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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale
zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten. Derartige Vorrichtungen werden
vorzugsweise in Computertomografen eingesetzt.
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Stand der Technik
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Zur Übertragung
optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten, insbesondere mit
einem freiem Innendurchmesser, sind verschiedene Vorrichtungen bekannt.
Grundsätzlich
besteht hierin das Problem, ein Mittel zum Transport von Licht entlang
des Umfangs der Vorrichtung sowie geeignete Mittel zur ein- und
Auskopplung von Licht zu gestalten. Zum Einsatz in Computertomografen
müssen
derartige Vorrichtungen große
freie Innendurchmesser in einer Größenordnung von 1 Meter aufweisen.
Die Umfangsgeschwindigkeit bei der Rotation kann in einer Größenordnung
von 20 m/s liegen. Gleichzeitig sollten Datenraten mit über 1 Gigabit
pro Sekunde (GBaud) möglich
sein.
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Nahezu
alle Arten von optischen Drehübertragern
reagieren empfindlich auf Verschmutzungen im Bereich des optischen
Signalpfades. Auch in relativ sauberen Umgebungen, in denen beispielsweise Computertomografen
eingesetzt werden, treten Staubpartikel auf. So wird beispielsweise
in Computertomografen zur Energieversorgung der Röntgenröhre meist
ein Schleifring mit einer Messingbahn und darauf laufenden Kohlebürsten eingesetzt.
Diese Kohlebürsten
werden im Betrieb durch das Schleifen auf der Messingbahn abgerieben
und verursachen so einen extrem feinen Staub, welcher auch in feinste Öffnungen
eindringen kann. Dieser lagert sich nicht nur an das Isolationsmaterial
zwischen den Schleifbahnen sowie zwischen den Schleifkontakten an
und beeinträchtigt
die Isolationsfähigkeit.
Er kann sich auch an den besonders empfindlichen optischen Komponenten
anlagern.
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In
der WO 03/069392 ist eine Vorrichtung zur breitbandigen Signalübertragung
mittels eines in Längsrichtung
geteilten Lichtleiters offenbart. Es ist der Inhalt der WO 03/069392
durch Bezugnahme mit in dieses Dokument aufgenommen. Der Lichtleiter liegt
hier frei und damit ungeschützt
vor Staub und anderen Verschmutzungen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung
optischer Signale zwischen zwei gegeneinander drehbaren Einheiten, vorzugsweise
zum Einsatz in Computertomographen, derart zu gestalten, dass Staub
und anderen Verschmutzungen, insbesondere von Schleifbahnen, die Übertragungsqualität nicht
beeinträchtigen
können.
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Erfindungsgemäße Lösungen dieser
Aufgabe sind in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildun gen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst einen optischen Drehübertrager
mit Lichtleiter 3, welcher entlang einer Kreisbahn an einer
ersten Einheit 1 angeordnet ist. Der Einfachheit halber
wird hier nur ein Lichtleiter beschrieben. Selbstverständlich können auch
mehrere Lichtleiter in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen
werden. Zum Abgriff der Signale aus dem Lichtleiter 3 ist
an einer zweiten Einheit 2, welche gegenüber der
ersten Einheit 1 drehbar gelagert ist, ein Lichtkoppler 5 vorgesehen.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass die bei schleifenden Kontaktanordnungen entstehenden Abriebpartikel
von elektrisch geladenen Gegenständen
angezogen werden. Dies ist eine Folge der elektrostatischen Aufladung
während
des Schleifens. Zudem erhalten die Partikel durch das Potenzial,
mit dem die Kontaktanordnung beaufschlagt ist, eine zusätzliche
Ladung.
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Daher
wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung
zur elektrostatischen Filterung und/oder Beseitigung der Abriebpartikel
vorgesehen. Eine solche Vorrichtung ist zudem in der Lage, auch
fremde Staub- und Schmutzpartikel zu entfernen. Ebenso kann eine
erfindungsgemäße elektrostatische
Vorrichtung dazu eingesetzt werden, den Staub von der Schleifkontaktvorrichtung
zu entfernen, um eine Beeinträchtigung
der Isolation zu vermeiden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
elektrostatische Vorrichtung als elektrostatisches Luftfilter ausgebildet.
