JP2016502681A - 光ロータリトランスミッタ - Google Patents

Abstract

１つまたは多数の第１の導光体１１を有しており、第１の導光体の端面が、光信号を伝送するために形成されており、中心部の回転軸Ｚを中心とする第１のリング上に配置されている第１の光カプラ１を備え、１つまたは多数の第２の導光体３１を有しており、第２の導光体の端面が、光信号を伝送するために形成されており、中心部の回転軸Ｚを中心とする第２のリング上に配置されている第２の光カプラ３を備え、両方の光カプラ１、３の間に配置されており、かつ光信号の伝送に対する両方の光カプラ１、３の間の相対的回転の影響を補整するために形成されている多数の第３の導光体を有しており、第３の導光体の端面が光信号を伝送するために形成されており、中心部の回転軸Ｚを中心とする第３および第４のリング上に配置されているファイバミラー５を備え、この第３および第４のリングによって形成された光入射面／光出射面が、実質的に隙間がなく、したがって光信号の連続的な伝送が中断なく可能である、光信号の伝送のための光ロータリトランスミッタ。

Description

本発明は、光ロータリトランスミッタおよび関連する光信号伝送方法に関する。

このようなロータリトランスミッタは、例えば国際公開２０１１／１３７９８３号から知られており、例えばロータリジョイントの構成要素または回転運動可能で互いに離隔した部材を備えた別の装置の構成要素であり得る。ロータリトランスミッタは、互いに対して相対的に回転可能な部材間での光信号の片方向伝送または双方向伝送を、部材の回転位置および角速度に関係なく可能にする。波長領域は、長波のＩＲ放射線から短波のＵＶ放射線にまで達し得る。以下では「光」の概念をこの意味で理解することができる。

米国特許第４，９４３，１３７（Ａ）号からは、互いに対して相対的に回転可能な両方の部材の一方に割り当てられた光送信器から、光ファイバおよびコリメータを介して光カップリングアセンブリへ、そして光カップリングアセンブリからさらに、もう一方の回転可能な部材に割り当てられた光受信器へと光を導くロータリトランスミッタが知られている。カップリングアセンブリは光のデローテーションに役立ち、互いに対して相対的に回転可能な両方の部材の半分の角速度で回転する。このカップリングアセンブリは、ここでは詳細にさらに説明はしないが、原理モデルを明瞭にするため図３に示している。これに関しては上記文献の開示内容を参照されたい。

このロータリトランスミッタによって複数のチャネルを平行に伝送することができる。なぜなら一方の回転可能な部材の各々の導光体が、もう一方の回転可能な部材の１つの導光体に固定的に割り当てられているからである。したがって理論上は、用いられる導光体と全く同数のチャネルを伝送することができる。しかしながら実際に利用可能なチャネル数は、隣接するチャネルへの混信により、通常は導光体の約半数である。

この文献は、導光体の端面に光をカップリングするためにコリメータを使用することも示している。これらのコリメータは、ファイバミラーの円周に沿って間隔をあけて配置されている。

この形態の問題は、構成が回転する際に、回転可能な部材の１つの導光体がファイバミラー内の１つの導光体に正確に当たるときの最大値と、この回転可能な部材の導光体がちょうどファイバミラーの２つの導光体の間にあるときの最小値との間でのばらつきが、通過する光信号の振幅に生じることである。伝送タスクが多い場合、信号強度のこのようなばらつきは甘受できない。

さらにＤＥ ０１９５２９５２７ Ｃ１からは、熱で誘発させた導光体ファイバの膨張により、ファイバの末端部の断面をほぼ長方形または正方形にすることが知られている。

これらの知られているすべてのロータリトランスミッタは、優れた品質および高い伝送速度での連続的な信号伝送を、自由な内部空間を大きくすることと同時に行うことができないという問題がある。

国際公開２０１１／１３７９８３号 米国特許第４，９４３，１３７（Ａ）号 独国特許第０１９５２９５２７（Ｃ１）号

本発明の基礎となっている課題は、互いに対して相対的に回転可能な部材間で、多数の光信号を高い信頼性で連続的に伝送すると同時に、物理的にチャネル同士を隔てることを、比較的単純な構造で保証するロータリトランスミッタを提供することである。

