JP2022097315A

JP2022097315A - 導光素子、それを用いる光ロータリージョイントおよび光ケーブル

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Publication number: JP2022097315A
Application number: JP2020210843A
Authority: JP
Inventors: 隼人藤田; Hayato Fujita; 寛杉原; Hiroshi Sugihara
Original assignee: WIRED JAPAN KK
Current assignee: WIRED JAPAN KK
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-30

Abstract

【課題】２芯光ケーブルで回転可能な光ロータリージョイントを提供する。【解決手段】本開示では、テイル部１１２とボディー部１１６とを備える導光素子１１が提供される。テイル部は、ある波長の光を導く第１光ファイバー２１に光学的に結合可能な結合ポート１１４を有している。ボディー部は、第２光ファイバー２２を収容可能な貫通孔１１１と貫通孔につながる開口１１８が設けられている拡大ポート１１７とを有している。ボディー部は、結合ポートから拡大ポートへまたは拡大ポートから結合ポートへ上記波長の光を導くことができるようになっている。本開示では、同様の特徴をもつ対向側導光素子１２、これら導光素子を用いる光ロータリージョイント１０、光ケーブル２００、２１０、２２０も提供される。【選択図】図１

Description

本開示は導光素子に関する。さらに詳細には本開示は、光ファイバーの対を含む光ケーブルにねじれが生じても、光伝送に大きな影響を与えることなくねじれを解放することができる、導光素子、それを用いる光ロータリージョイントおよび光ケーブルに関する。

光ファイバーの導光現象に基礎を置く光通信や光加工などは、一般に、低損失で軽量、電磁障害に強いといった利点を備えることから、幅広い分野で実用に付されている。光ファイバーは、透過帯域の電磁波（紫外、可視、赤外を含む）を適切に選択した上での有線での高速通信やエネルギー伝送の媒体として有用である。近年、光ファイバー先端の組み立て作業を現場にて行えるようにすることも求められている（例えば特許文献１、２）。短時間で光コネクターの組立を行うことができるものが知られているものに、光ファイバー先端部にフェルールを固定して研磨し、フェルールの後部に、そこに配置したクランプ部を装着するものがある。このクランプ部においてフェルール側の光ファイバーと、この光ファイバーに突き当てた別の接続対象の光ファイバーとを、クランプ部の半割りの素子によって突き合わせてつなぎ合わせ（スプライス）し、その接続状態が維持される。

また、２本の光ファイバーの端面を互いに物理的に接続せず、その光ファイバーの端面の間で光を伝送する需要も存在する。このために、コリメーターレンズを用いる手法が知られている（例えば特許文献３）。この手法では、２本の光ファイバーで一方から他方に接続するために、コリメーターレンズをそれぞれに配置する。

光ファイバーによる有線での光伝送においては、電線とは異なる特性に起因して特有の配慮が求められる。たとえば、光ファイバーはねじれやより（ツイスト）に対し伝送損失の増大や、コアの破断、光ファイバー自体の折損の危険が伴うため、適切な配慮が必要である。その目的で光ケーブルのジャケットや補強部材の厚みや剛性を高めることは、光ケーブル自体や光ファイバーで接続された機器のハンドリング（取り回し）の障害ともなりかねない。光ファイバー特有の技術要件のうち、特に単一の光ファイバーのねじれに対処するために光ロータリージョイントも開発されている。光ロータリージョイントを用いることができれば、光ファイバーの適用用途を一層広げることができる。特許文献４には、梯形状のプリズムと遊星歯車を用いた多芯光ロータリージョイントが開示されている。

特開２００２－２３００６号公報特開２００２－５５２５９号公報特開２００８－１０９５９８号公報実願昭５９－０９２１５９号（実開昭６１－００６８１８号）

二つのチャネルによる光伝送を同時に実現するために、二本の光ファイバー素線の対をまとめて取り扱うこともしばしばである。例えば２芯の光ケーブルでは一つのジャケット内部に二本の光ファイバー素線を備えている。対にした光ファイバー素線のためのコネクターやレセプタクルも利用されている。そのようなコネクターやレセプタクルは、例えば光ケーブルアセンブリーや光トランシーバーの用途に採用されている。

光ケーブルにねじれが生じたとしても、それが単一の光ファイバー素線を含む単芯の光ケーブルであれば、たとえばロータリージョイントなどの適切な手段によって、光ファイバー素線に生じるねじれを解放することが可能である。しかし、対をなす二本の光ファイバー素線を含む２芯の光ケーブルにおいて光ファイバー素線それぞれの位置がらせんを描くようなより合せ（ツイスト）は、各光ファイバー素線にロータリージョイントを用いても解放できない。２芯の光ケーブルのツイストを解放しつつ、これらの光伝送に与える影響を最小化できれば、光ケーブルや接続された機器のハンドリング性を大きく高めることができる。

この目的に開発されている梯形状のプリズム（いわゆるダブプリズム）を利用する多芯光ロータリージョイント（特許文献４）では、複数の光ファイバーの端部同士をリレーするために光ファイバーの１／２の回転角を保ってプリズムを回転させる機構を必要とする。このような光ロータリージョイントは精密な精度管理が必要なプリズムと精密な精度が維持された機械要素を組み合わせるものであり、採用しうる用途が限定されてしまう。

本開示は、上述した課題の少なくとも何れかを解決することにより、光ケーブルの実用性を大きく向上させる。

本発明者は、光伝送のための接続を維持したまま、長さ方向（軸方向）まわりに回転可能であり、２芯の光ケーブルに対応することができる簡易な構造を着想し、そのための素子を創出した。

本開示のある態様においては、ある波長の光を導く第１光ファイバーに光学的に結合可能な結合ポートを有している、前記波長の光が透過する材質のテイル部と、第２光ファイバーを収容可能な貫通孔と前記貫通孔につながる開口が設けられている拡大ポートとを有しており、前記結合ポートから前記拡大ポートへまたは前記拡大ポートから前記結合ポートへ前記波長の光を導きうるようになっている前記波長の光が透過する材質のボディー部とを備える導光素子が提供される。

本開示のある態様では、上述の導光素子と対をなす対向側導光素子であって、前記波長の光を導く第３光ファイバーに光学的に結合可能な結合ポートを有している、前記波長の光が透過する材質のテイル部と、第４光ファイバーを収容可能な貫通孔と前記貫通孔につながる開口が設けられている拡大ポートとを有しており、前記結合ポートから前記拡大ポートへまたは前記拡大ポートから前記結合ポートへ前記波長の光を導きうるようになっている前記波長の光が透過する材質のボディー部とを備える対向側導光素子も提供される。

本開示のある態様では、上述の導光素子と上述の対向側導光素子とを備える光ケーブルのための光ロータリージョイントであって、前記導光素子と前記対向側導光素子は、互いの前記貫通孔のための前記開口を位置合せして互いの前記拡大ポートを対向させて配置されており、前記第１光ファイバーと前記第３光ファイバーとが、少なくともいずれかからもう一方の向きに前記導光素子および前記対向側導光素子の双方を介して前記波長の光が伝播可能にされており、前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとが、前記導光素子および前記対向側導光素子それぞれの貫通孔を通ってそれぞれの端面を対向させて少なくともいずれかからもう一方の向きに光が伝播可能にされている光ロータリージョイントが提供される。また本開示のある態様では、さらに導光素子を備える導光素子付の光ケーブルや、上述の光ロータリージョイント付の光ケーブルも提供される。

本開示では、導光素子に第１光ファイバーを光学的に結合させて導光し、その導光素子に設けた貫通孔に第２光ファイバーを配置する。これにより、同軸形状で内外に区分された面領域を拡大ポートに形成することができる。外側の穴あきの面領域を横切るように第１光ファイバーに関連する光を通過させ、内側付近には第２光ファイバー関連する光を通過させる。この導光素子に同様の特徴をもつ対向側導光素子を組み合わせること、つまり、導光素子と対向側導光素子それぞれの拡大ポートを対向配置することにより、外側の穴あきの面領域と内側の中心付近の領域を区分して２つのチャネルでの光伝送を同時に実現することができる。この同軸構造は、その中心軸まわりに導光素子と対向側導光素子とを相対的に回転しても維持される。その回転の前後において、また好ましくはその回転動作中を含めて、外側のもの同士と、内側のもの同士との２つの光伝送チャネルにおいて光伝送を実施できる。

