JP2010527136A - 高周波ドラム型スリップリング・モジュール - Google Patents

Abstract

高周波ドラム型スリッピング・モジュール１００は接触型通信に用いられる。モジュールは、複数の積層導電リング１０２と、導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層１０４とを構築するためにＰＣＢ構築を利用している。各誘電層は中央に位置する開口部１０７を含む。モジュールはまた、中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面１０８も含む。モジュールは、その外側表面に各リングへの電気的接続を備えるように構成されている。各群の給電線バイアは、各リング群への接続を有するインピーダンス制御された伝送線として設計され得る。本発明に記載した構成により、ＤＣから５ＧＨｚ以上までの帯域幅を有するスリップリング伝送線構造を生成することができ、スリップリングが、複数のギガビット・デジタル・データ・ストリームを伝送するために用いられることを可能にする。

Description

本発明は一般に電気スリップリングに関し、より詳細には高周波信号を伝送することができる改良されたドラム型スリップリング・モジュールに関する。

互いに関連して回転運動する２つの部材（たとえば、ロータとステータ）間で信号を伝送するために、接触型スリップリングが広く用いられてきた。この種の従来技術のスリップリングは、回転リングと接触するために、貴金属合金製ステータ装着導電プローブを利用している。従来、このようなプローブ、すなわち摺動接触子は、丸線、複合材料、ボタン接点、又はマルチフィラメント繊維ブラシを用いて構築されてきた。スリップリングの協働同軸接触リングは一般にプローブ、すなわち摺動接触子に適合する断面形状を備えるように形成される。典型的なリング形状としては、Ｖ字溝、Ｕ字溝、フラット・リングなどがある。同様の手法は、相対的回転運動ではなく相対的並進運動を示し、ドラム型スリップリングを実装するシステムでも用いられてきた。

スリップリングを介して高周波信号を伝送する場合、伝送速度を制限する主な要因は、インピーダンス不連続点による反射に起因する波形歪みである。インピーダンス不連続点は、異なる形式の伝送線が相互接続し、異なるサージ・インピーダンスを有する場所であればスリップリング全体にわたって何処でも生じ得る。著しいインピーダンス不整合は、ブラシ接点構造において伝送線がスリップリングを外部インタフェースに相互接続する場所、及び伝送線がこれらのブラシ接点構造をそれらの外部インタフェースに接続する場所でしばしば生じる。高周波信号の深刻な歪みは、伝送線のこのようなインピーダンスが不整合となる遷移部の何れからも生じ得、各不整合インタフェースで歪みを悪化させる。さらに、深刻な歪みはスリップリングに固有の複数の並列ブラシ接続及びマルチパス効果に起因する位相誤差によっても生じ得る。

スリップリングを通じてのエネルギー損失は、伝送線の通常の誘電損失及び表皮効果損失以外にも様々な効果により、周波数に伴って増大する。これらの効果には、回路共振、インピーダンス不整合による複数の反射、寄生誘導及び寄生容量リアクタンスなどがある。これらの損失は、概して伝送線の、特にスリップリングの高周波性能を制限する主要な要因の内に入る。これらの要因は、接触型スリップリングで深刻であるため、他の技術が研究されてきた。回転インタフェースを介した高周波アナログ・デジタル通信は、光ファイバ・インタフェース、容量結合、誘導結合、介在する空間を介した電磁放射の直接伝送などの他の技術によっても達成又は提案されてきた。しかしながら、これらの技術を用いるシステムは比較的高価になる傾向がある。

必要とされるのは一般に上述した問題に対処する一方、生産が容易で経済的なスリップリング・システムを提供する、スリップリング・システム用接触型スリップリング・モジュールである。

本発明は一般に接触型通信システムで用いられるドラム型スリップリング・モジュールを目的としている。詳細には、本発明の技術は、構造全体にわたるインピーダンス制御された伝送線の構築によって、ドラム型スリップリングにおける高周波性能の拡張を可能にする。プリント回路基板技術は、従来技術に対して多大な利点を有し、高周波ドラム型スリップリングを実装するための新たな手法を提供する。ＰＣＢ構築技術についての詳細を以下に説明し、続いて高周波スリップリングを生産するために必要な幾つかの技術を利用する、より従来的な積層リング手法の説明をする。

