JP2014164954A - 電線接続構造体、電線接続構造体の製造方法、及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状かしめ部と電線との密閉性の向上を図った電線接続構造体、電線接続構造体の製造方法、及び製造装置を提供すること。
【解決手段】管状端子１１の管状かしめ部３０に挿入した電線１３を、管状かしめ部３０をかしめて圧着接合する電線接続構造体１０の製造方法であって、管状かしめ部３０の外周面に沿う先端面５２を有する複数の圧着子５１を、管状かしめ部３０の外周囲に配置し、複数の圧着子５１を管状かしめ部３０の周方向かつ径方向に移動させることにより、移動の終端において各圧着子５１の先端面５２で管状かしめ部３０の略全周囲を略隙間なく圧着して管状かしめ部３０と電線１３とを圧着することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気導通を担う部品に関し、より詳しくは、電線と端子との電線接続構造体、電線接続構造体の製造方法、及び製造装置に関する。

従来、自動車等に使用されるワイヤーハーネスでは、芯線（導体）を絶縁体で被覆して形成された電線が使用され、この種の電線は、被覆を剥離して露出させた芯線端部に金属端子が圧着接続されている。従来の電線と端子の接続構造では、絶縁体が剥離された芯線端部の表面は剥き出しになっているため、車両等の用途に適用すると、電線が雨水等に晒された場合や高温や高湿の環境下で長時間走行した場合などに、芯線が腐食し易いという問題があった。

特に、近年、自動車の燃費向上を目的としてワイヤーハーネスの軽量化を図るために、芯線の材料が従前の銅系材料からアルミニウムあるいはアルミニウム合金等のアルミ系材料へ置き換えられてきている。
アルミ系材料の芯線を電線に用いて、圧着部の金属端子に銅系材料を用いた場合、電線を構成する金属（アルミ系材料）と金属端子を構成する金属（銅系材料）において電位差が生じる。このとき、電線と端子の接続部に水分等が付着した場合、電線の導体（芯線）は露出しているため、異種金属間腐食が発生し、いずれかの金属の腐食が進行してしまう。アルミ系材料と銅系材料の異種金属間腐食においては、アルミ系材料が腐食により減肉してしまう。そのため電線接続部において、接触不良が生じてしまう恐れがあった。
このため、従来、圧着部の端部露出領域及びその近傍領域の全外周を樹脂によってモールド成形する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、従来の技術では、モールド成形は圧着後に個々の圧着部に対して樹脂をモールドする作業を要するため、作業が煩雑になるとともに、ワイヤーハーネスの製造の工程が大きく増す等の問題があった。

特開２０１１−２２２２４３号公報

ところで、圧着後の作業を軽減するために、発明者等は、電線が挿入される管状かしめ部を有する管状端子の開発を進めている。この種の管状端子は、管状かしめ部を一端が閉塞した有底形状とすることで、かしめ部内への水の浸入が抑制され、圧着後に特別な作業を行うことなく、芯線の腐食を抑制する効果が期待されている。
管状端子は、成形性及び生産性の観点から、条材を筒状に折り曲げ、その両端をレーザ等で溶接することで管状のかしめ部が形成される。このかしめ部内に電線を挿入し、かしめ部を圧着することで管状端子と電線とが圧着接合される。
圧着工程では、かしめ部を二方向から工具で押し潰す手法が主であるが、この手法では、圧着時に管状端子の金属材料が工具間の隙間にはみ出していく挙動が発生する。このため、かしめ部における圧着の強弱が部分によって異なることにより、かしめ部の密閉性が低下する問題が想定された。
そこで、本発明は、管状かしめ部と電線との密閉性の向上を図った電線接続構造体、電線接続構造体の製造方法、及び製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、管状端子の管状かしめ部に挿入した電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合する電線接続構造体の製造方法であって、前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有する複数の圧着子を、前記管状かしめ部の外周囲に配置し、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動させることにより、前記管状かしめ部をかしめて前記管状かしめ部と前記電線とを圧着することを特徴とする。

この構成において、前記圧着子は、終端に移動した際に、各圧着子の先端面が協働して略正円を形成する構成としても良い。
また、本発明は、管状端子の管状かしめ部に挿入した電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合する電線接続構造体の製造装置であって、前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有するとともに、前記管状かしめ部の外周囲に配置される複数の圧着子を備え、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動することを特徴とする。
この構成において、前記圧着子は、終端に移動した際に、各圧着子の先端面が協働して略正円を形成する構成としても良い。

