連続的に回転するシステムでは、通常のファイバー ケーブルがねじれて疲労し、最終的には破損します。私たちがスリップ リング メーカーとしてサポートしてきたプロジェクトでは、これがコネクタの問題であることはほとんどありません。これは通常、システム-レベルの問題です。光パスは電力線や制御線に次いで後付けとして扱われ、現場で機械が高速で回転して初めて明らかになります。
A 光ファイバーロータリージョイント、とも呼ばれますフォージェイまたは光ファイバースリップリングは、ファイバーをねじることなく光信号が回転インターフェースを通過できるようにすることで、この問題を解決します。最新のマシンのほとんどでは、FORJ はスタンドアロン部品として購入されません。と統合されています電気スリップリング1 つの回転軸を介して電力、低電圧信号、イーサネット、フィールドバス、光データを伝送する単一のハイブリッド アセンブリにまとめられます。{0}
このガイドは、産業、海洋、防衛、医療の顧客向けにこれらのアセンブリを仕様化し、テストするアプリケーション エンジニアリング チームの観点から書かれています。 FORJ とは何か、その仕組み、ハイブリッド ソリューションが適切な選択である場合、実際に重要な仕様、サプライヤーに連絡する前に準備する必要がある情報について説明します。
光ファイバーロータリージョイントとは何ですか?
光ファイバー ロータリー ジョイントは、光路を遮断することなく機械の固定側と回転側の間を光が通過できるようにする受動的な光学デバイスです。従来のスリップ リングが電気信号に対して果たすのと同じ役割を、光信号に対しても果たします。
データシートや RFQ では、同じテクノロジーがいくつかの名前で説明されていることがあります。
- 光ファイバーロータリージョイント（FORJ）
- 光ファイバースリップリング
- 光学式スリップリング
- 光ロータリージョイント
- 光ファイバーロータリーコネクタ
これらの用語は通常、同じ機能を説明します。通常、名前は技術的な違いではなく、業界とサプライヤーを反映しています。
光ファイバーロータリージョイントの仕組み
FORJ の内部では、回転ファイバーと静止ファイバーが物理的にねじれ合うことはありません。代わりに、光信号は、ベアリング、回転ハウジング、および固定ハウジングによって支持された 2 つのコリメート要素間の正確に位置合わせされた光路を通って転送されます。シングルチャネル設計では、通常、回転軸上で 1 対のコリメータを使用します。マルチチャネル設計では、プリズム、ダブプリズム、ミラー、または回転マルチプレクサを追加して、複数の光チャネルが同じ回転インターフェースを共有または交差できるようにします。
光の伝送はミクロンレベルの位置合わせに依存するため、ベアリングの機械的品質とハウジングの寸法安定性は、光学部品自体と同じくらい重要です。{0}}高速-または振動-が発生しやすいアプリケーションでは、主な故障モードは致命的な信号損失ではありませんが、不安定です。挿入損失の変動: 部品はベンチでの静的テストに合格し、負荷がかかって回転し始めると現場で漂います。
ハイブリッド光ファイバースリップリング: 電力、信号、光データを 1 つのアセンブリに統合
FORJ 自体は光信号のみを送信します。電力、モーター駆動電流、エンコーダー信号、または空気圧ラインは伝送されません。実際のマシンでは、ほとんどの場合、これらは同じ回転軸を横切る必要があります。
そのため、私たちが受け取る FORJ リクエストのほとんどは、裸の FORJ に対するものではありません。それらは、ハイブリッドスリップリングこれは、1 つの機械エンベロープ内で光チャネルと電気スリップ リング、場合によっては空気圧または油圧ラインを統合します。
ハイブリッド光ファイバー スリップ リングは通常、次のいくつかを単一の回転アセンブリに組み合わせています。
- 1 つ以上の光チャネル（シングルモードまたはマルチモード）
- モーターまたはヒーター用の大電流電源回路-
- 低電圧制御とセンサー信号
- ギガビットイーサネットまたはフィールドバス回路 (CAN、EtherCAT、PROFINET)
- RF または同軸チャネル
- 一部の設計では空気圧または油圧通路
ハイブリッド スリップ リングが合理的な場合
通常、次の少なくとも 1 つが当てはまる場合、ハイブリッド設計が正しい答えになります。
- 回転構造には、包絡線、重量、またはバランスに関する厳しい制約があり、シャフト上に 2 番目の回転装置を積み重ねることはできません。
- データリンクは、近くのモーター、VFD、またはレーダー送信機からの電磁干渉の影響を受けないようにする必要があります。
