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JP6524826B2 - 多芯ケーブルコネクタ及びコネクタ付きケーブル - Google Patents

多芯ケーブルコネクタ及びコネクタ付きケーブル Download PDF

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Description

本発明は、多芯ケーブルコネクタ及びコネクタ付きケーブルに関する。
従来、差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルを複数備えた多芯ケーブルの端部に、多芯ケーブルコネクタを設けたコネクタ付きケーブル(ダイレクトアタッチケーブル、DAC)が知られている。
コネクタ付きケーブルに用いられる多芯ケーブルコネクタは、基板と、基板に形成された配線パターンからなり差動信号を伝送する複数対の伝送線路と、伝送線路の他端に電気的に接続された複数対のコンタクトパッドと、を有している。
コンタクトパッドは、基板のケーブル接続側と反対側の端部に整列して形成されており、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタの電極に電気的に接続される。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献1がある。
特許第4673191号公報
ところで、コンタクトパッドは、そのサイズが規格等により規定されており、伝送線路よりも広い幅に形成されることが一般的である。
そのため、コンタクトパッドでは、伝送線路よりも特性インピーダンス(差動インピーダンス)が低下してしまい、伝送線路とコンタクトパッドとの間でインピーダンスの不整合が生じ、信号品質の劣化につながってしまうという問題がある。
また、一般的に、多芯ケーブルコネクタでは、各対の伝送線路が互いに線路長が等しくなるように形成されている(等長配線になっている)ため、対間の共振により特定の周波数においてクロストークが大きくなってしまう(クロストーク波形にピークが発生してしまう)という問題がある。
そこで、本発明は、コンタクトパッドでのインピーダンス不整合を抑制でき、かつ、対間の共振によるクロストーク特性の劣化を抑制可能な多芯ケーブルコネクタ及びコネクタ付きケーブルを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決することを目的として、差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルを複数備えた多芯ケーブルの端部に設けられる多芯ケーブルコネクタであって、基板と、前記基板に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブルが電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路と、前記基板に形成され、前記複数対の伝送線路の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタの電極に電気的に接続される複数対のコンタクトパッドと、前記複数対の伝送線路の他端部と前記複数対のコンタクトパッドとの間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路と、を備え、少なくとも、隣り合う前記伝送線路の対に対応する前記高インピーダンス線路が、異なる線路長に形成されている、多芯ケーブルコネクタを提供する。
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルを複数備えた多芯ケーブルと、前記多芯ケーブルの少なくとも一方の端部に設けられた多芯ケーブルコネクタと、を備えたコネクタ付きケーブルであって、前記多芯ケーブルコネクタは、基板と、前記基板に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブルが電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路と、前記基板に形成され、前記複数対の伝送線路の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタの電極に電気的に接続される複数対のコンタクトパッドと、前記複数対の伝送線路の他端部と前記複数対のコンタクトパッドとの間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路と、を備え、少なくとも、隣り合う前記伝送線路の対に対応する前記高インピーダンス線路が、異なる線路長に形成されている、コネクタ付きケーブルを提供する。
本発明によれば、コンタクトパッドでのインピーダンス不整合を抑制でき、かつ、対間の共振によるクロストーク特性の劣化を抑制可能な多芯ケーブルコネクタ及びコネクタ付きケーブルを提供できる。
(a)は本発明の一実施の形態に係る多芯ケーブルコネクタを備えたコネクタ付きケーブルの概略構成図、(b)はそのA部拡大図である。 多芯ケーブルコネクタを受け側コネクタに接続した際の断面図である。 (a),(b)は、対間クロストークのシミュレーション結果を説明する図である。
[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