また、本発明は、管状端子の管状かしめ部に挿入された電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合した電線接続構造体であって、前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有する複数の圧着子を、前記管状かしめ部の外周囲に配置し、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動させることにより、移動の終端において各圧着子の先端面で前記管状かしめ部の略全周囲を略隙間なく圧着して前記管状かしめ部と前記電線とを圧着したことを特徴とする。

本発明によれば、前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有する複数の圧着子を、前記管状かしめ部の外周囲に配置し、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動させることにより、前記管状かしめ部をかしめて前記管状かしめ部と前記電線とを圧着するため、電線の全周に渡ってほぼ均等な力で圧着することができ、電線と管状かしめ部との密閉性を高めることができる。

本実施形態にかかる電線接続構造体を示す斜視図である。 電線接続構造体の長手方向断面を示した断面図である。 圧着前の状態を示す管状かしめ部の断面図である。 圧着時の管状かしめ部の断面図である。 本実施形態にかかる製造装置を示す正面図である。

本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる電線接続構造体を示す斜視図であり、図２は、電線接続構造体の長手方向断面を示した断面図である。
電線接続構造体１０は、図１に示すように、管状端子１１と、この管状端子１１に圧着結合される電線１３とを備える。管状端子１１は、雌型端子のボックス部２０と管状かしめ部３０とを有し、これらの橋渡しとしてトランジション部４０を有する。管状端子１１は、導電性と強度を確保するために基本的に金属材料（本実施形態では、銅または銅合金）の基材で製造されている。なお、管状端子１１の基材は、銅または銅合金に限るものではなく、アルミニウムや鋼、またはこれらを主成分とする合金等を用いることもできる。
また、管状端子１１は、端子としての種々の特性を担保するために、例えば管状端子１１の一部あるいは全部にスズ、ニッケル、銀めっきまたは金等のめっき処理が施されていても良い。また、めっきのみならず、スズ等のリフロー処理を施しても良い。

電線１３は、図２に示すように、例えば、金属または合金からなる素線１４ａを束ねた芯線１４を、絶縁樹脂（例えば、ポリ塩化ビニル）で構成する導体絶縁層１５で被覆して構成される。芯線１４は、所定の断面積となるように、素線１４ａを撚って構成しているが、この形態に限定されるものではなく単線で構成しても良い。
なお、芯線を構成する金属材料は、高い導電性を有する金属であればよく、アルミニウムまたはアルミニウム合金の他、銅または銅合金を用いても良い。
電線１３の導体絶縁層１５を構成する樹脂材としては、ポリ塩化ビニルであり、このポリ塩化ビニル以外にも、例えば、架橋ポリ塩化ビニル、クロロプレンゴム等を主成分とするハロゲン系樹脂や、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、エチレンプロビレンゴム、珪素ゴム、ポリエステル等を主成分とするハロゲンフリー樹脂が用いられ、これらに可塑剤や難燃剤等の添加剤を含んでいても良い。

管状端子１１のボックス部２０は、例えば雄型端子等の挿入タブの挿入を許容する雌型端子のボックス部である。本発明において、このボックス部の細部の形状は特に限定されない。すなわち、管状端子１１は、少なくともトランジション部４０を介して管状かしめ部３０を備えていれば良く、例えばボックス部を有さなくても良いし、例えばボックス部が雄型端子の挿入タブであっても良い。また、管状かしめ部３０に他の形態に係る端子端部が接続された形状であっても良い。本明細書では、本発明の管状端子を説明するために便宜的に雌型ボックスを備えた例を示している。

管状かしめ部３０は、管状端子１１と電線１３とを圧着接合する部位である。管状かしめ部３０の一端は、電線１３を挿入することができる電線挿入口３１を有し、他端はトランジション部４０に接続されている。管状かしめ部３０のトランジション部４０側は、溶接等の手段によって閉口しており、トランジション部４０側から水分等が浸入しないように形成されている。
管状端子１１の金属基材（銅または銅合金）と芯線１４（アルミニウム又はアルミニウム合金）との接合部に水分が付着すると、両金属の起電力（イオン化傾向）の差から芯線１４が腐食する。また、管状端子１１と芯線１４とがアルミニウム同士であっても微妙な合金組成の違いによって、それらの接合部は腐食しやすい。
本構成では、管状かしめ部３０は、有底の管状に形成されることにより、外部より水分等の浸入が抑制され、管状端子１１と電線１３との接合部の腐食を抑えることができる。なお、管状かしめ部３０は、管状であれば腐食に対して一定の効果を得られるため、必ずしも長手方向に対して円筒である必要はなく、場合によっては楕円や矩形の管であっても良い。また、径が一定である必要はなく、長手方向で半径が変化していても良い。

