JPH05268164A - 相対的に回転する物体間の信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 相対的に回転する２つの物体間において，発
光装置と受光装置の個数を少なくしかつ確実な光通信を
可能とする。 【構成】 回転軸１を中心に回転する回転体10に複数の
発光装置11を円周Ｃ上に配置し，固定体20に１個の受光
装置21を円周Ｃの真下に設ける。複数の発光装置11から
投射される広がる光のすべての照明領域Ｄによって，受
光装置21が相対的に運動する領域がカバーされるよう
に，投射光の広がり角θ，発光装置11の位置，受光装置
21の位置および発光装置11と受光装置21との間の間隔Ｌ
を定める。固定板20に複数個の発光装置を，回転板10に
１個の受光装置をさらに設けることにより全二重光通信
も可能となる。この場合に，２群の発光装置の発光波長
を異ならせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は，相対的に回転運動する２つの
装置間で光通信を行なうための信号伝送装置に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】充填包装設備における充填機
やキャッパ等の回転体を含む機械，設備においては，回
転体に設けられたセンサからの検出信号を固定フレーム
側に伝達する，または固定フレーム側から回転体に装備
されたアクチュエータに電源を供給したり制御信号を与
える必要がある。

【０００３】相対的に回転する２つの物体間で信号を伝
達するための方法として，従来からスリップ・リングや
ロータリ・コネクタを用いるものがある。

【０００４】スリップ・リング方式は，回転体の回転軸
にリングを固定し，固定体にブラシを設け，リングとブ
ラシとが常時接触するよう構成したものである。このス
リップ・リング方式は，リングとブラシとの間に生じる
摩擦力により回転体の回転が妨げられる，リングまたは
ブラシが摩耗することによりエラーが生じるという問題
がある。

【０００５】ロータリ・コネクタはコネクタ内に水銀を
封入することにより，回転体の回転にかかわらず水銀を
通して常に導通状態を保つように構成したものである。

【０００６】これらの従来の信号伝送方式に共通の大き
な問題点は，伝送すべき信号の種類ごとにリングとブラ
シとの対やロータリ・コネクタを設けなければならない
ことである。センサの数やアクチュエータの数が多くな
ると，リングとブラシとの対またはロータリ・コネクタ
の数も増大するので信号伝送ユニットの形状が大きくな
るという問題がある。またこれらの方式は電磁波ノイズ
による影響を受けやすく伝送エラーが生じやすい。

【０００７】上記の問題点を解決するために，相対的に
回転する２つの物体間で光学的に信号の伝達を行なう装
置が知られている（たとえば実開平２−53641 号公報，
実開平２−55746 号公報）。

【０００８】これらの光学的信号伝送装置においては，
多数の発光素子または受光素子を密接して輪帯状に配列
し，これらの発光素子群または受光素子群に近接した状
態で対向させて１個の受光素子または発光素子を配列し
たものである。発光素子群または受光素子群は回転体お
よび固定体のいずれか一方に，受光素子または発光素子
は他方に設けられる。受光素子または発光素子に代え
て，これらと光学的に結合した光ファイバの端面を発光
素子群または受光素子群に近接して対向させる構成をと
るものもある。

【０００９】しかしながら，このような光学的信号伝送
装置では多数の発光素子または受光素子が必要である。
また発光素子群または受光素子群とこれに対向する受光
素子または発光素子とをきわめて近接させなければなら
ず，高い組立精度が要求される。

【００１０】さらに，回転体と固定体との間で同時に双
方向通信（全二重伝送）を行なおうとすれば，発光素子
群または受光素子群による輪帯を二重に配置しなければ
ならず，これらの配置のために広いスペースが必要とな
る。

【００１１】

【発明の開示】この発明は，使用する発，受光素子の数
を少なくすることができる構成の光学的信号伝送装置を
提供することを目的とする。

【００１２】この発明はまた，相対的に回転する物体の
いずれか一方に設けられる発光素子と他方に設けられる
受光素子との間の間隔を大きくすることが可能な構成を
提供する。

【００１３】この発明はさらに，全二重伝送において
も，発，受光素子の配置のために必要なスペースを広く
とらない構成を提供する。

【００１４】一方向通信のためのこの発明による光学的
信号伝送装置は発光装置と受光装置からなる一組の光通
信装置を備えている。相対的に回転する２つの支持体の
いずれか一方に発光装置が設けられ，この発光装置はそ
の出射光が広がりをもつように構成される。２つの支持
体の他方に受光装置が，上記発光装置から出射される光
を受光する位置に配置される。

