JP4826444B2 - ロータリジョイント - Google Patents

Description

本発明は、固定部とこれに回転自在に組み合わされた回転部とにわたる信号伝送を、光伝送により行うロータリジョイントの構造に関する。

屋内の天井等に固定設置される監視カメラ装置として、カメラのパン角度やチルト角度を制御して撮像方向を変えながら監視を行うものが多数普及している。

このような角度制御が可能な監視カメラ装置においては、天井等に固定設置される固定部とパン方向に回動可能な回転部とが電動雲台を介して接続された構成を有しているものが多い。すなわち、監視カメラ装置は、チルト方向に回転駆動するチルト駆動機構を備えたカメラが搭載された回転部が、パン方向に回動可能な電動雲台の一方（可動部分）に取り付けられると共に、電動雲台の他方（固定部分）が固定部の一方に取り付けられ、そして固定部の他方が天井等に固定設置された構成を有したものが多い。このような構成の監視カメラ装置においては、可動部に搭載されたカメラから出力された映像信号が電動雲台を介して固定部に伝送され、この固定部で画像処理や出力インターフェース変換がされたのち、外部のモニタや映像信号記録装置に出力されるようになっている。

このような監視カメラ装置で用いられる電子雲台におけるデータ伝送には幾つかの方式が知られている。特に回転部をパン方向に連続して回転させることが可能な電子雲台としては、スリップリングとブラシとの摺動接点によって回転部と固定部とにわたる信号接続路を構築するものが知られている。しかし、この摺動接点方式は、回転するスリップリングと固定されたブラシとの接点部分に油膜や塵埃が付着して電気的接触が不安定になったり、機械的接触に伴うノイズが発生したり、長期間の連続摺動により電気的接触性能が劣化する等の問題があった。

また、固定部と回転部との間で映像信号を伝送する場合においては、このような機械接触による摺動接点方法では伝送可能な周波数帯域が限られているので、高精細映像信号や高速データの伝送は困難であった。そのため、長期の使用に渡って伝送性能が劣化せず、高品位、高速な伝送が可能な接続手段が切望されていた。

そこで、例えば、特許文献１に示すように、回転部と固定部とを接続する電子雲台において、回転部に取り付けられたカメラから出力される映像信号と、固定部から回転部に伝送される制御信号とを、発光ダイオード及びフォトダイオードから構成される光信号伝送路により伝送させることにより、上述した摺動接点方式における信号品質劣化を低減させる技術が提案されている。

また、この特許文献１に記載の発光ダイオード及びフォトダイオードから構成される光信号伝送路を改良した技術として、図１２に示すように、発光ダイオード３０１から発光される信号光を光ファイバー等光透過性の部材により形成された光導波管３０２を用いて光伝送させ、フォトダイオード３０３により受光することで、光信号を送受信する光伝送技術がある。

更に、特許文献１に記載の発明を更に改良した技術として、特許文献２には、スリップリング伝達部と映像信号を伝達する光信号伝達部とをパン回転体、軸受けハウジング、カバー等から構成される閉空間内に設けて、発光素子及び受光素子への油膜や塵埃の付着を防止して信号伝達の信頼性を向上させた電動雲台が記載されている。
特開平９−２８４６１２号公報 特開２００１−１８３７３８号公報

しかしながら、特許文献１によれば、光送信ユニット及び光受信ユニットは旋回部の回転軸線の近傍にそれぞれ配置されていることから、旋回動作中は発光ダイオード及びフォトダイオードの各光軸が一致しないため、発光ダイオードから射出される信号光の射出角度は光軸のずれを考慮した広いものでなければならない。即ち、特許文献１に記載の技術では、レーザダイオードのような射出角度の狭い発光ダイオードを用いることが極めて困難となり、受信パワーを十分得ることが出来ない。そのため、高いＳ／Ｎ比が要求される高精細映像信号の伝送は不可能であり、データ伝送レートの低い低精細度の映像信号しか伝送できなかった。

また、特許文献２に記載の発明によれば、信号光の伝達は回転体の回転軸上に配置された発光素子と受光素子との間の自由空間を介して行われるが、長期間にわたる回転体の回転操作によって回転機構が磨耗する等の経年変化が生じた場合に、回転体の回転軸と受光素子の光軸との間にずれが生じる恐れがある。このような光軸のずれが発生すると、回転に伴って受光素子で受信される光信号が変動することが問題になる。また、一定の受信Ｓ／Ｎ比を得るためには、信号光として相当な受信強度を得る必要があることから、送信素子と受信素子とはできる限り近接して配置する必要があり、駆動部を有するロータリジョイントを構成する上で大きな制約となる。

