JP5013877B2 - 誘導性及び容量性カップリングのバランスを取る電気コネクター - Google Patents

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Description

本出願は、2003年12月22日に出願された「誘導性及び容量性カップリングのバランスを取る電気コネクター」と題された、アトーニー参照番号LCB447の米国仮出願シリアル番号No.60/531,756に基づいて優先権を請求し、参照したことで該出願の内容全体を組み込んでいる。更には、本出願は、1997年9月2日に出願された「時間遅延信号補償を有する電気コネクター」と題された、米国特許番号5,997,358号を参照したことで該出願の内容全体を組み込んでいる。
本発明は、概して、電気コネクターに係り、より詳しくは、改善された誘導性及び容量性カップリングのバランス特性を有する電気コネクターに関する。
特定の構成部品の電気的性能又はシステム全体を、クロストークを最小にすることにより改善することが長い間求められてきた。正味の誘導性及び容量性のクロストーク成分の両方の大きさが減少されるとき、近端部クロストーク(NEXT)及び遠端部クロストーク(FEXT)の両方が減少する。
クロストークの誘導性成分を最小にするための過去の努力は、幾つかの場合には、プラグ内又はコネクターの他の箇所に先に存在していた誘導性カップリングにオフセット誘導性カップリングを提供するようにコネクター接触子の長さ及び配置を変える工程を備えていた。しかし、特殊な長さ及び配置を有する接触子を製造するため要求される製造プロセスは高価であった。加えて、高い周波数で過度の位相シフトを引き起こすそのような接触子は、比較的長かった。更には、そのような接触子の間のインダクタンスは、過度に変化しやすい。更に加えて又はそのような接触子設計の代わりに、印刷回路基板(PCB)上の対の間の位相オフセットカップリングを利用するクロストークを最小にするための過去の努力は、主要には容量性カップリングを利用していた。
以上により、誘導性及び容量性の両方のカップリングのバランスを取り、これによりクロストークを最小にするための、より良い方法が求められている。
本発明に係るコネクター及び印刷回路基板(PCB)は、PCB上のトレースを用いてインダクタンスバランス機構を提供する。容量性バランス機能を提供するため、インダクタンスバランストレースを共同作用的に利用する。これは、コンパクトなコネクターで所望の結果を達成するため、能力及びコストの観点で以前の設計を超える利点を提供する。
本発明の幾つかの好ましい実施例では、4つの捻れたワイヤ対が終端をなす互換的に構成された標準プラグを受け取るためのジャックが提供される。当該ジャックは、プラグと嵌合するためその前側から突出する8つの接触子と、その後側から突出する8つの圧接部(IDC‘s)と、対応するターミナル及び及びIDC’s(参照を容易にするため1乃至8と附番する)を接続する印刷回路基板に埋め込まれた8つのトレースと、を有するPCBを備えている。PCB上の4つのトレースは、比較的連結自由なニュートラル領域により分離されたカップリングの2つの異なる領域を形成するため、その様々な領域に選択的に経路が定められている。導入されたカップリングは、ジャック及びプラグの組み合わせの対3、6及び4、5の全体的な性能を改善する。
図1乃至図7は、本発明に係るカップリングバランス回路基板を利用することができるコネクターを示している。分解図(図1及び図2)で前側から後側へと見ると、主要ハウジング1と、8つの接触子3を支持するための接触子キャリア2と、が存在する。接触子は、好ましくは、貫通孔スタイルの前側からPCB4と係合し、後部から8つのIDC5と係合する。好ましくは一対の案内レイル7を有する後部ハウジング6は、IDCのための通路を備え、配線キャップ12は、個々のワイヤ対を絶縁するための四分の一区分の導電性対仕切り部10を備えるのが好ましい。この領域における無遮蔽の捻れワイヤ対は、典型的には、手動設置プロセスに依存した様々な量の捻れを有する。仕切り部は、この領域におけるワイヤ対の間のクロストークカップリングを無くす。仕切り部10は、コネクター内、例えばキー孔スロット9内へと仕切り部を取り付けるための取り付けポスト11を備えていてもよい。ラッチ8が、後部ハウジング6と、配線キャップ12とを組み立てるために使用されてもよい。
