンジニアリングプラスチック」よりも著し
く高い。ＬＣＰの性質の大部分は流れ方向に直角に測る
と他の熱可塑材料とよく似ている。化学的には、これら
の高パーフォーマンスＬＣＰは「全芳香族ポリエステ
ル」と特徴づけられる。ＬＣＰは通常は本来難燃性であ
り潤滑剤、可塑剤等の添加物を含有しない。このような
添加物はファイバとフェルールの内側壁との間に強い接
着層を作る妨げとなりやすい。 【００２３】ＬＣＰは流れ方向に低い線熱膨張と自己強
化性を有するので、成形部品の少なくとも一方向に低膨
脹と高強度を実現するのに充填剤を必要としない。その
ために、プラスチック産業で普通に使われるガラスファ
イバや無機充填剤は無用になる。軟質の鉱物を除きそれ
らの充填剤は磨きのときファイバ端面に掻ききずを生じ
やすい。このような表面欠陥は、光ファイバ接続部の散
乱損の原因となるので避けなければならない。また、Ｐ
ＴＢその他のエンジニアリングプラスチックに、熱膨張
の低減および強度と耐久性の増加を目的として、炭素繊
維を導入することも不必要である。充填剤としての炭素
繊維は磨き中に顕著な掻ききずを生じることはないが、
それを含有する材料にその応用を制約する他の一因子を
導入する。炭素の有限の電気伝導度は、金属のそれと同
様に、電界内に設置される光ファイバデバイス用のコネ
クタにおけるこの種の高分子で製せられたフェルールの
使用を妨げる。炭素充填プラスチックは本質的に黒色で
あって製品のカラー選択を制約する。 【００２４】本発明によれば、光ファイバ伝送部材を受
容する貫通孔を含み、該貫通孔の一部が比較的小径に形
成されて前記光ファイバ伝送部材の光ファイバを保持す
る減径区分を構成する光ファイバ伝送部材成端用のフェ
ルール部材において、前記減径区分は前記フェルール部
材用の金型中の流れ方向を実質的に前記減径区分の半径
方向となるようにして成形した液晶高分子材料により構
成されることを特徴とする光ファイバ伝送部材成端用の
フェルール部材が提供される。 【００２５】 【実施例】図１を参照すると、典型的な光ファイバ接続
アセンブリ(10)は、フェルール(12)、光ファイバ(14)を
持つ光ファイバ伝送部材(13)、および金属ブシュ(20)か
ら成る。フェルール(12)は光ファイバ開口(22)および本
体(24)を有する。光ファイバ(14)は緩衝コート(16)、強
度材（複数）(17)の随意層、および強度材(17)と緩衝層
(16)を取巻く保護シース部材(18)を有する。しかし、こ
れは使用できる型のフェルールおよび光ファイバ接続方
式の一実施例にすぎず、フェルールのチップと光ファイ
バとの膨脹係数が事実上同じである限り、在来のどのフ
ェルールと光ファイバとのアセンブリも本発明の範囲内
で使用可能である。 【００２６】図３は本発明によって製造しうるフェルー
ルの実施例を示す。図３のものは、一体成形の高分子フ
ェルールであって、肩(125)を有する本体部材(124)を包
含し、これには光ファイバ伝送部材の端部が通る貫通孔
すなわち内孔(126)が貫通している。本体(112)の一区分
はチップ(123)を包含し、これに含まれる内孔(126)の減
径された一区分に、光ファイバ伝送部材の光ファイバ部
材の露出した区分が挿置される。チップ(123)は減径区
分すなわち光ファイバ開口(122)を有し、露出する光フ
ァイバ部材は通常の方法で前記チップに固定することが
可能である。 【００２７】ＬＣＰで製造した一体形フェルールの熱膨
張は金型、例えば図２に例示する金型(30)に流し込まれ
るときのＬＣＰの流れ方向によって低くも高くも変えら
れる。ＬＣＰを金型キャビティ(37)の一端近くに導入し
てフェルール(112)の軸に平行な一方向に流すときは、
生成するフェルールの軸方向の熱膨張が低い。ＬＣＰを