また、図１２に示したような一般的な光ファイバー等の光導波管３０２をロータリジョイントに応用したとしても、十分な信号光を送受信することできない場合がある。例えば、発光素子として狭指向性のレーザダイオード３０１を用いたとしても、レーザダイオード３０１で発光される信号光はある程度の広がり角をもって発光される。そのため、図１２に示すように、広がり角をもって光導波管３０２に入射された信号光は、光導波管３０２の外周部壁面で反射を繰り返しながら、フォトダイオード３０３へ到達する。このような光導波管３０２の外周部壁面での反射や、全反射条件を逸脱した信号光の外周部壁面からの透過等によって、信号光の伝送損失が増加し、フォトダイオード３０３での受光量が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、固定部とこれに回転自在に組み合わされた回転部とにわたる光伝送において、発光素子及び受光素子の各光軸にずれ（以下、偏心という）が生じた場合でも、信号光の受光量を低下させることなく、高精細な映像や高速なデータを安定して送受信することが可能なロータリジョイントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るロータリジョイントの第１の特徴は、固定シリンダ部に対して回転シリンダ部が回転軸を中心に回転自在に保持され、固定シリンダ部と回転シリンダ部との間で光信号伝送を行うロータリジョイントであって、回転シリンダ部は、円筒形の両端部が凸形状に成形された光透過性を有する光導波管を、この管を貫く中心軸と回転シリンダ部の回転軸とが一致するように配置し、発光素子又は受光素子を、光導波管の一方の端部に中心軸と該素子の光軸とが一致するように配置し、固定シリンダ部は、回転シリンダ部に固定された光導波管の他方の端部側において、一方の端部に設けられた発光素子又は受光素子と対になるように、受光素子又は発光素子を該素子の光軸と中心軸とが一致するように他方の端部に近接させて配置したことにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るロータリジョイントの第２の特徴は、固定シリンダ部に対して回転シリンダ部が回転軸を中心に回転自在に保持され、固定シリンダ部と回転シリンダ部との間で光信号伝送を行うロータリジョイントであって、回転シリンダ部は、円筒形の両端部に回折面が施された光透過性を有する光導波管を、この管を貫く中心軸と回転シリンダ部の回転軸とが一致するように配置し、発光素子又は受光素子を、光導波管の一方の端部に中心軸と該素子の光軸とが一致するように配置し、固定シリンダ部は、回転シリンダ部に固定された光導波管の他方の端部側において、一方の端部に設けられた発光素子又は前記受光素子と対になるように、受光素子又は発光素子を該素子の光軸と前記中心軸とが一致するように他方の端部に近接させて配置したことにある。

本発明のロータリジョイントによれば、固定部とこれに回転自在に組み合わされた回転部とにわたる光伝送において、発光素子及び受光素子の各光軸に偏心が生じた場合でも、信号光の受光量を低下させることなく、高精細な映像や高速なデータを安定して送受信することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る第１の実施形態であるロータリジョイントの断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態であるロータリジョイント１は、固定シリンダ部２と回転シリンダ部３とを備えている。

固定シリンダ部２は、回転シリンダ部３を、軸Ｐを中心として回転自在に保持する軸受としての中空ベアリング４ａ及び４ｂを収納して固定している。これにより、固定シリンダ部２は、回転部１００ｂに保持されている回転シリンダ部３を回転自在に保持することができる。

また、回転シリンダ部３の外周部であって、かつ中空ベアリング４ａ及び４ｂの内側にはスリップリング伝達部５が形成されている。具体的には、スリップリング伝達部５は、複数（本実施形態においては４つとする）の導電リング６が回転シリンダ部３の外周部であって、かつ中空ベアリング４ａ，４ｂの内側に、絶縁リングを介して固定されたものである。

そして、複数（本実施形態においては４つとする）のブラシ８は、４つの導電リング６にそれぞれ対応している摺動接触を維持するように絶縁台９を介して固定シリンダ部２の内側に固定されている。そして、ブラシ８の各先端部は、各ブラシ８自身の弾性力によって導電リング６に押圧されて接触の安定性を確保している。

この４つの導電リング６には、回転部１００ｂ側リード線１０の一端がそれぞれ接続されており、回転部１００ｂ側リード線１０の他端は、回転シリンダ部３の内部を通って回転部１００ｂ側に引き出される。また、４つのブラシ８には、固定部１００ａ側リード線１１の一端がそれぞれ接続されており、固定部１００ａ側リード線１１の他端は、固定シリンダ部２の通線穴を通って固定部１００ａ側へ引き出される。このようにして、導電リング６に摺動接触したブラシ８を介してそれぞれ接続された回転部１００ｂ側リード線１０と固定部１００ａ側リード線１１との電気的接続が確立される。

回転シリンダ部３の内部及び固定シリンダ部２の底部には光信号伝達部１２が形成されている。具体的には、回転シリンダ部３の回転部１００ｂ側の端面Ｃには、発光素子であるレーザダイオード１３の外形に一致させた嵌合形状が、レーザダイオード１３の光軸が軸Ｐと一致するようにして形成されている。そして、レーザダイオード１３は、ドライバ回路（図示しない）を搭載したレーザダイオード基板１４に取り付けられており、レーザダイオード基板１４は、複数の基板取り付けねじ１５によって、回転シリンダ部３の回転部１００ｂ側の端面Ｃに固定されている。これにより、レーザダイオード１３は、光軸を軸Ｐに一致させて固定設置される。

回転シリンダ部３の固定部１００ａ側の端面Ｄと固定シリンダ部２の底面内壁Ｅとは、数１００μｍ〜数ｍｍの間隔を保っている。そして、固定シリンダ部２の底面外壁側からは、受光素子であるフォトダイオード１６の外形に一致させた嵌合形状が、フォトダイオード１６の光軸が軸Ｐと一致するようにして形成されている。そして、フォトダイオード１６は、受光した信号光の光電変換回路（図示しない）を搭載したフォトダイオード基板１７に取り付けられており、フォトダイオード基板１７は、複数の基板取り付けねじ１８によって、固定シリンダ部２の底部に固定されている。これにより、フォトダイオード１６は、光軸を軸Ｐに一致させて固定配置される。

