JP2013004406A

JP2013004406A - 端子付き電線の製造方法

Info

Publication number: JP2013004406A
Application number: JP2011136370A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Koyama; 洋小山; Hideyuki Sagawa; 英之佐川; Toshiyuki Horikoshi; 稔之堀越
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】撚り線からなる導体がばらけるのを防ぐのはもとより、導体部分へのストレスを低減すると共に高い接続強度を安定、且つ容易に得られる端子付き電線の製造方法を提供する。
【解決手段】電線１０と、電線１０の導体１２を接続させる被接続部を有する端子２２とを超音波溶接にて接続する端子付き電線の製造方法において、超音波溶接機に具備されたアンビル２０の上に、被接続部が平板状である端子２２を載置する工程と、導体１２の両側に、一組の抑え治具２３，２３の少なくとも一方が導体１２に当接するように配置して導体１２を一組の抑え治具２３，２３で挟む工程と、一組の抑え治具２３，２３の間であって端子２２に対向する方向から導体１２を押圧しながら端子２２に超音波溶接する工程と、を含む方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車などにおける機器内配線に用いられる端子付き電線の製造方法に関するものである。

自動車などにおける機器内配線では、予め電線の導体に機器接続用の端子を接続した端子付き電線が用いられることが多い。

端子付き電線の製造方法において、銅端子と銅導体との接続方法としては、一般的に、圧着乃至圧縮による接続方法が採用されている。

一方、導体の材質などにより過度な圧縮力を加えることができない場合には、端子と導体との接続界面に超音波エネルギーを加えることで両者を接続する方法（所謂、超音波接続方法）が採用されることがある。

この超音波接続方法は、一般に、端子及び導体の表面に夫々形成されている酸化皮膜や酸化皮膜以外の汚染物質を、超音波エネルギーを印加することにより破壊、除去し、この酸化皮膜などを除去して活性面となった接続される夫々の部材の表面同士を接続するものである。このような超音波接続方法では、電気的接続の信頼性を得やすいという利点がある。

また、異種金属同士の接続において、部材夫々の熱膨張差やクリープ特性による接続性の低下が懸念される圧縮接続に対し、超音波接続では金属的な接続であるため、信頼性の高い接続が可能である。

図１５は、超音波接続方法によって端子と撚り線からなる導体とを接続した従来の端子付き電線の一例を示す斜視図である。

図１５に示すように、端子付き電線１５０の端子１５１は、機器側へ接続させるための穴１５２が設けられた第１被接続部１５３と、電線１５４と接続させる第２被接続部１５５とを有する。第２被接続部１５５には、電線１５４の導体１５６の幅を規制し、また、接続強度を確保する観点からオープンバレル（側壁）１５７，１５７が形成されている。加えて、第２被接続部１５５には、電線１５４の被覆１５８を固定するためにインシュレーションバレル１５９，１５９が形成されている。

このような端子付き電線１５０の超音波接続方法としては、例えば、特許文献１に開示された方法がある。より具体的には、特許文献１には、高い接続強度を安定して得ることができる良好な電線の超音波接続方法を提供する手段として、複数の芯線からなる電線の導体部分を２つの押え部材で幅を規制した状態で、加圧部材により厚み方向から加圧しながら各芯線を接続して平板状に成型する工程と、平板状に成型した導体を溶接端子に超音波接合する工程とからなる方法が記載されている。

図１６は、図１５に示した端子付き電線を２本用いた従来のハーネスのコネクタ部の一例を示す斜視図である。

特許文献１に記載された方法によって作製された端子付き電線１５０は、図１６に示すように、複数本束ねられ、その後一括してチューブ１６１で被覆され、ハーネス化される。端子付き電線１５０の先端部に設けられた端子１５１は、第１被接続部１５３を露出させた状態で第２被接続部１５５がコネクタハウジング１６２にて被覆され、コネクタ部１６０となる。

特許第４０２１７３４号公報特開２００２−１９８１５４号公報

特許文献１の方法では、端子１５１に設けられたオープンバレル１５７，１５７間の大きさに適合する導体幅を有する導体１５６を端子１５１の第２被接続部１５５へ接合することができる。

