JP2004349203A - 直流負荷用接点構成および該接点構成を有した開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】高容量の負荷であっても、長期にわたって接点間でのアークの異常継続による遮断不能やロッキングや溶着、接点の焼損および破壊ならびに接触抵抗の増大等の問題を引き起こすことなく繰り返し遮断可能で、かつ小型化および低コスト化を達成可能な接点構成および該接点構成を有した開閉器を提供すること。
【解決手段】互いに対向する固定接点および可動接点ならびに両接点が存在する空間に可動接点の動作方向と直交する方向の磁場を与える磁気手段を有してなり、固定接点または可動接点の一方を陽極側接点とし、他方を陰極側接点とする直流負荷用接点構成であって、陽極側接点が少なくともＡｇおよびＳｎＯ_２を含むＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、陰極側接点が少なくともＡｇおよびＮｉを含むＡｇＮｉ系合金、あるいはＡｇおよびＣｕＯを含むＡｇＣｕＯ系合金からなることを特徴とする直流負荷用接点構成、および該接点構成を有した開閉器。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流負荷用接点構成および該接点構成を有した開閉器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、互いに対向する固定接点および可動接点を有したリレー等の開閉器において、接点材料として、銀−酸化スズ−酸化インジウム系接点（以下「ＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系接点」という）、銀−酸化スズ系接点（以下「ＡｇＳｎＯ_２系接点」という）、銀−ニッケル系接点（以下「ＡｇＮｉ系接点」という）、銀−酸化亜鉛系接点（以下「ＡｇＺｎＯ系接点」という）などが使用されている。上記接点材料は単独で可動接点および固定接点の共通の接点材料として使用されるのが一般的である。そのような開閉器においては、近年、高電圧化に対応させる試みがなされている。一般に高電圧化に対応させるためには、接点ギャップを大きくするなどの手段が必要だが、開閉器を大型化させないためには、接点間ギャップを例えば、１ｍｍ程度までしか大きくできなかった。しかしながら、単に接点ギャップを１ｍｍ程度に設定するだけでは、接点の開離時においてアークが比較的長く継続し、例えば１００ｍｓ以上継続した場合には、遮断不能と判断されるという問題が生じていた。
【０００３】
アークが長く継続したときの他の問題として、接点表面が高温状態となり、接点間でロッキングや溶着が起こったり、接点の焼損および破壊が起こったりして、開閉器の寿命が問題となる場合がある。そのような問題は高容量負荷を遮断する開閉器において特に顕著であった。ロッキングとは、一方の接点から他方の接点への接点材料の転移により生じた凹部と凸部とがひっかかって可動接点と固定接点とが開離できなくなったり、開離が遅れたりする現象である。溶着とは、接点表面の溶融により可動接点と固定接点とが引っ付いて開離できなくなったり、開離が遅れたりする現象である。
【０００４】
開閉器の長寿命化を達成する方法として、接点および該接点が取り付けられる接触片を大きくし、熱容量を増大させるなどして接点の耐熱性を向上させる方法、接点間ギャップを大きく設定してアークの異常継続を防止する方法、接点間における開離力を大きく設定し、接点が溶着しても引き剥がす能力を備える方法等が考えられる。しかしながら、いずれの方法も長寿命化を十分に達成するものではなく、さらには開閉器の大型化および／またはコストアップを伴うものであった。
【０００５】
