JP6461981B2

JP6461981B2 - インピーダンス整合デバイス

Info

Publication number: JP6461981B2
Application number: JP2016547577A
Authority: JP
Inventors: ラインハルト・フェルゲンハウアー; ミヒャエル・ルクス
Original assignee: デルフィ・テクノロジーズ・インコーポレイテッド
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: KR102315155B1; US9928941B2; EP2897217A1; CN106663855A; KR20160108353A; EP3097601B1; EP3097601A1; WO2015110469A1; JP2017505577A; US20160329126A1; CN106663855B

Description

本発明は電気接続ラインに関し、具体的には高速でのデータの伝送のための電気接続ラインに関するものである。本発明は、車両においてデータを伝送するのに特に適している。

セキュリティ技術およびマルチメディアアプリケーションを実装する現代の車両の設計では、設計技術者は、元来コンピュータ技術においてのみ知られていた問題に新たに直面している。接続ラインのデータ転送速度が急速に高まっており、それによって車両の電気接続ラインおよび接続システムに関する要件が増大する。今日の100Mbit/sの伝送速度および将来のはるかに高い伝送速度では、高周波の影響が、いっそう増大する役割を果たす。今日、伝送路は、一連のコネクタとケーブルばかりではないので、回線セットの設計において全体の伝送路を考慮に入れる必要がある。たとえばブロードリーチなどの伝送システムは、関連する伝送チャネルに対する特定の要件を有する。とりわけ、これらの要件は、システムに関連する帯域幅の範囲内の最大の許容される反射である。伝送路の反射性能は、関連する周波数範囲における反射減衰によって特徴付けられる。アナログのやり方では、経路上の波長の変化が反射の原因であるので、伝送路に沿ったインピーダンスの変化によって時間領域における特性評価(characterization)が可能である。インピーダンスの変化は、時間領域反射率計(TDR)を使用して測定される。この場合、ステップ関数によって励起されたときの反射信号が記録され、そこからインピーダンスの時間変動Z(t)が求められる。したがって、式S=co/√(εeff)*t/2もインピーダンスの局所変化Z(s)を与える。

伝送路の品質にとって重要なのは、システムに関連する帯域幅内の反射信号の周波数成分だけである。TDRを用いて、結果Z(t)が適宜フィルタリングされるか、または、刺激するステップ関数が、その立ち上がり時間において制限される。ブロードリーチ規格では、規定された立ち上がり時間はtr=700ピコ秒である。局所変化については、帯域幅限界が、低減された空間分解能として作用する。結果は、結局、システムに関連するインピーダンスの変化である。

最適インピーダンスに関して、標準的なコネクタシステムは、一般に、構成要素の形状寸法および材質性状によって変えることができない、高すぎる、システムに関連する値を有する。具体的には、たとえば回路基板からコネクタまで、またはコネクタから電線路までの信号のキャリア媒介物が変わる領域が、主要問題の原因となる。今日の技術では、互いにねじられた2つの電線(撚線対)を有するデータ伝送用のラインが主に使用されている。これらのラインは、ラインの電線が互いに接近している限り、優れた伝送特性を有する。電線をコネクタに接続するとき、電線が必然的に互いから切り離されると、ラインの伝送特性が著しく変化する。ラインに接続されるコネクタ内の導電要素は、通常、電線のルートに対する形状寸法において一致しない。コネクタの設計は、大部分はスペースおよびコストによって規定される構成の範囲内にある。高いデータ転送速度の要件に適合する入手可能なコネクタシステムは、通常は高価で柔軟性がない。したがって、コネクタとケーブルの間の適応における障害は、完全には回避され得ない。

本発明は、既存のコネクタシステムに対して容易にカスタマイズされ得るケーブルとコネクタのシステムを通じて、高いデータ転送速度および少ない干渉でデータを伝送するための接続ラインを提供するという目的に基づくものである。

