JP2004193099A

JP2004193099A - 直流リレー

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Publication number: JP2004193099A
Application number: JP2003277041A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imanishi; 啓之今西; Takeshi Ariyoshi; 剛有吉; Akinobu Yoshimura; 明展吉村; Yasuhiko Nishi; 康彦西; Tamio Tsurita; 民男釣田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】簡易な構造でありながら短時間で直流高電圧を遮断できる直流リレーを提供する。
【解決手段】対となる少なくとも一方の接点が可動接点であり、接点同士を接触または非接触状態とするために接点間を開閉する開閉機構4を具える。開閉機構4は、接点の接触面に対して垂直方向に接点を往復移動させるメイン動作部5と、接点間がメイン動作部5により開閉されると同時に一方の接点を、前記垂直方向と直交する方向に往復移動させるサブ動作部6を具える。接点を開閉する際に、接点の接触面と直交する方向に移動させながら、接触面に水平な方向にも移動させ短時間で直流高電圧を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電流のリレーに関するものである。特に、簡易な構造にて確実に直流電流を遮断できる直流リレーに関するものである。

近年、環境問題からハイブリッド自動車や燃料電池自動車のような高電圧（約３００Ｖ）の自動車が開発されてきている。これらの自動車は、直流高電圧の主電池と高電圧回路からなる制御回路を具えている。また、主電池は直流高電圧であるので、事故時などには電池を制御回路から切り離す必要があり、電池と制御回路との間にはメカニカル接点の直流リレーを具える。これらリレーは、直流高電圧を遮断するときに発生するアークが非常に大きくなることから、遮断速度が非常に遅く、短時間で遮断するのは非常に難しい。

そこで、従来では、アーク発生部に磁石を設置してローレンツ力によりアークを引き伸ばす構造（例えば特許文献1参照。）がある。また、水素などの冷却効果の大きい気体をアーク発生部に封入してアークの発生を抑える構造（例えば特許文献１または特許文献２参照。）もある。さらに、磁石とアークの発生を抑える気体とを併用する場合もある（例えば特許文献1参照。）。

特開平８−２０３３６８号公報（請求項１および図１）特開平９−３２０４１１号公報

しかし、従来の直流リレーにおいて、特許文献１に示すように、アーク発生部に磁石を設置して、磁界の作用によりアークを引き伸ばす場合、アークを引き伸ばす空間を確保した状態で接点の周りに磁石を配置しなければならない。その結果、リレー全体が大型化してしまう問題がある。また、高磁力の磁石を使用する必要があり高コストになる。

また、特許文献２に示すように、水素などの気体でアークの発生を抑制する構造とする場合には、気体をケース内に完全に密閉できるケース構造を必要とする。さらには、気体が封入された状態を長期間保持するための構造や技術も必要となる。その結果、ケースの密閉構造が複雑となり、密閉技術も非常に困難となる問題がある。

従って、本発明の目的は、簡易な構造でありながら短時間で直流高電圧を遮断できる直流リレーを提供することにある。

本発明は、接点を開閉する際に、接点の接触面と直交する方向に移動させながら、接触面に水平な方向にも移動させる構成とすることにより、上記の目的を達成する。

すなわち、本発明直流リレーは、対となる少なくとも一方の接点が可動接点であり、接点同士を接触または非接触状態とするために接点間を開閉する開閉機構を具える。

そして、開閉機構は、接点の接触面に対して垂直方向に接点を往復移動させるメイン動作部と、接点間がメイン動作部により開閉されると同時に一方の接点を、前記垂直方向と直交する方向に往復移動させるサブ動作部を具える。

メイン動作部における接点の接触面に対して垂直方向に接点を往復移動させるとは、例えば、２つの接点を接触させたときに一方の接点の接触面に対して垂直方向に接点間を開閉させる場合をいう。

また、サブ動作部における垂直方向と直交する方向に往復移動させるとは、例えば、２つの接点を接触させたときの接触面と平行する方向、即ち、前記垂直方向と直交する方向に一方の接点に対して他方の接点を相対的に移動させる場合をいう。

本発明によれば、メイン動作部により接点を接触面に垂直な方向に移動させながら、サブ動作部により接点を前記垂直方向と直交する方向にも移動させる。そして、メイン動作部とサブ動作部により、接触している接点について、実質的に一方の接点に対して他方の接点を前記垂直方向に対して斜め方向に向けて相対的に移動させることで直流高電圧の遮断を行う。

