JP2019127599A - バスバー、及びバスバーの製造方法 - Google Patents

バスバー、及びバスバーの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】実用性に優れた、アルミニウム基材を母材としたバスバー、及び当該バスバーの製造方法を実現する。【解決手段】アルミニウム基材と、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いたコールドスプレーにより上記アルミニウム基材上に成膜された金属膜と、上記金属膜上に配される導電材と、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに螺子止めする螺子と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、配線用部品であるバスバー、及びバスバーの製造方法に関する。
従来から大容量の電流を導電するためにバスバーが使用されている。バスバーは、主に銅を母材とした、板状又は棒状の導体である。バスバーは、配電盤、制御盤、又は車載用バッテリー等に使用されている。
近年、配線用部品の材料としてアルミニウム(Al)を利用することへの要求が高まっている。アルミニウムは、その表面が酸化され易い。アルミ導電部材が外気に晒されると、その表面が酸化されて、酸化皮膜(Al)がAl表面に形成される。この酸化皮膜によってアルミ導電部材の接触抵抗が高くなる。その結果、以下(1)、(2)の問題が生ずる。(1)アルミ導電部材と電子部品等の接続端子との間の電気的接続が困難になる。(2)標準電極電位差の大きい導電部材(例えば、銅導電部材)とアルミ導電部材とが接触した場合、接触部分において電食(電気化学的な腐食)が発生する。
このような問題を解決する方法として、例えば、特許文献1では、アルミニウムの表面に錫(Sn)メッキを施し、接触抵抗を下げている。特許文献2では、コールドスプレー法を用いて、アルミニウムの表面にSn粉末を堆積させている。
特開2014−43632号公報(2014年3月13日公開) 特許第5333705号
しかしながら、特許文献1、及び特許文献2に記載の従来技術は次のような問題を有する。
特許文献1の方法では、Alの表面に対してSnメッキ処理を直接施すことはできず、前処理としてジンケート処理、及びNiメッキ処理が必要である。さらに、特許文献1の方法は、水洗処理、及び乾燥処理も必要とする。このように、特許文献1の方法は、工程が複雑であり、かつ、コスト高となる。
特許文献2の方法では、AlとSnの界面にAl−Snの合金層が形成されないことから、Al基材とSn膜との密着性が低い。そのため、信頼性試験において接触抵抗が上昇する。
このように、特許文献1及び特許文献2の方法は、配線用部品の材料としてアルミニウム(Al)を実用的に利用するうえで改良の余地がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実用性に優れた、アルミニウム基材を母材としたバスバー、及び当該バスバーの製造方法を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係るバスバーは、アルミニウム基材と、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いたコールドスプレーにより上記アルミニウム基材上に成膜された金属膜と、上記金属膜上に配される導電材と、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに螺子止めする螺子と、を備える構成である。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係るバスバーは以下の効果を奏する。
具体的に、上記混合粉末材料が上記アルミニウム基材にコールドスプレーされたときに、上記第二粉末材料の成分であるSnは、Snよりも融点の高い上記第一粉末材料の成分(Ni、Au、Zn、Ag、Cu)と比べて変形しやすい。そのため、Snは、上記第一粉末材料の成分を構成する粒子間に入り込み、当該粒子を互いに結合する役割を果たし、かつ、上記金属膜を凹凸の少ない連続膜とすることができる。その金属膜上に上記導電材が配され、かつ、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とが上記螺子によって互いに螺子止めされる。
上記の構成によれば、上記アルミニウム基材への上記金属膜の成膜が簡素化され、かつ、上記アルミニウム基材への上記金属膜の密着性を高めることができる。さらに、上記の構成によれば、上記金属膜と上記導電材との間には隙間が生じにくい。その結果、本発明の一実施形態に係るバスバーは、従来のバスバーに比べて接続抵抗を低くすることができる。
このようにして、本発明の一実施形態に係るバスバーは、実用性に優れたバスバーを実現することができるという効果を奏する。