- データ レートは、銅製スリップ リング コンタクトがシステムの耐用年数にわたって確実に提供できる速度を超えています。
- 電力、モーション コントロール、高帯域幅センサー データはすべて同じ軸を横切る必要があります。-
- このアプリケーションは非常にカスタムであるため、既製の FORJ と別個のスリップ リングでは機械的に位置が調整されません。--
たとえば監視用ジンバルでは、一般的なハイブリッド アセンブリは、カメラの高解像度ビデオ ストリーム用の 1 つの光チャネル、制御用のギガビット イーサネット ライン、パン / チルト モーターとヒーター用の数アンペアの電力、および少数の低電圧信号回路をすべて直径 60 mm 未満のハウジング内に組み合わせています。-これらのチャネルを個別に指定してボルトで結合すると、通常、単一の統合設計よりも多くのスペースと費用がかかります。
光ファイバーロータリージョイントと電気スリップリング
どちらの装置も回転伝達の問題を解決しますが、互換性はありません。
| 要素 | 光ファイバーロータリージョイント | 電気スリップリング |
|---|---|---|
| 一次信号 | 光学データ | 電力と電気信号 |
| こんな方に最適 | 高帯域幅データ、-EMI の影響を受けやすいリンク、長いファイバーの配線- | 電力伝送、低電圧制御、センサー信号- |
| 連絡方法 | 非接触光路 | リングまたはファイバー ブラシの接触部分にブラシを-かける- |
| EMI感度 | 非常に低い | シールドと信号の種類によって異なります |
| 力を伝える？ | いいえ | はい |
| 主要パラメータ | ファイバの種類、波長、チャネル数、挿入損失、反射損失 | 電流、電圧、接点材質、回路数 |
| よくある組み合わせ | ハイブリッドスリップリングに統合 | FORJ、RF、または空気圧モジュールと統合 |
システムが電力と標準制御信号のみを必要とする場合は、従来の電気スリップ リングで十分です。非圧縮 HD/4K ビデオ、持続的なギガビット イーサネット、または高帯域幅の光学センサーを回転軸を横切ってプッシュする必要がある場合、FORJ またはハイブリッド アセンブリが長期的にはより信頼性の高い選択肢になります。-
実際に重要な主な仕様
FORJの選択は外径と価格だけの問題ではありません。光学的、機械的、環境的要件は、それらの間のトレードオフによってほとんどの現場での障害が発生するため、これらの要件を合わせて検討する必要があります。-
単一-チャンネルとマルチ-チャンネル
単一チャネル FORJ は 1 つの光チャネルを送信します。-これはより小型でシンプルであり、一般に挿入損失が最も低く、長期安定性が最も優れています。-マルチ-チャネルFORJは、設計に応じてプリズム、ダブプリズム、またはマルチプレクサを使用して、同じ回転インターフェースを介して複数の光チャネルを送信します。
マルチチャネル FORJ は実際の問題を解決しますが、複雑さ、調整の感度、コストが増加します。 4- または 8 チャネルの設計に取り組む前に、データをトランシーバー レベルで 1 つまたは 2 つのファイバーに多重化できないかどうかを検討する価値があります。波長分割多重または高速トランシーバーでは、多くの場合、必要なチャネル数が減り、その結果、ロータリー ジョイントがより小型で信頼性が高くなります。
シングルモードとマルチモード ファイバーの比較
ファイバーのタイプは光学システムの他の部分と一致する必要があります。シングルモード ファイバー（通常は OS2、ITU-T G.652推奨）は、長距離、高帯域幅、通信グレードのリンク（多くの場合 1310 nm または 1550 nm）に使用されます。{0}{1}{2}{2}マルチモード ファイバー (OM3/OM4/OM5) は、850 nm の短いデータ リンクでより一般的であり、一般に終端コストが安くなります。
FORJ の場合、選択は通常、トランシーバーとシステムの光バジェットに基づいて行われます。回転インターフェース上でファイバの種類を混在させると、原因不明の損失が発生することがよくあるため、注文する前に必ずファイバの種類、動作波長、両側のコネクタの種類を確認してください。
挿入損失、反射損失、信号の安定性
光学性能は、ほとんどの低価格 FORJ のパフォーマンスが劣る部分です。{0}注目すべき数字は次のとおりです。
- 挿入損失- の典型的な良好なシングルモード FORJ: 約 1.5 dB 未満。-最大値のない「典型的な」値のみが引用されている部分には注意してください。
- 回転時の挿入損失の変化- これは多くの場合、静的挿入損失よりも重要です。停止時ではなく定格速度で測定し、全回転にわたって変動が 0.5 dB 未満であることを確認します。
