JP3965477B2 - 光ファイバーと光学レンズとの接続方法及び接続装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバーと光学レンズとの接続方法及び接続装置に関する。

光通信に使われる基本モジュールの一つにファイバーコリメータがある。ファイバーコリメータとは、光ファイバーとレンズとを一体化したモジュールであり、レンズ特性に応じたビームの出射又は入射を行うために使用される。
かかるファイバーコリメータの製造にあっては、従来から光ファイバーの端部とレンズとを接着剤を用いて接続することが行われている。即ち、接続に際して、予めファイバーをキャピラリまたはフェルールとよばれる管状のガイドに通し、管状のガイドとファイバーの端部を揃えた状態で固定すると共にファイバーの先端を研磨し、ガイドの端面と一致させた後、ファイバーをガイドと共にレンズの光軸とファイバーの光軸を一致させて接着している。

また、光ファイバーとレンズの接続において、接着剤を使用せずに、光ファイバーの端面とレンズの端面との間に空間を設けて配置する構造も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合には光学特性を満足させる為に、レンズ端面に反射防止膜のコーティングを施し、ファイバーとレンズの位置関係を調整して固定している。
米国特許第５８８９９０４号明細書

しかしながら、接着剤を用いて光ファイバーとレンズとを接続する構造では、接着剤が通過光の一部を吸収し、高強度光が入射した場合に温度上昇を生じ、接着剤が変質すると共に光学特性が劣化する場合があった。
一般的に、光学接着剤は、光通信で使用される波長域での吸収が1〜5%程度であり、高温に耐性がある接着剤でも、摂氏400度程度を越えると変質を生じる。しかし、かかる耐久温度の範囲では、数[W]クラスの光強度まで耐えることができなかった。

また、上記接着剤を用いる接続の手法では、キャピラリ等のガイドに光ファイバーを保持させた上で端面合わせのための研磨作業が必要な為、作業が煩雑であると共に製品コストが高くなるという問題もあった。
さらに、二芯ファイバー(単芯二本及び二芯テープファイバー)をコリメータレンズと接合させる場合は、二つのファイバー端面を精度良く揃えなければ低損失な接合が出来ないという理由と、二つのファイバーが離れていると小型化ができなくなるという理由により、二穴又は一穴の穴付ガイド(キャピラリ等)に各ファイバーを挿入し、二つのファイバーを接近させた状態を維持して接着剤等で固定し、ガイドと共にファイバー同士の端面をも揃えるための研磨が必要であった。

また、特許文献１に示す光ファイバーとレンズとの間に隙間空間を設けて接続する方法の場合、各端面上の異物の侵入などにより、光特性が劣化するおそれがあるという不都合があった。
また、接着剤等により互いの端面同士が固定されないため、双方の位置関係を固定すると共に接続後も位置関係を維持するための為の構造が必要となり、部品点数及び作業工数の増加を招くと共に低コスト化、小型化が困難となるという不都合があった。
また、ファイバーとレンズの各端面に反射防止膜のコーティングが必要になることからコスト高を生じると共に反射防止膜の光耐性に影響を受けるという不都合もあった。

本発明は、光ファイバーとレンズの間に空気層も接着剤も介在させずに、容易に接続を図ることをその目的とする。

請求項１記載の発明は、光学レンズよりも軟化点が高い光ファイバーを光学レンズに接続するための接続方法であって、加熱により光学レンズのみを軟化させ、当該軟化した光学レンズの接続部に光ファイバーの接続部である端面を押し込ませて接続を図る、という手法を採っている。
上記方法では、まず、光学レンズの接続部を加熱して軟化させる。前述したように、軟化点は光ファイバーの方が高いので、光学レンズの軟化点以上であって光ファイバーの軟化点未満の温度で光学レンズと光ファイバーの接続部を同時に加熱しても良いし、光学レンズの接続部のみを加熱しても良い。
そして、軟化した状態の光学レンズの接続部に対して光ファイバーの接続部である端部を押し付ける。光学レンズは軟化しているので、光ファイバーの端部がめり込むように光学レンズ側に押し込む。その後、光学レンズが冷めると、光ファイバーの端部の周囲から光学レンズが保持を行い、相互間の接続が行われる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明と同様の構成を備えると共に、光ファイバーの端部と光学レンズの接続部とを対向配置すると共に、光学レンズの接続部から光ファイバー側に離れた位置を放電位置としてアーク放電により光学レンズを軟化させる、という手法を採っている。
上記方法では、放電による加熱点を光学レンズの接続部を離間させることで、その離間距離に応じた温度で光学レンズの接続部を加熱する。

請求項３記載の発明は、光学レンズよりも軟化点が高い光ファイバーを光学レンズに接続するための接続装置であって、光学レンズを保持するレンズホルダ機構と、レンズホルダ機構を保持した光学レンズの光軸方向に沿い移動して位置決めする駆動モータと、光ファイバーの接続部を光学レンズの接続部に対向して保持するファイバーホルダ機構と、光ファイバーを光学レンズに対する接離方向に移動させる直動機構と、光学レンズを加熱する加熱手段とを備え、レンズホルダ機構とファイバーホルダ機構とは、光学レンズの接続部と光ファイバーの接続部とを対向させた状態で保持すると共に、加熱手段による目標加熱位置から保持された光学レンズの接続部までの距離を調節する加熱位置調節機構と、光学レンズから離れた目標加熱位置として当該光学レンズの軟化点までしか加熱しないように加熱位置調節機構を制御すると共に、軟化した光学レンズに光ファイバを押し込む位置までレンズホルダ機構とファイバーホルダ機構とを位置決めするように駆動モータと直動機構とを制御する動作制御手段とを備える、という構成を採っている。

