JP4154399B2 - 接点部材、コネクタ、及び接点部材の表面改質方法 - Google Patents

Description

この発明は電気的接続を良好に行うために用いられる接点部材、その表面を耐蝕性及び電気的接触性が良好になるように改質する方法、及び電気的接続具であるコネクタに関する。

コネクタのような電気的接続具においては、その電気的接続を行う接点部材として、良導体でばね性、加工性に優れている銅合金が広く使われている。銅合金自体は腐蝕により表面の接触抵抗が増大するため、金や錫のめっきにより耐蝕性を高めている。
スポット溶接やシーム溶接などの抵抗溶接で使用される電極チップ（ノズル）の表面硬さや耐摩耗性、電気的特性を改善する方法が特許文献１に示されている。この従来技術は硬度１０００Ｈｖ、粒径７５〜３００μの粒子を噴射速度１８０ｍ／ｓｅｃ以上で５〜１５秒噴射して、非鉄金属に衝突（ショット）させ電極表面付近を再結晶化温度以上に上昇及び常温への冷却を反復し、電極表面部に再結晶層を生じさせて金属組織を微細化している。この回復、再結晶の過程を経て格子欠陥が消減してゆき、機械的性質及び電気的性質が変化することも示されている。

接点部材でないが金属表面に製品硬度と同等以上の硬度を有する径が４０〜２００μｍの粒子を噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射させて、金属表面に衝突（ショット）させて温度を急上昇急冷却をさせて表面層を変態させて硬度を高め耐摩耗性を向上させると共に疲労強度を増加させることが特許文献２で提案されている。また圧力が３〜１０ｋｇ／ｃｍ^２の気体流と共に粒度が３００〜８００メッシュの粒状の研摩材を工具表面に吹き付けて表面組織を微細化、緻密化して長寿命化することが特許文献３で提案されている。
更に動力伝達軸、歯車などの動力伝達用機械部品の疲労強度を高めるため、被処理網をオーステンパー処理し、ベイナイト組織とした後、ショット径０．６〜０．８ｍｍ、投射速度３５〜５０ｍ／ｓ、投射時間５〜４０ｍｓで第１のショットピーニングを施して深い表面加工層を形成し、この中温域からのショットピーニングの後、第２のショットピーニングを、同一条件、好ましくはショット径０．３〜０．５ｍｍと１回目より小さい粒径で行って、表面の圧縮残留応力をさらに向上させ、表面粗さの良好な製品とすることが特許文献４に示されている。
特許第３１１０２６７号公報 特公平２−１７６０７号公報 特許第３１７６９５３号公報 特開昭６１−１２４５２１号公報

めっきにより耐蝕性を向上させる技術はめっき槽や廃棄処理設備など大型、大規模な設備を必要とする問題があった。
特許文献１に示す技術は技術分野が異なり、粒子衝突（ショット）処理をしているが１回の処理だけであるため、電気的接触性の改善が十分とはいえない、また耐蝕については記載がないが、これも１回の処理では十分なものになるとは考えられない。
特許文献２及び３に示す技術は技術分野及び目的が異なり、電気的接触性の改善が得られているか不明であり、しかもいずれも１回の粒子衝突処理をするものであり、接点部材にこの技術を適用しても十分な電気的接触性及び耐蝕性は得られないと考えられる。

特許文献４に示す技術も技術分野及び目的が異なり、２回目の処理には１回目の処理よりも小さい径の粒子を用いている。このためこの技術を接点部材の耐蝕性及び電気的接触性の改善に適用することは考えられない、仮りに適用することを考えたとしても電気的接触性は良好なものにならない。

