JP5809787B2 - 接続構造体および端子 - Google Patents
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Description
端子材料は、その接点特性と伝導性の観点から銅系合金にスズ(Sn)や金(Au)めっきを施した材料が適用されている。端子に、アルミニウム電線を圧着して使用すると、端子材料のスズ、金、銅等の材料に対しアルミニウムは卑な電位を示すため、使用中にアルミニウムが腐食し、電気導体としての機能を継続して担うことが難しくなる。
特に、細いアルミニウム電線と端子とを圧着した場合には、圧着部における端子材料の占める比率が高くなるので、アルミニウム電線の腐食速度が極めて高くなり、腐食環境によっては、電線機能は急速に劣化してしまう。
実際に、導体断面積が2mm2以上の電線を圧着した端子の場合には、塩水噴霧試験等の車載環境を加速した試験により評価した場合にも、電気抵抗の上昇や、破壊強度の低下がほとんど見られないが、導体断面積が1.5mm2や、0.75mm2などの細い電線を圧着した端子では、塩水噴霧試験により、アルミニウム導体の溶出が起き、電気抵抗が著しく上昇することが分かっている。
例えば、端子本体をアルミニウムで構成し、接点を支持する弾性片を鉄系材料で構成する技術(例えば、特許文献1、2参照。)や、アルミニウム電線に銅合金製の中間キャップを被覆して圧着する技術(例えば、特許文献3参照。)が開示されている。
しかし、弾性片を組み込む構成は小型の端子に対しては細かい作業となり、量産性に劣るとともに、弾性片を構成する材料とアルミニウム材料との異種金属腐食が避けられない。
中間キャップを用いる構成では、電線圧着構造が複雑となる故に、電線圧着時のかしめ条件の最適化が難しくなることが予測される。また、微小なすき間等が生じアルミニウム導体の微小な部分が外環境にさらされてしまった場合には、そこから急速に腐食が進行して接続機能の維持が困難となる恐れが高い。その他、露出したアルミニウム電線を外環境と遮断するために、電線露出部にグリスや樹脂等の有機物を塗布することも容易に考えられるが、上述と同様の理由により、微小な欠陥やすき間から急速に腐食が進行する恐れがある。
以下、端子の露出部表面積Scは、接続構造体における端子の露出している表面積の総和である。ただし、圧着部内面の面積、相手端子との接続構造部における端子材料の重なり部内面の面積は除く。またアルミニウム電線の露出部表面積Saは、アルミニウム電線の導体の露出している表面積である。ただし、圧着部内側の導体の表面積は除く。
図1に示すように、接続構造体1は、端子10とこの端子10に接続するアルミニウム電線30とを有する。端子10は、相手端子(図示せず)が接続される端子接続部11およびアルミニウム電線30を接続する電線接続部12を有していて、表面にスズめっきまたは金めっきが施されている銅または銅合金で形成されている。
上記アルミニウム電線30の導体31の断面積Sは、0.1mm2以上1.5mm2以下の範囲となっている。
また端子10の露出部表面積Scとアルミニウム電線30の導体31の露出部表面積Saとの面積比Sc/Saの値が3以上10以下となっている。
端子の露出部表面積Scおよび導体31の露出部表面積Saの定義は前述の通りである。
そしてアルミニウム電線30の導体31および導体31を被覆する絶縁体32は、矢印で示す首部22の位置にワイヤバレル23およびインスレーションバレル24によって圧着されている。
箱部21の側面、箱部21の上面、箱部21とワイヤバレル23間の底面21Bから選ばれる箇所に開口部が形成されている。この第1実施態様では、箱部21とワイヤバレル23間の底面21Bに開口部25が形成されている例を示した。
図3に示すように、箱部21とワイヤバレル23間の底面21Bに開口部25が形成されている。この例示における開口部25は、略台形を成し、端子10の長手方向に伸びる中心線Cに対して対象となる位置に2つが形成されている。開口部25は、その形状が台形に限定されず、円形、長円形、楕円形、矩形、多角形等であってもよく、その形成箇所数は2箇所に限定されず、面積比Sc/Saの値が3以上10以下となる範囲内で適宜決定される。
