(57)【要約】【課題】アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触されて電気的に接続される導電部材の接触抵抗を大幅に低減する。【解決手段】電気部材との接触面に錫めっき層７３を設け、錫めっき層７３の下地（バリアメタル７２）は錫より硬い金属によって構成する。錫めっき層７３の厚さは、下地の表面と平行方向の錫めっき層７３の結晶粒経より小さくし、錫めっき層７３の表面に錫の酸化膜７４を形成する。酸化膜７４は自然酸化膜でよい。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触されて電気的に接続される導電部材の表面構造であって、
前記電気部材との接触面に錫めっき層が設けられ、
前記錫めっき層の下地は錫より硬い金属によって構成されており、
前記錫めっき層の厚さは、前記下地の表面と平行方向の前記錫めっき層の結晶粒径より小さくされ、
前記錫めっき層の表面に錫の酸化膜が形成されていることを特徴とする導電部材の表面構造。
【請求項２】
請求項１記載の導電部材の表面構造において、
前記酸化膜は自然酸化膜であることを特徴とする導電部材の表面構造。
【請求項３】
請求項１又は２記載の導電部材の表面構造において、
前記下地はバリアメタルもしくは合金層とされていることを特徴とする導電部材の表面構造。
【請求項４】
請求項１乃至３記載のいずれかの導電部材の表面構造を備えることを特徴とする座金。
【請求項５】
請求項１乃至３記載のいずれかの導電部材の表面構造を備えることを特徴とする圧着端子。
【請求項６】
請求項４記載の座金において、
前記座金は金属薄板よりなり、
ボルト貫通穴が形成された平板部と、
前記平板部から延長形成されたケーブル圧着部と、
前記平板部の互いに平行ではない少なくとも２辺に設けられた側壁部とを有することを特徴とする座金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はアルミニウムやアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触されて電気的に接続される導電部材の表面構造に関し、さらにその表面構造を備えた座金、圧着端子に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムは軽量で電気伝導の良い金属として知られており、また比較的安価なため、電線やバスバー、電極などに使用されている。しかしながら、アルミニウムは接触抵抗が大きく、例えばねじ締めによる加圧接触の場合を例にあげれば、金や銀の貴金属の他、銅やニッケルにおいても接触抵抗は一般に数μΩ〜数１０μΩ程度であるのに対し、アルミニウムの接触抵抗は１００μΩ以上であって、一桁以上高抵抗であるため、コネクタやコンセント材として用いるには不向きであり、またアルミニウムを電線やバスバー、電極といった電気部材に用いる場合においても、他の部材（導電部材）との電気的な接続には、溶接や半田付け等の接続方法を用いるのが一般的であった。
【０００３】
一方、このような接触抵抗の問題に対し、接触抵抗を低減  することができるようにした導電部材の構成が特許文献１に記載されている。図１５はこのような導電部材の一例として特許文献１に記載されている導電座金を示したものであり、導電座金１０は表面に鋭利な突起１１を多数備えた構成となっており、この突起１１によって相手方の接続面に存在する酸化皮膜や油分を除去し、接触抵抗を低減するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６８０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、接触抵抗を低減すべく、上記のように相手方の接続面に突き刺さる突起を設けるといったことが行われているものの、金属部材同士を加圧接触させて電気的に接続する場合に、一方の金属部材がアルミニウムもしくはアルミニウム合金の場合には、他方の金属部材の表面に上述したような突起を設けても、接触抵抗が良好に、かつ安定して下がらないという問題があった。
【０００６】
