JP5687955B2 - アルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造及びその製法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造及びその製法に係り、具体的には圧着接続部の防食技術に関する。
自動車などの車両の軽量化を狙いとして、アルミニウム又はアルミニウム合金電線（以下、アルミ電線と総称する。）の使用が注目されている。アルミ電線は、単線の芯線又は複数本のアルミ素線を撚り合わせた芯線に絶縁被覆を施して形成される。自動車などの車両の配線の場合は、アルミ電線の両端に金属端子を圧着接続して形成される電線を複数本束ね、配線経路に合わせて形を整えたワイヤハーネスが用いられる。
金属端子には、一般に、銅又は銅合金端子（以下、銅端子と総称する。）が用いられ、銅端子をアルミ電線に圧着して電気的に接続することになる。この場合、銅端子の一部にＵ字状に折り曲げたオープン型のワイヤバレル（芯線かしめ部）を形成し、ワイヤバレル内にアルミ電線の端部の絶縁被覆を剥いだ芯線を位置させてワイヤバレルをかしめて圧着接続する。また、銅端子の端部にＵ字状に折り曲げたインシュレーションバレル（絶縁被覆かしめ部）を形成し、インシュレーションバレル内にアルミ電線の端部の絶縁被覆を位置させてインシュレーションバレルをかしめることにより、銅端子をアルミ電線に強固に保持させている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
このように圧着接続されたアルミ電線と銅端子の圧着接続部に大気中の水分が凝縮して浸入したり、雨水等が浸入すると、異種金属であるアルミ電線と銅端子の酸化還元電位（イオン化傾向）の差に応じて、酸化され易い方のアルミのイオンが溶出して腐食するガルバニック腐食の問題が生ずる。なお、銅端子の表面に錫（Ｓｎ）メッキを施している場合でも、アルミと錫の酸化還元電位の差によって、同様にアルミ電線側の腐食が発生する。アルミ電線が腐食すると、接続部の接触抵抗の増大、線径の減少による電気抵抗の増大などにより、接続部の電気特性が不安定になるという不都合がある。
そこで、特許文献１には、アルミ電線と銅端子の圧着接続部の全体に樹脂をコーティングして、アルミ電線と銅端子との接触部に水が浸入するのを防止することが提案されている。また、特許文献２には、アルミ電線と銅端子の圧着接続部を、それらの金属よりもイオン化傾向が大きい、つまり酸化電位が高い金属筒体で覆い、金属筒体を犠牲的に腐食させてアルミの腐食を抑えることが提案されている。さらに、特許文献３には、アルミ電線の絶縁被覆を剥いだ露出芯線部にシリコーンゴム等の樹脂を塗布して防水コーティングを施した後、銅端子を強い力で圧着することにより防水コーティングを破って、アルミ電線と銅端子を接触させることが提案されている。これによれば、アルミ電線と銅端子との接触部に水が浸入するのを抑えて、アルミ芯線の腐食を防止することができる。
ところで、特許文献１のように、アルミ電線と銅端子の圧着接続部の全体に樹脂をコーティングする場合、流動性のある樹脂を塗布した後、紫外線などの光を照射して硬化させることが行われる。しかし、樹脂の塗布量、厚さの管理が難しいことから、全数検査を行わなければならないという問題がある。このような問題を解決するため、金型を用いてアルミ電線と銅端子の圧着接続部の全体を包囲する樹脂被覆を一体成形することが考えられるが、電線サイズごとに金型を用意することは実用的でない。
また、特許文献２のように、アルミ電線と銅端子の圧着接続部に、犠牲的に腐食させる金属筒体を被冠する方法によれば接続部のサイズが大きくなることから、ハーネス化すると隣り合う金属端子間のピッチを広げなければならない。そのため、複数の金属端子を並べて収容するコネクタハウジングが大形化するという問題がある。
