JP7433053B2 - 同軸ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボットや半導体製造装置等、主に可動部に用いられる同軸ケーブルに関する。

近年、産業用ロボットや半導体製造装置等、主に可動部に用いられる同軸ケーブルにおいては、高周波用途の拡大に伴い、柔軟性に加えて放射ノイズの更なる低減が求められている。

特許文献１は、外部導体として、素線を螺旋状に巻き付けた横巻きシールドの外周を覆うように、編組シールドを設けた、同軸ケーブルが記されている。
この構造は、放射ノイズの低減等、シールド特性の改善に有効であるが、屈曲、捻回に対する耐久性が不十分であると共に、同軸ケーブルの細径化、柔軟性においても更なる改善が求められる。

特許文献２は、横巻構造の外部導体の外周に、金属テープを巻回した同軸ケーブルが記されている。
この構造も、放射ノイズの低減や、シールド特性の改善に有効であるが、テープ巻き構造は捻回に対する耐久性が不十分であり、更なる改善が求められる。

特許第６４０９９９３号公報 特開２００８－１７１７７８号公報

本発明の課題は、放射ノイズの低減等シールド特性の改善が可能であると共に、屈曲及び捻回に対する耐久性に優れ、さらに細径化が可能である同軸ケーブルを提供することにある。

（１）少なくとも内部導体、誘電体、外部導体を順次被覆してなる同軸ケーブルにおいて、外部導体は少なくとも、複数本の線条体からなる第１導電部材を横巻きする第１層と、第１層の外周に複数本の線条体からなる第２導電部材を横巻きする第２層から構成され、第１導電部材と第２導電部材の巻方向は互いに逆方向であることを特徴とする。
（２）第１導電部材及び第２導電部材の交差角度は、２０～９０度であることが好ましい。
（３）第１導電部材を構成する複数本の線条体は単線であって、線条体は、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされること
（４）第１導電部材及び／又は第２導電部材は、集合撚線構造であることが好ましい。
（５）第１導電部材及び／又は第２導電部材は、複合撚線構造であることが好ましい。
（６）第１導電部材を構成する第１素線の外径と、第２導電部材の外径との比率（第２導電部材の外径／第１素線の外径）は、１．５～２０であることが好ましい。
（７）第１層及び／又は第２層の横巻密度が、７０％以上であることが好ましい。
（８）誘電体は、少なくとも未焼結ＰＴＦＥ樹脂からなる層を有することが好ましい。

本発明の同軸ケーブルは、放射ノイズの低減等シールド特性の改善が可能であると共に、高周波における伝送特性や、屈曲及び捻回に対する耐久性に優れ、細径化が可能である。

（ａ）本発明の同軸ケーブルにおける径方向断面図の一例を示す。 （ｂ）本発明の同軸ケーブルにおける径方向断面図の他の一例を示す。 図１（ａ）Ａ部分（外部導体）の拡大図を示す。 外部導体における軸方向断面図を示す。 屈曲試験方法及び捻回試験方法の概略図を示す。 ＥＭＩ試験方法の概略図を示す。

以下、本発明の同軸ケーブルの一例として、基本構成について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）の同軸ケーブル１は、中心より順に、内部導体２、誘電体３、外部導体４、そして、ジャケット７である。

外部導体４は、図２に示すように、少なくとも複数本の線条体からなる第１導電部材４１を横巻きする第１層４ａと、第１層の外周に複数本の線条体からなる第２導電部材４２を横巻きする第２層４ｂから構成される。第１導電部材４１を構成する線条体を第１素線４１Ｘ、第２導電部材４２を構成する線条体を第２素線４２Ｘとする。
ここで図２の第１導電部材は、複数本の線条体（単線）を誘電体上に一列に並列して配置しているがこれに限定されない。
第１層４ａは、１本の第１導電部材４１を横巻する構成でも良いし、複数本の第１導電部材４１を横巻する構成でも良い。
第２層４ｂについても、第２導電部材４２の本数は、特に限定されない。
横巻構造は、編組構造と比較して、捻回に対する耐久性に優れ、同軸ケーブル１の細径化が可能である。
外部導体４は、第２層４ｂの外周に第３層（図示せず）など３層以上設けても良いが、同軸ケーブル１の細径化等の観点においては、最も好ましくは２層構造である。

