JP2016503563A - 軽量の電気ケーブル用ハイブリッドカーボンナノチューブシールド - Google Patents

Abstract

ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドを含むケーブルは、少なくとも１つの導線、少なくとも１つの導線の少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、および、高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部を含む。【選択図】図１

Description

（政府の権利に関する陳述）
米国政府は、政府契約番号０８−Ｃ−０２９７号に基づき、本発明における権利を有する。

本発明は、シールド、とりわけ、ケーブル用のハイブリッドカーボンナノチューブシールドに一般に関する。

ＣＮＴは、室温でバリスティック半導体および金属の導電特性を示す、１次元のナノメートルスケールのチューブ状のグラフェン分子である。ＣＮＴは非常に小さく、かつ、比表面積が非常に大きい。ＣＮＴは、破損に対する高い歪み比と比較的高い係数を含む、並外れた強度を有することが知られている。ＣＮＴは、疲労、放射線損傷、および熱に対して強い耐性を有することもある。

ＣＮＴは、六角形の配列にｓｐ^２共有結合した炭素原子を含み、約１，４００ｋｇ／ｍ^３の比較的低い密度を有している。空隙率によって、紡いだＣＮＴ糸、編組線、および製造されたシート製品は、上記の数字の３分の２低い密度を有することができる。ＣＮＴは様々な合成方法で単層または複層のチューブ構造として製造されることもあり、約１０２〜１０８の範囲の長さと直径のアスペクト比を有し得る。こうした範囲の広いアスペクト比を有していることから、ＣＮＴを、簡単に組み立ててストランド、細線、および、糸にしたり、編み込んでワイヤーにしたり、織って羊毛または他の規模の大きな繊維材料などの織物にすることもある。

軽いケーブルの製造に成功する鍵は、シールド機能、すなわち、シールド効果のために金属ホイルと、第２の遮蔽機能と同様に機械的な機能、すなわち、ホイルを適所で保持するためにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）テープとを採用したハイブリッドな機械的で電気的な構造を使用することを含んでいる。図１と２はそれぞれ典型的なＤＣケーブルと同軸（ｃｏａｘ）ケーブルの設計構造の概略図を示す。

実施形態の１つのセットにおいて、ケーブル用のハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドは、少なくとも１つの導線、少なくとも１つの導線の少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、および、高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部を含む。

実施形態の別のセットでは、同軸ケーブル用のハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドは、少なくとも１つの同軸ケーブル、少なくとも１つの同軸ケーブルの少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部、補強部材、および、ケーブルを終端するためにＣＮＴテープ部と金属ホイル部上に圧着させた超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）コネクタを含み、補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所に保持するために、銀を充填したエポキシが圧着部の下に置かれる。

実施形態のさらに別のセットでは、ケーブル用のハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドは、少なくとも１つの導線、少なくとも１つの導線の少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、少なくとも１つの絶縁層を囲む低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、金属ホイル部を囲む高周波のシールド機能のために構成されたシールドＣＮＴテープ部、および、金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つを包む補強部材を含む。

実施形態の別のセットによれば、ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドを含む同軸ケーブルを作る方法は、少なくとも１つの導線を提供する工程、少なくとも１つの導線の少なくとも１つの上で少なくとも１つの絶縁層を覆う工程、低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部を置く工程、高周波のシールド機能層のために構成されたＣＮＴテープ部を置く工程、金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つを補強部材で包む工程、ケーブルを終端するために、ＣＮＴテープ部と金属ホイル部の少なくとも１つの上でコネクタを圧着する工程、並びに、補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所で保持するために、圧着部の下に接着剤を置く工程、を含む。

添付の図面は視覚的な描写を与え、これを用いて様々な代表的な実施形態を十分に記載し、かつ、これを当業者が用いることで、本明細書で開示された代表的な実施形態とその利点を理解することができる。これらの図面において、類似する参照数字は対応する要素を特定する。

ハイブリッドＣＮＴシールドを含む軽量の非同軸ケーブルの一部を切り取った図である。 ハイブリッドＣＮＴシールドを含む軽量の同軸ケーブルの一部を切り取った図である。 ３つの異なるＤＣケーブル：標準的な銅ケーブル、および、ＣＮＴテープ部のシールドの異なる数の層を含む２つのＤＣケーブルのためのハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果のグラフである。 ３つの異なるＤＣケーブル：１）標準的な銅ケーブル、２）８層のＣＮＴテープ部シールドを含むＤＣケーブル、および、３）２層のＣＮＴテープ部シールドと金属ホイル部を含むハイブリッドＤＣケーブル、のためのハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果のグラフである。 ３つの異なるＤＣケーブル：１）標準的な銅ケーブル、２）８層のＣＮＴテープ部を含むＤＣケーブル、および、３）２層のＣＮＴテープ部と金属ホイル部を含むＤＣケーブル、のためのハイブリッドＣＮＴシールドの質量密度で分割したシールドの効果のグラフである。 ４つの異なる同軸ケーブル：標準的な同軸ケーブル、ならびに、２層のＣＮＴテープ部、６層のＣＮＴテープ部、および、２０層のＣＮＴテープ部をそれぞれ含む３つの同軸ケーブル、のためのハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果のグラフである。 ３つの異なる導電性のＲＧ４００同軸ケーブル：１）標準的なＲＧ４００同軸ケーブル、２）２０層のＣＮＴテープ部を含む軽量の同軸ケーブル、および、３）２０層のＣＮＴテープ部と一巻きした金属ホイル部を含む軽量のハイブリッドの同軸ケーブルのためのハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果のグラフである。 ３つの異なる導電性のＲＧ４００同軸ケーブル：１）標準的なＲＧ４００同軸ケーブル、２）２０層のＣＮＴテープ部を含む軽量の同軸ケーブル、および、３）２０層のＣＮＴテープ部と一巻きの金属ホイル部を含む軽量のハイブリッドの同軸ケーブルのためのハイブリッドＣＮＴシールドの質量密度で分割したシールドの効果のグラフである。 本発明の実施形態に係るハイブリッドＣＮＴシールドを含むハイブリッドケーブルと標準的なケーブルの、それぞれの成分と総重量を例証する２つの円グラフのセットである。 超小型バージョンＡの（ＳＭＡ）終端装置を使用して、内部の補強部材でハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブルを終端する順序での連続的な段階を示す図である。 超小型バージョンＡの（ＳＭＡ）終端装置を使用して、内部の補強部材でハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブルを終端する順序での連続的な段階を示す図である。 ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブルを作る方法のフローチャートである。

