(57)【要約】【課題】小型、高耐量で、且つ高速なデータ通信が可能な通信路用サージ保護装置を実現できるようにする。【解決手段】通信路用サージ保護装置は、信号線路対１３及び信号線路対１３を囲むグランドパターン１２１を有する配線基板１１１と、配線基板１１１の両端部にそれぞれ設けられ、信号線路対１３により互いに接続された外部接続コネクタ２１と、配線基板１１１に実装された３極アレスタ素子１５とを備えている。信号線路対１３は、少なくとも一部が平行線路である。３極アレスタ素子１５は、端面のそれぞれに設けられた第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２と、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に設けられた第３端子Ｔ３とを有している。第１端子Ｔ１及び第３端子Ｔ３の下端部は、信号線路対１３とそれぞれ接続され、第２端子Ｔ２の下端部は、グランドパターン１２１と接続され、グランドプレーンとして機能する。【選択図】図２
2014030312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号線路対及び該信号線路対を囲むグランドパターンを有する配線基板と、
前記配線基板の両端部にそれぞれ設けられ、前記信号線路対により互いに接続された外部接続コネクタと、
前記配線基板に実装された３極アレスタ素子とを備え、
前記信号線路対は、少なくとも一部が平行線路であり、
前記３極アレスタ素子は、端面のそれぞれに設けられた第１端子及び第２端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた第３端子とを有し、
前記第１端子の下端部は、前記信号線路対の一方と接続され、
前記第３端子の下端部は、前記信号線路対の他方と接続され、
前記第２端子の下端部は、前記グランドパターンと接続され、グランドプレーンとして機能する、通信路用サージ保護装置。
【請求項２】
前記グランドパターンは前記信号線路対と平行に配置されている、請求項１に記載の通信路用サージ保護装置。
【請求項３】
前記配線基板は、グランドプレーン層を有する多層基板であり、
前記グランドプレーン層と前記グランドパターンとは接続されている、請求項１又は２に記載の通信路用サージ保護装置。
【請求項４】
前記グランドパターンと接続された外部接地端子と、
前記外部接地端子を露出するように前記配線基板を収容し、前記外部接地端子と反対側の面を構造物側にして、前記構造物に固定するためのケースとをさらに備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の通信路用サージ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信路用サージ保護装置に関し、特に高速データ伝送路におけるサージ保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷等によって発生するサージは、電子機器に大きなダメージを与える。このため、電子機器をサージから保護するための、サージ保護装置（ＳＰＤ）が検討されている。種々の構成のＳＰＤが検討されているが、基本的な機能は、異常電圧が発生した場合に、電流を接地へ逃がすことである。
【０００３】
サージの侵入経路は種々あるが、通信用ケーブルもその一つである。近年のデータ伝送の発達により、さまざまな電子機器が、データ伝送ネットワークに接続されている。このため、通信ケーブルで構成されるデータ伝送路のサージ対策はますます重要になっている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
監視カメラ等のセキュリティー機器は、屋外に設置されることも多く、セキュリティー機器が長い通信ケーブルを介してルーター等と接続される場合が多い。通信ケーブルが長くなると、サージが侵入しやすくなる。さらに、雷によるサージは１ＭＨｚ程度までの高周波成分を含んでいる。このため、長い通信ケーブルの一端にＳＰＤを挿入し、サージの発生時に直流的に接地できるようにしたとしても、他端においては、雷サージの高周波成分による定在波が存在することになり、高周波の高電圧が残留している。このため、通信ケーブルに取り付けたＳＰＤとは反対側の端に接続された電子機器が損傷するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３２７０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
