JP6077409B2

JP6077409B2 - バスバーおよびその製造方法

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Publication number: JP6077409B2
Application number: JP2013142522A
Authority: JP
Inventors: 長野　喜隆; 喜隆長野
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: JP2015015211A

Description

本発明は電子部品の連結に用いられるアルミニウム製のバスバーに関する。

なお、この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」の語はアルミニウムおよびその合金の両者を含む意味で用いられる。

電子部品の外部端子の材料には良導電性の１０００系アルミニウムが用いられている。また、電子部品を連結するバスバーの材料は導電性に加えて強度が要求されるため、６０００系アルミニウム合金が用いられている。

電子部品の外部端子とバスバーを接続する手段としてはボルトとナットの締結や溶接が知られているが、ボルト締結によって接続すると接触抵抗によって電気抵抗が上昇するため、溶接によって接続することが望まれている。また、電子部品の外部端子とバスバーの溶接方法として高速接合が可能なレーザ溶接が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１１０２８３号公報（請求項３）

しかし、一般に６０００系アルミニウム合金は溶接性が悪く、外部端子と６０００系アルミニウム合金製バスバーを溶接するとバスバーに溶接割れを生じやすいという問題点があった。バスバーの溶接割れを防ぐために、４０４３アルミニウム合金や５３５６アルミニウム合金からなる溶加材を使用すると、これらの溶加材が溶接部に存在することによって導電性が低下という問題が生じる。また、溶加材の供給速度が律速となってレーザ溶接の高速性が生かされない、溶加材の供給位置や供給角度の設定等の条件管理が難しい等の作業上の問題もある。

本発明は、溶加材を用いなくてもバスバーの溶接割れを伴わずに電子部品の外部端子に溶接できるバスバー、およびその関連技術を提供するものである。

即ち、本発明は下記［１］〜［６］に記載の構成を有する。

［１］電子部品の外部端子に接続される複数の端子部が１０００系アルミニウムからなり、これらの端子部間を連繋する本体部が６０００系アルミニウム合金からなり、前記端子部と本体部とが摩擦攪拌接合されて一体化してなることを特徴とするバスバー。

［２］前記端子部の厚さが本体部よりも厚い前項１に記載のバスバー。

［３］１０００系アルミニウムからなり、電子部品の外部端子に接続される複数の端子部用材料を、６０００系アルミニウム合金からなる本体部用材料で連繋し、前記端子部用材料と前記本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化することを特徴とするバスバーの製造方法。

［４］バスバー複数個分の端子部用材料とバスバー複数個分の本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化することにより複数個取り用複合材を作製し、
前記複数個取り用複合材を切断して複数個のバスバーを得る、前項３に記載のバスバーの製造方法。

［５］前記端子部用材料と本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化した後に人工時効処理を行う前項３または４に記載のバスバーの製造方法。

［６］前項１または２に記載のバスバーの一つの接続部を第１電子部品の外部端子に溶接し、前記バスバーの他の接続部を第２電子部品の外部端子に溶接することにより、第１電子部品と第２電子部品を連結することを特徴とする電子部品の連結方法。

［１］に記載の発明によれば、連結用部材としての強度は本体部が６０００系アルミニウム合金で構成されていることによって確保されている。電子部品の外部端子に接続する端子部は１０００系アルミニウムで構成されているので溶接性が良く、端子部を電子部品の外部端子に溶接する際に溶加材を用いなくても溶接割れが生じず良好に接合できる。また、溶加材を用いずに溶接できることで、溶加材による導電性の低下がなくバスバー連結によるエネルギー損失を低減できる。さらに、溶加材供給のための条件設定や管理といった付随作業が不要であるから溶接作業性が良い。

また、バスバーの本体部と端子部とが摩擦攪拌接合によって一体化されているので、接合時の熱変形が小さく、ブローホールや割れ等の溶接に起因するような欠陥が発生しない。また、ろう材や溶加材を介することなく直接接合されているので、これらの接合部における導電性の低下も生じない。

［２］に記載の発明によれば、端子部の厚さを本体部よりも厚くすることで端子部の強度を高め、本体部と端子部の強度差を小さくすることができる。

［３］に記載の発明によれば、上記効果を有するバスバーを製造できる。

［４］に記載の発明によれば、複数個のバスバーを効率良く製造できる。

［５］に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合によって軟化した本体部と端子部の接合部の強度を回復できる。

