JP6015542B2

JP6015542B2 - 光電気複合ケーブル

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Publication number: JP6015542B2
Application number: JP2013092405A
Authority: JP
Inventors: 裕紀安田; 平野　光樹; 光樹平野; 寛史坂口
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: US9417416B2; JP2014216176A; US20140321822A1; CN104123989A; CN104123989B

Description

本発明は、光ファイバと複数の電線とを有する光電気複合ケーブルに関するものである。

コンピュータなどの電子装置間の信号伝送等に用いるケーブルとして、光ファイバと複数の電線とを一括してシースで被覆した光電気複合ケーブルが知られている。

特許文献１では、チューブ内に光ファイバを配置し、チューブの外周に沿うように複数本の電線を配置した光電気複合ケーブルが提案されている。チューブの外周に配置する電線としては、電源供給用の電源線と、信号伝送用の信号線が用いられる。

特開２０１２−９１５６号公報特開２０１２−５９４９５号公報

ところで、長距離伝送用のケーブルとして光電気複合ケーブルを用いる場合や、大電力を供給すべく電源線に大電流を流すことが要求される場合には、電源線での伝送損失を抑えるために電源線の導体断面積を大きくする必要が生じる。このような場合、小電流で導体断面積を大きくする必要のない信号線の外径よりも電源線の外径が大きくなり、信号線と電源線とで外径が異なってしまう。このように電線の径が異なると、光電気複合ケーブル全体の断面形状に偏りが生じてしまうおそれがある。

上述のようなチューブを用いた光電気複合ケーブルでは、断面形状が偏ると、外力が作用した際にチューブに負荷がかかりやすくなり、曲げなどの外力が加わった際にチューブが変形して光ファイバに側圧が作用し、マイクロベンディング（側圧が加わることによりコアの中心軸が僅かに曲がること）による光損失が大きくなったり光ファイバが断線したりしてしまうおそれがあり、十分な信頼性が確保できないという問題が生じる。また、光電気複合ケーブルの断面形状が偏ると、所望のレイアウトに配線しにくくなるという問題も生じる。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、信頼性が高く配線の容易な光電気複合ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、光ファイバと、前記光ファイバを収容する樹脂からなる内筒体と、前記内筒体の外部に前記内筒体の周囲を覆うように配置された複数本の電線と、前記複数本の電線を一括して被覆する筒状の外筒体と、を備え、前記複数本の電線は、電線対を複数備え、少なくとも１つの前記電線対を構成する前記電線が、他の前記電線よりも外径が大きく、かつ、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されている光電気複合ケーブルである。

前記複数本の電線は、信号伝送用の前記電線対を構成する信号線と、電源供給用の前記電線対を構成する電源線と、からなり、前記電源線は、前記信号線よりも外径が大きく、かつ、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されていてもよい。

前記電源線は、給電線とグランド線とからなり、前記給電線と前記グランド線とが、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されていてもよい。

前記給電線を複数備えると共に、前記グランド線を複数備えてもよい。

前記複数本の電源線は、隣接して配置され、前記複数本のグランド線は、隣接して配置されてもよい。

前記複数本の電線は、前記内筒体の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられて前記内筒体と前記外筒体との間に介在し、前記外筒体の外周側から外力を受けることによって前記内筒体が受ける荷重は、隣接する前記電線同士の接触と前記内筒体に対する前記電線のすべりによって緩和されてもよい。

本発明によれば、信頼性が高く配線の容易な光電気複合ケーブルを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光電気複合ケーブルの横断面図である。図１の光電気複合ケーブルの構造を示す斜視図である。図１の光電気複合ケーブルに外力が付与されたときの横断面図である。図１の光電気複合ケーブルに曲げが付与されたときの外筒体を省略した側面図である。本発明において、屈曲試験を説明する図である。本発明において、ケーブル側圧試験を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る光電気複合ケーブルの横断面図であり、図２は、その構造を示す斜視図である。

図１および図２に示すように、光電気複合ケーブル１は、光ファイバ２と、光ファイバ２を収容する樹脂からなる内筒体としてのチューブ３と、チューブ３の外部にチューブ３の周囲を覆うように配置された複数本の電線４と、複数本の電線４を一括して被覆する筒状の外筒体５と、を備えている。

