DE19852480A1 - Lichtwellenleiter mit Schutzrohr - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Lichtwellenleiter, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer optischen Faser (1), die aus polymerem Material besteht, sowie mit einer Schutzlage, welche die Faser (1) umschließt. DOLLAR A Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Schutzlage ein Rohr (2) aus Metall ist, das Rohr (2) eine Wellung im Winkel zu seiner Längsachse (4) aufweist, das Rohr (2) einen elektrischen Leiter bildet und mit einer außenseitigen Isolierung (5) versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtwellenleiter, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer optischen Faser die aus polymerem Material besteht, sowie mit einer Schutzlage, welche die Faser umschließt.

Im Fahrzeugbau besteht das Problem, daß der zunehmende Einsatz elektrischer und elektronischer Komponenten in Fahrzeugen zu einem starken Anwachsen der zum Anschluß notwendigen Leitungen geführt hat. Um die Leitungslänge und ihr Gesamtgewicht zu verringern und den Aufbau sowie die Konfektionierung des Kabelbaums zu vereinfachen, sind daher Bussysteme entwickelt worden. Sie ermöglichen die Datenübertragung zwischen mehreren Komponenten über eine gemeinsame Leitung und reduzieren somit die erforderliche Leitungszahl.

Hohe Übertragungsraten lassen sich insbesondere durch Bussysteme mit Lichtwellenleitern erreichen, die mit optischen oder elektrooptischen Komponenten zusammenwirken. Die optischen Fasern der Lichtwellenleiter umfassen einen lichtleitenden Kern, der von einem Mantel zur Führung des Lichtes umschlossen ist, sowie ggf. eine oder mehrere äußere Schutzschichten. Im Fahrzeugbau erweisen sich Lichtwellenleiter aus polymeren optischen Fasern als vorteilhaft, etwa aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder fluoriertem PMMA. Geeignet sind z. B. Gradientenindexfasern mit einem Durchmesser von 1 mm. Gegenüber Glasfasern bieten sie die Vorteile mechanischer Robustheit, der einfachen Handhabbarkeit und Konfektionierung aufgrund des großen Durchmessers sowie die Möglichkeit des Betriebs mit sichtbarem Licht. Die im Vergleich zu Glas höhere Dämpfung ist dagegen bei den kurzen Übertragungswegen in Fahrzeugen von untergeordneter Bedeutung.

Als nachteilig erweist sich jedoch, daß zusätzliche Energieleitungen für die elektrische Spannungsversorgung der Sensoren und Aktuatoren notwendig sind. Zudem können die optischen Eigenschaften gebräuchlicher Polymerfasern durch Aufnahme und chemische Reaktion mit Substanzen aus ihrer Umgebung erheblich beeinträchtigt oder zerstört werden. Neben den Betriebsflüssigkeiten, z. B. Schmiermitteln oder Kraftstoffen, ist die Vielzahl der in Fahrzeugen eingesetzten Kunststoffe problematisch, die beständig Substanzen abgeben, etwa nach Abschluß des Herstellungsprozesses ausgasende Edukte oder Treibmittel. Zudem ist in aller Regel ein guter Schutz der Fasern vor Feuchtigkeit und thermischen Belastungen, speziell beim Einsatz im Motorraum oder bei der Anbindung von Sensoren oder Aktuatoren außerhalb der Fahrgastzelle erforderlich. Die im Stande der Technik übliche Führung der Fasern in einer Schutzhülle oder einem Röhrchen aus Kunststoff ist für diese Zwecke unzureichend, da Polymere in der Regel nicht hinreichend gasdicht sind.

Weiterhin ist es bekannt, Metallrohre als Komponenten elektrischer Kabel mit einer Wellung zu versehen, um ihre Biegsamkeit und Querdruckstabilität zu verbessern. Die Wellung erfolgt im Winkel zur Längsachse des Rohres. Dabei sind sowohl schraubenförmige Wellungen mit im spitzen Winkel zur Rohrlängsachse verlaufenden Wellenkämmen als auch rechtwinklig zur Achse ausgerichtete Wellungen aus geschlossenen Ringen gebräuchlich. Durch Variation von Tiefe und Abstand der Wellen lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Rohres, etwa die Biegsamkeit, in weiten Grenzen einstellen.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Lichtwellenleiter zu entwickeln, der sicher vor Umwelteinflüssen geschützt ist und eine einfache Verbindung von signalverarbeitenden Komponenten mit einer minimalen Zahl von Leitungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzlage ein Rohr aus Metall ist, das Rohr eine Wellung im Winkel zu seiner Längsachse aufweist, das Rohr einen elektrischen Leiter bildet und mit einer außenseitigen Isolierung versehen ist.

