東京大学工 学部総 合 試験所#,1<L巷 (1985)*#

原稿受付

60年 6月 20日

光 7 7,イ バ の 引 張 り 強 度 と 破 断 位 岸 の 相 関 =江 馬 一 弘米 重 用 秀 実*

兵 藤 申 Jt

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1.緒言とい う素朴 な解釈があ るC引張 り試験 においては､

光 ファイバの実用化 に向けて､近年 ､材料 としてサ ンプル を何等かの方法で固定せ ざるを得 ないか ら､の ガラスファイバの強度 を評価す る試 みが行 われて乙の過程が強度に影響 して くるのは当然 といえ るが､いろ.評価 の方法は､引張 り試験 によるものが大部

この点につ き直接に研究 した例 は見 られない｡ この分であ り､瞳 々の コーテ ィング材 をつけた ファイバ

理 由は高強度光 ファイバが破断す る時 ､一方 の固定の引張 り試験 の結果が､報告 されている｡ 1ト 7'

端か ら他方 の固定端 までサ ンプルすべてが‑桝に粉ガラスの破壊強度は､初期状態で表面 に存在す る

砕 して しま うので､破断後に破断起点 を推定す るこク ラックの大 きさと分布 に支配 され､その分布関数とがで きないためであ る｡つ ま り､国定 した影響で8)は次 のワイ ブル分布に従 うことが知 られてい ろ｡

国定端近傍 で破断が起 こったのか香かを判別 す るこ

Lo･巾F‑ 1‑ ex p ト ‑ (‑ ) iとがで きない｡本研究では､破断時 に発生 す る突発L.

'.

o型 アコーステ ィック ･エ ミッシ ョン (AE)を､サ

ここで ､Lはゲージ長 ､L｡､ 0,0､ m は定数 であンプル ファイバの両端で検出 し､その到達時間差にる｡光 77イバの引 っ張 り試験では､多 モー ド型 ワ

よ り､破断起点 を決定 す ることに成功 した. これにィ ブ ル分布 ､つ ま りTrlの値が破断強度 Jによって異よって破断強度 と破断位置 の相関がわか り､ ワイブなる結果が報告 されて いる｡ これは､異種 の分布 をル分布で低強度領域 が現れ ろのは､固定端に よる影していろクラックが､表面 に存在 している ことを意響で あることが確 め られた.

味 してい る｡ しか し､最近 の光 ファイバの製造法で2.実験方法は､多種 のクラックが初期状態 に存在 していることは考 え られな い｡多 モー ド型 ワイブル分布 にな る説

実験 に用 いた光 ファイバは､ コア径 50F
Lm ､ク明 として ､ F ran c7e'らは､コーテ ィング樹 の中

ラッ ド径 125〟m の多モー ド型 シ リカファイバでの欠陥に よって､ワイブル分布 の低強度領域が生 じあ り､被覆材 として シ リコー ン樹脂 が コーテ ィングると､説明 したO しか し､サ ンプル をは さむことに/m とな ってい る｡引きれ､全体 の直径 は約 2 50′

ょ りっけ られ る傷が原因 して､低強度龍城を生 じる

張 り試験機 として ､ F lg. 1に示す ようなテ ンシ*東京大学工学部**日本電信電話株式会社茨城通信研究所 の委託研究 ｢光 フ 7イバの強度 お よび信頼性に関 す る材料物性 の研究 ｣の報告‑

