JP6939757B2 - 複合ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、複合ケーブルに関する。

屋内配線に使用される複合ケーブルとして、例えば、同軸線と信号線を撚り合わせた複合ケーブルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１２３６４８号公報

近年、装置間において通信される情報量の増大や通信速度の高速化に伴い、複合ケーブル内に組み込まれる各種の電線やケーブルの本数も多くなり、複合ケーブル全体の外径が大きくなっている。しかし、装置に接続されるコネクタについては小型化が望まれており、コネクタに接続される複合ケーブルについても、なるべく外径を小さくすることが望まれている。

また、信号線として、高速信号を伝送するデータ通信用の通信線等を用いた複合ケーブルでは、電線やケーブルを撚り合わせる際や、使用される際（屈曲時や押圧時など）の外部からの応力によって信号線に変形が生じると、伝送特性が劣化してしまうという課題がある。特に、複合ケーブルの外径を小さくする場合には、外部からの応力によって信号線の変形が生じやすくなることがあった。

そこで、本発明は、細径かつ外部からの応力により伝送特性が劣化しにくい複合ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、ケーブル中心に配置された電源線と、前記電源線と接触させて配置された複数の同軸線と、複数の対撚線が撚り合わせられており、前記複数の同軸線よりも外径が小さい複数の信号線と、を備え、前記複数の同軸線と前記複数の信号線とが前記電源線の周囲に螺旋状に撚り合わせられており、周方向において、前記複数の同軸線の間のそれぞれに前記複数の信号線が配置されており、前記複数の同軸線のそれぞれが周方向に離間して配置されており、前記複数の信号線が前記電源線と離間して配置されている、複合ケーブルを提供する。

本発明によれば、細径かつ外部からの応力により伝送特性が劣化しにくい複合ケーブルを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る複合ケーブルの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る複合ケーブルの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。複合ケーブル１は、例えば、ロボットアーム等の産業用ロボットや医療用ロボットの可動状態を画像や映像によってモニタリングするための配線として用いられるものである。

図１に示すように、複合ケーブル１は、動力線２と、複数の同軸線３と、動力線２及び同軸線３よりも外径が小さい複数の信号線４と、を備えている。動力線２は、本発明の電源線の一態様である。また、複合ケーブル１は、外径が例えば１７ｍｍ〜１９ｍｍ程度である。

動力線２は、複数の対撚線２１１を撚り合わせた対撚線集合体２１と、対撚線集合体２１の周囲に巻き付けられた樹脂テープ２２と、を有している。動力線２を構成する対撚線２１１のそれぞれは、例えば、モータ（例えば、アクチュエータ等）を駆動する駆動電流を供給するなど、低速の電源信号を伝送するために用いられるものである。

対撚線２１１は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．２５ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体２１１ａの外周にＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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）等のフッ素樹脂からなる絶縁体２１１ｂを被覆した一対の絶縁電線２１１ｃを撚り合わせて構成されている。ここでは、動力線２が７本の対撚線２１１を撚り合わせた場合を示しているが、動力線２に含まれる対撚線２１１の数はこれに限定されない。また、絶縁体２１１ｂは、厚さが０．１５ｍｍ以下である。

本実施の形態では、各絶縁電線２１１ｃにおける撚線導体２１１ａの撚り方向と、対撚線２１１の撚り方向とが反対方向とされ、かつ、対撚線２１１の撚り方向と、対撚線集合体２１の撚り方向とが反対方向とされている。撚線導体２１１ａの撚り方向と、対撚線集合体２１の撚り方向とは同じ方向となる。これは、対撚線２１１の撚り方向を、撚線導体２１１ａや対撚線集合体２１の撚り方向と同じ方向とした場合、撚線導体２１１ａを構成する素線に繰り返し同方向の撚りが加わることとなり、屈曲時等に素線が絞り切れてしまうおそれがあるためである。対撚線２１１の撚り方向を、撚線導体２１１ａや対撚線集合体２１の撚り方向と反対方向とすることで、素線の断線を抑制し、屈曲に対する耐性を向上することが可能になる。

なお、撚線導体２１１ａの撚り方向とは、絶縁電線２１１ｃの一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて素線が回転している方向である。対撚線２１１の撚り方向とは、対撚線２１１の一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて絶縁電線２１１ｃが回転している方向である。また、対撚線集合体２１の撚り方向とは、対撚線集合体２１の一端側から見たときに、他端側から一端側にかけて対撚線２１１が回転している方向である。

