JP7010249B2

JP7010249B2 - 導体および電源ケーブル

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Publication number: JP7010249B2
Application number: JP2019012275A
Authority: JP
Inventors: 康二向井; 祐作平井
Original assignee: Yoshinogawa Electric Wire and Cable Co Ltd; FANUC Corp
Current assignee: Yoshinogawa Electric Wire and Cable Co Ltd; FANUC Corp
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: JP2020119857A

Description

本発明は、導体、および該導体を用いた電源ケーブルに関する。

従来より、ケーブルに用いられる導体として、撚り導体が知られている（たとえば、特許文献１参照）。撚り導体は、一般的には、素線または集合撚り線を同心円状に並べて切断面の仕上がりが丸くなるように配置される。

このような撚り方を同心撚りというが、同心撚りの導体を用いた電源ケーブルとしては、図８（ａ）に示すように、中心に１本の子撚り導体１４２を配置し、その周囲に６本の子撚り導体１４４を配置して撚り合わせた７本撚りの導体１５１を用いた電源ケーブル２０１や、図８（ｂ）に示すように、さらにその導体１５１の周囲に１２本の子撚り導体１４５を配置して撚り合わせた１９本撚りの導体１５２を用いた電源ケーブル２０２などが知られている。

特表２０１６－５１７１３３号公報

しかしながら、上述のように同心撚りされた導体１５１を用いた電源ケーブル２０１においては、たとえば、ロボットの関節部分など、捩りの発生する可動部に使用した場合、外層に位置する子撚り導体１４４により中心に位置する子撚り導体１４２が締め付けられて摩擦力が増大する。このため、子撚り導体１４２と子撚り導体１４４が互いに摩擦し合うことによって摩耗し、子撚り導体１４２、１４４の双方が断線しやすくなるという問題があった。なお、導体１５２を用いた電源ケーブル２０２においても同様に子撚り導体１４２、１４４、１４５が断線しやすくなる。

この問題を軽減するため、図９に示すように、最も断線しやすい中心部に子撚り導体１４２を配置しないようにすることが考えられる。しかし、この場合においても、導体１６０は、内層１６１と外層１６３の二重構造になるため、内層１６１が断線しやすくなり、内層１６１と外層１６３に寿命差が生じてしまうという問題があった。このため、電源ケーブル２０１、２０２、２０３のいずれにおいても、子撚り導体１４２の断線や内外層間の寿命差を生じさせない程度の十分な耐捩り性を得ることができなかった。
本発明の目的は、耐捩り性が高い導体および該導体を用いた電源ケーブルを提供することである。

本発明の導体は、
複数の子撚り導体を一層撚り構造で親撚りした導体であって、
該導体を長さ方向と直交する方向に切断した切断面の構成において、
複数の前記子撚り導体の中央には、空隙が形成され、
前記子撚り導体と前記子撚り導体との間には、前記子撚り導体の外径よりも小さな外径を有する補充部材がそれぞれ撚り合わせられ、
前記子撚り導体は、複数の素線を撚って形成された基本導体を３本以上撚り合わせて形成され、
前記切断面において、該導体の外接円内の断面積に対する素線の合計断面積の占積率が５０％以上６２％以下であることを特徴とする。

このように、子撚り導体と補充部材を交互に配置することにより、導体内に発生する摩擦力を低減することができる。また、導体の中央に空隙を形成することにより、導体内の空気層の割合を多くし、子撚り導体同士の干渉、および子撚り導体と補充部材の間の干渉を抑制することができる。このため、導体内における寿命差の問題を抑制することができ、疲労具合が導体全体に均一化される。よって、従来構造に比べて耐捩り性を大幅に向上させることができる。

また、外径の大きさの異なる子撚り導体と補充部材を組み合わせることで、好適に導体内の空気層の割合を多くすることができる。また、補充部材の外径を子撚り導体の外径よりも小さくすることで、導体の切断面が円形になるように仕上がりを整えることができる。

また、該導体の外接円内の断面積に対する素線の合計断面積の占積率を５０％以上６２％以下とすることで、断線率が低く高寿命の導体を提供することができる。

また、本発明の導体は、
前記切断面において、該導体の外接円内の断面積が８ｍｍ²以上５４ｍｍ²以下であることを特徴とする。
これにより、導体の耐捩り性を向上させることが可能となる。

