DE1596350C - Verfahren zur Herstellung einer energieleitenden, aus Fasern größeren und kleineren Querschnitts bestehenden Multifaseranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer energieleitenden, aus Fasern größeren und kleineren Querschnitts bestehenden Multifaseranordnung.

Der Ausdruck »Multifaseranordnung« soll eine Anordnung aus einer Vielzahl von energieleitenden Fasern bedeuten, die miteinander zu einer Einheit verschmolzen sind, weiche fadenförmig sein oder einen größeren Querschnitt und eine geringere Biegsamkeit haben und starr sein kann. Die verschiedenen Verwendungszwecke und Prinzipien solcher Anordnungen als Übertrager von elektrischer Energie oder von Licht sind auf dem Gebiet dieser Erfindung ausreichend bekannt.

In einer Multifaseranordnung, die zur Verwendung als .-Bildübertrager bestimmt ist, in der jede Faser derselben nur einen Bruchteil eines gesamten elektrischen oder optischen Bildes, das an einem Ende der Anordnung aufgegeben wird, empfängt und überträgt, wobei die Fasern am entgegengesetzten Ende in gleicher Weise wie am Eingangsende geometrisch angeordnet sein müssen, werden alle Teile des Bildes (z. B. ein Muster von unterschiedlich starker elektrischer oder optischer Energie) in den gleichen relativen Positionen ausgestrahlt, in denen sie empfangen werden. Dementsprechend sollen auch, wenn solche Anordnungen aus einer Vielzahl von Multifasern gebildet werden, die Enden aller Faserelemente jeder Multifaser in derselben Weise geometrisch angeordnet sein.

Ziel dieser Erfindung ist ein einfaches und rationelles Verfahren zur Herstellung von energieleitenden Multifaseranordnungen, insbesondere von rechteckigem Querschnitt.

Dieses Ziel wird erfindungsgeinäß dadurch erreicht, daß energicleitende, d. h. optisch oder elektrische Fasern größeren Querschnitts in Reihen neben- und übereinandergelegt und in die verbleibenden Zwischenräume Fasern kleineren Querschnitts gelegt werden, wobei erfindungsgemäß die energielcitenden Fasern größeren Querschnitts in engem Kontakt derart in Reihen neben- und übereinandergelegt werden, daß der Mittelpunkt jeder Faser größeren Querschnitts senkrecht über bzw. unter dem Mittelpunkt einer Faser größeren Querschnitts in der benachbarten Reihe zu liegen kommt und daß Fasern kleineren Querschnitts in die Zwischenräume, die zwischen zwei benachbarten Reihen stets von vier größeren Fasern gebildet werden, gelegt werden, wobei die kleineren Fasern als Schlüssel zur exakten Fixierung der größeren Fasern während der Herstellung dienen, worauf die gesamte Anordnung miteinander verschmolzen wird.

Wie auf dem Gebiet der Faseroptik allgemein be-45kannt ist, sind runde Fasern wirkungsvollere Lichtübertrager und sind leichter und im allgemeinen wirtschaftlicher herzustellen als Fasern von z. B. quadratischem Querschnitt, wenn man z. B. die Querschnittsfläche, die verwendeten Glasarten und die jeweilige Stärke von Kern und Ummantelung in Betracht zieht. Die Herstellung von verhältnismäßig großen Multifaseranordnungen, wie z. B. Fiberskopen und Faserplatten od. dgl., in denen eine große Anzahl von Multifasern zumindest an ihren Enden genau parallel ausgerichtet und miteinander verbunden sein sollen, wird jedoch erleichtert durch die Verwendung von Multifaseranordnungen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt.

Durch die Verwendung von quadratischen oder rechteckigen Multifaseranordnungen (z. B. Multifasern), die im wesentlichen aus runden energieleitenden Fasern bestehen, deren Eingangs- und Ausgangsenden geometrisch identisch angeordnet sind, bringt diese Erfindung einen großen technischen Fortschritt.

Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung besteht ! darin, daß die kleineren Füllfasern so beschaffen j sein können, daß sie selbst als Energie- (z. B. Licht-) j

Leiter oder als Streulichtabsorbierer funktionieren, die in beiden Fallen die energieleitende Wirksamkeit der Konstruktion steigern.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, wobei ·

Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist,

Fig. 2 und 3 stark vergrößerte, perspektivische Teilansichtcn einer energieleitenden Faser bzw. einer Füllfaser, die bei der Herstellung von Multifaseranordnungen entsprechend dieser Erfindung verwendet worden sind,

F i g. 4 und 5 Teilansichten anderer Formen von Füllfasern sind,

Fig. 6 ein stark vergrößerter Schnitt durch eine noch nicht verschmolzene Anordnung gemäß der Erfindung ist,

F i g. 7 ein stark vergrößerter Schnitt einer Anordnung von in Fig. 2 und 4 dargestellten Fasern ist,

F i g. 8 eine ähnliche Anordnung mit Fasern der in Fig. 2 und 5 dargestellten Typen ist,

Fig. 9 und 10 Beispiele für die Herstellung und Bearbeitung von Multifaseranordnungcn zeigen,

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Zusammenbaus von Multifaseranordnungen zu Multifaseranordnungen größeren Querschnitts ist.

Fig. 1 zeigt die verschmolzene Multifaseranordnung 10, die aus verhältnismäßig großen, im wesentlichen runden, energieleitenden Fasern 12 und kleineren Fasern 14 besteht, die alle parallel miteinander verschmolzen sind. Die Fasern 12 und 14 sind angeordnet in abwechselnd übereinanderliegenden, parallelen Reihen, so daß die Anordnung 10 einen rechteckigen Querschnitt hat. Die Anordnung 10 kann fadenförmig und flexibel sein oder einen größeren Querschnitt haben und weniger biegsam bzw. starr sein.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält· jede der Fasern 12 einen Kern 16 aus energieleitendem Material (z. B. ein Metall oder Glas), das von einer iso- ₄„ lierenden Ummantelung 18 aus Glas umgeben ist. Während die.Fasern 14 in Fig. 3 bis 5 ohne Ummantelung gezeigt werden, können sie ebenfalls ummantelt ähnlich den Fasern 12 — jedoch von geringerer Größe — sein.

Als elektrische Energieleiter können die Fasern 1.2 glasummantelte Kerne 16 aus Metallen, wie z. B. rostfreiem Stahl, Aluminium, Silber, Gold oder auch einer Legierung, wie z. B. Legierung aus Gold und Germanium mit einem Gehalt von Germanium zwisehen 4 und 10°/o, haben. Die letztgenannte Legierung kann, wenn sie mit einem Glas ummantelt ist, dessen Erweichungstemperatur und Ausdehnungskoeffizient mit dem Kern verträglich sind, wie z. B. Kalknatronglas, erhitzt und analog zu dem bewähr- _S5 ten Stab-Rohr-Zichverfahren von glasummantclten Glasfasern gezogen werden.

Als Lichtleiter haben die Fasern 12 Kerne 16 aus Glas mit verhältnismäßig hoher Brechungszahl und Ummantelungcn 18 aus Glas mit niedrigerer Brechungszahl. Ein Flintglas z. B., das eine Brechungszahl von etwa 1,62 hat, kann verwendet werden für Kerne, und ein weiches Glas, z. B. Kalknatronglas, das eine Brechungszahl von etwa 1,52 hat, kann für Ummantelungen 18 benutzt werden. Solche um- g₅ mantelten Fasern übertragen Licht durch Totalreflexion in einer Weise, die allgemein bekannt ist. Das Verhältnis der Stärke des Kerns zur Stärke der Ummantelung sowohl in Metall- als auch in Glasfasern kann 10:1 betragen. Es können auch stärkere oder dünnere Ummantelungen verwendet werden.