上記の課題を解決するために、本発明に係るバスバーの製造方法は、バスバーの製造方法であって、アルミニウム基材に対して、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料をコールドスプレーすることにより、上記アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜ステップと、上記金属膜上に導電材を配設する配設ステップと、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに固定する固定ステップと、を含む方法である。
上記の方法によれば、上記バスバーと同様の効果を奏する。
本発明によれば、本発明の一実施形態に係るバスバーは、実用性に優れたバスバーを実現することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るバスバーを模式的に示す断面図である。 アルミニウム基材と銅板とが分離した状態を示す図である。 アルミニウム基材と銅板とが螺子により螺子止めされ、アルミニウム基材と金属膜とが電気的に接続している様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係るバスバーを製造する方法を説明するフローチャートである。 コールドスプレー装置の概略図である。 Ni成膜、Sn成膜、及びNi+Sn成膜それぞれについて初期接触抵抗を比較したグラフである。 Ni粉末及びSn粉末の混合比率を変化させた金属膜を恒温恒湿試験に供したときの接触抵抗を示すグラフである。 螺子の締め付けトルクを変化させたときの接触抵抗を示すグラフである。 螺子のネジ締めトルクとNi+Sn膜の膜厚との関係を示すグラフである。
〔バスバー1〕
図1は、本発明の実施形態に係るバスバー1を模式的に示す断面図である。バスバー1は、大容量の電流を導電するための配線用部品である。バスバー1は、アルミニウム基材10と、金属膜12と、銅板(導電材)14と、螺子16と、を備える。
アルミニウム基材10は、バスバー1の母材として用いられる。アルミニウム基材10は、アルミ合金であってもよい(材料記号:A2000系、A3000系等)。アルミニウム基材10の形状、又は厚み等は任意である。
金属膜12は、Ni粉末12aとSn粉末12bとの混合粉末材料がアルミニウム基材10上に溶射されることにより、アルミニウム基材10上に成膜された金属膜である。溶射は、周知の溶射方法を採用してよい。
周知の溶射方法として、例えば次の溶射方法が知られている。ウォームスプレー、エアロゾルデポジション、フリージェットPVD、フレーム溶射、溶線式フレーム溶射、粉末式フレーム溶射、溶棒式フレーム溶射、高速フレーム溶射、爆発溶射、電気式溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆溶射、コールドスプレー。
以下の説明では、溶射方法としてコールドスプレー法を使用するものとする。
上記混合粉末材料は、Ni、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料との混合粉末材料であってもよい。
本実施形態では、第一粉末材料としてNi粉末、第二粉末材料としてSn粉末を使用するものとする。Ni粉末及びSn粉末を使用する理由として、例えば以下の点を挙げることができる。
Snは、Niよりも融点が低い。そのため、Sn粉末12bはコールドスプレーされたときに半溶融状態となりやすく、Snは、Ni粒子の間に入り込み、Ni粒子を互いに結合する役割を果たす。また、そのSnの働きにより、金属膜12の表面は凹凸が少ない連続膜となる。また、混合粉末に占めるNi粉末12aの割合が高い場合には、金属膜12におけるNi密度も高くなる。加えて、Ni層は、連続膜であるSn層に覆われており、酸化物の影響が低くなる。
銅板14は、金属膜12上に配される。銅板14の形状、又は厚み等は任意である。銅板14の代替として他の導電材(例えば、アルミニウム板)が用いられてもよい。
螺子16は、アルミニウム基材10及び金属膜12と銅板14とを螺子止めする。そのため、アルミニウム基材10、金属膜12、及び銅板14はそれぞれ、螺子16を貫通させるための孔を有する。螺子16は、任意の仕様であってよい。螺子16のネジ山、及び、アルミニウム基材10、金属膜12、及び銅板14それぞれに形成された孔のネジ山は、便宜上、図面中の記載を省略している。螺子16の代替として、ボルト・ナットが使用されてもよい。
バスバー1は、上記構成を備えることにより、金属膜12を介して、アルミニウム基材10と金属膜12とを電気的に接続する。バスバー1は、例えば、配電盤、制御盤、又は車載用バッテリー等に使用される。
〔実施例〕
〔バスバー1〕
バスバー1の実施例を図2〜図4により説明する。図2は、アルミニウム基材10と銅板14とが分離した状態を示す図である。図3は、アルミニウム基材10と銅板14とが螺子16により螺子止めされ、アルミニウム基材10と金属膜12とが電気的に接続している様子を示す図である。図4は、バスバー1を製造する方法を説明するフローチャートである。
