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formulée par Société dite : GTE LABORATORIES INCORPORATED pour "Dispositif de centrage de fibres optiques" (Inventeurs : Paul MELMAN et W. John CARLSEN) comme
BREVET D'INVENTION.
Priorité de la demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 3 janvier 1983 sous le n 454.'943, au nom de Paul MELMAN et W. John CARLSEN, dont la société susdite est l'ayant droit.
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"Dispositif de centrage de fibres optiques".
La présente invention concerne des dispositifs de centrage de fibres optiques et en particulier des dispositifs qui assurent l'alignement d'une fibre optique avec une haute précision, de façon à l'approprier à une utilisation dans de nombreuses conceptions d'accouplement de fibres. Par conséquent, un but général de l'invention est de prévoir des dispositifs nouveaux et améliorés de cette nature.
Diverses techniques ont été utilisées dans le passé pour centrer les fibres optiques. Comme on le sait, ces techniques ont fait usage : 1) de micromanipulateurs pour aligner initialement une fibre optique manuellement ou servomécaniquement avant l'application de la résine époxy en vue de fixer la fibre en place ; 2) de viroles ou de trous usinés avec précision, conjointement avec le durcissement des résines époxy, le soudage ou le sertissage ; ou 3) de rubis de montre, exigeant souvent plusieurs de ceux-ci en tandem, suivis d'un durcissement de la résine époxy ou d'un sertissage.
Des pièces habituellement coûteuses et hautement précises sont nécessaires dans les méthodes précitées. De plus, les micromanipulateurs ne peuvent être utilisés que dans l'environnement d'un laboratoire ou son équivalent. Un réglage servomécanique ou par un opérateur est exigé et la fibre optique doit être maintenue en place précisément durant le temps de durcissement de la résine époxy. Les pièces
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métalliques usinées employées dans certains connecteurs requièrent une précision d'usinage extrême et, dès lors, sont coûteuses à mettre en oeuvre. Les rubis et les trous usinés doivent être suffisamment grands pour accepter tous les diamètres des fibres dans les limites d'une gamme de tolérances des fabricants, et doivent tendre par conséquent à être des montages lâches pour la plupart des fibres.
Les trois brevets suivants ont été cités au cours de l'examen de la demande de brevet de la Demanderesse : brevet américain n 4. 181.401 de Jensen, publié le 1er janvier
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1980 ; brevet américain n 4. 201. 443 de Hodge, publié le 6 mai 1980 et brevet américain n 257. 674 de Griffin et al, publié le 24 mars 1981.
Le brevet américain nO 4.181. 401 de Jensen se rapporte à des connecteurs à guide d'ondes optiques pour des fibres, utilisant plusieurs mâchoires réglables radialement.
Bien que Jensen met en évidence trois mâchoires et un logement d'aluminium pourvu d'un trou orienté axialement, le dispositif de Jensen comprenant seulement les mâchoires et le logement est incapable de centrer une fibre optique.
Jensen reconnaît cette incapacité en prévoyant plusieurs vis de réglage et trous taraudés associés pour l'alignement nécessaire. Sans ces vis de réglage de Jensen, le centrage des fibres optiques serait sûrement incertain. En outre, aucune suggestion n'est faite en vue d'utiliser un montage à force pour les mâchoires au lieu du montage réglable lâche avec les vis, divulgué dans le brevet de Jensen. Il faut encore noter que Jensen, mettant en évidence des organes métalliques, ne suggère pas la matière élastomère.
Le brevet américain nO 4.201. 443 de Hodge, qui met en évidence un coupleur de fibres optiques comprenant un ensemble de guidage doté de trois tiges de verre disposées
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en une rangée côte à côte, parallèlement entre elles, est cité à titre d'intérêt dans la présente demande de brevet en vue de montrer les trois mâchoires cylindriques pour le blocage d'une fibre optique.
Le brevet américain nO 4.257. 674 de Griffin et al se rapporte à un faisceau optique de fibres élastomères et, à part sa citation, n'apparaît pas comme pertinent.
Dans deux demandes américaines de la Demanderesse, l'une de W. John Carlsen, intitulée"Méthodes et appareils pour
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la connexion de fibres optiques", nO 23. 862, introduite le 26 mars 1979, à présent brevet américain n 325. 607, publié le 20 avril 1982, et l'autre de W. Griffin, W. John Carlsen et J. E. Benasutti, intitulée"Faisceau optique de fibres élastomères", n 32.583, introduite le 23 avril 1979, à présent brevet américain n 4. 257.674, publié le 24 mars 1981, on décrit des faisceaux optiques de fibres conçus pour aligner précisément et automatiquement deux fibres le long du même axe, de façon à optimaliser le transfert d'énergie entre elles.
Toutefois, la présente invention a pour but d'aligner précisément une seule fibre automatiquement le long d'un axe défini extérieurement.
Dans une troisième demande de brevet américaine de la Demanderesse, de W. John Carlsen, intitulée"Connecteurs de fibres optiques", n 112. 991, introduite le 17 janvier 1980, on décrit des connecteurs optiques de fibres télécentraux faisant usage d'optiques moulés en matières plastiques. L'alignement est réalisé en utilisant une variante de la configuration du faisceau représenté dans le brevet américain n 4. 325.607, variante dans laquelle le moule et le procédé de moulage procurent un centrage précis.
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Un autre but de l'invention est de prévoir des dispositifs nouveaux et améliorés pour permettre à une fibre optique d'être alignée avec une grande précision.
Un autre but encore de l'invention consiste à réaliser un dispositif de centrage de fibres optiques nouveau et amélioré, lequel peut perfectionner notablement le fonctionnement d'un connecteur optique moulé de fibres.
Un autre but encore de l'invention est de prévoir un dispositif de centrage de fibres optiques nouveau et amélioré, pour une utilisation en liaison avec des connecteurs optiques de fibres et en ensembles pour des détecteurs, des lasers à diodes et analogues.
Un autre but encore de l'invention consiste à réaliser un dispositif de centrage de fibres optiques nouveau et amélioré, lequel peut centrer précisément une fibre optique le long d'un axe d'un trou cylindrique dans lequel elle a été insérée.
Conformément à un exemple de réalisation préféré de l'invention, un dispositif de centrage de fibres optiques comprend un organe de réception de fibres formé de trois sections et un élément de réception. L'élément de réception a une surface de révolution axiale centro-symétrique par rapport à un axe fixe. L'élément présente intérieurement une cavité cylindrique et concentrique pour maintenir les sections à l'état assemblé. Le dispositif est approprié au maintien d'une fibre optique le long de son axe. Les trois sections sont en substance identiques les unes aux autres. Chacune des trois sections a une configuration de section droite uniforme à angle droit le long d'une majeure partie de sa longueur, tout en formant une limite de périmètre fixe.
La limite d'une des sections comprend
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une première partie faite pour s'apparier à une partie appariable de la limite d'une deuxième section. La limite d'une des sections comporte une deuxième partie conçue pour s'apparier à une partie appariable de la limite de la troisième section. La limite d'une des sections présente une troisième partie contiguë à la première partie et à la deuxième partie pour l'entrée en prise d'une fibre optique le long de la longueur. La limite d'une des sections comprend une quatrième partie contiguë à la première et à la deuxième parties, mais non à la troisième partie, pour l'entrée en prise de la paroi cylindrique définie par la cavité concentrique. La cavité se termine par une paroi plane perpendiculaire à l'axe.
La quatrième partie peut entrer en prise avec la paroi cylindrique le long d'une fraction de la quatrième partie. Conformément à certaines caractéristiques de l'invention, la paroi plane est dotée intérieurement d'un évidement orienté axialement par rapport à l'axe. Les sections se composent d'une matière élastomère d'une résilience suffisante pour permettre à une voie de passage, définie par les troisièmes parties des sections assemblées, de recevoir extensiblement une fibre optique dont les dimensions sont plus grandes que celles de la voie de passage. La voie de passage peut avoir une section droite en substance triangulaire pour la réception d'une fibre dont la section droite est en substance circulaire.
La voie de passage peut s'évaser extérieurement depuis une position à l'intérieur de l'organe de réception de fibres jusqu'à ses extrémités respectives.
Selon certaines particularités de l'invention, l'évasement de la voie de passage peut avoir une configuration triangulaire, une configuration hexagonale ou une configuration circulaire. L'organe de réception de fibres peut présenter une surface externe d'une forme polygonale. L'élément de réception peut se composer d'une matière transparente.
L'organe de réception de fibres peut être maintenu dans la cavité de l'élément par un montage à force. Le rayon
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des trois sections, à l'état assemblé, mais avant l'insertion dans la cavité, est de préférence plus grand que le rayon de cette même cavité.
Conformément à un autre exemple de réalisation de l'invention, un dispositif de centrage de fibres optiques destiné à centrer l'axe principal d'une fibre optique le long d'un axe prédéterminé du dispositif et à positionner une extrémité de la fibre à un emplacement spécifique le long de l'axe prédéterminé, comprend un élément de réception et un organe d'insertion élastomère. L'élément de réception est muni intérieurement d'une cavité cylindrique dont l'axe de révolution coïncide avec l'axe prédéterminé.
