JP3694643B2 - 光ファイバ用フェルールおよびその加工方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、光通信等に使用される、光ファイバを固定するための光ファイバ用フェルールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、光通信などの光信号処理に用いられる光ファイバーを固定するための光ファイバ用フェルールは、光ファイバ同士を接続するために用いられる光コネクタもしくは、半導体レーザと光ファイバ等から構成される半導体レーザモジュール等に用いられている。
【0003】
一例として、光コネクタは図8にその概略図を示すように、石英からなるシングルモード光ファイバー5を挿通し接着固定した後、先端面11に略凸球面状に研磨したジルコニアセラミックスからなる光ファイバ用フェルール(以降フェルール1)の先端面11同士を当接させて光接続するようになっている。
【0004】
上記光ファイバ5の接着や、先端面11の研磨を行う前のフェルール1を図9に示す。このフェルール1において、貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16は特に形状が規定されていないため、従来の研削加工で先端面11を仕上げているフェルール1においてはつなぎ部16にチッピングが生じており、又そのチッピングを取り除くために研磨加工を行ったフェルール1においてはつなぎ部16に先端面11から内周面にかけて大きな曲面状となる穴ダレが生じていた。
【0005】
又、フェルール1の外周面13と先端面取り部14とのつなぎ部18及び外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部19は曲面状にすると規定されているが、ジルコニアセラミックスは加工性が悪いためにほとんどのフェルール1は曲率半径0.01mm〜0.02mm程度しか加工されていなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光ファイバ用フェルール1において、貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16にチッピングや穴ダレが生じているため、光ファイバ5を接着した後の先端面11を研磨する工程にて光ファイバ5が先端面11で貫通孔12に完全に覆われておらず十分に固定されていないことによって、光ファイバ5にクラックが入る事があるとともに、研磨後にチッピングや穴ダレが残ってしまい外観上汚いという問題があった。
【0007】
また、フェルール1を光コネクタとして用いる場合、りん青銅のスリーブ(不図示)に挿入する際に外周面13と先端面取り部14とのつなぎ部18でスリーブに傷を付けてしまい、フェルール1の外周面13に黒いスリーブの削りカスが付着し、しまいには光ファイバ先端面にその削りカスが付着し接続損失が悪化するという問題があり、又繰り返し挿抜にてスリーブの円筒度及び真直度を悪化させてしまい接続損失が安定しないという課題があった。
【0008】
更に、後端面17に金属製のフランジを圧入する際には、外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部19においてスムーズに挿入されないために、フランジが曲がることがあったり又フェルール1のカケや折れが発生するという課題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて本発明は、軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する略円筒状のジルコニアセラミックス製光ファイバ用フェルールにおいて、光ファイバを接着固定する前の貫通孔と先端面とのつなぎ部の曲率半径R1を0.0005mm≦R1≦0.02mmの範囲としたことを特徴とする。
【0010】
又、本発明は、上記光ファイバ用フェルールにおいて、貫通孔内面を研磨した後、フェルールの先端面を、平均粒径2μm以下のダイヤモンド砥石を用いて、該ダイヤモンド砥石とフェルールとの間の過負荷を逃がすように加工することを特徴とする。
【0011】
即ち、本発明によれば、フェルールの先端面を加工する際に平均粒径2μm以下の微細なダイヤモンド砥石を用いることで、貫通孔と先端面のつなぎ部の曲率半径R1を0.0005mm〜0.02mmとすることができ、これによってつなぎ部のチッピングや穴ダレを防止できる様にしたものである。そして、このフェルールに光ファイバを挿入接着し、先端面を研磨すれば、光ファイバが貫通孔で完全に覆われているため光ファイバにクラックが入ることを防止できる。
【0012】