本発明は様々な形態の実施形態で可能であるが、図には１つ以上の特定の実施形態が示され、明細書では詳細に記載されており、本開示は本発明の原則の典型例として考慮されるものであり、本発明を、図示および記載される特定の実施形態に限定することを意図していないという認識に基づく。以下の記載や図面のいくつかの図において、類似する参照数字は、図面の複数の図の同じ、類似する、または、対応する部品を記載するために使用される。

ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブルは、一般に補強部材に囲まれた、内導体、絶縁層、および、外部の導電層を含む電気ケーブルを含んでいる。内導体は例えば単線または編組線であり得る。外部の導電層は、例えば、巻かれたホイル、編み込まれたテープ、または編組であり得る。同軸ケーブルでは、絶縁層（すなわち誘電体）の内部構造は、内導体と外部の導電層の間で物理的な支持と一定の間隔を維持し、これら２つを電気的に絶縁しなければならない。補強部材は支索用コード（ｓｔａｙｃｏｒｄ）を含むこともある。補強部材は銅編組を含むこともある。補強部材は、ケーブルとコネクタの間の接続を強固にする。

同軸ケーブルは、銀で被覆した銅線で作られる単線または撚線を含むこともある内導体を有する。単線と撚線の実施形態は両方とも可撓性を有し得る。両方の実施形態の導体は一般に薄い銅線を含む。誘電体とも呼ばれる絶縁層は、特性インピーダンスや減衰といったケーブルの特性に大きな影響を与える。誘電体は固体であることもあれば、空隙が開けられることもある。シールド層は、伝達されるある信号がケーブルの実質的に内部にとどまり、他のすべての信号がケーブルの実質的に外部にとどまるように、構成されてもよい。すなわち、シールド層は、２方向信号のシールドとしても役割を果たすことができる。シールド層は二次導体またはアース線としても機能することができる。電気的に、シールド層は、通信用途で高周波信号の送出を補助する送電線の機能を確立する。

同軸ケーブルは一般に、高周波信号または広帯域信号を送るための高周波の送電線として利用することができる。直接放送衛星受信機でそうであるようにもう一方の端部で機器に動作電力を供給するために、ＤＣ電力（バイアスと呼ばれる）が信号に加えられることが多い。信号を送る電磁場は、理想的には内導体と導電層の間の空間にのみ存在し、したがって、同軸ケーブルは外部の電磁場に干渉することができず、および／または、外部の電磁場からの干渉を受けることができない。

同軸ケーブルの共通的な代替策は、異なる構造の同軸ケーブル伝送を含む、ＤＣ信号やデータ通信や電力のための１本および多数の導線を含むケーブルタイプである。

軽量のケーブルを実現するための我々の革新的な概念は、従来のケーブル布線の金属編組シールド部のかなりの割合を、薄い金属ホイルと軽量のカーボンナノチューブとを含むハイブリッド構造に取り替えることであり、これは、高周波でシールドの効果を改善しつつ、金属ホイルの機械強化部品として役立つだろう。

革新的な概念は、軽量の二重機能シールド構造によって、典型的なケーブルの重量の重すぎる銅編組部を設計し直すことである。本発明の実施形態に係る設計は、金属ホイルを含むケーブルのシールド効果を保持し、一方で、カーボンナノチューブテープも含み、その機械的性能はそれが取って代わる銅よりも優れることもあり得る。

組み合わせた金属ホイル／ＣＮＴテープのシールドの本発明の実施形態に係るシールドの効果は、いずれかのシールド部のシールド効果をそれぞれ上回るが、優れた電気的および機械的な性能を提供し、重量を著しく減少させる。軽量のケーブルを成功させる鍵としては、低周波のシールド機能、すなわち、低周波のシールド効果（ＬＦ−ＳＥ）のために、金属ホイルを用いるハイブリッドの機械的および電気的な構造と、高周波のシールド機能（ＨＦ−ＳＥ）と優れた機械的機能、すなわち、ホイルを適所に保持するために、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）テープとを使用することが挙げられる。

ＣＮＴのシールドテープによって示される圧着特性が乏しいことから、コネクタの強度とハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルの強度を高めるために、本発明の実施形態にしたがって２つの異なる改良が加えられる。改良は以下を含む：１）ケーブルに沿った長さに平行かつこの長さに実質的に沿って延びる補強部材を追加すること、および、２）シールド材料と補強部材を適所に保持するために、圧着部の下で銀を充填したエポキシを追加すること。

