JP2004063190A

JP2004063190A - 自動車用電気接点材料及び該材料を用いたリレー

Info

Publication number: JP2004063190A
Application number: JP2002217967A
Authority: JP
Inventors: Teruya Takahashi; 高橋　光弥; Nobuhito Yanagihara; 柳原　宣仁; Tomokazu Sato; 佐藤　智和; Tetsuya Nakamura; 中村　哲也; Osamu Sakaguchi; 坂口　理; Masahiro Takahashi; 高橋　昌宏; Kiyokazu Kojima; 小島　清計; Toshiya Yamamoto; 山本　俊哉
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【解決課題】直流４２±１４Ｖの負荷を開閉するダブルブレーク構造のリレーに搭載しても、通電中の接触抵抗を低く安定させ、しかもリレーしての耐久寿命を十分に確保できる車載用電気接点材料を提供すること。
【解決手段】本発明は、ダブルブレーク構造を有し、直流４２±１４Ｖの負荷を制御するリレーに用いられる自動車用電気接点材料に関し、その組成は３．０〜１０．０重量％のＺｎ、３．１〜１０．０重量％のＣｕ、残部ＡｇからなるＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ合金を内部酸化してなる自動車用電気接点材料である。そして、この電気接点材料を電気接触子として使用して、ダブルブレーク構造のリレーにすると、４２Ｖ直流負荷での接触抵抗を低く抑え、かつ長寿命なリレーとすることができる。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流負荷に対応する電気接点材料に関するものであり、特に次世代の自動車に使用される４２±１４Ｖ負荷においても優れた耐消耗性を有する開閉接点材料及びそれを用いたリレー又はスイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気回路を機械的に開閉する電気接触子は、一般に電気接点と呼ばれる。近年、電子・電気工学の著しい発展に伴い、電気接点の使用範囲は、電信電話や各種電子機器などの弱電分野から、大電流を遮断する電気機器などの強電分野に至るまで広い範囲にわたっている。
【０００３】
電気接点の利用実績が多く、性能改善への開発が活発な分野の一つとして、自動車搭載用の電気接点、特に、自動車搭載用リレーがある。現在、一般的に使用されている自動車搭載用リレーは、ＩＳＯリレー、ミニＩＳＯリレー、マイクロＩＳＯリレーなどがあり、これらのリレーに用いられている電気接点材料としては、溶解、鋳造法で製造されるＡｇ−Ｃｕ系材料（例えば、１〜４０重量％のＣｕと残部Ａｇとからなる合金材料が知られている）の他、そして内部酸化法で製造されるＡｇ−ＳｎＯ_２系材料（例えば、５〜１５重量％のＳｎＯ_２と残部Ａｇとからなる合金）、Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系等が知られている。
【０００４】
ところで、自動車搭載用の電気部品の分野においては、最近、その電源（バッテリー）の電圧を従来のＤＣ１４ＶからＤＣ４２Ｖ（或いはＤＣ４８Ｖ）へと増大させる計画が進行している。これは、電源容量の増大を行えば、従来のようにエンジンの駆動によって各部品へ電力を供給することが不要となり、その分エンジンの低燃費化を図ることができ、環境にも配慮できる等という利点があるからである（例えば、従来の自動車ではエンジン停止中にカーエアコンの作動させることは好ましくないが、４２Ｖ車ならばエンジンの駆動に頼ることなくカーエアコンを作動させることができ、カーエアコンを作動させるためだけにエンジンを駆動させる必要がなくなる）。
【０００５】
しかし、高電圧負荷による電気接点材料への影響は、１４Ｖ電源の場合と比較して極めて大きく、接点部でのアークのエネルギーは１４Ｖ電源の場合の数百倍以上といわれている。そのため、この次世代自動車でなされる高電圧負荷に対して、現行のリレー構造で現行の電気接点材料を使用したものでは、実用的な耐久性を有していないことが判明している。即ち、現行のリレー構造であるシングルブレーク構造のままでは、接点ギャップは１ｍｍ以上にすることが難しく、アークを遮断することが出来ないために、接点部が溶融し電気接点を組み込んだ電気部品の性能、寿命を悪化する場合がある。また、最悪の場合にはリレーが溶損することさえあるのである。
【０００６】
そこで、このような高負荷がかかる接点として、アークを遮断することを目的としてダブルブレーク構造のリレーが最近提案されている。
【０００７】
しかしながら、このダブルブレーク構造を採用する場合、現行の電気接点材料であるＡｇ−ＳｎＯ_２系、Ａｇ−ＳｎＯ_２−Ｉｎ_２Ｏ_３系電気接点材料は使用することが難しい。本発明者によれば、これら従来の材料をダブルブレーク構造のリレーに採用した場合、接触抵抗が高くなり、３０Ａ程度の通電を連続で行うと、リレーが異常に温度上昇し、また最悪の場合にはリレーが溶損するのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような事情を背景として本発明はなされたものであり、直流４２±１４Ｖの負荷を開閉するダブルブレーク構造のリレーに搭載しても、通電中の接触抵抗を低く安定させ、しかもリレーとしての耐久寿命を十分に確保できる車載用電気接点材料を提供せんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意研究を重ね、ダブルブレーク構造のリレーに対する電気接点材料として、内部酸化型のＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金が適当であると考察した。
【００１０】
この内部酸化型のＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金は、Ａｇをマトリックスとして、Ｚｎ及びＣｕの酸化物が分散してなるものである。この合金が高電圧下で使用される電気接点材料として対応可能である理由として、本発明者等は以下のような理由を考察した。
【００１１】
本発明者等によれば、ＺｎＯは、４２Ｖでの直流負荷における耐消耗性向上の働きを担い、ＺｎＯの量が増加するほどにその耐消耗性は向上するものである。しかし、このＺｎＯは接触抵抗に対してマイナス的な要素となる性質がある。これは、本発明者等の確認的研究により明らかとされているが、Ｚｎのみを含有する内部酸化型のＡｇ−ＺｎＯ合金では、直流負荷での開閉動作を繰り返すと、接点表面にＺｎＯが層状に堆積する現象が生じる。そして、この層状のＺｎＯ層が接触抵抗の増大を引き起こし、電気接触子としての信頼性を著しく低下させることとなるのである。
【００１２】
