JP5332111B2

JP5332111B2 - 光ケーブル

Info

Publication number: JP5332111B2
Application number: JP2007030829A
Authority: JP
Inventors: 至坂部; 英資笹岡; 知之服部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP2008197258A

Description

本発明は、情報機器間の光接続（例えば、ＬＡＮ配線）に用いるような光ケーブルに関する。

近年の光通信技術の進歩により、光通信を用いたＬＡＮ（Local Area Network）配線や機器間配線などが採用されるようになってきた。この光ＬＡＮ配線や機器間配線などは、長距離間の光通信と異なり、例えば、屋内や車両内に設置された機器間の短距離での光通信となるため、シングルモード光ファイバと比べて光接続性が優位なマルチモード光ファイバが用いられることが多い。また、これらの光ケーブルとしては、込み入った部分での配線や、ドアーの開閉部分での配線に対して高い屈曲性能が求められる。また、機器への接続は、一般的に光コネクタを用いて行われるが、光コネクタは現場で取付けられることが多く、光コネクタへ取付性がよい光ケーブルが求められている。

従来、ドロップ光ケーブルやインドア光ケーブル１として、例えば、図４（Ａ）に示すように、光ファイバ心線２の両側に０.４ｍｍφ程度の鋼線からなるテンションメンバ３を配し、全体を外形が２〜４ｍｍ程度となるようにケーブル外被４で一体化した構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、図４（Ｂ）に示すようにテンションメンバ３の鋼線２を細い鋼線を撚った撚鋼線で形成することも知られている。さらに、テンションメンバ３を鋼線に代えてガラス繊維やアラミド繊維等を樹脂で固めて一体化したものを用いることも知られている。
特開２００４−１９８５８８号公報

光ＬＡＮ配線や機器間配線などにおいて、光ケーブルをドアーのような開閉部分に跨って使用するような場合、光ケーブルに高い屈曲性能が要求され、例えば、曲げ半径Ｒ９ｍｍで左右９０°の条件で１０万回以上曲げられても光ケーブルが損傷しないことが求められている。しかるに、図４（Ａ）に示すように、テンションメンバに単心の鋼線を用いると、曲げ半径Ｒ９ｍｍで左右９０°の条件で屈曲すると２０００回程度で金属疲労を起こし断線してしまう。また、図４（Ｂ）のようにテンションメンバを撚鋼線とした場合でも、１万回程度で断線してしまう。すなわち、光ケーブル内に金属線材が含まれていると、上記の屈曲性能を確保することは困難である。

また、光ケーブルのテンションメンバに高強度のガラス繊維材やアラミド繊維材を樹脂で固めた非金属材を用いることも知られているが、曲げ半径Ｒ９ｍｍ程度で屈曲すると破断する恐れがあり、金属線材のように完全な断線に至らないまでも、抗張力が低下する。また、高強度の繊維材を樹脂で固めず用いると、光ケーブル端への光コネクタを取付ける際に繊維材の処理に時間がかかり、作業性が低下するという問題がある。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、高い屈曲性能と簡易な光コネクタの取付け性を有し、しかも所定の引張張力を備えた光ケーブルの提供を目的とする。

本発明による光ケーブルは、石英ガラスを主材とした光ファイバのガラスファイバ上にヤング率が０.１ＭＰａ〜１０ＭＰａの被覆樹脂が施された光ファイバ心線を、内部にテンションメンバ及び抗収縮部材を含まずに、長辺側の外形寸法が４ｍｍ以下の断面が矩形又は楕円形で、ヤング率２００〜１５００ＭＰａの熱可塑性樹脂からなるケーブル外被で一体化し、ケーブル外被１％伸び時における総合的な引張張力が５０Ｎ以上であり、ケーブル端において光部品の連結部が前記ケーブル外被に取付けられている。なお、上記のケーブル外被に、ヤング率１２００ＭＰａ〜１５００ＭＰａのナイロン樹脂を用いるのが望ましい。

本発明によれば、光ケーブルの敷設時に一時的に加わる張力に十分耐える引張り張力を有し、しかも、曲率半径Ｒ９ｍｍで左右９０°の条件で１０万回屈曲試験で破断を起さず、光コネクタの取付け作業性によいＬＡＮ配線に適した光ケーブルを提供することが可能となる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による光ケーブルの概略を説明する図で、図１（Ａ）は断面矩形状の光ケーブルの一例を示し、図１（Ｂ）は断面楕円状のＬＡＮ用光ケーブルの一例を示し、図１（Ｃ）は光ケーブルに光コネクタを取付けた状態を示す図である。図中、９は光コネクタ、１０は光ケーブル、１１は光ファイバ心線、１２はガラスファイバ、１３ａ，１３ｂは被覆層、１４は着色層、１５はテンションメンバ、１６はケーブル外被を示す。

