JP4275946B2 - 発泡絶縁体を備えた同軸ワイヤの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はワイヤの製造方法に関し、より詳しくは小ゲージ同軸ワイヤの製造方法に関する。

或る用途では、小型多ワイヤケーブル組立体が要求される。多数の導体が要求されるとき、ケーブルが好ましくなく嵩張ることを回避するため、非常に細い導体が使用される。電気的ノイズおよび干渉を制限するため、導体としてシールドを備えた同軸ワイヤが使用されている。誘電体シースが中心導体を包囲し、該中心導体を導電性シールドから電気的に分離している。従来の絶縁材料は或るレベル以下の小型化では誘電抵抗が不充分になるので、ケーブルおよび同軸ワイヤの小型化はシースの誘電能力により制限される。
進歩した誘電材料は誘電特性が改善されており、薄いシースでも充分な機能を遂行できる。このような材料としてＰＴＦＥ（例えばテフロン(登録商標)）がある。他の優れた材料として、改善された誘電特性をもつ多孔質膜を形成すべく延伸されたＰＴＦＥテープのような改質材料がある。幾つかのワイヤ製造方法では、このようなテープをオーバーラップ態様で螺旋状に巻回してエアスペースを形成することにより、誘電能力を付加している。しかしながら、このような材料は高価であり、且つこのような技術は手間を要し、正確な制御が困難でかつコストが嵩むものである。

大量生産の場合には、プラスチックの「発泡」により、熱可塑性材料の改善された誘電特性が得られる。これは、加圧された溶融プラスチック中にガスを溶解させ、次に減圧して、完成品の全体に亘って気泡を形成させることにより行なわれる。これにより、所与の厚さの材料で、軽量性、低材料コスト、低キャパシタンス（高い信号速度を可能にする）、および改善された誘電強度等の長所が得られることが知られている。しかしながら、これらの技術は、小型用途に使用するには不適であることが証明されている。気泡のサイズは、有効に形成される製品のサイズを制限する。気泡のサイズが壁厚に近付くと、許容できないアーキングが生じる。既知の発泡方法、特にワイヤ絶縁体の同時押出に使用されている発泡方法は、小型ケーブルワイヤ組立体の同軸構成要素に使用される小ゲージワイヤに許容されている気泡よりも大きい気泡を発生させる。０．１０１６〜０．２０３２ミリメートル（０．００４〜０．００８インチ）の範囲内の一般的な気泡サイズでは、所望壁厚は正規の気泡サイズの２〜１０倍であり、現在の発泡技術は、３２より小さい非常に小さいゲージのワイヤの絶縁には適していない。

本発明は、導体および熱可塑性絶縁材料の供給からワイヤを製造する方法を提供することにより従来技術の欠点を解消する。

本発明の方法は、絶縁材料を加熱する段階と、絶縁材料に加圧ガスを加える段階と、導体の回りに絶縁材料のシースを押出す段階と、シース中にガスの気泡を発生させる段階とを有している。
本発明の方法は、押出前に材料の温度を制限して粘度を増大させることにより気泡の膨張を制限し、かつワイヤ供給ガイドと押出ダイとの間のギャップを制限することにより押出時に大きい圧力降下を与えることができる。

