JP7194658B2

JP7194658B2 - 導電線

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Publication number: JP7194658B2
Application number: JP2019169688A
Authority: JP
Inventors: 寛之大上; 智弘山川; 栄次太田
Original assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Current assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: JP2021048041A

Description

本発明は、導電線に関するものである。

従来、モータ等の巻線として用いられる導電線には、軽量化が求められている。とりわけ、自動車に用いられるＥＶ用モータにおいては軽量化が強く求められている。このため、現在一般的に用いられている銅線に代わる軽量の導電線が望まれており、このような観点からアルミ線等の使用が検討されている。

一方で、カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」ともいう。）の集束線は導電性を有し、軽量であるため、様々な用途が期待されている。

しかしながら、銅線と比べるとＣＮＴの集束線の導電性が低いため、その改善が望まれている。そのような改善の一つとして、ＣＮＴと金属との複合化が検討されている。例えば、金属のワイヤにＣＮＴを蒸着する技術（特許文献１）、芯材にＣＮＴを巻き付け、ＣＮＴ中に金属粒を含ませる技術（特許文献２）、ＣＮＴアレイからの引き出し時に金属粒子を静電塗布する技術（特許文献３）が提案されているが、充分な効果は得られていない。

特開２００５－３５８４１号公報特開２０１６－１６０５３８号公報特開２０１８－５３４０８号公報

本発明の目的は、上記課題を解決し、カーボンナノチューブを用いた導電線における導電率の向上と軽量化を図ることである。

上記の課題を解決するための本発明は、
導電性の芯線と、
前記芯線の長手方向に引き揃えられた複数のカーボンナノチューブ繊維を含み、前記芯線の外周面を被覆する被覆部と、
を備え、
前記被覆部に被覆された前記芯線に金属メッキを施すことにより形成された金属を、前記被覆部は含むことを特徴とする導電線である。

本発明においては、カーボンナノチューブ繊維を含む被覆部によって被覆された導電性の芯線に金属メッキを施し、被覆部に金属を形成しているので、銅線のような金属製の導電線に比べて軽量化を図ることができる。また、導電性において、銅線に劣るカーボンナノチューブ繊維を含む被覆部に金属を形成することにより、導電性の向上を図ることができる。すなわち、本発明によれば、カーボンナノチューブを用いた導電線において導電率の向上と軽量化を図ることができる。

また、本発明において、
前記導電性の芯線は金属線であるようにしてもよい。

このように導電性の芯線として、金属線を用いることにより、導電線の導電率の向上を図ることができる。芯線に用いる金属としては、導電性の高い、金、銀、銅、アルミニウム、あるいはこれらの元素を含む金属が好ましい。金属線は、銅銀合金からなるようにしてもよく、また、導電性の芯線としては、導電性樹脂や樹脂に表面に金属メッキを施したものを用いることもできる。

また、本発明は、
前記被覆部における金属の割合は０．５重量％以上５０重量％以下であるようにしてもよい。

このように、被覆部における金属の割合を設定することにより、所望の重量と導電性を有する導電線を提供することができる。
被覆部に含まれる金属は、銅、アルミニウム、金、銀などの導電性が高い金属が好ましい。

また、本発明は、
長手方向に直交する方向の断面積における前記芯線の面積比率は１０％以上７０％以下であるようにしてもよい。

このように、導電性の芯線の面積比率を設定することにより、所望の重量と導電性を有する導電線を提供することができる。
軽量化の観点から、長手方向に直交する方向の断面積における芯線の面積比率は、好ましくは１０％以上５０％以下である。

前記被覆部における前記金属の密度は、径方向に変化するようにしてもよい。前記被覆部における前記金属の前記密度は、外径側から内径側に向けて小さくなるようにしてもよいし、前記被覆部における前記金属の前記密度は、外径側から内径側に向けて大きくなるようにしてもよく、前記被覆部における前記金属の前記密度は、外径から内径に向けて一旦小さくなった後に大きくなるようにしてもよい。

このように、被覆部における金属の密度に径方向の勾配をつけることにより、導電線の導電性を制御することができる。

また、前記被覆部に形成される前記金属は、前記被覆部に前記外周面を被覆された前記芯線に銅メッキを施すことにより形成されるようにしてもよい。
ただし、芯線に用いる素材、金属、及び、金属メッキにより被覆部に形成される金属はこれに限られない。

本発明によれば、カーボンナノチューブを用いた導電線における導電率の向上と軽量化を図ることができる。

本発明の実施例に係る被覆カーボンナノチューブ線の製造装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る導電線の断面の状態を示す模式図である。本発明の実施例に係るメッキ装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る導電線の側面と断面の状態を示す電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。但し、以下で説明する実施形態は本発明を実施するための例示であり、本発明は以下に説明する態様に限定されない。

