JP5659274B1 - 金属導体と金属端子の接続方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属導体と金属端子の間の接続抵抗を低下させると共に、長期間に亘って低接続抵抗を維持することが可能な金属導体と金属端子の接続方法を提供する。【解決手段】金属導体１１の端部を金属端子１２の圧着部１３に挿入し、かしめ接合に併用して接合部に超音波振動を印加し又はかしめ接合後に接合部に超音波振動を印加する金属導体と金属端子の接続方法において、金属導体１１は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線１４を有し、しかも、素線１４は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、金属導体と、金属導体とは異種の金属を用いて形成された金属端子との間の接続抵抗を低下させると共に、長期に亘って低接続抵抗を維持する金属導体と金属端子の接続方法に関する。
例えば、自動車用のワイヤハーネスの電線をアルミニウムやアルミニウム合金を用いて形成した場合、電線の表面には電気抵抗の大きい酸化被膜が強固に生成しているため、銅製の端子を電線に圧着して接続した際の接続抵抗が大きくなるという問題が生じる。このため、電線と接触する端子の圧着部の内面に鋸歯状の微細突起を設け、圧着時に圧着部の微細突起を電線の表面に押し当てて酸化被膜を破壊することで、電線表面と端子の圧着部とが直接接触するようにして、電線と端子との間の接続抵抗の増大を防止している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、鋸歯状の微細突起を圧着時に電線の表面に押し当てて酸化被膜を破壊する方法では、電線と端子を接続する度に電線表面と端子の圧着部との直接接触状態の生成を常に一定割合で再現することは困難で、電線と端子との間の接続抵抗のばらつきが大きく、長期信頼性も銅製の電線と銅製の端子の接続の場合に比較して著しく劣るという問題がある。また、端子の圧着部の内面に鋸歯状の微細突起を設けて電線との接続性を改良した場合でも、電気的腐食を起こしやすいため、ワイヤハーネスでは完全に水密防水コネクタを取り付けるなど、万全の態勢をとる必要がある。それでも、振動や屈曲など応力集中が発生する環境下では、電線に対する腐食速度が加速し物理的破損が発生し易くなるという問題がある。更に、自動車用電線は、使用時の温度変動（ジュール熱の発生により１００℃前後の温度になる）に伴う熱履歴（膨張と収縮）が長期間繰り返されることから、例えば、使用中に端子の圧着部に緩みが発生し、長期間に亘り接続信頼性を確保することが困難になるという問題がある。
ここで、電線が素線を用いた撚り線の場合、端子と撚り線との間の接続抵抗は、端子と端子に直接接触する素線との間の接触抵抗、端子に接触する素線とそれ以外の素線（素線群）との間の接触抵抗、及び素線群内の接触抵抗の影響を受ける。そして、端子の圧着部の内面に微細突起を設けても、接触抵抗の低下が期待できるのは、端子と端子に直接接触する素線との間の接触抵抗であって、端子と撚り線との間の接続抵抗の低下には大きく寄与しない。特に、素線の線径が、例えば、２５〜５００μｍ程度と細径になると、撚り線の径が同一でも素線の本数が増えるため、素線同士の接触の回数が増加し、端子と撚り線との間の接続抵抗が増加するという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、金属導体と、金属導体とは異種の金属を用いた端子との間の接続抵抗を低下させると共に、長期に亘って低接続抵抗を維持することが可能な金属導体と金属端子の接続方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る金属導体と金属端子の接続方法は、金属導体の端部と金属端子の接続方法において、
前記金属導体は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線を有し、しかも、前記素線は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成され、
前記金属導体の端部を前記金属端子の圧着部に挿入し、かしめ接合後に前記金属導体と前記金属端子の接合部に超音波振動を印加する際に、前記接合部に与える超音波振動の印加時間を調節して、前記金属端子から前記接合部を除いた残りの領域を５０〜２５０℃の温度に少なくとも０．１秒間保持する。
前記金属導体は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線を有し、しかも、前記素線は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成され、
前記金属導体の端部を前記金属端子の圧着部に挿入し、かしめ接合後に前記金属導体と前記金属端子の接合部に超音波振動を印加する際に、前記接合部に与える超音波振動の印加時間を調節して、前記金属端子から前記接合部を除いた残りの領域を５０〜２５０℃の温度に少なくとも０．１秒間保持する。
ここで、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上で耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金は、アルミニウムに、例えば、マグネシウム、鉄、ジルコニウム、クロム等を所定範囲で添加することにより作製することができる。
また、金属導体が複数の素線を撚って形成した撚り線である場合、長さが一定の撚り線の電気抵抗は撚り線の断面積に反比例するため、金属導体の導電率が５０％ＩＡＣＳ未満となると、撚り線の断面積を増加させること、即ち、撚り線の大径化が必要になり、撚り線（ケーブル）の筐体等への収納性が極端に悪化し、実質的に使用できなくなる。このため、アルミニウム基合金の導電率を５０％ＩＡＣＳ以上と規定して、撚り線の断面積増加を抑制する。そして、素線の線径を２５μｍ以上５００μｍ以下としたのは、例えば、ロボット用ケーブルとして使用できる十分な柔軟性及び耐屈曲性を有するケーブルの実現と、生産性の確保を両立させるためである。