本発明による光ケーブル１０は、屋内や車両内に設置された複数の情報機器間を光学的に接続する光ケーブルで、比較的に短距離（例えば、１ｍ〜２０ｍ程度）の光配線でＬＡＮや機器間配線等に用いるのに適した光ケーブル（ＬＡＮ用光ケーブル）を対象とする。この種の光ケーブル１０は、例えば、図１（Ａ）に示すように、光ファイバ心線１１を列状に並べ、その両側に通常配される仮想線で示すテンションメンバ１５を配することなくケーブル外被１６で一体化して形成される。

光ファイバ心線１１には、石英ガラスからなり、コア径が５０μｍでクラッド径が１２５μｍのマルチモードのガラスファイバ１２を用いることができる。なお、石英ガラスを主材とした光ファイバは、コアとクラッドの両方が石英ガラスを主材としたものであってもよいし、コアのみ石英ガラスを主材としクラッドは硬質プラスチックからなるものであってもよい。

光ファイバ心線１１は、ガラスファイバ１２上を紫外線硬化型のアクリレート樹脂からなる外径２４５μｍ程度の被覆層１３ａ，１３ｂで被覆し、その被覆表面に着色層１４を施して形成されている。なお、被覆層は、１次被覆層１３ａと２次被覆層１３ｂの２層で形成するようにしてもよい。この場合、内側の１次被覆１３ａのヤング率を外側の２次被覆１３ｂのヤング率より小さくして、側圧に対する緩衝作用をもたせ、マイクロベンドの発生を抑制し良好な光伝送特性を保つようにすることができる。

光ファイバ心線１１は、２本以上の複数本を列状に並べ、その両端側にテンションメンバ１５を配設しない状態でケーブル外被１６で一体化される。ここで、「ケーブル外被で一体化」とは、ケーブル外被中に埋設される光ファイバ心線１１が、ケーブル外被１６に直接接触して共同して引張り応力に対応できる状態を言う。なお、仮想線で示すテンションメンバ１５は、光ケーブル全体としての引張張力が所定値以上に確保できていれば、ＬＡＮ配線のように常時大きな張力がかからない使用形態では、特に必要としない。

ケーブル外被１６は、ナイロン樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の熱可塑性樹脂により、例えば、断面矩形状又は楕円状に形成される。このケーブル外被１６は、充実押出しによって形成される。充実押出しとは、樹脂押出し機のダイス内側で押出し樹脂を圧縮するように、光ファイバ心線等に対して加圧しつつ押出しを行う方法である。押出し樹脂は、ダイス内では圧縮された状態にあり、光ファイバ心線１１の外周に押出された熱可塑性樹脂はケーブル外被１６として光ファイバ心線１１に対して高い密着性を持たせることができる。ケーブル外被１６が光ファイバ心線１１に対して密着していることで、ケーブル外被１６が収縮を起こしたときに光ファイバ心線１１がケーブル内で蛇行してロス増するのを防止することができる。

また、光ファイバ心線１１の破断伸びは、一般に５％以上あるが、破断伸び以下でも伸びた状態が続くとガラスに存在するクラックの成長による静疲労が生じ、時間が経過するとある確率で断線する。ファイバガラス部の破断寿命を考慮すると、光ファイバ心線の線引き時のスクリーニングレベルを適正化することも重要となる。このスクリーニングレベルを１.５％とすると、光ケーブルの配線時に光ファイバ心線にスクリーニングレベルの２／３に相当する１％の伸びが加わっても、１０年後のガラス破断確率を百万分の１以下と、非常に低い値に抑えることができる。

本発明では、光ファイバと外被とは一体化されているため、光ファイバ伸びとケーブル伸びはほぼ等しい。このため、ケーブル外被伸びを１％以下に抑えることで、光ファイバ伸びもほぼ１％以下に抑えることが可能となり、ガラスの破断確率を非常に小さく抑えることができる。したがって、ケーブル外被１％伸び時における総合的な引張張力とは、外被を把持してケーブルを１％伸ばした時の引張張力のことで、ケーブル外被と一体化している光ファイバなどの部材の引張張力も加味される。

