JPWO2018117204A1 - 通信用電線 - Google Patents

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亮真 上柿
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Abstract

モード変換特性に優れた通信用電線を提供すること。導体12と、該導体12の外周を被覆する絶縁被覆13と、からなる1対の絶縁電線11,11が撚り合わせられた対撚線10と、対撚線10の外周を被覆する絶縁材料よりなるシース30と、を有し、シース30の誘電正接が、0.0001以上である通信用電線1とする。通信用電線1において、シース30の誘電正接が、絶縁被覆13の誘電正接よりも大きいとよい。

Description

本発明は、通信用電線に関し、さらに詳しくは、自動車等において、高速通信に用いることができる通信用電線に関するものである。
自動車等の分野において高速通信の需要が増している。高速通信に用いられる電線においては、特性インピーダンス等、各種伝送特性が所定の水準を満たすことが求められる。例えば、特許文献1においては、導体と該導体を被覆する絶縁体とを備えた一対の絶縁線心を撚り合わせてなる対撚り線と、該対撚り線を被覆するシールド用の金属箔シールドと、該金属箔シールドに対して導通する接地用電線と、これら全体を被覆するシースとを備え、且つ特性インピーダンス値が100±10Ωとなるように構成した通信用シールド電線が開示されている。
特開2005−32583号公報
自動車等に用いる通信用電線においては、特性インピーダンスのみならず、各種伝送特性が所定の水準にあることが求められる。その種の伝送特性として、透過モード変換特性や反射モード変換特性等、モード変換特性を挙げることができる。本発明者らの知見によると、通信用電線のモード変換特性は、絶縁被覆やシース等、通信用電線を構成するポリマー材料の物性に大きく依存する。
本発明の課題は、モード変換特性に優れた通信用電線を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明にかかる通信用電線は、導体と、該導体の外周を被覆する絶縁被覆と、からなる1対の絶縁電線が撚り合わせられた対撚線と、前記対撚線の外周を被覆する絶縁材料よりなるシースと、を有し、前記シースの誘電正接が、0.0001以上となっている。
ここで、前記シースの誘電正接が、0.08以下であるとよい。また、前記シースの誘電正接が、前記絶縁被覆の誘電正接よりも大きいとよい。そして、前記シースは、外層と、前記外層の内側に設けられた内層と、を有し、前記外層の誘電正接が、前記内層の誘電正接よりも大きいとよい。
上記発明にかかる通信用電線においては、対撚線の外周を被覆するシースの誘電正接が、0.0001以上とされている。シースの誘電正接を大きくすることで、通信用電線の周囲のグラウンド電位と対撚線の間に発生する結合をシースの誘電損失によって効果的に減衰させることができる。その結果、透過モード変換の値を、46dB以上のような高い水準とすることができる。
ここで、シースの誘電正接が、0.08以下である場合には、通信用電線において、伝送される信号の減衰を小さく抑えることができ、信号の減衰による通信不良を回避しやすくなる。
また、シースの誘電正接が、絶縁被覆の誘電正接よりも大きい場合には、通信用電線において、グラウンド電位との結合の低減と信号減衰の抑制とを両立しやすくなる。
そして、シースが、外層と、外層の内側に設けられた内層と、を有し、外層の誘電正接が、内層の誘電正接よりも大きい場合には、対撚線から相対的に離れた外層が誘電正接の大きい材料よりなることにより、グラウンド電位との結合を効果的に減衰させることができる。一方、対撚線に相対的に近い内層が誘電正接の小さい材料からなることにより、対撚線において伝送される信号の減衰を小さく抑えることができる。
本発明の一実施形態にかかる通信用電線を示す断面図である。 第一の変形形態にかかる通信用電線を示す断面図であり、シースが充実ジャケットとして設けられている。 第二の変形形態にかかる通信用電線を示す断面図であり、シースが2層構造になっている。 第三の変形形態にかかる通信用電線を示す断面図であり、絶縁電線間で絶縁被覆が融着されている。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態にかかる通信用電線について詳細に説明する。
[通信用電線の構成]
図1に、本発明の一実施形態にかかる通信用電線1の断面図を示す。
通信用電線1は、1対の絶縁電線11,11を撚り合わせた対撚線10を有している。各絶縁電線11は、導体12と、導体12の外周を被覆する絶縁被覆13を有している。そして、通信用電線1は、対撚線10全体の外周を被覆して、絶縁材料よりなるシース30を有している。通信用電線1においては、対撚線10によって差動モード信号を伝達することができ、例えば自動車等において高速通信用に用いられる。
なお、本実施形態にかかる通信用電線1においては、特許文献1の場合とは異なり、シース30の内側に、対撚線10を包囲する導電性材料よりなるシールドは設けられず、対撚線10の外周を直接シース30が包囲している。シールドは、対撚線10に対して、外部からのノイズの侵入および外部へのノイズの放出を遮蔽する役割を果たすが、本実施形態にかかる通信用電線1は、ノイズの影響が深刻でない条件で使用することを想定しており、シールドを設けていない。ただし、本実施形態および後に説明する各変形形態において、シース30,30A,30Bの内側にシールドを設けることを妨げるものではない。
(1)シースの構成
シース30は、対撚線10の保護や撚り構造の保持等を目的として設けられるものである。特に通信用電線1が自動車において用いられる場合に、通信用電線1を水の影響から保護することが求められるが、シース30は、水との接触が通信用電線1の各種特性に影響を与えるのを防止する役割も果たす。
図1で示した実施形態においては、シース30は、ルーズジャケットとして設けられており、中空筒状に成形された空間の中に、対撚線10を収容している。シース30は、対撚線10を構成する絶縁電線11と、内周面の周方向に沿って一部の領域でのみ接触しており、それ以外の領域においては、シース30と絶縁電線11の間に、空隙Gが存在し、空気の層が形成されている。また、図1で示した形態では、シース30は1層のみよりなっている。
