Способ и устройство для нанесения покрытий на оптические волокна

 

Изобретение относится к нанесению покрытий на оптические волноводные волокна. Техническая задача изобретения - контролирование профиля вязкости материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна. На основании измерения диаметра покрытого волокна регулируют температуру в части узла нанесения покрытий и таким образом профиль вязкости материала покрытия. Это позволяет контролировать количество наносимого на волокно покрытия и, вследствие этого, диаметр покрытого волокна. 3 с. и 11 з.п.ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение относится к нанесению покрытий на оптические волноводные волокна.

Предпочтительный способ получения оптических волноводных волокон при их производстве заключается в том, что сначала получают заготовку методами осаждения, такими как внешнее паровое осаждение (ВПО), осевое паровое осаждение (ОПО) или модифицированное химическое паровое осаждение (МХПО), затем обезвоживают и отверждают пористую отформованную заготовку, полученную способами ВПО или ОПО (или сжимают предварительно отформованную заготовку, полученную способом МХПО) с образованием твердой стеклянной заготовки и вытягивают стеклянную заготовку в волокно. В связи с требованиями высокой прочности волокон и ее низкой потери на вытянутое волокно наносят защитное покрытие, чтобы не повредить первоначальную поверхность волокна при последующей обработке в процессе производства или при использовании. Нанесение покрытий, как правило, составляет неотъемлемую часть процесса вытяжки, поскольку нужно быть уверенным в том, что покрытие нанесено на волокно до того, как его поверхность успели повредить. Оптические волокна также объединяют в пучки, известные как ленточные волокна, производство которых требует нанесения на пучок оптических волокон с покрытиями или без покрытий наружных покрытий.

Обычно в производстве оптических волноводных волокон в качестве материала для покрытий используют композиции на основе акрилатов, которые способны к отверждению при воздействии ультрафиолетового (УФ) света. Такой материал в жидком виде наносят на поверхность волокна, а затем для отверждения подвергают действию УФ-лучей. Материал для покрытий можно наносить в один или более слоев, при этом двухслойное покрытие более предпочтительно. Первое, или основное, покрытие наносят непосредственно на поверхность волокна, а второе, или дополнительное, покрытие - на основное покрытие.

При нанесении покрытий на оптическое волноводное волокно важно при высоких скоростях вытяжки получить соответствующий диаметр покрытого волокна и нанести на волокно концентрическое покрытие. Соблюдение этих требований облегчает сращивание и соединение волокон, и вследствие этого обеспечивает снижение потерь при применении смонтированного волокна. Повышение скоростей вытяжки уменьшает стоимость производства волокна за счет увеличения выхода и улучшения использования оборудования. Требования рынка продолжают устанавливать более строгие допуски к диаметру покрытий оптических волноводных волокон. Современные производственные процессы обеспечивают нанесение покрытий с допусками, составляющими около ±15 мкм, в то время как необходимы допуски примерно от ±3 до ±5 мкм.

Значительные усилия направлены на проведение охлаждения вытянутого волокна перед получением первого слоя материала покрытия. Это требуется потому, что высокие температуры вытяжки (в диапазоне от 1800 до 2000^oC) и увеличение скоростей вытяжки привели бы при первом нанесении покрытия к слишком высокой для получения удовлетворительного покрытия температуре волокна. Если при нанесении покрытия температура волокна слишком высока, это неблагоприятно сказывается на качестве, размерах и плотности наносимого покрытия. Общеизвестно, что для надлежащего нанесения материала покрытия температура волокна должна быть менее чем примерно 300^oC [1]. Примеры систем, разработанных для уменьшения температуры волокна перед первым нанесением покрытия, включены в патенты [2-4].

Система для вытяжки волокна и нанесения покрытий, которую обычно используют в производстве оптических волноводных волокон, показана на фиг. 1. Волокно 10 вытягивают из предварительно отформованной заготовки 11, которую нагревают в печи 1. Затем волокно 10 проходит через устройство охлаждения волокна 2, где его охлаждают до температуры ниже чем примерно 90^oC. После этого волокно 10 пропускают через узел нанесения первичного покрытия 3 и наносят первичный слой покрытия. Первичный слой покрытия отверждают в устройстве отверждения первичного покрытия 4, причем устройством 5 измеряют диаметр волокна, включающий отвержденное первичное покрытие. Устройство отверждения 4 обычно содержит множество излучателей. Затем волокно 10 пропускают через узел нанесения вторичного покрытия 6 и наносят вторичный слой покрытия. Вторичный слой покрытия отверждают в устройстве отверждения вторичного покрытия 7, которое подобно устройству отверждения первичного покрытия 4, причем устройством 8 измеряют диаметр волокна, включающий отвержденное вторичное покрытие. Для протягивания волокна из печи 1 через промежуточные устройства используют транспортирующее приспособление. Обычно волокно для дальнейшей обработки принимают на бобины с помощью мотовила (не показано).

