WO2000016142A2 - Mehrkanalige optische kopplungseinrichtung - Google Patents

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WO2000016142A2
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Klaus Schulz
Lutz Melchior
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3873—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls
    • G02B6/3885—Multicore or multichannel optical connectors, i.e. one single ferrule containing more than one fibre, e.g. ribbon type

Definitions

  • the invention is in the field of optoelectronic data transmission, in which electrical signals converted from an optical transmitter into optical signals (transmission pulses) are fed via optical data lines to an optical receiver, which then converts the optical signals into electrical signals.
  • the optical data lines generally comprise one or more optical fibers and are usually provided with optical fiber connectors at the end for connection to the components provided for data transmission and / or for coupling to another data line.
  • the invention relates to the field of optical connector technology, in particular multiple connector technology, with which several individual optical fibers are terminated by a common connector or connected to a coupling partner by means of the same.
  • the corresponding coupling partner can for example be formed by a corresponding connector of the same type or from a coupling optics z. B. exist for electro-optical transmitter or receiver.
  • the coupling optics can in turn contain optical waveguide pieces, one end face of which is to be brought into contact with the end faces of the optical waveguides to be coupled.
  • the aim is to align the end faces of the optical waveguides to be connected axially and laterally with the greatest possible accuracy to the respective individual coupling partner.
  • the lateral precision to be maintained during the coupling can include tolerances of a few micrometers. It is in the axial direction (direction of propagation of the optical signals) However, it is fundamentally desirable that direct physical contact of the end faces of the optical waveguides to be coupled with their respective coupling partners is ensured.
  • the mounting of the optical fiber ends on the one hand is structurally separated from the contours or geometries used for centering.
  • the invention relates to a multi-channel optical coupling device with two coupling partners which are designed as plug connectors and which have at least two centering elements which, in the coupled state, have penetrated into one centering opening of the other coupling partner in each case by one of the coupling partners.
  • a multichannel optical coupling device of this type emerges from DE 691 05 922 T2.
  • this known coupling device several receptacles for the ends of optical fibers are provided in a common plane.
  • An opening (hereinafter also referred to as a centering hole) is provided on both sides of the receptacles, which is used in each case for receiving a centering element (centering pin).
  • centering element centering pin
  • the centering elements can tilt or jam if the centering elements or the centering bores are not designed and positioned with the greatest precision in their respective positions.
  • the fits between the centering elements. and the corresponding center holes must be made in the tightest tolerances.
  • the object of the invention is to develop a multi-channel optical coupling device in such a way that tilting or jamming between centering elements and centering bores is reliably prevented during the coupling process, with comparatively large tolerances with regard to the precision of these elements being acceptable.
  • the centering elements are designed in such a way that there is essentially only linear body contact between the wall of the centering opening and the centering element.
  • the line width can e.g. B. also be formed by a shoulder area and be in the order of size of up to 50 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m. In the context of the present invention, the term line therefore also means a contact area in the range of a few 10 ⁇ m. This creates contours for centering and guiding the coupling partners to be connected, which have mechanically much more favorable conditions.
  • Coupling device consists in that the centering element has an at least partially spherical section, the ball diameter corresponding to the width of the centering bore and being larger than the rest into the
  • a centering pin can preferably be used, which is formed into a hemisphere at its coupling-side end.
  • the centering pin is then fixed so deep in the one coupling partner that only the hemispherical contour of the centering pin end protrudes from the end face of this coupling partner.
  • only the hemisphere then penetrates into the associated corresponding opening of the coupling partner and, at the moment, reaches the above-described linear contact with the wall of the assigned centering opening, in which the end faces of the coupling partners abut one another.
  • a preferred embodiment of the coupling device according to the invention which allows the centering element to penetrate further into the corresponding centering opening of the coupling partner, is ensured by a preferred development of the invention.