この課題は本発明により、請求項１に記載のロータリトランスミッタによって解決されている。従属請求項は、本発明のさらなる有利な形態に関する。

このロータリトランスミッタは片方向性または双方向性に動作することができる。したがって以下では、「送信する」および「受信する」の概念は相互に取り替えることができる。

このロータリトランスミッタは、その単純でほぼ対称的な構造により安価に製造可能であると同時に、互いに対して相対的に回転可能な部材の角速度に左右されない高い信号伝送信頼性を保証する。

導光体はＬＷＬファイバの形態での光導波体から成ることが好ましく、このＬＷＬファイバはそのカップリング端またはデカップリング端で１つの束へとまとめるのが有用である。このカップリング端またはデカップリング端には、直接的にまたは集光器を介して、通常の半導体光送信器または半導体光受信器の１つを連結することができる。

ただし、その代わりにより費用をかけて、各々のＬＷＬファイバをそれに割り当てられた１つの送信素子または受信素子で終端させることができる。この場合にはすべての送信素子を平行に制御しなければならず、受信素子の受信信号を集めなければならない。比較的高い光送信能力は、受信側での信号の信号対雑音比を改善する。

以下では、ロータリトランスミッタの本質的な部材の、概略的に簡略化した例示的実施形態を示す図面に基づいて、本発明を説明する。

ファイバミラーを備えた本発明に係る光ロータリトランスミッタを示す図である。 コリメータの１つの例示的実施形態を示す図である。 ファイバミラーの原理的な構造を明瞭にするための、現況技術の既知のファイバミラーの詳細図である。 本発明によるファイバミラーの導光体の端面の、好ましい１つの配置を示す図である。

図１は、ロータリトランスミッタの本質的な部材を示している。ロータリトランスミッタは第１の光カプラ１および第２の光カプラ３を含んでいる。両方の光カプラ１、３は互いに向かい合って配置されている。第１の光カプラ１は、ロータリトランスミッタの図示されていない第１の部材に割り当てられており、第２の光カプラ３は、共通の回転軸Ｚの周りを第１の部材に対して相対的に回転可能な、このロータリトランスミッタの第２の部材に割り当てられている。

第１の光カプラ１は多数の第１の導光体１１を含んでおり、第１の導光体の端面１３は、光信号を伝送するために形成されており、回転軸Ｚを中心とする第１のリング上に配置されている。

同様に第２の光カプラ３は多数の第２の導光体３１を含んでおり、第２の導光体の端面は、光信号を伝送するために形成されており、回転軸Ｚを中心とする第２のリング上に配置されている。

第１の光カプラ１は第１のコリメータ群７を含んでいる。これに倣って第２の光カプラ３は第２のコリメータ群９を含んでいる。第１のコリメータ群７は、円周上に好ましくは均一に分布したコリメータ構成を含んでいる。第２のコリメータ群９は、それに倣って配置されたコリメータ構成を含んでいる。これらのコリメータ構成は、共通の回転軸Ｚに対して実質的に平行に光を送信または受信する。図１では片方向矢印により放射方向を例として示しているだけであり、この場合は光カプラ１が送信用光カプラであり、光カプラ３が受信用光カプラである。もちろんこの関係は相関的である。

両方の光カプラ１、３の間にはファイバミラー５が配置されている。ファイバミラー５は、既知のやり方で、一方の回転している光カプラ１、３と共に半分の回転速度で回転するために形成されている。ファイバミラー５は多数の第３の導光体を備えており、この第３の導光体は両方の光カプラ１、３の間に配置されており、かつ光信号の伝送に対する両方の光カプラ１、３の相対的回転の影響を補整するために形成されており、この第３の導光体の端面５３、５５は、光信号を伝送するために形成されており、回転軸Ｚを中心とする第３および第４のリング上に配置されている。このようなファイバミラーは知られており、米国特許第４，９４３，１３７号において具体例が記載されている。ファイバミラー内部の導光体およびその軌道は図１には示されていない。ただし、図３で既知のファイバミラーに基づいて原理を示している。