図2を参照して、アルミニウム基材10は、A6061、厚み3.0mm、幅20mmの試験片が用いられた。銅板14は、C1020、厚み1.6mm、幅20mmの試験片が用いられた。金属膜12は、20mm×20mmのサイズで形成された。
Ni粉末12aとSn粉末12bとの混合粉末材料がアルミニウム基材10上にコールドスプレー(詳細は後述)されることにより、アルミニウム基材10上に金属膜12が成膜される(図4のS10。成膜ステップ)。金属膜12は、アルミニウム基材10の表面の少なくとも一部に形成されていればよい。
次に、螺子16を貫通させるための孔をアルミニウム基材10及び金属膜12に形成する(図2のS20)。アルミニウム基材10に孔を形成する方法は周知の方法であってよい。S10の前の時点でアルミニウム基材10に孔が形成されていてよい。このことは、後述する銅板14についても同様である。金属膜12に孔を形成する方法は、マスキング等の周知の方法であってよい。
続いて、孔が形成された銅板14を金属膜12上に配設する(図4のS30。配設ステップ)。このとき、アルミニウム基材10、金属膜12、及び銅板14それぞれに形成された孔が位置合わせされる。
最後に、アルミニウム基材10及び金属膜12と銅板14とが螺子16により螺子止めされる(図4のS40。固定ステップ)。これにより、金属膜12と銅板14とが固着する。本実施例において、螺子16は、φ6.5mmであった。
〔コールドスプレー〕
本実施例では、コールドスプレー法を用いて金属膜12を成膜している。以下、コールドスプレー法について説明する。
近年、コールドスプレーと呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレーは、皮膜材料の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に皮膜材料を投入し加速させ、固相状態のまま基材等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
コールドスプレーの皮膜原理は、次のように理解されている。
皮膜材料が基材に付着・堆積して皮膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。皮膜材料が臨界速度よりも低い速度で基材と衝突すると、基材が摩耗し、基材には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、皮膜材料の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、又は基材の材質などによって変化する。
皮膜材料が基材に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、皮膜材料と基材(あるいはすでに成形された皮膜)との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、及び衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、皮膜材料と基材、および、皮膜材料と皮膜(すでに付着した皮膜材料)との間で固相接合が生じる。
(コールドスプレー装置100)
図5は、コールドスプレー装置100の概略図である。図5に示すように、コールドスプレー装置100は、タンク110と、ヒーター120と、スプレーノズル160と、フィーダ140と、基材ホルダー150と、制御装置(不図示)とを備える。
タンク110は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク110からヒーター120へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク110の出口において、例えば70PSI以上150PSI以下(約0.48Mpa以上約1.03Mpa以下)となるよう調整される。ただし、タンク110の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
ヒーター120は、タンク110から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ140からスプレーノズル160に供給される皮膜材料の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター120の出口において測定したときに、50℃以上500℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
キャリアガスは、ヒーター120により加熱された後、スプレーノズル160へ供給される。
スプレーノズル160は、ヒーター120により加熱されたキャリアガスを300m/s以上1200m/s以下の範囲で加速し、基材170(アルミニウム基材10)へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