樹脂テープ２２は、対撚線集合体２１の撚りがほどけないようにまとめる役割と、屈曲時に同軸線３、あるいは樹脂テープ２２の内面に接触する対撚線２１１との間で滑りを良くし、繰り返し屈曲することによる同軸線３の摩耗を抑制する役割を果たす。樹脂テープ２２としては、摩耗に強く、かつ滑りの良い材質を用いるとよく、例えば、ナイロン、あるいは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素樹脂からなるものを用いることができきる。

樹脂テープ２２にまとめられた複数の対撚線２１１同士は、互いに樹脂テープ２２内で比較的自由に動くことができるようになっている。また、対撚線集合体２１を構成する複数の対撚線２１１のそれぞれは、互いに撚りピッチが異なるように構成されている。これは、対撚線２１１間のクロストーク（ノイズ）を抑制するためである。なお、対撚線２１１の撚りピッチとは、対撚線２１１の周方向において絶縁電線２１１ｃが同じ位置となる地点の、対撚線２１１の長手方向に沿った間隔である。

同軸線３は、例えば画像や映像の信号を伝送するものであり、周波数１００ＭＨｚ以上の信号を伝送するものである。同軸線３は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．２ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体３１と、撚線導体３１の外周を被覆する絶縁体３２と、絶縁体３２の周囲を覆うシールド層３３と、シールド層３３の外周を被覆するシース３４と、を有している。ここでは、２本の同軸線３を用いる場合を説明するが、同軸線３の本数はこれに限定されない。シールド層３３は、金属素線を編み込んだ編組シールドからなる。絶縁体３２は、例えば、架橋ポリエチレンなどの樹脂からなるものを用いることができる。また、シールド層３３は、複数の素線（例えば、０．１５ｍｍ以下の外径を有する素線）からなる１層以上の編組シールドを用いることができる。また、シース３４は、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂などからなるものを用いることができる。

信号線４は、制御信号を伝送する制御信号線４１と、データ通信用の通信線（ＬＡＮケーブル）４２と、を有する。ここでは、３本の制御信号線４１と、３本の通信線４２とを有する場合を説明するが、制御信号線４１や通信線４２の本数はこれに限定されない。制御信号線４１及び通信線４２は、７５Ωや１００Ωの特性インピーダンスを有する。

制御信号線４１は、例えばエアー注入器の制御など、種々の機器の制御に用いられる制御信号を伝送するものであり、少なくとも動力線２よりも高速な信号を伝送する。制御信号線４１は、複数の対撚線４１１を撚り合わせ、その周囲に樹脂テープ４１２を巻付けて構成されている。

制御信号線４１の対撚線４１１は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．２５ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体４１１ａの周囲に、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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）等のフッ素樹脂からなる絶縁体４１１ｂを有する絶縁電線４１１ｃを対撚りして構成されている。なお、絶縁体４１１ｂの厚さは、細径化の観点から、０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。樹脂テープ４１２としては、上述の樹脂テープ２２と同様に、例えば、ナイロン、あるいは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素樹脂からなるものを用いることができる。

ここでは、３本の対撚線４１１を用いた制御信号線４１を２本、４本の対撚線４１１を用いた制御信号線４１を１本用いる場合を示しているが、各制御信号線４１に含まれる対撚線４１１の本数はこれに限定されない。クロストーク（ノイズ）を抑制するために、各制御信号線４１に含まれる対撚線４１１は、互いに撚りピッチが異なるように構成される。

通信線４２は、データ通信に用いられるデジタル信号を伝送するものであり、例えば、カテゴリー５ｅ〜カテゴリー７のＬＡＮケーブルである。通信線４２は、１ＭＨｚ以上６００ＭＨｚ以下の高周波信号を伝送するために用いられる。通信線４２は、２本の通信線用対撚線４２１とスフ糸等の糸状の介在４２２とを撚り合わせ、その周囲に押さえ巻きテープ４２３、シールド層４２４、及びシース４２５を順次設けて構成されている。