第１のリングは第３のリングに向かい合っており、第２のリングは第４のリングに向かい合っている。

ファイバミラー５は、第３のコリメータ群７２および第４のコリメータ群９２を含んでいる。第３および第４のコリメータ群７２、９２は、円周上で均一かつ互いに境を接しあって分布したコリメータ構成を含んでおり、これにより第３および第４のリング上ではファイバミラーの実質的に隙間のない光入射面／光出射面が形成されており、したがって光信号の連続的な伝送が中断なく可能である。

これらのコリメータ構成も、共通の回転軸に対して実質的に平行に光を送信または受信する。

光カプラ１、３内およびファイバミラー５内での導光体は、ＬＷＬファイバであることが好ましい。

光カプラ１、３内のＬＷＬファイバはそれぞれ１つの束へと集められており、この束はそこから適切な送信器または受信器によってさらに案内される。

コリメータ群７、７２または９、９２は、それぞれのＬＷＬファイバを介してカップリングされた光信号を平行光線束に変換するか、または受信した平行光線束を、接続されたＬＷＬファイバにカップリングするように形成されている。

コリメータ群７、９、７２、９２の円またはリングの形状は、光カプラ１、３およびファイバミラー５の内径を自由にし、これにより例えば穴を介して、ロータリトランスミッタの別の図示されていない部材、例えば主動軸を通すことができ、または図示されていない軸受を配置することができる。

図２は、単に例として、コリメータ群７、９、７２、９２の各々からのコリメータ構成の構造を、中心に接続されたＬＷＬファイバの表示と共に図示している。コリメータ構成はレンズ１５を含んでおり、このレンズの結像面を経て平行光線束が入射する。レンズ１５には、集光器１９が後に続く面に向かって光を案内するための円錐体１７が接続されており、この集光器は、光束の直径および開口度を、それぞれのＬＷＬファイバのカップリング直径および開口度に適合させる。ＬＷＬファイバは、詳しくは図示されていないが結合部位およびカップリング部位の形態でそれ自体知られている接続装置を介してコリメータ構成と好ましくは直接的に、つまりエアギャップなしで結合している。

光カプラ１、３のコリメータ構成は、第１および第２のリング上で離隔させて配置することができる。コリメータ構成の数は、伝送すべき平行な信号チャネルの数から決定される。各々の光カプラ内でチャネルごとに少なくとも１つのコリメータ構成および導光体を設けることができる。伝送の信頼性を高めるため、１つのチャネルが同時に光カプラ１、３の複数の導光体およびコリメータ構成によって伝送されるのが有利である。

したがって、それぞれの光入射面／光出射面上での、光カプラ１、３の導光体１１、３１に対するファイバミラー５の導光体５１は、１つの光カプラ１、３の少なくとも１つの導光体とファイバミラー５の１つの導光体５１が光信号の伝送のために厳密に位置合わせされている場合には常に１つの光カプラ１、３の少なくとももう１つの導光体とファイバミラー５のもう１つの導光体５１が導光体の端面の直径の一部だけずれて位置合わせされるように、配置されることが好ましい。

例えば、光カプラの導光体は、１つの特定のチャネルを伝送する１つの導光体がファイバミラーの１つの導光体と厳密に位置合わせされている場合に、同じチャネルを伝送する同じ光カプラのもう１つの導光体がファイバミラーの２つの導光体の間にあるように配置することができ、よってこのもう１つの導光体の信号は、ファイバミラーの２つの導光体に割り振られる。こうすることでチャネルの伝送における変動が減少する。常に、信号の一部が、受信する導光体の外被面によって吸収される。

１つの光カプラの３つの導光体に同じチャネルを伝送する際の配置は、光カプラの導光体の１つがファイバミラーのこれに対応するものと位置合わせされている場合に、もう１つの導光体が、導光体端面の直径の１／３だけずれて後に続いており、その一方で第３の導光体は２／３だけずれているのが望ましい。

