JP2001015242A - レーザ照射による絶縁心線とコネクタ端子の接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】絶縁心線とコネクタ端子を接続する場合、絶縁
体の剥離、剥離後の撚り線導体のばらけ矯正、予備半田
等接続前の前処理加工をしなければならず、加工工数が
かかり、かつ絶縁体剥離時等において金属製の工具を用
いるため、撚り線導体の断線が発生し易く、細径電線の
使用増加傾向によりこの傾向は更に顕著になってきた。 【解決手段】ＣＯ_２レーザ発振器より照射されるレーザ
光を集束レンズにより集束し、絶縁心線とコネクタ端子
に照射することにより被照射体表面部が発熱し、絶縁心
線およびコネクタ端子表層を形成する低融点の被覆層が
相互に溶融し、境界面に溶融合金層が形成され、絶縁心
線とコネクタ端子を非接触で接続することが可能にな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、絶縁心線とコネク
タ端子との接続において、レーザ照射、特にＣＯ _２レー
ザ照射により細径絶縁心線の絶縁体を溶融剥離し導体を
露出すると共に、絶縁心線を構成する複数の導体表面被
覆層を溶融して一体化させ、かつ溶融一体化された絶縁
心線とコネクタ端子の表面被覆層を溶融して相互に接続
するもので、一連の作業を同時にかつ瞬時に完了させる
ことが可能なレーザ光と集束レンズによる非接触接続方
式に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から一般的に絶縁心線とコネクタ端
子を接続させる場合の接続方式としては、圧着・圧接・
半田付け方式等がある。初めに、圧着方式は予め電線の
絶縁被覆をストリッパ等の金属製工具を用いて剥離し導
体部分を露出させた後、絶縁被覆部と導体露出部をコネ
クタ端子が持つ筒状構造部の圧着部に挿入後、筒状圧着
部を適切な圧着工具を用いて、絶縁被覆部と導体露出部
を含む一括した状態で機械的に押圧・変形させ、電線と
コネクタ端子を接続する方式である。次に、圧接方式は
特に電線の絶縁被覆を剥離することなく、Ｕ字形状をな
しかつバネ弾性力を有するコネクタ端子のＵ字形状部に
絶縁心線を差し込み、この時絶縁心線とコネクタ端子の
Ｕ字形状部との間に生ずる塑性変形力を利用して絶縁心
線とコネクタ端子を接続する方法である。最後の半田付
け方式は、熱により半田を溶融することにより溶融合金
層を形成しこの溶融合金層を介し、絶縁被覆を剥離して
予め予備半田を施した絶縁心線の導体部とコネクタ端子
を熱的に接続する方式である。このように各種の接続方
式があるが、電線とコネクタ端子との接続の前に、圧着
と半田付け方式による電線の絶縁被覆剥離作業や半田付
け方式による予備半田等一連の前処理加工が必要とな
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような各接続方式
の技術的課題として圧着方式の場合、コネクタ端子を押
圧・変形させるために電線の導体径別とコネクタ端子形
状別に専用の圧着工具を要するため加工が煩雑となり、
圧接方式においてはその接続理論より機械的強度が弱い
細径電線には適さず、また、半田付け方式は作業自体に
高度の半田溶接技術を要するという欠点があった。

【０００４】更に、圧着・半田付け方式においては絶縁
心線の絶縁剥離を要するが、ストリッパ等金属製工具を
直接絶縁心線に接触させ剥離するため内部導体が損傷を
受け易い。また、内部導体が撚り線からなる場合は剥離
作業自体により一定のピッチで予め撚られている導体の
ばらけが生じ易く、導体の撚りを戻す矯正作業や予備半
田等一連の作業が必要となる。すなわち、各接続方式と
も専用の工具を要し、かつ電線とコネクタ端子との接続
前に細分化され、避けることのできない前処理加工が存
在し加工工数がかかるという欠点があった。

【０００５】他方、前述の絶縁心線およびコネクタ端子
を取り巻く環境として、近年電子機器内または電子機器
間を流れる信号電流が微小レベルとなり、これに付随し
て電線の細線化（ＡＷＧ３６−４６レベル）やコネクタ
端子の細密化傾向により、導体の断線が起こり易く、し
かも細径電線の使用増加傾向によりこの傾向は更に顕著
になってきている。

