JP2017162635A - 超音波溶接治具、端子付き電線の製造方法及び端子付き電線 - Google Patents

Abstract

【課題】芯線の損傷を抑えつつ適正に超音波溶接を行えるようにする。【解決手段】端子２０の平板状の電線接続部２１を受けるアンビル３１と、アンビル３１と対向して配され電線１１における芯線１２の横断面の一部が嵌る嵌合溝４３が対向面４２に設けられた溶接ホーン４０とが具備され、溶接ホーン４０とアンビル３１との間で芯線１２と電線接続部２１とを挟圧した状態において溶接ホーン４０を芯線１２の軸線方向に沿って高周波振動させることで超音波溶接する超音波溶接治具３０において、溶接ホーン４０の嵌合溝４３の底面には、嵌合溝４３の軸線に対して交差する斜め姿勢をなす滑り止め溝４５が、嵌合溝４３の軸線方向に間隔を開けて複数形成されている。【選択図】図６

Description

本明細書によって開示される技術は、超音波溶接治具、端子付き電線の製造方法及び端子付き電線に関する。

電線における撚り線からなる芯線の端末をバスバーに接続する一方法として、超音波溶接によるものが知られている。具体的には、アンビルと溶接ホーンとからなる超音波溶接治具を用い、アンビルに受けられたバスバー上に電線の芯線を載せ、溶接ホーンにより芯線を押さえつつ軸線方向に沿った高周波振動を加えることにより、芯線をバスバーに超音波溶接するようになっている（下記特許文献１参照）。

ここで、芯線に対して高周波振動を有効に作用させるには、溶接ホーンと芯線との間の滑り止めを図ることが重要である。そのため従来では、溶接ホーンにおける芯線の押圧面に、位置決めを兼ねて芯線が嵌る円弧状の嵌合溝を形成し、その嵌合溝の底面に、嵌合溝の軸線と直交した向きの滑り止め溝を、嵌合溝の軸線方向に間隔を開けて複数形成した構造を採り、滑り止め溝の溝縁を芯線を構成する素線の外周に食い込ませる、いわゆるエッジ効果により滑り止めを図るようにした手段が講じられている。

特開２０１３−４４０６号公報

しかしながら、上記従来のエッジ効果を期した滑り止め対策では、芯線を構成する素線の態様（線径、硬度等）によっては、十分な滑り止め機能が発揮されないことも懸念される。滑り止め機能を補完するには、溶接ホーンによる芯線への加圧力を高めることも考えられるが、加圧力が高められると芯線は断面積が小さくなるように大きく変形（例えば扁平化）し、そのため切れやすくなって却って固着力に劣る結果を招くことから、単純には対応できなかった。
本明細書によって開示される技術は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、芯線の損傷を抑えつつ適正に超音波溶接を行えるようにするところにある。

本明細書によって開示される超音波溶接治具は、芯線を有する電線の前記芯線を、平板状の電線接続部を有する端子の前記電線接続部上に超音波溶接により固着するための超音波溶接治具であって、前記端子の前記電線接続部を受けるアンビルと、前記アンビルと対向して配され前記電線における前記芯線の横断面の一部が嵌る嵌合溝が対向面に設けられた溶接ホーンとが具備され、前記溶接ホーンと前記アンビルとの間で前記芯線と前記電線接続部とを挟圧した状態において前記溶接ホーンを前記芯線の軸線方向に沿って高周波振動させることで超音波溶接するものにおいて、前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、前記嵌合溝の軸線に対して交差する斜め姿勢をなす滑り止め溝が、前記嵌合溝の軸線方向に間隔を開けて複数形成されている。

滑り止め溝が嵌合溝の軸線に対して交差する斜め姿勢で形成されているから、滑り止め溝の溝縁が芯線の外周の長い領域に亘って係止することになり、芯線に対する加圧力を抑えた形態においても高い滑り止め機能が発揮される。すなわち芯線が損傷を受けることを抑えた上で、適正に超音波溶接を行うことができ、結果溶接部分において高い固着力を得ることができる。

また、以下のような構成としてもよい。
前記芯線は複数の素線を撚り合わせた撚り線からなり、前記滑り止め溝は、前記芯線を構成する前記素線の撚り角度に略等しい角度で交差する姿勢をなしている。
電線の芯線が撚り線である場合、芯線を構成する素線の長い領域が滑り止め溝の溝縁に係止されることで、芯線に対する加圧力を抑えた形態においても高い滑り止め機能が発揮される。

