JP2015142253A - 電光変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】回転装置の回転側と静止側間の通信は、低速はスリップリング高速は光通信方式回線器との補完態勢になって来た。しかし、現状ではスリップリングと光通信回線器との併用に耐える補完性の高い光通信回線器がないので、これを簡素な形態で実現すること。【解決手段】本発明による電光変換器は、回転側から静止側或いは静止側から回転側への一方向の回線器化することによって補完態勢への適用性を高める。そして、電光変換器を、電光変換機能を持つ電子基板と軸受とを一体化した構造とすると共に、一部の電光変換基板が取付筒体の外部に移動設置が可能な構造とすることによって、スリップリングと接続性のよい外形形態とする。これらの構造は、発光素子の出力光を光ファイバによって「光路の曲線化」を行って実現する。これにより簡素な構造の電光変換器の構成が可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、データの送受信を非接触で行う赤外線通信に関する。詳しくは回転部位において回転側と静止側の間で空間光路を構成して行う光通信に関する技術分野である。

回転側と静止側との間の通信は、例えば、回転側に設置されたビデオカメラの画像信号を含む多くの出力信号を静止側に送信する要求に対しては、スリップリングと呼ばれる接触式の回線器材が中心である。しかし、近時のハイビジョン画像のような高速の画像信号に対しては、スリップリングでは画像信号の安定伝送が難しくなってきている。そこで、光通信信号を発出する光源と受光要素との間に空間光路を構成しデータの送受信を行う回線方式も現れてきている。

特開２０１０−４５２０６公報

回転装置の回転側と静止側間の通信は、従来はスリップリングにより実施されてきたが、回線信号の高速化に伴いスリップリングでは困難になってきており、低速はスリップリング、高速は光通信方式回線器、との補完態勢になって来ている。しかし、現状ではスリップリングとの併用に耐える補完性の高い光通信回線器がない。従って、課題はこれの簡素な形態での実現、といえる。
これは、また、前記したビデオカメラのように、スリップリングでは回線が困難な高速信号が画像信号のみである場合には、双方向の多チャンネル光通信回線器は性能過剰になることになる。すると、また、その過剰性から引き起こされる、回線器の大型化他の課題が生じることになる。
また、筐体形状の前記光通信方式回線器はその内部に軸受を有するので、回転装置の回転部位にある軸受と筐体内蔵軸受とが重複することになる。これも過剰性能と言える。

本発明はこのような課題に対して成されたもので、回転側から静止側或いは静止側から回転側へと、一方向に送出される高速信号のみの回線を可能とする細径/短寸で、複数台のビデオカメラにも応えられる回線器材の実現を目的としている。

