FI66091C - Ljusledande element foer inbyggning i optiska transmissionsorgan - Google Patents

Description

Γβ, .... KUULUTUSJULKAISU _ . Λ _ .

M <11) utlAggningsskrift 66091 ^ Fa e - .. - - — - ^ ^ (51) K*.Wu /UitCL3 G 02 B 5/1 ^ SUOM I —Fl N LAN D (21) PMefitttelMmw — Ptt«mm6knln| 773327 (22) Hik^nhpUvi —Anrtknlnj^f 07.11.77 (23) AlluipaM—GIW|lMt«lag 07.11.77 (41) Tullut JulM»*fc*l — Whrk offmtMg 10.05.78

Ntmttl- ja rekisterihallitut (44) NUkMte^ j. ******* ^ - nteut· och reglsterstyrultei ' ' AimMcui utb«d «di utlλΜΛ*· puMtcand 30.04.

(32)(33)(31) »Vrdutty utuoHcsu· -8«|W prior** 0 9.11 .76

Tanska-Danmark(DK) 5052/76 (71) Akt ieselskabet Nord iske Kabel- og Traadfabriker, La Cours Vej 7, DK-2000 Keibenhavn F, Tanska-Danmark(DK) (72) Axel Andersen, Gentofte, Knud Bundgaard Jensen, Skodsborg,

Poul Ursin Knudsen, Hellerup, Tanska-Danmark(DK) (74) Oy Kolster Ab (54) Optisiin siirtoelimi in sijoitettava valoa johtava elementti -Ljusledande element för inbyggning ί opt iskä transmissionsorgan

Esillä olevan keksinnön kohteena on optisiin siirtoelimiin kuten telekaapeleihin sijoitettava, valoa johtava elementti, joka käsittää optisen lasi- tai muovausainekuidun, joka on mahdollisesti varustettu tiiviisti sen ympärille sovitetulla ohuella suojakerroksella ja tiiviisti sen ympärille pääasiassa sama-akselisesti kiinnitetyllä, poikkileikkaukseltaan oleellisesti pyöreällä päällysteellä.

On tunnettua valmistaa telekaapeleja, joissa on optisia kuituja, jotka on sijoitettu vapaasti liikkuviksi kaapeleihin pitkittäisiin onteloihin, joilla on oleellisesti suurempi halkaisija kuin kuiduilla. Vrt. esim. ruotsalainen patenttihakemus n:o 75.08599-3, joka vastaa DT-hakemusjulkaisua 25.28991 ja DT-hakemusjulkaisua 25 05 621 ja jonka mukaan kuitu on sijoitettu vapaasti liikkuvaksi ensimmäiseen vaippaan, joka on puolestaan sijoitettu vapaasti liikkuvaksi toiseen vaippaan.

On myös tunnettua sepittää kuidut kierrettyinä tällaisiin onteloihin. Lisäksi on tunnettua liimata kuituja aallon muotoon kahden 2 6 3091 muovinauhan väliin, jotka sen jälkeen kääritään kiinteän kantolan-gan ympärille, vrt. US-patentti n:o 3 937 559 (DT-OS 24 24 041). Lisäksi tunnetaan myös kaapeleja, joissa kuidut on kierretty ruuvin muotoon pehmeän tukikerroksen ympärille, joka on kiinnitetty kiinteän kantolangan ympärille, vrt. US-patentti n:o 3 883 218 (DT-OS 23 55 854).

DT-hakemusjulkaisussa 25 19 050 kuvataan valoa johtavia kaapeleja, joissa on esijännitettyjä vedonvähennyselementtejä, jotka on muodostettu niin, että muodostuu kammioita,joihincptiset kuidut sijoitetaan jännityksettömästi, jolloin ne vedon elementistä tapahtuneen vähennyksen jälkeen saavuttavat ylipituuden, joka antaa kaapelille kokonaisuudessaan entistä paremman vetolujuuden. DT-hakemus julkaisussa 24 19 798 kuvataan valoa johtavia kuituja, jolloin itse kuitu muodostuu sydämestä, jolla on korkeampi taitekerroin, ja vaipasta, jolla on alempi taitekerroin. Näille kuiduille on ominaista, että vaippaa ympäröi ainakin yksi lisävaippa, jonka lämpö-laajenemiskerroin on pienempi kuin sisävaipan (tai sydämen ja vaipan yhdistelmän) laajenemiskerroin.

