CN1906708A - 同轴电缆 - Google Patents

Abstract

一种同轴电缆，包括中心导体、排列在中心导体外围的绝缘体、和排列在绝缘体外围与中心导体同轴的外导体，其中电导率不小于 20％IACS。中心导体的杨氏模量不小于245GPa。因为大杨氏模量对于增强除了拉应力和重复弯曲耐久性之外的耐扭曲方面很有效，所以在本发明中指定了中心导体的特殊杨氏模量。为了具有这种杨氏模量，优选地使用选自钨、钨合金、钼、钼合金中的一种或多种材料形成中心导体。

Description

同轴电缆

技术领域

本发明涉及一种具有芯导体、绝缘体和外导体的同轴电缆。特别是，本发明涉及一种具有优良抗扭转耐久性以及优良抗拉应力和反复弯曲耐久性的同轴电缆。

背景技术

过去，同轴电缆被广泛地用做各种电线和电缆：例如用于工业机器人或医疗设备如内窥镜和超声诊断设备的诊断探针的信号传输电缆；用于信息设备如笔记本大小的个人电脑和便携设备如移动电话或PDA的内部连接电缆。图1是透视图，示意性地示出了同轴电缆的结构。同轴电缆10具有芯导体11、排列在芯导体11外围的绝缘体12，和排列在绝缘体12外围与芯导体11同轴的外导体13，以及通常环绕外导体13外围设置的由树脂等制成的护套14。在很多情况下，用于上述这样的电设备的同轴电缆在使用过程中除了拉应力之外还重复受到弯曲，其会导致应变累积，并且在最坏的情况下，电缆可能损坏或破裂。因此，广泛使用的同轴电缆具有以绞合线结构制成的芯导体11，其中，多条铜或掺铜合金线11a被绞合在一起以增强抗弯曲性。在专利文献1中，为了改善抗弯曲性，提出以绞合线结构制造芯导体，其中导线被绞合在一起，这样，中心线的弹性模量大于外层线的弹性模量。另一方面，代替绞合线，专利文献2提出芯导体由具有特定成分的单条实心线制造，以免由于绞合线松散引起意外，例如短路。

专利文献1：日本专利No.3376672

专利文献2：日本专利申请公开号No.2001-23456

发明内容

本发明拟解决的问题

如上所述，传统的同轴电缆具有极好的拉应力和重复弯曲耐久性。然而，近来，已经研发出执行复杂运动的设备，除了拉应力和重复弯曲外还包括扭转，并且传统的同轴电缆在扭转耐久性方面不足，因此，甚至在其使用的早期阶段就会发生其破裂。因此，需要开发具有优良抗扭转性的同轴电缆。

因此，本发明的主要目的是提供一种同轴电缆，其除了具有优良的抗拉应力和重复弯曲耐久性外，还具有优良的抗扭转性。

解决问题的手段

作为在芯导体承受包括拉应力、重复弯曲和扭转在内的三种运动的情况下检验芯导体材料特性和芯导体直到其破裂为止的耐久性之间关系的结果，本发明人发现在芯导体的弹性模量(杨氏模量)和上述三种运动的性能之间存在相关性。即，发现在同轴电缆具有特定杨氏模量的芯导体的情况下，与传统同轴电缆相比，直到其破裂的耐久性显著提高，即使包括拉伸、弯曲和扭转在内的三种运动方式应用到其上时也是如此。因此，本发明通过特别限定芯导体的杨氏模量实现了上述目的。

也就是说，本发明涉及一种同轴电缆，包括芯导体、围绕芯导体外围排列的绝缘体、和围绕绝缘体外围与芯导体同轴排列的外导体。芯导体的杨氏模量是245GPa或更高，电导率是20％IACS或更高。

下面详细描述本发明。

本发明的同轴电缆从中心以枚举次序提供有芯导体、绝缘体和外导体。此外，同轴电缆可以围绕外导体外围设置护套。另外，本发明的同轴电缆可以是具有一个芯的单芯电缆，该芯包括芯导体、绝缘体和外导体，或者是多芯电缆，其包括多个集合在一起的这种芯和包裹在集合在一起的芯外套外围的共有外套。此外，本发明的同轴电缆可以是具有某种结构的多芯电缆，在该结构中，每个都包括芯导体，绝缘体、外导体和护套的多个芯集合在一起，并且在该结构中，集合的芯设置有包裹集合在一起的芯外围的共有外套。

