JP4804576B2 - 電気コネクタ - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、自動車用グレイジングの電気コネクタに関する。
【背景技術】
【0002】
自動車用グレイジング産業では種々の電気コネクタがあまねく使用されている。例えば、ガラスのプライの表面に印刷された回路のような導電回路、又は積層グレイジング内に固着されたワイヤ列を、車輌の配線ハーネスに接続するために、Tピースコネクタが使用されている。一般に、このような回路は曇りを除去し、氷結を除去するのを促進するための加熱回路として、又はアンテナ回路として使用されている。Tピースコネクタはバスバーとして知られている導電基板にはんだ付けされており、バスバーは1枚のガラスの表面に直接設けるか、又はガラス上の、掩蔽バンドとして知られる焼成して印刷したバンドに完全に、又は部分的に設けられている。バスバーは通常、銀含有インキを使用して印刷されている。バスバーとコネクタとを結合するのに使用されるはんだは伝統的に鉛を含んでいる。しかし、鉛は有害であることが知られており、例えば国際公開第WO2004/068643号に記載されているように、自動車産業では鉛フリーはんだを使用する傾向が強くなっている。国際公開第WO2004/068643号は(錫を重量で90%まで含む)錫をベースとするはんだを開示しており、このはんだはビスマス、又はインジウムから選択された機械的応力変性剤を備えている。また、このはんだは銀、及び/又は銅を含んでいる。
【0003】
しかし、鉛フリーはんだを使用する際の一つの欠点はコネクタとバスバーとの間の接合力が鉛を含有するはんだによって得られる接合力程は高くないことである。これに対する一つの解決策は欧州特許第1256261号にあるように、コネクタに加わる機械的荷重に耐えるよう接着剤を付加的に使用することである。別の欠点は、コネクタとバスバーとの間の接合力が低減する一方で、はんだの領域のガラスの表面における応力が増大することである。これは、ガラスの表面における応力性破砕の故の疵を増大させうる。
【特許文献1】
国際公開第WO2004/068643号明細書
【特許文献2】
欧州特許第1256261号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前述した2つのタイプの応力による疵は、2つの導電コンポーネントをグレイジングの一方の表面に共に半田付けして取り付けるように構成したグレイジングで発生する。この第1のタイプの応力による疵は、ガラス表面に対して略平行に走る破砕を生じさせ、且つグレイジングの表面から取り外すべきガラス領域に破砕を生じさせる。強化ガラスでは、この疵は、それ自体小さく、掩蔽バンドの印刷したブラックインクの水疱に類似した目に見える欠陥として現れる。積層型のグレイジングでは、この疵は、はんだ付けを行った積層のプライにて1つ以上のひびとして現れる。いずれの場合も、この疵は、明確に目に見えるものであり、グレイジングの不合格品に通じうる。第2のタイプの疵は、焼成セラミックインクを含む銀含有インキの機能層(バスバー又は加熱/アンテナ回路)が掩蔽バンドへと上重ね印刷される箇所で発生し、コネクタと銀含有インキとの間のはんだの接合力を低下させる。この応力の影響を受けて、ひびなどの小さい構造上の欠陥が、はんだと銀含有インクの層との界面に発生しうるため、剪断モードの不良を生じさせうる。また、コネクタと銀含有インキの層との間のはんだ結合は、コネクタに加えられる比較的小さい付加的な力が銀含有インキの層からの完全な剥離を生じさせうる程度まで弱くなる。
【0005】
このような応力に起因する疵は、高い錫含有量(50%を超える)を有する鉛フリーはんだを用いる強化ガラス面では一般的に生じるものである(この高い錫含有量は、はんだ付け工程の間のはんだの湿潤性を増大させうる)。このように、このような応力による疵の発生は、このようなグレイジングの品質及び信頼性の双方に関して問題を起こすことになる。従って、鉛フリーはんだを使用し続ける場合に、はんだ付けする領域におけるガラスの応力を低減させるやり方を見つける必要がある。
