JP2008506973A - 光電気ハイブリッドコネクタ - Google Patents

Abstract

迅速で、確実で、可逆的な、光学的結合及び電気的結合が混在した改良ハイブリッドコネクタを提供する。本発明によるハイブリッドコネクタのプラグ(103)は、中央に配置された光ファイバを含む光フェルール(108)と、周囲に位置した電気接点(109)を有し、ハイブリッドコネクタのソケット(105)は、内部電気接点(115)と、光ファイバを支持する中央の浮動式光コネクタ(225)を有する。プラグ(103)のシャフト(107)をソケット(105)のボア(201)に挿入して回転させると、シャフト(107)とソケット(105)の電気接点(109,115)が接触し、プラグ(103)のフェルール(108)とソケット(105)のコネクタとの光ファイバが結合し、それにより、電気的結合要件及び光学的結合要件の両方を最適化し、且つ、迅速で可逆的で低コストなハイブリッド結合を得る。

Description

本願は、２００４年６月１６日に出願された米国仮特許出願第６０／５８０，４１４号を基礎とする優先権を主張し、同出願の開示を援用する。

本発明は、プラグ及びソケットからなるコネクタシステムに関し、安価かつ可逆的(reversible)で、軸線方向位置の誤差に寛容な（Ｚ軸方向位置変化を許容可能な）、光と電気の混在結合を提供するコネクタに関する。より詳しくは、迅速に挿入でき、ショート（短絡）せず、且つ回転式に係合されるシャフトとソケットとからなり、Ｚ軸方向位置変化に許容可能に且つ浮動式に結合される１つ又は２つ以上の光ファイバが細長いシャフトの内側の中央に配置され、Ｚ軸方向位置変化を許容可能な１つ又は２つ以上の幅広の電気接点アレイ要素が、同一のシャフトの外側に取付けられた可撓性ＰＣボードに配置され、可逆的な光／電気のハイブリッド結合を得ることを目的とし、従来のハイブリッドコネクタシステムにおいて固有の高価であること、取り扱い困難であること、及び軸線精度の要求といった問題点を解消するコネクタに関する。

伝統的な、光や電気のコネクタは、光又は電気のいずれかの単一の信号タイプを伝送するように最適化された、モノリシックのデバイスである。信号タイプによって、このようにコネクタを分離していることには理由がある。第１に、ほとんどの用途においては、ひとつのタイプの信号伝達だけが要求されるので、ハイブリッドコネクタに伴う追加的なデザイン及び材料の出費は求められない。第２に、良好な電気結合に求められる固有の特徴（例えば、接触要素を拭き掃除する良好な物理的接触、軸線方向位置決め精度が低いこと、及び組立て後に接点を仕上げる必要がないことなど）は、良好な光ファイバの結合に求められる特徴（例えばファイバの端面を損傷する物理的な接触を避けること、軸線方向の位置決めが高精度であること、及び組立て後にファイバ端部を仕上げる段階が必要なことなど）とは異なっていて、両者はしばしば相反する。

これらの制限や要求条件は、嵌合させたり組み立てたりする際の、光結合と電気結合との間における、そうした相違点の原因を調べることによって最も良く認識できる。

第１に、嵌合の際に物理的接触が存在するか、回避されるかについて考える。電気接続においては一般的に、確実で低い抵抗の電流通過を得るために、良好な物理的接触が求められる。また、金属製の接点は、時間経過によって表面に堆積物を蓄積し、腐食する傾向があるので、物理的な接触及び離間動作には、接点のクリーニングを容易にするため、通例「拭き掃除する」効果が組み込まれる。これとは対照的に、層をなすファイバのガラス端面は壊れ易いので、光ファイバ間における良好な物理接触は、一般的に不都合である。光ファイバ間を物理的に直接接触させることは、ファイバ内に光を閉じ込めるクラッディングを損傷させたり、光が伝達される光ファイバの端面を引っかいたり、または、ファイバ本体を全体的に破壊したりし、これらのすべては、ファイバによる光伝達を低下させ、または、ファイバを使用不能にする。

第２に、嵌合の際に要求される、軸線方向（Ｚ軸線方向）の位置決め精度について考える。いったん途中まで挿入されれば、電気ピンとソケットとの結合は、要素がさらに押し込まれても、普通は良好に働き続ける。実際、電気接点を少々追加的に挿入すれば、接触面積が増えると共に拭き掃除効果のために、通常は、改善された接触がもたらされる。従って、電気接続を良好に働かせるためには、典型的には、Ｚ軸線方向の位置決め精度はほとんど要求されない。このため、電気接点においては、軸線方向精度の低い金属製のピンとソケットとを用いた大型アレイを安価に製造することができ、例えば、コンピュータ産業において使用される標準的なＤ型ピンコネクタにあっては、９ピンから１００ピン以上を平面内に（挿入軸線方向に対して垂直な平面の方向、即ち、ＸＹ軸線方向面内に）配列されている。典型的にはは、そうした平面方向に配列された電気接点においては、ピンは横方向の揺れ動きを有していて、このことは例えば、標準的な９ピンのＤ型ピンコネクタにおける雄ピンのそれぞれが物理的に乱されると、ミリメートルの横方向運動を呈する事実からも、容易に例証されるだろう。

これとは対照的に、光コネクタには、誤差に対して、それほど許容性がない。ファイバの結合は、上述した電気結合に比べると、１，０００倍以上の精度にて、横方向（ＸＹ軸線方向）及び軸線方向（Ｚ軸線方向）に位置決めされることを必要とする。いくつかの固有的な理由のために、位置決め誤差に対する光ファイバの公差は、典型的には極めて小さい。第１に、光ファイバが互いに軸線方向（Ｚ軸線方向）に離れると、光結合の損失につながり、他方において、軸線方向に互いに接近させることは、慎重に制限しなければ、ファイバの端部同士を衝突させることになる。そうした衝突は、ほとんどの光ファイバの端面を深刻に損傷させる。第２に、対をなす光ファイバの横方向の位置決めについて、外観的には小さく見えても、整列誤差があると、典型的には、大きな光結合の損失につながる。例えば、対をなす１００ミクロンのマルチモードファイバ間に、わずかに０．００４インチの横方向のずれがあると、伝達される光は完全に失われる。