Bei der Erfindung wird im Lichtwellenleiter eine polymeroptische Faser verwendet, etwa eine Gradientenindex- oder Stufenindexfaser, die aus PMMA, fluoriertem PMMA oder einem anderen Kunststoff mit geeigneten optischen Eigenschaften besteht. Der Außendurchmesser der Faser beträgt bevorzugt etwa 1 mm, wobei der Kerndurchmesser den Manteldurchmesser deutlich übersteigt, so daß die einfache Lichteinkopplung und Verbindung der Faser gewährleistet ist. Denkbar ist sowohl, die Faser bei einer einzelnen Wellenlänge zu betreiben als auch mehrere unterschiedliche Lichtwellenlängen über eine Faser zu übertragen.

Die Faser ist umlaufend von einem Wellrohr aus Metall umschlossen, dessen Wellung z. B. aus geschlossenen Ringen oder schraubenförmig ausgebildet ist. Tiefe und Periode der Wellung sind derart eingestellt, daß die elastischen Eigenschaften des Metalls einen sicheren Schutz der Faser sowohl vor radialen als auch axialen Belastungen gewährleisten. Die Faser liegt dabei frei im Rohr, dessen Innendurchmesser den Faserdurchmesser übersteigt. Daher ist eine Kraftübertragung von axial auf das Rohr wirkenden Zugbelastungen auf die Faser ausgeschlossen. Die Wellung ermöglicht eine hohe Biegsamkeit des Rohres mit einem vorgegebenen minimalen Biegeradius, der ein Abknicken der Faser und damit eine Beeinträchtigung ihrer optischen Eigenschaften ausschließt. Bevorzugt beträgt der minimale Biegeradius des Rohres zumindest das 10fache des Faserdurchmessers. Weiterhin bildet das Metallrohr eine dampfdichte Sperrschicht um die Faser, die Schädigungen durch Lösungsmittel oder gasförmige Substanzen aus der Umgebung ausschließt. Denkbar ist, innerhalb des Rohres eine Füllmasse mit beispielsweise hydrophoben oder Schadstoff-absorbierenden Eigenschaften vorzusehen, in welche die Faser eingebettet ist.

Außenseitig ist das Metallrohr mit einer elektrischen Isolierung versehen, beispielsweise einer Schicht aus einem Polymer, etwa einem Polyolefin wie z. B. Polyäthylen. Neben kompakten Polymeren sind auch geschäumte Werkstoffe für die Isolierung geeignet, etwa ein Polyurethanschaum. Zweckmäßig ist es, für die Isolierung sowie für einen ggf. vorhandenen äußeren Mantel halogenfreie und/oder schwer entflammbare Materialien zu verwenden, um die Sicherheit im Brandfall zu verbessern. Mit der Isolierung entsteht ein elektrischer Leiter, der insbesondere zur Energieversorgung derjenigen Komponenten dient, die mit der optischen Faser verbunden sind. Somit bildet der Lichtwellenleiter mit seinem Schutzrohr ein Hybridkabel, das gleichzeitig zur Energie- und Datenübertragung geeignet ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, elektrische Signale über das Wellrohr zu übertragen. Als Material des Rohres sind insbesondere gut leitfähige Metalle, wie Kupfer oder Aluminium, geeignet oder - in Abhängigkeit von den gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften - Legierungen, etwa Messing oder Bronze. Sofern die mechanische Festigkeit im Vordergrund steht, ist grundsätzlich auch Stahl denkbar. Dabei verhindert die elektrische Isolierung eine Kontaktkorrosion mit Karosserie- oder anderen Trägerteilen, auf denen der Leiter verlegt ist. Die Wandstärke des Metallrohres beträgt zweckmäßig 100 µm bis einige 100 µm, wobei ein für die Stromübertragung hinreichender Leitungsquerschnitt der Wandung notwendig ist, der vorzugsweise im Bereich eines bis einiger mm² liegt.

