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JP7376522B2 - コネクタの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、コネクタに関する。
電子機器、車載及び電装部品、トランスミッション等のワイヤーハーネスに用いられるコネクタは、インサート成形により金属製の端子と樹脂製のハウジングとを一体成形して作製することが一般的である。そして、防水や防油の目的で、金属と樹脂との間の接合性やコネクタの気密性を確保することが求められている。
そのため、金属製の端子の表面に凹凸を形成し、端子とハウジングとの接合性を向上させる技術が知られている。特許文献１には、樹脂の一部が金属部材の表面の微細孔に入り込むことにより、アンカー効果及び接触面積増加の効果で、金属と樹脂との間の接合性が向上することが記載されている。そして、微細孔の形成方法としては、薬液によるエッチング、レーザ光照射などが挙げられている。
特開２０１７－１７５０６８号公報
従来技術では、端子とハウジングとの一体成形後に、樹脂の固化過程や環境温度の変化により、端子とハウジングとが接する界面に微小な隙間が生じる、又はハウジング側にクラックが発生するなど、金属と樹脂との間の接合性に関わる問題があった。また、端子の表面に形成した溝は、複数回にわたってレーザ照射を重ねて端子（金属）を溶かしながら加工されるため、溝の間口の周辺に金属残留物（以下、「デブリ」と呼ぶ）が発生する。デブリの発生によって、端子部材の表面の形状のコントロールが困難になる。端子とハウジングとの一体成形後には、デブリの接触部分が応力集中箇所となり、ハウジング側にクラックが発生するおそれがある。
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、端子とハウジングとの接合性及び気密性に優れ、急激な温度変化に対する耐久性を向上させたコネクタを提供することにある。
本発明の態様に係るコネクタは、端子と、端子を収容及び保持する樹脂製のハウジングと、を有し、端子の表面の一部の領域に、端子の長手方向に対して垂直な方向に配置形成される一又は複数本の溝が延在している。溝の間口に、端子の表面に対して傾斜する傾斜面が形成される。溝は、間口から端子の表面に対して垂直な深さ方向に順に、端子の表面に対して平行な最小幅を示す部分と、端子の表面に対して平行な最大幅を示す部分とを有するように形成される。端子の表面に対して溝の間口の傾斜面のなす角度が１００～１５０度であり、かつ、溝の最大幅に対する溝の最小幅の比率が０．５８以上１．０未満である。端子が、溝が延在する領域を含む部分においてハウジングを構成する樹脂中に埋設固定されている。
本発明によれば、端子とハウジングとの接合性及び気密性に優れ、急激な温度変化に対する耐久性を向上させたコネクタを提供することができる。
本実施形態に係るコネクタの平面概念図である。 端子に延在する溝内で固化した樹脂の様相を示す断面図である。 端子に延在する溝を模式的に示す断面図である。 デブリ除去工程前（ａ）及びデブリ除去工程後（ｂ）における、端子に延在する溝の断面を拡大して示す電子顕微鏡写真である。 金属片（Ａ）と、金属片と樹脂とを一体成形した状態（Ｂ）と、剥離試験において金属片の一端を上方に引っ張っている状態（Ｃ）を模式的に示す斜視図である。 気密性を評価する際に用いた治具を示す断面図である。
＜コネクタ＞
以下、図面を用いて本実施形態に係るコネクタについて詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。
図１は、樹脂製のハウジング４内に端子２が収容及び保持されているオス－オス型のコネクタである。端子２は、不図示の相手側端子に対し接続される電気接触部７を有する。
図１において、端子２の長手方向の中間部分には、溝１３が複数本延在している。溝１３は、端子２の長手方向に対して垂直方向であって、端子２の外面の周方向の全体にわたって配置形成されている。この溝１３の詳細については後述する。