La cavité cylindrique se termine en une surface finale intérieure qui coupe l'axe prédéterminé à l'emplacement spécifique où l'extrémité de la fibre doit être positionnée. L'organe d'insertion élastomère est insérable dans la cavité cylindrique. L'organe d'insertion élastomère a une configuration externe sous la forme d'un premier prisme régulier droit dont la section droite perpendiculaire à son axe de symétrie principal est un premier polygone régulier dont les sommets s'étendent, depuis l'axe de symétrie, sur une distance légèrement plus grande que le rayon de la cavité cylindrique, de sorte que, si l'organe d'insertion élastomère est inséré dans la cavité, les sommets sont comprimés élastiquement, en sorte que des forces de rétablissement élastiques résultantes agissent pour centrer l'axe de symétrie par rapport à l'axe de révolution et,
à son tour, l'axe prédéterminé. L'organe d'insertion élastomère renferme en outre une voie de passage interne sous la forme d'un deuxième prisme régulier droit dont l'axe de symétrie principal coïncide avec l'axe de symétrie de la configuration externe. Une section droite de la voie de passage interne, perpendiculaire à son axe de symétrie, est un deuxième polygone régulier dont la distance la plus proche d'un point de son périmètre au centre du deuxième polygone régulier est plus petite que le rayon du
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plus petit diamètre de fibre à centrer et à positionner le long de l'axe prédéterminé.
Ainsi, une fibre optique insérée dans la voie de passage interne comprime l'organe d'insertion élastomère de telle sorte que les forces de rétablissement élastiques résultantes centrent automatiquement la fibre le long de l'axe de symétrie du premier prisme régulier droit, cet axe de symétrie coïncidant avec l'axe prédéterminé du dispositif. Selon certaines caractéristiques de l'invention, l'élément de réception se compose d'une matière transparente. La voie de passage interne de l'organe d'insertion élastomère peut s'évaser extérieurement depuis une position intérieure jusqu'à l'une de ses extrémités où une fibre doit être insérée, afin de faciliter l'insertion manuelle de la fibre. Le premier polygone régulier peut avoir un nombre infini de côtés en sorte de présenter une forme circulaire.
La configuration externe peut avoir un rayon légèrement plus grand que celui de la cavité cylindrique. Le deuxième polygone régulier peut avoir un nombre infini de côtés en sorte de présente une forme circulaire. La voie de passage interne peut avoir un rayon légèrement plus petit que celui du plus petit diamètre de fibre à centrer et à positionner le long de l'axe prédéterminé. Le premier polygone régulier peut être un hexagone régulier. Le deuxième polygone régulier peut être un triangle équilatéral. L'organe d'insertion élastomère peut se composer de trois parties identiques, chaque partie présentant une première et une deuxième surfaces appariables qui, à l'état assemblé, s'apparient, respectivement, aux surfaces appariables correspondantes des deux autres parties.
Elles s'apparient le long des surfaces planes dont les plans se coupent à l'axe de symétrie commun du premier et du deuxième polygones réguliers. Ceci assure une triple symétrie optimale de l'organe d'insertion par rapport à l'axe commun. Chacune des trois parties identiques peut être produite dans un moule commun. Conformément à certaines caractéristiques, le premier polygone régulier peut être un hexagone régulier, le deuxième polygone
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régulier peut être un triangle équilatéral et les trois plans formés par les parties d'insertion d'appariement assemblées passent, respectivement, par les trois lignes de sommet du triangle interne et, respectivement, par trois des six lignes de sommet de l'hexagone extérieur.
Ainsi, les trois parties d'insertion identiques s'alignent mutuellement par glissement lorsqu'elles sont insérées dans la cavité cylindrique.
En conformité avec un exemple de réalisation préféré de l'invention, un dispositif de centrage de fibres optiques servant à centrer l'axe principal d'une fibre optique le long d'un axe prédéterminé du dispositif et à positionner une extrémité de la fibre à un emplacement spécifique le long de l'axe prédéterminé, comprend un élément de réception et un organe d'insertion élastomère. L'élément de réception présente intérieurement une cavité cylindrique dont l'axe de révolution coïncide avec l'axe prédéterminé.
La cavité cylindrique se termine en une surface finale intérieure. Cette surface finale intérieure renferme un évidement pour centrer davantage une extrémité de la fibre optique le long de l'axe prédéterminé à un degré supérieur à celui que l'on peut atteindre en l'absence de l'évidement.
Il en résulte que : 1. toutes les sections droites à travers l'évidement, perpendiculaires à l'axe prédéterminé, sont des formes dans lesquelles peut être inscrit un cercle unique dont le centre est sur l'axe ; 2. la dimension de la section droite de l'évidement de la surface finale intérieure de la cavité cylindrique est plus grande que celle du plus grand diamètre de fibre à centrer et à positonner ;
3. la dimension de la section droite diminue progressivement et régulièrement à partir de la surface finale de la cavité cylindrique jusqu'à ce que l'évidement se termine en une section droite plus petite que celle du plus petit diamètre de fibre à centrer et à positionner, de sorte qu'une
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fibre insérée est guidée régulièrement le long d'une paroi de l'évidement et est arrêtée lorsque les dimensions de la section droite de l'évidement ne sont plus supérieures au diamètre de la fibre insérée ; et 4. la profondeur de la cavité cylindrique et de l'évidemment est telle que l'emplacement spécifique le long de l'axe prédéterminé, où une extrémité de la fibre doit être positionnée, se situe là où la dimension de la section droite de l'évidement permet les dimensions nominales de la fibre à centrer et positionner.
L'organe d'insertion élastomère est insérable dans le corps cylindrique, l'organe d'insertion comportant une voie de passage interne. Ainsi, une fibre optique introduite dans l'organe d'insertion élastomère contraint les forces de rétablissement élastiques résultantes à centrer automatiquement la fibre le long de l'axe prédéterminé.
Selon certaines particularités de l'invention, l'évidement peut être un évidement conique tronqué. La profondeur de l'évidement peut être de 0,38 mm, l'évidement peut se terminer en une section droite de 0,076 mm, la paroi de l'évidement peut former un angle de 30 par rapport à l'axe prédéterminé, l'élément de réception peut faire partie intégrante d'un connecteur optique télécentral et le connecteur optique télécentral peut inclure une surface de lentille moulée intégralement, dont l'axe optique coïncide avec l'axe prédéterminé et dont le foyer coïncide avec l'emplacement spécifique.
D'autres objectifs, avantages et particularités de l'invention, conjointement avec sa construction et son mode de fonctionnement, se dégagent nettement de la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue perspective éclatée d'un exemple de réalisation de l'invention montrant un dis- positif de centrage de fibres optiques, une fibre opti-
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que étant représentée en traits et points ; la figure 2 est une vue frontale du dispositif assemblé de la figure 1, en considérant la ligne 2 de celle-ci ; la figure 3 (a) est une vue en coupe d'un exemple de réa- lisation de l'invention, établie le long de la ligne
3 (a)-3 (a) de la figure 2 ; la figure 3 (b) est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation de l'invention, réalisée le long de la ligne 3 (a)-3 (a) de la figure 2 ;
la figure 4 est une vue semblable à celle de la figure
3 (b), telle qu'elle est appliquée à un connecteur opti- que télécentral ; la figure 5 est une vue perspective d'une section d'un organe de réception de fibres, représenté en com- binaison aux figures 1 à 4 ; la figure 6 est une vue selon la ligne 6-6 de la figure 5 ; la figure 7 est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation de l'invention, appliqué à un connecteur optique télécentral (l'organe d'insertion élastomère étant supprimé pour simplifier la représentation), la vue étant réalisée le long de la ligne 7-7 de la fi- gure 8 ; la figure 8 est une vue d'extrémité de l'exemple de réa- lisation de la figure 7 ; et la figure 9 est un détail à une échelle agrandie d'une partie de la figure 7.
Référence est fait aux dessins dans lesquels, en relation avec un exemple de réalisation de l'invention, la figure 1 reproduit une vue éclatée, la figure 2 est une vue établie le long de la flèche 2 de la figure 1 et la figure 3 (a) est une vue en coupe réalisée le long de la ligne 3 (a)-3 (a) de la figure 2. L'exemple de réalisation y représenté comprend un dispositif de centrage de fibres optiques 10. Ce dispositif de centrage 10 est formé d'un organe de réception de fibres 11 composé de trois sections identiques 12,13 et 14.
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Le dispositif de centrage de fibres optiques comprend en outre un élément de réception 16. L'élément de réception a un axe fixe 17 et une surface interne définie comme une surface de révolution 18 par rapport à l'axe fixe 17.
L'élément de réception 16 renferme en outre intérieurement une cavité cylindrique 19 pour le maintien des trois sectons 12,13 et 14 à l'état assemblé. De cette façon, le dispositif de centrage de fibres optiques 10 est à même de maintenir une fibre optique 21 le long de l'axe 17.
Trois sections, 12,13 et 14, sont optimales mais quatre, deux ou peut-être même une section sont suffisantes si on peut mouler cet autre nombre de sections avec une précision suffisante.
