JP2007280666A - 高速信号伝送用ハーネス - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波域での十分なシールド特性と可撓性が確保され、しかも低廉な高速信号伝送用ハーネスを提供することにある。
【解決手段】
複数本の信号ケーブル（１）、および各信号ケーブルの両端末部の導体（１ｂ）を固着するための端子部（４）を含み、且つ、複数本の信号ケーブル（１）の少なくとも一部に高周波差動信号を伝送するためのツイスト撚りケーブル（２）を含むハーネスの両端末部を除き、ハーネスを金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）との交織編組チューブ（３）に挿入する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速信号伝送用ハーネス、特に高周波差動信号を伝送するのに有用なハーネスに関する。

信号伝送用のハーネスとして、複数本の同軸ケーブルの両端に接続コネクタあるいは接続基板を装着するとともに、中間部の同軸ケーブル全体を銅箔糸の編組で被覆したものが提案されている（特許文献１参照。）。この提案によれば、各同軸ケーブルの外部導体のグランド電位差が最小になるような可撓性ハーネスが得られている。ここに、ハーネスの可撓性は、銅箔糸の編組ないしはゴムまたはプラスティック繊維と銅箔糸との交織編組によりもたらされる。ちなみに、円形断面の金属繊維の編組では可撓性が劣ることは、同文献の段落番号「００３８」に示されている。

ところで昨今は、パソコン等の電子機器の高速化に伴って、採用する信号の伝送速度も高速化し併せて、使用する信号の種類も増加してきている。このような趨勢に対して、上述したハーネスでは十分に対応しきれていない面がある。と言うのも、このハーネスでは、複数本の同軸ケーブルは全て単線使いであり、高周波域でのシールド特性、さらには高速差動信号に対しての信号分離性能（アイパターン）を向上させるような認識はなされていないからである。

さらに、信号ケーブルとして採用されている同軸ケーブルの外部導体自体はそれ自身の可撓性を阻害する方向にあるので、これら同軸ケーブルの集合体全体としては、その可撓性が化成的に損なわれる。この可撓性低下の問題に対処しているのが、前述の銅箔糸の編組である。しかし、この場合、可撓性に乏しい同軸ケーブル群を可撓性に富んだ銅箔糸の編組が被覆していることから、ハーネスの断面方向に平均化された可撓性が得られるわけではない。つまり、ハーネス全体の可撓性として重要なことは、その断面方向の可撓性の分布がより平均化されていることである。

また、銅箔糸の編組において、円形断面の銅線の編組に比べて、余分な作業工程が増え、さらに編組工程では銅箔糸のエッジ同士の引っ掛かリや銅箔糸破れ等の工程トラブルが生じ易く、コストアップとなる不利益がある。さらに、ハーネス自身のコスト面からみれば、部材である同軸ケーブル並びに銅箔糸ともに、より汎用品である電線並びに円形断面の金属線に比べてはるかに高価である。この“電線”は、以下の説明では、導体を絶縁体で被覆してなる通常の電線を指し、同軸ケーブルとは区別される。

他方、差動信号特性、特に高速差動信号に対しての信号分離性能の面からは、単線の信号ケーブルとツイスト撚りの信号ケーブルを共存させることが知られている。（特許文献２参照）。ただ、ツイスト撚りの信号ケーブルにおいても、用途によっては、高周波域でのシールド特性が不十分な場合がある。このシールド特性の不足を補うため、従来はハーネスの外部に別体のシールド材であるフェライトを取りつけたり、導電テープを巻きつけたりして対応してきたが、可撓性の確保やコスト面で極めて不利な状況にあった。

このように、コスト競争力がありながら、高周波域でのシールド特性に優れ、しかも可撓性に富んだハーネスは未だ実現されていないのが現状である。

特開２００６―２４３７２号公報 特開２００６−１４２６５号公報

したがって、本発明の課題は、高周波域での十分なシールド特性と可撓性が確保され、しかも低廉な高速信号伝送用ハーネスを提供することにある。

本発明者等は、信号線用としての電線、および編組用糸として円形断面の金属線を含む交織編組に関して、これら部材の低コスト性並びに可撓性に注目した。その結果、これら部材をもってツイスト撚りケーブルの呈する信号分離性能を有利に利用できること、さらには、該電線の可撓性が該交織編組の可撓性とバランスし、ハーネスの断面方向の可撓性が平均化された状態で全体的な可撓性が向上することを究明した。

