CN110501785A - 在两个可旋转的结构单元之间传输光信号的装置 - Google Patents

在两个可旋转的结构单元之间传输光信号的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在两个结构单元之间传输光信号的装置，第一结构单元(1)包括第一透镜(1.2)、第一轴承环(1.3、1.3')和有锥形面(1.51)的第一紧固套筒(1.5)。第二结构单元(2)包括第二透镜(2.2)、第二轴承环(2.3、2.3')、第二主体(2.4、2.4')、有锥形面(2.51)的第二紧固套筒(2.5)和夹紧元件(2.6、2.6')。第一和第二轴承环配属于轴承(3、3')，第一和第二结构单元通过轴承能绕轴线(A)旋转地连接。相对轴线分别居中固定的是：第一透镜借助第一紧固套筒通过第一锥形连接(I；I')固定在第一轴承环处，第二透镜借助第二紧固套筒通过第二锥形连接(II)固定在第二主体处，第二主体借助夹紧元件通过第三锥形连接(III；III')固定在第二轴承环处。

Description

在两个可旋转的结构单元之间传输光信号的装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的、用于在两个可相对彼此旋转的结构单元之间传输光信号的装置。
相应的结构单元通常被称为转子和定子。在这些结构单元中，光信号被无接触地引导通过气隙。这种装置用于许多技术领域，以将信号从位置固定的单元传输到旋转的单元。为了实现高的数据传输速率，例如对于4K质量的视频信号，这些模块在每个旋转位置需要被精确地相对彼此定位。
背景技术
在公开文献EP 1 857 847 A1中公开了一种光学旋转变压器，其中为了调节而借助两个检测器确定光束与旋转轴的偏差。基于已确定的偏差来计算并相应补偿光束的倾斜。
由公开文献WO 2012/136645 A1公开了一种光学旋转变压器，其中确定光轴线的位置和取向的转子面被如下地处理，即第一轴线不相对于轴承轴线定向，而光轴线与轴承轴线重合。由此，调节就是不必要的，并且减小了光轴线相对于转子旋转轴线的定向的误差容许极限。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于传输光信号的装置，该装置实现非常高的传输速率并且能够易于制造。
该目的根据本发明由权利要求1的特征实现。
因此，该装置用于在第一结构单元与第二结构单元之间传输光信号。在此，第一结构单元包括：第一透镜，第一轴承环，和在第一透镜侧具有锥形面的第一紧固套筒。第二结构单元包括：第二透镜，第二轴承环，第二主体，具有锥形面的第二紧固套筒，以及夹紧元件。第一轴承环和第二轴承环配属于轴承，第一结构单元和第二结构单元通过该轴承以能围绕轴线旋转的方式彼此连接。在此，第一透镜借助于第一紧固套筒通过第一锥形连接相对于轴线居中地直接或间接固定在第一轴承环处。此外，第二透镜借助于第二紧固套筒通过第二锥形连接相对于轴线居中地直接或间接固定在第二主体处。此外，第二主体借助于夹紧元件通过第三锥形连接相对于轴线居中地间接或直接固定在第二轴承环处。
锥形连接分别由具有直圆锥形状或直圆锥台形状的两个锥形面形成。在此，在连接中存在两个锥形面，其中连接的一个锥形面构造为向外弯曲的、特别是凸出的外表面(圆锥形)，并且另一个锥形面构造为向内弯曲的、尤其是凹陷的限定空腔的表面。第一、第二和第三锥形连接的或者锥形面或锥体的对称轴线是第一结构单元相对于第二结构单元旋转所能围绕的轴线。特别地，第一紧固套筒和/或第二紧固套筒各自具有向外弯曲的锥形面。有利地，第一紧固套筒和/或第二紧固套筒具有凹槽，其中第一紧固套筒的和/或第二紧固套筒的锥形面尤其被凹槽中断，从而实现相关紧固套筒的径向的灵活性或可移动性。同样地，第二主体能够在第三锥形连接的区域中具有凹槽或第二主体的锥形面，以便提供径向的灵活性或可移动性。因此，术语锥形面还包括(例如被凹槽)中断的面。
第一透镜或第二透镜或两个透镜有利地设计为准直透镜、特别是球透镜。可选地，也能够使用梯度透镜(GRIN透镜)。
在本发明的改进方案中，第一结构单元具有套筒，该套筒相对于轴线在径向上布置在第一紧固套筒与第一轴承环之间。以这种方式，由第一紧固套筒和套筒形成第一锥形连接，其中，第一紧固套筒的第一锥形面与套筒的锥形面接触。套筒能够具有向内弯曲的锥形面，然后在径向上压到第一轴承环上。
