JP6497293B2 - 端子用金属板、端子及び端子対 - Google Patents

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Description

本発明は、端子用金属板、該端子用金属板からなる端子及び該端子を含む端子対に関する。
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の普及に伴い、モーター等に電力を供給する電線に組み付ける端子等の、大電流が流れる端子の需要が増大している。この種の端子における接点部には、通常、接触電気抵抗の低いAg(銀)めっきが用いられている。そして、端子同士が嵌合されることにより、各接点部のAg層同士が当接し、端子同士が電気的に接続される。
しかし、Agは比較的軟質で凝着しやすい金属であるため、各接点部の表面にAg層が露出している端子対は、Agの凝着による摩耗を生じやすい。特に、端子挿入時等にAg層同士が摺動する場合には、上記凝着による摩耗が顕著になる。激しい摩耗が生じると、Ag層よりも接触電気抵抗の大きい母材が露出し、相手端子に当接することになるため、端子対の接続信頼性が低下する。
このような問題に対し、本発明者らは、鋭意検討の結果、母材上に、ニッケルまたは銅よりなる下地めっき、銀−スズ合金層及び銀被覆層を順次積層する技術を開発した(特許文献1)。特許文献1のめっき部材は、表面に露出した銀被覆層の下に銀よりも硬い銀−スズ合金層が形成されていることにより、端子挿入時等の摩擦係数を低減することができる。その結果、耐摩耗性を向上させることができる。
特開2013−231228号公報
しかし、特許文献1のめっき部材は、下地めっきがNi(ニッケル)やCu(銅)等の比較的硬い金属から構成されている。そのため、下地めっきの厚みによっては、曲げ加工等を施した際に加わる歪みや衝撃により、割れが発生するおそれがある。そして、下地めっきに発生した割れが上層や基材まで広がると、耐食性や接続信頼性の低下を招くおそれがある。
また、特許文献1のめっき部材は、微小な摺動が加わった際に、接触電気抵抗が比較的増大しやすいという問題がある。特に、当該めっき部材同士を摺動させる場合には、比較的早期に接触電気抵抗が増大する。微小な摺動により接触電気抵抗が増大する原因としては、例えば、絶縁性の摩耗粉が発生する、あるいは、銀被覆層や銀−スズ合金層等の電気抵抗の低い金属層が摩耗により消失する等が推測されている。
以上のように、特許文献1のめっき部材は、曲げ加工性や微摺動に対する耐摩耗性の点で未だ改善の余地がある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、曲げ加工等によるめっき膜の割れを抑制可能な端子用金属板及び端子、並びに微摺動に対する耐摩耗性に優れた端子対を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、母材と、該母材の少なくとも一部を覆うめっき被膜とを有する端子用金属板であって、
上記めっき被膜は、
上記母材上に積層された中間Ag(銀)層と、
該中間Ag層上に積層され、最表面に露出しているAg−Sn(銀−スズ)合金層とを有しており、
上記中間Ag層の厚みは上記Ag−Sn合金層の厚みよりも薄い、端子用金属板にある。
本発明の他の態様は、上記の態様の端子用金属板から構成された端子であって、
該端子は、相手端子に当接する突起状接点部を有しており、
少なくとも上記突起状接点部に上記めっき被膜が配置されている、端子にある。
本発明の更に他の態様は、上記の態様の端子と、該端子と嵌合する相手端子とを有する端子対であって、
上記相手端子は、上記端子の上記接点部に当接する平板状接点部を有しており、
該平板状接点部は、最表面に露出している表面Ag層を有している、端子対にある。
上記端子用金属板は、上記母材の上に、上記中間Ag層及び上記Ag−Sn合金層が順次積層された上記めっき被膜を有している。上記中間Ag層は、比較的軟らかいため、上記金属板に曲げ加工等を施す際に容易に変形することができる。また、上記中間Ag層の変形により、比較的硬い上記Ag−Sn合金層に加わる歪みや衝撃を緩和することができる。その結果、上記金属板は、曲げ加工等による上記めっき被膜の割れの発生を抑制することができる。
