JP2007524189A - 電気プラグ接点とその製造のための半製品 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本願は、電気アークが放電し得る公称電圧で作動する自動車における直流電力系の差込コネクターに用いられる差込接点を形成する半製品を開示し、それは非貴金属材料からなる電気伝導性の主本体を有し、そして少なくとも部分的に、主本体よりも貴金属に近い材料からなる接点形成コーティングが被着されてなる。本発明によると前記コーティングは、少なくとも厚み０．３μｍであり、本質的に添加物を含む銀または銀合金からなり、それは銀または銀合金とは合金を形成しないものであり、せいぜい析出合金（ausscheidungslegierung）程度を形成し、銀よりも高融点である。
【選択図】図１

Description

本発明は、通常の電圧で操作される直流配線における差込接続のための電気プラグ接点に関し、電気アークが発生する可能性があり、また請求項1の前文で定義されるようなプラグの製造のための半製品（中間製品）に関する。特に、本発明は自動車用に使用される差込式（プラグイン）接点に関する。今日、乗用車は一般的には電気配線を備えており、それは公称１４ボルトで動作する。その用途に使用される電気差込接続の差込接点は、銅、ＣｕＮｉＳｉ等の銅ベースの合金またはステンレス鋼でできた本体からなり、それは要求される電気伝導性と弾性的性質を兼ね備え、差込式接続による安全接点を確実としている。腐食性雰囲気下でも安定した安全な差込式接点の性質を保証するように、差込式プラグの差し込み式接点の本体又はその半製品には、電気化学的に沈積される硬質の金からなる層、または純銀層または錫層が設けられていることが知られている。錫と錫合金層は、しばしば溶融錫メッキ法を使用され施される。以下では限界的な条件が必要とされて（公称電圧１４ボルトで１５０℃という最高の環境温度であり、このような場合の接続では差込接続器の温度は電流で加熱されて、環境温度よりも３０℃は上昇している）、プラグの雄と雌で差し込んだり抜いたりする際、十分な疲労抵抗を有する必要がある。

将来、乗用車の配線電圧を４２ボルトにまで昇圧することが計画されている。公称電圧４２ボルトで差込コネクターを負荷をかけながら差し込んだり、抜いたりすると、電気アークが発生して、その結果差込プラグが発火したり、極端には車に火災が発生する。さらに、車両の操作の間に受けるショックは差込コネクターの差込接点間に微小切断を起こし、それは同様に、電気アークの発生に至るかもしれない。差込コネクターの差込接点の間隙間に電気アークが実際に走るか否かは、振動や差し込まれたり抜かれたりするプラグの状態にもより、そして利用する電圧に、または、キャパシタンス負荷またはインダクタンス負荷が別個であるか否か、そして関係する接点面を構成する特定の材料にもまた依存するものである。一般には、全ての材料に固有の最低電圧があり、物理試験で測定されて、電流が切れても接点表面に電気アークが走らない電圧である。最も最高のアーク電圧を有する元素は、炭素であり２０ボルトである；金属は全てアーク電圧は１２ボルトと１６ボルトの間にある。乗用車はその配線電圧は公称電圧１４ボルトで運転され、切断前の閉回路による負荷インピーダンスのために電圧降下するので負荷を受けて差し込みコネクターが切断しても常に火炎アークには至るものではなく、それで、差込コネクターを切っても、関係する接点面間に形成される間隙の間にアーク火炎が生じる電圧には達しない。その結果、今日の乗用車の接点面は電気アークが発生するような負荷では設計されていない。

４２ボルトの自動車配線システムでは、電気プラグ接点が切れるときに電気アークが発生し、それは重大な損傷をもたらし、極端には自動車火災にもなり、乗員の安全性を脅かす可能性があることが一般に知られている。当業者はまた、電気配線全体およびその部品が公称電圧４２ボルトという基準に合わせて再設計され、差込コネクターと開閉器の再設計のための相当な努力を払われることを知っており、これは、例えばトーマス ジェイ シェプフによる報文、“自動車４２ＶＤＣ電力網における電気接点”、２００２年９月９日から１２日、チューリッヒ、第２１回国際電気接点会議報告、第４３ページから第５５ページ、特に第５２ページに示される。

ベンジャマ らによる報文、“低電流（＜１Ａ）と電圧（１４〜４２ＶＤＣ）におけるショート・アーク継続則と分配”、２０００年６月１９から２３日、ストックホルム、第２０回国際電気接点会議報告、第３７９ページから第３８３ページには、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｎｉおよび鋼からなる接点面の放電維持に関する調査研究がされており、パラジウムが最も短くそして錫が最も長いアーク維持を示している。しかしながら、パラジウムは非常に高価であり、自動車分野の差込接続器に使用するには不経済である。前に述べたように、近代の自動車の１４ボルト自動車電力系の差し込み接続器のプラグ接点面としては他の材料も知られているがしかし、４２ボルト電力系に使用するには不充分な品質である。

