WO2016132761A1 - 光信号伝送装置及びそれを利用した電子機器 - Google Patents

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博哉 垣本
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太陽誘電株式会社
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal transmission apparatus that performs bidirectional signal transmission using an optical signal between a rotating part of a rotary monitoring camera or an industrial machine robot and a fixed part that supports the rotating part, and the like. It relates to the electronic equipment.
  • FIG. 5 shows a conventional signal transmission device 200 in which a rotating part 220 that can rotate around a rotating shaft 230 is opposed to a fixed part 210.
  • the rotating unit 220 is provided with devices 222A and 222B such as motors, sensors, and control devices.
  • a plurality of wires 224A and 224B connected to these devices 222A and 222B are provided on the outer periphery of the rotating shaft 230.
  • the slip ring 232 is connected. Then, a signal is transmitted by the contact 236 at the tip of the brush 234 coming into contact with each of the plurality of slip rings 232. *
  • the slip ring 232 is likely to cause a communication failure due to dust adhesion, corrosion, wear, sliding instability, etc. in the contact 236 in a relatively short period of time, and requires periodic inspection and replacement. Has durability issues.
  • the number of the slip rings 232 and the brushes 234 must be increased, which causes a significant cost increase. Therefore, a non-contact communication method using optical transmission has been proposed.
  • Patent Document 1 a method has been proposed in which a shortage of received light amount due to optical axis misalignment due to rotation is compensated by arranging a plurality of light emitting elements or a plurality of light receiving elements (the same reference, first document). (See figure). *
  • the light receiving element is stabilized at the time of rotation.
  • a method for obtaining the amount of received light has been proposed. Although this method is effective, it requires accuracy of installation of the reflector and the angle control and has a problem in terms of productivity.
  • the light emitting element is rotated in a circle around the light receiving element on the rotation axis, it becomes a large rotating mechanism having a diameter of at least twice the distance between the light receiving element and the light emitting element. It has issues that hinder the reduction of diameter.
  • a light receiving element is disposed on the rotation axis, and the light receiving element disposed on the outer side with respect to the rotation axis has a predetermined inclination, whereby the light receiving element is arranged.
  • Patent Document 1 is a method of complementing the shortage of the amount of light received due to optical axis misalignment due to rotation by arranging a plurality of light emitting elements or a plurality of light receiving elements.
  • the techniques described in Patent Document 2 and Patent Document 3 have a productivity problem because high accuracy is required for the tilt angle provided to the light emitting element.
  • the diameter of the light-emitting element is at least twice the distance between the light-receiving element and the light-emitting element because of the mechanism for rotating the light-emitting element around the light-receiving element on the rotation axis. It has a problem that it becomes a large rotating mechanism having a hindrance to the size reduction and diameter reduction.
  • the present invention pays attention to the above points, and in two-way communication using optical signals, optical signal transmission capable of reducing the size, reducing the diameter, and reducing the cost while supplying a stable amount of received light to the light receiving element.
  • the object is to provide a device.
  • Another object is to provide an electronic apparatus including the optical signal transmission device.
  • the optical signal transmission device of the present invention is substantially orthogonal to the same axis, and is disposed opposite to the first member and the second member that are relatively rotatable about the axis, and A light-emitting element and a light-receiving element which are provided on each of the opposing surfaces of the first member and the second member, and are disposed at positions shifted from the intersection with the shaft, and the first member
  • the light emitted from the light emitting element is received by the light receiving element of the second member
  • the light emitted from the light emitting element of the second member is received by the light receiving element of the first member
  • the first A light receiving amount securing means for receiving a light amount necessary for communication by the light receiving element is provided even when a deviation on the optical axis occurs due to relative rotation of the first member and the second member.
  • the received light amount securing means is a light guide member provided between opposing surfaces of the first member and the second member.
  • a reflector for restricting a light irradiation range is provided around the light emitting element.
  • the received light amount securing means is a reflector that regulates an irradiation range of light provided around the light emitting element.
  • a light emitting diode is used as the light emitting element.
  • An electronic apparatus includes any one of the optical signal transmission apparatuses described above.
  • the optical signal transmission device of the present invention is substantially orthogonal to the same axis, and is disposed opposite to the first member and the second member that are relatively rotatable about the axis, and A light emitting element and a light receiving element are provided on each of the opposing surfaces of the first member and the second member, and are disposed at positions shifted from the intersection with the shaft.
  • the light emitted from the light emitting element of the first member is received by the light receiving element of the second member, and the light emitted from the light emitting element of the second member is received by the light receiving element of the first member.
  • FIG. 1A is an external perspective view showing the basic structure of the rotary joint according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 1B-1 and 1B-2 show the operation when there is no light guide member. It is explanatory drawing shown.
  • FIG. 2A is a plan view showing an element arrangement on the rotating member side of the rotary joint of the first embodiment, and FIG. 2B shows a change in position of the light receiving element when the rotating member is rotated.
  • FIG. 3A shows the relationship between the communication distance and the amount of received light
  • FIG. 3B shows the relationship between the position of the light receiving element (PD) and the amount of received light when the conditions of the light guide member are changed.
  • (A) is an external appearance perspective view
  • (B) is sectional drawing of the principal part. It is a figure which shows an example of background art.
  • FIG. 1 (A) is an external perspective view showing the basic structure of the rotary joint of this embodiment
  • FIGS. 1 (B-1) and (B-2) show the operation of the rotary joint when there is no light guide member.
  • FIG. FIG. 2A is a plan view showing the element arrangement on the rotating part side of the rotary joint of this embodiment
  • FIG. 2B is a diagram showing the change in the position of the light receiving element when the rotating part is rotated.