在本发明的一个有利的设计方案中，第二主体能够直接具有第一锥形面，其中，第二锥形连接借助于第二紧固套筒的这种第一锥形面制成。在此，第二主体的第一锥形面能够向内弯曲。
有利地，第二主体具有第二锥形面，并且夹紧元件具有锥形面，使得借助于第二主体的第二锥形面和夹紧元件的锥形面形成第三锥形连接。在此，第二主体的第二锥形面能够向外弯曲，并且夹紧元件的锥形面能够向内弯曲。
特别地，第二主体的第一锥形面能够向内弯曲(凹陷)，并且第二主体的第二锥形面能够向外弯曲(凸出)。
在本发明的另一个设计方案中，第二主体具有螺纹、例如外螺纹，并且夹紧元件同样具有螺纹、例如内螺纹。第二主体的螺纹与夹紧元件的螺纹啮合，其中，通过夹紧元件相对于第二主体的旋转来形成或紧固第三锥形连接。
有利地，第一结构单元包括具有螺纹、例如内螺纹的第一主体。此外，第一紧固套筒具有螺纹、例如外螺纹。第一紧固套筒的螺纹与第一主体的螺纹啮合，其中，通过第一主体相对于第一紧固套筒的旋转来形成或紧固第一锥形连接。
在本发明的另一个设计方案中，第二结构单元包括具有螺纹、例如内螺纹的固定元件。此外，第二紧固套筒具有螺纹、例如外螺纹。固定元件的螺纹与第二紧固套筒的螺纹啮合，其中，通过固定元件相对于第二紧固套筒的旋转来形成或紧固第二锥形连接。
在本发明的一个有利的设计方案中，第一轴承环或第二轴承环具有锥形面，或者第一轴承环和第二轴承环能够各自具有锥形面。
有利地，第二轴承环具有第二锥形面、特别是向内弯曲的锥形面，并且夹紧元件具有锥形面、特别是向外弯曲的锥形面。在此，第三锥形连接能够借助于第二轴承环的第二锥形面和夹紧元件的锥形面形成。
在本发明的一个有利的设计方案中，夹紧元件能够设计为具有两个内置的锥形面的环。
有利地，第一轴承环具有至少一个锥形面(优选两个锥形面)、特别是至少一个向内弯曲的锥形面。在该设计方案中，第一锥形连接由第一紧固套筒和第一轴承环的锥形面形成，其中，第一紧固套筒的锥形面与第一轴承环的锥形面接触。
在本发明的一个有利的设计方案中，轴承能够设计为滚动轴承。特别地，轴承能够设计为两个滚动轴承。有利地，两个滚动轴承因此通过第一锥形连接和第三锥形连接以O形布置方式按照推力轴承结构(Stuetzlagerung)来预加应力和调整。
有利地，该装置设计用于在第一紧固套筒有轴向拉伸载荷的情况下形成第一锥形连接。可选地或附加地，在第二紧固套筒有轴向拉伸载荷的情况下形成第二锥形连接。
在本发明的另一个设计方案中，第一结构单元包括第一光导体，并且第二结构单元包括第二光导体。该装置设置用于使由光导体引导的光的光路利用轴向的方向分量传播。
借助于根据本发明的装置，现在可以传输质量优秀的信号，从而能够尤其在最小的衰减的情况下实现很高的数据速率。
本发明的有利设计方案由从属权利要求得出。
附图说明
参考附图，由两个实施例的说明得出根据本发明的装置的另外的细节和优点。
附图示出：
图1示出根据第一实施例的、用于传输光信号的装置的纵向剖视图，
图2示出根据第一实施例的、具有滚动轴承的装置的第一结构单元的立体透视图，
图3示出根据第一实施例的装置的第二结构单元的立体透视图，
图4示出根据第二实施例的、用于传输光信号的装置的纵向剖视图。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的装置包括能够被称为转子的第一结构单元1和例如作为定子工作的第二结构单元2。该装置用于在第一结构单元1与第二结构单元2之间传输具有高传输速率的光信号，其中，第一结构单元1和第二结构单元2以相对于彼此可围绕轴线A旋转的方式布置。第二结构单元2借助于轴承3相对于第一结构单元1放置。轴承3设计为两个滚动轴承，滚动轴承各自包括第一轴承环1.3(内环)、第二轴承环2.3(外环)以及滚动体3.3，该滚动体例如是滚珠。
在组装第一结构单元1的过程中，首先提供第一紧固套筒1.5。第一紧固套筒1.5具有锥形面1.51、螺纹1.53和三个凹槽1.52(图2)。凹槽1.52位于第一紧固套筒1.5的、在轴向上与螺纹1.53相对置的端部处，凹槽1.52尤其延伸穿过锥形面1.51。第一紧固套筒1.5的锥形面1.51是凸出的，也就是向外弯曲的。换句话说，第一紧固套筒1.5包括圆锥体。
相对于第一紧固套筒1.5径向外置地安装有也具有锥形面1.41的套筒1.4，其中锥形面1.41凹陷地、也就是向内地弯曲。轴承3的两个第一轴承环1.3被推移或按压到套筒1.4上，使得凹槽1.52平行于轴线A延伸。
