JP4946338B2

JP4946338B2 - 構造物敷設用テープ状光ファイバ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4946338B2
Application number: JP2006280170A
Authority: JP
Inventors: 晋路小松崎; 正嗣小島
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: JP2008096813A

Description

本発明は、初期伝送損失を低減する構造物敷設用テープ状光ファイバ及びその製造方法に関する。

構造物敷設用テープ状光ファイバは、構造物の表面に固定したり構造物内に埋め込むことにより敷設し、構造物に印加されている歪みを計測することを目的としている。

図４により歪み計測の原理を説明する。光源光が伝搬している光ファイバから散乱光が発生する。図４に示されるように、散乱光は種類により波長帯を異にし、レイリー散乱光の波長λ０の長波長側と短波長側とにそれぞれブリルアン散乱光が存在し、さらに長波長側にはラマン散乱光の内のストークス光が存在し、反対に短波長側にはラマン散乱光の内のアンチストークス光が存在する。レイリー散乱光の波長λ０に対するブリルアン散乱光の波長のシフト量（波長の差）が光ファイバの歪みに依存する。そのため、このシフト量を検出すれば歪みを計測することができる。

また、ストークス光とアンチストークス光との強度比が温度に依存するので、この強度比を検出すれば温度を計測することができる。

従来の構造物敷設用テープ状光ファイバは、一方向性ガラス繊維体で強化した熱可塑性樹脂内にポリイミド被覆ファイバを埋め込んだものである（非特許文献１参照）。一方向性ガラス繊維体とは、一本一本の繊維が複数本揃って同じ方向に向かせて配置されたものである。

図５に示されるように、構造物敷設用テープ状光ファイバ５１は、一方向性ガラス繊維体（図示せず）を用い、光ファイバ５２の周囲に複数のガラス繊維５３を、全てのガラス繊維５３の向きを光ファイバ５２の軸方向に向かせて配置し、これら光ファイバ５２及びガラス繊維５３を樹脂５７で埋め込んで光ファイバ５２の軸方向に長いテープ状に樹脂体５４を形成したものである。この構造物敷設用テープ状光ファイバ５１は、ガラス繊維５３により樹脂体５４の機械的強度が強化されており、また、樹脂体５４の樹脂５７が熱可塑性樹脂からなるため、プラント等の高温環境下においても歪み計測が可能な耐熱性を有している。

熱可塑性樹脂は、樹脂５７として光ファイバ５２及びガラス繊維５３の周囲に埋める際に所定の温度に加熱して軟化させる必要があるため、熱可塑性樹脂には、耐熱温度が３００℃であり、一般のセンサ用耐熱被覆材であるポリイミド樹脂が用いられる。

しかし、図５のようにガラス繊維５３が全て光ファイバ５２の軸方向の向きに配置された構造物敷設用テープ状光ファイバ５１は、光ファイバ５２に垂直な方向に働くせん断応力に対しては十分な機械的強度を保持できるが、光ファイバ５２の軸方向に働くせん断応力に対しては十分な機械的強度を保持することが難しく、光ファイバ５２の軸方向にクラックや割れが発生しやすく、裂けやすい。

そこで、図６に示されるように、ガラス繊維６３を光ファイバ６２の軸方向とテープ幅方向（＝光ファイバに垂直な方向）の２方向に配置することにより、光ファイバ６２の軸方向に働くせん断応力に対しても樹脂体６４が十分な機械的強度を保持できる構造物敷設用テープ状光ファイバ６１が考案されている。

この構造物敷設用テープ状光ファイバ６１は、前述の補強効果だけでなく、樹脂体６４を光ファイバ６２の軸の回りに捻転させると光ファイバ６２に垂直な方向に向いたガラス繊維６３が光ファイバ６２の軸方向に向いたガラス繊維６３にせん断応力を与えるため、ガラス繊維６３と共に樹脂体６４をテープ幅方向に裂くことができる。これにより、図７に示されるように、樹脂体６４を引き裂いて内部の光ファイバ６２を取り出すことができるので、コネクタ装着のための加工が容易である。