［６］に記載の発明によれば、バスバーの端子部は１０００系アルミニウムで構成されて溶接性が良好であるから、溶加材を供給しなくても溶接割れを生じることなく第１電子部品および第２電子部品の外部端子に接続して、これらの電子部品を連結できる。また、溶加材を用いないことで、溶加材による導電性の低下がなく、バスバー連結によるエネルギー損失を低減できる。さらに、溶加材供給のための条件設定や管理といった付随作業が不要であるから溶接作業性が良い。

本発明のバスバーの一実施形態を示す斜視図である。図１のバスバーを用いたコンデンサの連結方法を示す断面図である。摩擦攪拌接合法を説明する斜視図である。図１のバスバーの第１製造例の製造工程を示す斜視図である。図１のバスバーの第２製造例の製造工程を示す斜視図である。第２製造例の工程の一部を変更した製造工程を示す斜視図である。重ね継ぎ手の摩擦攪拌接合を示す断面図である。

［バスバーの構造］
図１は本発明のバスバーの一実施形態であり、図２は図１のバスバーによる電子部品の連結例を示している。

バスバー（10）は板状体であり、長方形の本体部（11）の両端に半円形の接続部（12）（13）が一体に接合され、前記端子部（12）（13）の略中央に電子部品の外部端子に係合させる円形の貫通孔（14）が穿設されている。前記バスバーは、本体部（11）が６０００系アルミニウム合金で構成され、前記端子部（12）（13）は１０００系合金アルミニウムで構成され、これらが摩擦攪拌接合されて一体化された異種アルミニウムの複合材である。

前記本体部（11）の材料である６０００系アルミニウム合金は必須成分としてＳｉおよびＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、高い強度を有している。バスバー（10）は高い導電性が求められる部材であるから、６０００系アルミニウム合金のうちでも、Ｓｉ濃度が０．２〜０．９質量％、Ｍｇ濃度が０．３５〜１．２質量％の合金を用いることが好ましい。Ｓｉ濃度およびＭｇ濃度が上記範囲の合金は導電性が良好である。ＪＩＳに登録された合金では、６１０１（Ｓｉ濃度：０．３〜０．７質量％、Ｍｇ濃度：０．３５〜０．８質量％）および６０６３（Ｓｉ濃度：０．２〜０．６質量％、Ｍｇ濃度：０．４５〜０．９質量％）が上記組成の合金に該当する。

一方、前記端子部（12）を構成する１０００系アルミニウムは他元素を添加せず不純物元素の濃度を規制した純アルミニウムであり、良好な導電性を有することから電極材料に汎用されている。良好な導電性を確保するために、アルミニウム純度が９９．５０質量％以上のアルミニウムを用いることが好ましい。ＪＩＳに登録された純アルミニウムでは、１０６０（アルミニウム純度が９９．６０質量％以上）、１０７０（アルミニウム純度が９９．７０質量％以上）等が好ましい。

なお、複数の端子部（12）（13）が同一組成の１０００系アルミニウムで構成されている必要はなく、複数の端子部（12）（13）を異なる組成の１０００系アルミニウムで構成することもできる。

前記本体部（11）と端子部（12）（13）の接合法である摩擦攪拌接合法は、高速で回転する接合工具を接合予定部およびその近傍に接触させ、発生する摩擦熱により被接合部材を軟化させて攪拌することにより、被接合部材を固相状態で接合する方法である。この摩擦攪拌接合は、溶融溶接やろう付よりも低温で接合できるため、接合時の熱変形が小さく、ブローホールや割れ等の溶接に起因するような欠陥が発生しないという利点がある。

図３は摩擦攪拌接合法の説明図であり、被接合材（Ａ）（Ｂ）の突き合わせ接合例を示している。接合工具（30）は、径大のショルダー（31）の先端面（32）にこのショルダー（31）と同じ回転軸（Ｑ）を有する径小のピン（33）が突設されたものである。被接合材（Ａ）（Ｂ）の突き合わせ部である接合予定部（35）に接合工具（30）のピン（33）を挿入するとともに、ショルダー（31）の先端面（32）で接合予定部（35）近傍を押さえ込み、接合工具（30）を挿入・回転させた状態で移動させて接合を行う。図３において（36）は前記接合工具（30）によって接合された摩擦攪拌接合部である。

