JP5727266B2 - 光接続器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ同士を接続するための光接続器に関するものである。

従来の光接続器としては、例えば特許文献１に記載されているような光コネクタが知られている。特許文献１に記載の光コネクタは、内蔵光ファイバを保持したフェルールと、このフェルールの接続端面と反対側に延出する接続機構（メカニカルスプライス）とを備えている。接続機構は、内蔵光ファイバと接続される光ファイバを位置決めする位置決め溝が形成されたベースと、このベースに対向する蓋部と、ベースと蓋部とを弾性的にクランプするＣ形の板バネとにより構成されている。ベース及び蓋部は、ガラス繊維４０％のポリエーテルイミド樹脂で形成されている。

特開２０１０−１８６０５８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、２本の光ファイバをメカニカルスプライスにより機械的に接続・固定する際に、樹脂成形品（ベース及び蓋部）の表面に存在するガラス繊維（フィラー）が光ファイバと接触する。ガラス繊維及び光ファイバは、何れも石英ガラスで形成されている。このため、ガラス繊維が光ファイバと接触すると、光ファイバの表面に微細な傷が付くことがあり、この場合には光ファイバの強度低下につながる。

本発明の目的は、光ファイバ同士を機械的に接続する際に、光ファイバの強度低下を抑制することができる光接続器を提供することである。

本発明は、光ファイバ同士を機械的に接続するためのファイバ接続部材を備えた光接続器において、ファイバ接続部材は、光ファイバにおける被覆除去された先端部分の裸ファイバを収容するファイバ溝を有するベース部と、ファイバ溝に収容された裸ファイバをベース部に対して押さえるフタ部とを有し、ベース部には、光ファイバの一つを構成する内蔵ファイバを保持するフェルールが固定されており、ベース部及びフタ部は、光ファイバを形成する材料よりもモース硬度が小さい繊維状フィラーが添加された非結晶性樹脂で形成されていることを特徴とするものである。

このような光接続器においては、力学的性質及び熱的性質の改善を目的として、ファイバ接続部材を形成する樹脂材料にフィラーを添加している。このとき、ファイバ接続部材を形成する樹脂材料として非結晶性樹脂を用いる場合には、ファイバ接続部材の表面にフィラーが現れやすくなる。そこで本発明では、光ファイバを形成する材料よりもモース硬度が小さい繊維状フィラーが添加された非結晶性樹脂でファイバ接続部材を形成することにより、繊維状フィラーが光ファイバに比べて軟らかくなる。従って、ファイバ接続部材により光ファイバ同士を機械的に接続する際に、ファイバ接続部材の表面に存在する繊維状フィラーが光ファイバと接触しても、光ファイバの表面には傷が付きにくい。これにより、光ファイバの強度を確保することができる。また、光接続器を現地付け光コネクタとして使用することができる。

好ましくは、繊維状フィラーのモース硬度は５よりも小さい。石英ガラスのモース硬度は７程度である。このため、光ファイバが石英ガラスで形成されている場合には、繊維状フィラーのモース硬度を５よりも小さくすることにより、繊維状フィラーが光ファイバに比べて十分軟らかくなる。

また、好ましくは、非結晶性樹脂は、ポリエーテルイミドまたはポリエーテルサルフォンである。この場合には、非結晶性樹脂の耐熱性を高くすることができる。

さらに、好ましくは、繊維状フィラーは、チタン酸カリウムのみ、またはチタン酸カリウムとワラストナイトとの混合物からなっている。この場合には、モース硬度が５より小さい繊維状フィラーを得ることができる。

このとき、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率は２５〜３５％であることが好ましい。この場合には、ファイバ接続部材の線膨張係数及び曲げ破断たわみ量を適切な値とすることができる。

本発明によれば、光ファイバ同士を機械的に接続する際に、光ファイバの強度低下を抑制することができる。これにより、光ファイバ同士を機械的に接続する際に必要な特性を確保しつつ、光ファイバの信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係わる光接続器の一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示したフェルール付きメカニカルスプライスの開閉状態を示す断面図である。 ファイバ破断強度のワイブルプロットの一例を示すグラフである。 繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品の線膨張係数及び曲げ破断たわみ量との相関の一例を示すグラフである。 繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品の表面粗さＲｚ及びファイバ引き抜き力との相関の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係わる光接続器の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる光接続器の一実施形態を示す概略断面図である。同図において、本実施形態の光接続器１は、メカニカルスプライス型の光コネクタである。

