JP2006024523A - 接続端子及び超音波接続装置、方法並びに接続部 - Google Patents
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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
【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)。
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。
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。
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。
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。
11 接続端子
12 アルミ導体
21 Al層
22 Cu層
12 アルミ導体
21 Al層
22 Cu層
Claims (9)
- 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。
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