WO2006022117A1 - 同軸ケーブル - Google Patents

Abstract

中心導体と、中心導体の外周に配置される絶縁体と、絶縁体の外周に中心導体と同軸状に配置される外部導体を具える同軸ケーブルであり、導電率を20％IACS以上とする。そして、中心導体のヤング率を245GPa以上とする。引張応力、繰り返し屈曲に対する耐久性に加えて、耐捻回性の向上には、ヤング率が大きいことが有効であるため、本発明では、特に、中心導体のヤング率を規定する。このようなヤング率を満たすには、中心導体の形成材料として、タングステン、タングステン合金、モリブデン、モリブデン合金から選択される1種以上を用いることが好適である。

Description

明 細 書

同軸ケープノレ

技術分野

[0001] 本発明は、中心導体、絶縁体、外部導体を具える同軸ケーブルに関するものであ る。特に、引張応力及び繰り返し屈曲に加え、捻回に対する耐久性に優れる同軸ケ 一ブルに関するものである。

背景技術

[0002] 従来、超音波診断装置の診断プローブや内視鏡などの医療機器、産業用ロボット などで用いられる信号伝送用ケーブル、ノート型コンピュータなどの情報機器、携帯 電話や PDAなどの携帯機器で用いられる内部接続用ケーブルなどと!/ヽつた電線ケー ブルとして、同軸ケーブルが広く利用されている。図 1は、同軸ケーブルの概略構造 を示す斜視図である。同軸ケーブル 10は、中心導体 11と、中心導体 11の外周に配置 される絶縁体 12と、絶縁体 12の外周に中心導体 11と同軸状に配置される外部導体 1 3とを具えるものであり、外部導体 13の外周には、通常、榭脂など力もなる外皮 (ジャケ ット) 14を具える。上記のような電気機器で利用される同軸ケーブルでは、機器使用中 、引張応力に加えて、繰り返し屈曲されることが多ぐ屈曲による歪みが蓄積して、最 悪の場合、断線やケーブル破壊に至る恐れがある。そこで、耐屈曲性を高めるため に中心導体 11として、銅や希薄銅合金カゝらなる素線 11aを複数本撚り合わせた撚線 構造のものがよく用いられている。特許文献 1では、耐屈曲性を向上するべぐ中心 線の弾性係数が外層線の弾性係数よりも大きくなるように導体素線を撚り合わせた撚 線構造の中心導体を提案している。一方、特許文献 2では、撚線がばらけて短絡など の事故が生じるのを防止するべぐ中心導体を撚線ではなく特定組成力 なる単線 にて形成することを提案して 、る。

[0003] 特許文献 1：特許第 3376672号公報

特許文献 2：特開 2001-23456号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0004] 上記のように従来の同軸ケーブルは、引張応力や繰り返し屈曲に対して優れた耐 久性を有している。しかし、最近、引張応力、繰り返し屈曲に加えて、捻回 (捻り)も加 わった複雑な動作を行う機器が開発されてきており、従来の同軸ケーブルでは、捻 回に対する耐久性が十分でなぐ早期に断線が発生することがある。従って、耐捻回 性に優れる同軸ケーブルの開発が望まれている。

[0005] そこで、本発明の主目的は、引張応力、繰り返し屈曲に対し優れた耐久性を有する だけでなぐ耐念回性にも優れる同軸ケーブルを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明者らは、同軸ケーブルにおいて中心導体の材料特性と、引張応力、繰り返 し屈曲及び捻りの三つの動作が中心導体に加わった場合に中心導体が断線するま での耐久性との関係を調べた結果、中心導体の弾性係数 (ヤング率)と、上記三つの 動作とに相関があることを見出した。即ち、特定のヤング率を有する中心導体を用い た同軸ケーブルでは、引張、屈曲、捻りの三つのモードが加わった場合でも、従来の 同軸ケーブルと比較して、断線までの耐久性が大幅に向上するとの知見を得た。そ こで、本発明では、特に、中心導体のヤング率を規定し、上記目的を達成する。

