DE69020599T2

DE69020599T2 - Stabile Verpackung von langgezogenem Fasermaterial und Verfahren und Vorrichtung zu deren Erzeugung.

Info

Publication number: DE69020599T2
Application number: DE69020599T
Authority: DE
Inventors: Ralph Joel Darsey; John W Shea; Carl R Taylor
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-26
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-02-27
Also published as: IL93524A0; KR900012828A; EP0385682A2; US4950049A; US5033389A; DK0385682T3; CA2010997C; DE69020599D1; JPH0333705A; KR0167109B1; EP0385682B1; EP0385682A3; IL93524A; JP2862621B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaserpackung.
Es wurden und es werden nach wie vor Waffensysteme und Kommunikationssysteme entwickelt, bei denen eine Lichtleitfaser zur 2-Weg-Datenkommunikation zwischen zwei oder mehreren sich bewegenden Körpern oder zwischen einem sich bewegenden Körper und einer Lenk- oder Führungsstation verwendet wird. Diese Anwendungen umfassen beispielsweise Kommunikationsverbindungen zwischen Flugzeugen, zwischen einem Flugzeug und einem Schiff und zwischen einem Projektil, wie z.B. einem unbemannten Flugkörper, und einer Kontrollstation an einer Abschußbasis. Durch die Verwendung von Lichtleitfasern für diese Arten der Kommunikation werden vorteilhafterweise sowohl elektromagnetische Störungen als auch unerwünschtes Abhören verhindert.
Die Verwendung von Lichtleitfasern ist jedoch mit bestimmten Nachteilen verbunden, die bei anderen Arten der Kommunikation nicht auftreten. Lichtleitfasern sind weniger robust als metallische Leiter und unterliegen der Gefahr des brechens. Außer diesen Brüchen kann sich die Übertragungsleistung von Lichtleitfasern durch Mikrokrümmungen in der Faser verschlechtern. Diese Mikrokrümmungen entstehen durch Krümmungen oder durch andere Beanspruchungen, denen die Faser ausgesetzt ist. Solch eine Schädigung einer Lichtleitfaser kann nicht nur zu einer Verschlechterung der Langzeithaltbarkeit einer Faser führen, sondern verursacht auch Dämpfungen in der Stärke des optischen Signals und Informationsverluste.
Bei einer typischen Anwendung von Lichtleitfasern in einem Waffensystem befindet sich eine Packung eines kontinuierlichen Abschnittes einer Lichtleitfaser auf einer Trägerspule in einem Träger. Solch ein Träger wird üblicherweise als gefesselter Träger (tethered vehicle) bezeichnet. Ein Ende der Lichtleitfaser ist an einer Betriebseinrichtung in dem Träger angebracht, während das andere Ende der Faser mit einer Kontroll- oder Kommunikationsstation an der Abschußbasis verbunden ist. Sowohl während des Startes als auch danach findet eine 2- Weg-Kommunikation mit dem Träger statt.
Um solch eine Anordnung verwenden zu können, muß eine zuverlässige, kompakte Lichtleitfaserpackung geschaffen werden, die in dem Träger angeordnet werden kann und die ein zuverlässiges Abspulen der Lichtleitfaser während des Fluges des Trägers ermöglicht. Die Verwendung metallischer Leiter zur Führung und Steuerung gestarteter Träger ist bekannt (siehe z.B. die amerikanischen Patente Nr. 3,114,456, 3,156,185 und 3,319,781) . Wie zuvor bereits erwähnt wurde, führen die charakteristischen Eigenschaften von Lichtleitfasern zu Schwierigkeiten, die bei der Verwendung metallischer Leiter als Übertragüngsmedium nicht auftreten. Um eine Lichtleitfaser mit relativ hoher Geschwindigkeit von ihrer Trägerspule abspulen zu können, ist eine besondere Behandlung erforderlich.
Ein Problem besteht darin, daß die Verwendung von Lichtleitfasern in agressiveren Umgebungen, wie z.B. in Unterwasserkabeln oder bei militärischen Anwendungen, zu strengeren Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften der Fasern geführt hat. Zusätzlich hierzu können extrem lange Faserabschnitte erforderlich sein. Diese Faserabschnitte erhält man durch Verspleißen einer Vielzahl von Abschnitten unter Verwendung gebräuchlicher Herstellungsverfahren. Für diese und andere Anwendungen ist das Verspleißen eine geeignete Möglichkeit, um die Enden zweier Glasfasern so zu verbinden, daß die Dämpfung abzeptable ist. Bei dem Verspleißen wird das Beschichtungsmaterial von den Endabschnitten zweier Fasern entfernt, deren Enden anschließend miteinander vereinigt werden.
Die entblößten Endabschnitte verspleißter Fasern müssen neu beschichtet werden, wobei strenge Anforderungen an die Abmessungen der beschichteten Faser und an ihre Festigkeitseigenschaften einzuhalten sind. Das nachträglich aufgebrachte Beschichtungsmaterial berührt typischerweise die benachbarten, ursprünglich beschichteten Teile der verspleißten Fasern entlang im wesentlichen radial verlaufender Ebenen, die beim Entfernen des Originalbeschichtungsmaterials von den Endabschnitten freigelegt wurden, und entlang überlappender Abschnitte der Außenfläche des Originalbeschichtungsmaterials benachbart zu den radialen Ebenen. Das Beschichtungsmaterial läßt man nun aushärten, so daß sich ein neu beschichteter Spleißabschnitt mit einem Querschnitt ergibt, der größer ist als der Querschnitt der mit dem Originalbeschichtungsmaterial versehenen Lichtleitfaser.
