JP7327265B2 - 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。

差動信号を伝送する差動信号伝送用ケーブルとして、一対の導体と、一対の導体を被覆している絶縁体と、絶縁体の周囲を覆うように設けられたシールド層と、を備えたものが知られている。高速信号伝送用の差動信号伝送用ケーブルとしては、絶縁体の周囲に金属テープを縦添え巻きしてシールド層を構成した差動信号伝送用ケーブルが一般に用いられている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

特開２０１７－１６２５６５号公報

近年、機器間だけでなく、機器内の信号伝送にも差動信号伝送用ケーブルを用いたいという要求が出てきている。機器内の配線として用いる場合、高密度に実装可能であることが求められる。差動信号伝送用ケーブルを高密度に実装するためには、差動信号伝送用ケーブルを狭ピッチでハンダ付けする必要があり、高い耐熱性が要求される。例えば、差動信号伝送用ケーブルの絶縁体として、比較的融点の低いＰＥ（ポリエチレン）等の樹脂を用いた場合、ハンダ付けの際の熱により絶縁体が変形し、伝送特性が劣化してしまうという問題が発生する。

この問題を解決するため、比較的融点が高いフッ素系樹脂を絶縁体に使用することが考えられる。しかし、フッ素樹脂からなる絶縁体を押出成形する際に、押出速度を上げると、絶縁体表面にメルトフラクチャと呼ばれる表面荒れが発生してしまう。メルトフラクチャが発生した絶縁体の周囲に、金属テープを縦添え巻きしてシールド層を形成すると、絶縁体表面とシールド層との間に空隙が生じてしまい、モード変換量（Ｓｃｄ２１、差動モードから同相モードへの変換量）が大きくなり、伝送特性が劣化してしまう。メルトフラクチャの発生を抑制するために、絶縁体の押出速度を抑えることも考えられるが、この場合、生産性が低下しコストが高くなってしまう。

そこで、本発明は、モード変換量が小さく、高密度実装が可能な耐熱性を有し、かつ生産性が高い差動信号伝送用ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、一対の導体と、前記一対の導体を被覆している絶縁体と、前記絶縁体の周囲を覆うように設けられたシールド層と、を備え、前記絶縁体が、フッ素樹脂からなり、前記絶縁体の表面粗さＲａが１．９μｍ以上であり、前記シールド層は、樹脂テープの一方の面に金属層を設けた金属テープを、前記絶縁体の周囲に螺旋状に巻き付けて構成されている、差動信号伝送用ケーブルを提供する。

本発明によれば、モード変換量が小さく、高密度実装が可能な耐熱性を有し、かつ生産性が高い差動信号伝送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伝送用ケーブルを示す図であり、（ａ）は長手方向に垂直な断面を示す断面図及びその拡大図、（ｂ）は斜視図である。 絶縁体の押出成形時の線速と絶縁体の表面粗さとの関係を示すグラフ図である。 金属テープの断面図である。 図１の差動信号伝送用ケーブルを用いた多対ケーブルの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。

［実施の形態］
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伝送用ケーブルを示す図であり、（ａ）は長手方向に垂直な断面を示す断面図及びその拡大図、（ｂ）は斜視図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、差動信号伝送用ケーブル１は、一対の導体２と、一対の導体２を被覆している絶縁体３と、絶縁体３の周囲を覆うように設けられたシールド層４と、シールド層４の周囲に巻き付けられた押さえ巻きテープ５と、を備えている。

一対の導体２は、銅等からなる導体線であり、差動信号を伝送する。一対の導体２は、長手方向に垂直な断面形状が円形状となるようにそれぞれ形成されており、導体２間の距離が一定となるように平行に設けられている。本実施の形態では、外径１６５μｍの銀メッキ軟銅線からなる導体２を用いた。また、一対の導体２の配置ピッチ（導体２の中心同士の距離）を３５５μｍとした。

本実施の形態では、絶縁体３は、一対の導体２を一括して被覆するように構成されている。すなわち、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１は、二芯一括被覆構造となっている。

絶縁体３は、断面視で楕円形状、または長円形状（長さの等しい平行な２本の直線と両直線の端部同士を接続する半円状の円弧とからなる形状、角丸長方形状）に形成され、その長軸方向が導体２の配列方向と一致し、かつ、その長軸方向及び短軸方向の中心が、導体２の中心同士を接続する線分の中心点と一致するように形成されている。ここでは、絶縁体３を、長径１１９４μｍ、短径６１４μｍの楕円形状に形成した。

