FR2634030A1 - Fibre-optic rotary switch - Google Patents
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Abstract
Description
Commutateur rotatif à fibres optiques
La présente invention concerne un commutateur rotatif destiné à coupler sélectivement une première fibre optique à l'une d'une pluralité de secondes fibres optiques.Fiber optic rotary switch
The present invention relates to a rotary switch for selectively coupling a first optical fiber to one of a plurality of second optical fibers.
Dans un commutateur rotatif connu, des extrémités des secondes fibres optiques sont disposées en éventail sur un support stationnaire en forme de secteur de couronne et convergent radialement vers le centre de rotation d'un support rotatif sur lequel est fixée une extrémité de la première fibre optique. La rotation du support rotatif concentrique au support stationnaire permet d'aligner radialement l'une des secondes fibres avec la première fibre, afin de commuter des signaux optiques unidirectionnels ou bidirectionnels de la première fibre vers une seconde fibre sélectionnée. In a known rotary switch, the ends of the second optical fibers are arranged in a fan shape on a stationary support in the form of a crown sector and converge radially towards the center of rotation of a rotary support on which is fixed one end of the first optical fiber. . The rotation of the concentric rotary support to the stationary support allows one of the second fibers to be aligned radially with the first fiber, in order to switch unidirectional or bidirectional optical signals from the first fiber to a second selected fiber.
Une telle disposition en éventail des secondes fibres limite le nombre de secondes fibres à commuter avec la première fibre, pour un rayon donné de la périphérie circulaire intérieure du support en secteur de couronne qui détermine la position des faces terminales des secondes fibres. Such a fan arrangement of the second fibers limits the number of second fibers to be switched with the first fiber, for a given radius of the inner circular periphery of the support in the crown sector which determines the position of the end faces of the second fibers.
Des moyens moteurs pour tourner le support rotatif sont prévus sous la forme d'un moteur électrique pas-à-pas. Le repérage de la position angulaire de chaque seconde fibre optique sur le support stationnaire doit alors s'exprimer en un nombre entier de pas moteur. Ceci implique des contraintes de positionnement très précis des extrémités des secondes fibres, lors de la fabrication du commutateur. Malgré tout le soin apporté à un tel positionnement, un mésalignement périphérique subsiste entre l'extrémité d'une seconde fibre et l'extrémité de la première fibre qui est fonction d'une part de la régularité du pas moteur, d'autre part du nombre de pas par tour.En pratique, le nombre de pas par tour du moteur est inférieur à 1000, et par suite la tolérance sur l'alignement entre fibres est au moins égale à 12 pm pour un rayon de 2 mm de la périphérie intérieure du support stationnaire. Cette tolérance est incompatible avec un coefficient de pertes par insertion inférieur à un décibel dans le cas de fibres optiques standards de 50 pu/125 pm. Motor means for turning the rotary support are provided in the form of a stepping electric motor. The location of the angular position of each second optical fiber on the stationary support must then be expressed in an integer number of motor steps. This implies very precise positioning constraints on the ends of the second fibers, during the manufacture of the switch. Despite all the care taken in such a positioning, a peripheral misalignment remains between the end of a second fiber and the end of the first fiber which is a function of the regularity of the motor pitch, on the other hand of the number of steps per revolution. In practice, the number of steps per motor revolution is less than 1000, and therefore the tolerance on the alignment between fibers is at least equal to 12 pm for a radius of 2 mm from the inner periphery. stationary support. This tolerance is incompatible with a coefficient of insertion losses lower than one decibel in the case of standard optical fibers of 50 pu / 125 pm.
En outre, l'utilisation d'un moteur pas-à-pas nécessite une consommation en courant à l'arrêt et une commutation relativement lente. In addition, the use of a stepping motor requires a current consumption at standstill and relatively slow switching.
L'invention vise principalement à remédier aux inconvénients de l'agencement mutuel des fibres évoqué ci-dessus. The invention mainly aims to remedy the drawbacks of the mutual arrangement of the fibers mentioned above.
A cette fin, un commutateur rotatif selon l'invention comprenant un moyen rotatif pour supporter une extrémité d'une première fibre optique, un moyen stationnaire pour supporter des extrémité de plusieurs secondes fibres optiques, et des moyens moteurs pour tourner le moyen rotatif est caractérisé en ce que lesdits moyens rotatif et stationnaire pour supporter sont des tambours coaxiaux rotatif et stationnaire ayant des faces diamétrales en regard sensiblement égales et disjointes sur lesquelles sont sensiblement disposées coplanairement des faces terminales des première et secondes fibres optiques, respectivement. To this end, a rotary switch according to the invention comprising rotary means for supporting one end of a first optical fiber, stationary means for supporting ends of several second optical fibers, and motor means for rotating the rotary means is characterized in that said rotary and stationary means for supporting are coaxial rotary and stationary drums having diametrical opposite faces substantially equal and disjoint on which are substantially coplanarly disposed end faces of the first and second optical fibers, respectively.
Selon d'autres aspects de l'invention, le montage à rotation du tambour rotatif permet de l'affranchir des débattements longitudinaux et radiaux d'un arbre moteur entraînant à rotation le tambour rotatif. De préférence, des moyens, tels qu'un palier à roulement à billes à contact oblique, coopérant avec une extrémité du tambour rotatif opposée à ladite face de celui-ci sont prévus pour guider longitudinalement en rotation le tambour rotatif, et des moyens, tels qu'une bille de butée logée dans deux évidements coniques centraux auxdites faces de tambour en regard, coopérant avec lesdites faces en regard sont prévus pour guider radialement le tambour rotatif.Dans ces conditions, pour des fibres standards 50 pu/125 pm, la tolérance de mésalignement de la première fibre avec chacune des secondes fibres est inférieure à + 5 pm pour des pertes par insertion inférieure à 1 dB. According to other aspects of the invention, the rotational mounting of the rotary drum makes it possible to free it from the longitudinal and radial deflections of a motor shaft causing the rotary drum to rotate. Preferably, means, such as an angular contact ball bearing bearing, cooperating with one end of the rotary drum opposite to said face thereof are provided to guide the rotary drum longitudinally in rotation, and means, such that a thrust ball housed in two conical recesses central to said facing drum faces, cooperating with said facing faces are provided for radially guiding the rotary drum. Under these conditions, for standard fibers 50 pu / 125 pm, the tolerance misalignment of the first fiber with each of the second fibers is less than + 5 μm for insertion losses less than 1 dB.
