JP5899925B2

JP5899925B2 - レンズ部品

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Publication number: JP5899925B2
Application number: JP2011289029A
Authority: JP
Inventors: 島津　貴之; 貴之島津; 道子春本; 知巳佐野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013137462A

Description

本発明は、光モジュール等に用いられるレンズ部品に関する。

電気信号を光信号に変換する、あるいは、光信号を電気信号に変換する光モジュールが知られている。このような光モジュールは、光ファイバと、光電変換素子と光ファイバからの光を光電変換素子に導光するレンズ部品とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１６３２１２号公報

ところで、レンズ部品には複数のレンズ部が一列に配列している。したがって、レンズ部品は、レンズ部の配列方向に沿った長尺の部材として形成されている。このようなレンズ部品が高温環境下で使用されるとレンズ部品に熱応力が生じ、レンズ部の配列方向に対して直交する方向に変形してしまう。このとき、レンズ部品の撓む方向はレンズ部の配列方向に直交する面内のいずれの方向にも曲がってしまう。このため、面内の全方向に対する変形を考慮して、温度変化による光の結合効率の低下を制御することが困難であった。

本発明の目的は、なるべく変形が生じにくく、かつ、変形が生じた場合でも一方向に変形し光の結合効率の制御が容易なレンズ部品を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明のレンズ部品は、光素子と光結合される樹脂製のレンズ部品であって、レンズ部から所定方向に略一定の厚みをもって延びる板状部と、前記板状部を挟んで、前記板状部に沿って延びる一対のリブ部と、を備え、前記レンズ部の光軸方向に直交する断面は、一対の前記リブ部が前記板状部から上下に突き出た略Ｈ形状である。

本発明のレンズ部品において、前記所定方向に直交する断面において、一対の前記リブ部の上方に突き出た上方突出部の突出長さは、下方に突き出た下方突出部の突出長さよりも短く、前記上方突出部の幅は、前記下方突出部の幅よりも広いことが好ましい。

前記所定方向は、複数の前記レンズ部の配列方向であることが好ましい。また、前記板状部は、前記所定方向において、前記レンズ部品の全長の５０％以上の領域を占めていることが好ましい。

本発明のレンズ部品において、前記レンズ部の光軸方向に直交する断面において、一対の前記リブ部の上方に突き出た上方突出部の突出長さは、下方に突き出た下方突出部の突出長さよりも短く、
前記上方突出部の幅は、前記下方突出部の幅よりも広く、
前記板状部の上面には、前記レンズ部の光軸とは異なる光軸を有する追加レンズ部と前記レンズ部とを光接続する反射面が設けられていることが好ましい。

本発明のレンズ部品において、前記板状部の上面には、平坦面が形成され、
前記平坦面は、凹部を介して前記反射面と隣接することが好ましい。

本発明によれば、レンズ部から所定方向に延びる板状部と、板状部を挟んで、板状部に沿って延びる一対のリブ部とを有し、レンズ部の光軸方向に直交する断面が、一対のリブ部が板状部から上下に突き出た略Ｈ形状とされている。これにより、レンズ部品の強度を大幅に高めることができ、熱応力による変形を極力抑えることができる。また、多少変形したとしても、その変形方向をレンズ部の光軸に対して直交方向に沿う一方向に制御して光の結合効率の低下を抑制することができる。これにより、光軸に沿う方向に変形することによる光伝送損失を抑えることができる。

本実施形態に係るレンズアレイ部品を備えた光モジュールを示す斜視図である。樹脂ハウジングを外した状態を示す斜視図である。ハウジングを外した状態を示す斜視図である。（ａ）は図３に示す基板を上から見た図であり、（ｂ）は図３に示す基板を横から見た図である。本実施形態に係るレンズアレイ部品の平面図である。レンズアレイ部品の光軸に直交する方向の断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれレンズアレイ部品の断面二次モーメントを説明する図である。レンズアレイ部品の光軸に沿う断面図である。比較例のレンズアレイ部品の光軸に沿う断面図である。

以下、本発明に係るレンズ部品の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光モジュールは、光通信技術などにおいて信号（データ）の伝送に用いられるものであり、接続先のパソコンなどといった電子機器に電気的に接続され、入出力される電気信号を光信号に変換して光信号を伝送するものである。

