JPH0820577B2 - 光ファイバ伝送部材成端用のフェル−ル部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は光ファイバ接続をなすに用いられるフェル
ール部材と、フェルール部材の製造方法に関する。特に
この発明はフェルールのチップがそれに保持されるファ
イバと同じ熱膨脹係数を呈するように製せられるフェル
ール部材に関する。このようにすると熱サイクル時のフ
ァイバとフェルールの間の応力の排除または著減を助け
て両要素間の「ピストニング」とも称される相対運動を
防止する。

従来の技術と問題点 たいていの光ファイバコネクタは有機高分子或いは高
密度アルミナ、または金属から製造した「フェルール」
を含んでいる。フェルールの先端片即ち「チップ」の主
な役割は、他のファイバやデバイスの端面の位置出しの
基準となりうる、ファイバ端面の固定位置を備えること
である。フェルール内のファイバの軸方向の動きは光コ
ネクタ損の増加を招いたり、両ファイバ端が互いに直接
に接触しているとその一方が圧潰すことにもなりうる。
組立てられたコネクタ端末の温度サイクル時に、ファイ
バとフェルールの熱膨脹が蜜に整合していない場合は、
ガラスファイバの端面の、これを取巻くフェルールの端
面に対する相対運動を予期しなければならない。このよ
うな整合不良は、金属、高密度アルミナまたは種々のエ
ンジニアリングプラスチックから製造したェルールと、
遠隔通信および信号伝送用の最も普通に用いられる単モ
ードおよび多モードファイバとに存在する。これらのフ
ァイバは非晶質二酸化珪素（「溶融シリカ」、また時に
「クォーツガラス」とも）を主なガラス構成成分とする
オキサイドガラスで作られる。このファイバのコアに
は、シリカに加えて、ゲルマニウム、燐、硼素等の酸化
物のうちその一つ以上を比較的大量（通常は５重量％
超）に含むことがある。これらのファイバは通常は、光
学的理由からまた予備成形物およびファイバの製造を容
易ならしめるために、溶融シリカでクラッドされる。

溶融シリカは線熱膨脹係数が、約0.6ppm/℃（摂氏度
当りパートパーミリオン）、非晶質二酸化ゲルマニウム
は溶融シリカの構造等価物であるが線熱膨張係数は約7.
7ppm/℃であり、溶融シリカに添加するとその熱膨張を
顕著に高める。このようなファイバの有用温度範囲内で
有効な、線熱膨張係数のムリのない見積り値は、0.5〜3
ppm/℃であろう。故に、低膨張のファイバと熱的に整合
するフェルールに適当な材料は線熱膨張係数、０〜3ppm
/℃の範囲のものとすべきである。

しかしながら、熱膨脹係数が3ppm/℃を著しく超える
材料でできた光ファイバを光ファイバ端末において封止
するためには、そのファイバを保持するフェルールに相
応に高い熱膨張の材料で製造しなければならない。この
種のファイバは例えば、多コンポーネント高インデック
ス光学ガラスのコアと低インデックスのクラッディング
を持つファイバである。最もよく使われる、ガラスクラ
ッドのガラスおよびプラスチッククラッドのガラスのフ
ァイバには線熱膨張係数約５〜9ppm/℃の範囲のフェル
ール材料が必要である。

プラスチックファイバのプラスチッククラッドは熱膨
張がさらに高く、熱整合のためには線熱膨張係数約40〜
80ppm/℃のフェルール材料を必要とする。これには現在
光ファイバのコネクタフェルールに用いられている有機
高分子（例えばポリブチレンテレフタレート（PBT）な
どの、充填剤入りもしくは無充填剤のポリエステル類）
が適している。

たいていの充填剤のない有機高分子は、例えば−50〜
150℃の温度変化にあうとそれぞれ約１％だけ膨脹し収
縮する。この係数は温度に依存するが、熱膨張率が大き
く異なる材料の比較に使える。ここに挙げた１％の膨脹
は約60ppm/℃の平均線熱膨張係数によって生じる。たい
ていの金属はその線熱膨張係数がプラスチックと同程度
の大きさ即ち10ppm/℃のオーダーである。

