JP5063699B2 - 光ファイバに光を導入するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに光を導入するための装置であって、焦点を合わせた光ビームの向きがマニプレータによって決められ、結合すべき光ファイバの導入端が光学系に接続されている装置に関する。

本装置によりシステムが最大の結合効率、即ち光ファイバへの光ビームの最大伝送効率に調整され、結合器調整時に得た調整位置が永久に安定して存続するように固定される。

情報及びエネルギーをガラスファイバによる光導体で伝送することは、約４０年前から知られている。

このような伝送システムの基礎は、石英ガラス又は他の適切な材料から成る光ファイバであり、光エネルギーを制御して案内する光導波路を得るために、屈折率が半径方向で可変であり、遮蔽するクラッドを備えている。光ファイバは極端に細く（コア直径＜０．０１ｍｍ）、機能が安定し且つ伝送損失が少なくなるように光源及び受光器と接続されなければならない。２本のファイバの最良の結合は、結合すべきファイバの端部を平滑に研磨して、平面を互い結合させるときに得られる。この理想的な状態を達成することは高精度の装備によってしか可能ではなく、コスト上の理由から実用にはほとんど適さない。それゆえこのような仕様は、取り外し可能な接続には適していない。

光ビーム伝送を取り外し可能に結合するために、コリメートされたビームを焦点レンズ又は焦点レンズ系を用いて光ファイバに導入することが知られている。

ファイバ結合箇所においてできるだけ損失の少ない伝送を実現するためには、進入する光束の軸と光導体の軸とが、軸方向で極めて正確に一直線に合致することが必要である。

このための種々の解決方法が知られている。

ＵＳ−Ａ−４．０８７．１５５により、中間に光学系を接続することなくファイバ結合が行われるコネクタが知られている。ファイバ端部はそれぞれ弾性的に支承された移動可能な３個の球体の間に収容されている。

ＵＳ−Ａ−４．２９６．９９９では、ファイバ結合は正確に同軸に位置合わせされた２個の結合体を基礎としており、レンズを装着したファイバ端部は焦点合わせを目的としてＺ方向に移動できる。

更にＤＥ６８９２２７８９Ｔ２により、球面レンズに対するファイバ構造部の傾きが調節されるようにした機構によって、ビーム束の正確な調整を達成しようとする結合装置が知られている。

ＵＳ５０２９７９１により、ねじ部材により２座標方向における移動が可能とされる、光学要素に対するＸ軸及びＹ軸位置決めのための装置が知られている。

ＥＰ７０８３４７Ａ１に記載されている２個の光学部材を接続及び位置合わせするための装置は、差動ねじにより位置決めの精度が達成される。
この装置によっては、摩擦の少ない正確な案内及び部材の正確な位置固定は得られない。

更にＷＯ９２／０２８３７Ａ１には、２座標方向に調節可能にするばね構造を有する保持板を備えた、光学部材の保持装置が記載されている。

ＵＳ４６９１５８６には、複数の平行ねじ配置によって遊びのない調整運動を可能にする、部材をＸ軸及びＹ軸方向で微調整するための装置が記載されている。

上述した装置によっては、光ファイバに光を導入するために必要な並進３自由度及び回転１自由度による正確な運動は得られない。

従来技術において公知のファイバ結合器は、ファイバで必要な全ての調整運動を行うことを可能にする。しかしこれらの原理の問題点は、ビーム調整に非常に時間がかかり、相応の経験が必要であるという点である。なぜならば公知の解決手段においては、角度調節もＸ軸面及びＹ軸面内部の平行移動も同一の調整手段で行われ、それゆえ種々異なる自由度を互いに独立に調整できないからである。従って調整過程を短縮するためには、しばしば調整のエラーが残ることも考慮しなければならない。

ＵＳ−Ａ−４．０８７．１５５ ＵＳ−Ａ−４．２９６．９９９ ＤＥ６８９２２７８９Ｔ２ ＵＳ５０２９７９１ ＥＰ７０８３４７Ａ１ ＷＯ９２／０２８３７Ａ１ ＵＳ４６９１５８６

本発明の課題は、光ファイバへの光の導入時においてマニプレータにより最大の結合効率を簡単且つ正確に調整できるようにし、且つ結合器調整時に得た調整位置が永久に固定されるようにする、冒頭に記載した種類の装置を提供することである。

