JP2009245857A - 絶縁電線及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導体と絶縁層の密着性を向上し、絶縁性が良好な絶縁電線を提供する。
【解決手段】導体２上にフッ素樹脂からなる絶縁層４を設けた絶縁電線１において、導体２と共に絶縁層４を誘導加熱処理して導体２に対する絶縁層４のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にしたものである。特に、導体の外周部に酸化膜３を形成するのが好ましく、さらには絶縁層の膜厚が０．１〜０．３ｍｍであり、かつ面粗度が１５〜６５μｍの配であると良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にモータコイルに用いられ、導体上にフッ素樹脂からなる絶縁層が設けられた絶縁電線及びその製造方法に関する。

自動車などの車両の発電機（オルタネータなど）に用いられるモータコイルには、エナメル線が最も多く使用される。一般なエナメル線は、導体の外周にエナメル塗料を薄く塗布・焼き付けして薄い（３０μｍ程度）エナメル皮膜を形成したものであるが、このエナメル皮膜にピンホールが不可避的に形成されてしまうので、使用状態によっては絶縁破壊電圧（絶縁性）が低くなることがある。

この一般的なエナメル線の欠点であるピンホール形成の問題を解消したエナメル線（絶縁電線とも呼ばれる）としては、導体の外周に、エナメル線の絶縁層材料として熱可塑性樹脂を被覆して絶縁層（被覆層、あるいは絶縁皮膜）を形成するものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１では、エナメル線の絶縁皮膜の材料として、熱可塑性樹脂を用いて導線との押出により被覆線を製造する方法が提案されている。

特許文献２は、フッ素樹脂被覆導線の外周に接着層付きポリエステルフィルムをスパイラル状に巻き付け、コイルにする前または後に熱処理することにより接着層を硬化させ、導線同士のバラケを抑止する技術である。

特開２００３−２７２９１６号公報 特開平１０−１７２８２３号公報

しかしながら、従来の技術においては、エナメル線の熱可塑性樹脂による被覆層の導体との密着力が低く、被覆後のエナメル線をコイル成形する際に、曲げ加工しようとする（Ｒをつけようとする）と、特に曲げの内側で被覆がシワ（皮膜浮き）になり、この部分で部分放電が発生して絶縁性が確保できなくなるという問題がある。最悪の場合には、被覆が破れることもある。

耐熱性に優れたフッ素樹脂を被覆材として用いようとする場合には、導体に対するフッ素樹脂の密着性の低さゆえ、この問題は特に顕著である。

そこで、本発明の目的は、導体と絶縁層の密着性を向上し、絶縁性が良好な絶縁電線及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために創案された本発明は、導体上にフッ素樹脂からなる絶縁層を設けた絶縁電線において、前記導体と共に前記絶縁層を誘導加熱処理して前記導体に対する前記絶縁層のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にしたものである。

前記導体の外周部に酸化膜を形成してもよい。

前記絶縁層の膜厚が０．１〜０．３ｍｍであり、かつ面粗度が１５〜６５μｍであるとよい。

また、本発明の絶縁電線の製造方法は、導体上にフッ素樹脂からなる絶縁層を設けた絶縁電線の製造方法において、前記導体に前記フッ素樹脂を被覆した後、前記導体と共に前記絶縁層をフッ素樹脂の融点に近い温度で誘導加熱処理してフッ素樹脂を軟化させ、前記導体に対する前記絶縁層のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にする方法である。

前記融点に近い温度は、非晶部位が溶解する温度の範囲内であるとよい。

本発明によれば、絶縁被覆と導体との密着力が向上するので、被覆後の電線の曲げ加工において、曲げの内側で導体に絶縁被覆が追従しシワの発生を抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を示す絶縁電線の横断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る絶縁電線１は、導体２の外周部に導体２の酸化膜３を形成し、その酸化膜３上に絶縁被覆材料としてのフッ素樹脂からなる絶縁層４を設け、導体２に対する絶縁層４のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上、好ましくは０．０７５Ｎ／ｍｍ以上、さらに好ましくは０．１０Ｎ／ｍｍ以上にしたものである。