また、金属導体が複数の素線を撚って形成した撚り線である場合、長さが一定の撚り線の電気抵抗は撚り線の断面積に反比例するため、金属導体の導電率が５０％ＩＡＣＳ未満となると、撚り線の断面積を増加させること、即ち、撚り線の大径化が必要になり、撚り線（ケーブル）の筐体等への収納性が極端に悪化し、実質的に使用できなくなる。このため、アルミニウム基合金の導電率を５０％ＩＡＣＳ以上と規定して、撚り線の断面積増加を抑制する。そして、素線の線径を２５μｍ以上５００μｍ以下としたのは、例えば、ロボット用ケーブルとして使用できる十分な柔軟性及び耐屈曲性を有するケーブルの実現と、生産性の確保を両立させるためである。
かしめ接合後に超音波振動を印加すると、素線の温度が上昇するので、超音波振動エネルギーを素線の端部間に効率的に伝達すること（条件１）ができると共に、素線に圧着部を介して負荷される高い締め付け力が維持される（条件２）ためには、素線が塑性変形し難い特性を有することが必要になる。また、素線に高い締め付け力が負荷された下で、素線に電流を流してジュール熱により素線の温度が上昇しても、素線と圧着部の間に緩みが発生しない（条件３）ようにするには、素線が塑性変形し難い特性を有することが必要になる。そこで、素線の塑性変形し難い特性を圧縮クリープの変形率（耐クリープ性）として評価することにして、素線の温度、素線に負荷される締め付け力（圧縮応力）、及び素線の温度上昇の期間をパラメータとした際の変形率と条件１〜３の成立有無との関係を求めた。その結果、素線の温度が１１０℃で、素線に１２０ＭＰａの圧縮応力が５時間負荷された際の変形率が１％以下であれば、条件１〜３が全て満たされることが実験から判明した。このため、素線の耐クリープ性の評価基準を、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下とした。
超音波振動が印加されて素線と擦れ合う金属端子側の接合部の温度を直接測定することは困難であるため、例えば、イメージセンサ、赤外線カメラ等の温度測定手段で測定が可能な領域（金属端子から接合部を除いた残りの領域）を温度測定の対象領域に設定する。超音波振動が印加されて接合部と素線が擦れ合うと、接合部の温度は２５０℃を超えるが、発生した熱は素線を介して外部に流出させることができるので、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度は２５０℃以下に保持できる。
ここで、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度を５０℃以上にすることにより、接合部の温度を、接合部の界面において金属元素（金属端子と素線をそれぞれ形成している元素）の拡散が十分に進行可能となる温度に保つことができる。また、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度を２５０℃以下とすることにより、素線を形成している結晶粒の粒成長を抑制することができる。そして、金属端子から接合部を除いた残りの領域を５０℃以上２５０℃以下の温度範囲に少なくとも０．１秒間保持することにより、金属元素に、拡散に必要な熱エネルギーを供給することができる。
本発明に係る金属導体と金属端子の接続方法において、前記アルミニウム基合金（素線）には、１ｎｍ以上９９９ｎｍ以下の粒径のナノ粒子が０．１質量％以上１０質量％以下含有されていることが好ましい。
ここで、ナノ粒子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノ粒子、シリコンナノ粒子、遷移金属ナノ粒子、アルミニウムとの化合物からなる化合物ナノ粒子、アルミニウムの酸化物からなる酸化物ナノ粒子、又はアルミニウムの窒化物からなる窒化物ナノ粒子のいずれか１である。
ナノ粒子の粒径を１ｎｍ以上とするのは、巨視的な応力変形に対抗して微視的な粒内破壊や粒界破壊を防ぐためであり、粒径を９９９ｎｍ以下とするのは、主たる結晶の粒内、粒界への不均一な応力集中を防ぐためである。また、ナノ粒子の含有量を０．１質量％以上とするのは、微視的な粒内破壊や粒界破壊を防ぐためであり、含有量を１０質量％以下とするのは、主たる結晶の粒内、粒界への不均一な応力集中を防ぐためである。
ナノ粒子の粒径を１ｎｍ以上とするのは、巨視的な応力変形に対抗して微視的な粒内破壊や粒界破壊を防ぐためであり、粒径を９９９ｎｍ以下とするのは、主たる結晶の粒内、粒界への不均一な応力集中を防ぐためである。また、ナノ粒子の含有量を０．１質量％以上とするのは、微視的な粒内破壊や粒界破壊を防ぐためであり、含有量を１０質量％以下とするのは、主たる結晶の粒内、粒界への不均一な応力集中を防ぐためである。
本発明に係る金属導体と金属端子の接続方法においては、金属導体が、耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成されているので、かしめ接合の締め付け力が作用する環境下で、超音波振動が印加されて素線の温度が上昇しても、素線の塑性変形を抑制することができ、超音波振動エネルギーを素線に効率的に伝達することができる。これにより、素線の端部同士を擦り合せ、素線の端部の表層に存在する酸化被膜を確実に除去することができ、各素線の端部に清浄面を出現させることができる。このため、各素線は清浄面を介して直接接触することができ、素線間の接触抵抗を低減することができる。ここで、素線の清浄面同士の擦り合せにより温度が上昇すると、素線同士の界面で熱拡散が起こり拡散接合が形成されるため、素線間の接触抵抗が更に低減する。また、素線の端部と圧着部が擦れ合うことで、素線の端部に出現した清浄面と圧着部に出現した清浄面が直接接触することができ、素線と金属端子（圧着部）の接触抵抗を低減することができる。そして、素線の端部と圧着部の擦り合せにより温度が上昇すると、素線と圧着部の界面で熱拡散が起こり合金層が形成されるため、素線と金属端子の間の接触抵抗が更に低減すると共に、強固な接続が形成される。
