JP2021077656A - ケーブル - Google Patents

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Abstract

【課題】ノイズを抑制でき、機械的振動などにノイズを抑制でき、また、振動などに対する機械的強度が向上したケーブルを提供する。【解決手段】ケーブルは、差動伝送用の少なくとも1組の信号ケーブル、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルを有するケーブル部と、ケーブル部の両側にそれぞれ設けられた第1および第2のコネクタとを備える。第1および前記第2のコネクタのうち少なくとも一方は、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有しているケーブルである。【選択図】図5

Description

本開示は、例えばUSB(UniversalSerialBus)等の差動シリアル伝送規格に適用できるケーブルに関する。
USB規格に使用されるケーブル(USBケーブル)は、差動伝送用の1組のケーブルと電源ケーブルとグラウンドケーブル(以下「GNDケーブル」と称する)とを有している。USBケーブルでは、差動伝送用のケーブルのノイズを抑制するため対策がとられている。例えば特許文献1では、放射ノイズを抑制するために、1組の差動伝送路の一方の端部付近に1つの伝送トランスを配置することが提案されている。
特許第3306044号公報
USBケーブルは、データ転送のみならず、電力供給機器(例えば充電器、パーソナルコンピュータ(以下「PC」と称する)等)とデバイス(例えばスマートフォン、タブレット等)とを接続し、電力供給機器からデバイスに電力を供給するために使用されることもある。この場合、電力供給機器側にて十分なノイズ対策が施されていないと、電力供給機器からのノイズで、電力供給を受けるデバイスが影響を受けることがある。
本開示の目的は、ノイズを抑制できるケーブルを提供することにある。
本開示は、差動伝送用の少なくとも1組の信号ケーブル、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルを有するケーブル部と、ケーブル部の両側にそれぞれ設けられた第1および第2のコネクタとを備え、第1および第2のコネクタのうち少なくとも一方は、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有しているケーブルである。
以上説明したように、本開示によれば、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルが設けられているので、ノイズを抑制できる。
図1は、本開示の一実施の形態に係るUSBケーブルの略線図である。 図2は、図1のII−II線に沿ったケーブル部の断面図である。 図3Aは、図1のIIIA−IIIA線に沿ったUSBコネクタの断面図である。図3Bは、図1のIIIB−IIIB線に沿ったUSBコネクタの断面図である。 図4Aは、図3AのIVA−IVA線に沿ったUSBコネクタの断面図である。図4Bは、図3AのIVB−IVB線に沿ったコネクタの断面図である。 図5は、本開示の一実施の形態に係るUSBケーブルの接続図である。 図6は、信号用コモンモードチョークコイルのインピーダンス周波数特性のグラフである。 図7は、電源用コモンモードチョークコイルのインピーダンス周波数特性のグラフである。 図8は、ノイズ除去用キャパシタの挿入損失の周波数特性のグラフである。 図9は、モールド部のロスファクタの周波数特性のグラフである。 図10は、本開示の一実施の形態の変形例に係るUSBコネクタの断面図である。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
1.USBケーブルの構成
2.USBケーブルの製造方法
3.変形例
[1.USBケーブルの構成]
図1に示すように、本開示の一実施の形態に係るUSBケーブルは、ケーブル部11と、ケーブル部11の一端に接続された標準USBコネクタ(Type−A)21と、ケーブル部11の他端に接続されたマイクロ(以下「μ」と略す)USBコネクタ(Type−A)31とを備える。標準USBコネクタ(以下、単に「USBコネクタ」と称する)21がホスト側(PC、充電器(所謂ACアダプタ)等)と接続され、μUSBコネクタ31がデバイス側(スマートフォン、タブレット等)と接続される。
(ケーブル部)
図2に示すように、ケーブル部11は、差動型伝送(ディファレンシャルモード)のための1組の信号ケーブル12a、12bと、電源ケーブル13aと、GNDケーブル13bとの4本のケーブル(電線)を有している。これらのケーブル12a、12b、13aおよび13bは、それぞれ芯線としての導線14の周囲を絶縁被膜15で被覆したものである。