Les trois sections 12,13 et 14 sont en substance identiques puisqu'elles ont été moulées chacune de préférence dans le même moule pour assurer leur identité mutuelle. Comme les trois sections identiques 12,13 et 14 forment, à l'état apparié, un ensemble rapporté, solide et symétrique, avec un axe central commun pour les sections droites tant externes qu'internes, cet ensemble centre précisément la fibre optique 21 le long de l'axe 17 de la cavité cylindrique 19 dans laquelle elle a été introduite. Les forces de rétablissement élastiques et axialement symétriques des surfaces internes s'exerçant sur la fibre plus grande, ainsi que des surfaces externes agissant sur la cavité de réception plus petite, assurent le maintien et le centrage automatiques de la fibre dans l'ensemble rapporté, ainsi que de ce dernier dans la cavité.
Les sections 12,13 et 14 sont pourvues de chanfreins 22, 23 et 24 pour former un cône d'entrée évasé, façonné et triangulaire 26, comme le montre clairement la figure 3 (a), en vue de faciliter l'insertion manuelle de la fibre 21. Au besoin, un cône de sortie 27 peut être prévu. Toutefois, la
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majeure partie de l'organe de réception de fibres 11 ne comporte ni le cône 26 ni le cône 27.
La figure 5 est une vue perspective d'une section 12 et la figure 6 est une vue en coupe de la section de la figure 5, établie le long de la ligne 6-6 de celle-ci. Chacune des sections 12,13 et 14 a une configuration de section droite uniforme à angle droit le long d'une majeure partie de sa longueur, ce qui forme une limite de périmètre fixe, comme le montre mieux la figure 6. La section 12 visible à la figure 6 comprend une première partie 28 conçue pour s'apparier à une partie appariable de la limite d'une deuxième section, telle que la section 13 par exemple. La limite de la section 12 comporte une deuxième partie 29 conçue pour s'apparier à une partie appariable de la limite d'une troisième section, par exemple la section 14.
La limite de la section 12 inclut une troisième partie 29 contiguë à la première partie 28 et à la deuxième partie 29 pour entrer en prise avec une fibre optique 21 le long de la longueur de la section 12. La limite de la section 12 inclut en outre une quatrième partie contiguë à la première partie 28 et à la deuxième partie 29, mais non à la troisième partie 31, pour entrer en prise avec la paroi cylindrique définie par la cavité concentrique 19.
La cavité 19 se termine par une paroi plane 33 perpendiculaire à l'axe 17.
Un autre exemple de réalisation est représenté à la figure 3 (b) considérée conjointement avec les figures 1 et 2. La figure 3 (b) est similaire à la figure 3 (a), la paroi plane 33 renfermant supplémentairement un évidement 34 intérieur, orienté axialement par rapport à l'axe 17.
La quatrième partie 32 de la section 12 et les parties correspondantes des sections 13 et 14 s'engagent chacune sur la paroi cylindrique de l'élément de réception 16, le long de
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toute sa surface ou d'une partie de celle-ci. Les dimensions des sections 12,13 et 14 sont telles qu'elles sont plus grandes que celles de la cavité 19 à l'état assemblé, mais avant l'insertion dans cette dernière. Les sections 12, 13 et 14 se composent d'une matière élastomère d'une résilience suffisante pour permettre à une voie de passage 36 définie par les troisièmes parties 31 des sections assemblées 12,13 et 14 de recevoir extensiblement une fibre optique 21 dimensionnée plus largement que la voie de passage 36.
La voie de passage 36 peut avoir une section droite en substance triangulaire, comme le montre la figure 2, pour la réception d'une fibre optique 21 présentant une section droite en substance circulaire.
Comme représenté à la figure 3 (a), la voie de passage 36 s'évase extérieurement depuis une position à l'intérieur de l'organe de réception de fibres 11 jusqu'à ses extrémités respectives. L'évasement de la voie de passage, comme le montrent les figures 1 et 2, peut être d'une configuration triangulaire. D'autres configurations d'évasement, telles que des configurations circulaires et hexagonales sont acceptables. A l'état assemblé, mais avant l'insertion dans l'élément de réception 16, l'organe de réception de fibres 11 a une surface externe d'une forme cylindrique ou polygonale, de préférence hexagonale. L'élément de réception 16 peut être fabriqué en une matière transparente et peut maintenir l'organe de réception de fibres 11 par la voie d'un montage à force.
Le rayon d'un cercle circonscrit autour des trois sections 12,13 et 14, à l'état assemblé, mais avant l'insertion dans la cavité 19, est plus grand que le rayon de la cavité 19.
L'axe 17, le long duquel une fibre optique 21 doit être alignée dans un connecteur ou un autre composant, est défini comme l'axe 17 du trou 19 de forme cylindrique du logement rigide extérieur 16 dans lequel le dispositif de centrage
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11 est inséré, comme indiqué à la figure 1. Au surplus, la position désirée de l'extrémité de la fibre 21, le long de l'axe 17, est définie normalement par une surface le long d'une paroi plane 33 à l'extrémité du trou cylindrique 19.
La fibre 21 est simplement poussée à travers le dispositif de centrage 11 jusqu'à ce qu'elle soit arrêtée par la surface finale de la paroi plane 33 et aboute cette surface.
La surface finale peut être, par exemple : 1. une surface de plan focal du connecteur moulé télécentral ou une conception de connecteur apparenté exposée dans la demande de brevet américaine de la demanderesse (Carlsen) : "Connecteurs de fibres optiques", n 112.991, introduite le 17 janvier 1980 ; 2. une surface d'un détecteur de lueurs, tel qu'une photodiode ; 3. une surface de sortie ou fenêtre d'une source lumineuse, telle qu'une diode à lueurs ; ou 4. une fenêtre de sortie d'un ensemble scellé hermétiquement, contenant une source lumineuse sensible à l'atmosphère, par exemple un laser à diodes, dont la surface d'émission protégée est reproduite par une lentille sur une surface extérieure de la fenêtre à un point où la fibre aboute.
De préférence, le dispositif de centrage de fibres optiques 10 est constitué d'un élastomère modérément souple. Lorsque les trois sections 12,13 et 14 de l'organe de réception de fibres 11 sont assemblées comme le montre la figure 2, la surface extérieure présente la forme d'un prisme hexagonal dont la dimension géométrique est légèrement trop grande pour s'ajuster dans le trou cylindrique 19 de l'élément de réception 16 sans distorsion. Toutefois, en raison de leur élasticité, les six sommets de l'hexagone peuvent se comprimer suffisamment pour permettre au dispositif 11 de s'insérer dans le trou 19 en exerçant une petite force et d'y rester sans l'addition d'adhésifs.
Par suite des formes symétriques du trou 19 et de l'ensemble rapporté 11 sur leur axe respectif et également en raison des formes identiques
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des trois sections 12,13 et 14 de l'organe de réception de fibres 11 relativement à son axe, les forces de rétablissement élastiques de la matière comprimée de l'ensemble rapporté tendent à positionner cet ensemble rapporté 11 symétriquement autour de l'axe 17 de l'élément de réception cylindrique 16. Pareillement, le trou triangulaire 36 au centre de l'ensemble rapporté 11 se centre automatiquement autour de l'axe 17 du trou cylindrique 19. Ainsi, la fibre est maintenue et centrée automatiquement le long de l'axe de la cavité cylindrique 19.
A cause de la symétrie de l'organe de réception de fibres 11 et de son élasticité, sa dimension n'est pas critique relativement au diamètre du trou cylindrique 19. Cette caractéristique est importante car, dans la plupart des opérations de moulage de précision, sont compris de nombreux paramètres qui ne peuvent être contrôlés et répétés complètement d'un essai à l'autre, ce qui conduit dès lors à plusieurs variations de pourcent de retrait de matière. La seule dimension critique, c'est-à-dire la dimension du trou triangulaire central dans lequel une fibre 21 doit être insérée (en réalité, la longueur d'un côté du triangle défini par l'une des surfaces des trois parties moulées identiques 12,13 et 14), est relativement insensible aux variations de retrait d'un essai à l'autre.
Bien que ces dimensions soient très petites (approximativement 190 micromètres pour une fibre d'un diamètre de 125 micromètres), dès l'instant où il est réalisé à partir du moule, une variation de quelque pourcent n'est pas importante pour son bon fonctionnement.
Le trou central 36 d'une section droite triangulaire fonctionne, dès qu'il est formé et centré automatiquement dans le trou cylindrique 19, comme le trou triangulaire de la demande de brevet américaine de la Demanderesse (Griffin, Carlsen et Benasutti), intitulée"Faisceau optique de fibres élastomères", n 32.583, introduite le 23 avril 1979, à présent brevet américain n 4. 257.674, publié le 24 mars
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1981. La dimension du triangle est telle qu'un cercle géométriquement inscrit dans celui-ci est légèrement plus petit que la section droite circulaire de la fibre 21 à insérer dans celui-ci.
On a découvert qu'un cercle inscrit d'un diamètre d'environ 110 micromètres convient à une fibre d'un diamètre de 125 micromètres dans la mesure où en utilise pl sieurs matières élastomères d'une dureté"Shore A"d'appro- ximativement 90, la dimension optimale exacte étant déterminée expérimentalement pour une matière donnée.
