JP2020009629A

JP2020009629A - 撚線導体及びケーブル

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Publication number: JP2020009629A
Application number: JP2018129695A
Authority: JP
Inventors: 保櫻井; Tamotsu Sakurai; 節生小林; Setsuo Kobayashi; 聡史矢嶋; Satoshi Yajima; 昌弘小又; Masahiro Komata; 健次正木; Kenji Masaki
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-01-16

Abstract

【課題】Ａｇの濃度が低い銅合金線を用いて高い導電率を有する撚線導体及びケーブルを提供する。【解決手段】本発明の撚線導体は、Ａｇ濃度が１．０ｍａｓｓ％以下で含有し、残部が銅および不可避不純物であるＣｕ−Ａｇ合金からなり、外径が４０μｍ以下である銅合金線が撚り合わされている撚線で構成され、前記撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、特に、高い導電率を有する撚線導体及びケーブルに関する。

電子機器に使用される電線やケーブルの撚線導体に使用される銅合金線の材料としてＣｕ−Ａｇ合金が提案されている（特許文献１〜５参照）。

特許文献１〜５の実施例に記載の銅合金線の導電率、引張強度及びＡｇ濃度は下記の表１の通りである。

また、特許文献６には、同軸ケーブル素線の中心導体として適用された、Ａｇ濃度が２重量％以上１０重量％以下のＣｕ−Ａｇ合金からなり、導電率が６０〜９０％ＩＡＣＳ、引張強度が１２０〜１６０ｋｇｆ／ｍｍ²の極細線が開示されている。

さらに、非特許文献１では、ルツボ中で溶解したＣｕにＡｇを挿入してインゴットを形成し、このインゴットに伸線加工および熱処理を行い、Ａｇ濃度が２ａｔ％以上６０ａｔ％以下で形状がワイヤー状のＣｕ−Ａｇ合金を作製することが提案されている。なお、非特許文献１のＣｕ−Ａｇ合金では、１０００ＭＰａの引張強さと８０％ＩＡＣＳの導電率を得るために、１０ａｔ％以上１６ａｔ％以下のＡｇ濃度が適当であるとされている。

特開２０１０−１７７０５５号公報特開２０１０−１７７０５６号公報特開２０１３−２１６９７９号公報特開２０１５−２１１３８号公報特開２００２−１２１６２９号公報特開２００１−２３４５６号公報

坂井義和，外3名，"高強度・高導電性Cu-Ag合金の開発"，日本金属学会誌，第55巻，第12号（1991），p.1382-1391

最近の医療機器、あるいは産業ロボットに使用される電線やケーブルでは、従来にも増して高導電率の撚線導体を適用する要求が高まっている。しかし、特許文献１〜６および非特許文献１に記載のＣｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線を撚り合わせした撚線導体では、導電率が８５％ＩＡＣＳ未満になってしまうため、改善が望まれる。

そこで、本発明は、Ａｇの濃度が低い銅合金線を用いて高い導電率を有する撚線導体及びケーブルを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、下記の撚線導体、電線及びケーブルを提供する。

［１］Ａｇ濃度が１．０ｍａｓｓ％以下で含有し、残部が銅および不可避不純物であるＣｕ−Ａｇ合金からなり、外径が４０μｍ以下である銅合金線が撚り合わされている撚線で構成され、前記撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である、
撚線導体。
［２］前記撚線は、導電率が９２％ＩＡＣＳ以上であり、引張強度が７２０ＭＰａ以上である前記［１］に記載の撚線導体。
［３］前記［１］又は［２］に記載の撚線導体を備えたケーブル。

本発明によれば、Ａｇの濃度が低い銅合金線を用いて高い導電率を有する撚線導体及びケーブルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る撚線導体の一例の横断面図を示す。本発明の実施の形態に係る撚線導体を構成する銅合金線の製造方法のフローを示す説明図である。本発明の実施の形態に係るケーブルの一例（本発明の実施形態に係る撚線導体を中心導体に適用した同軸ケーブル）の横断面図を示す。本発明の実施の形態に係るケーブルの一例（図３に示す同軸ケーブルを用いた多心ケーブル）の横断面図を示す。本発明の実施の形態に係るケーブルの一例（図３に示す同軸ケーブルを用いた多心ケーブル）の横断面図を示す。

