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発明の名称 絶縁被覆銅線の接合体の製造方法および自動車用電装部品
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−36851
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−193704
出願日 平成4年(1992)7月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 服巻 孝 / 中村 満夫
要約 目的


構成
裸銅線1にCuを、接合助材2にSn(溶融温度:約240℃)をめっきし、被覆銅線4にAIWを適用して組合わせ、通電加熱,加圧による抵抗溶接機を用いて接合した。なお、電極材はMoを用い、接合面にかかる加圧力は2kgf/mm2で行った。
特許請求の範囲
【請求項1】裸銅線と絶縁被覆銅線の接合において、以下の接合過程を経て接合されていることを特徴とする絶縁被覆銅線の接合体の製造方法。
1)裸銅線に予め接合助剤を付着させておく、2)裸銅線に被覆銅線が巻かれる凹みを付ける、3)凹みの部分に被覆銅線を巻きつける、4)凹み部分が外側になるようにして裸銅線の先端部をU形状に折り曲げる、5)折り曲げられ、被覆銅線が巻かれた部分に通電抵抗加熱機の電極を当てる、6)通電加圧及び加熱により接合助剤が溶融し、折り曲げられた先端部がストレートの裸銅線と合金層で接合される、7)通電加圧及び加熱により内側の絶縁被覆材が炭化され、接合面から排出される、8)裸銅線と被覆材が除去された銅線が接合される。
【請求項2】請求項1において、前記接合助材は絶縁被覆の破壊温度よりも低い溶融温度を有し、金属接合した後は初期の溶融温度より高い合金層を形成させることが出来る絶縁被覆銅線の接合体の製造方法。
【請求項3】請求項1において、前記合金層は被接合材の一部と接合助材の少なくとも一成分とが反応して形成された合金層である絶縁被覆銅線の接合体の製造方法。
【請求項4】請求項1において、前記接合助剤材はSn,Zn,Au,Ag,Pb,P,Pd,Cuの一つあるいは二つ以上の組合わせからなり、溶融温度が450℃以下である絶縁被覆銅線の接合体の製造方法。
【請求項5】請求項1において、前記絶縁被覆材はエナメル,ホルマール,ポリウレタン,ポリエステル、及びアミドイミド等の一般的な絶縁被覆材が適用できる絶縁被覆銅線の接合体の製造方法。
【請求項6】請求項1,2,3,4または5の前記接合体を含む自動車用電装部品。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は裸銅線と絶縁被覆銅線の接続に係り、特に、絶縁被覆のままの銅線を直接裸銅線に接合してお互いを電気的に接続し、一方、絶縁被覆銅線を包んだ裸銅線同士は合金層接合し機械的強度が高く、且つ、高耐熱性の接合体を提供することにある。
【0002】
【従来の技術】絶縁被覆銅線と導体とを接続する方法は、特公昭50−18940 号及び特公昭56−28355 号公報にみられるように、熱圧着方式が用いられている。この方式では銅線が絶縁被覆で覆われているために通電出来ず、そこであらかじめ成形した導体端子のU字溝に被覆銅線を入れ、それを上電極と下電極とで挾み加圧して、電極に電流を流すことによってU字端子を発熱させ、その熱で絶縁被覆を炭化させて被覆線を接続している。すなわち、抵抗溶接機を用いた方法で通電時間は短く金属接合とはなっていない。そのため機械的強度が低い欠点がある。機械的強度を補強する手段として、加圧力による加締めを併用した接続を採用しているが、疲労強度が低く、また長期使用に際し電気的特性が著しく低下する欠点があった。その改良として、特開昭61−199575号公報に接合用導体を介してそれを溶融して接続する方法が見られる。接合用導体としてCu−50SnやCu−45Znなどを使用例として示しているが、これらは溶融温度が高く被覆の炭化処理の加熱中に酸化し、その結果、信頼性の高い接続が得られない欠点があった。