【００１５】相対的に回転する２つの支持体とは，一方
が回転体，他方が固定体であってもよいし，両方が回転
体であってもよい。後者の場合に，２つの支持体が同方
向に回転してもよいし（ただし回転速度は異なる），逆
方向に回転してもよい。支持体とは円板状でも，筒状で
も，直方体でもよく，その形状は任意である。支持体は
もちろん，制御装置，電子装置，その他の電気的または
機械的装置の一部であってもよい。

【００１６】発光装置および受光装置の少なくともいず
れか一方が複数個（３個以上が好ましい）設けられ，こ
れらは相対的回転中心を中心とする円周上に相互に間隔
をあけて配置される。そして，２つの支持体のすべての
相対的回転角度位置において，少なくとも一つの発光装
置から放射される光が少なくとも一つの受光装置によっ
て受光されるように構成される。

【００１７】たとえば複数の発光装置が一方の支持体に
相対的回転中心を中心とする円周上にほぼ等間隔に配置
される。他方の支持体には１個の受光装置が設けられ
る。複数の発光装置から放射される広がりをもつ光の照
明領域が，他方の支持体の相対的円運動にともなう受光
装置の円運動軌跡のすべてを覆うように，複数の発光装
置の位置と個数，その放射光の広がり角，および受光装
置の位置が定められる。複数の発光装置は同一の信号に
よって同時に駆動される。この構成によって，いずれか
一つの発光装置から発射した光が常に受光装置によって
受光され，発光装置側から受光装置側に信号が光学的に
伝達されることになる。

【００１８】受光装置は１個でもよいし，２個以上でも
よい。受光装置を２個以上設けた場合には発光装置の個
数が少なくなるであろう。また，複数の受光装置の出力
信号のＯＲ信号が受信信号となろう。

【００１９】上記とは逆に，複数の受光装置をほぼ等間
隔に円周上に配置し，これらに対向して１個の（または
２個以上の）発光装置を設けるようにしてもよい。

【００２０】このようにしてこの発明によると，発光装
置および受光装置の少なくともいずれか一方を，２つの
支持体の相対的回転中心を中心とする円周上に相互に間
隔をあけて複数個配置すれば足りるので，発光装置およ
び受光装置の個数を上述した従来例に比べて大幅に少な
くすることが可能である。また，発光装置からは拡散す
る光が放射されるので，発光装置と受光装置との間の間
隔を大きくでき，しかも少なくとも一つの発光装置から
放射される光が常に少なくとも一つの受光装置によって
受光されるように構成することができ，間断なく光通信
が行なえる。この発明は，相対的に回転する２つの支持
体が大型であるような場合に特に有効である。さらにこ
の発明によると，光を用いた通信であるから電磁的ノイ
ズに強いものとなっている。

【００２１】同時双方向（全二重）通信を行なう場合に
は，発光装置と受光装置とからなる上述した通信装置を
２組設ければよい。

【００２２】たとえば，一方の支持体には複数個の第１
の発光装置と少なくとも１個の第２の受光装置とが円周
上に配置され，他方の支持体には少なくとも１個の第１
の受光装置と複数個の第２の発光装置とが円周上に配置
される。または，一方の支持体には少なくとも１個の第
１の発光装置と複数の第２の受光装置とが円周上に配置
され，他方の支持体には複数個の第１の受光装置と少な
くとも１個の第２の発光装置とが円周上に配置される。

【００２３】第１の発光装置から出射した光は第１の受
光装置によって，第２の発光装置から出射した光は第２
の受光装置によってそれぞれ受光される。このようにし
て，同時双方向光通信が可能となる。２組の光通信装置
間における混信を避けるために，これらの光通信装置で
用いられる光の波長を異ならせることが好ましい。

【００２４】この発明によると，同時双方向通信を行な
う配置構成において，相対的に回転する２つの支持体の
それぞれに１つの円周にそって発，受光装置を配置する
ことができるので，その配置スペースが比較的狭くてす
む。

【００２５】この発明の他の特徴は以下に示す実施例の
説明において明らかになるであろう。

【００２６】

【実施例の説明】まず一方向通信の場合について説明す
る。また，この例では複数個の発光装置が設けられてい
るものとする。

【００２７】図１および図２を参照して，回転軸１に回
転板10が固定されている。回転軸１はモータ等の回転駆
動装置（図示略）により回転され，これにともない回転
板10も回転する。回転軸１は固定板（フレーム等）20に
あけられた穴をゆるく通っているかまたは固定板20に設
けられた軸受（図示略）により回転自在に受けられてい
る。

