JP2020064737A - 電線の接続構造、および、電線の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】芯線の材質が異なる複数の電線を超音波溶接によって接合する場合に、充分な接合強度を確保することを目的とする。【解決手段】ハーネス１は、銅芯線１１Ａを備える複数の銅電線１０Ａ、および、アルミニウム芯線１１Ｂを備える複数のアルミニウム電線１０Ｂと、複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂが超音波溶接によって接合された接合部２０とを備え、接合部２０が、最も外側に配置される第１接合層２１および第２接合層２２と、第１接合層２１と第２接合層２２との間に配置される第３接合層２３とを備え、複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂのうち、第３接合層２３を構成するアルミニウム芯線１１Ｂの導体強度が、第１接合層２１および第２接合層２２を構成する銅芯線１１Ａの導体強度よりも低い。【選択図】図３

Description

本明細書によって開示される技術は、電線の接続構造、および、電線の接続方法に関する。

複数の電線の芯線同士が接合された電線の接続構造が知られている。芯線の接合方法としては、例えば、複数の電線の芯線を束ねてねじり合わせ、超音波溶接によって接合する方法がある（特許文献１参照）。

特開２００５−３２２５４４号公報

上記のように、電線を超音波溶接によって接合する場合には、芯線の導体強度によって溶接条件が異なる。芯線の材質が異なる複数種の電線を接合する場合には、溶接条件を導体強度が高い芯線に合わせると、導体強度の低い電線が潰れたり、金型に凝着したりすることがある。一方、溶接条件を導体強度が低い芯線に合わせると、導体強度の高い電線が充分に溶着されず、溶接強度が低下することがある。

本明細書によって開示される電線の接続構造は、芯線を備える複数の電線と、複数の前記芯線が超音波溶接によって接合された接合部とを備え、前記接合部が、最も外側に配置される第１接合層および第２接合層と、前記第１接合層と前記第２接合層との間に配置される第３接合層とを備え、複数の前記芯線のうち、前記第３接合層を構成する一部の芯線の導体強度が、前記第１接合層および前記第２接合層を構成する他の芯線の導体強度よりも低い。

また、本明細書によって開示される電線の接続方法は、芯線を備える複数の電線の前記芯線を超音波溶接により接合する電線の接続方法であって、複数の前記芯線を重ねて積層部を形成する積層工程と、溶接ホーンと受け冶具とを備える超音波溶接装置によって、前記積層部を超音波溶接して接合部を形成する溶接工程とを含み、前記積層部が、最も外側に配置される第１芯線層および第２芯線層と、前記第１芯線層と前記第２芯線層との間に配置される第３芯線層とを備え、複数の前記芯線のうち、前記第３芯線層を構成する一部の芯線の導体強度が、前記第１芯線層および前記第２芯線層を構成する他の芯線の導体強度よりも低くされており、前記溶接工程において、前記第１芯線層と前記第２芯線層とが前記受け冶具と前記溶接ホーンに当接するようにして溶接を行う。

上記の構成によれば、相対的に導体強度の小さい一部の芯線が、導体強度の大きい他の芯線に挟まれた状態となるから、超音波溶接の際に、導体強度の高い芯線の溶接条件で溶接することが可能になり、溶接強度を確保できる。

上記の構成において、前記第１接合層および前記第２接合層が、同一の電線に備えられる前記芯線により構成されていても構わない。

本明細書によって開示される電線の接続構造、および、電線の接続方法によれば、芯線の材質が異なる複数の電線を超音波溶接によって接合する場合に、充分な接合強度を確保できる。

実施形態１のハーネスの斜視図 実施形態１において、積層工程を示す側面図 実施形態１において、溶接工程を示す側面図 実施形態２において、積層工程を示す側面図 実施形態２において、溶接工程を示す側面図 引裂強度試験の概略側面図

＜実施形態１＞
実施形態１を、図１〜図３を参照しつつ説明する。本実施形態の電線の接続構造は、図１に示すように、複数の銅電線１０Ａ（電線に該当）およびアルミニウム電線１０Ｂ（電線に該当）が接続されたハーネス１の一部である。