上記端子は、相手端子に当接する上記突起状接点部を有している。また、上記めっき被膜は、少なくとも上記突起状接点部に配置されている。それ故、上記金属板にプレス加工等を施して上記突起状接点部を形成する際に、上記めっき被膜の割れの発生を抑制することができる。また、上記端子は、上記めっき被膜が上記突起状接点部以外の部分に配置されている場合にも、端子成形時の上記めっき被膜の割れを抑制することができる。その結果、上記端子は、優れた接続信頼性及び耐食性を有している。
更に、本発明者らは、鋭意検討した結果、上記端子を上記相手端子と組み合わせて用いることにより、微摺動に対する耐摩耗性を向上させることができることを見出した。即ち、上記端子対は、上記めっき被膜を有する上記突起状接点部と、最表面に上記表面Ag層が露出した上記平板状接点部とを当接させることにより、上記端子同士からなる端子対や、従来の端子同士からなる端子対に比べて微摺動に対する耐摩耗性を向上させることができる。それ故、上記端子対は、例えば自動車等の過酷な振動が加わる環境下においても、長期間に亘って低い接触電気抵抗を維持することができる。
実施例1における、端子の一部断面図である。 図1における、突起状接点部近傍の一部拡大断面図である。 実施例2における、オス型端子として構成された相手端子の側面図である。 実施例2における、コネクタピンとして構成された相手端子を有するコネクタの断面図である。 実施例2における、平板状接点部近傍の一部拡大断面図である。 実験例1における、曲げ試験完了後の供試材1の表面を示す図面代用写真である。 実験例1における、曲げ試験完了後の供試材2の表面を示す図面代用写真である。 実験例1における、曲げ試験完了後の供試材1の断面を示す図面代用写真である。 実験例1における、曲げ試験完了後の供試材2の断面を示す図面代用写真である。 実験例2における、微摺動試験の説明図である。
上記金属板において、上記母材は、導電性を有する種々の金属から選択可能である。母材としては、具体的には、Cu、Al(アルミニウム)、Fe(鉄)、またはこれらの金属を含む合金が好適に用いられる。これらの金属材料は、導電性だけではなく、成形性やバネ性にも優れ、種々の態様の端子に適用可能である。
上記めっき被膜は、母材の少なくとも一部を被覆していればよく、母材の全面を被覆していてもよい。めっき被膜が母材の一部を被覆している場合、上記めっき被膜は、少なくとも、上記突起状接点部に配置される。
上記めっき被膜は、母材上に直接積層された中間Ag層と、中間Ag層上に直接積層された上記Ag−Sn合金層との2層構造を有している。中間Ag層は、Ag−Sn合金層よりも薄いことが好ましい。この場合には、比較的硬いAg−Sn合金層が、端子挿入時にめっき被膜に加わる荷重を容易に支持することができる。その結果、上記端子は、上述したようにめっき被膜の割れを抑制することができるとともに、端子挿入力の増大を抑制することができる。
また、中間Ag層の厚さは、0.3μm以上であることが好ましい。中間Ag層の厚さを0.3μm以上とすることにより、めっき被膜の割れをより効果的に抑制することができる。同様の観点から、中間Ag層の厚さは、0.4μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることがさらに好ましい。
めっき被膜の割れを抑制する観点からは、中間Ag層の厚さに特に上限はない。しかし、中間Ag層の厚さが厚くなると、Agの使用量が増えるため材料コストが増大する。また、中間Ag層の厚さが過度に厚い場合には、端子挿入力の増大を招くおそれがある。従って、材料コスト及び端子挿入力の低減の観点からは、中間Ag層の厚さは5μm以下であることが好ましい。
