JPH03156406A - 多心光ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、回転体と固定体にそれぞれ設置されている複
数本の光フアイバ間の光信号伝送路を最少限の伝送損失
をもって具合よく結合することのできる多心光ジヨイン
トに関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバを用いた情報伝送システムの発展は目覚まし
く、静止体相互間のみならず、例えばスタッカークレー
ンやケーブルリールのように一方に固定体を他方に回転
体を有する機器相互間で光信号を用いた制御が要求され
るようになり、回転体側と固定体側にそれぞれ配設され
ている光信号伝送のための光ファイバを具合よく接続す
ることが要求されるようになった。

使用される光ファイバが単心であれば、単に微少間隙を
持たせて突き合せるだけでかかる接続は可能であるが、
単心の光ファイバにより多量の情報伝送をするには光信
号の多重化が必要であり、設備が複雑かつ高価になるこ
とは避けられない。

これを解決するために光ファイバを回転に合せてコイル
状に巻き込むアキュムレータ方式も実用化されているが
、設備ごとに個別設計が必要な上回転数や回転速度が制
限されるという欠点がある。

そこで、出願人は、先に、第６〜８図にその構成と原理
を示したような多心光ロータリジヨイントを提案した。

（実開昭６ｌ−６８１８）これは複数本の回転体側光フ
ァイバとこれに対応する複数本の固定体側光ファイバの
それぞれの端末の間に第８図に示すような台形プリズム
Ｃを配置し、当該台形プリズムＣを回転体の角速度ωｌ
の１／２の角速度ω２をもって同方向に回転させ、かつ
集束性レンズにより平行光とした光信号を対応する相手
側の光ファイバに結合させ、自身が回転しつつ回転体と
固定体にそれぞれ配設された複数本の光ファイバの相互
間を光学的に結合させるものである。

すなわち、第８図における回転体の角速度ωｌ、台形プ
リズムの角速度ω２、および台形プリズムＣにより反射
され出射して結像された出射像の角速度ω３の間には（
１）式の関係が成立する。

ω３＝−ω１＋２ω２・・・・・・（１）いま、台形プ
リズムＣの角速度ω２をωｌの１／２とすると、（１）
式よりω３＝０となり、出射像は常に静止状態を保つこ
ととなるから、ここに固定体側の光ファイバの端末を配
置すればよいことになる。

第７図は、上記のようにして回転体が静止像を保つ様子
を図示した説明図であり、回転体の回転角に対し台形プ
リズムＣが１／２の回転角で回転を続ければ、プリズム
より出射した・出射像は全く回転せず静止状態を保持し
続ける様子がこれによってよくわかる。

第６図は、上に説明した原理を応用し、静止側の光ファ
イバａ、ｂ（実用上は８本の光ファイバまで適用できる
）と回転体側の光ファイバａｂ−とを光学的に具合よく
結合させ得るようにした前記既提案の多心光ロータリジ
ヨイントの基本的構成を示す説明図である。

静止体側の光ファイバａ、ｂの光信号を光コネクタ１、
ｍを介しレセプタクルｈ、ｌに保持された集束性レンズ
ｄ、ｅにより平行光として台形プリズムＣに入射させ、
図中−点鎖線のように屈折反射して出射した光信号をレ
セプタクルｊ、ｋに保持された集束性レンズｆ、ｇに入
射させ当該それぞれの光信号を光コネクタｏ＋　ｐを介
して相対応する回転体側の光フアイバロー、ｂ−と結合
させるものである。

この場合、台形プリズムＣは、回転体の矢印に示す回転
に対して各歯車Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄが配置されることにより
変速された同方向に回転体の１度１／２の角速度で回転
されるように構成される。

このように構成することで、先に説明した原理に基き、
この光ロータリジヨイントでは、回転体が回転してら、
その１／２の角速度で同方向に台形プリズムＣが回転し
て、回転体の回転を光学的に打消すように作用するので
、出射側光ファイバと入射側光ファイバとの間、および
入射側光ファイバと出射側光ファイバとの間の接続関係
は常に保証される。

［発明が解決しようとする課ＭＭＪ いま、第３図に示すような台形プリズムＣにおいて、台
形プリズムの口径（プリズム高さ）をト【２、プリズム
長さをＬ２　、プリズム偏角をθ２、プリズムの屈折率
をｎとすると、（２）式に示すような関係が成立する。

