CN111328379B

CN111328379B - 紧凑型多通道光学旋转连接器

Info

Publication number: CN111328379B
Application number: CN201980005614.XA
Authority: CN
Inventors: G·波普; J·阿本海姆
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: US10962722B2; EP3540486A1; CN111328379A; US20210063648A1; WO2019175206A1; EP3540486B1

Abstract

一种光学旋转连接器(100)，其包括壳体(200)、中空轴(300)、锥齿轮(400)、棱镜(500)和两个准直器(610、620)。壳体包括两个部分(210、220)，该两个部分各自保持一准直器并沿轴向方向彼此隔开一空隙(230)，并且可绕中央轴线(101)彼此反向地旋转。中空轴(300)与中央轴线(101)对准，并且具有延伸到壳体部分(210、220)中的两个端部。壳体部分由中空轴经由轴承(350、360)支撑。中空轴还包括具有道威棱镜的棱镜保持件。锥齿轮(400)位于壳体部分之间的空隙(230)中。锥齿轮(400)包括位于壳体部分处、与两个第三轮(430)啮合的两个轮(410、420)，第三轮具有相对于中央轴线(101)沿径向定向并固定地附接至中空轴的轴，使得壳体部分(210、220)彼此反向的旋转会导致中空轴(300)以角速度的一半旋转。

Description

紧凑型多通道光学旋转连接器

技术领域

本发明涉及用于光学信号的多通道光学旋转连接器。这种光学旋转连接器能够在相对于彼此旋转的两个装置之间同时耦合多个光学信号。

背景技术

用于在相对于彼此旋转的两个单元之间同时耦合多个光信号的光学旋转连接器优选地具有解旋元件。这样的解旋元件可以是以两个单元的相对旋转的角速度的一半旋转的道威棱镜。在道威棱镜的两侧上均设有用于光束形成的准直器。准直器提供来自由光纤耦合的光的平行光束，并提供显著大于光纤直径的增加的光束直径。

WO 2007/010362 A2、US 2007/0184934 A1、US 5,371,814和US5,271,076公开了这种多通道光纤旋转连接器，其中道威棱镜以可旋转的方式保持在外壳内。该设计针对两个准直器之间的尽可能最短的光学路径进行了优化，以使机械公差、尤其是准直器和道威棱镜的对准方面的机械公差、对信号传输或衰减的影响尽可能最小。因此，准直器尽可能接近地安装在道威棱镜的两侧上。

US 5,157,745公开了另一种多通道光纤旋转连接器。此处，提供有柱面透镜和横向调整器，以补偿准直器和道威棱镜的机械公差。

US 5,176,331公开了一种用于线缆卷筒的旋转补偿装置。

US 5,442,721公开了一种使用所有透镜准直器的相对较短的旋转连接器。这些旋转连接器的一个非常重要的方面是其相对较短的光路，这有助于最小化光学路径角度偏差的不利影响，从而减少耦合损耗。

附接至准直器的光纤通常平行于旋转轴线地离开壳体。存在一些替代设计，其中光纤弯曲90度以垂直/正交于旋转轴线地离开壳体。由于可以使用在容许的衰减增加和使用寿命缩短的情况下允许弯曲半径小到例如2.5mm的光纤，这是允许轴向方向上尺寸较小的较短准直器的解决方案。在US7876985B2中公开了其他实施方式。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种外径相对较小的多通道旋转连接器。该多通道旋转连接器的耦合损耗应当与现有技术中已知的旋转连接器相当或比其更低。因此，该旋转连接器应当具有较高的机械和光学精度，并且因此应当具有相对较低的机械公差。制造和组装应当容易且简单，从而保持总体成本较低。此外，该设计应当可用于较高转速。

在实施方式中描述了该问题的解决方案。优选实施方式涉及本发明的进一步改进。

在第一实施方式中，光学旋转连接器包括壳体、中空轴、锥齿轮、解旋(derotating)元件如棱镜、以及两个准直器。旋转连接器具有中央轴线。所述壳体包括在轴向方向上隔开一空隙的两个壳体部分。该空隙足够大以保持锥齿轮，这点将在下文示出。壳体部分可绕中央轴线相对于彼此旋转。第一壳体部分沿轴向方向具有第一内侧和第一外侧。第二壳体部分沿轴向方向具有第二内侧和第二外侧。第一壳体部分的第一内侧朝向第二壳体部分的第二内侧定向。壳体的外侧优选地承载准直器，使得优选地第一准直器布置在第一壳体部分的第一外侧处，并且第二准直器布置在第二壳体部分的第二外侧处。

