JP2009252443A - アルミ電線用圧着端子および該圧着端子を用いた圧着構造 - Google Patents

Abstract

【課題】過圧着ではなく、通常強度の圧着によってアルミニウム電線に接続した場合にも、ヒートサイクルやサーマルショック条件のもとで、圧着部の接触抵抗の安定化を図ることができるアルミ電線用圧着端子を提供する。
【解決手段】アルミニウム電線のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の導体Ｗａに対して外側から包み込むように圧着される圧着部１２を有し、少なくとも圧着部１２が、導体Ｗａに接触する内面側に銅または銅合金よりなる銅層Ｐａを配し、外面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニウム層Ｐｂを配した積層板材Ｐにより構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミ電線用圧着端子および該圧着端子を用いた圧着構造に関するものである。

自動車用のワイヤーハーネスに使用されている電線は、従来では一般的に銅電線であったが、最近では、軽量性やリサイクル性の良さからアルミニウム電線に置き換える動きがある。

アルミニウムは、銅に比べて、導電率が６０％程度であるが、重さが１／３ですむので、大幅な軽量化が期待できるからである。また、銅の融点は１０８３℃であるのに対し、アルミニウムの融点は６６０℃であるので、金属回収しやすい利点もあるからである。

自動車のワイヤーハーネスの電線をアルミニウム電線にした場合、圧着端子に銅端子を用いると、次の問題がある。アルミニウムは銅より線膨張係数が大きい。アルミニウムの線膨張係数は２３．５×１０^−６／℃、銅の線膨張係数は１７．０×１０^−６／℃であるから、アルミニウムは銅の１．４倍くらい温度変化に応じて伸び縮みしやすい。従って、銅端子をアルミニウム電線に圧着した場合、ヒートサイクルあるいはサーマルショック条件下において、アルミニウム導体と銅端子との間の接触抵抗が安定しなくなるという問題が生じる。

その点について詳しく説明する。

図４は、圧着端子をアルミニウム電線の導体に圧着した部分の断面図であり、図４（ａ）は常温で圧着したときの状態を示す図、図４（ｂ）は周囲温度が上昇したときの状態を示す断面図、図４（ｃ）は周囲温度の極度の低下に伴い端子と導体の界面に隙間ができた状態を示す図である。

圧着端子１の圧着部２は、圧着する前において、底板５と、該底板５の幅方向両側縁から上に延設された一対の圧着片６，６とを持つ略Ｕ字形状をなしている。圧着端子１を圧着する際には、アルミニウム電線のアルミニウム製（またはアルミニウム合金製）の導体Ｗａを底板５の上に挿入し、両側の圧着片６を加締装置で内側に曲げて、導体Ｗａを包み込むように加締める。それにより、導体Ｗａに圧着端子１を圧着接続することができる。

ところで、圧着端子１に銅端子を使用して、アルミニウム電線の導体に対し、常温（２３℃）で圧着を行った場合、圧着部断面は、図４（ａ）に示すようになる。この状態の断面において、導体Ｗａと圧着端子１の界面には互いの厚みの中心に向かって反力が作用して釣り合っている。しかし、この釣り合いは、導体Ｗａに圧着端子１を圧着した温度における体積比率によるものであり、温度変化があった場合、体積膨張により界面の接触状態が変化する。具体的には、室温２３℃で圧着された時の界面は、ワイヤーハーネスの使用が想定される温度域−４０℃〜１２０℃における体積変化の影響を受ける。

例えば、図４（ｂ）に示すように、常温より高温側に周囲温度が上昇した場合は、外側の銅製の圧着端子１よりも内側のアルミニウム製の導体Ｗａの方が体積膨張が大きくなるので、内側のアルミニウム製の導体Ｗａから外側の銅製の圧着端子１に対して矢印のような力が作用することになり、圧着端子１と導体Ｗａの界面に隙間が生じるようなことはない。

一方、図４（ｃ）に示すように、常温より低温側に周囲温度が下降した場合、特に−４０℃近辺のきわめて低温に周囲温度が下降したような場合、外側の銅製の圧着端子１よりも内側のアルミニウム製の導体Ｗａの方が体積収縮が大きくなるので、外側の銅製の圧着端子１とアルミニウム製の導体Ｗａの界面の接触圧が低下し、最悪の場合は、図示のように圧着端子１と導体Ｗａの界面に隙間７が生じるおそれがある。隙間７が生じると、接触抵抗が大きくなる。従って、特に低温条件において、電気接続性能が大幅に低下することになる。

