JP2023165154A - 端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性及び導電性を向上させた端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグを提供する。【解決手段】端子用めっき材１は、銅又は銅合金を含む金属母材２と、金属母材２の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及び炭素３０を含有する炭素複合銀めっき層３と、を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグに関する。

車両電動化が進むにつれ、大容量電池を搭載した電気自動車やハイブリッド車が増加しており、電池パックの大型化に対応すべく、大容量小型コネクタの開発が必要である。また、電気自動車やハイブリッド車は高出力モーターを使用するため、その配線や端子には大電流が流れ、発熱量が大きい。そのため、これらの自動車で使用される端子には耐熱性能が求められる。

一方、電気自動車やハイブリッド車の車両には、電気系統のメンテナンス等での作業安全性を確保するために、電源と負荷との間の通電を遮断するサービスプラグといわれる電源回路遮断装置が設けられる。この電源回路遮断装置は、互いに嵌合される二つのハウジングと、ハウジング同士を着脱させる際に回動操作されるレバーとを備えている。特許文献１では、嵌合及び離脱に要する操作力を抑えて良好な操作性が確保されたサービスプラグと、それに使用するクリップ端子が開示されている。

特開２０２０－１４５０４０号公報

しかしながら、特許文献１のような従来のサービスプラグでは、大電流に対応するために端子のサイズを大きくし、端子数を増加する必要がある。また、材料面からも、端子のサイズが大きくなることにより、端子挿入離脱による端子接点の摩耗抑制と高レバー操作性を維持するため、クリューバー等の潤滑剤塗布が必要になり、端子に使用するめっきの製造のコスト増大が懸念される。さらに、上記理由により、端子接点の発熱温度が高くなるため、めっき最表層へ金属母材の銅が拡散しやすい傾向にある。そして、めっき表面に析出した銅成分の酸化により接触抵抗の増大を引き起こすため、電気的接続性能を低下させる恐れがある。このように、電気自動車やハイブリッド車で使用される端子には、接触信頼性の向上と製造コスト低減が課題として挙げられる。

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、耐摩耗性及び導電性を向上させた端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグを提供することにある。

本発明の態様に係る端子用めっき材は、銅又は銅合金を含む金属母材と、金属母材の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及び炭素を含有する炭素複合銀めっき層と、を備える。

本発明の他の態様に係る端子接続構造は、メス端子と、メス端子と嵌合されるオス端子を備え、メス端子及び前記オス端子の少なくとも一方は、端子用めっき材を備える。

本発明の他の態様に係るサービスプラグは、端子接続構造を備える。

本発明によれば、耐摩耗性及び導電性を向上させた端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグを提供することができる。

本実施形態に係る端子用めっき材の一例を示す断面図である。 本実施形態に係る端子用めっき材の一例を示す断面図である。 従来の端子用めっき材（銀－アンチモンめっき層）における、加熱前の状態を示した断面図である。 従来の端子用めっき材における、加熱中の状態を示した断面図である。 従来の端子用めっき材における、加熱後の状態を示した断面図である。 本実施形態に係る端子用めっき材における、加熱前の状態を示した断面図である。 本実施形態に係る端子用めっき材における、加熱中の状態を示した断面図である。 本実施形態に係る端子用めっき材における、加熱後の状態を示した断面図である。 従来の端子用めっき材（銀－アンチモンめっき層）の最表面における、加熱後の状態を示した平面図である。 図４Ａに示す、従来の端子用めっき材のＡ－Ａ線における断面、及び評価装置の接触子の接触部分を拡大した図である。 本実施形態に係る端子用めっき材の最表面における、加熱後の状態を示した平面図である。 図５Ａに示す、本実施形態に係る端子用めっき材のＢ－Ｂ線における断面、及び評価装置の接触子の接触部分を拡大した図である。 本実施形態に係る端子接続構造について、メス端子及びオス端子が接続された状態の一例（接点数１０個）を示す模式図である。 本実施形態に係る端子接続構造について、メス端子及びオス端子が接続された状態の一例（接点数４個）を示す模式図である。 本実施形態に係る端子用めっき材について、加熱前後における接触荷重と接触抵抗の測定結果を示すグラフである。 本実施形態に係る端子用めっき材について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって、加熱後の銀めっき層の表面に銅（Ｃｕ）が析出する状態を分析した結果を示すグラフである。 本実施形態に係る端子用めっき材について、摩擦係数評価の結果を示す図である。 接触抵抗値及び耐摩耗性の評価方法を示す断面図である。 本実施形態に係る端子用めっき材について、耐摩耗性評価の結果を示す図である。

以下、図面を用いて本実施形態に係る端子用めっき材並びにそれを用いた端子接続構造及びサービスプラグについて詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

［端子用めっき材１］
本実施形態の端子用めっき材１は、図１Ａに示すように、銅又は銅合金を含む金属母材２と、金属母材２の上に配置された、炭素複合銀めっき層３と、を有する。以下、本実施形態の各構成の詳細について説明する。

