TWI911631B - 無線通訊旋轉接頭 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種經由一滑環傳送信號之系統及方法。該滑環包括一定子及經組態以相對於該定子圍繞一旋轉軸而旋轉之一轉子，該轉子具有具備一第一天線之一第一無線模組。該定子具有具備一第二天線之一第二無線模組。該第一天線及該第二天線沿著該旋轉軸配置。該第一天線及該第二天線經調適以藉由至少部分地使用偏振信號來彼此通訊。

Description

無線通訊旋轉接頭

本發明教示大體上是關於旋轉機電系統，且更特定而言，是關於具有無線通訊能力之旋轉接頭（滑環，等）。 相關申請案之交叉參考

本專利申請案主張2023年1月25申請之標題為無線通訊旋轉接頭（Wireless Communication Rotary Joint）的美國臨時申請案第63/441,100號之權益，且該揭示內容以全文引用之方式併入本文中。

具有用於無線通訊旋轉接頭之替代系統及方法將為有益的。

旋轉接頭（亦稱作滑環）為機電裝置，其允許電力及/或電子信號從靜止元件傳輸至旋轉元件。滑環可用於在傳輸電力或信號時需要旋轉之任何機電系統。其可改良機械效能、簡化系統操作且消除從可移動接頭懸掛之易損壞電線。

滑環/旋轉接頭亦稱作旋轉電介面、旋轉電連接器、收集器、轉環或電旋轉接頭，通常見於滑環馬達、用於交流電（alternating current；AC）系統之發電機、電纜卷盤及風力渦輪機中。其可在任何旋轉物件上用來傳送電力、控制電路或類比或數位信號，包括諸如在機場燈台（aerodrome beacon）、旋轉槽、動力鏟、無線電望遠鏡、遙測系統、定日鏡及摩天輪上發現之彼等資料，僅舉幾例。

在多種技術內容背景中，機器需要收集資訊以基於對應控制邏輯進行恰當決策制定。舉例而言，諸如溫度、速度、壓力及其他信號偵測器之感測器可將資訊發送至機器之控制單元，且控制單元可藉由做出調整，例如藉由調節速度、調整壓力或間距等來對其接收到之信號作出回應。視訊資訊亦為資料之範例，該資料可經收集及發送以用於基於字元識別、製程改變、產品條件及其他視訊分析之決策制定過程。

當此信號之傳輸必須在靜態元件與動態元件之間進行時引入併發情況，特別是在旋轉運動與動態組件相關聯之情況下。習知系統通常使用滑環中之滑動接觸件來跨旋轉接頭傳輸信號資訊及電力，該等旋轉接頭包含靜態或靜止組件及旋轉動態組件。習知滑環可具有較短使用壽命，可能容易受到干擾，且可為複雜的、昂貴的及/或難以維護的。

習知滑環可分類成兩個類型：接觸式滑環及非接觸式滑環。接觸型滑環包括傳統單絲鋼絲刷滑環及傳統複合石墨基刷滑環。此等兩者均具有數個缺點，包括有限頻率範圍、歸因於摩擦及電弧侵蝕之較短電刷壽命、較難裝配及需要定期清潔之刷粉產生。較不常見接觸方法包括汞、可撓環及導電滑脂，其在高速資料之傳送中具有與習知接觸式滑環類似的問題。

非接觸型滑環包括光學、電容式、無線電及電感式接頭或橋接器。儘管非接觸型滑環避免了與使用電刷相關聯之缺點中之一些，諸如磨損，但其具有其自身之數個缺點。

歸因於與光纜相關聯之嚴格要求，光學旋轉接頭之安裝及修理可為複雜的、可具有用於傳輸及接收光纖信號之昂貴光源及電子驅動器，且可能需要特殊應用電纜（例如，以將正使用之波長與正使用之電纜匹配）。多通道光學旋轉接頭可能具有高損耗，其限制對可接受降低光位準之應用的使用。專用安裝方法、故障排除方法及人員連同較高成本可使得光學旋轉接頭僅用於特定應用。

使用電容及電感耦合之滑環具有相對較窄頻帶、需要複雜資料格式化電路系統、嚴格控制電容隙變化，且引起對資料丟失之擔憂。用於電容耦合式模型之耦合電容器之各側上的電路設計可能歸因於信號路徑與耦合電容器之間建立的電阻器/電容器（resister/capacitor；RC）時間常數及共振頻率而為複雜的，且因此對於許多應用，使用電容及電感耦合來實施旋轉接頭可能為不切實際的。

同軸、射頻（radio frequency；RF）旋轉接頭（在許多情況下，電容耦合式旋轉接頭之特殊範例）可能對尺寸特性具有嚴格要求以便維持信號完整性，可能具有高材料成本、高裝配成本及由嚴格公差引起的較難裝配過程。歸因於此等高成本及專用裝配，同軸及RF旋轉接頭可僅對特定應用可行。使用紅外（infrared；IR）技術跨旋轉接頭傳輸遭受類似問題，即需要專用組態來解決之視線問題或其他干擾問題。

