DE102005021353A1

DE102005021353A1 - Swivel coupler for use in robot joints, has closed ring formed per transmission direction with two outer conductor halves, which are mechanically separated and lying at a mass potential

Info

Publication number: DE102005021353A1
Application number: DE200510021353
Authority: DE
Inventors: Robin Dipl.-Ing. Gruber; Mathias Dipl.-Ing. Nickl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2006-11-16

Abstract

The coupler has a closed ring running around a rotational axis (10) and formed per transmission direction with two outer conductor halves (11, 12), which are mechanically separated and lying at a mass potential. A signal conductor is assigned as a ring-shaped inner conductor to each half. The conductors are oppositely coupled and are electrically and mechanically separated from each other by a small opening (7).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkupplung zur berührungslosen Übertragung von elektrischen Signalen zwischen einem ersten Anlagenteil und einem zweiten Anlagenteil, von denen sich das eine in Bezug auf das andere um eine Rotationsachse relativ dreht, wobei auch eines der beiden Anlagenteile feststehend sein kann, unter Verwendung einer Richtkoppler-Kopplung von mit dem zu übertragenden Signal modulierten elektrischen Wellen.The The present invention relates to a rotary joint for non-contact transmission of electrical signals between a first part of the plant and a second part of the plant, of which the one with respect to the other relatively rotates about a rotation axis, one of which the two parts of the plant can be fixed, using a directional coupler coupling of modulated with the signal to be transmitted electric waves.

In vielen Anwendungsbereichen tritt das Problem auf, elektrische Signale auf ein rotierendes Teil zu übertragen. Ist der Winkelbewegungsbereich der Drehung begrenzt, so können flexible Leitungen eingesetzt werden. Soll die Übertragungsstrecke jedoch beliebig drehbar sein, so werden optische Systeme, Schleifringe, kapazitive Koppler oder induktive Drehübertrager verwendet. Ein Beispiel für einen induktiven kontaktlosen Drehübertrager zur Übertragung von elektrischer Energie und von Datensignalen in beiden Übertragungsrichtungen ist der 1,2 kW-COMBITRANS-Übertrager der Firma GAUSS (Gesellschaft für Automatisierungs-/Umwelttechnik-Systeme Dr. Schwan GmbH & Co KG), D-88682 Salem.In In many applications, the problem arises, electrical signals to transfer to a rotating part. If the angular movement range of rotation is limited, then flexible Lines are used. However, the transmission link should be arbitrary be rotatable, so are optical systems, slip rings, capacitive Coupler or inductive rotary transformer used. An example for an inductive contactless rotary transformer for the transmission of electrical energy and data signals in both directions of transmission is the 1.2 kW COMBITRANS transformer the company GAUSS (society for Automation / Environmental Systems Dr. Ing. Schwan GmbH & Co. KG), D-88682 Salem.

Bei den genannten bestehenden Systeme ergeben sich allerdings Nachteile. So sind flexible Leitungen und Schleifringe verschleißbehaftet. Optische Systeme eignen sich vorwiegend zur Übertragung im Zentrum einer Achse. Für die Übertragung hoher Frequenzen werden optische Bauformen relativ groß. Kapazitive Übertrager bei drehbaren Übertragungsstrecken erfordern bei hohen Frequenzen eine entsprechende Schirmung und erzeugen eine kapazitive Last auf die Datenleitung, welche kompensiert werden muss. Induktive Übertrager in drehbaren Übertragungsstrecken eignen sich auf Grund des verwendeten Kernmaterials nur für niedrige Frequenzen.at However, these existing systems have disadvantages. So flexible cables and slip rings are subject to wear. Optical systems are primarily suitable for transmission in the center of a Axis. For the transmission high Frequencies become optical designs relatively large. Capacitive transformers with rotatable transmission links require appropriate shielding at high frequencies and generate a capacitive load on the data line which compensates must become. Inductive transformers in rotatable transmission links are suitable only for low due to the core material used Frequencies.

Aus DE 197 08 035 A1 ist zur berührungsfreien Übertragung von elektromagnetischen Wellen zwischen einem Stator und einem Rotor eine Drehkupplung bekannt, deren Durchmesser nicht durch die Wellenlänge der zu übertragenden elektromagnetischen Wellen beschränkt ist, sondern erheblich größere Durchmesser zulässt.Out DE 197 08 035 A1 For non-contact transmission of electromagnetic waves between a stator and a rotor, a rotary joint is known whose diameter is not limited by the wavelength of the electromagnetic waves to be transmitted, but allows considerably larger diameters.

Dazu ist in einer Radialebene des Stators eine Ringleitung vorgesehen, die eine elektrische Länge von einem Vielfachen der elektrischen Betriebswellenlänge aufweist und zusammen mit einer stationären Koppelleitung einen ersten Richtkoppler und zusammen mit einer in einer gegenüberliegenden Fläche des Rotors angeordneten, zweiten Koppelleitung einen zweiten Richtkoppler bildet. Ein Ende der stationären Koppelleitung und ein Ende der am Rotor befindlichen, zweiten Koppelleitung sind jeweils mit einem herausgeführten Signalanschluss verbunden, so dass dazwischen das Signal übertragen werden kann.To a ring line is provided in a radial plane of the stator, the one electrical length of a multiple of the electrical operating wavelength and together with a stationary one Coupling line a first directional coupler and together with a in an opposite one area arranged the rotor, second coupling line a second directional coupler forms. An end to the stationary Coupling line and one end of the rotor located on the second coupling line are each with a led out Signal connection connected so that transmit the signal between them can be.

