JP2021155706A - 接点部材、コネクタ、組成物、接点部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
に用いられている。銅や銅合金材に金めっきや銀めっきを施して用いる場合もある。
本発明者らは特許文献1、2および3に記載される技術について検討を行ったところ、摺動開始時および摺動時の両方の電気抵抗値の調査については行われておらず、摺動開始時および摺動時のいずれにおいても抵抗値が低いこと、特に0.1N程度の低荷重条件での摺動開始時および摺動時のいずれにおいても抵抗値が低いことを実現できるかどうかは明らかではなかった。
なお、本明細書において、摺動耐久性を示すとは、摺動時に摩擦係数が低く、かつ、摺動時に接点部材中の金属基材が露出するまでの摺動回数が多いことを意味する。
上記金属粒子のアスペクト比(長軸方向の長さ/短軸方向の長さ)の平均値が30以下である、接点部材。
(2)上記金属基材の金属種と上記金属粒子の金属種とが同種である、(1)に記載の接点部材。
(3)上記極性基が水酸基である、(1)または(2)に記載の接点部材。
(4)(1)〜(3)のいずれかに記載の接点部材を有するコネクタ。
(5)金属基材と、上記金属基材上の少なくとも一部に配置される被膜とを有する接点部材の上記被膜の形成に用いられる組成物であって、極性基を有するフッ素系オイル、および、極性基を有するフッ素系化合物で表面処理された金属粒子を含み、上記金属粒子のアスペクト比(長軸方向の長さ/短軸方向の長さ)の平均値が30以下である、組成物。
(6)(1)〜(3)のいずれかに記載の接点部材の製造方法であって、上記金属基材上に(5)に記載の組成物を供給して上記被膜を形成する工程を有する、接点部材の製造方法。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値、および、上限値として含む範囲を意味する。
以下、本発明の接点部材に含まれる各部材について詳述する。
本発明の接点部材において、金属基材は電気接点をなす。
金属基材の構成材料は特に制限されず、電気抵抗値が低いことが求められる。金属基材の構成材料としては、銀、金または銅が好ましい。
金属基材は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
金属基材が積層構造である場合、金属基材は、母材(金属支持体)とその表面上に配置されためっき層とを有していてもよい。めっき層としては、特に電気抵抗値が低いものとして金めっき層、銀めっき層、銅めっき層が挙げられるが、他の金属めっき層、例えば錫めっき層、ニッケルめっき層、白金めっき層、ロジウムめっき層、および上記金属に異種の金属を添加し硬度や耐食性を調整した各種合金めっき層など、電気伝導性を有する金属めっきとして用いられるものであれば、めっき層の構成材料は特に限定されない。
金属基材の表面粗さの最大高さRyは、公知の方法で制御することができ、例えば、めっき層を有さない金属基材の場合、切削加工の切り込み深さや送りピッチなどの加工条件や、切削加工後のブラスト処理や化学エッチングなどの表面処理で制御できる。めっき層を有する金属基材の場合、めっきの析出速度や温度などの条件によっても制御できる。
被膜は、上記金属基材上の少なくとも一部に配置される層である。
被膜は、金属基材の全面に配置されていてもよいし、一部に配置されていてもよい。金属基材の一部に配置される場合、金属基材の対向する2つの主面の一方または両方の上に配置されていてもよい。
被膜は、極性基を有するフッ素系オイル(以下、単に「特定オイル」ともいう)を含む。
フッ素系オイルとは、分子中にフッ素原子を有するオイル状の化合物である。なお、オイル状とは、室温(23℃)において液体状であることを意味する。
フッ素系オイルは、せん断速度0.01〜1000s-1の範囲で、せん断粘度が0.7〜2.5Pa・sの場合が多く、せん断速度0.01〜1000s-1の範囲で、せん断粘度が0.1〜5.0Pa・sが好ましい。