そこで、従来では、そのような問題を回避するために、圧着端子を電線の導体に対し通常より大きな荷重をかけて過圧着したり、圧着端子として、電線の導体と同じ材料よりなるアルミニウム端子を使用するようにしたりしている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、別の技術として、特許文献３には、端子の強度アップと耐熱性およびリサイクル性の向上を図るために、アルミニウム合金材料と鉄鋼材料をクラッド圧延して複合金属材料を作り、この複合金属材料により、アルミニウム合金材料が電線の導体に接続されるように構成した端子の例が示されている。
特開２００３−２４９２８４号公報 特開２００３−３１７８１７号公報 特開２００４−２０００１８号公報

ところが、圧着端子を電線の導体に過圧着した場合は、過度の潰れにより導体の強度が低下するおそれがあるため、圧着による接続部分が切れやすくなり、強度的に問題が生じやすい。

また、特許文献１、２に記載のように、アルミニウム端子を使用した場合は、アルミニウムが銅よりも導電率が低いために、電線との接続部分の電気抵抗が大きくなり、ジュール熱による悪影響が出やすくなるという問題がある。また、アルミニウムは銅よりもバネ性に劣るので、バネ部を有する端子の場合、バネ部がへたりやすくなるという問題もある。

また、特許文献３に記載の技術のように、アルミニウム合金材料と鉄鋼材料のクラッド材で端子を構成し、アルミニウム合金材料が電線の導体と接触するようにした場合にも、電線との接続部分の電気抵抗が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮し、過圧着ではなく、通常強度の圧着によってアルミニウム電線に接続した場合にも、ヒートサイクルやサーマルショック条件のもとで、圧着部の接触抵抗の安定化を図ることができると共に、銅端子に近いバネ性を発揮することができる上、電線との接続部分の電気抵抗を小さくすることのできるアルミ電線用圧着端子および該圧着端子を用いた圧着構造を提供することを目的とする。

請求項１の発明のアルミ電線用圧着端子は、アルミニウム電線のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の導体に対して外側から包み込むように圧着される圧着部を有し、少なくとも前記圧着部が、前記導体に接触する内面側に銅または銅合金よりなる銅層を配し、外面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニウム層を配した積層板材により構成されていることを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアルミ電線用圧接端子であって、前記圧着部が、前記導体を上面に載せる底板と、該底板の幅方向両側縁から上に延び、前記底板上に載せた導体を包み込むように内側に曲げて前記導体に加締められる一対の圧着片とで略Ｕ字状に構成されていることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のアルミ電線用圧着端子であって、少なくとも前記アルミニウム層の厚みが前記銅層の厚み以上に設定されていることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子であって、端子全体が、前記アルミニウム層と銅層の積層板材により構成されていることを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子であって、前記圧着部のみが、前記アルミニウム層と銅層の積層板材により構成され、他の部分が、銅層のみの単層の板材により構成されていることを特徴としている。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子を用いた圧着構造であって、前記アルミ電線用圧着端子の圧着部を、アルミニウム電線のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の導体に対して外側から包み込むように圧着したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、電線の導体を包み込むように圧着する圧着部を、内面の銅層の外面にアルミニウム層を積層したバイメタル構造としたので、周囲温度の変化に対して、銅層だけで構成した端子（銅端子）よりも、圧着部が、アルミニウム電線の導体に近い傾向で収縮と膨張を繰り返す。つまり、周囲温度の低下によって、外側の端子の銅層よりも内側の導体が大きく収縮した際にも、圧着部の外面側のアルミニウム層が、電線の導体と同等に収縮するので、銅層を外側から締め付けることができる。従って、過圧着ではなく、通常強度の圧着によってアルミニウム電線に接続した場合にも、端子と導体の界面に隙間があくのを、外側からの締付力によって防止することができ、それにより、導体と端子の接触抵抗の安定化を図ることができて、結果的に、予想されるヒートサイクルあるいはサーマルショック条件下においても、安定した圧着性能を発揮することができる。また、過圧着する必要がないので、機械的な強度を落とすおそれがなく、導体の切れの問題も回避することができる。また、電線の導体に接触する内面部分に導電率の高い銅層を配し、その外面にアルミニウム層を配しているので、電線との接続部分の電気抵抗を小さくすることができる。また、アルミニウム層だけで構成するのではなく、銅層との積層板材で少なくとも圧着部を構成しているので、アルミニウム端子と比べてバネ性を高めることも可能である。

請求項２の発明によれば、通常の断面Ｕ字形状の圧着部の一対の圧着片を導体に加締めるだけで、温度変化によらず、安定した接触抵抗の圧着接続を達成することができる。

請求項３の発明によれば、外側のアルミニウム層を銅層以上の厚みに設定したので、低温時の銅層に対する締め付け力を十分に発揮させることができ、接触抵抗の安定化により、接続信頼性の向上に寄与することができる。

