JPS6333245B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高温度で心線絶縁を与えるようにし
たスズめつきより線の心線を有するフレキシブル
電気ケーブルの製法に関する。 航空産業に要求されるような信頼性の高いリン
クを形成する電気ケーブルには必要とされる最高
の品質を有していなければならない。この品質の
中で最も重要なものは次の３つである。すなわ
ち、第１に破損の危険を避けるために心線はフレ
キシビリテイがあることであり、これはそれぞれ
10分の２〜３ミリメートルの直径の銅素線で構成
したより線を使うことによつて得られる。第２に
短絡を防ぐために必要であつて有効な絶縁材料に
よつて与えられる電気的機械的絶縁作用である。
第３にこれらケーブルの端末におけるはんだ付け
または定着によつて形成される接続の信頼性であ
り、このような信頼性は銅の表面酸化を防ぎかつ
電気的接触を容易にするために素線に金属被覆を
施すことによつて得られる。 たとえば、商標「Kapton Ｈ」および
「Kapton Ｆ」の名のもとで米国会社Dupont de
Nemoursからテープの形で市販されているポリ
イミドは特に絶縁材料として有用であると思われ
る。「Kapton Ｆ」の場合、熱可塑性被覆はテー
プでシールするようにして与えられる。ワニス被
覆ありまたはなしのKaptonポリイミド絶縁体を
用いたケーブルの適用分野には急速に広がつてお
り、そのようなケーブルにおいては現在比類のな
いそれらの一般的な能力によつて大きな改善が得
られている。 このようなケーブルの開発にとつて最も好まし
くないものの１つは、原料の価格と、これらケー
ブルの製造に使われる技術の価格とによつて左右
されるコストである。 原料に関する限り、ケーブルの価格にかなりの
影響を与えるものは導体の特性である。しかし、
周知のとおり、Kapton Ｆポリイミドを使用でき
るのは、高温に耐える金属たとえば銀またはニツ
ケルを被覆した銅線だけである。 銀は技術的要求をすべて満足するものであるが
コストが非常に高い。 ニツケルはそれほど高価ではないがそれでもそ
のコストは高く、多くの使用者を不便にさせてい
る主なものとして、はんだ付けができないという
ことがある。 技術的理由で、だいぶ前に製造者および使用者
にはすでに明らかになつているこれら高価な金属
被覆の使用の必要性を以下に説明する。 これらのケーブルの主な適用、特に航空機への
適用に関する限り、複数の素線を含むより線から
成る心線、Kaptonポリイミドのテープ状絶縁体、
および外側の機械的保護用のワニスを含む周知の
ケーブルを取り上げると、ケーブルの絶縁体は完
全にシールされていて均質でなければならない。
さて、ポリイミドは熱可塑性物質でないので、こ
のポリイミドに従来のケーブル製造で最も多く使
われている押出技術を適用することはできない。
テープの各層が互いに完全にシールされるのであ
れば、テーピング工程だけでも使用はできる。 上記条件を満足させるには、テープを選ぶ必要
がある。このテープはポリイミドだけでは不十分
で、高温に耐え加熱処理時に軟化する薄い熱可塑
材料の層をテープの片面または両面に被覆する。
これは、熱可塑性層が275〜280℃の軟化点を有す
るフルオロエチレンプロピレン、すなわちFEP
であるKapton Ｆポリイミドテープの場合であ
る。 ケーブルの外表面をより滑らかに、またテーピ
ング時に生ずる端末の不揃い部または重なり部の
余分の厚さを平らにするために、このようなポリ
イミド絶縁体を高温度に耐えるワニスによつて被
覆し、被覆したワニスの各連続層を硬化させるこ
とは普通に行なわれている。ワニス塗布時の温度
は一般に250℃以上にしなければならない。 これら製造工程の記載から、裸の銅線またはス
ズめつき銅線の価格は非常に魅力的ではあるが、
その工程に適合できる唯一のものは銀またはニツ
ケル被覆の使用であることは明らかである。 実際、裸の銅線はこれらすべての熱処理の間に
酸化してしまい、使用においてはその表面条件は