(1−1)シースの材料
シース30は、ポリマー材料を主成分としてなっている。シース30を構成するポリマー材料は、どのようなものであってもよい。具体的なポリマー材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド等を挙げることができる。また、シース30は、ポリマー材料に加え、適宜、難燃剤等の添加剤を含有してもよい。
シース30を構成する材料は、0.0001以上の誘電正接を有している。なお、本明細書において、誘電正接、誘電率等、材料の特性は、通信用電線1を適用する通信周波数、例えば、1〜50MHzの周波数域に対して規定されるものであり、室温、大気中にて測定される値である。
シース30を構成する材料が大きな誘電正接を有するほど、シース30における誘電損失が大きくなり、対撚線10と、通信用電線1の外部に存在するグラウンド電位との間のカップリングに起因するコモンモードのノイズを減衰することができる。その結果、通信用電線1のモード変換特性を高めることができる。ここで、モード変換特性とは、透過モード変換特性(LCTL)および反射モード変換特性(LCL)、特に透過モード変換特性である。モード変換特性は、通信用電線1を伝送される信号における差動モードとコモンモードの間の変換の程度を示す指標であり、値(絶対値)が大きいほど、モード間の変換が生じにくいことになる。
自動車等において用いられるこの種の通信用電線1において、LCTL≧46.0dB(50MHz)、LCL≧46.0dB(50MHz)の水準を満たすことが望ましい。シース30の誘電正接を0.0001以上とすることで、これらの水準を満たすようなモード変換特性に優れた通信用電線1を得やすい。誘電正接を0.0006以上とすれば、さらにモード変換特性を高めやすい。例えば通信用電線1が自動車において用いられる場合に、通信用電線1の近傍に、車両ボディ等、グラウンド電位として寄与する部材が存在することが多く、シース30の誘電正接を大きくすることによるノイズ低減が有効となる。
一方、シース30を構成する材料の誘電正接が大きすぎても、対撚線10によって伝送される差動モード信号の減衰が大きくなり、通信不良を招く可能性がある。例えば、シース30の誘電正接を、0.08以下、さらには0.01以下としておくことで、信号減衰の影響を小さく抑えることができる。
シース30における誘電正接は、シース材を構成するポリマー材料や難燃剤等の添加剤の種類、添加剤の添加量等によって調整することができる。例えば、ポリマー材料として、分子極性の高いものを用いることで、シース30の誘電正接を大きくすることができる。通常、分子極性が高く、高誘電率を有するポリマー材料は、誘電正接も大きいからである。また、極性の高い添加剤を添加することでも、シース30の誘電正接を大きくすることができる。そして、その種の添加剤の含有量を多くすることで、誘電正接をさらに大きくすることができる。
ところで、この種の通信用電線1においては、絶縁電線11の細径化やシース30の薄肉化によって通信用電線1全体の細径化を図ろうとすると、要求される大きさの特性インピーダンスを確保するのが難しくなる場合がある。そこで、下記の式(1)で定義される通信用電線1の実効誘電率を小さくすることで、特性インピーダンスを高くすることが考えられる。その観点からは、シース30を構成するポリマー材料として、分子極性が低く、低誘電率を与えるものを用いることが好ましいことになる。
Figure 2018117204
ここで、εeffは実効誘電率、dは導体径、Dは電線外径、ηは定数である。
さらに、車載環境等において通信用電線1が高温に晒される場合があるが、シース30を構成するポリマー材料の分子極性が低いほど、高温でシース30の誘電率が大きく上昇して通信用電線1の特性インピーダンスが下がるという事態を回避しやすいという観点においても、好ましい。分子極性の低いポリマー材料として、特に非極性のポリマー材料を用いることが好ましい。上記で列挙した各種ポリマー材料のうち、非極性のポリマー材料として、ポリオレフィンを挙げることができる。
このように、シース30においては、ポリマー材料の分子極性が高いほど大きくなる傾向を有するパラメータである誘電正接が大きいことが望まれると同時に、別の観点からシース30を構成するポリマー材料の分子極性が低いことが望まれる。そこで、ポリオレフィン等、分子極性のない、あるいは低いポリマー材料に、誘電正接を上昇させるような極性の添加剤を添加することで、シース30の構成材料全体としての誘電正接を大きくすることができる。
さらに、シース30を構成する材料は、絶縁電線11の絶縁被覆13を構成する材料の誘電正接以上、さらには絶縁被覆13の誘電正接よりも大きな誘電正接を有することが好ましい。上記のように、シース30は、モード変換特性の向上の観点から、大きな誘電正接を有する方がよいのに対し、対撚線10を伝送される差動モード信号の減衰の影響を小さく抑える等の観点から、絶縁被覆13においては誘電正接が小さい方が好ましいからである。例えば、シース30の誘電正接を、絶縁被覆13の誘電正接の1.5倍以上、さらには2倍以上、5倍以上とする形態を、好ましいものとして例示することができる。
シース30を構成するポリマー材料は、発泡されていても、されていなくてもよい。発泡部に空気が保持されることの効果として、シース30の誘電率を小さくし、通信用電線1の特性インピーダンスを大きくする等の観点からは、発泡されている方が好ましい。一方、発泡の程度のばらつきによって、通信用電線1の伝送特性にばらつきが生じるのを抑え、伝送特性を安定させる観点からは、発泡されていない方が好ましい。また、シース30の製造性について、発泡の工程を省略できるという観点からは、シース30を発泡されないものとする方が簡便であるが、空隙Gを設けなくても(つまり後述する充実型ジャケットに相当する構成としても)、あるいは小さくしても、シース30の誘電率を小さくできるという観点からは、シース30を発泡されたものとする方が簡便である。
(1−2)シースの好ましい形状