本開示において説明される各部分、各組み合わせは、任意のコンビネーションまたはサブコンビネーションとなるように、個別に、または互いに組み合わせることにより実施することができる。そのすべての有利な実施形態およびその改良が本開示の主題となる。

本開示においては、二本の光ファイバー素線を含む光ケーブルの実用性を改善する導光素子、それを用いる光ロータリージョイント、それらを備える光ケーブルが実現される。

本開示の実施形態において提供される光ロータリージョイントとそれを利用する光ケーブルの全体構造を示す説明のための斜視図である。本開示の実施形態の光ロータリージョイントを、軸方向を含む断面で切断して構成を示す断面図である。本開示の実施形態の導光素子、対向側導光素子における光の伝播の様子を説明する断面図である。本開示の実施形態の導光素子において、拡大ポートが穴あき平面である構造をもつものを示す斜視図（図４Ａ）と、拡大ポートが穴あき凸面である構造をもつもの（図４Ｂ）、拡大ポートが穴あき凹面である構造をもつもの（図４Ｃ）、拡大ポートが穴あきフレネルレンズ面である構造をもつもの（図４Ｄ）それぞれを示す断面図である。本開示の実施形態において、導光素子とともに用いられる第２光ファイバーおよび第４光ファイバーの典型的な配置を示す構成図である。本開示の実施形態において、導光素子とともに用いられる第２光ファイバーおよび第４光ファイバーの典型的な配置を示す構成図であり、各ケーブルセグメントにボールレンズを採用する構成例を示す断面図（図５Ｄ）、および各ケーブルセグメントに共通するボールレンズを採用する構成例を示す断面図（図５Ｅ）である。本開示の実施形態の導光素子において、テイル部とボディー部が別体である光ロータリージョイントの構造を示す断面図である。本開示の実施形態における光ロータリージョイントにおいて、素子ホルダーとホルダーハウジングを含んでいる回転保持部材をもつ構造例（図７Ａ）と、回転保持部材が素子ホルダーの部分により実現されている構造例（図７Ｂ）を示す断面図である。本開示の実施形態における光ロータリージョイントにおいて、回転保持部材が素子ホルダーの部分により実現されている別の構造例（図７Ｃ）と、独立した防水ハウジング採用する構造例（図７Ｄ）とを示す断面図である。本実施形態における光ロータリージョイントにおいて、回転保持部材に防水ベアリングを採用する構造例を示す断面図である。

以下、適宜に図面を参照し、本開示の導光素子、光ロータリージョイント、光ケーブルにかかる実施形態を説明する。以下の説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されていない。さらに、発明を明瞭に説明する目的で、各部の配置は実施時とは変更した配置とすることもある。

本開示のある実施形態では、典型例として光ファイバー素線（光ファイバー）２本を対にしてもつ光ケーブルのより戻しのための光ロータリージョイントに採用される導光素子、その光ロータリージョイント、およびそれを備える光ケーブルについて説明する。

図１は、本開示の実施形態において提供される光ロータリージョイントとそれを利用する光ケーブルの全体構造を示す説明のための斜視図である。ケーブルセグメント２１０に含まれる第１光ファイバー２１は、ケーブルセグメント２２０に含まれる第３光ファイバー２３との間で、いずれか一方から他方に向けて、または双方向に光による通信またはエネルギー伝送（以下「光伝送」と総称する）を担う。同様にケーブルセグメント２１０に含まれる第２光ファイバー２２は、ケーブルセグメント２２０に含まれる第４光ファイバー２４との間で、いずれか一方から他方に向けて、または双方向の光伝送を担う。一つの典型例では、第１光ファイバー２１が第３光ファイバー２３に向けてその方向（順方向）の通信のための光信号を送信し、第２光ファイバー２２は、第４光ファイバー２４からの逆方向の光信号を受信する、といった双方向での通信が行なわれる。別の典型例では、第１光ファイバー２１と第３光ファイバー２３とが双方向での通信のための光信号を送受信し、第２光ファイバー２２は、第４光ファイバー２４に向けて光給電や加工用レーザー光の伝送といったエネルギー伝送のための光伝送が実施される。このように、第１光ファイバー２１は第３光ファイバー２３との間で、また第２光ファイバー２２は第４光ファイバー２４との間での光伝送が予定されているが、これらの間をまたいでの干渉は抑制され、理想的には生じない。これらの光ファイバーは用途に応じて種々のタイプを採用することができ、例えばステップインデックスまたはグレーデッドインデックスのマルチモード光ファイバーである。光ファイバーの材質は典型的には石英系、プラスチック系が採用される。また、ある典型例では、いずれかの光ファイバーには１０Ｇｂｐｓまたはそれ以上の速度で通信が可能なマルチモードの光ファイバーが採用される。

図１に示すように、ケーブルセグメント２１０側の導光素子１１は、第１光ファイバー２１、第２光ファイバー２２に対してほぼ固定配置に装着にされ、同様にケーブルセグメント２２０側も対向側導光素子１２は、第３光ファイバー２３、第４光ファイバー２４に対してほぼ固定配置に装着される。本実施形態の光ロータリージョイント１０は、光ケーブル２００に生じるねじれを含む任意の原因による回転力に応じて、光ケーブル２００をなすケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０との間の相対的回転を可能にする。この回転は、概してケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０とが延びる方向（軸方向）まわりの回転であり、図１にはケーブルセグメント２２０側の回転の様子を示している。導光素子１１側であるケーブルセグメント２１０と対向側導光素子１２側であるケーブルセグメント２２０とがねじれるように相対的に回転されても、その回転の前後において、またさらに好ましくはその回転中も含めて、光ケーブル２００は意図された光伝送を実行することができる。つまり、光ロータリージョイント１０は、第１光ファイバー２１と第２光ファイバー２２との間または第３光ファイバー２３と第４光ファイバー２４との間のより合わせ（ツイスト）を未然に防止したり解放することができ、使用時において光ケーブル２００のねじれによる破断、折損の危険を低減する。なお、図１は、説明のため導光素子１１と対向側導光素子１２との間を離して描いている。また、図１ではケーブルセグメント２２０側の回転を示しており、以下の説明においてケーブルセグメント２１０側の回転の文脈で説明することもある。しかし、本実施形態の光ロータリージョイント１０はケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０の間の相対的な回転に適用することができる。

図２は、本実施形態の光ロータリージョイントを、軸方向を含む断面で切断して構成を示す断面図である。光ロータリージョイント１０は、導光素子１１と対向側導光素子１２とを備えている。導光素子１１と対向側導光素子１２は、使用時においては、互いに近接していたり、互いに当接していたりすることができる。想像線にて示す導光素子１１はその近接した様子を示している。また、想像線にて示す対向側導光素子１２は、導光素子１１に対して１８０°回転した対向側導光素子１２の回転配置を示す。

導光素子１１はテイル部１１２とボディー部１１６を備えている。テイル部１１２は、第１光ファイバー２１に光学的に結合可能な結合ポート１１４を備えている。ボディー部１１６は、第２光ファイバー２２を収容可能な貫通孔１１１を有している。ボディー部１１６は拡大ポート１１７も有している。拡大ポート１１７には、貫通孔１１１につながる開口１１８が設けられている。貫通孔１１１は、拡大ポート１１７に設けられた開口１１８に一端を、第２光ファイバー２２を受入れる開口１１５に他端をもつような任意の形状の通路をなしている。貫通孔１１１は第２光ファイバー２２をその内部に収容するのに適するかぎり特段その形状は問わない。例えば貫通孔１１１は、図１に示すように一定径の内径をもつ直線状の通路となるように作製されている。別の典型例としては、貫通孔１１１を、金型成形技術によりボディー部１１６を作製しやすいテーパーをもつ通路とすることができる。これら以外にも、第２光ファイバー２２を内部で位置決めに適するような角柱断面としたり、開口１１８付近のみ第２光ファイバー２２の位置決めに適する狭められた断面としたり、といった工夫は本実施形態における光ロータリージョイント１０の有用性を高める。なお、開口１１５は、ボディー部１１６ではなくテイル部１１２と呼ぶべき部分に設けられていてもよい。

