JP5261807B2 - ロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。 - Google Patents

ロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。 Download PDF

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Description

本発明は、光ファイバーロータリージョイントに関するものであり、特に高いビットレートの信号を伝送するための非接触光ファイバーロータリージョイント及び光ファイバーロータリージョイントを組み立てる際に使用され、光ファイバーロータリージョイントを有する既存のCATスキャンガントリーを改造する際に使用される分割導波路に関するものである。
尚、本発明は、同日に提出した「大口径分割導波路を介した並列データ伝送」と称する特許出願に関連し、また「マルチチャネルオン・アクシス光ファイバーロータリージョイント」と称する2000年3月21日出願の米国特許提出第09/531,772号に関連するものであり、本譲受人に譲渡された。これら2つの特許出願はここで参考として全体が本明細書に組み込まれている。本出願はまた、「光ファイバーロータリージョイント」と称する1999年11月23日発行の米国特許第5,991,478号、及び「光ファイバーロータリージョイント」と称する1998年7月15日提出の米国特許出願第09/115,946号に関連するものであり、両方とも本譲受人に譲渡されていて、ここに参考として全体が本明細書中に組み込まれている。
光信号は、光ファイバーロータリージョイントと呼ばれる装置によって、回転及び固定部材上に配置されたファイバー間で伝送される。ファイバーが回転軸に沿って配置されている場合には、この装置はオン・アクシスロータリージョイントとして分類され、回転軸又は中心線へのアクセスが不可能である場合、この装置はオフ・アクシスロータリージョイントとして分類される。これら2つのタイプのロータリージョイントに使用されている技術はかなり異なっており、本発明はオフ・アクシスロータリージョイントに関連するものである。
米国特許第4,525,025号の非接触オフ・アクシス光ファイバーロータリージョイントでは、ロータリーインターフェース全体に渡ってパルス光信号を結合し、ステータ上に形成された環状の反射壁と一端がその環状反射壁に近接して接しているステータ上に形成された光ファイバーを含む光ファイバーロータリージョイントが開示され、光ファイバーのひとつによって発信される信号は環状反射壁に沿って反射して他の光ファイバーによって受信される。
第4,525,025号特許に開示されたのものに類似する構成のジョイントでは、ビットパルス幅歪を引き起こす伝播遅延を許容できないので10−12インチのロータ径と50メガビット/秒のデータレートとに限られ、そのために1−3ギガビット/秒のデータ転送速度を有するパルス光信号を使用する40−50インチのロータ径を有するジョイントが必要であった。この要件を満たすためには、次の2つの条件が満たされなければならない。第一に、回転に伴う光変差を最低限に抑えられなければならない。第二に、伝播遅延はビットパルス幅歪に対する影響を最小限に抑えるように制御しなければならないが、この点は回転に伴う光変差は円周上で間隔のあいた複数の光ピックアップを使用することによって最小限にすることができる。
発明が解決しようとする課題
しかしながら、複雑さと費用を最小限におさえるためにはできるだけ少ないピックアップを有していることが望ましく、また伝播遅延の制御されなければならない。例えば、円周方向に4メートルの長さで360度の連続した円弧に形成される導波路を検討すると、円周周りに等距離で配置された4つの光ファイバーピックアップが共通のフォトダイオードに集束されて、一つの光源が射出点で導波路に信号を発信するように使用される場合、射出点に最も近い光ピックアップがまず伝送された信号を受け取り、従って受け取った信号をまずフォトダイオードに伝送する。第二の光ピックアップが90度離れて配置されているので、3ns/メートルの速度で射出点から進行している光信号は第一のピックアップの3ns後に第二のピックアップに到達する。同様に、第三のピックアップは9ns後に伝送された信号を受け取る。従って、4メートルの円周長さの連続した導波路では、12nsの伝播遅延が起こる。この状態で伝送される10nsビット幅を有する100Mb/s信号より、伝播遅延がビット幅よりも大きいので異なる時に異なる光ピックアップに到着する信号によってビット形は歪み、大口径のジョイントは問題を悪化させ、もっと大きな遅延を引き起こす。
