JP3435571B2

JP3435571B2 - 光ファイバコネクタ用フェルール

Info

Publication number: JP3435571B2
Application number: JP51149498A
Authority: JP
Inventors: 成幸三田地; 亮長瀬; 善明竹内; 尚田辺; 明彦坂本; 宏和竹内; 正幸二宮; 勝美稲田
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Glass Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NEC Corp; Nippon Electric Glass Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2003-08-11
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: DE69835128T2; EP0909967A1; KR20000016366A; WO1998045739A1; EP0909967B1; KR100317080B1; US6170995B1; DE69835128D1; AU5679298A; AU730505B2; EP0909967A4

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は，光ファイバを接続する光ファイバコネクタ
に使用される光ファイバコネクタ用フェルールに関する
ものである。

背景技術光通信に用いられるフェルールは，光ファイバコネク
タの重要部品である。このフェルールは，石英ガラス製
の光ファイバが挿入される貫通孔を有する円筒状部品で
ある。光ファイバ同士の接続は，フェルールの貫通孔
に，光ファイバを挿入固定して先端を研磨した後，スリ
ーブとよばれる外筒管に挿入し，他のフェルールと突き
合わせることによって行われる。このためフェルールに
は，優れた寸法精度を有するのは勿諭であるが，この他
にも機械的強度が高いこと，スリーブへの挿抜時の摩擦
に耐える高い耐磨耗性を有すること，先端を研磨する際
に光ファイバとの被研磨量が大きく相違しないように石
英ガラスに近い被研磨特性を示すこと，さらには熱膨張
係数が石英ガラスに近いこと等の材質特性が要求され
る。これらの材質特性を満足し，かつ，安価に製造でき
るフェルールを提供することが光通信網を整備する上で
の急務になっている。

現在，フェルールとしては，ジルコニア，アルミナ等
のセラミックス製のものや，非晶質ガラス製のものが使
用されている。これらの内で，セラミックス製フェルー
ルは，機械的強度や耐磨耗性の面では優れるが，被研磨
速度が石英ファイバに比べて著しく小さく，特殊な研磨
方法を採用しなければならないこと，熱膨張係数が光フ
ァイバに比べて非常に大きいため，温度変化による両者
の寸法変化によって初期の接続損失が劣化し易いこと，
さらに成形性や加工性が悪いため生産効率が低く，コス
ト高であるという欠点を有している。

これに対して，非晶質ガラス製フェルールは，被研磨
速度が石英ファイバに非常に近いために特殊な研磨方法
を採用する必要がなく，研磨コストが低減できること，
成形性や加工性が良く安価な生産が可能である等の優れ
た点を有するが，機械的強度や耐磨耗性が不十分である
という欠点がある。

また，結晶化ガラスを用いたフェルールも提案されて
いる。例えば，特公昭63−500684号公報には，フェルー
ル材にLi₂O−Al₂O₃−SiO₂系の結晶化ガラスを用いる技
術が記載されている。この技術では，熱膨張係数が石英
ファイバに近いフェルールが選られるものの，耐摩耗
性，被研磨特性，及び加工性等については考慮されてお
らず，これらの特性について何ら知見を与えるものでは
ない。また，特開平１−288803号公報には,P₂O₅−CaO系
結晶化ガラスからなる接続部品が開示されている。この
技術によれば，加工性のよいフェルール材を得ることが
できるが，耐摩耗性，機械的強度等については考慮され
ていない。また，貫通孔を得るために，レーザーを用い
るなど，コストアップ要因を含んでいる。

このように，光ファイバコネクタ用として求められる
要件を全て満足するフェルールが存在しないのが現状で
ある。

ところで，一般に，結晶化ガラスは，析出結晶とガラ
スマトリックスとの界面でのクラックの屈曲や分岐等に
よるエネルギーの吸収効果によって，非晶質ガラスより
も高い強度を有する。また，結晶化することで耐摩耗性
を向上させたり，熱膨張係数の小さい材料を得ることも
可能である。さらに結晶化ガラスは，非晶質ガラスと同
様に量産に適した成形性を有するという長所がある。

従って，結晶化ガラスを使用すれば，従来のフェルー
ル材料にはなかった優れた特性をもち，かつ，安価に製
造できるフェルールを提供できる可能性がある。

しかし，上述のような結晶化ガラスの優れた特徴は，
析出結晶の種類，大きさ，量によって著しく変化し，不
適切な結晶化状態では逆にフェルールに必要な特性を得
ることができない。

