CN100530821C - 用于车窗玻璃的电连接器及包含该连接器的窗玻璃 - Google Patents

Abstract

一种窗玻璃具有一个由玻璃制成的衬底，并包括一个电气装置。所述电气装置包括一个电导体。一个电连接器被可操作地连接到所述导体，并与所述导体电气连通，以将电能传送到所述导体。所述衬底具有第一膨胀系数，所述连接器具有第二热膨胀系数。所述第一和第二热膨胀系数之间的差异小于或等于5×10^-6/℃，以使所述连接器和所述衬底之间的机械应力最小化，该机械应力由所述连接器和所述衬底因温度变化产生的热膨胀所引起的。

Description

用于车窗玻璃的电连接器及包含该连接器的窗玻璃

技术领域

本发明一般涉及用于车窗玻璃的电连接器。更具体地，本发明涉及具有独特组合物的电连接器，该电连接器将电能传送到车辆的电导体，诸如除雾器(defogger)、除霜器(defroster)、天线等。

背景技术

在车辆中使用电连接器是本领域公知的。连接器通过冶金方式连接到电导体，并与电导体建立电气连通，以将电能传送到导体。更具体地，电导体(通常包括银)被可操作地连接到由玻璃制成的衬底上，诸如车辆的后挡玻璃(backlite)或挡风玻璃。导体在车辆的窗玻璃上通常是可见的，并通常在窗玻璃上水平延伸。导体通常是除雾器、除霜器和天线。

传统地，连接器包括铅，这是因为铅是可变形的金属，可使连接器和衬底之间因温度变化造成的连接器和衬底的热膨胀所引起的机械应力减至最小。更具体地，是热膨胀系数差异引起机械应力。此种热膨胀会使得衬底破裂或对衬底产生其他破坏作用。此外，铅能防止与导体发生脱层(delamination)。然而，众所周知，铅被认为是环境污染物。因此，在许多工业(包括汽车工业)中，具有不在车辆中使用铅的动机。

已经有人提议在连接器中用常规材料来替换铅。然而，这些材料(诸如铜)容易与连接器发生脱层。其他常规材料会受到连接器和衬底之间因温度变化造成的连接器和衬底的热膨胀所引起的机械应力的破坏，这就会使衬底破裂或对衬底产生其他破坏。因为这些其他的材料是匮乏的，在汽车工业中不使用含铅连接器仅取得微小的进展。

尽管已经开发了各种用于车窗玻璃的导体中，但是这些开发很少能应用于电连接器技术。例如，6,396,026号美国专利公开了用于车辆的层压窗玻璃(laminated pane)，其包括置于两窗玻璃(glass pane)之间的电导体。电导体包括多层结构，该多层结构可以包括钛以使电导体具有刚性。电导体被放置于窗玻璃间的中间层中。在该位置，电导体与窗玻璃隔开。在6,396,026号专利中的含钛导体不能有效地充当连接器，将电源和一个可操作地连接到其中一个窗玻璃上的导体连接起来。更具体地，钛作为导体核心而被公开，其外表面包括传导性更好的金属(诸如铜)。由于存在铜，具有含铜外表面的钛核心不能被有效地用作电连接器，其原因是：铜和窗玻璃会因温度变化产生热膨胀，继而在铜和窗玻璃之间引起机械应力，而铜会因这种机械应力与导体发生脱层。

因此，仍有必要利用更环保的替代品来取代含铅连接器，这种更环保的替代品仍然能够减少连接器和衬底之间因温度变化导致的连接器和衬底热膨胀所引起的机械应力，并且还能防止与导体发生脱层。