本発明では、メイン動作部とサブ動作部により、接点の前記垂直方向への移動距離が、従来のように接点を接触面に垂直な方向にのみ移動させたときと同じ移動距離でありながら、実質的な接点間の距離を長くすることができる。その結果、接点の前記垂直方向への移動距離を大きくすることなく、しかも、磁石を設けることなくリレー遮断時に発生するアークを引き伸ばすことができ、短時間でアークを消してリレーの遮断を行うことができる。

このように、接点の開閉駆動をメイン動作部とサブ動作部により行うことにより、簡易な構成にて直流高電圧の遮断を確実に行うことができる。また、気密構造が不要となり、安価に製造することができる。

ここで、接点の開閉動作には、種々の駆動源を利用できる。回転系駆動源ではモータが、直動系駆動源ではソレノイドやシリンダが利用できる。メイン動作部に回転系駆動源を用いる場合は、回転運動を往復運動に変換する変換機構を介してメイン動作部を駆動させる。また、メイン動作部に直動系駆動源を用いる場合には、接点に連結して駆動する。

さらに、サブ動作部は、回転系駆動源を用いて接点を円弧状に移動させることにより、メイン動作部による移動方向に対して直交する方向に接点を移動させることができる。また、サブ動作部は、直動系駆動源を用いて接点をメイン動作部による移動方向に対して直交する方向に直線状に移動させることもできる。

本発明では、開閉する一対の接点のうち、一方を可動接点、他方を固定接点としても良いし、双方を可動接点として開閉するように構成しても良い。一方の接点のみを可動接点とする場合には、可動接点をメイン動作部とサブ動作部とにより駆動させるようにする。また、双方の接点を可動接点とする場合には、一方の可動接点をメイン動作部で駆動させ、他方の可動接点をサブ動作部で駆動させるようにすることが好ましい。

双方の接点を可動接点とする場合には、双方の駆動を同時に行う必要がある。このタイミングをとる具体的な手段としては、例えば、タイマー手段を用いたものが挙げられる。つまり、タイマーを用いてメイン動作部を駆動させる駆動信号を出力すると同時に、サブ動作部を駆動させる駆動信号を出力する。

さらに、本発明では、サブ動作部として駆動源を用いることなく、接点をメイン動作部による移動方向に対して直交する方向に移動させることもできる。即ち、一方の接点を長尺な連結部の長手方向一端側に固定するとともに、連結部における接点固定位置に対して偏心させた位置に支持軸を固定する。

そして、開閉機構のメイン動作部を、前記支持軸と、当該支持軸を軸方向に往復動作させる軸作動部とを有する構成（例えばソレノイド）とする。サブ動作部を、前記軸作動部における支持軸外周面との対向面に形成する突起部と、支持軸外周面に螺旋状に設けられ、突起部が摺動可能に挿入されて支持軸を回転させる回転用溝とを具える構成とする。

サブ動作部を突起部と回転用溝を具える構造とする場合、突起部を回転用溝に挿入させることにより、メイン動作部のソレノイドの駆動に伴って、突起部の回転用溝に対する位置が変動して支持軸を回転させることができる。

このような構成は、特に対となる接点が２対具えられ、それぞれの同じ側の接点を一つの連結部に固定し、少なくとも一方の連結部に、当該連結部に固定された接点間の中間位置において支持軸を固定する場合に適している。

また、接点は、直列に配置されて電圧を分圧する複数で構成することが好適である。一つの接点にかかる電圧を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。

さらに、接点は、並列に配置されて電流を分流する複数で構成することも好適である。一つの接点に流れる電流を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。

本発明リレーに用いる接点は、ブロック状、柱状、棒状などの金属体が好ましい。

さらに、固定接点や可動接点の接触面は、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内にあるように形成することが好ましい。

Snの含有量を1〜9質量％とするのは、1質量％未満では、接点の耐溶着特性が低下し、9質量％を超えると接点の温度特性が低下するからである。好ましくは、2〜7質量％である。

ここで、耐溶着特性とは、接点が切れない状態、特に接点がくっついたまま離れない溶着の起こりにくさをいう。また、温度特性とは、通電時の接点の温度上昇の度合いをいい、温度特性が良いとは、通電により接点の温度が上昇しにくく、リレーに接続されるケーブルや機器に熱的な影響を与えにくいことをいう。