Tällaisten kuitujen valmistuksessa käytettävän tunnetun tekniikan mukaisesti pidetään edullisesti huolta siitä, että \aippaan syntyy puristusjännitys. Tässä on kuitenkin kysymys "vaipasta", joka kuuluu yhtenäisenä osana kuituun, eikä päällysteestä. Umpikui-duissa kiinnitetään mainitun ensimmäisen vaipan päälle sellaista ainetta oleva vaippa, jonka 1ämpölaajenemiskerroin on pienempi kuin alla olevan kerroksen tai alla olevien kerrosten lampolaajenemiskerroin. Tämä ulkovaippa on siis puristusjännityksen alaisena ja alla oleva kerros niin ollen vetojännityksen alaisena.

Sentyyppisissä kuiduissa, joissa on itsessään jännityksettö-män umpivaipan ympäröivä irrallinen sydän, ympäröidään vaippa em. julkaisun mukaan lisävaipalla, jolla on suurempi lämpölaajenemis-kerroin ja joka on sen vuoksi vetojännityksen alaisena ja saattaa ensimmäisen vaipan puristusjännityksen alaiseksi. Tällaiset päällystetyt kuidut ovat kuitenkin hyvin herkkiä veto- ja taivutusrasituksil-le, minkä vuoksi ne on julkaisun mukaisesti varustettava lisävaipalla, jonka lämpölaajenemiskerroin on pienempi kuin toisen vaipan kerroin. Niin ollen ensimmäinen ja toinen vaippa ovat puristusjännityksen alaisina, kun taas toinen vaippa on vetojännityksen alaisena.

Em. julkaisun mukaan pyritään siis toisin saneen aina siihen, että ulkovaippa on puristusjännityksen alaisena, koska tämän katsotaan antavan parhaan mekaanisen lujuuden.

li 05091 US-patenttijulkaisusta n:o 3 980 390 on lisäksi tunnettua parantaa kuitujen mekaanisia ominaisuuksia, kuten murtolujuutta, vetolujuutta ja vähimmäistaivutushalkaisijaa kiinnittämällä niihin kaksikerroksinen polymeeripäällyste.

Yhteistä näille tunnetuille kaapelityypeille on pyrkimys siihen, että kaapeleihin vedon tai taivutuksen aikana kohdistuvat mekaaniset rasitukset mahdollisimman vähän tuikuttavat optisiin kuituihin ja erityisesti että vähingoll i s ilta vetorasituksilta vältytään .

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan rakenteellisia ominaisuuksia, joiden avulla tähän astista paremmin voidaan estää mekaanisia rasituksia, kuten vetoa, taivutusta, vääntöä ja värähtelyä alentamasta tai jopa tuhoamasta optisten kuitujen siir-tokykyä. Tässä kohdin huomautettakoon, että muuten moitteettoman optisen kuidun siirtokyvyn aleneminen tai jopa tuhoutuminen on odotettavissa, jos sen optinen sisäosa yhdestä tai useammasta virheestä johtuen kiristyy tai poikkeaa suunnastaan vaikka vain hyvin pienellä kaapelin osalla, jolloin virheiden suuruusluokan tarvitsee olla vain millimetrin murto-osa, minkä vuoksi tässä puhutaan mikrotai-pumista tai mikrohalkeamista. On ilmeistä, että optiseen kuituun vaikuttava vetovoima lisää sitä enemmän mikrohalkeamien muodostumiseen vaaraa, mitä suurempi tämä voima on. Tähän asti tunnetuissa optisilla kuiduilla varustettujen telekaapelien rakenteissa on, kuten edellä jo mainittiin, pyritty vähentämään optisten kuitujen vetojännitysten suuruutta ^ niiden muodostumisen vaaraa. Esillä olevassa keksinnössä on asia ratkaistu päinvastaisella tavalla, koska yllättäen on käynyt ilmi, että parannuksia saavutetaan monessa suhteessa kehittämällä jokaiseen kuituun huomattava puristusvoima siten, että kuitu varustetaan tiiviisti kiinnittyvällä ja sopivan paksulla päällysteellä, jolle annetaan ennalta määrätty kutistumistaipumus.

