用于增加高速UV固化处理的UV剂量和产量的方法和装置

摘要

用于固化以高速度沿着第一路径通过固化炉的线性工件的装置,其具有第一路径改变部件如滑轮,用于再次引导工件沿和第一路径隔开的至少一第二路径通过固化炉。按第一实施例,多个所述滑轮再次引导工件通过固化炉的入口,以在第二路径中沿与第一路径中行进方向相同的方向行进。按第二实施例,所述路径改变部件再次引导工件进入固化炉的出口端,以在第二路径中沿和第一路径相反的方向行进。

说明书

本发明涉及利用相当薄的紫外线可固化油墨涂层对颜色编码的光波导进行染色以及其它的UV固化处理。

光纤波导的使用，或者作为工业光纤，或者作为用于传输数据的带形的许多这种光纤的阵列，已经成为信号传输的优选形式。和金属电导体相比，光纤具有极高的信息传输能力。

光纤的直径非常小并且极其易碎，因而使得单个的光纤难于处理和操作。因此，通常把大量的光纤组合而成为光缆，或者组成光纤带，其中包括多个相互平行延伸的并被封装在基体材料中的多个光纤。在这种组合中存在的大量的实际上相同的光纤使得如果没有一些光纤识别方法便几乎不可能进行连接和拼接。被广泛使用的一种方法是按照标准码对各个光纤进行颜色编码，例如用于金属导体的类似方法。这种颜色编码虽然是有效的，但是难于实现，尤其是在最需要高的速度或者高的生产能力的生产环境中。

例如，已经表明，使用常规的基于着色剂例如颜料的溶剂、标记流体、油墨等进行玻璃光学波导的高速颜色编码是不满意的，因为这种基于着色剂的溶剂膜通过溶剂的蒸发和干燥被形成，这是一种相当慢的处理。此外，基于溶剂的油墨系统对于溶剂、油和在光缆安装环境中碰到的凝胶体没有所需的长期耐受力。基于着色剂的溶剂容易通过一般在形成光缆的过程中遇到的磨损而被磨掉。此外，这种材料通常含有对环境不利的溶剂，并且难于以足够的精度围绕光纤的圆周形成真正均匀的涂层。至于使用油墨作溶剂，常规的油墨涂敷装置和技术不适用于在10m/sec数量级的高速下处理光纤。

如上所述，玻璃光纤非常易碎，易于受到破坏。因此，一般地说，它们被包覆一或几层保护性塑料涂层，如美国专利4,125,644和4,344,669中所述。在光纤一被形成时，就施加这些保护性涂层，以便保护光纤防止在收存和处理期间被磨损。在美国专利4,125,644中提及，如果需要，含有颜料的几种添加剂可用于这些保护塑料涂层。因而，由光纤制造者可以通过保护涂层的着色实现某种程度的光纤外部的着色，借以帮助识别特定的产品。不过，如美国专利4,125,644所述，被添加到缓冲覆层中的物质的类型和数量必须仔细选择，以便避免干扰涂层的所需的质量。此外，对缓冲涂层加入颜料添加剂能够降低光纤的拉伸和固化速度，因而降低总的光纤生产速度。此外，在光缆的生产中，重要的是在光缆中的光学波导的物理和光学特性应当仔细地匹配，通常需要所有的光学波导都出自同一批产品。因而，即使已经知道可以在缓冲涂层中加入着色剂，如上所述，光纤制造者也不容易想到对光纤进行颜色编码，从而利用这种方法进行光纤的识别。

已经发现，包括其上具有保护性涂层的光纤的光纤波导可以被成功地进行颜色编码，其中对光纤提供染色的紫外线(UV)固化的油墨的附加涂层，其作为例如厚度为5-12微米的非常薄的膜被涂敷。这种涂层通过使光纤在相当高的速度下通过涂敷装置，接着，通过UV辐射固化装置或炉子，被涂敷和固定，然后，把光纤绕在收存卷轴上，或者使其进入其它的生产阶段，经过这些阶段，最终将光纤缠绕在收存卷轴上。

当光纤要被排列在一个带状结构中时，每根光纤被封装在覆层材料的内外层中，并被提供以颜色识别标记。内层包括可UV固化的粘结材料，具有大约为1MPa范围内的模数。作为机械保护，外层是具有大约在1Gpa范围内的模数的可UV固化的粘结材料。当光纤被设置在平行的阵列中时，在光纤之间以及在光纤和封皮之间产生裂缝，在最接近的位置，封皮和每根光纤被分开大约25微米。一种具有小于光纤上外涂层的模数而大于内涂层的模数的UV可固化基体粘结材料填充此裂缝，其延伸到限定封皮的外围线，并和光纤粘合在一起。该基体材料的模数和基体材料与光纤上的颜色识别标记的是这样的，其使得中间光纤和中间带能够运动。此外，在由工人施加剥离力时，不用复杂的工具并且不弄乱颜色识别标记便可接近各个光纤。