更に本発明は、軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する略円筒状のジルコニアセラミックス製光ファイバ用フェルールにおいて、先端面の外周に面取り部を備え、この先端面取り部と外周面とのつなぎ部の曲率半径R2を0.03mm≦R2<5mmの範囲としたことを特徴とする。
【0013】
又本発明は、軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する略円筒状のジルコニアセラミックス製光ファイバ用フェルールにおいて、後端面の外周に面取り部を備え、この後端面取り部と外周面とのつなぎ部の曲率半径R3を0.03mm≦R3<2mmの範囲としたことを特徴とする。
【0014】
【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。
【0015】
図1は本発明の実施形態を示す光コネクタ用フェルールの断面図で、フェルール1の略凸球面状の先端面11と外周面13とのつながり部分に先端面取り部14を設け、該フェルール1の中心には先端面11から軸方向に貫通孔12が円錐状のファイバ挿入ガイド12aにつながり後端部15まで伸びた構造となっている。又、後端部15と外周面13とのつながり部分に後端面取り部17を設け、フランジ2が固定されている。
【0016】
図2、3に示すように上述したフランジ2をバネ3等で付勢した状態でプラグハウジング4内に配置し、該プラグハウジング4の外周にネジ等の取り付け部材6を備え、上記フェルール1の貫通孔12に光ファイバ5を挿入しエポキシ接着剤等の接着剤100を用いて固定して、コネクタプラグ8を構成する。一方、アダプタ9には上記フェルール1を挿入するためのスリーブ7と、取付部材6に合致するようなネジ91を備えている。
【0017】
いま、アダプタ9の両側からコネクタプラグ8を挿入して、フェルール1をスリーブ7内に挿入し、互いのフェルール1の先端面11同士を当接させ、取付部材6で固定すれば光ファイバコネクタを構成することが出来る。
【0018】
該フェルール1は外径D=φ2.5mm、長さL=10.5mm、貫通孔d=φ0.126mm、が一般的な寸法である。
【0019】
次に、本発明の貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16、外周面13とそれにつながる先端面取り部14とのつなぎ部18、及び外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部19について図4(a)〜(c)を用いて説明する。
【0020】
図4(a)において、貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16の曲率半径をR1とし、0.0005mm≦R1≦0.02mmの範囲としてある。曲率半径R1が0.0005mm未満ではフェルール1がガラスやセラミックスの場合に鋭角すぎるので、先端面11の加工時にチッピングが生じやすくまた、持ち運び中にトレーに衝突した衝撃でチッピングが生じる。又、曲率半径R1が0.02mmを越えるとファイバ接着後の研磨において光ファイバが先端面11で貫通孔12に完全に覆われていない為に十分に固定されておらず光ファイバにクラックが入ることがあったり、研磨後に穴ダレやチッピングが残り外観上汚くなる。ここで先端面11は平面でも球面でも同等の効果を奏することが出来る。
【0021】
本発明において貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16を曲率半径として規定しているが、これはR形状のみではなく、つなぎ部16の穴ダレやチッピング、カケなどを含むことが出来る。この場合の数値規定は先端面11の半径方向と貫通孔12の長手方向のうち大きい値を用いる物とする。
【0022】
例えば、半径方向に0.0008mm、長手方向に0,0003mmのカケがつなぎ部16にあった場合は、最大値は0.0008mmとなり本発明の範囲内となる。又、半径方向に0.032mm、長手方向に0.020mmのカケがあった場合は本発明の範囲外となる。
【0023】
次に図4(b)において、外周面13とそれにつながる先端面取り部14とのつなぎ部18の曲率半径R2を0.03mm≦R2<5mmの範囲としてある。曲率半径R2が0.03mm未満であると、フェルール1をりん青銅のスリーブに挿入する際、外周面13と先端面取り部14とのつなぎ部18でスリーブに傷をつけてしまい、フェルール1の外周面13に黒いスリーブの削りカスを付着させ外観を汚いものにすると共に、しまいにはその削りカスが光ファイバ先端面に付着し接続損失を悪化させる原因となる。更には、繰り返し挿抜にてスリーブの円筒度及び真円度が悪化してしまい接続損失が安定しない要因となる。又、曲率半径R2が5mm以上になると外周面13のストレート部が短くなってしまい、スリーブにてしっかりと保持されなくなってしまう。
