JP6604222B2 - 差動信号伝送用ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、差動信号伝送用ケーブルに関する。

電子機器間における高速電気信号伝送では、差動信号を用いて信号を伝送している。このような電気信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルは２芯の心線および心線を覆う絶縁体を長手方向により合わせ、または並行して配列されている。差動信号線の外側には、絶縁テープに金属導体を貼り合わせたシールドテープが巻かれている。

シールドテープの外側には、さらに絶縁テープが巻かれている。この２芯の心線と絶縁体を１組とした差動信号線を複数（例えば２本）より合わせて、周囲にシールドと、絶縁被覆を施したものが差動信号伝送用ケーブルとなっている（例えば、特許文献１から３参照。）。上述のシールドテープを巻く方法としては、シールドテープをスパイラル状に巻き、巻いたシールドテープの周りに押さえ巻き用絶縁テープを横巻きする方法が知られている。

特開２００９−２１１８５５号公報 特開平７−２８８０４７号公報 特開２０１２−１６９２６９号公報

上述の特許文献１から３に記載された差動信号伝送用ケーブルでは、個々の差動信号線におけるシールドテープの巻きピッチが全て同一となっている。そのため、シールドテープのスパイラル構造に起因して発生する差動信号線のサックアウト周波数も全て同一となる。なお、サックアウト周波数とは、差動信号線において伝送される電気信号の減衰が増大する周波数のことである。

シールドテープの巻き目の周辺からは、サックアウト周波数に近い周波数を有する大きな電磁ノイズが放射される。電磁ノイズの放射と受信とは対称の特性であるため、シールドテープの巻きピッチが同一の差動信号線が近い位置に配置されると、差動クロストークが大きく悪化する。

言い換えると、近い位置に配置された２本の差動信号線の間において、サックアウト周波数に近い周波数の電気信号が送受信されやすくなり、一方の差動信号線を伝送される電気信号が他方の差動信号線に混入しやすくなる。つまり、クロストークの悪化により、複数の差動信号線を有する差動信号伝送用ケーブルでは、伝送ノイズが増大するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、伝送ノイズの増大を抑制することができる差動信号伝送用ケーブルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の差動信号伝送用ケーブルは、差動信号を伝送する一対の心線と、前記心線を覆う絶縁性を有する材料から形成される絶縁体と、絶縁性を有する材料から形成された絶縁層および導電性を有する材料から形成された導電層を有し、前記絶縁体の周囲をらせん状に巻き回されて配置されるシールドテープと、絶縁性を有する材料から形成され、前記シールドテープの周囲を巻き回されて配置される絶縁テープと、が設けられた差動信号線を複数束として備え、複数の前記差動信号線は、前記差動信号線において伝送される電気信号の減衰が増大するサックアウト周波数が互いに異なる。

本発明の差動信号伝送用ケーブルによれば、サックアウト周波数が互いに異なる複数の差動信号線を束として備えているため、複数の差動信号線の間のクロストークの悪化を抑制することができる。

本発明の差動信号伝送用ケーブルによれば、サックアウト周波数が互いに異なる複数の差動信号線を束として備えることにより、伝送ノイズの増大を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る差動信号伝送用ケーブルの構造を説明する断面視図である。 図１の差動信号線の構造を説明する斜視図である。 ２本の差動信号線におけるシールドテープのピッチを説明する斜視図である。 差動信号線におけるサックアウト周波数と、シールドテープのピッチとの関係を説明する図である。 ２本の差動信号線における信号透過特性、ノイズ放射受信特性、クロストークを説明するグラフである。

この発明の一実施形態に係る差動信号伝送用ケーブルについて、図１から図５を参照しながら説明する。
本実施形態で説明する差動信号伝送用ケーブル１０は、例えばスーパーコンピュータや、データセンタに設置されているサーバにおける信号情報の通信に用いられるものであり、スーパーコンピュータやサーバなどが配置されているラック内のような比較的近距離の通信に用いられるものである。差動信号伝送用ケーブル１０による通信速度としては、例えば２５Ｇｂｉｔ／ｓを挙げることができる。