ハウジング４は、絶縁性を有する樹脂成形品であって、内部に端子２の電気接触部７が配置されるコネクタ嵌合部２０と、端子２がインサート成形されるインサート部２１とが一体に形成されている。
上記の通り、端子２の長手方向に対して垂直方向であって、端子２の外面の周方向の全体にわたって、複数本の溝１３が延在している。そして、端子２はインサート部２１に覆われており、図２に示すように、溝１３が延在する領域においてハウジング４を構成する樹脂中に埋設固定されている。インサート成形時に樹脂材料が溝１３に入り込んで固化し、端子固定部２２が複数形成された状態となっている。
つまり、溝１３の存在により、金属－樹脂が接触する面積が増加するため、両者の接合強度が向上する。また、コネクタに侵入する気体及び液体は端子固定部２２により遮断されるためコネクタの気密性を確保することができる。従って、従来使用しているアクリルゴム製のＯリング、ホルダ等の別の部品を要することなく気密性を確保することができる。
溝１３は、図１及び図２においては、端子２の長手方向に対して垂直方向に延在する形態を示したが、本実施形態において溝１３は当該長手方向に対して垂直な方向成分を含む方向であればよい。例えば、溝１３は、端子２の長手方向に対して垂直方向から傾斜する方向に延びるように形成していてもよい。また、溝自体は直線形でなければならないわけではなく、例えば、溝はうろこ状や波状の溝で隣の溝と重なりあっていれば個々の溝で水の浸入を遮断できるため、曲線形であってもよい。
図３に示すように、溝１３の間口には、端子２の表面に対して傾斜する傾斜面が形成される。そして、端子２の表面に対して溝１３の間口の傾斜面のなす角度（Ｂ）（以下、「角度（Ｂ）」と呼ぶ）は、１００～１５０度であることが好ましい。角度（Ｂ）を１００～１５０度とすることにより、アンカー効果により金属－樹脂間の接合強度をさらに向上させることができる。なお、レーザ加工の場合、レーザ照射条件として出力及び走査速度を調節することで、角度（Ｂ）を１００～１５０度とすることができる。また、角度（Ｂ）は、図４（ｂ）に示すように、溝１３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、上記傾斜面に対して接線を引いて、端子２の表面の延長線とのなす角とすることができる。
また、図３に示すように、溝１３は、間口から端子２の表面に対して垂直な深さ方向に順に、端子２の表面に対して平行な最小幅（Ｃ）を示す部分と、端子２の表面に対して平行な最大幅（Ｄ）を示す部分とを有するように形成される。溝１３が最小幅（Ｃ）を示す部分と最大幅（Ｄ）を示す部分とを有することにより、溝１３に入り込んだ樹脂が最小幅（Ｃ）を示す部分に係合するため、端子２とハウジング４との間の気密性をより高めることが可能となる。さらに、端子２に対するハウジング４のアンカー効果を高めるため、最大幅（Ｄ）に対する最小幅（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｄ）が０．５８以上１．０未満であり、０．６以上０．９未満であることが好ましく、特に０．６以上０．７５未満であることが好ましい。なお、レーザ加工の場合、レーザ照射条件として出力及び走査速度を調節することで、（Ｃ／Ｄ）を０．５８以上１．０未満とすることができる。具体的には、出力を大きくすることで、（Ｃ／Ｄ）を増大させることができ、走査速度を上げることで、（Ｃ／Ｄ）を増大させることができる。また、溝の最小幅（Ｃ）と溝の最大幅（Ｄ）は、図４（ｂ）に示すように、溝１３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して測定することができる。
図３に示すように、さらにアンカー効果を高めるため、端子２の表面に対して垂直な方向への溝の深さ（Ａ）は、６０～８０μｍが好ましい。なお、レーザ加工の場合、レーザ照射条件として出力及び走査速度を調節することで、溝の深さ（Ａ）を６０～８０μｍとすることができる。また、溝の深さ（Ａ）は、図４（ｂ）に示すように、溝１３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して測定することができる。