【0024】
更に図4(c)において、外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部19の曲率半径R3を0.03mm≦R3<2mmの範囲としてある。曲率半径R3が0.03mm未満であると、後端面17に金属製のフランジ2を圧入する際に外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部18において、スムーズに挿入出来ないために、フランジ2が曲がることがあったり、又はフェルール1にカケや折れが発生する原因となる。又、曲率半径R3が2mm以上になると外周面13のストレート部が短くなってしまい、フランジ2への圧入力が確保出来なくなってしまう。
【0025】
ここで、つなぎ部16,18,19をR1,R2,R3と曲率半径で表しているが、完全な円形でなくとも楕円や角面の両端にカーブを付けたような形状でもかまわない。
【0026】
例えば、つなぎ部16におけるさまざまなR形状の断面図を、図5(a)〜(d)に示す。
【0027】
図5(a)は完全な円形である。(b)は楕円となっており図中縦方向に長くなっている。(c)は中央部分が直線状で両端が円形となっている。(d)は直線2本が中間点で合流した飛び出し型を示している。いずれの形状においても滑らかな線でつながった断面形状をなしている。
【0028】
図中のRの部分が縦横の長い値を示し、このRが本発明の範囲に入っていれば、全て同等の効果を奏することが出来る。
【0029】
なお、本発明のフェルール1は、光ファイバを接着して先端面11を研磨する前の状態のものである。したがってこのフェルール1は、貫通孔12に光ファイバを接着し先端面11を研磨することになり、この研磨工程によりつなぎ部16のRはなくなり、光ファイバにはクラックが生じず、外観上きれいな状態となる。
【0030】
以上より、つなぎ部16,18,19の曲率半径をそれぞれ0.0005mm≦R1≦0.02mm、0.03mm≦R2<5mm、0.03mm≦R3<2mmの範囲とすることにより、光学特性が安定し、しかも外観も問題のないフェルール1を得ることが出来る。
【0031】
次に、フェルール1の材質としては、特にジルコニアを主成分とするセラミックスが最適である。具体的には、ZrO2を主成分とし、安定化剤としてY2O3、MgO、CaO、CeO2、Dy2O3等の一種以上を含有するもので、正方晶の結晶を主体とした部分安定化ジルコニアセラミックスを用いる。又、この様なジルコニアセラミックス製のフェルール1を製造する場合は、上記の原料粉末を用い、押出成形や射出成形もしくはプレス成形等で所定形状に成形した後、焼成することによって得られる。
【0032】
このジルコニアセラミックスは、平均結晶粒径が0.1〜1.0μmであり、かつ気孔率が3%以下であるものを適用できる。ここで平均結晶粒径が1.0μmを越えると結晶間の空隙が大きくなり良好な外周面が得られず、又原料混合時ボールミル等で粉砕を行う時に安定して0.1μm以下に粒度を調整することが困難であり、焼成後は結晶が粒成長するため更に径が大きくなる為に0.1μm以上とした。気孔率はフェルールの個体中に含まれる空隙の割合を百分率であらわしたもので3%を越えると気孔部分が先端面11の面粗さを悪化させてしまうことになる。
【0033】
該フェルール1の後端部15に固定されているフランジ2の材質はステンレス鋼、銅合金にニッケルメッキ仕上げしたもの、真鍮にニッケルメッキ仕上げしたもの、洋白にニッケルメッキ仕上げしたもの等の金属製を用いることができる。
【0034】
このフェルール1はシングルモ−ド、マルチモード共に適用できる。
【0035】
次に、本発明のフェルール1のつなぎ部16の加工方法について説明する。
【0036】
フェルール1の貫通孔12の内周面は予め研磨加工で所定の内径に仕上げられている。その後先端面11を曲率半径10mm〜25mmになるように略凸球面加工を行う。この球面形成加工は、砥石形状転写型と球面創世型の2通りの方法がある。
【0037】
このうち、砥石形状転写型は図6に示すように、外周面111に曲率半径10〜25mmの凹部112を有する円筒状をした砥石113を500〜20000rpm程度の速度で回転させ、フェルール1を砥石113に対して回転比で1/2〜1/100の速度で回転させ、砥石113に対して垂直に先端面11を当接させることによりフェルール1の先端面11には砥石113の形状が転写される加工方法である。