Bei einem typischen, gefesselten Träger wird eine Lichtleitfaser, die auf einer Abspulvorrichtung aufgespult und mit einem Führungssystem verbunden ist, abgespult, wenn sich der Träger bewegt. Bei gefesselten Trägern muß die Lichtleitfaser präzise auf die Abspulvorrichtung aufgespult werden. Ansonsten könnte es vorkommen, daß das Abspulen unterbrochen wird. Es hat sich gezeigt, daß die Wicklung der Abspulvorrichtung aller Wahrscheinlichkeit nach nicht gleichmäßig ist, wenn der Querschnitt des neu beschichteten, verspleißten Lichtfaserabschnittes nicht mit dem Querschnitt der Original beschichteten Lichtleitfaser übereinstimmt. Hierdurch entstehen nach dem Start des gefesselten Trägers Probleme beim Abspulen der Lichtleitfaser. Diese Probleme wurden gelöst. Durch die Verwendung von Verfahren und Vorrichtungen, die in der am 16. Dezember 1987 für R.J. Darsey et al. eingereichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 133,579 offenbart werden, erhält man eine neu beschichtete Verspleißungsstelle, die den gleichen Querschnitt aufweist wie die nichtverspleißte Faser.
Ein anderes Problem bei der Führung oder Lenkung von gefesselten Trägern mittels Lichtleitfasern betrifft das erfolgreiche Abspulen der Faser von einer Trägerspule, wenn sich die Trägerspule mit dem Träger vorwärtsbewegt. Das vordere Ende der Lichtleitfaser ist mit einem Führungs- oder Lenksystem verbunden, um den Bahnverlauf des Trägers zu steuern. Es ist wichtig, daß die Lichtleitfaser problemlos von dem Spulenkörper abläuft, da sie ansonsten reißen kann, so daß das Steuerungssystem ausfällt. Zu dem erfolgreichen Abspulen einer Lichtleitfaser trägt auch ein präzise aufgespulter voller Wickel bei. Die einzelnen Windungen müssen zudem nicht nur genau gewickelt sein, sondern sie müssen auch bei der Handhabung des Wickels und bei dessen Abspulen in dieser gewickelten Stellung verbleiben. Die Lichtleitfaserpackung muß mit anderen Worten sehr stabil sein. Auf der anderen Seite muß das Abspulen der Lichtleitfaser sehr leicht erfolgen, ohne daß hohe Zugkräfte für das Abspulen der Faserwicklungen von der Trägerspule erforderlich sind.
Bei Lichtleitfaserpackungen für die Verwendungen in gefesselten Trägern können bis zu 30 Lagen aus Lichtleitfasern auf einer unteren Lage aus Draht aufgewickelt sein. Die Packung wird durch ein adhäsives Material zwischen den Lichtleitfasern zusammengehalten. Hierdurch wird eine stabile Struktur gebildet, die extremen Umgebungsbedingungen, Erschütterungen und Vibrationen standhält. Es ist wünschenswert, daß das zum Zusammenhalten der Wicklungen verwendete adhäsive Material nur einen minimalen Einfluß auf die optische Qualität der aufgewickelten Lichtleitfaser besitzt und die Lichtleitfaser dennoch so ablaufen läßt, daß an ihrem Ablösepunkt eine zulässige Kraft auftritt, wenn die äußerste Faserlage mit hoher Geschwindigkeit abgespult wird. Diese Erfordernisse stellen an das adhäsive System etwas gegensätzliche Anforderungen.
Bei der Lagerung und dem Transport der Trägerspule ist die mechanische Stabilität am wichtigsten, da das adhäsive Material zur Unversehrtheit der aufgewickelten Packung beiträgt und diese somit in einem einsatzbereiten Zustand hält. Während des Abspulens sind sowohl die mechanischen als auch die optischen Einflüsse wesentlich. Das adhäsive System darf nur eine so schwache Klebrigkeit aufweisen, daß bei Geschwindigkeiten, die im Vergleich zu im Überschallbereich liegenden Geschwindigkeiten nur relativ gering sind, ein schraubenförmiges Abspulen möglich ist. Bei einer übermäßig starken Klebrigkeit wird dadurch, daß sich an dem Ablösepunkt eine extreme Krümmung ausbildet, die Unversehrtheit der Lichtleitfaser gefährdet. Auf der anderen Seite kann eine zu geringe Klebrigkeit durch dynamische Instabilitäten auf der Oberfläche des Spulenkörpers zu einem Defekt führen. Im Hinblick auf die optische Qualität sei bemerkt, daß durch eine örtliche Makrokrümmung an dem Ablösepunkt jeder der aufeinanderfolgenden Windungen eine optische Dämpfung entstehen kann, die die Daten- und Videoübertragung verschlechtert. Eine typische Dämpfung an einem Ablösepunkt kann bei jeder der aufeinanderfolgenden Windungen bis zu 3 oder mehr dB zu der Gesamtdämpfung beitragen.
Es hat sich auch gezeigt, daß eine Mikrokrümmung in den noch nicht abgespulten Lagen der Lichtleitfaser in dem Wickel beim Abspulen zu einer starken Beeinflußung der optischen Qualität führen kann. Es hat sich gezeigt, daß das adhäsive Material insbesondere bei tiefen Temperaturen stark zu einer Erhöhung der optischen Dämpfung beitragen kann.
Bei gegenwärtig verwendeten Verfahren zur Schaffung der gesuchten stabilen Packung wird jede Lage aus Faserwindungen entweder vor oder nach dem Aufspulen auf den Spulenkörper beschichtet. Im Stand der Technik umfaßt zumindest ein System eine Sprühvorrichtung. Die Vorrichtung wird dazu verwendet, um beim Aufspulen der Lichtleitfaser auf einen Spulenkörper ein wäßriges oder flüssiges Klebemittel auf die Lichtleitfaserwindungen aufzubringen. In Abhängigkeit davon, wie bei diesem Verfahren das Klebemittel aufgebracht wird, kann es vorkommen, daß das Aufbringen von Wickelspule zu Wickelspule nicht reproduzierbar ist. Es ist unnötig zu sagen, daß es sich hierbei um ein teures Verfahren handelt, bei dem der Wicklungsvorgang eventuell nach jeder Lage unterbrochen werden muß, damit die Beschichtung trocknet oder das Lösungsmittel verdampft.
