JP6741446B2 - 通電接触部材 - Google Patents

Description

本発明は、通電接触部材及びその製造方法に関する。本発明は、特には、比較的安価で、耐フレッティング性に優れた通電接触部材に関する

通電接触部材は通電部材間の接続において、ボルトなどの締結ではなく、部材自体、もしくは通電接触相手材のバネ性を利用したクリップ構造で一方を挟み込み、金属同士の接触により通電を確保している。この構造は組み立て時やメンテナンス、部品交換時に、ボルト締結よりも容易に取り外しが可能なため、しばしば通電部に使用されている。

しかしながら、この構造においては、製品全体の微振動や通電のＯＮ／ＯＦＦに伴う温度サイクルにより微摺動が発生したときに、通電接触部が摩耗するフレッティング摩耗が発生し易い。特にＳｎめっきは軟質であるため、摩耗し易い。このフレッティング摩耗により生成されたＳｎの摩耗粉は摺動のため大気に晒され、通電による高温環境下で酸化され易い。そして、Ｓｎの酸化物となる摩耗粉が通電接触面に堆積することで接触抵抗が増大し、過剰な発熱、発火などの不具合を引き起こす場合があった。

そこで通常、通電接触部には、Ａｇめっきなどの酸化し難い材料を用いる。しかし、Ａｇは高価なため、より安価材料が求められてきた。その候補として、安価で低抵抗、かつフレッティング摩耗を起こし難い硬い材料としてＣｕＳｎ合金が期待される。ＣｕＳｎ合金層は高硬度のため、耐フレッティング摩耗には優れているが、クリップとの挿抜において、摩擦力が大きく作業性に問題がある場合があった。

そのため、ＣｕＳｎ最表層に酸化膜を形成させることで摺動性を上げて挿抜性を改善する技術が開発されてきた（特許文献１、２、３を参照）。他に、銅母材表面にＳｎめっきを形成し、これに１５０℃以上１７０℃以下の温度条件で熱処理を施すことにより、銅母材上にＣｕＳｎ合金を形成し、表面にＳｎめっき層を薄く残留させてなる嵌合型接続端子の製造方法が知られている（特許文献４）。

特開2000-212720号公報 特開2000-226645号公報 特開2007-247060号公報 特開平10-302867号公報

特許文献１〜３に開示された方法においては、酸化膜の厚みの制御が要求される。酸化膜が厚くなると、接触抵抗の増大に伴う発熱の不具合が懸念される。特に、５００ｎｍを超える酸化膜が部材表面に形成されると、通電による発熱で酸化膜の成長が過剰に進み、発熱、発火の不具合が起こる。さらにこの酸化膜厚の管理は、測定が難しく量産向きでない。一方、特許文献４に開示された方法においては、熱処理により合金層を成長させ、Ｓｎ層を残留させている。しかし、現在では、代表図に示されるような均一な層構造を加熱制御により製造することは、不可能であることが示されている。

本発明者は、鋭意検討の結果、最表層を挿抜性を確保しうるＳｎで構成し、かつこの層を酸化が生じた場合であっても不具合の生じない厚みに構成することを考え、本発明に想到するに至った。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、通電接触部材であって、基材上に、３〜１０μｍの厚みのＣｕＳｎ合金めっき層と、０．１〜０．５μｍの厚みのＳｎめっき層とを順に積層してなる。

前記通電接触部材において、前記ＣｕＳｎ合金めっき層の組成が、Ｃｕ_６Ｓｎ_５であることが好ましい。

前記通電接触部材において、前記基材が、Ｃｕ、Ａｌ、またはこれらを含む合金もしくは複合材であることが好ましい。

本発明は別の実施形態によれば、通電接触構造であって、前述のいずれかに記載の通電接触部材と、通電接触相手材とを組み合わせてなり、前記通電接触相手材の最表面層が酸化物層もしくは酸化物生成層である場合には、前記通電接触部材の前記Ｓｎめっき層と、前記通電接触相手材の前記最表面層との厚みの合計が、０．５μｍ以下であり、前記通電接触相手材の最表面層が酸化物非生成層である場合には、前記通電接触部材の前記Ｓｎめっき層の厚みが、０．５μｍ以下である。

本発明は、別の局面によれば、通電接触部材の製造方法であって、基材上に、３〜１０μｍの厚みのＣｕＳｎ合金めっき層を形成する工程と、前記ＣｕＳｎ合金めっき層上に０．１〜０．５μｍ厚のＳｎめっき層を形成する工程とを含む。