Cette tolérance de mésalignement est indépendante de la tolérance sur les débattements de l'arbre moteur entratnant le tambour rotatif grâce à un accouplement souple, par exemple au moyen d'un soufflet en accordéon, entre l'arbre et le tambour rotatif. This misalignment tolerance is independent of the tolerance on the deflections of the drive shaft driving the rotary drum by means of a flexible coupling, for example by means of an accordion bellows, between the shaft and the rotary drum.
L'invention remédie également aux inconvénients du moteur pas-à-pas dans le commutateur connu. En effet, le commutateur selon l'invention comprend des moyens pour entratner sélectivement et continument en rotation l'arbre moteur à des positions angulaires de rotation déterminées, non pas par rapport à des pas moteurs, mais par rapport à une position angulaire de référence. Ces moyens pour entraîner peuvent comprendre un moteur à courant continu qui, par nature, peut etre arreté à n'importe quelle position angulaire. The invention also remedies the drawbacks of the stepping motor in the known switch. In fact, the switch according to the invention comprises means for selectively and continuously rotating the motor shaft at determined angular positions of rotation, not with respect to motor steps, but with respect to a reference angular position. These drive means may include a DC motor which, by nature, can be stopped at any angular position.
En l'occurrence, un tel arret correspond à la position angulaire de l'une des secondes fibres optiques. Les positions angulaires de celles-ci sont mémorisées lors de la fabrication et de l'étalonnage en usine du commutateur dans une mémoire incluse dans le commutateur et sont adressables en lecture en fonction de la commutation désirée. Le repérage de la position angulaire de l'extrémité de chacune des secondes fibres correspond précisément à un couplage optique optimum avec la première fibre.In this case, such a stop corresponds to the angular position of one of the second optical fibers. The angular positions of these are memorized during manufacture and factory calibration of the switch in a memory included in the switch and are readable according to the desired switching. The location of the angular position of the end of each of the second fibers corresponds precisely to an optimum optical coupling with the first fiber.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels
- la Fig. 1 est une vue en perspective de deux tambours cylindriques d'un commutateur rotatif selon l'invention
- la Fig. 2 est une vue en perspective de deux tambours à surface de révolution convexe d'un commutateur rotatif selon l'invention ;
- la Fig. 3 est une vue schématique partiellement en coupe axiale des principaux éléments mécaniques d'un commutateur selon l'invention ;
- la Fig. 4 est un bloc-diagramme schématique d'un banc d'étalonnage des positions angulaires de secondes fibres optiques pour un commutateur selon l'invention ;;
- la Fig. 5 est un diagramme des positions angulaires des secondes fibres optiques ; et
- la Fig. 6 représente une caractéristique de variation de puissance optique reçue par une seconde fibre en fonction de sa position angulaire relativement à la première fibre du commutateur pour expliquer la recherche d'un couplage optimum entre ces deux fibres.Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description of several preferred embodiments of the invention with reference to the corresponding appended drawings in which
- Fig. 1 is a perspective view of two cylindrical drums of a rotary switch according to the invention
- Fig. 2 is a perspective view of two drums with a convex surface of revolution of a rotary switch according to the invention;
- Fig. 3 is a schematic view partially in axial section of the main mechanical elements of a switch according to the invention;
- Fig. 4 is a schematic block diagram of a bench for calibrating the angular positions of second optical fibers for a switch according to the invention;
- Fig. 5 is a diagram of the angular positions of the second optical fibers; and
- Fig. 6 shows a characteristic of variation in optical power received by a second fiber as a function of its angular position relative to the first fiber of the switch to explain the search for an optimum coupling between these two fibers.
Selon la réalisation illustrée à la Fige, un commutateur rotatif à fibres optiques est destiné à coupler une première fibre optique F1 sélectivement à l'une de douze fibres optiques F2. Selon d'autres variantes, les secondes fibres sont en nombre de deux, quatre, huit ou seize par exemple. Les fibres sont des fibres standards ayant un rapport de diamètre de coeur à diamètre de gaine de 50 pu/125 pu, ou bien de 100 pu/140 pm, par exemple.Une extrémité El de la fibre F1 est fixée le long d'une génératrice d'un tambour cylindrique rotatif 1, au moins sur environ la moitié de cette génératrice voisine des secondes fibres, tandis que les secondes fibres F2 ont des extrémités E2 qui sont fixées tout le long de génératrices d'un tambour cylindrique stationnaire 2 et qui sont régulièrement réparties à la périphérie de celui-ci. Les tambours 1 et 2 sont alignés coaxialement à un axe longitudinal XX' du commutateur et ont un même diamètre et des bases diamétrales respectives 10 et 20 en vis-à-vis écartées de quelques micromètres. According to the embodiment illustrated in FIG., A rotary optical fiber switch is intended to couple a first optical fiber F1 selectively to one of twelve optical fibers F2. According to other variants, the second fibers are in number of two, four, eight or sixteen for example. The fibers are standard fibers having a core diameter to sheath diameter ratio of 50 pu / 125 pu, or else 100 pu / 140 µm, for example. An El end of the fiber F1 is fixed along a generator of a rotary cylindrical drum 1, at least on about half of this generator close to the second fibers, while the second fibers F2 have ends E2 which are fixed along the generators of a stationary cylindrical drum 2 and which are regularly distributed around its periphery. The drums 1 and 2 are aligned coaxially to a longitudinal axis XX 'of the switch and have the same diameter and respective diametric bases 10 and 20 opposite each other spaced a few micrometers.
A titre d'exemple, le pas d'écartement entre deux secondes fibres
F2 voisines est égal à 1 mm environ pour des tambours 1 et 2 ayant un diamètre de 4 mm.For example, the spacing pitch between two second fibers
Neighboring F2 is equal to approximately 1 mm for drums 1 and 2 having a diameter of 4 mm.
En pratique, les tambours I et 2 supportant les fibres peuvent être en métal, tel qu'acier inoxydable traité, ou en saphir ou céramique ou quartz. De préférence, au moins le tambour rotatif 1 est en matériau léger afin d'offrir une inertie faible contribuant à réduire les temps de commutation. In practice, the drums I and 2 supporting the fibers can be made of metal, such as treated stainless steel, or of sapphire or ceramic or quartz. Preferably, at least the rotary drum 1 is made of light material in order to offer a low inertia contributing to reducing the switching times.