ここで、分子量は化学式量をいうものとする。ただし、ポリマーまたはオリゴマーであって、個々の分子により化学式量が異なるなどの理由から化学式量を一に特定できない化合物については、分子量として質量平均分子量を用いる。なお、質量平均分子量の測定方法は、特に限定されないが、好ましくはGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)によって測定された質量平均分子量である。GPCによる質量平均分子量の測定に用いる標準ポリマーおよび溶媒(移動相)は、質量平均分子量を測定する対象のフッ素系オイルによって適宜選択することができる。
特定オイルが有する極性基の数は特に制限されず、1つであってもよいし、複数であってもよい。なかでも、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、極性基の数は1〜4が好ましく、1がより好ましい。
特定オイル中における極性基の配置位置は特に制限されないが、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、特定オイルの末端に極性基が配置されることが好ましい。
なお、パーフルオロエーテル骨格とは、式(A)で表される繰り返し単位から構成される骨格である。
式(A) −(OL1)−
L1は、パーフルオロアルキレン基を表す。パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜10が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜3がさらに好ましい。
式(1) (Rf−(OL1))n−L2−(R1)m
式(2) (R2−L2−(R1))m
式(1)中、L1の定義は上記した通りである。
nは、2以上の整数を表す。なかでも、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、3〜20が好ましく、3〜6がより好ましい。
式(1)中、L2は、m+1価の脂肪族炭化水素基を表す。例えば、mが1の場合、L2は2価の脂肪族炭化水素基を表し、mが2の場合、L2は3価の脂肪族炭化水素基を表す。脂肪族炭化水素基の炭素数は特に制限されず、1〜10が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3がさらに好ましい。
式(1)中、Rfは、パーフルオロアルキル基を表す。パーフルオロアルキル基の炭素数は、1〜5が好ましく、2〜4がより好ましい。
式(1)中、R1は、極性基を表す。極性基の好適態様は上記した通りである。
式(1)中、mは、1以上の整数を表す。なかでも、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、1〜4が好ましく、1〜2がより好ましい。
式(2)中のL2、R1、および、mの定義は、式(1)中の各基の定義と同じである。
特定オイルは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
被膜は、極性基を有するフッ素系化合物で表面処理された金属粒子(以下、単に「特定金属粒子」ともいう)を含む。
特定金属粒子は、被膜中で電気接点として機能する。
特定金属粒子のアスペクト比の平均値の測定方法としては、電子顕微鏡にて20個以上の特定金属粒子の粒子形状を解析し、以下の手順でアスペクト比(長軸方向の長さ/短軸方向の長さ)を測定し、それらの分布のメジアン値(D(50)の数値)をアスペクト比の平均値とした。
図1は、粒子形状が回転楕円体状の特定金属粒子を示した図である。この場合、長軸の長さa1と、長軸の中心を通る短軸の長さb1をそれぞれ計測し、アスペクト比として、a1とb1の比(a1/b1)を計測し、その分布のメジアン値(D(50)の数値)をアスペクト比の平均値とする。なお、アスペクト比が1の場合、図1の粒子形状は真球状になる。
図2は、粒子形状がフレーク状の特定金属粒子を示した図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は斜視図である。図2(a)に示すように、平面部については最大長さa2を計測する。図2(b)に示すように、側面部についてはその側面の最大厚さb2を計測する。平面部と側面部が両方観察できる粒子を選択し、アスペクト比として、a2とb2の比(a2/b2)を計測し、その分布のメジアン値(D(50)の数値)をアスペクト比の平均値とする。
