JP2020123442A - 通信ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】伝送特性を損なうことなく細径化した通信ケーブルを提供する。【解決手段】通信ケーブル１は、導体２０を絶縁体２１で覆った少なくとも４本の電線２と、フィルム状の基体５０、及び基体５０に設けられた金属層５１を有し、少なくとも４本の電線２に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープ５と、を備え、少なくとも４本の電線２を撚り合わせた撚り合わせ外径Ｄ２が４ｍｍ以下であり、金属層５１の厚みＬが３０μm以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、通信ケーブルに関する。

従来の技術として外径が等しい４本の絶縁線芯を星形カッド状に撚り合わせ、その外側に押さえ絶縁層を被覆し、その外側に電磁シ−ルド層を形成し、その外側に熱可塑性樹脂製シース層を施した電気通信ケ−ブルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１４４５３２号公報

従来の電子通信ケーブルは、省スペース化、軽量化のため、絶縁線心を細径化して導体サイズを下げると、導体抵抗が増加して伝送特性が劣化する。従って従来の電子通信ケーブルは、要求される規格値を満足しながら導体サイズを小さくすることが困難であった。

そこで、本発明は、伝送特性を損なうことなく細径化した通信ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、導体を絶縁体で覆った少なくとも４本の電線と、フィルム状の基体、及び基体に設けられた金属層を有し、少なくとも４本の電線に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープと、を備え、少なくとも４本の電線を撚り合わせた撚り合わせ外径が４ｍｍ以下であり、金属層の厚みが３０μm以上である、通信ケーブルを提供する。

本発明によれば、伝送特性を損なうことなく細径化した通信ケーブルを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る通信ケーブルを示す図であり、（ａ）は外観を示す図であり、（ｂ）は長手方向に垂直な断面を示す断面図である。 （ａ）はシールドテープが重なる部分の断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は絶縁体の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。 （ａ）は発泡度を高めた絶縁体を用いた場合の特性インピーダンスに関するグラフであり、（ｂ）は金属層が薄い比較例の減衰量のグラフである。 （ａ）は電流領域の深さと周波数の関係を示すグラフであり、（ｂ）は金属層が厚い一実施の形態の減衰量のグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る通信ケーブルを示す図であり、（ａ）は外観を示す図であり、（ｂ）は長手方向に垂直な断面を示す断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る通信ケーブルを示す図であり、（ｂ）は、長手方向に垂直な断面を示す断面図である。図２（ａ）はシールドテープが重なる部分の断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は絶縁体の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。図３（ａ）は、発泡度を高めた絶縁体を用いた場合の特性インピーダンスに関するグラフであり、（ｂ）は金属層が薄い比較例の減衰量のグラフである。図４（ａ）は電流領域の深さと周波数の関係を示すグラフであり、（ｂ）は金属層が厚い本実施の形態の減衰量のグラフである。図３（ａ）は、横軸が周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸が特性インピーダンス（Ω）である。図３（ｂ）、図４（ｂ）は、横軸が周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸が減衰量（ｄＢ／１００ｍ）である。図４（ａ）は、横軸が周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸が電流領域の深さ（μｍ）である。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

図１（ａ）〜図２（ａ）に示すように、通信ケーブル１は、導体２０を絶縁体２１で覆った４本の電線２と、フィルム状の基体５０、及び基体５０の一方の面に設けられた金属層５１を有し、４本の電線２に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープ５と、を備え、４本の電線２を撚り合わせた撚り合わせ外径Ｄ_２が４ｍｍ以下であり、金属層５１の厚みＬが３０μｍ以上である。なお本実施の形態の４本の電線２を撚り合わせた撚り合わせ外径Ｄ_２は、３ｍｍ以下である。

この通信ケーブル１は、４本の電線２とシールドテープ５の間に設けられ、難燃性材料を用いて形成された難燃テープ４を備えている。さらに通信ケーブル１は、シールドテープ５の周囲を覆う編組シールド６と、編組シールド６を覆うシース７と、を備えている。

通信ケーブル１は、一例として、鉄道車両の車両間通信ＭＶＢ（Multifunction Vehicle Bus）や鉄道網列車間通信ＷＴＢ（Wire Train Bus）等に使用されるＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルである。この通信ケーブル１は、例えば、鉄道車両に搭載された監視カメラやコンピュータ等を相互に接続する。本実施の形態の通信ケーブル１は、一例として、カテゴリー５ｅの規格に準拠したケーブルである。そして本実施の形態の通信ケーブル１は、例えば、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの信号を伝送する。近年、鉄道車両の高機能化による車両間、車両内電子機器の情報伝達量の増加に伴ってケーブルの使用本数が増加している。そのため、ケーブルは、省スペース化、軽量化のため、細径化が求められている。本実施の形態の通信ケーブル１は、伝送特性を損なうことなく細径化することができる構成を備えている。