随后，提供第一主体1.6，其具有外螺纹1.61、加工的接触面1.62和另外的螺纹1.63(在此是内螺纹)。第一紧固套筒1.5的(非圆锥形)端部部段、也就是螺纹1.53拧入第一主体1.6的另外的螺纹1.63中。
另外，提供第一光导体1.1和所谓的第一引导套筒1.7、以及第一透镜1.2。第一透镜1.2用于准直并且在本实施例中设计为透明球体、特别是石英玻璃球。引导套筒1.7在此由陶瓷材料制成并且具有沿轴线A的方向延伸的凹槽1.71。
在进一步的组装步骤中，第一透镜1.2置入第一引导套筒1.7中。随后，第一引导套筒1.7与第一透镜1.2一起被推到第一光导体1.1的端部。然后，引导套筒1.7与第一透镜1.2和第一光导体1.1一起穿过第一主体1.6的孔插入第一紧固套筒1.5中。图中未详细示出的锁紧螺母与螺纹1.61拧在一起，使得第一光导体1.1在轴向上固定在第一主体1.6处，其中还通过形状配合的编码产生第一光导体1.1相对于第一主体1.6的旋转保护。
通过将第一紧固套筒1.5的螺纹1.53拧入第一主体1.6的另外的螺纹1.63中，在第一结构单元1中实现了包括第一透镜1.2的、第一引导套筒1.7的更可靠和精确的紧固。在此，在第一轴承环1.3处支撑接触面1.62，从而在进一步拧紧时，第一紧固套筒1.5被轴向拉入套筒1.4的锥形面1.41中，这导致包括第一透镜1.2的、第一引导套筒1.7的径向紧固。因此，在接触第一紧固套筒1.51的锥形面1.51和套筒1.4的锥形面的情况下，第一透镜1.2借助于第一紧固套筒1.5通过第一锥形连接I相对于轴线A居中地固定在第一轴承环1.3处，其中，该套筒1.4在径向上布置在第一紧固套筒1.5与第一轴承环1.3之间。在此，第一透镜1.2通过第一引导套筒1.7被第一紧固套筒1.5夹紧。因此，第一光导体1.1的端部相对于轴线A居中地布置。在该布置中，第一锥形连接I在第一紧固套筒1.5有轴向拉伸载荷的情况下形成。
在此作为定子起作用的第二结构单元2还包括第二紧固套筒2.5，其也具有锥形面2.51和凹槽2.52(图3)。第二紧固套筒2.5的锥形面2.51凸出地、也就是向外地弯曲。换句话说，第二紧固套筒2.5包括圆锥体。通过凹槽2.52，在圆锥体的或锥形面2.51的区域中实现紧固套筒2.5的径向的灵活性。另外，在第二紧固套筒2.5的区域中，在一个端部处设有螺纹2.53。在第二结构单元2的组装过程中，第二紧固套筒2.5被引入第二主体2.4的孔中，其中，第二主体2.4中的孔具有第一锥形面2.41。该第一锥形面2.41凹陷地、也就是向内地弯曲。
另外，提供第二光导体2.1和所谓的第二引导套2.7、以及第二透镜2.2。第二透镜2.2用于准直并且在此设计为透明球体、特别是石英玻璃球。引导套筒2.7在此也由陶瓷材料制成并且具有沿轴线A的方向延伸的凹槽2.71。
在进一步的组装步骤中，第二透镜2.2置入第二引导套筒2.7中。随后，第二引导套筒2.7与第二透镜2.2一起被推到第二光导体2.1的端部。
此外，还提供带有螺纹2.83(在此是内螺纹)的固定元件2.8。然后，引导套筒2.7与第二透镜2.2和第二光导体2.1一起穿过固定元件2.8的中心孔插入第二紧固套筒2.5中。固定元件2.8的螺纹2.83与第二紧固套筒2.5的螺纹2.53啮合，第二紧固套筒的螺纹在轴向上从第二主体2.4伸出。固定元件2.8与第二紧固套筒2.5的螺纹2.53拧在一起，使得固定元件2.8在端侧支撑在第二主体2.4处，并且第二光导体2.1相对于第二主体2.4固定，其中还通过形状配合的编码产生第二光导体2.1相对于第二紧固套筒2.5的旋转保护。
因此，通过进一步拧紧，第二紧固套筒2.5被拉入第二主体2.4的第一锥形面2.41中，这导致第二引导套筒2.7与第二透镜2.2一起径向的紧固。在装置被组装完之后，第二主体2.4的第一锥形面2.41与第二紧固套筒2.5的锥形面2.51接触，由此形成第二锥形连接II。第二透镜2.2通过第二锥形连接II借助于第二紧固套筒2.5相对于轴线A居中地固定在第二主体2.4处。在此，第二透镜2.2通过第二引导套筒2.7被第二紧固套筒2.5夹紧。因此，第二锥形连接II在第二紧固套筒2.5有轴向拉伸载荷的情况下形成。
根据图3，第二主体2.4还具有螺纹2.43(在此是外螺纹)和向外弯曲或凸出的第二锥形面2.44。此外，第二主体2.4具有凹槽2.42，其在轴向方向上在第二主体2.4的部分长度上延伸并且在轴向方向上在第二主体2.4的一端处开放，使得第二主体2.4在该区域中设计成径向可伸缩的或者具有径向弹性。
