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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren
zur Herstellung einer Lichtleitfaser aus einem Vorformling, mit
folgenden Schritten:
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- a) Erwärmen
zumindest eines Endabschnitts des Vorformlings;
- b) Ziehen einer Lichtleitfaser von einem freien Ende des erwärmten Endabschnitts
entlang einer Faserziehachse;
- c) Beschichten der Lichtleitfaser mit einem geeigneten Beschichtungsmaterial;
- d) Aufbringen eines Drehmoments um die Faserziehachse auf die
beschichtete Lichtleitfaser;
- e) Aufwickeln der beschichteten Lichtleitfaser auf eine Aufwickelspule.
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Spezieller
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Lichtleitfaser mit einer niedrigen PMD zum Einsatz auf dem
Gebiet der Telekommunikation.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Verdrillungseinrichtung
zum Aufbringen eines Drehmoments auf eine Lichtleitfaser um ihre
Ziehachse, sowie ein Gerät,
welches die Verdrillungseinrichtung aufweist, zur Durchführung des
voranstehend geschilderten Verfahrens.
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STAND DER
TECHNIK
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Bekanntlich
ist es bei Signalübertragungssystemen,
welche Lichtleitfasern verwenden, insbesondere bei derartigen Systemen,
die über
große Entfernungen
arbeiten, erforderlich, jegliche Art von Abschwächung oder Dispersion der Signale
zu minimieren, um hohe Übertragungs-
und Empfangsstandards sicher zu stellen. Es ist insbesondere erforderlich,
einen speziellen Dispersionseffekt zu minimieren, der als PMD (Polarisationsmodendispersion)
bekannt ist, der zu einer Beschränkung
der Breite des Signalübertragungsbandes
führt,
und demzufolge zu einer Beeinträchtigung
der Leistungen der Lichtleitfasern, über welche die voranstehend
erwähnten
Signale übertragen
werden.
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Bekanntlich
kann die fundamentale Ausbreitungsmode eines Signals in einer Lichtleitfaser
als die Resultierende von zwei linear polarisierten Wellen in orthogonalen
Ebenen angesehen werden. Theoretisch sind bei einer Lichtleitfaser
mit perfekt symmetrischem, kreisförmigen Querschnitt (also bei
Einzelmodenfasern) die Ausbreitungskonstanten der beiden Komponenten
identisch, so dass sich die Mode ungeändert und entsprechend einer
Zylindersymmetrie entlang der Lichtleitfaser selbst ausbreitet,
wobei sich die beiden Komponenten mit der selben Geschwindigkeit
bewegen. Im Gegensatz hierzu weisen jedoch in der Praxis Lichtleitfasern
bauliche und geometrische Unregelmäßigkeiten auf, die durch Änderung
der voranstehend erwähnten
Zylindersymmetrie zu Bedingungen asymmetrischer mechanischer Spannungen
in den Lichtleitern selbst führen, und
zu einer Anisotropie ihrer optischen Eigenschaften; die beiden Modenkomponenten
treffen daher auf Zonen mit unterschiedlichem Brechungsindex, und breiten
sich mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten aus, wodurch
der PMD-Effekt hervorgerufen wird.
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Ein
in dieser Hinsicht besonders wichtiger Parameter ist die sogenannte
Kohärenzlänge oder Lichtleiterschwebungslänge, also
die Länge
des Lichtleiters, die erforderlich ist, dass die beiden Komponenten
der Fundamentalmode wieder phasengleich werden.
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Abgesehen
von baulichen und/oder geometrischen Fehlern, die an sich bei der
Lichtleitfaser vorhanden sind, beispielsweise beim Vorliegen nicht perfekt
kreisförmiger
Kerne, kann der PMD-Effekt auch durch Bedingungen asymmetrischer,
mechanischer Spannungen hervorgerufen werden, die durch äußere Spannungen
erzeugt werden, beispielsweise jene, die im Betrieb während der
Spulenaufwickel- oder Verdrahtungsschritte hervorgerufen werden.
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Experimentell
wurde gezeigt, dass es möglich
ist, die PMD einer Lichtleitfaser dadurch zu verringern, dass letztere
geeigneten, externen mechanischen Spannungen während des Ziehvorgangs ausgesetzt
wird, insbesondere durch Aufbringen eines Drehmoments auf eine derartige
Lichtleitfaser.
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Zu
diesem Ziel wurden verschiedene Einrichtungen und Verfahren zur
Herstellung einer Lichtleitfaser mit niedriger PMD in der Vergangenheit
vorgeschlagen, wobei die früheren
auf der Vorgehensweise beruhten, den Vorformling zu drehen (eine
Vorgehensweise, die schnell abgeschafft wurde, infolge der offensichtlichen
technischen Schwierigkeiten und der Unmöglichkeit, eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit
zu erzielen), und die jüngsten
auf der Vorgehensweise beruhen, während des Ziehvorgangs ein Drehmoment
auf die Lichtleitfaser um ihre Achse aufzubringen (Spinnen/Verdrillen
der Lichtleitfaser).
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Daher
beschreibt beispielsweise das US Patent Nr. 4 504 000 (Thomson – CSF) ein
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser mit spiegelbildlich isomerem
Aufbau, mit hoher kreisförmiger
Doppelbrechung, wobei eine Einrichtung, die mit drei Rillenscheiben
versehen ist, an eine Lichtleitfaser, die aus einem erwärmten Abschnitt
eines Vorformlings erzeugt wurde, ein Drehmoment um dessen Achse
anlegt. Das angelegte Drehmoment wird nachfolgend „eingefroren" in der Faseranordnung
mit Hilfe eines geeigneten Beschichtungsfilms, aus Glas oder Glaskeramik,
der auf die Faser selbst in einer speziellen Beschichtungsstation
aufgebracht wird.