そして、使用時には、発生するジュール熱による温度変動に伴う熱履歴（膨張と収縮）が長期間に亘り繰り返されても、かしめ接合の締め付け力に伴う素線の変形を抑制することができ、金属導体と金属端子間に緩みが発生することを防止できる。その結果、金属導体と金属端子間の低接続抵抗が長期間に亘り維持でき、長期の接続信頼性を確保することが可能になる。
そして、使用時には、発生するジュール熱による温度変動に伴う熱履歴（膨張と収縮）が長期間に亘り繰り返されても、かしめ接合の締め付け力に伴う素線の変形を抑制することができ、金属導体と金属端子間に緩みが発生することを防止できる。その結果、金属導体と金属端子間の低接続抵抗が長期間に亘り維持でき、長期の接続信頼性を確保することが可能になる。
本発明に係る金属導体と金属端子の接続方法において、金属端子から接合部を除いた残りの領域を５０〜２５０℃の温度に少なくとも０．１秒間保持するように、接合部に超音波振動を印加するので、素線に形成される清浄面と金属端子に形成される清浄面との界面で熱拡散を生じさせて合金層を形成することができると共に、金属導体（素線）の塑性変形が抑制されて、かしめ接合の締め付け力の低下を防止することができる。その結果、金属導体と金属端子の間に強固な接続が可能になる。
本発明に係る金属導体と金属端子の接続方法において、アルミニウム基合金に、１ｎｍ以上９９９ｎｍ以下の粒径のナノ粒子が０．１質量％以上１０質量％以下含有されている場合、金属導体（素線）において応力集中が起き難く、応力腐食割れ等の発生を抑制することができる。更に、電気化学的にも耐腐食性を高めることができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法は、図１に示すように、金属導体の一例であり、電線１０の端部に露出している撚り線１１の端部を金属端子１２の圧着部１３に挿入し、圧着部１３に外部から荷重を加えて撚り線１１の端部を圧着部１３で締め付けるかしめ接合に併用して、撚り線１１と金属端子１２（圧着部１３）の接合部に超音波振動を印加している。なお、超音波振動は、図示しない超音波発振子で発生させてウエーブガイド（図示せず）を介して接合部に印加する。ここで、撚り線１１は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線１４を用いて構成され、しかも、素線１４は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成されている。以下、詳細に説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法は、図１に示すように、金属導体の一例であり、電線１０の端部に露出している撚り線１１の端部を金属端子１２の圧着部１３に挿入し、圧着部１３に外部から荷重を加えて撚り線１１の端部を圧着部１３で締め付けるかしめ接合に併用して、撚り線１１と金属端子１２（圧着部１３）の接合部に超音波振動を印加している。なお、超音波振動は、図示しない超音波発振子で発生させてウエーブガイド（図示せず）を介して接合部に印加する。ここで、撚り線１１は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線１４を用いて構成され、しかも、素線１４は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成されている。以下、詳細に説明する。
導電率が５０％ＩＡＣＳ以上である耐クリープ性の高いアルミニウム基合金は、アルミニウムに、例えば、マグネシウム、鉄、ジルコニウム、クロム等の合金化金属を添加して鋳造することにより作製される。
マグネシウム系のアルミニウム基合金の場合、マグネシウムの添加量は０．１質量％以上１質量％以下の範囲であり、導電率は５５〜６２％ＩＡＣＳとなる。そして、マグネシウムがアルミニウム基合金組織内でアルミニウム結晶粒中に固溶するために耐クリープ性が向上する。例えば、マグネシウムを０．５質量％添加したアルミニウム基合金では、導電率は５９％ＩＡＣＳとなり、このアルミニウム基合金から作製した厚さ５ｍｍの板材にボルト占め付けにより１２０ＭＰａの定圧荷重を１１０℃の雰囲気中で５時間保持し、冷却後の板材の厚さ変化率（変形率）の測定値から耐クリープ性を評価（厚さ変化率が１％以下となるときを十分高い耐クリープ性と判定）した場合、厚さ変化率は０．５％となって十分高い耐クリープ性を示す。
鉄系のアルミニウム基合金の場合、鉄の添加量は０．２質量％以上１質量％以下の範囲であり、導電率は６０〜６２％ＩＡＣＳとなる。そして、鉄がアルミニウム基合金組織内でアルミニウム結晶粒中に固溶するために耐クリープ性が向上する。例えば、鉄を０．６質量％添加したアルミニウム基合金では、導電率は５８％ＩＡＣＳとなり、マグネシウム系のアルミニウム基合金の場合と同様に耐クリープ性を評価すると、厚さ変化率は０．１％となって十分高い耐クリープ性を示す。
ジルコニウム系のアルミニウム基合金の場合、ジルコニウムの添加量は０．１質量％以上０．５質量％以下の範囲であり、導電率は５３〜５９％ＩＡＣＳとなる。そして、ジルコニウムがアルミニウム基合金組織内でアルミニウム結晶粒中に固溶するために耐クリープ性が向上する。例えば、ジルコニウムを０．３質量％添加したアルミニウム基合金では、導電率は５６％ＩＡＣＳとなり、マグネシウム系のアルミニウム基合金の場合と同様に耐クリープ性を評価すると、厚さ変化率は０．２％となって十分高い耐クリープ性を示す。
更に、アルミニウム基合金には、１ｎｍ以上９９９ｎｍ以下の粒径のナノ粒子が０．１質量％以上１０質量％以下含有されているのがよい。ここで、ナノ粒子は、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノ粒子、シリコンナノ粒子、遷移金属ナノ粒子（例えば、金ナノ粒子）、アルミニウムとの化合物（金属間化合物）からなる化合物ナノ粒子、アルミニウムの酸化物からなるアルミナナノ粒子、又はアルミニウムの窒化物からなる窒化アルミニウムナノ粒子のいずれか１である。なお、ナノ粒子は、アルミニウム基合金の結晶粒界及び結晶粒内のいずれか一方又は双方に存在する。
