JP3543050B2 - 耐熱光ファイバ余長調整方法および耐熱光ファイバケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐熱光ファイバ余長調整方法および耐熱光ファイバケーブルに関する。
この発明の耐熱光ファイバ余長調整方法は、金属管または非金属管で被覆された耐熱光ファイバケーブルの製造に利用される。また、この発明の耐熱光ファイバケーブルは、高温環境での情報伝送や計測に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、広く用いられるようになった光通信ケーブルは、金属管などで被覆した耐環境性に優れ、軽量・細経の光ファイバケーブルが要求されるようになってきている。金属管などの被覆管と光ファイバとでは、機械的性質および熱膨張率に大きな差がある。このために、光ファイバケーブルを伸張あるいは、湾曲させた場合、光ファイバが被覆管ほど伸びきれないことがある。また、光ファイバケーブルが高温にさらされた場合、被覆管と光ファイバとの熱膨張率の差によって被覆管が光ファイバよりも大きく伸びることがある。これらの場合、光ファイバに過大な引張力が加わり、光ファイバが破断するおそれがあった。
【０００３】
このような間題を解決するために、光ファイバに余長を与えることが行われている。すなわち、光ファイバケーブルが全長にわたって均一な温度にある状態で、光ファイバを被覆管よりもある程度長くしている。その余分の長さを余長といい、管内の光ファイバをうねらせて余長を形成する。光ファイバに余長が与えられていると、熱膨張率の差によって被覆管が光ファイバよりも大きく伸びても、その伸びが余長よりも小さければ、光ファイバに引張力が加わることがない。
【０００４】
光ファイバの余長調整に関して、たとえば特開昭５７−１３０００２号公報の「光ファイバ入りケーブルの温度補償方法」および特開昭５９−１９１５１７号公報「余長付き線状体入り金属管の製造方法」が知られている。これらで開示された技術は光ファイバの移動速度とフープ速度とを検出し、両者の速度を一定比で同調させて、管に光ファイバを挿入し、余長を与える。特開昭６３−１８７２０９号公報の「線状体入り管の製造方法」で開示された技術は管を振動させて線状体を管に挿通したのちに、線状体の先端の前進を抑えた状態で再び管を振動させて余長を与える。特開平３−２６７９０５号公報の「被覆管内の光ファイバ余長調整方法」で開示された技術は被覆管にこれの弾性領域で引張力を加えて、光ファイバを挿通し、引張力を解放したのち被覆管が戻る長さ分だけの余長を得る光ファイバ余長調整方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法には、次のような問題点がある。
光ファイバの余長は、使用条件に適した充分な長さのものでなければならず、また単位長さ当たりの余長のばらつきが所要範囲以内、すなわち均一でなければならない。更に光ファイバケーブルを製造する際に余長を精度よく容易に調整できることが必要である。
【０００６】
前記特開昭５７−１３０００２号公報、特開昭５９−１９１５１７号公報、特開昭６３−１８７２０９号公報および特開平３−２６７９０５号公報で開示された方法では、余長量に制限を受けたり、使用条件に応じて余長の大きさを精度よく自由に調整することは困難である。
【０００７】
すなわち、特開昭５７−１３０００２号公報および特開昭５９−１９１５１７号公報で開示された方法では、光ファイバの移動速度とフープ速度変化を検出し、一定速度で同調させる。したがって、余長を均一に与えることは困難である。余長が不均一であると、高温環境下で使用される光ファイバは余長が小さい部分で破断するおそれがある。特開昭６３−１８７２０９号公報の方法では、コイル状管の中に剛性の高い光ファイバを振動挿通するので、管内径と光ファイバ径との差つまりクリアランスが重要である。特に、細径管ではクリアランスが小さいので剛性の高い光ファイバは直線状になりやすく、自由に管内でうねらせることは困難である。特開平３−２６７９０５号公報で開示された方法は、被覆管の弾性領域内での余長調整方法である。耐熱光ファイバケーブル等の光ファイバによる温度計測、高温環境下での光ファイバ通信等の場合、高い余長率を必要とするが、この方法では最大０．２％の余長率しか与えることができない。金属管がステンレス鋼管である場合、余長率が最大０．２％とすると、光ファイバに張力が発生しない最高温度は１３８℃となる。したがって、１５０℃を超えるような高温環境では使用できない。