また、Inの含有量を1〜9質量％とするのは、この範囲外の含有量の場合には接点の温度特性が低下するからであり、さらに、9質量％を超えると、Snの含有量にもよるが、耐溶着特性が低下するからである。好ましくは、3〜7質量％である。

第一層の硬度（通常5g荷重負荷）をマイクロビッカース硬度で190以上にするのは、このレベル未満になると、耐溶着特性や温度特性が低下するからであり、第二層の硬度をマイクロビッカース硬度で130以下にするのは、このレベルを超えると、接点が脆弱化して耐摩耗性が低下するからである。

第一層の硬度は240以上、第二層のそれは120以下であるのが望ましい。なお、本発明における硬度は、接点の表面に垂直な断面上の第一層および第二層のそれぞれの域内における任意の地点でマイクロビッカース硬度にて確認したものである。本発明における接点では、第一層、第二層それぞれの層内に硬度分布があっても構わない。

また、通常第一層から第二層にかけて境目に硬度落差（マイクロビッカース硬度で60以上）があり、この境目には両層の中間の硬度を有する（すなわちその硬度が、第一層の下限硬度未満かつ第二層の上限硬度を超える範囲内にある）領域（以下中間部という。）がある。

第一層の厚みは、10〜360μmとする。下限未満では、耐溶着特性や温度特性が低下し、上限を超えると接点の温度特性が低下するからである。好ましくは30〜120μmである。また、第一層と第二層を有する接点部は、中間部のあるものも含まれるが、その場合の中間部の厚みは200μm以下であるのが望ましい。200μmを超えると接点の温度特性が低下しやすくなる。好ましくは100μm以下である。

前記接点部には、上記基本成分に加え、さらに、Sb、Ca、Bi、Ni、Co、ZnおよびPbの群から選ばれた少なくとも1種の元素が、従成分として含まれていてもよい。通常、これらの成分の大部分は、Agマトリックス中に化合物、特に酸化物の形態で分散される。

但し、個々の成分によって望ましい分散量範囲が異なる。例えば、いずれも元素換算された質量％単位で0.05〜2(Sb)、0.03〜0.3(Ca)、0.01〜1(Bi)、0.02〜1.5(Ni)、0.02〜0.5(Co)、0.02〜8.5(Zn)、0.05〜5(Pb)である。なお、括弧内は対象元素である。以上の各成分種において、その量が上記の範囲外になると、直流リレーの種類によっては温度特性が低下することがあり、特に上限を超えるとリレーの種類によっては同時に耐溶着特性も低下することがある。

通常は、以上の従成分が接点の性能に若干影響を及ぼすが、これ以外の成分としては、例えば以下のものが挙げられる。これらはいずれも本発明の目的の範囲内で微量に含まれても構わない。なお成分によって望ましい含有量が異なるが、括弧内数値のうち元素記号で表示されたものは、元素換算された質量％単位で、分子式で表示のものは、同分子換算された質量％単位で表したその許容上限値である。Ce(5)、Li(5)、Cr(5)、Sr(5)、Ti(5)、Te(5)、Mn(5)、AlF₃(5)、CrF₃(5)およびCaF₂(5)、Ge(3)およびGa(3)、Si(0.5)、Fe(0.1)およびMg(0.1)。

第一層および第二層を有する接点部を作製する方法としては、溶解・鋳造法、粉末冶金法などが挙げられる。

例えば、溶解・鋳造法では、以下の手順がある。まず第一層および第二層それぞれの化学組成となるように溶解・鋳造されたインゴットを作り、これらを粗く圧延した後、二種の圧延材を熱間圧着する。その際、またはその後、必要により上記した純Agなどの薄い接続層を圧着する。

これをさらに圧延して所定の厚みの板状に形成した後、打ち抜き、またはさらに成形し、最終形状に近いサイズのAg合金素材とし、さらに、この素材を内部酸化（後酸化法）してSn、Inなどの金属成分を酸化物に転換する。

なお、溶解・鋳造に先立ち成分元素の酸化物以外の化合物を含ませることもできる。また、必要に応じて、圧延以降に適宜熱処理や形状を調整する工程などを入れる。この場合、熱処理条件の工夫によって、各層の微細組織を意識的に制御して材料特性やそのレベルなどを変えることができる。

また、粉末冶金法で接触面を作る場合は、例えば、予めSnやInなどの粉末とAgの粉末とを二種の所定組成にて配合・混合した後、熱処理して内部酸化（前酸化法）させ、得られた二種の粉末を型内に積層・充填して圧縮成形しプリフォームとする。なお、SnやInなどの粉末とAgの粉末とは、他の化合物も一緒に混合してもよい。