  • It is. 3A shows the relationship between the communication distance and the amount of received light
  • FIG. 3B shows the relationship between the position of the light receiving element (PD) and the amount of received light when the conditions of the light guide member are changed.
  • the rotary joint 10 of the present embodiment includes a fixed portion 20 and a rotating portion 30 that are substantially orthogonal to the same central axis X and arranged opposite to each other, and between them.
  • a substantially columnar light guide member 40 is provided.
  • the fixing unit 20 is provided with a light emitting element 22, a light receiving element 24, and an element circuit 26.
  • the rotating unit 30 is provided with a light emitting element 32, a light receiving element 34, and an element circuit 36. Light emitted from the light emitting element 22 of the fixed unit 20 is received by the light receiving element 34 of the rotating unit 30, and light emitted from the light emitting element 32 of the rotating unit 30 is received by the light receiving element 24 of the fixed unit 20.
  • LEDs light emitting diodes
  • PDs photodiodes
  • the light receiving elements 24 and 34 realize communication by converting the LED light emitted from the light emitting elements 22 and 32 into an electrical signal, that is, a voltage.
  • the light receiving elements 24 and 34 generate a voltage according to the amount of received light, that is, the amount of received light. That is, the amount of received light can be replaced with a voltage value.
  • a reflector 38 for limiting the light irradiation range is provided around the light emitting elements 22 and 32 as needed (see FIG. 2A). *
  • intersection C there is an intersection C between the fixed portion 20 and the central axis X at a substantially central portion of a straight line LA connecting the light emitting element 22 and the light receiving element 24.
  • the light emitting element 32 and the light receiving element 34 are connected to each other.
  • intersection C ′ between the rotating portion 30 and the central axis X at a substantially central portion of the connecting straight line LB.
  • the intersection C ′ is the rotation center of the rotating unit 30.
  • the straight line LA and the straight line LB are set to have substantially the same length.
  • the approximate center of the straight lines LA and LB includes not only the complete center of these straight lines but also some errors (for example, about 10%).
  • the lengths of the straight lines LA and LB are not only completely the same, but also when the length is changed within the allowable range of deviation of the center positions of the straight lines LA and LB with respect to the intersection C or C ′. Is also included. *
  • the arrangement position of the light emitting element 22 on the fixed portion 20 side is a
  • the arrangement position of the light receiving element 24 is b
  • the line on the straight line connecting the a and b (the straight line LA in FIG. 1 (A)).
  • the arrangement position of the light emitting element 32 of the rotating unit 30 is a ′
  • the arrangement position of the light receiving element 34 is b ′
  • on the straight line connecting the a ′ and b ′ the straight line in FIG. 1A.
  • LB where c ′ is an intermediate point between the a ′ and b ′
  • the position of the element is determined so as to be in the range of (a′ ⁇ b ′) ⁇ 0.1. *
  • the light guide member 40 is provided between the opposing surfaces of the fixed portion 20 and the rotating portion 30, but a comparative example without this is shown in FIGS.
  • This is the rotary joint 100 shown in -2).
  • the light emitting element 22 of the fixed portion 20 and the rotating portion 3 When the position of the light receiving element 34 of 0 is in the same position and the position of the light receiving element 24 of the fixed portion 20 and the position of the light emitting element 32 of the rotating portion 30 are in the same position, the amount of light received by the light receiving elements 24 and 34 is the maximum. Become. However, when the rotating unit 30 is rotated 180 degrees around the central axis X from the state shown in FIG.
  • FIG. 2 (A) shows a plan view of the rotating unit 30 as viewed from the fixed unit 20 side.
  • FIG. 2 (B) shows the light receiving element 34 when the rotating unit 30 is rotated. The change in position is shown.
  • the amount of received light varies depending on the rotation angle of the rotation unit 30 with respect to the fixed unit 20. That is, the amount of deviation on the optical axis of the light emitting element 22 of the fixed unit 20 and the light receiving element 34 on the rotating unit 30 side, and the optical axis of the light receiving element 24 of the fixed unit 20 and the light emitting element 32 of the rotating unit 30
  • the amount of received light is maximized in the vicinity of the position where the amount of deviation is minimum, and conversely, the amount of received light is minimized near the position where the amount of deviation on the optical axis is maximum. That is, the amount of light received by the light receiving elements 24 and 34 is not stable with respect to the rotation angle of the rotating unit 30 with respect to the fixed unit 20.
  • a substantially cylindrical light guide member 40 is provided between the opposing surfaces of the fixed portion 20 and the rotating portion 30, and light incident from one end side of the light guide member 40 is supplied to the light guide member.
  • the light is totally reflected in the member 40 and emitted from the other end side as light having a uniform intensity distribution.
  • the light guide member 40 for example, a transparent acrylic rod or the like is used.
  • the diameter ⁇ and the length L of the light guide member 40 depend on the distance between the light emitting element 22 and the light receiving element 24, the distance between the light emitting element 32 and the light receiving element 34, the communication distance to be secured, and the like. , 34 changes, the optimum value is determined according to the conditions. *
  • FIG. 3A shows the relationship between the communication distance [mm] and the received light amount [V]. For example, when the communicable distance is d or less, the minimum light amount necessary for ensuring 100 Mbps communication is r [V]. Then, next, as shown in FIG. 3B, the amount of light received by the light receiving element 34 under various conditions (graphs GA to GD in the figure) in which the diameter ⁇ and the length L of the light guide member 40 are changed.