上記金属板は、突起状接点部を有する端子に好適に用いることができる。この種の端子としては、例えば、メス型端子がある。メス型端子は、コネクタピンやオス型端子のタブ部等が挿入される筒状体部と、該筒状体部の内部に配置され、タブ部等を押圧する弾性片部とを有しており、弾性片部の頂部に突起状接点部が配置されている。この突起状接点部は、通常、相手端子側に膨出した半球面状を呈している。また、突起状接点部は、上記めっき被膜を有する金属板にプレス加工等を施すことにより形成される。それ故、上記めっき被膜を突起状接点部に配置することにより、プレス加工時のめっき被膜の割れを抑制することができる。
(実施例1)
上記金属板及び該金属板から構成されている上記端子の実施例を、図を用いて説明する。本例の金属板1は、母材11と、母材11の全面を覆うめっき被膜12とを有している。図2に示すように、めっき被膜12は、母材11上に積層された中間Ag層121と、中間Ag層121上に積層され、最表面に露出しているAg−Sn合金層122とを有している。
また、本例の端子2は、金属板1から構成されており、図1に示すように、相手端子3に当接する突起状接点部21を有している。また、めっき被膜12は、少なくとも突起状接点部21に配置されている。
以下、金属板1及び端子2の詳細な構成について、各々の作製方法とともに説明する。
本例の金属板1は、例えば以下の方法により作製することができる。まず、脱脂処理を施した母材11の全面に、Agめっき膜及びSnめっき膜を順次積層する。Agめっき膜及びSnめっき膜は、常法により形成することができる。Agめっき膜の膜厚は、通常、1〜3μmの範囲内で適宜設定することができる。Snめっき膜は、後述するリフロー処理により中間Ag層121を形成する観点から、Agめっき膜よりも薄く形成することが好ましい。Snめっき膜の膜厚は、例えば0.5〜2μmの範囲内で適宜設定することができる。
母材11上に上記のめっき膜を形成した後、母材11を大気雰囲気下で加熱し、AgとSnとを合金化させるリフロー処理を行う。リフロー処理における加熱温度は、例えば、200〜300℃の範囲内で適宜設定することができる。また、リフロー処理における加熱時間は、例えば、10〜180秒の範囲内で適宜設定することができる。
リフロー処理を行うことにより、AgとSnとが合金化し、最表面にAg−Sn合金層122が形成される。また、Snと反応しなかったAgが、中間Ag層121として母材11とAg−Sn合金層122との間に形成される。以上により、図2に示す金属板1を得ることができる。なお、金属板1の最表面には、リフロー処理の際に形成されたSnの酸化物等が存在していることがある。
なお、金属板1の製造方法は、上述の方法に限定されることはない。例えば、上記の方法に替えて、電気めっきにより中間Ag層121及びAg−Sn合金層122を母材11上に順次形成する等の方法を採用することもできる。
以上のようにして得られた金属板1に打ち抜き加工及び曲げ加工等を施すことにより、端子2を作製することができる。端子2は、例えば、コネクタピンやオス型端子を相手端子3とするメス型端子201(図1参照)として構成することができる。メス型端子201は略棒状を呈しており、電線を接続するバレル部(図示略)と、バレル部に連なる筒状体部22とを有している。
筒状体部22は、メス型端子201の長手方向に伸びた略角筒状を呈している。筒状体部22の一方の開口端221は、相手端子3を挿入できるように開放されている。また、他方の開口端222にはバレル部が連なっている。
図1に示すように、筒状体部22の内部には、弾性片部23が設けられている。弾性片部23は、筒状体部22の底板部223が内側後方へ折り返されて形成されている。また、弾性片部23は、筒状体部22内に挿入された状態の相手端子3を底板部223に対面する天板部224側へ押圧することができるように構成されている。
長手方向における弾性片部23の略中央部231は、半球状を呈するように天板部224側へ突出している。そして、その凸側の表面が突起状接点部21を構成している。突起状接点部21には、上述しためっき被膜12が配置されている。突起状接点部21は、筒状体部22内に相手端子3が挿入された状態において、弾性片部23の押圧力により相手端子3に押し付けられる。その結果、めっき被膜12のAg−Sn合金層122が相手端子3に当接し、メス型端子201と相手端子3との間に電気的接続が形成される。
