JP6973358B2 - 可動部用ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、可動部用ケーブルに関する。

ロボット等の可動部に使用される可動部用ケーブルとして、複数本の対撚線を撚り合わせた集合体の周囲にシールド層を設け、その周囲にモータ駆動用の動力線を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１２９９２４号公報

しかしながら、上述の従来の可動部用ケーブルでは、当該ケーブルの中心部分に多数本からなる対撚線のすべてが一括して配置されているため、ケーブル外径が小さくなりにくく、さらなる細径化への改善が必要である。このような課題に対して、例えば、上述の従来の可動部用ケーブルの中心部分に配置される対撚線の本数を多くしたまま、その周囲に配置される、動力線の本数を少なくした場合には、動力線の周方向配置間隔が広くなることによって無駄なスペースが多くなってしまうため、ケーブル外径を小さくできず、かえってケーブル外径が大きくなってしまう場合があった。近年のロボット等では、小型化に伴い電線やケーブルの配線スペースを小さくしたいという要求があり、可動部用ケーブルの外径をできるだけ小さくすることが求められている。また、従来の可動部用ケーブルでは、当該ケーブルの端末部における外部ノイズの影響や、低周波のノイズの動力線への影響を受けにくくするための改善も求められている。

そこで、本発明は、ノイズの影響を抑制しつつも細径化が可能な可動部用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、信号伝送用の複数の内層用対撚線を撚り合わせた対撚線集合体と、前記対撚線集合体の周囲に設けられた第１編組シールド層と、電源供給用の複数の電源線、及び信号伝送用の１本以上の外層用対撚線を、前記第１シールド層の外周に螺旋状に撚り合わせて構成された外側電線層と、前記外側電線層の周囲に設けられた第２編組シールド層と、を備えた、可動部用ケーブルを提供する。

本発明によれば、ノイズの影響を抑制しつつも細径化が可能な可動部用ケーブルを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る可動部用ケーブルの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。 図１の可動部用ケーブルの端末部を示す側面図である。

［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は、本実施の形態に係る可動部用ケーブルの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。図２は、可動部用ケーブルの端末部を示す側面図である。

図１及び図２に示すように、可動部用ケーブル１は、信号伝送用の複数の対撚線２と、信号伝送用の複数の電源線３と、を有している。可動部用ケーブル１は、例えば、ロボットアーム等の産業用ロボットの可動部用の配線として用いられるものである。

対撚線２は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．１ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体２ａの周囲にＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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）等のフッ素樹脂からなる絶縁体２ｂを有する２本の絶縁電線２ｃを撚り合わせて構成されている。対撚線２は、例えばエアー注入器の制御など、種々の機器の制御に用いられる制御信号等を伝送するものである。ここでは、８本の対撚線２を用いる場合を示しているが、対撚線２の数はこれに限定されない。

電源線３は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．１ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体３ａの周囲にＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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）等のフッ素樹脂からなる絶縁体３ｂを有する。電源線３は、例えば、モータ（例えば、アクチュエータ等）を駆動する駆動電流を供給するなど、電源信号を伝送するために用いられるものである。ここでは、９本の電源線３を用いる場合を示しているが、電源線３の本数はこれに限定されない。

本実施の形態に係る可動部用ケーブル１は、信号伝送用の複数の内層用対撚線２１を撚り合わせた対撚線集合体４と、対撚線集合体４の周囲に設けられた第１編組シールド層５と、電源供給用の複数の電源線３、及び信号伝送用の１本以上の外層用対撚線２２を、第１編組シールド層５の外周に螺旋状に撚り合わせて構成された外側電線層６と、外側電線層６の周囲に設けられた第２編組シールド層７と、を備えている。

可動部用ケーブル１では、対撚線２の一部（８本中の６本）を内層用対撚線２１として第１編組シールド層５よりも内側に配置しており、かつ、対撚線２の他部（８本中の２本）を外層用対撚線２２として電源線３と共に第１編組シールド層５よりも外側に配置している。

すべての対撚線２を用いて対撚線集合体４を形成した場合、対撚線集合体４の外径が大きくなる。また、外側電線層６を構成する電源線３の本数が少ない場合には、電源線３間に無駄なスペースが生じて、ケーブル全体の大型化をまねいてしまう。本実施の形態では、対撚線２の一部を外側電線層６に含ませることで、対撚線集合体４の外径を小さくし、かつ、外側電線層６の電線本数を増やして、無駄なスペースを少なくすることで、可動部用ケーブル１の細径化を図っている。外側電線層６に用いられる外層用対撚線２２としては、電源線３によるノイズの影響を受けない用途のものを用いるとよい。