銅電線１０Ａは、図１に示すように、銅製の素線の複数本を撚り合わせた撚り線によって構成された銅芯線１１Ａ（芯線、他の芯線に該当）と、この銅芯線１１Ａを被覆する合成樹脂製の第１絶縁被覆１２Ａとを備えている。銅芯線１１Ａは、銅電線１０Ａの端末部において、第１絶縁被覆１２Ａから露出された部分を有している。

アルミニウム電線１０Ｂは、図１に示すように、アルミニウム製の素線の複数本を撚り合わせた撚り線によって構成されたアルミニウム芯線１１Ｂ（芯線、一部の芯線に該当）と、このアルミニウム芯線１１Ｂを被覆する合成樹脂製の第２絶縁被覆１２Ｂとを備えている。アルミニウム芯線１１Ｂは、アルミニウム電線１０Ｂの端末部において、第２絶縁被覆１２Ｂから露出された部分を有している。

アルミニウム芯線１１Ｂは、銅芯線１１Ａよりも、導体強度が低い。
ここで、「導体強度」とは、芯線の引張強さのことをいう。より具体的には、芯線を「ＪＩＳ Ｚ ２２４１」に準じて引張試験に供し、破断に至るまでに到達した最大荷重を負荷前の芯線断面積で除した値のことをいう。

複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂの露出部分は、互いに接合され、接合部２０を構成している。

接合部２０は、図１に示すように、第１接合層２１、第２接合層２２、および第３接合層２３の積層された３層を有しており、第１接合層２１および第２接合層２２は積層方向について最も外側に配され、第３接合層２３がその間に配されている。第１接合層２１および第２接合層２２は、それぞれ、複数の銅芯線１１Ａにより構成される層であり、第３接合層２３は、複数のアルミニウム芯線１１Ｂにより構成される層である。

上記の構成のハーネス１を製造する方法の一例を以下に示す。

まず、複数の銅電線１０Ａのそれぞれの端末部において、第１絶縁被覆１２Ａを皮剥きして銅芯線１１Ａを露出させる。複数のアルミニウム電線１０Ｂのそれぞれについても同様に、端末部において、第２絶縁被覆１２Ｂを皮剥きしてアルミニウム芯線１１Ｂを露出させる。

次に、銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂの露出部分を、超音波溶接装置４０を用いて接合する。超音波溶接装置４０は、図２および図３に示すように、アンビル４１（受け冶具に該当）と、溶接ホーン４２とを備える周知の構成の装置である。

まず、複数の銅電線１０Ａを２組に分ける。次いで、図２に示すように、超音波溶接装置４０のアンビル４１上に、一方の組の銅電線１０Ａの銅芯線１１Ａと、複数のアルミニウム電線１０Ｂのアルミニウム芯線１１Ｂと、他方の組の銅電線１０Ａの銅芯線１１Ａとを、この順で重ねて、積層部３０を形成する（積層工程）。

積層部３０は、銅芯線１１Ａにより構成され、最も外側に配される第１芯線層３１および第２芯線層３２と、アルミニウム芯線１１Ｂにより構成され、第１芯線層３１と第２芯線層３２との間に配される第３芯線層３３とを備える。第３芯線層３３を構成するアルミニウム芯線１１Ｂの導体強度は、第１芯線層３１および第２芯線層３２を構成する銅芯線１１Ａの導体強度よりも低い。

次に、溶接ホーン４２を下降させて、銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂを押さえつつ、銅電線１０Ａおよびアルミニウム電線１０Ｂの軸線方向に沿った超音波振動を加える。この溶接工程においては、アンビル４１が第１芯線層３１に、溶接ホーン４２が第２芯線層３２に、それぞれ当接する。これにより、図３に示すように、銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂが溶接されて、接合部２０が形成される（溶接工程）。なお、溶接条件は、銅芯線１１Ａの溶接に適合する条件、すなわち、相対的に導体強度が強い方の芯線の溶接に適合する条件とすればよい。

