EP1307940A1 - Device for carrying out the non-contact rotational transmission of high-frequency signals - Google Patents

Device for carrying out the non-contact rotational transmission of high-frequency signals

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Publication number
EP1307940A1
EP1307940A1 EP01960134A EP01960134A EP1307940A1 EP 1307940 A1 EP1307940 A1 EP 1307940A1 EP 01960134 A EP01960134 A EP 01960134A EP 01960134 A EP01960134 A EP 01960134A EP 1307940 A1 EP1307940 A1 EP 1307940A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dielectric
coupling surfaces
coupling
components
transmission
Prior art date
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Granted
Application number
EP01960134A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP1307940B1 (en
Inventor
Georg Lohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schleifring und Apparatebau GmbH
Original Assignee
Schleifring und Apparatebau GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schleifring und Apparatebau GmbH filed Critical Schleifring und Apparatebau GmbH
Publication of EP1307940A1 publication Critical patent/EP1307940A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1307940B1 publication Critical patent/EP1307940B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/06—Movable joints, e.g. rotating joints
    • H01P1/062—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation
    • H01P1/066—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation with an unlimited angle of rotation
    • H01P1/067—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation with an unlimited angle of rotation the energy being transmitted in only one line located on the axis of rotation

Definitions

  • the object of the invention is therefore to provide a device according to the preamble of claim 1, which enables broadband transmission of electrical signals with little maintenance.
  • the device according to the invention consists of two components rotatably mounted relative to one another, each of these components having at least one coupling surface for capacitive signal coupling in and coupling out.
  • the coupling surfaces of the two components are arranged such that they run largely parallel to one another at a short distance of at most a few millimeters.
  • the optimal distance is of the order of 0.1 mm.
  • parallelism is to be understood as a course of the surfaces in such a way that they have the highest possible capacity for one another. That is to say, when the first coupling surface is broken down into infinitesimally small area pieces, there is an infinitesimally small area piece on the second coupling area, the area of which at least largely runs parallel to the first area piece.
  • this concept of parallelism does not encompass only parallel plates, but also concentric cylinders and other shapes, for example conical surfaces arranged one above the other.
  • a dielectric can be, for example, a solid material, a liquid or a gas.
  • the coupling surfaces are positively guided against each other. This forced guidance can take place, for example, through an additional bearing or also through the arrangement of the coupling surfaces or the dielectric itself.
  • the device according to the invention thus corresponds to a slide bearing which is used for the transmission of high-frequency signals.
  • a further embodiment according to the invention in the case of a circular dielectric consists in a device as is also known under the term air bearing.
  • a particularly small gap between the two parts which can be rotated in relation to one another and which is supplied by gas under pressure.
  • the two surfaces slide on the gas almost without friction.
  • the capacitive coupling is particularly good due to the relatively narrow gap and the associated high coupling capacity.
  • the rotatable components are combined in such a way that they represent a coaxial conductor system.
  • the dielectric also takes over the mechanical positive guidance in addition to the electrical coupling.
  • a dielectric is selected with correspondingly good sliding properties on the electrical coupling surfaces.
  • Devices that are not exclusively aligned axially or radially can absorb forces in several axes in addition to the transmission of electrical signals. This allows very compact devices with integrated storage to be achieved, since electrical and mechanical functions are combined in one element.
  • a plurality of coupling devices made of the coupling surfaces and dielectrics described are arranged coaxially to the axis of rotation. If several coupling devices are combined into one unit, coaxial conductor systems can be simulated, for example, or several signals can be transmitted simultaneously.
  • the dielectric has a material with good sliding properties, or it consists entirely of such a material.
  • a material is, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) such as Teflon or Fluon.
  • the dielectric is firmly connected to one of the contact areas.
  • the dielectric is assigned to a contact area.
  • mechanical seals are of particular interest, which are worked very precisely and are also suitable for the transmission of rotation.
  • the dielectric is impregnated with a small proportion of a lubricant to reduce the friction between the contact partners.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention consists in that the dielectric is galvanically applied as a thin layer on the surface of at least one of the contact partners.
  • the dielectric is thus arranged on the surface in a particularly stable and homogeneous manner.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in the dielectric being a thin ceramic layer which is applied to at least one of the surfaces of the contact partners. Ceramic materials have particularly good mechanical properties, especially high heat resistance.
  • a Particularly known embodiments of such rotatable units covered with ceramic or galvanic layers are referred to as mechanical seals, for example. Such mechanical seals are preferably used to seal rotary transmission systems for liquids. What is new in this invention is that these mechanical seals can also be used to transmit electrical signals. Due to the small distances between the two components that are rotatably mounted against each other, these mechanical seals have a particularly high coupling capacity and are therefore ideally suited for the transmission of high-frequency signals.
  • the dielectric consists of a thin layer of a liquid or a gas.
  • the high rigidity of thin layers of liquid or gas serves to maintain a minimum distance between the two components which are rotatably mounted relative to one another.