図１から図３に示すように、光モジュール１は、光ケーブル３の端部に取り付けられている。この光ケーブル３は、単芯或いは多芯の光ケーブルである。
光ケーブル３は、複数本（ここでは４本）の光ファイバ心線（光素子）７と、この光ファイバ心線７を被覆する樹脂製の外被９と、光ファイバ心線７と外被９との間に介在された極細径の抗張力繊維（ケブラー）１１と、外被９と抗張力繊維１１との間に介在された金属編組１３とを有している。つまり、光ケーブル３では、光ファイバ心線７、抗張力繊維１１、金属編組１３及び外被９が、その中心から径方向の外側に向けてこの順に配置されている。

光ファイバ心線７は、コアとクラッドが石英ガラスである光ファイバ（ＡＧＦ：All Glass Fiber）、クラッドが硬質プラスチックからなる光ファイバ（ＨＰＣＦ：Hard Plastic Clad Fiber）、等を用いることができる。ガラスのコア径が８０μｍの細径ＨＰＣＦを用いると、光ファイバ心線７が小径に曲げられても破断しにくい。

外被９は、ノンハロゲン難燃性樹脂である例えばＰＶＣ（poly vinyl chloride）から形成されている。外被９の外径は４．２ｍｍ程度である。抗張力繊維１１は、例えば、アラミド繊維であり、束状に集合された状態で光ケーブル３に内蔵されている。

金属編組１３は、例えば錫めっき導線から形成されており、編組密度が７０％以上、編み角度が４５°〜６０°である。金属編組１３の外径は、０．０５ｍｍ程度である。

光モジュール１は、ハウジング２０と、ハウジング２０の前端（先端）側に設けられる電気コネクタ２２と、ハウジング２０に収容される回路基板２４とを備えている。

ハウジング２０は、金属ハウジング２６と、樹脂ハウジング２８とから構成されている。金属ハウジング２６は、収容部材３０と、収容部材３０の後端部に連結され、光ケーブル３を固定する固定部材３２とから構成されている。

収容部材３０は、断面が略矩形形状を呈する筒状の中空部材である。収容部材３０は、回路基板２４などを収容する収容空間を画成している。収容部材３０の前端側には、電気コネクタ２２が設けられ、収容部材３０の後端側には、固定部材３２が連結される。

固定部材３２は、板状の基部３４と、光ケーブル３側へ突出する筒部（図示略）と、基部３４の両側から前方に張り出す一対の第１張出片３８と、基部３４の両側から後方に張り出す一対の第２張出片４０とを有している。一対の第１張出片３８は、収容部材３０の後部からそれぞれ挿入され、収容部材３０に当接して連結される。一対の第２張出片４０は、後述する樹脂ハウジング２８のブーツ４６に連結される。なお、固定部材３２は、基部３４、筒部、第１張出片３８及び第２張出片４０が板金により一体に形成されている。

筒部は、略円筒形状をなしており、基部３４から後方に突出するように設けられている。筒部は、カシメリング（図示略）との協働により光ケーブル３を保持する。具体的には、外被９を剥いだ後、光ケーブル３の光ファイバ心線７を筒部の内部に挿通させると共に、抗張力繊維１１を筒部の外周面に沿って配置する。そして、筒部の外周面に配置された抗張力繊維１１上にカシメリングを配置して、カシメリングをかしめる。これにより、抗張力繊維１１が筒部とカシメリングとの間に挟持されて固定され、固定部材３２に光ケーブル３が保持固定される。

基部３４には、光ケーブル３の金属編組１３の端部がはんだにより接合されている。具体的には、金属編組１３は、固定部材３２においてカシメリング（筒部）の外周を覆うように配置されており、その端部が基部３４の一面（後面）にまで延ばされてはんだにより接合されている。これにより、固定部材３２と金属編組１３とは、熱的に接続されている。さらに、収容部材３０の後端部に固定部材３２が結合することにより、収容部材３０と固定部材３２とが物理的且つ熱的に接続される。つまり、収容部材３０と光ケーブル３の金属編組１３とが熱的に接続される。

樹脂ハウジング２８は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料から形成されており、金属ハウジング２６を覆っている。樹脂ハウジング２８は、外装ハウジング４４と、外装ハウジング４４と連結するブーツ４６とを有している。外装ハウジング４４は、収容部材３０の外面を覆うように設けられている。ブーツ４６は、外装ハウジング４４の後端部に連結され、金属ハウジング２６の固定部材３２を覆っている。ブーツ４６の後端部と光ケーブル３の外被９とは、接着剤（図示しない）により接着される。