Dieses weist wenigstens eine mit Hochspannung beaufschlagbare Elektrode
auf. Da sehr viele der Abriebpartikel bereits an die Umgebungsluft
abgegeben werden und dort als feiner Staub verteilt sind, werden
mit der erfindungsgemäßen elektrostatischen
Filteranordnung diese in der Luft befindlichen und geladenen Partikel
herausgefiltert.
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Weiterhin
ist vorteilhafterweise wenigstens eine Coronaelektrode vorgesehen,
welche mit einer Hochspannung beaufschlagbar ist und eine Aufladung
der noch nicht aufgeladenen Partikel in der Luft vornimmt. Dies
kann auch über
eine Ionisierung der Luft erfolgen. Die Coronaelektrode ist vorzugsweise als
dünner
Draht ausgebildet, um eine möglichst hohe
elektrische Feldstärke
in der Nähe
der Elektrode zu erreichen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein
Mittel zur Erzeugung eines Luftstroms vorhanden ist. Ein solches
Mittel kann aktiver Art sein, wie beispielsweise ein Gebläse oder
ein Ventilator. Ebenso kann dieses Mittel auch ein Mittel zur Luftführung, wie
Luftleitbleche oder Luftkanäle
sein. Selbstverständlich
sind beide Arten der Mittel kombinierbar. In vielen Anwendungsfällen sind
einfache Mittel zur Luftführung,
wie Luftkanäle ausreichend,
da bereits durch die Bewegung der zweiten Einheit gegenüber der
ersten Einheit ein hinreichender Luftstrom entsteht. Es muss dieser
lediglich noch in die richtige Richtung gesteuert werden, sodass
er bevorzugt zuerst die Coronaelektrode passiert und dann an der
zweiten flächigen
Elektrode vorbei geleitet wird. Besonders günstig ist es, eine solche Filteranordnung
mit den zugehörigen
Mitteln zur Steuerung der Strömung
vor den optischen Komponenten anzuordnen, sodass diese bereits eine
gereinigte Luft erhalten.
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Es
kann erfindungsgemäß mindestens
ein Gebläse
vorgesehen sein, welches einen Luftstrom über der Kontaktanordnung oder über dem
Lichtleiter 3 oder einem Lichtkoppler 5 erzeugt.
Damit kann das Entfernen des Abriebs weg von der Kontaktzone und deren
Umfeld zusätzlich
sichergestellt und die Entfernungswirkung mittels der Elektrode
unterstützt und/oder
verstärkt
werden. Der Abrieb wird dabei durch den Luftstrom gerichtet entfernt.
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Besonders
günstig
ist es, Mittel zur elektrostatischen Luftfilterung mit anderen,
vorzugsweise mechanischen Filtern, beispielsweise Maschenfiltern oder
Papierfiltern zu kombinieren, um eine besonders hohe Filterwirkung
zu erreichen.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
sieht vor, dass wenigstens ein Mittel zur Aufnahme von Staub- und
Schmutzpartikeln nahe der Oberfläche
einer der beiden Einheiten angeordnet ist. Dieses wird mit Hochspannung
beaufschlagt, so dass geladene Staub- und Schmutzpartikeln angezogen werden.
Somit wird nicht primär
die das System durchströmende
Luft gereinigt, vielmehr werden geladene Partikel von einer Oberfläche abgezogen.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn dieses Mittel als drehbarer Körper, vorzugsweise
als Rolle ausgebildet ist. Damit kann während der Bewegung über die
Oberfläche
der ersten oder der zweiten Einheit immer ein sauberer Bereich des
drehbaren Körpers in
den Nähe
der ersten oder zweiten Einheit gebracht werden. Gleichzeitig kann
in einem kontinuierlichen Prozess die Oberfläche des drehbaren Körpers gereinigt
werden. Ebenso kann einem kontinuierlichen Prozess die Oberfläche des
drehbaren Körpers
wieder mit elektrischen Ladungen aufgeladen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, besteht
zumindest eine der Elektroden aus einem Material, das eine Oberfläche mit
hoher Adhäsion
für die
Abriebpartikel besitzt. Dadurch werden einmal angezogene Abriebpartikel
dauerhaft, auch bei Ausfall der Elektrodenspannung, an die Elektrode
gebunden. Derartige Materialien können beispielsweise gummiartige
Materialien sein, an denen Kohlestaub gut haftet oder andere Materialien, wie
sie als Klebebänder
verwendet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird zumindest
ein zusätzliches
Gebläse
vorgesehen, um die verunreinigte Luft von der Kontaktstelle zu den
Elektroden weiterzuleiten. Der Abrieb wird dabei durch den Luftstrom
gerichtet zu den Elektroden entfernt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode
als austauschbare Einweg-Elektrode
ausgebildet.