  • the coupling surfaces contain structures for the multi-channel signal transmission. In this way, for example, the transmission speed or the amount of data transmitted can be increased.
  • plain bearings are used for the transmission of high-frequency signals between two mutually rotatable units. Due to the relatively large areas of the storage areas running on each other, there is a high coupling capacity. This is additionally increased by a mostly existing dielectric, which is used as a friction-reducing intermediate layer or as a lubricant.
  • the materials usually used as a friction-reducing intermediate layer, such as Teflon, are also characterized by extremely low high-frequency losses.
  • Fig. 1 Device according to the invention in coaxial
  • Fig. 2 multi-channel device
  • Fig. 3 Device with dielectric perpendicular to
  • Fig. 10 technical implementation of a waveguide slewing ring
  • the first component (1) which is rotatably mounted with respect to the second component (2), has at least one first contact surface (3) which corresponds to a second contact surface (4) of the second component.
  • FIG. 1 shows an example of another device according to the invention, which is suitable for the simultaneous transmission of several signals.
  • the contact surfaces (11, 12, 13) and the corresponding contact surfaces (14, 15, 16) are located on the second rotating component on the first rotating component.
  • the contact areas are coupled by means of dielectric layers (17, 18, 19).
  • the dielectric is arranged perpendicular to the axis of rotation, for example.
  • the signal coupling takes place from the first rotatable surface (21) by means of the dielectric (23) to the second surface (22).
  • the dielectric (33) or the coupling surfaces (31, 32) are hemispherical. Any other execution forms, such as ellipsoids, are possible.
  • FIG. 1 shows a further embodiment of the invention for multi-channel transmission, in which a dielectric for coupling a channel parallel to the axis of rotation and a further dielectric for coupling the second channel is arranged perpendicular to the axis of rotation.
  • a dielectric for coupling a channel parallel to the axis of rotation and a further dielectric for coupling the second channel is arranged perpendicular to the axis of rotation.
  • a coupling surface (50) contains coaxial conductor structures (51, 52, 53), which are advantageously arranged on a circuit board.
  • FIG. 6 shows a waveguide arrangement consisting of the two rotatable components (61, 62) and the dielectric (63).
  • the first component (1) which is rotatably mounted with respect to the second component (2), has at least one first contact surface (3), which corresponds to a second contact surface (4) of the second component.
  • FIG. 7 shows the technical implementation of a coaxial rotary connection with an inner conductor (75) and an outer conductor (76).
  • the inner conductor is positioned in relation to the outer conductor by means of dielectric supports (74).
  • the first component (1) is rotatably supported relative to the second component (2) by means of the bearings (70) and their seals (71).
  • the rotary connection is contacted by means of the coaxial connector (73).
  • the first component (1) is rotatably supported relative to the second component (2) by means of the bearings (70) and their seals (71). There is a dielectric (5) between the two components.

Landscapes

  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

An array transmits a wide-band electric signal between at least two components disposed for rotation relative to each other. The components are provided with coupling surfaces that are maintained at a largely constant distance from each other via the rotary movement. The space between the coupling surfaces is predominantly filled with a dielectric material.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Vorrichtung zur kontaktlosen Drehübertragung hochfrequenter Signale '.Device for contactless rotation transmission of high-frequency signals ' .
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung insbesondere hochfrequenter Signale zwischen gegeneinander drehbaren Teilen.The invention relates to a device for transmitting, in particular, high-frequency signals between mutually rotatable parts.
Hierfür sind entsprechend dem Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Übertragungssysteme bekannt. Mechanisch kontaktierende Schleifringe zeigen von der Frequenz Null an bis in den 100-MHz-Bereich gutes Übertragungsverhalten, solange die äußeren Abmessungen klein gegenüber der zu übertragenden kleinsten Wellenlänge sind. Allerdings besitzen diese mechanischen Schleifkon- taktanordnungen gravierende Nachteile, wie ein sehr breitbandiges Kontaktrauschen oder auch hohen Wartungsbedarf und - gegenüber kontaktlosen Systemen - relativ niedrige Lebensdauer. Eine Übertragung von Signalen, deren Wellenlänge in der Größenordnung des Durchmessers des Drehübertragers liegt, ist mit dieser Technik nicht möglich.A large number of different transmission systems are known for this in accordance with the prior art. Mechanical contact slip rings show good transmission behavior from zero frequency to the 100 MHz range, as long as the external dimensions are small compared to the smallest wavelength to be transmitted. However, these mechanical sliding contact arrangements have serious disadvantages, such as a very broadband contact noise or high maintenance requirements and - compared to contactless systems - a relatively short service life. A transmission of signals, the wavelength of which is in the order of the diameter of the rotary transmitter, is not possible with this technique.