アルミニウムにスカンジウムを０．１質量％以上１質量％以下の範囲で添加すると、スカンジウムはアルミニウム基合金組織内で（アルミニウム結晶粒の粒界に）ナノ粒子（Ａｌ３Ｓｃ）を形成して存在し、導電率は５８〜６２％ＩＡＣＳとなる。例えば、スカンジウムを０．３質量％添加すると、導電率は６１％ＩＡＣＳとなり、マグネシウム系のアルミニウム基合金の場合と同様に耐クリープ性を評価すると、厚さ変化率は０．２％となって十分高い耐クリープ性を示す。
アルミニウム基合金中にナノ粒子を存在させることにより、電線１０（撚り線１１）に振動や屈曲等が作用して、電線１０（撚り線１１）内の特定部位に応力が発生しても、特定部位に存在するナノ粒子により発生する応力が分散され、応力集中が起き難くなる。その結果、応力腐食割れに対する抵抗が向上し、応力作用下における電気化学的な腐食（劣化）に対する耐腐食性も高くなる。
圧着部１３又は撚り線１１の例えば、表面（外側）から超音波振動を印加して、撚り線１１の端部と圧着部１３の接合部に超音波振動を与えると、撚り線１１を構成している素線１４の端部同士が擦れ合うと共に、素線１４の端部と圧着部１３の内面が擦れ合って、素線１４の端部の表層及び圧着部１３の内面にそれぞれ存在する酸化被膜が除去され、清浄面が形成される。更に、摩擦熱の発生により、素線１４の端部と圧着部１３の温度が上昇する。ここで、擦れ合っている素線１４及び圧着部１３のそれぞれの表層部の温度は拡散接合が可能な温度範囲にまで上昇するが、摩擦熱は素線１４及び圧着部１３を介して外部に流出させることができるので、超音波振動の印加時間を調節することにより、金属端子１２から接合部を除いた残りの領域を５０〜２５０℃の温度に少なくとも０．１秒間保持することができる。
その結果、素線１４に形成される清浄面と金属端子１２の圧着部１３に形成される清浄面との界面で熱拡散を生じさせて合金層を形成することができると共に、素線１４の塑性変形が抑制されて、かしめ接合の締め付け力の低下を防止することができる。その結果、撚り線１１（素線１４）と金属端子１２の圧着部１３の間に強固な接続が可能になる。更に、金属端子１２から接合部を除いた残りの領域を２５０℃以下に保持することにより、素線１４を構成している結晶粒の粒成長を抑制することができ、素線１４の強度低下、疲労破壊抵抗の低下等を防止することができる。
撚り線１１の端部及び圧着部１３に超音波振動を印加する場合、超音波振動の振動方向に制約はなく、超音波振動の振動方向は、撚り線１１の長手方向と平行にしても、撚り線１１の長手方向と直交させても、又は撚り線１１の長手方向と傾斜させてもよい。
超音波振動の振動数は、例えば、３９．５ｋＨｚである。また、印加する超音波振動のエネルギーは５ジュール以上５０００ジュール以下であり、エネルギーが５ジュール未満では素線の酸化被膜を破る効果が十分でなく、５０００ジュールを超えると圧着部１３を含む金属端子１２の過剰発熱を誘発するだけでなく、印加時間の調節も困難となるため好ましくない。
超音波振動の印加時間は、撚り線１１の外径、撚り線１１を構成している素線１４の本数、素線１４を形成しているアルミニウム基合金の組成、クリンプハイト（接続後の金属端子１２の高さ）、撚り線１１を被覆する絶縁材料１５の材質等により適宜決定するが、例えば、超音波振動のエネルギーが５ジュール以上５０００ジュール以下の範囲では、０．１〜５秒の間で選定される。
なお、金属端子１２の材質に制約はなく、金属端子１２の母材には、例えば、銅又は銅合金を使用することができる。更に、母材表面に金、錫、ニッケル、又はクロム等の金属めっきを施してもよい。
超音波振動の振動数は、例えば、３９．５ｋＨｚである。また、印加する超音波振動のエネルギーは５ジュール以上５０００ジュール以下であり、エネルギーが５ジュール未満では素線の酸化被膜を破る効果が十分でなく、５０００ジュールを超えると圧着部１３を含む金属端子１２の過剰発熱を誘発するだけでなく、印加時間の調節も困難となるため好ましくない。
超音波振動の印加時間は、撚り線１１の外径、撚り線１１を構成している素線１４の本数、素線１４を形成しているアルミニウム基合金の組成、クリンプハイト（接続後の金属端子１２の高さ）、撚り線１１を被覆する絶縁材料１５の材質等により適宜決定するが、例えば、超音波振動のエネルギーが５ジュール以上５０００ジュール以下の範囲では、０．１〜５秒の間で選定される。
なお、金属端子１２の材質に制約はなく、金属端子１２の母材には、例えば、銅又は銅合金を使用することができる。更に、母材表面に金、錫、ニッケル、又はクロム等の金属めっきを施してもよい。
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法の作用について説明する。
第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法においては、電線１０の端部に露出している撚り線１１の端部に超音波振動を印加して素線１４の端部同士を擦り合せて、素線１４の端部の表層に存在する酸化被膜を除去することができるので、各素線１４の端部に清浄面を出現させることができる。このため、各素線１４の端部は清浄面を介して直接接触することができ、素線１４の端部間の接触抵抗を低減させることができる。そして、素線１４の端部に表れた清浄面同士の擦り合せにより温度が上昇すると、素線１４の端部同士の界面で熱拡散が起こり拡散接合が形成される。これにより、素線１４の端部間の接触抵抗が更に低減する。
