JP4472721B2 - コンタクトモジュールを用いたコネクタ - Google Patents

Description

本発明は、高速・広帯域の信号の接続伝送を良好なインピーダンス整合で且つコネクタ内での隣接信号間の干渉が少ない状態で行うコネクタの技術分野に属する。

配線基板間を接続するコネクタで、隣接コンタクト間の電磁干渉（クロストーク）を少なくするコネクタとして、コンタクトの隣接対向面積を小さくするため、コンタクトとして角棒ではなく銅箔としたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、配線基板が、積み重ねられる場合だけでなく基板面が例えば直交している場合のコネクタのコンタクトとしてフレキシブル配線基板を弾性シートに張り合わせて弾性をもつコンタクトを複雑な装着部材を用いて装着している例がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２２３５５３号公報（［００１８］〜［００２０］、図１） 特開２００４−３９４０４号公報（［００３２］〜［００３５］、図４）

しかしながら、特許文献１記載のものについては、以下のような問題がある。
第１に、隣接コンタクト間の電磁干渉ノイズの低減は可能であるが、向い合う側壁２６ｂ間のコンタクト間の電磁干渉については考慮されていない。
第２に、コンタクトのインピーダンスコントロールを可能にするとあるが、インピーダンスをコントロールする場合には両側の隣接コンタクトにグランドを配置するか、別途グランドとなり得る部品を追加する必要があるが、それらが設けられていない。
第３に、コンタクトと相手方コンタクトとの接触部でのインピーダンス不整合が生じないような構造になっていないので、さらなる高速・広帯域への対応が困難である。
第４に、外部からの電磁干渉、および自身から発生する電磁ノイズが防止される構造となっていない。

また、特許文献２記載のものについては、以下のような問題がある。
第１に、複雑な保持構造においては、インピーダンスの整合をとるためには各部材の誘電率を考慮して配線幅を設計する必要があるところ、それがなされない場合にはインピーダンスが変動するうえ、コンタクトの変形の仕具合によっては電磁界モードが変化し信号劣化の可能性が高くなる。
第２に、配線基板間での安定したグランドの接続がなされていない。

本発明の課題は、上記背景技術に鑑みて、電気回路基板間の接続において、インピーダンス整合を精度よく行うことができ、グランド接続が充分に得られ、コネクタ内での信号間の干渉を低減し、外部からの電磁干渉に対し高い耐性を有するとともに自ら発する電磁ノイズも小さく、高速・広帯域の信号の接続・伝送を可能とするコンタクトモジュールを用いたコネクタを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の各手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、両端部の信号用導体の露出部分が同一面側にある下記（イ）のコンタクトモジュールが、端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を外側にしてＬ字状に曲げたもの２個を信号用導体の薄くなっている方を向かい合わせて合着させその端部をハウジングの嵌合孔の口より予め定めた寸法だけ後退した位置でハウジングに固定されており、ハウジングの嵌合孔には、向き合った厚さの薄い信号用導体の背面の遮蔽導体層を信号用導体の間隔を狭める方向に弾性的に押し付けるとともに、嵌合して来た雄コネクタの外側遮蔽導体層と電気接続するばね部材を有していることを特徴とする雌コネクタである。
（イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール

本発明の第２の構成は、両端部の信号用導体の露出部分が互いに反対面にある下記（イ）のコンタクトモジュールを端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を内側にしてＬ字状に曲げたもの２個を信号用導体の薄くなっている方の背中を向い合わせにして、挿入されて来る相手方回路基板の両面グランドパターンを挟み込んで接触する間隔をあけてその端部を予め定めた寸法だけ突出させてハウジングに保持固定されていることを特徴とする雄コネクタである。
（イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール

本発明の第３の構成は、両端部の信号用導体の露出部分が同一面側にある下記（イ）のコンタクトモジュール２個が、端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を向い合わせ、それによって向き合った遮蔽導体層の間隔が接続すべき回路基板の厚さの寸法になるようにしハウジングの嵌合孔の口より予め定めた寸法だけ後退させてハウジングに保持され、ハウジングは、接続すべき回路基板が貫通する貫通部を有し、相手雄コネクタと嵌合する部分にはコンタクトモジュールの向い合っている厚さが薄い信号用導体の間隔を狭めるように背後の遮蔽導体層を弾性的に押すとともに嵌合相手の雄コネクタの外側遮蔽導体層と電気接続するばね部材を有することを特徴とする雌コネクタである。
（イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール

本発明で用いるコンタクトモジュールでは、信号用導体は、帯状の薄い導体でストリップライン構造となっているので、コンタクトモジュールの特性インピーダンスの設定が容易である。
即ち、コンタクトモジュールの特性インピーダンスは、誘電体の誘電率εｒ、誘電体厚ｈ、信号線導体厚ｔ、信号線幅ｗ、信号線から遮蔽導体層までの距離ｂによって一義的に定まるから、コンタクトの特性インピーダンスをある値、例えば接続する回路基板内信号線の特性インピーダンスと同じにしようとすれば前記各諸元の値を選択設定することにより、容易に所望の特性インピーダンスとすることができる。
それとともに隣接する信号線間の干渉も小さくすることができる。

また、両面が信号用導体の配列範囲全部に渡って遮蔽用導体層で覆われているので、外部電磁界からの干渉を受けずまた自らの電磁波漏洩もなく外部に対して干渉をもたらさない。
また、自らのコネクタから発生する電磁ノイズも低減可能となっている。このことは、周囲の部材の存在やその形状によってコンタクトモジュールの特性インピーダンスが影響を受けないことをも意味する。

コンタクトモジュール同士を嵌合した際、両端の露出している信号用導体の一端側はその厚さが薄くなっているので、この部分をコンタクトの接触部分として重なるようにすることにより信号用導体の形状としては変化が少なくインピーダンスの変化を少なくすることができる。厚さを２分の１にしておくと重ねた状態で他の部分と同じ厚さとなるので、接触部分におけるインピーダンスの変化を殆ど生じないようにすることができる。

本コンタクトモジュールとしては、信号用導体の両端間において信号用導体、誘電体層および遮蔽用導体層はいずれもその形状、材質に変化はないので特性インピーダンスや電磁界モードの変化がなく伝送信号に劣化を生じない。
また、両面を覆っている遮蔽導体層を配線基板のグランド導体と密着させることにより安定したグランド接触を得ることができる。
信号用導体の露出した他方の端部は、金属ボール或いは金属バンプを介して半田を用いて配線基板内の信号配線に固定するか弾性体（例えばエラストマ等）に金属配線が形成された端子を用いて接続することができる。

本発明のコンタクトモジュールの信号用導体は、そのインピーダンスコントロールのし易さからストリップ線路構造に準じたものとするが最良の形態である。
また、回路基板の配置に応じた、コネクタのコンタクトとして用いるために信号用導体群、誘電体層、遮蔽導体層はコンタクトモジュールとして形成されたものが可撓性を有する素材を選択するのが最良である。
信号用導体の厚さが薄い部分の厚さは、信号用導体の厚さの２分の１とするのが最良である。

こうすることにより、薄い部分同士を重ね接触で接続した場合、信号用導体の他の部分と同じ厚さとなり不連続部を持たないのでインピーダンスの変化がないという利点があるからである。

以下、本発明のコンタクトモジュールおよびそれを用いたコネクタの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明で用いるコンタクトモジュールの３面図である。（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ側断面図であり、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図であり、（ｃ）は（ｂ）を右方から見た側面図であり、（ｄ）は露出部５と露出部９が互いに反対側の面に設けられている場合の側断面図である。
誘電体層７の上にストリップライン構造の信号用導体４が所定の間隔をあけて複数本平行に配列された上から誘電体層３を重ね、信号用導体４の配列を両面から誘電体層３、同７で挟んだ形になっており、更にその両面を遮蔽導体層２および同８で挟んだ形となっている。

そして両端部では、遮蔽導体層２と誘電体層３がない露出部５と露出部９が設けられている。露出部５の信号用導体４は肉厚が薄くなっている肉薄接触部６となっており、コンタクトモジュール１同士はこの肉薄接触部６を重ね合わせるようにして接触する。この肉薄接触部６の厚さを露出されていない信号用導体４の厚さの２分の１にしておくと、重なり合ったときの厚さは露出されていない部分の信号用導体４の厚さと同じになり、接触部分における線路インピーダンスの変化が殆どなく通過信号の劣化を来さない。