なお、本明細書において、フレーク状粒子については、平面部の最大長さを「長軸の長さ」、側面部の最大厚さを「短軸の長さ」と定義する。
なお、金属基材がめっき層を有する場合、めっき層を構成する金属種と、特定金属粒子の金属種とが同種であることが好ましい。
特定化合物が有する極性基の種類は特に制限されず、上記した特定オイルが有する極性基で例示した基が挙げられる。
特定化合物としては、極性基を有し、かつ、フッ素原子を有していれば特に制限されない。なかでも、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、上記した特定オイルが好ましい。
特定金属粒子の平均一次粒子径の測定方法としては、電子顕微鏡にて20個以上の特定金属粒子の直径(粒子径)を測定して、それらを算術平均した値である。なお、観察される特定金属粒子が真円状でない場合、長軸の長さを直径とする。
被膜中における特定金属粒子の平均二次粒子径の測定方法としては、被膜の法線方向から偏光顕微鏡にて被膜を観察した際に、観察される20個の特定金属粒子の凝集物の直径(二次粒子径)を測定して、それらを算術平均した値である。なお、観察される特定金属粒子の凝集物が真円状でない場合、長軸の長さを直径とする。
なお、上記の方法では、20個の特定金属粒子の凝集物から平均二次粒子径を得ているが、同じ被膜中の特定金属粒子であれば、その平均二次粒子径に有意な差は生じない。
特定金属粒子は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記被膜面積に対する特定金属粒子の面積の割合とは、被膜の法線方向から偏光顕微鏡にて被膜を観察した際に、観察領域における被膜面積に対する特定金属粒子が占める面積の割合を意味する。偏光顕微鏡による観察領域は、0.11cm×0.07cmの範囲であり、上記被膜面積に対する特定金属粒子の面積の割合は、被膜の任意の5か所以上の位置で上記観察を行って得られた割合の平均値に該当する。なお、特定金属粒子が占める面積の部分において、特定金属粒子は凝集していてもよい。
なお、上記の方法では、被膜の任意の5か所以上の位置で観察を行って、被膜面積に対する特定金属粒子の面積の割合を得ているが、同じ被膜であれば、被膜面積に対する特定金属粒子の面積の割合に有意な差は生じない。
例えば、溶媒の存在下、特定化合物と金属粒子とを混合することにより、特定金属粒子を製造できる。
なお、上記により製造された溶液中に特定化合物が余剰に残るように特定化合物および金属粒子を混合した場合、得られた溶液は後述する接点部材を製造するために使用される組成物として用いることができる。
接点部材の製造方法は特に制限されず、公知の方法が挙げられる。
なかでも、生産性に優れる点で、金属基材上に、特定オイル、および、特定金属粒子を含む組成物を供給して、被膜を形成する方法が挙げられる。
上記組成物は、被膜を形成するための組成物であり、上記した特定オイル、および、特定金属粒子を含む。
組成物中における特定オイルの含有量は特に制限されないが、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、組成物全質量に対して、1.0〜3.0質量%が好ましく、1.5〜2.5質量%がより好ましい。
組成物中における特定金属粒子の含有量は特に制限されないが、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、組成物全質量に対して、0.001〜1質量%が好ましく、0.1〜0.5質量%がより好ましい。
組成物中における特定金属粒子の含有量(質量%)に対する、特定オイルの含有量(質量%)の比(特定オイルの含有量(質量%)/特定金属粒子の含有量(質量%))は特に制限されず、上記した被膜中における上記比と同様の範囲が好ましい。
溶媒は特に制限されず、例えば、アルコール系溶媒、エステル系溶媒、ケトン系溶媒、脂肪族炭化水素系溶媒、脂環式または芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒、および、フッ素系溶媒が挙げられる。
