JP2012009321A - 差動信号伝送用ケーブル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブルにおいて、スキューを低減した差動信号伝送用ケーブルを提供する。
【解決手段】導線１と導線１を被覆する絶縁体２とからなり、並行に接触して設けられた２本の絶縁電線３と、２本の絶縁電線３の間に形成された凹部４に縦添えされて設けられたドレイン線５と、２本の絶縁電線３とドレイン線５とを一括して巻き付けるシールド導体６とを備えた差動信号伝送用ケーブル１００であって、２本の絶縁電線３は、接触した部分１１が融着により一体化されて２芯絶縁電線１２とされると共に、２芯絶縁電線１２の長幅Ｗが、２本の導線１間の距離（すなわち、２本の導線１の中心同士を結ぶ直線距離）ｄの２倍よりも大きくされるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速デジタル信号を数ｍから数十ｍ伝送させる、信号波形劣化の小さい差動信号伝送用ケーブル及びその製造方法に関するものである。

数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速デジタル信号を扱う、サーバー、ルーター、ストレージ製品等の機器において、機器間、或いは機器内の基板間の信号伝送には差動信号による伝送が用いられる。差動信号とは、位相を１８０度反転させた信号を対をなす２つの導線で伝送し、受信側で受信した各信号の差分を合成・出力するものである。２つの導線に流れる電流は互いに逆方向を向いて流れるため、伝送線路から放射される電磁波が小さく、また、外部から受けたノイズは、２つの導線に等しく重畳するので、受信側で差分を合成出力することで、ノイズによる影響を打ち消すことができる。これらの理由から、高速デジタル信号の伝送には、差動信号による伝送がよく使われる。

差動信号による伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブルとして、導線を絶縁体で被覆した２本の絶縁電線を撚り合せて対にしたツイストペアケーブルがある。ツイストペアケーブルは、安価で平衡性に優れており、曲げも容易であるため、中距離の信号伝送に広く使われている。しかし、ツイストペアケーブルは信号の減衰が大きいため、ツイストペアケーブルを用いるシステムでは、信号の減衰を補償するための信号処理にかかる電力が大きくなっている（後述のツイナックスケーブルの６〜１０倍程度）。また、一般的なツイストペアケーブルは、シールドとなる金属導体がないため、ケーブル近くに置かれた金属の影響を受け易く、ケーブルの特性インピーダンスが安定しないという問題がある。また、ツイストペアケーブルは、２本の絶縁電線を撚り合わせた構造であるため、２本の絶縁電線の導線間の物理長の差が大きい。このため、ツイストペアケーブルをシールドとなる金属導体で覆った場合、スキュー（２本の導線間で生じる信号伝送時間の差）の影響が大きくなってしまう。これらの事情により、ツイストペアケーブルは、数ＧＨｚの高周波領域では、信号波形が崩れやすいため、数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送線路としては使用用途が限定されている。

一方、２本の絶縁電線を撚らずに並行して並べて、これをシールドで覆ったケーブル（以下、ツイナックスケーブルと呼ぶ）がある。ツイナックスケーブルは、ツイストペアケーブルに比べて高周波における信号の減衰が小さい。また、ツイナックスケーブルは、シールドが２本の絶縁電線を覆うように設けられているので、ツイナックスケーブル付近に金属を置いても、特性インピーダンスが不安定になることもなく、また、ノイズ耐性も高い。このため、ツイナックスケーブルは、比較的高速で短距離の信号伝送に用いられている。なお、シールドには、導体付きテープを用いたもの、編組状の素線で覆ったものがある。また、ドレイン線等を２本の絶縁電線に付け合わせることもできる。

特開２００７−０２６９０９号公報 特開２０００−４０４２３号公報 米国特許第５２８３３９０号明細書

数Ｇｂｉｔ／ｓ、特に１０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速・差動信号を伝送するためには、ケーブルのスキューを更に低減する必要がある。スキューは、対をなす導線間で伝搬定数が異なることにより発生し、その直接的な原因として、対をなす絶縁体の形状又は特性が対内で非対称となっていることが考えられる。

スキューを低減するためには、対内で非対称性が存在しない、又は存在している場合でもその影響を緩和できる構造のケーブルを実現する必要がある。これに向けたケーブルとして、対をなす導線間の電磁結合を強めた構造の差動信号伝送用ケーブルが有効とされている。