表１は、民生用（ＣＯＴＳ）の終端した同軸ケーブルの強度と、ＣＮＴの改良した同軸ケーブルＲＧ−３１６の様々な形態との比較を示す。

航空機搭載および宇宙システム用途に使用される、信号、制御、データ通信、電力、および、同軸ケーブル伝送用のケーブル向けの従来のシールドを備えた従来の電気ケーブル設計は、その通電能力と、放射性放出を遮断して放射感受性を防ぐ能力ゆえに、銅、銀、および、アルミニウムのような従来の重金属からなる。ほとんどのケーブルは、一般に編組設計部品として構成されるシールド部に、銀、銅、およびアルミニウムの異なる組み合わせを使用する。これらの用途では、その規模に依存して、数百から数千キロメートルのワイヤーやケーブル布線が必要となることがあり、システムの全体的な性能に対する影響を最小限に抑えるために、軽量にする必要がある。典型的な同軸ケーブルについて、編組の重量による貢献は、ケーブルの全重量の２５％から６０％の間のいずれかであり得る。

開示された本発明の実施形態は、薄い金属ホイルと、典型的なケーブルの銅編組部品よりも優れた性能と機械的な強化をもたらすカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）テープとを含む二重機能の同軸ケーブルシールドを含む。ハイブリッドの金属／ＣＮＴシールドにより、シールドを改善して重量を大幅に減らし、銅編組の重量が非常に重すぎる態様を解決する。カーボンナノチューブテープに付随する終端の問題を解決するために、ＣＮＴテープとホイルのシールドの両方に超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）コネクタを圧着させ、同軸ケーブルを終端する。

ハイブリッドの機械的および電気的な構造は、有効なシールドによる低周波シールド機能のために金属ホイルを使用し、高周波シールド機能にＣＮＴテープを使用する。本発明は銅編組と比較して優れた機械的な機能も与える。ＣＮＴテープの不十分な圧着特徴を補うために２つの改良が加えられた：補強部材はケーブルの長さに平行に、かつ、その長さに沿って延び、および、ＣＮＴテープと補強部材を適所に保持するために、銀を充填したエポキシが圧着部の下で加えられる。

要約すると、ハイブリッド金属ホイル／ＣＮＴテープのシールド効果は、一方の個々のシールド部のシールド効果を超え、本発明は優れた電気的および機械的な性能と大幅な重量の削減をもたらす。

図１は、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む軽量の非同軸ケーブル（１００）の一部を切り取った図である。

ハイブリッドＣＮＴシールドを含む軽量のケーブル（１００）は、１本の導線、複数の導線、および、情報、制御、電力、およびデータ通信の１つ以上のために構成された同軸ケーブルの１つ以上を含む。この実施例は、１本の導線および多数の導線の１つ以上に関する。同軸ケーブルの場合は図２に含まれる。

ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）は、ＤＣ導体（１２０）または同軸ケーブル（１２０）の束（１１０）を含む。束（１１０）は、１つのＤＣ導体（１２０）または多くの撚線導体（ｓｔｒａｎｄｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）（１２０）を含み得る。束（１１０）は、金属、合金、ＣＮＴ束、または電気伝導を備えたＣＮＴ複合物のような導電材料で作られる。

ＤＣ導体（１２０）または同軸ケーブル（１２０）の束（１１０）を囲んでいるのは、絶縁層（１３０）である。絶縁層（１３０）は電気絶縁体または誘電体を含み、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）であり得る。絶縁層（１３０）を囲んでいるのは金属ホイル部（１４０）である。金属ホイル部（１４０）はシールドの効果を高める。

典型的なＤＣ導体（１２０）は銀をコーティングした銅編組に囲まれるであろう。その代わりに金属ホイル部（１４０）を囲んでいるのはＣＮＴテープ部（１５０）である。ＤＣ導体（１２０）の束（１１０）、絶縁層（１３０）、金属ホイル部（１４０）、および、ＣＮＴテープ部（１５０）の軸は一致している。すなわち、これら要素は同軸である。ＣＮＴテープ部（１５０）は、効果的な導体として機能すると同様に、それが囲んでいる金属ホイル部（１４０）を適所に保持するのを支援する機械的な機能を果たす。

２つの改良により、ＣＮＴテープ部（１５０）によって示される圧着特性が改善され、それによって、コネクタとハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）との間の結合の強度が高まる。第１の改良は、ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）の長さに平行で、かつ、その長さに沿った補強部材（１６０）の追加を含む。補強部材（１６０）は銅編組を含むこともある。補強部材（１６０）は支索用コードを含むこともある。補強部材は、ケーブルとコネクタの間の接続を強化する。

第２の改良は、圧着部の下に銀を充填したエポキシを置き、ＣＮＴテープ部（１５０）と補強部材（１６０）を適所に保持することである。

銀をコーティングした銅編組を軽量のＣＮＴテープ部（１５０）と取り替えるにより、大幅な軽量化を行うことができる。

ＣＮＴテープ部（１５０）を囲んでいるのは補強部材（１６０）であり、これは、ハイブリッドのＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）の長さに平行に延び、好ましくは、この長さに実質的に沿って延びる。

図２は、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む軽量の同軸ケーブル（１００）の一部を切り取った図である。

