JP4570812B2 - Ｕｖ量および高速ｕｖ硬化プロセスのスループットを増加させるための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線硬化型インクの比較的薄いコーティングを有する色分けされた光導波路の着色、および他のＵＶ硬化プロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
データを送信するために光ファイバ導波路を個々のファイバとしてまたはリボン形状の複数のこのようなファイバのアレイとして用いることは、信号送信の好ましいモードとなっている。光ファイバは、金属導電体と比較して、非常に高い情報搬送容量を有する。
【０００３】
光ファイバは、直径が非常に小さく、かつ非常にもろいため、個々のファイバを取り扱い、操作するのは困難である。従って、多数のファイバをケーブルで、または互いに平行に延び、マトリクス材料に入れられた多数のファイバを含むファイバリボンで組み合わせることは慣習として行なわれている。このような組み合わせに存在する実質的に同一の多数のファイバは、ファイバを識別するための何らかの方法がなくては、接続したり、切り継ぎするのはほぼ不可能である。広く用いられているこのような方法の１つとして、好ましくは、金属導電体に用いられているような標準的コードに従って個々のファイバを色分けすることが挙げられる。このような色分けは、効果的ではあるものの、特に、速度または高生産容量が最も望ましい生産環境で成し遂げるのは困難である。
【０００４】
例えば、光ガラスファイバ導波路の高速色分けのために、流体、インク等をなす染料などの溶媒をベースとした従来の着色剤を用いることが満足のいくものであることは証明されていない。なぜなら、このような溶媒をベースとした着色剤フィルムは、比較的遅いプロセスである溶媒の蒸発乾燥によって形成されるからである。また、溶媒をベースとしたインクシステムは、ケーブル施設環境において遭遇する溶媒、油およびゲルに対する望ましい長期の耐性を有さない。溶媒をベースとした着色剤はまた、ケーブル布線において通常発生する物理的磨耗によって簡単に消耗してしまう。さらに、このような材料は、環境上望ましくない溶媒を含み、十分な精度で、光ファイバの周囲に真に均一のコーティングを施すように適用することは困難である。液体溶媒インクの適用に関する限り、従来のインク適用装置および技術は、１秒当たり約１０ｍの高速で光ファイバを処理するには適していない。
【０００５】
上記のように、光ガラスファイバは、非常にもろく、簡単に損傷する。従って、通常、光ガラスファイバは、米国特許第４、１２５、６４４号および第４、３４４、６６９号に論じられているように、１つまたはいくつかの保護プラスチックコーティングでコーティングされている。これらの保護コーティングは、ファイバが形成されるとすぐに適用され、巻き取りおよび処理中の摩耗からファイバを保護する。米国特許第４、１２５、６４４号には、顔料を含む様々な添加物が、所望に応じて、これらの保護プラスチックコーティングに添加され得ることが記載されている。従って、保護コーティングの着色によるファイバ外部の着色は、ある程度まで、ファイバ製造者によって成し遂げられ、ファイバ製造者が特定の製品を識別するのを助け得る。しかし、米国特許第４、１２５、６４４号に記載されているように、緩衝コーティングに添加される物質のタイプおよび量は、所望のコーティング量を乱さないように、注意深く選択しなければならない。また、緩衝コーティングへの顔料添加物の添加は、ファイバの延伸および硬化、ならびに全体的なファイバ製造速度を遅くし得る。さらに、光ファイバケーブルの製造では、ケーブル内のファイバ導波路の物理的および光学的特性を注意深く一致させることが重要であり、ファイバ導波路のすべてが同じ製造工程またはロットからのものであることが望ましいことは頻繁にある。従って、上記のように、着色剤を緩衝コーティングに添加することができることは公知であり得るが、ファイバ製造者がこの方法によってファイバ識別の目的でファイバを色分けしようと試みることは可能ではない。
【０００６】
上部に保護コーティングを有するファイバを含む光ファイバ導波路は、厚さが例えば５から１２ミクロンの非常に薄い膜として与えられる着色された紫外線（ＵＶ）硬化インクのさらなるコーティングを提供することによって、順次色分けされ得ることが見出されている。このようなコーティングは、ファイバをコーティング装置、次いで、ＵＶ照射硬化装置またはオーブンに比較的高い速度で通過させ、ファイバを巻き取りスプールに巻き上げまたはファイバを他の１つもしくは複数の製造ステージにかけ、最終的に巻き取りスプールに巻き上げることにより適用され、付着される。
【０００７】