摩擦攪拌接合法は厚さの異なる被接合材の突き合わせ接合も可能であり、例えば、前記接合工具（30）のピン（33）を薄い被接合材側から厚い被接合材側に向かって相対的に傾斜させて挿入することによって問題なく接合できる。また、摩擦攪拌接合法は重ね継ぎ手の作製にも適用できる。

前記バスバー（10）は本体部（11）の両端に端子部（12）（13）を突き合わせて、突き合わせ部を上記の摩擦攪拌接合によって接合し、これらを一体化したものである。前記本体部（11）と端子部（12）（13）とはろう材や溶加材を介することなく直接接合されているので、これらの接合界面における導電性の低下も生じない。

［電子部品の連結方法］
図２は前記バスバー（10）による電子部品の連結例を示している。図２に示す第１コンデンサ（21）および第２コンデンサ（22）は本発明における電子部品に対応し、これらの陽極端子（23）および陰極端子（23）は外部端子に対応する。

前記第１コンデンサ（21）および第２コンデンサ（22）は同形であり、上面から円柱形で陽極端子（23）および陰極端子（24）が突出している。前記陽極端子（23）および陰極端子（24）１０００系アルミニウムからなる。

前記バスバー（10）の一方の端子部（12）の貫通孔（14）に第1コンデンサ（21）の陽極端子（23）が挿入されて、貫通孔（14）の周面と陽極端子（23）とが溶接されている。前記バスバー（10）の他方の端子部（13）の貫通孔（14）に第２コンデンサ（22）の陰極端子（24）が挿入されて、貫通孔（14）の周面と陰極端子（24）の周面とが溶接されている。これにより、第1コンデンサ（21）と第２コンデンサ（22）とがバスバー（10）を介して直列に連結されている。

前記バスバー（10）の端子部（12）（13）は１０００系アルミニウムで構成され溶接性が良好であるから、溶加材を供給しなくても溶接割れを生じることなく陽極端子（23）および陰極端子（24）に接続することができる。また、溶加材を用いないことで、溶加材による導電性の低下がなく連結によるエネルギー損失を低減できる。さらに、溶加材供給のための条件設定や管理といった付随作業が不要であるから溶接作業性が良い。

溶接手段は何ら限定されず、電子部品の種類や外部端子の形状等に応じて適宜選択することができる。レーザ溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接、抵抗溶接等の溶融溶接法を例示でき、熱影響が小さく生産性に優れるという観点よりレーザ溶接を推奨できる。

前記端子部（12）（13）の材料は１０００系アルミニウムであり６０００系アルミニウム合金よりも強度が低いが、外部端子との溶接に供さない本体部（11）を６０００系アルミニウム合金で構成することによって、バスバー（10）は連結用部材として必要な強度を得ている。

本発明のバスバーの形状は図示例の本体部の両端に端子部を形成したもの限定されず、端子部の数や本体部との位置関係は、直列用・並列用の別、電子部品の形状、外部端子の形状および位置、連結する電子部品の配置等に応じて適宜変更することができる。また、端子部と外部端子との係合形態も端子部に貫通孔を設けて外部端子を挿入するものに限定されず、外部端子の形状等に応じて適宜設計変更することができる。

また、前記バスバーによって連結する電子部品の種類は何ら限定されず、コンデンサの他、電池、ＬＥＤランプ、自動車のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等を例示できる。

［バスバーの製造方法］
前記バスバー（10）は、図１に示した形状の１個の本体部（11）の両側面に端子部（12）（13）を突き合わせ、突き合わせ部を上述した摩擦攪拌接合法を用いて接合することによって作製することができる。

また、図４〜図６に示すように、複数個分の本体部用材料と複数個分の端子部用材料を接合してバスバー複数個分の複数個取り用複合材を作製し、この複数個取り用複合材を切断して複数個のバスバーを作製することもできる。複数個取り用複合材を用いることにより、摩擦攪拌接合の回数を減らしてバスバーを効率良く製造することができる。

