-
Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Signale zwischen
-
relativ zueinander beweglichen Teilen" Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Signale zwischen zwei längs einer
Strecke relativ zueinander beweglichen, insbesondere relativ zueinander drehbaren
Teilen, mit denen eine Sender- bzw. eine Empfängeranordnung verbunden ist.
-
Eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand der deutschen Patentanmeldung
P 32 15 377. Die Signalübertragung erfolgt dabei durch Hohlleiter, die mit Koppelschlitzen
versehen sind, in die Antennen zum Anregen von Hohlleiterwellen eintauchen. Außerdem
ist es aus der DE-OS 32 05 065 bekannt, die Signale auf optischem Wege zu übertragen.
-
Beide Verfahren eignen sich zur Datenübertragung bei einem Computertomographen,
bei dem die Achse des rotierenden Teils nicht zugänglich ist und die Datenrate so
hoch ist, daß die für die Relativbewegung zur Verfügung stehende Strecke, d.h. der
Umfang, auf dem die Datenübertragung erfolgt, in der Größenordnung des Weges liegt,
den das Signal in einer Signalperiode zurücklegt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
die weder Hohlleiter noch eine optische Übertragungsstrecke benötigt und die ebenfalls
bei einem Computertomographen angewandt werden kann, jedoch auch bei einer Vorrichtung,
bei der die zueinander beweglichen Teile geradlinig aneinander vorbei bewegt werden.
-
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß entlang der Strecke eine Reihe von mit
dem einen Teil
verbundenen ersten Koppelementen angeordnet ist,
daß mit dem anderen Teil wenigstens ein zweites Koppelelement verbunden ist, daß
jedes Koppelelement wenigstens eine Elektrode enthält, daß die Elektroden der ersten
und zweiten Koppelelemente bei einer Relativbewegung zwischen den beiden Teilen
im geringen Abstand aneinander vorbeigeführt werden, und daß das Signal kapazitiv
über die beiden jeweils gegenüberstehenden Elektroden übertragen wird.
-
Die Strecke, längs derer die beiden Teile relativ zueinander bewegt
werden - bei einer Bewegung auf einem Kreisring ist dies der Umfang des Kreisringes
-, ist dabeialso in dichter Folge mit den ersten Koppelelementen belegt, so daß
die Elektrode(n) des zweiten Koppelelementes bzw. der zweiten Koppelelemente stets
einer Elektrode eines der ersten Koppelelemente gegenüberliegt bzw. gegenüberliegen,
so daß ein Kondensator gebildet wird, über den das Signal übertragen werden kann.
Solange die Abmessung der Elektroden dabei klein ist im Vergleich zur Länge des
Weges, den das Signal während einer Signalperiode in den mit den Elektroden verbundenen
Leitungen zurücklegt, ist eine einwandfreie Signalübertragung gewährleistet.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Empfängeranordnung
mit dem zweiten Koppelelement und die Senderanordnung mit den ersten Koppelelementen
verbunden ist, denen das zu übertragende Signal in gleicher Weise zugeführt wird.
Grundsätzlich ist es zwar auch möglich, die ersten Koppelelemente bzw. deren Elektroden
an die Empfängeranordnung anzuschließen und die Elektrode(n) des zweiten Koppelelementes
an den Sender. In diesem Fall würden jedoch immer nur einer der Empfängerelektroden
das Signal vom Sender zugeführt, während die anderen Empfängerelektroden Störsignale
aufnehmen könnten, was die Störanfälligkeit erhöhen würde. -
In
beiden Fällen ist es wichtig, daß die ersten Koppelelemente in gleicher Weise durch
das Signal beaufschlagt werden bzw. daß die Koppelelemente parallel und zeitgleich
angesteuert werden.
-
Grundsätzlich ist es möglich, pro Koppelelement nur eine einzige Elektrode
vorzusehen. In diesem Fall kann das Signal allerdings nur asymmetrisch übertragen
werden und es können sich Störungen ergeben, wenn die Bezugspotentiale an den relativ
zueinander bewegten Teilen nicht identisch sind bzw. relativ zueinander schwanken.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß jedes Koppelelement zwei Elektroden
umfaßt, denen das Signal mit entgegengesetzter Phasenlage zugeführt wird. Die Übertragung
ist dabei von den Bezugspotentialen der beiden zueinander bewegten Teile und den
Schwankungen dieser Potentiale unabhängig.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Computertomographen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Teilansicht dieser Vorrichtung und Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer
solchen Vorrichtung.
