JP6898062B2 - 差動伝送用ケーブル及び多対差動伝送用ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、差動信号を伝送する差動伝送用ケーブル及び多対差動伝送用ケーブルに関する。

従来の差動伝送用ケーブルとして、一対の信号線の周囲に一括してシールド用の金属箔樹脂テープを螺旋巻き（「横巻き」ともいう）したもの（例えば、特許文献１参照）や縦添え巻きしたもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特許文献１に記載された差動伝送用ケーブルは、銅などの金属箔を樹脂テープに重ね合わせた金属箔樹脂テープを螺旋巻きした場合に生じ得るサックアウト現象（信号減衰の急激な落ち込み）を抑制するため、金属箔樹脂テープの一方のエッジ部を外側に折り返すことにより、金属箔樹脂テープの重なり部分で金属箔同士を電気的に接触させるようにしたものである。

特許文献２に記載された差動伝送用ケーブルは、金属箔樹脂テープに発生する渦電流により導体抵抗が悪化し、それに起因した信号劣化を抑制するため、導体の厚さを１μｍ以上かつ１０μｍ以下としたものである。

特開２０１１−２２２２６２号公報 特開２００３−２３４０２５号公報

差動信号を伝送する差動伝送用ケーブルでは、伝送の通信速度（ボーレート）によって決まる一定の周波数帯域内で、差動損失（Sdd21の絶対値）と差動同相変換量（Scd21）を十分に小さくする必要がある。

差動損失（Sdd21の絶対値）は、信号エネルギーの損失と信号歪みの大きさを決めるパラメータであり、主な発生原因として、ケーブルを構成する材料の損失（導体損失、誘電損失）と、シールドの方式による過剰損失がある。シールドの方式による過剰損失は、シールドの構造によって違うことが知られている。例えば、縦添えシールドでは、シールドの過剰損失が小さいのに対し、横巻きシールドでは、特定の周波数でシールドの過剰損失が大きくなることが知られている（横巻きシールドのサックアウト）。

差動伝送帯域を広げるためには、使用周波数帯域内のシールドの過剰損失を小さくする方がよく、そのためには、使用周波数帯域内に横巻きシールドのサックアウトを発生させないことが望ましい。

一方、差動同相変換量（Scd21）は、信号エネルギーの損失とノイズの混入量を決めるパラメータであり、主な発生原因として、２本の芯線とそれを囲む絶縁体材料の電気特性の非対称性がある。２芯の電気特性の非対称性は、製造時に発生する他、ケーブルをきつく曲げたり、過酷な環境で長期間使用したりすることによっても発生する。

シールドに過剰損失があると、発生した同相信号（ノイズ信号）が減衰するので、シールドの過剰損失を大きくすると、２芯の電気特性が非対称性を有していても、差動同相変換量（Scd21）を小さくすることができる。つまり、シールドの過剰損失を大きくすることにより差動同相変換量（Scd21）を小さくでき、かつ変形や環境変化に対するロバスト性（強靭さ）を高めることができる。

そのため、シールドの過剰損失に対しては、次のような相反する要求がある。
（１）差動伝送帯域を広げるためには、使用周波数帯域内の差動損失（Sdd21）を小さくする必要があり、そのためにはシールドの過剰損失を小さくすることが望ましい。すなわち、サックアウトは無い方がよい。
（２）差動同相変換量（Scd21）を小さくし、ロバスト性を高めるためには、シールドの過剰損失を大きくすることが望ましい。すなわち、サックアウトがある方がよい。

したがって、差動損失にサックアウトが無く、同相損失にサックアウトがあるシールド構造が実現できれば、上記（１）と（２）の要求を両立できる。

しかし、これまでは、そのような特性のシールド構造は知られておらず、特許文献１の横巻きシールドでは差動伝送帯域が狭く、特許文献２の縦添えシールドでは差動伝送帯域が広くてもロバスト性に欠けるという問題があった。

したがって、従来の技術では、特に２５Ｇｂａｕｄを超えるような高速伝送用の差動伝送用ケーブルを製造する際に、差動伝送帯域を広げるために縦添えシールドを採用する必要があり、縦添えシールドを採用してもなお高いロバスト性を実現するためには、二心一括構造のような、特別に対称性が良いコア構造を採用する必要がある。