結合される光ファイバ間に、このようなミクロン単位の整列が必要であるために、ファイバの結合においては、典型的には、コネクタの内部に高精度の部品が必要になる。これらの精密部品（レーザで孔開けされたフェルールや、フライス加工されたステンレス鋼のカプラなどを含む。）はコネクタのコストを高騰させる。例えば、業界において標準的なＳＭＡタイプの光プラグと、中央嵌合式の二重雌型カプラコネクタは、ただ単一の対のファイバを結合させるだけなのに、２５ピンのＤ型タイプの電気アレイ雄型／雌型コネクタのペアの何倍もの価格で市販されている。

第３に、組立て中及び仕上げ中の接点に対するアクセス可能性について考えなければならない。電気ピンは典型的にはシールドされ又はフードが付けられ、ソケットは窪んでいて、ワイヤとワイヤとが短絡することを防いでいる。これとは対照的に、光ファイバのフェルールは、典型的には、あらゆる保護ホルダを越えて突出し、新たな、むき出しの光コネクタに光ファイバを押し込んで接着した後に、ファイバを仕上げる（接着、研磨、磨きなど）ようになっている。

上述した固有の制限を考慮に入れたとき、電気と光のコネクタにあっては、物理的接触、位置決め精度、及び組立て後について、要求条件が直接競合して、そうした競合する要求条件は、これらを容易に同時に満足させることは出来ない。

従来のコネクタにおける上述した限界は、当業者にとって明らかである。

ハイブリッド式の光電気コネクタは公知である。そうした装置は、最も典型的にはは、平面（ＸＹ軸線方向）になっていて、合致する要素は、合致する軸線に対して垂直で且つ平面方向の端面を形成している。例えば、国際公開ＷＯ０１／０４２８３９号パンフレット及び米国特許第６，６１２，８５７号は、単一のハイブリッドコネクタとして組み合わせられ且つ独立して取外し可能な電気組立体又は光組立体を教示している。米国特許第６，５９９，０２５号は、標準的なコネクタにおける電気要素間に光ファイバを配置するハイブリッドを教示している。米国特許第６，５８８，９３８号は、バネで維持された電気接点の平面方向のアレイを備えたハイブリッドハウジングを教示している。独立要素のハイブリッド商業製品は公知である（EcublensSwitzerland の Lemo S.A.社によって販売されている、マルチ及びハイブリッド光ファイバコネクタ用のミニチュアＦ７コンタクト）。これらの Lemo のコネクタは、光及び電気の結合の異なる要求条件を、Ｚ軸方向位置変化を許容することによって同時に最適化することに失敗したため、高価である（１個のコネクタ当たり１００米国ドル以上）。これらのすべてのハイブリッド装置は、未だ簡素で最適化されていない装置であって、異なり且つ競合する電気的及び光学的な要求条件に応じた最適化をなされることなく、独立した標準的な平面方向の結合要素を使用しているという不都合があり、軸線方向位置の許容範囲を増やす必要性を示唆又は教示することもないが、これらのすべては電気信号と光信号の両方を低コストにて同時に結合するには必要なことである。

電気接点を、平面方向の接点に展開するのに代えて、シャフトに沿って軸線方向（Ｚ軸線方向）に展開することは、一般的ではないものの、公知になっている。米国特許第４，０８０，０４０号は、複数の電気接点要素を、パッチコードプラグと受入れジャックとに沿って長手方向（軸線方向）に配置しているが、ハイブリッドのデザインにおいて、ファイバのための浮動要素やレンズに結合された要素を使用する場合、コネクタの軸線方向の位置決め精度の要求条件をどうやって緩和するのかについて教示することがない。このような及びその他の軸線方向プラグ及びソケットを光ファイバと組み合わせる構成は、上に引用したハイブリッドコネクタにおいて教示されているように、Ｚ軸方向位置変化を許容することを達成するには不十分であろう。というのは、Ｚ軸方向位置変化を許容する要素において軸線方向位置の許容範囲を大きくする必要性は、当業者において教示も示唆もされていないためである。

良好なファイバ結合が得られ、軸線方向の合致に必要な精度を低下できる光要素は知られている。米国特許第５，２５９，０５２号は、２つの光ファイバプラグを結合するのに用いられる動きの制限された浮動式フェルールを教示している。米国特許第６，５５０，９７９号は、軸線方向において、結合されたファイバに向かう方向にフェルールホルダを付勢するようにバネ結合されたフェルールを教示している。しかしながら、これらは自立構造の光要素であって、同時に電気結合をする場合のデザインの要求条件については考慮されることがなく、従って、公知のハイブリッドデザインと組み合わせることは、困難である。これらの浮動式装置の要素は、浮動要素と困難な製造段階の存在の下、電気及び光の両方の結合を同時に最適化する、浮動式光要素とハイブリッドの電気／光コネクタの組み合わせについて、教示も示唆もしていない。

上述したそれぞれのコネクタシステムや方法には、上述した１つ又は２つ以上の制約があって、すなわち、光及び電気の結合要素の両方にＺ軸方向位置変化を許容することを組み込まれることがなく（例えば、改良された軸線公差を全く組み込まれず、または、光及び電気の結合の両方について結合の要求条件を同時に最適化するような単一の一体的なコネクタとして組み合わされることがなく）、このため、ハイブリッドコネクタの製造及び組立てを技術的に困難又は高価にしている。

ＷＯ０１／０４２８３９号 米国特許第６，６１２，８５７号 米国特許第６，５９９，０２５号 米国特許第６，５８８，９３８号 米国特許第４，０８０，０４０号 米国特許第５，２５９，０５２号 米国特許第６，５５０，９７９号

上述したいずれのシステムも、低コストの製造と、容易な組立てと、使用が容易な単一のコネクタとをもたらすような、（ａ）光要素のためにＺ軸方向位置変化を許容する結合、及び（ｂ）軸線方向の電気アレイのためのＺ軸方向位置変化を許容する結合、の両方に関して、電気結合と光結合との両方について最適化された、単一のハイブリッドコネクタ装置に、光と電気の結合部を効率的に組み合わせることを示唆又は教示していない。ハイブリッドの電気及び光のシャフトとソケットとからなるコネクタであって、軸線方向の電気アレイにＺ軸方向位置変化を許容するように組み込み、Ｚ軸方向位置変化を許容する浮動式ないしレンズ結合式のファイバアレイを一体化させたものは、これまでに教示又は示唆されておらず、また、我々の知識によれば、そうしたツールが既に製造及び商業化に成功した事実はない。

