JP5867191B2 - コネクタ端子用ばね材料の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、コネクタ端子のばね接点に用いられる材料の耐久性を評価する方法に関するものである。

従来、自動車等の内部配線は、エレクトロニクス設備を正確に作動させるため、複数の電線をまとめたワイヤーハーネスの形態で使用されている。ワイヤーハーネスの接続には、コネクタ端子が用いられる。コネクタ端子は、オス端子と該オス端子が嵌合するメス端子とから構成されている。一般にメス端子は、ばね性を有する金属板材が曲げ加工されて形成された接点部を備えている。メス端子は、接点部がばね力によりオス端子の接点部に押し付けられる。

メス端子の接点部の材料を選択する場合、メス端子の接点部とオス端子の接点部で良好な導通を図るために、十分なばね性が要求される。更に、コネクタ端子は、耐久試験後に所定のばね性を有している必要がある。耐久試験は、通常、１００〜２００℃程度で１０００時間〜２０００時間程度の加熱処理が施される。そのためコネクタ端子用ばね材料の選択には、耐熱評価が必要である。

そこで、コネクタ端子用ばね材料の耐熱評価は、応力緩和率の測定により行っていた。応力緩和率は、例えば、下記の非特許文献１に記載の方法で測定することができる。

特許文献１に記載の試験方法は、薄板条の試験片を高温に放置した後に増加する永久ひずみを、所定の経過時間後にたわみ変位を測定し、初期応力並びに初期ひずみから応力緩和を算出するものである。

日本伸銅協会技術標準「薄板条の曲げによる応力緩和試験方法」ＪＣＢＡ Ｔ３０９ ２００４年発行

従来、コネクタ端子用ばね材料を選択、探索する場合、応力緩和率を測定し、その結果に基づいて所定の応力緩和率以下（所定の残存応力率以上）の範囲となる材料を選択していた。しかしながら、コネクタは、オス端子とメス端子の間で十分な接触荷重を得ることができれば十分である。すなわち、耐久後の応力低下が大きく、残存応力率が小さくなったとしても、所定のばねとしての応力（絶対値）を有していれば、使用することが可能なはずである。

つまり、従来のコネクタ端子用の評価方法では、耐久後でも所定のばね性を有しているにもかかわらず、応力緩和率が大きい材料は、選択から除外されることになっていた。

本発明は上記従来技術の欠点を解決しようとするものであり、コネクタ端子に用いられるばね材料として使用可能なばね性をより適切に評価することができるコネクタ端子用ばね材料の評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のコネクタ端子用ばね材料の評価方法は、
コネクタ端子に用いられるばね材料を評価する方法において、
予め基準となる基準ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率を測定し、前記耐力と残存応力率の積で表わされる残存応力の値を基準残存応力値として、
評価しようとする被評価ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率を測定し、前記基準残存応力値と比較して、被評価ばね材料の可否を判別することを要旨とするものである。

上記コネクタ端子用ばね材料の評価方法において、
前記耐力の値を一方の軸とし、前記残存応力率を他方の軸としたグラフを用いて、前記基準残存応力値が一定となるように、前記基準ばね材料の耐力と残存応力の関係を示す基準残存応力曲線を作成し、前記被評価ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率の測定結果をプロットし、
前記被評価ばね材料のプロット点が、前記基準残存応力曲線により区分される領域のいずれに位置しているかにより、前記被評価ばね材料の可否を判別することができる。

上記コネクタ端子用ばね材料の評価方法において、
前記残存応力率が、薄板条の曲げによる応力緩和試験により求めた応力緩和率から得られたものを用いることができる。

上記コネクタ端子用ばね材料の評価方法において、
前記応力緩和試験が、片持ち梁式又は両端支持式曲げ応力負荷治具を用いることができる。

本発明のコネクタ端子用ばね材料の評価方法は、予め基準となる基準ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率を測定し、前記耐力と残存応力率の積で表わされる残存応力の値を基準残存応力値として、評価しようとする被評価ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率を測定し、前記残存応力値と比較して被評価ばね材料の可否を判別する方法を採用したことにより、従来の残存応力率のみでばね材料の可否を判別していた方法と比較して、残存応力率が低くて利用不可能と評価されていた材料であっても、利用することが可能であり、より正確な材料の評価が可能である。

このように従来、コネクタ端子用ばね材料として使用できなかったと判断されていた材料であっても、利用可能とすることができるので、材料選択の幅が広がる。

図１はコネクタ端子の一例を示す断面図である。 図２は応力緩和率の測定に用いる応力負荷治具の説明図である。 図３は本発明のコネクタ端子用ばね材料の評価方法において用いる耐力値と残存応力率の関係を示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。図１はコネクタ端子の一例を示す断面図である。図１に示すコネクタ端子１は、オス端子２がメス端子３に嵌合する端子である。メス端子３は図１に示すように、接点部４は板材が折り曲げられてばね接点として形成されている。本実施例のばね材料の評価方法では、ばねの形状として薄板条を用いたものである。尚、本発明の評価方法は、ばね材料の形状が薄板条以外であっても適用可能である。