Более детальный вид головки узла нанесения покрытий приведен на фиг. 2. Волокно 21 поступает в головку узла нанесения покрытий 20 через направляющий мундштук 22. Материал покрытия подают к головке узла нанесения покрытий 20 через отверстия 24 во втулке 23. Материал покрытия подают под давлением при постоянной температуре. Волокно 21 выходит из головки узла нанесения покрытий 20 через калибрующий мундштук 25. Когда волокно 21 проходит через головку узла нанесения покрытий 20, движение материала покрытия ускоряется. Когда материал покрытия и волокно 21 поступают в калибрующий мундштук 25, часть материала вытягивается с волокном. Материал покрытия, движение которого ускорено волокном, но который не вытянут с волокном, рециркулирует внутри головки узла 20. Головка узла нанесения покрытий 20, показанная на фиг.2, подобна предложенной в патенте [5]. Покрытие наносят, используя предложенный в патенте [6] способ, позволяющий уменьшить образование пузырьков в покрытии.

Количество материала покрытия, которое вытягивают с волокном 21, зависит от профиля скорости материала покрытия внутри калибрующего мундштука 25. На этот профиль скорости в наибольшей степени влияют скорость, с которой волокно 21 протягивают через головку узла нанесения покрытий 20, геометрия калибрующего мундштука 25 и профиль вязкости материала покрытия в калибрующем мундштуке 25. Профиль вязкости материала покрытия является функцией его температуры, на которую влияют температура волокна, температура стенок калибрующего мундштука, внутреннее теплообразование, известное как "вязкостное нагревание", которое вызывает превращение механической энергии в термическую из-за жидкостного трения, температура подаваемого материала покрытия и температура любой поверхности, с которой материал покрытия сообщается термически. Профиль вязкости также может быть функцией коэффициента сдвига или, равнозначно, прилагаемого давления. Подобные жидкости описаны как неньютоновские.

Для данной геометрии головки узла нанесения покрытий, диаметр покрытого волокна определяется профилем скорости внутри материала покрытия на выходе калибрующего мундштука 25. На профиль скорости на выходе калибрующего мундштука 25 может влиять профиль скорости в других зонах головки узла нанесения покрытий 20. Следовательно, область, в которой или вблизи которой определяется диаметр покрытого волокна, может содержать любую зону головки узла нанесения покрытий 20, в которой профиль скорости является зависимым, так что профиль скорости на выходе калибрующего мундштука 25 также является зависимым. Эта область может включать весь калибрующий мундштук, или даже часть головки узла нанесения покрытий 20 вблизи втулки 23, если регулирование температуры материала покрытия, а следовательно, и профиля вязкости достаточно для обеспечения удовлетворительного контроля за диаметром покрытого волокна. Однако, как отмечено ниже, обнаружено, что когда область, в которой контролируют профиль вязкости, регулируя температуру материала покрытия, ограничивается областью оформляющего канала 26 калибрующего мундштука 25, достигают весьма ответственного контроля диаметра покрытого волокна.

Несмотря на то, что согласно фиг.1 температуру волокна 10 можно регулировать после устройства отверждения первичного покрытия 4 и перед узлом нанесения вторичного покрытия 6, как правило, это неудобно и нецелесообразно. Например, для изменения температуры волокна необходимо или длительное время пребывания в устройстве регулирования температуры низкоскоростным потоком газа, или использование высокоскоростного потока газа в устройстве регулирования температуры, характеризующимся коротким временем пребывания. Это обусловлено относительно высокой теплоемкостью волокна, имеющего слой первичного покрытия (приблизительно в 3 раза большей чем у непокрытого волокна). Имеющиеся пространственные ограничения в устройстве вытяжки волокна мешают использованию устройств регулирования температуры волокна с длительным временем пребывания. Кроме того изменение температуры волокна может иметь неблагоприятное влияние на последующие стадии процесса вытяжки волокна.

В патентах [7-9] представлены различные системы для нанесения покрытий.

