JP7389624B2

JP7389624B2 - ケーブル

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Publication number: JP7389624B2
Application number: JP2019206658A
Authority: JP
Inventors: 大輔望月; 健太芥川
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN214588110U; JP2021082405A

Description

本発明は、主に産業用ロボットで用いられるケーブルであって、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、直交ロボット等、関節部分の位置や数に応じて複雑な動きが求められる可動部において、好適に用いられるケーブルに関する。

可動部に用いられるケーブルでは、耐屈曲性及び耐捻回性が求められている。

耐屈曲性及び耐捻回性に優れるケーブルの例として、特許文献１には、導体部に、フッ素樹脂によるテープ巻きの滑り素材が施された被覆付き導体部が示されており、滑り素材により、導体部同士どうしの接触・摩擦が軽減されるため、導体部間で疲労断線が発生せず、耐屈曲性及び耐捻回性が向上する構造が示されている。

特開２０１５－４９９９８号公報

本発明の課題は、耐屈曲性及び耐捻回性をさらに向上させたケーブルを提供することにある。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）径方向の断面において、中心に位置し、最外層に第１滑り素材が施された中心部材と、中心部材を囲うように位置し、最外層に第２滑り素材を施された複数の電線部と、複数本の電線部を撚り合わせた後に、複数本の電線部を結束する結束部材と、を備えるケーブルであって、第１滑り素材、及び第２滑り素材が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることを特徴とする。
（２）中心部材の硬度（アスカ－Ｃ型）は、３０～９８であることが好ましい。
（３）中心部材の扁平率（最小外径／最大外径）は、０．９０～１．０であることが好ましい。
（４）中心部材は、介在の外周面に滑り素材が施された構造であることが好ましい。
（５）結束部材が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることが好ましい。
（６）第１滑り素材、及び／又は、第２滑り素材、及び／又は、結束部材は、テープ巻き構造からなることが好ましい。
（７）テープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１倍～５．０倍であることが好ましい。
（８）電線部の外径はいずれも同一であって、中心部材を囲うように配置された際、各電線部間の距離が、０μｍより大きく２０μｍ以下であることが好ましい。
（９）電線部の外径について、扁平率（最小外径／最大外径）が０．９０～１．０であることが好ましい。

本発明によれば、中心部材及びその周りに配置された電線部の最外層に、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる滑り素材が施されることで、各部材間の摺動性が向上し、ケーブルの耐屈曲性及び耐捻回性が向上する。
また、中心部材の硬度（アスカ－Ｃ型）が３０～９８の場合、中心部材の周囲にある電線部が中心に落ち込むことによるケーブルの変形が防止されるため、ケーブルの可動時、中心部材を中心としたベアリングに類似する動きとなる。
この動きと、滑り素材による摺動性との相乗効果により、電線間の摩擦等の過度な負荷が緩和され、耐屈曲性及び耐捻回性が格段に向上する。

（ａ）（ｂ）本発明のケーブルにおける断面図の一例を示す。本発明における垂れ試験の測定方法を表す概略図を示す。本発明における耐屈曲、耐捻回試験方法を表す概略図を示す。

以下、本発明の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のケーブル１は、径方向の断面において、中心に位置し、最外層に第１滑り素材２２が施された中心部材２と、中心部材２を囲うように位置し、導体部３１の外周に第２滑り素材３２を施された複数の電線部３と、複数本の電線部３を撚り合わせた後に、複数本の電線部３を結束する結束部材４、とを備えることを特徴とする。ここで、中心とは略中心であり、中心部材２の中心と、ケーブル１の中心が完全に一致する状態に限定されない。

また本願発明では、第１滑り素材２２、及び第２滑り素材３２が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることを特徴とする。一般的な材料は、静摩擦係数が動摩擦係数より大きいが、一部の摺動性材料には静摩擦係数が動摩擦係数以下のものが存在する。そのような材料を第１滑り素材２２、及び第２滑り素材３２として使用することで、ケーブル１を屈曲、捻回させた際に発生する、各電線部３の間の摺動、及び電線部３と中心部材２との間の摺動がより滑らかとなり、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性の向上に寄与する。