(多芯ケーブルコネクタの全体構造)
図1(a)は、本実施の形態に係る多芯ケーブルコネクタを備えたコネクタ付きケーブルの概略構成図、(b)はそのA部拡大図である。
図1(a),(b)に示すように、多芯ケーブルコネクタ1は、差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブル2を複数備えた多芯ケーブル3の端部に設けられている。多芯ケーブル3の少なくとも一方の端部に多芯ケーブルコネクタ1を設けたものが、本実施の形態に係るコネクタ付きケーブル100である。
差動信号伝送用ケーブル2は、1対の信号導体2aと、信号導体2aを一括してまたは個別に被覆する絶縁体(不図示)と、絶縁体の外周に設けられたシールド導体2bと、シールド導体2bの外周に設けられたシース2cと、を備えている。ここでは、信号導体2aを伝送される差動信号が25Gb/s(ギガビット毎秒)である場合を説明する。
多芯ケーブル3は、複数本の差動信号伝送用ケーブル2をより合わせ、その周囲にジャケット3aを被覆して構成されている。ここでは、4チャネルの送受信を可能とするために8本の差動信号伝送用ケーブル2を備えた多芯ケーブル3を用いた。なお、図1(a)では、基板4の表面Sに接続される4本の差動信号伝送用ケーブル2のみを示しているが、基板4の裏面にも4本の差動信号伝送用ケーブル2が接続されている。
多芯ケーブルコネクタ1は、基板4と、差動信号を伝送する複数対の伝送線路5と、伝送線路5の端部に電気的に接続された複数対のコンタクトパッド6と、を備えている。
基板4としては、例えば、誘電体としてFR4(Flame Retardant Type 4)を用いた多層基板を用いることができる。伝送線路5とコンタクトパッド6は、基板4に形成された配線パターン(銅箔)から構成される。ここでは、10GHzにおける比誘電率εrが3.6となる誘電体を用いた基板4を用いた。
本実施の形態では、8本の差動信号伝送用ケーブル2に対応するように、8対の伝送線路5と8対のコンタクトパッド6が基板4に形成されている。基板4の表面Sには4対の伝送線路5と4対のコンタクトパッド6が形成され、図示していないが、基板4の裏面にも4対の伝送線路5と4対のコンタクトパッド6が形成されている。
伝送線路5の一端には、差動信号伝送用ケーブル2の信号導体2aを接続するためのケーブル側パッド7がそれぞれ形成されている。このケーブル側パッド7に信号導体2aをはんだ等により固定することで、伝送線路5の一端に信号導体2aが電気的に接続される。
また、基板4におけるケーブル側パッド7よりも一端側(ケーブル接続側)の端部には、差動信号伝送用ケーブル2のシールド導体2bを接続するためのケーブル側グランドパッド8が形成されている。このケーブル側グランドパッド8にシールド導体2bをはんだ等により固定することで、シールド導体2bと基板4のグランドパターン(不図示)とが電気的に接続される。なお、グランドパターンは、例えば、多層基板からなる基板4の内層に形成され、グランドパターンとケーブル側グランドパッド8とがスルーホールを介して電気的に接続されている。図1(a)では、2本の差動信号伝送用ケーブル2で共通となるようにケーブル側グランドパッド8を形成しているが、差動信号伝送用ケーブル2毎に個別にケーブル側グランドパッド8を形成してもよい。
コンタクトパッド6は、伝送線路2の他端(ケーブル側パッド7と反対側の端)に電気的に接続されており、基板4の他端部(ケーブル接続側と反対側の端部)に整列して形成されている。すなわち、基板4の他端部には、基板4の表裏面にコンタクトパッド6が整列して形成されることで、カードエッジコネクタが形成されている。なお、符号6aは、基板4のグランドパターンに電気的に接続されたグランド接続用コンタクトパッドである。グランド接続用コンタクトパッド6aは、コンタクトパッド6の一部であり、信号伝送用の各対のコンタクトパッド6を整列方向において挟み込むように配置されている。
図2に示すように、多芯ケーブルコネクタ1をコネクタ接続する際には、基板4の他端部を接続対象となる受け側コネクタ21に挿入する。このとき、基板4の他端部に形成されたコンタクトパッド6が、受け側コネクタ21の電極22と電気的に接続され、多芯ケーブル3と受け側コネクタ21を搭載した通信機器(不図示)とが、多芯ケーブルコネクタ1と受け側コネクタ21とを介して電気的に接続されることになる。
(高インピーダンス線路の説明)
図1(a),(b)に戻り、本実施の形態に係る多芯ケーブルコネクタ1では、複数対の伝送線路5の他端部と複数対のコンタクトパッド6との間にそれぞれ設けられ、伝送線路5よりも高い差動インピーダンス(差動配線の特性インピーダンス)を有する複数対の高インピーダンス線路9を備えている。
コンタクトパッド6では、伝送線路5の線路幅よりも幅が広く形成され、隣り合うコンタクトパッド6間の間隔も短くなるため、伝送線路5よりも差動インピーダンスが低下する。本実施の形態では、コンタクトパッド6の直近に差動インピーダンスの高い高インピーダンス線路9を設けることで、コンタクトパッド6での差動インピーダンスの低下を相殺し、伝送線路5とコンタクトパッド6間のインピーダンス不整合を抑制している。
ここでは、グランド接続用コンタクトパッド6aを含むコンタクトパッド6の幅W1を0.50〜0.63mmとし、コンタクトパッド6の整列方向における配置ピッチPを0.8mmとした。また、図1(a)における最も左側のグランド接続用コンタクトパッド6aの中心から、最も右側のグランド接続用コンタクトパッド6aの中心までの距離W2を14.40mmとした。また、伝送線路5の線路幅W3を0.2mmとした。