光接続器１は、光ファイバ同士を機械的に接続・固定するフェルール付きメカニカルスプライス２と、このフェルール付きメカニカルスプライス２を覆うハウジング（図示せず）とを備えている。

フェルール付きメカニカルスプライス２は、図１及び図２（ａ）に示すように、光ファイバ３を位置決め・収容する断面Ｖ字状のファイバ溝４を有するベース部５と、ファイバ溝４に収容された光ファイバ３をベース部５に対して押さえるフタ部６と、ベース部５及びフタ部６を挟み込む断面Ｕ字状のクランプバネ７とを有している。ベース部５及びフタ部６は、樹脂製のファイバ接続部材８を構成している。光ファイバ３の先端部分は、被覆除去されて裸ファイバ３ａが露出している。裸ファイバ３ａは、石英ガラスで形成されている。

ベース部５の前端部には、フェルール９が固定されている。フェルール９は、短尺状の内蔵ファイバ１０を保持している。内蔵ファイバ１０は、上記の裸ファイバ３ａと同じ構成であり、フェルール９の前端面（接続端面）からファイバ接続部材８のファイバ溝４まで延びている。

ファイバ接続部材８におけるベース部５とフタ部６との境界部分には、楔部材１１が挿入される複数の楔挿入凹部１２が設けられている。ファイバ接続部材８は、楔挿入凹部１２の反対側からクランプバネ７に挟み込まれている。

このような光接続器１において、フェルール９に保持された内蔵ファイバ１０に光ファイバ３を接続するときは、図２（ｂ）に示すように、楔部材１１をファイバ接続部材８の楔挿入凹部１２に挿入する。すると、ベース部５及びフタ部６がクランプバネ７の付勢力に抗して開いた状態となる。

そして、図１に示すように、フェルール付きメカニカルスプライス２の後側から光ファイバ３をファイバ接続部材８内に導入し、光ファイバ３の先端面を内蔵ファイバ１０に突き当てる。なお、ファイバ接続部材８の内部には、光ファイバ３と内蔵ファイバ１０との間での光学的な不連続性を無くすための屈折率整合剤Ｓが充填されている。

その状態で、図２（ｃ）に示すように、楔部材１１を楔挿入凹部１２から抜去する。すると、ベース部５及びフタ部６がクランプバネ７の付勢力により閉じられ、光ファイバ３と内蔵ファイバ１０とが屈折率整合剤Ｓを介して光学的に接続された状態で、両者がベース部５及びフタ部６により押圧固定されることとなる。

ベース部５及びフタ部６（ファイバ接続部材８）は、繊維状フィラーが添加された非結晶性樹脂で形成されている。非結晶性樹脂としては、耐熱性の高いポリエーテルイミド（ＰＥＩ）やポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）等のエンプラ樹脂を用いるのが好ましい。

繊維状フィラーとしては、モース硬度が光ファイバ３を形成する石英ガラスよりも小さいもの、好ましくはモース硬度が５よりも小さいものが用いられる。モース硬度は、物質の硬さを表わす指標であり、鉱物同士を擦り付けて傷が付いたほうが硬度の小さい物質となる。

そのような繊維状フィラーの代表例としては、チタン酸カリウムウィスカ（ＫＴＷ）が挙げられる。また、繊維状フィラーとしては、ＫＴＷの他、ワラストナイト、ホウ酸アルミニウム、塩基性硫酸マグネシウム（ＭＯＳ）、ゾノライト、酸化亜鉛等の針状フィラーを用いても良いし、また他の特性を付与するためにモース硬度が小さい板状や球状のフィラーを加えても良い。

ここで、ポリエーテルイミドにチタン酸カリウムウィスカを添加してなるＰＥＩウィスカ樹脂によりファイバ接続部材を成形し、実際に各種特性の評価を行った。以下、その評価結果について述べる。

まず、光ファイバの破断強度を評価した。具体的には、中間被覆除去した光ファイバをファイバ接続部材のファイバ溝にセットし、フタ部により光ファイバをベース部に対して押さえた状態で、クランプバネにより一定荷重（約５Ｎ）を加える。その後、ファイバ接続部材から光ファイバを取り外して、ファイバ引張試験機に光ファイバをセットし、光ファイバに対して引っ張り力を加えて光ファイバが破断したときの荷重（ファイバ破断強度）を測定した。