【0038】
この砥石113に平均粒径2μm以下の微細なダイヤモンド砥石を用いれば、つなぎ部16の曲率半径が0.0005mm〜0.02mmに仕上げられる。
【0039】
次に、球面創成型は図7に示すように、球面用カップ砥石115をフェルール1の回転中心に対し傾斜させて配置し、フェルール1及び球面用カップ砥石115ともに回転させて先端面11に凸球面を形成する加工方法である。
【0040】
この球面用カップ砥石115の先端部116に平均粒径2μm以下の微細なダイヤモンド砥石を用いれば、つなぎ部16の曲率半径が0.0005mm〜0.02mmに仕上げられる。
【0041】
この2方法いずれにおいても、砥石113の回転機構とフェルール1の回転機構の剛性が十分であるものを用い、更に加工中に過負荷が生じた場合に自動的に負荷を逃がす様な、例えば過負荷自動制御装置等を用いることによって、チッピングを生じることなく上記のようにつなぎ部16を微小な曲率半径とすることができる。
【0042】
又、この2方法のいずれにおいても、フェルール1のつなぎ部16の曲率半径を0.0005mm〜0.02mmに仕上げることが出来ると共に、フェルール1には光ファイバ5が付いていないので加工時に自動供給、自動排出が可能となりしかもフェルール1を回転させて加工が出来るので高速でしかも安定した品質の凸球面の形成が可能となる。
【0043】
ここで砥石の平均粒径を2μm以下としたのは、2μmを越えると穴ダレが大きくなり、しかもチッピングも生じてくるためである。そして平均粒径2μm以下のダイヤモンド砥石を用いることによって、先端面11の面粗さが0.2μm以下の鏡面とすることができ、またこの加工方法によれば先端面11とつなぎ部16を同時に加工することができる。
【0044】
次に、つなぎ部18,19の加工については、先端面取り部14,後端面取り部17の加工後外周面13を研磨加工するとつなぎ部18,19にエッジが生じる。このつなぎ部18,19を曲面状に加工するためにはブラシ研磨を行うことが一般的であり、曲率半径R2,R3の大きさはダイヤモンド砥粒の平均粒径と加工時間に依存する。本発明の0.03mm≦R2<5mm、0.03mm≦R3<2mmの範囲に納めるには、ダイヤモンド砥粒の平均粒径が1μm〜5μm、加工時間は10分から60分が適当である。
【0045】
以上より、つなぎ部16,18,19の曲率半径をそれぞれ0.0005mm≦R1≦0.02mm、0.03mm≦R2<5mm、0.03mm≦R3<2mmの範囲とすることにより、光学特性が安定し、しかも外観も問題のないフェルール1を得ることが出来る。
【0046】
【実施例】
ここで、以下に示す方法で実験を行った。
【0047】
図1に示すジルコニアセラミックス製のシングルモードフェルールの外径D=φ2.5mm、長さL=10.5mm、貫通孔d=φ0.126mmで、貫通孔12と先端面11とのつなぎ部16の曲率半径を0.0004mm、0.0006mm、0.002mm、0.005mm、0.010mm、0.020mm、0.025mm、0.030mmに変えたサンプルを各100個作成し、該フェルール1に光ファイバを挿通固定した後、光ファイバ先端面のみを仕上げ研磨して、研磨後の光ファイバ先端面のクラックの有無とつなぎ部16の状態を観察した。ここでつなぎ部16に穴ダレやチッピングが残っていた場合を不良としてカウントした。
【0048】
その結果を表1に示す。表中の数字は不良の数量である。
【0049】
【表1】
【0050】
この結果より、つなぎ部16の曲率半径が0.0004mmのフェルール1を用いた光ファイバコネクタはつなぎ部16にチッピングが生じており、0.025mm、0.03mmのフェルール1を用いた光ファイバコネクタはクラック、穴ダレ、チッピングが生じているのに比べ、本発明である0.0006mm、0.002mm、0.005mm、0.010mm、0.020mmのフェルール1を用いた光ファイバコネクタはクラック、穴ダレ、チッピングが生じていないことがわかる。
【0051】
次に、前記同様に図1に示すジルコニアセラミックス製のシングルモードフェルールの外径D=φ2.5mm、長さL=10.5mm、貫通孔d=φ0.126mmで、外周面13と先端面取り部14とのつなぎ部18の曲率半径を0.025mm、0.030mm、0.1mm、1.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mmに変えたサンプルを各5個作成し、500回の繰り返し挿抜を行い試験前後の接続損失値を確認した。
【0052】
その結果を表2に示す。表中の値は5個サンプルの平均値である。
【0053】
【表2】
【0054】