欧州特許第1488972号は、少なくとも2つの結合面(コネクタ脚)を有する電気的端子を開示する。この結合面の全面積は、予め定められた範囲内に設定され、高いボンディング強度を可能とし、且つはんだ付け工程の間に用いる鉛フリー合金の容積を制限してガラスに生じるひびを防止している。
国際公開第WO2004/068643号は、特定量の錫を有する鉛フリーはんだの使用を開示しており、Tピースコネクタと関連して用いるときに車両のグレイジング内でひびを生じさせる応力を低減させている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれ等の問題を解決するため、グレイジング材のプライに取り付けられた導電性の銀含有インキから形成される第1導電コンポーネントと、鉛フリーはんだによって前記第1導電コンポーネントに結合された電気コネクタとを有するグレイジング材のプライを備えるグレイジングであって、前記電気コネクタは、厚さtを有する銅の条片であって、ブリッジ部分によって連結された第1コネクタ脚と第2コネクタ脚とを備える銅の条片から形成され、ブリッジ部分は、各コネクタ脚の底面から上方に高さhの位置にあり、前記tは、0.1mmから1.0mm以下の範囲にあり、前記hは、1.0mmから5.0mmまでの範囲にあり、、前記t又はhのうちの少なくとも一方は、前記グレイジング材における応力による疵の発生を最小にするように選定されるとともに、前記電気コネクタが1枚の平坦なガラスに取り付けられる場合に、前記t及び前記hが達成する最大応力が12MPa以下となるように選定されていることを特徴とするグレイジングを提供する。
【0007】
ブリッジ部分の高さとコネクタの厚さの要素を考慮に入れてコネクタの設計を最適化することによって、グレイジングの表面における応力を低減させてコネクタを生産するのが可能となる。鉛フリーはんだを使用する場合でも、この低減させた応力は、標準の電気コネクタを用いて鉛含有はんだで構成した場合の応力レベルと同等か、もしくはより改善したものとなる。
【0010】
第1の導電コンポーネントは、バスバーとすることができる。
【0011】
グレイジング材のプライの表面のその周縁の周りに、焼成インキバンドを印刷することができる。第1導電コンポーネントの少なくとも一部を焼成インキバンドに設けることができる。
【0012】
グレイジング材は、応力による疵自体が対応するガラスの領域にて焼成インキバンドの水疱として現れる場合であれば、強化ガラスのプライとすることができる。
【0013】
グレイジング材は、応力による疵自体がガラスのプライにて1つ以上のひびとして現れる場合であれば、アニール処理したガラスのプライとすることができる。
【0014】
応力による疵自体は、第1の導電コンポーネントと第2の導電コンポーネントとの間の界面における構造上の欠陥として現れるものとすることができる。
【0015】
第2の導電コンポーネントは、Tピースコネクタとするのが好適である。はんだを鉛フリーはんだとするのが好適である。グレイジングを自動車用グレイジングとするのが好適である。
【0016】
添付図面を参照して、ここに、一例としてのみ本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
グレイジングパネルに、又はグレイジングパネル内に設けた回路を車輌の配線ハーネスに接続するため、種々の電気コネクタが自動車用グレイジング産業に使用されている。代表的なコネクタは一般に「T」字状であるTピースとして、知られており、他のコネクタ、例えばJ形コネクタ、及び条片状のコネクタが知られている。各形式のコネクタは隆起ブリッジ部によって結合された2個のコネクタ脚を備えていること、各コネクタ脚の底面の突起を備えていること、これ等の各コンポーネントを銅のような金属材料の薄い条片、又はシーとで形成していることの3つの特徴事項を共通に有している。しかし、コネクタ脚に突起を設けていないコネクタも通常、使用されている。次の例はTピースに関して記載しているが、本発明の原理はこれ等の特徴事項を共有する全ての形式の電気コネクタに適用することができる。