この発明の目的はこの問題に鑑み、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触させて導電部材を電気的に接続する場合に、接触抵抗を大幅に低減することができるようにした導電部材の表面構造を提供することにあり、さらにそのような表面構造を備えた座金、圧着端子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触されて電気的に接続される導電部材の表面構造は、電気部材との接触面に錫めっき層が設けられ、錫めっき層の下地は錫より硬い金属によって構成され、錫めっき層の厚さは下地の表面と平行方向の錫めっき層の結晶粒径より小さくされ、錫めっき層の表面に錫の酸化膜が形成されているものとされる。
【０００８】
請求項２の発明では請求項１の発明において、酸化膜は自然酸化膜とされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、下地はバリアメタルもしくは合金層とされる。
【０００９】
請求項４の発明によれば、座金は請求項１乃至３記載のいずれかの導電部材の表面構造を備える。
請求項５の発明によれば、圧着端子は請求項１乃至３記載のいずれかの導電部材の表面構造を備える。
【００１０】
請求項６の発明では請求項４の発明において、座金は金属薄板よりなり、ボルト貫通穴が形成された平板部と、平板部から延長形成されたケーブル圧着部と、平板部の互いに平行ではない少なくとも２辺に設けられた側壁部とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、従来、高接触抵抗であったアルミニウムやアルミニウム合金製の電気部材に対する接触抵抗を大幅に低減することができる。
【００１２】
よって、通電時のジュール熱による温度上昇を抑えることができ、接触信頼性を向上させることができる。また、従来、溶接を使用している接続箇所を着脱可能な接続形態とすることができ、これにより例えば修理が可能となり、廃棄コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】アルミニウムと銅の押し当てによる接触モデルを示す模式図。
【図２】アルミニウムと銅の摺動時の接触モデルを示す模式図。
【図３】アルミニウムと錫めっき層（厚さ：小）の押し当てによる接触モデルを示す模式図（その１）。
【図４】アルミニウムと錫めっき層（厚さ：小）の押し当てによる接触モデルを示す模式図（その２）。
【図５】アルミニウムと錫めっき層（厚さ：大）の押し当てによる接触モデルを示す模式図。
【図６】接触抵抗を測定した系を示す斜視図。
【図７】トルクと接触抵抗の関係を示すグラフ。
【図８】Ａはこの発明による座金の一実施例を示す斜視図、Ｂはその部分拡大断面図。
【図９】Ａはこの発明による圧着端子の一実施例を示す平面図、ＢはＡに示した圧着端子がアルミニウム電線に圧着された状態を示す側面図、ＣはＢのＤＤ断面図。
【図１０】Ａはこの発明による座金の他の実施例を示す斜視図、ＢはＡの裏面側の斜視図。
【図１１】図１０に示した座金にケーブルが圧着された状態を示す斜視図。
【図１２】Ａは図１０に示した座金の実施例を説明するための斜視図（実装前）、ＢはＡの実装後の斜視図、ＣはＢの部分拡大図。
【図１３】複数の電池ユニットに対する図１０に示した座金の実装例を示す斜視図。
【図１４】Ａは図１０に示した座金の変形例を示す斜視図、Ｂ，ＣはＡに示した座金にコネクタが嵌合される様子を示す斜視図。
【図１５】Ａは従来の導電座金を示す平面図、Ｂはその側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、最初に、この発明の原理、基本構成について説明する。
【００１５】
アルミニウムに対する接触抵抗が貴金属や銅、ニッケルと比較して大きい理由は、皮膜の特性に起因すると考えられる。例えば、金などの貴金属の表面の有機物等の付着による汚染膜や銅、ニッケル表面の数ｎｍの厚さの酸化膜は摺動により容易に排除または破壊されて除去されるが、アルミニウムの場合には大気中からの吸着水との反応によりバイヤライト（α−Ａｌ（ＯＨ）3）の皮膜（沈着皮膜）が表面に形成される。このバイヤライト皮膜はゲル状質な皮膜であり、形成される厚さも数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度と厚く、摺動により除去するのは容易ではない。
