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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitersteckeranordnung
mit einem Lichtleiter, einem Stecker und einer innerhalb einer zentralen Öffnung des
Steckers angeordneten Hülse,
in welcher der Lichtleiter klemmend gehalten ist.
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Eine
derartige Lichtleitersteckeranordnung ist beispielsweise durch die
DE 2853649 C2 bekannt geworden.
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Lichtleiter,
welche zur Übertragung
von hohen Laserlichtleistungen eingesetzt werden, bestehen aus einem
Licht führenden
Kern und mindestens einem Mantel, welcher durch entsprechende Dotierung
einen niedrigeren optischen Brechungsindex als der Licht führende Kern
aufweist, so dass an der Grenzfläche
Kern/Mantel bis zu bestimmten Winkeln Totalreflexion auftritt. In
der Lichtleiterherstellung kann entweder der Kerndurchmesser in
engeren Toleranzen und der Manteldurchmesser in grösseren Toleranzen
gefertigt werden, oder umgekehrt. Die Strahlqualität des im
Lichtleiter geführten
Lichts ist dabei umso besser, je enger die Toleranz des Licht führenden
Kerndurchmessers ist.
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Aus
der
DE 2853649 C2 sind
zwei Stecker zur Kopplung zweier Lichtleiter bekannt. Jeder Stecker
hat eine axial federnd gelagerte Hülse mit drei in einer Ebene
angeordneten Kugeln, zwischen denen der Lichtleiter klemmend gehalten
ist. Die Kugeln dienen gleichzeitig zur Zentrierung des Lichtleiters.
Wesentlich ist dabei, dass der Manteldurchmesser genau definiert
zu den drei Kugeln steht. Werden nun die beiden Stecker miteinander
verbunden, so richten sich diese durch die Kugeln aufeinander aus,
und die Manteldurchmesser beider Lichtleiter werden entsprechend
konzentrisch zueinander ausgerichtet. Allerdings treten bei Lichtleitern
fertigungsbedingt Exzentrizitäten
zwischen Kern und Mantel auf, so dass bei dieser bekannten Lichtleitersteckeranordnung
die Licht führenden
Kerne entsprechend exzentrisch zueinander stehen können. Dies
hat zur Folge, dass ein hoher Anteil der Lichtleistung nicht in
den anderen Lichtleiter eingekoppelt, sondern im Stecker absorbiert
und in Verlustwärme
umgesetzt wird.
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Bei
Festkörperlasern,
wie z.B. bei Nd:YAG-Lasern, geht die Tendenz zu immer höheren Laserleistungen
bei gleichzeitig besser werdender Strahlqualität. Damit diese Strahlqualität auch am
zu bearbeitenden Werkstück
erreicht wird, muss der Licht führende
Kern des Laserlichtleiters in seinem Querschnitt immer kleiner werden.
Um hier ein möglichst
verlustfreies Plug & Play
der Lichtleitkabel am Laser oder an der Bearbeitungseinheit zu gewährleisten,
ist eine sehr genaue Positionierung des Laserlichtleiterkerns in
radialer Richtung innerhalb des Verbindungssteckers erforderlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lichtleitersteckeranordnung
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der
Licht führende
Kern des Lichtleiters im Stecker möglichst exakt in radialer Richtung
ausgerichtet ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Durchmesser der Öffnung
größer als
der Außendurchmesser
der Hülse
ist und dass die Hülse
im Stecker in der Position, in welcher der Licht führende Kern
des in der Hülse
klemmend gehaltenen Lichtleiters zentriert zur Steckerachse ist, fixiert
ist.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Lichtleitersteckeranordnung sind die Hülse und der Stecker miteinander
stoffschlüssig,
kraftschlüssig oder
mittels eines Klebstoffs verbunden.
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Die
einmal fixierte Position des Lichtleiters im Stecker muss möglichst
stabil über
den ganzen Arbeitstemperaturbereich stehen, ohne dass bei Temperaturveränderung
ein Spiel in der Lichtleiterhalterung oder Deformationskräfte am Lichtleiter
auftreten.
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Auch
müssen
bei Temperaturveränderung Durchmesseränderungen
und axiale Längenänderungen
des Lichtleiters oder des Steckers möglich sein, ohne dass sich
Spiel in der Lichtleiterhalterung einstellt oder auf den Lichtleiter äußere Kräfte wirken, welche
im Lichtleiter zu Spannungen und Deformationen führen. Da bei der Erfindung
die Toleranz des Manteldurchmessers keinerlei Auswirkungen auf die Lichtleiterzentrierung
hat, kann der Lichtleiter mit sehr eng toleriertem Kerndurchmesser
hergestellt werden, was sich äußerst positiv
auf die Strahlqualität
des Lasersystems auswirkt.