Les tambours sont obtenus par sciage d'un même cylindre ayant un diamètre compris entre 4 et 30 mm. Selon une première variante, les tambours sont obtenus par sciage diamétral d'un corps de révolution pour que les faces 10 et 20 disjointes par le sciage soient parfaitement identiques et perpendiculaires à l'axe commun
XX' des tamoours ; puis deux cônes de centrage 13 et 23 sont pratiqués dans les faces externes 12 et 22 des tambours.The drums are obtained by sawing from the same cylinder having a diameter between 4 and 30 mm. According to a first variant, the drums are obtained by diametrical sawing of a body of revolution so that the faces 10 and 20 separated by sawing are perfectly identical and perpendicular to the common axis
XX 'of tamoours; then two centering cones 13 and 23 are formed in the external faces 12 and 22 of the drums.
Selon une autre variante, dans les bases d'un barreau cylindrique sont d'abord ménagés des cônes de centrage 13 et 23 qui servent de points de centre lors de l'usinage de la périphérie du barreau dans un tour ; puis le barreau usiné est scié en deux tambours égaux 1 et 2 qui sont retournés chacun à 1800 afin que les faces obtenues par sciage constituent des faces externes 12 et 22 des tambours et que les faces à cônes de centrage constituent les faces en regard 10 et 20 des tambours. According to another variant, in the bases of a cylindrical bar are first formed centering cones 13 and 23 which serve as center points when machining the periphery of the bar in a lathe; then the machined bar is sawn into two equal drums 1 and 2 which are each returned to 1800 so that the faces obtained by sawing constitute the external faces 12 and 22 of the drums and that the faces with centering cones constitute the facing faces 10 and 20 drums.
Les extrémités El et E2 des fibres F1 et F2 peuvent être fixées sur les tambours par métallisation et soudure, par. collage, par enverrage ou par frettage mécanique, soit directement sur la périphérie lisse des tambours, soit respectivement dans des rainures longitudinales 11 et 22 par exemple à section en V, comme montré à la Fig. 1, ou dans des rainurés hélicoldales. Selon une autre variante, les extrémités de fibre El et E2 sont enfilées dans des conduits longitudinaux des tambours. Lors de la pose, les fibres sont tendues. The ends E1 and E2 of the fibers F1 and F2 can be fixed to the drums by metallization and welding, for example. adhesive bonding, by mechanical bonding or shrinking, either directly on the smooth periphery of the drums, or respectively in longitudinal grooves 11 and 22, for example in V section, as shown in FIG. 1, or in helical grooves. According to another variant, the fiber ends E1 and E2 are threaded into longitudinal conduits of the drums. During installation, the fibers are stretched.
Pour assurer un bon contact entre les fibres et les tambours-supports, l'ensemble des tambours avant sciage, comme montré à la Fig. 2, offre de préférence une surface de révolution convexe usinée en forme de tonneau, afin qu'après sciage diamétral, chaque tambour 1, 2 ait une forme en fuseau sensiblement tronconique à surface convexe. To ensure good contact between the fibers and the support drums, the set of drums before sawing, as shown in FIG. 2, preferably offers a convex surface of revolution machined in the shape of a barrel, so that after diametrical sawing, each drum 1, 2 has a substantially frustoconical spindle shape with a convex surface.
En référence à la Fig. 3, les tambours 1 et 2 sont respectivement montés à rotation et fixés dans un support de guidage cylindrique creux 3 ayant un fond circulaire 30 coaxial à l'axe longitudinal XX'. With reference to FIG. 3, the drums 1 and 2 are respectively mounted for rotation and fixed in a hollow cylindrical guide support 3 having a circular bottom 30 coaxial with the longitudinal axis XX '.
Une seconde face 22 du tambour stationnaire 2 est fixée par vis, colle, brasure ou soudure par ppints laser, coaxialement contre le fond 30'afin que des orifices 31 pratiqués dans le fond soient traversés librement par et alignés avec les secondes fibres
F2.A second face 22 of the stationary drum 2 is fixed by screws, glue, brazing or welding by laser ppints, coaxially against the bottom 30 ′ so that orifices 31 formed in the bottom are freely crossed by and aligned with the second fibers
F2.
Au niveau de l'embouchure du support 3 et d'une seconde face 12 du tambour rotatif 1 est prévu un palier longitudinal qui guide longitudinalement le tambour 1 parallèlement à l'axe XX' du tambour 2 et qui est constamment chargé axialement par un ressort 52 en vue de maintenir le tambour 1 abouté contre le tambour 2. Le palier longitudinal est sous la forme d'un roulement à une rangée de billes à contact oblique qui comprend une bague intérieure 32 montée à glissement autour de l'extrémité du tambour 1 au niveau de la face 12, et une bague extérieure 33 emmanchée dur et en butée dans un lamage à l'embouchure du support cylindrique 3. Le roulement 32-33 assure un guidage longitudinal du tambour stationnaire 1 avec une précision de 2 pm environ. At the mouth of the support 3 and a second face 12 of the rotary drum 1 is provided a longitudinal bearing which longitudinally guides the drum 1 parallel to the axis XX 'of the drum 2 and which is constantly loaded axially by a spring 52 in order to keep the drum 1 abutted against the drum 2. The longitudinal bearing is in the form of a bearing with a row of angular contact balls which comprises an inner ring 32 slidably mounted around the end of the drum 1 at the face 12, and an outer ring 33 fitted hard and in abutment in a countersink at the mouth of the cylindrical support 3. The bearing 32-33 provides longitudinal guidance of the stationary drum 1 with an accuracy of approximately 2 μm.