例えば、CATスキャン機に光ファイバーロータリージョイントを設置する際に、その他の困難に遭遇する。このような装置についての困難は、ジョイントがロータとステータを含み工場で前もって組み立てられて、しばしば既存のCATスキャン機のガントリーに設置される際に分解する必要があり、このCATスキャン機に光ファイバーロータリージョイントを設置するための労力と費用を減らすことが望ましい。
また、ステータ用の導波路と光ファイバーロータリージョイントを形成するのに必要な光送信機、受信機等を設けるのは困難であり、費用がかかり、また時間もかかっていた。そのため、本発明の目的は高いビットレート信号を伝送することのできる光ファイバーロータリージョイントを提供することである。
本発明の別の目的は少なくとも4メートルの円周を有することが可能な光ファイバーロータリージョイントを提供することである。
本発明のさらなる目的は既存のガントリーを改造して光ファイバーロータリージョイントを形成するために使用可能な分割導波路を提供することである。
本発明のさらに別の目的は光ファイバーロータリージョイントを有するガントリーを改造する方法を提供することである。
課題を解決するための手段
前記目的を達成する為の請求項1の発明は、光ファイバーロータリージョイントがロータ及び既存のステータ表面を含み、前記ロータが該ロータの第一の円周に接続している複数の光送信機又は複数の光受信機を有し、複数の分割導波路が既存のステータ表面に取付けられ、前記複数の分割導波路の各々は、前記ロータ上の複数の光送信機のいずれか一つから送信される光エネルギーを反射導波路表面において反射し、該反射導波路表面に光学的に結合している光受信機に結合させる、ロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路であって、前記分割導波路は、前記既存のステータ表面の部分と一致するような形をしている反射導波路表面と、該反射導波路表面を支持し、既存のステータに接続可能な少なくとも一つの導波路サポートと、前記反射導波路表面に光学的に結合している少なくとも一つの光送信機又は光受信機とを備え、前記光送信機又は前記光受信機が前記反射導波路表面の一端に設けられ、前記反射導波路表面の長さの合計が、最長で前記既存のステータ表面の円弧の135度に亘って伸び、前記導波路サポートが前記反射導波路表面の一端に設けられていることを特徴とする。
請求項2の発明は、前記光送信機又は前記光受信機は、断面が平行四辺形のプリズムであることを特徴とする。
請求項3の発明は、前記反射導波路表面の反対端部にさらに、第二の導波路サポートが配置されて成ることを特徴とする。
請求項4の発明は、さらに、前記反射導波路表面に光学的に結合している前記光送信機又は前記光受信機に取り付けられた光ファイバーから成り、該光ファイバーは反射導波路表面に接して伸びていることを特徴とする。

本発明は、光ファイバーロータリージョイント用の分割導波路によって達成され、光ファイバーロータリージョイントはロータと既存のステータ表面を含み、ロータはロータの第一の円周に接続する複数の光送信機、光受信機のうち一つを有しており、分割導波路は既存のステータ表面に取付け可能で、分割導波路はロータ上の複数の光送信機から発せられる光エネルギーを反射することができ、ロータは全360度で回転可能で既存のステータ表面と同心である。反射導波路表面は、既存のステータ表面の部分に合うような形をしている。少なくとも一つの導波路サポートが反射導波路表面を支持して既存のステータに接続し、少なくとも一つの光送信機または光受信機が反射導波路表面に光学的に接続する。
本発明の目的は既存の円形穴に取付け可能な導波路部によって達成される。反射導波路表面は既存の円形穴の円弧135度分にまで伸びている。導波路部は既存の円形穴中に反射導波路表面を取り付けるための構造を支持し、光送信機と光受信機のうちの一つを包含する。
また、本発明は、光ファイバーロータリージョイントを有する既存のガントリーを改造し、既存のガントリーの内径に少なくとも一つの反射導波路表面を固定し、反射導波路に光発信装置及び光受信装置の一つを固定し、ガントリーに同心円状に設けられたロータに複数の光送信機または光受信機を固定する方法に関するものである。
以下本発明の実施の形態を説明する。
