JP5223183B2

JP5223183B2 - 光電気複合配線部品及びこれを用いた電子機器

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Publication number: JP5223183B2
Application number: JP2006295701A
Authority: JP
Inventors: 泉深作; 光樹平野; 雅彦小林; 昭浩蛭田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2008113321A; CN101548492A; CN101548492B; WO2008053645A1; US20100067915A1; US8787764B2

Description

本発明は光電気複合配線部品に係わり、特に伝送信号の伝送速度に応じて、伝送信号の伝送路を電気伝送系または光伝送系に切替えて伝送する伝送路切替え機構を有する光電気複合配線部品、及びこれを用いた電子機器に関するものである。

高画質な動画像伝送を行う電子機器の開発が急速に進展し、機器内配線における伝送容量の大容量化が強く求められている。また、電子機器の小型化に伴い、配線部材の幅を細くすることが課題となっている。このため配線１本あたりの伝送容量を増加することで配線数を減らし配線部材の幅を細くすることも検討されている。しかし、電気配線では伝送速度の向上には限界があるため、大容量化・高速化を実現する技術として光通信技術を用いた光電気複合配線が検討されている。

図８に従来の光電気複合配線部品の一例を示す。
電子機器に供給する電源用の電源線８０１、及び音声など伝送速度が低速（１００Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ以下）の信号線８０２に関しては電気配線を使用している。一方、動画像信号などは高い伝送速度（例えば８Ｂ１０Ｂ符号で１．２５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上）を必要とするため電気信号による伝送が難しい信号に関しては、光配線の一端に設けられた発光素子にて電気／光信号変換するＥ／Ｏ変換部８０３と、発光素子から出射された光信号を光伝送する光配線８０４と、光配線８０４の他端に設けられた受光素子にて光／電気変換するＯ／Ｅ変換部８０５とからなる光伝送系が用いられている。
なお、電気配線と光配線の使い分けは、信号線上を伝送される信号の伝送速度の最大値に依っている。
従来の先行技術としては、以下の特許文献がある。
特開平９−９６７４６号公報特許第２８４２３８８号公報特開平１１−３５２３６２号公報特開２００６−０９１２４１号公報

しかしながら、高い最大伝送速度を必要とする信号線において、常時その高い変調速度または伝送速度による大きな伝送容量が必要であるとは限らない。例えば、電子機器が能動時には動画の伝送といった大容量の伝送が必要となるが、待機時においては僅かなデータ伝送しか発生しないといったような電子機器がある。低い変調速度または伝送速度で足りるような待機時にも光伝送を用いていると、発光素子、受光素子、および発光・受光素子を駆動する電子デバイスなどから構成される光送受信部の消費電力が大きいため、特に電源容量の限られた携帯型機器などでは動作時間が短くなるという問題があった。
また、光伝送で双方向通信を行う場合には、電気配線及び光配線の数を双方向の分だけ用意する必要があり、配線数が増えてしまう問題があった。

上記目的を達成するため、本願発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る光電気複合配線部品は、光信号を伝送するための光配線と、電気信号を伝送するための電気配線と、上記光配線の一端に設けられた発光素子と、上記光配線の他端に設けられた受光素子と、上記発光素子を駆動する発光素子駆動回路と、上記受光素子の受光電流を増幅する増幅器とからなる光電気複合配線部品において、伝送信号の変調速度または伝送速度をモニタし、モニタした上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、モニタした上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は上記光配線を経由して光伝送系で伝送するように伝送信号の伝送経路を切替える伝送路切替え機構と、上記受光素子に流れる受光電流をモニタする光パワーモニタ回路とを有し、上記伝送路切替え機構は、上記光パワーモニタ回路によるモニタ結果に基づいて、上記増幅器を動作状態または非動作状態に切替える増幅起用制御素子を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光電気複合配線部品において、上記伝送路切替え機構は、電気伝送路を電気的または機械的に導通状態または非導通状態に切替える伝送ゲート素子と、上記発光素子または上記発光素子駆動回路を動作状態または非動作状態若しくはほぼ非動作状態に切替える光送信器用制御素子とを有する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の光電気複合配線部品において、上記伝送信号の変調速度または伝送速度が低速または高速であることを判別し、上記伝送信号の変調速度または伝送速度に応じて制御信号を出力する伝送速度モニタ部を有し、上記制御信号により伝送信号の伝送経路が切替えられる。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３いずれかに記載の光電気複合配線部品において、上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は光送受信部を経由して光伝送系で伝送する光電気複合配線部品において、上記電気伝送系および上記光伝送系共に片方向の伝送構成であるものである。

請求項５の発明は、請求項１から請求項３いずれかに記載の光電気複合配線部品において、上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は上記光送受信部を経由して光伝送系で伝送する光電気複合配線部品において、上記電気伝送系は半２重通信による双方向伝送構成であり、上記光伝送系は片方向の伝送構成であるものである。

請求項６の発明は、請求項１から請求項５いずれかに記載の光電気複合配線部品において、上記発光素子駆動回路および上記増幅器の入力インピーダンスは、非動作時には電気的に絶縁とみなされる程度のインピーダンスを有し、動作時には入力される信号線のインピーダンスとほぼ整合がとられているものである。