管状かしめ部３０は、例えば、銅または銅合金からなる条材を平面展開した形状に打ち抜き、曲げ加工によって形成される。この場合、ボックス部を一体に設けても良い。
平面状態からの曲げ加工した際に、かしめ部に相当する部位はＣ字型断面となっているので、開放された両端部を突き合わせて溶接等によって接合することで、管状かしめ部３０が形成される。管状かしめ部３０の接合は、レーザ溶接が好ましいが、電子ビーム溶接、超音波溶接、抵抗溶接等の溶接法でもかまわない。また、はんだ、ろう等、接続媒体を使っての接合でも良い。また、管状かしめ部３０は、上記したＣ字型断面の両端部を接合する方法に限らず、深絞り工法で形成されても良い。さらに、連続管を切断するとともに一端側を閉塞して、管状かしめ部３０を形成しても良い。

管状かしめ部３０では、管状かしめ部３０を構成する金属基材と電線１３とが機械的な圧着接合されることにより、同時に電気的な接合を確保する。かしめ接合は、基材や電線（芯線）の塑性変形によって接合が行われる。従って、管状かしめ部３０は、かしめ接合をすることができるように肉厚を設計される必要があるが、人力加工や機械加工等で接合を自由に行うことができるので、特に限定されるものではない。

芯線にアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる場合は、銅及び銅合金が用いられる場合と比較すると接触抵抗が高いため、接続に不安がある。このため、管状かしめ部３０の内壁面には、電線挿入口３１から挿入された電線１３の芯線１４と接触する位置に、電線の周方向に延びる電線係止溝（不図示）を設け、電線１３との接触圧を保つ構成としても良い。

管状端子１１と電線１３とは管状かしめ部３０によって圧着接合されている。本実施形態では、管状かしめ部３０は、導体圧着縮径部３５および被覆圧着縮径部３６を備えている。通常、圧着接合すると、導体圧着縮径部３５および被覆圧着縮径部３６がそれぞれ塑性変形を起こして、元の径よりも縮径されることで、電線１３の芯線先端部１４ｂおよび被覆先端部（圧着部）１５ａと圧着接合される。
管状かしめ部３０と電線１３とを圧着する場合には、図２に示すように、導体圧着縮径部３５および被覆圧着縮径部３６を部分的に強圧縮することで塑性変形させる。図２に示した例では、導体圧着縮径部３５が、縮径率が一番高くなっている部分である。

ところで、管状かしめ部３０では、芯線１４を強圧縮して導通を維持する機能と、導体絶縁層１５を圧縮してシール性を維持する機能とが要求される。被覆圧着縮径部３６では、その断面を略正円にかしめ、導体絶縁層１５の全周に渡ってほぼ同等の圧力を与えることにより、全周に渡って均一な弾性反発力を発生させて、シール性を得ることが好ましい。
しかしながら、実際の圧着工程では、アンビルとクリンパによる上下（二方向）からの挟み込みにより圧着加工する手法が主流である。具体的には、アンビル上にセットした導体圧着縮径部３５および被覆圧着縮径部３６を備えた管状端子１１に、適切な長さの導体絶縁層１５をストリップ（剥離）することで形成した芯線先端部１４ｂを挿入し、上方からクリンパを下降させ、圧力を加えて、導体圧着縮径部３５および被覆圧着縮径部３６を、かしめる（圧着する）手法が取られている。

被覆圧着縮径部３６では、正円成形が好ましいが、アンビルとクリンパの上下からの挟み込みにより圧着加工するため、両工具間の隙間部二箇所に、管状端子の金属材料がはみ出していく挙動が発生する。このため、輪切り断面における被覆圧着縮径部の内面の形状は略正円とならず、被覆圧着縮径部における圧着の強弱が部分によって異なることにより、被覆圧着縮径部３６と導体絶縁層１５との密閉性が低下することが懸念される。従って、被覆圧着縮径部３６の内面と導体絶縁層１５の表面との間に隙間が生じ、この隙間がリーク経路となって水分が浸入する恐れがあった。

本構成では、管状かしめ部３０（特に、被覆圧着縮径部３６）と電線１３とを圧着する手法に特徴を有する圧着方法について説明する。
図３は、圧着前の状態を示す管状かしめ部３０（筒部２７）の断面図であり、図４は、圧着時の管状かしめ部３０（被覆圧着縮径部３６）を示す断面図である。図３では、破線で示した部分が圧着後の被覆圧着縮径部３６の断面外形を示し、ハッチングで示した部分が圧着前の被覆圧着縮径部３６に相当する筒部２７の断面を示す。
圧着工程は、筒部２７の外周囲に配置される複数（本実施形態では６つ）の圧着子５１を備える製造装置５０により実行される。