この目的は、請求項1に記載の接続ラインによって解決される。整合インピーダンスを有する接続ラインには、絶縁体によって互いに分離され、接点要素に対して接続可能な少なくとも2つの導体を有するケーブルが含まれる。接続ラインは、その端部内に補償領域を含む。補償領域内における導体の互いからの距離が、補償領域の外部における距離よりも小さく、それによって接続ラインのインピーダンスが補償領域において低下する。

クランプ手段は補償領域において接続ラインと係合し、導体の互いからの距離を縮小するように導体を相互に押す。

中間層は、接続ラインとクランプ手段の間に少なくとも部分的に延在する。

中間層はクランプ手段よりも高い誘電率を有する。

接続ラインの導体の各々が周囲の絶縁体を含み、絶縁体は少なくとも補償領域において溶接される。

端部は70mm未満である。

補償領域の長さおよび導体の互いからの距離は、所定のインピーダンス値を超過しないように選択される。

接続ラインを製造する方法は、接続ラインの端部内の補償領域において互いに絶縁されている少なくとも2つの導体を有するケーブルを用意するステップと、次いで、補償領域内で導体の互いからの距離を縮小するステップと、次いで、補償領域内で導体の互いからの距離を固定するステップとを含む。

導体の互いからの距離を縮小する方法ステップと、導体の互いからの距離を固定する方法ステップとは、クランプ手段を使用してクランプすることによって実施される。

導体の互いからの距離を縮小する方法ステップと、導体の互いからの距離を固定する方法ステップとは、絶縁体が溶接されるように、補償領域へ熱エネルギーを導入することによって実施される。

導体の互いからの距離を縮小する方法ステップは、補償領域へ熱エネルギーを導入するステップを含む。

整合インピーダンスを有する接続ラインには、絶縁体によって互いに分離され、接点要素に対して接続可能な少なくとも2つの導体を有するケーブルが含まれる。接続ラインは、その端部内に補償領域を含み、補償領域内に導電材料を有するカバーを含み、それによって、補償領域内で、より低いインピーダンスを有する。

補償領域内の接続ラインは、金属材料または金属含有材料でコーティングされている。

補償領域内の接続ラインは、導電性のプラスチック材料または被覆材でコーティングされている。

補償領域内の接続ラインは、グラファイトおよび/またはカーボンを含む被覆材でコーティングされている。

以下では、本発明が、添付図を例としてのみ参照しながら、有利な実施形態によって説明される。

先行技術による接続構成を示す概略図である。クランプ要素を取り付けられた図1の構造体を示す図である。接続ラインの一部分を示す図である。接続ラインの、軸A1に沿って長手軸Yを横切る断面図である。クランプ要素を取り付けられた接続ラインの一部分を示す図である。クランプ要素を有する接続ラインの、軸A1に沿って長手軸Yを横切る断面図である。中間層を有するクランプ要素を示す図である。溶接された絶縁体を有する2つの電線を示す図である。接続ラインに沿ったインピーダンスの曲線を示す図である。

図1は、先行技術による接続構成を概略的に示すものである。接続ライン1は、コネクタ20によってソケット30(ヘッダ)と接続されている。ソケット30はプリント回路基板40に取り付けられている。電線3、4の導体11、13が、ソケット接触子23、24に対して電気的に接続されている。ソケット接触子23、24が、プリント回路基板40の導電トレース42に対して電気的に接続されている。接続ライン1の長手軸Yに沿ったインピーダンスZの変化W1と、ソケット30のプリント回路基板40上の導電トレース42への、ソケット接触子23、24の接続点に対する接続20、30のインピーダンスZの変化とが、図7において概略的に示されている。見られるように、ハンドオーバポイントB1への領域L2に沿ったインピーダンスZには、著しい変化はない。ハンドオーバポイントB1とハンドオーバポイントB2の間の干渉領域L3では、インピーダンスZが著しく変化している。ソケット30内で、ソケット接触子23、24は、互いから、接続ライン1における距離よりもより大きい距離にある。この状況が、前記干渉領域L3におけるインピーダンスZの変化の原因となる。プリント回路基板40上の導電トレース42は、インピーダンスが、領域L2における接続ライン1のインピーダンスに実質的に相当するように形成され得る。