［金属母材２］
金属母材２は、炭素複合銀めっき層３又は後述の下地層５にめっきされる被めっき材である。金属母材２は、銅又は銅合金を含む。金属母材２に使用する銅又は銅合金としては、例えば日本産業規格ＪＩＳ Ｈ３１００（銅及び銅合金の板並びに条）に規定のものを使用することができる。具体的には、無酸素銅（Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（Ｃ１１００）、りん脱酸銅（Ｃ１２０１）、すず入り銅（Ｃ１４４１）、ジルコニウム入り銅（Ｃ１５１０）、鉄入り銅（Ｃ１９２１）等を用いることができる。

さらに、金属母材２の材質としては、銅及び銅合金以外の金属及び化合物を含んでもよい。銅及び銅合金以外の金属及び化合物としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ及びＺｒからなる群より選択される１種以上の元素、又は前記１種以上の元素を含む化合物が挙げられる。金属母材２の具体的な形状は特に限定されず、用途に応じた形状とすればよい。

［炭素複合銀めっき層３］
炭素複合銀めっき層３は、図１Ａに示すように、金属母材２の上に配置される。炭素複合銀めっき層３は、銀又は銀合金のいずれかを含み、さらに炭素を含有する。炭素複合銀めっき層３は、金属母材２から拡散した銅を残存させ、銅の表面析出を抑制する役割を有する。そのため、本実施形態の端子用めっき材１は、発熱後の金属母材２の銅の表面析出を抑制することで、銀めっきの耐熱性を向上させることができる。銅の表面析出抑制の観点から、炭素複合銀めっき層３は、金属母材２を全て被覆していることが好ましい。また、図１Ｂに示すように、炭素複合銀めっき層３は金属母材２を、後述の下地層５を介して間接的に被覆してもよい。

一般的には、熱を加えると金属母材の銅原子の熱振動は激しくなり、その位置を変えることが可能になる。そして、金属母材の銅原子の一部が、金属母材の上に配置されためっき層の結晶粒界に拡散する。さらに、めっき層の結晶粒界に拡散した銅原子は、エネルギー的に安定させるため、めっき表面へ移動する。これにより、金属母材から拡散した銅がめっきの表面に析出し、酸化されることで接触抵抗を上昇させることとなる。

従来の端子用めっき材１１として、例えば、金属母材２の上に銀－アンチモンめっき層４が配置された端子用めっき材を１９０℃、５００時間で加熱すると、図２Ａの状態（加熱前）から図２Ｂの状態（加熱中）を経て図２Ｃの状態（加熱後）になる。まず、加熱前の図２Ａでは、銀－アンチモンめっき層４中にアンチモンが存在している。そして加熱中には、図２Ｂのように、金属母材２から拡散した銅は、銀－アンチモンめっき層４の結晶粒界に拡散する。さらに加熱中には、銀－アンチモンめっき層４中のアンチモンが表面に向かって拡散し、銀－アンチモンめっき層４の表面に析出し、酸化されたアンチモン（以下、酸化アンチモン４０）の層を形成する。加熱後には、図２Ｃのように、銅が酸化アンチモン４０の層の表面に析出し、酸化された銅（以下、酸化銅２０）の層を形成する。このように、金属母材から拡散した銅がめっきの表面に析出し、酸化銅２０の層を形成することで、高温環境下での接触抵抗値を上昇させることとなる。

一方、本実施形態の端子用めっき材１を１９０℃、５００時間で加熱すると、図３Ａの状態（加熱前）から図３Ｂの状態（加熱中）を経て図３Ｃの状態（加熱後）になる。まず、加熱前の図３Ａでは、炭素複合銀めっき層３中に炭素３０及び隙間が存在している。そして加熱中には、図３Ｂのように、金属母材２から拡散した銅は、炭素複合銀めっき層３の結晶粒界に拡散する。その際、拡散した銅は、炭素複合銀めっき層３中の隙間に存在する酸素と結び付きやすいために、隙間に銅が留まり偏析する。そのため加熱後には、図３Ｃのように、炭素複合銀めっき層３中に銅の一部が残存するため、炭素複合銀めっき層３の表面への銅の析出、すなわち、図２Ｃに見られるような酸化銅２０の層の形成を抑制することができる。このように、発熱後の金属母材２の銅の表面析出を抑制することで、高温環境下での接触抵抗値の増加を最小限に抑えることが可能となる。

従来の端子用めっき材１１（銀－アンチモンめっき層）の加熱後の状態を示した平面図を図４Ａに示す。従来の端子用めっき材の表面では、酸化銅２０及び／又は酸化アンチモン４０によって純銀が囲まれている。また、図４Ｂは、接触抵抗値を測定する際に用いる評価装置の接触子７１と、従来の端子用めっき材の最表層４１とが接触している状態の断面図を示す。接触子７１は、半球状の凸部を接触部位として備えている。そして、図４Ａの中央に示す点線内の領域は、接触子７１と、従来の端子用めっき材の最表層４１との接点を示す。

