JP5484360B2 - 導電部材 - Google Patents
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Description
本発明は、電極や電線等を電気的に接続する際に用いられる導電部材に関する。
従来、発電所や自動車等の輸送機器の電気系統、家電製品等においては、電源供給ライン等として配設される金属であるブスバー（バスバー）と呼ばれる導電部材が用いられている。ブスバーは、長尺の平板状または細長い棒状をなし、表面積の大きさから高い放熱性および大電流を流すための通電性に優れている。
ところで、上述したブスバーでは、放熱性および通電性のほか、軽量化および低コスト化が求められている。この要望に対して、例えば、軽量で安価なアルミニウムと高い電気伝導度を有する銅とを組み合わせた複合電極が提案されている。この複合電極において、２つの金属を接合する方法として、溶接、溶射法やコールドスプレー法が挙げられる。溶射法は、基材に対して溶融またはそれに近い状態に加熱された溶射材を吹き付けることによって皮膜を形成させる方法である。
コールドスプレー法は、皮膜となる材料の粉末を、融点または軟化点以下の状態の不活性ガスと共に先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させる方法である（例えば、特許文献１参照）。コールドスプレー法は、溶接および溶射法と比して、温度が低いため熱応力の影響が緩和され、相変態がなく酸化も抑制できるため、電気伝導度の低下を抑制した金属皮膜を得ることができる。特に、基材および皮膜となる材料がともに金属である場合、基材に皮膜となる粉末が衝突することで、粉末と基材との間に塑性変形が生じ、アンカー効果を得ることができる。また、塑性変形が生じる領域では、基材に粉末が衝突した際に、互いの酸化皮膜が破壊され、新生面同士による金属結合が生じ、高い密着強度の積層体が得られるという効果も期待されている。
しかしながら、板厚の薄いブスバーを作製する場合、特許文献１が開示するようなコールドスプレー法による接合では、基材に対して金属皮膜を形成して母材を作製した後、所望の板厚となるように切り出さなければならず、この切出作業によってコストが増大するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、板厚に関わらず、安価に複数の導電性材料を接合でき、かつ良好な電気伝導性を有する導電部材を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる導電部材は、少なくとも一方がアルミニウムよりも電気抵抗率の低い導電性材料からなる第１および第２導電性材料と、前記第１および第２導電性材料が突き合わされた突合せ部分に対して、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記突合せ部分の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記第１および第２導電性材料は、突合せ側の端部に切り欠き形状をなす切欠部をそれぞれ有し、前記金属皮膜は、前記切欠部を覆うことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対して傾斜したテーパ形状をなすことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対する傾斜角θが、０°＜θ≦４５°を満たすことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対する前記傾斜角θが、２°≦θ≦３５°を満たすことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記金属皮膜に用いる金属は、銅、モリブデン、アルミニウム、タングステン、ニッケル、銀またはこれらの少なくとも一つを含む合金からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる導電部材は、上記の発明において、前記第１および第２導電性材料の他方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする。
本発明にかかる導電部材は、接触させた導電性材料の少なくとも接触部分の一部を覆うようにコールドスプレー法によって皮膜を形成して導電性材料間を接合するようにしたので、板厚に関わらず、安価に複数の導電性材料を接合できるという効果を奏する。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる導電部材について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１にかかる導電部材の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態１にかかる導電部材の要部の構成を示す模式図である。図１に示す導電部材１は、電源供給ライン等として配設され、軽量で安価な導電性材料からなる略板状の第１導電性材料１１と、高い電気伝導度を有する導電性材料からなる略板状の第２導電性材料１２と、第１導電性材料１１と第２導電性材料１２との間に形成される金属皮膜１３と、を備える。