そこで、永久磁石等の磁気手段により接点間に磁場を形成する方法が知られている。接点間に磁場を形成すると、アークにローレンツ力が働き、アークがフレミングの左手の法則に従って接点間を駆動（移動）する。そのため、接点表面におけるアークの集中を回避でき、またアークが切れ易くなるので、長寿命化を達成できるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばＤＣ４２Ｖおよび１０Ａ程度の高容量負荷を遮断するパワーリレーなどの開閉器では十分な長寿命化を達成できなかった。また開閉の繰り返しに伴って接触抵抗が増大するという新たな問題が生じた。接触抵抗が増大すると、通電時にジュール損が生じるという問題がある。磁場の磁束密度を大きくすると、開閉器の寿命はある程度延びるが、そのためには磁気手段の大型化およびコストアップが避けられず、結果として開閉器の小型化および低コスト化は達成できないのが現状である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、高容量の負荷であっても、長期にわたって接点間でのアークの異常継続による遮断不能やロッキングや溶着、接点の焼損および破壊ならびに接触抵抗の増大等の問題を引き起こすことなく繰り返し遮断可能で、かつ小型化および低コスト化を達成可能な接点構成および該接点構成を有した開閉器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、互いに対向する固定接点および可動接点ならびに両接点が存在する空間に可動接点の動作方向と直交する方向の磁場を与える磁気手段を有してなり、固定接点または可動接点の一方を陽極側接点とし、他方を陰極側接点とする直流負荷用接点構成であって、陽極側接点が少なくともＡｇおよびＳｎＯ_２を含むＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、陰極側接点が少なくともＡｇおよびＮｉを含むＡｇＮｉ系合金、あるいはＡｇおよびＣｕＯを含むＡｇＣｕＯ系合金からなることを特徴とする直流負荷用接点構成、および該接点構成を有した開閉器に関する。
【０００９】
本明細書中、「Ａｇ−ｘＭ」はＡｇとＭからなる合金であって、Ｍの含有量が全重量に対してｘ重量％であるものを意味する。例えば、「Ａｇ−１２．２ＣｕＯ」はＡｇとＣｕＯからなる合金であって、ＣｕＯ含有量が全重量の１２．２重量％であるものを意味する。また例えば、「Ａｇ−８．２ＳｎＯ_２−５．８Ｉｎ_２Ｏ_３」はＡｇとＳｎＯ_２とＩｎ_２Ｏ_３からなる合金であって、ＳｎＯ_２含有量が全重量に対して８．２重量％であり、Ｉｎ_２Ｏ_３含有量が全重量に対して５．８重量％であるものを意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の直流負荷用接点構成は直流負荷が印加された電気回路を開閉し得るスイッチング機能を有し、リレー、スイッチ等の直流負荷用開閉器の一部を構成するものである。以下、図面を用いて詳しく説明する。
【００１１】
本発明の直流負荷用接点構成は、図１（Ａ）に示されるように、互いに対向する固定接点１および可動接点２、ならびに両接点が存在する空間（特に、両接点の開離時における間隙）に可動接点２の動作方向Ｉと直交する方向ＩＩの磁場を与える磁気手段３を有している。図１（Ａ）は本発明の接点構成の一例を示す概略構造図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の接点構成を方向Ｉから見たときの概略見取り図であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）中の磁気手段を除く接点構成を方向ＩＩから見たときの概略見取り図である。以下、図１（Ａ）〜（Ｃ）をまとめて指すとき、単に図１と示すものとする。
【００１２】
