JP2007536563A - フレキシブル能動信号ケーブル - Google Patents

Abstract

フレキシブル能動信号ケーブル（１００、２００）は、フレキシブル・プリント回路基板（１０５）、２つの電気コネクタ（１１０）、少なくとも２つの金属導体（１１５）、少なくとも１つのフレキシブル光導波路（１２０）、光送信機（１２５）、および光受信機（１３０）を含む。いくつかの実施形態では、フレキシブル能動信号ケーブルは、０．５メートル未満の長さであり、５ミリメートル直径の軸に１０，０００回巻きつけて解くことが、試験温度における低い故障確率で可能であり、一方で２５メガビット／秒よりも大きなデータ転送速度を保障する。

Description

本発明は、フレキシブル信号ケーブルに関し、詳細には、ヒンジを通るルーティングなどの応用例に適したフレキシブル・ケーブルに関する。

手持式または携帯デバイスでは、高いデータ転送速度および１つまたは複数の直流電源を供給することが、互いに移動する２つの構成部品間で必要とされることが多い。たとえば、「折りたたみ式」携帯電話または典型的なラップトップ・コンピュータの場合、ディスプレイはベースバンド・プロセッサから分離されており、これら２つは通常、デバイスのヒンジ領域を通るフレックス・ケーブル（すなわち、１つまたは複数のフレキシブル・プリント回路基板層から形成されるケーブル）を介して接続される。近年、ディスプレイは、解像度が高くなり、色彩が良好になり、サービスする機能が増えているため、ヒンジ領域を通るデータの転送速度が増加している。転送速度の増加に対応するために、フレックス・ケーブルでは多層構造を用いる必要が生じており、そのため、電磁干渉および機械的破壊などの問題が増えている。

高データ転送速度は、光ファイバを用いれば実現可能であり、これにより電磁干渉が減少する。データ送信用の光ファイバを与えるケーブルおよび直流または交流送電用の金属導体については、これまで説明がされている。説明がなされている最も典型的な装置は、同軸ケーブルの組み合わせである。他の装置が（特許文献１）で説明されている。その配置は、複数の光ファイバおよび複数の金属製の単線またはより線を平行配置で成形したものを備えるリボン・ケーブルとして特徴付けられてよい。
米国特許公開第２００２０１３６５Ａ１号明細書

これらの同軸ケーブルおよびリボン・ケーブル配置が、高いデータ転送速度をもたらすが、それらの単位長さ当たりの費用は通常かなり高く、また光および電気導体の終端器は費用がかかる。

本発明は、添付の図において一例として例示しており限定ではない。図において同様の参照符号は同様の要素を示す。
当業者であれば理解するように、図中の要素は簡単および明瞭を目的として例示されており、必ずしも一定の比率で描かれてはいない。たとえば、図のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解の向上を促進するために、他の要素に対して誇張されているかもしれない。

本発明による特定のフレキシブル・ケーブルを詳細に説明する前に、本発明は、フレキシブル・ケーブルに関する方法の各ステップおよび装置の各構成部品の組み合わせを主に備える、ということを述べておかなければならない。したがって、装置の各構成部品および方法の各ステップは、図面中で従来の符号により適切に表わし、本発明の理解するために適切な特定の詳細のみを示すことで、本明細書の説明を利用できる当業者にとってすでに明白であろう詳細を有する開示が分かりにくくならないようにしている。

