JP6394721B2 - 同軸ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、同軸ケーブルに関する。

自動車溶接や部品組み立て等を行う製造ラインで利用される産業用ロボット（工作機械）については、カメラセンサの信号伝送用として同軸ケーブルが用いられるとともに、その同軸ケーブルが可動部配線に適用されて繰り返し屈曲・捻回を受けるように構成されたものがある。このような可動部配線用の同軸ケーブルとしては、例えば、内部導体と、その内部導体を囲繞する絶縁層と、その絶縁層を囲繞する外部導体（シールド層）と、その外部導体を囲繞するシースとを備えており、これらのうちの絶縁層が低誘電率樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）による一体押し出し構造体からなるものがある（例えば特許文献１）。

特開２００５−２５９９９号公報

近年、製造ラインで利用される、可動部配線用の同軸ケーブルには、長距離伝送が求められている。そこで、同軸ケーブルの伝送ロスを小さくするために、絶縁体層として発泡絶縁体を用いた発泡同軸ケーブルを利用することが考えられる。しかしながら、発泡同軸ケーブルは、発泡絶縁体層の機械的強度が弱いため、繰り返し屈曲・捻回を受けると発泡絶縁体層に割れが発生してしまうおそれがある。

本発明は、電気特性を維持しつつ、耐屈曲性および捻回性を向上させることができる同軸ケーブルを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
導体と、
前記導体の側周を囲うように設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の側周を囲うように設けられたシールド層と、
前記シールド層の側周を囲うように設けられたシースと、を備え、
前記絶縁層は、前記導体の側から、第１絶縁層と、第２絶縁層と、第３絶縁層と、の三層を有しており、
前記第１絶縁層は、非充実押出し層からなり、
前記第２絶縁層は、前記第１絶縁層と非接着に形成された発泡層からなり、
前記第３絶縁層は、前記第２絶縁層と接着するように形成された非発泡層からなり、
前記シールド層は、銅箔糸と金属素線とが交差するように編まれた編組シールドである
同軸ケーブルが提供される。

本発明によれば、繰り返し屈曲・捻回を受ける条件下で同軸ケーブルが用いられる場合であっても、電気特性を維持しつつ、耐屈曲性および捻回性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る同軸ケーブルの構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る同軸ケーブルにおけるシールド層の構成例を模式的に示す概略図である。 屈曲試験の概念図である。 捻回試験の概念図である。

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態に係る同軸ケーブルについて、図面を参照しながら説明する。

（１）同軸ケーブルの使用箇所
先ず、本実施形態に係る同軸ケーブルが使用される箇所について、具体例を挙げて簡単に説明する。

本実施形態に係る同軸ケーブルは、例えば、自動車溶接や部品組み立て等を行う製造ラインで利用される産業用ロボット（工作機械）またはこれに準ずる自動化装置において、カメラセンサの信号伝送用として用いられる。このような箇所に用いられる同軸ケーブルは、産業用ロボット等の構造や製造ラインのライン長に応じて、５ｍ〜５０ｍといった様々な長さのものが存在し得る。そのため、同軸ケーブルに対しては、信号伝送を確実に行うことができ、しかも長距離の信号伝送にも対応できるように、優れた電気特性を有していることが求められる。具体的には、同軸ケーブルは、静電容量が小さく、特性インピーダンスが高く、信号の減衰量が小さいことが求められる。

その一方で、カメラセンサが産業用ロボット等の可動部に設置される場合もあることから、同軸ケーブルに対しては、可動部配線用に適したものであること、すなわち繰り返し屈曲や捻回を受ける条件下（例えば、同軸ケーブルのケーブル外径の３倍程度の曲げ半径での屈曲やケーブル外径の２０倍程度の捻回長での捻回）であっても例えば３０万回以上の高寿命化（耐屈曲・捻回）を満たすことが求められる。