図4に示すように、それぞれのワイヤバレル23、23とそれぞれのインスレーションバレル24、24の間にアルミニウム電線30を設置し、ワイヤバレル23、23をかしめることでアルミニウム電線30の導体31を電線接続部12に圧着し、インスレーションバレル24、24をかしめることでアルミニウム電線30の導体31を被覆する絶縁体32を電線接続部12に圧着する。
このとき、アルミニウム電線30の導体31のワイヤバレル23端面からの突出長さLを1.5mm以上4.6mm以下とする。
図5に示すように、接続構造体1(1B)は、前述の第1実施態様の接続構造体1Aに対して開口部25を形成せず、箱部21の側面21Sに開口部26を形成したものである。したがって、端子10を構成する端子接続部11、電線接続部12、箱部21、首部22、ワイヤバレル23、インスレーションバレル24等は前述の第1実施態様と同様の構成であり、アルミニウム電線30およびその導体31も前述の第1実施態様と同様の構成であり、矢印で示す首部22の位置に圧着される。また面積比Sc/Saは前述の第1実施態様と同様である。
この実施態様における開口部26は、矩形を成し、端子10の長手方向に等間隔に3つが形成されている。開口部26は、その形状が矩形に限定されず、円形、長円形、楕円形、台形、多角形等であってもよく、その形成箇所数は3箇所に限定されず、1箇所であってもそれ以上であってもよく、面積比Sc/Saの値が3以上10以下となる範囲内で適宜決定される。
図6に示すように、接続構造体1(1C)は、前述の第1実施態様の接続構造体1Bに対して開口部25を形成せず、箱部21の上面に開口部27を形成したものである。したがって、端子10を構成する端子接続部11、電線接続部12、箱部21、首部22、ワイヤバレル23、インスレーションバレル24等は前述の第1実施態様と同様の構成であり、アルミニウム電線30およびその導体31も前述の第1実施態様と同様の構成であり、矢印で示す首部22の位置に圧着される。また面積比Sc/Saは前述の第1実施態様と同様である。
この実施態様における開口部27は、矩形を成し、端子10の長手方向2つが形成されている。開口部27は、その形状が矩形に限定されず、円形、長円形、楕円形、台形、多角形等であってもよく、その形成箇所数は2箇所に限定されず、1箇所であってもそれ以上であってもよく、面積比Sc/Saの値が3以上10以下となる範囲内で適宜決定される。
図7に示すように、接続構造体1(1D)は、前述の第1実施態様の接続構造体1Aにおいて、開口部25を形成せず、インスレーションバレル24の幅を従来のものより狭く形成したものである。したがって、端子10を構成する端子接続部11、電線接続部12、箱部21、首部22、ワイヤバレル23、インスレーションバレル24等は前述の第1実施態様と同様の構成であり、アルミニウム電線30およびその導体31も前述の第1実施態様と同様の構成であり、矢印で示す首部22の位置に圧着される。また面積比Sc/Saは前述の第1実施態様と同様である。
図示しないが、接続構造体1(1D)には、前述の第1〜第3実施態様の接続構造体1A〜1Cのような開口部25〜27のうちのいずれかが形成されていてもよい。
(1)AlCl3・6H2Oをイオン交換水に溶解し、AlCl3が0.29M解ける液(Cl濃度=3.1%)を調整した。これを試験溶液とし、セル51へ300mL移した。
(2)恒温槽52で試験溶液53を30℃±0.5℃に保ち、N2供給源54よりN2を30分以上供給してバブリングし脱気を行った。なお、セル51と恒温槽52とは塩橋55で接続されている。
(3)端子10は前処理としてアセトンで洗浄後、乾いた紙(例えば、キムワイプ)で拭いて乾かした。
(4)前処理を行った端子10を試験溶液53へ浸し、すぐに浸漬電位の測定を開始した。測定中もN2を緩くバブリングし、試験溶液53の溶存酸素は常に大気不飽和状態に保ちながら測定を行った。参照電極56には飽和銀−塩化銀電極を用いた。なお、電位は標準水素電極電位で表している。