図５、図６の構造物敷設用テープ状光ファイバ５１，６１に組み込む光ファイバには、曲げや局所的な歪みによる伝送損失の増加を小さくために、例えば、コアに添加するゲルマニウムの量を増やしてコアとクラッドとの比屈折率差をシングルモードファイバよりも大きくした高デルタ光ファイバや、クラッドのコアを中心とした円周上に複数の空孔を設けてクラッドの平均屈折率を等価的にコアよりも小さくしたホーリーファイバなどを用いる。

Ｂ．Ｇｌｉｓｔｉｃ、Ｄ．Ｉｎａｕｄｉ、「Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇ−ｇａｇｅｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｉｎｔｏａｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔａｐｅ」１６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｏｒｓ、Ｎａｒａ、Ｊａｐａｎ１３ｔｈ−１７ｔｈＯｃｔｏｂｅｒ（２００３）

図６の構造物敷設用テープ状光ファイバの製造方法を図８により説明する。

図８に示されるように、光ファイバ６２をテープ厚み方向から二方向性ガラス繊維体６６で挟み込む。二方向性ガラス繊維体６６とは、複数のガラス繊維６３を直交させてクロス構造に配置したものである。一方のガラス繊維６３を光ファイバの軸方向に向け他方のガラス繊維６３をテープ幅方向に向け配置するものとする。

二方向性ガラス繊維体６６のテープ厚み方向両外側にはそれぞれビニルエステル等の熱可塑性樹脂６７を重ね、さらにその両外側にそれぞれ剥離用テープ６８を重ねる。一方の剥離用テープ６８に熱印加板６９を当て、他方の剥離用テープ６８に加重印加板（図示せず）を当てる。熱印加板６９を例えば約４５℃の温度に加熱しながら加重印加板を押し付けることで、テープ厚み方向から圧力を与え、軟化した熱可塑性樹脂６７で光ファイバ６２及び二方向性ガラス繊維体６６を埋め込む。

しかし、熱及び圧力を印加する前の図８の状態では、光ファイバ６２を挟み込んだ２つの二方向性ガラス繊維体６６間には隙間がある。加重印加板により圧力を与えたとき、二方向性ガラス繊維体６６が隙間を狭めていくため、図９に示されるように、二方向性ガラス繊維体６６中の光ファイバに垂直なガラス繊維６３が光ファイバ６２を囲むように曲がって、その応力が光ファイバ６２に加わる。光ファイバ６２は、この応力によって径方向に圧迫され、曲げや局所的な歪みを生じる。この結果、構造物敷設用テープ状光ファイバ６１の伝送損失の増加を招いてしまう。

また、熱可塑性樹脂６７の成形（埋め込み）の後、冷却して硬化させるとき、熱可塑性樹脂６７が収縮しながら硬化する。このため、この硬化しつつある熱可塑性樹脂６７に随伴して二方向性ガラス繊維体６６が変形すると、二方向性ガラス繊維体６６中の光ファイバに垂直なガラス繊維６３が光ファイバ６２を圧迫し、伝送損失の増加を招いてしまう。同時に、熱可塑性樹脂６７が光ファイバ６２の軸方向にも収縮するため、光ファイバ６２に軸方向の応力が加わる。

光ファイバ６２に軸方向の応力が加わると、光ファイバ６２がうねって小曲がりが発生してしまい、伝送損失の増加を招く。

このように、図６の構造物敷設用テープ状光ファイバ６１は、製造時に加わった局所的な歪みによる伝送損失の増加が熱可塑性樹脂６７の硬化によって製品に固定的に残留して初期伝送損失となる。このため、せっかく高デルタ光ファイバやホーリーファイバを用いて製造時や製造後に加わる曲げや局所的な歪みによる伝送損失を低減しても、それだけでは不十分である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、初期伝送損失を低減する構造物敷設用テープ状光ファイバ及びその製造方法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は、光ファイバと、その光ファイバの周囲に配置された複数の繊維と、これら光ファイバ及び繊維を樹脂で埋め込んで光ファイバの軸方向に長いテープ状に形成された樹脂体とを備えた構造物敷設用テープ状光ファイバにおいて、上記光ファイバを保護する線状部材が上記光ファイバに接するように沿わせて設けられ、上記繊維の配置方向は、光ファイバの長手方向に対して平行方向と垂直方向の２方向とされ、上記光ファイバと上記線状部材が上記複数の繊維によって挟まれ、かつ、上記光ファイバ、上記線状部材及び上記複数の繊維が上記樹脂で埋め込まれたものである。