通信線用対撚線４２１は、銅等の電気導体からなる素線（例えば、０．２ｍｍ以下の外径を有する素線）を撚り合わせた撚線導体４２１ａの周囲に発泡プロピレン等の発泡樹脂からなる絶縁体４２１ｂを有する絶縁電線４２１ｃを対撚りして構成されている。絶縁体４２１ｂを構成する発泡樹脂として発泡プロピレンからなるものを用いることで、絶縁体４２１ｂの厚さを小さく（例えば、０．２ｍｍ以下に）しながら絶縁体４２１ｂの誘電率を低くして高周波での伝送特性を向上できる。絶縁体４２１ｂとして発泡樹脂を用いた場合、外力により変形して伝送特性が劣化しやすくなるが、本実施の形態によれば、屈曲時に通信線４２に応力がかかりにくい（詳細は後述する）ので、絶縁体４２１ｂに発泡樹脂を用いることが可能である。また、絶縁体４２１ｂには、架橋された発泡樹脂を用いることも可能である。

信号線４としての制御信号線４１及び通信線４２は、動力線２及び同軸線３よりも外径が小さい。より具体的には、信号線４としての制御信号線４１及び通信線４２の外径は、同軸線３の外径の７５％以下である。これにより、動力線２と信号線４とを十分に離間させて、屈曲時に信号線４にかかる応力をより小さくすることが可能になる。

また、本実施の形態では、制御信号線４１と通信線４２の外径を同程度に調整している。具体的には、制御信号線４１の外径を、通信線４２の外径の８０％以上１２０％以下としている。制御信号線４１と通信線４２の外径を同程度とすることで、信号線４の外径を揃え、曲げにくい方向が生じたり、撚り合わせの際に偏りが生じてしまったりすることを抑制可能になる。例えば、制御信号線４１の絶縁体４１１ｂの被覆厚や、通信線４２のシース４２４の被覆厚等を調整することにより、制御信号線４１や通信線４２の外径を調整することができる。

ところで、通常、可動部に配線されるケーブルにおいては、屈曲時に中心に配置される部材に応力が集中してしまうため、ケーブルの中心部には電線を配置しないことが多い。しかし、この場合、ケーブルの中心部に無駄な空間ができることになり、ケーブル外径が大きく（２０ｍｍ以上に）なってしまう。

そこで、本実施の形態では、ケーブルの中心部に電線を配置しないのではなく、動力線２をケーブルの中心部に配置し、動力線２の外周に、複数の同軸線３と複数の信号線４とを螺旋状に撚り合わせる構造とした。さらに、各同軸線３を、動力線２の外周に接触させると共に、周方向に離間して配置し、各信号線４を、動力線２と離間して配置するようにした。各信号線４は、ケーブル中心（動力線２の中心）から同軸線３の中心までの距離を半径とする同心円上か、またはこの同心円よりも外側に、信号線４の中心が位置するように動力線２と離間させることが好ましい。

動力線２は、モータの駆動電流などの低速信号（電源信号）を伝送するものであるから、応力が付与されても伝送特性に殆ど影響がない。さらに、動力線２は、対撚線２１１を用いているため、屈曲に対する耐性が高い。さらに、動力線２は、樹脂テープ２２内で対撚線２１１同士が比較的自由に動けるように構成されているために、屈曲時に応力が加わると、対撚線２１１が樹脂テープ２２との間や対撚線２１１同士の間に存在する隙間へと逃げて応力を逃がすことができる。

その上で、同軸線３を動力線２に接触させ、かつ、信号線４を動力線２に接触させない構造とすることで、屈曲時の応力を大径の同軸線３で負担し、それを動力線２へと逃がすことが可能になり、信号線４に屈曲時の応力がかかりにくくなる。その結果、屈曲時に信号線４の断面形状が変形してしまうことを抑制でき、比較的高速の信号を伝送する信号線４において、伝送特性が劣化してしまうことを抑制可能になる。

大径の同軸線３は、複合ケーブル１の周方向に等間隔に配置されている。なお、同軸線３の配置は厳密に等間隔に配置されている必要はなく、±１０°程度の誤差は許容される。また、周方向に隣り合う同軸線３の間それぞれに、同数の信号線４が配置されていることが望ましい。これにより、動力線２の外周に同軸線３と信号線４とをバランス良く（ケーブル中心に対して回転対称の位置に）配置でき、曲げにくい方向が生じたり、撚り合わせの際に偏りが発生してしまったりすることを抑制可能になる。なお、撚り合わせの際に偏りが発生してしまうと、複合ケーブル１を所定長さに切断した際に、当該複合ケーブル１に含まれる信号線４同士の長さ、あるいは同軸線３同士で長さに差が生じ、信号の受信タイミングのずれ等の不具合が発生するおそれがある。動力線２の外周に同軸線３と信号線４とがバランス良く配置されていることで、複合ケーブル１の屈曲時にある電線に応力が集中するといった不具合を抑制でき、繰り返し屈曲を受けることによる断線等の不具合を抑制して、複合ケーブル１の長寿命化が可能になる。