回転シリンダ部３の内部は空洞であり、レーザダイオード１３とフォトダイオード１６との間に、数１００μｍ〜数ｍｍ程度の光透過性を有する円柱形状で、両端に光学面Ａ及び光学面Ｂを有する第１の光導波管１９を、この円筒の中心軸と軸Ｐとを一致させて設けている。

そして、第１の光導波管１９の一方（光学面Ａ側）は、レーザダイオード１３からの出射光に最適な光結合が得られるよう、即ち光学面Ａに入射されるレーザダイオード１３の出射光が第１の光導波管１９の外部に漏れないように固定される。これにより、レーザダイオード１３と第１の光導波管１９との光結合は、経済的に発生する中空ベアリング４ａ及び４ｂの中心ずれ等の影響を受けずに安定して確保される。

そして、第１の光導波管１９の他方（光学面Ｂ側）は、回転シリンダ部３の固定側の端面Ｄに露出させてフォトダイオード１６の受光部分と非接触に固定されている。

第１の光導波管１９の光学面Ｂとフォトダイオード１６の受光部分との間隔は、数ｍｍ以下であって物理的に接触しない程度になるように設定され、光学面Ｂから出射される信号光はこの近距離の自由空間を介してフォトダイオード１６に入射される。

図３は、第１の実施形態であるロータリジョイント１の光信号伝達部１２の断面図である。

図３に示すように、光信号伝達部１２は、レーザダイオード１３と第１の光導波管１９とフォトダイオード１６とを備えている。

第１の光導波管１９は、円柱の両端に凸形状を有する光透過性の部材で形成されており、例えば、直径１．５ｍｍ、長さ４３．７ｍｍ、光学面Ａの曲率が１．２５９ｍｍ、光学面Ｂの曲率が２．２３１ｍｍのポリカーボネイト樹脂で形成されている。

レーザダイオード１３は、例えば発光面の直径１０μｍ、広がり角３０度（全光の８６％を含む全角度）のＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：面発光型半導体レーザ）である。

フォトダイオード１６は、例えば、受光素子の直径０．６ｍｍ、パッケージ入射面に施されたレンズ面の直径１．７ｍｍ、レンズ面の曲率半径が０．９ｍｍで形成されている。

なお、レーザダイオード１３の発光点は、第１の光導波管１９の軸Ｐと一致することが望ましい。しかしながら、実際には、第１の光導波管１９が回転運動することによる軸Ｐの偏心や第１の光導波管１９の組立部品の各部品寸法誤差や組立精度誤差等による軸Ｐの偏心が生じることがある。

そこで、図３に示した光信号伝達部１２では、組立部品の各部品寸法誤差や組立精度誤差等による最大の偏心量におけるレーザダイオード１３と第１の光導波管１９とフォトダイオード１６との位置関係で示している。具体的には、レーザダイオード１３の発光点は、第１の光導波管１９の光学面Ａの頂点から軸Ｐ方向に１．２８ｍｍの位置で、軸Ｐ方向に対して垂直方向に０．２ｍｍ偏心した位置に配置されており、フォトダイオード１６の受光面は、第１の光導波管１９の光学面Ｂの頂点から軸Ｐの方向に２．７ｍｍ離れた位置であって、軸Ｐ方向に対して垂直な方向に０．３３ｍｍ偏心した位置に配置されている。

なお、レーザダイオード１３と光学面Ａ、フォトダイオード１６と光学面Ｂとの軸Ｐ方向の間隔は、それぞれ０．３ｍｍで配置されている。

≪ロータリジョイントの作用≫
次に、図３に示した第１の実施形態であるロータリジョイント１の作用について説明する。

図３に示すように、レーザダイオード１３から出射された信号光Ｆは、広がり角が約３０度で広がり、第１の光導波管１９の光学面Ａに到達する。そして、第１の光導波管１９の光学面Ａに到達した信号光Ｆは、光学面Ａで屈折されて第１の光導波管１９内を伝送される。

図４は、光信号伝達部１２のレーザダイオード１３近傍の断面の拡大図である。

図４に示すように、レーザダイオード１３から出射された信号光Ｆ（１１本の光線で示す）は、広がり角３０度で広がり、第１の光導波管１９の凸形状に加工された光学面Ａに到達する。

そして、第１の光導波管１９の光学面Ａに到達した信号光Ｆは、第１の光導波管１９の光学面Ａの表面において、やや信号光Ｆの広がり角が小さくなるような、即ち軸Ｐ方向と平行に近い方向に屈折される。

これにより、信号光Ｆは、軸Ｐ方向と平行に近い方向で第１の光導波管１９内を伝送されるので、第１の光導波管１９の外周で反射又は透過する回数が少なくなり、反射又は透過による信号光のロスを低減することができる。

そして、第１の光導波管１９内を伝送された信号光Ｆは、第１の光導波管１９の光学面Ｂによりフォトダイオード１６上に集光される。

このように、光学面Ａにより平行に近い方向に屈折された信号光Ｆは、光学面Ｂに平行に近い光で入射するため、第１の光導波管１９に広がりをもって入射された場合に比べ、フォトダイオード上に集光されるスポットがより小さくなるため、受光量が増加すると共に、フォトダイオード１６の軸Ｐ方向に垂直な方向のずれに対しても受光量の低下を受けにくい。