本発明は、Ｚ軸方向位置変化を許容し且つ中心に配置された浮動式の光ファイバカプラと、Ｚ軸方向位置変化を許容し且つ軸線方向の周囲に位置する電気接点アレイとを備えている、ハイブリッドのプラグとソケットからなるコネクタを達成する上で必要な考慮すべきデザイン知識に基づき、迅速で、安価で、軸線方向位置変化を許容し、自己拭き掃除し、コネクタ要素間を確実に結合する、改良された結合を提供する。有利には、迅速な結合、迅速な脱着、低コスト、使い捨て可能、再現性、及び信頼性を含む。これは、これまで商業的に入手可能なコネクタを用いて実現されて来たものに比べて、医療用モニタ及びプローブの実現を、より簡単で安価なものとする。

本発明の顕著な特徴は、電気コネクタと光コネクタとの両方には異なった位置決め精度の要求条件があるけれども、（ａ）Ｚ軸方向位置変化を許容可能で、軸線方向に展開され、幅広く接触する、周囲に位置した電気接点アレイと、（ｂ）Ｚ軸方向位置変化を許容可能で、浮動式で、中心に位置するファイバコアとを同時に使用することによって、異なる結合要求条件を確実かつ同時に満足することにある。浮動式の光コアファイバは、自己整列且つ自動調心しながら軸線方向位置変化を許容し、非常に安定し且つ再現性がよい。浮動要素は、Ｚ軸線方向の位置決めの不正確を取り除き、結合されたファイバの端面間について絶対的な制御を維持する。１つ以上のファイバを使用できる。同時に、直線的な電気アレイによれば、広くて、自己拭き掃除式の、短絡しない、物理的な接触領域が得られ、これらはＺ軸方向位置変化を許容し、光結合に典型的に要求される高度の合致の要求条件は求められない。これは電気コネクタのコストを実質的に引き下げ、１〜Ｎ個の短絡しない迅速結合接点へ拡張される可能性を維持している。さらに、そうした幅広の接点は、極めて安価に、可撓性ＰＣボードにモールドされ又は提供され、コネクタ全体を、特にそのプラグ部分を、極めて低コストにて製造可能にする。

従って、本発明の目的は、Ｚ軸方向位置変化を許容するハイブリッドコネクタを提供することであって、かかるコネクタは、幅広の電気接点アレイを周囲に配置し、中心のファイバコアのまわりに設け、ファイバコアは、レンズや浮動結合に起因してＺ軸方向位置変化を許容可能である。その最も簡単な構成においては、ファイバコアは、軸線方向浮動式カプラを用いて結合された１本だけのファイバを有し、少なくとも２つの幅広の周囲電気接点を有するが、必要に応じてこれを拡張して、追加的な光ファイバや電気接点を加えてもよい。同様に、いつくかの電気接点に代えて又は補って、直接的な接触を必要としない、非接触のＩＤチップ（いわゆる「ＲＦＩＤ」の標準チップセット）を用いてもよい。

別の目的は、良好な物理的接触をもった短絡しない電気接点アレイであって、プラグをソケットに挿入して回転させることで係合して拭き掃除し、敏感な電子回路や大電力の用途に使用できる電気接点アレイを提供することである。

他の目的は、プラグシャフトを途中まで回転させるロック作用によって安定化される、光コネクタの高精度の安定化を得ることである。

別の目的は、プラグシャフトの１回転未満の回転にて、好ましくは時計まわりの１／４回転によって結合がなされるような、可逆的な迅速結合を提供することである。これにより、自然で迅速な取り付けと、迅速な脱着とが得られ、シャフトの１回転未満の回転、好ましくは反時計まわりの１／４回転によって、係脱が得られる。

別の目的は、改良された医療用の分光装置を実現できる、統合されたコネクタシステムを備えてなるプローブ及びシステムを提供することである。

最後の目的は、例えばプローブタイプなどの識別データが埋め込まれたコネクタを提供することであって、そのために例えば、コネクタの電気接点を介してＥＥＰＲＯＭにアクセス可能にするか、または、近接タグや非接触識別バッチに用いられるＲＦＩＤチップなどの非接触な機能を使用する。

上述の改良されたハイブリッドコネクタは複数の利点を有する。

ひとつの利点は、電気と光の結合を備えた装置は、単一のコネクタを用いて取り付け及
び取外しが可能なことである。

別の利点は、結合フェルール又は結合チャネルを備えた中心のファイバは、自己整列し、伝達又はコリメートレンズ及び要素、浮動式カプラなどといった、Ｚ軸方向位置変化を許容する結合技術を組み込むことができる。

別の利点は、この取り付けが、可逆的かつ迅速で、確実であることである。

別の利点は、高価な部品（シャフトフェルールやリバースコリメートレンズなどが取付けられる精密な浮動アライメント管）はソケットコネクタの内部に配置することとする一方、雄プラグシャフトは、印刷回路接点又はカードエッジ接点及び低い公差の光フェルールだけを有し、これらの要素は、独立した電気接点や精密な光コネクタに比べて安価であるために、これらのコネクタを展開する蓄積的なコストを低下できる。

さらなる利点は、電気結合を任意数の接点に拡張できることであって、そのためには、単に、挿入シャフトの長さを長くするか、接点間の間隔を小さくするか、電気アレイの接点の列を追加して平行に設けるかすればよい。