図７は、特許文献１に代表されるツイナックスケーブルの一例を示す断面図である。

図７に示すように、特許文献１に代表されるツイナックスケーブル７０は、信号用の導線７１を絶縁体７２で被覆して絶縁した２本の絶縁電線７３を並行に配置し、その外側に絶縁層７４、金属箔テープからなるシールド導体７５と絶縁テープ７６が巻き付けられている。シールド導体７５の接地がとれるよう、シールド導体７５と２本の絶縁電線７３との間にはドレイン線７７がシールド導体７５の導電面と接触するように縦添えされている。

この構造では、導線７１とシールド導体７５との電磁結合よりも、２本の導線７１間の電磁結合が強くなっており、スキューの低減に一定の効果がある構造であることが分かる。

しかしながら、ドレイン線７７を添わせた状態でシールド導体７５及び絶縁テープ７６を巻く必要があり、製造工程上、ドレイン線７７の位置が安定しづらいという問題が考えられる。

２本の絶縁電線７３に対し、ドレイン線７７の位置が非対称となる位置にずれて仕上がった場合、逆にスキューを発生させてしまうこととなる。このため、製造工程の良し悪しの影響が特性に大きく現れるケーブル構造となっている。

図８は、特許文献２に代表されるツイナックスケーブルの一例を示す断面図である。

図８に示すように、特許文献２に代表されるツイナックスケーブル８０は、２本の導線８１は共通の絶縁体８２により一括被覆され、その外側にはテープ状発泡体８３が巻かれている。テープ状発泡体８３の外側には編組線８４とシールド導体８５、さらにその外側に絶縁テープ８６が設けられた構造となっている。

この構造においては絶縁体８２が２本の導線８１に一括被覆されたことが特徴とされ、特性インピーダンスの制御を容易なものとすることが効果としてうたわれている。

一方、実用上の課題として、シールド導体８５の接地をとるためのドレイン線が設けられていないことが挙げられる。また、製造工程上、図示されたような所望の絶縁体形状（瓢箪型の形状）を得ることが非常に困難であることも考えられ、安定した特性が得られにくい構造となっている。

図９は、特許文献３に代表されるツイナックスケーブルの一例を示す断面図である。

図９に示すように、特許文献３に代表されるツイナックスケーブル９０は、信号用の導線９１を絶縁テープ９２で絶縁した２本の絶縁電線９３を並行に配置し、その外側から２本の絶縁電線９３を押しつぶすようにシールド導体９４と絶縁テープ９５を巻きつけた構造となっている。

押し付けられた２本の絶縁電線９３はそれぞれ別々のものであり、一体化されていない。この構造を実現するためには柔らかい材料で構成される絶縁テープ９２により絶縁がとられる必要がある。絶縁テープ９２が柔らかくないと所望の変形が得られない。

この絶縁テープ９２が押しつぶされた分だけ２本の導体９１間の距離が縮まり、対をなす導線９１間の電磁結合が強められた構造となっている。このため、スキューの低減に一定の効果がある構造であることが分かる。

しかしながら、製造工程上、絶縁テープ９２のつぶれ方は対間で必ずしも一致せず、所望の絶縁体形状を得ることが非常に困難であることが考えられる。このため、安定した特性が得られにくい構造となっている。また、実用上の課題として、シールド導体９４の接地をとるためのドレイン線が設けられていないことも挙げられる。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブルにおいて、スキューを低減した差動信号伝送用ケーブル及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、導線と前記導線を被覆する絶縁体とからなり、並行に接触して設けられた２本の絶縁電線と、前記２本の絶縁電線の間に形成された凹部に縦添えされて設けられたドレイン線と、前記２本の絶縁電線と前記ドレイン線とを一括して巻き付けるシールド導体と、を備えた差動信号伝送用ケーブルであって、前記２本の絶縁電線は、接触した部分が融着により一体化されて２芯絶縁電線とされると共に、前記２芯絶縁電線の長幅が、２本の導線の中心同士を結ぶ直線距離の２倍よりも大きくされる差動信号伝送用ケーブルである。

前記２芯絶縁電線は、周囲に絶縁層を有していても良い。

前記絶縁層は、前記絶縁体と同じ材料で形成されていると良い。

前記シールド導体は、前記２本の絶縁電線に融着されていないと良い。

前記絶縁体は、発泡材料で形成されていると良い。

前記２本の絶縁電線は、加熱による前記絶縁体の溶融によって融着されていると良い。

また、本発明は、導線と前記導線を被覆する絶縁体とからなる２本の絶縁電線を並行に接触して設け、前記２本の絶縁電線の間に形成された凹部にドレイン線を縦添えして設け、前記２本の絶縁電線と前記ドレイン線とをシールド導体により一括して巻き付ける差動信号伝送用ケーブルの製造方法であって、前記２本の絶縁電線を、接触した部分を融着により一体化して２芯絶縁電線とすると共に、前記２芯絶縁電線の長幅を、２本の導線の中心同士を結ぶ直線距離の２倍よりも大きくする差動信号伝送用ケーブルの製造方法である。