【0018】
図1は導電層13にはんだ付けされた電気コネクタ14を有する自動車用グレイジング10の(寸法的には厳密でない)斜視図である。この自動車用グレイジング10は焼成ブラックセラミックの掩蔽バンド12を表面に有する強化ガラスのプライのようなグレイジング材シート11を備えている。典型的には、掩蔽バンド12の表面に導電性の銀含有インキを印刷することによって、バスバーとして知られる導電層13を掩蔽バンド12に設ける。掩蔽バンド12は前面ガラス、バックライト、又は或るルーフライトを構成するグレイジングに設けるが、サイドライトを構成するグレイジングには設けない。この場合はバスバー13をグレイジング材11の表面に直接に設けるようにする。
【0019】
電気コネクタ14をバスバー13に取り付ける。電気コネクタ14は、バスバー13へと取り付けるための一対のコネクタ脚15と、このグレイジングを取り付ける車輌の配線ハーネスに取り付けるためのコネクタアーム16とを備えている。コネクタ脚15はブリッジ17として知られる隆起部によって、互いに連結され、コネクタアーム16に結合されている。各コネクタ脚15とバスバー13との間のはんだ層18によって、各コネクタ脚15はグレイジングに取り付けられる。
【0020】
図2は一層詳細に電気コネクタ14を示す斜視図(寸法的には厳密でない)である。この電気コネクタ14は厚さtを有する銅のような金属材料の薄い条片、又はシートから形成されている。ブリッジ17は、コネクタ脚15、及びコネクタアーム16に対して固定位置にあるようにし、電気コネクタ14を所定位置にはんだ付けした時、ブリッジ17がコネクタ脚15の底面の上方、高さhの位置にあるようにする。
【0021】
図3はグレイジング10に取り付けられた単一のコネクタ脚15の概略的な横断面図である。それぞれ高さdの一対の突起、又は窪み19をコネクタ脚15の底面に設ける。突起19はコネクタ脚15の本体をバスバー13の上方の設定された高さに確実に維持するようにする。簡明のため、図3には示していないが、使用に当り、はんだ層18は突起19を完全に包囲して、コネクタ脚15の底面に接触している。
【0022】
熱風、高温はんだごて、又は抵抗加熱を含む種々の技術を使用して、電気コネクタ14をバスバーにはんだ付けする。代表的なはんだ時間は1〜3秒の間であり、冷却時間は2〜4秒である。コネクタ脚15をバスバー13にはんだ付けしている間、殆どはんだ付け温度まで加熱されるコネクタブリッジ17と比較して、各コネクタ脚間のグレイジング材11の領域は相対的に低い温度に留まっている。このため、コネクタブリッジ17とグレイジング材11との間で膨張差が生ずる。はんだ層18が固化する際、コネクタブリッジ17の冷却の際の温度変化はグレイジング材11の温度変化より著しく大きいため、コネクタブリッジ17とグレイジング材11との間で収縮差が生ずる。この膨張、収縮の不整合によって、はんだ18を適用した領域のグレイジング材の表面に応力が発生する。コネクタ脚15の直ぐ下のグレイジング材11の領域では、引張り応力が発生し、一方、コネクタブリッジ17の下のグレイジング材11の領域では圧縮応力が発生する。グレイジング材の表面に、何らかの欠陥があると、高い引張り応力の領域を発生させる。
【0023】
図4に、写真で典型的な欠陥を示す。この写真は、電気コネクタ(図示せず)がはんだ付けされた自動車用グレイジング20の表面領域の断面図を示している。はんだの領域21は、ガラス23のプライの表面におけるバスバー22の頂部に示されている。応力による疵は、ガラス23とバスバー22との間の界面における表面に展開している。Tピースコネクタのコネクタ脚24がレイジング20にはんだ付けした様子が示されている。ひび25は、ガラス23の表面に対して略平行に亘って発生している。(組成標本からのアーチファクト27を見ることもできる。) 図5に示すように、ガラス23の表面の領域にこのようなひびがあると不良品としての除去に繋がる。図5は、ガラス部分を剥離させた場合の、ガラスのプライの表面28における欠陥27の平面図である。
