JP2011076811A - 接続用コネクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】
接続用コネクタの同軸ケーブルにおいて、ハーネス中央の同軸ケーブルの信号線と端部の同軸ケーブルの信号線とではグランドの距離と経路が異なり、中央ではグランドインダクタンスが大きくなるため、同じハーネス内でもグランド電位の変動による電流の分布が発生し、さらに放射ノイズが増加する。
【解決手段】
同軸ケーブルを束ねて芯線を2次元的に配置したハーネス端部に設けられたプラグコネクタと、前記プラグコネクタ面に対して2次元的にマス目上に配置された前記プラグコネクタの信号ピンと、複数の前記信号ピンの間に位置するように配置された前記プラグコネクタのグランドピンと、を備え、前記信号ピンおよび前記グランドピンとはレセプタクルコネクタの信号端子およびグランド端子に電気的に接続され前記レセプタクルコネクタ内部で前記信号端子および前記グランド端子と電気的に接続する前記信号パッドおよび前記グランドパッドを基板の信号配線およびグランド配線と電気的に接続したことを特徴とする接続用コネクタ。
【選択図】 図1

Description

本発明は高速伝送用同軸ケーブルの基板への接続用コネクタに関する。
近年の情報機器の高速化に伴い機器内部の基板間・半導体素子間の信号伝送も高速化している。同軸ケーブルは高速信号伝送の伝送経路として基板間で信号配線を電気的に接続するためによく用いられる。同軸ケーブルは基板配線やツイストケーブルなどに比べて信号伝送特性に優れ、高周波信号も高品質に伝送できることが特徴である。
一般的に同軸ケーブルは複数本を並列に並べたハーネスとして扱われ、同軸ケーブル端部に設けたプラグコネクタを基板側に設けたレセプタクルコネクタに接続することで電気的な接続を維持する。尚、コネクタは実装上の制約により基板に接続するための端子を長辺の上下2列に設けている製品が多い。
特許文献1(特表2008‐541409号公報)には、「複数の導体から成る信号アレイであって、前記導体のそれぞれが少なくとも1つの内側導電性要素及び外側導電性要素を含んでいる前記信号アレイと、接触面を有する導電性体であって、前記導体の両端が、前記導電性体内部で終端しており、且つ、前記信号アレイを信号ベアリング要素に接触させるために略共平面状に配置された状態で、前記外側導電性要素は前記導電体電気的に結合され、前記内側導電性要素は前記導電性体の前記接触面に接触している前記導電性体と、圧縮性を有する電気的絶縁媒体内に埋設された複数の導電性要素を有している圧縮性接続要素と、を備えているコネクタ組立体であって、前記圧縮性接続要素は、前記接触面に対して位置決め可能とされ、且つ、前記接触面と前記信号ベアリング要素との間で圧縮された場合に、前記信号アレイの前記導体の前記内側導電性要素及び前記外側導電性要素と前記信号ベアリング要素の導電性要素との幾何学的配置を維持する一方で、前記信号アレイと前記信号ベアリング要素との間で信号を通過させるように動作可能とされることを特徴とするコネクタ組立体」が開示されている。
特表2008‐541409号公報
従来の同軸ケーブル用コネクタは同軸ケーブルを1列に並べたハーネスを基板に電気的に接続するために用いられる。ハーネスの端部にはプラグコネクタが設けられており、プラグコネクタは凸形の絶縁体に信号端子とグランド端子が長辺側の上下に設けられた構造が一般的である。基板側にはレセプタクルコネクタが設けられており、レセプタクルコネクタはプラグコネクタの凸形状と組み合わさる凹形状となっている。レセプタクルコネクタの凹形状の内側にはプラグコネクタの凸形状の信号・グランド端子に対応した位置に金属端子が設けられており、コネクタが組み合わさった際には、各コネクタの金属端子が接触により電気的に接続する構造となる。
一般的なレセプタクルコネクタのフットプリントを図11に示す。中央にコネクタ1103が位置し、コネクタの長辺の上下に信号パッド1101が並ぶ。グランドパッド1102はコネクタの短辺側に2箇所設けられている。コネクタ1103におけるグランド接続のための導体は、信号配線を避けてコネクタ1103の外周部に配置されることが多いため、コネクタ1103の端部である短辺側のみにグランドパッド1102が配置される。この場合、信号配線とグランド配線の距離が遠くなるため電気的な結合が弱くなり、グランドインダクタンスが増加する。グランドインダクタンスが増加するとグランドの電圧変化による電流が増大する。この電流はコネクタのグランドと電気的に接続されている同軸ケーブルの外導体にも流れ、同軸ケーブルの外導体に電流が流れることでケーブルの周囲に磁界が発生して他の機器や装置に影響を及ぼすノイズとなる。