＜実施例１＞
本実施例に係る導電線は、導電性の芯線の外周面にカーボンナノチューブ繊維を被覆し、さらにメッキを施したものである。図１は、導電性の芯線の外周面にカーボンナノチューブ繊維を被覆する装置の概略構成を示す図である。図２（Ａ）は被覆線材１０、図２（Ｂ）～（Ｄ）は導電線１４の構造を模式的に示す図である。図３は、カーボンナノチューブ繊維に被覆された芯線に対してメッキを施す装置の概略構成を示す図である。以下に、導電性の芯線として、銅銀合金製の金属線を用いる例について説明するが、導電性の芯線の素材は、これに限られず、金、銀、銅、アルミニウム、あるいはこれらの元素を含む合金のように導電性の高い金属が好ましい。また、導電性の芯線としては、樹脂又は導電性樹脂にこれらの金属によるメッキを施したものを用いることもできる。

製造装置１００では、複数のカーボンナノチューブを備えるカーボンナノチューブアレイ２０の端部から複数列の直線状に繋がった繊維状のカーボンナノチューブ（以下、「カーボンナノチューブ繊維」という。）１１，…，１１が一定速度で引き出される。また、繰り出しリール２１に巻かれた銅銀合金製の芯線１２が一定速度で引き出される。芯線１２は、複数列の直線状に繋がったカーボンナノチューブ繊維１１，…，１１とともに、収束されて、集合ダイス２２に導かれる。

例えば、繰り出しリール２１はカーボンナノチューブアレイ２０の鉛直下方に配置され、芯線１２は、カーボンナノチューブ繊維１１，…，１１の下方から、集合ダイス２２に導かれる。集合ダイス２２は、例えば円形状の細孔を有し、長手方向に引き揃えられた複数列のカーボンナノチューブ繊維１１，…，１１と芯材を径方向に圧縮して収束させる。なお、カーボンナノチューブ繊維１１，…，１１に対する芯線１２の導入方向はこれに限られない。発明者の実験によれば、集合ダイス２２の孔を通過させることにより、カーボンナノチューブ繊維１１，…，１１に対する芯線１２の導入方向に関わらず、カーボンナノチューブ繊維１１，…，１１が芯線１２の外周全面を被覆するように配置されることが分かっている。

集合ダイス２２からは、図２（Ａ）に示すように、芯線１２の外周全面をカーボンナノチューブ繊維１１，…，１１からなる被覆部１３によって被覆された線材（以下、「被覆線材」という）１０が引き出される。この被覆線材１０は、集合ダイス２２の下流側に配置されたローラ対２３ａ，２３ｂの周面を周回するように引き回され、巻き取りリール２４に巻き取られる。

上述の工程によって製造された被覆線材１０に対して、図３に示す装置によって銅メッキが施される。図３は装置の概略構成のみを示しており、メッキ装置内における被覆線材の支持及び搬送に関する詳細構成は省略している。

メッキ装置２００は、主として、前処理槽３１、メッキ槽３２、後処理槽３８及び乾燥機４０から構成される。以下では、メッキ装置２００のみについて説明するが、メッキ装置２００と同様のメッキ装置を複数並べて、被覆線材に異なる金属のメッキを施すようにしてもよい。この場合には、被覆線材に異なる金属のメッキを施した後に熱処理を行い、メッキを合金としてもよい。
前処理槽３１は、浸漬槽３１ａと貯留槽３１ｂとを含む。浸漬槽３１ａに満たされた水（H₂O）３１１に被覆線材１０が浸漬されて前処理が行われる。浸漬槽３１ａから溢れた
水は貯留槽３１ｂに落下し、貯留槽３１ｂに貯留された水３１１がポンプによって浸漬槽３１ａに供給され、浸漬槽３１ａと貯留槽３１ｂの間で水３１１は循環する。

メッキ槽３２は、浸漬槽３２ａと貯留槽３２ｂとを含む。浸漬槽３２ａには硫酸銅（CuSO₄）３２１が満たされるとともに、陽極である２枚のＣｕ板３３，３４が、処理される
被覆線材１０の長手方向に沿って配置される。また、貯留槽３２ｂには、貯留された硫酸銅３２１を加温するためのヒータ３５が設けられている。ここでも、浸漬槽３２ａから溢れた硫酸銅は貯留槽３２ｂに落下し、貯留槽３２ｂに貯留された硫酸銅３２１がポンプによって浸漬槽３２ａに供給され、浸漬槽３２ａと貯留槽３２ｂの間で硫酸銅３２１は循環する。
また、メッキ槽３２の浸漬槽３２ａに対して、処理される被覆線材１０の長手方向の両側には、陰極であるＳＵＳの電極棒３６，３７が被覆線材１０に接するように配置されている。電極棒３６，３７によって、被覆線材１０の外周から給電される。被覆線材１０の芯線１２に陰極を接続し、芯線１２から給電するようにしてもよい。

