CN1527079A - 光导连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光导连接器，该连接器具有第一连接部件和第二连接部件，它们可相互连接，并且每个连接部件具有一个光导单元，两个光导单元中至少一个如此被施加弹性预应力，使得连接部件相互连接后两个光导单元的端面相互压紧，从而实现从一个光导单元向另一个光导单元的光传递。其中，一个光导单元的端面具有凹球形，而另一个光导单元的端面具有凸球形，两个端面有相同的曲率半径。

Description

光导连接器

技术领域

本发明涉及一种光导连接器，特别是应用于在两个相互连接的车辆部分之间传递光信号的光导连接器，该连接器带有第一和第二两个连接部件，两部分可相互连接，每个连接部件中具有一个光导单元，连接部件中至少一个如此被施加弹性预应力，使得连接部件相互连接后，两个光导单元以它们的端面相互压紧，以实现从一个光导单元至另一个光导单元的光传递。

背景技术

此类的光导连接器已在DE 28 54 962 C2中公开，其中描述了一个应用于轨道车辆的中间缓冲连接器。该中间缓冲连接器中具有一个电缆连接器，它附带在一列列车中将制动电流和牵引电流的控制脉冲信号从一节车厢向另一节车厢传递。该电缆连接器由两个触点座组成，在每个车厢上固定两个触点座中的一个，在每个触点座上除设有大量的电气触点外，还设有光波导体。光波导体之一被如此施加弹性预应力，使得两个车厢连接导致两个触点座相互运动时，两个光波导体的端面相互压紧。通过这种相互压紧的光波导体，可以实现从一节车厢向另一节车厢的光信号传递。

在DE 198 07 596 C2中公开了一种如说明书开始处所述方式的光波导插头连接，在该连接中，不仅是一个，而是两个光导单元都施加弹性预应力。

当在恶劣的环境下使用上述方式的光导连接器时，例如在两个相互连接的车辆部分之间传递信号时，经常出现传递错误。一个原因是，当光信号从一个光导单元向另一个光导单元传递时，由于两个光导单元的光轴之间的偏移和倾斜导致了光信号强烈的相对减弱，这将导致光信号的错误。但是在相互连接的车辆部分处，光导单元的上述光轴偏移和倾斜是不可避免的，因为两个连接部件不能实现刚性的相互连接，还承受比较大的机械负荷。信号传递的不可靠性的另一个原因是此类光导连接器对于磨损和污染的敏感性，而磨损和污染在恶劣的工作环境中同样是不可避免的。

为解决这一问题，在DE 29 22 937 C2中公开了一种建议的电缆连接器，在该连接器中光导单元的端面并不相接触，而是使用一个透镜装置使得光通过空气从一个光导单元向另一个光导单元传递。但此类的导线连接器结构比较复杂，造价昂贵而且不能达到预期的可靠性要求。

考虑到上述的困难，在DE 100 52 020 A1中建议在恶劣的使用条件下完全放弃常规的光导连接器方案，而是将第一个光波导体中的传递的光信号首先转换为电信号，将该电信号通过传统的电气连接方式传递，然后将传递来的电信号再次转换为光信号并输入到第二个光波导体中。这样，当然也就失去了光连接方式的优点，即高的传递带宽以及对电干扰有更好的抵抗能力。特别是在直接的邻近环境中存在强的电流传输时更容易出现电子干扰，例如轨道车辆的电缆连接中常常出现这种情况。

发明内容

本发明的任务是，给出一种光导连接器，它的结构简单并且可实现对干扰不敏感的信号传递。

在本说明书开始处所述的光导连接器中，该任务通过以下方式实现，即一个光导单元的端面被设计为凹球面，另一个光导单元的端面被设计为曲率半径相同的凸球面。

在连接状态下，一个连接部件的凸端面准确吻合地放在另一个连接部件凹端面中，并且在端面之间没有可能导致光信号衰减的气隙。

在一个或者两个光导单元的预应力所产生的压力作用下，凸端面被压到凹端面的凹陷空间中，如此实现两个连接部件的自动对中。因而在本发明光导连接器中避免了光导单元光轴的偏移，如上所述，在常规的光导连接器中，该偏移同样导致光信号的衰减。