上記で説明したとおり、図1の形態においては、シース30がルーズジャケット型として設けられている。通信用電線1の特性インピーダンスは、対撚線10が誘電率の低い材料に包囲されている方が高くなり(式(1)参照)、対撚線10の周囲に空気の層が存在するルーズジャケット型においては、対撚線10の外側にすぐ誘電体が存在する充実ジャケットの場合(図2参照)よりも、特性インピーダンスを高くすることができる。よって、ルーズジャケット型のシース30を用いることで、各絶縁電線11の絶縁被覆13を薄くしても、十分な大きさの特性インピーダンスを確保しやすい。絶縁被覆13を薄くすることで、絶縁電線11を細径化し、通信用電線1全体の外径も小さくすることができる。また、ルーズジャケット型のシース30を用いる方が、充実ジャケット型の場合よりも、シースとして用いる材料の量が少ないことにより、充実ジャケットを用いる場合よりも、通信用電線1の単位長さ当たりの質量を小さくすることができる。
さらに、シース30がルーズジャケット型であり、絶縁電線11との間に空隙Gを有することにより、シース30の成形時等において、シース30と絶縁電線11の絶縁被覆13の間で、融着が起こるのを、充実ジャケット型の場合よりも、抑制しやすい。その結果、通信用電線1の端末の加工を行う際などに、シース30の剥離を行いやすくなる。シース30と絶縁被覆13の間の融着は、シース30を構成するポリマー材料と絶縁被覆13を構成するポリマー材料が同種である場合に、特に問題となりやすい。
シース30と絶縁電線11の間の空隙Gが大きいほど、実効誘電率(式(1)参照)が小さくなり、通信用電線1の特性インピーダンスが大きくなる。通信用電線1の軸に略垂直に交差する断面において、シース30の外周縁に囲まれた全領域の面積、つまりシース30の厚さまで含む断面積のうち、空隙Gが占める面積の割合(外周面積率)が8%以上となるようにすると、十分な空気の層が対撚線10の周囲に存在することになり、必要な大きさの特性インピーダンスを確保しやすい。空隙Gの外周面積率は、15%以上であると、さらに好ましい。一方、空隙Gが占める面積の割合を大きくしすぎても、シース30の内部空間における対撚線10の位置ずれや、対撚線10の撚り構造の緩みが生じやすくなる。それらの現象は、通信用電線1の特性インピーダンス等の各種伝送特性のばらつき、経時変化につながる。それらを抑制する観点から、空隙Gの外周面積率は30%以下、さらには、23%以下に抑えておくことが好ましい。
シース30の厚さは、適宜選択すればよい。例として、通信用電線1の外部からのノイズの影響、例えば通信用電線1を他の電線とともにワイヤーハーネス等の状態で用いた際の他の電線からの影響を低減する観点、また、耐摩耗性、耐衝撃性等、シース30の機械的特性を確保する観点からは、シースの厚さを、0.20mm以上、さらに好ましくは0.30mm以上とすればよい。一方、実効誘電率を小さく抑えること、通信用電線1全体を細径化することを考慮すると、シース30の厚さを、1.0mm以下、さらに好ましくは0.7mm以下とすればよい。
(3)絶縁電線の構成
上記のように、対撚線10を構成する絶縁電線11は、導体12と、導体12の外周を被覆する絶縁被覆13とを有している。絶縁電線11および絶縁被覆13は、いかなる材料および形態よりなってもよいが、以下に、好ましい材料および形態について記載する。
(3−1)導体について
絶縁電線11を構成する導体12は、いかなる金属線材よりなってもよいが、銅線または銅合金線を含んでなることが好ましい。銅合金線としては、種々の軟銅線または硬銅線を用いることができる。軟銅線としては、以下に挙げるようなFeおよびTiを含有する銅合金線(以下で、銅合金線Aとする)、また、FeおよびP、Snを含有する銅合金線(以下で、銅合金線Bとする)を例示することができる。硬銅線としては、Snを0.1〜1.7質量%含有する公知のCu−Sn合金線を例示することができる。
銅合金線Aは、以下のような成分組成を有している。
・Fe:0.05質量%以上、2.0質量%以下
・Ti:0.02質量%以上、1.0質量%以下
・Mg:0質量%以上、0.6質量%以下(Mgが含有されない形態も含む)
・残部がCuおよび不可避的不純物よりなる。
また、銅合金線Bは、以下のような成分組成を有している。
・Fe:0.1質量%以上、0.8質量%以下
・P:0.03質量%以上、0.3質量%以下
・Sn:0.1質量%以上、0.4質量%以下
・残部がCuおよび不可避的不純物よりなる。
導体12は、単線よりなってもよいが、屈曲性を高める等の観点から、複数の素線(例えば7本)が撚り合わせられた撚線よりなることが好ましい。この場合に、素線を撚り合わせた後に、圧縮成形を行い、圧縮撚線としてもよい。圧縮成形により、導体12の外径を縮小することができる。また、導体12が撚線よりなる場合に、全て同じ素線よりなっても、2種以上の素線よりなってもよい。2種以上の素線を用いる形態として、銅合金線A,B等の軟銅線やCu−Sn合金線等の硬銅線のような銅合金よりなる素線と、SUS等、銅合金以外の金属材料よりなる素線を用いる場合を例示することができる。また、銅合金線として、1種のみよりなる素線を用いても、2種以上の素線を組み合わせてもよい。
絶縁電線11を構成する導体12としては、引張強さの大きいものを用いるとことが好ましい。例えば、絶縁電線11を、380MPa以上の引張強さを有する金属線材より構成する形態を、好ましいものとして挙げることができる。導体12の引張強さは、400MPa以上、440MPa以上、さらには480MPa以上であれば、より好ましい。
導体12が、例えば380MPa以上のような大きな引張強さを有していることで、導体12を細径化しても、自動車用電線等として要求される強度を維持しやすくなっている。導体12を細径化することで、対撚線10を構成する2本の導体12,12の間の距離が近くなる。式(1)に示されるように、2本の導体12,12の間の距離が近くなると、通信用電線1の特性インピーダンスが高くなる。対撚線10を構成する絶縁電線11の絶縁被覆13の層が薄くなると、特性インピーダンスが小さくなるが、本通信用電線1においては、導体12,12の細径化に伴う接近の効果により、絶縁被覆13の厚さを小さくしても、通信用電線1において、100±10Ωのように、要求される大きさの特性インピーダンスを確保しやすくなる。絶縁電線11の絶縁被覆13を薄くすることで、通信用電線1全体としての線径(仕上がり径)を細くすることができる。通信用電線1が、所定の特性インピーダンス値を保ちながら、細径化されることで、通信用電線1を、自動車内等、空間が限られた場所での高速通信の用途に、好適に用いることができる。