本発明によれば、以下のような格別顕著な効果が奏せられる。
（１）優れたアイパターン特性に加えて、高周波域での優れたシールド特性が得られる。
（２）複数本の信号ケーブルを、円形断面の金属線を含む交織編組チューブに挿入するだけで、ハーネス全体の可撓性も確保され、しかも作業性も向上する。
（３）個々の信号ケーブルとして外部導体を有するような高価な同軸ケーブルを採用する必要がなく、通常の信号ケーブルで対応できるので、ハーネスの低コスト化が実現される。
（４）信号線として採用する電線には、同軸ケーブルのように外部導体および外被（シース）がないので、ハーネスが細径化される。

以下、本発明を、独立した３本の信号ケーブル（単線）と、３本ツイスト撚りケーブルの２組とを併用した高速信号伝送用ハーネスについて、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の高速信号伝送用ハーネスの一例を示す平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図３は、本発明の好ましい態様を示す平面図である。
図４は、本発明の高速信号伝送用ハーネスのシールド特性を示すグラフである。

図１〜図２において、（１）は導体（１ａ）と絶縁体（１ｂ）とからなる信号ケーブル（電線）、（２）は高周波差動信号を伝送するための、３本の信号ケーブル（１）からなる３本ツイスト撚りケーブル、（３）は金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）からなる交織編組チューブ、（４）は各ケーブルの両端末部の導体が接続された端子部である。この交織編組チューブ（３）には、３本の信号ケーブル（１）と２組の３本ツイスト撚りケーブル（２）とが挿入されている。ここで、上記の金属線（３ａ）とは、その断面が円形のものを指称する。

本発明で特徴的なことは、上記の全信号ケーブル、すなわち可撓性のある全電線を、金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）とからなる可撓性交織編組チューブ（３）に挿入し、該編組を全ケーブルに対する一括シールド層をして機能させたことに在る。こうすることにより、高周波差動信号がひずむことなく伝送され且つハーネス全体の可撓性が確保され、取扱性が格段に改善される。この場合、同じ信号線でありながら、同軸ケーブルに比して可撓性の高い電線は、交織編組の変形に対して容易に追従するので、ハーネスの断面方向の可撓性が平均化されている。

ここで、金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）とからなる交織交織編組チューブ（３）の機能について述べる。冒頭に挙げた特許文献１に開示されている同軸ケーブルにあっては、既に述べたように、その外部導体が各ケーブルは勿論ケーブル全体の可撓性を阻害する要因となる。これに対して、本発明では、同軸ケーブルとは異なって外部導体を有しない電線を信号ケーブル（１）として採用することにより、各ケーブル（１）は勿論その集合体としての可撓性が既に確保されている。一方、特許文献２のハーネスでは、シールド層が無く、十分なシールド特性が得られない。このため、前述のように、全信号線の外部に別体のシールド材であるフェライトが取りつけられ、あるいは導電テープが巻きつけられていたが、これでは、ハーネスとしての可撓性が悪化する。この点、本発明では、金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）とからなる交織編組チューブ（３）を採用するので、ハーネス全体としての可撓性が確保される。

つぎに、信号線からなるツイスト撚りケーブルについて述べる。複数本の信号ケーブルを束ねる手段としては、一般にはツイスト撚り、横巻き、さらには編組等が知られている。本発明においては、これら手段の中から、束ねられたケーブルの高周波伝送特性と可撓性とを両立させるために、ツイスト撚りを採用するものである。ツイスト撚りとしては、図１〜図２に示すような３本ツイスト撚り（２）が好ましい。その際、撚りピッチが３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にあるとき、上記の二つの特性がバランス良く両立する。

この３本ツイスト撚りケーブル（２）により、高周波差動信号を伝送する際には、これを構成する３本の信号ケーブル（１）のうち、任意の２本を高周波差動信号伝送用とし、残り１本をドレイン線として割り当てればよい。また、複数の高周波差動信号を伝送する場合には、伝送する高周波差動信号の数（ｎ）に応じて３本ツイスト撚りケーブル（２）をｎ数組用意すればよい。また、これら３本ツイスト撚りケーブルの配置についても特段の制約は無く、目的に応じて適宜配置すればよい。