図５は、光信号伝達部１２のフォトダイオード１６近傍の拡大図を示している。

図５に示すように、第１の光導波管１９内を伝送された信号光Ｆは、第１の光導波管１９の凸面に形状加工された光学面Ｂに到達する。

そして、第１の光導波管１９の光学面Ｂに到達した信号光Ｆは、第１の光導波管１９の光学面Ｂの表面において、フォトダイオード１６の受光面に向かって集光するような屈折角で屈折される。さらに、フォトダイオード１６のパッケージ入射面２０によってフォトダイオード１６の受光面に向かって集光するような屈折角で屈折される。

これにより、第１の光導波管１９の回転等によりフォトダイオード１６が軸Ｐ方向に対して垂直な方向に多少ずれたとしても、第１の光導波管１９から出射される信号光Ｆはフォトダイオード１６の受光面に向かって集光されているので、受光量を低下させることなく受光することができる。

図６は、本実施形態におけるフォトダイオード１６の受光量と、図１２に示した従来技術におけるフォトダイオード３０３の受光量との比較を示したグラフ図である。

図６では、レーザダイオード１３は第１の光導波管１９に対して固定とし、フォトダイオード１６が第１の光導波管１９の軸Ｐに対して垂直方向に偏心した場合のフォトダイオード１６の受光量を示している。なお、受光量はレーザダイオード１３から第１の光導波管１９に入射された信号光の光量を１として表している。

また、計算では信号光の波長を８５０ｎｍ、第１の光導波管１９の材質をポリカーボネイト樹脂、フォトダイオード１６のパッケージレンズ面の材質をエポキシ樹脂とし、各受光量のデータはそれぞれの材質における透過率と出入射面におけるフレネル反射損失を含んでいる。

図６に示すように、図１２に示した両端が平面である光導波管３０２を用いた場合の受光量６０２は、フォトダイオード３０３の偏心がゼロの場合で、約０．３３程度である。一方、第１の実施形態に係るロータリジョイント１の受光量は、約０．４３であり、光導波管３０２を用いた場合における受光量６０２に対して約１．３倍の受光量があることになる。

これにより、第１の実施形態に係るロータリジョイント１では、信号光Ｆは、軸Ｐ方向と平行に近い方向で第１の光導波管１９内を伝送されるので、第１の光導波管１９の外周で反射又は透過することが少なくなり、反射又は透過による光量のロスが低減されていることが分かる。

さらに、第１の光導波管１９内を伝送された信号光は、光学面Ｂに平行に近い光で入射するため、フォトダイオード１６上に集光されるスポットがより小さく、受光量が増加する。

また、図１２に示した光導波管３０２を用いた場合の受光量６０２は、フォトダイオード３０３の偏心量が大きくなるに従ってフォトダイオード３０３の受光量が大きく低下し、フォトダイオード１６が軸Ｐから０．３３ｍｍ偏心すると、受光量は約０．３まで低下している。

一方、第１の実施形態に係るロータリジョイント１の受光量は、偏心の影響は比較的小さく、フォトダイオード１６が軸Ｐから０．１５ｍｍ偏心したとしても受光量の低下はなく、また、０．３３ｍｍ偏心したとしても約０．４２程度の受光量を有しており、図１２に示した光導波管３０２を用いた場合における受光量６０２に対して約１．４倍の受光量を確保できる。

これにより、第１の実施形態に係るロータリジョイント１では、第１の光導波管１９から出射される信号光Ｆはフォトダイオード１６の受光面に向かって集光されているので、第１の光導波管１９の回転等によりフォトダイオード１６が軸Ｐ方向に垂直な方向に多少の偏心が生じたとしても、フォトダイオード１６の受光量を大幅に低下させることなく受光することができる。

以上により、第１の実施形態に係るロータリジョイント１によれば、固定シリンダ部２とこれに回転自在に組み合わされた回転シリンダ部３とにわたる光伝送において、発光素子及び受光素子の各光軸に偏心が生じた場合でも、信号光の光量を低下させることなく、高精細な映像や高速なデータを安定して送受信することができる。

なお、第１の光導波管１９の光学面Ａ及び光学面Ｂは、切削加工や射出成形、押出成形により一体に製作される。又は、第１の光導波管１９の光学面Ａ及び光学面Ｂは、予め円筒状に成形された第１の光導波管１９の端部を切削加工、熱による加工、又はＵＶ硬化樹脂の塗布により製作される。

このとき、光学面Ｂは、第１の光導波管１９の内部を直接、又は反射により伝達し光学面Ｂに達した信号光が、光学面Ｂの内面で全反射して第１の光導波管１９内部に戻ることがないような曲率半径となるように成形される。

更に、光学面Ｂは、レーザダイオード１３と第１の光導波管１９とフォトダイオード１６の位置関係が、組み立てや動作温度や経年劣化により変位した場合においても、光学面Ｂの内面で全反射して第１の光導波管１９内部に戻ることのないような曲率半径を有するように成形される。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態であるロータリジョイントの光信号伝達部の断面図である。

第１の実施形態であるロータリジョイント１では、円柱の両端に凸形状を有する光透過性の部材で形成された第１の光導波管１９を備える構成とした。第２の実施形態であるロータリジョイント１ａでは、円柱の両端に回折面を有する光透過性の部材で形成された第２の光導波管２１を備える構成とする。

その他の構成については、第１の実施形態であるロータリジョイント１と同様であるので、説明は省略する。

図７に示すように、レーザダイオード１３から出射された信号光Ｇは、広がり角３０度で広がり、第２の光導波管２１の回折面Ｈに到達する。そして、第２の光導波管２１の回折面Ｈに到達した信号光Ｇは、回折面Ｈで回折されて第２の光導波管２１内を伝送される。