上述の課題は本発明に従い、請求項１に記載された特徴を有する装置によって解決される。

その他の有利な構成が従属請求項に記載されている。詳細な説明及び／又は請求項に記載される個々の特徴の任意の組み合わせも本発明の対象である。

本発明に係る装置においては、マニプレータによる焦点合わせ光学系の微調位置決めがＸ軸方向及びＹ軸方向で独立に行われ、調整感度を改善するためにばね伝動装置によって減速が行われる。同軸に配置された光導波路はＺ方向でＺ軸を中心に回転可能に微調位置決めされる。全ての調整位置は永久的に固定される。

マニプレータは、２座標方向で互いに独立して運動できる内側部分と外側部分を有する調整板を含んでおり、これらの運動はそれぞれ平行ばね構造部によって案内され、微調ねじ部材ばね駆動装置によって操作される。内側部分は結合すべき光ファイバの光学系を収容する。外側部分は２部分から成るハウジング部分に配置されており、ハウジング部分の取り外し可能部分に外側部分が軸方向で当接し、ハウジング部分の固定部分に外側部分が軸方向に弾性変形する固定ディスクと共に嵌合により収容されている。固定ねじは、固定ディスクと調整板とを取り外し可能ハウジングに押し付け、内側部分の調整後の位置を固定する。

本発明は、単一部分から成るハウジング、或いは固定ハウジング部分と取り外し可能なハウジング部分とから成るハウジングを含む。

有利な構成においては、固定ディスクは、内側の孔から半径方向に出ているばね弾性的なスリット対を有する。

軸方向位置を調整及び固定するために、取り外し可能ハウジング部分軸方向に、端部がテーパー状のねじ付き接続部になっているガイドを有し、これに内側テーパを付けた締め付けリングがねじ込まれる。ガイドの内側にはスライド部材が長手方向に移動できるように配置されている。スライド部材の微調位置決めのために少なくとも１本のガイドピンが外側からハウジング部分の基部に設けた半径方向の長穴を通って、スライド部材内で所定の角度で延在する長穴内に突入しており、ガイドピンが基部で支承された回転リングに収容されている。スライド部材の回転自由度は、ガイドフランジ溝内で長手方向に移動できる嵌合ピンによって決定され規制される。

スライド部材の面取りされた面において回転ソケットを支承するファイバ終端停止部と支承スリーブとが嵌合孔に配置されており、回転ソケットは光ファイバケーブルのねじ止め部材を支持する。支承スリーブ内にファイバケーブル端部を収容するためのファイバ嵌合管を配置することができる。ファイバ接続部の調整後の回転角の位置を回転ソケットによって固定するために締め付けねじが配置され、回転ソケットの半径方向の長穴を通ってスライド部材のねじ孔内に突入しており、これらの締め付けねじによって回転ソケットとスライド部材を一緒に圧入により固定できる。

本発明は、種々利点を特徴とする。主なものを次に挙げる。

１．形成された光は、マニプレータによって調整可能な光学系により最大の結合効率で光ファイバに伝送され、結合調整時に得た調整位置は永久に固定される。
２．Ｘ及びＹ方向に作用するばね構造部により、互いに独立し、それゆえ相互に影響することのない正確で遊びのない調整運動が可能となる。
３．調整過程終了後に固定ディスクを用いて調整板を押し付けることによって、得られた位置が微調ねじ部材内の収縮弾性から独立して確定される。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

装置全体の組み立ての斜視図である。 ばね伝動装置を有する調整板である。

図１に示すように、ハウジング部分１は調整板２を保持しており、調整板２内に固定された光学系３がＺ方向で軸方向に移動できるようになっている。調整板２はそれぞれＸ方向とＹ方向で調節可能な一連のばね構造部から成る。この場合、一方のばね構造部は同方向に延在する平行ばね構造部２ａｘ及び２ａｙとして形成されており、他方のばね構造部は予備ばね２ｂｘ及び２ｂｙとして形成されている。ハウジング部分１内で予備ばね２ｂｘ及び２ｂｙに対して半径方向に対称的に配置された各１個の微調ねじ部材４ａ及び４ｂが、主要変形方向で予備ばねに作用する。

