JP4702581B2 - 積層型多連トランスおよびこれを用いた差動伝送ケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多連に構成した積層型トランスと、これを用いた差動伝送ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の積層型トランスを示す。この積層型トランスは絶縁体と導体線路を交互に積み重ねて一体的に焼結したもので、各々導体線路を電気的に接続してなる一対のコイル５０、５１がコモンモードチョークコイルを構成している。また、図８に示すような、一対のコイルを複数備えた積層型多連トランスも提案されている。この積層型多連トランスは、絶縁体とコイル導体を交互に積み重ねて一体的に焼結したもので各々コイル導体を電気的に接続してなる一対のコイルを二対有し、それぞれコモンモードチョークを構成している。
コモンモードチョークコイルは、従来電子機器等に侵入したり、逆に電子機器等から流出するコモンモードノイズを除去するために用いられることが多かったが、最近になり、本発明者らの研究において、差動伝送方式の例えばＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やＩＥＥＥ１３９４等の伝送規格に準じた信号伝送の際に生じるスキューノイズを低減するのに、伝送線路にコモンモードチョークコイルを配置することが有効であると明らかになった。
【０００３】
前記差動伝送方式とは、互いに逆方向のデジタル信号を無バイアス下またはバイアス下で一対の線路に加入した伝送方式であって、このような対の線路は遠方から見ると高周波成分が相殺されるために輻射ノイズが原理的には出ないという、ノイズ対策を考慮したデジタル伝送方式である。このような差動伝送方式は、上述のように原理的には輻射ノイズを発生させないものであるが、実際の伝送ケーブルでは輻射ノイズを発生する場合があった。そのノイズの発生原因の１つは、差動伝送信号のバランスの崩れに起因するもので、上述した一対のデジタル信号における高周波成分の内、相殺しきれなかった差分（スキュー）がノイズ電流となり、延いては輻射ノイズとなるものである。他の１つは、パソコンや周辺機器などの発生する伝導ノイズが伝送ケーブルに伝導しこれが輻射ノイズとなるものである。
【０００４】
これらの輻射ノイズの内、有害なものについては当然に対策を必要とする。例えば特開平１０−２０８８１８号公報に開示された２組以上の差動伝送線路を有するケーブルでは、１組ごとの差動伝送線路にフェライトビーズを挿入している。この差動伝送ケーブルでは、一対の伝送線路に同相の信号を伝送した場合、その信号により発生する磁束が他の組の伝送線路に有害な影響（相互干渉）を与えない様になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の方法の問題点は、有害な相互干渉のみを抑制する方法であり、差動伝送信号のバランスの崩れに起因するスキューノイズまでを考慮しておらず、結果として輻射ノイズ対策が不充分であるという点にある。
そこで、本発明者等は前記のように差動伝送線路にコモンモードチョークコイルを挿入することに想到した。この方法によればデジタル波形が歪むことなく、デジタル信号の品位を保ちながら、スキューノイズを低減することが可能となる。この方法を複数対の差動伝送線路に適用するには、単純にはそれぞれの差動伝送線路毎にコモンモードチョークコイルを挿入すればよいが、部品点数や組立工数が増加するので、あまり好ましいものではない。そこで、複数対の差動伝送線路にコモンモードチョークコイルを複数備えた多連の積層型トランスを用いることを着想した。
しかしながら前記図８に示した積層型多連トランスにあっては、各トランス間で磁気的な結合が生じる。このような積層型多連トランスを差動伝送ケーブルに用いようとすれば、磁気的結合が大きく各組毎のコイル部が属する回路間に於いて大幅な相互干渉を生じ、個々の回路に独立に伝送されるべき電気信号の品位が低下してしまい、その結果、差動伝送信号のバランスの崩れに起因するスキューノイズが、他の差動伝送線路に伝導されるという問題があった。
【０００６】