〔撚線導体〕
本発明の実施の形態に係る撚線導体は、Ａｇ濃度が０．５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下で含有し、残部が銅および不可避不純物であるＣｕ−Ａｇ合金からなり、外径が４０μｍ以下である銅合金線が撚り合わされている撚線で構成され、撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である。以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る撚線導体の一例の横断面図を示す。

撚線導体１は、複数本の素線１ａが撚り合わされて構成される。素線１ａは、Ａｇ濃度が１．０ｍａｓｓ％以下で含有し、残部が銅および不可避不純物であるＣｕ−Ａｇ合金からなり、外径が４０μｍ以下の銅合金線である。なお、図１では、７本の銅合金線からなる素線１ａを撚り合わせした撚線導体１を例示したが、素線１ａの本数は、７本よりも多くても少なくてもよい。また、撚線導体１は、夫々の素線１ａが軽圧縮されていてもよい。

Ｃｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線は、タフピッチ銅、無酸素銅、或いは高純度銅にＡｇ濃度が０．５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下となる範囲で含有していることが好ましく、Ａｇ濃度が０．６ｍａｓｓ％以上０．９ｍａｓｓ％以下となる範囲で含有していることがより好ましく、Ａｇ濃度が０．７ｍａｓｓ％以上０．８ｍａｓｓ％以下となる範囲で含有していることが更に好ましい。Ａｇ濃度が１．０ｍａｓｓ％を超えると、撚線導体１の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上を満足しない恐れがあり、またＡｇ使用量が増えるため経済性が悪い。なお、Ａｇ濃度が０．５ｍａｓｓｓ％未満では、引張強度が低下する恐れがある。Ｃｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線は、撚線にされる前の状態において、引張強度が８００ＭＰａ以上、導電率が９０％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。

素線１ａを構成する銅合金線は、外径が１６μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。素線１ａでは、このような外径を有する銅合金線で構成されることにより、撚線導体１を可撓性に優れた極細（例えば０．４ｍｍ程度の外径を有する）の導体とすることができる。なお、銅合金線からなる素線１ａの横断面形状は、円形以外の形状を有していてもよい。

撚線導体１は、上述した合金線からなる複数本の素線１ａを撚り合わせた撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である。撚線導体１では、このような高い導電率を有することにより、最近の医療機器、あるいは産業ロボットに使用される電線やケーブルの中心導体として適用した場合に、電線やケーブルの高導電率化を実現することができる。

撚線導体１は、例えば、撚線導体１を構成する撚線の引張強度が３２０ＭＰａ以上７２０ＭＰａ未満の場合、撚線導体１の導電率は９０％ＩＡＣＳ以上９６％ＩＡＣＳ以下である。また、撚線導体１は、例えば、撚線導体１を構成する撚線の引張強度が７２０ＭＰａ以上９００ＭＰａ以下の場合、撚線導体１の導電率は９２％ＩＡＣＳ以上９５％ＩＡＣＳ以下である。

撚線導体１は、複数本の素線１ａの夫々の表面がめっきで被覆されていてもよい。めっきの種類としては、例えば、Ａｇめっき、Ｓｎめっき、Ｎｉめっき、Ｓｎ−Ｐｂめっき、或いはＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ−Ｐ系のＰｂフリーはんだめっき等があげられる。なお、素線１ａは、Ａｇめっきで被覆されていることにより、Ｓｎめっきで被覆されている場合よりも撚線導体１の導電率を高くすることができる。素線１ａの表面をめっきで被覆する場合は、電気めっきあるいは溶融めっきによって被覆することが可能である。

〔撚線導体の製造方法〕
本発明の実施の形態に係る撚線導体の製造方法は、１．０ｍａｓｓ％以下のＡｇを添加により含有する銅合金材料を用いて鋳造速度４０ｍｍ／分以上２００ｍｍ／分以下の連続鋳造により得られた第一次線径の導電線に細径化加工を行なうことにより第二次線径の導電線を得る工程と、第二次線径の導電線に熱処理を行うことによりその引張強度を熱処理前の引張強度に対し９０％以上１００％未満の引張強度に低下させる工程と、引張強度を低下させた第二次線径の導電線に細径化加工を対数ひずみが７．８〜１２．０となるまで行なうことにより第三次線径の導電線（上述したＣｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線）を得る工程と、複数本の銅合金線を撚り合わせて撚線を得る工程と、撚線に対して熱処理を行う工程と、を備える。以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態に係る導電線の製造方法のフローを示す説明図である。

