JP4232942B2 - 高速差動ケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速サーバやコントローラ、移動体通信基地局等の内部及び外部接続などに使用される差動ケーブルで、特に高速ＬＶＤＳ（低電圧差動信号）伝送に代表されるような高速データ伝送用のフラット構成の高速差動ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報技術産業の成長が益々加速している昨今、大きな記憶媒体を備えた強力なＰＣ（パソコン）が急増し、また高度な電気通信装置の実現化に伴って、さらに高速度で長距離間のデータ伝送が可能なケーブルに対するニーズが生じてきている。このニーズに対応したケーブルとして高速データ伝送用の差動ケーブルがある。従来の差動ケーブルについて図７〜１０を用いて説明する。
【０００３】
先ず従来の差動ケーブルの第１例（従来１型）としては、図７の断面図に示すように、中心導体１の外周に絶縁体からなる誘電体層２を設けて信号線４，４とし、この2本を２芯平行に並べ、さらに一方の信号線４の外側にドレイン線５の１本を縦添えで配置し、３芯フラット構造を保持しつつアルミポリエステルテープを金属面内側で縦添え若しくは螺旋巻きして外部導体６を形成し、ジャケット層７を設けた構成の差動ケーブル６０がある。
【０００４】
また従来の差動ケーブルの第２例（従来２型）としては、図８の断面図に示すように、従来１型と同じ構造で2芯平行に並べた信号線４，４の２芯の中央谷間部に１本のドレイン線５を縦添えで配置し、その外側にアルミポリエステルテープを金属面内側で縦添え若しくは螺旋巻きして外部導体６を形成し、ジャケット層７を設けた構成の差動ケーブル７０がある。
【０００５】
また従来の差動ケーブルの第３例（従来３型）としては、図９の断面付き斜視図に示すように、従来１型と同じ構造の信号線４，４の２芯にドレイン線５の１芯を加えて３芯撚りし、その外側にアルミポリエステルテープを金属面内側で縦添え若しくは螺旋巻きして外部導体６を形成し、ジャケット層７を設けた構成の差動ケーブル８０がある。
【０００６】
更に従来の差動ケーブルの第４例（従来４型）としては、図１０の断面図に示すように、従来１型と同じ構造の信号線４，４の２芯の電気的平衡度を重視し、ビットレートの高速化に対応したハイスペック品として、信号線2芯を平行に並べそれらの両外側にドレイン線５，５を配置し、4芯フラット構造を保持しつつアルミポリエステルテープを金属面内側で縦添え若しくは螺旋巻きして外部導体６を形成し、ジャケット層７を設けた構成の差動ケーブル９０がある。
これら差動ケーブル６０，７０，８０，９０の中心導体サイズとドレイン線サイズは同じで、ＡＷＧ（アメリカンワイヤーゲージ）３０番（７／０．１０２mm）、２８番（７／０．１２７mm）が通常使用されており、また絶縁体にはオレフィン系樹脂の発泡体が通常使用されており、この場合のデータ伝送能力は最良時１.０Ｇbpsの差動信号を１０ｍ伝送可能という。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来１型の差動ケーブル６０は、信号線２芯の特性インピーダンスや対地バランスが崩れ信号の伝送品質が低下するという問題点があった。
また従来２型の差動ケーブル７０は、信号線２芯の電気的平衡度は確保されるがドレイン線の位置関係からケーブルの屈曲性に制限があり、またアセンブリ加工の際にはドレイン線の突き出しや引っ込みに注意する必要があるという問題点があった。
また従来３型の差動ケーブル８０は、対撚り時の信号線のテンションコントロールが難しいために物理長のずれにより信号線間に伝播遅延時間差が生じ易く、またケーブルの仕上り断面形状は円形に近いために平行タイプに比べ仕上り外径（短径）が大きくなるという問題点があった。
なお従来４型の差動ケーブル９０の構成は“高速度で長距離間のデータ伝送”という観点から理想的と言えるが、伝送特性を向上させ品質を安定させる為に絶縁体材質や導体サイズの変更が必要不可欠である。従来型ケーブルの絶縁体には、一般的にオレフィン系樹脂の発泡体が多く用いられているが、“高速度で長距離間のデータ伝送”に伴い今後さらに絶縁体材質の低誘電率／低損失化、品質の高安定化が重要視されると考えられる。