束（２１０）は１つの同軸ケーブル（２２０）または多くの撚り合わせた同軸ケーブル（２２０）を含むことができる。束（２１０）は、金属、合金、ＣＮＴ束、または電気伝導を備えるＣＮＴ複合物のような導電材料を含む。

ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）は、同軸ケーブル／（２２０）の束（２１０）を含む。同軸ケーブル（２２０）は好ましくは電磁干渉（ＥＭＩ）シールドケーブル（２２０）である。同軸ケーブル／ＣＮＴ（１２０）の束（２１０）を囲んでいるのは、絶縁層（１３０）である。絶縁層（１３０）は電気絶縁体または誘電体を含み、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）であり得る。絶縁層（１３０）を囲んでいるのは金属ホイル部（１４０）である。金属ホイル部（１４０）はシールドの効果を高める。

典型的な同軸ケーブル（２２０）は銀をコーティングした銅編組に囲まれる。その代わりに金属ホイル部（１４０）を囲んでいるのはＣＮＴテープ部（１５０）である。同軸ケーブル（２２０）の束（２１０）、絶縁層（１３０）、金属ホイル部（１４０）、および、ＣＮＴテープ部（１５０）の軸は一致している。すなわち、これらの要素は同軸である。ＣＮＴテープ部（１５０）は、効果的な導体として機能すると同様に、それが囲んでいる金属ホイル部（１４０）を適所に保持するのを支援する機械的な機能を果たす。

２つの改良により、ＣＮＴテープ部（１５０）によって示される圧着特性が改善され、それによって、コネクタとハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）との間の結合の強度が高まる。第１の改良は、ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）の長さに平行で、かつ、その長さに沿った補強部材（１６０）の追加を含む。補強部材（１６０）は銅編組を含むこともある。補強部材は支索用コードを含むこともある。

第２の改良は、圧着部の下に銀を充填したエポキシを置いて、金属ホイル部（１４０）、ＣＮＴテープ部（１５０）、および、補強部材（１６０）を適所に保持することである。

典型的な銀をコーティングした銅編組を、軽量のＣＮＴテープ部（１５０）と取り替えることにより、大幅な軽量化を行うことができる。

ＣＮＴテープ部（１５０）を囲んでいるのは補強部材（１６０）であり、これは、ハイブリッドのＣＮＴシールドを含むケーブル（１００）の長さに平行に延び、好ましくは、この長さに実質的に沿って延びる。

図３Ａは、３つの異なる導電性の米国ワイヤゲージ規格（ＡＷＧ）２８番のツイストペアケーブル：標準ケーブルと、ＣＮＴテープ部の異なる数の層を含む２つのＤＣケーブル、のためのハイブリッドＣＮＴシールドの周波数（メガヘルツ）に応じたシールド効果（デシベルの減衰）のグラフである。

より具体的には、図３Ａは、以下の３つの異なるＡＷＧツイストペアのケーブルについてハイブリッドＣＮＴシールドの周波数に応じたシールド効果のグラフである：１）銅編組を備えた標準的な銅の民生用（ＣＯＴＳ）ケーブル（長い破線）、２）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる２層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部を含む軽量のＤＣケーブル（短い破線）、および、３）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる８層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部を含む軽量のＤＣケーブル（実線）。これにより大幅な軽量化が可能である。

図３Ａで示されるように、軽量化にもかかわらず、ＤＣケーブル（１００）が、導電性ケーブル（１００）の全長に沿って標準的なＤＣケーブルを一般に含む、銀をコーティングした銅編組に取って替わるＣＮＴテープ部（１５０）を含んでいる設計の不利な点が存在する。図３Ａで示されるように、従来のケーブル（長い破線）と比較して、８層のＣＮＴテープ（実線）を含むケーブルは一般に、先行技術のＣＯＴＳケーブルよりも絶対的に性能が優れており、さらに、２層のＣＮＴテープ（短い破線）を含むケーブルよりも絶対的に性能が優れている。それにもかかわらず、図３Ａから分かるように、ＣＮＴテープの層の数にかかわらず、その全長に沿ってＣＮＴテープ部（１５０）を含むＤＣケーブル（１００）は、低周波で、すなわち、すなわち、約５０メガヘルツ（ＭＨｚ）から約２００ＭＨｚまでの範囲内にある周波数で、シールド効果の不足に直面する。

図３Ｂで示されるように、低周波におけるこの不足は、本発明の実施形態によって、ＣＮＴテープ部（１５０）と金属ホイル部（１４０）の両方を含む、ハイブリッドＣＮＴシールドを備えたハイブリッドケーブルを製作することにより、取り除くことができる。

図３Ｂは、以下の３つの異なる導電性の米国ワイヤゲージ規格（ＡＷＧ）２８番のツイストペアケーブルについてのハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果（デシベルで減衰）のグラフである：１）銅編組を備えた標準的な銅のＣＯＴＳケーブル（長い破線）、２）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる８層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部（１５０）を含む軽量のＤＣケーブル（実線）、および、３）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる２層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部（１５０）と一巻きのホイルを含む金属ホイル部を含む軽量のハイブリッドＤＣケーブル（短い破線）。一巻きの金属ホイル部（１４０）（短い破線）と組み合わせると、ＣＮＴテープ部（１５０）の２つの層だけで、低周波で、金属ホイル部（１４０）のない８層のＣＮＴテープ部（１５０）を含む実施形態（実線）を性能面で著しく凌ぐのに十分である。