対撚線集合体４は、６本の内層用対撚線２１を撚り合わせて構成される。対撚線集合体４を構成する内層用対撚線２１のそれぞれは、撚りピッチが互いに異なるように構成されている。これは、内層用対撚線２１間のクロストーク（ノイズ）を抑制するためである。なお、内層用対撚線２１の撚りピッチとは、内層用対撚線２１の周方向において絶縁電線２ｃが同じ位置となる地点の、内層用対撚線２１の長手方向に沿った間隔である。

また、可動部用ケーブル１におけるケーブルの中心部には、屈曲時に応力が集中するため、本実施の形態では、介在８の周囲に６本の内層用対撚線２１を螺旋状に撚り合わせて対撚線集合体４を構成した。これにより、屈曲時の応力が内層用対撚線２１に集中して内層用対撚線２１の伝送特性が劣化することを抑制可能になる。

介在８としては、例えば、スフ糸等の糸状体を用いることができる。スフ糸は、適度なクッション性を有しており、屈曲しても折れるといったこともないので、可動部に用いられる可動部用ケーブル１の介在８として好適である。なお、介在８に用いる糸状体はスフ糸に限らず、例えば、紐や紙、不織布等からなるものも用いることができる。また、介在８として糸状体に限らず、例えば帯状のものを用いることもできる。介在８は、クッション性を付与することで、屈曲時に内層用対撚線２１にかかる応力を分散し、内層用対撚線２１の伝送特性の劣化を抑制する役割も果たしている。

内層用対撚線２１の撚り方向は、内層用対撚線２１の撚線導体２ａ及び対撚線集合体４の撚り方向と反対方向であるとよい。撚線導体２ａの撚り方向は対撚線集合体４の撚り方向と同じ方向となる。これは、内層用対撚線２１の撚り方向を、撚線導体２ａや対撚線集合体４の撚り方向と同じ方向とした場合、撚線導体２ａを構成する素線に繰り返し同方向の撚りが加わることとなり、屈曲時等に素線が絞り切れてしまうおそれがあるためである。内層用対撚線２１の撚り方向を、撚線導体２ａや対撚線集合体４の撚り方向と反対方向とすることで、素線の断線を抑制し、屈曲に対する耐性を向上することが可能になる。

なお、撚線導体２ａの撚り方向とは、絶縁電線２ｃの一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて素線が回転している方向である。内層用対撚線２１の撚り方向とは、内層用対撚線２１の一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて絶縁電線２ｃが回転している方向である。また、対撚線集合体４の撚り方向とは、対撚線集合体４の一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて内層用対撚線２１が回転している方向である。

対撚線集合体４に周囲には、第１押さえ巻きテープ９が螺旋状に巻付けられている。第１押さえ巻きテープ９としては、紙テープや不織布からなるテープ等を用いることができる。第１押さえ巻きテープ９は、断面視でほぼ円形状となるように巻き付けられている。対撚線集合体４を構成する６本の内層用対撚線２１のそれぞれは、第１押さえ巻きテープ９の内周面に接触している。第１押さえ巻きテープ９の周囲には、金属素線を編み込んだ編組シールドからなる第１編組シールド層５が設けられている。

第１編組シールド層５の外周には、樹脂テープ１０が螺旋状に巻付けられている。樹脂テープ１０は、外側電線層６を構成する電源線３や外層用対撚線２２と第１編組シールド層５との間で滑りを良くし、繰り返し屈曲することによる摩耗を抑制する役割を果たす。樹脂テープ１０としては、摩耗に強く、かつ滑りの良い材質を用いるとよく、例えば、ナイロン、あるいは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素樹脂からなるものを用いることができる。

樹脂テープ１０の外周には、９本の電源線３と２本の外層用対撚線２２とが螺旋状に撚り合わされて外側電線層６が形成されている。電源線３と外層用対撚線２２とは外径が異なり、外層用対撚線２２の方が電源線３よりも外径が大きい。よって、撚り合わせの際に偏りを生じにくくするために、外層用対撚線２２は、電源線３が複数の外層用対撚線２２の間に配置されるように、周方向に離間して配置されていることが望ましく、周方向に略等間隔に配置されていることがより望ましい。なお、同軸線３の配置は厳密に等間隔に配置されている必要はなく、±１０°程度の誤差は許容される。本実施の形態では、電源線３を９本用いているため、周方向における２本の外層用対撚線２２の間の一方に４本、他方に５本の電源線３を配置し、電源線３及び外層用対撚線２２を周方向に略等間隔に配置した。

クロストークを抑制するため、２本の外層用対撚線２２は、互いに撚りピッチが異なることが望ましい。また、内層用対撚線２１の撚りピッチは、２本の外層用対撚線２２の撚りピッチ以下であることが望ましい。これは、ケーブルの中心部により近い位置に配置される内層用対撚線２１は、外層用対撚線２２よりも屈曲時に応力がかかりやすいため、撚りを細かくして屈曲に対する耐性を向上させることが望まれるためである。