どんなタイプの接続にも、すなわちはんだ付けま
たは圧着にも非常に不適当となり、一方、スズめ
つき銅線は融点がKapton Ｆポリイミドテープを
互いにシールするに必要な温度の275℃よりもか
なり低い（232℃）金属被覆を有しているので、
このような条件では、より線の素線が互いにくつ
つくことなくこれらのテープをシールすることは
原理的に不可能である。この場合は、別々の素線
から成るより線というよりは１本の素線から成る
単線を使用していることに等しいので、これを認
めることはできない。この欠点は、くつついて固
まつた心線が特に飛行機において発生する機械的
応力に耐えられないことである。飛行機では振動
および曲げ応力に耐えることがケーブルの重要な
必要条件なのである。より線だけがこれらのすべ
ての必要条件を満足するのである。このようなケ
ーブルの製造時の技術的な困難さはこれらケーブ
ルの供給契約で以下の２つの条件を如何にして両
立させるかであり、それらは次のとおりである。 条件１−スズめつき銅素線は、より線のフレキシ
ビリテイを保つために、ケーブルの各製造操作
の間にくつついてはならない。 条件２−スズめつき銅はその本質的な特徴、すな
わち、使用中の耐侵食性、はんだ付けまたは圧
着による接続の容易さを保つていなければなら
ない。 両条件の要求を同時に満足させるために、ある
周知の製法が現在使用されている。しかし、現在
の製法は、この分野で十分信頼性があることから
はほど遠いもので、製造工程の終わりにおいて純
粋なスズがいくらかは残るようにするために、素
線への純粋なスズの被覆を0.7〜1.5ミクロンとい
う十分な厚さにして製造開始するようにしてい
る。 最も激しいスズ／銅拡散は、Kapton Ｆポリイ
ミドテープがシールされる高温時に生ずる。この
第１の熱処理（275〜280℃）において、純粋なス
ズ層の厚さは拡散によつて約半分に減らされる。
したがつて、テープは部分的にしかシールされな
いと思われる。すなわち、外側のテープだけが完
全にシールされ、内側のテープは部分的にしかシ
ールされない。理論的に上述の工程は次の利点を
有している。すなわち(1)熱処理時間が短いので絶
縁体の熱慣性により、232℃を越える温度まで心
線が加熱されることはない。(2)内側テープ層のシ
ール不足またはシールの不完全さは心線にかかる
絶縁体の圧力を排除し、素線がくつついてしまう
危険が減少する。 上述の技術は理論上使用されることもあるが、
次の潜在的かつ不可避的欠点および危険をはらん
でいる。すなわち(1)ポリイミドテープの内側層の
密封性が貧弱であり、通常はテープシール操作時
よりも低い温度で行なわれる次の製造操作（ワニ
ス塗り）の時に容易に完全密封性を得ることはで
きない。(2)部分的かつ容易には制御できない素線
同志のくつつきがある。 実際、熱処理の時間および温度は、一般的に満
足のいくケーブルを得るためには非常に狭い範囲
内に調節されねばならない。たとえそれができて
も、ケーブルの全長に沿うどの地点でも、ケーブ
ルの特性を損ねてしまうことになろうより線の各
素線のくつつきがないかどうかをチエツクするこ
とはできない。したがつて、このような工程はケ
ーブルに所望の信頼性を与えるには不十分であ
る。 この周知の工程を使用したくない場合、上記し
た条件１および条件２のうち条件２の要件を満足
させるためには、熱処理後にできたケーブルのス
ズめつき銅の素線がすべて純粋な（すなわち合金
にされていない）スズの表面層を示していなけれ
ばならないので、条件１および条件２を両立させ
ることは依然として難しい。しかし、どんな熱処
理もスズを銅の中に拡散させようとするものであ
り、その拡散速度は熱処理の温度および時間、さ
らにはスズめつき銅が受けた予熱操作に依存する
のである。このような拡散によつて形成される金
属の層は銅線の中心から見て、以下の層から構成
される。 Cu 純銅 これらの層は容易に酸
化する Cu₃Sn 銅富有合金 Cu₆Sn₅ 若干の保護機能を持つた合金 Sn 保護機能を持つた純粋なスズ 明らかなように、スズめつき銅線が製造されて