しかしながら、端子付き電線１５０を、特許文献１に記載された方法により作製する場合、導体１５６の断面形状を平板状に成型する工程と、端子１５１へ導体１５６を接合する工程とのいずれの工程でも超音波接合を必要とするため、接続部に印加される超音波エネルギーが過大となり、接続部における導体１５６へのストレスが大きくなって、芯線切れの発生頻度が高くなるおそれがある。一方、超音波エネルギーが過少に印加された場合には、端子１５１と導体１５６との接続強度が不十分となって、断線するおそれがある。

また、近年では、機器の小型化等が検討されていることから、ハーネス化した端子付き電線を機器内に配線するためのスペースが従来よりも狭くなる傾向にある。このため、図１６のようにハーネス化した場合のコネクタ部１６０を小型化することが望まれる。しかし、図１５に示すような端子付き電線１５０を用いてハーネス化した場合、端子に設けられたオープンバレル１５７やインシュレーションバレル１５９がコネクタ部１６０の小型化を妨げる要因となるおそれがある。

一方、特許文献２で開示されるような端子付き電線の場合、オープンバレルが端子に設けられていないため、超音波接続方法によって撚り線からなる導体を端子へ直接接続する際に、超音波エネルギーを印加するときの押圧によって撚り線からなる導体がばらけてしまう。このため、撚り線からなる導体を端子内の所定位置に均一に接続することが難しく、端子と導体とを接続させた部分の接続強度が不十分となるおそれがある。

そこで、本発明では、撚り線からなる導体がばらけるのを防ぐのはもとより、導体部分へのストレスを低減すると共に高い接続強度を安定、且つ容易に得られる端子付き電線の製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために創案された本発明は、複数の芯線からなる導体を有する電線と、該電線の導体を接続させる被接続部を有する端子とを超音波溶接にて接続する端子付き電線の製造方法において、超音波溶接機に具備されたアンビルの上に、前記被接続部が平板状である端子を載置する工程と、前記端子の上に前記導体を載置する工程と、前記導体の両側に、一組の抑え治具の少なくとも一方が前記導体に当接するように配置して前記導体を前記一組の抑え治具で挟む工程と、前記一組の抑え治具の間であって前記端子に対向する方向から前記導体を押圧しながら前記端子に超音波溶接する工程と、を含む端子付き電線の製造方法である。

前記抑え治具は、前記端子に接するように配置されていると良い。

前記導体は、前記端子の前記被接続部の幅と等しい幅を有する形状で前記端子に超音波溶接されると良い。

前記導体は、前記端子の前記被接続部の幅より狭い幅を有する形状で前記端子に超音波溶接されると良い。

本発明によれば、撚り線からなる導体がばらけるのを防ぐのはもとより、導体部分へのストレスを低減すると共に高い接続強度を安定、且つ容易に得られる端子付き電線の製造方法を提供することができる。

複数の芯線からなる導体を有する電線を示す斜視図である。本発明に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。本発明に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。本発明に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。本発明に係る端子付き電線の製造方法により得られた端子付き電線を示す斜視図である。図５の端子付き電線における接続部引張試験の結果を示すグラフである。本発明の変形例に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。本発明の変形例に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。本発明の変形例に係る端子付き電線の製造方法を説明する図である。２本の端子付き電線を並べた状態を示す平面図である。２本の端子付き電線をコネクタハウジングに挿入した状態を示す平面図である。端子付き電線を用いたハーネスのコネクタ部を示す斜視図である。３本の端子付き電線を並べた状態を示す平面図である。３本の端子付き電線をコネクタハウジングに挿入した状態を示す平面図である。超音波接続方法によって端子と撚り線からなる導体とを接続した従来の端子付き電線の一例を示す斜視図である。図１５の端子付き電線を２本用いた従来のハーネスのコネクタ部の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

先ず、複数の芯線からなる導体の幅が平板状の端子の幅と略同じになるように超音波接続する方法を説明する。

図１は、複数の芯線からなる導体を有する電線を示す斜視図である。

図１に示すように、電線１０は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、又は銅若しくは銅合金からなる複数の芯線１１を撚り合わせた導体１２を有する。導体１２の外側の絶縁被覆１３は、押出しによって形成される。

芯線１１の材料であるアルミニウム合金の具体例としては、ＡｌにＳｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉの元素のうち選ばれた１種類以上を含む各種アルミニウム合金が挙げられる。

また、芯線１１の材料である銅合金の具体例としては、ＣｕにＳｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｐの元素のうち選ばれた１種類以上を含む各種銅合金が挙げられる。

