JPH09258064A

JPH09258064A - フェルールおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH09258064A
Application number: JP6774996A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takeuchi; 善明竹内; Kuniharu Kato; 邦治加藤; Akira Nagase; 亮長瀬; Nariyuki Mitachi; 成幸三田地
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度が高く光ファイバの接続特性が安
定する安価なフェルールの提供。【解決手段】少なくとも一対の光ファイバを接続する
光ファイバコネクタのフェルールであって、フェルール
は透明な石英系ガラスからなり、表面に圧縮応力が残留
する表面層（厚さ約５０μｍ）を有する。前記表面層に
は線膨張率を低下させる添加材（ＴｉＯ₂ ）が添加（約
１２ｗｔ％）されている。【効果】フェルールの表層に圧縮応力が残留する表面
層が厚く設けられていることから、フェルールの表面に
傷が付いても、表面層の作用によって前記傷に加わる応
力が緩和され、フェルールの機械的強度が向上する。光
ファイバおよびフェルールは石英系ガラスであり、高価
なダイヤモンド砥粒以外の研磨材料による研磨が可能と
なり研磨時間及びコストの低減が達成できる。ＵＶ硬化
形接着材の使用によりコネクタ組立時間の短縮とコスト
の低減を図ることができる。接続の安定性信頼性が向上
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等において
用いられる光ファイバを相互に接続するための光ファイ
バコネクタのフェルールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フェルールは、主にジルコニアやアルミ
ナ等のセラミック材料により作製されている。これはフ
ェルールに要求される極めて高い寸法精度と寸法安定
性，強度，信頼性等を満足させるためである。

【０００３】一方、安価なフェルールとして、連続加工
が可能なガラスフェルールが提案されている。また、特
開平５−７２４４１号公報には、ガラスフェルールの表
面を多成分系ガラスでイオン交換処理し、外傷による強
度低下を防ぐ技術が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】セラミックフェルール
は、その製造においてセラミックの焼成や研削等の加工
工程を必要とするため、その低価格化に限界がある欠点
を有する。また、この他にセラミック材料は光ファイバ
の材料である石英ガラスと比較して研磨特性が大幅に異
なるため、光ファイバコネクタの光接続のための端面研
磨にはダイヤモンド等の高価な研磨材料と長い研磨時間
を要し、結果的に研磨コストが嵩むという欠点を有して
いた。

【０００５】さらに、これらのセラミック材料の線膨張
率は、例えばジルコニアで８．３×１０~⁶／°Ｃであ
り、石英ガラスの５．４×１０~⁷／°Ｃと比較して桁違
いに大きいので、環境温度の変動により光ファイバの引
き込みが生じ易く、研磨の平坦性や光ファイバの接着法
等に高度な要求条件を必要としていた。これも組立コス
トの高騰に繋がっていた。

【０００６】一方、安価に製造できるフェルールとし
て、前述のようにガラスフェルールが提案されている
が、ガラス材料は表面の微小な傷に弱く、その実用強度
が弱いという欠点を有している。この欠点を克服する手
段として、特開平５−７２４４１号公報に開示されてい
る技術が知られている。この技術は、多成分系ガラスで
フェルールを製造するとともに、多成分系ガラスの表面
をイオン交換処理し、外傷による強度低下を防ごうとす
るものであるが、このイオン交換処理による表面強化層
の厚さは数μｍ程度であり、それより深い傷には効果が
ないという欠点があり、実使用時の効果は殆ど期待でき
ないのが現状であった。

【０００７】また、ガラス系材料の中では、多成分系ガ
ラスは石英系ガラスよりも使用環境中での信頼性に劣
り、線膨張率等の材料特性も光ファイバの材料である石
英ガラスと異なっており、研磨, 組立の要求条件が厳し
くなり、コネクタとしての信頼性も石英ガラスと比較し
て劣るものとなりやすい欠点を有している。

【０００８】本発明の目的は、機械的強度の高いフェル
ールおよびその製造方法を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、光ファイバの接続特
性が安定するフェルールおよびその製造方法を提供する
ことにある。

【００１０】本発明の他の目的は、製造コストが安価な
フェルールおよびその製造方法を提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、光ファイバコネクタ
の組立コストの大幅な削減が可能なフェルールおよびそ
の製造方法を提供することにある。

【００１２】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００１４】（１）少なくとも一対の光ファイバを接続
する光ファイバコネクタのフェルールであって、前記フ
ェルールは透明な石英系ガラスからなり、表面に圧縮応
力が残留する表面層を有する構成になっている。フェル
ールは光ファイバを貫通固定する挿入孔を有する管材と
なっている。前記表面層には線膨張率を低下させる添加
材（ＴｉＯ₂ ）が添加（約１２ｗｔ％）されている。前
記表面層は数十乃至百数十μｍ程度の深さ、例えば約５
０μｍの厚さとなっている。