  • This development provides that the centering element has a circular cylindrical basic shape and that the coupling-side end of the centering element is designed spherical, the ball diameter corresponding to the width of the centering hole and being larger than the rest of the section of the centering element which has penetrated into the centering hole.
  • the centering element can advantageously be designed as a centering pin which has a substantially spherical section at one end on the coupling side.
  • This spherical section is preferably adjoined by an area with a reduced diameter (neck area) which extends to the receiving bore of the coupling partner holding it.
  • the centering pin is inserted into this coupling partner as far as fits that only the neck area and the end spherical shape protrude from the end face of this coupling partner.
  • Figures 1 and 2 a first embodiment of the invention
  • Figures 3 and 4 a second embodiment.
  • Figure 1 shows an overview of two coupling partners 1, 2, which are designed essentially in the form of conventional MT ferrules.
  • the optical waveguides to be coupled with one another are only indicated in the form of only two optical waveguides 4, 5 and 6, 7 each.
  • the coupling partners can have wide receiving bores for altogether more optical fiber ends.
  • the optical waveguides 4, 5 and 6, 7 each end in the plane of an end face 14 of the coupling partner 1 or 15 of the coupling partner 2.
  • the objective of the optical coupling is the end faces (eg 4a, 6a) of the optical waveguide 4 To bring 6 into direct physical contact.
  • the coupling partner 1 is provided with two centering bores 20, 21 and the coupling partner 2 with centering bores 22,
  • the center bores can have, for example, a circular cylindrical cross section.
  • a centering element 24, 25 in the form of a centering pin is pressed into each of the centering bores 22, 23.
  • the width or the diameter of the respective centering bore 22, 23 is matched to the respective centering element 24, 25.
  • centering pins are inserted and fixed so far into the centering bores 22, 23 that only the hemispheres 24a, 25a protrude beyond the end face 15.
  • the centering elements 24, 25 thus initially penetrate into the coupling partner 1 with a diameter that is substantially smaller than the width or the diameter of the centering bores 20, 21. Only in the state of complete coupling shown in FIGS. 1 and 2 do the end faces 14, 15 lie against one another and the hemispherical ends 24a, 25a have penetrated so far into the centering bores 20, 21 that their walls 20a, 21a correspond to those in FIG. 2 form the indicated linear contact 31, 32.
  • FIGS. 3 and 4 show essentially the same coupling partners 1, 2, so that the elements described in Figures 1 and 2 are given the same reference numerals; a detailed description of these similar elements is not necessary.
  • the coupling partner 1 is equipped with two centering elements 40, 41 in such a way that they are firmly pressed into corresponding centering openings (bores) 20, 21.
  • the centering elements are designed as centering pins 40, 41 and have a circular cylindrical main part 40a, 41a. This is followed by a section 40b, 41b, each with a reduced diameter, which can also be referred to as the neck region or pin neck.
  • a spherical end region 40c, 41c adjoins the pin neck 40b, 41b.
  • the end region 41 'c can also be designed as an approximately mirror-symmetrical double cone 60 which is in line contact 61 with the wall 23a.
  • the line L can have a width B of a few 10 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m.
  • the centering mechanisms can of course also be used for other similar connecting devices.
  • connections can also be provided between an MT ferrule as a coupling partner with electro-optical modules that have corresponding corresponding centering devices.
  • only one of the centering elements can be fixed in each coupling partner and a corresponding centering hole can be provided.

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Abstract

Die Kopplungseinrichtung umfaßt zwei Kopplungspartner (1, 2), die als Steckverbinder ausgebildet sind und zumindest zwei Zentrierelemente (40, 41) aufweisen. Die Zentrierelemente dringen im gekoppelten Zustand in jeweils eine korrespondierende Zentrierbohrung (22, 23) ein. Um ein Verkanten oder Klemmen während des Kopplungsvorganges zu vermeiden, sind die Zentrierelemente (40, 41) mit der Wandung (22a, 23a) der jeweils zugeordneten Zentrierbohrung des anderen Kopplungspartners jeweils nur in linienförmigem Körperkontakt, z.B. durch kugelförmige Ausführung des Stiftendes.