本実施の形態では、絶縁体３として、融点が高く耐熱性が高いフッ素樹脂からなるものを用いる。これにより、ハンダ付け等による実装時の熱によって絶縁体３の変形を抑制することが可能になり、差動信号伝送用ケーブル１を機器内配線として用いる場合に、高密度実装に耐える耐熱性を付与することが可能になる。

ここでは、絶縁体３として、誘電正接が小さく、ＧＨｚ帯での伝送損失が小さいＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロペンコポリマー）からなるものを用いた。ただし、これに限らず、絶縁体３に用いるフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフロロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロジオキソールコポリマー（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン－クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等を用いることができる。

絶縁体３は、一対の導体２を一括して覆うように、押出成形により形成される。生産性を高めコストを抑えるために、絶縁体３を押出成形する際の線速（押出速度）は、できるだけ速くすることが求められる。特に、絶縁体３としてＦＥＰを用いる場合、ＦＥＰは腐食性材料であるため、押出成形時の線速を例えば２ｍ／ｍｉｎ未満と遅くした場合には、製造コストが大きくなり、差動信号伝送用ケーブル１を低コストで製造することは困難となる。しかし、フッ素樹脂からなる絶縁体３を高速で押出成形すると、絶縁体３の表面には、メルトフラクチャと呼ばれる表面荒れ（微小な凹凸、図１（ａ）中の拡大図参照）が発生してしまう。この微小な凹凸の影響により、絶縁体３の表面とシールド層６の内面との間に空隙３ａが生じ、当該空隙３ａの影響により、差動から同相へのモード変換が発生しやすくなってしまう。

本発明者らは、押出成形時の線速と、絶縁体３の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）との関係を実験により確認した。実験では、押出成形時の線速を１．５ｍ／ｍｉｎ、２．０ｍ／ｍｉｎ、３．６ｍ／ｍｉｎ、７．５ｍ／ｍｉｎ、及び１５ｍ／ｍｉｎとして、各線速で作製した試料の表面粗さＲａを３箇所で測定し、表面粗さＲａの平均値を求めた。導体２としては３４ＡＷＧの銀メッキ軟銅線を用い、絶縁体３としては、ＦＥＰからなるものを用いた。絶縁体３の押出寸法は、長径１．２４３ｍｍ、短径０．６３７ｍｍとした。表面粗さＲａの測定は、レーザ顕微鏡（Keyence VK-8500）にて、絶縁体３の長径方向における中央を測定することとし、長手方向の異なる位置で３箇所測定を行った。１箇所の測定長は２６０μｍとし、測定箇所の間隔は１ｍｍとした。結果を表１及び図２に示す。

表１及び図２に示すように、押出成形時の線速を早くするほど、絶縁体３の表面粗さＲａは大きくなる。本実施の形態では、生産性を高めコストを抑えるために、２．０ｍ／ｍｉｎ以上の高速で押出成形を行うようにした。そのため、絶縁体３の表面粗さＲａは１．９μｍ以上となってしまう。そのため、絶縁体３の表面とシールド層６の内面との間に空隙３ａが生じることは避けられず、当該空隙３ａの影響により、差動から同相へのモード変換が発生しやすい状態となっている。

詳細は後述するが、このモード変換の影響を抑制するために、本実施の形態では、シールド層４を横巻きタイプとして同相損失を意図的に増大させることで、モード変換量（Ｓｃｄ２１）を抑制している。なお、押出成形時の線速を速くし過ぎて表面粗さＲａが大きくなりすぎると、絶縁体３の周囲へのシールド層４の巻き付けが難しくなるため、絶縁体３の表面粗さＲａは３０．０μｍ以下とするとよい。なお、絶縁体３の周囲にシールド層４（金属テープ４１）を巻き付ける際には、導体２を被覆した絶縁体３を、絶縁体３の外形に沿った中空部を有する筒状の軸合わせ部材を通すことで中心軸の軸合わせをした後に、絶縁体３の周囲にシールド層４（金属テープ４１）を巻き付けている。ここで、軸合わせ部材の中空部の大きさは、絶縁体３の表面粗さＲａを考慮して大きめにする必要があるため、絶縁体３の表面粗さＲａが大きくなりすぎる（３０．０μｍより大きくなる）と、導体２を被覆した絶縁体３の軸がぶれやすくなり、絶縁体３の周囲へのシールド層４（金属テープ４１）の巻き付けが困難となってしまう。