Bei einem anderen Verfahren wird die aufgespulte Lichtleitfaser nach dem Aufspulen der Windungen auf eine Trägerspule mit einem sich verfestigendem Material imprägniert das eine geringe Reißfestigkeit aufweist. Beim Verfestigen des Imprägnierungsmaterials bildet sich ein Gel, das die Windungen in einer präzise aufgespulten Packung zusammenhält. Beim Abspulen wird das verfestigte Material auseinandergerissen, wodurch jede Windung von ihrer Nachbarwindung gelöst wird. Die beim Abspulen auftretende Kraft steht mit der Reißfestigkeit des verfestigten Materials in Zusammenhang.
Benötigt werden zuverlässige, präzise aufgespulte Wickel sowie Verfahren und Vorrichtungen zur Schaffung eines besser herzustellenden Wickels aus einer präzise aufgewickelten Lichtleitfaser, bei dem die Windungen der Faser durch ein adhäsives Material zusammengehalten werden. Das adhäsive Material sollte die Packung stabilisieren und dennoch ein Abspulen bei relativ hohen Geschwindigkeiten ermöglichen. Das Verfahren sollte zudem von einem Wickel zum nächsten einfach reproduzierbar sein.
Die US-A-4,326,657 offenbart ein anhaftendes längliches Fasermaterial, wobei die aufgewickelte Lichtleitfaser mit einem als Klebemittel dienenden Parafin beschichtet ist.
Erfindungsgemäß wird eine Lichtleitfaserpackung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Schaffung einer Lichtleitfaserpackung gemäß Anspruch 2 geschaffen.
Die vorstehend genannten Probleme aus dem Stand der Technik werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst. Ein langgezogenes anhaftendes Fasermaterial umfaßt einen Abschnitt aus einem langgezogenen Fasermaterial, wie z.B. eine Lichtleitfaser, der so angeordnet werden kann, daß ein Abschnitt einer Außenfläche neben einer benachbarten Oberfläche angeordnet wird, an der der Abschnitt der Außenfläche des langgezogenen Fasermaterials anhaften soll. Bei der benachbarten Oberfläche kann es sich um einen anderen Abschnitt des Fasermaterials handeln. Die Außenfläche des langgezogenen Fasermaterials kann von einer Schicht aus einem adhäsiven Material umgeben sein, das bei geeigneter Behandlung entlang zumindest eines Teils der Außenfläche molekulare Bindungen über eine Zwischenfläche mit einem anderen Teil des adhäsiven Materials hinweg ausbilden kann, das auf die benachbarte Oberfläche aufgebracht wurde. Molekulare Bindung bedeutet das Verbinden von sich berührenden angrenzenden Seiten benachbarter Oberflächen entlang einer dazwischenliegenden Grenzfläche durch eine gegenseitige Ketten- oder Materialdurchdringung. Hierbei handelt es sich nicht um eine chemische Bindung oder um eine gegenseitige Materialdurchdringung, wie sie bei einer chemischen Bindung oder bei einer anderen Form der Bindung auftreten kann, die zu einer anziehenden Kraft zwischen den zwei Oberflächen führt.
Der Abschnitt der Lichtleitfaser kann in einer Vielzahl von Windungen so angeordnet sein, daß zumindest ein Abschnitt jeder Windung benachbart zu einem Abschnitt einer anderen Windung ist. Die Außenfläche der Lichtleitfaser wird mit einem adhäsiven Material vorbeschichtet. Nach einer geeigneten Behandlung verbindet sich das adhäsive Material zwischen Abschnitten des adhäsiven Materials auf angrenzenden Abschnitten der Lichtleitfaser über eine Grenzfläche hinweg molekular. Andere Abschnitte der Außenfläche außerhalb des miteinander verbundenen Bereiches sind durch einen relativ geringen Reibungskoeffizienten gekennzeichnet.
Durch Bewegen einer Lichtleitfaser entlang einer Bahn wird eine stabile Lichtleitfaserpackung geschaffen. Während der Bewegung der Lichtleitfaser entlang der Bahn wird auf die Faser ein adhäsives Material aufgebracht. Anschließend wird dafür gesorgt, daß das adhäsive Material auf der Lichtleitfaser nicht mehr klebrig ist. Die Lichtleitfaser mit dem auf ihr aufgebrachten adhäsiven Material wird in einer Vielzahl von präzise gewundenen Windungen auf einen Spulenkörper oder Wickelkern aufgewickelt. Das adhäsive Material wird so ausgewählt, daß es sich bei Raumtemperatur in einem nichtklebrigen Zustand befindet und bei einer geeigneten Behandlung klebrig wird. Die Lichtleitfaser wird anschließend so behandelt, daß das adhäsive Material klebrig wird, um die Windungen zusammenzuhalten. Das Ausmaß der Adhäsion wird so optimiert, daß eine stabile Verpackung geschaffen wird, ohne das verwicklungsfreie Abrollen der Lichtleitfaser nachteilig zu beeinflußen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das adhäsive Material in einer Fertigungsanlage aufgebracht. Anschließend wird die Lichtleitfaser wieder zu einer dichten Packung gewickelt. Hierdurch kann das adhäsive Material sehr viel schneller aufgebracht werden, als wenn die Aufbringung erst gemeinsam mit dem langsameren Präzisionswickeln erfolgen würde.