上記構成では、レンズホルダ機構とファイバーホルダ機構とにより、光学レンズの接続部と光ファイバーの接続部たる端面とが対向支持される。そして、加熱位置調節機構により、保持された光学レンズの接続部から適度に離れた位置を目標加熱位置として加熱手段が加熱を行うことで、光学レンズの接続部が適度に加熱されて軟化され、その後、光ファイバーの端部が光学レンズの接続部に押し込まれるように、光ファイバー又は光学レンズを相対的に移動させて、相互の接続が行われる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明と同様の構成を備えると共に、ファイバーホルダ機構は、光ファイバーの接続部側の端面近傍を、締結と解放とを可能として保持する第一のファイバーホルダと、光ファイバーを接続部以外の位置で保持する第二のファイバーホルダと、少なくとも第一と第二のいずれか一方のファイバーホルダを光ファイバーの軸線からずれる方向に移動させるホルダ位置調節機構とを備える、という構成を採っている。

上記構成は、二芯の光ファイバーを光学レンズに接続する場合に適している。かかる二芯の光ファイバーは、コアとクラッドからなる芯線が一本のチューブ状の被覆線に包まれた状態で保持されており、各芯線はいずれも被覆線の内側で当該被覆線の長手方向に移動可能に保持されている。
このような二芯の光ファイバーをその接続側の端部と端部以外の位置とで各ファイバーホルダが保持を行う。そして、第一のファイバーホルダが解放状態（光ファイバーを締結しない状態）でファイバー端部を保持し、ホルダ位置調節機構により、第一と第二のいずれか一方のファイバーホルダを光ファイバーの軸線からずれる方向に移動させると、光ファイバーが撓みを生じる。かかる撓みにより、二つの芯線は被覆線内の位置関係に応じてその端部位置が相対的に変動する。かかる変動により、各芯線の端部位置が一致するように第一と第二のいずれか一方のファイバーホルダを移動調節し、各端部位置を一致させたら、第一のファイバーホルダを締結状態として被覆線内の各芯線を固定する。そして、光学レンズの接続部を加熱して軟化させ、光ファイバーの端部を押し込ませて光ファイバーと光学レンズとの接続が行われる。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の発明と同様の構成を備えると共に、レンズホルダ機構とファイバーホルダ機構の少なくともいずれか一方を介して光ファイバーと光学レンズとが離間する方向に張力を付与すると共に、そのときに要する張力から光学レンズと光ファイバーの接続状態を検査する接続強度検査機構を備える、という構成を採っている。

上記構成では、光ファイバーと光学レンズとが接続された後に、相互に離間する方向に張力を付与し、その張力が所定値を越えれば、十分な接続強度で光ファイバーと光学レンズとが接続されていることが分かる。また、張力が所定値を越えない場合には、光ファイバーと光学レンズとに分離を生じた接続不良状態であることが分かる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明と同様の構成を備えると共に、接続強度検査機構による認識結果に応じて、加熱手段による再加熱を行う動作制御手段を備える、という構成を採っている。
上記構成では、接続強度検査機構により接続不良と判断されると、動作制御手段により、加熱手段と加熱位置調節機構とが駆動され、所定位置で光学レンズの接続部が再加熱され、軟化したところで光ファイバーの再接続が行われる。

請求項７記載の発明は、請求項３，４，５又は６記載の発明と同様の構成を備えると共に、光ファイバーと前記光学レンズの接続のための加熱を行う前に、加熱手段により、光ファイバーの接続部側の端面を、その軟化温度まで加熱する制御を行う加熱制御手段を備える、という構成を採っている。
上記構成では、予め光ファイバーの接続端部をその軟化温度まで加熱することで、光ファイバーの端部を平端面から曲面に変形させる。これにより、光ファイバーの端面反射による戻り光を乱反射させ、光学特性の劣化を抑制する。
また、二芯の光ファイバーにあっては二本並んだ芯線の一部が溶融して、各芯線の間に入り込むことで、毛細管現象により二本の芯線をくっつき合わせることができる。

請求項１記載の発明は、軟化した光学レンズに対して光ファイバーを押し込ませて相互の接続を図ることから、接着剤を不要とし、温度上昇による光学特性の劣化を回避することが可能となる。
また、光学レンズの軟化点までしか加熱しないことから、より高温の光ファイバーの軟化点まで加熱しないで良く、加熱出力の低減を図ることが可能となる。
また、光ファイバーの先端面に形状変化を生じないことから、光ファイバーについて、設計通りの光学特性を維持することが可能となる。
また、接着剤を不要とすることから、接着剤しろを不要とし、光ファイバーを固定するためのキャピラリ等のガイドを不要とし、ガイドと共にファイバ端面を研磨する作業を不要とする。従って、部品点数及び作業工数の低減によるコスト性及び生産性の向上を図ることが可能となる。