すぐは、約0.1ミクロン厚の薄いスズ−銅の合金
である中間金属層が形成されている。 熱拡散は、純粋なスズ層の厚さを、これが完全
に消失してCu₆Sn₅になり、これも極端な場合に
は消失して、CuおよびCu₃Snの構成だけが残る
ようになるまで、減らすことになる。 このような結果は、Cu₃Snが酸化しやすく、延
性がなく、しかも、もろく砕けやすい構造になる
ので、悲惨である。したがつて、この欠点を除去
するには、純粋なスズの厚さは最小とするがしか
し、ケーブル完成時には純粋なスズの表面層が残
るほどに十分に厚くスズめつきした銅素線のより
線から成る心線を持つたケーブルを作ることが必
要である。 このような情況では、前述の周知工程を使用す
る以外前記条件１を満たす可能性はない。なぜな
ら、絶縁テープを付けるとき、より線には半径方
向に圧力がかかるようになり、そのより線は、テ
ープの層がシールされてワニスが塗られるときに
スズの融点より高い温度に加圧下でもたらされる
からである。 本発明は、スズめつきのより線から成る心線お
よびこれに高温度で与えられる絶縁体を有するフ
レキシブル電気ケーブルであつて、接続が容易か
つ確実であり簡単かつ安全に作ることのできる絶
縁フレキシブルケーブルの製法を提供することを
目的とする。 本発明によれば、スズめつき銅の素線から成る
心線に絶縁体が高温度で与えられるフレキシブル
電気ケーブルの製法であつて、複数のスズめつき
銅の素線を含むより線によつて構成されたフレキ
シブル心線を形成するステツプと、銅へのスズの
部分的拡散が生じると同時にスズが溶けてスズめ
つきした素線同志がくつついてしまう恐れのある
温度で、絶縁シースを与えて前記心線を絶縁する
ステツプとを有する製法において、前記フレキシ
ブル心線を形成するステツプおよびこの心線を絶
縁するステツプの少なくとも一方のステツプの前
に、銅へのスズの更なる拡散を著しく低下させる
だけの量の、素線の銅へのスズの拡散を行なわせ
る、100ないし300℃の間の温度および時間で、素
線を予熱することによつて各素線に拡散バリヤを
形成するステツプを有し、その拡散バリヤによつ
て、たとえ前記絶縁するステツプの開始時に素線
上の純粋なスズの層が素線のくつつきを生じさせ
ないほど十分薄いとしても、前記絶縁するステツ
プの終了時でも純粋なスズの層が消失することが
ないことを特徴とするフレキシブル電気ケーブル
の製法が提供される。 好適には、拡散バリヤを形成するステツプの終
りにおける純粋なスズの厚さはこのステツプの始
まる前における純粋なスズの厚さ、すなわち0.6
ないし1.2ミクロンの1/3ないし3/4とするのがよ
い。 絶縁するステツプは、心線の回りに機械的張力
をかけながら数層にテープを巻き、テープの層を
絶縁シースが形成される温度まで加熱してテープ
の層同志を結合することにより前記絶縁シースを
形成し、そしてワニスを前記絶縁シースに塗布し
てこのワニスを高温で乾燥硬化することによつて
前記絶縁シースを被覆するステツプから成る。 加熱の目的は、テープの層同志をシールした
り、それらの層に付着されたワニスを重合させた
りするためである。 上記方法において、テープは好適には薄いポリ
イミドのシートによつて形成するのがよいが、も
ちろんこれに匹敵する電気的および機械的特性を
有する他の材料で形成してもよい。 本発明は、スズめつき素線上の純粋なスズの層
が、使用したスズめつき銅線の直径にもよるが、
0.40〜0.80ミクロンの間にある特定の厚さを越え
ないとすれば、前記の条件１（素線同志がくつつ
かないこと）を満足させ得ることを発明者が見い
出したことに主として基いている。 事実、表面張力現象によるとは思うが、スズめ
つき銅線のより線は、以下の条件下において個々
の素線をくつつけさせることなしに、スズの融点
よりもかなり高い温度まで加熱できるのである、
すなわち、 (1) 素線が圧縮されない、すなわちスズの融点
（232℃）を越える温度でも絶縁体から圧力を受
けないこと、または (2) 純粋なスズ被覆の厚さが上述のように0.4な
