CN101063734A - 弯曲限制器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种与电缆和光纤光缆结合使用的弯曲限制器，其可以处理相对较宽范围的侧向载荷而不会过度弯曲。该弯曲限制器被设计成以小于缆线在一载荷范围内的临界曲率的半径进行弯曲。该弯曲限制器包括一具有两个部分的挠性部件。一个部分具有非线性侧面，并被设计成吸收高载荷以控制弯曲。另一个部分具有逐渐变细的线性部分，并被设计成在低载荷下弯曲，使得在弯曲限制器末端处的导体不会弯曲。

Description

弯曲限制器

技术领域

本发明涉及一种弯曲限制器，其与电缆和光缆一起使用以控制相连缆线的响应侧向载荷的弯曲半径。

背景技术

在通信领域中普遍存在的是用于传输信号的导体。许多高带宽导体，例如光纤和V类铜质电缆，倾向于具有一最小弯曲半径，在小于该半径时传输效率显著降低。换句话说，如果这些导体在小于最小值的半径下弯曲，信号传输损耗将高得惊人。

所述最小弯曲半径是导体类型、其厚度、和传输的信号频率的函数。例如，参考图4，显示了光纤的传输性能作为弯曲半径的函数。该曲线绘出了1550nm光信号沿Corning900μmSMF-28光纤的相应于不同弯曲半径的传输损耗。从该曲线可以看出，当半径变小时传输损耗呈指数增加。损耗被认为最大的点是最小弯曲半径。如这里所用的，术语“最小弯曲半径”指的是一个点，根据Telcordia规范，在该点处衰减被减少至0.3dB，尽管我们通常使用一个更低的损耗作为安全系数。在图4的例子中，这对应于约10.5nm(对于0.3dB损耗)。

尽管优选最小化弯曲以提高在这些导体中的传输效率，还存在与此相对的需求，使它们尽可能地柔软，以易于进行安装。从而，导体通常被制成如此柔软使得它们能够超过它们的最小弯曲半径而进行弯曲。因此，即使导体在物理上能够这样做，仍存在防止其弯曲超过它的最小弯曲半径的需要。

高带宽导体由其应用环境而提高了控制它们弯曲的需要。即，在一般应用中，这些导体与连接器端接，这些连接器被插入底板或其它面板中使得所述连接器通常与面板垂直。所述导体从这些连接器的后侧延伸出来，并且通常产生直角的转角，在该转角处与其它导体耦合并被因此配置。由于该导体产生了直角转角，导体上的任何压力都将引起该转角的半径变小。因此，存在限制导体在该点的弯曲的需要。

试图限制这种弯曲的现有技术包括弯曲限制器，其被固定到连接器的后端，且在导体离开连接器时控制导体的弯曲。例如，一个现有的弯曲限制器包括一段由弹性或其它的聚合材料形成的管，在该段管上具有交错形成的开口。当弯曲限制器被弯曲且交错开口的两个边缘相接触时，因此限制了相对于该开口的运动，并且该限制器的进一步弯曲必须与另一开口相适应。开口是交错的，以便在横向于连接器终端轴的平面上能以任何角度弯曲。对弯曲限制器的进一步的改进包括在开口的中间使用突起以限制弯曲，和以更大的力在单节上提供额外的柔度，以便在沿弯曲限制器的长度方向上更均匀的分布压力。

最近，如US专利号5,781,681所公开的，开发了一种弹性的可变直径套管。这种弯曲限制器的侧面包含理想的弹性模型，并且对于给定的侧向载荷提供固定的弯曲半径。该弯曲限制器体现出高于现有技术的结构的实质性的提高。

尽管这种弯曲限制器具有高于传统的设计的明显的改进，但是Telcordia标准GR-326，第III版的颁布要求弯曲限制器在整个一个载荷范围内保持最小弯曲半径。特别地，根据该标准，需要在侧向载荷为在135°下为0.55磅以及在90°下为1.45磅时保持最小弯曲半径。这样的范围内的载荷压力阻止了为某一特定载荷优化一个特定弯曲限制器。从而，申请人发现了较高的载荷易于使弯曲限制器在其与连接器的接触位置处变弯曲，而较低的载荷易于在接近应变消除位置的脊部产生大的弯曲。