改良されたスリップリング・モジュールは、複数の積層導電リングと、導電リングの間に配置され、導電リングを電気的に絶縁する複数の交互に重なった中間誘電層とを含む。ドラム型スリップリングは、約１センチメートルの厚さのＰＣ基板を生産できる多層プリント回路基板技術を用いて実装され得る。各誘電層は内部伝送線給電構造の構築に対応しており、中央に位置する開口部に配置されてリング・システムと同軸である円筒形接地面を含む。このモジュールは、外側表面にスリップリングの内部伝送線への電気的接続を備えるように構成されている。

導電リングは、ブラシ・ブロック伝送線構造から摺動接点を受けるための溝をつけた金属ＰＣＢ層によって作成される。リング構造への給電接続は、制御されたインピーダンス伝送線を生成するように配置された導電バイア構造によって実装される。本発明にしたがって構築されたこの種のスリップリングは、比較的小型の構造で、５ギガヘルツもの高さで共振を伴い、数ギガヘルツの動作帯域幅を有することになる。スリップリング・モジュールは如何なる所望の寸法であってもよいが、高周波性能は、直径が２センチメートルより小さい、物理的に小型の装置によって高められる。

内部給電線構造は、シングルエンド伝送方式又は差動伝送方式に対応するように配置され、フレックス又はリジッドＰＣＢのものなどの外部伝送線、及び従来のワイヤ伝送線へのインピーダンス制御されたインタフェースを可能にする。リングへの複数の給電点はスリップリングの高周波応答を拡張する。スリップリング・チャネル間のクロストークは、リング群間及びスリップリング内の給電線構造間に組み込まれた接地金属層である、中心接地面によって制御される。

単に図示するためであって限定するためではなく、開示される実施例の対応部品、部分、又は面に括弧付きの符号を付して、本発明は、一態様において、複数の積層導電リング（１０２）と、導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層（１０４）であって、それぞれが中央に位置する開口部（１０７）を含む誘電層と、中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面（１０８）とを広く含む、改良されたドラム型スリップリング・モジュール１００であって、その外側表面に各リングへの電気的接続を備えるように構成されている、モジュールを提供する。

プリント回路基板（ＰＣＢ）技術を用いて、如何なる寸法の改良されたモジュールでも構築されてよい。スリップリングは数ギガヘルツの動作帯域幅を有し、高周波性能のために最適化されてもよい。改良されたモジュールは如何なる寸法の直径を有するように構築されてもよい。各リングは、外部装置への接続用の給電線バイアによってモジュールの外側表面に結合されている埋設された給電線に結合されてもよい。リングは、第１のリング群と第２のリング群とに分けてもよく、各群は少なくとも２つのリングを含み、モジュールは、第１のリング群と第２のリング群の間に結合された遮蔽層をさらに含んでよく、遮蔽層は円筒形接地面に電気的に結合している。

他の態様において、本発明は、複数の積層導電リング（２０２）と、導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層（２０４）であって、それぞれが中央に位置する開口部（２０７）を含む誘電層と、中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面（２０８）とを広く含む、改良されたドラム型スリップリング・モジュール（２００）であって、その外側表面に各リングへの電気的接続を備えるように構成されており、プリント回路基板（ＰＣＢ）技術を用いて構築されている、モジュールを提供する。

改良されたスリップリング・モジュールは個々に積層されたリング及び絶縁体を用いて構築されてもよい。各リングは、外部装置への接続用のバイア伝送線構造によってモジュールの外側表面に結合されている埋設された給電線に結合されてもよい。

さらに他の態様において、本発明は、積層され、垂直方向に間隔を置いて配置された複数の導電リング（２０２）と、導電リングの間に配置され、導電リングを電気的に絶縁する複数の中間誘電層（２０４）であって、それぞれが中央に位置する開口部（２０７）を含む誘電層と、中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面（２０８）であって、モジュールが、その外側表面に各リングへの電気的接続を備えるように構成されている、接地面と、２つのリング間に配置され、円筒形接地面に電気的に結合された少なくとも１つの遮蔽層（２１２）とを広く含む、改良されたドラム型スリップリング・モジュール（２００）を提供する。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴、利点、目的は、以下の明細書、請求項及び添付図面を参照することによって、当業者によりさらに理解され、認識されるであろう。