このように、導体12の引張強さは、導体12の細径化を通して、特性インピーダンス等、通信用電線1の電気的特性に寄与しうるが、所定の径の導体12を用いて通信用電線1を構成することができれば、導体12の引張強さ自体が、通信用電線1の電気的特性に影響を及ぼすことは、実質的に起こらない。例えば、後の実施例に示すように、通信用電線1のモード変換特性は、導体12の引張強さに依存しない。
絶縁電線11を構成する導体12の細径化および絶縁被覆13の薄肉化は、通信用電線1の細径化のみならず、通信用電線1の軽量化にも効果を有する。通信用電線1を軽量化することで、例えば通信用電線1を自動車内の通信に用いた際に、車両全体を軽量化することができ、車両の低燃費化につながる。
また、導体12は、7%以上、さらには10%以上の破断伸びを有していることが好ましい。銅合金線に熱処理を加えることで、引張強さや破断伸びを調整することができ、上記の銅合金線A,B等の軟銅線に、熱処理を加えることで、7%以上のような高い破断伸びを得ることができる。一般に、銅合金に加える熱処理の温度を高くすると、破断伸びは向上する一方、引張強さは低下する傾向があるが、上記銅合金線A,Bは、熱処理を経て、7%以上の破断伸びと、380MPa以上の引張強さを両立することができる。
一般的に、引張強さの高い導体は、靱性が低く、急激に力が加わった際の耐衝撃性が低いことが多い。しかし、上記のように、380MPa以上の高い引張強さを有する導体12において、7%以上の破断伸びを有していれば、通信用電線1からワイヤーハーネスを組み立てる工程、またそのワイヤーハーネスの組み付けの工程において、導体12に対して衝撃が加えられても、導体12が、高い耐衝撃性を発揮することができる。
また、導体12が、7%以上のように高い破断伸びを有していることで、絶縁電線11が軟らかくなり、2本の絶縁電線11を撚り合わせて対撚線10を構成した際に、2本の絶縁電線11の間に隙間が生じにくくなる。また、対撚線10の撚り構造が安定に維持されるようになる。2本の絶縁電線11の間の隙間が大きくなると、通信用電線1の特性インピーダンスが高くなりやすいが、隙間が小さい状態で安定に撚り構造を維持することにより、特性インピーダンスの値が過度に高くなるのを防止することができ、また、特性インピーダンスを、要求される値の範囲の中に、ばらつきが小さい状態で安定に維持しやすくなる。
(3−2)絶縁被覆について
絶縁電線11の絶縁被覆13は、どのような絶縁性のポリマー材料よりなってもよい。通信用電線1の特性インピーダンスとして所定の高い値を確保する観点から、絶縁被覆13は、4.0以下の比誘電率を有することが好ましい。そのようなポリマー材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド等を挙げることができる。絶縁被覆13は、ポリマー材料に加え、適宜、難燃剤等の添加剤を含有してもよい。
絶縁被覆13の誘電率を小さくする観点、特に、車載環境等で高温に晒された際でも誘電率の過度な上昇を避ける観点から、絶縁被覆13を構成するポリマー材料としては、シース30を構成するポリマー材料の場合と同様に、分子極性の低いものを用いることが好ましい。例えば、上記で列挙したうち、非極性のポリマー材料であるポリオレフィンを用いることが好ましい。
また、絶縁被覆13の誘電正接は、小さい方が好ましい。絶縁被覆13の誘電正接を小さくすることで、対撚線10において伝送される差動モード信号の減衰の影響を小さく抑えることができるからである。また、必要な大きさの特性インピーダンスを確保するために要する絶縁被覆13の厚さを小さくし(式(1)参照)、絶縁電線11を細径化および軽量化することができるからである。例えば、絶縁被覆13の誘電正接を0.001以下とするのが好ましい。そして、上記のとおり、絶縁被覆13の誘電正接は、シース30の誘電正接以下、さらにはシース30の誘電正接よりも小さい値であることが好ましい。
また、絶縁被覆13を構成するポリマー材料は、発泡されていても、されていなくてもよい。絶縁被覆13の誘電率を小さくし、絶縁電線11を細径化する観点からは、発泡されている方が好ましく、通信用電線1の伝送特性を安定させる観点および絶縁被覆13の製造工程を簡素化する観点からは、発泡されていない方が好ましい。
絶縁被覆13は、シース30と同種のポリマー材料よりなっても、異種のポリマー材料よりなってもよい。通信用電線1全体の構成および製造工程を簡素化する観点からは、同種の材料よりなる方が好ましい。一方、絶縁被覆13およびシース30それぞれに対して、誘電率等の物性を高自由度で選択する観点からは、異種の材料よりなる方が好ましい。特に、絶縁被覆13とシース30の誘電正接を異ならせる場合には、両者を異種の材料より構成することで、簡便に誘電正接に差を設けることができる。加えて、シース30の押出等の際に、シース30と絶縁被覆13が融着するのを抑制し、通信用電線1の端末部等におけるシース30の剥離を容易にする観点からも、両者を異種の材料より構成することが好ましい。
絶縁電線11において、導体12の全周にわたって、絶縁被覆13の厚さ(絶縁厚)の均一性が高い方が好ましい。つまり、偏肉が小さいことが好ましい。すると、導体12の偏芯が小さくなり、対撚線10を構成した際に、対撚線10に占める導体12の位置の対称性が高くなる。その結果、通信用電線1の伝送特性、特に、モード変換特性を高めることができる。例えば、各絶縁電線11の偏芯率を、65%以上、より好ましくは75%以上とするとよい。ここで、偏芯率は、[最小絶縁厚]/[最大絶縁厚]×100%として算出される。
(3−3)対撚線の撚り構造について
対撚線10においては、対撚線10を構成する2本の絶縁電線11の長さの差(線長差)が、小さい方が好ましい。対撚線10において、2本の絶縁電線11の対称性を上げることができ、伝送特性、特にモード変換特性を高めることができる。例えば、対撚線1mあたりの線長差を、5mm以下、さらに好ましくは3mm以下に抑えておけば、線長差の影響を小さく抑えやすい。