Diese bekannte Drehkupplung, die vor allem für die Zuführung elektromagnetischer Wellen an drehbare Antennen auf Masten einsetzbar ist, verlangt wegen des erheblichen Ringleiterumfangs und der beiden außen angebrachten Richtkoppler sehr große Außenabmessungen. Darüber hinaus lassen sich störende größere Amplitudenschwankungen der Signalleistung während der Drehung nur dann einigermaßen vermeiden, wenn zusätzliche, noch mehr Platz und Konstruktionsaufwand erfordernde Maßnahmen zur Einkopplung mittels einer am Stator von der Ringleitung herausgeführten Leitungsschleife getroffen werden, mit der die stationäre Koppelleitung des ersten Richtkopplers verkoppelt ist.These known rotary coupling, especially for the supply of electromagnetic waves is applicable to rotatable antennas on masts, requires because of considerable Ringleiterumfangs and the two externally mounted directional coupler very big External dimensions. About that In addition, disturbing ones can be larger amplitude fluctuations the signal power during the rotation only reasonably avoid if additional, even more space and design effort requiring action for coupling by means of a led out at the stator of the loop line loop be taken with the stationary coupling line of the first Directional coupler is coupled.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, eine verschleißfreie Drehkupplung zum berührungslosen Ü bertragen von elektrischen Signalen zu schaffen, die ein weitgehend gleichmäßiges Signalübertragungsverhalten über die Drehung aufweist und sich darüber hinaus mit geringem Platzbedarf und niedrigem Konstruktionsaufwand unter Vermeidung der erwähnten Nachteile der bekannten Bauformen realisieren lässt.Of the The present invention is based on the object, a wear-free Rotary coupling for contactless transmission of electrical signals that provide a largely uniform signal transmission behavior over the rotation and above it also with a small footprint and low design cost while avoiding the mentioned Disadvantages of the known types can be realized.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich auf eine Drehkupplung der eingangs genannten Art bezieht, ist die Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch eine Realisierung des Richtkopplers in Form eines Leitungskopplers, bei dem pro Übertragungsrichtung zwei sich auf konstantem elektrischen Massepotential befindliche, mechanisch getrennte Außenleiterhälften jeweils einen geschlossenen, um die Rotationsachse als Zentrum herumlaufenden Ring bilden, von denen der eine mit dem einen der beiden relativ zueinander drehenden Anlagenteile und der andere mit dem anderen der beiden relativ zueinander drehenden Anlagenteile mechanisch fest verbunden ist, und bei dem jeder Rußenleiterhälfte als ringförmiger Innenleiter einer von zwei koppelnden Signalleitern fest zugeordnet ist, die gegenüberliegend angeordnet und voneinander durch einen schmalen Luft- oder Flüssigkeitsspalt mechanisch und elektrisch getrennt sind, wobei die beiden ringförmigen Signalleiter jeweils eine Unterbrechung aufweisen, an deren beiden Seiten jeweils ein Signalanschlussleiter herausgeführt ist.According to the present Invention, which relates to a rotary joint of the aforementioned Type is the solution characterized by a realization of the directional coupler in the form of a line coupler, in which per transfer direction two at a constant electrical ground potential, mechanical separate outer conductor halves respectively a closed ring running around the axis of rotation as a center form, one of which with the one of the two relative to each other rotating equipment parts and the other with the other of the two mechanically fixed relative to each other rotating equipment parts is, and in which each Rußenleiterhälfte as annular Inner conductor permanently assigned to one of two coupling signal conductors is the opposite arranged and separated from each other by a narrow air or liquid gap are mechanically and electrically separated, the two annular signal conductors each have an interruption, on both sides of each a signal conductor is led out.

Die durch einen drehbaren Richtkoppler realisierte Drehkupplung nach der Erfindung besitzt gegenüber den bisherigen Lösungen eine Reihe von Vorteilen.The realized by a rotatable directional coupler rotary coupling after the invention has opposite the previous solutions a number of advantages.

Es ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau. Der Richtkoppler kann beispielsweise aus Platinenmaterial aufgebaut werden.This results in a very simple structure. The directional coupler, for example, from PCB Mate be built up.

Durch den Aufbau ist zwangsläufig eine Schirmung vorgesehen, weil die Signalleiter, d.h. die Innenleiter des Leitungskopplers, gekapselt sind, so dass eine Störsignalaussendung nach außen unterdrückt wird.By the construction is inevitable provided a shield because the signal conductors, i. the inner conductors of the line coupler, are encapsulated, so that a Störsignalaussendung outward repressed becomes.

Es ergibt sich eine einfache Anschlussmöglichkeit der zu- und abzuführenden Signale, da das Signalzuführungs- und abführungssystem des drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung direkt in ein gleichstromfreies, vorzugsweise differentielles Bussystem integriert werden kann.It This results in a simple connection possibility of the supply and discharge Signals because the signal feed and discharge system of the rotary directional coupler according to the invention directly into a DC-free, preferably differential bus system can be integrated.

Auf Grund der Ausführung als Ring ist eine Montage auf einer Achse problemlos möglich.On Reason of execution as a ring mounting on one axis is possible without any problems.

Es lassen sich über die Drehkupplung nach der vorliegenden Erfindung hohe Datenraten übertragen. Die Übertragung einiger Gigabit pro Sekunde ist möglich.It can be over the rotary joint according to the present invention transmit high data rates. The transfer a few gigabits per second is possible.

Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet für die Drehkupplung nach der Erfindung besteht insbesondere bei Robotergelenken mit Multiturnfähigkeit.One advantageous field of application for the rotary joint according to the invention is particularly in robot joints with multi-turn capability.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Signalleiters nach der vorliegenden Erfindung sind in den sich unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch 1 rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.advantageous and appropriate training of the signal conductor according to the present invention are in the directly or indirectly refer back to claim 1 dependent claims specified.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to drawings and embodiments explained. It demonstrate:

1 ein Blockschaltbild des bekannten Prinzips eines Richtkopplers, 1 a block diagram of the known principle of a directional coupler,

2 eine schematische Vorderansicht einer axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 2 a schematic front view of an axial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention,

3 eine schematische Draufsicht der in 2 gezeigten axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 3 a schematic plan view of the in 2 shown axial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention,

4 eine schematische Vorderansicht einer radialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 4 a schematic front view of a radial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention,