此外，球形端面允许光导单元光轴相互之间的倾斜，而不会使得端面相互脱开。在发生此类的倾斜时，凸球形端面在凹球形端面内滑动，如同关节头在关节窝中滑动一样，在端面之间不出现气隙。与传统的光导连接器的平面端面相比，该球形端面的显著的优点在于，可以克服传统连接器在连接部件相互倾斜时在端面之间不可避免地形成气隙这一缺陷，该气隙将导致传递信号的不能允许的衰减。

当光导连接器用于在两个相互连接的车辆部分之间、例如轨道车辆之间传递光信号时，连接部件之间相互倾斜可能造成信号微小衰弱这一点是具有重要意义的。虽然在传统的轨道车辆光导连接器中试图将信号连接器和电子连接器的连接部件放成直线，即避免连接部件之间的相互倾斜，但是在实践中由于很高的机械负荷，这是不能可靠保证的，从而导致传递的光信号的过大衰减。在本发明的光导连接器中可以在原理上完全不要求直线走向，因为即使连接器部件之间相对较大的相互倾斜也只导致信号的可容许的衰减。因此本发明的光导连接器在一定程度上是“可折弯的”。

建议每个光导单元由一个不透光的外套和一个安装在其内部的透光的内芯构成。当连接部件被连接时，不透光的外套构成一个屏蔽日光的光隧道。

透光内芯的球形端面可以在外套内实现无级连续的延伸。为实现即使在光导单元发生相互倾斜时也可以使得日光不射入到透光的内芯中，外套在端面附近区域的壁厚不能过小。壁厚应采用至少1/10，建议采用至少1/5的端面曲率半径尺寸。

上述的光导连接器可以以传统的方式具有优点地用作两个光波导体之间的无源连接单元。例如一个光信号可以从第一个光波导体中经过一定的距离传导到第一个连接部件中，并在那里输入到该连接部件的光导单元中。光信号然后通过两个光导单元的端面传递到第二个连接部件的光导单元中，并从它传入到第二个光波导体中，并在该光波导体内进一步传递。

上述光导连接器由于其简单的结构和可靠的连接特性具有广泛的、多方面的应用领域。当光导连接器与信号处理或信号产生的有源单元结合在一起时，可以取得更大的应用多样性。

在一个具有优点的扩展结构中，第一个连接部件装有一个发送装置，它由电信号产生光信号并将其输入到第一个连接部件的光导单元中。附加或者可选地在第二个连接部件上装有接收装置，它由从第二个连接部件传递来的光信号产生电信号。

此外，第一个连接部件可以装有一个微处理器，它为发送装置提供电信号。第二个连接部件也可以装有一个微处理器，它用于处理接收装置产生的电信号。在第二个连接部件的微处理器中的信号处理，例如可检查信号是否被完整地传递。如果传递不完整，可向第一个连接部件的微处理器发出请求将该信号再次发送。第一个连接部件的微处理器可规定其中发送装置产生的光信号的强度，可对由于光导单元端面上的污染或露水所造成的光信号传递的可能衰减进行补偿。

在本发明一种具有优点的扩展结构中，第一个连接部件的微处理器被编程，以便将多个单个的信号合成为一个电子复合信号，并且第二个连接部件的微处理器也被编程，以便将电子复合信号分解为多个单个的信号。以此可将多个不同的信号同时通过光导连接器传递，从而节约光导连接器。

第一和/或第二连接部件可具有优点地带有一个外壳，在外壳的一个轴向端面上形成一个筒形段，光导单元轴向可移动地安装在该筒形段中，并且一个轴向端面在向着筒形段的方向上被施加弹性预应力，在外壳的另一端具有一个连接销，它用于插入一个连接座。该连接销具有优点地由两个相互绝缘的区段构成，当其插入触点座之后，其中的一个区段与一个接地电位相连接，另一个与一个电信号导线相连接。