図８は、光信号伝達部１２のレーザダイオード１３近傍の断面の拡大図である。

図８に示すように、レーザダイオード１３から出射された信号光Ｇ（１１本の光線で示す）は、広がり角３０度で広がり、第２の光導波管２１の回折面Ｈに到達する。

そして、第２の光導波管２１に到達した信号光Ｇは、第２の光導波管２１の回折面Ｈの表面において、やや信号光Ｇの広がり角が小さくなるような、即ち軸Ｐ方向と平行に近い方向で信号光Ｇが第２の光導波管２１内を伝送されるように、回折により集光させられる。

図９は、第２の光導波管２１の回折面Ｈの形状を説明する説明図である。

図９に示すように、回折面Ｈは、回転対称型の複数の階段状の光学平面で構成され、収束、或いは発散効果を有する。階段状とすることで、不要な回折光を抑圧し、必要とする次数の回折光のみを透過させて、第２の光導波管２１の軸Ｐ方向に向かって信号光を集光させることができる。

これにより、信号光Ｇは、軸Ｐ方向と平行に近い方向で第２の光導波管２１内を伝送されるので、第２の光導波管２１の外周で反射又は透過することが少なくなり、反射又は透過による光量のロスを低減することができる。

そして、第２の光導波管２１内を伝送された信号光Ｇは、第２の光導波管２１の回折面Ｉによりフォトダイオード上に集光される。

図１０は、光信号伝達部１２のフォトダイオード１６近傍の拡大図を示している。

図１０に示すように、第２の光導波管２１内を伝送された信号光Ｇは、第２の光導波管２１の回折面Ｉに到達する。回折面Ｉは、図９に示すように回折面Ｈと同様な形状を有している。

そして、第１の光導波管１９の回折面Ｉに到達した信号光Ｇは、第２の光導波管２１の回折面Ｉの表面において、フォトダイオード１６の受光面に向かって回折により集光させられる。さらに、フォトダイオード１６のパッケージ入射面２０によってフォトダイオード１６の受光面に向かって集光するような屈折角で屈折される。

これにより、第２の光導波管２１の回転等によりフォトダイオード１６が軸Ｐ方向に対して垂直な方向に多少ずれたとしても、第２の光導波管２１から出射される信号光Ｇはフォトダイオード１６の受光面に向かって集光されているので、受光量を低下させることなく受光することができる。

さらに、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａでは、図７に示すように、第２の光導波管２１の回折面Ｉは凸形状が形成されていないので、第１の実施形態に係るロータリジョイント１と比較して、凸形状分だけフォトダイオード１６を第２の光導波管２１側に近接させることができる。

これにより、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａでは、レーザダイオード１３から出射された広がりのある信号光を、第１の実施形態に係るロータリジョイント１より多く取り込むことができる。

図１１は、第１の実施形態に係るロータリジョイント１の第１の光導波管１９を用いた場合における受光量と、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａの第２の光導波管２１を用いた場合における受光量と、図１２に示した光導波管３０２を用いた場合における受光量との比較を示したグラフ図である。

図１１では、レーザダイオード１３，３０１は第１の光導波管１９，２１，３０２に対して固定とし、フォトダイオード１６，３０３が第１の光導波管１９，２１，３０２の軸Ｐに対して垂直方向に偏心した場合のフォトダイオード１６，３０３の受光量を示している。なお、受光量はレーザダイオード１３，３０３から第１の光導波管１９，２１，３０２に入射された信号光の光量を１として表している。

また、計算では信号光の波長を８５０ｎｍ、第１の光導波管１９，２１，３０２の材質をポリカーボネイト樹脂、フォトダイオード１６，３０３のパッケージレンズ面の材質をエポキシ樹脂とし、各受光量のデータはそれぞれの材質における透過率と出入射面におけるフレネル反射損失を含んでいる。

図１１に示すように、図１２に示した両端が平面である光導波管３０２を用いた場合の受光量６０２は、フォトダイオード３０３の偏心がゼロの場合で、約０．３３程度である。一方、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａの受光量は、約０．４３であり、第１の実施形態に係るロータリジョイント１の受光量とほぼ同量である。

これにより、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａでは、信号光Ｇは、軸Ｐ方向と平行に近い方向で第２の光導波管２１内を伝送されるので、第２の光導波管２１の外周で反射又は透過することが少なくなり、反射又は透過による光量のロスが低減されていることが分かる。

さらに、第２の光導波管２１内を伝送された信号光は、回折面Ｉに平行に近い光で入射するため、フォトダイオード１６上に集光されるスポットがより小さく、受光量が増加する。

また、図１２に示した光導波管３０２を用いた場合の受光量６０２は、フォトダイオード３０３の偏心が大きくなるに従ってフォトダイオード３０３の受光量が大きく低下し、フォトダイオード１６が軸から０．３３ｍｍ偏心すると、受光量は約０．３まで低下している。

一方、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａの受光量は、偏心の影響は比較的小さく、フォトダイオード１６が軸から０．３３ｍｍ偏心したとしても約０．４３程度の受光量を有している。

これにより、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａでは、第２の光導波管２１から出射される信号光Ｇはフォトダイオード１６の受光面に向かって集光されているので、第２の光導波管２１の回転等によりフォトダイオード１６が軸Ｐ方向に対して垂直な方向に多少偏心が生じたとしても、フォトダイオード１６の受光量を大幅に低下させることなく受光することができる。