在带状结构和形成光缆的各个光纤的结构中，例如，至少具有一个UV油墨固化步骤，并且，对于光纤带，有两个UV固化步骤。利用当前品牌的油墨、基体材料和当前染色机的UV容量，染色速度一般为10m/sec的数量级，以便满足规定的固化程度。利用在较高的染色速度下染色的光纤制成的光纤带引起带的操作性能的有害的改变。结果，一直通过限制生产过程的速度来保证施加预定剂量的UV辐射，以便实现油墨染色剂的充分固化。如果例如通过附加的UV炉或者采样用较高功率的UV炉达到较高的固化水平，可以实现较高的速度，但是，增加UV强度或功率也需要对设备进行大的改动，例如要改变整个炉子、电源和排气系统。在现有的染色生产线中，空间的限制以及对环境的影响和安全问题，使得难于使用附加的UV炉，这将要求在染色机的“覆盖范围”中进行重大的改变，并需要复杂的过程控制。因为目前在染色机和在整个染色生产阶段中存在的巨大的投资，改造染色阶段以便增加一个附加的染色机将是一个昂贵的部分。新的光纤生产线可能允许这种附加，但是当前的生产线一般是不允许的。

本发明是一种改进的结构，其被设计用于现有的对光纤波导进行颜色编码或成带的UV固化装置，以便提高光纤在整个生产过程中的速度，同时维持最小的UV辐射剂量，虽然本发明不限于更新现有的设备。例如，本发明的装置并不需要增加固化装置的空间或固化装置的覆盖范围，然而它能够大大增加线速度，因而增加每单位时间内的光纤的产量。此外，本发明改进了在油墨着色剂的整个表面上固化的均匀度，因为光纤轮廓的两侧轮流地面对UV辐射源。正如上面指出的，这种较高的线速度迄今一直通过添加一个或几个UV炉来实现，这比现有的固化装置需要更多的空间，并且使得在升级期间整个生产线不能操作。

在本发明的第一个示例性的实施例中，本发明包括一UV固化操作台，其中使利用所需颜色的油墨涂覆的光纤以比以前使用的速度相当高的速度下通过一UV固化炉。在炉的出线端，具有用于传递光纤的第一和第二转向滑轮，所述光纤只被局部地固化，然后回到第三和第四滑轮，所述第三和第四滑轮接着传递进入并通过同一个UV炉，以便第二次暴露于UV辐射。从炉中出来的光纤借助于输出滑轮或卷带轮被送入其它阶段，或者最终被送到光纤收带和卷绕装置。在第二次通过固化炉时光纤的路径和第一次的路径错开一个足以阻止在两个路径中的光纤接触，但是小于炉内UV辐射的“扫描光斑”(“sweet spot”)的直径的距离。当该装置用于光纤带固化时，要求包括UV辐射的聚焦UV辐射区域的“扫描光斑”具有足够的直径，以便完全覆盖两个光纤带的路径。利用这种结构，一个UV炉作为第一和第二UV炉使用，实现了相当于以前只有使用附加的UV炉才能实现的结果，即具有较大的线速度。

按照本发明的第二个优选实施例，由UV炉出口端出来的光纤借助于一个转向滑轮被沿相反的方向引导，使光纤通过出口端回到炉中，并沿和第一路径相反的方向在炉中通过，到达第二和第三转向滑轮或惰轮，把其引导到卷带轮或收带机构上。第二实施例比第一实施例的设置简单一些，但是具有基本相同的结果，即获得较大的线速度。

在本发明的两个实施例以及本领域技术人员可以作出的改型中，基体在UV固化辐射区域驻留的时间大约是现有的固化装置的两倍。

本发明的许多特征和优点从下面结合附图进行的详细说明中将更充分地看出和理解。

图1是用于UV固化其上具有可固化材料的工件的现有技术的设备的示意图；

图2是本发明第一实施例的示意图；

图3是图2中结构的一部分的示意图，其中被涂敷的光纤受到UV辐射；

图4是图2中结构的一部分的示意图，其中的光纤带受到UV辐射；以及

图5是本发明第二实施例的示意图。

下面主要详细说明涂敷有可UV固化的油墨的单个光纤的UV固化，但是容易理解，本发明的特征和原理同样适用于光纤带的UV固化，以及涉及高速UV固化操作的其它应用。可以想见，这些特征和原理，如后所述，可以由本领域技术人员不脱离本发明的构思和范围的情况下进行改变。

图1是当前在工业中使用的现有技术的UV固化操作台11的示意图，所述固化操作台用于利用UV可固化油墨对光纤12染色，并随后对油墨固化。如图1所示，正在沿箭头的方向被移动或拉伸的光纤12来自前一个未被示出的生产阶段，接着在惰轮13的上方经过及通过一测微计14，例如激光测微计，并通过一染色用的模具16，在光纤12上涂敷一薄层染色油墨，接着通过一同心度计17进入并通过固化炉18。从固化炉18出来的光纤12上具有固化的着色涂层，接着通过第二个激光测微计19和环绕一个滑轮21，到达由未示出的合适的装置驱动的卷带轮22，对光纤施加拉伸力。卷带轮可以包括未示出的绞盘，也可以是用于随后操作例如成带操作的特定装置，这些操作一般在其终端都具有一卷带轮。