電気と光の混合的結合のための、確実かつ迅速で、統合された、可逆的結合を提供する、Ｚ軸方向位置変化を許容するハイブリッドコネクタが提供され、特に、リアルタイムにて人間の患者の分光分析を可能にする目的の例示が示される。ひとつの実施形態においては、Ｚ軸方向位置変化を許容するコネクタは、準円周要素の長手軸線に沿って直線的な電気接点アレイを軸線方向に配置された、軸線プラグを用いていて、コネクタの中心にはファイバと光結合要素とを備えている。浮動式で軸線方向の位置決めについて許容性をもつ浮動式カプラを用いることで、安価な低い軸線精度のプラグシャフトと併用しても、ファイバの結合は高い内部軸線精度にて維持される。プラグは、キー付きチャネルをもったソケットに可逆的に又は取外し可能に結合され、プラグのシャフトは、かかるチャネルに完全に挿入してから回転される。プラグシャフトを回転させると、プラグシャフトの電気パッドは、ソケットの中空チャネルの内部にあるバネ接点と接触して、プラグを安定させて固定する。取外す場合には、反対方向に回転させれば、電気接点が外れて、プラグは中空チャネルから取り出すことができる。改良されたコネクタを組み込まれた、医療用のプローブ及びシステムについても開示される。

これらの及びその他の本発明の利点に関しては、添付図面、実施形態、及びその詳細な説明から明らかになるだろう。本発明の用途の範囲と利点に関しては、現在、製作され、実験室及び臨床的にモニタされている、ハイブリッドコネクタの動作についての詳細な説明によって理解されるだろう。

本発明については、添付図面と関連させた以下の詳細な説明から、より明確に理解されるだろう。

本発明の目的のために、以下の定義を提供する。

「ハイブリッドコネクタ」：結合すべき光と電気の両方の伝送ラインを含むコネクタ。混合コネクタとも称する。

「プラグ」：ハイブリッドコネクタの細長いシャフト状の部材。雄プラグ又はシャフトとも称する。

「ソケット」：ハイブリッドコネクタの中空の受入れチャンバ部材であり、プラグをレセプタクルに挿入することによって、プラグ部材と結合される。雌型ソケット、レセプタクル、又はチャンバとも称する。

「周囲の」：プラグシャフトの外面上又はその近くに配置されること、または、ソケットのレセプタクルのチャンバ内面に沿って配置されること。周囲の接点の例は、ロッド形状プラグの外面上に周方向に配置された電気パッド要素アレイ、又は、ロッド形状プラグの外面の近くに配置された直線カードエッジ式のものを含む。「中央の」を参照のこと。

「中央の」：周囲にではなく、内側又は中央の領域に配置されること。プラグのシャフトについて、コアはシャフトの中心に向かっており、ソケットについて、コアは、ソケットチャンバ内の空間の軸線中央部分に向かって配置される。「周囲の」を参照のこと。

「軸線方向の」：細長い部材、又は、コネクタ挿入経路の長手方向の軸線に沿うこと。Ｚ軸線とも称する。「平面方向の」を参照のこと。

「平面方向の」：細長い部材又はコネクタ挿入経路の長手軸線に対して垂直に配置されること。Ｘ−Ｙ軸線方向とも称する。

「Ｚ軸線方向位置変化を許容」又は「軸線方向位置変化を許容」：ある要素が適切に動作し又は結合される上で、軸線方向（Ｚ軸線方向）におけるレセプタクルソケットに対する挿入済みプラグの正確な位置になっていることに強く依存しないこと。

「軸線方向アレイ」：軸線方向に展開された少なくとも２つの接触要素の組。例えば、電気接点パッドの直線列は、円周方向に展開された各電気接点パッドが、プラグのシャフトの長さ方向に沿って異なる固定距離にある。「平面方向アレイ」を参照のこと。

「平面方向アレイ」又は「Ｘ−Ｙ方向アレイ」：挿入可能なプラグ面と垂直な平面内に展開された少なくとも２つの接触要素の組。Ｘ−Ｙ方向アレイの例は、要素が平らなプラグに沿う行及び及びソケット面に沿う列に配列された従来のコンピュータ用Ｄ型ピンアレイである。

「周方向の」：ロッド、シャフト又はチャンバの端からの直線距離をほぼ同じに保ちながら、ロッド、シャフト又はチャンバの周方向曲面に沿うこと。周方向要素は、周方向に一周する円形リングであってもよいし、周方向に途切れる開放リング又は短い弧であってもよい。周方向に途切れるリング、パッド又は弧形状要素は、ロッド、シャフト又はチャンバを部分的包囲するに過ぎない。

「回転方向に係合された」：プローブをロックするために、及び／又は、接点の１つ又は２つ以上の組を係合させるために、回転させられるコネクタ。

「光カップリング」：第１の光要素から出た光が第２の光要素と少なくとも部分的に相互作用する、２つの光要素の構成。この構成は、空気又は空間を介する（助けのない）自由空間伝搬であってもよいし、または、レンズ、フィルタ、フューズドファイバエキスパンダ、コリメータ、コンセントレータ、コレクタ、光ファイバ、プリズム、ミラー、反射面等、介在式、固定式又は浮動式の光要素の使用を必要としてもよい。

「電気カップリング」：２つの電気要素が電気的に相互作用し、且つ、ほとんどの場合、使用可能な電流を両者の間に流す、２つの電気要素の構成。

「浮動式カプラ」：Ｚ軸方向位置変化を許容する光結合要素。一例を挙げれば、Ｚ軸方向位置変化を許容する光結合要素は、物理的に軸線方向に移動するバネ負荷式の浮動式カプラであり、このカプラは、２以上の光ファイバを高精度で結合させることを可能にしながら、ひとつのファイバの他方のファイバに対する軸線方向の位置決めについてかなりの変動公差を許容する。かくして、ファイバの端面間が離れ過ぎることに起因する貧弱な光結合というリスクがなく、また、ファイバの端面間が近すぎることに起因する結合ファイバの損傷というリスクもなく、軸線方向の位置決め誤差に対して許容性のある高品質の光結合を可能にする。別の例としては、Ｚ軸方向位置変化を許容する光要素は、コリメートレンズとの組合せであり、レンズ要素の間の距離に対して比較的鈍感になっていて、光結合の品質における結合されるファイバ間距離の重要度を下げて、Ｚ軸方向位置変化を許容する。