シールド層４は、絶縁体３の周囲に金属テープ４１を螺旋状に巻き付けて構成されている。図３に示すように、金属テープ４１は、樹脂テープ４１ａの一方の面に金属層４１ｂを設けて構成されている。本実施の形態では、厚さ４μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる樹脂テープ４１ａの一方の面に、厚さ８μｍの銅からなる金属層４１ｂを設けた銅ＰＥＴテープを金属テープ４１として用いた。金属テープ４１の幅は３．５ｍｍとした。シールド層４は、金属層４１ｂが内側（絶縁体３側）となるように、絶縁体３の周囲に螺旋状に巻き付けられる。また、シールド層４は、その幅方向の一部が重なり合うように重ね巻きされる。

このように、本実施の形態では、シールド層４は、絶縁体３の周囲に金属テープ４１を螺旋状に巻き付けた所謂横巻きタイプのシールド方式となっている。シールド層４を横巻きタイプのシールド方式とすることで、例えば特許文献１等に記載されるように、同相損失を大きくして同相成分の信号を大きく減衰させることが可能になる。その結果、終端に到達する同相成分の信号を小さくして、モード変換量（Ｓｃｄ２１）を小さくすることが可能になる。また、シールド層４を横巻タイプのシールド方式とすることで、金属テープ４１を縦添え巻きした縦添え巻きタイプのシールド方式のシールド層を用いた場合と比較して、金属テープ１と絶縁体３との密着性を高めて空隙３ａを小さくすることも可能になる。つまり、シールド層４を横巻タイプのシールド方式とすることで、絶縁体３とシールド層４間の空隙３ａ自体を小さくでき、かつ、空隙３ａが存在する場合であっても、同相成分を減衰させてモード変換量を小さくすることが可能になる。

なお、縦添え巻きタイプのシールド方式のシールド層を用いた場合、同相損失が小さいために同相成分の信号が減衰されず、モード変換量（Ｓｃｄ２１）は大きくなってしまう。また、差動損失については、シールド層４を横巻タイプとした場合と、縦添え巻きタイプとした場合の両タイプでほぼ同等となる。

ところで、シールド層４を横巻きタイプのシールド方式とした場合、特定の周波数領域で、差動信号が大きく減衰してしまうサックアウトと呼称される現象が発生する。そのため、伝送する差動信号がサックアウトの影響を受けないように、差動信号が大きく減衰する周波数であるサックアウト周波数を調整する必要がある。

サックアウト周波数Ｆｓ（ＧＨｚ）は、シールド層４を構成する金属テープ４１の巻きピッチＰ（ｍｍ）に反比例することを実験により見出しており、下式
Ｆｓ＝７２／Ｐ
の経験式で表される。よって、伝送する差動信号の帯域をＦ（ＧＨｚ）としたとき、シールド層４における金属テープ４１の巻きピッチＰ（ｍｍ）を、７２／Ｆ未満とすることで、サックアウト周波数Ｆｓを伝送する差動信号の帯域Ｆよりも大きくし、サックアウトの影響を抑制することが可能になる。なお、差動信号の帯域Ｆとサックアウト周波数Ｆｓとが近いと、伝送損失が大きくなるおそれがあるため、サックアウト周波数Ｆｓをできるだけ大きく調整し、差動信号の帯域Ｆから離すとよい。本実施の形態では、２５Ｇｂｉｔでの伝送を想定し、金属テープ４１の巻きピッチＰを２．４ｍｍに設定した。

シールド層４の周囲には、押さえ巻きテープ５が螺旋状に巻き付けられている。押さえ巻きテープ５は、可撓性を有する帯状部材からなり、例えばＰＥＴ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。接着層は、着色層を兼ねていてもよい。

押さえ巻きテープ５は、接着層が内側、樹脂層が外側となるように、シールド層４の周囲に螺旋状に巻き付けられる。押さえ巻きテープ５を設けることにより、シールド層４における金属テープ４１の絶縁体３からの剥がれを抑制することができる。ここでは、厚さ４μｍのＰＥＴからなる樹脂層の一方の面に、厚さ１．５μｍの着色層及び厚さ１．５μｍの接着層を設けた、幅６ｍｍの押さえ巻きテープ５を用いた。

次に、差動信号伝送用ケーブル１を用いた多対ケーブル１０について説明する。図４は、差動信号伝送用ケーブル１を用いた多対ケーブル１０の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。多対ケーブル１０は、束ねられた複数の差動信号伝送用ケーブル１と、複数の差動信号伝送用ケーブル１の周囲に一括して巻き付けられたシールドテープ１２と、シールドテープ１２の周囲を被覆する編組線１３と、編組線１３を被覆するジャケット１４と、を有する。複数の差動信号伝送用ケーブル１は、シールドテープ１２及び編組線１３によって一括してシールドされている。