In einer Vorrichtung zur Schaffung eines präzise gewickelten, stabilen Lichtleitfaserwickels wird ein Abschnitt einer Lichtleitfaser von einer Vorratsspule abgerollt und durch eine Aufbringungsvorrichtung geführt. Durch die Aufbringungsvorrichtung wird ein adhäsives Material auf die Lichtleitfaser aufgebracht. Nun wird dafür gesorgt, daß das adhäsive Material nicht mehr klebrig ist. Anschließend wird die Faser relativ lose auf eine zwischengeschaltete Verarbeitungsspule aufgespult. Die Lichtleitfaser wird nun von der Verarbeitungsspule abgespult und auf eine Trägerspule präzise aufgespult. Anschließend wird die Trägerspule mit der sich darauf befindlichen Lichtleitfaser in einer Kammer angeordnet und so behandelt, daß das adhäsive Material aktiviert wird und Abschnitte benachbarter Windungen miteinander verbunden werden, so daß eine stabile Packung geschaffen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Fertigungsanlage, die zum erfindungsgemäßen Aufbringen eines adhäsiven Materials auf Lichtleitfasern verwendet wird;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Lichtleitfaser, die mit einer Beschichtung und mit einer Schicht aus einem adhäsiven Material versehen ist;
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Fertigungsanlage gemäß Fig. 1;
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer Verarbeitungsspule mit einer Vielzahl lose gewickelter Windungen;
Fig. 5 zeigt in schematischer Ansicht den Übergang einer Lichtleitfaser von lose gewickelten Windungen auf der Verarbeitungsspule zu einer präzise und fest gewickelten Packung auf eine Trägerspule;
Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines Teils einer Lichtleitfaserpackung, die auf einer Trägerspule aufgewickelte Windungen einer Lichtleitfaser umfaßt;
Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die nach dem Aufspulen der Lichtleitfaser auf die Trägerspule zur Behandlung des adhäsiven Materials auf den Lichtleitfaserwindungen verwendet wird;
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem das Verhalten eines Parameters eines einer Wärmebehandlung ausgesetzten thermoplastischen Materials dargestellt ist;
Fig. 9 bis 12 zeigen in einer Reihe vergrößerter schematischer Darstellungen auf molekularem Niveau eine Grenzschicht zwischen adhäsivem Material auf aneinandergrenzender Windungen einer auf einem Spulenkörper aufgespulten Lichtleitfaser, wobei die Grenzfläche Übergangszustände durchläuft bis zu einem Zustand, bei dem eine Grenzflächenbindung zwischen adhäsivem Material auf Abschnitten benachbarter Windungen vorliegt; und
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht, die die Verwendung einer erfindungsgemäßen stabilen Packung veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Fertigungsanlage, die teilweise zur Schaffung eines adhäsiv beschichteten länglichen Fasermaterials, wie z.B. einer Lichtleitfaser, verwendet wird. Die adhäsiv beschichtete Lichtleitfaser wird zur Schaffung einer stabilen, präzise gewickelten Lichtleitfaserpackung verwendet. Die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehene Fertigungsanlage umfaßt eine Spule 21 mit einer beschichteten Lichtleitfaser 22 (siehe Fig. 2). Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, umfaßt die Lichtleitfaser 22 einen Kern 24, einen Mantel 26 und eine Beschichtung 27. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann anstatt einer einzigen Beschichtungsschicht 27 auch eine Doppelschicht verwendet werden. Der Außendurchmesser der beschichteten Lichtleitfaser 22 beträgt typischerweise 250 um. Mit dem Ausdruck Lichtleitfaser wird im nachfolgenden eine Lichtleitfaser bezeichnet, die mit einer einzigen Beschichtung oder mit einer Doppelbeschichtung versehen sein kann.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird die Lichtleitfaser 22 von der Versorgungsspule 21 abgespult und entlang einer Bahn, die bei der in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform senkrecht verläuft, durch ein Meßinstrument 29 zur Bestimmung ihres Durchmessers geleitet. Das Meßinstrument 29 zur Bestimmung des Durchmessers ist kommerziell erhältlich. Es kann sich hierbei um ein Lasermike -Mikrometer handeln, das von der Techmet Company erhältlich ist.
Die beschichtete Lichtleitfaser wird anschließend durch eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 30 versehene Aufbringvorrichtung geleitet. Durch die Aufbringvorrichtung 30 wird ein adhäsives Material 32 auf die beschichtete Lichtleitfaser aufgebracht. Bei einer fertigen Packung aus einer aufgespulten Lichtleitfaser hält dieses adhäsive Material vor dem Abspulen der Lichtleitfaser die Windungen zusammen.
Die Aufbringvorrichtung 30 umfaßt einen Aufbringbecher oder eine Aufbringschale 34 (siehe Fig. 3), die ein Bad aus dem flüssigen adhäsiven Material 32 enthält. Nach dem Passieren des Bades wird die Lichtleitfaser durch eine Kalibriereinrichtung 36 geleitet. Bei der Kalibriereinrichtung 36 kann es sich entweder um eine starre Einrichtung oder aber um eine flexible Düse handeln. Die Kalibriereinrichtung ist so bemessen, daß die aus der Aufbringeinrichtung 30 austretende Lichtleitfaser eine aufgebrachte Schicht aus adhäsivem Material 32 aufweist. Bei einer flexiblen Düse kann der Innendurchmesser der Düse durch einen Ring oder eine Hülse oder durch eine Anordnung in Form einer Irisblende entsprechend der in dem amerikanischen Patent 4,370,355 beschriebenen Anordnung verändert werden.