ここでは、光ファイバ２を４本備える場合を記載しているが、光ファイバ２の本数はこれに限定されるものではなく、１本以上であればよい。光ファイバ２は、シングルモード光ファイバであってもよいし、マルチモード光ファイバであってもよい。

光ファイバ２の周囲でかつチューブ３の内部には、アラミドやケブラー（登録商標）などからなる繊維束６が収容されている。繊維束６は、光電気複合ケーブル１の引張強度を高めるための補強部材であり、チューブ３の内部における空間の割合が３５％以上となるように収容されることが望ましい。なお、繊維束６は必須ではなく、チューブ３や外筒体５により十分な引張強度が確保できる場合等には省略可能である。

チューブ３は、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、またはエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）からなる。チューブ３の弾性率は、０．３ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下であることが望ましい。これは、チューブ３の弾性率が０．３ＧＰａ未満であると光ファイバ２を十分に保護できず、４．０ＧＰａを超えると屈曲性が低下するためである。

複数本の電線４は、チューブ３と外筒体５間の環状の空間に収容されている。本実施の形態では、断面円形状の１０本の電線４が、チューブ３の外周に沿って配置されている。複数本の電線４は、径方向に重ならないように配置される。詳細は後述するが、外力が加わった際にチューブ３に直接外力を伝えてしまわないように、電線４はできるだけ近接して配置されることが望ましい。

外筒体５は、電線４を結束するための樹脂からなるテープ５ａと、テープ５ａの外周に形成された筒状の樹脂からなるシース５ｂと、からなる。テープ５ａは、電線４の外面に接触して螺旋状に巻き回されている。テープ５ａとしては、例えば、紙テープやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のテープなどを用いることができる。シース５ｂとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などからなるものを用いることができる。なお、テープ５ａとシース５ｂとの間に、多数の導体を編み合わせた編組や、樹脂からなるテープに導電性の金属膜を形成した導電性テープなどからなるシールド層を備えてもよい。

さて、本実施の形態に係る光電気複合ケーブル１では、複数本の電線４は、信号伝送用または電源供給用の電線対を複数備え、少なくとも１つの電線対を構成する電線４が、他の電線４よりも外径が大きく、かつ、チューブ３を挟んで対向する位置に配置されている。

つまり、光電気複合ケーブル１では、径の大きい電線４の対が、チューブ３を挟んで対向する位置に配置されている。このように構成することで、径の大きい電線４が分離して配置されることとなり、断面形状の偏りを抑制することが可能になる。

複数本の電線４は、信号伝送用の電線対を構成する信号線７と、電源供給用の電線対を構成する電源線８と、からなる。また、電源線８は、給電線９とグランド線１０とからなる。信号線７は、撚り線導体からなる中心導体７ａを絶縁体７ｂで被覆して構成されている。電源線８、すなわち給電線９とグランド線１０は、撚り線導体からなる中心導体８ａを絶縁体８ｂで被覆して構成されている。なお、一部の電線４は、通電しないダミー線であってもよく、対で使用されない電線４が含まれていてもよい。

本実施の形態では、電源線８が、信号線７よりも外径が大きく形成されており、この径の大きな電源線８が、チューブ３を挟んで対向する位置に配置されている。

また、本実施の形態では、給電線９とグランド線１０とが、チューブ３を挟んで対向する位置に配置されている。このように構成することで、給電線９とグランド線１０を隣接して配置した場合と比較して、ケーブル端末における配線の取り回しが容易となり、基板等への実装を容易とすることが可能になる。

ところで、長距離伝送用あるいは大電流を用いる場合等には、電源線８での伝送損失を抑えるために電源線８の中心導体８ａ断面積を大きくする必要がある。このような場合、電源線８の外径が大きくなりすぎ、断面形状の偏りが大きくなってしまうことが考えられる。

そこで、本実施の形態では、給電線９を複数備えると共に、グランド線１０を複数備え、これら複数の給電線９、複数のグランド線１０を１つの電源ラインとして使用することで、大きな導体断面積を確保して電源ラインでの伝送損失を抑制するように構成した。給電線９やグランド線１０を複数本で構成することで、電源ラインでの伝送損失を抑制しつつも、給電線９やグランド線１０の径を信号線７に近づけて、光電気複合ケーブル１の断面形状を円形状に近づけることが可能となり、断面形状の偏りを抑制可能になると共に、光電気複合ケーブル１の細径化を図ることが可能になる。