Ｌ２　　＝Ｈ２（１＋ｔａｎ　　（θ２　４３！ｎ−’
　　Ｓｉｎ　　θｚ／ｎ））・・・・・・（２） プリズム材質としてＢＫ−７を使用し、波長０．８３μ
ｍの光を通すと、屈折率ｎ＝１．５１０２となり、プリ
ズム偏角θ２＝４５゜とすれば、プリズム長さＬ２とプ
リズム口径Ｈ２の間には、上記（２）式より、 Ｌ２　＝４　、２５　ＸＨ２なる関係が生ずる。

従って、プリズム口径Ｈ２を大きくし、多数本の光ファ
イバを結合させようとすると、プリズム長さし２も必然
的に長くなる。

このようにプリズム長さが長くなれば当然のことながら
、光フアイバ間の結合損失も増大する。

第５図は図中に示した集束性レンズ間隔Ｌ（これはプリ
ズム長さＬ２に密接に関係がある）の長さと光フアイバ
間の結合損失との関係を示した線図である。

先に第６図に図示した光コネクタの外径は標準のもので
１０１１であり、例えば４心の光ロータリジヨイントに
おいてはＨ２＝２０１１１１１が必要であり、Ｌ２＝８
５市ということになる。

第５図よりわかように、光フアイバ間の結合損失は集束
レンズ間隔が５０市を過ぎた辺りから増大傾向が大きく
なって行き、上記Ｌ＝８５ｍでは３．５ｄＢにも達する
ことになり好ましくない。

一方、上記（２）式よりもわかるように、台形プリズム
長さＬ２はプリズム偏角θ２とプリズム材の屈折率ｎに
も依存する。

第４図にプリズム材質としてＢＫ−７を用いた場合の波
長と屈折率の関係を示した。

光通信においては、０，６〜１．５５μｍの多種な波長
が使用されており、第４図に示すように波長により屈折
率に大巾な差があると、使用波長毎に長さの異なった台
形プリズムを多種類用意しておかねばならないことにな
り、その分コスト高になるという問題点がある。

本発明の目的は、上記したような従来技術の問題点を解
消し、集束性レンズ間隔を従来よりも大巾に短くするこ
とができ、それによって光ファイバの結合損失を格段に
低減し得ると共に、台形プリズムに代えて三角プリズム
を使用することにより、当該三角プリズムの間隔を自由
に移動変化せしめ得るように構成し、種々な適用波長に
対し、１種類の光学系をもって対応することを可能とし
、大巾なコスト低減を可能にする新規な多心光ロータリ
ジヨイントを提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、多心光ロータリジヨイントにおいて、回転体
と固定体の間に回転体と同軸的にそれ自体が別途自在に
回転可能に構成される光学系を配置し、該光学系は、そ
れぞれ回転体側と固定体側の光信号を入・出射させるた
めに設置された複数の集束性レンズに対面しその直交面
の一側面を集束性レンズの光路方向に対しそれぞれ垂直
に対向配置させた一対の三角プリズムと、一方の三角プ
リズムの屈折させた光路を反射させ他方の三角プリズム
に入射させる反射体を有し、それぞれ回転体側及び固定
体側に設置された前記複合の集束レンズの対応レンズ間
における光路を結合し得るように構成すると共に、これ
ら光学系は変速歯車ｉ構により回転体の１／２の角速度
で回転体と同方向に追随回転可能に構成しかつ前記一対
の三角プリズムの離間距離を伝送される光信号の波長に
応じ移動変化させ得るように構成してなるものである。

［作用］ 本発明においては、一対の三角プリズムと反射体により
、既提案の台形プリズムを用いた場合と同じ作用を発揮
させることが可能となって、それにより集束レンズ間隔
を大巾に短くすることが可能となり、結合損失を格段に
低減せしめ得るばかりでなく、一対の三角プリズムの間
隔を移動変化可能に構成することで、従来のように波長
に適応した長さのプリズムを多種用意することなく、つ
の光学系によって多くの波長に対応することを可能にし
、大巾なコスト低減効果をも派生し得るものである。

［実施例］ 以下に、本発明について実施例を参照し説明する。

第１図は、本発明に係る多心光ロータリジヨイントの具
体的構成を示す断面図である。

図において上は静止固定体、λが回転体、旦が光学系保
持体である。

回転体λは静止体上とベアリング１８．１８により独立
に回転可能に構成され、さらに、光学系保持体重は回転
体ｌと同軸的に配置されかつベアリング１８および１９
により前記回転体とは別個に自在に回転可能に構成され
る。