【００１６】
図１は表面にバイヤライト皮膜が形成されたアルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の押し当てによる接触モデルを模式的に示したものであり、図中、２０はアルミニウム（多結晶）を示し、２２はバイヤライト皮膜を示す。また、３０は銅（多結晶）を示し、３２は銅３０の表面に形成された銅の酸化膜を示す。なお、アルミニウム２０及び銅３０は共に結晶粒（グレイン）２１，３１をそれぞれ模式的に図示している。
【００１７】
図１に示したモデルにおいて、硬さの順位は、
酸化膜（ＣｕＯ）≫Ｃｕ＞Ａｌ≫  バイヤライト皮膜
であり、この順位は表現を変えれば、結合エネルギの順位である。
【００１８】
押し当てる金属がアルミニウム以外の銅やニッケルといったゲル状質ではない皮膜が形成される金属（以下、通常金属と言う）の場合、押し当てにより皮膜に亀裂が発生するが、アルミニウムの場合はバイヤライト皮膜がゲル状質であるため、図１Ｂに示したように押し当ててもバイヤライト皮膜２２には亀裂が形成されない。
【００１９】
一方、図２はアルミニウムと銅の摺動時の接触モデルを模式的に示したものであり、（１）〜（４）はその過程を示す。摺動により、図２（２）に示したようにアルミニウム２０の結晶粒２１の脱離（矢印ｅで示す）が生じ、これに伴い、図２（３），（４）に示したように結晶粒２１’の回転、移動が生じる。通常金属の場合、このような結晶粒の回転、移動に伴い、新生面が露出するが、アルミニウムの場合はゲル状質であるバイヤライト皮膜２２が伸びるため、図２（４）に示したように新生面は閉塞されて新生面の露出する確率は著しく低くなる。
【００２０】
このようなバイヤライト皮膜の存在、特性（挙動）がアルミニウムに対する接触抵抗が大きい要因であり、前述したようにアルミニウムに加圧接触される金属部材の表面に突起を設けても、接触抵抗が良好かつ安定して下がらない原因となっていることを見い出した。
【００２１】
次に、図３及び図４に示した接触モデルについて説明する。図３及び図４は表面にバイヤライト皮膜が形成されたアルミニウムと錫（Ｓｎ）めっきの押し当てによる接触モデルを模式的に示したものであり、図中、４０は錫めっき層を示し、４２は錫めっき層４０の表面に形成された錫の酸化膜を示す。錫めっき層４０の下地はこの例ではニッケル（Ｎｉ）めっき層５０となっており、即ちこの例では銅３０の上にバリアメタルとしてニッケルめっき層５０が形成され、その上に錫めっき層４０が形成された構成となっている。なお、錫めっき層４０にはアルミニウム２０や銅３０と同様、結晶粒４１を模式的に図示している。
【００２２】
図３，４に示したモデルにおいて、硬さの順位は、
酸化膜（ＳｎＯ2）≫Ｃｕ＞Ａｌ＞Ｓｎ≫  バイヤライト皮膜
となる。
【００２３】
錫はアルミニウムより柔らかく、またその酸化膜は十分硬い。錫めっき層における錫の結晶粒の大きさ（グレインサイズ）はめっき条件にもよるが、一般に下地と平行方向における結晶粒径は２〜８μｍ程度であり、図３，４における錫めっき層４０の厚さはこの下地と平行方向の結晶粒径より小さくされ、１μｍ程度とされている。
【００２４】
押し当てにより荷重を加えることにより、バイヤライト皮膜２２が圧縮されて力が伝達され、アルミニウム２０より軟質な錫めっき層４０の方から塑性変形が生じる。多くの場合、結晶粒の単位での挙動が見られ、図４（２）に示したように、矢印ａで示した押圧に対し、押圧される近傍の結晶粒４１’が矢印ｂで示したように横方向の応力を受ける。
【００２５】