まず、図1は、光ファイバーロータリージョイントの第一の実施態様を図示したものである。同図にて、光ファイバージョイント14は高いビットレート信号を発信することが可能な大口径のロータリージョイントを必要とするいかなる環境においても使用可能であり、特にCATスキャン機に役立つ。例えば、光ファイバーロータリージョイントが図1に示される方向に関連して説明されて、従ってここで使用されるような「上(above)」「上方に(upwardly)」及び「時計回り(clockwise)」及び「反時計回り(counterclockwise)」という用語は関連する意味で解釈される。
本発明は、光ファイバーロータリージョイント14を既存のCATスキャン機のガントリーに設ける場合に最も有利に使用される。既存のガントリーは本発明にしたがってステータを形成するために分割導波路が配置された円形の穴を有している。
光ファイバーロータリージョイント14はステータ16とロータ18を包含している。ロータ18は円形の外周20を有している。ステータ16は光ファイバーロータリージョイント14の固定部である。ステータ16は環状の内表面24を有する少なくとも一つの分割導波路アセンブリ22、該分割導波路アセンブリ22の一端に位置しているサポート26と、分割導波路アセンブリ22の反対端に位置している導波路28を包含する。少なくとも一つの分割導波路アセンブリ22が本発明による光ファイバーロータリージョイントを形成するのに必要である。環状の内表面24は高い反射率であり、金の塗膜で覆われ、研磨することも可能である。導波路サポート26、導波路28は従来のようにガントリーに取り付けられている。
平行四辺形40、42で示される2つの光受信機は分割導波路アセンブリ22上に位置していて、平行四辺形100、114によって送信されて内表面24によって反射された光又は光エネルギーを受け入れている。
平行四辺形40は分割導波路アセンブリ22の一端に設けられ、平行四辺形42はその中間位置に設けられていてそれぞれは分割導波路アセンブリ22に固定されている。45度で切り取られた光ファイバー又は管の内にファイバーを有し90度で曲がる小径の可鍛管等、光が90度で屈折する限りその他の光屈折装置も図1〜5に関して説明された全ての光送信機及び受信機に対して使用することができる。
図1に示された通り、平行四辺形40は環状で反射効果を有する内表面24の端部に位置していて、そこから内側に放射状に伸びる表面40’を有する。第一の光反射表面40”は図1に示される内表面24に対して垂直方向に光を反射させる。第二の光反射表面40’”は環状の内表面24から外側に放射状に配置され、光反射表面40”に平行である。第四の光反射表面40””は内表面24から外側に放射状に伸びている。同様に平行四辺形42は表面42’、42”、42’”及び42””を有している。ファイバー44、46はそれぞれ平行四辺形40、42に接続している。
平行四辺形として示されている8つの光送信機はロータ18の外周20上に等しく円周方向に配置され、そこから外側に放射状に伸びていることが好ましい。平行四辺形はまた、均等でなく間隔があいていてもよい。光が約90度で屈折する限り平行四辺形の代わりに、他の光屈折装置を使用することもできる。各平行四辺形100、102、104、106、108、110、112、114は外周20から外側に放射状に伸びる対応光射出表面100’、102’、104’、106’、108’、110’、112’及び114’を有している。第一の反射は外周20光表面100”、102”、104”、106”、108”、110”、112”及び114”からある角度で伸びている。
従って、図1に示すように、各受光プリズムが次の近接する受光プリズムから45度の間隔で配置されている。光射出表面が受光表面と反対の方向を向いている限りは、これらの面の方向を反対にすることができる。第二の光反射表面100’”、102’”、104’”、106’”、108’”、110’”、112’”及び114’”は対応する受光表面100””、102””、104””、106””、108””、110””、112””及び114””を介して射出された光エネルギーを受け取る。
光ファイバーケーブル140、142、144、146はその一端部がVCSEL駆動装置#1に接続し、光ファイバーケーブル148、150、152、154はその一端部がVCSEL駆動装置#2に接続している。光ファイバーケーブル140、142、144、146はその反対端部が光伝送平行四辺形100、102、104、106に接続し、光ファイバーケーブル148、150、152、154はその反対端部がそれぞれ平行四辺形108、110、112、114に接続している。