対撚線10の撚りピッチは、特に限定されるものではなく、絶縁電線11の外径等に応じて設定することができる。しかし、撚りピッチを、絶縁電線11の外径の60倍以下、好ましくは45倍以下、さらに好ましくは30倍以下としておくことで、撚り構造の緩みを効果的に抑制することができる。撚り構造の緩みは、通信用電線1の特性インピーダンスや各種伝送特性のばらつきや経時変化につながりうる。
一方、対撚線10の撚りピッチを小さくしすぎると、対撚線10の生産性が低くなり、製造コストが上昇するため、撚りピッチは、絶縁電線11の外径の8倍以上、さらに好ましくは12倍以上、15倍以上としておくことが好ましい。上記のように、絶縁電線11を構成する導体12が高い破断伸びを有しているほど、絶縁電線11の軟らかさの効果により、対撚線10の撚り構造を緩みなく安定に維持しやすくなる。例えば、導体12が7%以上の破断伸びを有する場合には、対撚線10の撚りピッチを、絶縁電線11の外径の15倍以上のように大きくしても、絶縁電線11の間の隙間を小さく維持し、通信用電線1の特性インピーダンスを、100±10Ωのように、要求される範囲に対して、過度に上昇させず、また安定に維持することが可能となる。
反対に、絶縁電線11を構成する導体12の破断伸びが低い場合には、対撚線10の撚りピッチを小さくすることで、破断伸びの低さを補って、対撚線10の撚り構造を、絶縁電線11の間の隙間が小さい状態に、安定に維持することができる。例えば、導体12の破断伸びが7%未満の場合にも、対撚線の撚りピッチを、絶縁電線11の外径の25倍以下、さらには20倍以下、15倍以下のように小さくすることで、通信用電線1の特性インピーダンスを、100±10Ωのように、要求される範囲に対して、過度に上昇させず、また安定に維持することが可能となる。
[第一の変形形態:シースが充実ジャケット型である場合]
上記で詳細に説明した図1の通信用電線1においては、シース30が、ルーズジャケットの形態をとっていた。通信用電線1の細径化および軽量化の観点からは、ルーズジャケット型のシース30を用いることが好ましいが、細径化の要請がそれほど大きくない場合等には、以下に示す第一の変形形態にかかる通信用電線1Aのように、充実ジャケット型のシース30Aを用いることも考えられる。なお、通信用電線1Aの構成は、シース30Aの形状を除いて、上記通信用電線1と同様である。
図2に、第一の変形形態にかかる通信用電線1Aの断面を示す。通信用電線1Aは、対撚線10の外周を被覆して、充実ジャケット型のシース30Aを有している。ここでは、シース30Aが、対撚線10を構成する絶縁電線11に接触するか、そのすぐ近傍の位置まで充実状に形成されており、シース30Aと絶縁電線11の間に、製造上、不可避的に形成される空隙を除いて、空隙が実質的に存在していない。
充実ジャケット型シース30Aを構成する材料としては、ルーズジャケット型シース30について上記で説明したのと同様の材料、つまり、誘電正接が0.0001以上であり、上記で説明した各種の好ましい特性を任意に有する材料よりなっている。
充実ジャケット型シース30Aを用いる場合には、ルーズジャケット型シース30を用いる場合に比べて、通信用電線1Aを細径化および軽量化するのは難しいが、充実ジャケット型シース30Aにおいては、誘電体の厚みの効果により、誘電損失が大きくなるので、対撚線10と、通信用電線1Aの外部に存在するグラウンド電位との間のカップリングに起因するコモンモードのノイズを効果的に減衰させることができる。また、絶縁電線11に接触するか、そのすぐ近傍の位置まで充実状に形成されているという充実ジャケット型シース30Aの形状により、ルーズジャケット型シース30の場合よりも、対撚線10を内部空間に強固に固定することができる。そのため、対撚線10のシース30Aに対する位置ずれや撚り構造の緩み等の現象を防止しやすい。その結果、対撚線10の位置ずれや撚り構造の緩みによって生じうる通信用電線1Aの各種伝送特性の経時変化やばらつきを、効果的に抑制することができる。ルーズジャケット型のシース30と充実ジャケット型のシース30Aのいずれとするか、またそれぞれの場合のシース30,30Aの厚さは、シースを押し出し成形によって作製する際の条件(ダイス・ポイント形状、押出温度等)によって制御することができる。
充実ジャケット型シース30Aにおいても、ルーズジャケット型シース30の場合と同様に、ポリマー材料が、発泡されても、されなくてもよいが、充実ジャケット型シース30Aの場合には、発泡される形態が、より好適である。発泡部に空気が保持されることにより、通信用電線1Aの実効誘電率を小さくする効果と、充実形状によって対撚線10を内部空間に強固に保持する効果の両方を享受することができるからである。
[第二の変形形態:シースが2層構成である場合]
上記で詳細に説明した図1の通信用電線1においては、ルーズジャケット型シース30が、1層よりなっていた。構成の簡素性、製造工程の簡便性等の観点からは、シース30を1層のみで形成することが好ましいが、2層をはじめ、複数の層よりシースを構成することで、誘電特性等の物性を各層ごとに設定し、それぞれの物性を達成できるように具体的な材料の選択を行うことができる。その結果、シース全体として、多様な特性、機能を実現することができる。
図3に、第二の変形形態にかかる通信用電線1Bの断面を示す。通信用電線1Bは、外層31と、その内側に設けられた内層32の2層構成よりなるシース30Bを有している。なお、通信用電線1Bの構成は、シース30Bの構成を除いて、上記通信用電線1と同様である。
シース30Bにおいては、内層32が対撚線10の外周を被覆しており、さらに、内層32の外側を、同軸状に、外層31が被覆している。外層31と内層32は相互に密着している。内層32と対撚線10を構成する絶縁電線11との間には空隙Gが存在し、外層31と内層32を合わせたシース30B全体として、ルーズジャケット型の構造をとっている。
外層31および内層32を構成する材料の物性は、目的に応じて適宜設定し、その物性を実現できるように、それぞれの層31,32に対して具体的な材料を選定すればよい。好適な例として、外層31の誘電正接を、内層32の誘電正接よりも大きくする形態を挙げることができる。
