JP3987863B2 - フランジ付きフェルールおよびその加工方法 - Google Patents

Description

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フェルールを用いたコネクタプラグ及び光ファイバコネクタにするものである。

従来、光通信などの光信号処理に用いら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は、光ファイバ同士を接続するために用いられる光ファイバコネクタもしくは、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。

一例として、光ファイバコネクタは図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。

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。

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〜０．０
２ｍｍ程度しか加工されていなかった。

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。

また、フェルール１を光ファイバ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。

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。

上記に鑑みて本発明のフランジ付きフェルールは、軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する筒状体であり、光ファイバを接着固定する前の貫通孔と先端面との円形状のつなぎ部の曲率半径Ｒ１を０．０００５ｍｍ≦Ｒ１≦０．０２ｍｍの範囲としたフェルールと、該フェルールの後端部に固定したフランジとを有することを特徴とする。

また、本発明のフランジ付きフェルールは、軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する筒状体であり、光ファイバを接着固定する前の前記筒状体の貫通孔と先端面とのつなぎ部が、前記筒状体を縦断面視して、前記貫通孔の内周面と前記先端面とからそれぞれ延在する仮想線の交点から前記つなぎ部の端部までの最大長さＲを０．０００５ｍｍ以上、０．０２ｍｍ以下の範囲としたフェルールと、該フェルールの後端部に固定したフランジとを有することを特徴とする。

また、本発明のフランジ付きフェルールは、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。

さらに、本発明のフランジ付きフェルールは、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。

またさらに、本発明のフランジ付きフェルールは、上記フェルールがジルコニアセラミックスであることを特徴とする。

さらにまた、本発明のフランジ付きフェルールの加工方法は、上記フェルールの貫通孔の内面を研磨した後、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工程を有することを特徴とする。

このように、本発明によれば、コネクタプラグにおけるフェルールの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。

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。

以下本発明の実施形態を図によって説明する。

図１は本発明の実施形態を示すフランジ付きフェルールの断面図であり、フランジ付きフェルールは、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１
７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。

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。

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。

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。

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。

なお、本発明は、フェルール１が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。

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。

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、ＺｒＯ_２を主成分とし、安定化剤としてＹ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

次に、本発明に用いるフェルール１のつなぎ部１６の加工方法について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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、例えばエアスピンドルもしくは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。

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。

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。

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。

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。

ここで、以下に示す方法で実験を行った。

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１４の曲率半径を０．０００４ｍｍ、０．０００６ｍｍ、０．００２ｍｍ、０．００５ｍｍ、０．０１０ｍｍ、０．０２０ｍｍ、０．０２５ｍｍ、０．０３ｍｍ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１４の状態を観察した。ここでつなぎ部１４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。

その結果を表１に示す。表中の数字は不良の数量である。

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。

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。

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。

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。

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。

その結果を表３に示す。表中の数字は不良の数量である。

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。

本発明のフランジ付きフェルールを示す断面図である。 本発明のフランジ付き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。 本発明のフランジ付き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。 （ａ）〜（ｃ）は本発明のフランジ付きフェルールにおける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。 本発明のつなぎ部の曲率半径を説明する図である。 本発明のフランジ付きフェルールにおける光ファイバコネクタ用フェルールの加工方法を示す図である。 本発明のフランジ付きフェルールにおける光ファイバコネクタ用フェルールの加工方法を示す図である。 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。 一般的な光ファイバ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 (6)

1. 軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する筒状体であり、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の範囲としたフェルールと、該フェルールの後端部に固定したフランジとを有することを特徴とするフランジ付きフェルール。
2. 軸方向に光ファイバを収納するための貫通孔を有する筒状体であり、光ファイバを接着固定する前の前記筒状体の貫通孔と先端面とのつなぎ部が、前記筒状体を縦断面視して、前記貫通孔の内周面と前記先端面とからそれぞれ延在する仮想線の交点から前記つなぎ部の端部までの最大長さＲを０．０００５ｍｍ以上、０．０２ｍｍ以下の範囲としたフェルールと、該フェルールの後端部に固定したフランジとを有することを特徴とするフランジ付きフェルール。
3. 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または２に記載のフランジ付きフェルール。
4. 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１〜３の何れかに記載のフランジ付きフェルール。
5. 上記フェルールがジルコニアセラミックスであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のフランジ付きフェルール。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のフランジ付きフェルールの加工方法であって、上記フェルールの貫通孔の内面を研磨した後、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工程を有することを特徴とする加工方法。

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