このとき、ファイバ接続部材を形成する樹脂材料としては、上記のＰＥＩウィスカ樹脂、ポリエーテルイミドにガラス繊維（ＧＦ）を添加してなるＰＥＩ・ＧＦ樹脂、ポリエーテルイミドにフィラーを添加しないＰＥＩ−Ｎ（ナチュラル）樹脂の３種類を使用した。その時のファイバ破断強度のワイブルプロットを図３に示す。

光ファイバの５０％破断強度は、ＰＥＩウィスカ樹脂では２０〜３０Ｎ、ＰＥＩ・ＧＦ樹脂では約５Ｎ、ＰＥＩ−Ｎ樹脂では約３０Ｎであった。ＰＥＩ・ＧＦ樹脂では、ＰＥＩウィスカ樹脂及びＰＥＩ−Ｎ樹脂と比較して破断強度が小さいことから、ガラス繊維によって光ファイバの表面に傷が入ったと考えられる。ＰＥＩウィスカ樹脂とＰＥＩ−Ｎ樹脂とでは破断強度がほぼ等しいことから、モース硬度の低いチタン酸カリウムウィスカは光ファイバに殆どダメージを与えないことが分かる。

従って、モース硬度が石英ガラスよりも小さい繊維状フィラーを非結晶性樹脂に添加したものを、ファイバ接続部材を形成する樹脂材料して使用するのが好適であることが明らかである。

このとき、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率（配合量）は、２５〜３５ｗｔ％であるのが好ましい。なお、上記のＰＥＩウィスカ樹脂では、チタン酸カリウムウィスカの配合量を３０ｗｔ％としている。繊維状フィラーの配合量としては２５〜３５ｗｔ％が好ましいという根拠は、以下の通りである。

図４（ａ）は、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品（ファイバ接続部材）の線膨張係数との相関を示したものである。メカニカルスプライスでは、成形時に樹脂がファイバ溝の長手方向に沿って流れて配向するのが一般的である。このため、図４（ａ）は、ＰＥＩ成形品における樹脂流れ方向（ＭＤ）の線膨張係数を示している。図４（ａ）から分かるように、繊維状フィラーの充填率が２５％以上となると線膨張係数が飽和傾向にあるため、線膨張係数の観点からは、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率は２５％以上であるのが好ましい。なお、ファイバ接続部材の線膨張係数は、例えば１×１０^−５〜３×１０^−５／Ｋである。

また、コネクタ規格試験の一つとして衝撃試験がある。例えば、メカニカルスプライスをハウジングに収容した状態で、ある高さから光コネクタを落下させ、その時の外観異常の有無及び光学特性（ロス変動量）を評価する。機械強度の目安の一つとして引っ張り強さや曲げ強さ等がある。

図４（ｂ）は、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品（ファイバ接続部材）の曲げ破断たわみ量との相関を示したものである。図４（ｂ）から分かるように、繊維状フィラーの添加量が多くなるほど曲げ破断たわみ量が小さくなる（靭性が低下する）ため、耐衝撃性は低下する。コネクタ落下試験を行ったとき、繊維状フィラーの充填率が３５％よりも多いサンプルでは、１／１０個においてメカニカルスプライスの一部に破損が見られた。従って、機械強度の観点からは、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率は３５％以下であるのが好ましい。なお、ファイバ接続部材の曲げ破断たわみ量は、例えば１〜４％である。

図５（ａ）は、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品（ファイバ接続部材）の表面粗さＲｚとの相関を示したものである。図５（ａ）から分かるように、繊維状フィラーの添加量が多くなるほど表面粗さが大きく（粗く）なる。図５（ｂ）は、非結晶性樹脂に対する繊維状フィラーの充填率とＰＥＩ成形品（ファイバ接続部材）のファイバ引き抜き力との相関を示したものである。図５（ｂ）から分かるように、繊維状フィラーの添加量が多くなるほどファイバ引き抜き力（ファイバ保持力）が高くなる。従って、ファイバ接続部材の表面粗さが粗くなるほど、ファイバ引き抜き力が高くなると言える。なお、ファイバ接続部材におけるガラスファイバと接触する部分の表面粗さＲｚは、例えば１〜８μｍである。