并且，芯导体被设计为具有245GPa或更高的杨氏模量。原因是当芯导体重复受到拉应力、弯曲和扭转的复合运动时，利用小于245GPa的杨氏模量，直到电缆(尤其是芯导体)破裂为止可得到的耐久性的提高不明显。尤其优选的杨氏模量等于或高于280GPa。同样，在本发明中，芯导体的电导率优选为20％IACS或更多。原因是利用小于20％IACS的电导率，电导率太低以至于在芯导体内产生焦耳热，在传输信号的情况下，这会导致传输损耗增加。特别地，25％IACS或更高是优选的。

在本发明中，芯导体由同时具有上述杨氏模量和电导率的材料形成。例如，芯导体的材料可以是金属，特别是，选自包括钨、钼、钨合金和钼合金的组的一种或多种金属。这里使用的术语“钨”表示包括钨和不可避免杂质的所谓的纯钨，这里使用的术语“钼”表示包括钼和不可避免杂质的所谓的纯钨。钨合金是，例如，包含Cu、Al、Si、K、Re、ThO₂或CeO₂与包括钨和不可避免杂质的余额的合金。钼合金是，例如，包含Cu、Co、Sn、Al、Si或K与包括钼和不可避免杂质的余额的合金。

由上述材料制成的芯导体可以形成为或者单线结构或者通过绞合多根线制成的绞合线结构。由单线制成的芯导体具有的优势在于，(1)在导体相同横截面面积(标称横截面积)的情况下，单线结构可以比绞合线结构做得更小型化；(2)在以窄节距图案将芯导体焊接到电路板上时，如绞合线结构由于线束松散引起短路的情况那样，单线结构不会引起短路；和(3)不存在线绞合工艺，可以降低相当大的制造成本。同样，即使在芯导体具有单线结构的情况下，如果满足245GPa或更高的杨氏模量，与绞合铜或铜合金线制成的传统芯导体相比，特别是其抗扭转性优良。当芯导体由绞合根据本发明的线制成时，线可以由相同材料或不同种类的材料形成。例如，芯导体可以通过将包括纯钨的线和包括钨合金的线绞合在一起制成。在这种情况下，应该满足本发明中限定的杨氏模量和电导率。例如，可以调节每根线的成分。

特别是，当芯导体由单线制成时，线的外径可以是0.01mm或更多，并且不超过0.2mm。当芯导体被施加弯曲和扭转时，假定扭转的节距和弯曲半径在弯曲的情况下是相同的，则芯导体的外径越大，芯导体表面中产生的应变量越大，其倾向于使得芯导体在早期阶段发生破裂。因此，优选地，芯导体的外径是0.2mm(200μm)或更少，以免在弯曲和扭转两种方式的运动施加到芯导体时破裂前的耐久性降低。特别是，优选0.1mm(100μm)或更少。这样，在仅施加弯曲和扭转的情况下，芯导体的外径越小，性能越好。另一方面，除了弯曲和扭转外，在施加拉应力时，如果芯导体的外径减少的太多，尤其是外径减少到0.01mm(10μm)或更少的情况下，其破裂前的耐久性极度降低。因此，优选地，由单线制成的芯导体应该具有0.01mm或更大的外径。在芯导体由多股线绞合形成的情况下，优选地，每根线的外径是0.004mm或更多，不超过0.06mm，并且由绞合线制成的芯导体的外直径优选为0.1mm或更大并且不超过0.2mm，如单线结构的情况那样。

此外，芯导体可具有2450MPa或更高的抗拉强度。已经发现，如果抗拉强度高，则芯导体除了抗弯曲性以外在抗扭转性方面优良。尤其是，已经发现，如果抗拉强度等于或高于2450MPa，则在拉伸、弯曲和扭转复合模式中，芯导体破裂前的耐久性可提高更多。抗拉强度可以根据芯导体材料和拉线条件调节。拉线条件可以依据形成芯导体的材料调节。通常，在拉线次数增加时，抗拉强度趋于增加。同样，当钨或其合金作为形成材料时，易得到2450MPa或更高的抗拉强度。

此外，可以在芯导体表面提供镀层。通过提供镀层，可以提高芯导体与其他构件的连接性。尤其是，当芯导体与其他构件通过焊接联结时，通过在芯导体上提供镀层可以提高焊料可湿性，从而提高了连接性。同样，在端子通过卷边与芯导体连接的情况下，由于芯导体氧化等引起的接合可靠性的下降可以通过在芯导体上提供镀层而防止。因此，例如，为了顺应最近信号传输量的增加，即使是在窄节距图案的电路板的情况下，在特别需要采用小型化电缆，特别是小型化芯导体的条件下，有可能通过使用具有镀层的芯导体来提高接合可靠性。