また、ハーネス中央の同軸ケーブルの信号線と端部の同軸ケーブルの信号線とではグランドの距離と経路が異なり、中央ではグランドインダクタンスが大きくなる。このため同じハーネス内でもグランド電位の変動による電流の分布が発生し、さらに放射ノイズを増加させる原因となる。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
(1)同軸ケーブルを束ねて芯線を2次元的に配置したハーネス端部に設けられたプラグコネクタと、前記プラグコネクタ面に対して2次元的にマス目上に配置された前記プラグコネクタの信号ピンと、複数の前記信号ピンの間に位置するように配置された前記プラグコネクタのグランドピンと、を備え、前記信号ピンおよび前記グランドピンとはレセプタクルコネクタの信号端子およびグランド端子に電気的に接続され、前記レセプタクルコネクタ内部で前記信号端子および前記グランド端子と電気的に接続する前記信号パッドおよび前記グランドパッドを基板の信号配線およびグランド配線と電気的に接続したことを特徴とする接続用コネクタである。
(2)(1)記載の接続用コネクタであって、芯線が直線状に並ぶように複数の前記同軸ケーブルを並列に配置し、前記同軸ケーブルの外導体を挟んで圧着したプラグブロックと、前記プラグブロックを複数並べたことで同軸ケーブルの芯線とプラグブロックに設けられたグランド端子とが2次元的な配列となるプラグコネクタと、を備え、前記2次元的な配列において同軸ケーブルの芯線とグランド端子が交互に配置されたことを特徴とする接続用コネクタである。
本発明によれば、装置内部の放射ノイズに起因する機器の誤動作を防止することのできる接続用コネクタを提供することができる。
本発明に係る接続用コネクタの斜視図である。 本発明に係る接続用コネクタの同軸コネクタの配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタの同軸ケーブルコネクタの断面図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタ基板のパッド配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタ基板のピン配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのピンソケット配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのフットプリントを示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタの信号層内配線を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタユニットの組み立て方法を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタの構成を示す図である。 従来のコネクタのフットプリントを示す図である。 本発明に係る接続用コネクタおよび従来の接続用コネクタにおけるグランドインダクタンス低減効果を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタユニットの組み立て方法を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのTwinaxケーブルの配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタ基板のパッド配置を示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのフットプリントを示す図である。 本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタの信号層内配線を示す図である。
本発明に係る接続用コネクタの実施形態の一例を図1乃至10を用いて説明する。