【００２８】回転板10の下面には複数個の発光装置11が
回転軸を中心とする円周Ｃ上に等間隔で配置されてい
る。この実施例では８個の発光装置11が45°間隔で設け
られている。これらの発光装置11は回転板10上に設けら
れた通信制御装置19に接続され，送信すべきデータを表
わす同一の駆動信号により同時に駆動される。回転板10
の中心に回転軸１があることを考慮すると，発光装置11
の数は３個以上が好ましい。

【００２９】一方，固定板20上には１個の受光装置21と
通信制御装置29とが設けられ，これらが相互に接続され
ている。受光装置21は，発光装置11が配置された円周Ｃ
の真下（回転軸１と平行な方向）の位置に固定されてい
る。もっとも受光装置21を円周Ｃの真下に設ける必要は
なく，円周Ｃから内，外に少しずれた位置の真下でもよ
い。

【００３０】発光装置11から放射される光は一定の角度
θで広がっている。このような広がりをもつ投射光は，
発光装置11に含まれる発光素子の出射光をそのまま投射
することにより，または発光素子の出射光にレンズ系を
用いて適当な広がり角を与えることにより容易に得るこ
とができる。各発光装置11から出射する光が，受光装置
21の受光面を含む平面（固定板20に平行な平面）上で照
明する領域が符号Ｄで示されている。発光装置11の出射
光が等方的な広がりをもつ場合には照明領域Ｄは円とな
る。この出射光は必ずしも等方的である必要はなく，照
明領域Ｄは楕円形でも，他の任意の形状でもよい。

【００３１】重要なことは，複数の発光装置11の照明領
域が，回転板10の回転にともなって受光装置21が相対的
に運動することにより描かれる軌跡（これは円周Ｃと同
じになる）のすべてをカバーするように，発光装置11の
個数と位置，受光装置21の位置，発光装置11と受光装置
21との間の間隔および発光装置11の投射光の広がり角θ
が定められるということである。これにより，受光装置
21は，回転板10の回転にかかわらず，常にいずれかの発
光装置11から放射された光を受光することができる。発
光装置11の照明領域Ｄの一部が相互に重なりあってもよ
いのはいうまでもない。

【００３２】図１および図２に示す配置においては，円
周Ｃの半径をＲ，発光装置11から受光装置21までの距離
をＬ，発光装置11の個数をＮとし，照明領域Ｄを円とし
た場合に，次式がほぼ満足されればよい。

【００３３】

【数１】 Ｌ／Ｒ＝［ tan（π／Ｎ）］／［ tan（θ／２）］ ‥式１

【００３４】図３は他の配置例を示している。受光装置
21が２個設けられている。この場合には発光装置11の数
を，図１および図２の場合の半分（Ｎ／２）とすること
ができる。いずれか一方の受光装置21が，いずれかの発
光装置11の照明領域Ｄ内に常に入っていればよい。照明
領域Ｄを図２に示すものと同じ大きさとした場合には，
２つの受光装置21を45°の角度間隔で配置すればよい。
２つの受光装置21の受光信号のＯＲ信号が受信データを
表わすことになる。

【００３５】図４はさらに他の配置例を示している。図
１〜図３においては，発光装置11の投射光は回転軸１と
平行な方向に投射されている。図４においては，複数の
発光装置11の投射光は回転軸１に向って投射され，受光
装置21は円周Ｃの内側でかつ常にいずれかの発光装置11
の投射光を受光できる位置に設けられている。この配置
例においては，回転板10を固定板20に接近させることが
可能である。

【００３６】図５は回転体と固定体の他の例を示してい
る。回転体10Ａは円筒状であり，固定体20Ａに形成され
た円筒状の空間内に回転自在に配置されている。回転円
筒体10Ａの周面に外方に向って光を放射する複数の発光
装置11が設けられ，これらの発光装置11と対向するよう
に，固定体20Ａの空間内に受光装置21が配置されてい
る。受光装置21は，常に，いずれか少なくとも一つの発
光装置11の投射光を受光する。

【００３７】図６は同時双方向通信に適した配置を示し
ている。

【００３８】図１または図２に示したように，回転板10
に複数個の第１の発光装置11が，固定板20に１個の第１
の受光装置21がそれぞれ設けられる。これに加えて，固
定板20に複数個の第２の発光装置22が，回転板10に１個
の第２の受光装置12がそれぞれ設けられる。第２の発光
装置22と第２の受光装置12との配置関係は，第１の発光
装置11と第１の受光装置21との配置関係と全く同じであ
り，固定される支持部材が回転板10と固定板20との間で
逆になっているだけである。すなわち，第２の受光装置
12は，常に，いずれかの第２の発光装置22からの投射光
を受光する。