发明内容

本发明提供了一种用于窗玻璃的电气装置。所述窗玻璃包括一个衬底。本发明也提供了包括所述电气装置的窗玻璃、以及包括所述窗玻璃的车辆。所述电气装置包括一个电导体和一个电连接器。所述连接器可操作地连接到所述导体，并与所述导体形成电气连通，以将电能传送到所述导体。所述衬底具有第一热膨胀系数，所述连接器具有第二热膨胀系数。所述第一和第二热膨胀系数之间的差异小于或等于5×10^-6/℃，以使所述连接器和所述衬底之间所述连接器和所述衬底因温度变化导致的热膨胀引起的机械应力减至最小。这样，该连接器就能够阻止与导体发生脱层。

在一个实施方式中，本发明提供一种窗玻璃，其包括：一个衬底，其由玻璃制成；一个电导体，其被施加在所述衬底的一个区域上；一个电连接器，其被可操作地连接到所述导体，并与所述导体电气连通，用于将电能传送到所述导体，和；所述连接器包括钛，以使所述连接器和所述衬底之间的机械应力最小化，其中所述机械应力由所述连接器和所述衬底的热膨胀引起，而所述热膨胀是由温度变化导致的。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于窗玻璃的电气装置，所述窗玻璃具有一个由玻璃制成的衬底，所述电气装置包括：一个电导体；一个电连接器，其被可操作地连接到所述导体，并与所述导体电气连通，用于将电能传送到所述导体；而且所述连接器包括钛，以使所述连接器和所述衬底之间的机械应力减至最小，其中所述机械应力是由所述连接器和所述衬底的热膨胀引起，而所述热膨胀是由温度变化导致的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考下述详细描述，本发明变得更加容易理解，同时也易于认识到本发明的其他优点。

图1是车辆的透视图，该车辆包括一个具有电气装置的后窗玻璃；

图2是图1窗玻璃的视图，其中具有一个示意性的电源；

图2A是图2窗玻璃一部分的局部视图，其中包括一个可操作地连接到电导体的电连接器；

图3是沿图2A中的线3-3截取的窗玻璃的示意性侧剖视图，示出了电导体被可操作地连接到一个陶瓷层，而陶瓷层又被可操作地连接到衬底；

图4是窗玻璃另一实施例的示意性侧剖视图，示出了电导体被可操作地连接到衬底，无陶瓷层；

图5是窗玻璃另一实施例的局部剖面透视图，该窗玻璃包括覆层(cladding)，其包盖到电连接器；和

图6是沿着图5中的线6-6截取的窗玻璃的示意性侧剖视图。

图7是沿着图5中的线6-6截取的窗玻璃的另一实施例的示意性侧剖视图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的数字表示几个视图中相同或相应的部分，窗玻璃一般是显示在车辆12的附图标记10处。窗玻璃10包括衬底14，其具有第一热膨胀系数。优选地，衬底14由玻璃制成；然而，衬底14也可以由其他材料诸如陶瓷制成。更优选地，玻璃进一步限定为汽车玻璃。在最优选的实施例中，汽车玻璃进一步限定为钠钙玻璃(soda-lime-silica glass)，众所周知，钠钙玻璃用于车辆12的窗玻璃10中。然而应该认识到，所述玻璃可以是本领域公知的任何类型的玻璃组合物。

电导体16被施加在衬底14的一个区域上。优选地，电导体16包括银；然而应该认识到，其他具有传导性的金属也适于用作导体16。电导体16在窗玻璃10上是可见的，并通常包括线18，线18水平延伸跨过窗玻璃10。导体16优选是除雾器、除霜器、天线或其组合。然而，导体16可以提供本领域对此种导体16公知的任何功能。

参考图2和图2A，电连接器20被可操作地连接到导体16，并与导体16电气连通。电连接器20具有第二热膨胀系数。导体16和连接器20一起形成电气装置24。优选地，连接器20包括钛；然而，其他金属，包括但不限于钼、钨、铪、钽、铬、铱、铌、钒、铂及其组合，也能适用于电连接器20，只要衬底的第一热膨胀系数和连接器的第二热膨胀系数之间的差异小于或等于5×10^-6/℃就可以，这将在下面详细描述。钛使连接器20能够减少连接器20和衬底14之间的机械应力，该机械应力是由温度变化导致的连接器20和衬底14的热膨胀所引起的。更具体地，机械应力是由第一和第二膨胀系数差异引起的。机械应力会使衬底14破裂或对衬底14产生其他破坏作用，并且也可导致连接器20与衬底14分离。