夹紧元件2.6被推到在第二主体2.4上。该夹紧元件具有凹陷的、向内弯曲的锥形面2.61和螺纹2.63(在此是内螺纹)。夹紧元件2.6的螺纹2.63与第二主体2.4的螺纹2.43拧在一起，其中，通过夹紧元件2.6相对于第二主体2.4的由此产生的轴向位移，第二主体2.4的第二锥形面2.44与夹紧元件2.6的锥形面2.61接触。结果是：第二主体2.4在凹槽2.42的区域中径向向内变形。根据该实施例的夹紧元件2.6也能被称为锁紧螺母。
第一结构单元1现在能够与第二结构单元2连接。在该连接中，夹紧元件2.6处于如下位置，第二主体2.4的第二锥形面2.44在该位置与夹紧元件2.6的锥形面2.61不接触，使得第二主体2.4在其凹槽2.42的区域中在径向上无机械应力。在该位置，第一结构单元1现在被引入第二结构单元2中，其中第二轴承环2.3(其配属于第二结构单元2)与第二主体2.4或其凹槽2.42在径向上相对置。此后旋转夹紧元件2.6，其中通过啮合的螺纹2.43、2.63，第二主体2.4的第二锥形面2.44与夹紧元件2.6的锥形面2.61接触，由此形成第三锥形连接III。结果是：因此配备有凹槽2.42的第二主体2.4径向向内朝第二轴承环2.3按压并因此被夹紧或紧固。因此，第二主体2.4借助于夹紧元件2.6通过第三锥形连接III相对于轴线A居中地固定在第二轴承环2.3处。同时，两个滚动轴承通过第一锥形连接I和第三锥形连接III以O形布置方式按照推力轴承结构来预加应力和调整。
在图4中示出根据第二示实施例的、用于传输光信号的装置的纵向截面。根据第二实施例的装置与根据第一实施例的装置的不同之处在于：轴承3'包括两个第一轴承环1.3'，第一轴承环各自具有一个第一锥形面2.31'和两个第二轴承环2.3'，第二轴承环各自具有一个第二锥形面2.31'。
此外，根据第二实施例的夹紧元件2.6'设计为具有两个内置的锥形面2.61'的环。根据第二实施例的夹紧元件2.6'设计为径向可伸缩的，该环在此尤其具有间隙，该间隙允许该环或夹紧元件2.6'径向变形。
第二主体2.4'在本实施例中设计成使第二主体仅具有第一锥形面2.41'，该第一锥形面在此也是凹陷的，即向内弯曲。
在接触第一紧固套筒1.5的锥形面1.51和第一轴承环1.3'的锥形面1.31'的情况下，第一透镜1.2在此借助于第一紧固套筒1.5通过第一锥形连接I'相对于轴线A居中地固定在第一轴承环1.3处。在此，第一透镜1.2通过第一引导套筒1.7被第一紧固套筒1.5夹紧。
夹紧元件2.6'的两个锥形面2.61'与第二轴承环2.3'的锥形面2.31'接触，由此形成第三锥形连接III'。结果是：夹紧元件2.6'在相对于第二轴承环2.3'支承的情况下径向向外朝第二主体2.4'按压。因此，第二主体2.4'最终通过第三锥形连接III'借助于夹紧元件2.6'相对于轴线A居中地固定在第二轴承环2.3'处。
因此，提供一种适合在两个结构单元1、2之间传输光信号的装置，其中，第一光导体1.1、第一透镜1.2、第二光导体2.1和第二透镜2.2使用相对较小的安装开销以高精度彼此同轴地布置。另外，在组装结构单元1、2或该装置时能够省去粘合过程。

Claims (15)

1.一种用于在两个结构单元(1、2)之间传输光信号的装置，其中，
第一结构单元(1)包括：
第一透镜(1.2)，
第一轴承环(1.3、1.3')，和
具有锥形面(1.51)的第一紧固套筒(1.5)，并且
第二结构单元(2)包括：
第二透镜(2.2)，
第二轴承环(2.3、2.3')，
第二主体(2.4、2.4')，
具有锥形面(2.51)的第二紧固套筒(2.5)，和
夹紧元件(2.6、2.6')，其中，
所述第一轴承环(1.3、1.3')和所述第二轴承环(2.3、2.3')配属于轴承(3、3')，所述第一结构单元(1)和所述第二结构单元(2)通过所述轴承以能围绕轴线(A)旋转的方式彼此连接，并且
所述第一透镜(1.2)借助于所述第一紧固套筒(1.5)通过第一锥形连接(I；I')相对于所述轴线(A)居中地固定在所述第一轴承环(1.3、1.3')处，
所述第二透镜(2.2)借助于所述第二紧固套筒(2.5)通过第二锥形连接(II)相对于所述轴线(A)居中地固定在所述第二主体(2.4、2.4')处，并且
