JP2014179348A

JP2014179348A - 耐湿性を有する、撚り線導体を用いた対撚線及び対撚線ケーブル

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Publication number: JP2014179348A
Application number: JP2014136820A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kusaka; 眞二日下; Yuki Koda; 裕貴甲田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP5924381B2

Abstract

【課題】撚り線導体を使用した対撚線において、湿気による減衰量の増大を低減することができる対撚線を提供する。
【解決手段】撚り線導体１３を被覆体１４で被覆して形成した被覆素線１５を対撚りしてなり、周波数が１００ＭＨｚ以上の高周波伝送用ケーブルとして用いられる対撚線１１において、被覆素線１５は、シランカップリング剤を塗布した撚り線導体１３をポリエチレンからなる被覆体１４で被覆して形成されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＡＮ（Local Area Network）用、差動信号用などの高周波領域使用の対撚線及び対撚線ケーブルに関するものである。

ＬＡＮ用ケーブルの主要部分（１００ｍリンク長の内９０ｍ区間）には、撚り線導体の使用が禁止されている。理由は、長期間の使用の間に、撚り線導体の素線間の隙間（以下、隙間空間）に湿気（水分）が入り込み、高周波抵抗、漏洩コンダクタンスを増加させ、伝送損失減衰量（以下、減衰量）を増加させるからである。

一方、産業用用途には、撚り線導体のしなやかさのために、敷設が容易なこと、振動する設備に使用が可能なことから、作業用ＬＡＮケーブルなど、使用リンク長が短い用途に使用されている。しかし、長期間の使用の内、比較的長距離に使用のとき、伝送損失が増加し、システムエラー、データＢＥＲ（Bit Error Rate）悪化で、障害を起こしている。

図７に、使用リンク長が短い用途で用いられる従来技術の撚り線導体を用いた対撚線ケーブルの断面図を示す。

この対撚線ケーブル７０は、７本の素線１２を１／６構成（中央に配置した１本の素線１２をらせん状に撚った６本の素線１２で囲んだ構成）で撚合わせた撚り線導体１３を有し、撚り線導体１３を被覆体３３で被覆して被覆素線７２を形成し、その被覆素線７２を対撚りした対撚線７１をさらに一括被覆体１６で被覆して形成される。

特開２００１−６４５２号公報

撚り線導体を製造可能にする条件として、素線を撚ることが必要である。撚りを入れないと、素線導体集合体になり、ボビンに巻くと素線同士が相互にからんで製造することができない。

素線（素線径ｄ）を撚り角Ａで撚った撚り線導体は、図８に示すように、撚り線導体の長さ方向に、間隔Ｌ＝ｄ／ｃｏｓＡのピッチで、素線同士の接触面が存在することになる。そのため、撚り線導体としての等価体積抵抗率（高周波抵抗）は、導体そのものではなく、導体（主要部）と素線同士の接触面とその隙間空間で構成される体積抵抗率になる。

ここで、撚り線導体における減衰量（α）、抵抗減衰量（α_R）、漏洩減衰量（α_g）、等価体積抵抗率（ρ）、誘電正接ｔａｎδの関係を次式（１）〜（３）に示す。但し、高周波電流が交流伝播する等価スキン厚ｔ、撚り線導体径Ｄ、周波数ｆ、対の特性インピーダンスＺ_c、対の相互静電容量Ｃ、漏洩コンダクタンスＧ＝２πｆＣｔａｎδである。
α＝α_R＋α_g （１）
α_R＝２ρ／（πＤｔ）／（２Ｚ_c）（２）
α_g＝ＧＺ_c／２（３）

撚り線導体を長期間使用すると、素線間の隙間に湿気が入り込み、金属が腐食する。このため、素線の表面に腐食による凹凸が形成されてしまい、素線同士が面ではなく、点で接触するようになってしまう。その結果、接触抵抗が１．３倍から数倍に増大してしまう。さらに、撚り角Ａが小さいと間隔Ｌも小さくなり、撚り線導体の長手方向における隙間空間の頻度（素線同士が接する頻度）も増えるので、接触抵抗の増大の影響もその分大きくなり、等価体積抵抗率ρ（高周波抵抗）は十数倍に増大する。このことは、減衰量のうち、抵抗減衰量を増大させ、不良の主原因になる。加えて、隙間空間の湿気が増大した場合、導体間の電界に隙間空間も含まれるので、ｔａｎδの劣化（漏洩コンダクタンスＧの劣化）を起こし、減衰量のうち、漏洩減衰量を増大させ、不良の副原因となる。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、撚り線導体を使用した対撚線及び対撚線ケーブルにおいて、湿気による減衰量の増大を低減することを目的とするものである。