アルミ材料の腐食は、溶液側に塩(NaCl等)が存在することにより促進することが知られており(Clイオンがアルミの不動態皮膜を破壊するとされている)、NaClは海水、海塩等に由来して実環境中にも存在するとされている。そのため、腐食試験においても、塩水噴霧試験が多様されている。浸漬電位の計測においても、Clイオンを十分に含んだ液とした。
アルミ導体の腐食溶解が進行すると、隙間内にはAlイオンも共存することになるので、これを含んだ液とした。
接続構造体1は、以下の作製方法で作製されたものを用いた。
まず、タブ幅2.3mm(表1の端子サイズ2.3)相当のメス端子(古河電工製090II−L、銅−ニッケル−シリコン系合金(コルソン系銅合金)にリフロースズめっき処理)、および、タブ幅0.64mm(表2の端子サイズ0.64)相当のメス端子のプレス打ち抜き品を準備した。プレスのみを施し、曲げ加工は行っていないものである。これにさらに加工を加え、箱部21、それに連続する首部22、インスレーションバレル24の一部に加工を施した後、曲げ成形して端子10を作成した。
各加工における除去量は、その部位の基の面積に対する残存面積率として表1および表2中に表記した。
なお、窓開け加工やバレル幅を狭める加工の加工量が大きくなりすぎると、残存面積率が低下し、強度が弱くなるので、それぞれの残存面積率は0.2以上とした。
端子10にアルミニウム電線30を圧着し、接続構造体1を作製した。そしてB端と端子10の箱部21間の電気抵抗を四端子法により計測した。
なお、端子10の露出部表面積Scは、曲げ加工前に端子10の寸法を計測して求めた。アルミニウム電線30の導体31の露出部表面積Saは、露出部の距離を基に計測して求めた。
そして浸漬電位の測定は、例えばポテンショスタット57により行い、そのデータは演算処理装置(例えば、パーソナルコンピュータ:PC)58に送って処理した。
面積比は浸漬電位と強い相関のある事が判った。複雑な形状をした端子について面積比の算出が困難、あるいは煩雑な場合には、浸漬電位の測定値により、面積比を推定することができる。図9の結果より両者の関係を求めると、以下の関係式が得られる。
[浸漬電位]=−0.404−0.332×0.937(Sc/Sa)
したがって、合金1の面積比と浸漬電位の関係は、図10に示すようになる。
上記接続構造体1のアルミニウム電線30が接続された端子10と反対側に防水シーリング処理を施し、ISO16750‐4(2006)「路上走行車−電気電子機器の環境条件及び試験−第4部:気候的負荷」に指定される塩水噴霧試験」を実施した。具体的には、35℃、5重量%の塩水を8時間噴霧した後に停止して16時間放置することを1サイクルとして、6サイクル負荷する試験である。さらに、半分のサイクル数である3サイクルまで負荷する試験、および倍のサイクル数である12サイクルまで負荷する試験についても別途実施した。
試験後、アルミニウム電線30のB端と端子10の箱部21間の電気抵抗を四端子法により計測した。
初期に計測した抵抗値からの増分が3mΩ未満のものを◎、10mΩ未満のものを○、10mΩ以上のものを×として表1および表2に記載した。
また、試験後の腐食の状態をマイクロスコープにより観察し、接続構造体1に接続されたアルミニウム電線30の導体31の先端露出部、およびワイヤバレル23とインスレーションバレル24との間のアルミニウム電線30の導体31の露出部とも、導体31が残存しているものを◎、接続構造体1に接続されたアルミニウム電線30の導体31の先端露出部が消失し、ワイヤバレル23、インスレーションバレル24間のアルミニウム電線30の導体31の露出部には導体31が残存しているものを○、ワイヤバレル23、インスレーションバレル24間のアルミニウム電線30の導体31の露出部の導体31が消失したものを×として、表1および表2に記した。
なお、表1および表2では、ワイヤバレルをバレルと記載し、インスレーションバレルをインスバレルと記載した。また残存面積率を残存率と記載した。