上記課題を解決するため本発明が提案する手段を以下に述べる。
前記した課題を解決するため、本発明の請求項１は、静止側の筒状体と回転側の筒状体とを、同一の軸を中心として相対回転可能に軸受を用いて構成し、前記回転側の筒状体の内部に、電光変換機能を持つ複数の電子基板を前記軸に直交するように層状に取り付け、かつ、それらの内の最下部（最内部）の電子基板の板面上に光源を配置するとともに、前記静止側の筒状体の内部に、受光要素を前記光源と対向するように配置し、前記光源と前記受光要素との間で、空間光路を前記回転軸に略平行に構成して回転側から静止側に向かう一方向の回線を行うことを特徴としている。
これにより、例えば、軸受内輪に装着した筒状体に、電光変換機能（電気信号⇒光信号）を持つ電子基板を層状、或いは段階状に取り付け、最下部（最内部）の電子基板から空間伝送光として出力することによって、一方向通信系を構成することが可能になる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項２は、前記軸受を、前記筒状体を装着した転がり軸受或いはすべり軸受とし、前記筒状体内部の電子基板面に略垂直方向に前記発光素子から出力された光源光を、一旦光ファイバ内に結合した後、前記最下部の電子基板の板面上から、或いは直接、空間伝送光源光として出力することを特徴としている。
これにより、例えば、本電光変換器は、その筒状体内部は電子基板の層状構造であり、また、その外形は軸受形態となるので、ユーザは回転装置の回転部位にそのまま適用することが可能になる。この結果、回転部位の二重軸受構造が回避でき、回転部位の小型化が可能になる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項３は、前記電子基板の内の少なくとも一つが、圧縮なしでHD−SDI信号の光出力が可能なVCSEL型発光素子、LVDS方式の発光素子駆動制御回路及び外部信号処理回路を一体状態に搭載して、ｎ個（ｎ≧１の整数）の光源光を出力する機能を持ち、光源光の出力位置は各光源毎に異なり、光源光或いは光ファイバを通過させるための小孔を有する、と共に光源光の直接出力或いは光源光の光ファイバへの光結合を同一基板において実施できるものであることを特徴としている。
これにより、例えば、回線対象の電気回線信号に対応した光回線信号を得るための電光変換器を小型の電子基板形態で得ることができる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項４は、前記電子基板のうちの一部が前記筒状体の内部に設置され、一部が筒状体の外部に設置されており、筒状体外部の電子基板から出力される光源光は、前記最下部の電子基板面まで光ファイバで導光されることを特徴としている。
これにより、例えば、回転装置の回転部位に電光変換用の電子基板を集中配置する必要がなくなり、回転部位構造が簡素化されると共に、本電光変換用の電子基板を回転装置内の余裕のあるスペースに設置することによって、回転装置全体構造改善に寄与することになる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項５は、前記軸受の静止側に装着した筒状体の内部に、電光変換機能を持つ少なくとも一つ以上の電子基板を、前記軸受の回転軸に略直交するように層状に取り付け、それらの電子基板の内の最上部の電子基板の板面上に配置される光源と、光源に対向するように回転側に配置した受光要素との間で、空間光路を前記回転軸に略平行に構成して静止側から回転側に向かう一方向の回線を行うことを特徴としている。
これにより、例えば、回転側から静止側に向かう一方向回線系と静止側から回転側に向かう一方向回線系との双方を構成する、電子基板形態で軸受に取り付けられた構造の電光変換器を得ることができる。

軸受に取り付けられた形態の電光変換器の効果について述べる。
１．多チャンネルで一方向通信性
多チャンネルで、圧縮のないHD−SDI（High Definition - Serial Digital Interface）信号相当の高速信号を、回転部位に本軸受を組込むという適用法によって、一方向の回線系が構成できる。
２．適用形態の多様化
筒状体内部の電光変換器が電子基板形状であるので、ユーザは回転装置の回転部位以外の位置に、電光変換器を移動設置することが可能になる。その結果、回転装置に搭載される、ビデオカメラ等の電子機器の近傍に本電光変換器を設置する適用法が可能になる。
３．回転装置の小型化
軸受形状の電光変換器であるので、ユーザは回転装置の回転部位の軸受と本電光変換器の軸受との共用構造にできるので、二重軸受構造を回避することが可能となる。その結果、回転装置の回転部位構造の小型化が可能になり、回転装置全体の小型化に繋がる。
４．光電変換器構造の選択肢の増加
双方向の回線器は、回転側の電光変換器（光源）と静止側の光電変換器（受光機能部）、との組み合わせ構造が固定されているが、本電光変換器を適用すれば、静止側（或いは回転側）の光電変換器の構造には制約がないので、選択肢が大きくなり、最適な回線系の構成が可能となる。

軸受形態の電光変換器の全体構造図（回転側から静止側へ） 電子基板構成と光ファイバとの関係構造を示す図 一部の電子基板を内筒外に設置した図 軸受形態の電光変換器の全体構造図（静止側から回転側へ）

本軸受形態の電光変換器を実施するための最良の形態について説明する。
本電光変換器（１０）は、回線対象である回線信号（７）に対応して出力される、回転体（１）上の光源（１１）を回転側と静止側の間の対向空間を介して、静止体（２）上の受光器（３１）に光伝送し通信系を構成することによって、回転側から静止側への一方向の回線を行う回線器材である。
一方、これとは逆に、静止側から回転側に向かう一方向の回線を行う形態の電光変換器（１０）とすることも可能である。
しかし、以下では回転側から静止側への一方向の回線を前提に説明することとする。

