JPS59176706A

JPS59176706A - 光海底中継器用フイ−ドスルの光フアイバ気密固定構造

Info

Publication number: JPS59176706A
Application number: JP58050466A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Yamazaki; 山崎　吉彦; Yoshihiro Ejiri; 江尻　義広; Kahei Furusawa; 古沢　嘉平
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1983-03-28
Filing date: 1983-03-28
Publication date: 1984-10-06
Also published as: US4653846A; GB2137375B; JPS6332363B2; GB2137375A; GB8407583D0

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光海底ケーブル中継器に設けられる光ファイバ
のフィードスルに関するものである。

光ファイバを用いた光海底ケーブルは、数千ｍの深海に
布設されるため、数百気圧の海水圧を受ける。この様な
環境にあって用いられる中継器きよう体は、海水に対し
て耐食性の強いステ／レス。

べＩＪ　ＩＪウム鋼合金等の材料により製造されている
。

この中継器きよう体に収容された光中継型回路への光フ
ァイバの導入は、中継器耐圧きよう体の端面板に取付け
られたフィードスルを通して行われる。従って、数百気
圧の海水圧の環境下で光ファイバおよび給電線を中継器
耐圧きよう体内部へ導入するには充分な耐水圧強度、充
分な海水との電気絶縁性および気密性を有し、かつ長期
に安定して使用できる高信頼なフィードスルが要求され
る。

このようなフィードヌルとして光ファイバの周囲に金属
被覆を施し、これをはんだ等の低融点金属できよう体端
面板に気密固定する構造が開発されている。第１図は光
海底中継器のおもな構造を示す断面図である。光信号を
増幅する中継器ユニット１はその外周をおおう耐水圧ノ
リノダ２およびカバ３によって高水圧から保護されてい
る。光信号は光ファイバ７の中を通って伝送される。カ
バ３の端子増付部３１にはフィードスル４が取付けられ
ており、光海底ケーブル６に接続されている。

光ファイバ７はフィードスル４内に設けられた気密固定
部５を通り、光海底ケーブル６に導かれている。

第２図は気密固定部の構造を示す断面図である。

光ファイバ７は被覆を部分的に除去されて金属被覆１１
が施されており、金属スリーブ９と半田封止部１０で半
田により気密固定されている。８はファイバ支持部であ
る。捷だ、１４は保護キャップであり、キャップ１４と
半田封止部ｉｏ間には接着性樹脂３５が充填されている
。図（ｂ）は半田封止部の拡大図であり、半田は金属ス
リーブ９の端面と同じ位置１で充填されている。

このようなフィードスルにおいては、障害時に水圧が印
加された場合、水密性と気密性はファイバの金属被覆部
と接着剤との接着力および、半田との密着力もしくは半
田の熱収縮によるファイバへの締付応力によって得られ
る。このうち接着剤は、水分を透過するため気密性につ
いては効果がなく、半田封止部のみの気密性に期待をし
ている構造である。しかし、この気密を得るだめの密着
力や締付応力は、長期的に安定に作用するものではない
。半田の内部応力は時間とともに開放されることが一般
に知られており、まだ密着強度も時間とともに減少する
のが物理的な特性である。従って、このようなフィード
スルを光海底中継器きよう体に使用する場合には、２０
年以上に亘るその長期信頼性をどのように保証するかが
非常に重要な問題であり、その保証方法は未だ明確にな
っていない。

まだ、充填された接着剤３５はファイバ支持部８やキャ
ップ１４と接着されているだめ、フィードスル４に圧力
を受けた場合や温度変化を受けた場合、光ファイバ７は
接着剤３５やキャップ１４の応力歪や熱歪をすべて受け
てしまう。そのだめ、光ファイバ７に大きな歪が加わる
ことになり、損失増を招いたり、破断等によりファイバ
の長期信頼性を損う恐れがある。

