KR101504092B1 - 플라스틱 광섬유 기반의 광 슬립링 - Google Patents

플라스틱 광섬유 기반의 광 슬립링 Download PDF

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Abstract

플라스틱 광섬유 (POF) 를 기반으로 하는 광 슬립링이 개시된다. 광 슬립링은, 기존의 유리 광섬유보다 코어의 직경이 더 큰 POF 를 사용함과 동시에, VCSEL 을 이용하여 광신호를 송수신하므로, 큰 제품 공차를 가지며 따라서 정렬이 쉬운 장점이 있고 고속 동작으로 full HD 이상의 데이터 전송을 가능하게 한다.

Description

플라스틱 광섬유 기반의 광 슬립링 {SLIP RING BASED ON USING PLASTIC OPTICAL FIBER}
본 발명은, 광소자를 이용한 슬립링에 관한 것으로, 특히 영상신호 및 디지털신호의 송수신에 있어서 플라스틱 광섬유 (POF) 를 기반으로 하는 광 슬립링에 관한 것이다.
일반적으로 슬립링 (slip ring) 은 전동기나 발동기의 회전자에 외부로부터 전류가 흐르도록 회전자축에 부착하는 접촉자로서 사용 용도에 따라 다양한 구조를 이루고 있으며, 무대장치나 자동 회전문의 LED 전등 전원, 제어장치 신호, 무대 마이크 장치, 감시카메라, 로봇, 지하(수중) 조사 장비 등 많은 분야에서 사용된다. 최근에 들어 각종 전자기기의 소형화, 복잡화 추세로 인해 슬립링 자체의 소형화와 정밀성이 요구되고 있다. 이에 따라, 슬립링이 적용된 각종 장치의 회전체로부터 다양한 전기적인 신호를 배선의 꼬임 없이 고정체로 전달시키기 위한 슬립링이 개발되었다.
기존의 슬립링은 전원, 컨트롤 신호, 영상 신호를 모두 전기적인 접촉으로 전달하였으며, 이러한 기존의 슬립링의 예가 도 1a 내지 1c 을 통해 도시되어 있다.
종래의 슬립링은, 도 1a 내지 1c 에 도시된 바와 같이 회전하는 샤프트 (150), 샤프트의 외주면에 형성되어 복수 개의 브러쉬와 접촉하는 링 (120) 과, 링을 감싸며 접촉하는 복수 개의 브러쉬가 구비된 브러쉬 블럭 (160) 으로 이루어지며, 샤프트 (150) 와 브러쉬 블럭 (160) 사이에 베어링 (110) 이 고정되어 샤프트 (150) 에 작용하는 하중을 받아서 샤프트 (150) 를 회전시킨다. 이 때, 브러쉬 블럭 (160) 의 브러쉬 (140) 는 링 (120) 에 대하여 지속적으로 접속된 상태를 유지하고, 제 1 전선 (130) 과 제 2 전선 (131) 은 꼬임 없이 회전하게 된다. 제 1 전선 (130) 및 제 2 전선 (131) 은 하우징 (180) 내부에서 각각의 링 (120) 과 브러쉬 (140) 의 접촉으로 전기적으로 연결이 되어 있어서 데이터 신호를 전기적인 접촉으로 전달하게 된다.
그러나, 전기적인 신호를 전송하는 방식의 슬립링은 내구성의 한계에 부딪히게 되었다. 슬립링을 사용하는 카메라의 경우, 해상도가 높아져 전기적인 신호 전송으로는 데이터를 여러 개로 분산하여 전송해야 할 필요가 있었기 때문이다. 이와 관련하여, 슬립링에서의 신호의 전달을 전기적 신호가 아닌 광신호로 대체함으로써, 노이즈 발생을 없애고 고속의 신호전달이 가능하도록 하는 기술이 현재 사용되고 있다. 이러한 일 예가 대한민국 등록특허공보 0987792 호 (2010 년 10 월 7 일) 등에 개시되어 있다.
상기 문헌에 있어서, 도 2 에 도시된 바와 같이, 슬립링의 구조는 링 (230) 을 지지하는 회전체로서 송수신 결합체 (210) 와 상기 송수신 결합체 (210) 의 외부에 설치되어 링 (230) 과 접촉되는 복수 개의 브러쉬 (240) 를 지지하는 고정체로서의 브러쉬 조합체 (220) 로 이루어진다. 특히 발광소자 (280) 인 LED (Light Emitting Diode) 가 송수신 결합체 (210) 의 중공 (290) 에 삽입되고, 수광소자 (250) 인 PD (Photo Diode) 는 연성 PCB (Flexible PCB ; 270) 에 연결된 상태로 고정체인 베이스 (251) 에 부착된다. 이 때, 고정부인 브러쉬 조합체는 회전하지 않는 정지상태로 있게 되고, 송수신 결합체 (210) 만 회전하게 되며 브러쉬 조합체 (220) 의 브러쉬 (240) 가 링 (230) 에 대하여 지속적으로 접속된 상태를 유지함과 동시에 제 1 전선 (291) 및 제 2 전선 (260) 이 꼬임없이 회전하게 된다. 이러한 회전 상황에서 영상신호 및/또는 디지털신호의 송수신은 발광소자 (280) 와 수광소자 (250) 의 비접촉 방식으로 광에 의하여 송수신된다.
그러나, 이러한 LED 슬립링은 상술한 대한민국 등록톡허공보 0987792 호에 개시된 기술로서, 제품 공차가 크고, 정렬 (align) 이 쉽고, 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 동작 속도가 낮기 때문에 요즘 추세인 HD 급 영상을 전송하지 못하는 단점이 있다.
한편, 파이버 슬립링은 HD 급 (3Gbps) 이상의 데이터를 전송 가능하다는 장점이 있으나, 제품 공차가 작고, 금속의 정밀한 가공이 어려우며, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한, 기존의 파이버 슬립링은 유리 광섬유 (GOF ; Glass Optical Fiber) 를 이용하였으나, 유리 광섬유는 빛이 통과하는 코어 (core) 의 직경이 62.5 ㎛ 이하로 슬립링에서 사용하기에 정렬이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 파이버 슬립링과 LED 슬립링의 단점을 동시에 해결하기 위해 이루어진 것으로, 광섬유를 사용한 비접촉식 방법을 이용하여 제 1 광섬유가 샤프트 내부를 관통하고 제 2 광섬유가 브러쉬 블럭 내부를 관통하도록 구성되고, 광섬유로 POF 를 이용한 구성을 채택함으로써, 신호의 수수 성능을 향상시킨 광 슬립링을 제공하는 것이다.