Изменение количества материала покрытия, вытягиваемого из калибрующего мундштука, приводит к сильным колебаниям внешнего диаметра покрытого волокна. Нами было обнаружено, что путем контролирования профиля вязкости материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна, колебания диаметра могут быть уменьшены втрое и более. Мы можем контролировать профиль вязкости, регулируя температуру материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна.

Согласно одному примеру реализации настоящего изобретения разработано устройство для нанесения покрытий на оптическое волноводное волокно, которое контролирует профиль вязкости материала покрытия в калибрующем мундштуке в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна, можно контролировать количество наносимого на волокно покрытия.

Согласно другому примеру конкретной реализации настоящего изобретения разработан способ нанесения покрытия на оптическое волноводное волокно, в котором количество наносимого на волокно покрытия контролируют регулированием температуры материала покрытия в калибрующем мундштуке, воздействуя таким образом на профиль вязкости материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна.

Согласно еще одному примеру реализации настоящего изобретения разработано устройство, позволяющее наносить покрытия на оптическое волноводное волокно при регулировании температуры материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна, независимо от регулирования температуры в объеме материала покрытия при его подаче в устройство.

Фиг. 1 - схематичное изображение типичного устройства вытяжки волокна.

Фиг. 2 - поперечный разрез типичной головки узла нанесения покрытий.

Фиг. 3 изображает гидродинамику внутри типичной головки узла нанесения покрытий.

Фиг. 4 - поперечный разрез головки узла нанесения покрытий согласно примеру реализации настоящего изобретения.

Фиг. 5 - поперечный разрез головки узла нанесения покрытий согласно другому примеру реализации настоящего изобретения.

Фиг. 6 - поперечный разрез головки узла нанесения покрытий согласно еще одному примеру реализации настоящего изобретения.

Как указано выше, на фиг. 2 показана типичная головка узла нанесения покрытий, используемая в настоящее время при нанесении покрытий на оптические волноводные волокна. Входную температуру или температуру в объеме материала покрытия, который вводят через отверстия 24 втулки 23, поддерживают теплообменником (не показан), сообщающимся с линией подачи материала покрытия. Перед подачей в головку узла 20 материал покрытия, температуру которого регулируют, распределяют радиально вокруг втулки 23. Материал покрытия обычно подают в головку узла 20 под давлением. Давление в узле нанесения покрытий обеспечивает постоянный уровень материала покрытия внутри головки узла 20 на протяжении всего процесса нанесения покрытия на волокно.

На фиг. 3 показана динамика процесса нанесения покрытий. Волокно 41 входит в головку узла 40 через направляющий мундштук 42. Материал покрытия вводят во втулку 43. Когда волокно 41 входит в область рециркуляции 44, на границе между волокном и материалом покрытия образуется верхний мениск 45. Когда материал покрытия и волокно 41 входят в калибрующий мундштук 47, часть материала покрытия вытягивается с волокном. Материал покрытия, движение которого ускоряется волокном, но который не вытягивается с волокном, рециркулирует внутри головки узла 40. Затем волокно 41 проходит через оформляющий канал мундштука 50 и выходит из головки узла 40. Нижний мениск 51 образуется там, где волокно выходит из головки узла 40. Оформляющий канал мундштука 50 определяют как область на выходе из калибрующего мундштука 47, где внутренний диаметр 46 калибрующего мундштука остается практически постоянным независимо от расстояния до выхода из калибрующего мундштука 47.

Основы граничного анализа показывают, что профиль скорости в области оформляющего канала 50 в значительной степени зависит как от температуры внутренней стенки 52, так и от температуры волокна. Поскольку изменение этих температур вызывает изменение профиля вязкости материала покрытия, оно воздействует также и на профиль скорости. Профиль скорости также зависит от скорости, с которой волокно 41 протягивают через головку узла 40. Напряжения сдвига, возникающие вследствие быстрого прохождения волокна через материал покрытия и внутреннее трение в самом материале покрытия, приводят к выделению тепла. Это явление известно как вязкостное нагревание. Материал покрытия, который не выходит с волокном 41 из калибрующего мундштука 47, рециркулирует внутри головки узла нанесения покрытий 40 и также способствует вязкостному нагреванию. Основы граничного анализа также показывают, что это внутреннее тепловыделение вызывает значительные изменения температуры внутренней стенки 52 калибрующего мундштука 47, особенно вблизи области оформляющего канала 50. Материал покрытия вблизи поверхности волокна 41 ускоряется за счет быстрого прохождения волокна, в то время как материал покрытия у стенок калибрующего мундштука 47 или вблизи них по-существу неподвижен, что и создает профиль скорости.