前記滑り止め溝が、前記芯線の前記素線が嵌合可能な幅を有する幅広に形成されている。
電線の芯線を構成する素線が、長い領域に亘って滑り止め溝に嵌ることになるため、より高い滑り止め機能が発揮される。

前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、前記滑り止め溝に加え、前記滑り止め溝よりも幅狭の補助溝が、前記滑り止め溝と直交する姿勢をなして複数形成されている。
補助溝が素線に対して直交姿勢で当てられることで、補助溝がエッジ効果を生み、トータルしてさらに高い滑り止め機能が発揮される。

前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、ローレット溝が形成されている。
ローレット溝における互い直交した二方向を向いた溝の溝縁が、それぞれ芯線の外周の長い領域に亘って係止して、滑り止め機能を発揮する。芯線が撚り線である場合には、一方向を向いた溝が素線の長い領域に係止する滑り止め溝として機能し、他方向を向いた溝がエッジ効果を有む溝として機能する。

本明細書によって開示される端子付き電線の製造方法は、上記に記載の超音波溶接治具を用いて、電線における芯線を、端子に設けられた平板状の電線接続部に超音波溶接する。
他の端子付き電線の製造方法は、上記に記載の超音波溶接治具を用いて、電線における撚り線からなる芯線を、端子に設けられた平板状の電線接続部に超音波溶接する。

本明細書によって開示される端子付き電線は、芯線を有する電線の前記芯線を、平板状の電線接続部を有する端子の前記電線接続部上に超音波溶接してなる端子付き電線であって、前記芯線における溶接部の外面には、前記芯線の軸線に対して交差する斜め姿勢をなす突条が、前記溶接部の軸線方向に間隔を開けて複数形成されている。
また、前記芯線は複数の素線を撚り合わせた撚り線からなり、前記突条は、前記芯線を構成する前記素線の撚り角度に略等しい角度で交差する姿勢をなしている構成であってもよい。

本明細書によって開示される技術によれば、芯線が損傷を受けることを抑えた上で、適正に超音波溶接を行うことができる。

実施形態１に係る超音波溶接を行う前の状態の斜視図 超音波溶接を行う前の状態の正面図 超音波溶接を行う前の状態の側面図 被覆電線の端末を示す平面図 溶接ホーンの上下反転させた形態の斜視図 溶接ホーンの底面図 図６のVII−VII線断面図 図６のVIII−VIII線断面図 超音波溶接の実施状態の正面図 超音波溶接の実施状態の側面図 図１０のXI−XI線断面図 図９のXII−XII線断面図 端子付き電線の斜視図 端子付き電線の平面図 端子付き電線の側面図 実施形態２に係る溶接ホーンの上下反転させた形態の斜視図 溶接ホーンの底面図 図１７のXVIII−XVIII線拡大断面図 実施形態３に係る溶接ホーンの上下反転させた形態の斜視図 溶接ホーンの底面図

＜実施形態１＞
実施形態１を図１ないし図１５に基づいて説明する。本実施形態に係る端子付き電線１０は、図１３に示すように、被覆電線１１（電線に相当）の端末に、バスバー２０（端子に相当）が超音波溶接で接続された構造であって、例えば電気自動車に搭載される電池モジュール等の配線部分に適用されるようになっている。

被覆電線１１は、図２及び図４に示すように、図示７本の金属製の素線１３を撚り合わせた撚り線からなる芯線１２の外周が、合成樹脂製の絶縁被覆１４で覆われた構造である。被覆電線１１の端末では、絶縁被覆１４が所定長さ剥ぎ取られることで芯線１２が露出された端末処理が施されている。
芯線１２は詳細には、図４に示すように、直径ａの７本の素線１３が、撚り角度ｂで撚り合わされて形成されている。

バスバー２０は金属板製であって、図１に示すように、上記した被覆電線１１における露出した芯線１２の長さよりも大きい短辺長さを持った平面視長方形をなす平板状に形成されている。
バスバー２０における長さ方向（長辺に沿った方向）の中央部には、電線接続部２１が設定されており、後記するように、被覆電線１１における芯線１２の端末が、電線接続部２１に対してバスバー２０の短辺に沿った向きで載せられて、超音波溶接により固着されるようになっている。

超音波溶接治具３０は、図１ないし図３に示すように、アンビル３１と、その上方に対向して配された溶接ホーン４０とを備えて構成されている。
アンビル３１は固定的に設けられ、その上面が、バスバー２０の電線接続部２１を受ける受け面３２とされている。この受け面３２には、滑り止め用にローレット目３２Ａが形成されている。

