JPS6332363B2 - - Google Patents

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
フアイバのフイードスルに関するものである。 光フア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。この様な環境にあつ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ンレ
ス、ベリリ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器
回路への光フアイバの導入は、中継器耐圧きよう
体の端面板に取付けられたフイードスルを通して
行われる。従つて、数百気圧の海水圧の環境下で
光フア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イードスルが要求
される。 このようなフイードスルとして光フアイバの周
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
ツト１はその外周をおおう耐水圧シリンダ２およ
びカバ３によつて高水圧から保護されている。光
信号は光フアイバ７の中を通つて伝送される。カ
バ３の端子取付部３１にはフイードスル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。光フアイバ７はフイードスル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。光フアイバ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はフアイバ支持部である。また、１４は保護キ
ヤツプであり、キヤツプ１４と半田封止部１０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
の端面と同じ位置まで充填されている。 このようなフイ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アイ
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アイバ
への締付応力によつて得られる。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、この気密を得るための密着
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、また密着強度も時
間とともに減少するのが物理的な特性である。従
つて、このようなフイ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つて
いない。 また、充填された接着剤３５はフアイバ支持部
８やキヤツプ１４と接着されているため、フイー
ドスル４に圧力を受けた場合や温度変化を受けた
場合、光フアイバ７は接着剤３５やキヤツプ１４
の応力歪や熱歪をすべて受けてしまう。そのた
め、光フアイバ７に大きな歪が加わることにな
り、損失増を招いたり、破断等によりフアイバの
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アイバ１１
は半田封止部１０より盛り上がつてフアイバ支持
柱１８の周囲に円錘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に加わつた
圧力はフアイバに均等に加わらない。従つて、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、フア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システム
にとつて最も重要な問題は20年以上にわたるシス
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
ば海底ケーブルシ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イ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。 以下本発明を詳細に説明する。 本発明は圧力が印加された場合の少なくとも一
次被覆が施されているフアイバに対する半田のセ
ルフシール効果を利用したものであり、フアイバ
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。 この原理についてまず説明する。第４図はフア
イバ２０の一次被覆２１の周囲にメタルコート２
２を施し、半田２３で覆つ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。このようなフアイバ断面に半田２３の外周
から一様外圧P₀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P_n、一次被覆２１
の外周に加わる内部応力P_c、フアイバガラス部２
０の外周に加わる内部応力P_gはそれぞれ次の式
で計算できる。 P_n＝2R²／₄／E₄（R²／₄−R²／₃）／１／Em（１−ν_n
）＋１／E₄（R²／₄＋R²／₃／R²／₄−R²／₃＋ν₄）・
P₀ ……(1) P_c＝2R²／₃／E₃（R²／₃−R²／₂）／１／Ec（１−ν_c
）＋１／E₃（R²／₃＋R²／₂／R²／₃−R²／₂＋ν₃）・P_n
……(2) P_g＝2R²／₂／E₂（R²／₂−R²／₁）／１／E₁（１−ν₁
）＋１／E₂（R²／₂＋R²／₁／R²／₂＋R²／₁＋ν₂）・P_c
……(3) ここで、 E₁……ガラスのヤング率、ν₁……ガラスのポア
ソン比、 E₂……一次被覆のヤング率、 E₃……メタルコートのヤング率、ν₂……一次被
覆のポアソン比、 E₄……ハンダのヤング率、ν₃……メタルコート
のポアソン比、 R₁……ガラスの半径、 R₂……一次被覆までの半径、ν₄……ハンダの
ポアソン比、 R₃……メタルコートまでの半径、 R₄……ハンダまでの半径、 E_n：メタルコート面までの等価ヤング率、 ν_n：メタルコート面までの等価ポアソン比、 E_c：一次被覆面までの等価ヤング率、 ν_c：一次被覆面までの等価ポアソン比、 E_n＝E₁R²／₁＋E₂（R²／₂−R²／₁）＋E₃（R²／₃−R²／₂