因此，存在对于弯曲限制器的需要，即该限制器不会使导体在轻载荷下在其顶端或在重载荷下在其底部弯折。

发明内容

一种用于具有最小弯曲半径的导体的弯曲限制器，包括具有容纳所述导体的中心孔的挠性部件、适于安装至连接器的端部的第一端、和相对的第二端。所述挠性部件从第一端处的相对较大的第一直径向第二端处的相对较小的第二直径逐渐变细，使得当具有不小于1∶1.5的比值范围的可变载荷施加到从所述第二端延伸的所述导体时，所述挠性部件基本上以不小于所述最小弯曲半径的半径弯曲。

附图说明

图1a和1b是本发明优选实施例的透视图和截面视图。

图2显示图1的弯曲限制器相应于1.51b侧向载荷的有限元分析。

图3显示了弹性模型的轮廓与修正弹性模型的对比。

图4为曲线图，显示了作为曲率半径以及传输波长的函数的信号传输的衰减。

图5显示了Santoprene的弹性体的应力-应变特性。

具体实施方式

参考图1a和1b，显示了本发明的弯曲限制器100的一个优选实施例。所述弯曲限制器100适于容纳具有最小弯曲半径的导体(未示出)，如上所述，在低于该最小弯曲半径时传输效率显著受到影响。所述弯曲限制器100包括具有容纳导体的中心孔109的挠性元件101，适于装配至连接器(未示出)一端的第一端102和第二端103。所述挠性元件101从第一端102处的相对较大的第一直径朝向第二端102处的相对较小的直径逐渐变细，使得在可变载荷施加到从第二端103延伸的导体上时所述挠性元件以基本上不变的半径来弯曲。

这里所用的术语“导体”指的是任何用于传输信号的导体，其具有最小弯曲半径，在小于该半径时信号的传输会受到损害。例如，所述导体可以是用于传导光子信号(photonic signals)的塑料或玻璃光纤、用于传导电信号的金属、或是用于传导声信号的空气通道(air passage)。为了便于说明，此处描述的导体是针对光纤的。

这里所用的术语“连接器”指的是用于将一段导体耦接于下述的任何装置：(1)另一段导体，(2)有源装置例如电和光辐射源、检测器、或中继器，和(3)无源装置，例如开关、多路复用器和衰减器。例如，典型的光纤连接器包括外壳和外壳内的衬套组件。所述衬套组件包括衬套，所述衬套具有一个或多个容纳光纤的孔；以及固定在在每一孔中的光纤，使得光纤的端部露出而通过衬套进行光学耦接。所述外壳被设计用来与具有光路的“配接结构”接合，所述光纤在配接期间与该光路光学耦合。所述配接结构可以是另一个连接器或如上面所述的有源或无源装置。所述光路可以例如是衬套中的光纤、基底上的波导、透镜、或光学透明物质。光纤连接器的主要功能是固定光纤端部，使得纤芯与配接结构的光学通道轴向对齐。这样，来自光纤的光与光学通道光学耦合。本发明中也考虑了其它传统的连接器类型例如电学和声学连接器。

术语“基本上不变”相对于弯曲限制器的半径而言，用于说明该半径不需要绝对不变的。即，申请人意识到，在实践中，限制器的弯曲半径可能会有微小的变化。因此，如这里所用的，术语“基本上不变”的半径指的是半径±10％。在应用中，实际的半径不应小于相应于特定操作波长所定义的曲率的临界半径。

本发明的挠性部件能在相对较宽范围的载荷下以基本上不变的半径弯曲。如此处所用的，术语“载荷比”指的是根据Telcordia GR-326，第III版规范(Issue III specification)，施加到离开弯曲限制器的导体的最高预期载荷和最低预期载荷之间的比值。参考图2，显示了图1a的弯曲限制器100的有限元件分析。这种分析显示了本发明弯曲限制器应付不同载荷同时不在第一端102或第二端103处缠结(kinking)的能力，并将其与现有技术区别开。在优选的实施例中，本发明的弯曲限制器相应于不小于约1.5∶1，较优选地约2∶1以及更优选地约3∶1的载荷比以基本上不变的半径弯曲。