Die Multifaseranordnung 10 ist entsprechend der vorliegenden Erfindung wie folgt konstruiert:

Eine vorher gewählte Anzahl von runden Fasern 12 wird parallel nebeneinandergelegt und bildet eine erste Reihe 20 (s. F i g. 6). Eine zweite Reihe 22 von kleineren Fasern 14 wird dann eingelegt, und zwar je eine Faser in Längsrichtung in jede Rille oder jeden Zwischenraum 24 zwischen den Fasern 12 der Reihe 20. Eine dritte Reihe 26 von Fasern 12 wird über die vorher angeordneten Fasern 12 und 14 gelegt, wobei jede Faser 12 der dritten Reihe 26 in Längsrichtung zwischen aufeinanderfolgende Paare von Fasern 14 in die Reihe 22 eingeschachtelt wird. Eine vierte Reihe 28 von Fasern 14 wird dann auf die Reihe 26 von Fasern 12 gelegt usw., bis die Gruppe 30 komplett ist.

Die Fasern 14 werden im voraus so gewählt, daß sie eine Querschnittsgröße haben, die zumindest den größten Teil des Zwischenraums zwischen jeder umgebenden 4er-Gruppe von Fasern 12 ausfüllt und wenigstens Berührung längs einer Linie mit jeder der Fasern 12 hiervon haben. Auf diese Weise wirken die Fasern 14 ausrichtend auf die Fasern 12 in der Gruppe 30 und geben dadurch der Gruppe 30 einen rechteckigen Querschnitt, im Hinblick auf ihre Funktion werden die Fasern 14, 14' und 14" (Fig. 3, 4 und 5) nachstehend als »Füllfasern« bezeichnet.

Füllfasern 14' (F i g. 4) mit quadratischer Querschnittsform können für die runden Fasern 14 eingesetzt werden, wenn gewünscht wird, daß sie einen größeren Teil des Zwischenraumes zwischen den Fasern 12 in einer Gruppe, wie z.B. 30' (Fig. 7), ausfüllen sollen. Alternativ können Fasern, wie z. B. 14" (Fig. 5), die zylindrisch konkave Seitenflächen 32 haben, die auf die Außenseiten der Fasern 12 passen, eingesetzt werden, wenn gewünscht wird, daß sie den Zwischenraum zwischen den Fasern 12 in einer Gruppe, wie z.B. 30" (Fig. 8), vollständig ausfüllen sollen.

Seitliches Druckspannen irgendeiner der Gruppen 30, 30' und 30" unter hohen Temperaturen kann eine geringfügige Abflachung der exponierten Außenseiten der äußersten Fasern 12 von diesen verursachen. In allen Fällen behalten jedoch diese und alle anderen Fasern 12 im wesentlichen ihre runde oder kreisförmige Querschnittsform.

Beim Formen der Gruppen 30, 30' oder 30" kann ein U-förmiger Rahmen 33 (in F i g. 6 mit strichpunktierter Umrißlinie dargestellt) verwendet werden, der die Ausbildung eines rechteckigen Querschnitts gewährleistet.

Gruppe 30 und Rahmen 33 können als eine Einheit in einen Ofen gelegt werden, der die Fasern 12 und 14 bis auf ihre Schmelztemperatur erhitzt, wenn gewünscht wird, den Faserkomplex ohne Ziehen zu verschmelzen. Ein Gewicht 34 (in Fig. 6 mit strichpunktierter Umrißlinie dargestellt) kann auf die Gruppe 30 gelegt werden, um die Fasern 12 und 14 zusammenzudrücken.

Nach einer anderen Ausführungsform werden die Gruppen an bestimmten Stellen verbunden, die sich im Abstand voneinander befinden, verschmolzen und auf eine reduzierte Querschnittsgröße gezogen, und zwar in einem einzigen Vorgang, ähnlich dem, der in F i g. 9 und 10 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 9 und 10 ist die Gruppe 30 mit einei Anzahl von in Abständen angeordneten Klemmen 36 verbunden. Jede Klemme umfaßt ein Paar von dünnen Winkclciscn 38, von denen eines diagonal entgegengesetzt zu dem anderen fest an der Gruppe angebracht ist und dort unter Druck durch ein Spiralfcdcrband 40 festgehalten wird. Andere Formen von abnehmbaren Verbänden, wie z. B. Asbcststreifcn, Zugbänder oder elastische Bänder, die hohe Temperaturen aushalten können, können die Klemmen 36 ersetzen.