ここでは、給電線９とグランド線１０をそれぞれ２本ずつ備える場合を示しているが、給電線９とグランド線１０の本数はこれに限定されるものではない。端末での配線を容易とするため、複数本の給電線９は互いに隣接して配置され、複数本のグランド線１０は互いに隣接して配置されることが望ましい。

なお、給電線９とグランド線１０の本数を増やすと、給電線９とグランド線１０の外径をより小さくすることが可能となり、例えば信号線７としてシールド（外部導体）を備えたものを用いるような場合には、電源線８と信号線７の外径の大小が逆転する場合も考えられる。このような場合には、外径が大きい信号線７の対を、チューブ３を挟んで対向する位置に配置すればよい。

また、最も細い電線４（ここでは信号線７）の外径をＤ₁、最も太い電線４（ここでは電源線８）の外径をＤ₂としたとき、下式（１）
０．８×Ｄ₂≦Ｄ₁＜Ｄ₂ ・・・（１）
を満たすことが望ましい。このように電線４の外径を設定することで、外径の大きな特定の電線４が常にチューブ３を押圧したり、外径の小さな電線４とチューブ３の外周面、または外筒体５の内周面との間に大きな隙間が空いてしまうことを抑制することができる。

図３に示すように、光電気複合ケーブル１では、外力が加わったとき、外力が加わった位置の外筒体５が変形し、一部の電線４が内方へ向かう押圧力を受ける。この押圧力を受けた電線４は、チューブ３に接触し、チューブ３からの反力を受けて楕円状に変形して隣接する電線４に接触する。電線４が密接して配置されている場合には、押圧力を受けた電線４が隣接する電線４に直接押しつけられる場合もある。この電線４同士の接触により、外筒体５からの押圧力の一部が吸収され、チューブ３が受ける荷重が緩和される。その結果、外力によるチューブ３の変形を抑制することが可能になる。

このように、光電気複合ケーブル１では、内筒体であるチューブ３が受ける荷重を、隣接する電線４同士の接触によって緩和している。上述の式（１）の関係を満たし、かつ、隣接する電線４が接触するように電線４を近接して配置することで、チューブ３が受ける荷重を、確実に、隣接する電線４同士の接触によって緩和し、チューブ３の変形を抑制することが可能になる。

なお、この効果を得るためには、電線４の本数は３本以上２０本以下であることが望ましい。電線４の本数が１本または２本であると、電線４同士の接触によってチューブ３が受ける荷重を緩和することができず、２０本を超えると、電線４同士の接触面における面圧が低くなり、電線４同士の接触により押圧力を吸収する効果が乏しくなるためである。

また、電線４の外径の平均値をＤ_A、チューブ３の外径をＤ_in、外筒体５の内径をＤ_outとしたとき、下式（２）
（Ｄ_out−Ｄ_in）／２×０．８≦Ｄ_A＜（Ｄ_out−Ｄ_in）／２・・・（２）
を満たすことが望ましい。つまり、チューブ３と外筒体５間の距離の８０％以上であるとよい。これにより、電線４同士の接触によってチューブ３が受ける荷重を緩和する効果をより確実に得ることができる。なお、チューブ３の外径Ｄ_inおよび外筒体５の内径Ｄ_outは、チューブ３や外筒体５が変形することなく断面形状が円形状となっている場合の寸法である。

また、光電気複合ケーブル１では、複数の電線４は、チューブ３の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられてチューブ３と外筒体５との間に介在している。つまり、複数の電線４の中心軸は、光電気複合ケーブル１の中心軸と平行な方向（ケーブル長手方向）に対して傾斜している。複数の電線４の螺旋巻きのピッチ（任意の電線４がチューブ３の周囲を１周する間のケーブル長手方向に沿った距離）は、例えば５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることが望ましい。

複数の電線４が螺旋状に配置されていることにより、電線４がチューブ３と平行に配置されている場合と比較して、光電気複合ケーブル１の屈曲性を高めると共に、光電気複合ケーブル１が曲げられたときに光ファイバ２が側圧を受けることを抑制することが可能になる。

