JP4462004B2 - 複合導体及びその製造方法並びにそれを用いたケーブル - Google Patents

Description

本発明は、複合導体及びその製造方法並びにそれを用いたケーブルに関するものである。

従来、ロボット用ケーブルに用いられる同軸ケーブルや、医療用プローブケーブル等に使用される極細同軸ケーブルには、導体であるＣｕまたはＣｕ合金線にめっきを施して心線としたものが用いられてきた。

近年、これらのケーブルやプローブケーブルに対する多心化、細径化、高導電性化のニーズが高まっている。それらケーブルに用いられる同軸ケーブルも、より細径で導電性が高く、且つ十分な強度を有するものが求められるようになってきている。この同軸ケーブルに用いる導体には、高い導電性と高い屈曲特性（耐屈曲性）との両方が必要である。

しかし、上述したＣｕまたはＣｕ合金線は、導電性は高いものの耐屈曲性が高くない。そこで、従来のＣｕまたはＣｕ合金線を用いた導体に代わって高導電性、高耐屈曲性を持つ導体が望まれている。

従来からあるそのような高強度、高導電性の導体（材料）として、心材であるＣｕマトリクス全体中にＡｇ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ等の金属が繊維状に分散したＣｕ−金属繊維導体（ｉｎ−ｓｉｔｕ合金導体と呼ばれる）が挙げられる。特にＣｕ−Ａｇ合金を用いた導体は、導電性と強度とが高いレベルで両立が可能であることが知られている。

また、そのような導体を心材とした高強度、高耐屈曲性を持つ複合導体として、Ｃｕ−Ｎｂ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ系合金、Ｃｕ−Ａｇ系合金からなる心材の外周にＣｕ及び不可避不純物からなる金属層を被覆したもの（特許文献１参照）や、母相（Ｃｕ）−金属繊維導体からなる心材の外周にＡｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｎｉ，はんだ等の耐食層を形成したもの（特許文献２参照）がある。

特開平６−２９０６３９号公報 特開２００１−１７６３３２号公報

しかしながら、これらのＣｕ−金属繊維導体や特許文献１、２記載の複合導体は、何れも耐屈曲性は高いが、純銅の代替となり得るほどの導電率を得るのは難しい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、純銅と略同等の導電率を有し、純銅よりも優れた耐屈曲性を有する複合導体を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１の発明は、純銅または銅合金からなる心材の外周に、母相中に金属繊維が分散した繊維分散層を、複合導体全体の外径の０．３％以上の層厚で形成したものである。

請求項２の発明は、上記繊維分散層が、Ｃｕ母相中にＡｇ繊維が分散したＣｕ−Ａｇ系合金で構成されたものである。

請求項３の発明は、上記Ｃｕ−Ａｇ系合金が、１〜９９ｍａｓｓ％のＣｕを含有するものである。

以上の構成によれば、外層部に強度の高い繊維分散層を有し、中心部が導電性の良好な純銅または銅合金からなり、純銅と略同等の導電率と外層部に強い強度を得ることができる。

請求項４の発明は、上記銅合金が、１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を含有し、その残部がＣｕであるものである。

請求項５の発明は、上記銅合金が、Ａｇ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を、総計１．０ｍａｓｓ％以下の濃度で含有し、その残部がＣｕであるものである。

以上の構成によれば、純銅と略同等の導電率と、純銅よりも強い強度とを得ることができる。

請求項６の発明は、純銅または銅合金からなる心材の外周に、ＡｇまたはＡｇ合金からなる被覆層を、複合導体全体の外径の０．３％以上の層厚で形成し、その被覆心材に熱処理を施した後、伸線加工を施し、被覆心材の外層部に母相中に金属繊維が分散した繊維分散層を形成するものである。

請求項７の発明は、上記熱処理を、６００〜１５００℃の温度で０．１〜６０ｓｅｃ行うものである。

請求項８の発明は、上記銅合金が、１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を含有し、その残りがＣｕであるものである。

請求項９の発明は、上記銅合金が、Ａｇ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を、総計１．０ｍａｓｓ％以下の濃度で含有し、その残りがＣｕであるものである。

請求項１０の発明は、上記ＡｇまたはＡｇ合金からなる被覆層を、めっきにより形成するものである。

以上の方法によれば、純銅または銅合金からなる心材の外周に、母相中に金属繊維が分散した繊維分散層を容易に形成することができる。

請求項１１の発明は、心線の周りに外部導体が配置されたケーブルにおいて、請求項１から５いずれかに記載の複合導体を用いて、上記心線を形成したものである。

本発明によれば、純銅と略同等の導電率と、純銅よりも優れた耐屈曲性とが得られるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