遠隔通信ラインに用いられる光ファイバの膨脹係数は
0.1ppm/℃のオーダーである。従って、その熱膨張はフ
ェルールに使われるプラスチックや金属のそれよりも小
さくその0.01倍である。それらのフェルールは、適当な
接着剤を介して光ウェーブガイドの末端を機械的に支持
する役をするので、ファイバと支持するフェルールとの
間に激しい熱応力が発生しかねない。それらの応力はフ
ァイバと接着剤の間およびフェルールと接着剤の間それ
ぞれの固着強さを超過しうる。格別に強い固着の場合は
熱応力が接着剤自体の凝着強さを超過することもありう
る。接着剤が効力を失わないとしても、ファイバの前端
に作用する力は軸方向の動きを生じてファイバをその原
位置から前進もしくは後退させる。この相対運動は「ピ
ストニング」といって知られる。

先行技術における多数の特許は、ファイバをフェルー
ル内に正しく整合させて二つの光ファイバ間の接続点に
ゆがみが起らないようにすること、もしくはファイバを
やはり光伝送の品質が損われないようにフェルール内に
固く維持するという問題に関するものである。

即ち、例えば、ジャクソン氏らの米国特許第4,113,34
6号は、光ファイバがフェルール内に固定されて近似的
にフェルール軸線上にあるようにする、光ファイバ成端
の方法を教える。同じように、ルーイス氏らの米国特許
第4,261,642号は、二つのフェルールを互いに圧迫し合
せて二つの光ファイバ同志を正確に整合させる方法を教
え、パール氏の米国特許第4,397,552号は、筒状のハウ
ジングをまず冷却してから収縮させて光ファイバを把持
しこれを正しく整合させる方法を教える。パール氏の特
許は異なる材料間の熱膨張係数の相異を利用するが、そ
れも光ファイバが一層しっくりと把持されるように利用
している（欄１、行50〜69）。この特許は、光ファイバ
と同じ熱膨張係数のフェルールの製造については教えて
いない。

スタイル氏の米国特許第4,113,349号はやはり、熱膨
張係数に関するが、この性質を使ってフェルールが光フ
ァイバの周りに一層しっくりと嵌合しうるようにしてい
る。フェルールとファイバとの熱膨張係数の相異や「ピ
ストニング」の問題については論じていない。

このように、光ファイバを正確に接続して高品質の光
伝送を確保する方法を論じる特許はいくつかあるが、ピ
ストニングの問題について或いは熱膨張係数の相異によ
って生じる応力が光ファイバとこれを保持しているフェ
ルールとの固着を破壊しやすいことについての論議は先
行技術にはないようである。これまでの焦点は、より強
力な接着剤を供したり、高分子フェルールの表面処理お
よび（または）高分子フェルール中の炭素繊維使用によ
り接着用表面積を増加したりする手段によって固着強さ
を向上させることに向けられていた。

問題点を解決するための手段 本発明はピストニングの問題を排除する手段を供する
ものである。

この発明の目的は、光ファイバとこれを収容するデバ
イスとの間の熱膨張の整合不良が大きく減少した、自由
または固定されたコネクタ用の光ファイバ端末を供する
にある。

この発明のもう一つの目的は、熱サイクル中のファイ
バとフェルールの間の応力を除去または大きく減少して
両要素間の相対運動即ちピストニングを防止するにあ
る。

この発明のさらにもう一つの目的は、単または多コン
ポーネントのフェルールをこれに保持さるべきファイバ
の軸線の方向と一致する方向に成形するために、熱膨張
係数が流れ方向に格別に低い液晶高分子をフェルールに
使用することである。

この発明のさらに他の一目的は、可撓成で研磨可能な
フェルールという概念を失わずに膨脹係数を増すため
に、２よりも低いモース硬度の充填剤を液晶高分子に加
えることによってフェルールを改変することである。

またこの発明の一目的は、ここに記載の材料および充
填剤を用いることによって、本発明のフェルールを射出
成形する方法を供するにある。

本発明の他の目的および利点は発明の記述を進めるに
伴って明らかにされる。

本発明は以上の諸目的を満たすに当って、次の諸性質
を具えたチップを持つ光ファイバのフェルールを供する
ものである。

（ａ）インデックス修正材料例えば二酸化ゲルマニウ
ム、五酸化燐、酸化硼素またはフッ素などをドープされ
たSiO₂ガラスから成る光ウェーブガイドと同程度の熱膨
脹を温度範囲−50〜150℃で有し、また （ｂ）臨界的な軸方向には本質的に熱余分や弾性余効を
有しない。