導線14としては、銅が使用され、1本の導線からなる単線と、細い導線をより合わせて1本の導線としたより線の何れの構成を使用してもよい。より線を使用する場合、引っ張り強度および線材の柔軟性を確保するために、複数本の銅線の中心部にアラミド繊維の糸を配置し、銅線と糸とをよった構成としてもよい。銅線と糸とをよったものに対して、絶縁樹脂の被膜が設けられる。この構成は、信号ケーブル12a、12b、電源ケーブル13aと、GNDケーブル13bの何れもがとりうるものである。信号ケーブル12a、12bは、例えばより対線として構成してもよい。
信号ケーブル12a、12bは、金属シート16によって覆われている。金属シート16としては、銅またはアルミニウムの箔で覆う構成、銅またはアルミニウムのリボンを信号ケーブル12a、12bに対して巻き付ける構成、これらの二つの方法を併用する構成を使用することができる。金属シート16は、接地に対して接続されていないので、網組線を使用することによるビッグテールの問題を生じない利点がある。
金属シート16によって覆われた信号ケーブル12a、12b、電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bが被覆材17によって覆われる。被覆材17の内部に、磁性粉混合樹脂18が充填される。被覆材17の内周面と信号ケーブル12a、12b、電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bとの間には、磁性粉混合樹脂18が介在するようになされる。金属シート16によって信号ケーブル12a、12bを覆っているので、磁性粉混合樹脂18の影響を受けずに信号を伝送することができる。
導線14の絶縁被膜15および被覆材17としては、種々の材料を使用することができる。例えばポリエチレン、ポリプロピレン、PVC(ポリ塩化ビニル)、エラストマー等の材料を使用することができる。
磁性粉混合樹脂18は、磁性粉を合成樹脂に混合させたものである。合成樹脂の一例は、スチレン系エラストマーである。これ以外のオレフィン系エラストマー、PVC等の合成樹脂を使用するようにしてもよい。磁性粉の一例は、Ni−Zn系フェライトである。磁性粉としては、Ni−Cu−Zn系フェライト、Mn−Zn系フェライト、軟磁性金属系、銅系、マグネシウム系、リチウム系、亜鉛系、鉄系(例えばパーマロイ)、コバルト系等の磁性粉を使用することもできる。
磁性粉混合樹脂18中におけるフェライトの含有量は、好ましくは70重量%以上95重量%以下、例えば89重量%である。フェライトの含有量が70重量%以上であると、高周波ノイズに対する吸収性を特に向上できる。一方、フェライトの含有量が95%以下であると、成型性、柔軟性および引っ張り強度等の機械的特性の劣化を抑制できる。
(コネクタ)以下、図3A、図3B、図4A、図4Bを参照して、USBコネクタ21の構成の一例について説明する。USBコネクタ21は、プリント基板22と、プリント基板22に保持されたプラグ23と、プラグ23を保持するプリント基板22を覆うモールド部24とを備える。モールド部24の一端からプラグ23が突出され、モールド部24の他端からケーブル部11が導出されている。
プリント基板22の一方の面には端子25a、25d、電源用のコモンモードチョークコイル(コモンモードフィルタと称される場合もある)26および図示しないノイズ除去用のキャパシタ(コンデンサ)が設けられている。端子25a、25dにはそれぞれ、電源ケーブル13a、GNDケーブル13bが接続されている。プリント基板22の他方の面には端子25b、25cおよび信号用のコモンモードチョークコイル27が設けられている。端子25b、25cにはそれぞれ、信号ケーブル12a、12bが接続されている。
プリント基板22には、端子28a、28b、28c、28dが設けられ、これらの端子28a、28b、28b、28cは、プリント基板のほぼ中央から一端まで延設されている。プラグ23はプリント基板22の端子28a、28b、28b、28cが設けられた部分を覆うようにしてプリント基板22に保持されている。
モールド部24は、プリント基板22の周囲を覆う内側モールドとしての絶縁性樹脂層24aと、絶縁性樹脂層24aの周囲を覆う外側モールドとして電磁波シールド層24bとを備えている。絶縁性樹脂層24aは、ポリプロピレン等の絶縁性の高分子樹脂を含んでいる。電磁波シールド層24bは、電磁波を吸収または反射等するシールド効果を有し、カーボンまたはフェライトと、高分子樹脂とを含んでいる。
ケーブル部11の一端には、信号ケーブル12a、12b、電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bが被覆材17および磁性粉混合樹脂18により被覆されず露出している部分(以下「非被覆部」と称する)が設けられ、これらのケーブル12a、12b、13a、13bの非被覆部は絶縁性樹脂層24a内に埋められている。