ＡＷＧ２８番のＣＯＴＳケーブルが一巻きの金属ホイル部と２層のＣＮＴを含むハイブリッド金属ホイルを含むとき（短い破線）、図３Ａで見られた低周波のシールド効果の不足は明白ではない。ハイブリッドホイルとＣＮＴのテープの設計は、ＡＷＧ２８番のＣＯＴＳケーブルのシールド効果と同等のまたはより優れたシールド効果を有する。その結果によると、ＣＮＴテープを備えたハイブリッド金属ホイルは、それぞれの部分が最大限に関連する周波数帯域の全体にわたって、例えば、約５０ＭＨｚから約１ＧＨｚまでにおいて別々に達成するであろう効果よりも優れたシールド効果、重量の減少、および、強度の改善を相乗的に与える。

様々な導体の性能と効果を評価する際に、重量が非常に重要な検討事項であることは明らかである。したがって、特定のシールド効果として知られている量により、単位重量当たり与えられるシールドに関する有益な情報が提供される。特定のシールド効果は、シールド効果を質量密度で割って定義されることもある。

図３Ｃは、以下の３つの異なる導電性の米国ワイヤゲージ規格（ＡＷＧ）２８番のツイストペアＤＣケーブルのハイブリッドＣＮＴシールドの特定のシールド効果（グラムでの１フィート当たりの重量で割ったデシベルでの減衰）のグラフである：１）銅編組を備えた標準的な銅のＣＯＴＳケーブル（長い破線）、２）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる８層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部（１５０）を含む軽量のＤＣケーブル（実線）、および、３）導電性ケーブルの長さに平行に、かつ、この長さに実質的に沿って延びる２層の臭素をドープしたＣＮＴテープ部（１５０）と、一巻きのホイルを含む金属ホイル部を含む軽量のＤＣケーブル（短い破線）。

図３Ｃによると、本発明の実施形態は、先行技術のＡＷＧ２８番のＣＯＴＳケーブルと比較して大幅な軽量化を達成し、特定の周波数で先行技術を２倍上回っている。したがって、大幅な軽量化が可能であり、同時に、関連する周波数帯域の全体にわたって所望のシールド効果が維持される。

本発明の実施形態によれば、ＣＮＴテープを備えたハイブリッド金属ホイルは、ＡＷＧ２８番のケーブルについて遮蔽と重量の減少をもたらす。

図４Ａは、４つの異なる導電性のＲＧ４００同軸ケーブル：標準的な同軸ケーブル、ならびに、２層のＣＮＴテープ部、６層のＣＮＴテープ部、および、２０層のＣＮＴテープ部をそれぞれ含む３つの同軸ケーブルに関するハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果（デシベルでの減衰）のグラフである。

より具体的には、図４Ａは、以下の４つの異なる導電性のＲＧ４００同軸ケーブルに関するハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果（デシベルでの減衰）のグラフである：１）標準的な先行技術のＲＧ４００同軸ケーブル（長い破線）、２）２層のＣＮＴテープ部（１５０）を含む軽量の同軸ケーブル（短い破線）、３）６層のＣＮＴテープ部（１５０）を含む軽量の同軸ケーブル（淡い実線）、および、４）２０層のＣＮＴテープ部（１５０）を含む軽量の同軸ケーブル（暗い実線）。それによって大幅な軽量化が可能である。

図４Ａで示されるように、軽量化にもかかわらず、同軸ケーブル（１００）が導電性ケーブル（１００）の全長に沿ってＣＮＴテープ部（１５０）を含む設計には不利な点がある。図４Ａで示されるように、従来のケーブル（長い破線）と比較して、２層（短い破線）、６層（淡い実線）、または、２０層（暗い実線）のＣＮＴテープ部を含むケーブルは、一般に、先行技術のＣＯＴＳケーブルよりも絶対的に性能が劣る。しかしながら、図４Ａで見られるように、ＣＮＴテープの層の数にかかわらず、その全長に沿ってＣＮＴテープ部（１５０）を含む同軸ケーブル（１００）は、低周波で、例えば、約５０ＭＨｚから約２００ＭＨｚの間の周波数で、シールド効果の不足に直面する。

図４Ｂで示されるように、低周波でのこの不足は、本発明の実施形態にしたがって、ＣＮＴテープ部（１５０）と金属ホイル部（１４０）の両方を含むハイブリッドの同軸ケーブルを製作することで取り除くことができる。

図４Ｂは、３つの異なる導電性のＣＯＴＳ ＲＧ４００同軸ケーブルについてハイブリッドＣＮＴシールドのシールド効果（デシベルでの減衰）のグラフである：１）標準的なＣＯＴＳ ＲＧ４００の同軸ケーブル（長い破線）、２）２０層のＣＮＴテープ部を含む軽量の同軸ケーブル（暗い実線）、および、３）２０層のＣＮＴテープ部と一巻きの金属ホイル部を含む軽量のハイブリッドの同軸ケーブル（淡い実線）。一巻きの金属ホイル部（１４０）は、２０層のＣＮＴテープ部（１５０）（短い破線）と組み合わせると、低周波で、金属ホイル部（１４０）なしで２０層のＣＮＴテープ部（１５０）（暗い実線）を含む実施形態を性能面で著しく凌ぐのに十分である。