一方、本実施形態の端子用めっき材１の加熱後の状態を示した平面図を図５Ａに示す。端子用めっき材の表面では、酸化銅２０によって純銀が囲まれている。また、図５Ｂは、接触抵抗値を測定する際に用いる評価装置の接触子７１と、端子用めっき材の最表層３１とが接触している状態の断面図を示す。接触子７１は、半球状の凸部を接触部位として備えている。そして、図５Ａの中央に示す点線内の領域は、接触子７１と、端子用めっき材の最表層３１との接点を示す。

接触子７１と、それぞれのめっき材の最表層との接点を比較すると、本実施形態の端子用めっき材１は、従来の端子用めっき材１１に比べ、通電阻害要因である酸化物が少なく、純銀の占める面積、すなわち通電経路数が多いことが分かる。このことから、高温環境下での接触抵抗値の増加を最小限に抑えることが可能となる。

さらに、従来の端子用めっき材の最表層４１は酸化物が多いため、その最表層におけるビッカース硬さは、加熱前が１８０Ｈｖであるのに対して加熱後は１３０Ｈｖになる。一方、本実施形態の端子用めっき材の最表層３１は純銀が多いため、その最表層におけるビッカース硬さは、加熱前も加熱後も変わらず８０Ｈｖである。このように、端子用めっき材の最表層３１は、加熱後であっても従来の端子用めっき材の最表層４１より柔らかいため、図５Ｂのように、接触子７１との接触面積が大きい。このことから、高温環境下での接触抵抗値の増加を最小限に抑えることが可能となる。なお、ビッカース硬さは、日本産業規格ＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９（ビッカース硬さ試験－試験方法）に従って測定することができる。

そして、本実施形態の端子用めっき材１を端子として用いた場合、炭素複合銀めっき層３に炭素３０が含まれることにより、摺動時に炭素３０が砕けて潤滑膜として作用し滑りやすくなるため、挿入力が小さくなる。また、端子の接点部の接触圧力が小さくなることから、端子を繰り返し挿抜した場合でも炭素複合銀めっき層３が削れにくい。そのため、端子用めっき材１は耐摩耗性にも優れる。

炭素複合銀めっき層３は、炭素３０を含有する純銀めっきであることが好ましい。純銀めっきである場合、めっき成膜時に炭素複合銀めっき層３の中に隙間ができやすいので、隙間に銅が留まり偏析しやすく、金属母材２から拡散した銅の表面析出を抑制しやすい。

炭素複合銀めっき層３は、銀めっき浴に炭素材料を分散させ、この銀めっき浴に金属母材２を浸漬してめっきすることで形成することができる。この際、炭素材料を効率的に分散させるため、炭素材料は銀めっき浴に添加する前に、一般的な酸化被膜除去の方法（例えば、酸、アルカリ、有機溶媒による処理など）により予め酸化被膜を除去し、水洗しておくことが好ましい。また、銀めっき浴中に炭素材料を分散させる方法は特に限定されず、炭素材料を銀めっき浴に添加した後に高速で攪拌することにより、分散させることができる。なお、炭素材料を効率的に分散させるために、炭素材料を銀めっき浴に添加した後に、超音波分散機等を用いて外部からの力を付与してもよい。このような工程により、炭素材料が解れやすくなる。

炭素複合銀めっき層３に添加される炭素材料としては、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンブラック、フラーレンなどを用いることができる。炭素複合銀めっき層３の中の隙間に銅を偏析させやすくするという観点から、炭素複合銀めっき層３に添加される炭素材料はグラファイトであることが好ましい。

炭素複合銀めっき層３には、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、セレン（Ｓｅ）及びテルル（Ｔｅ）からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属と銀とを含有する合金を使用することができる。これらの銀合金は、純銀と比較して結晶粒が小さく、ビッカース硬さの値が大きくなることが知られている。なお、銀合金は、二成分の金属を含む二元合金であってもよく、三成分の金属を含む三元合金であってもよく、四成分以上の金属を含む合金であってもよい。また、炭素複合銀めっき層３は、単層であってもよく、複数層であってもよい。

炭素複合銀めっき層３を形成するために用いられる銀めっき浴には炭素材料の他に、例えば銀塩、上述した金属の塩、電導度塩、光沢剤などを含むことができる。銀塩に用いられる材料としては、例えばシアン化銀、ヨウ化銀、酸化銀、硫酸銀、硝酸銀、メタンスルホン酸銀及び塩化銀からなる群より選択される少なくとも一種以上の塩が含まれる。また、電導度塩としては、例えばシアン化カリウム、シアン化ナトリウム、ピロリン酸カリウム、メタンスルホン酸銀、ヨウ化カリウム及びチオ硫酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも一種以上の塩が含まれる。光沢剤としては、例えばアンチモン、セレン、テルルなどの金属光沢剤、ベンゼンスルホン酸、メルカプタンなどの有機光沢剤が挙げられる。銀めっき浴の銀イオン濃度は、例えば３０ｇ／Ｌ～５０ｇ／Ｌであることが好ましい。