図１Ａを参照すると、コネクタは、軸線方向シャフト１０７を有する雄プラグ１０３を含み、この雄プラグ１０３は、雌ソケット組立体１０５から分離した状態で示されている。軸線方向シャフト１０７は、軸線方向中心の光ファイバを収容し、この光ファイバはフェルール１０８内で終端している（図３Ａ参照）。軸線方向シャフト１０７は、複数の光ファイバを収容していてもよい。フェルール１０８は、光結合要素の単なる一例であり、その他の同等な要素も、それがコネクタ前後の光結合をもたらすならば、同様に働く。図１Ａでは、回路基板１１０は、雌ソケット１０５から取外された状態で示されている。図１Ｂの拡大図に示すように、回路基板１１０は、バネ１１７に載せられた複数の接点要素１１３を有し、接点要素１１３は、破線で示すスロット１１４を通って雌ソケット１０５の中に突出する。本発明の変形例において、接点要素１１３、１１７が雌ソケットの一部分を構成してもよいことは明らかである。

図２は、複数の電気接点１０９を示すように回転させた雄プラグ１０３の斜視図であり、複数の電気接点１０９は、接点要素１１３との電気接触のために、平面１１６からシャフトの丸み部分の上に延びている。電気接点の数は、雄プラグ１０３を結合させる電気−光装置の電気的要求に依存する。電気接点１０９は、シャフト１０７に接着させた可撓性の回路基板上のメッキ銅パッドであるのがよい。電気接点１０９は、シャフト１０７の平面部分１１６に沿って取付けられ、シャフトの丸み部分１１８上に延びている。電気接点１０９は、軸線方向に延びるリード１０９ａと、周方向に延びるリード１０９ｂとを有している。可撓性の印刷回路接点を用いることにより、雄プラグ即ちシャフトを射出成形した後、高速大量生産を容易にし、コネクタに埋込まれたＥＥＰＲＯＭメモリ１１１等の集積回路への直接接続を可能にする。

図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３Ａ、図３Ｂ、及び図５を参照すると、シャフト１０７は、Ｌ字形の整列チャネル１１２を、プラグ１０３の平面１１６（図２参照）に対して直径方向反対側に有している。図１Ａ及び図３Ａに示すように、ソケット１０５はピン１１９を有し、このピン１１９は、シャフト１０７をソケット１０５に摺動式に挿入するとき、図３Ａに示すように、整列チャネル１１２に係合する。シャフト１０７の軸線方向移動は、ピン１１９が溝１１２のアーム部分１２０（図５参照）に係合したときに停止させられる。次に、シャフト１０７を回転させて、ピン１１９を溝１１２の垂直方向延長部分内に移動させ、完全に係合させる。当初、シャフト１０７を挿入したとき、シャフト１０７の平面部分１１６にある接点要素１０９は、バネ上の接点要素１１３（図１Ｂ参照）に係合していない。しかしながら、シャフト１０７を挿入して回転させた後、シャフトのる接点部分１０９の丸み部分１１８の上まで延びるシャフト接点１０９の一部分を、ソケット接点要素と回転式に係合させ、以下に説明するように、電気接触を提供する。かくして、コネクタの電気結合部を説明した。

次に、図６〜図１０を参照して、コネクタの光結合部分をに説明する。ソケット１０５は、中央ボア２０１を有し、この中央ボア２０１は、その遠位端のところが領域２０７に拡大し、肩部２１３で終端している。拡大したボアは、浮動式のバネ負荷式の光結合要素２２５を受入れ、この結合要素２２５は、バネ２２９を受入れる小径２２７の部分を有している。端プレート２３７は、例えばネジ２３５によって、ソケット１０５の端部に固着され、結合要素２２５を軸線方向に推進させるようにバネ２２９の他端に係合し、結合要素２２５は、肩部２１３に当接している。光ファイバ２３９を有するＳＭＡ結合ケーブル２３８等の光ケーブルが、結合要素２２５の中に所定距離だけ延びている。ケーブル２３８の端部は、光ファイバの端面を光結合要素２２５のところに有するように研磨されている。図１０に示すように、プラグ１０３をソケット１０５に挿入したとき、結合要素２２５は、プラグ１０３の端部のところのフェルール１０８（図５）を受入れ、プラグの端部のところの肩部１９３が結合要素２２５の端部に係合するまで、フェルール１０８を中心合わせして案内する。この時点で、フェルール１０８の端面と光ケーブル２３８の面とは、良好な光結合のために、物理的に接触せずに互いに対して精密に間隔をおいて位置決めされている。次に、プラグを回転させて、上述した摺動による電気接触を提供する。

従って、光結合要素２２５は、プラグをソケットに挿入したときに、フェルールを受けるように構成され、フェルール側のファイバの端部とカプラ側のファイバの端部との間の距離は、光結合を得るために互いに近接して間隔をおく。その結果、電気接触が得られ且つプラグがソケットに挿入されたとき、光ファイバは一対一に整列される。かくして、コネクタにおける光結合部を説明した。

上述したコネクタは装置に組み込まれる。例えば、雄プラグ又はコネクタプラグ１０３は、医療用装置に埋込まれ、例えば図１１に示すように、プラグ１０３は医療用カテーテルプローブ２０３に埋込まれる。プローブ２０３は、患者側端部２０６と、カテーテル本体２０７と、モニタ側端部２０８とを有している。プローブ２０３において、可撓性の本体２０７は、米国ＦＤＡクラスＶＩの熱収縮チューブ２１４からなり、この熱収縮チューブ２１４は、医療グレードのＴｙｇｏｎ（登録商標）チューブ材２１７を包囲し、これらは両方とも、プローブの患者側端部２０６の近くのスエージ箇所２１９のところで、照明器２１８にスエージ加工されている。ワイヤ２２２，２２３は、プラグ１０３の電気接点１０９（図３Ａ、図３Ｂ参照）から同軸管２１４，２１７の中を延び、モニタ端部２０８のところでプラグ１０３の接点１０９に接続されることによって終端している。照明器２１８からの光結合ファイバ２２４は、プローブ２０３の患者側先端部２０６から延び、同軸管２１４，２１７の内部をワイヤ２２２，２２３と平行に進み、モニタ側端部のプラグ１０３のフェルール１０８内で終端している。プラグ１０３は、上述した電気結合部及び光結合部を有するリバーシブルなハイブリッドコネクタプラグである。