また、本発明のワイヤ製造方法は、ワイヤの導体を設ける段階と、熱可塑性絶縁材料の供給源を設ける段階と、絶縁材料を加熱する段階と、絶縁材料に加圧ガスを付加する段階と、導体の回りで絶縁材料のシースを押出す段階と、を有し、前記シースを押出す段階は、ノーズを備えたガイドにより形成された中央ボアに導体を通す段階と、導体が通る通路が形成されたダイとノーズとが環状ギャップを形成するように、ダイから一定距離を隔てて前記ノーズを配置する段階と、を含み、更に、環状ギャップに絶縁材料を通す間、シース中にガスの気泡を発生させる段階とを有する。絶縁材料を加熱する段階は、シースを押出す前に、予め選択した閾値より低い温度に制限する段階を含むことが好ましい。絶縁材料は融点を有し、上記予め選択した閾値は、絶縁材料の融点より少なくとも６０℃（１４０°Ｆ）だけ低いことが好ましい。また、絶縁材料はガラス転移温度を有し、上記閾値はガラス転移温度を１５８℃（３１６°Ｆ）以上超えないように制限されることが好ましい。また、直径の少なくとも３６倍の長さを有する押出スクリュー装置内に加圧ガスを付加した後に絶縁材料を混合する段階を有することが好ましい。また、絶縁材料はポリオレフィン材料であってもよいし、ポリメチルペンテンであってもよい。ガスは、二酸化炭素であってもよいし、窒素であってもよい。気泡の直径は０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）より小さいことが好ましい。シースの厚さは０．２０ｍｍ（０．００８インチ）より小さいことが好ましい。気泡の直径はシースの厚さの０．５〜０．１０倍であることが好ましい。ギャップの幅は０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）より小さいことが好ましい。また、ギャップの幅は導体の直径の２．５倍より小さいことが好ましい。また、絶縁材料がギャップを通るときに絶縁材料の圧力を低下させる段階を有することが好ましい。圧力低下は９０％より大きいことが好ましい。また、ダイは出口ボアを有し、出口ボアの長さは直径の少なくとも２倍であることが好ましい。また、ガスが付加された後に材料の粘度を増大する段階を有することが好ましい。粘度を増大する段階は、温度を低下させる段階を含むことが好ましい。

図１には、ワイヤシース押出システム１０が示されている。このシステム１０は、プラスチック供給ホッパ１２と、押出機１４と、押出機１４に連結された加圧ガス供給源１６と、クロスヘッド組立体２０とを有している。ワイヤ供給リール２２が、導電性ワイヤ２４のストランドを、入口面孔２６からクロスヘッド２０へと供給する。クロスヘッド２０の反対側端部にはダイ３０が取付けられている。シース被覆ワイヤがダイ３０の孔から出て、水が充填された冷却トラフ３３に通された後、巻取リールに巻取られる。ワイヤ２４は、クロスヘッド２０に入る前に予熱器３６に通される。システム１０の温度およびシステム１０を通る材料の温度をモニタしかつ制御するため、システム１０の全体に亘る多数の位置に電子コントローラ／ヒータシステム４０が接続されている。
ホッパ１２は、プラスチックペレット、好ましくはＴＰＸすなわち日本の三井プラスチックス社から入手できるポリメチルペンテン材料の供給源を収容している。他の任意の熱可塑性材料を使用できるが、ポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィンに関連する熱可塑性材料が適していることが判明している。好ましい材料は、２９℃（８４°Ｆ）のガラス転移温度および２２７℃（４４０°Ｆ）の融点を有している。

押出機１４には細長いボアが形成されており、ボア内には回転可能なヘリカルスクリューが収容されている。押出機の一端の入口ポートはホッパに連結され、反対側端部の出口ポートはクロスヘッド２０に連結されている。スクリューは、材料がクロスヘッドに向かって進行するにつれて供給圧力を増大させるように構成されている。材料の完全な定量および混合が行なえるようにするには、ボアは充分な長さ、特に直径に関しては充分な大きさをもたなくてはならない。好ましくは、チャンバは、その直径の少なくとも３６倍の長さを有する。好ましい実施形態では、ボアの直径は１．９０５センチメートル（３／４インチ）、全正味ボア長さは１０１．６センチメートル（４０インチ）である。
ガス噴射システム１６は、プラスチック材料が加圧ガスに露出されるように押出機のボアに連結されたガスラインを有している。ガスはＣＯ₂が好ましいが、Ｎ₂のような他のガスを使用することもできる。ガスは、プラスチック材料が３０２℃（５７５°Ｆ）の温度に加熱される位置のポートを通して、２０．６８〜５５．１６ＭＰａ（３０００〜８０００ｐｓｉ）の圧力で押出機のボア内に噴射される。材料が押出機に沿って進行するときにガスがこの温度で材料と混合されると、特に、押出機のスクリューの圧縮作用により材料中に発生されるガスが押出機の長さに沿って増大するため、ガスが溶融材料中に溶解される。このような圧力は、バレルのガス噴射点での圧力よりクロスヘッドでの圧力の方が約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）だけ高いことが好ましい。