図1に、本発明に係る接続用コネクタの斜視図を示す。本発明に係る接続用コネクタは、同軸ケーブル101、プラグコネクタ102、レセプタクルコネクタ103、プラグコネクタ外枠104、プラグコネクタ基板105、基板側パッド106、半田ボール107とを有して構成される。2次元的に並べた複数の同軸ケーブル101の両端にプラグコネクタ102を接続し、基板側パッド106と半田ボール107で接続したレセプタクルコネクタ103とプラグコネクタ102とを嵌合して電気的に接続する。
図2は、プラグコネクタと接続する同軸コネクタの2次元的な配置を示す。本発明に係る接続用コネクタでは、40本の直径0.5mmの同軸ケーブルコネクタ201をプラグコネクタ面202に対して垂直方向に1mm間隔で千鳥状に配置した。但し、同軸ケーブルコネクタ201の配置は互いの距離が一定となる規則性のある配置であれば良い。
図3は、本発明に係る接続用コネクタの同軸ケーブルコネクタの断面図であり、同軸ケーブルコネクタ内部の電気的な接続を図3で示す。接続用コネクタの断面図は、基板310、半田ボール307、半田ボール307と基板310とを接続する基板側信号パッド308および基板側グランドパッド309、基板側信号パッド308および基板側グランドパッド309を介して半田ボール307と接続される積層基板306、積層基板306上に形成されるレセプタクルコネクタ303、ピンソケット層311、信号ピン304、グランドピン305およびプラグコネクタ302、基板側信号パッド308と電気的に接続される同軸ケーブルコネクタ301とを備える。
上述の同軸ケーブルコネクタ301と接続されたプラグコネクタ302の下部に設けられた長さ1mm程度のピン端子を、レセプタクルコネクタ303のピンソケットに挿入する。レセプタクルコネクタ303は厚さ1.5mm程度のピンソケット層411と厚さ2mm程度の積層基板306を組み合わせた構造であり、積層基板306は上からグランド層、信号層、信号層、グランド層の4層構造となる。ピンソケット層411に挿入されたピン端子には信号ピン304とグランドピン305の2種類あり、信号ピン304に電気的に接続された配線が積層基板306の信号層内でコネクタの内側から外側に広がり、直径1mm程度の半田ボール307を介して基板側信号パッド308に電気的に接続される。グランドピン305も同様にグランド層を介して基板側グランドパッド309と電気的に接続される。
尚、上記プラグコネクタ302において同軸ケーブルコネクタ301の信号線と信号ピン304はプラグコネクタ基板501で電気的に接続されており、このプラグコネクタ基板のパッド配置を図4に示す。
同軸ケーブルコネクタ301の芯線とプラグコネクタ基板401とを接続するための信号パッド402は、同軸ケーブルコネクタ301の外導体と電気的に接続するグランドパッド403と1mm間隔で隣接する配置となる。尚、プラグコネクタ基板信号パッド402は必ず2つ以上のグランドパッド403と隣接することが望ましい。
プラグコネクタ基板信号パッド402とプラグコネクタ基板グランドパッド403はプラグコネクタ基板401の裏面に設けられたピン端子と電気的に接続されており、図5のように配置される。
厚さ1.5mmのプラグコネクタ基板501を貫通して設けられた信号ピン502はプラグコネクタ基板信号パッド402と電気的に接続している。グランドピン503も同様にプラグコネクタ基板グランドパッド403と電気的に接続している。このため、ピン配置はパッド配置と同様の1mm間隔となる。
図6は、本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのピンソケット配置を示す図である。上記信号ピン502およびグランドピン503が挿入するレセプタクルコネクタ303のピンソケット層411に設けられたピンソケット603は、プラグコネクタ601とレセプタクルコネクタ602を嵌合させた際にピン端子が挿入可能な位置に設けられる。
図7は、本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのフットプリントを示す図である。レセプタクルコネクタ303が基板に実装される際の基板との電気的な接続点となるフットプリントを示す。基板側信号パッド702、基板側グランドパッド703はレセプタクルコネクタ701の直下に1mm間隔でマス目状に配置され、半田ボール307を介してレセプタクルコネクタ側のパッドと接続される。尚、基板側信号パッド702は同軸ケーブルコネクタ301の配置同様に基板側グランドパッド703が隣接する配置となる。