図8及び図9は、対応して付番された接触子孔及びIDC孔の間のPCBトレースを示している。特定トレースの断面レイアウトが、補償領域(図9a)、ニュートラル領域(図9b)及びクロストーク領域(図9c)内に示されている。これらの断面トレース設計の結果として、誘導性カップリングは、補償及びクロストークの領域内で特定のワイヤ対の間に目的を持って導入されるが、ニュートラル領域には、目的を持って導入されたカップリングが存在していない。
図10は、正味の誘導カップリング(特定の誘導カップリング領域の大きさ及び位相角度に基づいたベクトル追加)を計算するための誘導ベクトル原点を確立するためのトレース長領域仕切り部及び/又は中央点を示している。図11は、図示の特定実施例のジャックのための、カップリングの大きさ及び正味ゼロとなる位相角度を示す概略ベクトル図である。
インダクタンスのバランスを取るためPCBを使用することは、PCB上のトレース経路がコンパクトであり、製造コストの有意な増大を招来すること無しに安価に達成するという点で、従来のインダクタンスバランス技術(例えば接触子配置等)にとって好ましい。加えて、コネクターのプラグ又は他の部分から所定のインダクタンスをオフセットするため一定の大きさのインダクタンス(平行に走る経路としての経路長さ)が目的を持って導入されるところの、単一の補償領域のみを使用することは、位相シフトに起因して高い周波数では効果が無くなる。本発明に係るコネクターは、位相シフトを考慮に入れるため米国特許番号5,997,358号の教えを利用している。本出願は、ここで参照したことにより米国特許番号5,997,358号の内容全体を組み込んでいる。しかし、ニュートラル領域により分離された2つの別個のインダクタンス領域を含ませることにより、誘導性カップリング領域の対は、特定のプラグ及びジャック接触子により引き起こされた誘導性カップリングを、大きさ及び位相角度の両方において共同してオフセットするように、PCB上にトレースパターンを設計する自由度に有意な利得があることが理解されよう。
本発明の好ましい実施例では、電気経路は、プラグからプラグ接触子とPCB上の接触子貫通孔との間の接触子の一部分を通って、トレースの予備補償部分に沿って、トレースの補償領域、トレースのニュートラル領域、トレースのクロストーク領域、及び、対応するIDCへと延在してもよい。特定のトレースは、これらの領域中の特定のトレース対の間に目的を持って導入された誘導性カップリングを一般に欠いている。様々なトレース部分の長さは、設計上考慮されるが、補償領域及びクロストーク領域により提供された誘導性カップリングとそれらの長さとは、プラグ及びジャックの接触子において誘導性カップリングを一般にオフセットするべく結合されるように、様々な領域内に経路長さを提供するように一般に選択される。
本システムを設計する際には幾つかの自由度が存在しているが、特に2つのインダクタンス領域(補償領域及びクロストーク領域)の間に、ニュートラル領域を設けることは、貫通孔位置及びPCB上のトレース経路を設計する際にかなりの自由を与え、かくして、ターミナル及びIDCがPCB上に配置されることに関する自由度をより多くする。また、上記のことは、キャパシタンスのバランス機能を奏するように、PCB上にキャパシタンスを導入するためのより多くの選択肢を提供する。
図10に示されるような好ましい実施例では、本願で教えられる印刷回路基板設計は、対3、6及び4、5の間の誘導性カップリングの3つの領域を有する。補償領域(領域bとクロストーク領域(領域c)とが存在し、これらのカップリングの大きさは、領域の長さにより調整することができる。対の間で最小の正味のカップリングを有するニュートラル領域も存在しており、その長さを調整することができる。
図11は、本実施例のベクトルシュミレーションである。
ベクトルa:プラグのクロストーク及びジャックのクロストークは、補償領域の中心(誘導性カップリング中心)に対するそれらの位相シフトと接触する。
ベクトルb:印刷回路基板の補償領域の補償であり、ベクトルbは、この領域の中心に有効に位置している。
ベクトルc: IDCのクロストークのために調整された印刷回路基板クロストーク領域のクロストークであり、補償領域の中心に対してそれらが位相シフトした状態で、ベクトルcがこの領域の中心に有効に位置している。