附图说明

以下的描述给出了本发明的其他优点和特征，其中借助于一个实施例详细说明光导连接器。各图为：

图1：一个光导连接器的第一连接部件的截面图，分别以拆开图的形式(上图)和装配后状态(下图)给出。

图2：一个光导连接器的第二连接部件的截面图，分别以拆开图的形式(上图)和装配后状态(下图)给出。

图3：图1和图2中连接部件在连接状态下的截面图。

图4：图3中的连接好的连接部件，其在光轴方向的间距被缩短。

图5：图3中的连接好的连接部件，其光轴相互倾斜。

图6：第一连接部件外壳的纵截面图。

图7：第一连接部件外壳的横截面图。

图8：第一连接部件外壳的可选择实施形式的横截面图。

图9：第一连接部件的发送装置的功能草图。

图10：第二连接部件的接收装置的功能草图。

图11：带有两个连接座的、应用于轨道车辆的光导连接器的一个截面的截面图，分别有一个光导连接器的连接部件被插入此两个连接座中。

具体实施方式

在图1中给出了本发明的一个扩展方案的光导连接器的第一连接部件10的纵向截面图，上图为拆开图的形式，下图为装配后状态。在图2中给出了同一个光导连接器的第二连接部件12，上图为拆开图的形式，下图为装配后状态。由于第一连接部件10和第二连接部件12具有许多相同的特征，在下文中对它们共同描述，其中相同类型的零件以相同的附图标记标出。

连接部件10和12各自带有一个金属外壳，外壳具有筒状外壳段16，在筒中安放有光导单元18，它可轴向移动。光导单元18对着弹簧20的预应力被挤压到相应的外壳14的筒形段16中。也可以不使用弹簧20，而使用密封在筒形段中的空气气动地提供预应力。光导单元18包括不透光的外套22和装在外套内部的透光的内芯24。

第一个连接部件的光导单元18有一个背靠套筒形的外壳段16的凹球形端面26(图1)，第二个连接部件12的光导单元18具有一个凸球形端面26’(图2)，其曲率半径与凹球形端面26的曲率半径相同。凹球形端面26和凸球形端面26’不仅被形成在透明的内芯24上，而是在光导单元18的相应外套22的轴向端面上连续地延伸。

在外套22中形成导向槽27，它与导向销28相配合。通过导向槽27的一个末端与导向销28的相碰，限制光导单元18的移动。

筒状外壳段16的内部空间由两个圆柱形的区段组成，一个置于内部的区段30和另一个置于外部的区段32，外置区段的直径大于内置区段的直径。在圆柱形内部空间区段30和32之间形成了一个外壳内壁上的台阶34。光导单元18和弹簧20位于外置区段32中，弹簧的一端支撑在光导单元18上，另一端支撑在金属环36上，金属环位于台阶34上。

在第一个连接部件10中，一个发送装置38(图1)位于内置区段30中，在第二个连接部件10中，一个接收装置40(图2)位于内置区段30中。发送装置38和接收装置40都具有一个信号连接44和一个接地连接42，该接地连接焊接在外壳14的筒状段16上。

外壳14在它的相对光导单元18的那一端具有一个空心的连接销46，该连接销具有一个接地连接区段48，一个信号连接区段50和一个位于它们中间的绝缘块52，绝缘块起到将48与50互绝缘的作用。信号连接44通过连接销46中空心的空间引到信号连接区段50并与其焊接。内置区段30和连接销46的空心空间以灌注材料灌注，在图1和图中通过阴影线表示。

图6中给出了第一连接部件10的外壳14的放大截面图。从图6中可见，在连接销46的接地连接区段48处具有一个外螺纹54，通过该外螺纹，第一连接部件10可以螺纹连接在连接座中处于接地电位的底座上。接地连接区段48内部带有内螺纹56，在该内螺纹中可以螺纹连接绝缘块52(见图1)。图6的截面图中还绘出了一个孔57，发送装置38的接地连接40焊接在该孔中。