組成物中における溶媒の含有量は特に制限されないが、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立の点から、組成物全質量に対して、50〜99.9質量%が好ましく、80〜99質量%がより好ましい。
溶媒は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
金属基材上に組成物を供給した後、必要に応じて、溶媒を揮発させるための乾燥処理を実施してもよい。また、溶媒を揮発させるために、自然乾燥を行ってもよい。
本発明の接点部材において所望の効果が得られるメカニズムは不明だが、図3を用いてその推定メカニズムを説明する。
図3(a),(b)は、本発明の接点部材の推定メカニズムを説明するための模式図である。なお、図3(a),(b)においては、金属基材11が所定の粗さを有する場合を示す。また、金属粒子14の表面処理に、特定オイル、すなわち、極性基を有するフッ素系オイルを用いた場合を示す。
本発明の接点部材10において、金属基材11表面に被膜12が形成されている。より具体的には、金属基材11表面に、極性基を有するフッ素系オイル15が結合して単分子層を形成している。さらに、該単分子層上に分子鎖のからまりによってゆるく固定化されたフッ素系オイル15の流動層が形成されている。この流動層中に、表面処理により、フッ素系オイル15が表面に結合した金属粒子14が分散している。つまり、被膜12は、上記単分子層および流動層を含む。
金属粒子14に応力を印加していくと、該金属粒子14は応力印加初期には回転や移動が容易であるために、まずは該金属粒子14の長軸が該金属基材に平行になるように回転・移動する。そのため、応力集中して亀裂が発生する場所は、該金属粒子14の曲率の大きな部分になる。
したがって、0.1N程度の低荷重条件で亀裂を効率よく発生させるためには、該金属粒子14の曲率の大きな部分を少なくすることが最も重要である。これは、粒子の形状で考えると、理想は球状ということになる。
本発明の接点部材は、種々の用途に適用できる。
本発明の接点部材は、例えば、スイッチやリレーなどの電流をON−OFFするのに用いる電子部品や電気機器に適用できる。つまり、本発明は、接点部材を有するコネクタにも関する。
なお、本発明の接点部材を使用する場合、接点部材同士が互いの被膜を対向させた状態で摺動するように用いてもよい。
なお、実施例の説明において、金属の名称を元素記号、例えば銀はAg、銅はCuで示す場合もある。
(使用材料)
下記表に示す組成物の成分は以下である。
フッ素系溶剤
バートレルXF(商品名、三井・ケマーズフロロプロダクツ社製):下記式の化合物を成分とする。
銀粒子1(フレーク状):シルベスト還元銀G−1(徳力本店製)を、ボールミルを用いて粉砕処理し、ターボクラシファイア(日清エンジニアリング製)で分級した。
銀粒子2(フレーク状):銀粒子1を製造した際とは異なる条件で、シルベスト還元銀G−1(徳力本店製)を、ボールミルを用いて粉砕処理し、銀粒子1を製造した際とは異なる条件で、ターボクラシファイア(日清エンジニアリング製)で分級した。
銀粒子3(フレーク状):YFS−02(商品名)、(YAMAKIN製)
銀粒子4(回転楕円体状):シルベスト還元銀G−1(商品名)、(徳力本店製)
粒子形状がフレーク状(図2参照)の銀粒子1〜3については、観察視野内の50個の平面部と側面部が両方観察できる粒子を選択し、図2(a)に示すように、平面部については最大長さa2を計測し、図2(b)に示すように、側面部についてはその側面の最大厚さb2を計測し、アスペクト比として、a2とb2の比(a2/b2)を計測し、その分布のメジアン値(D(50)の数値)をアスペクト比の平均値とした。銀粒子1はアスペクト比の平均値が50(最大長さa2の平均値5.1μm)、銀粒子2はアスペクト比の平均値が30(最大長さa2の平均値4.8μm)、銀粒子3はアスペクト比の平均値が15(最大長さa2の平均値3.9μm)であった。