拡大ポート１１７の主たる作用は、開口１１８を取り囲む広げられた領域で、第１光ファイバー２１による光伝送のための光の入射や出射を実現することである。ボディー部１１６の主たる作用は、その開口１１８のための導光である。テイル部１１２の主たる作用は、結合ポート１１４に光学的に結合された第１光ファイバー２１とボディー部１１６との間での光伝送の効率を高める点である。これらの主たる作用を実現する限り、拡大ポート１１７、ボディー部１１６、テイル部１１２、結合ポート１１４は種々の構造や配置で実施することができる。例えば、図１、２等に示したとおり、テイル部１１２は、導光素子１１全体から見て開口１１８とは逆側に配置され、結合ポート１１４がボディー部１１６の概して円筒形状の外側面の延長に配置される。しかし、結合ポート１１４やそれを備えるテイル部１１２は、別の配置とすることができる。結合ポート１１４は、テイル部１１２に対して第１光ファイバー２１の光学的結合を確実にする作用のための任意の形状をもちうる。

ボディー部１１６の材質は、第１光ファイバー２１と第３光ファイバー２３とにより光伝送する波長の光に対し透過性をもつ材質によって作製されている。ボディー部１１６の材質は、その波長が例えば８００ｎｍ帯や１．３μｍ帯であれば、典型的には、アクリル樹脂（Poly(methyl methacrylate), ＰＭＭＡ）等の透光性樹脂や、溶融石英などの光学硝子である。同様に、テイル部１１２もこれらの材質により作製することができる。

対向側導光素子１２も、テイル部１２２とボディー部１２６を備えており、テイル部１２２は、第３光ファイバー２３に光学的に結合可能な結合ポート１２４を備えている。ボディー部１２６は、第４光ファイバー２４を収容可能な貫通孔１２１と拡大ポート１２７とを有している。貫通孔１２１につながる開口１２８が拡大ポート１２７に設けられており、開口１２５との間で貫通孔１２１が通路をなしている点も、対向側導光素子１２は導光素子１１と同様である。ボディー部１２６の材質も、結合ポート１２４と拡大ポート１２７との間で、第３光ファイバー２３と第１光ファイバー２１とが光伝送する波長の光に対して透過性をもつようなものである。対向側導光素子１２は、導光素子１１と同じ形状をもつことができ、また異なる形状をもつものとすることもできる。導光素子１１におけるボディー部１１６の材質と対向側導光素子１２におけるボディー部１２６の材質は、同一であっても、互いに異なる材質であっても構わない。テイル部１１２とテイル部１２２についても導光素子１１と対向側導光素子１２との間で材質の同一性は要しない。

図３Ａ、図３Ｂは、本実施形態の光ロータリージョイント１０における導光素子１１、対向側導光素子１２の光の伝播の様子を説明する断面図であり、導光素子１１、ケーブルセグメント２１０に対する対向側導光素子１２、ケーブルセグメント２２０の回転状態を代表的な二つの状態とした場合である。すなわち図３Ａは、テイル部１１２とテイル部１２２が同じ側である紙面上の下側となるような配置であり、図３Ｂは、ケーブルセグメント２２０とともに対向側導光素子１２を回転軸まわりに１８０°回転させテイル部１２２を紙面上の上側とした配置である。ここでは典型例として、第１光ファイバー２１から第３光ファイバー２３へ一方向で光が伝播し、第４光ファイバー２４から第２光ファイバー２２に逆方向に光が伝播する場合を説明する。導光素子１１の第１光ファイバー２１からの光は、結合ポート１１４からテイル部１１２を通ってボディー部１１６に伝播する。テイル部１１２やボディー部１１６では、外側面１１０（図３Ａ、図３Ｂ）への内側からの入射角に応じ、光は全反射によって内部に戻ったり屈折によって表面から出射したりする。図では鎖線矢印により伝播する光の代表的な光線を示している。図示しないが貫通孔１１１の内側面に到達して全反射する光も皆無ではない。また、いずれかの全反射の結果、テイル部１１２や結合ポート１１４に戻る光も生じうる。導光素子１１の内部から拡大ポート１１７（図２）に到達した光は、そこで導光素子１１を出射し、対向側導光素子１２の拡大ポート１２７（図２）に入射する。その光は、ボディー部１２６とテイル部１２２の内部から、対向側導光素子１２の外側面１２０と貫通孔１２１をなす内側面に入射する。その光の大部分はその際全反射し、テイル部１２２の結合ポート１２４に導かれる。結合ポート１２４を出射した光は、そこに結合している第３光ファイバー２３に入射して導光される。このような導光素子１１と対向側導光素子１２における導光は、図３Ａの配置のみならず図３Ｂの回転配置でも十分に期待することができる。また、図示されていない任意の回転配置においても同様に実現される。したがって、第１光ファイバー２１からの光は、導光素子１１と対向側導光素子１２との回転軸まわりの相対的な回転角度にかかわらず、第３光ファイバー２３に導かれる。導光素子１１内、対向側導光素子１２内の光と、第２光ファイバー２２内、第４光ファイバー２４内の光はクロストークすることはない。このため、導光素子１１、対向側導光素子１２の互いの回転状態にかかわらず、第１光ファイバー２１および第３光ファイバー２３の系統の光伝送と第２光ファイバー２２および第４光ファイバー２４の系統の光伝送とが互いに干渉せず、２チャンネルの光伝送が実現される。

図２にもどって光ロータリージョイント１０の詳細を説明する。拡大ポート１１７、１２７は、好ましくは開口１１８、１２８を通る対称軸３１、３２のまわりの回転対称性をもつような表面形状になっている。すなわち、対称軸３１、３２は、拡大ポート１１７、１２７が回転対称性をもつような表面形状になっている場合に、それらの回転対称性の軸として規定される仮想的な軸である。対称軸３１、３２は、貫通孔１１１、１２１が直線状の円断面の通路をなす貫通孔であれば、典型的には、それぞれを貫通孔１１１、１２１の中心軸と一致するようにとることができる。

拡大ポート１１７を例にその構造の典型例をより詳細に説明すると、拡大ポート１１７は、対称軸３１のまわりの回転対称性をもつような表面形状に作製される。拡大ポート１１７が回転対称性をもつ表面形状になっている場合、さらに好ましくは、その周縁１１９が円をなすようにされている。その結果、導光素子１１をケーブルセグメント２１０とともに対称軸３１まわりに回転させたとき、拡大ポート１１７の表面形状は回転前のそれ自体に重なることになる。その回転対称性が、対称軸３１まわりの任意の回転角に対して成立するような対称性（円対称）である場合、任意の回転角に対して拡大ポート１１７の表面形状は不変である。拡大ポート１２７も同様に作製することができる。

拡大ポート１１７が回転対称性をもつ表面形状になっている場合において、第２光ファイバー２２の端部のうち少なくとも開口１１８に達する部分は、対称軸３１に平行に向けられていて、それ自体の中心が対称軸３１と一致していることが好ましい。この構造を導光素子１１がもつ場合において、導光素子１１をケーブルセグメント２１０とともに回転させる回転軸をその対称軸３１に一致させると、第２光ファイバー２２の端部の受光角、放射角が回転では変動しない。つまり、ケーブルセグメント２１０側の回転は、第２光ファイバー２２の光伝送に対して影響を及ぼしにくくなる。しかもこの構造では、拡大ポート１１７が第２光ファイバー２２の端部付近の延びる方向を軸に同軸に配置され、その拡大ポート１１７の表面形状が回転対称性をもつため、第１光ファイバー２１による拡大ポート１１７を通じた光伝送も回転の影響を受けにくくなる。したがって、ケーブルセグメント２１０側の回転に対する光伝送への影響は最小化される。同様の構造を対向側導光素子１２の拡大ポート１２７にも採用することができる。これらの回転は、ケーブルセグメント２１０側とケーブルセグメント２２０側との間における相対的な回転について同様である。