  • the factors that determine the diameter ⁇ and the length L of the light guide member 40 are as follows. (a) When the diameter ⁇ is large or the length L is large, the distance that the signal light passes through the light guide member 40 becomes long, and thus light attenuation occurs. (b) When the diameter ⁇ is large or the length L is small, the number of times the signal light is totally reflected in the light guide member 40 is reduced, and therefore, the signal light emitted from the end face of the light guide member 40 varies. . Thereby, depending on the position of the light receiving element 34, the amount of received light is biased, and a rotational position where the amount of received light decreases is likely to occur.
  • FIG. 4A shows an external perspective view of the surveillance camera 150 using the rotary joint 10 of this embodiment
  • FIG. 4B shows the rotary joint 10.
  • a cross section of the main part is shown.
  • the rotary joint 10 is provided on a stand 152 supported by a plurality of legs 154.
  • a gear 160 having teeth 162 is provided around the rotating unit 30, and a gear 164 rotatably supported by a plate 166 is provided on the side of the stand 152.
  • the gear 164 meshes with the gear 160 on the rotating unit 30 side and is driven by the motor 168.
  • the light guide member 40 described above is provided between the fixed portion 20 and the rotating portion 30, and the periphery thereof is rotatably supported by substantially cylindrical support portions 170, 172, and 174. .
  • a camera 190 is attached to the upper surface side of the rotating unit 30 via a leg portion 180.
  • a monitoring camera 150 for example, a signal transmitted from the fixed unit 20 to the rotating unit 30 is a control signal, and a signal transmitted from the rotating unit 30 to the fixed unit 20 is a video signal.
  • the coil includes a power transmission coil 182 and a power reception coil 184 for performing non-contact power feeding.
  • the power transmission coil 182 and the power reception coil 184 are bundled in a circular shape (ring shape) having an inner diameter and an outer diameter, respectively.
  • the power transmission coil 182 is disposed on the fixed portion 20 side, and the power reception coil is received.
  • the coil 184 is disposed on the rotating unit 30 side.
  • a joint mechanism (the substantially cylindrical support portion 174) is accommodated in the inner diameter portion of each of the coils 182 and 184, in which light is transmitted and received by the light emitting elements 22, 32 and the light receiving elements 24, 34, The data communication is established.
  • the diameters of the coils 182 and 184 are reduced by reducing the diameter of the joint mechanism (support portion 174). be able to. Thereby, the diameter reduction of the rotary joint 10 carrying a communication and electric power feeding function is implement
  • the power receiving coil 184 and the power transmitting coil 182 are shown to be arranged with different numbers of turns and coil diameters, but the number of turns, the coil diameter, and the diameter of the coil conductor are as follows. It may be arranged in agreement.
  • the winding may be formed by winding around a bobbin. *
  • the light emitting element 22 and the light receiving element 24 are provided in the fixed portion 20 of the rotary joint 10, and the light emitting element 32 and the light receiving element 34 are also provided in the rotating portion 30 facing the fixed portion 20.
  • An intersection C between the central axis X and the fixed portion 20 is located at an intermediate position between the light emitting element 22 and the light receiving element 24, and the central axis X and the rotating portion are located at an intermediate position between the light emitting element 32 and the light receiving element 34.
  • An intersection (center of rotation) C ′ with 30 is located.
  • a substantially cylindrical light guide member 40 is provided between the fixed portion 20 and the rotating portion 30.
  • the joint can be reduced in size and diameter.
  • the light guide member 40 is provided between the fixed unit 20 and the rotating unit 30, the rotation of the rotating unit 30 causes an optical axis shift between the light emitting element and the light receiving element on the fixed side and the rotating side.
  • the light is reflected in the light guide member 40, and a stable amount of received light is supplied to the light receiving elements 24 and 34, thereby enabling stable communication.
  • the cost can be reduced.
  • the reflector 38 is provided in the light emitting elements 22 and 32 as necessary, the irradiation range of the signal light can be adjusted.
  • the power transmission coil 182 is provided on the fixed portion 20 side and the power receiving coil 184 is provided on the rotating portion 30 side to perform non-contact power feeding, the diameter of the rotating housing can be reduced.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
  • the following are also included.
  • the shape and dimensions shown in the above embodiment are merely examples, and may be appropriately changed as necessary.
  • the material can be changed as appropriate within a range where the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • acrylic resin is used as the light guide member 40 in the above-described embodiment, this is also an example and does not preclude the use of other resins or glass.
  • the arrangement positions of the elements shown in the above-described embodiment are also examples, and the present invention is not limited thereto, and can be changed as needed.
  • one side of the light guide member 40 is the fixed portion 20 and the other is the rotating portion 30.
  • the present invention can be used as long as it rotates relatively. Is applicable. That is, when the first member and the second member are arranged to face each other, either of them may rotate, or both may rotate.
  • the end surface of the light guide member 40 is a mirror surface, but this is also an example, and the lens effect may be obtained by providing irregularities on the end surface.
  • a pair of light emitting elements and light receiving elements are provided on both the fixed part 20 and the rotating part 30, but this is also an example, and two or more pairs of light emitting elements and light receiving elements are provided. It does not prevent. Further, a plurality of light emitting elements may correspond to one light receiving element, or vice versa.
  • a filter for avoiding self-interference may be provided. Further, the light guide member 40 itself may be colored to form a filter. *
  • the optimum values of the diameter ⁇ and the length L of the light guide member 40 are determined according to the communication distance depending on the element arrangement, but this is also an example, and the light guide member The arrangement of the light emitting element and the light receiving element that can secure the light amount necessary for communication may be determined by fixing the diameter ⁇ and the length L of 40 and changing the diameter and the irradiation angle of the reflector 38.
  • the light guide member 40 may be omitted depending on the communication distance condition required at this time. That is, the reflector 38 may be used as a received light amount securing means.