請求項７の発明は、請求項１から請求項６いずれかに記載の光電気複合配線部品において、少なくとも上記電気配線と上記光配線は可撓性を有する基板に実装または配置されているものである。

請求項８の発明は、複数の電子デバイスを搭載した電子機器内で、上記電子デバイスと他の上記電子デバイス間の信号伝送を行う伝送部品として請求項１から請求項７いずれかに記載の光電気複合配線部品を用いた電子機器に関するものである。

本願発明によれば、伝送信号の変調速度または伝送速度に応じて伝送路を自動的に、電気配線系または光配線系に選択・切替えることにより、電気配線による伝送の低消費電力性と、光配線による光伝送の大伝送容量の両者の特性を併せ持った、伝送容量に対して電力効率の高い電気光複合配線部材を提供することができる。一例として１．８Ｖ電源動作系で、光伝送時は２０ｍＷ程度の消費電力が想定されるが、電気伝送時は５ｍＷ以下程度になると想定されるため、低速伝送時に光伝送から電気伝送に切替えることにより１５ｍＷ程度電力を低減する効果が期待できる。

以下、本願発明の第一の実施例を図１〜図７の実施形態に基づいて説明する。図１は本発明の光電気複合配線部品の構成図である。信号の伝送方向はマスタ側（フリップ式の携帯電話を例にすると本体側（キーボードのある側））１１８から、スレーブ側（フリップ式の携帯電話を例にするとディスプレイ側）１１９への片方向のデータ伝送の構成である。

先ず伝送経路について説明する。
発光素子駆動回路１０６は、送信信号線１０３の信号レベルに応じて発光素子１０７の発光を制御し、電気信号を光信号に変換するための駆動回路である。更に光伝送路１０９の他端には受光素子１１１が光学的に結合されており、光伝送路１０９を伝送してきた光信号を電気信号に変換する。そして受光素子１１１で光電変換された電気信号は増幅器１１２で増幅されて送信信号線１１６を介してスレーブ側１１９へ伝送される。この発光素子駆動回路１０６、発光素子１０７、光伝送路１０９、受光素子１１１、および増幅器１１２は電気信号を光信号に変換して伝送した後、再び光信号を電気信号に変換して伝送する構成であり、光伝送系を構成している。光伝送系は数１００Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ以上の高速・大容量の信号を伝送することが出来るため、動画像などの大容量の信号を伝送するのに適している。

一方、伝送ゲート素子１０５、電気伝送路１１０、および伝送ゲート素子１１５で構成される伝送系は電気信号のまま伝送する電気伝送系を構成している。電気伝送系は光伝送系と比べ伝送速度・容量は劣るため、音声信号など低速度の信号を伝送する場合に用いる。
なお、光伝送系または電気伝送系どちらの伝送系を用いるか切替えを決める伝送速度は、伝送路の長さ等に依存する電気伝送の限界に応じて適宜設定される。

次に本発明の光電気複合配線部品の各構成の機能および動作を説明する。

電源線１００は電子機器に供給される電源であり、マスタ側からスレーブ側に供給されている。

伝送速度モニタ部１０１は、送信信号線１０３に流れている信号の伝送速度をモニタする構成を有している。
図７に伝送速度モニタ部１０１の内部構成の一例を示す。この構成は、高速な伝送信号（例えば１Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上）は８Ｂ１０Ｂ符号を用いた２値のＮＲＺ（Ｎｏｎ−ＲｅｔｕｒｎｔｏＺｅｒｏ）信号のようなＤＣバランスが取れた符号で符号化されている場合を想定している。
そして、伝送信号の伝送速度が１Ｇｂｉｔ／ｓｅｃのとき、８Ｂ１０Ｂ符号を用いた２値のＮＲＺ信号を用いた場合には、変調速度は１．２５Ｇｂａｕｄ／ｓｅｃとなる。また４値のＮＲＺ信号を用いた場合には、変調速度は６２５Ｍｂａｕｄ／ｓｅｃとなる。

次に伝送速度モニタ部１０１を構成する各構成を説明する。
緩衝増幅器７００は、入力信号線７０１（送信信号線１０３に相当）への緩衝増幅器７００後段の回路（低域通過フィルタ７０２、ピークホールド回路７０３など）による影響を無視できる程度の、高い入力インピーダンス（例えば数ＭΩ以上）を持っている。入力された信号は事前に定めた振幅にリミット増幅して出力する。
低域通過フィルタ７０２は、伝送速度が低速時の信号のみを通過させるフィルタである。その通過特性は低速な伝送信号（例えば１００Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ以下）を通し、高速な伝送信号（例えば１００Ｍｂｉｔ／ｓｅｃを超える）を通さない範囲に定められている。この低域通過フィルタ７０２は、緩衝増幅器７００に同様の周波数特性を持たせることによって省略することもできる。
ピークホールド回路７０３は、低域通過フィルタ７０２を通過してきた低速信号のピーク電圧値を保持する回路であり、その保持期間は低速信号における符号変化の間隔時間の最大値以上に設定する。
基準電圧源７０４は緩衝増幅器７００の出力の最大値と中央値の間に設定された電圧を出力するよう設定されている。
比較器７０５はピークホールド回路７０３の出力と基準電圧源７０４の出力を比較する回路であり、基準電圧よりもピーク電圧値が高ければ高電位（例えば電源電圧程度）を出力し、低ければ低電位（例えばグランドレベル程度）を出力する。
出力信号線７０６は比較器７０５の出力に接続されており、信号線７０１に入力された信号の伝送速度が低速な時には高電位、高速な時には低電位を出力する。