図２には、クロスヘッド２０およびダイ３０の一部が示されている。クロスヘッドはチャンバ４４を形成しており、材料が押出機１４からチャンバ４４内に流入する。ダイはクロスヘッドから延びかつテーパボア４６を形成している。このテーパボア４６は、材料がチャンバから流入する大径部分を有しかつダイの自由端の小孔５０へとテーパしている。ワイヤガイド５２はボア内に受入れられた円錐状細長部材であり、ボアより大きいテーパ角を有している。このため、ガイド５２とダイ３０との間の円錐状ギャップ５４は、孔５０に向かって狭小になっている。ガイド５２には、ワイヤガイドスリーブ６０をぴったりと受入れる中央のワイヤガイドボア５６が形成されており、ワイヤガイドスリーブ６０には、導体を受入れて導体をスリーブ内で軸線方向に摺動させることができるサイズを有する中央ボアが形成されている。スリーブはステンレス鋼で作るのが好ましい。
ここで図３を参照すると、ガイド５２はノーズ面７６を有し、ノーズ面７６は、ダイの内側（すなわち閉止点）からギャップ８０だけ軸線方向に間隔を隔てている。このギャップ８０は「ガムスペース（gum space）」として知られている。従来の押出方法（ワイヤ被覆の発泡押出に使用されている押出方法を含む）では、ガムスペースギャップ８０は、少なくとも約２．５４ミリメートル（０．１００インチ）以上である。一般に、このスペースを明らかに小さくすると、非円形断面になることおよび導体と誘電体との同心度が欠如すること等の或る欠点が生じると考えられている。対照的に、本発明の好ましい実施形態ではこのスペースは２．５４ミリメートル（０．１００インチ）より小さく、これにより、従来の予想に反して良い結果が得られる。

図示の位置では、ガイド５２のノーズ７６はダイのボア面４６の隣接部に対して小さい環状ギャップ８２を形成している。かくして、このギャップ８２は、押出される材料が通る全通路部分のうちで最小断面積を有し、従ってギャップ８２より後ろの位置に最大圧力降下が生じる。最小ギャップとガムスペースの端部との間で、典型的な９０％の圧力降下により、溶解すなわち捕捉されたガス気泡が膨張される。
発泡された材料がギャップ８２を越えてガムスペース８０を通るとき、チャンバの残りのテーパが材料を僅かに圧縮して、比較的稠密で均一なシース外面を形成する。完成したシースの直径は、ワイヤが円筒状の出口ボア６２を通るときに更に制御され、これにより、材料が出ていく前に僅かに冷却されるので、材料が安定化されて一定直径が得られる。大気圧中に出ると材料は僅かに膨張するが、最終シース直径は出口ボア直径よりも約１０％大きくなるに過ぎない。
材料は、未発泡材料の融点より２２〜３１℃（４０〜５５°Ｆ）だけ低いことが好ましい。出口温度は、押出に正規に推奨されている２６０℃（５００°Ｆ）の温度よりかなり低い。このような正規温度は、未発泡ＴＰＸの安定アウトプットおよび適正材料粘度が得られるように推奨されている。しかしながら、出口温度を非常に低い温度に設定すると、プラスチック材料がクロスヘッド内の非常に高い圧力状態からクロスヘッドの外部の低い大気圧へと移動するときに、容易に延伸しないか或いは気泡を膨張できなくする、より粘度の高いプラスチック材料が得られる。クロスヘッド出口温度は材料の融点より２２〜３１℃（４０〜５５°Ｆ）だけ低いことが好ましいが、この温度差は１１〜２２℃（２０〜４０°Ｆ）の範囲内に入れることができ、これでも本発明は充分に作動できる。