そして、このプリフォームには熱間押し出し、熱間・冷間ロール圧延、熱間鍛造など各種の塑性加工が適用できる。さらに上記した鋳造法と同様に、必要に応じて圧延以降に熱処理や形状を調整する工程などを入れる。熱処理条件の工夫によって各層の所望の特性制御が可能になる。

また、第二層の素材のみを上記に準じた溶解・鋳造法や粉末冶金法の手順で作成した後、第一層を、溶射、CVDなどによる厚膜形成、スクリーン印刷などによる厚膜印刷、塗布後焼付けなど様々な手段によって形成してもよい。さらに、第一層を構成する合金板と第二層を構成する合金板との接合には、例えば熱間静水圧成形法による拡散接合、熱間押し出しなど種々の手段が適用できる。また、熱処理を施すことによって、各層の微細組織を意識的に制御して、所望の特性を得ることもできる。

さらに、本発明リレーでは、接点部を形成するAg合金素材を上記の条件の範囲内にあり、第一層と第二層とが同じ化学組成であるものも含まれる。第一層と第二層とを同じ化学組成にする場合、後述する手段により両層の硬度レベルを異なるようにする。

例えば第一層だけを急熱・急冷し、第一層の残留応力を第二層のそれより大きくする方法、表面の第一層だけにショットブラスト加工を施して加工硬化する方法がある。

また、Ag合金板に熱間圧延や冷間圧延に加え熱処理を施す、いわゆるサーモメカニカルプロセッシング（熱加工処理）を行った後、内部酸化を行って、第一層に第二層より微細な針状の酸化物粒子を析出させ、表面の硬度を高める方法がある。また、第一層および第二層のAg合金板を圧延加工や熱間圧着する際に第一層と第二層の鍛錬加工比を変えて行う方法もある。

さらに、接触面の素材は、上記条件の範囲内にあり、しかも第一層中のSnの含有量が第二層のそれと同じか、またはそれよりも多いものも含まれる。これによって、第二層の硬度よりも第一層の硬度の方が、ほぼ確実に高くなる。

前記接触面は、溶解・鋳造法や、粉末冶金法などにより形成するが、このとき、第一層および第二層を内部酸化させることが好ましい。内部酸化法には、後酸化法と前酸化法とがある。後酸化法とは、合金の状態で最終接点形状に仕上げるか、その近くまで成形した後に、内部酸化をする方法である。前酸化法とは、合金の粉末または粒を内部酸化させておいて、これらを成形、圧縮・焼結する方法である。

以上説明したように、本発明直流リレーによれば、接点を接触面に対する垂直方向と、この垂直方向に対して直交する方向とに同時に移動させる構成とすることにより、簡易な構成にて確実な遮断を行うことができる。特に、気密構造やアークを引き伸ばすスペースが不要で、安価かつコンパクトに製造することができる。

さらに、接点の接触面を耐溶着特性に優れた材料で形成することにより、リレーの短絡時に大電流が流れても接点が溶着せずに確実に遮断することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１および図２は本発明の第１実施形態にかかるリレーの基本構成を示す概略構成図であって、図１は、接点が接触した状態を示し、図２は接点が非接触の状態を示す。

本発明リレー1は、２つの可動接点2と２つの固定接点3を具えており、それぞれの可動接点2と固定接点3とが対になっている。

さらに、２つの可動接点2は、長尺な可動側連結部21に所定間隔を空けて固定され、２つの固定接点3も長尺な固定側連結部31に所定間隔を空けて固定されている。可動側連結部21は、固定される２つの接点と通電可能な金属板により形成されている。固定側連結部31は、絶縁材料で形成されている。

ここでは、両接点2,3に円筒金属ブロックを用い、しかも、可動接点2の接触面と、固定接点3の接触面とは、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内にある材料で形成している。さらに各接触面は、チップ状態で後酸化法により内部酸化させている。例えば、チップを4気圧(405.3kPa)の酸素雰囲気中750℃で170時間保持する。なお、以下に示す第２実施形態も各接点の接触面は、第１実施形態と同じ材料で形成している。

そして、可動接点2が固定接点3に対して進退運動することで、可動接点2と固定接点3との間を開閉する構成としている。リレー1には直流電源が接続され、接点間を開閉することで直流高電圧の遮断・導通を行う。