Диаметр покрытого волокна определяется потоком материала покрытия во всем объеме калибрующего мундштука 47. Интеграл профиля скорости на выходе калибрующего мундштука 47, взятый по площади поверхности выхода калибрующего мундштука 47, определяет скорость потока материала покрытия, которое наносят на волокно 41, и, следовательно, диаметр образующегося покрытого волокна. Для данной скорости волокна, профиль скорости на выходе калибрующего мундштука определяется геометрией калибрующего мундштука в целом, включая геометрию области оформляющего канала мундштука, и профилем вязкости материала покрытия. Так как геометрия калибрующего мундштука обычно постоянна, одним из средств контроля диаметра покрытого волокна является регулирование профиля вязкости материала покрытия в калибрующем мундштуке, предпочтительно в области оформляющего канала 50.

Предшествующие способы контроля диаметра покрытого волокна были основаны на изменении температуры материала покрытия, подаваемого к головке узла нанесения покрытий. Изменение этой температуры в объеме материала покрытия вызывает изменение эффекта "вязкостного нагревания" во всей в головке узла нанесения покрытий, и вследствие этого, изменение профиля вязкости материала покрытия во всей в головке узла нанесения покрытий. Эти два эффекта действуют противоположно друг другу. Например, уменьшение температуры в объеме материала покрытия приведет к увеличению вязкости. Эта повышенная вязкость вызовет увеличение вязкостного нагревания, что приведет к повышению температуры материала покрытия, и вследствие этого, к уменьшению вязкости. Это вызывает относительно большие изменения диаметра покрытого волокна в процессе нанесения покрытий, так как профиль вязкости материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна, постоянно изменяется, изменяя профиль скорости и соответственно диаметр покрытого волокна. Кроме того, изменение температуры в объеме происходило бы относительно медленно, что привело бы к невозможности контролировать кратковременные колебания диаметра покрытого волокна любым способом или устройством для его контроля.

Можно было попытаться регулировать вязкость материала покрытия в калибрующем мундштуке путем регулирования температуры в объеме материала покрытия. Однако для этого потребовался бы специально разработанный теплообменник, в котором можно было бы быстро изменять температуру материала покрытия в калибрующем мундштуке.

Один из примеров реализации нашего изобретения заключается в том, что локализуют нагревание материала покрытия в области головки узла нанесения покрытий, в которой могут быть достигнуты более быстрые изменения температуры материала покрытия внутри калибрующего мундштука. Например, целесообразно локализовать нагревание в зоне калибрующего мундштука, окружающей область оформляющего канала 50, так как теплоемкость материала покрытия в области оформляющего канала 50 меньше, чем теплоемкость материала покрытия в калибрующем мундштуке 47. Чем более локально нагревание, тем быстрее изменяется температура. Нами было найдено, что регулирование температуры материала покрытия в калибрующем мундштуке 47 обеспечивает улучшенный контроль диаметра покрытого волокна. Тем не менее, можно достичь очень быстрого изменения температуры материала покрытия регулированием температуры нижней поверхности 53 калибрующего мундштука 47, что приводит к высокой чувствительности контроля диаметра покрытого волокна. При локализации изменений температуры на нижней поверхности 53, отклонения диаметра покрытого волокна составили примерно от 0,2 мкм/с до 0,5 мкм/с. Это позволяет контролировать диаметр покрытого волокна в пределах около 3 мкм от заданного значения. Нами был достигнут устойчивый контроль диаметра покрытого волокна, при котором его отклонение от заданного значения не превышало около 0,3 мкм.

Дальнейшие исследования с помощью основ граничного анализа показали, что активный температурный контроль внешней стенки калибрующего мундштука 47 приведет к изменению температуры внутренней стенки 52, что, в свою очередь, несомненно позволит регулировать диаметр покрытого волокна. На фиг.4 показан пример реализации настоящего изобретения, в котором вокруг внешней стенки 67 калибрующего мундштука 65 размещена регулирующая температуру рубашка 66. Рубашка 66 способна повысить или понизить температуру внешней стенки 67 калибрующего мундштука 65, и вследствие этого повысить или понизить температуру внутренней стенки 68. Регулирование температуры, устанавливаемой рубашкой 66, осуществляют регулирующей системой (не показана), в которой используют измерения диаметра покрытого волокна для определения степени нагрева или охлаждения, требуемой для поддержания заданного значения диаметра покрытого волокна. Волокно 61, направляющий мундштук 62, втулка 63 и отверстия 64, подающие материал покрытия, подобны описанным на фиг.2.