４は代表例として示した静止体側の光ファイバであり、
４−は同じく代表例として示した回転体側の光ファイバ
であって、光ファイバは図示の１本だけでなくピッグテ
ール方式（説明は省略する）を採用することで８本の光
ファイバを一個の多心光ロータリジヨイントにより相互
に結合することが可能である。

図において、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂが光路を平行光と
して光を入・出射させるための集束性レンズであり、そ
れぞれ静止体上側及び回転体λ側のレセプタクル１６ａ
、１６ｂ及び１７ａ。

１７ｂに図のように保持固定されている。

また、１２ａ、１４ａはそれぞれ光ファイバ４および４
゛を調心しプラグ１３ａおよび１５ａにより前記したレ
セプタクル１６ａ及び１７ａと係合させ光コネクタを構
成するためのフェルールである。

前述した既提案例の場合には、静止体側集束性レンズ８
ａ、８ｂと回転体側集束性レンズ９ａ９ｂの間で入・出
射のための屈折および反射を行なわせるために台形プリ
ズムＣを配置したが、本発明においては図に見るように
各集束性レンズ群に対面してその直交面の一側面５ａ及
び６ａを集束性レンズの光路方向に対しそれぞれ垂直に
対向するように配置させた一対の三角プリズム５及び６
が配置されており、これら一対の三角プリズム５及び６
の間には、一方のプリズムの屈折させた光路を反射させ
他方の三角プリズムの傾斜面５ｂ。

６ｂに入・出射させる反射体７を有し、それぞれ回転体
側及び固定体側に設置された前記複数の集束性レンズの
対応レンズ間における光路をそれによって結合し得るよ
うに構成されている。

２０．２１．２２．２３はそれぞれ回転体ｌの回転を変
速させ、光学系保持体３に当該回転体λの１７２の回転
を同方向に与えるための変速歯車である。変速歯車機構
は回転体λの外周に取付けられた歯車２０と、固定体上
内に回転自在に支持された軸２４上に取付けられ、歯車
２０と噛合する歯車２１と、軸２４上に設けられ光学系
保持体ユの外周部の歯車２３に噛合する歯車２２とから
主に構成されている。中間歯車２１．２２はその回転方
向に相対的に回転ずれができるように２１ａ、２１ｂお
よび２２ａ、２２ｂに２分割され、両分割歯車間には、
これらに回転ずれを起こさせる方向に弾発するばね等の
弾発部材が設けられている。なお、２５は回転部の回転
を回転体２に伝達する回転ゲレすなわち廻し金である。

第２図は上記のように構成される本発明に係る多心光ロ
ータリジヨイントの光学系の部分を取出し図示したもの
である。

いま、三角プリズムの口径（高さ）をＨｊ　、両端面間
の長さをＬＪ　、プリズム偏角を０１　（これは４５°
で全反射してしまうからそれよりも小である必要がある
）、プリズムの屈折率をｎとすると、（３）式の関係が
成立つ。

Ｌ　　１　　＝Ｈ１［ｔａｎθ　ｓ　　　＋ｊａｎ（１
２５°　　−５ｉｎ−ｔ　　ｎ５ｉｎθ　ｓ　　　））
・・・・・・（３） 従って、プリズム口径Ｈ１を前記従来例と同じ＜２０ｎ
ｖｒとし、プリズム偏角θ１＝３５゜波長０．８３μｍ
においてプリズム屈折率ｎ＝１．５１０２という同じ条
件においては、Ｌ１＝５６．８曲となる。

すなわち、第３図の従来の台形プリズムを使用した場合
に比較して、本発明では第５図よりその結合損失は１．
５ｄＢとなり、従来例よりも実に２ｄＢもの損失低減を
実現することができるのである。

また、光学系が上記のように２８．２ｍｍも短くなった
分、光ロータリジヨイント全体寸法もそれだけ短くでき
ることになり、全体のコンパクト化と軽量化を達成する
ことが可能となる。

つぎに、波長と光学系の長さとの関係について考察する
。

θｓ　＝３５’　、波長＝０．８５μｍでは第４図より
屈折率ｎ＝１．５０９８であり、このときの光学系長さ
ＬｌはＨ１＝２０＋＋＋＋ｎにおいて（３）式よりＬ１
＝５６．９１１１となる。使用波長か１．５５μｍにな
ったとすると、第４図よりｎ−＝１．５０１０となり（
３）式より光学系長さＬｚ　＝５８．０市となる。