また、本発明の導体は、
前記子撚り導体の外周および前記補充部材の外周の少なくとも一方が隙間なく螺旋状にテープで巻き付けられていることを特徴とする。
これにより、子撚り導体と補充部材が補強されて座屈しにくくなり、座屈した時の変形により発生する応力集中を防ぐことができるため、導体の耐屈曲性を向上させることができる。

また、本発明の導体は、
前記補充部材は、複数の素線を撚り合わせて形成された素材、樹脂チューブ、または介在のいずれかから成ることを特徴とする。

このように、補充部材には、金属以外の材質を用いることができる。
本発明の電源ケーブルは、
本発明に係る導体を用いて形成された電源ケーブルであることを特徴とする。
これにより、耐捩り性が高い電源ケーブルを提供することができる。

本発明によれば、耐捩り性が高い導体および該導体を用いた電源ケーブルを提供することができる。

第１の実施の形態に係る導体を用いた電源ケーブルの概略断面図である。第１の実施の形態に係る導体の構成を説明するための概略断面図である。第１の実施の形態に係る導体を用いて行った捻回試験の状況を示す図である。第１の実施の形態に係る導体を用いて行った捻回試験の結果を示す図である。第１の実施の形態に係る導体の断線率と占積率の相関関係を示す図である。第２の実施の形態に係る導体の構成を説明するための概略断面図である。第２の実施の形態に係る導体を用いて行った屈曲試験の状況を示す図である。従来の導体を用いた電源ケーブルの概略断面図である。従来の導体を用いた電源ケーブルの概略断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る導体について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る導体を用いた電源ケーブルの概略断面図である。概略断面図は、捩れずかつ変形していない状態で長さ方向と直交する方向に切断した切断面を示している。ここで、図１に示すように、電源ケーブル１内には、導体２が配置されており、導体２の周りは絶縁体４、セパレータ６、シース８によって覆われている。

図２は、第１の実施の形態に係る導体の構成を説明するための概略断面図である。図２に示すように、導体２には、基本導体２ｂ、子撚り導体２ｃ、および補充部材２ｄが含まれている。この導体２は、複数の子撚り導体２ｃが一層撚り構造（一重構造となるように撚られた構造）で親撚りして形成されている。

子撚り導体２ｃは、さらに３本の基本導体２ｂを撚り合わせることによって形成され、撚り合わせられた３本の子撚り導体２ｃの中央には、空隙１０が形成されている。なお、基本導体２ｂは、たとえば、軟銅線などの複数の素線を撚り合わせることによって形成されている。

補充部材２ｄは、子撚り導体２ｃと子撚り導体２ｃとの間に形成される凹状の隙間２ｈに配置され、基本導体２ｂと同様に、軟銅線などの複数の素線を撚り合わせることによって形成されている。また、補充部材２ｄの外径は、子撚り導体２ｃの外径よりも小さく形成されている。なお、補充部材２ｄは、すべての隙間２ｈに配置されている必要はなく、一部の隙間２ｈのみに配置されていてもよい。また、一箇所の隙間２ｈに複数の補充部材２ｄが配置されていてもよい。

また、補充部材２ｄには、素線に代えて、樹脂チューブや介在を用いてもよい。介在には、たとえば、綿糸、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の熱可塑性樹脂、またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂製を用いることができる。

次に、導体２の製造方法について説明する。まず中央に空隙１０が形成されるようにして３本の子撚り導体２ｃを三角形状に束ねて配置し（配置工程）、次に、子撚り導体２ｃと子撚り導体２ｃとの間に形成された凹状の隙間２ｈに３本の補充部材２ｄを配置する（補充配置工程）。ここで、補充部材２ｄは、３本の子撚り導体２ｃとは逆向きの三角形状に配置される。また、補充部材２ｄは、子撚り導体２ｃと子撚り導体２ｃとの間に形成された隙間２ｈに配置される。この状態で子撚り導体２ｃと補充部材２ｄを一層で撚り合わせる（一層撚り工程）ことによって導体２が形成される。

なお、第１の実施の形態においては、子撚り導体２ｃと補充部材２ｄがそれぞれ３本である場合を例に説明しているが、子撚り導体２ｃと補充部材２ｄが４本以上であっても、中央に空隙１０が形成されていれば、本願発明の効果を発揮することができる。