- リターンロス- シングルモード システムの場合、通常は 50 dB 以上が期待されます。-リターンロスが低いと、レーザー送信機が不安定になり、リンクが破損する可能性があります。
- 波長依存性- は、単一の基準波長だけでなく、実際の動作波長でのパフォーマンスを確認します。
- クロストーク- はマルチチャンネル デザインのみに関連します。-
ジョイントの回転中に測定された動的挿入損失を示すテストレポートをサプライヤーに依頼してください。静的ベンチテストでは許容範囲に見える部品でも、負荷がかかって回転すると数 dB ドリフトする可能性があります。
回転速度、トルク、機械的エンベロープ
FORJ は物理的にマシンに適合し、マシン内で生き残る必要があります。定格連続速度、ピーク速度、起動トルク、アキシアル荷重、ラジアル荷重、軸受寿命を確認してください。コンパクトなシングルチャンネル FORJ は数千 RPM に達する場合がありますが、船舶用の密閉型マルチチャンネル設計では、環境保護と引き換えに通常は数百 RPM に制限されます。-
IP定格、温度および環境
シーリング要件は、CAD モデル上でどのように見えるかではなく、アセンブリが動作する場所によって決まります。屋外レーダー台座、ROVシステム、オフショアウインチと風力タービンナセルはそれぞれ、水、塩水噴霧、粉塵、結露に対して異なる暴露プロファイルを持っています。
保護定格については、IEC 60529 規格を参照してください。IP評価システム業界全体で使用されています。経験則として、IP54 は清潔な屋内の産業環境に適しており、IP65/IP66 は屋外または洗い流しの暴露に適しており、IP67/IP68 は長時間の浸漬に適しています。クリーン ルームで IP68 を要求すると、コストが増加するだけです。オフショアデッキで IP54 を要求しても、最初の嵐では失敗します。
コネクタ、ピグテール、および取り付け
統合の小さな詳細が、プロジェクト遅延の驚くべき割合の原因となっています。注文する前に、次のことを確認してください。
- 両側のコネクタ タイプ: FC/APC、FC/UPC、SC、ST、LC、SMA、またはカスタム
- 環境に必要なピグテールの長さとケーブル ジャケット
- ケーブル出口方向 - 直線または直角 -
- ケーブル経路に沿った曲げ半径の制限
- フランジパターン、ねじ込み取り付けまたはシャフトフィット
- FORJ を既存のスリップ リングと統合する必要があるか、それとも新しいアセンブリに組み込む必要があるか
クイックFORJ選択
次の表は、新しい問い合わせを調査する際に社内で使用する短縮版です。
| あなたの状況 | 推奨方向 |
|---|---|
| 光学データのみ、軸全体の電力なし | スタンドアロン FORJ |
| 光データ + 電源、モーター制御、または同一軸上のイーサネット | FORJ一体型ハイブリッドスリップリング |
| 長距離リンク、高帯域幅、通信波長 | シングルモード FORJ（OS2、1310/1550 nm）- |
| 短いデータリンク、低コスト、850 nm トランシーバー | マルチモード FORJ (OM3/OM4) |
| 複数の光路が必要 | マルチ-チャネル FORJ - または最初に WDM/多重化を評価する |
| アウトドア、マリン、オフショア、ウォッシュダウン | 密閉型 FORJ、通常 IP66 以上 |
| 連続高速回転（ジンバル、レーダー）- | 挿入損失の変動が少ないコンパクトなシングルチャネル FORJ- |
| 厳格な範囲、重量、またはバランスの制限 | カスタムハイブリッドアセンブリ |
FORJセレクション
RFQ を準備する際には、このチェックリストを使用してください。各行は、要件をサプライヤーに尋ねる具体的な質問にマッピングします。
| 要件 | 確認事項 | なぜそれが重要なのか |
|---|---|---|
| ファイバーの種類 | シングルモードまたはマルチモード、OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | ファイバの不整合により、過剰な損失と帯域幅の制限が発生します |
| 波長 | 850 / 1310 / 1550 nm または特定のトランシーバー | パフォーマンスは波長に依存します- |
| チャンネル数 | 必要な独立した光チャネルの数 | 複雑さ、サイズ、コストを増大させる |
| 挿入損失 | 最大値、代表値ではない | リンクバジェットを定義します |
| 挿入損失の変動 | 定格回転数での回転中にテスト済み | 静的損失だけでは実際のパフォーマンスが隠れてしまいます。{0}} |