前記通電接触部材の製造方法において、前記ＣｕＳｎ合金めっき層を形成する工程が、電解めっきによりＣｕ_６Ｓｎ_５合金めっき層を形成する工程であることが好ましい。

本発明に係る通電接触部材及びその製造方法によれば、比較的安価で耐フレッティング性および挿抜性に優れた通電接触部材を提供することができる。本発明によれば、特に、基材上に略均一で平滑なＣｕＳｎ合金めっき層、Ｓｎ層を積層することができ、その膜厚も製造段階で精確に制御することができる。ゆえに、製造後、経時的な金属表面の状態の変化が生じても、電気的な不具合を生じることのない通電接触部材及び通電接触構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態による通電接触部材の模式的な断面図である。 図２は、本発明に係る通電接触部材における酸化膜厚と接触抵抗との関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態：通電接触部材及びその製造方法］
本発明は、一実施形態によれば通電接触部材に関する。図１は、本実施形態に係る通電接触部材の一例を示す概念的な断面図である。図１に示す、通電接触部材は、基材３と、ＣｕＳｎ合金めっき層２とＳｎめっき層１とから構成されている。

基材３は、一般的な導電性材料であればよく、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、これらの少なくとも一方を含む合金、及びこれらの少なくとも一方を含む複合材であって良い。例えば、ＣｕまたはＡｌと、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｐ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ等との合金が挙げられるが、これらには限定されない。基材３は、通電接触部材の目的及び用途に適合する任意の形状であってよく、その厚みや寸法は限定されるものではない。

ＣｕＳｎ合金めっき層２は、基材３に接触して、基材３上に形成されている。なお、図示はしないが、基材３とＣｕＳｎ合金めっき層２との間に、他の層が介在してもよい。介在しうる他の層の組成としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｏ、もしくはこれらを含む合金および複合層などが挙げられ、その層厚みは特に限定されるものではなく、その機能などによって適宜決定することができるが、例えば、１〜１５μｍであってよい。本明細書において、ＣｕＳｎ合金とは、ＣｕとＳｎとの任意の組成比の合金を包括的に指称するものである。ＣｕＳｎ合金めっき層２は、耐食性に優れ、フレッティング摩耗しにくいため、通電接触部材にフレッディング耐性を付与することができる。ＣｕＳｎ合金としては、例えば、Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ｃｕ₃Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ等が挙げられるが、これらには限定されない。中でも、好ましいＣｕＳｎ合金は、Ｃｕ_６Ｓｎ_５である。ＣｕＳｎの金属間化合物の中で安定してめっき析出可能であり、生産性が高いためである。

ＣｕＳｎ合金めっき層２は、基材３上に、３〜１０μｍの厚みで設ける。厚みが３μｍより薄いと、特に基材がＣｕの場合、通電に伴いＣｕとＣｕ_６Ｓｎ_５の間で拡散が進み、脆いＣｕ_３Ｓｎ組成がＣｕＳｎ合金めっき層において支配的になる。これによりクラックなどの機械的不具合が発生することが懸念されるため、少なくとも３μｍ程度の厚みが必要となる。また、１０μｍより厚いと、ＣｕＳｎ合金めっき膜の残留応力が大きくなり剥がれなどが懸念される。

ＣｕＳｎ合金めっき層２は、基材３上に、厚みが略均一で平滑なめっき膜として形成されていることが好ましい。このようなＣｕＳｎ合金めっき層２は、後述する電解めっき法により製造することができる。

Ｓｎめっき層１は、ＣｕＳｎ合金めっき層２に接触して、ＣｕＳｎ合金めっき層２上に形成されて、通電接触部材の最表面を構成する。Ｓｎめっき層１は、Ｓｎと、不可避不純物のみからなることが好ましい。

Ｓｎめっき層１の厚みは、０．１〜０．５μｍである。膜厚が０．１μｍよりも薄いと挿抜時の摺動性が確保できない他、未めっき部での基材の腐食などが懸念される。また厚すぎると、ＳｎとＣｕＳｎ合金との間の拡散が起きても通電接触面はＳｎ単独層が残存する。このため、フレッティング摩耗による酸化した摩耗粉が厚く堆積することで接触抵抗増大による発熱の不具合が懸念される。また仮に拡散によるＣｕＳｎの金属間化合物の形成より先にフレッティング摩耗が進んだ場合においても、０．５μｍ厚程度のＳｎ層であれば接触抵抗増大への影響が軽微であるため、この範囲が好ましい。なお、Ｓｎめっき層１の厚みは、０．１〜０．５μｍの範囲で、さらに、通電接触部材の相手材となる通電接触相手材との関係で決定することができる。これについては後述する。