以上の端子２に延在する溝１３は、一又は複数本形成されるが、気密性及び接合強度の向上の観点から溝本数は５本以上とすることが好ましい。
ハウジング４の形成に用いる材料としては、熱可塑性樹脂、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、芳香族ポリアミド（ＰＡ６Ｔ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、アクリロニトリル/スチレン樹脂（ＡＳ）などを用いることができる。中でも、特に、ＳＰＳを用いることが好ましい。ＳＰＳは、耐熱性、耐油性及び耐薬品性に優れ長期にわたり油冷構造での使用に耐えることができるためである。既述の通り、ＳＰＳは耐油性が良いがゆえに、接着剤を用いての化学的な接着については接着性に劣るが、本実施形態は、端子に形成する溝により接着性の問題を解消することができるため、ＳＰＳの利点を有効活用することができる。
温度変化に伴い、ハウジング４の材料も、端子２の材料も冷熱によって線膨張率が変化するため、端子２の材料の線膨張率に近いハウジング４の材料を選定し使用することが好ましい。
端子２を構成する材料としては、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミ合金、ＳＵＳ等、導通部材が挙げられるが、導電性及び加工性の観点から、無酸素銅（Ｃ１０２０ １／２Ｈ）が好ましい。なお、めっきの有無については問わない。
このように、本実施形態のコネクタは、端子２と、端子２を収容及び保持する樹脂製のハウジング４と、を有する。端子２の表面の一部の領域に、端子２の長手方向に対して垂直な方向に配置形成される一又は複数本の溝１３が延在している。そして、溝１３の間口に、端子２の表面に対して傾斜する傾斜面が形成される。溝１３は、間口から端子２の表面に対して垂直な深さ方向に順に、端子２の表面に対して平行な最小幅を示す部分と、端子２の表面に対して平行な最大幅を示す部分とを有するように形成されている。端子２の表面に対して溝１３の間口の傾斜面のなす角度が１００～１５０度であり、かつ、溝１３の最大幅に対する溝１３の最小幅の比率が０．５８以上１．０未満である。端子２が、溝１３が延在する領域を含む部分においてハウジング４を構成する樹脂中に埋設固定されている。このことにより、端子２とハウジング４の接合性及び気密性に優れ、急激な温度変化に対する耐久性を向上させたコネクタを提供できる。
また、本実施形態のコネクタにおいては、ハウジングと端子との間の気密性を向上させることができる。下記条件Ａで測定した、ハウジングと端子との間の気密性は５０ｋＰａ以上とすることができ、条件が整えば１００ｋＰａ以上、２００ｋＰａ以上、又は３００ｋＰａ以上とすることができる。
（条件Ａ）前記ハウジングと前記端子との間の一側から、圧縮空気を１０．０ｋＰａから４００．０ｋＰａまで６０秒毎に一定の増大率で増大させて送気した場合において、他側からの空気の漏れが観察されたときの圧縮空気の圧力を気密性の圧力とする。
なお、以上のように、本実施形態のコネクタにおいては、ハウジングと端子との接合強度を向上させることができるが、例えば、ハウジングと端子とのＩＳ０１９０９５シリーズに準じて測定した剥離強度は１．８Ｎ／１２．７ｍｍ以上とすることができる。
本実施形態のコネクタにおいては、ハウジングと端子との間の接合性を向上させることによって、冷熱衝撃試験により急激な温度変化を与えても気密性の低下を抑えることができ、耐久性を向上させることができる。
以上、本実施形態のコネクタは、端子とハウジングとの接合性及び気密性に優れている。そして、電子機器、車載及び電装部品、トランスミッション、及びデバイス、リレー、センサ一等のワイヤーハーネスの気密構造として極めて好適に使用することができ、コネクタの信頼性向上に信頼できる。ひいては、自動車などの車両の床下ハーネス、エアコンハーネスなどに限定されず、油冷構造のモーターハーネスへの適用が可能である。