図４Ａに拡大ポートの典型例として穴あき平面である拡大ポート１１７Ａの例を斜視図で示す。この拡大ポート１１７Ａは、円を周縁１１９としてもち、開口１１８が設けられているので、穴あき円板（punctured disk）すなわち円環（annulus）となっている。別の好ましい例は、図２と同様の断面図で図４Ｂ、４Ｃに示すように、穴あき凸面の拡大ポート１１７Ｂ、穴あき凹面の拡大ポート１１７Ｃである。さらに、図４Ｄに断面で示すように穴あきフレネルレンズ面の拡大ポート１１７Ｄとすることも好ましい。この拡大ポート１１７Ｄでは、図示するように凸面と同様の屈折力を示すように構成することもできる。このフレネルレンズ面は、複数の同心円で区切られた複数の輪帯に分割されており、各輪帯が凸面を切り取った表面形状をもつものが典型例である。図示しないが、穴あきフレネルレンズ面とする拡大ポート１１７Ｄは、凹面と同様の屈折力をもつように構成することもできる。拡大ポート１２７の表面形状についても同様である。

拡大ポート１１７と拡大ポート１２７の形状の組み合わせは、同一の表面形状をもつものとしてもよいし、また互いに異なる表面形状としてもよい。例えば、図２に示したように、拡大ポート１１７と拡大ポート１２７の双方を穴あき平面とするものは本実施形態の典型例である。別の例としては、拡大ポート１１７を穴あき凸面（図４Ｂ）として、拡大ポート１２７を穴あき凹面（図４Ｃ）としてもよい。あるいは、拡大ポート１１７と拡大ポート１２７をともに穴あき凸面としたり、ともに穴あき凹面としたりすることができる。凸面と凹面は、図４Ｂおよび図４Ｃではなめらかな曲線で断面を描いているが、段差をもつ凸部のある凸面と、その凸部を収容する段差をもつ凹部をもつ凹面、という嵌合可能な組み合わせも採用することができる。嵌合可能で回転対称性をもつ場合には、対称軸３１と対称軸３２を一の直線に合せる構成での軸ずれや、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の位置ずれを機械的に抑制することもできる。

導光素子１１と対向側導光素子１２の相対回転は、対称軸３１、３２と関連付けた回転軸の回りとすることが好ましい。例えば、拡大ポート１１７、１２７がともに回転対称性をもつ表面形状をもっており、それぞれの回転対称軸である対称軸３１、３２を一の直線に合せ、さらにこの一の直線を導光素子１１と対向側導光素子１２の相対回転の軸と略一致させる。この配置では、一の直線となる対称軸３１、３２がそれぞれ開口１１８、１２８を通り、その直線がケーブルセグメント２１０側と、ケーブルセグメント２２０側間の相対回転の回転軸となることから、開口１１８、１２８の間における第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４の間での光伝送がその相対回転の影響を受けにくい。またこの配置では、回転対称性をもつ拡大ポート１１７、１２７を通じた第１光ファイバー２１、第３光ファイバー２３間の光伝送も回転の影響を受けにくい。つまり、第１光ファイバー２１および第３光ファイバー２３の間の光伝送と、第４光ファイバー２４と第２光ファイバー２２の互いの端面の間の光伝送とは、導光素子１１の対称軸３２の回転および対向側導光素子１２の対称軸３２まわりの回転のどちらからも影響を受けにくくなる。この配置は、本実施形態の光ロータリージョイント１０の好ましい典型例である。

拡大ポート１１７と拡大ポート１２７を対向させるための導光素子１１と対向側導光素子１２とを組み合わせる詳細な構造は、光ロータリージョイント１０に期待する機能に応じて決定される。例えば、光ロータリージョイント１０には、光ケーブル２００に不測のねじれが加わった時のみにそのねじれを解放させてファイバーのコアの破断、折損を回避する機能を期待するのであれば、拡大ポート１１７と拡大ポート１２７は通常は互いに接触させておいても構わない。他方、光ケーブル２００に生じるねじれが恒常的なものでねじれが高い頻度で生じかねなかったり、回転機械に採用したりすることも考えられる。その用途であれば、拡大ポート１１７と拡大ポート１２７を互に離間させるなど、機械的には接触させない配置にすることが好ましい。

後述する第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４の間隙に配置される流動性光学媒体５０（図５Ｂ）と同様の媒体を拡大ポート１１７と拡大ポート１２７の間隙に配置する場合には、その流動性光学媒体が間隙に適切に保持されるような表面形状を拡大ポート１１７と拡大ポート１２７のために採用することも好ましい。

図１～図３に示すように、導光素子１１は、テイル部とボディー部とが、ともにボディー部のための材質による連続体をなしていると好ましい。導光素子１１の構造でこの点を詳述すると、結合ポート１１４と拡大ポート１１７がボディー部１１６をなす材質を介して光学的に結合されており、その途中に界面が存在しない。例えば第１光ファイバー２１から第３光ファイバー２３に光が伝播する経路では、結合ポート１１４から拡大ポート１１７までは、ボディー部１１６のための材質で連続体となっているため少ない損失で光が導かれる。拡大ポート１１７に到達した光は、拡大ポート１１７の表面から導光素子１１を出射し拡大ポート１２７から対向側導光素子１２に入射する。対向側導光素子１２も同様に作製されて同様の作用をもつ場合、その波長の光は拡大ポート１２７から結合ポート１２４までにおいても少ない損失で導光される。すなわち、内側からボディー部１１６やボディー部１２６の表面に到達した光は、ボディー部１１６、ボディー部１２６の屈折率と周囲の屈折率によって決まる臨界角よりも大きな入射角でその表面に入射した場合、全反射して内部に戻る。テイル部１１２、テイル部１２２も同様である。このような導光のための屈折率ステップを与える表面には、テイル部１１２、ボディー部１１６、ボディー部１２６、テイル部１２２の外側面１１０、１２０だけでなく、貫通孔１１１と貫通孔１２１を形成する内側面も含まれる。こうして、導光素子１１と対向側導光素子１２とを通じた第１光ファイバー２１と第３光ファイバー２３の間の伝送効率に対し、貫通孔１１１と貫通孔１２１の及ぼす影響は軽減することができる。全反射の作用を損なわないため、例えば、高い伝送効率を実現するために、ボディー部１１６、ボディー部１２６の外側面１１０、１２０や、貫通孔１１１と貫通孔１２１を形成する内側面を含む表面の少なくとも一部が、周囲との接触を最小化する構造をもつようにされている。別の例では、これらの外側面や内側面が、散乱の少ない平滑な表面をもつように作製されることも有利である。

次に、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４のための配置や動作について説明する。図２、図３に示すように、第４光ファイバー２４と第２光ファイバー２２は、側導光素子１１と対向側導光素子１２との間の相対的な回転配置によらず、互いの端面が対向しつづけるように配置されていることができる。すなわち、導光素子１１と対向側導光素子１２の互いの開口１１８、１２８が位置合せされて互いの拡大ポート１１７、１２７が対向して配置されていることは、好ましい配置の典型例である。

図５Ａ～５Ｅは、光ロータリージョイント１０とともに用いられる第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の典型的な配置を示す構成図である。ここでは導光素子１１、対向側導光素子１２の記載は省略している。第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の間の伝播効率を高めるための一つの好ましい形状では、図５Ａに示すように、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４の少なくともいずれかの端面２２２、２４２が研磨加工されている。その形状は、例えば略球面の表面形状をもつようにされる。これにより、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４の相互の伝播効率を高めることができる。その際、必要に応じて、ジルコニアＺｒＯ_２などの適切な材料で作製される筒状の端部補強部材であるフェルール（図示しない）を第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４の端部付近の周囲に取り付けておく。これに合せ、貫通孔１１１、貫通孔１２１（図３）は、フェルールの形状に適合させたサイズや形状とすることができる。端面２２２、２４２が研磨加工されている第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４は、その端面同士を当接して使用することもできる。