  • the present invention is applied to the rotary joint 10.
  • the first member and the second member that are substantially orthogonal to the same axis and are opposed to each other, and are relatively rotatable about the axis, and the first member
  • a light emitting element and a light receiving element are provided on each of the opposing surfaces of the member and the second member, and are disposed at positions shifted from the intersection with the shaft. The light emitted from the light emitting element of the first member is received by the light receiving element of the second member, and the light emitted from the light emitting element of the second member is received by the light receiving element of the first member.
  • it is suitable for applications such as a rotary surveillance camera and an optical transmission rotary joint that performs bidirectional signal transmission using an optical signal between a rotating part of an industrial machine robot and a fixed part that supports the rotating part.
  • Rotary joint 20 Fixed part 22: Light emitting element (LED) 24: Light receiving element (PD) 26: Element circuit 30: Rotating part 32: Light emitting element (LED) 34: Light receiving element (PD) 36: Element circuit 38: Reflector 40: Light guide member 100: Rotary joint 150: Monitoring camera 152: Stand 154: Leg part 160 : Gear 162: Teeth 166: Plate 168: Motor 170, 172, 174: Support part 180: Leg part 182: Power transmission coil 184: Power reception coil 190: Camera 200: Signal transmission device 210: Fixing part 220: Rotating part 222A, 222B : Equipment 224A, 224B: Wiring 230: Rotating shaft 232: Slip ring 234: Brush 236: Contact point C, C ′: Intersection X: Center axis

Abstract

【課題】光信号による双方向通信において、受光素子に安定した受光量を供給しつつ、小型化，小径化，コスト削減を図る。【解決手段】ロータリージョイント１０は、中心軸Ｘに対して略直交し、かつ、対向配置された固定部２０及び回転部３０と、これらの間に配置された略円柱状の導光部材４０を備えている。固定部２０には発光素子２２と受光素子２４が設けられ、回転部３０には前記発光素子２２から放射された光を受光する受光素子３４と、前記受光素子２４に向けて光を照射する発光素子３２が設けられる。発光素子２２と受光素子２４を結ぶ直線ＬＡの略中央部に固定部２０と中心軸Ｘとの交点Ｃがあり、発光素子３２と受光素子３４を結ぶ直線ＬＢの略中央部に回転部３０との交点Ｃ´がある。発光素子２２，３２から照射された光は、導光部材４０内で反射し、受光素子２４，３４に安定した受光量を供給する。

Description

光信号伝送装置及びそれを利用した電子機器
本発明は、回転式監視カメラや産機ロボットの回転部と、該回転部を支持する固定部との間などで、光信号による双方向の信号伝送を行う、光信号伝送装置とそれを利用した電子機器に関するものである。
従来は、回転式監視カメラなどのように、相対的に回転する部材間における信号の伝送は、機械的な接点を有するスリップリングを介して行われていた。図５には、従来の信号伝送装置２００が示されており、固定部２１０に対して、回転軸２３０を中心に回転可能な回転部２２０が対向している。前記回転部２２０には、モータ，センサ，制御機器等の機器２２２Ａ，２２２Ｂが設けられており、これら機器２２２Ａ，２２２Ｂに接続された配線２２４Ａ，２２４Ｂは、前記回転軸２３０の外周に複数設けられたスリップリング２３２に接続されている。そして、複数の前記スリップリング２３２のそれぞれにブラシ２３４の先端の接点２３６が接触することで、信号の伝送を行っていた。　
前記スリップリング２３２は、前記接点２３６の塵埃の付着や腐食、摩耗及び摺動の不安定性等に起因する通信不良を、比較的短期間で引き起こす可能性が高く、定期点検や交換を必要とする耐久性課題を有する。また、データの伝送量の増加や双方向通信を行う場合には、前記スリップリング２３２及び前記ブラシ２３４の本数を増やさなければならず、大きなコストアップの要因となっていた。そこで、光伝送による非接触通信方法が提案されている。まず、下記特許文献１に示すように、回転に伴う光軸ズレによる受光量の不足を、複数発光素子もしくは複数受光素子を配置することで補完する方法が提案されている（同文献、第１図参照）。　
