JP2023146294A - 端子付導体 - Google Patents

Abstract

【課題】端子付導体を高温環境においた場合、導体と端子との間の電気抵抗値の増加を抑制できる端子付導体を提供すること。【解決手段】端子付導体は、導体と、かしめにより前記導体に接続した端子とを備える。前記導体は、前記導体の中心部に位置する複数のＡｌ素線と、前記導体の外周部に位置する複数のＣｕ素線と、前記Ｃｕ素線の表面を覆う、厚さが２μｍ以下のＣｕＳｎ合金層とを備える。前記かしめが行われた部分にある前記Ｃｕ素線の表面のうち１０％以上４０％以下はＣｕＳｎ合金層から露出していることが好ましい。【選択図】図３

Description

本開示は端子付導体に関する。

特許文献１に端子付導体が開示されている。端子付導体は、導体と、端子とを備える。端子は、かしめにより導体の端部に接続している。導体はＡｌ素線とＣｕ素線とにより構成される。Ａｌ素線は中心部にある。Ｃｕ素線は外周部にある。Ｃｕ素線の表面に錫めっき層が形成されている。

実公昭５８－６０８９号公報

従来の端子付導体を高温環境においた場合、導体と端子との間の電気抵抗値が時間の経過とともに増加した。本開示の１つの局面では、端子付導体を高温環境においた場合、導体と端子との間の電気抵抗値の増加を抑制できる端子付導体を提供することが好ましい。

本開示の１つの局面は、導体と、かしめにより前記導体に接続した端子と、を備える端子付導体である。前記導体は、前記導体の中心部に位置する複数のＡｌ素線と、前記導体の外周部に位置する複数のＣｕ素線と、前記Ｃｕ素線の表面を覆う、厚さが２μｍ以下のＣｕＳｎ合金層と、を備える。

本開示の１つの局面である端子付導体は、高温環境においた場合、導体と端子との間の電気抵抗値の増加を抑制できる。

端子付導体の構成を表す平面図である。 端子付導体の構成を表す側面図である。 図１におけるIII-III断面での断面図である。 Ｃｕ素線とめっき層との構成を表す断面図である。 図１におけるV-V断面での断面図である。 端子付導体における抵抗増加率ΔＲの測定値を表すグラフである。 ２値化したＳＥＭ像を表す説明図である。 割れ部面積比の測定結果を表す表である。 かしめる前のＣｕ素線における横断面を示す写真である。 かしめられた部分にあるＣｕ素線とＡｌ素線との界面を表す写真である。 Ａｌ素線とＣｕ素線との表面を観察したＳＥＭ観察結果（×２０００）である。 かしめるときにＡｌ素線とＣｕ素線との界面で生じると推測される現象を表す説明図である。

本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
１．端子付導体１の構成
端子付導体１の構成を、図１～図５に基づき説明する。図１、図２に示すように、端子付導体１は、導体３と、端子５と、絶縁層７と、を備える。

導体３は、図３に示すように、複数の束１１と、複数の束１３とを親撚りした構造を有する。複数の束１１は、それぞれ、複数のＡｌ素線を子撚りして形成されている。複数の束１３は、それぞれ、複数のＣｕ素線を子撚りして形成されている。

１つの束１１に含まれるＡｌ素線の数は、例えば、１以上１０２以下である。１つの束１３に含まれるＣｕ素線の数は、例えば、１以上１０２以下である。導体３に含まれる束１１の数は、例えば、７以上３７以下である。導体３に含まれる束１３の数は、例えば、１２以上２４以下である。

Ａｌ素線の直径は、例えば、１００μｍ以上４５０μｍ以下である。Ｃｕ素線の直径は、例えば、１００μｍ以上４５０μｍ以下である。
図３に示すように、かしめられていない部分では、束１１は導体３の中心部に位置する。束１３は導体３の外周部に位置する。束１３は束１１よりも外周側に位置する。よって、Ａｌ素線は導体３の中心部に位置する。また、Ｃｕ素線は導体３の外周部に位置する。