別の第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の間の伝播効率を高める手法として、図５Ｂに示すように、流動性光学媒体５０を配置することが好ましい。流動性光学媒体５０は、例えばシリコーン系のジェルとすることにより、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の端面におけるフレネル反射を軽減し、互いの光学密着の条件が実現することから、伝播効率を高めることができる。流動性光学媒体５０が配置されていれば、導光素子１１と対向側導光素子１２を相対的に回転させても、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の端面の間で光学密着の条件は維持される。流動性光学媒体５０には第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の端面が物理的に接触する可能性を低減し潤滑作用も期待することができる。結果、流動性光学媒体５０には、摩擦や当接が光伝送に及ぼす悪影響を軽減する効果も期待できる。

なお、流動性光学媒体５０は、導光素子１１における拡大ポート１１７と対向側導光素子１２とにおける拡大ポート１２７の空隙に配置することも好ましい（図示しない）。拡大ポート１１７と拡大ポート１２７の間隙でも物理的接触なく光学密着が実現し、それが回転に耐えうるものであれば、拡大ポート１１７と拡大ポート１２７の間での伝播効率を高める作用をもつ。その際には摩擦低減効果も期待することができる。

本実施形態を実用する場面において、ケーブルセグメント２１０側とケーブルセグメント２２０側の互いの回転軸のミスアライメントや回転にともなう中心位置の振れ（以下、「軸ずれ」と総称する）に対する光伝送効率の低下は、第１光ファイバー２１と第３光ファイバー２３の間の光伝送については、導光素子１１、対向側導光素子１２それぞれの外形が大きいため相対的に問題が生じにくい。他方、同程度の軸ずれであっても、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４の伝播効率の低下は相対的に深刻となりかねない。そこで本実施形態においては、上述した第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４のいずれかの態様において、ガイドスリーブ６０（図５Ｃ）を追加することが好ましい。ガイドスリーブ６０は、図５Ｃでは一部を破断して示しているが、概して円筒側面の形状をもっている。そのガイドスリーブ６０は、第２光ファイバー２２および第４光ファイバー２４を相互に位置決めしつつ、少なくともいずれかに対して回転力を解放する程度の弱い保持力のみを及ぼす。これにより、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０の相対回転が生じても、第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４との間のねじれを解放することができる。ガイドスリーブ６０を用いれば、回転に対する第２光ファイバー２２と第４光ファイバー２４との軸ずれを、導光素子１１と対向側導光素子１２の間の軸ずれよりも小さく保つことが容易となる。その結果、第４光ファイバー２４と第２光ファイバー２２との軸ずれの精度管理を、ケーブルセグメント２１０側とケーブルセグメント２２０側との間の回転に対する軸ずれの精度管理から分離することができる。

図１～３を参照して導光素子１１、対向側導光素子１２の追加の改良についてさらに説明する。導光素子１１、対向側導光素子１２それぞれのボディー部１１６の外側面１１０、ボディー部１２６の外側面１２０（図３Ａ、図３Ｂ）など、それらの表面の一部に、低屈折率の材質によるコーティングを施すことも有用である。この屈折率の値は伝播する波長の値に基づいて決定される。このようなコーティングの典型例はフッ素系材料である。例えば、アモルファスのテフロン（登録商標）を用いることができる。この典型例も含め、コーティングは波長や、ボディー部１１６、ボディー部１２６の材質に応じて選定すると有利である。このようなコーティングを施して有利となる表面には、貫通孔１１１、１２１をなす導光素子１１、対向側導光素子１２の内側面も含まれている。

さらに、導光素子１１、対向側導光素子１２には種々の工夫を施すことができる。導光素子１１、対向側導光素子１２における貫通孔１１１と貫通孔１２１は、それぞれボディー部１１６、１２６の貫通孔であり、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４を収容可能にされている。貫通孔１１１と貫通孔１２１の側面は、ボディー部１１６、１２６からみた内側面であり、平滑に仕上げられていれば好ましい。ボディー部１１６、１２６内部の導光動作が貫通孔１１１と貫通孔１２１の影響を受けにくくなるためである。導光素子１１、対向側導光素子１２が例えばＰＭＭＡ等の金型成形に適する材質で作製されている場合、貫通孔１１１、１２１は、ボディー部１１６、１２６の成形段階の金型により成形することができ、あるいはボディー部１１６、１２６の成形後にせん孔されてもよい。貫通孔１１１、１２１は、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４を収容することができるように形状（例えば内径）が決定される。第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４がファイバー素線の場合には、貫通孔１１１、１２１はファイバー素線を収容する形状とされる。また、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４が図示しないフェルールで端部が補強されているものの場合、貫通孔１１１、１２１が第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４をフェルールとともに収容する形状にされる。さらに、第２光ファイバー２２、第４光ファイバー２４が端部においてガイドスリーブで互いに位置合わせされる構造（図５Ｃ）の場合、ガイドスリーブをも収容することができるように貫通孔１１１と貫通孔１２１の形状が決定されると有利である。

本実施形態の光ロータリージョイントは、ボールレンズを採用することにより、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０との間の回転に関連する課題を軽減することができる。図５Ｄは、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０それぞれに１つのボールレンズを採用する構成例を示す断面図である。導光素子１１Ａ、対向側導光素子１２Ａは、第１および第２ボールレンズ５１および５２に関連する部分以外は、導光素子１１、対向側導光素子１２（図１～３）と同様の構造をもつため、図５Ｄは第１および第２ボールレンズ５１および５２付近のみを拡大して示す。ケーブルセグメント２１０側の第１ボールレンズ５１は、第２光ファイバー２２の端面２２２に対し、所定の距離をおいて対称軸３１に合わせて中心を持つように配置されている。この所定の距離は、第１ボールレンズ５１に向かう平行光が第２光ファイバー２２の端面２２２の中心のコアに収束するような距離が典型である。例えば、導光素子１１Ａの開口１１８Ａは、第１ボールレンズ５１の光軸を除く周囲部分の少なくとも一部をはめて保持するような形状となっている。第１ボールレンズ５１は、必要に応じてタイトフィット（はめあい）、固着、接着などにより開口１１８Ａに固定されている。図示しないが、導光素子１１Ａは、第１ボールレンズ５１に対し第２光ファイバー２２の端面２２２を所定の距離に保つように、端面２２２の位置を定める係止部（ストッパー部）を備えているものであってもよい。ケーブルセグメント２２０側にも第４光ファイバー２４の端面２４２に向かう光軸延長上の所定の位置に第２ボールレンズ５２が配置されている。また、第４光ファイバー２４と第２ボールレンズ５２との位置関係も同様になるように開口１２８Ａが構成されていることができる。図５Ｄの構成をもつ光ロータリージョイントにおいて、第１および第２ボールレンズ５１および５２はリレーレンズとして動作する。第４光ファイバー２４から第２光ファイバー２２に向かう光は、ケーブルセグメント２２０側、ケーブルセグメント２１０側のボールレンズと光ファイバーの位置関係それぞれが適切に配置されていれば、第２および第１ボールレンズ５２および５１の間を概ね平行光になって空間を伝播する。その結果、導光素子１１Ａと対向側導光素子１２Ａとの間の距離ｄの変動に対して第４光ファイバー２４から第２光ファイバー２２への光の伝送効率の低下や変動を小さくすることができる。第１および第２ボールレンズ５１および５２により、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０との間の回転に関する機械的精度の許容度が大きくなって、光ロータリージョイントの実用性を高めることができる。

図５Ｅは、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０とに共通するボールレンズを採用する構成例を示す断面図である。導光素子１１Ｂ、対向側導光素子１２Ｂの構成は、共通ボールレンズ５４に関連する部分以外は導光素子１１Ａ、対向側導光素子１２Ａと同様である。共通ボールレンズ５４は導光素子１１Ｂ、対向側導光素子１２Ｂの両方またはいずれか一方にたいして回転可能な態様ではまっている。すなわち、共通ボールレンズ５４は、開口１１８Ｂと開口１２８Ｂの内面により、その中心が対称軸３１、３２の延長に位置づけられている。このため、第４光ファイバー２４と第２光ファイバー２２との間のリレーレンズとして動作する。つまり第４光ファイバー２４からの光は共通ボールレンズ５４を通って第２光ファイバー２２に伝播する。このため、第２光ファイバー２４の端面２２２、第４光ファイバー２４の端面２４２それぞれと共通ボールレンズ５４との間の所定の距離は、第４光ファイバー２４の端面２４２の中心のコアから発した光が、共通ボールレンズ５４の作用により、第２光ファイバー２２の端面２２２の中心のコアに収束するような距離が典型である。導光素子１１Ｂ、対向側導光素子１２Ｂの回転軸も、共通ボールレンズ５４の中心を通る。開口１１８Ｂと開口１２８Ｂとの両方の内面が共通ボールレンズ５４にはまっていて少なくともいずれかが回転可能であるため、導光素子１１Ｂ、対向側導光素子１２Ｂは相対的な回転を許容しつつ、互いの回転軸はずれにくい。このように、共通ボールレンズ５４の作用により、第４光ファイバー２４から第２光ファイバー２２への伝送効率がケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０との間の回転の影響を受けにくくなり、実用面で有利である。

