JP5884127B2 - 高速信号伝送を実現するための端子構造を有するコネクタ - Google Patents

高速信号伝送を実現するための端子構造を有するコネクタ Download PDF

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Description

本発明は、高速信号伝送を実現するための端子構造を有するコネクタに関する。
情報技術の発達に伴い、パソコンや携帯電話、デジカメ、音楽プレーヤ、その他の電子デバイスで使用されるコネクタにも、より安定した形で信号伝送速度の高速化を図ることが求められている。特許文献1に、高速信号伝送のために現在用いられているコネクタの一例が開示されている。このコネクタは、第一端子群と第二端子群を備えており、USB2.0規格とUSB3.0規格の双方に対応できる。ここで、第一端子群は、USB3.0にのみ使用されるもの、第二端子群は、USB2.0とUSB3.0の双方に使用されるものであって、第一端子群は、第二端子群とともにのみ使用される。
これら第一端子群と第二端子群には、それぞれ、計5本の端子が含まれる。各端子は相手コネクタとの嵌合方向に沿って配置され、また、相隣り合う端子と互いに並列に配置されている。第一端子群には、中心に位置するグランド端子と、このグランド端子を挟む一方の側と他方の側の各側に2本ずつ設けられた信号端子とが含まれる。一方、第二端子群には、一対の信号端子や電源用端子らが含まれる。特に、第一端子群に含まれる5本の端子は、グランド端子を中心に対称構造を成しており、各端子には、相手コネクタとの嵌合時に相手コネクタの対応端子と接触し得る接触部と、基板に実装される実装部と、接触部と実装部を連結する側面視略L字状の中間部とが含まれる。特に、接触部は、相手コネクタとの嵌合方向に沿う同一の先端位置から実装部の側に向って直線状に延びている。
よく知られているように、グランド端子の一方の側に設けた2本の信号端子は送信用として使用されるもの、他方の側に設けた2本の信号端子は受信用として使用されるものであり、これら各側に設けた2本の信号端子は、中心に位置するグランド端子とともに差動ペアを形成する。これらの各差動ペア内ではインピーダンス整合を図ることが重要である。インピーダンス特性のミスマッチは、差動ペアを形成する信号端子の各々に伝送される信号にタイミングのずれ(スキュー)を生じさせ、伝送特性を劣化させてしまうからである。また、高速信号伝送を達成するには、更に、スキューの防止に加え、端子間のクロストークを低く抑えることも重要である。
特開2011−134625号公報
一般に、第一端子群や第二端子群を構成する端子は、全て略同じ大きさ及び形状を有している。高速信号伝送を実現するにあたり、本願発明者らは、これら端子の構造、特に、第一端子群の端子構造に対して変更を試みた。但し尚、このような変更を加えるにあたり、注意しなければならないことがある。各端子の構成部分のうち、特に、接触部の、相隣り合う端子とのピッチ方向における幅は、相隣り合う端子までの端子間距離等との関係で略決まってしまうため、大きな変更を加えることはできないこと、また、実装部の幅も、基板に実装部を半田付けする際の半田拡がり等との関係で略決まってしまうため、大きな変更を加えることはできないことである。本願発明者らは、これらの事情を考慮しつつ、接触部と実装部以外の部分について端子構造を変更することにより、高速信号伝送の実現を試みた。
先ず、高速信号伝送を実現するために重要な要素となるであろう、インピーダンス、スキュー、及びクロストークのそれぞれに関して、通常の端子構造に対してシミュレーション解析を行なった。この結果、インピーダンスは約75〜92Ω、スキューは約0.01ns、クロストークは約−35dbという解析結果を得た。尚、この解析結果におけるインピーダンスは、差動ペアに含まれる3本を一まとめにして測定した場合の数値幅として表わされており、例えば、上の例で言えば、各差動ペアに含まれる全ての端子のインピーダンスが、約75〜92Ωの範囲に収まっていることを意味する。
試行錯誤を繰り返した結果、グランド端子を挟む一方の側においてグランド端子に近い側に配置された信号端子と他方の側においてグランド端子に近い側に配置された信号端子のそれぞれの中間部のうち、接触部と連続した状態で相手コネクタとの嵌合方向に沿って直線状に延びている中間部の一部長さを、グランド端子を挟む一方の側においてグランド端子から遠い側に配置された信号端子と他方の側においてグランド端子から遠い側に配置された信号端子のそれぞれの当該一部長さより長く設定した場合に、比較的良好な解析結果が得られることが分かった。この場合のインピーダンスは約80〜92.5Ω、クロストークは約−37dbであり、スキューは検出されなかった。