Par conséquent, les parois élastiques du trou triangulaire 36 sont déformées par l'insertion de la fibre 21. Les forces de rétablissement élastiques de la matière comprimées tendent, par suite de la symétrie, à positionner la fibre 21 à l'endroit où les trois forces sont égales, c'est-à-dire de telle sorte que les axes de la fibre 21 et du trou triangulaire original 36 soient le long de la même ligne. En particulier, la fibre 21 est centrée automatiquement le long de l'axe 17 du trou cylindrique 19 dans lequel le dispositif de centrage 11 a été inséré.
Comme le montre les dessins, l'entrée du dispositif de centrage assemblé 11 est rendue conique sur une distance égale à plusieurs fois la dimension du trou triangulaire central, ce qui rend ainsi aisée la mise en place de la fibre 21 dans le dispositif 11 manuellement, sans l'utilisation d'optiques d'agrandissement.
La section droite du cône peut être très aisément rendue triangulaire comme la forme du trou où il va en diminuant, comme visible aux dessins, mais peut avoir toute autre forme s'adaptant à la forme du trou.
La présente invention diffère de celle couverte par le brevet américain n 4. 257.674 par le fait qu'elle se rapporte à l'alignement d'une fibre sur l'axe d'un réceptacle extérieur plutôt que sur une autre fibre dans le même trou.
Ainsi, une attention spéciale est accordée au fait de rendre les forces de rétablissement élastiques radialement symétriques par rapport à un axe commun aux surfaces tant externes qu'internes.
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Principalement, comme exposé ci-dessus, on a admis que la surface finale du trou cylindrique 19 est simplement une surface plane 33 à laquelle aboutit la fibre 21, en laissant le centrage de ladite fibre 21 à l'unité à centrer 11. Ceci est effectivement le cas dans la plupart des applications du dispositif de centrage 11. Dans certaines cas cependant, la fibre 21 doit être positionnée précisément à un point particulier qui peut ne pas être situé aussi précisément sur l'axe 17 du trou cylindrique 19. Dans certaines cas également, il est important de réaliser un alignement précis (même si l'emplacement souhaité est sur l'axe 17) tel qu'un mécanisme d'alignement de soutien, final et automatique soit désiré pour se garantir contre les petits défauts non détectés des parties moulées de l'ensemble de centrage rapporté 11.
Des exemples de ces cas sont : 1. le connecteur télécentral plastique moulé, comme exposé dans la demande de brevet américaine n 112. 991, pour lequel il est extrêmement difficile à un fabricant de moules de centrer le trou cylindrique relativement grand le long de l'axe optique de la lentille dans les limites de plusieurs dixièmes de micron, mais beaucoup plus facile de localiser une structure détaillée plus petite à cette précision ; ou 2. un dispositif semi-conducteur, tel qu'une diode à lueurs du type Burrus, qui ne peut pas être fabriqué intégralement avec le trou d'alignement cylindrique et qui ne peut pas être positionné exactement au même endroit sur la pastille d'un échantillon à l'autre.
La figure 3 (b) montre généralement comment ceci peut être exécuté et la figure 4 montre comment ceci peut être réalisé en utilisant un connecteur télécentral moulé, à titre d'exemple. Deux différences sont présentes par rapport au cas précédent représenté à la figure 3 (a). Les figures 3 (b) et 4 montrent une conicité agrandie à l'extrémité interne de l'ensemble rapporté 11. Cette conicité permet à la fibre
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21, après avoir été alignée précisément sur ou près de l'axe 17 du trou cylindrique 19, d'être déplacée latéralement sur une petite distance à l'extrémité, sans changer notablement son orientation angulaire. Comme indiqué, point n'est besoin que les deux conicités aient les mêmes forme et dimension.
L'exemple de réalisation 11 reproduit à la figure 3 (a) peut présenter ou non la conicité interne. Elle n'est pas nécessaire. Toutefois, pour l'uniformité des parties et pour le coût, il peut être désirable d'avoir le même type d'ensemble rapporté 11, qu'il doive être utilisé dans un élément de réception 16 pourvu d'une surface plane ou qu'il doive être utilisé dans un élément de réception muni intérieurement d'un creux.
La deuxième différence est l'encoche ou le creux reproduit dans la surface finale interne du trou cylindrique 19. Cette encoche ou ce creux peut être formé selon une large gamme de procédés, dépendant de l'application. Dans le cas d'un connecteur moulé, comme le montre la figure 4, l'encoche est simplement réalisée par moulage dans l'extrémité du trou du connecteur, tout en ayant été positionné sur l'axe optique 17 de la lentille moulée. Toutefois, dans le cas de la diode à lueurs, l'encoche ou le creux peut être une structure morsurée sur la pastille elle-même.
En tout cas, lorsque la fibre 21 est insérée à travers le dispositif de centrage 11 et poussée jusqu'à la surface finale, si la fibre s'approche en s'écartant un peu du centre de l'encoche, les parois latérales coniques de cette dernière guident automatiquement l'extrémité de la fibre vers son centre, en faisant abouter la surface plane à son extrémité.
Dans la plupart des cas, il est désirable d'utiliser une matière quelconque, telle qu'un fluide d'adaptation à indice de réfraction, une résine époxy, un gel d'accouplement optique et un adhésif, entre l'extrémité de la fibre 21 et la surface finale 33 ou creux 34 du trou cylindrique 19, à l'intérieur du trou triangulaire 36 entourant la fibre 21, dans le cône d'entrée 26, le cône de sortie 27 ou toute com-
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binaison de ceux-ci.
Une matière d'adaptation caractéristique, qu'il s'agisse d'un fluide, d'un gel, d'une résine époxy, d'un adhésif ou analogue, a une fonction désirée qui est celle d'éliminer ou de réduire largement les pertes par réflexion à l'extrémité de la fibre et à la surface à laquelle elle aboute, en notant cependant que l'aboutement n'est généralement pas un contact optique parfait et présente en général un petit espace, à moins qu'il soit rempli d'une matière d'adaptation caractéristique. Les résines époxy et les adhésifs, partout où ils sont utilisés, maintiennent la fibre 21 en place en permanence.
La plupart de ces matières tendent à lubrifier les surfaces du trou triangulaire 36 pour rendre l'insertion de la fibre 21 plus facile, en permettant ainsi l'utilisation d'un trou triangulaire d'une dimension plus petite pour un pouvoir d'alignement élastique plus grand.
Un exemple de réalisation préféré de l'invention est représenté aux figures 7,8 et 9 où la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un connecteur optique télécentral, plastique et moulé, quelque peu semblable à celui décrit dans la demande de brevet américaine de la Demanderesse (W. John Carlsen), intitulée"Connecteurs de fibres optiques", n 112.991, introduite le 17 janvier 1980. Le connecteur optique télécentral, plastique et moulé 101 a une bride circulaire 102 présentant un plat 103 pour des buts d'alignement.
Le connecteur optique télécentral, plastique et moulé 101 a un trou cylindrique 19 se terminant en une surface plane interne 33. Cette surface plane interne 33 comprend un creux 34 qui s'aligne centralement sur l'axe 17.
Le connecteur optique télécentral 101 se compose d'une matière plastique transparente et est muni d'une surface de référence avant 104 conçue pour s'apparier à une surface de référence correspondante d'un connecteur télécentral similaire. Une surface de lentille convexe 106 est évidée à par-
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tir de la surface de référence 104. Le foyer 107 de la lentille 106 se trouve sur l'axe 17.
Nominalement, la fibre optique a un diamètre extérieur de 0,12 mm qui peut varier à cause des tolérances de fabrication. Le connecteur optique télécentral, plastique et moulé 101 renferme le creux 34 ; dans l'exemple de réalisation préféré des figures 7 et 9, le creux 34 est un évidement en cône tronqué. Selon un exemple préféré, comme le montre la figure 9, la profondeur du creux est de 0,38 mm, le creux 34 se termine, dans sa partie tronquée, en une section droite de 0,076 mm et la paroi du creux 34 forme un angle de 300 par rapport à l'axe prédéterminé 17.
Les parois du creux 34 sont lisses et diminuent uniformément depuis la surface finale 33 jusqu'à la partie tronquée de l'évidement 34, de sorte qu'une fibre optique 21 peut entrer en prise régulièrement avec le connecteur 101, et que l'extrémité de la fibre 21 entre aussi en prise avec les parois de l'évidement ou creux, en s'arrêtant lorsque la dimension de la section droite de l'évidement n'est plus supérieur au diamètre de la fibre insérée 21.
La profondeur de la cavité cylindrique et du creux ou évidement est telle que l'emplacement spécifique 107, où l'extrémité de la fibre est à positionner et à centrer le long de l'axe prédéterminé, coïncide avec le foyer 107 de la lentille 106 lorsque la fibre optique 21 a un diamètre exactement égal au diamètre nominal de la fibre à centrer et positionner.
Bien qu'une véritable fibre optique 21 peut avoir un diamètre légèrement différent du diamètre nominal, l'emplacement spécifique différent où l'extrémité de la fibre serait positionné à partir du foyer 107, est minuscule et peut être ignoré pour des buts pragmatiques.
