JP5346913B2 - 差動信号用ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、１０Ｇｂｐｓ以上の高速デジタル信号を数ｍから数十ｍ伝送させる信号波形劣化の小さい差動信号用ケーブルに関するものである。

数Ｇｂｐｓ以上の高速デジタル信号を扱う、サーバ・ルータ・ストレージ製品において、機器間、あるいは、機器内の基板間の信号伝送には差動信号による伝送が用いられており、その電気的接続には差動信号用ケーブルが用いられている。

差動信号による伝送では、位相を１８０度反転させた信号を２つの導線で伝送し、受信側で受信した各信号の差分を合成・出力する。２つの導線に流れる電流は互いに逆方向を向いて流れるため、伝送線路から放射される電磁波を小さくでき、また、外部から受けたノイズは２つの導線に等しく重畳するので、受信側で差分を合成出力することで、ノイズによる影響を打ち消すことができる。これらの理由から、高速信号には、差動信号による伝送がよく用いられる。

差動信号用ケーブルとして、導線を絶縁体で被覆した２本の絶縁電線を撚り合わせて対にしたツイストペアケーブルがある。ツイストペアケーブルは、安価で平衡性に優れており、曲げも容易であるため、中距離の信号伝送に広く用いられている。しかし、このツイストペアケーブルは、一般的に、グランドに相当する導体が無いので、ケーブルの近くに置かれた金属の影響を受け易く、ケーブルの特性インピーダンスが安定しないという問題がある。そのため、数ＧＨｚの高周波領域では、信号波形が崩れ易く、数Ｇｂｐｓ以上の伝送線路にはあまり用いられることがない。

一方、２本の絶縁電線を撚らずに並行して並べて、これをシールド層で覆ったケーブルをツイナックスケーブルと呼ぶ。ツイナックスケーブルは、ツイストペアケーブルに比べて２本の導線間の物理長の差が少なく、また、シールド層が２本の絶縁電線を覆うように設けられているので、ケーブル付近に金属を置いても特性インピーダンスが不安定になることもなく、ノイズ耐性も高い。ツイナックスケーブルは、比較的、高速で短距離の信号伝送に用いられており、シールド層には、金属箔付きテープや、編組状の素線で覆ったものが用いられる。また、ドレイン線等を付け合わせることもある。

例えば、図３に示す差動信号用ケーブル３１は、特許文献１で開示されたツイナックスケーブルの一例を示すものである。この差動信号用ケーブル３１では、信号用の導線３２を絶縁体３３で絶縁した２本の絶縁電線３４に、ドレイン線３５を縦添えし、プラスチックテープ（プラスチックフィルム）３６に金属箔３７を貼り付けた金属箔付きテープ３８を螺旋状に巻き付け、その周囲をジャケット３９で被覆して、内部を保護している。

また、図４（ａ），（ｂ）に示す差動信号用ケーブル４１は、図３の差動信号用ケーブル３１と同じく、特許文献１で開示されたツイナックスケーブルの一例を示すものである。この差動信号用ケーブル４１では、信号用の導線４２を絶縁体４３で絶縁した２本の絶縁電線４４を、プラスチックテープ４５に金属箔４６を貼り付けた金属箔付きテープ４７を縦添え（シガレット巻き）している。金属箔付きテープ４７と絶縁電線４４の間にはドレイン線４８が配置され、ドレイン線４８が金属箔付きテープ４７の導電面（金属箔４６）と接触され接地されるようになっている。さらに、金属箔付きテープ４７の外側は、ジャケット４９で被覆され、内部を保護している。

特開２００２−２８９０４７号公報

上述のように、差動信号を伝送させるために、ツイナックスケーブルが一般に用いられている。

しかし、図３の差動信号用ケーブル３１のように、金属箔付きテープ３８を螺旋状に巻き付けてシールド層を形成した場合、ケーブル減衰量の周波数特性において、図５に示すような、急激な落ち込み（減衰量の急激な増加）、すなわち「サックアウト」が生じてしまう。