5 eine schematische Draufsicht der in 4 gezeigten radialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 5 a schematic plan view of the in 4 shown radial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention,

6 eine teilweise geschnittene Vorderansicht der in 2 schematisch dargestellten axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 6 a partially sectioned front view of in 2 schematically represented axial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention,

7 eine teilweise geschnittene Draufsicht der in 6 abgebildeten axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung, 7 a partially sectioned plan view of the in 6 illustrated axial design of a rotatable directional coupler according to the invention,

8 eine teilweise geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Außenleiterhälfte und eines Signalleiters eines Leitungsrichtkopplers, 8th 4 is a partially sectioned view of a first embodiment of an outer conductor half and a signal conductor of a line-directional coupler;

9 eine teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Außenleiterhälfte und eines Signalleiters eines Leitungsrichtkopplers, 9 4 is a partially sectioned view of a second embodiment of an outer conductor half and a signal conductor of a line-directional coupler;

10 eine teilweise geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Rußenleiterhälfte und eines Signalleiters eines Leitungsrichtkopplers, 10 a partially sectioned view of a third embodiment of a Rußenleiterhälfte and a signal conductor of a Leitungsrichtkopplers,

11 ein Blockschaltbild für die Verwendung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung im asymmetrischen Übertragungsbetrieb, 11 a block diagram for the use of a rotatable directional coupler according to the invention in the asymmetric transmission mode,

12 ein Blockschaltbild für die Verwendung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung im symmetrischen Übertragungsbetrieb, 12 a block diagram for the use of a rotatable directional coupler according to the invention in the symmetric transmission mode,

13 eine schematische Vorderansicht einer axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung für zwei Übertragungskanäle, 13 1 is a schematic front view of an axial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention for two transmission channels,

14 eine schematische Draufsicht der in 13 gezeigten axialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung für zwei Übertragungskanäle, 14 a schematic plan view of the in 13 shown axial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention for two transmission channels,

15 eine schematische Vorderansicht einer radialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung für zwei Übertragungskanäle, und 15 a schematic front view of a radial embodiment of a rotatable directional coupler according to the invention for two transmission channels, and

16 eine schematische Draufsicht der in 15 gezeigten radialen Ausführung eines in sich drehbaren Richtkopplers nach der Erfindung für zwei Übertragungskanäle. 16 a schematic plan view of the in 15 shown radial design of a rotatable directional coupler according to the invention for two transmission channels.

Zunächst wird anhand von 1 kurz das bekannte Prinzip eines Richtkopplers beschrieben. Der Richtkoppler ist ein aus dem Bereich der Hochfrequenztechnik bekanntes Viertor mit den Anschlusstoren "1", "2", "3" und "4" und dem Koppelfaktor k, wobei jedes dieser vier Anschlusstore mit einer Seite an ei ner gemeinsamen Masse GND liegt. Wird eine elektrische Welle der normierten Leistung 1 wellenwiderstandsrichtig in das Tor "1" eingespeist, so tritt am Tor "2" ein Großteil der Leistung (1-k) und am Tor "3" der ausgekoppelte Anteil k aus. Ebenso führt ein Einspeisen am Tor "2" zu einem Austritt am Tor "1" mit der Leistung (1-k) und am Tor "4" mit der Leistung k.First, based on 1 briefly described the known principle of a directional coupler. The directional coupler is a known from the field of high-frequency technology four-port with the connection gates " 1 "," 2 "," 3 " and " 4 and the coupling factor k, where each of these four ports has one side on a common ground GND, which becomes an electric wave of normalized power 1 wave resistance right in the gate " 1 "fed, so at the gate" 2 "much of the power (1-k) and at the gate" 3 "the decoupled share k out. 2 "to an exit at the gate" 1 "with the performance (1-k) and at the gate" 4 "with the power k.

Richtkoppler werden in den meisten Fällen mit Übertragern, Hohlleitern oder Leitungen realisiert.directional coupler are in most cases with transformers, Waveguides or lines realized.

Der nun anhand der 2 bis 5 beschriebene Richtkoppler nach der Erfindung basiert auf dem Prinzip des Leitungskopplers, jedoch mit dem Unterschied, dass er zu einem Ring gebogen und in zwei Hälften geteilt ist, die mechanisch und elektrisch nicht verbunden sind. Ein Leitungskoppler besteht pro Halbduplex-Übertragungskanal, d.h. pro Übertragungsrichtung, aus zwei relativ zueinander um eine Rotationsachse 10 drehbaren Ringen, nämlich einem Senderring 5 und einem Empfängerring 6, die je eine Außenleiterhälfte und als Innenleiter einen Signalleiter tragen.The now based on the 2 to 5 described directional coupler according to the invention is based on the principle of the line coupler, but with the difference that it is bent into a ring and divided into two halves, which are not mechanically and electrically connected. A line coupler consists per half-duplex transmission channel, ie per transmission direction, of two relative to each other about an axis of rotation 10 rotatable rings, namely a transmitter ring 5 and a receiver ring 6 , each carry a Außenleiterhälfte and as an inner conductor a signal conductor.

Die beiden in den Darstellungen von 2 bis 5 nicht erkennbaren Signalleiter stehen sich gegenüber und sind durch einen schmalen Spalt 7 getrennt. Jeder der beiden ringförmigen Signalleiter weist eine Unterbrechung auf, deren beide Seiten zum Signalanschluss dienen und von denen jeweils ein Signalanschlussleiter nach außen herausgeführt ist. In 2 und 4 sind davon nur die beiden vorderen Signalanschlussleiter 8 und 9 sichtbar. Bei der Anordnung des Leitungskopplers ist eine axiale oder eine radiale Ausführung möglich. Es lassen sich aber auch Zwischenversionen realisieren, bei denen die Koppler unter beliebigen Winkeln zur Achse stehen.The two in the representations of 2 to 5 unrecognizable signal conductors face each other and are through a narrow gap 7 separated. Each of the two annular signal conductors has an interruption, the two sides of which serve for the signal connection and from which in each case a signal connection conductor is led out to the outside. In 2 and 4 are only the two front signal conductor 8th and 9 visible, noticeable. In the arrangement of the line coupler, an axial or a radial design is possible. However, intermediate versions can also be realized in which the couplers are at any angle to the axis.