【0024】
図6aは、ガラスのプライの表面における応力が、ブリッジ及びガラス表面に直接的に堆積させた導電性印刷部にはんだ付けした電気コネクタの脚の長さに沿って如何に変化するかを示している。図6bは、本測定に使用したスケールと、コネクタ脚及びブリッジ部分の該当部分を示している。この応力は、バビネ補償板(Babinet compensator)を用いて測定したものであり、この装置の要件に従って、はんだ付け工程の直後に、このガラスの標本を切り取って磨いた上で測定した。はんだによって生じる最大応力は、各コネクタ脚の内側端で生じ、コネクタブリッジの中心ではわずかに減少している。コネクタに沿ってインクによって生じる応力については、ほとんど差がない。
【0025】
一旦はんだ付け工程が完了すると、ガラスに発生する応力は、数時間かけてゆっくり解放される。初期ピーク後の時刻(t)におけるガラス内に発生した応力(σ)の下げ幅は、次式のように表すことができる。
σ=Atn
ここに、nは、用いるはんだのクリープ速度の目安であり、前指数因子Aは、ガラスと電気コネクタとの間の冷却率、即ち差分の熱膨張率を表している。この時間依存性のクリープ現象は、固体が一定の応力にさらされているとき、例えば上方から荷重が固体に作用するときに発生する。固体は、適用した応力の向きにクリープを起こし(変形を起こし)、弛緩化し始める。場合によって、固体は、弾性限界を超えて変形を起こすため、恒久的なプラスチック変形をもたらしうる。
【0026】
従って、ガラス内の応力は、上記の式に従って特定のクリープ速度を選定することによって時間の経過とともに減少する。しかしながら、用いるはんだの特性を考慮するというよりも、本発明は、電気コネクタ自体の設計を最適化しようとするものである。鉛フリーはんだを使用するグレイジングでは、応力の発生がより問題である。従って、鉛フリーはんだで構成するときのガラス内の応力が、鉛含有はんだを用いて構成したときに見られるレベルに接近するように、電気コネクタの設計を最適化する必要がある。
【0027】
本発明によれば、電気コネクタの設計を最適化して、コネクタを取り付けるグレイジング材の内部における応力による疵の発生を最小化するのに、以下の2つの特徴事項が考えられる。
a)コネクタを形成する金属の厚さt、及び
b)コネクタブリッジ部分の高さh。
【0028】
[金属の厚さ]
金属の厚さの影響を判断するために、公称の厚さ0.5mm及びlmmを有する銅の条片と1mmの高さのブリッジから形成した複数のコネクタ標本を、厚さ4mmの平坦なガラス標本にはんだ付けした。実際のグレイジングへとはんだ付けしたコネクタに対する応力を測定するのが可能ではなかったので、各テストは、平坦なガラス標本に取り付けたコネクタに対して行った。次に、2つの金属の厚さにおける応力のふるまいを測定した。この測定は、測定した応力値が対応して低くなる従来からのコネクタのふるまいに対する指針として用いた。図7は、各々が異なる厚さを有する種々の金属コネクタに対して、バビネ補償板を用いて図6bに示すスケールに沿って測定したガラスのプライの内部における応力の変化を示す図である。使用したはんだは、42重量%の錫、57重量%のビスマス、及び1重量%の銀からなる(これは、7 Newmarket Court、Kingston、Milton Keynes、MK100AGのIndium社(英国)から利用可能である)。この応力測定は、はんだ付け工程直後、及びはんだ付け工程から24時間後に行った。また、各標本は、各測定間で室温を維持している。
【0029】