第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法においては、電線１０の端部に露出している撚り線１１の端部に超音波振動を印加して素線１４の端部同士を擦り合せて、素線１４の端部の表層に存在する酸化被膜を除去することができるので、各素線１４の端部に清浄面を出現させることができる。このため、各素線１４の端部は清浄面を介して直接接触することができ、素線１４の端部間の接触抵抗を低減させることができる。そして、素線１４の端部に表れた清浄面同士の擦り合せにより温度が上昇すると、素線１４の端部同士の界面で熱拡散が起こり拡散接合が形成される。これにより、素線１４の端部間の接触抵抗が更に低減する。
また、素線１４の端部と圧着部１３が擦れ合って、圧着部１３にも清浄面を出現させることができ、素線１４の清浄面と圧着部１３の清浄面の直接接触により、素線１４と圧着部１３との間の接触抵抗を低減させることができる。そして、素線１４の清浄面と圧着部１３の清浄面の温度が上昇すると、素線１４と圧着部１３との界面で熱拡散が起こり合金層が形成され、強固な接続を形成することが可能になる。その結果、素線１４の端部と圧着部１３（金属端子１２）との接続抵抗を低減することが可能になる。
ここで、素線１４が、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上の耐クリープ性の高い（温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下である）アルミニウム基合金で形成されているので、素線１４の端部の温度が上昇しても素線１４は塑性変形し難く、超音波振動エネルギーを撚り線１１（素線１４）の端部間に効率的に伝達することができる。これにより、酸化被膜の除去、素線１４の端部同士の拡散接合、素線１４と圧着部１３との界面における合金層の形成を促進することができると共に、圧着部１３に外部から荷重を加えて撚り線１１の端部を圧着部１３で締め付けても、素線１４の端部の変形が抑制され、圧着部１３を介して撚り線１１の端部に高い締め付け力を負荷することができる。その結果、撚り線１１の端部に圧着部１３を強固にかしめ接続することができる。
更に、素線１４を形成しているアルミニウム基合金が高い耐クリープ性を有しているので、圧着部１３により撚り線１１に高い締め付け力が負荷される条件下で、電線１０の使用時に発生するジュール熱により撚り線１１（素線１４）の温度が上昇しても、撚り線１１（素線１４）の変形を抑制することができる。これにより、撚り線１１と圧着部１３間に緩みが発生することを防止でき、撚り線１１と圧着部１３との間の低接続抵抗が長期間に亘り維持でき、長期間の接続信頼性を維持することが可能になる。
本発明の第２の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法は、第１の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法と比較して、撚り線１１の端部を圧着部１３に挿入し、かしめ接合後に接合部に超音波振動を印加することが特徴となっている。このため、撚り線１１の端部に金属端子１２をかしめ接続する方法に関する説明は省略し、本発明の第２の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法の作用についてのみ説明する。
第２の実施の形態に係る金属導体と金属端子の接続方法においては、電線１０の端部に露出している撚り線１１の端部に圧着部１３をかしめ接続した後に、撚り線１１の端部及び圧着部１３に超音波振動を印加するので、撚り線１１の外周部に存在する素線１４の端部と圧着部１３の内面が擦れ合って、素線１４の端部の表層に存在する酸化被膜が除去されて清浄面が出現し、圧着部１３の内面にも清浄面が出現する。また、撚り線１１を構成している素線１４の端部同士も擦り合って、素線１４の端部の表層に存在する酸化被膜を除去されて清浄面が出現する。
その結果、各素線１４の端部は清浄面を介して直接接触することができ、素線１４の端部間の接触抵抗を低減させることができる。そして、素線１４の端部に表れた清浄面同士の擦り合せにより温度が上昇すると、素線１４の端部同士の界面で熱拡散が起こり拡散接合が形成される。これにより、素線１４の端部間の接触抵抗が更に低減する。また、素線１４の清浄面と圧着部１３の清浄面の直接接触により、素線１４と圧着部１３との間の接触抵抗を低減させることができる。そして、素線１４の清浄面と圧着部１３の清浄面の温度が上昇すると、素線１４と圧着部１３との界面で熱拡散が起こり合金層が形成され、強固な接続を形成することが可能になる。
ここで、素線１４が、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上の耐クリープ性の高いアルミニウム基合金で形成されているので、素線１４の端部の温度が上昇しても素線１４は変形し難く、超音波振動エネルギーを撚り線１１（素線１４）の端部間に効率的に伝達することができる。これにより、酸化被膜の除去、素線１４の端部同士の拡散接合、素線１４と圧着部１３との界面における合金層の形成を促進することができると共に、圧着部１３を介して撚り線１１の端部が高い締め付け力で締め付けられていても、素線１４の端部の変形が抑制でき、かしめ接続当初の高い締め付け力を維持することができる。その結果、撚り線１１の端部と圧着部１３を強固にかしめ接続することができる。
更に、素線１４を形成しているアルミニウム基合金が高い耐クリープ性を有しているので、圧着部１３により撚り線１１に高い締め付け力が負荷される条件下で、電線１０の使用時に発生するジュール熱により撚り線１１（素線１４）の温度が上昇しても、撚り線１１（素線１４）の変形を抑制することができる。これにより、撚り線１１と圧着部１３間に緩みが発生することを防止でき、撚り線１１と圧着部１３との間の低接続抵抗が長期間に亘り維持でき、長期間の接続信頼性を維持することが可能になる。
（実施例１）
純度９９．９％のアルミニウムに、鉄を０．６質量％添加してアルミニウム基合金のインゴットを鋳造した。得られたアルミニウム基合金の導電率は５８％ＩＡＣＳであった。また、アルミニウム基合金から作製した試験片を用いて耐クリープ性を評価すると、厚さ変化率は０．２％であった。なお、比較のため、純度９９．９％のアルミニウムのインゴットから同様の試験片を作製し、同様の評価を行うと厚さ変化率は８５％であった。従って、鉄を添加して鋳造したアルミニウム基合金は、高い耐クリープ性を有することが確認できた。