ベクトルb及びcの間の距離及び環境に起因した位相シフトは、ベクトルa及びbの間の距離及び環境に起因した位相シフトに等しい。図11に示されるように、この設計では、ab=bcであり、ベクトルaの長さは、ベクトルcの長さに等しく、ベクトルaの垂直成分とベクトルcの垂直成分との加算値は、500MHzのヌル周波数においてベクトルbの長さに等しい。図11により概略的に示されるように、理想的な結果は、ニュートラル領域の長さを調整し、ベクトルb及びcの大きさを調整することにより、bcを独立に調整することによって達成することができる。
図13に示されるようなPCBを備えた図1に示されるようなジャックの設計の目的は、誘導性及び容量性の両方のカップリングにより引き起こされる詳細カテゴリ6プラグの対3,6及び4,5の間のクロストークを補償することである。
PCB上の電流運搬トレースは、それらが提供する誘導性カップリングに類似した、補償及びクロストーク領域に容量性カップリングを提供するが、追加の容量性カップリングが要求される。これは、図12乃至図14に示されるように電流運搬リードの区分の上方及び下方でキャパシタプレートを選択的に追加することにより提供される。
図12a及び図12bは、図8に示されるPCBの電流運搬トレースにキャパシタプレートを追加した状態を示している。
図13は、キャパシタプレートを追加した、図8に示されるPCBのレイアウトの概略前面図である。
図14は、図13のラインA−Aを横断する図13のPCBのレイアウトの概略断面図である。
この設計は、比較的コンパクトなPCB形状を提供する。それは、補償及びクロストーク領域の両方に、要求された誘導性及び容量性のカップリングを提供するため電流運搬トレースを利用している。
各々の容量性カップリングの配置は、電流運搬トレースと、連係するキャパシタプレートとの間の接続の配置により制御される。各々の容量性カップリングの大きさは、電流運搬トレースに平行なキャパシタプレートの長さにより決定される。
容量性カップリングベクトル原点位置は、誘導性のカップリングベクトル原点に近接しているが、誘導性及び容量性カップリングは、独立にバランスされている。
特定プラグのカップリングは次の通り計算された。
誘導性カップリング:1.428nH
容量性カップリング:0.936pF
ジャックPCB設計の設計パラメータの目標は次の通りである。
Figure 0005013877
ベクトル角度AB=ベクトル角度BC=32.36°
この設計は、シミュレーション及び計算により決定され、プロトタイプの設計のための基礎となる。プロトタイプを調整するため、NEXTdB対周波数のプロットが実行されるべきである。最初に、ニュートラル領域の長さは、ヌル(−dB)が最大になるまで変えられるべきである。ベクトルaの大きさがベクトルbの大きさに等しいということを仮定すると、このことは、abをbcに等しくさせる。第2には、補償領域の大きさは、ヌル周波数が500MHzとなるまで変えられるべきである。補償領域の長さが、その大きさを変化させるように変えられる場合、ニュートラル領域の長さは、<abを<bcに等しくさせるように変化されなければならない。なお、PCBにより提供されるクロストーク及び補償は、誘導性及び容量性カップリングの組み合わせとなり、理想的な組み合わせは、標準のプラグ及びジャック接触子の組み合わせに合致する。
本願で示唆された教えは、追加される対の組み合わせに適用することもできる。最新式の方法が、各対のニュートラル状態に、最適対のインピーダンス及びバランスを得るために使用される。
同じPC基板は、図15乃至図17に示されるようにパンチダウン終端設計のためIDCにも適合する。
図15a及び図15bは、図1に示されるものに類似したジャックの斜視図であるが、配線キャップ12が、パンチダウン終端ブロック13で代用された。
主要ハウジング1は、図1に示されたジャックと実質的に同じである。
図16a及び図16bは、図15a及び図15bに示されたジャックの分解斜視図である。
IDC14のステムは、図1のジャックのものと同じであるが、IDCブレード15の位置及び配置が変更された。この態様では、好ましいIDCブレードの位置及び配置は、共通のPCBを備えた、配線キャップ及びパンチダウンブロックの両方に対して達成される。
図17は、図16bのラインA−Aを横断した図16のジャックの断面図である。