【００３９】回転板10においては円周Ｃ上に複数の第１
の発光装置11と１個の第２の受光装置12が配置され，固
定板20においては一円周上に１個の第１の受光装置21と
複数の第２の発光装置22が配置される。回転板10と固定
板20のそれぞれにおいて，一円周上にこれらの発，受光
装置を設ければよいから，これらの配置スペースは一円
周上に沿う領域のみでよく，比較的狭くて足りる。

【００４０】このような同時双方向通信は図３，図４お
よび図５の配置においても可能であるのはいうまでもな
い。

【００４１】光の干渉による通信エラーの発生を未然に
防止するために，第１の発，受光装置11，21における光
通信で用いられる光の波長と，第２の発，受光装置22，
12における光通信で用いられる光の波長とを異ならせる
とよい。

【００４２】最も簡単には，第１の発光装置11の発光波
長と第２の発光装置22の発光波長とを異ならせる。第１
および第２の受光装置21，12の前面には，対応する発光
装置からの投射光の波長を中心とする狭帯域の光のみの
通過を許すフィルタを設けておく。第１および第２の発
光装置に含まれる発光素子が広い波長帯域の光を発生す
るものである場合には，これらの発光装置の前面にもそ
れぞれ通過帯域の異なるフィルタを配置することが好ま
しい。

【００４３】図７は双方向通信における通信制御装置お
よび発，受光装置の電気的構成の一例を示している。通
信制御装置19と29は構成が同じであり，発光装置11と22
も同じ構成であり，受光装置12と21も同じ構成であるか
ら，通信制御装置19，発光装置11および受光装置12につ
いてのみブロック内の構成が示されている。

【００４４】通信制御装置19において，複数のディジタ
ル入力信号がパラレルに入力回路31に与えられる。この
ディジタル入力信号はたとえばセンサの検出信号，アク
チュエータの制御信号等である。これらの複数のディジ
タル入力信号はパラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換回路
32によって一定周期（これをサイクルという）でサンプ
リングされかつシリアル・ディジタル信号に変換され，
複数の発光装置11に同時に与えられる。

【００４５】発光装置11は入力するシリアル・ディジタ
ル信号を増幅する増幅器13と，増幅器13の出力によって
駆動される発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）
14と，ＬＥＤ14の発光した光を一定の角度θで広がらせ
て投射するためのレンズ系15とから構成されている。Ｌ
ＥＤ14からはシリアル・ディジタル信号を表わすパルス
状の光が発光し，受光装置21によって受光される。

【００４６】同じように通信制御装置29の制御の下に発
光装置22からシリアル・ディジタル・データを表わすパ
ルス状の光が投射され，これが受光装置12によって受光
される。発光装置22に含まれるＬＥＤの発光波長と発光
装置11のＬＥＤ14の発光波長とは異なっている。

【００４７】受光装置12は，発光装置22の発光波長の光
の通過を許し，ＬＥＤ14の発光波長の光を遮断するフィ
ルタ23，フィルタ23を通った光を集光するレンズ系24，
集光された光を受光する受光素子としてのフォトダイオ
ード（ＰＤ）（またはフォトトランジスタ）25，ＰＤ25
の受光信号を増幅する増幅器26および増幅器26の出力信
号を２値化または波形整形する２値化回路27を備えてい
る。

【００４８】上述したように発光装置11または22から投
射される光は広がっているのでその照明領域Ｄ内におい
て必ずしも一様な光強度をもっている訳ではない。ま
た，隣接する照明領域Ｄが重なっている部分においては
光強度がやや大きくなっている。したがって，ＰＤ25の
受光信号のレベルも一定ではない。発光装置11または22
から投射される光はパルス状であり，パルスの有無また
はレベルの高低が２値信号の１，０をそれぞれ表わす。
２値化回路27は，このようなピーク値が発光装置と受光
装置との位置関係に応じて変動はするが，しかし論理値
の１を表わすレベルと０を表わすレベルとが明確に区別
しうる受光信号を，１または０を表わす２値ディジタル
信号に変換するものである。２値化回路27におけるレベ
ル弁別のためのしきい値レベルは，論理値１を表わす受
光信号のレベルのうちの最も低い（または高い）レベル
と論理値０を表わす受光信号のレベルのうちの最も高い
（または低い）レベルとの中間に設定されている。