次に、伝送信号の変調速度または伝送速度に応じて伝送速度モニタ部１０１が出力する制御信号について説明する。
伝送速度モニタ部１０１に入力信号線７０１から低速の信号が入力された場合には、入力された信号は緩衝増幅器７００にて事前に定められた振幅まで増幅され、低域通過フィルタ７０２に入力される。低速の信号はそのまま通過し、ピークホールド回路７０３に入力され、緩衝増幅器７００の出力振幅電圧の最大値がホールドされる。この電圧は基準電圧源７０４の出力電圧よりも高いため、比較器７０５の出力は高電位となり、出力信号線７０６を介して入力信号線７０１の伝送信号は低速であることを示す高電位の制御信号が出力される。

次に、伝送速度モニタ部１０１に、入力信号線７０１から高速の信号が入力された場合には、入力された信号は緩衝増幅器７００にて決められた振幅に増幅され、低域通過フィルタ７０２に入力される。この低域通過フィルタ７０２を高速の信号は通過できないため、低域通過フィルタ７０２の出力電圧は緩衝増幅器７００の出力信号の平均電圧となる。緩衝増幅器７００に入力される信号はＤＣバランスが取れるように符号化（例えば８Ｂ１０Ｂ符号）されているため、平均電圧は緩衝増幅器７００の出力振幅の中央値となる。この平均電圧がピークホールド回路７０３に入力されるため、振幅電圧の中央値がホールドされる。この電圧は基準電圧源７０４の出力電圧よりも低いため、比較器７０５の出力は低電位となり、出力信号線７０６を介して入力信号線７０１の伝送信号は高速であることを示す低電位の制御信号が出力される。

一方、光伝送−電気伝送切り替え信号１０２は、伝送信号の変調速度または伝送速度によらずマスタ側１１８から光伝送経路と電気伝送経路を切り替えるために用いる信号線であり、伝送速度モニタ部１０１と光パワーモニタ回路１１３に接続されている。マスタ側１１８にて意図的に伝送路を選択する必要が無い場合には、光伝送−電気伝送切り替え信号１０２は無くても良い。

光送信器用電源制御素子１０８はバイポーラ、またはＦＥＴトランジスタなどで構成され、レーザダイオードなどの発光素子１０７および発光素子駆動回路１０６に供給する電源を制御し、発光素子１０７および発光素子駆動回路１０６を動作状態、または非動作状態に切替える制御素子である。
動作メカニズムを以下に説明する。
伝送速度モニタ部１０１の比較器７０５の出力が低電位（高速な伝送信号）のときは、光送信器用電源制御素子１０８（本実施例ではＰチャネルＭＯＳ素子）は、ゲートがＬｏｗレベルとなりソースとドレイン間が導通状態となる。これにより発光素子１０７に電源が供給され、発光素子１０７は動作状態となる。
一方、伝送速度モニタ部１０１の比較器７０５の出力が高電位（低速な伝送信号）のときは、光送信器用電源制御素子１０８（本実施例ではＰチャネルＭＯＳ素子）は、ゲートがＨｉｇｈレベルとなりソースとドレイン間が遮断状態となる。これにより発光素子１０７に電源が供給されなくなり、発光素子１０７は非動作状態となる。

光パワーモニタ回路１１３は、フォトダイオードなどの受光素子１１１に電源を供給すると共に、受光素子１１１に流れる受光電流をモニタし、流れる受光電流の有無、または光伝送−電気伝送切り替え信号１０２に応じて、増幅器用電源制御素子１１４および伝送ゲート素子１１５を動作状態、または非動作状態に切替える信号を出力するものである。
光パワーモニタ回路１１３の内部構造は、例えば抵抗を設け、その抵抗に流れる受光電流によって生じる電位の変化を検出するものである。受光素子１１１によって受光電流が発生している場合には、光パワーモニタ回路１１３は低電位を出力し、受光電流が発生してない場合には光パワーモニタ回路１１３は高電位を出力する構造となっている。

増幅器用電源制御素子１１４はバイポーラ、またはＦＥＴトランジスタなどで構成され、光パワーモニタ回路１１３の出力に応じて増幅器１１２に供給される電源を制御し、増幅器１１２を動作状態、または非動作状態に切替える制御素子である。
動作メカニズムを以下に説明する。
光パワーモニタ回路１１３の出力が低電位（高速な伝送信号）のときは、増幅器用電源制御素子１１４（本実施例ではＰチャネルＭＯＳ素子）は、ゲートがＬｏｗレベルとなりソースとドレイン間が導通状態となる。これにより増幅器１１２に電源が供給され、増幅器１１２は動作状態となる。
一方、光パワーモニタ回路１１３の出力が高電位（低速な伝送信号）のときは、増幅器用電源制御素子１１４（本実施例ではＰチャネルＭＯＳ素子）は、ゲートがＨｉｇｈレベルとなりソースとドレイン間が遮断状態となる。これにより増幅器１１２に電源が供給されなくなり、増幅器１１２は非動作状態となる。

