JP2008281389A - 光ファイバ信頼性評価方法及び評価用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、光ファイバ素線の実使用に近い状態での特性データを収集することが可能となり、光ファイバ素線の信頼性の評価を高精度で行うことが出来る光ファイバ信頼性評価方法及び評価用治具を提供することにある。
【解決手段】本発明の光ファイバ信頼性評価方法は、光ファイバ信頼性評価用治具４２に設けられた所定の曲げ径の曲げ部分がある溝に光ファイバ素線４３を配置し、前記光ファイバ素線４３に光を通して破断までの期間を測定することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、光ファイバの曲げに対する機械的特性を高い信頼性で測定して、光ファイバの曲げに対する評価を行うことが出来る光ファイバの信頼性評価方法及び当該評価方法に使用する評価用治具に関する。

光ファイバコード又は光ファイバケーブル（以下光ファイバケーブルという）は、ガラスを主材料とする光ファイバ素線に被覆を施したもので構成されている。又光ファイバケーブルは様々な環境で、長期的に使用されるため、使用環境下での長期信頼性が重要である。信頼性で最重要は破断であり、そのため光ファイバ素線を破断に至らしめる外力による歪みと光ファイバの機械的特性の関係を正確に把握することが重要である。歪みに対する特性の正確な把握により、破断の確率を高精度で予測することが可能になり、長期信頼性を確立することができる。

これまで引っ張りによる破断について解析を行い、信頼性の評価・予測を非特許文献１で行われてきた。また実際の光ファイバケーブルの施工では曲げによる歪みが生じるが、曲げによる強度についての解析は非特許文献２が行っている。非特許文献２は光ファイバをＵ字型に曲げて２枚の並行板で挟み、その間隔を次第に狭めて、破断する間隔を基礎に強度を評価する、動疲労係数等を考慮した解析が行われている。

満永 豊 他著 「光ケーブル強度の信頼性設計」電子通信学会論文誌 １９８３年８月 Ｖｏｌ．Ｊ６６−Ｂ Ｎｏ．８ ｐ．１０５１−１０５８ 立蔵 正男 著 「光ファイバ曲げ試験強度についての理論解析」電子情報通信学会論文誌 Ｂ−Ｉ １９８９年４月 Ｖｏｌ．Ｊ７２−Ｂ−Ｉ Ｎｏ．４ ｐ．３９２−３９７

非特許文献２の中で単まきの曲げ半径を維持しての実験も記載されているが、結果にばらつきがあり、信頼性に乏しく、又Ｕ字曲げによる動的応力であり、静的状態とは状態が異なると言う欠陥がある。

又、光ファイバを単巻きにして維持しておき、破断を検出するため光を通し、光の有無で破断を判定する方法を実施する場合、これまで小径に曲げると光損失が大きくなり、大きな曲げ径で維持することになるが、大きな曲げ径では破断までの期間が非常に長く、例えば５ｍｍφ以上に丸めても１年間で１ヶ所も破断は生じず、試験方法に成り得なかった。

さらに、小径に曲げるためにこれまでのように円筒柱に巻き付ける方法で行う場合は、光ファイバを引っ張って巻き付けて形状を維持するため、曲げ歪以外に、引っ張りによる応力も加わり、本来の曲げによる歪みだけの破断ではなくなり、解析が複雑になっていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、容易に測定可能な測定期間内に破断するような極小径でかつ曲げ歪みだけを与えて、破断までの正確な期間を測定することにより機械的特性を的確に評価し得る光ファイバの信頼性評価方法及び、当該評価方法に使用する評価用治具を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光ファイバ信頼性評価方法は、光ファイバ信頼性評価用治具に設けられた所定の曲げ径の曲げ部分がある溝に光ファイバ素線を配置し、前記光ファイバ素線に光を通して破断までの期間を測定することを特徴とする。

また本発明の光ファイバ信頼性評価方法は、複数の光ファイバ信頼性評価用治具にそれぞれ設けられた所定の曲げ径の曲げ部分がある溝にそれぞれ対応して光ファイバ素線を配置し、前記各光ファイバ素線に光を通して破断までの期間を測定することを特徴とする。

また本発明の光ファイバ信頼性評価用治具は、光ファイバ素線が配置可能であり、光ファイバ素線が所定期間に破断することが測定できる所定の曲げ径の曲げ部分がある溝を備えたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記光ファイバ信頼性評価用治具において、光ファイバ素線が配置される溝を塞ぐように設けられる蓋部材を備えたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記光ファイバ信頼性評価用治具において、光ファイバ素線が配置される溝の所定の曲げ径の曲げ部分の一部を覆うように取り付けられるカバー部材を備えたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記光ファイバ信頼性評価用治具において、光ファイバ素線が巻回可能であり、光ファイバ素線が所定期間に破断することが測定できる所定の径のリールと、光ファイバ素線が配置可能な溝の一部に設けられ、前記リールが挿入して取り付けられる穴とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の光ファイバ信頼性評価方法及び評価用治具を使用することで、光ファイバ素線の実使用に近い状態での特性データを収集することが可能となり、光ファイバ素線の信頼性の評価を高精度で行うことが出来る。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具の斜視図を示し、（ａ）は光ファイバ素線配置前、（ｂ）は光ファイバ素線配置後を示す。