Le guidage radial du tambour 1 ainsi que l'écart très faible entre les faces de tambour en vis-à-vis 10 et 20 sont assurés par une butée. Selon la réalisation illustrée à la Fig. 3, cette butée est sous la forme d'une bile 34 en saphir ou en rubis qui est logée dans des évidements de centrage coniques axiaux 13 et 23 en regard pratiqués aux centres des faces 10 et 20 des tambours 1 et 2, afin de ménager un interstice diamétral 35 entre les faces parallèles en regard 10 et 20 ayant une largeur de quelques centaines de micromètres au plus. Dans ce cas, la tolérance de mésalignement radial entre les périphéries des tambours 1 et 2, c'est-à-dire entre l'extrémité El de la fibre F1 et l'extrémité E2 de l'une des fibres F2 alignée longitudinalement avec la fibre F1, est inférieure à cinq micromètres pour des pertes par insertion inférieures à 1 dB.En d'autres termes, la cocentricité entre la bille de butée 34 et ses logements 13 et 23 d'une part et le palier à roulement à billes 32-33 d'autre part est meilleure que 2,5 pmx
Selon une autre variante, les logements 13 et 23 sont des trous borgnes diamétraux en regard coaxiaux à l'axe XX', et la butée 34 est un pivot central cylindrique, de préférence à extrémités hémisphériques, monté à rotation axiale dans les trous borgnes.The radial guidance of the drum 1 as well as the very small difference between the facing drum faces 10 and 20 are provided by a stop. According to the embodiment illustrated in FIG. 3, this stop is in the form of a bile 34 in sapphire or in ruby which is housed in axial conical centering recesses 13 and 23 facing made in the centers of the faces 10 and 20 of the drums 1 and 2, in order to spare a diametral gap 35 between the parallel facing faces 10 and 20 having a width of a few hundred micrometers at most. In this case, the tolerance of radial misalignment between the peripheries of the drums 1 and 2, that is to say between the end El of the fiber F1 and the end E2 of one of the fibers F2 aligned longitudinally with the fiber F1, is less than five micrometers for insertion losses less than 1 dB. In other words, the cocentricity between the thrust ball 34 and its housings 13 and 23 on the one hand and the ball bearing 32 -33 on the other hand is better than 2.5 pmx
According to another variant, the housings 13 and 23 are diametrical blind holes facing coaxial with the axis XX ', and the stop 34 is a cylindrical central pivot, preferably with hemispherical ends, mounted for axial rotation in the blind holes.
Selon une seconde variante, la butée peut être réalisée par un tourillon axial saillant sur l'une des faces de tambour 10 et 20 et tournant à frottement doux dans un trou borgne axial de l'autre face ; dans ce cas, le frottement est réduit grâce à- une extrémité sphérique du tourillon en contact avec un trou tronconique. According to a second variant, the stop can be produced by an axial pin projecting on one of the drum faces 10 and 20 and rotating with gentle friction in an axial blind hole on the other face; in this case, the friction is reduced by virtue of a spherical end of the journal in contact with a frustoconical hole.
Lors de la fabrication du commutateur, les faces terminales des extrémités de fibre El et E2, après fixation longitudinale relativement précise sur les tambours 1 et 2, peuvent être clivées et polies en faces planes et arasées sensiblement coplanairement avec les faces de tambour en regard 10 et 20 respectivement. During the manufacture of the switch, the end faces of the fiber ends E1 and E2, after relatively precise longitudinal attachment to the drums 1 and 2, can be cleaved and polished into planar faces and leveled off substantially coplanar with the facing drum faces 10 and 20 respectively.
Toutefois, la face terminale de l'extrémité El de la première fibre optique Fi et/ou des extrémités E2 des secondes fibres optiques peuvent comporter chacune une petite lentille convergente qui est rapportée ou générée par fusion et qui est disposée sensiblement coplanairement sur la face 10, 20 du tambour respectif.However, the end face of the end El of the first optical fiber Fi and / or of the ends E2 of the second optical fibers may each include a small converging lens which is attached or generated by fusion and which is disposed substantially coplanarly on the face 10 , 20 of the respective drum.
Une graisse ou un gel de silicone est intercalé dans l'interstice 35 entre les faces 10 et 20 et particulièrement à la périphérie de l'interstice 35 au niveau des faces terminales des fibres. La graisse ou le gel offre un indice de réfraction sensiblement égal à celui des coeurs des fibres afin de réaliser pratiquement une jonction de fibre sans discontinuité d'indice de réfraction. De préférence, un gel de silicone connu ayant un caractère auto-nettoyant est utilisé afin que, grâce au pouvoir d'adhésion du gel sur les faces 10 et 20, le gel essuie les extrémités des fibres lors du montage et des rotations ultérieures du tambour 1 et évite la pénétration de poussières dans l'espace entre les faces terminales des fibres. En outre, un tel gel assure en permanence une liaison interne entre les faces terminales de deux fibres.Le gel est ainsi confiné en permanence entre les faces de tambour 10 et 20 et à la périphérie de celles-ci, ne coule pas par son propre poids et ne s'échappe pas de l'interstice 35 malgré les nombreuses rotations du tambour 1 et les contraintes thermiques et hygrométriques ambiantes. A silicone grease or gel is interposed in the gap 35 between the faces 10 and 20 and particularly on the periphery of the gap 35 at the end faces of the fibers. The fat or gel offers a refractive index substantially equal to that of the hearts of the fibers in order to practically make a fiber junction without discontinuity of refractive index. Preferably, a known silicone gel having a self-cleaning character is used so that, thanks to the adhesive power of the gel on the faces 10 and 20, the gel wipes the ends of the fibers during assembly and subsequent rotations of the drum. 1 and prevents the penetration of dust into the space between the end faces of the fibers. In addition, such a gel permanently ensures an internal connection between the end faces of two fibers. The gel is thus permanently confined between the drum faces 10 and 20 and at the periphery thereof, does not flow by its own weight and does not escape from the gap 35 despite the numerous rotations of the drum 1 and the ambient thermal and hygrometric constraints.
Selon une autre variante, à la place du gel est déposée une couche de matière anti-reflet dans l'interstice 35 afin d'inhiber toute réflexion interne de signaux optiques provenant de chacune des fibres F1 et F2 au niveau du dioptre coeur de fibre-air sur la face terminale de la fibre. According to another variant, in place of the gel, a layer of anti-reflection material is deposited in the gap 35 in order to inhibit any internal reflection of optical signals originating from each of the fibers F1 and F2 at the level of the fiber core diopter. air on the end face of the fiber.