更に、絶縁被覆１３を構成する組成物としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、フッ素樹脂などが用いられる。

図２〜４は、複数の芯線１１からなる導体１２を有する電線１０と、その電線１０の導体１２を接続させる被接続部（従来で言えば第２被接続部）を有する端子とを超音波溶接にて接続する端子付き電線の製造方法を説明する図である。

図２は、一組の抑え治具２３，２３の間に電線１０の導体１２を設置する工程を示す。

この工程では、先ず、超音波溶接機に具備されたアンビル２０の上に、機器側に接続するためのネジ留め用の穴２１（図５参照）を有すると共に被接続部が平板状でオープンバレル（側壁）が設けられていない端子２２を載置し、次いで、一組の抑え治具２３，２３の隙間にある端子２２の上に導体１２を載置する。その端子２２の両側（両脇）を一組の抑え治具２３，２３で押える。このとき、導体１２の両側に、一組の抑え治具２３，２３の少なくとも一方を導体１２に当接するように配置して導体１２を一組の抑え治具２３，２３で挟むようにする。なお、「平板状」とは、側壁などが設けられていない平らな板の形状を意味するものとする。

一組の抑え治具２３，２３は、図３のように導体１２に超音波エネルギーを印加して端子２２に超音波溶接する工程において、超音波ホーン３０によって印加される荷重に応じて、導体１２の断面の形状が変化するときに、導体１２の幅の大きさを端子２２の幅の大きさの範囲内に抑えると共に、導体１２を形成する芯線１１がばらけるのを抑える役割を有するものである。この抑え治具２３の材料としては、高速度鋼や超硬合金などを用いる。

ここで、端子２２の材料には、銅若しくは銅合金、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金が一般的に使用されるが、これらに限定されるものではない。

端子２２の材料である銅合金の具体例としては、ＣｕにＳｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｐの元素のうち選ばれた１種類以上を含む各種銅合金が挙げられる。

また、端子２２の材料であるアルミニウム合金の具体例としては、ＡｌにＳｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉの元素のうち選ばれた１種類以上を含む各種アルミニウム合金が挙げられる。

なお、端子２２の表面には接触抵抗の低減や防錆を目的としためっき処理を施すこともある。その場合のめっきの種類としては、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｚｎなどが挙げられる。めっき厚としては０．５〜３．０μｍ程度が考えられる。

超音波エネルギーの印加時に端子２２とアンビル２０が滑ることによって、導体１２と端子２２の界面へ伝わるべき超音波エネルギーが低減するのを防ぐため、端子２２を載せるアンビル２０の表面には、滑り防止策として網目状などの溝が掘られることが好ましい。

また、抑え治具２３と端子２２との間に隙間があると、芯線１１の直径が小さい場合、芯線１１が隙間に入り込み、はぐれ線が生じてしまう。そのため、抑え治具２３と端子２２との間の隙間は極力小さくすることが望ましい。例えば、直径０．８ｍｍの芯線１１を用いる場合、０．３ｍｍ程度の隙間であればその隙間に芯線１１が入り込むことはない。より望ましくは、抑え治具２３が端子２２の被接続部に接するように配置されているのがよい。

図３は、超音波エネルギー印加用の超音波ホーン３０で導体１２の上から荷重を加えながら、導体１２に超音波エネルギーを印加し、芯線１１同士及び芯線１１と端子２２とを接続する工程を示す。

ここで、超音波エネルギーの振動方向は紙面に対して表裏方向である。超音波エネルギーの周波数は、例えば、１５〜４０ｋＨｚとする。

厚さ０．５〜２．０ｍｍのタフピッチ銅の端子２２に直径１．０ｍｍの１９本の純アルミニウム製の芯線１１を接続する場合、超音波ホーン３０により上方から加える荷重は１２０ｋｇｆ程度で、超音波エネルギーの出力を１０００Ｗ、印加時間を１秒以下とする条件で接続が可能である。

焼き鈍したアルミニウム製の芯線１１のビッカース硬さは３０程度であるため、過度の荷重や超音波エネルギーの印加は芯線１１の顕著な伸びや座屈を生じさせる。そのため、接続部材によって超音波エネルギーの印加条件を調整する必要がある。

また、アルミニウム製の芯線１１の場合、連続した接続中に芯線１１が抑え治具２３の側面に凝着し、連続状態を低下させることがある。こうした現象を防ぐため、抑え治具２３の側面にコーティング処理を施すことで、芯線１１の凝着を抑制することが可能である。コーティングの種類としては、例えば、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）の膜を形成する場合などがある。