[0007] 即ち、本発明は、中心導体と、中心導体の外周に配置される絶縁体と、絶縁体の 外周に中心導体と同軸状に配置される外部導体を具える同軸ケーブルである。そし て、中心導体のヤング率を 245GPa以上、導電率を 20%IACS以上とする。

[0008] 以下、本発明を詳しく説明する。

本発明同軸ケーブルは、中心から順に中心導体、絶縁体、外部導体を具えるもの とする。更に、外部導体の外周に外皮 (ジャケット)を具えた構成としてもよい。また、本 発明同軸ケーブルは、中心導体、絶縁体、外部導体から構成されるコアを 1本具える 単心のケーブルとしてもよいし、同コアを複数用意し、これら複数のコアの外周を一 括に覆う共通の外皮を具えた多心のケーブルとしてもよい。更に、本発明同軸ケープ ルは、中心導体、絶縁体、外部導体、外皮から構成されるコアを複数用意し、これら 複数のコアの外周を一括に覆う共通の外皮を具えた多心のケーブルとしてもよい。

[0009] そして、中心導体は、ヤング率が 245GPa以上のものとする。 245GPa未満では、引 張応力、屈曲、及び捻回の複合動作が繰り返し行われた際、ケーブル (特に、中心導 体)が断線するまでの耐久性の向上が少ないからである。特に、 280GPa以上が好まし い。また、本発明では、中心導体の導電率を 20%IACS以上とする。 20%IACS未満で は、導電率が低すぎることで、例えば、信号を伝送する際、中心導体内部に発生する ジュール熱により、伝送損失が増大するためである。特に、 25%IACS以上が好ましい

[0010] 本発明では、上記ヤング率及び導電率の双方を満たす材料にて中心導体を形成 する。具体的な形成材料としては、金属材料、特に、タングステン、モリブデン、タン ダステン合金、モリブデン合金から選択される 1種以上の金属材料が挙げられる。タン ダステンとは、タングステンと不可避的不純物とからなるいわゆる純タングステン、モリ ブデンとは、モリブデンと不可避的不純物と力もなるいわゆる純モリブデンとする。タ ングステン合金としては、例えば、 Cu、 Al、 Si、 K、 Re、 ThO、 CeOを含有し、残部がタ

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ングステンと不可避的不純物とからなるものが挙げられる。モリブデン合金としては、 例えば、 Cu、 Co、 Sn、 Al、 Si、 Kを含有し、残部がモリブデンと不可避的不純物とから なるものが挙げられる。

[0011] 上記材料力もなる中心導体は、単線としてもよいし、複数の素線をより合わせた撚 線構造としてもよい。中心導体を単線とした場合、 1.導体断面積 (公称断面積)を同じ とする場合、単線の方が撚線よりも細径ィ匕が可能である、 2.ピッチパターンの狭い回 路基板に中心導体をはんだ付けする際、撚線のように素線がばらけて短絡が生じる 恐れがない、 3.撚線工程がないため、製造コストの大幅な低減が可能である、といつ た効果を奏する。また、ヤング率が 245GPa以上を満たす場合、単線力もなる中心導 体であっても、従来の銅や銅合金からなる撚線構造の中心導体と比較して、特に耐 捻り性に優れる。本発明において中心導体を撚線構造とする場合、各素線は、同一 種の材料にて形成してもよいし、異種の材料を組み合わせて形成してもよい。例えば 、純タングステン力 なる素線と、タングステン合金力 なる素線とを用意して撚り合わ せてもよい。このとき、本発明で規定するヤング率及び導電率を満たすようにする。例 えば、各素線の組成を調整することが挙げられる。