このＺｎＯの接触抵抗への悪影響を低減するのがＣｕＯである。本発明者等によれば、Ａｇ−ＺｎＯ合金中にＣｕＯを添加することで接点表面に層状のＺｎＯが堆積する現象を抑制し、接触抵抗が低い状態で安定する。この効果はＣｕＯの量が増加するほどに増大するという。但し、ＣｕＯはかかるＺｎＯの悪影響を低減するという効果を有するものの、それ自体は耐摩耗性を向上させる要素ではなくむしろマイナス的な要素となる。本発明者等によれば、Ｃｕのみを含有する内部酸化型のＡｇ−ＣｕＯ合金では、４２Ｖでの直流負荷での開閉動作を繰り返すと、合金の消耗量が増大することを確認している。
【００１３】
このように、Ａｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金においては、ＺｎＯは耐摩耗性を向上させ、ＣｕＯはＺｎＯ層の発生を抑制し接触抵抗を安定化するという効果があり、これらからこの合金が高電圧負荷に対する電気接点材料としての可能性を有すると考えられる。但し、上記のようにＺｎＯ、ＣｕＯは、電気接点材料として好ましい効果を発揮する反面、マイナス要因もあり、いずれもその含有量が多ければ良いというものではない。つまり、高電圧負荷に十分対応可能なＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金とするためにはＺｎＯ、ＣｕＯの含有量に好適な範囲があると考えられる。そこで、本発明者等はＺｎＯ、ＣｕＯの好適な含有量の範囲を見出すべく詳細な検討を行ない、ＺｎＯによる耐消耗性向上とＣｕＯによる低接触抵抗の安定化の両方の効果を得ることができる電気接点材料を見出した。
【００１４】
即ち、本発明は、ダブルブレーク構造を有し、直流４２±１４Ｖの負荷を制御するリレーに用いられる自動車用電気接点材料であって、３．０〜１０．０重量％のＺｎ、３．１〜１０．０重量％のＣｕ、残部ＡｇからなるＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ合金を内部酸化してなる自動車用電気接点材料である。
【００１５】
本発明に係る電気接点材料において、Ｚｎを３．０〜１０．０重量％、Ｃｕを３．１〜１０．０重量％の範囲で含有するＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金を内部酸化処理することを好適とするのは、Ｚｎが３．０重量％未満であると実用的なレベルの耐消耗性を維持することが難しくなり、１０．０重量％を越えると接触抵抗の増加現象が顕著となり、材料の加工性が悪くなるからである。また、Ｃｕが３．１重量％未満であると、ＺｎＯの層状皮膜を抑制して接触抵抗を低くする効果が弱くなり、１０．０重量％を越えると、その際に添加できるＺｎＯの量が少なくなり消耗性を増加させるからである。そして、本発明においてより好ましくは、Ｚｎが５．０〜７．０重量％で、Ｃｕが５．０〜７．０重量％の範囲で含有するＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金を内部酸化処理したものであり、この合金はＺｎＯとＣｕＯとの相互の作用が最も良好なものである。
【００１６】
本発明に係る電気接点材料は、内部酸化処理によってＺｎＯとＣｕＯがＡｇ中に微細分散するものであるが、両酸化物の含有量のバランスを最適にすることによって、直流４２±１４Ｖの負荷を制御するために使用する自動車用電気接点材料として要求される特性を十分に満足できるものとなるのである。
【００１７】
ここで、本発明者等は、直流４２Ｖの負荷に対してより信頼性の高い高耐摩耗性を有する電気接点材料として、上記組成のＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金へ、更にＮｉを含有させたものを内部酸化させたものが好ましいことを見出した。
【００１８】
Ｎｉを更に含有させたＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金を内部酸化させることで耐摩耗性が向上する理由については、必ずしも明らかではない。一般的にＮｉは、Ａｇ−酸化物系電気接点材料に微量添加することで内部酸化処理の際に酸化物を微細析出させるという効果を有する。しかし、本発明者等の検討によると、Ａｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金にＮｉを微量に添加して内部酸化処理を行うと、Ｃｕが多い合金組成では酸化物の微細化が生じるが、Ｚｎが多い合金では酸化物の微細析出は認められなかった。従って、Ａｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金の場合には、Ｎｉの添加により酸化物の微細化が必ずしも生じるわけではない。そこで、本発明者等は、Ａｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系合金にＮｉを添加することにより耐摩耗性が向上する要因としては、Ｎｉの添加による酸化物の微細析出によるものではなく、ＮｉはＣｕＯまたはＺｎＯ中に固溶するために生じた効果と推測している。いずれにしても、このＮｉを更に添加した電気接点材料では、４２Ｖの直流負荷で使用すると、耐消耗性が更に向上することが判明したのである。尚、Ｆｅ、Ｃｏについても、Ｎｉと同様な効果を示し、これらを単独或いは混合して添加しても、同様な効果が得られる。
【００１９】
この電気接点材料においては、３．０〜１０．０重量％のＺｎと、３．１〜１０．０重量％のＣｕと、０．０１〜０．５０重量％のＮｉとを含有し、残部がＡｇとからなるＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金を内部酸化処理することが好ましい。Ｎｉが０．０１重量％未満であると耐消耗性の効果が得られず、０．５０重量％を越えると、Ｎｉが内部酸化処理前にＡｇ合金中に偏析し、内部酸化後には粗大なＮｉＯ粒子となって析出し、接触抵抗の増加等を引き起こすからである。そして、より好ましいものは、Ｚｎが５．０〜７．０重量％、Ｃｕが５．０〜７．０重量％、Ｎｉが０．０５〜０．２０重量％の範囲のＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金を内部酸化処理したものであり、これはＺｎＯ、ＣｕＯ及びＮｉとの複合的な作用が最もバランスのとれた状態を有する。
【００２０】
以上説明した本発明に係る電気接点材料は、耐摩耗性が高く、安定的に低い接触抵抗を維持できる。そのため、これを電気接触子として使用して、ダブルブレーク構造のリレーにすると、４２Ｖ直流負荷での通電中の接触抵抗を低く抑え、かつ長寿命なリレーとなるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の実施形態として表１に示す組成の電気接点材料を製造し、また、各実施例に対する比較として、表１に示す従来の電気接点材料を製造した。
【００２２】
【表１】