このようにして形成された導体２は、子撚り導体２ｃと補充部材２ｄが空隙１０の周りに交互に配置された一層撚り構造を有している。また、この状態で、子撚り導体２ｃの外周面同士が接触し、かつ基本導体２ｂの外周面と子撚り導体２ｃの外周面もまた接触している。さらに、子撚り導体２ｃの外周面と補充部材２ｄの外周面もまた接触している。

なお、導体２の外接円内の断面積（以下、導体断面積という。）に対する素線（基本導体２ｂおよび補充部材２ｄを形成する素線）の全合計断面積の占積率は、６２％以下であることが好ましく、下限値は５０％以上であるのが好ましい。また、導体２の導体断面積は、８ｍｍ²以上５４ｍｍ²以下であることが好ましい。

絶縁体４は、ポリ塩化ビニルから成る厚さ１．６ｍｍ程度の層を構成しており、セパレータ６は、不織布によって構成され、絶縁体４層を押え巻きしている。また、シース８は、ポリウレタンエラストマーによって構成された、電源ケーブル１の最外層を成す層を構成している。

この第１の実施の形態に係る導体２によれば、子撚り導体２ｃと補充部材２ｄを交互に配置することにより、導体２内に発生する摩擦力を低減することができる。また、導体２の中央に空隙１０を形成することにより、導体２内の空気層の割合を多くし、子撚り導体２ｃ同士の干渉、および子撚り導体２ｃと補充部材２ｄの間の干渉を抑制することができる。このため、導体２内の寿命差を低減することができ、疲労具合が導体２全体に均一化される。よって、従来構造に比べて耐捩り性を大幅に向上させることができる。

また、３本の子撚り導体２ｃの中央に空隙１０が形成されているため、図８（ａ）に示す従来の導体１５１のように、捩れたときに中央の子撚り導体１４２に応力が集中することを防止できる。

また、補充部材２ｄの外径を子撚り導体２ｃの外径よりも小さくすることで、導体２の切断面が円形になるように仕上がりを整えることができる。
また、導体断面積に対する素線の全合計断面積の占積率を６２％以下にすることにより、従来技術と比較して断線率を半減できるため、断線率が低く高寿命の導体２を提供することができる。なお、上述の占積率が６２％を超える場合には、後述する実施例の図４に示すように、断線率が上昇し、導体２は十分な耐捩り性を得ることができない。一方、上述の占積率が５０％未満の場合には、空隙の割合が増加して変形しやすくなり導体２の切断面を円形に保持できなくなるため、構造的に導体２を作成することができない。

また、導体断面積を８ｍｍ²以上５４ｍｍ²以下にすることにより、導体２の耐捩り性を向上させることが可能となる。なお、上述の断面積が８ｍｍ²未満である場合には、導体２が一層撚りでも二層撚り以上でも十分な耐捩り性を発揮できるが、そもそも外径が細くなり可動時に導体２が受ける変形が小さくなるため、導体２の耐捩り性を向上させる技術としての意味は薄れる。一方、上述の断面積が５４ｍｍ²を超えると外径が太くなりすぎて可動部に用いるのには適さない。

［実施例１］
次に、第１の実施の形態に係る導体２、及び従来の導体１５２、１６０を用いて行った断線率の実験について説明する。まず、実験において、試験者は、第１の実施の形態に係る導体２を用いた電源ケーブル１、従来の導体１５２を用いた電源ケーブル２０２、従来の導体１６０を用いた電源ケーブル２０３を準備した。ここで、導体２には、導体断面積が２２ｍｍ²と３５ｍｍ²の２種類のサンプルを用意した。なお、従来の導体１５２、１６０の導体断面積は、それぞれ３５ｍｍ²、２２ｍｍ²である。また、撚り方は、第１の実施の形態に係る導体２が一層撚りなのに対して、従来の導体１５２、１６０は多層撚りであり、占積率は、導体２が５６．８％～６３．８７％、従来の導体１５２が６７．５％、従来の導体１６０が６７．７％である。また、サンプルとして用意した各電源ケーブルの長さは、それぞれ２０５ｍｍである。また、電源ケーブル１、２０２、２０３の外径は、それぞれ、１５．５ｍｍ、１５．６ｍｍ、１４．５ｍｍである。