[0012] 特に、中心導体を単線とする場合、単線の外径は、 0.01mm以上 0.2mm以下としても よい。中心導体に屈曲及び捻りが加わる場合、屈曲時の曲げ半径や捻りのピッチを 同じとすると、中心導体の外径が大きくなるほど、中心導体表面に発生する歪み量が 大きくなり、早期に断線し易くなる。そこで、屈曲と捻りとの二つのモードが加わった際 に中心導体が断線するまでの耐久性の劣化を低減するべぐ中心導体の外径は、 0. 2mm(200 μ m)以下とすることが好ましい。特に、 0.1mm(100 μ m)以下とすることが好ま しい。一方、屈曲、捻りの二つの動作だけの場合、中心導体は、外径が小さいほど耐 久性に優れるが、更に、引張応力も加わった場合、中心導体の外径を小さくし過ぎる 、特に O.OlmmaO /z m)未満とすると、破断までの耐久性が極端に悪くなる。そこで、中 心導体を単線とする場合、その外径は、 0.01mm以上とすることが好ましい。なお、複 数の素線を撚り合わせて中心導体を構成する場合、各素線の外径は、 0.004mm以上 0.06mm以下、撚り合わせた際の外径は、単線と同様に 0.01mm以上 0.2mm以下、特 に、 0.1mm以下とすることが好ましい。

[0013] 更に、中心導体は、引張強さが 2450MPa以上であってもよい。引張強さが高い場合 、耐屈曲性に優れることに加えて、耐捻り性にも優れることを見出した。具体的には、 引張強さが 2450MPa以上であると、引張、屈曲及び捻りの複合モードにおいて中心 導体の破断までの耐久性がより向上できるとの知見を得た。引張強さは、中心導体 の形成材料や伸線条件によって調整することができる。形成材料に応じて伸線条件 を変化させるとよい。一般に、伸線回数を多くするほど引張強度は高くなる傾向にあ る。また、形成材料としてタングステンやその合金を用いると、 2450MPa以上の引張強 さを得易い。

[0014] その他、中心導体の表面には、メツキ層を設けてもよい。メツキ層を設けることで、中 心導体と他の部材との接続性をよくすることができる。具体的には、中心導体と他の 部材とを半田付けする場合、中心導体にメツキ層を設けることで、半田濡れ性を良好 にすることができるため、接続性が良好になる。また、中心導体に端子を力しめ接続 する場合、中心導体にメツキ層を設けることで、中心導体の酸ィ匕などによる接続信頼 性の低下を防止することができる。従って、例えば、最近の信号伝送量の増大化に 伴い、ケーブルの細径化、特に、中心導体の細径ィ匕要求が強くなつてきている力 メ ツキ層を設けた中心導体を利用することで、ピッチパターンの狭い回路基板において も接続信頼性を向上できる。このようなメツキ層の形成材料としては、 Cu、 Ni、 Sn、 Au 、 Ag、 Pd、 Zn力もなる群力も選ばれた 1種以上の金属材料力もなるものを用いてもよ い。上記群力 選択された 1種の金属元素としてもよいし、複数種の金属元素からな る合金メッキとしてもよい。特に、 Ni、 Au、 Sn、 Agが好ましい。また、メツキ層の厚さは、 5 μ m以下が好適である。 5 μ mを超えるメツキを施すと、機械的特性、耐屈曲性、耐 捻り特性が低下し易いからである。特に好ましい厚さは、 0.05〜2.0 /ζ πιである。複数 の素線にて中心導体を形成する場合、素線ごとにメツキ層を設け、メツキ層を有する 素線を撚り合わせて中心導体を形成してもよい。

[0015] 上記中心導体の外周には、絶縁体 (誘電体)を具える。絶縁体は、絶縁性にカ卩えて 可撓性を有する材料を利用することが好ましい。例えば、エポキシ系榭脂、ポリエス テル系榭脂、ポリウレタン系榭脂、ポリビュルアルコール系榭脂、塩化ビュル系榭脂 、ビュルエステル系榭脂、アクリル系榭脂、エポキシアタリレート系榭脂、ジァリルフタ レート系榭脂、フエノール系榭脂、ポリアミド系榭脂、ポリイミド系榭脂、メラミン系榭脂 などの榭脂、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、これらの榭脂 からなる有機質繊維、無機物質カゝらなる無機質繊維などが挙げられる。これらの材料 を単独、又は 2種以上組み合わせて使用してもよい。特に、低誘電率、薄肉加工性が 可能なフッ素系の樹脂が適する。従来の同軸ケーブルで利用されている材料を用い てもよい。このような絶縁体は、中心導体の周囲に押出により形成することができる。 より具体的には、筒状の中空部を有するモールド型内に中心導体を配置し、型内に 上記榭脂材料を押し出すことが挙げられる。