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Ein
bei dem voranstehend geschilderten Verfahren auftretender Nachteil
ist mit dem hohen Risiko verbunden, die Faseroberfläche zu beschädigen, in Folge
der Tatsache, dass diese in Berührung
mit den voranstehend erwähnten
Rillenscheiben gelangt, bevor sie durch einen geeigneten Beschichtungsfilm ordnungsgemäß geschützt ist.
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Um
den voranstehend geschilderten Nachteil zu überwinden, wurde vorgeschlagen,
wie in den US Patent Nr. 5 298 047 und 5 418 881 (AT & T) beschrieben,
die Einrichtung, die zum Aufbringen des Drehmoments für die Faser
ausgebildet ist, stromabwärts
der Beschichtungsstation anzuordnen. Insbesondere wird bei den voranstehend
erwähnten
Patenten das Drehmoment mit Hilfe einer Faserführungsrolle aufgebracht, die
eine Drehachse aufweist, die senkrecht zur Ziehachse der Faser verläuft, und die
abwechselnd im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn verkantet
wird.
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Obwohl
im Wesentlichen das Ziel erreicht wird, die PMD der Faser zu verringern,
hat die Anmelderin jedoch festgestellt, dass die voranstehend geschilderten
Verfahren eine Reihe von Nachteilen aufweisen, für die es bislang keine adäquate Lösung gab.
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Ein
erster, von der Anmelderin beobachteter Vorteil ist mit dem Erfordernis
verbunden, die Verkantungsfrequenz der Führungsrolle zu begrenzen, um zu
vermeiden, dass während
des Ziehvorgangs eine relative Gleitbewegung zwischen der Lichtleitfaser und
der Rolle auftritt. Es gibt tatsächlich zwei
Gründe dafür, dass
eine derartige Gleitbewegung besonders nachteilig ist: erstens,
da sie zu einem mechanischen Abrieb der Oberfläche der Lichtleitfaser führen könnte, und
daher zu einer Beeinträchtigung
der Eigenschaften in Bezug auf mechanische Festigkeit und die Leistungen
der Faser selbst; zweitens, da hierdurch nicht ermöglicht wird,
dass das Drehmoment auf die Lichtleitfaser in Abhängigkeit
von einem gewünschten Änderungsgesetz
aufgebracht wird, wodurch die vorteilhaften Auswirkungen eingeschränkt werden,
die durch die eingesetzte Verdrillung in Bezug auf die Verringerung
des PMD-Effekts erreicht werden sollen.
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Die
Begrenzung der Verkantungsfrequenz der Führungsrolle führt darüber hinaus
zu einer entsprechenden Begrenzung der Zielgeschwindigkeit der Faser
(die beiden Geschwindigkeiten stehen unvermeidlich in Beziehung
zueinander, damit das gewünschte
Drehmoment auf die Faser aufgebracht werden kann), und daher zu
einer Begrenzung der Menge an pro Zeiteinheit hergestellter Faser.
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Ein
weiterer Nachteil, der bei dem voranstehend geschilderten Verfahren
auftritt, hängt
mit der Tatsache zusammen, dass die Oszillationen der Faser beim
Ziehen zu Verschiebungen der Ziehachse führen können, was zu ungewünschten
Schwankungen des Durchmessers der hergestellten Faser führt, oder
einer Ungleichmäßigkeit,
und/oder zu einer nicht perfekt koaxialen Anordnung zwischen der
Faser und der darauf aufgebrachten Beschichtungsschicht.
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Darüber hinaus
ermöglicht
ein derartiges Verfahren nicht das Aufbringen einer kontinuierlichen Drehung
in einer Richtung auf die Lichtleitfaser, da die Einrichtung, die
eingesetzt wird, zwangsweise eine abwechselnde Verdrillung auf die
Lichtleitfaser aufbringt.
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Es
sind andere Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern bekannt,
die den Schritt aufweisen, ein Drehmoment auf die Faser um ihre
Ziehachse aufzubringen, und das aufgebrachte Drehmoment „einzufrieren", mit Hilfe eines
geeigneten Beschichtungsfilms, bevor die Faser die Verdrillungsvorrichtung
erreicht, wie dies in der Japanischen Patentanmeldung Nr. JP 58-020746
und im Deutschen Patent
DE 3010005 beschrieben
wird.
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Die
JP 58-020746 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern,
die zur Aufrechterhaltung einer Einzelmoden-Zirkularpolarisation der Faser ausgebildet
sind, das ein Verfahren darstellt, bei welchem die Polarisationsebene
gleichförmig über die
Länge der
Faser selbst gedreht wird. Um die Doppelbrechung hervorzurufen,
die für
die zirkular polarisierte Mode erforderlich ist, wird die Faser
von dem freien Ende des Vorformlings aus durch eine Ziehvorrichtung
gezogen, die stromaufwärts
einer Beschichtungsstation angeordnet ist, und wird die Verdrillung
auf die Faser mit Hilfe einer Aufwickelspule aufgebracht, die stromabwärts einer
Beschichtungsstation angeordnet ist.
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Auf ähnliche
Weise beschreibt das Deutsche Patent
DE
3010005 ein Verfahren zur Herstellung verdrillter Lichtleitfasern,
bei welchem die Faser mit Hilfe einer Aufwickelspule gezogen und
verdrillt wird, die stromabwärts
einer Anzahl von Beschichtungsstationen angeordnet ist.