９つの導電リングと３つの伝送線構造とを含むドラム型スリップリング・モジュールの斜視図である。 図１のモジュールの底面図である。 ６つの導電リングと１つの遮蔽層とを有するドラム型スリップリング・モジュールの軸方向断面図である。 １つの導電リングへの単一の給電点の接続を示すドラム型スリップリング・モジュールの上面図である。 導電リングへの直交給電を実施するドラム型スリップリング・モジュールの上面図である。 電気コネクタを有するインピーダンス制御されたリジッド及びフレキシブル伝送線構造を示す、完全なスリップリング・アセンブリの一実施例を示す斜視図である。

最初に、複数の図面を通して一貫して、同様の参照番号は同様の構造要素、部分、又は面を特定するものであり、このような要素、部分、又は面は明細書全体でさらに記載又は説明することができ、この詳細な説明はその一部であることを明確に理解されたい。特に明記されない限り、図面は明細書と共に読まれるものであり（たとえば、クロスハッチング、部品の配置、割合、度合いなど）、本発明の説明全体の一部と見做されるものである。以下の説明で用いられる場合、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、「下」という用語、並びにそれらの形容詞形及び副詞形の派生語（たとえば、「水平に」、「右方向に」、「上方向に」など）は、単に、特定の図面が読み手に向いているときの図示構造の向きを示しているだけである。同様に、「内側に」及び「外側に」という用語は、一般に、必要に応じて、長手方向の軸又は回転軸に対する面の向きを示している。

本発明の様々な実施例によれば、改良された高周波ドラム型スリップリング・モジュールは、新規なプリント回路基板（ＰＣＢ）構築技術を用いて製造されることができる。スリップリング・モジュールの高周波動作は、比較的小型のドラム型スリップリング・モジュール及びＰＣＢ構成によって高められ、これは、制御されたインピーダンス伝送線構造の実装を容易にする。ドラム型スリップリング・モジュールは、非常に厚い（たとえば、約０．４ｃｍ（１０オンス）の）銅板及び中間接着層を使ったＰＣＢ技術を用いて構築され得る。ＰＣＢ積層は１センチメートルより大きい厚さにまで容易に積むことができ、単一パネル上に複数のドラム型スリップリング・モジュールを設けることができる。その後、モジュールをパネルから切り取ることができ、リングは滑らかな円筒形外側表面を備えるように機械加工されてよい。そして、スリップリング・モジュールの外縁の厚い銅リングは、機械加工によって溝をつけるなどしてもよい。溝は、その後、所望通りに、めっきされたリング溝への共通の電気的接続のための様々な構成の取り外し可能なブッシング・システムを用いて貴金属でめっきを施すことができる。

一般に、リングへの接続は、所望のインピーダンス制御された伝送線を設けるために所望の物理的配置で構成されているめっきされた貫通穴を含む伝送線構造によって容易になる。典型的な応用では、給電線接続が給電線バイア構造の一端部を介してなされ、終端抵抗器が、給電線バイアの中間長に沿って生じる、リングのうち適当な１つのリングへの接続を伴って、給電線バイア構造の反対側端部にわたって適用される。ドラム型スリップリング・モジュールの一例では、９つの能動リングが実装されてもよい（たとえば、遮蔽された撚り対線又は二重同軸伝送線と共に用いる３つ又は４つのリングから成る３つの塊として構成されてもよい）。給電線バイアは、ブラインド・バイア構築を実施することもできるが、一般に、スリップリングＰＣＢの厚さ全体を通って反対側表面で出る。上述したように、表面実装抵抗終端又は埋設された抵抗終端の取り付けを容易にするためにパッドを実装してもよい。スリップリング・モジュールのリングは、単一点接続から複数点接続まで多数の方法で給電され得ることを認識されたい。一般に、給電点の数は帯域幅とインピーダンスの相関関係で選択される。