まず、本発明の実施の形態１にかかる導電部材について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１にかかる導電部材の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態１にかかる導電部材の要部の構成を示す模式図である。図１に示す導電部材１は、電源供給ライン等として配設され、軽量で安価な導電性材料からなる略板状の第１導電性材料１１と、高い電気伝導度を有する導電性材料からなる略板状の第２導電性材料１２と、第１導電性材料１１と第２導電性材料１２との間に形成される金属皮膜１３と、を備える。
第１導電性材料１１は、略板状をなし、一方の端部側がテーパ形状をなすテーパ部１１ａを有する。第１導電性材料１１は、軽量で安価な材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金によって形成される。
第２導電性材料１２は、略板状をなし、一方の端部側がテーパ形状をなす切欠部としてのテーパ部１２ａを有する。第２導電性材料１２は、高い電気伝導度を有する材料、例えば、アルミニウムよりも電気抵抗率の低い銅、貴金属、または銅合金、貴金属合金によって形成される。
テーパ部１１ａは、図２に示すように、第１導電性材料１１の一方の面を切り欠いたテーパ形状をなす傾斜面１１１と、第２導電性材料１２と接触する端面１１２とを有する。ここで、傾斜面１１１と第１導電性材料１１の主面とがなす傾斜角θ１は、０°＜θ１≦４５°の範囲である。より好ましくは、傾斜角θ１が、２°≦θ１≦３５°の範囲である。また、テーパ部１１ａは、テーパ形状の形成によって、端面１１２の厚みｄ１が、第１導電材料１１の最大の厚みに対して０．１〜０．５倍となることが好ましい。
テーパ部１２ａにおいても、上述したテーパ部１１ａと同等の傾斜角および厚みを有する。なお、テーパ部１１ａおよびテーパ部１２ａの形状は、傾斜角および端面の厚みが同じであることが好ましい。
金属皮膜１３は、後述するコールドスプレー法によって第１導電性材料１１のテーパ部１１ａおよび第２導電性材料１２のテーパ部１２ａの表面に形成される。この金属皮膜１３（皮膜材料）としては、銅、モリブデン、アルミニウム、タングステン、ニッケル、銀等の金属や、これら金属の少なくとも一つを含む合金が挙げられる。ここで、金属皮膜１３は、バルク材に対して密度が９５％以上であって、熱伝導度が９０％以上の金属または合金であれば適用可能である。
なお、本実施の形態１では、第１導電性材料１１に銅または銅合金、第２導電性材料１２にアルミニウムまたはアルミニウム合金、金属皮膜１３に銅または銅合金を用いる組み合わせであることが好ましい。
つづいて、金属皮膜１３の形成について、図３を参照して説明する。図３は、金属皮膜１３の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。コールドスプレー法による金属皮膜１３形成は、例えば図３に示すコールドスプレー装置２０によって行われる。
コールドスプレー装置２０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器２１と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン２４に供給する粉末供給装置２２と、スプレーガン２４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を第１導電部材１１および第２導電性材料１２のテーパ部１１ａ，１２ａに向けて噴射するガスノズル２３とを備えている。
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気等が使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ２５，２６により、ガス加熱器２１と粉末供給装置２２にそれぞれ供給される。ガス加熱器２１に供給された圧縮ガスは、例えば５０〜７００℃に加熱された後、スプレーガン２４に供給される。より好ましくは、テーパ部１１ａ，１２ａ上に噴射される粉末の上限温度を皮膜材料の融点以下に留めるように圧縮ガスを加熱する。粉末材料の加熱温度を皮膜材料の融点以下に留めることにより、皮膜材料の酸化を抑制できるためである。
粉末供給装置２２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置２２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン２４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル２３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン２４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のままテーパ部１１ａ，１２ａの形成面に高速で衝突して皮膜を形成する。
上述したコールドスプレー装置２０によって、図１に示すような金属皮膜１３が形成される。なお、材料粉末をテーパ部１１ａ，１２ａに固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図３のコールドスプレー装置２０に限定されるものではない。