フィーダ140は、スプレーノズル160により加速されるキャリアガスの流れの中に皮膜材料を供給する。フィーダ140から供給される皮膜材料の粒径は、1μm以上50μm以下といった大きさである。フィーダ140から供給された皮膜材料は、スプレーノズル160からキャリアガスとともに基材170へ噴射される。
基材ホルダー150は、基材170を固定する。基材ホルダー150に固定された基材170に対して、キャリアガス、及び皮膜材料がスプレーノズル160から噴射される。基材170の表面とスプレーノズル160の先端との距離は、例えば、1mm以上30mm以下の範囲で調整される。基材170の表面とスプレーノズル160の先端との距離が1mmよりも近いと皮膜材料の噴射速度が低下する。これは、スプレーノズル160から噴出したキャリアガスがスプレーノズル160内に逆流するためである。このとき、キャリアガスが逆流した際に生じる圧力により、スプレーノズル160に接続された部材(ホース等)が外れる場合もある。一方、基材170の表面とスプレーノズル160の先端との距離が30mmよりも離れると皮膜効率が低下する。これは、スプレーノズル160から噴出したキャリアガス及び皮膜材料が基材170に到達し難くなるである。
ただし、基材170の表面とスプレーノズル160との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
制御装置は、予め記憶した情報、及び/又は、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置100を制御する。より具体的に、制御装置は、タンク110からヒーター120へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター120により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ140から供給される皮膜材料の種類および量、及び基材170の表面とスプレーノズル160との距離など制御する。
本実施例では、皮膜材料は、コールドスプレーによりアルミニウム基材10に噴射される。コールドスプレー装置100では、周知の溶射材料を用いてコールドスプレーしてよい。例えば、溶射材料として、錫粉末と亜鉛粉末の混合材料を用いることができる。
コールドスプレー装置100を用いることにより、コールドスプレーの利点を享受することができる。コールドスプレーの利点は、例えば次のとおりである。(1)皮膜の酸化抑制、(2)皮膜の熱変質の抑制、(3)緻密な皮膜形成、(4)ヒュームの発生抑制、(5)必要最小限のマスキング、(6)シンプルな装置による皮膜形成、(7)短時間での厚い金属皮膜の形成。
〔初期接触抵抗〕
アルミニウムは、その表面が酸化されて、酸化皮膜(Al)が表面に形成されやすい。この酸化皮膜によってアルミ導電部材の接触抵抗が高くなる。アルミニウム基材10は、表面に金属膜12を有する。金属膜12は、Ni粉末とSn粉末との混合粉末材料がコールドスプレーにより堆積したものである。バスバー1は、金属膜12を備えることにより、初期接触抵抗を低下することができる。このことを図6により説明する。
図6は、Ni成膜、Sn成膜、及びNi+Sn成膜それぞれについて初期接触抵抗を比較したグラフである。Ni成膜、Sn成膜、及びNi+Sn成膜(Sn:Ni=20%:80%)は、アルミニウム基材10の表面に対してコールドスプレーすることにより成膜されたものである。Ni成膜及びSn成膜は比較例に対応し、Ni+Sn成膜は本実施例に対応する。
コールドスプレーの設定条件は以下のとおりである。キャリアガスの圧力は、タンク110の出口において0.9Mpaであった。キャリアガスは、ヒーター120の出口において測定したときに200℃であった。アルミニウム基材10の表面とスプレーノズル160の先端との距離は10mmであった。アルミニウム基材10の表面に形成される金属膜の膜厚は5〜50μmの範囲内に調整された。
コールドスプレーに供したNi粉末、及びSn粉末は以下のとおりである。Ni粉末は、スパイク状(粒子表面に先鋭部を有する形状)であり、平均粒径(D50)は7μmであった。Sn粉末は、球状であり、平均粒径(D50)は28μmであった。
初期接触抵抗は4端子法により測定された。アルミニウム基材10は、A6061、厚み3.0mm、幅20mmの試験片が用いられた。銅板14は、C1020、厚み1.6mm、幅20mmの試験片が用いられた。螺子止めトルクは4.5Nmであった。電流は直流1Aであった。
以上の条件のもと、Ni成膜、Sn成膜、及びNi+Sn成膜それぞれの初期接触抵抗は、順に、約3.4μΩ、約2.7μΩ、約1μΩであった。つまり、Ni+Sn成膜の初期接触抵抗は、Ni成膜及びSn成膜それぞれから約70%減、約62%減という顕著に低い数値であった。この結果より、本実施例は、比較例よりも、初期接触抵抗が大きいことにより生ずる問題(以下(1)、(2))を解決する余地が大きいことが示された。
