JP4103360B2 - セミリジッドケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セミリジッドケーブル（セミリジッド型同軸ケーブル）に関し、特に、低温で使用する高周波デバイスと室温の機器とを接続するセミリジッドケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、移動体通信や衛星間通信などに高温超伝導フィルタが用いられている。その際、高温超伝導フィルタは冷凍機の内部に設置され、７０Ｋ（ケルビン）程度の温度まで冷却されて用いられることとなる。 そして、冷凍機中のフィルタはセミリジッドケーブルで冷凍機外にある室温の機器と接続されている。従って、冷凍機の負荷を軽減したり、より小型で冷却能力の低い軽く小さな冷凍機を使用できるようにするためには、セミリジッドケーブルを伝わって室温からコールドステージ（冷凍機による低温部）に流入する熱流入量を低い値に抑制する必要がある。
【０００３】
しかしながら、熱流入量を低減するために使用するセミリジッドケーブルの長さを長くした場合、あるいはセミリジッドケーブルを細いものとした場合、電磁波信号の伝送損失が増大してしまうため好ましくない。また、導体材料を変更した場合、若干の改善が見られることもあるが、基本的に金属材料の熱伝導率と導電率はヴィーデマン・ フランツの法則により比例するため、熱流入量が減ると電磁波信号の損失が増大することとなる。
【０００４】
このような技術的背景のもと、低温環境と室温環境との間を結ぶセミリジッドケーブルにおいては、クライオデバイス社の製品に見られるように、最も熱流入に関係する外部導体（同軸ケーブルの外周側に配置されている導体）をフッ素樹脂からなる誘電体層の外側に良導体である銅の薄膜をメッキすることにより形成する方法が開発されている。この方法によれば、外部導体である銅の厚みが１０ミクロン程度となり、例えば銅の２ＧＨｚにおける表皮深さ（信号の伝送に必要な深さ）が１ミクロン程度であるため、損失の増大を招かない程度に充分な厚みを有することとなる。また、通常のセミリジッドケーブルの外部導体の厚みが０．１ｍｍ以上であることから、外部導体の厚みを１０％程度まで薄くすることとなり、外部導体を伝わってくる熱流入量も１０％程度まで削減するようにするものである。
【０００５】
また、本発明と技術分野の類似する先願発明例１として、特開平９−１２９０４１号公報に開示されている「同軸ケーブル」がある。これは、外部導体を熱伝導性の悪い外側の外部導体と電気伝導性の良い内側の外部導体の二重構造とすることにより、電気伝導性の確保とケーブル外側から内側への熱伝達の抑制を図ろうとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のセミリジッドケーブルでは外部導体の材料に良導体であり熱伝達もよい、例えば銅などが用いられ、また外部導体の厚みも機械強度と勘案して十分な厚みを持たせることとなるため、コールドステージ（冷凍室内部などの低温部）の外から内へ簡単に熱が通り、ほとんど熱流入を遮蔽することができないものであった。
【０００７】
また、上述したクライオデバイス社のセミリジッドケーブルの場合、曲げ加工により特に薄い外部導体にひびが入ったり、割れたりしやすく、そこで、導電面が切れてしまいやすいという信頼性の面で問題があった。また、信頼性の確保のために、機械的強度や耐用年数を考慮して丈夫なケーブルを用いると、冷凍機の冷却力の確保や電気代などで大きなコストが発生してしまう問題があった。
【０００８】
また、先願発明例１では、〔００１２〕段落に明記してあるように外側の外部導体は信号伝達に関与せず、また、外側の外部導体の目的として内側の外部導体への熱伝達を抑制することとされている。すなわち、内側に向かう熱流入の抑制にその目的があるため、本発明が意図するようなケーブルの長さ方向に対する、あるいはケーブル断面を通して流れる熱流入に対する対策としては不適当であった。
【０００９】