純度９９．９％のアルミニウムに、鉄を０．６質量％添加してアルミニウム基合金のインゴットを鋳造した。得られたアルミニウム基合金の導電率は５８％ＩＡＣＳであった。また、アルミニウム基合金から作製した試験片を用いて耐クリープ性を評価すると、厚さ変化率は０．２％であった。なお、比較のため、純度９９．９％のアルミニウムのインゴットから同様の試験片を作製し、同様の評価を行うと厚さ変化率は８５％であった。従って、鉄を添加して鋳造したアルミニウム基合金は、高い耐クリープ性を有することが確認できた。
アルミニウム基合金のインゴットから作製した線径１８０μｍの素線を用いて、線径が０．８１ｍｍの撚り線を作製し、得られた撚り線の端部に銅製の金属端子を、３段階に設定したクリンプハイトが得られるようにプレス圧２トンの圧接機の締め付け力をアプリケーターで調節してかしめ接続した。一般に、クリンプハイトの設定値が小さくなるに従い接続抵抗は向上するが、過度なかしめは端子引張強度を損なう結果となるため最適な設定が必要となる。次いで、撚り線の端部と銅製の金属端子に超音波振動（振動数３９．５ｋＨｚ、超音波振動エネルギー５０ジュール）を０．３秒印加した後、撚り線と金属端子間の接続抵抗及び端子引張強度をそれぞれ測定したところ次の結果が得られた。
（１）クリンプハイトが０．８ｍｍの場合、平均接続抵抗は２．０±０．４ｍΩ、端子引張強度は５０Ｎ
（２）クリンプハイトが０．９ｍｍの場合、平均接続抵抗は１．８±０．５ｍΩ、端子引張強度は６５Ｎ
（３）クリンプハイトが１．０ｍｍの場合、平均接続抵抗は２．０±０．５ｍΩ、端子引張強度は７０Ｎ
（２）クリンプハイトが０．９ｍｍの場合、平均接続抵抗は１．８±０．５ｍΩ、端子引張強度は６５Ｎ
（３）クリンプハイトが１．０ｍｍの場合、平均接続抵抗は２．０±０．５ｍΩ、端子引張強度は７０Ｎ
（比較例１）
アルミニウム基合金のインゴットから作製した線径１８０μｍの素線を用いて、線径が０．８１ｍｍの撚り線を作製し、得られた撚り線の端部に銅製の金属端子を、３段階に設定したクリンプハイトが得られるようにアプリケーターで調節してかしめ接続した。
設定した締め付け力（かしめ強さ）でかしめ接続し、撚り線と金属端子間の接続抵抗を測定したところ下記の結果が得られた。そして、撚り線と金属端子間の接続抵抗は、クリンプハイトに依存し、クリンプハイトが大きいと接続抵抗及びバラツキが共に増大する結果となった。
アルミニウム基合金のインゴットから作製した線径１８０μｍの素線を用いて、線径が０．８１ｍｍの撚り線を作製し、得られた撚り線の端部に銅製の金属端子を、３段階に設定したクリンプハイトが得られるようにアプリケーターで調節してかしめ接続した。
設定した締め付け力（かしめ強さ）でかしめ接続し、撚り線と金属端子間の接続抵抗を測定したところ下記の結果が得られた。そして、撚り線と金属端子間の接続抵抗は、クリンプハイトに依存し、クリンプハイトが大きいと接続抵抗及びバラツキが共に増大する結果となった。
（１）クリンプハイトが０．８ｍｍの場合、平均接続抵抗は１２．９±１．５ｍΩ、端子引張強度は３５Ｎ
（２）クリンプハイトが０．９ｍｍの場合、平均接続抵抗は１４．３±１．８ｍΩ、端子引張強度は４５Ｎ
（３）クリンプハイトが１．０ｍｍの場合、平均接続抵抗は１９．０±２．２ｍΩ、端子引張強度は５５Ｎ
（２）クリンプハイトが０．９ｍｍの場合、平均接続抵抗は１４．３±１．８ｍΩ、端子引張強度は４５Ｎ
（３）クリンプハイトが１．０ｍｍの場合、平均接続抵抗は１９．０±２．２ｍΩ、端子引張強度は５５Ｎ
以上の結果から、撚り線の端部に銅製の金属端子をかしめ接続した後に、撚り線の端部及び銅製の金属端子に超音波振動を印加することにより、クリンプハイトに依存せずに、撚り線と金属端子との間の接続抵抗のバラツキを低減すると共に略一定（１．８ｍΩ）の値まで低下できることが確認できた。
（実施例２）
純度９９．９％のアルミニウムに、マグネシウムを０．５質量％、スカンジウムを０．３質量％それぞれ添加してアルミニウム基合金のインゴットを鋳造した。得られたアルミニウム基合金の導電率は、マグネシウムを添加した場合で５９％ＩＡＣＳ、スカンジウムを添加した場合で６１％ＩＡＣＳあった。また、耐クリープ性を実験例１と同様の方法で評価すると、マグネシウムを添加した場合で厚さ変化率は０．５％で、スカンジウムを添加した場合で厚さ変化率は０．２％であった。純度９９．９％のアルミニウムの厚さ変化率は８５％であるため、いずれのアルミニウム基合金も耐クリープ性が向上しているが、マグネシウムを添加したアルミニウム基合金より、スカンジウムを添加したアルミニウム基合金の方が耐クリープ性に優れることが分かる。
純度９９．９％のアルミニウムに、マグネシウムを０．５質量％、スカンジウムを０．３質量％それぞれ添加してアルミニウム基合金のインゴットを鋳造した。得られたアルミニウム基合金の導電率は、マグネシウムを添加した場合で５９％ＩＡＣＳ、スカンジウムを添加した場合で６１％ＩＡＣＳあった。また、耐クリープ性を実験例１と同様の方法で評価すると、マグネシウムを添加した場合で厚さ変化率は０．５％で、スカンジウムを添加した場合で厚さ変化率は０．２％であった。純度９９．９％のアルミニウムの厚さ変化率は８５％であるため、いずれのアルミニウム基合金も耐クリープ性が向上しているが、マグネシウムを添加したアルミニウム基合金より、スカンジウムを添加したアルミニウム基合金の方が耐クリープ性に優れることが分かる。
各アルミニウム基合金のインゴット及び純度９９．９％のアルミニウムのインゴットからそれぞれ作製した線径１８０μｍの素線を用いて、線径が０．８１ｍｍの撚り線を作製した。そして、圧着部に金めっきを施した銅製の金属端子を撚り線の端部にクリンプハイトが約０．９ｍｍになるようにアプリケーターを調節してかしめ接続した。次いで、撚り線の端部と銅製の金属端子に超音波振動（振動数３９．５ｋＨｚ、超音波振動エネルギー５０ジュール）を０．５秒印加した。そして、撚り線と金属端子間の接続抵抗（初期接続抵抗）を測定した。また、圧着部に金めっきを施した銅製の金属端子がかしめ接続された撚り線を８５℃に加熱し、５０、１００、１５０、及び２００時間経過後における接続抵抗をそれぞれ測定した。