Zur Übertragung hochfrequenter Signale bis hin zu vielen GHz werden Drehübertrager in Form von Koaxialsystemen oder Hohlleitern eingesetzt. Nachteilig an den Koaxialsystemen ist, daß diese meist in Form eines koaxiale Steckers aufgebaut sind und daher mechanisch schleifende Kontakte benötigen, welche eine geringe Zuverlässigkeit und niedrige Lebensdauer besitzen. Die Hohlleitersysteme verwenden zu Überbrückung des Drehspalts, der Grenzlinie zwischen den beiden gegeneinander drehbaren Teilen, einen λ/4 Transformator, welcher naturgemäß eine begrenzte Bandbreite besitzt. Damit lässt sich ein solcher auf Hohlleitern basierende Drehübertrager nur mit einer relativ begrenzten Bandbreite realisieren. Ein weiterer Nachteil ist der zusätzliche mechanische Aufwand sowie der Platzbedarf der λ/4- Transformatoren.Rotary transformers in the form of coaxial systems or waveguides are used to transmit high-frequency signals up to many GHz. A disadvantage of the coaxial systems is that they are usually constructed in the form of a coaxial connector and therefore require mechanically sliding contacts which have a low reliability and a short service life. The waveguide systems use a λ / 4 transformer, which naturally has a limited bandwidth, to bridge the rotary gap, the boundary line between the two parts that can be rotated against each other. This means that such a rotary transducer based on waveguides can only be realized with a relatively limited bandwidth. Another disadvantage is the additional mechanical effort and the space requirement of the λ / 4 transformers.
Eine wesentliche Verbesserung der Zuverlässigkeit und derA significant improvement in reliability and
Bandbreite lässt sich durch den Einsatz von aktiven, kontaktlosen DrehübertragungsSystemen erreichen. Ein solches aktives, kontaktloses Drehübertragungssystem ist in der Deutschen Patentanmeldung D 44 12958.0 zur kapazitiven Drehübertragung mit Streifenleitungstechnik beschrieben. Hier wird ein Signal mittels eines Verstärkers in eine Streifenleitung eingekoppelt. Die Signalauskoppelung erfolgt mittels einer kapazitiven Sonde und eines weiteren Verstärkers. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist die relativ kleine und auf Grund mechanischer Toleranzen während der Bewegung stark schwankende Koppelkapazität zwischen der Streifenleitung und dem Auskoppelelement . Daher werden zur Impedanzanpassung bzw. -Verstärkung die beschriebenen Verstärker benötigt. Derartige Vorrichtungen sind primär für die Übertragung digitaler Signale konzipiert, da hier Amplitudenschwankungen, welche durch einen stark schwankenden Koppelfaktor der Übertragungseinrichtung hervorgerufen werden, keine Rolle spielen. Somit sind derartige aktive, kontaktlosen Übertragungs- Systeme zur Übertragung analoger Signale, insbesondere wenn hohe Anforderungen an die Dynamik gestellt werden, kaum geeignet .Bandwidth can be achieved through the use of active, contactless rotary transmission systems. Such an active, contactless rotary transmission system is described in German patent application D 44 12958.0 for capacitive rotary transmission using stripline technology. Here, a signal is coupled into a strip line using an amplifier. The signal is decoupled by means of a capacitive probe and another amplifier. The disadvantage of this device is the relatively small coupling capacity between the strip line and the coupling-out element, which fluctuates greatly during the movement due to mechanical tolerances. The amplifiers described are therefore required for impedance matching or amplification. Such devices are primarily designed for the transmission of digital signals, since amplitude fluctuations, which are caused by a strongly fluctuating coupling factor of the transmission device, play no role here. Such active, contactless transmission Systems for the transmission of analog signals, especially when high demands are placed on dynamics, are hardly suitable.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche eine breitbandige Übertragung elektrischer Signale bei geringem Wartungsaufwand ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a device according to the preamble of claim 1, which enables broadband transmission of electrical signals with little maintenance.
