(57)【要約】【課題】ファイバ被覆の熱損傷を招くことなく、短時間で、光ファイバとフェルールをはんだ付けする方法を提供する。【解決手段】円筒形状をした金属製フェルール２の中心貫通孔にメタライズされた光ファイバ心線１ｂを挿通したのち、はんだ材３を用いて金属フェルールと光ファイバ心線をはんだ付けする際に、高周波コイル９を用いた誘導加熱方式ではんだ材３を加熱・溶融するフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状をした金属製フェルールの中心貫通孔にメタライズされた光ファイバ心線を挿通したのち、はんだ材を用いて前記金属フェルールと前記光ファイバ心線をはんだ付けする際に、誘導加熱方式で前記はんだ材を加熱・溶融することを特徴とするフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。
【請求項２】
前記誘導加熱方式で用いる高周波コイルの内径が、前記光ファイバ心線の直径の４０〜１００倍である請求項１のフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。
【請求項３】
前記はんだ材の周囲を非酸化性雰囲気にしてはんだ付けを行う請求項１のフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。
【請求項４】
前記非酸化性雰囲気には水素が含まれている請求項３のフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。
【請求項５】
前記はんだ材は、表面にＡｕめっきが施されているＡｕ−Ｓｎ合金材である請求項１のフェルールと光ファイバのはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフェルールと光ファイバのはんだ付け方法に関し、更に詳しくは、光ファイバ被覆の熱損傷も起こらず、かつ短時間でフェルールに光ファイバをはんだ付け固定することができる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光モジュールは、一般に、ハウジングの中に発光デバイスを配置し、外部からハウジングの内部へ光ファイバの先端部を導入し、その最先端を発光デバイスと光接続して組み立てられている。その場合、光ファイバの先端部は光ファイバ被覆を剥離除去して光ファイバ心線が裸出された状態になっており、その裸出した光ファイバ心線の表面は、そこに例えばＡｕめっきが施されることによりメタライズ状態になっている。
【０００３】
そして、この光ファイバと発光デバイスを光接続する場合や、光ファイバのハウジングへの導入箇所では、通常、ガラスと熱膨張率が近似している例えばコバールから成るフェルールを用い、このフェルールに光ファイバを挿通して当該光ファイバとフェルールを例えばはんだ材で固定して一体化し、更にその一体化物を所定の位置に固定するという作業が行われる。
【０００４】
フェルールと光ファイバのはんだ付けによる固定作業の１例を図４に示す。
図４において、所定径の中心貫通孔２ａが形成されているフェルール２の前記中心貫通孔２ａに、先端部の光ファイバ被覆１ａを剥離除去して裸出させ、かつ表面が例えばＡｕでメタライズされた光ファイバ心線１ｂを有する光ファイバ１が挿通されている。この場合、光ファイバ被覆１ａの一部もフェルールの中心貫通孔２ａ内に挿入されているものとする。
【０００５】
そして、フェルール２の上部端面２ｂにはんだ材３が配置される。はんだ材３としては、最近では、環境問題を考慮してＰｂフリーの材料が用いられ、例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金（Ｓｎ：約２０質量％）から成るリング箔が一般に用いられている。
ついで、はんだ材３を一般に大気中で加熱溶融してフェルールの中心貫通孔内に流入させ、更に冷却し、光ファイバ心線１ｂとフェルール２をはんだ材で接合して両者を固定して一体化物にする。そして、このようにして製造された一体化物のはんだ接合部に対しては、優れた気密特性を備え、同時に高い接合強度を備えていることが要求される。
【０００６】
ところで、はんだ材３の加熱溶融に関しては、従来から次のような方法が採用されている。