Zur Schaffung einer stabilen Packung können auf die Lichtleitfaser eine Reihe von adhäsiven Materialien aufgebracht werden. So kann beispielsweise ein amorphes oder ein teilkristallines thermoplastisches Material, ein Hot- Melt-Material, ein wärmeaushärtbares Material, ein Wachs oder auch ein anderes Material verwendet werden, das bei einer Wärmebehandlung, durch eine zeitliche Einwirkung oder durch Einwirkung eines Lösungsmittels Grenzflächenbindungen ausbilden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das adhäsive Material ein Polyvinylbutyral-Kunststoffmaterial.
Wichtig ist hierbei, daß das adhäsive Material bestimmte Voraussetzungen erfüllt. Es muß vorzugsweise in einem flüssigen Zustand auf eine Lichtleitfaser aufbringbar sein und darf beim Aufspulen der Lichtleitfaser auf eine Verarbeitungsspule nicht mehr kleben. Das adhäsive Material muß auch nachträglich so behandelbar sein, daß zwischen zumindest Teilen von benachbarten Windungen der Lichtleitfaser, die auf einer Trägerspule aufgewickelt ist, adhäsive Bindungen entstehen. Die Bindungen müssen dergestalt sein, daß nicht nur die entstehende Lichtleitfaserpackung stabil ist, sondern daß die Lichtleitfaserwindungen auch ohne eine Beschädigung der Faser von der Trägerspule abgespult werden können.
Wie zuvor bereits erwähnt wurde, wird bei der beanspruchten Ausführungsform als adhäsives Material Polyvinylbutyral verwendet. Das Bad in der Aufbringvorrichtung 30 umfaßt eine Mischung aus Polyvinylbutyral und einem Lösungsmittel. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Methylethylketon.
Nach dem Aufbringen der oben beschriebenen Mischung auf die Lichtleitfaser wird diese durch ein Meßinstrument 38 zur Bestimmung der Konzentrizität (siehe Fig. 1) geleitet. Anschließend wird sie durch eine Vorrichtung 40 geleitet, in der das adhäsive Material in einen nicht mehr klebrigen, festen Zustand überführt wird. Bei einer Polyvinylbutyral- Mischung wird die Mischung in der Vorrichtung 40 getrocknet. Beim Aufbringen eines adhäsiven Hot-Melt-Materials wird die Vorrichtung 40 zum Kühlen des adhäsiven Materials verwendet. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Trockenvorrichtung 40 zum Trocknen der flüssigen adhäsiven Mischung auf der Lichtleitfaser verwendet, damit diese nicht mehr klebrig ist und lose auf eine Aufnahmespule gewickelt werden kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform kann die Trockenvorrichtung ein PYREX -Glasrohr umfassen, durch das die Lichtleitfaser geleitet wird. Das PYREX -Rohr ist in einer Kammer angeordnet, in dem es einer durch eine Quarzhalogenlampe erzeugten intensiven Strahlung ausgesetzt ist. Das Rohr absorbiert die Strahlungsenergie der Lampe und wird selbst zu einem Infrarot (IR)-Emitter. Die IR-Strahlung stellt die Strahlungsquelle zum Trocknen des adhäsiven Materials dar, das in dem Bad 30 aufgebracht wurde.
Nachdem das Trocknen des adhäsiven Materials auf der Lichtleitfaser beendet ist, wird diese durch eine andere Meßeinrichtung 42 zur Bestimmung ihres Durchmessers (siehe Fig. 1) geleitet. Die Lichtleitfaser wird nun in einer Vielzahl von Windungen auf eine Verarbeitungsspule 44 aufgespult. Das Aufspulen auf die Verarbeitungsspule 44 erfolgt so, daß die Lichtleitfaser etwas lose auf die Spule aufgespult ist (siehe Fig. 4). Bei diesem Aufspulen der Lichtleitfaser auf die Verarbeitungsspule 44 beträgt der Zug auf die Faser etwa 30 bis 40 g.
Nun werden die Spule 44 mit der lose aufgespulten Lichtleitfaser und eine andere Spule, die als Einsatz oder Trägerspule bezeichnet wird und mit dem Bezugszeichen 50 versehen ist, für einen Umspulungsvorgang angeordnet (siehe Fig. 5). Der Spulenkörper 50 kann im allgemeinen aus einem Metall-, aus einem Kunststoff- oder aus einem Verbundmaterial bestehen. Er weist einen Spulen- oder Wickelkern auf, der sich ausgehend von einem Flansch 51 leicht verjüngt. Bei diesem Vorgang wird die Lichtleitfaser aus einer Vielzahl lose gewickelter Windungen zu einer präzise gewickelten Packung 52 umgespult, die mehrere Lagen 54-54 umfaßt (siehe Fig. 6), von denen jede wiederum eine Vielzahl von dicht gewickelten Windungen 56-56 umfaßt. Der Zug auf die Lichtleitfaser beträgt bei diesem Umspulen etwa 100 g. Das genaue Aufspulen, das beispielsweise mittels eines in dem amerikanischen Patent 4,746,080 dargestellten Verfahren erfolgen kann, ist zeitaufwendig und erfolgt bei einer relativ geringen Geschwindigkeit der Fertigungsanlage. Andererseits beträgt die Geschwindigkeit der Fertigungsanlage beim Aufbringen des adhäsiven Materials auf die Lichtleitfaser zumindest mehrere Meter pro Sekunde. Wenn das Aufbringen des adhäsiven Materials und das genaue Aufspulen gleichzeitig erfolgen würde, wäre eine geringere Geschwindigkeit der Fertigungsanlage erforderlich. Vom Standpunkt eines Herstellers aus gesehen, ist das aus dem Aufbringen des adhäsiven Materials und aus dem Wickelvorgang bestehenden zweistufige Verfahren der bevorzugten Ausführungsform effizienter.