その結果、素線がアルミニウムの場合、初期接続抵抗は３．５ｍΩ、端子引張強度は４０Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が５ｍΩ、端子引張強度が４０Ｎ、１００時間後では接続抵抗がは８．５ｍΩ、端子引張強度は４１Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が１２．７ｍΩ、端子引張強度が３８Ｎ、２００時間後では接続抵抗が１８．２ｍΩ、端子引張強度が３６Ｎとなり、加熱時間の経過と共に接続抵抗は増加し、端子引張強度は低下した。
一方、マグネシウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗は２．０ｍΩ、端子引張強度は３７Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が２．２ｍΩ、端子引張強度が６５Ｎ、１００時間後では接続抵抗が２．８ｍΩ、端子引張強度が６５Ｎ、１５０時間では接続抵抗が２．９ｍΩ、端子引張強度が６４Ｎ、２００時間後では接続抵抗が３．２ｍΩ、端子引張強度が６５Ｎとなり、加熱時間が経過しても、接続抵抗の増加を抑制することができた。
また、スカンジウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗は１．８ｍΩ、端子引張強度は６８Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎ、１００時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎ、１５０時間では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６７Ｎ、２００時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎとなり、加熱時間が経過しても、接続抵抗の増加を抑制することができた。
また、スカンジウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗は１．８ｍΩ、端子引張強度は６８Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎ、１００時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎ、１５０時間では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６７Ｎ、２００時間後では接続抵抗が１．９ｍΩ、端子引張強度が６８Ｎとなり、加熱時間が経過しても、接続抵抗の増加を抑制することができた。
（比較例２）
実施例２と同様の方法で作製した各撚り線の端部に金めっきを施した銅製の金属端子を同様の方法でかしめ接続した後、撚り線と金属端子間の接続抵抗（初期接続抵抗）を測定した。また、金めっきを施した銅製の金属端子が端部にかしめ接続された撚り線を、実施例２と同一の温度に加熱し、５０、１００、１５０、及び２００時間経過後における接続抵抗をそれぞれ測定した。その結果、素線がアルミニウムの場合、初期接続抵抗は１４．３ｍΩ、端子引張強度は３７Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１６．１ｍΩ、端子引張強度が３７Ｎ、１００時間後では接続抵抗が２２．０ｍΩ、端子引張強度が３２Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が３１．２ｍΩ、端子引張強度が２９Ｎ、２００時間後では接続抵抗が３５．２ｍΩ、端子引張強度が２７Ｎとなり、時間の経過と共に接続抵抗が増加した。
実施例２と同様の方法で作製した各撚り線の端部に金めっきを施した銅製の金属端子を同様の方法でかしめ接続した後、撚り線と金属端子間の接続抵抗（初期接続抵抗）を測定した。また、金めっきを施した銅製の金属端子が端部にかしめ接続された撚り線を、実施例２と同一の温度に加熱し、５０、１００、１５０、及び２００時間経過後における接続抵抗をそれぞれ測定した。その結果、素線がアルミニウムの場合、初期接続抵抗は１４．３ｍΩ、端子引張強度は３７Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１６．１ｍΩ、端子引張強度が３７Ｎ、１００時間後では接続抵抗が２２．０ｍΩ、端子引張強度が３２Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が３１．２ｍΩ、端子引張強度が２９Ｎ、２００時間後では接続抵抗が３５．２ｍΩ、端子引張強度が２７Ｎとなり、時間の経過と共に接続抵抗が増加した。
一方、マグネシウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗は１３．７ｍΩ、端子引張強度が４５Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１４．０ｍΩ、端子引張強度が４３Ｎ、１００時間後では接続抵抗が１６．０ｍΩ、端子引張強度が４２Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が１８．０ｍΩ、端子引張強度が４２Ｎ、２００時間後では接続抵抗が２０．０ｍΩ、端子引張強度が４１Ｎとなり、時間の経過と共に接続抵抗が増加した。