プローブ２０３は、光メモリチップ２４１がプローブ本体２０７内に一体化された状態に「スマート」に作られるのがよい。このメモリチップ２４１は、装置の作動に有用な情報、例えば、較正パラメータ、参照データベース、以前に識別された組織から区別される特性のライブラリ等を保有し、この情報は、雄プラグ１０３を介してアクセス可能であるのがよい。さらに、メモリチップ２４１が含む情報は、プローブの識別情報、プローブのシリアル番号、使用履歴、較正の詳細、又はプラグ１０３を介してアクセス可能なその他の情報を含む。

ハイブリッドコネクタ１０３は、医療用システム２６７等の装置に組み込まれるのがよく、図１２に示すように、プローブ２０３は、プラグ１０３及びソケット１０５を介して、医療用システム２６７に取付けられている。そうした分光装置の例は、国際公開ＷＯ０３／０８６１７３号パンフレットに開示されている。

次に、コネクタの動作及び使用について説明する。この例においては、図１２に示すように、コネクタプラグ１０３は、医療用カテーテルのプローブ２０３に組込まれ、ソケット１０５を介して分光モニタ装置２６７に結合されている。

再び、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、最初、プラグ１０３をソケット１０５に挿入する。これを達成するため、プラグ１０３を、ソケット１０５に対して軸線方向に整列させて保持する。次いで、ソケット１０５のピン１１９をプラグ１０３の整列チャネル又はスロット１１２と噛合わせた後、プローブのシャフト１０７をソケット１０５に挿入する。この動きを、軸線方向挿入／取外し矢印１３３によって図示する。コネクタプラグ１０３及びフェルール１０８を、それらが完全に挿入されるまで、ゼロないし小さな挿入力で押す。

再び、図５〜図８を参照すると、重要な段階が起こる。雄プラグ１０３のフェルール１０８を自動的に整列させ、それを、フェルール１０８が完全に挿入される２〜３ｍｍ手前で浮動式の光結合要素又はカプラ２２５に結合させる。結合すべき光ファイバの端面は、接触による衝突で破損したり、あるいは、効率的に結合させるのに遠く離れたりすることがある。しかしながら、この実施形態においては、光結合要素又はカプラ２２５は浮動式のコネクタであり、デザイン的に可能な限り、バネ２２９によってソケット１０５の挿入（入口）端部に向かって前進した状態で保持される。フェルール１０８が光結合要素又はカプラ２２５内の完全な挿入位置に達するとき、ファイバの端面は、衝突することなく、互いに数ミクロンの範囲に維持されることを許し、フェルール１０８は光結合要素又はカプラ２２５に完全に挿入される。光結合要素又はカプラ２２５は、更なる最終的なフェルール１０８の前進運動を吸収するように移動する。この動きによって、ソケット１０５のピン１１９が雄プラグ１０３の整列チャネル又はスロット１１２に沿って完全に挿入され、フェルール１０８を光結合要素又はカプラ２２５と光学的に有効に結合させる。電気接点１０９は、ソケット１０５の電気接点アレイ１１５と軸線方向に整列しているが、回転方向に整列していない。従って、この時点では、プラグ接点アレイ１０９とソケット接点アレイ１１５とは電気的に接触していないままである。

最後に、雄プラグ１０３をソケット１０５内で時計まわりに１／４回転させる。この動きは、整列チャネル１１２が軸線方向の出入り移動だけを許容するので、ソケット１０５に軸線方向に最初に挿入する間は許されない。しかしながら、雄プラグ１０３をソケット１０５に完全に挿入すると、図３に示すように、ピン１１９がチャネル１１２の部分的に円周方向の短いアーム部１２０に回転して入ることができるので、回転が許容される。いったん、ピン１１９が短いアーム部１２０の遠位端まで回転すると、雄プラグ１０３は完全に回転し、同じ方向にはそれ以上、回転することができない。雄プラグ１０３を軸線方向に挿入した後で回転させることにより、少なくとも３つの機能を実行する。第１に、ピン１１９が整列チャネル１１２の短いアーム部１２０の遠位端にあり、雄プラグ１０３を適所に固定及びロックして、雄プラグ１０３がソケット１０５から軸線方向に変位したり外れたりすることを防止する。第２に、フェルール１０８は、光結合要素又はカプラ２２５内で圧力を伴って継続的に光学的に整列した状態に保持されているので、適切な光ファイバの整列を維持すると共に、プローブがＺ軸線方向にわずかに出ようと動いたとしても間隔が維持される。第３に、プラグ接点アレイ１０９が、ソケット接点アレイ１１５に電気接触したままに保持される。

いくつかのプローブは、図４に示す照明ファイバ１４３等の照明ファイバや、厳密なアライメントの要求条件を伴わないその他の追加的なファイバチャネルをが必要とする。そうした照明ファイバは、プローブに追加された別の光フェルールを用いてもよいし、他の例では、これらの追加的なファイバは、厳密には整列されなくてもよい。

いくつかの例では、図２に示したメモリチップ１１１をコネクタに加えてもよいし、メモリ読み取り回路をソケットに加えてもよいし、その逆であってもよい。

最後に、追加的な非接触接続は、有用性を広くすることができる。例えば、「受動的」な無線周波数識別チップは、内部メモリチップとハンドシェイク機能を実行して、雌側の回路が雄側のチップに問合わせをしたり、それから読み出したりすることを可能にする。同様な効果は、当該分野で既知のワイヤレスリンク技術を用いる雄側の能動トランスミッタでも達成される。非接触の電力伝達技術もまた既知であるため、実際には、照明器のための電力さえも伝達することができる。

次に、本発明に従って構成されたシャフトとソケットの結合部を用いて構成された以下の実施例の装置の動作を説明する。

〔実施例１〕
光及び電気のハイブリッドコネクタの作業バージョンを、本発明に従って構成した。シャフトプラグをレセプタクルソケットに挿入したときの光のスループットを、１００ミクロンのガラス／ガラス製の光ファイバ（シリカクラッドファイバ、FV100/101/125、アリゾナ州のフィーニックスにある、Polymicro Technologies社製）に通して、EXFO光出力メーター（カナダのケベック州にあるExfo社製）を用いて記録した。最終的に完全に挿入された位置に対する、軸線方向の変位を、挿入の最後の１ｃｍにわたって１ｍｍ間隔で記録した。図１３Ａを参照すると、記録された光パワー値が線３１２としてプロットされ、この線は、相対的な光スループットと、完全に挿入されたコネクタの位置からの距離との関数になっている。最後の２ｍｍの挿入にわたる平坦領域３１７に注目すべきであり、この領域において、伝達された光の強度は、１２％よりも多く低下せず、本発明が目的とする軸線方向位置許容（定義による）が示されている。