そこで，本発明の一目的は，機械的強度や耐磨耗性に
優れた光ファイバコネクタ用フェルールを提供すること
にある。

また，本発明のもう一つの目的は，光ファイバに近い
熱膨張係数と被研磨特性を有する光ファイバコネクタ用
フェルールを提供することにある。

また，本発明のさらにもう一つの目的は，単一モード
光ファイバの接続に用いられるジルコニア製フェルール
と同等の寸法精度を有する光ファイバコネクタ用フェル
ールを提供することにある。

さらに，本発明の他の目的は，ジルコニア製フェルー
ルより安価に製造できる光ファイバコネクタ用フェルー
ルを提供することにある。

発明の開示本発明者等は，種々の研究を行った結果，ある特定の
組成と性質を有する結晶化ガラスを用いることにより，
要求される材質特性を全て満たし，かつ，安価に製造可
能なフェルールが得られることを見いだした。

即ち，本発明の光ファイバコネクタ用フェルールは，
重量百分率で,SiO₂ 60〜70％,Al₂O₃ 16〜25％,Li₂O
1.5〜３％,MgO 0.5〜2.5％,TiO₂ 1.3〜4.5％,ZrO₂
0.5〜３％,TiO₂＋ZrO₂ ２〜6.5％,K₂O １〜5.5％,ZnO
０〜７％,BaO ０〜３％の組成を有し，平均粒径が２
μｍ以下のβ−スポジュメン固溶体又はβ−石英固溶体
を30〜70体積％析出してなり，曲げ強度が200MPa以上，
−50〜150℃における熱膨張係数が，−10〜50×10^-7/℃
の範囲にある結晶化ガラスからなることを特徴とする。

図面の簡単な説明第１図は本発明の実施例によるフェルールを示す断面
図である。

第２図は第１図のフェルール外径に対する光ファイバ
のコアの偏心量の分布を示すグラフである。

第３図は第１図のフェルールを用いた場合の接続損失
の分布を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態本発明の実施例を述べる前に，本発明のフェルール材
料を上記のように限定した理由について述べる。

本発明のフェルールにおいて，使用する結晶化ガラス
の析出結晶量は30〜70体積％，好ましくは,35〜60体積
％である。析出結晶量は，熱膨張係数や機的強度にも影
響を及ぼすが，特に耐摩耗性，被研磨特性及び成形性に
著しい影響を及ぼす。即ち，結晶の析出量が30体積％未
満であると耐摩耗性が不十分になり，ジルコニア製スリ
ーブに対して繰り返し挿抜を行った場合にフェルールに
傷が発生し，初期の接続特性を維持できなくなる。これ
に対し,30体積％以上の量の結晶が析出している場合に
は，耐摩耗性は著しく向上し，数百回におよぶ挿抜でも
傷が発生しない。ところが，必要以上に多量の結晶が析
出していると被研磨特性や成形性を悪化させることにな
る。即ち,70体積％より多くの結晶が析出すると，被研
磨速度が石英ガラスに比べて小さくなり，両者の被研磨
速度の差を軽減させるような特殊な研磨方法を必要とす
るためコスト高になる。さらに，そのように結晶性の強
いガラスは成形時に失透を発生し易く，効率の高い生産
を行うことが出来ない。

また，石英ガラス製の光ファイバの熱膨張係数は,5.5
×10^-7/℃（−50〜150℃）であり，一般のセラミックス
や非晶質ガラスに比べて著しく小さいため，既存のフェ
ルールを使用すると，温度変化によって両者の寸法が変
化し，初期の接続特性が劣化し易い。これに対し，β−
スポジュメン固溶体やβ−石英固溶体は極めて小さな熱
膨張係数を有するため，これらの結晶を主結晶とする結
晶化ガラスで作製した本発明のフェルールは熱膨張係数
が小さく，上記問題を克服或いは軽減できる。

熱膨張係数は，結晶の析出量によって変化し，結晶量
が30〜70体積％では−10〜50×10^-7/℃（−50〜150℃）
の範囲となる。この範囲であればフェルール用途として
使用可能であるが，特に−５〜35×10^-7/℃の熱膨張係
数を有するように調整することが望ましい。

また，本発明において，結晶化ガラスの析出結晶の平
均粒径は２μｍ以下，好ましくは１μｍ以下である。平
均粒径が２μｍ以下であれば,200MPa以上の曲げ強度が
得られ，かつ，フェルールとして十分な耐磨耗性を有す
る結晶化ガラスとなる。