電気コネクタ２２は、接続対象（パソコンなど）に挿入され、接続対象と電気的に接続される部分である。電気コネクタ２２は、ハウジング２０の前端側に配置されており、ハウジング２０から前方に突出している。電気コネクタ２２は、接触子２２ａにより回路基板２４に電気的に接続されている。

回路基板２４は、金属ハウジング２６（収容部材３０）の収容空間に収容されている。図４（ａ），（ｂ）に示すように、回路基板２４には、制御用半導体５０と、受発光素子５２とが搭載されている。回路基板２４は、制御用半導体５０と受発光素子５２とを電気的に接続している。回路基板２４は、平面視で略矩形形状を呈しており、所定の厚みを有している。回路基板２４は、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミック基板などの絶縁基板であり、その表面又は内部には、金（Ａｕ）、アルミ（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などにより回路配線が形成されている。制御用半導体５０と受発光素子５２とは、光電変換部を構成している。

制御用半導体５０は、駆動ＩＣ（Integrated Circuit）５０ａや波形整形器であるＣＤＲ（Clock Data Recovery）装置５０ｂなどを含んでいる。制御用半導体５０は、回路基板２４において、表面２４ａの前端側に配置されている。制御用半導体５０は、電気コネクタ２２と電気的に接続されている。

受発光素子５２は、複数（ここでは２つ）の発光素子５２ａと、複数（ここでは２つ）の受光素子５２ｂとを含んで構成されている。発光素子５２ａ及び受光素子５２ｂは、回路基板２４において、表面２４ａの後端側に配置されている。

発光素子５２ａとしては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などを用いることができる。受光素子５２ｂとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）などを用いることができる。

受発光素子５２は、光ケーブル３の光ファイバ心線７と光学的に接続されている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、回路基板２４には、受発光素子５２及び駆動ＩＣ５０ａを覆うようにレンズアレイ部品（レンズ部品）５５が配置されている。

レンズアレイ部品５５は、光ファイバ心線７の末端に取り付けられたコネクタ部品５４が結合されている。レンズアレイ部品５５は、発光素子５２ａから出射された光を光ファイバ心線７へ入力し、また、光ファイバ心線７を伝送された光を受光素子５２ｂに入力する。これにより、光ファイバ心線７と受発光素子５２とを光結合する。

上記構成を有する光モジュール１は、電気コネクタ２２から回路基板２４の配線を介して制御用半導体５０に入力される。制御用半導体５０に入力された電気信号は、レベルの調整やＣＤＲ装置５０ｂにより波形整形などが行われた後に、制御用半導体５０から回路基板２４の配線を介して受発光素子５２に出力される。電気信号が入力された受発光素子５２は、電気信号を光信号に変換し、発光素子５２ａからレンズアレイ部品５５を介して光ファイバ心線７に光信号を出射する。

また、光ケーブル３で伝送された光信号は、レンズアレイ部品５５を介して受光素子５２ｂに入射される。受発光素子５２は、入射された光信号を電気信号に変換し、この電気信号を回路基板２４の配線を介して制御用半導体５０に出力する。制御用半導体５０は、電気信号に所定の処理を施した後、電気コネクタ２２にその電気信号を出力する。

図５および図６を用いて、レンズアレイ部品５５について説明する。図５は本実施形態に係るレンズアレイ部品の平面図であり、図６はレンズアレイ部品の光軸に直交する方向の断面図である。

図５に示すように、レンズアレイ部品５５は、光ファイバ心線７と対向する位置に設けられた複数のファイバ側レンズ部６２と、受発光素子５２と対向する位置に設けられた複数の素子側レンズ部６５と、互いに異なる光軸を有するファイバ側レンズ部６２と素子側レンズ部６５とを光学的に接続する反射面６７とを備えている。複数のファイバ側レンズ部６２および複数の素子側レンズ部６５は一方向に並んで配列されている。

ファイバ側レンズ部６２および素子側レンズ部６５は、入射光を平行光とし、平行光を集光して出射するコリメートレンズから形成される。このようなレンズアレイ部品５５は、樹脂の射出成形により、一体に形成される。

また、レンズアレイ部品５５はファイバ側レンズ部６２から所定方向に延びる板状部６１を備えている。具体的には、所定方向とは複数のファイバ側レンズ部６２の配列方向と交差する方向（図５における上方向）である。この板状部６１は、反射面６７に対してファイバ側レンズ部６２と反対側に設けられている。

