JP2006024523A

JP2006024523A - 接続端子及び超音波接続装置、方法並びに接続部

Info

Publication number: JP2006024523A
Application number: JP2004203587A
Authority: JP
Inventors: Toru Washimi; 亨鷲見; Toshiyuki Horikoshi; 稔之堀越; Hirohisa Endo; 裕寿遠藤; Michiaki Shimizu; 道晃清水
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】軽量で、かつ、導電性の良好な接続端子及び超音波接続装置、方法並びに接続部を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る接続端子１１は、アルミ導体１２に接続されるものであり、Ａｌを主成分とするＡｌ層２１と、Ｃｕを主成分とするＣｕ層２２とを２層以上に積層、クラッドしてなる複合材で構成され、アルミ導体１２との接触部にＡｌ層２１を配置したものである。また、本発明に係る接続部１０は、接続端子１１とアルミ導体１２とを接続してなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用ケーブル、特に、バッテリーケーブル用の接続端子に関するものである。

自動車用ケーブル、例えば、バッテリーケーブルやワイヤーハーネスなどの接続部は、図７に示すように、接続端子７１にケーブル導体７２を載せ、斜線領域７３の部分を超音波接続することで得られる。従来、接続端子７１やケーブル導体７２の構成材としてＣｕが使用されていた。これは、Ｃｕが高い導電性（導電率：約5.8×10³S/m）を有するためである。

近年、自動車においては、軽量化やリサイクル性などが求められていることから、接続部７０における接続端子７１やケーブル導体７２の構成材としてＡｌが使用され始めている（特許文献１参照）。

特開２００４−１１１０５８号公報

ところで、接続端子７１をＡｌで構成すると、ＡｌはＣｕよりも導電性が劣ることから、接続部７０において、抵抗発熱による温度上昇が生じてしまうという問題があった。その結果、接続部７０において、変形や高温強度不足による断線が生じるおそれがあった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、軽量で、かつ、導電性の良好な接続端子及び超音波接続装置、方法並びに接続部を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る接続端子は、アルミ導体に接続される接続端子において、Ａｌを主成分とするＡｌ層と、Ｃｕを主成分とするＣｕ層とを２層以上に積層、クラッドしてなる複合材で構成され、上記アルミ導体との接触部に上記Ａｌ層を配置したものである。

ここで、Ａｌ層と上記Ｃｕ層との層厚比ＴAl／ＴCuが、0.01以上、1.0以下であることが好ましい。また、複合材で構成される接続端子は、アルミ導体を載せる本体部と、その本体部の一部を折り曲げてなる導体押さえ部とを備えている。

本発明に係る超音波接続装置は、超音波ホーンの先端に設けられたホーンチップを介して超音波振動を付与し、被接続物体同士を超音波接続する装置において、上記ホーンチップの先端面が、上記被接続物体に対して傾斜角を有するものである。

本発明に係る超音波接続方法は、超音波ホーンの先端に設けられたホーンチップを介して超音波振動を付与し、被接続物体同士を超音波接続する方法において、上記ホーンチップの先端面を、上記被接続物体に対して傾斜させた状態で当接させ、超音波付与を行うものである。

本発明に係る接続部は、前述した接続端子とアルミ導体とを接続してなるものである。また、本発明に係る接続部は、前述した超音波接続装置を用いて接続端子とアルミ導体とを接続してなるものである。さらに、本発明に係る接続部は、前述した超音波接続方法を用いて接続端子とアルミ導体とを接続してなるものである。

ここで、アルミ導体は、Ａｌ素線又はＡｌ合金素線で構成される撚線導体である。

本発明によれば、Ｃｕ単体で構成される接続端子と比較して軽量で、かつ、Ｃｕ単体で構成される接続端子とほぼ同等の導電性を有する接続端子を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る接続端子の平面図を図１に、図１の側面図を図２に、図２の３−３線断面図を図３に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る接続端子１１は、ケーブル端末のアルミ導体１２、具体的にはＡｌ素線又はＡｌ合金素線で構成される撚線導体（或いは単線導体）と接続されるものであり、Ａｌを主成分とするＡｌ層２１と、Ｃｕを主成分とするＣｕ層２２とを２層以上に積層、クラッドしてなる複合材で構成される。この複合材のＡｌ層２１が、アルミ導体１２との接触部側（図１中では内層側）に配置される。