本実施形態の光ロータリージョイントのための導光素子は、必ずしもテイル部とボディー部が一体である構造に限られず、別体のものであってもよい。図６は、本実施形態の導光素子においてテイル部とボディー部が別体である光ロータリージョイント１０Ｅの構造を示す断面図である。光ロータリージョイント１０Ｅは、導光素子１１Ｅと対向側導光素子１２Ｅを備えている。これらの導光素子は、それぞれの拡大ポート１１７Ｅ、１２７Ｅを互いに対向させて配置されている。以下、導光素子１１Ｅに基づいて説明する。導光素子１１Ｅのテイル部１１２Ｅは、ボディー部１１６Ｅとは別体のものであり、これらは互いが光学的に結合されている。この結合は、結合ポート１１４Ｅと、拡大ポート１１７Ｅとを除いたいずれかの部分で実現される。ボディー部１１６Ｅは、例えば円錐台すなわち切頭円錐形の形状をもち、その円錐の軸部分を通るように貫通孔１１１Ｅが形成されている。貫通孔１１１Ｅに第２光ファイバー２２が収容される。ボディー部１１６Ｅの小径の頂面には、貫通孔１１１Ｅのための開口１１５Ｅが設けられている。その円錐台の小径の頂面とその近傍の側面には、テイル部１１２Ｅが結合されている。ボディー部１１６Ｅは、円錐台の大径の底面が拡大ポート１１７Ｅとなるように向いている。ボディー部１１６Ｅとテイル部１１２Ｅとを別体とする構造では、それぞれのために適する材質や形成方法を採用することができる。例えば、テイル部１１２Ｅには結合ポート１１４Ｅの形成など精密な成形に適する製造方法や材質を採用し、ボディー部１１６Ｅには拡大ポート１１７Ｅの摩擦耐性が良好な材質を採用することができる。テイル部１１２Ｅとボディー部１１６Ｅとを別体とする場合には、一体では形成しにくい形状も導光素子１１に採用することができる。

本実施形態の光ロータリージョイントのための導光素子は、テイル部とボディー部とが一体であるか別体であるかにかかわらず、テイル部とボディー部のいずれかに光の伝播方向を変換するための部位すなわち方向変換部が設けられていると好ましい。図６に示す導光素子１１Ｅ、対向側導光素子１２Ｅでは、それぞれに方向変換部が設けられている。例えば、導光素子１１Ｅのテイル部１１２Ｅには、方向変換部１１３Ｓ１～Ｓ３が設けられている。方向変換部１１３Ｓ１～Ｓ３は、テイル部１１２Ｅの結合ポート１１４Ｅに結合される第１光ファイバー２１からの光を、テイル部１１２Ｅからボディー部１１６Ｅへと導くことに適する方向に変換する作用をもつ。このような作用を実現するために、例えば方向変換部１１３Ｓ１～Ｓ３は適当な方向に向けられた傾斜面により実現される。これらの傾斜面は、その付近の全般的な外形のままでの全反射の光の方向とは異なる方向に光を伝播させる必要性に応じて設けられる。図６では、ボディー部１１６Ｅの円錐台の小径の頂面やその付近と結合ポート１１４Ｅとの間での光の伝播効率を高めるような傾斜面をテイル部１１２Ｅに設けて方向変換部１１３Ｓ１～Ｓ３としている。本開示の方向変換部は、テイル部１１２Ｅではなくボディー部１１６Ｅに同様の作用をもつ方向変換部が設けられていてもよい。同様に、方向変換部は、図１～５に示した導光素子１１において、テイル部１１２、ボディー部１１６のいずれかまたは両方に設けられていてもよい。方向変換部は、傾斜面の反射ではなく、周期構造による回折など別の光学作用によるものでもよい。図６を参照して導光素子１１Ｅを例にした上記説明は、対向側導光素子１２Ｅにおいて、テイル部１２２Ｅ、方向変換部１２３Ｓ１～Ｓ３、ボディー部１２６Ｅについても当てはまる。

上述した光ロータリージョイント１０、１０Ｅは、光ロータリージョイントとしての機能のために回転保持部材を追加して備えていると好ましい。その回転保持部材は、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０を、それらを互いに保持しつつねじれを解放するハウジングにより実現することができる。光ロータリージョイント１０、１０Ｅのための回転保持部材には、回転機械の軸受け機構やワイヤーロープのスイベル機構のために利用可能な任意の機械要素や工夫を採用することができる。

図７Ａは、本実施形態における光ロータリージョイントにおいて、素子ホルダーとホルダーハウジングを含んでいる回転保持部材をもつ構造例を示す断面図である。素子ホルダー３３Ａは、ケーブルセグメント２１０のケーブルジャケットと導光素子１１とを固定的に保持する。同様に、素子ホルダー３４Ａはケーブルセグメント２２０のケーブルジャケットと対向側導光素子１２とを固定的に保持する。ホルダーハウジング４０は、素子ホルダー３３Ａ、３４Ａの抜け止めのための係止部３３２、３４２と係合しつつ、素子ホルダー３３Ａ、３４Ａの内部での軸まわりの回転を許容する。その回転の間、ホルダーハウジング４０は、素子ホルダー３３Ａ、３４Ａが保持している導光素子１１、対向側導光素子１２における拡大ポート１１７、１２７（図２）を対向させ、第２および第４光ファイバー２２、２４（図２）の端面の互いの位置を光伝送に適する配置に保っている。このような回転を実現するための典型的な幾何学的配置は、拡大ポート１１７、１２７それぞれの回転対称軸である対称軸３１、３２を一の直線とし、導光素子１１と対向側導光素子１２の相対回転の軸をその直線に略一致させるものである。このようなホルダーハウジング４０は素子ホルダー３３Ａ、３４Ａを、相対回転を許容しつつその配置を維持する作用をもつことから、本実施形態の回転保持部材として作用する。このような回転保持部材をもつ光ロータリージョイントでは、ケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０の間でのねじれは解放される。素子ホルダー３３Ａ、３４Ａ、ホルダーハウジング４０は、金属構造材や樹脂等、任意の材質により作製することができる。係止部３３２、３４２を例えばラッチ状の形状に作製しておき、ホルダーハウジング４０が樹脂材料で作製されていれば、組立が容易になる利点もある。

図７Ｂは、本実施形態における光ロータリージョイントにおいて、回転保持部材が、素子ホルダーの部分により実現されている構造例を示す断面図である。素子ホルダー３３Ｂがケーブルセグメント２１０のケーブルジャケットと導光素子１１とを固定的に保持し、同様に素子ホルダー３４Ｂがケーブルセグメント２２０のケーブルジャケットと対向側導光素子１２とを固定的に保持している。素子ホルダー３３Ｂは、ガイドハウジング部３３４を備えている。このガイドハウジング部３３４は、素子ホルダー３４Ｂの係止部３４２と係合することにより、素子ホルダー３３Ｂと素子ホルダー３４Ｂの軸まわりの相対回転を許容する。その際、素子ホルダー３３Ｂ、３４Ｂが保持している導光素子１１、対向側導光素子１２における拡大ポート１１７、１２７は対向し続けている。つまり、第２および第４光ファイバー２２、２４の端面の互いの位置は、光伝送に適する配置に保たれている。こうして、ガイドハウジング部３３４は本実施形態の回転保持部材として作用する。

