JP2015126643A - 導線端末の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備が安価、短時間に接合が可能、接合部以外への熱影響の少なさといった超音波接合の利点を得つつ、多方向からの引き剥がし力に対しても、従来のろう付けや熱圧着カシメや溶接などと同等な機械的強度が得られる、導線端末の接合方式を提供する【解決手段】電動機械の固定子に巻き回される導線端末の接続方法であって、２つの導線端末１，２の、一方（符号２）を凹形状、他方（符号１）を凸形状に成形する第１工程と、２つの導線端末１，２の凹形状部と凸形状部とを勘合させる第２工程と、凹形状部と凸形状部とを超音波接合する第３工程とを備えることを特徴とする、導線端末の接続方法。【選択図】図１

Description

本発明は、導線端末の接続方法に関するものである。

一般的に電動機械（電動機（モータ）や、発電機（ジェネレータ）又は、両者の機能を併せ持つ電気機械）は、絶縁物を介して、ステータコア夫々に導線（例えばエナメル線）を巻き回した構造になっている。

それぞれの導線の入出力の末端は、例えばスター結線、デルタ結線などに代表されるようなモータ駆動回路に構成できるよう、夫々の端末線同士を直接あるいは中間電線（あるいはバスバー）などを利用して間接的に、接続する必要がある。この接続方式には、ろう付け（半田付けなど）や熱圧着カシメ（ヒュージングなど）や溶接（ＴＩＧ溶接など）などに代表される、熱エネルギーを利用した方法が主な方法である。

しかし、一般的に導線の表面には絶縁被膜（例えばエナメル被膜）が固着しており、その内側の素材は、電気を通電するため、主に銅のような導電性材料で構成されている。導線の表面の絶縁被膜は、上記の熱エネルギーを使用した接合方法の場合、この絶縁被膜を除去しないと良好に電気的な接合が出来ない。

そこで、この熱エネルギーを利用した接合方法を行う場合、事前に絶縁被膜を剥ぎ取る必要がある。また、例えば銅の熱伝導率は極めて良好である為、接合部を接合に必要な温度に加熱するには、接合部以外に逃げてしまう熱エネルギー以上のエネルギーを、瞬時に接合部に加えて接合する必要がある。また、求められる接合品質は、電気的接続性に加え、電動機械として実使用に耐えられるよう、実使用時の振動や、熱変形等にも耐えられる機械的接合強度も必要である。

従来からの接合方式であるろう付けは、接合部が、ろう付けに適した温度に加熱出来るよう、接続部以外への熱の拡散速度以上の大容量の熱源を必要とする。しかし、電動機械の導線の巻線の体積が多いほど熱の拡散も多い。そこで、接合部の加熱温度を保持する為、より大容量の熱源が必要になる。

また、熱圧着カシメ及び溶接は、急加熱が可能であり、加熱速度はろう付けより格段に速いが、設備が高価であり、また少なからず熱拡散は生じるので、接合部以外の導線部やその周囲に熱が伝播し、熱に弱いボビン等への熱影響性や、加熱温度が不安定になる要素がある。

また、溶接に分類されるＴＩＧ溶接などは、接合部以外に、加熱ビームが照射されないよう事前にマスキングなどの処置も必要になる。

さらに、ろう付けや熱圧着カシメや溶接は、導線の母材の温度を、接合に適した温度まで上昇させるのに、一定の時間を必要とするので、製品の接合点数が多く、生産物量なども多い場合、接合のタクトタイムに限界が生じる。さらに、接合用の設備自体も連続使用すると、設備の温度が上昇してしまう。設備自体を破損させない為、設備の冷却も必要になる。

上記３方式の中で、溶接方式は導線の母材同士を溶融して接合するので、機械的強度は比較的期待できるが、設備が高価になるなどのデメリットもある。なお、例えば銅材料に安価なタフピッチ銅などを使用すると、接合内部に気泡が生じるので、強度的な不安点も残る。

このため、ろう付けや熱圧着カシメや溶接で問題となる、加熱による熱影響や、加熱時間の圧縮の限界や、設備の高額化の問題点を解決することが求められており、その解決策として超音波接合方式が考えられている。