また、第３図はやはり従来の半田封止部の構造例である
。これは金属被覆された光ファイバ１１は半田封止部１
０より盛り上がってファイバ支持柱１８の周囲に円錐状
に充填された半田により封止されている構造である。こ
の場合も、圧力が印加された時、接着剤３５があればも
ちろん、接着剤３５がない場合でも半田封止部１０に加
わった圧力はファイバに均等に加わらない。従って、こ
のような構造では気密、水密の信頼性はやはり第２図の
構造と同様、ファイバと半田の密着力や半田の熱収縮応
力だけに頼ることになり、長期的な保証を得ることがで
きない。

前述したように長距離光海底ケーブル／ステムにとって
最も重要な問題は２０年以上にわたる／ステム寿命の確
保であり、その長期信頼性の保証方法の明確化である。

この信頼性が保証されなければ海底ケープルンステムは
実現できない。

本発明は、上記の長期信頼性を極めて簡単に保証し得る
光海底中継器用フィー、ドスルの光フアイバ気密固定構
造を提供するものである。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明は圧力が印加された場合のファイバに対する半田
のセルフ／−ル効果を利用したものであり、ファイバと
半田間の密着力や半田の熱収縮力を一切考慮しなくても
安定な水密、気密が得られるものである。

この原理について１ず説明する。第４図はファイバ２０
の一次被覆２１の周囲にメタルコート２２を施し、半田
２３で覆った場合の断面図である。（ａ）は半径方向断
面を示し、（ｂ）は軸方向断面を示す。このようなフー
ｒイバ断面に半田２３の外周から一様外圧ＰＯが作用し
た場合、メタルコート２２の外周に加わる内部応力Ｐｍ
、−次被覆２１の外周に加わる内部応力Ｐ。、ファイバ
ガラス部２０の外周に加わる内部応力Ｐｇはそれぞれ次
の式で計算できる。

・・・・・・（１）・・・・・・・・（３）ここで、Ｅｌ・・・ガラス・のヤング率、νｌ・・・ガラスのポ
アソンＥ２・・・−次被覆のヤング率、　比、Ｒ３・・
・メタルコートのヤン　ν２・・・−次被覆のボアグ率
、　　　　　　　　　　ソン比、Ｒ４・・・ハンダのヤング率、　ν３・・・メタルコー
トのＲ１・・ガラスの半径、　　　　　　ポアソン比、
Ｒ２・・−次被覆までの半径、ν４・・・／ダのポアン
Ｒ３・・・メタルコー　トまでの　　　ン比、半径、Ｒ４・・・ハンダまでの半径、Ｅｍ：メタルコート面捷での等価ヤング率、シｍ二メタ
ルコート面までの等価ポアソン比、廃ニー次被覆面まで
の等価ヤング率、 ν。ニー次破覆面１での等価ポアソン比、いま、各層間
の密着力は考慮に入れないで各層間でのリークしない気
密条件を求める。

■半田・メタルコート間でリークしない気密条件Ｐｏ＜Ｐｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・・・・・・・・・（６）■メタルコート・−次被覆間
でリークしない気密条件ｐｏ＜ｐｃ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・
・・・・・（７）■−次被被覆ガラス間でリークしない
気密条件Ｐ　ｏ　＜　Ｐ　ｇ　　　　　　　　　　　　
　・・・・・・・・・・・（８）（６）　、　（７）　
、　（８）式より、それぞれの内部応力を外圧Ｐ。

で規格化した値が１０以上ならば各層間でのリークはな
い事がわかる。

表１に各材料のヤング率、ポアソン比を示しだ。

これによる計算結果の一例を第５図に示す。これ表　　
　　１によれば、１０μｍ厚の一次被覆の周囲にＣｕを１μｍ
厚に被覆した場合、半田厚が１０μｍあれば、このファ
イバは各層間でリークしない事がわかる。もちろん、−
次被覆がなくても第６図のようにＣｕをファイバに直接
１μｍ程度被覆した周囲に半田層が１０μｍあればやは
りリークしないことがわかる。

