CN103995321B - 用于在两个可旋转的结构单元之间传输信号的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在光电探测器（11.1）和发光元件（21.1）的帮助下在两个能够围绕着轴线（A）彼此相对旋转的结构单元（1，2）之间双信道地传输信号的装置。它们分别通过连接线路（11.4，21.4）与接收电路（11.3）或发送电路（21.3）连接。连接线路（11.4，21.4）中的至少一个具有以径向的方向分量延伸的部段（11.41，21.41）。信道的光路（S2）以轴向的方向分量在相对于另一个信道的光信号的光路（S1）的径向外部在所述至少一个连接线路（11.4，21.4）的部段（11.41，21.41）处延伸经过。

Description

用于在两个可旋转的结构单元之间传输信号的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在两个能够彼此相对旋转的结构单元之间传输电信号的装置。
背景技术
这类结构单元也经常被称为转子和定子。在这些结构单元中，电信号被转换成光信号，并且通过气隙在无接触的情况下被导向光电探测器，它们在那里再次被转换成电信号。这类装置使用在许多的技术领域，用来将电信号从位置固定的电单元传输到自身旋转的电单元上。
在专利文献DE 44 28 790 C1中公开了一种用于双向地传输信息的装置，其中，光电接收器和发送器相对于自转轴线偏心地布置。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于传输信号的装置，该装置允许有很高的传输率，然而却能够比较简单地进行制造。
相应地，所述装置用于在两个能够围绕着轴线彼此相对旋转的结构单元之间双通道地传输信号的装置。第一结构单元具有光电探测器和电子接收电路以及在光电探测器和接收电路之间的至少一个电连接线路。第二结构单元具有发光元件(例如LED或激光二极管)和电子发送电路以及发光元件和发送电路之间的至少一个电连接线路。此外，第一结构单元或第二结构单元的这个至少一个电连接线路具有至少一个以径向的方向分量延伸的部段。作为代替，不仅第一结构单元的至少一个电连接线路，还有第二结构单元的至少一个电连接线路都具有至少一个以径向的方向分量延伸的部段。为了在第一个信道上传输电信号，该电信号能够通过发送电路和发光元件转换成光信号。这个光信号通过光电探测器和接收电路又能够再次转换成电信号。在第二信道上能够传输另一个光信号。这样配置所述装置，即，使第二信道的光路以轴向的方向分量传播，并且此外还在相对于第一信道的光信号的光路的径向外部延伸。在此，第二信道的光信号的光路在所述至少一个电连接线路的以径向分量延伸的部段处延伸经过。
连接线路应理解为电线，它适合用于将两个电或电子构件或电路相互连接。
有利地，为了在第一信道上传输信号，相对于结构单元能够围绕着旋转的轴线共轴地布置着发光元件和光电探测器。据此，发光元件和光电探测器在几何方面这样布置，即，使它们被这个轴线穿过或截断。特别是第一信道的光信号的光路的对称线相应于这个轴线，或者等同于这个轴线。有利地这样配置装置，即，使第一信道的光信号的光路与这个轴线共轴地并且同心地延伸。
在本发明的另一种构造方案中，接收电路或发送电路或者两者都布置在相比发光元件离这个轴线的间距更远的地方。此外，作为代替或者作为补充，接收电路或发送电路或者两者都布置在相比光电探测器离这个轴线的间距更远的地方。换句话说，接收电路或发送电路或者两者都在径向上与发光元件和/或光电探测器错开(在径向外部)地布置。对于以下优选的情形，即，当发光元件或光电探测器的中心布置在结构单元能够围绕着旋转的轴线上时，发光元件或光电探测器离这个轴线的间距等于零。
因此，接收电路和/或发送电路为了在第一信道上传输信号而布置在相对于第一信道的光信号的光路的径向外部，或者说与第一信道的光信号的光路在径向上错开地布置。特别是可以这样配置装置，即，让轴线穿过发光元件和光电探测器，而用于在第一信道上传输信号的发送电路和/或发送电路却不被(旋转)轴线穿过。因此，接收电路和/或发送电路这样布置在装置内，即，使它位于可以作为第一信道的光信号的光路的延长线的区域以外。
在本发明的改进方案中，这样构造电连接线路，即，使它也用于机械地固定或用于保持发光元件或光电探测器。
此外，该至少一个电连接线路可以接触发光元件的引脚或者光电探测器的引脚。
在本发明的有利的构造方案中，电连接线路的以径向的方向分量延伸的部段能够接触相对于所述至少一个电连接线路位于径向外部的电路板。所涉及的电路板例如可以是环段形的或者具有封闭环的形状。