また、本実施の形態では、電源線３と外層用対撚線２２と共に介在１１を撚り合わせて外側電線層６を構成した。介在１１は、可動部用ケーブル１の外形が円形状となるように整形する役割と、外側電線層６を構成する電線間に介在して電線同士が屈曲時等に摩耗することを抑制する役割を果たす。本実施の形態では、外側電線層６において、隣り合う電源線３同士、及び隣り合う電源線３と外層用対撚線２２は、接触していない。外側電線層６に用いられる介在１１としては、対撚線集合体４に用いられる介在８と同様に、スフ糸等を用いることができる。

外側電線層６の周囲には、紙テープや不織布からなる第２押さえ巻きテープ１２が螺旋状に巻付けられている。第２押さえ巻きテープ１２は、介在１１の量や配置を適宜調整することにより、断面視でほぼ円形状となるように巻き付けられている。外側電線層６を構成する全ての電線、すなわち９本の電源線３と２本の外層用対撚線２２のそれぞれは、第２押さえ巻きテープ１２の内周面に接触している。また、外層用対撚線２２は、樹脂テープ１０の外周面に接触している。電源線３は、外層用対撚線２２よりも外径が小さいため、樹脂テープ１０の外周面には接触していない。

第２押さえ巻きテープ１２の周囲には、金属素線を編み込んだ編組シールドからなる第２編組シールド層７が設けられている。第２編組シールド層７の周囲には、絶縁体からなるジャケット１３が被覆されている。ジャケット１３としては、可動部用ケーブル１を外力から保護できるように、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂等からなるもの用いることができる。

図２に示すように、可動部用ケーブル１の端末部では、ジャケット１３が除去されて第２編組シールド層７が露出されると共に、第２編組シールド層７の金属素線間の隙間を拡げて（編み目を拡げて）、その拡げた隙間から、第１編組シールド層５で覆われた対撚線集合体４を外部へと引き出す。

図示の例では、対撚線集合体４を構成する内層用対撚線２１が第１基板１４に接続され、一方の外層用対撚線２２が第２基板１５に、他方の外層用対撚線２２が第３基板１６に、電源線３が第４基板１７に接続されている。ただし、例えば、内層用対撚線２１と外層用対撚線２２が共通の基板に搭載されてもよく、接続先の基板の具体的な構成については図示のものに限定されない。

可動部用ケーブル１の端末部を図２のように構成することで、内層用対撚線２１が第１基板１４の直近まで第１編組シールド層５で覆われることになり、内層用対撚線２１が端末部において外部ノイズの影響を受けてしまうことを抑制可能となる。同様に、外側電線層６を構成する電源線３及び外層用対撚線２２についても、第２〜４基板１５〜１７の直近まで第２編組シールド層７で覆われることになり、端末部での外部ノイズの影響を抑制可能になる。

可動部用ケーブル１の端末部において、第１編組シールド層５で覆われた対撚線集合体４を外部へと引き出すために、第２編組シールド層７は編み目を拡げやすくなっていることが望ましい。そのため、第２編組シールド層７の編組角度は、なるべく小さいことが望ましい。他方、第１編組シールド層５では、屈曲時等に応力がかかるために、編組角度を小さくし過ぎると破断してしまうおそれが生じる。よって、端末部でのノイズの影響を抑制しつつも端末加工の加工性を向上させ、かつ、屈曲に対する耐性を十分に維持するために、第１編組シールド層５の編組角度は、第２編組シールド層７の編組角度よりも大きくすることが望ましい。なお、編組角度とは、ケーブル長手方向と、編組シールドを構成する金属素線の長手方向とのなす角度である。

また、電源線３の接続先のモータ等では低周波のノイズが発生し易いため、電源線３を覆う第２編組シールド層７においては、金属素線の外径を大きくしてノイズ耐性を高めることが望まれる。他方、第１編組シールド層５では、金属素線の外径を大きくすると曲げにくくなってしまうため、金属素線の外径をなるべく（屈曲時等の応力に耐えられる範囲で）小さくすることが望まれる。よって、モータ等で発生するノイズの電源線３への影響を低減し、かつ、曲げやすい可動部用ケーブル１とするために、第１編組シールド層５を構成する金属素線は、第２編組シールド層７を構成する金属素線よりも外径が小さくすることが望ましい。より具体的には、第２編組シールド層７を構成する金属素線の外径は、第１編組シールド層５を構成する金属素線の外径の１．２倍以上１．５倍以下とするとよい。ここでは、第１編組シールド層５を構成する金属素線の外径を０．０８ｍｍとし、第２編組シールド層７を構成する金属素線の外径を０．１０ｍｍとした。