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Vorzugsweise
weist die Hülse
eine radial nach innen vorgespannte Dreipunkthalterung auf, in welcher
der Lichtleiter klemmend gehalten ist. Diese statisch definierte
Dreipunkthalterung ermöglicht eine
spielfreie und temperaturkompensierte Lagerung des Lichtleiters
innerhalb der Hülse.
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Bei
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtleitersteckeranordnung
weist die Dreipunkthalterung drei in einer Ebene um den Lichtleiter
herum angeordnete, radial verschiebbar gelagerte Kugeln auf, die
radial nach innen vorgespannt sind.
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Vorzugsweise
sind die Kugeln zwischen einem Konus mit einem Konuswinkel von ca.
60° bis ca.
120°, bevorzugt
ca. 90°,
und einem Gegenlager angeordnet, wobei der Konus und das Gegenlager relativ
zueinander axial verschiebbar und durch mindestens eine Feder in
Richtung aufeinander zu vorgespannt sind. Die zwischen Konus und
Gegenlager wirkende Federkraft wird durch den Konus in eine radial
gerichtete Kraftkomponente aufgeteilt, mit der die Kugeln gegen
den Mantel des Lichtleiters drücken
und diesen spielfrei halten. Die Andrückkraft ist durch den Konuswinkel
und die Federkraft definierbar. Außerdem ermöglichen die Kugeln axiale Längenänderungen
zwischen Lichtleiter und Hülse
infolge unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten der
verschiedenen Bauteile, ohne dass Spannungen auf den Lichtleiter
wirken.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Feder an
einem axial verstellbaren Federgegenlager, z.B. an einem Gewindering,
abgestützt,
um die Federkraft und damit die auf die Kugeln wirkende Vorspannung
einstellen zu können.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lichtleitersteckeranordnung
weist die Dreipunkthalterung drei sich kreuzende runde Stifte auf,
die eine dreieckige, vorzugsweise gleichschenklige, Klemmöffnung bilden.
In der Klemmöffnung
ist der Lichtleiter durch die Vorspannung der tangential anliegenden
Stifte spielfrei gehalten, wobei axiale Längenänderungen zwischen Lichtleiter
und Hülse
infolge unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Bauteile ohne zusätzlich auf den Lichtleiter
wirkende Spannungen möglich
bleiben.
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Die
auf den Lichtleiter wirkende Vorspannung ist durch die elastische
Auslenkung der Stifte infolge des in die Klemmöffnung eingeführten Lichtleiters
gegeben. Die Stifte können
in der Hülse
feststehend angeordnet sein, wobei die Klemmöffnung ohne Lichtleiter kleiner
als der Manteldurchmesser ist. Bei verstellbar gelagerten Stiften
kann die Vorspannung von außen
durch entsprechende Auslenkung der Stifte eingestellt werden. Dazu
kann beispielsweise das eine Ende eines Stiftes im Lichtleiterhalter
fixiert und das andere Ende auslenkbar gelagert sein. Es ist auch
möglich,
einen oder alle Stifte mittels einer Drehfeder mit definiertem Drehmoment vorzuspannen,
so dass die Drehfeder dauerhaft eine definierte Vorspannkraft auf
die Stifte ausübt,
die so den Lichtleiter spielfrei halten.
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Bevorzugt
sind die Kugeln und die Stifte entweder aus Quarzglas, welches einen
hohen Transmissionsgrad für
Laserlicht der entsprechenden Wellenlänge eines Festkörperlasers
hat, oder aus Keramik, welche eine hohe Temperaturverträglichkeit
aufweist. Alternativ können
auch Kugeln aus einem metallischen Werkstoff verwendet werden, die
poliert oder mit einer hochreflektierenden Beschichtung, beispielsweise
aus Gold, versehen sind und daher die Laserstrahlung hauptsächlich reflektieren.
So kann ein schädlicher
Einfluss der Laserstrahlung auf die Lichtleiterhalterung aufgrund
von Streustrahlung und Strahlung, welche während des Justiervorgangs oder
bei nicht exakt radialer Ausrichtung nicht in den Lichtleiter eingekoppelt
wird, vermieden werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale
je für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
der erfindungsgemäßen Lichtleitersteckeranordnung
mit einem in einer Hülse
spielfrei gehaltenen Lichtleiter;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der in 1 gezeigten Hülse;
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3 eine
Querschnittansicht der Hülse
gemäß III-III
in 2;
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4 eine
andere Ausführungsform
der in 2 gezeigten Hülse;
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5 eine
perspektivischen Ansicht einer anders ausgebildeten Hülse der
erfindungsgemäßen Lichtleitersteckeranordnung;
und
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6 die
Frontansicht der in 4 gezeigten Hülse.