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Allerdings
wird bei den voranstehend geschilderten Verfahren die Verdrillung
auf die verfestigte Faser in dem Bereich zwischen der Ziehvorrichtung
und der Aufwickelspule aufgebracht, wodurch verhindert wird, dass
sie das erweichte, untere Ende des Vorformlings erreicht.
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Ein
weiterer Nachteil, der bei dem voranstehend geschilderten Verfahren
vorhanden ist, hängt mit
der hohen Masse und Trägheit
der Aufwickelspule zusammen, die zur Aufbringung des Drehmoments auf
die Faser verwendet wird, was es nicht ermöglicht, die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Spule (und daher die Ziehgeschwindigkeit der Faser) zu erhöhen, oder
verlässlich
eine gewünschte
Verhaltensweise der Drehmomentänderung
bei der Faser zu erzeugen. Weiterhin ist es erforderlich, eine Translationsbewegung
der Spule durchzuführen
(oder eine geeignete Vorrichtung vorzusehen), damit dort die Faser
aufgewickelt werden kann.
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Schließlich beschreibt
die Japanische Patentanmeldung Nr. JP 06-239642 ein Verfahren zur
Herstellung von Lichtleitfaserbündeln,
bei welchem eine Verdrillung einer Anzahl von Lichtleitfasern aufgeprägt wird,
um helixförmig
verdrillte Fasern zu erhalten, welche, nachdem sie miteinander vereinigt
zur Ausbildung eines Bündels
wurden, Enden aufweisen, die statistisch an den Einfalls- und Austrittsseiten
des Bündels
angeordnet sind. Die Verdrillung wird beispielsweise durch eine
Raupe aufgebracht, die stromaufwärts
der Aufwickelspule angeordnet ist; die Raupe wird auch dazu verwendet,
die Faser von dem Vorformling zu ziehen.
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Das
Ziel des voranstehend geschilderten Verfahrens unterscheidet sich
deutlich von jenem der vorliegenden Erfindung. Tatsächlich werden,
um das voranstehend geschilderte Ziel zu erreichen, Fasern mit einem
helixförmigen
Verlauf entlang der Axialrichtung hergestellt.
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Auch
in diesem Fall, und in Folge der hohen Masse und Trägheit der
Raupe, die zum Aufbringen des Drehmoments auf die Faser verwendet
wird, ist es jedoch nicht möglich,
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Raupe (und daher die Ziehgeschwindigkeit
der Faser) zu erhöhen,
oder verlässlich
auf die Faser ein gewünschtes
Verhalten der Drehmomentänderung
aufzuprägen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG Die Anmelderin hat nunmehr ein Verfahren und ein Gerät entdeckt,
welche die Herstellung einer Lichtleitfaser mit niedriger PMD ermöglichen,
und gleichzeitig die voranstehend erwähnten Nachteile des genannten
Stands der Technik überwinden
können.
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der
voranstehend geschilderten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
das Aufbringen des Drehmoments um die Ziehachse der voranstehend
geschilderten, beschichteten Faser mit Hilfe einer Rillenscheibe
durchgeführt wird,
die stromaufwärts
der Aufwickelspule gehaltert ist, und um die Ziehachse der Faser
gedreht wird, und um welche die Lichtleitfaser mit einem Winkel von
zumindest 360° herumgeschlungen
ist.
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In
vorteilhafter Weise ermöglicht
es das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung, die gewünschte
Faserverdrillung zu erzielen, ohne Beeinträchtigung deren Eigenschaften
in Bezug auf mechanische Widerstandsfähigkeit, und ermöglicht es weiterhin,
eine hohe Ziehgeschwindigkeit der Faser zu erreichen, wodurch die
hergestellte Menge an Lichtleitfasern pro Zeiteinheit erhöht wird.
Im Unterschied zu dem bekannten Verfahren wird bei dem Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Faser um zumindest etwa 360°, wobei im Wesentlichen kein
Gleiten auftritt, um ein Teil herumgeschlungen, das dazu ausgebildet
ist, die gewünschte
Verdrillung bei der Faser selbst aufzubringen (Rillenscheibe); dies
ermöglicht
eine Erhöhung
der Umdrehungsgeschwindigkeit der Rillenscheibe selbst (und daher
der Ziehgeschwindigkeit der Faser), und zwar ohne das Risiko, dass
eine relative Gleitbewegung zwischen der Rillenscheibe und der Faser
vorhanden ist. Das Fehlen eines derartigen Gleitens ermöglicht es
darüber
hinaus, bei der Faser das gewünschte
Verhalten in Bezug auf die Drehmomentänderung zu erzeugen.
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Das
Fehlen jeder Art von Schwingungen ermöglicht darüber hinaus in vorteilhafter
Weise das Vermeiden jeder gegenseitigen Störung mit dem Schritt des Aufbringens
der Beschichtungsschicht auf die Faser, so dass die Schicht daher
homogen über
die gesamte Oberfläche
der Faser verteilt wird.
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Die
voranstehend erwähnte
Rillenscheibe kann um die Ziehachse der Lichtleitfaser entsprechend
einer Bewegung in einer Richtung gedreht werden, mit konstanter
oder variabler Umdrehungsgeschwindigkeit, beispielsweise mit einer
Geschwindigkeit, die sich entsprechend einem sinusförmigen Muster
von einem Maximalwert bis herunter zu einem Minimalwert ändert, der
auch gleich Null sein kann.