L'entrainement en rotation axiale du tambour 1 est effectuée par l'intermédiaire d'un arbre moteur 40 relié par des moyens d'accouplement souples 5 à la face externe 12 du tambour 1. Les moyens d'accouplement 5 compensent les tolérances de jeu en rotation de l'arbre 40 qui sont par nature plus grandes que celles exigées pour le tambour rotatif 1, et assurent ainsi un débattement axial et radial de l'arbre 40 plus grand que celui du tambour 1. En outre, une liaison rigide entre l'arbre et le tambour 1 impliquerait un guidage de l'arbre par le tambour rotatif et par suite une usure du palier 32-33 et de la butée 34 dans le commutateur, et de paliers contenus dans un moteur d'entrainement 4 de l'arbre 40.Le tambour rotatif 1 ne doit pas pouvoir s'incliner par rapport à l'axe de rotation XX' notamment lors des démarrage et arrêt de l'arbre. The axial rotation of the drum 1 is carried out by means of a motor shaft 40 connected by flexible coupling means 5 to the external face 12 of the drum 1. The coupling means 5 compensate for the play tolerances in rotation of the shaft 40 which are by nature larger than those required for the rotary drum 1, and thus ensure an axial and radial clearance of the shaft 40 greater than that of the drum 1. In addition, a rigid connection between the shaft and the drum 1 would imply a guide of the shaft by the rotary drum and consequently wear of the bearing 32-33 and of the stop 34 in the switch, and of bearings contained in a drive motor 4 of l 'shaft 40. The rotary drum 1 must not be able to tilt relative to the axis of rotation XX' in particular when starting and stopping the shaft.
Les moyens ' d'accouplement 5 comprennent un soufflet cylindrique 50 en élastomère ou en tôle mince, plissé en accordéon selon la réalisation illustrée à la Fig. 3, ou une articulation à un ou deux joints de cardan. Le soufflet 50 est disposé coaxialement à l'axe XX' des tambours, comme montré à la Fig. 3, bien que selon une autre variante, le soufflet puisse être coudé et que l'arbre moteur 40 puisse être oblique à l'axe XX' en vue de diminuer l'encombrement du commutateur. Une première rondelle d'extrémité 51 du soufflet est fixée coaxialement à la base de tambour 12 par vis, colle, brasure ou soudure. Le ressort hélicoldal 52 est guidé axialement dans une bague 53 prolongeant la bague intérieure 32 du roulement à billes 32-33 et solidaire de celle-ci, et entoure la rondelle de soufflet 51.Le ressort 52 s'appuie contre la face de tambour 12 et contre le fond de la bague 53 traversé par le soufflet 40 et exerce en permanence une poussée axiale du tambour rotatif 1 contre le tambour stationnaire 2 par l'intermédiaire de la bille de butée 34. Le ressort 52 rattrape tout jeu de dilatation longitudinale ainsi que le jeu inhérent au roulement à billes 32-33 et maintient constante la largeur de l'interstice très étroit 35. The coupling means 5 comprise a cylindrical bellows 50 made of elastomer or thin sheet metal, pleated in an accordion according to the embodiment illustrated in FIG. 3, or a joint with one or two universal joints. The bellows 50 is arranged coaxially to the axis XX 'of the drums, as shown in FIG. 3, although according to another variant, the bellows can be bent and the motor shaft 40 can be oblique to the axis XX 'in order to reduce the size of the switch. A first end washer 51 of the bellows is fixed coaxially to the drum base 12 by screws, glue, solder or solder. The helical spring 52 is guided axially in a ring 53 extending the inner ring 32 of the ball bearing 32-33 and integral with it, and surrounds the bellows washer 51. The spring 52 bears against the drum face 12 and against the bottom of the ring 53 traversed by the bellows 40 and permanently exerts an axial thrust of the rotary drum 1 against the stationary drum 2 via the thrust ball 34. The spring 52 catches any longitudinal expansion play thus that the clearance inherent in ball bearing 32-33 and keeps the width of the very narrow gap 35 constant.
Une seconde rondelle d'extrémité 54 du soufflet 5 est encastrée à force et collée, brasée ou soudée dans un trou axial à l'extrémité de l'arbre moteur 40. Ce trou constitue une embouchure axiale d'un conduit large coudé 41 débouchant latéralement de l'arbre 40 et dans lequel est glissée la première fibre F1. La fibre F1 est tirée d'une roue de bobinage tournante (non représentée) contenant plusieurs tours de fibre F1 afin de prévoir une longueur suffisante de fibre lors des diverses rotations du tambour 1 et donc des diverses commutations de la fibre F1 aux fibres F2. La fibre F1 traverse librement le conduit 41, le soufflet 50 et un conduit coudé 14 qui est pratiqué dans le tambour 1 entre la base 12 et la périphérie du tambour 1, comme montré à la
Fig. 3.Selon une variante montrée à la Fig. ), la fibre F1 est enroulée d'un tour environ autour du tambour 1 entre le roulement à billes 32-33 et la face 10, et sort latéralement du support 3 à travers un orifice large radial 36 de celui-ci ; un coude de la fibre F1 est alors collé sur un méplat 15 du tambour 1.A second end washer 54 of the bellows 5 is force-fitted and glued, brazed or welded in an axial hole at the end of the motor shaft 40. This hole constitutes an axial mouth of a wide bent conduit 41 opening out laterally of the shaft 40 and into which the first fiber F1 is slid. The fiber F1 is taken from a rotating winding wheel (not shown) containing several turns of fiber F1 in order to provide a sufficient length of fiber during the various rotations of the drum 1 and therefore of the various switches from the fiber F1 to the fibers F2. The fiber F1 passes freely through the conduit 41, the bellows 50 and an elbow conduit 14 which is formed in the drum 1 between the base 12 and the periphery of the drum 1, as shown in the
Fig. 3.According to a variant shown in FIG. ), the fiber F1 is wound about one turn around the drum 1 between the ball bearing 32-33 and the face 10, and leaves laterally from the support 3 through a wide radial orifice 36 thereof; an elbow of the fiber F1 is then bonded to a flat part 15 of the drum 1.