-
Der in Fig. 1 nur in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen
schematisch dargestellte Computertomograph umfaßt einen feststehenden Ring 1, der
an einem Gerätefuß 2 befestigt ist. In dem Ring 1 ist ein Ring 3 um eine zur Zeichenebene
senkrechte Drehachse 4 drehbar angeordnet.
-
Beide Ringe sind konzentrisch zueinander bzw. koaxial zur Achse 4.
-
Der drehbare Ring 3 umschließt einen Tisch, dessen Tischplatte 5 mit
ihrer Längsachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft und auf dem ein Patient 6 gelagert
ist. In dem drehbaren Ring 3 befindet sich - nicht näher dargestellt -ein Röntgenstrahler
und eine in bezug auf den Röntgenstrahler jenseits der Drehachse 4 angeordnete Detektoranordnung,
die die Absorption des Körpers 6 in einer Vielzahl unterschiedlicher Winkelstellungen
mißt. Die sich dabei ergebenden Meßwerte werden auf den feststehenden Ring 1 übertragen
und einem nicht näher dargestellten Computer zugeführt, der die Absorptionsverteilung
in dem Körper errechnet. Auf dem äußeren Umfang des drehbaren Ringes 3 befinden
sich zwölf erste Koppelelemente 7. Wie insbesondere Fig. 2, die eine Abwicklung
des äußeren Umfanges des Ringes 3 darstellt, besteht jedes Koppelelement 7 aus zwei
in Richtung der Rotationsachse 4 nebeneinander angeordneten Elektroden, die sich
einerseits in Umfangsrichtung, d.h. über einen Kreisbogen von etwas weniger als
300, und andererseits in Richtung parallel zur Rotationsachse 4 erstrecken. Zwischen
den Elektroden 7a, 7b und der Außenfläche des Ringes befindet sich eine Isolierschicht;
diese Isolierschicht könnte entfallen, wenn der äußere Mantel des drehbaren Ringes
3 nicht aus Metall bestehen würde.
-
Auf dem Innenumfang des feststehenden Ringes 1 ist ein zweites Koppelelement
8 angeordnet. Dieses Koppelelement besteht ebenfalls aus zwei Elektrodenflächen,
die sich je über einen Bogen von etwas weniger als 300 sowie in Richtung senkrecht
zur Zeichenebene erstrecken und die in dieser Richtung nebeneinander angeordnet
sind, so daß in bestimmten Winkelstellungen des drehbaren Ringes 3 den Elektroden
der Koppelelemente 8 die Elektroden eines der ersten Koppelelemente 7 unmittelbar
gegenüberstehen. Der Abstand sollte dabei möglichst geringer sein als die Dicke
der erwähnten Isolierschicht.
-
Die Elektroden des zweiten Koppelelementes 8 bilden zusammen mit den
Elektroden des sich unmittelbar vor dem zweiten Koppelelement befindlichen ersten
Koppelelementes zwei Kondensatoren, über die Signale übertragen werden können. Fig.
3 zeigt eine dafür geeignete Schaltung.
-
Das Signal einer Datenquelle wird über eine Koaxialleitung 10 dem
Eingang eines Verstärkers 11 zugeführt, der an einem Widerstand 12 ein verstärktes
Ausgangssignal erzeugt. Dieses Signal wird über einen Entkoppelkondensator 13 in
Serie mit einem Anpassungswiderstand 14 und eine weitere Koaxialleitung 15 dem einen
Anschluß der Primarwicklung eines Symmetrierübertragers 16 zugeführt, deren anderer
Anschluß an Masse angeschlossen ist. Die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des
Symmetrierübertragers ist ebenfalls an Masse angeschlossen, während die beiden freien
Anschlüsse mit den Mittelpunkten der Elektrodenflächen 7a und 7b jeweils eines der
ersten Koppelelemente verbunden sind.
-
Die Mittelpunkte der beiden Elektroden des zweiten Koppelelementes
8 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 17 verbunden, dessen Ausgangssignal
über eine Koaxialleitung 18 einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung der Signale
zugeführt wird. Dem Eingang des Differenzverstärkers ist eine Widerstandsanordnung
19 zur Symmetrierung parallelgeschaltet.