【００１５】フェルールは、線膨張率を低下させる添加
材（ＴｉＯ₂ ）を透明な石英ガラス管材の表層に添加
（１２ｗｔ％）した母材を作製した後、加熱状態で前記
石英ガラス母材の線引きを行って圧縮応力（約７．８ｋ
ｇ／ｍｍ₂ ）が残留する表面層（厚さ約５０μｍ）を有
する細管を作製し、その後前記細管を切断することによ
り製造される。

【００１６】（２）前記手段（１）の構成において、前
記表面層の内側の内部層には線膨張率を上昇させる添加
材（ＧｅＯ₂ ）が添加（約３０ｗｔ％）されている。

【００１７】（３）前記手段（１）の構成において、前
記表面層には線膨張率を低下させる添加材が添加され、
前記表面層の内側の内部層には線膨張率を上昇させる添
加材が添加されている。

【００１８】前記（１）の手段によれば、フェルールの
表面には圧縮応力が残留する約５０μｍの厚さの表面層
が設けられていることから、フェルールの表面に傷が付
いても、前記傷に対する応力集中が緩和されるため、機
械的強度（曲げ強度）が向上する。

【００１９】フェルールは石英系ガラスで形成され、光
ファイバと同じ材質となっていることから、光ファイバ
をフェルールに取り付けて使用した場合、両者とも線膨
張率が同等となり、環境温度が変動しても両者間に熱応
力が発生し難くなり、フェルールと光ファイバの接着状
態が変動しなくなり、接続特性が安定する。この結果、
環境温度の変動による光ファイバの引き込み現象が発生
しなくなり、光コネクタ状態では安定した結合状態での
光ファイバ接続が維持されることになる。

【００２０】石英系ガラス製のフェルールは、フェルー
ルに取り付けられる光ファイバも石英ガラスからなるこ
とから、光ファイバを取り付けたフェルール先端面の平
坦性が向上する。さらにセラミック製フェルールに比較
して研磨時間の短縮が図れ、光コネクタの組立コストの
大幅な削減が可能になる。

【００２１】光ファイバを取り付けた石英ガラス製のフ
ェルールの先端の研磨は、高価なダイヤモンド等の研磨
材料を使用しなくてもよくなり、研磨コストの低減が達
成できる。

【００２２】フェルールは透明体であることから、フェ
ルールの光ファイバ挿入孔に光ファイバを挿入固定する
際、作業性の良好な紫外線硬化形接着剤を使用できるた
め、光ファイバの接着コストの低減が達成できる。

【００２３】フェルールは石英系ガラスで形成され、線
引きにより連続的な加工が可能なことから、セラミック
製のフェルールに比較して安価になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照し本発明の実施
形態をより具体的に詳述するが、以下に開示する実施形
態は本発明の単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を何等
限定するものではない。

【００２５】なお、実施形態を説明するための全図にお
いて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰
り返しの説明は省略する。

【００２６】（実施形態１）図１は本発明の一実施形態
（実施形態１）であるフェルールを示す模式的拡大断面
図、図２は本実施形態１のフランジ付きフェルールを示
す断面図、図３は本実施形態１の光ファイバを取り付け
たフランジ付きフェルールを示す断面図、図４は本実施
形態１のフェルールの径方向の残留応力分布をシュミレ
ートした結果を示すグラフである。

【００２７】図１に示すように、本実施形態１のフェル
ール１は、石英ガラスで形成された細管となっている。

【００２８】図２は、フランジ付きフェルール２を示す
図であり、フェルール１の一端は、フェルール１と同心
円的関係になる筒状の金属製のガイド３に図示しない接
着剤を介して挿入固定されている。前記ガイド３の内径
は前記フェルール１を挿入する太径嵌合孔４と、光ファ
イバケーブルを挿入する小径嵌合孔５とからなってい
る。前記ガイド３の外周にはフランジ６が設けられてい
る。

【００２９】フェルール１は、透明体からなる石英ガラ
スによって形成され、例えば内径は１２５μｍ強とな
り、外径は２５０μｍとなっている。前記内径は直径１
２５μｍの光ファイバ７（図３参照）を挿入固定できる
挿入孔（光ファイバ挿入孔）９を構成している。また、
光ファイバ挿入孔９のガイド３側は、光ファイバの挿入
が容易となるようにテーパ８となっている。