この例のように、錫めっき層４０が薄く、下地に硬い金属（ニッケルめっき層５０）が存在する場合は、図４（２）に示したように横方向の応力を受けた結晶粒４１’に変形や回転（矢印ｃで示す）が生じ、それに付随して表面に伴っている酸化膜４２でアルミニウム２０の表面に対し、スクラッチ作用（引っかき作用）が生じる。このスクラッチ作用によりアルミニウム２０の表面のゲル状質であるバイヤライト皮膜２２をミクロレベルで排除することが可能となり、図４（３）に示したようにバイヤライト皮膜２２を排除したアルミニウム２０と錫めっき層４０との真実接触点Ｐが形成される。さらに、荷重を加えることにより、図４（４）に示したように錫の結晶粒４１の変形、回転が進行し、アルミニウム２０の表面を酸化膜４２で引っかいてゆく。これにより、この図３，４に示したモデルによれば、接触抵抗を大幅に低減することが可能となる。
【００２６】
図５は図３，４に示したモデルに対し、錫めっき層４０を厚くした場合の接触モデルを示したものであり、錫めっき層４０が厚い場合は矢印ａで示した押圧に対し、錫の結晶粒４１は矢印ａ’で示したように圧縮され、またこれにより作用する応力も矢印ｂで示したように横方向が主となり、つまり結晶粒４１の挙動は並行移動が主となって、図４のモデルで説明したような結晶粒４１の変形や回転は生じない。
【００２７】
以上説明したように、錫めっき層４０の厚さを下地と平行方向の錫めっき層４０の結晶粒径より小さくし、例えば１μｍ程度とすることによって、結晶粒４１はあまり圧縮されず、つまり圧縮だけで加圧エネルギを吸収できず、結晶粒４１の変形、回転を誘起し、これにより酸化膜４２が押し上げられて前述したように接触抵抗が大幅に低減することになる。錫めっき層４０が厚い場合は酸化膜４２は押し上げられず、結晶粒４１の圧縮に伴って沈み込む。
【００２８】
この発明の基本構造は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の電気部材に加圧接触されて電気的に接続される導電部材の、電気部材との接触面に錫めっき層を設け、その錫めっき層の厚さを下地の表面と平行方向の錫めっき層の結晶粒径より小さくし、錫めっき層はその表面に錫の酸化膜を備え、錫めっき層の下地は錫より硬い金属によって構成するものである。
【００２９】
次に、接触抵抗を測定した結果について説明する。
【００３０】
図６は接触抵抗の測定を行った系を示したものであり、アルミニウム製の端子６１とバスバー６２の接触抵抗を測定した。測定は端子６１とバスバー６２との間に座金６４を介在させた場合、介在させない場合について行い、座金６４のめっき条件は３種類とした。
【００３１】
座金６４の母材は銅とし、下地ニッケルめっきの上に錫めっきを薄く施したもの（厚さ：１μｍ）及び厚く施したもの（厚さ：１１μｍ）と、母材の銅の上に銀（Ａｇ）めっきを施したものの３種類を用意した。
【００３２】
バスバー６２の母材は銅とし、ニッケルめっきを施したものを用意した。
【００３３】
加圧はフランジ付きのＭ６ボルト６３をバスバー６２、座金６４の各貫通穴６２ａ，６４ａに通し、端子６１のねじ穴６１ａにねじ込むことによって行った。
【００３４】
図７に示したグラフはＭ６ボルト６３の締付トルクと接触抵抗の関係を４つの座金条件について示したものである。なお、グラフ中にはＭ６ボルトの標準締付トルク：５Ｎ・ｍの位置を破線を入れて示している。
【００３５】
図７に示したグラフより次のことが言える。
（１）薄く錫めっきを施した座金を端子とバスバーの間に介在させることにより、極めて大きな（一桁以上）接触抵抗の低減効果を得ることができる。
（２）錫めっきが厚い場合は接触抵抗の低減効果は得られず、座金なしの場合よりも接触抵抗は大きい。これは接触面が２倍に増えるためと考えられる。
（３）銀めっきでは接触抵抗の低減効果は小さく、銀めっきに対しても薄い錫めっきは一桁以上、接触抵抗の低減効果がある。
【００３６】
このように、薄い錫めっきは一桁以上の大きな接触抵抗の低減効果があり、アルミニウムやアルミニウム合金製の部材（電気部材）と、それに加圧接触されて電気的に接続される導電部材（金属部材）との間に、錫めっき（薄）／母材／錫めっき（薄）構造の介在物を挿入し、接触面が２倍に増えても、接触抵抗低減効果が得られるため、座金等の部材への適用が可能となる。
【００３７】
なお、錫めっき層の表面の錫の酸化膜は前述したようにスクラッチ作用を発揮するが、厚さは数ｎｍ程度あればよく、自然酸化膜で十分であるが、加熱によりもっと厚い酸化膜（熱酸化膜）を形成してもよい。
【００３８】