本発明において接点構成は、固定接点１または可動接点２の一方を陽極側接点とし、他方を陰極側接点として使用されるが、通常は、固定接点を陽極側接点とし、可動接点を陰極側接点として使用される。固定接点１および可動接点２はそれぞれ、通常、図１に示されるように、固定接触片１１および可動接触片１２に取り付けられて使用され、また固定接触片１１は可動接触片１２よりも断面積が大きいことが一般的である。さらに、陽極側接点は通常、接点開離時に発生するアークによって、陰極側接点から放出された電子の衝撃で高温となる。そこで、断面積が大きく熱容量の大きな固定接触片に取り付けられた固定接点を、高温になる陽極側接点として使用することが、接点構成の長寿命化をより有効に達成する観点から好ましいためである。一方で、固定接触片材料として黄銅など電気伝導度の比較的低い材料を使うなどして、可動接点側の部材（可動接点および可動接触片を含む）の熱容量の方が、固定接点側の部材（固定接点および固定接触片を含む）よりも大きくなる場合には、可動接点を陽極側接点として使用することが接点構成の長寿命化を達成する観点から好ましい。
【００１３】
固定接点を陽極側接点とし、可動接点を陰極側接点として使用するに際しては、固定接点が直流電源の陽極側に連結され、可動接点が陰極側に連結されるように接点構成を接続して使用すればよい。
【００１４】
陽極側接点として固定接点を使用する場合または可動接点を使用する場合、いずれの場合であっても、本発明において陽極側接点はＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、陰極側接点はＡｇＮｉ系合金またはＡｇＣｕＯ系合金からなる。すなわち、陽極側接点として固定接点を使用し、陰極側接点として可動接点を使用する場合、固定接点がＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、可動接点がＡｇＮｉ系合金またはＡｇＣｕＯ系合金からなる。また陽極側接点として可動接点を使用し、陰極側接点として固定接点を使用する場合、可動接点がＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、固定接点がＡｇＮｉ系合金またはＡｇＣｕＯ系合金からなる。本発明においては上記のような陽極側接点および陰極側接点の材料を組み合わせて使用することにより、負荷容量が比較的大きく、かつ印加される磁場の磁束密度が比較的小さくても、接点間に生じるアークの異常継続を防止でき、さらに接触抵抗を低減できる。その結果、長期にわたって接点間での遮断不能やロッキングや溶着、接点の焼損および破壊ならびに接触抵抗の増大等の問題を防止でき、接点構成の小型化および低コスト化を容易に達成できる。
【００１５】
陽極側接点を構成するＡｇＳｎＯ_２系合金は少なくともＡｇおよびＳｎＯ_２を含んでなる合金であり、好ましくはさらにＩｎ_２Ｏ_３を含むＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金である。そのようなＡｇＳｎＯ_２系合金は、本発明の上記目的を達成できる限り、他の元素（金属あるいは金属酸化物）を含有してもよい。
【００１６】
ＡｇＳｎＯ_２系合金、特にＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金に含有される金属酸化物（例えば、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３）の総含有量はＡｇＳｎＯ_２系合金全重量の８〜１５重量％であり、好ましくは１２〜１５重量％である。金属酸化物の総含有量が少なすぎると、接点の耐転移特性が低下する。例えば、後述の実施例での負荷条件と同様の負荷条件で１０万回開閉したときの転移量は、Ａｇのみからなる接点の場合で平均８．１ｍｇであるのに対して、Ａｇ−８．２ＳｎＯ_２−５．８Ｉｎ_２Ｏ_３合金からなる接点の場合で平均２．７ｍｇである。一方、金属酸化物の総含有量が多すぎると、接点形状への加工が困難になる。
【００１７】
ＡｇＳｎＯ_２系合金、特にＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金におけるＳｎＯ_２の含有量はＡｇＳｎＯ_２系合金全重量の６〜１０重量％であり、好ましくは７〜９重量％である。ＳｎＯ_２含有量が少なすぎると、接点の耐転移特性が低下する。一方、ＳｎＯ_２含有量が多すぎると、接触抵抗が不安定になり、また接点形状への加工が困難になる。
【００１８】
特にＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金におけるＩｎ_２Ｏ_３の含有量はＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３合金全重量の２〜８重量％であり、好ましくは５〜７重量％である。Ｉｎ_２Ｏ_３含有量が少なすぎると、接触抵抗が不安定になる。一方、含有量が多すぎると、耐転移特性が低下する。例えば、後述の実施例での負荷条件と同様の負荷条件で１０万回開閉したときの転移量は、Ａｇ−８．２ＳｎＯ_２−５．８Ｉｎ_２Ｏ_３合金からなる接点の場合で平均２．７ｍｇであるのに対して、Ａｇ−３．８ＳｎＯ_２−１０．２Ｉｎ_２Ｏ_３合金からなる接点の場合で平均５．６ｍｇである。
【００１９】
陰極側接点を構成するＡｇＮｉ系合金は少なくともＡｇおよびＮｉを含んでなる合金であり、接点の耐溶着性の観点から好ましくはさらにＣを含むＡｇＮｉＣ系合金である。そのようなＡｇＮｉ系合金は、本発明の上記目的を達成できる限り、他の元素（金属あるいは金属酸化物）を含有してもよい。
【００２０】
ＡｇＮｉ系合金、特にＡｇＮｉＣ系合金におけるＮｉの含有量はＡｇＮｉ系合金全重量の８〜１２重量％であり、好ましくは９〜１１重量％である。Ｎｉ含有量が少なすぎると、接点の耐転移特性が低下する。例えば、後述の実施例での負荷条件と同様の負荷条件で１０万回開閉したときの転移量は、Ａｇのみからなる接点の場合で平均８．１ｍｇであるのに対して、Ａｇ−１０Ｎｉ−０．５Ｃ合金からなる接点の場合で平均７．２ｍｇである。一方、Ｎｉ含有量が多すぎると、Ｎｉが凝集し易く、接点表面にＮｉが析出し易くなる。このＮｉが酸化等の化学変化を起こすと、接触抵抗が増大する（電気抵抗率−Ａｇ：１．６３×１０^−８Ωｍ、ＮｉＯ：１０^１１Ωｍ）。
【００２１】
特にＡｇＮｉＣ系合金におけるＣの含有量はＡｇＮｉＣ系合金全重量の２重量％以下であり、好ましくは１重量％以下である。一方、Ｃ含有量が多すぎると、製造が困難になる。
【００２２】
陰極側接点を構成し得る別の材料ＡｇＣｕＯ系合金は少なくともＡｇおよびＣｕＯを含んでなる合金であり、本発明の上記目的を達成できる限り、他の元素（金属あるいは金属酸化物）を含有してもよい。
【００２３】
ＡｇＣｕＯ系合金におけるＣｕＯの含有量はＡｇＣｕＯ系合金全重量の１０〜１４重量％であり、好ましくは１１〜１３重量％である。ＣｕＯ含有量が少なすぎると、接点の耐転移特性が低下する。例えば、後述の実施例での負荷条件と同様の負荷条件で１０万回開閉したときの転移量は、Ａｇのみからなる接点の場合で平均８．１ｍｇであるのに対して、Ａｇ−１２．２ＣｕＯ合金からなる接点の場合で平均６．５ｍｇである。一方、ＣｕＯ含有量が多すぎると、接点形状への加工が困難になる。
【００２４】
ＡｇＳｎＯ_２系合金およびＡｇＣｕＯ系合金は各成分が所定量含有される限り、いかなる公知の方法によって製造されたものであってよく、例えば、粉末冶金法または内部酸化法によって製造可能である。
ＡｇＮｉ系合金は粉末冶金法によって製造可能である。
【００２５】
固定接触片１１および可動接触片１２を構成する材料は特に制限されないが、例えば固定接触片として電気銅、可動接触片としてベリリウム銅などのような電気伝導度の比較的大きい材料を使用することが好ましい。
【００２６】
本発明の接点構成は磁気手段３をさらに有している。図１中、磁気手段３は可動接触片１２の軸方向Ｊにおいて固定接点１および可動接点２の下流側に配置されているが、その配置は両接点が存在する空間、特に両接点の開離時における間隙に可動接点の動作方向Ｉと直交する方向の磁場を与え得る限り、特に制限されるものではない。例えば、磁気手段３は、図１（Ａ）中、紙面上において固定接点１および可動接点２の紙面表側または裏側に配置されてもよい。
【００２７】