中空轴基本上布置在壳体部分内并且与中央轴线对准。中空轴具有延伸到第一壳体部分中的第一端和延伸到第二壳体部分中的第二端。第一壳体部分由至少一个轴承、优选地由两个、三个或四个轴承、支撑在轴的第一端上。第二壳体部分由至少一个轴承、优选地由两个、三个或四个轴承、支撑在轴的第二端上。此外，第一壳体可以附加地由至少一个轴承、优选地由两个、三个或四个轴承支撑在轴的第二端上。中空轴还具有位于第一端和第二端之间的棱镜保持件。棱镜保持件进一步优选地位于第一壳体部分内。

锥齿轮位于第一壳体部分和第二壳体部分之间的空隙中。锥齿轮包括三个轮。第一轮位于第一壳体部分的第一内侧处。第二轮位于第二壳体部分的第二内侧处。至少一个第三轮布置成使得其与第一轮和第二轮啮合。第一轮和第二轮与中央轴线同轴并且彼此相对，使得第一轮与第二轮相对。优选地，第一轮和第二轮具有相同的直径、优选地具有相同的大小、并且最优选地彼此相同。上述至少一个第三轮具有相对于中央轴线沿径向定向的轴。轴固定地附接至中空轴，或者与中空轴成一整体。因此，当壳体部分相对于彼此旋转时，导致第一轮和第二轮旋转，第三轮也将旋转并产生中空轴绕中央轴线的旋转。中空轴的转速正是壳体部分相对于彼此的速度的一半。此外，锥齿轮与棱镜保持件沿轴向方向偏置，使得与中空轴相连的第三轮的轴相对较短，并且第三轮相对接近中空轴。这使得能够保持旋转连接器的外径相对较小。实际上，可以构造成使得位于中空轴外部的棱镜保持件中的道威棱镜(Dove prism)是最大的部件，并且限定整个旋转连接器的外径。为了获得最佳精度，棱镜保持件的每一侧上具有至少一个轴承。此外，优选地在锥齿轮的每一侧上具有至少一个轴承。此外，优选地在每个壳体部分内具有两个轴承。

由于棱镜保持件中的棱镜和锥齿轮沿中空轴布置并因此在轴向方向上隔开，因此旋转连接器的外径可以最小化成最大部件的直径，该最大部件通常是道威棱镜。此外，由于直径非常小并且因此离心力较低，因此该设计可用于非常高的转速。由于旋转连接器的主延伸部分沿中央轴线并沿轴向方向延伸，因此轴承之间的距离相对较大，这使得可以稳定地支撑部件，而不具有在操作过程中出现倾斜或振荡的风险。

锥齿轮可以仅包括一个第三轮，但优选地具有至少一个、两个或更多数量的、如三个或四个或更多个第三轮。优选地，第三轮绕中空轴等距布置。这将力均匀地分配到中空轴上，并且因此提高了精度。为了避免在高转速下的振荡，可能希望第三轮之间的距离略有不同。

为使组件紧凑，优选的是第三轮具有比第一轮和第二轮小的直径。对于紧凑组件而言，第三轮也可以具有简化的轴承、如摩擦轴承或滑动轴承。对于高转速而言，第三轮还可以具有球轴承。

优选地，壳体具有圆筒形的外部轮廓，并且最优选地，第一壳体部分具有与第二壳体部分相同的外径。进一步优选地，在空隙上设置覆盖件，该覆盖件可以连接至第一壳体部分或第二壳体部分并且相对于另一壳体部分自由地旋转。

优选地，棱镜保持件是中空轴的用于保持和/或容纳棱镜的部分。棱镜保持件也可以是中空轴本身的一部分。棱镜保持件也可以是由中空轴保持的单独部分。这种单独部分简化了组装。也可以允许在与中空轴组装之前在保持件内调整棱镜。如果棱镜保持件是轴的一部分，则可以将棱镜直接安装(例如通过胶合)到轴中。