後処理槽３８は、浸漬槽３８ａと貯留槽３８ｂとを含む。浸漬槽３８ａに満たされた水（H₂O）３８１に被覆線材１０が浸漬されて後処理が行われる。浸漬槽３８ａから溢れた
水３８１は貯留槽３８ｂに落下し、貯留槽３８ｂに貯留された水３８１がポンプによって浸漬槽３８ａに供給され、浸漬槽３８ａと貯留槽３８ｂの間で水３８１は循環する。

繰り出しリール３９から引き出された被覆線材１０は、前処理槽３１、メッキ槽３２、後処理槽３８を経由し、乾燥機４０に導かれる。乾燥機４０では、メッキが施された被覆線材（以下、導電線という）１４に付着した水等の液体を加熱や送風により除去する。乾燥機４０を出た導電線１４は巻き取りリール４１に巻き取られる。

図３に示す装置によって、被覆線材１０にメッキを施す場合には、被覆線材１０を繰り出しリールから巻き取りリールへと連続的に移動させながらメッキを行う連続メッキと、被覆線材１０を繰り出しリールから巻き取りリールへと順次移動させ、静止させた状態でメッキを施す静止メッキとの２つの態様でのメッキが可能である。

次に、メッキ溶液条件について説明する。
上述したように、メッキ溶液としては、硫酸銅（CuSO₄）溶液を使用する。また、メッ
キ溶液の温度は、１５～６０℃が望ましく、本実施例では４０℃に設定している。メッキ溶液の濃度としては、１００～３００ｇ／Ｌが望ましい。メッキ溶液のｐＨ値については、０．１～５．０が望ましい。

次に、メッキ条件について説明する。
整流器電流値としては、０．００１～０．５Ａが望ましく、本実施例では、０．１Ａに設定している。被覆線材１０を移動させる線速は０．０１～３０ｍ／ｍｉｎが望ましく、本実施例では、０．５ｍ／ｍｉｎに設定している。また、陰極電流密度は、０．１～５０Ａ／ｄｍ^２が望ましい。被覆線材１０をメッキ溶液に浸漬させる浸漬距離は、１００～５００ｍｍが望ましい。

次に、前処理槽及び後処理槽における洗浄条件について説明する。
前処理槽及び後処理槽に貯留する水としては、蒸留水、純水又はイオン交換水を使用することが望ましく、本実施例では、蒸留水を使用している。また、前処理槽及び後処理槽に貯留する水の温度は、１０～４０℃が望ましく、本実施例では１５℃に設定している。そして、被覆線材１０を水に浸漬させる浸漬距離は１００～５００ｍｍが望ましい。

図４（Ａ）は本実施例に係る導電線１４の表面状態を示す電子顕微鏡写真であり、図４（Ｂ）は本実施例に係る導電線１４の構造を示す長手方向に直交する方向（径方向）の断面の電子顕微鏡写真である。

このようにして作製された導電線１４では、カーボンナノチューブ繊維によって構成される被覆部１３の内部がポーラス構造となっており、そのポーラス部に銅粒子１５が入り込むことにより、高電流密度で電流を流すことができる。また、図２（Ｂ）に示す例では、被覆部１３における銅粒子１５の密度は、被覆部１３の外周側で大きく、内径側に向けて次第に小さくなっている（図２（Ｂ）～（Ｄ）では、銅粒子１５の粗密をドットの粗密で模式的に表現している。）。すなわち、導電線１４の被覆部１３における銅粒子１５の密度は、外径側から内径側に向けて小さくなっている。上述のメッキ工程において通電する電流密度と通電時間を変更することによって、被覆部１３における銅粒子の径方向の密度分布を変更することができる。このとき、被覆線材１０を移動させる線速を変更することによって通電時間を変更する。上述のように、被覆部１３の外周側で銅粒子１５の密度が大きく、内径側に向けて次第に小さくなるようにすることもできるし、図２（Ｃ）に示すように、被覆部１３の外周側で銅粒子１５の密度が小さく、内径側に向けて次第に大きくなるようにすることもできる。また、図２（Ｄ）に示すように、被覆部１３の銅粒子１５の密度が外径から内径に向けて一旦小さくなった後に大きくなるようにすることもできる。