本実施例のコネクタ端子用ばね材料の評価方法は、図１に示すコネクタ端子のメス端子３の接点部４に用いられるばね材料として、新規な材料を探索する場合に応用した例である。以下、具体的な評価方法を詳細に説明する。

まず、上記接点部４に用いられている既知の材料を、基準となる基準ばね材料（以下、従来材ということもある）として、この基準ばね材料の初期の耐力と、耐熱試験後の残存応力率を測定して求める。

初期の耐力は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１ 「金属材料引張試験方法」の規格に準拠して引張試験を行い、同規格の８．−ｄ）−１）に記載のオフセット法により耐力を求める際の下記式により、耐力σ_εを算出する。
σ_ε＝Ｆ_ε／Ａ_０
上記Ｆ_εは、伸び計を用いて力と伸びた量との関係線図を求め、規定の永久伸びε％に相当する伸び軸上の点から試験初期の直線部分に平行線を引き、これが線図と交わる点の示す力（Ｎ）である。尚、規定の永久伸び（ε％）は、０．２％とした。また上記Ａ_０は、試験片平行部の原断面積（ｍｍ^２）である。

残存応力率は、まず応力緩和試験を行い、応力緩和率を測定し、該応力緩和率を用いて求めることができる。応力緩和率の測定は、日本伸銅協会技術標準、「薄板条の曲げによる応力緩和試験方法（ＪＣＢＡ−Ｔ３０９−２００４）」に準拠した方法を用いる。そして試験の結果より、応力緩和率を下記の算出式より求める。
応力緩和率（％）＝δ_ｔ／δ_０×１００
上記式において、δ_ｔは加熱処理（例えば１５０℃×１０００時間）を施した耐熱試験後の曲げ応力除荷時に生じる試験片の永久たわみ変位（ｍｍ）であり、δ_０は所定の曲げ応力を得るのに必要な試験片の初期たわみ変位（ｍｍ）である。

図２は応力緩和率の測定に用いる応力負荷治具の説明図である。応力緩和率の測定は、図２に示す両端支持式曲げ応力負荷治具を用いる。図２に示す曲げ応力負荷治具１０は、ベッド１１に押さえブロック１２と変位ボルト１３が設けられ、試験片１４（基準ばね材料）に初期たわみ変位量を与えた状態で両端を固定可能に形成されている。応力緩和試験では、上記の初期たわみ変位量を与えて固定した状態で１５０℃の加熱炉に入れ、１０００時間保持した後前記加熱炉から取り出し、除荷後無負荷状態にして室温まで戻して永久たわみ変位量を測定する。尚、応力緩和率の測定は、片持ち梁式曲げ応力負荷治具を用いてもよい。

残存応力率（％）は上記の応力緩和率を用いて下記式より求めることができる。残存応力率とは、初期の試験片の所定のたわみ量のときの曲げ応力に対して、耐熱性試験後に所定のたわみ量のときの残存している曲げ応力の割合である。
残存応力率（％）＝１００−応力緩和率（％）

上記の応力緩和率の測定方法において、初期の曲げ応力（たわみ量）の設定は、使用するコネクタ端子のばね接点として要求されるばね特性に応じて、適宜設定することができる。

コネクタ端子用ばね接点として使用可能な新規材は、下記式に示すように、耐久後の残存応力が、従来材の耐久後の残存応力よりも大きければよい。つまり新規材として初期応力が小さくても、耐久後の応力緩和率が低ければ、耐久後でもばね接点として十分な接触荷重が得られる可能性がある。尚、上記新規材は、本発明の被評価ばね材料に該当する。
（従来材の残存応力）＜（新規材の残存応力）

残存応力は、初期応力と残存応力率の積で表わすことができる。通常、ばねに耐力以上の荷重を加えることはないので、初期応力は耐力以下とすることができる。初期応力に耐力値を用いる理由は、下記の通りである。ばねの設計では耐力値以下となるように接触荷重を決定する。例えば片持ち梁の場合の接触荷重と曲げ応力との関係は下記式に示す通りである。耐力値が、その材料でばねとして使用できる最大応力ということになる。初期応力は、ばねとして設計できる最大の応力とした。
σ＝ｗｌ／Ｚ
σ：曲げ応力（ここでは耐力）
ｗ：接触荷重
ｌ：梁の長さ
Ｚ：断面係数

図３は本発明のコネクタ端子用ばね材料の評価方法において用いる耐力と残存応力率の関係を示すグラフである。図３のグラフに示すように、上記の従来材の試験結果を、初期の耐力を縦軸とし、残存応力率を横軸としてグラフ上にプロットする。次に、グラフ上に従来材の耐力と残存応力率の関係を示す残存応力の曲線Ａを作成する。この曲線Ａが、基準残存応力曲線である。基準残存応力曲線は以下の手法で作成することができる。

残存応力は耐久後の材料が実際に有している応力であるから、残存応力と耐力値と残存応力率との関係は、下記の関係式に示すように耐力値と残存応力率の積により表わすことができる。
従来材の残存応力＝（従来材の耐力値）×（従来材の耐久後の残存応力率）