例えば、金属同士の接合に超音波接合方式を利用した事例として、特許文献１や特許文献２がある。

特開２０１２−１６４５３５公報 特開２０１２−１２４０７８公報

特許文献１や特許文献２では、超音波接合を利用して、複数の束の銅線や、１本棒の銅線などを上下に重ね合わせ、ホーン、アンビルにて重ね合わせ部分を加圧し、超音波振動を加えて接合する方式が提案されている。

この場合、機械的強度から見たとき、引張強度的には比較的良好であると考えられるが、引き剥がし強度、あるいは、接合部材を被接合部材に対し直角方向に引っ張った時の強度は、重ね合わせ部が１面のみの接合であるがゆえに、強度的に弱いという課題がある。

一方、ろう付けや熱圧着カシメや溶接は、接合部分を包み込むように接合するため、多方向からの引き剥がし対して強いという利点がある。

そこで本発明は、設備が安価、短時間に接合が可能、接合部以外への熱影響の少なさといった超音波接合の利点を得つつ、多方向からの引き剥がし力に対しても、従来のろう付けや熱圧着カシメや溶接などと同等な機械的強度が得られる、導線端末の接合方式を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電動機械の固定子に巻き回される導線端末の接続方法であって、２つの前記導線端末の、一方を凹形状、他方を凸形状に成形する第１工程と、前記２つの導線端末の凹形状部と凸形状部とを勘合させる第２工程と、前記凹形状部と前記凸形状部とを超音波接合する第３工程とを備えるこを特徴とする。

本発明によれば、設備が安価、短時間に接合が可能、接合部以外への熱影響の少なさといった超音波接合の利点を得つつ、多方向からの引き剥がし力に対しても、従来のろう付けや熱圧着カシメや溶接などと同等な機械的強度が得られる、導線端末の接合方式を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１になる直列接続の事例の構成を示す図である。 本発明の実施例２になる先端合わせ接続の事例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。以下の実施例では、導線の例として、エナメル被膜により被覆され、断面が角型である、エナメル角線を用いる。
［実施例１］
図１により、本発明の実施例１になる、導線端末の直列接続例を示す。

図１（Ａ）の符号１は、片側のエナメル角線を凸形状にプレス成形した先端を示す。また、符号２は、反対側のエナメル角線を凹形状にプレス成形した先端を示す。

図１（Ｂ）は、片側のエナメル角線を凸形状にプレス成形した先端１と、反対側のエナメル角線を凹形状にプレス成形した先端２と、上方や横方向からの挿入により向かい合わせに接触させた状態を示した図である。

図１（Ｂ）と図１（Ｃ）との比較により示されるように、夫々符号１、２の凹凸形状の先端は、超音波接合時に印加される加圧圧力で、接続部が圧縮されて縮む。この時の縮み量を、符号１と符号２の合計で図１（Ｃ）の符号ａの量とする。あらかじめ、この縮み量を加味して、符号１及び符号２の導線先端のプレス成形時の切断量を、出来るだけ少なくする。逆に言えば、導体先端の厚みは、符号ａの量分厚くして加工しておく。これにより、接合部位に大きな段差のない、比較的フラットな接合が可能になる。

また、凹凸の成形形状は、引張力のみならず、引き剥がし力にも耐えられるよう、凹凸の嵌め合い形状が、超音波接合完了時の変形後に、符号１側が台形的な凸形状になるよう、また符号２側が反台形的な凹形状になるように工夫する。言い換えれば、凹形状部が、反導線側の上底に比べて導線側の下底が長い台形であり、凸形状部が、導線側の上底に比べて反導線側の下底が長い台形であるように成形する。超音波接合時の加圧力で圧縮変形する時、符号１と符号２の台形と反台形が互いに勘合し、引き剥がしに対しても結合力が増幅する形状になるように、あらかじめ互いの凹凸形状を工夫しておく。このとき、凸形状部の下底を、凹形状部の下底より短くなるように成形すれば、図１（Ｂ）に示すような凸形状部と凹形状部との勘合時において、上側からも横側からも組立てできる裕度を持ち、挿入作業が向上する。

さらに、符号１、２の凹凸形状のプレス成形断面は、プレス成形時に、導線の絶縁皮膜を同時に除去することになる。このことにより、符号６のように導電性素材が剥き出しになり、超音波接合時に導電性の素材同士が超音波振動して、より強力な分子間結合を得ることができる。また、各エナメル線の成形面ではない部分には、そのまま絶縁被膜が付着したままなので、接合部以外の部分の絶縁性は比較的確保しやすい。

