JP5892046B2 - 接続構造及び接続構造体 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属からなる部材同士の接続構造及びこの接続構造を備えた接続構造体に関する。

従来、異種金属同士が接続された接続構造を備えた接続構造体として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載された接続構造体（端子付き電線）は、アルミニウム系材料からなる芯線を備えた電線と、銅系材料からなる端子とが、超音波溶接により接続されている。

特開２０１１−１３４５１５号公報

しかしながら上記の構成によると、アルミニウム系材料からなる芯線と、銅系材料からなる端子とは、固相の金属がお互いに拡散することにより接続されている。このため、芯線と端子とは完全に一体化しているわけではない。これにより、芯線と端子との間に形成された界面における、芯線と端子との接続強度が十分でない恐れがある。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、異種金属同士の接続強度を向上させる接続構造を提供することを目的とする。

本発明は、異種金属同士の接続構造であって、一の金属からなる第１金属部と、前記一の金属とは異なる他の金属からなる第２金属部と、前記第１金属部及び前記第２金属部の間に形成されて、前記第１金属部と前記第２金属部とを接続する中間部と、前記中間部に形成されて、前記他の金属からなると共に前記第２金属部から前記第１金属部の近傍に至るまで連続する連続相と、備え、前記中間部は、前記第１金属部側から順に、層状に形成されてなると共に前記一の金属と前記他の金属との合金からなり、且つ、前記第１金属部及び前記連続相と接触する第１合金部と、前記第１合金部よりも前記第２金属部側に位置して、前記一の金属と前記他の金属との合金からなる第２合金部が前記連続相の中に分散してなる海島構造部と、前記海島構造部よりも前記第２金属部側に位置して、前記連続相の中に前記一の金属と前記他の金属との合金からなる第３合金部がラメラ状に形成されてなるラメラ構造部と、を備える。

また、本発明は、上記の接続構造を備えた、異種金属同士の接続構造体である。

本発明によれば、第１金属部と第２金属部との間に形成された中間部には、第２金属部を構成する他の金属からなる連続相が、第２金属部から第１金属部の近傍に至るまで形成されている。これにより、第１金属部と第２金属部との間の中間部における強度は、第２金属部を構成する他の金属の強度に相当するものとなる。この結果、第１金属部と第２金属部との接続強度を向上させることができる。

異なる物質が混在する状態において、異なる物質同士の界面には応力が集中しやすい。このため、異種金属同士の接続構造においては、異なる物質同士の界面の強度を向上させることが重要となる。

本発明によれば、まず、中間部においては、一の金属からなる第１金属部と第１合金部とが接触しており、また、第１合金部と他の金属からなる連続相とが接触している。第１合金部は一の金属と他の金属との合金からなる。このため、一の金属と第１合金部との界面の強度、及び第１合金部と他の金属からなる連続相との界面の強度は、一の金属と他の金属とが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。

更に、中間部には、第２合金部が連続相の中に分散してなる海島構造部が形成されている。他の金属からなる連続相と、第２合金部との界面の強度も、一の金属と他の金属とが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。その上、第２合金部が海島構造を形成することにより、連続相と第２合金部との界面の表面積が大きくなるので、連続相と第２合金部との界面に加えられる応力が分散される。

更に、中間部には、第３合金部が連続相の中にラメラ状に形成されてなるラメラ構造部が形成されている。他の金属からなる連続相と、第３合金部との界面の強度も、一の金属と他の金属とが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。その上、第３合金部がラメラ状に形成されていることにより、連続相と第３合金部との界面の表面積が大きくなるので、連続相と第３合金部との界面に加えられる応力が分散される。

上記の構成により、異なる物質同士の界面の強度を向上させることができると共に、界面に加えられる応力を分散させることができるので、第１金属部と第２金属部との接続強度を更に向上させることができる。

本発明の実施態様としては以下の態様が好ましい。前記連続相を構成する前記他の金属の電気抵抗は、前記第２合金部及び前記第３合金部の電気抵抗よりも小さいことが好ましい。

上記の態様によれば、第２合金部及び第３合金部よりも電気抵抗の小さな他の金属層からなる連続相が、第１金属部の近傍にまで形成されているので、接続構造における、第１金属部と第２金属部との間の電気抵抗値を小さくすることができる。

前記一の金属は銅であり、前記他の金属はアルミニウムであることが好ましい。

上記の構成によれば、銅とアルミニウムとを強固に接続することができる。

前記第１合金部の厚さ寸法は１μm以下であり、前記海島構造部の厚さ寸法は１０μｍから２０μｍであり、前記ラメラ構造部の厚さ寸法は３０μｍから５０μｍであることが好ましい。