Другой пример реализации настоящего изобретения показан на фиг.5. Направляющий мундштук 102 расположен внутри блока нанесения покрытий 101. Втулка 103, расположенная ниже направляющего мундштука 102, представляет собой отверстие для подачи материала покрытия в головку узла нанесения покрытий 100. Калибрующий мундштук 104 расположен ниже втулки 103. Термоэлектрический микроэлемент 105, представляющий собой элемент Пельтье (Peltier), используют в качестве теплового насоса для нагрева или охлаждения калибрующего мундштука 104. Направление теплового потока через микроэлемент 105 определяется направлением электрического тока внутри самого микроэлемента 105. О подробностях эффекта Пельтье см. [10-11]. Для работы термоэлектрического микроэлемента 105 в качестве теплового насоса необходим термический резервуар для подачи тепла либо его отвода с обратной стороны микроэлемента 105. Этот резервуар состоит из теплоотвода 108, который термически сообщается с микроэлементом 105 через цоколь 106 микроэлемента и трубку 107. Температуру теплоотвода 108 поддерживают на постоянном уровне с помощью рециркуляционной водяной ванны. Когда термоэлектрический микроэлемент 105 охлаждает калибрующий мундштук 104, теплоотвод 108 отводит тепло от обратной стороны микроэлемента 105. Когда микроэлемент 105 нагревает мундштук 104, теплоотвод 108 подает тепло к обратной стороне микроэлемента 105.

Для контроля диаметра покрытого волокна можно регулировать как уровень напряжения, так и полярность, приложенные к термоэлектрическому микроэлементу 105. Например, положительная полярность может быть задана как способ нагревания, а отрицательная полярность может быть задана как способ охлаждения. Увеличение приложенного к микроэлементу 105 напряжения может приводить к следующим эффектам: напряжение может стать более отрицательным, напряжение может измениться от отрицательного к положительному, и напряжение может стать более положительным. В результате это вызовет соответственно уменьшение охлаждения мундштука 104, нагрев фильеры 104 вместо ее охлаждения и усиление нагрева мундштука. Все эти действия повышают температуру покрытия вблизи стенки 109 области оформляющего канала мундштука. Увеличение температуры покрытия вблизи стенки 109 области оформляющего канала мундштука, в свою очередь, понижает вязкость покрытия вблизи стенки 109 области оформляющего канала мундштука, что в конечном счете, увеличивает диаметр покрытого волокна. Аналогичным образом, уменьшение диаметра покрытия можно осуществить путем уменьшения напряжения, приложенного к термоэлектрическому микроэлементу 105.

Еще один пример реализации настоящего изобретения показан на фиг.6. Внутри блока нанесения покрытий 111 расположен направляющий мундштук 112. Втулка 113, расположенная ниже направляющего мундштука 112, представляет собой отверстие для подачи материала покрытия в головку узла нанесения покрытий 110. Калибрующий мундштук 114 расположен ниже втулки 113. Диск 115 расположен ниже калибрующего мундштука 114 и термически сообщается с ней. Диск 115 выполнен из материала с высокой теплопроводностью для обеспечения эффективной теплопередачи к калибрующему мундштуку 114 или от нее. Трубка для теплопередачи 116 термически сообщается с диском 115. Резистивный нагреватель 117 расположен вокруг по крайней мере части трубки для теплопередачи 116. Часть трубки для теплопередачи 116 проходит ниже резистивного нагревателя 117 и термически сообщается с теплоотводом 118. Теплоотвод 118 связан с системой циркуляции жидкости 119, которую используют для отвода тепла от теплоотвода 118. Вследствие того, что теплоотвод 118, трубка для теплопередачи 116, резистивный нагреватель 117 и диск 115 термически сообщаются друг с другом, тепло передается к калибрующему мундштуку 114.