銅合金材料は、例えばタフピッチ銅、無酸素銅、あるいは高純度銅（銅の純度が９９．９９９９％以上の純銅）からなる銅材料にＡｇ１．０ｍａｓｓ％以下が添加により含有されている。金属元素としてのＡｇは、１．０ｍａｓｓ％以下の範囲において、低濃度で添加される場合に固溶型合金として構成され、高濃度で添加される場合に析出型合金として構成される。なお、高純度銅が使用される場合は、タフピッチ銅、無酸素銅が使用される場合に比べて導電率を数％程度高くすることができる。

（鋳造工程）
鋳造工程では、前述した銅合金材料を準備し、この導電性合金材料を所定の鋳造速度によって連続鋳造することにより、第一次線径の導電線（ワイヤロッド、あるいは鋳造導電線ともいう）を得る。所定の鋳造速度は、４０ｍｍ／分以上２００ｍｍ／分以下である。好ましくは、４０ｍｍ／分以上１９０ｍｍ／分以下である。鋳造方式は、特に限定されないが、連続鋳造方式が好ましい。連続鋳造方式では、連続鋳造圧延方式を用いてもよい。なお、連続鋳造方式を用いる場合、縦引方式と横引方式のいずれでもよい。第一次線径は、例えば、φ７ｍｍ〜９ｍｍである。

（第一次細径化加工工程）
第一次細径化加工工程では、鋳造工程を経て得られた第一次線径の導電線に冷間伸線加工、熱間伸線加工、温間伸線加工、冷間圧延加工などの加工を行ない、第一次線径の導電線を細径化することにより、第二次線径の導電線を得る。第二次線径は、例えば、φ２ｍｍ〜４ｍｍである。

（熱処理工程）
熱処理工程では、第一次細径化加工工程を経て得られた第二次線径の導電線に所定の熱処理を行う。所定の熱処理条件としては、例えば、４５０℃〜５５０℃で短時間（例えば２秒以上１０秒間以下）である。なお、第二次線径の導電線に所定の熱処理を行う際の熱処理条件は、第二次線径の導電線が軟化しない熱処理条件であればよい。例えば、低コスト化を考慮した場合では、第二次線径の導電線が軟化しない範囲で上記した熱処理条件よりも高温短時間（例えば９００℃、１秒以下）の熱処理が可能であり、また上記した熱処理条件よりも低温長時間でもよい。すなわち、この熱処理工程では、第一次細径化加工工程の加工などによって第二次線径の導電線に生じた転位の再配列を促すように第二次線径の導電線に熱処理を行う。このとき、第二次線径の導電材の導電率を１％〜３％回復させている。また、第二次線径の導電線は、上記熱処理により、その引張強度を熱処理前の引張強度に対し９０％以上１００％未満の引張強度に低下させている。好ましくは、その引張強度を熱処理前の引張強度に対し９２％以上１００％未満の引張強度に低下させ、より好ましくは、その引張強度を熱処理前の引張強度に対し９５％以上１００％未満の引張強度に低下させる。なお、引張強度を例えば５０％程度低下させてひずみ取りを行う従来の再結晶化のための熱処理条件とは異なる。引張強度を５０％程度低下させて再結晶化させるための熱処理を行った場合の引張強度は８００ＭＰａ未満になると推察される。

上記熱処理は、電気的な通電アニーラ設備、通常の抵抗過熱式管状路、光反射式のゴールドファーネスなど設備を選ばない。望ましくは極細銅線加工のため、クリーンな環境が必要なので光反射式のゴールドファーネスが望ましい。

（第二次細径化加工工程）
第二次細径化加工工程では、引張強度を低下させた上記第二次線径の導電線に冷間伸線加工などの加工を加工ひずみである対数ひずみ〔ln[(πd₀ ²／4)／（πd²／4）]＝2ln(d₀／d)、d₀：細径化加工前のひずみ度、d：細径化加工後のひずみ度〕が７．８〜１２．０となるまで行ない、細径化することにより、第三次線径の導電線（上述したＣｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線）を得る。第三次線径は、例えば、好ましくはφ１３μｍ以上４０μｍ以下であり、より好ましくはφ１６μｍ以上４０μｍ以下である。第二次細径化加工工程における加工方法としては、上述した第一次細径化加工工程と同様に、冷間伸線加工、熱間伸線加工、温間伸線加工、冷間圧延加工などの加工方法が適用できる。

