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JP4409538B2 - 低クロストークおよびインピーダンス制御された電気コネクタおよび電気ケーブル組立体 - Google Patents
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JP4409538B2 - 低クロストークおよびインピーダンス制御された電気コネクタおよび電気ケーブル組立体 - Google Patents

低クロストークおよびインピーダンス制御された電気コネクタおよび電気ケーブル組立体 Download PDF

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Description

本発明は、電気コネクタに関し、より詳細には電気的なクロストークおよびインピーダンスを制御する手段を備えた電気コネクタに関する。
相互連結密度が増大し、コンタクト間のピッチが0.025インチあるいは0.5mmに近づいているため、コンタクトが密に近接することによるコンタクト間を連結する電気的なクロストークが極めて発生し易い。更に、コンタクトの電気的特性インピーダンスを制御する構造を維持することが、困難となってきている。ほとんどの連結部では、互いに嵌合するプラグ/レセプタクルコンタクトが構造部の樹脂で囲まれ、コンタクトビームとの間に構造的な間隙を形成する空隙が設けられる。Fedderに対する米国特許第5,046,960号に開示されているように、これらの空隙は、嵌合したコンタクトの特性インピーダンスをある程度制御するために用いることができる。しかし、これまで、これらの空隙は樹脂材料の形状と共に、インピーダンス、および、より重要なクロストークを制御するために使用されていない。
本発明のコネクタでは、第1部材と第2部材とが設けられ、これらの部材のそれぞれは,金属性のコンタクト手段と絶縁ベース手段とを備える。各部材上で、金属性コンタクト手段が、絶縁ベース手段から垂直に延びる。2つの金属性コンタクト手段が結合して、本明細書中で「Iビーム」と称する成形形状部(shaped geometry)を形成する。Iビーム形状の背後の概念は、嵌合したコンタクト縁部の頂部および底部に接地する構造用絶縁体を通じた強力な絶縁ローディング(dielectric loading)、および、嵌合したコンタクトの側部の空気を通じた比較的軽いローディング(light loading)を用いることである。これらの互いに相違する絶縁ローディングは、制御されたインピーダンスを維持し、隣接するコンタクト間の連結(およびクロストーク)を最少とするようにバランスされる。このようにして、制御されたインピーダンス、および、1ナノ秒パーセントよりも小さな比較的低い立上がり時間−クロストーク発生量(rise time-cross talk product)を維持しつつ、連結部の全ての線路を信号に用いることができる。現存の0.05から0.025インチ(約1.27から0.64mm)ピッチの制御されたインピーダンス連結部の典型的な立上がり時間−クロストーク値は,2.5から4ナノ−秒パーセントの範囲である。
本発明のIビームは、電気ケーブル組立体にも有益に用いることができる。このような組立体では、制御用絶縁支持ウェブ部材が、対向したフランジ部材間に垂直に介挿される。フランジ部材のそれぞれは、ウェブ部材の末端部(terminal end)から離隔する方向に垂直に延びる。ウェブの対向する側の双方には、金属化されたされた信号線が設けられる。フランジの対向する端面は、金属化されて接地面を形成する。2あるいはそれ以上のこのようなケーブル組立体を、フランジが端部と端部とを当接され、かつ、導電部材の長手方向軸線が平行となるように、合わせて用いることができる。絶縁ジャケットを全組立体の回りに配置することもできる。
本発明のIビーム形状を有するコネクタおよびケーブル双方の組立体について、立上がり時間−クロストーク発生量は、1:1よりも大きい信号対接地に対する信号密度からは独立していると考えられる。
本発明について添付図面を参照して更に説明する。
理論的モデル