また、スカンジウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗が１５．２ｍΩ、端子引張強度が４５Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１４．０ｍΩ、端子引張強度が４４Ｎ、１００時間後では接続抵抗が１６．０ｍΩ、端子引張強度が４３Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が１６．５ｍΩ、端子引張強度が４３Ｎ、２００時間後では接続抵抗が１８．０ｍΩ、端子引張強度が４２Ｎとなり、時間の経過と共に接続抵抗が増加した。
また、スカンジウム添加アルミニウム基合金の場合、初期接続抵抗が１５．２ｍΩ、端子引張強度が４５Ｎであったが、５０時間後では接続抵抗が１４．０ｍΩ、端子引張強度が４４Ｎ、１００時間後では接続抵抗が１６．０ｍΩ、端子引張強度が４３Ｎ、１５０時間後では接続抵抗が１６．５ｍΩ、端子引張強度が４３Ｎ、２００時間後では接続抵抗が１８．０ｍΩ、端子引張強度が４２Ｎとなり、時間の経過と共に接続抵抗が増加した。
以上の結果から、撚り線を形成する素線を耐クリープ性に優れるアルミニウム基合金で形成し、この撚り線の端部に金めっきを施した銅製の金属端子をかしめ接続しただけでは、即ち、かしめ接続した後に超音波振動を印加しない場合、初期接続抵抗が高くなることと共に、加熱下において接続抵抗が大きく増加することが確認できた。従って、金属導体と金属端子の間の接続抵抗を低下させると共に、この低接続抵抗値を長期間に亘って維持するためには、耐クリープ性に優れる金属導体を用いると共に、かしめ接合後に接合部に超音波振動を印加する必要があることが分かる。
（実施例３）
実施例１で使用した撚り線の端部に銅製の金属端子をクリンプハイトが約０．９ｍｍになるようにアプリケーターを調節してかしめ接続し、次いで、撚り線の端部と銅製の金属端子に超音波振動（振動数３９．５ｋＨｚ）を１秒間印加した。なお、超音波振動を印加することにより、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が４０℃、５０℃、及び６０℃となるように、超音波出力を１０W、３０W、及び５０Wの３段階に設定した。そして、撚り線と金属端子との間の接続抵抗及び端子引張強度をそれぞれ測定したところ次の結果が得られた。
（１）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が４０℃の場合、平均接続抵抗は７．０±１．５ｍΩ、端子引張強度は５０N
（２）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が５０℃の場合、平均接続抵抗は２．２±０．９ｍΩ、端子引張強度は６０N
（３）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が６０℃の場合、平均接続抵抗は１．８±０．５ｍΩ、端子引張強度は６５N
実施例１で使用した撚り線の端部に銅製の金属端子をクリンプハイトが約０．９ｍｍになるようにアプリケーターを調節してかしめ接続し、次いで、撚り線の端部と銅製の金属端子に超音波振動（振動数３９．５ｋＨｚ）を１秒間印加した。なお、超音波振動を印加することにより、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が４０℃、５０℃、及び６０℃となるように、超音波出力を１０W、３０W、及び５０Wの３段階に設定した。そして、撚り線と金属端子との間の接続抵抗及び端子引張強度をそれぞれ測定したところ次の結果が得られた。
（１）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が４０℃の場合、平均接続抵抗は７．０±１．５ｍΩ、端子引張強度は５０N
（２）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が５０℃の場合、平均接続抵抗は２．２±０．９ｍΩ、端子引張強度は６０N
（３）金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が６０℃の場合、平均接続抵抗は１．８±０．５ｍΩ、端子引張強度は６５N
以上の結果から、金属端子から接合部を除いた残りの領域の温度が５０℃以上となると、低い接続抵抗と高い端子引張強度を達成できることが確認された。この結果は、素線に形成されている酸化被膜の破壊（除去）が行われると共に、素線と接合部との界面において、金属元素の熱拡散が起こり合金層が形成されて強固な接続状態が形成されていることを示している。従って、金属端子の接合部は、超音波振動の印加により、金属元素の熱拡散が可能な温度領域まで加熱されていることが確認できた。
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
１０：電線、１１：撚り線、１２：金属端子、１３：圧着部、１４：素線、１５：絶縁材料
Claims (2)
- 金属導体の端部と金属端子の接続方法において、
前記金属導体は、線径が２５μｍ以上５００μｍ以下の素線を有し、しかも、前記素線は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であって、温度１１０℃で１２０ＭＰａの圧縮応力を５時間負荷した際の変形率が１％以下の耐クリープ性を備えたアルミニウム基合金で形成され、
前記金属導体の端部を前記金属端子の圧着部に挿入し、かしめ接合後に前記金属導体と前記金属端子の接合部に超音波振動を印加する際に、前記接合部に与える超音波振動の印加時間を調節して、前記金属端子から前記接合部を除いた残りの領域を５０〜２５０℃の温度に少なくとも０．１秒間保持することを特徴とする金属導体と金属端子の接続方法。 - 請求項１記載の金属導体と金属端子の接続方法において、前記アルミニウム基合金には、１ｎｍ以上９９９ｎｍ以下の粒径のナノ粒子が０．１質量％以上１０質量％以下含有されていることを特徴とする金属導体と金属端子の接続方法。
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