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MAG-MATE絶縁被覆除去結線（IDC）技術の アルミ
WHITE PAPER MAG-MATE絶縁被覆除去結線（IDC）技術の アルミマグネットワイヤアプリケーションへの適用 DARMSTADT, GERMANY | JUNE 2011 アルミマグネットワイヤへの切り替えが、 モータメーカで課題に 家電、空調業界に販売を行っている低出力モータ（FHP）メーカの多く は、マグネットワイヤの銅からアルミニウムへの切り替えを検討し始めて ている。アルミニウムへの切り替えが経済的であるのは極めて理解しや すい。現在、典型的なFHPモータでは総コストの10%までを銅製マグネ ットワイヤが占めている。現在の市場価格に基づいて、銅からアルミへ 切り替えることにより、この割合を2%未満に抑えられると考えられる。 しかしながら、アルミワイヤで等しい伝導率を得るには、銅よりも断 面積を大きくする必要がある。原則として、AWG*で2レンジ分、太い 電線（2レンジ小さい数字の電線）を使用しなければならない。例え ば、AWG#20の銅ワイヤはAWG#18のアルミワイヤと置き換えられる。 それでも、同じ導電率の場合、アルミニウムの重量は銅の半分となる。 特に中程度～大量生産を行うFHPモータメーカでは、材料コストの削 減とモータの軽量化は共に歓迎されるものである。価格の推移を見て も、アルミニウムは銅ほどの価格上昇は起こらないようである。 アルミマグネットワイヤの利点 • アルミニウムのコストは歴史的に銅の1/4 • アルミニウムの重量は銅の1/3 • 同じ導電率の場合、アルミニウムの重量は銅の1/2 • アルミニウムの単位導電率あたりのコストは銅の1/8 • 2010年3月から2011年3月までの間で、銅の価格は30%上昇 • 2010年3月から2011年3月までの間で、アルミニウムの価格は12%上昇 * American Wire Gauge（線材の規格） 2010年1月1日から2011年3月31日までの間で、ロンドン金属取引所のアルミニウム価格は14% 同じ期間（2010年1月1日から2011年3月31日まで）に、銅は10,000 USD/tonまで高騰し、 その後 上昇 9,500 USDあたりまで下落したとはいえ、25%の上昇率である。 出典: The London Metal Exchange Limited, www.lme.com, London, EC3A 2DX, UK te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. | MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. WHITE PAPER 銅マグネットワイヤ使用時と同等の信頼性確保が必要 MAG-MATE IDC技術の原理 多大なコスト削減が期待できる一方で、製造時にアルミマグネットワイ IDCを基にした相互接続システムでは、ボックス型のデュアルスロット端 ヤを電気的・機械的に接続する方法を見出すことと、銅マグネットワイ 子がひと続きのストリップに備わっている。FHPメーカは、半自動または ヤと等しい信頼レベルを得ることが、実現へのハードルとなってきた。 全自動挿入機を用いて、端子をプラスチックのキャビティに挿入する。 本文書では、このチャンスとハードルについて深く掘り下げ、この2つを プラスチックキャビティは、メーカーのボビンに成型するか、別途取り 調和させるソリューションを提案する。アルミニウムは銅より脆いため、 付けるハウジングの一部とする。この成型キャビティには両側に2つの 相互接続には材料特性の違いに応じた調整が必要である。それでも、 スロットがあり、各スロットの上端を面取りして導入部としている。ボビ 端末処理技術にはスピード、効率、耐久性、繰り返しの正確さが必要で ンのマグネットワイヤは、手作業または巻線機を用いて、予めこの2つの あるため、中程度～大量生産ではヒュージングやはんだ付けは選択肢 スロット内で位置を決める。キャビティに合体させたワイヤ支持部であ からほぼ除外される。 る「アンビル」形状が、キャビティ内でワイヤを支える。 MAG-MATE金属端子には2つのIDCスロットがあり、スロット入口は面 IDC技術 取りした導入部となっている。ハウジングキャビティ内にあるマグネット ワイヤの上方で端子を位置決めして挿入する。特別に設計した「ニッカ TE Connectivity（以下TE）は、15年にわたりマグネットワイヤの端末処 ー」と呼ばれる端子形状により、挿入中にワイヤ表面から絶縁膜が除去 理に確実性の高い優れたソリューションを提供しており、世界的大手の される。端子を奥まで収めると、2つの絶縁被覆除去スロットがワイヤ 多くのFHPモータ、ポンプメーカが、TEのMAG-MATE製品を用いて銅マ を捕捉し、信頼性のある端末処理が実現する（図1）。ワイヤは変形して グネットワイヤの端末処理を行っている。本製品ラインは絶縁被覆除去 楕円形となる。