Die Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the means specified in claim 1. Advantageous further developments are the subject of the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus zwei gegeneinander drehbar gelagerten Komponenten, wobei jede dieser Komponenten mindestens eine Koppelfläche zur kapazitiven Signalein- bzw. auskoppelung besitzt. Die Koppelflächen der beiden Komponenten sind so angeordnet, daß sie in einem geringen Abstand von höchstens einigen Millimetern weitgehend parallel zueinander verlaufen. Der optimale Abstand liegt erfahrungsgemäß in einer Größenordnung von 0.1 mm. Unter Parallelität ist hier ein Verlauf der Flächen dahingehend zu verstehen, daß diese eine möglichst hohe Kapazität zueinander besitzen. Das heißt bei einer Zerlegung in der ersten Koppelfläche in infinitesimal kleine Flächenstücke gibt es auf der zweiten Koppelfläche ein jeweils damit korrespondierendes infinitesimal kleines Flächenstück, dessen Fläche zumindest weitgehend parallel zum ersten Flächenstück verläuft. Somit umfaßt diese Begriff der Parallelität nicht nur parallele Platten, sondern auch konzentrische Zylinder sowie andere Formen, beispielsweise übereinander angeordnete kegelige Flächen. Weiterhin wird zur Erhöhung der Koppelkapazität und damit zur Verringerung der Koppelimpedanz der Raum zwischen den Koppelflächen weitest- gehend mit einem Dielektrikum gefüllt. Ein solches Dielektrikum kann beispielsweise ein festes Material, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Um eine weitestgehend positionsunabhängige Verkoppelung zu erreichen, werden die Koppelflächen gegeneinander zwangsgeführt. Diese Zwangsführung kann beispielsweise durch ein zusätzliches Lager oder auch durch die Anordnung der Koppelflächen bzw. des Dielektrikums selbst erfolgen. Somit entspricht die erfindungsgemäße Vorrichtung einem Gleitlager, welches zur Übertragung hochfrequenter Signale verwendet wird.The device according to the invention consists of two components rotatably mounted relative to one another, each of these components having at least one coupling surface for capacitive signal coupling in and coupling out. The coupling surfaces of the two components are arranged such that they run largely parallel to one another at a short distance of at most a few millimeters. Experience has shown that the optimal distance is of the order of 0.1 mm. Here, parallelism is to be understood as a course of the surfaces in such a way that they have the highest possible capacity for one another. That is to say, when the first coupling surface is broken down into infinitesimally small area pieces, there is an infinitesimally small area piece on the second coupling area, the area of which at least largely runs parallel to the first area piece. Hence this concept of parallelism does not encompass only parallel plates, but also concentric cylinders and other shapes, for example conical surfaces arranged one above the other. Furthermore, to increase the coupling capacitance and thus to reduce the coupling impedance, the space between the coupling surfaces is largely filled with a dielectric. Such a dielectric can be, for example, a solid material, a liquid or a gas. In order to achieve a largely position-independent coupling, the coupling surfaces are positively guided against each other. This forced guidance can take place, for example, through an additional bearing or also through the arrangement of the coupling surfaces or the dielectric itself. The device according to the invention thus corresponds to a slide bearing which is used for the transmission of high-frequency signals.
Eine weitere er indungsgemäße Ausführungsfor im Falle eines kreisförmigen Dielektrikums besteht in einer Vorrichtung, wie sie auch unter dem Begriff Luftlager bekannt ist. Hier besteht zwischen den beiden gegeneinander drehbaren Teilen ein besonders kleiner Spalt, welcher durch unter Druck stehendes Gas versorgt wird. Die beiden Flächen gleiten auf dem Gas fast Reibungsfrei. Bei dieser Vorrichtung ist die kapazitive Kopplung aufgrund des relativ schmalen Spaltes und der damit verbundenen hohen Kopplungskapazität besonders gut.A further embodiment according to the invention in the case of a circular dielectric consists in a device as is also known under the term air bearing. Here there is a particularly small gap between the two parts which can be rotated in relation to one another and which is supplied by gas under pressure. The two surfaces slide on the gas almost without friction. In this device, the capacitive coupling is particularly good due to the relatively narrow gap and the associated high coupling capacity.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform im Falle von Flüssigkeiten als Dielektrikum besteht darin, daß zwi- sehen den drehenden Komponenten ein kleiner Spalt vorgesehen ist welcher mit Flüssigkeit vorzugsweise aber Öl gefüllt ist. Damit ergibt sich eine sehr reibungsarme Ausgestaltung, welche auch gute Lagereigenschaften besitzt, sowie gleichzeitig durch das Öl eine sehr gute Verkoppelung bietet.A further advantageous embodiment in the case of liquids as a dielectric consists in that see the rotating components a small gap is provided which is preferably filled with liquid but oil. This results in a very low-friction design, which also has good storage properties and at the same time offers very good coupling due to the oil.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die drehbaren Komponenten derart zusammengefügt, dass sie einen Rundhohlleiter darstellen. In einem solchen Falle kann auch zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften ein vorhandener λ/4 Transformator durch den Einsatz von Dielektrikum verkleinert werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the rotatable components are assembled in such a way that they represent a circular waveguide. In such a case, an existing λ / 4 transformer can also be reduced by using dielectric to improve the transmission properties.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die drehbaren Komponenten derart zusam enge- fasst, dass sie ein koaxiales Leitersystem darstellen.In a further advantageous embodiment of the invention, the rotatable components are combined in such a way that they represent a coaxial conductor system.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übernimmt das Dielektrikum neben der elektrischen Verkoppelung auch die mechanische Zwangsführung. Dazu wird ein Dielektrikum mit entsprechend guten Gleiteigenschaften auf den elektrischen Koppelflächen gewählt.In a further advantageous embodiment of the invention, the dielectric also takes over the mechanical positive guidance in addition to the electrical coupling. For this purpose, a dielectric is selected with correspondingly good sliding properties on the electrical coupling surfaces.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Koppelflächen rotationssymmetrisch zur Drehachse der Vorrichtung angebracht. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau. Insbesondere können hier handelsübliche Komponenten für Gleitlager verwendet werden. In weiteren Ausgestaltungen werden die Koppelflächen radial bzw. axial angeordnet. Damit kann das Übertragungssystem an die jeweiligen Systemanforderungen ange- passt werden. Dies gilt auch für eine axiale Vorrichtung, bei der z.B. Kreisflächen oder Kreisringflächen einander gegenüber angeordnet werden können. Ebenso sind kegelförmige oder auch kreissegment- bzw. halbkugelförmige Vorrichtungen möglich.In a further advantageous embodiment of the invention, the coupling surfaces are rotationally symmetrical to the axis of rotation of the device. This enables a particularly simple construction. In particular, commercially available components for plain bearings can be used here. In further refinements, the coupling surfaces are arranged radially or axially. The transmission system can thus be adapted to the respective system requirements. This also applies to an axial device in which, for example, circular surfaces or circular ring surfaces can be arranged opposite one another. Conical or circular segment or hemispherical devices are also possible.