前記融着は、前記２本の絶縁電線同士を加熱しながら押し付け合い、前記絶縁体の表皮を変形させながら前記絶縁体を溶融させることで実現すると良い。

前記２本の絶縁電線を、融着により一体化すると共に周囲を絶縁層で被覆して２芯絶縁電線としても良い。

前記絶縁層を、前記絶縁体と同じ材料で形成すると良い。

前記シールド導体を、前記２本の絶縁電線に融着しないと良い。

前記絶縁体を、発泡材料で形成すると良い。

本発明によれば、数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブルにおいて、スキューを低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルにおいて、所望の特性を獲得するための条件を説明する図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルの製造方法を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 図４の差動信号伝送用ケーブルの製造方法を説明する図である。 図４の差動信号伝送用ケーブルにおいて、所望の特性を獲得するための条件を説明する図である。 従来の差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 従来の差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。 従来の差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブルを示す断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１００は、信号用の導線１と導線１を被覆する絶縁体２とからなり、並行に接触して設けられた２本の絶縁電線３と、２本の絶縁電線３の間に形成されたくぼみ部分（凹部）４に縦添えされて設けられたドレイン線５と、２本の絶縁電線３とドレイン線５とを一括して巻き付けるシールド導体６と、を備える。

絶縁電線３は、導線１を、押出機により供給される絶縁体２で被覆することにより形成される。

この絶縁電線３に用いる導線１としては、銅等の電気良導体、又は、これらの電気良導体にメッキ等を施した単線又は撚線を用いる。

絶縁体２の材料には、可能な限り誘電率の小さい材料、例えば発泡ポリエチレン等の発泡材料を使用するのが望ましい。発泡材料は、気泡を有すると共に柔軟性を有するため、絶縁体２の溶融を行い易い。絶縁体２を形成する方法としては、成型前に発泡剤を練りこみ、成型時の温度によって発泡度を制御する方法、窒素等のガスを成型圧力で注入しておき、圧力解放時に発泡させる方法等がある。また、発泡材料でなくとも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やパーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）等の材料でもかまわない。このとき、絶縁体２の表皮には、スキン層等の薄皮層があっても良い。

ドレイン線５は、信号用の導線１と同様、銅等の電気良導体、又は、これらの電気良導体にメッキ等を施した単線又は撚線を用いる。ドレイン線５とシールド導体６が接触するよう、ドレイン線５の径を選定する。

シールド導体６は、ポリエチレン（ＰＥＴ）等からなるテープに金属箔を貼り合わせたものである。金属箔の材料としては、導電性やシールド特性の観点からアルミニウムや銅等が望ましい。このシールド導体６は、金属箔の導体面が、ドレイン線５と接触するようにして巻き付けられるか、或いは、縦添えして被覆される。このとき、シールド導体６と凹部４との間には、間隙１０が形成される。

また、シールド導体６は、２本の絶縁電線３に融着されていないことが望ましい。シールド導体６が絶縁電線３に融着されていると、シールド導体６と絶縁電線３の絶縁体２との間が固定されるため、差動信号伝送用ケーブル１００が曲げにくくなると共に、曲げたときにケーブルが壊れ易くなる虞があるからである。このシールド導体６の周囲には、絶縁テープ９が巻き付けられる。

さて、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１００では、図２に示すように、２本の絶縁電線３は、接触した部分１１が融着により一体化されて２芯絶縁電線１２とされると共に、２芯絶縁電線１２の長幅Ｗが、２本の導線１間の距離（すなわち、２本の導線１の中心同士を結ぶ直線距離）ｄの２倍よりも大きくされることを特徴とする。

この構造の詳細を差動信号伝送用ケーブル１００の製造方法と共に説明する。

信号用の導線１を絶縁体２で被覆した絶縁電線３を、２本を並行に、所望の線ピッチになるように、左右から加圧・整列させ、一定速度で送り出しながら加熱をする。加圧と加熱によって、互いの絶縁電線３の絶縁体２が面で融着する。

この融着は、図３に示すように、絶縁体２が所定の形状となるような治具を用いて、２本の絶縁電線３同士を加熱しながら押し付け合い、絶縁体２の表皮を変形させながら絶縁体２を溶融させることで実現する。

融着完了後、温度・圧力を戻すと、絶縁体２の気泡は元の形状に戻るが、融着した部分は離れないので、図１の断面形状が維持される。また、融着によってできた凹部４に、ドレイン線５を縦添え配置する。ドレイン線５を縦添えし、融着された２本の絶縁電線３と一緒に、その外側からシールド導体６で被覆、固定する。