本実施形態では、絶縁電線１をコイル成形した後の占積率を向上させるため、導体２として横断面が略矩形状に形成された平角形状で長尺の銅導体を用いた。銅導体としては、タフピッチ銅や無酸素銅を用いるとよい。

酸化膜３は、導体２の外周部を酸化処理して形成される。この酸化処理は、絶縁層４を形成する前に行ってもよいし、絶縁層４を形成した後に行ってもよい。

絶縁層４の形成前に行う酸化処理方法としては、あらかじめ導体２を空気中で所定の時間だけ放置しておいたり、導体２の外周面に酸化剤を塗布して表面処理したりする方法などがある。

絶縁層４の形成後に行う酸化処理方法としては、導体２と共に絶縁層４を後加熱工程として誘導加熱処理する方法などがある。この誘導加熱処理により、導体２中に不可避的に含まれる酸素原子が導体２の外周部に存在する金属原子と結合することで、酸化膜３が形成される。

ここでいうピール強度は、ＪＩＳ Ｋ ６８５４−１で規格されている試験方法を用いて測定される強度である。

絶縁層４を構成するフッ素樹脂としては、耐熱性に優れ、軟質で巻線加工が容易なものであればよい。このようなフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン共重合体（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−フルオロアルコキシトリフルオロエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロジオキシソール共重合体（ＴＨＦ／ＰＤＤ）から選ばれる１種以上のものが挙げられる。これらフッ素樹脂は、絶縁層４の形成時、巻線加工時ともにワニスが不要である。本実施形態では、フッ素樹脂としてＰＦＡを用いた。

絶縁層４は、膜厚が０．１〜０．３ｍｍ、好ましくは０．１〜０．２ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．１５ｍｍであり、かつ面粗度（表面の最大粗さ）が１５〜６５μｍ、好ましくは１５〜４０、より好ましくは１５〜３０μｍであるとよい。

これは、絶縁層４の膜厚が薄くなればなるほど、面粗度の大小に応じて絶縁電線の絶縁破壊電圧が小さくなったり（面粗度が大）、大きくなったり（面粗度が小）するからである。より詳細には、絶縁層の膜厚が０．１ｍｍ未満と薄かったり、面粗度が６５μｍを超えて大きかったりすると、絶縁電線の絶縁破壊電圧が低くなる。また、膜厚が０．３ｍｍを超えると、絶縁電線がかさばってコイル成形後の占積率が下がる。現状の技術では、面粗度を１５μｍ未満にすると、作業時間がかかったり、コストが高くなったりする。

さらに、前記構成に加え、導体２の外周面を機械的または化学的に処理して粗面化してもよい。機械的処理方法としては、サンドブラスト法や、導体２を平角形状に成形する際に使用するダイスを適宜選択する方法などを用いるとよい。また、化学的処理方法としては、導体２の外周面をエッチング液やアルカリ液で表面処理する方法がある。

導体２の外周面を機械的または化学的に処理して粗面化すると、絶縁被覆材料であるフッ素樹脂とのアンカー効果を増加させ、絶縁層４との密着性を向上させる。

次に、絶縁電線１の製造に用いる絶縁電線の製造装置を説明する。

図２に示すように、本実施形態に係る絶縁電線の製造装置２１は、導体２を送り出す送出し機２２と、送り出された導体２の外周に樹脂コート工程としてフッ素樹脂を押出被覆する押出し機２３と、後加熱工程としての誘導加熱処理を行う高周波誘導加熱装置２４と、得られた絶縁電線１を巻取る巻取り機２５とを主に備える。高周波誘導加熱装置２４は、線材（本実施形態では、後述するプレ絶縁電線１ｐ）が挿通する石英管と、その石英管が挿通する誘導コイルと、その誘導コイルに高周波電流を流す電源とを備える。