Vorrichtungen die nicht ausschließlich axial oder radial ausgerichtet sind können neben der Übertragung elektrischer Signale auch Kräfte in mehreren Achsen aufnehmen. Hierdurch lassen sich sehr kompakte Vorrichtungen mit integrierter Lagerung erreichen, da elektrische und mechanische Funktionen in einem Element kombiniert werden.Devices that are not exclusively aligned axially or radially can absorb forces in several axes in addition to the transmission of electrical signals. This allows very compact devices with integrated storage to be achieved, since electrical and mechanical functions are combined in one element.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Koppeleinrichtungen aus den beschriebenen Koppelflächen und Dielektrika koaxial zur Drehachse angeordnet. Werden mehrere Koppeleinrichtungen zu einer Einheit zusammenge- fasst, können beispielsweise koaxiale Leitersysteme nachgebildet oder auch mehrere Signale gleichzeitig übertragen werden.In another embodiment of the invention, a plurality of coupling devices made of the coupling surfaces and dielectrics described are arranged coaxially to the axis of rotation. If several coupling devices are combined into one unit, coaxial conductor systems can be simulated, for example, or several signals can be transmitted simultaneously.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Dielektrikum ein Material mit guten Gleiteigenschaften auf, oder es besteht vollständig aus einem solchen Material. Damit werden vorteilhaft Abrieb und Wärmeent- wicklung reduziert bzw. verhindert. Ein solches Material ist z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) wie Teflon oder Fluon.According to a particularly advantageous embodiment, the dielectric has a material with good sliding properties, or it consists entirely of such a material. In this way, abrasion and heat dissipation are advantageously winding reduced or prevented. Such a material is, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) such as Teflon or Fluon.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dielektrikum fest mit einer der Kontaktflächen verbunden. Dadurch wird das Dielektrikum einer Kontaktfläche zugeordnet. Bei Flüssigkeiten als Dielektrika sind inbesondere Gleitringdichtungen von Interesse, die sehr genau gearbeitet sind und auch zur Drehübertragung geeignet sind.In a further advantageous embodiment of the invention, the dielectric is firmly connected to one of the contact areas. As a result, the dielectric is assigned to a contact area. In the case of liquids as dielectrics, mechanical seals are of particular interest, which are worked very precisely and are also suitable for the transmission of rotation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dielektrikum mit einem geringen Anteil eines Schmiermittels zur Verringerung der Reibung zwischen den Kontaktpartnern imprägniert.In a further advantageous embodiment, the dielectric is impregnated with a small proportion of a lubricant to reduce the friction between the contact partners.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Dielektrikum als dünne Schicht galvanisch auf der Oberfläche mindestens eines der Kontaktpartner aufgebracht ist. Damit ist das Dielektrikum in besonders stabiler und homogener Weise auf der Oberfä- che angeordnet.A particularly advantageous embodiment of the invention consists in that the dielectric is galvanically applied as a thin layer on the surface of at least one of the contact partners. The dielectric is thus arranged on the surface in a particularly stable and homogeneous manner.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Dielektrikum eine dünne keramische Schicht ist, welche auf zumindest einer der Oberflächen der Kontaktpartner aufgebracht ist. Keramische Materialien weisen besonders gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Hitzebeständigkeit auf. Eine besonders bekannte Ausführungsform solcher, mit keramischen oder auch galvanischen Schichten überzogener drehbarer Einheiten werden beispielsweise als Gleitringdichtungen bezeichnet. Derartige Gleitringdichtungen werden vorzugsweise zur Abdichtung von Drehübertragungssystemen für Flüssigkeiten eingesetzt. Neu ist in dieser Erfindung daß diese Gleitringdichtungen auch zur Übertragung elektrischer Signale verwendet werden können. Durch die geringe Abstände zwischen den beiden gegeneinander drehbar gelagerten Komponenten besitzen diese Gleitringdichtungen eine besonders hohe Koppelkapazität und sind damit hervorragend zur Übertragung hochfrequente Signale geeignet.A further advantageous embodiment of the invention