第１の方法は、抵抗加熱方式である。この方法は、図５で示したように、Ｖ字溝４ａが形成されている例えばセラミックス製の固定板４の前記Ｖ字溝４ａに、光ファイバ１が挿通され、上部端面にはんだ材３をのせたフェルール２を配置し、そのフェルール２の上端側を、例えばＭｏ鋼板から成り、Ｖ字状切欠が形成されている加熱板５で押さえ込み、この状態で加熱板５に通電してその抵抗発熱ではんだ材３を加熱溶融する。
【０００７】
第２の方法はランプヒータを用いた方式である。この方法では、図６で示したように、フェルール２に光ファイバを挿通し、フェルールの上部端面にはんだ材３を配置し、さらにはんだ材３の上方には、例えばキセノンランプのような光源６と凹面鏡７と集光レンズ８とが配置される。
そして、光源６を点灯し、その光を凹面鏡７と集光レンズ８で集光してそれをはんだ材３に照射し、当該はんだ材３を加熱溶融する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の加熱方式には次のような問題がある。
まず、抵抗加熱方式の場合、はんだ材の加熱溶融に要する時間が長く、はんだ付け作業の生産性が悪い。また、はんだ材のみを選択的に加熱することができず、フェルール全体が加熱されることになり、その結果、例えばフェルールの貫通孔内に光ファイバ被覆が挿入されていた場合には、当該光ファイバ被覆は熱損傷を受け、そのため、光ファイバ１の強度が劣化してしまう。
【０００９】
ランプヒータによる加熱方式の場合は、集光時の焦点を合わせることにより、はんだ材を選択的に加熱できる。しかしながら、はんだ材やフェルールなど、被加熱材の表面状態で規定される反射率や吸収率などがばらついていることにより、はんだ材の加熱状態が不均一になり、結局、はんだ材が均一に溶融しないという問題が生ずる。
【００１０】
また、上記した加熱方式は、通常、大気中で行われているが、その場合には、溶融はんだの表面酸化が進み、はんだの濡れ性が劣化する。この問題は、フラックスを併用すれば解決することは可能である。
しかしながら、フラックスを用いると、組み立てた光モジュールの中にフラックスが残存して、光モジュールの信頼性を低下させることがある。
【００１１】
本発明は、従来の加熱方式を実施したときの上記した問題を解決し、はんだ材のみを選択的にかつ短時間で加熱溶融することができ、したがって、光ファイバ被覆の熱損傷を招くことなく、光ファイバとフェルールをはんだ付けする方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、円筒形状をした金属製フェルールの中心貫通孔にメタライズされた光ファイバ心線を挿通したのち、はんだ材を用いて前記金属フェルールと前記光ファイバ心線をはんだ付けする際に、誘導加熱方式で前記はんだ材を加熱・溶融することを特徴とするフェルールと光ファイバのはんだ付け方法が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明において、はんだ材の加熱溶融は高周波誘導加熱方式で実施される。本発明方法ではんだ材を加熱溶融する状態の１例を図１に示す。
図１で示したように、光ファイバ１をフェルール２の貫通孔に挿通し、そのメタライズされた光ファイバ心線１ｂをフェルール２から突出させる。なお、ここでは、光ファイバ被覆１ａの一部もフェルール２の貫通孔の中に挿入されているものとする。
【００１４】
ついで、フェルール２の上部端面２ｂにリング形状をしたはんだ材３が配置される。
ここで、フラックスなしの状態で光ファイバ心線１ｂとフェルール２の接合を実現するために、はんだ材３としては、Ａｕ−Ｓｎ合金を用いることが好ましく、また、はんだ接合強度と気密性を高めるために、光ファイバ心線の表面には、例えばＴｉ／Ｎｉ／Ａｕから成る３層のメタライズ膜が形成され、同時に、フェルール２の表面にも例えばＮｉ／Ａｕから成る無電解めっき膜が形成されていることが好ましい。
【００１５】
ついで、高周波コイル９が配置される。この高周波コイル９は、図１で示したように、平面的な位置関係ではコイルの円環が形成する平面の中心と光ファイバ心線１ｂの軸心とが合致し、かつ、上下の位置関係では、コイル断面の中心とはんだ材３の厚み中心とがほぼ合致するように配置される。このような配置形態をとることにより、高周波コイル９の作動で発生する誘導磁気が効率よくはんだ材３に導入され、フェルール２などを加熱することなく、はんだ材３のみに選択的な加熱を行うことができる。