【００３０】また、図１に示すように、前記フェルール
１の表面には表面層１０が設けられている。この表面層
１０は、例えば１２ｗｔ％の二酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）
を添加した層となり、約５０μｍの厚さとなっている。
石英ガラスにＴｉＯ₂ を添加すると線膨張率が低下す
る。

【００３１】本実施形態１では、石英系ガラス管材、例
えば透明な石英ガラス管材の表面に、線膨張率を低下さ
せる添加材として、例えばＴｉＯ₂ を約１２ｗｔ％添加
した後、加熱状態で前記石英ガラス管材の線引きを行っ
て約５０μｍの厚さの表面層１０を有する直径２５０μ
ｍの細管を作製し、その後前記細管を切断することによ
ってフェルール１を製造する。

【００３２】ＴｉＯ₂ を添加した表面層１０の線膨張率
は、表面層１０の内側の内部層１１の線膨張率に比較し
て低い。従って、石英ガラス管材（ガラス母材）を線引
き加工して細管を成形する場合に、内部層１１と表面層
１０の線膨張率の相違により、表面層１０に圧縮応力が
残留する。

【００３３】例えば、試作した石英ガラスフェルールの
径方向の残留応力分布をシュミレートした結果を図４に
示す。表面層１０に略均一に約７．８ｋｇ／ｍｍ₂ の圧
縮応力が残留している。それに比し内部層１１に残留す
る伸長応力は０．７ｋｇ／ｍｍ₂ 程度であり、その影響
は少ない。この結果から、表面に効果的に圧縮応力が残
留することが判る。

【００３４】従って、前記細管からフェルール１を製造
した場合、フェルール１の表層には約５０μｍの厚さ
（深さ）に亘って圧縮応力が残留する表面層１０が形成
される。この結果、フェルール１の表面に傷が付いて
も、前記残留圧縮応力によって前記傷への応力集中を緩
和することができ、フェルール１の曲げ強度を大幅に向
上させることができる。フェルール１の表面の傷への応
力集中を緩和するためには、表面層１０はある程度厚く
なければならず、その厚さは、例えば２０μｍ以上必要
となる。

【００３５】試作した２０個の石英系ガラス製フェルー
ル１の曲げ強度は、平均で２５０ＭＰａであった。これ
は表面にＴｉＯ₂ を添加しない構造のフェルールの平均
強度１３０ＭＰａに比較して大幅に増加している。

【００３６】光ファイバコネクタ（光コネクタ）によっ
て光ファイバ同士を接続する際、図３に示すように、フ
ランジ付きフェルール２に光ファイバが取り付けられ
る。すなわち、光ファイバケーブル１５の先端部分を所
定の長さに亘って被覆体を取り除き、石英ガラスからな
る光ファイバ７を露出させる。その後、前記光ファイバ
７をガイド３側から挿入して光ファイバ７の先端部分を
フェルール１の光ファイバ挿入孔９に挿入する。つい
で、光ファイバ７の先端をフェルール１の一端に一致さ
せた後、図示しない接着剤で光ファイバ７をフェルール
１に接続固定する。

【００３７】本実施形態１のフェルール１は透明体であ
ることから、フェルール１の光ファイバ挿入孔９に光フ
ァイバ７を挿入固定する際、作業性の良好な紫外線（Ｕ
Ｖ）硬化形接着剤を使用できる。この結果、光ファイバ
７の接着コストが安価になる。

【００３８】また、フェルール１に光ファイバ７を接着
した後、前記フェルール１の先端を研磨して、光ファイ
バ７とフェルール１の先端を研磨する。この研磨では、
前記フェルール１および光ファイバ７が石英系ガラスで
あることから、ダイヤモンド等の高価な研磨材料は不要
となる。

【００３９】光ファイバ付きフェルール２０は、所望の
光ファイバコネクタ（光コネクタ）に組み込まれ、所定
の光ファイバ同士の光学的に接続がなされる。

【００４０】なお、図２および図３において、表面層１
０および内部層１１は省略する。

【００４１】本実施形態１のフランジ付きフェルール２
をＳＣ形光コネクタに組み込んだ。光ファイバを挿入し
た後、光接続のための端面研磨条件を検討したが、従来
のジルコニア製のフェルールと比較して研磨時間が４分
から２分に半減し、かつダイヤモンド砥粒を必要とせず
消耗品のコストを大幅に低減できた。コネクタとしての
反射減衰量は５０ｄＢ以上であった。ヒートサイクル試
験を行ったが、接続特性は非常に安定しており、反射減
衰量の変化は殆どなかった。これは温度変化による光フ
ァイバの引き込み等が無いためと考えられる。