図１を参照すると、平面図は、本発明のいくつかの実施形態によるフレキシブル能動信号ケーブル１００が示す。フレキシブル能動信号ケーブル１００は、２つの電気絶縁層を有するフレキシブル・プリント回路基板１０５、２つの電気コネクタ１１０、２つの金属導体１１５、２つのフレキシブル光導波路１２０、２つの光送信機１２５、および２つの光受信機１３０を含む。用語「能動」は、フレキシブル能動信号ケーブル１００の説明に含まれる。なぜならば、各フレキシブル能動信号ケーブル１００には、少なくとも２つの能動素子（光送信機１２５および光受信機１３０）が存在するからである。以後、フレキシブル能動信号ケーブル１００は、より簡単にフレキシブル信号ケーブル１００と言うかもしれない。２つの電気コネクタ１１０はそれぞれ、フレキシブル・プリント回路基板１０５の２つの端部の一方の近傍に配置されている。本発明によれば、他の実施形態は、より複雑な構造を含んでいても良いが、通常は、３層を超える電気絶縁層を有するよりも複雑になることはなく、すべてのフレキシブル光導波路は、一方の端部近傍から他方の端部近傍に、分岐することなく延びている。たとえば、フレキシブル・プリント回路基板は、フレキシブル・プリント回路基板に分岐が１つ付加される実施形態において、代替的に、３つのコネクタを有することができる。フレキシブル・プリント回路基板１０５は、従来のポリイミドまたはポリエステル材料から作製されても良い。いくつかの実施形態では、フレキシブル・プリント回路基板には、絶縁層が１つだけ有しても良い。

２つの金属導体１１５はそれぞれ、各端部において、２つの電気コネクタ１１０の一方の１つまたは複数の終端器（たとえば、ピンまたはソケット）に電気的に接続される。図１に示す２つの金属導体は、接地および電源を一方の電気コネクタから他方の電気コネクタに導電し、また光送信機１２５および／または光受信機１３０に接続されていても良い。他の実施形態では、２つを超える金属導体があっても良いが、２０を超えないことが意図されている。光送信機１２５および光受信機１３０に対する電源接続の構造(topography)を作るために、さらに金属導体が１つあることが望ましい場合がある。または、値の異なる複数の電圧源を保持するために、さらに金属導体があることが望ましい場合がある。

フレキシブル光導波路１２０は、フレキシブル・プリント回路基板１０５に取り付けられている。いくつかの実施形態では、フレキシブル光導波路１２０にはそれぞれ、フレキシブル・プリント回路基板に接着される光ファイバが含まれており、また光ファイバにはポリマーまたはガラスが含まれていても良い。他の実施形態では、少なくとも１つのフレキシブル光導波路１２０には、リソグラフィによって基板上に作製されたポリマー製導波路が含まれているか、またはフレキシブル・プリント回路基板１０５の絶縁層または絶縁層の一部が含まれている。さらに他の実施形態では、少なくとも１つのフレキシブル光導波路１２０には、基板上にエンボス加工されたポリマー製導波路が含まれているか、またはフレキシブル・プリント回路基板１０５の層または層の一部としてポリマー製導波路が含まれている。導波路１２０は、他の材料および他の方法で作製しても良く、それでも本発明の技術思想を反映する。本発明を説明することを目的として、導波路１２０を、層として、層の一部として、または層上に作製することを、「基板と共に」作製すると言い、またフレキシブル光導波路１２０を基板に「取り付ける」と言うが、フレキシブル光導波路１２０を基板内にあるとしてまたは基板の一部として説明する場合もある。２つの光送信機１２５はそれぞれ、一方のフレキシブル光導波路１２０の一方の端部に光学的に結合され、電気コネクタ１１０の一方に電気的に結合されている。すなわち光送信機１２５には電気コネクタ１１０の端子が結合されている。好ましくは、結合は、電気コネクタ１１０の端子から光送信機１２５の入力に至る直接接続である。各光送信機１２５は、電気的な入力信号を変換して、変調された光信号にする変換器(transducer)である。変調された光信号は、光送信機１２５から２つのフレキシブル光導波路１２０の一方に結合される。電気的な入力信号は、係合電気コネクタ（図１では示さず）から電気コネクタ１１０に接続される。光送信機１２５は、電気／光変換器であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ・ダイオード、または垂直共振器型面発光レーザ（ＶＥＳＳＥＬ）装置であっても良い。