【0003】また、裸導体を予め用意する必要があり、U字形状加工等に時間が掛かり接続のため価格が高くなる問題を有していた。
【0004】従来例として最も一般的な方法は絶縁被覆材を剥がし、相手導体端子とはんだで接合する方法である。この接合部は、金属的(冶金的とも言う)な接合が達成され電気的な接続も十分である。しかし、被覆材を剥がす工程が増えることによる価格が高価になること、またはんだ付であることから高温にたいし機械的及び物理的にも弱いという欠点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は金属的接合の観点において十分でなく、そのため機械的な接続強度が低く、振動並びにヒートサイクル等の負荷による端子の緩みに伴い電気的特性にも信頼性上問題があった。更にU字形状等の端子を供給するために接続価格が高くなる等の問題があった。
【0006】そこで、通電により絶縁被覆を炭化させることと、金属接合(冶金的反応)を別々に考えることにした。そして2種の因子を達成させるための簡便な裸銅線とその構造を設定した。裸銅線は被覆銅線と接続する部分に比較的低融点成分のろう材(接合助材)を設置する。低融点成分のろう材は導体の母材と反応しやすい元素を含有していることが重要である。接合助材を付着した裸銅線の一方には絶縁被覆銅線を巻きつける凹みを付けておくことが非常に大事である。
【0007】接合過程は、前述の凹み加工(他方は凸か平滑)の裸銅線に絶縁被覆銅線を巻きつける。その後、被覆銅線を包むように折り曲げる。抵抗溶接機の電極の間に設置する。例えば、上電極に折り曲げられた裸銅線が配置され、下電極には被覆銅線が巻かれた裸銅線が配置される。被覆銅線は裸銅線の凹みに設置されているため電極は当たらない。そのため通電は裸銅線を通して行われる。通電により融点の低い接合助材(ろう材)が溶け、裸銅線と反応し合金層を形成する。その過程でまず裸銅線に包まれた絶縁被覆材は加熱により炭化され、引続き加熱、加圧により炭化物は接合部より排出される。裸銅線の外側の被覆銅線は余り加熱されず絶縁を維持している。同じ過程で裸銅線同士の接合面からは未反応な低融点層が排出され、高融点の合金層が形成され接合される。このように裸導体と絶縁被覆銅線間では炭化と、導体間では金属的接合を同時に達成することによって高耐熱性と強度に優れる機械的な振動及びヒートサイクルなどによる緩みも発生しない接合継手を実現することが出来る。
【0008】裸銅線の凹みは絶縁被覆銅線の形状に合わせて行う。つまり絶縁被覆材が電極に接触しないようにする必要がある。加工は簡便な方法で良く、例えば、プレスで加工するのも良い。
【0009】本発明は絶縁被覆材を剥がさないで直接接合するもので、絶縁被覆の種類はJIS C 4003に掲載のように低温(許容最高温度90℃)のY種からA,E,B,F,H及びC種の広範囲に亘って適用可能である。
【0010】金属的接合を行うために裸導体の母材(導体の金属であれば適用できる、ここではCu及びCu合金)と反応性の良い接合助材を種々検討した結果、Sn,Zn,Au,Ag,Pb,P,Pd,Cuが良く、これらは450℃以下の元素は1種でも良い場合もある(Sn,Znなど)が、Pbは1種では反応性が悪いため使用出来ない。その他は2種以上の成分で適用すると都合が良い。また、これらの成分と母材が反応して形成した合金層同士を接合させるためには、加圧力を約1kg/mm2(約10MPa)以上負荷させることが重要であることも明らかになった。この操作は一般的には大気中で行えるが、加圧力を与えて溶融層を排出させるため、清浄な面同士で接合されることになる。