一方、特許文献３の場合は、シリコーンゴム等の樹脂は絶縁物であるから、強い力で圧着してもシリコーンゴムのコーティングが十分に破れないおそれがあり、アルミ電線と銅端子の電気的接触の信頼性に問題が残る。また、シリコーンゴムコーティングの厚さ分だけ接続部のサイズが大きくなる、そのため、複数の金属端子を並べて収容するコネクタハウジングの隣り合う金属端子間のピッチを広げなければならないから、大形化するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、防食被膜の製造管理が容易で、圧着接続部のサイズを大きくすることなく、アルミ電線と金属端子の電気的接触の信頼性を損なうことのない防食技術を確立することにある。
本発明は、上記の課題を解決するため、アルミ電線の端部の絶縁被覆を剥いて露出された芯線に、金属端子の芯線かしめ部をかしめて接続してなる圧着接続部の構造において、前記圧着接続部の前記芯線と前記金属端子が、導電性粉末の蒸着膜により覆われていることを特徴とする。
ここで、導電性粉末の蒸着膜は、ニッケル、錫、金などの金属の他、炭素などを用いて形成できる。これらの蒸着膜は、周知の真空蒸着により形成でき、真空蒸着条件（例えば、導電性材料の蒸気濃度、蒸着時間）を調整することにより、蒸着膜の厚みを例えばμｍ単位で自由にコントロールできる。また、アルミ電線の芯線の外周面及び金属端子との圧着接続部の細かい隙間を導電性粉末で埋めることができるから、水の浸入を抑制して圧着接続部のアルミ芯線の腐食を防止することができる。なお、アルミ電線の露出芯線の表面が導電性粉末の蒸着膜で覆われるから、異種金属の接触部あるいは境界部が露出しないので、例え圧着接続部及びその周囲に水が存在しても、電食は発生し難い。その結果、防食被膜の製造管理が容易で、かつ、薄く形成できるから、圧着接続部のサイズを大きくすることなく、防食被膜を形成することができる。また、蒸着膜は導電性を有するから、アルミ電線と金属端子の電気的接触の信頼性を損なうことがない。
本発明において、蒸着膜を形成する導電性粉末は、金属端子の金属と酸化還元電位差が小さい金属材料、炭素、金の中から選んだ導電性材料であることが好ましい。これによれば、金属粉末の蒸着膜と金属端子との境界の露出部に水が介在しても、電食が起きるのを防止できる。
ここで、本発明は、銅又は銅合金により形成された金属端子に適用できることは言うまでもない。また、表面に錫メッキが施された銅又は銅合金により形成された金属端子に適用する場合、金属蒸着膜を構成する導電性粉末は、錫の酸化還元電位との差が小さい酸化還元電位を有する金属材料（例えば、錫又はニッケル）、炭素、金の中から選んだ導電性材料とすることができる。
上述した導電性粉末の蒸着膜は、前記アルミ電線の露出芯線に前記金属端子をかしめて接続された圧着接続部を真空容器内に設置し、該真空容器内に導電性材料を加熱して蒸気を発生させる蒸気源を設け、該蒸気源から発生した導電性材料の蒸気を凝縮させて前記圧着接続部に蒸着させて形成することができる。
また、これに代えて、アルミ電線の芯線露出部及び芯線切断面に真空蒸着法によって導電性粉末の蒸着膜を形成した後に、銅端子を圧着接続することができる。但し、この場合、圧着圧力で導電性粉末の蒸着膜が剥がれるおそれがあるから、圧着後に導電性粉末の蒸着膜を真空蒸着することが好ましい。
本発明によれば、防食被膜の製造管理が容易で、圧着接続部のサイズを大きくすることなく、アルミ電線と金属端子の電気的接触の信頼性を損なうことのない防食技術を確立することができる。
以下、本発明のアルミ電線と金属端子との圧着接続部の構造及びその製法について、実施形態に基づいて説明する。
アルミ電線と金属端子との圧着接続部の構造の一例の斜視外観図を図２に示す。金属端子である銅端子１は、銅又は銅合金の板材をプレス加工して形成される。銅端子１は、同図に示すように、雄型又は雌型の筒状の端子部２と、筒状の端子部２の底板と側面を延在させて形成された連結部３と、連結部３に形成された芯線かしめ部であるワイヤバレル４と及び絶縁被覆かしめ部であるインシュレーションバレル５を備えて形成される。端子部２は、板材を筒状に折り曲げて雄型又は雌型の端子として形成される。ワイヤバレル４は、連結部３の板材の両側縁から一対のバレル片４ａ，４ｂを張り出して形成され、かしめる前はＵ字状の断面を有するオープンバレルとして形成されている。インシュレーションバレル５も同様に、連結部３の板材の両側縁から一対のバレル片５ａ，５ｂを張り出して形成され、かしめる前はＵ字状の断面を有するオープンバレルとして形成されている。端子部２とワイヤバレル４との間、及びワイヤバレル４とインシュレーションバレル５との間に位置する連結部３には、板材の両側縁を折り曲げて壁面が形成されている。このように形成された銅端子１には、錫（Ｓｎ）メッキが施されている。