次に、図３に示すように、捻回試験機５０を用意して各サンプルをセットした。ここで、固定アーム６２への固定箇所と回転部６４への固定箇所の間の固定間距離Ｌは、２００ｍｍである。実験においては、表１に示すように、サンプルが捻回試験機５０にセットされた状態で回転部を±２５０°の回転角度で４５往復／分回転させた。

なお、断線率の実験については、図４に示すように行った。すなわち、導体断面積が２２ｍｍ²、かつ占積率が５８．３％の導体２の断線率については、捻回の回数が１０万回目、２０万回目、３０万回目、４０万回目、５０万回目のそれぞれの時点で測定を行った。それ以外の導体２の断線率については、捻回の回数が３０万回目の時点のみにおいて測定を行った。

また、従来の導体１５２を用いた実験においては、捻回の回数が３０万回目の時点のみにおいて測定を行った。また、従来の導体１６０を用いた実験においては、捻回の回数が１０万回目、２０万回目、３０万回目の時点において測定を行った。

図４に示す実験結果において、３０万回目の断線率を比較すると、従来の導体１５２の断線率がすべての層で１００％であるのに対し、中心に素線を位置させない構造の従来の導体１６０は、外層の断線率が６４．４％に低減され、内外層全体で断線率が７３．３％となった。

これに対し、第１の実施の形態に係る導体２の断線率は、導体断面積が２２ｍｍ²のサンプルにおいては、占積率が５６．８％のときに５．９％、占積率が５８．３％のときに２１．９％となった。導体断面積が３５ｍｍ²のサンプルにおいては、占積率が５７．５７％～６３．８７％の間で１４．５２％～７３．２４％となった。

すなわち、一層撚りの導体２においては、多層撚りの導体１５２、１６０よりも大幅に断線率が低減される。特に、導体２の断線率は、占積率を６２％以下にした場合（図４において、占積率６３．８７％のサンプル以外）に大幅に低くなる。

なお、従来の導体１６０は、内層１６１と外層１６３から成る二層撚りであるため、内層１６１の断線率が１００％と高く、一層撚りの導体２より寿命が短くなる。
図５は、第１の実施の形態に係る導体２の断線率（捻回の回数３０万回目）と占積率の相関関係を示すグラフである。グラフ中に示される点は、導体２の各占積率に対応する断線率をプロットしたものである。また、グラフ中の直線は、断線率と占積率の相関関係に基づいて計算した導体２の寿命予測線である。

本グラフによれば、占積率が６３．８％では断線率が７３．２％まで上昇すること、および占積率が低い方が断線率も低く、導体２が高寿命になる傾向があることなどがわかる。また、寿命予測線を参照すると占積率５５％以下では断線率１０％以下となり、占積率６２％以上では断線率５０％以上になることが予測される。なお、占積率５０％未満の導線は構造上作製不可能である。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態に係る導体について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については説明を省略する。なお、第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態に係る導体２の構成と同一の構成には、第１の実施の形態の説明で用いたのと同一の符号を用いて説明を行なう。

図６は、第２の実施の形態に係る導体２´を示す断面図である。図６に示すように、導体２´においては、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周にはテープ８０が巻き付けられている。なお、テープ８０は、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周に隙間なく螺旋状に巻き付けられている。

ここで、テープ８０は素材にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いて形成されている。なお、テープ８０の素材はＰＴＦＥに限定されず、ＥＴＦＥ（エチレン・四フッ化エチレン共重合体）などのＰＴＦＥ以外のフッ素樹脂、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）などの熱可塑性樹脂、およびＡＬ／ＰＥＴ（アルミ箔とＰＥＴフィルムを貼り合わせた複合材料）等の金属箔と樹脂フィルムの複合材料を用いてもよい。また、テープ８０は、必ずしも子撚り導体２ｃと補充部材２ｄの双方の外周に巻き付ける必要はなく、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周の少なくとも一方に巻き付けられていればよい。

このように、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周の少なくとも一方に隙間なく螺旋状にテープ８０を巻き付けることより、導体２（図２参照）の耐屈曲性を向上させることができる。

具体的に説明すると、たとえば、二層撚りの導体（図示せず）を屈曲させた場合、導体に圧縮応力が掛かり座屈が生じる。座屈が生じると座屈部分が応力集中点となり断線に繋がる。なお、一層撚りの導体２（図２参照）を屈曲させた場合であっても、導体２に圧縮応力が掛かるため、座屈が生じ断線を回避することはできない。