Der vorgeschlagene Lichtwellenleiter zeichnet sich durch einen sicheren Schutz der optischen Faser gegenüber Umwelteinflüssen, wie mechanischen Belastungen in Quer- und Längsrichtung, hohen Temperaturen, chemischen Substanzen und Vibrationen aus. Weiterhin ist ein guter Nagetierschutz gegeben. Wechselwirkungen der übertragenen Signale mit äußeren elektromagnetischen Feldern sind dagegen ausgeschlossen. Die Handhabung des Lichtwellenleiters ist einfach, wobei das Metallrohr die Polymerfaser vor Beschädigung bei der Verarbeitung und Verlegung schützt.

Der Lichtwellenleiter ist für die Verbindung von Komponenten bevorzugt, die sowohl eine elektrische Energieversorgung als auch eine optische Signalübertragung erfordern. Denkbar ist sein Einsatz insbesondere in modularen Systemen, wobei ein Multiplexbetrieb des Lichtwellenleiters bei mehreren Wellenlängen von Vorteil ist. Neben dem Fahrzeugbau, beispielsweise dem Kraftfahrzeug-, Flugzeug- oder Schiffbau, ist der Einsatz auch in anderen kleinräumigen Bereichen zweckmäßig, die einen besonderen Schutz des Lichtwellenleiters erfordern, etwa im Maschinenbau oder chemischen Anlagen. Speziell im Fahrzeugbau ist es sowohl möglich, den erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter für die Verbindung von Informationssystemen einzusetzen, z. B. Telefon, Radio oder Navigationssystemen, als auch in Steuerungssystemen mit Sensoren und Aktuatoren. Die verwendeten Netzstrukturen sind dabei beliebig und können beispielsweise ring- oder sternförmig sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Außendurchmesser des gewellten Metallrohres bis zu 5 mm, vorzugsweise 2-3 mm. Auf diese Weise ist eine gute Flexibilität des Rohres bei hoher radialer Belastbarkeit und hinreichendem elektrischen Leitungsquerschnitt erreichbar. Entsprechend vereinfacht sich die Handhabung des Lichtwellenleiters. Vorzugsweise umschließt das Metallrohr dabei eine einzelne optische Faser.

Als Schutzrohr bietet sich aufgrund der einfachen Fertigung ein längsnahtgeschweißtes Metallrohr an. Seine Herstellung erfolgt bevorzugt, indem ein Metallband um die optische Ader zu einem Rohr geformt wird, dessen Innendurchmesser den Außendurchmesser der Ader übersteigt. Nachfolgend wird das Rohr entlang seiner Kanten verschweißt, wozu speziell eine Laserverschweißung geeignet ist. Abschließend erfolgen die Wellung des Rohres und seine Isolierung.

Vielfach ist es zweckmäßig, daß die optische Faser mit einer äußeren Schutzhülle aus polymerem Material versehen ist, die den Fasermantel umschließt und in der Regel daran anliegt. Von Vorteil sind insbesondere lichtabsorbierende Schutzhüllen, die eine Störung der übertragenen Signale durch Lichteinfall in den Bereichen vermeiden, in denen die Faser aus dem Metallrohr herausgeführt ist. Weiterhin bildet die Schutzhülle einen mechanischen Schutz der Faser sowohl in Bereichen, in denen sie aus dem Metallrohr herausgeführt ist, als auch gegenüber Abrieb in dessen Innerem, etwa im Fall häufiger Vibrationen.