さらに、本実施形態のコネクタは、部品点数を減らすことができ、小型化及び軽量化が可能である。具体的には、従来使用しているアクリルゴム製のＯリングやホルダ等の部品が削減でき、それに伴い、コネクタ全体としてのサイズダウンが可能である。
＜コネクタの製造方法＞
次に、本実施形態のコネクタの製造方法について説明する。コネクタの製造方法は、レーザ照射によって端子２の表面の一部の領域に、端子２の長手方向に対して垂直な方向に一又は複数本の溝１３を形成する工程（以下、「溝形成工程」とも呼ぶ。）を有する。また、溝１３を形成する際に発生したデブリ５０を端子２の表面からレーザ照射によって除去する工程（以下、「デブリ除去工程」とも呼ぶ。）を有する。
まず、溝形成工程では、端子２の表面の一部の領域に、端子２の長手方向に対して垂直な方向に一又は複数本の溝１３を形成する。端子２に延在する溝１３は、切削加工、レーザ加工、プレス加工により形成することができる。中でも、気密性を十分に確保するためには、レーザ照射によって溝１３を形成するレーザ加工が好ましい。このようなレーザ加工は、特開２０１０－１６７４７５号公報に記載されている。また、レーザ照射により端子２に溝１３を形成すると、必要な範囲に対して必要な数の溝１３を形成でき、また均一な形状を作製することが出来るため、長期にわたりハウジング４との接合強度を高い状態で維持することができる。
次いで、デブリ除去工程では、溝１３を形成する際に発生したデブリ５０を端子２の表面からレーザ照射によって除去する。前の工程において、溝１３は、複数回にわたってレーザ照射を重ねて端子（金属）を溶かしながら形成されるため、図４（ａ）のように、溝１３の間口の周辺にデブリ５０が発生する。このデブリ５０の発生によって、端子２の表面の形状のコントロールが困難になる。さらに、デブリ５０は鋭角部分を有するため、端子２とハウジング４の一体成形後には、デブリ５０とハウジング４との接触部分が応力集中箇所となり、ハウジング側のクラックの発生原因となる。
そのため、レーザ照射によってデブリ５０を溶かして、端子２の表面からデブリ５０を除去することで、溝１３の間口の周辺に発生する金属－樹脂間の応力集中を緩和することができる。溶かされたデブリ５０は、図４（ｂ）のように、溝１３の間口に蓋形状に再度堆積する。結果として、角度（Ｂ）、溝の最大幅（Ｄ）に対する溝の最小幅（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｄ）、溝の深さ（Ａ）を上記の範囲に制御することで、アンカー効果を発現させた形状の溝を形成することができる。そして、次の樹脂成形工程において、金属－樹脂間の接合強度を向上させることができる。なお、デブリ除去工程は溝形成工程の後に実施するが、溝形成工程は何回かに分けて実施してもよく、その溝形成工程の間にデブリ除去工程を入れてもよい。
次いで、樹脂成形工程では、ハウジング４を樹脂成形（二次成形）する。このハウジング４の成形時に、端子２をインサート成形する。インサート成形により樹脂材料が溝１３に入り込んで固化し、端子固定部２２が多数形成される。端子２は、ハウジング４の樹脂成形に伴って固定される。
以上、図１～図４を参照しながら説明してきたように、本実施形態に係るコネクタによれば、端子２は専用の固定部品を用いなくともハウジング４に固定される。これは、端子２に一又は複数本の溝１３が形成され、この溝１３の存在によりハウジング４と端子２との接触面積が増大し接合強度が向上するからである。また、端子固定部２２により外部からの気体や液体の進入が遮断されるため気密性が向上する。
以下、本実施形態を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
［実施例１～５及び７～８、並びに参考例６］