本例の金属板1は、母材11の全面に上記特定の層構成を有するめっき被膜12を有している。そのため、金属板1をメス型端子201の形状に成形する際に、突起状接点部21や筒状体部22の角部等におけるめっき被膜12の割れを抑制することができる。その結果、金属板1から作製した端子2は、優れた耐食性及び接続信頼性を有する。
(実施例2)
本例は、端子2と、端子2と嵌合する相手端子3とからなる端子対の例である。端子対のうち一方の端子がめっき被膜12を有する端子2である場合、図3及び図4に示すように、相手端子3は、突起状接点部21に当接する平板状接点部31を有していることが好ましい。
例えば、相手端子3は、メス型端子201の筒状体部22(図1参照)内に挿入するタブ部32と、タブ部32に連なる筒状体部33と、筒状体部33に連なり電線を接続するバレル部34とを有するオス型端子301(図3参照)として構成することができる。オス型端子301は略棒状を呈しており、タブ部32、筒状体部33及びバレル部34が一列に並んでいる。タブ部32は、筒状体部33の一方の開口端を基端としてオス型端子301の長手方向に延設されている。また、タブ部32は、長手方向に垂直な断面が扁平な形状を呈している。オス型端子301における平板状接点部31は、タブ部32の平坦部分321に配置されている。
また、相手端子3は、図4に示すように、コネクタハウジング4に保持されるコネクタピン302として構成されていてもよい。コネクタハウジング4は、コネクタピン302を保持する背面壁41と、背面壁41の外周縁部から立設されたフード部42とを有している。フード部42は、その内側に相手方コネクタ(図示略)を収容できるように構成されている。
コネクタピン302は角線状を呈しており、背面壁41を貫通している。コネクタピン302におけるフード部42内に配置される端部は、メス型端子201の筒状体部22(図1参照)内に挿入する端子接続部35を構成している。また、コネクタピン302におけるフード部42外に配置される端部は、プリント基板Pに電気的に接続される基板接続部36を構成している。コネクタピン302における平板状接点部31は、端子接続部35の平坦部分351に配置されている。
なお、相手端子3は、上述したオス型端子301やコネクタピン302に限定されるものではなく、従来公知の形態を有する端子として構成することができる。
平板状接点部31の最表面、即ち突起状接点部21に当接する表面310には、図5に示すように表面Ag層312が露出している。表面Ag層312は、例えば、金属母材311上に直接積層されていてもよい。また、金属母材311と表面Ag層312との間に、必要に応じてNi、Cuまたはこれらの金属を含む合金からなる下地層313を設けてもよい。下地層313は、金属母材311と表面Ag層312との密着性を向上させる、あるいは、金属母材311から表面Ag層312への金属元素の拡散を抑制する等の効果を奏することができる。表面Ag層312や下地層313は、例えば電気めっき等の従来公知の方法により形成することができる。
このような構成を有する相手端子3を端子2と組み合わせて用いた場合、端子2同士からなる端子対や従来の端子同士からなる端子対に比べて微摺動に対する耐摩耗性を向上させることができる。それ故、上記端子対は、例えば自動車等の過酷な振動が加わる環境下においても、長期間に亘って低い接触電気抵抗を維持することができる。
(実験例1)
本例は、母材上の金属層の構成を種々変更した金属板について、曲げ加工性を評価した例である。本例においては、以下に示す4種の金属板(供試材1〜4)を準備した。
・供試材1
母材として、厚さ0.25mmの銅合金板を準備し、脱脂洗浄を行った。次いで、母材上に膜厚2μmのAgめっき膜及び膜厚1μmのSnめっき膜を順次積層した。その後、加熱温度300℃、加熱時間60秒の条件で母材を加熱してリフロー処理を行い、供試材1を得た。供試材1は、母材11上に、膜厚0.5μmのAg層121と、膜厚3μmのAg−Sn合金層122とが順次積層されためっき被膜12を有していた。