また、受光素子を回転軸に配置し、該回転軸に対して外側に配置された発光素子から照射された照射光を、反射板等で角度制御することで、回転時に前記受光素子に安定した受光量を得る方法が提案されている。この方法は、有効ではあるが、前記反射板等の設置や角度制御の精度が求められ、生産性の面で課題を有する。その上、回転軸上にある受光素子を中心として、発光素子を円状に回す機構のため、少なくとも受光素子と発光素子との距離の２倍以上の径を有する大きな回転機構となり、小型化、小径化の足かせとなる課題を有する。更には、下記特許文献２及び特許文献３に示すように、回転軸に受光素子を配置し、該回転軸に対して外側に配置された発光素子に所定の傾斜をもたせることで、前記受光素子が回転しているときでも、照射光を安定した受光量で得られる方法が提案されている。
特開平１０－２６９４８８号公報（第１図） 特開平２－１４８３９９号公報 特開平８－１８１６６４号公報
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術は、回転に伴う光軸ズレによる受光量の不足を、複数発光素子もしくは複数受光素子を配置することで補完する方法であって、有効ではあるが、素子及び周辺回路の増加に伴うコストアップ課題を有する。また、前記特許文献２及び特許文献３に記載の技術では、発光素子にもたせる傾斜角度に高い精度が求められるため、生産性課題を有する。加えて、上述した反射板を用いる方法と同様に、回転軸上にある受光素子を中心として発光素子を円状に回す機構のため、少なくとも受光素子と発光素子との距離の２倍以上の径を有する大きな回転機構となり、小型化、小径化の妨げになるという課題を有する。　
本発明は、以上のような点に着目したもので、光信号による双方向通信において、受光素子に安定した受光量を供給しつつ、小型化，小径化，低コスト化が可能な光信号伝送装置を提供することを、その目的とする。他の目的は、前記光信号伝送装置を備えた電子機器を提供することを特徴とする。
本発明の光信号伝送装置は、同一の軸に対して略直交し、かつ、対向配置されており、前記軸を中心として相対的に回転可能な第１の部材及び第２の部材と、前記第１の部材及び第２の部材の対向面のそれぞれに設けられており、前記軸との交点からずらした位置に配置された発光素子及び受光素子と、を備えており、前記第１の部材の発光素子から放射される光を前記第２の部材の受光素子で受光し、前記第２の部材の発光素子から放射される光を前記第１の部材の受光素子で受光するとともに、前記第１の部材と第２の部材の相対的回転により光軸上のズレが生じても、前記受光素子で通信に必要な光量を受光するための受光量確保手段、を設けたことを特徴とする。　
主要な形態の一つは、前記受光量確保手段が、前記第１の部材と第２の部材の対向面の間に設けられた導光部材であることを特徴とする。他の形態は、前記発光素子の周囲に、光の照射範囲を規制するリフレクタを設けたことを特徴とする。他の主要な形態の一つは、前記受光量確保手段が、前記発光素子の周囲に設けられた光の照射範囲を規制するリフレクタであることを特徴とする。他の形態は、前記発光素子として、発光ダイオードを用いたことを特徴とする。更に、他の形態は、前記第１の部材の対向面において、前記発光素子及び受光素子を結ぶ直線ＬＡの略中央部に、前記第１の部材と前記軸との交点があり、前記第２の部材の対向面において、前記発光素子及び受光素子を結ぶ直線ＬＢの略中央部に、前記第２の部材と前記軸との交点があるとともに、前記直線ＬＡと直線ＬＢの長さが略同一に設定されていることを特徴とする。更に他の形態は、前記第１の部材又は第２の部材のいずれか一方の部材に送電用のコイルを設け、他方の部材に受電用のコイルを設けることで、非接触給電を行うことを特徴とする。　
本発明の電子機器は、前記いずれかに記載の光信号伝送装置を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明の光信号伝送装置は、同一の軸に対して略直交し、かつ、対向配置されており、前記軸を中心として相対的に回転可能な第１の部材及び第２の部材と、前記第１の部材及び第２の部材の対向面のそれぞれに設けられており、前記軸との交点からずらした位置に配置された発光素子及び受光素子と、を備えている。そして、前記第１の部材の発光素子から放射される光を前記第２の部材の受光素子で受光し、前記第２の部材の発光素子から放射される光を前記第１の部材の受光素子で受光するとともに、前記第１の部材と第２の部材の相対的回転により光軸上のズレが生じても、前記受光素子で通信に必要な光量を受光するための受光量確保手段、を設けることとした。このため、光信号による双方向通信において、受光素子に安定した受光量を供給しつつ、小型化・小径化が可能となる。また、光軸，導光部材，発光素子及び受光素子の高精度の調整が不要なため、コスト削減も可能となる。
図１(A)は、本発明の実施例１のロータリージョイントの基本構造を示す外観斜視図であり、図１(B-1)及び(B-2)は導光部材がない場合の作用を示す説明図である。 図２(A)は、前記実施例１のロータリージョイントの回転部材側の素子配置を示す平面図であり、図２(B)は回転部材を回転したときの受光素子の位置の変化を示した図である。 図３(A)は通信距離と受光量の関係を示す図であり、図３(B)は、導光部材の条件を変えたときの受光素子（PD）の位置と受光量の関係を示す図である。 前記実施例１のロータリージョイントを用いた回転式監視カメラを示す図であり、(A)は外観斜視図，(B)は主要部の断面図である。 背景技術の一例を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１～図３を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本実施例は、本発明の光信号伝送装置を、ロータリージョイントに適用した例である。図１(A)は本実施例のロータリージョイントの基本構造を示す外観斜視図であり、図１(B-1)及び(B-2)は導光部材がない場合のロータリージョイントの作用を示す図である。図２(A)は、本実施例のロータリージョイントの回転部側の素子配置を示す平面図であり、図２(B)は回転部を回転したときの受光素子の位置の変化を示した図である。図３(A)は通信距離と受光量の関係を示す図であり、図３(B)は、導光部材の条件を変えたときの受光素子（PD）の位置と受光量の関係を示す図である。　