この発明による接点部材はその基材の表面に厚さが少なくとも１０Å程度のアモルファス化層が形成されており、そのアモルファス化層の下はそのアモルファス化層に近ずく程、結晶粒が小さくなっており、またアモルファス化層の表面は腐蝕の起点となり得る凹凸面より平坦化されている。
この発明による方法は導電性金属材よりなる被改質基材に、衝突（ショット）させても割れることがない材質であり、被改質基材の表面の凹凸の曲率と同程度以上の曲率の球状粒子を被改質基材表面に衝突（ショット）させて１回目の改質処理を行い、その後、被改質基材に衝突（ショット）させても割れることがない材質であり、かつ、前記１回目の改質処理後の前記被改質基材の凹凸の曲率よりも小さい曲率の球状粒子を、被改質基材の前記１回目の改質処理がされた表面に衝突（ショット）させて２回目の改質処理を行う。

この発明のコンタクト材料は表面が腐蝕の起点となり得る凹凸面より平坦でありかつアモルファス化層であることにより電気的接続を良好に行うことができ、かつ耐蝕性も優れている。
この発明の方法によれば１回目の改質処理により全表面がアモルファス化され、かつ凹凸の曲率が小さくなり、この状態に対し、２回目の改質処理に平坦化されるため、耐蝕性が強く、かつ電気的接続性が良好であり、しかも大型設備を必要としない。

装置構成
まず図１を参照してこの発明方法を実施するための基材表面改質装置の構成の概略を説明する。
処理室１１内にステージ１２が設けられ、ステージ１２上に接点部材として使用される導電性金属材料の被改質基材（サンプル）１３が配置される。この場合例えばステージ１２上に基準位置乃至複数の基準点が設けられ、被改質基材１３をステージ１２上に位置決めして配置することができるようにされている。

この被改質基材１３に対し球状粒子１４がノズル１５から衝突（ショット）させられる。このため例えば加圧タンク２１が処理室１１上に設けられ、加圧タンク２１内にはその蓋２１ａを開けて粒子１４が収容され、蓋２１ａはタンク２１内の粒子１４を十分な圧力で噴射させるために必要な圧力に耐えられるように十分な強さで閉められる。粒子１４は被改質基材１３に衝突（ショット）させられた時に割れない程度の材質であり、かつ被改質基材１３を傷付けないような球状体である。加圧タンク２１内には、パイプ２３を通じ、圧力調整器２４を介してコンプレッサ２５より加圧ガス、例えば圧縮空気が供給される。また加圧タンク２１内にはパイプ２６の一端が連通され、パイプ２６は処理室１１内に挿入され、その他端はノズル１５とされている。

ノズル１５はその粒子噴射口がステージ１２の任意の位置と対応させることができるように、パイプ２６としては比較的柔軟に曲げることができるようなものが用いられている。
処理室１１外にノズル駆動装置３１が設けられ、ノズル駆動装置３１より可動体３２が突出され、可動体３２は２次元座標（平面）上の任意の位置にノズル駆動装置３１内の駆動機構により移動させられるものである。可動体３２に連結棒３３の一端が固定され、連結棒３３の他端は処理室１１に形成された孔１１ａを通じて処理室１１内に挿入され、その挿入端部にノズル１５が取付けられる。制御装置３４からの電気的制御信号がケーブル３５を通じてノズル駆動装置３１に入力され、その制御信号に基づき、ノズル駆動装置３１が制御され、ノズル駆動装置３１は可動体３２を移動させ、ノズル１５がステージ１２上、従って被改質基材１３上の前記制御信号に応じた位置に移動するように、ステージ１２上の基準と可動体３２の２次元上の移動位置との関係が予め対応付けられている。ノズル駆動装置３１はいわゆるＸＹステージ駆動装置３１と同様な機構である。

コンプレッサ２５よりの加圧ガスは圧力調整器で調整された圧力で加圧タンク２１内に入射され、加圧タンク２１内の粒子１４がパイプ２６を通じノズル１４より高速度で噴射する。ノズル１４より噴射した粒子１４は被改質基材１３に衝突し、衝突後の粒子１４は、処理室１１に連結された集塵機２７に回収され、再利用される。なお処理室１１の孔１１ａは粒子１４が外部へ飛散することなく、かつ連結棒３３の運動が制限されないように、ゴムなどの弾性片１１ｂの複数により塞がれている。