対撚線10を包囲するシース材として誘電正接の大きい材料を用いると、周囲のグラウンド電位と対撚線10の間のカップリングに起因するコモンモードのノイズを減衰させ、モード変換特性を高める効果に優れる。一方で、シース材の誘電正接が大きいと、対撚線10によって伝送される差動信号が減衰されやすくなり、通信不良が生じる可能性がある。よって、信号のロスを低減する観点からは、シース材の誘電正接が小さい方が好ましい。
本変形形態の2層構成のシース30Bにおいて、相対的に対撚線10から離れた位置に配置される外層31として、誘電正接の大きい材料を用いることで、対撚線10によって伝送される信号の減衰を小さく抑えながら、効果的に外部とのカップリングによるノイズを減衰させ、モード変換特性を向上させることができる。一方、相対的に対撚線10に近い位置にあり、誘電正接の大きさが信号の減衰につながりやすい内層32としては、誘電正接の小さい材料を用いることで、信号の減衰を小さく抑えることができる。
外層31と内層32の誘電正接を異ならせるためには、両層31,32を構成する材料として別のものを用いればよい。両層31,32を構成する主成分たるポリマー材料の種類を異ならせれば、簡便に誘電正接に差をつけることができる。例えば、外層31として、内層32よりも、分子極性の大きいポリマー材料を用いればよい。具体例として、外層31をポリ塩化ビニル等、ハロゲン原子を含有するポリマー材料より構成し、内層32を、ポリプロピレン等のポリオレフィンより構成する形態を挙げることができる。
外層31と内層32に添加するフィラーの種類や添加量を変えることで、両者の誘電正接を異ならせてもよい。後の実施例に示すように、フィラーの添加量を変化させることで、絶縁材の誘電正接を広い範囲で変化させることができる。
外層31と内層32の誘電正接の差が大きい方が、層間の機能の分担が明確になる。しかし、誘電正接の差を大きくしすぎても、外層31の影響による信号減衰が深刻になったり、逆に、内層32によるノイズ減衰の効果が小さくなりすぎてシース30B全体として十分なノイズ低減機能を確保できなくなったりという事態が生じる可能性がある。例えば、内層32の誘電正接に対して、外層31の誘電正接を3倍以上とすることが好ましい。また800倍以下とすることが好ましい。具体的な誘電正接の値としては、外層31については、0.0006〜0.08とし、内層32については、0.0006〜0.001とする形態を例示することができる。さらに、外層31の厚さと内層32の厚さの比を、外層:内層で、1:3〜3:1とすることが好ましい。
なお、本発明においては、シースの誘電正接を0.0001以上と規定しているが、本変形形態にかかる通信用電線1Bのシース30Bにおいては、少なくとも外層31が0.0001以上の誘電正接を有するようにすればよい。外層31と内層32のそれぞれの誘電正接の値を、それぞれの厚さで重みづけして平均したものが、0.0001以上となっていればさらに好ましく、外層31と内層32がともに0.0001以上の誘電正接を有していれば、一層好ましい。
ここでは、シース30Bが2層よりなるルーズジャケット型のものである場合について説明したが、シース30Bの層数は2層に限られない。3層以上としてもよく、例えば、内側から外側に向かって各層の誘電正接が順に大きくなる形態とすることができる。また、シース30Bは、第一の変形形態におけるシース30Aのように、充実ジャケット型のものであってもよい。この場合には、内層32が、絶縁電線11に接触するか、そのすぐ近傍の位置まで充実状に形成されたものであればよい。
[第三の変形形態:対撚線が融着されている場合]
上記で詳細に説明した図1の通信用電線1においては、対撚線10を構成する2本の絶縁電線11は、相互に撚り合わせられているだけであり、相互間が結合されたものではなかった。これに対し、図4に断面を示す第三の変形形態にかかる通信用電線1Cにおいては、対撚線10Cを構成する2本の絶縁電線11の絶縁被覆13が、長手方向の全体または一部において、相互に融着(または接着、以下でも同様)されている。なお、通信用電線1Cの構成は、対撚線10Cの構成を除いて、上記通信用電線1と同様である。
図4に示すように、対撚線10Cにおいて、2本の絶縁電線11の距離が最も近接している領域において、2本の絶縁電線11の絶縁被覆13が、相互に融着され、一体となっている。これにより、対撚線10Cが、メガネのような形状の断面を有するようになっている。
2本の絶縁電線11が、対撚線10Cを構成した状態で相互に対して固定されているので、2本の絶縁電線11の間の位置のバランスが高くなる。その結果、モード変換特性をはじめとする通信用電線1Cの伝送特性が、向上され、また安定される。
2本の絶縁電線11の絶縁被覆13の融着は、例えば、絶縁被覆13に接着層を設けることによって行うことができる。また、ここで説明したような対撚性10Cは、上記で説明した各種のシース30,30A,30Bのいずれと組み合わせて、通信用電線を構成してもよい。
以下に本発明の実施例を示す。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。本実施例において、各種評価は、室温、大気中において行っている。
[1]誘電正接とモード変換特性
まず、シースの誘電正接によるモード変換特性への影響、またシースと絶縁被覆の誘電正接の関係性による影響について検証した。
[試料の作製]
(1)絶縁材の調製
通信用電線のシースおよび絶縁電線の絶縁被覆を構成する材料として、下の表1に示す成分を混練し、絶縁材A〜Dを調製した。ここで、用いた難燃剤は、水酸化マグネシウムであり、酸化防止剤は、ヒンダードフェノール系酸化防止剤である。
(2)導体の作製
絶縁電線を構成する導体を作製した。つまり、純度99.99%以上の電気銅と、FeおよびTiの各元素を含有する母合金を、高純度カーボン製坩堝に投入して、真空溶解させ、混合溶湯を作成した。ここで、混合溶湯において、Feが1.0質量%、Tiが0.4質量%含まれるようにした。得られた混合溶湯に対して、連続鋳造を行い、φ12.5mmの鋳造材を製造した。得られた鋳造材に対して、φ8mmまで、押出し加工、圧延を行い、その後、φ0.165mmまで伸線を行った。得られた素線を7本用い、撚りピッチ14mmにて、撚線加工を行うとともに、圧縮成形を行った。その後、熱処理を行った。熱処理条件は、熱処理温度500℃、保持時間8時間とした。得られた導体は、導体断面積が0.13mm、外径が0.45mmとなった。