・供試材2
母材として、厚さ0.25mmの銅合金板を準備し、脱脂洗浄を行った。次いで、母材上に膜厚1μmのNiめっき膜、膜厚1μmのSnめっき膜及び膜厚2μmのAgめっき膜を順次積層した。その後、加熱温度290℃、加熱時間60秒の条件で母材を加熱してリフロー処理を行い、供試材2を得た。供試材2は、母材上に、膜厚1μmのNi層、膜厚0.5μmのNi−Sn合金層、膜厚1.5μmのAg−Sn合金層及び膜厚1μmのAg層が順次積層されためっき被膜を有していた。
・供試材3
母材として、厚さ0.25mmの銅合金板を準備し、脱脂洗浄を行った。次いで、母材上に膜厚1μmのNiめっき膜、膜厚2μmのAgめっき膜、膜厚2μmのSnめっき膜及び膜厚3μmのAgめっき膜を順次積層した。その後、加熱温度290℃、加熱時間60秒の条件で母材を加熱してリフロー処理を行い、供試材3を得た。供試材3は、母材上に、膜厚1μmのNi層、膜厚1μmのAg層、膜厚3.5μmのAg−Sn合金層及び膜厚2μmのAg層が順次積層されためっき被膜を有していた。
・供試材4
母材として、厚さ0.25mmの銅合金板を準備し、脱脂洗浄を行った。次いで、母材上に膜厚1μmのNiめっき膜、膜厚1.5μmのAgめっき膜及び膜厚0.5μmのSnめっき膜を順次積層した。その後、加熱温度290℃、加熱時間60秒の条件で母材を加熱してリフロー処理を行い、供試材4を得た。供試材4は、母材上に、膜厚1μmのNi層、膜厚0.5μmのAg層及び膜厚2μmのAg−Sn合金層が順次積層されためっき被膜を有していた。
以上により得られた供試材1〜4を用いて90度曲げ試験を行った。曲げ試験が完了した後、屈曲部における外側の外観を観察した。その例を図6及び図7に示す。また、曲げ試験が完了した後、屈曲部の内側の断面を観察した。その例を図8及び図9に示す。
図6と図7との比較から理解できるように、母材上にAg層及びAg−Sn合金層が順次積層されている供試材1は、曲げ試験後のめっき被膜12の割れ120が比較的小さかった(図6参照)。一方、母材とAg−Sn合金層との間に比較的硬いNi層等を有している供試材2は、供試材1に比べて曲げ試験後のめっき被膜5の割れ50が大きかった(図7参照)。また、図には示さないが、供試材3及び4についても、供試材2と同様に、供試材1に比べて曲げ試験後のめっき被膜の割れが大きかった。
また、図8と図9との比較から理解できるように、供試材1は、曲げ試験後に母材11とめっき被膜12とが密着した状態を維持している(図8参照)。一方、供試材2は、曲げ試験後に母材51からめっき被膜5が剥離した(図9参照)。また、図には示さないが、供試材3及び4についても、供試材2と同様に、曲げ試験後に母材からめっき被膜が剥離した。
以上の結果から、供試材1は優れた曲げ加工性を有していることが理解できる。供試材1は、例えば、突起状接点部21を形成する際のプレス加工や、メス型端子201を形成する際の曲げ加工等の際にめっき被膜12の割れや剥離を容易に抑制することができる。
(実験例2)
本例は、実験例1の供試材を用いて微摺動が加わった際の耐摩耗性を評価した例である。耐摩耗性の評価には、以下の手順により作成した可動試験片及び固定試験片を用いた。
<可動試験片>
供試材1、3及び4を長方形状に切断した。この切断片にプレス加工を施し、半径3mmの半球状を呈するエンボス部を形成した。以上により可動試験片を作成した。なお、可動試験片は、実施例1における端子2(メス型端子201)の突起状接点部21を模擬している。また、エンボス部の表面に配置されためっき被膜12は割れていなかった。
<固定試験片>
供試材1、3、4及び純Ag板を長方形状に切断し、平板状を呈する固定試験片を採取した。なお、固定試験片は、実施例2における相手端子3(オス型端子301)の平板状接点部31を模擬した形状を有している。
<耐摩耗性評価>