また従来１〜４型のケーブルは、誘電体層２には同じ色相の材料を用いているため、２本の信号線４，４の判別が困難であった。また、ジャケット層７の素材としてＰＶＣ（ポリ塩化ビニル樹脂）を用いているので、近時、ハロゲン含有樹脂として環境上問題があると指摘されている。
【０００８】
本発明は、上記従来技術が有する各種問題点を解決するためになされたものであり、データ伝送能力を最大限に引き出すケーブル構成を取りながら、信号線の識別を可能とし、また環境に優しい高速差動ケーブルを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の観点として本発明は、中心導体の外周に誘電体層を設けて信号線とし、これを２芯平行に並べ、更に両信号線の外側にドレイン線を配置し、４芯フラット構造を保持しつつ樹脂面接着層付の金属ラミネートテープ、金属蒸着テープ若しくは金属テープを金属面内側で巻き回し或いは縦添えで外部導体を形成し、これにジャケットを被覆してなる高速差動ケーブルにおいて、
前記誘電体層は多孔質フッ素系樹脂の絶縁層を第１層とし、充実フッ素系樹脂のスキン層を第２層とする二層構成絶縁体であって、前記第２層のスキン層の厚さを、第１層の絶縁層厚さの０．２８〜０．３１倍としたことを特徴とする高速差動ケーブルにある。
上記多孔質フッ素系樹脂としては、例えば多孔質ＰＴＦＥ樹脂（四フッ化エチレン樹脂）が用いられ、また充実フッ素系樹脂としては、例えばＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体樹脂）が用いられる。
上記第１の観点の高速差動ケーブルでは、上記のように誘電体層を二層構成とし、信号線及びドレイン線を平行且つフラット状に並べているので、（１）ケーブルの仕上り外径（短径）が小さくできコネクタ等へのアセンブリの際、高密度実装が可能になる。（２）ケーブルの可とう性が向上する。（３）ケーブルの端末加工が容易になる。（４）物理長が変化しないため信号線２芯間に伝播遅延時間差が生じにくく、構造上信号線２芯のグランドに対する電気的バランスは確保され、良好な伝送特性が得られる。等々優れたケーブル性能が期待出来る。そしてスキン層の厚さを第１層の絶縁層の厚さの０．２８〜０．３１倍の範囲内に限定したことで、柔らかくて潰れやすい多孔質ＰＴＦＥ樹脂の絶縁層がケーブル製造過程やケーブル施工時、一般使用時の外圧から保護され、特性インピーダンス等電気的特性の劣化を防ぐことが出来る。つまり低誘電率で損失の少ない絶縁層が安定確保でき、最小仕上がり外径にて最大限のデータ伝送能力が引き出せる。
【００１０】
第２の観点として本発明は、前記中心導体及びドレイン線サイズがＡＷＧ（アメリカンワイヤーゲージ）３０番〜２２番であることを特徴とする高速差動ケーブルにある。
上記第２の観点の高速差動ケーブルでは、前記中心導体及びドレイン線サイズとしてＡＷＧ３０番〜２２番を好ましく用いることができる。
【００１１】
第３の観点として本発明は、前記両信号線の一方のスキン層の色相を変えたことを特徴とする高速差動ケーブルにある。
上記第３の観点の高速差動ケーブルでは、前記両信号線の一方のスキン層の色相を変えているので両信号線の識別が可能なケーブルとなる。
【００１２】
第４の観点として本発明は、ジャケットの素材としてノンハロゲン難燃性オレフィンを使用したことを特徴とする高速差動ケーブルにある。
上記第４観点の高速差動ケーブルでは、ジャケットの素材としてノンハロゲン難燃性オレフィンを使用したので環境に優しいケーブルとなる。むろん、安価な難燃性ＰＶＣ素材やその他のプラスチック材料も使用できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容を、図に示す実施の形態により更に詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図１は本発明の高速差動ケーブルの１実施形態（実施例１）を示す断面図である。図２は本発明の高速差動ケーブルの実施例２，３の寸法構成を示す図表である。図３は本発明の高速差動ケーブルの実施例１と比較例１，２の寸法構成および特性を示す図表である。図４は比較例１の差動ケーブルを示す断面図である。図５は比較例２の差動ケーブルを示す断面図である。また図６は高速差動ケーブルのアイパターン（Differential eye-pattern）を示すチャート図であり、同図（a）は実施例１のケーブル、また同図（b）は従来４型ケーブルである。