En pratique, comme montré schématiquement à la Fig. 3, le commutateur est enfermé dans un coffre opaque comprenant un premier compartiment étanche C01 dans lequel est logé le support 3, les moyens d'accouplement 5 et la roue de bobinage de la fibre F1, et un second compartiment étanche C02 dans lequel est logé le moteur 4 entrarnant en rotation l'arbre 40, et en partie des organes de commande et de contrôle du moteur 4 à relier à un pupitre de commande PC. Les compartiments CO1 et C02 sont séparés par une cloison étanche CL traversée par l'arbre moteur 40 par l'intermédiaire d'un joint torique d'étanchéité 42.Le moteur 4 comprend un petit moteur électrique à courant continu, du type à balais par exemple, qui doit vaincre des couples résistants relatifs aux frottements de la butée centrale 34, du palier à roulement à billes 32-33, du joint d'étanchéité 42 et de roulements-paliers dans le moteur 4, ainsi que l'inertie de l'équipage mobile 5-1-2, le couple de torsion de la fibre mobile F1 étant négligeable. Compte tenu des faibles oscillations de l'arbre en fin d'alignement de la fibre F1 avec l'une des fibres F2, le temps de commutation entre la fibre F1 et la fibre F2 la plus éloignée et diamétralement opposée à la fibre F1 peut être inférieur à 30 ms, voire à 10 ms. Des essais ont montré que la fibre F1 peut subir 100000 commutations sans dommage. In practice, as shown schematically in FIG. 3, the switch is enclosed in an opaque trunk comprising a first sealed compartment C01 in which the support 3 is housed, the coupling means 5 and the fiber winding wheel F1, and a second sealed compartment C02 in which is housed the motor 4 rotatingly rotating the shaft 40, and in part the command and control members of the motor 4 to be connected to a PC console. The compartments CO1 and C02 are separated by a watertight bulkhead CL crossed by the motor shaft 40 by means of an O-ring seal 42. The motor 4 comprises a small direct current electric motor, of the brush type by example, which must overcome the resistant torques relating to the friction of the central stop 34, of the ball bearing 32-33, of the seal 42 and of bearing bearings in the motor 4, as well as the inertia of the mobile equipment 5-1-2, the torsional torque of the mobile fiber F1 being negligible. Given the slight oscillations of the shaft at the end of alignment of the fiber F1 with one of the fibers F2, the switching time between the fiber F1 and the most distant fiber F2 and diametrically opposite to the fiber F1 can be less than 30 ms, or even 10 ms. Tests have shown that the F1 fiber can undergo 100,000 switching operations without damage.
Après assemblage des divers éléments du commutateur, celui-ci est étalonné en laboratoire afin de repérer très précisément la position angulaire de chacune des secondes fibres optiques F2 relativement à la première fibre F1. A cette fin peut être utilisé un banc de mesure et d'étalonnage tel que montré à la Fig. 4. After assembly of the various elements of the switch, it is calibrated in the laboratory in order to identify very precisely the angular position of each of the second optical fibers F2 relative to the first fiber F1. For this purpose, a measurement and calibration bench can be used as shown in Fig. 4.
L'extrémité libre de la première fibre F1 reçoit un signal lumineux collimaté ayant une puissance constante prédéterminée PE à partir d'une source lumineuse SL telle que diode électroluminescente ou diode laser. Les extrémités libres des secondes fibres F21 à F212, par exemple au nombre de douze, sont reliées à travers des moyens optiques de focalisation à des photodétecteurs PD1 à PD12 du type photowattmètres pour détecter des puissances reçues PR à PR12 respectivement. Les photodétecteurs PD1 à PD12 transmettent par l'intermédiaire de convertisseurs analogiques-numériques respectifs C1 à C12 des mots numériques représentatifs des puissances reçues PR1 à PR12 à une unité centrale de commande UC sous la forme d'un microprocesseur. The free end of the first fiber F1 receives a collimated light signal having a predetermined constant power PE from a light source SL such as light emitting diode or laser diode. The free ends of the second fibers F21 to F212, for example twelve in number, are connected through optical focusing means to photodetectors PD1 to PD12 of the photowattmeter type for detecting received powers PR to PR12 respectively. The photodetectors PD1 to PD12 transmit, via respective analog-digital converters C1 to C12, digital words representative of the powers received PR1 to PR12 to a central control unit UC in the form of a microprocessor.
L'unité UC est reliée notamment à un clavier alphanumérique CL, à un écran EC, et à une mémoire RAM, ME, de positions angulaires a1 à a12 adressable par des adresses s 12. Le démarrage et l'arrêt du moteur 4 sont commandés à travers un décodeur-convertisseur numérique-analogique C2 par l'unité de commande UC.The unit UC is connected in particular to an alphanumeric keyboard CL, to a screen EC, and to a memory RAM, ME, of angular positions a1 to a12 addressable by addresses s 12. The starting and stopping of the motor 4 are controlled through a digital-analog decoder-converter C2 by the control unit UC.
Le moteur est également doté d'un capteur de déplacement angulaire CAP connu. Selon une première variante, le capteur est un organe électrique à inductance ou capacité variable tournant avec l'arbre 40, et appelé "résolveur", permettant d'obtenir une position angulaire instantanée de l'arbre avec une précision de l'ordre de 3 minutes, soit + 1,7 pm sur un diamètre de tambour de 4 mm. Cet organe résolveur est relié à un codeur qui échantillonne des signaux de position angulaire a de l'arbre afin d'établir en code binaire, le sinus et le cosinus de l'angle a, et donc d'indiquer précisément la position angulaire instantanée de l'arbre à 2r près.Selon une seconde variante, le capteur comprend une came solidaire de l'arbre 40 dont la surface active est inclinée par rapport à l'axe de rotation XX' et qui coopére avec un doigt coulis sable longitudinalement rappelé par ressort et lié à un potentiomètre. Selon une troisième variante, le capteur comprenant au moins un photocoupleur coopérant avec un disque solidaire de l'arbre 40 et ayant de très nombreuses fentes très fines et réparties circulairement. La tension de sortie aux bornes du capteur CAP est représentative de la rotation angulaire de l'arbre 40 par rapport à un axe de référence OR qui est signalée en permanence à l'unité UC à travers un codeur-convertisseur analogique-numérique C3. The motor also has a known CAP angular displacement sensor. According to a first variant, the sensor is an electrical member with variable inductance or capacity rotating with the shaft 40, and called a "resolver", making it possible to obtain an instantaneous angular position of the shaft with an accuracy of the order of 3 minutes, ie + 1.7 μm on a drum diameter of 4 mm. This resolver is connected to an encoder which samples signals of angular position a of the tree in order to establish in binary code, the sine and the cosine of the angle a, and therefore to indicate precisely the instantaneous angular position of the shaft to within 2r. According to a second variant, the sensor comprises a cam integral with the shaft 40, the active surface of which is inclined relative to the axis of rotation XX 'and which cooperates with a sanded grout finger longitudinally recalled by spring and linked to a potentiometer. According to a third variant, the sensor comprising at least one photocoupler cooperating with a disc secured to the shaft 40 and having very numerous very fine slots and distributed circularly. The output voltage at the terminals of the sensor CAP is representative of the angular rotation of the shaft 40 with respect to a reference axis OR which is permanently signaled to the unit UC through an analog-digital encoder-converter C3.