各圧着子５１は、筒部２７に対向するとともに円弧形状に形成された先端面５２を備え、この先端面５２を筒部２７に押し当てることにより、筒部２７を被覆圧着縮径部３６まで塑性変形させるものである。各圧着子５１は、図３に示す初期状態から、図３中矢印Ｘで示すように、それぞれ筒部２７の周方向に移動しつつ、この筒部２７に接近する方向（径方向）に移動するように構成されている。
各圧着子５１は移動に伴い互いに接近し、図４に示すように、この移動の終端位置にて、一の圧着子５１の前端部５３Ａが、移動方向（図４では反時計回り）における前方に位置する他の圧着子の後端部５３Ｂと当接し、すべての圧着子５１が環状に接続される。このため、図４に示すように、各圧着子５１の先端面５２により、筒部２７（被覆圧着縮径部３６）の略全周囲を略隙間なく塑性変形（圧着）させることができ、圧着時に管状端子の金属材料がはみ出していく挙動を抑制できる。
従って、導体絶縁層１５の全周に渡ってほぼ同等の圧力を与えることにより、全周に渡って均一な弾性反発力を発生させることができ、導体絶縁層１５と被覆圧着縮径部３６との密閉性を高めることができる。
さらに、各圧着子５１の先端面５２は、移動の終端位置において、互いに協働することにより、被覆圧着縮径部３６と同径の略正円に形成されるため、導体絶縁層１５と被覆圧着縮径部３６との密閉性をより一層高めることができる。

図５は、電線接続構造体１０の製造装置５０を示している。
この実施形態では、管状かしめ部３０の筒部２７（被覆圧着縮径部３６）の外周囲に、上記のように複数の圧着子５１が環状に配置され、それぞれの圧着子５１の一端５１Ａは、駆動機構１５１に連結され、それぞれの他端５１Ｂは、支持機構１５２に連結されている。駆動機構１５１は、それぞれの圧着子５１を上記のように筒部２７の周方向に移動しつつ、この筒部２７に接近する径方向に移動する。そして、各圧着子５１を移動に伴い互いに接近し、この移動の終端位置にて、一の圧着子５１の前端部５３Ａが、移動方向前方に位置する他の圧着子の後端部５３Ｂと当接し、すべての圧着子５１が環状に接続されるように駆動する。また、支持機構１５２は、すべての圧着子５１の移動に対し、従動するように構成される。
具体的には、駆動機構１５１及び支持機構１５２には、それぞれ管状かしめ部３０が挿入可能に構成され、本実施形態では、支持機構１５２側から管状かしめ部３０（管状端子１１）が挿入される。駆動機構１５１は、図示は省略したが、例えば、カムとクランク機構とを組み合わせて構成される。或いは、それぞれの圧着子５１の一端５１Ａにピン（シャフト）を配置し、このピンが嵌合する溝を駆動機構１５１に設ける。この溝は、圧着子５１の移動軌跡に従う溝であり、駆動機構１５１を駆動すると、それぞれの圧着子５１がその移動軌跡に従い上記の移動軌跡上を推移する。これにより、各圧着子５１の先端面５２が筒部２７（被覆圧着縮径部３６）の略全周囲を略隙間なく塑性変形させることで、電線の導体絶縁層１５の全周に渡ってほぼ同等の圧力を与えることにより、導体絶縁層１５と被覆圧着縮径部３６との密閉性を高めることができる。本実施形態では、製造装置５０は、管状かしめ部３０の筒部２７（被覆圧着縮径部３６）の外周囲をかしめる（圧着する）ために用いられる。管状かしめ部３０の導体圧着縮径部３５については、芯線１４を強圧縮して導通を維持する機能を有すれば良く、従前のアンビルとクリンパによる上下からの挟み込みによる圧着加工を用いても良い。
圧着子５１の駆動機構１５１については、複数の圧着子５１を連動させても良いし、個別に駆動させても良い。

次に、圧着子５１の数を変更した場合における導体絶縁層１５と被覆圧着縮径部３６との密閉性について説明する。
管状端子１１の基材として、古河電気工業製の銅合金ＦＡＳ−６８０（厚さ０．２５ｍｍ、Ｈ材）を用いた。ＦＡＳ−６８０の合金組成は、ニッケル（Ｎｉ）を２．０〜２．８質量％、シリコン（Ｓｉ）を０．４５〜０．６質量％、亜鉛（Ｚｎ）を０．４〜０．５５質量％、スズ（Ｓｎ）を０．１〜０．２５質量％、およびマグネシウム（Ｍｇ）を０．０５〜０．２質量％含有し、残部が銅（Ｃｕ）および不可避不純物である。
管状かしめ部３０は、曲げ加工されたＣ字型断面の両端部を突き合わせ、内径３．２ｍｍとなるようにレーザ溶接した。