このような積層型多連トランス間の磁気的な結合を減少させる方法として、図９に示すようなトランス間にスリットを入れてエアギャップを設ける方法や各トランス間に母材よりも透磁率の低い材料を挿入する方法（特開平１０−２７０２５６号公報）が提案されているが、積層型多連トランスは小型化が著しく、スリットを入れるのに十分なコイル間の隙間を得ることが実質的に困難なこと、また、スリットを入れる際の工数や歩留まり等を考慮すると実用的な方法ではなかった。また透磁率の異なる材料を用いて積層一体焼成化した積層型多連トランスを構成することは、前記材料の収縮率の整合性を考えると、その実施には非常な困難を伴うのが明らかであった。
そこで本発明は、それぞれのトランスの間で磁気的結合をできるだけ生じさせないようにして、各トランス間に於いて有害な相互干渉を抑制し、かつ小型化、低背化が可能で、安価な積層型多連トランスを提供すること。また、この積層型多連トランスの構成をコモンモードチョークコイルアレイにすることにより、複数の差動伝送信号を取り扱う差動伝送ケーブルにおいて、信号の品位を低下させることなく、かつスキューノイズの低減が可能な差動伝送線路を備えた差動伝送ケーブルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、表面に導体線路を構成した絶縁体からなる複数のシートを積層し一体焼結した積層体に、前記導体線路が前記絶縁体からなるシートに設けられたスルーホールを介して電気的に接続して一対のコイルとし、当該一対のコイルで形成したトランスを複数備えた積層型トランスであって、前記トランスを積層方向に積み重ねて配置するとともに、各々のトランスの間にショートリング電極を配置し、かつ積層体の外表面には前記一対のコイルと接続する外部端子を備え、各々の外部端子を互いに隣合わせに配置され、更に、前記ショートリング電極には外部引き出し用電極が形成され積層体の側面まで引き出し、積層体の外表面に形成したグランドライン用の外部端子に接続されていることを特徴とする積層型多連トランスである。
【０００８】
第２の発明は、絶縁基板上に絶縁層と導体線路とを形成した積層体に、前記導体線路が前記絶縁体からなるシートに設けられたスルーホールを介して電気的に接続して一対のコイルとし、当該一対のコイルで形成したトランスを複数備えた積層型トランスであって、前記トランスを積層方向に積み重ねて配置するとともに、各々のトランスの間にショートリング電極を配置し、かつ積層体の外表面には前記一対のコイルと接続する外部端子を備え、各々の外部端子を互いに隣合わせに配置され、更に、前記ショートリング電極には外部引き出し用電極が形成され積層体の側面まで引き出し、積層体の外表面に形成したグランドライン用の外部端子に接続されていることを特徴とする積層型多連トランスである。
【０００９】
本発明において、前記シート又は前記絶縁層に形成された導体線路を、１ターン以上のスパイラル形状にて形成するのも好ましい。本発明の積層型多連トランスをコモンモードチョークコイルアレイとするのも好ましい。
【００１０】
第３の発明は、前記積層型多連トランスを用いた差動伝送ケーブルであって、当該差動伝送ケーブルは二対以上の差動伝送線路を有し、それぞれの差動伝送線路は前記トランスの一対のコイルに接続した差動伝送ケーブルである。
この差動伝送ケーブルはグランドラインを有し、当該グランドラインと前記積層型多連トランスのショートリング電極とを電気的に接続するのが好ましい。また、差動伝送ケーブルの差動伝送線路を被覆するシールド材と前記積層型多連トランスのショートリング電極とを電気的に接続することも好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、所謂多連の積層型トランスにおいて、絶縁体の内部に設けられた一組のトランスと他の組のトランスとの間にショートリング電極を設けたものである。このように構成することにより、トランスに信号を転送した場合に生じる磁束が、前記ショートリング電極に逆起電力を発生させてコイルの磁束とは逆向きの磁束をショートリングに発生させる。他方のトランスに漏れる磁束をショートリングに発生させた逆向きの磁束で相殺することにより、各々のトランス間での磁気結合をできるだけ生じさせないようにして、各トランス間に於いて有害な相互干渉を抑制し、個々の回路に独立に伝送されるべき信号の品位を低下さない様にした。また、このトランスの構成をコモンモードチョークアレイとすることにより、差動伝送ケーブルのスキューノイズ対策に有効に機能する。