他の課題は、４２ボルトの自動車電力系で発生する電気アークは接点面を変性して接触抵抗をより高くし、それにより接点の望ましくない加熱となって、一定の環境下では差し込み接点の溶融にすら至り、そうして後者になるともはや切断ができない。

さて、本発明の目的は電気差込器の接点とその製造のための半製品を提供することにあり、それは従来公知の差込器接点とその半製品よりも改造され、１４ボルトの公称電圧により設計され、４２ボルトの自動車電力系で要求されるストレス下でも設計され、そして以下にリストアップされる４２ボルト電力系で使用されるために前提とされる限界的な条件にも合うものである：

・一方、接続器の本体の材料は弾力性あるものとし、それにより電気差込接続器の接触を確実とする。
・一方、本体の材料は十分延性があるものであり、それにより加工可能で、特に曲げやすい。
・このような差込接点を使用してなる差し込みコネクターは互い溶融することなく負荷を受けながらでも繰り返し差し込んで切り離すことが可能なものである。
・このような差込接点を使用してなる差し込み接続器は、許容できないほどに接点抵抗が上がることなく繰り返し差し込んで切り離すことが可能なものである。特に、適用される接点層は差し込み接続器が繰り返して差し込まれ、切断された後ですら、疲労しないものである。典型的には自動車において多くの差し込み操作を成功裏に行なうことが可能であるべきである。
・差し込み接点は２００℃までの環境温度の使用に適する必要がある。
・差し込み接点とその製造のための半製品のコストは低廉であるべきである。

本発明の目的は、請求項１に規定する特徴を有する半製品により、また請求項２０に規定するその製造方法により、そして請求項１９に規定する特徴を有する方法により製造される差し込み接点によりそれぞれ達成される。

本発明は重要な利点を提供する：
・卑金属からなり、好ましい性質のコーティングを有する本体を使用し、その性質は、機械的と電気的の両方の要求を満たす差込接続器の電気接点に関する。
・銀または銀ベースの合金を基礎とする電気接点をなすことを意図してコーティングを形成し、より高い融点のために純銀が好ましく、接点表面には十分に低い接触抵抗と十分に高い腐食抵抗が得られる。低い接触抵抗は差し込み接続器での差し込み接点の加熱が少なく好ましい。
・純銀は、４２ボルトの電力系において課せられる負荷によるアークに関して接点を形成するコーティングとしては好ましくない。さらに驚くべきは、たとえ薄い銀層または銀ベースの合金の層であっても、本発明により選択された僅かな添加物の量で、相当な改良が４２ボルトの自動車電力系の差込コネクターの差込接点に対する適合性についてなされるのである。
・本発明による薄層はアークによる繰り返しの負荷後でも完全に依然として保持されて、本発明に従い設計されたプラグの差込、引抜が繰り返されても疲労することはない。
・さらに驚くべきことに、本体成分の接点形成コーティングへの移動は少ないものであって許容する範囲内であり、それで再合金化は、アークが繰り返されても生じることはない。銅含有の本体からの銅についても同様である。
・薄い接点を構成するコーティングは十分に堅く差込コネクターに使用される。
・コーティングは薄いので、たとえ希金属の銀の使用でも安価である。
・コーティングは、ＰＶＤ法により、特にスパッター法により安価に沈積される。これにより、銀と、銀とは合金化しない添加剤とは沈積して微細な粒子化し、高密度で堅い機械的混合物となることができる。主本体は沈積工程の間十分冷たいままであり、それによりその所定の硬度は失うことはない。
・反応性ＰＶＤ法の使用により、化合物、特に金属酸化物が添加剤として析出され得る。

好ましくは、コーティングは最大で１０μｍの厚さである。より厚いコーティングはストレッチング、ドローニングや電気アークに対する抵抗を増大するが、しかし乗用車の寿命の中で実際上遭遇するドローイングやストレッチングは限られた回数であるので、―ドローイングやストレッチングは機会の回数にして１０〜２０回を越えては起こらないと予測される―、そのような厚いコーティングは割が合わず、他方、半製品の加工性を損なうかもしれない。好ましくは、コーティングは、最大で５μｍの厚みである。特に厚みは０．５μｍ〜５μｍの範囲にあると良好な結果がもたらされる。

驚くことに、銀または銀ベース合金への僅かな添加剤が必要である。質量で０．２％の添加剤により、純銀または銀ベース合金のコーティングと比較して顕著な改良が達成される。好ましくは、添加剤は、銀または銀ベース合金に少なくとも０．５質量％、最大で５０質量％含まれる。最も好ましくは、コーティング中の添加剤の範囲は、０．５質量％と１５質量％の間である。添加剤として適当な材料は、タングステン、モリブデン、グラファイト、ニッケル、コバルト、金属酸化物、特に酸化錫および酸化亜鉛であり、炭化タングステンと炭化モリブデンも同様である。本発明の目的に特に適しているのは、タングステンやモリブデンなどの銀母材の粒子界に微細に分散する耐熱性の添加剤である。