-
Wie bereits erwähnt, bilden die Elektroden des zweiten Koppelelementes
8 zusammen mit den jeweils gegenüberliegenden Elektroden 7a und 7b Kondensatoren,
über die die vom Symmetrierübertrager zugeführten Signale auf den Eingang des Differenzverstärkers
17 übertragen werden, so daß Signale von dem rotierenden Ring 3 auf den feststehenden
Ring 1 übertragen werden können. In Fig. 3 ist mit 20 eine strichpunktierte Linie
eingezeichnet, auf deren
linker Seite sich alle Teile befinden,
die mit dem rotierenden Ring 3 verbunden sind, während auf ihrer rechten Seite alle
Komponenten liegen, die sich auf dem feststehenden Ring befinden.
-
Für jedes der Koppelelemente 7 ist der in Fig. 3 mit den Bezugszeichen
10 bis 16 bezeichnete Schaltungsteil erforderlich, so daß sich insgesamt zwölf derartiger
Schaltungsteil auf dem rotierenden Ring befinden. Wenn der Verstärker 11 über eine
genügende Ausgangsleistung verfügt, genügt jedoch ein Verstärker, an dessen Ausgang
die Symmetrierübertrager 16 für die Koppelelemente 7 parallel anzuschließen sind.
Ist darüber hinaus die Signal- bzw.
-
Datenquelle genügend leistungsstark, können die Symmetrierübertrager
16 direkt parallelgeschaltet werden. Verfügt die Signal- bzw. Datenquelle schließlich
auch noch über gegenphasige Ausgänge, können die Elektroden 7a und 7b daran auch
unmittelbar angeschlossen werden. - In allen diesen Fällen ist es jedoch wesentlich,
daß die Koppelelemente auf gleiche Weise von den Sendesignalen gespeist werden,
so daß die Signale jeweils gleiche Phase und Amplitude haben; dies setzt u.a. voraus,
daß die Koaxialkabel 10, 15 zu den Symmetrierübertragern der einzelnen Koppelelemente
jeweils die gleiche Länge haben.
-
Die Elektroden der Koppelelemente wirken bei der Übertragung als im
Vergleich zur Wellenlänge kurze elektrische Leitungen, die an ihrem Ende offen sind
und die kapazitiv abgeschlossen sind, wenn sich mit der Senderanordnung (10...16)
und der Empfängeranordnung (17...19) verbundene Elektroden direkt gegenüberstehen.
-
Die Signalübertragung vollzieht sich nicht nur dann, wenn das zweite
Koppelelement 8 in bezug auf die Rotationsachse 4 exakt die gleiche Winkelposition
einnimmt wie eines der ersten Koppelelemente; auch in jeder Zwischenstellung ist
eine Übertragung möglich, wobei dann jede der Elektroden 8
des
zweiten Koppelelementes zusammen mit den Elektroden 7a bzw. 7b zweier benachbarter
erster Koppelelemente 7 eine kapazitive Signalübertragung bewirkt.
-
Es läßt sich zeigen, daß bei einer Drehung die Phasenlage des auf
das Koppelelement 8 von den verschiedenen Koppelelementen 7 übertragenen Signals
unabhängig von der Winkelstellung ist, wenn - wie vorausgesetzt - die Elektroden
des zweiten Koppelelementes die gleiche (Bogen-) Länge haben wie die Elektroden
eines der ersten Koppelelemente 7. Allerdings ist dann die Amplitude des übertragenen
Signals von der Winkelstellung abhängig, so daß sich bei der Drehung eine Amplitudenmodulation
ergibt. Diese Amplitudenmodulation ließe sich zwar vermeiden wenn die Länge der
Elektroden des zweiten Koppelelementes 8 wesentlich verkürzt würde, doch würde dann
der Wirkungsgrad der Signalübertragung wesentlich verringert und es ergäbe sich
stattdessen eine Phasenmodulation bei der Rotation des Ringes 3.
-
Die übertragbaren Frequenzen sind nach oben und nach unten begrenzt.
Die Begrenzung zu niedrigen Frequenzen hin wird durch das Tiefpaßglied bewirkt,
das sich aus dem Kondensator 7a (7b), 8 im Längszweig und dem Eingangswiderstand
des Differenzverstärkers 17, 19 im Querzweig ergibt. Zu hohen Frequenzen hin ergibt
sich eine Beschränkung dadurch, daß die Wellenlänge auf der durch die Elektroden
gebildeten offenen Leitung wesentlich größer sein muß als die Länge dieser Elektroden;
bei höheren Frequenzen ergibt sich eine starke Abhängigkeit der Phasenlage von der
Winkelstellung, und außerdem wirken die Elektroden als Antennen, die einen erheblichen
Anteil elektrischer Energie in ihrer Umgebung ausstrahlen, wenn ihre Länge etwa
einer halben oder einer viertel Wellenlänge entspricht.