超音波接合時は、符号３のホーン（振動側）と符号４のアンビル（固定側）で接合部分を挟み込んで、さらに圧力を加えながら、符号５の方向に超音波振動を印加する。

なお、超音波接合のための母材は、その厚みが厚いと、部材の硬度にもよるが、末端の接合部で超音波振動の振動が減衰してしまい、期待した接合強度が得られない場合がある。

この場合、符号３のホーン（振動側）接触部側の、導線の先端部分の厚みを、超音波振動が伝わりやすい、薄い厚さにコントロールしてあらかじめ成形することで、最適な超音波接合の形状（厚み）に任意に成形して、最適な超音波接合強度にできる。
［実施例２］
図２により、本発明の実施例２になる、導線端末の先端あわせ接続例を示す。実施例２は、実施例１とは反対に、Ｌ曲げした導線の両者の端面を片側で合わせて、そのＬ曲げ部の両者の接触部を超音波接合する事例である。

以下の実施例２の説明において、特段の説明なき部分については実施例１と同じであり、また、実施例１と同様の構成については、実施例１と同じ符号により示している。

基本的な構成は、Ｌ曲げ加工以外は、実施例１と同様であり、図２（Ａ）の符号１は、片側のエナメル角線を凸形状にプレス成形した先端を示す。また、符号２は、反対側のエナメル角線を凹形状にプレス成形した先端を示す。

図２（Ｂ）は、片側のエナメル角線を凸形状にプレス成形した先端１と、反対側のエナメル角線を凹形状にプレス成形した先端２と、上方や横方向からの挿入により向かい合わせに接触させた状態を示した図である。

図２（Ｂ）と図２（Ｃ）との比較により示されるように、夫々符号１、２の凹凸形状の先端は、超音波接合時に印加される加圧圧力で、接続部が圧縮されて縮む。この時の縮み量を、符号１と符号２の合計で図２（Ｃ）の符号ａの量とし、あらかじめ、この縮み量を加味して、符号１及び符号２の導線先端のプレス成形の切断量を、出来るだけ少なくし、逆に言えば、導体先端の厚みは、符号ａの量分厚くして成形しておく。言い換えれば、凹形状部と凸形状部との勘合時の厚みが、超音波接合時の加圧力による凹形状部又は凸形状部の縮み量ａの分、超音波接合後の凹形状部と凸形状部との接合部分の厚みよりも厚くなるように、凹形状部又は凸形状部を成形しておく。これにより、接合部位に大きな段差のない、比較的フラットな接合が可能になる。

なお、実施例１，２に示した導線の断面形状は、四角い角型であったが、断面が円や多角形の導体でも本発明は同様に適用可能である。

また、本発明においては、接合される２つの導線が異種の金属であってもよく、例えばアルミと銅の組合せなどでも、分子間結合が可能である。

以上説明したごとく、本発明は、電動機械のステータコア夫々に巻き回しされた導線と、それをモータ駆動回路に構成するための導線同士や、引き回し電線との接続方法に関し、それぞれの導線や引き回し線同士を、超音波接合方式を用いて、安価な設備で、電気的接続及び機械的接続性能を維持し、かつ短時間に接合可能な方式を提案するものである。

従来の超音波接合方式は、課題で述べたように、接合面が２次元的（面接続）であるため機械的強度の観点で見たとき、接合面に引き剥がし力が加わった場合、比較的簡単に剥がれてしまう弱点がある。

今回この課題を解決する為、超音波による接合面を、例えば片側の接合部材を凹に、反対側の接合部材を凸にすることで、超音波接合時の接合部を、前記凹凸が組み合わさる形状とすることで、接合面を３次元的（多方面接続）な組合せにすることが出来る為、超音波接合した場合、より強力に接合することが出来る。

また、導線を凹凸に成形する時、導線の皮膜も同時に切除することが出来る。従い、超音波接合時に不利となる絶縁皮膜を除去できると共に、導電性部材同士を接触させ接合できるため、分子間結合にとって非常に有利となる。また、切断面以外の部分は、導線皮膜が付着したままの状態で絶縁性能的にも有利である。