２つの光受信機１３０はそれぞれ、一方のフレキシブル光導波路１２０の一方の端部に光学的に結合され、電気コネクタ１１０の一方に電気的に結合されている。すなわち光受信機１３０には電気コネクタ１１０の端子が結合されている。好ましくは、結合は、電気コネクタ１１０の端子から光送信機１２５の出力に至る直接接続である。各光受信機１３０は、導波路１２０の一つから光受信機１３０に結合される変調された光学的な入力信号を、電気信号に変換する変換器である。電気信号は、電気コネクタ１１０を介して、係合電気コネクタ（図１では示さず）に接続される。光受信機は、光／電気変換器であり、光ダイオードまたは光トランジスタであっても良い。現在のところ、費用対効果の高い光送信機１２５および光受信機１３０の組は、ＬＥＤおよび光ダイオードまたは光トランジスタを用いるものであり、６５０ナノメータ（ｎｍ）〜８５０ｎｍの範囲の光を用いて動作するものである。この費用対効果の高い送信機／受信機構成部品の組を用いて、データ信号が、一方のコネクタ１１０の導体から光送信機１２５を通り、光導波路１２０を通って光受信機１３０へ、それから他方のコネクタ１１０の導体に、全体にシリアル・データ信号として伝えられる。この実施形態では、光信号に対する変調は、１００％振幅変調とすることができ、その結果、光送信機１２５および光受信機１３０による単純な変換が可能である。しかし他の実施形態では、光変調はより複雑であっても良い。

光送信機１２５および光受信機１３０のそれぞれの活性表面は、フレキシブル・プリント回路基板１０５の表面に対して適切であればどんな方位にあっても良く、平行または垂直な方位が典型的である。

図１に示す実施形態では、光受信機１３０および光送信機１２５は、電気コネクタ１１０のハウジング内に物理的に配置されている。あるいは、それらは電気コネクタ１１０の外側のフレキシブル・プリント回路基板１０５上に配置されていても良い。

図１に示す実施形態では、２つのフレキシブル光導波路１２０と、付随する光送信機１２５および受信機１３０とが存在する。いくつかの実施形態では、１つの光導波路１２０、１つの光送信機１２５、および１つの光受信機１３０だけであっても良い。これは、データ転送速度の大部分が一方の方向においてであるときに有益であるかもしれない。金属導体が少数である場合、他方の方向に運ばれるデータの量は制限されるかもしれない。

図２を参照すると、平面図は、本発明のいくつかの実施形態によるフレキシブル能動信号ケーブル２００を示す。フレキシブル能動信号ケーブル２００は、フレキシブル能動信号ケーブル１００と同じ構成部品を含むが、以下のものが付加されている。すなわち、２つのシリアル／パラレル変換器２４０、２５０、２つのパラレル／シリアル変換器２３５、２５５、およびパラレル信号を伝えるためのさらなる金属導体２４５、２６０である。図２に示す実施形態では、２つのシリアル／パラレル・コンバータ２４０、２５０、２つのパラレル／シリアル・コンバータ２３５、２５５、およびさらなる金属導体２４５、２６０が、コネクタ１１０の外部に示されているが、いくつかの実施形態では、これらはコネクタ１１０のハウジング内に物理的に配置されていても良い。シリアル／パラレルおよびパラレル／シリアル・コンバータを用いることが有益であり得る状況は、たとえば、電気信号が、金属導体のみを有する多層のフレキシブル・ケーブルを用いてパラレル信号として伝えられているが、基板が複数の層を有しているために信頼性の問題が生じているか、または電磁干渉の問題が生じている場合である。これらの実施形態では、パラレル電気信号を、電気コネクタ１１０の終端器によって受信して、パラレル／シリアル変換器２３５、２５５まで、導体２４５、２６０のグループの中の導体を介して伝えても良い。パラレル／シリアル変換器２３５、２５５では、パラレル電気信号がシリアル電気信号に変換されて、光送信機１２５のそれぞれに結合される。光送信機１２５では、シリアル電気信号を変換して、変調された光信号にする。光信号を、光受信機１３０によって受信して、シリアル電気信号に変換しても良い。シリアル電気信号は、シリアル／パラレル変換器２４０、２５０に結合される。シリアル／パラレル変換器２４０、２５０では、シリアル電気信号がパラレル電気信号に変換される。パラレル電気信号は、電気コネクタ１１０の終端器に、導体２４５、２６０のグループの中の導体を介して結合される。当然のことながら、いくつかの実施形態では、シリアル／パラレル変換器２４０、２５０を、単一のパッケージ内に光受信機１３０とともに組み込んでも良く、またパラレル／シリアル変換器２３５、２５５を、単一のパッケージ内に光送信機１２５とともに組み込んでも良い。１００％振幅変調よりも複雑な光変調を、いくつかのシリアル／パラレル変換実施形態において用いても良い。