图8示出了图6中的第一连接部件10的外壳14沿A-A线的剖面图。从图中可见，外壳14的套状区段16具有六角形的外横截面，可在该横截面上用工具将连接部件10通过其螺纹54旋在底座上。外壳14的筒状段16具有两个用于导向销28的承接孔58，这在图1和图2中也可以看到。也可以不使用两个承接孔58，而使用相互错开120度的三个承接孔60，如图7中所示。在这种情况下，不透光的外壳22上有三个导向槽27。

图3示出第一连接部件10和第二连接部件12连接后的状态。此时各光导单元18的端面26和26’相互压紧，使得输入到第一连接部件10的光导单元18的透光内芯24的光信号可通过端面26和26’传递到第二连接部件12的光导单元18的透光内芯22中。此时，光导单元18的不透光的外套22构成了可屏蔽日光的光隧道。

由于两个光导单元18分别可移动的安装在连接部件10或12的外壳14中，连接部件可以相向或相离移动而不影响光导连接器的功能。图4举例示出图3中的连接部件10和12的轻微相向移动，其中光导单元18的相对位置保持不变，因此也不影响光的传递。图中所示的光导连接器允许两个连接部件10和12在连接方向上(即沿着光导单元18的光轴方向上，该方向由光导单元的中轴构成)一定的相对位置的误差。另外，由弹簧压紧的端面26和26’可以抵抗光导单元18光轴的偏移，即它们可以帮助两个连接部件相互定向并使其保持在对准的位置上。

图5同样示出连接状态的连接部件10和12。与图3和图4不同的是，此处的连接部件10和12不在一条直线上，而是相互倾斜的。这意味着与透光内芯24的对称轴相重合的光导单元18的光轴相互之间形成一个倾角。由于具有球形结构，端面26和26’相互之间仍然无缝隙地接触，因此当光通过端面26和26’之间的界面时不会衰减。光导连接器可实现一定角度的弯曲而不影响其功能。与传统采用的平面端面相比，这是一个很显著的优点，传统的平面端面在发生这种弯曲时相互脱开，从而光从一个连接部件向另一个连接部件传递时被严重衰减。

图5中所示为光导连接器的最大弯曲位置，其中连接部件相互之间的倾斜角为11度。当进一步弯曲时，日光可能进入到光隧道中并使光信号失真。极限角，即日光将进入到光隧道中的极限角依赖于球形端面26和26’范围内的不透光外套的壁厚与端面26和26’的曲率半径的比值。在所示的实施例中，在球形端面26的范围内，第一连接部件的不透光外套22的壁厚小于第二连接部件的不透光外套22的壁厚，并以此决定了极限角。这些壁厚约为球形端面26和26’曲率半径的1/5。

需要强调的是，虽然图1至图5中所示的光导连接器带有发送装置38和接收装置40，但以上所述的特征，特别是端面26和26’的球形设计也可应用于传统意义上的、不带有这种有源单元的光导连接器。在这种情况下，光由一光波导体输入到第一个连接部件10的光导单元18中，通过该光导单元的端面26和第二个连接部件12的光导单元18的端面26’，传到与第二个连接部件的光导单元18相连接的光波导体中继续传递。发送和接收装置38或40仅是本发明的具有优点的扩展方案，以下将对其做出描述。

图9中给出了发送装置38的功能草图。从中可以看到，加在接地连接42和信号连接44之间的输入电压Vin经过电阻61被衰减，并通过由电容62和电阻64组成的高通滤波器施加在发光二极管66上，使得该发光二极管发出相应于作用电压的光。在图9的右侧图中给出了输入电压Vin和发光二极管的辐射功率S之间的关系。图中的横坐标为时间，纵坐标以不规定的单位给出输入电压Vin和发光二极管的辐射功率S。