ファイバがリボン構成で配列される場合、各光ファイバは、コーティング材料の内層または外層に封入され、色識別子が与えられる。内層は、約１ＭＰａの範囲の係数を有するＵＶ硬化型結合材料を含む。機械的保護のため、外層は、約１Ｇｐａの範囲の係数を有するＵＶ硬化型結合材料である。光ファイバが平行アレイで配置されると、隙間がファイバ間、およびファイバと各ファイバに対してその最も近接した点で約２５μｍの間隔を置いたエンベロープとの間に形成される。ファイバ上の外部コーティング層より低く、内部コーティング層よりも高い値を有する係数をもつＵＶ硬化型マトリクス結合材料は、隙間を埋め、エンベロープを規定する周囲線に延び、光ファイバを共に結合する。マトリクス材料の係数、および光ファイバ上の色識別子へのマトリクス材料の結合は、ファイバ間およびリボン間の移動が可能なようになっている。また、個々のファイバへのアクセスは、複雑なツールを用いる必要なく、かつ色識別子を不明瞭にすることなく、職人が、剥離力を与えることにより可能になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
リボン構成、およびケーブル布線のための個々のファイバでは、例えば、少なくとも１回のＵＶインク硬化工程があり、リボンでは、２回のＵＶ硬化工程がある。現在のインクの系列、マトリクス材料、および現在の着色機械のＵＶ能力では、着色速度は、所定の硬化レベルに合致するために、一般に１秒当たり約１０メートルである。より高い着色速度で着色されたファイバで形成されたリボンは、リボンの動作特性に不利益な変化をもたらす。この結果、製造プロセスの速度を制限し、所定量のＵＶ照射が適用され、インク着色剤が完全に硬化することを確実にすることが慣行として行われている。速度の増加は、より高い硬化レベルが、さらなるＵＶオーブンまたはより高いパワーのＵＶオーブンなどによって成し遂げられ得る場合に実現可能である。しかし、ＵＶ強度またはパワーを増加させると、オーブン全体、パワー供給、および排出システムの変更など、機器の大幅な変更も必要となる。現存する着色ラインにおける人間工学的かつ安全性の問題だけでなく、空間限定により、さらなるＵＶオーブンを用いることは困難であり、着色機械の「設置面積」および複雑なプロセス制御をかなり変更する必要が生じる。現在、着色機械および製造着色ステージ全体における投資は多大なものであるため、さらに一台の着色機械を追加するために着色ステージを変更することはコストのかかる提案である。新しいファイバ製造ラインは、このような着色機械の追加を可能にし得るが、現在のラインでは一般には可能でない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、現存する機器への後付けには限定されないが、ＵＶ照射の最小量を維持しながら、製造プロセスにわたるファイバの速度を増加させるための、現存する光ファイバ導波路用の色分けまたはリボン巻きＵＶ硬化装置と共に用いるように設計された後付け配置である。従って、本発明の装置は、硬化装置の空間または設置面積を増加させる必要はなく、さらにライン速度が大幅に増加するため、単位時間当たりのファイバ製造は増加する。また、本発明は、インク着色剤の全表面にわたる向上した硬化の均一性を提供する。なぜなら、ファイバプロファイルの側部は、ＵＶ照射の源に交互に面しているためである。上記で指摘したように、このようなより高いライン速度は、これまで１つまたはそれ以上のＵＶオーブンを追加することによって成し遂げられてきたが、この場合、現在の硬化装置よりもより多くの空間が必要になり、アップグレード中の製造ライン全体を動作不能にする。
【００１０】
本発明は、第１の例示的な実施形態において、ＵＶ硬化工程を含む。この工程では、所望の色のインクでコーティングされたファイバは、これまで用いられてきたよりもかなり高い速度でＵＶ硬化オーブンを通過する。オーブンのライン出口端部では、一部だけが硬化されたファイバを第３および第４のシーブに方向づける第１および第２の折り返しシーブがあり、第３および第４のシーブは、ファイバを同じＵＶオーブンへ方向づけ、ＵＶオーブンを通して２度目のＵＶ照射にかける。オーブンから出てきたファイバは、出口または巻き上げシーブによって他のステージに渡されるか、または最終的には、ファイバ巻き上げおよびスプーリング装置に渡される。オーブンの２回目の通過におけるファイバの経路は、２つの経路におけるファイバが触れるのを防止するのに十分な距離（但し、オーブン内のＵＶ照射の「スイートスポット」の直径未満）だけ、第１の経路からオフセットしている。装置がリボン硬化で用いられる場合、ＵＶ照射の焦点領域を含む「スイートスポット」は、両リボン経路を完全に覆うのに十分な直径である必要がある。このような配置では、単一のＵＶオーブンが、第１および第２のオーブンの機能を想定するため、これまではさらなるＵＶオーブンを追加したときのみに成し遂げられていたのと類似の結果（即ち、より高いライン速度）が得られる。
【００１１】