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Die
in 1 gezeigte Lichtleitersteckeranordnung 1 umfasst
eine Hülse 10,
in welcher der Mantel eines Lichtleiters 2 klemmend gehalten
ist, und einen Stecker 3 mit einer zentralen Öffnung 4,
in der die Hülse 10 befestigt
ist. Der Durchmesser der Öffnung 4 ist
größer als
der Außendurchmesser
der Hülse 10,
die in der Öffnung 4 in
der Position, in welcher der Licht führende Kern des in der Hülse 10 klemmend
gehaltenen Lichtleiters 2 zentriert zur Steckerachse 5 ist,
fixiert ist. Das Ausrichten der Hülse 10 im Stecker 3 erfolgt
mittels einer Justiereinrichtung, die die Hülse 10 greift und
dann in der Öffnung 4 radial
(Doppelpfeil 6) verschiebt, bis der lichtführende Kern
des klemmend gehaltenen Lichtleiters 2 koaxial zur Steckerachse 5 bzw.
konzentrisch zu seiner konischen Steckfläche 7 justiert ist.
Wenn diese Position erreicht ist, wird die Hülse 10 mit dem Stecker 3 fest
verbunden (verschweißt,
verlötet,
verklebt, verspannt, ...).
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, ist der Lichtleiter 2 in
der Hülse 10 durch
drei, in einer Ebene jeweils um 120° versetzt angeordnete Kugeln 11 aus Quarzglas
gehalten, die zwischen einem in der Hülse 10 vorgesehenen
Konus 12 und einem Gegenlager 13 angeordnet sind.
Der Konus 12 und das Gegenlager 13 weisen jeweils
eine zentrale Öffnung 14, 15 für den Lichtleiter 2 auf.
Das als Druckscheibe ausgebildete Gegenlager 13 ist in
der Hülse 10 axial
verschiebbar gelagert (Doppelpfeil 16) und durch eine axial
wirkende Druckfeder 17 in Richtung auf den Konus 12 vorgespannt.
Die Druckfeder 17 ist in der Hülse 10 an einem Federgegenlager 18 abgestützt, das zur
Einstellung der auf das Gegenlager 13 wirkenden Federkraft
axial verstellbar ist. Die Kugeln 11 werden von der Druckfeder 17 über das
Gegenlager 13 an den Konus 12 gedrückt, wo
die axial wirkende Kraft auch in eine radial auf die Kugeln 11 wirkende
Kraftkomponente aufgeteilt wird, mit der die Kugeln 11 auf den
Laserlichtleiter 2 drücken
und diesen spielfrei halten. Diese auf den Lichtleiter 2 wirkende
Andrückkraft
wird durch den Konuswinkel, der im Ausführungsbeispiel 90° beträgt, und
die Federkraft der Druckfeder 17 definiert. Die Kugeln 11 ermöglichen bei
Temperaturänderungen
sowohl eine radiale Ausdehnung des Lichtleiters 2 gegen
die Kraft der Druckfeder 17 als auch eine axiale Längenänderung
zwischen Lichtleiter 2 und Hülse 10 infolge unterschiedlicher
Längenausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Bauteile.
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Gegenüber der
Hülse 10 unterscheidet
sich die in 4 gezeigte Hülse 10' dadurch, dass der Konus 12' an der axial
verschiebbar (Doppelpfeil 16) gelagerten Druckscheibe 19 vorgesehen
ist und das Gegenlager 13' am
Boden der Hülse 10' befestigt ist. Die
von der Druckfeder 17 beaufschlagte Druckscheibe 19 drückt die
Kugeln 11 gegen das Gegenlager 13' und aufgrund des Konus 12' auch gegen
den Lichtleiter 2.
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Die
in 5 und 6 gezeigte Hülse 20 weist drei
sich kreuzende runde Stifte 21, 22, 23 aus Quarzglas
auf. Die unter 120° angeordneten
Stifte bilden innerhalb der Hülse 20 eine
dreieckige gleichschenklige Klemmöffnung 24, in welcher
der Lichtleiter 2 klemmend gehalten ist. Die beiden Stifte 21, 22 sind
fest in der Hülse 20 fixiert,
während
der dritte Stift 23 in der Hülse 20 entlang des
Doppelpfeils 25 verstellbar gelagert ist. Dazu ist das
eine Ende des dritten Stiftes 23 in der Hülse 20 und
das andere Ende in einem Ring 26 fixiert, der außen auf
der Hülse 20 drehbar
gelagert ist. Wenn der Lichtleiter 2 in die Klemmöffnung 24 eingeführt ist,
wird der Ring 26 so weit verdreht, dass der dritte Stift 23 den
Lichtleiter 2 so positioniert, dass dieser an allen drei
Stiften in einer Ebene tangential anliegt. In dieser Position wird der
Ring 26 an der Hülse 20 fixiert.
Die Stifte 21, 22, 23 ermöglichen
bei Temperaturänderungen
sowohl eine radiale Ausdehnung des Lichtleiters 2 entweder aufgrund
ihrer Elastizität
oder gegen die Wirkung einer auf den dritten Stift 23 wirkenden
Drehfeder (nicht gezeigt) als auch eine axiale Längenänderungen zwischen Lichtleiter 2 und
Hülse 20 infolge
unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Bauteile.