Ａｌ素線は、純アルミニウムあるいはアルミニウム合金（以下、これらを「アルミニウム材料」という）を用いている。純アルミニウムはＡｌ及び不可避不純物から成る材料である。純アルミニウムとしては、例えば、電気用純アルミニウム（ＥＣＡｌ）が挙げられる。アルミニウム合金として、例えば、以下のＡｌ－Ｚｒ、Ａｌ－Ｆｅ－Ｚｒ等が挙げられる。Ａｌ－Ｚｒは、０．０３～１．５質量％のＺｒと、０．１～１．０質量％のＦｅ及びＳｉと、を含み、残部がＡｌと不可避不純物からなる化学組成を有するアルミニウム合金である。また、Ａｌ－Ｆｅ－Ｚｒは、０．０１～０．１０質量％のＺｒと、０．１質量％以下のＳｉと、０．２～１．０質量％のＦｅと、０．０１質量％以下のＣｕと、０．０１質量％以下のＭｎと、０．０１質量％以下のＭｇと、０．０１質量％以下のＺｎと、０．０１質量％以下のＴｉと、０．０１質量％以下のＶと、を含み、残部がＡｌと不可避不純物とを有するアルミニウム合金である。
Ａｌ－Ｚｒにおいて、「０．１～１．０質量％のＦｅ及びＳｉ」とは、以下の意味を有する。Ｆｅ及びＳｉの両方を含有する場合は、Ｆｅ及びＳｉの合計濃度が０．１～１．０質量％である。Ｆｅを含有し、Ｓｉを含有しない場合は、Ｆｅの濃度が０．１～１．０質量％である。Ｓｉを含有し、Ｆｅを含有しない場合は、Ｓｉの濃度が０．１～１．０質量％である。なお、ここでの「含有しない」とは、例えば、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析で、検出限界以下であることを意味する。

図４に示すように、Ｃｕ素線２１の表面はめっき層２３で覆われている。Ｃｕ素線２１は、銅材料から成る。銅材料は銅を主成分とする材料である。銅材料として、例えば、ＴＰＣ（Tough-Pitch Copper）、無酸素銅、銅合金等が挙げられる。銅合金として、例えば、マグネシウム、錫、インジウム、銀、ニッケル、亜鉛等のうちの１種以上の金属元素が所定の含有量で含有された銅合金を用いることができる。また、本実施の形態では、金属素線同士が擦れることによる断線をより抑制するために、金属素線の表面に潤滑油を付与することがよい。潤滑油として、例えば、流動パラフィン等が挙げられる。

めっき層２３の少なくとも最表面は、ＣｕＳｎ合金から成る。例えば、めっき層２３の全体がＣｕＳｎ合金から成る。めっき層２３を形成する方法として、例えば、Ｃｕ素線２１の表面にＣｕから成るめっき層を形成し、加熱処理する方法がある。この方法を行った場合、Ｃｕ素線２１とＳｎとが反応し、ＣｕＳｎ合金層が形成される。Ｓｎから成る層を十分に薄く形成すれば、めっき層２３の最表面がＣｕＳｎ合金から成る。めっき層２３を形成する方法は特に限定されない。溶融めっき法によってめっき層２３を形成することが好ましい。

めっき層２３の厚さは２μｍ以下である。めっき層２３の厚さが２μｍ以下であることにより、端子付導体１の抵抗増加率ΔＲを抑制することができる。抵抗増加率ΔＲについては後述する。めっき層２３の厚さの測定方法は、Ｃｕ素線２１の断面を、樹脂埋め後の断面研磨、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工、イオンミリング等の断面形成法によって形成し、任意の観察領域において複数箇所でのめっき層２３の厚さを測定し、それらの平均値を算出することにより求める方法である。めっき層２３の厚さは０．０５μｍ以上であることが好ましい。

端子５は、導体３の端部に接続している。例えば、図１、図２に示すように、導体３の一方の端部に１つの端子５が接続し、導体３の他方の端部にもう１つの端子５が接続している。あるいは、導体３の一方の端部のみに端子５が接続していてもよい。