Количество тепла, переданное к калибрующему мундштуку 114 или от него, регулируют, основываясь на измерении диаметра покрытого волокна и контролируя соответствие диаметра покрытого волокна заданной величине. Если измеренный диаметр покрытого волокна ниже заданной величины, тепло передают к калибрующему мундштуку 114 от резистивного нагревателя 117 через диск 115. Это осуществляют увеличением тока, подаваемого на резистивный нагреватель 117, что будет приводить к увеличению температуры материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114, которое в свою очередь уменьшит вязкость материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114. Уменьшение вязкости материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114 вызовет увеличение количества покрытия, наносимого на волокно, и, вследствие этого, увеличение диаметра покрытого волокна. Аналогично, если измеренная величина диаметра покрытого волокна выше заданного значения, тепло передают от калибрующего мундштука 114 через диск 115, трубку для теплопередачи 116 и теплоотвод 118. Это производят увеличением потока жидкости в циркуляционной системе, что приводит к отводу тепла от теплоотвода 118, и, вследствие этого, к уменьшению температуры материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114, что, в свою очередь, повысит вязкость материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114. Увеличение вязкости материала покрытия вблизи стенки калибрующего мундштука 114 уменьшает количество наносимого на волокно материала покрытия, и, вследствие этого, уменьшает диаметр покрытого волокна. Количество тепла, передаваемого через теплоотвод 118, может быть также изменено увеличением или уменьшением температуры жидкости в циркуляционной системе, или сочетанием изменения потока и температуры жидкости.

В связи с тем, что описанная ниже в соответствии с фиг.6 система охлаждения может обуславливать неблагоприятное воздействие на физические свойства покрытого волокна, помимо воздействия на его диаметр, предпочтительна реализация изобретения в виде устройства, показанного на фиг.6, без теплоотвода 118 и системы циркуляции жидкости 119. Кроме того, это упрощает конструкцию устройства. В данном случае, диаметр выходного отверстия калибрующего мундштука 114 должен быть выбран таким, чтобы для поддержания желаемой величины диаметра покрытого волокна всегда требовалось некоторое количество тепла. Для этого необходимо, чтобы диаметр выходного отверстия калибрующего мундштука был меньше, чем это требуется в устройстве нанесения покрытий, в котором может осуществляться и нагревание, и охлаждение. Даже в отсутствие системы рециркуляции жидкости, которая осуществляет охлаждение, при выключенном резистивном нагревателе, скорость изменения диаметра составляла около 0,1 мкм/с. Это, по-видимому, обусловлено естественным охлаждением, наблюдаемым при выключенном резистивном нагревателе.

В каждом из описанных ниже примеров, в качестве материала покрытия использовали хорошо известный акрилатный материал для нанесения покрытий на оптические волокна, отверждаемый при облучении УФ-светом. Номинальный диаметр непокрытого волокна составлял 125 мкм. В каждом примере наносили два слоя покрытия. Первый слой покрытия имел номинальный диаметр 205 мкм. Устройство, которое является предметом настоящего изобретения, использовали только для регулирования диаметра второго слоя покрытия. Диаметр в области оформляющего канала используемого калибрующего мундштука составлял около 315 мкм. Скорость вытяжки волокна во всех примерах составляла 15 м/с.

В первом примере устройство, аналогичное изображенному на фиг.5, использовали в процессе нанесения покрытий, объединенном с процессом вытяжки волокна. Требуемый диаметр покрытого волокна в конечном изделии составлял 250 мкм. В ходе оперативного контроля поддерживали заданную величину диаметра покрытого волокна с учетом усадки покрытия, происходящей в процессе хранения покрытого волокна. Использовали термоэлектрический микроэлемент мощностью 1,8 Вт, модель SP1234-01AC производства Marlow Industries Inc., Даллас, Техас. При заданном диаметре покрытого волокна 225 мкм, средний полученный диаметр при использовании устройства настоящего изобретения с автоматическим контролем с обратной связью составлял 225,0 мкм при среднеквадратичном отклонении 0,1 мкм. Для определения достижимого минимума или максимума диаметра покрытого волокна устройство эксплуатировали в режиме регулирования с разомкнутой цепью. Номинальный диаметр в отсутствие охлаждения или нагревания, производимого термоэлектрическим микроэлементом, составлял 247,4 мкм. При максимальном охлаждении номинальный диаметр составлял 246,9 мкм. При максимальном нагревании номинальный диаметр составлял 256,9 мкм. В результате диапазон изменения контролируемого диаметра покрытого волокна при использовании термоэлектрического микроэлемента составил около 10 мкм.