）／R²／₂……(4) E_c＝E₁R²／₁＋E₂（R²／₂−R²／₁）／R²／₂ ……(5) 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 P₀＜P_n ……(6) メタルコート・一次被覆間でリークしない気
密条件 P₀＜P_c ……(7) 一次被覆・ガラス間でリークしない気密条件 P₀＜P_g ……(8) (6)、(7)、(8)式より、それぞれの内部応力を外圧
P₀で規格化した値が1.0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
た。これによる計算結果の一例を第５図に示す。
これ

【表】 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
フアイバは各層間でリークしない事がわかる。も
ちろん、一次被覆がなくても第６図のようにCu
をフアイバに直接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。 一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、一次被
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、10μm付近の膜厚は容易
に得られ、またシ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。また、メタルコ
ートについても、Cuを蒸着あるいはイオンプレ
ーテイングで被覆する場合、１〜2μm程度が実際
的であり、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10倍の厚みまでつけても半田厚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、光フアイバが一次被覆やメ
タルコートを被覆しているいないにかかわらず、
その外周に半田層を有し、半田層の厚みが10〜
100μm程度である場合には、どのような外圧が半
田層の周囲から加わつた場合でも、内部応力によ
るセルフシー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、
気密、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
イ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。光フアイバ
７は１７の部分で被覆を除去されている。この場
合、フアイバ１７は一次被覆（10〜20μm程度）
を施し、あるいは一次被覆上にメタルコート
（Cu：１〜2μm程度、Sn：１〜20μm程度）が施
されていてもよい。フアイバ１７は、フアイバガ
イド１５とフアイバガイド１５の周囲に嵌合され
た金属スリーブ９との間に形成されたフアイバ貫
通孔３４に導入されて配置されている。フアイバ
貫通孔３４の一端は、フアイバガイド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が半田充填部１０になつている。フアイ
バ１７は半田封止部１０で半田封止されるが、そ
の場合、第８図ｂのように各フアイバの周囲に半
田を円錐状に半田封止部１０から１２で示すよう
に盛り上げて充填する。このような形状に充填す
るためには、フアイバにはメタルコートが施され
ている方が有利であり、またフアイバの被覆除去
部１７に予め半田めつきを施しておいてもよい。
また、半田封止時に若干フアイバを引上げるよう
にして盛り上げてもよい。 また、半田充填時にフアイバ支持柱１８に半田
が密着してフアイバ周囲に半田が円錐状に充填さ
れない状態を避けるため、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
アイバ周囲に半田が盛り上がつた状態に形成でき
る。メタルコートがない場合のフアイバには半田
は盛上がりにくいが、この支持柱１８にテフロン
コート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アイバとの境界で若干凹
型になり、さらに盛り上がつ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。 以上のように、フアイバ１本１本の周囲に半田
を盛り上げる形状にしておき、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またはジエ
リ等が用いられる。１４は充填剤の流出防止用の
キヤツプである。 以上述べたような構造により、障害時にフイー
ドスルに海水圧が加わつても、半田の圧縮による
セルフシール効果により、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、フアイバ周囲に半田層
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イードスルが得られる。 また、このセルフシール効果により、加圧時に
フア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。フアイバに加わる外圧をＰとする。
フアイバ径をｄとした時フアイバが受けるスラス
トF₁は F₁＝πd²／４・P₁ ……(9) 半田の盛り上がり長をｌとする（第８図ｂ）。ｌ
の区間でフアイバが受ける圧縮応力P′は第４〜第
６図によりＰ＜P′1.1Pであるが、最少に見積つ
てP′＝Ｐとする。このとき、ｌの区間でフアイバ
が受ける摩擦力F₂は F₂＝πdμP′l ……(10) ここでμはフアイバと半田間の摩擦係数である
(9)、(10)式により F₂−F₁＝πdP（μl−ｄ／４） ……(11) F₂−F₁＞０ならばフアイバはこの区間ｌで引
留められる。(11)式より ｌｄ／4μ ……(12) ここでμを0.1程度（金属面同志に潤滑油を塗
布した場合、μ＝0.1〜0.2）と低く見積ると、(12)
式よりｌ0.31〜0.32（ｄ＝0.125〜0.135mmとし
た）となる。従つて、半田が0.5mm程度盛り上が
つていれば、気密が得られるばかりか、フアイバ
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
およびフア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し、フ
アイバの損失増加を防ぐとともにフアイバ破断等
の機械的信頼性を向上させるため、熱膨張係数の