优选地，基于连接器20的总重量，钛按重量计以至少百分之50(wt％)的量存在于连接器20中。在更优选的实施例中，钛以至少85wt％的量存在于连接器20中，最优选地，基于连接器20的总重量，钛以至少99wt％的量存在于电连接器20中。基于组合物的总重量，包括99wt％钛的组合物认为是商业纯钛。在最优选的实施例中，连接器20中的剩余物质可以包括铁、氧、碳、氮和/或氢，并且基于电连接器20的总重量，每种物质以少于或等于0.2wt％的量存在。基于连接器20的总重量，其他剩余元素可以以少于0.4wt％的量存在于连接器20中。

在另一实施例中，钛可以是一个合金钛，其与选自下列物质的一种或多种金属形成合金：铝、锡、铜、钼、钴、镍、锆、钒、铬、铌、钽、钯、钌。在这个实施例中，金属优选以0.05至50wt％的量存在于连接器20中，更优选地，以1至10wt％的量存在于连接器20中，最优选地，以1至5wt％的量存在于连接器20中，均基于连接器20的总重量。

电连接器20不含铅，从而在制造过程和对破碎窗玻璃10的处理期间使产生的废物所引起的环境污染减至最小。钛是环保的，也就是说钛对环境的危害比铅小。因此，对制造过程和破碎窗玻璃10的处理中所产生的过量的钛的废物跟踪和处理没有像铅那样严格。

优选地，与上述金属合金而成的合金钛被进一步限定为α合金或α-β合金中的其中一种。也就是说，依据钛合金的微结构，合金钛是α合金或者α-β合金。α合金，以及商业纯钛，显示出优异的可焊性。因此，α合金和商业纯钛可以焊接到电导体16上。优选地，α-β合金是弱β-稳定化的。弱β-稳定化的α-β合金也显示出优异的可焊性。强β-稳定化的α-β合金也可以适用。然而，此种合金可能会因焊接而变脆。还有，β合金也可以适用于本发明；然而，焊接之后，需要额外的工艺来对合金进行强化。

连接器20和导体16之间的可操作性连接进一步限定为冶金结合(metallurgical bond)，这与连接器20和导体16之间的化学结合相反。冶金结合对于维持导电性是重要的，以致电流可以从电源38(下面将详细描述)流到电导体16。本领域技术人员知道，化学连接将增加连接器20和导体16之间连接的电阻率，从而抑制电流流动。冶金结合可以通过焊接形成。本领域公知的任何焊接工艺，诸如激光焊接、超声波焊接、摩擦焊接等可以用于将连接器20焊接到导体16上。其他技术，诸如热压接合也可以用于形成冶金结合。在一个实施例中，焊剂(未示出)可以置于导连接器20和导体16之间，以促进形成冶金结合。然而，在一个最优选的实施例中，连接器20直接结合到导体16上，形成冶金连接。焊剂可以是薄膜金属焊剂，即一种包括金属并且厚度小于或等于20×10^-6m的焊剂。可以使用常规的钎焊焊剂(brazeflux)，其通常是硼基焊剂。焊剂也可以包括锡、铟及其组合。

