JP6721984B2 - 導電性被膜を備えた絶縁ワイヤを有する相互接続ケーブル - Google Patents

Description

本願は複合的な絶縁ワイヤを備えたケーブルに関する。特に本願は、導電性被膜を備えた絶縁ワイヤを有する相互接続ケーブル（interconnect cable）に関する。

多くの医療用デバイスは基部ユニットおよび遠隔ユニットを含んでおり、当該遠隔ユニットは基部ユニットに向けて、かつ基部ユニットから、情報を伝達する。その後、基部ユニットは遠隔ユニットから伝達された情報を処理し、診断情報、報告書等を提供する。あるデバイスにおいては、電線の一群を含むケーブルは、遠隔ユニットを基部ユニットに連結する。ケーブルの寸法は典型的には、当該ケーブルを通っている導線の数および当該導線のゲージまたは厚みに依存する。ケーブル内を通る導線の数は、遠隔ユニットから基部ユニットに伝達される情報量に応じて選択される傾向がある。すなわち、情報量が多いほど、導線の数は多い。

基部ユニットデバイス／遠隔ユニットデバイスを用いる、より高度な医療用デバイスにおいては、遠隔部品と基部ユニットとの間でかなり多くの情報が伝達されるかもしれない。例えば、超音波機のトランスジューサー（transducer）は、アナログ情報を数百本の導線により超音波画像処理機に伝達するかもしれない。隣接する導線間の電気的なクロストーク（cross-talk）が問題になり得る。クロストークを低減するための１つの方法に、それぞれの導線を取り囲んでいる絶縁材料の厚みを増大させることがある。ある場合においては、絶縁材料の周りに編組シールドワイヤを巻き付けて、クロストーク特性をさらに改善してもよい。しかしながら、絶縁材料の厚みの増大および編組シールドワイヤの追加は、結果として、既定厚みのケーブルを通る導線の数を低減させる。この問題を緩和するために、ゲージがより高い（すなわち厚みがより薄い）導線を利用してもよい。しかしながら、より薄い導線は、壊れやすいという傾向があるため、当該ケーブルの耐用寿命が制限される。

本願の目的は、複数のワイヤを含むケーブル・アセンブリを提供することである。各ワイヤは、第１端部、中間部および第２端部を有する。それぞれのワイヤの中間部は相互に分離している。前記複数のワイヤのそれぞれの中間部を１つの導電性シールドが取り囲んでいる。別の実施態様においては、前記複数のワイヤを中間部において１つの非導電性シールドが取り囲んでもよい。また他の実施態様においては、シールドは提供されない。各ワイヤは、導線、該導線を取り囲んでいる絶縁層、および該絶縁層の外表面に形成されている導電性被膜を含む。

本願の別の目的は、ケーブル・アセンブリの製造方法を提供することである。当該方法は、複数の導線の一群を準備する工程、および各導線の周りに絶縁層を形成し、これにより複数の絶縁ワイヤを個々に形成する工程を含む。前記各ワイヤの絶縁層の外表面に導電性被膜を形成する。前記複数のワイヤの外側に１つの編組シールドを適用し、前記編組シールドの外側に１つのシースを適用する。

他の特徴および利点は、当業者にとって、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、明らかであるか、または明らかになるだろう。このような説明の範囲内に含まれる全ての追加的な特徴および利点は、請求項の範囲内であり、かつ次の請求項により保護されることを意図するものとする。

添付の図面は、特許請求の範囲のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込んで、その一部を構成するものとする。記載されている詳細な説明および図示された実施態様は特許請求の範囲により定義される原理の説明に役立つものである。

図１は、一実施態様に係るケーブル・アセンブリの斜視図である；

図２Ａは、図１のケーブル・アセンブリに利用されてもよい模範的なケーブルの断面図である。

図２Ｂは、図２Ａのケーブルの模範的なリボン化された端面である。

図３は、図２Ａのケーブルを形成するための一連の操作を図示する。

以下に記載の実施態様は、絶縁ワイヤを含むケーブルであって、当該絶縁ワイヤが絶縁体の外表面に形成される導電性被膜を有するケーブルを提供することにより、従来の基部／遠隔ユニット系に関連する問題を解決する。導電性被膜は一般に、隣接するワイヤ間の相互キャパシタンスを低下させ、当該ワイヤを伝播する信号への電磁妨害の影響を減少させる。導電性被膜は、既知のワイヤよりも小さな直径の絶縁体の使用を促進するので、既定直径のケーブル内に配置されるワイヤの数の増加を促進する。