また逆に第７図のように一次被覆周囲に直接半田層で被
覆してもリークしないことがわかる。

−次被覆やメタルコートが有る場合には、その材料や厚
みにより、リークしないために必要な半田厚は多少変化
する。しかし、実用上は、−次被覆はＰｖＦ２やポリア
ミド等の比較的ヤング率の大きい樹脂を塗布すれば、１
０μｍ付近の膜厚は容易に得られ、またノリコン樹脂程
度のヤング率の小さい樹脂でも２５μｍ厚ならば半田厚
は５０μｍあればリークしない結果が得られているため
、半田厚として１００μｍもあれば問題はない。１だ、
メタルコートについても、Ｃｕを蒸着あるいはイオンブ
レーティングで被覆する場合、１〜２μｍ程度が実際的
で、ちり、かつ充分である。また、Ｃｕよりももつとヤ
ング率の小さいＳｎのような金属の場合には、Ｃｕの１
０倍の厚み１でつけても半田厚１０μｍ程度でリークし
ない結果が得られている。

以上述べたように、光ファイバが一次被覆やメｐ　／ｌ
／コートをＦｉ覆しているいない（てかかわらず、その
外周に半田層を有し、半田層の厚みが１０〜１００μｍ
程度ある場合には、どのような外圧が半田層の周囲から
加わった場合でも、内部応力によるセルフ／−ル効果に
よりリークしない光フアイバ気密構造が得られることが
わかる。

本発明は前述した原理を適用することにより、銀笛、水
密特性を極めて安定に確保し、さらに２０年以上にわた
る長期信頼性を容易に保証しうるフィードスルの光フア
イバ気密固定部を実現することができる。

第８図は本発明の一実施例である。光ファイバ７は１７
の部分で被覆を除去されている。この場合、ファイバは
ガラス部まで露出していても、まだ−次被覆（１０〜２
０μｍ程度）を残しても、あるいは、ガラス上“または
−次被覆上にメタルコート（Ｃｕ：１〜２μｍ程度、Ｓ
ｎ：１〜２０μｍ程度）が施されていてもＪ：い。ファ
イバ１７は、ファイバガイド１５とフ・ｒイバガイド１
５の周囲に同ばされた金属スリーブ９との間に形成され
たファイ　く目通孔３４に導入されて配置されている。

ファイバ貫通孔３４の一端にｔ１ファイバガイド１５と
金属スリーブ９との間で溝３７が形成されており、この
溝３７が゛１町Ｈ充Ｊ部１０になっている。ファイバ１
７は半田封止部１０で半ｉ月封止されるが、その揚台、
第８図の）のように各ファイバの周囲に半田を円錐状に
゛件ｒＨ同ｔ）一部１０／ハら１２で示ずように盛り−
にげて光重する。このような形状に充」−眞するために
（ま、ファイバにはメタルコートが施されている方が有
利であり、１プこファイバの被覆除去部Ｊ７に予め半ト
ロめっきを施しておいてもよい。まだ、半田封止時に若
干ファイ・くを引上げるようにして盛り上げてもよい。

また、半田充填時にファイバ支持柱１８１′こ半田が密
着してファイバ周囲に半田が円錐状に充填されない状態
を避けるだめ、第９図のように支持柱１８にテフロンコ
ート部１６を施しておけば、ファイバ周囲に半田が盛り
上がった状態に形成できる。メタルコートがない場合の
ファイバには半田は盛上がりにくいが、この支持柱１８
にテフロノコー＋１６のように半田が支持柱１８に付着
しないような処理を施すことにより第１０図のように半
田を盛り上げることが可能である。この場合には、図の
ように半田はファイバとの境界で若干凹型になり、さら
に盛り上がった半田の形状も円錐状ではなく釣鐘状にな
るが、このような形状でも構わない。

μ上のように、ファイバ１本１本の周囲に半田を盛り上
ける形状にしておき、圧力が印加された場合にはその圧
力が半田の周囲に均一に加わるように液状の充填剤１３
を充填しておく。この充填剤１３はポリイソブチレンや
グリース捷だはジェリ等が用いられる。１４は充填剤の
流出防止用のキヤ。

プである。

以上述べたような構造により、障害時にフィードスルに
海水圧が加わっても、半田の圧縮によるセル７ノール効
果により、海水および水蒸気が全くリークしない光フア
イバ気密固定構造が得られる。また、この構造では、フ
ァイバ周囲に半田層が存在している限り、リークするこ
とはなく、半田の熱収縮応力や密着力に全く依存しない
ため極めて信頼性が高いフィードスルが得られる。