これらの図において、１は中心導体、２は誘電体層、２ａは多孔質フッ素系樹脂の絶縁層、２ｂは充実フッ素系樹脂のスキン層、４，４ａ，４ｂは信号線、５，５ａ，５ｂはドレイン線、６は外部導体、７はジャケット層、また１０は高速差動ケーブルである。
【００１４】
第１の実施の形態（実施例１）
図１に示すように、ＡＷＧ２８番（７／０.１２７mm）で外径０.３８１mmの銀メッキ軟銅撚線を中心導体１とし、この外周に誘電体層２として、多孔質ＰＴＦＥ樹脂テープを０.２２５mmの厚さで被覆して空隙率７０％の絶縁層２ａとし、その外側にＦＥＰ樹脂のスキン層２ｂを０.０６５mmの厚さで設けて信号線４ａ，４ｂとした。なおスキン層２ｂは着色剤により適当に着色がなされる。色分けされた信号線４ａと信号線４ｂを平行に並べ、更に信号線４ａ，４ｂの両外側にＡＷＧ２８番（７／０.１２７mm）で外径０.３８１mmの銀メッキ軟銅撚線のドレイン線５ａ及びドレイン線５ｂを配置し、４芯フラット構造を保持しつつ樹脂面接着層付のアルミポリエステルテープを金属面内側で螺旋巻きして信号線４ａ，４ｂ及びドレイン線５ａ，５ｂを包囲するように外部導体６を形成した。なお、外部導体６の螺旋巻きには多頭供線装置や特殊整線ダイスチップ、フォーミング滑車を備えた専用テーピングマシーンを使用した。さらにその外側に０.２５mmの厚さで外部導体６に接着するようにノンハロゲン難燃性オレフィン樹脂のジャケット層７を被覆し高速差動ケーブル１０を製造した。
ここで、中心導体１及びドレイン線５ａ，５ｂはＡＷＧ２８番の銀メッキ軟銅撚線を使用したが、他の番手や構成、材質やメッキ品でも良い。また外部導体６には厚さ０.０１５mmの接着層付きアルミポリエステルテープを使用したが、他の金属ラミネートテープ（接着層無しを含む）や金属蒸着テープ若しくは金属テープを用いても良い。テープ厚さは０.０１〜０.０５mmまで可変出来る。なお金属ラミネートテープは螺旋巻きの他、縦添えでも良い。ジャケット層７は従来通り難燃性ＰＶＣやその他の樹脂でもかまわない。多孔質PTFE樹脂層厚さ(mm)をAとし、またＦＥＰ樹脂スキン層厚さ(mm)をBとしたとき、Ｂ／Ａの倍率は０.０６５mm／０.２２５mm＝約０．２９となる。
【００１５】
第２，３の実施の形態（実施例２，３）
中心導体１の導体サイズを変更して信号線を作製した際の寸法構成を実施例２，３として図２の表にまとめた。なお、“高速度で長距離間のデータ伝送”を実現するためには、絶縁体材質や導体サイズの変更が必要不可欠であることは先にも述べた通りである。各導体サイズにおいてスキン層厚は多孔質ＰＴＦＥ樹脂層厚の０．２８〜０．３１倍の範囲内に設定してある。なお経験上導体サイズが太い場合には倍率を範囲内で低く設定し、細い場合には高く設定するのが良い。
【００１６】
参考実施例
従来１型・従来２型・従来３型ケーブルに関しても、信号線を本発明のスキン層厚さを有する信号線に代替えしたところ、その優れた機械的強度と電気的性能により従来品よりもケーブルの信号伝送品質は改善されていた。なお、改善効果が取り分け顕著だったのは従来１型及び従来４型で、信号線側面へのドレイン導体のくい込みが低減されたことがその主な要因と考えられる。
【００１７】
比較例
比較例として、Ｂ／Ａの倍率を範囲外に設定して比較例１（中心導体サイズAWG30）及び比較例２（中心導体サイズAWG22）の差動ケーブルを作製した。なお、その他のケーブル構成は上記実施例１に準じた。
Ｂ／Ａの倍率が範囲内の本発明品（実施例１）と比較例１、２と、差動特性インピーダンスの理論計算値と実測値を比べ図３の表にまとめた。また比較例１、２の差動ケーブルの断面図をそれぞれ図４、５に示した。
本発明品は、差動特性インピーダンスの理論計算値と実測値が一致し良好な伝送特性が得られたのに対し、比較例１は一致しているもののケーブル外径が大きく、比誘電率が上昇したことにより信号波形が鈍ってしまった。また比較例２はスキン層の厚さが薄く機械的強度が不十分で、信号線側面にドレイン導体がくい込み差動特性インピーダンスが低下してしまった。上記内容からも本発明のＢ／Ａ倍率範囲の妥当性が証明できる。
【００１８】
アイパターン特性試験結果
ＡＷＧ２８番の中心導体及びドレイン線における本発明品（実施例１）と従来４型ケーブル（絶縁体は高発泡オレフィン樹脂）の信号伝送品質をアイパターン特性にて比較し、双方のチャートを図６に示した。