以下の説明において、前記バスバー（10）の各部の寸法を、幅：Ｗ、長手方向における全体長さ：Ｌ、長手方向における本体部（11）の長さ：Ｌ１、長手方向における端子部（12）の長さ：Ｌ２、長手方向における端子部（13）の長さ：Ｌ３、厚さ：Ｔとする。

（第１製造例）
図４は、断面がバスバー（10）の平面形状に対応する多数個取り用複合材（40）から複数個のバスバー（10）を作製する工程を示している。

前記多数個取り用複合材（40）の作製には、本体部（11）用材料として断面の寸法がＬ１×Ｗであり、断面形状が本体部（11）の平面形状となされた角棒材（41）と、端子部（12）用材料として断面の寸法がＬ２×Ｗであり、断面形状が端子部（12）の平面形状に対応する半円形棒材（42）と、端子部（13）用材料として断面の寸法がＬ３×Ｗであり、断面形状が端子部（13）の平面形状に対応する半円形棒材（43）とを用いる。これらの棒材（41）（42）（43）の長さは作製するバスバー（10）の個数分の厚さＴに切断代を加えた寸法である。

前記角棒材（41）の両側面に半円形棒材（42）（43）の平面部を突き合わせ、突き合わせ部（44）に前記接合工具（30）のピン（33）を挿入し、突き合わせ部（44）の長手方向、即ち材料の棒材（41）（42）（43）の長さ方向に沿って接合工具（30）を移動させることによってこれらの棒材（41）（42）（43）を摩擦攪拌接合する。これにより棒材（41）（42）（43）が一体化した複数個取り用複合材（40）が作製される。

前記多数個取り用複合材（40）は突き合わせ部（44）の長手方向に対して垂直な面で切断した時の切断面がバスバー（10）の平面形状であるから、この多数個取り用複合材（40）をバスバー（10）の厚さ（Ｔ）に切断することによって複数個のバスバー（10）を得ることができる。貫通孔（14）は切断後に穿設してもよいし、半円形棒材（42）（43）の代わりに中空材を用いて中空部を貫通孔（14）とすることもできる。また、一つの多数個取り用複合材（40）から厚さの異なるバスバーを作製することもできる。

（第２製造例）
図５は、バスバー（10）と同じ厚さＴの多数個取り用複合材（50）から複数個のバスバー（10）を作製する工程を示している。

前記多数個取り用複合材（50）の作製には、本体部（11）用材料として断面寸法が幅Ｌ１×厚さＴの板材（51）と、端子部（12）用材料として断面寸法が幅（Ｌ２＋α）×厚さＴの板材（52）と、端子部（13）用材料として断面寸法が幅（Ｌ３＋α）×厚さＴの板材（53）とを用いる。端子部（12）（13）用の板材（52）（53）の幅を端子部（12）（13）の実寸Ｌ２、Ｌ３よりも大きくするのは、後の工程における打ち抜き代αを見込んでいるためである。また、これらの板材（51）（52）（53）の長さはバスバー（10）の個数分の幅Ｗに打ち抜き代を加えた寸法である。

前記板材（51）の両側面に板材（52）（53）を突き合わせ、突き合わせ部（54）に前記接合工具（30）のピン（33）を挿入し、突き合わせ部（54）の長手方向、即ち板材（51）（52）（53）長さ方向に沿って接合工具（30）を移動させることによってこれらの板材（51）（52）（53）を摩擦攪拌接合する。これにより板材（51）（52）（53）が一体化した板状の多数個取り用複合材（50）が作製される。

前記板状の多数個取り用複合材（50）をバスバー（10）の平面形状に打ち抜くことによって複数個のバスバー（10）を得ることができる。

また、図６は図５の第２製造例の工程の一部を変更した製造工程を示している。図６の複数個取り用複合材（55）は、図５の複数個取り用複合材（50）と同じく厚さＴの板状材であるが、材料を追加して縦横に複数個のバスバー（10）を打ち抜くようにしたものである。前記複数個取り用複合材（55）は、本体部（11）用の板材（51）と両端子部（12）（13）用材料として断面寸法が幅（Ｌ２＋Ｌ３＋α）×厚さＴの板材（56）とを交互に組み付け、さらに両端の本体部（11）用の板材（51）の外側に端子部（12）用板材（52）および端子部（13）用の板材（53）（図示省略）を組み付け、突き合わせ部（57）を摩擦攪拌接合して一体化したものである。前記複数個取り用複合材（55）は任意数の本体部（11）用の板材（51）および両端子部（12）（13）用の板材（56）を組み付けて作製可能であるから、多数個のバスバー（10）を効率良く製造することができる。