ＣＯＴＳ ＲＧ４００ケーブルが２０層のＣＮＴテープ部（１５０）（短い破線）に沿って一巻きの金属ホイル部（１４０）を含む場合、図４Ａで見られた低周波でのシールド効果不足は明白ではない。ハイブリッドホイルとＣＮＴのテープの設計は、ＣＯＴＳ ＲＧ４００同軸ケーブルのシールド効果と同等またはより優れた効果を有する。その結果によると、ＣＮＴテープを備えたハイブリッド金属ホイルは、それぞれの部分が最大限に関連する周波数帯域の全体にわたって、例えば、約５０ＭＨｚから約１ＧＨｚまでにおいて別々に達成するであろう効果よりも優れたシールド効果、重量の減少、および、強度の改善を相乗的に与える。

異なる導体の性能と効果を評価する際に、重量が非常に重要な検討事項であることは明らかである。したがって、特定のシールド効果として知られている量により、単位重量当たり与えられるシールドに関する有益な情報が提供される。特定のシールド効果はシールド効果を質量密度で割って定義されることもある。

図４Ｃは、以下の３つの異なる導電性ＣＯＴＳ ＲＧ４００同軸ケーブルについてハイブリッドＣＮＴシールドの特定のシールド効果（グラムでの１フィート当たりの重量で割ったデシベルでの減衰）のグラフである：１）標準的なＣＯＴＳ ＲＧ４００同軸ケーブル（破線）、２）２０層のＣＮＴテープ部を含む軽量の同軸ケーブル（暗い実線）、および、３）２０層のＣＮＴテープ部と一巻きの金属ホイル部を含む軽量のハイブリッドの同軸ケーブル（淡い実線）。

図４Ｃによると、本発明の実施形態は、先行技術ＣＯＴＳ ＲＧ４００ケーブルと比較して、大幅な軽量化をもたらし、特定の周波数で先行技術を２倍上回り、高周波では３倍に達することさえある。したがって、大幅な軽量化が可能であり、同時に、関連する周波数帯域の全体にわたって所望のシールド効果を維持する。

本発明の実施形態によれば、ＣＮＴテープを備えたハイブリッド金属ホイルは、ＡＷＧ２８番のケーブルについて遮蔽と重量の減少をもたらす。

図５は、標準的なケーブルと、本発明の実施形態に係るハイブリッドＣＮＴシールドを含むハイブリッドケーブルについて、それぞれの部分の重量と総重量を例証する１セットの２つの円グラフである。

標準的なＲＧ４００同軸ケーブルは、３０４．８メートル（１０００フィート）のケーブル当たり１９．１４キログラム（４２．２ポンド）の重さがある。この重量は大まかに以下のように配分される：銅編組シールド４７％、ジャケット２４％、誘電体２０％、および、銅導体９％。

対照的に、本発明の実施形態に係るハイブリッドのＲＧ４００同軸ケーブルは、３０４．８メートル（１０００フィート）のケーブル当たり５．９９キログラム（１３．２ポンド）の重さであり、３０４．８メートル（１０００フィート）のケーブル当たり１３．２キログラム（２９ポンド）の標準のＲＧ４００同軸ケーブルと比較して、軽量化をもたらす。大幅な軽量化は、標準的なＲＧ４００同軸ケーブルの重量の約６７％である。ハイブリッドのＲＧ４００同軸ケーブルの重量は大まかに以下のように配分される：３７％の誘電体、３０％のジャケット、２７％の銅導体、および６％ＣＮＴ／金属のシールド。

現在に至るまで、終端はカーボンナノチューブテープに関わる重大な問題であった。ＣＮＴ材料は非常に優れた電気的および屈曲の特性を備えているが、カーボンナノチューブテープの圧着性能は一般に銅編組のそれよりも劣っている。例えば、圧着ＳＭＡコネクタは一般に、ＲＧ−３１６同軸ケーブルの終端に利用される。この場合、コネクタは両方の編み込まれた金属シールドに圧着される。

本発明の実施形態に係るＤＣケーブルの終端は、ＤＣワイヤーが標準的なＤコネクタに終端される際の従来の終端手順を用いる。シールドは、それが金属編組またはＣＮＴテープであろうとなかろうと、導電性のエポキシ系接着剤を使用して、Ｄコネクタへと組み立てることができる。圧着する必要はない。

終端は同軸の場合にはそれほどまっすぐ（ｓｔｒａｉｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ）ではない。図６Ａ−６Ｇは、超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）ターミネーターを用いて、内部補強部材でシールドハイブリッドＣＮＴを含む同軸ケーブルの終端をなす順序における連続的な段階を示す一連の概略図である。

図６Ａでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が分解組立図で示されている。左から右に見えているのは、この例ではフェルール（６１０）を含む１つのピースで提供されるＳＭＡコネクタ（６０５）、ＳＭＡピン（６２０）、圧着部の胴部（ｃｒｉｍｐ ｂａｒｒｅｌ）（６３０）、熱収縮スリーブ（６４０）、１つ以上の導体（１２０）、誘電体（６５０）、支索用コード（６６０）、金属ホイル部（１４０）、ＣＮＴテープ部（１５０）、および、ジャケット絶縁部（６７０）である。

図６Ｂでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が部分的に組み立てられた図で示されている。依然として個別の部分の残部から分離しているのは、ＳＭＡコネクタ（６０５）とフェルール（６１０）である。ＳＭＡピン（６２０）は１つ以上の導体（１２０）の左の端部へはんだ付けされる。誘電体（６５０）はＳＭＡピン（６２０）が終端を形成する場所の近くの導体に置かれる。金属ホイル部（１４０）は誘電体（６５０）の周りに巻かれる。ＣＮＴテープ部（１５０）は誘電体（６５０）の周りに巻かれる。ジャケット絶縁部（６７０）は誘電体（６５０）上に置かれる。圧着部の胴部（６３０）は、ハイブリッドのシールド同軸ケーブル（１００）のほぼ中央でジャケット絶縁部（６７０）の上に置かれる。熱収縮スリーブ（６４０）は、ＳＭＡピン（６２０）の反対側にあるハイブリッドのシールド同軸ケーブル（１００）の端部の近くのジャケット絶縁部（６７０）の上に置かれる。