前記海島構造部における前記第２合金部の円相当直径は１μｍから２０μｍであることが好ましい。

前記ラメラ構造部における前記第３合金部のラメラ厚みは、１μｍから５μｍであることが好ましい。

前記第１合金部はＣｕ_９Ａｌ_４、及びＣｕ_３Ａｌからなる群から選ばれる一種又は二種の合金を含むことが好ましい。

前記第２合金部はＣｕＡｌ_２を含むことが好ましい。

前記第３合金部はＣｕＡｌ_２を含むことが好ましい。

本発明によれば、異種金属同士の接続強度を向上させることができる。

図１は本発明の実施形態１に係る接続構造を示すＳＥＭ写真である。 図２は接続構造の製造工程の一例を示す模式図である。 図３は実施形態２に係る接続構造体を示す側面図である。

＜実施形態１＞
本発明の接続構造１０を備えた接続構造体１１に係る実施形態１を、図１ないし図２を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接続構造体１１は、一の金属からなる第１金属部１２と、一の金属とは異なる他の金属からなる第２金属部１３と、第１金属部１２及び第２金属部１３の間に形成されて第１金属部１２と第２金属部１３とを接続する中間部１４と、を備える。

（第１金属部１２）
第１金属部１２は、図１における右端部において、比較的に明るい灰色で示されている。一の金属としては、金、銀、銅、鉛、亜鉛、錫、鉄、アルミニウム等の金属又はこれらの合金からなる群から選ばれる一種の金属を用いることができる。一の金属は公知の不純物を含んでいてもよい。本実施形態においては、一の金属として銅が用いられる。本実施形態に係る第１金属部１２は板状をなしている。

（第２金属部１３）
第２金属部１３は、図１における左端部において、比較的に暗い色で示されている。他の金属としては、一の金属とは異なるものであって、且つ、金、銀、銅、鉛、亜鉛、錫、鉄、アルミニウム等の金属又はこれらの合金からなる群から選ばれる、一種の金属を用いることができる。他の金属は公知の不純物を含んでいてもよい。本実施形態においては、他の金属としてアルミニウムが用いられる。本実施形態に係る第２金属部１３は板状をなしている。

（中間部１４）
図１に示すように、中間部１４には、第２金属部１３から第１金属部１２の近傍に至るまで連続する連続相１５が形成されている。この連続相１５は第２金属部１３を構成する他の金属からなる。連続相１５は、図１において、第２金属部１３と同じ程度の暗い色で示されている。

（第１合金部１６）
中間部１４には、第１金属部１２側の領域に、層状をなす第１合金部１６が形成されている。第１合金部１６は、図１において、第１金属部１２よりは暗く、第２金属部１３よりは明るい色で示されている。この第１合金部１６は、第１金属部１２に接触しており、また、連続相１５とも接触している。本実施形態における第１合金部１６の厚さ寸法は、１μｍ以下である。第１合金部１６の厚さ寸法は、０．０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましい。第１合金部１６は、第１金属部１２を構成する一の金属と、第２金属部１３を構成する他の金属との合金からなる。本実施形態においては、第１合金部１６は、Ｃｕ_９Ａｌ_４、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＡｌ_２からなる群から選ばれる一種又は複数の合金から構成することができる。本実施形態に係る第１合金部１６は、Ｃｕ_９Ａｌ_４と、Ｃｕ_３Ａｌとを含む。連続相１５を構成するアルミニウムの電気抵抗は、第１合金部１６に含まれるＣｕ_９Ａｌ_４及びＣｕ_３Ａｌよりも小さい。

（海島構造部１７）
中間部１４には、第１合金部１６よりも第２金属部１３側（図１における左側）の領域に、他の金属からなる連続相１５の中に複数の第２合金部１８が島状に分散してなる海島構造部１７が形成されている。第２合金部１８は、図１において、第１金属部１２よりは暗く、第２金属部１３よりは明るい色で示されている。連続相１５は、いわゆるマトリックス構造におけるマトリックスに相当し、第２合金部１８はドメインに相当する。海島構造部１７の厚さ寸法は、１０μｍ〜２０μｍであった。

図１に示すように、第２合金部１８は球形状に比べて歪んだ形状をなしている。これにより、第２合金部１８と連続相１５との界面の表面積は、第２合金部１８が球形状をなす場合に比べて大きくなっている。第２合金部１８の円相当直径は、１μｍ〜１１μｍである。