機器に長い通信ケーブルが接続されている場合においても、雷サージの定在波による影響を回避して雷サージから機器を保護するために、通信ケーブルの両端にＳＰＤを取り付けることが考えられる。しかし、従来のＳＰＤを通信ケーブルの両端に取り付けた場合には、高周波特性が良好でないため、高速なデータ伝送が困難になるという問題がある。また、データネットワークには多数の電子機器が接続されるため、ルーター等のネットワーク機器には多本数のケーブルが接続されており、ＳＰＤを小型化することが求められている。また、屋外機器との接続では雷サージの電圧が高くなるので、ＳＰＤとして高耐量が求められている。
【０００７】
本発明は、これら相反する要求を満たし、高速なデータ伝送の線路において遠端、近端での縦続接続が可能で、小型、高耐量な通信路用サージ保護装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る通信路用サージ保護装置の一態様は、信号線路対及び該信号線路対を囲むグランドパターンを有する配線基板と、配線基板の両端部にそれぞれ設けられ、信号線路対により互いに接続された外部接続コネクタと、配線基板に実装された３極アレスタ素子とを備え、信号線路対は、少なくとも一部が平行線路であり、３極アレスタ素子は、端面のそれぞれに設けられた第１端子及び第２端子と、第１端子と第２端子との間に設けられた第３端子とを有し、第１端子の下端部は、信号線路対の一方と接続され、第３端子の下端部は、信号線路対の他方と接続され、第２端子の下端部は、グランドパターンと接続され、グランドプレーンとして機能する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る通信路用サージ保護装置によれば、小型、高耐量で、且つ高速なデータ伝送が可能な通信路用サージ保護装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態のサージ保護装置の回路構成を示す回路図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は一実施例に係るサージ保護装置の配線基板を示し、（ａ）第１層を示す平面図であり、（ｂ）は第４層を示す平面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はサージ保護装置の挿入損失を示すグラフであり、（ａ）はグランドプレーンを設けた場合であり、（ｂ）はグランドプレーンを設けていない場合である。
【図４】一実施例に係るサージ保護装置の挿入損失を示す図である。
【図５】一実施例に係るサージ保護装置の漏話特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の通信路用のサージ保護装置（ＳＰＤ）は、信号線路対及び該信号線路対を囲むグランドパターンを有する配線基板と、配線基板の両端部にそれぞれ設けられ、信号線路対により互いに接続された外部接続コネクタと、配線基板に実装された３極アレスタ素子とを備え、信号線路対は、少なくとも一部が平行線路であり、３極アレスタ素子は、端面のそれぞれに設けられた第１端子及び第２端子と、第１端子と第２端子との間に設けられた第３端子とを有し、第１端子の下端部は、信号線路対の一方と接続され、第３端子の下端部は、信号線路対の他方と接続され、第２端子の下端部は、グランドパターンと接続され、グランドプレーンとして機能する。
【００１２】
本実施形態のＳＰＤにおいて、グランドパターンは信号線路対と平行に設けられていてもよい。
【００１３】
本実施形態のＳＰＤにおいて、配線基板は、グランドプレーン層を有する多層基板であり、グランドプレーン層とグランドパターンとは接続されていてもよい。
【００１４】
本実施形態のＳＰＤは、信号線路対の間に接続された電圧制限素子をさらに備えていてもよい。
【００１５】
本実施形態のＳＰＤは、グランドパターンと接続された外部接地端子と、外部接地端子を露出するように配線基板を収容し、外部接地端子と反対側の面を構造物側にして、構造物に固定するためのケースとをさらに備えていてもよい。
【００１６】