Description

Beschreibung
Mehrkanalige optische Kopplungseinrichtung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der opto-elektronischen Datenübertragung, bei der von von einem optischen Sender in optische Signale (Sendeimpulse) gewandelte elektrische Signale über optische Datenleitungen einem optischen Empfänger zugeführt werden, der anschließend eine Rückwandlung der op- tischen in elektrische Signale vornimmt. Die optischen Datenleitungen umfassen in der Regel einen oder mehrere Lichtwellenleiter und sind üblicherweise zum Anschluß an die zur Datenübertragung vorgesehenen Komponenten und/oder zur Kopplung mit einer anderen Datenleitung endseitig mit Lichtwellen- leitersteckern versehen.
Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Steckverbindertechnik, insbesondere der Mehrfachsteckverbindertechnik, mit der jeweils mehrere individuelle Lichtwellenleiter von einem gemeinsamen Steckverbinder abgeschlossen bzw. mittels diesem mit einen Kopplungspartner verbunden werden. Der korrespondierende Kopplungspartner kann beispielsweise von einem entsprechenden gleichartigen Steckverbinder gebildet sein oder aus einer Ankopplungsoptik z. B. für elektrooptische Sender oder Empfänger bestehen. Die Ankopplungsoptik kann ihrerseits Lichtwellenleiterstücke enthalten, deren jeweils eine Stirnfläche mit den Stirnflächen der anzukoppelnden Lichtwellenleiter in Kontakt zu bringen sind.
Bei derartigen optischen Steckverbindungen wird angestrebt, die Stirnflächen der zu verbindenden Lichtwellenleiter axial und lateral mit höchster Genauigkeit auf den jeweiligen individuellen Kopplungspartner auszurichten. Die bei der Kopplung einzuhaltende laterale Präzision kann je nach Anwen- dungsfall (z. B. Einmoden- oder Mehrmoden-Lichtwellenleiter) Toleranzen von einigen Mikrometern umfassen. In axialer Richtung (Richtung der Ausbreitung der optischen Signale) ist es jedoch grundsätzlich wünschenswert, daß ein unmittelbarer physikalischer Kontakt der Stirnflächen der anzukoppelnden Lichtwellenleiter mit ihren jeweiligen Kopplungspartnern gewährleistet ist.
Bei den eingangs beschriebenen optischen Mehrfachsteckverbindern und bei Steckverbindern, bei denen die Mantelfläche des Steckverbinders nicht unmittelbar zur Ausrichtung (Zentrierung) auf den Kopplungspartner ausgenutzt werden kann, ist die Halterung der Lichtwellenleiterenden einerseits von der zur Zentrierung verwendeten Konturen oder Geometrien andererseits konstruktiv getrennt .
Die Erfindung betrifft eine mehrkanalige optische Kopplungs- einrichtung mit zwei Kopplungspartnern, die als Steckverbinder ausgebildet sind und die zumindest zwei Zentrierelemente aufweisen, die im gekoppelten Zustand von einem der Kopplungspartner in jeweils eine Zentrieröffnung des anderen Kopplungspartners eingedrungen sind.
Eine mehrkanalige optische Kopplungseinrichtung dieser Art geht aus der DE 691 05 922 T2 hervor. Bei dieser bekannten Kopplungseinrichtung sind in einer gemeinsamen Ebene mehrere Aufnahmen für die Enden von Lichtwellenleitern vorgesehen. Beiderseits der Aufnahmen ist jeweils eine Öffnung (nachfolgend auch als Zentrierbohrung bezeichnet) vorgesehen, die jeweils zur Aufnahme eines Zentrierelementes (Zentrierstift) dient. Beim Kopplungsvorgang dringen die in dem jeweils einen Kopplungspartner gehaltenen Zentrierelemente in die jeweilige Zentrierbohrung des anderen Kopplungspartners ein, um (die
Kopplungspartner und damit) die Lichtwellenleiterstirnflächen zu zentrieren.