【０００６】すなわち、絶縁心線とコネクタ端子との各
接続方式において特に圧着・半田付け方式の場合、接続
前に絶縁心線の絶縁体剥離を要するが電線の細線化に伴
い、剥離作業時での導体を構成する素線切れの発生や作
業自体が極めて困難となりつつあり、更に、導体が撚り
線の場合は絶縁被覆剥離時に剥離後導体の撚りがばらけ
ることが従来に比べて多くなり、接続作業の前に再度導
体に撚りをかける必要が生ずる等加工工数が増大する傾
向にある。また、半田付け方式の場合、半田溶融熱によ
る接続周辺部への熱ストレスの負荷があり、細径電線と
細密コネクタ端子との微少エリア内での接続が難しいと
いう問題があった。尚、圧接方式は、電線の細線化によ
りコネクタ端子のＵ字形状部への圧接接続時に導体素線
が切断されたり、損傷を受けるケースが増え、圧接作業
直後の接続の長期接続信頼性や確実性に欠けるという欠
点があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、課題を解決す
るための接続方式として絶縁心線４とコネクタ端子５に
非接触の接続加工を可能とするレーザ光２を用いて絶縁
心線４の絶縁被覆４ｂを溶融剥離し、絶縁心線４を形成
する複数の撚り線導体４ａの表面被覆層を溶融させるこ
とにより、撚り線導体４ａ相互を一体化した撚り線導体
４ｃを形成し、かつこの溶融一体化された撚り線導体４
ｃとコネクタ端子５の表面被覆層を溶融させることによ
り、撚り線導体４ｃとコネクタ端子５の間に溶融合金層
を形成し、絶縁心線４とコネクタ端子５とをレーザ光２
の光エネルギーを熱エネルギーに変換して接続させるも
のである。

【０００８】光エネルギーを熱エネルギーに転ずる方法
として、集束レンズ３を用いレーザ光２をスポット状に
集束させパワー密度を高め絶縁心線４の絶縁被覆部４
ｂ、内部撚り線導体４ａ、およびコネクタ端子５表面に
照射することにより、これら被照射体の各表面層におい
て光エネルギーをそれぞれ吸収することにより熱エネル
ギーに転じ、発熱・溶融させるものである。また、これ
ら被照射体に生ずる一連の挙動が照射されるレーザ光２
により全て誘起される為、従来技術で必要となった諸々
の前処理加工が不要となり、絶縁心線４とコネクタ端子
５との接続が可能となる。更に、集束レンズ３を使用し
てレーザ光２を集束するため、微小面積での接続作業が
可能となり、細径絶縁心線４と細密化されたコネクタ端
子５間の接続に使用することが可能となる。また、入熱
量を照射パワーと照射時間との組み合わせおよび密度に
関係した照射面積をレンズ焦点距離と焦点はずし量を調
節することによって制御でき、細径絶縁心線４とコネク
タ端子５間の接続に適応制御が可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して詳細に説明する。本発明において、絶縁
心線４としては、導体素材より融点の低い錫めっきを表
面に施した複数の軟銅撚り線（ＡＷＧ＃３６）に絶縁被
覆４ｂを施した絶縁心線４を使用した。また、コネクタ
端子５としては、黄銅を主体としその表面に黄銅よりも
融点の低いニッケルめっき被覆層を下地とし、同様に黄
銅よりも融点の低い半田めっき被覆層を最表層に施した
コネクタ端子５を用いてレーザ光２による絶縁心線４と
コネクタ端子５との接続を検証した。

【００１０】レーザ光２は照射制御が容易で、維持コス
トの少ないＣＯ_２レーザを用いた。類似機能を有するレ
−ザ光としてエキシマレーザの使用も可能であるが、同
レーザはシステムが高価であり、現在のところパワー・
エネルギーが少なく絶縁体の溶融剥離までは可能である
が、本発明が目的とする絶縁被覆４ｂの剥離、複数の撚
り線導体４ａの溶融一体化、および溶融一体化された導
体４ｃとコネクタ端子５との融着接続には不適であるた
め高パワー・高エネルギー照射が可能であるＣＯ_２レー
ザを用いた。

【００１１】また、レーザ光２はその照射エネルギーの
制御が容易なパルス状レーザ光を用いたが、その照射エ
ネルギーは、パルス状レーザ光２の発振周波数、デュー
ティ比、および照射パルス数により一義的に定まり、被
照射体となる絶縁心線４、コネクタ端子５が単位面積当
たりに受ける照射エネルギーは前述レーザ光２を集束す
る集束レンズ３の集点距離および焦点はずしにより定ま
る。

【００１２】絶縁心線４とコネクタ端子５の接続は、図
１（イ）に示すように平滑なワーク上に接続を要するコ
ネクタ端子５を置き、その上に絶縁心線４をセットす
る。この時ワーク位置はレーザ光２が集束されるポイン
トに位置決めされ、照射されるレーザ光２を効率良く吸
収する位置に定められる。