使用RF信號之先前提議之無線旋轉接頭的一個範例可見於利希特爾（Lichter）等人的標題為用於旋轉接頭之無線平台（Wireless Platform For Rotary Joint）之美國公開案第2014/0099890號中。此參考文獻論述具有與定子相關聯之第一無線通訊裝置之旋轉接頭，包括用於將資料信號提供至與具有第二無線通訊裝置之轉子相關聯之接收器天線的發射器天線。此參考文獻中所描述之裝置儘管有效地傳輸無線信號，但可能需要天線之特定置放且在接頭內引入徑向不對稱性，其可對某些應用之裝置操作及信號傳輸的速度及可靠性進行限制。

另一範例為羅斯班克（Roseband）等人的標題為用於具有多個無線鏈路之旋轉接頭的裝置及方法（Devices And Methods For A Rotary Joint With Multiple Wireless Links）之加拿大專利第CA3011715號。其論述耦接至複數個探針之信號調節器。其基於定向而選擇探針中之一者，且接著至少暫時地使用所選擇探針進行無線通訊，直至另一探針進入視野。儘管其可至少部分地有效達成旋轉平台與靜止平台之間的無線通訊，但信號可能不連續且需要探針之恆定切換，此增加了系統之複雜度。

本文中所闡述之需求以及其他需求及優勢由本發明具體實例解決，本發明具體實例說明下文所描述之解決方案及優勢。

根據本發明教示之系統之一個具體實例包括但不限於一種滑環。其具有定子及經組態以相對於定子圍繞旋轉軸旋轉之轉子，轉子具有具備第一天線之第一無線模組。定子具有具備第二天線之第二無線模組。第一及第二天線沿著旋轉軸配置。第一及第二天線經調適以藉由至少部分地使用偏振信號彼此通訊。

在一個具體實例中，第一天線安裝於轉子之一端上，該端在操作期間安置於定子中。第二天線安裝於定子上，使得第一及第二天線在轉子之旋轉期間面向彼此。

在一個具體實例中，第一及第二天線具有大體上螺旋形元件以使其各別信號偏振。

在一個具體實例中，第一及第二天線經配置以用於圓偏振。

在一個具體實例中，第一及第二天線各自包括兩個天線元件，其中之一者用於傳輸且另一者用於接收。

在一個具體實例中，第一及第二天線藉由偏振、頻率調變及/或振幅調變來雙向地傳輸及接收信號。

在一個具體實例中，第一及第二無線模組各自包括執行至少一些信號調節之60 GHz晶片組。

在一個具體實例中，第一及第二天線經組態以根據Wi-Fi、紫蜂（ZigBee）、藍牙、無線HDMI、USB或IEEE 802.11標準彼此通訊。

在一個具體實例中，光模組安置於轉子及定子中之各者中，且光纖延伸至第一及第二天線中之各者，使得使用光信號促進轉子與定子之間的通訊。

在一個具體實例中，第一及第二天線平行於彼此及旋轉軸延伸。

在一個具體實例中，第一及第二天線相對於彼此以一角度延伸，且相對於旋轉軸成角度地安置。

在一個具體實例中，屏蔽件至少部分地含有由滑環內之第一及第二天線交換之信號。

在一個具體實例中，第一及第二天線使用一或多個以太網路通道彼此通訊。

在一個具體實例中，一或多個以太網路通道經時間劃分以產生多個資料通道。

根據本發明教示之系統之一個具體實例包括但不限於一種用於滑環之通訊系統。其具有：第一無線模組，其具有第一天線，第一無線模組經調適以安裝於轉子上，該轉子相對於定子圍繞旋轉軸旋轉；及第二無線模組，其具有第二天線，第二無線模組經調適以安裝於定子上。第一及第二天線經調適以藉由至少部分地使用偏振信號彼此通訊。

在一個具體實例中，旋轉接頭包括此類通訊系統。轉子具有第一無線模組，且定子具有第二無線模組。第一及第二天線沿著旋轉軸配置且面向彼此。

在一個具體實例中，第一天線安裝於轉子之一端上，該端在操作期間安置於定子中，且第一及第二天線具有使其各別信號偏振之大體上螺旋形元件。

在一個具體實例中，第一及第二無線模組各自包括執行至少一些信號調節之60 GHz晶片組，且第一及第二天線經組態以根據Wi-Fi、紫蜂、藍牙、無線HDMI、USB或IEEE 802.11標準彼此通訊。

根據本發明教示之方法之一個具體實例包括但不限於一種經由滑環傳送信號之方法。其包括：提供定子；及提供轉子，其經組態以相對於定子圍繞旋轉軸旋轉，轉子具有具備第一天線之第一無線模組。定子具有具備第二天線之第二無線模組。第一及第二天線沿著旋轉軸配置。其包括經由第一及第二天線傳輸及接收偏振射頻（RF）信號。