また、第１の実施形態に係るロータリジョイント１の受光量は、偏心の影響は比較的小さいが、フォトダイオード１６が軸から０．３ｍｍ偏心すると、約０．４２程度まで受光量が低下している。

一方、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａの受光量は、上述したように、偏心の影響は比較的小さく、フォトダイオード１６が軸から０．３ｍｍずれたとしても約０．４３程度の受光量を有している。

そのため、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａでは、図７に示すように、第２の光導波管２１の回折面Ｉは凸形状がないので、第１の実施形態に係るロータリジョイント１比較して、凸形状分だけフォトダイオード１６を第２の光導波管２１側に近接させることができ、これにより、レーザダイオード１３から出射された広がりのある信号光を、第１の実施形態に係るロータリジョイント１より多く取り込むことができることが分かる。

以上により、第２の実施形態に係るロータリジョイント１ａによれば、固定シリンダ部２とこれに回転自在に組み合わされた回転シリンダ部３とにわたる光伝送において、発光素子及び受光素子の各光軸に偏心が生じた場合でも、信号光の受光量を低下させることなく、高精細な映像や高速なデータを安定して送受信することができる。

また、図９に示した例では、第２の光導波管２１の回折面Ｈ，Ｉの段数を３段としているが、本発明に係るロータリジョイントにおける光導波管において、回折面の段数は、３段に限られるものではない。回折面の階段の段数を多くすれば多くするほど、回折効率を向上させることができ、それにより信号光の軸Ｐ方向への集光率を上げることができる。そのため、回折面の階段の段数は極力多く形成されている方がよい。

さらに回折面の階段状を平滑化し、回転対称型の鋸歯状とすることによって、回折面での損失を極限まで抑え、回折効率を最大限まで向上させることができる。

一方、フォトダイオード１６での受光量が十分であれば、第２の光導波管２１の回折面の形状を階段状ではなく、凹凸が連続した２つの高さを持つ光学平面を有する構成としても良い。この場合回折効率は低下するが、第２の光導波管２１を簡易的に、よりローコストで製造することができる利点がある。

なお、回折面Ｈ，Ｉを構成する階段状又は凹凸が連続した２つの高さを持つ回折面は、切削加工やスパッタリング加工による直接加工により成形されるか、又は切削加工やスパッタリング加工により製作されたガラスや金属の金型による成形によって成形される。一方、回折面Ｈ，Ｉを鋸歯状に成形するには、切削加工により製作されたガラスや金属の金型による成形や切削加工による直接加工で製作される。

＜他の実施形態＞
第１の実施形態であるロータリジョイント１、及び第２の実施形態であるロータリジョイント１ａでは、フォトダイオード１６に受光レンズ面２０を有する構成とした。そのため、第１の光導波管１９における光学面Ｂの曲率半径、及び第２の光導波管２１における回折面Ｉの傾きは、フォトダイオード１６における受光レンズ面２０での信号光の屈折を考慮して設定している。

しかしながら、第１の光導波管１９における光学面Ｂ、又は第２の光導波管２１における回折面Ｉのみでフォトダイオード１６へ信号光を集光することも可能である。即ち、第１の光導波管１９，２１から出射される信号光が、直接フォトダイオード１６へ集光されるように、第１の光導波管１９における光学面Ｂの曲率半径、及び第２の光導波管２１における回折面Ｉの傾きを形成する。

これにより、フォトダイオード１６に受光レンズ面２０を備える必要がなくなり、その分製造コストを削減することができる。

また、第１の実施形態であるロータリジョイント１、及び第２の実施形態であるロータリジョイント１ａでは、光導波管の両端に光学面、又は回折面を有する構成としたが、フォトダイオード１６の受光量に応じて、光導波管のいずれか一方のみに光学面、又は回折面を有する構成とすることもできる。

また、第１の実施形態であるロータリジョイント１、及び第２の実施形態であるロータリジョイント１ａでは、回転シリンダ部３にレーザダイオード１３を配置し、固定シリンダ部２にフォトダイオード１６を配置する構成としたが、本発明に係るロータリジョイントはこの構成に限らない。

例えば、回転シリンダ部３にフォトダイオード１６を配置し、固定シリンダ部２にレーザダイオード１３を配置する構成としてもよい。この場合にも、各実施例と同様の効果が期待できる。

また、第１の実施形態であるロータリジョイント１、及び第２の実施形態であるロータリジョイント１ａにおいて、回転シリンダ部３の固定部１００ａ側の端面Ｄから露出している光学面Ｂ、又は回折面Ｉの周囲であって固定シリンダ部２と回転シリンダ部３との間に、フェルト等の緩衝部材による防塵シールドを設けるようにしてもよい。この防塵シールドは、固定シリンダ部２の底面内壁Ｅ、又は回転シリンダ部３の固定部１００ａ側の端面Ｄのいずれかであって、軸Ｐの円周上に隙間なく固定される。このように固定された防塵シールドは、回転シリンダ部３の回転の際に、回転シリンダ部３の固定部１００ａ側の端面Ｄ、又は固定シリンダ部２の底面内壁Ｅのいずれかに対して摺動接触するため、光学面Ｂの塵埃や潤滑油等の進入を遮断して、更に長期的に安定した光伝送を確保することができる。