図１は、模範的なケーブル・アセンブリ１０を図示する。ケーブル・アセンブリ１０はコネクター端部（connector end）１２、トランスジューサー端部（transducer end）１４および接続用フレキシブルケーブル（connecting flexible cable）１６を含む。このような模範的なケーブル・アセンブリ１０においては、コネクター端部１２は、超音波画像機などの電気器具に連結するように構成されたヘッダーコネクター２２を有する回路基板２０を含む。コネクター端部１２はコネクターハウジング２４、およびケーブル１６の端部を取り囲む張力緩和部（strain relief）２６を含む。ケーブル１６の反対側端部には、例えば、超音波トランスジューサー３０が接続されてもよい。コネクター端部１２およびトランスジューサー端部１４は模範的なものに過ぎないことが理解される。他の部品がケーブル１６に接続されてもよい。

図２Ａはケーブル１６の模範的な断面図を図示する。ケーブル１６は１つのシース（sheath）２００、１つの編組シールド（braided shield）２０５、複数の絶縁ワイヤ（insulated wires）２１０の一群、および複数の非絶縁ワイヤ（non-insulated wires）２３５の一群を含む。絶縁ワイヤ２１０および非絶縁ワイヤ２３５の数は模範的な例に過ぎず、必ずしも、あらゆる特定の用途で実際に必要とされるワイヤのあらゆる数の代表的なものではないことを理解するべきである。

シース２００はケーブル１６の外側を規定する。シース２００はあらゆる非導電性の柔軟性材料、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン、またはポリウレタンから形成されてもよい。シース２００は約８．４ｍｍ（０．３３インチ）の外径を有していてもよい。存在する場合、編組シールド２０５の内側直径のところで測定される内径は、６．９ｍｍ（０．２７０インチ）であってもよい。このことは、１．４ｍｍ^２（０．０５７インチ^２）の穴の断面積（円形で直線のとき）をもたらす。このような大きさのシース２００は約６４〜２５６本のワイヤ２１０の配置を促進する。シース２００の直径は絶縁ワイヤ２１０および非絶縁ワイヤ２３５の様々な数に応じて増加させてもよいし、または減小させてもよい。

編組シールド２０５はシース２００の内表面に設けられており、ワイヤ２１０および２３５の全てを取り囲んでいる。編組シールド２０５は導電性材料、例えば、銅であってもよいし、または電磁妨害の外因から非絶縁ワイヤ２３５を遮蔽するのに適した様々な材料であってもよい。幾つかの実施態様においては、編組シールド２０５は銀めっきされていてもよいし、または絶縁ワイヤ２１０を取り囲むメッシュ状構造を形成していてもよい。

絶縁ワイヤ２１０は、ケーブル１６の各端部において、各部分群（sub-group）が「リボン化された」リボン部２１５（図２Ｂ）を有する複数の部分群に並べられていてもよい。すなわち、部分群の絶縁ワイヤ２１０は互いに並んで付着または接着し、リボンを形成してもよい。各リボン部２１５を調整して、各絶縁ワイヤ２１０の中央導線２２０を露出させ、ケーブル１６が用いられる用途の要求により決定されるあらゆる常套の方法による、当該絶縁ワイヤ２１０の回路基板２０への接続またはあらゆる電気部品またはコネクターへの接続を促進してもよい。組立者がケーブル１６の反対側端部のリボン部２１５と相互に関連づけさせることができるように、リボン部２１５には特有のしるしを付けてもよい。

ケーブル１６の中央部３６（図１）においては、部分群の複数の絶縁ワイヤ２１０は一般的に解放されており、編組シールド２０５およびシース２００の内部で互いに独立して自由に動くことができる。ワイヤの独立性は、米国特許第６，７３４，３６２Ｂ２（２００４年５月１１日発行、この特許を本明細書中、参考文献として組み込むものとする）に記載のように、ケーブル１６の柔軟性を改善させ、隣接する絶縁ワイヤ２１０間で起こるクロストークの度合いを低下させる。絶縁ワイヤ２１０の解放部３６は、張力緩和部間において、張力緩和部を通って、かつリボン部２１５が置かれて接続されるハウジング内において、ケーブル１６の全長を拡張している。