Keksinnön mukainen elementti on sen tähden tunnettu siitä, että päällystelle on annettu sellainen adheesio mahdollisesti suojakerroksella varustettuun optiseen kuituun, että kiinnityksen aikana tai sen jälkeen päällysteeseen aikaansaatu kutistumistaipumus vaikuttaa kuituun sellaisella aksiaalisella puristusvoimalla koko sen pituudelta, että puristusvoima saa aikaan kuidun todellisen lyhenemisen ja sitä vastaavan vetolujuuden lisäyksen. Sanonnalla "todellinen lyheneminen" tarkoitetaan mitattavaa lyhenemistä, joka on suurempi kuin mitätön lyheneminen, joka on odotettavissa edellä 6'5091 mainitussa US-patentissa n:o 3 980 30 1ilmakerroksia ja vastaavia päällysteitä käytettäessä.

Keksinnön mukaisesti on lyheneminen edullisesti vähintään 0,5 % kuidun alkuperäisestä pituudesta, kun ulkopuoliset voimat eivät muuten vaikuta kuituun. Tällä tavoin optiseen kuituun kehitetyn puristusjännityksen on mahdollisuuksien mukaan suuruus luokaltaan vastattava melko huomattavaa osaa esim. vähintään 1/10 kuidun vetomurtojännityksestä.

Verrattuna edellä mainittuun DT-hakemusjulkaisuun 24 19 798 on keksinnön mukainen ratkaisu täysin päinvastainen, koska siinä käytetään päällystettä, joka saa aikaan optiseen kuituun puristusjännityksen, minkä vuoksi päällyste on vetojännityksen alaisena, vrt. seuraavaa esitystä.

Käytetty päällyste voi esim. muodostua muoviaineesta, kuten polyeteenistä, polypropeenistä, polyvinyylikloridista tai polyamidista, kuten polyamidi ll:stä tai 12:sta, jolloin viimeksi mainittu aineryhmä on kaikkein sopivin johtuen voimakkaasta adheesiostaan muihin aineisiin.

Haluttaessa voi päällyste lisäksi sisältää lisäainetta, esim-merkiksi vahvistusainetta, kuten pääasiassa pitkittäisiä kuituja.

Kun tällaisia kuituja esijännitetään ja niistä vähennetään jännitettä, ne vaikuttavat osaltaan päällysteen kutistumistaipumukseen.

Muita käyttökelpoisia lisäaineita ovat esim. orgaaniset tai epäorgaaniset täyteaineet, mielivaltaisesti orientoituneet kuidut, verkkou-tusaineet, pigmentit, väriaineet jne.

Koska on tärkeää, että kuidun ja päällysteen välillä on riittävän hyvä adheesio, voi keksinnön mukaisesti olla edullista käyttää tarttuvaa välikerrosta, joka tarttuu sekä optiseen kuituun että ympäröivään päällysteeseen, jos päällysteaineella itsellään ei arvella olevan tarvittavaa adheesiota.

On yllättävää, että«ptisesti täysin tyydyttävä kuitu voidaan saada aikaan, kun siihen vaikuttavat mainitut puristusvoimat. Tähän asti tunnetuissa kaapelityypeissä on nimenomaan pyritty mahdollisimman suuressa määrin välttämään tällaisten puristusvoimien syntymistä esim. kiinnittämällä päällyste niin, että kuidun ja päällysteen välille jää aukko, ja/tai käyttämällä voiteluaineita kuten silikoni-öljyä, joka mahdollistaa päällysteen ja kuidun keskinäisen liukumisen ja estää päällysteen osittaisen liimautumisen kuituun.

5 6-5091

Kun yksi tai useampia puheena olevia elementtejä sijoitetaan vaippaan esim. telekaapelin valmistusta varten kohdistamatta niihin puristusvoimia tämän prosessin aikana, voidaan kuidut sinänsä tunnetulla tavalla sijoittaa suoraviivaisiin tai kierrettyihin muotoihin. Havaitaan, että tällaisia elemettejä sisältävä valmis kaapeli kestää poikkeuksellisen suuressa määrin vetorasituksia. Näitä vetora-situksia voi syntyä kaapelin käsittelyn ja laskun aikana ja ne aiheuttavat kaapelin pitenemisen. Tällöin piteneminen tapahtuu seuraavasti : a) ensin yllä mainitut kierretyt muodot oikenevat, b) sen jälkeen tapahtuu elementtien piteneminen, kunnes optisten kuitujen puristusvoima o n pääasiässänolla, c) sen jälkeen tapahtuu optisten kuitujen piteneminen, ja d) vasta sen jälkeen tapahtuu optisten kuitujen murtuminen.

On selvää, että elementti saa sopivan aineen valinnan avulla huomattavasti suuremman vetolujuuden kuin optisen kuidun vetolujuus kun yllä mainittu lyheneminen lisätään siihen.