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Alternativ
hierzu kann somit ist ein Teil der Filteranordnung als austauschbare
Einweg-Baugruppe ausgebildet sein. Durch Einweg-Elektroden bzw. Einweg-Baugruppen
ist ein schneller und einfach Austausch der verschmutzten Teile
möglich.
Ebenso kann eine zusätzliche
Vorrichtung zur Reinigung der Auffangvorrichtung bzw. der Elektroden
vorhanden sein, so dass eine gleichmäßige und optimale Beseitigungswirkung
durch die mindestens eine Elektrode sichergestellt werden kann.
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Zur
Reinigung der Anordnung kann erfindungsgemäß die Beseitigung der Ablagerungen
von der Auffangvorrichtung durch eine mechanische Schwingungen erzeugende
Vorrichtung vorgenommen werden. Somit kann der Reinigungsvorgang
automatisch und kontinuierlich, z.B. ohne Reinigen von Teilen per
Hand, durchgeführt
werden. Die Abriebpartikel können
z.B. vorteilhaft in einem Behälter
gesammelt werden, in dem sie durch die mechanischen Schwingungen
fallen. Dieser Behälter
kann in größeren Zeitabständen entleert
zu werden. Eine aufwendige und unhandliche Reinigung an der Auffangvorrichtung
selbst bzw. der Elektrode oder einem Filter kann somit entfallen.
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Eine
günstige
Anordnung ergibt sich, wenn die Vorrichtung zur elektrostatischem
Entfernung von Schmutz- und Staubpartikeln möglichst in der Nähe einer
diese verursachen schleift Kontaktanordnung angebracht ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn mehrere der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
miteinander kombiniert werden, um eine besonders hohe Wirksamkeit
des Systems zu erreichen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Entfernung von Staub- und Schmutzpartikeln umfasst die Schritte
Aufladen eines dünnen
Drahtes mit Hochspannung und ionisieren der Luft. Weiterhin erfolgt
ein Aufladen einer leitfähigen
Oberfläche
mit entgegengesetzter Polarität
und führen
einer Luftströmung über den
dünnen
Draht bis hin zur leitfähigen
Oberfläche,
sodass sich dort die Staub- und Schmutzpartikel ablagern.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur
Entfernung von Staub und Schmutzpartikeln insbesondere aus der Umgebung
einer optischen Übertragungseinrichtung
umfasst die Schritte Aufladen einer Rolle mit leitfähiger Oberfläche durch
Anlegen einer hohen Spannung, drehen der Rolle der gleichzeitige
Bewegung längs
der zu reinigenden Oberfläche. Hierbei
erfolgt die Bewegung in geringem Abstand zu Oberfläche. Mit
der Bewegung der Rolle erfolgt gleichzeitig das Abstreifen der angezogenen
Staub- und Schmutzpartikel von der Oberfläche der Rolle durch einen Abstreifer.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in der Draufsicht.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit seitlich angeordnetem elektrostatischen Filter.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Abstoßung
geladener Staub- und Schmutzpartikel.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Rolle zur Aufnahme geladener Staub- und Schmutzpartikel.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer kombinierten Micro-/Nano-Struktur beschichteten Oberfläche.
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1 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt.
Darin sind sowohl die erste Einheit 1 als auch die zweite
Einheit 2 als Scheiben mit zentrischer Bohrung, welche
um die Drehachse 6 drehbar gelagert sind, dargestellt. Der
Lichtleiter 3 ist hier beispielhaft als auf der Innenseite
verspiegelter Graben dargestellt. Er erstreckt sich um den gesamten
Umfang der ersten Einheit. Im Eingriff mit diesem Graben ist ein
zweiter Lichtkoppler 5, welcher an der zweiten Einheit 2 angeordnet
ist. Dieser Lichtkoppler greift das in dem Lichtleiter geführte Licht
ab und leitet es mit einer lichtleitenden Faser 7 weiter.