본 발명의 광 슬립링은, 회전하는 샤프트, 샤프트의 외주면에 형성되어 복수 개의 브러쉬와 접촉하는 링, 및 링을 감싸며 접촉하는 복수 개의 브러쉬가 구비된 브러쉬 블럭을 포함하고, 샤프트는, 제 1 광섬유가 샤프트 내부를 관통하도록 내부에 홈이 형성되고, 브러쉬 블럭은, 제 2 광섬유가 브러쉬 블럭 내부에 고정되어 샤프트와 브러쉬 블럭의 경계면에서 제 1 광섬유와 접촉되지 않은 상태로 마주보고 정렬 (align) 되도록 내부에 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 제 1 광섬유 및 제 2 광섬유는 플라스틱 광섬유 (POF ; Plastic Optical Fiber) 인 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 제 1 광섬유는 광 슬립링의 외부에 위치한 송신 (TX) 모듈로부터 송신된 광신호를 전달하고, 제 2 광섬유는 광 슬립링의 외부에 위치한 수신 (RX) 모듈로 송신된 광신호를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 광신호는 VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 를 이용하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 제 1 광섬유와 제 2 광섬유는 0.5 mm 내지 1 mm 사이의 간격을 두고 마주보고 정렬되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 플라스틱 광섬유는 0.485 mm 내지 1.47 mm 사이의 코어 직경을 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 플라스틱 광섬유는 PMMA (Polymethyl Methacrylate Resin) 코어 타입을 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라스틱 광섬유 (POF) 기반의 광 슬립링은, 큰 제품 공차를 가지며 정렬이 쉽고, 고속 동작으로 full HD 이상의 데이터 전송이 가능해지는 효과가 얻어진다.
도 1a 은 종래의 전기적인 접촉 방식을 이용하는 슬립링의 구조를 도시한다.
도 1b 는 종래의 전기적인 접촉 방식을 이용하는 슬립링의 조립된 외형을 도시한다.
도 1c 는 종래의 전기적인 접촉 방식을 이용하는 슬립링의 조립된 단면을 도시한다.
도 2 는 종래의 LED 를 이용한 슬립링의 구조를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링과 송신 모듈 및 수신 모듈이 결합된 구성의 단면도를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링의 확대도를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 송신 모듈의 단면도를 도시한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수신 모듈의 단면도를 도시한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통산의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링 (300) 과 송신 모듈 (500) 및 수신 모듈 (600) 이 결합된 구성의 단면도를 나타낸다. 도시된 일 실시형태에서, 광 슬립링 (300) 은 샤프트 (350), 브러쉬 블럭 (360) 및 베어링 (310) 을 감싸는 하우징 (370) 을 포함한다. 도시된 일 실시형태에서, 샤프트 (350) 와 브러쉬 블럭 (360) 사이에 베어링 (310) 이 고정되어 샤프트 (350) 에 작용하는 하중을 받아서 샤프트 (350) 를 회전시키고, 샤프트 (350) 의 외주면에는 링 (320) 이 형성되어 복수 개의 브러쉬 (340) 와 지속적으로 접촉된 상태를 유지함으로써, 링 (320) 과 전기적으로 연결되어 회전하는 샤프트 (350) 에 전원 등을 공급한다. 도시된 일 실시형태에서, 송신 모듈 (500) 은 제 1 광섬유 (380) 와 연결되고, 수신 모듈 (600) 은 제 2 광섬유 (390) 와 연결된다.
예시적인 일 실시형태에서, 샤프트 (350) 는 회전 운동을 하고, 브러쉬 블럭 (360) 은 회전하지 않는 정지상태로 있게 된다. 이에 따라, 샤프트 (350) 를 관통하는 제 1 광섬유 (380) 가 회전함에도 불구하고, 브러쉬 블럭 (360) 에 고정된 제 2 광섬유 (390) 는 정지된 상태를 유지하므로, 제 1 광섬유 (380) 와 제 2 광섬유 (390), 그리고 배선된 제 1 전선 (330) 및 제 2 전선 (331) 이 꼬임없이 회전하게 된다. 또한, 이러한 회전 상황에서 제 1 광섬유 (380) 및 제 2 광섬유 (390) 는 접촉하지 않은 상태를 유지하므로 마모나 진동 등에 의한 영상신호의 왜곡을 최소화할 수 있다.