請求項４の発明によれば、端子全体をアルミニウム層と銅層の積層板材により構成したので、加工コストを低減することができる。

請求項５の発明によれば、圧着部だけを、アルミニウム層と銅層の積層板材により構成し、他の部分を銅層のみで構成したので、全体の端子の性能を銅端子と同等に維持しながら、圧着接続部の性能の向上を図ることができる。

請求項６の発明によれば、温度変化によらず、安定した接触抵抗を維持することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態の圧着端子をアルミニウム電線の導体に圧着した部分の構造を示す断面図で、図１（ａ）は常温時の状態を示す図、図１（ｂ）は−４０℃程度の低温時において力のかかる方向を示すための図、図２（ａ）は実施形態の圧着端子の外観斜視図、図２（ｂ）は圧着端子を構成する積層板材の構成を示す斜視図である。

本実施形態のアルミ電線用圧着端子１０は、自動車に使用するワイヤーハーネス用のアルミニウム電線の端末部などに圧着により接続されるものであり、アルミニウム電線の導体Ｗａに接触する内面側に銅または銅合金よりなる銅層Ｐａを配し、外面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニウム層Ｐｂを配した積層板材Ｐにより全体が構成されている。積層板材Ｐは、クラッド圧延により製造されており、バイメタル構造になっている。ここで、アルミニウム層Ｐｂの厚みは、銅層Ｐａの厚み以上に設定されている。

図２（ａ）に示すように、実施形態の圧着端子１０は、電気接続部１１を前部に有すると共に、後部にアルミニウム電線の導体Ｗａに圧着するための圧着部１２を有している。圧着部１２は、導体Ｗａを上面に載せる底板１５と、該底板１５の幅方向両側縁から上に延びる一対の圧着片１６，１６とで略Ｕ字状に構成されており、この圧着部１２の内面側に銅層Ｐａがくるように、圧着端子１０が成形されている。

本実施形態の場合は、圧着端子１０の全体を銅層Ｐａとアルミニウム層Ｐｂの積層板材Ｐで構成するため、図２（ｂ）に示すように、どの位置で圧着端子となる部分１０ｐを材料取りしてもよい。つまり、どの位置で圧着部となる部分１２ｐや電線接続部となる部分１１ｐを材料取りしても構わない。

自動車のワイヤーハーネスの使用想定温度域は−４０℃〜１２０℃の範囲であり、アルミニウム電線の導体Ｗａの材料はアルミニウムまたはアルミニウム合金である。アルミニウム電線の導体Ｗａおよび圧着端子１０のアルミニウム層Ｐｂの線膨張係数は、圧着端子１０の銅層Ｐａの線膨張係数よりも大きい。このため、銅層Ｐａよりも、導体Ｗａおよびアルミニウム層Ｐｂの方が、周囲の温度変化に対して熱収縮・熱膨張しやすい。

アルミニウム電線は、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる導体Ｗａの周囲を絶縁被覆（図示略）で覆ったものであり、このアルミニウム電線に本実施形態の圧着端子１０を接続する場合は、アルミニウム電線の端末の皮剥きして露出させた導体Ｗａに対して、圧着端子１０の圧着部１２を圧着固定する。その際、常温環境下で、底板１５上に載せた導体Ｗａを包み込むように一対の圧着片１６，１６を内側に曲げて導体Ｗａに加締めることにより、アルミニウム電線の導体Ｗａに圧着接続する。

このように本実施形態のアルミ電線用圧着端子１０をアルミニウム電線に接続した場合、周囲温度の変化に対して、銅層だけで構成した端子（銅端子）よりも、圧着部１２が、アルミニウム電線の導体Ｗａに近い傾向で収縮と膨張を繰り返す。つまり、周囲温度の低下によって、外側の圧着端子１０の銅層Ｐａよりも内側の電線の導体Ｗａが大きく収縮した際にも、圧着部１２の外面側のアルミニウム層Ｐｂが、電線の導体Ｗａと同等に収縮するので、図１（ｂ）に示すように、銅層Ｐａを外側からの力（矢印）で締め付けることができる。

従って、過圧着ではなく、通常強度の圧着によってアルミニウム電線に接続した場合にも、圧着端子１０と導体Ｗａの界面に隙間があくのを、外側からの締付力（矢印）によって防止することができる。そのため、導体Ｗａと圧着端子１０の接触抵抗の安定化を図ることができて、予想されるヒートサイクルあるいはサーマルショック条件下においても、安定した圧着性能を発揮することができる。特に、本実施形態では、通常の断面Ｕ字形状の圧着部１２の一対の圧着片１６，１６を導体Ｗａに加締めるだけで、温度変化によらず、安定した接触抵抗の圧着接続を達成することができる。