上記目的を達成するために創案された本発明は、撚り線導体を被覆体で被覆して形成した被覆素線を対撚りしてなり、周波数が１００ＭＨｚ以上の高周波伝送用ケーブルとして用いられる対撚線において、前記被覆素線は、シランカップリング剤を塗布した撚り線導体をポリエチレンからなる被覆体で被覆して形成される対撚線である。

前記シランカップリング剤は、前記撚り線導体と前記被覆体との間に進入してくる水分で前記撚り線導体と前記被覆体とをシラン結合又はシラノール結合させる状態で存在していると良い。

本発明によれば、撚り線導体を使用した対撚線及び対撚線ケーブルにおいて、湿気による減衰量の増大を低減できる。

本発明の第一の実施の形態に係る対撚線ケーブルの構造を示す断面図である。本発明の第二の実施の形態に係る対撚線ケーブルの構造を示す断面図である。本発明の第三の実施の形態に係る対撚線ケーブルの構造を示す断面図である。本発明および従来の対撚線ケーブルの、加速劣化試験前後における減衰量の変化を示すグラフ図である。本発明および従来の対撚線ケーブルの、加速劣化試験前後における抵抗減衰量および漏洩減衰量の変化を示すグラフ図である。ビニルシランカップリング剤の配合比と、被覆素線の引き抜き力および被覆体の引張破断伸びの関係を示すグラフ図である。従来の対撚線ケーブルの構造を示す断面図である。撚り線導体の撚り角ＡとピッチＬの関係を説明する模式図である。

本発明者等は、被覆体にシランカップリング剤を数質量％配合し、または、撚り線導体の表面にシランカップリング剤を塗布してから被覆体で被覆して被覆素線を形成することにより、被覆体を通過してくる水分で水酸化ポリマーグループ（被覆体）と銅などの金属（撚り線導体）をシラン結合またはシラノール結合させ、更なる水分の進入を遮断し、隙間空間内の金属表面の腐食を防ぎ、等価体積抵抗率を増加させないようにできることを見出した。これと同時に、隙間空間の湿度を上げないのでｔａｎδを増加させず、結果として、抵抗減衰量と漏洩減衰量の増大を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。

すなわち本発明は、撚り線導体を被覆体で被覆して形成した被覆素線を、対撚りしてなる対撚線において、撚り線導体を被覆する被覆体を、シランカップリング剤を配合した被覆体材料で形成し、あるいはシランカップリング剤を塗布した撚り線導体を被覆体で被覆することを特徴とするものである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、第一の実施の形態に係る対撚線を用いた対撚線ケーブルの構造を示す断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る対撚線１１は、７本の素線１２を１／６構成で撚合わせた撚り線導体１３を使用し、この撚り線導体１３を被覆体１４で被覆して形成した被覆素線１５を、対撚りしてなる。

素線１２は、純銅または銅合金、もしくは純アルミニウムまたはアルミニウム合金など、通常の良導体を使用可能である。素線１２の寸法は特に限定されないが、一例としてはφ０．２ｍｍ程度のものを使用できる。

また撚り線導体１３は、素線１２の構成本数、撚り角などを特に限定されるものではなく、対撚線１１の使用環境（振動、曲げなど）に合わせて変更できる。

被覆体１４は、通常の絶縁用樹脂にシランカップリング剤を配合した被覆体材料で形成される。

被覆体材料に用いる絶縁用樹脂は、例えばポリエチレン（超低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなど）が使用できる。

また、被覆体材料に用いるシランカップリング剤としては、ビニルシラン、アクリロキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、エポキシシランなどが挙げられる。

被覆体材料のシランカップリング剤の配合比は、０．５質量％以上２．０質量％以下とすると良い。撚り線導体との結合手を考慮すると、その配合比は０．５質量％で充分である。配合比が０．５質量％未満であると、撚り線導体との結合手が不充分で、後述の湿気（水分）の進入を遮断する効果が不充分となり、減衰量の増加を抑制することができない。一方、配合比が２．０質量％超となると、被覆体のプラスチック性（引張特性など）が損なわれることに加え、余分な配合剤の移行が発生し、絶縁被覆には不適切なものとなる。