差動信号伝送用ケーブル１０には、図１に示すように、２本の差動信号線２０と、編組シールド３０と、シース４０と、が主に設けられている。差動信号線２０には、図１および図２に示すように、一対の心線２１と、絶縁体２２と、シールドテープ２３と、第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４および第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５を有する押さえ巻き用絶縁テープ（絶縁テープ）２６と、が主に設けられている。

一対の心線２１のうちの一方は、差動信号としてのプラス側信号を伝送する導体であり、他方は、差動信号としてのマイナス側信号を伝送する導体である。本実施形態では心線２１が３４ＡＷＧ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ ｇａｕｇｅ：米国ワイヤゲージ規格：３４番線（３４ゲージ）とも表記する。）で規定される直径等を有するものに適用して説明するが、３４ＡＷＧで規定される直径よりも大きな直径を有する信号線導体を用いてもよいし、小さな直径を有する心線２１を用いてもよく、直径を限定するものではない。

絶縁体２２は、一対の心線２１を被覆するものであり、その横断面形状が一対の長さが等しい平行線と一対の半円形形状とからなる形状に形成されたものである。絶縁体２２の内部には、一対の心線２１が所定間隔で並ぶように配置され、心線２１の周囲には、絶縁体２２の厚さが少なくとも所定の厚さを有するようにされている。

なお、絶縁体２２の横断面形状は、上述のように一対の長さが等しい平行線と一対の半円形形状とからなる形状であってもよいし、略楕円形の形状であってもよいし、一対の心線２１をそれぞれ別個に被覆した略円形の形状であってもよく、特に限定するものではない。

絶縁体２２を構成する材料としては、差動信号伝送用ケーブル３０に柔軟性を持たせるために、発泡ポリエチレン（Ｆｏａｍｅｄ Ｐｏｌｙ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）を例示することができる。なお、絶縁体２２を構成する材料は、上述のように発泡ポリエチレンであってもよいし、絶縁体２２に求められる絶縁性などの条件を満たす他の材料であってもよく、特に材料の種類を限定するものではない。

シールドテープ２３は、絶縁体２２の周囲に、絶縁体２２の長手方向に沿う端部を除く大部分を被覆するように設けられるものであり、外来ノイズの影響を抑制するものである。シールドテープ２３は、ポリエステル等の樹脂から形成される絶縁層、および、銅などの導電性を有する金属材料から形成される金属箔の層である導電層を積層して形成されたものである。

シールドテープ２３は、絶縁層が内側（言い換えると絶縁体２２側）となり導電層が外側となるように配置される。また、シールドテープ２３は、矩形状に形成されたシート状のものであり、絶縁体２２をらせん状に巻き回されて配置されるものである。なお、本実施形態では、シールドテープ２３は、絶縁層が内側となり導電層が外側となるように配置される例に適用して説明したが、絶縁層が外側となり導電層が内側となるように配置されてもよい。

本実施形態では、図３に示すように、２本の差動信号線２０，２０の一方の差動信号線２０Ａおけるシールドテープ２３がらせん状に巻き回される間隔である第１のピッチＰａと比較して、他方の差動信号線２０Ｂけるシールドテープ２３がらせん状に巻き回される間隔である第２のピッチＰｂが狭く（狭ピッチ化）されている。

より具体的には、第１のピッチＰａおよび第２のピッチＰｂは、それぞれのシールド巻きピッチ（または、らせん状に巻き回される間隔）が２０％以上異なるようにされている。言い換えると、（第２のピッチＰｂ）＜（第１のピッチＰａ×０．８）の式を満たすようにされている。言い換えると、第１のピッチＰａおよび第２のピッチＰｂは、差動信号線２０におけるサックアウト周波数の差が少なくとも３ＧＨｚになるようにされている。