Ｘ方向とＹ方向に作用するばね構造部は互いに入れ子式になっており、調整板２の光学系支持中心はそれぞれの座標内で互いに独立して直線的に遊びなく移動できる。調整板２の横にハウジング部分１に向かう軸方向で固定ディスク５が配置されている。固定ディスク５はビーム通過孔として内孔を備えており、好ましくはそこから半径方向にそれぞれ９０度ずれて出ているばね弾性的なスリット対を有している。

案内機能を保証する目的で、調整板２と固定ディスク５はハウジング部分１内において、嵌合と締め付けによって周縁部のみが固定され、調整板２の光学系支持中心がＸ方向とＹ方向に直線的に移動できるように配置されている。ハウジング部分６はハウジング部分１を閉じている。

調整板２の光学系支持中心の位置を固定するために、固定ディスク５に押圧力Ｆ_Ａが加えられる。押圧は、ビーム通過孔としての軸方向孔を有し、軸方向ねじ孔によってハウジング部分１に挿入された固定ねじ７によって行われる。これにより、微調ねじ部材４ａ及び４ｂによって光学系３を調整した後、固定ディスク５により調整板２を押し付けることによって所定の位置が固定される。このために固定ねじ７は固定ディスク５をハウジング部分１及び６に押し付け、これにより調整板２は収縮弾性に関わりなく微調ねじ部材４ａ及び４ｂで固持される。

ハウジング部分６はねじ止め面と反対向きの面にＺ軸方向にスリットを付けた管状ガイドを有している。ガイドは基部が厚くなっていて２個の半径方向の長穴が対称的に設けられ、端部がテーパ状に加工したねじ付き接続部になっている。このような配置により、軸方向孔（光の通過を目的とする）を備えたスライド部材８を長手方向（Ｚ方向）に移動できるように収容できる。

スライド部材８の外周をハウジング部分６の嵌合円筒部内で正確に締め付けるために、ねじ付き接続部にねじ込み可能な内側テーパ付き締め付けリング９は、スリットによってセグメント化されたねじ付き接続部に半径方向の締め付け力を生み出して、スライド部材８のＺ位置を固定する。

スライド部材８のＺ方向における微調位置決めを達成するために、少なくとも１本のガイドピン１０が外側からハウジング部分６のガイドの基部に設けた半径方向の長穴を通って、スライド部材８内で所定の角度で延在する長穴内に突入し、ガイドピン１０が基部で支承された回転リング１１に収容される。

ガイドピン１０が挿入して固定された回転リング１１が１回転すると、基部長穴内で案内されたガイドピン１０が、スライド部材８に所定の角度で設けた長穴内で斜めに押し付け、それによってスライド部材８が長手方向に移動する。スライド部材８の回転自由度は、ガイドフランジ溝内で長手方向（Ｚ方向）に移動できる嵌合ピン１２によって確定されることによって失われる。

スライド部材８の（ファイバ接続方向で）面取りされた面で、回転ソケット１６を支承するためにファイバ終端停止部１３と支承スリーブ１４が嵌合孔に挿入され、回転ソケット１６は光ファイバケーブルのねじ止め部材１７を支持している。

支承スリーブ１４内にファイバケーブル端部を収容するためのファイバ嵌合管１５が挿入されている。この場合、ファイバ終端停止部１３は、ケーブル端の位置を固定し、ファイバの正しく機能する回転位置を見出す働きをする。

回転ソケット１６によって調整される回転位置を固定するために、締め付けねじ１８の働きによって回転ソケット１６はスライド部材８と一緒にねじ込まれる。

図２はばね伝動装置を有する調整板２を示している。中心部の孔は、光学系３を収容する働きをし、交差した平行ばね構造部によりＸ方向及びＹ方向に案内されるセグメント内にある。この場合、平行ばね構造部と直列に位置するそれぞれの予備ばねは、好ましくはマイケルソンの原理で協働して微調整装置を形成する。Ｘ方向における直列接続は、予備ばね２ｂｘと平行ばね構造部２ａｘから成り、同様にＹ方向では予備ばね２ｂyと平行ばね２ａｙがばね伝動性の十字テーブル装置を形成し、これに付属する微調ねじ部材４ａ及び４ｂによって操作可能である。