本発明によって構成されたドラム型スリップリング・モジュールは多数の異なる加工によって構築されてよいことも認識されたい。一般に、導電リングが比較的厚い（たとえば約０．４ｃｍ（１０オンス）の）銅である場合、銅空洞を適切に充填するために接着シートのフロー性能を考慮しなければならない。より高速の信号速度（たとえば１ＧＨｚ以上）で所望の帯域幅を提供するために、ドラム型スリップリング・モジュールで利用される材料の誘導率及び損失正接の電気特性も考慮しなければならない。一般に、材料は、銅及びコア材料表面への接着シートの接着特性を考慮して選択しなければならない。さらに、めっきされた穴の壁の純粋な樹脂領域へのめっき接着特性も考慮しなければならない。さらに、材料は、施盤上における機械加工を容易にするために選択されてもよい。完成品の熱的及び機械的条件に対する、めっきされた貫通孔の信頼性に影響を及ぼすＺ軸拡張も、スリップリング・モジュールの材料を選択する際に考慮しなければならない。

実装された接着システムは一般に通常の業界のフロー及び充填条件を上回るフロー・パラメータを備えなければならない。フローを増大させる要因は使用されるすべての材料タイプに対して特定されなければならない。一般に、材料フロー・パラメータは、関連する初めのエポキシ樹脂含有量と共に、熱上昇、張り合わせ圧力、及び接着シートのガラスの織り方式によって主に影響を受ける。熱上昇が増大すると、他の要因と組み合わさって、一般に、エッチングされた約０．４ｃｍ（１０オンス）の銅などの厚い銅空洞を充填する接着シートの性能が増す。張り合わせ圧力はエポキシ・フロー及び充填性能にも影響を与える。さらに、より高い典型的な樹脂含有量を有する接着シートを、フロー及び充填を高めるために利用してもよい。

誘導率及び損失正接は、特に１ＧＨｚを上回る周波数で、帯域幅に著しく影響を及ぼし得る。一般に、モジュールの材料は構造的信頼性及び高速信号性能に基づいて選択されなければならない。

本発明によれば、最終の穴寸法のめっきアスペクト比が１４：１までである、約０．７１１ｃｍ（約０．２８０インチ）と約１．２１９ｃｍ（約０．４８０インチ）の間の厚さを有するスリップリングが容易に製造され得る。

図１及び図１Ａを参照すると、ドラム型スリップリング・モジュール１００は、それぞれ１０２で示され、導電リング１０２を電気的に絶縁する複数の中間誘導層１０４によって隔てられた、複数のリングを含むものとして示されている。図１Ａの最上部の誘電層１０４を通して示されているように、モジュール１００は複数の埋設された給電線１０６を含み、これらの給電線は複数の給電線バイア１１０のうち別々の１つのものに結合しており、モジュール１００の一方の表面からモジュール１００の反対側の表面まで延在する。モジュール１００はまた中央の接地面バイア１０８も含み、この接地面バイアは、リング１０２及び誘電層１０４を通って設けられている開口部１０７内の中央に配置されている。典型的な応用では、各導電リング１０２の外縁部にはブラシ・ブロックの接点を受けるための溝が含まれている。本明細書で記載した加工を用いて、約１センチメートルを上回る厚さを有するモジュールが構築され得る。１つの応用においては、導電リング１０２の厚さは約０．３８ｍｍ（約１５ミル）（たとえば、約２６．３４ｇ／ｍ^２（１０オンス／平方フィート）の銅密度）に選択される。スリップリング・モジュールは、約０．４ｃｍ（１０オンス）の銅の厚さより大きい又は小さい厚さを有する導電リングで構築されてもよいことを認識されたい。

図２は、関連する給電線２０６を備え、６つの導電リング２０２と３つの遮蔽層２１２とを有するドラム型スリップリング・モジュール２００を示している。リング２０２は誘電層２０４によって、互いに、且つ、中央のバイア接地面２０８から電気的に絶縁されている。示されているように、遮蔽層２１２は、開口部２０７に配置されている中央バイア接地面２０８に接続している。

図３を参照すると、単一点給電線３０６を含むドラム型スリップリング・モジュール３００の関連部分が示されている。示されているように、誘電層３０４は中央のバイア接地面３０８をリング３０２から電気的に絶縁する。リング３０２は、それぞれ別々の１本の単一点給電線３０６によって、別々の給電線バイア３１０に接続されている。