本実施形態のＳＰＤは、図１に示すような回路構成を有している。信号線路１１と信号線路１２とからなる信号線路対１３により、２つの外部接続コネクタ２１の対応する端子同士が接続されている。信号線路対１３の間には、３極アレスタ素子１５が接続されている。３極アレスタ素子１５の第１端子Ｔ１は信号線路１１と接続され、第３端子Ｔ３は信号線路１２と接続され、第２端子Ｔ２は外部接地端子３１と接続されている。また、信号線路１１と信号線路１２との間には、電圧制限素子１７が接続されている。
【００１７】
２つの外部接続コネクタ２１のシールド同士は、シールド線路２２により接続されており、シールド線路２２は、３極アレスタ素子２３の第１端子Ｔ１と接続されている。３極アレスタ素子２３の第２端子Ｔ２及びＴ３は外部接地端子３１と接続されている。シールド線路２２と接続された３極アレスタ素子２３は、２極アレスタ素子としてもよい。
【００１８】
米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）制定の１０００ＢＡＳＥ−Ｔ規格のデータ伝送路の場合、信号線路対１３は４組設けられており、外部接続コネクタ２１には８ピンモジュラージャック（ＲＪ−４５）が用いられる。
【００１９】
３極アレスタ素子１５及び２３は、ネオン又はアルゴン等の不活性ガスが封入されたセラミックス等の絶縁性のチューブ内に、互いに対向するように３つの電極が配置された、ガス入り放電管（Gas Discharge Tube：ＧＤＴ）とすればよい。必要とする保護特性に応じたサージ耐量を有する３極アレスタ素子を用いればよいが、屋外においても使用する可能性がある場合等においては放電電流が大きいものを用いることが好ましく、具体的にはサージ耐量が１０ｋＡ程度のものを用いることが好ましい。また、３極アレスタ素子の両端面は、全面が金属からなる電極となっているものを使用する。
【００２０】
電圧制限素子１７は、ＧＤＴが放電するのに遅延をともなうため、放電開始するまでの極めて短い時間間隔における高電圧抑制のために設置するものである。このため、サージ耐量（電流耐量）は、数十Ａ程度でよいが、高速に動作する素子が好ましい。また、高周波特性を低下させないためには静電容量が小さいことが好ましい。
【００２１】
信号線路対１３に所定の電圧以上のサージが生じると、３極アレスタ素子１５の第１端子Ｔ１及び第３端子Ｔ３と第２端子Ｔ２との間で放電して導通状態となり、サージを接地に逃がすことができる。なお、３極アレスタ素子１５の放電開始直前までは電圧制限素子１７が作動して、サージによる電圧上昇を抑制することができる。
【００２２】
ＩＥＥＥによる１０００ＢＡＳＥ−Ｔの規格では、信号の周波数帯域は約８０ＭＨｚとなる。さらに、次世代の規格では周波数帯域は約２５０ＭＨｚとなる。従って、図１のような構成の回路を単純に組み立てただけでは、高周波特性が十分でなく、高速なデータ伝送を行うことができない。このため、高周波回路としての設計を行う必要がある。
【００２３】
高速度データ伝送用通信線は平衡芯線が用いられるので、回路内における信号線路対を構成する２つの信号線路は平行になるように配置することが重要である。このため、信号線路対は、できるだけ平行線路となるように配線基板に配置する。
【００２４】
また、配線基板には、直接信号伝送に関係しない空白領域にグランドパターンを設ける。グランドパターンは信号線路対に平行になるようにして信号線路対を囲むように設けることが好ましい。これにより、寄生発振等による特性低下を低減することができる。グランドパターンの面積は大きい方がよい。なお、グランドパターンが信号線路対に対して平行に配置されているとは、グランドパターンと信号線路対との互いに対向する辺が平行になっていることをいう。但し、全ての部分においてグランドパターンが信号線路対に対して平行に配置されている必要はない。
【００２５】
３極アレスタ素子は、端面のそれぞれに設けられた第１端子及び第２端子と、第１端子と第２端子との間に設けられた第３端子とを有する形状とし、第１端子及び第３端子を信号線路対と接続し、第２端子をグランドパターンと接続する。３極アレスタ素子の両端に設けられた第１端子及び第２端子を信号線路対と接続する場合には、信号線路対の間隔を３極アレスタ素子の幅とほぼ同じにする必要がある。サージ耐量が１０ｋＡの３極アレスタ素子の場合、一般的な大きさは、直径が６ｍｍ程度で、幅が８ｍｍ程度となる。このため、第１端子及び第２端子を信号線路対と接続する場合には、３極アレスタ素子を接続する部分において、信号線路対を構成する信号線路同士の間隔を大きく広げる必要があり、小型化が困難となる。特に、４回路もの実装が必要となる高速データ伝送路用サージ保護装置では３極アレスタ素子の配置が困難となる。しかし、第１端子と、中央部に設けられた第３端子とを信号線路と接続することにより、信号線路の間隔を半分にすることができ、小型化に有利となる。