これは、図６に示すように、金属箔付きテープ３８が金属箔３７とプラスチックテープ３６の２層からなるため、金属箔付きテープ３８を螺旋状に巻き付けたときに重なり合った部分では、巻きの内側に位置する金属箔付きテープ３８と、巻きの外側に位置する金属箔付きテープ３８の金属箔３７同士が、プラスチックテープ３６で絶縁されている状態となり、かつ、この構造が周期的に繰返し存在することに起因する。

通常、３０ｍｍ程度の巻き付けピッチでは１２ＧＨｚあたりに減衰領域が現れるので、数Ｇｂｐｓの伝送では、そこまで高い周波数領域までは必要なく問題がなかったが、次世代の１０Ｇｂｐｓ以上の高速信号伝送用途においては、その影響を大きく受け、例えば、２５Ｇｂｐｓの信号では、その基本波は１２．５ＧＨｚとなるので、１２ＧＨｚ周辺のサックアウトで信号が大きく減衰してしまうことになる。

一方、図４の差動信号用ケーブル４１のように、金属箔付きテープ４７を縦添えする場合には、周期的に金属箔４６が重なる部分が無いので、上述のような「サックアウト」は生じない。しかし、縦添えの場合、差動信号用ケーブル４１を屈曲したときに、構造的に金属箔付きテープ４７の伸び・縮みを吸収することができないため、金属箔付きテープ４７が撓んだり、シワが寄ったり、あるいは、断裂してしまったりすることが多々ある。

撓み、シワ寄り等が発生すると、ケーブルの対称性が崩れるので、２つの導線４２の伝播時間差である「スキュー」が増加したり、対称性が崩れた部分から電磁界が漏れることからＥＭＩ（Electromagnetic Interference）量が増加したりする問題が生じる。

そのため、金属箔付きテープ４７を縦添えした差動信号用ケーブル４１は、殆ど屈曲させないような用途にしか用いることができない。また、このような現象（金属箔付きテープ４７の撓み、シワ寄り等）は、ケーブル完成後のみならず、ケーブル製造工程中の「巻き取り工程」「撚り工程」などでも発生し、製品の歩留り低下にも影響するため、安定した生産が非常に難しいという問題もある。

本発明は、上記事情に鑑み為されたものであり、１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号用ケーブルにおいて、その周波数特性にて減衰量が急激に増加せず、かつ、屈曲に対しても十分に耐えられ、かつ、安定的な生産が可能な差動信号用ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、並行配置された一対の導線と、該一対の導線を被覆する絶縁体の周囲に一括して金属箔付きテープを螺旋状に巻き付けて形成されるシールド層と、を備えた１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号用ケーブルにおいて、前記シールド層は、前記金属箔付きテープを、金属箔が設けられた側の面が外側となるように長手方向に沿って折り曲げ、該折り曲げにより折り返された部分である折り返し部の少なくとも一部が螺旋状の重なり部分に位置するように、前記一対の導線を被覆する前記絶縁体の周囲に巻き付けて形成され、前記絶縁体は、発泡絶縁樹脂である差動信号用ケーブルである。

前記重なり部分の幅が、前記金属箔付きテープのテープ幅の１／４以上であるとよい。

前記折り返し部の幅が、前記金属箔付きテープのテープ幅の１／４以上であるとよい。
前記絶縁体に用いる材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）であるとよい。

本発明によれば、１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号用ケーブルにおいて、その周波数特性にて減衰量が急激に増加せず、かつ、屈曲に対しても十分に耐えられ、かつ、安定的な生産が可能な差動信号用ケーブルを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る差動信号用ケーブルの斜視図である。 図１の差動信号用ケーブルにおいて、金属箔付きテープの巻き付け状態を示す縦断面図である。 従来の差動信号用ケーブルの斜視図である。 従来の差動信号用ケーブルを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図である。 図３の従来の差動信号用ケーブルのケーブル減衰量の周波数特性を示す図であり、減衰量の急激な増加である「サックアウト」が生じることを説明する図である。 図３の従来の差動信号用ケーブルの金属箔付きテープの巻き付け状態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る差動信号用ケーブルの斜視図であり、図２はその金属箔付きテープの巻き付け状態を示す縦断面図である。