また、超音波ホーン３０と芯線１１が張り付かないように、超音波エネルギーの印加後、荷重を開放した状態で短時間だけ超音波エネルギーの発振を行うことで、超音波ホーン３０と芯線１１を強制的に引き剥がすことが可能である。

従来のようにオープンバレルを有する端子は、一対のオープンバレル間の間隔を導体の外径の大きさに合わせて選定する必要があった。また、超音波溶接機に具備された超音波ホーン３０の幅は、端子に設けられた一対のオープンバレル間の幅に合わせて選定する必要があった。このように端子や超音波ホーンを選定する理由は以下の通りである。

即ち、導体の外径の大きさに対して一対のオープンバレル間の間隔が大きすぎると、超音波ホーンによって導体が端子へ押圧されたときに、導体の押圧された部分と押圧されていない部分との境界部分で段差が大きくなってしまい、導体が破断しやすくなってしまうためである。

また、超音波ホーンで押圧するときに、一対のオープンバレル間に超音波ホーンを挿入しづらい場合があり、この場合、仮に超音波ホーンの大きさを小さくすると、導体の一部が超音波ホーンによって押圧されないことがあり、端子と導体との接続が不十分になってしまうためである。

これに対して、本実施の形態では、端子２２の電線１０と接続させる部分である被接続部に、一対のオープンバレルが設けられていないので、前述したような端子や超音波ホーンの選定が不要となり、端子付き電線を製造する過程における煩雑な作業を低減することができる。

図４は、超音波接続した導体１２と端子２２の断面を示す。

芯線１１からなる導体１２の幅は抑え治具２３により規制され、端子２２の幅と同等になる。また、超音波エネルギーの印加は１回のみであり、芯線１１へのストレスも最小限に抑えることができる。

図５は、これまで説明した端子付き電線の製造方法により得られた端子付き電線を示す斜視図である。

オープンバレル及びインシュレーションバレルを形成しない平板状の端子２２に接続することにより、端子付き電線５０としての最大径は電線１０の絶縁被覆１３の外径以下になる。

図６は、断面積が１５ｍｍ²のアルミニウム製の導体１２を用いて上述した本実施の形態に係る製造方法により作製した端子付き電線５０の接合部の引張試験の結果を示す。なお、引張試験は、端子付き電線５０の長さ方向に導体を引っ張り、導体が端子から離脱したときの引張破断荷重を引張強度として評価した。

引張強度はアルミニウム製の導体強度の９０％以上であった。即ち、端子２２にオープンバレルを設けなくてもオープンバレルを設けた端子を用いた端子付き電線と同等の引張強度が得られることを確認した。

次に、変形例として端子２２の幅より狭い範囲に導体を超音波接続する方法を説明する。

図７は、一組の抑え治具２３，２３の間に電線１０の導体１２を設置する工程を示す。ただし、前述した実施の形態とは異なり、抑え治具２３は端子２２の側面ではなく上面と接するように配置する（即ち、実施の形態、変形例共に一組の抑え治具２３，２３の少なくとも一方が導体１２に当接するように配置する）。接続後の導体１２の幅は一組の抑え治具２３，２３の間隔によって規定されるので、接合後の導体１２の幅は端子２２の幅より小さくなる。

前述した実施の形態と同様に、抑え治具２３と端子２２との間に隙間があると、芯線１１が細い場合に、芯線１１の一部がその隙間に入り込み、はぐれ線となってしまう。したがって、本変形例の場合にも、抑え治具２３の底面と端子２２との隙間は極力小さくすることが望ましい。

図８は、超音波エネルギー印加用の超音波ホーン３０で導体１２の上から荷重を加えながら、導体１２に超音波エネルギーを印加し、芯線１１同士及び芯線１１と端子２２とを接続する工程を示す。

図９は、超音波接続した導体１２と端子２２の断面を示す。

芯線１１からなる導体１２の幅は、端子２２の上面に接した抑え治具２３の間隔によって規制され、端子２２の幅より狭くなる。このように芯線１１からなる導体１２の幅を端子２２より狭い任意の幅に設定することができ、端子付き電線の設計自由度は前述した実施の形態の場合よりも高い。