在一個具體實例中，第一天線安裝於轉子之一端上，該端在操作期間安置於定子中，第二天線安裝於定子上，使得第一及第二天線在轉子之旋轉期間面向彼此，且第一及第二天線具有大體上螺旋形元件以使其各別信號偏振。

該系統及方法之其他具體實例在下文詳細描述且亦為本發明教示之一部分。

本發明教示包括一種非接觸滑環，其使用RF天線技術來提供足夠頻寬，以允許使用高速無線網路連接協定來可靠地且成本有效地跨旋轉介面傳輸大量資料。

在一個具體實例中，一種滑環包括：定子；轉子，其圍繞旋轉軸可旋轉地與定子相關聯；第一無線轉換器模組，其包括第一天線，第一無線轉換器模組及第一天線與轉子相關聯；及第二無線轉換器模組，其包括第二天線，第二無線轉換器模組及第二天線與定子相關聯。第一及第二天線中之各者包括第一及第二天線元件，第一及第二天線元件中之各者經組態以傳輸或接收各別偏振射頻（RF）信號。第一及第二天線以緊密間隔關係安置，且關於轉子之旋轉軸對準，使得第一偏振RF信號在各別第一元件之間交換，且第二偏振RF信號在各別第二元件之間交換。第一偏振RF信號從第一天線發射且由第二天線接收，且第二偏振RF信號從第二天線發射且由第一天線接收。

在另一具體實例中，一種用於經由滑環傳送信號之方法包括：提供定子；提供轉子，其圍繞旋轉軸可旋轉地與定子相關聯；提供第一無線轉換器模組，其包括第一天線，第一無線轉換器模組及第一天線與轉子相關聯；及提供第二無線轉換器模組，其包括第二天線，第二無線轉換器模組及第二天線與定子相關聯。第一及第二天線中之各者包括第一及第二天線元件。方法進一步包括經由第一及第二天線元件中之各者傳輸或接收各別偏振射頻（RF）信號。

為了更好地理解本發明具體實例連同本發明具體實例之其他及進一步態樣，參考隨附圖式及詳細描述，且其範圍將在所附申請專利範圍中指出。

在下文參考隨附圖式更充分地描述本發明教示，本發明具體實例展示於該等隨附圖式中。以下描述僅出於說明之目的而呈現且本發明教示不應限於此等具體實例。滿足本文中所描述之速度及介面要求的任何電腦組態及架構可適用於實施本發明具體實例之系統及方法。

遵從法規，本發明教示已以或多或少對結構及方法特徵特定之語言進行描述。然而，應理解，本發明教示不限於所展示及所描述之特定特徵，因為本文中所揭示之系統及方法包含使本發明教示生效之較佳形式。

出於解釋之目的而非限制，闡述諸如特定架構、介面、技術等之特定細節以便提供透徹理解。在其他情況下，省略對熟知裝置、電路以及方法之詳細描述，以免用不必要細節使描述模糊。

「計算系統」可為本發明教示提供功能性。計算系統可包括在電腦可讀媒體上執行之軟體，該電腦可讀媒體可經邏輯地（但未必物理地）識別以用於特定功能性（例如，功能模組）。計算系統可包括任何數目之電腦/處理器，其可經由網路彼此通訊。計算系統可與儲存控制及資料資訊之資料儲存區（例如，資料庫）電子通訊。電腦可讀媒體之形式包括但不限於磁碟、硬碟機、隨機存取記憶體、可程式化唯讀記憶體或電腦可自其中讀取之任何其他媒體。

通常，除非本文中另外明確定義，否則申請專利範圍中所使用之所有術語待根據其在技術領域中之普通含義來解釋。除非另外明確陳述，否則對「一（a/an）/該（the）元件、設備、組件、構件、步驟等之所有提及應公開地解釋為該元件、設備、組件、構件、步驟等之至少一個實例。除非明確陳述，否則本文中所揭示之任何方法的步驟不必按所揭示之確切次序執行。對本揭示之不同特徵/組件使用「第一」、「第二」等僅意欲區分特徵/組件與其他類似特徵/組件，且並不將任何次序或階層賦予至特徵/組件。

為了輔助專利局及本申請案上所發佈之專利之任何讀者解釋其隨附申請專利範圍，應注意，所附申請專利範圍或申請專利範圍要素中無一者意欲引用35 U.S.C. 112(f)，除非字組「用於……之構件」或「用於……之步驟」明確用於特定申請專利範圍中。

按端點敍述數值範圍包括在該範圍內之所有數字（例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等）。若值之範圍「大於」、「小於」等特定值，則該值包括於該範圍內。

在本文中出於清楚起見參考圖式描述本文所提及之任何方向，諸如「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」及其他方向及定向，且並不限制實際裝置或系統或裝置或系統之使用。本文中所描述之許多裝置、物品或系統可在數個方向及定向上使用。