信号ケーブル12a、12bの一端の非被覆部は、電磁波シールド層24bに接触しないように、電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bの一端の非被覆部よりも短くなっている。このため、信号ケーブル12a、12bの非被覆部と電磁波シールド層24bとの接触による信号の減衰を抑制することができる。信号ケーブル12a、12bの非被覆部と電磁波シールド層24bとの接触を抑制するためには、信号ケーブル12a、12bの非被覆部がそれぞれ端子25b、25cに向けてほぼ直線状に伸びていることが好ましい。
信号ケーブル12a、12bの非被覆部が、絶縁性被覆材12cにより覆われていてもよい。これにより、信号ケーブル12a、12bの非被覆部と電磁波シールド層24bとの接触をより抑制することができる。絶縁性被覆材12cは、例えば絶縁チューブ、絶縁テープ、絶縁フィルム、熱収縮性チューブ、熱収縮性テープまたは熱収縮性フィルムなどである。
μUSBコネクタ31も、上述のUSBコネクタ21と同様にプリント基板をモールド部で覆った構成を有している。
図5に示すように、例えばホスト20のレセプタクルにUSBコネクタ21が接続され、携帯端末30のレセプタクルにμUSBコネクタ31が接続される。USBコネクタ21の端子28a、28b、28c、28dはそれぞれ、電源端子(ピン1:Vbus端子)、データ端子(ピン2:D−端子)、データ端子(ピン3:D+端子)、グラウンド端子(ピン4:GND端子)である。μUSBコネクタ31の端子36a、36b、36c、36d、36eはそれぞれ、電源端子(ピン1:Vbus端子)、データ端子(ピン2:D−端子)、データ端子(ピン3:D+端子)、識別用端子(ピン4:ID端子)、グラウンド端子(ピン5:GND端子)である。
USBコネクタ21の端子28b、28cに、コモンモードチョークコイル27の一方の2個の端子が接続される。コモンモードチョークコイル27の他方の2個の端子が信号ケーブル12a、12bを介して、μUSBコネクタ31に設けられているコモンモードチョークコイル32の一方の2個の端子に接続される。コモンモードチョークコイル32の他方の2個の端子が端子36b、36cに接続される。
USBコネクタ21の端子28a、28dにコモンモードチョークコイル26の一方の2個の端子が接続される。コモンモードチョークコイル26の他方の2個の端子の間にノイズ除去用のキャパシタ(コンデンサ)29が挿入されている。コモンモードチョークコイル26の他方の2個の端子が、電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bを介してμUSBコネクタ31の端子36a、36eに接続される。μUSBコネクタ31はフェライトビーズ33、34を有し、フェライトビーズ33、34がそれぞれμUSBコネクタ31内の電源ケーブル13a、GNDケーブル13bに設けられている。端子36d、36e間に識別用抵抗35が接続されている。
信号ケーブル12a、12bに対して2個のコモンモードチョークコイル27、32が挿入されているが、一方のコモンモードチョークコイルを省略してもよい。μUSBコネクタ31において、電源ケーブル13a、GNDケーブル13bにフェライトビーズ33、34を設ける代わりに、電源ケーブル13a、GNDケーブル13bに接続されたコモンモードチョークコイルを設けるようにしてもよい。なお、USBType−Cのコネクタ規格ではホスト側もデバイス側も電源供給可能であるので、この場合には、両方のコネクタ側において、電源ケーブル13a、GNDケーブル13bに接続されたコモンモードチョークコイルを設けることが好ましい。
コモンモードチョークコイル26、27、32は、共通のコアに対して2つのコイルが逆向きに卷かれたものである。コモンモードチョークコイル27、32は、2本のデータ線としての信号ケーブル12a、12bに対してそれぞれコイルが挿入されている。コモンモードチョークコイル26は、2本の電源ラインとしての電源ケーブル13aおよびGNDケーブル13bに対してそれぞれコイルが挿入されている。
コモンモードチョークコイル26、27、32は、ディファレンシャルモードの信号電流を通過させ、コモンモードのノイズ電流を除去することができる。すなわち、ディファレンシャルモードの場合には、二つのコイルを流れる電流が逆方向となり、インダクタとして働かなくなり、コモンモードの場合には、二つのコイルを流れる電流が同一方向となり、インダクタとして働くことになる。ノイズは、コモンモードであるので、除去することができる。実際は、各コイルで発生した磁束の一部が洩れ磁束となるので、インダクタンス成分が0とはならない。したがって、信号周波数が非常に高い領域では、このインダクタンス成分が無視できない場合がある。さらに、ノイズ除去用のキャパシタ29によってノイズを除去することができる。フェライトビーズ33、34によって高い周波数のノイズを除去することができる。
このように、電源伝送に対してノイズ除去の性能を高めることによって、USBコネクタ21が接続される充電器や、PCにおいて発生したノイズによって、携帯端末30の受信レベルが低下することを防止することができる。