加工ひずみは、対数ひずみで７．８〜１２．０が必要である。望ましくは７．８〜１１．０である。１２．０を超えると原子欠陥の存在にて導電性の低下があり、引張強度の上昇も少なくなる。７．８未満では、引張強度の上昇が十分でない。対数ひずみは、第二次線径の導電線の線径に応じて７．８〜１２．０の範囲で適宜調整する。例えば、第二次線径の導電線の線径がφ４ｍｍである場合、対数ひずみは９．２〜１１．０とすることが好ましく、線径がφ２ｍｍである場合、対数ひずみは７．８〜９．７とすることが好ましい。

第二次加工工程によって得られる第三次線径の導電線（上述したＣｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線）は、タフピッチ銅、無酸素銅、或いは高純度銅にＡｇが１．０ｍａｓｓ％以下で含有されたＣｕ−Ａｇ合金からなる導電率８８％ＩＡＣＳ以上かつ引張強度８００ＭＰａ以上である。好ましい実施形態では、導電率８８．５％ＩＡＣＳ以上かつ引張強度８３０ＭＰａ以上であり、より好ましい実施形態では、導電率８９％ＩＡＣＳ以上かつ引張強度８５０ＭＰａ以上である。上限は特に限定されないが、例えば、導電率９５％ＩＡＣＳ以下、引張強度９５０ＭＰａ以下である。

（撚線作製工程）
撚線作製工程では、第二次細径加工工程で得られたＣｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線（第三次線径の導電線）を複数本用意し、複数本の銅合金線を所望の撚りピッチ（例えば、４．０ｍｍ以下の撚りピッチ）で撚り合わせることにより、Ｃｕ−Ａｇ合金からなる銅合金線が複数本撚り合わされている撚線が得られる。

（熱処理（焼鈍）工程）
熱処理工程では、撚線作製工程で得られた撚線に対して所望の温度で熱処理（ひずみ取り焼鈍や再結晶化させるための焼鈍）を行うことにより、撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上の撚線導体が得られる。

得られる撚線導体は、撚線の引張強度に応じた熱処理（焼鈍）を行うことにより、導電率を９０％ＩＡＣＳ以上の範囲で調整することが可能である。例えば、撚線導体を構成する撚線の引張強度を３２０ＭＰａ以上７２０ＭＰａ未満の範囲となるように再結晶化させるための熱処理を行う場合は、撚線導体の導電率は９０％ＩＡＣＳ以上９６％ＩＡＣＳ以下に調整することができる。また、例えば、撚線導体を構成する撚線の引張強度を７２０ＭＰａ以上９００ＭＰａ以下となるようにひずみを取り除くための熱処理を行う場合は、撚線導体１の導電率は９２％ＩＡＣＳ以上９５％ＩＡＣＳ以下に調整することができる。

〔ケーブル〕
本発明の実施形態に係る撚線導体は、図３〜図５に示すような種々のケーブルの中心導体として好適であり、例えば、医療用プローブケーブル、内視鏡ケーブル、ＴＶやモバイル機器を含めた同軸ケーブル、情報通信機器用ケーブル配線やパワー伝送機器用ケーブルとして好適である。

図３は、本発明の実施形態に係る撚線導体を中心導体に適用した同軸ケーブルの一例を示したものである。図３に示す同軸ケーブル１０は、中心導体１と、中心導体１の周囲に設けられた絶縁体２と、絶縁体２の周囲に設けられた外部導体３と、外部導体３の周囲に設けられたジャケット４と、を有する。

図３に示す同軸ケーブル１０の中心導体１に本発明の実施形態に係る撚線導体を適用する場合、例えば上述したＣｕ−Ａｇからなる銅合金線で構成される素線１ａを複数本（図１では７本）撚り合わせして撚線を形成し、この撚線に熱処理（焼鈍）を行うことによって導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である中心導体（撚線導体）１が形成される。

中心導体１の周囲に設けられた絶縁体２は、例えばテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）などを用いて構成される。また、絶縁体２の周囲に設けられた外部導体３は、例えば１％以上の伸び率を有する硬銅線や銅合金線が横巻きされたもので構成される。さらに外部導体３の周囲に設けられたジャケット４は、例えばテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂を用いて構成される。なお、絶縁体２は、２層以上の多層からなる構造であってもよい。例えば、絶縁層２は、塩化ビニル樹脂からなる第１絶縁層と、第１絶縁層の周囲に設けられたフッ素樹脂からなる第２絶縁層とで構成されるものなどがあげられる。