光ケーブル１０は、屋内等のＬＡＮ配線や機器間配線では、５０Ｎ程度の引張り張力が加わると仮定することで十分である。したがって、光ケーブルとしては、ケーブル内の光ファイバ心線１１、テンションメンバ１５、ケーブル外被１６の全体で５０Ｎ（好ましくは、一般的な許容張力とされている７０Ｎ）の張力に耐える抗張力を備えていればよいと言える。
また、ＬＡＮ配線や機器間配線として、配線スペースや取扱い性、並びに細形の光ケーブルが要望されていることから、本発明では、ケーブル外被１６の外形寸法は４ｍｍ以下の断面矩形状もしくは楕円状（好ましくは、２ｍｍ×３ｍｍの矩形断面）で曲げ方向に指向性を持たせ、抗張力体として金属疲労を起こしやすい金属線材を含まない構成とする。

また、図１（Ｃ）に示すように、光ケーブル１０の端部に光コネクタ９や光源モジュール、受光モジュールなどの光部品の連結部を取付けて使用されることが多く、光部品の取付け性が良いことが必要とされる。例えば、光コネクタ９の取付け性に関しては、光ファイバ心線１１とケーブル外被１６とが一体化されているので、ケーブル外被１６を把持するだけで光コネクタを固定でき、作業性は簡易で良好である。なお、光コネクタ９でケーブル外被１６を把持固定しても、ケーブル外被１６のヤング率が低いと光コネクタ９を引張ったときにケーブル外被だけが伸びる恐れがある。このため、ケーブル外被１６はヤング率が２００ＭＰａ以上（好ましくは、３００ＭＰａ以上）で、光ファイバ心線１１を含めたケーブル外被１％伸び時の総合的な引張張力は、一般的な光コネクタの引張り規定の５０Ｎ以上であることが望ましい。

また、本発明による光ケーブルは、ケーブル外被１６と光ファイバ心線１１とが一体化されていることから、低温では光ファイバ心線がマイクロベンドを起こし伝送損失が増大しやすい。これに対しては、通常、ケーブル外被の収縮に反発する高強度繊維を樹脂で固めたロッド状線材（ＦＲＰロッド）が、テンションメンバ（抗張力部材）としてだけでなく抗収縮部材としても用いられるが、ケーブルの屈曲性を優先して使用しない形態としている。

抗収縮部材を用いない代わりに、本発明の光ケーブルにおいては、光ファイバ心線はマイクロベンドの影響を受けにくいように、光ファイバ心線のガラスファイバ上にヤング率の低いソフト層（１次被覆層１３ａ）を設けている。具体的には、耐外傷性の観点から光ファイバ心線の最外層（２次被覆層あるいは着色層１４）に用いられるヤング率８００ＭＰａ〜１２００ＭＰａより２桁程度低い１０ＭＰａ以下の被覆層を設けることでマイクロベンドの微小な曲げ径を大きくすることができ、低温下においても伝送損失を良好に保つことができる。なお、被覆層があまり柔らかすぎると石英ガラスの位置が安定せず偏心率が悪化するため、ヤング率を０.１ＭＰａ以上にする。

上述した構成により、光ケーブルの敷設時に一時的に加わる張力に十分耐えることができ、しかも、曲率半径Ｒ９ｍｍで左右９０°で１０万回屈曲試験で破断を起こさない高屈曲性能を有し、また、光コネクタの取付け作業性にも優れたものとすることができる。

（実施例）
図２は、本発明の実施例を説明する図で、２本の光ファイバ心線１１を列状に並べ、２ｍｍ×３ｍｍのケーブル外被１６で一体化させ、ケーブル外被内にテンションメンバを有しない光ケーブルである。光ファイバ心線１１には、コア径５０μｍでクラッド径が１２５μｍのマルチモードガラスファイバに、外径２５０μｍの紫外線硬化型のアクリレート樹脂で被覆したものを用いた。この紫外線硬化樹脂型のアクリレート樹脂は、光ファイバ心線のガラスファイバ上にヤング率１ＭＰａの低ヤング率の樹脂を２００μｍまで被覆し、その上に２５０μｍまでヤング率８００ＭＰａの樹脂を被覆した。ケーブル外被１６は、ヤング率が１２００ＭＰａのナイロン樹脂を充実押出し成形で形成した。