为了在第二信道上进行传输，第一结构单元以有利的方式具有另一个发光元件和与之相连接的另一个电子发送电路。第二结构单元则具有另一个光电探测器和与之相连接的另一个电子接收电路。
作为代替，第一结构单元同样也可以具有另一个光电探测器和与之相连接的另一个电子接收电路。在这种情况下，第二结构单元可以包括另一个发光元件和与之相连接的另一个电子发送电路。
为了在第二信道上进行传输，第一结构单元可以具有第一光学元件并且第二结构单元可以具有第二光学元件，其中，这些光学元件(第一或第二)中的一个可以在轴向上布置在所述另一个发光元件(用于第二信道)和确定用于在第一信道上进行传输的光电探测器之间。作为代替或者作为补充，为了在第二信道上进行传输，第一结构单元可以具有第一光学元件，并且第二结构单元可以具有第二光学元件，其中，这些光学元件(第一或第二)中的一个可以在轴向上布置在所述另一个发光元件(用于第二信道)和确定用于在第一信道上进行传输的发光元件之间。
有利地，为了在第二信道上进行传输，第一结构单元具有第一光学元件，并且第二结构单元具有第二光学元件，在此，这些光学元件中的一个在轴向上布置在另一个光电探测器和确定用于在第一信道上进行传输的光电探测器之间，或者在轴向上布置在另一个光电探测器和确定用于在第一信道上进行传输的发光元件之间。
在本发明的另一种构造方案中，第一和/或第二光学元件设计为凸透镜。特别是可以将第一或第二光学元件或者两个光学元件都设计为平的凸透镜。作为代替例如也可以使用消色差(achromatisch)的透镜。
在本发明的另一种构造方案中，确定用于在第一信道上进行传输的发光元件和确定用于在第二信道上进行传输的另一个发光元件相对于轴线共轴地布置。同样地，确定用于在第一信道上进行传输的光电探测器以及确定用于在第一信道上进行传输的另一个光电探测器相对于轴线共轴地布置。因此，就能够这样布置确定用于在第一信道上进行传输的发光元件、确定用于在第二信道上进行传输的另一个发光元件、确定用于在第一信道上进行传输的光电探测器和确定用于在第一信道上进行传输的另一个光电探测器，即，使它们全部被(旋转)轴线穿过。特别是它们的(相对于所涉及的光功能的)中心可以被(旋转)轴线穿过。
有利地，第一结构单元具有第三光学元件，并且第二结构单元具有第四光学元件，用于形成第一信道的光信号的光路。第三和第四光学元件可以设计为透镜。
在本发明的另一种构造方案中，接收电路和/或发送电路(分别都用于在第一信道上进行传输)能够相对于发光元件(用于在第一信道上进行传输)、光电探测器(用于在第一信道上进行传输)、第一光学元件(用于在第二信道上进行传输)和第二光学元件(用于在第二信道上进行传输)在径向上错开布置，也就是在径向上向外错开。
此外，有利地，接收电路和/或发送电路(分别都用于在第一信道上进行传输)还相对于第三光学元件(用于在第一信道上进行传输)和第四光学元件(用于在第一信道上进行传输)在径向上错开布置，也就是在径向上向外错开。
有利地可以这样构造该装置，即，使用于在第一信道上进行传输的光信号的光轴线和用于在第二信道上进行传输的光信号的光轴线相同。特别是可以让这些光轴线与结构单元能够相应于围绕着进行彼此相对旋转的轴线。
现在通过根据本发明的装置就能够以突出的质量传输信号，从而能够实现数量级在10Gbps或以上的极高的数据率。
附图说明
根据本发明的装置的其他细节和优点从下面借助附图对一个实施例的描述中得出。
图中示出：
图1是用于双信道地传输信号的装置的纵向剖面图，
图2是用于传输信号的结构单元的细节图，
图3a是发光元件的固定方式的细节图，
图3b是连接线路的一种构造方式的细节图。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的装置包括可以称为转子1的第一结构单元和在下面称为定子2的第二结构单元。该装置用于以高传输率在转子1和定子2之间传输电信号，其中，转子1和定子2能够围绕着轴线A彼此相对旋转地布置。定子2利用滚动轴承3相对于转子1被支承住。
转子1具有非常类似管形的壳体1.1。在壳体1.1内有转子侧的保持件1.2，它具有挖空部或袋状部，其中布置着电路板。在其中一个电路板上安装着电子接收电路11.3，并且在另一个电路板上安装着电子发送电路12.3。此外，在保持件1.2上有光电探测器11.1，它通过连接线路11.4与接收电路11.3电接触。与之类似地，转子侧的发光元件12.1与发送电路12.3通过连接线路12.4电连接。能由发光元件12.1发出的光可以通过同样安装在保持件1.2上的透镜12.2准直。此外在光电探测器11.1上还布置着另一个透镜11.2。该保持件1.2被精密地一体制成，从而能够以比较简单的方式相准直确地相互布置安装在其上的元件，特别是发光元件12.1、透镜12.2和光电探测器11.1。
