JP2020064737A - 電線の接続構造、および、電線の接続方法 - Google Patents
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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)。
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>
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。
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。
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。
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。
[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0.75mm2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。
1.予備試験(電線の導体強度の測定)
断面積0.75mm2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0.75mm2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。
1)試験体の作製
断面積0.75mm2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。
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1.25mm2の銅電線2本、断面積2mm2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。
断面積1.25mm2の銅電線2本、断面積2mm2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1.25mm2の銅電線2本、断面積2.5mm2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。
断面積1.25mm2の銅電線2本、断面積2.5mm2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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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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