ここでは各々の光カプラの導光体およびコリメータ構成の数はチャネル数の整数倍である。試験では、１５０個の独立したチャネルを問題なく伝送できることが示された。

ファイバミラー側のコリメータ構成は、互いに境を接しあって形成されており、したがって第３のリング上でも第４のリング上でも、実質的に隙間のない光入射面／光出射面が形成されている。コリメータ構成の直径は導光体端面の直径の数倍になるので、必要なコリメータ構成の数は、断面が円形の導光体だけを用いてファイバミラーの隙間のない光入射面／光出射面を形成しようとする場合よりかなり少ない。

例として、自由な内径を１ｍとする場合、ファイバミラーで１ｍｍの導光体および直径１５ｍｍの光学系を使用すると、ファイバミラーでの導光体の数は、コリメータ群なしの場合に比べて１／１５に減らすことができ、つまりファイバミラーでは、現況技術での３０００本の代わりに約２００本の導光体でこと足りる。

それでもなお常にファイバミラーの１つまたは２つのコリメータ構成が光カプラの１つのコリメータ構成に向かい合っており、これによりほぼすべての伝送すべき光がさらに先へと導かれる。

ファイバミラーの構造はかなり簡略化されている。

各々の導光体−コリメータ構成から軸にほぼ平行な光線が出射するので、ファイバミラーの導光体−コリメータ群に移行する際の損失に関して軸方向の間隔は重要ではない。ファイバミラーから出口側の光カプラに移行する際も全く同様である。本発明のさらなる有利な一形態では、伝送するチャネル数を増やすため、この種類の複数の構成が、直径を次第に大きくして同軸で取り付けられている。

基本的には、ファイバミラーを任意の数の導光体から製造することができる。ただし、ファイバの数が少なくとも２つで、より好ましくは４つで、整数に割り切れるようにファイバミラーを設計するのが有用であることが分かっている。

自由な内径が大きくてもファイバの数を受け入れ可能な程度に保つため、ここで説明した第１の実施形態では、光カプラ１、３もファイバミラー５も、上で説明したように、それぞれ多数のコリメータ構成７、７２、９、９２から成るコリメータ群を備えて形成されている。

各々のコリメータ構成が、割り当てられた導光体の端面のリング上で、隙間を残さない断面を有することが有用である。このためにコリメータ構成は正方形またはつまり台形であってもよい。

コリメータを備えたファイバミラーを介して伝送される信号をより良好に活用するため、受信側では、この受信側が固定されている場合、ファイバミラーの２つのレンズの面積に相当する面積を有しており、かつこの新たな直径に適合した焦点距離も有するレンズを利用することができる。

代替的な一実施形態では、ファイバミラーのコリメータ群に加えてまたはその代わりに、そこに設けられた導光体の端面を、例えば熱で誘発させたファイバの膨張により、例えば丸からほぼ正方形へと変形することができる。このやり方でも、利用される面をカップリングのために最適化することができる。

変形の代わりとして、各々の導光体を、直径の小さい幾つかのファイバの束として形成し、それからこの幾つかのファイバを導光体の端面で、円形の配置から正方形または長方形の配置へと整形することができる。

ファイバミラーでコリメータ群を備えたまたは備えていないさらなる好ましい一実施形態では、導入する導光体の半分の直径しかなく断面が円形の導光体から成る２つの層を、隙間に配置することができる。こうして、導入する導光体および導出する導光体によって覆われる面積はほぼ均一であることができ、これが減衰差を比較的小さくする。これは具体例として図４に示している。

伝送をさらに改善するため、同じ信号をファイバミラーの２つ以上のチャネルに伝送することができ、この場合、送信器の位置は、ファイバミラーの２つのチャネルの間隔の一部だけずれていることが望ましい。

本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたのではあるが、当業者は、数多くのさらなる改変および変更を行い得ることを認識する。すなわち両方の光カプラの直径は必ずしも同じでなくてよい。直径の差はファイバミラーによって補整することができる。原理的には、両方の光カプラを同じ方向に位置合わせすること、例えば一方の導光体をもう一方の導光体の内部空間に収容することが可能である。この場合にはファイバミラーの導光体を、同じ側で光が入射および出射するように案内することができる。