発光素子１０７は光伝送路１０９の一端に光学的に結合されており、発光素子駆動回路１０６により駆動されて発光し、電気信号を光信号に変換する素子である。

光伝送路１０９は、光信号が伝送するコア層と、そのコア層の周囲をコア層よりも低屈折率であるクラッド層で覆われた構造をしており、可撓性の材料を用いて製造されている。コア層は直径５０から２００ミクロン程度のマルチモードコアである。勿論、光配線として、マルチモードまたはシングルモード光ファイバを用いても良い。

伝送ゲート素子１０５は伝送速度モニタ部１０１からの制御信号に応じて、送信信号線１０３と電気伝送路１１０の間を電気的に導通、あるいは絶縁する素子である。
図４に伝送ゲート素子１０５の構成の一例を示す。入出力信号線４００、４０１と制御入力４０２、その入力を反転する論理反転素子４０３、ＮチャネルＭＯＳ素子４０４とＰチャネルＭＯＳ素子４０５から構成される。

伝送ゲート素子１０５の動作は以下の通りである。
制御入力４０２（伝送速度モニタ部１０１の出力信号線７０６に相当）が高電位になると、ＮチャネルＭＯＳ素子４０４のゲート端子は高電位となり、ＰチャネルＭＯＳ素子４０５のゲート端子は論理反転素子４０３のために低電位となる。これによりＮチャネルＭＯＳ素子４０４とＰチャネルＭＯＳ素子４０５の双方がオン状態となり、入出力信号線４００と４０１との間が電気的に導通される。
一方、制御入力４０２が低電位になると、ＮチャネルＭＯＳ素子４０４のゲート端子は低電位となり、ＰチャネルＭＯＳ素子４０５のゲート端子は論理反転素子４０３のために高電位となる。これによりＮチャネルＭＯＳ素子４０４とＰチャネルＭＯＳ素子４０５の双方がオフ状態となり、入出力信号線４００と４０１との間が電気的に遮断される。
なお、伝送ゲート素子１０５をＮチャネルＭＯＳ素子４０４とＰチャネルＭＯＳ素子４０５とを組合わせて構成したのは、伝送信号が低レベルの場合にはＰチャネルＭＯＳ素子４０５が動作し、伝送信号のＤＣレベルが高レベルの場合にはＮチャネルＭＯＳ素子４０４が動作するようにすることで、伝送信号の電位レベルが低レベルまたは高レベルのどちらでも伝送ゲート素子１０５が動作するようにするためである。

そして、発光素子駆動回路１０６の電源が投入されている時は、送信信号線１０３の特性インピーダンスと電気信号の反射が無視できる程度に合致した入力インピーダンスを持つように終端される。
また、電源が供給されていない時には電気的に絶縁されているとみなせる程度（数ＭΩ以上）の非常に高い入力インピーダンスを持つように設計されている。

図５に発光素子駆動回路１０６の入力部の内部構成の一例を示す。高速な伝送信号は８Ｂ１０Ｂ符号のようなＤＣバランスが取れた符号で符号化されているものとする。
信号線５００は電源（図示せず）に接続される。
信号線５０２は発光素子駆動回路１０６への伝送信号の入力線である。
抵抗５０３と５０４は終端用の抵抗素子であり、所望の入力インピーダンスとなるように抵抗値が選ばれる。
ＰチャネルＭＯＳ素子５０５、ＮチャネルＭＯＳ素子５０６、５０７であり、終端抵抗５０３、５０４と電源、グラウンド５０１の間の電気的な接続を制御する素子である。
抵抗５０８とＮチャネルＭＯＳ素子５０７は、入力信号を緩衝増幅するための素子である。
信号線５０９は緩衝増幅された信号の出力である。
コンデンサ５１０は信号線５０２と終端抵抗５０３，５０４、ＮチャネルＭＯＳ素子５０７との間を交流結合とするためのコンデンサである。
信号線５０９は発光素子駆動回路後段への出力信号線である。

各ＭＯＳ素子におけるオン状態となるゲートソース間電圧は、信号線５０２上を流れる信号の振幅よりも十分に大きくなるように設定されている。
電源が印加されている場合、ＰチャネルＭＯＳ素子５０５のゲート端子は低電位、ソース端子は高電位となるためＰチャネルＭＯＳ素子５０５はオン状態となる。またＮチャネルＭＯＳ素子５０６も同様にゲート端子が高電位、ソース端子は低電位となるため、オン状態となり、終端抵抗５０３が電源、終端抵抗５０４がグラウンド５０１と導通状態となり、信号線５０２が終端される。