在能够在滚动轴承3的帮助下旋转的转子1的壳体1.1内有定子侧的保持件2.2。定子侧的保持件2.2也具有挖空部或袋状部，其中布置着电路板。在其中一个电路板上安装着定子侧的电子发送电路21.3，而在另一个电路板上布置着定子侧的电子接收电路22.3。此外，在保持件2.2上固定着扭矩支承体2.1。在保持件2.2上还安装着光电探测器22.1，它通过连接线路22.4与接收电路22.3电接触。与之类似地，发光元件21.1与发送电路21.3通过连接线路21.4电连接。能由发光元件21.1发出的光可以通过透镜21.2准直。该保持件2.2也被精密地一体制成，从而能够以比较简单的方式相准直确地相互布置安装在其上的元件，特别是光电探测器22.1、透镜21.2和发光元件21.1。
在本实施例中，透镜12.2，22.2分别都是设计为平的凸透镜的准直透镜。在光电探测器11.1和发光元件21.1上分别布置着另一个透镜11.2，21.2，它们在这里示例性地示为GRIN透镜。作为代替，在这个位置上例如也可以使用消色差的透镜。
所述装置用于在转子1和定子2之间双信道地双向传输电信号。通过在图中未详尽示出的电缆，为了在第一信道上传输信号，首先将这些信号连同用于提供功率的电流一起输送给发送电路21.3。在那里相应地处理这些信号，并且连同电流一起通过连接线路21.4输送给发光元件21.1。在所示实施例中设计为激光二极管的发光元件21.1发出光，于是因此电信号通过发送电路21.3并且通过发光元件21.1转换成光信号。第一信道的光信号的光路S1(图2)由透镜21.2准直。
转子1上的透镜11.2与定子侧的透镜21.2以轴向的气隙间隔开。通过转子上的透镜将第一信道的光信号输送给光电探测器11.1。光电探测器11.1通过连接线路11.4与接收电路11.3电接触。通过光电探测器11.1并且通过接收电路11.3将光信号转换成电信号，它在图中未详尽示出的电缆的帮助下被转数给相对于定子1旋转的构件。
连接线路11.4，21.4分别都具有径向的部段11.41，21.41。此外，在图3a中以发光元件21.1的电连接为例将其示出。径向部段11.41，21.41在这里设计为朝着径向取向的金属线。这些金属线在所示实施例中具有0.2mm的厚度。不仅光电探测器11.1还有第一信道的发光元件21.1都具有引脚11.42，21.42，，它们可以称为连接线路11.4，21.4的朝着轴向取向的部段。径向部段11.41，21.41的位于径向内部的端部通过焊接与这些引脚11.42，21.42连接。
径向部段11.41，21.41的另一个端部，也就是位于径向外部的部段，与环形的电路板21.5上的导体轨道电连接。径向的部段11.41，21.41的位于径向内部的端部的接触点在周向上错开地布置，从而实现光电探测器11.1和发光元件21.1的尽可能刚性的机械连接效果。在这种情况下有利的是，当接触点以至少20°的错位角α，β相互间隔，或者说这些径向的部段11.41，21.41分叉开形成至少20°的夹角α，β。
导体轨道沿着符合电路板形状的周向延伸。导体轨道的端部与多芯的柔性导体21.43电连接。柔性导体21.43导向发送电路21.3，并且与之电接触。于是，定子侧的连接线路21.4因此包括柔性导体21.43、径向部段21.41和引脚21.42。与之类似地，转子侧的连接线路11.4就同样地包括柔性导体、径向部段11.41和引脚11.42。
因此，引脚11.42，21.42和连接线路11.4，21.4的径向部段11.41，21.41用于电连接第一信道的发光元件21.1或光电探测器11.1，但是也用于机械地固定发光元件21.1或光电探测器11.1。为了这种机械的固定效果能够同时保证发光元件21.1、光电探测器11.1和所属的透镜11.2，21.2的最佳的共轴的取向，采用了特殊的连接工艺。在图3b中示例性地示出了径向部段21.41和引脚21.42之间的接触部位的细节图。在安装的过程中，首先这样定位径向部段21.41的、设计为吊耳的位于径向内部的端部，即，让它包围住引脚21.42。在此，在引脚21.42和径向部段21.41的端部之间无碰触。所有的径向部段21.41首先以同样的方式布置在发光元件21.1的引脚21.42的附近。这样确定引脚21.42和径向部段21.41的端部之间的气隙的尺寸，即，使得即使在以后进行的校准或调整时也不会发生接触，从而让这两个部件在进行调整期间能够进行从机械的角度来看无压力的相对运动。这样调整发光元件21.1，即，使得它的光路S1以最小的容差与轴线A共轴地平行延伸。接下来将发光元件21.1的引脚21.42与径向部段21.41的位于径向内部的端部焊接。由此使得焊料21.44填充满引脚21.42和径向部段21.41的端部之间的间隙，同时不会接触到引脚21.42和径向部段21.41的端部。借此能够避免因为调整产生的机械应力。