【００４２】本実施形態１のフェルール１は、その表面
に圧縮応力が残留する約５０μｍの厚さの表面層１０が
設けられていることから、フェルール１の表面に傷が付
いても、前記傷に対する応力集中が緩和されるため、機
械的強度（曲げ強度）が向上する。

【００４３】本実施形態１のフェルール１は、光ファイ
バ７と同じ材質である石英系ガラスによって形成されて
いることから、線膨張率が光ファイバ７の線膨張率と略
同一となる。従って光ファイバ７をフェルール１に取り
付けて使用した場合、環境温度が変動しても両者間に熱
応力が発生し難くなり、フェルール１と光ファイバ７の
接着状態が変動しなくなり、接続特性が安定し信頼性が
高くなる。

【００４４】また、環境温度の変動によってフェルール
１に対して光ファイバ７が動くこともなくなり、光ファ
イバの引き込み現象が発生しなくなる。従って光コネク
タ状態では、対面する光ファイバ７の先端面間の変動が
なく、安定した結合状態での光ファイバ接続が維持され
ることになる。

【００４５】石英系ガラスフェルールは、光ファイバ７
を取り付けたフェルール１の先端研磨において平坦性が
向上する。また、セラミックフェルールに比較して研磨
時間を短縮できる。従って、本実施形態１の石英系ガラ
ス製フェルール１の先端研磨時間の短縮が図れ、光コネ
クタの組立コストの大幅な削減が可能になる。また、セ
ラミックの研磨のように高価なダイヤモンド等の研磨材
料が不要となり、研磨コストの低減が達成できる。

【００４６】本実施形態１のフェルール１は石英系ガラ
スで形成され、線引きによる連続加工が可能なことか
ら、セラミック製のフェルールに比較して安価になる。

【００４７】本実施形態１のフェルール１は透明な石英
系ガラスで形成されていることから、フェルール１に光
ファイバ７を接続固定する際、作業性の良好な紫外線硬
化形接着剤を使用できるため、光ファイバの接着コスト
の低減が達成できる。

【００４８】（実施形態２）図５は本発明の他の実施形
態（実施形態２）によるフェルールを示す模式的拡大断
面図、図６は本実施形態２の穴あけ加工前の石英系ガラ
スフェルール用母材の径方向ＧｅＯ₂ 添加濃度分布を示
すグラフである。

【００４９】本実施形態２のフェルール１は、前記実施
形態１と同様に透明体からなる石英系ガラスによって形
成されている。本実施形態２では、図５に示すように、
表面層１０に添加材を添加せず、前記表面層１０の内側
の内部層１１に線膨張率を上昇させる添加材を添加し
て、前記表面層１０に圧縮応力が残留する層とした構造
となっている。

【００５０】線膨張率を上昇させる添加材として、例え
ば二酸化ゲルマニュウム（ＧｅＯ₂）やＢ₂Ｏ₃等を使用
している。

【００５１】ＧｅＯ₂ の添加濃度分布を図６に示す。こ
れは穴あけ加工前の母材での分布である。添加物のない
石英系ガラスの表面層１０の厚さは約１００μｍとし、
その内側の内部層１１にＧｅＯ₂ を添加した。中心付近
での添加濃度の最大値は約３０ｗｔ％であった。実施形
態１の場合と同様に穴あけ加工したガラス母材を線引き
加工してフェルールを成形する場合に、内部層１１と表
面層１０の線膨張率の相違により、表面層１０に圧縮応
力が残留する。これにより、ガラス表面の加傷時にその
傷への応力集中を緩和することができ、フェルール１の
曲げ強度が大幅に向上することになる。試作した石英系
ガラス製フェルール２０個の曲げ強度は平均で３５０Ｍ
ｐａであった。この値はアルミナフェルールに匹敵する
ものである。

【００５２】図７はフランジ６を有するガイド３にフェ
ルール１を取り付けたフランジ付きフェルール２を示す
図である。本実施形態２では、前記ガイド３はプラスチ
ックで形成されている。これによってフランジ付きフェ
ルール２の製造コストの低減が達成できる。

【００５３】本実施形態２のフェルール１は、前記実施
形態１のフェルール１が有する効果を有する。

【００５４】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば
前記実施形態では、圧縮応力が残留する表面層の厚さを
５０μｍあるいは１００μｍとしたが、他の寸法でもよ
い。フェルールの表面の傷への応力集中の緩和を図るた
めには、前記表面層の厚さは、数十乃至百数十μｍ程度
の厚さであれば充分である。