信号線５００に電源が印加されていない場合、ＰチャネルＭＯＳ素子５０５のゲート端子はグラウンドと同電位、ソース端子はグラウンドを中心とし信号線５０２の振幅によって定まる電位となる。ＰチャネルＭＯＳ素子５０５は、オン状態となるゲートソース端子間電圧が信号線５０２の振幅よりも大きいため、ＰチャネルＭＯＳ素子５０５はオフ状態となる。
またＮチャネルＭＯＳ素子５０６も同様にゲート端子がグラウンド電位、ソース端子はグラウンドを中心とした信号線５０２の振幅によって定まる電位となるためオン状態となり、終端抵抗５０３と電源がグラウンド５０１と絶縁状態となり、伝送信号線５０２が終端抵抗５０３，５０４で終端されない状態となる。また、ＮチャネルＭＯＳ素子５０７のゲート端子は高い入力インピーダンスを持つ。そのため、電源が投入されていない場合には、発光素子駆動回路１０６は高入力インピーダンスとなる。

増幅器１１２は、電源が供給されている時には、出力インピーダンスが送信信号線１１６の特性インピーダンスと電気信号の反射が無視できる程度に合致するように出力端にて終端され、電源が供給されていない時には電気的に絶縁されているとみなせる程度（数ＭΩ以上）の非常に高い出力インピーダンスを持つように設計されている。

図６に増幅器出力部の内部構成の一例を示す。高速な伝送信号は８Ｂ１０Ｂ符号のようなＤＣバランスが取れた符号で符号化されているものとする。
信号線６００は電源（図示せず）に接続される。
抵抗６０２は終端用の抵抗素子であり、所望の出力インピーダンスとなるように抵抗値が選ばれる。
ＰチャネルＭＯＳ素子６０３は、終端抵抗と電源間の電気的な接続を制御する素子である。
抵抗６０５とＮチャネルＭＯＳ素子６０６は緩衝増幅するための素子である。その出力はＮチャネルＭＯＳ６０４に入力される。
入力された信号は抵抗６０２と６０７の比で定まる電圧利得で増幅され、出力信号線６０９に出力される。
コンデンサ６０８は出力信号線６０９と出力回路部との間を交流結合とする。
各ＭＯＳ素子がオン状態となるゲートとソース間の電圧は、出力信号線６０９上を流れる信号の振幅よりも十分に大きくなるよう選ぶ。

信号線６００に電源が印加されている場合、ＰチャネルＭＯＳ素子６０３のゲート端子は低電位、ソース端子は高電位となるためＰチャネルＭＯＳ素子６０３はオン状態となり、終端抵抗６０２が電源と導通状態となり、出力信号線６０９が終端される。

一方、電源が印加されていない場合、ＰチャネルＭＯＳ素子６０３のゲート端子はグラウンド６０１と同電位、ソース端子はグラウンドを中心とし、外部から出力信号線６０９に印加される信号の振幅によって定まる電位となる。ＰチャネルＭＯＳ素子６０３は、オン状態となるゲートソース端子間電圧が出力信号線６０９に外部から印加される信号の振幅よりも大きいため、ＰチャネルＭＯＳ素子６０３はオフ状態となる。そのため、終端抵抗６０２と電源間が絶縁状態となり、出力信号線６０９が終端抵抗６０２で終端されない状態となる。また、その時ＮチャネルＭＯＳ素子６０４のゲート端子はグラウンド電位となるため、ＮチャネルＭＯＳ素子６０４もオフ状態となる。そのため、電源が投入されていない場合には、増幅器１１２の出力は高インピーダンスとなる。

伝送ゲート素子１１５は光パワーモニタ回路１１３からの制御信号により、送信信号線１１６と電気伝送路１１０の間を電気的に導通あるいは絶縁する素子である。なお、
構成および電気的遮断のメカニズムは伝送ゲート素子１０５と同様である。

送信信号線１１６はマスタ側１１８からスレーブ側１１９へ向かうデータの信号線であり、光電気複合配線部材１２０からスレーブ側１１９へ出力される。出力される信号は、増幅器１１２からの信号、あるいは伝送ゲート素子１１５を介して接続された電気伝送路１１０からの信号である。

一方、電子デバイスである伝送ゲート素子１０５、１１５、または制御素子１０８，１１４に替えて、機械要素部品、アクチュエータ、電子回路などを集積化したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）を用いて、機械的に伝送路を遮断または接続することで、電気的遮断または電気的導通を行うことも可能である。
ＭＥＭＳを用いることで機械的に伝送路遮断するため、電気的絶縁特性を高めることが出来る。また、他の回路の影響を遮断できるため、高周波特性に優れる。

次に、本願発明である光電気複合配線部品の光伝送系の実装構造例を以下説明する。
図３は本願発明の光電気複合配線部品の実装形態の断面図を示す。
可撓性の基板３００の裏面側に光伝送路３０９が形成されている。基板３００は伝送信号波長において光学的に透明であり、低損失で光信号を透過することが出来る。光伝送路は信号光が伝搬するコア３３０と、コア３３０を覆うクラッド３３１からなる。コア３３０およびクラッド３３１の材料としては、可撓性と伝送波長での光透明性に優れたポリマ材料が望ましく、ポリイミド、エポキシ、シリコーン、アクリル系ポリマなどが良い。基板３００の材料も可撓性及び光透過性を有するポリマ材料が望ましく、ポリイミド、エポキシ、シリコーン、アクリル系ポリマなどが良い。