肩(125)などのキャビティ側部に沿って導入すると（仮
想線(140)で示す）、ＬＣＰはコアピン(42),(44)の周り
を主として半径方向に流れ、生じるフェルール(112)の
熱膨張は比較的に高い。この高い熱膨張値は材料のそれ
だけ強い乱流に基因すると考えられる。ＬＣＰのこの特
性は金型の適当な設計とゲート付けによって活用するこ
とができる。 【００２８】図２に示す金型(30)の断面は、低熱膨張の
一体形ＬＣＰフェルールの生産に用いられる金型の一種
を代表する。標準の金型材料と通常の射出成形法がこの
部品の生産に用いられる。独特な点は、高分子が金型(3
0)に導入される際の方向と対称性である。図２の金型(3
0)は金型キャビティ(37)の貫通する三つの区分(32),(3
4),(36)から成り、金型(30)の両端を通してコアピン(4
4),(42)がキャビティ(37)に延び込み、これらのピンは
その寸法で内孔(126)と開口(122)を形成する。 【００２９】高分子材料は(40)から金型キャビティ(37)
に導入されキャビティ(37)に流入しこれを充填してフェ
ルール(112)を形成する。当業界で知られるように、(4
6)のリングゲートとガス抜き(38)とが材料のキャビティ
への流入を制御する。円筒対称のフェルールに対して
は、その軸と同心のマルチプルのオリフィスもしくはリ
ングゲートで所望の近軸層流が得られる。なお、図２の
金型設計は一体形フェルール部材の生産に用いうる種々
の金型設計を代表するものである。 【００３０】一体形フェルール部材の製造に適するＬＣ
Ｐはセラニーズ・スペシャルティズ・オペレーションズ
から入手でき、ＬＣＰ２０００およびＬＣＰ４０６０の
呼称で市販され、またDARTCOからXYDAR ^TMの名で市販さ
れている。セラニーズ・オペレーションズのＬＣＰの組
成は米国特許第4,161,470号および第4,330,457号に開示
されている。これらの材料から製造されるフェルールの
熱膨張は、上述のような成形法によって、またタルク、
黒鉛、モントモリロナイト、ひる石などの充填剤の使用
によって変更可能である。 【００３１】本発明のフェルールやフェルールチップは
ガラスファイバとこれを収容するフェルールその他のデ
バイスとの軸方向熱膨張の整合不良を著しく減じること
が本発明によって発見された。このことは熱サイクル中
のファイバとフェルールの間の応力を除去もしくは著し
く減少して両要素間の、時に内向きまたは外向きピスト
ニングと称される、相対運動を防止する。このフェルー
ルを作る液晶高分子は流れ方向に格別に低い熱膨張係数
を呈する。この特性を利用すると、フェルールによって
位置を保持さるべきファイバの軸方向と一致する方向に
単または多コンポーネントのフェルールを形成すること
ができる。これによって、可撓性の艶出し可能なフェル
ールという概念を放棄せずに、この技術における重要な
問題が克服される。 【００３２】本発明のもう一つの面によれば、きれいな
液晶高分子に或るモース硬度を持つ色々な充填剤を添加
することが可撓性の研磨可能なフェルールという概念を
保持しながらこれらのＬＣＰの膨脹係数を約０．６或い
は３．０ppm/℃までも増加する責任を負っている。ＬＣ
Ｐ用充填剤として使える適当な充填材料とそのモース硬
度数を次の表１に示す。 【００３３】 【表１】【００３４】これらの低膨張軟質プラスチックの光ファ
イバ端末製造用に選好される充填剤には黒鉛、モントモ
リロナイト、ひる石およびタルクが含まれる。 【００３５】本出願のこの部分における手続は種々の使
用できるポリエステルまたはプラスチック材料に向けら
れていたが、この発明は、単独にもしくは或種の充填剤
で改質して用いられて保持される光ファイバと同じ熱膨