本発明の第２の好ましい実施形態では、ＵＶオーブンの出口端部から出てきたファイバは、単一の折り返しシーブによって逆方向に出口端部を通ってオーブンに方向づけられ、第１の経路と反対方向にオーブンを通って第２および第３の折り返しまたは遊びシーブに到達し、第２および第３のシーブはファイバを巻き取りシーブおよび巻き取り機構に方向づける。第２の実施形態は、第１の実施形態よりも設定がいくぶんか簡単であるが、実質的に同じ最終結果、即ち、より高いライン速度が得られる。
【００１２】
本発明の両実施形態、および当業者に発生し得るその改変では、ＵＶ硬化放射線の存在下の基板の滞留時間は、現存する硬化装置の滞留時間のほぼ２倍である。
【００１３】
本発明の多数の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読むことによってさらに十分に明白となり理解される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下の詳細な説明は、主に、ＵＶ硬化型インクでコーティングされた単一の光ファイバのＵＶ硬化に関するが、容易に明白となるように、本発明の特徴および原理は、光ファイバリボンのＵＶ硬化、および高速ＵＶ硬化動作を含む他の応用にも同様に適用可能である。これらの特徴および原理は、以下で論じるように、その趣旨および範囲から逸脱せずに、当業者により改変され得ることが想定できる。
【００１５】
図１は、ＵＶ硬化型インクでファイバ１２を着色し、その後インクを硬化させるための、現在工業的に用いられている従来のＵＶ硬化台１１の概略図である。
図１に示すように、矢印の方向に移動または延伸されているファイバ１２は、前の製造ステージ（図示せず）から、連続して、遊びシーブ１３、レーザマイクロメータなどのマイクロメータ１４、着色インクをファイバ１２上に薄いコーティングとして適用する着色ダイ１６、同心メータ１７を通って、ＵＶ硬化オーブン１８に入り、これを通過する。オーブン１８を出ると、この時点で、硬化した着色剤でコーティングしてあるファイバ１２は、第２のレーザマイクロメータ１９を通過し、シーブ２１の周りに沿って、巻き取りリール２２に巻き取られる。巻き取りリールは適切な手段（図示せず）によって駆動され、ファイバに延伸力を供給する。巻き取りリールは、キャプスタン（図示せず）を有するか、または意図されるように、一般的に端部において巻き取りリールを用いるリボン巻き動作などの次の動作を表すことを意図している。
【００１６】
単一の機械構成内に含まれ得る図１の配置１１は、光ファイバ着色ステージを正確に示すものである。この着色ステージは、産業界にわたって様々な小さな改変を行って用いられている。上記で指摘したように、現在用いられているインクおよび／またはマトリクス材料、ならびに現在の着色機械のＵＶ能力では、所定の硬化レベルに合致させるため、この機械を通過するファイバの速度は一般に１秒当たり約１０メートル（１０ｍ／ｓｅｃ）に限定されている。速度を増加させると、リボンの動作特性が不利益に変化するか、または一部だけが硬化されているため、使用時に望ましくない性能特性を有する傾向のある着色インクとなり得る。さらに、通常単一の機械に設けられている図１の配置を広く用いているため、このような機械を、例えば、よりパワーの強いＵＶ硬化オーブンを有する新しい機械に置き換えることは経済的に不可能であり、また、空間が限られている場合には、現存する機械をより硬化パワーの高いものに変更することも経済的に不可能である。このような変更により、機械の設置面積が変更され、拡大されるからである。
【００１７】
図２は、図１の機械１１の後付けを構成し、設置面積を実質的に増加させない本発明の装置２３を概略的に示す。図２の空間は明白にするため強調されていることを理解されたい。また、いくつかの図面では、同様の部分は同じ参照符号を有する。図２の配置では、図１の装置のように、ファイバ１２は、オーブン１８を通過するが、オーブン１８を出た後、折り返しシーブ２６、２７、２８および２９によってオーブン１８の入口に再び方向づけられ、図３（実際の経路空間を強調している）に示すように、第１の経路２５に密接に隣接しているが間隔を置いた第２の経路３０に沿ってオーブン１８を通過する。
【００１８】
大抵のＵＶオーブンは、図３に示すように、「スイートスポット」３１を特徴とする。スイートスポット３１は、オーブン内のＵＶ照射の最大均一強度の焦点領域である。図２および図３の配置では、スイートスポット３１は、経路２５および３０におけるファイバをカバーし、最適な照射が両経路において起こるように、十分な直径または断面積を有さなければならない。図４は、ファイバリボン３２のマトリクス材料を硬化するために用いられる、図２の装置の経路構成を示し、スイートスポット３１は、経路２５および３０のそれぞれにおいて同時に材料を最適に硬化させるのに十分な大きさであることが理解され得る。
【００１９】