さらに製造装置２１は、送出し機２２と押出し機２３間に設けられて走行する導体（素線）２の振動を防止するための上流側の振動防止機（巻溜め）２６ｕと、高周波誘導加熱装置２４の下流側に設けられて走行する絶縁電線１の振動を防止するための下流側の振動防止機２６ｄと、その振動防止機２６ｄの下流側に設けられて誘導加熱処理後の絶縁電線１の絶縁耐圧試験を行うためのスパークテスタ２７と、そのスパークテスタ２７と巻取り機２５間に設けられて絶縁耐圧試験後の絶縁電線１を巻取り機２５に案内するガイド２８とを備える。

この製造装置２１を用いて絶縁電線１を製造する方法を、絶縁層４を構成するフッ素樹脂としてＰＦＡを使用した例で説明する。

まず、送出し機２２で導体２を送り出し、押出し機２３で導体２の外周にフッ素樹脂を押出し被覆して絶縁層４を形成し、プレ絶縁電線（従来の絶縁電線）１ｐを得る。送り出し時の電線温度（導体２の温度）Ｔ１は常温付近の約２３℃であり、押出し機２３での電線温度（プレ絶縁電線１ｐの温度）Ｔ２はＰＦＡの融点より高い３３０℃である。

プレ絶縁電線１ｐを得た後、高周波誘導加熱装置２４において、高周波電流が流れる誘導コイルにプレ絶縁電線１ｐを走行させることで、導体２と共に絶縁層４を、フッ素樹脂の融点に近い温度で導体２から（絶縁層４の内側から）誘導加熱処理してフッ素樹脂を軟化させる。本実施形態ではフッ素樹脂としてＰＦＡを用いているので、ＰＦＡの融点である３０３℃に近くてやや低い２９２〜３０２℃、好ましくは２９５〜３００℃で誘導加熱処理して絶縁層４を軟化させた。これにより、導体２の外周部に酸化膜３が形成され、その酸化膜３上に、高周波誘導加熱装置２４よりも下流側で軟化した絶縁層４が硬化して密着再形成される。

高周波誘導加熱装置２４の入口付近の電線温度Ｔ３は約４０℃であり、高周波誘導加熱装置２４内で電線温度が瞬間的に上がり、高周波誘導加熱装置２４の出口付近の電線温度（絶縁電線１の温度）Ｔ４は２９２〜３０２℃である。

高周波誘導加熱装置２４の設定温度Ｔｉｈは、誘導コイルに流す高周波電流の値で調整する。誘導加熱では、被加熱体である導体２自体が発熱するため、被加熱体の瞬間加熱・局部加熱・均一加熱ができるという利点がある。設定温度Ｔｉｈは、巻取り機２５で設定した巻取り速度（導体２、プレ絶縁電線１ｐ、絶縁電線１の走行速度）ｖに応じて、高周波誘導加熱装置２４の出口付近までに導体２と絶縁層４の両方がフッ素樹脂の融点に近い温度となるように適宜設定する。

また、誘導加熱では、高周波電流の周波数が高いほど、誘導電流が導体２の外周部に集中するため、高周波電流の周波数ｆと、設定温度Ｔｉｈを設定することで、面粗度の大きさも微調節できる。設定温度Ｔｅが高すぎたりすると、酸化膜のできが悪くなったり、絶縁層に発泡が生じたりする。

その後、得られた絶縁電線１を走行させつつ、これにスパークテスタ２７で所定の電圧を加えて絶縁耐圧試験を行い、絶縁電線１が所望の絶縁破壊電圧以上であれば、スパークテスタ２７を通過した絶縁電線１をガイド２８を介して巻取り機２５で巻き取ると、製品が得られる。スパークテスタ２７の入り口付近の電線温度Ｔ５は常温付近の約２３℃である。

図２の下側の温度曲線Ｔで見れば、電線温度は、送出し機２２から押出し機２３の入口までＴ１、押出し機２３内でＴ１からＴ２まで上がり、高周波誘導加熱装置２４の入口までにＴ２からＴ３に下がり、高周波誘導加熱装置２４の入口直後にＴ３からＴ４に上がり、高周波誘導加熱装置２４の下流側でＴ４からＴ５まで下がる。