【００５５】また、前記実施形態ではフェルール１を石
英ガラスで形成したが、他の石英系ガラスでもよい。

【００５６】また、フェルール１の表面層に圧縮応力を
残留させるため、前記実施形態では表面層１０と内部層
１１のうちいずれかの層に添加材を添加したが、表面層
１０および内部層１１の両方に添加材を添加して表面層
１０に圧縮応力を残留させるようにしてもよい。すなわ
ち、前記表面層には線膨張率を低下させる添加材を添加
し、前記表面層の内側の内部層には線膨張率を上昇させ
る添加材を添加してもよい。

【００５７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００５８】（１）石英系ガラスからなるフェルールの
表層に圧縮応力が残留する表面層を厚く設けていること
から、フェルールの表面に傷が付いても、前記圧縮応力
が残留する表面層の作用によって前記傷に加わる応力が
緩和され、フェルールの機械的強度が向上する。

【００５９】（２）フェルールは光ファイバと同様に石
英系ガラスで形成されていることから、従来のセラミッ
クを基本材料とするフェルールを用いた場合に比し、研
磨コストと研磨時間を大幅に縮小することができる。

【００６０】（３）フェルールは光ファイバと同様に石
英系ガラスで形成され、両者の線膨張率は同一または近
似するため、温度変化による光ファイバの突き出しや引
き込みが発生せず光接続特性が安定する。

【００６１】（４）フェルールは透明であるため、接着
剤としてＵＶ硬化形を使用することができ、コネクタ組
立時間の短縮を図ることができる。

【００６２】（５）フェルールは石英系ガラスで形成さ
れることからセラミック製フェルールに比較して安価に
なる。

【００６３】（６）光ファイバを接続コストの安価な紫
外線硬化形接着剤を使用してフェルールに接続固定でき
ること、フェルール先端面の研磨コストを低減できるこ
とから光コネクタの組立コストの低減が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）であるフェ
ルールを示す模式的拡大断面図である。

【図２】本実施形態１のフランジ付きフェルールを示す
断面図である。

【図３】本実施形態１の光ファイバを取り付けたフラン
ジ付きフェルールを示す断面図である。

【図４】本実施形態１のフェルールの径方向の残留応力
分布をシュミレートした結果を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施形態（実施形態２）によるフ
ェルールを示す模式的拡大断面図である。

【図６】本実施形態２の穴あけ加工前の石英系ガラスフ
ェルール用母材の径方向ＧｅＯ₂ 添加濃度分布を示すグ
ラフである。

【図７】本実施形態２のフランジ付きフェルールを示す
断面図である。

【符号の説明】

１…フェルール、２…フランジ付きフェルール、３…ガ
イド、４…太径嵌合孔、５…小径嵌合孔、６…フラン
ジ、７…光ファイバ、８…テーパ、９…光ファイバ挿入
孔、１０…表面層、１１…内部層、１５…光ファイバケ
ーブル、２０…光ファイバ付きフェルール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三田地成幸東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の光ファイバを接続する
光ファイバコネクタのフェルールであって、前記フェル
ールは石英系ガラスからなり、表面に圧縮応力が残留す
る表面層を有することを特徴とするフェルール。
【請求項２】前記表面層には線膨張率を低下させる添
加材が添加されていることを特徴とする請求項１記載の
フェルール。
【請求項３】前記表面層の内側の内部層には線膨張率
を上昇させる添加材が添加されていることを特徴とする
請求項１記載のフェルール。
【請求項４】前記表面層には線膨張率を低下させる添
加材が添加され、前記表面層の内側の内部層には線膨張
率を上昇させる添加材が添加されていることを特徴とす
る請求項１記載のフェルール。
【請求項５】前記フェルールは透明体であることを特
徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のフ
ェルール。
【請求項６】前記表面層は数十乃至百数十μｍ程度の
厚さとなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項
５のいずれか１項記載のフェルール。
【請求項７】光ファイバを貫通固定する挿入孔を有す
る管状のフェルールの製造方法であって、線膨張率を低
下させる添加材を表層に添加または／および内部層に線
膨張率を上昇させる添加材を添加した石英系ガラス管材
を作製した後、加熱状態で前記石英系ガラス管材の線引
きを行って圧縮応力が残留する表面層を有する細管を作
製し、その後前記細管を切断してフェルールを製造する
ことを特徴とするフェルールの製造方法。
【請求項８】前記石英系ガラス管材の表層にＴｉＯ₂
を添加することを特徴とする請求項７記載のフェルール
の製造方法。
【請求項９】前記内部層にＧｅＯ₂ 又はＢ₂Ｏ₃ を添
加することを特徴とする請求項７記載のフェルールの製
造方法。