そこで、本発明の目的は、１００ＭＨｚ以上２０ＧＨｚ以下の使用周波数帯域において、差動損失におけるサックアウトを抑制しながら、同相損失にはサックアウトが発生する電気特性を有する差動伝送用ケーブル及び多対差動伝送用ケーブルを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、一対の信号線と、前記一対の信号線を被覆する絶縁体と、前記絶縁体の周囲に螺旋巻きで巻き付けられたシールドテープとを備え、前記シールドテープは、一方の表面に絶縁体層としての酸化膜が形成された金属箔であり、前記酸化膜の厚さが１０ｎｍ以上１μｍ未満である、差動伝送用ケーブルを提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、上記の差動信号伝送用ケーブルを複数備え、前記複数の前記差動信号伝送用ケーブルを一括してシールドしてなる、多芯差動信号伝送用ケーブルを提供する。

本発明によれば、１００ＭＨｚ以上２０ＧＨｚ以下の使用周波数帯域において、差動損失におけるサックアウトを抑制しながら、同相損失にはサックアウトが発生する電気特性を有することができる。

本発明の実施の形態に係る多対差動伝送用ケーブルの概略の構成例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る差動伝送用ケーブルの概略の構成例を示す斜視図である。 シールドテープの断面図である。 銅箔の酸化膜の厚さの測定結果の一例を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 本実施例に係る差動伝送用ケーブルの試験品について電気特性を測定した結果を示し、（ａ）は差動損失（Sdd21）の測定結果、（ｂ）は同相損失（Scc21）の測定結果、（ｃ）は差動同相変換量（Scd21）の測定結果を示す図である。 比較例に係る差動伝送用ケーブルの試験品について電気特性を測定した結果を示し、（ａ）は差動損失（Sdd21）の測定結果、（ｂ）は同相損失（Scc21）の測定結果、（ｃ）は差動同相変換量（Scd21）の測定結果を示す図である。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る多対差動伝送用ケーブルの概略の構成例を示す断面図である。

多対差動伝送用ケーブル５０は、束ねられた複数の差動伝送用ケーブル１０と、複数の差動伝送用ケーブル１０の周囲に一括して巻き付けられたシールドテープ５２と、シールドテープ５２の周囲を被覆する編組線５３と、編組線５３を被覆するジャケット５４と、を有する。複数の差動伝送用ケーブル１０は、シールドテープ５２及び編組線５３によって一括してシールドされている。

差動伝送用ケーブル１０の本数は、図１に示す例では８本であるが、特に限定されるものではなく、例えば、２本、８本、２４本等でもよい。図１に示す例では、多対差動伝送用ケーブル５０の断面中央に２本の差動伝送用ケーブル１０が配置され、介在５１を介してその周囲に６本の差動伝送用ケーブル１０がほぼ等間隔に配置されている。

シールドテープ５２、編組線５３、及びジャケット５４のそれぞれの材料としては、一般的なケーブルにおいて用いられる材料を使用することができる。介在５１は、例えば、紙、糸、又は発泡体からなる。発泡体は、例えば、発泡ポリプロピレンや発泡エチレン等の発泡ポリオレフィンである。

図２は、本発明の実施の形態に係る差動伝送用ケーブル１０の概略の構成例を示す斜視図である。

差動伝送用ケーブル１０は、一対の信号線１１と、一対の信号線１１を被覆する絶縁体１２と、絶縁体１２の周囲に螺旋巻きで巻き付けられるシールドテープ１３と、シールドテープ１３の周囲に螺旋巻きで巻き付けられ、シールドテープ１３を被覆する外層テープ１５とを有する。

一対の信号線１１は、銅等からなる導体線であり、差動信号を伝送する。一対の信号線１１は、図２に示すように、単体の絶縁体１２により一括被覆されていてもよいが、各々の信号線１１が独立した絶縁体１２に被覆されていてもよい。

絶縁体１２は、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等の絶縁材料からなる。また、絶縁体１２として、発泡ポリエチレン等の発泡の絶縁材料を用いることができる。