より具体的に説明すると、先願発明例１の目的に沿うならば、外側の外部導体の厚みは内側の外部導体に熱を流入させないため、なるべく厚い方が望ましいこととなる。例えば１ｃｍ程度の厚みのステンレス鋼を用いれば、熱の不良導体として極めて大きな働きをし、熱流入量のバランスによって変動するが数度から数十度の温度差を容易に付けることができる。しかしながら本発明は、ケーブルの長さ方向の熱遮蔽、すなわちケーブル断面を通る熱流入を抑制するものであるため、ケーブル断面は熱の不良導体の部分であっても薄くした方が好ましいとするものである。先願発明例１による同軸ケーブルではケーブル断面における外側から内側方向に熱を通しにくくするため、また機械強度の確保のため、上述のように外側の外部導体の厚みは厚い方が好ましいものであった。すなわち、ケーブルの長さ方向としては熱がコールドステージの外から内へ通りやすくなるものであり、冷凍機でのコストが大きく発生するものであった。以上に示すように、本発明に係るセミリジッドケーブルは先願発明例１の目的に沿うものではなく、先願発明例１も本発明の課題を解決するものではない。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、信号の伝送損失は少なく抑えながら、ケーブル断面を通して流れ込む熱流入量が少なく、しかも導電面が切れにくく信頼性の高いセミリジッドケーブルを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有する。
請求項１記載の発明は、内部導体と、該内部導体よりも外周の誘電体と、該誘電体よりも外周の外部導体とが同軸をなして設けられ、外部導体が内側の外部導体と外側の外部導体との２重構造であるセミリジッドケーブルにおいて、外側の外部導体は、内側の外部導体と比較して熱伝導率が低い材料による金属パイプからなり、内側の外部導体は、フィルムシートの片面に蒸着されて外側の外部導体と接触するよう設けられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、内側の外部導体の厚みが１ミクロン以上１０ミクロン以下であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、フィルムシートが高分子フィルムシートであることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、内側の外部導体の材料が、銅、アルミニウム、銀、金から少なくとも１つ選択されることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、外側の外部導体の材料が、CuNi、ステンレス合金、真鍮、BeCuから少なくとも１つ選択されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るセミリジッドケーブルは、上述した一連の技術的手段に示すように外部導体を２重構造で作製し、内側の外部導体として高い導電性を有する材料（良導体）を用い、外側の外部導体として銅等の良導体と比較して熱伝導率が１桁から２桁低い材料で作製された金属パイプを用いている。この金属パイプ内に、内側の外部導体である良導体が蒸着された片面を外周方向に向けた高分子フィルムシートおよび該高分子フィルムシートよりも内側の誘電体などが挿入されて構成されている。この構成は、外側の外部導体である金属パイプの有する機械的強度で信頼性を保ちつつ、比較的断面積の大きいこの金属パイプ自身は熱伝導率が低く、また内側の外部導体は良導体を用いているため損失の増大を招かず、さらに高分子フィルム上に膜として薄く存在し、断面積が極めて小さいためケーブル断面を流れる熱に対する熱伝導性も低い状態を保持することができる。
【００１８】
また、本発明に係るセミリジッドケーブルでは、内側の外部導体の厚みが１ミクロン以上１０ミクロン以下であることが好ましい。上述のように銅の２ＧＨｚにおける表皮深さは１ミクロン程度であるため、この内側の外部導体の厚みは表皮深さの１倍から１０倍程度となり、信号の伝送損失の劣化を抑制するのに十分な厚みとなる。また、上述のように通常のセミリジッドケーブルでは外部導体の厚みが０．１ｍｍ以上であり、クライオデバイス社の製品では１０ミクロン程度であるので、上記の内側の外部導体の厚みは通常のセミリジッドケーブルの外部導体の数十分の一から数百分の一と薄くなり、高い熱伝導性を示さない程度の厚みとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るセミリジッドケーブルを図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態としてのセミリジッドケーブルを漸次切欠した状態を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態としてのセミリジッドケーブルの断面構造を模式的に示す図である。