同一のシャフト及びソケット装置を用いて上述の実験を繰り返した。ただし、この実験では、光結合要素又はカプラ２２５（図８）とバネ要素２２９（図８）とを固定して、浮動式の動作を完全に禁止した。再び、図１３Ａを参照すると、記録された光パワー値は、ライン３１９としてプロットされている。伝達強度を示す線３１９には、安定した平坦領域がなく、シャフトの軸線方向位置が、わずか１ｍｍ変位しただけでも、５０％の信号損失が生じ、浮動要素がなければ、Ｚ軸方向許容が失われることが示されている。

上述した実験によれば、ミリメートル公差（すなわち±１ｍｍ）の金属製又はプラスチック製のシャフトを製造すれば、Ｚ軸方向許容の浮動式コネクタデザインによって、軸線方向の公差を充分に良く取り扱えることが分かる。また、対照的に、非浮動式の装置は、Ｚ軸方向許容を有さず、従って、ミクロン単位の製造公差を必要とする（例えば、０．０２ｍｍ、即ち、±２０μｍ）。Ｚ軸方向許容をもたないコネクタに求められる高い精度は、著しくより精密で高価なステンレス鋼成形部品及び／又はレーザドリル加工部品を必要とすることになる。我々の経験によれば、Ｚ軸方向許容のシャフトプラグは、同様の体積の非許容シャフトのコストに比べて、およそ１／５のコストで生産できる。

〔実施例２〕
次に構成した光電気ハイブリッドコネクタでは、光結合要素又はカプラ２２５は、統合された逆ビームエキスパンダ光系（ニュージャージー州のニュートンにある、Thorlabs社による Model F230SMA-A のコリメータ）を備えたＳＭＡの光カプラ／コネクタで、バネ２２９を省略して、カプラ２２５の物理的な浮動作用を完全に失なわせた。しかしながら、このデザインは、コリメートレンズが、レンズ結合による軸線方向位置変化を許容するため、Ｚ軸方向位置変化の許容範囲を維持している。

先の実施例と同様に、プローブをコネクタに挿入したときの光のスループットを、１００ミクロンのガラス／ガラス製の光ファイバに通して、光出力メーターを用いて記録した。最終的に完全に挿入された位置に対する、軸線方向の変位を、挿入の最後の１ｃｍにわたって１ｍｍ間隔で記録した。図１３Ｂを参照すると、記録された光パワー値が線３２２としてプロットされ、この線は、相対的な光スループットと、完全に挿入されたコネクタの位置からの距離との関数になっている。最後の５ｍｍの挿入にわたる平坦領域３２７に注目すべきであり、この領域において、伝達された光の強度は、２０％よりも多く低下せず、軸線方向位置変化を許容することが示されている。この事例では、Ｚ軸方向位置変化の許容範囲は、実施例１のように浮動要素に由来するものではなく、レンズ結合のコリメータが光結合のＺ軸方向位置変化の許容範囲を大きくしている。

同一のシャフト及びソケット装置を用いて上述の実験を繰り返した。ただし、この実験では、上の段落で述べたレンズ結合の光要素に代えて、実施例１で用いた、浮動しない結合要素又はカプラを用いた。これは、実施例１における、Ｚ軸方向位置変化を許容しない実験と同一の設定である。再び、図１３Ｂを参照すると、伝達強度を示す線３２９には、平坦領域がなく、シャフトの軸線方向の位置が変化するとき、レンズ結合要素がなければ、Ｚ軸方向位置変化に対する許容範囲はもはや存在しないことが示されている。

Ｚ軸方向位置変化を許容するハイブリッド結合を得る別の方法としては、レンズと浮動式結合の光結合要素とを組み合わせることや、当業者に自明なその他の方法が含まれる。レンズと、浮動式結合の要素との例は、単なる例示であって、本発明を限定することを意図したものではない。

要するに、改良されたハイブリッドコネクタは、中央のファイバセットと、周囲の軸線電気コネクタアレイと、Ｚ軸方向位置変化を許容する光及び電気結合とを備えた、軸線方向位置変化許容型のハイブリッドコネクタによって得られる。医療用などのある種の用途においては、これによって、単一のコネクタであり、迅速に結合でき、迅速に取り外せることができ、自己整列式であり、挿入力が小さいプローブが得られ、かかるプローブは、プローブを識別するオンボードのメモリチップを備える。そうした改良されたコネクタによれば、ハイブリッド結合を容易に、医療用プローブやカテーテル、又はモニタシステムに追加することができる。

我々は、可逆的な、単一のコネクタのための、迅速に結合し、迅速に取外すことができ、自己整列式であり、ハイブリッド結合が得られ、Ｚ軸方向位置変化を許容する、改良されたハイブリッド式の光及び電気のコネクタを発明した。そうしたコネクタは、本発明に従って構成され、既に製作されて試験され、医療用のカテーテルに組み込まれている。シャフトの内部にＥＥＰＲＯＭメモリチップを組み込むことによって、プローブの追跡、識別、及び較正が可能になる。改良された照明器を組み込まれた医療用プローブ及びシステムと、医療的な使用方法について開示した。この装置は、いくつかの形態にて構築され試験されて、医療及び産業の両方において、いくつかの重要な課題に対して直ちに応用でき、従って、当業界の重要な進歩を構成するものである。