Zur exakten Ausrichtung von Lichtleiter und zweitem Lichtkoppler
in einer Achse ist eine Hydrodynamischen Lagerung sowie eine elektrodynamische
Lageregelung vorgesehen. Die hydrodynamische Lagerung basiert auf
einem dünnen
Luftfilm, welche sich durch die Bewegung der beiden Einheiten gegeneinander
zwischen der ersten Lagerfläche 21 und
der zweiten Lagerfläche 20 ausgebildet
wird. Zur Unterstützung.
sind beispielsweise zusätzliche Mittel
zur Luftführung
vorgesehen. Ein Aktuator 8 dient zur exakten Höheneinstellung
des Lichtkopplers. Die Sensoren 9a und 9b dienen
zur Ermittlung der Lage des Lichtkopplers.
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2 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht.
Eine erste Einheit 1 dient zur Aufnahme eines ringförmigen Lichtleiters 3.
Dieser Lichtleiter ist beispielsweise ein auf der Innenseite verspiegelter
Graben. Eine zweite Einheit 2 dreht sich gegenüber der
ersten Einheit um die Drehachse 6. Die zweite Einheit enthält einen
zweiten Lichtkoppler 5. Licht aus einem nicht dargestellten
Sender wird bezogen auf das Modulationssignal gleichphasig mittels
der beiden ersten Lichtkoppler 4a, 4b in den Lichtleiter 3 eingespeist. Das
Licht vom ersten Lichtkoppler 4a läuft auf der rechten Seite der
Abbildung bis zum Absorber 13. Gleichzeitig läuft das
Licht des ersten Lichtkopplers 4b auf der linken Seite
bis zum Absorber 13. Der Absorber ist symmetrisch in Bezug
auf die Einkoppelstelle der ersten Lichtkoppler angeordnet, so dass
die Lichtwege 32 auf beiden Seiten gleich lang sind. Der Abgriff
des Lichts erfolgt mittels eines zweiten Lichtkopplers 5,
welcher um die Drehachse 6 entlang der Bahn des Lichtleiters 3 drehbar
gelagert ist und das abgegriffene Licht einem optischen Empfänger zuführt. Zur
Vereinfachung ist der optische Empfänger ebenfalls nicht abgebildet.
Grundsätzlich
ist die Übertragung
optischer Signale wahlweise von der erste Einheit zu zweiten Einheit
oder aber auch von der zweiten Einheit zurück zur ersten Einheit möglich. Ein elektrostatischer
Filter 40, welcher mit der zweiten Einheit verkoppelt beweglich
angeordnet ist, nimmt Staub und Schmutzpartikel auf. Ebenso kann
zusätzlich
bzw. alternativ ein elektrostatischer Filter 41 unabhängig von
der zweiten Einheit beweglich oder auch fest angeordnet sein, um
Staub und Schmutzpartikel aufzunehmen.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem seitlich angebrachten elektrostatischen Filter. Durch
den Zuluftstrom 54, welcher durch die Düsen 50a und 50b in
dem Gleitkörper 2a der zweiten
Einheit 2 ausströmt
und den für
die Luftlagerung notwendigen Luftfilm bildet, wird eine Strömung aus
dem Lagerungsbereich nach außen
erzeugt. Die durch diese Strömung
mitgerissenen Staub und Schmutzpartikel 39 werden von einem
elektrostatischen Filter 75 ausgefiltert. Der Filter 74 ist
ein zusätzlicher
Filter aus Gaze, um den Innenbereich der Lagerung gegen Einbringen
von Staub von Schmutz zu schützen.
Der elektrostatische Filter 75 wird über die Spannungsanschlüsse 76 gespeist.
Zur Speisung kann ein Hochspannungsnetzteil oder eine Vorrichtung
zur Erzeugung der hohen Spannung durch elektrostatisches Aufladung,
z.B. auf Grund von Reibungselektrizität durch die Bewegung der ersten
und zweiten Einheit gegeneinander vorgesehen werden.