つまり、本実施形態に係る同軸ケーブルに対しては、長距離伝送に適した電気特性と、耐屈曲性・捻回性とを兼ね備えることが求められている。この要求に応えるために、本実施形態に係る同軸ケーブルは、以下に述べるように構成されている。

（２）同軸ケーブルの概略構成
図１は、本実施形態に係る同軸ケーブルの構成例を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る同軸ケーブルにおけるシールド層の構成例を模式的に示す説明図である。

（全体構成）
図１に示すように、本実施形態で例に挙げて説明する同軸ケーブル１は、大別すると、導体２と、導体２の側周を囲うように設けられた絶縁層３と、絶縁層３の側周を囲うように設けられたシールド層４と、シールド層４の側周を囲うように設けられたシース５と、を備えて構成されている。

（導体）
導体２としては、例えば銅線または銅合金の素線を複数本撚り合せてなる集合撚り線を用いる。具体的には、長距離信号伝送、耐屈曲かつ耐捻回に対応できるように、直径が０．０５ｍｍ〜０．０８ｍｍであり、伸びが５％以上、引張強度３３０ＭＰａ以上である素線からなる集合撚り線を用いることが考えられる。このような素線の具体例として、Ｃｕ−０．３ｍａｓｓ％ＳｎやＣｕ−０．２ｍａｓｓ％Ｉｎ―０．２ｍａｓｓ％Ｓｎ等が挙げられる。
また、導体２の撚りピッチは、導体２の外径の１０倍以上１４倍以下であることが好ましい。撚りピッチを外径の１０倍未満とすることによって、耐屈曲性は向上するが、捻回性が悪くなる。撚りピッチを外径の１４倍超とすることによって、捻回性は向上するが、耐屈曲性は悪くなる。導体２の外径の１０倍以上１４倍以下とすることによって、耐屈曲性と捻回性とを両立させることができる。

（絶縁層）
絶縁層３は、導体２を囲繞するように、絶縁性を有した樹脂材料によって形成された層である。

ところで、本実施形態において、絶縁層３は、導体２の側に位置する側から、第１絶縁層３ａと、第２絶縁層３ｂと、第３絶縁層３ｃと、の三層を有して構成されている。

なお、第１絶縁層３ａ、第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃについては、詳細を後述する。

（シールド層）
シールド層４は、伝送信号の漏えいや外部からの飛来ノイズ対策として設けられた層であり、例えばシールド構造のものである。すなわち、シールド層４は、例えば、銅箔糸または銅や銅合金からなる金属線が編組されてなる編組シールドで構成されたものである。
特に、シールド層４は、図２に示すように、銅箔糸４ａと銅合金からなる金属線４ｂとが交差するように編組した編組シールドで構成することが好ましい。

（シース）
また図１において、シース５は、同軸ケーブル１の最外層を構成する外皮となる層である。シース５の形成材料としては、例えば、同軸ケーブル１を外力から保護できるように、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂等を用いることが考えられる。

（３）同軸ケーブルの要部構成
次に、本実施形態に係る同軸ケーブル１の要部構成として、絶縁層３を構成する第１絶縁層３ａ、第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃについて説明する。

（第１絶縁層）
第１絶縁層３ａは、集合撚り線からなる導体２の周囲に誘電率が低い非発泡樹脂材料を用いてチューブ押出しにより形成されている。このように、チューブ押出しにより第１絶縁層３ａを形成することにより、第１絶縁層３ａを構成する樹脂材料が導体２を構成する素線間の谷間部分を埋め込まない（非充実に形成される）ため、導体２と第１絶縁層３ａとの間に部分的に隙間が生じる。
同軸ケーブル１を屈曲させた場合に、第１絶縁層３ａには、導体２よりも大きな引っ張り力（伸び）が加わる。しかし、導体２は、第１絶縁層３ａと非充実に形成されているので、第１絶縁層３ａとは独立して動くことができ、第１絶縁層３ａから引っ張り力を受け難くなり、耐屈曲性や捻回性が向上する。