上述した処理によって、第１導電性材料１１のテーパ部１１ａおよび第２導電性材料１２のテーパ部１２ａの表面を金属皮膜１３で覆うことができる。なお、皮膜形成後、第１導電性材料１１および第２導電性材料１２の表面と金属皮膜１３の形成面が異なる場合、必要に応じて切削加工等の表面加工処理を施して、表面の形状を調整してもよい。
上述した実施の形態１にかかる導電部材によれば、２つの導電性材料の突合せ部分にコールドスプレー法によって金属皮膜を形成して接合するようにしたので、板厚に関わらず、安価に複数の導電性材料を接合でき、かつ良好な電気伝導性を有する。また、コールドスプレー法では、高温で処理する溶接や溶射法等と比して、相変態がなく酸化が抑制された緻密な金属皮膜を形成させることができるため、コールドスプレー法によって形成された金属皮膜の金属特性は、溶射法等によって形成された金属皮膜の金属特性より優れている。これにより、金属皮膜の電気伝導性が向上し、一段と効率のよい電気伝導性を実現することができる。
また、従来のような、基材に対してコールドスプレー法によって金属被膜を形成して母材を作製した後に所望の厚さで切り出す処理に対して、本実施の形態１にかかる導電部材は、切り出す工程がなく、導電部材を短時間で容易に作製できるとともに、歩留まりが向上して製造コストを削減することができる。
また、各導電性材料に形成面が傾斜したテーパ部を形成してこのテーパ部を金属皮膜で被覆して導電性材料間を接合することで、テーパ部を形成せずに突き合わせのみで導電性材料を接合する場合と比して、金属皮膜を介する導電性材料間の接触面積が拡大するため、電気抵抗を小さくすることができる。これにより、高い電気伝導性を実現することができる。
なお、テーパ部は、導電性材料の主面に対して傾斜した平面をなす切り欠き形状であるものとして説明したが、テーパ形状の形成面は、弧状に湾曲した形状をなすものであってもよい。また、テーパ部における傾斜面は、導電性材料の一方の面に対して形成するものとして説明したが、両面にそれぞれ形成されるものであってもよい。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる導電部材について、図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施の形態２にかかる導電部材の構成を模式的に示す斜視図である。図５は、本実施の形態２にかかる導電部材の要部の構成を模式的に示す断面図である。なお、図５は、図４に示す導電部材２を、長手方向の中心軸Ｎを含む平面で切断した断面図である。また、図６は、第１導電性材料１４を示す模式図である。図４に示す導電部材２は、軽量で安価な導電性材料からなる略円柱状の第１導電性材料１４と、高い電気伝導度を有する導電性材料からなる略円柱状の第２導電性材料１５と、第１導電性材料１４と第２導電性材料１５との間に形成される金属皮膜１６と、を備える。
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる導電部材について、図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施の形態２にかかる導電部材の構成を模式的に示す斜視図である。図５は、本実施の形態２にかかる導電部材の要部の構成を模式的に示す断面図である。なお、図５は、図４に示す導電部材２を、長手方向の中心軸Ｎを含む平面で切断した断面図である。また、図６は、第１導電性材料１４を示す模式図である。図４に示す導電部材２は、軽量で安価な導電性材料からなる略円柱状の第１導電性材料１４と、高い電気伝導度を有する導電性材料からなる略円柱状の第２導電性材料１５と、第１導電性材料１４と第２導電性材料１５との間に形成される金属皮膜１６と、を備える。
第１導電性材料１４は、略円柱状をなし、一方の端部側がテーパ形状をなすテーパ部１４ａを有する。第１導電性材料１４は、軽量で安価な材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金によって形成される。
第２導電性材料１５は、略円柱状をなし、一方の端部側がテーパ形状をなすテーパ部１５ａを有する。第２導電性材料１５は、高い電気伝導度を有する材料、例えば、銅、貴金属または銅合金、貴金属合金によって形成される。
金属皮膜１６は、図３のコールドスプレー装置２０によって第１導電性材料１４のテーパ部１４ａおよび第２導電性材料１５のテーパ部１５ａの表面に形成される。この金属皮膜１６としては、銅、モリブデン、アルミニウム、タングステン、ニッケル、銀等の金属や合金が挙げられる。ここで、金属皮膜１６は、バルク材に対して密度が９５％以上であって、熱伝導度が９０％以上の金属または合金であれば適用可能である。
テーパ部１４ａは、図６に示すように、第１導電性材料１４の端部を面取りしたテーパ形状をなす傾斜面１４１と、第２導電性材料１５と接触する端面１４２とを有する。ここで、テーパ部１４ａの傾斜面１４１と第１導電性材料１４の主面とがなす傾斜角θ２は、実施の形態１と同様、０°＜θ２≦４５°の範囲である。より好ましくは、傾斜角θ２が、２°≦θ２≦３５°の範囲である。また、テーパ部１４ａは、テーパ形状の形成によって、端面１４２の径ｄ２が、第１導電材料１４の中心軸Ｎに垂直な方向の最大の径に対して０．１〜０．５倍となることが好ましい。