La procédure de recherche de couplage maximum entre la première fibre F1 et chacune des secondes fibres F21 à F212 est la suivante, en référence aux Figs. 5 et 6. The procedure for finding the maximum coupling between the first fiber F1 and each of the second fibers F21 to F212 is as follows, with reference to FIGS. 5 and 6.
Initialement au repos, l'arbre moteur 40 est à une position angulaire aI par rapport à l'axe de référence OR. Si l'on suppose pour cette position aI qu'aucune puissance lumineuse n'est reçue par tous les photodétecteurs PD1 à PD12, l'unité UC déclenche le démarrage du moteur 4 pour la rotation de l'arbre 40 et arrête le moteur dès que l'un des photodétecteurs transmet une puissance reçue PO supérieure à un seuil prédéterminé de puissance PS, par exemple correspondant à un coefficient de pertes par insertion, 10 log(PE/PO), inférieur à 3 dB.Au photodétecteur ayant reçu la puissance PO est attribuée une adresse A1 que l'on suppose correspondre à la fibre F21 et au photodétecteur PD L'arbre 40 est alors à une position angulaire a0 qui, a priori, correspond à un mésalignement de quelques dizaines de microns au plus entre la fibre F1 et la fibre F21. Initially at rest, the motor shaft 40 is at an angular position aI relative to the reference axis OR. If it is assumed for this position aI that no light power is received by all the photodetectors PD1 to PD12, the unit UC triggers the starting of the engine 4 for the rotation of the shaft 40 and stops the engine as soon as one of the photodetectors transmits a received power PO greater than a predetermined threshold of power PS, for example corresponding to an insertion loss coefficient, 10 log (PE / PO), less than 3 dB. To the photodetector having received the power PO an address A1 is assigned which is assumed to correspond to the fiber F21 and to the photodetector PD The shaft 40 is then at an angular position a0 which, a priori, corresponds to a misalignment of a few tens of microns at most between the fiber F1 and fiber F21.
L'optimisation de la puissance reçue est ensuite déterminée de la manière suivante. L'unité UC commande la rotation de l'arbre 40 pour une variation angulaire prédéterminée aa=ai+aO, ou da-al-a0, de telle sorte qu'à la position al la puissance P1 captée par le photodétecteur PD1 soit inférieure au seuil PS. Après mémorisation de al et P1, l'unité UC commande une rotation de l'arbre 40 en sens inverse de la précédente jusqu a ce que la puissance reçue par le photodétecteur PD1 soit à nouveau égale à P1, l'arbre étant arrêté à une position a2.Comme- montré à la Fig. 6, la variation de puissance reçue en fonction de la position angulaire de la fibre F1 par rapport à la fibre F21 est symétrique par rapport à une position aM correspondant à une puissance maximum PM reçue par le photodétecteur PD1 et donc à un alignement correct des fibres F1 et
F21. L'unité de commande UC déduit la valeur aM de la moyenne arithmétique suivante aM=(al+a2)/2. The optimization of the received power is then determined as follows. The unit UC controls the rotation of the shaft 40 for a predetermined angular variation aa = ai + aO, or da-al-a0, so that at position al the power P1 picked up by the photodetector PD1 is less than the PS threshold. After storing al and P1, the unit UC controls a rotation of the shaft 40 in the opposite direction to the previous one until the power received by the photodetector PD1 is again equal to P1, the shaft being stopped at a position a2.As shown in Fig. 6, the variation in power received as a function of the angular position of the fiber F1 relative to the fiber F21 is symmetrical with respect to a position aM corresponding to a maximum power PM received by the photodetector PD1 and therefore to a correct alignment of the fibers F1 and
F21. The control unit UC deduces the value aM from the following arithmetic mean aM = (al + a2) / 2.
L'unité UC commande alors la rotation de l'arbre 40 jusqu'à la position angulaire aM et écrit cette valeur a 1=aM à l'adresse A1 dans la mémoire ME.The unit UC then controls the rotation of the shaft 40 to the angular position aM and writes this value a 1 = aM to the address A1 in the memory ME.
Puis l'unité UC active à nouveau le motoréducteur 4 pour que l'arbre 40 tourne d'un anale de 3600/1213CO par rapport à la position optimum a1, dans le sens des aiguilles d'une montre en référence à la Fig. 5, afin que la fibre F1 soit sensiblement en regard de la fibre F22. Compte tenu des tolérances de positionnement des secondes fibres F21 à F212, la nouvelle position angulaire de l'arbre 40 ne correspond pas a priori à une puissance maximum captée par le photodétecteur PD2. Une procédure de recherche de position optimale de la fibre F1 pour transmettre un maximum de puissance à la fibre F22 est alors déclenchée, comme décrit précédemment. Then the unit UC again activates the gearmotor 4 so that the shaft 40 rotates an anal of 3600 / 1213CO with respect to the optimum position a1, in a clockwise direction with reference to FIG. 5, so that the fiber F1 is substantially opposite the fiber F22. Given the positioning tolerances of the second fibers F21 to F212, the new angular position of the shaft 40 does not correspond a priori to a maximum power picked up by the photodetector PD2. A procedure for finding the optimal position of the fiber F1 to transmit maximum power to the fiber F22 is then triggered, as described above.
Cette procédure de recherche est ensuite réitérée automatiquement pour chacune des fibres suivantes F23 à F212. A la fin de l'étalonnage, la mémoire ME contient aux adresses A1 à A12 les positions angulaires optimales a1 à a12 correspondant aux douze alignements précis de l'extrémité El de la fibre F1 avec les extrémités E2 des fibres F21 à F212. Le commutateur est alors prêt à être utilisé pour diverses commutations. This search procedure is then automatically repeated for each of the following fibers F23 to F212. At the end of the calibration, the memory ME contains at the addresses A1 to A12 the optimal angular positions a1 to a12 corresponding to the twelve precise alignments of the end El of the fiber F1 with the ends E2 of the fibers F21 to F212. The switch is then ready to be used for various switching operations.