第２合金部１８は、第１金属部１２を構成する一の金属と、第２金属部１３を構成する他の金属との合金からなる。本実施形態においては、第２合金部１８は、Ｃｕ_９Ａｌ_４、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＡｌ_２からなる群から選ばれる一種又は複数の合金から構成することができる。本実施形態に係る第２合金部１８は、ＣｕＡｌ_２を含む。連続相１５を構成するアルミニウムの電気抵抗は、第２合金部１８に含まれるＣｕＡｌ_２よりも小さい。

（ラメラ構造部１９）
中間部１４には、海島構造部１７よりも第２金属部１３側の領域に、他の金属からなる連続相１５の中に第３合金部２０がラメラ状に形成されてなるラメラ構造部１９が形成されている。第３合金部２０は、図１において、第１金属部１２よりは暗く、第２金属部１３よりは明るい色で示されている。ラメラ構造部１９の厚さ寸法は、３０μｍ〜５０μｍであった。第３合金部２０のラメラ厚みは、２．８μｍ〜４．４μｍである。

なお、海島構造部１７と、ラメラ構造部１９とは必ずしも明瞭に分離していなくてもよい。例えば、海島構造部１７の内部にラメラ構造部１９が入り込んでいてもよく、また、ラメラ構造部１９の内部に第２合金部１８が島状に存在していてもよい。

第３合金部２０は、第１金属部１２を構成する一の金属と、第２金属部１３を構成する他の金属との合金からなる。本実施形態においては、第３合金部２０は、Ｃｕ_９Ａｌ_４、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＡｌ_２からなる群から選ばれる一種又は複数の合金から構成することができる。本実施形態に係る第３合金部２０は、ＣｕＡｌ_２を含む。連続相１５を構成するアルミニウムの電気抵抗は、第３合金部２０に含まれるＣｕＡｌ_２よりも小さい。

（製造方法）
本実施形態に係る接続構造体１１を備えた接続構造体１１の製造方法の一例を以下に説明する。なお、製造方法は以下の記載に限定されない。

図２に示すように、銅からなる第１金属部１２と、アルミニウムからなる第２金属部１３と、を重ね、上下から一対の治具２１により挟み付ける。この治具２１により、第１金属部１２及び第２金属部１３を、加熱しながら加圧する。第１金属部１２及び第２金属部１３が接続されたら、その後、放冷する。これにより接続構造体１１が完成する。

加熱温度は、第１金属部１２及び第２金属部１３を構成する金属によって適宜に設定することができる。本実施形態においては、加熱温度は３００℃以上５００℃以下とした。加熱温度をこのような範囲に設定すると、第２金属部１３を構成するアルミニウムの融点よりも低い温度で第２金属部１３を軟化させることができる。これにより、第２金属部１３が溶融することを抑制できるので、第２金属部１３が溶融して細ることがない。加熱温度は４００℃以下とすることが特に好ましい。また、圧着力は、９８０Ｎ（１００ｋｇｆ）〜１９６０Ｎ（２００ｋｇｆ）とするのが好ましい。

加熱時間は、第１金属部１２及び第２金属部１３の厚さ、大きさ、比熱、熱伝導率等により、適宜に設定することができる。加熱時間は、０．２秒〜１秒が好ましく、０．４秒から０．６秒が更に好ましい。本実施形態では、加熱時間は０．５秒とした。

（分析方法）
第１合金部１６、第２合金部１８、及び第３合金部２０については、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により電子線回折法を用い、データベースと照合することにより、各合金部の結晶構造・組成を同定した。本実施形態においては、透過型電子顕微鏡として、ＪＥＯＬ製のＪＥＭ２１００Ｆを用いた。

また、走査型電子顕微鏡としてカールツァイス製のＳＵＰＲＡを用い、ＳＥＭ写真を撮影した。観察条件は、倍率が１０００倍、加電圧が１５ｋＶ、サンプル距離が９．３ｍｍであり、反射電子像モードで観察した。

また、上記で撮影したＳＥＭ写真を用いて、画像解析を行った。画像解析は、ＮＩＨ社製の、ＩｍａｇｅＪを用いた。

（本実施形態の作用、効果）
続いて、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態に係る接続構造体１１は、銅からなる第１金属部１２と、アルミニウムからなる第２金属部１３と、第１金属部１２及び第２金属部１３の間に形成されて、第１金属部１２と第２金属部１３とを接続する中間部１４と、中間部１４に形成されて、アルミニウムからなると共に第２金属部１３から第１金属部１２の近傍に至るまで連続する連続相１５と、を備える。