基板３００の表面側には、伝送速度モニタ部１０１、送信部を構成する発光素子１０７、発光素子駆動回路（図示せず）、光送信器用電源制御素子１０８、および受信部を構成する受光素子１１１、増幅器１１２、増幅器用電源制御素子１１４が実装されている。

発光素子１０７は面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、基板３００上の電極３３５にはんだ３３６によりフリップチップ実装され、発光素子１０７から出射した光信号は、基板３００を透過した後、基板３００の下方に設けられたコア３３０に入射する。コア３３０は直径が５０から２００ミクロン程度あるため、発光素子１０７との光結合が容易である。

一方、コア３３０の端面３３２は光の進行方向に対し略４５度に斜め加工されており、斜め加工面はコア３３０とは屈折率の異なる層３３３（ここでは空気層）に接しているため、光信号は４５度の傾斜面３３２で反射されコア３３０内に沿って伝播し、更にコア３３０の他方の端面３３４も略４５度に斜め加工されているため再び光信号は略４５度の傾斜面３３４で反射されて、第３図のＹ方向に伝播方向を変える。基板３００を透過した光信号は、基板３００の上面に設けられた受光素子１１１に入射し電気信号に変換された後、増幅器（図示せず）によって電気信号の増幅が行なわれる。
なお、発光素子１０７、受光素子１１１は信頼性を高めるため、シリコンなどの樹脂を用いてポッティング（図示せず）して光素子及び接合部を保護することが望ましい。
また、端面３３２には反射性を高めるために金、アルミニウムなどの金属を蒸着などにより形成しておいても良い。

次に、伝送速度が高速で電気伝送では伝送できないため、光伝送が必要な場合の伝送経路の切替え動作を説明する。
まず送信信号線１０３に接続された伝送速度モニタ部１０１にて、伝送速度が高速であることが検知される。

伝送速度モニタ部１０１は光送信器用電源制御素子１０８を制御（本実施例では動作状態に）して、発光素子駆動回路１０６と発光素子１０７に電源が供給されるようにし、発光素子１０７を発光させる。また同時に、伝送ゲート素子１０５は伝送速度モニタ部１０１からの制御信号（比較器７０５出力）は低電位となっているため、電気的に絶縁状態になるよう制御される。これにより、送信信号線１０３と電気伝送路１１０間が電気的に遮断される。これにより、送信信号線１０３を通る高速の電気信号は、電気伝送系と電気的に遮断されるため、電気伝送路１１０に起因する負荷容量や反射信号等の影響が遮断され、伝送信号の伝送速度が高速であってもマスタ側１１８と発光素子駆動回路１０６間の伝送信号の品質が劣化することはない。

発光素子１０７の発光により、光伝送路１０９を通して接続された受光素子１１１に信号光が入射され、受光素子１１１に受光電流が流れる。この受光電流により、光パワーモニタ回路１１３にて受光素子１１１に光信号が入射したことが検出され、増幅器用電源制御素子１１４を操作し、増幅器１１２に電源を供給する。また同時に伝送ゲート素子１１５は、伝送速度モニタ部１０１により電気的に絶縁状態になるよう制御されるため、電気伝送路１１０と送信信号線１１６間が電気的に遮断される。これにより、電気伝送路１１０に起因する負荷容量や反射信号等の影響が遮断され、伝送速度が高速であっても、増幅器１１２とスレーブ側１１９間のデータ伝送の伝送品質が劣化することはない。以上述べたとおり、伝送速度が高速である場合には、マスタ側１１８からのデータ信号は、送信信号線１０３から発光素子駆動回路１０６、発光素子１０７、光伝送路１０９、受光素子１１１、および増幅器１１２から構成される光伝送系を介し、送信信号線１１６によりスレーブ側１１９に至るため、光伝送により高品質かつ大容量の伝送経路が形成される。

次に、送信信号線１０３から電気伝送系でも伝送可能な、低速な伝送信号が送られてきた場合の伝送経路の切替え動作を説明する。
まず送信信号線１０３は、マスタ側１１８からスレーブ側１１９へ向かう伝送信号用の信号線であり、光電気複合配線部材部１２０へ入力される。入力された伝送信号は、光伝送系の発光素子駆動回路１０６と、電気伝送系の伝送ゲート素子１０５に送られる。

送信信号線１０３に接続された伝送速度モニタ部１０１において、伝送速度が低速であることが検知される。伝送速度モニタ部１０１は光送信器用電源制御素子１０８を制御（本実施例では非動作状態に）して、発光素子駆動回路１０６と発光素子１０７への電源を遮断し、発光素子１０７の発光を止める。
また同時に、伝送ゲート素子１０５は伝送速度モニタ部１０１からの制御信号（比較器７０５出力）は高電位となっているため、電気的に導通状態になるよう制御される。これにより、送信信号線１０３と電気伝送路１１０間が電気的に導通される。

一方、発光素子１０７の発光が止まることにより、光伝送路１０９を通して光学的に接続された受光素子１１１に光信号が入射されなくなり、受光素子１１１は受光電流を発生しなくなる。光パワーモニタ回路１１３は受光素子１１１において受光電流が発生していないことを検出すると、光パワーモニタ回路１１３は増幅器用電源制御素子１１４を制御（本実施例では非動作状態に）し、増幅器１１２に供給される電源を遮断する。また同時に、光パワーモニタ回路１１３は伝送ゲート素子１１５を制御（本実施例では動作状態に）し、伝送ゲート素子１１５を導通状態にする。これにより、電気伝送路１１０と送信信号線１１６が電気的に接続される。