電線１３の芯線は、合金組成が鉄（Ｆｅ）を約０．２質量％、銅（Ｃｕ）を約０．２質量％、マグネシウム（Ｍｇ）を約０．１質量％、シリコン（Ｓｉ）を約０．０４質量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物であるアルミ合金線（線径０．４２ｍｍ）を素線１４ａとして用いた。この素線１４ａを１９本用いて２．５ｓｑ、１９本撚りの芯線１４にした。また、電線１３の導体絶縁層１５は、ポリ塩化ビニルを用いて、芯線１４の周囲を外径が２．８ｍｍとなるように押出し法により形成した。
上記のように作成した管状端子１１に電線端部の導体絶縁層１５を剥離した電線１３を挿入し、被覆圧着縮径部３６を複数の圧着子５１を有する製造装置５０で圧着した。なお、導体圧着縮径部３５は、従前のアンビル及びクリンプを用いて圧着した。

被覆圧着縮径部３６の圧着工程において、圧着子５１の数を５枚（サンプル１）、１０枚（サンプル２）、１５枚（サンプル３）、３枚（サンプル４）で圧着したものを用意し、比較するために、従前のアンビル及びクリンプで圧着したもの（比較サンプル）を用意した。各サンプルの防食シール試験は、エアリーク試験により行った。
エアリーク試験は、圧着後の各サンプルについて、管状端子１１を容器に貯溜した水に浸すとともに、管状端子１１とは反対側の電線１３の端部に、加圧空気供給装置から延びるエアチューブを接続し、加圧空気供給装置から所定の空気圧（１０〜５０ｋＰａ）で加圧空気を注入し、被覆圧着縮径部３６から気泡が発生するか否かを目視で検出した。
比較サンプル及びサンプル２については、５０ｋＰａの空気圧を注入した際に、気泡の発生が確認された。一方、サンプル１〜３については、５０ｋＰａの空気圧を注入した場合であっても気泡の発生が確認されなかった。

比較サンプルについては、圧着後の被覆圧着縮径部の内面の形状は略正円とならないため、被覆圧着縮径部３６における圧着の強弱が部分によって異なることにより、エアリークが生じたものと推定される。
一方、サンプル４では、圧着子５１の数が３枚と少なかったため、圧着子５１の周方向の移動量が他のサンプルよりも大きく、移動に伴う金属材料の変形量が大きいため、導体絶縁層１５と被覆圧着縮径部３６との密閉性が部分的に低下し、エアリークが生じたものと推定される。
このため、上記した構成では、圧着子５１の数を５枚以上とするのが好ましい。

１０ 電線接続構造体
１１ 管状端子
１３ 電線
１５ 導体絶縁層
２７ 筒部
３０ 管状かしめ部
３５ 導体圧着縮径部
３６ 被覆圧着縮径部
５０ 製造装置
５１ 圧着子
５２ 先端面
５３Ａ 前端部
５３Ｂ 後端部

Claims (5)

1. 管状端子の管状かしめ部に挿入した電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合する電線接続構造体の製造方法であって、
   前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有する複数の圧着子を、前記管状かしめ部の外周囲に配置し、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動させることにより、前記管状かしめ部をかしめて前記管状かしめ部と前記電線とを圧着することを特徴とする電線接続構造体の製造方法。
2. 前記圧着子は、終端に移動した際に、各圧着子の先端面が協働して略正円を形成することを特徴とする請求項１に記載の電線接続構造体の製造方法。
3. 管状端子の管状かしめ部に挿入した電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合する電線接続構造体の製造装置であって、
   前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有するとともに、前記管状かしめ部の外周囲に配置される複数の圧着子を備え、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動することを特徴とする電線接続構造体の製造装置。
4. 前記圧着子は、終端に移動した際に、各圧着子の先端面が協働して略正円を形成することを特徴とする請求項３に記載の電線接続構造体の製造装置。
5. 管状端子の管状かしめ部に挿入された電線を、前記管状かしめ部をかしめて圧着接合した電線接続構造体であって、
   前記管状かしめ部の外周面に沿う先端面を有する複数の圧着子を、前記管状かしめ部の外周囲に配置し、複数の前記圧着子を前記管状かしめ部の周方向かつ径方向に移動させることにより、移動の終端において各圧着子の先端面で前記管状かしめ部の略全周囲を略隙間なく圧着して前記管状かしめ部と前記電線とを圧着したことを特徴とする電線接続構造体。

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