図１は、本発明が適用される電光変換器（１０）の一例である。
図１は回転軸（４）を含む平面での断面図であり、基板１〜基板３の３枚の電子基板（６）が筒状体として機能する内筒（３）内部に層状に設置された状態を示しており、基板１が回転側と静止側との間の対向空間に面している（すなわち、３枚の電子基板（６）のうち光源（１１）を出光する基板が最下部に位置する基板１である）。
さて、電光変換器（１０）は軸受（５）を転がり軸受とし、その内輪（５１）に装着された内筒（３）に電子基板（６）が取り付けられた構造である。即ち、外形が軸受形態の電光変換器（１０）といえる（すべり軸受とする場合も同様である）。
図は、内輪（５１）に装着される部材を回転体（１）とし、外輪（５２）に装着される部材を静止体（２）として、それらが対向配置され、回転側から静止側に向かう一方向の回線系が構成されている状態を表している。
このとき、内輪（５１）への内筒（３）の装着構造、内筒（３）への電子基板（６）の取付構造は、普通に用いられる構造設計で良いので簡略化して描いてある。また、言うまでもないが、電光変換器（１０）は回転体（１）が静止体（２）に対し回転軸（４）を中心に回転する構造である。
そして、静止側は、回転軸（４）に平行の５本の破線矢印で表されている空間光路を介して伝送された光源（１１）光を受光する機能を持つ、静止体（２）上の受光器（３１）の存在が示してある（受光器（３１）を破線で示してある理由は後述）。

次に、図１には電光変換器（１０）の駆動電力である回転側電源(４０)の一例としてスリップリング（９９）が描いてある。
回転側電源(４０)は、大別すると、電池等のように、静止側から常時には給電を受けない方式と常時給電を受ける方式とがある。更に、給電を受ける方式には、回転トランス等の非接触給電方式、他にスリップリング（９９）のような接触給電方式の二つがある。このとき、いずれの方式の電力源も回転側電源(４０)とできるので、図１のスリップリング（９９）は破線で描いてある。また、その設置に対しては、回転側電源(４０)の回転側を回転体（１）の一部である内筒（３）に接続すればよいから、図はスリップリング（９９）の回転側が内筒（３）に接続されている状態を示している。これは前記した他の回転側電源を適用する場合でも同じである。
さて、補完性の高い回線系を構成するには、信号回線（signal circuit）用器材と電力回線（power circuit）用器材にそれぞれ最適な器材を選択すればよい。
例えば、図１は、高速の信号回線は本電光変換器（１０）で行い、電力回線と低速の信号回線をスリップリング（９９）で行うという補完関係である。すると、高速の信号回線を基板１で、低速の信号回線を基板２で行い、電力回線を回転トランスで行うという補完関係もその一例となる。

回転体(１)は、内筒(３)、電子基板(６)、光ファイバ（８）及び光学系（９）から構成される。
まず、内筒（３）は電子基板（６）の保持機能と基板発熱の放熱機能が必要なため、アルミニウム合金等の金属製構造の適合性がよい。
さて、 図２上図は、図１の中の基板１と基板２の側面図であり、基板１と基板２は電子基板としての構造は同じであるので、基板１のみの正面図が下図に示してある。基板１と基板２は共に、２個の発光素子（ｎ＝２）が搭載された例であるが、ｎは要求と対応技術により決まる値である。
次に、電子基板（６）は発光素子（６１）、発光素子駆動制御回路（６２）、外部信号処理回路（６３）、小孔（６４）及び基板から構成されるが、一枚の基板形態で、電光変換機能と高い製造性を持つように、電気回路のみならず排熱路をも共通化して一体構造化している。そして、本電子基板（６）はLVDS(Low Voltage Differential Signaling)方式でデータ伝送を行い、回線信号(７)を電気信号から光信号に変換する電光変換機能（電気→光）を有している。
例えば、回転体(１)に撮像用のビデオカメラが接続されたときには、外部信号処理回路（６３）が、ビデオカメラの画像等の信号に対応させて発光素子(６１)を発光させるための信号処理を行うと共に、発光素子駆動制御回路（６２）への入力信号を生成し、VCSEL型発光素子（６１）（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers、面発光レーザ）から出光させるという機能である。