図2には図1に示されたものと同一の構造体が示されているが、ハンドオーバポイントB1の近くで接続ライン1に取り付けられたクランプ手段5を備える。この実施形態では、クランプ手段5は金属スリーブとして実施されている。クランプ手段5は、接続ライン1の端部L2に取り付けられている。端部L2の長さは、伝送すべき信号の周波数に主として依拠するものである。クランプ手段5は、接続ライン1の領域L1を取り囲む。領域L1の長さは、回線コネクタ組合せの構造に適合されている。クランプ手段5は、電線3、4をしっかりと一緒に保持し、さらには電線3、4に対して圧力をかけるように、電線3、4のまわりに配置されている。

図3aおよび図3bは、端部L2を含む接続ライン1の領域を示す。図3aは、長手軸Yに沿って平行に延在する電線3、4を示す。断面の軸A1が端部L2に示されている。図3Bは、接続ライン1の軸A1に沿った断面図を示す。この断面図において、2つの電線3、4が互いに隣接しており、その結果、導体11の中央点と導体13の中央点の距離D1が、ほぼ接続ライン1の電線3、4の直径に相当することが理解され得る。

図4aおよび図4bも、端部L2を含む接続ライン1の領域を示す。この図では、クランプ手段5は接続ライン1の端部に取り付けられている。断面の軸A1が、クランプ手段5および補償領域L1を通る端部L2に示されている。図4Bは、接続ラインの軸A1に沿った断面図である。この断面図では、2つの導体11、13が、ここで互いに接近していることが理解され得る。そこで、電線3の中央点と電線4の中央点の間の距離D2は距離D1よりも小さい。電線3、4の絶縁体10、12が補償領域L1において変形しており、その結果、導体11と13が互いに接近している。

図5は、既に図4bに示された補償領域L1の断面図を示す。しかしながら、ここでは、クランプ手段5と接続ライン1の間に中間層6が配置されている。圧することによってクランプ手段5が変形されるとき、中間層6が変形され得る。クランプ手段5と絶縁体10、12の間のスペースが、変形した中間層6によって充填され得る。作動されたとき、クランプ手段5が導体11、13の絶縁体10、12上を間接的に圧し、その結果、中間層が変形する場合のみ、導体が互いに対して押しつけられる。中間層6用に高誘電率を有する材料が選択されると、これはインピーダンスに対して有益な効果がある。中間層6がインピーダンスZをさらに低下させる。これによって、所望のインピーダンス値を達成するために導体11と13を互いに接近させる必要性が緩和される。中間層向けの有益な特性を有する材料は、たとえばゴムまたはシリコーンである。基本的に、任意のエラストマが使用され得る。

図6は、図4bおよび図5に既に示された、断面の軸A1に沿った補償領域L1の断面図を示す。この実施形態では、補償領域L1にクランプ手段がない。補償効果は、電線3、4の絶縁体10、12を溶接することによって達成される。電線3、4の絶縁体10、12の一方または両方が融解され、次いで互いに押しつけられて、所定の導体距離D2を達成する。融解された絶縁体10、12は、導体11と13が互いにより接近して配置されるように、電線3と4の間のスペース14から部分的に押し出される。絶縁体10、12が凝固した後に、電線3、4の絶縁体10、12が部分的に溶接されて導体11、13の位置が互いに対して固定される。

図7は、接続ライン1の端部L2に沿って回路基板の導電トレース42までのインピーダンスの曲線W1、W2を示す図である。曲線W1は、補償のないインピーダンスZを示す。コネクタ領域L3におけるインピーダンスZは、一般的には100Ωである回線インピーダンスZLよりも明らかに高い。具体的には、領域L3におけるインピーダンスZMのピーク値が、データの伝送中に干渉をもたらす可能性がある。曲線W2は、補償のあるインピーダンスの曲線を示す。インピーダンスZは、回線インピーダンスZLの値のまわりで変動するが、補償のないインピーダンスのピーク値ZMには到達しない。