さらに、第１の実施形態であるロータリジョイント１、及び第２の実施形態であるロータリジョイント１ａにおいて、軸受けとして中空ベアリング４ｂにオイルシールタイプを用いることにより、固定シリンダ部２、中空ベアリング４ｂ、及び回転シリンダ部３で閉空間を形成して、この閉空間に光透過性を有する潤滑油を満たすようにしてもよい。このように潤滑油を満たすことにより特に防塵効果を高めることができる。そして、潤滑油の効果によって光学面Ｂ，Ｉとフォトダイオード１６との間を更に近接させることが可能となる。さらに、上記閉空間において、光学面Ｂ，Ｉとフォトダイオード１６の受光部分との間を、空気の屈折率よりも高屈折率の潤滑油で満たすようにすれば、信号光の結合効率を更に向上させることができる。これによって、信号光の伝送ロスを更に抑えて高精細な映像や高速な信号を安定して送受信することができる。

＜実施例＞
以上、説明した本発明の第１、第２、又は他の実施形態を監視カメラ装置に適用した実施例について説明する。

図２は、前述したロータリジョイント１、１ａのいずれかを適用した監視カメラ装置の構成例である。なお、本実施例の説明においては、第１の実施形態のロータリジョイント１を適用した場合について説明し、その他の実施形態のロータリジョイントを適用した場合の実施例については、その実施内容が略同一であるので、その説明を省略する。

図２において、監視カメラ１００には、監視カメラ１００を制御する制御装置１０１と、監視カメラ１００によって撮影された映像信号を受信する映像受信装置１０２とが接続されている。

監視カメラ１００は、天井に取り付けられる固定部１００ａと回転部１００ｂとを備え、固定部１００ａと回転部１００ｂとはロータリジョイント１を介して接続されている。

固定部１００ａは、監視カメラ１００全体に駆動電圧を供給するための電源部２０１と、監視カメラ１００全体を制御するための制御部２０２と、回転部１００ｂのパン回転機構であるロータリジョイント１を駆動して回転部１００ｂをパン方向に回動させるためのパン駆動部２０３と、回転部１００ｂからロータリジョイント１を介して供給される８Ｂ−１０Ｂ変換されたシリアルデータを１０Ｂ−８Ｂ変換した後、シリアル・パラレル（Ｓ−Ｐ）変換してＲ，Ｇ，Ｂの各８ビットのパラレル映像データを出力するためのＳ−Ｐ変換部２０４と、Ｓ−Ｐ変換部２０４から得られるパラレル映像データを映像受信装置１０２に送信するのための映像出力コネクタ２０５とを備える。

回転部１００ｂは、各ピクセルがＲ，Ｇ，Ｂの各８ビットのＳＸＧＡ（１２８０×１０２４ピクセル）やＱｕａｄ−ＶＧＡ（１２８０×９６０ピクセル）である３０ｆｐｓの映像データ（パラレル映像データ）を出力するカメラ部２０６と、カメラ部２０６から出力されるパラレル映像データをシリアル映像データへ変換した後８Ｂ−１０Ｂ変換してロータリジョイント１に供給するパラレル・シリアル（Ｐ−Ｓ）変換部２０７と、カメラ部２０６をチルト方向に回動させるためのチルト駆動部２０８とを備えている。

制御装置１０１は、監視カメラ１００に対してカメラ部２０６のチルト動作と回転部１００ｂのパン動作とをそれぞれ制御する。即ち、制御装置１０１は、チルト角度情報及びチルト駆動開始要求情報とを固定部１００ａの制御部２０２に送信し、制御部２０２は、これらの情報をロータリジョイント１を経由して回転部１００ｂのチルト駆動部２０８へ供給する。これにより、チルト駆動部２０８は供給されたチルト角度情報及びチルト駆動開始情報に基づいてカメラ部２０６をチルト方向に回動させる。

さらに制御装置１０１は、パン角度情報及びパン駆動開始要求情報とを固定部１００ａの制御部２０２へ送信し、制御部２０２は、これらの情報をパン駆動部２０３へ供給する。これにより、パン駆動部２０３は供給されたパン角度情報及びパン駆動開始情報に基づいて回転部１００ｂをパン方向に回動させることができる。

このように制御装置１０１からの制御信号に基づいて動作されたカメラ部２０６は、撮影した映像をＲ，Ｇ，Ｂそれぞれ８ビットのパラレル映像データとしてＰ−Ｓ変換部２０７へ送信する。

そして、Ｐ−Ｓ変換部２０７は、受信したパラレル映像データを１つのシリアルデータに変換し、そしてこのシリアルデータを８Ｂ−１０Ｂ変換してロータリジョイント１のレーザダイオード基盤１４へ供給する。

ここで、Ｐ−Ｓ変換部２０７で８Ｂ−１０Ｂ変換されたシリアルデータの伝送レートは、ＳＸＧＡ（１２８０×１０２４ピクセル）の映像の場合は１２８０×１０２４×３０×８×３×１０／８＝１．１８Ｇｂｐｓであり、Ｑｕａｄ−ＶＧＡ（１２８０×９６０ピクセル）の映像の場合は１２８０×９６０×３０×８×３×１０／８＝１．１０６Ｇｂｐｓである。レーザダイオード基板１４に搭載されたレーザダイオード１３は、Ｐ−Ｓ変換部２０７から供給される８Ｂ−１０Ｂ変換後のシリアルデータによって強調変調された信号光を射出するが、レーザダイオード１３の周波数応答は数ＧＨｚ程度の性能が一般的であるため、伝送レートが１．１０６Ｇｂｐｓ〜１．１８Ｇｂｐｓの光データ伝送は余裕をもって行うことができる。