【０００８】
そこで、この発明は、光ファイバに所要の余長を高い余長率と精度とで、長さ方向に沿って均一に与えることができる耐熱光ファイバ余長調整方法、および高温環境下での使用に耐える耐熱光ファイバケーブルを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の耐熱光ファイバ余長調整方法は、引張力を被覆管に加え、被覆管を引き伸ばした状態で光ファイバを被覆管に挿通し、光ファイバを挿通したのちに前記引張力を開放する耐熱光ファイバ余長調整方法において、前記被覆管の降伏点または耐力を超える引張力を前記被覆管に加えて塑性変形させ、被覆管の塑性ひずみ＋光ファイバの所要余長だけ被覆管を引き伸ばす。
【００１０】
上記耐熱光ファイバ余長調整方法において、降伏点または耐力を超える引張力で被覆管を引き伸ばした状態で光ファイバを被覆管に挿通したのち引張力を開放すると、被覆管のひずみは引張力負荷時のひずみから塑性ひずみまで回復する。被覆管が収縮する際に光ファイバは被覆管に引きずられてうねり、余長が形成される。光ファイバの長さは変化しないので、引張力負荷時のひずみから塑性ひずみまでの差が、光ファイバの余長率となる。引張力の開放による被覆管の収縮の大きさには、塑性変形した被覆管が弾性変形したものより大きいので、大きな余長率が得られる。
【００１１】
この発明の耐熱光ファイバケーブルは、外径：１．０〜４．０ ｍｍ 、および肉厚：０．１〜０．４ ｍｍ の金属管内に光ファイバが余長をもって挿通されており、余長率（％）が［（使用温度−光ファイバ挿通時温度）×金属管の熱膨張係数×１００＋０．０５］および０．２％のうちの大きい方の値を超える余長率である。
【００１２】
この発明の耐熱光ファイバケーブルは、余長率が０．２％を超える大きな値であるため、大きな温度変化にさらされる高温環境下での使用が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１にステンレス鋼管（材質ＳＵＳ３０４、外径３．６ｍｍ、内径３．０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）に引張力Ｆを加えた場合の荷重−伸び曲線を示す。ステンレス鋼管は、引張力Ｆを加えるとともに伸び、弾性領域を超えて塑性領域になると伸びΔＬが著しく大きくなる。たとえば、塑性領域にあるＡ点まで引張力Ｆを加えたのち、引張力Ｆを解放すると伸びはＡ′点からＢ点まで収縮する。収縮率（％）は｛収縮量δ／（管長さＬ十負荷時伸びΔＬ−収縮量δ）｝×１００、または｛収縮量δ／（管長さＬ十塑性伸びΔＬ_Ｐ ）｝×１００で表される。引張力Ｆを負荷した状態で光ファイバを管内に挿通したのちに引張力Ｆを解放すると、収縮率が光ファイバの余長率となる。なお、この発明では、塑性領域は引張応力が被覆管の降伏点または０．２％耐力を超える応力範囲をいう。降伏点が明確でない場合、耐力を用いる。
【００１４】
ステンレス鋼管の引張力Ｆと収縮率ｒとの関係を図２に示す。図から明らかなように、引張力Ｆの増加とともに収縮率ｒは大きくなる。つまり、塑性領域の方が弾性領域よりも収縮率ｒが大きいことが分かる。
【００１５】
被覆管を引き伸ばした状態で光ファイバを被覆管に挿通したのち引張力を開放する。その後、改めて、被覆管を図１のＢ点からＡ点（元管の塑性領域）まで引き伸ばしても収縮率は引張力に比例して漸次増加する（弾性的変形）。この範囲において、引張力を開放すると、金属管は収縮力に応じて収縮するが、光ファイバは元の長さのままである。したがって、ステンレス鋼管の場合、図２に示すように０．７８％までの余長付与が可能となる。
【００１６】
光ファイバに正確な量の余長率を与えるために、被覆管について塑性領域における引張力Ｐと引張力解放時の収縮率ｒとの関係を実験によってあらかじめ求めておき、その結果をコンピュータに実験式、または表形式で格納しておく。余長調整時に、所要の余長率に応じた引張力を上記実験式または表から求め、被覆管に引張力を加える。
【００１７】
長尺の被覆管を伸張する方法として、ボビンやスプールなどにコイル状に巻き取った被覆管の供給側と巻取り側との間で供給速度と巻取り速度を同調させ、供給側スプールのブレーキ力を制御する方法などが用いられる。余長を均一に与えるために、供給側と巻き取り側とが常に一定の引張力となるようにする。あるいはダイス伸線を行い巻き取り速度を制御する方法によってもよい。被覆管が短尺である場合には、被覆管を直線状に延ばし、引張力を与えた状態で両端を固定するようにしてもよい。