[0016] 上記絶縁体の外周には、外部導体を具える。この外部導体は、従来、医療機器や 情報機器、携帯機器などで汎用さている比較的細径の同軸ケーブルの外部導体と 同様の形成材料にて設けてもよい。上記細径の同軸ケーブルでは、一般に、可撓性 を有するように外部導体を形成している。このような外部導体は、例えば、銅や銅合 金などの導電性材料カゝらなる薄肉細幅のテープ状線や細径線を上記絶縁体の外周 に卷回したり、細径導線や極細径導線を撚り合わせた細線 (例えば、リッツ線)力ゝらな る編組材を上記絶縁体の外周に配置して形成してもよい。また、これらテープ状線や 細径線、極細径線は、外周にメツキ層を有するものを利用してもよい。このメツキ層は 、 Cu、 Ni、 Sn、 Au、 Ag、 Pd、 Znからなる群から選ばれた 1種以上の金属材料からなるも のが好ましい。

[0017] 上記外部導体の外周には、外皮 (ジャケット)を設けてもよい。この外皮は、同軸ケー ブルの外皮材料として一般的に使用される材料を適宜選択して用いてもょ ヽ。例え ば、絶縁体の形成材料として述べた上記榭脂材料のうち熱可塑性を有するものや、 その他の熱可塑性材料を用いて、外部導体の外周を覆った後加熱溶着したり、絶縁 体の形成方法と同様に外部導体の外周に押出成形により形成することが挙げられる 発明の効果

[0018] 以上説明したように本発明同軸ケーブルによれば、引張応力、繰り返し屈曲に対す る耐久性に加えて、耐捻回性に優れるという特有の効果を奏し得る。従って、中心導 体が断線に至るまでの時間を長くすることができ、ケーブル寿命を大幅に延長させる ことができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]図 1は、同軸ケーブルの概略構成を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、捻り試験の試験方法を示す説明図である。

[図 3]図 3は、屈曲試験の試験方法を示す説明図である。

符号の説明

[0020] 10 同軸ケーブル 11 中心導体 11a 素線 12 絶縁体 13 外部導体

14 外皮 20,30 試験ケーブル 21,22 クランプ 31 マンドレル棒

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明のものと 必ずしも一致していない。

(試験例 1)

表 1に示す材料にて単心の同軸ケーブルを作製し、捻り試験、屈曲試験を行った。 試験に用いた同軸ケーブルは、以下のように作製した。

[0022] <同軸ケーブルの作製 >

表 1に示すタングステン、モリブデンに関しては、それぞれの粉末を成形'焼結して インゴットを作製し、熱間でスウェージ、伸線加工を行い、表 1に示す線径の素線を得 た。また、表 1に示す Cu-0.3%Sn合金線については、連続铸造圧延法により、線径 8. 0mmのワイヤロッドを得た後、冷間で伸線加工を行い、表 1に示す線径の素線を得た 。タングステン、モリブデンの成形、焼結、熱間スゥ ージ、熱間伸線条件、及び Cu-0 .3%Sn合金線の連続铸造圧延条件、伸線条件は、表 1に示すような細径の素線を作 製する際に利用されている条件とした。得られた 1本の素線 (単線)を中心導体とする ものと、得られた素線を複数撚り合わせて中心導体とするものとの二種類の中心導体 を作製した。試料 No.3,100の素線には、素線外周にメツキを施し、メツキ層を有する 素線を中心導体に利用した。得られた中心導体の外周に誘電体 (絶縁体)を施した。 本例では、フッ素榭脂を中心導体の外周に押出して誘電体を形成した。誘電体の外 周には、 Snメツキを施した金属細線 (Cu-0.3質量％Sn)を撚り合わせて外部導体 (シー ルド)を形成した。更に、外部導体の外周にフッ素榭脂を押出して外皮 (ジャケット)を 形成し、中心から順に中心導体、絶縁体、外部導体、外皮からなる単心の同軸ケー ブルを得た。このような同軸ケーブルを中心導体が異なる試料ごとに複数用意した。 なお、表 1の「タングステン」とは、 W及び不可避的不純物からなる純タングステン、同 「モリブデン」とは、 Mo及び不可避的不純物からなる純モリブデンである。また、外皮 は、ケーブル外径が 0.19mmとなるように厚さを調整した。