第１絶縁層３ａの形成材料としては、例えば、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）（ε＝２．１）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）（ε＝２．１）等を用いることが考えられる。

（第２絶縁層）
第２絶縁層３ｂは、同軸ケーブル１の良好な電気特性を担保するために、誘電率がより低くなる、発泡度３０％以上５０％以下となる発泡絶縁樹脂材料で形成されている。また、第２絶縁層３ｂは、第１絶縁層３ａに用いる樹脂材料よりも低融点の樹脂材料で形成され、第１絶縁層３ａとは非接着に形成されている。
同軸ケーブル１を屈曲させた場合に、第２絶縁層３ｂには、第１絶縁層３ａよりも大きな引っ張り力が加わるが、第２絶縁層３ｂは、第１絶縁層３ａと非接着に形成されているので、第１絶縁層３ａは、第２絶縁層３ｂとは独立して動くことができ、第２絶縁層３ｂから引っ張り力を受け難くなり、同軸ケーブル１の耐屈曲性や捻回性が向上する。

（第３絶縁層）
第３絶縁層３ｃは、同軸ケーブル１を曲げや捻じったときに生じるひずみによって、発泡絶縁樹脂からなる第２絶縁層３ｂが破断する等のダメージを防ぐ補強のために設けられる。この第３絶縁層３ｃは、第２絶縁層３ｂと同じ樹脂材料を用いて充実押出しにより形成され、第２絶縁層３ｂの表面に現れる発泡の孔を埋めると共に、第２絶縁層３ｂと一体化（接着）して補強する。例えば、第３絶縁層３ｃは、伸び３００％以上、引張強さが２５ＭＰａ以上、誘電率２．５以下となる非発泡絶縁樹脂層から形成されていることが好ましい。
このように第２絶縁層３ｂよりも外周側に位置する第３絶縁層３ｃの引張強さや伸びが大きければ、絶縁層３の機械的強度や伸びが外周側ほど大きくなるので、同軸ケーブル１が繰り返し屈曲・捻回を受けても絶縁層３に割れが生じ難くなる。つまり、外周側ほど機械的強度や伸びを大きくすることで、絶縁層３の伸び性や柔軟性等を充分に担保することができ、これにより同軸ケーブル１の耐屈曲性や捻回性を向上させることができる。

上述した第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃの形成材料の組み合わせとしては、例えば、発泡ポリプロピレンと非発泡ポリプロピレン、または照射架橋発泡ポリエチレンと照射架橋ポリエチレンの組み合わせを用いることが考えられる。

（三層構造の絶縁層）
以上のように、絶縁層３は、第１絶縁層３ａ、第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃの三層構造となっている。これにより、絶縁層３は、電気特性および耐屈曲性の相反する特性を両立させることができる。すなわち、良好な電気特性を維持しつつ、耐屈曲性や捻回性を向上させることができるのである。

同軸ケーブル１を屈曲させた場合に、第３絶縁層３ｃには、第１、第２絶縁層３ａ、３ｂよりも大きな引っ張り力が加わる。ただし、その場合であっても、第３絶縁層３ｃが引張強さや伸びの大きい材料で形成されているので、その第３絶縁層３ｃ、すなわち絶縁層３の外層側に割れが生じてしまうのを抑制することができる。

また、第３絶縁層３ｃを引張強さや伸びが大きい材料で形成することで、その第３絶縁層３ｃには割れが生じ難くなるが、万が一第３絶縁層３ｃに割れが生じてしまった場合であっても、絶縁層３を第１絶縁層３ａ、第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃの三層構造とすることで、割れを第３絶縁層３ｃのみで止めることが可能となる。つまり、第２絶縁層３ｂが割れのストッパとして機能することになり、絶縁層３の全体に割れが入るのを抑制することができ、その結果として同軸ケーブル１の繰り返し屈曲・捻回に対する高寿命化を実現し得るようになる。