図１(A)に示すように、本実施例のロータリージョイント１０は、同一の中心軸Ｘに対して略直交し、かつ、対向配置された固定部２０と回転部３０と、これらの間に配置された略円柱状の導光部材４０を備えている。前記固定部２０には、発光素子２２と、受光素子２４と、素子回路２６が設けられている。また、前記回転部３０には、発光素子３２と、受光素子３４と、素子回路３６が設けられている。前記固定部２０の発光素子２２から放射される光を、前記回転部３０の受光素子３４で受光し、前記回転部３０の発光素子３２から放射される光を前記固定部２０の受光素子２４で受光することで、双方向の光信号伝送が可能となっている。本実施例では、前記発光素子２２，３２として、光が広がりやすい特性を有するＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、前記受光素子２４，３４として、ＰＤ（フォトダイオード）を用いている。前記受光素子２４，３４は、前記発光素子２２，３２が発するＬＥＤ光を電気的信号、すなわち電圧に変換することで通信を実現している。前記受光素子２４，３４は、受光した光の量、すなわち、受光量に応じて電圧を発生させる。すなわち、受光量は電圧値に置き換えることができる。なお、前記発光素子２２，３２の周囲には、必要に応じて、光の照射範囲を制限するためのリフレクタ３８を設ける（図２(A)参照）。　
図１(A)に示すように、発光素子２２と受光素子２４を結ぶ直線ＬＡの略中央部に前記固定部２０と前記中心軸Ｘとの交点Ｃがあり、発光素子３２と受光素子３４を結ぶ直線ＬＢの略中央部に前記回転部３０と前記中心軸Ｘとの交点Ｃ´がある。該交点Ｃ´は、前記回転部３０の回転中心である。前記直線ＬＡと前記直線ＬＢは、略同一の長さに設定されている。なお、前記直線ＬＡ，ＬＢの略中央部とは、これらの直線の完全な中央のみならず、多少（例えば、１０％程度）の誤差も含むものとする。また、前記直線ＬＡとＬＢの長さは、完全に同一である場合だけでなく、前記交点Ｃ又はＣ´に対する直線ＬＡ，ＬＢの中心位置のズレの許容範囲内で、長さを変えた場合も含まれる。　
例えば、前記固定部２０側の発光素子２２の配置位置をａとし、受光素子２４の配置位置をｂとし、更に、前記ａとｂを結ぶ直線（図１(A)の直線ＬＡ）上における前記ａ及びｂの中間点をｃとしたときに、前記固定部２０の回転軸位置γ（前記交点Ｃ）が、γ＝ｃ±（ａ－ｂ）×０．１の範囲となるように位置を定める。すなわち、前記中心点ｃと、前記交点Ｃとのずれが、発光素子２２と受光素子２４間の距離の１０％までの範囲となるように素子を配置する。同様に、前記回転部３０の発光素子３２の配置位置をａ´とし、受光素子３４の配置位置をｂ´とし、更に、前記ａ´とｂ´を結ぶ直線上（図１(A)の直線ＬＢ）上における前記ａ´及びｂ´の中間点をｃ´としたときに、前記回転部３０の回転軸位置γ´（前記交点（ないし回転中心）Ｃ´）が、γ´＝ｃ´±（ａ´－ｂ´）×０．１の範囲となるように素子の位置を定めるという具合である。　
ところで、本実施例では、前記固定部２０と回転部３０の対向面の間に、導光部材４０を設けているが、これがない場合の比較例が、図１(B-1)及び(B-2)に示されたロータリージョイント１００である。図１(B-1)に示すように、固定部２０の発光素子２２と回転部３
０の受光素子３４の位置が同等位置にあり、固定部２０の受光素子２４と回転部３０の発光素子３２の位置が同等位置にあるときは、前記受光素子２４，３４による受光量は最大となる。しかしながら、図１(B-1)に示す状態から、回転部３０を、中心軸Ｘを中心に１８０°回転すると、図１(B-2)に示すように、光軸上のズレが最大となり受光量が最少となる。図２(A)には、前記回転部３０を固定部２０側から見た平面図が示されており、図２(B)には、前記回転部３０を回転させたときの受光素子３４の位置の変化が示されている。　
このように、上述した導光部材４０を設けない場合、前記固定部２０に対する回転部３０の回転角度によって、受光量が変化するという特性を有する。すなわち、固定部２０の発光素子２２と、回転部３０側の受光素子３４の光軸上のズレ量、及び、固定部２０の受光素子２４と、回転部３０の発光素子３２の光軸上のズレ量が最少となる位置近傍で受光量が最大となり、逆に前記光軸上のズレ量が最大となる位置近傍で受光量が最少となる。すなわち、受光素子２４，３４による受光量が前記固定部２０に対する前記回転部３０の回転角度に対して安定しないということになる。　
そこで、本実施例では、前記固定部２０と回転部３０の対向面の間に、略円柱状の導光部材４０を設け、該導光部材４０の一端側から入射した光を、前記導光部材４０内で全反射させて、他端側から均一な強度分布に近づけた光として出射することとした。これにより、光軸上のズレ量が最大となる位置近傍でも、受光素子２４，３４による受光量の低下を抑制し、通信に必要な安定した受光量を確保することができる。前記導光部材４０としては、例えば、透明なアクリル棒などが用いられる。該導光部材４０の直径φや、長さＬは、発光素子２２と受光素子２４間の距離及び発光素子３２と受光素子３４間の距離や、確保すべき通信距離等により、前記受光素子２４，３４における受光量が変化するため、条件に応じて最適値を定めるようにする。　