つまり、複数の電線４がチューブ３と平行に配置されている場合には、曲げられた部分の外側にあたる電線４に張力が発生して屈曲しづらくなると共に、その張力によってチューブ３が押圧される。また、曲げられた部分の内側にあたる電線４には、この電線４を軸方向に圧縮する圧縮力が作用して光電気複合ケーブル１の屈曲を妨げると共に、この圧縮力によって電線４に外方に膨らむ撓みが生じ、チューブ３が押圧される。このように、チューブ３は、曲げられた部分における内側および外側から押圧されることとなり、屈曲半径が小さい場合には、光ファイバ２に側圧が作用する。

一方、本実施の形態では、図４に示すように、複数の電線４が螺旋状に配置されているので、光電気複合ケーブル１が曲げられた部分の外側または内側の全体（螺旋巻きのピッチよりも長い範囲）にわたって、特定の電線４が配置されることがない。つまり、光電気複合ケーブル１では、それぞれの電線４がチューブ３よりも外側または内側に存在する範囲は、螺旋巻きのピッチの半分以下の範囲に限られる。そのため、チューブ３よりも外側の部分における張力と内側の部分における圧縮力が相殺され、電線４がチューブ３を押圧する力が弱くなると共に、光電気複合ケーブル１の屈曲性が高まる。なお、図４では外筒体５を省略して示している。

また、光電気複合ケーブル１では、外力が作用して曲げが加えられた際に、チューブ３に対して電線４がケーブル長手方向にすべる。このチューブ３と電線４間のすべりにより、曲げが加わった際にチューブ３が電線４から受ける力を抑制し、チューブ３の変形を抑制して、光ファイバ２への側圧を低減することが可能になる。つまり、光電気複合ケーブル１では、外筒体５の外周側から外力を受けることによってチューブ３が受ける荷重が、チューブ３に対する電線４のすべりによって緩和されている。

絶縁体７ｂ、８ｂとしては、チューブ３に対してすべりのよい材料を用いることが望ましく、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはポリエチレン（ＰＥ）からなるものを用いるとよい。これらの材料を用いることで、光電気複合ケーブル１の屈曲時に電線４が効率よく動けるようになり、曲げが加わった際に光ファイバ２に作用する側圧を低減することが可能になる。また、チューブ３と電線４間のすべりを十分に確保することで、製造時のチューブ３のねじれや変形を防ぐことも可能になる。なお、絶縁体７ｂ、８ｂとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等からなるものを用いることも可能である。

また、チューブ３の厚さｔは、下式（３）
ｔ≧Ｄ_in×０．２・・・（３）
を満たすことが望ましい。つまり、チューブ３の厚さｔは、外径Ｄ_inの５分の１以上であるとよい。このようにチューブ３を形成することにより、チューブ３の強度が確保されて外力による変形が抑制され、光ファイバ２に作用する側圧を低減することができる。

さらに、光ファイバ２の外径をｄ、チューブ３の内径をＤとすると、下式（４）
ｄ×４＜Ｄ・・・（４）
を満たすことが望ましい。これは、チューブ３の内部で４本の光ファイバ２が直線状に並んだ場合でもチューブ３との間に隙間を確保し、チューブ３が窪むように変形したような場合であっても、その押圧力が直接光ファイバ２に側圧として作用することを防ぐためである。

また、チューブ３の内部の光ファイバ２および繊維束６が存在しない空間の割合（空間割合という）は、チューブ３の内部空間全体の３５％以上であることが望ましい。より詳細には、チューブ３の内部空間における４本の光ファイバ２の体積の割合（占積率）は、２％以上２５％以下であるとよい。また、チューブ３の内部空間における繊維束６の体積の割合（占積率）は、２％以上５０％以下であるとよい。この場合、空間割合は９６％以下（繊維束６を収容しない場合は９８％以下）となる。

このように空間割合を設定することで、外力によってチューブ３が変形した場合でも、この変形によって光ファイバ２が側圧を受けることが抑制される。つまり、外力によってチューブ３が押し潰されるように変形した場合、この変形は光ファイバ２および繊維束６が存在しない空間が狭くなることによって吸収され、チューブ３に作用する押圧力が直接的に光ファイバ２に側圧として作用することが抑制される。