しかしながら、多少の改善は見られたものの、例えば、USB3.0より高速の信号伝送を達成するには、上記の解析値は、未だ、クロストークに関して十分と言えるものではない。
本願発明は、可能な範囲で端子構造に変更を加えることにより、スキューを改善すると同時に、クロストークを改善して、USB3.0よりも更に高速の信号伝送を達成し得る端子構造を有したコネクタを提供することを目的とする。
本発明は、絶縁性を有するハウジングと、前記ハウジングの外部を覆う導電性を有するシェルと、前記ハウジングによって支持された第一端子群と第二端子群と、を有し、前記第一端子群と前記第二端子群はそれぞれ、5本の端子から成り、これら5本の端子は、相隣り合う端子のピッチ方向に沿って互いに並列に且つそれぞれが相手コネクタとの嵌合方向に沿って配列されており、前記第一端子群と前記第二端子群は前記ピッチ方向において相隣り合って配置されており、前記第一端子群を構成する5本の端子には、中心に位置するグランド端子と、前記グランド端子を挟む一方の側と他方の側の各側に2本ずつ設けられた信号端子が含まれ、これら5本の端子は、前記グランド端子を中心に対称構造を成しており、前記第一端子群を構成する5本の端子はそれぞれ、前記相手コネクタとの嵌合時に前記相手コネクタの対応端子と接触し得る接触部と、基板に実装される実装部と、前記接触部と前記実装部とを連結する中間部を有し、前記接触部は、前記相手コネクタとの嵌合方向に沿う同一の先端位置から前記実装部の側に向って同一の面上で直線状に延びており、前記グランド端子、前記一方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子の、それぞれにおける前記中間部の長さは、前記一方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子の、それぞれにおける前記中間部の長さより、長く設定されているコネクタを特徴とする。
この本コネクタによれば、信号端子に伝送される信号に生じ得るタイミングのズレ(スキュー)を小さくすることができるとともに、クロストークを、USB3.0よりも高速の信号伝送を達成するのにも良好な値にまで低減さシェルことができる。
上記コネクタにおいて、例えば、側面視略L字状の中間部のうち、前記接触部と連続した状態で前記相手コネクタとの嵌合方向に沿って直線状に延びている前記中間部の一部長さに関して、前記グランド端子、前記一方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子の、それぞれにおける当該一部長さは、前記一方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子の、それぞれにおける当該一部長さより、長く設定されている。
上記コネクタにおいて、前記中間部の、ピッチ方向における幅は、前記接触部のそれより拡幅されていてもよい。
この構成によれば、より効果的にインピーダンス整合を図ることができる。
尚、上記コネクタにおいて、前記第一端子群を構成する5本の端子のインピーダンスは、90±10Ωの範囲にあるのが好ましい。
上記コネクタにおいて、前記第二端子群を構成する5本の端子は、前記相隣り合う端子のピッチ方向(ア)に沿って互いに並列に且つそれぞれが前記相手コネクタとの嵌合方向(イ)に沿って配列されていてもよい。
上記コネクタにおいて、前記第一端子群は、前記コネクタがUSB3.0規格で使用される際は前記第二端子群とともに使用され、前記第二端子群は、前記コネクタがUSB2.0規格で使用される際はそれ単独で使用される。
本発明によれば、スキューを改善すると同時に、クロストークをも改善して、USB3.0よりも更に高速の信号伝送が可能な端子構造を有したコネクタが提供される。
本発明の一実施形態によるコネクタの正面図である。 図1のコネクタの背面斜視図である。 図1のコネクタの断面図であって、(a)はA−A線断面図、(b)はB−B線断面図である。 一体成形された端子群を有するハウジングの背面斜視図である。 一方の嵌合部に配列された端子群に含まれる端子の配列状態を示す図であって、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)は底面斜視図である。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な一実施形態によるコネクタを説明する。
試行錯誤を繰り返し、鋭意研究を進めた結果、本願発明者らは、以下に説明する端子構造を備えたコネクタによれば、スキューを改善すると同時に、クロストークをも改善し、USB3.0よりも更に高速の信号伝送が可能であることを見出した。このコネクタに含まれる端子構造を用いた場合、インピーダンスは約82.5〜94Ω、即ち、90±10Ωの範囲内となり、クロストークは約−41dbとなり、スキューは全く検出されなかった。