図３を参照すると、フレキシブル能動信号ケーブル１００および光導波路１２０の幅の小部分の断面図が、本発明のいくつかの実施形態により示される。光導波路１２０の１つが、フレキシブル・プリント回路基板１０５の幅の小部分３０５の表面に、オーバーレイ材料３１５によって接着されている。この場合の導波路は、約５００ミクロンの直径の円形断面プラスチックの導波路を含む。オーバーレイ材料は、ポリエステルまたはポリカーボネート・シートまたは熱可塑性の材料を含んで良い。このような組み合わせの物品が、非常にフレキシブルだが機械的に信頼性の高い信号ケーブルを提供する。他の導波路として、たとえば２００ミクロン〜９００ミクロンの直径を有するものを用いても良い。

本発明によるフレキシブル信号ケーブルを要約すると、一つには以下のようになる。すなわち２つの電気コネクタを備え、それらは０．５メートル未満だけ分離され、少なくとも１つの光導波路が本質的に２つの電気コネクタに渡り、プリント回路基板上の２つの変換器には通常、３層以下の絶縁層が含まれている。２つの変換器の一方は、フレキシブル能動信号ケーブルの２つの端部のそれぞれに設けられ、また２つの電気コネクタの一方を、少なくとも１つの光導波路の一方の端部に結合している。ケーブルが使用される適用例に適切に関係する試験温度において、１００万回当たり１００回（100ｐｐｍ）よりも低い故障率で、フレキシブル能動信号ケーブルは、５ミリメートル直径の軸に１０，０００回巻きつけて解くことが可能である。また少なくとも１つの光導波路の１つは、データ転送速度が少なくとも２５メガビット／秒（Ｍｐｓ）である光信号であって、２つの電気コネクタの一方で受信された電気信号から変換される光信号を伝える。いくつかの実施形態（たとえば屋外使用に対するもの）では、試験温度は０℃であっても良い。室内使用に対してもっぱら意図される実施形態、たとえばメイン交流電源によって電力供給されるプリンタの場合には、試験温度はもっと高くても良い。

本発明の実施形態によるフレキシブル信号ケーブル１００、２００は、非常に信頼性が高いが、それにもかかわらず、多数の金属導体を用いてヒンジ領域を通してデータ信号を運ぶようにデザインされたフレキシブル・ケーブルに対する経済的な代替物となる。しかし、本明細書で説明した現時点で利用できる費用対効果の高いタイプの材料および構成部品を用いて、フレキシブル信号ケーブル１００、２００のデータ転送速度は、通常１ギガビット／秒（Ｇｂｐｓ）未満、多くの場合に光導波路当たりほぼ７５Ｍｂｐｓである。（これらのデータ転送速度は、現在特許請求している発明の範囲内の費用対効果の高い新しい材料およびプロセスが利用できることから、時間とともに増加し得る。）このようなデータ転送速度は、長距離光ファイバ・ケーブルが使用される現在のデータ転送速度（１０〜４０Ｇｂｐｓなど）よりも、実質的に小さい。このような長距離ケーブル（通常これらが曲げられているのは装着されるまでのみである）とは異なり、本発明のいくつかの実施形態のフレキシブル信号ケーブル１００は、５ミリメートル直径の軸に１０，０００回巻きつけて解くことが、試験温度における機械的故障の確率が１００ｐｐｍよりも低い状態で可能である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのフレキシブル光導波路と２つの導電体とのうち最長のものは０．５メートル未満であり、各光路における全体的な光損失には少なくとも１つのフレキシブル光導波路の１つにおける損失が含まれ、また少なくとも１つのフレキシブル光導波路と光送信機およびそれに結合される受信機との間の結合損失は、６５０〜８５０ナノメータにおいて５〜３５ｄｂである。いくつかの実施形態では、全光損失は、６５０〜８５０ナノメータにおいて１０ｄｂよりも大きく４０ｄｂよりも小さい場合があり、またいくつかの実施形態では、６５０〜８５０ナノメータにおいて２０ｄｂよりも大きく５０ｄｂよりも小さい。これらのタイプの損失は、最大の保障データ転送速度として１００メガ・ビット／秒（Ｍｂｐｓ）以下が、場合によっては光導波路当たり１Ｇｂｐｓ以下が、本明細書で説明した構成、変調、および材料を用いて得られることに相当している。