［第一の実施形態］
本実施形態の複合導体の横断面図を図１に示す。

図１に示すように、本実施形態の複合導体１は、純銅からなる心材２の外周に、母相中に金属繊維が分散した繊維分散層３を形成したものである。

心材２を構成する純銅は、Ｃｕと不可避不純物とから構成された純度の高い銅である。不可避不純物は、０．１ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。例えば、心材２に９９．９９９９％の高純度銅を使用した場合には、複合導体１は高い導電率を得ることが可能である。

繊維分散層３は、複合導体１の直径（図１中Ｄで示す）の０．３％以上、好ましくは、０．５％〜８％、より好ましくは１％〜５％、の層厚（図１中ｔで示す）を有する。例えば、直径φ０．１ｍｍの複合導体１に対して、繊維分散層３が０．５μｍ以上の層厚で形成され、その層厚は、細径化や高導電率を図る観点から８μｍ以下が好ましい。

繊維分散層３は、母相−金属繊維複合材から構成される。その母相−金属繊維複合材の組織は、金属からなる母相中に、繊維状の金属（金属繊維）が分散してなるものである。より具体的には、繊維分散層３は、Ｃｕ母相中にＡｇ繊維が分散したＣｕ−Ａｇ系合金で構成される。そのＣｕ−Ａｇ系合金は、１〜９９ｍａｓｓ％のＣｕを含有する。ここで、Ｃｕ−Ａｇ系合金とは、Ｃｕ−Ａｇ合金、及びＳｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を含有するＣｕ−Ａｇ合金のことをいう。Ａｇ繊維が強化材として働き、繊維分散層３は強度が高く耐屈曲性に優れたものとなる。

さらに、本実施形態の繊維分散層３は、径方向内側ほど金属繊維の濃度（体積率）が低い。具体的には、繊維分散層３の最外周部でＡｇ（Ａｇ繊維）の濃度が最も高く、半径方向内側にいくほどＡｇの濃度が低下し、相対的にＣｕの濃度が高くなる。

繊維分散層３の厚さを０．３％以上としたのは、０．３％未満では繊維分散層による強度増加が十分でないためである。

繊維分散層３の組成をＡｇ−１〜９９ｍａｓｓ％Ｃｕとしたのは、Ｃｕ濃度が１ｍａｓｓ％Ｃｕ未満やＣｕ濃度が９９ｍａｓｓ％Ｃｕを超えると、十分な強度増加が得られないからである。

本実施形態に係る複合導体１は、導電率９０％ＩＡＣＳ以上、好ましくは９３％ＩＡＣＳ以上、より好ましくは９５％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する。

本実施形態に係る複合導体１は、断面円状の線材に限定するものではなく、断面矩形状、例えば断面平角状であってもよい。この場合、複合導体全体の外径は、平角材の全幅または全高に対応する。

次に、本実施形態の複合導体の製造方法を説明する。

まず、心材として、純銅からなる線材を形成する。

次に、その心材（線材）の外周に、Ａｇ（またはＡｇ合金）からなる被覆層を、最終的に形成する繊維分散層よりも厚い層厚で形成する。具体的には、被覆層を複合導体全体の外径の０．３％以上の層厚で形成する。被覆層の形成方法としては、電気めっき法、溶解めっき法などが挙げられる。

次に、その被覆された心材（以下、被覆心材）に熱処理を施す。熱処理は、６００〜１５００℃の温度で０．１〜６０ｓｅｃ行う。この熱処理は、例えば、走行する被覆心材を６００〜１５００℃に調節された均熱帯（均熱ゾーン）を通過させることで行う。加熱時間は、被覆心材の走行速度及び／又は均熱帯の長さを調節することで、自在に調整可能である。

この熱処理により、被覆層のＡｇと心材のＣｕが相互に拡散する。被覆層と心材との境界面付近では、Ａｇ原子と比べてＣｕ原子の方が圧倒的に多いため、Ｃｕリッチ固相中にＡｇ原子が拡散するようになる。その後、Ｃｕリッチ固相中に固溶できなかったＡｇリッチ固相が晶出される。一方、表面付近では、Ｃｕ原子と比べてＡｇ原子の方が多いため、Ａｇリッチ固相中にＣｕ原子が拡散し、Ａｇリッチ固相中にＣｕリッチ固相が晶出される。以上により、繊維分散層の元となる共晶相が被覆心材の外層部に形成される。

