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（Ａｌ２Ｏ３）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（Ａｌ２Ｏ３）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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