さらに、軟化した光学レンズに対して光ファイバーを押し込む方法のため、光ファイバーと光学レンズとの間に空間が形成されず、従って異物の侵入を回避して、光学特性を高く維持することが可能となる。
また、隙間空間を維持するための構造を不要とすると共に端面における反射防止コーティングを不要とするため、低コスト化、小型化を図ることが可能となる。
さらに、光ファイバーと光学レンズの双方を溶融させて融着する方法と異なり、相互の軟化温度の差にかかわらず接続することが可能となる。
また、光学レンズの線膨張係数が光ファイバーよりも大きい場合に、押し込まれた光ファイバーは周囲から光学レンズに締め付けられ、接続強度の向上を図ることが可能となる。

請求項２記載の発明は、放電による加熱点を光学レンズの接続部を離間させることで、その離間距離に応じた温度で光学レンズの接続部を加熱することが可能となる。このため、放電による出力強度の調節を行い装置等を不要として、簡易に光学レンズに対する加熱温度調節を行うことが可能となる。

請求項３記載の発明は、加熱手段による目標加熱位置が加熱位置調節手段により調節可能であることから、離間距離に応じて光学レンズの接続部に対する加熱温度を調節することができる。このため、この接続装置により、光学レンズの接続部のみを軟化させる加熱を行うことができ、かかる加熱後の光学レンズの接続部に対して光ファイバーの端部を押し込むことで光ファイバーと光学レンズとの接続を行う作業を容易に行うことができる。
さらに、接着剤を不要とする接続を可能とするので、請求項１記載の発明と同様の効果を得ることができる。
また、光学レンズの軟化点までしか加熱しないことから、より高温の光ファイバーの軟化点まで加熱しないで良く、加熱出力の低減を図ることが可能となる。
また、光ファイバーの先端面に形状変化を生じないことから、光ファイバーについて、設計通りの光学特性を維持することが可能となる。
また、光学レンズの線膨張係数が光ファイバーよりも大きい場合に、押し込まれた光ファイバーは周囲から光学レンズに締め付けられ、接続強度の向上を図ることが可能となる。

請求項４記載の発明は、二つのファイバーホルダの位置調節により二芯の光ファイバーの各芯線の端面の位置合わせを行うことから、研磨作業を不要とし、簡易な作業により位置合わせが可能となる。従って、作業性の向上を図ると共にガイド等を不要とし、コスト低減を図ることが可能なる。

請求項５記載の発明は、光ファイバーと光学レンズとの間の張力により、当該光学レンズと光ファイバーの接続状態を検査する接続強度検査機構を備えていることから、容易に接続不良を発見することが可能となる。
請求項６記載の発明は、接続強度検査機構の接続不良との判断により、加熱手段による再加熱を行う動作制御手段を備えることから、光ファイバーと光学レンズの接続作業の信頼性の向上を図ることが可能となる。

請求項７記載の発明は、予め光ファイバーの接続端部をその軟化温度まで加熱するために、光ファイバーの端部を曲面に変形させることができ、光ファイバーの端面反射による戻り光を乱反射させ、接続後の光学特性の劣化を抑制することが可能となる。
また、二芯の光ファイバーにあっては、二本並んだ芯線の一部が溶融して、各芯線の間に入り込むことで、毛細管現象により二本の芯線をくっつき合わせることができるため、芯線を二本揃えた状態とすることができ、光ファイバー端部の細径化を図ることが可能となる。

（実施形態の全体構成）
以下、本発明の実施形態たる光ファイバーＦと光学レンズＬの接続装置１０について図１乃至図６に基づいて説明する。図１は接続装置１０の概略構成図である。
ここで接続装置１０が接続を行う一方の対象物である光ファイバーＦは、二芯の光ファイバーであり、コアとクラッドからなる芯線Ｆ１が一本のチューブ状の被覆線Ｆ２に包まれた状態で保持されており、各芯線Ｆ１はいずれも被覆線Ｆ２の内側で当該被覆線Ｆ２の長手方向に沿って位置をずらすことが可能に保持されている。そして、光ファイバーＦは、各芯線Ｆ１の一端部の端面が光学レンズＬとの接続部となる。また、この光ファイバーＦは各芯線Ｆ１の材質として、熱による軟化点が摂氏約1700度の石英ガラスを使用している。
接続装置１０が接続を行うもう一方の対象物である光学レンズＬは、コリメートレンズであり、その一端部の端面が光ファイバーＦに対する接続部となる。また、この光学レンズＬはその材質として、熱による軟化点が摂氏約400〜600度の多成分ガラスを使用している。

接続装置１０は、光学レンズＬを保持するレンズホルダ機構２０と、光ファイバーＦを保持するファイバーホルダ機構３０と、光学レンズＬを加熱する加熱手段４０と、加熱手段４０による目標加熱位置から保持された光学レンズＬの接続部までの距離を調節する加熱位置調節機構５０と、レンズホルダ機構２０とファイバーホルダ機構３０の少なくともいずれか一方を介して光ファイバーＦと光学レンズＬとが離間する方向に張力を付与すると共に、そのときに要する張力から光学レンズＬと光ファイバーＦの接続状態を検査する接続強度検査機構６０と、上記各構成の動作制御を行う動作制御手段９０とを備えている。以下各部を説明する。