基本的なIビームの伝達ライン形状(transmission line geometry)を図1に示す。Iビームとしてのこの伝達ライン形状は、符号10で全体を示す信号導線の垂直配置によるもので、この信号導線は、誘電率εを有する2つの水平配置の絶縁体(dielectric)12,14、および、導線の頂部および底部の縁部に対称的に配置された接地面13,15の間に配置されている。導線の側部20,22は、誘電率ε0 を有する空気24に開放している。コネクタの用途では、導線は、端部対端部あるいは面対面で当接する2つの部分26,28から形成される。絶縁層12,14の厚さt1 ,t2 は、一次的に、伝達ラインの特性インピーダンス、および、絶縁体幅wd に対する全高hのアスペクト比を制御し、隣接するコンタクトに対する電気および磁界の透過(penetration)を制御する。AおよびBを越える連結(coupling)を最少とするアスペクト比は、図1に示すようにほぼ一致(unity)している。図1におけるライン30,32,34,36,38は、空気絶縁スペース中における電圧の等電位線である。等電位線を接地面の1に近接させ、境界部A,Bに向けてこれをたどると、双方の境界部A,Bは接地電位に極めて近いことが理解される。これは、双方の境界部A,Bで、仮想接地面を有し、2あるいはそれ以上のIビームモジュールが側方に並んで配置されると、これらのモジュール間に仮想接地面が存在し、モジュール間を連結する必要がないということを意味する。一般に、導電体の幅wc および絶縁体の厚さは、絶縁体幅あるいはモジュールピッチに比して小さくすることが必要である。
実際のコネクタ構造には機械的な制約が与えられており、信号導線(ブレード/ビームコンタクト)の幅および絶縁体の厚さが比例していることは、必然的に、好ましい比率から偏移することになり、隣接する信号導線間にある程度の最小連結が存在することになる。しかし、基本的なIビームのガイドラインを用いる構造は、従来のものよりも、クロストークがより少ない。図1aを参照すると、他の実施形態が示してあり、ここでは、符号12′,14′で示す絶縁体にそれぞれ接地面13′,15′が設けられている。この実施形態では、導線26′,28′がそれぞれ絶縁層12′,14′から延びているが、しかしこれらの導線26′,28′は、縁部対縁部ではなく、側部と側部とを当接させる。ピッチが0.025インチの実際の電気および機械的なIビーム構造の例では、8x8mil ビーム26″と8x8mil ブレード28″とを用い、嵌合したときに、8x16mil の信号コンタクトを形成し、これらのコンタクトの断面は図2に示してある。絶縁体の厚さtは、12mil である。この形状の等電位ラインが図3に示してあり、仮想接地部が隣接するコンタクトの領域にあり、隣接するコンタクト間に、ある程度の連結すなわちカップリングが形成されている。
図2を参照すると、Iビームの伝達形状が、理想的なものよりも少ない比率のマルチコンダクタシステムに適用して示してある。信号導線40,42,44,46,48は、2つの絶縁および水平接地面であるベース51上に装着された面50とベース53上に装着された面52との間に垂直に延び、これらの絶縁および接地面は誘電率εを有する
図3を参照すると、他のマルチコンダクタコネクタが記載されており、平行な導線66,68,70が設けられ、これらの導線は2つの絶縁および水平接地面であるベース73上に装着された面72とベース75上に装着された面74とのに垂直に延びる。導線の側部には、空隙76,78,80,82が設けられ、等電位のラインは符号84,86で示してある
電気コネクタ
特に図4から図12を参照すると、本発明によるコネクタの全体は、符号90で全体を示すプラグと、全体を符号92で示すレセプタクルとから形成されていることが明らかである。プラグは、金属性のプラグハウジング94を備えるのが好ましく、このプラグハウジングは幅狭の前部96と幅広の後部98とを有する。この前部は、頂部100と底部102とを有する。幅広の後部は頂部104と底部106とを有する。このプラグは、更に端面108,110を有する。前部および後部の双方の頂部に、長手方向溝112,114,116,118,119が設けられる。これらの溝内には、更に孔120,122,124,126,128が設けられる。同様に、前部および後部の双方の底部に、長手方向溝129が設けられ、これらの溝に、符号130で示す孔が設けられる。