図7は、はんだ付け工程直後、及びはんだ付け工程から24時間後におけるコネクタ標本の長さに沿った応力を示す図である。はんだ付け工程後では、標本内部の応力は、弛緩化し始め、最終的に安定した値に達するまで減少する。図8に示すように、0.5mm厚さの材料の場合の応力測定値は、はんだ付け工程直後、及びはんだ付け工程から24時間経過した後の双方に対して低くなった。この結果から、コネクタを形成する金属の厚さは、構造的なインテグリティを維持しながら、できるだけ薄くすべきであると判断することができる。従って、tは、0.1mmから1mm以下の範囲にするのが好適であり、0.1mmから0.5mm以下の範囲にするのがより好適である。
【0030】
[コネクタブリッジの高さ]
図8a、図8b、図8c、及び図8dは、図6bに示すように、バビネ補償板を用いて異なるブリッジの高さを有する4つのコネクタに対して測定した、コネクタに沿ったガラスのプライにおける応力を示す一連のグラフである。鉛含有はんだは、25重量%の錫と、62重量%の鉛と、3重量%の銀と、10重量%のビスマスとからなる合成物であり、上述したように、この鉛含有はんだ(ドイツ国、Gutleutstrasses 215、 PO Box 110403、D60039、Frankfurt−am−MainのFerro AGから入手される銀含有インキSP1876)は、4mm厚さの平坦なフロートガラスにおいて、(ニュージーランド国、Fregatweg 38、6222 NZ MaastrichtのJohnson Matthey社から入手されるブラックセラミックインキIT57M202を使用して印刷された)掩蔽バンドに印刷されたバスバーに、コネクタをはんだ付けするのに用いた。
【0031】
上述したように、ブリッジhの高さは、ブリッジの底面とコネクタ脚の付け根までの間の距離として規定される。図7aは、0.5mmの高さのブリッジに対する応力を示しており、図7bは、1.0mmの高さのブリッジに対する応力を示しており、図7cは、1.5mmの高さのブリッジに対する応力を示しており、図7dは、2.0mmの高さのブリッジに対する応力を示している。従って、ブリッジの高さを大きくするほど、グレイジング材の応力は減少する。ブリッジの高さの望ましい範囲は1.0mm〜5.0mmであり、この範囲の上限は、コネクタの供給やスペースの制約を含む因子によって制約されるに過ぎない。
【0032】
また、同じ関係(即ち、ブリッジの高さの増大によって応力が減少する関係)が、鉛フリーはんだに対しても予想することができる。表1のパラメータを用いて行ったモデル化は、鉛フリーはんだを用いて、種々のブリッジの高さの標本における応力のふるまいを確認するのに用いた。
【0033】
【表1】
【0034】
銅の厚さは、公称値で0.8mmとし、ガラスの厚さ(平坦なガラス)は、4mmとし、はんだの厚さは、3mmとした。はんだの形式は指定しなかった。一般的な熱特性及び機械的特性をモデル化処理に用いた。温度変化は、250℃とした。表2に示すように、3つの異なるブリッジの高さから生じる応力を測定した。
【0035】
【表2】
【0036】
繰り返すが、ブリッジ部分の高さが上がるのに従って応力は低下すると述べたことは、リード含有はんだに対する上述の実験結果と同じ結論となっている。従って、鉛フリーはんだの場合、ブリッジの高さhを1.0mmから5.0mmの範囲にするのが好適であり、この範囲の上限は、コネクタの供給やスペースの制約を含む因子によって制約されるに過ぎない。コネクタを1枚の平坦なフロートガラスに取り付けられるときに測定する応力が最大でも12MPaとするのが好適である。上述のモデル化した結果から、このときのブリッジの高さは、約4.7mmとなる。
【0037】
電気コネクタの設計を最適化するために、金属の厚さ又はブリッジの高さのうち少なくとも1つを用いて、はんだの領域におけるガラス内の応力による疵の発生を最小化することができる。金属の厚さ及びブリッジの高さの双方を、共に最適化するのが好適である。これらの各々を変更して最適化することによって、鉛フリーはんだに関するTピース設計を行うことが可能となり、ガラス内の応力レベルを鉛含有はんだで構成した場合に生じるものと同等か、もしくはより改善したものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】電気コネクタを取り付けたグレイジングの斜視図(寸法的には厳密でない)である。