このようにして得られた銅合金導体に対して、JIS Z 2241に従って、引張強さおよび破断伸びを評価した。この際、評点間距離を250mmとし、引張速度を50mm/minとした。評価の結果、引張強さは490MPaであり、破断伸びは8%であった。
(3)絶縁電線の作製
上記で作製した銅合金導体の外周に、押出しにより、絶縁被覆を形成し、試料1〜10のそれぞれに用いる絶縁電線を作製した。絶縁被覆を構成する絶縁材としては、試料1〜4においては、絶縁材Bを用いた。一方、試料5〜10においては、表3に示す各絶縁材を用いた。絶縁被覆の厚さは、0.20mmとした。絶縁電線の偏芯率は80%であった。
(4)通信用電線の作製
上記で作製した絶縁電線2本を、絶縁電線の外径の24倍の撚りピッチにて撚り合わせて、対撚線とした。撚り合わせの際、各絶縁電線に、撚り合わせ軸を中心とした捻り構造を加えないようにした。そして、得られた対撚線の外周を囲むように、絶縁材を押出し、シースを形成した。
シースを構成する絶縁材としては、試料1〜4について表2に、試料5〜10について表3に示すように、絶縁材A〜Dから所定のものを選択した。得られた通信用電線において、試料1〜4は、絶縁電線の絶縁被覆が全て絶縁材Bよりなり、シースが絶縁材A〜Dのそれぞれよりなっている。一方、試料5〜10は、絶縁電線の絶縁被覆およびシースが、絶縁材B〜Dの各種組み合わせよりなっている。
ここで、シースはルーズジャケット型とし、シースの厚さは、0.4mmとした。シースと絶縁電線の間の空隙の大きさは、外周面積率で23%であり、絶縁電線に対するシースの密着力(全長150mmの通信用電線において、シースを片端から30mm除去した状態で、対撚線を引っ張り、対撚線が抜け落ちるまでの強度)は、15Nであった。このようにして、試料1〜4および試料5〜10にかかる通信用電線を得た。
試料1〜10にかかる通信用電線について、LCRメータを用いたオープン/ショート法によって特性インピーダンスを確認したところ、試料1〜10の全てにおいて、特性インピーダンスが100±10Ωの範囲にあることが確認された。
[評価]
まず、絶縁材A〜Dのそれぞれの誘電正接を計測した。計測は、インピーダンスアナライザによって行った。
次に、シースを構成する材料が異なることにより、シースの誘電正接の大きさが異なる試料1〜4に対して、透過モード変換特性(LCTL)の評価を行った。測定は、ネットワークアナライザーを用いて、周波数50MHzで行った。
さらに、シースと絶縁被覆の材料の組み合わせが異なることにより、シースと絶縁被覆の誘電正接の組み合わせが異なる試料5〜10に対しても、同様に透過モード変換特性の評価を行った。
[結果]
表1に、絶縁材A〜Dに対する誘電正接の測定結果を、材料の配合とともに示す。
Figure 2018117204
表1によると、フィラーの添加量を多くするほど、誘電正接が大きくなっているのが分かる。
次に、上記絶縁材A〜Dをそれぞれ用いてシースを形成した試料1〜4の通信用電線について、透過モード変換特性の測定結果を表2にまとめる。
Figure 2018117204
表2によると、シースの誘電正接を0.0001以上とすることで、46dB以上との水準を満たす透過モード変換が達成されている。さらに、シースの誘電正接が大きくなるほど、透過モード変換の値が大きくなっている。
次に、シースと絶縁被覆の材料の組み合わせが異なることによりシースと絶縁被覆の誘電正接の組み合わせが異なる試料5〜10について、表3に、透過モード変換特性の測定結果をまとめる。
Figure 2018117204
表3の結果によると、シースの誘電正接が絶縁被覆の誘電正接よりも小さい試料7および試料9においては、透過モード変換の値が46dBとの基準を下回っている。これに対し、シースの誘電正接が絶縁被覆の誘電正接と同じである試料5および試料10においては、透過モード変換の値が46dB以上となっている。そして、シースの誘電正接が絶縁被覆の誘電正接よりも大きくなっている試料6および試料8においては、透過モード変換の値が50dBを超えてさらに大きくなっている。試料6と試料8を比較すると、シースと絶縁被覆の誘電正接の差が大きい試料6の方で、透過モード変換の値が大きくなっている。
[2]導体の引張強さの影響
次に、絶縁電線を構成する導体の引張強さが、通信用電線のモード変換特性に影響するかどうかを検証した。
[試料の作製]
上記試験[1]と同様に、試料11〜13にかかる通信用電線を作製した。ただし、導体の成分組成におけるFeおよびTiの含有量は、下記表4のように、試料ごとに変化させた。また、導体の絶縁被覆としては、上記絶縁材Bを用い、シースとしては、上記絶縁材Dを用いた。試料11は、上記試験[1]の試料6と同じものとなっている。
[評価]
試料11〜13の通信用電線に対して、透過モード変換特性(LCTL)の評価を行った。測定は、ネットワークアナライザーを用いて、周波数50MHzで行った。
また、各試料の銅合金導体に対して、JIS Z 2241に従って、引張強さおよび破断伸びを評価した。この際、評点間距離を250mmとし、引張速度を50mm/minとした。さらに、LCRメータを用いたオープン/ショート法によって、通信用電線の特性インピーダンスを確認したところ、試料11〜13の全てにおいて、特性インピーダンスが100±10Ωの範囲にあることが確認された。
[結果]
表4に、試料11〜13に対して透過モード変換を評価した結果を、各電線導体の成分組成および特性とともに示す。
Figure 2018117204
表4によると、導体の成分組成を変化させることで、引張強さが変化している。具体的には、Tiの含有量を多くすることで、破断伸びを維持したまま、引張強度が向上している。しかし、導体の引張強さが変化しても、通信用電線の透過モード変換の値は、ほぼ変化していない。