2 und 3 zeigen in Vorderansicht bzw. Draufsicht eine axiale Anordnung und 4 und 5 in entsprechenden Ansichten eine radiale Anordnung. 2 and 3 show in front view and plan view, an axial arrangement and 4 and 5 in corresponding views, a radial arrangement.

Im Beispiel von 2 und 3 sind für eine Übertragungsrichtung, d.h. für Halbduplexbetrieb, die beiden Außenleiterhälften des aus dem Senderring 5 und dem Empfängerring 6 zusammengesetzten Leitungskopplers einschließlich ihrer beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter in Axialrichtung, d.h. entlang der Rotationsachse 10, angeordnet sind, so dass sich zum einen die beiden Außenleiterhälften des Senderrings 5 und des Empfängerrings 6 und zum anderen die beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter des Senderrings 5 und des Empfängerrings 6 in Axialrichtung mit dem Abstand des Spaltes 7 gegenüberliegen.In the example of 2 and 3 are for a transmission direction, ie for half-duplex operation, the two outer conductor halves of the transmitter ring 5 and the receiver ring 6 Compound line coupler including its two the signal conductors forming the broken inner conductor in the axial direction, ie along the axis of rotation 10 , Are arranged so that on the one hand, the two outer conductor halves of the transmitter ring 5 and the receiver ring 6 and on the other hand, the two inner conductors of the transmitter ring forming the interrupted signal conductors 5 and the receiver ring 6 in the axial direction with the distance of the gap 7 are opposite.

Im Beispiel von 4 und 5 sind für eine Übertragungsrichtung, d.h. für Halbduplexbetrieb, die beiden Außenleiterhälften des aus dem Senderring 5 und dem Empfängerring 6 zusammengesetzten Leitungsrichtkopplers einschließlich ihrer beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter in Radialrichtung, d.h. quer zur Rotationsachse 10, angeordnet sind, so dass sich zum einen die beiden Außenleiterhälften des Senderrings 5 und des Empfängerrings 6 und zum anderen die beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter des Senderrings 5 und des Empfängerrings 6 in Radialrichtung mit dem Abstand des Spaltes 7 gegenüberstehen.In the example of 4 and 5 are for a transmission direction, ie for half-duplex operation, the two outer conductor halves of the transmitter ring 5 and the receiver ring 6 composite Leitungsrichtkopplers including its two the broken signal conductor forming inner conductor in the radial direction, ie transverse to the axis of rotation 10 , Are arranged so that on the one hand, the two outer conductor halves of the transmitter ring 5 and the receiver ring 6 and on the other hand, the two inner conductors of the transmitter ring forming the interrupted signal conductors 5 and the receiver ring 6 in the radial direction with the distance of the gap 7 face.

Auch die Ausführung des die Gestalt einer halbierten Koaxialleitung mit Spalt aufweisenden Leitungskopplers, also der beiden Außenleiterhälften und der zugeordneten Signalleiter, kann variieren, was im Zusammenhang mit 6 bis 10 erläutert wird.The execution of the shape of a halved coaxial line having gap line coupler, so the two outer conductor halves and the associated signal conductor, may vary, which in connection with 6 to 10 is explained.

6 und 7 zeigen teilweise geschnittene Ansichten einer Realisierung der erfindungsgemäßen Drehkupplung in Form eines axial entsprechend 2 und 3 ausgeführten Leitungsrichtkopplers für eine Übertragungsrichtung. Zwei sich auf konstantem elektrischen Massepotential befindliche, mechanisch getrennte Außenleiterhälften 11 und 12 bilden jeweils einen geschlossenen, um die Rotationsachse 10 als Zentrum herumlaufenden Ring 13 bzw. 14. Der eine Ring 13 ist mit dem einen von zwei relativ zueinander drehenden Anlagenteilen und der andere Ring 14 mit dem anderen der beiden relativ zueinander drehenden Anlagenteile mechanisch fest verbunden. 6 and 7 show partially sectional views of an implementation of the rotary coupling according to the invention in the form of an axially corresponding 2 and 3 executed Leitungsrichtkopplers for a transmission direction. Two, mechanically separated outer conductor halves located at a constant electrical ground potential 11 and 12 each form a closed, around the axis of rotation 10 ring running around as a center 13 respectively. 14 , The one ring 13 is with the one of two relatively rotating equipment parts and the other ring 14 mechanically firmly connected to the other of the two relatively rotating equipment parts.

Jeder Außenleiterhälfte 11 bzw. 12 ist als ringförmiger Innenleiter einer von zwei koppelnden Signalleitern 15 bzw. 16 fest zugeordnet, die gegenüberliegend koppelnd angeordnet und dazu voneinander durch einen schmalen Spalt 7 getrennt sind. Die beiden ringförmigen Signalleiter 15 und 16 weisen jeweils eine Unterbrechung 17 auf. An den beiden Seiten dieser Unterbrechungen 17 kann an Anschlussstellen jeweils ein Signalanschlussleiter herausgeführt werden, so dass an diesen Anschlussstellen die Signaltore "1", "2", "3" und "4" entstehen. Die die unterbrochenen Signalleiter 15 und 16 bildenden Innenleiter des Leitungsrichtkopplers sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Streifenleiter ausgeführt und auch die beiden an Masse liegenden Außenleiterhälften 11 und 12 des Leitungsrichtkopplers lassen sich als Streifenleiter ausführen.Each outer conductor half 11 respectively. 12 is as an annular inner conductor of one of two coupling signal conductors 15 respectively. 16 firmly associated, which are arranged opposite coupling and to each other through a narrow gap 7 are separated. The two annular signal conductors 15 and 16 each have an interruption 17 on. On the two sides of these interruptions 17 A signal connection conductor can be led out at connection points in each case, so that at these connection points the signal gates " 1 "," 2 "," 3 " and " 4 "The broken signal conductors 15 and 16 forming inner conductor of the Leitungsrichtkopplers are designed in the illustrated embodiment as a strip conductor and the two outer conductor halves lying to ground 11 and 12 of the Leitungsrichtkopplers can be run as a strip conductor.