１ ハウジング部分
２ 調整板
２ａｘ、２ａｙ 平行ばね構造部
２ｂｘ、２ｂｙ 予備ばね
３ 光学系
４ａ、４ｂ 微調ねじ部材
５ 固定ディスク
６ 取り付け可能ハウジング部分
７ 固定ねじ
８ スライド部材
９ 締め付けリング
１０ ガイドピン
１１ 回転リング
１２ 嵌合ピン
１３ ファイバ終端停止部
１４ 支承スリーブ
１５ ファイバ嵌合管
１６ 回転ソケット
１７ ねじ止め部材
１８ 締め付けねじ
Ｆ_Ａ 押圧力

Claims (8)

1. 光ファイバに光を導入するための装置であって、焦点を合わせた光ビームの向きがマニプレータによって決められ、結合すべき光ファイバの導入端が光学系に接続されている装置において、
   −外側部分（２．１）、内側部分（２．２）、及び外側部分（２．１）と内側部分（２．２）との間に配置されて２座標方向で互いに独立して調整可能な２個のばね構造部であって、各々が所定の方向と平行に案内する平行ばね構造部（２ａｘ、２ａｙ）と、これに直列に取り付けられた予備ばね（２ｂｘ、２ｂｙ）とから成る２個のばね構造部を含む調整板（２）からなるマニプレータと、
   −軸方向ねじ付き穴によって固定ハウジング部分（１）に挿入できる固定ねじ（７）と、
   −軸方向に弾性変形する固定ディスク（５）とを有し、
   −内側部分（２．２）はＸ方向及びＹ方向に移動でき、
   −内側部分（２．２）は結合すべき光ファイバと接続された光学系を収容しており、
   −軸方向に弾性変形する固定ディスク（５）は外側部分（２．１）と共に固定ハウジング部分（１）に嵌合により収容されており、
   −固定ディスク（５）は固定ハウジング部分（１）にねじ込まれた固定ねじ（７）によって、取り外し可能ハウジング部分（６）に向かう光ビーム通過方向に調整板（２）に押圧され、これにより内側部分（２．２）の調整後の位置が固定されることを特徴とする、光ファイバに光を導入するための装置。
2. 固定ハウジング部分（１）と取り外し可能ハウジング部分（６）とから成るハウジングを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ハウジングにそれぞれ外側部分（２．２）に設けられた開口部を通して予備ばね（２ｂｘ、２ｂｙ）に作用する微調ねじ部材（４ａ、４ｂ）が配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 固定ディスク（５）は、内側の孔から半径方向に出ているばね弾性的なスリット対を有することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 取り外し可能ハウジング部分（６）は、ねじ止め面と反対向きの面に、端部がテーパ状のねじ付き接続部になっているスリット付き管状ガイドフランジ(６．１）を有し、これに内側テーパを付けた締め付けリング（９）がねじ込まれており、スリット付き管状ガイドフランジ(６．１）の内側にスライド部材（８）が長手方向に移動できるように配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置。
6. 少なくとも１本のガイドピン（１０）が外側からハウジング部分（６）のガイドフランジ(６．１）の基部に設けた半径方向の長穴を通って、スライド部材（８）内で所定の角度で延在する長穴内に突入し、該ガイドピン（１０）は基部で支承された回転リング（１１）に収容されており、ガイドフランジ溝部内に長手方向に移動できる嵌合ピン（１２）が配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. スライド部材（８）が面取りされた面を有していて、ここに回転ソケット（１６）を支承するファイバ終端停止部（１３）と支承スリーブ（１４）が嵌合孔に配置されており、回転ソケット（１６）は光ファイバケーブルのねじ止め部材（１７）を支持することを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。
8. 支承スリーブ（１４）内にファイバケーブル端部を収容するためのファイバ嵌合管（１５）が配置されており、ファイバ接続部の調整後の回転位置を回転ソケット（１６）によって位置固定するための締め付けねじ（１８）が配置され、回転ソケット（１６）の半径方向の長穴を通ってスライド部材（８）のねじ孔内に突入しており、これらの締め付けねじによって回転ソケット（１６）がスライド部材（８）と一緒に圧入により固定され得ることを特徴とする、請求項７に記載の装置。

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