在本揭示中或在其審查期間對參考文獻之任何引用是出於極度謹慎。引用（無論是在資訊揭示中抑或以其他方式）不應被解釋為承認所引用之參考文獻符合先前技術之資格，或來自類似於或直接適用於本發明教示之領域。

現參考 圖 1 及圖 2，展示描繪用於根據本發明教示之旋轉接頭中的無線平台之兩個具體實例之連接及組件的方塊圖。在 圖 1中，利用單個通訊通道（例如，以太網路通道），而在 圖 2中利用多個通道。旋轉接頭之靜態及動態區段中之各者包括無線轉換器模組 101，除其他組件以外，該無線轉換器模組包括信號轉換器模組 102及天線 103。信號轉換器模組 102充當信號調節器及轉換器以及網路連接介面，但不限於此。如所屬技術領域中具有通常知識者所瞭解，其可包括各種功能性，諸如多工、濾波、轉換、計算及其他。

無線轉換器模組 101對在旋轉接頭中用於實現靜止機器組件或定子 106與旋轉機械組件或轉子 104之間的通訊。在所展示之具體實例中，各通訊通道由連接器 108表示，該連接器以通訊方式且實體地與各別無線轉換器模組 101相關聯。舉例而言，如所屬技術領域中具有通常知識者所瞭解，連接器 108可包括准許所要通訊之以太網路連接器或任何其他形式之連接器。

現參考 圖 3，展示根據本發明教示之旋轉接頭之方塊圖。如所展示，一或多個連接器 108可結合無線轉換器模組 101安置於轉子 104（由虛線表示）上，且對應一或多個連接器 108可結合第二無線轉換器模組 101安置於旋轉接頭 110之定子 106上。

在 圖 3中所展示之具體實例中，旋轉接頭 110包括具有產生內部空腔 112之大體上中空圓柱形形狀的定子 106 ，轉子 104之至少一部分安置於其中。儘管在此具體實例中展示圓柱形空腔 112，但應理解，亦可使用具有任何形狀之空腔的任何形狀之定子。定子 104之天線 103及定子 106之天線 103呈面向關係，且兩者在空腔 112內沿著轉子 104之旋轉軸 A且以面向關係同軸地配置。

視情況選用之吸收器或屏蔽件114（例如，射頻等）在空腔中鄰近天線 103安置以減少信號洩漏。屏蔽件 114可防止在單向通訊方案中由天線 103中之一者發射之信號，或在雙向通訊方案中從兩個天線 103發射之信號的傳輸。屏蔽件 114亦可將信號反射回至天線 103以改良信號傳輸率，但不限於此。

在操作期間，將一或多個資料信號提供至連接器 108。信號接著經調節（例如，以已知方式）且經提供至信號轉換及多工器模組（其在此情況下為信號轉換器模組 102），且接著由天線 103以任何適當格式傳輸。

在所說明具體實例中，由天線 103傳輸之信號經由60 GHz晶片組進行處理，但不限於此，且亦經由信號轉換器模組 102（例如，無線轉換器模組 101）進行時間劃分以用於多個資料通道，此可實現高達6.25 Gbps或更高之聚合資料速度。無線傳輸路徑以可遠高於正常EMI/EMC干擾頻寬之頻率輸送，從而使得其能夠在高干擾環境中使用。此外，出於避免干擾鄰近機器、從安全觀點確保信號完整性及類似者之原因，可使用屏蔽件及其他類型之外部結構來防止無線信號在外部傳輸。另外或替代地，信號加密可用於無線地發送信號以維持信號安全性及完整性。

通常，無線通訊模組 101包含用於根據諸如Wi-Fi、紫蜂、藍牙、無線HDMI及/或IEEE 802.11標準之協定來產生短程無線通訊信號的無線通訊硬體（例如，印刷電路板），但不限於此。此短程無線通訊信號通過天線 103經由無線連接 116傳輸至旋轉接頭 110之靜止及旋轉部分中之各者及從該靜止及旋轉部分中之各者接收。

模組 101可包含其他功能性，包括感測器資訊、資料儲存（記憶體）及處理能力。以此方式，其可作為計算系統操作以用於信號轉換及操縱以外的對資訊之本端處理。

來自連接至旋轉接頭之系統的信號連接可直接饋入至無線通訊模組 101中，諸如乙太網路、EtherCAT、Profinet及Profibus連接，但不限於此。其他信號連接，諸如Can匯流排、RS-232、RS-422、RS-485、視訊、光學及類比信號連接可饋入至信號轉換器模組 102中，該信號轉換器模組使信號符合與無線轉換器模組 101相容之格式（例如，以太網路格式）且將轉換後的信號傳輸至無線轉換器模組 101。應理解，信號通訊可不僅經由天線傳輸，且亦經由天線接收且由無線平台處理，即，經由天線 103及無線轉換器模組 101接收之以太網路信號可由信號轉換器模組 102轉換為適當的非以太網路格式且沿著Can匯流排、RS-232、RS-422、RS-485、視訊、光學及/或類比信號連接發送至系統，或不轉換且沿著以太網路、EtherCAT、Profinet及/或Profibus連接發送至系統，但不限於此。