いし0.8ミクロンを越えないこと、である。 詳述すれば、製造時の温度（275℃かそれより
少し高い温度）において素線のくつつきを避ける
ことができる純粋なスズの最大厚さは、素線の直
径と、絶縁テープのテーピング時に素線にかかる
圧力であるラツピング張力とに依存する。このラ
ツピング張力はテープの層間にすき間が残らない
程度に十分に大きくしなければならないもので、
幅７mm、厚さ0.03〜0.06mmのテープを直径１mmの
心線に２〜４層に巻く場合、約1000ないし3000グ
ラムなければならない。このように限定された実
際の圧力条件において、スズ被覆の最大厚さは以
下の表に示したように素線の直径に依存する。 素線の直径 純粋なスズの最大厚さ （mm） （ミクロン） 0.127 0.40 0.160 0.50 0.200 0.55 0.250 0.60 0.287以上 0.80 実際上、十分フレキシブルなケーブルを作るに
は、通常、直径500ミクロン以下の素線を使うこ
とが要求されている。 さて、従来周知の条件においては、純粋なスズ
のもともとの被覆厚さが0.6ミクロンに満たない
ものは、ワニス付きKaptonによる絶縁ケーブル
の製造の間に適用される各種熱処理の終りまで、
スズめつき銅線に純粋なスズの層を保持させてお
くことはできない。 本発明によれば、純粋なスズの被覆厚さが上記
の表に示した数字を越えない程度にスズめつきし
た銅線は素線同志のくつつきがなくて純粋なスズ
の十分な厚さの層を保持しているより線として使
用でき、はんだ付けのしやすさおよび耐侵食性と
いう必須特性を完成したケーブルに与えることが
できる。 以下添付図面に例示した本発明の限定しない一
実施例について詳述する。本発明の範囲を逸脱し
ないでここに述べたり図示した構成要素は同じ技
術的機能を果す他の構成要素によつて置換するこ
とができる。 第１図は周知方法および本発明による方法によ
つて製造されるフレキシブルケーブルを示してい
る。 第２図のグラフは、150℃での熱処理時間Ｈ（時
間）を関数として直径0.2mmのスズめつき銅素線
の表面における純粋なスズの層の厚さＥ（ミクロ
ン）の変化を示している。実線曲線ＡおよびＢは
予熱処理されていない素線に相当し、点線曲線Ｄ
は純粋なスズ層の最初の厚さが0.9ミクロンあつ
た素線を135℃で16時間、予熱処理を施したもの
に相当する。 第３図のグラフは第２図のグラフと同様の厚さ
の変化を示している。実線曲線Ｆは135℃での連
続熱処理に相当し、点接曲線Ｇは135℃で16時間
熱処理をした後完全に冷却し、続いて同じ温度で
熱処理をしたときに相当し、鎖線曲線Ｊは16時間
熱処理をした後完全に冷却し、続いて130℃で熱
処理をしたときに相当する。 第１図は、心線１が、それぞれ直径0.2mmのス
ズめつき銅線とした19本の素線から成るより線に
よつて形成され、１本または２本のKapton Ｆポ
リイミドテープ２を２〜６層にテーピングするこ
とによつてわずかに半径方向に圧縮されている、
ケーブルを示している。内側のテープは少なくと
も外表面に熱可塑性被覆を有し、外側のテープは
どれもその両面に被覆が施されている。 テーピングは上記した条件で行なわれ、15秒な
いし３分の期間、275℃を越える温度で硬化させ
られ、テープがシールされる。全体は浸積によつ
て塗布される２〜10層から成るワニス３によつて
被覆され、ケーブルは各ワニス被覆層において15
秒ないし３分の期間少なくとも250℃の温度で乾
燥／硬化または重合を受ける。ワニス３は白に着
色したポリイミドとすることもできる。テープ２
およびワニス３はケーブルの絶縁シースを成して
いる。 このようなケーブルを本発明による方法によつ
て構成するには、市販のスズめつき銅線が使用さ
れる。銅線は、電気分解または溶融融つきによつ
てスズめつきすることができるが、製造操作の前
には必ず予熱処理を受けて「拡散バリヤ」を形成
しておかなければならない。 「拡散バリヤ」は銅へのスズのその後の拡散を
著しく低下させる作用をする。したがつて、純粋