【００１３】

【実施例】本実施例においては、前述のレーザ光２の照
射エネルギーを決定づけるパラメータとしてレーザ光２
の発振周波数、デューティ比、照射パルス数、および集
束レンズ３の焦点距離をマトリクスに組み合わせ、複数
の照射条件下における絶縁心線４とコネクタ端子５の接
続を行い、各条件下での接続状態と絶縁被覆４ｂを溶融
剥離し導体部が露出した撚り線導体４ａの溶融一体化部
４ｃ部での素線の断線有無等を観察し、レーザ光２と集
束レンズ３による絶縁心線４とコネクタ端子５との接続
加工最適条件を検証した。表１にその最適照射条件を表
す。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１において、集束レンズ焦点位置はレー
ザ光２を照射し、集束レンズ３によりレーザ光２をコネ
クタ端子５の被覆層、本例では表面めっき層に絞り込ん
だ状態を表す。検証の結果、表１の最適照射条件内での
絶縁心線４とコネクタ端子５間との接続は１００％確保
され、レーザ光２と集束レンズ３により絶縁心線４とコ
ネクタ端子５との接続信頼性が実証された。また、表１
の最適照射条件がはずれ、照射エネルギーが不足する領
域においては絶縁心線４の絶縁被覆部４ｂの溶融、蒸
発、および撚り線導体４ａの溶融一体化が不十分のた
め、絶縁心線４とコネクタ端子５との接続に至らない。
また、照射エネルギーが過剰の場合には撚り線導体４ａ
の損傷が確認され、最適照射条件とはなり得ないことが
判明した。

【００１６】図１と図２において、絶縁心線４の絶縁被
覆部４ｂにおいては集束レンズ３により集束されたレー
ザ光２が照射されるとその大部分が被照射体表面におい
て反射されるが、絶縁被覆材の材質によって定まる固有
の吸収率により絶縁体表面においてレーザ光２の吸収、
発熱作用が生ずる。更に、表１の最適照射条件で指定さ
れるパルス状のレーザ光２を継続して照射すると絶縁被
覆４ｂ部での発熱が促進され最終的に絶縁被覆４ｂの溶
融、蒸発に至る。この一連の発熱、溶融、蒸発現象は、
レーザ光２照射後瞬時に発生し、絶縁被覆４ｂが蒸発、
剥離され内部撚り線導体４ａの露出に至る。

【００１７】撚り線導体４ａ表面での挙動は、その組成
が金属からなるので絶縁被覆４ｂでの挙動と同様に照射
されるレーザ光２は、その多くが導体表面で反射される
が、導体表面を形成する金属の種類により定まる固有の
吸収率により、導体表面層近傍においてレーザ光２が吸
収される。導体表面には導体素材のＣｕより融点が低い
表面被覆層、本例では錫めっきが皮膜されているため、
レーザ光２による吸収、発熱はまずこの錫めっき層にお
いて発生する。この状態でパルス状レーザ光２を表１の
最適照射条件内で繰り返し照射すると、瞬時に発熱によ
り導体表面の錫めっき層がその溶融点に達し溶融が始ま
る。この溶融層がレーザの吸収率を高め、導体全体の加
熱を促進することへの相乗効果も得られる。他方、この
温度領域においては導体を形成する内部のＣｕの溶融点
には達しないため、内部導体に悪影響を及ぼすことなく
複数の撚り線導体４ａの表層を形成する錫めっき層のみ
が溶融し、複数の撚り線導体４ａ間に溶融層が形成さ
れ、図１（ロ）に示すように複数の撚り線導体相互が一
体化した撚り線導体４ｃが形成される。

【００１８】他方、コネクタ端子５の表面にも集束レン
ズ３により集束されたレーザ光２が照射されるが、撚り
線導体４ａと同様にその材質が金属であるためコネクタ
端子５の表面層においてレーザ光２による吸収・発熱作
用が起きる。この場合、コネクタ端子５の表層部がニッ
ケルを下地とし、その融点がコネクタ端子５を形成する
黄銅よりも融点の低い半田めっき層よりなるため、レー
ザ光２による吸収・発熱はこの半田めっき層において生
じ、溶融が始まる。これによりコネクタ端子５の表層で
生ずる溶融層と溶融一体化された撚り線導体４ｃとの境
界面に溶融合金層が形成される。この状態で接続に必要
なパルス状レーザ光２の照射を止めると図１（ハ）に示
すように、溶融合金層は溶融状態から冷却・固化状態へ
と移行し、境界面に合金層よりなる接続面が形成され撚
り線導体４ａとコネクタ端子５の接続がなされる。これ
らの一連の挙動は、絶縁被覆４ｂ部の溶融・蒸発と同様
に瞬時に発生し、接続が完了する。この状態での撚り線
導体４ａと、コネクタ端子５の接続状態（導通有無）の
確実性および照射により溶融一体化された撚り線導体部
４ｃの撚り線の断線、損傷がないことを確認して表１の
最適条件を得た。また、本実施例では、撚り線導体表面
被覆層とコネクタ端子の表面被覆層にめっきを施した場
合で説明したが、被覆層に半田ディップや半田ペースト
を使用しても構わない。