図４を参照すると、ドラム型スリップリング・モジュール４００が示されており、複数の給電線バイア４１０のうちの１つに各リング４０２を結合させる直交給電線４０６を有するリング４０２を含むことを除いて、図３のモジュール３００と同様である。モジュール３００と同様に、モジュール４００は、リング４０２を互いに、且つ、（開口部４０７に配置された）中央のバイア接地面４０８から電気的に絶縁する誘電層４０４を含む。

したがって、ドラム型スリッピングリング・モジュール及びモジュ−ルの製造過程を本明細書で説明したが、これにより、５ＧＨｚを越える周波数で動作可能である比較的小型のモジュールが提供される。高周波スリップリング・モジュールへの入力及び出力接続のための伝送給電線構造は、費用効率が良く、製造可能な設計となるようにアセンブリを完成させる。図５は、複数のチャネル高周波スリップリング・モジュールを生成するためにリジッド及びフレキシブル基板を利用して、インピーダンス制御されたプリント回路技術で実装された外部給電線を有する一実施例を示している。図５では、スリップリング・モジュール５００は、インピーダンス制御された伝送線がスリップリング・モジュール及びコネクタに相互接続しており、電気コネクタ５０２と共にリジッドＰＣ基板５０１に装着されている。摺動電気接点５０３は、やはりインピーダンス制御された伝送線による相互接続を有する、電気コネクタ５０５も実装しているフレキシブル伝送線５０４に装着されている。

高周波スリップリング・モジュールは、中央の金属接地面筒を組み込み、リングへのインピーダンス制御された伝送線接続を備えることによって、ＰＣＢ技術を示している図面に示されるものと同様の配置を含む、ＰＣＢ技術の幾つかの利点を有する、より従来的な積層リング技術を用いて実装され得る。

上述した説明は、好適な実施例のものとしてのみ見做される。当業者及び本発明を行う又は用いる人であれば、本発明の変更例に想到するであろう。したがって、図面に示され、上述された実施例は単に図示するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される次の請求項によって規定されることを理解されたい。

Claims (10)

1. 複数の積層導電リングと、
   前記導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層であって、それぞれが中央に位置する開口部を含む誘電層と、
   前記中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面とを備える、ドラム型スリップリング・モジュールであって、その外側表面に各前記リングへの電気的接続を備えるように構成されているモジュール。
2. プリント回路基板（ＰＣＢ）技術を用いて構築されている、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記スリップリングが数ギガヘルツの動作帯域幅を有し、高周波性能のために最適化される、請求項１に記載のモジュール。
4. 直径が任意の如何なる大きさであってもよい、請求項１に記載のモジュール。
5. 各前記リングが、外部装置への接続用の給電線バイアによって前記モジュールの前記外側表面に結合されている埋設された給電線に結合されている、請求項１の記載のモジュール。
6. 前記リングが第１のリング群と第２のリング群に分けられ、各群が少なくとも２つのリングを含み、前記モジュールが、前記第１及び第２のリング群間に結合されている遮蔽層であって、前記円筒形接地面に電気的に結合している遮蔽層をさらに備える、請求項５に記載のモジュール。
7. 複数の積層導電リングと、
   前記導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層であって、それぞれが中央に位置する開口部を含む誘電層と、
   前記中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面とを備える、ドラム型スリップリング・モジュールであって、その外側表面に各前記リングへの電気的接続を備えるように構成されており、プリント回路基板（ＰＣＢ）技術を用いて構築されているモジュール。
8. スリップリング・モジュールが、個々に積層されたリング及び絶縁体を用いて構築されていることを除き、請求項７に記載のものと同様の、ドラム型スリップリング・モジュール。
9. 各前記リングが、外部装置への接続用のバイア伝送線構造によって前記モジュールの前記外側表面に結合されている埋設された給電線に結合されている、請求項７に記載のモジュール。
10. ドラム型スリップリング・モジュールであって、
    複数の積層導電リングと、
    前記導電リングを電気的に絶縁する複数の誘電層であって、それぞれが中央に位置する開口部を含む誘電層と、
    前記中央に位置する開口部に配置された円筒形接地面であって、前記モジュールが、前記モジュールの外側表面に各前記リングへの電気的接続を備えるように構成されている、接地面と、
    ２つの前記リングの間に配置され、前記円筒形接地面に電気的に結合されている少なくとも１つの遮蔽層とを備えるモジュール。

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