磁気手段としては、両接点の開離時における接点間中央部において比較的弱い磁場、例えば、磁束密度５ｍＴ程度以上の比較的弱い磁場を形成できるものであれば特に制限されない。具体例としては、例えば、永久磁石、電磁石等が使用可能である。本発明において磁気手段は上記のように比較的弱い磁場を形成できればよいので、上記の中でも、小型化が容易な永久磁石が最も有用である。両接点の開離時における接点間中央部の好ましい磁束密度は１０ｍＴ以上である。
【００２８】
以上のような本発明の接点構成を用いたときの接点開離時の作用機構を図２を用いて簡単に説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は図１における本発明の接点構成を方向ＩＩから見たときの、接点開離時の概略流れ図である。なお、図２の紙面上、固定接点１と可動接点２との間隙には紙面表側から裏側の方向に前記比較的弱い磁場が形成されている。また図２において固定接点１は陽極側接点として使用され、可動接点２は陰極側接点として使用されている。図２における図１と同じ符号は図１においてと同様の部材を意味するものとする。
【００２９】
まず、固定接点１と可動接点２との開離を開始すると（図２（Ａ））、固定接点１と可動接点２との間隙にアーク４が発生する。このとき、固定接点１と可動接点２との間隙には紙面表側から裏側の方向に磁場が形成されているので、アーク４にローレンツ力が働く。そのため、次いで可動接点２を固定接点１からさらに開離させると、アーク４がフレミングの左手の法則に従って紙面上左方向に接点間を有意に駆動（移動）して湾曲し（図２（Ｂ））、その後、アークは切れて遮断が達成される（図２（Ｃ））。前記材料を用いた本発明の接点構成において、アークはこのように磁場によって接点間を駆動し、湾曲するため、接点表面におけるアークの集中が回避されるとともに、アークは切れ易くなる。そのため、アーク継続時間を有意に低減でき、結果としてアークを有効に防止できる。
【００３０】
磁気によるアークの駆動効率を向上させるために、固定接点および可動接点において周縁部の厚みを中心部より薄くするなどして、アークを磁気駆動させる方向の接点間ギャップを大きくすることが好ましい。
【００３１】
本発明は開閉器にも関する。本発明の開閉器は直流負荷用であり、以上のような直流負荷用接点構成を有する限り、いかなる構成を有していてよく、例えば、リレー、スイッチ等であってよい。
【００３２】
本発明の接点構成および開閉器は可動接点と固定接点との間の開離力が０．１〜０．５Ｎ、接触力が０．１〜１Ｎの比較的低い値に設定されても、本発明の上記目的を達成できる。開離力とは可動接点が固定接点から離れるときに要する可動接点の駆動力であり、予め設定される初期設定項目の一つである。接触力とは可動接点が固定接点と接触している時に要する可動接点の駆動力であり、予め設定される初期設定項目の一つである。
【００３３】
本発明の接点構成および開閉器は自動車等車両の各種電装品の制御用から工場用の強電装置までのあらゆる電気・電子装置の直流電気回路に適用可能であり、例えば、電流値５〜５０Ａ、特に１０Ａ以上の高負荷条件の直流電気回路の開閉に有効である。
【００３４】
【実施例】
表に記載の接点材料からなる固定接点および可動接点をそれぞれ固定接触片および可動接触片にかしめ、それらの部品を磁気駆動方式のリレーに組み込んだ。なお固定接触片および可動接触片の材料としてはそれぞれ電気銅（断面積：１．３２ｍｍ^２）およびベリリウム銅（断面積：０．４５ｍｍ^２）を用い、固定接点、可動接点、固定接触片および可動接触片の寸法ならびにその他のリレーの構造はオムロン株式会社製車載小型リレーと同様であった。
【００３５】
（電気的寿命試験）
得られたリレーを、固定接点および可動接点の極性が表に記載の所定の極性になるように接続し、以下の条件で評価を行った。
試験条件：ＤＣ４２Ｖ １０Ａ 抵抗負荷（１０万回開閉）
接点部中心の印加磁束密度：５ｍＴ
接点ギャップ：１ｍｍ
接触力：０．２９Ｎ
開離力：０．１５Ｎ
【００３６】
評価においては、１０万回の開閉を繰り返し、接点間におけるアークの異常継続１００ｍｓ以上、ロッキングおよび溶着、ならびに接点の焼損および破壊等の問題が起こらなかったものを「○」とした。「×」とされたリレーは、アークの異常継続による遮断不能の問題が起こった、あるいはロッキングおよび溶着、ならびに接点の焼損および破壊等のいずれかの問題が起こった。