尚，フェルールの機械的強度に関しては,JIS C5415
による同軸コネクタの引張強度の規格値である5kgの抗
折力を確保するには，フェルールの曲げ強度が200MPa以
上必要であると計算され，好ましくは250MPa以上必要で
ある。そして結晶の平均粒径が２μｍ以下であれば，十
分に高い機械的強度を得ることができ，このような要求
を満たし得る。しかし，平均粒径が大きくなりすぎる
と，結晶とガラスマトリックスの熱膨張差によって，両
者の界面での熱応力が大きくなり，マイクロクラックが
生じて機械的強度が低下する。また平均粒径が大きすぎ
ると耐摩耗性が劣化してしまう。

次に，本発明のフェルールに使用する結晶化ガラスの
組成範囲を上記のように限定した理由について述べる。

SiO₂は，ガラスの主たる構成成分であるとともに結晶
成分でもあり，その含有率は60〜70％，好ましくは62.3
〜67.5％である。SiO₂が60％より少ないと結晶が粗大化
し,70％より多いとガラス溶融時の融液の粘性が高くな
り，不均質なガラスになってしまう。

Al₂O₃も同様に結晶を構成する成分であり，その含有
率は16〜25％，好ましくは17〜22％である。Al₂O₃が上
記の範囲外であると析出結晶が粗大化し，また25％より
多いとガラス溶融時に失透が発生し易くなる。

Li₂Oも結晶構成成分であり，その含有率は1.5〜３
％，好ましくは２〜2.8％である。Li₂Oの含有量が1.5％
より少ないと所望の結晶が析出し難くなり，耐磨耗性が
著しく低下するとともに機械的強度や熱膨張特性も劣化
する。また,3％より多いと結晶析出量が70体積％を越え
るために被研磨特性が劣化するとともに，結晶が粗大化
する。

MgOは，ガラスの溶融を促進するとともに結晶を構成
する成分であり，その含有量は0.5〜2.5％，好ましくは
0.5〜２％である。MgOの含有量が0.5％より少ないと異
種結晶が析出して主結晶量が減少し易くなり,2.5％より
多くなると結晶析出量が多くなりすぎるとともに結晶が
粗大化する。

TiO₂は，ガラスを結晶化させる際に核形成剤として働
く必須成分であり，含有量は1.3〜4.5％，好ましくは1.
5〜3.8％である。TiO₂の含有量が1.3％より少ないと均
一な構造の結晶化ガラスが得られなくなり,4.5％より多
いとガラス溶融時に失透が発生する。

ZrO₂もTiO₂と同様に核形成剤として働く成分であり，
含有量は0.5〜３％，好ましくは0.5〜2.5％である。ZrO
₂の含有量が0.5％より少ないと所望のサイズの結晶を得
ることが困難になり,3％を越えるとガラス融液が失透し
やすくなるとともに，析出結晶が粗大化する。

また,TiO₂とZrO₂の合計量は,2〜6.5％，好ましくは2.
5〜６％の範囲になければならない。これらの成分の合
計量が２％よりも少ないと核形成が不十分になり，異種
結晶が析出し易くなるとともに結晶が粗大化し,6.5％よ
りも多くなるとガラス融液が著しく失透しやすくなる。

K₂Oは，異種結晶の析出を抑制し，また主結晶の量を
制御するために用いられ，その含有量は,1〜5.5％，好
ましくは,1.5〜4.8％である。K₂Oの含有量が１％よりも
少ないと異種結晶が析出して所望の特性が得られなくな
ったり，結晶量が多くなって被研磨性が劣化する。一
方,5.5％より多いと結晶量が少なくなって耐磨耗性が著
しく低下する。

ZnOは，ガラスの溶融を促進するとともに均一性を高
める成分であり，その含有量は０〜７％，好ましくは１
〜５％である。ZnOの含有量が７％より多くなると異種
結晶が析出して熱膨張係数が大きくなり過ぎる。

BaOもZnOと同様にガラスの溶融を促進するとともに均
一性を高める成分であり，その含有量は０〜３％，好ま
しくは0.5〜2.5％である。BaOの含有量が３％より多く
なると異種結晶が析出し易くなる。

上記成分以外にも，ガラス溶融を容易にしたり，得ら
れる結晶化ガラスの熱膨張係数を調整する目的で,SrO,C
aO,Na₂O,Bi₂O₃,B₂O₃,PbOから選ばれた成分を合計量で10
％まで，結晶量や結晶粒径を調整するためにP₂O₅を５％
まで添加することができる。また，ガラス溶融時の清澄
剤としてAs₂O₃,Sb₂O₃,SnO₂等を，それぞれ2.5％まで，
好ましくは，それぞれ1.5％まで加えることができる。