図４は、図３に示す同軸ケーブル１０を用いた多心ケーブルの一例を示したものである。図４に示す多心ケーブル１００は、例えば図３に示す同軸ケーブル１０を中心介在１１あるいはテンションメンバーと共に複数本（図では４本）撚り合せしてなる同軸ケーブル撚線と、同軸ケーブル撚線の周囲に設けられたバインダー１２（テープなど）と、バインダー１２の周囲に設けられたシールド層１３と、シールド層１３の周囲に設けられたシース１４と、を備える。なお、同軸ケーブル撚線は、中心介在１１あるいはテンションメンバーが同軸ケーブル１０と撚り合されてないものであってもよい。

シールド層１３は、複数本の金属素線を編組あるいは横巻きして構成され、シース１４は、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などによって構成される。

図５は、図３に示す同軸ケーブル１０を用いた他の多心ケーブルの一例を示したものである。図５に示す多心ケーブル２００は、例えば図３に示す同軸ケーブル１０が複数本（図５では１２本）撚り合された第１の同軸ケーブル撚線２０を中心介在１１あるいはテンションメンバーと共に複数本（図５では４本）撚り合せしてなる第２の同軸ケーブル撚線と、第２の同軸ケーブル撚線の周囲に設けられたバインダー１２と、バインダー１２の周囲に設けられたシールド層１３と、シールド層１３の周囲に設けられたシース１４と、を備える。なお、同軸ケーブル撚線は、中心介在１１あるいはテンションメンバーが同軸ケーブル１０と撚り合されてないものであってもよい。また、図５に示す多心ケーブル２００において、シールド層１３およびシース１４は、図４に示す多心ケーブル１００と同様のものが使用可能である。

以下に、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

撚線導体は、以下の方法によって製造した。
銅製水冷冷却構造部材を外側に備えたカーボン鋳型を用いてＡｇ濃度が０．５ｍａｓｓ％〜１．０ｍａｓｓ％のＣｕ−Ａｇ合金を真空溶解し、アルゴン雰囲気下で線径（外径）φ８ｍｍのワイヤロッドを連続的に鋳造して鋳造導電線を得た。得られた鋳造導電線（φ８ｍｍのＣｕ−Ａｇ合金からなるワイヤロッド）を冷間伸線加工して線径がφ４ｍｍ〜φ２ｍｍまで細径化した後、５００℃で５秒間の熱処理を行ない、冷間伸線加工を対数加工ひずみが７．８〜１１．０となるまで行ない、細径化してφ０．０４０ｍｍ、φ０．０３０ｍｍ、φ０．０２５ｍｍ、φ０．０２０ｍｍ、φ０．０１６ｍｍの線径（外径）を有する夫々の導電線（Ｃｕ−Ａｇからなる銅合金線）を得た。得られた各々の導電線において、線径（外径）が同じ７本の導電線を撚り合わせすることによって撚線を得た。導電線の外径が異なる各撚線に対して熱処理（ひずみ取り焼鈍）を行うことにより、撚線導体を得た。

製造した各々の撚線導体について、導電率及び引張強度を下記方法により測定した結果を表２に示す。

（導電率）
直流四端子法により、製造した撚線導体の２０℃における電気抵抗を測定して導電率を算出した。

（引張強度）
上述の通り製造して得られた撚線導体から試料を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠する試験方法で引張試験を行って試料の引張強度を測定した。

なお、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず種々に変形実施が可能である。

１：中心導体（撚線導体）、２：絶縁体、３：外部導体、４：ジャケット
１０：同軸ケーブル
１１：中心介在、１２：バインダー、１３：シールド層、１４：シース
２０：同軸ケーブル撚線
１００、２００：多心ケーブル

Claims

Ａｇ濃度が１．０ｍａｓｓ％以下で含有し、残部が銅および不可避不純物であるＣｕ−Ａｇ合金からなり、外径が４０μｍ以下である銅合金線が撚り合わされている撚線で構成され、前記撚線の導電率が９０％ＩＡＣＳ以上である、撚線導体。
前記撚線は、導電率が９２％ＩＡＣＳ以上であり、引張強度が７２０ＭＰａ以上である請求項１に記載の撚線導体。
請求項１又は２に記載の撚線導体を備えたケーブル。