従来材の残存応力の値が基準残存応力値である。この基準残存応力値を用いて新規材の使用の可否を判別する。具体的な判別方法は、グラフを作成する方法を用いることができる。図３に示すように、グラフ上に、上記の従来材の残存応力の関係式を満足するように曲線Ａを引く。図３のグラフにおいて、曲線Ａの右上側の領域（図中斜線で示した領域）が、残存応力が従来材よりも大きい部分である。また図３のグラフにおいて、曲線Ａの左下側の領域が、残存応力が従来材よりも小さい領域である。

図３に示すグラフを用いた新規材のばね性の評価は以下の通りである。新規材の試験片について、上記従来材と同様の試験方法で、引張り試験と曲げ試験を行い、耐力と残存応力率を求める。そしてその結果を、図３に示す耐力と残存応力率の関係を示すグラフ上にプロットする。例えば、図３のグラフには、材質等が異なる新規材Ｐ１、Ｐ２、Ｑ１、Ｑ２の試験結果をそれぞれプロットした。

例えば新規材Ｐ１、Ｐ２は、グラフ中に斜線で示した領域内に位置していて、残存応力が従来材よりも高いと判断できる。従って新規材Ｐ１、Ｐ２は、従来材の代りに使用することが可能であると評価することができる。一方、新規材Ｑ１、Ｑ２は、グラフ中で曲線Ａの斜線で示した領域の外側に位置しているので、従来材の代りに使用することができないと判断できる。

従来の手法によれば、材料のばね性の耐熱性を応力緩和率の数値が従来材の応力緩和率以下であるか否かにより評価していた。残存応力率で判断する場合、従来材の残存応力率以上であれば使用可能と評価できる。図３のグラフにあてはめると、新規材の数値をプロットした点が、点線Ｂに対し右側に位置すれば新規材を使用可能であり、点線Ｂの左側に位置すれば新規材を使用できないと判断する。この従来の手法を用いると、新規材Ｐ２は残存応力率が従来材Ｒよりも高いので使用できると判断し、新規材Ｐ１は残存応力率が従来材Ｒよりも低いので使用できないと判断していた。これに対し、本発明方法によれば、新規材Ｐ１も使用可能であると判断することができる。

また新規材Ｑ１は残存応力率が従来材Ｒよりも低いので、使用できないと判断することができる。この点は本発明方法も同じであるが、新規材Ｑ２は、残存応力率が従来材Ｒよりも高いので、残存応力率だけでは使用可能と判断することになってしまうことになる。本発明方法によれば、新規材Ｑ１、Ｑ２は使用できないと判断できる。

このように本発明の評価方法によれば、ばねの耐熱性を耐力と残存応力率の関係で整理することにより、材料の性能を同じ評価基準で評価して、コネクタ端子用ばね材料としての可否を判別することが可能となった。

本発明の評価方法は、自動車用ワイヤーハーネス用コネクタ端子に用いられるばね材料の評価に好適に用いることができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１ コネクタ端子
２ オス端子
３ メス端子
４ 接点部
１０ 曲げ応力負荷治具
１４ 試験片（コネクタ端子用ばね材料）
Ａ 基準残存応力曲線

Claims (4)

1. コネクタ端子に用いられるばね材料を評価する方法において、
   予め基準となる基準ばね材料の初期の耐力Ｙ０と、耐熱試験後の残存応力率Ｒ０を測定し、前記耐力Ｙ０と残存応力率Ｒ０の積Ｙ０・Ｒ０で表わされる残存応力の値を基準残存応力値として、
   評価しようとする被評価ばね材料の初期の耐力Ｙと、耐熱試験後の残存応力率Ｒを測定し、前記初期の耐力Ｙと前記残存応力率Ｒの積Ｙ・Ｒを算出し、前記基準残存応力値と比較して、Ｙ・Ｒ＞Ｙ０・Ｒ０となれば被評価ばね材料が利用可能であると判定することにより、被評価ばね材料の可否を判別することを特徴とするコネクタ端子用ばね材料の評価方法。
2. 前記耐力の値を一方の軸とし、前記残存応力率を他方の軸としたグラフを用いて、前記基準残存応力値が一定となるように、前記基準ばね材料の耐力Ｙ０と残存応力率Ｒ０の関係を示す基準残存応力曲線を作成し、前記被評価ばね材料の初期の耐力Ｙと、耐熱試験後の残存応力率Ｒの測定結果をプロットし、
   前記被評価ばね材料のプロット点が、前記基準残存応力曲線により区分される領域のうち、高残存応力率側の領域に位置していれば、前記被評価ばね材料が利用可能であると判定することにより、前記被評価ばね材料の可否を判別することを特徴とする請求項１記載のコネクタ端子用ばね材料の評価方法。
3. 前記残存応力率が、薄板条の曲げによる応力緩和試験により求めた応力緩和率から得られたものであることを特徴とする請求項１又は２記載のコネクタ端子用ばね材料の評価方法。
4. 前記応力緩和試験が、片持ち梁式又は両端支持式曲げ応力負荷治具を用いたものであることを特徴とする請求項３記載のコネクタ端子用ばね材料の評価方法。

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