上記線状部材を、上記光ファイバのテープ幅方向両側にそれぞれ配置してもよい。

上記線状部材の外径を、上記光ファイバの外径と同一か、より大きくしてもよい。

上記線状部材の径方向の剛性を、上記光ファイバの径方向の剛性より強くしてもよい。

上記線状部材の軸方向の剛性を、上記光ファイバの軸方向の剛性より強くしてもよい。

上記線状部材の曲げ剛性を、上記光ファイバの曲げ剛性より弱くしてもよい。

上記線状部材を、光ファイバ、金属線、ガラス繊維、樹脂線のいずれかとしてもよい。

上記繊維を、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ＰＯＢ（ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維のいずれかとしてもよい。

上記樹脂体の樹脂を、不飽和ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリブテンのいずれかとしてもよい。

上記光ファイバを、高デルタ光ファイバ、ホーリーファイバのいずれかとしてもよい。
また、上記目的を達成するために本発明は、光ファイバと、その光ファイバの周囲に配置された複数の繊維と、これら光ファイバ及び繊維を樹脂で埋め込んで光ファイバの軸方向に長いテープ状に形成された樹脂体とを備えた構造物敷設用テープ状光ファイバの製造方法であって、上記光ファイバを保護し、かつ、該光ファイバの外径と同一またはより大きくした外径を有する線状部材が、上記光ファイバに接するように沿わせて配置される線状部材配置工程と、上記繊維の配置方向は、光ファイバの長手方向に対して平行方向と垂直方向の２方向とされ、かつ、上記複数の繊維が、上記光ファイバ及び上記線状部材をテープ厚み方向両外側方向から挟み込むように配置される繊維配置工程と、上記樹脂が、上記光ファイバ及び上記線状部材を挟み込んだ上記複数の繊維をテープ厚み方向両外側方向から挟み込むように配置される樹脂配置工程と、上記樹脂が上記光ファイバ、上記複数の繊維及び上記線状部材を埋め込むようにテープ厚み方向から圧力を与えられ、該圧力によって上記光ファイバと直交するように配置された繊維が上記光ファイバに対して該光ファイバの径方向に圧縮歪みを加える圧力印加工程と、を有するものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）初期伝送損失を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る構造物敷設用テープ状光ファイバ１は、光ファイバ２と、その光ファイバ２の周囲に配置された複数の繊維３と、これら光ファイバ２及び繊維３を樹脂７で埋め込んで光ファイバ２の軸方向に長いテープ状に形成された樹脂体４とを備えた構造物敷設用テープ状光ファイバ１において、光ファイバ２に沿わせて光ファイバ２を保護する線状部材５を設けたものである。

この実施形態では、線状部材５を、光ファイバ２のテープ幅方向両側に、それぞれ光ファイバ２と平行に、光ファイバ２に接するように配置している。線状部材５の外径は、光ファイバ２の外径と同一である。線状部材５としては、通信用として一般に使用されている光ファイバ、金属線、ガラス繊維、光ケーブル用のテンションメンバ（抗張力体）に使用されている樹脂線などがある。

光ファイバ２は、コア１３とクラッド１４を有し、その外周にポリイミド樹脂１５を被覆したシングルモードファイバ（クラッド径１２５±１μｍ、外径約１４５μｍ）である。

この実施形態では、繊維３の配置方向を光ファイバ２の軸方向とテープ幅方向の２方向とするべく、光ファイバ２をテープ厚み方向両側から二方向性ガラス繊維体で挟み込んでいる（図８参照）。繊維３としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ＰＯＢ（ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維などがある。

樹脂体４の樹脂は、熱硬化性樹脂であり、不飽和ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリブテンなどがある。