また、ファイバとフェルールとの組合せと、或種の高
分子材料からこの発明の光ファイバ端末を製造する方法
が供される。

上に言及した熱および弾性余効はたいていの有機高分
子材料において非常に顕著であって、このことは、例え
ば、エンサイクロペディア・オブ・ポリマーサイエンス
・アンド・テクノロジー第８巻ページ445〜516の「機械
的性質」と題するヴィー・エイ・カーギン（Kargin）氏
の記事に論じられている通りであり、ここにその開示全
体を引用編入する。この挙動はプラスチック部品に寸法
変化を招いてプラスチック部品を精密光学要素に不適当
なものにする。本発明の提案する高分子材料で製せられ
た射出成形部品は、他の有機高分子との比較ではこれら
の余効を呈しないことがわかった。周囲温度（約25℃）
においては、流れ方向の収縮は全く観測できなかった。
100℃で観測された偏差は実験誤差の範囲内にあった。

本発明によって供されるものにはまた、フェルール用
もしくは端末用の無機材料の諸組合せがあり、これはそ
のフェルールに保持されるファイバと近似的に等しい熱
膨脹率を呈する無機材料の組合せである。前記利点に加
えて、無機材料製のフェルールには軸方向にも半径方向
にも事実上熱および弾性余効がない。また、そのフェル
ールはプラスチックのフェルールよりも硬く、研磨中に
損傷しにくく、またより高い温度で安定ある。

本発明は、単独でまたは種々の充填剤を加えて所用の
熱膨張係数を呈する、材料の選択と共に、その所要材料
で製せられるフェルールを光ファイバコネクタ用に供す
る方式の選択に備える。そのフェルールを製するにはプ
ラスチックを無機材料も使用できる。

本発明はどんな型のフェルールにもどんな型の光ファ
イバにも使用に適する。この発明の主要概念は、フェル
ールのチップの膨脹係数は光ファイバの膨脹係数と事実
上同一であるべきであるということである。

光ファイバは一般に、低膨脹、中膨脹および高膨脹の
ファイバと記述される。これらの用語はこの特許出願用
に次の定義で用いられる。即ち、低膨脹ファイバは膨脹
係数が2ppm/℃以下のファイバである。低膨脹ファイバ
には溶融シリカおよびたいていの勾配インデックスファ
イバが含まれる。中膨脹ファイバは膨脹係数が２〜9ppm
/℃であって、これには段階インデックスの光学ガラス
ファイバおよび一部の勾配インデックスファイバが含ま
れる。高膨脹ファイバは膨脹係数が9ppm/℃よりも大き
いファイバであって、これにはプラスチックコアファイ
バとIR伝送性のカルコジェナイド（Chalcogenide）ガラ
スファイバが含まれる。

本発明の主要な一面によれば、充填剤を添加し得て本
発明のフェルールを製するに用いられるプラスチックは
液晶高分子（LCP）プラスチックである。これらのLCPプ
ラスチックは、射出成形および押出の可能な高パーフォ
ーマンス樹脂の一族であって米国ニュージャージー州サ
ミットのセラニーズ（Celanese）スペシャルティズ・オ
ペレーションズおよびニュージャージー州パラマスのDA
RTCO製造会社から市販されている。

無充填のネマチック熱可塑性高分子はまた「液晶高分
子」（LCP）或いは「自己強化熱可塑性プラスチック」
（SRT）として知られるが、異方性の挙動を呈し流れ方
向の線熱膨張係数がゼロまたは負である。また、この方
向に測った引張弾性率および引張強さは普通の「エンジ
ニアリングプラスチック」よりも著しく高い。LCPの性
質の大部分は流れ方向に直角に測ると多の熱可塑材料と
よく似ている。化学的には、これらの高パーフォーマン
スLCPは「全芳香族ポリエステル」と特徴づけられる。L
CPは通常は本来難燃性であり潤滑剤、可塑剤等の添加物
を含有しない。このような添加物はファイバとフェルー
ルの内側壁との間に強い接着層を作る妨げとなりやす
い。