図１（ａ）に示すように、平板状アルミニウム基盤よりなる治具本体１１の上面には光ファイバ素線が配置される可能な限り最小の溝１２が作られている。前記溝１２のほぼ中央部には光ファイバ素線が所定の試験期間に破断することが測定できる所定の曲げ径の曲げ部分１３が設けられる。

図１（ｂ）に示すように、光ファイバ素線１４は前記溝１２の一方の端部から溝１２内に挿入され、曲げ部分１３で１回巻かれて前記溝１２の他方の端部から溝１２外に導出される。

光ファイバ素線１４を前記溝１２内に配置することで、光ファイバ素線１４は曲げ歪みのみが与えられる。この場合、光ファイバ素線１４が溝１２に斜めに配置されと、曲げ径の誤差となるため、溝１２は光ファイバ素線１４が入る深さで可能な限り浅いことが好ましい。

所定の曲げ径を与える曲げ部分１３の径は、光ファイバ素線１４が試験期間に破断する事が測定できる径であることが必要である。例えば外径１２５ｍｍφの石英ファイバに被覆を施し２５０ｍｍφとした光ファイバ素線は４ｍｍφに曲げて通常の空気中においた場合、１年間観測して破断することは０に近く、評価することは不可能に近い。又、前記光ファイバ素線を２ｍｍφに曲げることはガラスの特性から配置するときに破断の危険性を含む。従って、１２５ｍｍφの石英ファイバ（被覆径２５０ｍｍφ）の曲げ径Ｒは２ｍｍφ＜Ｒ＜４ｍｍφが望ましい。

図２は本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示す斜視図である。すなわち、図１の治具と同様に、治具本体２１の上面には光ファイバ素線２４が配置される所定の曲げ径の曲げ部分を有する溝２２が設けられる。前記治具本体２１上面の溝２２の両側には蓋部材挿入用溝２６，２７が設けられ、前記蓋部材挿入用溝２６，２７には板状の蓋部材２５が溝２２を塞ぐようにスライド挿入されて取り付けられる。

弾力性がある光ファイバ素線２４を浅い溝２２に曲げて配置しておくと、光ファイバ素線２４の反発力で溝２２から外れることがあるため、溝２２には光ファイバ素線２４が静置状態を確保するための蓋部材２５があることが望ましい。図２はその１例で、蓋部材２５を押える部分のある治具本体２１に板状の簡単な蓋部材２５をセットした図である。

図３は本発明の第３の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示し、（ａ）は光ファイバ素線配置前の上面図、（ｂ）は光ファイバ素線配置後の上面図、（ｃ）は光ファイバ素線配置後の断面図である。

すなわち、図２の治具と同様に、治具本体２１の上面には光ファイバ素線２４が配置される所定の曲げ径の曲げ部分２３を有する溝２２が設けられる。前記治具本体２１上面の前記曲げ部分２３の周辺部には一部切欠円環板状のカバー部材２８が溝２２の所定の曲げ径の曲げ部分２３の一部を覆うように留めネジ２９により取り付けられる。

弾力性のある光ファイバ素線２４を小径の溝２２の曲げ部分２３に配置することを容易にするため、一度溝２２の曲げ部分２３に入った光ファイバ素線２４がそのまま静置し外に出られない構造としてカバー部材２８で溝２２の曲げ部分２３の一部に覆いを付けることが有効であり、その状態を図３に示す。

図４（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のリールを示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、平板状アルミニウム基盤よりなる治具本体３１の上面には光ファイバ素線が配置される可能な限り最小の溝が作られている。前記溝のほぼ中央部には光ファイバ素線３２が巻回可能なリール３３が挿入して取り付けられる穴３４が設けられる。

図４（ｂ）に示すように、リール３３の光ファイバ素線巻回部分３５は光ファイバ素線３２が所定の試験期間に破断することが測定できる所定の径に形成される。

弾力性のある光ファイバ素線３２をこのような小径の溝に曲げて配置する事は慎重さを必要とする。作業を簡単にするため、治具本体３１の溝のほぼ中央部分を穴３４の状態にして、一度小径のリール３３に光ファイバ素線３２を巻き、そのままリール３３を治具本体３１の穴３４部分に配置することで、光ファイバ素線３２は引っ張り力が開放されて治具本体３１の穴３４に広がり、リール３３と穴３４で形成される溝状部分に所定の曲げ状態で静置される。図４のセット用センタ棒３６は、光ファイバ素線３２を巻いたリール３３を穴３４に配置し易くするため、治具本体３１の穴３４のセンタに空けた凹部３７に前記セット用センタ棒３６をセットして、リール３３を穴３４に配置する事に使用する。