図６に示すように、レンズアレイ部品５５は、板状部６１を挟んで、板状部６１に沿って延びる一対のリブ部６３を有しており、これらのリブ部６３は、板状部６１と一体に成形されている。これらの一対のリブ部６３は、板状部６１から上下に突き出るように形成されており、これにより、レンズアレイ部品５５は、ファイバ側レンズ部６２の光軸方向に直交する断面が、略Ｈ形状に形成されている。
なお、図５に示すように、板状部６１における接続側と反対側にも、リブ部６３と連続する後端補強リブ７０が形成されている。

図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれレンズアレイ部品５５の断面二次モーメントを説明する図である。図７（ａ）（ｂ）に示すように、ファイバ側レンズ部６２の光軸方向に直交する断面において、板状部６１の厚さ方向の中間に仮想的な中立面Ｃがあるとした場合、レンズアレイ部品５５の断面二次モーメントＩは、次式で表される。なお、以下の式中、ａは中立面Ｃからのリブ部６３の高さ、ｄはリブ部６３の幅、ｈは板状部６１の幅、ｔは中立面Ｃからの板状部６１の高さである。

Ｉ＝{ａｄ^３−ｈ^３（ａ−ｔ）}／１２

本実施形態に係るレンズアレイ部品５５は、図６に示すように、それぞれのリブ部６３は、ファイバ側レンズ部６２の光軸方向に直交する断面において、上方に突き出た上方突出部６３ａの突出長さａ１が、下方に突き出た下方突出部６３ｂの突出長さａ２よりも短い。また、上方突出部６３ａの幅ｓ１は、下方突出部６３ｂの幅ｓ２よりも大きい。これにより、レンズアレイ部品５５は、上方側及び下方側で断面二次モーメントＩが中立面Ｃに対して同等となるように設定されている。

また、図４（ａ），（ｂ）に示すように、レンズアレイ部品５５のファイバ側レンズ部６２側には、リブ部６３の端部から突出するガイドピン６９が形成されている。これらのガイドピン６９は、コネクタ部品５４の接続端面に形成された位置決め孔７１に挿入可能とされている。そして、これらのガイドピン６９が位置決め孔７１に挿入されることで、レンズアレイ部品５５に対してコネクタ部品５４が位置決めされ、光ファイバ心線７がファイバ側レンズ部６２に対向する位置に配置される。

上記のようなレンズアレイ部品５５において、光ファイバ心線７からの光信号は、ファイバ側レンズ部６２から入射して板状部６１の延在方向に沿って伝達され、反射面６７で反射することで光路が下方へ変更され、素子側レンズ部６５から出射し、受発光素子５２の受光素子５２ｂに到達する。また、受発光素子５２の発光素子５２ａからの光信号は、素子側レンズ部６５から入射して反射面６７で反射することで光路が接続側へ変更され、板状部６１の延在方向に沿って伝達され、ファイバ側レンズ部６２から出射し、光ファイバ心線７に到達する。

これにより、光ファイバ心線７と受発光素子５２との間で、レンズアレイ部品５５を介して光信号が伝達される。

レンズアレイ部品５５は、成形による寸法精度の良い樹脂（例えば、ポリエーテルイミド系樹脂）で構成されているが、リフロー等の高温処理に耐え得る電子線架橋樹脂を用いることが好ましい。駆動ＩＣ５０ａや受発光素子５２などの電子部品等の熱で高温環境となると熱応力が生じると、レンズアレイ部品５５が変形し、光軸のずれによって光伝送効率が低下するおそれがあるためである。

本実施形態に係るレンズアレイ部品５５は、ファイバ側レンズ部６２の配列方向に交差する方向に延びる板状部６１と、板状部６１を挟んで、板状部６１に沿って延びる一対のリブ部６３とを有する。そして、ファイバ側レンズ部６２の光軸方向に直交する断面が、一対のリブ部６３が板状部６１から上下に突き出た略Ｈ形状とされている。

これにより、レンズアレイ部品５５の強度を大幅に高めることができ、熱応力による変形を極力抑えることができる。また、リブ部６３が素子側レンズ部６５の光軸を曲げるような変形を阻止し、図６の面内方向の変形のみを許容する。つまり、多少変形したとしても、光の結合効率が低下しにくい方向への変形を許容し、かつ、変形方向を一方向のみに許容した。また、高温の熱変形を考慮したレンズアレイ部品５５の設計が容易となる。このような設計による効果をより顕著に実現するために、板状部６１は所定方向において厚みが略一定であり、さらに、レンズアレイ部品５５の全長の５０％以上を占めていることが好ましい。