[表 1]

得られた同軸ケーブルに捻り試験を行った。捻り試験は、図 2に示すように試験ケー ブル 20の中央部をクランプ 21で把持して固定し、端部側をクランプ 22で把持する。ク ランプ 21とクランプ 22間の距離 (Holdinglength)を 10mm、捻り角 (Twisting angle) : ± 180 ° 、捻回速度: 60回/分として、クランプ 22にて試験ケーブル 20を把持しながら念回し 、中心導体が破断するまでの捻回回数を測定した (一方向から 180° 捻回した後、そ の反対方向に 180° 捻回して 1回とする)。本試験では、 n=3の平均値を求めた。その 結果を表 2に示す。

[0025] また、別の同軸ケーブルに屈曲試験を行った。屈曲試験は、いわゆる左右屈曲試 験を行った。具体的には、図 3に示すように試験ケーブル 30の中央部を金属材料か らなる断面円形状のマンドレル棒 31(マンドレル外径 D:10mm)にて挟持し、ケーブル 3 0の一端に荷重 (10g)を取り付け、この状態でケーブル 30の他端側 (荷重が取り付けら れていない側、図 3では上方側)をマンドレル棒 31の外周に沿って 90° ずつ左右に屈 曲させる。左右 90° の屈曲を 1回とし (図 3では、右に屈曲させて垂直方向を経て左に 屈曲させ、再び垂直方向を経て右に屈曲させて 2回とし)、中心導体が破断するまで の屈曲回数を測定した。本試験では、 n=3

の平均値を求めた。その結果を表 2に示す。

[0026] 更に、上記試料 No.l〜4,100,101の中心導体において、ヤング率 (GPa)、導電率 (％ IACS)、引張強さ (MPa)測定してみた。これらの測定に用いた中心導体は、同軸ケー ブルに形成せず、中心導体のままにしておいたものを用いた。表 2にその結果を示す

[0027] [表 2]

[0028] 表 2に示すように、ヤング率が高い、具体的には 245GPa以上、特に 300GPa超の試 料 No.l〜4は、引張強度、耐屈曲性に優れるだけでなぐ耐捻回性にも優れることが わかる。また、表 2に示すように導電率も 20%IACS以上を満たしており、信号伝送用 ケーブルとして、十分利用できることがわかる。従って、引張応力、繰り返し屈曲に加 えて捻回が加わるような箇所で利用される同軸ケーブルとして、本発明ケーブルは、 好適であることが確認された。

[0029] また、試料 No.lと試料 No.2とを比較すると、中心導体が撚線構造である試料 No.2の 方が耐屈曲性、耐捻回性に優れることがわかる。また、試料 No.lと試料 No.3とを比較 すると、素線径が小さい試料 No.3の方が耐屈曲性、耐捻回性に優れることがわかる。 更に、試料 No.1と銅合金カゝらなる中心導体を具える試料 No.100(従来品に相当)とを 比較すると、撚線構造の試料 No.100よりも試料 No.lの方が耐屈曲性、耐捻回性の双 方に優れることがわかる。カロえて、試料 No.lと特許文献 1に記載される構造の中心導 体 (中心線:タングステン、外層線:銅合金)を有する試料 No.101とを比較すると、試料 No.lの方が耐屈曲性、耐捻回性の双方に優れることがわかる。

[0030] (試験例 2)

試験例 1で作製した同軸ケーブルに対し、中心導体の材質を変えた同軸ケーブル を作製し、上記と同様に捻り試験及び屈曲試験を行ってみた。中心導体は、以下の 3 種を作製した。

試料 No.5 タングステン合金 (組成 (質量％);Cu:10%、残部 W及び不可避的不純物 )からなる素線 (1本、素線径 :40 /ζ πι)

試料 Νο.6 モリブデン合金 (組成 (質量％);Cu:10%、残部 Mo及び不可避的不純物） 力らなる素線 (1本、素線径 :30 m)