実際、ロータ18は図1に示す通り時計回り又は反時計回り方向に回転することができる。VCSEL80とVCSEL90はそれぞれ同一の情報を含んでいる光信号をほぼ同時に伝送し、これらの信号をそれぞれ光ファイバー140−146及び148−154へ射出する。光ファイバー44、46はそれぞれ平行四辺形40、42に接続する。
各信号はそれぞれの平行四辺形100−114によってガントリーの内径30に到達する。それぞれの平行四辺形100−114によって発せられた信号はほぼ同時に発せられて同一の情報を含んでいる。所定の信号に対する電力の量はある部分においては所望のデータレートによって決定される。
多数の光源をロータ18又はステータ16の円周の周りで使用することによって、伝送された信号を多数の位置で取り上げることが可能になる。図1に示すように、平行四辺形100の表面100’から射出された光エネルギーは、環状の導波路表面24によって反射された後に平行四辺形40の表面40’で受け取られる。
例えば、ビットストリームを125Mb/sのデータレートで受け取ることが可能な光受信機が、1×10−9のビット誤り率を満たすように最小8×10−7ワットを受け取らなければならないということは通信理論から公知のことである。平行四辺形(光送信機)100−114が図中で45度の間隔で示されているが、光送信機が正確に90度の間隔で配置されていない場合、ロータ18がステータ16に関して動くと共にさらに多くの均一信号が受け取られることが公知である。例えば、一組の条件では0度、82.5度、165度、247.5度に配置された光送信機を有している。このソースの数及び位置は、データレート要件に合うように変更することができる。
光射出表面100’−114’から発信された光信号はそれぞれ内表面24に当たって反射し、図1に示すように表面40’及び42’それぞれによって遮断及び受信されるまで、短いコード状路の表面に沿って伝播する。ガントリーの非反射性内径に近接して配置された102−112を含む平行四辺形は反射されない又は著しく減衰された光信号を送る。例えば、図1に示すように、光又は光エネルギー110、108、104、102、122、120、116、114は光信号を受け取らない。
特に図1に示された平行四辺形40と42について、他の平行四辺形102−112から発信された信号が減衰又は損失されたりするので、平行四辺形40だけが平行四辺形100からの使用可能な信号を受け取る。平行四辺形42は、平行四辺形114からの使用可能な信号を受け取る。例えば、40−50ミリワットのレーザを使用し、平行四辺形40は30度離れつつ約5−10mVの電気信号に相当する光信号を受け取る。平行四辺形42は約30−40mVの電気信号に相当する光信号を受け取る。
平行四辺形114によって発信された光信号の強さは、内表面24で使用可能であるが、平行四辺形112によって発信された光信号は内表面24に到達するまでには低くなり過ぎてしまう。平行四辺形112によって発信された光信号が検出されれば、伝播遅延によるビット幅歪が起こる。信号が検出されない理由の一部は、本発明に使用される100−400メガビット/秒の信号を発生可能な増幅器に対して、約1mVであるノイズレベルによるものである。
各光信号はその後、光ファイバー44、46を介して伝送され、レンズ50で集束され、フォトダイオード52によって受け取られる。利点としては、信号をロータ18の全ての回転位置で送ることを可能にすることによってこの装置が光振幅変差を解決する。図1に関して、分割導波路アセンブリ22は全長を通して反射性を有しており、135度の角度まで伸長する。対照的に、平行四辺形は45度の角度で間隔があいている。従って、ロータ18の回転中に少なくとも一つ、時によっては2つの平行四辺形が環状の内表面24に近接して配置されることになる。
分割導波路アセンブリ22の長さ及び/又は受信機が配置される送信機からの長さは許容範囲内のビット歪を可能にする長さに限られている。従って、ビットレートが増加するに従って、導波路の長さは増加する及び/又は追加の送信機が使用されなければならない。本発明では、受信機よりさらに多くの送信機が使用されている。最終的には、均一な信号が全ての角度で取り上げることができるような導波路の許容長さを有することが不可能になるまでビットレートは増加できる。この場合、光射出プリズム及び受光プリズム間で環状反射表面の周りに路長さを短くするためにロータ上に追加の光射出平行四辺形を、またステータの周りに追加の受光平行四辺形を提供することが望ましい。