図8は、本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタの信号層内配線を示す図であり、同軸ケーブルの芯線からレセプタクルコネクタのパッドまでのコネクタ内配線の引き回しを示している。同軸ケーブルの芯線805はプラグコネクタ801で纏められており1mm間隔で千鳥配置されている。同軸ケーブルの芯線805の配置からレセプタクルコネクタの基板側信号パッド803までレセプタクルコネクタ802の信号層で配線を引き回すが、同軸ケーブルで差動信号が伝送されることを考慮して、配線長が2本で異ならないように信号層内配線806を配置した。
次に、実施例1に係る接続用コネクタの作成工程を説明する。
まず、同軸ケーブルの先端を切断して芯線が1mm程度露出するように外部導体および絶縁体をレーザー等で切除する。
プラグコネクタは複数のプラグブロックで構成するが、プラグブロックは図9に示す本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタユニットの組み立て方法を示す図のように、同軸ケーブル901を1列に5本または4本並べて、アルミ製グランドブロック902で外導体部分を圧着することで作成する。グランドブロック同士の圧着方法は嵌合構造でも良いし、接合部を半田等で溶接してもよい。尚、実施例1では40本の同軸ケーブルを1ハーネスとして扱うが、プラグブロックを増加してより多くの同軸ケーブルを1ハーネスとして扱っても良い。
プラグブロックの同軸ケーブルの芯線とグランドブロックの突起はマス目状に配置され、芯線とグランドブロックの突起をプラグコネクタ基板903上のプラグコネクタ基板パッド904に半田付けされる。尚、プラグコネクタ基板903は表層片面に1mm間隔で0.6mm径のプラグコネクタ基板パッド904をマス目状に設けたFR4基板であり、パッドの中心で直径0.3mm程度のアルミ製ピン端子が基板を貫通することで裏面にピン端子を設けている。
図10は、本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタの構成を示す図である。プラグコネクタは、同軸ケーブル1001が4本のプラグブロックA1002と5本のプラグブロックB1003を交互に並べ、最外周をアルミ製1mm厚程度のプラグコネクタ外枠1004で固定する。
レセプタクルコネクタはピンソケット層と4層基板とを備えてなる。ピンソケット層にはプラグコネクタのピン位置に合わせて直径0.5mm程度のソケットを設ける。樹脂製のソケット内にはアルミ製の金属端子を設けており、挿入したピンとは接触により電気的接続を得る。4層基板は絶縁層をFR4とし、表層にグランドプレーンとパッドを設け、内層に信号配線層を2層設けた導体4層の積層基板として製作する。ピンソケット側の表層はピン位置に0.6mmのパッドを設けてピンソケット層の端子と接続している。ピンソケットから内層に引き込まれた信号配線は図8に示したように配線を引き回すことで、基板側パッドと電気的に接続する。
レセプタクルコネクタは基板に半田ボールで実装するため、実装時は半田ボールをパッド上に配置しレセプタクル基板を載せてリフローする。用いる半田ボールおよびリフロー温度はレセプタクルコネクタのサイズに寄る実装信頼性を考慮して選択し、本実施例では鉛フリー半田を用いて200度リフローを行った。尚、本実施例では金属部品に加工のしやすさからアルミ部材を用いたが、伝送特性の改善を考慮して銅等の他の金属で作成しても良い。
次に、実施例1に係る接続用コネクタの作用を説明する。
図11は従来のコネクタのフットプリントを示す図、図12は本発明に係る接続用コネクタおよび従来の接続用コネクタにおけるグランドインダクタンス低減効果を示す図である。一般的なコネクタでは、図11に示すように、グランドパッド1102がフットプリントの端にあることでコネクタ1103の中央付近の信号パッド1101との距離は遠くなり、図12に示す従来コネクタの特性1202のように中央付近の信号のグランドインダクタンスが大きい。一方、本実施例では同軸ケーブルを基板に電気的に接続した際に信号配線とグランド配線の距離が最短となるため、図12に示す本発明の特性1201のように信号パッドの位置にかかわらず従来のコネクタに比べてグランドインダクタンスを大きく低減することができる。また、信号ピン間の伝送特性のばらつきを抑えることで、従来のコネクタでは中央ピンで最大となるようなケーブルハーネス内のコモンモード電流のばらつきも低減できる。