この過程で、ワイヤと端子との間に、4つの気密接点（各 結線（IDC）技術に基づいている。IDCは40年間にわたる幾千もの適用 スロットに2つずつ）が生成する。各端子スロットと対面する側壁にはバ 事例から、線材を剥いてはんだ付けする方法の代替として効果的であ ネのエネルギが残り、ワイヤに対して一定の圧力を維持するため、長期 ると証明されている。 間信頼性のある接続となる。同様に、成型プラスチックスロットは金属 端子の各面にあるワイヤをグリップし、張力を逃がす（ストレインリ 本来IDCが意図していたのは、電気通信業界において、より線および単 リーフ）。 線リード線の端末処理に効果的な方法を提案することであった。競争 の激しいFHP市場におけるコスト削減要求の高まりは、やがてコスト削 減や他のマグネットワイヤアプリケーションにIDC技術を転用する原動 力となった。この要求に応えるため、TEはMAG-MATE IDC接続ソリュー ションを開発した。このシステムは、中程度～大量生産を行う業者向け の、効率的で耐久性のある端末処理製品群の一部である。MAG-MATE 製品ライン全体では幅広いワイヤ規格に対応しており、端子に想定さ れる多くの接点配置を提案している。空間的制約のあるアプリケーショ ンには、効率的な端末処理を行うための選択肢として、スリムラインお よびミニタイプのソリューションがある。 図1: IDC端末処理プロセス。ボビンのマグネットワイヤを予めプラスチックキャビティのスロット内 で位置決めし、MAG-MATE端子をキャビティ内へ挿入する。この間に絶縁部がワイヤ表面か ら除去される。はだかになったワイヤは変形して楕円形となり、4点の気密接点を生成する。 2 te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. | MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. WHITE PAPER アルミマグネットワイヤの端末処理 グループ ワイヤサイズ、材質 スロット内の ワイヤ位置 アルミマグネットワイヤの端末処理は、IDC技術にとって独特の難題で 1 #21 AWG Al A あり あった。環境応力および機械的応力により、アルミニウムには銅より大 2 #21 AWG Al A なし きなクリープと応力緩和が生じた。マグネットワイヤメーカは、アルミマ 3 #21 AWG Al C あり 4 #21 AWG Al C なし 5 #21 AWG Cu B あり グネットワイヤを鉄で合金化することにより、クリープと応力緩和の特 性を最小化できたが、従来のアルミワイヤよりコストが高くなった。その ストレインリリーフ 代案として、MAG-MATE IDC端末処理が考えられた。アルミニウム合金 の価格やワイヤ重量、あるいは端末処理品質そのものに影響を与える 表1: ことなく、アルミニウムの金属特性を補償できると考えられる。 試験サンプルは、3つのワイヤ挿入深さを対象とし、ストレインリリーフの影響を示す。 そのためにTEは研究を行い、アルミマグネットワイヤのIDC端末処理を 長期間適正に保つ結果に繋がる要素を検証した。本研究には環境応 力および機械的応力を組み入れ、次に挙げる項目の影響を評価した。 ワイヤ端面位置Cは最も不適切であることがわかった。実質的にバネ • IDCスロット内のワイヤ位置 のスプリングバックはなく、アルミマグネットワイヤの端末処理は寿命 • IDCスロットの適合性 が短くなった。表1のグループ3およびグループ4の試験データは、マ • 端子のめっき材料 グネットワイヤをIDCスロットに挿入しすぎると、アルミマグネットワイ • ストレインリリーフ ヤの端末処理に悪影響があることを示す。ストレインリリーフがない 場合（グループ4）は、端末処理の不安定さが有意に増加する。結果とし 試験の結果、メーカが端末処理プロセスの間に特定の注意を払ってい て、TE Connectivityは現在、端末処理に最適な挿入深さを指定してい る限り、アルミマグネットワイヤについてMAG-MATE端子の性能が非常 る。これは、プラスチックキャビティの上端から端子の上端までを測定 に安定していることがわかった。 したものである。こうして、適切にアルミワイヤを配置できるようにし、 アルミワイヤの端末処理を確実に成功させるためには、 破壊検査の必要性を排除する。 • ワイヤをIDCスロット内に挿入しすぎてはならない。 • プラスチックハウジングにストレインリリーフを備えなければなら ない。 図2: 挿入深さレベルA、B、Cの試験から、ワイヤ端面 ワイヤ端面の位置の影響に関する詳細 位置が端末処理の寿命に与える影響を明らかに した。 表1と図2に、さまざまな試験サンプルを示す。これらはワイヤの挿入深 さ（AからCの範囲）と、ストレインリリーフの有無とによりグループ分け されている。ワイヤ端面位置Aが最も適しており、バネのスプリングバ ックが最大となり、アルミマグネットワイヤの端末処理が最も長持ちす る。ワイヤ端面位置Bは、銅を用いる場合の標準の挿入深さであり、バ ネのスプリングバックと端末処理の寿命は正常レベルである。 