図6に、信号用のコモンモードチョークコイル27(32)のインピーダンス周波数特性を示す。実線41で示す特性がコモンモードに対するインピーダンス周波数特性であり、破線42がディファレンシャルモードに対するインピーダンス周波数特性である。例えば100MHz付近において、ディファレンシャルモードに対するインピーダンスが低いものとなり、信号伝送に対する影響が小さいものとされている。
図7に、電源用のコモンモードチョークコイル26のインピーダンス周波数特性を示す。実線43で示す特性がコモンモードに対するインピーダンス周波数特性であり、破線44がディファレンシャルモードに対するインピーダンス周波数特性である。例えば100MHz付近において、コモンモードおよびディファレンシャルモードの両方に対するインピーダンスが比較的高いものとなり、何れのモードの高周波成分(すなわち、ノイズ)を抑えることができる。
図8にノイズ除去用のキャパシタ29の挿入損失周波数特性を示す。例えばキャパシタ29の値が1.5μFとされている。キャパシタ29によってノイズを抑えることができる。
図9は、フェライトと高分子樹脂を含む電磁波シールド層24bのロスファクタμ''の周波数特性を示す。なお、高分子樹脂としてはポリプロピレンを用い、電磁波シールド層24b中におけるフェライトの含有率を80重量%とした。図9から分かるように、低い周波数で、ロスファクタμ''を約4とすることができる。
[2.USBケーブルの製造方法]
次に、上述の構成を有するUSBケーブルの製造方法について説明する。
USBコネクタ21は、以下のようにして作製される。まず、プリント基板22上にノイズ対策のチップ部品(ノイズフィルタ)としてのコモンモードチョークコイル26、27等をマウントする。次に、電源ケーブル13a、GNDケーブル13bをそれぞれプリント基板22の端子25a、25dに半田により接続するとともに、信号ケーブル12a、12bをそれぞれプリント基板22の端子25b、25cに半田により接続する。次に、モールド成形により、プリント基板22の周囲を覆うように内側モールドとしての絶縁性樹脂層24aを形成する。次に、同様にモールド成形により、絶縁性樹脂層24aの周囲を覆うように外側モールドとしての電磁波シールド層24bを形成する。以上により、USBコネクタ21が得られる。
μUSBコネクタ31は、上述のUSBコネクタ21と同様にしてモールド成形により作製される。
上述のUSBケーブルの製造方法では、プリント基板22の周囲をモールド成形により樹脂のみで覆ってUSBコネクタ21を作製するので、USBケーブルの製造時間を短縮することができる。また、プリント基板22の周囲を隙間なく樹脂で覆うので、シールド性能を向上することもできる。
[3.変形例]
以上、本開示の実施の形態について具体的に説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
例えば本開示は、USBType−Cの規格のケーブルまたはコネクタに対しても適用できる。さらに、USBケーブルに限らず、HDMI(登録商標)ケーブル、IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)1394のケーブル等に対しても適用できる。また、ケーブル部としては一般的なUSB用のケーブル部を使用することもできる。
また、図10に示すように、モールド部24が、電磁波シールド層24bの周囲を覆う絶縁性樹脂層24cをさらに備えるようにしてもよい。絶縁性樹脂層24cは、ポリプロピレン等の絶縁性の高分子樹脂を含んでいる。このようにモールド部24がさらに絶縁性樹脂層24cをさらに備えることで、より高いシールド性能を実現することができる。
また、モールド部が、絶縁性樹脂層のみを備えるようにしてもよい。この場合、絶縁性樹脂層がプリント基板の周囲を埋めるような構成を有していてもよいし、絶縁性樹脂層がプリント基板の周囲に空洞を有するような構成であってもよい。
また、電源用のコモンモードチョークコイルと信号用のコモンモードチョークコイルとがプリント基板の同一の面に実装された構成を採用してもよい。
なお、本開示は、以下のような構成も取ることができる。
(1)
差動伝送用の少なくとも1組の信号ケーブル、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルを有するケーブル部と、前記ケーブル部の両側にそれぞれ設けられた第1および第2のコネクタとを備え、前記第1および前記第2のコネクタのうち少なくとも一方は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有しているケーブル。
(2)
前記コモンモードチョークコイルは、ノイズに対して、コモンモードだけでなく、ディファレンシャルモードも除去できるものである(1)に記載のケーブル。
(3)
前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記グラウンドケーブルと前記電源ケーブルとの間に設けられたノイズ除去用のコンデンサをさらに有する(1)または(2)に記載のケーブル。