図３は、シールドテープ１３の断面図である。シールドテープ１３は、帯状の導体１３ａと、酸化膜１３ｂとを有している。このシールドテープ１３は、例えば、銅箔、アルミ箔等の導電性を有する帯状の金属箔を用いて、その一方の面を酸化させることにより酸化膜１３ｂが形成される。金属箔のうち酸化されなかった部分は導体１３ａとなる。

シールドテープ１３は、差動伝送用ケーブル１０を基板に設けられたコネクタ等に接続する際に、導体１３ａを基板のグランドに接続し易いように、酸化膜１３ｂが内側、導体１３ａが外側となるようにシールドテープ１３を絶縁体１２の周囲に巻き付ける。なお、差動伝送用ケーブル１０がシールドテープ１３の内部にドレイン線を含む場合は、導体１３ａが内側を向くようにシールドテープ１３が巻き付けられる。酸化膜１３ｂは、本発明の絶縁体層の一例である。

酸化膜１３ｂの厚さは、１０ｎｍ以上１μｍ未満である。酸化膜１３ｂの厚さを１μｍ未満にすることにより、差動損失のサックアウトがなくなる。また、酸化膜１３ｂの厚さを１０ｎｍ未満にすると、同相損失のサックアウトがなくなるが、酸化膜１３ｂの厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満にすると同相損失のサックアウトだけが発生する。したがって、酸化膜１３ｂの厚さを１０ｎｍ以上１μｍ未満にすれば、差動損失のサックアウトがなく、かつ同相損失のサックアウトがあるシールドを実現できる。酸化膜１３ｂの厚さのより望ましい範囲は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満である。

外層テープ１５は、可撓性を有する帯状部材からなり、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の可撓性を有する絶縁性の樹脂層と、接着剤を含む接着層とが積層された構造を有する。また、外層テープ１５は、接着層が内側、樹脂層が外側となるように、シールドテープ１３の周囲に螺旋状に巻き付けられる。外層テープ１５を巻き付けることにより、シールドテープ１３の絶縁体１２からの剥がれを防ぐことができる。

（実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態によれば、ケーブルの製造時やケーブルが屈曲された際に、２本の信号線１１とそれらを囲む絶縁体１２の材料の電気特性に非対称性が生じても、非対称性による差動同相変換量の増加をシールドテープの螺旋巻きによる同相損失の増加で抑制できるので、差動伝送帯域が広く、かつシールドテープの絶縁層が１μｍ以上の従来のものと比べて電気特性のロバスト性が高くなる。すなわち、１００ＭＨｚ以上２０ＧＨｚ以下の使用周波数帯域において、差動損失にはサックアウトが発生せず、同相損失にはサックアウトが発生する電気特性を有することができる。また、酸化膜１３ｂの厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満とすれば、上記の電気特性がより顕著となる。

また、ケーブルをきつく曲げても差動同相変換量（Scd21）が劣化しにくいので、フラットケーブル、バックプレーン、配線板などに好適に用いることができる。またさらに、ケーブルの環境耐性が上がるので、システムの環境耐性を改善することが可能となる。

（実施例）
図４は、シールドテープ１３を構成する銅箔に形成した酸化膜１３ｂの厚さの測定結果の一例を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。縦軸は元素組成比（単位：Ａｔ％）、横軸は最表面からのエッチング深さ（単位：ｎｍ）を示している。図４（ａ）は、縦軸が０〜１００Ａｔ％まで示し、図４（ｂ）は、縦軸が０〜１０Ａｔ％まで示している。

シールドテープ１３の酸化膜１３ｂの表面からの元素組成比を、Ａｒ＋イオンエッチングによって５ｎｍステップで表面を削りながらＸＰＳ（光電子分光分析）により測定した。酸化膜１３ｂの厚さは、ＸＰＳによって求めた酸素Ｏの組成比が０Ａｔ％のときの最表面からのエッチング深さを酸化膜の厚さとすると、図４（ａ）、（ｂ）の場合は、８５ｎｍとなる。

