JP2022076997A

JP2022076997A - タングステンワイヤーロープおよびそれを用いた内視鏡用スネア

Info

Publication number: JP2022076997A
Application number: JP2021169211A
Authority: JP
Inventors: 斉青山; Hitoshi Aoyama; 憲治友清; Kenji Tomokiyo; 英昭馬場; Hideaki Baba
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2022-05-20

Abstract

【課題】ワイヤーロープは、撚り線とすることで耐衝撃性に優れ、柔軟性に富む等の利点が有る。また繰り返し曲げられることから、耐久性に富むことも求められる。ワイヤーロープは、内視鏡用、単結晶引き上げ用、フィラメント用、精密機器の運動伝達用、などに用いられている。特に、内視鏡用に使用されるミニチュアロープは、外径を太くすることなく高強度、低伸度、高耐久、高弾性が要求される。本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性、引張強度を歩留良く改善し、より線による強度の低下を抑えたワイヤーロープやミニチュアロープを提供するためのものである。【解決手段】実施形態にかかるタングステンワイヤーロープやミニチュアロープは、レニウムの含有量が、３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下のタングステン素線からなり、前記素線は３本以上４０本以下配置されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、タングステンワイヤーロープおよびそれを用いた内視鏡用スネア関する。

ワイヤーロープは、撚り線とすることで耐衝撃性に優れ、柔軟性に富む等の利点が有る。また繰り返し曲げられることから、耐久性に富むことも求められる。ワイヤーロープは、内視鏡用、単結晶引き上げ用、フィラメント用、精密機器の運動伝達用、などに用いられている。
特に、内視鏡用に使用されるワイヤーロープ（ミニチュアロープ）は、外径を太くすることなく高強度、低伸度、高耐久、高弾性が要求される。図１にポリペクトミー（内視鏡的ポリープ切除術）スネアの先端部分の例を示す。先端部と反対側に操作部（ハンドル：図無し）があり、ハンドルを操作することで、操作ワイヤー１３を通じ、スネアループ１１がシース１２から突出、あるいは収納される。これにより大腸ポリープ等を緊縛して切除する。この内視鏡用スネアには、自身の弾性力で、切除前後でループ形状を維持するため、曲がり癖が付き難い特性が必要である。また近年では、胆石等の硬い石を砕く用途にも用いられるため、より細く、より高強度の特性が必要である。

内視鏡用に使用されるワイヤーロープは、１本の軸芯素線の周囲に6本，あるいは18本，36本など周囲素線を巻きつけた撚り線が用いられており、軸芯素線及び周囲素線としては、ステンレス（ＳＵＳ）、あるいは、ステンレスとタングステン（Ｗ）など異種素材の組み合わせ、が用いられている。

特開２００１－２２６８８８号公報（特許文献１）には、軸芯素線がタングステン、周囲素線がステンレスであるワイヤーロープが開示されている。周囲素線は耐摩耗性に優れたステンレスで、硬いものと擦り合わされても容易に摩耗せず、軸芯素線は引張強度の高いタングステンで、線を太くすることなく引張強度を高めることができ、タングステンの耐摩耗性の低さを補いつつ、引張強度を高めたワイヤーロープが記載されている。
特許第６６３１９７９号公報（特許文献２）には、軸芯素線がステンレス、周囲素線がタングステンである、ワイヤーロープが開示されている。軸芯素線の外周部の硬度を中心部の硬度よりも高くすることで、耐摩耗性と柔軟性を向上し、引張強度が高いワイヤーロープが記載されている。

特開２００１－２２６８８８号公報特許第６６３１９７９号公報

特許文献１では、軸芯素線にタングステンを用い、引張強度を高めようとしているが、周囲素線は従来と変わらないため、必ずしも改善効果が十分とは言えなかった。特許文献２の場合、周囲素線にタングステンを用いているが、軸芯素線の強度は変わらないため、すべての素線の強度が向上するわけではない。また、周囲素線は互いに接触しており、特許文献１に記載される、タングステンの耐摩耗性が低く、硬いものと擦り合わされるとすぐに断線してしまう欠点を、補っていない。また、軸芯素線製作の際、ダイスを用いた伸線加工により、軸芯素線断面硬度の内外差を発生させる方法は、内部に残留応力を発生させる要因となり、これによりクラックが誘発され、伸線加工での歩留を低下が生じる可能性がある。