実施例１
この発明では第１改質処理をした後第２改質処理を行う。 第１改質処理においては、被改質基材１３自体の表面凹凸の曲率と同程度以上の曲率の球状粒子１４を用いる。改質処理前の被改質基材１３自体の表面には細かい凹凸や結晶粒界、構造欠陥が現われているが、ここではこれら全てを含めて凹凸と云う。この凹凸の凹部分の、基材１３の表面における形状の最も間隔が小さい長さと同程度以下の直径の球状粒子が用いられる。
換言すれば、被改質基材１３自体の凹凸面における最も大きい曲率と同程度以上の曲率をもつ球状粒子１４が用いられる。また粒子１４としては被改質基材１３に高速で衝突させても割れることなく運動エネルギーを被改質基材１３へ有効に伝えられる、比較的破壊靭性が高い、例えばアルミナ粒子が用いられる。

室温において、この微粒子の多数を被改質基材１３の表面にほぼ連続的に高速に衝突させる例えばノズル１５の内径が１．２ｍｍ以上、噴射圧が３ｋｇ／ｃｍ^２以上、噴射時間が１０秒以上とする。この際、各１個の粒子が大きな運動エネルギーにより基材表面に衝突するため、その衝突微小点が短時間溶融した後、急冷することが繰り返されることになる。
このことは次のことから理解される。例えば約２００ｍ／ｓの高速粒子を３μｓごとにｎｓ幅のパルスとして試料表面に連続衝突させた際の温度分布数値解析結果は図２に示すようになる（雑誌「表面技術」５２巻、２号、１９９５年、江上登著“微粒子高速度衝突による表面改質材の疲労強度特性”参照）。つまり粒子１４を連続的にノズル１５から噴射させても例えば図３に示すように粒子１４がばらばらに基材１３の表面に衝突し、被改質基材１３上の各微小衝突点では１μｍ以下の極表面近傍において１０００Ｋ／μｓ以上の急熱・急冷過程が例えば３μｓ程度ごとに繰り返されている。なお図２中パラメータＺは表面からの深さである。

この第１改質処理により、被改質基材１３の表面部は前記のような短時間の溶融、急冷が繰り返され、この急冷過程では金属は各原子が整列する前に固体化し、いわゆるアモルファス（非結晶）化した状態になる。つまり第１改質処理前における被改質基材１３の微小凹凸がなくなる。
このようにした状態でこの発明では更に第２改質処理を行う。この第２改質処理では、第１改質処理に用いた粒子１４より大きい径、更に正しくは第１改質処理された被改質基材１３の表面の凹凸の曲率より小さい曲率の球状粒子を被改質基材１３の第１改質処理された表面に高速衝突させる。この場合の粒子１４に対する条件は粒子の径が異なるだけでその他は第１改質処理における条件と同一であり、粒子としては例えばアルミナ粒子が用いられる。

この第２改質処理は、図１中の加圧タンク２１を、第２改質処理で用いる微粒子を入れたものと交換すればよい。この場合は加圧タンク２１とパイプ２３，２６との連結は取り外し自在ができるようにしておく。加圧タンク２１内の粒子１４を入れかえてもよい。
このように第１改質処理よりも曲率が小さい曲率の粒子１４が被改質基材１３に衝突されると、第１改質処理と同様のメカニズムにより、アモルファス化され耐蝕性があり、しかも被改質基材１３の表面部の曲率の大きな凹凸部が少なくなり、平坦化され、接触抵抗が小さくなる。