图10中给出了接收装置40的功能草图。接收装置40具有一个光电二极管68，它可根据照射在其上的光强度产生一个电压。该电压在第一级电路中通过由运放70、电阻72和电容74组成的电路被放大并通过第二运放76反转成输出电压Vout。接收到的照射功率S’(对应于发光二极管66的辐射功率与一个衰减因子的乘积)和接收装置40的输出信号Vout之间的关系在图10中的右图中给出，其中横坐标为时间，纵坐标以不规定的单位给出辐射功率S’和输出电压Vout。

发送装置38和接收装置40被如此设计，使得尽管传递的光信号可能存在衰减，接收装置40的输出信号Vout仍与输入电压Vin相对应。甚至，经过连接部件10和12传递的光信号存在一定的衰减，而有效传递的电信号Vout与原信号Vin相比并未衰减。

对于电子输入信号Vin例如可为高频电子信号，这时，在两个车辆部件内部可通过一个同轴电缆进行传递，仅当通过光导连接器时使用发送装置38转化为光信号。带有有源单元38和40的扩展结构的光导连接器也可应用于以下情况，即当车辆部分中已经有光信号通过光波导体传递时。在第一个连接部件中，该光信号首先转化为电信号，然后此电信号被送给发送装置38。接收装置40的输出信号Vout在第二连接部件中再次转化为光信号，然后输入到另一个光波导体中。

图11中显示一个光导连接器的截面图，该光导连接器与一个自动轨道车辆连接器组合使用。当列车部件必须经常连接和断开连接时使用自动连接器。因此相应的光导连接器具有这样的结构，当车辆部件自动连接时，它的电子连接和光学连接可以同时自动完成。

该光导连接器包括两个连接座78和80，在连接座内除具有一系列电子触点外(图中未绘出)还被插入有上述光导连接器的连接部件10和12。连接部件10和12通过连接销一端的螺纹54旋在连接座78和80上，这样螺纹54位于地电位上。同时第一连接部件10的信号连接区段50与以示意图绘出的第一信号处理单元82，且第二连接部件12的信号连接区段50与以示意图绘出的第二信号处理单元84实现电气接触。

在所示的实施例中，第一信号处理单元82通过同轴电缆86输入电信号，由光波导体88输入光信号。光信号88在转换单元90中转化为电信号并与电导线输入的电信号一起输入给控制单元92。在控制单元92中，将这两个输入的电信号处理为一个复合信号，该复合信号传送到第一连接部件上的信号连接50。其中控制单元92具有一个微处理器(图中未绘出)，该微处理器可以是一个工业用PC机，也可以是一个所谓的现场可编程门序列(FPGA)。

控制单元92还具有一个数据输入端94，通过它为控制器输入其他用于信号处理的信息。例如可通过数据线94被告知，已经传送的信号到达不完整，需要再次发送。

如上所述，通过发送装置38将电子复合信号转化为光信号并且该光信号从第一连接部件10向第二连接部件12传递。通过第二连接部件12的信号连接50将接收装置40生成的信号输入到第二信号处理单元84的控制单元96。在控制单元96中复合信号被分解为各独立信号。原来通过电导线86输入的信号将通过电导线98继续传递。原来通过光波导体88输入的信号在一个转换单元100中转化为光信号并输入到光波导体102中。

当信号被错误接收时，通过另一个数据线104可将信号从控制单元96继续传递出相应信号，例如错误信号。控制单元96同样包括一个工业用PC机或FPGA(图中未绘出)。

信号处理单元82和84也可以位于连接部件的外壳14内。另外信号处理单元82和84可分别与一个具有发送功能的连接部件(与连接部件10类似)和一个具有接收功能的连接部件(与连接部件12类似)相连接。此时信号可从连接器的两侧分别向另一侧传递而信号处理单元82和84可双向相互通信。

连接部件10和12当然也可以不按照图11所示位于专门的连接座上，而是直接位于一个机械轨道车辆连接器(例如一个自动中间缓冲连接器)的连接头上。上述的光信号连接对机械误差的不敏感性使得上述布置方案是可行的，这在传统的光信号连接器情况下是不可能正常工作的。因此在许多情况下可以省去专用的光导连接器。