优选地，棱镜保持件的外径大于中空轴的第一端和中空轴的第二端的外径。通常，道威棱镜的可用横截面小于道威棱镜的高度和宽度。此外，棱镜保持件需要一些材料以将棱镜精确地保持在相对于中央轴线的预定位置。中空轴的内孔需要具有这样的直径，即该直径使得可以在准直器和道威棱镜之间引导来自准直器的所有经准直的光束。由于道威棱镜的可用横截面较小，因此光束的总面积显著小于道威棱镜的高度和宽度，并且进一步显著小于棱镜保持件。由于中空轴和壳体部分之间的轴承位于中空轴的第一端和第二端上，而不是位于棱镜保持件上，因此这些轴承的内径优选地小于棱镜保持件的外径。

在另一实施方式中，锥齿轮是冠状齿轮，其优选地使用冠状轮。这种冠状齿轮是锥齿轮的特定变型，其中轮相对于其轴线成90度角，并且轮的齿基本上平行于轴线地指向。

一种用于调整光学旋转连接器、例如如上所述的光学旋转连接器的锥齿轮的方法包括第一步骤，在第一步骤中通过使用具有表面涂覆层的装置来组装整个单元。表面涂覆层可以具有预定的涂覆层厚度，该预定的涂覆层厚度优选地在介于1μm至30μm之间的范围内。在第二步骤中，将该单元拆开并插入未涂覆的轮或具有较薄涂覆层的轮。现在，由于具有较厚涂覆层的第一轮组和具有较薄涂覆层的第二轮组之间的厚度差，在轮之间存在一些机械游隙。该游隙允许更低的运动力并且允许轮更良好地旋转。

附图说明

在下文中，将借助示例、但并不限制总体发明构思的方式、参照附图、在实施方式的示例的基础上描述本发明。

图1示出了第一实施方式的截面图；

图2示出了旋转连接器的外部视图；

图3示出了另一外部视图；

图4示出了将覆盖件移除状态下的实施方式；

图5示出了齿轮的细节。

具体实施方式

在图1中，示出了第一实施方式的截面图。光学旋转连接器100包括壳体200、中空轴300、锥齿轮400、解旋元件如棱镜500、以及两个准直器610、620。旋转连接器具有中央轴线101，中央轴线101也是旋转轴线。

第一准直器610和第二准直器620限定光学路径，第一准直器610位于旋转连接器的第一侧、并具有第一光纤611，第二准直器620与第一准直器610反向对置、位于旋转连接器的第二侧、并具有第二光纤621。来自第一光纤的光经第一准直器准直，使得产生平行光束，该平行光束的直径优选地比光纤的芯直径更大。该光束被引导穿过中空轴300和位于中空轴300中的道威棱镜(Dove prism)500。在这里，为简单起见，使用术语道威棱镜。当然，可以使用适合于解旋的任何其他棱镜或任何其他解旋元件。该光束由第二准直器620收集并耦合到第二光纤621中。可以存在从一第一光纤到一第二光纤的一个光学路径，或者从多个第一光纤到多个第二光纤的多个光学路径。基本上，可以存在任意数量的这种光学路径。显然，光可以从第一侧耦合到第二侧，或者反之、从第二侧耦合到第一侧。也可以存在混合的光学路径方向，例如从第一侧到第二侧的第一路径和从第二侧到第一侧的第二路径。

第一准直器610安装到第一壳体部分210，第二准直器620安装到第二壳体部分220。第一壳体部分210和第二壳体部分220在轴向方向上隔开一空隙。该空隙保持锥齿轮400。壳体部分可以以独立的方式绕中央轴线相对于彼此旋转。第一壳体部分沿轴向方向具有第一内侧211和第一外侧212。第二壳体部分沿轴向方向具有第二内侧221和第二外侧222。第一壳体部分210的第一内侧211朝向第二壳体部分220的第二内侧221定向。

中空轴300基本上布置在第一壳体部分210和第二壳体部分220内。中空轴300进一步与中央轴线101对准。中空轴300具有延伸到第一壳体部分210中的第一端310和延伸到第二壳体部分220中的第二端320。第一壳体部分由至少一个第一轴承350支撑在轴的第一端上，第二壳体部分由至少一个第二轴承360支撑在轴的第二端上。上述至少一个第一轴承优选地包括两个、三个或四个轴承、或者最优选地包括两个第一球轴承351、352。

优选地，第一外球轴承351接近于第一外侧212，并且第一内球轴承352接近于第一内侧211，其中棱镜保持件和/或棱镜位于第一外球轴承351和第一内球轴承352之间。最优选地，轴承351、352与棱镜保持件和/或棱镜轴向上相距一定距离。这导致相对较高的轴向稳定性，从而进一步增加了耦合损耗。由于轴承在轴向上与棱镜相距一定距离，因此可以使用相对较小并且因此精确的轴承，因为轴承不再必须包围棱镜。