試料 No.7 中心線にモリブデン素線 (素線径 :16 m):l本、外層線にタングステン素 線 (同): 6本を用いた撚線

すると、試料 No.5〜7も、上記試料 No.1〜4と同様に引張強度、耐屈曲性に優れる だけでなぐ耐捻回性にも優れることが確認された。なお、試料 No.5〜7は、いずれも ヤング率: 280GPa以上、導電率: 20%IACS以上、引張強さ: 1800MPa以上であり、特に 、タングステン合金力 なる中心導体では、 2500MPa以上であった。

[0031] (試験例 3)

試験例 1で用いた試料 No.3にお 、て、メツキ層のみを変えた同軸ケーブルを作製し 、上記と同様に捻り試験及び屈曲試験を行ってみた。中心導体は、以下の 7種を作 製した。各メツキ層の厚さは、 0.1〜1 mの範囲内で選択した。

試料 No.3 - 1 Cu力らなるメツキ層 試料 No.3-2 Niからなるメツキ層

試料 No.3-3 Snからなるメツキ層

試料 No.3-4 Auからなるメツキ層

試料 No.3-5 Pdからなるメツキ層

試料 No.3-6 Znからなるメツキ層

試料 No.3-7 Sn-Agからなるメツキ層

すると、試料 No.3-l〜3-7も、上記試料 No.3と同様に引張強度、耐屈曲性、耐捻回 性の三者に優れることが確認された。なお、試料 No.3-l〜3-7は、いずれもヤング率 、導電率、引張強さが試料 No.3と同程度であった。

[0032] (試験例 4)

上記試験例 1〜3で作製した上記試料 No.l〜7、 3-1〜3-7、 100、 101と同様の同軸 ケーブル (コア)を試料ごとに 60本ずつ作製し、これら複数のコアを具える多心の同軸 ケーブルを作製して上記試験例 1〜3と同様に捻り試験及び屈曲試験を行ってみた。 具体的には、 60本のコアを一括してフッ素榭脂などのブラスティックテープで抑え卷 きを行い、横断面が円形状の多心同軸ケーブル (ケーブル外径: 2.0mm)を作製した。 すると、ヤング率が 245GPa以上の中心導体を有する多心同軸ケーブルは、引張強 度、耐屈曲性及び耐捻回性に優れていた。従って、本発明は、単心同軸ケーブルだ けでなぐ多心同軸ケーブルでも、上記優れた効果を奏することが確認された。 産業上の利用可能性

[0033] 本発明同軸ケーブルは、超音波診断装置の診断プローブや内視鏡などの医療機 器、産業用ロボットなどで用いられる信号伝送用ケーブル、ノート型コンピュータなど の情報機器、携帯電話や PDAなどの携帯機器で用いられる内部接続用ケーブルな どといった電線ケーブルとしての利用に適する。特に、引張応力、繰り返し屈曲に加 えて、捻りが加えられるような使用箇所において優れた耐久性を有する。

Claims

請求の範囲

[1] 中心導体と、中心導体の外周に配置される絶縁体と、絶縁体の外周に中心導体と同 軸状に配置される外部導体を具える同軸ケーブルであって、

前記中心導体のヤング率力 ¾45GPa以上、導電率が 20%IACS以上であることを特 徴とする同軸ケーブル。

[2] 中心導体は、外径が 0.01mm以上 0.2mm以下の単線力もなることを特徴とする請求項

1に記載の同軸ケーブル。

[3] 中心導体は、引張強さが 2450MPa以上であることを特徴とする請求項 1に記載の同 軸ケーブル。

[4] 中心導体の表面には、メツキ層を有しており、

前記メツキ層は、 Cu、 Ni、 Sn、 Au、 Ag、 Pd、 Znからなる群から選ばれた 1種以上の金 属材料力もなり、厚さ 5 m以下であることを特徴とする請求項 1に記載の同軸ケープ ル。

[5] 中心導体は、タングステン、モリブデン、タングステン合金、モリブデン合金から選択 される 1種以上の金属からなることを特徴とする請求項 1に記載の同軸ケーブル。