銅端子１にアルミ電線１０を圧着接続するには、まず、アルミ電線１０の端部の絶縁被覆１１を剥いで芯線１２を露出させる。芯線１２の露出部をワイヤバレル４に位置させて、バレル片４ａ，４ｂの先端を突き合わせるようにかしめて圧着する。また、アルミ電線１０の端部の絶縁被覆１１をインシュレーションバレル５に位置させ、バレル片５ａ，５ｂを絶縁被覆１１の外周面に重ね合わせて巻き付けてかしめる。これにより、アルミ電線１０に銅端子１を圧着接続できるとともに、しっかりと固定できる。
このように圧着接続された銅端子１とアルミ電線１０の圧着接続部２０に、導電性粉末の蒸着膜を真空蒸着により被着させる製法について、図３を参照して説明する。同図では図示を省略しているが、真空容器内に設けられた試料台に、銅端子１とアルミ電線１０の圧着接続部２０を保持する。次いで、容器内を所定の真空圧（例えば、１０−３〜１０−５Ｐａ）に調整し、例えば皿状に形成された蒸発源２１に電流を流して抵抗加熱し、蒸発源２１に収納された導電性材料の一つであるニッケル２２を加熱溶融して、ニッケル蒸気を発生させる。ニッケル蒸気は真空容器内で凝縮して金属粉末となり、銅端子１とアルミ電線１０の圧着接続部２０に向かう流れ２３が形成され、圧着接続部２０の表面に衝突、付着して蒸着膜を形成する。圧着接続部２０の近傍の温度は、アルミ電線１０の絶縁被覆１１が損傷しないように、圧着接続部２０と蒸発源２１との間隔を離して、例えば６０〜１００℃程度に調整する。
蒸着膜の厚みは、蒸着時間、ニッケル蒸気の濃度などの蒸着条件を可変することによりコントロールできる。また、蒸着時間は圧着接続部２０と蒸発源２１との間に仕切り板を設け、仕切板を開閉することにより、ニッケル蒸気の原子・分子の流れ２３を制御することができる。さらに、圧着接続部２０の不必要な部分に蒸着膜が形成されないようにするには、その部分を遮蔽体あるいは遮蔽膜で覆う。また、図３では、蒸発源２１を真空容器の上部に配置し、蒸着膜を形成する対象の圧着接続部２０を下部に配置した例を示したが、それらの上下関係を逆にすることができる。
このようにしてニッケル粉末の蒸着膜が形成された本発明の一実施形態のアルミ電線１０と銅端子１との圧着接続部２０の構造を図１に示す。図１は、圧着接続部２０の構造を、アルミ電線１０と銅端子１の長軸を含む鉛直面で切断した断面図である。本実施形態は、アルミ電線１０と銅端子１とを圧着した状態でニッケルの蒸着膜を真空蒸着した。すなわち、図示のように、アルミ電線１０の芯線１２の露出部は、銅端子１のワイヤバレル４のバレル片４ａ、４ｂをかしめることにより連結部３に圧着接続されている。また、アルミ電線１０の絶縁被覆１１の端部は、インシュレーションバレル２のバレル片５ａ、５ｂをかしめることにより連結部３に固定されている。なお、本実施形態では、湾曲した弾性変形可能な接触子２ａを備えた雌型端子を端子部２に適用した例を示しているが、本発明はこれに限らず、雄型端子にも同様に適用することができる。
次に、本発明の特徴構成について、図１を参照して説明する。図３で説明した真空蒸着法により圧着接続部２０にニッケルを蒸着した結果、圧着接続部２０を構成する銅端子１の外表面及びアルミ電線１０の露出した芯線１１の外表面にニッケル粉末の蒸着膜２４が形成される。実際に形成する蒸着膜２４の厚みは極めて薄くすることができるが、図１では蒸着膜２４の厚みを誇張して示している。図示のように、蒸着膜２４は、露出した芯線１１の外周面及び切断面を包囲して、また、バレル片４ａ、４ｂの外表面と端面を包囲して、さらに、連結部３の外表面に蒸着されている。なお、インシュレーションバレル５の外表面と端面、その近傍の絶縁被覆１１の外表面、及び端子部２の外表面等に、蒸着膜を形成しても差し支えないが、本実施形態ではそれらの部分を遮蔽体で覆って蒸着膜が形成されないようにした例である。