撚り線の破断強さを「素線断面積×撚り本数」で割った値を、「素線相当の破断強さ」とする。ステンレスワイヤーロープでは、素線相当の破断強さは、素線単体の破断強さに比べ、低下する。表１には、軸芯素線，周囲素線ともにステンレスを使用した、素線サイズΦ0.12mm×7本撚りのワイヤーロープの引張試験結果を示す。

本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性、引張強度を歩留良く改善し、より線による強度の低下を抑えたワイヤーロープを提供するためのものである。

前記課題を解決するために、実施形態にかかるタングステンワイヤーロープは、レニウムの含有量が、3wt%以上30wt％以下のタングステン素線からなり、前記素線は3本以上40本以下配置されている。

内視鏡スネアの先端部分の一例を示す平面断面図。実施形態であるワイヤーロープの一例を示す断面図。実施形態にかかるワイヤーロープの別の一例を示す断面図。レニウム‐タングステンの２元系状態図

図２は実施形態のワイヤーロープの断面図であり、図２（ａ）は、中心に位置する軸芯素線２２と、その軸芯素線の周りに巻き付けた６本の周囲素線２３(２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ)と、を備えており、全体として一本の撚り線（ワイヤーロープ）として形成されている。軸芯素線２２に対する周囲素線２３の巻き付け方向は、いわゆるＺ撚りでも、その逆方向のＳ撚りでも、どちらでもよい。

図２（ｂ）は、一本の軸芯素線の周囲に19本の周囲素線を巻つけた撚り線である。図２（ｃ）は、37本の周囲素線を巻き付けた撚り線である。図２（ｄ）は、24本の周囲素線のみで構成した撚り線である。この撚り方は、Cross Lay または各素線の接触状態から点接触撚り（Point Contact Lay）とも呼ばれ、ほぼ同径の素線を、各層別により角がほぼ等しくなるようにより合わせたもので、各層により込まれる素線の長さが等しくなり、各層間の素線は点接触状態となる。素線の数が2本では、素線同士の接点が1か所となり、安定性がない。このため3本以上が良い。また同一径のロープでは、素線数が増加するほど線径は細くなり、ロープの柔軟性は増すが、強度は低くなり、耐摩耗性や耐形崩れ性などが劣ってくる。このため40本以下が好ましい。なお、3本以上40本以下は、軸線および周囲線の両方の素線本数を合計したものである。

図３は、径が異なる素線を使ったワイヤーロープの実施形態の例である。図３（ａ）はシール形（Seale）と呼ばれるもので、内層素線３２，外層素線３３の素線数が同数で、内層素線の凹みに外層素線が完全に収まっている。図３（ｂ）は、ウォーリントン形（Warrington）と呼ばれるもので、外層素線には大小2種類あり、外層素線数は内層素線数の2倍で、内外層の組合わせによって隙間を少なくしてある。図３（ｃ）はフィラー形（Filler）と呼ばれるもので、外層素線数を内層素線数の2倍とし、内外層の隙間に内層素線と同数の細い線（フィラー線）３４が充填されている。図３（ｄ）はウォーリントンシール形（Warrington Seale）と呼ばれるもので、ウォーリントン形とシール形とを組み合わせたものである。

上記実施形態のワイヤーロープを複数撚って形成するワイヤーロープも実施できる。

軸芯素線２２と周囲素線２３は、レニウム（Re）の含有量が3wt%以上30wt％以下のタングステン素線（ReW素線）からなる。以降、Reを含有するタングステンをReWと呼ぶことも有る。各素線のReの含有量は、範囲内であれば特に限定されるものではないが、ワイヤーロープの均質性を高めるためには、すべての素線で同じRe含有量が好ましい。なお、同じRe量とは、平均値に対し±2.0wt％以内になっていることを示す。

撚り線として引張られたとき、各素線にはねじれが加わる。これにより撚り線の素線相当の破断強さは、素線単体の破断強さよりも、低下する。弾性で伸びるほど、素線にねじれが加わるため、弾性率が低い素線ほど、撚り線の素線相当の破断強さの低下が大きくなる。素線相当の破断強さとは、撚り線の破断強さを、素線の本数分の断面積で割った値である。例えば、表１に示したように、Φ0.12mmのSUS素線の破断強さは単体で2440MPaである。素線サイズΦ0.12mm×7本撚り線の破断強さは172Nで、これを7本分の断面積で除すると、2170MPaとなる。