本発明は、2線の接続ラインと回路基板とが互いに接続されるときインピーダンス変化がもたらされるという観察に基づくものである。コネクタ接続の領域では、導体は接続ラインにあるときよりもさらに離れている。その結果、インピーダンスが増加し、高データ転送速度のデータ伝送に対して悪影響がある。この悪影響は、本発明によってプラス効果を与えられ得る。このプラス効果を達成するために、接続ラインの端部において低インピーダンスを有する補償領域が生成される。これは、たとえば、接続ラインの導体を、金属または他の導電材料ならびに高誘電率の材料で囲むことによって達成され得る。導体の互いに対する距離を縮小することも、同様に前記領域内のインピーダンスを低減する。インピーダンスを低減された前記補償領域とインピーダンスを増加されたコネクタシステムとが、システムに関連した立ち上がり時間の領域内にあると、前記補償領域が、フィルタリングの効果によってコネクタシステムに対する補償の働きをし、すなわち、補償領域は、コネクタの超過インピーダンスを少なくとも部分的に補償するように適合される。したがって、ブロードリーチでは、700ピコ秒が(一般的な絶縁材のε_{r_eff}=2.5の状況で)約66mmに相当する。より高い周波数では、端部がより小さくなる。補償領域の幅およびインピーダンスは、補償領域とコネクタが一緒になって、最適値(ブロードリーチでは100Ω)から始まる電波インピーダンス曲線の累積偏差をフィルタリングの前に最小化するように設定される(be dimensioned)べきである。補償領域を付加することの副作用として、高周波領域において付加的な反射が生成される。しかしながら、これらはシステム関連する領域におけるものではなく、したがって容認することができる。

補償のために、電線のまわりに金属リングが配置されてよく、または接続ラインに金属ストリップが巻きつけられてもよい。効果に関して層の厚さはあまり重要ではないので、金属粒子、導電性のプラスチックまたは被覆材を塗布することによって導電層を設けることも考えられる。被覆材で覆われた領域のサイズによって、接続ラインに沿ったインピーダンス曲線が設定され得る。

その代わりに、またはそれに加えて、導体を接近させることによって補償領域を生成するべきであり、補償領域内の導体は、所望のインピーダンスを達成するように互いに接近して配置されなければならない。導体の、互いにより接近した位置決めは、様々なやり方で実施され得る。たとえば、補償領域において圧接技術によって取り付けられ、したがって導体を互いに対して押しつける、スリーブの形をしているクランプ手段が使用されてよい。クランプ手段が2つの部品で用意され、2つの部品がともに補償領域を含み、互いにねじで留めることによって中間の導体を押しつけることも考えられる。この作業を実施することができる当技術分野において、無数のクランプ手段が知られている。クランプ手段が金属から成る場合、この効果がさらに強化され、非導電性材料のクランプ手段を用いるときのように導体を互いに接近させて配置する必要がない。

導体を互いにより接近させて配置して一緒に保持する別のやり方に、導体の絶縁体が互いに対して隣接している領域内で導体の絶縁体を加熱するものがある。この領域は絶縁体が融解するまで加熱され、その後、この融解領域が融合するように2つの導体の絶縁体を圧縮する。その後、融解された絶縁材が凝固して導体の絶縁体が互いに溶接されるまで、絶縁体をこの位置に保つ必要がある。融解された絶縁体を圧縮するとき、導体の互いに対する距離が決定され、冷却後に固定される。絶縁体を加熱すると変形させるのが容易になり、そのため、絶縁体を融解することなく単に変形させるべきであるプロセスにおいてさえ、熱エネルギーが有利に加えられ得る。補償領域を製作するためのプロセスのパラメータは、プラント向けに一度だけ求めればよく、その結果、接続ラインの大量生産が可能になる。