このようにして、ハーネス１が完成する。

以上のように本実施形態によれば、ハーネス１は、銅芯線１１Ａを備える複数の銅電線１０Ａ、および、アルミニウム芯線１１Ｂを備える複数のアルミニウム電線１０Ｂと、複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂが超音波溶接によって接合された接合部２０とを備え、接合部２０が、最も外側に配置される第１接合層２１および第２接合層２２と、第１接合層２１と第２接合層２２との間に配置される第３接合層２３とを備え、複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂのうち、第３接合層２３を構成するアルミニウム芯線１１Ｂの導体強度が、第１接合層２１および第２接合層２２を構成する銅芯線１１Ａの導体強度よりも低い。

また、本実施形態の電線の接続方法は、複数の銅電線１０Ａの銅芯線１１Ａと、複数のアルミニウム電線１０Ｂのアルミニウム芯線１１Ｂとを超音波溶接により接合する方法であって、複数の銅芯線１１Ａとアルミニウム芯線１１Ｂとを重ねて積層部３０を形成する積層工程と、溶接ホーン４２とアンビル４１とを備える超音波溶接装置４０によって、積層部３０を超音波溶接して接合部２０を形成する溶接工程とを含み、積層部３０が、最も外側に配置される第１芯線層３１および第２芯線層３２と、第１芯線層３１と第２芯線層３２との間に配置される第３芯線層３３とを備え、複数の銅芯線１１Ａおよびアルミニウム芯線１１Ｂのうち、第３芯線層３３を構成するアルミニウム芯線１１Ｂの導体強度が、第１芯線層３１および第２芯線層３２を構成する銅芯線１１Ａの導体強度よりも低くされており、溶接工程において、第１芯線層３１と第２芯線層３２とがアンビル４１と溶接ホーン４２に当接するようにして溶接を行う。

上記の構成によれば、相対的に導体強度の低いアルミニウム芯線１１Ｂが、導体強度の高い銅芯線１１Ａに挟まれた状態となるから、超音波溶接の際に、導体強度の高い銅芯線１１Ａの溶接条件で溶接することが可能になり、溶接強度を確保できる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２を図４および図５を参照しつつ説明する。本実施形態のハーネス５０は、複数の銅電線６０Ａ（電線に該当）と、複数のアルミニウム電線６０Ｂ（電線に該当）とを備えている。

銅電線６０Ａは、実施形態１の銅電線１０Ａと同様に、銅芯線６１Ａ（芯線、他の芯線に該当）と、第１絶縁被覆６２Ａとを備え、銅芯線６１Ａは、第１絶縁被覆６２Ａから露出された部分を有している。

アルミニウム電線６０Ｂは、実施形態１のアルミニウム電線１０Ｂと同様に、アルミニウム芯線６１Ｂ（芯線、一部の芯線に該当）と、第２絶縁被覆６２Ｂとを備え、アルミニウム芯線６１Ｂは、第２絶縁被覆６２Ｂから露出された部分を有している。

銅芯線６１Ａの露出部分は、アルミニウム芯線６１Ｂの露出部分のおおよそ２倍の長さを有している。

複数の銅芯線６１Ａおよびアルミニウム芯線６１Ｂの露出部分は、超音波溶接によって溶接され、接合部７０を構成している。

接合部７０は、図５に示すように、第１接合層７１、第２接合層７２、および第３接合層７３の３層を備えている。

複数の銅芯線６１Ａの露出部分は、図５に示すように、束ねられた状態で、途中で折り返されて、全体としてＵ字状をなしており、折り返し位置６３よりも先端側が、第１接合層７１を構成し、折り返し位置６３よりも中心側（銅芯線６１Ａが第１絶縁被覆６２Ａに被覆されている部分に近い部分）が、第２接合層７２を構成している。第３接合層７３は、複数のアルミニウム芯線６１Ｂにより構成される層であって、第１接合層７１と第２接合層７２との間に配されている。

上記の構成のハーネス１を製造する方法の一例を以下に示す。

まず、複数の銅電線６０Ａのそれぞれの端末部において、第１絶縁被覆６２Ａを皮剥きして銅芯線６１Ａを露出させる。複数のアルミニウム電線６０Ｂのそれぞれについても同様に、端末部において、第２絶縁被覆６２Ｂを皮剥きしてアルミニウム芯線６１Ｂを露出させる。銅電線６０Ａの皮剥き長さは、アルミニウム電線６０Ｂの約２倍とする。