ここで、差動信号線２０におけるサックアウト周波数と、シールドテープ２３のピッチとの関係について図４を参照しながら説明する。サックアウト周波数が１９ＧＨｚの場合にはピッチは４．９ｍｍとなり、サックアウト周波数が２１ＧＨｚの場合にはピッチは４．３ｍｍとなる。また、サックアウト周波数が２４ＧＨｚの場合にはピッチは３．４ｍｍとなり、サックアウト周波数が３０ＧＨｚの場合にはピッチは２．４ｍｍとなる。

上述のように（第２のピッチＰｂ）＜（第１のピッチＰａ×０．８）の式を満たす組み合わせとしては、ピッチが２．４ｍｍおよび３．４ｍｍの組み合わせ、２．４ｍｍおよび４．３ｍｍの組み合わせ、２．４ｍｍおよび４．９ｍｍの組み合わせが挙げられる。さらに、３．４ｍｍおよび４．３ｍｍの組み合わせ、３．４ｍｍおよび４．９ｍｍの組み合わせも挙げられる。これらの組み合わせの場合、差動信号線２０におけるサックアウト周波数の差が少なくとも３ＧＨｚとなる。

なお、図４に示したシールドテープ２３のピッチの値、および、サックアウト周波数の値は例示であり、本発明におけるピッチの値、および、サックアウト周波数の値をこれらの値に限定するものではない。

なお、本実施形態では、２本の差動信号線２０，２０の一方と他方のそれぞれに固有の特徴を説明する場合には、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂと表記し、両者に共通した特徴について説明する場合には、単に差動信号線２０と表記する。

図２に示すように、第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４および第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５（押さえ巻き用絶縁テープ２６）は、シールドテープ２３の周囲に配置され、差動信号線２０を保護するものである。第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４および第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５は、ポリエステルから形成される矩形状のテープ状に形成された部材であり、らせん状に巻き回されてシールドテープ２３を覆うものである。

なお、本実施形態では、第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４および第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５を形成する樹脂がポリエステルである例に適用して説明したが、第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４および第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５に求められる絶縁性や耐久性などの条件を満たす樹脂であれば、他の材料を用いてもよく特に限定するものではない。

第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４は、シールドテープ２３の上にらせん状に巻き回されて配置されるものであり、第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５は、第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４の上にらせん状に巻き回されて配置されるものである。本実施形態では、差動信号線の長手方向と巻き回される第１層押さえ巻き用絶縁テープ２４の縁との間の角度と比較して、差動信号線の長手方向と巻き回される第２層押さえ巻き用絶縁テープ２５の縁との間の角度が小さい例に適用して説明する。

編組シールド３０は、図１に示すように、２本の差動信号線２０，２０の周囲を覆うものであり、複数本の祖先が組み込まれて筒状に形成されたものである。シース４０は、編組シールド３０の周囲を覆い差動信号伝送用ケーブル１０の外形を形成するものである。

次に、上記の構成からなる差動信号伝送用ケーブル１０における差動信号の伝送について図５を参照しながら説明する。図５は、差動信号線２０Ａおよび差動信号線２０Ｂにおける信号透過特性およびノイズ放射受信特性、並びに、差動信号線２０Ａおよび差動信号線２０Ｂの間のクロストークを説明するグラフである。なお、図５の横軸は電気信号の周波数であり、縦軸は透過特性、放射特性およびクロストークである。

差動信号線２０Ａにおける信号透過特性およびノイズ放射受信特性は、それぞれ実線で表記されたグラフＡ１およびグラフＡ２で示している。グラフＡ１およびグラフＡ２から判るように、サックアウト周波数ＳＡにおいて、信号透過特性が低下し、かつ、ノイズ放射受信特性が増大している。

また、差動信号線２０Ｂにおける信号透過特性およびノイズ放射受信特性は、それぞれ点線で表記されたグラフＢ１およびグラフＢ２で示している。グラフＢ１およびグラフＢ２から判るように、サックアウト周波数ＳＡよりも高い周波数であるサックアウト周波数ＳＢにおいて、信号透過特性が低下し、かつ、ノイズ放射受信特性が増大している。これは、差動信号線２０Ａおけるシールドテープ２３のピッチＰａと比較して、他方の差動信号線２０Ｂけるシールドテープ２３のピッチＰｂが狭くされていることによると考えられる。