8 zeigt in einer quer geschnittenen Teilansicht als eine Ausführungsform einer als Ring 13 geformten Koaxialleitungshälfte des ringförmigen Richtkopplers eine sich auf elektrischem Massepotential befindliche Außenleiterhälfte 11 als Streifenleiter und einen diesem zugeordneten Innenleiter, der den koppelnden Signalleiter 15 bildet und ebenfalls als Streifenleiter ausgeführt ist. Die Außenleiterhälfte 11 des Leitungskopplers ist im Querschnitt rechtwinklig U-förmig ausgebildet und der den unterbrochenen Signalleiter 15 bildende, streifenförmige Innenleiter ist an der offenen Seite der Außenleiterhälfte 11 angeordnet. Dieser Aufbau entspricht demjenigen in 6 und 7. 8th shows in a cross-sectional partial view as an embodiment of a ring 13 formed coaxial half of the annular Richtkopplers located at an electrical ground potential outer conductor half 11 as a strip conductor and an inner conductor associated therewith, the coupling signal conductor 15 forms and is also designed as a strip conductor. The outer conductor half 11 of the line coupler is formed at right angles in the cross section U-shaped and the broken signal conductor 15 forming, strip-shaped inner conductor is on the open side of the outer conductor half 11 arranged. This structure corresponds to that in 6 and 7 ,

In 9 sind in einer ebenfalls quer geschnittenen Teilansicht als eine andere Ausführungsmöglichkeit einer als Ring 18 geformten Koaxialleitungshälfte des Richtkopplers eine sich auf elektrischem Massepotential befindliche Außenleiterhälfte 19 als Streifenleiter und ein diesem zugeordneter Innenleiter dargestellt, der den koppelnden Signalleiter 20 bildet und ebenfalls als Streifenleiter ausgeführt ist. Die Außenleiterhälfte 19 des Leitungskopplers ist ebenflächig ausgeführt und parallel zum unterbrochenen, den streifenförmigen Signalleiter 20 bildenden Innenleiter angeordnet.In 9 are in a likewise cross-sectional view as another possible embodiment of a ring 18 formed Koaxialleitungshälfte the directional coupler located at an electrical ground potential outer conductor half 19 shown as a strip conductor and an associated inner conductor, which is the coupling signal conductor 20 forms and is also designed as a strip conductor. The outer conductor half 19 of the line coupler is planar and parallel to the interrupted, the strip-shaped signal conductor 20 forming inner conductor.

10 zeigt auch in einer quer geschnittenen Teilansicht als eine weitere Ausführungsvariante einer als Ring 21 geformten Koaxialleitungshälfte des ringförmigen Richtkopplers eine sich auf elektrischem Massepotential befindliche Außenleiterhälfte 22 als Streifenleiter und einen diesem zugeordneten Innenleiter, der den koppelnden Signalleiter 23 bildet und ebenfalls als Streifenleiter ausgeführt ist. Die Außenleiterhälfte 22 des Leitungskopplers ist im Querschnitt als Halbkreis U-förmig ausgebildet und der den unterbrochenen Signalleiter 23 bildende, streifenförmige Innenleiter ist an der offenen Seite der Außenleiterhälfte 22 angeordnet. 10 also shows in a cross-sectional partial view as a further embodiment of a ring 21 formed coaxial half of the annular Richtkopplers located at an electrical ground potential outer conductor half 22 as a strip conductor and an inner conductor associated therewith, the coupling signal conductor 23 forms and is also designed as a strip conductor. The outer conductor half 22 of the line coupler is formed in cross-section as a semicircle U-shaped and the broken signal conductor 23 forming, strip-shaped inner conductor is on the open side of the outer conductor half 22 arranged.

Für den Betrieb wird vorausgesetzt, dass die Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz im Richtkoppler nach der Erfindung noch groß (mindestens Faktor 2 bis 5) gegenüber den elektrischen Leitungsabmessungen dieses Richtkopplers ist.For the business It is assumed that the wavelength of the highest frequency to be transmitted in the directional coupler still great after the invention (at least Factor 2 to 5) the electrical line dimensions of this directional coupler.

Eine Drehkupplung mit in sich drehbarem koaxialen Richtkoppler entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht mehrere verschiedene Betriebsmodi, die nachstehend erläutert werden.A Rotary coupling with rotatable coaxial directional coupler accordingly of the present invention several different operating modes, which are explained below.

Es ist ein asymmetrischer Betrieb möglich, der anhand von 11 beschrieben werden soll. Hierbei wird das zu übertragende Signal, das von einem Eingang 24 über einen Treiber 25 und einen Widerstand R1 zugeführt wird, am Tor "1" des Senderrings 26 des Richtkopplers eingespeist. Das Tor "2" des Senderrings 26 ist mit dem Wellenwiderstand R2 gegen Masse GND abgeschlossen. Das Tor "4" des Empfängerrings 27 ist ebenfalls mit dem Widerstand R4 wellenwiderstandsrichtig gegen Masse GND abgeschlossen oder eventuell kurzgeschlossen und das ausgekoppelte Signal wird am Tor "3" des Empfängerrings 27 erwartet und nach Führung über einen Detektor 28 an einem Ausgang 29 abgenommen, wobei zwischen Detektoreingang und Masse GND noch ein Abschlusswiderstand R3 angeordnet ist.An asymmetric operation is possible, based on 11 should be described. Here, the signal to be transmitted, that of an input 24 via a driver 25 and a resistor R1 is supplied to the gate " 1 "of the transmitter ring 26 of the directional coupler fed. The gate " 2 "of the transmitter ring 26 is terminated with the characteristic impedance R2 to ground GND. The gate " 4 "of the receiver ring 27 is also terminated with resistance R4 to ground GND or possibly short-circuited and the decoupled signal is at the gate. " 3 "of the receiver ring 27 expected and guided by a detector 28 at an exit 29 taken, wherein between the detector input and ground GND a terminating resistor R3 is arranged.