本明細書で説明したようなフレキシブル能動信号ケーブル１００、２００は、種々の電子装置に含まれ得る。たとえば携帯電話、プリンタ、および他の民生品たとえば携帯音楽プレーヤからラップトップ・コンピュータまで、軍用品たとえば通信無線および通信制御システム、ならびに工場ロボットなどの市販機器である。なお以上は、単に電子機器のいくつかのタイプおよびクラスに名前をつけるためのものである。本明細書で説明したようなフレキシブル能動信号ケーブル１００、２００は、データ信号を、このような電子装置のヒンジ領域を通して、またはフレキシブル能動信号ケーブルの電気コネクタの一方と係合して入力信号を光導波路に変換器を通して結合させる電気装置内のソース・コネクタから、たとえば印刷ヘッドのような移動する「ヘッド」に伝えることに、最適である。入力信号は光信号に変換される。光信号は、入力信号が運ぶ情報を、２５Ｍｂｐｓを超える（しかし通常は１Ｇｂｐｓ以下の）データ転送速度を用いて、フレキシブル能動信号ケーブルの電気コネクタの他方とはまり合って光導波路に他の変換器を介して結合される電気装置内の受信側コネクタまで、伝える。多くの光通信ケーブルと比べてそれらよりも低いデータ転送速度を使用することによって、またケーブル上の変換器を使用することによって、非常に経済的で非常に柔軟な、端部にのみ電気終端器を有するケーブルが実現される。

前述の明細書では、本発明およびその利益と優位性を特定の実施形態を参照して説明してきた。しかし当業者であれば理解するように、添付の請求項で述べる本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および変化を施すことができる。したがって明細書および図は、限定的な意味ではなく例示的な意味で考慮すべきであり、このような変更はすべて本発明の範囲に含まれることが意図される。しかし利益、優位性、問題の解決方法、および何らかの利益、優位性、もしくは解決方法を生じさせ得るかまたはより明白にするかもしれないどんな要素も、何れかまたは全ての請求項の重大であるか、必要であるか、または不可欠である特徴または要素と解釈してはならない。

本明細書で用いる場合、用語「備える」、「備えている」またはこれらのどんな他の活用形も、非排他的包含を含めることが意図されている。すなわち、要素のリストを備えるプロセス、方法、物品、または装置には、これらの要素が含まれているだけでなく、明白にはリストにされていない他の要素、またはこのようなプロセス、方法、物品、もしくは装置に固有の他の要素が、含まれていても良い。用語「他の」は、本明細書で用いる場合、少なくとも２番目またはそれを超えるとして規定される。用語「含んでいる」および／または「有している」、は、本明細書で用いる場合、「備えている」として規定される。用語「結合される」は、電気光学技術に関して本明細書で用いる場合、「接続される」として規定されるが、必ずしも直接的に行なわれておらず、また必ずしも機械的に行なわれていない。

本発明のいくつかの実施形態によるフレキシブル能動信号ケーブルを示す平面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるフレキシブル能動信号ケーブルを示す平面図である。 本発明のいくつかの実施形態による光導波路におけるフレキシブル能動信号ケーブルの幅の一部を示す断面図である。

Claims (10)