図３に示すように、第１導電部材４１と、第２導電部材４２の巻方向は、互いに逆方向であることを特徴とする。外部導体４全体では、同軸ケーブル１の長さ方向（内部導体２を流れる電流を１８０度回転させた方向）に電流が流れるとみなせるため、内部導体２由来の磁界と、外部導体４由来の磁界が相殺される。その結果、同軸ケーブル１の放射ノイズが大幅に低減される。なお第１導電部材４１、第２導電部材４２の巻き方向は、互いの巻き方向が異なっていれば、右巻きあるいは左巻きであるかは任意である。

第１導電部材４１及び第２導電部材４２の交差角度θは、２０～９０度であることが好ましい。導電部材が交差することで、編組と類似の構造となり、同方向に巻く場合と比較し、シールド密度が高くなることから、同軸ケーブル１の放射ノイズが低減される。交差角度θは小さいほど柔軟性に優れ、より好ましくは２０～７０度、さらに好ましくは２０～５０度である。

同軸ケーブル１の長手方向に対する、第１導電部材４１及び第２導電部材４２の横巻ピッチは、同じであることが好ましい。
同軸ケーブル１の捻回に対する耐久性や放射ノイズの向上に寄与する。

第１導電部材４１を構成する複数本の線条体は単線であって、線条体は、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされることが好ましい（図２）。線条体が誘電体と均一に接触することで面が平滑化されるため伝送特性に優れると共に、同軸ケーブル１の細径化が可能である。
全ての線条体が、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされることが好ましいが、線条体のうち少なくとも一部が、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされていれば良い。

また、第１導電部材４１及び第２導電部材４２の構成は、複数本の線条体を束ねて撚ることにより形成される集合撚線構造、あるいは集合撚線構造を更に複数本束ねて撚って形成される複合撚線構造であることが好ましい。
第１導電部材４１及び第２導電部材４２は、同一の撚線構造であっても良いが、集合及び複合撚線構造の混合、あるいは、第２導電部材４２のみ集合又は複合撚線とする構造であっても良く、特に限定されない。
最も好ましくは、第１導電部材４１を構成する複数本の線条体は単線であって、線条体は、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされ、第２導電部材４２のみ撚線構造とする組み合わせである。高周波伝送特性に優れ、屈曲及び捻回に対する耐久性を向上でき、さらに細径化も可能である。

複合撚線構造は、上述の複合撚線をさらに束ね、複数本撚って形成されてもよく、構成はこれに限定されない。
撚線構造であることで、屈曲及び捻回時に、同軸ケーブル１にかかる負荷が分散されるため、耐久性が改善される。

集合撚線の構成については特に限定されず、例えば線条体が７本以上で構成されている。
複合撚線を構成する集合撚線の本数が多い方が、屈曲及び捻回に対する耐久性が向上する。また、線条体が７本の場合、中心の線条体１本の周りに６本配設される構造であり、中心の線条体１本に負荷が集中し断線しやすい。そのため、特定の線条体に負荷が集中しない、集合撚線の構成がより好ましい(例えば１０本撚り等)。

複合撚線の構成について特に限定されないが、伝送特性向上の観点で、集合撚線の束が１５本以下で構成されていることが好ましい。また、集合撚線が７本の場合、中心の集合撚線１本の周りに６本配設される構造であり、中心の集合撚線１本に負荷が集中し断線しやすい。そのため、特定の集合撚線に負荷が集中しない、集合撚線の構成がより好ましい(例えば、３本撚りや４本撚り等)。

複合撚線の場合における、集合撚線及び複合撚線の撚りピッチについては、特に限定されず、適宜決定される。

複合撚線の撚り方向についても特に限定されないが、線条体の撚り方向と、集合撚線の撚り方向は同じ方向であると、屈曲及び捻回に対する耐久性を向上でき、より好ましい。

第１導電部材４１を構成する第１素線４１Ｘの外径と、第２導電部材４２の外径との比率（第２導電部材４２の外径／第１素線４１Ｘの外径）は、１．５～２０であることが好ましく、より好ましくは３．０～１５である。
第１素線４１Ｘの方が細いため、捻回時の内部導体２への締め付けに起因する、捻回トルクの伝達を低減できるため、同軸ケーブル１の捻回耐久性が大きく向上する。