consists in the dielectric being a thin ceramic layer which is applied to at least one of the surfaces of the contact partners. Ceramic materials have particularly good mechanical properties, especially high heat resistance. A Particularly known embodiments of such rotatable units covered with ceramic or galvanic layers are referred to as mechanical seals, for example. Such mechanical seals are preferably used to seal rotary transmission systems for liquids. What is new in this invention is that these mechanical seals can also be used to transmit electrical signals. Due to the small distances between the two components that are rotatably mounted against each other, these mechanical seals have a particularly high coupling capacity and are therefore ideally suited for the transmission of high-frequency signals.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Dielektrikum aus einer dünnen Schicht einer Flüssigkeit oder eines Gases. Dabei dient die hohe Steifigkeit dünner Flüssigkeits- bzw. Gasschichten zur Aufrechterhaltung eines minimalen Abstandes zwischen den beiden gegeneinander drehbar gelagerten Komponenten.In a further advantageous embodiment of the invention, the dielectric consists of a thin layer of a liquid or a gas. The high rigidity of thin layers of liquid or gas serves to maintain a minimum distance between the two components which are rotatably mounted relative to one another.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Koppelflächen Strukturen zur iuehrkanaligen Signalübertragung. Dadurch können beispielsweise die Übertragungsgeschwindigkeit bzw. die übertragene Datenmenge gesteigert werden.In a further embodiment of the invention, the coupling surfaces contain structures for the multi-channel signal transmission. In this way, for example, the transmission speed or the amount of data transmitted can be increased.
Die Bereitstellung von Koppelflächen mit Strukturen zur mehrkanaligen Signalübertragung kann beispielsweise mittels Leiterplatten, welche koaxiale Strukturen enthal- ten, erfolgen. Damit ist ein relativ einfacher Aufbau möglich.The provision of coupling surfaces with structures for multichannel signal transmission can be done, for example, by means of printed circuit boards which contain coaxial structures. ten. This allows a relatively simple structure.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden Gleitlager zu Übertragung hochfrequenter Signale zwischen zwei gegeneinander drehbaren Einheiten eingesetzt. Aufgrund der relativ großen Flächen der aufeinander laufenden Lagerflächen ergibt sich eine hohe Koppelkapazität. Diese wird durch ein meist vorhandenes Dieelektrikum, welches als reibungsvermindernde Zwischenschicht bzw. als Schmiermittel eingesetzt wird, zusätzlich erhöht. Die üblicherweise als Reibungsvermindernde Zwischenschicht eingesetzten Materialien wie beispielsweise Teflon zeichnen sich zudem durch äußerst geringe hochfrequente Verluste aus.In a method according to the invention, plain bearings are used for the transmission of high-frequency signals between two mutually rotatable units. Due to the relatively large areas of the storage areas running on each other, there is a high coupling capacity. This is additionally increased by a mostly existing dielectric, which is used as a friction-reducing intermediate layer or as a lubricant. The materials usually used as a friction-reducing intermediate layer, such as Teflon, are also characterized by extremely low high-frequency losses.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing, to which reference is expressly made with regard to the disclosure of all details according to the invention not explained in more detail in the text. Show it:
Fig. 1: erfindungsgemäße Vorrichtung in koaxialerFig. 1: Device according to the invention in coaxial
Bauweise; Fig. 2: mehrkanalige Vorrichtung; Fig. 3: Vorrichtung mit Dielektrikum senkrecht zurconstruction; Fig. 2: multi-channel device; Fig. 3: Device with dielectric perpendicular to
Drehachse; Fig. 4: Vorrichtung mit halbkugelförmigem Dielektrikum; Fig. 5: mehrkanalige Vorrichtung; Fig. 6: Vorrichtung mit koaxialen Leiterstrukturen; Fig. 7: prinzipieller Aufbau einer Hohlleiteranordnung. Fig. 8: Details einer koaxialen Drehverbindung. Fig. 9: technische Realisierung einer koaxialen Drehverbindung.Axis of rotation; 4: device with hemispherical dielectric; 5: multi-channel device; 6: device with coaxial conductor structures; Fig. 7: basic structure of a waveguide arrangement. Fig. 8: Details of a coaxial slewing ring. Fig. 9: technical implementation of a coaxial rotary connection.