| リターンロス | 最小 dB、特にシングルモードの場合- | リターンロスが低いとレーザー光源が不安定になる可能性がある |
| 回転速度 | 連続およびピーク RPM | ドライブベアリングとシールの選択 |
| IP等級 | 特定のIPコード、「防水」ではない | シーリング規格は検証可能ですが、マーケティング条件は検証できません |
| 温度範囲 | 極限の動作と保管 | 潤滑剤、シール、接着剤の選択に影響します |
| コネクタの種類 | FC/APC、FC/UPC、SC、LC、ST、SMA | 嵌合互換性を決定する |
| 取り付け | フランジ、シャフト、貫通穴またはカスタム | パーツが完全に適合するかどうかを判断します |
| その他のチャンネル | 電源、制御、イーサネット、RF、空気圧 | ハイブリッド アセンブリを指します |
適切な FORJ を選択する方法
これは、当社のアプリケーション エンジニアがお客様と新しい FORJ プロジェクトの範囲を決めるときに使用するプロセスです。
完全な伝送要件をマッピングする
回転軸を横切る必要があるすべての信号をリストします。光チャネル、電源回路、制御信号、イーサネット、フィールドバス、RF、空気圧または油圧ラインなどです。純粋な光学データ以外のものがリストにある場合は、スタンドアロンの FORJ ではなく、ハイブリッド アセンブリを検討していることになります。
光学システムをロックダウンする
ファイバの種類、波長、コネクタの種類、光チャネルの数、最大挿入損失、反射損失、および許容される挿入損失の変動を指定します。本当に複数の光チャネルが必要かどうかわからない場合は、多重化または高速トランシーバーによって要件を 1 つまたは 2 つのチャネルにまとめることができるかどうかを検討してください。-多くの場合、この 1 つの決定により、コストと複雑さが最も節約されます。
機械的エンベロープを確認する
基本的な図面、または少なくとも外径、長さ、ボアサイズ、取り付けインターフェイス、ケーブルの出口方向、回転速度、およびトルク制限を含む封筒を送信してください。完璧な光学系を備えたFORJもシャフトにフィットしなければ意味がありません。
環境を実際の IP コードに一致させる
アセンブリが動作する場所を正確に記載します: 屋内、屋外、海洋、ダウンホール、真空、高湿度、塩水噴霧、粉塵、化学物質への曝露。それをIPコードと動作温度範囲に変換します。 「防水」や「頑丈」などの曖昧な用語は使用しないでください。- 追加料金がかかり、何も検証されません。
必要なテストとドキュメントを定義する
重要なシステム (医療画像、航空宇宙、防衛、オフショア) については、納品後ではなく事前に文書を要求してください。
- 動作波長での光学テストレポート
- 回転中の動的挿入損失データ
- リターンロス測定
- 機械製図とファイバーのピン配列
- 材質宣言と表面処理
- 推奨される設置およびメンテナンス手順
これらを見積段階で定義すると、受け入れテストで発生する紛争のほとんどを防ぐことができます。
現実世界のアプリケーション シナリオ-
監視およびターゲットジンバル
一般的な EO/IR ジンバルでは、回転ヘッドに取り付けられたセンサーからベースに戻る非圧縮ビデオが必要です。銅接点はデータ レートに問題があり、パン/チルト モーターからの EMI により信号が破損し、利用可能なエンベロープが小さくなります。ビデオ用の 1 つの光チャネル、制御用のギガビット イーサネット、および 24 VDC モーター電源を組み合わせたハイブリッド FORJ が標準ソリューションです。
遠隔操作車両 (ROV)
海中システムには、海水、圧力サイクル、ウインチやマニピュレータ ジョイントでの連続低速回転に耐える密閉アセンブリが必要です。{0}挿入損失と IP 定格が仕様を支配しますが、最高回転速度が制限要因になることはほとんどありません。
風力タービンとレーダー台座
ナセルのヨー システムとレーダー アンテナ台座の場合、アセンブリは通常、低 RPM で動作しますが、最小限のメンテナンスで長年にわたって動作しなければなりません。数千時間にわたる挿入損失の安定性、密閉ベアリング、実証済みの IP66 ハウジングは、ピークの光学性能よりも重要です。
医用画像システム
CT および OCT システムは、高いデータ速度と非常に厳しい信頼性要件を組み合わせています。ここでの FORJ は通常、緊密に統合されたハイブリッド ロータリー アセンブリの 1 つの要素であり、単独で指定されるのではなく、機械の残りの部分と一緒に認定されます。
よくある質問
Q: FORJ は何の略ですか?