예시적인 일 실시형태에서, 제 1 광섬유 (380) 및 제 2 광섬유 (390) 는 플라스틱 광섬유 (POF ; Plastic Optical Fiber) 일 수도 있다. 광섬유의 재료를 유리 대신 플라스틱을 사용할 경우, 기존의 유리 광섬유 (GOF ; Glass Optical Fiber) 에 비하여 유연성이 뛰어나고, 코어 직경이 굵어 시공이 쉬울 뿐 아니라, 가격이 저렴하다. 또한, 일반적인 유리 광섬유를 이용하는 슬립링은 빛이 통과하는 코어의 직경이 62.5 ㎛ 이하로 슬립링을 사용하기에 정렬이 어려운 단점이 있으나, 일 실시형태에 따라, 플라스틱 광섬유 (POF) 를 사용하는 슬립링은 코어의 직경이 0.485 mm 내지 1.47 mm 사이, 바람직하게는 0.970 mm 의 값을 가지므로 정렬이 쉬워지고, 그에 따라, 광신호의 갭 손실이 줄어들어 광신호의 수수 성능이 개선되는 장점이 있다.
예시적인 일 실시형태에서, 플라스틱 광섬유 (POF) 는 PMMA (Polymethyl Methacrylate Resin) 코어를 가지는 타입일 수도 있다. PMMA 타입의 POF 는 저렴한 장점이 있고, 광 슬립링과 같이 단거리 (약 1 m 이하) 통신에 이용되기 때문에, 대역폭이 낮고 손실이 크다는 단점이 문제가 되지 않는다.
예시적인 일 실시형태에서, 송신 모듈 (500) 및 수신 모듈 (600) 은 광 슬립링 (300) 외부에 위치한다. 송신 모듈 (500) 및 수신 모듈 (600) 이 이처럼 광 슬립링 (300) 외부에 위치함에 따라, 광 슬립링 (300) 의 크기의 소형화가 이루어질 수도 있으며, 제조 공정에 있어서의 복잡성이 저감될 수도 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링의 확대도를 나타낸다. 도시된 일 실시형태에서, 송신 모듈 (500) 과 연결된 제 1 광섬유 (380) 의 말단은 샤프트 (350) 아래까지 연결되어 있고, 수신 모듈 (600) 과 연결된 제 2 광섬유 (390) 의 말단은 브러쉬 블럭 (360) 아래까지 연결되어, 서로 접촉하지 않은 상태로 마주보고 정렬 (align) 된다. 도시된 일 실시형태에서, 제 1 광섬유 (380) 와 제 2 광섬유 (390) 사이의 간격은 조절 가능하여 통상 0.5 mm 내지 1 mm 사이의 간격을 두고 정렬된다. 즉, 유리 광섬유 (GOF) 와는 달리, 렌즈 등 광학 구조물 없이 제 1 광섬유 (380) 와 제 2 광섬유 (390) 가 마주보는 것만으로도 광신호가 전달된다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링에서의 송신 모듈 (500) 의 단면도를 나타낸다. 도시된 일 실시형태에서, 송신 모듈 (500) 은, PCB (520) 에 LD (Laser Diode) 드라이버 IC (530) 와 LD (540) 가 위치하며, PCB (520) 을 덮는 플라스틱 사출물 (510) 을 포함하는 구조로 되어 있다. 또한, 제 1 광섬유 (380) 로 큰 코어 직경을 가지는 POF 를 사용하므로 광 커플링에 수동 정렬 (passive align) 을 사용할 수도 있다.
예시적인 일 실시형태에서, LD 는 VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 을 사용할 수도 있다. VCSEL 은, 전기 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 레이저 다이오드의 하나로서, 기존의 측면 발광 반도체 (FP, DFB) 레이저를 대체할 수 있는 광원이다. VCSEL 은 적외선 발광 다이오드 (LED) 센서 모듈과 같은 광전 센서를 대체하여 근거리 광 통신망에 유용하며, 대량 생산의 용이성, 저가격, 높은 온도 안전성 등과 같은 LED 의 장점과 높은 변조속도, 좁은 스펙트럼, 좁은 방사각, 높은 변환 효율, 낮은 동작 전류 등과 같은 레이저의 장점을 겸비한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광 슬립링에서의 수신 모듈 (600) 의 단면도를 나타낸다. 도시된 일 실시형태에서, 수신 모듈 (600) 은, PCB (620) 에 PD (Photo Diode) 드라이버 IC (630) 와 PD (640) 가 위치하며, PCB (620) 을 덮는 플라스틱 사출물 (610) 을 포함하는 구조로 되어 있다. 도시된 일 실시형태에서, PD (640) 는 GaAs 또는 InGaAs PIN PD 를 사용할 수도 있다. 또한, 제 2 광섬유 (390) 로 큰 코어 직경을 가지는 POF 를 사용하므로 광 커플링에 수동 정렬을 사용할 수도 있다.
이상, 본원의 플라스틱 광섬유 (POF) 를 이용하는 광 슬립링은 기존의 유리 광섬유보다 코어의 직경이 더 큰 POF 를 사용함과 동시에, VCSEL 을 이용하여 광신호를 송수신하므로, 큰 제품 공차를 가지며 따라서 정렬이 쉬운 장점이 있고 고속 동작으로 full HD 이상의 데이터 전송을 가능케 할 수 있다.
본원에서 사용된 임의의 예시, 또는 임의의 실시형태는 다른 예시들 또는 실시형태들에 비하여 반드시 바람직하거나 유리한 것으로서 해석할 필요는 없다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 본 발명의 바람직한 실시형태를 다양하게 변경 및 개량할 수 있음이 당업자에게는 자명하다. 따라서, 본 발명은 특허 청구 범위와 그 균등물에 상응하는 최광의의 변경 및 개량을 포함한다.