また、このセルフノール効果により、加圧時にファイバ
に加わるスラストをこの部分で受けることができる。フ
ァイバに加わる外圧をＰとする。

ファイバ径をｄとしだ時ファイバが受けるスラストＦ１
は半田の盛り上がり長をｔとする（第８図（ｂ）　）。

ｔの区間でファイバが受ける圧縮応力Ｐ′は第４〜第６
図によりｐ　＜　ｐ’≦１．ＩＰ　であるが、最少に見
積ってＰ’＝Ｐとする。このとき、ｔの区間でファイバ
が受ける摩擦力Ｆ２はＦ２＝πｄμＰ’ｔ　　　　　　　　　　　・・・・・
・・・・・・ＯＱここでμはファイバと半田間の摩擦係
数である（９）。

００式によりＦ２−Ｆ、−πｄＰ（Ｆ７一旦）　　　　　・・・・・
・・・・０めＦ２−Ｆ、）０　ならばファイバはこの区
間ｔで引留められる。αη式よりｔ≧−・・・・・・・・・・・・（６）４μ ここでμを０１程度（金属面同志に潤滑油を塗布した場
合、μｍＯ１〜０２）と低く見積ると、α２式よりｔ≧
０．３１−０．３２　（ｄ　＝　０．１２５−０．１３
５　Ｎｎとした）となる。従って、半田が０．５胴程度
盛り上がってｂれば、気密が得られるばかりか、ファイ
バを引留める効果も有することがわかる。

第８図の９および１５は半田封止用のスリーブおよびフ
ァイバガイドであるが、光フアイバ気密固定部の温度歪
や圧力による応力歪を少くシ、ファイバの損失増加を防
ぐとともにファイバ破断等の機械的信頼性を向上させる
だめ、熱膨張係数の小さなりフグ率の大きい金属、例え
ば、コバール等を使用するのがよい。また、光ファイバ
は半田封止部１０の中でできるだけファイバガイド１５
に接近させてファイバ、半田、ファイバガイドが一体化
して動くように配慮することが熱歪、圧力歪を少くする
ために必要である。さらに、液状充填剤１３の流出防ｊ
ヒキャ、プ１４はやはり熱膨張係数の小さなコバール等
で作られるか、もしく　１はテフロン等のプラスチ、り
製でスリーブ９とは固定せずに嵌合させるだけでテフロ
ンの熱歪をファイバに伝達しないよう圧することが、フ
ァイバ支持部での熱歪を小さくおさえるために必要であ
る。

捷だ、このキャップ１４は熱膨張係数の大きい金属製で
あっても第１１図のようにｏリング１９で可動刺止させ
ることにより、キャップの熱歪をファイバに伝達させな
いようにすることができる。

まだ、第１２図のようにキャップ１４をベローズ３０に
してキャップの熱歪をそこで吸収する構造にしてもよい
。

以上述べたようなキャップ１４を使用する場合、障害時
の外圧を内部の液体充填物１３に伝達する必要がある。

キャップがプラスチ、りやゴム製の場合やベローズ形式
の場合は、圧力は内部に伝達されるが、金属製の場合に
はキャップ１４のとζかに例えば第１３図のように可動
型のピストンキャップ３３を０リング３２で固定してお
けば圧力は伝達される。

以上詳細に述べたように、光フアイバガラス部の周シ、
または薄い一次被覆の周りまたけそれらに金属被覆を施
した周りに半田を盛り上げ半田層を形成し半田層の外周
から均一な圧力が加わるような光フアイバ気密固定部構
造とし、ファイバガイド、スリーブ、ファイバ支持部、
キャップ等は熱膨張係数の小さな金属（例えばコバール
）により形成して、キャップはあるいはプラスチ、り。

ゴム製で、その歪をファイバに伝達しないようにし、半
田封止部のファイバはできるだリファイバガイドに接近
させて対重する構造をとることにより、／ステム寿命間
で何時障害が発生しても極めて安定に水密、気密が得ら
れ、熱および応力歪の極めて少い高信頼なフィードスル
が実現できる。