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Alternativ
kann die voranstehend geschilderte Rillenscheibe um die Ziehachse
der Lichtleitfaser entsprechend einer sich ändernden Bewegung gedreht werden,
im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Auch in diesem Fall
kann so vorgegangen werden, dass eine konstante Umdrehungsgeschwindigkeit
eingesetzt wird, wobei diese Geschwindigkeit zuerst bei einer Drehrichtung
eingesetzt wird, dann die Drehrichtung umgekehrt wird, und der selbe
Geschwindigkeitswert in der entgegengesetzten Richtung eingesetzt
wird. Ein sich änderndes
Geschwindigkeitsmuster umfasst dagegen eine Geschwindigkeitsänderung,
beispielsweise entsprechend einem sinusförmigen Muster, von einem Maximalwert
in eine Richtung bis zu einem Maximalwert in der entgegengesetzten
Richtung, wobei ein Durchgang durch einen Geschwindigkeitswert von
Null an dem Punkt erfolgt, an welchem die Drehumkehr stattfindet.
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In
vorteilhafter Weise wird eine alternierende Umdrehungsgeschwindigkeit
bei der Rillenscheibe eingesetzt. Dies ermöglicht es, das Vorhandensein verbleibender
Torsionen bei den Fasern zu verhindern, die auf die Aufwickelspule
aufgewickelt werden (so dass die aufgespulte Faser im Wesentlichen
keine Torsion zeigt), wodurch sowohl das Abwickeln und die Verdrahtungsvorgänge der
Faser einfacher werden.
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In
der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen wird
der Begriff „Verdrillungsabstand" dazu eingesetzt,
die geradlinige Entfernung anzugeben, die entlang der äußeren Oberfläche der
Faser zwischen zwei Abschnitten der Faser gemessen wird, welchen
das selbe Drehmuster aufgeprägt
wird.
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Vorzugsweise
wird die Lichtleitfaser aus dem Vorformling auf eine an sich bekannte
Art und Weise gezogen, obwohl es im vorliegenden Fall möglich ist, eine
Ziehgeschwindigkeit der Faser einzusetzen, die beträchtlich
höher ist
als jene, die mit den Einrichtungen nach dem Stand der Technik erzielt
werden kann. Dies ermöglicht
das Erreichen einer beträchtlichen
Erhöhung
der Menge an Lichtleitfasern pro Zeiteinheit. Verträgt sich
mit den anderen Bestandteilen in dem Ziehsystem ist es mit dem Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung tatsächlich
möglich,
eine Ziehgeschwindigkeit von beispielsweise 15 m/s, 20 m/s, 25 m/s
oder sogar 30 m/s einzusetzen, ohne irgendwelche unerwünschte Auswirkungen
auf die Verdrillung der Faser.
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In
jedem Fall wird darauf hingewiesen, dass der voranstehend angegebene
Grenzwert für
die Ziehgeschwindigkeit der Faser in Bezug zur tatsächlich eingesetzten
Vorgehensweise beim Ziehen steht, und nicht durch die baulichen
Merkmale der Verdrillungseinrichtung bestimmt wird, auf welcher
die Rillenscheibe vorgesehen ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verdrillungseinrichtung
zum Aufbringen eines Drehmoments um eine Faserziehachse einer Lichtleitfaser,
die mit vorbestimmter Geschwindigkeit von einem erwärmten Ende
eines Vorformlings gezogen wird, wie im beigefügten Patentanspruch 5 angegeben.
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In
vorteilhafter Weise ist die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
unter konstruktiven Gesichtspunkten besonders einfach aufgebaut,
und ist kostengünstig.
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Vorzugsweise
ist die Antriebsvorrichtung der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dazu ausgebildet, die Rillenscheibe um die Faserziehachse sowohl
in nur einer Richtung als auch abwechselnd im Uhrzeigersinn und
im Gegenuhrzeigersinn zu drehen.
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Vorzugsweise
weist die voranstehend erwähnte
Antriebsvorrichtung der Rillenscheibe ein von einem Motor angetriebenes,
gabelförmiges
Halteteil auf, das eine Drehachse aufweist, die mit der Faserziehachse übereinstimmt,
wobei die Rillenscheibe in einer versetzten Position verschwenkt
wird, auf solche Art und Weise, dass dies im Wesentlichen tangential
zu der Achse erfolgt. Die Ziehrichtungen der Faser unmittelbar stromaufwärts und
stromabwärts der
Rillenscheibe sind daher identisch, was das Fehlen von Schälausrichtungsbedingungen
sicher stellt, die zu ungewünschten
Schwankungen des Durchmessers der hergestellten Faser und zu Ungleichförmigkeiten
des aufgebrachten Beschichtungsfilms führen.
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Vorzugsweise
weist die Antriebsvorrichtung der Rillenscheibe einen Elektromotor
auf, der kinematisch mit der Rillenscheibe verbunden ist, also mit Hilfe
eines Riemenübertragungssystems.
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Vorzugsweise
begrenzen das verringerte Gewicht und die geringen Abmessungen der
Rillenscheibe die Größe der Trägheitskräfte, die
auf die Einrichtung während
der Verdrillung einwirken; auf diese Art und Weise wird ermöglicht,
Umdrehungsgeschwindigkeiten zu erreichen, die beträchtlich
höher sind
als jene bei den Einrichtungen nach dem Stand der Technik, obwohl
Motoren eingesetzt werden, die eine geringere Leistung aufweisen,
und kostengünstiger
sind.