根据相同的原理，在对光电探测器11.1进行调整以后，转子侧的引脚12.42也与连接线路12.4的径向部段11.41焊接，从而实现电连接光电探测器11.1，并且同时实现精确共轴地调整光电探测器11.1与透镜11.2。
在所示实施例中，第二信道上的信号传输在与第一信道上的信道传输的方向(正如例如在图2中所示的那样)相反的方向上进行。因此，通过在图中未详尽示出的用于在第二信道上传输信号的电缆首先将这些信号连同用于提供功率的电流输送给转子侧的发送电路12.3。这些信号在那里被相应地处理，并且连同电流通过连接线路12.4输送给发光元件12.1。在所示实施例中同样设计为激光二极管的发光元件12.1发出光，因此电信号通过发送电路12.3并且通过发光元件12.1转换成另一个光信号。第二信道的光信号的光路S2通过平的凸透镜12.2准直。也就是光路S2在经过透镜12.2以后在平行于轴线A(如参见图2)的轴向上延伸。此外，用于在第二信道上传输信号的光路S2相对于第一信道的光路S1在径向外部延伸。此外，该光路S2在连接线路11.4，21.4的部段11.41，21.41处延伸经过，亦见图3a中所示，这里示例性地为光路S2标出了俯视效果的箭头。然后该光路S2通过定子侧的透镜22.2聚焦或成束，从而将第二信道的光信号输送给光电探测器22.1。光电探测器22.1通过连接线路22.4与接收电路22.3电接触。通过光电探测器22.1并且通过接收电路22.3将光信号转换成电信号，它在图中未详尽示出的电缆的帮助下传输给不旋转的构件。
不仅第一信道的光学元件(发光元件21.1、透镜21.2、光电探测器11.1和透镜11.2)还有第二信道的光学元件(另一个发光元件12.1、透镜12.2、另一个光电探测器22.1和透镜22.2)都相对于轴线A共轴地布置。因此，第一信号的光信号的光轴线相对于第二信道的光信号的光轴线相应地布置。此外，所述装置还具有这样一个区域，其中，(第一信道的)第一光路S1具有圆柱体的形状，并且(第二信道的)第二光路S2同心地在第一光路S1的径向外部延伸。特别是第二光路S2可以具有空心圆柱体的形状。
发送电路21.3、12.3和接收电路11.3，22.3相对于发光元件21.1、透镜21.2、光电探测器11.1、透镜11.2、另一个发光元件12.1、透镜12.2、另一个光电探测器22.1和透镜22.2在径向上错开地布置，也就是在径向上朝外错开。
这种构造方式除了其他优点以外还有以下优点，即，相对于电磁干扰影响能够实现非常牢固的布置，从而能够实现非常高的传输率。令人吃惊地，由连接线路11.4，21.4的径向部段11.41，21.41造成的屏蔽对于传输率来说影响不大。在所述装置中，电信号可以输送给其中一个结构单元并且在另一个结构单元中被提取出来，并且反之亦然。根据本发明是在所述装置内实现向光信号的转换和向电信号的复原。

Claims (14)

1.一种用于在两个能够围绕轴线(A)彼此相对旋转的结构单元(1，2)之间双信道地传输信号的装置，其中，
第一结构单元(1)具有光电探测器(11.1)和电子的接收电路(11.3)以及在所述光电探测器(11.1)和所述接收电路(11.3)之间的至少一个连接线路(11.4)，
第二结构单元(2)具有发光元件(21.1)和电子发送电路(21.3)以及在所述发光元件(21.1)和所述发送电路(21.3)之间的至少一个连接线路(21.4)，其中
所述第一结构单元(1)和/或第二结构单元(2)的所述至少一个连接线路(11.4，21.4)具有至少一个以径向的方向分量延伸的部段(11.41，21.41)，并且
为了在第一信道上传输电信号，所述电信号能够通过所述发送电路(21.3)和所述发光元件(21.1)转换成光信号，所述光信号通过所述光电探测器(11.1)和所述接收电路(11.3)又能够再次转换成电信号，并且
在第二信道上能够传输另一个光信号，所述另一个光信号的光路(S2)以轴向的方向分量在相对于所述第一信道的光信号的光路(S1)的径向外部在所述至少一个连接线路(11.4，21.4)的所述部段(11.41，21.41)处延伸经过，
其中，为了在所述第二信道上进行传输