Es sei bemerkt, daß die eine Schicht aus adhäsivem Material aufweisende Lichtleitfaser selbstverständlich auch in Windungen angeordnet werden kann, ohne auf einer Wickelkern oder auf einem Spulenkörper aufgespult zu sein. Solch eine Packung kann man statt von außen sehr gut von innen abspulen. Die Lichtleitfaserwindungen mit dem aufgebrachten adhäsiven Material können auch auf einen (nicht dargestellten) Wickelkern aufgewickelt werden, der zur Schaffung einer stabilen Packung anschließend entfernt wird.
Nach dem Umspulen wird die präzise gewickelte Lichtleitfaserpackung 52 behandelt, um das adhäsive Material zu aktivieren, so daß zumindest Teile benachbarter Windungen molekular miteinander verbunden werden. Die Spule 50 mit der Lichtleitfaserpackung ist in einer Behandlungseinrichtung 60 angeordnet (siehe Fig. 7), in der das adhäsive Material so behandelt wird, daß zwischen sich berührenden Teilen von Lichtleitfaserwindungen Bindungen entstehen.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem anhand einer Kurve 70 der Verlauf des E-Moduls eines thermoplastischen Materials dargestellt ist. Bei Raumtemperatur oder in dem Temperaturbereich, in dem die Lichtleitfaser verwendet wird, d.h. unterhalb von etwa 70ºC, befindet sich das Material in einem allgemein mit dem Bezugszeichen 72 versehenen glasartigen Bereich. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht klebrig. Der E-Modul nimmt nun mit zunehmender Temperatur ab. Er wird in einem Übergangsbereich 74 geringer, bis das Material in den Bereichen 76 und 78 schließlich gummiartig wird. Das Ausmaß der Klebrigkeit hängt von der Zeitspanne ab, in der das thermoplastische Material erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, und von den Temperaturen selbst. Eine Bindung wird dadurch erreicht, daß das Verbundmaterial je nach dem gewünschten Umfang der Bindung auf die Temperatur in den Bereichen 74, 76 oder 78 des Diagramms erwärmt wird. Bei einigen Materialien kann eine Bindung im Übergangsbereich ausreichend sein.
Die Fig. 9 bis 12 zeigen eine Reihe von Bildern, in denen die Bildung molekularer Bindungen uber eine Grenzfläche 80 zwischen dem adhäsiven Material auf einer Windung und dem adhäsiven Material auf einer anderen Windung dargestellt ist. Bei einem thermoplastischen Material tritt molekulare Bindung auf, wenn sich Ketten, aus denen das Kunststoffmaterial besteht gegenseitig durchdrungen haben oder nach einer Wanderung der Ketten, und zwar über Grenzflächen zwischen benachbarten Teilen des adhäsiven Materials auf benachbarten Windungen hin.
Das Ausmaß dieser Bindung hängt von dem Umfang der Kettendurchdringung zwischen sich berührenden Abschnitten der Windungen ab. Das Ausmaß der Bindung steigt auch mit zunehmender Temperatur, der das adhäsive Material ausgesetzt ist, und mit zunehmender Zeitdauer, während der es einer bestimmten Temperatur ausgesetzt ist. Die Figuren 10 bis 12 veranschaulichen eine Zunahme der Bindungen, wenn die Temperatur die Bereiche 74, 76 und 78 durchläuft. Durch das erforderliche Ausmaß der Bindung für eine bestimmte Anwendung wird die Zeit, während der die Lichtleitfaser einer bestimmten Temperatur ausgesetzt ist, oder die Temperatur oder auch beide Größen festgelegt.
Wie sich durch einen Vergleich der Fig. 9 bis 12 ergibt, werden die Windungen der Lichtleitfaser durch die Bindung oder, wie sie auch oft bezeichnet wird, durch die molekulare Migration über die Grenzfläche hinweg zusammengehalten. Wie aus Fig. 9 zu erkennen ist, sind Teile des adhäsiven Materials 32 vor der Behandlung in der Vorrichtung 60 nicht über die Grenzfläche 80 hinweg miteinander verbunden. In der Behandlungsvorrichtung 60 beginnt das adhäsive Material auf benachbarten Teilen benachbarter Windungen der Spule 50 mit der Ausbildung molekularer Bindungen über die Grenzfläche 80 hinweg (siehe Fig. 10). Nachdem die Lichtleitfaser für eine vorbestimmte Zeit einer vorbestimmten Temperatur ausgesetzt war, sind genug molekulare Bindungen über die Grenzfläche 80 hinweg entstanden (siehe Fig. 11-12), um die Windungen zusammenzuhalten. Hierdurch wird eine stabile Packung aus aufgewickelten Lichtleitfasern geschaffen. Bei einer Benutzung kann man darauf vertrauen, daß die Windungen an Ort und Stelle bleiben. Die Bindung ist jedoch nicht so stark, daß das Abspulen der Lichtleitfaser von der Spule erschwert wird. Bei den erwarteten Spannungspegeln trennen sich die aufeinanderfolgenden Windungen von den benachbarten Windungen, ohne daß die Lichtleitfaser beschädigt wird. Es sei bemerkt, daß lediglich an den Berührungspunkten zwischen benachbarten Windungen eine molekulare Wanderung oder Migration auftritt, durch die über die Grenzfläche hinweg Überbrückungsketten gebildet werden.
Es ist wichtig, daß bei jedem adhäsiven Material, bei dem infolge einer geeigneten Behandlung eine molekulare Bindung über eine Grenzfläche zwischen sich berührenden Teilen benachbarter Windungen auftritt, eine geeignete Adhäsion erzeugt werden kann. Diese Materialien umfassen wärmeaushärtbare Materialien, adhäsive Hot-Melt-Materialien oder auch amorphe oder teilkristalline thermoplastische Materialien. Bei einer geeigneten Behandlung jeder dieser Materialien tritt über die Grenzflächen zwischen sich berührenden Abschnitten hinweg eine molekulare Wanderung auf. Beim Abkühlen entstehen über die Grenzfläche hinweg molekulare Bindungen, durch die die Windungen sicher an Ort und Stelle gehalten werden.