接続端子１１は、図２に示すように、アルミ導体１２を載せる本体部３１と、その本体部３１の一部を折り曲げてなる導体押さえ部３２ａ，３２ｂとを備えている。具体的には、図３に示すように、本体部３１の幅方向両端部（図３中では左右両端部）が直角に折り曲げられ、導体押さえ部３２ａ，３２ｂが形成される。

Ａｌ層２１とＣｕ層２２との層厚比ＴAl／ＴCuは、0.01≦ＴAl／ＴCu≦1.0、好ましくは0.1≦ＴAl／ＴCu≦1.0とされる。ＴAl／ＴCuが1.0を超えると、導電性が悪化し、接続部１０において抵抗発熱による温度上昇が生じてしまうため、Ａｌ層２１の層厚は、最大で、Ｃｕ層２２の層厚と同じとされる。

本体部３１と導体押さえ部３２ａ，３２ｂとで囲まれた空間Ｓの形状、サイズは、アルミ導体１２の形状、サイズに応じて適宜決定されるが、空間Ｓとアルミ導体１２との間に隙間が形成されないように密着させることが好ましい。

次に、本実施の形態に係る接続端子１１とアルミ導体１２とを超音波接続装置を用いて接続し、接続部を作製する場合について説明する。

先ず、超音波接続に用いる本発明の好適一実施の形態に係る超音波接続装置の概略図を図４に示す。

図４に示すように、本実施の形態に係る超音波接続装置４０は、主に本体部４１と超音波発振器４７とで構成される。本体部４１は、基台４９上に設けられたホーン支持部４２と、アンビル４３とで構成され、ホーン支持部４２から水平に延びる超音波ホーン４４の先端部に、ホーンチップ４５が設けられる。図４の要部５の拡大図を図５に示すように、ホーンチップ４５は、先端面（図５中では下面）４５ａが被接続物体（アルミ導体１２と本体部３１）の水平面Ｆに対して所定角度θだけ傾斜している。この先端面４５ａの傾斜角度θは、アルミ導体１２のサイズに応じて適宜決定され、アルミ導体１２のサイズが大きいほど大きくされる。例えば、傾斜角度θは、0〜30°（0°は除く）、好ましくは10〜20°とされる。ここで言う先端面４５ａとは、ホーンチップ４５の先端全面の傾きの平均をとった面である。

このような装置構成の超音波接続装置４０のアンビル４３上に被接続対象物を載置し、ホーンチップ４５の先端面４５ａを被接続対象物に当接させることで、超音波発振器４７で発振された超音波振動が被接続対象物に付与される。

ここで、図６に示すように、ホーンチップ６５の先端面がフラットな、従来の超音波接続装置を用いた場合、領域６１（アルミ導体１２における超音波付与領域（図１中の斜線領域１３）と非付与領域との境界部近傍）においてアルミ導体１２が潰れて（又は伸びきって）しまい、アルミ素線に断線が生じてしまう。

ところが、本実施の形態に係る超音波接続装置４０を用いた超音波接続方法においては、図５に示したように、ホーンチップ４５の先端面４５ａを被接続物体に対して角度θ傾斜させた状態で当接させ、超音波付与を行っている。このため、アルミ導体１２における超音波付与領域と非付与領域との境界部近傍（図５中の領域５１）において、アルミ導体１２の潰れが抑制される。その結果、超音波接続時、アルミ導体１２において、アルミ素線に断線が生じるおそれはない。

また、通常のＣｕ製接続端子とアルミ導体とを超音波接続する場合、異種材料間での接続となることから、超音波接続時の印加エネルギーを大きくしなければならない。その結果、エネルギー印加時の高温により、アルミ導体の変形が大きくなると共に導体強度が低下し、延いては接続性が低下するという問題があった。