頂部にも、頂部横方向溝132が設けられ、底部には、同様に配置された底部横方向溝134が設けられる。プラグも後部スタンドオフ136,138を有する。特に図9を参照すると、プラグは絶縁部材140を有し、この絶縁部材は後部上方延長部142と後部下方延長部144と、更に、大延長部146と小延長部148とを有する。ハウジングは、更に、対向して下方に延びる突起150と上方に延びる突起152とを有し、これらの突起は、絶縁体をその所定位置に保持する作用を支援する。プラグの頂部の長手方向溝内に、頂部軸方向接地ばね154,156,158,160,162が設けられている。横方向溝内にも、頂部横方向接地ばね164が設けられている。この横方向接地ばねは、接地ばねファスナ166,168,170,172により、ハウジングに固定されている。長手方向接地ばねの後部末端部には、頂部接地コンタクト176,178,180,182,184が設けられている。同様に、プラグの底部の溝には、底部長手方向接地ばね186,188,190,192,194が設けられている。底部横方向溝内には、底部横方向接地ばね196が頂部横方向接地ばねと共に設けられており、このばねは、接地ばねファスナ198,200,202,204,206により、ハウジング内に固定されている。接地ばねの後部末端部には、底部接地コンタクト208,210,212,214,216が設けられている。プラグは、更に、全体を符号218で示す金属性コンタクト部を含み、このコンタクト部は、前部凹設部220と、中間コンタクト部222と、後部信号ピン224とを含む。隣接する信号ピンを符号226で示す。他の信号ピンも、例えば図7に符号228,230,232,234,236で示してある。これらのピンは符号238,240,242,244,246,248,250で示すような絶縁体内のスロットを貫通する。絶縁体は、ロック252,254,256,258により所定位置にロックされ、これらのロックは、金属性ハウジングから延びている。特に図9を再度参照すると、プラグは、前部プラグ開口260と、頂部および底部の内部プラグ壁262,264とを備えている。更に、図9から、符号266,268で示す接地ばねの湾曲部が長手方向溝内の孔を貫通して延びていることが明らかである。特に図10から図12を参照すると、レセプタクルは、金属製であるのが好ましいレセプタクルハウジング270を備え、このレセプタクルハウジングは、幅狭の前部272と幅広の後部274とを有する。前部は、頂部276と底部278とを有し、後部は、頂部280と底部282とを有する。レセプタクルは更に対向した端部284,286を有する。レセプタクルの頂部には、長手方向溝288,290,292が設けられている。同様に、底面にも、長手方向溝294,296,298が設けられている。頂面にも、孔300,302,304が設けられている。底面には、複数の孔306,308,310が設けられている。レセプタクルは、更に、後部スタンドオフ312,314を備えている。特に図12を参照すると、レセプタクルは全体を符号316で示す絶縁部材を有し、この絶縁部材は後部上方延長部318と、後部下方延長部320と、長い前部延長部322と、短い前部延長部324とを有する。絶縁体は、下方ハウジング突起326と上方内部ハウジング突起328とにより後部保持プレート330に沿って、所定位置に保持される。各孔内には、符号332で示す接地ばねが保持されており、この接地ばねは、頂部接地ポスト334に接続される。符号336,338で示す他の接地ポストも同様に配置されている。符号340で示す底部接地ばねは、接地ポスト342に接続され、他の接地ポスト344,346は、同様な接地ばねに近接して配置されている。特に図12を参照すると、レセプタクルは、更に、全体を符号348で示す金属性コンタクト部を有し、この金属コンタクト部は、前部凹部350と中間コンタクト部352と後部信号ピン354とを有する。隣接するピンを符号356で示す。これらのピンは、スロット358,360を通して後方に延びる。絶縁体は、更に、符号362,364で示す絶縁ロックにより、ハウジング内に保持されている。レセプタクルは、更に前部開口365と内部ハウジング面366とを有する。特に図13を参照すると、この斜視図は、金属性コンタクト部350をより詳細に示し、長手方向の突条367と溝368とが交互に配置され、これらの突条と溝とがレセプタクルの金属性コンタクト218上の同様な構造部と係合することを示す。