張係数を持つフェルールまたはフェルールチップを生じ
うる、すべての材料に適用できるものである。また、所
要のモース硬度を有する充填剤は、それが出発材料の熱
膨張係数を光ファイバと事実上同じにするものであれば
すべて使用できる。出発材料は普通の成形温度を用いて
成形できることが望ましい。出発材料はなるべく３５０
℃で成形でき且つ熱互変性のものとすべきである。 【００３６】次の諸例はもっぱら説明のために示すもの
であって、添付の請求の範囲に指示する以外に発明の範
囲を限定するものと解せらるべきではない。 【００３７】例 １ 約５０mm長の円柱形ロッドを無充填の（きれいな）ＬＣ
Ｐから成形した。それらのロッドから切断した長さ２５
mmのセグメントの線膨脹係数を、一般に知られる膨脹計
測法によって温度の関数として連続的に記録した。測定
はＬＣＰの流れ方向に平行に測った。結果は表２の試料
番号１および２に示す。 【００３８】例 ２ 例１と同様にきれいなＬＣＰからロッドを成形した。半
径方向の線膨脹係数を前述のように測定した。結果は表
２に試料番号３、４として示す。 【００３９】例 ３ ベース高分子にタルクを添加した充填剤入り高分子か
ら、フェルールの肩の側部にゲートを持った型を用い
て、フェルールを成形した。軸方向に持ったフェルール
チップの線熱膨張係数を表２の試料番号５〜８に示す。 【００４０】例 ４ 例１のものと同様にして充填剤入り材料からロッドを成
形した。例１と同じように流れ方向に平行に線膨脹係数
を測定した。結果は表２の試料番号９〜１２に示す。 【００４１】表２は上記の各種試料の膨脹係数を示す。
試料１〜４は例１、２の高分子のもの、試料５〜１２は
例３、４の充填剤入り高分子のものである。膨脹係数は
ppm/℃で表される。 【００４２】 【表２】【００４３】上表は本発明の利点を明瞭に示している。
試料１および２（無充填ＬＣＰ）は流れ方向に測って負
の膨脹係数を有する。これに対し、試料３および４は熱
膨脹係数が正であり試料１、２のものとの差が相当大で
ある。試料５、６と試料９、１０は、タルク充填したＬ
ＣＰ２０００から乱流で成形した試料と層流で形成した
試料について測った膨脹係数の差異を対比させたもので
ある。試料７、８と試料１１、１２は、ベース高分子が
ＬＣＰ４０６０の場合と同様な差異を実証する。この差
異はきれいな材料の場合よりも充填剤入りの材料の方が
はるかに目立たない。充填剤入り材料は挙動がほとんど
等方性と考えられる。表２からわかるように、きれいな
材料で製せられたフェルールは低膨脹ファイバに特に好
適し、これに対し、中および高膨脹ファイバには充填剤
入り材料製のフェルールの方が適する。

【図面の簡単な説明】 【図１】典型的な光ファイバ相互接続アセンブリの分解
図である。 【図２】この発明に用いられるフェルール作製用型の図
式断面図である。 【図３】この発明により高分子材料で製造しうる典型的
な光ファイバコネクタフェルールの断面図である。 【符号の説明】 １２ フェルール部材 １３ 光ファイバ伝送部材 １２２ 減径区分（開口） １２６ 貫通孔（内口）

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．光ファイバ伝送部材を受容する貫通孔を含み、該貫
   通孔の一部が比較的小径に形成されて前記光ファイバ伝
   送部材の光ファイバを保持する減径区分を構成する光フ
   ァイバ伝送部材成端用のフェルール部材において、 前記減径区分は前記フェルール部材用の金型中の流れ方
   向を実質的に前記減径区分の半径方向となるようにして
   成形した液晶高分子材料により構成されることを特徴と
   する光ファイバ伝送部材成端用のフェルール部材。