除了考虑环境因素之外，在连接器20中存在钛的其他优点是钛具有与衬底14基本上类似的热膨胀系数，参见上面的简要论述。参考图3，尽管连接器20和衬底14不是直接连接的(也就是说，导体16置于衬底14和连接器20之间)，但是具有第一热膨胀系数的衬底14是刚性的，并且当受到机械应力作用时容易破裂。优选地，导体16与连接器20相比具有相对较小的厚度，其范围在8×10^-6至12×10^-6m之间，而连接器20的厚度优选5×10^-4至1×10^-3m。由于导体16厚度小而且含有银，因此导体16具有延展性或可变形性，在受到机械应力作用时会发生变形，其中所述机械应力是由温度变化引起的膨胀和收缩造成的。因此，具有第二热膨胀系数的导体16吸收了许多因温度变化引起的机械应力。然而，连接器20也会因温度变化而膨胀和收缩，其产生的机械应力也要由导体16吸收。结果，第一和第二热膨胀系数之间的较大差异在导体16上产生过量的机械应力。由于衬底14通常比连接器20更脆，因此会因机械应力而破裂。

第一和第二热膨胀系数之间差异小于或等于5×10^-6/℃(这是在0-300℃的温度范围上取平均值而获得的)，足以在高达并包括600℃的温度中，避免衬底14破裂。优选地，第一热膨胀系数为8至9×10^-6/℃。如上所述，衬底优选为钠钙玻璃，其热膨胀系数为8.3至9×10^-6/℃，更优选地，约8.3×10^-6/℃，这也是在0-300℃的温度范围上取平均值而获得的。优选地，第二热膨胀系数为3至13×10^-6/℃，最优选，约8.8×10^-6/℃，这也是在0-300℃的温度范围上取平均值而获得的。

除了银之外，导体16也可以包括其他材料，诸如玻璃料(glass frit)和流动改性剂。将导体16作为一种膏涂覆到衬底14上，然后通过烧结工艺将其烧结到衬底14上。更具体地，在将这种膏涂覆到衬底14上之后，以约250℃对衬底14进行低温烘焙，这使得流动改性剂从该膏中烧化出。然后以约600℃来烧结衬底14，这将所述膏烧结到衬底14上，以形成导体16。烧结工艺也防止导体16和衬底14之间形成机械应力。

当导体16是除雾器或除霜器时，除了线18外，导体16还可包括置于线18的相对端上的垂直条带50、52。条带50、52电连接所述线18。条带52、53与线18一起形成并联电路。

参考图1，窗玻璃10可以包括陶瓷层26，其临近窗玻璃10的外围(periphery)放置。陶瓷层26保护衬底14上的粘合剂免遭紫外降解的破坏。如本领域中公知的，此种粘合剂通常被用于将窗玻璃10粘附到车辆12主体上。因此，如图3所示，陶瓷层26可以被置于衬底14和导体16之间。陶瓷层26颜色通常是黑色的，并且对衬底14、导体16和连接器20之间的热膨胀动力学的影响可以忽略不计。因此，依据热膨胀动力学，在图3所示的构造和图4所示的构造之间没有明显的差异，在图3中，连接器20可操作地连接到陶瓷层26之上的导体上；在图4中，连接器20可操作地连接到衬底14之上的导体16上。

在一个实施例中，如图5和6中所示，连接器20具有外表面区域28和覆层30，覆层30包盖到外表面区域28上。优选地，覆层30包括导电性比钛更好的铜，以改善通过连接器20的电流流动。由于覆层30的热膨胀系数与衬底14具有较大差异，因此将覆层30与导体16隔开，这样就机械地隔离了覆层30和导体16，从而避免在衬底14上产生上文所述的过度的机械应力。

优选地，覆层30和连接器20相对于彼此以0.01∶1至4∶1的体积比而存在，以致连接器20包括足够的钛，以充分地使覆层30因温度变化而膨胀和收缩所引起的机械应力最小化。

在另一个实施例中，连接器20可以包括合金钛，基于连接器20的总重量，其具有50wt％或少于50wt％的铜，并具有包括钛的平衡物(balance)，以消除对覆层30的需要。

如图7所示，导电箔54可以置于连接器20和导体16之间，以将导体20结合到导体16，从而确保连接器20和导体16之间的电气连通。当电连接器20由钛制成时，箔54特别有用。优选地，导电箔54由铝制成。