まず、無酸素銅（Ｃ１０２０ １／２Ｈ）からなる金属片（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、線膨張率：１７．７×１０－６／℃）に対してレーザ加工を施し、溝を形成した（図５（Ａ）参照）。具体的には各実施例において、金属片の長手方向に対して垂直な方向に、ファイバーレーザ加工機（（株）アマダウエルドテック製、ＭＬ－７３５０ＤＬ）を用いてレーザ照射して、サンプルごとに溝を形成した。さらに同設備を用いて、レーザ照射して溝の間口の周辺に発生したデブリを除去した。なお、デブリの除去は、溝の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、端子の表面上のデブリの高さを５μｍ以下とすることでデブリが無くなったとみなした。
溝形成工程におけるレーザ照射条件は、出力１６Ｗ、走査速度６００ｍｍ／ｓ、レーザ走査重ね回数６～８回として実施した。また、デブリ除去工程におけるレーザ照射条件は、出力３Ｗ、走査速度１２００ｍｍ／ｓ、レーザ走査重ね回数２回として実施した。その結果、各実施例において、表１に示すような、デブリが無く、溝の深さ（Ａ）、角度（Ｂ）、溝の最小幅（Ｃ）、溝の最大幅（Ｄ）、溝の最大幅（Ｄ）に対する溝の最小幅（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｄ）、溝本数を有する、金属片のサンプルを得た（図５（Ａ）参照）。
次いで、溝を形成した金属片に対し、表1に示す樹脂（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ、厚み２．７ｍｍ）をインサート成形し、金属片と樹脂とを一体化した成形品のサンプルを得た（図５（Ｂ）参照）。なお、図５において、符号３０は成形品を、符号３２は樹脂を、符号３４は金属片を示す。
樹脂は、以下の材料を用意した。
・ＳＰＳ（ザレック（登録商標）Ｃ１４２：出光興産（株）製、線膨張率：１８．０×１０－６／℃）
・ＰＰＳ（トレリナ（登録商標）Ａ５７５Ｗ２０：東レ（株）製、線膨張率：１９．０×１０－６／℃）
・ＰＡ６Ｔ（アーレン（登録商標）Ａ３５０：三井化学（株）製、線膨張率：１８．０×１０－６／℃）
その後、成形品のサンプルについては後述するように、金属片と樹脂との１）剥離強度と、２）気密性とを測定した。
［比較例１～４］
実施例１～５及び７～８、並びに参考例６と同様に、金属片の長手方向に対して垂直な方向にレーザを照射し、サンプルごとに溝を形成した。そして、比較例１～２についてはデブリの除去を実施せず、比較例３～４については、実施例１～５及び７～８、並びに参考例６と同様にデブリの除去を実施した。その結果、各比較例において、表２に示すような、溝の深さ（Ａ）、角度（Ｂ）、溝の最小幅（Ｃ）、溝の最大幅（Ｄ）、溝の最大幅（Ｄ）に対する溝の最小幅（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｄ）、溝本数を有する、金属片のサンプルを得た。その後、実施例１～５及び７～８、並びに参考例６と同様にして、溝を形成した金属片に対してＳＰＳをインサート成形して、金属片と樹脂とを一体化した成形品のサンプルを得た。
その後、実施例１～５及び７～８、並びに参考例６と同様にして、成形品のサンプルについて金属片と樹脂との１）剥離強度と、２）気密性を測定した。
１）剥離強度（接合力、接合性）
各実施例及び比較例において得られた成形品のサンプルに対し、９０°剥離試験装置（（株）島津製作所製、精密万能試験機オートグラフＡＧ－ｌ）を用い、ＩＳ０１９０９５シリーズに準じて剥離強度を測定した（図５（Ｃ）参照）。具体的には、金属片において、レーザ加工している７０ｍｍの領域と、レーザ加工していない５０ｍｍの領域（図５（Ａ）参照）のうち、レーザ加工していない５０ｍｍの領域を５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張ることにより剥離試験を行った。出力された力（Ｎ）を試験片幅１２．７ｍｍで割った数値（単位：Ｎ／１２．７ｍｍ）を測定結果として表１及び表２に示す。
２）気密性（シール性、防水性）
気密性の測定に使用したアルミ製の治具について図６を参照して説明する。図６に示す治具４０は、有底円筒形状の治具本体４２と、この治具本体４２の開口側を封止する蓋部４４とを備える。治具本体４２には、外部と連通する通気口４６が設けられており、この通気口４６から圧縮空気が内部空間に供給される。蓋部４４の中央部には、気密性を測定するための成形品を投入する矩形状の開口を備え、この開口は成形品の一部を外部に露出した状態で成形品を保持し、かつ、成形品を保持したときに治具本体４２内部に水が浸入しないように止水されている。