【００３７】
（接触抵抗）
電気的寿命試験中に示した最大値を示す。２５ｍΩ以下のものを「○」、３０ｍΩ以下のものを「△」、３０ｍΩを超えるものを「×」とした。「△」以上が実用上問題のない範囲であり、「○」が好ましい。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表中、ＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３としてはＡｇ−８．２ＳｎＯ_２−５．８Ｉｎ_２Ｏ_３を、ＡｇＺｎＯとしてはＡｇ−８ＺｎＯを、ＡｇＮｉＣとしてはＡｇ−１０Ｎｉ−０．５Ｃを、ＡｇＣｕＯとしてはＡｇ−１２．２ＣｕＯを用いた。また、接点材料は記載の金属および金属酸化物以外に他の金属および金属酸化物を含有しない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の接点構成および開閉器は、負荷容量が比較的大きく、かつ印加される磁場の磁束密度が比較的小さくても、長期にわたって接点間でのアークの異常継続による遮断不能やロッキングや溶着、接点の焼損および破壊ならびに接触抵抗の増大等の問題を引き起こすことなく繰り返し遮断可能で、かつ小型化および低コスト化を容易に達成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の接点構成の一例を示す概略構造図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接点構成を方向Ｉから見たときの概略見取り図であり、（Ｃ）は（Ａ）の接点構成を方向ＩＩから見たときの概略見取り図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は図１における本発明の接点構成を方向ＩＩから見たときの、接点開離時の概略流れ図である。
【符号の説明】
１：固定接点、２：可動接点、３：磁気手段、４：アーク、１１：固定接触片、１２：可動接触片。

Claims (6)

1. 互いに対向する固定接点および可動接点ならびに両接点が存在する空間に可動接点の動作方向と直交する方向の磁場を与える磁気手段を有してなり、固定接点または可動接点の一方を陽極側接点とし、他方を陰極側接点とする直流負荷用接点構成であって、陽極側接点が少なくともＡｇおよびＳｎＯ_２を含むＡｇＳｎＯ_２系合金からなり、陰極側接点が少なくともＡｇおよびＮｉを含むＡｇＮｉ系合金、あるいはＡｇおよびＣｕＯを含むＡｇＣｕＯ系合金からなることを特徴とする直流負荷用接点構成。
2. 固定接点を陽極側接点とし、可動接点を陰極側接点とする請求項１に記載の直流負荷用接点構成。
3. 陽極側接点として用いるＡｇＳｎＯ_２系合金がＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金であり、陰極側接点として用いるＡｇＮｉ系合金がＡｇＮｉＣ系合金である請求項１または２に記載の直流負荷用接点構成。
4. 陽極側接点が金属酸化物総含有量８〜１５重量％、ＳｎＯ_２含有量６〜１０重量％およびＩｎ_２Ｏ_３含有量２〜８重量％のＡｇＳｎＯ_２Ｉｎ_２Ｏ_３系合金からなり、陰極側接点がＮｉ含有量８〜１２重量％およびＣ含有量２重量％以下のＡｇＮｉＣ系合金、あるいはＣｕＯ含有量１０〜１４重量％のＡｇＣｕＯ系合金からなる請求項１〜３のいずれかに記載の直流負荷用接点構成。
5. 磁場を与える磁気手段として永久磁石を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の直流負荷用接点構成。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の直流負荷用接点構成を有した開閉器。

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