應理解，上述類型之信號連接——即，以太網路、EtherCAT、Profinet、Profibus、Can匯流排、RS-232、RS-422、RS-485、視訊、光學及類比——僅為常見類型之信號連接的範例，且所屬技術領域中具有通常知識者瞭解亦可使用其它類型之信號連接（具有或不具有信號轉換器模組 102）。此外，所屬技術領域中具有通常知識者將能夠在不脫離本發明教示之原理的情況下實施所展示之例示性組態的變化。舉例而言，信號轉換器模組 102可針對各類型之信號劃分成個別信號轉換器模組，或信號轉換器模組及相關聯連接線可經由多工器電路與以太網路、EtherCAT、Profinet及/或Profibus連接線整合以多工傳輸至無線轉換器模組 101及從該無線轉換器模組接收之所有信號。在另一例示性具體實例中，可使用多個無線轉換器模組，或個別電路板可堆疊在一起以形成無線轉換器模組以適應變化頻寬要求。由於電路系統之對稱性，任一部分可為靜止的，且另一部分可為可旋轉的。

在各種範例中，無線轉換器模組 101包含WiFi收發器、無線乙太網橋接器或定製設計無線模組，且信號轉換器模組 102為數位並串轉換器、RS422至乙太網轉換器或更自定義之轉換方法。

（例如，在 圖 1 至 圖 3 及圖 9中）展示之例示性無線平台進一步描繪各別天線 103，其為各無線轉換器模組 101之部分，用於促進各對模組 101之間的通訊。

現參考 圖 4，展示根據本發明教示之旋轉接頭之具體實例的截面圖。此將RF通訊用於旋轉接頭 110。為簡單起見，在以下描述中將參考與先前使用與先前使用相同之參考編號描述之元件相同或類似的特徵及元件。旋轉接頭包括使用旋轉致能裝置可旋轉地彼此連接之轉子 104及定子 106，該旋轉致能裝置為例如一或多個軸承 202（此處僅展示單個軸承，但可使用任何數量，諸如2、3、4、5、10、15、20等）。

所展示之具體實例中之轉子 104為旋轉總成，其包括形成沿著旋轉軸 A延伸之中空內部空腔 206的旋轉軸 204。在外端處，轉子軸 204經由頸部延伸部 210連接至集線器（hub） 208。集線器包括具有界定轉子外殼 214之中空杯形狀的蓋 212。轉子外殼 214安置於信號轉換器模組 102周圍，該信號轉換器模組經由信號導體 216連接至天線 103及一或多個連接器 108（僅展示一個）。

定子 106為靜止總成，其包括具有可在一端處閉合或用帽打開及閉合之大體上中空圓柱形形狀的殼體 218。在開口端處，殼體 218包括支撐軸承 202且因此支撐轉子軸 204之軸座 220。軸座 220進一步包括其上安裝有第二信號轉換器模組 102之隔板 222。

第二信號轉換器模組 102經由導體 216以通訊方式連接至第二天線 103。第二天線 103安置於殼體 218之內部中，且沿著旋轉軸 A與轉子 104之天線 103對準。殼體 218及/或軸座 220包括亦經由導體 216以通訊方式連接至第二信號轉換器 102之一或多個連接器 108。有利地，兩個天線 103為在下文中將描述之偏振天線。

現參考 圖5，展示根據本發明教示之旋轉接頭之另一具體實例的截面圖。旋轉接頭 510為旋轉接頭之變體，其利用光纖及光能來傳輸資訊。儘管為簡單起見在此具體實例中未展示無線天線，但應理解，可使用使用光能（例如，雷射）之資訊傳輸來代替由無線天線提供之無線通訊，或較佳地除由無線天線提供之無線通訊以外，亦可使用該資訊傳輸。

在此具體實例中，除天線 103（圖中未示）以外使用光模組 503，其可替換天線或與天線一起工作。光模組 503使用連接至光纖 507之透鏡 505。光纖 507接著連接至光管道 516以將資訊提供至轉子 104及定子 106中之其各別信號轉換器模組 102及從該各別信號轉換器模組提供資訊。如可瞭解，此具體實例中之信號轉換器模組 102經組態以將光能轉換成資料信號，且反之亦然。

返回至 圖 4之具體實例，展示天線 103之一個例示性具體實例。本揭示中之天線可為成對使用之偏振天線，其使得能夠不間斷地接收從該對中與轉子相關聯之旋轉天線至該對中與定子相關聯之靜止天線的RF信號。