ここで、熱処理を６００〜１５００℃の温度で０．１〜６０ｓｅｃ行うとしたのは、温度が６００℃未満の場合や処理時間が０．１ｓｅｃ未満の場合には、ＡｇとＣｕとが十分に拡散せず共晶相を得ることができないためである。また、温度が１５００℃を超える場合には、被覆層や心材が溶解するおそれがあるためである。

次に、熱処理後の被覆心材に伸線加工を施す。この伸線加工により、Ｃｕ固相中に晶出したＡｇが、被覆心材の長手方向に繊維状に延伸され、Ｃｕ母相（マトリックス）中に金属繊維（強化材）として分散される。

以上により、被覆心材の外層部に、Ｃｕ母相中にＡｇ繊維が分散した繊維分散層が形成され、本実施形態の複合導体１を得る。

次に本実施形態の複合導体の作用を説明する。

複合導体１が屈曲された場合、屈曲による歪みは径方向外側ほど大きく、複合導体１の外層部には、中心部に比べ大きな負荷がかかる。本実施形態では、その大きな負荷が屈曲特性は高いものの導電率に劣る繊維分散層３にかかり、導電率は高いものの屈曲特性に劣る心材２にはほとんど負荷がかからない。

また、繊維分散層３は層厚が薄く、複合導体１の断面積中に占める繊維分散層３の割合は心材２に比べるとごく僅かである。そのため、繊維分散層３による複合導体１の導電性の低下はほとんどない。

このように、本実施形態の複合導体１は、心材２の外層部に繊維分散層３を形成することで、高い耐屈曲性と高い導電率とを得ることができる。

つまり、複合導体１は、外層部の強度を繊維分散層３により高めることで、純銅と略同等の導電率を保ちつつ、純銅（心材）のみで導体を構成する場合に比べ大幅に高い耐屈曲性を実現することができる。

［第二の実施形態］
次に、本発明の他の好適一実施形態について説明する。本実施形態は、主に心材が第一の実施形態と異なる以外、第一の実施形態と同様の概略構造を有する。

本実施形態の心材は、銅合金からなる。その銅合金は、１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を含有し、その残部がＣｕである。より具体的には、銅合金は、Ａｇ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を、総計１．０ｍａｓｓ％以下の濃度で含有し、その残部がＣｕである。銅合金は、例えば、純銅からなる母材に１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を添加することで形成される。

銅合金の微量添加物を１．０ｍａｓｓ％以下としたのは、１．０ｍａｓｓ％を超える微量添加物の添加を行うと導電率の低下が大きく、本発明の趣旨から外れるためである。

本実施形態でも、上述の第一の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、心材を銅合金から構成したので、心材の導電率を純銅と略同等に保ちつつ、心材の強度を純銅以上に高めることができる。それにより、複合導体の導電率を過度に低下させることなく、さらに高い強度及び耐屈曲性を得ることができる。

［第三の実施形態］
次に、本発明の別の好適一実施形態を説明する。本実施形態は、第一または第二の実施形態の複合導体を用いてケーブルを構成したものである。

図２に示すように、本実施形態に係るケーブル２１は、図１に示す複合導体１から形成された心線２２と、その心線２２の周りに配置された外部導体２３とを備える。さらに、ケーブル２１は、心線２２の外周に形成された樹脂層２４と、外部導体２３の外周に形成されたジャケット層２５とを備える。

外部導体２３は、心線２２を中心としてより合わされた複数本（図２中では１５本）の線材２３ａからなる。その線材２３ａの構成材としては、Ｃｕ合金（例えば、Ｃｕ−０．１５ｍａｓｓ％Ｓｎ合金）などが挙げられ、図１に示す複合導体１を用いることも考えられる。

本実施形態のケーブル２１は、心線２２を図１に示した複合導体１で形成しているため、細径でありながら高い導電率と高い耐屈曲性とを得ることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、繊維分散層をＣｕ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｎｂ系合金、又はＣｕ−Ｆｅ系合金などで構成することが考えられる。

本発明に係る複合導体を実際に製造し、その特性を調べた結果について、比較例と比較する。

（実施例１）
心材としてＴＰＣ（タフピッチ銅）からなるφ２ｍｍの線材を用意した。その心材にＡｇめっきを施し、心材の外周にＡｇの被覆層（めっき層）を１０μｍの層厚で形成した。

次に、その被覆心材に１１００℃×１ｓｅｃで走行熱処理を行った。次に、熱処理後の被覆心材を冷間伸線加工して、外周に層厚０．５μｍの繊維分散層を有するφ０．１ｍｍの線材を作製した。

（実施例２）
心材としてφ２ｍｍのＣｕ−０．６ｍａｓｓ％Ａｇ合金線を用意した。その後は、実施例１と同様にして、外周に層厚０．５μｍの繊維分散層を有するφ０．１ｍｍの線材を作製した。