为了实现半径基本上不变的弯曲，申请人发现挠性部件需要根据非线性轮廓和线性轮廓设计为锥形。挠性部件的非线性轮廓或部分110优选设置于第一端102处，而线性部分111设置于第二端103处。所述非线性部分110设计用来吸收高载荷以控制弯曲，特别是在限制器的基部处，在该处由于最大弯曲力矩，传统的限制器倾向于破坏或产生大的曲率。所述线性部分111被设计成即使在轻的载荷下弯曲，使得离开第二端103的导体不缠结。

因此，在优选实施例中，挠性部件的轮廓满足下述公式：

D_o(l_0-y)＝f₁(l_0-x)+f₂(l_x-y)

其中

l是其原点处于第一端处的沿挠性部件长度上的位置；

l_x是沿挠性部件长度上的位置，在该位置处所述轮廓从非线性改变为线性；

l_y是挠性部件第二端处的位置；

D_o是相应于给定位置l的外径

f₁是l的非线性函数；和

f₂是l的线性函数。

非线性函数f₁(l_0-x)会随挠性部件的长度、预期载荷和使用的材料而变化。在一个优选实施例中，非线性部分采用了US专利No5,781,681(在此引作参考)公开的理想弹性模型。具体而言，所述挠性部件的弯曲半径由挠性部件的形状，且特别地，由沿该部件长度外径相对于内径之间的关系控制。所述外径和内径(d_o和d_i)随作为以磅力(1bf)为单位的侧向载荷(F)、以英寸为单位的预期弯曲半径(p)、和以磅/平方英寸(psi)为单位的制造挠性部件1的材料的弹性模数(E)的函数的关系而变化。

曲率半径(ρ)与弯曲力矩(M)、惯性面积矩(area moment of inertia)(I)、以及制造圆柱体的原材料的弹性模数(E)的关系，由下述公式表示：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{M}{\mathrm{EI}}$

在一个优选实施例中，挠性部件的形状基本上是管状的和轴对称的，使中空圆柱体的惯性面积矩的公式与之相关联。所述中空圆柱体的惯性面积矩(I)的公式可以表述为下述，其中d_o和d_i分别是圆柱体的外径和内径：

$I=\frac{\mathrm{\π}}{64}\·(d_o^4-d_i^4)$

将中空圆柱体的惯性矩(I)的公式代入曲率半径(ρ)的倒数的公式中，可以得到下面的关系：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\πE}}{64}\·\frac{(d_o^4-d_i^4)}{M}$ 或 $\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{64}{\mathrm{\πE}}\·\frac{M}{(d_o^4-d_i^4)}$

通过将相应于替代几何形状例如具有多边形横截面的管件的惯性矩(I)的公式代入曲率半径的倒数(1/ρ)的公式，可类似地推算符合本发明教导的弯曲限制器挠性部件的替代实施例。这样，挠性部件的横截面可设计为适当的曲率半径(ρ)。在优选的中空圆柱体的情况下，对外径(d_o)求解的结果为：

$d_o={(d_i^4-\frac{64}{\mathrm{\πE}}\·\mathrm{\ρ}\·M)}^{\frac{1}{4}}$

弯曲力矩(M)可被表示为施加的以lbf为单位的施加的力(F)、以英寸为单位的曲率半径(ρ)、和施加的力相对于中性轴的角度(θ)的函数，如下面所示：

           M(θ)＝F·ρ·(1-sin(θ))

将弯曲力矩(M)的公式代入外径(d_o)的公式得到管状挠性部件的以英寸为单位的外径(d_o)作为管状挠性部件的以英寸为单位的内径(d_i)、以lbf为单位的施加的力(F)、预期的曲率半径(ρ)、施加的载荷相对于中性轴的角度(θ)、和预期材料的以磅/平方英寸(psi)为单位的弹性模数(E)的函数的关系。结果为下面的函数：