（電線２）
本実施の形態の電線２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、線状体３の周囲に螺旋状に撚り合わされている。この線状体３は、ポリエチレン（ＰＥ）等を用いて断面形状が円形状とされている。線状体３の断面形状は、円形状に限定されない。線状体３の外周面には、全ての電線２が直接接触している。

電線２は、複数の素線を集合撚りした導体２０と、導体２０を覆う絶縁体２１と、をそれぞれ有している。素線としては、例えば、銅線、銅合金線等を用いることができ、その外周に錫やニッケル等の金属メッキを施したものを用いても良い。本実施の形態では、導体２０に用いる素線として、錫メッキ軟銅線を用いた。また導体２０は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、７本の素線を撚り合わせて構成されている。この導体２０の外径ｄは、０．６１５ｍｍである。また導体２０の断面積は、０．２５ｍｍ^２である。さらに４本の電線２の外径Ｄ_２は、２．９７ｍｍである。なお、４本の電線２の外径Ｄ_２とは、線状体３の周囲に４本の電線２を螺旋状に撚り合わせた撚り合わせ外径、つまり集合体（ケーブルコア）の外径を意味している。

絶縁体２１は、導体２０の周囲に設けられたシール層２１０と、シール層２１０より径方向に離れて設けられた補強層２１２と、発泡した樹脂であってシール層２１０と補強層２１２との間に設けられた発泡層２１１と、を備え、発泡層２１１は、要求される特性インピーダンスＺ_０に応じた非誘電率ε_ｒとなる発泡度を有するように構成されている。

シール層２１０及び補強層２１２は、ポリエチレンを用いて形成されている。また発泡層２１１は、発泡ポリプロピレンや照射架橋発泡ポリエチレンを用いて形成されている。本実施の形態の発泡層２１１は、照射架橋発泡ポリエチレンである。照射架橋発泡ポリエチレンは、発泡剤を用いて多数の気泡２１１ａを含むスポンジ状に形成し、さらに電子線照射を行って耐熱性、機械的特性を向上させたものである。

シール層２１０及び補強層２１２は、発泡度を上げる場合、導体２０を伝って圧力やガスが逃げないように補強するために設けられている。

（難燃テープ４）
難燃テープ４は、ポリイミド等の難燃性を有する樹脂を用いてテープ状に形成されている。この難燃テープ４は、少なくとも４本の電線２に一部が重なるように螺旋状に巻き回されている。この難燃テープ４は、通信ケーブル１が鉄道車両に高密度で配線されることから火災安全性（難燃性及び低発煙化）を有することが求められるために設けられている。

（シールドテープ５）
シールドテープ５は、図２（ａ）に示すように、基体５０が難燃テープ４側、金属層５１が編組シールド６側となるように螺旋状に巻き回されている。なおシールドテープ５は、難燃テープ４とは逆方向に螺旋状に巻き回される。

本実施の形態の基体５０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用いて形成されている。また金属層５１は、銅やアルミニウム等を用いて形成されている。本実施の形態の金属層５１は、アルミニウムを用いて形成されている。

（編組シールド６）
編組シールド６は、錫メッキ軟銅線を網状に編んで形成されている。この編組シールド６は、外部からのノイズを抑制するものであり、グランドに接続される。

（シース７）
シース７は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、照射架橋難燃ポリオレフィン等を用いて形成されている。本実施の形態のシース７は、高い難燃性を有する照射架橋難燃ポリオレフィンを用いて形成されている。この照射架橋難燃ポリオレフィンを使用したシース７は、ハロゲンフリーであり、薬剤、油等の外的要因に対する耐久性が高い。シース７がハロゲンフリーの材料である場合、本実施の形態に係る通信ケーブル１は、ノンハロゲン通信ケーブルとなる。

（伝送特性の評価）
以下では、伝送特性の評価として、特性インピーダンスＺ_０と減衰量について説明する。この特性インピーダンスＺ_０は、電圧と電流の比である。また減衰量は、入力信号と出力信号のエネルギー比である。

カテゴリー５ｅが要求する特性インピーダンスＺ_０は、１００Ωである。従って細径化によって目標とする比誘電率ε_ｒは、要求される特性インピーダンスＺ_０の値を整理すると１．３８となる。この算出の結果、通信ケーブル１がカテゴリー５ｅの要求する特性インピーダンスＺ_０（１００±１５Ω）を満足するためには、絶縁体２１の比誘電率ε_ｒを２．２６から１．３８に下げる必要がある。