Im Richtkoppler läuft die am Tor "1" eingespeiste elektrische Welle entlang des kreisförmigen Streifenleiters des Senderrings 26 bis zum Abschlusswiderstand R2 und koppelt dabei sowohl induktiv als auch kapazitiv in den Streifenleiter des Empfängerrings 27 über, wodurch eine elektrische Welle entsteht, die am Tor "3" wellenwiderstandrichtig abgegriffen werden kann. Ist die Wellenlänge nun groß gegenüber den Leitungsabmessungen im Richtkoppler, so sind die Unterschiede in der Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder über den Ring klein. Daher ist es gleichgültig, in welchem Winkel der Senderring 26 und der Empfangsring 27 gegeneinander verdreht sind. Bei höheren Frequenzen kann möglicherweise eine Abhängigkeit der Übertragungsfunktion von Winkel beobachtet werden. Für eine Übertragung digitaler Signale ist dieser Unterschied allerdings unerheblich.In the directional coupler, the gate is running " 1 "fed electrical wave along the circular strip conductor of the transmitter ring 26 to the terminating resistor R2 and couples both inductively and capacitively in the strip conductor of the receiver ring 27 over, which creates an electric wave at the gate " 3 If the wavelength is now large compared to the line dimensions in the directional coupler, the differences in the distribution of the electric and magnetic fields across the ring are small, so it does not matter at what angle the transmitter ring 26 and the receiving ring 27 are twisted against each other. At higher frequencies, a dependence of the transfer function on angle may be observed. For a transmission of digital signals, this difference is irrelevant.

Des weiteren ist ein symmetrischer Betrieb möglich, der anhand von 12 nachfolgend beschrieben werden soll. Für den symmetrischen Betrieb kann das Ausgangssignal eines differentiellen Bustreibers 30 verwendet werden. Das zu übertragende Signal wird dem Eingang 31 dieses differentiellen Bustreibers 30 zugeführt. Der durch die Widerstände R1 und R2 realisierte Ausgangswiderstand des differentiellen Bustreibers 30 sollte gleich dem doppelten des Wellenwiderstands des Richtkopplers sein. Die beiden abgehenden Leitungen a und b des Bustreibers 30 werden über die Widerstände R1 bzw. R2 an die beiden Tore "1" und "2" des Senderringes 32 des Richtkopplers angeschlossen. Das Ausgangssignal des Richtkopplers wird an den Toren "3" und "4" des Empfängerrings 33 von einem differentiellen Detektor 34 erwartet.Furthermore, a symmetrical operation is possible, based on 12 to be described below. For symmetric operation, the output signal of a differential bus driver 30 be used. The signal to be transmitted becomes the input 31 this differential bus driver 30 fed. The realized by the resistors R1 and R2 output resistance of the differential bus driver 30 should be equal to twice the characteristic impedance of the directional coupler. The two outgoing lines a and b of the bus driver 30 be via the resistors R1 and R2 to the two gates " 1 " and " 2 "of the transmitter ring 32 connected to the directional coupler. The output signal of the directional coupler is at the gates " 3 " and " 4 "of the receiver ring 33 from a differential detector 34 expected.

Die vom Bustreiber an seinen abgehenden Leitungen a und b erzeugten differentiellen Signale durchlaufen den Signalleiter des Senderrings 32 gegenläufig, bis sie im Abschlusswiderstand der jeweils anderen Treiberstufe enden. Dadurch werden im Signalleiter des Empfängerrings 33 zwei gegenläufige elektrische Wellen induziert, die – differentiell zwischen den Torausgängen "3" und "4" gemessen – wieder das ursprüngliche Signal in abgeschwächter Form ergeben. Dieses Signal wird den beiden über einen Widerstand R verbundenen Eingangsleitungen c und d des differentiellen Detektors 34 zugeführt, an dessen Ausgang 35 das detektierte Ausgangssignal abgenommen wird, das dem zu übertragenden ursprünglichen Signal entspricht. Der Eingangswiderstand des differentiellen Detektors 34 ist in vorteilhafter Weise gleich dem doppelten Wellenwiderstandswert des Leitungsrichtkopplers.The differential signals generated by the bus driver on its outgoing lines a and b pass through the signal conductor of the transmitter ring 32 in opposite directions until they end in the terminating resistor of the other driver stage. This will be in the signal conductor of the receiver ring 33 induced two counter-rotating electric waves, which - differentially between the gate outputs " 3 " and " 4 "measured - again give the original signal in attenuated form." This signal is the two connected via a resistor R input lines c and d of the differential detector 34 fed to the output 35 the detected output signal corresponding to the original signal to be transmitted is picked up. The input resistance of the differential detector 34 is advantageously equal to twice the characteristic impedance of the Leitungsrichtkopplers.