ここで、本実施例における光学仕様の設定の一例を示す。なお、ここで示す数値は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。まず、例えば、１００Ｍｂｐｓ通信確保に必要な最低光量を導出する。図３(A)には、通信距離［ｍｍ］と受光量［Ｖ］の関係が示されている。例えば、通信可能距離をｄ以下とする場合、１００Ｍｂｐｓ通信確保に必要な最低光量は、ｒ［Ｖ］となる。そして、次に、図３(B)に示すように、前記導光部材４０の直径φと長さＬを変化させた各種条件（図中のグラフＧＡ～ＧＤ）において、受光素子３４による受光量を前記光軸上のズレ量が変化するように該受光素子３４の素子の配置位置を変更して測定する。ここで、図３(B)に実線で囲んだ位置に受光素子３４がある場合、導光部材４０の条件を変えても常に光量不足となるが、受光素子３４を前記交点（回転中心）Ｃ´に近づけると（図３(B)に破線で囲った位置）、条件ＧＤと条件ＧＢの場合に前記通信下限光量を超えて受光できる。したがって、受光素子３４を設ける位置を、交点Ｃ´に近づけるとともに、導光部材４０の直径φ及び長さＬを調節することで、常に閾値を超えて受光できることになる。なお、前記図３には、示されていないが、前記導光部材４０がない場合には、光量不足であることが確認されている。　
前記導光部材４０の直径φと長さＬを決定付ける要因は、以下の通りである。(a)直径φが大きいか、又は、長さＬが大きいと、導光部材４０を信号光が通過する距離が長くなるため、光の減衰が生じる。(b)直径φが大きいか、又は、長さＬが小さいと、導光部材４０中で信号光が全反射する回数が少なくなるため、導光部材４０の端面から出る信号光にばらつきが生じる。これにより、受光素子３４の位置によっては受光量に偏りが生じ、受光量が低下する回転位置が生じ易くなる。(c)直径φが小さいと、導光部材４０の端面に入射する信号光が少なくなり、受光素子３４の受光量も低下する。  これらの要因により受光素子３４による受光量が変化するため、導光部材４０は、その直径φ及び長さＬが適宜設計される。　
＜使用例＞・・・図４(A)には、本実施例のロータリージョイント１０を用いた監視カメラ１５０の外観斜視図が示されており、図４(B)には前記ロータリージョイント１０の主要部の断面が示されている。図４(A)及び(B)に示すように、複数の脚部１５４に支持されたスタンド１５２上に、前記ロータリージョイント１０が設けられている。前記回転部３０の周囲には、歯１６２を有するギア１６０が設けられており、前記スタンド１５２の側方には、プレート１６６によって回転可能に支持されたギア１６４が設けられている。該ギア１６４は、回転部３０側のギア１６０と噛み合い、モータ１６８によって駆動される。また、前記固定部２０と回転部３０の間には、上述した導光部材４０が設けられており、その周囲が、略筒状の支持部１７０，１７２，１７４によって回転可能に支持されている。そして、前記回転部３０の上面側に、脚部１８０を介してカメラ１９０が取り付けられている。このような監視カメラ１５０では、例えば、固定部２０から回転部３０へ伝送される信号は制御信号であり、回転部３０から固定部２０へ伝送される信号は映像信号である。　
なお、本実施例では、前記固定部２０から回転部３０への電力の供給は、前記ギア１６０の下方に設けられた２つのコイルを用い、電磁誘導により非接触給電することとしている。前記コイルは、非接触給電を行うための送電コイル１８２及び受電コイル１８４からなる。前記送電コイル１８２及び受電コイル１８４は、それぞれ内径及び外径を有する円形状（リング状）に束ねられており、図示の例では、前記送電コイル１８２を前記固定部２０側に配置し、前記受電コイル１８４を前記回転部３０側に配置している。そして、各コイル１８２，１８４の内径部に、ジョイント機構（前記略筒状の支持部１７４）が収まり、その中で、前記発光素子２２，３２及び受光素子２４，３４による光の送受を行い、データ通信を確立させる構成とする。　
前記送電コイル１８２及び受電コイル１８４の内径は、ロータリージョイント１０の外径に準じた大きさとなるため、上述したジョイント機構（支持部１７４）の小径化により前記コイル１８２，１８４の径を小さく構成することができる。これにより、通信及び給電機能を搭載したロータリージョイント１０の小径化が実現される。また、図４(B)では、受電コイル１８４及び送電コイル１８２は、それぞれ巻き数，コイル径が異なって配置されているように示されているが、巻き数，コイル径及びコイル導線の径は一致して配置されていてもよい。また、巻線はボビンに巻回して形成してもよい。　
このように、実施例１によれば、ロータリージョイント１０の固定部２０に発光素子２２と受光素子２４を設け、前記固定部２０と対向する回転部３０にも、発光素子３２と受光素子３４を設ける。前記発光素子２２と受光素子２４の中間位置に、中心軸Ｘと固定部２０との交点Ｃが位置し、前記発光素子３２と前記受光素子３４の中間位置に、前記中心軸Ｘと前記回転部３０との交点（回転中心）Ｃ´が位置する。そして、前記固定部２０と回転部３０の間に、略円柱状の導光部材４０を設けることとした。このため、次のような効果がある。　
(1)中心軸Ｘと固定部２０，回転部３０との交点Ｃ，Ｃ´を発光素子と受光素子の中間位置に配置することで、ジョイントの小型化・小径化が可能となる。  (2)固定部２０と回転部３０の間に導光部材４０を設けることとしたので、回転部３０の回転により、固定側と回転側の発光素子・受光素子間で光軸ズレが生じても、前記導光部材４０内で光を反射して、受光素子２４，３４に安定した受光量を供給し、安定した通信が可能となる。  (3)光軸，導光部材４０，発光素子２２，３２及び受光素子２４，３４の高精度の調整が不要なため、コスト削減が可能である。  (4)必要に応じて前記発光素子２２，３２にリフレクタ３８を設けることとしたので、信号光の照射範囲を調整することができる。  (5)固定部２０側に送電コイル１８２を設け、回転部３０側に受電コイル１８４を設けて非接触給電を行うこととしたので、回転筐体の小径化を実現することができる。　
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。  (1)前記実施例で示した形状，寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。材料についても、前記実施例１と同様の効果を奏する範囲内で適宜変更可能である。例えば、前記実施例では、導光部材４０としてアクリル樹脂を用いることとしたが、これも一例であり、他の樹脂やガラス等を用いることを妨げるものではない。更に、前記実施例で示した素子の配置位置（例えば、図２(B)）も一例であり、これに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。  (2)前記実施例では、導光部材４０を挟んだ一方側を固定部２０とし、他方を回転部３０としたが、これも一例であり、相対的に回転するものであれば、本発明は適用可能である。すなわち、第１の部材と第２の部材を対向配置させた場合に、そのいずれかが回転してもよいし、双方が回転してもよい。　