(1)アルミ導電部材と電子部品等の接続端子との間の電気的接続が困難になる。(2)標準電極電位差の大きい導電部材(例えば、銅導電部材)とアルミ導電部材とが接触した場合、接触部分において電食(電気化学的な腐食)が発生する。
〔恒温恒湿試験〕
次に、Ni粉末12a及びSn粉末12bの混合比率を変化させた金属膜12を恒温恒湿試験に供したときの接触抵抗を図7により説明する。図7は、Ni粉末12a及びSn粉末12bの混合比率を変化させた金属膜12を恒温恒湿試験に供したときの接触抵抗を示すグラフである。
恒温恒湿試験は、温度85℃、湿度85%、1000時間以上(実際の測定は1063hr)の条件で行った。接触抵抗は4端子法により測定された。アルミニウム基材10は、A6061、厚み3.0mm、幅20mmの試験片が用いられた。銅板14は、C1020、厚み1.6mm、幅20mmの試験片が用いられた。螺子止めトルクは4.5Nmであった。電流は直流1Aであった。
図7において、横軸はSn粉末の混合比率を示す。Sn粉末の比率は、2%、5%、7%、20%、30%、50%と変化させた。縦軸は接触抵抗(μΩ)を示す。以下、図7から得られた結果を示す。
・恒温恒湿試験前、Sn粉末の比率2%〜50%の範囲における接触抵抗は、いずれも3.5μΩ以下を示した。
・恒温恒湿試験後、Sn粉末の比率2%〜50%の範囲における接触抵抗は、いずれも4.5μΩ以下を示した。4.5μΩは十分に実用的な数値であることから、1000hr以上の恒温恒湿試験を経てもなお、バスバー1は実用的であることが示された。
・恒温恒湿試験前後の接触抵抗の変化率を確認すると、Sn粉末2%は約300%の増加であった(1μΩから3μΩへ増加)。Sn粉末5%は約130%の増加であった(0.3μΩから0.7μΩへ増加)。Sn粉末30%は約100%の増加であった(1.0μΩから2.0μΩへ増加)。Sn粉末50%は約30%の増加であった(3.5μΩから4.5μΩへ増加)。これに対して、Sn粉末7%は約15%の増加であった(1.3μΩから1.5μΩ)。Sn粉末20%は変化率0%であった(1.0μΩから1.0μΩ)。恒温恒湿試験前後の接触抵抗の変化率は小さい方が好ましい。従って、Sn粉末の混合比率は、恒温恒湿試験前後の接触抵抗の変化率を15%以内に収めることが可能な7%以上20%以下であることがより好ましいこと。
〔螺子締め付けトルク〕
次に、螺子16の締め付けトルクを変化させたときの接触抵抗を図8により説明する。図8は、螺子16の締め付けトルクを変化させたときの接触抵抗を示すグラフである。
図8において、横軸は、アルミニウム基材10の表面に形成される金属膜の組成、及び/又は、態様を示す。左から順に、Snメッキ、Ni+Sn膜(Sn:Ni=20%:80%)、Sn膜、Ni膜を示す。縦軸は接触抵抗(μΩ)を示す。螺子締め付けトルクは、2.5Nm、3.5Nm、4.5Nmの3パターンで測定した。
Ni+Sn膜(Sn:Ni=20%:80%)、Sn膜、及びNi膜は、いずれもコールドスプレー法を用いて成膜された。コールドスプレーの設定条件は、〔初期接触抵抗〕で説明したのと同じ条件である。以下、図8から得られる結果を示す。
・Snメッキ、Ni+Sn膜、Sn膜、Ni膜はいずれも、トルクを強くするほど接触抵抗が減少した。これは、それぞれの膜と銅板14とがより強固に接触することにより、接触抵抗が低下することによる。
・Ni+Sn膜は、Sn膜及びNi膜と比較して、弱いトルク(2.5Nm)であっても接触抵抗を低く保つことができた。
・Ni+Sn膜は、2.5Nm、3.5Nm、4.5Nmいずれにおいても、Snメッキと同程度の接触抵抗であった。
以上の結果から、バスバー1は、螺子16のネジ締めトルクが2.5Nm以上4.5Nm以下の範囲においても接触抵抗は低く、十分に実用的であることが示された。これに対して、螺子16のネジ締めトルクが2.5Nm以上4.5Nm以下の範囲では、Sn膜及びNi膜は、Ni+Sn膜よりも数倍高い接触抵抗を示した。
このように、螺子16のネジ締めトルクが従来のネジ締めトルクよりも小さくてよいことから、バスバー1は、従来のバスバーよりも容易に製造することができる。また、バスバー1は、使用中にトルクが緩んだ場合であっても、接触抵抗を低い状態に維持することができる。これにより、バスバー1は、バスバー1が組み込まれる装置の長期安定性を改善できる。
〔金属膜12の膜厚に対する接触抵抗〕
次に、螺子16のネジ締めトルクとNi+Sn膜(Sn:Ni=20%:80%)の膜厚との関係を図9により説明する。図9は、螺子16のネジ締めトルクとNi+Sn膜の膜厚との関係を示すグラフである。図9において、横軸はトルク(Nm)を示し、縦軸は接触抵抗(μΩ)を示す。四角の凡例はNi+Sn膜の膜厚が平均63μmの場合を示し、菱形の凡例はNi+Sn膜の膜厚が平均48μmの場合を示す。
図示するように、Ni+Sn膜は、膜厚が薄いほど接触抵抗が低くなる。これは、Ni+Sn膜そのものが接触抵抗を高くするためである。ただし、バスバー1は、Ni+Sn膜の膜厚が平均63μmの場合、かつ、螺子16のネジ締めトルクが2.5Nmである場合においても、十分に実用的な接触抵抗(約3μΩ)を保つことが示された。