端子５は、例えば、筒状部３１と、平板部３３とを備える。筒状部３１は、内部が中空である円筒状の形態を有する。平板部３３は板状の形態を有する。平板部３３には、例えば、貫通孔３５が形成されている。貫通孔３５は、平板部３３の厚さ方向において、平板部３３を貫通している。端子５の材料として、例えば、銅材料等が挙げられる。端子５の表面は、例えば、めっき層で覆われている。端子５の表面を覆うめっき層として、例えば、溶融Ｓｎめっき層、電気Ｓｎめっき層等が挙げられる。特に、導体３の端部が挿入される筒状部３１の内周面には、２μｍ以上の厚さのＳｎめっき層が形成されることが好ましい。この場合、筒状部３１の内周面に形成されるめっき層の最表面がＳｎから成る。

導体３と端子５とを接続する方法は、例えば、以下の方法である。導体３の端部を筒状部３１に挿入する。筒状部３１をかしめることで、導体３と端子５とを接続する。かしめることは、例えば、圧縮又は圧着である。かしめられた部分にある導体３及び端子５は圧縮又は圧着される。

かしめる方法として、例えば、図５に示すように１つの方向のみから筒状部３１の一部分のみに圧力Ｐを加える圧縮方法がある。かしめる方法は、筒状部３１の周方向の全周にわたって所定の圧力Ｐを加える圧着方法であってもよい。図５に示すように、かしめられた部分において、筒状部３１、束１１、束１３は圧縮され、変形した形態を有する。

図１、図２に示すように、絶縁層７は導体３の表面を覆う。ただし、絶縁層７は、導体３のうち、筒状部３１に挿入される端部は覆わない。
かしめられた部分において、めっき層２３が割れ、Ｃｕ素線２１の表面がめっき層２３から露出していることがある。Ｃｕ素線２１の表面のうち、めっき層２３から露出している部分の比率を割れ部面積比Ｘとする。割れ部面積比Ｘは、以下の式（１）で算出される。割れ部面積比Ｘの単位は％である。

式（１） Ｘ＝（Ｓ１／Ｓ２）×１００
Ｓ２は、かしめられた部分にあるＣｕ素線２１をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察したときの視野の面積である。視野は、４０μｍ×６０μｍの領域である。Ｓ１は、その視野内にある、Ｃｕ素線２１の表面がめっき層２３から露出している部分の面積である。Ｓ１を算出する方法は後述する。割れ部面積比Ｘが１０％以上４０％以下である場合、端子付導体１の抵抗増加率ΔＲを一層抑制することができる。

２．端子付導体１が奏する効果
（２－１）端子付導体１は、高温環境下にある場合でも、抵抗増加率ΔＲを抑制することができる。高温環境とは、例えば、温度が１２５℃以上の環境である。

（２－２）割れ部面積比Ｘが１０％以上４０％以下である場合、端子付導体１は、抵抗増加率ΔＲを一層抑制することができる。
３．実施例
（３－１）端子付導体１Ａ、１Ｂ、１Ｃの製造
図１～図５に示す形態を有する端子付導体１Ａを製造した。導体３は、１９本の束１１を備えていた。それぞれの束１１は、１６本のＡｌ素線を備えていた。それぞれのＡｌ素線の直径は０．４５ｍｍであった。Ａｌ素線の材料はＡｌ－Ｆｅ－Ｚｒ合金であった。
導体３は、１８本の束１３を備えていた。それぞれの束１３は、１６本のＣｕ素線２１を備えていた。それぞれのＣｕ素線２１の直径は０．４５ｍｍであった。Ｃｕ素線２１の材料はＴＰＣであった。
Ｃｕ素線２１の表面に、溶融Ｓｎめっき法によりめっき層２３を形成した。めっき層２３の表面（すなわち導体３の外周面）に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を行い、めっき層２３の全体がＣｕＳｎ合金から成っていることを確認した。すなわち、めっき層２３はＣｕＳｎ合金層であった。めっき層２３の厚さは０．３μｍであった。