押出されたシース材料８４は４５〜６５重量％のガス気泡を含有し、材料の重量および密度を比例的に制限している。未発泡状態で２．１２の比誘電率をもつ好ましいＴＰＸすなわちポリメチルペンテン材料の場合、発泡シースは、１．３５の改善された比誘電率を有する。形成される気泡は、１００ミクロンより大きい気泡直径が生じる従来技術とは異なり、１０〜２０ミクロンの平均直径および約１０億個／ｃｍ³の気泡密度を有する。
好ましい実施形態における３２ゲージワイヤのシースの場合には、平均気泡直径の１０倍である０．１５２ミリメートル（０．００６インチ）のシース壁厚が得られる。小型ワイヤの製造に既存の方法が適用されるときのように、気泡サイズが壁厚より大きい場合に露出導体の一部によるアーキク形成を確実に防止するには、前記ファクタは５倍より大きいことが好ましい。好ましい実施形態では、シース被覆ワイヤは、シールドとして機能する他の導体で被覆される。このシールドは、ケーブル束における他のシールドとの接触から隔絶されるように付加絶縁体で被覆することができる。
以上、本発明を好ましい実施形態および他の変更形態に関して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の好ましい実施形態による押出システムを示す簡単化した概略図である。 図1の実施形態による押出ヘッドを示す断面図である。 図1の実施形態による押出ヘッドを示す拡大断面図である。

Claims (19)

1. ワイヤの導体を設ける段階と、
   熱可塑性絶縁材料の供給源を設ける段階と、
   絶縁材料を加熱する段階と、
   絶縁材料に加圧ガスを付加する段階と、
   導体の回りで絶縁材料のシースを押出す段階と、を有し、前記シースを押出す段階は、ノーズを備えたガイドにより形成された中央ボアに導体を通す段階と、導体が通る通路が形成されたダイと前記ノーズとが環状ギャップを形成するように、ダイから一定距離を隔てて前記ノーズを配置する段階と、を含み、
   更に、前記環状ギャップに絶縁材料を通す間、シース中にガスの気泡を発生させる段階とを有することを特徴とするワイヤ製造方法。
2. 前記絶縁材料を加熱する段階は、シースを押出す前に、予め選択した閾値より低い温度に制限する段階を含むことを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
3. 前記絶縁材料は融点を有し、前記予め選択した閾値は、絶縁材料の融点より少なくとも６０℃（１４０°Ｆ）だけ低いことを特徴とする請求項２記載のワイヤ製造方法。
4. 前記絶縁材料はガラス転移温度を有し、前記閾値はガラス転移温度を１５８℃（３１６°Ｆ）以上超えないように制限されることを特徴とする請求項２記載のワイヤ製造方法。
5. 直径の少なくとも３６倍の長さを有する押出スクリュー装置内に加圧ガスを付加した後に絶縁材料を混合する段階を有することを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
6. 前記絶縁材料はポリオレフィン材料であることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
7. 前記絶縁材料はポリメチルペンテンであることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
8. 前記ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
9. 前記ガスは窒素であることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
10. 前記気泡の直径は０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）より小さいことを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
11. 前記シースの厚さは０．２０ｍｍ（０．００８インチ）より小さいことを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
12. 前記気泡の直径はシースの厚さの０．５〜０．１０倍であることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
13. 前記環状ギャップの幅は０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）より小さいことを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
14. 前記環状ギャップの幅は導体の直径の２．５倍より小さいことを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
15. 前記絶縁材料が環状ギャップを通るときに絶縁材料の圧力を低下させる段階を有することを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
16. 前記圧力低下は９０％より大きいことを特徴とする請求項１５記載のワイヤ製造方法。
17. 前記ダイは出口ボアを有し、該ボアの長さは直径の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
18. 前記ガスが付加された後に材料の粘度を増大する段階を有することを特徴とする請求項１記載のワイヤ製造方法。
19. 前記粘度を増大する段階は温度を低下させる段階を含むことを特徴とする請求項１８記載のワイヤ製造方法。

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