En utilisant un connecteur télécentral, plastique et moulé 101 présentant la forme conique tronquée 34, comme le montre la figure 9, conjointement avec les trois éléments d'insertion élastomère 12,13 et 14, tel que ceci est décrit plus
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haut en liaison avec les figures 1 à 6 inclus, une fibre optique peut être insérée dans le connecteur, de telle sorte que les forces de rétablissement élastiques résultantes centrent automatiquement la fibre le long de l'axe prédéterminé.
L'organe d'insertion élastomère a une voie de passage interne dont la surface s'évase extérieurement à une extrémité de celle-ci, laquelle est proche de la surface finale intérieure 33, si bien que la correction de compensation d'une fibre 21 produit un désalignement angulaire minimal de l'axe de la fibre à partir de l'axe prédéterminé.
La présente invention procure divers avantages par rapport aux dispositifs de la technique antérieure. En grandes quantités, les éléments d'insertion du dispositif de centrage 11 ne sont pas très coûteux, car ils peuvent être fabriqués en mettant en oeuvre des procédés de production à grande vitesse, tels que le moulage par injection. Etant donné que les trois sections 12,13 et 14 sont identiques, car provenant du même moule et de la même opération de moulage, la symétrie du dispositif résultant 11 assure le centrage automatique de la fibre optique 21, même si le moule de fabrication est légèrement défectueux ou si les conditions de moulage donnent une pièce d'une dimension légèrement différente pour une opération de moulage donnée.
Une fibre 21 est aisément insérée dans le trou d'alignement central 36 par suite du grand cône d'entrée 26. Parce que les côtés coniques sont mous et élastiques, ni la fibre 21 ni l'ensemble rapporté 11 ne sont endommagés par les mains peu sûres d'un opérateur. Ainsi, l'insertion de la fibre 21 peut se faire sans l'emploi de loupes ou d'outiles spéciaux.
En outre, dès que le filtre 21 est en place, elle y reste par suite de l'action de maintien des parois élastiques allongées du trou triangulaire 36. On ne doit pas attendre le durcissement de la résine époxy, par exemple, avant de libérer la fibre 21, et une action séparée, telle qu'un sertissage n'est pas nécessaire pour exercer l'effet de maintien.
La majeure partie du fluide, des résines époxy et analogues,
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qui ont été utilisés dans le trou triangulaire 36, ont lubrifié l'interface des parois pour la fibre et ce, suffisamment pour rendre l'insertion et l'enlèvement aisés en poussant ou tirant activement la fibre à la main, mais non suffisamment pour permettre à la fibre 21 de glisser de soimême lorsqu'elle n'est pas sous tension externe. Par conséquent, lorsqu'une résine époxy ou un autre adhésif est utilisé, le dispositif de travail peut généralement être mis de côté immédiatement pour durcir de soi-même, tandis que l'opérateur abandonne ou passe au dispositif suivant.
Au surplus, dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 3 (b) et 4, l'encoche à l'extrémité du trou cylindrique 19 prévoit une précision d'alignement qui n'était pas réalisable précédemment.
L'exemple de réalisation reproduit aux figures 7,8 et 9 assure une précision d'alignement qui n'a jamais été surpassée.
Diverses autres constructions ont été exposées ci-dessus, Toutefois, il faut souligner que les détails de la forme géométrique du dispositif ne sont pas critiques pour son fonctionnement, aussi longtemps que la symétrie de l'axe central est maintenue. Par exemple, la section droite extérieure hexagonale peut être tout autre polygone régulier, au besoin pour une application donnée. Elle peut être circulaire, quoique les tolérances pour un ajustement bien adapté au trou cylindrique peuvent devenir beaucoup plus étroites. La forme du cône 26 peut être d'une conception généralement lisse. La forme du trou central 36 est optimale lorsqu'il est en contact avec la fibre à seulement trois endroits symétriques.
La forme triangulaire prédécrite n'est que l'une de ces formes. Au lieu d'une partie plane 31, comme le montre la figure 6, la partie 31 peut être courbe. D'autres polygones réguliers sont acceptables pour certaines matières et dimensions. Un trou formé circulairement relève du cadre de l'invention, bien qu'un trou de forme circulaire ne prévoit pas
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un espace de dégagement pour l'air ou la résine époxy, etc, lorsque la fibre 21 est insérée.
Les principes de la présente invention procurent un dispositif d'auto-alignement automatique pour accepter, centrer et maintenir une fibre 21 le long d'un axe prédéterminé 17 et dans une position prédéterminée le long de cet axe. De plus, on considère comme hautement avantageux le concept consistant à utiliser trois sections élastiques, moulées et identiques 12,13 et 14 pour créer un dispositif hautement symétrique, tant à l'intérieur qu'a l'extérieur, si bien que le dispositif 11 est aisément insérable dans un trou cylindrique 19 où il se centre automatiquement et précisément et si bien qu'une fibre 21 est aisément insérée dans son trou central 19, en devenant automatiquement et précisément centrée sur l'axe 17 du trou cylindrique 19.
En outre, on considère comme ayant un caractère hautement désirable le concept consistant à utiliser un dispositif de ce type conjointement avec un dispositif de positionnement final ou de soutien, c'est-à-dire l'encoche conique, comme représenté aux figures 3 (b) et 4, pour garantir que l'extrémité de la fibre est mise en place dans une position hautement spécifique, soit centrée, soit légèrement décalée à partir de l'axe.
D'autres modifications apparaîtront d'elles-mêmes aux hommes de métier spécialisés dans la présente technique.
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formulated by a company known as: GTE LABORATORIES INCORPORATED for "Fiber optic centering device" (Inventors: Paul MELMAN and W. John CARLSEN) as
PATENT.
Priority of the patent application filed in the United States of America on January 3, 1983 under No. 454.'943, in the name of Paul MELMAN and W. John CARLSEN, of which the above company is the successor.
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"Optical fiber centering device".
The present invention relates to optical fiber centering devices and in particular to devices which ensure the alignment of an optical fiber with high precision, so as to be suitable for use in many fiber coupling designs. Consequently, a general object of the invention is to provide new and improved devices of this nature.
Various techniques have been used in the past to center optical fibers. As is known, these techniques made use of: 1) micromanipulators to initially align an optical fiber manually or servomechanically before the application of the epoxy resin in order to fix the fiber in place; 2) precision machined ferrules or holes, together with hardening of epoxy resins, welding or crimping; or 3) watch rubies, often requiring several of these in tandem, followed by hardening of the epoxy resin or crimping.
Usually expensive and highly accurate parts are required in the above methods. In addition, micromanipulators can only be used in the environment of a laboratory or its equivalent. Servomechanical or operator adjustment is required and the optical fiber must be held in place precisely during the curing time of the epoxy resin. Rooms
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machined metal used in some connectors require extreme machining precision and, therefore, are expensive to implement. Rubies and machined holes should be large enough to accept all fiber diameters within a range of manufacturers' tolerances, and should therefore tend to be loose fixtures for most fibers.
The following three patents were cited during the examination of the Applicant's patent application: U.S. Patent No. 4,181,401 to Jensen, published January 1
EMI3.1
1980; US Patent No. 4,201,443 to Hodge, published May 6, 1980 and US Patent No. 257,674 to Griffin et al, published March 24, 1981.
U.S. Patent No. 4,181. 401 by Jensen relates to optical waveguide connectors for fibers, using several radially adjustable jaws.
Although Jensen highlights three jaws and an aluminum housing with an axially oriented hole, Jensen's device comprising only the jaws and the housing is unable to center an optical fiber.
Jensen recognizes this inability by providing several adjustment screws and associated tapped holes for the necessary alignment. Without these Jensen adjusting screws, the centering of the optical fibers would surely be uncertain. Furthermore, no suggestion is made to use a force fit for the jaws instead of the loose adjustable mount with the screws, disclosed in the Jensen patent. It should also be noted that Jensen, highlighting metallic organs, does not suggest the elastomeric material.
U.S. Patent No. 4,201. 443 by Hodge, which highlights a fiber optic coupler comprising a guide assembly provided with three glass rods arranged
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in a row side by side, parallel to each other, is cited by way of interest in the present patent application with a view to showing the three cylindrical jaws for blocking an optical fiber.
U.S. Patent No. 4,257. 674 of Griffin et al relates to an optical beam of elastomeric fibers and, apart from its citation, does not appear to be relevant.
In two of the Applicant's US applications, one by W. John Carlsen, entitled "Methods and Apparatus for
EMI4.1
fiber optic connection ", No. 23,862, introduced March 26, 1979, now U.S. Patent No. 325,607, published April 20, 1982, and one by W. Griffin, W. John Carlsen and JE Benasutti, titled "Optical Beam of Elastomeric Fibers", No. 32.583, introduced April 23, 1979, now US Patent No. 4,257,674, published March 24, 1981, optical fiber bundles are described which are designed to precisely and automatically align two fibers along of the same axis, so as to optimize the transfer of energy between them.
However, the object of the present invention is to precisely align a single fiber automatically along an externally defined axis.
In a third US patent application of the Applicant, by W. John Carlsen, entitled "Fiber optic connectors", no. 112. 991, introduced on January 17, 1980, optical connectors of telecentral fibers using molded optics are described. made of plastic. The alignment is carried out using a variant of the configuration of the beam shown in US Patent No. 4,325,607, a variant in which the mold and the molding process provide precise centering.