錫めっき層はバリアメタルや合金層を介して母材金属上に形成される。アルミニウムやアルミニウム合金製の電気部材と加圧接触される導電部材の母材金属は銅やアルミニウムとするのが好ましい。母材金属が銅の場合はバリアメタルとしてニッケルめっき層を形成してもよく、またＣｕＳｎ合金層を形成してもよい。母材金属がアルミニウムの場合はバリアメタルとしてニッケルめっき層を形成する。錫めっき層の下地をニッケルめっき層とすれば、錫めっきを良好かつ容易に行うことができる。なお、母材金属によっては錫めっき層を直接形成することもできる。
【００３９】
以下、この発明による表面構造を有する導電部材の具体例について説明する。
【００４０】
図８Ａは一般的なドーナツ形状をなす座金を示したものである。座金７０は図８Ｂに示したような断面構成を有するものとされている。図８Ｂ中、７１は母材金属を示し、７２はバリアメタル、７３は錫メッキ層、７４は錫の酸化膜を示す。
【００４１】
図９Ａはアルミニウム電線用の圧着端子を示したものである。圧着端子８０は例えば銅や銅合金からなり、電気接続部８１と圧着部８２とを備えている。電気接続部８１には貫通穴８１ａが形成されており、貫通穴８１ａにボルトなどが貫通されて相手側の接続部材に固定、導通される。圧着部８２は電気接続部８１と底板８３を介して一体形成されており、一対の圧着片８２ａと一対のかしめ片８２ｂとを備えている。
【００４２】
錫めっき層は詳細図示を省略しているが、少なくとも底板８３の内面及び一対の圧着片８２ａの内面に形成されている。
【００４３】
図９Ｂはアルミニウム電線９０の複数の素線からなる導体部９１に圧着端子８０が圧着された状態を示したものであり、一対の圧着片８２ａは導体部９１を包囲するようにかしめられ、一対のかしめ片８２ｂはアルミニウム電線９０の絶縁被覆９２を包囲するようにかしめられている。図９Ｃは一対の圧着片８２ａが導体部９１にかしめられた状態を示したものであり、圧着片８２ａの内面の錫めっき層は導体部９１に加圧接触されるため、前述したような錫めっき層の挙動により接触抵抗の低減効果を得ることができる。
【００４４】
次に、図１０に示した座金について説明する。
【００４５】
図１０に示した座金１００は金属薄板よりなり、表面には錫めっきが施されている。座金１００は平板部１０１と、平板部１０１から延長形成されたケーブル圧着部１０２とを備えており、即ちこの座金１００はケーブルを圧着固定して接続することができるものとなっている。
【００４６】
平板部１０１にはボルト貫通穴１０３が形成されており、さらに側壁部１０４〜１０８が設けられている。側壁部１０４，１０５は平板部１０１の対向２辺に位置して立設されており、側壁部１０６はこれら側壁部１０４，１０５が位置する辺と直交する辺に位置してこの例では側壁部１０４，１０５と反対方向に立設されている。また側壁部１０７，１０８は平板部１０１からケーブル圧着部１０２に至る箇所に側壁部１０４，１０５と同じ方向に立設されている。なお、この例では平板部１０１にさらに２つのリブ１１１，１１２が突設されている。
【００４７】
図１１は座金１００にケーブル１２０が圧着されて接続された状態を示したものである。
【００４８】
図１２は上記のような座金１００が使用される使用例を示したものであり、図１２中、１３０はリチウムイオン電池の電池ユニットを示す。また、１４０はバスバーを示し、１５０はバスバー１４０を電池ユニット１３０の端子１３１，１３２に固定するためのボルトを示す。座金１００は電池ユニット１３０の端子１３１，１３２とバスバー１４０との間に挟み込まれて使用される。
【００４９】
電池ユニット１３０の正極の端子１３１は一般にアルミニウム製であり、錫めっきが施された座金１００を挟み込み、ボルト締めを行うことで前述したように接触抵抗の大幅な低減を図ることができる。
【００５０】
ケーブル１２０はこの例では電池ユニット１３０の電圧監視用に使用される。このため、この例では電池ユニット１３０の負極の端子１３２とバスバー１４０との間にも座金１００を挟み込んでいる。負極の端子１３２は一般に銅製、もしくは銅にニッケルめっきが施されたものであり、アルミニウムのような接触抵抗の問題は顕著ではなく、その点で錫めっきが施された座金１００を挟み込む必要性はないが、上述したように電圧監視用のため、また部品の共用化の観点から挟み込んでいる。なお、ボルト締結時には図１２Ｃに拡大して示したように座金１００の側壁部１０６がバスバー１４０の側面に引っかかることにより、座金１００の回転を防止することができるものとなっている。