第１素線４１Ｘ及び第２素線４２Ｘの外径は、特に限定されないが０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下が好ましい。耐屈曲及び耐捻回の観点で、より好ましくは０．０３ｍｍ以上０．２ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下である。

第１層４ａ及び／又は第２層４ｂの横巻密度が、同軸ケーブル１の放射ノイズを低減する目的において、７０％以上であることが好ましい。第１層４ａ、第２層４ｂのいずれか一方の横巻密度が７０％以上であればよいが、好ましくは両層が７０％以上であり、より好ましくは、両層が８５％以上である。

外部導体４の材質は、導電性を有する材質であれば特に限定されないが、例えば、銅等の金属線や、あるいは、それらに錫、鉄、亜鉛、ニッケル等を添加した合金線等を素線として用いられる。金属線の表面は、適宜、銀、錫等のメッキが施されてもよい。伝送特性及び機械特性の観点で、銀メッキ銅合金線、または錫メッキ銅合金線が好ましい。

その他の態様について特に限定されないが、以下参考までに示す。

誘電体３は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも未焼結ＰＴＦＥ樹脂からなる層３ａを有することが好ましい。
未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａは、多孔質体であることから柔軟性に優れ、低誘電率のため細径化及び伝送特性に優れる。
誘電率は特に限定されないが、１．４～１．８が好ましい。伝送特性及び機械特性の観点において、特に好ましくは、１．６～１．８がより好ましい。
未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａの成形方法は特に限定されず、未焼結ＰＴＦＥ樹脂テープを巻き付ける構成も知られているが、生産性の観点で一般的なペースト押出成形が好ましい。

また、図１（ｂ）に示すように、未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａの上に、多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂを設けても良い、
テープの材質は特に限定されないが、特に好ましくは延伸ＰＴＦＥ樹脂テープである。
延伸ＰＴＦＥ樹脂テープは多孔質体のため低誘電率である上、焼結されたＰＴＦＥであるため、機械特性についても優れる。
多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂ（例えば延伸ＰＴＦＥ樹脂テープ）を、未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａの上に巻き付けることで、外部導体との滑り性が向上するため、トルク伝達性を低く抑え、特定の箇所に応力が集中することを回避でき、未焼成ＰＴＦＥ樹脂層３ａへの負荷を格段に軽減される。その結果、屈曲及び捻回に対する耐久性が大幅に向上される。

多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂのラップ幅について特に限定しないが、誘電体３の平滑性に優れ伝送特性に寄与する点で１／２ラップが好ましい。
多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂは、未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａの潰れ防止等、保護層として機能する。

誘電体３のその他の構成について、図１（ｂ）においては、未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａと多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂが一層ずつであるが、これに限定されず、例えば、多孔質ふっ素樹脂テープ層３ｂを二層以上施してもよい。

第１素線４１Ｘの外径、及び／又は、第２素線４２Ｘの外径と、誘電体３の外径との比率（誘電体径／第１、第２素線径）は、特に限定されないが、屈曲及び捻回に対する耐久性の観点で２０～１００が好ましい。

内部導体２の構成は、特に限定されないが、集合撚線構造あるいは複合撚線構造が好ましく、構造等の詳細は上述の外部導体で記載する通りである。
屈曲及び捻回に対する耐久性向上を考慮すると、複合撚線がより好ましい。複合撚線は、単線や集合撚線等と比べ、屈曲及び捻回時に、同軸ケーブル１にかかる負荷がさらに分散される。

本発明の同軸ケーブル１は、適宜、外部導体４の上にテープ材５が施されてよい。構成は限定されないが、巻き付けが好ましい。
屈曲や捻回等の可動時に、外部導体４の線条体のばらけを抑制する役割の他、外部導体４間の滑り性向上により、結果として、特定の箇所に応力が集中することを回避できる。
また、トルク伝達性が低いため、未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３aへの負荷を緩和でき、屈曲及び捻回に対する耐久性の向上に寄与する。
テープ材５の材質は、樹脂材料、金属箔等、特に限定されないが、延伸ＰＴＦＥ樹脂テープ、未焼成ＰＴＦＥ樹脂テープが好ましい。