図５は本発明の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価方法を説明するための構成説明図である。図５に示すように、治具取付装置４１には複数の光ファイバ信頼性評価用治具４２が装着され、前記光ファイバ信頼性評価用治具４２にはそれぞれ所定の曲げ径の曲げ部分がある溝が設けられ、前記溝にはそれぞれ対応して光ファイバ素線４３が所定の曲げ径で曲げられて個別に配置される。前記各光ファイバ素線４３の両端にはそれぞれコネクタが設けられる。前記光ファイバ素線４３のそれぞれの一端は一方の光チャンネルセレクタ４４に接続され、前記光チャンネルセレクタ４４は光源４５に接続される。また、前記光ファイバ素線４３のそれぞれの他端は他方の光チャンネルセレクタ４６に接続され、前記光チャンネルセレクタ４６は光パワーメータ４７を介してパソコン４８に接続される。

すなわち、光源４５からの光信号は一方の光チャンネルセレクタ４４で選択された光ファイバ素線４３に入力され、前記光ファイバ素線４３に入力され光信号は他方の光チャンネルセレクタ４６を介して光パワーメータ４７に出力される。試験中はパソコン４８が全体の制御を行うようにシステム化されており、光源側光チャンネルセレクタ４４と、光パワーメータ側光チャンネルセレクタ４６の対応チャンネルを同期して、光パワーメータ４７で測定される光パワーを一定時間ごとに試験期間中監視する。

各光ファイバ素線４３は図１に示すような光ファイバ信頼性評価用治具本体の溝に配置され、図２に示すように蓋部材をした状態で準備される。試験中パソコン４８は光ファイバ素線４３が正常の時は一定の光パワーが測定されている事を示すが、破断すると、光パワーの大きな変化が観測されることにより、破断したことが確認され、この間の正常であった時間のデータを収集し、解析することにより、信頼性を評価することが出来る。

複数の光ファイバ信頼性評価用治具４２を配置することで、容易に一度に多数のデータを取得することができる。

図６は本発明の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価方法による評価の例を示す特性図である。図６の特性図は横軸に破断までの時間、縦軸は破断確率を示し、これまで収集できなかった３ｍｍφという極小径に光ファイバ素線を曲げた状態において、破断の確率はワイブル分布を示すことを実証しており光ファイバ信頼性の評価が出来る事を示している。

光ファイバ素線の機械的特性の把握をして評価、特に信頼性の評価については引っ張り特性からの解析が多く、曲げによる解析は非常に少ない。しかし、光ファイバケーブルの施工による歪みは曲げによる事も多く、実際の配線に近い小径曲げによる特性の把握が必要であったが、測定は困難であった。本発明の実施形態は、曲げによる損失が少ないホールアシスト型光ファイバを使用して、小径曲げによる破断の評価を正確に行う事を目的としたものである。光ファイバ素線の曲げによる累積破断確率は、式（１）で求めることが出来る。

本発明の実施形態は、破断までの期間が０〜数日と、容易に測定できる所定の小径の曲げ径に光ファイバ素線を曲げ、光ファイバ素線の曲げてない部分の一端から光を挿入し、光ファイバ素線の他端にその光のパワーメータを接続し、パソコンで監視する。このような通常状態において、光ファイバ素線が破断すると光パワーがダウンし、パソコンでその期間を記録する。所定の曲げ径に曲げるための治具は、所定の径の溝があり、この溝に光ファイバ素線を入れておくことで、引っ張り力が加わらない状態の曲げ状態を作ることが出来る。溝は入った光ファイバ素線が斜めになって生じる曲げ径の誤差を防ぐため、深さを光ファイバ素線の径に近い、浅い状態にする。又、温度、湿度環境を変化させて試験するために治具材料は温度膨張係数、吸湿率等環境による変化の少ない材料を選択する。さらに、試験中光ファイバの弾性力等で溝から外れないように曲げ部分を覆う事で、安定して試験を行うことが出来る。

本発明の実施形態の評価方法は光ファイバ素線をこのように即破断に近い状態に曲げるため、溝への挿入は慎重に行わねばならない。このため、溝に光ファイバ素線が入ったら、出てこないよう溝を少しカバーする覆いがある治具が有効である。又溝全体を凹状態にして、そこに入る径のリールに一度光ファイバを巻いて、そのまま凹部分にセットすると、光ファイバは自力で溝径に広がるので、光ファイバの配置に有効である。このように配置された光ファイバは円周方向に一様に曲げ応力を受ける事になり、且つ引っ張り応力は無い状態の単純な解析が可能な評価方法を作ることが出来る。