以上要するに、本発明によれば、複数の芯線からなる導体を有する電線と、その電線の導体を接続させる被接続部を有する端子とを超音波溶接にて接続する端子付き電線の製造方法において、超音波溶接機に具備されたアンビルの上に、被接続部が平板状である端子を載置する工程と、端子の上に導体を載置する工程と、導体の両側に、一組の抑え治具の少なくとも一方が導体に当接するように配置して導体を一組の抑え治具で挟む工程と、一組の抑え治具の間であって端子に対向する方向から導体を押圧しながら端子に超音波溶接する工程と、を含むことにより、複数の芯線からなる導体の断面形状を予め平板状に成型するような工程を行うことなく、端子上の所望の位置に芯線のばらけのない導体を接続することができる。これにより、超音波溶接による導体部分へのストレスを低減すると共に、高い接合強度を安定、且つ容易に得ることができる。

また、本発明によれば、端子上にオープンバレルがない部分にも任意の幅で芯線を接続できる利点がある。

更に、端子側のオープンバレルやインシュレーションバレルがないことにより、端子部の幅を電線の絶縁被覆の外径よりも小さくすることができ、ハーネスを構成する際、小型のものを提供することができる。

次に、これまで説明した端子付き電線５０を用いたハーネスについて説明する。

図１０は、２本の端子付き電線５０を並べた状態を示す平面図である。

端子２２にオープンバレルやインシュレーションバレルを形成しない場合、端子付き電線５０の外径を足し合わせた寸法が２本の端子付き電線５０のトータルの幅となる。例えば、端子付き電線の外径を１１．５ｍｍとすると、通常のコネクタ部では、２本の端子付き電線の中心間隔を１５ｍｍ程度にしなければ端子間が短絡してしまうところ、本発明のような端子付き電線５０を使うことにより、中心間隔を１２ｍｍ程度まで狭くすることができる。

図１１は、２本の端子付き電線５０をコネクタハウジングに挿入した状態を示す平面図であり、図１２は、その斜視図である。

ここでは、２本の端子付き電線５０をチューブ１１１に挿入し、コネクタハウジング１１２を被せている。また、コネクタハウジング１１２の内側で電線１０の絶縁被覆１３と接する部分にはシールを施しており、防水仕様となっている。また、この部分で接続部に直接かかる応力をある程度緩和することができる。

この構成によれば、図１６に示した通常のコネクタ部１６０に比べ小型化できるメリットがある。車両内でのハーネス数の増加を考慮すると、車内のレイアウトの自由度を上げる目的で、ハーネスの占める容積を減少させるメリットは大きい。

同様に、図１３は、３本の端子付き電線５０を並べた状態を示す平面図である。また、図１４は、３本の端子付き電線５０をコネクタハウジング１１２に挿入した状態を示す平面図である。

この構成は、三相交流を通電する場合のハーネスを想定している。

以上、本発明と本発明により得られる端子付き電線及びそれを用いたハーネスについて説明してきたが、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

例えば、前述した実施の形態は、本発明を解りやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

更に、ある実施の形態の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。

また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能であり、例えば、工程の順序を変更することも可能である。

１０電線
１１芯線
１２導体
１３絶縁被覆
２０アンビル
２１穴
２２端子
２３抑え治具
３０超音波ホーン
５０端子付き電線
１１１チューブ
１１２コネクタハウジング

Claims

複数の芯線からなる導体を有する電線と、該電線の導体を接続させる被接続部を有する端子とを超音波溶接にて接続する端子付き電線の製造方法において、
超音波溶接機に具備されたアンビルの上に、前記被接続部が平板状である端子を載置する工程と、
前記端子の上に前記導体を載置する工程と、
前記導体の両側に、一組の抑え治具の少なくとも一方が前記導体に当接するように配置して前記導体を前記一組の抑え治具で挟む工程と、
前記一組の抑え治具の間であって前記端子に対向する方向から前記導体を押圧しながら前記端子に超音波溶接する工程と、
を含むことを特徴とする端子付き電線の製造方法。
前記抑え治具は、前記端子に接するように配置されている請求項１に記載の端子付き電線の製造方法。
前記導体は、前記端子の前記被接続部の幅と等しい幅を有する形状で前記端子に超音波溶接される請求項１又は２に記載の端子付き電線の製造方法。
前記導体は、前記端子の前記被接続部の幅より狭い幅を有する形状で前記端子に超音波溶接される請求項１又は２に記載の端子付き電線の製造方法。