また、過圧着する必要がないので、機械的な強度を落とすおそれがなく、導体Ｗａの切れの問題も回避することができる。また、電線の導体Ｗａに接触する内面部分に導電率の高い銅層Ｐａを配し、その外面にアルミニウム層Ｐｂを配しているので、電線との接続部分の電気抵抗を小さくすることができる。また、アルミニウム層Ｐｂだけで構成するのではなく、銅層Ｐａとの積層板材Ｐで端子全体を構成しているので、アルミニウム端子と比べてバネ性を高めることも可能である。

また、本実施形態では、外側のアルミニウム層Ｐｂを銅層Ｐａ以上の厚みに設定しているので、低温時の銅層Ｐａに対する締め付け力を十分に発揮させることができ、接触抵抗の安定化により、接続信頼性の向上に寄与することができる。

また、端子全体をアルミニウム層Ｐｂと銅層Ｐａの積層板材Ｐにより構成しているので、加工コストの低減を図ることができる。

なお、上記実施形態では、端子全体を、銅層Ｐａとアルミニウム層Ｐｂの積層板材Ｐで構成した場合を示したが、少なくとも圧着部１２を、銅層Ｐａとアルミニウム層Ｐｂの積層構造としさえすれば、上記の接触抵抗の安定効果を得ることができる。

従って、圧着部だけを、アルミニウム層と銅層の積層板材で構成し、他の部分を銅層のみの単層材料で構成することも可能である。

例えば、図３に示すように、圧着端子となる部分１０ｐを板材Ｐから材料取りする際に、圧着部となる部分１２ｐだけを、銅層Ｐａとアルミニウム層Ｐｂの積層部分で材料取りし、他の電気接続部となる部分１１ｐなどを銅層Ｐａだけの単層部分で材料取りする。こうすることにより、圧着部１２だけを、銅層Ｐａとアルミニウム層Ｐｂの積層構造にすることができる。また、このように材料取りする板材Ｐとしては、一部分だけアルミニウム層Ｐｂを積層し、他は銅層Ｐｂの単層としたものを製造すればよい。

また、全体を銅層Ｐａだけの単層の板材料で製作し、後から圧着部となる部分の外面にアルミニウム層Ｐｂを接合して構成してもよい。

いずれにしろ、圧着部１２以外の部分を、銅層Ｐａだけの単層の材料で構成した場合は、全体の端子の性能を銅端子と同等に維持しながら、圧着接続部の性能の向上を図ることができる。

本発明の実施形態の圧着端子をアルミニウム電線の導体に圧着した部分の構造を示す断面図で、（ａ）は常温時の状態を示す図、（ｂ）は−４０℃程度の低温時において力のかかる方向を示すための図である。 （ａ）は実施形態の圧着端子の外観斜視図、（ｂ）は圧着端子を構成する積層板材の構成を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態の圧着端子を製作するための材料取りの様子を示す斜視図である。 従来の圧着端子による圧着接続部の説明図で、（ａ）は常温での圧着時の状態、（ｂ）は高温時の状態、（ｃ）は低温時の状態をそれぞれ示す圧着部の模式断面図である。

符号の説明

Ｗａ アルミニウム電線の導体
１０ アルミ電線用圧着端子
１２ 圧着部
１５ 底板
１６ 圧着片
Ｐ 積層板材
Ｐａ 銅層
Ｐｂ アルミニウム層

Claims (6)

1. アルミニウム電線のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の導体に対して外側から包み込むように圧着される圧着部を有し、少なくとも前記圧着部が、前記導体に接触する内面側に銅または銅合金よりなる銅層を配し、外面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニウム層を配した積層板材により構成されていることを特徴とするアルミ電線用圧着端子。
2. 請求項１に記載のアルミ電線用圧接端子であって、
   前記圧着部が、前記導体を上面に載せる底板と、該底板の幅方向両側縁から上に延び、前記底板上に載せた導体を包み込むように内側に曲げて前記導体に加締められる一対の圧着片とで略Ｕ字状に構成されていることを特徴とするアルミ電線用圧着端子。
3. 請求項１または２に記載のアルミ電線用圧着端子であって、
   少なくとも前記アルミニウム層の厚みが前記銅層の厚み以上に設定されていることを特徴とするアルミ電線用圧着端子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子であって、
   端子全体が、前記アルミニウム層と銅層の積層板材により構成されていることを特徴とするアルミ電線用圧着端子。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子であって、
   前記圧着部のみが、前記アルミニウム層と銅層の積層板材により構成され、他の部分が、銅層のみの単層の板材により構成されていることを特徴とするアルミ電線用圧着端子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミ電線用圧着端子を用いた圧着構造であって、
   前記アルミ電線用圧着端子の圧着部を、アルミニウム電線のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の導体に対して外側から包み込むように圧着したことを特徴とするアルミ電線用圧着端子を用いた圧着構造。

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