ジャケット７の材質は特に限定されないが、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリエステル系エラストマー、ふっ素樹脂等が挙げられる。
柔軟性及び汎用性の観点で、軟質のポリ塩化ビニルが好ましい。

またテープ材５とジャケット７の間には、空隙６が設けられることが好ましい。
空隙６が設けられることにより、ケーブル内部への負荷が緩和され、同軸ケーブル１の屈曲及び捻回に対する耐久性が向上する。

シールド特性に加え、屈曲及び捻回に対する耐久性が格段に向上する構造としては、図１（ｂ）の態様が最も好ましい。

以下、本発明の同軸ケーブル１（図１（ｂ））に関して実施例を挙げ具体的に説明するが、本発明の範囲についてこれらに限定されるものではない。

実施例の同軸ケーブル１は、内部導体２は外径０．０８ｍｍの錫メッキ軟銅線の素線を２０本撚り合わせて集合撚線を形成し、更にこの集合撚線を３本束ねて撚り合わせた、外径が約０．７５ｍｍの複合撚線である。
誘電体３は、肉厚１．３ｍｍの未焼結ＰＴＦＥ樹脂層３ａの外周に、厚さ０．０５ｍｍ、幅１５ｍｍの延伸ＰＴＦＥ樹脂テープ３ｂを１／２ラップにて横巻きを施す。
外部導体は後述する。
外部導体の外周に、テープ材として、厚さ０．０８ｍｍ、幅２０ｍｍの未焼成ＰＴＦＥ樹脂テープ５を１／３ラップにて横巻きを施す。
さらに、外周にジャケット７として、ＰＶＣを肉厚約１．０ｍｍにて施す。テープ材とジャケットとの間には空隙６を設ける。

実施例１は、外部導体４の第１層は、外径０．１０２ｍｍ、錫メッキ軟銅線の第１素線４１Ｘが１２０本からなる第１導電部材を横巻する構造である。第１素線４１Ｘは、誘電体上に一列に並列配置して横巻きされる。第２層は、外径０．０８ｍｍ、錫メッキ軟銅線の第２素線４２Ｘを４０本撚り合わせ、さらにこれを１８本束ねた集合撚線構造の第２導電部材を横巻する構造である。第２導電部材の外径は、約０．６ｍｍである。第１層及び第２層の横巻ピッチは４０ｍｍであり、各層の巻方向は、互いに逆方向である。

実施例２は、実施例１のうち、外部導体の第１層は、外径０．０５ｍｍ、錫メッキ軟銅線の第１素線４１Ｘが１８０本からなる第１導電部材を横巻する構造である。

比較例１は、実施例１のうち、外部導体の第２層は、外径０．１ｍｍ、錫めっき銅合金線の編組構造である。

比較例２は、実施例１のうち、外部導体の第２層は、アルミニウム層－ポリエステル層を有するテープ（厚さ約２０μｍ、幅８．０ｍｍ）を１／３ラップで横巻する構造である。内周側の面をアルミニウム層とする。第１層と第２層の巻方向は、互いに逆方向である。

上記、実施例、比較例について、耐屈曲性、耐撚回性、ＥＭＩ試験について評価し、結果を表１に示す。

（屈曲試験方法）
屈曲試験方法の概略図を、図４（ａ）に示す。
サンプルの長さは１ｍ、曲げ半径Ｒは１５ｍｍ、荷重は５００ｇｆである。
図４（ａ）中の矢印のように、試験サンプルを９０度屈曲させた後、直線状に戻し、次に反対方向に９０度屈曲させ、直線状に戻す。この１サイクルを１回と数え、一定回数屈曲させた後に、外部導体の抵抗値を測定する。試験前の抵抗値と比較して、測定値が１０％以上変化した際の屈曲回数の平均値（ｎ＝３）を表１に記載する。