（レンズホルダ機構）
レンズホルダ機構２０は、光学レンズＬを保持するレンズホルダ２１と、レンズホルダ２１を所定の一軸方向に移動可能に支持するレンズ側スライドガイド機構２２とを備えている。
上記レンズホルダ２１は、筒状体をその中心線で二つに割った形状の一対の保持枠２３と、各保持枠２３を締結する締結ネジ（図示略）とを備え、一対の保持枠２３を締結ネジで締結することで光学レンズＬを挟持する。

レンズ側スライドガイド機構２２は、接続装置１０を水平面に設置した状態において、レンズホルダ２１を水平な一軸方向に沿って移動可能に保持している。また、このレンズ側スライドガイド機構２２は、レンズホルダ２１が保持する光学レンズＬの光軸とレンズホルダ２１を移動自在とする一軸方向とが一致するようにレンズホルダ２１の保持を行っている。即ち、光学レンズＬは、レンズ側レンズホルダ機構２０により、その光軸を水平方向に一致させた状態で当該光軸と並行に移動可能に保持される。

（接続強度検査機構）
接続強度検査機構６０は、保持された光学レンズＬに対する張力を検出する張力センサ６１と、この張力センサ６１を介してレンズホルダ２１に接続された移動体６２と、移動体６２に対して光学レンズＬが光ファイバーＦから離間する方向に移動力を付与するための駆動源となる駆動モータ６３と、駆動モータ６３の回転駆動力を移動体６２への移動力に変換するボールネジ６４とを備えている。

張力センサ６１は、レンズホルダ２１と移動体６２との間の微小変位を検出し、動作制御手段９０に対して出力するようになっている。一方、動作制御手段９０では、検出された変位からレンズホルダ２１と移動体６２との間の張力を算出することができる。

駆動モータ６３は、その回転駆動軸の中心線がレンズホルダ２１の移動方向と一致するように配設されており、且つ回転駆動軸とボールネジ６４のネジ軸とが連結されている。そして、ボールネジ６４は、移動体６２と係合して、駆動モータ６３の回転駆動により、その中心線方向に沿って移動体６２を移動させることができる。即ち、駆動モータ６３の所定回転方向の駆動により、ボールネジ６４を介して移動体６２をレンズホルダ２１から離間する方向に移動させ、その結果、光学レンズＬが光ファイバーＦから離間する方向に張力を付与することができる。

（ファイバーホルダ機構）
ファイバーホルダ機構３０は、光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の接続部側の端面近傍を保持する第一のファイバーホルダ３１と、光ファイバーＦを接続部以外の位置で保持する第二のファイバーホルダ３２と、第二のファイバーホルダ３２を光ファイバーＦの軸線からずれる方向に移動させるホルダ位置調節機構３３と、第一及び第二のファイバーホルダ３１，３２を介して光ファイバーＦを光学レンズＬに対する接離方向に移動させるファイバー側スライドガイド機構３４とを備えている。

図２は第一のファイバーホルダ３１を光ファイバーＦの中心線に一致させた方向から見た状態を示す部分拡大図である。即ち、ファイバーホルダ機構３０は、第一のファイバーホルダ３１と第二のファイバーホルダ３２とにより、光ファイバーＦの全体の方向が、水平であって、前述した保持状態にある光学レンズＬの光軸と並行となるように保持を行う。
図２に示すように、第一のファイバーホルダ３１は、垂直方向及び水平方向（保持状態にある光学レンズＬの光軸に沿った方向）に沿ったファイバ保持用の隙間を形成する枠部材３１ａ，３１ｂと、各枠部材３１ａ，３１ｂの隙間距離を調節する締結ネジ３１ｃとを備えている。かかる構成からなる第一のファイバーホルダ３１に対して、光ファイバーＦの二つの芯線Ｆ１は、上下に並んだ状態で各枠部材３１ａ，３１ｂの隙間に介挿され、緩やかに保持された状態（各芯線Ｆ１が自らの長手方向に沿って位置調節可能な状態）で各芯線Ｆ１の端面位置合わせが行われ、位置合わせ後には、締結ネジ３１ｃにより各芯線Ｆ１が移動しないように固定される。そして、かかる状態で光学レンズＬとの接続作業が行われる。

第二のファイバーホルダ３２は、光ファイバーＦの被覆線Ｆ２を挿通させる貫通穴が保持状態にある光学レンズＬの光軸と並行となる方向に沿って形成されており、当該貫通方向に沿って光ファイバーＦが移動可能な状態で保持を行う。
ホルダ位置調節機構３３は、第二のファイバーホルダ３２を垂直上下方向に沿って移動位置決め可能に支持するスライダ機構である。かかるホルダ位置調節機構３３の光ファイバーＦの移動方向は光ファイバーＦの長手方向に一致しない他の方向でも良いが、第一のファイバーホルダ３１による二本の芯線Ｆ１の並び方向と光ファイバーＦの移動方向とが一致することが望ましい。