（第１絶縁層のサイズ）
三層構造の絶縁層３において、第１絶縁層３ａの厚さは、導体２の外径Ｄの０．２倍以上０．３倍以下が好ましい。
第１絶縁層３ａの厚さが導体径Ｄの０．２倍未満であると、第１絶縁層３ａの厚さが薄くなり過ぎるため、同軸ケーブル１を曲げたときに強度が弱く、第１絶縁層３ａが割れてしまうおそれがある。第１絶縁層３ａの厚さを導体径Ｄの０．２倍以上とすることで、十分な強度を確保することができる。
一方、第１絶縁層３ａの厚さが導体径Ｄの０．３倍を超えると、第１絶縁層３ａが厚くなり過ぎるため、硬すぎて柔軟性が悪くなり、同軸ケーブル１を曲げたときに第１絶縁層３ａが割れてしまうおそれがある。第１絶縁層３ａの厚さを導体径Ｄの０．３倍以下とすることで、柔軟性を確保することができる。

（第２絶縁層のサイズ）
三層構造の絶縁層３において、第２絶縁層３ｂについては、その厚さは、同軸ケーブル１が所定の特性インピーダンス（５０Ωまたは７５Ω等）になるように導体２の導体径によって一義的に定まる。

（第３絶縁層のサイズ）
三層構造の絶縁層３において、第３絶縁層３ｃについては、その厚さは、第２絶縁層３ｂの厚さの１倍以上１．５倍以下が好ましい。
第３絶縁層３ｃの厚さが第２絶縁層３ｂの厚さｔの１倍未満であると、第３絶縁層３ｃが薄くなり過ぎて第２絶縁層３ｂの補強効果が小さくなり、耐屈曲性の低下を招いてしまうおそれがあるが、第３絶縁層３ｃの厚さを第２絶縁層３ｂの厚さｔの１倍以上とすることで、耐屈曲性の低下を抑制することができる。
一方、第３絶縁層３ｃの厚さが第２絶縁層３ｂの厚さの１．５倍を超えると、第３絶縁層３ｃが厚くなり過ぎるため、電気特性の低下を招いてしまうおそれがあるが、第３絶縁層３ｃの厚さを第２絶縁層３ｂの厚さの１．５倍以下とすることで、良好な電気特性を維持することができる。

（編組シールド）
シールド層４は、銅箔糸４ａを一方向（例えば、時計方向）に、金属素線４ｂを反対方向（例えば、反時計方向）に螺旋状に巻いて、銅箔糸４ａと金属素線４ｂとが交差するように編んだ編組シールドとすることが好ましい。
銅箔糸４ａは、ポリエステル等の中心糸に銅箔に巻き付けたものであるから、金属素線４ｂと比較して、耐屈曲や捻回性に優れるものの、導体抵抗が高い。そこで、銅箔糸４ａと金属素線４ｂとで編組シールドを構成することにより、同軸ケーブル１の耐屈曲や捻回性を向上させつつ、シールド層４の導体抵抗を下げることができる。したがって、同軸ケーブル１が長尺であっても、ＤＣ往復抵抗の規格を満足しつつ、耐屈曲や捻回性を向上させることができる。
また、銅箔糸４ａは、金属素線４ｂと比較して、軟らかい。銅箔糸４ａと金属素線４ｂとを交差させたことにより、同軸ケーブル１を屈曲や捻回させたときに、交差箇所において、銅箔糸４ａが金属素線４ｂのクッション材となり、金属素線４ｂのキンクを防ぐことができる。したがって、同軸ケーブル１の耐屈曲や捻回性を向上させることができる。さらに、銅箔糸４ａは、金属素線４ｂよりも太くすることが好ましい。これにより、同軸ケーブル１に印加された応力が、柔軟性や可撓性に優れた銅箔糸４ａにより作用するため、同軸ケーブル１の耐屈曲や捻回性を向上させることができる。