この対撚線１１を少なくとも１本用い、一括被覆体１６でジャケットすることで、対撚線ケーブル１０が形成される。

対撚線ケーブルを難燃化する場合には、一括被覆体１６として、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなるシース材料に水酸化マグネシウムなどの難燃剤を配合した難燃剤入り一括被覆体を用いることができる。これは、撚り線導体１３を被覆する被覆体１４に金属酸化物からなる難燃剤を配合すると、金属酸化物のｔａｎδが悪く、対撚線の伝送損失が高周波で増大してしまうからである。なお、本発明は難燃剤入り一括被覆体の構成を特に限定するものではなく、種々のシース材料および難燃剤を使用可能であり、高周波特性を維持しながら難燃性を得ることができる。

以上の構成からなる対撚線１１または対撚線ケーブル１０は、特に１００ＭＨｚ以上の高周波伝送の用途に有効である。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態に係る対撚線は、撚り線導体を被覆する被覆体を、シランカップリング剤を配合した被覆体材料で形成するようにしている。これにより、撚り線導体と被覆体との間に水分（湿気）が進入したとき、その水分で撚り線導体と被覆体とをシラン結合またはシラノール結合させて密着性を向上させ、更なる水分の進入を遮断し、金属の腐食による接触抵抗の増大を抑制することができる。

これと同時に、水分の進入によるｔａｎδの悪化を抑制でき、漏洩抵抗の増大を抑制することができるので、充分な耐湿性を有する。

また、本実施の形態に係る対撚線ケーブルでは、耐湿性を有する対撚線を用いるため、一括被覆体（シース）を通して水分が進入しても減衰量の増大を抑制できるので、所望の量の難燃剤を一括被覆体に添加することができる。

次に、第２の実施の形態について図２により説明する。

本発明においては、撚り線導体と被覆体とをシランカップリング剤によりシラン結合またはシラノール結合させることで、撚り線導体と被覆体との隙間に水分が進入することを抑制するようにしている。

よって、被覆体の全厚に亘ってシランカップリング剤を配合する必要はなく、図２に示すように、撚り線導体１３を２層の被覆体１４ａ，１４ｂで被覆して被覆素線２２を形成し、その２層の被覆体１４ａ，１４ｂのうち、撚り線導体１３に接する内層被覆体１４ａを、シランカップリング剤を配合した被覆体材料で形成するようにしても良い。これにより、撚り線導体１３と内層被覆体１４ａをシラン結合またはシラノール結合させることができ、耐湿性を得ることができる。

この対撚線２１および対撚線ケーブル２０においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、この対撚線２１においては、撚り線導体１３と接する内層被覆体１４ａのみをシランカップリング剤を配合した被覆体材料で形成するようにしているので、外層被覆体１４ｂでは、シランカップリング剤を配合することによる被覆体材料のプラスチック性の劣化が無く、対撚線２１の特性をより良好なものとすることができる。

また図３に示すように、本発明においては、撚り線導体１３にシランカップリング剤３２を塗布し、これを（シランカップリング剤を配合しない）被覆体３３で被覆して被覆素線３４を形成するようにしても良い。

この対撚線３１および対撚線ケーブル３０においては、撚り線導体１３の表面にシランカップリング剤３２を塗布するだけで、上記実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、より容易に製造することができる。

以上説明した本発明により、撚り線導体でも、比較的長距離の産業用ＬＡＮケーブルへの適用、振動の大きい車両内の高周波平衡（差動）信号伝送に適用可能な対撚線を提供することができる。本発明に係る対撚線および対撚線ケーブルは、特に、１００ＭＨｚ以上の高周波伝送用ケーブルとして有効である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。

以下に、本発明の実施例について説明する。

本発明の第一の実施の形態に係る対撚線ケーブル（図１：以下、本発明品という）、および従来技術の対撚線ケーブル（図７：以下、従来品という）を次のようにして作製した。

φ０．２０８ｍｍの銅素線を７本、１／６の構成で、撚り角７５度で撚り、これをφ０．５６５ｍｍの撚り線導体として２本製造した。

本発明品では、絶縁被覆用の低密度ポリエチレン（以後、ＰＥ）にビニルシランカップリング剤を１質量％配合した被覆体材料を用いて撚り線導体を押出し被覆し、φ０．９７ｍｍの被覆素線を製造した。一方、従来品ではＰＥを用いて撚り線導体を押出し被覆し、φ０．９７ｍｍの被覆素線を製造した。

これらの被覆素線をそれぞれ一定の撚り程で対撚りし、φ１．９４ｍｍの対撚線を完成させた。この対撚線にＰＶＣシースをジャケットし、φ２．７４ｍｍの対撚線ケーブルを完成した。

発明の効果を実証するため、製造したそれぞれの対撚線ケーブルに対し、８５℃、８５％相対湿度、３０日間の加速劣化試験を実施した。この加速劣化試験条件は、一般的に通信装置に適用している条件で２５−３０年の加速負荷を想定したものである。