形成这种镀层的材料可以是由选自包括Cu、Ni、Sn、Au、Ag、Pd、Zn的组中的一种或多种制成的金属。它可以是一种金属元素或包括从上述组中选择的一种或多种金属元素的合金镀层。特别是，Ni、Au、Sn和Ag是优选的。同样，镀层的合适厚度等于或小于5μm。这是因为如果提供超过5μm的镀层，机械特性、抗弯曲性和抗扭转性特性会变差。尤其是，优选的厚度是0.05-2.0μm。在芯导体由多股线绞合形成的情况下，其中使用的每一根线可以提供有镀层。

上述芯导体在其外围提供有绝缘体(电介质)。就绝缘体的材料来说，优选的使用除了绝缘性能外还具有挠性的材料。例如，以下适用于这种材料：树脂，如环氧树脂、聚酯型树脂、聚亚安酯型树脂、聚乙烯醇型树脂、氯化乙烯(vinyl chrolide)型树脂、乙烯基酯型树脂、丙烯酸型树脂、环氧丙烯酸酯型树脂、己二烯酞酸脂型树脂、苯酚型树脂、聚酰胺型树脂、聚酰亚胺型树脂、和三聚氰胺型树脂；聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯；由这些树脂制成的有机纤维，和由无机物制成的无机纤维。这些材料或者可以单独使用，或者可以以其多种结合使用。尤其是，具有低介电常数并且能够通过稀释剂挤压加工的碳氟化合物型树脂非常适合。在传统同轴电缆中使用的材料也可以使用。这样的绝缘体可以通过挤压环绕芯导体形成。尤其是，可以这样执行挤压，使得芯导体排列在具有管状中空区域的模具中，并且将上述树脂材料挤压到模具中。

围绕上述绝缘体外围提供有外导体。外导体可以利用与传统小直径同轴电缆的外导体所用材料相同的材料形成，其中该小直径同轴电缆通常用在医疗设备、信息设备或便携设备中。这些小直径同轴电缆的外导体通常被制造为具有挠性。这种外导体可以通过，例如，将由导电材料如铜或铜合金制成的小直径线或厚度薄且宽度小的带状线重叠围绕在上述绝缘体外围，或者通过将由极小直径导体(如李兹线)绞合制成的小直径导体或小直径线构成的编织材料布置围绕在上述绝缘体外围而形成。同样，这些带状线、小直径线和极小直径线也可以在其外围具有镀层。镀层优选地由选自包括Cu、Ni、Sn、Au、Ag、Pd、Zn的组的一种或多种金属制成。

围绕外导体外围可提供护套。护套的材料可以从通常用作同轴电缆护套材料的材料中适当选择。例如，利用由从上述用作绝缘体材料的树脂中选出的树脂制成的热塑性材料或其他热塑材料，可通过在外导体外围包覆热塑材料之后热粘着制造护套，或者可通过与形成绝缘体的情况相同的方式挤压模制来制造护套。

本发明的有益效果

如上所述，本发明的同轴电缆的优点在于，除了拉应力和重复弯曲的耐久性之外，它展示优良的抗扭转耐久性。这样，直到芯导体破裂为止的可使用时间延长了，并且相应地电缆寿命也大大延长了。

附图说明

图1是透视图，示出了同轴电缆的组成轮廓。

图2是示意性图表，示例了扭转测试方法。

图3是示意性图表，示例了弯曲测试方法。

附图标记说明

10：同轴电缆，11：芯导体，11a：线，12：绝缘体，13：外导体，14：护套，20和30：测试电缆，21和22：夹具，31：心棒。

具体实施方式

下面将描述本发明的优选实施例。附图的尺寸比例不总是代表说明书的尺寸比例。

(测试例1)