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Der
Umschlingungsvorgang der Faser in Bezug auf die Rillenscheibe, der
im Wesentlichen in Abwesenheit einer Gleitbewegung zwischen diesen
Teilen erfolgt, wird erleichtert, wenn die Rillenscheibe ein geeignetes
Profil aufweist. Bei einer ersten Ausführungsform weist die Rillenscheibe
eine im Wesentlichen V-förmige
Nut auf, die dazu ausgebildet ist, die Lichtleitfaser aufzunehmen,
und gegenüberliegende
Seitenwände
aufweist, die einen Winkel φ im
Bereich zwischen 65° und
75° bilden,
zur Symmetrieebene π der
Rillenscheibe.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Rille
entgegengesetzte Seitenwände
auf, die einen ersten, radial äußeren Abschnitt aufweisen,
der einen Winkel φ1 im Bereich zwischen 65° und 75° mit der Symmetrieebene π der Rillenscheibe
bildet, und einen zweiten, radial inneren Abschnitt, der einen Winkel φ2 im Bereich zwischen 25° und 35° mit der Symmetrieebene n bildet.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Abschnitt der Seitenwände miteinander über einen
Zwischenabschnitt verbunden, der einen Krümmungsradius im Bereich zwischen
0 und 2 mm aufweist. Ein derartiges Profil ermöglicht es in vorteilhafter
Art und Weise, die Schritte des Umschlingens der Rillenscheibe durch die
Faser und deren Lösen
von der Rillenscheibe zu erleichtern.
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Vorzugsweise
weist die Rille eine untere Oberfläche auf, die im Wesentlichen
eben ist, oder jedenfalls einen Krümmungsradius aufweist, der
beträchtlich
größer ist
als der Radius der Lichtleitfaser, auf solche Art und Weise, dass
die Berührung
zwischen der Faser und der unteren Oberfläche und einer der Seitenwände jeweils
auf einen Punkt im Querschnitt verringert ist. Wenn die Faser um
die Rillenscheibe über
einen im Wesentlichen gleich 360° betragenden
Winkel herumgeschlungen ist, weist die untere Oberfläche der
Rille eine Breite auf, die dazu ausgebildet ist, das gleichzeitige
Aufnehmen von zwei Faserabschnitten zu ermöglichen, die Seite an Seite
liegen (also einem neuen Abschnitt der Faser, die in die Rillenscheibe
hineingelangt, bzw. jenem Abschnitt der Faser zugeordnet sind, welche
die Rillenscheibe verlässt).
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Vorzugsweise
ist die Rillenscheibe aus einem geeigneten Material hergestellt,
das dazu ausgebildet ist, zusammen mit der Lichtleitfaser einen Reibungskoeffizienten
zu entwickeln, der im Wesentlichen die Abwesenheit einer Gleitbewegung
während
des Aufwickelns der Faser auf die Rillenscheibe sicherstellt. Noch
bevorzugter ist dieser Reibungskoeffizient größer als etwa 0,4. Auf diese
Art und Weise wird ermöglicht,
eine Faserverdrillung durchzuführen,
ohne deren mechanischen Widerstandseigenschaften zu kompromittieren,
selbst für
Werte der Ziehkraft, die kleiner sind als jene, die bei den Einrichtungen
nach dem Stand der Technik einsetzbar sind.
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Gemäß einem
dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gerät zur Herstellung
einer Lichtleitfaser aus einem Vorformling, wobei vorgesehen sind:
- – eine
Vorrichtung zum Erwärmen
zumindest eines Endabschnitts des Vorformlings;
- – eine
Vorrichtung zum Ziehen einer Lichtleitfaser von einem freien Ende
des erwärmten
Endabschnitts entlang einer Faserziehachse;
- – zumindest
eine Beschichtungsstation für
die Lichtleitfaser;
und ist dadurch gekennzeichnet, dass
es stromabwärts
der zumindest einen Beschichtungsstation eine Verdrillungseinrichtung
jener Art aufweist, die voranstehend beschrieben wurde, wie dies
im beigefügten Patentanspruch
15 angegeben ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden, detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung noch deutlicher, die nachstehend anhand eines erläuternden
und nichteinschränkenden
Beispiels erfolgt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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In
den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Ansicht
eines Geräts
zur Herstellung einer Lichtleitfaser gemäß der Erfindung;
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2 eine Perspektivansicht,
teilweise im Querschnitt, einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Aufbringen eines Drehmoments bei einer Lichtleitfaser;
-
3 eine Perspektivansicht,
in vergrößertem Maßstab und
teilweise im Querschnitt, einer Rillenscheibe, die auf der Einrichtung
von 2 angebracht ist,
und in ihrem Betriebszustand dargestellt ist;
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4 eine Perspektivansicht,
in vergrößertem Maßstab, eines
Abschnitts der Rillenscheibe von 3,
teilweise geschnitten dargestellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein
Gerät zur
Herstellung einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
Gerät 1 weist
einen an sich bekannten Ofen 2 auf, der dazu ausgebildet
ist, einen Endabschnitt 3a eines Vorformlings 3 auf
Silikatgrundlage zu erwärmen,
der ebenfalls herkömmlich
ist, und einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 12
cm aufweist. Ziehvorrichtungen 4 (ebenfalls von bekannter
Art) sind stromabwärts
des Ofens 2 vorgesehen, um ein Ziehen einer Lichtleitfaser 100 mit
vorbestimmter Geschwindigkeit von dem Ende 3a des Vorformlings 3 entlang
einer Ziehachse I–I
durchzuführen.