各実施例及び比較例において得られた成形品のサンプルについて、冷熱衝撃試験前と冷熱衝撃試験後にそれぞれ気密性を評価した。冷熱衝撃試験は、急激な温度変化に対する成形品の耐久性を評価するものであり、高温条件（１５０℃）と低温条件（－４０℃）とを３０分毎に交互に繰り返し、１０００サイクル実施した。
冷熱衝撃試験前もしくは冷熱衝撃試験後の成形品のサンプルを、治具４０にセットして水中に投入し、冶具にチューブを通して１０．０ｋＰａの圧縮空気を６０秒送り、止水部分からの圧縮空気の漏れを観察した。圧縮空気の漏れがない場合、圧縮空気の圧力を１０．０ｋＰａずつ４００ｋＰａまで増大していった。漏れが観察されたときの圧縮空気の圧力をシール圧とし、シール圧が５０ｋＰａ以上のものを合格（○）、５０ｋＰａ未満のものを不合格（×）とした。評価結果を表１及び表２に示す。
Figure 0007376522000001
Figure 0007376522000002
表１より、実施例１～５及び７～８、並びに参考例６のいずれも剥離強度及び気密性において優れた結果が得られていることが分かる。これに対して、表２より比較例１～２は、デブリが除去されていないため、冷熱衝撃試験後の気密性試験は不合格となった。また、比較例３～４は、デブリは除去されているものの、角度（Ｂ）が１５０度を超え、溝の最大幅（Ｄ）に対する溝の最小幅（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｄ）が０．５８未満であり、冷熱衝撃試験後の気密性試験は不合格となった。
これらの結果から、端子の表面からデブリを除去し、端子の表面に対して溝の間口の傾斜面のなす角度が１００～１５０度であり、かつ、溝の最大幅に対する溝の最小幅の比率が０．５８以上１．０未満であることにより、剥離強度及び気密性に優れると推察される。
以上、本実施形態を実施例によって説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
２ 端子
４ ハウジング
７ 電気接触部
１３ 溝
２０ コネクタ嵌合部
２１ インサート部
２２ 端子固定部
５０ デブリ

Claims (2)

  1. 端子と、
    前記端子を収容及び保持する樹脂製のハウジングと、
    を有し、
    前記端子の表面の一部の領域に、前記端子の長手方向に対して垂直な方向に配置形成される一又は複数本の溝が延在しており、
    前記溝の間口に、前記表面に対して傾斜する傾斜面が形成され、
    前記溝は、間口から前記表面に対して垂直な深さ方向に順に、前記表面に対して平行な最小幅を示す部分と、前記表面に対して平行な最大幅を示す部分とを有するように形成され、
    前記表面に対して前記溝の間口の傾斜面のなす角度が１００～１５０度であり、かつ、前記溝の最大幅に対する前記溝の最小幅の比率が０．６９以上１．０未満であり、
    前記端子が、前記溝が延在する領域を含む部分において前記ハウジングを構成する樹脂中に埋設固定されているコネクタの製造方法であって、
    レーザ照射によって端子の表面の一部の領域に、前記端子の長手方向に対して垂直な方向に一又は複数本の溝を形成する工程と、前記溝を形成する際に発生したデブリを前記端子の表面からレーザ照射によって除去する工程と、を有するコネクタの製造方法。
  2. 下記条件Ａで測定した、前記ハウジングと前記端子との間の気密性が５０ｋＰａ以上である、請求項１に記載のコネクタの製造方法。
    （条件Ａ）前記ハウジングと前記端子との間の一側から、圧縮空気を１０．０ｋＰａから４００．０ｋＰａまで６０秒毎に一定の増大率で増大させて送気した場合において、他側からの空気の漏れが観察されたときの圧縮空気の圧力を気密性の圧力とする。
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