【0011】本発明の目的は、簡便な裸導体を用い、この様な合金層による金属的接合を行うことにより、高い接合強度及び耐熱性を有する信頼性の高い導体となり、且つ、一括接合できる方法、並びに接合体を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は裸銅線と絶縁被覆銅線の接合において、以下の接合過程を経て接合されていることを特徴とする絶縁被覆銅線の接合体の製造方法である。すなわち、1)裸銅線に予め接合助材を付着させておく、2)裸銅線に被覆銅線が巻かれる凹みを付ける、3)凹みの部分に被覆銅線を巻きつける、4)凹み部分が外側になるようにして裸銅線の先端部をU形状に折り曲げる、5)折り曲げられ、被覆銅線が巻かれた部分に通電抵抗加熱機の電極を当てる、6)通電加圧及び加熱により接合助材が溶融し、折り曲げられた先端部がストレートの裸銅線と合金層で接合される、7)通電加圧及び加熱により内側の絶縁被覆材が炭化され、接合面から排出される。その結果、8)裸銅線と被覆材が除去された銅線が接合される。
【0013】使用する接合助材は絶縁被覆の破壊温度よりも低い溶融温度を有し、金属接合した後は初期の溶融温度より高い合金層を形成させることが出来るものである。合金層は被接合材の一部と接合助材の少なくとも一成分とが反応して形成された合金層であることを意味する。
【0014】更に、接合助材はSn,Zn,Au,Ag,Pb,P,Pd,Cuの一つあるいは二つ以上の組合わせからなり、溶融温度が450℃以下であることも特徴である。
【0015】絶縁被覆材はエナメル,ホルマール,ポリウレタン,ポリエステル、及びアミドイミド等の一般的な絶縁被覆材が適用できる。以上の接合条件のもとに、絶縁被覆銅線の被覆材を剥がすこと無く直接裸銅線と接合が出来、本発明は達成される。
【0016】また、このような接合プロセスを経る接合体は、一般的な電気の入・出力の導入線に適用可能であり、特に自動車用電装部品の絶縁被覆銅線に適用できる。
【0017】
【作用】本接合装置として通電加熱の抵抗溶接機を用いるのが都合が良い。加熱と加圧が同時に出来、しかも、短時間で接合が出来る。実際の接合作業では、大気中で接合出来るのが、量産,低コスト接合に好都合であり、この場合接合時間は短ければ短いほど酸素との反応が少ないため良好な継手が得られる。また、抵抗溶接機は接合部の信頼性をより高めるために、二段加熱,加圧方式を採用することが好ましい。すなわち、最初の一段目は絶縁被覆を炭化させることで、このとき接合助材はその間絶縁被覆材より溶融温度が低いため溶融し、裸銅線との反応が進み接合助材と銅線母材との界面に合金層が形成される。その後、二段目で炭化した絶縁被覆を接合面外へ排出させると同時に、お互いの裸銅線界面に形成された合金層同士を介して加圧により裸銅線同士を接触させて接合するものである。簡便にはー段加熱、加圧方式で接合しても十分満足する継手は得られる。その場合ー段で前述した二段方式の接合プロセスを実行する。
【0018】この時に使用する接合助材は450℃以下の溶融温度でしかも、端子母材と合金層を形成しやすい金属元素である必要がある。ここで考えている裸銅線はCu及びCu合金であることから、反応性の良好な元素はSn,Zn,Au,Ag,P,Pdなどであるが、融点を調整するためにはPb,Biなども含有されていても良い。むしろ低融点化された成分の接合助材の方が短時間の加熱の場合には合金層が形成され易く好都合と言える。
【0019】例えば、Pb−50%Snを用いた場合、その溶融温度は約200℃である。コイルはポリエステル絶縁被覆(PEWと呼ぶ)の場合、炭化温度は約550℃であることから、まず一段目の加熱,加圧で少なくとも550℃以上に加熱される。その間、Pb−50Snは溶融し裸銅線のCu母材と反応し、銅線との界面にCu−Snの合金層が、また母材間の中央部には未反応のPb,Snが形成されている。次に二段目の加熱,加圧によってPEWの炭化物が排出され、被覆が除去された銅線及び裸銅線とが金属的に接続される。一方、裸銅線同士の接続は未反応なPb,Snが接合面外へ押しやられ、接合部にはCu−Sn合金層だけが残存する。合金層の厚さはほぼ2μmであった。