なお、２本の接合部材の接合姿勢は、２本が１直線になるような突合せ的な形状でも、２本の先端部をそろえて束ねた場合でも、前記の凹凸の組合せによる接合は可能である。

さらに、接合部材が太い角線や丸線のように材料に厚みがある場合、超音波接合による振動が、材料の厚みの中を伝播するとき振動が減衰してしまい、接合に不利な状況になってしまう。この場合、接合面を夫々凹凸に切断するとき、ホーン側（振動側）の接触側に当る材料の厚みを超音波振動が伝播しやすい薄い厚みに、任意にコントロールすることで、より最適な超音波接合の形状にでき、結果として最適な接合強度を得ることが出来る。

また、安価な超音波接合設備を利用して、接合部の形状を３次元的な接合形状に成形加工することで、２つの接合部材が凹凸形状同士の勘合結合になり、特に引き剥がし方向にも機械的強度が得られるようになる。従来の超音波接合に比べてもより強固な機械強度が得られる。また、接合部を接合形状に成形加工する際、エナメル皮膜も除去できる為、接合断面同士が同じ導電性材料同士になるので、超音波振動による分子間結合がより強固になり、同時に電気的接合にも必要な品質が得られる。

また、ろう付けや熱圧着カシメや溶接などのような、熱エネルギーを利用しない方式の為、接合部周囲への熱影響を心配する必要も無く、短時間に接合が可能である為、生産能力向上に寄与できる。

さらに、接合材料が太角線や太丸線のように材料に厚みがある場合は、従来の熱エネルギーを利用する場合では、加熱エネルギーが、熱伝導で接合部以外に大量に逃げてしまうため大容量の熱エネルギーを接合部に瞬時に加える必要がある。このため、さらに高価な設備となる。一方、超音波接合による方式の場合、２つの接合部材を凹凸形状にカットする時点で、ホーン（振動側）の接触する接合部材の材料の厚みを薄くすることで、振動エネルギーを伝達しやすく出来ると共に、少ないエネルギーで接合の最適化を図ることができる。

このように、本発明によれば、電気的接続に加え、従来の超音波接合では得られなかった３次元的な機械的強度も併せ持った接合が可能になり、電動機械などが使用される自動車などの、エンジンの振動や、走行面からの振動、さらには電動機械自体の熱収縮による機械的挙動に対し、強固な接合が可能になり、より信頼性の高い端末接続が、安価な設備で、且つ短時間に接合が可能になる。

１ 片側のエナメル角線を凸形状にプレス成形した先端
２ 反対側のエナメル角線を凹形状にプレス成形した先端
３ ホーン（振動側）
４ アンビル（固定側）
５ 超音波振動の振動方向
ａ 超音波接合時の加圧時の沈み代

Claims (5)

1. 電動機械の固定子に巻き回される導線端末の接続方法であって、
   ２つの前記導線端末の、一方を凹形状、他方を凸形状に成形する第１工程と、
   前記２つの導線端末の凹形状部と凸形状部とを勘合させる第２工程と、
   前記凹形状部と前記凸形状部とを超音波接合する第３工程とを備えることを特徴とする、導線端末の接続方法。
2. 請求項１に記載の導線端末の接続方法において、
   前記第２工程における前記凹形状部と前記凸形状部との勘合時の厚みが、前記第３工程における超音波接合時の加圧力による前記凹形状部又は前記凸形状部の縮み量分、前記第３工程後の前記凹形状部と前記凸形状部との超音波接合部分の厚みよりも厚くなるように、前記第１工程において前記凹形状部又は前記凸形状部を成形することを特徴とする、導線端末の接続方法。
3. 請求項１又は２に記載の導線端末の接続方法において、
   前記第１工程において、
   前記凹形状部が、反導線側の上底に比べて導線側の下底が長い台形であり、
   前記凸形状部が、導線側の上底に比べて反導線側の下底が長い台形であり、
   前記凸形状部の下底を、前記凹形状部の下底より短くなるように成形することを特徴とする、導線端末の接続方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の導線端末の接続方法において、
   前記２つの導線端末が絶縁被膜で被覆されており、
   前記第１工程において前記凹形状部及び凸形状部の前記絶縁被膜を剥離する、導線端末の接続方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の導線端末の接続方法において、
   前記２つの導線端末が、異なる金属であることを特徴とする、導線端末の接続方法。