２本の導線１間の電磁結合強度は、２本の導線１間の距離及び導線１とシールド導体６との間の寸法で決定される。これは、絶縁電線３の融着を行う際の絶縁体２のつぶれ（変形量）を管理することで制御が可能である。

絶縁体２の変形量を制御することは、スキューのみならず、差動信号伝送用ケーブル１００の減衰量等他の特性にも大きな影響を与える。このため、絶縁体２の変形量は差動信号伝送用ケーブル１００の長手方向に沿って均一である必要がある。

絶縁体２の変形量が差動信号伝送用ケーブル１００の長手方向に沿って変動することのないよう、本実施の形態では、２本の絶縁電線３を融着することで、一体化された２芯絶縁電線１２としている。

また、対間の電磁結合強度を十分に強めるためには、上述したように、一体化された２芯絶縁電線１２の中心線を対称にｄの距離を持つ２本の導線１に対し、一体化された２芯絶縁電線１２の長幅Ｗが２ｄよりも大きくなるように制御を行うことが肝要である。

これは、２本の絶縁体２を融着せずに並行配置した場合と比較することに根拠をなす。２本の絶縁体２を融着せずに並行配置した場合、絶縁電線３の長幅Ｗが導体１間の距離の２倍値と等しくなる。この状態では２本の導線１間の電磁結合状態は強められていない。

これに対し、図２に示す条件で２芯絶縁電線１２を構成した場合、シールド導体６と導体１の間に発生する電界強度よりも、２本の導体１間の電界強度の方が大きくなる。

２本の絶縁電線３を融着して一体化する構造では、上述の寸法値の制御が可能であり、これにより安定した特性を確保することができる。

本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１００では、２本の絶縁電線３は、接触した部分が融着により一体化されて２芯絶縁電線１２とされると共に、２芯絶縁電線１２の長幅Ｗが、２本の導線１間の距離（すなわち、２本の導線１の中心同士を結ぶ直線距離）ｄの２倍よりも大きくされるため、導線１間の電磁結合状態を強めた状態、すなわち導線１とシールド導体６間の電磁結合状態が相対的に弱められた状態を安定に実現することができる。

そのため、数Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号伝送用ケーブル１００において、スキューを低減することができ、また、例えば、シールド導体６の巻きつけピッチなどに起因して任意の周波数帯で発生する「サックアウト」と呼ばれるコモンモード共振現象など、シールド（ＧＮＤ）が原因となり差動信号伝送用ケーブル１００の伝送特性に与える影響を低減することも可能となる。

更に、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１００では、絶縁電線３は、加熱による絶縁体２の溶融によって接合されているため、絶縁体２は、融着によって表面が接合した状態で変形される。このため、絶縁体２として発泡材料を用いた場合であっても、絶縁体２同士が押し付けられた状態で変形するわけではないので、気泡が潰れることがない。したがって、加熱の解除後は、絶縁体２の気泡の大きさは、どの部分でもほぼ均一の状態となる。すなわち、絶縁体２の変形した部分とそれ以外の部分において、気泡の大きさがほぼ同じとなる。その結果、伝送路の誘電率はほぼ一定なので、伝搬時に発生する分散も小さく、スキューが小さい。

これらの効果により、数Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速信号伝送に適した差動信号伝送用ケーブル１００を実現することができる。つまり、差動信号伝送用ケーブル１００を用いることで、機器間及び機器内の高速信号伝送を可能とし、電子機器の性能を向上させることに貢献することが可能である。

また、従来構造では存在したりしなかったりしたドレイン線５を確実に収納することが可能となり、シールド導体６の接地を容易に行うことができるようになる。

それに加え、差動信号伝送用ケーブル１００を製造する際に、絶縁電線３の融着を行う際の絶縁体２のつぶれ（変形量）を管理することで、２本の導線１間の電磁結合強度の制御が可能である。これにより、差動信号伝送用ケーブル１００の製造方法においては、所望の特性の差動信号伝送用ケーブル１００を安定して製造することが可能である。