Claims (7)

  1. 회전하는 샤프트,
    상기 샤프트의 외주면에 형성되어 복수 개의 브러쉬와 접촉하는 링, 및
    상기 링을 감싸며 접촉하는 상기 복수 개의 브러쉬가 구비된 브러쉬 블럭을 포함하는 광 슬립링으로서,
    상기 샤프트는, 제 1 광섬유가 상기 샤프트 내부를 관통하도록 내부에 홈이 형성되고,
    상기 브러쉬 블럭은, 제 2 광섬유가 상기 브러쉬 블럭에 고정되어 상기 샤프트와 상기 브러쉬 블럭의 경계면에서 상기 제 1 광섬유와 접촉되지 않은 상태로 마주보고 정렬 (align) 되도록 구성되고,
    상기 제 1 광섬유 및 상기 제 2 광섬유는 플라스틱 광섬유 (POF ; Plastic Optical Fiber) 이며,
    상기 제 1 광섬유는 상기 광 슬립링의 외부에 위치한 송신 (TX) 모듈로부터 송신된 광신호를 전달하고,
    상기 제 2 광섬유는 상기 광 슬립링의 외부에 위치한 수신 (RX) 모듈로 송신된 상기 광신호를 전달하도록 구성되며,
    상기 플라스틱 광섬유는 0.485 mm 내지 1.47 mm 사이의 코어 직경을 갖도록 구성된, 광 슬립링.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광신호는 VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 또는 레이저 다이오드 (Laser Diode) 를 이용하도록 구성된, 광 슬립링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유와 상기 제 2 광섬유는 0.5 mm 내지 1 mm 사이의 간격을 두고 마주보고 정렬되도록 구성되나 간격의 거리는 조절 가능한, 광 슬립링.
  6. 삭제
  7. 삭제
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