可動試験片6と固定試験片7とを鉛直方向に重ね合わせ、固定試験片7の表面にエンボス部61を当接させた(図10参照)。この状態において、ピエゾアクチュエータにより可動試験片6に3Nの鉛直荷重を印加し、エンボス部61を固定試験片7に押し付けた。この鉛直荷重を維持した状態で、可動試験片6を水平方向(図10、矢印60)に振動させた。また、可動試験片6を振動させている間、可動試験片6と固定試験片7との接触電気抵抗を測定した。なお、振動の周期は1Hzとし、振幅200μmとした。
可動試験片6を2500サイクル振動させた時点で試験を終了した。以上の試験を、可動試験片6と固定試験片7との組み合わせを表1に示すように変更して行った。なお、上記の試験は各々の組み合わせについて2回ずつ行った。各試験における接触電気抵抗の最大値を表1に示す。
表1より知られるように、可動試験片6を供試材1から構成し、固定試験片7を純Ag板から構成した組み合わせAは、接触電気抵抗の最大値が1mΩ以下となった。これに対し、可動試験片6を供試材3または4から構成し、固定試験片7を純Ag板から構成した組み合わせB及びCは、組み合わせAに比べて接触電気抵抗の最大値が大きくなった。
なお、組み合わせBは、可動試験片6及び固定試験片7の双方の表面に軟らかいAgが露出しているため、摺動時の摩擦係数が組み合わせAに比べて大きくなると考えられる。それ故、組み合わせBを採用した端子対は、組み合わせAを採用した端子対に比べて端子挿入力が大きくなると考えられる。
可動試験片6及び固定試験片7の両方を同一の供試材から構成した組み合わせD〜Fは、接触電気抵抗の最大値が5mΩ以上となった。
以上の結果から、各端子の接点部の形状及び接点部表面に設けられた金属層の構成を上述のように特定した端子対は、微摺動に対する耐摩耗性が良好であり、長期間に亘って低い接触電気抵抗を維持できることが理解できる。
以下、参考形態の例を付記する。
[1]
母材と、該母材の少なくとも一部を覆うめっき被膜とを有する端子用金属板であって、
上記めっき被膜は、
上記母材上に積層された中間Ag層と、
該中間Ag層上に積層され、最表面に露出しているAg−Sn合金層とを有している、端子用金属板。
[2]
上記中間Ag層の厚みは上記Ag−Sn合金層の厚みよりも薄い、[1]に記載の端子用金属板。
[3]
上記中間Ag層の厚みは0.3μm以上である、[1]または[2]に記載の端子用金属板。
[4]
[1]〜[3]のいずれか1に記載の端子用金属板から構成された端子であって、
該端子は、相手端子に当接する突起状接点部を有しており、
上記めっき被膜は、少なくとも上記突起状接点部に配置されている、端子。
[5]
[4]に記載の端子と、該端子と嵌合する相手端子とを有する端子対であって、
上記相手端子は、上記端子の上記突起状接点部に当接する平板状接点部を有しており、
該平板状接点部は、最表面に露出している表面Ag層を有している、端子対。
1 端子用金属板
11 母材
12 めっき被膜
121 Ag層
122 Ag−Sn合金層
2 端子
21 突起状接点部
3 相手端子

Claims (4)

  1. 母材と、該母材の少なくとも一部を覆うめっき被膜とを有する端子用金属板であって、
    上記めっき被膜は、
    上記母材上に積層された中間Ag層と、
    該中間Ag層上に積層され、最表面に露出しているAg−Sn合金層とを有しており、
    上記中間Ag層の厚みは上記Ag−Sn合金層の厚みよりも薄い、端子用金属板。
  2. 上記中間Ag層の厚みは0.3μm以上である、請求項1に記載の端子用金属板。
  3. 請求項1または2に記載の端子用金属板から構成された端子であって、
    該端子は、相手端子に当接する突起状接点部を有しており、
    上記めっき被膜は、少なくとも上記突起状接点部に配置されている、端子。
  4. 請求項3に記載の端子と、該端子と嵌合する相手端子とを有する端子対であって、
    上記相手端子は、上記端子の上記突起状接点部に当接する平板状接点部を有しており、
    該平板状接点部は、最表面に露出している表面Ag層を有している、端子対。
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