Fig. 10: technische Realisierung einer HohlleiterdrehverbindungFig. 10: technical implementation of a waveguide slewing ring
Figur 1Figure 1
zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in koaxialer Bauweise. Dabei besitzt die erste Komponente (1) , welche gegenüber der zweiten Komponente (2) drehbar gelagert ist, mindestens eine erste Kontaktfläche (3) , welche mit einer zweiten Kontaktfläche (4) der zweiten Komponente korrespondiert. Zwischen den beiden Komponenten befindet sich ein Dielektrikum (5) .shows an exemplary embodiment of a device according to the invention in a coaxial design. The first component (1), which is rotatably mounted with respect to the second component (2), has at least one first contact surface (3) which corresponds to a second contact surface (4) of the second component. There is a dielectric (5) between the two components.
Figur 2Figure 2
zeigt beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, welche zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Signale geeignet ist. Dabei befinden sich auf der ersten drehenden Komponente die Kontaktflächen (11, 12, 13) sowie die damit korrespondierenden Kontaktflächen (14, 15, 16) auf der zweiten drehenden Komponente. Die Verkoppelung der Kontaktflächen erfolgt mittels dielektrischer Schichten (17, 18, 19). Figur 3shows an example of another device according to the invention, which is suitable for the simultaneous transmission of several signals. The contact surfaces (11, 12, 13) and the corresponding contact surfaces (14, 15, 16) are located on the second rotating component on the first rotating component. The contact areas are coupled by means of dielectric layers (17, 18, 19). Figure 3
zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung, in der beispielhaft das Dielektrikum senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Hier erfolgt die Signalkopplung von der ersten drehbaren Fläche (21) mittels des Dielektrikums (23) zur zweiten Fläche (22) .shows a further exemplary embodiment of the invention, in which the dielectric is arranged perpendicular to the axis of rotation, for example. Here the signal coupling takes place from the first rotatable surface (21) by means of the dielectric (23) to the second surface (22).
Figur 4Figure 4
zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung, in der beispielhaft das Dielektrikum (33) bzw. die Koppelflächen (31, 32) halbkugelförmig ausgeführt sind. Hierbei sind beliebige andere Ausführungs ormen, wie Ellipsoide, möglich.shows a further exemplary embodiment of the invention, in which the dielectric (33) or the coupling surfaces (31, 32) are hemispherical. Any other execution forms, such as ellipsoids, are possible.
Figur 5Figure 5
zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zur mehr- kanaligen Übertragung, in der ein Dielektrikum zur Verkoppelung eines Kanals parallel zur Drehachse und ein weiteres Dielektrikum zur Verkoppelung des zweiten Kanals senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Dies entspricht einer Kombination aus Fig. 1) und Fig. 3) . Dabei sind dieselben Bezugszeichen denselben Elementen zugeordnet. Figur 6shows a further embodiment of the invention for multi-channel transmission, in which a dielectric for coupling a channel parallel to the axis of rotation and a further dielectric for coupling the second channel is arranged perpendicular to the axis of rotation. This corresponds to a combination of Fig. 1) and Fig. 3). The same reference numerals are assigned to the same elements. Figure 6
zeigt eine Vorrichtung, bei der eine Koppelfläche (50) koaxiale Leiterstrukturen (51, 52, 53) enthält, welche vorteilhafterweise auf einer Leiterplatte angeordnet sind.shows a device in which a coupling surface (50) contains coaxial conductor structures (51, 52, 53), which are advantageously arranged on a circuit board.
Figur 7Figure 7
zeigt eine Hohlleiteranordnung, bestehend aus den beiden drehbaren Komponenten (61, 62) und dem Dielektrikum (63).shows a waveguide arrangement consisting of the two rotatable components (61, 62) and the dielectric (63).
Figur 8Figure 8
zeigt Details einer koaxialen Drehverbindung. Dabei besitzt die erste Komponente (1) , welche gegenüber der zweiten Komponente (2) drehbar gelagert ist, mindestens eine erste Kontaktfläche (3) , welche mit einer zweiten Kontaktfläche (4) der zweiten Komponente korrespondiert. Zwischen den beiden Komponenten befindet sich ein Dielektrikum (5) zur niederohmigen Verkoppelung der beiden Komponenten. shows details of a coaxial slewing ring. The first component (1), which is rotatably mounted with respect to the second component (2), has at least one first contact surface (3), which corresponds to a second contact surface (4) of the second component. There is a dielectric (5) between the two components for low-resistance coupling of the two components.
Figur 9Figure 9
zeigt die technische Realisierung einer koaxialen Drehverbindung mit einem Innenleiter (75) und einem Außenleiter (76) . Die Positionierung des Innenleiters in Bezug auf den Außenleiter erfolgt mittels dielektrischer Stützen (74). Die erste Komponente (1), ist gegenüber der zweiten Komponente (2) mittels der Lager (70) und deren Abdichtung (71) drehbar gelagert. Zwischen den beiden Komponenten befindet sich ein Dielektrikum (5) . Die Kontaktierung der Drehverbindung erfolgt mittels der Koaxialstecker (73) .shows the technical implementation of a coaxial rotary connection with an inner conductor (75) and an outer conductor (76). The inner conductor is positioned in relation to the outer conductor by means of dielectric supports (74). The first component (1) is rotatably supported relative to the second component (2) by means of the bearings (70) and their seals (71). There is a dielectric (5) between the two components. The rotary connection is contacted by means of the coaxial connector (73).