各絶縁ワイヤ２１０は、例えば、フルオロポリマー、ポリ塩化ビニル、またはポリオレフィン、例えばポリエチレン、などの絶縁材料２２５により取り囲まれた中央導線２２０を含む。導線２２０は銅またはめっきされた銅（例えば、銀めっきされた銅、錫めっきされた銅、または金めっきされた銅）であってもよいし、または様々な導電性材料であってもよい。導線２２０は中実（solid）であっても、またはストランド化されていてもよく、さらに、約５２ＡＷＧ（０．０２０ｍｍ（０．０００７８インチ）直径）〜３６ＡＷＧ（０．１３ｍｍ（０．００５インチ）直径（中実ワイヤ）、０．１５ｍｍ（０．００６インチ）直径（ストランド化ワイヤ））のゲージ寸法（gauge size）を有していてもよい。導線２２０の材料およびゲージは、所望の電流が既定の導線２２０を流れるのを促進するように選択されてもよい。例えば、導線２２０のゲージを減小させて（すなわち、直径を増大させて）、流れる電流の増加を促進してもよい。中実ワイヤと対照的に、ストランド化ワイヤを利用して、ケーブル１６の全体の柔軟性を改善してもよい。絶縁ワイヤ２１０は全てが同じ特性を有していてもよいし、または異なっていてもよい。すなわち、複数の絶縁ワイヤ２１０は異なるゲージ、異なる導線などを有していてもよい。

導線２２０を取り囲んでいる絶縁材料２２５は、フルオロポリマー、またはポリオレフィン、例えばポリエチレン、などの材料から構成されていてもよいし、またはポリ塩化ビニルなどの材料から構成されていてもよい。絶縁材料２２５の厚みは、約０．０５〜０．６４ｍｍ（０．００２〜０．０２５インチ）であってもよい。絶縁材料２２５の厚みが増大すると、クロストーク特性は改善される（すなわち、ワイヤ間の相互キャパシタンスは減小する）ので、隣接する絶縁ワイヤ２１０間のクロストークは低下する。他方、厚みの増大は、編組シールド２０５内に配置される絶縁ワイヤ２１０の総数を低下させる。絶縁材料の厚みを用いて、キャパシタンスおよび特性インピーダンスを制御してもよい。

絶縁材料２２５の外表面には導電性被膜２３０が形成されている。導電性被膜２３０は、あらゆる適切な材料、例えば、カーボン、グラファイト、グラフェン、銀、または銅であってもよいし、または懸濁溶液であってもよい。導電性被膜はスプレー法、分散法（dispersion process）または導電性材料の薄層の適用に適した他の方法により適用してもよい。ある実施態様においては、グラファイトのイソプロピルアルコールコロイド分散液またはメチルエチルケトンに懸濁されたフルオロポリマーバインダー中のカーボン／グラファイト粒子コロイド分散液を用いてもよい。例えば、ダグ５０２（エレクトロダグ５０２としても知られている）を用いてもよい。別の実施態様においては、例えばグラフェンを含有する、ボルベック・マテリアルズ社製のボル−インク グラビューレ^{（登録商標）}などの製品を分散液コーティング法により厚み約０．００５ｍｍ（０．０００２インチ）に適用してもよい。導電性被膜２３０の適用は、隣接する絶縁ワイヤ２１０間の相互キャパシタンスをさらに低下させるので、クロストークをさらに低下させる。同時にワイヤの自己キャパシタンスは増加する；このため、ワイヤの特性インピーダンスは、被膜材料の厚みおよび導電性を変化させることにより、制御してもよい。その厚みは一般的には、約０．０１０ｍｍ（０．０００４インチ）未満であり、好ましくは約０．００５ｍｍ（０．０００２インチ）以下である。一実施態様においては、イソプロピルアルコール中に分散されたグラフェンの導電性被膜２３０を有する約０．９１ｍ（３フィート）長の絶縁ワイヤ２１０は、約２ｐＦ未満の相互キャパシタンスを有することを見い出した。これに伴って、隣接する絶縁ワイヤ２１０間のクロストークは、通常の未コート設計の−２６ｄＢ未満（５ＭＨｚ未満）および−２３ｄＢ未満と比較して、約−３４ｄＢ未満（５ＭＨｚ未満）および約−３１ｄＢ未満（５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）に低下することを見い出した。このため、導電性被膜２３０の追加は、ゲージおよび自己キャパシタンスが同じ標準の同軸ケーブルと比較して、ワイヤ２１０の厚みの減小を促進する。従って、導電性被膜２３０は、同軸設計と比較して、既定の直径のシース２００内に配置されるワイヤ２１０の数の増加を促進する。上記した特性および絶縁ワイヤ２１０の特性インピーダンスは、様々な導電性を有する導電性被膜２３０を選択すること、絶縁材料２２５の厚みを変化させること、または既定の誘電率を有する絶縁材料２２５を選択することなどによって、調整されてもよいことが理解されるべきである。