Bei Polyvinylbutyral liegt die Behandlungstemperatur im Bereich zwischen etwa 70ºC und etwa 120ºC. Bei anderen geeigneten Materialien kann der Temperaturbereich für die Behandlung unterschiedlich sein, er liegt jedoch im allgemeinen oberhalb von 70ºC. Die Behandlungszeit, die Behandlungstemperatur oder das gewünschte Ausmaß der Bindung hängen von den Eigenschaften des verwendeten adhäsiven Materials ab.
Die Behandlungstemperatur kann mittels einer Reihe von geeigneten Vorrichtungen erzeugt werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Ofen oder eine Mikrowellenheizeinrichtung umfassen. Die Mikrowellenenergie kann in das adhäsive Material eingekoppelt werden, um es zu erhitzen. Bei einer Verwendung von Mikrowellenenergie zur Erhöhung der Temperatur des adhäsiven Materials besteht der Spulenkörper 50 aus einem nichtmetallischen Material. Bei einem anderen Verfahren wird ein Vakuum verwendet, um Luft aus den Zwischenräumen zwischen den Windungen zu entfernen. Um die sich berührenden Teile der Windungen miteinander zu verbinden, wird ein gasförmiges oder flüssiges Material eingeleitet. Anschließend wird noch ein Vakuum angelegt, um überschüssiges Material zu entfernen.
Dadurch, daß das Ausmaß der Haftung zwischen den Windungen der präzise gewickelten Spule 50 gesteuert eingestellt wird, wird eine Beschädigung der Lichtleitfaser während eines sehr schnellen Abspulvorgangs vermieden. Die Zeit und die Temperatur zur Erzeugung der Haftung hängen selbstverständlich von dem auf die Lichtleitfaser aufgebrachten, speziellen, adhäsiven Material ab.
Wenn die Grenzfläche zwischen benachbarten Windungen von einem thermoplastischen Material gebildet wird, ist der in Fig. 8 dargestellte Übergang des thermoplastischen Materials reversibel. Beim Abkühlen des adhäsiven Materials werden die Bindungen entlang sich berührender Teile benachbarter Windungen unbeweglich oder eingefroren, so daß sie zeitlich stabil sind. Beim Abkühlen der Lichtleitfaser auf Raumtemperatur bleibt die Grenzflächenbindung auf dem Niveau, daß bei der höheren Temperatur erreicht wurde. Wie aus Fig. 8 zu erkennen ist, kehren die Oberflächenteile, die nicht miteinander verbunden sind, wieder in ihren glasartigen Zustand zurück. Durch die Verwendung eines glasartigen, adhäsiven Materials, das bei Raumtemperatur nicht klebrig ist, wird die schnelle und gleichmäßige Beschichtung einer Lichtleitfaser und das Aufspulen dieser Faser auf einen Spulenkörper ermöglicht. Die Adhäsion wird durch die Haftung des thermoplastischen Materials in dem Übergangsbereich und/oder in dem gummiartigen Bereich hervorgerufen und eingestellt.
Es ist vorteilhaft, daß die Winkelbereich des adhäsiven Materials auf der Lichtleitfaser, die an kein adhäsives Material auf benachbarten Windungen angrenzen, beim Abkühlen wieder in den glasartigen Zustand zurückkehren. Diese Oberflächen sind durch einen relativ geringen Reibungskoeffizienten gekennzeichnet. Dieser geringe Reibungskoeffizient ermöglicht ein sehr schnelles Abspulen der Lichtleitfaser. Wenn die Oberflächen nicht diese Eigenschaft aufweisen würden, könnte es bei einem Abspulen der Lichtleitfaser, bei dem von jeder Windung Teile über Oberflächenteile benachbarter Windungen gleiten, dazu kommen, daß einige der benachbarten Windungen vorzeitig abgezogen würden und so ein Auseinanderbrechen der Packung hervorrufen würden. Dieses unerwünschte Ereignis kann beim Abspulen von Mehrfachwindungen auftreten und zu Verwicklungen führen. Dies ist insbesondere dann wahrscheinlich, wenn die Windungen benachbart zu dem Flansch 51 des Spulenkörpers 50 im großen und ganzen parallel zu der Längsachse des Spulenkörpers in Richtung auf dessen nicht mit einem Flansch versehenes Ende abgespult werden. Durch den geringen Reibungskoeffizienten von Teilen der Windungsoberflächen, die nicht molekular miteinander verbunden sind, wird vorteilhafterweise eine Mehrfachabspulung vermieden, d.h. jede Windung wird leicht über die Oberflächen benachbarter Windungen gezogen.
Die präzise aufgespulte Lichtleitfaserpackung 52 kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Flugbahn eines unbemannten Flugkörpers zu steuern. In diesem Fall ist in einem unbemannten Flugkörper 80 (siehe Fig. 13) eine Spule 50 angebracht, auf der die Lichtleitfaser aufgespult ist. Ein inneres Ende 81 der Lichtleitfaser ist mit einer Vorrichtung 83 im Inneren des unbemannten Flugkörpers verbunden. Das vordere Ende 85 der Faser ist mit einer Kontrollstation 87 verbunden. Nach dem Start des unbemannten Flugkörpers kann die Flugbahn durch die Kontrollstation 87 gesteuert werden, die mit dem unbemannten Flugkörper 80 über die Lichtleitfaser 22 in Verbindung steht. Während des Fluges des unbemannten Flugkörpers von der Kontrollstation 87 zu einem Ziel 90 läuft die Lichtleitfaser von dem nichtgeflanschten Ende des Spulenkörpers 50 ab, um die Verbindung zwischen der Kontrollstaion und dem unbemannten Flugkörper aufrechtzuerhalten.