炭素複合銀めっき層３を形成する際のめっき処理は、膜厚の制御が容易であるため定電流電解であることが好ましい。炭素複合銀めっき層３を電解めっきする場合の条件は特に限定されず、公知のめっき方法によりめっきすることができる。電流密度は、生産性、めっき浴組成、イオン濃度、被めっき物の形状など様々な因子を考慮した上で設定すればよい。また、めっき浴温度については特に限定されない。

発熱後の金属母材の銅の拡散を抑制し、かつ、銅の表面析出を抑制するという観点から、炭素複合銀めっき層３の厚みは３μｍ以上であることが好ましい。

［下地層５］
図１Ｂに示すように、本実施形態の端子用めっき材１は、種々の機能を付与するため、下地層５をさらに備えてもよい。本実施形態では、下地層５は、金属母材２と、炭素複合銀めっき層３との間に配置されている。

下地層５は、ニッケル、銅及び銀からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属を含むことが好ましい。具体的には、下地層５は、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、銀及び銀合金からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属を含むことが好ましい。

下地層５は、ニッケル又はニッケル合金が含まれることがより好ましい。下地層５にニッケル又はニッケル合金が含まれる場合は、例えば、下地層５は、炭素複合銀めっき層３への金属母材２の銅の拡散を抑制し、接触信頼性や耐熱性を改善することができる。すなわち、下地層５はバリア層として機能する。下地層５にニッケル又はニッケル合金のいずれかが含まれる場合の層厚は、バリア層として機能すれば特に限定されないが、０．５μｍ超１μｍ以下であることが好ましい。

下地層５に銅、銅合金、銀及び銀合金からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属が含まれる場合は、例えば、金属母材２と、炭素複合銀めっき層３との密着性を向上させることができる。すなわち、下地層５はストライクめっき層として機能する。下地層５として銅、銅合金、銀及び銀合金からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属が含まれる場合の層厚は、密着性が向上すれば特に限定されず、非常に薄い層厚でも密着性を向上させることができる場合がある。

下地層５は単層であってもよく、複数層であってもよい。例えば、下地層５は、下層と下層の上に配置された上層とを含んでいてもよい。そして、例えば、下地層５の下層がニッケル又はニッケル合金のいずれかを含み、下地層５の上層が銅、銅合金、銀及び銀合金からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属を含んでいてもよい。よって、例えば、下地層５の下層にニッケルめっき層、下地層５の上層に銀ストライクめっき層を形成してもよい。これらの層の組合せは、目的に応じて適宜変更することができる。

下地層５を形成する方法は特に限定されないが、例えば、金属母材２の被めっき材をめっき浴に入れて、公知のめっき方法によりめっきすることができる。

本実施形態の端子用めっき材１の接触抵抗値は、０ｍΩ以上１．５ｍΩ以下であることが好ましい。端子用めっき材１の接触抵抗値をこのような範囲とすることにより、端子として用いた場合に発熱や消費電力を低減することができる。また、端子用めっき材１の接触抵抗値は０ｍΩ以上１．０ｍΩ以下がより好ましく、０ｍΩ以上０．５ｍΩ以下がさらに好ましい。

端子用めっき材１は、耐熱性の観点から、１９０℃、５００時間加熱した後に、半径１ｍｍの半球状の凸部を接触部位として備えた接触子を用いて接触荷重１０Ｎを付与した際の接触抵抗値が１．０ｍΩ以下であることが好ましい。さらに、耐熱性の観点から、端子用めっき材１の接触抵抗値は０．５ｍΩ以下であることがより好ましい。

このように、本実施形態の端子用めっき材１は、銅又は銅合金を含む金属母材２と、金属母材２の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及び炭素３０を含有する炭素複合銀めっき層３と、を備える。そのため、端子用めっき材１は、発熱後の金属母材の銅の表面析出を抑制することで、耐摩耗性及び導電性を向上させることができる。

［端子接続構造］
本実施形態に係る端子接続構造は、メス端子５０と、メス端子５０と嵌合されるオス端子６０を備える。メス端子５０及びオス端子６０の少なくとも一方は、炭素複合銀めっき層３を備える端子用めっき材１を備える。そのため、本実施形態のメス端子５０及びオス端子６０は、従来の銀又は銀合金めっきを備える端子と比較して、高温環境下での接触抵抗値の増加を最小限に抑えつつ耐摩耗性が高い。

端子用めっき材１は耐摩耗性及び導電性に優れることから、例えば、繰り返し挿抜されるようなコネクタ端子において、メス端子はクリップ端子として使用され、オス端子はクリップ端子と嵌合される板状端子として使用されることが好ましい。図６Ａ及び図６Ｂは本実施形態に係る端子接続構造の一例を示したものであり、複数のメス端子５０と、メス端子５０と電気的に接続されるオス端子６０とを有している。また、メス端子５０はクリップ端子として、オス端子６０はクリップ端子と嵌合される板状端子として示しており、図６Ａでは接点数が１０個であるのに対して、図６Ｂでは接点数が４個である。メス端子５０及びオス端子６０は、それぞれのコネクタハウジング（図示せず）内に位置決めされた状態で収容され、双方のコネクタハウジングが嵌合されることで双方の端子間が嵌合される。