最表層のＳｎめっきは柔らかく高い摺動性を有しているため、組み立て時の挿抜性に優れている。またこの最表層Ｓｎめっきは実使用に伴い下地Ｃｕ−Ｓｎ層との相互拡散が起こることで最表面にＣｕＳｎ金属間化合物層が形成される。これにより高強度な通電接触面が形成され、耐フレッティング性が向上する。また、一部最表層にＳｎが残るが、膜厚が薄いため、フレッティング摩耗が進んでも接触抵抗に影響するほどの酸化物層は形成されない。さらにこの残存するＳｎにより、通電接触部材のメンテナンスなど、部品交換時においても再度挿抜性を確保できる。

次に、本発明に係る通電接触部材を、製造方法の観点から説明する。通電接触部材の製造方法は、基材３上に、３〜１０μｍの厚みのＣｕＳｎ合金めっき層２を形成する工程と、前記ＣｕＳｎ合金めっき層３上に０．１〜０．５μｍ厚のＳｎめっき層１を形成する工程とを含む。

基材３は、前述したとおり、ＣｕもしくはＡｌ、これらの合金、または複合材であってよく、ＣｕＳｎ合金めっき層２を形成する工程を実施する前に、基材３の表面に対して、他のめっき層の形成し、他のめっき層上にＣｕＳｎ合金めっき層２を形成してもよい。この場合の他のめっき層については、介在しうる他の層の組成として先述したとおりであり、その製法は、電解めっき法や無電解めっき法など、各組成のめっき層の形成に適した方法とすることができる。

ＣｕＳｎ合金めっき層２を形成する工程は、電解めっき法により、基材３上に、３〜１０μｍの厚みのＣｕＳｎ合金めっき層２を形成することが好ましい。このときに用いるめっき浴の組成は、目的とするＣｕＳｎ合金の組成により決定することができる。好ましい態様において、Ｃｕ_６Ｓｎ_５合金めっき層を析出させる場合には、公知のあるいは市販のめっき浴を用いることができる。また、ＣｕＳｎ合金めっき層２の厚みも、通常の方法で制御することができ、膜厚が略均一で平滑なＣｕＳｎ合金めっき層２が得られる。

次いで、ＣｕＳｎ合金めっき層３上に０．１〜０．５μｍ厚のＳｎめっき層１を形成する工程を実施する。Ｓｎめっき層１は、電解めっき法、無電解めっき法のいずれを用いても生成することができ、公知のあるいは市販のめっき浴を用いることができる。また、Ｓｎめっき層１の厚みも、通常の方法で制御することができる。そして、膜厚が略均一で平滑な最表面層をもつ通電接触部材を得ることができる。

本実施形態による製造方法においては、例えば、１５０℃以上といった高温での熱処理工程を含まないことが好ましい。高温での熱処理工程を実施すると、ＣｕＳｎ合金めっき層の厚みや組成の制御が実質的に不可能となり、不均一で、耐食性が極めて低い層が生成する可能性が高いためである。

本実施形態による通電接触部材、およびその製造方法によれば、基材上に略均一で平滑なＣｕＳｎ合金めっき層、Ｓｎ層を積層してなる通電接触部材を得ることができる。これにより、経時的に不具合を生じることもなく。比較的安価で、挿抜性及び耐フレッディング性に優れた通電接触部材を得ることができる。

［第２実施形態：通電接触構造］
本発明は、また別の実施形態によれば、通電接触構造である。通電接触構造は、通電接触部材と、通電接触相手材とを備えてなる。通電接触構造は、通電接触部材自体、もしくは通電接触相手材のバネ性を利用したクリップ構造で、一方が他方を挟み込み、通電接触部材と通電接触相手材との接触により通電を確保している。クリップ構造については、公知の任意の構造であってよく、例えば、特許文献４に開示された構造であってもよいが、これらには限定されない。

本実施形態においては、通電接触部材を第１実施形態による構成とする。通電接触相手材は、通電部材として通常使用され得る任意の材質からなるのものであってよい。しかし、通電接触部材と、通電接触相手材との少なくとも接触箇所においては、通電接触部材の最表面層のＳｎめっき層１の厚みは、通電接触相手材の最表層の材料との関係で決定される。