ただし、従来例44、51については、3サイクルの時点までは、抵抗上昇10mΩ以下を維持した。このサイズの組み合わせにおいては、従来の仕様において既に面積比Sc/Saの値が10以下を取っており、本発明例には及ばないものの、耐食性を示すことが判明した。
ただし、開口部を設けず、アルミニウム電線30をワイヤバレル23から突出させていないため、試験溶液の排出やアルミニウム電線30の導体31の突出部の犠牲が無かったため、低抵抗を維持できなかったと言える。
実施例1におけるアルミニウム電線導体の組成を以下の2種類のものに代え、他は同一として実施例1と同様の計測、試験を実施した。
合金2:組成:0.6Fe−0.05Si−残部Al(数値の単位は質量%)
合金3:組成:0.1Fe−0.05Si−残部Al(数値の単位は質量%)
とした。その結果を表3に示す。
合金2:[浸漬電位]=−0.404−0.237×0.937(Sc/Sa)
合金3:[浸漬電位]=−0.404−0.396×0.937(Sc/Sa)
を得た。
これら関係式より、面積比の項が最小となる場合、すなわち、端子が存在せずにアルミ電線導体のみとなるような場合を考えると、これは面積比がゼロになる場合に相当し、またアルミ材料のみの電位を与える場合に相当する。このような考え方より、面積比ゼロの場合の浸漬電位を求めると、
合金1:[浸漬電位]=−0.736V
合金2:[浸漬電位]=−0.641V
合金3:[浸漬電位]=−0.800V
と計算された。
合金1:−0.726V、−0.747V
合金2:−0.621V、−0.651V
合金3:−0.777V、−0.819V
を得、上記の計算浸漬電位とほぼ同等の計測結果となった。
よって、浸漬電位と面積比の関係は、アルミニウム合金種に固有の浸漬電位を変数に設けることにより一般化が可能であり、その式は、
[浸漬電位]=−0.404+(0.404+[合金浸漬電位])×0.937(Sc/Sa)
となった。
なお、初項の係数項の数値は、面積比が無限大、すなわち端子材のみの場合に相当し、すわなち、端子材の浸漬電位に相当する値になるものと考えられる。本願実施例にて用いたSnめっき銅合金端子材料の場合において、この値を呈したが、別な材料を用いた場合にはその材料の浸漬電位に応じた値を取るものである。
−0.193+0.522×V以上、−0.072+0.823×V以下
となる。ここでVは、アルミニウム合金単体の浸漬電位である。上記の浸漬電位の範囲において、優れた防食特性を有する。
10 端子
11 端子接続部
12 電線接続部
21 箱部
23 ワイヤバレル
24 インスレーションバレル
25、26、27 開口部
30 アルミニウム電線
31 導体
Claims (1)
- 端子と該端子に接続するアルミニウム電線とを有し、
前記端子は、相手端子が接続される端子接続部および前記アルミニウム電線を接続する電線接続部を有していて、表面にスズめっきまたは金めっきが施されている銅または銅合金で構成され、
前記アルミニウム電線の導体の断面積が0.1mm2以上1.5mm2以下の範囲を有する接続構造体であって、
前記端子の露出部表面積Scと前記アルミニウム電線の導体の露出部表面積Saとの面積比Sc/Saの値が3以上10以下であり、
前記端子接続部は箱部を有し、
前記電線接続部は、前記箱部より連続する首部にワイヤバレルとインスレーションバレルが順に形成されて構成され、
前記ワイヤバレルは、かしめて前記アルミニウム電線の導体が前記電線接続部に圧着されるものであり、前記インスレーションバレルは、かしめて前記アルミニウム電線の導体を被覆する絶縁体が前記電線接続部に圧着されるものであり、
前記アルミニウム電線の導体の前記ワイヤバレル端面からの突出長さが1.5mm以上4.6mm以下であり、箱/ワイヤバレル間の残存面積率およびインスレーションバレルの残存面積率ともに、0.5以上1以下である
ことを特徴とする接続構造体。
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