本実施形態では、図１に示すように、一方の固定接点3から対向する可動接点2に電流が流れ、さらに、この可動接点2から可動側連結部21を経て他方の可動接点2を通り、対向する固定接点3を通るように直列の構成を有している。

このように本実施形態のリレー1では、２対の接点を直列に配置させて電圧を分圧する構成としているので、一つの接点にかかる電圧を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。

さらに、可動接点2と固定接点3とを接触または非接触状態にするために、本実施形態では、接点間を開閉する開閉機構4を具えている。

開閉機構4は、メイン動作部5と、サブ動作部6とを具える。メイン動作部5は、可動接点2を固定接点3の接触面に対して垂直方向に往復移動させる。また、サブ動作部6は、接点間がメイン動作部5により開閉されるときに同時に可動接点2を前記垂直方向と直交する方向にも往復移動させる。

メイン動作部5について具体的に説明する。メイン動作部5は、可動側連結部21に一端部が固定される支持軸51と、この支持軸51を固定接点3の接触面に対して垂直方向（軸方向）に往復動作させる軸作動部52とを有するソレノイドから構成されている。

支持軸51は、可動側連結部21における２つの可動接点2の中間位置において一端側が固定されている。そして軸作動部52には、支持軸51の他端側が軸方向に往復動作可能に挿入される挿入穴53が形成されている。

軸作動部52は、電流が流れてオン状態のときに、支持軸51を挿入穴53から突出する方向に移動させるようになっている。さらに、可動側連結部21と固定側連結部31との間には、可動側連結部21を固定側連結部31から離れる方向に付勢するコイル状の付勢ばね54が設けられている。

メイン動作部5は、軸作動部52がオン状態のときには、図１に示すように、支持軸51を付勢ばね54のばね力に抗して固定接点3に向けて移動させて、可動接点2を固定接点3に接触させる。そして、軸作動部52がオフ状態のときには、図２に示すように、支持軸51を、付勢ばね54のばね力により固定接点3から離れる方向、即ち、挿入穴53内に進入する方向に移動させる。

このようにメイン動作部5は、軸作動部52の駆動により支持軸51を挿入穴53内において往復動作させて、支持軸51、可動側連結部21、付勢ばね54を介して可動接点2を固定接点3に対して軸方向に開閉するようになっている。

また、サブ動作部6は、図１および図２に示すように、軸作動部52における挿入穴53内に設ける突起部61と、支持軸51の外周面に設けられ、突起部61が挿入される回転用溝62とを具えている。

具体的には、軸作動部52における挿入穴53内で、支持軸51の外周面と対向する湾曲面に１つの突起部61が形成されている。

回転用溝62は、支持軸51の外周面に形成されており、軸方向に伸びる螺旋状部分を有している。そして、回転用溝62内に、突起部61が相対的に摺動可能に挿入される。回転用溝62は、図１および図２に示すように、溝の下端部が支持軸51の下端部に開口され、この開口部から直線状に軸方向上方に伸ばした後に螺旋状に形成されている。さらに、螺旋状部分の上部に軸方向上方に伸びる直線部分が形成されている。

そして、回転用溝62の下端開口部から軸作動部52の突起部61を挿入する。回転用溝62の溝幅は、軸作動部52の突起部61が回転用溝62に沿って相対的に摺動可能に移動できる大きさとしている。

また、軸作動部52はケースなどに固定されて動かないようになっているので、突起部61の位置は一定の状態となっている。支持軸51が、回転用溝62と突起部61とが嵌め合わされた状態で軸方向に移動すると、支持軸51は軸方向に移動しながら回転用溝62の螺旋形状に合わせて支持軸51の軸心を中心として回転する。

本実施形態では、軸作動部52に電流が流れてオン状態となっているときには、図１に示すように、支持軸51が軸作動部52の挿入穴53から突出された状態となって固定接点3に可動接点2が接触している。このとき、図１に示すように、回転用溝62における螺旋部分の下部が突起部61に対向している。

そして、軸作動部52がオフ状態となると、図２に示すように、付勢ばね54の付勢力により、支持軸51が軸作動部52の挿入穴53内に進入していき、固定接点3から可動接点2が離れる。このとき、突起部61が回転用溝62に挿入されているので、支持軸51は、下方に移動しながら回転用溝62の螺旋形状に沿って突起部61が相対的に移動して回転する。この支持軸51の回転動作により、可動接点2が固定接点に対して軸方向に移動しながら支持軸51の軸心を中心として周方向に回転し、接点の遮断が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、接点間がメイン動作部5により支持軸51の軸方向に開閉されるとき、同時にサブ動作部6により、可動接点2を、軸方向と直交する方向にも往復移動させることができる。