曲率の大きい金属凹凸表面では、金属原子の化学ポテンシャルが高く、化学ポテンシャルが高いとその微小凹凸を起点として基材表面の腐蝕が進行することが知られている。従って第１改質処理により、曲率が著しく大きい凹凸がアモルファス化され、その表面に空気中の酸素による自然酸化膜、つまり不動態皮膜が形成される。しかしこの第１改質処理によっては電気的接触性の改善は得られず、場合によっては第１改質処理前の凹凸の曲率よりは小さいが凹凸がかえって大きく、かつ深く、つまり粗い面になる可能性が高く、電気的接触性は悪くなる。またこのように曲率が小となった凹凸中にも腐蝕の起点となり易いものが含まれ、耐蝕性の改善は十分ではない。しかし第２改質処理により、凹凸の平坦化が行われ、しかもこの平坦化におけるメカニズムは第１改質処理と同様であるため、平坦化された表面はアモルファス化され、このアモルファス化上に大気酸素の酸化により不動態層が形成され、この平坦化された状態ではその凹凸面の曲率は腐蝕の起点となり得るようなものより十分、小さいものとなる。従って耐蝕性及び電気的接触性が共によいものとなる。

この２回の改質処理により得られた被改質基材１３の断面の例を図４Ａに、その各部の結晶粒の径を図４Ｂにそれぞれ示す。図４Ｂにおいて縦軸は被改質基材１３の表面１３ａからの深さ、横軸は結晶粒の径である。深さｄ１までは自然酸化による表面不動態層１３ｂ１が形成され、その下の深さｄ２まではアモルファス化層１３ｂ２が形成され、アモルファス化層１３ｂ２より表面に対し離れるに従って結晶粒が大きくなる結晶微細化層１３ｂ３が形成され、表面から深さｄ３以上離れると被改質基材１３の改質処理前における結晶粒の状態の母材層１３ｂ４となる。

第１改質処理においては、表面改質前の被改質基材の表面凹凸の最も曲率が大きい部分に対しても、アモルファス化できる程度の大きさの粒子１４を用いる。例えば、表面改質前凹凸の腐蝕の起点となり得る曲率の最大の曲率をもつ程度の直径以下の粒子１４であればよい。粒子を小さくしても、噴射圧を高めることにより、表面に対し、前述したような短期間の溶融、急冷を繰り返すようにする。つまりこの作用がなされるように粒子１４の大きさと、噴射圧とが選定される。
第２改質処理では、前述したように粒子１４は大きい程、平坦度がよくなる。しかし現実的には入手し易い粒子、ノズル１５の内径などの点で制限される。

実験例
燐青銅を被改質基材（以下単にサンプルと書く）として、以下の異なる４条件で比較実験を実施した。粒子１４としては比較的破壊靭性の高いアルミナ粒子を使用し、また粒子１４の形状をサンプル表面を蝕刻しないように球に近いものとした。ノズル２６ａの直径を１．５ｍｍ、粒子噴射圧力を８ｋｇ／ｃｍ^２、噴射時間を１分間、室温の大気を圧縮して粒子を噴射した。なお処理を行う場合は粒子１４の径を変更するのみで他の条件は同一とした。
条件１ 直径２０μｍの粒子による１回の処理のみ（比較例）
条件２ 直径５０μｍの粒子による１回の処理のみ（比較例）
条件３ 直径５０μｍの粒子で処理した後、直径２０μｍの粒子で再処理（比較例）
条件４ 直径２０μｍの粒子で処理した後、直径５０μｍの粒子で再処理（この発明の実施例１）
これら各条件で表面改質処理した後、その処理された各サンプルに対し、耐蝕性の条件評価として４８時間の塩水噴霧試験を行った。なお表面改質処理を全く行っていない燐青銅基材（サンプル）に対してこの塩水噴霧試験を行った。この場合は表面が完全にさび、かつ接触抵抗が大幅に劣化した。これより、この噴霧試験により表面改質による耐蝕性向上効果を確認することができる。

４８時間の塩水噴霧後、０〜１００ｇまで荷重を変化させ、金プローブを使用して接触抵抗計により、各サンプルの接触抵抗を測定した。その結果を図５に示す。図５の横軸は荷重を、縦軸は接触抵抗をそれぞれ表わす。この接触抵抗計の測定範囲は０〜２０ｍΩである。曲線４１（実線），４２（一点鎖線），４３（破線）及び４４（点線）はそれぞれ、条件１，２，３及び４で作られた各サンプルに対する実験結果である。なお、表面改質処理を行っていない燐青銅基材に対し塩水噴霧を行うことなく、同様に荷重変化をさせた場合の接触抵抗測定を行った結果を曲線４５（２点鎖線）として示した。この曲線４５は製品レベルとして使用できる状態を示しているといえる。