素線相当の破断強さは、素線の破断強さの90％より大きいことが好ましい。必要な強度をもつワイヤーロープの径を、より小さくすることができる。弾性率が高いタングステンを素線として使用することで、素線相当の破断強さの低下を防ぐことができる。そして、タングステンの耐摩耗性の低さは、Re含有量が3wt％以上のReWで改善される。

Re含有量が20wt％未満の場合、タングステン固有の難加工性は改善されず、伸線加工でワイヤーにクラックを発生し易くなる。このため、伸線工程や、撚り線工程での断線による歩留低下が生じる可能性がある。そこでRe含有量は、20wt%以上が望ましい。

図４にRe‐タングステンの２元系状態図を示す。Re含有量が４１で示される28wt%程度より高くなると、タングステンとの固溶体を作れず、領域４２で示されるσ相を生じる。この相は非常に硬いため、伸線加工中に破断の起点となり加工歩留を低下させたり、ワイヤーとしての使用中に、破断の起点となり、耐久性を低下させる可能性がある。そこでRe含有量は、30wt%以下が望ましい。ReW素線のRe含有量は3wt%以上30wt％以下、さらには20wt%以上30wt%以下が好ましい。

素線の強度が高いとワイヤーをより細くできるため、ReW素線の引張強度は全て3600MPa以上が好ましい。

素線の径は、0.15mm以下が望ましい。素線の径が0.15mm以下であると撚り線加工が容易となる。素線の径が0.15mmを超えると、撚り線加工が難しくなり断線が発生し易くなる。なお、素線の径の下限値は特に限定されるものではないが、0.01mm以上が好ましい。径が0.01mm未満であると、線径が細いため断線が発生する可能性がある。このため、素線の径は0.01mm以上0.15mm以下、さらには0.05mm以上0.13mm以下が好ましい。

実施形態により、より細く、より高強度で耐久性のあるタングステンワイヤーロープを実現でき、内視鏡用スネアに適用できる。また、負荷のかかる胆石等の硬い石を砕く用途にも適用できる。

次に、本実施形態に係るReW線の製造方法について説明する。製造方法は特に限定されるものではないが、例えば次のような方法が挙げられる。

W粉末とRe粉末を、Re含有量が3wt%以上、30wt%以下となるように混合する。この混合方法については特に限定するものでは無いが、水もしくはアルコール系溶液を用い、粉末をスラリー状にして混合する方法は、分散性が良好な粉末が得られることから特に好ましい。混合するRe粉末は、最大粒径が100μm未満のものが好ましい。また、平均粒径が20μm未満のものが好ましい。W粉末は、不可避不純物を除く純W粉末、もしくは、線材までの歩留を考慮したK量を含有する、ドープW粉末である。W粉末は、平均粒径が30μm未満のものが好ましい。Re粉末の最大粒径もしくは平均粒径が前記以上だと、粗大なσ相が生成しやすくなる。また、W粉末の平均粒径が前記以上だと、後工程のプレス成形時に成形性が低下し、折れや、カケや、クラック等が、成型体に発生し易くなる。

例えば、Reの含有量が18wt%を超えるW‐Re混合粉末を製造する場合、まず、Re量が18wt%以下のReW合金を、粉末冶金法や、溶解法等で製作した後、常法により微粉砕する。これに、所望する組成に対して不足分のReを混合する方法もある。以後、Reを含有したタングステン線のことを、ReW線と示すことがある。

次に、混合粉末を、所定の金型に入れてプレス成形する。この時のプレス圧力は、100MPa以上が好ましい。成形体は、取り扱いを容易にするために、水素炉にて1200～1400℃で仮焼結処理してもよい。得られた成型体は、水素雰囲気下、もしくはアルゴン等の不活性ガス雰囲気下、もしくは真空下にて焼結する。焼結温度は2125℃以上が好ましい。2125℃未満であると、焼結による緻密化が十分に進まない。焼結温度の上限は、3400℃（Ｗの融点3422℃以下）である。焼結後の相対密度は、90%以上が好ましい。焼結体の相対密度を90%以上とすることで、後工程の転打加工（SW）で、割れ、欠け、折れ等、発生を低減することが可能となる。