次に、銅芯線６１Ａおよびアルミニウム芯線６１Ｂが露出された部分を、超音波溶接により接合する。

図４に示すように、まず、銅芯線６１Ａをアンビル４１上にセットし、銅芯線６１Ａの折り返し位置６３よりも中心側の部分に、複数のアルミニウム芯線６１Ｂを重ねる。次に、銅芯線６１Ａを折り返し位置６３にて折り返し、折り返し位置６３よりも先端側の部分をアルミニウム芯線６１Ｂに重ねて、積層部８０を形成させる（積層工程）。

積層部８０は、図４に示すように、銅芯線６１Ａにより構成され、最も外側に配される第１芯線層８１および第２芯線層８２と、アルミニウム芯線１１Ｂにより構成され、第１芯線層８１と第２芯線層８２との間に配される第３芯線層８３とを備える。第３芯線層８３を構成するアルミニウム芯線６１Ｂの導体強度は、第１芯線層８１および第２芯線層８２を構成する銅芯線６１Ａの導体強度よりも低い。

次に、溶接ホーン４２を下降させて、銅芯線６１Ａおよびアルミニウム芯線６１Ｂを押さえつつ、銅電線６０Ａおよびアルミニウム電線６０Ｂの軸線方向に沿った超音波振動を加える。この溶接工程においては、アンビル４１が第１芯線層８１に、溶接ホーン４２が第２芯線層８２に、それぞれ当接する。これにより、図５に示すように、銅芯線６１Ａおよびアルミニウム芯線６１Ｂが溶接されて、接合部７０が形成される。なお、溶接条件は、銅芯線６１Ａ（銅芯線）の溶接に適合する条件、すなわち、２種の芯線６１Ａ、６１Ｂのうち導体強度が強い方の芯線の溶接に適合する条件とすればよい。

このようにして、ハーネス５０が完成する。

本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果が奏される。

＜試験例＞
［使用機器］
超音波溶接機としては、シュンク社製「Ｓｃｈｕｎｋ Ｍｉｍｉｃ４」を使用した。引張試験機としては、株式会社島津製作所製「オートグラフＡＧＳ−１０ｋＮＸ」を使用した。

［試験方法］
１．予備試験（電線の導体強度の測定）
断面積０．７５ｍｍ^２の銅電線およびアルミニウム電線の芯線を、それぞれ「ＪＩＳ Ｚ ２２４１」に準じて引張試験に供し、破断に至るまでに到達した最大荷重を測定した。５個の試験体を試験し、最大荷重の平均値を破断前の断面積で除した値を引張強さ（導体強度）とした。結果を表１に示した。

２．試験例１
１）試験体の作製
断面積０．７５ｍｍ^２の銅電線２本、アルミニウム電線２本をそれぞれ１００ｍｍの長さに切断し、先端１０ｍｍの絶縁被覆を除去して芯線を露出させた。
続いて、超音波溶接機を用いて、芯線の露出部分を溶接した。２本の銅芯線でアルミニウム芯線を挟み、溶接機の銅推奨条件で、超音波溶接を行った。得られた試験体を、引裂強度試験に供した。

２）引裂強度試験
引張試験機を用いて、図６に示すように、試験体１００において、他の電線を固定具１０２により固定した状態で、１本の銅電線１０１を１００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張り、接合部分が引き裂かれるに至るまでの最大荷重を測定した。５個の試験体を試験し、最大荷重の平均値を引裂強度とした。結果を表２に示した。

３．試験例２
断面積１．２５ｍｍ^２の銅電線２本、断面積２ｍｍ^２のアルミニウム電線１本を用いて、試験例１と同様に試験体を作製し、引裂強度試験を行った。結果を表３に示した。

４．試験例３
断面積１．２５ｍｍ^２の銅電線２本、断面積２．５ｍｍ^２のアルミニウム電線１本を用いて、試験例１と同様に試験体を作製し、引裂強度試験を行った。結果を表４に示した。