单芯同轴电缆由表1所示材料制成，并实施扭转测试和弯曲测试。测试中使用的同轴电缆按以下方式准备。

<同轴电缆的生产>

具有如表1所示直径的钨线和钼线通过将各粉末成形和烧结成锭并且通过对锭实施热型锻和拉线工艺制成。此外，具有表1所示直径的Cu-0.3％Sn合金线通过冷拉由连续铸造和压延法制备的8.0mm的线材而制成。成形和烧结钨粉和钼粉的条件、热型锻和热拉线的条件、和连续铸造和压延条件、以及Cu-0.3％Sn合金线的拉线条件是制备具有表1所示小直径线通常采用的条件。制成了两种芯导体，即，由一条线(单线)制成的芯导体和通过绞合多股线制成的芯导体。样本No.3和No.100的线在线外围施加电镀，并且具有镀层的线被用做芯导体。这样获得的芯导体在其外围提供有电介质(绝缘体)。在这个实例中，电介质通过将碳氟化合物树脂挤压到芯导体外围而形成。

表1

样本No.		1	2	3	4	100	101
								芯导体	材料	钨	钨	钨	钼	Cu-0.3％Sn	Cu-0.3％Sn/6线钨/1线
结构	1线	7线	1线	7线	7线
						线径	40μm		16μm	30μm	16μm	16μm	16μm
镀层厚度	无	无	Ag0.1μm	无	Ag0.1μm									无
						电介质	材料		碳氟化合物树脂
厚度	0.035mm(35μm)
							屏蔽	材料	Sn镀层Cu-0.3％Sn
线径	20μm
								护套	材料	碳氟化合物树脂
外径	0.19mm

外导体(屏蔽)通过在电介质外围编织镀Sn的细金属线(Cu-0.3质量％Sn)而形成。此外，护套通过将碳氟化合物树脂挤压到外导体外围而形成。这样，制成了包括从中心以枚举次序排列的芯导体、绝缘体、外导体和护套的单芯同轴电缆。为具有不同芯导体每种样本制造了多个这样的同轴电缆。在表1中，“钨”是包括W和不可避免的杂质的纯钨，“钼”是包括Mo和不可避免的杂质的纯钼。此外，护套的厚度可以调整，这样电缆的外径变为0.19mm。

这样制备的同轴电缆进行扭转测试。在扭转测试中，测试电缆20的中心部分用夹具21固定，而测试电缆的末端侧由夹具22夹持，如图2所示。测试电缆20在夹具21和夹具22之间的距离(夹持长度)为10mm、扭转角度(扭曲角度)为±180°、扭转速度为每分钟60次的条件下用夹具22扭曲。这样，测量直到芯导体破裂为止的扭曲次数(当沿一个方向扭曲180°并且沿相反方向扭曲另一180°完成时，扭曲次数被确定计为一次)。在本测试中，要求n＝3平均。结果见表2。

另外，相对于另一同轴电缆，进行弯曲测试。弯曲测试以左右弯曲的方法进行。尤其是，如图3所示，在测试电缆30的中心部分用具有圆形横截面的金属心轴31(心轴的外径D：10mm)夹持同时负荷(10g)连接到电缆30一端的情况下，电缆30的另一端(没有连接负荷的一侧的部分，即，图3中的上端侧)沿心轴31的外围向左、右方向各弯曲90°。这样，以在任一方向弯曲90°被计为一次的方式(在图3中，在向右方向弯曲后，经由垂直方向完成向左方向的弯曲，然后经由垂直方向完成向右方向的弯曲，在这种情况下，弯曲次数被计为两次)，测量直到芯导体破裂为止的弯曲次数。在本测试中，要求n＝3平均。结果见表2。

表2

样本No.		1	2	3	4	100	101
								芯导体	杨氏模量	402Gpa	402Gpa	402Gpa	327Gpa	118Gpa	147Gpa
电导率	28％IACS	28％IACS	28％IACS	26％IACS	70％IACS	62％IACS
							抗拉强度		3038Mpa	3330Mpa	3135Mpa	1940Mpa	882Mpa	1047Mpa
扭转测试(次数)		176825	413119	237642	169157	28649									59194
							弯曲测试(次数)		213987	347564	251932	178911	31946	60832

此外，关于上述样本No.1-4、No.100和No.101的芯导体，还测量了杨氏模量(GPa)、电导率(％IACS)和抗拉强度(MPa)。用于这些测量的芯导体不是那些组装在同轴电缆中的芯导体，而是那些在同轴电缆使用之前预先制备为芯导体的芯导体。测试结果见表2。

如表2所示，样本No.1-4，其具有高杨氏模量，即，特别是245GPa或更高，尤其是高于300GPa，在抗扭转以及在抗拉强度和抗弯曲方面优良。还有，如表2所示，它们满足20％IACS或更高的电导率并且可以令人满意地用作信号传输电缆。因此，可以确定本发明的电缆适合用作除了施加拉应力和重复弯曲之外还施加扭转的环境中使用的同轴电缆。