连接器20将电能传送到导体16。优选地，连接器20连接到导体16，而导体16邻近窗玻璃10一个边上的窗玻璃10的外围。优选地，第二连接器22可操作地连接到导体16，并与导体16建立电气连通，而导体16位于连接器20相对边的窗玻璃10上。然而，应该理解的是，仅有连接器20是必需的。第二连接器22可以将电能传送离开导体16。在一个实施例中，如图2中示意性地示出的，车辆12包括电源38，以提供电能。电源38可以是电池、交流发电机等。优选地，连接器20和第二连接器22都被可操作地连接到电源38，并与电源38电气连通。连接器20将电能从电源38传送到导体16，第二连接器22将电能从导体16传送到电源38。更具体地，引线40可操作地连接到电源38，并从邻近衬底14的电源38中延伸出来。引线40也被可操作地连接到连接器20。另一根导线42由电源38延伸到第二连接器22，并且连接器20可操作地连接到第二连接器22，形成电路。引线40和导线42优选包括铜。

引线40和连接器20之间的可操作性连接可以通过焊接、机械连接等形成。在一个实施例中，母部件(female member)46从连接器20和引线40中的其中一个中延伸出。公部件(male member)48则从连接器20和引线40中的另一个延伸出，以便可操作地连接到母部件46。也就是说，如图5所示，当公部件48从连接器20伸出时，母部件46就可以从引线40伸出，反之亦然。第二连接器22和第二引线42之间的可操作性连接可以与连接器20和引线40之间的连接相同。在最优选的实施例中，如图5所示，引线40包括母部件46，连接器20包括公部件48。通过压紧，使母部件46与公部件48啮合，从而防止引线40和连接器20分离。然而应该认识到，可以通过焊接或其他方法来连接部件46、48。

实例

制造包括玻璃衬底14、电导体16和电连接器20的基板(plaques)。对于所有基板，电导体16由银膏(silver paster)形成，电连接器20由各种材料形成。玻璃衬底14由钠钙玻璃形成。使基板经受高温，以测定哪种材料适合于连接器20。更具体地，首先将基板加热到250℃的温度约20分钟，以除去银膏中的残留组分。然后将基板加热到约620℃的温度另一个约20分钟。使基板冷却回到约21℃的室温约120分钟。观察基板，查看连接器20与玻璃衬底14和/或导体16有无可见的分离现象，以及玻璃衬底14有无可见的裂纹，不存在这些现象则表明该材料适用于连接器20。参考表1，针对每一基板，示出了用于连接器20的材料的类型和数量，并给出了基于连接器20的总重量、按重量计的百分比，以及指出了材料是否适用于连接器20。还有，钠钙玻璃的特性也包括在表1中。

表1

材料

Ex.A

Ex.B

相对Ex.A

相对Ex.B

电连接器
							钛	100.00	0.00	0.00	0.00
	铜	0.00	0.00	100.00	0.00
							钼	0.00	100.00	0.00	0.00
	银	0.00	0.00	0.00	100.00
							在20℃时的电阻率，μΩ*cm	54.0	5.7	1.7	1.6
	在0-100℃范围上的平均CTE，×10<sup>-6</sup>/℃	8.80	5.1	17.00	19.1
							在0-100℃范围上，连接器和玻璃衬底的CTE之间的差异(×10<sup>-6</sup>/℃)	0.5	3.2	8.7	10.8
	高温试验的结果	无破裂无分离(合适)	无破裂无分离(合适)	破裂分离(不合适)	破裂分离(不合适)
						玻璃衬底(钠钙玻璃)
	在20℃时的电阻率(μΩ*cm)	N/A	N/A	N/A	N/A
							在0-302℃范围上的平均CTE(×10<sup>-6</sup>/℃)	8.3	8.3	8.3	8.3

显而易见地，根据本文的原理，能够对本发明进行许多修改和变化。因此应该理解，在所附权利要求书的范围内，本发明可以不按照说明书具体描述的方式来实施。

Claims (25)