Claims

1. Verpackung für optische Fasern mit folgenden Merkmalen:

ein langes Stück aus einer optischen Faser ist in einer Mehrzahl von Windungen angeordnet, so daß mindestens ein Teil jeder Windung wenigstens einem Teil einer anderen Windung (wie in Fig. 6) benachbart ist;

die äußere Oberfläche des optischen Faserstücks (22) wird durch eine Schicht von adhäsivem Material (32) gebildet, welches bei geeigneter Behandlung in der Lage ist, molekulare Bindungen über die Zwischenfläche zwischen Teilen des adhäsiven Materials zu bilden;

das adhäsive Material haftet an angrenzenden Teilen der optischen Faser durch molekulare Bindungen aneinander und an anderen Teilen der optischen Faser mit einer Außenoberfläche, die einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten hat, dadurch gekennzeichnet,

daß das adhäsive Material eine Mischung eines polyvinylbutyral-Kunststoffmaterials mit einem Lösungsmittel umfaßt.

2. Verfahren zur Bildung einer stabilen Verpackung, die eine Mehrzahl von Windungen einer optischen Faser umfaßt, mit folgenden Schritten:

die optische Faser durchläuft eine Bahn;

ein adhäsives Material wird auf die optische Faser (22) während dieses Durchlaufs der Bahn aufgebracht, wobei das adhäsive Material so ausgewählt ist, daß es bei geeigneter Behandlung in der Lage ist, molekulare Bindungen über eine Zwischenfläche zwischen Teilen des adhäsiven Materials zu bilden;

die optische Faser mit dem aufgebrachten adhäsiven Material wird in eine Mehrzahl von Windungen aufgenommen;

die optische Faser mit dem aufgebrachten adhäsiven Material wird so behandelt, daß sich molekulare Bindungen uber die Zwischenfläche zwischen Teilen des adhäsiven Materials bilden, um die Windungen mit einem Maß von Adhäsion zusammenzuhalten, welches ausreicht, einerseits eine stabile Packung zu bilden und andererseits genügend niedrig ist, daß die optische Faser ohne Verwirrung abgespult werden kann, dadurch gekennzeichnet,

daß das adhäsive Material eine Mischung aus einem Polyvinylbutyral-Kunststoffmaterial und einem Lösungsmittel umfaßt.