また、同軸線３が複合ケーブル１の周方向において偏って配置されていると、複合ケーブル１の周方向の一部において信号線４が集中して配置される部分が生じて、複合ケーブル１を特定の方向に曲げた際等に、信号線４に応力が集中して信号線４の伝送特性が劣化してしまうおそれが生じる。本実施の形態のように、同軸線３を複合ケーブル１の周方向に略等間隔に配置しておくことで、屈曲等に信号線４に応力が集中しにくくなり、外部からの応力による伝送特性の劣化を抑制することが可能になる。

また、動力線２と信号線４とが直接接触してしまうことを抑制するため、動力線２と信号線４との間に、介在７が設けられるとよい。介在７としては、例えば、スフ糸（ステープルファイバー糸）等の糸状体を用いることができる。スフ糸は、適度なクッション性を有しており、屈曲しても折れるといったこともないので、可動部に用いられる複合ケーブル１の介在７として好適である。なお、介在７に用いる糸状体はスフ糸に限らず、例えば、紐や紙、不織布等からなるものも用いることができる。また、介在７として糸状体に限らず、例えば帯状のものを用いることもできる。この介在７は、複合ケーブル１の断面形状を円形状に整える役割も果たす。介在７は、動力線２、同軸線３、信号線４、及びこれらの周囲を覆う押さえ巻きテープ５の間に存在する隙間を充満するように設けられていることが好ましい。

同軸線３と信号線４の周囲には、押さえ巻きテープ５が螺旋状に巻付けられている。押さえ巻きテープ５としては、紙テープや不織布からなるテープ等を用いることができる。押さえ巻きテープ５の周囲には、絶縁体からなるジャケット６が被覆されている。ジャケット６としては、複合ケーブル１を外力から保護できるように、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂等からなるもの用いることができる。なお、押さえ巻きテープ５の外周に、編組シールド等のシールド層が設けられていてもよい。

動力線２の外周に配置されるすべての電線、すなわち複数の同軸線３と複数の信号線４のそれぞれは、押さえ巻きテープ５の内周面に接触している。押さえ巻きテープ５は、介在７の量や配置を適宜調整することにより、断面視でほぼ円形状となるように巻き付けられている。

なお、周方向に隣り合う同軸線３と信号線４、あるいは信号線４同士は、直接接触していてもよいし、介在７が間に入って直接接触していなくてもよい。ただし、周方向に隣り合う同軸線３と信号線４、あるいは信号線４同士が直接接触している場合には、撚り合わせの工程で付与する張力を調整したり、あるいは押さえ巻きテープ５を巻く際の張力を調整するなどして、なるべく信号線４に押し付ける力がかからないようすることが望ましいといえる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る複合ケーブル１では、複数の対撚線２１１を撚り合わせた対撚線集合体２１を有する動力線２と、複数の同軸線３と、動力線２及び同軸線３よりも外径が小さい複数の信号線４と、を備え、動力線２の外周に、複数の同軸線３と複数の信号線４とが螺旋状に撚り合わせられており、各同軸線３は、動力線２の外周に接触しており、かつ、周方向に等間隔に配置されており、各信号線４は、動力線２と離間して配置されている。

複合ケーブル１では、ケーブル中心に動力線２を配置し、ケーブル中心の無駄なスペースを有効に利用しているため、複合ケーブル１全体を細径化することができる。ケーブル中心に配置された動力線２には、屈曲時や押圧時等に応力が集中することになるが、動力線２は屈曲に強い対撚線２１１をさらに撚り合わせた対撚線集合体２１を用いているため屈曲等の外部からの応力に対する耐性が高い。また、動力線２は低速な電源信号を伝送しているため、屈曲時や押圧時等の応力により変形したとしても、当該変形による伝送特性への影響がそもそも小さい。