基本的には端子付導体１Ａと同様の構成を有する端子付導体１Ｂを製造した。ただし、端子付導体１Ｂでは、めっき層２３は、Ｎｉめっき層であった。
基本的には端子付導体１Ａと同様の構成を有する端子付導体１Ｃを製造した。ただし、端子付導体１Ｃでは、束１１と束１３の両方が、Ａｌ素線により構成されていた。なお、端子付導体１Ａ～１Ｃにおいて、Ａｌ素線の表面にめっき層は形成されていなかった。また、端子付導体１Ａ～１Ｃに用いた端子５は純銅製の圧着端子であった。端子５の全表面には厚さ４μｍのＳｎめっき層を形成した。端子５の筒状部３１の内周面に形成されるめっき層の最表面はＳｎから成っていた。

（３－２）抵抗増加率ΔＲの測定
端子付導体１Ａ、１Ｂ、１Ｃのそれぞれについて、抵抗増加率ΔＲを測定した。抵抗増加率ΔＲの測定方法は以下のとおりであった。端子付導体１Ａ、１Ｂ、１Ｃを、大気雰囲気中で温度が１８０℃の環境（以下では高温環境とする）においた。導体３と端子５との間の電気抵抗値を、特開２０２０―１１９８６３号公報に記載の４端子抵抗測定法により、所定時間ごとに繰り返し測定した。端子付導体１Ａ、１Ｂ、１Ｃを高温環境におく前の電気抵抗値をＲ０とする。以下の式（２）により、抵抗増加率ΔＲを算出した。抵抗増加率ΔＲの単位は％であった。なお、電気抵抗値の測定は、導体３と端子５との温度を自然冷却により室温に戻した状態で行った。

式（２） ΔＲ＝｛（Ｒ（ｔ）―Ｒ０）／Ｒ０）｝×１００
Ｒ（ｔ）は、端子付導体１Ａ、１Ｂ、１Ｃを高温環境においてからｔ時間が経過したときの電気抵抗値である。抵抗増加率ΔＲの測定結果を図６に示す。端子付導体１Ａでは、抵抗増加率ΔＲが小さかった。具体的には、４８時間経過後での抵抗増加率ΔＲは３．７％、９６時間経過後での抵抗増加率ΔＲは５．７％、１６８時間経過後での抵抗増加率ΔＲは６．０％であり、抵抗増加率ΔＲの目標値である２０％以下であった。端子付導体１Ｂ、１Ｃでは、端子付導体１Ａに比べて、抵抗増加率ΔＲが大きく、いずれも４８時間経過後には抵抗増加率ΔＲの目標値である２０％を超えた。

（３－３）割れ部面積比Ｘの算出
端子付導体１Ａのうち、かしめられた部分にあるＣｕ素線２１をＳＥＭで観察し、Ｃｕ素線２１の表面上の視野１～６においてＳＥＭ画像を取得した。ＳＥＭ画像の倍率は２,０００倍であった。１つの視野の大きさは４０μｍ×６０μｍであった。次に、視野１～６で取得したＳＥＭの反射電子像における各画素の輝度を２値化した。２値化するときの閾値は、ＥＤＸを用いて元素分析を行った際に、Ｓｎ濃度がＣｕ濃度に対し２０％を超える部分が明部となる値とした。
２値化したＳＥＭ像を図７に示す。２値化したＳＥＭ像における暗部は、めっき層２３が割れ、Ｃｕ素線２１がめっき層２３から露出している部分であり、Ｃｕである。２値化したＳＥＭ像における明部は、めっき層２３が残存し、Ｃｕ素線２１が露出していない部分であり、ＣｕＳｎ合金である。２値化したＳＥＭ像全体の面積をＳ２とした。２値化したＳＥＭ像全体のうち、暗部の面積をＳ１とした。上述した式（１）により、割れ部面積比Ｘを算出した。割れ部面積比Ｘの測定結果を図８に示す。図８における「全体面積」は、式（１）におけるＳ２である。図８における「暗部面積」は、式（１）におけるＳ１である。図８における「割合」は、割れ部面積比Ｘである。どの視野でも、割れ部面積比Ｘは１０％以上４０％以下であった。