Bei dieser bekannten Konstruktion kann es zum Verkanten oder Klemmen der Zentrierelemente kommen, wenn die Zentrierelemente bzw. die Zentrierbohrungen in ihrer jeweiligen Position nicht mit höchster Präzision gestaltet und positioniert sind. Außerdem müssen die Passungen zwischen den Zentrierelementen . und den korrespondierenden Zentrierbohrungen in engsten Toleranzen gefertigt sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Weiterbildung einer mehrkanaligen optischen Kopplungseinrichtung dahingehend, daß beim Kopplungsvorgang ein Verkanten oder Verklemmen zwischen Zentrierelementen und Zentrierbohrungen zuverlässig verhindert ist, wobei vergleichsweise große Toleranzen hinsichtlich der Präzision dieser Elemente in Kauf genommen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kopplungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das in die jeweils zugeordnete Zentrieröffnung eingedrungene Zentrierelement mit deren Wand in nur linienformigem Körperkontakt steht .
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die Zentrierelemente zumindest in dem Bereich oder Abschnitt, der in die korrespondierende Zentrieröffnung eindringt, so gestaltet sind, daß zwischen der Wandung der Zentrieröffnung und dem Zentrierelement ein im wesentlichen nur linienförmi- ger Körperkontakt besteht. Die Lin.renbreite kann z. B. auch von einem Schulterbereich gebildet sein und in der Größen- Ordnung von bis 50μm, vorzugsweise 20μm betragen. Unter dem Begriff Linie ist also im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Kontaktbereich im Bereich von einigen lOμm zu verstehen. Damit werden zur Zentrierung und Führung der zu verbindenden Kopplungspartner Konturen geschaffen, die me- chanisch wesentlich günstigere Verhältnisse aufweisen. Durch den Flächen-Linien-Kontakt zwischen Zentrierelement und Öffnungswand läßt sich ein wesentlich leichteres Zusammenführen der Kopplungspartner bei dennoch hoher Zentrierungswirkung erreichen. Dies führt zu einem sicheren Kör- perkontakt der jeweils zu koppelnden Partner. Eine fertigungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung der erfin- . dungsgemäßen Kopplungseinrichtung besteht darin, daß das Zentrierelement einen zumindest teilkugelförmigen Abschnitt aufweist, wobei der Kugeldurchmesser der Weite der Zentrier- bohrung entspricht und größer ist als der übrige in die
Zentrierbohrung eingedrungene Abschnitt des Zentrierelements . Vorzugsweise kann ein Zentrierstift verwendet werden, der an seinem kopplungsseitigen Ende zu einer Halbkugel ausgeformt ist . Der Zentrierstift wird dann so tief in dem einen Kopp- lungspartner fixiert, daß über die Stirnfläche dieses Kopplungspartners lediglich die halbkugelförmige Kontur des Zentrierstiftendes hervorsteht. Beim Kopplungsvorgang dringt dann nur die Halbkugel in die zugeordnete korrespondierende Öffnung des Kopplungspartners und erreicht in dem Augenblick den vorbeschriebenen linienformigen Kontakt mit der Wandung der zugeordneten Zentrieröffnung, in dem die Stirnflächen der Kopplungspartner aneinander anliegen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kopp- lungseinrichtung, die ein weiteres Eindringen des Zentrierelementes in die korrespondierende Zentrieröffnung des Kopplungspartners erlaubt, ist durch eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung gewährleistet . Diese Weiterbildung sieht vor, daß das Zentrierelement eine kreiszylindrische Grundform hat und daß das kopplungsseitige Ende des Zentrierelements kugelförmig gestaltet ist, wobei der Kugeldurchmesser der Weite der Zentrierbohrung entspricht und größer ist als der übrige in die Zentrierbohrung eingedrungene Abschnitt des Zentrierelements. Vorteilhafterweise kann das Zentrierelement auch in diesem Fall als Zentrierstift ausgestaltet sein, der an seinem einen kopplungsseitigen Ende einen im wesentlichen kugelförmigen Abschnitt aufweist. An diesen kugelförmigen Abschnitt schließt bevorzugt ein Bereich mit verringertem Durchmesser (Halsbereich) an, der bis zur Aufnahmebohrung des ihn haltenden Kopplungspartners reicht. In diesem Fall ist der Zentrierstift in diesen Kopplungspartner soweit einge- paßt, daß nur der Halsbereich und die endseitige Kugelform über die Stirnfläche dieses Kopplungspartners hervorstehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:
Figuren 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figuren 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel .
Figur 1 zeigt in Übersicht zwei Kopplungspartner 1, 2, die im wesentlichen in Form üblicher MT-Ferrulen ausgebildet sind. Aus Gründen vereinfachter Darstellung sind die miteinander zu koppelnden Lichtwellenleiter nur andeutungsweise in Form von jeweils nur zwei Lichtwellenleitern 4, 5 und 6, 7 darge- stellt. Selbstverständlich können die Kopplungspartner neben den gezeigten Aufnahmebohrungen 8, 9 und 10, 11 weite Aufnah- mebohrungen für insgesamt wesentlich mehr Lichtwellenleiterenden aufweisen. Die Lichtwellenleiter 4, 5 und 6, 7 enden jeweils in der Ebene einer Stirnfläche 14 des Kopplungspart- ners 1 bzw. 15 des Kopplungspartners 2. Ziel der optischen Kopplung ist es, die Stirnflächen (z. B. 4a, 6a) der Lichtwellenleiter 4, 6 in unmittelbaren physikalischen Kontakt zu bringen.
Der Kopplungspartner 1 ist mit zwei Zentrierbohrungen 20, 21 versehen und der Kopplungspartner 2 mit Zentrierbohrungen 22,
23. Die Zentrierbohrungen können beispielsweise kreiszylindrischen Querschnitt haben. In die Zentrierbohrungen 22, 23 ist jeweils ein Zentrierelement 24, 25 in Form eines Zen- trierstiftes eingepreßt. Dazu ist die Weite bzw. der Durchmesser der jeweiligen Zentrierbohrung 22, 23 auf das jeweilige Zentrierelement 24, 25 abgestimmt.
Wie insbesondere aus der Ansicht des in Figur 2 vergrößert dargestellten Kopplungsbereichs 30 hervorgeht, sind die jeweiligen kopplungsseitigen Enden 24a, 25a der Zentrierstifte
24, 25 halbkugelförmig ausgebildet. Die Zentrierstifte sind so weit in die Zentrierbohrungen 22, 23 eingeführt und fixiert, daß lediglich die Halbkugeln 24a, 25a über die Stirnfläche 15 hervorstehen. Beim Kopplungsvorgang dringen die Zentrierelemente 24, 25 somit zunächst mit einem gegenüber der Weite oder dem Durchmesser der Zentrierbohrungen 20, 21 wesentlich verminderten Durchmesser in den Kopplungspartner 1 ein. Erst in dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Zustand vollständiger Kopplung liegen die Stirnflächen 14, 15 aneinander und die halbkugelförmigen Enden 24a, 25a sind so weit in die Zentrierbohrungen 20, 21 eingedrungen, daß sie mit deren Wandungen 20a, 21a den in Figur 2 angedeuteten linienformigen Kontakt 31, 32 bilden.