小さなヤング率の大きい金属、例えば、コバール
等を使用するのがよい。また、光フアイバは半田
封止部１０の中でできるだけフアイバガイド１５
に接近させてフアイバ、半田、フアイバガイドが
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の流出防止キヤツプ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、もしくは
テフロン等のプラスチツク製でスリーブ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ア
イバに伝達しないようにすることが、フアイバ支
持部での熱歪を小さくおさえるために必要であ
る。 また、このキヤツプ１４は熱膨張係数の大きい
金属製であつても第１１図のようにＯリング１９
で可動封止させることにより、キヤツプの熱歪を
フアイバに伝達させないようにすることができ
る。 また、第１２図のようにキヤツプ１４をベロー
ズ３０にしてキヤツ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ヤツプ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。キヤツプがプラスチツクやゴム
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ヤツプ１４の
どこかに例えば第１３図のように可動型のピスト
ンキヤツプ３３をＯ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、本発明は少なくとも
一次被覆が施されている光フアイバの周囲に半田
層（低融点金属）２３の層厚を調整して形成し半
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、フアイバガイド、スリ
ーブ、フアイバ支持部、キヤツプ等は熱膨張係数
の小さな金属（例えばコバール）により形成し
て、キヤツプはあるいはプラスチツク、ゴム製
で、その歪をフアイバに伝達しないようにし、半
田封止部のフアイバはできるだけフアイバガイド
に接近させて封止する構造をとることにより、シ
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
少い高信頼なフイードスルが実現できる。なお、
半田の代りに接着剤を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イードス
ルの光フアイバ気密固定部の縦断面図、第４図は
半田被覆されたフアイバの横断面図、第５図、第
６図及び第７図は本発明の原理説明のための計算
結果を示す図、第８図、第９図、第１０図、第１
１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……中継器ユニツト、２……耐圧シリンダ、
３……カバ、４……フイードスル、５……気密固
定部、６……光海底ケーブル、７……光フアイ
バ、８……フアイバ支持部、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……キヤツプ、１５……フアイバガイド、１
６……テフロンコート部、１７……光フアイバ被
覆除去部、１８……フアイバ支持柱、１９……Ｏ
リング、２０……フアイバガラス部、２１……一
次被覆、２２……金属被覆（メタルコート）、２
３……半田層、３０……ベローズ、３１……端子
取付部、３２……Ｏリング、３３……ピストンキ
ヤツプ、３４……フアイバ貫通孔、３５……接着
性樹脂、３６……半田盛り上げ部、３７……溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光海底中継器耐圧きよう体に少なくとも一本
   の光フアイバを導入するフイードスルの光フアイ
   バ気密固定構造において、前記光フアイバはコバ
   ール等の熱膨張係数の小なる金属からなるフアイ
   バガイド及び該フア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アイバ貫通
   孔に導入されて配置され、該フアイバ貫通孔の一
   端は前記フア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、前記光フアイバの各々
   の薄い一次被覆周囲あるいは該一次被覆の周囲に
   施された金属被覆の周囲と前記該溝との間には低
   融点金属が外圧よりも内部応力を大とならしめて
   該内部応力によるセルフシール効果が得られるよ
   うな層厚で充填され、該低融点金属は前記溝端部
   より前記スリープおよび前記フアイバガイドの外
   側に前記フアイバの各々の周囲に盛り上がつて充
   填され、該低融点金属充填部および前記フアイバ
   の周囲には液状充填剤が充填され、該液状充填剤
   の周囲にはコバール等の熱膨張係数の小なる材料
   からなるフアイバ保護キヤツプが備えられている
   ことを特徴とする光海底中継器用フイードスルの
   光フアイバ気密固定構造。 ２ 前記フアイバガイドから前記低融点金属充填
   部の外側にフアイバ支持柱が突出しており、該フ
   アイバの支柱の周囲にはテフロン等の耐熱プラス
   チツ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イードス
   ルの光フアイバ気密固定構造。 ３ 前記光フアイバ保護用キヤツプは前記封止ス
   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つていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   光海底中継器用フイ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ヤツプはプラスチツ
   クまたはゴムにより形成され、前記封止スリーブ
   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項又は第２項記載の光海底中
   継器用フイードスルの光フアイバ気密固定構造。 ５ 前記光フアイバ保護用キヤツプは可動型ピス
   トンキヤツ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４項のいずれかに記載
   の光海底中継器用フイードスルの光フアイバ気密
   固定構造。