即ち、メイン動作部5とサブ動作部6により、固定接点3に接触している可動接点2を、固定接点3に対して実質的に軸方向に対して斜め方向に向けて相対的に移動させることで直流高電圧の遮断を行うことができる。

このように接点間を支持軸51の軸方向に開きながら、この軸方向に直交する方向にも開いて遮断を行うことで、遮断時における従来の軸方向への移動距離を同じにしたまま、遮断時の接点間の距離を従来よりも長くできる。その結果、簡易な構成にて接点間に生じるアークを短時間で確実に遮断することができる。

この構成では、接点周辺を機密構造にする必要や磁石によりアークを引き伸ばすための空間を設ける必要がなく、非常にコンパクトな直流リレーを実現できる。

さらに、本実施形態では、接点の接触面を耐溶着特性に優れた材料で形成しているので、リレーの短絡時に大電流が流れても接点が溶着せずに確実に遮断することができる。

なお、前記実施形態では、図３に示す第２実施形態のように、可動側連結部21と固定側連結部31との間に電源を設けて、２対の接点を並列に配置させて電流を分流するように構成するようにしてもよい。このとき、可動側連結部21と固定側連結部31とは導電性の部材で形成する。なお、第２実施形態は、第１実施形態におけるリレーと電源の接続の方法が異なるだけで、その他の構造は同じであるので説明を省略する。

第２実施形態では、両接点を導通した場合の電流流路は、一方の固定接点3から対向する可動接点2を通る流路と、他方の固定接点3から対向する可動接点2を通る流路との２つの流路に分流される。従って、固定接点3と可動接点2の２対の接点を並列に配置させることにより電流を分流し、一つの接点に流れる電流を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。

さらに、前記した第１実施形態に係る構造の直流リレーについて、各接点の接触面に表１に示す「化学組成」欄に示す第一層と第二層の二種の化学組成のAg合金を用いたものを作製して耐溶着特性および温度特性を調べてみた。

これらのAg合金は、まず、第一層と第二層の二種の化学組成のAg合金を溶解・鋳造してインゴットを作製した。これらをそれぞれ粗加工した後、第一層と第二層のインゴットを重ね合わせ、アルゴン雰囲気中850℃で熱間ロールによって熱間圧着し、二層のAg合金からなる複合素材を作製した。

得られた複合素材を熱間圧着と同じ条件下で予備加熱した後、最終的に全体の厚みの1/10の厚みとなるように薄い純Ag板を第一層とは反対側の第二層の面に熱間圧着した。その後、さらに冷間圧延してフープ状素材とし、これを打ち抜いて、幅6mm、長さ8mm、厚み2.5mmの複合接点チップを作製した。

得られたチップを4気圧(405.3kPa)の酸素雰囲気中750℃で170時間保持(内部酸化)して複合接点試片とした。得られた試片の第一層の厚みは表１の通りであり、Ag層の厚みは、各チップ厚みのほぼ1/10であった。

上記第一層の厚みは、接点の中心を通り表面に垂直な断面試片を用いて、例えば、以下のようにして確認することができる。まず、表面付近の試片面上で表面に水平な方向に等間隔に5箇所の起点を設定する。次いで、これら各々の点から表面に垂直な(厚み)方向に表面から順次ほぼ等間隔に硬度を確認し、5本の硬度曲線(折れ線グラフ)をつくる。

そして、ある起点において、硬度レベルが190である水平線とこの曲線との交点をとり、表面からこの交点までの水平距離をその起点での第一層の厚みとする。以下、残り4箇所の起点についてもその起点での第一層の厚みをとり、得られた5つのデータの算術平均値を第一層の厚みとしてもよい。第二層の厚みも同様にして測定することができる。

このとき、硬度レベルが130である水平線との交点をとり、表面からこの交点までの水平距離をある起点における第二層の厚みとするとよい。そして、中間層を具える場合、硬度レベルが190である水平線との交点と、硬度レベルが130である水平線との交点間の水平距離をある起点における中間層の厚みとするとよい。本例では、上記の手順にて第一層の厚みを測定した。