図７Ｃは、防水ベアリング４２を採用する回転保持部材の別の構造例を示している。素子ホルダー３３Ｃの一部である延長筒部３３６はケーブルセグメント２１０側をケーブルセグメント２２０側に向かわせる延長方向に延びている。素子ホルダー３４Ｃには、延長筒部３３６を収容するための円筒溝３３８を備えている。防水ベアリング４２は円筒溝３３８に対し延長筒部３３６を回転自在に保持している。このため、ケーブルセグメント２１０に対するケーブルセグメント２２０の回転は自在であり、かつ、外界からの水分などの侵入が防止される。この構成では、延長筒部３３６が円筒溝３３８に収容されるため、防水に加え、ケーブルセグメント２２０のケーブルセグメント２１０に対する回転の精度の維持に有利である。また、素子ホルダー３３Ｃ、３４Ｃそれぞれが一体成型により作製されれば、機械的精度が高いものを少ない部品点数で実現することができ、実用性の高まる点で有利である。

図７Ｄは、防水ハウジング４４を採用する光ロータリージョイントの別の構造例を示している。防水ハウジング４４の内部には上述したいずれかの光ロータリージョイントを配置することができ、図７Ｄでは図７Ｂに示した光ロータリージョイントと同様のものを示している。防水ハウジング４４は、例えばケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０それぞれのケーブルジャケットを防水ベアリング４２を通じて回転可能に保持する。防水ハウジング４４の内部におけるケーブルセグメント２１０とケーブルセグメント２２０との間の回転は、防水ハウジング４４によって障害されることはない。なお、図７Ｄにおいて防水ハウジング４４は一体の構造をなしているが、組立てることによって防水ハウジング４４をなすような分解可能な構造を防水ハウジング４４のために採用することができる。本実施形態の光ロータリージョイントにおいて、防水ベアリング４２を小径のものとすることは、防水ベアリング４２の防水能力を高める、低コスト化が容易になる、といった実用面で有利である。さらに、導光素子１１または対向側導光素子１２のサイズが防水ベアリング４２のサイズの制約を受けないことは、導光素子１１または対向側導光素子１２の設計および製造が容易になる利点もある。防水ベアリング４２を小径とするには、導光素子１１または対向側導光素子１２の外径より小さい径の部分を回転可能に保持するように防水ベアリング４２の位置を変更するのが好ましい。ここで、防水ベアリング４２を備えうるのは、防水ハウジング４４または回転保持部材となる素子ホルダー３３Ｂ、素子ホルダー３４Ｂである。また、防水ベアリング４２によって回転可能に保持されるのは、光ケーブルまたは光ロータリージョイントのうち、導光素子１１または対向側導光素子１２の外径より小さい径のいずれかの位置である。例えば、ケーブルセグメント２１０、ケーブルセグメント２２０のいずれかのケーブルジャケットや、素子ホルダー３３Ｂ、素子ホルダー３４Ｂのネック部分などは、小径の防水ベアリング４２が回転可能に保持できる代表的な位置である。また、そのような小径の防水ベアリング４２は、図７Ｄに示すように二つ備えている必要はない。

図８は、本実施形態における光ロータリージョイントにおいて、回転保持部材に防水ベアリングを採用する構造例を示す断面図である。防水ベアリング４２は、ホルダーハウジング４０Ｃに取り付けられて、素子ホルダー３３Ｄ、３４Ｄを回転自在に保持しつつ、その内部への水分などの汚染物質の侵入を防止している。図示しないが、図７Ｂに示した素子ホルダー３３Ｂのガイドハウジング部３１４にこのような防水ベアリングが設けられていても同様の作用を発揮することができる。防水ベアリング４２の例としては、密閉のためのシール付きボールベアリングやシール付きローラーベアリングといったものに加え、回転を許容しつつ汚染物質の侵入にある程度抵抗性をもつ任意の軸受けを採用することができる。また、素子ホルダー３３Ａと素子ホルダー３４Ａ等を互いに押しつけるアキシャル方向の圧縮力が作用する場合に備えるためには、導光素子１１と対向側導光素子１２の衝突や互いの干渉を未然に防ぐための任意の手段を備えていることも好ましい。また、アキシャル方向の荷重を受けつつ回転を容易にするためには、低摩擦ワッシャーや、スラストベアリングを配置することも有用である。

回転保持部材の各部は、使用する回転運動の回転数、回転される頻度、要求される耐久性、防塵性といった必要な仕様に合せ、軸受け、調芯、密閉のためのシールといった機械的工夫を施すことができる。これらにより、本実施形態の光ロータリージョイントの実用性を高めることができる。

上述した本実施形態の光ロータリージョイント１０、１０Ｅは、導光素子１１、１１Ｅ、第１光ファイバー２１、第２光ファイバー２２を備える導光素子付の光ケーブルとして実施することができる。例えばホルダーハウジング４０を採用すれば、図７Ａの素子ホルダー３３Ａとケーブルセグメント２１０とを含めてアセンブリー化した光ケーブルは、素子ホルダー３４Ａとケーブルセグメント２２０とを含めて同様にアセンブリー化した光ケーブルの間での相互の回転を許容しつつ、光伝送可能に接続することができる。

また、光ロータリージョイント１０、ケーブルセグメント２１０、ケーブルセグメント２２０を含む光ケーブル２００（図１）は、ねじれを解放する光ロータリージョイントを含むことから２芯の光ケーブルとして有用である。

２．変形例
本開示の実施形態として説明した導光素子、光ロータリージョイント、光ケーブルは、広汎な用途に用いることができ、また有線での光伝送を採用しにくかった機器への光伝送の適用可能性を広げるものである。その機器の典型例が、長尺の光ケーブルの一端から他端までの距離を変化させる用途で採用されるリールである。リールは、ドラムに光ケーブルを巻き取ったり引き出したりすることを容易化するものの、両端を接続したままでは、その巻き取りまたは引き出しの動作によって光ケーブルにねじれを生じさせる。このため、従来のリールの巻き取りまたは引き出しには光伝送の中断が必要であった。光ケーブル全長の適当な位置に本開示の実施形態における光ロータリージョイント１０、光ロータリージョイント１０Ｅを採用すると、２芯の光ケーブルでリールを利用しても、光伝送を継続しつつねじれが解放され光ケーブルの過剰なたるみを除去しつつ光伝送を継続できるため、光ケーブルの用途拡大に極めて有用である。

また、例えば、海洋探査の潜水艇や潜水ロボットに本開示の実施形態の導光素子、光ロータリージョイント、光ケーブルを採用すれば、これらの機器に光伝送を採用する技術的障壁の一つが取り除かれる。これらの機器では、機動や、不測の回転などが生じてケーブルにねじれが生じやすい。本開示の実施形態の導光素子、光ロータリージョイント、光ケーブルを採用すれば、そのような状況でも光ケーブルが健全に保たれることから、光伝送をこれらの機器に採用しやすくなる。

２本の光ファイバー素線をもつ光ケーブルに関するハンドリング性の改善は、例えば、図７Ａに示したホルダーハウジング４０を機器に固定したり、図７Ｂに示した素子ホルダー３３Ｂが機器に固定されたりしていても実現される。このため、素子ホルダー、ホルダーハウジング等に示した部材のいずれかを何らかの機器に固定するためのステーター（固定子）やレセプタクルとして機能させることも有用である。例えば素子ホルダー３３Ｂにフランジ部やベース部（いずれも図示しない）を設けてステーターやレセプタクルとし、素子ホルダー３４Ｂを、当該ステーターと組み合わせるローター（回転子）としたり、当該レセプタクルと組み合わせるコネクターとしたりすることができる。

以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。各実施形態の他の組合せを含む本開示の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。