LCPは流れ方向に低い線熱膨張と自己強化性を有する
ので、成形部品の少なくとも一方向に低膨脹と高強度を
実現するのに充填剤を必要としない。そのために、プラ
スチック産業で普通に使われるガラスファイバや無機充
填剤は無用になる。軟質の鉱物を除きそれらの充填剤は
磨きのときファイバ端面に掻ききずを生じやすい。この
ような表面欠陥は、光ファイバ接続部の散乱損の原因と
なるので避けなければならない。また、PTBその他のエ
ンジニアリングプラスチックに、熱膨張の低減および強
度と耐久性の増加を目的として、炭素繊維を導入するこ
とも不必要である。充填剤としての炭素繊維は磨き中に
顕著な掻ききずを生じることはないが、それを含有する
材料にその応用を制約する他の一因子を導入する。炭素
の有限の電気伝導度は、金属のそれと同様に、電界内に
設置される光ファイバデバイス用のコネクタにおけるこ
の種の高分子で製せられたフェルールの使用を妨げる。
炭素充填プラスチックは本質的に黒色であって製品のカ
ラー選択を制約する。

本発明によれば、光ファイバ伝送部材を受容する貫通
孔を含み、該貫通孔の一部が比較的小径に形成されて前
記光ファイバ伝送部材の光ファイバを保持する減径区分
を構成する光ファイバ伝送部材成端用のフェルール部材
において、 前記減径区分はその軸線方向の熱膨脹係数を制御する
ため前記フェルール部材用の金型中の流れ方向を制御し
て成形した液晶高分子材料より成ることを特徴とする光
ファイバ伝送部材成端用のフェルール部材が提供され
る。

実施例 第１図を参照すると、典型的な光ファイバ接続アセン
ブリ（10）は、フェルール（12）、光ファイバ（14）を
持つ光ファイバ伝送部材（13）、および金属ブシュ（2
0）から成る。フェルール（12）は光ファイバ開口（2
2）および本体（24）を有する。光ファイバ（14）は緩
衝コート（16）、強度材（複数）（17）の随意層、およ
び強度材（17）と緩衝層（16）を取巻く保護シース部材
（18）を有する。しかし、これは使用できる型のフェル
ールおよび光ファイバ接続方式の一実施例にすぎず、フ
ェルールのチップと光ファイバとの膨脹係数が事実上同
じである限り、在来のどのフェルールと光ファイバとの
アセンブリも本発明の範囲内で使用可能である。

第３〜６図は本発明によって製造しうるフェルールの
数実施例を示す。第３図のものは、一体成形の高分子フ
ェルールであって、肩（125）を有する本体部材（124）
を包含し、これには光ファイバ伝送部材の端部が通る貫
通孔すなわち内孔（126）が貫通している。本体（112）
の一区分はチップ（123）を包含し、これに含まれる内
孔（126）の減径された一区分に、光ファイバ伝送部材
の光ファイバ部材の露出した区分が挿置される。チップ
（123）は減径区分すなわち光ファイバ開口（122）を有
し、露出する光ファイバ部材は通常の方法で前記チップ
に固定することが可能である。

LCPで製造した一体形フェルールの熱膨張は金型、例
えば第２図に例示する金型（30）に流し込まれるときの
LCPの流れ方向によって低くも高くも変えられる。LCPを
金型キャビティ（37）の一端近くに導入してフェルール
（112）の軸に平行な一方向に流すときは、生成するフ
ェルールの軸方向の熱膨張が低い。LCPを肩（125）など
のキャビティ側部に沿って導入すると（仮想線（140）
で示す）、LCPはコアピン（42），（44）の周りを主と
して半径方向に流れ、生じるフェルール（112）の熱膨
張は比較的に高い。この高い熱膨張値は材料のそれだけ
強い乱流に基因すると考えられる。LCPのこの特性は金
型の適当な設計とゲート付けによって活用することがで
きる。