回路基板への接続固定は、露出部９に配される金属ボールあるいは金属バンプを介して回路基板内信号配線との半田付けにより行われる。また固定はねじ等で行い、電気接触は回路基板の電極と露出部９との間に表面に導電性を持たせた弾性体を挟ませることによって行うこともできる。
コンタクトモジュール１を構成する各素材を可撓性のある材料で構成しておくと両端の露出面が互いに直角になるように曲げてハウジングに保持させることもできる（図３、図４）。

信号用導体の材質としては、ばね性、耐腐食性を有するりん青銅が考えられるが、銅を用いることもできる。ただこの場合、耐腐食性を向上させるため１μｍ以下程度のめっきを施すことが望ましい。
信号用導体４に連なる、露出部５における肉薄接触部６は、コンタクトモジュールの積層圧着工程後、表面を削り取ることにより製作される。あるいは、エッチング配線、メッキ配線、印刷配線、塗布配線、蒸着配線等により製作しても良い。
誘電体層３および７の材質としては、ガラスエポキシ系の誘電体、テフロン（米国デュポン社の登録商標名）系誘電体、セラミック系絶縁体等、様々な絶縁体を用いることが可能である。
表１は、図１に示すコンタクトモジュールの材質およびその厚みの一例を示すものである。

今表１に示す、誘電体層と信号用導体の厚みで、誘電率ε_ｒが４．６であるとした場合、コンタクトモジュールの特性インピーダンスを５０Ωになるようにしようとすれば信号線幅は１５０μｍとなる。

図２は、図１のコンタクトモジュール１を１個ずつハウジングに保持した雌雄のコネクタとその嵌合状態を示す図である。（ａ）は嵌合前を示す図であり、（ｂ）は嵌合状態を示す図である。
雄コネクタ１０は、コンタクトモジュール１がハウジング１１に、露出部５側の端部を予め定めた寸法だけ突出させて保持固定されている。
雌コネクタ１２は、コンタクトモジュール１がハウジング１３に、両コネクタが嵌合したときにコンタクトモジュール１同士が丁度突合するように予め定めた寸法だけハウジング１３の嵌合孔１６の開口端より後退させて保持固定されている。
そして、嵌合孔１６にはばね部材１４および１５が設けられている。この両コネクタを嵌合させると（ｂ）のようになる。

即ち、両コネクタのコンタクトモジュール１の肉薄接触部６が重なり合うように接触するとともに遮蔽導体層２と８はばね部材１５および１４によって電気接触され、両コネクタのコンタクトモジュール１はあたかも一体であるかのように接触されることとなり、コネクタ同士の確実な接続が得られる。
各コネクタのコンタクトモジュールの図示されていない露出部９の方はそれぞれ前述のように、金属ボールあるいは金属バンプを介して回路基板に半田付けされているので両回路基板間の接続が得られることとなる。

図３は、コンタクトモジュールを２個ずつ用いたスタック型コネクタの実施例を示す図である。（ａ）は嵌合前を示す、（ｂ）は嵌合状態を示している。
図３の（ａ）の１７は雄コネクタの実施例であり、雌コネクタ１８は本発明第１の構成の雌コネクタの実施例である。
雄コネクタ１７は、コンタクトモジュール１のうち、図１の（ｄ）のように露出部５と９が互いに反対面にあるコンタクトモジュールを肉薄接触部６を内側にしてＬ字状に曲げたもの２個を肉薄接触部６の背中同士を合着させて、合着した先端の方がハウジング２０より予め定めた寸法だけ突出するようにしてハウジング２０に保持固定されている。

ここにいう予め定めた寸法とは、雌コネクタ１８と嵌合させたときに肉薄接触部６同士が重なり合って突合する寸法ということである。
ハウジング２０は金属であるか、または非導電性のものであってもコンタクトモジュール１の保持面や下面が金属メッキされてコンタクトモジュール１の遮蔽導体層と接してグランド面が形成されるようになっている。
また、ハウジングは絶縁樹脂のみにより形成しても良い。
回路基板２１への接続および固定は、コンタクトモジュール１の露出部９の位置に金属ボール２４を配してこれを介して回路基板内信号配線２３とコンタクトモジュール１の露出部９の信号用導体とを半田付けする。