本発明の積層型多連トランスは、例えばＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料を用い、これを溶剤等と混練してペースト状とし、これをドクターブレードにてシート成形し、そのグリーンシートにＡｇを主体とする導電ペーストをスクリーン印刷にて形成し、適宜積層し一体焼成して構成してもよいし、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料を粉末成形し、焼結して作成した磁性体基板の上側に絶縁層とトランスとなる導体パターンをスパッタリング等の薄膜形成技術により形成して積層型多連トランスを構成してもよい。
尚、トランスを構成する絶縁体はＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトに限定するものではなく、例えばＮｉ−Ｚｎ系フェライトでも良いし、誘電体でもあっても良い。またコイルやショートリング電極、シールド電極はＡｇを主体とするものに限定するものではなく、導電性を有するもので何でも良いが、トランスの構成上抵抗値の小さいＡｇもしくはＣｕを主体とした導体を用いることが望ましい。
また本発明の積層型多連トランスにおいては、前記ショートリング電極から延出する外部への引出し電極を形成して側面まで引き出して、外表面に配置された外部端子と接続するように構成するが好ましい。
そして差動伝送ケーブルに配置する際に、このケーブルのグランドラインやシールド材と電気的に接続することによって、ショートリング電極で相殺しきれなかった漏れ磁束をグランドに流すことにより、更に前記磁気結合を効果的に低減させることが出来る。尚、前記引出し電極と外部端子は、可能な限り大きい方が好ましい。
また本発明の積層型多連トランスにおいて、絶縁体の内部の一平面上に形成されるコイルを１ターン以上とすることにより、積層数を増加させることなく高インピーダンスのコイルを作成できるため低背化が可能である。しかも積層数が少ないために工数が削減でき、積層時の積層ズレも抑制できるため安価なトランスを提供することが可能である。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
本発明の一実施による積層型多連トランスの内部パターン構成図を図１に示す。また、積層型多連トランスの斜視図を図２に示す。
この実施例の積層構造について図１及び図２を用いて詳細に説明する。下層のグリーンシート１には、導体線路パターン１１が形成されている。この導体線路パターン１１の一端は側面に臨み、外部端子３３ｃに接続される。また、導体線路パターン１１の他端はランドとなっている。
その上に積層されるグリーンシート２には、導体線路パターン１３と独立したスルーホール２１（以降スルーホールを図中黒丸で示す）が形成されている。この導体線路パターン１３の一端は側面に臨み、外部端子３４ｄに接続される。また、導体線路パターン１３の他端はスルーホール用のランドとなっている。また、独立したスルーホール２１は、導体線路パターン１１のランドと接続する。
その上に積層されるグリーンシート３には、導体線路パターン１２と独立したスルーホール２２が形成されている。導体線路パターン１２は、一端がスルーホール２５となり、下層２のスルーホール２１と接続され、他端は側面に臨み、外部端子３７ｃに接続される。また、独立したスルーホール２２は、導体線路パターン１３のランドと接続される。
その上に積層されるグリーンシート４には、導体線路パターン１４が形成されている。導体線路パターン１４は、一端がスルーホール２６となり、下層３のスルーホール２２と接続され、他端は側面に臨み、外部端子３８ｄに接続される。そして、これらのコイルを一組として、コモンモードチョークコイルを一組形成している。
その上に積層されるグリーンシート５には、ショートリング電極パターン１９が形成されている。
同様にして、グリーンシート６、７、８、９を積層し、そのグリーンシート９上に保護用のグリーンシートを積層して、積層体が構成される。そして、導体パ線路ターン１５、１６がスルホール２３、２７で接続され、外部端子３２ｂと３６ｂの間でコイルを形成している。また、導体線路パターン１７、１８がスルホール２４、２８で接続され、外部端子３１ａと３５ａの間でコイルを形成している。これらコイルを一組として、もう一組のコモンモードチョークコイルを形成した。本発明の積層型多連トランスでは、二組のコモンモードチョークコイルを積層方向に積み重なるように配置するとともに、磁気回路的に前記コモンモードチョークコイルをショートリング電極１９により分割した構成とした。