光源(１１)は、基板１の表面から回転軸(４)に略平行に出力するように配置され、要すればコリメータ等の光学系（９）により光学的な成形が行なわれ、静止体（２）上の受光器(３１)に向けて回線信号(７)の持つデータを空間光路を介して伝送する特性を有している。
そして、光源(１１)は図１に示すように発光素子(６１)から出力される二つの光信号の総称である。
一つが、基板１の発光素子(６１)から出力されたままの信号光である。他が、基板２のように、発光素子(６１)の出力光を光ファイバ（８）に一旦結合した後、光ファイバ（８）端から出光する形態の信号光である。
このとき、発光素子（６１）出力を光ファイバ（８）に結合するには、要すれば、発光素子（６１）と光ファイバ（８）との間に市販品等の結合光学系を適用すればよいので、その光学系は図２には示してない。
また、光ファイバは「光路の曲線化」が実施可能であれば、プラスチック光ファイバ或いは石英系ガラス光ファイバ等でよい。
最後に、軸受（５）は、回転保持、対向空間の伝送距離の安定化等の構造部材としての機能を有することは言うまでもない。

次に、図２下図に基板１の小孔（６４）を３個示してある。これらは光ファイバ（８）の基板１中の通過孔である（基板３（図示なし）からの１本用、基板２からの２本用）。
そして、受光器（３１）は回転軸（４）を中心とする同心円上に配置されるべきであるから、各光源（１１）の回転軸（４）からの距離はそれぞれ異なっている。従って、図２下図の基板上の黒い丸は、それを表している（距離の値は設計によって決定される）。
また、図２では発光素子（６１）から光源（１１）が直接出力されるのは基板１としてあるが、基板２からも光源（１１）が直接出力される、としてもよい。
これは、基板２が図２のように光源光を光ファイバ（８）に光結合する形態でも、或いは光源光を直接出力する形態にも用途形態の変更が可能であることを意味している。即ち、電子基板（６）は、「発光素子（６１）から直接出力する電子基板（６）」の表面に光ファイバ（８）を透明接着剤等の後付け手段で固定するという手法によって、光源光を光ファイバ（８）に光結合する形態にも用途変更できる、という特性を有している。勿論、基板２を直接出力する形態とするときには、その発光素子（６１）の出力光を光源（１１）化させる小孔（６４）が基板１上の対応する位置に必要となる。

図３に、基板１と基板２は内筒（３）の内部に設置されるものの、基板３は内筒（３）の外部に設置される構成の電光変換器（１０）を示す。
図２の基板２と基板３は回転体（１）上に設置されねばならないが、光ファイバ（８）で光路の曲線化が可能であるので その位置は任意でよい。
図は基板３の発光素子（６１）の出力を、前記の市販他の結合光学系を用いて光ファイバ（８）に結合させた後、基板２と基板１を通過させて基板１の表面まで導光するという構造を示している（結合光学系を用いない場合もあってよい）。そして、その基板１表面から、左端の破線矢印で示される空間光路として出力される。
次に、基板３の駆動電力は、電光変換器（１０）の回転体（１）に連なる前記した接触式或いは非接触式電源であってもよく、他から供給される電力であってもよい。