図１の光電気複合ケーブル１を試作し、図５に示すような屈曲試験装置５１を用い、屈曲半径Ｒを３７ｍｍとして光電気複合ケーブル１を左右に９０度ずつ曲げることを繰り返す屈曲試験を行った。目標１００サイクルとして屈曲試験を行ったところ、目標を大きく上回る５００サイクルの屈曲を加えた場合であっても、光ファイバ２の断線等の異常は発生せず、屈曲に対する耐性が高く十分な信頼性が得られていることを確認できた。

また、図６に示すように、試験台６１に載置された光電気複合ケーブル１に、側圧試験治具６２により鉛直方向上方から下方に荷重を加え、光ファイバ２への入力光量に対する出力光量の差異を調べるケーブル側圧試験を行った。ここでは、側圧試験治具６２と光電気複合ケーブル１の接触面積を１００ｍｍ²（５０ｍｍ×２ｍｍ）、側圧試験治具６２により付与する荷重を１０００Ｎ（１０Ｎ／ｍｍ²）とした。これは、体重１００ｋｇの人が２６ｃｍサイズの靴の最狭部分で光電気複合ケーブル１を踏んだ場合を想定している。

ケーブル側圧試験の結果、入力光量に対する出力光量の差異は０．１ｄＢ以下（測定器の誤差範囲内）であり、入出力間で光量変化がほぼ無いことが確認された。つまり、光電気複合ケーブル１では、体重１００ｋｇ程度の人に踏まれた場合であっても、光ファイバ２のマイクロベンディングによる光損失がほとんど無いことが確認された。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る光電気複合ケーブル１では、少なくとも１つの電線対を構成する電線４が、他の電線４よりも外径が大きく、かつ、内筒体であるチューブ３を挟んで対向する位置に配置されている。

このように構成することで、外径の大きい電線４を分離して配置し、断面形状の偏りを抑制することが可能になる。その結果、チューブ３に負荷がかかることを抑制し、曲げなどの外力が加わった際に光ファイバ２のマイクロベンディングによる光損失が増大してしまうことや、光ファイバ２が断線してしまうことを抑制し、信頼性を向上させることが可能になる。また、断面形状の偏りを抑制することで、所望のレイアウトに配線し易くなる。

また、光電気複合ケーブル１では、複数本の電線４は、内筒体であるチューブ３の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられてチューブ３と外筒体５との間に介在している。

このように構成することで、屈曲性の低下を抑制しながら光ファイバ２のマイクロベンディングによる光損失を低減することが可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、２本の給電線９と２本のグランド線１０を対向配置する場合を説明したが、これに限らず、例えば１本の給電線と１本のグランド線１０を隣接配置し、これら２本の電源線８を対向配置する、といった配置なども可能である。

１光電気複合ケーブル
２光ファイバ
３チューブ（内筒体）
４電線
５外筒体
６繊維束
７信号線
８電源線
９給電線
１０グランド線

Claims

光ファイバと、
前記光ファイバを収容する樹脂からなる内筒体と、
前記内筒体の外部に前記内筒体の周囲を覆うように配置された複数本の電線と、
前記複数本の電線を一括して被覆する筒状の外筒体と、を備え、
前記複数本の電線は、電線対を複数備え、
少なくとも１つの前記電線対を構成する前記電線が、他の前記電線よりも外径が大きく、かつ、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されている
ことを特徴とする光電気複合ケーブル。
前記複数本の電線は、信号伝送用の前記電線対を構成する信号線と、電源供給用の前記電線対を構成する電源線と、からなり、
前記電源線は、前記信号線よりも外径が大きく、かつ、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されている
請求項１記載の光電気複合ケーブル。
前記電源線は、給電線とグランド線とからなり、
前記給電線と前記グランド線とが、前記内筒体を挟んで対向する位置に配置されている
請求項２記載の光電気複合ケーブル。
前記給電線を複数備えると共に、前記グランド線を複数備えた
請求項３記載の光電気複合ケーブル。
前記複数本の給電線は、隣接して配置され、
前記複数本のグランド線は、隣接して配置される
請求項４記載の光電気複合ケーブル。
前記複数本の電線は、前記内筒体の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられて前記内筒体と前記外筒体との間に介在し、
前記外筒体の外周側から外力を受けることによって前記内筒体が受ける荷重は、隣接する前記電線同士の接触と前記内筒体に対する前記電線のすべりによって緩和される
請求項１〜５いずれかに記載の光電気複合ケーブル。