【００１６】
なお、上記した位置関係が少しでもずれると、誘導磁気の集中的な導入箇所にずれが生じて、はんだ材３が溶融するまでの時間にばらつきが生じてくるので、高周波コイル９の配置は正確に行うべきである。
ここで、高周波コイル９のターン数は格別限定されるものではなく、例えば発振周波数２ＭＨｚ、出力４００Ｗ程度の高周波印加を想定した場合、ターン数としては１ターンであれば、短時間ではんだ材３の加熱溶融を実現することができる。
【００１７】
また、高周波コイル９の内径（ｄ）を小さくすると、はんだ材３の加熱溶融は行いやすくなり、同時に溶融に要する時間も短くなるが、前記した位置関係が少しでもずれると、逆に溶融に要する時間のばらつきが大きくなってしまう。逆に、高周波コイル９の内径を大きくすると、はんだ材３に導入される誘導磁気は拡散するため加熱範囲は広くなり、その分、加熱に要する時間が長くなって生産性は低くなる。
【００１８】
本発明は、高周波コイル９の内径（ｄ）としては、光ファイバ心線１ｂの直径の４０〜１００倍に設定することが好ましい。このとき、加熱に要する時間は短くなり、また加熱時間のばらつきも小さくなるからである。
ところで、Ａｕ−Ｓｎ合金のはんだ材は、溶融すると、溶融はんだの酸化が急速に進行してその濡れ性は極端に悪くなる。そのため、そのような状態になった溶融はんだはフェルール２の貫通孔に流入しなくなり、フェルールと光ファイバ心線１ｂとのはんだ接合が実現されなくなる。
【００１９】
このような問題が発生することを防止するために、本発明においては、はんだ材３の周囲を非酸化性雰囲気にした状態で、高周波コイル９を作動させることが好ましい。具体的には、図示しないノズルから例えば窒素、アルゴン、ヘリウムなどの非酸化性ガスをはんだ材３に吹きつけながら、加熱溶融を行えばよい。
また、Ａｕ−Ｓｎ合金は、大気中において、常温下でも徐々に酸化していく。そのため、本発明で用いるＡｕ−Ｓｎ合金では、その表面に極薄のＡｕめっきを施しておくことが好ましい。はんだ材として使用したときに、その表面は酸化されていないので、加熱溶融は安定化するからである。
【００２０】
なお、上記したガス吹きつけ時に、そのガスに更に水素を５ｖｏｌ％程度含有させておくことが好ましい。はんだ材が既に表面が酸化している状態になっていても、加熱溶融時にその酸化膜が水素で還元されることにより、安定したはんだ付けを実現することができるからである。
【００２１】
【実施例】
実施例１
直径１２５μｍで、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕから成る厚み０．８μｍのメタライズが施されている光ファイバ心線を有する光ファイバと、内径０．３ｍｍ，直径１ｍｍ，長さ１０ｍｍのコバール製フェルール（表面にＮｉ／Ａｕの無電解めっきが施されている）と、Ａｕ−２０％Ｓｎから成り、内径０．３ｍｍ，外形１ｍｍ，厚み０．１ｍｍのリング状はんだ材とを用意した。
【００２２】
一方、パイプ径１ｍｍ，内径（ｄ）９ｍｍ，１ターンの高周波コイルを用意した。
これらを、図１で示したような位置関係で互いに配置し、同時に図示しない直径５ｍｍのノズルから窒素をはんだ材３に１０Ｌ／ｍｉｎの流量で吹きつけながら、高周波コイル９に、周波数２ＭＨｚ，出力４００Ｗの高周波を印加した。
高周波印加後、約０．５秒ではんだ材３の溶融が始まり、溶融はんだは約１秒でフェルール２の中に流入し、はんだ付け作業は終了した。
【００２３】
１０回、上記した態様ではんだ付けを行った。いずれの場合も、光ファイバ被覆の熱損傷は起こらず、同時に、はんだ接合部における気密特性は１．０×１０−１０Ｐａ／ｍ３・ｓ以下、接合強度は１０Ｎ以上の値を示していた。
【００２４】
実施例２
実施例１において、はんだ材３に吹きつけるガスの種類とはんだ材の種類を代えて、はんだ付けに要する時間を調べた。
なお、ここでいうはんだ付けに要する時間とは、加熱を開始してから、はんだ材が溶融してフェルールの中に流入し終わるまでの時間のことをいう。結果を図２に示した。
【００２５】