1. フレキシブル能動信号ケーブルであって、
   フレキシブル・プリント回路基板と、
   ２つの電気コネクタであって、それぞれフレキシブル・プリント回路基板の２つの端部の一方の近傍に配置される電気コネクタと、
   各端部において前記２つの電気コネクタの一方に接続される少なくとも２つの金属導体と、
   フレキシブル・プリント回路基板に取り付けられる少なくとも１つのフレキシブル光導波路と、
   前記少なくとも１つのフレキシブル光導波路のうちの少なくとも１つに属する前記２つの端部の一方に光学的に結合され、かつ前記２つの電気コネクタの一方に電気的に結合される光送信機と、
   前記少なくとも１つのフレキシブル光導波路のうちの前記少なくとも１つに属する前記２つの端部の他方に光学的に結合され、かつ前記電気コネクタの他方に電気的に結合される光受信機と、
   を備えるフレキシブル能動信号ケーブル。
2. 前記フレキシブル・プリント回路基板が、３層以下の電気絶縁層を有する、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
3. 前記光送信機および受信機が前記２つの電気コネクタにそれぞれ電気的に接続される、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
4. 前記光送信機に電気的に接続され、かつ前記２つの電気コネクタの一方に電気的に接続される少なくとも１つの電気的なパラレル／シリアル変換器をさらに備える、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
5. 前記光受信機に電気的に接続され、前記２つの電気コネクタの一方に電気的に接続される少なくとも１つの電気的なシリアル／パラレル変換器をさらに備える、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
6. 前記少なくとも１つのフレキシブル光導波路と前記少なくとも２つの金属導体とのうち最長のものは０．５メートル未満であり、各光路における全光損失には前記少なくとも１つのフレキシブル光導波路の１つにおける損失が含まれ、前記少なくとも１つのフレキシブル光導波路と前記光送信機およびそれに結合される受信機との間の結合損失は、６５０〜８５０ナノメータにおいて５ｄｂよりも大きい、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
7. 前記フレキシブル能動信号ケーブルを、５ｍｍ直径の軸に１０，０００回巻きつけて解くことが、試験温度において１００万回当たり１００回よりも低い故障率で可能である、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
8. 前記光受信機は光ダイオードまたは光トランジスタである、請求項１に記載のフレキシブル能動信号ケーブル。
9. 電子装置であって、
   ０．５メートル未満だけ分離された２つの電気コネクタが取り付けられたフレキシブル・プリント回路基板を備え、前記２つの電気コネクタに結合される導電体を通して電力供給可能な能動変換器を通して電気コネクタに結合される少なくとも１つの光導波路をさらに備えるフレキシブル能動信号ケーブルであって、前記２つの電気コネクタ、前記少なくとも１つの光導波路、前記能動変換器、および前記導電体は、前記フレキシブル・プリント回路基板に取り付けられる、フレキシブル能動信号ケーブルと、
   前記２つの電気コネクタの一方と係合するソース・コネクタであって、前記少なくとも１つの光導波路のうちの１つによって前記２つの電気コネクタの前記一方から前記２つの電気コネクタの他方に伝えられる２５メガビット／秒（ｋｂｐｓ）以上の最大組み合わせデータ転送速度を有する電気信号の組を搬送するソース・コネクタと、
   を備える電子装置。
10. フレキシブル能動信号ケーブルであって、
    ０．５メートル未満だけ分離された、フレキシブル・プリント回路基板に取り付けられる２つの電気コネクタと、
    本質的に前記２つの電気コネクタに渡る少なくとも１つの光導波路と、
    前記２つの電気コネクタの一方を前記少なくとも１つの光導波路のうちの１つに属する端部に結合させる前記フレキシブル能動信号ケーブルの２つの端部のそれぞれにおける変換器とを備え、
    前記少なくとも１つの光導波路のうちの１つは、データ転送速度が少なくとも２５メガビット／秒である光信号であって、前記２つの電気コネクタの一方で受信した電気信号から変換される光信号を伝える、
    フレキシブル能動信号ケーブル。

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