【００５１】
図１３は電池ユニット１３０の各端子１３１，１３２に座金１００が配され、バスバー１４０により複数の電池ユニット１３０が直列接続された状態を示したものである。
【００５２】
図１４Ａは上述した座金１００の変形例を示したものであり、この例では座金１００のケーブル圧着部１０２を端子化し、コネクタ接続可能としたものとなっている。図１４Ｂ，Ｃはケーブル１２０の端末に取り付けられたコネクタ１６０が座金１００’の端子１１５に嵌合接続される様子を示したものである。
【００５３】
上記においてはリチウムイオン電池の電池ユニット１３０の端子１３１，１３２とバスバー１４０との間に薄い錫めっき層を備えた座金１００（１００’）を挟み込む例について説明したが、アルミニウムやアルミニウム合金に対する接触抵抗が問題となる様々な接続箇所にこの発明による導電部材の表面構造さらには介在物としての座金を適用することができる。これにより、従来、溶接を使用している接続箇所を着脱可能な接続形態とすることもできる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  導電座金                              １１  突起
２０  アルミニウム                          ２１，２１’  結晶粒
２２  バイヤライト皮膜                      ３０  銅
３１  結晶粒                                ３２  酸化膜
４０  錫めっき層                            ４１，４１’  結晶粒
４２  酸化膜                                ５０  ニッケルめっき層
６１  端子                                  ６１ａ  ねじ穴
６２  バスバー                              ６２ａ  貫通穴
６３  Ｍ６ボルト                            ６４  座金
６４ａ  貫通穴                              ７０  座金
７１  母材金属                              ７２  バリアメタル
７３  錫めっき層                            ７４  酸化膜
８０  圧着端子                              ８１  電気接続部
８１ａ  貫通穴                              ８２  圧着部
８２ａ  圧着片                              ８２ｂ  かしめ片
８３  底板                                  ９０アルミニウム電線
９１  導体部                                ９２  絶縁被覆
１００，１００’  座金                      １０１  平板部
１０２  ケーブル圧着部                        １０３  ボルト貫通穴
１０４〜１０８  側壁部                      １１１，１１２  リブ
１１５  端子                                １２０  ケーブル
１３０  電池ユニット                        １３１，１３２  端子
１４０  バスバー                            １５０  ボルト
１６０  コネクタ
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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