图1的装置11可以被包括在一单个机器结构内，这是一种在工业上使用的用于光纤染色阶段的机器的精确表示，只具有一些微小的改变。如前所述，利用油墨与/或目前使用的基体材料，当前的染色机的UV处理能力，即通过的光纤的速度一般被限制为10m/sec，以便确保满足规定的固化程度。更高的速度可能引起光纤带的操作性能的有害的改变，或者使得染色油墨仅仅局部被固化，因而在使用时出现不理想的性能特性。此外，因为图1的装置的广泛使用，该装置通常被包括在一个机器中，在经济上不容易利用例如具有更大的功率的UV固化炉的一个新的机器更换这种机器，或者当空间的价格昂贵时，不易把现有的机器改变成为具有大的UV固化功率的机器，因为这种改变涉及到改变并扩大机器的覆盖范围(footprint)。

图2所示是本发明的设备23的示意图，这是图1中机器11的一种改进，其中表示实际上没有增加机器的覆盖范围。应当理解，图2中的间隔为清楚起见被扩大了。此外，在几个图中，相同的部件利用相同的标号表示。在图2的结构中，光纤12如图1的设备中那样通过固化炉18，但是在从固化炉18出来之后，光纤12通过转向滑轮26,27,28和29改变方向再次进入固化炉18，并沿着第二路径30通过炉18，第二路径30和第一路径25紧紧相邻而又相互隔开，如图3所示，图中是实际路径间距的一种放大的表示。

大部分UV炉以“扫描光斑”31表征，如图3所示，它是在固化炉内UV辐射的最大的均匀强度的一个聚焦面积。在图2和图3的结构中，扫描光斑31应当具有足够的直径或横截面积，以便盖住在路径25和30中的光纤，使得在两个路径中进行最佳的辐射。图4表示用于图2的设备的路径配置，用于固化光纤带32的基体材料，可以看出扫描光斑33是足够大的，使得能够同时提供在每个路径25和30中的材料的最佳固化。

在图2所示的路径的配置中，如图4所示，带的一侧比另一侧通常接收更多的UV暴露，尽管两次通过固化炉18。在图5中，示出了本发明的第二个实施例，其中光纤12或带32的两侧接收基本上相等的UV曝光量。光纤12或带32初次通过固化炉18的情况和图1、图2所示的配置的情况相同。不过，在从固化炉18的出口端出来之后，工件(光纤12或带32)的方向借助于转向滑轮36和校准滑轮37反向，使得其沿相反方向通过固化炉18，如箭头所示。工件的两个路径25和30的间隔和图3、图4的类似，不过行进方向相反。在带32的情况下，UV辐射的扫描光斑31在路径25中投射到带的一个表面，在路径30中，则投射到带的另一个表面，因而确保整个带的充分固化。带32的另一个表面也接收UV辐射，虽然不直接被扫描光斑照射。固化炉18可以配备聚焦和反射部件，从而确保两个表面在每个路径25和30中接收UV辐射。

在从固化炉18的原始进入端出来之后，工件被滑轮38和39引导到卷带轮21上。应当理解，滑轮38可用滑轮21代替，并取消滑轮39，在这种情况下，激光测微计可以位于滑轮21和卷带轮22之间(或者相继的生产阶段)。因为UV固化机在整个结构上可以不同，本领域技术人员也可以设计出和图2、图3所示的其它滑轮结构。不过，在所有情况下，在固化炉18中的UV辐射应当在工件即光纤、光纤带或其它UV固化件上至少照射两次。图2和图5所示的本发明的实施例的结构不必使工件以两倍的速度行进，这主要是因为非线性的固化速率。不过，增加速度是可能的，这使得在原地的固化机可以具有有益的速度增加。因此，本发明可以增加UV剂量和光纤或其它工件的产量，而不用更换当前使用的UV辐射级。通过采用本发明披露的多次(两次以上)通过固化炉的原理和特征，其中具有足够的空间能够安装附加的再次引导件，例如滑轮，可以获得较大的速度。应当理解，本发明的原理可以应用于新的机器并用于更新现有的机器。这些原理，如附图所示，具有简单的优点，其本身是经济的，对于新机器的设计者具有吸引力。

在上面的详细说明中，应当注意，显然，对于本领域技术人员，不脱离本发明的构思，可以对本发明的优选实施例作出许多改变和改型。所有这些改变和改型都包括在本发明的范围内。此外，在所附的权利要求中，所有装置或步骤以及功能元件的相应的结构、材料和作用和等效物都旨在包括用于完成所述功能的任何结构、材料或作用的其它元件、结构和步骤。