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Another object of the invention is to provide new and improved devices to allow an optical fiber to be aligned with great precision.
Yet another object of the invention is to provide a new and improved optical fiber centering device, which can significantly improve the operation of a molded optical fiber connector.
Yet another object of the invention is to provide a new and improved optical fiber centering device for use in connection with optical fiber connectors and in assemblies for detectors, diode lasers and the like.
Yet another object of the invention is to provide a new and improved optical fiber centering device, which can precisely center an optical fiber along an axis of a cylindrical hole in which it has been inserted.
According to a preferred embodiment of the invention, an optical fiber centering device comprises a fiber receiving member formed of three sections and a receiving element. The receiving element has a surface of axial revolution that is centro-symmetrical with respect to a fixed axis. The element internally has a cylindrical and concentric cavity to maintain the sections in the assembled state. The device is suitable for holding an optical fiber along its axis. The three sections are substantially identical to each other. Each of the three sections has a uniform cross-sectional configuration at right angles along most of its length, while forming a fixed perimeter boundary.
The limit of one of the sections includes
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a first part made to match a matchable part of the limit of a second section. The boundary of one of the sections has a second portion designed to match a matchable portion of the boundary of the third section. The boundary of one of the sections has a third part contiguous with the first part and the second part for the engagement of an optical fiber along the length. The limit of one of the sections includes a fourth part contiguous with the first and the second parts, but not with the third part, for the engagement of the cylindrical wall defined by the concentric cavity. The cavity ends with a flat wall perpendicular to the axis.
The fourth part can engage the cylindrical wall along a fraction of the fourth part. According to certain characteristics of the invention, the flat wall is internally provided with a recess oriented axially with respect to the axis. The sections are made of an elastomeric material of sufficient resilience to allow a passageway, defined by the third parts of the assembled sections, to receive extensively an optical fiber whose dimensions are larger than those of the passageway . The passageway may have a substantially triangular cross section for receiving a fiber whose cross section is substantially circular.
The passageway can flare outwardly from a position inside the fiber receiving member to its respective ends.
According to certain features of the invention, the flaring of the passageway can have a triangular configuration, a hexagonal configuration or a circular configuration. The fiber receiving member may have an outer surface of a polygonal shape. The receiving element may consist of a transparent material.
The fiber receiving member can be held in the cavity of the element by force fitting. The Ray
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of the three sections, in the assembled state, but before insertion into the cavity, is preferably larger than the radius of this same cavity.
According to another embodiment of the invention, an optical fiber centering device intended to center the main axis of an optical fiber along a predetermined axis of the device and to position one end of the fiber at a specific location along the predetermined axis, includes a receiving member and an elastomeric insertion member. The receiving element is provided internally with a cylindrical cavity whose axis of revolution coincides with the predetermined axis.
The cylindrical cavity ends in an interior final surface which intersects the predetermined axis at the specific location where the end of the fiber is to be positioned. The elastomeric insertion member can be inserted into the cylindrical cavity. The elastomeric insertion member has an external configuration in the form of a first regular right prism whose cross section perpendicular to its main axis of symmetry is a first regular polygon whose vertices extend from the axis of symmetry , over a distance slightly greater than the radius of the cylindrical cavity, so that, if the elastomeric insert is inserted into the cavity, the vertices are compressed elastically, so that resulting elastic restoring forces act to center the axis of symmetry with respect to the axis of revolution and,
in turn, the predetermined axis. The elastomeric insertion member also contains an internal passageway in the form of a second straight regular prism whose main axis of symmetry coincides with the axis of symmetry of the external configuration. A cross section of the internal passageway, perpendicular to its axis of symmetry, is a second regular polygon the distance of which closest to a point of its perimeter from the center of the second regular polygon is less than the radius of the
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smallest fiber diameter to center and position along the predetermined axis.
Thus, an optical fiber inserted in the internal passageway compresses the elastomeric insertion member so that the resulting elastic recovery forces automatically center the fiber along the axis of symmetry of the first straight regular prism, this axis of symmetry coinciding with the predetermined axis of the device. According to certain characteristics of the invention, the receiving element consists of a transparent material. The internal passageway of the elastomeric insertion member can flare outwardly from an interior position to one of its ends where a fiber is to be inserted, in order to facilitate manual insertion of the fiber. The first regular polygon can have an infinite number of sides so as to have a circular shape.
The external configuration may have a radius slightly larger than that of the cylindrical cavity. The second regular polygon can have an infinite number of sides so that it has a circular shape. The internal passageway may have a radius slightly smaller than that of the smallest fiber diameter to be centered and to be positioned along the predetermined axis. The first regular polygon can be a regular hexagon. The second regular polygon can be an equilateral triangle. The elastomeric insertion member may consist of three identical parts, each part having first and second visible surfaces which, in the assembled state, match, respectively, the corresponding visible surfaces of the two other parts.
They match along the plane surfaces whose planes intersect the common axis of symmetry of the first and second regular polygons. This ensures optimal triple symmetry of the insertion member with respect to the common axis. Each of the three identical parts can be produced in a common mold. According to certain characteristics, the first regular polygon can be a regular hexagon, the second polygon
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regular can be an equilateral triangle and the three planes formed by the assembled matching insertion parts pass respectively through the three vertex lines of the inner triangle and, respectively, through three of the six vertex lines of the outer hexagon .
Thus, the three identical insertion parts align mutually by sliding when they are inserted into the cylindrical cavity.
In accordance with a preferred embodiment of the invention, an optical fiber centering device serving to center the main axis of an optical fiber along a predetermined axis of the device and to position one end of the fiber to be a specific location along the predetermined axis, comprises a receiving element and an elastomeric insertion member. The receiving element has internally a cylindrical cavity whose axis of revolution coincides with the predetermined axis.
The cylindrical cavity ends in an interior final surface. This inner final surface contains a recess to further center one end of the optical fiber along the predetermined axis to a degree greater than that which can be achieved in the absence of the recess.
It follows that: 1. all the straight sections through the recess, perpendicular to the predetermined axis, are shapes in which can be inscribed a single circle whose center is on the axis; 2. the dimension of the cross section of the recess of the internal final surface of the cylindrical cavity is larger than that of the largest fiber diameter to center and to position;
3. the dimension of the cross section decreases progressively and regularly from the final surface of the cylindrical cavity until the recess ends in a cross section smaller than that of the smallest diameter of fiber to be centered and position, so that a
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inserted fiber is regularly guided along a wall of the recess and is stopped when the dimensions of the cross section of the recess are no longer greater than the diameter of the inserted fiber; and 4. the depth of the cylindrical cavity and of the recess is such that the specific location along the predetermined axis, where one end of the fiber is to be positioned, is where the dimension of the cross section of the recess allows the nominal dimensions of the fiber to be centered and positioned.
The elastomeric insertion member can be inserted into the cylindrical body, the insertion member comprising an internal passageway. Thus, an optical fiber introduced into the elastomeric insertion member forces the resulting elastic recovery forces to automatically center the fiber along the predetermined axis.
According to certain features of the invention, the recess can be a truncated conical recess. The depth of the recess can be 0.38 mm, the recess can end in a straight section of 0.076 mm, the wall of the recess can form an angle of 30 relative to the predetermined axis, the receiving element may be integral with a telecentral optical connector and the telecentral optical connector may include an integrally molded lens surface, the optical axis of which coincides with the predetermined axis and the focus of which coincides with the specific location.
Other objectives, advantages and particularities of the invention, together with its construction and its mode of operation, emerge clearly from the description below, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a perspective view exploded view of an exemplary embodiment of the invention showing a device for centering optical fibers, an optical fiber
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that being represented by lines and dots; Figure 2 is a front view of the assembled device of Figure 1, considering line 2 thereof; Figure 3 (a) is a sectional view of an exemplary embodiment of the invention, established along the line
3 (a) -3 (a) of Figure 2; Figure 3 (b) is a sectional view of another embodiment of the invention, taken along line 3 (a) -3 (a) of Figure 2;
Figure 4 is a view similar to that of Figure
3 (b), as applied to a telecentral optical connector; Figure 5 is a perspective view of a section of a fiber receiving member, shown in combination with Figures 1 to 4; Figure 6 is a view along line 6-6 of Figure 5; FIG. 7 is a sectional view of another exemplary embodiment of the invention, applied to a telecentral optical connector (the elastomeric insertion member being removed to simplify the representation), the view being taken along the line 7-7 of figure 8; Figure 8 is an end view of the exemplary embodiment of Figure 7; and FIG. 9 is a detail on an enlarged scale of part of FIG. 7.
Reference is made to the drawings in which, in relation to an exemplary embodiment of the invention, FIG. 1 reproduces an exploded view, FIG. 2 is a view drawn up along arrow 2 in FIG. 1 and FIG. 3 ( a) is a sectional view taken along line 3 (a) -3 (a) of FIG. 2. The embodiment shown therein comprises a device for centering optical fibers 10. This centering device 10 is formed of a fiber receiving member 11 composed of three identical sections 12, 13 and 14.