如本文中針對一些具體實例所使用，天線 103之偏振意謂傳輸及接收由一個天線元件沿著偏振方向提供之信號，及由具有相同偏振方向之另一天線元件接收該信號。偏振之一個原因是為了在滑環總成之旋轉部分與靜止部分之間達成可靠雙向信號傳輸及接收。儘管展示了偏振天線，但亦可使用其他雙向信號接收及傳輸結構及技術。舉例而言，亦可使用基於旋轉角之頻率及/或振幅調變技術。偏振特徵（以及其他分化技術）亦可用於在相同方向上傳輸兩個信號，從而理論上使裝置之輸送量容量加倍。

各天線 103可包括兩個天線元件，其中之一者用於傳輸且另一者用於接收，但不限於此。在無線平台之任一側上使用單對天線可為較佳的，該等天線可在旋轉期間以不間斷方式向/從各側傳送信號。

在過去的解決方案中，已取決於無線橋接器之兩側的旋轉位置而使用多個探針。如所論述，例如，在羅斯班克等人的加拿大專利第CA3011715號中，提供一種裝置，其包括具有第一側之第一平台及具有定位於距第一側預定距離內之第二側的第二平台。將探針安裝至第一平台，且將複數個探針安裝至第二平台。在操作期間，羅斯班克描述：將信號調節器耦接至複數個探針且基於第一平台相對於第二平台之定向而選擇複數個探針中之一者，且接著至少暫時地使用所選擇探針與第一平台上之探針進行無線通訊，直至另一探針進入第一平台上之單個探針之視野。儘管羅斯班克系統可至少部分地有效達成旋轉平台與靜止平台之間的無線通訊，但所傳送之信號可能不連續且可能需要第二平台上之探針的恆定切換。此外，可理解，探針切換可隨著一個平台相對於另一平台之旋轉速度而增加。在根據本揭示之具體實例中，可有利地避免此複雜度。

現參考 圖 6，展示根據本發明教示之偏振天線總成的平面圖，且 圖 7為該偏振天線總成之截面圖。天線 103包括外殼 601，其包括安裝凸緣 602、圓柱形壁 604及蓋 606（ 圖 6中未展示以暴露內部組件）。安裝凸緣 602包括形成於壁 604內之安裝表面 608。兩個天線元件 610及 612安置至安裝表面 608上，且沿著各別軸線 B及 C延伸，如 圖 7中最佳地展示。

元件 610及 612中之各者具有使由各者發射之信號偏振的大體上螺旋形狀，或另外或替代地，產生接收到達元件之偏振信號的偏振結構。在所說明具體實例中，天線元件 610及 612基於其螺旋線圈之結構而在結構上經配置以用於圓偏振，如所已知，此取決於數個不同因素，包括螺旋元件之間距及間隔、螺旋形狀之直徑、翹曲方向、匝數、天線之總長度及類似者。

現參考 圖 8，展示穿過 圖 4中所展示之旋轉接頭之一部分之部分放大圖的截面圖。當一對天線 103安裝於旋轉接頭 110中時（ 圖 4中所展示），該對天線 103中之兩個元件 610及 612在匹配對天線 103'中具有對應元件 610'及 612'。

由於使用相同偏振，因此具有第一偏振之第一信號 R1（例如，射頻（RF））可由元件 610發射且在元件 610'中被接收。類似地，具有第二偏振之第二信號 R2可由元件 612'發射且在元件 612中被接收。此外，天線 103形成收發器對，其中可在兩個方向上傳輸及接收資訊。亦應注意，第一信號 R1及第二信號 R2亦可單向地傳輸，此將每次使資料輸送量在一個方向上加倍。

由於天線 103及 103'相隔相對較短距離，因此偏振信號被傳輸至各對元件 610 /610'或 612/612'及從該各對元件接收，該各對元件為軸向模式螺旋天線。信號 R1及 R2具有寬頻寬、易於建構、具有真實輸入阻抗，且可產生圓偏振場，此在定子天線 103相對於定子之配對天線 103旋轉期間在元件以 圖 8中所展示之面向關係對準（以180度相對關係安置）時均促成信號 R1及 R2之可靠接收。

現參考 圖 9，展示穿過 圖 4中所展示之旋轉接頭之另一具體實例之一部分之部分放大圖的截面圖。呈現 圖 8中所展示之具體實例之變體。在此具體實例中，展示一對天線 903/903'，各天線包括包含安裝凸緣 902、圓柱壁 904及蓋板 906之外殼 901。安裝凸緣 902包括形成於壁 904內之安裝表面 908。

不同於 圖 7中所展示之具體實例，在 圖 9之具體實例中，安裝表面 908具有相對於旋轉軸 A以一角度安置之傾斜安裝表面，使得天線元件 910及 912相對於彼此以一角度延伸且相對於旋轉軸 A成角度地安置。對於天線元件 910'及 912'，存在相同結構組態。所展示之具體實例中之各天線元件連接至電路系統 914（例如，印刷電路板（printed circuit board；PCB））。在此組態中，當安裝天線元件 910及 912時，其各別軸線在遠離安裝表面 908之方向上朝向彼此傾斜，而非在先前所描述之具體實例中大體上平行。