条件１のサンプルはすべての実線４１に示すように荷重領域において接触抵抗が測定可能範囲を超えた２０ｍΩ以上であり、非常に悪い結果となった。例えば改質前のサンプル６０の表面凹凸状態を示す断面が図６Ａに示す場合、条件１の改質処理では改質処理前の最大曲率、つまり最小の凹部６１と同程度の曲率より小さい粒子１４_Ｓがショットされ、この改質処理後は例えば図６Ｂに示すように表面にアモルファス化層６２が形成されると共に凹凸の曲率は凹部６１より小さいがサンプル表面に凹凸が大量に形成されており、これが接触抵抗劣化の原因と考えられる。またこの凹凸の曲率では腐蝕の起点となり得るものが存在する。

条件２のサンプルでは、一点鎖線４２に示すように直径５０μｍの粒子が入れないような小さな凹部から腐蝕が進んでいるのが多数観察された。この条件の改質処理では改質処理前の表面凹凸の曲率よりも小さい粒子１４_Ｌがショットされるため、例えば図６Ｃに示すように凹部６１内はこの粒子１４_Ｌによってはアモルファス化されないままとなる。よってこの凹部６１が腐蝕の起点となり耐蝕性が悪い。つまり凹部に未改質の部分が残り、そこから腐蝕され接触抵抗が劣化したものと考えられる。
条件３のサンプルは１回目の処理で平坦化されるが、条件２と同様に小さな凹部が残り、しかも２回目の処理により新たな表面凹凸が形成され、これが原因で接触性が悪くなるだけでなく、腐蝕も生じ破線４３に示すように接触抵抗が劣化したと考えられる。

これらに比べ条件４、つまりこの発明の実施例１では点線４４に示すように非常に良好であった。これはまず直径２０μｍの粒子で凹凸部に沿って全表面を残すことなく改質した後、つまり図６Ｂに示すような状態とした後、その表面凹凸の曲率より小さい曲率の直径５０μｍの粒子１４_Ｌをショットするため、例えば図６Ｄに示すように曲率の小さな凹凸部が平坦化され、全表面にアモルファス化層６２が形成され、耐蝕性があり、かつ電気的接触が良好な表面になったと考えられる。この結果の曲線４４は、曲線４５に近く、つまり良好な比較サンプルとして測定した塩水噴霧前の未改質燐青銅サンプルの接触抵抗と比べても大きな劣化は見られない。

以上の実験結果より、条件４の方法（この発明の実施例）が他の条件１〜３の方法に比べ耐蝕性向上に関し極めて効果的であることが証明された。この場合は小さな粒子１４として直径２０μｍを、大きな粒子１４として直径５０μｍの粒子を選んだが、使用する被改質基材の表面の凹凸の程度に応じてそれぞれの粒子径を選ぶことは言うまでもない。
なお条件４のサンプルに対する図４に示した断面図の場合、不動態層１３ｂ１の厚さは
１０Å以下、アモルファス化層１３ｂ２は１０Å以上であり、これと結晶微細化層１３ｂ３との和、つまり表面改質層の厚さは１０μｍ近くであった。

表面改質部の厚さ、つまりアモルファス化層１３ｂ２の厚さは少なくとも１０Å程度以上が望ましい。これは、オーム社２００２年発行の「腐食防食の実務知識」１０頁に、不動態被膜の厚さは１０Å程度と記述され、また「電気化学便覧」４２７頁にもパッシビティ(passivity)金属と呼ばれる耐蝕性のある金属類の不動態被膜の厚さは、１０Å程度とされていることに基づく。アモルファス化層１３ｂ２は結晶微細化層１３ｂ３、母材層１３ｂ４よりも体積抵抗率が大きいため、薄い方が良い。１００Å位までは、絶縁膜でもトンネル効果により、十分実用的な接触抵抗が得られる。接点の接触面積が０．１×０．１ｍｍ^２、アモルファス化層１３ｂ２の体積抵抗率が２桁悪化するまで許容されるとすると、アモルファス化層１３ｂ２は１μｍの厚さまで十分実用的な接触抵抗が得られる。