Da die optische Faser im Inneren des Rohres sicher geschützt ist, kann der Hybridleiter wie ein herkömmlicher elektrischer Leiter gehandhabt werden. Sowohl das Metallrohr als auch seine Isolierung läßt sich wasserdicht und/oder ortsfest mit Verbindungselementen verbinden. Zu Verbindungselementen zählen sämtliche Komponenten, die bei der Konfektionierung am Leiter fixiert werden. Beispiele sind elektrische Verbinder, optische Verbinder oder Hybridverbinder für die Leiter, Dichtungen oder Tüllen zur Durchführung durch Wandungen, etwa zwischen dem Motorraum und dem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges, oder Befestigungselemente zur Anbringung oder Zugentlastung. Geeignete Verfahren zur wasserdichten bzw. ortsfesten Verbindung sind zum Beispiel Verschweißen, Verlöten, Crimpen, Verkleben, Angießen oder Anspritzen oder die Verwendung von federnden oder Klemmverbindungen, z. B. Schneidklemmverbindungen. Auch die elektrische Verbindung des Wellrohres mit anderen Komponenten läßt sich auf diese Weise herstellen.

Bevorzugt ist das Schutzrohr endseitig mit einem Abschlußstück versehen, das eine Öffnung zum Herausführen der optischen Faser aufweist. Zweckmäßig weist die Öffnung einen größeren Durchmesser als die Faser auf, so daß ein Spalt zwischen beiden vorhanden ist. Bei Bedarf ist ein Verschließen des Spaltes, etwa mit einer Vergußmasse, möglich. Das Abschlußstück vereinfacht eine mechanische Festlegung des Schutzrohres sowie dessen elektrische Kontaktierung, sofern es aus einem leitfähigen Werkstoff, insbesondere einem Metall besteht. Zur Fixierung bietet es sich an, das Abschlußstück auf das Schutzrohr zu crimpen. Bei spiralförmiger Wellung des Rohres ist auch ein Innen- oder Außengewinde auf dem Abschlußstück von Vorteil, mit dem es sich auf die Wellung des Schutzrohres aufschrauben bzw. in dessen Öffnung einschrauben läßt.

In vielen Fällen ist es vorteilhaft, daß ein Kabel zumindest zwei polymeroptische Fasern mit jeweils einem Schutzrohr umfaßt. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, aus Sicherheitsgründen voneinander unabhängige optische Leiter gemeinsam zu führen. Ferner lassen sich durch gegeneinander isolierte Schutzrohre unterschiedliche Versorgungsspannungen zu einem Verbraucher leiten. Sofern die Karosserie, ein Rahmen oder Trägerkörper eines Fahrzeuges bzw. einer Vorrichtung als elektrische Rückleitung ungeeignet ist, kann ein Rohr auch zu diesem Zweck dienen. Sind mehr als zwei Schutzrohre miteinander verbunden, ist ihre Anordnung in einer Ebene zweckmäßig, um die Biegsamkeit des Kabels zu erhalten. Zur Verbindung der Rohre bietet es sich an, ihre Isolierungen miteinander zu verkleben, einen gemeinsamen Mantel um die Isolierungen zu extrudieren oder eine zusammenhängende Isolierung um die Schutzrohre zu extrudieren. Zweckmäßig ist eine Einkerbung oder Engstelle, die im Mantel bzw. der Isolierung zwischen den Schutzrohren angeordnet ist und ihre Trennung erleichtert.

Obwohl der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter auch zur Verbindung einzelner Komponenten geeignet ist, wird insbesondere vorgeschlagen, ihn als Bestandteil des Kabelbaums einer Vorrichtung oder eines Fahrzeuges einzusetzen. Damit lassen sich sowohl das Gesamtgewicht als auch die Gesamtlänge der Adern des Kabelbaums erheblich verringern.

Im folgenden Beschreibungsteil sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in prinzipienhafter Darstellung

Fig. 1 Angeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters,

Fig. 2 Querschnitte durch unterschiedliche Kabel mit erfindungsgemäßen Lichtwellenleitern.

Der Lichtwellenleiter umfaßt eine optische Faser 1 mit einem Kern und einem Mantel aus polymerem Material sowie ein Rohr 2 aus Metall, das einen mechanischen Schutz der Faser 1 und einen elektrischen Leiter bildet. Die Wandung des Rohres 2 ist zur radialen Aussteifung und Verbesserung der Biegsamkeit gewellt, wobei die Wellung in Form einer Schraubenlinie 3 um die Achse 4 des Lichtwellenleiters verläuft. Außenseitig ist das Rohr 2 mit einer Isolierung 5 versehen, etwa einer Schicht aus Polyethylen. Sie verhindert Kurzschlüsse zwischen dem Rohr 2 und einem Trägerteil, etwa dem Karosserieteil eines Fahrzeuges, auf dem es verlegt ist.