図1に、本コネクタ(レセプタクルコネクタ)10の正面図を、図2に、その背面斜視図を、それぞれ示す。本コネクタ10は、いわゆるMicro−USBコネクタであり、絶縁性を有する樹脂製のハウジング12と、このハウジング12の外側を略筒状に覆う、導電性を有する金属製のシェル24と、更に、ハウジング12によって支持された第一端子群30と第二端子群60を有する。尚、実際の使用時には、コネクタ10は基板(図示されていない)に実装した状態で使用される。
本コネクタ10は、幅の異なる2の嵌合部28、29を備えており、各嵌合部28、29のそれぞれに、これらの嵌合部にそれぞれ対応して設けられた、相手コネクタの幅の異なる嵌合口(図示していない)を嵌合させることができる。各嵌合部28、29にはそれぞれ、第一端子群30、第二端子群60が、設けられている。ここで第一端子群は、USB3.0にのみ使用されるもの、第二端子群は、USB2.0とUSB3.0の双方に使用されるものであり、第一端子群30は、コネクタがUSB3.0規格で使用される際は第二端子群60とともに使用され、また、第二端子群60は、コネクタがUSB2.0規格で使用される際はそれ単独で使用される。尚、相手コネクタの誘い込みを容易にするため、嵌合部28、29それぞれの嵌合口の周囲に、シェル24によって誘い込み部42を形成してもよい。
シェル24は、一枚の金属板から形成されるのが好ましい。これにより、製造コスト、材料コストの削減を図ることができる。例えば、金属板を所定の形状に打抜き成形した後、略筒状に折り曲げることによって形成することもできる。この方法で、嵌合部28、29は、シェル24を折り曲げて仕切り35を設けることによって、容易に形成することができる。本実施形態では、嵌合部29側の中間部35Aは傾斜面37とし、嵌合部28側の中間部35Bは垂直面38とするように、折り曲げられている。シェル24の天板36に設けた係止穴52には、嵌合部29に挿入された相手コネクタのシェルの先端部に設けた係止突起が係止される。これらを係合させることにより、コネクタ10と相手コネクタはロックされ得る。
第一端子群30と第二端子群60はそれぞれ、5本の端子から成っており、第一端子群30及び第二端子群60ともに、これら5本の端子は、相隣り合う端子のピッチ方向(図1中の図示矢印「ア」方向)に沿って互いに並列に、且つ、それぞれが相手コネクタとの嵌合方向(図2等中の図示矢印「イ」方向)に沿って配列されている。
第一端子群30を構成する5本の端子には、中心に位置するグランド端子30Gと、グランド端子30Gを挟む一方の側に設けられた2本の信号端子30S2、30S1、グランド端子30Gを挟む他方の側に設けられた2本の信号端子30S3、30S4が含まれる。これらの端子は、グランド端子30Gを中心に対称構造を成しており、グランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S2と、グランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S1は、グランド端子30Gとともに一方の差動ペアを形成し、同様に、グランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S3と、グランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S4は、グランド端子30Gとともに他方の差動ペアを形成している。従って、これらの各差動ペア内で、インピーダンス整合を図ることが重要になる。
一方、第二端子群60に含まれる5本の端子は、一対の信号端子と電源用端子らである。これらの端子は、USB2.0規格として従来から使用されており、この従来のものをそのまま使用することができる。この第二端子群60の構成及び働きについてはよく知られているため、ここでは詳細には説明しない。
第一端子群30に含まれる5本の端子、即ち、端子30S1、30S2、30G、30S3、30S4も、同様に、USB規格に対応させたものとなっているが、これらの端子については、USB3.0よりも高速の信号伝送を達成するため、構造が多少変更されている。
図3に、第一端子群30に含まれる5本の端子30S1、30S2、30G、30S3、30S4の詳細な端子構造を示す。ここで図3の(a)は上面図、(b)は側面図、(c)は底面斜視図である。