附图标记列表：

10第一连接部件

12第二连接部件

14外壳

16筒状外壳段

18光导单元

20弹簧

22不透光外套

24透光内芯

26，26’球状端面

27导向槽

28导向销

30内置的空心区段

32外置的空心区段

34台阶

36金属环

38发送装置

40接收装置

42接地连接

44信号连接

46连接销

48接地连接区段

50信号连接区段

52绝缘块

54外螺纹

56内螺纹

57孔

58导向销承接孔

60导向销承接孔

62电容

64电阻

66发光二极管

68光电二极管

70运放(运算放大器)

72电阻

74电容

76运算放大器

78连接座

80连接座

82信号处理单元

84信号处理单元

86电子信号导线

88光波导体

90信号转换器

92控制单元

94数据线

96控制单元

98电子信号导线

100信号转换器

102光波导体

104数据线

Claims (12)

1.光导连接器，特别是应用于在两个相互连接的车辆部分之间传递光信号的光导连接器，该连接器具有第一和第二两个连接部件(10，12)，两部分可相互连接，每个连接器具有一个光导单元(18)，两个光导单元(18)中至少一个如此被施加弹性预应力，使得连接部件(10，12)相互连接后，两个光导单元(18)的端面(26，26’)相互压紧，从而实现由一个光导单元(18)至另一个光导的实现光传递，其特征在于，一个光导单元(18)具有凹球面端面(26)，而另一个光导单元(18)具有与端面(26)相同曲率半径的凸球面端面(26’)。

2.如权利要求1所述的光导连接器，其特征在于，每个光导单元(18)由一个不透光外套(22)和一个安装在其内部的透光内芯(24)组成。

3.如权利要求2所述的光导连接器，其特征在于，在端面(26，26’)范围内外套(22)的壁厚至少为端面(26，26’)曲率半径的1/10，最好至少为其1/5。

4.如上述权利要求中任一项所述的光导连接器，其特征在于，第一连接部件(10)具有一个发送装置(38)，该发送装置由电信号产生光信号并将产生的光信号输入到第一连接部件(10)的光导单元(18)中。

5.如权利要求4所述的光导连接器，其特征在于，发送装置(38)至少具有一个发光二极管(66)，用于产生光信号。

6.如权利要求4或5所述的光导连接器，其特征在于，第一连接部件(10)具有一个微处理器，它为发送装置(38)提供电信号。

7.如上述权利要求中任一项所述的光导连接器，其特征在于，第二连接部件(12)具有一个接收装置(40)，它由第二连接部件(12)的光导单元(18)传递来的光信号产生电信号。

8.如权利要求7所述的光导连接器，其特征在于，接收装置(40)具有一个光电二极管(68)，用于检测光信号。

9.如权利要求7或8所述的光导连接器，其特征在于，第二连接部件(12)具有一个微处理器，它处理接收装置(40)产生的电信号。

10.如权利要求6和9所述的光导连接器，其特征在于，第一连接部件的微处理器被编程，以将多个独立的信号合成为一个电复合信号，第二连接部件的微处理器被编程，以将复合信号分解为独立的信号。

11.如权利要求4至6中任一项所述的光导连接器和/或如权利要求7至9中任一项所述的光导连接器，其特征在于，第一和/或第二连接部件(10，12)具有一个外壳(14)，在外壳上一个轴向端形成一个筒状外壳段(16)，光导单元(18)轴向可移动地安装在其中，并在朝着筒状外壳段此轴向端的方向上施加一个弹性预应力，而在另一个端具有一个连接销(46)，它插入到连接座(78，80)中。

12.如权利要求11所述的光导连接器，其特征在于，连接销(46)由两个相互绝缘的区段(48，50)组成，当连接销(46)插入到连接座(78，80)中后，其中一个区段与接地电位相连接，另一个与电信号线相连接。

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