図１，２に示すように、差動信号用ケーブル１は、並行配置された一対の絶縁電線２と、該一対の絶縁電線２の周囲に一括して金属箔付きテープ３を螺旋状に巻き付けて形成されるシールド層４と、を備えている。

絶縁電線２は、信号用となる導線２ａを所定の誘電率を有する絶縁体２ｂで被覆してなる。

信号用の導線２ａとしては、銅などの電気良導体、または、これらの電気良導体にメッキ等を施した単線を用いる。なお、屈曲特性を重視する場合には、導線２ａとして撚線を用いてもよい。

絶縁体２ｂに用いる材料としては、誘電率、誘電正接の小さいものを用いることが望ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリエチレン等を用いるとよい。また、誘電率、誘電正接を小さくするため、絶縁体２ｂに発泡絶縁樹脂を用いてもよい。発泡絶縁樹脂を用いる場合は、成型前に発泡剤を練り込み、成型時の温度によって発泡度を制御する方法、窒素等のガスを成型圧力で注入しておき、圧力解放時に発泡させる方法等、公知の方法を用いて絶縁体２ｂを形成するとよい。

シールド層４に用いる金属箔付きテープ３としては、ポリエチレンテープ等のプラスチックテープ（プラスチックフィルム）３ａの一方の面に、銅、アルミ等の金属箔３ｂを接着、蒸着等により貼り合わせたものを用いる。

本実施の形態に係る差動信号用ケーブル１では、シールド層４は、金属箔付きテープ３を、金属箔３ｂが設けられた側の面が外側となるように長手方向に沿って折り曲げ、該折り曲げにより折り返された部分である折り返し部５の少なくとも一部が螺旋状の重なり部分に位置するように、一対の絶縁電線２の周囲に巻き付けて形成される。

本実施の形態では、折り返し部５が巻きの内側（絶縁体２側）となるように、すなわち、折り返し部５以外の金属箔付きテープ３では金属箔３ｂが巻きの外側に位置するように、金属箔付きテープ３を巻き付けた。ただし、これに限らず、折り返し部５の少なくとも一部が螺旋状の重なり部分に位置していれば、折り返し部５が巻きの外側となるように、金属箔付きテープ３を巻き付けてもよい。

このとき、金属箔付きテープ３を螺旋状に巻く際の重なり部分の幅（いわゆるラップ率）は、金属箔付きテープ３のテープ幅の１／４以上であることが望ましい。また、金属箔付きテープ３を折り曲げる幅、すなわち折り返し部５の幅は、金属箔付きテープ３のテープ幅の１／４以上であることが望ましい。

重なり部分の幅、および折り返し部５の幅を金属箔付きテープ３のテープ幅の１／４以上とするのは、重なり部分において巻きの内側（絶縁体２側）に位置する金属箔付きテープ３の金属箔３ｂと、巻きの外側（絶縁体２側）に位置する金属箔付きテープ３の折り返し部５の金属箔３ｂとを、十分に接触させるように強固に巻き付け固定するためである。

なお、重なり部分において、巻きの内側と外側の金属箔付きテープ３の折り返し部５が重なり合ってしまうと、シールド層４が厚くなり好ましくないので、重なり部分の幅は、金属箔付きテープ３のテープ幅から折り返し部５の幅を減じた長さ、すなわち折り返し部５が重なっていない部分の幅よりも小さいことが望ましい。本実施の形態では、重なり部分の幅及び折り返し部５の幅が最も大きくなるよう、重なり部分の幅及び折り返し部５の幅を、共に金属箔付きテープ３のテープ幅の１／３程度（実際には、金属箔付きテープ３の重なり部分での湾曲等を考慮して、テープ幅の１／３よりも若干小さい幅）としている。