【００２６】
また、３極アレスタ素子の第１端子、第３端子の下端部を信号線路対と直接接続し、第２端子の下端部をグランドパターンと直接接続する。３極アレスタ素子の各端子と、信号線路対及びグランドパターンとの間をワイヤー等により接続すると、不要なリアクタンス成分が付加され、高周波特性に影響を与えることになる。しかし、各端子と信号線路対及びグランドパターンとを直接接続することにより、リアクタンス成分の増大を抑えることができる。さらに、金属板である第２端子がグランドパターンと略垂直に接続されることにより、第２端子がグランドプレーンとして機能する。これにより、寄生発振等の発生を抑えることができる。この場合、３極アレスタ素子の第２端子が形成された端面は、全面が金属板である第２端子となっていることが好ましい。
【００２７】
本実施形態のＳＰＤにおいては、３極アレスタ素子の第２端子がグランドプレーンとして機能するため、グランドパターンと接続されたグランドプレーンを別途設けなくてよい。しかし、グランドプレーンを別途設けてもよい。グランドプレーンを別途設ける場合、グランドパターンと接続され、配線基板に対して略垂直となる金属板を配線基板の少なくとも一方の側端部に設けることが好ましい。金属板の長さは、配線基板の長さと以上とすることが好ましい。金属板の高さは、配線基板の上に実装された３極アレスタ素子の高さよりも高いことが好ましい。また、金属板は両側端部に設けてもよい。さらに、配線基板の上方を金属板により覆う構成としてもよい。配線基板の表面及び裏面のそれぞれに信号線路対を設ける場合には、裏面側にもグランドプレーンとなる金属板を設けることが好ましい。
【００２８】
高周波特性をさらに向上させるために、配線基板を多層基板とし、少なくとも１層を、グランドパターンと接続されたグランドプレーン層とすることが好ましい。グランドプレーン層を設けることにより信号線路対をシールドする効果が増大する。また、グランド面積を大きくすることができ、寄生発振等の抑制効果も得られる。
【００２９】
１０００ＢＡＳＥ−Ｔの規格の場合、４対の信号線路対が必要となる。ＳＰＤを小型化するために、配線基板の第１の面（表面）及び第２の面（裏面）の両方にそれぞれ２対の信号線路を配置し、第１の面と第２の面との間に、グランドプレーン層を設けた３層構造としてもよい。また、２つの両面基板を積層した４層構造としてもよい。この場合には、グランドプレーン層を２層とすればよい。
【００３０】
ＳＰＤを外部の接地と接続する外部接地端子は、配線基板の外部接続コネクタと同じ面に設けることが好ましい。また、外部接続コネクタの高さと、外部接地端子の高さとを揃えることが好ましい。このようにすることにより、ＳＰＤの厚さを薄くすることができる。
【００３１】
ＳＰＤを収容するケースは、外部接地端子と反対側の面を構造物側にして固定できるようにすることが好ましい。外部接地端子を構造物と反対側にして固定することにより、外部接地端子へのアース線の接続が容易となる。ルーター側のＳＰＤは制御盤の構造材であるＤＩＮレールに複数取り付けられることが多い。また、ルーターのポートの変更等によりＳＰＤの位置を移動させることも多い。外部接地端子をＤＩＮレールと反対側の面に設けることにより、外部接続端子へのアクセスが容易となり、ＳＰＤの施工が容易となる。
【００３２】
本実施形態のＳＰＤは、データネットワークのケーブルの途中に少なくとも１つ取り付けられていればよい。取り付け位置は特に限定されないが、ハブにできるだけ近い場所に取り付けることが好ましい。また、ケーブルの両端部にＳＰＤをそれぞれ取り付けることがより好ましい。ケーブルの両端部にＳＰＤを取り付けることにより、長いケーブルにおいて生じやすい雷サージの定在波に対してもケーブルの両端に接続された電子機器を保護することができる。本実施形態のＳＰＤは高周波特性が良好なことから、ケーブルの両端部に挿入した場合においても、１ギガビット／秒又はそれ以上の高速なデータ伝送を行うことができる。また、小型化することが容易であり、複数のデータケーブルが配線されている場合においても、配置が容易である。さらに、小型化した場合においてもサージ耐量が１０ｋＡ以上のＧＤＴを用いることが可能であり、十分なサージ耐量を確保することができる。
【実施例】
【００３３】