図３はホルダ位置調節機構３３による光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の先端面の位置合わせ作業を示す説明図である。
図３（Ａ）に示すように、下側となる芯線Ｆ１が光学レンズＬ側に突出している場合（二点鎖線で図示）には、第二のファイバーホルダ３２を上方に移動すると、下側の芯線Ｆ１が引っ張られて後退する。また、図３（Ｂ）に示すように、上側となる芯線Ｆ１が光学レンズＬ側に突出している場合（二点鎖線で図示）には、第二のファイバーホルダ３２を下方に移動すると、上側の芯線Ｆ１が引っ張られて後退する。
従って、第二のファイバーホルダ３２を適度な高さに位置決めすることで二つの芯線Ｆ１の先端位置を一致させることができる。

なお、光ファイバーＦの芯線Ｆ１は微細なので各芯線Ｆ１の先端位置を撮像するカメラ１１が設けられ、上記先端位置合わせは、その撮像画像を拡大表示して観察しながら行われる。
また、ホルダ位置調節機構３３では、第二のファイバーホルダ３２が上下動可能に支持されているが、第一のファイバーホルダ３１が上下動可能に支持されていても良いし、両方のホルダ３１，３２が共に上下動可能に支持されていても良い。つまり、突出している方の芯線Ｆ１と逆方向に第二のファイバーホルダ３２が第一のファイバーホルダ３１に対して相対的に移動すれば良い。

ファイバー側スライドガイド機構３４は、第一のファイバーホルダ３１及び第二のファイバーホルダ３２を保持するスライダ３５と、スライダ３５を水平方向（保持された光学レンズＬの光軸方向）に沿って駆動して位置決めする直動機構３６とを備えている。
前述のように、各芯線Ｆ１の先端位置合わせが完了した状態で光ファイバーＦは、第一のファイバーホルダ３１に締結され、各ホルダ３１，３２に支持された状態でスライダ３５により光ファイバーＦの全体が水平方向に移動調節される。
即ち、直動機構３６が動作制御手段９０により動作制御され、後述する光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の曲面形成時における加熱位置に位置決めされたり、光学レンズＬに押し込む際の所定の押し込み位置まで移動位置決めされたりする。

（加熱手段及び加熱位置調節機構）
加熱手段４０は、いわゆるアーク溶接を行うための構成であり、垂直上下方向に沿った状態で先端部を対向配置された一対のアーク放電電極と、図示しない放電電流の通電回路とを備えている。
また、加熱位置調節機構５０は、一対のアーク放電電極を保持する枠体５１と、枠体５１を水平方向（保持された光学レンズＬの光軸に沿った方向）に移動位置決めする可動機構５２とを備えている。

上記一対のアーク放電電極は、互いの先端がその間に光ファイバーＦを配置可能な距離で離間しており、相互の電極先端部の間の位置が目標加熱位置となる。そして、各アーク放電電極は、加熱位置調節機構５０により、その電極先端部の間隙が保持された光ファイバーＦと同じ高さとなるように保持されている。
加熱位置調節機構５０は、一対のアーク放電電極の対向状態を維持しつつ保持する枠体５１を可能機構５２により水平方向に移動位置決めすることで、光学レンズＬの接続部に対する目標加熱位置の離間距離を調節し、アーク放電電極の通電電流値を一定としたまま、光学レンズＬの接続部に対する加熱量の調節を行うことができる。なお、可動機構５２に枠体５１を介した各アーク放電電極の移動位置決めは、動作制御手段９０により制御される。

（接続装置の制御系）
図４は光ファイバーと光学レンズの接続装置１０の制御系を示すブロック図である。動作制御手段９０は、図４に示すように、少なくとも所定の制御プログラムに従って各種の処理及び制御を実行するＣＰＵ９１と、各種の処理及び制御を実行するためのプログラムや各種の処理及び制御に要するデータが格納されたシステムＲＯＭ９２と、各種のデータを格納して各種の処理の作業領域となるＲＡＭ９３と、ＣＰＵ９１と各種の機器との接続を図る図示しないＩ／Ｆ（インターフェース）とを備えている。そして、Ｉ／Ｆを介して、各種の設定入力や操作指示入力を行うための操作パネル９４と、張力センサ６２と、カメラ１１と、駆動モータ６３と、直動機構３６と、加熱手段４０と、可動機構５２とが接続されている。

上記ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、光ファイバーＦと光学レンズＬとの接続後に、光ファイバーＦと光学レンズＬとが離間する方向に向かうように駆動モータ６３を駆動すると共に、そのときに張力センサ６１により検出される張力荷重から接続強度の判定を行う動作制御を行う。
さらに、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、接続後の光ファイバーＦと光学レンズＬとに張力を付与し、張力センサ６１により検出される張力荷重が所定値に満たない場合に、光ファイバーＦと光学レンズＬとの間の距離変化が所定値を越えるか否かにより接続強度の判定を再度行う動作制御を行う。
さらに、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、接続後の光ファイバーＦと光学レンズＬとに張力を付与し、検出される張力がほぼ0或いは光ファイバーＦと光学レンズＬとの分離が予想される値か否かにより接続強度の判定を再度行う動作制御を行う。
さらに、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、上記各判定の結果、接続状態が良好とされない場合に、再度の接続動作を行う動作制御を行う。また、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、上記再接続動作を、予め設定された回数繰り返す動作制御を行う。