図４に示すように、図２の経路配置では、オーブン１８に２つの横断路を形成しているのにもかかわらず、リボンの一側部は、他の側部よりも多くのＵＶ照射を受ける。図５は、本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態では、ファイバ１２またはリボン３２の両側は、ほぼ等量のＵＶ照射を受ける。オーブン１８におけるファイバ１２またはリボン３２の初期の通過は、図１および図２の配置について実質的に同じである。しかし、オーブン１８の出口端部から出ると、加工物（ファイバ１２またはリボン３２）の方向は折り返しシーブ３６および位置合わせシーブ３７で反転され、矢印で示すように、反対方向にオーブン１８を通過する。加工物部材の２つの経路２５および３０の空間は図３および図４に示すのと同様であるが、移動方向は反対である。リボン３２の場合のＵＶ照射のスイートスポット３１は、経路２５においてリボンの一面に衝突し、経路３０においてリボンの他面に衝突し、これにより、リボン全体の完全な硬化が確保される。リボン３２の他の表面はまた、スイートスポットによって直接は衝突されないが、ＵＶ照射を受ける。オーブン１８は、経路２５および３０のそれぞれにおいて両面がＵＶ照射を受けるように、焦点合わせおよび反射部材が設けられ得る。
【００２０】
オーブン１８の本来の入口端部から出ると、加工物部材は、シーブ３８および３９によって巻き取りシーブ２１に方向づけられる。シーブ３８をシーブ２１に置き換え、シーブ３９を除去してもよいことを理解されたい。この場合、レーザマイクロメータ１９は、シーブ２１と巻き取りリール２２との間（または次の製造ステージ）に配置され得る。構成全体においてＵＶ硬化機械は異なり得るため、図２および図５に示す配置以外のシーブ配置は、当業者によって考えられ得る。しかし、あらゆる場合において、オーブン１８におけるＵＶ照射は、加工物部材、即ち、ファイバ、リボン、または他のＵＶ硬化型部材に少なくとも２回衝突しなければならない。図２および図５に示すように、本発明の実施形態の配置では、主に非線形硬化レートのため、加工物部材の移動速度は必ずしも２倍になるわけではない。しかし、定位置に配置された硬化機械に対して有益な速度増加を構成する速度増加は可能である。従って、本発明では、現在用いられているＵＶ照射ステージを置き換えずに、ＵＶ量を増加させ、ファイバまたは他の加工部材のスループットを増加させることが可能である。開示されている本発明の原理および特徴を、（シーブなどの再方向づけ部材をさらに追加するための空間が十分にある）硬化オーブンでの多数回（２回より多くの）通過に適応することにより、より高い速度が可能である。本発明の原理は、現存する機械への後付けだけでなく、新しい機械にも適用可能であることを理解されたい。図面に例示するように、これらの原理は、簡単であるという特長を有し、それ自体、新しい機械の設計者にとって経済的に魅力的である。
【００２１】
詳細な説明をまとめると、多くの変更および改変が、本発明の原理から実質的に逸脱せずに好ましい実施形態になされ得ることは当業者に自明であることに留意されたい。このような変更および改変はすべて、本発明の範囲内であるため、本明細書に含まれるものとする。さらに、請求の範囲では、対応する構造、材料および作用、ならびにミーンズプラスファンクション要素またはステッププラスファンクション要素のすべての等価物は、他の請求の範囲に記載されている要素または特に請求の範囲に記載されている工程を用いて機能を果たすための任意の構造、材料、または作用を含むものとする。
【００２２】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、製造プロセスの速度を限定し、所定量のＵＶ照射が適用され、インク着色剤が完全に硬化することを確実にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 硬化型材料を有する加工物要素をＵＶ硬化するための従来の装置の概略図。
【図２】 本発明の第１の実施形態の概略図。
【図３】 コーティングされた光ファイバがＵＶ照射にかけられる、図２の配置の一部を示す図。
【図４】 光ファイバリボンがＵＶ照射にかけられる、図２の配置の一部を示す図。
【図５】 本発明の第２の実施形態の概略図。
【符号の説明】
１２ ＵＶ硬化型インクでファイバ
１３ 遊びシーブ
１４ マイクロメータ
１６ 着色ダイ
１７ 同心メータ
１８ ＵＶ硬化オーブン
１９ 第２のレーザマイクロメータ
２１ シーブ
２２ 巻き取りリール
２３ 装置
２６ 折り返しシーブ
２７ 折り返しシーブ
２８ 折り返しシーブ
２９ 折り返しシーブ

Claims (16)

1. 紫外線硬化型被覆を有する加工物製品を硬化させる装置であって、
   入口端部と出口端部とを有する硬化オーブンを含み、前記オーブンは前記入口端部と出口端部との間に前記加工物製品のための第１の経路をその内部に有し、そして前記オーブンは、前記加工物製品を部分的に硬化させるための前記第１の経路が通過する、最大均一強度の硬化放射領域を有し、さらに、