Kaapeli on usämmiten varustettava vedonvähennyselementeillä, joiden tehtävänä on ottaa vastaan edellä mainitut vetorasitukset vahingoittamatta kaapelin siirtoelementtejä.

Havaitaan, että tällaiset vedonvähennyselementit voidaan valmistaa yksinkertaisemmista ja huokeammista aineista kuin tähän asti keksinnön avulla saavutetusta, huomattavasti suuremmasta vetolujuudesta johtuen.

Vielä eräässä suhteessa saavutetaan parannus tunnettuihin elementteihin verrattuna, joissa optiset kuidut on tuettu tai kiinnitetty, koska keksinnön mukaisissa elementeissä muodostuu entistä vähemmän mikrotaipumia, joita normaalisti syntyy, kun kuituun kohdistuu voimakkaasti paikallisia voimia, koska esillä olevan elementin kuituun kohdistuu aineestaan tasaisesti koko kuidun pituudelle jakautuneita voimia. Lisäksi jo syntyneet mikrohalkeamat hävitetään ja taipumus niiden muodostumiseen saadaan estetyksi.

Keksintöä valaistaan lähemmin piirustuksessa, jossa kuvio 1 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaisen elementin osaa sekä siihen liittyvää pitkittäisleikkausta ja vetojänni-tyksen jakaumaa elementin poikkileikkauksessa, kuvio 2 esittää kuidun kokoonpuristumista pituussuunnassa kahden aineen kimmomoduulien ja poikkileikkauspintojen funktiona, 6 66091 kuvio 3 esittää poikkileikkauksena kuvion i mukaisilla valoa johtavilla elementeillä varustettua telekaapeiia, ja kuvio 4 esittää sovitelmaa elementin käsittelyä varten, niin että sille saadaan tarvittava kutistumistaipumus.

Kuvioissa 1 on esitetty keksinnön mukaisen elementin eräs esimerkki. Esittämättä jätetyllä suojakerroksella päällystettyä optista kuitua 1 ympäröi muovipäällyste 2, joka on ainetta, jolla on sopivan korkea adheesio päällystettyyn kuituun.Alimpana kuviossa on esitetty vetojännityksen jakauma ^ elementin poikkileikkauksessa. Sekä kuitu että päällyste ovat puristusjännityksen alaisena. Kuidussa kehitetty puristusjännitys saa aikaan sen, että itse elementti samoinkuin sen sisältävä kaapeli kestävät tästä johtuvaa lisääntyvää pitenemistä ja entistä voimakkaampaa taipumista.Jos kuidun puristusjännityksestä aiheutuva suhteellinen Oheneminen on £, voidaan kuitu saattaa taivutussäteen R = r/£ alaiseksi, jolloin r on kuidun säde, ilman että missään kuidun poikkileikkauksen kohdassa esiintyy puristusjännitystä.

Optiset kuidut voidaan normaalisti saattaa suuruusluokaltaan aina n. 10 cm:n taivutussäteen alaisiksi ilman, että se johtaa huomattavaan siirtohäviöiden lisäykseen. Kuidulle, jossa on säde r = 0,05 mm, vaaditaan niin ollenpuristusjännityksen säilyttämiseksi suhteellista lyhenemistä £ = - , joka on vähintään 0,5 %.

R

Kuitu voidaan esimerkiksi saattaa puristuksen alaiseksi antamalla päällysteelle esimerkiksi erityisessä lämpökäsittelymenetel-. mässä kutistumistaipumus päällekiinnityksen jälkeen. Päällyste voidaan esimerkiksi suulake puristaa kuidun ympärille, niin että se tarttuu siihen niin hyvin, ettei kuidun ja päällysteen välillä tapahdu liukumista.

Käsittelynä, joka saa aikaan päällysteen lyhenemisen, voi esim. olla sopivan hidas, suulakepuristukseen liittyvä jäähdytys, joka ta. kaa sen, että adheesio kuituun säilyy muoviaineen lämmön aiheuttaman kutistumisen aikana. Lyhenemistä voidaan joissakin tapauksissa lisätä saattamalla muoviaineen molekyylit orientoitumaan suuressa määrin suulakepuristuksen aikana, lyheneminen saadaan aikaan antamalla molekyylien sen jälkeen siirtyä satunnaisempaan orientoitumiseen. Tähän päästään edellä mainitun lämpökäsittelyn avulla, kuten jäljempänä kuvioon 4 liittyen esitetään.