溶接ホーン４０は、その下面に、被覆電線１１における芯線１２の端末を押圧する押圧部４１が突出形成された形状であって、図示しない駆動機構により、アンビル３１に接離する方向である上下方向に移動可能であり、また、図１０の矢線に示すように、バスバー２０の短辺に沿った方向、すなわち芯線１２の軸線方向に沿って高周波振動し得るようになっている。

溶接ホーン４０の押圧部４１の下面が押圧面４２とされており、この押圧面４２には、図５ないし図８に示すように、芯線１２における横断面の上部側を嵌める嵌合溝４３が、全長（図８の左右方向）に亘って形成されている。嵌合溝４３は、芯線１２の位置決め溝を兼ねて形成されており、詳細には、図２に示すように、芯線１２の直径よりも若干大きい直径を持った円弧形断面に形成されている。

さて、上記した嵌合溝４３の底面には、図６に示すように、嵌合溝４３の軸線に対して交差した斜め姿勢をなす３本の滑り止め溝４５が、同嵌合溝４３の軸線方向に所定間隔を開けて形成されている。滑り止め溝４５は、円弧形断面をなし（図７参照）、嵌合溝４３の底面のほぼ全幅に亘るように形成されている。

より詳細には、図６に示すように、嵌合溝４３の溝幅Ａが、上記した被覆電線１１の芯線１２を構成する素線１３の直径ａに略等しく設定されている（Ａ≒ａ）とともに、嵌合溝４３の軸線との交差角度Ｂが、芯線１２を構成する素線１３の撚り角度ｂに略等しく設定されている（Ｂ≒ｂ）。
また、各嵌合溝４３の間隔は、素線１３の直径ａに略等しい寸法が採られている。

続いて、端子付き電線１０の製造手順の一例を説明する。
図１ないし図３に示すように、超音波溶接治具３０における溶接ホーン４０が上方位置に後退している状態から、バスバー２０の電線接続部２１がアンビル３１の受け面３２に載せられる。次に、被覆電線１１における露出した芯線１２の端末が、アンビル３１に受けられたバスバー２０の電線接続部２１上に載せられる。

バスバー２０並びに被覆電線１１の芯線１２がセットされたら、溶接ホーン４０が下降され、図９及び図１０に示すように、芯線１２が嵌合溝４３に収まって位置決めされつつ、バスバー２０の電線接続部２１上に加圧して押し付けられる。
これに伴い、バスバー２０の電線接続部２１の下面に対して、アンビル３１の受け面３２に形成されたローレット目３２Ａが食い込むように作用し、バスバー２０はアンビル３１の受け面３２上に滑り止めされた形態で受けられる。
一方、被覆電線１１の芯線１２は、溶接ホーン４０の押圧面４２の嵌合溝４３内に圧潰されつつ嵌合され、併せて、芯線１２における嵌合溝４３と対向する面に配された素線１３のうちの１本置きの計３本の素線１３が、嵌合溝４３の底面に形成された滑り止め溝４５に嵌った状態となる。

上記のように溶接ホーン４０による加圧動作が実施されたら、引き続いて溶接ホーン４０が、図１０の矢線に示す方向に高周波振動される。ここで上記のように、芯線１２を構成する素線１３のうち３本の素線１３が、長い距離に亘って、嵌合溝４３の底面に形成された滑り止め溝４５に嵌った状態にあるから、芯線１２は溶接ホーン４０との間で滑りを生ずることなく、溶接ホーン４０と一体的に同芯線１２の軸線方向に沿って高周波振動される。

すなわち、アンビル３１の受け面３２に滑り止めされて受けられたバスバー２０の電線接続部２１上において、被覆電線１１の露出された芯線１２が適度に加圧された状態で軸線方向に沿って効率良く高周波振動される。この間、バスバー２０の電線接続部２１と芯線１２との接合面において酸化皮膜が除去されたのち、接合面間で原子拡散を惹起して原子結合されることにより、被覆電線１１の芯線１２がバスバー２０の電線接続部２１上に超音波溶接されて固着される。