以上のようにして、導体２に対する絶縁層４のピール強度が０．０５Ｎ／ｍｍ以上の絶縁電線１が得られる。

本実施形態の作用を説明する。

絶縁電線１は、導体２上にフッ素樹脂からなる絶縁層４を設けたものであり、導体２と共に絶縁層４を誘導加熱処理することで、導体２に対する絶縁層４のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にしたものである。

誘導加熱処理時に、導体２の外周部が酸化処理されて導体２の外周部に酸化膜３が形成されると同時に、絶縁層４を構成するフッ素樹脂の非晶部位が溶融する（絶縁層４が半溶融状態となる）。

例えば、フッ素樹脂としてＰＦＡを用いた場合には、図３に示すＰＦＡのＴＧ−ＤＴＡ（示差熱熱重量測定）による測定結果により、ＰＦＡが約２９２〜３０３℃で非晶部位が溶融した固体状態であるため、上述したように２９２〜３０２℃の誘導加熱処理が有効であることがわかる。

つまり、絶縁電線１では、導体２と共に絶縁層４を誘導加熱処理することで、導体２の外周部に酸化膜３が形成され、その酸化膜３上に軟化した絶縁層４が硬化して密着再形成される。

これにより、絶縁電線１によれば、導体２表面の物理形状に絶縁被覆である絶縁層４が追従・密着することで、絶縁層４と導体２との密着力が向上するため、被覆後の電線の曲げ加工において、特に曲げの内側で導体２に絶縁層４が追従し、絶縁層４のシワの発生を抑制できる。

したがって、絶縁電線１は、従来のフッ素樹脂を単に絶縁被覆に用いた絶縁電線がピール強度ほぼ０Ｎ／ｍｍであったのに比べ、ピール強度を０．５Ｎ／ｍｍ以上と大幅に向上でき、モータコイルなどの曲げ加工が必要な用途に使用しても、部分放電が発生せずに絶縁性が非常に良好である。

特に、絶縁電線１では、誘導加熱処理を用いることから、発熱が導体２表面で起こるため、絶縁被覆である絶縁層４への入熱が導体２表面側から開始でき、小さなエネルギーで熱処理が可能となる。

また絶縁電線１は、入力エネルギーが小さいため、誘導加熱処理後の冷却時間が短く、結晶性樹脂材料であるフッ素樹脂を被覆材料に選択する場合に、冷却工程（上述した電線温度Ｔ４からＴ５までの工程）での結晶の肥大化を抑止できる。

すなわち絶縁電線１では、絶縁層４内にフッ素樹脂の結晶が成長するものの、絶縁層４の外層部にはフッ素樹脂の結晶が成長しない。このため、絶縁電線１は、電気炉による熱処理と比べれば、絶縁層４の面粗度をより小さくして絶縁層４の表面を滑らかにでき、外観もより向上できる。

このように、絶縁電線１は、電気炉による熱処理と比べれば、より加熱しない状態を保ちながら製品化できるので、絶縁性をより良好にできる。絶縁電線１のピール強度（密着力）は、電気炉による熱処理の場合と同等である。

また、本実施形態に係る絶縁電線１の製造方法では、導体２にフッ素樹脂を被覆して絶縁層４を形成した後、導体２と共に絶縁層４をフッ素樹脂の融点に近い温度で誘導加熱処理してフッ素樹脂を軟化させている。

このため、本実施形態に係る絶縁電線１の製造方法によれば、導体２の外周部に酸化膜３を形成すると同時に、その酸化膜３上に、軟化した絶縁層４を硬化させて密着再形成でき、絶縁電線１を簡単に製造できる。

（実施例）
図５（ａ）示すような横断面が横ｘ：４ｍｍ、縦ｙ：３ｍｍの平角形状の銅導体を導体２とし、フッ素樹脂をＰＦＡとし、図２の製造装置２１を使用して絶縁層４の膜厚が０．１３ｍｍの絶縁電線１を作製した。製造条件は、巻取り速度ｖを０．２５ｍ／ｍｉｎ、高周波誘導加熱装置２４の誘導コイルの長さＬｃを５０ｃｍ（プレ絶縁電線１ｐの高周波誘導加熱装置２４の通過時間を１２０秒）、高周波誘導加熱装置２４の通過直後の絶縁電線１の表面温度を２９２℃以上になるように誘導コイルに流す電流を調整した。さらに、絶縁電線１に曲げ加工を施し、図４（ａ）に示すエッジワイズ巻きのモータコイル４１ａを作製した。