さらに、本実施の形態では、少なくとも、隣り合う伝送線路5の対に対応する高インピーダンス線路9が、異なる線路長Lに形成されている。
従来の多芯ケーブルコネクタでは、各対の伝送線路の線路長が等しくなるように構成されているのが一般的であるが、このように各対で伝送線路の長さが同じに設定されている場合、各対における共振周波数が同じとなり、特定の周波数でクロストークが大きくなってしまう。
本実施の形態では、少なくとも隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lを異ならせることで、クロストークの影響が最も大きくなる隣り合う対において、共振周波数を異ならせており、これにより特定の周波数でクロストークが大きくなることを抑制している。なお、本実施の形態では、伝送線路5と高インピーダンス線路9とを足し合わせた線路長が各対で等しくなるように構成されてもよい。
本実施の形態では、複数対の高インピーダンス線路9は、同じ線路幅W4に形成されており、その線路長Lを異ならせることで、各対の共振周波数を異ならせるように構成されている。高インピーダンス線路9の線路幅W4は、伝送線路5の線路幅W3よりも小さく設定される。ここでは、伝送線路5の差動インピーダンスが100Ω、コンタクトパッド6の差動インピーダンスが90Ω程度であったことを考慮し、線路幅W4を0.1mmとし、高インピーダンス線路9の差動インピーダンスを140Ωに設定した。高インピーダンス線路9を設けることで、コンタクトパッド6の差動インピーダンスを95Ω程度まで改善し、伝送線路5とコンタクトパッド6間のインピーダンス不整合を抑制することが可能である。
なお、高インピーダンス線路9の線路長Lを一定とし、線路幅W4を各対で異ならせることで、各対の共振周波数を異ならせることも考えられる。しかし、線路幅W4を細くすることには限界があるため、線路幅W4の違いにより、各対の共振周波数をクロストークを十分に抑制できる程度に異ならせることは困難であり、また、線路幅W4を異ならせると製造時の誤差が各対でばらばらになるおそれがあり、クロストーク抑制の効果を十分に得ることができない場合も考えられる。なお、高インピーダンス線路9の線路幅W4は、信頼性の観点から、0.1mm以上とすることが望ましい。
つまり、高インピーダンス線路9を、一定の線路幅W4とし、各対で線路長Lを異ならせるように構成することで、容易に各対の共振周波数を異ならせることができ、製造時の誤差の影響も受けにくくなる。
高インピーダンス線路9の線路長Lは、少なくとも隣り合う対で異なっていればよく、隣り合わない高インピーダンス線路9の線路長Lが等しく設定されていても構わない。また、高インピーダンス線路9の線路長を対ごとに異ならせ、対ごとに共振周波数を異ならせるように構成してもよい。
本実施の形態では、図1(a)における左側から右側にかけて、各対の高インピーダンス線路9の線路長Lを、500μm、300μm、500μm、300μmに設定したところ、高インピーダンス線路9を設けない従来技術と比較して、クロストーク波形のピーク値を約3dB低下させることができた。また、図1(a)における左側から右側にかけて、各対の高インピーダンス線路9の線路長Lを、300μm、400μm、500μm、600μmとした場合についても、高インピーダンス線路9を設けない従来技術と比較して、クロストーク波形のピーク値を約3dB低下させることができた。
なお、高インピーダンス線路9の線路長Lを300μm未満と短くした場合、伝送線路5とコンタクトパッド6のインピーダンス不整合を抑制する効果が十分に得られないおそれがある。また、高インピーダンス線路9の線路長Lを600μmより長くすると、高インピーダンス線路9と伝送線路5間、あるいは高インピーダンス線路9とコンタクトパッド6間のインピーダンス不整合が問題となり、信号品質が劣化してしまうおそれがある。
したがって、本実施の形態においては、高インピーダンス線路9の線路長Lを300μm以上600μm以下とすることが望ましいといえる。ここで、本実施の形態では、伝送する差動信号が25Gb/s(中心周波数が12.5GHz)であり、基板4の比誘電率εrが3.6であるから、基板4による波長短縮効果を考慮した波長は約12.6mmとなる。このことから、高インピーダンス線路9の線路長Lは、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長(基板4による波長短縮効果を考慮した波長)の2%以上5%以下であることが望ましいといえる。
また、隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lの差が小さすぎると、隣り合う対で共振周波数が同等となり、クロストーク波形のピーク値を抑制する効果が十分に得られないと考えられる。