1 接続ライン
3 電線
4 電線
5 クランプ手段
6 中間層
10 絶縁体
11 導体
12 絶縁体
13 導体
14 スペース
20 コネクタ
23 ソケット接触子
24 ソケット接触子
30 ソケット
40 プリント回路基板
42 導電トレース
B1 ハンドオーバポイント
B2 ハンドオーバポイント
L1 補償領域
L2 端部
L3 干渉領域

Claims

絶縁体(10、12)によって互いに分離され、接点要素に対して接続可能な少なくとも2つの導体(11、13)を有するケーブルを含む、整合インピーダンスを有する接続ライン(1)であって、
前記接続ライン(1)が、その端部(L2)内に補償領域(L1)を含み、
前記補償領域(L1)内における前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)が、前記補償領域(L1)の外部における距離よりも小さく、
前記距離が小さいほど、前記接続ライン(1)のインピーダンス(Z)が前記補償領域(L1)において低下することになる、接続ライン(1)。
クランプ手段(5)が、前記補償領域(L1)において前記接続ライン(1)と係合し、前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を縮小するように前記接続ライン(1)を互いに押しつけることを特徴とする請求項1に記載の接続ライン(1)。
中間層(6)が前記接続ライン(1)と前記クランプ手段(5)の間に少なくとも部分的に延在することを特徴とする請求項1または2に記載の接続ライン(1)。
前記中間層(6)が前記クランプ手段(5)よりも高い誘電率を有することを特徴とする請求項3に記載の接続ライン(1)。
前記接続ライン(1)の前記導体(11、13)がそれぞれ周囲の絶縁体(10、12)を含み、
前記絶縁体(10、12)が少なくとも前記補償領域(L1)において溶接されることを特徴とする請求項1に記載の接続ライン(1)。
前記端部(L2)が70mm未満であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の接続ライン(1)。
前記補償領域(L1)の長さおよび前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)が、所定のインピーダンス値を超過しないように選択されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の接続ライン(1)。
請求項1に記載の接続ライン(1)を製造する方法であって、前記接続ライン(1)の端部(L2)内の補償領域(L1)において、互いに絶縁された少なくとも2つの導体(11、13)を有するケーブルを用意するステップと、前記補償領域(L1)内で、前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を縮小するステップと、前記補償領域(L1)内で、前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を固定するステップとを含む方法。
前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を縮小する方法ステップと、前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を固定する方法ステップとが、クランプ手段(5)を使用してクランプすることによって実施される、請求項8に記載の、接続ライン(1)を製造する方法。
前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を縮小する方法ステップと、前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を固定する方法ステップとが、前記絶縁体(10、12)が溶接されるように前記補償領域(L1)に熱エネルギーを導入することによって実施されることを特徴とする、請求項8に記載の、接続ライン(1)を製造する方法。
前記導体(11、13)の互いからの距離(D1、D2)を縮小する方法ステップが、前記補償領域(L1)に熱エネルギーを導入するステップを含むことを特徴とする、請求項8または9に記載の、接続ライン(1)を製造する方法。
絶縁体(10、12)によって互いに分離され、接点要素に対して接続可能な少なくとも2つの導体(11、13)を有するケーブルを含む、整合インピーダンスを有する接続ライン(1)であって、
前記接続ライン(1)が、その端部(L2)内に補償領域(L1)を含み、
前記補償領域(L1)内に、導電材料を有するカバーを含み、
前記カバーがより高い誘電率の材料であるほど、前記接続ライン(1)のインピーダンス(Z)が前記補償領域(L1)において低下することになる、接続ライン(1)。
前記補償領域内の前記接続ライン(1)が、金属材料または金属含有材料でコーティングされていることを特徴とする請求項12に記載の接続ライン(1)。
前記補償領域内の前記接続ライン(1)が、導電性のプラスチック材料または被覆材でコーティングされていることを特徴とする請求項12に記載の接続ライン(1)。
前記補償領域内の前記接続ライン(1)が、グラファイトおよび/またはカーボンを含む被覆材でコーティングされていることを特徴とする請求項12または13に記載の接続ライン(1)。