本開示は光伝送を利用する任意の機器のために使用可能である。

１０、１０Ｅ光ロータリージョイント
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｅ導光素子
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｅ対向側導光素子
１１０、１２０外側面
１１１、１１１Ｅ、１２１、１２１Ｅ貫通孔
１１２、１１２Ｅ、１２２、１２２Ｅテイル部
１１３Ｓ１～Ｓ３、１２３Ｓ１～Ｓ３方向変換部
１１４、１１４Ｅ、１２４、１２４Ｅ結合ポート
１１５、１１５Ｅ、１２５、１１８、１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｅ、１２８、１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｅ開口
１１６、１１６Ｅ、１２６、１２６Ｅボディー部
１１７、１１７Ｅ、１２７、１２７Ｅ拡大ポート
２１、２２、２３、２４第１、第２、第３、第４光ファイバー
２１０、２２０ケーブルセグメント
２２２、２４２（光ファイバーの）端面
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ素子ホルダー
３３２、３４２係止部
３３４ガイドハウジング部
４０、４０Ｃホルダーハウジング
４２防水ベアリング
４４防水ハウジング
５０流動性光学媒体
５１、５２第１、第２ボールレンズ
５４共通ボールレンズ
６０ガイドスリーブ

Claims

ある波長の光を導く第１光ファイバーに光学的に結合可能な結合ポートを有している、前記波長の光が透過する材質のテイル部と、
第２光ファイバーを収容可能な貫通孔と前記貫通孔につながる開口が設けられている拡大ポートとを有しており、前記結合ポートから前記拡大ポートへまたは前記拡大ポートから前記結合ポートへ前記波長の光を導きうるようになっている前記波長の光が透過する材質のボディー部と
を備える導光素子。
前記拡大ポートが、前記開口を通る対称軸まわりの回転対称性を示す表面形状になっている
請求項１記載の導光素子。
前記拡大ポートの前記表面形状が、前記開口が開けられており前記対称軸を中心とする円を周縁としてもつ穴あき平面である
請求項２記載の導光素子。
前記拡大ポートの前記表面形状が、前記開口が開けられており前記対称軸を中心とする円を周縁としてもつ穴あき凸面および穴あき凹面のいずれかである
請求項２記載の導光素子。
前記拡大ポートの前記表面形状が、前記対称軸を中心とする円を周縁としてもち、前記対称軸を中心とする前記円より小さな径の少なくとも１つ円で区切られた複数の輪帯に分割されていて凸面または凹面のいずれかの屈折力を示す穴あきフレネルレンズ面である
請求項２記載の導光素子。
前記テイル部と前記ボディー部とが前記ボディー部のための前記材質の連続体をなしており、
前記結合ポートと前記拡大ポートが前記ボディー部をなす前記材質を介して光学的に結合されているものである
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の導光素子。
前記テイル部が前記波長の光が透過する材質により作製された前記ボディー部とは別体のものであり、
前記テイル部および前記ボディー部は、それぞれの表面のうち前記結合ポートと前記拡大ポートとを除いた表面の少なくとも一部で互いに光学的に結合されているものである
請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の導光素子。
前記テイル部または前記ボディー部のいずれかが、前記結合ポートから前記拡大ポートへまたは前記拡大ポートから前記結合ポートへと前記波長の光を導くための全反射を利用する方向変換部を有しているものである
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の導光素子。
前記ボディー部の前記拡大ポートを除く表面の少なくとも一部に接して前記材質より小さい屈折率をもつ材質のコーティング層が配置されている
請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の導光素子。
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の導光素子と対をなす対向側導光素子であって、
前記波長の光を導く第３光ファイバーに光学的に結合可能な結合ポートを有している、前記波長の光が透過する材質のテイル部と、
第４光ファイバーを収容可能な貫通孔と前記貫通孔につながる開口が設けられている拡大ポートとを有しており、前記結合ポートから前記拡大ポートへまたは前記拡大ポートから前記結合ポートへ前記波長の光を導きうるようになっている前記波長の光が透過する材質のボディー部と
を備える対向側導光素子。
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の導光素子と請求項１０記載の対向側導光素子とを備える光ケーブルのための光ロータリージョイントであって、
前記導光素子と前記対向側導光素子は、互いの前記貫通孔のための前記開口を位置合せして互いの前記拡大ポートを対向させて配置されており、
前記第１光ファイバーと前記第３光ファイバーとが、少なくともいずれかからもう一方の向きに前記導光素子および前記対向側導光素子の双方を介して前記波長の光が伝播可能にされており、
前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとが、前記導光素子および前記対向側導光素子それぞれの貫通孔を通ってそれぞれの端面を対向させて少なくともいずれかからもう一方の向きに光が伝播可能にされている
光ロータリージョイント。
前記導光素子および前記対向側導光素子それぞれの前記拡大ポートが、それぞれの前記開口を通る対称軸まわりの回転対称性をもつ表面形状になっており、
互いの前記対称軸を一の直線上に位置合せし互いの前記拡大ポートを対向させたまま、前記導光素子と前記対向側導光素子とを前記一の直線に略一致する回転軸まわりに相対回転可能に保持する回転保持部材をさらに備える
請求項１１記載の光ロータリージョイント。
前記回転保持部材が防水ベアリングを備えるものである
請求項１２記載の光ロータリージョイント。
前記回転保持部材を収容する防水ハウジングまたは前記回転保持部材が、前記光ケーブルまたは前記光ロータリージョイントのうち、前記導光素子または前記対向側導光素子の外径より小さい径の部分を回転可能に保持している防水ベアリングを備えている
請求項１２記載の光ロータリージョイント。
前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとのそれぞれの端部近傍の外側面を保持しつつ前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとの相対回転を可能にするガイドスリーブをさらに備える
請求項１１～請求項１４のいずれか１項に記載の光ロータリージョイント。
前記導光素子の前記開口が第１ボールレンズの少なくとも一部をはめることにより、該第１ボールレンズが前記第２光ファイバーの端面から所定の距離だけ離して配置されており、
前記対向側導光素子の前記開口が第２ボールレンズの少なくとも一部をはめることにより、該第２ボールレンズが前記第４光ファイバーの端面から所定の距離だけ離して配置されており、
前記第１ボールレンズと前記第２ボールレンズとが、前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとの間の光伝送のためのリレーレンズとなる、
請求項１１～請求項１４のいずれか１項に記載の光ロータリージョイント。
前記導光素子の前記開口が、共通ボールレンズの少なくとも一部をはめることにより、該共通ボールレンズが前記第２光ファイバーの端面から所定の距離だけ離して配置されており、
前記対向側導光素子の前記開口が、前記共通ボールレンズの別の少なくとも一部をはめることにより、該共通ボールレンズが前記第４光ファイバーの端面から所定の距離だけ離して配置されており、
前記共通ボールレンズが、前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとの間の光伝送のためのリレーレンズとなる、
請求項１１～請求項１４のいずれか１項に記載の光ロータリージョイント。
前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとの少なくともいずれかの端面が略球面の表面形状をもつようにされている
請求項１１記載の光ロータリージョイント。
前記第２光ファイバーの前記端面と前記第４光ファイバーの前記端面との間に、前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとにより導光する光の波長に対して透光性を示す流動性光学媒体が配置されている、
請求項１１記載の光ロータリージョイント。
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の導光素子と、
前記導光素子の前記テイル部の前記結合ポートに光学的に結合された前記第１光ファイバーと、
前記導光素子の前記貫通孔に通された前記第２光ファイバーと
を備える導光素子付の光ケーブル。
請求項１１～請求項１９のいずれか１項に記載の光ロータリージョイントと、
前記導光素子の前記テイル部の前記結合ポートに光学的に結合された前記第１光ファイバーと、
前記導光素子の前記貫通孔に通された前記第２光ファイバーと、
前記対向側導光素子の前記テイル部の前記結合ポートに光学的に結合された前記第３光ファイバーと、
前記対向側導光素子の前記貫通孔に通された前記第４光ファイバーと
を備える光ロータリージョイント付の光ケーブルであって、
前記第１光ファイバーと前記第３光ファイバーとが、少なくともいずれかからもう一方の向きに前記導光素子および前記対向側導光素子の双方を介して前記波長の光が伝播可能であり、
前記第２光ファイバーと前記第４光ファイバーとが、前記導光素子および前記対向側導光素子それぞれの貫通孔を通ってそれぞれの端面を対向させて少なくともいずれかからもう一方の向きに光が伝播可能であり、
前記第１光ファイバーと前記第２光ファイバーとを含むケーブルセグメントと、前記第３光ファイバーと前記第４光ファイバーとを含むケーブルセグメントとの間のねじれが解放される
光ロータリージョイント付の光ケーブル。