與先前所描述之具體實例相似，元件 910及 912中之各者具有使由各者發射之信號偏振的大體上螺旋形狀，或另外或替代地，產生接收到達元件之偏振信號的偏振結構。在所說明具體實例中，天線元件 910及 912基於其螺旋線圈之結構而在結構上經配置以用於圓偏振，此取決於數個不同因素，包括螺旋元件之間距及間隔、螺旋形狀之直徑、翹曲方向、匝數、天線之總長度及類似者。當一對天線 903安裝於滑環中時，該對天線 903中之兩個元件 910及 912在匹配對天線 903'中具有對應元件 910'及 912'，在 圖 9中所展示。

當元件 910及 912朝向彼此傾斜時，由各元件 910及 912發射之信號光束亦傾斜且在 圖 9中所展示，光束可經選擇以具有覆蓋各天線之兩個相對側天線的圓錐形夾角。更特定而言，由元件 910發射之光束 B1（其在圖式中使用波浪線展示）具有覆蓋天線元件 910'及 912'兩者之擴散角，而不管天線 903相對於旋轉軸 A相對於天線 903'之角位置如何。類似地，屬於元件 912之光束 B2、屬於元件 912'之光束 B3及屬於元件 910'之光束 B4掃過准許任何兩個傳輸及接收天線元件之間始終存在直接影響線之區域。該等光束重疊並不對信號接收或傳輸不利且並不歸因於信號之偏振而引起信號干擾。

天線 903及 903'彼此以距離 d安置。此距離 d表示兩個外殼之間的距離，指示且亦界定元件 910及 912相對於元件 910'及 912'之間的距離。可能需要試圖儘可能地最小化距離 d，且因此使天線元件 910及 912儘可能地靠近對應天線元件 910'及 912'。使元件儘可能靠近或呈緊密間隔關係可為合乎需要的，因為此有助於減小滑環總成或旋轉接頭 110之總體大小，且可改良在天線元件之間交換的信號之信號傳輸。在高頻下傳輸及接收信號（例如，RF等），因此天線元件之間的緊密間隔關係可有助於改良通訊。

在通用態樣中，本揭示描述可利用標準晶片組之非接觸式滑環，該標準晶片組將高頻信號用作載波以在轉子與定子之間傳送資料。高頻晶片組提供足夠頻寬以傳送單個高速資料通道或多工成單個資料線之多個通道。可使用可相對於彼此旋轉之近場耦合天線來實現此資料傳送，該等近場耦合天線在一個例示性實施中體現為天線元件 910、 912、 910'及 912'。為了雙向地傳輸及接收信號，可藉由偏振、頻率調變或振幅調變以及其他技術來定向地提供該等信號。

本發明教示之一個較佳態樣為與專用近場耦合天線結合地使用低成本商業晶片組以在高頻載波上傳輸雙向高速資料。專用天線設計部分地受高頻信號及其傳輸距離限制驅動。

雖然上文已根據特定具體實例描述本發明教示內容，但應理解，其不限於此等所揭示具體實例。所屬技術領域中具有通常知識者將想到許多修改及其他具體實例，且該等修改及其它具體實例意欲為且由本揭示及隨附申請專利範圍涵蓋。希望本發明教示之範圍應由隨附申請專利範圍及其法定等效物之適當解釋及建構來判定，如所屬技術領域中具有通常知識者依賴於本說明書及隨附圖式中之揭示內容所理解。

101:無線轉換器模組/無線通訊模組 102:信號轉換器模組 103:天線 103':天線 104:轉子 106:定子 108:連接器 110:旋轉接頭 112:內部空腔 114:屏蔽件 116:無線連接 202:軸承 204:旋轉軸 206:中空內部空腔 208:集線器 210:頸部延伸部 212:蓋 214:轉子外殼 216:信號導體 218:殼體 220:軸座 222:隔板 503:光模組 505:透鏡 507:光纖 510:旋轉接頭 516:光管道 601:外殼 602:安裝凸緣 604:圓柱形壁 606:蓋 608:安裝表面 610:天線元件 610':元件 612:天線元件 612':元件 901:外殼 902:安裝凸緣 903:天線 903':天線 904:圓柱形壁 906:蓋 908:安裝表面 910:天線元件 910':天線元件 912:天線元件 912':天線元件 914:電路系統 A:旋轉軸 B:軸線 B1:光束 B2:光束 B3:光束 B4:光束 C:軸線 d:距離 R1:第一信號 R2:第二信號