図６Ｃで、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が組み立ての次の段階の図で示されている。ＳＭＡコネクタ（６０５）とフェルール（６１０）は、１つ以上の導体（１２０）の上に、および、誘電体（６５０）（この図では見えない）の上に置かれる。ＳＭＡピン（６２０）は１つ以上の導体（１２０）の左の端部に取り付けられ、ＳＭＡコネクタ（６０５）から突出するところで目に見える。金属ホイル部（１４０）はフェルール（６１０）上に巻かれる。ＣＮＴテープ部（１５０）はフェルール（６１０）上に巻かれる。

代替的に、フェルール（６１０）は金属ホイル部（１４０）を覆うことができる。代替的に、フェルール（６１０）はＣＮＴテープ部（１５０）を覆うことができる。ジャケット絶縁部（６７０）は、金属ホイル部（１４０）の上に、および、ＣＮＴテープ部（１５０）の上に置かれる。圧着部の胴部（６３０）は、ハイブリッドのシールド同軸ケーブル（１００）のほぼ中央でジャケット絶縁部（６７０）上に置かれた後で目に見える。熱収縮スリーブ（６４０）は、ＳＭＡピン（６２０）の反対側にあるハイブリッドのシールド同軸ケーブル（１００）の端部の近くのジャケット絶縁部（６７０）上に置かれた後で目に見える。

図６Ｄでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が組み立ての次の段階の図で示されている。支索用コード（６６０）は接着剤（６８０）によって適所で保持される。同様に目に見えるのは、ＳＭＡピン（６２０）、ＳＭＡコネクタ（６０５）とフェルール（６１０）、金属ホイル部（１４０）、ＣＮＴテープ部（１５０）、圧着部の胴部（６３０）、および、ジャケット絶縁部（６７０）である。

図６Ｅでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が組み立ての次の段階の図で示されている。目に見えているのは、ＳＭＡピン（６２０）、ＳＭＡコネクタ（６０５）、圧着部の胴部（６３０）、支索用コード（６６０）、接着剤（６８０）、ジャケット絶縁部（６７０）、および、熱収縮スリーブ（６４０）である。フェルール（６１０）は圧着部の胴部（６３０）によって覆われているので目に見えない。金属ホイル部（１４０）とＣＮＴテープ部（１５０）はジャケット絶縁部（６７０）によって覆われているので、目に見えない。

図６Ｆでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が組み立ての次の段階の図で示されている。目に見えるのは、ＳＭＡピン（６２０）、ＳＭＡコネクタ（６０５）、圧着部の胴部（６３０）、ジャケット絶縁部（６７０）、および、熱収縮スリーブ（６４０）である。圧着部の胴部（６３０）は、フェルール（６１０）（図示せず）上にしっかりと保持されるように、その最終的な位置で圧着している。支索用コード（６６０）と接着剤（６８０）はジャケット絶縁部（６７０）によって覆われているため、この図では見えない。

図６Ｇでは、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブル（１００）の個別の部分が組み立ての完了の後に示されている。目に見えるのは、ＳＭＡピン（６２０）、ＳＭＡコネクタ（６０５）、圧着部の胴部（６３０）、熱収縮スリーブ（６４０）、および、ジャケット絶縁部（６７０）である。

本発明の実施形態の代替的なセットによれば、終端方法は、金属ホイル部（１４０）をはんだ付けする工程と、導電性の接着剤を用いてＣＮＴテープ部（１５０）を接合すること、ＣＮＴテープ部（１５０）を金属化すること、および、ＣＮＴテープ部（１５０）を圧着することなくはんだ付けすることのうちの１つを行う工程を含むことができる。

図７は、ハイブリッドＣＮＴシールドを含む同軸ケーブルを作る方法（７００）のフローチャートである。方法（７００）の工程の順序が図７に示されている、または、以下の論議に記載されている順序に制約されない。工程のいくつかが最終的な結果に影響を与えることなく異なる順序で生じることもあり得る。

ブロック（７１０）では同軸ケーブルが提供される。その後、ブロック（７１０）は、ブロック（７２０）に制御を移す。

ブロック（７２０）では、少なくとも１つの絶縁層が同軸ケーブル上で覆われる。その後、ブロック（７２０）は、ブロック（７３０）に制御を移す。

ブロック（７３０）では、少なくとも１つの絶縁層を囲むように金属ホイル部が置かれる。その後、ブロック（７３０）はブロック（７４０）に制御を移す。

ブロック（７４０）では、金属ホイル部を囲むようにシールドＣＮＴテープ部が置かれる。その後、ブロック（７４０）はブロック（７５０）に制御を移す。

ブロック（７５０）では、金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つの周りに補強部材が巻き付けられる。その後、ブロック（７５０）はブロック（７６０）に制御を移す。

ブロック（７６０）では、ケーブルを終端するために、コネクタがＣＮＴテープ部と金属ホイル部の少なくとも１つに圧着される。その後、ブロック（７６０）はブロック（７７０）に制御を移す。