図２において、◆印はＮ２のみ（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を吹きつけ、はんだ材はＡｕ−２０％Ｓｎ合金材の場合、■印はＮ２のみ（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を吹きつけ、はんだ材はＡｕ−２０％Ｓｎ合金材の表面に極薄のＡｕめっきを施したものの場合、△印はＡｒのみ（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を吹きつけ、はんだ材はＡｕ−２０％Ｓｎ合金材の場合、□印はＮ２にＨ２を含有（約５ｖｏｌ％）させたガスを吹きつけ、はんだ材はＡｕ−２０％Ｓｎ合金材の場合を表す。
【００２６】
図２から明らかなように、Ａｕめっきが施されたはんだ材を用いると、はんだ付け時間は短くなっているとともに、そのばらつきも小さくなっている。また、吹きつけるガスにＨ２を含ませると、同様の良好な結果が得られている。
【００２７】
実施例３
実施例１において、内径（ｄ）が異なる高周波コイルを用いてはんだ付けを行い、そのときのはんだ材の溶融に要する時間を調べた。結果を図３に示した。
図３において、◆印は内径（ｄ）が光ファイバ心線１ｂの直径の３０倍値である場合、□印は内径（ｄ）が光ファイバ心線１ｂの４０倍値である場合、△印は内径（ｄ）が光ファイバ心線１ｂの直径の７０倍値である場合、×印は内径（ｄ）が光ファイバ心線１ｂの１００倍値である場合、＊印は内径（ｄ）が光ファイバ心線１ｂの直径の１５０倍値である場合を示す。
【００２８】
図３から明らかなように、内径（ｄ）が光ファイバ心線の直径に対し４０〜１００倍になっていると、加熱に要する時間も短く、しかもそのばらつきは小さくなっている。
【００２９】
比較例１
実施例１で用いた光ファイバ，フェルール，はんだ材を用い、図５で示した抵抗発熱方式ではんだ付けを行った。このとき、はんだ材にはＮ２（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を吹きつけて溶融はんだの酸化防止処理を施した。
加熱板５に通電して温度３００℃にまで発熱させた。温度３００℃になるまで１０秒を要した。また、温度３００℃に保持した状態で、はんだ材がフェルールに流入し終わるまで約１０秒を要した。そして冷却に５〜１０秒を要した。
【００３０】
上記操作を１０回行ったところ、はんだ材がフェルールに流入し終わるまでの時間は５〜１５秒とばらついていた。また、はんだ付けの終了後、光ファイバを観察したところ、ファイバ被覆の変形が認められ、かつ光ファイバを引っ張ると簡単に破断してしまった。
【００３１】
比較例２
実施例１の光ファイバ，フェルール，はんだ材を用い、図６で示したランプヒータによる加熱方式ではんだ付けを行った。このとき、はんだ材にはＮ２を吹きつけて酸化防止処置を施した。
光照射開始から約０．５秒後に、はんだ材は溶融しはじめた。しかし、溶融の仕方は不均一であり、フェルールへの均一な流入は認められなかった。
【００３２】
また、はんだ付けを１０回行い、そのときのはんだ接合部の気密特性と接合強度を測定したところ、いずれも気密特性が１．０×１０−１０Ｐａ／ｍ３・ｓ以上であり、かつ接合強度が１０Ｎ以上の特性を満足したものは３個であった。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明方法によれば、光ファイバとフェルールを、光ファイバ被覆の熱損傷を招くことなく、短時間で、優れた気密特性と接合強度を備えた状態ではんだ付けすることができるので、本発明方法は、光モジュールの組立時に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導加熱方式の１例を説明するための説明図である。
【図２】実施例２の結果を示すグラフである。
【図３】実施例３の結果を示すグラフである。
【図４】フェルールに光ファイバを挿通した状態を示す一部切欠断面図である。
【図５】従来の抵抗加熱方式を示す概略図である。
【図６】従来のランプヒータを用いた加熱方式を示す概略図である。
【符号の説明】
１　　光ファイバ
１ａ　光ファイバ心線
１ｂ　ファイバ被覆
２　　フェルール
２ａ　フェルール２の貫通孔
２ｂ　フェルール２の上部端面
３　　はんだ材
９　　高周波コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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