自然酸化膜は下地に欠陥が少ない場合、反応が進まなくなり、不動態被膜の厚さは１０Å程度より大にならない。
燐青銅の場合は表面改質前の表面凹凸、つまり結晶粒は１０〜２０μｍであり、第１改質処理で最も小さい凹部、つまり最も大きい曲率の凹凸部分もアモルファス化する点から用いる粒子１４の直径は２０μｍ程度以下がよい。第２改質処理で用いる粒子１４の直径は２０μｍより大きければよい。接点部材の基材としては燐青銅の他に黄銅、コルソン銅などでもよい。

実施例２
次にこの発明によるコネクタの実施例を図７に示す。コネクタ（この例ではプラグ）５１が配線基板５０上に実装された例である。コネクタ５１の直方体状ハウジング５２が配線基板５０上の１端縁に沿って取り付けられ、ハウジング５２の前記1端縁において配線基板５０と直角な面から、前述したこの発明により表面改質が行われたピン状接点５３が２列、配線基板５１よりその面と平行に外方に突出されている。これら各ピン状接点５３は図示していないが配線基板５０上の配線とそれぞれ接続される。

プラグコネクタ５１と対をなす相手のソッケトコネクタ５４はそのハウジング５５においては図に示していないが、接点収容孔内に、前記この発明により表面改質された接点部材により構成された接触部が収容され、これら接点部材の接触部に対し、前記接点収容孔内にピン状接点部材５３の接触部を挿脱することにより接続、切断を行うことができるようになされている。ソケットコネクタ５４の各接点部材に一端が接続されたリード線５６がハウジング５５より外部に導出されている。
このコネクタによればその接点部材がこの発明により、表面改質されているから、良好な電気的接続が行われ、かつ耐蝕性に強く寿命が長いものとなる。なおコネクタとしてはピン接点が配線基板５０と直角方向でもよく、接点配列数、接点数など各種のものにこの発明を適用できる。

この発明方法を実施するための装置の簡略構成例を示す図。 高速粒子をパルス状に金属表面に連続衝突させた際の温度分布数解析結果の従来例を示す図。 この発明方法において粒子１４が被改質基材表面に衝突させられる状態を模擬する図。 Ａはこの発明による接点部材の一部断面を示す図、Ｂはその深さ方向における結晶粒径の変化状態の例を示す図である。 この発明方法により得られた接点部材が優れていることを示すための耐蝕試験結果を示す図。 Ａは改質前のサンプルの表面凸凹状態を示す断面図、Ｂは条件１に よる改質処理後の断面図、Ｃは条件２による改質処理後の断面図、Ｄは条件４による改質処理後の断面図である。 この発明によるコネクタの一例を示す斜視図。

Claims (3)

1. 厚さが少なくとも１０Åのアモルファス化層が基材の表面に形成され、
   そのアモルファス化層の下には上記アモルファス化層に近づく程結晶粒が小さくなっており、
   上記アモルファス化層の表面は、腐蝕の起点となる凹凸面より平坦化されていることを特徴とする接点部材。
2. 導電性金属材よりなる被改質基材に、衝突させても割れることがない材質であり、上記被改質基材表面の凹凸の曲率と同程度以上の曲率の球状粒子をショットする第１改質工程と、
   上記被改質基材に衝突させても割れることがない材質であり、前記第１改質工程後の前記被改質基材表面の凹凸の曲率より小さい曲率の球状粒子を、上記被改質基材の上記第１改質工程で処理された表面にショットする第２改質工程とを有する接点部材の表面改質方法。
3. 請求項１記載の接点部材により構成された接触部を備えることを特徴とするコネクタ。
   

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