ブロック（７７０）では、補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所で保持するために、圧着部の下に接着剤が置かれる。その後、ブロック（７７０）はプロセスを終了する。

上記の代表的な実施形態は典型的な構造の特定の部品とともに記載されてきたが、異なる構造および／または異なる部品を用いて、他の代表的な実施形態を実行することができることが当業者には理解されよう。例えば、本発明の機能を著しく損なうことなく、特定の製造工程の順序と特定の部品を変更することができるということが当業者に理解されよう。

例えば、ＣＮＴテープ部は金属ホイル層の下に置くことができる。別の例として、ＣＮＴテープ部がケーブルの大部分に延びているがその全長にわたっては延びていないことがあり、金属ホイル部がケーブルの大部分に延びているがその全長にわたっては延びていないこともあり、ケーブルの全長はＣＮＴテープ部と金属ホイル部の少なくとも１つによって覆われている。

本明細書で詳細に記載されてきた代表的な実施形態と開示された主題は、一例および例証として提示されたものであり、限定的なものとして提示されていない。添付の請求項の範囲内である同等の実施形態をもたらしつつ、記載された実施形態の形態や細部様々な変更がなされてもよいということが当業者によって理解されよう。さらに、製造の詳細は例示的なものに過ぎず、本発明は以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (22)

1. ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドを含むケーブルであって、
   少なくとも１つの導線、
   少なくとも１つの導線の少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、
   低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、および、
   高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部、
   を含む、ケーブル。
2. ケーブルを終端するために、ＣＮＴテープ部と金属ホイル部上にコネクタが圧着される、請求項１に記載のケーブル。
3. コネクタは超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）コネクタである、請求項２に記載のケーブル。
4. ＣＮＴケーブルは、１本の導線、複数の導線、および、情報、制御、電力、およびデータ通信の１つ以上のために構成された同軸ケーブルの１つ以上を含む、請求項１に記載のケーブル。
5. 補強部材をさらに含む、請求項１に記載のケーブル。
6. 補強部材は、ケーブルの全長にわたって実質的に延びる、請求項５に記載のケーブル。
7. 補強部材は、支索用コードを含む、請求項５に記載のケーブル。
8. 補強部材は、金属の編組／撚線、または、金属でコーティングした編組／撚線を含む、請求項５に記載のケーブル。
9. ケーブルを終端するために、ＣＮＴテープ部と金属ホイル部上にコネクタが圧着される、請求項８に記載のケーブル。
10. コネクタは、金属ホイル部にはんだ付けされ、および／または、はんだ付けのために金属化されたＣＮＴテープにはんだ付けされ、その後、圧着されることで、ケーブルを終端する、請求項８に記載のケーブル。
11. コネクタは超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）コネクタである、請求項９に記載のケーブル。
12. 補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所で保持するために、圧着部の下に接着剤が置かれる、請求項９に記載のケーブル。
13. 接着剤はエポキシである、請求項１２に記載のケーブル。
14. 接着剤は銀を充填したエポキシである、請求項１２に記載のケーブル。
15. ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルのシールド効果は、ＣＮＴテープのみによって与えられるシールド効果を上回る、請求項１に記載のケーブル。
16. ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルのシールド効果は、金属ホイル部のみによって与えられるシールド効果を上回る、請求項１に記載のケーブル。
17. ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルは、従来の導電性ケーブルと比較して、優れた特定の効果を有する、請求項１に記載のケーブル。
18. ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルは、従来の導電性ケーブルと比較して、単位長さ当たりの重量が大幅に減少する、請求項１に記載のケーブル。
19. ハイブリッドＣＮＴシールドを含むケーブルは、少なくとも１つの導線、少なくとも１つの導線に直接適用される絶縁層、および、金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つを包む補強部材を含み、金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つは、絶縁層上で覆われる、請求項１に記載のケーブル。
20. 同軸ケーブル用のハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドであって、
    少なくとも１つの同軸ケーブル、
    少なくとも１つの同軸ケーブルの少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、
    低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、
    高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部、
    補強部材、および、
    ケーブルを終端するためにＣＮＴテープ部と金属ホイル部上に圧着させた超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）コネクタを含み、
    補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所に保持するために、銀を充填したエポキシが圧着部の下に置かれる、ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールド。
21. ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドを含むケーブルであって、
    少なくとも１つの導線、
    少なくとも１つの導線の少なくとも１つを覆う少なくとも１つの絶縁層、
    少なくとも１つの絶縁層を囲む、低周波のシールド機能のために構成された金属ホイル部、
    金属ホイル部を囲む、高周波のシールド機能のために構成されたＣＮＴテープ部、および、
    金属ホイル部とＣＮＴテープ部の少なくとも１つを包む補強部材、
    を含む、ケーブル。
22. ハイブリッドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シールドを含む同軸ケーブルを作る方法であって、
    少なくとも１つの導線を提供する工程、
    少なくとも１つの導線の少なくとも１つの上で少なくとも１つの絶縁層を覆う工程、
    少なくとも１つの絶縁層を囲むために、金属ホイル部を置く工程、
    金属ホイル部を囲むために、ＣＮＴテープ部を置く工程、
    ケーブルを終端するために、ＣＮＴテープ部と金属ホイル部の少なくとも１つの上でコネクタを圧着する工程、および、
    補強部材、金属ホイル部、および、ＣＮＴテープ部の少なくとも１つを適所で保持するために、圧着部の下に接着剤を置く工程、
    を含む、方法。ー