以上から、本発明によりグランドインダクタンスに起因する同軸ケーブルの外導体を流れるコモンモード電流を低減し、コモンモード電流によるケーブル放射ノイズを抑制できる。
本発明に係る接続用コネクタの実施形態の一例を図13乃至17を用いて説明する。
実施例2の形態は、実施例1では1シールドに1信号配線である同軸ケーブルが1シールドに2信号配線を含むTwinaxケーブル1301に置き換わったコネクタである。図13は本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタユニットの組み立て方法を示す図であり、実施例2と実施例1の具体的な差異は、図13に示すようにTwinaxケーブル1301、1本につき差動信号線1302が2本出ていることでプラグコネクタ基板1304上のプラグコネクタ基板信号パッド1305が2つ連続するような配置を取る構造にある。このとき、差動配線は信号間の結合が主のため信号配線の全周をグランド配線で囲む必要はない。このためプラグコネクタ基板グランドパッド1306はプラグコネクタ基板信号パッド1305の隣接2箇所のみ配置する。
図14は、本発明に係る接続用コネクタのTwinaxケーブルの配置を示す図である。実施例2では、プラグコネクタ面1402に対して垂直にTwinaxケーブル1401を配置し、1コネクタで3×10本のTwinaxケーブル1401を接続する。
図15は、本発明に係る接続用コネクタのプラグコネクタ基板のパッド配置を示す図である。プラグコネクタ基板1501に対して、GSSG(G:グランドパッド1503、信号パッド:1502)配置を繰り返す。
尚、本実施例では1シールド内に2信号配線を有するTwinaxケーブルを用いるが、シールド内部に信号線を複数本有するケーブルでも実施例1と同様のメカニズムで放射ノイズは発生するため、実施例2で適用できるケーブルはシールド内の信号線本数が3本以上のケーブルでもよい。
次に、実施例2の作成工程を説明する。
Twinaxケーブル1301の先端を切断して芯線が1mm程度露出するように外部導体および絶縁体をレーザー等で切除する。
プラグコネクタは複数のプラグブロックで構成するが、プラグブロックは図13のようにTwinaxケーブル1301を1列に3本並べて、アルミ製グランドブロック1302で外導体部分を圧着することで作成する。グランドブロック同士の固着方法は嵌合構造でも良いし、接合部を半田等で固着してもよい。
プラグコネクタは図14のように10本のプラグブロック1403を並べ、最外周をアルミ製1mm厚程度のプラグコネクタ外枠1002で固定する。尚、実施例2についてもグランドブロック1302およびプラグコネクタ外枠1002をアルミ製以外の導体で作成しても良い。
プラグブロック1403を固定した状態のTwinaxケーブルの信号線とグランドブロックの突起は、GSSG状に位置し、直下のプラグコネクタ基板1304のパッドに半田付けで接続することができる。尚、プラグコネクタ基板は実施例1同様に片面に1mm間隔で0.6mm径のパッドをマス目状に設けたFR4基板であり、パッドの中心を直径0.3mm程度のアルミ製ピン端子で基板を貫通することで裏面にピン端子を設けている。ただし実施例2の信号パッド1305は2個隣接する必要があり、その列方向の外側に隣接するようにグランドパッド1306を配置する。
実施例2のレセプタクルコネクタは実施例1同様にして作成するが、実施例2では以下の点が異なる。図16は、本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタのフットプリントを示す図である。図16に示すように、プラグコネクタ1601とレセプタクルコネクタ1602の辺が平行で且つプラグコネクタ1601がレセプタクルコネクタ1602の中央に位置するようにレセプタクルコネクタのピンソケット位置を設計する。また、プラグコネクタ1601のピン配置およびレセプタクルコネクタ1602のピンソケット配置は図14のパッド配置と同じようにGSSG状の位置関係を保ち、レセプタクルコネクタ1602の基板側信号パッド1603、基板側グランドパッド1604、の配置も同様のGSSG配置とする。図17は、本発明に係る接続用コネクタのレセプタクルコネクタの信号層内配線を示す図であるが、図17のようにレセプタクルコネクタ1702の信号層内配線1705はコネクタ中心から外周へ拡大するように引き回しで設計する。