（３－４）めっき層２３の観察
かしめる前に、端子付導体１ＡのＣｕ素線２１における横断面を、倍率１０，０００倍にてＳＥＭ観察した。Ｃｕ素線２１の横断面を図９に示す。めっき層２３は、Ｃｕ素線２１の表面全面を覆っており、割れていなかった。

次に、端子付導体１Ａにおいて、かしめられた部分にあるＣｕ素線２１とＡｌ素線との界面を、倍率１０，０００倍にてＳＥＭ観察した。Ｃｕ素線２１とＡｌ素線との界面を図１０に示す。図１０に示すように、めっき層２３が割れている部分（すなわち亀裂部分）が存在していた。図９、図１０のＳＥＭ像から、かしめたときに、めっき層２３が割れ、Ｃｕ素線２１の表面がめっき層２３から露出したと推定することができる。

（３－５）Ａｌ素線及びＣｕ素線の表面の観察
図１に示す圧縮部先端側４１から取得したＡｌ素線及びＣｕ素線２１の表面を、倍率２，０００倍にてＳＥＭ観察した。また、図１に示す圧縮部中央付近４３から取得したＡｌ素線及びＣｕ素線２１の表面を、倍率２，０００倍にてＳＥＭ観察した。圧縮部中央付近４３は、圧縮部先端側４１に比べて、強くかしめられた部分である。それぞれの表面のＳＥＭ観察結果（×２０００）を図１１に示す。

圧縮部中央付近４３から取得したＡｌ素線の表面には縦縞模様が見られた。圧縮部先端側４１から取得したＡｌ素線の表面には縦縞模様が見られなかった。縦縞模様を構成する縦縞は、導体３の長手方向に対して平行な方向に延びていた。この縦縞模様は、以下のように生じると推測される。

図１２のＳＴＥＰ１は、かしめを開始する前の時点におけるＣｕ素線２１とＡｌ素線５１との界面を表す。Ｃｕ素線２１の表面はめっき層２３により覆われている。めっき層２３の亀裂はこの時点では少ない。

図１２のＳＴＥＰ２は、かしめを開始したときの状態を表す。かしめによるＣｕ素線２１の変形に追随できず、めっき層２３が割れる。
図１２のＳＴＥＰ３は、かしめが終了したときの状態を表す。めっき層２３が割れて生じた隙間にＡｌ素線５１が喰い込んでいる。高温時に、Ａｌ素線５１とＣｕ素線２１とが結合し、高温試験における抵抗増加を抑制することができる。また、ヒートサイクルにおけるＡｌ素線５１とＣｕ素線２１との線膨張差による変形で、Ａｌ素線５１とＣｕ素線２１との間の接点がずれることが抑制される。割れためっき層２３がＡｌ素線５１の表面に押し付けられることで、Ａｌ素線５１の表面に縦縞模様が生じる。

４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（４－１）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

（４－２）上述した端子付導体１の他、端子付導体１を構成要素とする製品、端子５の製造方法、端子付導体１の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…端子付導体、３…導体、５…端子、７…絶縁層、１１、１３…束、２１…Ｃｕ素線、２３…めっき層、３１…筒状部、３３…平板部、３５…貫通孔、４１…圧縮部先端側、４３…圧縮部中央付近、５１…Ａｌ素線

Claims (3)

1. 導体と、かしめにより前記導体に接続した端子と、を備える端子付導体であって、
   前記導体は、
   前記導体の中心部に位置する複数のＡｌ素線と、
   前記導体の外周部に位置する複数のＣｕ素線と、
   前記Ｃｕ素線の表面を覆う、厚さが２μｍ以下のＣｕＳｎ合金層と、
   を備える、
   端子付導体。
2. 請求項１に記載の端子付導体であって、
   前記かしめが行われた部分にある前記Ｃｕ素線の表面のうち１０％以上４０％以下は前記ＣｕＳｎ合金層から露出している、
   端子付導体。
3. 請求項１または２に記載の端子付導体であって、
   前記Ａｌ素線にはめっき層が形成されていない、
   端子付導体。