具体的には、通電接触相手材の最表面層が酸化物層もしくは酸化物生成層である場合には、通電接触部材の前記Ｓｎめっき層１と、前記通電接触相手材の前記最表面層との厚みの合計が、０．５μｍ以下である。前述の酸化物摩耗粉による不具合の発生は、通電接触部材と、通電接触相手材との両者で生成しうる酸化物の総量に起因するためである。なお、ここでいう酸化物生成層とは、通電接触部材の通常の使用条件において、酸化物を生成しうる導電性部材の層であって、主にＳｎが挙げられるが、これらには限定されない。したがって、例えば、通電接触部材と、通電接触相手材とが、同じ構成を持つ場合には、通電接触部材のＳｎめっき層１の厚みは、０．１μｍ以上であって、０．２５μｍ以下の範囲であってよい。下限を０．１μｍ以上とする理由は、第１実施形態におけるＳｎ層と同様に、薄すぎてもＳｎ層の特性を発揮できないおそれがあるためである。

一方、通電接触相手材の最表面層が酸化物非生成層である場合には、通電接触部材のＳｎめっき層１の厚みは、０．１μｍ以上であって、０．５μｍ以下の範囲であってよい。ここで、酸化物非生成層とは、経時的使用や通電接触材部材と通電接触相手材との挿抜等により、酸化摩耗粉の生成が軽微で実質的に接触抵抗に影響ない金属もしくは合金層であって、Ｃｕ_６Ｓｎ_５層、Ｃｕ_３Ｓｎ層、Ｃｕ_６Ｓｎ層、Ａｇ、Ｎｉ等が、挙げられるがこれらには限定されない。Ｓｎめっき層１の厚みを上記範囲とする理由は、通電接触相手材に由来する酸化物摩耗粉について考慮する必要がないためである。

本実施形態による通電接触構造によれば、通電接触部材と、通電接触相手材との接触箇所において、酸化物摩耗粉を生じても、接触抵抗を過大に増加させることがなく、安定な通電を可能にすることができる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

［１．通電接触部材の作製］
本発明の実施形態において説明した方法にて、基材にめっき層を積層させてなる通電接触部材を作製した。厚みが３ｍｍのＣｕからなる基材に、電解めっき法により、５μｍのＣｕ_６Ｓｎ_５層を形成した。めっき浴は、市販のものを用い、電解条件は、１Ａ／ｄｍ^２とした。次いで、Ｃｕ_６Ｓｎ_５層上に、電解めっき法により、０．５μｍのＳｎ層を形成した。得られた積層体は、Ｃｕ_６Ｓｎ_５層、Ｓｎ層ともに、均一で平滑な層となっていることが視認できる。

［２．酸化膜厚と接触抵抗の関係］
上記と同様にして、Ｃｕ基材、Ｃｕ_６Ｓｎ_５層を形成した。厚みも同様とした。これに対し、膜厚を、０．１５μｍ、０．３μｍ、０．４μｍ、０．５５μｍ、０．８μｍ、１．３μｍで変化させて、電解めっき法によりＳｎ層を形成した。このＳｎ層を、大気加熱で酸化して、接触抵抗測定用の試料を作製した。次いで、試料の接触抵抗を測定した。図２は、酸化膜厚と接触抵抗の関係を示すグラフである。図２から、酸化膜厚が０．５μｍ以下であれば、過剰な接触抵抗増は見られず、一般的に使用される際のSn上自然酸化膜厚と同等の接触抵抗が確保できることがわかった。

１ Ｓｎめっき層
２ ＣｎＳｎ合金めっき層
３ 基材

Claims (2)

1. 基材上に、３〜１０μｍの厚みのＣｕ _６ Ｓｎ _５ めっき層と、０．１〜０．５μｍの厚みのＳｎめっき層とを順に積層してなる通電接触部材と、通電接触相手材とを組み合わせてなる通電接触構造であって、
   前記通電接触相手材の通電接触部材との接触個所における最表面層がＳｎ層であり、前記通電接触部材の前記Ｓｎめっき層と、前記通電接触相手材の前記最表面層との厚みの合計が、０．５μｍ以下である、または
   前記通電接触相手材の通電接触部材との接触個所における最表面層が、Ｃｕ _６ Ｓｎ _５ 層、Ｃｕ _３ Ｓｎ層、Ｃｕ _６ Ｓｎ層、Ａｇ層、Ｎｉ層から選択される酸化物非生成層であり、前記通電接触部材の前記Ｓｎめっき層の厚みが、０．５μｍ以下である、通電接触構造。
2. 前記基材が、Ｃｕ、Ａｌ、またはこれらを含む合金もしくは複合材である、請求項１に記載の通電接触構造。

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