信号がガラス又はプラスチック等の媒体よりも空気中で伝播できるようにすることの利点は、伝播速度が空気中では速くなることである。(空気への伝播速度は約3ns/メートルで、1.41に等しい屈折率を有するガラスへの伝播速度は約5ns/メートルである。)伝播速度は最終的に、ビットレートが増加するに従って使用することができる導波路の有効長さを決定する。従って、信号がガラス又はファイバーよりも空気中で伝播している場合、さらに長い導波路が転送信号に用意される。
図2では、本発明の別の装置が示されている。図2の実施態様は図1の実施態様とは異なる。第二の分割導波路122は第一の分割導波路アセンブリ22から円周上で離れている。ガントリー230の非反射内表面は分割導波路アセンブリ22及び122の間に形成される。図2に示されるように、分割導波路アセンブリ22、122はそれぞれ一つの平行四辺形40、140のみを有している。何個の平行四辺形でも各導波路アセンブリ上で間隔があいているものとする。
図3に関して、逆回転ロータの略図が示されている。図3の(a)、(b)に示す通り、ロータ18がある。明確にするために、2つの別の図が使用されている。実際のシステムでは、同じ導波路が逆回転光信号を導くのに使用されている。ステータ上の光源は光を固定導波路に対して時計回り及び反時計回りの両方向に射出するようになっており、従って導波路を追加することなくデータレートを二倍にできる逆回転信号を提供する。2つのロータは反対方向に回転、すなわち逆回転している。ロータ上の光源は光を固定導波路152、154及び252、254にそれぞれ時計回り及び反時計回りの両方向に射出するようになっている。従って、図3の(a)、(b)に示される実施態様では、逆回転信号によって導波路を追加することなくデータレートを二倍にすることが可能になる。図3の(a)、(b)に示されるように、導波路200は図1の実施態様のミラー画像に類似している逆回転実施態様に等しい一方、光ファイバーロータリージョイント14は図1に示される実施態様に等しい。
さらに具体的には、図3の(a)、(b)に示されるように、8つの平行四辺形200−214があり、時計回り方向に光を射出している。固定導波路252、254は面240’、242’を介して時計回り信号をそれぞれ受け取る受光平行四辺形を有している。
図4は、導波路部分多重伝送を介したマルチチャネル能力を示したものである。図4の実施態様は、波長λ及びλでそれぞれ光を射出する2つのレーザ480、490があることを除いて、図3に示された時計回り実施態様と等しい。光はそれぞれプリズム200、214を介して射出されて、受光平行四辺形又はプリズム240、242を介して受け取られる。光はレンズ250を介して集束される。レンズ250からの集束された光はダイクロイックフィルター260へ集束され、その後に波長によってフォトダイオード270、272に分割される。
いかなる上述の実施態様でも、製造するのに費用がかかる完全に組み立てられたステータを提供する代わりに、全360度環状導波路よりもかなり安い比較的短い鋭角部分の導波路が製造される。利点としては、このことによって既存の装置と比べて明らかに費用のかからない手段を提供できることである。いかなる上記実施態様においても、鋭角導波路部分はガントリーの内径上に配置されるように形成される。従って、鋭角部分の形は既存のガントリーの内径による。導波路部分は従来の方法を使用して既存のガントリーに固定される。
本発明は他の異なる実施態様が可能であり、そのいくつかの詳細は発明から全く逸脱することなしに様々な明らかな面で変更が可能であり、限定するものではない。本発明は、例として図示されているものであり、限定するためのものではない。添付の図面の図中、同一の参照番号を有する要素は全体を通して同様の要素を示す。
発明の効果
本発明は、大口径光ファイバーロータリージョイント用の分割導波路によって達成され、光ファイバーロータリージョイントはロータと既存のステータ表面を含み、ロータはロータの第一の円周に接続する複数の光送信機、光受信機のうち一つを有しており、分割導波路は既存のステータ表面に取付け可能で、分割導波路はロータ上の複数の光送信機から発せられる光エネルギーを反射することができ、ロータは全360度で回転可能で既存のステータ表面と同心である。