(4)
前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記コモンモードチョークコイルが実装された基板と、前記基板を覆う絶縁性樹脂層とをさらに有する(1)から(3)のいずれかに記載のケーブル。
(5)
前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記絶縁性樹脂層を覆う電磁波シールド層をさらに有する(4)に記載のケーブル。
(6)
前記電磁波シールド層は、カーボンまたはフェライトを含む(5)に記載のケーブル。
(7)
前記1組の信号ケーブルは、前記電磁波シールド層と接触しないように設けられている(5)または(6)に記載のケーブル。
(8)
前記電磁波シールド層を有するコネクタ側において、前記1組の信号ケーブルの一端は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルの一端よりも短くなっている(5)から(7)のいずれかに記載のケーブル。
(9)
前記電磁波シールド層を有するコネクタ側において、前記1組の信号ケーブルの一端は、絶縁性被覆材により覆われている(5)から(8)のいずれかに記載のケーブル。
(10)
前記第1および前記第2のコネクタのうちの一方は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有し、他方は前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに設けられたフェライトビーズを有している(1)から(9)のいずれかに記載のケーブル。
(11)
前記第1および前記第2のコネクタのうち少なくとも一方は、前記1組の信号ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルをさらに有している(1)から(10)のいずれかに記載のケーブル。
11ケーブル部
12a、12b信号ケーブル
13a電源ケーブル
13bGNDケーブル
21USBコネクタ(第1のコネクタ)
31μUSBコネクタ(第2のコネクタ)
22プリント基板
23プラグ
24モールド部
24a絶縁性樹脂層
24b電磁波シールド層
26、27コモンモードチョークコイル
29キャパシタ

Claims (11)

  1. 差動伝送用の少なくとも1組の信号ケーブル、グラウンドケーブルおよび電源ケーブルを有するケーブル部と、
    前記ケーブル部の両側にそれぞれ設けられた第1および第2のコネクタとを備え、
    前記第1および前記第2のコネクタのうち少なくとも一方は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有しているケーブル。
  2. 前記コモンモードチョークコイルは、ノイズに対して、コモンモードだけでなく、ディファレンシャルモードも除去できるものである請求項1に記載のケーブル。
  3. 前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記グラウンドケーブルと前記電源ケーブルとの間に設けられたノイズ除去用のコンデンサをさらに有する請求項1に記載のケーブル。
  4. 前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記コモンモードチョークコイルが実装された基板と、前記基板を覆う絶縁性樹脂層とをさらに有する請求項1に記載のケーブル。
  5. 前記コモンモードチョークコイルを有するコネクタは、前記絶縁性樹脂層を覆う電磁波シールド層をさらに有する請求項4に記載のケーブル。
  6. 前記電磁波シールド層は、カーボンまたはフェライトを含む請求項5に記載のケーブル。
  7. 前記1組の信号ケーブルは、前記電磁波シールド層と接触しないように設けられている請求項5に記載のケーブル。
  8. 前記電磁波シールド層を有するコネクタ側において、前記1組の信号ケーブルの一端は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルの一端よりも短くなっている請求項7に記載のケーブル。
  9. 前記電磁波シールド層を有するコネクタ側において、前記1組の信号ケーブルの一端は、絶縁性被覆材により覆われている請求項5に記載のケーブル。
  10. 前記第1および前記第2のコネクタのうちの一方は、前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルを有し、他方は前記グラウンドケーブルおよび前記電源ケーブルに設けられたフェライトビーズを有している請求項1に記載のケーブル。
  11. 前記第1および前記第2のコネクタのうち少なくとも一方は、前記1組の信号ケーブルに接続されたコモンモードチョークコイルをさらに有している請求項1に記載のケーブル。
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