（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可動部用ケーブル１では、信号伝送用の複数の内層用対撚線２１を撚り合わせた対撚線集合体４と、対撚線集合体４の周囲に設けられた第１編組シールド層５と、電源供給用の複数の電源線３、及び信号伝送用の１本以上の外層用対撚線２２を、第１編組シールド層５の外周に螺旋状に撚り合わせて構成された外側電線層６と、外側電線層６の周囲に設けられた第２編組シールド層７と、を備えている。

対撚線２の一部（ノイズの影響を受けにくい用途のもの）を外側電線層６に含ませることで、対撚線集合体４に含まれる対撚線２の本数を減らして対撚線集合体４の外径を小さくすると共に、外側電線層６で電線間に形成される無駄な隙間を小さくすることが可能になり、ノイズの影響を抑制しつつも細径化が可能な可動部用ケーブル１を実現できる。

（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］信号伝送用の複数の内層用対撚線（２１）を撚り合わせた対撚線集合体（４）と、前記対撚線集合体（４）の周囲に設けられた第１編組シールド層（５）と、電源供給用の複数の電源線（３）、及び信号伝送用の１本以上の外層用対撚線（２２）を、前記第１シールド層（５）の外周に螺旋状に撚り合わせて構成された外側電線層（６）と、外側電線層（６）の周囲に設けられた第２編組シールド層（７）と、を備えた、可動部用ケーブル（１）。

［２］前記第１編組シールド層（５）の編組角度は、前記第２編組シールド層（７）の編組角度よりも大きい、［１］に記載の可動部用ケーブル（１）。

［３］前記第１編組シールド層（５）を構成する素線は、前記第２編組シールド層（７）を構成する素線よりも外径が小さい、［１］または［２］に記載の可動部用ケーブル（１）。

［４］前記外側電線層（６）は、複数の前記外層用対撚線（２２）を有し、前記複数の外層用対撚線（２２）は、周方向に離間して配置されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の可動部用ケーブル（１）。

［５］前記対撚線集合体（４）は、介在（８）の周囲に前記複数の内層用対撚線（２１）を螺旋状に撚り合わせて構成されている、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の可動部用ケーブル（１）。

［６］前記対撚線集合体（４）を構成する前記複数の内層用対撚線（２１）は、撚りピッチが互いに異なるように構成されている、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の可動部用ケーブル（１）。

［７］前記対撚線集合体（４）を構成する前記複数の内層用対撚線（２１）のそれぞれは、撚線導体（２ａ）の周囲を絶縁体（２ｂ）で被覆した絶縁電線（２ｃ）を２本撚り合わせて構成されており、前記内層用対撚線（２１）の撚り方向は、前記撚線導体（２ａ）及び前記対撚線集合体（４）の撚り方向と反対方向である、［１］乃至［６］の何れか１項に記載の可動部用ケーブル（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。また、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。

１…可動部用ケーブル
２…対撚線
２ａ…撚線導体
２ｂ…絶縁体
２ｃ…絶縁電線
２１…内層用対撚線
２２…外層用対撚線
３…電源線
４…対撚線集合体
５…第１編組シールド層
６…外側電線層
７…第２編組シールド層
８…介在
１０…樹脂テープ

Claims (5)

1. 信号伝送用の複数の内層用対撚線を撚り合わせた対撚線集合体と、
   前記対撚線集合体の周囲に設けられた第１編組シールド層と、
   電源供給用の複数の電源線、及び信号伝送用の１本以上の外層用対撚線を、前記第１編組シールド層の外周に螺旋状に撚り合わせて構成された外側電線層と、
   前記外側電線層の周囲に設けられた第２編組シールド層と、を備え、
   前記複数の内層用対撚線の前記撚りピッチは、前記外側電線層を構成する前記外層用対撚線の撚りピッチ以下である、
   可動部用ケーブル。
2. 前記外側電線層は、複数の前記外層用対撚線を有し、隣り合う前記電源線同士の間、及び隣り合う電源線と前記外層用対撚線との間に介在が設けられており、隣り合う前記電源線同士、及び隣り合う電源線と前記外層用対撚線とが周方向に離間して配置されている、
   請求項１に記載の可動部用ケーブル。
3. 前記対撚線集合体は、介在の周囲に前記複数の内層用対撚線を螺旋状に撚り合わせて構成されている、
   請求項１または２に記載の可動部用ケーブル。
4. 前記対撚線集合体を構成する前記複数の内層用対撚線は、撚りピッチが互いに異なるように構成されている、
   請求項１乃至３に記載の可動部用ケーブル。
5. 前記対撚線集合体を構成する前記複数の内層用対撚線のそれぞれは、撚線導体の周囲を絶縁体で被覆した絶縁電線を２本撚り合わせて構成されており、
   前記内層用対撚線の撚り方向は、前記撚線導体及び前記対撚線集合体の撚り方向と反対方向である、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の可動部用ケーブル。

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