シールド層４の外周には、図示していないが、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂を押出被覆して、ジャケット（外皮）を形成するとよい。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る差動信号用ケーブル１では、金属箔付きテープ３を、金属箔３ｂが設けられた側の面が外側となるように長手方向に沿って折り曲げ、その折り返し部５の少なくとも一部が螺旋状の重なり部分に位置するように、一対の絶縁電線２の周囲に巻き付けてシールド層４を形成している。

このように構成することで、折り返し部５の金属箔３ｂが、巻きの内側に位置する１ピッチ前の金属箔付きテープ３の金属箔３ｂと常に接触・導通している状態となり、信号の伝送に伴ってシールド層４に流れる電流は、図２に矢印２１で示すように、ケーブル長手方向に沿って流れ、電流の流れがプラスチックテープ３ａで制限されることが無くなる。

よって、差動信号用ケーブル１によれば、金属箔付きテープ３を螺旋状に巻く構造でありながら、金属箔付きテープ３を縦添えした場合と同様に、ケーブル長手方向に周期的な絶縁部分が存在しなくなり、サックアウトが生じなくなる。つまり、本発明によれば、１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いたとしても、周波数特性にて減衰量が急激に増加しない（つまり減衰量の小さい）差動信号用ケーブル１を実現でき、その結果、機器間、及び機器内の高速信号伝送が可能となり、これら電子機器の性能向上に寄与する。

さらに、差動信号用ケーブル１では、シールド層４が金属箔付きテープ３を螺旋状に巻く構造であるため、金属箔付きテープ３を縦添えした場合のように、屈曲しても金属箔付きテープ３が撓んだり、シワになったりすることが少なく、また、シールド層４の断裂も殆ど発生しない。つまり、本発明によれば、屈曲に対しても十分に耐えられ、かつ、安定的な生産が可能な差動信号用ケーブル１を実現できる。

本発明は上記実施の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で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、一対の絶縁電線２を並列配置し、その周囲に金属箔付きテープ３を巻き付けてシールド層４を形成する場合を説明したが、１対の絶縁電線２に代えて、並行配置された一対の導線の周囲を絶縁体で一括被覆した２心の絶縁電線を用いることも可能である。

また、上記実施の形態では言及しなかったが、必要に応じてドレイン線等を付け合せるようにしてもよい。

１ 差動信号用ケーブル
２ 絶縁電線
２ａ 導線
２ｂ 絶縁体
３ 金属箔付きテープ
３ａ プラスチックテープ
３ｂ 金属箔
４ シールド層
５ 折り返し部

Claims (4)

1. 並行配置された一対の導線と、
   該一対の導線を被覆する絶縁体の周囲に一括して金属箔付きテープを螺旋状に巻き付けて形成されるシールド層と、
   を備えた１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号用ケーブルにおいて、
   前記シールド層は、
   前記金属箔付きテープを、金属箔が設けられた側の面が外側となるように長手方向に沿って折り曲げ、該折り曲げにより折り返された部分である折り返し部の少なくとも一部が螺旋状の重なり部分に位置するように、前記一対の導線を被覆する前記絶縁体の周囲に巻き付けて形成され、
   前記絶縁体は、発泡絶縁樹脂である
   ことを特徴とする差動信号用ケーブル。
2. 前記重なり部分の幅が、前記金属箔付きテープのテープ幅の１／４以上である請求項１記載の差動信号用ケーブル。
3. 前記折り返し部の幅が、前記金属箔付きテープのテープ幅の１／４以上である請求項１または２記載の差動信号用ケーブル。
4. 前記絶縁体に用いる材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）である請求項１〜３のいずれか一項に記載の差動信号用ケーブル。