A: FORJ は、Fiber Optic Rotary Joint の略で、ファイバーをねじることなく機械の固定側と回転側の間で光信号を通過させるデバイスです。
Q: 光ファイバーロータリージョイントはスリップリングと同じですか?
A: 正確には違います。 FORJ は、スリップ リングが電気信号に対して行うのと同じことを光信号に対して行います。最新のシステムでは、この 2 つがハイブリッド ロータリー アセンブリに組み込まれています。
Q: 光ファイバーロータリージョイントは電力を伝送できますか?
A: いいえ。FORJ は光信号のみを送信します。同じ軸上に電源、制御信号、またはイーサネットも必要な場合は、FORJ と電気スリップ リングを統合したハイブリッド スリップ リングが必要です。
Q: 電気スリップ リングの代わりに FORJ を使用する必要があるのはどのような場合ですか?
A: リンクが高帯域幅のデータを伝送する必要がある場合、EMI の影響を受けない必要がある場合、または光ファイバーを介して長距離を伝送する必要がある場合は常に、{0}}電気接点はデータを伝送できますが、マルチ-速度やノイズの多い環境では、ほとんどの場合、光伝送の信頼性が高くなります。
Q: シングルモード FORJ とマルチモード FORJ の違いは何ですか?{0}
A: シングルモード FORJ はシングルモード ファイバに適合しており、通常は 1310 または 1550 nm の高帯域幅または長距離リンクに使用されます。-マルチモード FORJ はマルチモード ファイバ (OM3/OM4) に適合し、短い 850 nm データ リンクでより一般的です。
Q: 良好な FORJ ではどの程度の挿入損失を期待する必要がありますか?
A: シングル-チャンネル シングル-モード FORJ の場合、挿入損失は約 1.5 dB 未満、回転中の挿入損失変動は 0.5 dB 未満が妥当な目標です。マルチチャネルおよび過酷な環境-の設計では、通常、より高い値が設定されます。一般的な数値ではなく、常に最大の数値を尋ねてください。
Q: FORJ の見積もりをリクエストする場合、どのような情報を提供する必要がありますか?
A: ファイバーの種類、波長、コネクタの種類、光チャネルの数、回転速度、取り付けインターフェイス、IP 定格、動作温度、電源回路または信号回路も同じ軸を横切る必要があるかどうか。事前に定義する内容が多ければ多いほど、見積もりはより正確になります。
次のステップ
光ファイバー ロータリー ジョイントをカタログで購入することはほとんどありません。生産システムでは、光学性能、機械的適合性、環境シール、および機械の他の部分との統合のバランスをとる必要があるハイブリッド回転アセンブリの 1 つの要素です。
新しい設計の範囲を検討している場合、または既存の FORJ 仕様についてセカンドオピニオンが必要な場合は、上記の選択チェックリストの項目を準備してください。- ファイバーの種類、波長、チャネル数、挿入損失の目標、回転速度、IP 定格、および追加の電力または信号チャネルがあれば -アプリケーション エンジニアリング チームと共有します。一般的なデータシートではなく、動的テストデータや機械的コンセプトを含む具体的な提案で対応させていただきます。