JP2008034341A - 耐屈曲性信号伝送ケーブルおよびデータ伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性を維持し、耐屈曲性を持たせた高速差動信号用ケーブルを提供する。
【解決手段】複数の同軸信号線５をカッド構造となるように束ねて構成されたカッド同軸構造線６と、このカッド同軸構造線６の周囲を被覆する絶縁テープ７と、金属網８と、さらにその外側を被覆する絶縁外被９を具備し、外径が４．５ｍｍ以下となるように構成するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＡ機器、ロボット等の可動部で使用される信号伝送用ケーブル、特に、ＩＥＥＥ１３９４と呼ばれる高速シリアルインターフェイスに用いられる、耐屈曲性を持たせた高速差動信号用ケーブルに関する。

ＦＡ機器、ロボット等では、システム処理性能の向上や高精度化が進んでいる。これに伴い、機器内のユニット間通信が高速化され、可動部に配線されるケーブルでは、耐屈曲性に優れた細線高速信号伝送用ケーブルが求められている。
従来のＩＥＥＥ１３９４通信ケーブルは、図３（ａ）に示すようにツイストペア線６５を２本撚り合わせて絶縁テープ６６で被覆し、さらに金属網からなるシールド体６７で被覆し、その外側には絶縁外被６８で被覆して構成している（非特許文献１参照）。ここで、ツイストペア線６５は、中心導体６１を絶縁体６２で被覆して形成した絶縁電線を２本撚り合わせ、その上に金属テープ６３および金属網６４からなるシールド体にて被覆しているものである。
ＩＥＥＥ１３９４通信では、最大ケーブル長４５００ｍｍの伝送を行うために中心導体６１として、導体サイズＡＷＧ３２からＡＷＧ２８の軟銅線を使用している。また、ケーブル外形をコネクタの形状に収めるために、絶縁体６２として、比誘電率の小さい発泡ポリエチレンを使用することが一般的とされている。
尚、図３（ａ）に示す非特許文献１の例は、電源線を使用していない場合の図であるが、図３（ｂ）は電源線を使用した場合を示したものである。ここでは、中心導体７１と絶縁体７２から構成される電源線７２を１対、前記図３（ａ）に追加設置しているものである。

また、耐屈曲性を向上させたものとして極細多心同軸ケーブルがある（例えば、特許文献１参照）。図４にて、極細多心同軸ケーブルについて説明する。まず、同軸線１０１を複数まとめた中心側多心ケーブル１０３を複数配置し、その複数配置された中心側多心ケーブルの内側にはテンションメンバ１０２を配置する。さらに、中心側多心ケーブルの外側には、同軸線１０１を複数まとめた外側多心ケーブル１０４を複数配置し、これらケーブル全体を押さえ巻きテープ１０５にて保持し、その外側にはノイズ遮蔽用に一括編組シールド１０６を設置し、最後にシース１０７にて補強しているものである。
この極細多心同軸ケーブルでは、内部導体は引っ張り強度が１０００ＭＰａ以上、伸びが１％以上、導電率が７０％ＩＡＣＳ以上の単線で構成され、外部導体はその外径が０．０１２ｍｍ以上、引っ張り強度が７００ＭＰａ以上、伸びが１％以上、導電率が６０ＩＡＣＳ以上の素線を撚り合わせて構成させたものである。
さらに、滑性を向上させた同軸ケーブルがある（例えば、特許文献２参照）。図５にて、極細同軸ケーブル２０１を複数まとめ、それらケーブル全体を押さえテープ２０２にて保持し、その外側にはノイズ遮蔽用に外部シールド２０３を設置し、最後にｅＰＴＦＥ層２０５と溶融フッ素樹脂層２０６から構成される外被（複合テープ層）２０４にて補強しているものである。
この同軸ケーブルでは、外被として多孔室延伸膨張ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）に溶融性フッ素樹脂を積層して形成したテープを、外部シールドの周囲に巻いて形成したものである。
特開２００４−１４３３７（第８頁、図１） 特開２００５−１４９８１８（第６頁、図１） P1394b Draft Standard for a High Performance Serial Bus P1394b Draft1.3.3 Nov16.2001（第７６頁、図５−２１）