差動信号伝送用ケーブル１の本数は、図４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４に示す例では、多対ケーブル１０の断面中央に２本の差動信号伝送用ケーブル１が配置され、介在１１を介してその周囲に６本の差動信号伝送用ケーブル１がほぼ等間隔に配置されている。

シールドテープ１２、編組線１３、及びジャケット１４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１１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。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る差動信号伝送用ケーブル１では、絶縁体３がフッ素樹脂からなり、絶縁体３の表面粗さＲａが１．９μｍ以上であり、シールド層４は、樹脂テープ４１ａの一方の面に金属層４１ｂを設けた金属テープ４１を、絶縁体３の周囲に螺旋状に巻き付けて構成されている。

絶縁体として、比較的融点が高いＦＥＰ等のフッ素樹脂を用いることで、ハンダ付けの際に絶縁体３が変形してしまうことを抑制でき、例えば機器内での高密度実装が可能になる。また、差動信号伝送用ケーブル１では、メルトフラクチャによって絶縁体３の表面粗さＲａが１．９μｍ以上となっていてもよく、例えば２．０ｍ／ｍｉｎ以上の高速で押出成形が可能であり、生産性が高く低コストに製造が可能である。さらに、シールド層４を横巻きタイプのシールド方式とすることで、メルトフラクチャの影響で絶縁体３とシールド層４間に空隙３ａが生じた場合であっても、同相信号を減衰させてモード変換量（Ｓｃｄ２１）を小さくすることが可能となり、良好な伝送特性を実現できる。

このように、本実施の形態によれば、モード変換量が小さく、高密度実装が可能な耐熱性を有し、かつ生産性が高い差動信号伝送用ケーブル１を実現できる。

なお、生産性をより向上すべく、表面粗さＲａを３．０μｍ以上としてもよい。この場合、例えば４．０ｍ／ｍｉｎ以上の高速で押出成形が可能であり、より生産性を向上し低コストに差動信号伝送用ケーブル１を製造することが可能である。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］一対の導体（２）と、前記一対の導体（２）を被覆している絶縁体（３）と、前記絶縁体（３）の周囲を覆うように設けられたシールド層（４）と、を備え、前記絶縁体（３）が、フッ素樹脂からなり、前記絶縁体（３）の表面粗さＲａが１．９μｍ以上であり、前記シールド層（４）は、樹脂テープ（４１ａ）の一方の面に金属層（４１ｂ）を設けた金属テープ（４１）を、前記絶縁体（３）の周囲に螺旋状に巻き付けて構成されている、差動信号伝送用ケーブル（１）。

［２］前記絶縁体（３）は、前記一対の導体（２）を一括して被覆するように構成されている、［１］に記載の差動信号伝送用ケーブル（１）。

［３］前記絶縁体（３）が、パーフルオロエチレンプロペンコポリマーからなる、［１］または［２］に記載の差動信号伝送用ケーブル（１）。

［４］伝送する差動信号の帯域をＦ（ＧＨｚ）としたとき、前記シールド層（４）における前記金属テープ（４１）の巻きピッチが、７２／Ｆ（ｍｍ）未満である、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の差動信号伝送用ケーブル（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、一対の導体２を一括して被覆するように絶縁体３を形成する場合について説明したが、これに限らず、一対の導体２が個別に絶縁体３に覆われた構造となっていてもよい。

１…差動信号伝送用ケーブル
２…導体
３…絶縁体
４…シールド層
４１…金属テープ
４１ａ…樹脂テープ
４１ｂ…金属層
５…押さえ巻きテープ

Claims (4)

1. 一対の導体と、
   前記一対の導体を被覆している絶縁体と、
   前記絶縁体の周囲を覆うように設けられたシールド層と、を備え、
   前記絶縁体が、フッ素樹脂からなり、
   前記絶縁体の表面粗さＲａが１．９μｍ以上であり、
   前記シールド層は、樹脂テープの一方の面に金属層を設けた金属テープを、前記絶縁体の周囲に螺旋状に巻き付けて構成されている、
   差動信号伝送用ケーブル。
2. 前記絶縁体は、前記一対の導体を一括して被覆するように構成されている、
   請求項１に記載の差動信号伝送用ケーブル。
3. 前記絶縁体が、パーフルオロエチレンプロペンコポリマーからなる、
   請求項１または２に記載の差動信号伝送用ケーブル。
4. 伝送する差動信号の帯域をＦ（ＧＨｚ）としたとき、
   前記シールド層における前記金属テープの巻きピッチが、７２／Ｆ（ｍｍ）未満である、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の差動信号伝送用ケーブル。

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