以下において実施例を用いて、本発明に係るＳＰＤ装置をさらに詳細に説明する。なお、本実施例において示す回路基板及び素子の配置等は一例であり、何ら発明を限定しない。
【００３４】
４層構造の配線基板を用いて図１に示す回路構成のＳＰＤを実現した。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ基板の第１層（表面）及び第４層（裏面）を示している。説明のため、パターン及び接続されている素子は実線で記載している。配線基板の長さは約８０ｍｍ、幅は約２４ｍｍとした。
【００３５】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように信号線路対１３は第１層１１１及び第４層１１４にそれぞれ２対配置した。第１層１１１には、ＲＪ−４５規格の外部接続コネクタ２１の端子Ｊ１同士を接続する信号線路１１及び端子Ｊ２同士を接続する信号線路１２からなる信号線路対１３と、端子Ｊ３同士を接続する信号線路１１及び端子Ｊ６同士を接続する信号線路１２からなる信号線路対１３を設けた。第４層１１４には、端子Ｊ４同士を接続する信号線路１１及び端子Ｊ５同士を接続する信号線路１２からなる信号線路対１３と、端子Ｊ７同士を接続する信号線路１１及び端子Ｊ８同士を接続する信号線路１２からなる信号線路対１３を設けた。
【００３６】
各信号線路対１３は、その全長の９０％以上の部分において２つの信号線路１１及び１２が平行である平行線路となるようにした。また、各信号線路対１３は、グランドパターン１２１により囲まれるように配置した。第１層１１１及び第４層１１４においてグランドパターン１２１が各信号線路対１３に平行になるように配置して、その面積が第１層１１１の総面積の５０％以上となるように配置した。第２層及び第３層は、グランドプレーン層とし、スルーホール配線により第１層１１１及び第４層１１４のグランドパターン１２１と接続した。外部接続コネクタ２１及び外部接地端子３１は、第１層１１１に設けた。外部接続コネクタ２１のケース及び外部接地端子３１は、グランドプレーン層とは直接接続されていない。
【００３７】
３極アレスタ素子１５及び２３には、直径が約６ｍｍ、幅が８ｍｍで、サージ耐量が１０ｋＡの市販のＧＤＴ（エプコス社製：T30-A230XMSD）を用いた。電圧制限素子１７には、ピーク逆電圧が５Ｖ、サージ耐量が５０Ａであり、静電容量が小さい市販のサージクランパ（オリジン電気社製：SCL510）を用いた。
【００３８】
図３（ａ）及び（ｂ）は、グランドプレーンを設ける効果を確認した結果を示している。図３（ａ）は、グランドプレーンが設けられている場合の伝送特性をスペクトラムアナライザ（アドバンテスト社製：Ｒ３３６１Ｃ）を用いて測定した結果であり図３（ｂ）は、グランドプレーンを設けていない場合の結果を示している。グランドプレーンを設けていない場合には、挿入損失が大きく変化し、寄生発振が生じていることが明らかである。このように、グランドプレーンを設けることにより、高周波特性を大きく向上させることができる。
【００３９】
図４は長さが１００ｍのＩＥＥＥのカテゴリー５ｅ規格のケーブルの両端に本実施例のＳＰＤを接続し、ケーブルアナライザ（FLUKE社製：ＤＴＸ−１８００）により測定した伝送特性を示している。図４に示すように本実施例のＳＰＤは、挿入損失が十分に小さいことが確認された。また、図５に示すように長いケーブルの両端に接続した場合においても、漏話特性も規格に対して余裕を有することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のサージ保護装置は、小型、高耐量で、且つ高速なデータ通信が可能であり、特に高速なデータ伝送路のサージ保護装置として有用である
【符号の説明】
【００４１】
１１      信号線路
１２      信号線路
１３      信号線路対
１５      ３極アレスタ素子
１７      電圧制限素子
２１      外部接続コネクタ
２２      シールド線路
２３      ３極アレスタ素子
３１      外部接地端子
１１１    第１層
１１４    第４層
１２１    グランドパターン
【図１】
2014030312.tif 000003
【図２】
2014030312.tif 000004
【図３】
2014030312.tif 000005
【図４】
2014030312.tif 000006
【図５】
2014030312.tif 000007