   前記出口端部に隣接して配置された第１の経路変更部材を含み、前記第１の経路変更部材は、前記加工物製品を、前記第１の経路から離間した前記オーブンを通る第２の経路に送り、そして前記加工物製品をさらに硬化するために前記オーブンの前記最大均一強度の硬化放射領域を通過させるものであり、さらに、
   前記オーブンから出た前記第２の経路の前記加工物製品を次の動作に渡すための巻き取り部材を含むことを特徴とする装置。
2. 前記第２の経路は前記加工物製品を前記巻き取り部材に運ぶことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記第１の経路変更部材は、前記第２の経路に沿って前記オーブンの前記入口端部に前記加工物製品を再導入する、前記加工物製品のための前記第２の経路を規定する第２、第３、および第４の経路変更部材に前記加工物製品を送るように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記加工物製品は、前記第１の経路と同じ方向に前記オーブン内を前記第２の経路で移動することを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記経路変更部材はシーブであることを特徴とする請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記第１の経路変更部材は、前記第１の経路に沿った前記加工物製品の移動方向とは反対の方向で、前記加工物製品を、前記第２の経路に沿って前記オーブンの前記出口端部を逆に通過させるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
7. 前記第２の経路の前記加工物製品を前記巻き取り部材に渡す、前記オーブンの前記入口端部に隣接する第２の経路変更部材をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記経路変更部材はシーブであることを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
9. 紫外線硬化型材料を上部に有する光ファイバ加工物部材を紫外線照射に曝す方法であって、
   前記加工物部材が紫外線硬化オーブンを第１の経路に沿って通過し、それによって、前記加工物部材が少なくとも部分的に硬化する工程を含み、前記第１の経路は前記オーブン内の最大均一強度の放射領域を通過するものであり、さらに、
   前記加工物部材を前記オーブンに第２の経路に沿って再導入する工程を含み、前記第２の経路は前記最大均一強度の放射領域を通過するものであり、さらに、
   前記第２の経路に沿って前記オーブンから出た前記ファイバを次の後硬化ステージへ渡す工程とを含むことを特徴とする方法。
10. 前記第２の経路は、前記最大均一強度の放射領域の幅よりも短い距離だけ前記第１の経路から離間しており、そして前記加工物部材は前記第１の経路と同じ方向で前記第２の経路に沿って移動することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記オーブンは最大均一強度の放射領域を特徴とし、前記第２の経路は、前記最大均一強度の放射領域の幅よりも短い距離だけ前記第１の経路から離間しており、そして前記加工物部材は前記第１の経路での移動とは反対方向で前記第２の経路に沿って移動することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 光ファイバを着色する装置であって、
    前記光ファイバが通過するように形成された着色ダイと、
    前記ファイバが入口端部と出口端部との間を第１の経路に沿って通過する紫外線硬化オーブンと、
    前記第１の経路から離間した第２の経路で前記オーブン内を前記ファイバが通過するために、前記第１の経路の前記ファイバが通過するように形成された、前記オーブンの前記出口端部に隣接する第１の折り返し部材と、
    前記オーブンから出た前記第２の経路の前記ファイバを次の動作に渡す巻き取り部材とを順次有することを特徴とする装置。
13. 前記第１の経路での移動方向と同じ方向で前記ファイバが前記オーブン内を移動するように前記第２の経路を前記入口端部に位置付ける、前記オーブンの外側にある複数の第２の折り返し部材をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１および第２の折り返し部材はシーブであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１の折り返し部材は、前記第１の経路での移動方向とは反対の方向に前記ファイバを前記第２の経路に沿って移動させることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 前記第１の折り返し部材はシーブであることを特徴とする請求項１５に記載の装置。

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