（比較例１）
ＴＰＣからなるφ０．１ｍｍの線材を作製した。

（比較例２）
Ｃｕ−１０ｍａｓｓ％Ａｇからなるφ０．１ｍｍの線材を作製した。この線材は、Ｃｕマトリックス中にＡｇが繊維状に分散したｉｎ−ｓｉｔｕ合金導体である。

（比較例３）
Ｃｕ−１０ｍａｓｓ％Ｃｒからなるφ０．１ｍｍの線材を作製した。この線材は、Ｃｕマトリックス中にＣｒが繊維状に分散したｉｎ−ｓｉｔｕ合金導体である。

これらの実施例１、２及び比較例１〜３を使用して、導電率測定、屈曲試験及び総合評価を行った。屈曲試験は、実施例１、２及び比較例１〜３の線材に左右９０°の屈曲を曲げ歪１％で繰り返すことにより行った。

表１に、実施例１、２及び比較例１〜３について、心材の組成、繊維分散層の組成、導電率（％ＩＡＣＳ）、屈曲寿命（回）および総合評価を示す。総合評価は、優良を○、良くないものを×とした。

表１に示すように、実施例１および実施例２の線材は、心材が含有する添加物の濃度が低いため、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上と良好であった。また、繊維分散層が設けられているため、屈曲寿命が４０００回以上と良好であった。以上から総合評価は優良であった。つまり、純銅と略同等の導電率と、十分な屈曲寿命とを備えていた。

これに対して、比較例１の線材は、導電率（１００．２％ＩＡＣＳ）が良好であった。しかし、比較例１の線材はＴＰＣからなるため、屈曲寿命が１０００回と低く十分でなかった。その結果、総合評価も良くない。

また、比較例２の線材は、屈曲寿命が６０００回と良好であった。しかし、比較例２の線材は、１０ｍａｓｓ％のＡｇを含有するため導電率が７５％ＩＡＣＳと低く十分でなかった。その結果、総合評価も良くない。

また、比較例３の線材も、比較例２の線材と同様に、屈曲寿命（５０００回）は良好であるが、導電率（７０％ＩＡＣＳ）が低く十分でなかった。その結果、総合評価も良くない。

本発明の好適一実施形態に係る複合導体の横断面図である。 本発明の別の好適一実施形態に係るケーブルの横断面図である。

符号の説明

１ 複合導体
２ 心材
３ 繊維分散層

Claims (11)

1. 純銅または銅合金からなる心材の外周に、母相中に金属繊維が分散した繊維分散層を、複合導体全体の外径の０．３％以上の層厚で形成したことを特徴とする複合導体。
2. 上記繊維分散層が、Ｃｕ母相中にＡｇ繊維が分散したＣｕ−Ａｇ系合金で構成された請求項１記載の複合導体。
3. 上記Ｃｕ−Ａｇ系合金が、１〜９９ｍａｓｓ％のＣｕを含有する請求項２記載の複合導体。
4. 上記銅合金が、１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を含有し、その残部がＣｕである請求項１から３いずれかに記載の複合導体。
5. 上記銅合金が、Ａｇ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を、総計１．０ｍａｓｓ％以下の濃度で含有し、その残部がＣｕである請求項４記載の複合導体。
6. 純銅または銅合金からなる心材の外周に、ＡｇまたはＡｇ合金からなる被覆層を、複合導体全体の外径の０．３％以上の層厚で形成し、その被覆心材に熱処理を施した後、伸線加工を施し、被覆心材の外層部に母相中に金属繊維が分散した繊維分散層を形成することを特徴とする複合導体の製造方法。
7. 上記熱処理を、６００〜１５００℃の温度で０．１〜６０ｓｅｃ行う請求項６記載の複合導体の製造方法。
8. 上記銅合金が、１．０ｍａｓｓ％以下の微量添加物を含有し、その残りがＣｕである請求項６または７に記載の複合導体の製造方法。
9. 上記銅合金が、Ａｇ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＰまたはＢから選択される１種或いは２種以上を、総計１．０ｍａｓｓ％以下の濃度で含有し、その残りがＣｕである請求項８記載の複合導体の製造方法。
10. 上記ＡｇまたはＡｇ合金からなる被覆層を、めっきにより形成する請求項６から９いずれかに記載の複合導体の製造方法。
11. 心線の周りに外部導体が配置されたケーブルにおいて、
    請求項１から５いずれかに記載の複合導体を用いて、上記心線を形成したことを特徴とするケーブル。
    

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