成形および焼結は、水素雰囲気下、またはアルゴン等の不活性ガス雰囲気下、もしくは真空中でホットプレスにより同時に行っても良い。プレス圧力は100MPa以上、加熱温度は1700℃～2825℃が好ましい。このホットプレス法は、比較的低い温度でも緻密な焼結体を得られる。

本焼結工程で得られた焼結体に対し、第１の転打（SW）加工を行う。第１のSW加工は、加熱温度1300～1600℃で実施することが好ましい。１回の加熱処理（1ヒート）で加工する、断面積の減少率（減面率）は5～15%が好ましい。

第1のSW加工に変わり、圧延加工を実施してもよい。圧延加工は、加熱温度1200～1600℃で実施することが好ましい。1ヒートでの減面率は、40～75%が好ましい。圧延機としては、２方ローラ圧延機ないし４方ローラ圧延機や型ロール圧延機などが使用できる。圧延加工により、製造効率を大幅に高めることが可能となる。さらには、第1の転打加工と、圧延加工を組み合わせても良い。

第1のSW加工か、圧延加工か、を完了した焼結体（ReW棒材）に対し、第２のSW加工を実施する。第２のSW加工は、加熱温度1200～1500℃で実施することが好ましい。1ヒートでの減面率は、5～20%程度が好ましい。

第２のSW工程を終了したReW棒材に対して、次に再結晶化処理を実施する。再結晶化処理は、例えば、高周波加熱装置を用いて、水素雰囲気下、もしくはアルゴン等の不活性ガス雰囲気下、もしくは真空下で、処理温度1800～2600℃の範囲で、実施することができる。

再結晶化処理を完了したReW棒材は、第３のSW加工を行う。第３のSW加工は、加熱温度1200～1500℃で実施することが好ましい。1ヒートでの減面率は、10～30%程度が好ましい。第３のSW加工は、ReW棒材が伸線加工可能な直径（好ましくは直径2～4mm）になるまで、実施される。

第３のSW加工を終了したReW棒材は、伸線加工を直径0.011～0.180mmまで行う。加工温度は600～1100℃が好ましい。加工可能温度はワイヤー径によって変わり、径が大きいほど高い。また加工温度は、Re含有量によっても変わり、含有量が高いと高い。加工可能温度より低いと、クラックや断線が多発する。加工可能温度より高いと、ReW線とダイス間での焼き付きや、ReW線の変形抵抗が低下し、引き抜き力で伸線後の直径の変動（引き細り）が生じる。減面率は15～35％が好ましい。15％より小さいと、加工での組織の内外差や残留応力が発生し、クラックの原因となる。35％より大きいと引抜力が過大となり、伸線後の直径が大きく変動し、破断する。伸線速度は、加熱装置の能力と装置からダイスまでの距離、減面率のバランスによって決まる。伸線加工の途中で、研磨加工を加えても良い。研磨加工は、例えば濃度7～15wt％の水酸化ナトリウム水溶液中で、電気化学的に研磨（電解研磨）する方法がある。同じく、ひずみを緩和する熱処理を加えても良い。

伸線加工を終えたワイヤーを電解研磨し、直径0.01～0.15mmのReW素線とする。電解率は10％以上30％以下が好ましい。この素線を公知の方法にて撚り線し、ワイヤーロープとする。またこのワイヤーロープを使用し内視鏡用スネアとする。

（実施例）
Re含有量を3wt％から33wt%までの間で変化させ、前記工程にて焼結体を製作した。この焼結体を、前記工程を経て素線とした。Re含有量と素線サイズを表２に示す。Re量は、誘導結合プラズマ発光分光分析法（ICP-OES）にて分析した。線径はレーザ線径測定機（ミツトヨ製レーザスキャンマイクロメータ）を使用し、測定間隔：0.01秒，最小表示量：0.01μm，ワイヤー速度：100m/minで全長を測定した。
素線の破断強さは、万能引張圧縮試験機（ミネベア製TGE-5kN）を使用し、測定した。試験片は、滑り止め防止の紙やすり介して、平板でチャックし、両端末を装置に固定した。標点間距離は50mmとし、10mm/minの速度で、引張試験した。破断部分が標点間に無い場合は、再測定した。
測定は3回実施し、その平均値とした。

