JP2658400B2 - 中空光ロータリジョイント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は回転体と固定体とにそれぞれ設置される複
数本の光ファイバ間を直角プリズムなどを用いて接続す
る中空光ロータリジョイントに関するものである。

［従来の技術］ 第７図に光学部品を用いた多芯光ロータリジョイント
の一例（実開昭61−6818号公報）を示す。固定体26側の
光ファイバ20a,20bからコリメータ27a,27bを介して出射
した光はダブプリズム22内で屈折・反射し、回転体23側
のコリメータ28a,28bを経て光ファイバ20a,20bに入射す
る。この時、プリズムホルダ25は変速歯車装置24によ
り、回転体23の1/2の角速度で回転（同方向）するよう
になっており、ダブプリズム22の機能から、回転側の像
は常に静止し、光ファイバ20aと21a、光ファイバ20bと2
1bが常に結合状態となる。このように光学プリズムを使
用した多芯光ロータリジョイント、あるいは光ファイバ
同士をペアリングで保持し、光ファイバ間にギャップを
空けて結合回転させる単芯エロータリジョイントは、回
転中心軸に光ファイバあるいは光学部品が存在する。

第８図には回転軸芯が中空タイプの光ロータリジョイ
ントの例（特公昭61−42462号公報）を示す。固定体側
送信器38から光ファイバ37を伝搬しコリメータ36、プリ
ズム35を経て出射した光ビームは円環体34の内面（反射
面）を反射しながら、プリズム33a,33b,33c、コリメー
タ32a,32b,33cを経て光ファイバ31a,31b,31cに導かれ受
信器30に入射する。この時回転体と同一回転で受信器3
0、光ファイバ31a〜ｂ、円環体34が回転しても、光の結
合状態は一定である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第７図のような光学部品に使用した光
ロータリジョイントは、回転軸芯にプリズムやロッドレ
ンズ等の光学部品が存在するため、回転体へ油圧制御用
油、冷却水あるいは高圧電源を供給するための空孔を回
転軸芯に設けることができず、これら光以外の液体，電
気，気体等を供給するには別系統の供給装置を設ける必
要があった。

一方、第８図の中空タイプの円環状反射体と光ファイ
バを回転させる方法では、回転軸を通して種々の供給系
を配置できるが、光ビームは円環体内で拡げられて円環
体内鏡面を数回反射して伝送されるため、反射ロスが大
きくなり、20〜30dBの結合損失になるとの報告例もあ
る。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、
低損失で且つ回転軸芯が中空である新規な中空光ロータ
リジョイントを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、回転体と固定体とにそれぞれ設けら
れた光ファイバの間を、光学的に結合する光ロータリジ
ョイントにおいて、回転体の軸心に対してそれぞれ傾斜
した反射面を有すると共にその軸心と同軸で回転自在に
設けられた直角プリズムを有し、該直角プリズムの軸心
部にはケーブル等を挿通するための貫通孔が設けられて
おり、回転体及び固定体にそれぞれ設けられた光ファイ
バの光の入出射端は、前記直角プリズムを介して対向す
るよう配置されており、前記直角プリズムを回転体の1/
2の角速度で回転させるための変速歯車機構を具備して
いることを特徴とする中空光ロータリジョイントであ
る。

［作用］ 上記の構成によれば、例えば、固定体側の光ファイバ
から出射された光は直角プリズムの一方の反射面から他
方の反射面に反射されて回転側光ファイバに入射する。
この際回転体に対し、直角プリズムが1/2の角速度で回
転するため固定側と回転側との光ファイバ間に反射ロス
の少ない光学的な結合関係が保たれ、かつ直角プリズム
の軸芯に貫通孔が形成されるためケーブル等を挿通でき
る。

［実施例］ 以下本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

先ず、本発明の光ロータリジョイントの動作・作用の
原理について第２〜６図により説明する。

第２図において、11,13は光ファイバ、1,3は集束性レ
ンズ、５はミラー、９は反射体である直角プリズムであ
る。ここで光ファイバ11、集束性レンズ１、ミラー５は
固定体に取り付けられており、光ファイバ13、集束性レ
ンズ３は回転体に取り付けられているものとする。また
回転体の回転軸をＺ軸とし、これに直交するようにｘ
軸,y軸をとる。直角プリズム９の中央部には第２図に示
したように貫通孔9aが設けられている。

同図の光学系において、光ファイバ11から出射した光
は、集束性レンズ１で平行ビームとなり、一転鎖線で示
す経路を伝搬し、ミラー５で反射して直角プリズム９に
入射する。そして直角プリズム９の反射面9b,9cで全反
射して逆方向に戻り、集束性レンズ３で絞り込まれて回
転側の光ファイバ13に入射する。