このため、本発明の大口径光ファイバーロータリージョイント用分割導波路は高いビットレート信号を伝送することができ、ピックアップを少なくするすることができるので、伝播遅延がなく、コストがかからない。また、既存のガントリーを改造して光ファイバーロータリージョイントを形成するために使用可能な分割導波路を提供することができ、さらに光ファイバーロータリージョイントを有するガントリーを改造する方法を提供することができる。
図1は、本発明による一つの分割光導波路を有する光ファイバーロータリージョイントの略図である。
図2は、本発明による複数の分割導波路を有する光ファイバーロータリージョイントの略図である。
図3の(a)及び(b)は、図1及び図2の光ファイバーロータリージョイントに対する逆回転の実施態様の略図である。
図4は、図1、2、3の光ファイバーロータリージョイントで使用可能な2つの波長λ及びλで送信される光を有する代替装置の略図である。
14 光ファイバーロータリージョイント
16 ステータ
18 ロータ
20 外周
22、122 分割導波路アセンブリ
24 内表面
26 導波路サポート
28 導波路
44、46 光ファイバー
(40,42、100、114、102、104、106、108、110、112) 平行四辺形
40’ 表面
(40”、40’”,40””) 光反射表面
(42’、42”、42’”、42””) 表面
50 レンズ
52 フォトダイオード
(102、104、108、110、114、116、120,122)
光又は光エネルギー
(100’、102’、104’、106’、108’、110’、112’、114’) 光射出表面
(100”、102”、104”、106”、108”,110”、112”、114”) 光表面
(100’”、102’”、104’”、106’”、108’”、110’”、112’”,114’”) 光反射表面
(100””、102””、104””、106””、108””、110””、112””、114””) 受光表面
(140、142、144、146、148、150、152、154) 光ファイバーケーブル
80、90 VCSEL
(152、154、252、254) 固定導波路
230 ガントリー
200、214 導波路
240’、242’ 面
250 レンズ
260 ダイクロイックフィルター
270、272 フォトダイオード
480,490 レーザー

Claims (4)

  1. 光ファイバーロータリージョイントがロータ及び既存のステータ表面を含み、前記ロータが該ロータの第一の円周に接続している複数の光送信機又は複数の光受信機を有し、複数の分割導波路が既存のステータ表面に取付けられ、
    前記複数の分割導波路の各々は、前記ロータ上の複数の光送信機のいずれか一つから送信される光エネルギーを反射導波路表面において反射し、該反射導波路表面に光学的に結合している光受信機に結合させる、ロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路であって、
    前記分割導波路は、前記既存のステータ表面の部分と一致するような形をしている反射導波路表面と、該反射導波路表面を支持し、既存のステータに接続可能な少なくとも一つの導波路サポートと、前記反射導波路表面に光学的に結合している少なくとも一つの光送信機又は光受信機とを備え、
    前記光送信機又は前記光受信機が前記反射導波路表面の一端に設けられ、
    記反射導波路表面の長さの合計が、最長で前記既存のステータ表面の円弧の135度に亘って伸び、
    前記導波路サポートが前記反射導波路表面の一端に設けられていることを特徴とするロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。
  2. 前記光送信機又は前記光受信機は、断面が平行四辺形のプリズムであることを特徴とする請求項1に記載のロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。
  3. 前記反射導波路表面の反対端部にさらに、第二の導波路サポートが配置されて成ることを特徴とする請求項1に記載のロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。
  4. さらに、前記反射導波路表面に光学的に結合している前記光送信機又は前記光受信機に取り付けられた光ファイバーから成り、該光ファイバーは反射導波路表面に接して伸びていることを特徴とする請求項2に記載のロータ及びステータに光ファイバーを適用した大口径ロータリージョイント改造用分割導波路。
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