ところが、本実施の形態に係る接続端子１１は、接続端子をＡｌ層２１とＣｕ層２２との複合材で形成すると共に、アルミ導体１２との接触部側の面にＡｌ層２１を配置している。これによって、超音波接続部においては、同種材料間での接続となることから、超音波接続時の印加エネルギーを小さくすることができる。その結果、アルミ導体１２の導体強度の低下を防ぐことができ、延いては接続性が向上する。

さらに、接続端子１１は、Ａｌ層２１とＣｕ層２２の複合材で構成すると共に、Ａｌ層２１とＣｕ層２２との層厚比ＴAl／ＴCuを1.0以下に調整している。このため、接続端子１１は、Ｃｕ単体で構成される接続端子とほぼ同等の十分な導電性を有する。その結果、接続部１０において、抵抗発熱による温度上昇が生じることもなく、変形や高温強度不足による断線が生じるおそれはない。

また、接続端子におけるアルミ導体との非接触部側の面（以下、非接触面と記す）は、接続対象品（例えばバッテリーなど）のコネクタ端子に接続されるが、このコネクタ端子はＣｕ製であることが多い。本実施の形態に係る接続端子１１においては、非接触面にＣｕ層２２を配置している。このため、接続端子１１の非接触面とコネクタ端子とは、同種材料間での接触となる。よって、各端子の接続部において、電位差腐食が生じるおそれはない。

さらに、接続端子１１におけるアルミ導体１２との接触部は、本体部３１及び導体押さえ部３２ａ，３２ｂによって横断面樋状（Ｕ字状）に形成される。この導体押さえ部３２ａ，３２ｂが、超音波接続時にアルミ導体１２を拘束するため、Ａｌ素線の撚線で構成されるアルミ導体１２を超音波接続する際に、撚線がばらけることはない。また、接続端子１１とアルミ導体１２との接続領域は、本体部３１及び導体押さえ部３２ａ，３２ｂの３平面となることから、接触面積が広く、その結果、接続端子１１とアルミ導体１２との接続性が向上する。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
銅板とアルミ板を積層し、圧延することで、厚さ1.0ｍｍの複合板材を作製した。この複合板材は、Ａｌ層の層厚が0.1ｍｍ、Ｃｕ層の層厚が0.9ｍｍ、ＴAl／ＴCuが0.11であった。

（実施例２）
銅板とアルミ板を積層し、圧延することで、厚さ1.0ｍｍの複合板材を作製した。この複合板材は、Ａｌ層の層厚が0.5ｍｍ、Ｃｕ層の層厚が0.5ｍｍ、ＴAl／ＴCuが1.00であった。

（比較例１）
銅板のみを用いて圧延することで、厚さ1.0ｍｍの板材を作製した。

実施例１，２及び比較例１の各板材の諸元（板材厚さ、Ａｌ層及びＣｕ層の各厚さ（Al層/Cu層）、ＴAl／ＴCu）を表１に示す。

次に、実施例１，２及び比較例１の各板材を、幅20ｍｍ、長さ30ｍｍの短冊状の試験片に切り出した。これらの試験片の幅方向両端を、5ｍｍの幅で、90°内側に折り曲げ、図１に示した接続端子１１の模擬体を作製した。各模擬体とアルミ導体とを、図４に示した超音波接続装置４０を用いて接続し、接続部を作製した。アルミ導体としては、外径φ1.0ｍｍのＡｌ素線を１９本撚り合わせた撚線導体を用いた。超音波接続装置４０におけるホーンチップ（雄形状）４５としては、先端面が傾斜しているものを使用し、先端面サイズは10ｍｍ×8ｍｍとした。また、超音波接続条件は、周波数を40kHz、加圧力を0.1〜0.4MPa、超音波印加エネルギーを1〜3000Jとした。

超音波接続後における接続部の接続性について評価を行った。その評価結果（超音波印加エネルギー、引張強度、ピール強度（引き剥がし強さ）、軽量性、及びそれらの総合評価）を表２に示す。超音波印加エネルギーについては、接続に要するエネルギーが大きいものを高、小さいものを低とした。引張強度については、実際の引張強さと、アルミ導体の母材強度（120MPa）を1.0とした時の相対値とで表した。ピール強度については、アルミ導体の母材強度（120MPa）を1.0とした時の相対値で表した。軽量性及び総合評価については、良好なものを○、不十分なものを△とした。