このことより、導体の引張強さが変化したとしても、導体径等の構成を揃えて通信用電線を作製することができれば、導体の引張強さは、モード変換特性をはじめとする通信用電線の電気的特性に影響を与えるものではないことが、確認された。
[3]導体の破断伸びと撚りピッチの関係
次に、導体の破断伸びと対撚線の撚りピッチの関係性について検証した。
[試料の作製]
(1)絶縁材の調製
通信用電線のシースを構成する材料として、ポリプロピレン樹脂100質量部に、水酸化マグネシウムよりなる難燃剤60質量部を添加し、混練した。この材料の誘電正接は、0.0002であった。また、絶縁電線の絶縁被覆を構成する材料として、ポリプロピレン樹脂100質量部に、水酸化マグネシウムよりなる難燃剤120質量部を添加し、混練した。この材料の誘電正接は、0.0006であった。
(2)導体の作製
この試験においては、2種の導体を準備した。つまり、A1〜A3群の試料については、軟銅線として、Cu−Fe−P−Sn合金線よりなる導体を準備した。具体的には、純度99.99%以上の電気銅と、Fe,P,Snの各元素を含有する母合金を、高純度カーボン製坩堝に投入して、真空溶解させ、混合溶湯を作成した。ここで、混合溶湯において、Feが0.61質量%、Pが0.12質量%、Snが0.26質量%含まれるようにした。得られた混合溶湯に対して、連続鋳造を行い、φ12.5mmの鋳造材を製造した。得られた鋳造材に対して、φ8mmまで、押出し加工、圧延を行い、その後、φ0.165mmまで伸線を行った。得られた素線を7本用い、撚りピッチ14mmにて、撚線加工を行うとともに、圧縮成形を行った。その後、熱処理を行った。熱処理条件は、熱処理温度480℃、保持時間4時間とした。得られた導体は、導体断面積が0.13mm、外径が0.45mmとなった。この導体の破断伸びは7%であった。
一方、B1〜B3群の試料については、硬銅線として、Cu−Sn合金線よりなる導体を準備した。Cu−Sn合金は、Snを0.24質量%含有し、残部がCuおよび不可避的不純物よりなるものであった。導体は、上記Cu−Fe−P−Sn合金の場合と同様、φ0.165mmの素線を7本、撚りピッチ14mmにて撚り合わせ、圧縮成形したものとした。導体は、導体断面積が0.13mm、外径が0.45mmとなった。この導体の破断伸びは2%であった。
(3)絶縁電線の作製
試験[1]と同様に、2種の銅合金導体の外周に、上記で調製した絶縁材を押出すことで、厚さ0.20mmの絶縁被覆を形成し、A1〜A3群およびB1〜B3群のそれぞれの試料に用いる絶縁電線を作製した。絶縁電線の外径は、いずれの場合も、0.85mmであった。
(4)通信用電線の作製
上記で作製した絶縁電線2本を撚り合わせて、対撚線とした。この際の撚りピッチは、表5に示した3とおりとした。また、撚り合わせの際、各絶縁電線に、撚り合わせ軸を中心とした捻り構造を加えないようにした。
そして、上記試験[1]と同様に、上記で調製した絶縁材を押出し、シースを形成した。ここで、シースはルーズジャケット型とし、シースの厚さは、0.4mmとした。このようにして、A1〜A3群、およびB1〜B3群にかかる通信用電線を得た。
A1〜A3群にかかる通信用電線は、導体が軟銅線よりなり、B1〜B3群にかかる通信用電線は、導体が硬銅線よりなっている。そして、対撚線の撚りピッチが、絶縁電線の外径を基準として、A1群およびB1群では18倍、A2群およびB2群では24倍、A3群およびB3群では29倍となっている。
[評価]
得られた通信用電線に対して、特性インピーダンスを計測した。計測は、LCRメータを用い、オープン/ショート法によって行った。ここでは、A1〜A3およびB1〜B3の各群について、5個体の通信用電線を作製し(試料番号♯1〜♯5)、それぞれに対して、特性インピーダンスを測定し、そのばらつきを評価した。
[結果]
表5に、A1〜A3およびB1〜B3の各群の通信用電線について特性インピーダンスの測定結果を示す。併せて、5個体の特性インピーダンスの平均値、および、最大値と最小値の差として算出される分布幅も示す。表中、対撚線の撚りピッチは、絶縁電線の外径の倍数として表示している。
Figure 2018117204
表5によると、いずれの撚りピッチにおいても、導体として、破断伸びの低い硬銅線を用いた場合よりも、破断伸びの高い軟銅線を用いた場合において、特性インピーダンスの平均値が低く抑えられ、また、分布幅が小さくなっている。つまり、特性インピーダンスが、過度に高くならない状態を安定して得られている。これは、導体の破断伸びが高いことで、2本の絶縁電線を、小さい隙間で安定して撚り合わせられていることの結果であると解釈される。
導体として軟銅線を用いた場合には、絶縁電線の外径の29倍のように大きい撚りピッチでも、特性インピーダンスのばらつきが、100±10Ωの範囲に余裕をもって収まっている。一方、導体として硬銅線を用いた場合でも、撚りピッチを絶縁電線の外径の24倍よりも小さくすれば、100±10Ωの範囲の特性インピーダンスを得ることができると解釈される。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
1,1A,1B,1C 通信用電線
10,10C 対撚線
11 絶縁電線
12 導体
13 絶縁被覆
30,30A,30B シース
31 外層
32 内層

Claims (4)

  1. 導体と、該導体の外周を被覆する絶縁被覆と、からなる1対の絶縁電線が撚り合わせられた対撚線と、
    前記対撚線の外周を被覆する絶縁材料よりなるシースと、を有し、
    前記シースの誘電正接が、0.0001以上であることを特徴とする通信用電線。
  2. 前記シースの誘電正接が、0.08以下であることを特徴とする請求項1に記載の通信用電線。
  3. 前記シースの誘電正接が、前記絶縁被覆の誘電正接よりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の通信用電線。
  4. 前記シースは、外層と、前記外層の内側に設けられた内層と、を有し、前記外層の誘電正接が、前記内層の誘電正接よりも大きいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の通信用電線。
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