【0020】この成分をEPMAにより分析するとCu−20〜30%Snであり、Cu−Sn二元状態図から分かるように融点が700℃以上となり、それに伴って接合強度も10kgf/mm2以上と向上する。このように低融点のはんだを用いるが、接合後の継手は高強度,高耐熱特性を有する。他の成分の接合助材を適用しても同様な結果が得られる。形成される合金層はAu−Snの場合、Cu−Au−Snが、Sn−Agの場合はCu−Sn−Agが、Sn−Znの場合Cu−Sn−Znが,Znの場合はCu−Znが夫々得られる。
【0021】Fe系の裸材の母材を接合する場合は、Cuの代わりにFeが合金層に含有される。このようにして形成された合金層は150℃以上にも耐え、たとえ絶縁被覆材が損傷しても接合部は十分耐えることが出来る。なお、このような優れた特性を得るために、接合面に1〜5kgf/mm2の加圧を与えることが必要である。
【0022】本発明が適用可能な絶縁被覆材は、加熱により溶融又は、炭化するものであれば全て該当する。すなわち、エナメル銅線(EW),ホルマ−ル銅線(PVF),ポリエステル銅線(PEW)、及びアミドイミド銅線(AIW)など低耐熱性から高耐熱性まで適用できる。
【0023】また、接合助材の付着方法は一般的なやり方で良い。予め裸銅線にクラッドさせておくか、粉末をペ−スト状にして塗布するか、溶射による吹き付け、箔をくるませるか、めっきによるか等種々の方法が適用可能である。
【0024】なお、被覆線を巻く凹みは被覆線が電極に接触しない程度のもので良く、その加工方法は簡便な方法、例えば、プレスによる方法などが安価に達成できる。
【0025】凹み加工は本発明の特徴である。凹み加工をするのは、他から別の接合端子をもって来る必要が無いことから低価格である。しかも凹み部分に被覆線を巻き付けることが出来るので作業性が良い。凹みの電気導入線と被覆付線とが一体となるので通電がスムーズとなり、作業性も良く良好な接合体が得られることになる。
【0026】
【実施例】以下、本発明の絶縁被覆銅線の接合体についての実施例を示す。
【0027】基本的な接合過程を図1に示す。
【0028】(a)は裸銅線1に接合助材2を付着させた状態を示したもので、少なくとも裸銅線同士が接合する部分は必要である。
【0029】(b)は裸銅線に被覆銅線が巻かれる凹み3を付けた状態を示す。
【0030】(c)は凹みの部分3に被覆銅線4を巻きつけた状態を示す。
【0031】(d)は凹み部分が外側になるようにして裸銅線の先端部をU形状5に折り曲げ内側の被覆銅線6を包み込むようにした状態を示す。
【0032】(e)は折り曲げられ被覆銅線が巻かれた部分に通電抵抗加熱機7の上電極8及び下電極9を当てた状態を示す。
【0033】(f)は通電加圧及び加熱により接合助材2が溶融し、折り曲げられたU形状5の先端部と裸銅線1が合金層10で接合され、内側の被覆銅線6の被覆材が炭化された状態を示す。
【0034】(g)は内側の炭化された被覆材が接合面から排出され、裸銅線1と被覆銅線6が接合された状態を示す。
【0035】(実施例1)裸銅線1にCuを、接合助材2にSn(溶融温度:約240℃)をめっきし、被覆銅線4にAIWを適用して組合わせ、通電加熱,加圧による抵抗溶接機を用いて接合した。なお、電極材はMoを用い、接合面にかかる加圧力は2kgf/mm2で行った。
【0036】(実施例2)裸銅線1にCuを、接合助材2にPb−50%Sn(溶融温度:約210℃)めっきを10μm形成させ、被覆銅線4にPEWを組合わせ、Mo電極8,9により通電加熱,加圧による抵抗溶接機7を用いて接合した。その時の接合面にかかる加圧力は2.5kgf/mm2 で行った。
【0037】(実施例3)接合部の先端部を、また他の接合体として図2に示すようなプレス機で凹みを、内側は逆に凸形状にした銅線1部分(接合助材2:Sn)に、比較的細い絶縁被覆銅線4を巻き付け、通電抵抗機7で接続した。接合面にかかる加圧力は2.2kgf/mm2で行った。