-
Bisher wurde davon ausgegangen, daß zwischen einander gegenüberliegenden
Elektroden auf den beiden Ringen 1, 3 ein Luftspalt besteht. In diesem Fall sind
die erzielbaren Kapazitäten begrenzt bzw. es müssen enge Toleranzen eingehalten
werden, um einen genügend kleinen Luftspalt bzw.
-
eine genügend große Kapazität zu erzielen. Diese Anforderungen lassen
sich vermindern, wenn sich zwischen den genannten Elektroden ein Dielektrikum mit
genügend hoher relativer Dielektrizitätskonstante befindet. Dieses muß dann fest
mit einer der beiden Elektroden verbunden sein.
-
Beispielsweise kann die Elektrode 8 mit einer Teflonschicht beschichtet
werden, die außerdem noch hervorragende Gleiteigenschaften hat, und mittels Federkraft
gegen den Ring der Koppelelemente 7 gedrückt werden.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erstrecken sich die Elektroden
außer in Umfangsrichtung auch in Richtung parallel zur Rotationsachse und die Elektroden
des ersten und des zweiten Koppelelementes sind in radialer Richtung gegeneinander
versetzt. Statt dessen können die Elektroden sich aber auch in radialer Richtung
(und in Umfangsrichtung) erstrecken, d.h. in Ebenen liegen, die die Rotationsachse
schneiden. Die zusammenwirkenden Elektroden auf den beiden Ringen wären dann in
axialer Richtung gegeneinander versetzt. Schwankungen dieses Abstandes in axialer
Richtung beim Drehen des einen Ringes hätten dann unerwünschte Kapazitätsänderungen
zur Folge. Diese Kapazitätsänderungen könnten jedoch dadurch vermieden werden, daß
jede Elektrode des einen Koppelelementes in der Mitte (in Achsrichtung gesehen)
zwischen jeweils zwei leitend miteinander verbundenen Elektroden eines der Koppelelemente
7 angeordnet wäre. Der Abstand zur einen dieser Elektroden würde sich dabei in gleichem
Maße aber in entgegengesetztem Sinne ändern wie derjenige zur anderen Elektrode,
was dazu führen würde, daß die Kapazität im wesentlichen unverändert bliebe.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 war vorausgesetzt worden,
daß die Signale von dem rotierenden Ring 3 auf den feststehenden Ring 1 übertragen
werden sollen. Wenn statt dessen in entgegengesetzter Richtung übertragen werden
sollte (beispielsweise zur Übertragung von Steuersignalen), müßte eine Senderanordnung
mit dem feststehenden Ring und eine Empfängeranordnung mit dem rotierenden Ring
verbunden sein. Grundsätzlich könnte man dabei mit einem einzigen, an die Senderanordnung
angeschlossenen und mit dem Ring 1 verbundenen Koppelelement auskommen, das mit
den auf dem rotierenden Ring angeordneten, an die Empfängeranordnung anzuschließenden
Koppelelementen zusammenarbeiten würde. Dabei würde jedoch immer nur ein einziges
oder allenfalls zwei nebeneinanderliegende Koppelelemente Signale von der Senderanordnung
empfangen, während die anderen unerwünschte Störsignale aufnehmen könnten. Es wäre
in diesem Falle daher besser, auf dem Umfang des feststehenden Ringes 1 eine Vielzahl
von an den Sender angeschlossenen Koppelelementen und auf dem rotierenden Ring nur
ein Empfängerelement anzubringen.
-
Bisher wurde davon ausgegangen, daß Signale zwischen zwei rotierenden
Teilen, insbesondere Ringen, übertragen werden sollen. Die Erfindung ist jedoch
auch anwendbar, wenn ein erstes Teil geradlinig längs eines zweiten Teiles bewegt
wird und zwischen den beiden Teilen Signale übertragen werden sollen. In diesem
Fall müssen längs der Verschiebungsstrecke auf dem einen Teil erste Koppelelemente
und auf dem anderen Teil wenigstens ein weiteres Koppelelement angeordnet sein.
-
- Leerseite -