なお，本発明においては，フェルール表面に圧縮応力
層を形成しておくことにより，曲げ強度を大幅に向上さ
せることができる。

圧縮応力層は，例えば以下の方法で形成することがで
きる。

表面のLiイオンをそれよりイオン半径の大きなイオン
で置換（イオン交換）する。

結晶化ガラスの歪点以上の温度から歪点以下の温度に
急冷する。

析出結晶の種類や量を調整してフェルールの内部より
も表面の熱膨張係数を小さくした後，冷却する。

それでは，本発明の実施例について説明する。

第１表乃至第３表は，本発明の実施例（試料No.1〜
８）及び比較例（試料No.9〜13）をそれぞれ示してい
る。

試料No.1〜11は次のようにして作製した。まず，表に
示した組成が得られるよう適切に選択されたガラス原料
を混合し,1650℃で24hr溶融したガラスを，直径60mm深
さ1mのカーボン型の中に鋳込み，その後除冷を行った。
得られたガラスを最高温度1100℃にて結晶化させた後，
貫通孔を有する結晶化ガラス母材を作製した。さらに得
られた結晶化ガラス母材の表面を研削して真円度を整え
た後，加熱延伸加工することによって，第１図に示すよ
うな，貫通孔10を有し，直径2.5mm,長さ10.5mmの光ファ
イバコネクタ用フェルール１を得た。さらに試料No.3,
4,8,及び11については，その表面にイオン交換処理を行
い，また，試料No.2,6,及び７については，急冷処理に
よって各々圧縮応力層を形成させた。なお，イオン交換
処理は,400℃に保ったKNO₃の溶融塩中に試料を浸し10時
間保持して，結晶化ガラス中のLiイオンをＫイオンで置
換することにより行った。急冷処理は,300℃／分の速度
でフェルールを1000℃から100℃に冷却することにより
行った。

試料No.12及び13には，現在使用されているシルコニ
ア製フェルール及び非晶質ガラス製フェルールをそれぞ
れ用いた。

このようにして得られた各試料について，析出結晶，
結晶の平均粒径，結晶量，曲げ強度，熱膨張係数，耐摩
耗性及び被研磨特性を評価した。なお耐摩耗性以外の評
価は，測定するのに適した形状にフェルール材を加工し
て行った。結果を各表に示す。

下記表から明らかなように，本発明の実施例である試
料No.1〜８は，すべて200MPa以上の高い曲げ強度と，数
100回の挿抜に耐える耐摩耗性を有し，従来の非結晶質
ガラス製フェルール（試料No.13）に比べて格段に性能
が向上している。

さらに，上記表から明らかな様に，熱膨張係数や石英
ガラスとの被研磨量の差も，ジルコニア製フェルール
（試料No.12）に比べて大幅に改善されている。

一方，比較例の試料No.9は，結晶が粗大化しているた
め，曲げ強度や耐摩耗性が低い。No.10は析出結晶が粗
大となって曲げ強度や耐摩耗性が低くなり，また結晶量
が多すぎるために被研磨特性が劣化している。試料No.1
1はイオン交換の効果によって高い曲げ強度を維持して
いるものの，結晶量が少なすぎるために耐摩耗性が非常
に悪い。

なお，主結晶の同定及び結晶量の定量は粉末Ｘ線回折
によって行った（表中のＳはβ−スポジュメン固溶体
を,Qはβ−石英固溶体を夫々示す）。結晶の平均粒径は
走査型電子顕微鏡による測定値から算出した。曲げ強度
は直径2.5mm,長さ36mmの大きさに加工した材料を用い,3
点曲げ法で測定した。熱膨張係数はディラトメーターに
て得られた熱膨張曲線から−50〜150℃における平均値
を求めた。耐摩耗性は,JIS C5961に基づき，ジルコニ
ア製のスリーブに各試料を繰り返し挿抜し，傷が生じる
までの挿抜回数を求めた。なお傷の判定は触針式形状測
定器によって行った。被研磨特性の評価は次のようにし
て行った。研磨剤として酸化セリウムを用い，フェルト
製研磨パッドを周速50m/min.で回転させ,500g/cm²の圧
力をかけながら20×20×2mmの大きさに加工した材料を3
0分間研磨し，厚みの変化量を測定した。また，同条件
で石英ガラスを研磨して厚みの変化量を測定した。続い
て両者の厚みの変化量の差を求め，この値を尺度とし
た。つまり，この差が小さいほど石英ガラスに類似した
被研磨特性を有することになる。