レーザダイオード１３から射出された伝送レートが１．１０６Ｇｂｐｓ〜１．１８Ｇｂｐｓの信号光は光導波管１９の光学面Ａに入射され、光導波管１９内を伝達した信号光は光学面Ｂから固定シリンダ部２の底部に取り付けられているフォトダイオード基板１７のフォトダイオード１６に入射される。フォトダイオード１７で受光された信号光は、光電変換された後８Ｂ−１０Ｂ変換された状態のシリアルデータがＳ−Ｐ変換部２０４に供給される。

Ｓ−Ｐ変換部２０４は、ロータリジョイント１を介して供給される８Ｂ−１０Ｂ変換されたシリアルデータを１０Ｂ−８Ｂ変換する。その後、Ｓ−Ｐ変換部２０４は、１０Ｂ−８Ｂ変換したシリアルデータを更にシリアル・パラレル（Ｓ−Ｐ）変換してＲ，Ｇ，Ｂの各８ビットのパラレル映像データを生成する。

そして、Ｓ−Ｐ変換部２０４は、生成したパラレル映像データを映像出力コネクタ２０５から映像受信装置１０２へ出力する。

以上、詳述したように、ロータリジョント１を適用した監視カメラ装置によれば、カメラ部２０６で撮影された映像データの回転部１００ｂから固定部１００ａへの伝送は、ロータリジョント１の光信号伝送手段１２を介して行われるため、従来のスリップリングとブラシとの摺動接点方式によって発生していたノイズの影響を受けることなく高画質な大容量データ伝送を行うことができる。

また、ロータリジョントの光導波管の両端に光学面、又は回折面を有する構成としたので、レーザダイオード１３やフォトダイオード１６の各光軸に偏心が生じた場合でも、信号光の受光量を低下させることなく、高精細な映像や高速なデータを安定して送受信することができる。

本発明に係る第１の実施形態であるロータリジョイントの断面図である。 本発明の第１の実施形態であるロータリジョイントを含む監視カメラ装置の概略構成図である。 第１の実施形態であるロータリジョイント１の光信号伝達部の断面図である。 光信号伝達部のレーザダイオード近傍の断面の拡大図である。 光信号伝達部のフォトダイオード近傍の断面の拡大図である。 第１の実施形態におけるフォトダイオードの受光量と、従来技術におけるフォトダイオードの受光量との比較を示したグラフ図である。 第２の実施形態であるロータリジョイントの光信号伝達部の断面図である。 光信号伝達部のレーザダイオード近傍の断面の拡大図である。 光導波管の回折面の形状を説明する説明図である。 光信号伝達部のフォトダイオード近傍の拡大図である。 第１の実施形態に係るロータリジョイントの光導波管を用いた場合における受光量と、第２の実施形態に係るロータリジョイントの光導波管を用いた場合における受光量と、従来技術の光導波管を用いた場合における受光量との比較を示したグラフ図である。 従来技術の光信号伝達部の断面図である。

符号の説明

１，１ａ…ロータリジョイント
２…固定シリンダ部
３…回転シリンダ部
４ａ，４ｂ…中空ベアリング
５…スリップリング伝達部
６…導電リング
８…ブラシ
９…絶縁台
１２…光信号伝達部
１３…レーザダイオード（発光素子）
１６…フォトダイオード（受光素子）
１９…第１の光導波管
２１…第２の光導波管
１００…監視カメラ
１００ａ…固定部
１００ｂ…回転部
１０１…制御装置
１０２…映像受信装置
２０１…電源部
２０２…制御部
２０３…パン駆動部
２０４…Ｓ−Ｐ変換部
２０５…映像出力コネクタ
２０６…カメラ
２０７…Ｐ−Ｓ変換部
２０８…チルト駆動部

Claims (2)

1. 固定シリンダ部に対して回転シリンダ部が回転軸を中心に回転自在に保持され、前記固定シリンダ部と前記回転シリンダ部との間で光信号伝送を行うロータリジョイントであって、
   前記回転シリンダ部は、
   円筒形の両端部が凸形状に成形された光透過性を有する光導波管を、この管を貫く中心軸と前記回転シリンダ部の回転軸とが一致するように配置し、
   発光素子又は受光素子を、前記光導波管の一方の端部に前記中心軸と該素子の光軸とが一致するように配置し、
   前記固定シリンダ部は、
   前記回転シリンダ部に固定された前記光導波管の他方の端部側において、前記一方の端部に設けられた前記発光素子又は前記受光素子と対になるように、受光素子又は発光素子を該素子の光軸と前記中心軸とが一致するように前記他方の端部に近接させて配置した
   ことを特徴とするロータリジョイント。
2. 固定シリンダ部に対して回転シリンダ部が回転軸を中心に回転自在に保持され、前記固定シリンダ部と前記回転シリンダ部との間で光信号伝送を行うロータリジョイントであって、
   前記回転シリンダ部は、
   円筒形の両端部に回折面が施された光透過性を有する光導波管を、この管を貫く中心軸と前記回転シリンダ部の回転軸とが一致するように配置し、
   発光素子又は受光素子を、前記光導波管の一方の端部に前記中心軸と該素子の光軸とが一致するように配置し、
   前記固定シリンダ部は、
   前記回転シリンダ部に固定された前記光導波管の他方の端部側において、前記一方の端部に設けられた前記発光素子又は前記受光素子と対になるように、受光素子又は発光素子を該素子の光軸と前記中心軸とが一致するように前記他方の端部に近接させて配置した
   ことを特徴とするロータリジョイント。

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