これら5本の端子30S1〜31S4、30Gには、それぞれ、相手コネクタとの嵌合時に相手コネクタの対応端子と接触し得る接触部31S1、31S2、31G、31S3、31S4と、基板に実装される実装部33S1、33S2、33G、33S3、33S4と、更に、これら接触部31S1、31S2、31G、31S3、31S4と実装部33S1、33S2、33G、33S3、33S4とを連結する、例えば、側面視略L字状の中間部32S1、32S2、32G、32S3、32S4が含まれる。特に、接触部31S1、31S2、31G、31S3、31S4は、相手コネクタとの嵌合方向(図示矢印「イ」)に沿う同一の先端位置31S1’、’31S2’、31G’、31S3’、31S4’から、実装部33の側に向って、相隣り合う端子の接触部と同一面にて直線状に延びている。尚、中間部32の、相隣り合う端子とのピッチ方向における幅は、接触部31や実装部33のそれより拡幅されていてもよい。拡幅したとき、上記と同様のシミュレーションにより、インピーダンスは95.9Ωから91Ωに改善した。従って、このような拡幅は、インピーダンス整合を図るために効果的であると考えられる。
スキューを改善すると同時に、クロストークをも改善し、USB3.0よりも更に高速の信号伝送を実現するため、本願では、また、グランド端子30G、一方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S2、及び、他方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S3の、それぞれにおける中間部32S2、32G、32S3の長さが、一方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S1、及び、他方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S4の、それぞれにおける中間部32S1、32S4の長さより、長く設定されている。一例を挙げれば、側面視略L字状の中間部32のうち、接触部31と連続した状態で相手コネクタとの嵌合方向に沿って直線状に延びている中間部32の一部長さ(図3の(b)、(c)に示す「a」、「b」)に関して、グランド端子30G、一方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S2、及び、他方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S3の、それぞれにおける当該一部長さ「b」が、一方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S1、及び、他方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S4の、それぞれにおける当該一部長さ「a」より、長く設定されている。尚、グランド端子30G、一方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S2、及び、他方の側においてグランド端子30Gに近い側に配置された信号端子30S3は、互いに同じ大きさ及び形状を有するのが好ましいと考えられる。同様に、一方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S1、及び、他方の側においてグランド端子30Gから遠い側に配置された信号端子30S4は、互いに同じ大きさ及び形状を有するのが好ましいと考えられる。このような構成とすることにより、信号端子に伝送される信号に生じ得るスキューを小さくすることができるとともに、クロストークを、USB3.0よりも高速の信号伝送を達成するのにも良好な値にまで低減させることができる。
図4に、ハウジング12の背面斜視図を示す。ハウジング12は、本体部15と、この本体部15から嵌合側に向かって延びる保持部16、17、更に、本体部15の長手方向における一方の側において後方に突出するように設けた覆部19を有する。第一端子群30は、保持部16と本体部15によって支持された状態で、ハウジング12に対して一体成形(インサート成形)され、一方、第二端子群60は、保持部17と本体部15に加え、更に、覆部19によって支持された状態で、ハウジング12に対して一体成形される。特に、第一端子群30の接触部31については、その下側、即ち、相手コネクタの対応端子との接触部分を露出させた状態で、保持部16によって保持される。第二端子群60についても同様である。
一体成形された第一端子群30や第二端子群60及びハウジング12は、シェル24によって形成された略筒状体に、該略筒状体の後方(相手コネクタとの嵌合口の反対側)から挿入される。図2に示されるように、ハウジング12の挿入後に、シェル24の後端に設けたカシメ片44を、ハウジング12の後方に突出させるように設けた被カシメ部21等にカシメ、また、カシメ片46を、ハウジング12の後方のエッジ部48に引っ掛けるように折り曲げ、更に、舌片34を、ハウジング12の一部に圧入等することにより、ハウジング12とシェル24は完全に固定される。