幾つかの実施態様においては、少なくとも１つの非絶縁ワイヤ２３５をシース２００および編組シールド２０５内に配置させ、１以上の絶縁ワイヤ２１０の導電性被膜２３０と接触させてもよい。非絶縁ワイヤ２３５は導電性材料、例えば、銅、であってもよい。非絶縁ワイヤ２３５は約４８ＡＷＧ（中実ワイヤで０．０３１ｍｍ（０．００１２４インチ）およびストランド化ワイヤで０．０３８ｍｍ（０．００１５インチ）の直径）のゲージを有していてもよいが、他のゲージが意図される。例えば、別の実施態様においては、３８ＡＷＧ（ストランド化ワイヤで０．１２ｍｍ（０．００４８インチ）および中実ワイヤで０．１０ｍｍ（０．００４インチ）の直径）〜４２ＡＷＧ（ストランド化ワイヤで０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）およびストランド化ワイヤで０．０６３ｍｍ（０．００２５インチ）の直径）のワイヤを利用してもよい。ケーブル１６のそれぞれの端部においては、非絶縁ワイヤ２３５を終端処理し、接地してもよい。非絶縁ワイヤ２３５の接地は、非絶縁ワイヤ２３５とそれぞれの絶縁ワイヤ２１０の導電性被膜２３０との接触により、絶縁ワイヤ２１０の導電性被膜２３０を同様に接地する。ケーブル１６内の絶縁ワイヤ２１０の多く（一部かもしれないが）は、ケーブル１６内の幾つかの場所で、別のものと接触状態にある、と説明することができる。このため、非絶縁ワイヤ２３５の接地は、全ての絶縁ワイヤ２１０の導電性被膜２３０を効果的に接地する。導電性被膜２３０の接地は、絶縁ワイヤ２１０を介して伝播される信号への電磁妨害の外因の影響を今度は減少させる。幾つかの実施態様においては、コート化絶縁ワイヤ２３０の割合は４：１以上であり、それぞれの絶縁ワイヤ２１０の導電性被膜２３０の接地特性を改善することができる。

図３は、上記したケーブル１６に対応するケーブルを形成するための一連の操作を図示する。ブロック３００においては、導線の一群を準備する。導線は銅であってもよいし、または異なる導電性材料であってもよい。導線は中実コアを有していてもよいし、またはストランド化されていてもよい。導線のゲージは５２ＡＷＧ〜３６ＡＷＧであってもよい。

ブロック３０５においては、各導線の周りに絶縁層を形成する。絶縁層は、ポリエチレン、フルオロカーボンポリマー、またはポリ塩化ビニルなどの材料であってもよい。絶縁層の直径（diameter）は、約０．０２５〜０．６４ｍｍ（０．００１〜０．０２５インチ）であってもよい。

ブロック３１０においては、絶縁層の外表面に導電性被膜を形成する。導電性被膜は、例えば、スプレー法または分散法により適用されてもよい。被膜は、カーボン、グラファイト、グラフェン、銀、または銅などの材料であってもよく、しかも懸濁溶液の状態にあるものであってもよい。スプレー法または分散法により絶縁層に適用可能な他の導電性材料を利用してもよい。導電性被膜の厚みは約０．００５ｍｍ（０．０００２インチ）であってもよい。

ブロック３１５においては、複数のワイヤの群の外側に１つの編組シールドワイヤを適用してもよい。編組シールドワイヤは銀めっき銅であってもよく、複数のワイヤを取り囲むように構成されたメッシュとして形成されてもよい。