Figur 10Figure 10
zeigt die technische Realisierung einer Hohlleiterdrehverbindung. Die erste Komponente (1) , ist gegenüber der zweiten Komponente (2) mittels der Lager (70) und deren Abdichtung (71) drehbar gelagert. Zwischen den beiden Komponenten befindet sich ein Dielektrikum (5) . shows the technical implementation of a waveguide slewing ring. The first component (1) is rotatably supported relative to the second component (2) by means of the bearings (70) and their seals (71). There is a dielectric (5) between the two components.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur breitbandigen elektrischen Signalübertragung zwischen mindestens zwei gegeneinander drehbar angeordneten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Koppelflächen besitzen, welche über die Drehbewegung in einem weitgehend konstanten Abstand zueinander gehalten werden und der Raum zwischen den Koppelflächen überwiegend mit einem Dielektrikum gefüllt ist.1. Device for broadband electrical signal transmission between at least two components rotatably arranged relative to one another, characterized in that the components have coupling surfaces which are kept at a largely constant distance from one another via the rotary movement and the space between the coupling surfaces is predominantly filled with a dielectric.
2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Koppelflächen besitzen, welche durch einen Gasfilm auf sehr kleinem Abstand gehalten werden.2. Device according to the preamble of claim 1, characterized in that the components have coupling surfaces which are kept at a very small distance by a gas film.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Koppelflächen besitzen, welche durch einen Flüssigkeitsfilm insbesondere aber einen Ölfilm auf sehr kleinen Abstand gehalten werden. 3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the components have coupling surfaces which are kept at a very small distance by a liquid film, in particular an oil film.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Rundhohlleiter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen ausgebildet ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device is designed as a circular waveguide for the transmission of electromagnetic waves.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als koaxiales Leitungssystem zur Übertragung elektromagnetischer Wellen ausgestattet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the device is equipped as a coaxial line system for transmitting electromagnetic waves.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum derart gestaltet ist, dass es neben der elektrischen Verkoppelung auch gleichzeitig als mechanische Zwangsführung der gegeneinander drehbar gelagerten Koppelflächen dient.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the dielectric is designed in such a way that, in addition to the electrical coupling, it also simultaneously serves as mechanical positive guidance of the coupling surfaces which are rotatably mounted relative to one another.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen rotationssymmetrisch zur Drehachse der Vorrichtung angebracht sind.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the coupling surfaces are rotationally symmetrical to the axis of rotation of the device.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen radial zur Drehachse angeordnet sind.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coupling surfaces are arranged radially to the axis of rotation.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen axial zur Drehachse angeordnet sind. 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coupling surfaces are arranged axially to the axis of rotation.
10.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen sich in radiale bzw. axiale Richtungen bzw. Kombinationen davon erstrecken.10.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the coupling surfaces extend in radial or axial directions or combinations thereof.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aus Koppelflächen und Dielektrikum bestehende Übertragungssysteme zu einer Einheit zusammengefasst sind.11.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of transmission systems consisting of coupling surfaces and dielectric are combined to form one unit.
12 -Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11; dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein Material mit guten Gleiteigenschaften ist.12 device according to one of claims 1 to 11; characterized in that the dielectric is a material with good sliding properties.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum fest mit einer der Kontaktflächen verbunden ist.13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the dielectric is firmly connected to one of the contact surfaces.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum mit einem geringen Anteil eines Schmiermittels zur Verringerung der mechanischen Reibung imprägniert ist. 14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the dielectric is impregnated with a small proportion of a lubricant to reduce the mechanical friction.
15.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer dünnen, auf der Oberfläche zumindest eines der Kontaktpartner galvanisch aufgebrachten, Schicht besteht,15.Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the dielectric consists of a thin layer which is electroplated on the surface of at least one of the contact partners,
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer dünnen, auf der Oberfläche zumindest eines der Kontaktpartner aufgebrachten, keramischen Schicht besteht.16. Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the dielectric consists of a thin, ceramic layer applied to the surface of at least one of the contact partners.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen Strukturen zur mehrkanaligen Signalübertragung enthalten.17. Device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the coupling surfaces contain structures for multi-channel signal transmission.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen als Leiterplatten mit koaxialen Leiterstrukturen ausgeführt sind.18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the coupling surfaces are designed as printed circuit boards with coaxial conductor structures.
19. Verfahren zur Übertragung hochfrequenter Signale zwischen gegeneinander drehbaren Teilen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gleitlager zur kapazitiven Verkopplung der gegeneinander drehbaren Teile eingesetzt wird. 19. A method for transmitting high-frequency signals between mutually rotatable parts, characterized in that at least one plain bearing is used for capacitive coupling of the mutually rotatable parts.
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