3 te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. | MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. WHITE PAPER 図3は、アルミワイヤについて、環境応力および機械的応力を与えた場 端末処理後にワイヤがコネクタスロットの適正な領域に残っている 合のMAG-MATE端子の平均抵抗値を比較している。一部のサンプル ことを確実にするため、TEエンジニアリングチームはツールに最適な は、マグネットワイヤとプラスチックキャビティスロットとの間のストレイ 挿入深さを指定する。それに加え、張力解放機構が必要である。しか ンリリーフにより張力解放を行った。別のサンプルには、張力解放機構 し、試験ではマグネットワイヤとプラスチックキャビティスロットとの を組み込まなかった。ある試験グループには、比較の対象として、銅マ 間のストレインリリーフにより、十分なソリューションを得られること グネットワイヤを使用した。 が示されている。TEは最終的には、アルミマグネットワイヤの端末処 理について、単一スロットのIDC端子の使用を推奨しない。その理由 は、アルミワイヤのような変形しやすい導電体に必要な頑健性と制 MAG-MATEの仕様変更による影響の評価 御を得られないためである。 ワイヤ端面位置の影響を解析することにより、IDCスロットの弾性と長 銅マグネットワイヤからアルミワイヤへの置き換えを検討しているお 期にわたるプリロードが機械的耐久性にいかに重要であるかは明らか 客様には、是非TEのエンジニアリング部門に問い合わせいただきた になった。しかし、相互接続の電気特性についてはどうだろうか？IDC い。TEの15年間にわたるマグネットワイヤのIDC相互接続技術経験、 の設計を変更すると、例えば抵抗は改善されるか？アルミマグネットワ および社内研究の情報を基に、IDC技術の本質的な利点をアルミマ イヤを用いた場合の、いくつかの仕様を変えたMAG-MATE端子を用意 グネットワイヤの端末処理に最大限応用できる。 して、それらの平均抵抗値を同様に比較したものを図４に示す。これら のグループは、表2に示すとおり、スロット設計、めっき材料、ストレイン リリーフの異なる組み合わせを表す。インジウムめっきは、アルミニウム の酸化を抑制できるために選択した。 結果から、標準コネクタ設計（グループ4）が最良の性能を発揮すること がわかる。特別なインジウムめっきは、実際にはアルミマグネットワイヤ の端末処理性能を低下させた。より適合性の高いスロットに特別なめ っきを施した組み合わせ（グループ1）では、明らかに端末処理が不安 定であった。加えて、ストレインリリーフを強化しても、マグネットワイヤ とプラスチックキャビティのスロットとの間に改善は見られなかった。 そのため、標準MAG-MATE端子は、スロットの適正な領域で圧接処理 を行い、プラスチックキャビティから標準のストレインリリーフを行う と、アルミマグネットワイヤが最適な性能を発揮すると結論づける。 結論 TEの本研究から、銅マグネットワイヤからアルミマグネットワイヤへの切 り替えは、家電向けFHPモータメーカにとって、十分に現実的な選択肢 だと考えられる。標準の絶縁除去端子を用いることで、被覆剥きしたり はんだ付けしたりする厳しい作業を排除できることがわかる。 4 te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. | MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. WHITE PAPER 10.5 図3: アルミワイヤについて、環境応力および機械的応力 9.5 を与えた場合のMAG-MATE端子の平均抵抗レベル mΩ 8.5 7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 湿度・温度 の周期的 変化 初期状態 温度上 昇#1 高温放置 Group 1 5.8845 5.96475 5.92725 5.8795 5.927 5.9245 5.93675 5.91575 5.92925 5.941 Group 2 5.888 5.9485 5.929 5.86775 5.9465 5.95725 5.969 5.942 5.94075 5.94475 5.953 Group 3 5.77975 5.861 5.83325 5.771 6.14625 6.213 6.251 6.23225 6.243 6.259 6.2695 Group 4 5.8135 5.88475 5.863 5.84575 6.648 6.722667 6.808667 6.958 7.246 8.243 9.956667 Group 5 3.834 3.88825 3.8815 3.85625 3.88375 3.89675 3.8935 3.876 3.8785 3.882 高温放置 湿度・温度の 周期的変化 熱衝撃 熱衝撃 