図18は、ジャック接触子16及び接触子ホルダー17の一実施例を示している。接触子及び接触子ホルダーの構成は、ジャックハウジングへの接触子ホルダーの組み立ての前後に接触子ホルダー内に接触子を維持する。本実施例では、奇数番号のジャック接触子16oの全ては、一つの独自の形状を有する。偶数番号のジャック接触子16eは、別の独自の形状を持ち、接触子の永久的変形無しに、設置されたプラグから印刷回路基板へと比較的短い伝導性経路に、要求された接触子力を提供するため、全ての接触子は、独自の断面寸法を持っている。
加えて、接触子ホルダー17は、各接触子16の下で心向き支持部18を組み込んでおり、各接触子における応力集中を減少させる。
接触子形状は、プラグと接触する区分19において比較的水平であり、特定プラグにおける許容寸法変動に起因して接触子の力における変化を最小にする。
接触子厚さに対する接触子幅の比率は、約1.8:1である。当該技術分野の矩形接触子の典型的な状態に対するこの比率は、1.3:1である。接触子20の自由端部が支持される。
6接触子プラグが、上記接触子を備えたジャック内に設置された場合、接触子の1番と8番とが損傷を受けることになる。このことを防止するため、図1における突出キー21が、接触子の1番と8番との位置でジャックハウジング内に備えられ、6接触子プラグの設置を防止している。
図19に示されるような別の実施例では、接触子22が、接触子の損傷無しに6位置プラグの設置を容易にするための代替設計を持っている。接触子22は、1番及び8番の接触子位置に設置される。この接触子設計は、それ自身と電気的に接触する独自の「安全ピン」のループ23を備えており、該ループでは、該接触子は、プラグとPCBとの間の短い伝導性経路に、機械的な可撓性を提供するように位置24においてそれ自身に隣接している。
図20a及び図20bは、図19の接触子の概略図である。「安全ピン」のループ23は、接触子ホルダー17内に拘束されており、電流経路26を提供するため、24における電気的接触を確保するため矢印により示されるように、捻られている。
図19の接触子22は、プラグから印刷回路基板の伝導性経路の長さを最小にするため、更に加えて8接触子ジャックにおいて6接触子プラグの設置を残すように設計されている。
図21乃至図26に示されるように、工場においてジャック内に設置された金属対仕切り部10が存在する。現場においては、ケーブルは、キャップ12内に設置され、当該キャップは、ジャックの背部6内の開口部28内に押しやられ、当該ケーブルを終結させ、金属対仕切り部をケーブルの端部に隣接したところに配置する。
図23に示されるように、金属対仕切り部10は、設置ケーブルの端部近傍の領域28においてワイヤ対の間に電気的シールドを提供する。ケーブルのこの部分は、典型的には、各対のワイヤの適切な捻れを欠き、及び/又は、各対の適切なシールド作用を欠いているところであった。
従って、金属対仕切り部10は、クロストークの振幅及びばらつきを減少させる。
キャップが設置されたとき、金属対仕切り部10の端部30と、設置されたケーブルジャケットとの間には、ケーブルジャケットとIDCとの間の対の必要な再配置を容易にする上で十分な空間29が存在している。
図21乃至図23は、図1の非遮蔽ジャックの後部を示している。
図24乃至図26は、図1の遮蔽ジャックの後部を示している。
遮蔽バージョンにおける相違点は、配線キャップ12を図26に示された遮蔽配線キャップ31で代用したことであり、該遮蔽配線キャップは、図23乃至図26で示されたプラスチック部分32と、図26に示された金属部分33とから構成される。
図27は、図1のジャックの遮蔽バージョン34の斜視図である。
図28は、シールド35、主要ハウジング1、後部ハウジング6、対仕切り部10、及び、遮蔽配線キャップ31を示す図27のジャックの分解図である。
図29a及び図29bは、遮蔽配線キャップ31の金属部分33の代替設計の斜視図である。
図30a及び図30bは、キャップ31の金属部分33の端側面図である。
遮蔽バージョンの設計は、現場でシールドを設置する必要性を無くす。ケーブルがキャップ内に設置されたとき、ケーブルシールドは、キャップの金属部分に接続される。
キャップがジャックボディに設置されたとき、配線キャップ31の金属部分33は、ジャックシールドに接続される。