また、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、接続動作前に、加熱手段４０に対して、光ファイバーＦの先端部をその軟化温度まで加熱する制御を行う。即ち、所定のプログラムを実行するＣＰＵ９１が加熱制御手段として機能する。
さらに、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、上述の光ファイバーＦの加熱後、先端形状の曲面性を判断し、曲面と判断されない場合に、再度の加熱動作を行う動作制御を行う。また、ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９２に格納されたプログラムにより、上記再加熱動作を、予め設定された回数繰り返す動作制御を行う。

（接続装置の動作説明）
光ファイバーＦと光学レンズＬの接続動作について図５及び図６に基づいて説明する。図５及び図６は接続装置１０の動作フローチャートである。
まず、手動作業により、光学レンズＬをレンズホルダ機構２０にセットし、光ファイバーＦをファイバーホルダ機構３０にセットする（ステップＳ１）。即ち、各保持枠２３を締結して光学レンズＬの装着が行われ、各ファイバーホルダ３１，３２に挿通されて光ファイバーＦの装着が行われる。

このとき、光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の先端位置合わせを行う。即ち、カメラ１１による拡大撮像画像を観察しながら、第二のファイバーホルダ３２を上方又は下方に移動して、端面位置が揃うように第二のファイバーホルダ３２を位置決めする。そして、第一のファイバーホルダ３１において、二本の芯線Ｆ１を締結固定する。

次いで、操作パネル９４に設けられたスタートスイッチを介して動作の開始が入力されると、ストッパが解除されると共にレンズホルダ２１が駆動モータ６３の駆動により光ファイバーＦと逆側の退避位置まで後退する（ステップＳ２）。
一方、動作制御手段９０は、直動機構３６と可動機構５２とを制御して、加熱手段４０の目標加熱位置と光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の先端位置が一致する位置に移動位置決めされる（ステップＳ３）。
即ち、動作制御手段９０により、カメラ１１が光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の先端部と各アーク放電電極の撮像を行い、撮像画像の画像処理を行い、目標加熱位置と各芯線Ｆ１の先端位置が一致するように、直動機構３６と可動機構５２とに位置決め制御を行う。

光ファイバーＦの位置決め後は、加熱手段４０により、石英ガラスの軟化点まで加熱可能な高出力でアーク放電が行われる（ステップＳ４）。
その後、カメラ１１により各芯線Ｆ１の先端部が撮像され、動作制御手段９０では、撮像画像の画像処理を行い、各芯線Ｆ１の先端面を側方から見た形状が湾曲しているか判定する（ステップＳ５）。
その結果、少なくとも一方の芯線Ｆ１が所定の平面度を保っていれば、予め設定された繰り返し回数値ｎを参照し（ステップＳ６）、ｎが０でなければ、ｎを１減じて（ステップＳ７）、ステップＳ４に戻り、再度、加熱手段４０によるアーク放電を各芯線Ｆ１に対して行う。また、既にｎ＝０であれば、ｎ回の繰り返しアーク放電を行ったものとして異常終了処理が行われる。なお、このとき、報知手段や表示手段を設けて、異常により作業が終了したことを作業者に認識させる処理を行っても良い。

一方、ステップＳ５において、光ファイバーＦの両方の芯線Ｆ１の先端面形状が曲面であると認識されると、各アーク放電電極が可動機構５２により予め設定された距離だけ光学レンズＬから離間する方向に移動される（ステップＳ８）。
そして、駆動モータ６３の駆動によりレンズホルダ２１が光ファイバーＦ側に移動される。このとき、カメラ１１により撮像が行われ、動作制御手段９０は、画像処理により光学レンズＬの接続部と各芯線Ｆ１の先端部が接触する位置まで駆動モータ６３の駆動が行われる（ステップＳ９）。

さらに、光学レンズＬが位置決めされると、各アーク放電電極が予め設定された距離だけ光学レンズＬから離れた目標加熱位置において、アーク放電を行う（ステップＳ１０）。アーク放電電極による加熱出力は、放電可能な最低出力に抑えても、光学レンズＬの軟化点を大きく越えてしまうことから、加熱目標位置を離間させ、その距離を制御することで加熱温度を調節している。これにより、光学レンズＬは適度に軟化される。

ついで、直動機構３６により光ファイバーＦの各芯線Ｆ１を光学レンズＬ側に移動させる。これにより、各芯線Ｆ１が光学レンズＬの接続部に押し込まれ、光学レンズＬの冷却と共に各芯線Ｆ１が締め付けられて接続される（ステップＳ１１）。
接続作業が終わると、光ファイバーＦと光学レンズＬとの接続強度検査が行われる。つまり、光学レンズＬが光ファイバーＦから離れる方向に駆動モータ６３が駆動する（ステップＳ１２）。かかる駆動時において、張力センサ６１の出力が予め設定された所定以上の荷重に至った場合には（ステップＳ１３）、駆動モータ６３の駆動を停止してレンズホルダ２１の位置を維持し（ステップＳ１４）、所定時間の経過待ちとなる（ステップＳ１５）。そして、駆動モータ６３が逆方向に駆動して、レンズホルダ２１が元の位置に戻され（ステップＳ１６）、接続作業が完了する。