本発明によるプラグ及びソケットを示した分解斜視図である。 図１Ａのソケットにおける、バネ負荷式の接点を示した拡大図である。 図２は、プラグを示した斜視図である。 プラグがソケットに挿入されて着座する様子について、一部分を破断して示した斜視図である。 図３Ａの挿入されたプラグとソケットの一部分を示した拡大図である。 プラグの正面図である。 ロック用案内チャネルを示す、プラグの側面図である。 ソケットの平面図である。 ソケットの背面図である。 接点ピンを示す、ソケットの平面図である。 プラグの挿入及び回転について示した破断斜視図である。 プラグの挿入及び回転について示した破断斜視図である。 ソケットに挿入されたプラグの断面図である。 図１〜図１０のＺ軸方向位置変化許容型のハイブリッドコネクタが組み込まれた医療用のプローブを示す図である。 図１１のプローブが取付けられることで医療システムが完全に形成された、図１〜図１０のＺ軸方向位置変化許容型ハイブリッドコネクタが組み込まれた医療用モニタ装置の全体図である。 本発明に従ってデザインされた浮動式の光結合を用いた、Ｚ軸方向位置変化を許容可能な結合の平坦領域を示すグラフである。 本発明に従ってデザインされた結合レンズ要素を用いた、Ｚ軸方向位置変化を許容可能な平坦領域を示すグラフである。

Claims (11)

1. 光電気ハイブリッドコネクタであって、
   細長いプラグシャフトを有する雄プラグを有し、前記プラグシャフトは、光フェルール内で終端する１つ又は２つ以上の光ファイバの第１の中央の組と、軸線方向に間隔をおいた１つ又は２つ以上の電気接点要素の第２の周囲の組と、を有し、
   更に、前記プラグシャフトを受入れるためのソケットを有し、前記ソケットは、１つ又は２つ以上の光ファイバを有する中央の光結合要素と、１つ又は２つ以上の電気接点の周囲の組と、を有し、前記光結合要素は、その軸線方向位置変化を許容可能であり、
   前記雄プラグの個々の光ファイバ及び電気接点要素は、前記プラグシャフトが前記ソケット内に摺動式に完全に受入れられたときに、前記個々の光ファイバとの光学的結合及び前記ソケットの電気的接触をなすように構成される、光電気ハイブリッドコネクタ。
2. 前記光結合要素は、圧力によって前記ソケット内を軸線方向に移動するように前記ソケット内に配置された浮動コネクタを有し、
   この浮動コネクタは、更に、前記プラグシャフトが前記ソケットに挿入される予め決められた距離の範囲にわたって、前記雄プラグの光フェルール内の１つ又は２つ以上の光ファイバと前記ソケットの光結合要素内の１つ又は２つ以上の光ファイバとの間の物理的な最小ギャップを維持するように配置される、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
3. 軸線方向位置変化を許容可能な各光結合要素は、その中の１つ又は２つ以上のファイバに結合されたコリメートレンズ要素を有し、前記コリメートレンズ要素は、前記プラグシャフトが前記ソケットに挿入される予め決められた距離の範囲にわたって、前記プラグシャフトの光ファイバを前記光結合要素の光ファイバに光学的に結合させるように配置される、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
4. 前記電気接点要素の第２の周囲の組は、前記雄プラグのプラグシャフトの外面に接着された可撓性の印刷回路基板を有する、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
5. 前記ソケットは、更に、整列ピンを有し、
   前記プラグシャフトは、前記整列ピンを受入れると共に、前記プラグシャフトを前記ソケットに軸線方向に挿入する間の前記プラグシャフトの回転を防止するためのＬ字形の通路を有し、
   前記プラグシャフトは、平面領域を有し、
   前記電気接点要素の第２の周囲の組は、前記軸線方向の挿入の間、前記ソケットの電気接点と電気的に接触しないように構成されると共に、前記プラグシャフトを完全に挿入させて回転させた後に且つ前記整列ピンが前記細長いチャネルの端部にあるとき、前記ソケットの電気接点と電気的に接触するように構成される、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
6. 前記プラグシャフトは、平面部分を有する円筒形であり、
   前記電気接点要素は、軸線方向部分と、軸線方向に間隔を隔てた周囲部分とを有し、
   前記電気接点要素は、前記プラグシャフトを前記ソケットに挿入する間、前記ソケットの電気接点と電気接触しないように、且つ、前記プラグシャフトの前記ソケット内への摺動可能な挿入の後の部分的な回転の間、前記ソケットの電気接点を前記電気接点要素に対して可逆的に電気接触させるように、円筒形部分の平面部分から延びる、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
7. 更に、前記プラグシャフト上のＬ字形の整列通路と、前記ソケットのピンと、を有し、前記ピンは、前記プラグシャフトの摺動式挿入及びこれに続く回転ロックの間、前記プラグシャフトの回転方向の位置を確保するために前記整列通路に従うように構成される、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
8. 更に、前記雄プラグに支持されたメモリ要素を有し、前記メモリ要素は、選択された前記電気接点に電気的に接続される、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
9. 更に、アライメントに鈍感な追加の光ファイバを有する、請求項１に記載の光電気ハイブリッドコネクタ。
10. 医療用の照明カテーテルであって、
    生物学的適合性のカテーテルシースを有し、このカテーテルシースは、モニタ側端部と、中央の本体と、患者側端部とを有し、
    更に、前記カテーテルのモニタ側端部に配置された光電気ハイブリッド雄プラグと、
    前記カテーテルの患者側端部に設けられた光源と、
    前記光源によって照明された領域から散乱光を集めるための少なくともひとつの集光ファイバと、を有し、この集光ファイバは、集光した光を、前記カテーテルの患者側端部から前記カテーテルの長さ方向に沿って前記カテーテルのモニタ側端部の雄プラグに伝達し、
    更に、前記光源に電力を伝達する電力供給ワイヤを有し、この電力供給ワイヤは、前記カテーテルの長さ方向全体に延び、前記光源と前記雄プラグの両方に電気的に接続される、照明カテーテル。
11. 電気光ハイブリッドカプラであって、
    細長いシャフトを有する第１の部材を有し、前記細長いシャフトは、１つ又は２つ以上の光ファイバからなる中央のコアと、１つ又は２つ以上の電気接点要素からなる周囲アレイと、を有し、各光ファイバは光フェルール内で終端し、
    更に、前記細長いシャフトを摺動可能かつ挿入可能に受入れるソケットを有し、前記ソケットは、軸線方向位置変化を許容可能な中央の光結合部材と、１つ又は２つ以上の電気接点とを備え、
    前記シャフトを前記ソケットに挿入した後、前記シャフトの光ファイバと電気接点要素は、前記軸線方向位置変化を許容可能な光結合部材及び前記ソケットの電気接点と結合されることを特徴とするハイブリッドカプラ。

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