この結果より、つなぎ部18の曲率半径が0.025mmのサンプルは挿抜途中で接続損失が悪化してきており、又、曲率半径5mm、6mmのサンプルは初期状態から接続損失が悪いことがわかる。これに比べ、本発明である0.030mm、0.10mm、1.0mm、4.0mmのサンプルは繰り返し挿抜前後の接続損失が安定していることがわかる。
【0055】
最後に、同様に図1に示すジルコニアセラミックス製のシングルモードフェルールの外径D=φ2.5mm、長さL=10.5mm、貫通孔d=φ0.126mmで、外周面13と後端面取り部17とのつなぎ部19の曲率半径を0.025mm、0.030mm、0.1mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mmに変えたサンプルを各50個作成し、金属製のフランジ2を圧入しフランジ2の曲がり、フェルール1のカケ、折れの有無を確認した。
【0056】
その結果を表3に示す。表中の数字は不良の数量である。
【0057】
【表3】
【0058】
この結果より、つなぎ部19の曲率半径が0.025mmのサンプルはフランジの曲がり、フェルールの折れやカケが生じ、又曲率半径2mm、3mmのサンプルは圧入力が確保できず簡単に抜けるものも発生している。これに比べ、本発明である0.030mm、0.10mm、1.0mm、1.5mmのサンプルはフランジ2の圧入後フランジ2、フェルール1ともに異常がなく、しかも簡単にフランジが抜けないことがわかる。
【0059】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、ジルコニアセラミックス製の光ファイバ用フェルールにおいて、光ファイバを固定する前の貫通孔と先端面とのつなぎ部の曲率半径を0.0005mm≦R1≦0.02mmの範囲とすることにより、光学特性が安定し、しかも外観も問題のないフェルール1を得ることが出来る。
【0060】
又、本発明によれば外周面と先端面取り部のつなぎ部、外周面と後端面取り部のつなぎ部の曲率半径をそれぞれ0.03mm≦R2<5mm、0.03mm≦R3<2mmとすることにより光学特性が安定し、しかもフランジの曲がりやフェルールのかけの発生しないフェルール1を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ファイバ用フェルールにフランジを固定した状態を示す断面図である。
【図2】本発明の光ファイバ用フェルールを用いた光ファイバコネクタを示す斜視図である。
【図3】本発明の光ファイバ用フェルールを用いた光ファイバコネクタを示す縦断面図である。
【図4】(a)〜(c)は本発明の光ファイバ用フェルールのつなぎ部を示す縦断面図である。
【図5】本発明のつなぎ部の曲率半径を説明する図である。
【図6】本発明の光コネクタ用フェルールの加工方法を示す図である。
【図7】本発明の光コネクタ用フェルールの加工方法を示す図である。
【図8】一般的な光ファイバコネクタの接合部を示す概略図である。
【図9】一般的な光コネクタ用フェルールを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 フェルール
11 先端面
12 貫通孔
13 外周面
14 先端面取り部
15 後端部
16 つなぎ部
17 後端面取り部
18 つなぎ部
19 つなぎ部
2 フランジ
3 バネ
4 プラグハウジング
5 光ファイバ
6 取付部材
7 スリーブ
8 コネクタプラグ
9 アダプタ
91 ネジ
111 外周面
112 凹部
113 砥石
115 球面用カップ砥石
116 先端部
R1,R2,R3 曲率半径
Claims (3)
- 軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する略円筒状のジルコニアセラミックス製光ファイバ用フェルールにおいて、光ファイバを接着固定する前の貫通孔と先端面とのつなぎ部の曲率半径R1を0.0005mm≦R1≦0.02mmの範囲としたことを特徴とする光ファイバ用フェルール。
- 上記フェルールの先端面の外周に面取り部を備え、この先端面取り部と外周面とのつなぎ部の曲率半径R2を0.03mm≦R2<5mmの範囲としたことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ用フェルール。
- 上記フェルールの後端面の外周に面取り部を備え、この後端面取り部と外周面とのつなぎ部の曲率半径R3を0.03mm≦R3<2mmの範囲としたことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ用フェルール。
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