なお、表中の試料番号に＊を付したものは比較例である。試料11から試料18のその他の成分Sb、Ni、Biの量は、何れも0.2質量％である。また、試料19から試料27の第一層・第二層の化学組成は、何れも同じであり、その他の成分とその量は、両層とも質量％単位でSb、Co、Znが何れも0.2である。

試料28のその他の成分とその量は、質量％単位でSb、Pb、Ni、Bi、Co、Znが何れも0.1、Caが0.2である。試料29のその他の成分とその量は、質量％単位でSb、Ni、Ca、Bi、Co、Znが何れも0.1、Pbが0.5である。試料30から試料32のその他の成分とその量は、質量％単位でNi、Znが何れも0.2である。なお、第一層・第二層の化学組成は、表に記載された成分以外の残部は、Agおよび不可避的不純物からなる。

なお、表１で試料1から試料10は、SnおよびInの量を変化させて各層の硬度を制御した試料群である。試料11から試料18は、SnおよびInの量を変えるとともに、これら以外のその他の成分をさらに添加した試料群である。試料19から試料27は、第一層の厚みを変化させた試料群である。

また試料28から試料34は、第一層・第二層の両層が同じ化学組成のものである。これらのものでは、以下のようにして第一層の硬度を制御した。まず試料28から試料33は、第一層の圧延加工断面積比を第二層の50％増しとするとともに、第一層素材の圧延加工途中において同素材を真空中、450℃で30分間焼鈍を行い、さらに、内部酸化後に♯１２０のアルミナビーズによって第一層表面に投射圧3kgf/cm²(294kPa)で3分間ショットブラスト加工を加えた。

試料34は、圧延加工途中の焼鈍温度と時間をそれぞれ750℃、5時間とした以外は以上の試料と同じ条件で作製したものである。なお、表１には記載しないが、試料33と試料34ではそれぞれ厚みが190μm、230μmの中間部が形成されていた。

なお、試料35は、第一層のSnやInの酸化物の量を第二層よりも少なくして、第一層の硬度を第二層の硬度よりも低くしたものであって、表１に記載の化学組成の第一層と第二層のAg合金を溶解鋳造後、熱間圧着・圧延した後、これを上記と同じ条件にて内部酸化したものである。

また、試料36は、表１に記載の化学組成の第一層と第二層のAg合金を溶解鋳造後、互いの二層の合わせ面上に水平な一方向に１mmピッチで幅１mm、深さ0.5mmの凹凸を形成して、その部分で凹部と凸部とを互いに噛み合わせた状態で熱間圧着し、その後圧延し、さらにそれを上記と同じ条件にて内部酸化したものである。

以上の方法で作製した各試料の硬度の第一層の厚みは、前述の手順にて確認した。以上の結果を表１に示した。なお、表には記載されていないが、試料33、試料34以外の試料の中間部の厚みは、何れも100μm未満であった。

次いで電気接点チップを図１に示す可動接点と固定接点に銀ロウ付けして接触面を形成した。その後、定格AC30Aフレームおよび50Aフレームの二種の直流リレーに固定した。このようなリレーを各試料番号の複合接点チップ対毎に各5台用意した。まず各試料の全てのアッセンブリーを使って、定格電流を100分間通電してこの通電時の温度を測定することにより初期の温度特性を確認した。

次に、220V負荷状態で、30Aフレームの場合は、1.5kAの遮断電流で、50Aフレームの場合は5kAの遮断電流で、各々1台ずつのアッセンブリーを使って遮断試験を行い、耐溶着特性を確認した。

遮断試験後の温度特性は、その後引き続いて定格電流を100分間通電し、この通電時の温度を測定することにより遮断試験後の温度特性を確認した。過負荷試験は、初期温度特性を確認したアッセンブリーを使い、30Aフレーム、50Aフレームとも同定格電流の5倍の電流を流した状態で5秒間隔で開閉を50回繰り返し、その後上記初期確認時と同じ条件で通電時の温度を測定することにより過負荷試験後の温度特性を確認した。

耐久試験は、初期温度特性を確認したアッセンブリーを使い、30Aフレーム、50Aフレームとも同定格電流を流した状態で、5秒間隔で開閉を6000回繰り返し、その後上記初期確認時と同じ条件で通電時の温度を測定することにより耐久試験後の温度特性を確認した。

なお、これらの一連の試験での評価は、温度特性については30A・50A両フレームの機種別の結果を総合して5段階評価し、耐溶着特性については、溶着するかしないかで評価した。