この引っ張り解放/接地キャップアッセンブリは、遮蔽ケーブルをジャックに固定し且つ接地ケーブルのシールドをジャックのシールドに電気的に接続するための手段を提供する。この設計は、非常に広い範囲に亘る直径に適合する。
引っ張り解放/接地キャップアッセンブリの設置:
1. ケーブルが、次の指令毎に準備される。
−ジャケット取り外し、 3.81〜5.08cm(11/2〜2インチ)
−ジャケットを覆って組みひもを折り返す−ジャケットの回りの余剰巻き付け
−キャップ/コンダクターの配位毎に対を配置する(例えば、568B)
2. コンダクター対は、設置キャップを通って供給され配置される。フォイルシールドは、各ワイヤはワイヤスロットに入るところで切断され、ワイヤが90度曲げられ、ワイヤスロット内に挿入され、切断される。
3. キャップアッセンブリがジャックハウジングの背部内に配置され、設置ツール又はプライヤー(図示せず)を用いて押し込められる。
4. スプリングクリップが、ケーブルの組みひも及び接地キャップの間で良好な接触を確保するため、プライヤー等を用いて完全に係合される。
5. クリップ/接地キャップによるケーブル/オーバーブレイドからハウジングシールド上のスプリングタブまでグラウンドが接続される。
図31は、図27に示されたような遮蔽ジャックで使用するための「遮蔽パッチパネル」36の前側斜視図である。
図32は、図31に示されたパッチパネル36の後側斜視図である。
図33は、遮蔽パッチパネル36の分解した後側斜視図である。
構成部品には、金属フレーム37と、プラスチック挿入体38と、接地フィンガー40を備えたスプリング金属接地ストリップ39と、ストリップ39をネットワークグラウンド41(図示せず)に接地するための手段と、が含まれている。
図34aは、遮蔽パッチパネル36の側断面図である。
図34bは、接地フィンガー40が位置41でジャックシールド35に押圧された状態で設置された典型的な遮蔽ジャック26を備えた遮蔽パッチパネル36の側断面図である。
図1は、本発明の実施例に係るジャックの前上側右部の分解斜視図である。 図2は、図1のジャックの後上側右部の斜視図である。 図3は、図1のジャックの組み立てられた形態における前面図である。 図4は、図3のラインA−Aに沿って抽出された図3のジャックの断面図である。 図5は、図3のラインB−Bに沿って抽出された図3のジャックの断面図である。 図6は、協働プラグが挿入された、図1のジャックの前面図である。 図7は、図6のラインC−Cに亘って抽出された図6のジャックの断面図である。 図8は、本発明の実施例に係る印刷回路基板の電流運搬トレースのレイアウトの概略前面図である。 図9aは、図8のラインA−Aに亘って抽出された図8の印刷回路基板の概略断面図である。 図9bは、図8のラインC−Cに亘って抽出された図8の印刷回路基板の概略断面図である。 図9cは、図8のラインE−Eに亘って抽出された図8の印刷回路基板の概略断面図である。 図10は、誘導性領域仕切り及び誘導性ベクトル原点位置を示す図8の印刷回路基板の概略前面図である。 図11は、本発明の好ましい実施例に係る誘導性振幅及び位相角度を示す概略ベクトル図である。 図12aは、図8に示されたPCBの電流運搬トレースの一区分へのキャパシタプレートの追加を示す。 図12bは、図8に示されたPCBの電流運搬トレースの一区分へのキャパシタプレートの追加を示す。 図13は、キャパシタプレートが追加された図8に示されたPCBのレイアウトの概略前面図である。 図14aは、図13のラインA−Aを横断する図13のPCBのレイアウトの概略断面図である。 図14bは、図13のラインB−Bを横断する図13のPCBのレイアウトの概略断面図である。 図14cは、図13のラインC−Cを横断する図13のPCBのレイアウトの概略断面図である。 図15aは、ケーブル終端キャップが、パンチダウンケーブル終端法のため使用される永久パンチダウンブロックで代替されたことを除いて図1に示されたようなジャックの斜視図である。 図15bは、ケーブル終端キャップが、パンチダウンケーブル終端法のため使用される永久パンチダウンブロックで代替されたことを除いて図1に示されたようなジャックの斜視図である。 図16aは、図15aのジャックの分解斜視図である。 図16bは、図15bのジャックの分解斜視図である。 図17は、図16bのラインA−Aを横断した図16のジャックの断面図である。 