【００４９】このようにして２値化されることにより生
成された受信シリアル・ディジタル信号はシリアル／パ
ラレル（Ｓ／Ｐ）変換回路33においてパラレル・ディジ
タル信号に変換され，さらにラッチ回路34において１サ
イクルの期間保持され，出力回路35を通して外部に出力
されることになる。この出力ディジタル信号はアクチュ
エータの制御や，センサ・データの収集のために用いら
れよう。

【００５０】図８は２つの受光装置12（21）が設けられ
た配置構成（たとえば図３の配置構成）において用いら
れる電気回路の構成を示している。

【００５１】２つの受光装置12の出力信号はＯＲ回路37
を通ってＳ／Ｐ変換回路33に入力する。２つの受光装置
21の出力信号も同じようにＯＲ論理がとられることによ
り受信データとなる。他の構成は図７に示すものと同じ
である。

【００５２】図９は入力信号，送，受信信号および出力
信号を示すものである。中央の送，受信信号の時間軸が
拡大して示されている。

【００５３】入力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは１サイクルごと
に時点ｔ₁ ，ｔ₂ ，ｔ₃ 等でサンプリングされ，シリア
ル信号に変換され，発光装置から送信される。受光装置
による受光信号はパラレル信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに変換さ
れたのち，出力信号として時点ｔ₁₁，ｔ₁₂，ｔ₁₃等で次
段の回路に取込まれることになる。

【００５４】上記実施例では発光装置が複数個設けられ
ているが，受光装置を複数個設け，発光装置を１個（ま
たは２個以上）としてもよい。この場合には，１個の発
光装置から投射される光を，複数の受光装置のうちの少
なくとも１つが受光できるように配置し，かつ複数の受
光装置の受光信号のＯＲ信号を受信信号とする。

【００５５】また，上記実施例では相対的に回転運動す
る部材の一方が回転板，他方が固定板であるが，両方が
回転板でもよい。２つの回転板は同方向に回転してもよ
いし，異なる方向に回転してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】発光装置と受光装置の配置例を示す斜視図であ
る。

【図２】(A) は図１に示す発光装置と受光装置の配置を
示す平面図，(B) は側面図である。

【図３】発光装置と受光装置の他の配置例を示すもの
で，(A) は平面図，(B) は側面図である。

【図４】発光装置と受光装置のさらに他の配置例を示す
もので，(A) は平面図，(B) は側面図である。

【図５】回転体と固定体の他の例を示す斜視図である。

【図６】双方向通信を行なう配置を示す側面図である。

【図７】通信装置の電気的構成例を示すブロック図であ
る。

【図８】通信装置の他の電気的構成例を示すブロック図
である。

【図９】入力信号，送，受信信号および出力信号を示す
タイム・チャートである。

【符号の説明】

10 回転板 10Ａ 回転体 11，22 発光装置 12，21 受光装置 20 固定板 20Ａ 固定体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に回転する２つの支持体の一方
   に，広がる光を放射する第１の発光装置が，他方に上記
   第１の発光装置からの光を受光する第１の受光装置がそ
   れぞれ設けられ，上記第１の発光装置および受光装置の
   少なくともいずれか一方が，相対的回転中心を中心とす
   る円周上に相互に間隔をあけて複数個配置され，２つの
   支持体のすべての相対的回転角度位置において，少なく
   とも一つの第１の発光装置から放射される光が少なくと
   も一つの第１の受光装置によって受光されるように構成
   されている，相対的に回転する物体間の信号伝送装置。
2. 【請求項２】 広がる光を放射する第２の発光装置が上
   記他方の支持体に，上記第２の発光装置からの光を受光
   する第２の受光装置が上記一方の支持体にさらにそれぞ
   れ設けられ，上記第２の発光装置および受光装置の少な
   くともいずれか一方が，相対的回転中心を中心とする円
   周上に相互に間隔をあけて複数個配置され，２つの支持
   体のすべての相対的回転角度位置において，少なくとも
   一つの第２の発光装置から放射される光が少なくとも一
   つの第２の受光装置によって受光されるように構成され
   ている，請求項１に記載の相対的に回転する物体間の信
   号伝送装置。
3. 【請求項３】 上記第１の発光装置と第１の受光装置と
   の間の光通信で用いられる光の波長と，上記第２の発光
   装置と第２の受光装置との間の光通信で用いられる光の
   波長とが異なっている，請求項１または２に記載の相対
   的に回転する物体間の信号伝送装置。