$D_o=\sqrt[4]{\frac{64\·{\mathrm{PR}}^2}{\mathrm{\π}\·E}\·(1-\sin \left(\frac{s}{R}\right))+D_i^4}$

友函数(companion function)确定挠性部件截面(flexible membersection)距连接器远端的以英寸为单位的距离：

            l(θ)＝ρ·θ

在一个优选的实施例中，运算参数包括模制挠性部件1的特定聚合材料的弹性模数(E)、预期的最小曲率半径(ρ)、和施加的力(F)。

尽管理想的弹性模型对于获得不变半径的弯曲提供了理论基础，但是申请人认识到它的使用在几个方面上受到限制。第一，试图制造具有基于指数方程的轮廓的模具往往很困难。具有制备用于聚合物弯曲限制器的模具的经验的大多数注模工厂并不习惯于指数函数。因此，这种模局的成本相当高。

此外，申请人意识到理想的弹性模型的理论弯曲受到挠性部件的长度的限制。特别地，如由H.J.BARTEN发表于应用数学季刊(QUARTERLY OF APPLIED MATHEMATICS)第III卷No.(1945)，第272-75页的悬臂梁的大挠度(Large Deflection of Cantilevered Beams)(在此引作参考)中所指出的，一旦挠性部件的挠度超过其长度的约20％，理想弹性模型的弯曲开始偏离挠度与载荷成正比的线性弹性变形。由于在Telecordia规范规定的载荷可能使挠性部件挠曲超过其长度的20％，理想模型在其可预测性方面将受到限制。

由理想模型引起的另一个复杂方面是传统上用于注射模制挠性部件的聚合材料通常偏离线性弹性变形。这种特性的特征在于应力相对于应变是非线性的构成关系。如图5所示，在单调增加时，拉伸应力相对于应变遵循一条凸形轨迹。这个曲线的斜率，或导数，通常表示材料的模数。因此，在被指出的范围中，当应变增加时材料的硬度降低。挠性部件经常工作于5至10％的最大应变下。

因此，在替代优选实施例中，相应于非线性部分不是采用理想弹性模型，本发明采用修正的理想弹性模型。参考图3，所述修正的弹性模型在挠性部件的非线性部分304中，使得朝向第一端302挠性部件301做细而朝向第二端303做得稍粗。已经发现这种结构适合应付大的载荷而不会在基部过度弯曲，且适合应付低载荷而不会在顶部过度弯曲。(见，例如，图2的有限元件分析)

在优选的实施例中，挠性部件的非线性部分为不变的半径曲线，如下述公式所示：

$f_1\left(l\right)=\frac{1}{2}\·k+\sqrt{r^2-{(l-h)}^2}$

其中r是曲率半径，h是半径中心的轴位置，以及k是半径中心的横向座标(transverse coordinate)。

已经发现具有这种轮廓的非线性部分在低载荷下展现出适当的挠曲，而不会过度挠曲(即，在低载荷下弯曲)。

线性部分

线性部分用于即使在低载荷下也弯曲，并因此连同导体一起弯曲以防止导体在第二端处缠结。挠性部件的线性部分具有的半径以下面公式表示的线性函数变化：

           f₂(l)＝al-b

其中

i.a是常数；和

ii.b是基于f₁的相应于l_x的D_o。

在一优选的实施例中，为了简单起见a取值1。然而，应当理解，a可以进行优化以便在这部分获得预期的弯曲半径。

非线性部分(即，l₀-l_x)相对于线性部分(l_x-l_y)的长度取决于一系列因素，包括导体的硬度、导体载荷矢量的方向、以及最大对最小载荷大小的预期比值。在优选的实施例中，其中载荷范围由Telecordia规范控制，非线性对线性部分的比值为约2∶1至约5∶1。图1中所示的实施例是约3.5∶1。

应当理解，上面所给出的用于表述挠性部件的轮廓的公式旨在作为近似值，且略微偏离这些公式会是适当的以便于制造或优化用于特定应用的弯曲限制器。例如，本领域的技术人员在本公开的指导下可以选择确定挠性部件的轮廓而具有以近似于连续变化的曲线的台阶式变化的外径。同样，挠性部件可进行修正而具有多边形横截面(例如，八边形)而非圆形横截面。