表２に示すように、比較例１の板材を用いた模擬体とアルミ導体との接続部は、引張強度が120MPa（相対値が1.0）、ピール強度が0.5であり、十分な引張強度及びピール強度を有していた。しかし、この模擬体とアルミ導体との接続は異種材料間であることから、接続に要する超音波印加エネルギーは高かった。また、この模擬体はＣｕのみで構成されていることから、軽量性が不十分であった。よって、総合評価も不十分であった。

これに対して、実施例１，２の各複合板材を用いた模擬体とアルミ導体との接続部は、引張強度及びピール強度が共に比較例１と同じであり、十分な引張強度及びピール強度を有していた。また、これらの模擬体とアルミ導体との接続は同種材料間であることから、接続に要する超音波印加エネルギーは低かった。さらに、これらの模擬体はＡｌとＣｕの複合材で構成されていることから、Ｃｕ単体で構成される比較例１の模擬体と比較して、軽量性が良好であった。よって、総合評価も良好であった。

実施例１，２の各複合板材を用いて作製した模擬体をそれぞれ２つずつ用意した。一方の各模擬体は、ホーンチップ４５の先端面が傾斜している超音波接続装置を用いて、アルミ導体との超音波接続を行った（実施例１，２）。また、他方の各模擬体は、ホーンチップ４５の先端面がフラットな超音波接続装置を用いて、アルミ導体との超音波接続を行った（比較例２，３）。

超音波接続後における各接続部の接続性について評価を行った。その評価結果（アルミ導体の潰れなどの外観評価、具体的にはＡｌ素線断線の有無）を表３に示す。

表３に示すように、実施例１，２の各複合板材を用いた模擬体とアルミ導体との接続部においては、Ａｌ素線断線は観察されなかった。これに対して、比較例２，３の各複合板材を用いた模擬体とアルミ導体との接続部においては、Ａｌ素線断線が観察された。

よって、ホーンチップの先端面を被接続物体に対して傾斜させた状態で当接させ、超音波付与を行うと、アルミ導体において、Ａｌ素線に断線が生じないことが確認された。

本発明の好適一実施の形態に係る接続端子の平面図である。図１の側面図である。図２の３−３線断面図である。本発明の好適一実施の形態に係る超音波接続装置の概略図である。図４の要部拡大図である。従来の超音波接続装置の要部拡大図である。従来の接続端子の平面図である。

符号の説明

１１接続端子
１２アルミ導体
２１Ａｌ層
２２Ｃｕ層

Claims

アルミ導体に接続される接続端子において、Ａｌを主成分とするＡｌ層と、Ｃｕを主成分とするＣｕ層とを２層以上に積層、クラッドしてなる複合材で構成され、上記アルミ導体との接触部に上記Ａｌ層を配置したことを特徴とする接続端子。
上記Ａｌ層と上記Ｃｕ層との層厚比ＴAl／ＴCuが、0.01以上、1.0以下である請求項１記載の接続端子。
上記アルミ導体を載せる本体部と、その本体部の一部を折り曲げてなる導体押さえ部とを備えた請求項１又は２記載の接続端子。
超音波ホーンの先端に設けられたホーンチップを介して超音波振動を付与し、被接続物体同士を超音波接続する装置において、上記ホーンチップの先端面が、上記被接続物体に対して傾斜角を有することを特徴とする超音波接続装置。
超音波ホーンの先端に設けられたホーンチップを介して超音波振動を付与し、被接続物体同士を超音波接続する方法において、上記ホーンチップの先端面を、上記被接続物体に対して傾斜させた状態で当接させ、超音波付与を行うことを特徴とする超音波接続方法。
請求項１〜３記載の接続端子とアルミ導体とを接続してなることを特徴とする接続部。
請求項４記載の超音波接続装置を用いて接続端子とアルミ導体とを接続してなることを特徴とする接続部。
請求項５記載の超音波接続方法を用いて接続端子とアルミ導体とを接続してなることを特徴とする接続部。
上記アルミ導体が、Ａｌ素線又はＡｌ合金素線で構成される撚線導体である請求項６から８いずれかに記載の接続部。