特に図14および図15を参照すると、プラグおよびレセプタクルをそれぞれ分離状態と係合状態とで示してある。プラグの絶縁体部の大きい前方延長部が、レセプタクルの絶縁体部の小さい前方延長部と、端部対端部の関係で当接することが明らかである。プラグの金属部上で、端子凹部(terminal recess)がレセプタクルの金属性部材を側部と側部とを当接させた関係で受入れることが明らかである。レセプタクルの金属コンタクトの端子凹部は、プラグの金属コンタクト部材を、側部と側部とを当接させた関係で受入れる。端子ハウジングの前端部は、プラグの内壁に当接する。プラグの接地ばねも、レセプタクルの好適な(approved)前側壁と当接しかつ電気的に接触する。プラグおよびレセプタクルハウジングが図15に示すように軸方向に係合したときに、プラグの金属性コンタクトとレセプタクルの金属性コンタクトとがそれぞれプラグ絶縁体部材とレセプタクル絶縁体部材とから軸方向内方に延び、互いに係合することが明らかである。更に、プラグおよびレセプタクルの絶縁体部材は、プラグおよびレセプタクルの金属性コンタクト部材からそれぞれ半径方向外方に延びることが明らかである。
図16を参照すると、本発明によるコネクタの他の実施形態は、全体を符号590で示すプラグと、全体を符号592で示すレセプタクルとを備える。このプラグは、プラグハウジング594を備える。更に、プラグ接地コンタクト596と、プラグ接地ばね598と、プラグ信号ピン600,602と、プラグコンタクト606と、絶縁インサート608とが設けられている。レセプタクルは、レセプタクルハウジング610と、レセプタクル接地コンタクト612と、レセプタクル接地ばね614と、レセプタクルコンタクト616とを備える。整合用フレーム618とレセプタクル信号ピン620,622とも設けられている。この配置は、上述のような同じIビーム形状を可能とする。
比較テスト
上述の第1実施形態にしたがって形成されたコネクタの0.05インチのピッチで形成されたモデル(scaled up model )に対して35p秒の立上がり時間で測定した近位端部(NEXT)および遠位端部(FEXT)のクロストークを、図17に示す。約7%であるNEXT波形の谷部は、コネクタのIビーム部に生じる近位端部クロストークである。構造的な制約からIビーム形状を維持できない部位で、コネクタのインプットおよびアウトプット部におけるクロストークから、先行および後行ピークが形成される。
他のコネクタシステムに対するコネクタの導線を介する遅れの2倍よりも大きな立上がり時間の範囲におけるクロストークパフォーマンスを、単位長さ当たりに配置される信号コンタクトの数である信号密度(信号/インチ)に対する、立上がり時間−クロストーク発生量(ナノ秒パーセント)の測定値をプロットすることにより、最もよく示してある。異なる信号密度は、コネクタにおける異なる信号対接地比(信号コンタクト数対接地コンタクト数の割合)の接続に対応する。図18には、0.05インチピッチモデルに形成したIビームコネクタの立上り時間−クロストーク発生量の測定値を、3つの信号対接地、すなわち1:1、2:1および全信号について示してある。このスケールアップされたモデルのクロストークは、0.025インチ構造の2倍であるため、0.025インチピッチで単一列構造のパフォーマンスは、2倍の密度、および、そのモデルのクロストークの半分であることが容易に推測される。2列構造については、密度はモデルの4倍、クロストークはこれも半分である。0.025インチピッチの1列および2列のコネクタの推測パフォーマンスが、更に、図18では、この図で特定されるような多数の従来のコネクタに対して示される。全信号に対する0.025インチピッチのIビームコネクタの立上がり時間クロストーク発生量は、0.75であり、対応した高い信号対接地比における他の連結の場合よりも極めて少ない。特に図18における0.05インチピッチのモデルの曲線を参照すると、立上がり時間クロストーク発生量は、信号対接地が1:1よりも大きいときに、信号密度から独立していることが見られる。
電気ケーブル組立体