以上説明したように、本実施形態によれば、ニッケル粉末の蒸着膜２４により銅端子１とアルミ電線１０の圧着接続部２０を被覆しているから、アルミ電線１０の芯線１２の外周面及び切断面と、銅端子１との圧着接続部２０の細かい隙間をニッケル粉末の蒸着膜で埋めることができる。その結果、圧着接続部２０への水の浸入を抑制してアルミ芯線の腐食を防止することができる。また、アルミの芯線１２の露出部の表面がニッケル粉末の蒸着膜で覆われるから、アルミと銅端子の錫メッキとの接触部あるいは境界部が露出しない。その結果、例え圧着接続部２０及びその周囲に水が存在しても、アルミの電食は発生し難い。
また、防食被膜として真空蒸着により蒸着膜２４を形成していることから、真空蒸着条件（例えば、導電性材料の蒸気濃度、蒸着時間）を調整することにより、蒸着膜の厚みを例えばμｍ単位で自由にコントロールできる。その結果、防食被膜の製造管理が容易で、圧着接続部２０のサイズを大きくすることなく、防食被膜を形成することができる。そのため、複数の銅端子を並べて収容するコネクタハウジングの端子収容室のサイズを大きくすることなく、アルミ電線の防食を実現できる。さらに、蒸着膜２４はニッケル粉末であるから、アルミ電線１０と銅端子１の電気的接触の信頼性を損なうことがない。
上記の実施形態では、蒸着膜２４をニッケルで形成したが、本発明はこれに限らず、錫、金などの金属の他、炭素などを用いて形成できる。また、銅端子に限らず他の金属端子を適用することができる。金属粉末の蒸着膜の場合は、金属端子の金属と酸化還元の電位差が小さい金属材料を選択する。これにより、金属粉末の蒸着膜と金属端子との境界の露出部に水が介在しても、電食が起きるのを防止できる。
また、実施形態では、表面に錫メッキが施された銅又は銅合金により形成された銅端子の例を示したが、錫メッキが施されていない銅端子にも適用することができる。
１ 銅端子
２ 端子部
３ 連結部
４ ワイヤバレル
４ａ，４ｂ バレル片
５ インシュレーションバレル
５ａ、５ｂ バレル片
１０ アルミ電線
１１ 絶縁被覆
１２ 芯線
２０ 圧着端子部
２１ 蒸発源
２２ ニッケル
２４ 蒸着膜
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２４ 蒸着膜
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- アルミ電線の端部の絶縁被覆を剥いて露出された芯線に、金属端子の芯線かしめ部をかしめて接続された圧着接続部の構造において、
前記圧着接続部の前記芯線と前記金属端子が、導電性粉末の蒸着膜により覆われていることを特徴とするアルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造。 - 前記導電性粉末は、前記金属端子の金属と酸化還元の電位差が小さい金属材料、炭素、金の中から選んだ導電性材料であることを特徴とする請求項１に記載のアルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造。
- 前記金属端子は、表面に錫メッキが施された銅又は銅合金により形成された端子であり、
前記導電性粉末は、錫の酸化還元電位との差が小さい酸化還元電位を有する金属材料、炭素、金の中から選んだ導電性材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造の製法であって、
前記アルミ電線の露出芯線に前記金属端子をかしめて接続された圧着接続部を真空容器内に設置し、該真空容器内に導電性材料を加熱して蒸気を発生させる蒸気源を設け、該蒸気源から発生した導電性材料の蒸気を凝縮させて前記圧着接続部に蒸着させることを特徴とするアルミ電線と金属端子の圧着接続部の構造の製法。
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