本実施形態によれば、第１金属部１２と第２金属部１３との間に形成された中間部１４には、第２金属部１３を構成するアルミニウムからなる連続相１５が、第２金属部１３から第１金属部１２の近傍に至るまで形成されている。これにより、第１金属部１２と第２金属部１３との間の中間部１４における強度は、アルミニウムの強度に相当するものとなる。この結果、第１金属部１２と第２金属部１３との接続強度を向上させることができる。

第１合金部１６を構成するＣｕ_９Ａｌ_４、及びＣｕ_３Ａｌ、と、第２合金部１８及び第３合金部２０を構成するＣｕＡｌ_２は、第２金属部１３を構成するアルミニウムに比べて硬く、且つ脆いので、特に有効である。

また、本実施形態によれば、中間部１４は、第１金属部１２側から順に、層状に形成されてなると共に銅とアルミニウムとの合金からなり、且つ、第１金属部１２及び連続相１５と接触する第１合金部１６と、第１合金部１６よりも第２金属部１３側に位置して、銅とアルミニウムとの合金からなる第２合金部１８が連続相１５の中に分散してなる海島構造部１７と、海島構造部１７よりも第２金属部１３側に位置して、連続相１５の中に銅とアルミニウムとの合金からなる第３合金部２０がラメラ状に形成されてなるラメラ構造部１９と、を備える。

異なる物質が混在する状態において、異なる物質同士の界面には応力が集中しやすい。このため、異種金属同士の接続構造体１１においては、異なる物質同士の界面の強度を向上させることが重要となる。

本実施形態によれば、まず、中間部１４においては、銅からなる第１金属部１２と第１合金部１６とが接触しており、また、第１合金部１６とアルミニウムからなる連続相１５とが接触している。第１合金部１６は銅とアルミニウムとの合金からなる。このため、銅と第１合金部１６との界面の強度、及び第１合金部１６とアルミニウムからなる連続相１５との界面の強度は、銅とアルミニウムとが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。

更に、中間部１４には、第２合金部１８が連続相１５の中に分散してなる海島構造部１７が形成されている。アルミニウムからなる連続相１５と、第２合金部１８との界面の強度も、銅とアルミニウムとが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。その上、第２合金部１８が海島構造を形成することにより、連続相１５と第２合金部１８との界面の表面積が大きくなるので、連続相１５と第２合金部１８との界面に加えられる応力が分散される。

更に、中間部１４には、第３合金部２０が連続相１５の中にラメラ状に形成されてなるラメラ構造部１９が形成されている。アルミニウムからなる連続相１５と、第３合金部２０との界面の強度も、銅とアルミニウムとが直接に接触する界面の強度に比べて大きくなっている。その上、第３合金部２０がラメラ状に形成されていることにより、連続相１５と第３合金部２０との界面の表面積が大きくなるので、連続相１５と第３合金部２０との界面に加えられる応力が分散される。

上記の構成により、異なる物質同士の界面の強度を向上させることができると共に、界面に加えられる応力を分散させることができるので、第１金属部１２と第２金属部１３との接続強度を更に向上させることができる。

また、本実施形態によれば、連続相１５を構成するアルミニウムの電気抵抗は、第２合金部１８及び第３合金部２０の電気抵抗よりも小さいものとなっている。

上記の態様本実施形態によれば、第２合金部１８及び第３合金部２０よりも電気抵抗の小さなアルミニウムからなる連続相１５が、第１金属部１２の近傍にまで形成されているので、接続構造体１１における、第１金属部１２と第２金属部１３との間の電気抵抗値を小さくすることができる。

本実施形態においては、一の金属は銅であり、他の金属はアルミニウムである。このように本実施形態によれば、銅とアルミニウムとを強固に接続することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の接続構造体３０を端子付き電線３１に適用した実施形態２を、図３を参照しつつ説明する。本実施形態は、電線３２の端末に端子３３が接続された端子付き電線３１である。

端子３３は、一の金属からなる金属板を所定の形状にプレス加工してなる。端子３３は、相手側部材と接続される接続部３４と、この接続部３４に連続するバレル部３５と、備える。バレル部３５は筒状に形成されている。本実施形態においては、端子３３を構成する一の金属は銅又は銅合金とされる。

電線３２は、他の金属からなる芯線３６の周囲を絶縁被覆３７で包囲してなる。芯線３６は複数の金属細線を撚り合わせてなる。電線３２の端末からは芯線３６が露出している。電線３２から露出した芯線３６はバレル部３５の内部に挿入されている。本実施形態においては、芯線３６を構成する他の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金とされる。