図１、図２に示すように本発明の実施形態としてのセミリジッドケーブルには、真鍮製ワイヤ１と、銀メッキ層２と、誘電体３と、高分子フィルム４と、良導体の膜５と、金属パイプ６とが軸心から順に同軸をなして設けられている。すなわち、高い導電性を有する銀のメッキにより形成された銀メッキ層２をもつ真鍮製ワイヤ１と、フッ素樹脂で作製される誘電体３と、蒸着法により良導体の膜（内側の外部導体）５を付着させた高分子フィルム４と、外側の外部導体である熱伝導率の低い金属パイプ６と、が設けられている。なお図１は、高分子フィルム４と、高分子フィルム４に蒸着させた良導体の膜５とを１層として切欠した状態について示している。
【００２１】
ここで、高分子フィルム４は、良導体の膜５が蒸着された片面が外周方向となるように誘電体３の外周に設けられ、この良導体の膜５を金属パイプ６の内壁に接触させて電気的に良好な接触をケーブル全体に渡って保つようになっている。この良導体の膜５の材料は、高い導電性を有する材料であればどのような材料でもよいが、好ましくは銅、アルミニウム、銀、金から少なくとも１つ選択された材料であることがよい。良導体の膜５にこうした高い導電性を有する材料を選択し、高分子フィルム４の材料としてポリイミドフィルムやポリエステルフィルムを選択し、良導体の膜５の高分子フィルム４への付着が蒸着法であることを選択すると、導体厚５ミクロン程度の良導体の膜５を付着させたフィルムシートには市販品を使用することができる。すなわち、上述した表皮深さよりは十分に厚くて熱の流入は大きくならない１ミクロン以上１０ミクロン以下の厚みの範囲で、安価に入手できる素材の活用が可能となる。また、良導体の膜５が高分子フィルム４に蒸着された構造とすることにより、高分子フィルム４を痛めることなく良導体の膜５を付着させることができ、誘電体３に直接良導体の膜５を付着させるよりも導電面の切れにくい、信頼性の高いケーブルを安いコストで提供することができるようになっている。
【００２２】
上述した導体厚５ミクロン程度の良導体の膜５を付着させた市販品のフィルムシートとしては、高分子フィルム４にアルミや銅を蒸着したものが一般的であるが、これらに限定されず、蒸着された良導体の膜５の材料が高い導電性を有する材料であればどのようなフィルムシートでもよく、安価に入手可能なものを用いてよい。
【００２３】
また、金属パイプ６として例えばステンレス製の肉厚０．１ｍｍのパイプを使用した場合、このパイプによる熱伝導はほぼ肉厚1 ミクロンの銅のパイプを利用した場合と同程度に抑制される。このように、熱伝導率の低い材料、好ましくはCuNi、ステンレス合金、真鍮、BeCuから少なくとも１つが選択された材料を外側の外部導体である金属パイプ６に使用することにより、ケーブル断面を通る熱流入量を大幅に低下させることができる。すなわち、外側の外部導体の材料として銅等の良導体と比較して１桁から２桁熱伝導率の低い材料を用いることにより、肉厚数百ミクロンの外側の外部導体を通ってくる熱流入に関しても、所詮数ミクロンから悪くて数十ミクロン程度の肉厚の銅パイプに匹敵する程度の熱流入に抑制することができる。この肉厚の銅パイプを作製しようとすると強度が極めて弱くなり作製しにくく扱いにくいのに対して、上述のように金属パイプ６としてステンレス製の肉厚０．１ｍｍのパイプを選択すると、強度的に極めて強くて扱いやすく、市販品として作製されており安価に入手することができる。
【００２４】
誘電体３は、最も一般的に使用されるフッ素樹脂としているが、誘電体であればこれに限定されず、他の材料でもよい。
【００２５】
銀メッキ層２は、真鍮製ワイヤ１の外周にメッキされて形成される。このように内部導体を、高い導電性を有する銀メッキ層２と熱伝導率の低い真鍮製ワイヤ１の２重構造で作製することにより、軸心を通る良導体の線として作製するのと比較して、外部導体における２重構造と同様に断面を通る熱の流入量の抑制に一定の効果が期待できる。ただし、外部導体と比較してケーブル断面に占める面積が小さいため、外側の外部導体における２重構造と比較するとその効果はやや小さいものとなる。