粒子形状が回転楕円体状(図1参照)の銀粒子4については、観察視野内の粒子50個について、長軸の長さa1と、長軸の中心を通る短軸の長さb1をそれぞれ計測し、アスペクトとして、a1とb1の比(a1/b1)を計測し、その分布のメジアン値(D(50)の数値)をアスペクト比の平均値とした。銀粒子4はアスペクト比の平均値が1(長軸の長さa1の平均値4.2μm)であった。したがって、銀粒子4は粒子形状が真球状である。
上記した成分を後述する表1に示す組成で混合して、組成物を調製した。なお、組成物中、特定オイルと金属粒子とが相互作用して上記した特定金属粒子が形成され、特定オイルの一部がそのまま組成物中に残存する。つまり、得られた組成物1〜4には、特定オイルと、特定金属粒子とが含まれていた。得られた組成物1〜4は、表2に示す銀粒子を含む。
評価試験(摺動試験)用サンプルの製造のために、以下のプローブおよびプレートを用意した。
・プローブ:ピンプローブ
接点形状:曲率半径が1mmの球形
母材:C1100(タフピッチ銅)
めっき種:軟質Agめっき
めっき厚:5μm
・プレート:テストピース
母材:C1100(タフピッチ銅)
めっき種:軟質Agめっき
めっき厚:5μm
上記作製されたプローブおよびプレートは、接点部材に該当する。
(1)摺動試験
(評価手順)
後述する測定装置および測定条件にて、上記で作製した所定の被膜を有するプレートを、所定の被膜を有するプローブでこすりながら、摩擦係数と、接触抵抗とを測定した。接触抵抗に関しては、摺動開始時および摺動時の接触抵抗を測定した。また、摩擦係数に関しては、摺動時の摩擦係数を測定した。
CCDカメラによるリアルタイム観察を同時に行い、母材であるCu素地の露出が確認された時点で試験を終了した。
接触電気抵抗同時計測型摩擦摩耗試験機FPR−2300(レスカ社)0024
・測定条件
摺動距離:10mm
摺動速度:10mm/s
接点荷重:0.1N
往復回数:Cu素地の露出確認後、試験終了
上記試験を行い、以下の(1)〜(3)の3つの項目を評価した。
(1)接点荷重が0.1N時の接触抵抗(摺動時)
(2)接点荷重が0.1N時の摩擦係数(摺動時)
(3)接点荷重が0.1N時のCu素地が露出するまでの摺動回数
上記(1)〜(3)の項目に関しては、それぞれ、後述する表3に示す基準値を満たす場合に、所望の効果があると判断する。例えば、接点荷重が0.1N時の接触抵抗(摺動時)に関しては、2.0mΩ未満であれば、所望の効果があると判断する。
上記評価項目のうち、いずれか1つでも満たさない場合には「×」と表記する。
銀粒子のアスペクト比が初期接触抵抗に与える影響について明らかにするために、接点荷重と接触抵抗との関係を自作の試験機で評価した(W−R試験)。プローブをプレートから完全に離れている状態から徐々に近づけていくと接触が始まり、両者の距離が小さくなるにつれて荷重が増加する。その際の荷重の変化と接触抵抗との関係を測定し、図17に示すW−R曲線を作成した。
接触抵抗は4端子法によって実施した。荷重の範囲は0〜5N、開放電圧20mV、測定電流10mA(4端子法)の条件で行った。
上記評価項目の基準値を満たさない場合には「×」と表記する。
組成物1〜4を用いた結果を後述する表5に示す。表5中、接点荷重が0.1N時の接触抵抗(摺動時)および接点荷重が0.1N時の摩擦係数(摺動時)は、Cu素地が露出するまでの最大値を示す。
銀粒子のアスペクト比の平均値が50の比較例1は、導通がなく0.1N荷重時の接触抵抗を測定できなかった。銀粒子のアスペクト比の平均値が30以下の実施例1〜3は接点荷重0.1N時に接触抵抗が5.0mΩ未満であり、低電気抵抗性および摺動耐久性の両立がなされていた。銀粒子のアスペクト比の平均値が15以下の実施例2、3は、接点荷重0.1N時の接触抵抗が1.0mΩ未満であり、低電気抵抗性に特に優れていた。
図17のW−R曲線を参照すると、アスペクト比が1に近づくほど、低荷重で接触抵抗が下がることがわかる。また、アスペクト30以下の場合、0.1Nより小さい荷重においても、接触抵抗が5mΩ未満を実現できることがわかる。
10:接点部材
11:金属基材
12:被膜
14:金属粒子
15:極性基を有するフッ素系化合物
A−10:コネクタ
A−12:前端
A−14:受容部
A−50:FPC(接続対象物)
A−56:端子