Bei Anwendung des Prinzips der erfindungsgemäß aufgebauten Drehkupplung, die einen in sich verdrehbaren, kreisförmig gebogenen, koaxialen Richtkoppler gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, ist auch ein Duplex-Übertragungsbetrieb, d.h. ein Betrieb in beiden Übertragungsrichtungen möglich. Da der Richtkoppler nach der vorliegenden Erfindung elektrisch symmetrisch aufgebaut ist, kann sowohl im symmetrischen als auch im asymmetrischen Betrieb zusätzlich eine entgegengesetzt gerichtete Halb-Duplexverbindung aufgebaut werden, indem auf der bisherigen Empfängerringseite Daten eingespeist und diese auf der bisherigen Senderringseite ausgewertet werden. Werden ein Hin- und ein Rückkanal benötigt, so werden diese bei der axialen Version konzentrisch, bei der radialen in Achsrichtung nebeneinander gelegt. In diesem Zusammenhang wird auf 13 bis 16 hingewiesen.When using the principle of the inventively constructed rotary coupling, which includes a rotatable, circularly curved, coaxial directional coupler according to the present invention, a duplex transmission mode, ie an operation in both directions of transmission is possible. Since the directional coupler is constructed electrically symmetrical according to the present invention, so probably in symmetric as well as in asymmetric operation additionally an oppositely directed half-duplex connection are constructed by data fed to the previous receiver ring side and these are evaluated on the previous transmitter ring side. If a return channel and a return channel are required, they will be concentric in the axial version and next to each other in the radial direction in the axial direction. In this context is on 13 to 16 pointed.

In Ergänzung und in Analogie zu der Ausführungsform nach 2 und 3 kann zur Erzielung eines Vollduplexbetriebs, d.h. einer Übertragung in beiden Übertragungsrichtungen, entsprechend 13 und 14 ein zweiter, in gleicher Weise aufgebauter Leitungsrichtkoppler konzentrisch zum ersten Leitungsrichtkoppler angeordnet werden. Es ist dann gleichzeitig eine Übertragung über den Kanal A und den Kanal B möglich.In addition and in analogy to the embodiment according to 2 and 3 may be to achieve a full duplex operation, ie a transmission in both directions of transmission, accordingly 13 and 14 a second, constructed in the same way Leitungsrichtkoppler be arranged concentrically to the first Leitungsrichtkoppler. At the same time, transmission via channel A and channel B is possible.

Im Beispiel von 13 und 14 sind für den Kanal A die beiden Außenleiterhälften der zwei axial versetzten, d.h. entlang der Rotationsachse 10 angeordneten Ringe 36 und 37 mit den die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleitern und für den Kanal B die beiden Außenleiterhälften der zwei axial versetzten, d.h. entlang der Rotationsachse 10 angeordneten Ringe 38 und 39 mit ihren die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleitern zuständig, so dass sich zum einen die beiden Außenleiterhälften der Ringe 36 und 37 bzw. der Ringe 38 und 39 und zum anderen die beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter der Ringe 36 und 37 bzw. der Ringe 38 und 39 in Axialrichtung mit dem Abstand des Spaltes 7 gegenüberliegen.In the example of 13 and 14 are for the channel A, the two outer conductor halves of the two axially offset, ie along the axis of rotation 10 arranged rings 36 and 37 with the broken conductor forming the inner conductors and for the channel B, the two outer conductor halves of the two axially offset, ie along the axis of rotation 10 arranged rings 38 and 39 responsible with their broken signal conductors forming inner conductors, so that on the one hand, the two outer conductor halves of the rings 36 and 37 or the rings 38 and 39 and on the other hand the two inner conductors of the rings forming the broken signal conductors 36 and 37 or the rings 38 and 39 in the axial direction with the distance of the gap 7 are opposite.

In entsprechender Weise kann in Ergänzung und in Analogie zu der Ausführungsform nach 4 und 5 zur Erzielung eines Vollduplexbetriebs, d.h. einer Übertragung in beiden Übertragungsrichtungen, entsprechend 15 und 16 ein zweiter, in gleicher Weise aufgebauter Leitungsrichtkoppler in Achsrichtung versetzt zum ersten Leitungsrichtkoppler angeordnet werden. Es ist dann gleichzeitig eine Übertragung über den Kanal A und den Kanal B möglich.Similarly, in addition to and in analogy to the embodiment of 4 and 5 to achieve a full duplex operation, ie a transmission in both directions of transmission, accordingly 15 and 16 a second, constructed in the same way Leitungsrichtkoppler offset in the axial direction to the first line-directional coupler. At the same time, transmission via channel A and channel B is possible.

Im Beispiel von 15 und 16 sind für den Kanal A die beiden Außenleiterhälften der zwei radial versetzten, d.h. quer zur Rotationsachse 10 angeordneten Ringe 40 und 41 mit den die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleitern und für den Kanal B die beiden Außenleiterhälften der zwei radial versetzten, d.h. quer zur Rotationsachse 10 angeordneten Ringe 42 und 43 mit ihren die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleitern zuständig, so dass sich zum einen die beiden Außenleiterhälften der Ringe 40 und 41 bzw. der Ringe 42 und 43 und zum anderen die beiden die unterbrochenen Signalleiter bildenden Innenleiter der Ringe 40 und 41 bzw. der Ringe 42 und 43 in Radialrichtung mit dem Abstand des Spaltes 7 gegenüberliegen.In the example of 15 and 16 are for the channel A, the two outer conductor halves of the two radially offset, ie transverse to the axis of rotation 10 arranged rings 40 and 41 with the broken conductor forming the inner conductors and for the channel B, the two outer conductor halves of the two radially offset, ie transverse to the axis of rotation 10 arranged rings 42 and 43 responsible with their broken signal conductors forming inner conductors, so that on the one hand, the two outer conductor halves of the rings 40 and 41 or the rings 42 and 43 and on the other hand the two inner conductors of the rings forming the broken signal conductors 40 and 41 or the rings 42 and 43 in the radial direction with the distance of the gap 7 are opposite.