【００１８】
光ファイバを被覆管に挿通する方法は、公知の振動法、押し込み法、流体搬送法などが採用される。被覆管内面および光ファイバ表面にグラファイトやタルクなどの潤滑剤を塗布して光ファイバを挿通すると両面間の摩擦抵抗が小さくなり、余長を均一に与えることができる。
【００１９】
この発明の耐熱光ファイバケーブルは、外径：１．０〜４．０ ｍｍ 、および肉厚：０．１〜０．４ ｍｍ の金属管内に光ファイバが余長をもって挿通されている。金属管の上記外径および肉厚は、ケーブルのハンドリングが容易となる範囲で決められている。光ファイバの被覆管への挿通作業は、室温で行うのが普通である。したがって、耐熱光ファイバケーブルを高温環境下で使用すると、ケーブルは（使用温度−光ファイバ挿通時温度）の温度変化を受けることになる。また、光ファイバが１５０℃以上の高温環境で使用され、被覆管がステンレス鋼管である場合、ステンレス鋼の熱膨張を考慮すると、０．２％を超える余長率を必要とする。このため、光ファイバの余長率（％）は［（使用温度−光ファイバ挿通時温度）×金属管の熱膨張係数×１００＋０．０５］および０．２％のうちの大きい方の値を超える余長率としている。余長率の上限は、引張力を加え、除荷した後の金属管の収縮率、および金属管の強度によって決められる。
【００２０】
なお、この発明では、光ファイバとはコアとクラッド層からなる光ファイバ素線、この光ファイバ素線を合成樹脂、金属、セラミックなどでコーティングしたもの、ならびにこれらの単心もの、多心のもの、撚り線のものおよびテープ状のものをいう。被覆管とは、金属、プラスチック、またはその他の非金属材料で造られた被覆管をいう。金属管材料として、鋼、銅、アルミニュウム、チタンその他の金属が用いられる。プラスチック管材料として、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリカーボネイトなどが用いられる。
【００２１】
【実施例】
図３は、この発明の方法の一実施例を示すもので、被覆管引張力付与装置を示している。
供給装置１１は、架台１２に鋼管Ｐ（被覆管）を巻き取ったスプール１３が回転可能に支持される。スプール１３は油圧ブレーキ（図示しない）が接続され直流モータ１４により回転駆動される。直流モータ１４は巻取装置３１の直流モータ３７に同期して駆動される。
【００２２】
引張力制御装置２１は、架台２２に一対の固定ローラ２３および油圧シリンダ２４が取り付けられている。油圧シリンダ２４のロッド２５の先端にはダンサローラ２７が回転可能に支持されている。ダンサローラ２７は鋼管Ｐの引張力の変動により上下動し、引張力を目標値になるように制御する。
【００２３】
巻取装置３１は、鋼管Ｐを巻き取るボビン３２が昇降台３４に回転可能に支持されている。昇降台３４は油圧シリンダ３５により昇降される。ボビン３２は直流モータ３７により回転駆動される。また、巻取装置３１はトラバーサ４１を備えている。トラバーサ４１は、鋼管Ｐの送り方向に対して直角方向に移動可能になるようにしてブラケット４２が架台３９上に取り付けられている。ブラケット４２はモータ４６およびねじ機構（図示しない）により往復動される。
【００２４】
以上のように構成された装置により、引張力を付与しながら鋼管Ｐを巻き取る方法について説明する。
鋼管Ｐを巻き取ったスプール１３を架台に取り付ける。ついで、鋼管Ｐの先端部を、固定ローラ２３、ダンサローラ２７およびガイドローラ４４を経て巻取装置３１のボビン３２に至るまで巻き戻す。そして、鋼管Ｐの先端部をボビン３２に固定する。また、ボビン３２径に応じて油圧シリンダ３５により昇降台３４を昇降し、ボビン３２を所定の高さに予め位置させる。
【００２５】