図３に示すように、ショートリング電極パターンから延出する外部への引出し線路パターン２０を形成して側面まで引き出され、積層型多連トランスの外表面に配置された外部端子３９ｅに接続されている。
そして前記２つの構成において、ショートリング電極のパターン幅（図１におけるＡ寸法）とコイルの幅（図１におけるＢ寸法）の比率（Ａ／Ｂ）を変えた試料について差動伝送用トランス間の相互干渉の抑制効果を評価した。
【００１３】
尚、相互干渉の抑制効果は、各トランス間のクロストークにて評価した。
評価方法は、図１０に示す測定方法によりネットワークアナライザＨＰ８７５３Ｄにて、一方のコイルに基準電力を通電し、１０ＭＨｚ，１００ＭＨｚでの電圧Ｖ１を測定し、そして前記コイルの出力側を抵抗にて終端し、他方のコイルの出力端に現れる電圧Ｖ２を測定して次式にて求めた。
【００１４】
【式１】

【００１５】
評価結果を図５及び図６に示す。図５は、１０ＭＨｚにおけるショートリングパターン幅の比率とクロストークの関係図であり、図６は１００ＭＨｚにおけるショートリングパターン幅の比率とクロストークの関係図である。なお図中ショートリング電極の幅の比率０とあるのは、ショートリング電極を有しない比較例である。
【００１６】
この結果、ショートリング電極の幅はコイルの幅の１／５以上が好ましく、更に望ましくは１／２以上である。また、ショートリング電極をグランドに繋げる構成では、高周波における有害な相互干渉の抑制に有効で有ることが判明した。今回の実施例では、ショートリング電極を１本しか使用していないが、本数が多いほど、有害な相互干渉の抑制効果が大きくなることは論ずるまでもないことである。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
尚、本発明に係わる積層トランスは、前記実施例に記載したコモンモードチョークコイルアレイに限定するものではなく、例えば巻数比が１：２や１：３の積層トランスであっても良いし、一つの形状に同じ特性のトランスを複数組形成する必要はなく、異なる特性のトランスを複数組形成しても良い。
また、本発明は、従来の積層トランスにショートリングパターンを挿入する方法並びに前記ショートリングパターンに外部引き出しパターンを形成し側面まで引き出し、グランドライン用の外部端子に接続する方法であり、構成要素である材料の組成や作製方法に制限を受けることなく小型化、低背化が可能な構成となっており、安価な積層型トランスを提供することができる。
【００２２】
（実施例２）
二対の差動伝送線路を有する差動伝送ケーブルを、前記実施例１の積層型多連トランス（コモンモードチョークアレイ）を用いて構成した。図４は、本発明の一実施例を説明するための差動伝送ケーブルの概要構成を示す配置図である。前記差動伝送ケーブルは、市販されているＩＥＥＥ１３９４等の差動伝送ケーブルのように、差動伝送線路１０５が撚り線であり、また電源線を設けているが。説明を簡略化するために図中には記載していない。また視認性を確保するために模式的に描いているので各部の縮尺については正確ではない。
図４は以下の通りの構成である。差動伝送ケーブル１０１は両端部に配置されたコネクタ１０２（図４では一方のみ図示）と少なくとも２対の差動伝送線路１０５と積層型多連トランス１０４Ｂとからなる。それぞれのコネクタ１０２にはピン端子１０６が固着されている。コネクタ１０２中の少なくとも２本のピン端子１０６は１対の差動伝送線路１０５の一端に接続され、同様に他方のコネクタ１０２中の少なくとも２本の他のピン端子１０６は上記一対の差動伝送線路１０５の他端に接続されている。
そして、差動伝送ケーブル１０１の少なくとも一端寄りの、コネクタ１０２内から差動伝送線路１０５内に至る所定の位置に積層型多連トランス１０４Ｂを挿入した。積層型多連トランス１０４Ｂは、ショートリングパターンを有するが、これら電極を差動伝送ケーブルのグランドラインやシールド材と電気的に接続した差動伝送ケーブルを作成した。これらのケーブルを評価したところ、信号の品位を低下させることなく、かつスキューノイズを低減した差動伝送ケーブルを得ることが出来た。また、有害な相互干渉の抑制はショートリングパターンを差動伝送ケーブルのグランドラインやシールドと電気的に接続した差動伝送ケーブルの方が優れた効果を示した。