Во втором примере устройство, аналогичное изображенному на фиг.6, использовали в автономном процессе нанесения покрытий, не объединенном с процессом вытяжки волокна. Автономный процесс нанесения покрытий в этом примере использовали только для нанесения второго слоя покрытия на волокно, которое уже имело первый слой покрытия с номинальным диаметром 205 мкм. В связи с тем, что процесс нанесения покрытий в этом примере был автономным, температура волокна, поступающего в головку узла нанесения покрытий, была ниже, чем была бы, если процесс нанесения покрытий происходил как составная часть процесса вытяжки волокна. Это приводило к существенно большим диаметрам волокна по сравнению с первым примером. И диск и трубка для теплопередачи выполнены из меди. Резистивный нагреватель имел тепловую мощность 60 Вт. Теплоотвод поддерживали при 0^oC. Для определения достижимого минимума или максимума диаметра покрытого волокна устройство эксплуатировали в режиме регулирования с разомкнутой цепью. Номинальный диаметр покрытого волокна в отсутствие охлаждения или нагревания, производимого через диск, составлял 268,3 мкм. При максимальном охлаждении номинальный диаметр покрытого волокна составлял около 265 мкм. При максимальном нагревании номинальный диаметр покрытого волокна составлял около 279,2 мкм. Это приводило к диапазону контролируемого диаметра волокна около 15 мкм. Хотя в этом примере не проводили контроля в автоматическом режиме, очевидно, что контроль диаметра должен быть одинаковым или лучшим, чем описанный выше контроль с помощью термоэлектрического микроэлемента.

Предлагаемое изобретение имеет многочисленные преимущества. Во-первых, активное контролирование диаметра вторичного покрытия обеспечивает более точный контроль общего диаметра покрытого волокна. Это дает возможность сократить допуски, касающиеся диаметра покрытого волокна. Во-вторых, активный контроль может компенсировать изменения в геометрических размерах при переходе от одного калибрующего мундштука к другому. Такие изменения обычно случаются, и их практически невозможно полностью избежать. Если номинальный диаметр волокна со вторичным покрытием составляет 255 мкм, а диаметр волокна с первичным покрытием, поступающего в узел нанесения вторичного покрытия, составляет номинально 205 мкм, отклонение внутреннего диаметра калибрующего мундштука примерно на 10 мкм от его номинального значения 315 мкм без активного контроля вторичного диаметра приведет к изменению диаметра волокна со вторичным покрытием примерно на 5 мкм. В-третьих, очевидно, что использование способа и устройства настоящего изобретения позволяет проводить процесс нанесения покрытий при такой температуре волокна и температуре в объеме материала покрытия, которые благоприятно воздействуют на общую устойчивость процесса нанесения покрытий. Очевидно, что контроль температуры в объеме материала покрытия, при которой он поступает в узел нанесения покрытий, и который осуществляют независимо от контроля температуры материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр волокна, вносит вклад как в улучшение контроля диаметра покрытого волокна, так и в общую устойчивость процессов вытяжки и нанесения покрытий.

Улучшение контроля диаметра покрытого волокна происходит в результате чувствительности к изменению температуры меньшей массы материала покрытия в области или вблизи области, определяющей диаметр покрытого волокна, по сравнению с нагреванием существенно большей массы, необходимым для регулирования температуры в объеме материала покрытия.

В том случае, если процесс нанесения покрытий включает нанесение на волокно двух или более слоев материала покрытия, важно контролировать диаметр каждого слоя покрытия. Следовательно, другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в равной степени применимо для нанесения на волокно любого слоя покрытия. Это позволяет стандартизировать оборудование, а также минимизировать площадь, необходимую для размещения оборудования для вытяжки волокна при контролировании диаметра покрытого волокна.

Настоящее изобретение представлено и изложено со ссылками на предпочтительные примеры реализации. Очевидно, однако, что при совершенствовании технологии возможны различные изменения в форме и деталях этих примеров реализации без ущерба для основной идеи и области изобретения, заявляемых в формуле изобретения. Например, настоящее изобретение может использоваться в производстве ленточных кабелей, в котором желательно контролировать толщину наружного покрытия, нанесенного на пучок оптических волокон. Настоящее изобретение применимо также для нанесения первичных, вторичных и любых других покрытий на одиночные оптические волокна. Изобретение можно использовать также в процессах нанесения покрытий, не объединенных с процессом вытяжки волокна, например в автономных процессах нанесения покрытий.