コンタクトモジュール１の遮蔽導体層８は、回路基板グランドパターン２６とグランドビア２５で接続されている上側のグランド面と接触するようになっている。また、ハウジング２０の下面のうち、上側のグランド面に接する部分は電気的接触も得られるようになっている。
雌コネクタ１８は、コンタクトモジュールのうち、図１の（ａ）のように露出部５と９が同じ側の面にあるコンタクトモジュールを肉薄接触部６を外側にしてＬ字状に曲げたもの２個を肉薄接触部６を向かい合わせて遮蔽導体層２を合着させその端部をハウジング１９の嵌合孔２２の口より、雄コネクタ１７のコンタクトモジュール１の突出部分が丁度図２の（ｂ）のように嵌合するように後退させた位置で保持固定されている。

この雌コネクタの、回路基板２１への固定は、雄コネクタ１７の場合と同じである。
ハウジング１９には嵌合孔２２を有しており、この嵌合孔２２の内壁両側の凹部にはばね部材１４が設けられており、このばね部材の一部は雌コネクタ１８のコンタクトモジュール１の遮蔽導体層８に弾性圧接しており、他の一部は嵌合した際に雄コネクタ１７のコンタクトモジュール１の遮蔽導体層２に圧接するようになっている。

図３の（ｂ）は、雄コネクタ１７と雌コネクタ１８を嵌合したときの図である。雄コネクタ１７の外向きの肉薄接触部６、６が雌コネクタ１８の向かい合った肉薄接触部６、６の間に挿入され、ばね部材１４、１４の弾性圧接により肉薄接触部６、６同士は確実に接触する。
また、ばね部材１４によって、雄コネクタ１７の遮蔽導体層２と雌コネクタ１８の遮蔽導体層８は確実に電気接続される。
以上により、向かい合った回路基板２１の信号線同士およびグランド同士は確実に接続されることになる。

図４は、２つの回路基板が直交する位置関係にある場合の、コンタクトモジュールを２個ずつ用いたコネクタ構造を示す図である。（ａ）は嵌合前の図であり、（ｂ）は嵌合時の図である。
雄コネクタ２７（バックプレーン側コネクタ）は、図３の雄コネクタ１７の２つのコンタクトモジュール１を、回路基板の厚さ寸法の間隔をあけて配置した構造となっている。この２つのコンタクトモジュール１の間へ、雌コネクタ２８（ドータ側コネクタ）が保持固定されている回路基板２１が挿入され回路基板２１の回路基板グランドパターン２６とコンタクトモジュール１の遮蔽導体層８とが密着接触することになるというものである。

雌コネクタ２８は、図１の（ａ）のように露出部５と９が同一面側にある２つのコンタクトモジュール１の遮蔽導体層２で、コネクタを取り付ける回路基板２１の両面の回路基板グランドパターン２６を挟むようにする位置関係でハウジング３０に保持されており、またハウジング３０には回路基板２１が遮蔽導体層２で挟まれる位置になるように回路基板２１の貫通孔が設けられているとともにその前方（図では下方）雄コネクタの嵌合孔が形成されている。
コンタクトモジュール１の肉薄接触部６は向かい合っており、嵌合孔の内壁凹部に設けられたばね部材１４によって背面側の遮蔽導体層８が弾性的に押されている。回路基板２１の回路基板内信号配線２３は金属ボール２４を介した半田付けによりコンタクトモジュール１の信号用導体に接続される。

図４の（ｂ）は、雄コネクタ２７と雌コネクタ２８が嵌合した状態を示す図である。
嵌合によって、雄コネクタ２７と雌コネクタ２８の肉薄接触部６は互いに重なり合うように接触し、ばね部材１４の弾性押圧によってその接触は確実なものとなる。両コネクタのコンタクトモジュール１の外側の遮蔽導体層同士はばね部材１４によって接続される。
ドータ側回路基板の回路基板グランドパターン２６とバックプレーン側回路基板のグランドパターン２６とは、雄コネクタ２７の遮蔽導体層８によって接続されることになる。
以上、図３および図４の、コネクタと回路基板との接続固定は、コンタクトモジュール１の露出部９と回路基板２１の回路基板内信号配線２３との間に金属ボール２４を配し、半田付け固定するというものであったが、固定方法はこれに限られるものではない。

図５は、回路基板と本発明コネクタとの接続固定の他の例を示す図である。
（ａ）は金属ボール２４に代えて金属バンプ３１を用いて半田付けした場合である。（ｂ）は、例えばエラストマのような弾性体の表面に金属配線３３を設けて、これにより信号用導体４と回路基板内信号配線２３とを接続している。
また、コンタクトモジュール１をハウジングに保持固定する仕方としては、コンタクトモジュール１の遮蔽導体層２および８を導電性接着剤で接着固定する方法や、遮蔽導体層２および８に図６に示すような凸部３５を設けて固定する方法や、圧入部を設ける方法がある。