一方、ステップＳ１４において、張力センサ６１の出力が予め設定された所定以上の荷重に至らない場合には、駆動モータ６３の駆動量から予め設定された所定距離だけレンズホルダ２１の移動が行われたかが判定され（ステップＳ１７）、移動していない場合には、ステップS１３に戻って駆動モータ６３の駆動が継続される。
また、レンズホルダ２１が所定距離移動している場合には、再度、張力センサ６１の出力を参照して、荷重がほぼ0か否かが判定される（ステップＳ１８）。
もし、荷重が0又はそれに近い値であれば、光ファイバーＦが光学レンズＬから脱落したものとして、異常終了処理が行われる。なお、このときも、報知手段や表示手段を設けて、異常により作業が終了したことを作業者に認識させる処理を行っても良い。

また、荷重が0又はそれに近い値ではない場合には、予め設定された繰り返し回数値ｍを参照し（ステップＳ１９）、ｍが０でなければ、ｍを１減じて（ステップＳ２０）、駆動モータ６３が逆方向に駆動して、レンズホルダ２１が元の位置に戻され（ステップＳ２１）、再度、加熱手段４０によるアーク放電を行う（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ１１に戻って、光学レンズＬに対する光ファイバーＦの押し込みが行われる。また、既にｍ＝０であれば、ｍ回の繰り返しアーク放電を行ったものとして異常終了処理が行われる。

（実施形態の効果）
上記構成からなる接続装置１０は、軟化した光学レンズＬに対して光ファイバーＦを押し込ませて相互の接続を図ることから、接着剤を不要とし、温度上昇による光学特性の劣化を回避することが可能となる。
また、光学レンズＬの軟化点までしか加熱しないことから、より高温の光ファイバーＦの軟化点まで加熱しないでも相互の接続を図ることが可能となり、消費電力の低減を図ることが可能となる。
また、接着剤を不要とすることから、接着剤しろを不要とし、光ファイバーＦを固定するためのキャピラリ等のガイドを不要とし、ガイドと共にファイバ端面を研磨する作業を不要とする。従って、部品点数及び作業工数の低減によるコスト性及び生産性の向上を図ることが可能となる。

さらに、軟化した光学レンズＬに対して光ファイバーＦを押し込むことで接続を図るため、光ファイバーＦと光学レンズＬとの間に空間が形成されず、従って異物の侵入を回避して、光学特性を高く維持することが可能となる。
また、隙間空間を維持するための構造を不要とすると共に端面における反射防止コーティングを不要とするため、低コスト化、小型化を図ることが可能となる。
さらに、光ファイバーＦと光学レンズＬの双方を溶融させて融着する方法と異なり、相互の軟化温度の差にかかわらず接続することが可能となる。
また、光学レンズＬの線膨張係数が光ファイバーＦよりも大きいことから、押し込まれた光ファイバーＦは周囲から光学レンズＬに締め付けられ、接続強度の向上を図ることが可能となる。

また、接続装置１０は、放電による目標加熱点から光学レンズＬの接続部までの距離に応じて加熱量の調節を行うことから、放電による出力強度の調節を行うための回路を不要とし、或いは簡易化し、装置全体の簡易化、生産性の向上を図ることが可能となる。

さらに、接続装置１０は、二つのファイバーホルダ３１，３２の相対的な位置調節により二芯の光ファイバーＦの各芯線の端面の位置合わせを行うことから、研磨作業を不要とし、簡易な作業により位置合わせが可能となる。従って、作業性の向上を図ると共にガイド等を不要とし、コスト低減を図ることが可能なる。

さらに、接続装置１０は、光ファイバーＦと光学レンズＬとの間の張力を付与すると共に張力検出を行う接続強度検査機構６０を備え、動作制御手段９０において、検出張力から光学レンズＬと光ファイバーＦの接続状態を検査することから、容易に接続不良を発見することが可能となる。
また、動作制御手段９０が、接続強度検査による接続不良との判断により、加熱手段４０による再加熱を行う動作制御を行うことから、光ファイバーＦと光学レンズＬの接続作業の信頼性の向上を図ることが可能となる。

さらに、動作制御手段９０が、接続動作前に光ファイバーＦの接続端部をその軟化温度まで加熱する動作制御を行うために、光ファイバーＦの各芯線Ｆ１の端部を曲面に変形させることができ、光ファイバーＦの端面反射による戻り光を乱反射させ、接続後の光学特性の劣化を抑制することが可能となる。また、上記加熱により、二本並んだ芯線Ｆ１の一部が溶融して、各芯線の間に入り込むことで、毛細管現象により二本の芯線をくっつき合わせることができるため、芯線を二本揃えた状態とすることができ、光ファイバー端部の細径化を図ることが可能となる。

（その他）
光ファイバーＦの二つの芯線Ｆ１の先端位置を合わせる作業は、ホルダ位置調節機構３３に第二のファイバーホルダ３２の上下動の駆動源となる駆動モータを設け、動作制御手段９０により制御する構成としても良い。即ち、カメラ１１の撮像画像を、動作制御手段９０が画像処理によりその不一致状態を識別し、いずれの芯線Ｆ１が突出しているかに応じて駆動モータによる上下駆動方向を決定すると共に、各端面が一致するまで第二のファイバーホルダ３２を移動させる制御を行なっても良い。