構造物敷設用テープ状光ファイバ１の製造方法は、図８で説明した方法と概略同じであり、線状部材５を光ファイバ２に沿わせる点だけが異なる。

次に、構造物敷設用テープ状光ファイバ１の作用効果を説明する。

本発明の構造物敷設用テープ状光ファイバ１は、光ファイバ２に沿わせた線状部材５があるため、製造時に樹脂が軸方向に収縮した際、線状部材５がテンションメンバの役割を果たし、光ファイバ２に加わる軸方向の圧縮歪みを低減することができる。

軸方向の圧縮歪みを低減することにより、光ファイバ２の軸方向に小曲がりが発生することを防止することができるため、光ファイバ２の伝送損失を低減できる。

また、図８と同様にして加重印加板により圧力を与えて二方向性ガラス繊維体６が隙間を狭めていくとき、図２に示されるように、光ファイバ２に垂直な繊維３が光ファイバ２と線状部材５を囲むように曲がる。このとき、その曲げによる応力は主として線状部材５に加わる。よって、光ファイバ２に加わる応力は図９の場合に比べると緩和される。すなわち、線状部材５がクッション材（緩衝材）となり、光ファイバ２の径方向に加わる圧縮歪みが低減されるので、光ファイバ２の曲げや局所的な歪みが低減される。このようにして、製造時における構造物敷設用テープ状光ファイバ１の伝送損失の増加を低減し、初期伝送損失を低減することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

線状部材５は、テンションメンバの役割を果たすので、軸方向の剛性ができるだけ大きなものが望ましく、例えば、光ファイバ２の軸方向の剛性より強いことが望ましい。軸方向の剛性は、例えば、ヤング率で表すことができる。

また、線状部材５は、図２の原理で加わる応力を線状部材５に集中させるために、光ファイバ２に比べて径方向の剛性が十分に大きい（強い）ことが望ましい。径方向の剛性は、例えば、ヤング率で表すことができる。

さらに、構造物敷設用テープ状光ファイバ１は曲げて敷設されることが考えられるため、線状部材５の曲げ剛性が光ファイバの曲げ剛性より十分に小さい（弱い）ことが望ましい。曲げ剛性が強すぎると、構造物敷設用テープ状光ファイバ１を湾曲部に設置する場合に設置が難しい等の不具合が生じる。

線状部材５の曲げ剛性は、ヤング率Ｅと線状部材５の断面構造によって決まる断面２次モーメントＩとによって、Ｅ・Ｉと定義される。ただし、曲げ剛性がどの程度以下であればよいかという具体的数値は、設置場所を考慮して適宜設定することが望ましい。

図１の実施形態では、線状部材５の外径を光ファイバ２の外径と同一にしたので、テープ厚み方向に線状部材５と光ファイバ２の中心軸の位置を揃えることが容易となる。一方、線状部材５の外径を光ファイバ２の外径より大きくすることにより、二方向性ガラス繊維体６中の光ファイバ２に垂直な繊維３が光ファイバ２に触れなくなるか又は圧迫しにくくなる。よって、製造時における構造物敷設用テープ状光ファイバ１の伝送損失の増加を低減し、初期伝送損失を低減することができる。

図１の実施形態では、光ファイバ２はシングルモードファイバとしたが、高デルタ光ファイバ、ホーリーファイバ（例えば、クラッド径８０±１μｍ、外径約１００μｍ）など、歪みに対する伝送損失増加の小さい光ファイバを用いるとよい。

図１の実施形態では、光ファイバ２は単体であり、その両側に線状部材５を沿わせたが、図３に示されるように、複数本の光ファイバ（種類はシングルモードファイバ、高デルタ光ファイバ、ホーリーファイバなど）３２を平行に配置したテープ状光ファイバの幅方向両側に線状部材３５を沿わせて樹脂体３４に埋め込んだ構造物敷設用テープ状光ファイバ３１においても、これまで説明したのと同様の効果を得ることができる。

本発明は、光ファイバ２に沿わせて線状部材５を設けることにより、光ファイバ２を保護するので、複数の繊維３の方向がどのような任意の方向であっても光ファイバ２を保護することができる。とりわけ、上記実施形態では、繊維３の配置方向を光ファイバ２の軸方向とテープ幅方向の２方向としたので、テープ幅方向のせん断応力に対する強度が強化される利点や製造後における図７のような加工が容易となる利点をそのまま生かすことができる。