温度特性の5段階評価は、通電時の温度上昇が50℃以下を5、50℃超60℃以下を4、60℃超70℃以下を3、70℃超80℃以下を2、80℃以上を1とした。これらの評価は、表１の試料番号に対応させて表２に示した。なお、表２において、比較例の試料番号には＊を付している。

以上の結果から以下のことがわかる。
(1)第一層、第二層ともSnを1〜9質量％、Inを1〜9質量％の範囲内に制御し、第一層のマイクロビッカース硬度を190以上、第二層のマイクロビッカース硬度を130以下とし、さらに、第一層の厚みを10〜360μmの範囲内に制御した接点を用いたリレーは、上記総合評価において十分実用可能な範囲内にある。一方、上記範囲外の接点を用いたリレーは、総合評価において実用レベルに達していない。

(2)SnおよびInに加えSbやNiなどの成分を少量含んだ場合でも、同様のことが言える。
(3)比較例となる試料1、試料10、試料18、試料31、試料32、試料35および試料36の接点チップは、硬度レベルが上記範囲外となり、これらの接点チップを組み込んだ直流リレーは、ともに一部の特性を除き総合的に実用レベルの性能が得られなかった。

前記実施例１における表１の試料24を用いて接点対を構成した模擬的なリレーを作製し、トランスで昇圧してコンデンサを充電し、サイリスタでコンデンサの容量放出とリレーの接点を開くタイミングを調整して、短時間に大電流が流れる間に接点を開くようにしたときの電圧と電流の状態を図４に示す。このとき、2600Aの大電流が流れても、接点は溶着せず、接点間の電圧は急激に上昇し確実に遮断できた。

なお、図４のグラフは、遮断電圧が200Vに達したときに遮断が完了したと判断して、電力供給をやめるようにしているため、電力供給がなくなった時点で、電圧がゼロになっている。このことから、上記特定の材料を接点材料に用いたリレーは、耐溶着性に優れ、高速で遮断できると推測される。

これに対し、試料27を用いて接点対を構成した場合は、図５に示すように1500Aの大電流が流れたとき、接点が瞬時に溶着してしまい、コンデンサは自然放電し、接点間の電圧の挙動は1msの間しか起こらずしかも10V程度しか変動しないことがわかる。

本発明リレーは、ハイブリッド自動車などの高電圧(約300V)の自動車における高電圧回路をON・OFFするためのリレーとして利用する場合、コンパクトであるため、限られたスペースの有効利用ができる。

本発明の第１実施形態にかかるリレーの基本構成を示す概略構成図であって、接点が接触した状態を示す。第１実施形態にかかるリレーの基本構成を示す概略構成図であって、接点が非接触の状態を示す。第２実施形態にかかるリレーの基本構成を示す概略構成図であって、接点が接触した状態を示す。実施例１において試料24の接点材料を用いて接点対を構成したリレーの遮断時における電圧と電流の挙動を示すグラフである。実施例１において試料27の接点材料を用いて接点対を構成したリレーの遮断時における電圧と電流の挙動を示すグラフである。

符号の説明

1 リレー
2 可動接点
21 可動側連結部
3 固定接点
31 固定側連結部
4 開閉機構
5 メイン動作部
51 支持軸
52 軸作動部
53 挿入穴
54 付勢ばね
6 サブ動作部
61 突起部
62 回転用溝

Claims

対となる少なくとも一方の接点が可動接点であり、接点同士を接触または非接触状態とするために接点間を開閉する開閉機構を具え、
開閉機構は、接点の接触面に対して垂直方向に接点を往復移動させるメイン動作部と、接点間がメイン動作部により開閉されるときに一方の接点を、前記垂直方向と直交する方向に往復移動させるサブ動作部を具えることを特徴とする直流リレー。
対となる接点が２対具えられ、それぞれの同じ側の接点を一つの通電可能な連結部に固定し、
開閉機構のメイン動作部は、少なくとも一方の連結部に一端側が固定される支持軸と、当該支持軸の他端側を軸方向に往復動作させる軸作動部とを有し、支持軸の前記一端側は、連結部に固定された接点間の中間位置において固定され、
サブ動作部は、前記軸作動部における支持軸外周面との対向面に形成する突起部と、支持軸外周面に螺旋状に設けられ、突起部が相対的に摺動可能に挿入されて支持軸を回転させる回転用溝とを具えていることを特徴とする請求項1に記載の直流リレー。
接点の接触面は、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流リレー。