本発明では、高周波域でのシールド特性を改善するため、上記した３本の信号ケーブル（１）および２組の３本ツイスト撚りケーブル（２）全体を金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）からなる交織編組チューブ（３）に挿入する。このとき、交織編組チューブ（３）の編組密度並びに交織割合は、全信号ケーブルの挿入作業性と高周波域でのシールド特性に影響を与える。両者をバランスさせるには、編組密度が６０％〜９５％、金属線（３ａ）と非金属繊維（３ｂ）との交織割合（体積割合）は３：２〜２：３、特に１:：１であることが好ましい。さらに、金属線（３ａ）および非金属繊維（３ｂ）の各素線径は０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。金属線（３ａ）としては、銅、ニッケル、錫、銀等の金属線が挙げられ、その中でも、ニッケル線が特に好ましい。一方、非金属繊維（３ｂ）としては、ガラス繊維等の無機繊維やポリエステル繊維等、通常円形断面の有機繊維が用いられる。

本発明によれば、３本ツイスト撚りケーブル（２）を構成する信号ケーブル（１）の導体（１ａ）の外径が特に０．０９ｍｍ〜０．５mmという極細径にあるとき、前記の３ｍｍ〜２０mmの撚りピッチの効果と相俟って、伝送特性並びに可撓性がより向上する。導体（１ａ）を被覆する絶縁体（１ｂ）については格別の制約はなく、斯界で採用されているフッ素樹脂、ポリエチレン、さらにはポリスチレン等が採用される。

図３には、本発明の好ましい態様が示されている。この態様では、図１の実施態様において、交織編組チューブ（３）の両端部の外側に熱収縮したチュ−ブ（５）を固着し、且つ、交織編組チューブ（３）の一方の端部にドレイン線（６）を装着したものである。この熱収縮したチュ−ブ（５）により、交織編組チューブ（３）と全信号ケーブルとが確実に固定される。熱収縮したチュ−ブ（５）については、特段の制約は無く、汎用されている熱収縮チューブを用いればよい。また、ドレイン線（６）を取り付け機器のグランドに接続することにより電位差が無くなるので、シールド性がさらに向上する。この場合、ハーネス側のドレイン線（６）の先端は、接続子（図示せず）等の接続部材を介して、交織編組チューブ（３）の金属線（３ａ）に接続される。

以上は、通常の２つの位相からなる２値差動信号を伝送するハーネスの例であるが、本発明のハーネスは３つ以上の位相からなる多値差動信号に対しても展開できることは言うまでもない。この場合、本発明の差動信号伝送用ハーネスは、１００ ＭＨｚ〜 １０００ＭＨｚの範囲の高周波差動信号に対して特に有効に機能する。さらに、本発明の高速信号伝送用ハーネスは、信号形態に応じて、ツインパラレル方式やトリプル方式等周知の信号ケーブルを混在させた複合形態としてもよい。また、ドレイン線は、必要に応じて、交織編組チューブ（３）の両端部に取りつけてもよい。さらに、シールドの他の態様として、交織編組チューブ（３）を筐体グランドに接触させることもある。

以下に、本発明の高速信号伝送用ハーネスを図１〜図２の場合について示す。まず、素線径が１０２μｍの錫めっき軟銅線の７本を同芯撚りした直径が０．３０５ｍｍの極細導体（１ａ）の周りに、絶縁体（１ｂ）としてフッ素樹脂（ＦＥＰ）を被覆して、外径０．４７ｍｍ、長さ２４０ｍｍの信号ケーブル（１）を得た。さらに、この信号ケーブル（１）の３本を１０．６ｍｍのよりピッチで撚糸して３本ツイスト撚りケーブル（２）を得た。さらに、この３本ツイスト撚りケーブル（２）をもう一組用意して、２種類の高周波差動信号を伝送するためのケーブルとした。併せて、３本ツイスト撚りケーブル（２）の２組と併用するため、独立した３本の信号ケーブル（１）をそれぞれ単線使い用として準備した。そして、これら３本の信号ケーブル（１）および２組の３本ツイスト撚りケーブル（２）の両端末の導体を１．５ｍｍ露出させた。