図５は、本実施例に係る差動伝送用ケーブルの試験品について電気特性を測定した結果を示し、（ａ）は差動損失（Sdd21）の測定結果、（ｂ）は同相損失（Scc21）の測定結果、（ｃ）は差動同相変換量（Scd21）の測定結果を示す図である。

この測定にあたり、シールドテープ１３として厚さ８μｍの銅箔を用い、表面に厚さ８５ｎｍの酸化膜１３ｂを形成した。そのシールドテープ１３を、２本の信号線１１を被覆した絶縁体１２の周囲に螺旋巻きで巻き付けて、実施例として２本の試験品１０ａ，１０ｂを作製した。

図６は、比較例に係る差動伝送用ケーブルの試験品について電気特性を測定した結果を示し、（ａ）は差動損失（Sdd21）の測定結果、（ｂ）は同相損失（Scc21）の測定結果、（ｃ）は差動同相変換量（Scd21）の測定結果を示す図である。

この測定にあたり、シールドテープとして、実施例と同じ厚さの銅箔を用い、表面には酸化膜１３ｂを形成しなかった。そのシールドテープを、２本の信号線１１を被覆した絶縁体１２の周囲に螺旋巻きで巻き付けて、比較例として２本の試験品１０ｃ，１０ｄを作製した。

図５及び図６から分かるように、差動損失については、図５（実施例）と比較例（図６）で大きな差は見られなかった。同相損失について、実施例と比較例とを対比すると、比較例では２５ＧＨｚ付近にサックアウトが発生しているが、実施例では１ＧＨｚ付近にサックアウトが発生しており、サックアウトが使用周波数帯域の１００ＭＨｚ〜２０ＧＨｚに入っている。差動同相変換量について、実施例と比較例とを対比すると、比較例では−２２〜−２６ｄＢであったものが、実施例では−３７〜−３８ｄＢに大幅に改善されている。

図５（ａ）に示すように、絶縁体層である酸化膜１３ｂの厚さが８５ｎｍの実験データでは、差動損失の増加が全く見られていないので、さらに、接触抵抗にして２桁、絶縁体層の厚さにして厚さ８５ｎｍの２〜３倍程度までは、差動サックアウトが発生しないことが推測できる。したがって、絶縁体層の厚さ８５ｎｍの実験データから、１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満の範囲では、差動損失におけるサックアウトが発生しないことが期待できる。また、酸化膜１３ｂの厚さが１０ｎｍ以上１μｍ未満の範囲でも、比較例のものに比較して、差動同相変換量を小さくしながら変形や環境変化に対するロバスト性を高める効果が期待できる。

なお、本発明の実施の形態は、上記実施の形態に限定されず、種々な実施の形態が可能であり、例えば以下の変形例が可能である。

（変形例）
シールドテープ１３は、絶縁体層として、例えば厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満のポリエステル等からなる樹脂フィルムを導体１３ａに接着してもよい。また、シールドテープ１３は、例えば銅からなる帯状の金属箔である銅箔テープの表面に、樹脂からなる厚さ１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満の絶縁体をコーティングしたものでもよい。

１０…差動伝送用ケーブル
１１…信号線
１２…絶縁体
１３…シールドテープ
１３ａ…導体
１３ｂ…酸化膜（絶縁体層）
５０…多対差動伝送用ケーブル

Claims (3)

1. 一対の信号線と、
   前記一対の信号線を被覆する絶縁体と、
   前記絶縁体の周囲に螺旋巻きで巻き付けられたシールドテープとを備え、
   前記シールドテープは、一方の表面に絶縁体層としての酸化膜が形成された金属箔であり、
   前記酸化膜の厚さが１０ｎｍ以上１μｍ未満であり、
   １００ＭＨｚ以上２０ＧＨｚ以下の使用周波数帯域において、差動損失にはサックアウトが発生せず、同相損失にはサックアウトが発生する、
   差動伝送用ケーブル。
2. 前記シールドテープは、前記酸化膜の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満である、
   請求項１に記載の差動伝送用ケーブル。
3. 請求項１又は２に記載の差動信号伝送用ケーブルを複数備え、
   前記複数の前記差動信号伝送用ケーブルを一括してシールドしてなる、
   多芯差動信号伝送用ケーブル。

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