上述のように、少なくとも、隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lの差を100μm以上とすることで、クロストーク波形のピーク値を抑制できることが確認できたため、隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lの差は、少なくとも、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の1%以上3%以下とすることが望ましいといえる。なお、隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lの差を3%より大きくすると、全ての高インピーダンス線路9の線路長Lを、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の2%以上5%以下の範囲とすることができなくなる。また、上述のように、インピーダンス不整合を抑制するという観点から高インピーダンス線路9の線路長Lは300μm以上とすることが望ましいことから、隣り合う高インピーダンス線路9の対の線路長Lの差は、最も短い高インピーダンス線路9の線路長の30%以上とすることが望ましいといえる。
ここで、本実施の形態の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。
図3(a)に示すように、一端が信号入力に接続され他端が50Ω終端に接続されたレーン1(第1の対)から、一端が50Ω終端に接続され他端が信号出力に接続されたレーン2(第2の対)へのクロストークを実測により求めた。ここでは、レーン1の高インピーダンス線路9の線路長Lを500μmとし、レーン2の高インピーダンス線路9の線路長Lを300μmとした。また、両レーンの高インピーダンス線路9の線路幅W4は0.1mmとし、高インピーダンス線路9の差動インピーダンスを140Ωとした。
また、高インピーダンス線路9を備えない従来例についても、同様に実験を行った。結果をまとめて図3(b)に示す。
図3(b)に示すように、異なる線路長Lの高インピーダンス線路9を設けた実施例(実線)では、高インピーダンス線路9を備えない従来例(破線)と比較して、周波数7〜8GHzに生じるクロストーク波形のピーク値が、3dB程度改善していることが分かる。このように、異なる線路長Lの高インピーダンス線路9を設けることで、対間の共振によるクロストーク特性の劣化を抑制することが可能である。
(実施の形態の作用及び効果)
以上説明したように、本実施の形態では、複数対の伝送線路5の他端部と複数対のコンタクトパッド6との間にそれぞれ設けられ、伝送線路5よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路9を備え、少なくとも、隣り合う伝送線路5の対に対応する高インピーダンス線路9が、異なる線路長Lに形成されている。
高インピーダンス線路9をコンタクトパッド6の直近に備えることで、コンタクトパッド6での差動インピーダンスの低下を相殺し、伝送線路5とコンタクトパッド6間のインピーダンス不整合を抑制することが可能になる。その結果、インピーダンス不整合に起因する反射等の損失を抑制し、信号品質の劣化を抑制することが可能になる。
また、少なくとも隣り合う対で高インピーダンス線路9の線路長Lを異ならせることで、クロストークの影響が最も大きい隣り合う対において共振周波数をずらすことが可能になり、特定の周波数でクロストークが大きくなってしまうこと、すなわち、クロストーク波形のピークを抑制することが可能になる。つまり、本実施の形態によれば、対間の共振によるクロストーク特性の劣化を抑制することが可能になる。
(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[1]差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブル(2)を複数備えた多芯ケーブル(3)の端部に設けられる多芯ケーブルコネクタ(1)であって、基板(4)と、前記基板(4)に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブル(2)が電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路(5)と、前記基板(4)に形成され、前記複数対の伝送線路(5)の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタ(21)の電極(22)に電気的に接続される複数対のコンタクトパッド(6)と、前記複数対の伝送線路(5)の他端部と前記複数対のコンタクトパッド(6)との間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路(5)よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路(9)と、を備え、少なくとも、隣り合う前記伝送線路(5)の対に対応する前記高インピーダンス線路(9)が、異なる線路長に形成されている、多芯ケーブルコネクタ(1)。
[2]前記複数対の高インピーダンス線路(9)は、同じ線路幅に形成されている、[1]に記載の多芯ケーブルコネクタ(1)。
[3]前記複数対の高インピーダンス線路(9)は、対ごとに異なる線路長に形成されている、[1]又は[2]に記載の多芯ケーブルコネクタ(1)。
[4]前記高インピーダンス線路(9)は、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の2%以上5%以下の線路長に形成される、[1]乃至[3]の何れか1項に記載の多芯ケーブルコネクタ(1)。
[5]隣り合う前記高インピーダンス線路(9)の対の線路長の差が、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の1%以上3%以下である、[1]乃至[4]の何れか1項に記載の多芯ケーブルコネクタ(1)。