A−100:ハウジング
A−120:第2保持部
A−122:第2被圧入部
A−200:保持部材
A−300:第1信号コンタクト(信号コンタクト)
A−400:第2信号コンタクト
A−410:基部
A−420:前側基部
A−430:後側基部
A−432:圧入部
A−440:対向支持部
A−442:対向接点部
A−450:立設部
A−460:被押圧部
A−470:支持部
A−480:突出部
A−490:接点部
A−500:アクチュエータ
B−1:コネクタ
B−11:弾性体
B−12:第1の面
B−13:第2の面
B−14:第3の面
B−15:第4の面
B−16a,B−16b:曲面
B−17a,B−17b:溝部
B−19:孔
B−21:導体パターン
B−21(G):グランドラインとしての導体パターン
B−21(S):信号ラインとしての導体パターン
B−23:伝送路
B−25a:第1の電極
B−25b:第2の電極
B−31:金属支柱
B−51:フレーム
B−52:保持部
B−71:基板
B−72:導電部
B−81:基板
C−1:ソケット
C−11:コネクタ
C−13:ベースフィルム
C−13b:コネクタ位置決め部
C−14a,C−14b:粘着部材
C−15:フィルム
C−15a:第1面
C−15b:第2面
C−16:導体
C−16a:第1接続部
C−16b:第2接続部
C−17:電極部
C−18a,C−18b:弾性体
C−21:ベース部材
C−23:ベース収容部
C−24:ベース部
C−24a:一面
C−25:第1側壁部
C−25a,C−26a:係止部
C−26:第2側壁部
C−27:第3側壁部
C−28:第4側壁部
C−31:カバー部材
C−33,C−34:第1側板部
C−33a,C−34a,C−35a、C−35b:被係止部
C−35:第2側板部
C−36:第3側板部
C−37:第4側板部
C−37a:被ガイド部
C−38:天板部
C−51:第1接続対象物
C−53:本体部
C−54:搭載部
C−61:第2接続対象物
C−61a:切り欠き部
C−63:接続部
D−1:フレキシブル基板接続用コネクタ
D−10:ハウジング
D−11:底面部
D−12:側壁部
D−13:後方壁
D−14:貫通孔
D−15:前端部
D−16:ガイド部
D−17:停止部
D−20:コンタクト
D−21:端子部
D−23:固定部
D−24:接続部
D−30:コンタクト
D−31:端子部
D−33:延設部
D−34:折返部
D−35:接続部
D−40:カバー
D−41:係止部
D−42:当接部
D−50:開口部
D−60:挿入孔
D−70:突出部
D−71:稜線部
D−72:傾斜部
D−73:傾斜部
D−80:FPC
D−81:接続部
D−82:接続部
D−83:絶縁部
D−84:係合凹部
Claims (6)
- 金属基材と、前記金属基材上の少なくとも一部に配置された被膜とを有する接点部材であって、前記被膜が、極性基を有するフッ素系オイル、および、極性基を有するフッ素系化合物で表面処理された金属粒子を含み、
前記金属粒子のアスペクト比(長軸方向の長さ/短軸方向の長さ)の平均値が30以下である、接点部材。 - 前記金属基材の金属種と前記金属粒子の金属種とが同種である、請求項1に記載の接点部材。
- 前記極性基が水酸基である、請求項1または2に記載の接点部材。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の接点部材を有するコネクタ。
- 金属基材と、前記金属基材上の少なくとも一部に配置される被膜とを有する接点部材の前記被膜の形成に用いられる組成物であって、極性基を有するフッ素系オイル、および、極性基を有するフッ素系化合物で表面処理された金属粒子を含み、前記金属粒子のアスペクト比(長軸方向の長さ/短軸方向の長さ)の平均値が30以下である、組成物。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の接点部材の製造方法であって、前記金属基材上に請求項5に記載の組成物を供給して前記被膜を形成する工程を有する、接点部材の製造方法。
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