中心部材２の硬度は特に限定されないが、３０～９８（アスカ－Ｃ型）であることが好ましい。
中心部材の硬度（アスカ－Ｃ型）が３０～９８であると、周囲にある電線部３の位置が安定するため、ベアリングに類似する動きとなり、第１滑り素材２２、第２滑り素材３２による摺動性との相乗効果により、電線間の摩擦等の過度な負荷が緩和され、耐屈曲性及び耐捻回性が格段に向上する。
好ましくは５０～９８（アスカ－Ｃ型）であり、さらに好ましくは５０～７０である。

（硬度の測定方法）
汎用のアスカ－ゴム硬度計Ｃ型を用い、総荷重９.８Ｎとする。

外周面に第１滑り素材２２が施された中心部材２の柔軟性は、特に限定されないが、柔軟性試験において、１０ｍｍ以上が好ましい。
１０ｍｍ以上であると、屈曲や捻回時においても、断面が円形状に維持できるため、ベアリング効果を発現する。
より好ましくは１５ｍｍ以上である。

（柔軟性試験の方法）
測定サンプル（長さ３００ｍｍ）の先端に重り５ｇを取り付ける。測定サンプルが、測定台の支点より１５０ｍｍ外側に出るように固定し、測定台より垂らす。測定台と測定サンプルの先端の距離Ｘを測定する。（図２参照）

中心部材２の扁平率は特に限定されないが、０．９０～１．０であることが好ましい。ここでの扁平率は、ケーブル１が直線状態での値を示す。
扁平率＝最小外径／最大外径
中心部材２と電線部３との接触部分が点接触となるため、上述のベアリングに類似する動きがスムーズとなり摩擦が低減され、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性が向上する。
より好ましくは、０．９５～１．０である。

ケーブル捻回時における中心部材２の変形について、ベアリング効果を発現させる観点において、小さい方が好ましく、変形率が２０％以下であることが好ましい。
中心部材の変形率[％]＝｛（変形前最小外径－変形後最小外径）／変形前最小外径｝×１００
より好ましくは１５％以下、さらに好ましくは１０％以下である。

中心部材２の構成について特に限定されないが、中心２１が介在であって、最外層に第１滑り素材２２を施す構造が好ましい。

介在の材料は特に限定されない。例えば、ポリエステルやナイロン等のプラスチック材、綿材の糸状・紐状、棒状等の素材が挙げられる。

介在の他、各種材料からなるチューブ、電線、同軸ケーブル、多芯ケーブル等であっても良く、いずれも最外層に第１滑り素材２２が施される。

さらに、結束部材４が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることが好ましい。電線部３と結束部材４との間の摺動性が向上し、耐屈曲性、耐捻回性に寄与する。

第１滑り素材２２、及び、第２滑り素材３２、及び、結束部材４を構成する具体的な材料として、ふっ素樹脂であるＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ等が好ましい。特に好ましくはＰＴＦＥである。

なお、本発明で「静摩擦係数が動摩擦係数以下の材料」とは、同じ材料同士を接触・摺動させた際に、静摩擦係数が動摩擦係数以下となる性質を示す材料のことを指す。また、本発明における動摩擦係数、静摩擦係数はＪＩＳＫ７１２５に準拠して測定される値である。

第１滑り素材２２、及び／又は、第２滑り素材３２、及び／又は、結束部材４は、テープ巻き構造からなることが好ましい。簡易的に第１滑り素材２２、第２滑り素材３２、結束部材４を製造可能である。
より好ましくは、第１滑り素材２２、及び、第２滑り素材３２、及び、結束部材４の全てがテープ巻き構造からなることである。

テープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１倍～５．０倍であることが好ましい。
０．１倍以上である場合、テープ同士の摩擦及びテープを曲げる抵抗を低減できるため、ケーブル１の柔軟性が向上し、耐屈曲性、耐捻回性の向上に寄与する。
５．０倍以下である場合、第１滑り素材２２、第２滑り素材３２の滑り性や電線部３への押さえ効果を維持できる。
第１滑り素材２２、及び／又は、第２滑り素材３２、及び／又は、結束部材４の何れかのテープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１倍～５．０倍であればよいが、好ましくは、全てのテープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１倍～５．０倍である。
より好ましくは、テープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１５倍～３．０倍である。

電線部３の外径は、いずれも同一であることが好ましい。
ここで同一とは、作製上生じ得る誤差は許容され、寸法の中心値から±１０％以内は同一とする。
同一であることで、ベアリング効果が発現し、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性の向上につながる。