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The optical fiber centering device further comprises a receiving element 16. The receiving element has a fixed axis 17 and an internal surface defined as a surface of revolution 18 relative to the fixed axis 17.
The receiving element 16 also internally contains a cylindrical cavity 19 for maintaining the three sections 12, 13 and 14 in the assembled state. In this way, the optical fiber centering device 10 is able to hold an optical fiber 21 along the axis 17.
Three sections, 12, 13 and 14, are optimal but four, two or perhaps even one section are sufficient if this other number of sections can be molded with sufficient precision.
The three sections 12, 13 and 14 are essentially identical since they have each been preferably molded in the same mold to ensure their mutual identity. As the three identical sections 12, 13 and 14 form, in the paired state, an attached assembly, solid and symmetrical, with a common central axis for the straight sections, both external and internal, this assembly precisely centers the optical fiber 21 the along the axis 17 of the cylindrical cavity 19 into which it has been introduced. The elastic and axially symmetrical restoring forces of the internal surfaces acting on the larger fiber, as well as the external surfaces acting on the smaller receiving cavity, ensure the automatic maintenance and centering of the fiber in the insert assembly, as well as the latter in the cavity.
Sections 12, 13 and 14 are provided with chamfers 22, 23 and 24 to form a flared, shaped and triangular inlet cone 26, as clearly shown in Figure 3 (a), to facilitate manual insertion of the fiber 21. If necessary, an outlet cone 27 can be provided. However, the
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most of the fiber receiving member 11 has neither the cone 26 nor the cone 27.
Figure 5 is a perspective view of a section 12 and Figure 6 is a sectional view of the section of Figure 5, taken along line 6-6 thereof. Each of sections 12, 13 and 14 has a uniform cross-sectional configuration at right angles along most of its length, which forms a fixed perimeter boundary, as best shown in Figure 6. The visible section 12 in Figure 6 comprises a first part 28 designed to match a matchable part of the limit of a second section, such as section 13 for example. The limit of section 12 includes a second part 29 designed to match a matchable part of the limit of a third section, for example section 14.
The boundary of section 12 includes a third portion 29 contiguous with the first portion 28 and the second portion 29 for engaging with an optical fiber 21 along the length of the section 12. The boundary of section 12 includes in besides a fourth part contiguous to the first part 28 and to the second part 29, but not to the third part 31, to engage the cylindrical wall defined by the concentric cavity 19.
The cavity 19 ends in a flat wall 33 perpendicular to the axis 17.
Another embodiment is shown in FIG. 3 (b) considered in conjunction with FIGS. 1 and 2. FIG. 3 (b) is similar to FIG. 3 (a), the flat wall 33 additionally enclosing an interior recess 34, oriented axially with respect to axis 17.
The fourth part 32 of section 12 and the corresponding parts of sections 13 and 14 each engage on the cylindrical wall of the receiving element 16, along
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its entire surface or part thereof. The dimensions of sections 12, 13 and 14 are such that they are larger than those of cavity 19 in the assembled state, but before insertion into the latter. Sections 12, 13 and 14 are made of an elastomeric material of sufficient resilience to allow a passageway 36 defined by the third parts 31 of the assembled sections 12, 13 and 14 to receive extensively an optical fiber 21 dimensioned more largely as the passageway 36.
The passageway 36 may have a substantially triangular cross section, as shown in FIG. 2, for the reception of an optical fiber 21 having a substantially circular cross section.
As shown in Figure 3 (a), the passageway 36 flares outwardly from a position inside the fiber receiving member 11 to its respective ends. The flaring of the passageway, as shown in Figures 1 and 2, can be of a triangular configuration. Other flare configurations, such as circular and hexagonal configurations are acceptable. In the assembled state, but before insertion into the receiving element 16, the fiber receiving member 11 has an external surface of a cylindrical or polygonal shape, preferably hexagonal. The receiving element 16 can be made of a transparent material and can hold the fiber receiving member 11 by means of a press fit.
The radius of a circle circumscribed around the three sections 12, 13 and 14, in the assembled state, but before insertion into the cavity 19, is greater than the radius of the cavity 19.
The axis 17, along which an optical fiber 21 must be aligned in a connector or other component, is defined as the axis 17 of the hole 19 of cylindrical shape of the external rigid housing 16 in which the centering device
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11 is inserted, as shown in FIG. 1. In addition, the desired position of the end of the fiber 21, along the axis 17, is normally defined by a surface along a flat wall 33 to 1 end of the cylindrical hole 19.
The fiber 21 is simply pushed through the centering device 11 until it is stopped by the final surface of the planar wall 33 and abuts this surface.
The final surface may be, for example: 1. a focal plane surface of the telecentral molded connector or a related connector design disclosed in the applicant's US patent application (Carlsen): "Fiber optic connectors", No. 112.991, introduced January 17, 1980; 2. a surface of a light detector, such as a photodiode; 3. an exit surface or window of a light source, such as a glow diode; or 4. an exit window from a hermetically sealed assembly, containing a light source sensitive to the atmosphere, for example a diode laser, the protected emission surface of which is reproduced by a lens on an external surface of the window to a point where the fiber abuts.
Preferably, the optical fiber centering device 10 consists of a moderately flexible elastomer. When the three sections 12, 13 and 14 of the fiber receiving member 11 are assembled as shown in FIG. 2, the external surface has the shape of a hexagonal prism whose geometrical dimension is slightly too large to fit in the cylindrical hole 19 of the receiving element 16 without distortion. However, due to their elasticity, the six vertices of the hexagon can be compressed enough to allow the device 11 to be inserted into the hole 19 by exerting a small force and to remain there without the addition of adhesives.
As a result of the symmetrical shapes of the hole 19 and of the attached assembly 11 on their respective axis and also because of the identical shapes
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of the three sections 12, 13 and 14 of the fiber receiving member 11 relative to its axis, the elastic recovery forces of the compressed material of the insert tend to position this insert 11 symmetrically around the axis 17 of the cylindrical receiving element 16. Similarly, the triangular hole 36 in the center of the insert 11 is automatically centered around the axis 17 of the cylindrical hole 19. Thus, the fiber is held and centered automatically along the axis of the cylindrical cavity 19.
Because of the symmetry of the fiber receiving member 11 and its elasticity, its dimension is not critical relative to the diameter of the cylindrical hole 19. This characteristic is important because, in most precision molding operations, many parameters are included which cannot be checked and repeated completely from one test to another, which therefore leads to several variations in percent shrinkage. The only critical dimension, i.e. the dimension of the central triangular hole into which a fiber 21 must be inserted (in reality, the length of one side of the triangle defined by one of the surfaces of the three identical molded parts 12, 13 and 14), is relatively insensitive to variations in shrinkage from one trial to another.
Although these dimensions are very small (approximately 190 micrometers for a fiber with a diameter of 125 micrometers), from the moment it is made from the mold, a variation of a few percent is not important for its proper functioning .
The central hole 36 of a triangular cross section functions, as soon as it is formed and automatically centered in the cylindrical hole 19, like the triangular hole of the Applicant's American patent application (Griffin, Carlsen and Benasutti), entitled " Optical beam of elastomeric fibers ", No. 32.583, introduced on April 23, 1979, now US Patent No. 4,257,674, published on March 24
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1981. The dimension of the triangle is such that a geometrically inscribed circle therein is slightly smaller than the circular cross section of the fiber 21 to be inserted therein.
It has been discovered that an inscribed circle with a diameter of about 110 micrometers is suitable for a fiber with a diameter of 125 micrometers since it uses several elastomeric materials with a hardness "Shore A" of approximately ximatively 90, the exact optimal dimension being determined experimentally for a given material.
Consequently, the elastic walls of the triangular hole 36 are deformed by the insertion of the fiber 21. The elastic recovery forces of the compressed material tend, as a result of the symmetry, to position the fiber 21 where the three forces are equal, that is to say so that the axes of the fiber 21 and the original triangular hole 36 are along the same line. In particular, the fiber 21 is automatically centered along the axis 17 of the cylindrical hole 19 in which the centering device 11 has been inserted.
As shown in the drawings, the inlet of the assembled centering device 11 is made conical over a distance equal to several times the dimension of the central triangular hole, which thus makes it easy to place the fiber 21 in the device 11 manually , without the use of magnification optics.
The cross section of the cone can be very easily made triangular like the shape of the hole where it decreases, as visible in the drawings, but can have any other shape adapting to the shape of the hole.
The present invention differs from that covered by US Patent No. 4,257,674 in that it relates to the alignment of a fiber on the axis of an outer receptacle rather than on another fiber in the same hole .
Thus, special attention is paid to making elastic recovery forces radially symmetrical about an axis common to both external and internal surfaces.
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Mainly, as explained above, it has been admitted that the final surface of the cylindrical hole 19 is simply a flat surface 33 to which the fiber 21 terminates, leaving the centering of said fiber 21 to the unit to be centered 11. This is effectively the case in most applications of the centering device 11. In some cases, however, the fiber 21 must be positioned precisely at a particular point which may not be located as precisely on the axis 17 of the cylindrical hole 19. In certain Also, it is important to achieve precise alignment (even if the desired location is on axis 17) such that a support, final and automatic alignment mechanism is desired to guarantee against small undetected faults. molded parts of the attached centering assembly 11.