所述第二主体(2.4、2.4')借助于夹紧元件(2.6、2.6')通过第三锥形连接(III；III')相对于所述轴线(A)居中地固定在所述第二轴承环(2.3、2.3')处。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)具有套筒(1.4)，该套筒在径向上布置在所述第一紧固套筒(1.5)与所述第一轴承环(1.3)之间，使得由所述第一紧固套筒(1.5)和该套筒(1.4)形成所述第一锥形连接(I)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二主体(2.4、2.4')具有第一锥形面(2.41、2.41')，其中，借助于所述第二主体(2.4、2.4')的所述第一锥形面(2.41、2.41')和所述第二紧固套筒(2.5)的锥形面(2.51)形成所述第二锥形连接(II)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二主体(2.4)具有第二锥形面(2.44)，并且所述夹紧元件(2.6)具有锥形面(2.61)，使得借助于所述第二主体(2.4)的所述第二锥形面(2.44)和所述夹紧元件(2.6)的锥形面(2.61)形成所述第三锥形连接(III)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二主体(2.4)具有螺纹(2.43)，并且所述夹紧元件(2.6)同样具有啮合到所述第二主体(2.4)的螺纹(2.43)中的螺纹(2.63)，其中，通过所述夹紧元件(2.6)相对于所述第二主体(2.4)的旋转形成所述第三锥形连接(III)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)包括具有螺纹(1.63)的第一主体(1.6)，并且所述第一紧固套筒(1.5)具有啮合到所述第一主体(1.6)的螺纹(1.63)中的螺纹(1.53)，其中，通过所述第一主体(1.6)相对于所述第一紧固套筒(1.5)的旋转形成所述第一锥形连接(I；I')。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第二结构单元(2)包括具有螺纹(2.83)的固定元件(2.8)，并且所述第二紧固套筒(2.5)具有啮合到所述固定元件(2.8)的螺纹(2.83)中的螺纹(2.53)，其中，通过所述固定元件(2.8)相对于所述第二紧固套筒(2.5)的旋转形成所述第二锥形连接(II)。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二轴承环(2.3')具有第二锥形面(2.31')，并且所述夹紧元件(2.6')具有锥形面(2.61')。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述夹紧元件(2.6')设计为具有两个内置的锥形面(2.61')的环。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述第一轴承环(1.3')具有锥形面(1.31')，其中，由所述第一紧固套筒(1.5)和所述第一轴承环(1.3')的锥形面(1.31')形成所述第一锥形连接(I')。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述轴承(3、3')设计为滚动轴承。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述轴承(3、3')设计为两个滚动轴承。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，两个所述滚动轴承通过所述第一锥形连接(I；I')和所述第三锥形连接(III；III')以O形布置方式按照推力轴承结构来预加应力和调整。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置设计用于，在所述第一紧固套筒(1.5)有轴向拉伸载荷的情况下形成所述第一锥形连接(I；I')，和/或在所述第二紧固套筒(2.5)有轴向拉伸载荷的情况下形成所述第二锥形连接(II)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一结构单元(1)包括第一光导体(1.1)，并且所述第二结构单元(2)包括第二光导体(2.1)。
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