上述至少一个第二轴承优选地包括两个、三个或四个轴承、或者最优选地包括两个第二球轴承361、362。

中空轴还具有位于第一端和第二端之间的棱镜保持件330。棱镜保持件进一步优选地位于第一壳体部分210内。

锥齿轮400位于第一壳体部分210与第二壳体部分220之间的空隙230中。该齿轮包括至少三个轮。第一轮410位于第一壳体部分210的第一内侧211处。第二轮420位于第二壳体部分220的第二内侧221处。至少一个第三轮430布置成使其与第一轮410和第二轮420啮合。第一轮410和第二轮420与中央轴线101同轴并且彼此相对，使得第一轮与第二轮相对。优选的是，第一轮和第二轮具有相同的大小，并且最优选地，第一轮和第二轮彼此相同。至少一个第三轮430具有轴450，该轴450相对于中央轴线沿径向定向。轴450固定地附接至中空轴300，或者与中空轴成一整体。轴450可以是螺栓或螺钉。因此，导致第一轮或第二轮旋转的壳体部分相对于彼此的旋转也将导致第三轮旋转并产生中空轴绕中央轴线的旋转。中空轴的转速正是壳体部分相对于彼此的速度的一半。从这里可以看出，锥齿轮与棱镜保持件沿轴向方向偏置，使得与中空轴相连的第三轮的轴相对较短，而第三轮相对更接近于中空轴。通过这种布置，旋转连接器的外径相对较小。这也使旋转质量和旋转质量的半径保持较小，使得旋转连接器可以容易地跟随较快的加速度。这进一步减小了对旋转连接器部件的作用力，并因此维持较长的保持旋转连接器的较高精度的使用寿命。测试表明，该设计可提供长期稳定的精度，因此可在较长的时间内保持较低的传输损耗。此外，由于旋转连接器的长度相对较大，所以壳体部分的轴承、尤其是道威棱镜位于其中的壳体部分的轴承、可以具有较大的距离，这进一步确保了较大的角度稳定性，因此确保了旋转连接器的较高精度。锥齿轮可包括多个轮。在该实施方式中，示出了彼此相对的两个轮。

棱镜保持件330将棱镜500保持在中空轴300内。当然，棱镜也可以直接安装在中空轴中，但是棱镜保持件优选地允许对棱镜进行一些调整。

在图2中，示出了具有第一壳体部分210和第二壳体部分220的旋转连接器的外部视图。可能存在将空隙和锥齿轮覆盖于其中的覆盖件240。

在图3中，示出了进一步显示中央轴线101以及第一壳体部分210的旋转和第二壳体部分220的旋转的外部视图。

图4示出了前一图的实施方式，但将覆盖件240移除。图4示出了锥齿轮，该锥齿轮是特殊的锥齿轮的实施方式，称为冠状齿轮。在冠状齿轮中，节锥角为90度。下图解释了更多细节。

图5示出了锥齿轮(冠状齿轮)的细节。锥齿轮400位于第一壳体部分210与第二壳体部分220之间的空隙230中。该齿轮包括至少三个轮。第一轮410位于第一壳体部分210的第一内侧211处。第二轮420位于第二壳体部分220的第二内侧221处。至少一个第三轮430布置成使其与第一轮410和第二轮420啮合。第一轮410和第二轮420与中央轴线101同轴并且彼此相对，使得第一轮与第二轮相对。在此，如果第一轮和第二轮具有相同的大小，并且最优选地、第一轮和第二轮彼此相同。该图示出了两个第三轮430，其中一个在前面，一个与其反向对置、在后面。每个第三轮430均具有轴450，该轴450相对于中央轴线沿径向定向。轴450固定地附接至中空轴300，或者与中空轴成一整体。轴450可以是螺栓或螺钉。因此，导致第一轮或第二轮旋转的壳体部分相对于彼此的旋转也将导致第三轮旋转并产生中空轴绕中央轴线的旋转。

附图标记清单

100光学旋转连接器

101中央轴线

110第一壳体部分的旋转

120第二壳体部分的旋转

200壳体

210第一壳体部分

211第一内侧

212第一外侧

220第二壳体部分

221第二内侧

222第二外侧

230空隙

240覆盖件

300中空轴

310第一端

320第二端

330棱镜保持件

350第一轴承

351、352第一球轴承

360第二轴承

361、362第二球轴承

400锥齿轮

410第一轮

420第二轮

430第三轮

450第三轮的轴

500棱镜

610第一准直器

611第一光纤

620第二准直器

621第二光纤

Claims

1.一种光学旋转连接器(100)，所述光学旋转连接器(100)包括壳体(200)、中空轴(300)、锥齿轮(400)、棱镜(500)和两个准直器(610、620)，