本実施形態のようにモース硬度が石英ガラスよりも小さい繊維状フィラーを非結晶性樹脂に添加してなる樹脂材料を使用する場合には、ファイバ接続部材の表面粗さが大きく、光ファイバと繊維状フィラーとの接触頻度が高くても、光ファイバの強度には殆ど影響しないため、繊維状フィラーの添加量の自由度が高くなる。従って、非結晶性樹脂に対して繊維状フィラーを多く充填することが可能となる。

なお、上記の特性評価では、繊維状フィラーをチタン酸カリウムウィスカのみからなるものとしたが、例えば樹脂成形品の反りの発生を抑えるために、繊維状フィラーとしてチタン酸カリウムウィスカとワラストナイトとの混合物を用いても良い。

ところで、メカニカルスプライスでは、樹脂に対するフィラーの充填量が多くなるほど、樹脂成形品であるファイバ接続部材（ベース部及びフタ部）の寸法精度が高く、温度変化時の寸法変化が小さいため、接続損失等の光学特性は安定化する。一方、フィラーの充填量が多いと、樹脂成形品の表面にフィラーが現れる割合が高くなる。ここで、フィラーとしてガラス繊維を用いた場合には、ガラス繊維と石英ガラスとではモース硬度がほぼ等しい（７程度）ため、以下の不具合が発生する。

即ち、光ファイバはメカニカルスプライスにより押圧固定されるため、ファイバ接続部材の表面に存在するフィラーが裸ファイバに傷を付けることがある。特に現地付けの光コネクタでは、使用環境上、光ファイバに引っ張り力が作用することがある。従って、光ファイバの表面の微細な傷が起点となり、光ファイバの強度が劣化し、最悪の場合には光ファイバが断線することが考えられる。

これに対し本実施形態では、ファイバ接続部材８であるベース部５及びフタ部６を、モース硬度が石英ガラスよりも小さい繊維状フィラーが添加された非結晶性樹脂により形成したので、繊維状フィラーが光ファイバ３の裸ファイバ３ａに比べて十分軟らかくなる。このため、フェルール付きメカニカルスプライス２により光ファイバ３を押圧固定したときに、ファイバ接続部材８の表面に存在するフィラーが裸ファイバ３ａに傷を付けることが起きにくくなる。従って、光ファイバ３に引っ張り力が作用しても、光ファイバ３の機械強度が確保される。これにより、繊維状フィラーの充填量を増やしても、フェルール付きメカニカルスプライス２に必要な特性（光学特性、機械強度、光ファイバ保持力）を担保しつつ、光ファイバ３の強度信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態の光接続器１は、光ファイバ３を内蔵ファイバ１０に接続するメカニカルスプライス型の光コネクタであるが、本発明は、２本の光ファイバを両側からメカニカルスプライス内に導入して接続・固定するタイプのものにも適用可能である。

また、本発明は、光ファイバ同士を機械的に接続・固定するメカニカルスプライス以外に、ＭＴコネクタフェルールや光学位置決め部材等の光接続器にも適用可能である。

１…光接続器、３…光ファイバ、４…ファイバ溝、５…ベース部、６…フタ部、８…ファイバ接続部材、９…フェルール、１０…内蔵ファイバ。

Claims (5)

1. 光ファイバ同士を機械的に接続するためのファイバ接続部材を備えた光接続器において、
   前記ファイバ接続部材は、前記光ファイバにおける被覆除去された先端部分の裸ファイバを収容するファイバ溝を有するベース部と、前記ファイバ溝に収容された前記裸ファイバを前記ベース部に対して押さえるフタ部とを有し、
   前記ベース部には、前記光ファイバの一つを構成する内蔵ファイバを保持するフェルールが固定されており、
   前記ベース部及び前記フタ部は、前記光ファイバを形成する材料よりもモース硬度が小さい繊維状フィラーが添加された非結晶性樹脂で形成されていることを特徴とする光接続器。
2. 前記繊維状フィラーのモース硬度は５よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の光接続器。
3. 前記非結晶性樹脂は、ポリエーテルイミドまたはポリエーテルサルフォンであることを特徴とする請求項１または２記載の光接続器。
4. 前記繊維状フィラーは、チタン酸カリウムのみ、またはチタン酸カリウムとワラストナイトとの混合物からなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光接続器。
5. 前記非結晶性樹脂に対する前記繊維状フィラーの充填率は２５〜３５％であることを特徴とする請求項４記載の光接続器。

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