本発明で用いるコンタクトモジュールの３面図である。 図１のコンタクトモジュールを１個ずつハウジングに保持した雌雄コネクタとその嵌合を示す図である。 図１のコンタクトモジュールを、雄、雌各２個ずつ用いたスタック型コネクタの実施例を示す図である。 ２つの回路基板が直交する位置関係にある場合の、図１のコンタクトモジュールを雄、雌各２個ずつ用いた場合のコネクタの実施例を示す図である。 回路基板と本発明コネクタとの接続固定の他の例を示す図である。 本発明で用いるコンタクトモジュールをハウジングに固定するために遮蔽導体層に凸部を設けた例を示す図である。

符号の説明

１ コンタクトモジュール
２ 遮蔽導体層
３ 誘電体層
４ 信号用導体
５ 露出部
６ 肉薄接触部
７ 誘電体層
８ 遮蔽導体層
９ 露出部
１０ 雄コネクタ
１１ ハウジング
１２ 雌コネクタ
１３ ハウジング
１４ ばね部材
１５ ばね部材
１６ 嵌合孔
１７ 雄コネクタ
１８ 雌コネクタ
１９ ハウジング
２０ ハウジング
２１ 回路基板
２２ 嵌合孔
２３ 回路基板内信号配線
２４ 金属ボール
２５ グランドビア
２６ 回路基板グランドパターン
２７ 雄コネクタ
２８ 雌コネクタ
２９ ハウジング
３０ ハウジング
３１ 金属バンプ
３２ 弾性体
３３ 金属配線
３４ 半田
３５ 凸部

Claims (3)

1. 両端部の信号用導体の露出部分が同一面側にある下記（イ）のコンタクトモジュールが、一方端の端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を外側にしてＬ字状に曲げたもの２個を前記一方端の信号用導体の薄くなっている方を向かい合わせて合着させその端部をハウジングの嵌合孔の口より予め定めた寸法だけ後退した位置でハウジングに固定されており、ハウジングの嵌合孔には、向き合った厚さの薄い信号用導体の背面の遮蔽導体層を信号用導体の間隔を狭める方向に弾性的に押し付けるとともに、嵌合して来た雄コネクタの外側遮蔽導体層と電気接続するばね部材を有していることを特徴とする雌コネクタ。
   （イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール
2. 両端部の信号用導体の露出部分が互いに反対面にある下記（イ）のコンタクトモジュールを一方端の端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を内側にしてＬ字状に曲げたもの２個を前記一方端の信号用導体の薄くなっている方の背中を向い合わせにして、挿入されて来る相手方回路基板の両面グランドパターンを挟み込んで接触する間隔をあけてその一方端の端部を予め定めた寸法だけ突出させてハウジングに保持固定されていることを特徴とする雄コネクタ。
   （イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール
3. 両端部の信号用導体の露出部分が同一面側にある下記（イ）のコンタクトモジュール２個が、一方端の端部の信号用導体の厚さが薄くなっている方を向い合わせ、それによって向き合った遮蔽導体層の間隔が接続すべき回路基板の厚さの寸法になるようにしハウジングの嵌合孔の口より予め定めた寸法だけ後退させてハウジングに保持され、ハウジングは、接続すべき回路基板が貫通する貫通部を有し、相手雄コネクタと嵌合する部分にはコンタクトモジュールの向い合っている厚さが薄い信号用導体の間隔を狭めるように背後の遮蔽導体層を弾性的に押すとともに嵌合相手の雄コネクタの外側遮蔽導体層と電気接続するばね部材を有することを特徴とする雌コネクタ。
   （イ）同一平面に並んだ複数本の帯状の信号用導体群を両面から誘電体層で挟み、更にその両面から遮蔽導体層で挟んでおり、信号用導体群の両端部においてはそれぞれどちらか片面側の誘電体層および遮蔽導体層が反対面側の誘電体層および遮蔽導体層より短くそのため信号用導体群の端部が露出しており、その両端部のうちの一方端の露出部分の信号用導体の厚さが他方端の露出部分の信号用導体の厚さより薄くなっていることを特徴とするコンタクトモジュール

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