ここで発泡させた絶縁体の比誘電率ε_ｒは、以下の式（１）によって計算することができる。
ε_ｒ＝ε_Ａ ^{（１−Ｖ）}…（１）
ε_Ａ：ポリエチレンの比誘電率：２．２６
Ｖ：発泡度
目標とする絶縁体２１の比誘電率ε_ｒは、１．３８であるので、この値を代入すると、発泡度Ｖが６０％と算出される。よって発泡度は、６０％以上であることが好ましい。

発泡度を６０％として作成された通信ケーブルは、図３（ａ）に示すように、特性インピーダンスＺ_０がカテゴリー５ｅの規格下限値と規格上限値の中に納まった。なお図３（ａ）に斜線で示す領域の下限が規格下限値（８５Ω）であり、上限が規格上限値（１１５Ω）である。また図３（ａ）の実線は、測定された特性インピーダンスＺ_０である。

発泡度を６０％とした通信ケーブルは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、カテゴリー５ｅの規格値を満足する一方で減衰量が規格値以上となった。

減衰量の増加は、（１）内部導体（導体２０）に流れる電流による抵抗損失（内部導体損失）、（２）絶縁体（絶縁体２１）の発熱による損失（誘電損失）、（３）外部導体（シールドテープ５）に流れる電流による抵抗損失（外部導体損失）、（４）電気エネルギーの漏れによる損失（放射損失）が主な原因として考えられる。

（１）内部導体損失は、通信ケーブル１の細径化のため、導体２０の断面積を０．２５ｍｍ^２としたことから標準的な断面積（０．５ｍｍ^２）の導体と比べて導体抵抗が増加するので、避けられない損失である。（２）誘電損失は、信号の周波数が１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲では、減衰量の増加に対する寄与度が極小である。

（３）外部導体損失及び（４）放射損失は、図４（ａ）に示すように、編組シールド６に流れる電流を抑えることによって抑制することができる。従って以下では、金属層５１が薄い場合と厚い場合の減衰量について説明する。

図４（ａ）は、信号の周波数と電流領域の深さのグラフである。図４（ａ）の点線は、比較例の金属層の厚みを示し、点線の下側がシールドテープ側に相当し、上側が編組シールド側に相当する。また図４（ａ）の一点鎖線は、本実施の形態の金属層５１の厚み（２Ｌ）を示し、実線の下側がシールドテープ５側に相当し、上側が編組シールド６側に相当する。

図４（ａ）に示す電流領域とは、電流が流れる深さを示している。例えば、比較例のシールドテープの金属層の厚みが７．５μｍである場合、螺旋状に巻き回されて重なった部分の金属層の厚みが１５μｍ（２×７．５μｍ）なので、図４（ａ）の点線で示すように、１００ＭＨｚ近傍においては電流がシールドテープ内を流れる。一方それ以外の周波数では、電流がシールドテープだけでなく、さらに深い領域に流れるので、編組シールドも伝って流れる。従って金属層が薄い場合は、放射損失が増加する。

しかし実施の形態の通信ケーブル１は、金属層５１の厚みが３０μｍであり、重なった部分の厚みが６０μｍ（２×３０μｍ）なので、図４（ａ）の一点鎖線で示すように、１ＭＨｚ近傍の狭い範囲で編組シールド６側に電流が流れるものの殆どの周波数で電流がシールドテープ５のみに流れる。従って金属層が厚い場合は、放射損失の増加を抑制することが期待される。

図４（ｂ）は、金属層５１の厚みが３０μｍ（重なった部分は６０μｍ）の場合の減衰量を測定した結果を実線で示している。金属層５１の重なった部分の厚みを電流が流れる表皮深さに対して十分な厚みとした場合、減衰量が規格値を満足した。

以上より、実施の形態の通信ケーブル１は、電線２を細径化すると共にシールドテープ５の金属層５１を厚くすることにより、全体として細径でありながらケーブルの規格から要求される特性インピーダンスＺ_０と減衰量を満足することができる。つまり通信ケーブル１は、信号の損失を防ぐことで減衰量の劣化を防ぎ、細径化が可能となる。本実施の形態の通信ケーブル１は、その外径Ｄ_３が４．６３ｍｍであり、標準的な外径（一例として８．１ｍｍ）のケーブルと比べて細径化することができた。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る通信ケーブル１は、導体２０を絶縁体２１で覆った４本の電線２と、フィルム状の基体５０、及び基体５０に設けられた金属層５１を有し、４本の電線２に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープ５と、を備え、４本の電線２を撚り合わせた撚り合わせの外径Ｄ_２が４ｍｍ以下であり、金属層５１の厚みＬが３０μm以上であるように構成されている。