【００２３】
実施例１、２の電気接点材料の製造方法は以下の通りである。高周波溶解炉により、各組成のＡｇ合金を溶製後インゴットに鋳造して、熱間押し出し加工により、φ６ｍｍの線材とした。続いて、その線材を７００℃で焼鈍しながらφ２ｍｍまで引き延ばし加工を行い、長さ２ｍｍで切断することで、φ２ｍｍ×２ｍｍＬのチップを作成した。そして、このチップを酸素圧５気圧、温度６５０℃で４８時間、内部酸化処理を行い、内部酸化処理後のチップを集め、圧縮成型して、φ５０ｍｍの円柱ビレットを形成した。
【００２４】
そして、この円柱ビレットを、円筒容器に納め、円柱長手方向から圧力を加えることで、円柱ビレットを圧縮加工した。この圧縮加工に続いて、８５０℃、４時間の焼結処理を行った。この圧縮加工及び焼結処理は、４回繰り返して行った。
【００２５】
この圧縮加工及び焼結処理を施したビレットは、熱間押し出し加工により、φ７ｍｍの線材に形成した（押出面積比約５１：１）。続いて、線引き加工にてφ２．３ｍｍの線材とし、ヘッダーマシンによって、頭径３．５ｍｍ、頭厚１ｍｍのリベット接点を作成した。
【００２６】
従来例１の電気接点材料は、いわゆる溶解、鋳造法によって製造したものである。また、従来例２は、特開昭５４−１１０１２４号公報に記載される内部酸化法によるＡｇ−Ｓｎ系電気接点材料の製造方法に従って得られたものである。これら従来例の電気接点材料も、上記実施形態と同形状のリベット接点に加工した。
【００２７】
次に製造した各電気接点材料について、ダブルブレーク構造のリレーに組み込み耐久試験を行い、その特性を検討した。
【００２８】
ここでのダブルブレーク構造のリレーは、標準的な２Ｃ型のリレーの、可動接点を短絡することにより得られる簡易的にダブルブレーク構造としたリレーである。そして、実施例１、２及び従来例１、２の電気接点を、このダブルブレーク構造のリレーに組み込み耐久試験を行った。
【００２９】
耐久試験で用いた試験機は、セットしたリレーのコイル電圧を任意時間及び任意間隔に設定することができるようになっている。この試験では、開閉毎にコイル電圧を印加してから０．３秒後及びコイル電圧を除去してから０．３秒後にそれぞれ接点端子間電圧をモニターし、溶着または導通不良の有無をチェックした。そして、どちらかの故障が発見されたとき負荷回路を遮断した。本試験では、溶着または導通不良のどちらかの故障が１回発生した時点で試験を中止して、電気接点材料の寿命であると判断した。耐久試験の条件を表２に示す。
【００３０】
【表２】