さらに、各電線部３間の距離が、０μｍより大きく２０μｍ以下であることが好ましい。各電線部３間の距離は、中心部材２の外周に均等に電線部３を配置した際の距離を測定する。
各電線部３間の距離が、０μｍより大きい場合、各電線部３間の摩擦が低減されるため、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性が向上する。
２０μｍ以下である場合、電線部３同士が好適に影響し合い、ベアリング効果が発現し、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性が向上する。
上限について、より好ましくは１０μｍ以下である。
下限については、ベアリング効果を阻害しない目的で１μｍ以上が好ましい。

電線部３の外径について、扁平率が０．９０～１．０であることが好ましい。中心部材２と電線部３、電線部３と結束部材４が点接触となり、上述のベアリングに類似する動きがスムーズとなり摩擦が低減され、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性が向上する。
扁平率＝最小外径／最大外径
より好ましくは、０．９５～１．０である。

電線部３の構成について特に限定されないが、中心３１が導体であって、最外層に第２滑り素材３２を施す構造が好ましい。第２滑り素材３２は絶縁体としての機能を有することが好ましい。
導体の材質は特に限定されないが、例えば、銅やアルミニウム等の金属線や、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が用いられる。金属線の表面には、銀、錫等のメッキが施されてもよい。
導体の構造は特に限定されないが、複数の素線を撚り合わせた集合撚線を、さらに複数本撚り合わせた複合撚線構造であることが好ましい。単線構造や集合撚線構造と比較して、耐屈曲性が向上する。

ケーブル１のベアリング効果の発現の観点において、中心３１の導体の外径に対する、第２滑り素材３２の厚みの比率（滑り素材の厚み／導体部の外径）は０．００５～０．０５であることが好ましい。
０．００５以上である場合、第２滑り素材３２の効果が得られると共に、電線部３の細径化が可能である。
より好ましくは０．００５～０．０１である。

電線部３は、上述の導体の他、図１（ｂ）に示すような多芯ケーブル３０や同軸ケーブル３００であっても良く、最外層に第２滑り素材３３、３０４が施される構造であれば、特に限定されない。
多芯ケーブル３０の構造は特に限定されないが、例えば、導体３１、第２滑り素材３２、３３から構成される。
同軸ケーブル３００の構造は特に限定されないが、例えば、導体３０１、誘電体３０２、外部導体３０３、第２滑り素材３０４から構成される。

結束部材４の外周を覆うようにシース５を備えることが好ましい。
シース５の材質は特に限定されないが、好ましくは、ポリ塩化ビニル、ポリウレタンが好ましい。
さらに、シース５の硬度が３０～９０（アスカーＡ型）であることが好ましい。中心部材２と電線部３の位置が安定し、ケーブルのベアリング効果の発現に、より効果的であり、ケーブル１の耐屈曲性、耐捻回性が向上する。

同じくケーブル１のベアリング効果の発現の観点について、径方向断面における、ケーブル１の外径に対する、シース５の肉厚の比（シースの肉厚／ケーブルの外径）が、０．０１～０．３であることが好ましい。

中心部材２とこれを囲む電線部３や多芯ケーブル３０、同軸ケーブル３００からなる基本構成の他、隣接する２つの電線部３（多芯ケーブル３０、同軸ケーブル３００）、結束部材４及びシース５の間に形成される空隙部６に、同軸ケーブル、ドレイン線、介在等を施しても良い。（図１（ｂ）参照）

以下、本発明のケーブル１（図１）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１は、以下の構成のケーブルである。
中心部材２について、中心２１は、中から順にアラミド繊維、ポリプロピレン介在、綿介在からなり、その外周に第１滑り素材２２としてＰＴＦＥテープ巻きを設ける。巻きラップは表１に示す。外径は約φ５．０ｍｍである。
電線部３について、複合撚線構造からなる錫メッキ軟銅線（外径約φ２．３ｍｍ）の導体部３１の外周に、第２滑り素材３２としてＰＴＦＥテープを１／６ラップにて施す。
１０本の電線部３を中心部材２の周囲に撚り合わせた後、１０本の電線部３の外周に、結束部材４として紙テープを１／４ラップにて設ける。外径は約φ９．８ｍｍである。
結束部材４の外周に、シースとして、ポリウレタンを厚さ１．２ｔにて施す（外径約１２．２ｍｍ）。