（捻回試験方法）
捻回試験方法の概略図を、図４（ｂ）に示す。
サンプルの長さは約３ｍ、固定間距離は５００ｍｍ、荷重は５００ｇｆである。
図４（ｂ）中の矢印のように、試験装置側のサンプル端を１８０度捻じった後、元に戻し、次に反対方向に１８０度捻じり、元に戻す。この１サイクルを１回と数え、一定回数捻回させた後に、外部導体の抵抗値を測定する。試験前の抵抗値と比較して、測定値が１０％以上変化した際の捻回回数の平均値（ｎ＝３）を表１に記載する。

（ＥＭＩ試験方法）
ＥＭＩ試験方法の概略図を、図５に示す。
シールドルーム内において、シグナルジェネレータで振幅２Ｖの信号をケーブルへ印加し、外部に放射するノイズをＥＭＩクランプで測定する。
ケーブルの長さは５ｍであり、一方のケーブル端部は測定基板に接続され、他方のケーブル端部は開放状態である。
ＥＭＩクランプを動かしながら、周波数１００～１０００ＭＨｚにおける、定在波の最大の振れを示す箇所の放射レベル[ｄＢｍ]を、スペクトラムアナライザで測定する。
基準サンプルとして、実施例１のうち、外部導体は第１層のみの同軸ケーブルを用い、基準サンプルとの放射レベルの差（基準サンプルの放射レベル－測定サンプルの放射レベル）を測定値［ｄＢｍ］とする。

実施例は、いずれも屈曲試験が４５万回以上、捻回試験が２５万回以上と、屈曲、捻回に対する耐久性に優れる上、細径であるにもかかわらず、放射ノイズが低減され、外部導体のシールド特性の向上が確認できる。
比較例は、いずれも放射ノイズの低減効果に優れるが、捻回試験が１０万回以下であり、比較例と比べて、実施例はいずれも捻回に対する耐久性に優れる。

本発明における実施例は、いずれも放射ノイズの低減等シールド特性の改善が可能であると共に、屈曲及び捻回に対する耐久性に優れ、さらに細径化が可能と言える。

本発明の同軸ケーブルは、特に産業用ロボットや半導体製造装置等で有用であるが、用途は特に限定されない。

１ 同軸ケーブル
２ 内部導体
３ 誘電体
３ａ 未焼結ＰＴＦＥ樹脂層
３ｂ 多孔質ふっ素樹脂テープ層
４ 外部導体
４ａ 第１層
４ｂ 第２層
４１ 第１導電部材
４２ 第２導電部材
４１Ｘ 第１素線
４２Ｘ 第２素線
５ テープ材
６ 空隙
７ ジャケット

Claims (7)

1. 少なくとも内部導体、誘電体、外部導体を順次被覆してなる同軸ケーブルにおいて、
   前記外部導体は少なくとも、複数本の線条体からなる第１導電部材を横巻きする第１層と、前記第１層の外周に複数本の線条体からなる第２導電部材を横巻きする第２層から構成され、前記第１導電部材と前記第２導電部材の巻方向は互いに逆方向であり、
   前記第１導電部材を構成する第１素線の外径と、前記第２導電部材の外径との比率（第２導電部材の外径／第１素線の外径）は、１．５～２０であることを特徴とする同軸ケーブル。
2. 前記第１導電部材及び前記第２導電部材の交差角度は、２０～９０度であることを特徴とする、
   請求項１に記載の同軸ケーブル。
3. 前記第１導電部材を構成する複数本の線条体は単線であって、前記線条体は、誘電体上に一列に並列して配置して横巻きされることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の同軸ケーブル。
4. 前記第１導電部材及び／又は前記第２導電部材は、集合撚線構造であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の同軸ケーブル。
5. 前記第１導電部材及び／又は前記第２導電部材は、複合撚線構造であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の同軸ケーブル。
6. 前記第１層及び／又は前記第２層の横巻密度が、７０％以上であることを特徴とする、
   請求項１～５の何れか一項に記載の同軸ケーブル。
7. 前記誘電体は、少なくとも未焼結ＰＴＦＥ樹脂からなる層を有することを特徴とする、
   請求項１～６の何れか一項に記載の同軸ケーブル。

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