オス端子６０が板状端子である場合、被めっき材の大きさや形状、めっきする部分の表面積の大きさなどの観点から、引っ掛け治具に被めっき材を掛けてめっきするラック方式によってめっき処理することが好ましい。また、メス端子５０がクリップ端子である場合、同様の観点から、バレルに被めっき材を入れて回転させながらめっきするバレル方式によってめっき処理することが好ましい。

一方、端子用めっき材１を、メス端子５０及びオス端子６０の少なくとも一方に適用するとき、炭素複合銀めっき層３を形成するめっき処理の安定性の観点から、ラック方式を採用することが好ましい。そのため、オス端子６０は端子用めっき材１を備えることが好ましい。また、オス端子６０が端子用めっき材１を備える場合、メス端子５０は、腐食防止や導電性の観点から、銅又は銅合金を含む金属母材と、金属母材の上に配置された、銀又は銀合金のいずれかを含有する銀めっき層と、を備えることが好ましい。

メス端子５０に使用する銀めっき層は、腐食防止や導電性を付与する役割を有するため、金属母材を全て被覆していることが好ましい。また、メス端子５０に使用する銀めっき層は、上述の方法で形成された下地層を介して、金属母材を間接的に被覆してもよい。

メス端子５０に使用する銀めっき層は、上述の炭素複合銀めっき層３の製造方法と同様に、銀めっき浴に金属母材を浸漬してめっきすることで形成することができる。銀めっき浴には、上述の炭素複合銀めっき層３の製造方法と同様に、例えば銀塩、金属塩、電導度塩、光沢剤などを含むことができる。また、銀めっき層を形成する際のめっき処理は、膜厚の制御が容易であるため定電流電解であることが好ましい。電解めっきする場合の電流密度は、生産性、めっき浴組成、イオン濃度、被めっき物の形状など様々な因子を考慮した上で設定すればよい。また、めっき浴温度については特に限定されない。

メス端子５０に使用する銀めっき層は、耐摩耗性の観点からアンチモンを含有することがより好ましい。すなわち、メス端子５０は、銅又は銅合金を含む金属母材と、金属母材の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及びアンチモンを含有する銀－アンチモンめっき層と、を備えることが好ましい。また、銀－アンチモンめっき層に含まれるアンチモンの含有量は、例えば１質量％以上２質量％以下であることが好ましい。さらに、耐摩耗性の観点から、銀－アンチモンめっき層の厚みは５μｍ超１０μｍ以下であることが好ましい。

一般的には端子に大電流が流れると、接点抵抗が増加し、端子接点が発熱、溶融することで溶着しやすくなる傾向にある。しかしながら、上記の通り、端子用めっき材１は耐摩耗性及び導電性に優れるため、本実施形態に係る端子接続構造は、端子の数や大きさを抑えることによって大電流が流れても、接点抵抗の増加による溶着が起きにくい。そのため、端子の数や大きさを抑えることが可能となる。さらに、端子用めっき材１は耐摩耗性及び導電性に優れるため、クリューバー等の潤滑剤塗布工程の廃止、めっき被覆面積低減によるめっき材料費低減、接触信頼性の向上にもつながる。

このように、本実施形態に係る端子接続構造は、メス端子５０と、メス端子５０と嵌合されるオス端子６０を備える。メス端子５０及びオス端子６０の少なくとも一方は、端子用めっき材１を備える。そのため、端子接続構造は、耐摩耗性及び導電性を向上させることができる。

［サービスプラグ］
本実施形態のサービスプラグは、端子接続構造を備える。サービスプラグは、ハイブリッド自動車や電気自動車のコントローラーや電池、モーターなど、大電流及び高電圧の流れる部分を安全に点検整備するための、電源回路遮断装置として使用される。本実施形態の端子接続構造は、従来の銀又は銀合金めっきを備える端子を使用した場合と比較して、端子部分の耐摩耗性が高く、高温環境下での接触抵抗の増加を最小限に抑えることができ、接触信頼性が向上している。そのため、大電流に対応するために端子のサイズを大きくしたり、端子数を増加したりする必要がなく、めっき被覆面積低減によるめっき材料費低減を図ることができる。また、端子挿入離脱による端子接点の摩耗抑制と高レバー操作性を維持するための、クリューバー等の潤滑剤塗布工程を廃止することができる。よって、本実施形態のサービスプラグは、ハイブリッド自動車や電気自動車などのような場所においても好適に用いることができる。