図５および図６は本体部（11）と端子部（12）（13）が同じ厚さのバスバー（10）の製造例であるが、本体部形成用の板材（51）と端子部形成用の板材（52）（53）は同じ厚さに限定されるものではなく、異なる厚さの板材を用いて多数個取り用複合材を作製することもできる。このような多数個取り用複合材から本体部と端子部の厚さが異なるバスバーを作製することもできる。

本発明のバスバーは、本体部の材料である６０００系アルミニウム合金と端子部の材料である１０００系アルミニウムに強度差があるので、強度の低い端子部の厚さを本体部よりも厚くすることによって端子部の強度を高めて本体部と端子部の強度を均一にすることができる。あるいは少なくとも本体部と端子部の強度差を小さくすることができる。なお、多数個取り用複合材を介さずにバスバー１個分の材料で作製する場合も同様である。

前記端子部（12）（13）の厚さを本体部（11）よりも厚くする場合、本体部（11）の厚さを１００としたときの端子部（12）（13）の厚さを１５０〜３００の範囲に設定することが好ましく、さらに２００〜２５０の範囲が好ましい。また、複数の端子部（12）（13）が同じ厚さで必要はなく異なる厚さであってもよい。

図４〜図６の製造例はいずれも本体部と端子部の継ぎ手形状は突き合わせあるが、継ぎ手形状は突き合わせに限定されず、重ね継ぎ手であっても良い。図７は、本体部（61）および端子部（62）の端部に段差（61a）（62a）を形成し、これらの段差（61a）（62a）をかみ合わせて重ねた継ぎ手の摩擦攪拌接合例を示している。また、段差を設けない重ね継ぎ手であっても良い。

摩擦攪拌接合法によって接合したバスバーは継ぎ手部分が軟化しているので、接合後に人工時効処理を施して母材の強度に回復させることが好ましい。多数個取り用複合材に対しては、切断前の多数個取り用複合材に人工時効処理を施してもよいし、切断後の個々のバスバーに対して人工時効処理を施してもよい。人工時効処理の好ましい条件は１５０〜２３０℃×１〜１２時間であり、特に好ましい条件は１８０〜２２０℃×３〜８時間である。

本発明は電子部品の外部端子と溶接によって接続するバスバーとして好適に利用できる。

10…バスバー
11…本体部
12、13…端子部
14…貫通孔
21…第１コンデンサ（電子部品）
22…第２コンデンサ（電子部品）
23…陽極端子（外部端子）
24…陰極端子（外部端子）
30…接合工具
40…複数個取り用複合材
50、55…複数個取り用複合材

Claims

電子部品の外部端子に接続される複数の端子部が１０００系アルミニウムからなり、これらの端子部間を連繋する本体部が６０００系アルミニウム合金からなり、前記端子部と本体部とが摩擦攪拌接合されて一体化してなることを特徴とするバスバー。
前記端子部の厚さが本体部よりも厚い請求項１に記載のバスバー。
１０００系アルミニウムからなり、電子部品の外部端子に接続される複数の端子部用材料を、６０００系アルミニウム合金からなる本体部用材料で連繋し、前記端子部用材料と前記本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化することを特徴とするバスバーの製造方法。
バスバー複数個分の端子部用材料とバスバー複数個分の本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化することにより複数個取り用複合材を作製し、
前記複数個取り用複合材を切断して複数個のバスバーを得る、請求項３に記載のバスバーの製造方法。
前記端子部用材料と本体部用材料とを摩擦攪拌接合して一体化した後に人工時効処理を行う請求項３または４に記載のバスバーの製造方法。
請求項１または２に記載のバスバーの一つの接続部を第１電子部品の外部端子に溶接し、前記バスバーの他の接続部を第２電子部品の外部端子に溶接することにより、第１電子部品と第２電子部品を連結することを特徴とする電子部品の連結方法。