ブロック３２０においては、編組シールドワイヤの周りに１つのシースを適用してもよい。シースは、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、またはフルオロカーボンポリマーなどの材料であってもよい。約０．６３５〜１２．７ｍｍ（０．０２５〜０．５００インチ）のシースの外径で、１０〜５００本のワイヤを当該シース内に収容してもよい。一実施態様においては、約１２．７ｍｍ（０．５インチ）の外径のケーブルで、複数のワイヤのワイヤ数は約５００本である。

他の操作を備えて、ケーブルの特性をさらに高めたり、かつ／またはさらに有益な特徴を提供してもよい。例えば、幾つかの実施態様においては、編組シールドを複数のワイヤの外側に適用する前に、当該ワイヤの中に、１以上の非絶縁ワイヤを配置してもよい。非絶縁ワイヤは、上記したように、ケーブルの端部で終端処理し、接地してもよい。続いて、ケーブル内に存在する、非絶縁ワイヤと導電性コート化絶縁ワイヤとの接触により、絶縁ワイヤの導電性被膜は接地される。

幾つかの実施態様においては、複数のワイヤの第１端部および／または第２端部それぞれを並んで付着し、１以上のリボン群を形成する。当該群内のワイヤは、当該ワイヤを伝播する信号間の所定の関係に基づいて選択されてもよい。

様々な実施態様について説明したが、さらに多くの実施態様が特許請求の範囲内で実施可能であることが当業者には明らかである。上記した様々な寸法は、模範例にすぎず、必要に応じて変更してもよい。従って、さらに多くの実施態様が特許請求の範囲内で実施可能であることが当業者には明らかである。そのため、記載した実施態様は特許請求の範囲の理解を助けるために提供されているだけで、特許請求の範囲を限定するものではない。

Claims (8)

1. 第１端部、第２端部および中間部をそれぞれに有する複数のワイヤであって、該複数のワイヤのそれぞれのワイヤの中間部が相互に分離しているワイヤ；および
   前記複数のワイヤのそれぞれの中間部を取り囲んでいる１つの導電性シールド；
   を含むケーブル・アセンブリであって、
   前記複数のワイヤの各ワイヤは、
   導線；
   該導線を取り囲んでいる絶縁層；および
   該絶縁層の外表面に形成されている導電性被膜であって、グラフェンである導電性被膜；
   を含み、
   前記導電性シールドにより規定される内部空間内には６４〜２５６本の前記ワイヤが設けられており、
   前記ケーブル・アセンブリが複数の非絶縁ワイヤをさらに含み、該複数の非絶縁ワイヤが、前記導電性シールドにより規定される内部空間内に配置されており、該複数の非絶縁ワイヤは該導電性シールドとは接触しておらず前記導電性被膜と接触しており、
   前記複数のワイヤのうちのいずれか２つの相互キャパシタンスが、当該複数のワイヤの長さが０．９１ｍ（３フィート）長のとき、２ｐＦ未満である、ケーブル・アセンブリ。
2. 前記導電性被膜が、０．００５ｍｍ（０．０００２インチ）未満の厚みを有する、請求項１に記載のケーブル・アセンブリ。
3. 前記複数のワイヤの第１端部および第２端部が並んで付着し、リボンを形成する、請求項１に記載のケーブル・アセンブリ。
4. 前記導線を取り囲んでいる絶縁層が、０．０２５〜０．６４ｍｍ（０．００１〜０．０２５インチ）の厚みを有する、請求項１に記載のケーブル・アセンブリ。
5. 前記ワイヤが、３６ＡＷＧ〜５２ＡＷＧのゲージを有する導線を含む、請求項１に記載のケーブル・アセンブリ。
6. 前記導線が、銅、銀めっきされた銅、錫めっきされた銅、および金めっきされた銅からなる導線の群から選択される、請求項５に記載のケーブル・アセンブリ。
7. 前記複数のワイヤ間で測定されたクロストークが−３４ｄＢ未満（５ＭＨｚ未満）である、請求項１に記載のケーブル・アセンブリ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のケーブル・アセンブリの製造方法であって、
   複数の導線を準備する工程；
   前記複数の導線の各導線の周りに絶縁層を形成し、これにより複数の絶縁ワイヤを個々に形成する工程；
   前記各ワイヤの絶縁層の外表面に導電性被膜を形成する工程；
   前記複数のワイヤの外側に１つの編組シールドを適用する工程；および
   前記編組シールドの外側に１つのシースを適用する工程；
   を含む、方法。

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