【0038】(実施例4)具体的に自動車用電装部品実施例について図3に示す。絶縁樹脂12にφ50μmのAIW被覆線4を巻き付けたコイルと、一方の入力導入端子13及び出力導入端子14の接合面には接合助材2にSnめっきを5μm形成させたものを組合わせ入力部を(a)に、出力部を(b)に夫々拡大して示す。抵抗溶接機7で加圧力を2.2kgf/mm2 に設定して接合した。
【0039】(比較例1)図4に示す裸銅線1にCuを、接合助材2にSn(溶融温度:約240℃)めっきし、被覆銅線4AIWの接合部は予め被覆材を剥がしておき、更にSnはんだ11をはんだこてを用いてはんだ付した。
【0040】(比較例2)図5に示す裸銅線1にCuを、接合助材2にSnめっきし、被覆銅線4にAIWを、更に図のように別の銅端子15と組合わせ、Mo電極8,9により通電加熱,加圧による抵抗溶接機7を用いて接合した。そのときの接合面にかかる圧力は2.0kgf/mm2 で行った。
【0041】以上の実施例及び比較例で接合,接続した接合体の接続抵抗を測定した。その結果、本発明の実施例1,2,3及び実施例4の接合体の接続抵抗は、いずれも1.72〜1.74×10-6Ω・cmと非常に低い電気抵抗を示した。
【0042】一方、従来の比較例1の接合体は、Snはんだではんだ付されているため電気抵抗は、3.2〜3.5×10-6Ω・cmと本発明より電気抵抗は高い値を示し、また凹部のないU形状端子を嵌め込んで接合した比較例2でも、3.4〜3.7×10-6Ω・cmと高い抵抗値を示した。そして他の接合用の端子を必要とするので価格的に高価となる。
【0043】従来の継手に比べ本発明の継手の電気抵抗が絶縁被覆付にもかかわらず良好と成った原因は、絶縁被覆銅線を巻きつけた内側の被覆銅線が抵抗溶接機により、絶縁被覆材が炭化され、そして接合面から排出された結果である。確認のために顕微鏡組織で観察したところ、接合面には被覆材は認められず、銅線同士が良好に接合していた。
【0044】また、本発明のU形状の先端部の銅線同士の部分を同様に顕微鏡組織で観察した結果、金属的な良好な接合が達成されていた。EPMAで分析を行ったところ、接合面は、Cu,Snが形成されていることが明らかとなった。この層は従来のはんだ付に比べ、融点が高くそれに伴い高い使用温度にも耐える、いわゆる、接合部は高耐熱性であることも確認された。
【0045】接合部が高耐熱性に変化したのは、接合助材と母材のCuとが反応して合金層を形成し、その合金層同士で金属接合が十分達成されていることが大きな要因である。
【0046】その他の接合助材としてAu−Sn,Zn単体もしくはZn−Sn,Sn−Ag,Sn−Pなどのものを選択しても良好な接合が行われ、長時間に亘る使用に際しても安定な継手となる。絶縁被覆銅線として、他のエナメルやホルマール銅線を用いても、電気抵抗の低い良好な接合継手が得られる。
【0047】裸銅線の表面の接合助材は、前述のように接合面の範囲とする場合と、作業性の都合で更に長い範囲に亘っても良い。また、絶縁被覆を剥がす方式として通電抵抗加熱装置に替わって超音波振動を付与することによっても同様な接合が達成される。また、裸導体の材料に関しては、電気抵抗的にはCu及びCu合金が良いが、しかし、材料費を低価格にするためにFe系やNi系を用いることも本発明に包含される。
【0048】また、図6に本発明を実施する自動装置(製造ライン)を示す。文章化して現している。この自動装置により、入・出力導入線と絶縁被覆付巻線コイルを金属的に接合し、端子先端部は合金層により接合されるので耐熱性も高い接合体が得られる。
【0049】
【発明の効果】本発明によれば、比較的細線の絶縁被覆銅線を接合する場合に有効で、非常に簡便で、安価で接合体が得られる。且つ、接合体は、耐熱性に優れた、しかも電気的にも低い抵抗値を示し長期間に渡り、導電体として安定して使用することが出来る。




 

 


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