Литература 1. Paek et al. , "Forced Convective Cooling of Optical Fibers in High Speed Coating", J. of Applied Phisics, vol. 50, no. 10, pp. 6144-48. October 1979 2. U.S. Patent N 4594088 3. U.S. Patent N 4514205 4. U.S. Patent N 5043001 5. U.S. Patent N 4531959 6. U.S. Patent N 4792347 7. U.S. Patent N 4073974 8. U.S. Patent N 4622242 9. Japanese Publication 63-74938
10. Caillat et al., "Thermoelectric properties of (Bi_XSb_I-X)₂Te₃ Single Crystal Solid Solutions Grown by the T.H.M. Method", J. Phis. Chem. Solids, vol. 53, N 8, pp. 1121-29, 1992
11. Patel et al., "Thermoelectric Cooling Effect in a p-Sb₂Te₃-n-Bi₂Te₃ Thin Film Thermocouple", Solid-State Electronics, vol. 35. N 9, pp. 1269 - 72, 1992о

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытий на оптическое волноводное волокно, включающий пропускание оптического волноводного волокна через головку для нанесения покрытий, включающую калибрующий мундштук и содержащую материал покрытия, являющийся отверждаемым материалом, и нанесение на волокно слоя указанного материала покрытия, отличающийся тем, что дополнительно измеряют диаметр покрытого волокна и формируют сигнал диаметра, соответствующий указанному диаметру покрытого волокна, и контролируют диаметр покрытого волокна путем изменения температуры по меньшей мере части указанного калибрующего мундштука в соответствии с разницей между указанным сигналом диаметра и его заданной величиной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют температуру поверхности внешней стенки указанного калибрующего мундштука.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что поверхность внешней стенки представляет собой нижнюю поверхность указанного калибрующего мундштука.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный материал покрытия наносят в качестве вторичного слоя покрытия поверх нанесенного на указанное оптическое волноводное волокно первичного слоя покрытия.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру материала покрытия изменяют так, что диаметр покрытого волокна изменяется при этом со скоростью до 0,5 мкм/с при скорости вытяжки волокна около 15 м/с.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере часть указанного калибрующего мундштука имеет по существу постоянный диаметр.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный диаметр покрытого волокна поддерживают в пределах примерно 3 мкм от указанной заданной величины.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что указанный диаметр покрытого волокна поддерживают в пределах примерно 0,3 мкм от указанной заданной величины.

9. Устройство для осуществления способа по пп.1 - 8, содержащее узел нанесения на волокно отверждаемого материала покрытия для образования на нем слоя покрытия, включающий калибрующий мундштук с областью оформляющего канала, в которой диаметр указанного калибрующего мундштука по существу постоянен, и узел отверждения указанного слоя покрытия, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит узел измерения диаметра волокна с указанным слоем покрытия, формирующий сигнал диаметра, соответствующий указанному диаметру, узел нагрева, при эксплуатации объединенный с указанной областью оформляющего канала мундштука, и регулятор для изменения количества тепла, подаваемого в соответствии с сигналом диаметра от указанного нагревателя в область оформляющего канала мундштука.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанный узел регулирования температуры части указанного узла нанесения покрытия дополнительно содержит диск, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, который термически сообщается с нижней частью указанного калибрующего мундштука, трубку для передачи тепла, которая термически сообщается с указанным диском, и резистивный нагреватель, который термически сообщается с указанной трубкой для передачи тепла, причем диск, трубка для передачи тепла и резистивный нагреватель термически сообщаются с нижней поверхностью калибрующего мундштука.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит систему циркуляции жидкости, которая термически сообщается с указанной трубкой для передачи тепла.

12. Устройство по пп.9, 10 или 11, отличающееся тем, что указанный узел нанесения покрытий представляет собой калибрующий мундштук с областью оформляющего канала и нижней поверхностью, к которой подают отверждаемый материал покрытия и которая снабжена средствами для ее нагрева в соответствии с отклонением измеряемого диаметра покрытия от желаемой величины путем местного нагревания в указанной области оформляющего канала.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что указанный узел нагрева при необходимости дополнительно содержит резистивный нагреватель, который термически сообщается с нижней поверхностью калибрующего мундштука, и/или термоэлектрический микроэлемент.

14. Способ контролирования диаметра покрытия оптического волокна, включающий введение волокна в узел нанесения покрытий, в который подают отверждаемый материал покрытия, нанесение на волокно слоя указанного отверждаемого материала покрытия, удаление волокна из узла нанесения покрытий через калибрующий мундштук и отверждение слоя отверждаемого материала покрытия, отличающийся тем, что дополнительно измеряют диаметр покрытого волокна и формируют сигнал, соответствующий диаметру покрытия, сравнивают сигнал с заданной величиной диаметра покрытого волокна и регулируют диаметр покрытия путем местного нагрева материала покрытия для изменения его вязкости вблизи указанного калибрующего мундштука и изменения, вследствие этого, диаметра покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6