つぎに、これら３本の信号ケーブル（１）および２組の３本ツイスト撚りケーブル（２）を並行に引き揃え、この状態で交織編組チューブ（３）に挿入した。その後、挿入治具で各信号ケーブルの導体部を９極のナイロン製の圧入端子からなる端子部（４）に挿入して、本発明の高速信号伝送用ハーネスを完成した。この例で用いた交織編組チューブ（３）は、素線径が０．１０２ｍｍの円形断面のニッケル線を４本撚りした金属繊維（３ａ）と素線径が０．１０２ｍｍの円形断面のガラス繊維を４本撚りした非金属繊維（３ｂ）とを交織して得た編組である。このとき、二ッケル線とガラス繊維との交織割合は１：１とした。また、編組条件は、打ち数４ 、持ち数２４、編組密度８０％、そして編組内径５ｍｍとした。

さらに、上記実施例において、編組を省略する以外は実施例と同じ構成のものを比較例１（編組無し）とし、さらに、ニッケル線（３ａ）のみの金属編組を使用する以外は実施例と同じ構成のものを比較例２（金属編組）とした。

これらの３種のハーネスについて、ＣＩＳＰＲ２２(吸収クランプ法)により、シールド特性を測定したところ、表１に示すような結果が得られた。

表１のデータをグラフで表したのが図４である。本発明の高速信号伝送用ハーネスによれば、比較例１のハーネスと比較して、シールド特性がほぼ全域で１０ｄＢ改善されていることがわかる。しかも、比較例２のハーネスと比較しても遜色の無いシールド特性が得られている。

さらに、本発明の高速信号伝送用ハーネスおよび比較例２の各ハーネスについて、＋９０度、−９０度の屈曲試験を行い、屈曲性の比較をした。この結果、本発明の高速信号伝送用ハーネスは８００００回まで破断することなく耐えたのに対し、比較例２のハーネスでは２００００回で金属編組が破断した。このように、本発明の高速信号伝送用ハーネスは、比較例２のハーネスに比べて可撓性に優れているので、ハーネス組立時の作業性も各段に改善された。

本発明の高速信号伝送用ハーネスの一例を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の好ましい態様を示す平面図である。 本発明の高速信号伝送用ハーネスのシールド特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 信号ケーブル（電線）
１ａ 導体
１ｂ
絶縁体
２
３本ツイスト撚りケーブル
３ 交織編組チューブ
３ａ 円形断面の金属線
３ｂ 非金属繊維
４ 端子部
５ 熱収縮したチュ−ブ
６ ドレイン線

Claims (8)

1. 導体を絶縁体で被覆してなる電線の複数本を配した信号ケーブル、および各信号ケーブルの両端末部の導体を固着するための端子部を含み、且つ、該複数本の信号ケーブルの少なくとも一部に高周波差動信号を伝送するためのツイスト撚りケーブルを含むハーネスであって、該ハーネスは両端末部を除いて、非金属繊維と円形断面の金属線との交織編組チューブに挿入されていることを特徴とする高速信号伝送用ハーネス。
2. 該ツイスト撚りケーブルが３本ツイスト撚りケーブルである請求項１に記載の高速信号伝送用ハーネス。
3. 該交織編組チューブの両端部が熱収縮したチュ−ブにより固定されている請求項１または２に記載の高速信号伝送用ハーネス。
4. 該交織編組チューブの少なくとも一方の端部にドレイン線が装着されている請求項１〜３のいずれかに記載の高速信号伝送用ハーネス。
5. 該交織編組チューブの編組密度が６０％〜９５％である請求項１〜４のいずれかに記載の高速信号伝送用ハーネス。
6. 該交織編組チューブを構成する非金属繊維と金属線との交織割合が２：３〜３：２である請求項１〜５のいずれかに記載の高速信号伝送用ハーネス。
7. 該非金属繊維および金属線の各素線径が０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍである請求項１〜６のいずれかに記載の高速信号伝送用ハーネス。
8. １０ ０ＭＨｚ〜 １０００ＭＨｚの範囲にある高周波信号の周波数を伝送するのに有用な、請求項１〜７のいずれかに記載の高速信号伝送用ハーネス。
   
   

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