上述した接続強度検査機構６０では、光ファイバーＦと光学レンズＬとの間に張力付与を行う駆動源として駆動モータ６３を使用しているが、付与すべき張力が既知である場合には、駆動モータ６３に替えて、ソレノイド等の磁力を利用するもの、空気圧、油圧等を利用するアクチュエータを使用してもよい。これにより、機構部分を簡略化し、装置の小型化、低コスト化、生産性の向上を図ることが可能となる。

発明の実施形態たる光ファイバーと光学レンズの接続装置の概略構成図である。 第一のファイバーホルダを光ファイバーの中心線に一致させた方向から見た状態を示す部分拡大図である。 図３（Ａ）は下側の芯線が突出する場合におけるホルダ位置調節機構による光ファイバーの各芯線の先端面の位置合わせ作業を示す説明図であり、図３（Ｂ）は上側の芯線が突出する場合におけるホルダ位置調節機構による光ファイバーの各芯線の先端面の位置合わせ作業を示す説明図である。 光ファイバーと光学レンズの接続装置の制御系を示すブロック図である。 接続装置の動作フローチャートである。 図５に続く接続装置の動作フローチャートである。

符号の説明

１０ 接続装置
２０ レンズホルダ機構
３０ ファイバーホルダ機構
３１ 第一のファイバーホルダ
３２ 第二のファイバーホルダ
３３ ホルダ位置調節機構
４０ 加熱手段
５０ 加熱位置調節機構
６０ 接続強度検査機構
９０ 動作制御手段
Ｆ 光ファイバー
Ｆ１ 芯線
Ｆ２ 被覆線
Ｌ 光学レンズ

Claims (7)

1. 光学レンズよりも軟化点が高い光ファイバーを前記光学レンズに接続するための接続方法であって、
   前記光学レンズの軟化点以上であって光ファイバーの軟化点未満の温度で光学レンズと光ファイバーの接続部を同時に加熱すること又は前記光学レンズの接続部のみを加熱することにより光学レンズのみを軟化させ、その後当該軟化した光学レンズの接続部に光ファイバーの接続部である端面を押し込ませて接続することを特徴とする光ファイバーと光学レンズの接続方法。
2. 前記光ファイバーの端部と前記光学レンズの接続部とを対向配置すると共に、前記光学レンズの接続部から前記光ファイバー側に離れた位置を放電位置としてアーク放電により前記光学レンズを軟化させることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーと光学レンズの接続方法。
3. 光学レンズよりも軟化点が高い光ファイバーを前記光学レンズに接続するための接続装置であって、
   前記光学レンズを保持するレンズホルダ機構と、
   前記レンズホルダ機構を保持した前記光学レンズの光軸方向に沿い移動して位置決めする駆動モータと、
   前記光ファイバーの接続部を光学レンズの接続部に対向して保持するファイバーホルダ機構と、
   前記光ファイバーを光学レンズに対する接離方向に移動させる直動機構と、
   前記光学レンズを加熱する加熱手段とを備え、
   前記レンズホルダ機構と前記ファイバーホルダ機構とは、前記光学レンズの接続部と前記光ファイバーの接続部とを対向させた状態で保持すると共に、
   前記加熱手段による目標加熱位置から前記保持された光学レンズの接続部までの距離を調節する加熱位置調節機構と、
   前記光学レンズから離れた目標加熱位置として当該光学レンズの軟化点までしか加熱しないように前記加熱位置調節機構を制御すると共に、軟化した光学レンズに光ファイバを押し込む位置まで前記レンズホルダ機構と前記ファイバーホルダ機構とを位置決めするように前記駆動モータと前記直動機構とを制御する動作制御手段とを備えることを特徴とする光ファイバーと光学レンズの接続装置。
4. 前記ファイバーホルダ機構は、前記光ファイバーの接続部側の端面近傍を、締結と解放とを可能として保持する第一のファイバーホルダと、前記光ファイバーを接続部以外の位置で保持する第二のファイバーホルダと、少なくとも前記第一と第二のいずれか一方のファイバーホルダを前記光ファイバーの軸線からずれる方向に移動させるホルダ位置調節機構とを備えることを特徴とする請求項３記載の光ファイバーと光学レンズの接続装置。
5. 前記レンズホルダ機構と前記ファイバーホルダ機構の少なくともいずれか一方を介して前記光ファイバーと前記光学レンズとが離間する方向に張力を付与すると共に、そのときに要する張力から前記光学レンズと光ファイバーの接続状態を検査する接続強度検査機構を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の光ファイバーと光学レンズの接続装置。
6. 前記接続強度検査機構による認識結果に応じて、前記加熱手段による再加熱を行う動作制御手段を備えることを特徴とする請求項５記載の光ファイバーと光学レンズの接続装置。
7. 前記光ファイバーと前記光学レンズの接続のための加熱を行う前に、前記加熱手段により、前記光ファイバーの接続部側の端面を、その軟化温度まで加熱する制御を行う加熱制御手段を備えることを特徴とする請求項３，４，５又は６記載の光ファイバーと光学レンズの接続装置。

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