第２図に示す金型（30）の断面は、低熱膨張の一体形
LCPフェルールの生産に用いられる金型の一種を代表す
る。標準の金型材料と通常の射出成形法がこの部品の生
産に用いられる。独特な点は、高分子が金型（30）に導
入される際の方向と対称性である。第２図の金型（30）
は金型キャビティ（37）の貫通する三つの区分（32），
（34），（36）から成り、金型（30）の両端を通してコ
アピン（44），（42）がキャビティ（37）に延び込み、
これらのピンはその寸法で内孔（126）と開口（122）を
形成する。

高分子材料は（40）から金型キャビティ（37）に導入
されキャビティ（37）に流入しこれを充填してフェルー
ル（112）を形成する。当業界で知られるように、（4
6）のリングゲートとガス抜き（38）とが材料のキャビ
ティへの流入を制御する。円筒対称のフェルールに対し
ては、その軸と同心のマルチプルのオリフィスもしくは
リングゲートで所望の近軸層流が得られる。なお、第２
図の金型設計は一体形フェルール部材の生産に用いうる
種々の金型設計を代表するものである。

一体形フェルール部材の製造に適するLCPはセラニー
ズ・スペシャルティズ・オペレーションズから入手で
き、LCP2000およびLCP4060の呼称で市販され、またDART
COからXYDAR^TMの名で市販されている。セラニーズ・オ
ペレーションズのLCPの組成は米国特許第4,161,470号お
よび第4,330,457号に開示されている。これらの材料か
ら製造されるフェルールの熱膨張は、上述のような成形
法によって、またタルク、黒鉛、モントモリロナイト、
ひる石などの充填材の使用によって変更可能である。

またLCPを肉厚毛管の形に押出すことによって適当な
軸配向を得ることもできる。第４〜６図は、毛管部材
（230），（330），（430）を用いてそれぞれフェルー
ルチップ（223），（323），（423）を形成する、フェ
ルールの実施例（212），（312），（412）を示す。こ
れらの毛管部材（230），（330），（430）は金属また
はプラスチックの対応する本体部材（224），（324），
（424）と共に用いられる。第５図および第６図は切断
してセグメントにして接着または圧力嵌めにより本体部
材（324），（424）にそれぞれ装着した毛管部材（33
0），（430）を示す。この毛管部材に用いられたLCP材
料の低熱膨張は軸方向に生じるだけで半径方向には生じ
ないので、LCPの半径方向熱膨張をフェルールの主本体
に用いられる材料の熱膨脹と関連づけることが望まし
い。そうすれば、第５図の本体（312）と毛管部材（33
0）の間の固着面における熱サイクル時の剪断応力が極
減される。

別法として、適当な金属またはプラスチックの本体に
LCP材料を直接に形成したのちこの部材に所要の穴をド
リル穴明けすることも可能である。第４図は前記のよう
にして製せられた典型的なフェルール（212）を示す。

本発明のフェルールやフェルールチップはガラスファ
イバとこれを収容するフェルールその他のデバイスとの
軸方向熱膨張の整合不良を著しく減じることが本発明に
よって発見された。このことは熱サイクル中のファイバ
とフェルールの間の応力を除去もしくは著しく減少して
両要素間の、時に内向きまたは外向きピストニングと称
される、相対運動を防止する。このフェルールを作る液
晶高分子は流れ方向に格別に低い熱膨張係数を呈する。
この特性を利用すると、フェルールによって位置を保持
さるべきファイバの軸方向と一致する方向に単または多
コンポーネントのフェルールを形成することができる。
これによって、可撓性の艶出し可能なフェルールという
概念を放棄せずに、この技術における重要な問題が克服
される。

本発明のもう一つの面によれば、きれいな液晶高分子
に或るモース硬度を持つ色々な充填材を添加することが
可撓性の研磨可能なフェルールという概念を保持しなが
らこれらのLCPの膨脹係数を約0.6或いは3.0ppm/℃まで
も増加する責任を負っている。LCP用充填材として使え
る適当な充填材料とそのモース硬度数を次の表１に示
す。