しかしながら、従来のＩＥＥＥ１３９４通信ケーブルは、規格により定められたケーブルを利用するため、高速差動信号を２対のツイストペア線にて伝送しており、耐屈曲性を要する用途では、特別に補強されたケーブルを製作してアプリケーションに適用している。このような場合、ケーブル仕上がり外径が太くなり、屈曲性が損なわれてしまうという問題があった。
また、極細多心同軸ケーブルや同軸ケーブルでは、材質を考慮して耐屈曲性あるいは滑性の向上について取り組んでいるが、そのケーブルを利用した高速差動信号の伝送方法などについては明記されていない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高速差動信号の伝送等の電気的特性を維持しつつ、耐屈曲性を持たせた高速差動信号用ケーブルを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、耐屈曲性信号伝送ケーブルに係り、中心導体と絶縁体と外部導体とジャケットからなる同軸信号線を束ねて構成される耐屈曲性信号伝送ケーブルであって、前記複数の同軸信号線をカッド構造になるように束ねたカッド同軸構造線と、前記カッド同軸構造線の周囲を被覆する絶縁テープと、前記絶縁テープの外周に配置される金属網と、前記金属網を被覆する絶縁外被と、を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記耐屈曲性信号伝送ケーブルの外径が、４．５ｍｍ以下となるように構成されたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記複数の同軸信号線を、約１０ｍｍピッチで撚っていることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか1項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記耐屈曲性信号伝送ケーブルのケーブル長は、４５００ｍｍ以下であり、前記同軸信号線の特性インピーダンスは５５オームとしたことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記中心導体の線径が０．０３〜０．０８ｍｍ程度の銅合金線で構成され、前記外部導体および金属網は線径が０．０３〜０．０８ｍｍ程度の軟銅線または銅合金線で構成されていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記同軸信号線の絶縁体および同軸絶縁外被は、フッソ樹脂等であり、前記カッド同軸構造の外側絶縁外被は塩化ビニール樹脂、ポリウレタンおよびフッソ樹脂等を用いることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１、２、３、５、または６記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルにおいて、前記耐屈曲性信号伝送ケーブルの同軸信号線の特性インピーダンスを５０オームとしたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法に係り、請求項１〜７のいずれか１項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルを、コンピュータ機器と周辺機器間あるいは前記周辺機器相互間に配線して、前記２本の中心導体によって差動信号を伝送することを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法において、前記差動信号の伝送がＩＥＥＥ１３９４等のシリアル・インターフェースの信号伝送機能を満たすことを特徴としている。
そして、請求項１０に記載の発明は、耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法において、請求項１〜７のいずれか１項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルを信号線用の用途以外に、電力用として使用することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、ツイストペア線を使った場合には、ケーブルを撚ることによるツイストペア外径寸法にムラが生じるが、同軸信号線を利用してカッド構造にすることにより、従来のツイストペア構造とする場合に比べ、ムラ無く細径化が可能となり、屈曲特性を向上させることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、導体素線の細径化により、仕上がりケーブル外形を小さくでき、ケーブル全体の外径を４．５ｍｍ以下に抑えられるので、屈曲特性を向上させることができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、複数の同軸信号線を約１０ｍｍピッチで全体を撚ることにより、耐ノイズ性の向上と屈曲特性を向上させたケーブルを実現できる。
また、請求項４に記載の発明によれば、同軸信号線の特性インピーダンスを５５オームとし、ケーブル長を４５００ｍｍ以下とすることで、信号伝送性能がＩＥＥＥ１３９４規格を満たす伝送を実現できる。
また、請求項５に記載の発明によれば、中心導体が線径０．３〜０．０８ｍｍの銅合金線で構成され、外部導体、金属網が線径０．０３〜０．０８ｍｍの軟銅線などで構成されるので、導体素線の細径化により耐屈曲特性を向上できる。
また、請求項６に記載の発明によれば、絶縁体および絶縁外被がフッソ樹脂等から構成されることで、機械的強度が高く、屈曲特性を向上させることができる。
また、請求項７に記載の発明によれば、耐屈曲性信号伝送ケーブルの同軸信号線の特性インピーダンスを５０オームにすることができるので、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）通信または一般的な低電圧差動信号として利用されるＡＮＳＩ／ＴＩＡ／ＥＩＡー６４４規格などの伝送特性を満たすことができる。
また、請求項８に記載の発明によれば、２本の同軸信号線の中心導体を利用して１対の差動信号を送信し、２本の同軸信号線の外部導体をグランド（０Ｖ）に接続することで、耐ノイズの更なる向上を実現できる。
また、請求項９に記載の発明によれば、ＩＥＥＥ１３９４規格等による信号伝送機能に好適に適用可能である。
そして、請求項１０に記載の発明によれば、電力線に信号線を重畳させて通信する電力線通信用ケーブルとして耐屈曲性信号伝送ケーブルを利用することができるので省配線化の実現ができ、さらに同軸信号線が外部導体によりシールドされていることにより耐ノイズ性を向上させることができることとなる。
このように、本発明の耐屈曲性信号伝送用ケーブルによれば、現行ケーブルと同等の広帯域性能を確保しつつ、耐屈曲性に優れた高速差動信号用ケーブルを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る耐屈曲性信号伝送ケーブルの断面説明図である。
図１に示すように、中心導体１に絶縁体２を被覆し、その絶縁体２の周囲に外部導体３を巻きつけ、その外部導体３を同軸絶縁外被４で覆ったものからなる同軸信号線５を４本まとめて撚り合わせて、カッド（Ｑｕａｄ Ｃａｂｌｅ：４本撚り線型）同軸構造線６を構成し、この外側を絶縁テープ７で被覆し、金属網８からなる外部シールド体で被覆し、さらに絶縁外被９で被覆して構成される。ここで、中心導体１は銅合金線から構成され、絶縁体２および同軸絶縁外被４の材料は、フッ素樹脂などであり、その膜厚は伝送線路の特性インピーダンスの規格を満足させる厚さである。絶縁外被９の材料は、塩化ビニル樹脂、ポリウレタン、フッ素樹脂などであり、その膜厚はケーブル外径に適した厚さとする。
図１において、外部導体３および金属網８を構成する材料は、軟銅線、銅合金線などであり、その線径は０．０３〜０．０８ｍｍとするのが好ましい。また、４本の同軸信号線は約１０ｍｍピッチで全体を撚るものとする。