このように、被覆部１３における銅粒子１５の密度分布を径方向に変化させて勾配をつけることにより、導電線１４の導電性を制御することができる。すなわち、被覆部１３の外周側で導電性を上げると、高周波では表皮効果で外周側を電流が流れるため、導電線１４の表面の電流密度が高くなることで電流が流れやすくなる。また、内径側で導電性を上げ、内径側の電流密度を高くすることにより、導電線１４の表面の発熱を抑えることができる。回路においては発熱の抑制が要求されるので、このような導電線１４の表面の発熱抑制は有効である。また、被覆層の劣化を抑えるために導電線１４の表面をさらに絶縁被覆することも考えられるが、表面にＰＩ（ポリイミド樹脂）等の絶縁被膜により被覆した場合には、導電線１４からの発熱が、絶縁被膜の劣化原因となるため、このような観点からも、導電線１４の表面の発熱抑制は有効である。

図２（Ｂ）に示すように、被覆部１３の外周側で金属（ここでは銅粒子１５）の密度が大きく、内径側に向けて次第に小さくなるようにするには、図１に示すカーボンナノチューブ繊維１１，…，１１の引出量と集合ダイス２２の孔の径を変更することで被覆部１３内部に形成される空隙であるポーラス部を制御し、さらに、図３に示すメッキ装置２００において被覆線材１０の外径側から給電するとともに、被覆線材１０を移動させる線速と給電量を制御する。また、図２（Ｃ）に示すように、被覆部１３の外周側で金属（ここでは銅粒子１５）の密度が小さく、内径側に向けて次第に大きくなるようにするには、芯線１２側から給電し、給電量を制御する。なお、芯線１２からの給電でメッキを施す場合には、給電中には被覆線材１０を駆動せずに静止した状態で実施することが望ましい。図２（Ｄ）に示すように、被覆部１３の金属（ここでは銅粒子１５）の密度が外径から内径に向けて一旦小さくなった後に大きくなるようにするには、上記２つの給電方法を組み合わせる。

本実施例に係る導電線１４において、芯線を除く被覆部１３に形成された銅粒子１５の導電線１４に対する割合は、０．５重量％以上５０重量％以下であることが好ましい。芯線を除く被覆部１３に形成される金属（ここでは銅粒子１５）の導電線に対する割合の制御は以下のように行う。すなわち、図１に示すカーボンナノチューブ繊維１１，…，１１の引出量と集合ダイス２２の孔の径を変更することによって被覆部１３内部に形成される
空隙であるポーラス部を制御し、さらに、図３に示すメッキ装置２００について説明した陰極の電流密度や被覆線材１０を移動させる線速を変更することによってポーラス部への金属の充填量を制御する。

また、導電線１４の長手方向に直交する方向の断面積における芯線１２の面積比率は１０％以上５０％以下であることが望ましい。

本実施例に係る導電線１４の引張強さは、３５０～２２００ＭＰａであった。引張強さの測定は、ＪＩＳＺ２２４１に規定される測定方法に従った。本実施例の測定条件は、温度は２３℃、引張速度は３ｍｍ／ｍｉｎ、評点距離は１００ｍｍとした。また、引張強さの測定には、オリエンテック社製の引張試験機ＳＴＡ－１１５０を使用した。

本実施例に係る導電線１４の電流容量は、１．０×１０^７～１．６×１０^９Ａ／ｍ^２であった。

本実施例に係る導電線の導電率は、１．０×１０^４～５．０×１０^８Ｓ／ｍであった。

このように、本実施例によれば、芯線に金属線として銅銀合金線を用い、外周にカーボンナノチューブ繊維の被覆部を形成し、被覆部の内部にメッキによる銅粒子を配することに撚り大幅な導電率の向上と、軽量化を実現することができた。

１０・・・被覆線材
１１・・・カーボンナノチューブ繊維
１２・・・芯線
１３・・・被覆部
１４・・・導電線
１５・・・銅粒子

Claims

導電性の芯線と、
前記芯線の長手方向に引き揃えられた複数のカーボンナノチューブ繊維を含み、前記芯線の外周面を被覆する被覆部と、
を備え、
前記被覆部に被覆された前記芯線に金属メッキを施すことにより形成された金属を、前記被覆部は含み、
前記被覆部における前記金属の密度が、外径側から内径側に向けて大きくなることを特徴とする導電線。
導電性の芯線と、
前記芯線の長手方向に引き揃えられた複数のカーボンナノチューブ繊維を含み、前記芯線の外周面を被覆する被覆部と、
を備え、
前記被覆部に被覆された前記芯線に金属メッキを施すことにより形成された金属を、前記被覆部は含み、
前記被覆部における前記金属の密度が、外径から内径に向けて一旦小さくなった後に大きくなることを特徴とする導電線。
前記導電性の芯線は、金属線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の導電線。
前記金属線は、銅銀合金からなることを特徴とする請求項３に記載の導電線。
前記被覆部における前記金属の割合は０．５重量％以上５０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の導電線。
長手方向に直交する方向の断面積における前記芯線の面積比率は１０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の導電線。
前記被覆部に形成される前記金属は、前記被覆部に前記外周面を被覆された前記芯線に銅メッキを施すことにより形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の導電線。