以上、本実施形態に係る端子用めっき材、端子接続構造及びそれを用いたサービスプラグについて説明したが、上記実施形態に限定されない。端子用めっき材は耐摩耗性及び導電性に優れるため、例えば、電子機器、車載及び電装部品、トランスミッション、及びデバイス、リレー、センサ一等のワイヤーハーネスにおいて、繰り返し挿抜されるようなコネクタ端子などとしても好適に使用することができる。また、上記の通り、従来のコネクタ端子と比べ、接触信頼性が向上しているため、コネクタの小型化及び軽量化が可能である。

以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

まず、被めっき材である金属母材の前処理を行った。具体的には、金属母材をアルカリ脱脂で洗浄し、１０％硫酸中に１分間浸漬する酸洗いを行い、水洗した。なお、金属母材は、銅合金であるＮＢ－１０９ＥＨ（ＤＯＷＡメタルテック（株）製）を用いた。

次に、金属母材の上にニッケルめっき層を形成した。ニッケルめっき層は下地層である。具体的には、上記のように前処理した金属母材をニッケルめっき層用めっき浴に浸漬し、直流安定化電源を用い、定電流電解した。電解終了後、銀めっき浴から金属母材を取り出し、水洗した。この結果、金属母材の表面全体にニッケルめっき層が形成された金属母材が得られた。なお、ニッケルめっき層の厚みは１．０μｍであった。

さらに、ニッケルめっき層の上に炭素複合銀めっき層を形成した。具体的には、まず、予め酸化被膜を除去し水洗したグラファイトを用意し、純銀めっき層用の銀めっき浴中にグラファイトを分散させた。その後、ニッケルめっき層を形成した金属母材を、銀めっき浴に浸漬し、直流安定化電源を用い、定電流電解した。電解終了後、めっき浴から金属母材を取り出し、水洗した。この結果、金属母材の表面全体にニッケルめっき層及び炭素複合銀めっき層が形成された金属母材が得られた。なお、炭素複合銀めっき層の厚みは狙い値として５～１０μｍとした。これを実施例１～６のサンプルとした。

一方、比較例として、上記の試験サンプルの作製方法に基づき、金属母材の上に、下地層（ニッケルめっき層）と銀めっき層（銀－アンチモンめっき層）を形成したサンプルを作製した。具体的には、上記のようにニッケルめっき層を形成した金属母材を、銀－アンチモンめっき層用銀めっき浴に浸漬し、直流安定化電源を用い、定電流電解した。電解終了後、銀めっき浴から金属母材を取り出し、水洗した。この結果、金属母材の表面全体にニッケルめっき層及び銀－アンチモンめっき層が形成された金属母材が得られた。なお、銀－アンチモンめっき層の厚みは狙い値として５～１０μｍとした。これを比較例１～６のサンプルとした。

［評価］
上記のようにして作製した端子用めっき材を試験サンプルとし、次の方法により評価を実施した。

（接触抵抗値評価）
電気接点シミュレータ（（株）山崎精機研究所製）を使用し、接触荷重－接触抵抗特性評価を実施した。具体的には、図１０に示すように、ステージ７２の上に、試験サンプルである膜厚５μｍのプレート１０を固定し、プレート１０の上に接触子７１を接触させた。接触子７１は、半径１ｍｍの半球状の凸部を接触部位として備え、接触子７１の打ち出し高さは０．５ｍｍとした。そして、加熱前（実施例１）と加熱後（実施例２）の炭素複合銀めっき層の表面について、接触荷重１Ｎ～３０Ｎの時の接触抵抗値（ｍΩ）を測定した。結果を図７に示す。なお、実施例２の加熱条件は１９０℃で５００時間とした。

図７の実施例１及び実施例２に示すように、接触荷重の全ての範囲において、加熱後には接触抵抗値が増加していることを確認した。これは、加熱することで金属母材の銅が炭素複合銀めっき層の表面に析出し、その銅成分が酸化されることにより、接触抵抗値が増加したことを示す。また、実施例２において、１９０℃、５００時間加熱した後に、上記接触子７１を用いて接触荷重１０Ｎを付与した際の接触抵抗値が１．０ｍΩ以下であることを確認した。

一方、比較例として、加熱前（比較例１）と、加熱後（比較例２）の銀－アンチモンめっき層の表面について、接触抵抗値（ｍΩ）を測定した。比較例２の加熱条件は実施例２と同様にした。

図７の比較例１及び比較例２に示すように、接触荷重の全ての範囲において、加熱後には接触抵抗値が増加していることを確認した。これは、実施例１及び実施例２と同様に、加熱することで金属母材の銅が銀－アンチモンめっき層の表面に析出し、その銅成分が酸化されることにより、接触抵抗値が増加したことを示す。また、比較例２において、１９０℃、５００時間加熱した後に、上記接触子７１を用いて接触荷重１０Ｎを付与した際の接触抵抗値は１．５ｍΩを超えており、実施例２に比べて大幅に増加していることを確認した。