上記の実施例の光ケーブルの伸び剛性について述べる。伸び剛性は、ヤング率Ｅと断面積Ｓの積ＥＳ（単位：Ｎ）で表す値である。本発明においては、２３℃のときの値を用いるとし、ガラスファイバの直径１２５μｍ、ヤング率６８.６ＧＰａであるので、２本のガラスファイバ部分の伸び剛性は、１.７ｋＮである。ケーブル外被１６は、外形２ｍｍ×３ｍｍ、ヤング率１２００ＭＰａであるので、７.２ｋＮである。光ファイバ心線１１のスクリーニングレベルを１.５％とすると、１％まで伸ばすことができるので、光ケーブル外被１％伸び時の総合的な引張張力は８９Ｎとなり、通常考えられる屋内の作業での張力５０Ｎ或いは一般的な許容張力７０Ｎを上回ることができる。

ただし、ケーブル外被１６のヤング率が高くなると、ケーブル曲げ剛性も高くなり、曲げにくくケーブル取扱い性も悪くなる。このため、ヤング率は１５００ＭＰａ程度に抑えておくことが望ましい。また、ケーブル外被１６の抗張力性を高めるには、ケーブル外被の断面積を大きくすることも考えられるが、ケーブルの配線スペースなどを考慮すると、光ケーブルの外形寸法は、４ｍｍ以下であることが望ましい。また、この点を考慮し、ケーブル外被１％の伸び時の引張張力を７０Ｎ以上とするには、ケーブル外被１６のヤング率２００ＭＰａ以上とする必要がある。

また、ケーブルの屈曲性能については、ケーブル断面（２ｍｍ×３ｍｍ）の短寸側（２ｍｍ幅）の５倍弱の曲げ半径Ｒ９ｍｍで屈曲した場合、光ファイバ心線１１のガラスファイバ部に加わる曲げ歪は最大でも０.７％と１％以下におさまる。ガラスの寿命は、歪の積算時間により主に決まることから、屈曲回数の影響は小さく、金属疲労を起こす鋼線と異なり、ガラスは動疲労を受けにくい材料であるため、曲げ半径Ｒ９ｍｍで左右９０°の条件で往復１０万回程度加えても（図３の曲げ試験例参照）、破断確率は百万分の１以下と低く実用上での断線を生じない。

また、ケーブル外被１６に用いたナイロン樹脂の破断伸びは１００％であり、屈曲時にケーブル外被１６に加わる曲げ歪より一桁異なり、ケーブル外被に亀裂等の損傷が入ることはなかった。さらに、ケーブル断面の短寸側の５倍弱の曲げ半径Ｒ９ｍｍで、往復１０万回屈曲させてもケーブル外被に亀裂を生じないようにするには、ケーブル外被の破断伸びを少なくともケーブル外被に加わる最大歪１０％の１０倍の１００％以上とすればよいことも判明した。

なお、上記の例では、ケーブル外被１６にナイロン樹脂を用いたが、ポリウレタン樹脂やポリエチレン樹脂などもナイロン樹脂と同様にヤング率が高く、幅広い種類の樹脂が選択できる。また、融点が１５０℃程度の樹脂を選択することにより、例えば、自動車のエンジンまわりなどの１２５℃程度の高温環境下での配線も可能となる。

（−４０℃〜１２５℃）×３サイクルの温度試験を行った結果は、伝送損失の増加量Δαは、０.０２ｄＢ／２０ｍと良好であった。なお、ガラスファイバ直上の内層被覆には、１５０μｍ以上の径で、ヤング率１０ＭＰａ以下の軟質の被覆樹脂を施せば、伝送損失の増加量Δαは０.１ｄＢ／ｋｍ以下に抑えられる。ただし、ヤング率が低すぎると光ファイバのガラス部をきっちりと固定できず偏心率が高くなるため、ガラスファイバ直上の被覆樹脂のヤング率は０.１ＭＰａ以上あることが望ましい。
光コネクタの取付け性については、光ケーブル１０の光ファイバ心線１１とケーブル外被１６の熱可塑性樹脂とが密着一体化しているため、ケーブル外被１６を光コネクタの把持部で把持するだけで固定することができ、容易に取付けができる。

（比較例１）
図４（Ａ）に示すように、図２の光ケーブルで用いたのと同じ２本の光ファイバ心線２を列状に並べ、その両側にテンションメンバ３として外径０.４ｍｍの鋼線を配置し、２ｍｍ×３ｍｍのケーブル外被４で一体化させた形状の光ケーブルとした。光ファイバ心線２には、実施例と同様のコア径５０μｍでクラッド径が１２５μｍのマルチモードガラスファイバに、外径２５０μｍの紫外線硬化型のアクリレート樹脂で被覆したものを用いた。ケーブル外被４は、軟質の１００ＭＰａのポリオレフィン樹脂を充実押出し成形で形成した。