このように使用波長が変ったことにより生ずる光学系長
さの差は、 ５８．０−５６．９＝１．１關となる。

もしも使用波長が上記のように異なったにも拘らず同じ
長さの光学系を使用すれば、出射側が回転ごとにずれる
ようになり、結合損失は非常に大きなものとなってしま
うのである。

本発明においては、光学系保持体ユの一方の三角プリズ
ム６の保持部１０をその軸方向にスライドさせ移動させ
ることができるように構成されている。従って、使用波
長に対してｆｉｆｌな光学系の長さしｌが（３）式より
求まったら、止めネジ１１を緩め、保持部１０をスライ
ドさせてプリズム６の位置が１＆適位置となるように移
動して再び止めネジ１１を締付は保持部１０を固定すれ
ば、それによって光学系を使用波長に対して常に最適長
さに維持することができる。

従来は、上記のように使用波長が異なった場合にはそれ
に適合した長さの台形プリズムを使用するために、各挿
具さのプリズムを用意しておく必要があり、非常に不経
済であったが、本発明によれば、プリズムのスライド保
持ｆｉ構を極めて簡単に調整するだけで一つの光学系を
もってあらゆる波長に対応できることになり、それによ
るコストダウン効果は極めて大きいのである。

［発明の効果］ 以上詳記の通り、本発明によれば、台形プリズムを使用
している従来例に比較して光学系の長さを約６７％まで
短くすることができ、その分コリメート用の集束性レン
ズの間隔を短くできるために光の伝送損失を大巾に低減
できるばかりでなく、光ロータリジヨイント全体の長さ
をも短縮することができ、軽量にしてコンパクト化でき
る上、光学系を構成する三角プリズムを軸方向に容易に
移動調整し固定することが可能であるため、従来例にお
けるように使用波長が変る場合を考慮し長さの異なる台
形プリズムを予め多数用意しておく必要がなくなり、経
済性の上においても大巾なコストダウンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例を示す断面図、第２図はそ
の光学系の計算のための説明図、第３図は従来例におけ
る光学系の計算のための説明図、第４図はプリズム材と
してＢＫ−７を用いた場合の波長と屈折率の関係を示す
線図、第５図は集束性レンズ間隔と結合損失の関係を示
す線図、第６図は従来例の基本的構成を示す説明図、第
７図は従来例において回転している入射像が出射像とし
て静止体となる様子を示す説明図、第８図は台形プリズ
ムにおける物体と出射像の各回転角速度を示す説明図で
ある。 上：静止体、 λ：回転体、 旦：光学系保持体、 ４．４−：光ファイバ ５．６：三角プリズム、 ５ａ、６ａ：対向垂直面、 ５ｂ、６ｂ：傾斜面、 ７：反射体、 ８ａ、　８ｂ、　９ａ、　９ｂ：集束性レンズ、１０ニ
ブリズムスライド保持部、 １１：止めネジ、 １２ａ　　　１４ａ： １３ａ、　　１５ａ： １６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ　： １８　　１９： ２０．２１，２２．２３： ２４　： ２５　： フェルール、 プラグ、 レセプタクル、 ベアリング、 歯車、 軸、 回転用廻し金。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転体と固定体との間で光ファイバにより伝送さ
   れる信号を光学的に授受可能ならしめるジョイント機構
   であって、回転体と固定体の間に回転体と同軸的にそれ
   自体が別途自在に回転可能に構成される光学系を配置し
   、該光学系は、それぞれ回転体側と固定体側の光信号を
   入・出射させるために設置された複数の集束性レンズに
   対面しその直交面の一側面を集束性レンズの光路方向に
   対しそれぞれ垂直に対向配置させた一対の三角プリズム
   と、一方の三角プリズムの屈折させた光路を反射させ他
   方の三角プリズムに入射させる反射体を有し、それぞれ
   回転体側及び固定体側に設置された前記複数の集束レン
   ズの対応レンズ間における光路を結合し得るように構成
   すると共に、これら光学系は変速歯車機構により回転体
   の１／２の角速度で回転体と同方向に追随回転可能に構
   成しかつ前記一対の三角プリズムの離間距離を伝送され
   る光信号の波長に応じ移動変化させ得るように構成して
   なる多心光ロータリジョイント。