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Das
Gerät ist
zwischen dem Ofen 2 und der Ziehvorrichtung 4 mit
einer Einrichtung 5 zum Kühlen der Faser 100 versehen,
die an sich bekannt ist, und dazu ausgebildet ist, die Temperatur
der Faser 100 am Einlass einer ersten Beschichtungsstation 6 einzustellen,
in welcher eine erste Schicht eines Schutzfilms, der typischerweise
aus einem Acrylharz besteht, aufgebracht wird (das Vorhandensein
der Kühleinrichtung 5 ist
besonders vorteilhaft hauptsächlich bei
Ziehvorgängen
mit sehr hoher Geschwindigkeit). Ein UV-Strahlungsofen 7 zum Vernetzen
des aufgebrachten Harzes sowie ein weiteres Paar aus einer Beschichtungsstation 6' und einem UV-Strahlungsofen 7', die jeweils
dazu ausgebildet sind, eine zweite Schicht aus einem Schutzfilm
aufzubringen und dann zu vernetzen, wobei der Schutzfilm typischerweise ebenfalls
aus einem Acrylharz besteht, ist stromabwärts der ersten Beschichtungsstation 6 angeordnet. Die
Gesamtdicke der auf die Faser 100 aufgebrachten Beschichtung
durch die beiden Beschichtungsstationen 6, 6' ist typischerweise
gleich etwa 62,5 μm.
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Eine
Verdrillungseinrichtung 8, die dazu ausgebildet ist, bei
der beschichteten Lichtleitfaser 100 ein Drehmoment um
die Ziehachse I–I
aufzubringen, ist stromabwärts
des Ofens 7' vorgesehen.
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Das
Gerät 1 weist
weiterhin eine Spule 9 zum Aufwickeln der hergestellten
Lichtleitfaser 100 auf, die stromabwärts der Ziehvorrichtung 4 angeordnet
ist. Die Aufwickelspule 9 ist ortsfest in Bezug auf die
Ziehachse I–I
der Lichtleitfaser 100, und wird zur Drehung um ihre Achse
durch eine geeignete Motorvorrichtung angetrieben, um zu ermöglichen,
dass die Lichtleitfaser 100 auf sie aufgewickelt wird.
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Wie
in 2 gezeigt, weist
die Verdrillungseinrichtung 8 eine Rillenscheibe 16 auf,
die zur Drehbewegung um die Ziehachse I–I der Lichtleitfaser 100 durch
eine Antriebsgruppe 12 angetrieben wird, die durch eine
Halteplatte 11 eines Fachwerks 10 mit Hilfe einer
dazwischen angeordneten Zwischenplatte 13 gehaltert wird.
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In
vorteilhafter Weise ist die Zwischenplatte 13 gleitbeweglich
auf einem Paar von Gleitführungen 14 angebracht,
die an der Halteplatte 11 befestigt sind, so dass die Rillenscheibe 16 und
deren Antriebsgruppe 12 einstellbar zur Ziehachse I–I der Lichtleitfaser 100 hin
und von dieser weg angeordnet werden kann.
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Die
Rillenscheibe 16 ist drehbeweglich an einer versetzten
Position auf einem gabelförmigen
Teil 15 der Antriebsgruppe 12a angebracht, so
dass sie sich im Wesentlichen tangential zur Ziehachse I–I der Lichtleitfaser 100 erstreckt.
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Für den Drehantrieb
der Rillenscheibe 16 weist die Antriebsgruppe 12 weiterhin
eine Motorvorrichtung 17 auf, die kinematisch so mit dem
gabelförmigen
Teil 15 verbunden ist, dass auf letzteres eine Drehbewegung
um eine Drehachse übertragen
wird, die mit der Faserziehachse I–I übereinstimmt.
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Im
Finzelnen ist das gabelförmige
Teil 15 an einem Stift 18 befestigt, auf welchem
eine angetriebene Rillenscheibe 19 befestigt ist, die kinematisch mit
Hilfe eines Riemens 20 mit einer antreibenden Rillenscheibe 21 verbunden
ist, die im Keilsitz auf einer Welle 32 der Motorvorrichtung 17 sitzt.
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Der
Stift 18 und die Rillenscheibe 19 sind auf an
sich bekannte Art innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen,
kastenförmigen
Schutzkörpers 22 angebracht,
der an der Platte 13 befestigt ist. Die Drehung des Stiftes 18 um
die Drehachse I–I
wird durch ein Paar von Rollenlagern 23, 24 geführt, die jeweils
dem kastenförmigen
Körper 22 bzw.
der Platte 13 zugeordnet sind.
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Der
Stift 18 weist in Axialrichtung eine Durchgangsbohrung 25 auf,
die dazu ausgebildet ist, den Durchgang der Lichtleitfaser 100 zu
ermöglichen, welche
die Rillenscheibe 16 verlässt.
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Die 3 und 4 zeigen mit weiteren Einzelheiten die
baulichen Merkmale der Rillenscheibe 16. Diese Rillenscheibe
ist mit einer im Wesentlichen V-förmigen Rille 26 versehen,
die dazu ausgebildet ist, im Betrieb die zu verdrillende Lichtleitfaser 100 aufzunehmen.
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Die
Rille 26 weist eine im Wesentlichen ebene, untere Oberfläche 27 auf
(die jedenfalls einen Krümmungsradius
aufweist, der wesentlich größer ist als
der Radius der Faser 100, der typischerweise etwa 125 μm groß ist),
welche entgegengesetzte Seitenwände 28a, 28b verbindet.