さらに、差動信号線２０Ａおよび差動信号線２０Ｂの間のクロストークは、一点鎖線で表記されたグラフＣＴで示している。グラフＡ２、グラフＢ２およびグラフＣＴから判るように、差動信号線２０Ａにおけるノイズ放射受信特性のピーク周波数（サックアウト周波数ＳＡ）と、差動信号線２０Ｂにおけるノイズ放射受信特性のピーク周波数（サックアウト周波数ＳＢ）とが異なっているため、ピーク周波数が一致している場合と比較して、クロストークを示すグラフＣＴのピーク値の増大が抑制されている。

上記の構成の差動信号伝送用ケーブル１０によれば、サックアウト周波数が互いに異なる差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂを束として備えているため、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂの間のクロストークの悪化を抑制することができる。その結果、差動信号伝送用ケーブル１０における伝送ノイズの増大を抑制することができる
具体的には、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂにおけるシールドテープ２３のピッチを互いに異ならせることにより、サックアウト周波数も互いに異なる周波数となる。サックアウト周波数は、らせん状に巻き回されるシールドテープ２３のスパイラル構造の周期性によってもその周波数が定まる。そのため、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂにおけるサックアウト周波数は互いに異なる周波数ＳＡおよび周波数ＳＢとなり、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂの間のクロストークの悪化を抑制することができる。

さらに、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂにおけるシールドテープ２３のピッチの関係を（第２のピッチＰｂ）＜（第１のピッチＰａ×０．８）の式を満たす関係とし、サックアウト周波数の差が少なくとも３ＧＨｚになるようにすることで、差動信号線２０Ａ、差動信号線２０Ｂの間のクロストークの悪化を抑制しやすくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、差動信号線２０が２本の例に適用して説明しているが、３本以上の差動信号線２０が設けられていてもよく、特にその本数を限定するものではない。

１０…差動信号伝送用ケーブル、２０，２０Ａ，２０Ｂ…差動信号線、２１…心線、２２…絶縁体、２３…シールドテープ、２６…押さえ巻き用絶縁テープ（絶縁テープ）、Ｐａ…第１のピッチ、Ｐｂ…第２のピッチ

Claims (4)

1. 差動信号を伝送する一対の心線と、
   前記心線を覆う絶縁性を有する材料から形成される絶縁体と、
   絶縁性を有する材料から形成された絶縁層および導電性を有する材料から形成された導電層を有し、前記絶縁体の周囲をらせん状に巻き回されて配置されるシールドテープと、
   絶縁性を有する材料から形成され、前記シールドテープの周囲を巻き回されて配置される絶縁テープと、が設けられた差動信号線を複数束として備え、
   複数の前記差動信号線は、前記差動信号線において伝送される電気信号の減衰が増大するサックアウト周波数が互いに異なる差動信号伝送用ケーブル。
2. 複数の前記差動信号線は、前記シールドテープがらせん状に巻き回される間隔であるピッチが互いに異なる請求項１記載の差動信号伝送用ケーブル。
3. 複数の前記差動信号線のうちの一部の前記差動信号線における前記シールドテープは、第１のピッチでらせん状に巻き回され、他の一部の前記差動信号線における前記シールドテープは、第２のピッチでらせん状に巻き回され、
   前記第１のピッチおよび前記第２のピッチは、（第２のピッチ）＜（第１のピッチ×０．８）の関係を満たす請求項２記載の差動信号伝送用ケーブル。
4. 複数の前記差動信号線のうちの一部の前記差動信号線における前記サックアウト周波数と、他の一部の前記差動信号線における前記サックアウト周波数と、の間には少なくとも３ＧＨｚの周波数差がある請求項１または２に記載の差動信号伝送用ケーブル。

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