ここで、直角プリズム９の反射面9b,9cの交線をｌ、
固定側の光ビームが直角プリズム９に入射する点をＦ、
回転側の光ビームが直角プリズムから出射する点をＭと
する。そして、l,F,Mをxy平面に投影した様子を第３図
に示す。

今、原点を０とし、線分l,OF,OMがｘ軸となる角を
θ，θ_F,θ_Ｍとすると、点F,Mは線分ｌに関して対称で
あるから、 θ_Ｆ−θ＝θ−θ_Ｍ （１） なる関係が成立する。式（１）を変形して θ_Ｆ＝２θ−θ_Ｍ （１）′ ここで点Ｍが角速度ωで回転し、直角プリズムが角速
度ω/2で回転するとすると、 ここでｔは時間、θ_MO,θ_０はｔ＝０のときのθ_M,θの
値である。式（３）を式（１）′に代入すると、 となり、点ＦとＭは線分ｌに関して常に線対称であり、
従って、第２図の光ファイバ11と13は光学的接続状態が
維持される。ただし、光ビームが直角プリズム９の貫通
孔9aを通る場合や点ＦとＭとが重なる場合は光ビームが
ケラレてしまい光学的接続状態が維持できなくなる。

そこで、光ビームを２つの分岐し、２つのうちの少な
くとも１つは光学的に接続しているようにする必要があ
る。

この方法による２芯の光ロータリジョイントの動作・
作用の原理について第４図について説明する。

同図において、1a,1b,2a,2bは固定側の集束性レン
ズ、3a,3b,4a,4bは回転側の集束性レンズである。また5
a,5b,6a,6bはミラー、９は反射体たる直角プリズムであ
る。図には示していないが２芯の光ファイバは合分岐器
によって２対（４本）の光ファイバに分けられている。
まず、１芯目の光ファイバから分岐した１対の光ファイ
バは集束性レンズ1a,1bに結合し、ミラー5a,5b、直角プ
リズム９、集束性レンズ3a,3bと結合している。また２
芯目の光ファイバから分岐した１対の光ファイバも集束
性レンズ2a,2bに結合し、ミラー6a,6b、直角プリズム
９、集束性レンズ4a,4bと結合している。さらに、集束
性レンズ3a,3b,4a,4bは図示せぬ２対の光ファイバと結
合し、再び合分岐器によって２芯の光ファイバと接続し
ているものとする。このときの各点xy平面上に投影した
様子を第５図に示す。

同図は、回転体が、０゜（ａ）図、90゜（ｂ）図、18
0゜（ｃ）図、270゜（ｄ）図と回転したときの入出射端
の光ビームの位置関係を示し、固定側の集束性レンズ1
a,1b,2a,2bを□で、回転側の集束性レンズ3a,3b,4a,4b
を○で囲んで示したものである。固定側の４個の集束性
レンズ1a,1b,2a,2bの位置関係は、１芯目から分岐した
集束性レンズ1a,1bからの光が任意の回転位置に対応す
る回転側集束性レンズ3a,3bのいずれか一方に必ず光学
的に接続するよう、同様２芯目の集束性レンズ2a,2bも
任意の回転位置で対応する回転側集束性レンズ4a,4bの
いずれか一方に必ず光学的に接続するようにされる。

第５図の例では、分岐された集束性レンズ1a,2aと1b,
2bとは角度135゜離れた位置に設けられ、また１芯目の
集束性レンズ1aは回転体が０゜の位置で線ｌ上にあるよ
う、また２芯目の集束性レンズ2aは、１芯目の集束性レ
ンズ2aに対して30゜離れた位置にあるよう設けられる。
また回転側集束性レンズ3a,3b,4a,4bの回転径は、各芯
の一方のレンズ3a,4aの径Daが30mm、他方のレンズ3b,4b
の径Dbが35mmにされ、また対応する固定側集束性レンズ
1a,2aが径D₉,レンズ1b,2bが径Dbの円周上にあるよう設
けられる。また直角プリズム９の貫通孔9aの径Daは10mm
としてある。

このときの光学的接続関係を第５図を基に説明する
と、 （ａ）０゜:1aと3aは重なってしまい断線状態。他の３
組は接続。

（ｂ）90゜:1bと3bは貫通孔9aにケラレて断線状態。他
の３組は接続。

（ｃ）180゜:1aと3a、2bと4bは貫通孔9aにケラレて断線
状態。他の２組は接続。

（ｄ）270゜:1bと3bは重なってしない断線状態。2aと4a
は貫通孔9aにケラレて断線状態。他の２組は接続。

さらに、回転体一回転における接続状態を第６図
（ａ），（ｂ）に示す。第６図（ａ）の上段は、1aと3a
で伝達される光レベル、２段目は1bと3bで伝達される光
レベルである。分岐前の光レベルを１とすると、上記２
つの光レベルは最大で1/2、ビームの重なりや、貫通孔
でのケラレが生じると０になるが両者の和は３段目に示
したように常に1/2以上となり、接続状態が保持されて
いる。また、第６図（ｂ）の１段目と２段目は2aと4a、
2bと4bに関する光レベルを示し、その両者の和は３段目
に同様に示した。