テーパ部１５ａにおいても、上述したテーパ部１４ａと同等の傾斜角および端面の径を有する。なお、テーパ部１４ａおよびテーパ部１５ａの形状は、傾斜角および端面の径が同じであることが好ましい。
上述した実施の形態２にかかる導電部材によれば、実施の形態１と同様、２つの導電性材料の突合せ部分にコールドスプレー法によって金属皮膜を形成して接合するようにしたので、板厚に関わらず、安価に複数の導電性材料を接合でき、かつ良好な電気伝導性を有する。また、コールドスプレー法では、高温で処理する溶接や溶射法等と比して、相変態がなく酸化が抑制された緻密な金属皮膜を形成させることができるため、コールドスプレー法によって形成された金属皮膜の金属特性は、溶射法等によって形成された金属皮膜の金属特性より優れている。これにより、金属皮膜の電気伝導性が向上し、一段と効率のよい電気伝導性を実現することができる。
また、従来のような、基材に対してコールドスプレー法によって金属被膜を形成して母材を形成した後に所望の厚さで切り出す処理は、実施の形態２のような円柱形状では切り出しが困難なものとなるが、本実施の形態２にかかる導電部材は、切り出す工程がなく、導電部材を短時間で容易に作製できるとともに、歩留まりが向上して製造コストを削減することができる。
また、各導電性材料に形成面が傾斜したテーパ部を形成してこのテーパ部を金属皮膜で被覆して導電性材料間を接合することで、テーパ部を形成せずに突き合わせのみで導電性材料を接合する場合と比して、金属皮膜を介する導電性材料間の接触面積が拡大するため、電気抵抗を小さくすることができる。これにより、高い電気伝導性を実現することができる。
以上のように、本発明にかかる導電部材は、複数の導電性材料を接合して導電部材を作製することに有用である。
１，２ 導電部材
１１，１４ 第１導電性材料
１１ａ，１２ａ，１４ａ，１５ａ テーパ部
１２，１５ 第２導電性材料
１３，１６ 金属皮膜
２０ コールドスプレー装置
２１ ガス加熱器
２２ 粉末供給装置
２３ ガスノズル
２４ スプレーガン
２５，２６ バルブ
１１，１４ 第１導電性材料
１１ａ，１２ａ，１４ａ，１５ａ テーパ部
１２，１５ 第２導電性材料
１３，１６ 金属皮膜
２０ コールドスプレー装置
２１ ガス加熱器
２２ 粉末供給装置
２３ ガスノズル
２４ スプレーガン
２５，２６ バルブ
Claims (5)
- アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる略板状の第１導電性材料と、
アルミニウムよりも電気抵抗率の低い導電性材料からなる略板状の第２導電性材料と、
前記第１および第２導電性材料が突き合わされた突合せ部分に対して、金属粉末をガスと共に加速し、前記突合せ部分の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、
を備え、
前記第１導電性材料は、前記第２導電性材料と接触する端面の厚みが、前記第１導電性材料の最大の厚みの０．１〜０．５倍となる切り欠き形状をなす第１の切欠部を有し、
前記第２導電性材料は、前記第１導電性材料と接触する端面の厚みが、前記第２導電性材料の最大の厚みの０．１〜０．５倍となる切り欠き形状をなす第２の切欠部を有し、
前記金属皮膜は、銅または銅を含む合金からなり、前記第１および第２の切欠部を覆うことを特徴とする導電部材。 - アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる略円柱状の第１導電性材料と、
アルミニウムよりも電気抵抗率の低い導電性材料からなる略円柱状の第２導電性材料と、
前記第１および第２導電性材料が突き合わされた突合せ部分に対して、金属粉末をガスと共に加速し、前記突合せ部分の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、
を備え、
前記第１導電性材料は、前記第２導電性材料と接触する端面の径が、前記第１導電性材料の最大の径の０．１〜０．５倍となる切り欠き形状をなす第１の切欠部を有し、
前記第２導電性材料は、前記第１導電性材料と接触する端面の径が、前記第２導電性材料の最大の径の０．１〜０．５倍となる切り欠き形状をなす第２の切欠部を有し、
前記金属皮膜は、銅または銅を含む合金からなり、前記第１および第２の切欠部を覆うことを特徴とする導電部材。 - 前記第１および第２の切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対して傾斜したテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の導電部材。
- 前記第１および第２の切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対する傾斜角θが、０°＜θ≦４５°を満たすことを特徴とする請求項３に記載の導電部材。
- 前記第１および第２の切欠部は、前記第１および第２導電性材料の各主面に対する前記傾斜角θが、２°≦θ≦３５°を満たすことを特徴とする請求項４に記載の導電部材。
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