５．比較例１
試験例１と同様の電線を用いて、２本の銅電線の芯線をまとめてアルミニウム電線の芯線に重ね、溶接機のアルミニウム推奨条件で、超音波溶接を行った。その他は、試験例１と同様に試験体を作成し、引裂強度試験を行った。結果を表２に示した。

６．比較例２
試験例２と同様の電線を用いて、比較例１と同様に試験体を作成し、引裂強度試験を行った。結果を表３に示した。

７．比較例３
試験例３と同様の電線を用いて、比較例１と同様に試験体を作成し、引裂強度試験を行った。結果を表４に示した。

［結果］
表１より、アルミニウム電線の芯線が銅電線の芯線よりも導体強度が低いことを確認した。

表２より、試験例１と比較例１とを比較すると、相対的に導体強度の大きい銅芯線で、導体強度の小さいアルミニウム芯線を挟んで接合させた試験例１の方が、接合部の引裂強度が高くなっており、接合部分において２種の芯線が強固に接合していることが分かった。他の試験例および比較例についても同様であった。

＜他の実施形態＞
本明細書によって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、例えば次のような種々の態様も含まれる。
（１）上記実施形態によれば、第１接合層２１および第２接合層２２は、共に銅芯線により構成されていたが、第１接合層と第２接合層とが、互いに異なる材質（例えば、銅と銅合金）の芯線により構成されていても構わない。

（２）上記実施形態では、第１接合層２１および第２接合層２２は、複数の銅芯線１１Ａにより構成され、第３接合層２３も複数のアルミニウム芯線１１Ｂにより構成されていたが、第１接合層、第２接合層および第３接合層はそれぞれ、１本の芯線により構成されていても構わない。

（３）上記実施形態では、接合部２０が１つの第３接合層２３を備えていたが、例えば、接合部が、互いに異なる材質の芯線により構成された複数の第３接合層を有していても構わない。また、接合部が複数の第３接合層を備えている場合、２つの第３接合層の間に、導体強度が大きい芯線により構成された第４の層が存在していても構わない。

１…ハーネス（電線の接続構造）
１０Ａ、６０Ａ…銅電線（電線）
１０Ｂ、６０Ｂ…アルミニウム電線（電線）
１１Ａ、６１Ａ…銅芯線（芯線、他の芯線）
１１Ｂ、６１Ｂ…アルミニウム芯線（芯線、一部の芯線）
２０、７０…接合部
２１、７１…第１接合層
２２、７２…第２接合層
２３、７３…第３接合層
３０、８０…積層部
３１、８１…第１芯線層
３２、８２…第１芯線層
３３、８３…第２芯線層
４０…超音波溶接装置
４１…アンビル（受け冶具）
４２…溶接ホーン

Claims (3)

1. 芯線を備える複数の電線と、
   複数の前記芯線が超音波溶接によって接合された接合部とを備え、
   前記接合部が、最も外側に配置される第１接合層および第２接合層と、前記第１接合層と前記第２接合層との間に配置される第３接合層とを備え、
   複数の前記芯線のうち、前記第３接合層を構成する一部の芯線の導体強度が、前記第１接合層および前記第２接合層を構成する他の芯線の導体強度よりも低い、電線の接続構造。
2. 前記第１接合層および前記第２接合層が、同一の電線に備えられる前記芯線により構成されている、請求項１に記載の電線の接続構造。
3. 芯線を備える複数の電線の前記芯線を超音波溶接により接合する電線の接続方法であって、
   複数の前記芯線を重ねて積層部を形成する積層工程と、
   溶接ホーンと受け冶具とを備える超音波溶接装置によって、前記積層部を超音波溶接して接合部を形成する溶接工程とを含み、
   前記積層部が、最も外側に配置される第１芯線層および第２芯線層と、前記第１芯線層と前記第２芯線層との間に配置される第３芯線層とを備え、
   複数の前記芯線のうち、前記第３芯線層を構成する一部の芯線の導体強度が、前記第１芯線層および前記第２芯線層を構成する他の芯線の導体強度よりも低くされており、
   前記溶接工程において、前記第１芯線層と前記第２芯線層とが前記受け冶具と前記溶接ホーンに当接するようにして溶接を行う、電線の接続方法。

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