【図2】図1で用いる電気コネクタの斜視図(寸法的には厳密でない)である。
【図3】図1のコネクタ部分の概要的な断面図である。
【図4】ガラスのプライの表面における応力による疵から生じるひびの断面図で示す写真である。
【図5】ひびに従って剥離させたガラスのプライの表面の領域における平面図である。
【図6a】ガラスのプライの応力が、ガラスにはんだ付けしたコネクタの長さに沿って如何に変化するかを示す図である。
【図6b】図6a、図7、及び図8a〜図8dに示すスケールの概略図である。
【図7】はんだ付け工程直後、及びはんだ付け工程から24時間後の種々のコネクタ標本の長さに沿った応力を示す図である。
【図8a】異なるコネクタブリッジの高さに対するガラスのプライにおける応力の変化を示す図である。
【図8b】異なるコネクタブリッジの高さに対するガラスのプライにおける応力の変化を示す図である。
【図8c】異なるコネクタブリッジの高さに対するガラスのプライにおける応力の変化を示す図である。
【図8d】異なるコネクタブリッジの高さに対するガラスのプライにおける応力の変化を示す図である。
Claims (10)
- グレイジング材のプライに取り付けられた導電性の銀含有インキから形成される第1導電コンポーネントと、鉛フリーはんだによって前記第1導電コンポーネントに結合された電気コネクタとを有するグレイジング材のプライを備えるグレイジングであって、前記電気コネクタは、厚さtを有する銅の条片であって、ブリッジ部分によって連結された第1コネクタ脚と第2コネクタ脚とを備える銅の条片から形成され、前記ブリッジ部分は、各コネクタ脚の底面から上方に高さhの位置にあり、前記tは、0.1mmから1.0mm以下の範囲にあり、前記hは、1.0mmから5.0mmまでの範囲にあり、前記t又はhのうちの少なくとも一方は、前記グレイジング材における応力による疵の発生を最小にするように選定されるとともに、前記電気コネクタが1枚の平坦なガラスに取り付けられる場合に、前記t及び前記hが達成する最大応力が12MPa以下となるように選定されていることを特徴とする、グレイジング。
- 前記t及び前記hは、前記グレイジング材における応力による疵の発生を最小にするように選定されていることを特徴とする、請求項1に記載のグレイジング。
- 前記第1導電コンポーネントをバスバーとしたことを特徴とする、請求項1又は2に記載のグレイジング。
- 前記グレイジング材のプライの表面のその周縁の周りに、焼成インキバンドを印刷したことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のグレイジング。
- 前記第1導電コンポーネントの少なくとも一部は、前記焼成インキバンドに設けられていることを特徴とする、請求項4に記載のグレイジング。
- 前記グレイジング材は、強化ガラスのプライとし、応力による疵自体が対応するガラスの領域にて焼成インキバンドの水疱として現れることを特徴とする、請求項5に記載のグレイジング。
- 前記グレイジング材は、アニール処理したガラスのプライとし、応力による疵自体がガラスのプライにて1つ以上のひびとして現れることを特徴とする、請求項6に記載のグレイジング。
- 応力による疵自体は、前記第1の導電コンポーネントと前記電気コネクタとの間の界面における構造上の欠陥として現れることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のグレイジング。
- 前記電気コネクタをTピースコネクタとしたことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のグレイジング。
- 前記グレイジングを自動車用グレイジングとしたことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載のグレイジング。
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