なお、本実施の形態においては、ドレイン線５を、２本の絶縁電線３の間に形成された２つの凹部４のうちの１つに設けたが、２つの凹部４にそれぞれ設けるようにしてもよい。

また、ドレイン線５が無い構成としても良い。この場合、シールド導体６は、半田が載りやすい材料である必要がある。ドレイン線５を無くすことで、低コスト化、屈曲性の向上などの効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、２本の絶縁電線３の接触した部分１１を融着により一体化して２芯絶縁電線１２とし、差動信号伝送用ケーブル１００を構成したが、図４，５に示すように、融着後、対をなす導線１間の電磁結合を強めた構造をより安定にするため、一体化された絶縁電線３の周囲に絶縁層４１を押出被覆して２芯絶縁電線４０とし、差動信号伝送用ケーブル２００を構成しても良い。この場合、図６に示すように、絶縁層４１を含む２芯絶縁電線４０の長幅Ｗが、２本の導線１間の距離ｄの２倍よりも大きくされる。

絶縁層４１の材料は、絶縁体２と同じであることが望ましい。これにより、材料による誘電特性の違いを考慮することなく、所望の特性を出すための設計が行える。すなわち、対をなす導線１間の電磁結合強度が、導線１間の距離と、導線１とシールド導体６間の距離とで単純に決定することができる。更に、複雑な伝搬モードが発生することを考慮しなくても良くなる。また、絶縁体２と絶縁層４１の材料を同じにすることで、製造上の管理が容易になる。

このような構成の差動信号伝送用ケーブル２００によれば、上述の差動信号伝送用ケーブル１００に比べ、導線１に対するシールド導体６の影響を相対的に小さくすることができる。つまり、２本の導線１間の電磁結合状態がさらに強められた構造とすることができる。

従って、差動信号伝送用ケーブル２００によっても、スキューを低減することができる。

以上説明した差動信号伝送用ケーブル１００，２００を複数内蔵する１本の多芯ケーブルを実現することができる。また、この多芯ケーブルにコネクタをアッセンブリすることで、ダイレクトアタッチケーブルと呼ばれるハーネスを実現することができる。

１ 導線
２ 絶縁体
３ 絶縁電線
４ 凹部
５ ドレイン線
６ シールド導体
１１ 接触した部分
１２ ２芯絶縁電線
１００ 差動信号伝送用ケーブル

Claims (12)

1. 導線と前記導線を被覆する絶縁体とからなり、並行に接触して設けられた２本の絶縁電線と、
   前記２本の絶縁電線の間に形成された凹部に縦添えされて設けられたドレイン線と、
   前記２本の絶縁電線と前記ドレイン線とを一括して巻き付けるシールド導体と、
   を備えた差動信号伝送用ケーブルであって、
   前記２本の絶縁電線は、接触した部分が融着により一体化されて２芯絶縁電線とされると共に、前記２芯絶縁電線の長幅が、２本の導線の中心同士を結ぶ直線距離の２倍よりも大きくされることを特徴とする差動信号伝送用ケーブル。
2. 前記２芯絶縁電線は、周囲に絶縁層を有している請求項１に記載の差動信号伝送用ケーブル。
3. 前記絶縁層は、前記絶縁体と同じ材料で形成されている請求項２に記載の差動信号伝送用ケーブル。
4. 前記シールド導体は、前記２本の絶縁電線に融着されていない請求項１〜３のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブル。
5. 前記絶縁体は、発泡材料で形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブル。
6. 前記２本の絶縁電線は、加熱による前記絶縁体の溶融によって融着されている請求項１〜５のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブル。
7. 導線と前記導線を被覆する絶縁体とからなる２本の絶縁電線を並行に接触して設け、
   前記２本の絶縁電線の間に形成された凹部にドレイン線を縦添えして設け、
   前記２本の絶縁電線と前記ドレイン線とをシールド導体により一括して巻き付ける差動信号伝送用ケーブルの製造方法であって、
   前記２本の絶縁電線を、接触した部分を融着により一体化して２芯絶縁電線とすると共に、前記２芯絶縁電線の長幅を、２本の導線の中心同士を結ぶ直線距離の２倍よりも大きくすることを特徴とする差動信号伝送用ケーブルの製造方法。
8. 前記融着は、前記２本の絶縁電線同士を加熱しながら押し付け合い、前記絶縁体の表皮を変形させながら前記絶縁体を溶融させることで実現する請求項７に記載の差動信号伝送用ケーブルの製造方法。
9. 前記２本の絶縁電線を、融着により一体化すると共に周囲を絶縁層で被覆して２芯絶縁電線とする請求項７又は８に記載の差動信号伝送用ケーブルの製造方法。
10. 前記絶縁層を、前記絶縁体と同じ材料で形成する請求項９に記載の差動信号伝送用ケーブルの製造方法。
11. 前記シールド導体を、前記２本の絶縁電線に融着しない請求項７〜１０のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの製造方法。
12. 前記絶縁体を、発泡材料で形成する請求項７〜１１のいずれかに記載の差動信号伝送用ケーブルの製造方法。

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