a)所述第一结构单元(1)具有另一个发光元件(12.1)和与所述另一个发光元件相连接的另一个电子发送电路(12.3)，并且所述第二结构单元(2)具有另一个光电探测器(22.1)和与所述另一个光电探测器相连接的另一个电子接收电路(22.3)，或者
b)所述第一结构单元(1)具有所述另一个光电探测器(22.1)和与所述另一个光电探测器相连接的所述另一个电子接收电路(22.3)，并且所述第二结构单元(2)具有所述另一个发光元件(12.1)和与所述另一个发光元件相连接的所述另一个电子发送电路(12.3)，其中，
所述发光元件(21.1)和所述另一个发光元件(12.1)以及所述光电探测器(11.1)和所述另一个光电探测器(22.1)相对于所述轴线(A)共轴地布置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发光元件(21.1)和所述光电探测器(11.1)在几何方面布置为使得所述轴线(A)穿过所述发光元件和所述光电探测器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述接收电路(11.3)和/或所述发送电路(21.3)布置在相比所述光学元件(21.1)或所述光电探测器(11.1)离所述轴线(A)的间距更远的地方。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个连接线路(11.4，21.4)也用于机械地固定所述光学元件(21.1)或所述光电探测器(11.1)。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个连接线路(11.4，21.4)接触所述发光元件(21.1)或所述光电探测器(11.1)的引脚(11.42；21.42)。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，以径向的方向分量延伸的所述部段(11.41，21.41)能够接触相对于所述至少一个连接线路(11.4，21.4)位于径向外部的电路板(11.5，21.5)。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)具有第一光学元件(12.2)，并且所述第二结构单元(2)具有第二光学元件(22.2)，在此，所述第一光学元件(12.2)和第二光学元件(22.2)中的一个在轴向上布置在所述另一个发光元件(12.1)和用于所述第一信道的所述光电探测器(11.1)或用于所述第一信道的所述光学元件(21.1)之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一光学元件(11.2)和/或所述第二光学元件(21.2)设计为凸透镜。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)具有第一光学元件(12.2)，并且所述第二结构单元(2)具有第二光学元件(22.2)，在此，所述第一光学元件(12.2)和所述第二光学元件(22.2)中的一个在轴向上布置在所述另一个光电探测器(22.1)和用于所述第一信道的所述光电探测器(11.1)或用于所述第一信道的所述发光元件(21.1)之间。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一光学元件(11.2)和/或第二光学元件(21.2)设计为凸透镜。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一光学元件(11.2)和/或第二光学元件(21.2)设计为平的凸透镜。
12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述接收电路(11.3)和/或所述发送电路(21.3)相对于所述发光元件(21.1)、所述光电探测器(11.1)、所述第一光学元件(12.2)和所述第二光学元件(22.2)在径向上错开地布置。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)具有第三光学元件(11.2)，并且所述第二结构单元(2)具有第四光学元件(21.2)，用于形成所述第一信道的所述光信号的所述光路(S1)。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述接收电路(11.3)和/或所述发送电路(21.3)相对于所述第三光学元件(12.2)和所述第四光学元件(21.2)在径向上错开地布置。
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