なスズの厚さは素線がくつついてしまうのが避け
られる安全範囲と考えられる厚さで製造開始する
ことができ、一方純粋なスズはケーブル製造後も
消失することなく多少は残ることになろう。 本発明の原理は第２図および第３図の拡散曲線
を調べることによつてより良く理解されよう。こ
れらの曲線は以下の拡散規則を表している。 (1) どのようなスズめつき銅線が使用されようと
も、すなわち純粋なスズのもともとの厚さがど
の位であれ、また銅線がどのように予熱処理さ
れていたとしても、特定の温度の間、拡散はま
ず急速に、次いでゆつくり行なわれるのが見ら
れる。これは拡散曲線の傾斜が異なつているこ
とに相当し、スズ／銅の合金により果たされる
拡散速度の減速機能または拡散バリヤ機能を完
全に示すものである。 (2) 絶縁体を与える工程の間、より線の銅素線へ
の更なるスズの拡散がどの程度妨げられるかを
表す「拡散バリヤ」の能力は、これが形成され
る温度（温度が高いほどその拡散バリヤの能力
は高い）および合金層の厚さに依存する。 (3) 特定の温度で形成されたどの「拡散バリヤ」
も低温度ではその後の拡散は妨げられる。これ
により、このようなケーブルの使用者に対する
安全性は大幅に改善される。使用時において
は、拡散バリヤはケーブルの作動温度より高い
温度で形成されているので、純粋なスズの層が
多少残つている場合にそれぞれがどんなに薄く
ても（100分の２〜３ミクロン）、その層が蒸発
したり消失したりする危検はない。 これらスズめつき銅線は純粋なスズのもともと
の含量が非常に少ない（一般のスズめつきでは
0.3ミクロン以下）従来のスズめつき銅線とは完
全に異なつた方法で反応する。本発明の方法を適
用しないで、完成したケーブルが純粋なスズの表
面層を持たせようとするとき、予熱処理をしなく
ても、Kapton Ｆポリイミドテープを完全に熱シ
ールする時に、導線の素線がくつついてしまわな
いような厚さを純粋なスズの被覆がもともと有し
ているような銅線の使用が不可欠である。 直径0.20mmの銅線の場合（第２図）ケーブル製
造中におけるスズの銅への拡散現象は150℃で24
時間加熱することによつてかなり良く再現するこ
とができると思われている。ここで、以下のこと
が観測される。 本発明を使用しない場合、純粋なスズのもとも
との厚さが0.9ミクロンで、純粋なスズは最後ま
で残り、0.5ミクロンでは最終的に何も残らない。
しかし、純粋なスズのもともとの厚さが、ケーブ
ル製造時に素線がくつついてしまうためにそのま
までは使用できない0.9ミクロンのものでも、使
用前に、その厚さを本発明によつて135℃で16時
間、予熱することによつて0.9ミクロンから0.5ミ
クロンへ減らすとすれば、十分な安全性および所
望の信頼性をもつて、ケーブル製造時に導線の素
線がくつつかない、およびケーブルの使用寿命の
間、そのケーブルには変化したり消失したりし難
い純粋なスズの表面層が保たれている、という必
要条件を満たすことができるようになる。 以下に、純粋なスズの厚さを、本発明による各
製造段階で測定した例を示す。ここで、ケーブル
は航空機用のもので、米国線番号（AWG）20番
の素線19本から成るケーブル（心線断面積0.6mm²）
であつて、各素線は直径が0.20mmのものである。

【表】 この表から、導体の直径にかかわらず、予熱処
理で純粋なスズの厚さがもとの厚さの1/3〜3/4に
減ることがわかる。 本発明による予熱処理は明らかに各種技術を使
つて与えることができるが、中でも最もよく知ら
れたものとして、個々の素線またはより線に対し
以下の処理方法のうちの１つが使用されている。
すなわち、オーブンの中で約100〜150℃の熱処理
を数時間かけて行うか、高温度（150〜300℃）の
炉の中に銅線を短時間（５秒ないし10分）通過さ
せるか、または焼鈍引伸ばし線に使われるような
ジユール効果による加熱のいずれかであるが、何
らこれらに限定されるものではない。 上述から明らかなように、本発明以前では、ポ
リイミド絶縁体を使用したいと思つても、スズめ