テンションメンバ３の鋼線のヤング率は、ＰＢＯ繊維のものよりも大きく、鋼線の伸び剛性（ＥＳ積）は５３ｋＮ、ファイバガラス部分の伸び剛性は１.７ｋＮより一桁以上も大きい。鋼線の場合は、鋼線自体の許容伸びが律則となりケーブルの許容伸びは０.３％にとどまる。許容伸び０.３％で計算するとケーブルの許容張力は約１６０Ｎとなり、やはり屋内などで使用されるケーブルの一般的な許容張力７０Ｎを上回ることができる。なお、鋼線の場合は、鋼線自体の許容伸びが０.３％にとどまるため、例えばスクリーニングが１.５％あるような高強度の光ファイバ心線を適用しても意味がない。光ケーブルの屈曲性については、課題のところに記載したように、鋼線は金属疲労を起こしてしまうため屈曲性能は低く、曲げ半径Ｒ９ｍｍでケーブルを屈曲すると、鋼線部分が金属疲労を起こし２０００回程度で断線した。

（比較例２）
図４（Ｂ）に示すように、図２の光ケーブルで用いたのと同じ２本の光ファイバ心線２を列状に並べ、その両側にテンションメンバ３として外径０.１７ｍｍの鋼線を９本撚りした撚り鋼線を配置し、２ｍｍ×３ｍｍのケーブル外被４で一体化させた形状の光ケーブルとした。光ファイバ心線２には、実施例と同様のコア径５０μｍでクラッド径が１２５μｍのマルチモードガラスファイバに、外径２５０μｍの紫外線硬化型のアクリレート樹脂で被覆したものを用いた。ケーブル外被１６は、軟質の１００ＭＰａのポリオレフィン樹脂を充実押出し成形で形成した。

テンションメンバ３の撚り鋼線の伸び剛性（ＥＳ積）は８６ｋＮで、撚り鋼線の場合も、撚り鋼線自体の許容伸びが律則となりケーブルの許容伸びは０.３％にとどまる。許容伸び０.３％で計算するとケーブルの許容張力は約２６０Ｎとなり、やはり屋内などで使用されるケーブルの一般的な許容張力７０Ｎを上回ることができる。光ケーブルの屈曲性についても、比較例１と同様に、個々の鋼線が細い０.１７ｍｍのものを使用しても金属疲労は避けられないため曲げ半径Ｒ９ｍｍの場合、比較例１よりは断線までの回数は増えたが、それでも1万回程度の屈曲で断線した。

次に示す表１は、上述した実施例及び比較例１，２の光ケーブルを、図３に示す曲げ半径Ｒ９ｍｍで左右９０°の曲げ試験で、１０万回屈曲させたときのケーブル張力を示したものである。なお、実施例は、光ファイバ寿命の観点からファイバの許容伸びが律側となり、１０％伸び時のケーブル張力で示し、比較例１，２は鋼線の許容伸びが律則となるので０.３％伸び時のケーブル張力で示してある。

この表１の結果から、本発明による実施例では、屈曲試験後のケーブル張力は、屈曲試験前と比べてケーブル張力は若干低下するものの、通常考えられる屋内の作業での引張張力５０Ｎ或いは一般的な許容張力７０Ｎを上回っている。これに対し、比較例１，２では、屈曲試験中にいずれも断線してしまった。

本発明による光ケーブルの一例を説明する図である。本発明による光ケーブルの実施例を説明する図である。光ケーブルの屈曲試験方法を示す図である従来技術を説明する図である。

符号の説明

９…光コネクタ、１０…光ケーブル、１１…光ファイバ心線、１２…ガラスファイバ、１３ａ，１３ｂ…被覆層、１４…着色層、１５…テンションメンバ、１６…ケーブル外被。

Claims

石英ガラスを主材とした光ファイバのガラスファイバ上にヤング率が０.１ＭＰａ〜１０ＭＰａの被覆樹脂が施された光ファイバ心線を、内部にテンションメンバ及び抗収縮部材を含まずに、長辺側の外形寸法が４ｍｍ以下の断面が矩形又は楕円形で、ヤング率２００〜１５００ＭＰａの熱可塑性樹脂からなるケーブル外被で一体化し、ケーブル外被１％伸び時における総合的な引張張力が５０Ｎ以上であり、ケーブル端において光部品の連結部が前記ケーブル外被に取付けられていることを特徴とする光ケーブル。
前記ケーブル外被が、ヤング率１２００ＭＰａ〜１５００ＭＰａのナイロン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光ケーブル。