図19および図20を参照すると、本発明のコネクタによる有益な利点は、ケーブル組立体においても得られることが明らかである。すなわち、絶縁体はIビーム形状に押出され、導電体がこのIビームのウェブおよび水平フランジ上に配置され、上述のような低クロストークを達成することができる。Iビーム状の絶縁押出し材を、符号369,370で示す。これらの押出し材のそれぞれは、ウェブ371を有し、このウェブは、その上下の縁部を、フランジ372,373間に垂直に配置して介挿される。これらのフランジは、内方に向く内面と、外方に向く外面とを有し、これらの面は、金属化された頂部接地面部374,376と、金属化された底部接地面部378,380とを有する。ウェブは、更に、その側部に導電層を有する。Iビーム状押出し材370は、垂直な信号線382,384を有し、Iビーム状押出し材374は、垂直な信号線386,388を有する。これらの垂直な信号線および接地面部は、例えば金属テープなどで金属化するのが好ましい。なお、各延長部の垂直な金属化された部分の対は、1の信号線を形成する。インピーダンスおよびクロストーク制御に関連するIビーム形状の特性は、概略的には、本発明のコネクタに関連して説明した上述のものと同じである。特に図20を参照すると、Iビーム状押出し材は、組立体としたときに各Iビーム部材との整合を維持するために、噛合い段部390,392を有する。図21を参照すると、Iビーム部材は全体を符号394,396,398で示してあり、上述のように金属化され(図示しない)、全体を符号400で示すフォイルおよび絶縁ジャケット内に包装することができる。Iビーム部材の正規の配列が直線状の列であるため、Iビームケーブル組立体は、プラグ止め可能な端部におけるフォイルの外側ジャケットを除去することを除き、固定具なしで直接レセプタクルに差込むことができる。レセプタクルは、コンタクトビームを有してもよく、これらのコンタクトビームは、接地および信号用の金属化部を形成するブレード部材と係合する。特に図22を参照すると、例えば、全体を符号402で示すレセプタクルが、それぞれIビーム部材408,410の垂直部に収容された信号コンタクト404,406有することが明らかである。図23を参照すると、レセプタクルも接地コンタクト412,414を有し、これらのコンタクトのそれぞれは、金属化された頂部接地面部416,418に接触する。上述のケーブル組立体については、立上り時間クロストーク発生量は、1:1よりも大きい信号対接地比に対して信号密度から独立していると考えられる。
ボールグリッドアレイコネクタ
ここに記載のIビーム形状における絶縁および導電部材の配置は、ボールグリッドアレイ形式の電気コネクタにも用いることができる。このようなコネクタに用いるためのプラグが、図24から図27に示してある。これらの図を参照すると、プラグは、その全体を符号420で示してある。このプラグは、絶縁ベース部422と、絶縁周部壁424と、符号426,428,430,432,434で示す金属性信号ピンとが、複数の列に配置され、ベース部から垂直に上方に延びる。長手方向に延びる金属性の接地あるいはパワー部材436,438,440,442,444,446が信号ピンの列間に配置され、ベース部から垂直に延びる。プラグは、更に、整合用および装着用ピン448,450を備える。その底部側で、プラグは、更に、符号452,454で示すはんだ付け用導電性タブの複数の列を有する。
図28から図31を参照すると、プラグ420と噛合うレセプタクルが、全体を符号456で示してある。このレセプタクルは、ベース部絶縁体458と、周部凹部460と、符号462,464,466,468,470で示す金属性ピン収容凹部の列とを備える。金属性接地あるいはパワー部材収容構造部472,474,476,478,480,482は、ピン収容凹部の列間に介挿される。その底部側で、レセプタクルは、更に、整合用および装着用ピン484,486を備える。
以上明らかなように、そのIビーム状形状により、低クロストークおよびインピーダンスに制限することができる電気コネクタについて説明してきた。
更に、この同じ形状により、低クロストークおよびインピーダンスに制限することができる電気ケーブルについても説明してきた。