[ 圖 1] 及 [ 圖 2]為描繪用於根據本發明教示之旋轉接頭中的無線平台之兩個具體實例之連接及組件的方塊圖。 [ 圖 3]為根據本發明教示之旋轉接頭之方塊圖。 [ 圖 4]為根據本發明教示之旋轉接頭之具體實例的截面圖。 [ 圖 5]為根據本發明教示之旋轉接頭之另一具體實例的截面圖。 [ 圖 6]為根據本發明教示之偏振天線總成的平面圖，且[ 圖 7]為該偏振天線總成之截面圖。 [ 圖 8]為穿過 圖 4中所展示之旋轉接頭之一部分之部分放大圖的截面圖。 [ 圖 9]為穿過 圖 4中所展示之旋轉接頭之另一具體實例的一部分之部分放大圖的截面圖。

101:無線轉換器模組

102:信號轉換器模組

103:天線

104:轉子

106:定子

108:連接器

Claims (16)

1. 一種滑環，其包含： 一定子； 一轉子，其經組態以相對於該定子圍繞一旋轉軸而旋轉，該轉子具有具備一第一天線之一第一無線模組； 該定子具有具備一第二天線之一第二無線模組； 該第一天線及該第二天線沿著該旋轉軸配置； 該第一天線及該第二天線經調適以藉由至少部分地使用偏振信號來彼此通訊， 其中： 該第一天線安裝於該轉子之一端上，該轉子之該端在操作期間安置於該定子中； 該第二天線安裝於該定子上，使得該第一天線及該第二天線在該轉子之旋轉期間面向彼此； 該第一天線及該第二天線具有大體上螺旋形元件以使其各別信號偏振。
2. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線經配置以用於一圓偏振。
3. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線各自包括兩個天線元件，其中之一者用於傳輸且另一者用於接收。
4. 如請求項3之滑環，其中該第一天線及該第二天線藉由偏振、頻率調變及/或振幅調變來雙向地傳輸及接收信號。
5. 如請求項1之滑環，其中該第一無線模組及該第二無線模組各自包括執行至少一些信號調節之一60 GHz晶片組。
6. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線經組態以根據Wi-Fi、紫蜂（ZigBee）、藍牙、無線HDMI、USB或IEEE 802.11標準而彼此通訊。
7. 如請求項1之滑環，其進一步包含安置於該轉子及該定子中之各者中的一光模組，及延伸至該第一天線及該第二天線中之各者的光纖，使得使用光信號促進該轉子與該定子之間的通訊。
8. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線平行於彼此及該旋轉軸而延伸。
9. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線相對於彼此以一角度延伸，且相對於該旋轉軸成角度地安置。
10. 如請求項1之滑環，其進一步包含一屏蔽件，該屏蔽件至少部分地含有由該滑環內之該第一天線及該第二天線交換之信號。
11. 如請求項1之滑環，其中該第一天線及該第二天線使用一或多個以太網路通道彼此通訊。
12. 如請求項11之滑環，其中該一或多個以太網路通道經時間劃分以產生多個資料通道。
13. 一種用於一滑環之通訊系統，其包含： 一第一無線模組，其具有一第一天線，該第一無線模組經調適以安裝於一轉子上，該轉子相對於一定子圍繞一旋轉軸而旋轉； 一第二無線模組，其具有一第二天線，該第二無線模組經調適以安裝於該定子上； 該第一天線及該第二天線經調適以藉由至少部分地使用偏振信號來彼此通訊， 其中： 該第一天線安裝於該轉子之一端上，該轉子之該端在操作期間安置於該定子中； 該第二天線安裝於該定子上，使得該第一天線及該第二天線在該轉子之旋轉期間面向彼此； 該第一天線及該第二天線具有大體上螺旋形元件以使其各別信號偏振。
14. 一種旋轉接頭，其包含： 如請求項13之通訊系統； 該轉子，其具有該第一無線模組； 該定子，其具有該第二無線模組； 該第一天線及該第二天線沿著該旋轉軸配置且面向彼此。
15. 如請求項14之旋轉接頭，其中： 該第一無線模組及該第二無線模組各自包括執行至少一些信號調節之一60 GHz晶片組； 該第一天線及該第二天線經組態以根據Wi-Fi、紫蜂、藍牙、無線HDMI、USB或IEEE 802.11標準彼此通訊。
16. 一種用於經由一滑環傳送信號之方法，其包含： 提供一定子； 提供一轉子，其經組態以相對於該定子圍繞一旋轉軸而旋轉，該轉子具有具備一第一天線之一第一無線模組； 該定子具有具備一第二天線之一第二無線模組； 該第一天線及該第二天線沿著該旋轉軸配置； 經由該第一天線及該第二天線傳輸及接收一偏振射頻（RF）信號， 其中： 該第一天線安裝於該轉子之一端上，該轉子之該端在操作期間安置於該定子中； 該第二天線安裝於該定子上，使得該第一天線及該第二天線在該轉子之旋轉期間面向彼此； 該第一天線及該第二天線具有大體上螺旋形元件以使其各別信號偏振。