図２は図１に示す耐屈曲性信号伝送ケーブルを利用した送受信回路構成図である。
図２に、本発明のケーブルを利用した際の送受信回路例を示す。耐屈曲性信号伝送ケーブル３４には同軸信号線５が４本入っており、同軸信号線を２本ずつ使って差動送信用と差動受信用の通信に利用する。差動送信回路３１から出力された信号線は、同軸信号線５の中心導体１を介して終端回路３３に接続され、差動受信回路３２に入力される。これと同様の回路をもう１回路構成することで、システム機器間の通信を行うための送受信回路が構成される。なお、同軸信号線の外部導体は、グランド（０Ｖ）に接続するものとする。

以上の本耐屈曲性信号伝送ケーブルによる屈曲性の効果を図３（ａ）に示す従来技術と比較する。図３（ａ）において、中心導体６１は、軟銅線からなる線径０．０９３ｍｍの導体素線を７本撚り合わせたものである。絶縁体６２の材料は、発泡ポリエチレンであり、その肉厚は０．２３ｍｍである。金属網６４,および６７は錫メッキ軟銅線であり、その線径は０．０８ｍｍである。絶縁外被６８の材料は、塩化ビニル樹脂であり、その肉厚は０．５５ｍｍ、外径は４．２ｍｍである。
図１の耐屈曲ケーブルと図３（ａ）の従来のケーブルとについて、それぞれ左右９０度屈曲試験を行った。その結果を、次表に示す。

この表に示すように、従来品では１万回程度の屈曲寿命であり、本発明品では１００万回以上の屈曲寿命である。このように、本発明の耐屈曲ケーブルは従来のケーブルよりも格段に屈曲特性に優れていることがわかる。

このような本発明と、従来技術との差は、図３に示す従来のＩＥＥＥ１３９４ケーブルが、中心導体６１を７本の導体素線を撚り合わせたツイストペア線６５を２本撚り合わせて構成しているのに対して、本発明では中心導体１を単線で構成した４本の同軸信号線５をカッド撚り線としてカッド同軸構造線６を構成して細径化を図っている点である。

本発明の耐屈曲性信号伝送ケーブルは、同軸信号線５内部の絶縁体２の膜厚を
変更することで、異なる特性インピーダンスのケーブルとすることができる。
例えば、特性インピーダンスを５０Ωにしたい場合は絶縁体２を薄く、特性インピーダンスを５５Ωにしたい場合は絶縁体２を厚くすればよい。このようにして耐屈曲性信号伝送ケーブルの同軸信号線の特性インピーダンスを簡単に５０オームにすることができるので、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信または一般的な低電圧差動信号として利用されるＡＮＳＩ／ＴＩＡ／ＥＩＡー６４４規格などの伝送特性を満たすようにすることができる。