レニウム含有量が33%wt%の素線７は、第２の転打工程で破断し、0.12mmまで加工できなかった。

表３に、上記素線で実施した、各ワイヤーロープの特性を示す。比較例３は、芯線１本に素線９を、周囲素線６本に素線８を使用した。比較例３の「素線単体での破断強さ」は、使用した素線単体の破断強さを平均した値「（2440×6＋2690）/7」とした。素線材質が、ステンレスからタングステンへ変わると、素線１本相当の強度と素線単体の強度比の低下が、改善した。またワイヤーロープの弾性率も、タングステンへ材質が変わる事で効果があった。ワイヤーロープの破断強さは、Re含有量の増加により向上した。Re含有量が20wt%より低い素線では、伸線加工のクラックで歩留が低下した。また線径が0.2mmの素線２を使用したワイヤーは、撚り線加工の歩留も低下した。

歩留は、伸線加工での歩留と撚り線加工での歩留の累計で算出した。伸線加工での歩留は、ワイヤーを一定速度で巻取りながら、貫通型の渦流探傷機を用い、直径に応じて設定した測定条件により検出された信号数を、クラック点数としてカウントした。0.5kgでのカウント数が5点以上を、ＮＧとし算出した。撚り線加工での歩留は、撚り線で100ｍとし、製品長さを1mとして100本分に切断後、外観検査での良品数で算出した。設定した歩留に対し、20％以上悪化を「×」、20～10％悪化を「△」、10～0％を「〇」、設定以上の場合を「◎」とした。

撚り線の破断強さも、素線と同じく万能引張圧縮試験機（ミネベア製TGE-5kN）を使用し、測定した。試験片は、滑り止め防止の紙やすり介して、平板でチャックし、両端末を装置に固定した。標点間距離は50mmとし、10mm/minの速度で、引張試験した。破断部分が標点間に無い場合は、再測定した。測定は3回実施し、その平均値とした。

弾性率の機械試験による測定方法には、引張試験、圧縮試験、ねじり試験、曲げ試験等があるが、今回は、引張試験でおこなった。引張試験では試験片に引張荷重を加え、その変位を求めることにより弾性率E を算出する。
今回は万能引張圧縮試験機（ミネベア製TGE-5kN）を使用し、試験片長さ100mmに対し、50mmの位置にひずみゲージを貼付け、引張速度1mm/minで引張りながら、荷重－変位の関係を求めた。引張試験では、弾性率は次式：Ｅ＝（σ_n+1－σ_n）／（ε_n+1－ε_n）で求められる。ここでＥは弾性率率，σ は引張応力，εはひずみゲージの変位より求められる引張ひずみであり、（σ_n+1－σ_n）は引張荷重を変動させた時の引張応力の変化量、（ε_n+1－ε_n）は、引張荷重を変動させた時の引張ひずみの変化量である。測定は3回実施し、その平均値とした。

表から判る様に、実施形態に係るワイヤーロープは、耐摩耗性（歩留）、引張強度を改善し、より線による強度の低下を抑えることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１１…スネアループ
１２…シース部
１３…操作ワイヤー
２(a)，２(b)，２(c)，２(d)…ワイヤーロープ
２２…軸芯素線
２３a,２３b,２３c,２３d,２３e,２３f…周囲素線
３２…内層素線
３３…外層素線
３４…フィラー線
４１…レニウム固溶限でのタングステンwt％
４２…タングステン-レニウム σ相領域

Claims

レニウムの含有量が3wt%以上30wt％以下のタングステン素線からなり、前記素線は3本以上40本以下配置されたタングステンワイヤーロープ。
前記タングステン素線の引張強度は3600MPa以上である、請求項１に記載のタングステンワイヤーロープ。
前記タングステン素線の径は0.15mm以下である請求項１ないし２のいずれか1項に記載のタングステンワイヤーロープ
前記素線におけるレニウムの含有量は20wt%以上30wt%以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のタングステンワイヤーロープ
撚り線の破断強度を、素線の本数分の断面積で割った素線相当の破断強さが、素線の破断強さの90%より大きい、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のタングステンワイヤーロープ
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のタングステンワイヤーロープを複数撚って形成したことを特徴とするワイヤーロープ
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のタングステンワイヤーロープを複数撚って形成したことを特徴とする内視鏡用スネア