このように構成することで、本来はトレードオフの関係にある細径化と伝送特性とを両立し、伝送特性を損なうことなく細径化した通信ケーブル１を実現できる。その結果、通信ケーブル１は、細径化により製造原価が低減し、当該製品の低コスト化が可能となる。

また通信ケーブル１は、細径化しながら車両用のカテゴリー５ｅの要求特性である伝送特性、物性、火災安全性（材料の難燃、低発煙化）を実現することができる。

（他の実施の形態）
図５（ａ）は、他の実施の形態に係る通信ケーブルを示す図であり、（ｂ）は、長手方向に垂直な断面を示す断面図である。本実施の形態では、上述の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分は、上述の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。

本実施の形態の通信ケーブル１は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、４本の電線２と、線状体３と、シールドテープ５と、編組シールド６と、シース７と、を備えて構成されている。つまり本実施の形態の通信ケーブル１は、難燃テープ４を備えていない構成となっている。

本実施の形態の通信ケーブル１は、難燃テープ４を備えない構成であるので、さらに細径化することができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］導体（２０）を絶縁体（２１）で覆った少なくとも４本の電線（２）と、フィルム状の基体（５０）、及び前記基体（５０）に設けられた金属層（５１）を有し、前記少なくとも４本の電線（２）に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープ（５）と、を備え、前記少なくとも４本の電線（２）を撚り合わせた撚り合わせ外径（Ｄ_２）が４ｍｍ以下であり、前記金属層（５１）の厚み（Ｌ）が３０μm以上である、通信ケーブル（１）。

［２］前記少なくとも４本の電線（２）を撚り合わせた撚り合わせ外径（Ｄ_２）が３ｍｍ以下である、［１］に記載の通信ケーブル（１）。

［３］前記絶縁体（２１）は、前記導体（２０）の周囲に設けられたシール層（２１０）と、前記シール層（２１０）より径方向に離れて設けられた補強層（２１２）と、発泡した樹脂であって前記シール層（２１０）と前記補強層（２１２）との間に設けられた発泡層（２１１）と、を備え、前記発泡層（２１１）は、要求される特性インピーダンスに応じた非誘電率となる発泡度を有する、［１］又は［２］に記載の通信ケーブル（１）。

［４］前記要求される特性インピーダンスは、１００Ω±１５であり、前記発泡度は、６０％以上である、［３］に記載の通信ケーブル（１）。

［５］前記少なくとも４本の電線（２）と前記シールドテープ（５）の間に設けられ、難燃性材料を用いて形成された難燃テープ（４）を備えた、［１］乃至［４］のいずれか１項に記載の通信ケーブル（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、電線２を４本用いる場合について説明したが、電線２を６本、８本、あるいは１０本以上用いてもよい。

１…通信ケーブル
２…電線
３…線状体
４…難燃テープ
５…シールドテープ
６…編組シールド
７…シース
２０…導体
２１…絶縁体
５０…基体
５１…金属層
２１０…シール層
２１１…発泡層
２１１ａ…気泡
２１２…補強層

Claims (5)

1. 導体を絶縁体で覆った少なくとも４本の電線と、
   フィルム状の基体、及び前記基体に設けられた金属層を有し、前記少なくとも４本の電線に一部が重なるように螺旋状に巻き回されたシールドテープと、
   を備え、
   前記少なくとも４本の電線を撚り合わせた撚り合わせ外径が４ｍｍ以下であり、
   前記金属層の厚みが３０μm以上である、
   通信ケーブル。
2. 前記少なくとも４本の電線を撚り合わせた撚り合わせ外径が３ｍｍ以下である、
   請求項１に記載の通信ケーブル。
3. 前記絶縁体は、
   前記導体の周囲に設けられたシール層と、
   前記シール層より径方向に離れて設けられた補強層と、
   発泡した樹脂であって前記シール層と前記補強層との間に設けられた発泡層と、
   を備え、
   前記発泡層は、要求される特性インピーダンスに応じた非誘電率となる発泡度を有する、
   請求項１又は２に記載の通信ケーブル。
4. 前記要求される特性インピーダンスは、１００Ω±１５であり、
   前記発泡度は、６０％以上である、
   請求項３に記載の通信ケーブル。
5. 前記少なくとも４本の電線と前記シールドテープの間に設けられ、難燃性材料を用いて形成された難燃テープを備えた、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の通信ケーブル。

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