次に、実施例2に係る接続用コネクタの作用を説明する。
実施例2ではTwinaxケーブルを基板に電気的に接続した際に、信号配線とグランド配線の距離が最短とし従来のコネクタに比べてグランドインダクタンスを大きく低減することができる。また、複数のTwinaxケーブルを接続しても均一な配置となることから、各ケーブルの伝送特性のばらつきを抑えると共に、ケーブルハーネス内のコモンモード電流のばらつきも低減できる。以上から、グランドインダクタンスに起因するTwinaxケーブルの外導体を流れるコモンモード電流を低減し、コモンモード電流によるケーブル放射ノイズを抑制できる。
1103 コネクタ、1101、308、702、803、1603 基板側信号パッド、1102、309、703、804、1604 基板側グランドパッド、101、201、301、901、1001 同軸ケーブルコネクタ、102、302、601、801、1601 プラグコネクタ、103、303、602、701、802、1602 レセプタクルコネクタ、104、1004 プラグコネクタ外枠、105、401、501、903、1304、1501 プラグコネクタ基板、106 基板側パッド、107、307 半田ボール、202、1402 プラグコネクタ面、304、502 信号ピン、305、503 グランドピン、306 積層基板、310 基板、402、1502 プラグコネクタ基板信号パッド、403、1502 プラグコネクタ基板グランドパッド、603 ピンソケット、805 同軸ケーブルの芯線、 806 信号層内配線、902、1303 グランドブロック、904 プラグコネクタ基板パッド、1002 プラグブロックA、1003 プラグブロックB、1201 本発明の特性、1202 従来コネクタの特性、1301、1401 Twinaxケーブル、1302 信号線、1403 プラグブロック

Claims (3)

  1. 複数の同軸ケーブルと、
    前記複数の同軸ケーブルを束ねて芯線を2次元的に配置したハーネスの端部に設けられたプラグコネクタと、
    前記プラグコネクタ面に対して2次元的に複数個配置された信号ピンと、
    前記複数の信号ピン間に位置するように配置されたグランドピンと、
    前記信号ピンおよび前記グランドピンと電気的に接続可能な基板と、
    前記基板と前記プラグコネクタとの間に配置された半田ボールと、
    前記半田ボールと前記プラグコネクタとの間に配置されたレセプタクルコネクタとを備え、
    前記信号ピンおよび前記グランドピンとは、前記レセプタクルコネクタの信号端子およびグランド端子とそれぞれ電気的に接続可能であり、
    前記レセプタクルコネクタ内部で前記信号端子および前記グランド端子と電気的に接続する信号パッドおよびグランドパッドを、前記基板の信号配線およびグランド配線と電気的に接続したことを特徴とする接続用コネクタ。
  2. 請求項1記載の接続用コネクタにおいて、
    さらに、前記複数の同軸ケーブルの外導体を挟んで圧着された複数のプラグブロックを有し、
    前記複数の同軸ケーブルは、芯線が直線状に並ぶように並列に配置され、
    前記プラグコネクタにおいて、前記複数の同軸ケーブルの芯線と前記複数のプラグブロックのグランド端子とが交互に配置された2次元的な配列であることを特徴とする接続用コネクタ。
  3. 請求項1または2のいずれかに記載の接続用コネクタにおいて、
    前記複数の同軸ケーブルの芯線は前記基板の一の面に設けられたパッドに対して垂直方向に半田付けされており、
    前記パッドと電気的に接続された前記基板の前記一の面に対向する面に設けられたピンと前記レセプタクルコネクタ内の導体とが電気的に接続可能であることを特徴とする接続用コネクタ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014534585A (ja) * 2011-10-24 2014-12-18 アーデント コンセプツ,インコーポレイテッド 対応相互接続要素を使用する被制御インピーダンスケーブル終端部

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