Die Figuren 3 und 4 zeigen im wesentlichen gleiche Kopplungs- partner 1, 2, so daß die in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind; eine detaillierte Beschreibung dieser gleichartigen Elemente erübrigt sich. In dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Aus- führungsbeispiel ist der Kopplungspartner 1 mit zwei Zen- trierelementen 40, 41 derart bestückt, daß diese in entsprechende Zentrieröffnungen (Bohrungen) 20, 21 fest eingepreßt sind. Die Zentrierelemente sind als Zentrierstifte 40, 41 ausgebildet und haben einen kreiszylindrischen Hauptteil 40a, 41a. An diesen schließt sich ein Abschnitt 40b, 41b mit je- weils vermindertem Durchmesser an, der auch als Halbereich oder Stifthals bezeichnet werden kann. An den Stifthals 40b, 41b schließt sich ein kugelförmiger Endbereich 40c, 41c an. In den Figuren 3 und 4 sind die Kopplungspartner 1, 2 im noch nicht vollständig gekoppelten Zustand gezeigt. Allerdings er- kennt man, daß der jeweilige kugelförmige Endbereich 40c, 41c bereits in die jeweils zugeordnete Zentrierbohrung 22, 23 eingedrungen ist und mit der jeweiligen Wandung 22a, 23a im linienformigen Kontakt 50, 51 steht. Der linienförmige Körperkontakt 50, 51 erlaubt ein verkantungsfreies Einführen der Zentrierelemente 40, 41 in die jeweils zugeordnete Zentrierbohrung. Bei vollständigem Eindringen liegen die Stirnflächen 14, 15 und damit auch die Endflächen der in den Figuren 3 und 4 nicht explizit dargestellten Lichtwellenleiter aneinander
(in Körperkontakt) an.
In einer möglichen Abwandlung der Einzelheit A der Figur 4 ist dargestellt, daß der Endbereich 41' c auch als annähernd spiegelsymmetrischer Doppelkegel 60 ausgebildet sein kann, der in einem Linienkontakt 61 mit der Wandung 23a steht. Die Linie L kann dabei eine Breite B von einigen lOμm haben, bevorzugt weniger als 50μm.
Mit der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung ist dabei insbesondere für Mehrfachsteckverbinder eine mechanische Überbestimmung der Steckverbindung verhindert und die Toleranzanforderungen an die Passungen der korrespondierenden Zen- trierelemente bzw. Zentrierbohrungen erheblich vermindert.
Selbstverständlich können die Zentrierungsmechanismen auch für andere ähnliche Verbindungseinrichtungen angewendet werden. So können beispielsweise auch Verbindungen zwischen einer MT-Ferrule als Kopplungspartner mit elektrooptischen Modulen vorgesehen werden, die über entsprechende korrespondierende Zentriereinrichtungen verfügen. Selbstverständlich kann in jedem Kopplungspartner jeweils nur eine der Zentrierelemente fixiert und eine korrespondierende Zentrierboh- rung vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrkanalige optische Kopplungseinrichtung mit
- zwei Kopplungspartnern (1,2), die als Steckverbinder ausgebildet sind und die zumindest zwei Zentrierelemente
(24,25) aufweisen, die im gekoppelten Zustand von einem der Kopplungspartner (1,2) in jeweils eine Zentrieröffnung (20,21) des anderen Kopplungspartners (1,2) eingedrungen sind, dadurch gekennzeichnet , daß
- das in die jeweils zugeordnete Zentrieröffnung (20,21) eingedrungene Zentrierelement (24,25) mit deren Wand (20a, 21a) in nur linienformigem Körperkontakt (31,32) steht.
2. Kopplungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß
- das Zentrierelement (24) einen zumindest teilkugelförmigen Abschnitt (24a) aufweist, wobei der Kugeldurchmesser der Weite der Zentrierbohrung entspricht und größer ist als der übrige in die Zentrierbohrung eingedrungene Abschnitt des Zentrierelements .
3 . Kopplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß - das Zentrierelement (40) eine kreiszylindrische Grundform hat und daß das kopplungsseitige Ende (40c) des Zentrierelements (40) kugelförmig gestaltet ist, wobei der Kugel- durchmesser der Weite der Zentrierbohrung (22) entspricht und größer ist als der übrige in die Zentrierbohrung einge- drungene Abschnitt (40b) des Zentrierelements.
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