なお、樹脂体４を光ファイバ２の軸の回りに捻転させると、ガラス繊維３と共に樹脂体４をテープ幅方向に裂くことができる。この後、光ファイバ２と線状部材５は個別に必要長にカットして、コネクタ装着等の加工が施される。

本発明は、初期伝送損失を低減できるので、結果的に、全体的な伝送損失の増加を著しく小さくすることができる。

本発明の一実施形態を示す構造物敷設用テープ状光ファイバの断面付き斜視図及び断面拡大図である。本発明の構造物敷設用テープ状光ファイバにおいて繊維から光ファイバに応力が加わりにくい様子を示した樹脂体透視図である。本発明の一実施形態を示す構造物敷設用テープ状光ファイバの断面付き斜視図である。光ファイバにおける散乱光の波長分布図である。従来の構造物敷設用テープ状光ファイバの断面付き斜視図及び断面拡大図である。従来の構造物敷設用テープ状光ファイバの断面付き斜視図及び断面拡大図である。構造物敷設用テープ状光ファイバの端末処理状態を示す断面付き斜視図である。構造物敷設用テープ状光ファイバの製造方法を示す断面図である。従来の構造物敷設用テープ状光ファイバにおいて繊維から光ファイバに応力が加わる様子を示した樹脂体透視図である。

符号の説明

１構造物敷設用テープ状光ファイバ
２光ファイバ
３繊維
４樹脂体
５線状部材
７樹脂

Claims

光ファイバと、その光ファイバの周囲に配置された複数の繊維と、これら光ファイバ及び繊維を樹脂で埋め込んで光ファイバの軸方向に長いテープ状に形成された樹脂体とを備えた構造物敷設用テープ状光ファイバにおいて、
上記光ファイバを保護する線状部材が上記光ファイバに接するように沿わせて設けられ、
上記繊維の配置方向は、光ファイバの長手方向に対して平行方向と垂直方向の２方向とされ、
上記光ファイバと上記線状部材が上記繊維によって挟まれ、かつ、上記光ファイバ、上記線状部材及び上記繊維が上記樹脂で埋め込まれていることを特徴とする構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材を、上記光ファイバのテープ幅方向両側にそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材の外径を、上記光ファイバの外径と同一か、より大きくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材の径方向の剛性を、上記光ファイバの径方向の剛性より強くしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材の軸方向の剛性を、上記光ファイバの軸方向の剛性より強くしたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材の曲げ剛性を、上記光ファイバの曲げ剛性より弱くしたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記線状部材を、光ファイバ、金属線、ガラス繊維、樹脂線のいずれかとしたことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記繊維を、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ＰＯＢ（ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維のいずれかとしたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記樹脂体の樹脂を、不飽和ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリブテンのいずれかとしたことを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
上記光ファイバを、高デルタ光ファイバ、ホーリーファイバのいずれかとしたことを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の構造物敷設用テープ状光ファイバ。
光ファイバと、その光ファイバの周囲に配置された複数の繊維と、これら光ファイバ及び繊維を樹脂で埋め込んで光ファイバの軸方向に長いテープ状に形成された樹脂体とを備えた構造物敷設用テープ状光ファイバの製造方法であって、
上記光ファイバを保護し、かつ、該光ファイバの外径と同一またはより大きくした外径を有する線状部材が、上記光ファイバに接するように沿わせて配置される線状部材配置工程と、
上記繊維の配置方向は、光ファイバの長手方向に対して平行方向と垂直方向の２方向とされ、かつ、上記複数の繊維が、上記光ファイバ及び上記線状部材をテープ厚み方向両外側方向から挟み込むように配置される繊維配置工程と、
上記樹脂が、上記光ファイバ及び上記線状部材を挟み込んだ上記複数の繊維をテープ厚み方向両外側方向から挟み込むように配置される樹脂配置工程と、
上記樹脂が上記光ファイバ、上記複数の繊維及び上記線状部材を埋め込むようにテープ厚み方向から圧力を与えられ、該圧力によって上記光ファイバと直交するように配置された繊維が上記光ファイバに対して該光ファイバの径方向に圧縮歪みを加える圧力印加工程と、
を有することを特徴とする構造物敷設用テープ状光ファイバの製造方法。