レンズアレイ部品５５について、素子側レンズ部６５を回路基板２４上に設けられた受発光素子５２から所定距離離間させる必要があるため、レンズアレイ部品５５の下方については、下方突出部６３ｂをある程度の長さに設定する必要がある。しかし、レンズアレイ部品５５の上方についてはこのような制約がないため、レンズアレイ部品５５の上方の寸法は小さくすることが好ましい。

そこで、リブ部６３は、上方に突き出た上方突出部６３ａの突出長さａ１が、下方に突き出た下方突出部６３ｂの突出長さａ２よりも短く設定されている。これにより、レンズアレイ部品５５の厚みが小さくされている。また、上方突出部６３ａは、突出長さａ１を短くした分、幅ｓ１を下方突出部６３ｂの幅ｓ２よりも広く設定されている。これにより、下方突出部６３ｂと同等の補強効果が上方突出部６３ａによっても得られるように設定されている。これにより、厚さ寸法が小さく、かつ、高強度のレンズアレイ部品５５が得られる。

図８は、レンズアレイ部品５５の光軸に沿う断面図である。図８に示すように、板状部６１には、その上面に、凹部６６が形成されている。この凹部６６は、接続側の壁面が上方へ向かって次第に接続側へ傾斜された傾斜面とされており、この傾斜面は反射面６７の一部をなしている。また、板状部６１の上面には、凹部６６に対して反射面６７と反対側に、平面状に形成された平坦部６８が形成されている。この平坦部６８は、凹部６６を介して反射面６７と隣接するように形成されている。

このように、平坦部６８を、凹部６６を介して反射面６７と隣接するように形成したことにより、十分な強度を有する厚みの板状部６１を備えつつ、反射面６７の形成位置を低くすることができる。これにより、レンズアレイ部品５５の高さ寸法Ｈを極力抑えて占有スペースを極力少なくすることができ、狭いスペースへの実装の容易化を図ることができる。図９を参考例として挙げて、具体的に説明する。

図９は、参考例のレンズアレイ部品の光軸に沿う断面図である。図９に示すように、凹部６６を設けずに反射面６７を形成した場合、反射面６７の形成位置が高くなる。したがって、板状部６１を、十分な強度を有する厚みとすると、レンズアレイ部品５５の高さ寸法Ｈが嵩んでしまい、狭いスペースへの実装が困難となる。

以上、本発明をその実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができることは、当業者にとって明らかである。

７：光ファイバ心線（光素子）、５２：受発光素子（光素子）、５５：レンズアレイ部品（レンズ部品）、６１：板状部、６２：ファイバ側レンズ部（レンズ部）、６３：リブ部、６３ａ：上方突出部、６３ｂ：下方突出部、６５：素子側レンズ部(付加レンズ部)、６６：凹部、６７：反射面、６８：平坦部、ａ１，ａ２：突出長さ、ｓ１，ｓ２：幅

Claims

樹脂製のレンズ部品であって、
一定の厚みをもって延びる板状部と、
前記板状部の下面に設けられたレンズ部と、
前記板状部を挟んで、前記板状部に沿って延びる一対のリブ部とを備え、
前記リブ部の前記板状部から上方に突き出た上方突出部の長さは、前記リブ部の前記板状部から下方に突き出た下方突出部の長さよりも短く、
前記上方突出部の幅は、前記下方突出部の幅よりも広く、
前記板状部の厚さ方向の仮想的な中立面をＣ、前記中立面Ｃからの前記リブの高さをａ、前記リブ部の幅をｄ、前記板状部の幅をｈ、前記中立面Ｃからの前記板状部の高さをｔとしたときに、Ｉ＝｛ａｄ ^３ −ｈ ^３（ａ−ｔ）｝ ^１／２で表される断面二次モーメントが、前記中立面からの上方側および下方側で同等とされている、レンズ部品。
前記板状部の上面には、前記板状部の長さ方向の光を前記板状部の下方に反射する反射面が設けられている、請求項１に記載のレンズ部品。
前記板状部の上面には、平坦面が形成され、
前記平坦面は、凹部を介して前記反射面と隣接する、請求項２に記載のレンズ部品。