（４）本実施形態にかかる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態では、絶縁層３が第１絶縁層３ａ、第２絶縁層３ｂおよび第３絶縁層３ｃの三層構造となっており、第１絶縁層３ａがチューブ押出しで形成され、第２絶絶縁層３ｂが誘電率が低い樹脂材料を発泡させて形成され、第３絶縁層３ｃが第２絶縁層３ｂと同じ樹脂材料で非発泡にて形成されている。そのため、絶縁層３は、電気特性および耐屈曲性の相反する特性を両立させることができる。したがって、本実施形態によれば、繰り返し屈曲・捻回を受ける条件下で同軸ケーブル１が用いられる場合であっても、その同軸ケーブル１について、良好な電気特性を維持しつつ、耐屈曲性および捻回性を向上させることができる。

（ｂ）本実施形態では、導体２と接する絶縁体である内側絶縁層３ａが誘電率ε＝２．３以下の材料で形成されている。このような誘電率とすることで、同軸ケーブル１について、優れた電気特性を確実に担保することができる。

（ｃ）本実施形態では、絶縁層３のうちで一番外周側に位置する第３絶縁層３ｃが伸び３００％以上、引張強さ２５ＭＰａ以上の材料で形成されている。このような引張強さとすることで、絶縁層３の外周側ほど機械的強度や伸びが大きくなり、絶縁層３の伸び性や柔軟性等を充分に担保することができるので、同軸ケーブル１の耐屈曲性および捻回性を向上させることができる。

（ｄ）本実施形態では、第１絶縁層３ａの厚さが導体の導体径Ｄの０．２倍以上０．３倍以下に形成されているので、電気特性の低下を招いてしまうおそれを排除しつつ、耐屈曲性や捻回性の低下を抑制することができる。つまり、同軸ケーブル１について、良好な電気特性を維持しつつ、耐屈曲性や捻回性を向上させる上で、非常に好適なものとなる。

（ｅ）本実施形態では、第３絶縁層３ｃの厚さが第２絶縁層３ｂの厚さｔの１倍以上１．５倍以下に形成されているので、耐屈曲性や捻回性の低下を招いてしまうおそれを排除しつつ、良好な電気特性を維持することができる。つまり、同軸ケーブル１について、良好な電気特性を維持しつつ、耐屈曲性や捻回性を向上させる上で、非常に好適なものとなる。

＜本発明の他の実施形態＞
以上に、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上述した実施形態では、同軸ケーブル１が、産業用ロボット（工作機械）またはこれに準ずる自動化装置におけるカメラセンサの信号伝送用として用いられる場合を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはない。すなわち、本発明は、小スペースに配線されて高稼働率で繰り返し屈曲や捻回を受ける条件下で用いられる同軸ケーブルに適用して非常に有効なものであり、カメラセンサの信号伝送用以外の用途にも適用可能である。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例の内容に限定されるものではない。

本実施例では、２４ＡＷＧ（American wire gauge）相当の５０／０．０８ｍｍの集合撚り線（撚りピッチ約８ｍｍ）からなる導体２を、チューブ押出しにより誘電率ε＝２．１のＦＥＰからなり厚さが０．１５ｍｍの第１絶縁層３ａで被覆して、発泡度が４０％となるように発泡させた発泡ＰＰからなり厚さが０．５ｍｍの第２絶縁層３ｂで被覆し、さらに、誘電率ε＝２．２６かつ（非発泡）ＰＰからなり厚さが０．６５ｍｍの第３絶縁層３ｃで被覆し、外径が３．３ｍｍの絶縁層３を構成した。そして、その絶縁層３を、外径０．１１ｍｍの銅箔糸と、外径０．０８ｍｍの金属素線とが交差するように編んだ編組シールド層４で被覆し、さらにその外周側に厚さ１．３ｍｍのシース５を配して、外径６．５ｍｍの同軸ケーブル１を構成した。導体２に用いた金属素線および編組シールド層４に用いた金属素線は、Ｃｕ−０．３ｍａｓｓ％Ｓｎの合金を用いた。