本発明について、種々の図に示す好ましい実施形態との関連で説明してきたが、本発明から逸脱することなく、他の同様な実施形態も使用可能であり、本発明と同じ機能をなすために上述の実施形態に変更を加えることも可能である。したがって、本発明は、いずれかの単一の実施形態に制限されるものではなく、添付の請求の範囲にしたがう幅および範囲で解釈すべきものである。
本発明のコネクタの好ましい1の実施形態の概略図。 本発明によるコネクタの他の好ましい実施形態の概略図。 本発明によるコネクタの更に他の好ましい実施形態の概略図。 図2に示すコネクタの他の概略図。 本発明によるコネクタの他の好ましい実施形態の側部立面図。 図4に示すコネクタの端面図。 図4に示すコネクタの斜視図。 図4に示すレセプタクル部材の端面図。 図7に示すレセプタクルの底面図。 図7のIX−IX線に沿う断面図。 図4に示す本発明の好ましい実施形態のレセプタクル部材の端面図。 図10に示すレセプタクル部材の底面図。 図10のXII−XIIに沿う断面図。 図10に示すレセプタクルの斜視図。 図4に示すコネクタのプラグおよびレセプタクルを係合前の状態で示す断面図。 図4のXV−XV線に沿う断面図。 本発明によるコネクタの他の好ましい実施形態の図13に対応する断面図。 後述する比較テストの結果を示すグラフ図。 後述する比較テストの結果を示すグラフ図。 本発明によるケーブル組立体の好ましい実施形態の斜視図。 図17にXVIIIで示す円の領域の詳細図。 本発明によるケーブル組立体の他の好ましい実施形態の断面図。 レセプタクルと共に使用する図17に示すケーブル組立体の側部立面図。 図20のXXIII−XXIII線に沿う断面図。 本発明によるコネクタの他の好ましい実施形態のプラグ部の平面図。 図24に示すプラグ部の底面図。 図24に示すプラグ部の端面図。 図24に示すプラグ部の側部立面図。 図24に示す本発明の好ましい実施形態によるプラグ部と係合可能なレセプタクル部の平面図。 図28に示すレセプタクルの底面図。 図28に示すレセプタクルの端面図。 図28に示すレセプタクルの側部立面図。 非係合位置におけるプラグおよびレセプタクルを示す図24および図28のXXXII−XXXII線に沿う概略的な断面図。 係合した場合におけるプラグおよびレセプタクルを示す図24および図28のXXXIII−XXXIII線に沿う概略的な断面図である。
符号の説明
90,420,590…プラグ、92,456,592…レセプタクル、146,322,370…絶縁部材、220,352…コンタクト部、386,388…信号線、422…絶縁ベース部。

Claims (6)

  1. 絶縁ベース部(422)と、
    この絶縁ベース部(422)に装着された複数の金属性信号ピン(426)と、
    れら複数の金属性信号ピン(426)の一つ一つに取付けられたはんだボール(452)とを備え、
    前記複数の金属性信号ピン(426)のそれぞれは、噛合い端部(434)とこの噛合い端部(434)の反対側の装着用端部とを有し、前記複数の金属性信号ピン(426)の噛合い端部(434)は、前記絶縁ベース部から上方に延び、前記複数の金属性信号ピン(426)の装着用端部のそれぞれは、前記絶縁ベース部の外面に形成された凹部内に配置される自由端部を有し、前記はんだボール(452)は、基板に対してこの電気コネクタを取付ける前に、前記金属性信号ピン(426)のそれぞれの前記自由端部に近接して配置されることを特徴とする電気コネクタ。
  2. 前記複数の金属性信号ピン(426)のそれぞれの装着用端部は、前記複数の金属性信号ピン(426)の対応する前記噛合い端部(434)に対して所定角度に屈曲する請求項1に記載の電気コネクタ。
  3. 前記はんだボール(452)は、前記絶縁ベース部(422)から離隔されている請求項1に記載の電気コネクタ。
  4. 前記はんだボール(452)は、前記絶縁ベース部(422)を超えて延びる請求項1に記載の電気コネクタ。
  5. 前記複数の金属性信号ピン(426)のそれぞれの前記自由端部は、前記絶縁ベース部(422)から離隔されている請求項1に記載の電気コネクタ。
  6. 前記複数の金属性信号ピン(426)のそれぞれの前記装着用端部は、前記自由端部を規定するタブである請求項1に記載の電気コネクタ。
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