ここで、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周のいずれか、もしくは子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周の双方を隙間なく螺旋状にテープ８０で巻き付けることにより、子撚り導体２ｃおよび補充部材２ｄの少なくとも一方が補強されて座屈しにくくなる。これにより、座屈時の変形により発生する応力集中を防止できるため、導体２の耐屈曲性を向上させた導体２´を提供することができる。

［実施例２］
次に、第１の実施の形態に係る導体２（テープ巻なし）と第２の実施の形態に係る導体２´（テープ巻あり）を用いて行ったテープ巻きの効果に関する実験について説明する。まず、実験において、試験者は、第１の実施の形態に係る導体２を用いた電源ケーブル１、第２の実施の形態に係る導体２´を用いた電源ケーブルを準備した。ここで、表２に示すように、導体２の占積率は５８．３０％であり、導体２´の占積率は５２．３０％である。

次に、図７に示すように、屈曲試験機９０を用意して各電源ケーブルを一対の支持棒８８の間に挟み込んだ。そして、各電源ケーブルの下端に２ｋｇの錘９２を装着し、±９０°の屈曲角度で屈曲させた。なお、実験において、支持棒８８の半径は２５ｍｍであり、支持棒８８間の距離は、電源ケーブルの直径＋２ｍｍである。また、電源ケーブルは、３０回／分の屈曲速度にて屈曲させた。

実験結果は、表２に示すように、第１の実施の形態に係る導体２（テープ巻なし）において、試験回数９２，０００回の時点で完全断線し、第２の実施の形態に係る導体２´（テープ巻あり）において、試験回数４９７，５００回の時点で完全断線するという結果を得た。すなわち、子撚り導体２ｃの外周と補充部材２ｄの外周にテープ８０を隙間なく螺旋状に巻き付けることにより、導体の耐屈曲性が大幅に向上することがわかった。

なお、上述の各実施の形態において、素線は、導電性を有する素材であれば、必ずしも軟銅線に限定されない。
また、上述の各実施の形態において、絶縁体４の厚さ、電源ケーブル１の外径の数値はあくまでも一例であり、必ずしもこのサイズに限定されない。

また、上述の各実施の形態において、基本導体２ｂの外径と補充部材２ｄの外径が同一サイズである場合を例示しているが、両者の外径は必ずしも同一でなくてもよい。たとえば、基本導体２ｂの外径が補充部材２ｄの外径よりも大きくてもよく、補充部材２ｄの外径が基本導体２ｂの外径よりも大きくてもよい。
また、上述の各実施の形態において、子撚り導体２ｃに含まれる基本導体２ｂは複数であればよい。

１電源ケーブル
２導体
２´ 導体
２ｂ基本導体
２ｃ子撚り導体
２ｄ補充部材
２ｈ隙間
４絶縁体
６セパレータ
８シース
１０空隙
５０捻回試験機
６２固定アーム
６４回転部
８０テープ
８８支持棒
９０屈曲試験機
９２錘
１４２子撚り導体
１４４子撚り導体
１５１従来の導体
１５２従来の導体
１６０従来の導体
１６１内層
１６３外層
２０１電源ケーブル
２０２電源ケーブル
２０３電源ケーブル
Ｌ固定間距離

Claims

複数の子撚り導体を一層撚り構造で親撚りした導体であって、
該導体を長さ方向と直交する方向に切断した切断面の構成において、
複数の前記子撚り導体の中央には、空隙が形成され、
前記子撚り導体と前記子撚り導体との間には、前記子撚り導体の外径よりも小さな外径を有する補充部材がそれぞれ撚り合わせられ、
前記子撚り導体は、複数の素線を撚って形成された基本導体を３本以上撚り合わせて形成され、
前記切断面において、該導体の外接円内の断面積に対する素線の合計断面積の占積率が５０％以上６２％以下であることを特徴とする導体。
前記切断面において、該導体の外接円内の断面積が８ｍｍ²以上５４ｍｍ²以下であることを特徴とする請求項１記載の導体。
前記子撚り導体の外周および前記補充部材の外周の少なくとも一方が隙間なく螺旋状にテープで巻き付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の導体。
前記補充部材は、複数の素線を撚り合わせて形成された素材、樹脂チューブ、または介在のいずれかから成ることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の導体。
請求項１～４の何れか一項に記載された該導体を用いて形成されていることを特徴とする電源ケーブル。