つき銅より線の使用は不可能であつたり、または
全く信頼性のある結果を与えていなかつた。 本発明はこのような製造を容易にし、製品は所
望どおりの信頼性がある一方、スズめつき銅線に
よるより線の主要な本質的特性（たとえば、フレ
キシビリテイ、はんだ付けのしやすさ、耐侵食
性）を維持している。特に、以下のような利点が
得られる。 (1) 銅はスズによつて電気化学的に保護される。 (2) この保護機能はケーブルの通常の使用条件
（作動温度が150℃を越えないという条件）では
低下しない。 (3) はんだ付けあるいは圧着によるスズめつき銅
の導体の接続の容易さは維持される。 (4) より線のケーブルに固有なフレキシビリテイ
および耐繰り返し曲げ応力はすぐれたままであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によつて製造されるフレキ
シブルケーブルを示す図、第２図および第３図は
熱処理時間Ｈを関数とする純粋なスズの厚さＥの
変化を示すグラフである。 １……心線、２……テープ、３……ワニス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スズめつき銅の素線から成る心線に絶縁体が
   高温度で与えられるフレキシブル電気ケーブルの
   製法であつて、複数のスズめつき銅の素線を含む
   より線によつて構成されたフレキシブル心線１を
   形成するステツプと、銅へのスズの部分的拡散が
   生じると同時にスズが溶けてスズめつきした素線
   同志がくつついてしまう恐れのある温度で、絶縁
   シース２，３を与えて前記心線を絶縁するステツ
   プとを有する製法において、前記フレキシブル心
   線を形成するステツプおよびこの心線を絶縁する
   ステツプの少なくとも一方のステツプの前に、銅
   へのスズの更なる拡散を著しく低下させるだけの
   量の、素線の銅へのスズの拡散を行わせる、100
   ないし300℃の間の温度および時間で、素線を予
   熱することによつて各素線に拡散バリヤを形成す
   るステツプを有し、その拡散バリヤによつて、た
   とえ前記絶縁するステツプの開始時に素線上の純
   粋なスズの層が素線のくつつきを生じさせないほ
   ど十分薄いとしても、前記絶縁するステツプの終
   了時でも純粋なスズの層が消失することがないこ
   とを特徴とするフレキシブル電気ケーブルの製
   法。 ２ 拡散バリヤを形成するステツプは、このステ
   ツプの終わりにおける純粋なスズの厚さがこのス
   テツプの始まる前における純粋なスズの厚さの1/
   ３ないし3/4となるに十分な温度および時間で行な
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   製法。 ３ 拡散バリヤを形成するステツプ後の純粋なス
   ズの厚さは0.4ないし0.8ミクロンであることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の製法。 ４ 拡散バリヤを形成するステツプ前の純粋なス
   ズの厚さは0.6ないし1.2ミクロンであることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の製法。 ５ 絶縁するステツプは、心線の回りに機械的張
   力をかけながら数層にテープを巻き、テープの層
   を絶縁シースが形成される温度まで加熱してテー
   プの層同志を結合することにより前記絶縁シース
   を形成し、そしてワニスを前記絶縁シースに塗布
   してこのワニスを高温で乾燥硬化することによつ
   て前記絶縁シースを被覆するステツプから成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製
   法。 ６ テープはポリイミド製であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載の製法。