〔小括〕
バスバー1は、アルミニウム基材10と、金属膜12と、銅板14と、螺子16と、を備える。金属膜12は、Ni粉末12aとSn粉末12bとの混合粉末材料がアルミニウム基材10上にコールドスプレーされることにより、アルミニウム基材10上に成膜された金属膜である。
Ni粉末12aとSn粉末12bとの混合粉末材料を金属膜12の材料として用いる理由の一つとして、アルミニウム基材をSnコーティングした場合の課題が挙げられる。具体的に、Sn皮膜は強度が低い。そのため、アルミニウム基材に形成されたSn皮膜は剥離しやすい。Sn膜がアルミニウム基材から剥離すると、接触抵抗は上昇する。さらに、アルミニウム基材に形成されたSn膜を銅板で挟み込んだ場合、Sn膜と銅板との間にも隙間が生じやすい。これは、バスバーが通電するとバスバーの構成部材が熱膨張し、その影響でSn膜と銅板との間に隙間が生じ、その結果、接触抵抗が上昇するためである。このように、アルミニウム基材をSnコーティングした場合に様々な課題が認められる。
そこで、本願発明者は、鋭意検討の末、Ni粉末12aとSn粉末12bとの混合粉末材料を金属膜12の材料として用いたバスバー1を見出すに至った。このような金属膜12は、皮膜強度を向上させることが可能である。さらに、本願発明者は、Sn粉末とNi粉末の混合比率を所定の範囲に収めることにより、1000時間以上の恒温恒湿試験を経てもなお、接触抵抗が低く保持されたバスバー1を実現できることを見出した。加えて、バスバー1は、従来のバスバーよりも螺子16の締め付けトルクを低く保持することができる。これにより、バスバー1は、バスバー1が組み込まれる装置の長期安定性を改善することができる。
〔まとめ〕
本発明の態様1に係るバスバーは、アルミニウム基材と、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いたコールドスプレーにより上記アルミニウム基材上に成膜された金属膜と、上記金属膜上に配される導電材と、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに螺子止めする螺子と、を備える構成である。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係るバスバーは以下の効果を奏する。
具体的に、上記混合粉末材料が上記アルミニウム基材にコールドスプレーされたときに、上記第二粉末材料の成分であるSnは、Snよりも融点の高い上記第一粉末材料の成分(Ni、Au、Zn、Ag、Cu)と比べて、半溶融状態となりやすい。そのため、Snは、上記第一粉末材料の成分を構成する粒子間に入り込み、当該粒子を互いに結合する役割を果たし、かつ、上記金属膜を凹凸の少ない連続膜とすることができる。その金属膜上に上記導電材が配され、かつ、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とが上記螺子によって互いに螺子止めされる。
上記の構成によれば、上記アルミニウム基材への上記金属膜の成膜が簡素化され、かつ、上記アルミニウム基材への上記金属膜の密着性を高めることができる。さらに、上記の構成によれば、上記金属膜と上記導電材との間には隙間が生じにくい。その結果、本発明の一実施形態に係るバスバーは、従来のバスバーに比べて接続抵抗を低くすることができる。
このようにして、本発明の一実施形態に係るバスバーは、実用性に優れたバスバーを実現することができるという効果を奏する。
本発明の態様2に係るバスバーは、上記の態様1において、上記導電材は銅板であり、上記第一粉末材料は、Niを成分とし、上記第二粉末材料は、Snを成分とし、上記混合粉末材料は、重量比で、上記第二粉末材料を2%以上50%以下含んでおり、温度85度、湿度85%、1000時間以上の条件で恒温恒湿試験を行ったときに、当該恒温恒湿試験の前後において、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗が4.5μΩ以下である構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記恒温恒湿試験の後であっても、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗を4.5μΩ以下に抑えることができる。それゆえ、接触抵抗に対して要求される仕様が厳しい場合(例えば、5μΩ以下)において、本発明の一実施形態に係るバスバーを有効に活用することが可能となる。