次に，試料No.3を光ファイバに取り付けて光コネクタ
を構成し，光学特性の評価を行った。光ファイバとして
モードフィールド径9.5μｍの単一モードファイバコー
ド，光コネクタとしてJIS C5973に規定されているSC形
光コネクタを用いた。

まず，本発明による試料No.3のフェルールにエポキシ
接着剤（epo−tek353ND）を用いて前記光ファイバを接
着し，端面をアドバンストPC研磨した。研磨したフェル
ール端面の形状は，通常のジルコニアフェルールと同等
の表面粗さ，凸球面形状及びファイバ引き込み量が得ら
れた。

研磨したフェルール15本について，フェルール外径に
対するファイバのコアの偏心量を測定した。その結果を
第２図に示す。第２図から明らかなように，フェルール
外径に対するファイバのコアの偏心量は，平均0.76μｍ
であり，通常のジルコニアフェルールを用いた場合に比
較して遜色のない分布が得られた。

次に波長1.31μｍのレーザ・ダイオード光源を用い
て，組み立てた２個の光コネクタブラグを接続したとき
の接続損失を測定した。使用した光コードの長さは2mで
あり，試料を取り付けた端部の他の端部には通常のジル
コニアフェルールによるSC形光コネクタを取り付け，光
学特性の測定に供した。21通りの組合わせについて測定
した結果を第３図に示す。第３図から明らかなように，
平均の接続損失は0.21dB,最悪でも0.5dB以下であった。
また，反射減衰量は全て50dB以上であった。これらの値
は，高性能が要求される光通信網において十分実用に耐
える特性である。以上,SCコネクタへの適用例について
述べたが，この実施例は，本発明の適用範囲を限定する
ものではなく,SCコネクタ以外の光コネクタのフェルー
ルにも適用可能であることは言うまでもない。

以上説明したように，本発明のフェルールは，機械的
強度や耐摩耗性に優れ，石英ファイバに近い熱膨張係数
と被研磨特性を有し，また単一モード光ファイバの接続
に用いられるジルコニア製フェルールと同等の寸法精度
を有する。

しかもジルコニア製フェルールより安価に製造でき
る。それゆえ光ファイバコネクタ用フェルールとして好
適であり，光通信網の整備に寄与するものである。

産業上の利用可能性以上のように，本発明にかかる光ファイバコネクタ用
フェルールは,SCコネクタやSCコネクタ以外の光通信網
の整備に用いられる光コネクタのフェルールとして好適
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長瀬亮東京都新宿区西新宿３丁目20番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者竹内善明東京都新宿区西新宿３丁目20番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者田辺尚東京都港区芝５丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者坂本明彦滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (72)発明者竹内宏和滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (72)発明者二宮正幸滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (72)発明者稲田勝美滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (56)参考文献特開平８−171030（ＪＰ，Ａ) 特開平６−329439（ＪＰ，Ａ) 特開平６−94944（ＪＰ，Ａ) 特開平５−286734（ＪＰ，Ａ) 特開平５−72441（ＪＰ，Ａ) 特開平１−288803（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−62812（ＪＰ，Ａ) 特表昭63−500684（ＪＰ，Ａ) 米国特許4126477（ＵＳ，Ａ) 長瀬亮、竹内善明、三田地成幸，結晶化ガラスフェルールを用いたＳＣ／ＭＵ形光コネクタの特性，1997年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１，日本，財団法人電子情報通信学会，1997年８月13日，161頁坂本明彦、竹内宏和、和田正紀、長谷川義徳、二宮正幸、稲田勝実，光コネクタ用結晶化ガラスフェルールの試作, 1997年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１，日本，財団法人電子情報通信学会，1997年８月13日，162頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/36 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率でSiO₂ 60〜70％,Al₂O₃ 16〜
25％,Li₂O 1.5〜３％,MgO 0.5〜2.5％,TiO₂1.3〜4.5
％,ZrO₂ 0.5〜３％,TiO₂＋ZrO₂ ２〜6.5％,K₂O １〜
5.5％,ZnO ０〜７％,BaO ０〜３％の組成を有し，平
均粒径が２μｍ以下のβ−スポジュメン固溶体又はβ−
石英固溶体を30〜70体積％析出してなり，曲げ強度が20
0MPa以上，−50〜150℃における熱膨張係数が−10〜50
×10^-7/℃の範囲にある結晶化ガラスからなることを特
徴とする光ファイバコネクタ用フェルール。
【請求項２】請求項１記載の光ファイバコネクタ用フェ
ルールにおいて，外表面に圧縮応力層が形成されてなる
ことを特徴とする光ファイバコネクタ用フェルール。