本発明品および従来品の初期減衰量と加速劣化試験後の減衰量を測定し比較した結果を図４に示す。なお、本発明品の初期減衰量と従来品の初期減衰量は同一であった。

図４より、本発明の効果として、加速劣化試験後（２５−３０年寿命相当）の減衰量増加が抑えられたことが判る。具体的な数値（生データ）として、周波数１００ＭＨｚでの減衰量（初期；２１．５ｄＢ／１００ｍ）が、従来品は２６．９ｄＢ／１００ｍ（初期から２５％増加）に対し、２１．９ｄＢ／１００ｍ（初期から１．９％増加）と充分に劣化を止めることができることを実証した。これは、シランカップリング剤が被覆体と銅をシラン結合させ、隙間空間への水分の進入を防いだことを実証したものと考えられる。

次に、図４で得られたそれぞれの減衰量の曲線から、次のようにして抵抗減衰量および漏洩減衰量を評価した。

減衰量（α）は、下式（４），（５）により抵抗減衰量（α_R）と漏洩減衰量（α_g）に分けられる。
α＝α_R＋α_g＝Ａ√ｆ＋Ｂｆ（４）
（但し、α_R＝Ａ√ｆ、α_g＝Ｂｆとする）
α／√ｆ＝Ａ＋Ｂ√ｆ（５）

よって、（５）式を計算することで、Ａ項が抵抗減衰量項、Ｂ項が漏洩減衰量項として得られる。

図４より、５６ＭＨｚまでは減衰量（α）が遷移領域にあり、（５）式の直線補間ができないので、５６ＭＨｚ以上のデータで（５）式を計算し、５６ＭＨｚ以上２２５ＭＨｚまでのデータを直線補完し、補間式を求めた。その結果を図５に示す。

また、図５に示した補間式より周波数ｆ＝１００ＭＨｚにおける減衰量（α）、抵抗減衰量（α_R）及び漏洩減衰量（α_g）をそれぞれ求めた。これらの数値を表１に示す。

ここで、これらの数値の求め方について下記する。

式（５）は、図５で示した補間式に相当する。すなわち、α／√ｆ＝ｙ＝Ａ＋Ｂ√ｆとなり、Ａは補間式中の定数項であり、Ｂは補間式中のｘの比例係数であり、√ｆはｘとなる。これらの関係と式（４）とから表１に示す各数値を求めることができる。

図５および表１より、周波数１００ＭＨｚにおいて、本発明品の抵抗減衰量（α_R）は、従来品での１２１％の劣化を１０１％に抑制、また漏洩減衰量（α_g）は、従来品での２２６％の劣化を１３３％に抑制できることを実証した。

次に、本発明品において、被覆体材料のビニルシランカップリング剤の配合比を０〜２．５質量％まで変化させて被覆素線を作製し、被覆体材料へのシランカップリング剤の配合比が、銅導体／被覆体の引き抜き力、および被覆体の引張破断伸びに及ぼす影響について評価した。なお、銅導体／被覆体の引き抜き力は、すなわち撚り線導体と被覆体とのシラン結合およびシラノール結合の度合を示すものである。

銅導体／被覆体の５０ｍｍ長さの引き抜き力と、被覆体自身の引張破断伸びを試験した結果を図６に示す。

図６より、シランカップリング剤の配合比が０．５質量％でも、配合比１．０質量％の場合と同じ効果が得られることが分かる。これは銅との結合手が０．５質量％の配合で充分であるためである。逆に２．０％を超えて配合すると、被覆体のプラスチック性が損なわれることと、余分な配合剤の移行が起こり絶縁被覆用には適切なものではなくなることがわかる。

以上のデータから、導体／被覆体の引き抜き力がほぼ飽和の値の配合比１％、被覆体の引張破断伸びが急激に劣化しない領域の配合比１％が、総合して最適配合比となることがわかった。

１０対撚線ケーブル
１１対撚線
１３撚り線導体
１４被覆体
１５被覆素線

Claims

撚り線導体を被覆体で被覆して形成した被覆素線を対撚りしてなり、周波数が１００ＭＨｚ以上の高周波伝送用ケーブルとして用いられる対撚線において、前記被覆素線は、シランカップリング剤を塗布した撚り線導体をポリエチレンからなる被覆体で被覆して形成されることを特徴とする対撚線。
前記シランカップリング剤は、前記撚り線導体と前記被覆体との間に進入してくる水分で前記撚り線導体と前記被覆体とをシラン結合又はシラノール結合させる状態で存在している請求項１に記載の対撚線。