溶接工程が終了したら、溶接ホーン４０の高周波振動を停止するとともに、同溶接ホーン４０を上方に後退させることで、図１３ないし図１５に示すように、被覆電線１１の芯線１２がバスバー２０の電線接続部２１上に超音波溶接により固着されてなる端子付き電線１０が取り出される。
この端子付き電線１０では、芯線１２におけるバスバー２０の電線接続部２１に超音波溶接された部分（溶接部１５）が、溶接ホーン４０の押圧面４２に形成された嵌合溝４３と整合した円弧形断面の棒状をなしているとともに、この溶接部１５の外周面に、嵌合溝４３の底面に形成された滑り止め溝４５と整合した円弧形断面をなす３本の突条１６が、溶接部１５の軸線に対して素線１３の撚り角度ｂに略等しい角度で交差する斜め姿勢で、かつ溶接部１５の軸線方向に間隔を開けて形成された形状となっている。

以上のように本実施形態では、超音波溶接治具３０における溶接ホーン４０と、被覆電線１１の芯線１２との間の滑り止めを図る手段として、溶接ホーン４０の押圧面４２に、芯線１２の横断面の一部が嵌る円弧形断面の嵌合溝４３が形成されるとともに、この嵌合溝４３の底面に、各素線１３が嵌る溝幅Ａを有する３本の滑り止め溝４５を、嵌合溝４３の軸線に対し素線１３の撚り角度ｂに略等しい角度Ｂで交差する斜め姿勢において、同嵌合溝４３の軸線方向に間隔を開けて形成した構造を採用している。
このため、芯線１２を構成する素線１３の長い領域が滑り止め溝４５に嵌ることとなって、芯線１２に対する加圧力を抑えた形態においても高い滑り止め機能が発揮される。すなわち芯線１２が損傷を受けることを抑えた上で、適正に超音波溶接を行うことができ、結果、溶接部分において高い固着力を得ることができる。

＜実施形態２＞
実施形態２を図１６ないし図１８によって説明する。実施形態２では、溶接ホーン４０Ｘと被覆電線１１の芯線１２との間の滑り止め構造に改良を加えている。すなわち、溶接ホーン４０Ｘの押圧面４２に設けられた嵌合溝４３の底面には、上記実施形態１に示した３本の滑り止め溝４５に加えて、滑り止め溝４５よりも幅狭の補助溝４７が、滑り止め溝４５と直交する姿勢をなして複数本（図示１５本）形成されている。補助溝４７は、図１８に示すように、スリット状に形成されている。

実施形態２では、溶接ホーン４０Ｘの加圧動作に伴い、被覆電線１１の芯線１２が嵌合溝４３内に圧潰されつつ嵌合された場合に、芯線１２を構成する所定の素線１３が滑り止め溝４５に嵌ることに加えて、補助溝４７が、素線１３に対して同素線１３と直角をなして当てられた形態となる。
すなわち、芯線１２を構成する素線１３の長い領域が滑り止め溝４５に嵌ることに加えて、補助溝４７の溝縁が素線１３に食い込むいわゆるエッジ効果を生み、トータルしてさらに高い滑り止め機能が発揮される。

＜実施形態３＞
実施形態３を図１９及び図２０によって説明する。実施形態３では、さらに別の滑り止め構造を示しており、溶接ホーン４０Ｙの押圧面４２に設けられた嵌合溝４３の底面に、ローレット溝５０が形成されている。
このローレット溝５０は、上記実施形態２に例示した補助溝４７と同様の複数本のスリット５１を格子状に配して切り込み形成したものである。

ローレット溝５０は詳細には、嵌合溝４３の軸線に対し素線１３の撚り角度ｂ（図４参照）に略等しい角度で交差する斜め姿勢をなす複数本のスリット５１を所定ピッチで列設した第１スリット群５２Ｐと、同第１スリット群５２Ｐのスリット５１と直交する姿勢の複数本のスリット５１を同ピッチで列設した第２スリット群５２Ｑとを合わせて、上記のように格子状に形成されている。

実施形態３では、被覆電線１１の芯線１２が嵌合溝４３内に圧潰されつつ嵌合された場合に、芯線１２を構成する素線１３の長い領域が第１スリット群５２Ｐを構成するスリット５１の溝縁に係止されるとともに、これと直交した第２スリット群５２Ｑのスリット５１の溝縁が素線１３に食い込むエッジ効果を生むことにより、溶接ホーン４０Ｙと被覆電線１１の芯線１２との間の滑り止め機能を有効に発揮することができる。

＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も含まれる。
（１）端子としては上記実施形態に例示したバスバーに限らず、相手の端子等と接続される端子接続部の後方に平板状の電線接続部を設けた構造の端子であってもよい。
（２）上記実施形態では、被覆電線の端末において露出した芯線を超音波溶接する場合を例示したが、被覆電線の長さ方向の途中位置において露出した芯線を超音波溶接する場合にも、同様に適用可能である。

（３）上記実施形態では、芯線が７本の素線を寄り合わせて形成されているものを例示したが、寄り合わせる素線の本数は任意の複数本であってよい。
（４）電線には、絶縁被覆を備えない裸撚り線も含まれる。
（５）溶接ホーンの嵌合溝の底面に形成される滑り止め溝の幅は、芯線を構成する素線が略緊密に嵌る幅を最大とし、それよりも狭い任意の幅寸法に設定してもよい。また、滑り止め溝の数や間隔も、芯線を構成する素線の直径等の条件に応じて適宜に設定し得る。

（６）電線の芯線は、撚り線に限らず、単芯線や、複数の金属素線を直線状のまま束ねたストレート線であってもよい。単芯線やストレート線についても、滑り止め溝が、嵌合溝の軸線に対して交差する斜め姿勢をなして形成されている限り、滑り止め溝の溝縁が芯線の外周の長い領域に亘って係止することになり、高い滑り止め機能が発揮される。

１０：端子付き電線
１１：被覆電線（電線）
１２：芯線
１３：素線
１５：溶接部
１６：突条
２０：バスバー（端子）
２１：電線接続部
３０：超音波溶接治具
３１：アンビル
４０，４０Ｘ，４０Ｙ：溶接ホーン
４２：押圧面（対向面）
４３：嵌合溝
４５：滑り止め溝
４７：補助溝
５０：ローレット溝
５１：スリット
ａ：（素線１３の）直径
ｂ：（素線１３の）撚り角度
Ａ：（滑り止め溝４５の）溝幅
Ｂ：（滑り止め溝４５の）交差角度

Claims (9)

1. 芯線を有する電線の前記芯線を、平板状の電線接続部を有する端子の前記電線接続部上に超音波溶接により固着するための超音波溶接治具であって、
   前記端子の前記電線接続部を受けるアンビルと、前記アンビルと対向して配され前記電線における前記芯線の横断面の一部が嵌る嵌合溝が対向面に設けられた溶接ホーンとが具備され、
   前記溶接ホーンと前記アンビルとの間で前記芯線と前記電線接続部とを挟圧した状態において前記溶接ホーンを前記芯線の軸線方向に沿って高周波振動させることで超音波溶接するものにおいて、
   前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、前記嵌合溝の軸線に対して交差する斜め姿勢をなす滑り止め溝が、前記嵌合溝の軸線方向に間隔を開けて複数形成されている超音波溶接治具。
2. 前記芯線は複数の素線を撚り合わせた撚り線からなり、前記滑り止め溝は、前記芯線を構成する前記素線の撚り角度に略等しい角度で交差する姿勢をなしている請求項１に記載の超音波溶接治具。
3. 前記滑り止め溝が、前記芯線の前記素線が嵌合可能な幅を有する幅広に形成されている請求項２に記載の超音波溶接治具。
4. 前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、前記滑り止め溝に加え、前記滑り止め溝よりも幅狭の補助溝が、前記滑り止め溝と直交する姿勢をなして複数形成されている請求項３に記載の超音波溶接治具。
5. 前記溶接ホーンの前記嵌合溝の底面には、ローレット溝が形成されている請求項１に記載の超音波溶接治具。
6. 請求項１または請求項５に記載の超音波溶接治具を用いて、電線における芯線を、端子に設けられた平板状の電線接続部に超音波溶接する端子付き電線の製造方法。
7. 請求項２ないし請求項５のいずれか一項に記載の超音波溶接治具を用いて、電線における撚り線からなる芯線を、端子に設けられた平板状の電線接続部に超音波溶接する端子付き電線の製造方法。
8. 芯線を有する電線の前記芯線を、平板状の電線接続部を有する端子の前記電線接続部上に超音波溶接してなる端子付き電線であって、
   前記芯線における溶接部の外面には、前記芯線の軸線に対して交差する斜め姿勢をなす突条が、前記溶接部の軸線方向に間隔を開けて複数形成されている端子付き電線。
9. 前記芯線は複数の素線を撚り合わせた撚り線からなり、前記突条は、前記芯線を構成する前記素線の撚り角度に略等しい角度で交差する姿勢をなしている請求項８に記載の端子付き電線。

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