実施例１と比較例１とを比較して、接触荷重の全ての範囲において、実施例１は比較例１よりも接触抵抗値が小さい。また、実施例２と比較例２とを比較して、接触荷重の全ての範囲において、実施例２は比較例２よりも接触抵抗値が小さい。さらに、その傾向は、実施例２と比較例２、すなわち加熱後の方がより顕著になっている。このことから、本実施形態に係る端子用めっき材は、加熱後の金属母材の銅の表面析出を抑制することで、接触抵抗値の増加を最小限に抑えることが可能であることを示す。

（銅の表面析出の評価）
加熱後のめっき層の表面に銅（Ｃｕ）が析出した状態をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって分析した。具体的には、１９０℃、５００時間加熱した後の、炭素複合銀めっき層の表面（実施例３）及び銀－アンチモンめっき層の表面（比較例３）を分析した結果をそれぞれ図８に示す。

図８より、比較例３では、Ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ（結合エネルギー）９３５ｅＶ～９６８ｅＶの間に、銅又は酸化銅由来の複数のピークを有しているのに対して、実施例３では銅又は酸化銅のピークがほとんど観測されなかった。すなわち、比較例３では銀－アンチモンめっき層の表面に銅が析出しているが、実施例３では炭素複合銀めっき層の表面に銅がほとんど析出していないことが分かった。このことから、本実施形態に係る端子用めっき材は、加熱後の金属母材の銅の表面析出を抑制していることを示す。

（摩擦係数評価）
端子用めっき材を端子に使用した際の挿入力を評価するために、横型荷重測定器（（株）山崎精機研究所製）を用いて、端子用めっき材の摩擦係数を測定した。具体的には、横型荷重測定器の水平台上に試験サンプルを固定し、その試験サンプルに、接触抵抗値評価で使用したものと同じ接触子７１を接触させた。その後、接触荷重２Ｎで接触子をめっき層の表面に押し付けながら、めっき層を摺動速度３ｍｍ／秒で水平方向に摺動距離８ｍｍ引っ張り、測定距離８ｍｍに水平方向にかかる力を測定してその平均値Ｆを算出した。そして、平均値Ｆを荷重２Ｎで割ることにより、動摩擦係数μを算出した。１９０℃、５００時間加熱した後の、炭素複合銀めっき層の表面（実施例４）及び銀－アンチモンめっき層の表面（比較例４）について評価した結果をそれぞれ図９に示す。その結果、動摩擦係数μは、実施例４では０．１７であったのに対し、比較例４では０．３５であった。このことから、炭素複合銀めっき層の表面の摩擦係数は、加熱後でも、銀－アンチモンめっき層の表面に比べ大幅に小さいことが分かった。そして、本実施形態に係る端子用めっき材は、耐摩耗性に優れ、端子に使用した際の低挿入力性に優れることを示す。

（摺動試験による耐摩耗性評価）
耐摩耗性の評価は、摺動試験機（（株）山崎精機研究所製）を使用した摺動試験にて実施した。具体的には、図１０に示すように、ステージ７２の上に、試験サンプルである膜厚５μｍのプレート１０を固定し、プレート１０の上に、接触抵抗値評価で使用したものと同じ接触子７１を接触させた。接触子７１の打ち出し高さは０．５ｍｍとし、摺動距離は１０ｍｍ、摺動速度は３ｍｍ／秒、接触荷重は２Ｎにて実施した。なお、摺動試験の判定は、金属母材の銅が露出するまでの摺動回数によって評価し、摺動回数は最大２００００回とした。１９０℃、５００時間加熱した後の、炭素複合銀めっき層の表面（実施例５）及び銀－アンチモンめっき層の表面（比較例５）について評価した結果をそれぞれ図１１に示す。その結果、実施例５では摺動回数２００００回でも金属母材の銅の露出がなかったのに対し、比較例５では摺動回数３７０回で金属母材の銅の露出が見られた。すなわち、炭素複合銀めっき層は、銀－アンチモンめっき層に比べて、金属母材の銅が露出するまでの摺動回数は５０倍以上となった。このことから、炭素複合銀めっき層は、加熱後でも、銀－アンチモンめっき層に比べ耐摩耗性に優れ、端子に使用した際の低挿入力性に優れることが分かった。

（端子数減少による影響の評価）
端子数を減らすことによる、端子の溶着への影響について評価した。具体的には、複数のメス端子と、メス端子と電気的に接続されるオス端子とを有する端子接続構造を想定し、図６Ａの状態から図６Ｂの状態に端子数を減らした場合、すなわち接点数が１０個から４個に減少した場合の溶着への影響について評価した。メス端子のめっき層には銀－アンチモンめっきを使用し、オス端子のめっき層には、炭素複合銀めっき（実施例６）、硬質炭素複合銀めっき（実施例７）又は銀－アンチモンめっき（比較例６）を使用して評価した。結果を表１に示す。なお、実施例７における硬質炭素複合銀めっきとは、上記の試験サンプルの作製方法において、炭素複合銀めっき層を形成するために用いられる銀めっき浴に有機物を添加して硬質化させためっきである。