应当理解，弯曲限制器的长度需要被校准于预期的操作波长。即，随着频率的降低，最小弯曲半径趋向于增加。具有较长长度的弯曲限制器可吸收更多的来自侧向载荷的力，并因此保持较大的最小弯曲半径。例如，对于1550nm的信号，优选的长度是约16mm，而对于1625nm的信号，预期的长度是约19mm。

材料

在优选实施例中，弯曲限制器包括热塑性弹性体，例如Santoprene^*(^*Advanced Elastomer Systems，LP的注册商标)，具有1100psi的弯曲模量。

装配

在使用中，如本领域所知的，挠性部件被应用于纤维光缆和连接器。所述挠性部件101首先被螺纹装接于无端缆线。所述缆线适当地剥离，且接着被端接于光纤连接器。所述光纤连接器可以是任何已知的连接器，包括单根光纤连接器例如LC、MU、SC、ST和FC或复型光纤连接器例如MTRJ、MPO、和MPX。挠性元件101的连接器界面105滑套于连接器的后端。参见图1b，挠性部件101的内径在内部过度部106处由第一内径107逐渐变细至第二内径108。所述第二内径108近似等于或略大于被端接的纤维光缆的保护套的外径。希望的是，挠性部件的内径在其长度的大部分上与纤维光缆接合。因此，内径被选择为遵循待端接的缆线的尺寸。因此，在优选的实施例中，是外径被选择成在挠性部件1的长度上变化。挠性部件101的第一内径107的弹性膨胀导致挠性部件101对于连接器后部的摩擦干涉。它们之间的摩擦干涉将挠性部件1保持到连接器上。优选的是，利用环氧树脂胶或其他粘合剂将弯曲限制器固定于连接器的后部。

Claims (10)

1.一种用于具有最小弯曲半径的导体的弯曲限制器，所述弯曲限制器包括具有容纳所述导体的中心孔的挠性部件，适于装配于连接器端部的第一端，以及相对的第二端，其特征在于：

所述挠性部件从所述第一端处的相对较大的第一直径向所述第二端处的相对较小的第二直径逐渐变细，使得当具有不小于1∶1.5比值范围的可变载荷施加于由所述第二端延伸的所述导体时，所述挠性部件基本上以不小于所述最小弯曲半径的半径弯曲。

2.如权利要求1所述的弯曲限制器，其中所述渐细部分包括从所述第一端到一中间位置的非线性部分和从所述中间位置到所述第二端的线性部分。

3.如权利要求2所述的弯曲限制器，其中所述非线性部分在距第一端的距离s处具有遵循下述公式：

$D_o=\sqrt[4]{\frac{64\·{\mathrm{PR}}^2}{\mathrm{\π}\·E}\·(1-\sin \left(\frac{s}{R}\right))+D_i^4}$

的外径D_o+/-5％。

4.如权利要求2所述的弯曲限制器，其中所述非线性部分具有遵循下述公式的外径f₁(l)+/-5％：

$f_1\left(l\right)=\frac{1}{2}\·k+\sqrt{r^2-{(l-h)}^2}$

其中r是曲率半径，h是半径中心的轴位置，以及k是半径中心的横向座标。

5.如权利要求3所述的弯曲限制器，其中所述非线性部分是连续的，使得沿挠性部件长度的每个D_o遵循上述公式。

6.如权利要求3所述的弯曲限制器，其中所述非线性部分是阶梯状的，使得沿所述长度的周期性的D_o遵循上述公式。

7.如权利要求3所述的弯曲限制器，其中所述线性部分从中间位置s_i的D_oi延伸到所述第二直径。

8.如权利要求3所述的弯曲限制器，其中所述线性部分从D_oi到所述第二直径逐渐变细。

9.如权利要求3所述的弯曲限制器，其中所述线性部分从D_oi到所述第二直径基本上是不变的。

10.如权利要求1所述的弯曲限制器，其中所述非线性部分对所述线性部分的长度比值为约1.5∶1至约4∶1。

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