さらに、同軸線３を動力線２に接触させ、かつ信号線４を動力線２に接触させない構造にすることにより、屈曲時等の応力を外径が大きい同軸線３に負担させ、その応力を動力線２側に逃がすように構成でき、屈曲時等の応力が信号線４にかかることを抑制可能になる。その結果、屈曲時等における信号線４の断面形状の変化を抑制し、比較的高速の信号を伝送する信号線４における伝送特性の劣化を抑制可能となる。すなわち、本実施の形態によれば、細径かつ外部からの応力により伝送特性が劣化しにくい複合ケーブル１を実現できる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］複数の対撚線（２１１）を撚り合わせた対撚線集合体（２１）を有する電源線（２）と、複数の同軸線（３）と、前記電源線（２）及び前記同軸線（３）よりも外径が小さい複数の信号線（４）と、を備え、前記電源線（３）の外周に、前記複数の同軸線（３）と前記複数の信号線（４）とが螺旋状に撚り合わせられており、前記各同軸線（３）は、前記電源線（２）の外周に接触しており、かつ、周方向に等間隔に配置されており、前記各信号線（４）は、前記電源線（２）と離間して配置されている、複合ケーブル（１）。

［２］前記電源線は、前記対撚線集合体（２１）の周囲に巻き付けられた樹脂テープ（２２）を有する、［１］に記載の複合ケーブル（１）。

［３］周方向に隣り合う前記同軸線（３）の間それぞれに、前記信号線（４）が配置されている、［２］に記載の複合ケーブル（１）。

［４］前記電源線（２）と前記信号線（４）との間に設けられた糸状の介在（７）を備える、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の複合ケーブル（１）。

［５］前記複数の同軸線（３）と前記複数の信号線（４）の周囲に巻き付けられた押さえ巻きテープ（５）と、前記押さえ巻きテープ（５）の周囲を被覆するジャケット（６）と、を備え、前記複数の同軸線（３）と前記複数の信号線（４）のそれぞれが、前記押さえ巻きテープ（５）に接触している、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の複合ケーブル（１）。

［６］前記信号線（４）は、制御信号を伝送する制御信号線（４１）と、データ通信用の通信線（４２）と、を有する、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の複合ケーブル（１）。

［７］前記制御信号線（４１）の外径は、前記通信線（４２）の外径の８０％以上１２０％以下である、［６］に記載の複合ケーブル（１）。

［８］前記通信線（４２）は、撚線導体（４２１ａ）の周囲に発泡ポリプロピレンからなる絶縁体（４２１ｂ）を有する絶縁電線（４２１ｃ）が対撚りされた通信線用対撚線（４２１）を複数本備える、［６］または［７］に記載の複合ケーブル（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…複合ケーブル
２…動力線（電源線）
２１…対撚線集合体
２１１…対撚線
２２…樹脂テープ
３…同軸線
４…信号線
４１…制御信号線
４２…通信線
４２１…通信線用対撚線
４２１ａ…撚線導体
４２１ｂ…絶縁体
４２１ｃ…絶縁電線
５…押さえ巻きテープ
６…ジャケット
７…介在

Claims (6)

1. ケーブル中心に配置された電源線と、
   前記電源線と接触させて配置された複数の同軸線と、
   複数の対撚線が撚り合わせられており、前記複数の同軸線よりも外径が小さい複数の信号線と、を備え、
   前記複数の同軸線と前記複数の信号線とが前記電源線の周囲に螺旋状に撚り合わせられており、
   周方向において、前記複数の同軸線の間のそれぞれに前記複数の信号線が配置されており、前記複数の同軸線のそれぞれが周方向に離間して配置されており、前記複数の信号線が前記電源線と離間して配置されている、
   複合ケーブル。
   
2. 前記複数の同軸線の間のそれぞれに、前記複数の信号線が同数で配置されている、
   請求項１に記載の複合ケーブル。
3. 前記複数の同軸線と前記複数の信号線の周囲に巻き付けられた押さえ巻きテープと、
   前記押さえ巻きテープの周囲を被覆するジャケットと、を備え、
   前記複数の同軸線と前記複数の信号線のそれぞれが、前記押さえ巻きテープに接触している、
   請求項１または２に記載の複合ケーブル。
4. 前記信号線は、制御信号を伝送する制御信号線と、データ通信用の通信線と、を有する、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の複合ケーブル。
5. 前記制御信号線の外径は、前記通信線の外径の８０％以上１２０％以下である、
   請求項４に記載の複合ケーブル。
6. 前記通信線は、撚線導体の周囲に発泡ポリプロピレンからなる絶縁体を有する絶縁電線が対撚りされた通信線用対撚線を複数本備える、
   請求項４または５に記載の複合ケーブル。

Images