所述旋转连接器(100)具有中央轴线(101)，

所述壳体(200)包括第一壳体部分(210)和第二壳体部分(220)，所述第一壳体部分(210)和所述第二壳体部分(220)在轴向方向上彼此隔开一空隙(230)，

所述第一壳体部分(210)和所述第二壳体部分(220)能够绕所述中央轴线(101)相对于彼此旋转，

所述第一壳体部分(210)沿轴向方向具有第一内侧(211)和第一外侧(212)，

所述第二壳体部分(220)沿轴向方向具有第二内侧(221)和第二外侧(222)，

所述第一内侧(211)朝向所述第二内侧(221)定向，

第一准直器(610)布置在所述第一外侧(212)处，第二准直器(620)布置在所述第二外侧(222)处，

所述中空轴(300)与所述中央轴线(101)对准，

所述中空轴(300)具有延伸到所述第一壳体部分(210)中的第一端(310)和延伸到所述第二壳体部分(220)中的第二端(320)，

所述中空轴(300)的所述第一端(310)支撑至少第一轴承(350)，所述第一轴承(350)进一步支撑所述第一壳体部分(210)，所述中空轴(300)的所述第二端(320)支撑至少第二轴承(360)，所述第二轴承(360)进一步支撑所述第二壳体部分(220)，

所述中空轴(300)具有位于所述第一端(310)和所述第二端(320)之间的棱镜保持件(330)，所述棱镜保持件(330)位于所述第一壳体部分(210)内，

所述锥齿轮(400)位于所述第一壳体部分(210)和所述第二壳体部分(220)之间的所述空隙(230)中，

所述锥齿轮(400)包括第一轮(410)、第二轮(420)和至少一个第三轮(430)，

所述第一轮(410)与所述中央轴线(101)同轴、并位于所述第一壳体部分(210)的所述第一内侧(211)处，

所述第二轮(420)与所述中央轴线(101)同轴、与所述第一轮(410)相对、并位于所述第二壳体部分(220)的所述第二内侧(221)处，并且所述第二轮(420)具有与所述第一轮(410)相同的直径，

所述至少一个第三轮(430)位于所述第一轮(410)和所述第二轮(420)之间，并与所述第一轮(410)和所述第二轮(420)啮合，

所述至少一个第三轮(430)具有轴(450)，所述轴(450)相对于所述中央轴线(101)沿径向定向并且固定地附接至所述中空轴(300)或者与所述中空轴(300)成一整体，使得所述第一壳体部分(210)相对于所述第二壳体部分(220)的、以第一角速度的旋转导致所述中空轴(300)以所述第一角速度的一半旋转，

所述锥齿轮(400)与所述棱镜保持件(330)沿轴向方向偏置，

所述棱镜(500)位于所述中空轴(300)的所述棱镜保持件(330)中。

2.根据权利要求1所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述锥齿轮(400)是冠状齿轮。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述锥齿轮(400)包括2个、3个或4个所述第三轮(430)，所述第三轮(430)优选地绕所述中空轴(300)等距地布置。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述至少一个第三轮(430)具有比所述第一轮(410)小的直径。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述至少一个第三轮(430)具有摩擦轴承或滑动轴承。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述壳体(200)具有圆筒形形状。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述第一壳体部分(210)具有与所述第二壳体部分(220)相同的外径。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述壳体(200)还包括位于所述空隙(230)上的覆盖件(240)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述棱镜(500)是道威棱镜或阿贝-柯尼希棱镜。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述棱镜保持件(330)的外径大于所述中空轴(300)的所述第一端(310)的外径和所述第二端(320)的外径。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述第一轴承(350)和所述第二轴承(360)中的至少一者包括球轴承。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述第一轴承(350)和所述第二轴承(360)与所述棱镜保持件(330)沿轴向方向偏置。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，所述第一轴承(350)的内径和所述第二轴承(360)的内径小于所述棱镜保持件(330)的外径。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学旋转连接器(100)，其特征在于，在所述棱镜保持件(330)的每一侧上具有至少一个所述第一轴承(350)。