1, 2, 3, 41, 2, 3, 4: Torgate
55: Senderringtransmitter ring
66: Empfängerringreceiver ring
77: Spaltgap
8, 98th, 9: SignalanschlussleiterSignal connection manager
1010: Rotationsachseaxis of rotation
11, 1211 12: AußenleiterhälftenOuter conductor halves
13, 1413 14: Ringring
15, 1615 16: Signalleitersignal conductor
1717: Unterbrechunginterruption
1818: Ringring
1919: AußenleiterhälfteOuter conductor half
2020: Signalleitersignal conductor
2121: Ringring
2222: AußenleiterhälfteOuter conductor half
2323: Signalleitersignal conductor
2424: Eingangentrance
2525: Treiberdriver
2626: Senderringtransmitter ring
2727: Empfängerringreceiver ring
2828: Detektordetector
2929: Ausgangoutput
3030: Differentieller Treiberdifferential driver
3131: Eingangentrance
3232: Senderringtransmitter ring
3333: Empfängerringreceiver ring
3434: Differentieller Detektordifferential detector
3535: Ausgangoutput
36 bis 4336 to 43: Ringerings
a, b, c, da, b, c, d: Leitungencables
A, BA, B: Kanälechannels
GNDGND: MasseDimensions
kk: Koppelfaktorcoupling factor
R; R1 bis R4R; R1 to R4: Widerständeresistors

Claims

A rotary joint for non-contact transmission of electrical signals between a first part of the plant and a second part of the plant, one of which relatively rotates relative to the other about an axis of rotation, wherein also one of the two parts of the plant can be fixed, using a directional coupler coupling of the modulated electric signal waves to be transmitted, characterized by a realization of the directional coupler in the form of a line coupler, in which per transmission direction two mechanically separated outer conductor halves ( 11 . 12 ) each one closed, about the axis of rotation ( 10 ) ring running around as the center ( 5 . 6 ), of which the one with the one of the two relatively rotating equipment parts and the other with the other of the two rotate relative to each other the plant parts are mechanically firmly connected, and in which each outer conductor half as an annular inner conductor of one of two coupling signal conductors ( 15 . 16 ), which are arranged opposite one another and separated from each other by a narrow vacuum, air, solid or liquid gap ( 7 ) are separated mechanically and electrically, wherein the two annular signal conductors each have an interruption ( 17 ), from the two sides of each of which a signal connecting conductor ( 1 . 2 . 3 . 4 ; 8th . 9 ) is led out.

Rotary coupling according to claim 1, characterized in that the broken signal conductors ( 15 . 16 ) forming inner conductor of the line coupler are designed as a strip conductor.

Rotary coupling according to claim 1 or 2, characterized in that the outer conductor halves ( 11 . 12 ) of the line coupler are designed as strip conductors,

Rotary coupling according to one of the preceding claims, characterized in that per transmission direction, ie for half-duplex operation, the two outer conductor halves ( 11 . 12 ) of the line coupler including its two broken signal conductors ( 15 . 16 ) forming inner conductor in the axial direction, ie along the axis of rotation ( 10 ), are arranged so that on the one hand, the two outer conductor halves and on the other hand, the two the broken signal conductor forming inner conductor in the axial direction opposite.

Rotary coupling according to one of claims 1 to 3, characterized that per transfer direction, i.e. For Half duplex mode, the two outer conductor halves of the line coupler including her both the broken signal conductor forming inner conductor in Radial direction, i. transverse to the axis of rotation, are arranged so on the one hand the two outer conductor halves and on the other the two the broken signal conductor forming inner conductor in the radial direction are opposite.

Rotary coupling according to one of claims 1 to 3, characterized that per transfer direction, i.e. For Half duplex mode, the two outer conductor halves of the line coupler including her both the broken signal conductor forming inner conductor both in the radial direction as well as in the axial direction, i. obliquely to the axis of rotation, are arranged so that on the one hand, the two outer conductor halves and on the other hand the two forming the broken signal conductors Inner conductor at an angle opposite to the radial direction and axial direction.

Rotary coupling according to claim 4, characterized in that that to achieve full duplex operation, i. a transfer in both directions of transmission, a second, in the same way constructed line coupler concentric is arranged to the first line coupler.

Rotary coupling according to claim 5, characterized in that that to achieve full duplex operation, i. a transmission in both directions of transmission, a second, constructed in the same way line coupler in the axial direction is arranged offset next to the first line coupler.

Rotary coupling according to one of the preceding claims, characterized marked that the highest to be transmitted in the directional coupler Frequency corresponding electrical wavelength still large (at least Factor 2 to 5) the electrical dimensions of the directional coupler lines.

Rotary coupling according to one of the preceding claims, characterized in that the outer conductor halves ( 12 ; 22 ) of the line coupler are formed in cross-section substantially U-shaped and their the broken signal conductors ( 16 ; 23 ) forming inner conductor are arranged on the open side of the respective outer conductor half.

Rotary coupling according to one of claims 1 to 9, characterized in that the outer conductor halves ( 19 ) of the line coupler planar and parallel to their broken signal conductors ( 20 ) forming inner conductors are arranged.

Rotary coupling according to claim 1, characterized in that in asymmetric half-duplex operation, the signal to be transmitted at a first port gate ( 1 ) of the line coupler, that a second connection port ( 2 ), which is at the same the inner conductor forming the interrupted signal conductors as the first connection gate, but at the other end of the interruption of this inner conductor, is terminated with the characteristic impedance that a fourth gate ( 4 ), which is located on the other inner conductor, is also terminated with the characteristic impedance or short-circuited to ground and that at a third gate ( 3 ) located at the other inner conductor, but at the other end of the interruption of this inner conductor, the decoupled signal is led out.

Rotary coupling according to claim 1, characterized in that in symmetrical half-duplex operation, the signal to be transmitted first a differential driver ( 30 ), that the outputs of the differential driver to the two same inner conductor associated connection ports ( 1 . 2 ) of the line coupler are connected and that the two of the other inner conductor associated connection ports ( 3 . 4 ) with the two inputs a differential detector ( 34 ) are connected to the output ( 35 ) the decoupled signal is led out. 14, rotary joint according to claim 13, characterized in that the output resistance of the differential driver ( 30 ) is equal to twice the characteristic impedance of the line coupler.

Rotary coupling according to claim 13, characterized in that the input resistance of the differential detector ( 34 ) is equal to twice the characteristic impedance of the line coupler.

Use of the rotary joint according to one of the preceding claims in robot joints with multi-turn capability.