振動軸#1 振動軸#2 振動軸#3 振動軸#4 振動軸#5 振動軸#6 3.89625 5.942 27.5 図4: アルミマグネットワイヤを用いた場 合の標 準MAG - 25 MATE端子と改良型MAG-MATE端子の平均抵抗レベル 22.5 mΩ 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 初期状態 振動軸#1 振動軸#2 振動軸#3 最終温度 上昇 Group 1 6.758 7.071 8.023 10.307 11.192 12.14 12.852 13.513 16.57 Group 2 6.263 6.534 6.633 6.736 6.818 6.848 6.951 7.095 7.463 Group 3 5.924 5.933 6.074 6.184 6.231 6.257 6.239 6.235 6.261 Group 4 5.893 5.887 5.906 5.918 5.958 5.974 5.963 5.952 5.987 Group 5 6.941 7.234 8.239 10.401 12.987 20.872 22.601 22.08 25.026 Group 6 6.467 6.499 6.569 6.615 6.843 6.928 7.023 7.125 7.277 Group 7 5.94 5.943 6.078 6.457 7.535 8.21 8.41 8.443 8.47 Group 8 5.877 5.874 5.887 5.886 5.932 5.918 5.92 5.9 5.925 表2: アルミニウム用に再設計したIDC端子の試験パラメータ 5 温度上昇#1 グループ ワイヤサイズ ビーム設計 めっき ストレインリリーフ 1 #21 AWG Al より適合性の高いビーム インジウム 標準 2 #21 AWG Al より適合性の高いビーム スズ 標準 3 #21 AWG Al 標準ビーム インジウム 標準 4 #21 AWG Al 標準ビーム スズ 標準 5 #21 AWG Al より適合性の高いビーム インジウム 強化 6 #21 AWG Al より適合性の高いビーム スズ 強化 7 #21 AWG Al 標準ビーム インジウム 強化 8 #21 AWG Al 標準ビーム スズ 強化 te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. | MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. 詳細情報ウェブページ te.com/industrial TE Technical Support Center Internet: te.com/help USA: +1 (800) 522-6752 Canada: +1 (905) 475-6222 Mexico +52 (0) 55-1106-0800 Latin/S. America: +54 (0) 11-4733-2200 Germany: +49 (0) 6251-133-1999 UK: +44 (0) 800-267666 France: +33 (0) 1-3420-8686 Netherlands: +31 (0) 73-6246-999 China: +86 (0) 400-820-6015 本文書に記載の型番は、特に注記のない限りRoHS*対応型番です。 *RoHSについてはwww.te.com/leadfreeをご参照ください。 te.com/products/magnet-wire © 2012 Tyco Electronics Corporation. All Rights Reserved. 2-1773464-5 CIS PDF 05/2012 MAG-MATE, TE Connectivity, TE connectivity (logo) and TE (logo) are trademarks of the TE Connectivity Ltd family of companies. Other logos, product and Company names mentioned herein may be trademarks of their respective owners. TEは、本カタログに正確な情報を記載するべく可能な限りの努力を払っていますが、情報に間違いがないことを保証するものではなく、また、 情報が正確で、誤りがなく、信頼性があり、最新の内容であることを表明したり保証するものでもありません。TEは、記載されている情報を予 告なしにいつでも修正することができます。TEは、記載されている情報に関して、特定目的に対する商品性や適合性を含む（ただし必ずしもこ れらに限定されない）暗黙の保証をすべて明示的に拒否いたします。本カタログに記載されている寸法は、参考にしていただくためのもので あり、予告なく変更されることがあります。製品の仕様は予告なく変更されることがあります。最新の寸法や設計上の仕様については、TEまで お問い合わせください。