75 ‑

たデジタルカウン トで与 え られ､乙の範囲か らはずれてカウン トしたものは､固定端及びその近傍で破断 したもの とみな したO以下 ､ 乙の固定端での破断を､ ｢チ ャック切れ｣と呼ぶ｡ 乙のカウン トの信頼性を確め るために､実際の破断位置 とカウン トとの対応 を調べてみた｡破断点を決めろのには､次のような方法 を用 いた｡
応力のかか っていない状態 (ゲージ長 200mm)
か ら､破断が 自然に起 E,らない程度 まで荷重 を加 え､その状態で任意の位置をカッターで触れ ると､その点が破断点 とな る｡ F i g . 3にゲージ長 を 230mm まで伸ば した時 の破断位置 とカウン トとの対応を示す｡ E,乙では､カウン トを到達時間に直 してあF
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ngSyStem･る｡ これに よ り､両端の近傍 を除いて､破断位置 と到達時間差 との良い線形性が示 された｡端の近傍にロンを用い､ 200mmのゲージ長で ､ 600回のおいて､直線か らはずれ ろのは､次のような理 由か試験 を行 った.クロスヘ ッドのス ピー ドは ､ 10､らで ある｡A E信号は､ファイバ内を伝達す る間に50､ 500 mm/ m ln. (歪み速度に直す と減衰 され るが､瑞近傍で破断 した場合 ､破断点に近8.4× 1012､ 4. 2× 1011
､ 4. 2いセ ンサーにはほ とん ど減衰 されない信号が届 くた

S1)の 3撞類 を選 び､それぞれ 200回ずっ行 った｡固め､到達 を感知する トリガーが早 く作動 して しまう｡

定部分は､直径 100mmの7ル ミ円盤に薄 いスポ

このため､実際 よりも到達時間差は大 きく計測 され､ンジを巻 いたものでで きてお り､ この周囲を 3回巻

F i g . 3のように直線の外側にはずれ る傾向が生

きフ7イバ とスポ ンジとの摩庵で固定する方法 を取じろ｡ 乙のグラフを､異な る応力について作成 し､っていろ｡

端近傍のずれ と､伸びに よるAE伝達速度の変化に破断時に放出 され るA E信号は､両固定端のアルよる影響な どを補正 した｡

ミ板に取付 け られた ビェゾ型 A Eセ ンサーに よって)の過程 を示す｡破断位置は､ゲージ長 を 21等分 し0351051︼
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54一(S⊃) 山CN山tj山jL 一〇 山三 一
̲LI JV^Jt]∝Vに よって破断位置が決定 され る｡ F l g . 2に､こ54検出 され ､ 2つのセ ンサーに到達す る信号の時間差

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一二｣ Y3.結果及 び考察
上述 の方法 を用 い､一 回の引張 り試験で破断強度と破断位置 を同時 に調べ ､チ ャック切れ を区別 して200まとめ るとF ig.4とT 臥b le. 1にな るO ヒス トグラムでは､チ ャック切れ を斜線で示 した｡ こF

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れか らわか るよ うに､低強度で破断 したものはほ とん どチ ャック切れで あ り､全体 の約 25% を占めて

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9‑4.

いるO また､破断強度分布 の大 きな分散 もチ ャック
切れが原因で あった ことが明 らか とな り､チ ャック
切れ を除いたものの変動係数 (棲準偏差/平均値 )は､ 10%以下 と非常 に小 さくな って いる｡

破断位置の分布 を破断強度別に 5段階は分 けて ヒス トグラムに したものが､ F IE. 6である｡最初

F ig. 5は ､結果 をワイブル確率紙 は プロッ トに述べ たよ うに､破断 は初期 に存在す る最 も危険な710･したもので あ る｡破断確率 Fと破断強度 Uを､9クラ ックによって決定 され ､破断位置は そのクラッ伽 (臥 (1/ 1‑ F)) としてプロッ トして あクのあった位置 と一致す るか ら､ クラ ックの分布がるので､ワイ ブル分布 に従 えば直線 とな り､傾 きが一棟 な ら破断位置分布 も､一様になるはずであ る｡

mの価 とな る｡ F lg. 5で､三角の点はすべてのF lg. 6‑ (a), (e)は ､低強度 で破断 した対データを含 めて プロ ッ トした もので あ り､丸 い点はものであ るため､大部分が斜線領域 (チ ャック切れ)

チ ャック切れに よるものだけ を除 いて プロッ トしたに入 ってい るが､申強度で破断 したもの (F lg.