（従来例）
図２の製造装置２１から高周波誘導加熱装置２４を除いた製造装置を用い、実施例と同様にして従来の絶縁電線、これを用いた図４（ｂ）に示すモータコイル４１ｂを作製した。

実施例、従来例の各絶縁電線の密着力測定は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すＪＩＳ Ｋ ６８５４−１で規格されている試験方法を用いて測定したピール強度で行った。

より詳細には、図６（ａ）に示すように、各絶縁電線試験片（長さ４０ｍｍ）の横断面の四隅を一点鎖線でカットし、図６（ｂ）に示すように、試験片の両端を固定した上で、４ｍｍ幅となった絶縁層の一方を１０ｍｍ剥がしてチャックし、チャックとロードセル間をワイヤで接続し、絶縁層の一方を試験片から１０ｍｍ／ｍｉｎで２０ｍｍにわたって引き剥がし、このときにロードセルで測定した力からピール強度を求めた。

図４（ａ）に示すように、実施例はピール強度が０．２５Ｎ／ｍｍであり、モータコイル４１ａを作製しても曲げ加工内側にシワが発生しなかった。図４（ａ）中では絶縁層の内側に形成された酸化膜の色が透けて見えている。

これに対し、図４（ｂ）に示すように、従来例はピール強度が０Ｎ／ｍｍであり、モータコイル４１ｂを作製すると曲げ加工内側にシワが発生した。図４（ｂ）中では絶縁層４の内側の導体の色が透けて見えている。

また、模式的に示した図５（ａ）の実施例のモータコイル４１ａを見ると、導体２の両側に、内側の絶縁層４ｉと外側の絶縁層４ｅが密着していることがわかる。図５（ｂ）の従来例のモータコイル４１ｂでは、外側の絶縁層４ｅは導体２に密着しているものの、内側の絶縁層４ｉが導体２から剥がれ、シワｗが発生した。

図１は本発明の好適な実施形態を示す絶縁電線の横断面図である。 図１に示した絶縁電線の製造に用いる絶縁電線の製造装置の概略図とその温度変化図である。 ＰＦＡのＴＧ−ＤＴＡ測定結果を示す図である。 図４（ａ）は曲げ加工後における実施例の絶縁電線の拡大写真、図４（ｂ）は曲げ加工後における従来例の絶縁電線の拡大写真である。 図５（ａ）は曲げ加工後における実施例の絶縁電線の縦断面図、図５（ｂ）は曲げ加工後における従来例の絶縁電線の縦断面図である。 図６（ａ）は密着力測定方法を説明する図、図６（ｂ）は密着力測定方法を説明する写真である。

符号の説明

１ 絶縁電線
２ 導体
３ 酸化膜
４ 絶縁層

Claims (5)

1. 導体上にフッ素樹脂からなる絶縁層を設けた絶縁電線において、前記導体と共に前記絶縁層を誘導加熱処理して前記導体に対する前記絶縁層のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にしたことを特徴とする絶縁電線。
2. 前記導体の外周部に酸化膜を形成した請求項１記載の絶縁電線。
3. 前記絶縁層の膜厚が０．１〜０．３ｍｍであり、かつ面粗度が１５〜６５μｍである請求項１または２記載の絶縁電線。
4. 導体上にフッ素樹脂からなる絶縁層を設けた絶縁電線の製造方法において、前記導体に前記フッ素樹脂を被覆した後、前記導体と共に前記絶縁層をフッ素樹脂の融点に近い温度で誘導加熱処理してフッ素樹脂を軟化させ、前記導体に対する前記絶縁層のピール強度を０．０５Ｎ／ｍｍ以上にすることを特徴とする絶縁電線の製造方法。
5. 前記融点に近い温度は、非晶部位が溶解する温度の範囲内である請求項４記載の絶縁電線の製造方法。

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