（屈曲試験）
上記構成の同軸ケーブル１について、屈曲試験を行った。

屈曲試験は、図３に示すように、試料となる同軸ケーブル１の下端に荷重Ｗ＝５Ｎ（５００ｇｆ）の錘を吊り下げ、同軸ケーブル１の左右に湾曲した形の曲げジグ４３を取り付けた状態で、曲げジグ４３に沿って左右方向に向けて屈曲角Ｘ＝±９０°の曲げを加えるように同軸ケーブル１を動かすことで行う。屈曲Ｒ（曲げ半径）は、同軸ケーブル１の外径の約３倍の１９ｍｍとした。屈曲速度は３０回／分とし、屈曲回数は左右方向への１往復を１回としてカウントした。そして、同軸ケーブル１の屈曲を繰り返し、適宜回ごとにケーブル両端間で内部導体の導通を調べ、導通が失われていればそのときの回数を屈曲寿命として記録する。

屈曲試験の結果、本実施例に係る同軸ケーブル１については、同軸ケーブルへの要求規格である６０万回にわたって屈曲させても、導体２と編組シールド層４の破断が無いことを確認した。

（捻回試験）
上記構成の同軸ケーブル１について、捻回試験を行った。

捻回試験は、図４に示すように、試料となる同軸ケーブル１の一箇所を回転しない固定チャック５２に取り付け、それより上部側に同軸ケーブル１の外径の約２０倍の距離（捻回長）ｄ＝１３０ｍｍだけ隔てた別の箇所を回転チャック５４に取り付ける。そして、同軸ケーブル１の下端に荷重Ｗ＝５Ｎ（５００ｇｆ）の錘を吊り下げておく。この状態で回転チャック５４を回転させることにより、同軸ケーブル１の固定チャック５２と回転チャック５４との間の部分に対して±１８０度の捻りを加える。回転チャック５４は、まず＋１８０度回転して元に戻し、−１８０度回転して元に戻すというように、矢印５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの順に動かして１サイクル（数えるときは１回）とする。捻回速度は、３０回／分とし、捻回回数は各方向への１往復を１回としてカウントした。そして、同軸ケーブル１の捻回を繰り返し、適宜回ごとにケーブル両端間で内部導体の導通を調べ、導通が失われていればそのときの回数を捻回寿命として記録する。

捻回試験の結果、本実施例に係る同軸ケーブル１については、同軸ケーブルへの要求規格である２４０万回にわたって捻回させても、導体２と編組シールド層４の破断が無いことを確認した。

１…同軸ケーブル、２…導体、３…絶縁層、３ａ…第１絶縁層、３ｂ…第２絶縁層、３ｃ…第３絶縁層、４…シールド層、４ａ…銅箔糸、４ｂ…金属素線、５…シース

Claims (4)

1. 導体と、
   前記導体の側周を囲うように設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層の側周を囲うように設けられたシールド層と、
   前記シールド層の側周を囲うように設けられたシースと、を備え、
   前記絶縁層は、前記導体の側から、第１絶縁層と、第２絶縁層と、第３絶縁層と、の三層を有しており、
   前記第１絶縁層は、非充実押出し層からなり、
   前記第２絶縁層は、前記第１絶縁層と非接着に形成された発泡層からなり、
   前記第３絶縁層は、前記第２絶縁層と接着するように形成された非発泡層からなり、
   前記導体は、前記第１絶縁層とは独立して動くことができる
   同軸ケーブル。
2. 前記第１絶縁層の厚さは、前記導体の導体径の０．２倍以上０．３倍以下である
   請求項１に記載の同軸ケーブル。
3. 前記第３絶縁層の厚さは、前記第２絶縁層の厚さの１倍以上１．５倍以下である
   請求項１または２に記載の同軸ケーブル。
4. 前記シールド層は、銅箔糸と金属素線とが交差するように編まれた編組シールドである
   請求項１から３のいずれか１項に記載の同軸ケーブル。