次に静止側の受光機能について説明する。
前記したように、静止側は受光機能を持った機器が、光源（１１）数に等しい数の同心円の各円周上に設置されねばならない。このとき、受光機能機器には、受光素子、光ファイバ或いは光ファイバ素線を密着した構造の光ファイバ−バンドル（Optical Fiber Bundle）等が挙げられる。
一方、前記したように、回転側の光源（１１）には、発光素子（６１）の直接出力と光ファイバ（８）からの出力の２種類があった。
これから、静止側において、
発光素子（６１）出力を、空間伝送後、直接、受光素子で受光するように通信系を構成しても良いし、一旦光ファイバに光結合した後受光素子に導光するとしてもよい。勿論、光ファイバ−バンドルに導光して構成してもよい。
また、この構成とは逆に、光ファイバ（８）出力を、空間伝送後、直接、受光素子で受光するように通信系を構成しても良いし、一旦光ファイバに光結合した後受光素子に導光してもよい。勿論、光ファイバ−バンドルに導光するとしてもよい。
即ち、発光素子（６１）からの直接出力光源と光ファイバからの出力光源という２種類の光源（１１）と前記した受光機能機器とを組合せるのみでも多くの通信系が得られる。
これは、電光変換器（１０）のみを提案しても、一方向通信系の構成に対し多くの選択肢が得られることを意味している。
このように、受光器（３１）はいずれの方式の受光機能機器とできるので、図１、図３及び図４では受光器（３１）は破線で描いてある。

図４に、図１とは逆に、軸受（５）の外輪に装着した外筒（３０）の内部に電光変換機能を持つ電子基板（６）を取り付け、この場合には回転側を受光機能として、静止側から回転側に向かう一方向の回線を行う形態の電光変換器（１０）を示す。
その構造及び構造は前記した、回転側から静止側への電光変換器と同じであるので記述を省略する。

本発明に係る軸受形態の電光変換器は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の電気、電子機器等の製造に、好適に用いることができる。

１・・回転体
２・・静止体
３・・内筒
４・・回転軸
５・・軸受
５１・・内輪
５２・・外輪
６・・電子基板
６１・・発光素子
６２・・発光素子駆動制御回路
６３・・外部信号処理回路
６４・・小孔
７・・回線信号
８・・光ファイバ
９・・光学系
１０・・電光変換器
１１・・光源
３０・・外筒
３１・・受光器
４０・・回転側電源

Claims (5)

1. 静止側の筒状体と回転側の筒状体とを、同一の軸を中心として相対回転可能に軸受を用いて構成し、
   前記回転側の筒状体の内部に、電光変換機能を持つ複数の電子基板を前記軸に直交するように層状に取り付け、かつ、それらの内の最下部の電子基板の板面上に光源を配置するとともに、
   前記静止側の筒状体の内部に、受光要素を前記光源と対向するように配置し、
   前記光源と前記受光要素との間で、空間光路を前記回転軸に略平行に構成して回転側から静止側に向かう一方向の回線を行うことを特徴とする電光変換器。
2. 前記軸受を、前記筒状体を装着した転がり軸受或いはすべり軸受とし、前記筒状体内部の電子基板面に略垂直方向に前記発光素子から出力された光源光を、一旦光ファイバ内に結合した後、前記最下部の電子基板の板面上から、或いは直接、空間伝送光源光として出力することを特徴とする請求項１記載の電光変換器。
3. 前記電子基板の内の少なくとも一つが、圧縮なしでHD−SDI信号の光出力が可能なVCSEL型発光素子、LVDS方式の発光素子駆動制御回路及び外部信号処理回路を一体状態に搭載して、ｎ個（ｎ≧１の整数）の光源光を出力する機能を持ち、光源光の出力位置は各光源毎に異なり、光源光或いは光ファイバを通過させるための小孔を有する、と共に光源光の直接出力或いは光源光の光ファイバへの光結合を同一基板において実施できるものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電光変換器。
4. 前記電子基板のうちの一部が前記筒状体の内部に設置され、一部が筒状体の外部に設置されており、
   筒状体外部の電子基板から出力される光源光は、前記最下部の電子基板面まで光ファイバで導光されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電光変換器。
5. 前記軸受の静止側に装着した筒状体の内部に、電光変換機能を持つ少なくとも一つ以上の電子基板を、前記軸受の回転軸に略直交するように層状に取り付け、
   それらの電子基板の内の最上部の電子基板の板面上に配置される光源と、光源に対向するように回転側に配置した受光要素との間で、空間光路を前記回転軸に略平行に構成して静止側から回転側に向かう一方向の回線を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電光変換器。

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