Die untere Oberfläche 27 weist
eine Breite auf, die dazu ausgebildet ist, gleichzeitig zwei Seite
an Seite liegende Abschnitte der Faser 100 aufzunehmen
(welche dem Abschnitt der Faser 100, welcher die Rillenscheibe 16 verlässt, bzw.
jenem zugeordnet sind, welcher in die Rillenscheibe 16 hineingelangt).
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform, und
um das Einführen
der Lichtleitfaser 100 in die Rille 26 zu erleichtern,
ist jede Seitenwand 28a, 28b mit einem ersten,
radial äußeren Abschnitt 29a und 29b versehen,
welcher mit der Symmetrieebene π der Riemenscheibe 16 einen
Winkel φ1 im Bereich zwischen 65° und 75° bildet, sowie mit einem zweiten, radial
inneren Abschnitt 30a, 30b, der mit der voranstehend
erwähnten
Symmetrieebene π einen
Winkel φ2 im Bereich zwischen 25° und 35° bildet. Vorzugsweise beträgt der Winkel φ1 etwa 70°,
wogegen der Winkel φ2 etwa 30° beträgt.
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Die
Abschnitte 29a, 29b sind mit den Abschnitten 30a, 30b über einen
Zwischenabschnitt 31a, 31b verbunden, der einen
Krümmungsradius
im Bereich von 0 bis 2 mm aufweist.
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In
vorteilhafter Weise ist die Rillenscheibe 16 aus einem
geeigneten Material hergestellt, das so ausgebildet ist, dass es
mit der Lichtleitfaser 100 einen Reibungskoeffizienten
von mehr als etwa 0,4 ausbildet, um so im Wesentlichen die Abwesenheit einer
Gleitbewegung während
des Umschlingens der Rillenscheibe 16 durch die Faser 100 sicherzustellen.
Vorzugsweise ist dieses Material ein Metallmaterial, beispielsweise
Stahl oder Aluminium, das einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,6
aufweist.
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Um
das Trägheitsmoment
und das Verlieren des Gleichgewichts der Rillenscheibe zu verringern, während sie
sich um die Achse der Faser dreht, ist es besonders vorteilhaft,
ein ausreichend leichtes Material für die Konstruktion dieser Riemenscheibe
einzusetzen, so beispielsweise Aluminium. Andererseits, insbesondere
wenn der Einsatz eines schwereren Materials gewünscht wird, beispielsweise
Stahl, kann es vorteilhaft sein, ein geeignetes Gegengewicht für die Anordnung
einzusetzen, welche die Rillenscheibe haltert, mit dem Ziel, den
Gleichgewichtsverlust der Rillenscheibe während deren Drehung zu minimieren.
Typischerweise ist ein derartiges Gegengewicht symmetrisch in Bezug
auf die Rillenscheibe bezüglich
der Faserziehachse angeordnet, um die Masse der sich drehenden Rillenscheibe
auszugleichen. Vorzugsweise ist ein derartiges Gegengewicht einstückig mit
dem Halteteil (15) ausgebildet, auf welchem die Rillenscheibe gedreht
wird. Insbesondere kann das Halteteil eine solche Form und solche
Abmessungen aufweisen, dass eine ordnungsgemäße Massenverteilung erzielt
wird, um die Masse der sich drehenden Rillenscheibe auszugleichen,
wobei der Schwerpunkt der Anordnung aus Rillenscheibe und Halteteil
mit dem Punkt übereinstimmt,
an welchem die Lichtleitfaser tangential zur Rille der Rillenscheibe
verläuft.
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Die
voranstehend geschilderte Rillenscheibe weist vorzugsweise einen
Durchmesser im Bereich von etwa 30 mm bis etwa 100 mm auf, wobei
ein Durchmesser gleich etwa 60 mm besonders bevorzugt wird.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf das voranstehend geschilderte Gerät 1 ein
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Um
die nachstehende Beschreibung zu vereinfachen, wird Bezug auf die
Betriebsschritte des Verfahrens genommen, wobei bereits ein stabiler
Zustand erreicht ist, so dass die Einleitungsschritte des Herstellungsverfahrens
unberücksichtigt
bleiben.
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In
einem ersten Schritt des Verfahrens wird der Abschnitt 3a des
Vorformlings 3 auf Silikatgrundlage in dem Ofen 2 erwärmt, um
das Material auf Silikatgrundlage zu schmelzen, und eine Lichtleitfaser 100 mit
einem Durchmesser von etwa 125 um auszubilden.
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Dann
wird die Lichtleitfaser 100, die aus dem erwärmten Endabschnitt 3a des
Vorformlings 3 erzeugt wurde, durch die Ziehvorrichtung 4 mit
vorbestimmter Geschwindigkeit gezogen, vorzugsweise im Bereich von
etwa 15 m/s.
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In
einem sich anschließenden
Schritt wird die Lichtleitfaser 100 zuerst in der Kühleinrichtung 5 gekühlt, und
dann mit einem geeigneten Schutzfilm beschichtet, der beispielsweise aus
Acrylharz besteht, mit einer Dicke von etwa 62,5 μm, beim Durchgang durch
die Beschichtungsstationen 6, 6' und die UV-Strahlenöfen 7 und 7' zum Vernetzen
des aufgebrachten Harzes.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Drehmoment, das sich in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Änderungsgesetz ändert, dann
auf die so beschichtete Lichtleitfaser 100 mit Hilfe der
Rillenscheibe 16 der Verdrillungseinrichtung 8 aufgebracht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Rillenscheibe 16 um die Faserziehachse I–I durch die
Motorvorrichtung 17 gedreht. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Rillenscheibe 16 kann konstant sein, oder sich ändern, und
entweder eine Bewegung in einer Richtung oder eine abwechselnde
Bewegung im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn sein; bei einer
alternativen Ausführungsform
kann sich die Umdrehungsgeschwindigkeit der Rillenscheibe 16 statistisch ändern.