Das eine linde der verbundenen Gruppe 30 ist in der Halterung 42 des Schmelz- und Zichapparales 44 festgeklemmt. Die Halterung 42 trägt die Gruppe in senkrecht ausgerichtetem Verhältnis zu dem feststehenden Heizring 46. Der Ring, der entweder ein elektrisches Heizelement 48 oder einen Gasbrenner haben kann, ist geeignet zum Erhitzen der Materialien der Gruppe 30 auf eine entsprechende Vcrschmclz- und Ziehtemperatur, und zwar fortschreitend über deren Länge hin und in dem Maße, in dem die Gruppe 30 axial abgesenkt wird. Dies wird in der Fachsprache als »Zonen«-Erhitzen bezeichnet. Die Gruppe 30 wird allmählich abgesenkt in Längsrichtung durch den Heizring 46 mittels drehbarer Spindel 50, die in bewährter Art durch die Halterung 42 durchgezogen wird. Nach dem Zonenerhitzen auf eine geeignete Verschmelz- und Zichtcmperatur wird das herabhängende Ende der Gruppe .30 »eingefangen« und in Richtung des Pfeils 52 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gezogen, die größer ist als die des Absenkens, so daß gleichzeitig sämtliche Fasern 12 und 14 fest miteinander verschmolzen werden und eine gewünschte Reduzierung der Gesamtgröße der Gruppe bewirkt wird. Bei oder kurz vor Erreichen des Heizrings 46 kann die unterste Klemme 36 an der Gruppe 30 nach Wunsch abgenommen werden. Jede Klemme 36 rastet letzten Endes in die vorhergehende Klemme einfwonach sie alle gleichzeitig entfernt werden können, um ein weiteres Absenken der Gruppe bis zu dem Punkt, an dem die Halterung 42 den Ring 46 berührt, zu ermöglichen. -

Eine quadratische Gruppe 30, die auf einer Seite ¹ sechs Fasern, von denen jede etwa. 3 mm Durchmesser hat und aus den vorerwähnten Flint- und Kalknatron-Mustergläsern besteht, mit Füllfasern 14 von je etwa 1 mm Durchmesser und aus einem ähnlichen Flintglas bestehend, kann z. B. auf eine reduzierte Gesamtquerschnittsgröße von 150 mm gezogen werden, bei einem Verhältnis von Ziehen/Absenken der Gruppe von etwa 8:3, wenn die Gruppe auf etwa 750°'C erhitzt wird.

Diese Werte können innerhalb- eines weiten Bereichs für Fasern, deren Größen, Ziehverhältnis und -temperatur abgewandelt werden, und innerhalb geeigneter Grenzen kann jede gewünschte größere oder kleinere Reduzierung der Größe von Gruppen 30, 30' oder 30" durchgeführt werden. Außerdem kann, wenn eine Gruppe 30, 30' oder 30" gezogen wurde, diese oder ein Teil, wie z. B. 54, zwischen den Linien 56 (Fig. 10).entnommen und einmal oder mehrmals neu gezogen werden, um die Größe noch weiter zu reduzieren, und zwar entweder allein oder in Verbindung mit einer Anzahl von zusammengefaßten, parallelen Abschnitten.

Ein solcher gezogener oder neu gezogener Abschnitt 54 stellt die Multifaseranordnung 10 dar.

Eine Anzahl von Multifaseranordnungen 10 mit quadratischer oder rechteckiger Querschnittsform kann dann, parallel zueinander ausgerichtet, zusammengebaut werden und eine große Multifaserkonstruktion58 (Fig. 11) bilden, in welcher die Enden der einzelnen Faserelemente geometrisch kohärent sind. Die Anordnung 10 und Konstruktion 58 können faserförmig (d. h. lang, dünn und biegsam) sein und verschmolzen, verkittet oder in anderer Weise nahe ihren Enden miteinander verbunden sein. Beide können sie aber auch einen verhältnismäßig großen Querschnitt haben, starr sein und über ihre gesamte Länge hin miteinander verbunden sein. Die zuerst genannte Anordnung ist als biegsames Fiberskop bekannt, während die letztgenannte Konstruktion z. B. als ein starrer Bildübertrager verwendet oder in Querrichtung in verhältnismäßig dünne Abschnitte geschnitten werden kann, die als bildübertragende Platten dienen.