なお、本発明の耐屈曲性信号伝送ケーブルは、機器間の信号線を配線するだけではなく、電源供給線として使用できる。すなわち、同軸信号線５の中心導体１に電源ライン(正極)を接続し、外部導体３に電源グランド(負極)を接続することにより達成される。
さらに、この電源ライン（正極）に信号線を重畳させた場合、電力線と信号線を共通化することができるため、ケーブルを省配線化することができる。
このように、電力線に信号線を重畳させて通信する電力線通信用ケーブルとして耐屈曲性信号伝送ケーブルを利用することで省配線化の実現ができ、さらに同軸信号線が外部導体によりシールドされていることにより耐ノイズ性を向上させることができることとなる。

また、本発明が図４、図５に示す従来技術と異なる点は、図４、図５の従来技術のケーブルは、多チャンネルのパラレル通信ケーブルとして使用されるのか、時分割多重技術により高速化されるＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ等のシリアル・インターフェース回線に使用されるのか、通信プロトコルが明確にされていないので汎用性が無く、他に転用・利用が難しいのに対して、本発明は図２に示すようにＩＥＥＥ１３９４規格等のシリアルインターフェースとして差動信号伝送機能を満たしていると、通信プロトコルを明確に提示しているので、適用技術範囲が汎用的で広範な適用が可能なオープンな技術としている点が異なる。

本発明により、複数の機器から構成され、各機器の間を高速差動信号にて接続して通信するシステムにおいて、ケーブルの細線化と屈曲性と耐ノイズ性を要求する超小形ロボットシステムを実現することができる。

本発明の実施例１に係る耐屈曲性信号伝送ケーブルの断面説明図である。 図１に示す耐屈曲性信号伝送ケーブルを利用した送受信回路の構成図である。 従来の信号伝送ケーブルを示す断面説明図である。 従来の極細多心同軸ケーブルを示す断面説明図である。 従来の同軸ケーブルを示す断面説明図である。

符号の説明

１ 中心導体
２ 絶縁体
３ 外部導体
４ 同軸絶縁外被
５ 同軸信号線
６ カッド同軸構造
７ 絶縁テープ
８ 金属網
９ 絶縁外被
３１ 差動送信回路
３２ 差動受信回路
３３ 終端回路
３４ 耐屈曲性信号伝送ケーブル

Claims (10)

1. 中心導体と絶縁体と外部導体とジャケットからなる同軸信号線を束ねて構成される耐屈曲性信号伝送ケーブルであって、
   前記複数の同軸信号線をカッド構造になるように束ねたカッド同軸構造線と、前記カッド同軸構造線の周囲を被覆する絶縁テープと、前記絶縁テープの外周に配置される金属網と、前記金属網を被覆する絶縁外被と、を備えたことを特徴とする耐屈曲信号伝送ケーブル。
2. 前記耐屈曲性信号伝送ケーブルの外径が、４．５ｍｍ以下となるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
3. 前記複数の同軸信号線を、約１０ｍｍピッチで撚っていることを特徴とする請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
4. 前記耐屈曲性信号伝送ケーブルのケーブル長は、４５００ｍｍ以下であり、前記同軸信号線の特性インピーダンスは５５オームとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
5. 前記中心導体は、線径が０．０３〜０．０８ｍｍ程度の銅合金線で構成され、前記外部導体および金属網は線径０．０３〜０．０８ｍｍ程度の軟銅線または銅合金線等で構成されていることを特徴とする請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
6. 前記同軸信号線の絶縁体および同軸絶縁外被は、フッソ樹脂等であり、前記カッド同軸構造の外側絶縁外被は塩化ビニール樹脂、ポリウレタンおよびフッソ樹脂等を用いることを特徴とする請求項１記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
7. 前記耐屈曲性信号伝送ケーブルの同軸信号線の特性インピーダンスを５０オームとしたことを特徴とする請求項１、２、３、５、または６記載の耐屈曲性信号伝送ケーブル。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルを、コンピュータ機器と周辺機器間あるいは前記周辺機器相互間に配線して、前記２本の中心導体によって差動信号を伝送することを特徴とする耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法。
9. 前記差動信号の伝送は、ＩＥＥＥ１３９４規格等のシリアル・インターフェースの信号伝送機能を満たすことを特徴とする請求項８記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法。
10. 請求項１〜７のいずれか１項記載の耐屈曲性信号伝送ケーブルを信号線用または電力用として使用することを特徴とする耐屈曲性信号伝送ケーブルのデータ伝送方法。

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