なお、半田の代りに接着剤ヲ、使用しても全く同じ効果
が期待できるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光海底中継器の構造を示す縦断面略図第２図、
第３図は先に提案されたフィードスルの光フアイバ気密
固定部の縦断面図、第４図は半田被覆されたファイバの
横断面図、第５図、第６図及び第７図は本発明の原理説
明のだめの計ｎ結果を示す図、第８図、第９図、第１０
図、第１１図、第１２図及び第１３図は本発明の実施例
を示す縦断面図である。１・・・中継器ユニ、ト、２・・・耐圧シリンダ、３・
カバ、４・・・フィードスル、５・・・気密面５ｉ［，
６・・・光海底ケーブル、７・・・光ファイバ、８・・
・ファイバ支持部、９・・金属スリーブ、１０・・・半
田封止部、１１・・金属被覆部、１２・・・−半田盛り
上げ部、１３・・液体充填剤、１４・・キャップ、１５
・　ファイバガイド、１６・・・テフロンコート部、１
７　　光フアイバ被覆除去部、１８・・・ファイバ支持
柱、１９・・０リノグ、２０　　ファイバガラス部、２
１・・・−次被覆、２２・・・金属被覆（メタルコート
）、２３・・・半田層、３０・・・ベローズ、３１・・
・端子取付部、３２・・・０リング、３３・・ピストン
キャップ、３４・ファイバ貫通孔、３５・・接着性樹脂
、３６・・・半田盛り上げ部、３７−・・溝。特許出願人　　国際電信電活株式会社代理人　大塚　学外１名兜８図１８　　　　　（０）児９図っ１゜７　　　　′１１７飛（２図　　　　　　第１３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光海底中継器耐圧きよう体に少とも１本の光ファ
イバを導入するフィードスルの光フアイバ気密固定構造
において、前記光ファイバはファイバガイドと該ファイ
バガイドの周囲に嵌合された封止スリーブとの間で形成
されたファイバ貫通孔に導入されて配置され、該ファイ
バ貫通孔の一端は前記ファイバガイドと前記封止スリー
ブとの間で溝が形成されており、前記光ファイバの各々
のクラッド周囲あるいは薄い一次被覆周囲あるいはそれ
らの周囲に施された金属被覆の周囲と前記該溝との間に
は低融点金属が充填され、該低融点金属は前記溝端部よ
り前記スリーブおよび前記ファイバガイドの外側に前記
ファイバの各々の周囲に盛り上がって充填され、該低融
点金属充填部および前記ファイノくの周囲には液状充填
剤が充填され、該液状充填剤の周囲にはファイバ保護キ
ヤ、ブが備えられていることを特徴とする光海底中継器
用フィードスルの光フアイバ気密固定構造。
（２）前記ファイバガイドから前記低融点金属充填部の
外側にファイバ支持柱が突出しており、該ファイバ支柱
の周囲にはテフロン等の耐熱プラスチックが被覆されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光海
底中継器用フィードスルの光フアイバ気密固定構造。
（３）前記ファイバガイドおよび封止スリーブおよびフ
ァイバ支持柱は熱膨張係数の小さなコバール等の金属に
より成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
２項記載の光海底中継器用フィードスルの光フアイバ気
密固定構造。
（４）前記光フアイバ保護用キャップは前記封止スリー
ブとの間でＯリング等で可動封止されているか、あるい
はベローズ状になっていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項、第２項又は第３項に記載の光海底中継器用
フィードスルの光フアイバ気密固定構造。
（５）前記光ファイバ保護用キャップはプラスチック１
だはゴムにより形成され、前記封止スＩＪ−ブとは嵌合
されているだけであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項、第２項又は第３項に記載の光海底中継器用フィ
ードスルの光フアイバ気密固定構造。
（６）前記光ファイバ保護用キャップは可動型ピストン
キャップを備えていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項ないし第５項のいずれかに記載の光海底中継器用
フィードスルの光フアイバ気密固定構造。