以上述べたとおり、マスタ側１１８からの送信信号が、送信信号線１０３から伝送ゲート素子１０５、電気伝送路１１０、および伝送ゲート素子１１５から構成される電気伝送系を介し、送信信号線１１６によりスレーブ側１１９に至る電気伝送経路が確立する。

このように伝送速度が低速である場合には、消費電力の大きな発光素子駆動回路１０６や増幅器１１２の電源が遮断され、ほぼ電気伝送系のみが動作状態となる。このように、データ信号の伝送速度に応じて伝送方式を光伝送系または電気伝送系に切替え、特に伝送速度が低速である場合には、光伝送系を遮断状態にすることで光伝送系の消費電力を無視できるレベルにまで低減することができるため、従来の電気伝送のみの配線部材を用いた場合と同程度の消費電力でデータ伝送を行うことができ、電子機器の長時間動作が可能となる。

なお、光伝送系を完全に遮断せずに、わずかな電源（例えば素子が動作状態と非動作状態の境界付近）を供給しておいても良い。わずかな電源を供給しておくことで、発光素子、受光素子、または電子デバイスの動作時間が早くなり、高速に起動することが出来るからである。例えば、半導体レーザなどの発光素子であれば、しきい値電流未満で同近傍の僅かな電流を供給しておくことで、消光状態から発光状態までの時間を短縮したり、光信号波形の乱れを低減できる。

また、光配線は大容量の信号伝送が可能であるため、従来の電気配線のみの配線部材と比べ、配線数を少なくしても同程度またはそれ以上の信号量を伝送をすることが出来る。従って従来の電気配線と比べ、少ない信号配線数で配線部材を形成できるため、小型化に有利である。

次に、本願発明の第二の実施形態を図２に示す。なお、図１と同じ構成・部品には同じ符号を付記してある。また、光伝送系または電気伝送系のどちらの伝送系を用いるか切替える構成・動作は上述した第一の実施例と同じであるので説明は割愛する。ここでは、双方向伝送の動作説明を以下行う。

図２はマスタ側１１８とスレーブ側１１９間の双方向のデータ伝送の例である。マスタ側１１８からスレーブ側１１９の方向へは高い伝送速度が必要な場合がある。一方、スレーブ側１１９からマスタ側１１８の方向へは比較的低い伝送速度で良く、機能待機時といった双方向共に低い伝送速度で良い場合には、１本の電気伝送路にて半２重通信による双方向伝送を行う場合の構成である。

送信信号線１１６はマスタ側１１８からスレーブ側１１９へ向かうデータの信号線であり、光電気複合配線部材部１２０からスレーブ側１１９へ出力される。
受信信号線２０１はスレーブ側１１９からマスタ側１１８へ向かうデータの信号線であり、光電気複合配線部材部１２０へ入力される。

スレーブ側１１９からマスタ側１１８に向かう低速度の電気信号は、受信信号線２０１より電気伝送路１１０を介し、受信信号線２００へ至る電気伝送による伝送線が形成される。伝送ゲート素子１０５、１１５によりスタブを廃したインピーダンス整合ラインが形成可能なため、比較的高い伝送速度まで対応可能である。

以上の構成により、マスタ側１１８からの送信信号線１０３と受信信号線２００、及びスレーブ側１１９の送信信号線１１６と受信信号線２０１が電気伝送路１１０を介し全て接続され、マスタ側１１８とスレーブ側１１９間に半２重通信による双方向伝送が可能な電気伝送経路を形成することができる。

例えば利用の形態としては、背面に液晶の付いた携帯電話にてフリップを閉じた状態（待機時）を例にすると、マスタ側からスレーブ側方向へは背面液晶に表示するデータの通信、スレーブ側からマスタ側方向へはそのデータ送信の終了後に続いてその送信内容が正しく受信されたことの確認信号の通信をすることができる。

また伝送速度が低速である場合には、消費電力の大きな発光素子駆動回路１０６や増幅器１１２の電源が遮断され、電気伝送系の経路で信号伝送されるため、従来の電気伝送のみの配線部材を用いた場合と同程度の消費電力で伝送させることができる。

本光電気複合配線部品は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、モバイル端末などの電子機器に適用することができる。特に電気配線と光配線とがポリマ材料などの可撓性の部材を用いて一体的に形成されていると、折り曲げることが容易であり、フレキシブル性に優れている。このため、携帯電話、モバイル端末などの本体側に実装されている電子デバイスと、ディスプレイ部に実装されている電子デバイスとを本光電気複合配線部品を用いて電気的に接続することができる。

本願発明は本実施例に限定されず、マスタ側１１８とスレーブ側１１９は同一の筐体内であっても良い。同一の筐体内で、一方の電子デバイスから他方の電子デバイスへ伝送信号を伝送することも、勿論可能である。
また、光伝送路３０９を基板３００の表面では無く、基板３００内に設けても良い。