以上第２図〜第６図で本発明の原理について説明した
が、次に第１図により本発明の具体的な実施例を説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す断面図を示し、同図
において14は固定体であり、集束性レンズ1a,1b、ミラ
ー5a,5bが固定されており、ベアリング19b,19cを介して
シャフト17が取り付けられている。また15は回転体であ
り、集束性レンズ3a,3b及び平歯車18aが固定されてい
る。さらに16は直角プリズムホルダであり、ホルダ16
に、反射体たる直角プリズム９が取り付けられ、また外
周に、平歯車18dが取り付けられている。

回転体15は、ベアリング19aを介して固定体に取り付
けられており、自由に回転することができる。また、直
角プリズムホルダ16はベアリング19d,19eを介して固定
体14に回転自在に保持されている。シャフト17には中間
平歯車18b,18cが固定されており、平歯車18b,18cはそれ
ぞれ平歯車18a,18dとかみ合っている。ここで、回転体1
5が回転すると回転力は平歯車18a、中間平歯車18b、シ
ャフト17、中間平歯車18c、平歯車18d、直角プリズムホ
ルダ16、という経路で伝達されると共に、変速歯車機構
としての４枚の平歯車18a〜18dの歯数を適当に選ぶこと
によって直角プリズムホルダ16が回転体15の1/2の角速
度で回転するように構成されている。

光ファイバ11を伝搬してきた光信号は合分岐器７で１
対の光ファイバ11a,11bに分けられる。両ファイバ11a,1
1bは固定体14に取り付けられた集束性レンズ1a,1bと結
合し、平行ビームとされて同図に破線で示した経路を伝
搬する。すなわち、まずミラー5a,5bで直角に光路を曲
げられて直角プリズム９に入射する。入射したビームは
直角プリズム９の反射面9b,9cで全反射して直角プリズ
ム９から出射し、固定体14に取り付けられた集束性レン
ズ3a,3bで絞り込まれ、固定体14に取り付けられている
光ファイバ13a,13bに入射する。光ファイバ13a,13bは合
分岐器９で光ファイバ13に接続されている。このような
構造とすることによって光ファイバ11と光ファイバ13を
光学的に接続することができる。

また、回転体15、直角プリズムホルダ16、直角プリズ
ム９にはそれぞれ貫通孔15a,16a,9aが形成されており、
回転軸芯に中空部が設けられ、これにより電気などのケ
ーブルが挿通できるようになっている。

第１図の実施例は１芯の光ロータリジョイントである
が、第４図、第５図に示したような位置関係とすること
により２芯以上の多芯光ロータリジョイントも実現でき
る。

［発明の効果］ 以上本発明によれば、回転軸芯を中空にした１芯以上
の光ロータリージョイントを構築することができ、回転
軸上に液体、電気、気体等の供給系を配設できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図および
第３図は本発明の光ロータリジョイントの動作・原理の
説明図、第４図および第５図は本発明の２芯光ロータリ
ジョイントの動作説明図、第６図は第４図の２芯光ロー
タリジョイントの回転体の回転角度と伝達される光レベ
ルの関係を説明する図、第７図は従来の多芯光ロータリ
ジョイントを示す断面図、第８図は従来の中空多芯光ロ
ータリジョイントを示す斜視図である。 図中、1a,1b,2a,2bは固定体側集束性レンズ、3a,3b,4a,
4bは回転体側集束性レンズ、９は反射体としての直角プ
リズム、11は固定側の光ファイバ、13は回転側の光ファ
イバ、14は固定体、15は回転体、18a〜18dは変速歯車機
構としての平歯車である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体と固定体とにそれぞれ設けられた光
   ファイバの間を、光学的に結合する光ロータリジョイン
   トにおいて、回転体の軸心に対してそれぞれ傾斜した反
   射面を有すると共にその軸心と同軸で回転自在に設けら
   れた直角プリズムを有し、該直角プリズムの軸心部には
   ケーブル等を挿通するための貫通孔が設けられており、
   回転体及び固定体にそれぞれ設けられた光ファイバの光
   の入出射端は、前記直角プリズムを介して対向するよう
   配置されており、前記直角プリズムを回転体の1/2の角
   速度で回転させるための変速歯車機構を具備しているこ
   とを特徴とする中空光ロータリジョイント。