Endseitig ist das Rohr 2 mit einem Abschlußstück 6 verbunden, das beispielsweise aufgecrimpt oder mit der schraubenlinienförmigen Wellung verschraubt ist. Es besteht gleichfalls aus Metall und dient zur mechanischen Festlegung und elektrischen Kontaktierung des Rohres 2. Eine zentrale Öffnung 7 ermöglicht es, die Faser 1 zum Anschluß an andere Komponenten aus dem Rohr 2 herauszuführen. Dabei verhindert eine Schutzhülle 8 aus einem lichtundurchlässigen Polymer, daß eine Beschädigung der Faser 1 oder ein Lichteinfall in diesen Bereich erfolgt. Auch im Inneren des Rohrs 2 ist eine Schutzhülle 8 zweckmäßig, um einen Abrieb der Faser 1 zu vermeiden.

Eine gestrichelt dargestellte Umspritzung 9 verbindet das Abschlußstück 6 feuchtigkeitsdicht mit der Isolierung 5. Ebenso ist es möglich, auf diese Weise Elemente eines Steckerverbinders, etwa Vorsprünge zur Führung oder Verrieglung, anzuformen.

Fig. 2a zeigt einen Querschnitt durch den Lichtwellenleiter in Fig. 1. Erkennbar sind die zentrale Faser 1 mit ihrer Schutzhülle 8, das Rohr 2 und die äußere Isolierung 5.

Fig. 2b gibt den Querschnitt durch ein Hybridkabel wieder, das zwei Lichtwellenleiter mit den optischen Fasern 10, 11 umfaßt. Sie befinden sich jeweils in einer Schutzhülle 12, 13 und sind in Metallrohren 14, 15 angeordnet. Beide Rohre 14, 15 werden von einer gemeinsamen Isolierung 16 umschlossen. Eine Engstelle 17 mit einer Kerbe 18 ermöglicht die einfache Trennung beider Lichtwellenleiter. Mit dem dargestellten Hybridkabel können einer angeschlossenen elektrooptischen Komponente unterschiedliche Versorgungsspannungen über die beiden gegeneinander isolierten Rohre 14, 15 zugeführt werden. Dabei gestatten es die beiden Fasern 10, 11, zwei voneinander unabhängige Systeme zur optischen Datenübertragung vorzusehen, beispielsweise um die Sicherheit zu erhöhen.

Im Ergebnis entstehen auf diese Weise Hybridkabel, die eine wesentliche Vereinfachung der Verkabelung von Kraftfahrzeugen bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung und dauerhafter Funktionssicherheit ermöglichen.

Claims (11)

1. Lichtwellenleiter, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer optischen Faser (1), die aus polymerem Material besteht, sowie mit einer Schutzlage, welche die Faser (1) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schutzlage ein Rohr (2) aus Metall ist,
das Rohr (2) eine Wellung im Winkel zu seiner Längsachse (4) aufweist,
das Rohr (2) einen elektrischen Leiter bildet und mit einer außenseitigen Isolierung (5) versehen ist.

2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Außendurchmesser des Rohres (2) bis zu 5 mm, vorzugsweise 2 mm bis 3 mm beträgt.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus einem längsnahtverschweißten Metallband besteht.

4. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung eine Spiral- oder Ringwellung ist.

5. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (1) eine Schutzhülle (8) aus polymerem Material aufweist.

6. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungselement wasserdicht und/oder ortsfest am Rohr (2) und/oder der Isolierung (5) angebracht ist.

7. Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) endseitig mit einem Abschlußstück (6) versehen ist, das eine Öffnung (7) aufweist, durch die die Faser (1) verläuft.

8. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußstück (6) aus Metall besteht.

9. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußstück (6) auf das Rohr (2) gecrimpt oder mit dessen Wellung verschraubt ist.

10. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kabel zumindest zwei optische Fasern (1) mit jeweils einem Rohr (2) umfaßt.

11. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter Bestandteil des Kabelbaums eines Fahrzeuges oder einer Vorrichtung ist.