まず、電気接点シミュレータ（（株）山崎精機研究所製）を使用し、直流１０Ａで通電し、接触荷重２Ｎの時の接触抵抗値を求めた。具体的には、図１０に示すように、ステージ７２の上に、試験サンプルである膜厚５μｍのプレート１０を固定し、プレート１０の上に、接触抵抗値評価で使用したものと同じ接触子７１を接触させた。接触子７１の打ち出し高さは０．５ｍｍとし、接触荷重は２Ｎにて測定した。実施例６、実施例７及び比較例６について、加熱前と加熱後の接触抵抗値（ｍΩ）を測定した結果を表１に示す。なお、加熱条件は１９０℃で５００時間とした。

接点数が減少することにより、１接点あたりに流れる通電電流（Ａ）としては大きくなる。計算条件として、接点数が１０個の場合の通電電流を２０００Ａとすると、接点数４個の場合は５０００Ａとなる。この通電電流の計算値をＩとし、上記で得られた接触抵抗値をＲとして、オームの法則より電力（Ｗ）＝Ｉ^２×Ｒを計算して電力を求めた。さらに、得られた電力値に、通電時間０．００１２秒をかけることで、電力量（Ｗ・ｓ）を計算した。そして、後述の溶着の評価基準をもとに、電力量が８１Ｗ・ｓを下回った場合を合格「○」とし、８１Ｗ・ｓ以上であった場合を不合格「×」として評価した。

溶着の評価基準については、実際にオス端子として板状端子を、メス端子としてクリップ端子を使用して接点数１個にて通電し、端子の溶着が発生する可能性がある電力量を次の方法によって確認した。オス端子及びメス端子のめっき層には、接触抵抗値０．１４４０ｍΩの銀－アンチモンめっきを使用した。そして、雰囲気温度１５０℃において、表２に示す、通電電流及び通電時間の条件により試験を行い、上記計算式により電力量を求めた。通電後に、端子の溶着の有無を目視によって確認し、溶着が発生しなかった場合を合格「○」とし、溶着が発生した場合を不合格「×」として評価した。表２の参考例１～５に示したように、電力量が８１Ｗ・ｓ以下となった場合には溶着が発生しなかったが、参考例６～１０に示したように、電力量が８１Ｗ・ｓを上回った場合には溶着が発生した。このことから、溶着の評価基準を上記の通り設定した。

表１に示すように、実施例６及び実施例７では接点数や加熱前後を問わず、いずれの場合も電力量は８１Ｗ・ｓを下回った。一方、比較例６では、接点数が４個の場合、加熱後に電力量が１００Ｗ・ｓ以上となった。このことから、オス端子のめっき層に炭素複合銀めっき又は硬質炭素複合銀めっきを使用した場合、接点数が１０個から４個に減少しても、又は加熱後であっても、電力量の上昇を抑えることが可能であり、かつ、端子の溶着の発生を防ぐことが可能であった。すなわち、接点数を減らすことにより、１接点あたりの通電電流は大きくなるが、本実施形態の端子用めっき材は、加熱後の接触抵抗値の増加が抑えられているため、電力量の上昇が抑えられ、端子の溶着が発生しにくく、接触信頼性が向上していることを示す。

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

１ 端子用めっき材
２ 金属母材
３ 炭素複合銀めっき層
４ 銀－アンチモンめっき層
５ 下地層
３０ 炭素
５０ メス端子
６０ オス端子

Claims (8)

1. 銅又は銅合金を含む金属母材と、
   前記金属母材の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及び炭素を含有する炭素複合銀めっき層と、
   を備える、端子用めっき材。
2. １９０℃で５００時間加熱した後に、半径１ｍｍの半球状の凸部を接触部位として備えた接触子を用いて接触荷重１０Ｎを付与した際の接触抵抗値が１．０ｍΩ以下である、請求項１に記載の端子用めっき材。
3. 前記金属母材と、前記炭素複合銀めっき層との間に配置され、ニッケル、銅及び銀からなる群より選択される少なくとも一種以上の金属を含む下地層をさらに備える、請求項１又は２に記載の端子用めっき材。
4. 前記炭素複合銀めっき層が、炭素を含有する純銀めっきである、請求項１又は２に記載の端子用めっき材。
5. メス端子と、前記メス端子と嵌合されるオス端子を備える端子接続構造であって、
   前記メス端子及び前記オス端子の少なくとも一方は、請求項１又は２に記載の端子用めっき材を備える、端子接続構造。
6. 前記オス端子は前記端子用めっき材を備え、前記メス端子は、銅又は銅合金を含む金属母材と、前記金属母材の上に配置された、銀又は銀合金のいずれか及びアンチモンを含有する銀－アンチモンめっき層と、を備える、請求項５に記載の端子接続構造。
7. 前記メス端子はクリップ端子であり、前記オス端子は前記クリップ端子と嵌合される板状端子である、請求項５に記載の端子接続構造。
8. 請求項５に記載の端子接続構造を備えるサービスプラグ。

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