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4 zeigt
eine andere Art der elektrostatischen Reinhaltung der Oberfläche insbesondere
der zweiten Einheit 2. Hierbei wird diese durch eine statische
Spannungsversorgung 55 mit Hochspannung beaufschlagt, so
dass geladene Staub und Schmutzpartikel 39 von dieser abgestoßen werden.
Es kann eine zusätzliche
Fläche
mit umgekehrter Polarität vorgesehen
werden, welche nun diese Partikel anzieht und auch festhält. Hierzu
kann die Oberfläche eine
Beschichtung, vorzugsweise aus einem Polymer mit einer hohen Adhäsion aufweisen.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Rolle zur Aufnahme geladener Staub- und Schmutzpartikel.
Hierbei wird eine Rolle 51, welche beispielsweise durch
ein Spannungsversorgung aufgeladen wird, in der Nähe der zu
reinigenden Oberfläche,
bevorzugt der zweiten Einheit bewegt. Diese nimmt nun geladene Staub- und Schmutzpartikel
auf. Damit immer eine unverschmutzte Oberfläche der Rolle zur Verfügung steht,
wird diese ebenfalls mit einer Drehbewegung weiterbewegt. Im vorliegenden
Beispiel ist die Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Weiterhin
ist ein Abscheider 52 vorgese hen, welcher die auf der Rolle
befindlichen Staub- und Schmutzpartikel aufnimmt. Die Oberfläche der
Rolle kann unterschiedlich gestaltet sein. So kann die Rolle eine
durchgängig
leitende Oberfläche aufweisen,
wobei sie in ihrer Gesamtheit von einer Hochspannungsversorgung
gespeist wird. Ebenso kann sie aber auch ähnlich wie die bekannten Fotoleitertrommeln
in Fotokopierern oder Laserdruckern ausgebildet sein, wobei die
Aufladung der Oberfläche
von einer in der Nähe
der Oberfläche
angebrachten Coronaelektrode aus erfolgt.
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In 6 ist
noch eine kombinierte Micro-/Nano-Beschichtung dargestellt, welche durch
einen Effekt, wie er durch die Lotus-Blüte bekannt ist, ein Ansetzen
von Verunreinigungen auf der Oberfläche verhindert. Hierzu ist
vorzugsweise eine Mikrostruktur mit Erhebungen im Mikrometer-Bereich
kombiniert mit einer darüberliegenden
Nano-Struktur mit Erhebungen im Nanometer-Bereich. Eine derart beschichtete Oberfläche kann
nun so ausgeführt
werden, dass beispielsweise Verunreinigungen vollständig von
den kritischen Bereichen der Oberfläche (optische Komponenten)
weggeblasen werden können. Ebenso
könnten
diese gezielt in einen Auffangbehälter oder in ein Auffangfilter
geleitet werden.
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Selbstverständlich können die
hier beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung miteinander
kombiniert werden, um eine bessere Filterung von Schmutz- und Staubpartikeln
zu erreichen.
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- 1
- Erste
Einheit
- 2
- Zweite
Einheit
- 3
- Lichtleiter
- 4
- Erster
Lichtkoppler an der ersten Einheit
- 5
- Lichtkoppler
an der zweiten Einheit
- 6
- Drehachse
der Drehung zwischen erster und zwei
-
- ter
Einheit
- 7
- Lichtleitende
Faser
- 8
- Aktuator
- 9
- Sensor
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Referenzspur
- 13
- Absorber
- 20
- zweite
Lagerfläche
- 21
- erste
Lagerfläche
- 32
- Lichtstrahl
- 33
- Mikro/Nanobeschichtung
- 40
- Integriertes
elektrostatisches Filter
- 41
- Elektrostatisches
Filter
- 39
- Staubpartikel
bzw. Schmutzschicht
- 50
- Düse
- 51
- Rolle
- 52
- Abscheider
- 53
- Mikro-
bzw. Nanobeschichtung
- 54
- Zuluftstrom
- 55
- Statische
Spannungsversorgung
- 74
- Filter
(Gaze)
- 75
- Filter
- 76
- Hochspannungs-Anschlüsse