実施例２は、実施例１のうち、結束部材４にＰＴＦＥテープを用いる。

比較例は、実施例２のうち、電線部３の第２滑り素材（ＰＴＦＥテープ）３２を除き、電線部３は導体３１のみからなる構造とする。

以上の実施例及び比較例のケーブルについて、耐屈曲試験、耐捻回試験を行い、結果を表１に示す。

（耐屈曲試験方法）
屈曲試験方法を表す概略図を、図３（ａ）に示す。
測定条件として、サンプルの長さは６００ｍｍ、曲げ半径Ｒは５０ｍｍ、荷重は無（自重）である。
図のように左右９０度の屈曲を１回とし、一定回数屈曲させた後に、導体部の抵抗値を測定する。試験前の抵抗値と比較した上昇率（％）を、表１に記載する。

（耐捻回試験方法）
屈曲試験方法を表す概略図を、図３（ｂ）に示す。
測定条件として、サンプルの長さは６００ｍｍ、固定間距離は２００ｍｍ、荷重は５００ｇｆである。
図のようにサンプル端を左右１８０度捻じることを１回とし、一定回数捻回させた後に、導体部の抵抗値を測定する。試験前の抵抗値と比較した上昇率（％）を、表１に記載する。

実施例は、耐屈曲試験、耐捻回試験においていずれも、１０００万回での抵抗値の上昇率は１０％以下であり、比較例と比べて優れている。

また、実施例１及び比較例の中心部材について、硬度（アスカ－Ｃ型）測定を行った結果、実施例１は５０、比較例は２７であった。
これにより、屈曲や捻回時に優れる本願発明の実施例１では、硬度（アスカ－Ｃ型）が３０以上であり、滑り素材を有さない比較例と比べ、一定の剛性を確認できる。これにより、本願発明は中心部材の断面が円形状に維持できるため、ベアリング効果を発現すると言える。

さらに、実施例１及び比較例の中心部材について、柔軟性試験を行った結果、測定台と測定サンプルの先端の距離Ｘは、実施例１は６８ｍｍ、実施例は９ｍｍであった。
これより、屈曲や捻回時に優れる本願発明の実施例１では、柔軟性が１０ｍｍ以上と、滑り素材を有さない比較例と比べ、一定の剛性を確認できる。硬度同様に、中心部材の断面が円形状に維持できるため、ベアリング効果を発現すると言える。

本発明のケーブルは、耐屈曲性及び耐捻回性に優れるため、産業用ロボットの他、大電流が要求される電源用ケーブル等において有用であるが、これに限定されない。

１ケーブル
２中心部材
２１中心
２２第１滑り素材
３電線部
３０多芯ケーブル
３００同軸ケーブル
３１中心
３２、３３第２滑り素材
４結束部材
５シース
６空隙部

Claims

径方向の断面において、中心に位置し、最外層に第１滑り素材が施された中心部材と、
前記中心部材を囲うように位置し、最外層に第２滑り素材を施された複数の電線部と、
複数本の前記電線部を撚り合わせた後に、複数本の前記電線部を結束する結束部材と、を備えるケーブルであって、
前記電線部の外径はいずれも同一であって、
前記中心部材を囲うように配置された際、各電線部間の距離が、０μｍより大きく２０μｍ以下であって、
前記第１滑り素材、及び前記第２滑り素材が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることを特徴とする、ケーブル。
前記中心部材の硬度（アスカ－Ｃ型）は、３０～９８であることを特徴とする、
請求項１に記載のケーブル。
前記中心部材の扁平率（最小外径／最大外径）は、０．９０～１．０であることを特徴とする、
請求項１または２に記載のケーブル。
前記中心部材は、介在の外周面に滑り素材が施された構造であることを特徴とする、
請求項１～３の何れか一項に記載のケーブル。
前記結束部材が、静摩擦係数が動摩擦係数以下からなる材料で構成されることを特徴とする、
請求項１～４の何れか１項に記載のケーブル。
前記第１滑り素材、及び／又は、前記第２滑り素材、及び／又は、前記結束部材は、テープ巻き構造からなることを特徴とする、
請求項１～５の何れか１項に記載のケーブル。
前記テープ巻きの巻きピッチが、テープの幅の０．１倍～５．０倍であることを特徴とする、
請求項６に記載のケーブル。
前記電線部の外径について、扁平率（最小外径／最大外径）が０．９０～１．０であることを特徴とする、
請求項１～７の何れか１項に記載のケーブル。