Kuitujen suhteellisen lyhenemisen suuruus ilmaistaan lausekkeella 7 i = i' e2a2 6-j09 1 E^A^ + E2A2 Tässä £ ’ on päällysteen ja kuidun suhteellisen lyhenemisen välinen ero supistavan jälkikäsittelyn aikana kuvitellussa tapauksessa, jossa kaksi komponenttia ei voi vaikuttaa toisiinsa jälkikäsittelyn aikana. Muut jäsenet ovat E-^ = kuidun Youngin moduuli E2 = päällysteaineen Youngin moduuli A^ = kuidun poikkileikkauspinta A2 = päällysteen poikkileikkauspinta

Kuviossa 2 on esitetty, miten on riippuvainen E2A2:n ja E^n välisestä suhteesta. Havaitaan, että E2:n ja A2:n sopivan suurilla aavoilla saavvietaan suhteellinen kuidun lyheneminen £, joka lähenee päällysteen ja kuidun suhteellisen lyhenemisen välistä eroa 6 vapaassa tilassa.

Puheena oleva elementti on kuten todettiin, käyttökelpoinen siirtoelimissä, kuten telekaapeleissa. Kuviossa 3 nähdään eräs esimerkki tästä. Tässä valoa johtava elementti 1, 2 on. si joitettu onteloon 9 muovivaipan 10 alle, joka on sinänsä tunnetulla tavalla varustettu ulkopuolelta vahvistuslangalla 11.

Kuvio 4 esittää valoa johtavan elementin käsittelyyn käytettävän sovitelman erästä esimerkkiä, jonka avulla kuituun saadaan keksinnölle tunnusomainen puristusvoima. Menetelmä on seuraavanlainen elementti 20, jolla ei tässä vaiheessa ole merkittävää kutis-tumistaipumusta, sijaitsee kelalla 21 tai säiliössä 22 ja sitä syötetään syöttöelimen 23 avulla ja johdetaan yksikön 24 läpi, jossa sitä lämpökäsitellään. Sen jälkeen elementti 20 kulkee vielä syöttöelimen 25 läpi, joka on yhdistetty elimeen 23, niin että elementin 20 käsittely yksikössä 24 tapahtuu ilman vetovaikutusta. Valmiiksi käsitelty elementti 20, jolla tämän jälkeen on haluttu kutis-tumistaipumus, kootaan lopuksi säiliöön 26 tai kelalle 27.

Claims (6)

8 -- i— 6 5091

1. Optisiin siirtoelimiin sijoitettava, valoa johtava elementti, joka käsittää optisen kuidun (1), joka on mahdollisesti varustettu tiiviisti sen ympärille sovitetulla ohuella suojakerroksella ja lisäksi varustettu tiiviisti sen ympärille pääasiassa sama-akselisesti kiinnitetyllä, poikkileikkaukseltaan oleellisesti pyö-reällä päällysteellä (2), t u n n e t tu siitä, että päällysteelle (2) on annettu sellainen adheesio mainittuun mahdollisesti suojakerroksella varustettuun kuituun (1), että kiinnityksen aikana tai sen jälkeen päällysteeseen aikaansaatu kutistumistaipumus vaikuttaa kuituun sellaisella aksiaalisella puristusvoimalla koko sen pituudelta,että puristusvoima saa aikaan kuidun todellisen lyhenemisen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valoa johtava elementti, t u n n e t tu siitä, että puristusvoiman aikaansaama lyheneminen on vähintään 0,5 % kuidun alkuperäisestä pituudesta, kun ulkopuoliset voimat eivät muuten vaikuta kuituun.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen valoa johtava elementti, t u n n e t tu siitä, että kutistumisen tuottama puristus-jännitys kuidussa vastaa huomattavaa osaa esim. vähintään 1/10 kuidun vetomurtojännityksestä.

4. Patenttivaatimuksien 1, 2 tai 3 mukainen valoa johtava elementti, tunnet tu siitä, että päällyste käsittää polyamidin .

5. Patenttivaatimuksien 1, 2, 3 tai 4 mukainen valoa johtava elementti, t u n n e t tu siitä, että päällyste lisäksi sisältää vahvistusainetta, joka voi osaltaan vaikuttaa haluttuun kutistumis-taipumukseen.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen valoa johtava elementti, t u n n e t tu siitä, että adheesion saa aikaan tai sitä edistää välikerros, joka tarttuu sekä mahdollisesti suojakerroksella varustettuun kuituun että ympäröivään päällysteeseen.