本発明の態様3に係るバスバーは、上記の態様1において、上記導電材は銅板であり、上記第一粉末材料は、Niを成分とし、上記第二粉末材料は、Snを成分とし、上記混合粉末材料は、重量比で、上記第二粉末材料を7%以上20%以下含んでおり、温度85度、湿度85%、1000時間以上の条件で恒温恒湿試験を行ったときに、当該恒温恒湿試験の前後において、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗の変化率が15%以内である構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記恒温恒湿試験を実施した後であっても、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗の変化率を15%以内に抑えることができる。それゆえ、接触抵抗の変化率に対して要求される仕様が厳しい場合(例えば、50%以内)において、本発明の一実施形態に係るバスバーを有効に活用することが可能となる。
本発明の態様4に係るバスバーは、上記の態様3において、上記螺子のネジ締めトルクが2.5Nm以上4.5Nm以内の範囲において、上記接触抵抗が2μΩ以下である構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記螺子のネジ締めトルクは従来のネジ締めトルクよりも小さくてよい。従って、本発明の一実施形態に係るバスバーは、従来のバスバーよりも容易に製造することができる。また、本発明の一実施形態に係るバスバーは、使用中にトルクが緩んだ場合であっても、接触抵抗が低い状態を維持することができる。その効果ゆえに、本発明の一実施形態に係るバスバーは、当該バスバーが組み込まれる装置の長期安定性を改善することも可能である。
本発明の態様5に係るバスバーの製造方法は、バスバーの製造方法であって、アルミニウム基材に対して、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料をコールドスプレーすることにより、上記アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜ステップと、上記金属膜上に導電材を配設する配設ステップと、上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに固定する固定ステップと、を含む方法である。
上記の方法によれば、上記バスバーと同様の効果を奏する。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
1 スバー
10 アルミニウム基材
12 金属膜
12a Ni粉末
12b Sn粉末
14 銅板(導電材)
16 螺子
100 コールドスプレー装置
110 タンク
120 ヒーター
140 フィーダ
150 基材ホルダー
160 スプレーノズル
170 基材

Claims (5)

  1. アルミニウム基材と、
    ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いたコールドスプレーにより上記アルミニウム基材上に成膜された金属膜と、
    上記金属膜上に配される導電材と、
    上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに螺子止めする螺子と、を備えることを特徴とするバスバー。
  2. 上記導電材は銅板であり、
    上記第一粉末材料は、Niを成分とし、
    上記第二粉末材料は、Snを成分とし、
    上記混合粉末材料は、重量比で、上記第二粉末材料を2%以上50%以下含んでおり、
    温度85度、湿度85%、1000時間以上の条件で恒温恒湿試験を行ったときに、当該恒温恒湿試験の前後において、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗が4.5μΩ以下であることを特徴とする請求項1に記載のバスバー。
  3. 上記導電材は銅板であり、
    上記第一粉末材料は、Niを成分とし、
    上記第二粉末材料は、Snを成分とし、
    上記混合粉末材料は、重量比で、上記第二粉末材料を7%以上20%以下含んでおり、
    温度85度、湿度85%、1000時間以上の条件で恒温恒湿試験を行ったときに、当該恒温恒湿試験の前後において、上記アルミニウム基材と上記導電材との接触抵抗の変化率が15%以内であることを特徴とする請求項1に記載のバスバー。
  4. 上記螺子のネジ締めトルクが2.5Nm以上4.5Nm以内の範囲において、上記接触抵抗が2μΩ以下であることを特徴とする請求項3に記載のバスバー。
  5. バスバーの製造方法であって、
    アルミニウム基材に対して、ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、これらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料をコールドスプレーすることにより、上記アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜ステップと、
    上記金属膜上に導電材を配設する配設ステップと、
    上記アルミニウム基材及び上記金属膜と上記導電材とを互いに固定する固定ステップと、を含むことを特徴とするバスバーの製造方法。
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