【００１９】本発明の絶縁心線が撚り線で通常のコネク
タ端子の場合を代表例として説明してきたが、その他の
フラットケーブルや同軸ケーブルや光ファイバ心線や他
形状のコネクタ端子や異形状の特殊なものでも接続メカ
ニズムが変わるものではないので本方法が適用できる。
このように、設計上本発明の範囲内で各種の変形を含む
ものであることはいうまでもない。

【００２０】

【発明の効果】ＣＯ_２レーザを用い、集束レンズ３によ
り光エネルギーを微小スポットに集束し被照射物体に集
中照射することにより発生する熱エネルギーを利用した
本発明の接続方式によれば、 （１）接続を要する電線（絶縁心線）の導体表面とコネ
クタ端子の表面に融点の低い金属層を有し、これをＣＯ
_２レーザの一連続照射により溶融させ、相互を接続する
方式のため、従来技術で必要とされた絶縁剥離、予備半
田等の前処理加工が不要となり、加工工数の低減が可能
となる。 （２）集束レンズによりレーザ光の照射が微小面積部に
集中出来、照射時間が極めて短いため、接続部周辺への
熱的影響を最小限に抑えることが可能となり、絶縁心線
と細密化されたコネクタ端子との接続等微小エリア内で
の加工が可能になる。 （３）従来技術と異なり接続時に、絶縁心線とコネクタ
端子に非接触での加工処理が可能になる為、これらを損
傷することなく接続が可能となり、接続信頼性が飛躍的
に向上する。 （４）従来技術よりも卓越した接続方式であるにも関わ
らず、その維持管理が容易なＣＯ_２レーザを用いるため
接続が容易にできる。という優れた効果があるので、そ
の工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ）は、本発明の絶縁心線４とコネクタ端子
５にレーザ光２を照射する状態を示し、代表的な実施例
の斜視図である。（ロ）は、本発明の絶縁心線４とコネ
クタ端子５にレーザ光２を照射した後、絶縁被覆４ｂが
溶融蒸発し、かつ内部撚り線導体４ａの表面が溶融し、
撚り線導体４ａ相互が溶融一体化された状態の斜視図で
ある。（ハ）は、本発明の絶縁心線４とコネクタ端子５
にレーザ光２を照射して接続が完了した状態の斜視図で
ある。

【図２】は、本発明の複数の撚り線導体４ａに絶縁被覆
４ｂを施し、レーザ光２を照射する前の絶縁心線４の斜
視図である。

【符号の説明】１ 本発明のレーザ照射による絶縁心線とコネクタ端子
の接続方法 ２ レーザ光 ３ 集束レンズ４ 絶縁心線 ４ａ 撚り線導体 ４ｂ 絶縁被覆 ４ｃ 溶融一体化された撚り線導体 ４ｄ コネクタ端子と接続された溶融一体化された撚り
線導体 ５ コネクタ端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶塚 秀治 神奈川県川崎市中原区下小田中２丁目12番 ８号 沖電線株式会社内 (72)発明者 久米原宏之 栃木県足利市借宿町一丁目13番８号 (72)発明者 星野 照彦 群馬県桐生市東一丁目７番21号 (72)発明者 猪股 俊裕 群馬県桐生市東久方町一丁目２番35号 ホ ワイトコーポ１−101 Ｆターム(参考） 5E051 LA03 LB03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁心線とコネクタ端子との接続において
   レーザ光を集束レンズにより絶縁心線とコネクタ端子に
   集束させることにより、絶縁被覆部を溶融剥離させ、絶
   縁心線の導体部を露出すると共に絶縁心線を構成する撚
   り線導体表面上に前記撚り線導体よりも低融点の素材を
   施した被覆層と、絶縁心線に沿わせて配置されたコネク
   タ端子の表面上に前記コネクタ端子よりも低融点の素材
   を施した被覆層とを溶融し、絶縁心線とコネクタ端子と
   を融着接続することを特徴とするレーザ照射による絶縁
   心線とコネクタ端子の接続方法。
2. 【請求項２】請求項１において、レーザ光にＣＯ_２レー
   ザを使用したことを特徴とするレーザ照射による絶縁心
   線とコネクタ端子の接続方法。