1.一种窗玻璃，其包括：

一个衬底，其由玻璃制成；

一个电导体，其被施加在所述衬底的一个区域上；

一个电连接器，其被可操作地连接到所述导体，并与所述导体电气连通，用于将电能传送到所述导体，和；

所述连接器包括钛，以使所述连接器和所述衬底之间的机械应力最小化，其中所述机械应力由所述连接器和所述衬底的热膨胀引起，而所述热膨胀是由温度变化导致的。

2.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述连接器不含铅。

3.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述钛基于所述连接器的总重量以至少50wt％的量存在于所述连接器中。

4.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述钛与选自下列物质的一种或多种金属形成合金：铝、锡、铜、钼、钴、镍、锆、钒、铬、铌、钽、钯、钌。

5.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述衬底具有第一热膨胀系数，所述连接器具有第二热膨胀系数，其中第一和第二热膨胀系数之间的差异小于或等于5×10^-6/℃。

6.根据权利要求1所述的窗玻璃，还包括置于所述连接器和所述导体之间的导电箔，用来将所述连接器结合到所述导体，以确保所述连接器和所述导体之间电气连通。

7.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述连接器具有一个外表面区域和一个覆层，所述覆层包盖到所述外表面区域，并与所述导体隔开，以致所述覆层与所述导体机械地隔离。

8.根据权利要求1所述的窗玻璃，还包括置于所述连接器和所述导体之间的焊剂。

9.根据权利要求1所述的窗玻璃，还包括置于所述衬底和所述导体之间的陶瓷层。

10.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述连接器还包括钼、钨、铪、钽、铬、铱、铌、铂和钒中的至少一种。

11.根据权利要求4所述的窗玻璃，其中所述金属基于所述连接器的总重量以0.05wt％到50wt％的量存在。

12.根据权利要求4所述的窗玻璃，其中用所述金属合金化了的所述钛还被限定为α合金和α-β合金之一。

13.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中所述钛基于所述连接器的总重量以至少85wt％的量存在于所述连接器中。

14.根据权利要求5所述的窗玻璃，其中所述第二热膨胀系数为3-13×10^-6/℃。

15.根据权利要求6所述的窗玻璃，其中所述导电箔由铝制成。

16.根据权利要求7所述的窗玻璃，其中所述覆层和所述钛以0.01∶1到4∶1的体积比存在。

17.根据权利要求7所述的窗玻璃，其中所述覆层包括铜。

18.根据权利要求1所述的窗玻璃，其中在所述连接器和所述导体之间的可操作连接还被定义为在所述连接器和所述导体之间的冶金结合。

19.一种用于窗玻璃的电气装置，所述窗玻璃具有一个由玻璃制成的衬底，所述电气装置包括：

一个电导体；

一个电连接器，其被可操作地连接到所述导体，并与所述导体电气连通，用于将电能传送到所述导体；而且

所述连接器包括钛，以使所述连接器和所述衬底之间的机械应力减至最小，其中所述机械应力是由所述连接器和所述衬底的热膨胀引起，而所述热膨胀是由温度变化导致的。

20.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述连接器不含铅。

21.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述钛基于所述连接器的总重量以至少50wt％的量存在于所述连接器中。

22.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述钛与选自下列物质的一种或多种金属形成合金：铝、锡、铜、钼、钴、镍、锆、钒、铬、铌、钽、钯、钌。

23.根据权利要求19所述的电气装置，还包括置于所述连接器和所述导体之间的导电箔，以将所述连接器结合到所述导体，以确保所述连接器和所述导体之间电气连通。

24.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述连接器具有一个外表面区域和一个覆层，所述覆层包盖到所述外表面区域，并与所述导体隔开，以致所述覆层与所述导体机械地隔离。

25.根据权利要求19所述的电气装置，还包括置于所述连接器和所述导体之间的焊剂。

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