【００２６】
以上のように構成することにより本発明に係るセミリジッドケーブルは、曲げ加工の際などに内側の外部導体（良導体の膜５）にひびが入ることがあっても、そのひび割れはごく狭いものとなるため、電気的に接触している外側の外部導体（金属パイプ６）を経由することで導通を確保することができる。こうして導通が確保できるため、機械による曲げ加工を使用する際にひび割れが生じることがあっても、高い信頼性を確保することができる。また、このひび割れの部分に対して外側の外部導体を経由させることで導通を確保する場合でも、ひび割れの幅はごく狭いため、外側の外部導体を経由してもほとんど損失は無視できる。すなわち、熱伝導率の低い金属パイプ６を経由して導通を確保する場合でも、金属パイプ６による電気伝導率の低い部分を経由する距離がごく短いものとなるため、金属パイプ６を導通に使用することによる信号の伝送損失は問題にならない程度に微小なものとなる。こうして、信号伝送に影響を与えることなくセミリジッドケーブルの信頼性を顕著に向上させることができるようになる。
【００２７】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施形態であり、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において適宜変更され得ることは明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明に係るセミリジッドケーブルによれば、高分子フィルムに１ミクロン以上１０ミクロン以下の良導体の膜を蒸着した内側の外部導体と、熱伝導率の低い金属パイプである外側の外部導体とを電気的に接触するように設けることにより、信号の伝送損失が少ないにもかかわらずケーブル断面を通して流れ込む熱流入量が少なく、安価でありながら、低温部を維持する冷凍機にかける負担を小さくすることができる。
【００２９】
また、本発明に係るセミリジッドケーブルによれば、内側の外部導体である良導体の膜を蒸着した高分子フィルムを、この良導体の膜が外側の外部導体である熱伝導率の低い金属パイプと電気的に接触するように設けることにより、安価でありながら、信号の伝送損失を増大させることなく信号の導通を極めて高い信頼性で確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としてのセミリジッドケーブルを漸次切欠した状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態としてのセミリジッドケーブルの断面構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 真鍮製ワイヤ
２ 銀メッキ層
３ 誘電体
４ 高分子フィルム
５ 良導体の膜
６ 金属パイプ

Claims (5)

1. 内部導体と、該内部導体よりも外周の誘電体と、該誘電体よりも外周の外部導体とが同軸をなして設けられ、前記外部導体が内側の外部導体と外側の外部導体との２重構造であるセミリジッドケーブルにおいて、
   前記外側の外部導体は、前記内側の外部導体と比較して熱伝導率が低い材料による金属パイプからなり、
   前記内側の外部導体は、フィルムシートの片面に蒸着されて前記外側の外部導体と接触するよう設けられたことを特徴とするセミリジッドケーブル。
2. 前記内側の外部導体の厚みが１ミクロン以上１０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１記載のセミリジッドケーブル。
3. 前記フィルムシートは、高分子フィルムシートであることを特徴とする請求項１または２記載のセミリジッドケーブル。
4. 前記内側の外部導体の材料は、銅、アルミニウム、銀、金から少なくとも１つ選択されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセミリジッドケーブル。
5. 前記外側の外部導体の材料は、CuNi、ステンレス合金、真鍮、BeCuから少なくとも１つ選択されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のセミリジッドケーブル。

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