Wenn die Füllfasern 14, 14' oder 14" im wesentlichen dieselbe Brechungszahl wie die Kerne 16 der Fasern 12 oder wenigstens eine höhere Brechungszahl als die Ummantelungen 18 haben, dann werden von den Ummantelungen 18 lichtreflektierende Grenzflächen längs der Seiten der Füllfasern gebildet, und diese werden so zu Mitleitern von innenreflektierendem Ljcht in jeder Multifaseranordnung 10.

Alternativ hierzu können die Füllfasern 14, 14' oder 14" aus einem lichtabsorbierenden metallischen oder glasigen Werkstoff gebildet werden und als solche Streulicht absorbieren, das die Tendenz hat, durch die Multifaseranordnung 10 von einer Faser 12 zu einer anderen hindurchzugehen. Der Ausdruck »Streulicht« bezeichnet Strahlen von Licht, die beim Eintritt in eine ummantelte Faser deren Grenzfläche zwischen Kern und Ummantelung in einem Winkel treffen, der kleiner ist als der kritische Reflexionswinkel. Anstatt total reflektiert zu werden, setzen sich solche Strahlen durch die Ummantelung seitlich fort in Richtung auf benachbarte Fasern und in diese hinein mit der nachteiligen Wirkung, daß sie letzten Endes totalreflektiertes, bildformendes Licht auslöschen.

Nach einem anderen Merkmal dieser Erfindung können die Fasern 14, 14' oder 14" aus einer metallischen Verbindung geformt werden, wie z. B. aus der vorerwähnten Legierung aus Gold—Germanium, deren Erweichungstemperatur und Ausdehnungskoeffizient mit denen der Ummantelungen 18 verträglich sind.

In einem solchen Falle sind die Füllfäsern einzeln elektrisch leitend und tragen zu der elektrischen Gesamtleitfähigkeit einer Anordnung 10 bei, die aus Fasern 12 besteht, die elektrisch leitende Kerne 16 haben. Kombinationen von lichtleitcnden und elektrisch leitenden Fasern 12 und 14 oder umgekehrt können ebenfalls benutzt werden.

Die Füllfasern 14, 14' oder 14" können, ob sie nun aus Glas oder aus Metall bestehen, einzeln mit Glas ummantelt werden, wenn die Ummantelungcn 18 der Fasern 12 nicht stark genug sind, um in geeigneter Weise die Fasern 14,14' oder 14" gegen die Fasern 12 einzeln zu isolieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Multifaseranordnung zur Energieleitung, bei welchem encrgicleitcnde Fasern größeren Querschnitts in Reihen neben- und übereinandergelegt und in die verbleibenden Zwischenräume Fasern kleineren Querschnitts gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die energieleitenden Fasern größeren Querschnitts in engem Kontakt derart in Reihen neben- und übereinandergelegt werden, daß der Mittelpunkt jeder Faser größeren Querschnitts senkrecht über bzw. unter dem Mittelpunkt einer Faser größeren Querschnitts in der benachbarten Reihe zu liegen kommt und daß Fasern kleineren Querschnitts in die Zwischenräume, die zwischen zwei benachbarten Reihen stets von vier größeren Fasern gebildet werden, gelegt werden, wobei die kleineren Fasern als Schlüssel zur exakten Fixierung der größeren Fasern während der Herstellung dienen, worauf die gesamte Anordnung miteinander verschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern größeren Querschnitts solche verwendet werden, deren Ummantelung eine optische bzw. elektrische Isolierung dieser Fasern untereinander bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern kleineren Querschnitts solche verwendet werden, deren Brechungsindex gleich oder größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung der Fasern größeren Querschnitts.

4. Verfahren nach Anspruch' 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern kleineren Querschnitts ummantelte, energieleitende Fasern verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern kleineren Querschnitts lichtabsorbierende Fasern verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die neben- und übereinandergelegten Fasern in einen U-förmigen Rahmen gelegt, gegebenenfalls mit einem Gewicht belastet und so miteinander verschmolzen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multifaseranordnung in an sich bekannter Weise durch zonenweises Schmelzen und Ausziehen auf eine geringere Querschnittsgröße gebracht wird.