[6]差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブル(2)を複数備えた多芯ケーブル(3)と、前記多芯ケーブル(3)の少なくとも一方の端部に設けられた多芯ケーブルコネクタ(1)と、を備えたコネクタ付きケーブル(100)であって、前記多芯ケーブルコネクタ(1)は、基板(4)と、前記基板(4)に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブル(2)が電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路(5)と、前記基板(4)に形成され、前記複数対の伝送線路(5)の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタ(21)の電極(22)に電気的に接続される複数対のコンタクトパッド(6)と、前記複数対の伝送線路(5)の他端部と前記複数対のコンタクトパッド(6)との間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路(5)よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路(9)と、を備え、少なくとも、隣り合う前記伝送線路(5)の対に対応する前記高インピーダンス線路(9)が、異なる線路長に形成されている、コネクタ付きケーブル(100)。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上記実施の形態では言及しなかったが、多芯ケーブルコネクタ1の受信側の伝送線路5に、受信した差動信号の補償や増幅を行う補償回路を備えてもよい。
1…多芯ケーブルコネクタ
2…差動信号伝送用ケーブル
3…多芯ケーブル
4…基板
5…伝送線路
6…コンタクトパッド
9…高インピーダンス線路
21…受け側コネクタ
22…電極
100…コネクタ付きケーブル

Claims (5)

  1. 差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルを複数備えた多芯ケーブルの端部に設けられる多芯ケーブルコネクタであって、
    基板と、
    前記基板に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブルが電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路と、
    前記基板に形成され、前記複数対の伝送線路の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタの電極に電気的に接続される複数対のコンタクトパッドと、
    前記複数対の伝送線路の他端部と前記複数対のコンタクトパッドとの間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路と、を備え、
    少なくとも、隣り合う前記伝送線路の対に対応する前記高インピーダンス線路が、異なる線路長に形成され、
    隣り合う前記高インピーダンス線路の対の線路長の差が、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の1%以上3%以下である、
    多芯ケーブルコネクタ。
  2. 前記複数対の高インピーダンス線路は、同じ線路幅に形成されている、
    請求項1に記載の多芯ケーブルコネクタ。
  3. 前記複数対の高インピーダンス線路は、対ごとに異なる線路長に形成されている、
    請求項1又は2に記載の多芯ケーブルコネクタ。
  4. 前記高インピーダンス線路は、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の2%以上5%以下の線路長に形成される、
    請求項1乃至3の何れか1項に記載の多芯ケーブルコネクタ。
  5. 差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルを複数備えた多芯ケーブルと、前記多芯ケーブルの少なくとも一方の端部に設けられた多芯ケーブルコネクタと、を備えたコネクタ付きケーブルであって、
    前記多芯ケーブルコネクタは、
    基板と、
    前記基板に形成され、一端に前記差動信号伝送用ケーブルが電気的に接続され、差動信号を伝送する複数対の伝送線路と、
    前記基板に形成され、前記複数対の伝送線路の他端に電気的に接続され、コネクタ接続時に、接続対象となる受け側コネクタの電極に電気的に接続される複数対のコンタクトパッドと、
    前記複数対の伝送線路の他端部と前記複数対のコンタクトパッドとの間にそれぞれ設けられ、前記伝送線路よりも高い差動インピーダンスを有する複数対の高インピーダンス線路と、を備え、
    少なくとも、隣り合う前記伝送線路の対に対応する前記高インピーダンス線路が、異なる線路長に形成され、
    隣り合う前記高インピーダンス線路の対の線路長の差が、伝送する差動信号の中心周波数に対応する波長の1%以上3%以下である、
    コネクタ付きケーブル。
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