表１ 低膨張軟質プラスチックの光ファイバフェルール
に有用な充填材材料 モース硬度数 SbS₃ ２ Ab₂S₃ 1.5〜２ CuS 1.5〜２ 黒鉛 １ MoS₂ １〜1.5 モントモリロナイト １〜2 Ｂ（OH）_３ １ α硫黄 1.5〜２ タルク １ ヒル石 １〜２ Bi₂S₃ ２ これらの低膨張軟質プラスチックの光ファイバ端末製
造用に選好される充填材には黒鉛、モントモリロナイ
ト、ひる石およびタルタが含まれる。

本出願のこの部分における手続は種々の使用できるポ
リエステルまたはプラスチック材料に向けられていた
が、この発明は、単独にもしくは或種の充填材で改質し
て用いられて保持される光ファイバと同じ熱膨張係数を
持つフェルールまたはフェルールチップを生じうる、す
べての材料に適用できるものである。また所要のモース
硬度を有する充填材は、それが出発材料の熱膨張係数を
光ファイバと事実上同じにするものであればすべて使用
できる。出発材料は普通の成形温度を用いて成形できる
ことが望ましい。出発材料はなるべく350℃で成形でき
且つ熱互変性のものとすべきである。

次の諸例はもっぱら説明のために示すものであって、
添付の請求の範囲に指示する以外に発明の範囲を限定す
るものと解せらるべきではない。

例 １ 約50mm長の円柱形ロッドを無充填の（きれいな）LCP
から成形した。それらのロッドから切断した長さ25mmの
セグメントの線膨脹係数を、一般に知られる膨脹計測法
によって温度の関数として連続的に記録した。測定はLC
Pの流れ方向に平行に測った。結果は第２の試料番号１
および２に示す。

例 ２ 例１と同様にきれいなLCPからロッドを成形した。半
径方向の線膨脹係数を前述のように測定した。結果は表
２に試料番号３、４として示す。

例 ３ ベース高分子にタルクを添加した充填剤入り高分子か
ら、フェルールの肩の側部にゲートを持った型を用い
て、フェルールを成形した。軸方向に持ったフェルール
チップの線熱膨張係数を表２の試料番号５〜８に示す。

例 ４ 例１のものと同様にして充填剤入り材料からロッドを
成形した。例１と同じように流れ方向に平行に線膨脹係
数を測定した。結果は表２の試料番号９〜12に示す。

表２は上記の各種試料の膨脹係数を示す。試料１〜４
は例１、２の高分子のもの、試料５〜12は例３、４の充
填剤入り高分子のものである。膨脹係数はppm/℃で表さ
れる。

上表は本発明の利点を明瞭に示している。試料１およ
び２（無充填LCP）は流れ方向に測って負の膨脹係数を
有する。これに対し、試料３および４は熱膨脹係数が正
であり試料１、２のものとの差が相当大である。試料
５、６と試料９、10は、タルク充填したLCP2000から乱
流で成形した試料と層流で形成した試料について測った
膨脹係数の差異を対比させたものである。試料７、８と
試料11、12は、ベース高分子がLCP4060の場合と同様な
差異を実証する。この差異はきれいな材料の場合よりも
充填剤入りの材料の方がはるかに目立たない。充填剤入
り材料は挙動がほとんど等方性と考えられる。表２から
わかるように、きれいな材料で製せられたフェルールは
低膨脹ファイバに時に好適し、これに対し、中および高
膨脹ファイバには充填剤入り材料製のフェルールの方が
適する。

図面の簡単な説明 第１図は典型的な光ファイバ相互接続アセンブリの分
解図である。

第２図はこの発明に用いられるフェルール作製用型の
図式断面図である。

第３〜６図はこの発明により高分子材料で製造しうる
典型的な光ファイバコネクタフェルールの断面図であ
る。

12……フェルール部材 13……光ファイバ伝送部材 122……減径区分（開口） 126……貫通孔（内口）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバ伝送部材を受容する貫通孔を含
   み、該貫通孔の一部が比較的小径に形成されて前記光フ
   ァイバ伝送部材の光ファイバを保持する減径区分を構成
   する光ファイバ伝送部材成端用のフェルール部材におい
   て、 前記減径区分はその軸線方向の熱膨脹係数を制御するた
   め前記フェルール部材用の金型中の流れ方向を制御して
   成形した液晶高分子材料より成ることを特徴とする光フ
   ァイバ伝送部材成端用のフェルール部材。