En pratique, le second compartiment de coffret C02 contient, outre le moteur 4, le capteur de déplacement angulaire CAP, la mémoire de position ME, le décodeur-convertisseur C2 et le décodeur-convertisseur C3 qui sont desservis par des prises adéquates sur le coffret. En usine la mémoire ME est alors transformée en mémoire morte en rendant inaccessible à l'utilisateur le circuit d'adressage en écriture dans la mémoire
ME, par destruction de fusibles par exemple.In practice, the second box compartment C02 contains, in addition to the motor 4, the angular displacement sensor CAP, the position memory ME, the decoder-converter C2 and the decoder-converter C3 which are served by suitable sockets on the box . In the factory, the memory ME is then transformed into read-only memory, making the write write addressing circuit inaccessible to the user.
ME, by destroying fuses for example.
Lors de l'utilisation du commutateur rotatif, les prises précitées sont reliées à un pupitre de contrôle de commande PC analogue à l'ensemble incluant l'unité UC, le clavier CL et l'écran
EC. Toutefois, en pratique, ce pupitre de commande peut télécommander plusieurs commutateurs selon l'invention. Bien entendu, comme la procédure d'étalonnage de commutateur, toute commutation de la fibre F1 vers l'une des fibres F21 à F212 peut être commandée manuellement ou automatiquement en fonction de signaux d'ordre de commutation prédéterminés.When using the rotary switch, the aforementioned sockets are connected to a PC control console analogous to the assembly including the UC unit, the CL keyboard and the screen.
EC. However, in practice, this control console can remotely control several switches according to the invention. Of course, like the switch calibration procedure, any switching from the fiber F1 to one of the fibers F21 to F212 can be controlled manually or automatically according to predetermined switching order signals.
A chaque instant, l'unité de commande UC du pupitre connaît non seulement la position a1 à a12 de l'arbre 40 avant ou après une commutation, mais également la position angulaire instantanée o de l'arbre au cours d'une rotation-commutation. Un programme préenregistré dans l'unité UC contribue à choisir la plus petite rotation de l'arbre pour commuter la fibre F1 à partir de l'alignement de celle-ci avec l'une des fibres F21 à F1212 vers une autre seconde fibre F21 à F212. At all times, the control unit UC of the console knows not only the position a1 to a12 of the shaft 40 before or after a switching, but also the instantaneous angular position o of the shaft during a rotation-switching . A program pre-recorded in the CPU unit helps to choose the smallest rotation of the shaft to switch the fiber F1 from the alignment of this one with one of the fibers F21 to F1212 to another second fiber F21 to F212.
En outre l'unité UC du pupitre contient un programme d'asservissement de la rotation de l'arbre 40 pour une position selectionnée mémorisée a1 à a12. En effet, si pour une raison quelconque due à des contraintes extérieures au coffret notamment, l'unité UC constate que la position angulaire de l'arbre indiquée par le capteur CAP est différente de la position sélectionnée, l'unité UC déclenche à nouveau une ou des faibles rotations de l'arbre 40 jusqu'à ce que la position angulaire instantanée a signalée par le capteur CAP soit identique à la position sélectionnée mémorisée. In addition, the unit UC of the console contains a program for controlling the rotation of the shaft 40 for a selected position memorized a1 to a12. Indeed, if for any reason due to constraints outside the cabinet in particular, the UC unit finds that the angular position of the shaft indicated by the CAP sensor is different from the selected position, the UC unit again triggers a or low rotations of the shaft 40 until the instantaneous angular position a signaled by the sensor CAP is identical to the memorized selected position.
De préférence, lorsque l'unité UC est télécommandée par des signaux d'ordre de commutation, l'unité UC sélectionne une commutation prioritaire parmi plusieurs commutations demandées simultanément. Preferably, when the unit UC is remotely controlled by switching order signals, the unit UC selects a priority switching from among several switches requested simultaneously.
Dans tous les cas, l'écran EC indique à un opérateur la position angulaire choisie a1 à a12 et le numéro de la seconde fibre F21 à F212 correspondante, ainsi que la position angulaire instantanée a par rapport à la position de référence OR. In all cases, the screen EC indicates to an operator the angular position chosen a1 to a12 and the number of the corresponding second fiber F21 to F212, as well as the instantaneous angular position a relative to the reference position OR.
Selon une autre variante d'utilisation du commutateur, les secondes fibres sont appariées en des paires de fibres voisines
F21-F22 à F211-F212 ou en des groupes de plus de deux fibres optiques. Pour chaque paire, l'une des fibres, par exemple d'indice impair, est utilisée normalement, et l'autre fibre, d'indice pair, constitue une fibre de secours. La mémoire ME est alors partagée en deux sous-mémoires, l'une pour les positions angulaires des fibres d'indice impair, l'autre pour les positions angulaires des fibres d'indice pair. Dans ce cas, dès que l'unité UC reçoit un signal d'alarme indiquant un défaut de transmission dans une seconde fibre d'indice impair, l'unité UC commute automatiquement la fibre F1 vers la fibre de secours de la paire correspondante. Après réparation de la fibre pour transmission normale, une commutation en sens inverse est déclenchée soit manuellement, soit automatiquement.According to another variant of use of the switch, the second fibers are paired in pairs of neighboring fibers
F21-F22 to F211-F212 or in groups of more than two optical fibers. For each pair, one of the fibers, for example of odd index, is used normally, and the other fiber, of even index, constitutes a spare fiber. The memory ME is then divided into two sub-memories, one for the angular positions of the fibers of odd index, the other for the angular positions of the fibers of even index. In this case, as soon as the UC unit receives an alarm signal indicating a transmission fault in a second fiber of odd index, the UC unit automatically switches the fiber F1 to the backup fiber of the corresponding pair. After repair of the fiber for normal transmission, switching in the opposite direction is triggered either manually or automatically.
De même, le premier tambour 1 peut supporter des extrémités paralleles de plusieurs fibres optiques F1 dont une est utilisée normalement, et les autres en secours. Lors de l'étalonnage, les positions angulaires de chacune des secondes fibres par rapport à chacune des premières fibres sont repérées et mémorisées dans la mémoire ME. Likewise, the first drum 1 can support parallel ends of several optical fibers F1, one of which is used normally, and the others in standby. During the calibration, the angular positions of each of the second fibers relative to each of the first fibers are identified and stored in the memory ME.
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|---|---|
| FR2634030B1 (en) | 1991-09-20 |
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