図18は、図6のジャックの接触子及び接触子ホルダーの側面図である。 図19は、図18の外側接触子のうち一つの代替設計の斜視図である。 図20aは、図19の接触子の概略図である。 図20bは、図19の接触子の概略図である。 図21は、金属対の仕切り部を備える図1のジャックの後部の後面から見た分解斜視図である。 図22は、金属対の仕切り部を備える図1のジャックの後部の前面から見た分解斜視図である。 図23は、図1のジャックの後部に設置された金属対の仕切り部の側断面図である。 図24は、金属対の仕切り部を備えるジャックの遮蔽バージョンの後部の後面から見た分解斜視図である。 図25は、金属対の仕切り部を備えるジャックの遮蔽バージョンの後部の前面から見た分解斜視図である。 図26は、図1のジャックの遮蔽バージョンの後部に設置された金属対の仕切り部の側断面図である。 図27は、図1のジャックの遮蔽バージョンの斜視図である。 図28は、図27のジャックの分解図である。 図29aは、図27のジャックのための接地キャップの代替設計の斜視図である。 図29bは、図27のジャックのための接地キャップの代替設計の斜視図である。 図30aは、図29の接地キャップの端部側面図である。 図30bは、図29の接地キャップの端部側面図である。 図31は図27の遮蔽ジャックで使用するための「遮蔽パッチパネル」の前側斜視図である。 図32は、図31の「遮蔽パッチパネル」の後側斜視図である。 図33は、図31の「遮蔽パッチパネル」の分解斜視図である。 図34aは、図31の「遮蔽パッチパネル」の側断面図である。 図34bは、図31の「遮蔽パッチパネル」の側断面図である。

Claims (3)

  1. 4対のコンダクターを備えるネットワークケーブルの終端を形成するためのジャックコネクターであって、
    前記4対のコンダクターは、第1及び第2のコンダクターを備える第1の対と、第3及び第4のコンダクターを備える第2の対と、第5及び第6のコンダクターを備える第3の対と、第7及び第8のコンダクターを備える第4の対と、を備え、
    前記ジャックコネクターは、第1乃至第8の電気的トレースを備えた印刷回路基板(PCB)を備えており、
    前記第1乃至第8のコンダクターに対して、それぞれ前記第1乃至第8の電気的トレースが設けられ、
    前記第1、第2、第3及び第4の電気的トレース(3、6、4、5)の各々は、ニュートラル領域により分離された2つの誘導性カップリング領域を通過し、第1及び第2の電気的トレースは、ジャックコネクタの第3及び第6の接触子に対応し、第3及び第4の電気的トレースは、ジャックコネクタの第4及び第5の接触子に対応し、
    前記ニュートラル領域には、前記第1の対に対応した前記第1及び第2の電気的トレースの対と、前記第2の対に対応した前記第3及び第4の電気的トレースの対との間に、目的をもって導入された誘導性カップリングが実質的に存在しないように間隔があけられており、
    前記2つの誘導性カップリング領域は、補償領域とクロストーク領域であり、
    前記補償領域は、前記第2及び第3の電気的トレース(6、4)の間及び前記第1及び第4の電気的トレース(3、5)の間の誘導性カップリングを有し、
    前記クロストーク領域は、前記第2及び第4の電気的トレース(6、5)の間及び前記第1及び第3の電気的トレース(3、4)の間の誘導性カップリングを有し、
    前記ニュートラル領域及び前記2つの誘導性カップリング領域の各々の電気的トレースの長さを調整して、誘導性カップリングを調整することにより、クロストークを減少することができる、ジャックコネクター。
  2. 各々の電気的トレースに沿った前記2つの誘導性カップリング領域は、プラグ及び前記ジャックコネクターの間で、前記プラグ及び接触子により引き起こされた誘導性カップリングを大きさ及び位相において共同でオフセットする、請求項1に記載のジャックコネクター。
  3. 各々の誘導性カップリング領域内の各々の電気的トレースの長さは、前記誘導性カップリング領域により提供された誘導性カップリングが、前記ジャックコネクター及びプラグの間の誘導性カップリングを実質的にオフセットするように結合される、請求項1に記載のジャックコネクター。
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