バレル部３５には加熱圧着部３８が形成されている。加熱圧着部３８は図示しない治具によって、芯線３６が挿入されたバレル部３５を加熱しながら圧着することにより形成される。

加熱圧着部３８の内部において、銅又は銅合金からなる端子３３と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯線３６との間に、接続構造１０が形成される。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯線３６を備えた電線３２と、銅又は銅合金からなる端子３３とを、強固に接続することができる。また、芯線３６と端子３３との間の電気抵抗値を小さくすることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）本実施形態においては、電線３２は端子３３に形成された筒状をなすバレル部３５の内部に挿入されて加熱しながら圧着される構成としたが、これに限られず、電線３２は、オープンバレルの上に載置された状態で加熱圧着される構成としてもよい。

（２）本実施形態においては、中間部１４には海島構造部１７、及びラメラ構造部１９が形成される構成としたが、参考例として、海島構造部１７、及びラメラ構造部１９が形成されない構成としてもよい。

（３）本実施形態においては、接続構造体１１は、板状の部材同士が接続された構成、及び端子付き電線３１としたが、これに限られず、接続構造体１１としては、棒状の部材同士を接続する構成としてもよく、また、板状の部材と棒状の部材とを接続する構成としてもよく、必要に応じて任意の構造とすることができる。

（４）本実施形態においては、第１金属部１２と第２金属部１３とを一対の治具２１で挟んで加熱しながら加圧することにより接続構造体１１を製造したが、これに限られず、必要に応じて任意の手法により接続構造体１１を製造することができる。

（５）本実施形態においては、芯線３６は撚り線としたが、これに限られず、棒状をなす単芯線としてもよい。

１０：接続構造
１１：接続構造体
１２：第１金属部
１３：第２金属部
１４：中間部
１５：連続相
１６：第１合金部
１７：海島構造部
１８：第２合金部
１９：ラメラ構造部
２０：第３合金部
３１：端子付き電線（接続構造体）

Claims (10)

1. 一の金属からなる第１金属部と、
   前記一の金属とは異なる他の金属からなる第２金属部と、
   前記第１金属部及び前記第２金属部の間に形成されて、前記第１金属部と前記第２金属部とを接続する中間部と、
   前記中間部に形成されて、前記他の金属からなると共に前記第２金属部から前記第１金属部の近傍に至るまで連続する連続相と、
   を備え、
   前記中間部は、前記第１金属部側から順に、
   層状に形成されてなると共に前記一の金属と前記他の金属との合金からなり、且つ、前記第１金属部及び前記連続相と接触する第１合金部と、
   前記第１合金部よりも前記第２金属部側に位置して、前記一の金属と前記他の金属との合金からなる第２合金部が前記連続相の中に分散してなる海島構造部と、
   前記海島構造部よりも前記第２金属部側に位置して、前記連続相の中に前記一の金属と前記他の金属との合金からなる第３合金部がラメラ状に形成されてなるラメラ構造部と、
   を備えた接続構造。
2. 前記連続相を構成する前記他の金属の電気抵抗は、前記第２合金部及び前記第３合金部の電気抵抗よりも小さい請求項１に記載の接続構造。
3. 前記第１合金部の厚さ寸法は１μｍ以下であり、前記海島構造部の厚さ寸法は１０μｍから２０μｍであり、前記ラメラ構造部の厚さ寸法は３０μｍから５０μｍである請求項１または請求項２に記載の接続構造。
4. 前記海島構造部における前記第２合金部の円相当直径は１μｍから２０μｍである請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の接続構造。
5. 前記ラメラ構造部における前記第３合金部のラメラ厚みは、１μｍから５μｍである請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の接続構造。
6. 前記一の金属は銅であり、前記他の金属はアルミニウムであって、前記第１合金部はＣｕ _９ Ａｌ _４ 、及びＣｕ _３ Ａｌからなる群から選ばれる一種又は二種の合金を含む請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の接続構造。
7. 前記一の金属は銅であり、前記他の金属はアルミニウムであって、前記第２合金部はＣｕＡｌ _２ を含む請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の接続構造。
8. 前記一の金属は銅であり、前記他の金属はアルミニウムであって、前記第３合金部はＣｕＡｌ _２ を含む請求項１ないし７のいずれか一項に記載の接続構造。
9. 前記一の金属は銅であり、前記他の金属はアルミニウムである請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の接続構造。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の接続構造を備えた、異種金属同士の接続構造体。

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