【００３１】
耐久試験は３台のリレーを使用して行い、リレーの故障が生じる耐久寿命開閉回数を測定した。また、リレーの接触抵抗（端子間抵抗）を初期、耐久試験の途中５万回、１０万回そして耐久試験終了回数の２０万回にて測定した。但し、２０万回以内に故障が発生した場合はその回数で接触抵抗を測定した。この耐久試験において、その結果を表３に、接触抵抗の測定結果を表４に示す。
【００３２】
【表３】

【００３３】
【表４】

【００３４】
表３に示す耐久試験結果から、実施例１、２における電気接点材料は、すべて２０万回以上の耐久寿命を示すことが確認された。一方、従来例のものでは、２０万回未満の開閉回数で故障するリレーが有り、実用的なレベルの特性を有しないことが確認された。
【００３５】
また、接触抵抗の値について、実施例１、２における電気接点材料は、初期状態（試験前）より上昇はするものの、２０万回以上の開閉負荷を受けても比較的低い値を維持している。これに対し従来例のものは、開閉回数が増大するに従い、接触抵抗値も上昇しており故障時にはかなり高い値を示している。従って、接触抵抗の観点からも実施例に係る電気接点材料の実用性が確認された。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る自動車用電気接点材料は、ダブルブレーク構造のリレーに組み込み、直流４２Ｖ負荷で使用した場合、通電中の接触抵抗が低く耐消耗性に優れ、電気接点としての寿命を大幅に引き延ばすことが可能となる。また、耐消耗性に優れるため絶縁劣化も引き起こしにくく、自動車用電気接点材料として好適なものである。

Claims

ダブルブレーク構造を有し、直流４２±１４Ｖの負荷を制御するリレーに用いられる自動車用電気接点材料であって、
３．０〜１０．０重量％のＺｎ、３．１〜１０．０重量％のＣｕ、残部ＡｇからなるＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ合金を内部酸化してなる自動車用電気接点材料。
ダブルブレーク構造を有し、直流４２±１４Ｖの負荷を制御するリレーに用いられる自動車用電気接点材料であって、
３．０〜１０．０重量％のＺｎ、３．１〜１０．０重量％のＣｕ、０．０１〜０．５０重量％のＮｉ、残部ＡｇからなるＡｇ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金を内部酸化してなる自動車用電気接点材料。
ダブルブレーク構造を有し、電気接触子として請求項１又は請求項２記載の自動車用電気接点材料を使用してなるリレー。