(3)前記実施例では、前記導光部材４０の端面を鏡面としたが、これも一例であり、端面の凹凸をつけてレンズ効果を得るようにしてもよい。  (4)前記実施例では、固定部２０と回転部３０の双方に一対の発光素子と受光素子を設けることとしたが、これも一例であり、二対以上の発光素子と受光素子を設けることを妨げるものではない。また、一つの受光素子に対し複数の発光素子を対応させてもよいし、またはその逆であってもよい。  (5)自己干渉を避けるためのフィルタを設けるようにしてもよい。また、導光部材４０自体に色を付けてフィルタとしてもよい。　
(6)前記実施例では、素子配置による通信距離に応じて、前記導光部材４０の直径φや長さＬの最適値を決定することとしたが、これも一例であり、前記導光部材４０の直径φや長さＬを固定し、前記リフレクタ３８の径や照射角を変えることで、通信に必要な光量を確保できる発光素子及び受光素子の配置を決定してもよい。また、このときに求められる通信距離条件等によって前記導光部材４０を割愛することも可能である。すなわち、前記リフレクタ３８を、受光量確保手段として用いるようにしてもよい。  (7)前記実施例では、本発明をロータリージョイント１０に適用することとしたが、これも一例であり、相対的に回転する２つの部材間で光信号による双方向の信号伝送を行う装置全般に本発明は適用可能である。また、前記実施例で示した監視カメラも一例であり、遊戯機器や産機ロボットなど、公知の各種の電子機器に本発明は適用可能である。
本発明によれば、同一の軸に対して略直交し、かつ、対向配置されており、前記軸を中心として相対的に回転可能な第１の部材及び第２の部材と、前記第１の部材及び第２の部材の対向面のそれぞれに設けられており、前記軸との交点からずらした位置に配置された発光素子及び受光素子と、を備えている。そして、前記第１の部材の発光素子から放射される光を前記第２の部材の受光素子で受光し、前記第２の部材の発光素子から放射される光を前記第１の部材の受光素子で受光するとともに、前記第１の部材と第２の部材の相対的回転により光軸上のズレが生じても、前記受光素子で通信に必要な光量を受光するための受光量確保手段、を設けることとした。このため、受光素子に安定した受光量を供給しつつ、小型化・小径化が可能となるため、双方向の光信号伝送装置の用途に適用できる。特に、回転式監視カメラや、産機ロボットの回転部と、該回転部を支持する固定部との間で、光信号による双方向信号伝送を行う光伝送ロータリージョイント等の用途に好適である。
１０：ロータリージョイント　２０：固定部　２２：発光素子（LED）　２４：受光素子（PD）　
２６：素子回路　３０：回転部　３２：発光素子（LED）　３４：受光素子（PD）　３６：素子回路　３８：リフレクタ　４０：導光部材１００：ロータリージョイント１５０：監視カメラ１５２：スタンド１５４：脚部１６０：ギア１６２：歯１６６：プレート１６８：モータ１７０，１７２，１７４：支持部１８０：脚部１８２：送電コイル１８４：受電コイル１９０：カメラ２００：信号伝送装置２１０：固定部２２０：回転部２２２Ａ，２２２Ｂ：機器２２４Ａ，２２４Ｂ：配線２３０：回転軸２３２：スリップリング２３４：ブラシ２３６：接点Ｃ，Ｃ´：交点Ｘ：中心軸

Claims (8)

  1. 同一の軸に対して略直交し、かつ、対向配置されており、前記軸を中心として相対的に回転可能な第１の部材及び第２の部材と、　前記第１の部材及び第２の部材の対向面のそれぞれに設けられており、前記軸との交点からずらした位置に配置された発光素子及び受光素子と、を備えており、　前記第１の部材の発光素子から放射される光を前記第２の部材の受光素子で受光し、　前記第２の部材の発光素子から放射される光を前記第１の部材の受光素子で受光するとともに、　前記第１部材と第２の部材の相対的回転により光軸上のズレが生じても、前記受光素子で通信に必要な光量を受光するための受光量確保手段、を設けたことを特徴とする光信号伝送装置。
  2. 前記受光量確保手段が、　前記第１の部材と第２の部材の対向面の間に設けられた導光部材であることを特徴とする請求項１記載の光信号伝送装置。
  3. 前記発光素子の周囲に、光の照射範囲を規制するリフレクタを設けたことを特徴とする請求項２記載の光信号伝送装置。
  4. 前記受光量確保手段が、　前記発光素子の周囲に設けられた光の照射範囲を規制するリフレクタであることを特徴とする請求項１記載の光信号伝送装置。
  5. 前記発光素子として、発光ダイオードを用いたことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の光信号伝送装置。
  6. 前記第１の部材の対向面において、前記発光素子及び受光素子を結ぶ直線ＬＡの略中央部に、前記第１の部材と前記軸との交点があり、　前記第２の部材の対向面において、前記発光素子及び受光素子を結ぶ直線ＬＢの略中央部に、前記第２の部材と前記軸との交点があるとともに、　前記直線ＬＡと直線ＬＢの長さが略同一に設定されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の光信号伝送装置。
  7. 前記第１の部材又は第２の部材のいずれか一方の部材に送電用のコイルを設け、他方の部材に受電用のコイルを設けることで、非接触給電を行うことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の光信号伝送装置。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の光信号伝送装置を備えたことを特徴とする電子機器。
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