上記のような状態において、スプール１３およびボビン３２を回転駆動する。スプール１３は油圧ブレーキにより制動されているので、スプール１３とボビン３２との間の鋼管Ｐに引張力が作用する。制御力は所定の引張力が鋼管Ｐに作用するように設定されている。引張力の大きさは、ダンサローラ２７を支持する油圧シリンダ２４の作動油の圧力により計測することができる。ボビン３２により鋼管Ｐを巻き取っている間、鋼管Ｐに作用する引張力が変動すると、ダンサローラ２７の高さ位置を変えて引張力の大きさを調整する。たとえば引張力が目標値より小さければ、ダンサローラ２７を押し下げる。引張力の大きさと鋼管Ｐの伸びとの関係は、予め実験で求められているので、引張力の大きさを設定することにより、鋼管Ｐを所要の長さすなわち所要の余長の長さだけ引き伸ばすことができる。鋼管Ｐは、ボビン３２の一端からボビン３２軸方向に沿って整列するようにらせん状に巻き取られている。したがって、巻き取りが進むにつれ、鋼管Ｐの巻取りピッチに応じてガイドローラ４４は、これの軸方向に変位される。
【００２６】
ここで、上記装置により鋼管Ｐに伸びを与え、光ファイバを挿通し、光ファイバに余長を与えた例について説明する。
鋼 管 ：外経３．６ｍｍ 内径３．０ｍｍ 長さ１０００ｍ のステンレス鋼管
（ＳＵＳ３０４）（胴径２０００ｍｍのボビン３２に巻付け）
光ファイバ：石英ＧＩ型ファイバ（コア径５０μｍ 、クラッド径１５０μｍ ）にＵＶ樹脂（紫外線硬化樹脂）をコーティングした直径０．４ｍｍ
の光ファイバに表面グラファイト塗布
目標余長率：０．６０％
付与引張力：０．６０％の伸びを与える荷重は図１および図２より１５０ｋｇｆ
と求められる。
挿通方法 ：振動方式
上記コイル状の鋼管に引張力を付与した状態で、光ファイバを振動法により挿通した。ついで、光ファイバが挿通された鋼管を引張力０の状態で別のボビンに巻き替え、引張力を解放した。比較のために、上記コイル状の鋼管に弾性限界内にある５０ｋｇｆ の引張力（図２から余長率は０．２％）を与え同様に光ファイバを振動法により挿通し、引張力０の状態で別のボビンに巻き替えた。
【００２７】
つぎに、光ファイバを挿通した鋼管から５ｍ 長さの標本を管入口側、管中央、管出口側でそれぞれ２０本計６０本採取し、各標本について余長を測定した。その結果、余長の平均値Ｘは次の通りである。
本発明法 Ｘ＝０．６０％
（Ｘ＝０．５９９５〜０．６００４％）
従来法Ｘ Ｘ＝０．２０％
（Ｘ＝０．１９６〜０．２０５％）
本発明の方法による場合、目標の余長率０．６０％を得ることができた。振動による従来の余長付加方法では、０．２０％と目標値は得られたが、本発明の目標とする高い余長率は得られない。
【００２８】
【発明の効果】
この発明では、金属管の塑性域における被覆管の収縮量を利用して余長を与える。金属管に管長さ方向に沿って引張力を一様に付与し、また解放することは容易である。さらに、必要とする余長の大きさは、金属管の塑性変形の大きさの範囲である。したがって、光ファイバに高い余長率と精度とで、長さ方向に沿って均一に与えることができる。この結果、耐熱光ファイバなどの高い余長率を必要とする場合においても、被覆管と光ファイバとの熱膨張率との差による、光ファイバの破断を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼管の荷重とひずみの関係を実験で求めた一例を示す線図である。
【図２】鋼管の荷重と収縮率の関係を実験で求めた一例を示す線図である。
【図３】本発明の方法を実施する装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１ 供給装置
１３ スプール
１４ 直流モータ
２１ 引張力制御装置
２３ 固定ローラ
２４ 油圧シリンダ
２７ ダンサローラ
３１ 巻取装置
３２ ボビン
３４ 昇降台
３５ 油圧シリンダ
３７ 直流モータ
４１ トラバーサ
４２ ブラッケト
４４ ガイドローラ
４６ モータ
Ｐ 鋼管

Claims (2)

1. 引張力を被覆管に加え、被覆管を引き伸ばした状態で光ファイバを被覆管に挿通し、光ファイバを挿通したのちに前記引張力を開放する耐熱光ファイバ余長調整方法において、前記被覆管の降伏点または耐力を超える引張力を前記被覆管に加えて塑性変形させ、被覆管の塑性ひずみ＋光ファイバの所要余長だけ被覆管を引き伸ばすことを特徴とする耐熱光ファイバ余長調整方法。
2. 請求項１記載の方法で余長調整された耐熱光ファイバケーブルであって、外径：１．０〜４．０mm、および肉厚：０．１〜０．４mmの金属管内に光ファイバが余長をもって挿通されており、余長率（％）が［（使用温度−光ファイバ挿通時温度）×金属管の熱膨張係数×１００＋０．０５］および０．２％のうち大きい方の値を超える耐熱光ファイバケーブル。

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