変形された導光体の端面を長方形または正方形と記載している場合、これを厳密に幾何学的な意味において理解すべきではない。ここでは、複数の導光体の端面から実質的に隙間のない面を形成することができる、端面のあらゆる変形という意味である。

１ 第１の光カプラ
３ 第２の光カプラ
５ ファイバミラー
７ 第１のコリメータ群
９ 第２のコリメータ群
１１ 第１の導光体
１３ 第１の導光体の端面
１５ レンズ
１７ 円錐体
１９ 集光器
３１ 第２の導光体
３３ 第２の導光体の端面
５１ 第３の導光体
５３ 第３の導光体の端面
５５ 第３の導光体の端面
７２ 第３のコリメータ群
９２ 第４のコリメータ群
Ｚ 回転軸

Claims (8)

1. １つまたは多数の第１の導光体（１１）を有しており、前記第１の導光体の端面が、光信号を伝送するために形成されており、中心部の回転軸（Ｚ）を中心とする第１のリング上に配置されている第１の光カプラ（１）を備え、
   １つまたは多数の第２の導光体（３１）を有しており、前記第２の導光体の端面が、光信号を伝送するために形成されており、前記中心部の回転軸（Ｚ）を中心とする第２のリング上に配置されている第２の光カプラ（３）を備え、
   前記第１の光カプラ（１）及び前記第２の光カプラ（３）の間に配置されており、かつ光信号の伝送に対する前記第１の光カプラ（１）及び前記第２の光カプラ（３）の相対的回転の影響を補整するために形成されている多数の第３の導光体を有しており、前記第３の導光体の端面が、光信号を伝送するために形成されており、前記中心部の回転軸（Ｚ）を中心とする第３および第４のリング上に配置されているファイバミラー（５）を備えた、
   光信号の伝送のための光ロータリトランスミッタにおいて、
   前記第３および第４のリングによって形成された光入射面／光出射面が、実質的に隙間がなく、したがって光信号の連続的な伝送が中断なく可能であることを特徴とする光信号の伝送のための光ロータリトランスミッタ。
2. 前記第１および第２の光カプラ（１、３）が複数のコリメータ構成を備えており、前記コリメータ構成の焦点が１つの導光体の端面に当たるように前記コリメータ構成が配置されており、かつ
   前記ファイバミラーの前記第３および第４のリングの光入射面／光出射面が、多数のさらなるコリメータ構成によって形成されており、前記ファイバミラーの各々のコリメータ構成の焦点内に、前記ファイバミラーの１つの導光体の端面があることを特徴とする請求項１に記載の光ロータリトランスミッタ。
3. 前記第３の導光体（５１）の末端部が形成されており、これにより前記第３の導光体の端面が、前記第３および第４のリング上で、実質的に隙間のない面を形成することを特徴とする請求項１に記載の光ロータリトランスミッタ。
4. 前記第３の導光体の末端部が、細い単一ファイバの束から整形されていることを特徴とする請求項３に記載の光ロータリトランスミッタ。
5. 前記第３の導光体の末端部が、熱によって変形されたほぼ長方形の断面をもつファイバから構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光ロータリトランスミッタ。
6. 前記第３の導光体の末端部が、２列で交互にずれて前記第３および第４のリングの面をうめており、前記第３の導光体の断面積が、前記第１および／または第２の導光体の断面積の半分であることを特徴とする請求項３に記載の光ロータリトランスミッタ。
7. 前記ファイバミラーの前記導光体の数が２つで、好ましくは４つで、整数に割り切れることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光ロータリトランスミッタ。
8. それぞれの前記光入射面／光出射面上での、前記光カプラ（１、３）の前記導光体（１１、３１）に対する前記ファイバミラー（５）の前記導光体（５１）が、１つの光カプラ（１、３）の少なくとも１つの導光体と前記ファイバミラー（５）の１つの導光体（５１）が光信号の伝送のために厳密に位置合わせされている場合には常に１つの光カプラ（１、３）の少なくとももう１つの導光体と前記ファイバミラー（５）のもう１つの導光体（５１）が導光体の端面の直径の一部だけずれて位置合わせされるように、配置されることを特徴とする請求項７に記載の光ロータリトランスミッタ。

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