図5の(a)に、図1のA−A線断面図を、図5の(b)に、図1のB−B線断面図を、それぞれ示す。ハウジング12がシェル24に完全に固定されたとき、ハウジング12の保持部16や保持部17と、シェル24の天板36の内壁38との間には、それぞれ隙間が形成される。また、保持部16は、第一端子群30とともに嵌合部28内において嵌合側に延出し、保持部17は、第二端子群60とともに嵌合部29内において嵌合側に延出する。尚、図5の断面図は、特に第一端子群30とその周辺の断面を示しているが、第二端子群60についても同様に考えることができる。これらの断面図からも明らかなように、ハウジング12に対して一体成形された第一端子群30の各端子、例えば、図5の(a)に示す端子30Gや、図5の(b)に示す端子30S1は、それぞれ、ハウジング12の保持部16、17の底側にて、それらの一部、例えば、図5の(a)に示す接触部31Gや、図5の(b)に示す接触部31S1の底側が露出された状態とされる。これらの露出部は、嵌合口28、29から嵌合された相手コネクタの各対応端子と接続される部分となる。また、第一端子群30の各端子、例えば、図5の(a)に示す端子30G、30S4や、図5の(b)に示す端子30S1、30S2は、それぞれ、ハウジング12の後端部付近にて、それらの一部、例えば、図5の(a)に示す実装部33G、33S4や、図5の(b)に示す実装部33S1、33S2が露出された状態とされる。これらの露出部は、シェル24の半田部25とともに、基板の対応箇所に半田付けされる部分となる。
本願発明は、高速信号伝送が必要な電気コネクタに広く用いることができる。
10 コネクタ
12 絶縁ハウジング
16 保持部
17 保持部
24 金属シェル
28 嵌合部
29 嵌合部
30 コンタクト
31 接触部
32 中間部
33 実装部
60 コンタクト

Claims (6)

  1. 絶縁性を有するハウジングと、
    前記ハウジングの外部を覆う導電性を有するシェルと、
    前記ハウジングによって支持される第一端子群と第二端子群と、を有し、
    前記第一端子群と前記第二端子群はそれぞれ、5本の端子から成り、これら5本の端子は、相隣り合う端子のピッチ方向に沿って互いに並列に且つそれぞれが相手コネクタとの嵌合方向に沿って配列されており、前記第一端子群と前記第二端子群は前記ピッチ方向において相隣り合って配置されており、
    前記第一端子群を構成する5本の端子には、中心に位置するグランド端子と、前記グランド端子を挟む一方の側と他方の側の各側に2本ずつ設けられた信号端子が含まれ、これら5本の端子は、前記グランド端子を中心に対称構造を成しており、
    前記第一端子群を構成する5本の端子はそれぞれ、前記相手コネクタとの嵌合時に前記相手コネクタの対応端子と接触し得る接触部と、基板に実装される実装部と、前記接触部と前記実装部とを連結する中間部を有し、前記接触部は、前記相手コネクタとの嵌合方向に沿う同一の先端位置から前記実装部の側に向って同一の面上で直線状に延びており、
    前記グランド端子、前記一方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子の、それぞれにおける前記中間部の長さは、前記一方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子の、それぞれにおける前記中間部の長さより、長く設定されていることを特徴とするコネクタ。
  2. 側面視略L字状の中間部のうち、前記接触部と連続した状態で前記相手コネクタとの嵌合方向に沿って直線状に延びている前記中間部の一部長さに関して、前記グランド端子、前記一方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子に近い側に配置された信号端子の、それぞれにおける当該一部長さは、前記一方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子、及び、前記他方の側において前記グランド端子から遠い側に配置された信号端子の、それぞれにおける当該一部長さより、長く設定されている請求項1に記載のコネクタ。
  3. 前記中間部の、前記ピッチ方向における幅は、前記接触部のそれより拡幅されている請求項1又は2に記載のコネクタ。
  4. 前記第一端子群を構成する5本の端子のインピーダンスは、90±10Ωの範囲にある請求項1乃至3のいずれかに記載のコネクタ。
  5. 前記第二端子群を構成する5本の端子は、前記相隣り合う端子のピッチ方向に沿って互いに並列に且つそれぞれが前記相手コネクタとの嵌合方向に沿って配列されている請求項1乃至4のいずれかに記載のコネクタ。
  6. 前記第一端子群は、前記コネクタがUSB3.0規格で使用される際は前記第二端子群とともに使用され、前記第二端子群は、前記コネクタがUSB2.0規格で使用される際はそれ単独で使用される請求項1乃至5のいずれかに記載のコネクタ。
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