本願発明の光電気複合配線部品の実施例を示す概略図である。本願発明の光電気複合配線部品の他の実施例を示す概略図である。本願発明の光電気複合配線部品の実装形態の断面図である。本願発明の伝送ゲート素子の構成図である。本願発明の発光素子駆動回路の入力部の回路図である。本願発明の増幅器出力部の回路図である。本願発明の伝送速度モニタ部の内部構成図である。従来の光電気複合配線部品の実施例を示す概略図である。

符号の説明

１００電源線
１０１伝送速度モニタ部
１０２光伝送−電気伝送切り替え信号
１０３送信信号線
１０５伝送ゲート素子
１０６発光素子駆動回路
１０７発光素子
１０８光送信器用電源制御素子
１０９光伝送路
１１０電気伝送路
１１１受光素子
１１２増幅器
１１３光パワーモニタ回路
１１４増幅器用電源制御素子
１１５伝送ゲート素子
１１６送信信号線
１１８マスタ側
１１９スレーブ側
１２０光電気複合配線部材部
２００受信信号線
２０１受信信号線
３００基板
３０９光伝送路
３３０コア
３３１クラッド
３３２、３３４端面
３３３空気層
４００入出力信号
４０１入出力信号
４０２制御入力
４０３論理反転素子
４０４ＮチャネルＭＯＳ素子
４０５ＰチャネルＭＯＳ素子
５００信号線
５０１グラウンド
５０２信号線
５０３終端抵抗
５０４終端抵抗
５０５ＰチャネルＭＯＳ素子
５０６ＮチャネルＭＯＳ素子
５０７ＮチャネルＭＯＳ素子
５０８抵抗
５０９信号線
５１０コンデンサ
６００信号線
６０１グラウンド
６０２終端抵抗
６０３ＰチャネルＭＯＳ素子
６０４ＮチャネルＭＯＳ素子
６０５抵抗
６０６ＮチャネルＭＯＳ素子
６０７抵抗
６０８コンデンサ
６０９出力信号線
７００緩衝増幅器
７０１入力信号線
７０２低域通過フィルタ
７０３ピークホールド回路
７０４基準電圧源
７０５比較器
７０６出力信号線

Claims

光信号を伝送するための光配線と、電気信号を伝送するための電気配線と、上記光配線の一端に設けられた発光素子と、上記光配線の他端に設けられた受光素子と、上記発光素子を駆動する発光素子駆動回路と、上記受光素子の受光電流を増幅する増幅器とからなる光電気複合配線部品において、
伝送信号の変調速度または伝送速度をモニタし、モニタした上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、モニタした上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は上記光配線を経由して光伝送系で伝送するように伝送信号の伝送経路を切替える伝送路切替え機構と、
上記受光素子に流れる受光電流をモニタする光パワーモニタ回路とを有し、
上記伝送路切替え機構は、上記光パワーモニタ回路によるモニタ結果に基づいて、上記増幅器を動作状態または非動作状態に切替える増幅器用制御素子を有することを特徴とする光電気複合配線部品。
上記伝送路切替え機構は、電気伝送路を電気的または機械的に導通状態または非導通状態に切替える伝送ゲート素子と、上記発光素子または上記発光素子駆動回路を動作状態または非動作状態若しくはほぼ非動作状態に切替える光送信器用制御素子とを有することを特徴とする請求項１に記載の光電気複合配線部品。
上記伝送信号の変調速度または伝送速度が低速または高速であることを判別し、上記伝送信号の変調速度または伝送速度に応じて制御信号を出力する伝送速度モニタ部を有し、上記制御信号により伝送信号の伝送経路が切替えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電気複合配線部品。
上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は光送受信部を経由して光伝送系で伝送する光電気複合配線部品において、上記電気伝送系および上記光伝送系共にマスタ側からスレーブ側への片方向の伝送構成であることを特徴とする請求項１から請求項３いずれかに記載の光電気複合配線部品。
上記伝送信号が低速である場合には上記伝送信号を電気信号のまま伝送する電気伝送系で伝送し、上記伝送信号が高速である場合には上記伝送信号は上記光送受信部を経由して光伝送系で伝送する光電気複合配線部品において、上記電気伝送系は半２重通信によるマスタ側とスレーブ側との双方向伝送構成であり、上記光伝送系はマスタ側からスレーブ側への片方向の伝送構成であることを特徴とする請求項１から請求項３いずれかに記載の光電気複合配線部品。
上記発光素子駆動回路および上記増幅器の入力インピーダンスは、非動作時には電気的に絶縁とみなされる程度のインピーダンスを有し、動作時には入力される信号線のインピーダンスとほぼ整合がとられていることを特徴とする請求項１から請求項５いずれかに記載の光電気複合配線部品。
請求項１から請求項６いずれかに記載の光電気複合配線部品において、少なくとも上記電気配線と上記光配線は可撓性を有する基板に実装または配置されていることを特徴とする光電気複合配線部品。
複数の電子デバイスを搭載した電子機器内で、上記電子デバイスと他の上記電子デバイス間の信号伝送を行う伝送部品として請求項１から請求項７いずれかに記載の光電気複合配線部品を用いたことを特徴とする電子機器。