又、これら光ファイバ素線をセットした治具を多数作ることも容易であり、容易に多数のデータを収集することが可能になり、評価の精度を向上させることが出来る。

さらに、これら光ファイバ素線をセットした多数の治具を、温度や湿度を変化させるための恒温槽に配置して測定することも可能であり、水中や、他の雰囲気中での測定も可能であり、有効な評価方法である。

尚、光ファイバ素線の曲げるための治具は、上記実施形態に限るものではなく、光ファイバ素線を一様に周囲から曲げることができる物であれば良い。

また、光ファイバ素線を治具に配置する方法は、上記実施形態に限るものではなく、例えば逆円錐形状の筒状のものの内側に曲げて少しずつ小さい方向に落としていき治具に配置する事などでもよい。

さらに、光ファイバ素線を曲げる治具を複数一度に試験する数は限定する事はなく、また、曲げ径の違う治具を同一試験で測定し、パソコンで収集して解析することも可能である。

また、光ファイバ素線の曲げた部分が破断した後、同一の光ファイバ素線の位置をずらして曲げ部分を作れば、１本の光ファイバ素線で、繰り返しデータを収集することが可能であり、データを多数にして精度の向上を図ることが出来る。

また、曲げ径は２〜３ｍｍφに限定するものではなく、２ｍｍφ以下、３ｍｍφ以上でも評価できる。

また、光ファイバ素線の径は０．１２５ｍｍφに限ることはなく、０．０８ｍｍφや、他の径の光ファイバ素線でも充分評価できる。さらに、光ファイバ素線の径が異なった場合は、それぞれに対応して、評価する曲げ径を変化することで、データの収集を容易にすることが可能であり、種々の光ファイバ素線を評価することが可能である。

また、曲げ部は確実に固定された状態なので、温度、湿度を制御できる恒温槽に入れて試験することにより、精密な環境条件による光ファイバ素線の信頼性を評価することが可能である。曲げ部を水槽や、液体の槽内にセットすることで、水や、液体の信頼性に与える影響を評価する試験ができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具の斜視図を示し、（ａ）は光ファイバ素線配置前、（ｂ）は光ファイバ素線配置後を示す。 本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示し、（ａ）は光ファイバ素線配置前の上面図、（ｂ）は光ファイバ素線配置後の上面図、（ｃ）は光ファイバ素線配置後の断面図である。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価用治具を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のリールを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価方法を説明するための構成説明図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ信頼性評価方法による評価の例を示す特性図である。

符号の説明

１１…治具本体、１２…溝、１３…所定の曲げ径の曲げ部分、１４…光ファイバ素線、２１…治具本体、２２…溝、２３…曲げ部分、２４…光ファイバ素線、２５…蓋部材、２６，２７…蓋部材挿入用溝、２８…カバー部材、２９…留めネジ、３１…治具本体、３２…光ファイバ素線、３３…リール、３４…穴、３５…光ファイバ素線巻回部分、３６…セット用センタ棒、３７…凹部、４１…治具取付装置、４２…光ファイバ信頼性評価用治具、４３…光ファイバ素線、４４…光チャンネルセレクタ、４５…光源、４６…光チャンネルセレクタ、４７…光パワーメータ、４８…パソコン。

Claims (6)

1. 光ファイバ信頼性評価用治具に設けられた所定の曲げ径の曲げ部分がある溝に光ファイバ素線を配置し、前記光ファイバ素線に光を通して破断までの期間を測定することを特徴とする光ファイバ信頼性評価方法。
2. 複数の光ファイバ信頼性評価用治具にそれぞれ設けられた所定の曲げ径の曲げ部分がある溝にそれぞれ対応して光ファイバ素線を配置し、前記各光ファイバ素線に光を通して破断までの期間を測定することを特徴とする光ファイバ信頼性評価方法。
3. 光ファイバ素線が配置可能であり、光ファイバ素線が所定期間に破断することが測定できる所定の曲げ径の曲げ部分がある溝を備えたことを特徴とする光ファイバ信頼性評価用治具。
4. 光ファイバ素線が配置される溝を塞ぐように設けられる蓋部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ信頼性評価用治具。
5. 光ファイバ素線が配置される溝の所定の曲げ径の曲げ部分の一部を覆うように取り付けられるカバー部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ信頼性評価用治具。
6. 光ファイバ素線が巻回可能であり、光ファイバ素線が所定期間に破断することが測定できる所定の径のリールと、
   光ファイバ素線が配置可能な溝の一部に設けられ、前記リールが挿入して取り付けられる穴と
   を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ信頼性評価用治具。

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