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、それぞれのトランス間で磁気的結合をできるだけ生じさせないようにして、各トランス間に於いて有害な相互干渉を抑制し、かつ小型化、低背化が可能で、安価な積層型多連トランスを提供することができる。また、この積層型トランスの構成をコモンモードチョークコイルアレイにすることにより、複数の差動伝送信号を取り扱う差動伝送ケーブルにおいて、信号の品位を低下させることなく、かつスキューノイズの低減が可能な差動伝送線路を備えた差動伝送ケーブルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による積層型多連トランスの内部パターン構成図である。
【図２】本発明の一実施例による積層型多連トランスの斜視図である。
【図３】本発明の一実施例による積層型多連トランスの内部ショートリングパターンである。
【図４】本発明の一実施例による差動伝送ケーブルの概要構成を示す配置図である。
【図５】本発明の一実施例の積層型多連トランスの特性図である。
【図６】本発明に係る一実施例の積層型多連トランスの特性図である。
【図７】従来の積層型トランスの斜視図である。
【図８】従来の積層型多連トランスの斜視図である。
【図９】従来の他の積層型多連トランスの斜視図である。
【図１０】クロストークの評価方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ 差動伝送ケーブル
１０２ コネクタ
１０４ 積層型多連トランス
１０５ 差動伝送線路

Claims (7)

1. 表面に導体線路を構成した絶縁体からなる複数のシートを積層し一体焼結した積層体に、前記導体線路が前記絶縁体からなるシートに設けられたスルーホールを介して電気的に接続して一対のコイルとし、当該一対のコイルで形成したトランスを複数備えた積層型トランスであって、前記トランスを積層方向に積み重ねて配置するとともに、各々のトランスの間にショートリング電極を配置し、かつ積層体の外表面には前記一対のコイルと接続する外部端子を備え、各々の外部端子を互いに隣合わせに配置され、更に、前記ショートリング電極には外部引き出し用電極が形成され積層体の側面まで引き出し、積層体の外表面に形成したグランドライン用の外部端子に接続されていることを特徴とする積層型多連トランス。
2. 絶縁基板上に絶縁層と導体線路とを形成した積層体に、前記導体線路が前記絶縁体からなるシートに設けられたスルーホールを介して電気的に接続して一対のコイルとし、当該一対のコイルで形成したトランスを複数備えた積層型トランスであって、前記トランスを積層方向に積み重ねて配置するとともに、各々のトランスの間にショートリング電極を配置し、かつ積層体の外表面には前記一対のコイルと接続する外部端子を備え、各々の外部端子を互いに隣合わせに配置され、更に、前記ショートリング電極には外部引き出し用電極が形成され積層体の側面まで引き出し、積層体の外表面に形成したグランドライン用の外部端子に接続されていることを特徴とする積層型多連トランス。
3. 前記シート又は前記絶縁層に形成された導体線路は、１ターン以上のスパイラル形状にて形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の積層型多連トランス。
4. 前記積層型多連トランスがコモンモードチョークコイルアレイであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型多連トランス。
5. 請求項３又は４に記載の積層型多連トランスを用いた差動伝送ケーブルであって、当該差動伝送ケーブルは二対以上の差動伝送線路を有し、それぞれの差動伝送線路は前記トランスの一対のコイルに接続することを特徴とする差動伝送ケーブル。
6. 前記差動伝送ケーブルはグランドラインを有し、当該グランドラインと前記積層型多連トランスのシールド電極又はショートリング電極とを電気的に接続することを特徴とする請求項５に記載の差動伝送ケーブル。
7. 前記差動伝送ケーブルは差動伝送線路を被覆するシールド材を備え、当該シールド材と前記積層型多連トランスのショートリング電極とを電気的に接続することを特徴とする請求項６に記載の差動伝送ケーブル。

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