此外，芯导体具有绞合线结构的样本No.2与样本No.1相比在抗弯曲和抗扭转方面优良。同样，与样本1相比具有更小线径的样本No.3在抗弯曲和抗扭转方面优于样本No.1。此外，关于抗弯曲和抗扭转性二者方面，样本No.1优于样本No.100(相当于与常规物品)，其中样本No.100具有由铜合金线构成的绞合线结构芯导体。另外，与具有专利文献1所述结构(中心线：钨；外层线：铜合金)的芯导体的样本No.101相比，样本No.1在抗弯曲和抗扭转两方面都优良。

(测试例2)

制备了芯导体材料不同于用来制造测试例1的同轴电缆芯导体材料的同轴电缆，并且以上述同样方式进行扭转测试和弯曲测试。制备了以下三种芯导体：

样本No.5：包括钨合金的单线(成分：10质量％的Cu；余额：W和不可避免的杂质)(线径：40μm)

样本No.6：包括钼合金的单线(成分：10质量％的Cu；余额：Mo和不可避免的杂质)(线径：30μm)

样本No.7：绞合线，具有排列在中心的钼线(线径：16μm)和排列在外层的六根钨线(线径：16μm)。

可以确定，样本No.5-7在抗扭转以及在抗拉强度和抗弯曲方面优于上述样本No.1-4。样本No.5-7具有280GPa或更高的杨氏模量，20％IACS或更高的电导率和1800MPa或更高的抗拉强度，尤其是，包括钨合金的芯导体具有2500MPa或更高的抗拉强度。

(测试例3)

制备了仅芯导体的镀层与测试例1中使用的样本No.3的镀层不同的同轴电缆，并且以上述同样方式进行扭转测试和弯曲测试。以如下七种镀层制备芯导体。每种镀层的厚度在0.1-1μm的范围内选择。

样品No.3-1：Cu镀层

样品No.3-2：Ni镀层

样品No.3-3：Sn镀层

样品No.3-4：Au镀层

样品No.3-5：Pd镀层

样品No.3-6：Zn镀层

样品No.3-7：Sn-Ag镀层

可以确定，样本No.3-1到3-7在抗拉强度、抗弯曲和抗扭转方面也优于上述样本No.3。样本No.3-1到3-7具有与样本No.3相似的杨氏模量、电导率和抗拉强度。

(测试例4)

为测试例1到3中制备的样本No.1到7、3-1到3-7，100和101中的每种样本制备了60条相同的同轴电缆(芯)。然后，生产了具有多条这些芯的同轴电缆，并进行测试例1到3中所做的扭转测试和弯曲测试。尤其是，60条芯用碳氟化合物树脂等制成的塑料带重叠在一起，这样为样本No.1到7、3-1到3-7、100和101中的每种样本制备了具有圆形横截面(电缆外径：2.0mm)的多芯同轴电缆。发现，具有245GPa或更高杨氏模量芯导体的多芯同轴电缆在抗拉强度、抗弯曲和抗扭转方面优良。因此，可以确定，本发明不仅在单芯同轴电缆中而且在多芯同轴电缆中具有上述优良效果。

产业适用性

本发明的同轴电缆适合用作工业机器人或医疗设备如内窥镜和超声诊断设备的诊断探针的信号传输电缆，或用作信息设备如笔记本大小的个人电脑以及便携设备如移动电话或PDA的内部连接电缆。特别是，本发明的电缆在用于除了施加拉应力和重复弯曲之外还施加扭转的环境中时展示了优良的耐久性。

Claims (5)

1、一种同轴电缆，包括芯导体、排列在芯导体外围的绝缘体、和排列在绝缘体外围与芯导体同轴的外导体，其中芯导体的杨氏模量为245GPa或更高，电导率为20％IACS或更高。

2、如权利要求1所述的同轴电缆，其中，芯导体由外径0.01mm或更多并且不超过0.2mm的单线制成。

3、如权利要求1所述的同轴电缆，其中，芯导体具有2450MPa或更高的抗拉强度。

4、如权利要求1所述的同轴电缆，其中，芯导体在其表面具有镀层，镀层包括选自包括Cu、Ni、Sn、Au、Ag、Pd、Zn的组中的一种或多种金属材料，镀层厚度为5μm或更少。

5、如权利要求1所述的同轴电缆，其中，芯导体由选自包括钨、钼、钨合金和钼合金的组中的一种或多种金属制成。

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