ものである｡チ ャック切れ を除 いたものは､単一 モ

6‑ (e)) は､破断位置が一様 に分布 してい るこー ド型 ワイブル分布 を示す ことは明 らかであ って､とが確 め られた｡ これに対 して､高強度 で破断 した

多モー ド型 にな る原因は主 としてチ ャック部分の影

ものは破断位置が中央に集 中 して いる憤向が見 られ響で あることを示すものであるO単一 モー ドの mのろ｡高強度 の場合 に は 自然 に破断 が起 こるために､

値 を､最小 自乗法 で求 め ると､ 20‑ 25の値 とな

F ig. 3 の よ うな補正 グラフを作成す ることは不った｡

可能であ る｡ このため､位置検 出の精度 は高強度 7‑77‑行 う必要がある｡
10 /9.
【0‑kr
T.
gwniJ T l,Jl ∩/4 .結論

本研究に より､光 ファイバの引張 り試験の結果が多 モー ド型 ワイブル分布になる原因は､チ ャック切ー0 //8,0‑‑8̲
gk9V,

れの影響であることが確認 された｡低強度で破断 したものについては大部分がチ ャック切れで､破壊起10 ∴

点は端に寄 っているが､中強度 までの試料について

7‑
0‑7ー
9 kgWは破断位置の分布が一様であることが確認 された｡

106.
0‑6,
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∩【,m

終わ りにあた り､AEセ ンサーと位置検出器を貸r,̲.

与 して下 さった､日本電信電話株式会社茨城電気通信研究所の稲垣伸夫氏 ､及び試料用の光 ファイバを010LOCATl
0N20 rnm

提供 して下 さった､古河電気工業株式会社中央研究所の木村正機氏に感謝いたします｡

FJg.
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l0nS forf[bersample groupes d)fterlng ln Strength

アイバにおいてはあまり高 くない｡ この ことを考慮

R EFER EN CES

すると､高強度の破断で位置検 出半のカウン トが中(l) R̲D MLUrer.'
SlreLlgLh oTFi
berOptlCL)WIVC
StlidCS',

心は集 まる理由 として､次 の 3通 りが考 え られ る｡･JII PAys LLLL..27!
4)2201221(1975).
AI1)極限的高強度で破断 す る場合､応力分布が一様

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SLreJlgLho(0̲04150m Lcn名L
hs(2) C.R 7(urでな くな り､破断位置は実際に中央によって くる｡

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亡& Fiber5l

Jbld.. 28日01588‑590 (197612)本実演で用いたAEの伝達速度が､極限的応 力(3) D Xllish. B.K.TAr
Lyal1lld R.0 PICkv)
ck'SLTCn&Lhが加 え られた状態で異常に大 きくなる｡ このためlS IZ
ld Case LenSL)
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Strlbutio【実際の破断位置分布は一様であっても､ それが中s●●Opticll Flber

こ集 まっていろよ うな位置検出半の カウン トが央l49L
IS03(1977)

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C.lnLcrEL3)高強度で破断す る場合には､破断塩 島が一点 と1978)
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は限 らず､複数点か ら破断 が起 こる｡それ らの破lCe maws lnd t
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断は､同時に発生す る場合 もあるし､A E信号がBeh&Y)
ororC一ass Fi
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S■ ibld 143‑158.

セ ンサーまで伝わ る間は起 こる場合 もあ りえよ う｡(6I ら̲Slka.
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bers ()TIJapaE)tt
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このため､位置検出掛 ま中心に集 まっていろよう〟o/eTSITeT)
CEA, 13uJ14‑24日978)に カウ ン トして しまう｡

(7) P W.France. P L Dt
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この三っの中で ､ 1)はあ りえそうもな く､ 2)

IOTldl7)
LeC10LedOptics. 2[3‑41.
StreDgLh'.PlbEと 3)が考 え られ るが､今 までになされた高応力下267‑288(1979)(〜 6GP EL)での音速の研究か らは､ 6G P a以t8) A.M.FT
eudeDthaJ.LE)‑Fractt)
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上でも音速の異常は予期 されない｡ よって ､ 3)がPre
ss.New Y(rk.196B.Chap.6.
)

最 も妥 当性があると思われ ろが､検証は行 っていない｡検証のためには､さらに高応力下での音速の研究 と､高遠 カメラに よる破壊現象の観察 を並行 して‑78‑