図６のチャートから明らかなように、本発明品のＥｙｅ開口率は従来品のそれに比べ大きく、データ伝送能力（品質）が向上したといえる。特に1Gbpsを越える伝送速度においてその傾向は顕著となる。これは絶縁体材質を高発泡オレフィン樹脂から多孔質PTFE樹脂に変更したことにより、絶縁体が低誘電率化・低損失化したためと考えられる。なお、測定にはデジタルデータアナライザ（アンリツ社製：ＭＰ１６３２Ａ）とＴＤＲ測定器（ＴＥＫ製：ＴＤＳ８０００，サンプリングヘッドＳＤ-２４）を使用し、ＤＵＴ（被測定物）と測定器との接続は、片端ＳＭＡコネクタ付セミリジットケーブルを加工した当社製専用治具基板を介して行った。また入力信号には疑似ランダムパターンを使用し、伝送レートは１Ｇbps及び２Ｇbps、入力電圧は０．５Ｖp-p、試料長５ｍとした。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の高速差動ケーブルは、ケーブル構造が信号線２芯を平行に並べそれらの両外側にドレイン線を配置したフラット構成なので、信号線の物理長に変化が無く２芯間には伝播遅延時間差が生じにくい。また信号線２芯のグランドに対する電気的バランスは確保され、良好な伝送特性が得られる。さらにケーブルは可とう性に優れており、仕上り外径（短径）が小さく、端末加工が容易で、コネクタアセンブリの際は高密度実装が可能になる。そしてスキン層の厚さを多孔質ＰＴＦＥ絶縁層の厚さの０．２８〜０．３１倍に限定することで、絶縁体の柔らかくて潰れやすい多孔質ＰＴＦＥ絶縁層はケーブル製造過程やケーブル施工時、一般使用時の外圧から保護され、比誘電率や特性インピーダンス等電気的特性の劣化を防ぐことが出来る。つまりは低誘電率で損失の少ない絶縁層が安定確保でき、最小仕上がり外径にて最大限のデータ伝送能力が引き出せる。従って、本発明は産業上に寄与する効果が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の高速差動ケーブルの１実施形態（実施例１）を示す断面図である。
【図２】 本発明の高速差動ケーブルの実施例２，３の寸法構成を示す図表である。
【図３】 本発明の高速差動ケーブルの実施例１と比較例１，２の寸法構成および特性を示す図表である。
【図４】 比較例１の差動ケーブルを示す断面図である。
【図５】 比較例２の差動ケーブルを示す断面図である。
【図６】 差動ケーブルのアイパターン（Differential eye-pattern）を示すチャート図であり、同図（a）は実施例１の高速差動ケーブル、また同図（b）は従来４型差動ケーブルである。
【図７】 従来の差動ケーブルの第１例（従来１型）を示す断面図である。
【図８】 従来の差動ケーブルの第２例（従来２型）を示す断面図である。
【図９】 従来の差動ケーブルの第３例（従来３型）を示す断面付き斜視図である。
【図１０】 従来の差動ケーブルの第４例（従来４型）を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 中心導体
２ 誘電体層
２ａ 多孔質フッ素系樹脂の絶縁層
２ｂ 充実フッ素系樹脂のスキン層
４，４ａ，４ｂ 信号線
５，５ａ，５ｂ ドレイン線
６ 外部導体
７ ジャケット層
１０ 高速差動ケーブル

Claims (4)

1. 中心導体の外周に誘電体層を設けて信号線とし、これを２芯平行に並べ、更に両信号線の外側にドレイン線を配置し、４芯フラット構造を保持しつつ樹脂面接着層付の金属ラミネートテープ、金属蒸着テープ若しくは金属テープを金属面内側で巻き回し或いは縦添えで外部導体を形成し、これにジャケットを被覆してなる高速差動ケーブルにおいて、
   前記誘電体層は多孔質フッ素系樹脂の絶縁層を第１層とし、充実フッ素系樹脂のスキン層を第２層とする二層構成絶縁体であって、前記第２層のスキン層の厚さを、第１層の絶縁層厚さの０．２８〜０．３１倍としたことを特徴とする高速差動ケーブル。
2. 請求項１に記載の高速差動ケーブルにおいて、前記中心導体及びドレイン線サイズがＡＷＧ（アメリカンワイヤーゲージ）３０番〜２２番であることを特徴とする高速差動ケーブル。
3. 請求項１または２に記載の高速差動ケーブルにおいて、前記両信号線の一方のスキン層の色相を変えたことを特徴とする高速差動ケーブル。
4. 請求項1、２または３に記載の高速差動ケーブルにおいて、前記ジャケットの素材としてノンハロゲン難燃性オレフィンを使用したことを特徴とする高速差動ケーブル。