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In
diesem Schritt wird die Lichtleitfaser 100 um die Rillenscheibe 16 herumgeschlungen,
während
sie ständig
in Berührung
mit der unteren Oberfläche 27 der
Rillenscheibe 16 gehalten wird, über einen Winkel, der im Wesentlichen
gleich etwa 360° ist, auf
solche Art und Weise, dass die Faser um die Rillenscheibe um etwa
eine vollständige
Umdrehung herumgeschlungen wird. Falls erwünscht, ist es möglich, die
Faser um die Rillenscheibe für
eine Anzahl an Umdrehungen herumzuschlingen, die größer ist als
1, also über
einen Winkel von größer als
360°, beispielsweise über einen
Winkel von etwa 720° entsprechend
einem Umschlingen von etwa zwei Wicklungen der Faser um die Rillenscheibe.
Eine Umschlingung der Rillenscheibe durch die Lichtleitfaser für eine Anzahl
von Umdrehungen, die größer ist
als 1, durch Vergrößerung der
Berührungsoberfläche zwischen
der Lichtleitfaser und der unteren Oberfläche der Rillenscheibe, ermöglicht,
eine Rillenscheibe einzusetzen, die aus einem Material mit einem relativ niedrigen
Reibungskoeffizienten besteht, insbesondere kleiner als 0,4.
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In
jedem Fall ist es vorzuziehen, die Faser um die Rillenscheibe über einen
Winkel herumzuschlingen, der nicht 720° überschreitet, so dass die Faser
nicht einer unerwünscht
hohen Ziehspannung ausgesetzt wird.
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Die
Faser 100 steht darüber
hinaus teilweise in Berührung
mit einer der beiden Seitenwände 28a, 28b sowie,
an der anderen Seite, mit einem kleinen Abschnitt einer neuen Lichtleitfaser 100,
die in die Rillenscheibe 16 hineingelangt, und sich in
der selben Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit wie jene Faser
bewegt, welche die Rillenscheibe verlässt. Daher wirkt ein Drehmoment
auf die Lichtleitfaser 100 ein, welches Ungenauigkeiten
und Unregelmäßigkeiten
ausgleichen kann, die an sich in der Faser selbst vorhanden sind,
oder während
der nachfolgenden Herstellung eines Kabels hervorgerufen werden,
das eine derartige Faser enthält,
und/oder während
deren Verdrahtung, wodurch beträchtlich
der PMD-Effekt verringert wird.
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In
einem letzten Schritt des Verfahrens überquert die verdrillte Lichtleitfaser 100,
welche die Rillenscheibe 16 verlässt, die Durchgangsbohrung 25 des
Stiftes 18, die sich koaxial entlang der Faserziehachse
I-I erstreckt, und erreicht die Ziehvorrichtung 4, von
welcher aus die Faser der Aufwickelspule 9 zugeführt wird.
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Die
zahlreichen Vorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum
Stand der Technik werden unmittelbar aus der voranstehenden Beschreibung deutlich.
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Erstens
ermöglicht
es das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung, wesentlich die Ziehgeschwindigkeit der Lichtleitfaser
zu erhöhen,
ohne dass das Risiko auftritt, dass eine relative Gleitbewegung
zwischen der Rillenscheibe 16 und der Faser 100 vorhanden
ist, wodurch die Menge an Lichtleitfaser erhöht wird, die pro Zeiteinheit
hergestellt wird.
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Infolge
des verringerten Trägheitsmoments der
Rillenscheibe 16 und der sich bewegenden Teile der Antriebsgruppe 12 wird
darüber
hinaus ermöglicht,
nicht nur wirksam die gewünschte
Vorgabe für die
Drehmomentänderung
bei der Lichtleitfaser 100 einzusetzen, wodurch gleichzeitig
das Risiko minimiert wird, dass die Verdrillungswirkung verloren geht,
auch ermöglicht
wird, Motoren 17 mit verringerter Leistung und geringerem
Kostenaufwand im Vergleich zu jenen einzusetzen, die beim Stand
der Technik verwendet werden.
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In
vorteilhafter Weise ermöglicht
es das Verfahren gemäß der Erfindung
ebenfalls, die gewünschte
Anzahl an Verdrillungen bei der Lichtleitfaser 100 zu erzeugen,
wobei im Wesentlichen keine Schwingungen der Faser um ihre eigene
Ziehachse I–I
vorhanden sind; hierdurch wird eine stärkere Gleichförmigkeit
sowohl des Faserdurchmessers als auch der Dicke der dort aufgebrachten
Beschichtungsschicht ermöglicht.
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Schließlich ermöglichen
die baulichen Merkmale der Riemenscheibe 16 sowohl eine
Erleichterung der Schritte des Umschlingens und Abwickelns der Lichtleitfaser 100,
sowie den Einsatz von Ziehkräften,
die kleiner sind als jene, die bei den Einrichtungen nach dem Stand
der Technik verwendet werden, mit einer ordnungsgemäßen Materialauswahl jenes
Materials, welches die Rillenscheibe selbst bildet.