Examples of these cases are: 1. the molded plastic telecentral connector, as disclosed in US Patent Application No. 112,2991, for which it is extremely difficult for a mold maker to center the relatively large cylindrical hole along the optical axis of the lens within the limits of several tenths of a micron, but much easier to locate a smaller detailed structure at this precision; or 2. a semiconductor device, such as a Burrus-type light emitting diode, which cannot be manufactured integrally with the cylindrical alignment hole and which cannot be positioned in exactly the same place on the chip. one sample to another.
Figure 3 (b) generally shows how this can be done and Figure 4 shows how this can be done using a molded telecentral connector, as an example. Two differences are present compared to the previous case shown in Figure 3 (a). Figures 3 (b) and 4 show an enlarged taper at the inner end of the insert 11. This taper allows the fiber
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21, after having been aligned precisely on or near the axis 17 of the cylindrical hole 19, to be moved laterally over a small distance at the end, without significantly changing its angular orientation. As indicated, there is no need for the two conicities to have the same shape and dimension.
The embodiment 11 reproduced in FIG. 3 (a) may or may not have the internal taper. It is not necessary. However, for the uniformity of the parts and for the cost, it may be desirable to have the same type of added assembly 11, whether it is to be used in a receiving element 16 provided with a flat surface or that it must be used in a receiving element provided internally with a hollow.
The second difference is the notch or recess reproduced in the internal final surface of the cylindrical hole 19. This notch or this recess can be formed according to a wide range of methods, depending on the application. In the case of a molded connector, as shown in FIG. 4, the notch is simply produced by molding in the end of the hole of the connector, while having been positioned on the optical axis 17 of the molded lens. However, in the case of the glow diode, the notch or the hollow can be a structure bitten on the patch itself.
In any case, when the fiber 21 is inserted through the centering device 11 and pushed to the final surface, if the fiber approaches by deviating a little from the center of the notch, the conical side walls of the latter automatically guide the end of the fiber towards its center, abutting the flat surface at its end.
In most cases, it is desirable to use any material, such as a refractive index matching fluid, an epoxy resin, an optical coupling gel and an adhesive, between the end of the fiber. 21 and the final surface 33 or hollow 34 of the cylindrical hole 19, inside the triangular hole 36 surrounding the fiber 21, in the inlet cone 26, the outlet cone 27 or any com-
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pairing of these.
A characteristic adapter material, whether it is a fluid, gel, epoxy resin, adhesive or the like, has a desired function which is to eliminate or greatly reduce the reflection losses at the end of the fiber and at the surface to which it abuts, noting however that the abutment is generally not a perfect optical contact and generally presents a small space, unless it is filled with a characteristic adaptation material. Epoxy resins and adhesives, wherever they are used, keep fiber 21 in place permanently.
Most of these materials tend to lubricate the surfaces of the triangular hole 36 to make the insertion of the fiber 21 easier, thereby allowing the use of a smaller dimension triangular hole for elastic alignment. bigger.
A preferred embodiment of the invention is shown in Figures 7,8 and 9 where Figure 7 is a cross-sectional view of a telecentral optical connector, plastic and molded, somewhat similar to that described in the patent application Applicant's US (W. John Carlsen), entitled "Fiber Optic Connectors", No. 112.991, introduced on January 17, 1980. The telecentral, plastic and molded optical connector 101 has a circular flange 102 having a flat 103 for purposes of 'alignment.
The telecentral, plastic and molded optical connector 101 has a cylindrical hole 19 ending in an internal planar surface 33. This internal planar surface 33 includes a recess 34 which is aligned centrally on the axis 17.
The telecentral optical connector 101 is made of a transparent plastic material and is provided with a front reference surface 104 designed to pair with a corresponding reference surface of a similar telecentral connector. A convex lens surface 106 is hollowed out through
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shot from the reference surface 104. The focal point 107 of the lens 106 is located on the axis 17.
Nominally, the optical fiber has an outside diameter of 0.12 mm which may vary due to manufacturing tolerances. The telecentral, plastic and molded optical connector 101 contains the recess 34; in the preferred embodiment of Figures 7 and 9, the recess 34 is a truncated cone recess. According to a preferred example, as shown in FIG. 9, the depth of the hollow is 0.38 mm, the hollow 34 ends, in its truncated part, in a straight section of 0.076 mm and the wall of the hollow 34 forms an angle by 300 with respect to the predetermined axis 17.
The walls of the recess 34 are smooth and decrease uniformly from the final surface 33 to the truncated part of the recess 34, so that an optical fiber 21 can regularly engage with the connector 101, and that the end fiber 21 also engages with the walls of the recess or hollow, stopping when the dimension of the cross section of the recess is no longer greater than the diameter of the inserted fiber 21.
The depth of the cylindrical cavity and the recess or recess is such that the specific location 107, where the end of the fiber is to be positioned and centered along the predetermined axis, coincides with the focal point 107 of the lens 106 when the optical fiber 21 has a diameter exactly equal to the nominal diameter of the fiber to be centered and positioned.
Although a true optical fiber 21 may have a diameter slightly different from the nominal diameter, the different specific location where the end of the fiber would be positioned from the focal point 107, is tiny and can be ignored for pragmatic purposes.
Using a telecentral, plastic and molded connector 101 having the truncated conical shape 34, as shown in FIG. 9, together with the three elastomeric insertion elements 12, 13 and 14, as described more
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top in conjunction with Figures 1 to 6 inclusive, an optical fiber can be inserted into the connector, so that the resulting elastic recovery forces automatically center the fiber along the predetermined axis.
The elastomeric insert has an internal passageway whose surface flares outwardly at one end thereof, which is close to the final internal surface 33, so that the compensation compensation for a fiber 21 produces minimal angular misalignment of the fiber axis from the predetermined axis.
The present invention provides various advantages over the devices of the prior art. In large quantities, the inserts of the centering device 11 are not very expensive, since they can be manufactured by implementing high-speed production methods, such as injection molding. Since the three sections 12, 13 and 14 are identical, since coming from the same mold and from the same molding operation, the symmetry of the resulting device 11 ensures the automatic centering of the optical fiber 21, even if the manufacturing mold is slightly defective or if the molding conditions give a part of a slightly different size for a given molding operation.
A fiber 21 is easily inserted into the central alignment hole 36 as a result of the large inlet cone 26. Because the conical sides are soft and elastic, neither the fiber 21 nor the insert 11 is damaged by the hands unsure of an operator. Thus, the insertion of the fiber 21 can be done without the use of magnifying glasses or special tools.
In addition, as soon as the filter 21 is in place, it remains there as a result of the action of holding the elongated elastic walls of the triangular hole 36. One should not wait for the curing of the epoxy resin, for example, before releasing the fiber 21, and a separate action, such as crimping is not necessary to exert the holding effect.
Most of the fluid, epoxy resins and the like,
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which were used in the triangular hole 36, lubricated the wall interface for the fiber, enough to make insertion and removal easy by actively pushing or pulling the fiber by hand, but not enough to allow the fiber 21 to slide by itself when it is not under external tension. Therefore, when an epoxy resin or other adhesive is used, the working device can generally be set aside immediately to harden on its own, while the operator abandons or moves to the next device.
In addition, in the embodiment shown in Figures 3 (b) and 4, the notch at the end of the cylindrical hole 19 provides an alignment precision which was not previously achievable.
The exemplary embodiment reproduced in FIGS. 7, 8 and 9 ensures alignment accuracy which has never been surpassed.
Various other constructions have been exposed above. However, it should be emphasized that the details of the geometrical shape of the device are not critical for its operation, as long as the symmetry of the central axis is maintained. For example, the hexagonal outer straight section can be any other regular polygon, if necessary for a given application. It can be circular, although the tolerances for a well-suited fit to the cylindrical hole can become much narrower. The shape of the cone 26 can be of a generally smooth design. The shape of the central hole 36 is optimal when it is in contact with the fiber at only three symmetrical locations.
The pre-described triangular shape is just one of these shapes. Instead of a flat part 31, as shown in FIG. 6, the part 31 can be curved. Other regular polygons are acceptable for certain materials and dimensions. A circularly formed hole is within the scope of the invention, although a circular shaped hole does not provide
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a clearance space for air or epoxy resin, etc., when the fiber 21 is inserted.
The principles of the present invention provide an automatic self-alignment device for accepting, centering and holding a fiber 21 along a predetermined axis 17 and in a predetermined position along this axis. Furthermore, the concept of using three elastic, molded and identical elastic sections 12, 13 and 14 is considered highly advantageous to create a highly symmetrical device, both inside and out, so that the device 11 is easily inserted into a cylindrical hole 19 where it is automatically and precisely centered, so that a fiber 21 is easily inserted into its central hole 19, becoming automatically and precisely centered on the axis 17 of the cylindrical hole 19.
In addition, the concept of using a device of this type in conjunction with a final positioning or support device, i.e. the conical notch, is considered to be highly desirable, as shown in Figures 3 ( b) and 4, to ensure that the end of the fiber is placed in a highly specific position, either centered or slightly offset from the axis.
Other modifications will appear of themselves to those skilled in the art.