本体に使用するに適したものは従来、電気差込接点として知られているいずれかの非貴金属合金であり、請求項１２に記される材料が特に適している。

好ましくは、半製品は連続法で連続的にコーティングされ得る薄片からなるものである。特に、半製品は予備‐穴あけされた薄片であり、それは同様に連続的にコーティングされ、特にドライまたは冷間ＰＶＤ法による。予備‐穴明きされた薄片が使用されるならば、形成される差込接点の輪郭が予備‐穴あけ操作により区画されているが、差込接点は経済的に薄片から単純な分離と曲げ処理により形成され得る。

ＰＶＤ法、特にスパッタリング法によりコーティングを沈積すると、コーティングの組成が沈積条件で変化させることができるという利点があり、これは沈積工程の間で連続して可能である。これにより、コーティングに添加剤に関して傾斜した濃度差をつけることができ、それは銀との合金または銀合金を形成しないこととなり、接点形成コーティングの機械的で電気的な性質を最大限に発揮する。

組成物と、それにより接点形成コーティングの性質を長期間にわたって維持するために、本体と接点形成コーティングの間に中間層を挿入すると本体材料中の成分が接点面上の接点形成コーティング中へ拡散するのを防止できる。このような中間層は、例えば、ニッケルの数μｍ厚みの層とすることができる。中間層として銀の数μｍ厚みの層も同様に適当である。本発明の半製品が小さい曲率で曲げられるとニッケルでは折れるような場合に、銀が特に選択される。前記中間層の厚みとして特に適当なのは、１μｍ〜５μｍ、特に２μｍ±０．５μｍである。

アーク放電に対する耐性を試験するために、銅からなり４質量％のタングステンを含む銀の２μｍ厚みの層を設けた差込接点のコネクターを数多く、それぞれ２０回切り離し試験をし、それは直流電圧４２ボルトで、電流１．５Ａ、インダクタンス１．７５ｍＨの負荷の基で行なわれた。２０回の切り離しの後でも、各操作に一回アーク放電したが、コーティングは焼失しないし、アークのもとの点の領域ですらそうであったが、溶解現象により荒れてはいるもののその表面全体にわたって完全に適切な状態であった。２０回のアーク放電後に接点形成コーティングの組成物を分析すると、アークのもとの点の領域で最高で１．５％質量％の低い銅含量が検出されたが、これは十分に許容され得るレベルである。

添付の図面は、薄片状の半製品の断面図を図示し、極めて拡大しておりスケールは合っていないが、本発明に従う半製品の構造を図解しているものであり、厚みは例えば０．５ｍｍの、銅を主とする弾性合金から本質的になり、それは例えば、銅に３％ニッケルおよび０．５％ Ｓｉが含まれる（ＣＤＡによる材料 Ｎｏ．Ｃ７０２５）主本体１と、上部に拡散防止中間層２として厚み２μｍのニッケルの層があり、それは電気化学的にまたはＰＶＤ法により沈積され得る。ニッケル層２の上に、接点形成層３があり、それは厚み４μｍの銀の層であって５質量％のタングステンを含み、スパッタリングにより微細に分散して機械的な混合物をなしている。

薄片状の半製品の断面図。

符号の説明

１ 差込コネクター本体
２ 拡散防止の中間層
３ 接点形成層

Claims (25)

1. アーク放電が発生し得る公称電圧で作動する自動車における直流電気の電力系に使用される差込コネクターの差込接点を形成するための半製品であって、非貴金属の電気伝導性の主本体を有し、それは、少なくとも部分的に、主本体よりも貴金属に近い材料の接点形成コーティングを有し、
   前記コーティングは少なくとも厚み０．３μｍであり、本質的に添加物を含む銀または銀合金からなり、それは銀または銀合金とは合金を形成しないものであり、せいぜい析出合金（ausscheidungslegierung）程度を形成し、銀よりも高融点であることを特徴とする半製品。
2. 前記コーティングの厚さが最大で１０μｍである請求項１の半製品。
3. 前記コーティングの厚さが最大で５μｍである請求項１の半製品。
4. 前記コーティングの厚さが０．５μｍ〜４μｍである請求項１の半製品。
5. 少なくとも０．２質量％の添加剤が前記銀または銀合金に含まれている先行するいずれかの請求項の半製品。
6. 少なくとも０．５質量％の添加剤が前記銀または銀合金に含まれている先行するいずれかの請求項の半製品。
7. 最大で５０質量％の添加剤が前記銀または銀合金に含まれている先行するいずれかの請求項の半製品。
8. 最大で３０質量％の添加剤が前記銀または銀合金に含まれている先行するいずれかの請求項の半製品。
9. 最大で１５質量％の添加剤が前記銀または銀合金に含まれている先行するいずれかの請求項の半製品。
10. 前記添加剤が、タングステン、モリブデン、グラファイト、ニッケル、コバルトおよび金属酸化物、特に酸化錫と酸化亜鉛、炭化タングステンと炭化モリブデンも同じである群から選ばれる一つまたはそれ以上のものからなることを特徴とする、先行するいずれかの請求項の半製品。
11. コーティングがＰＶＤ法、特にスパッタリング法により沈積される先行するいずれかの請求項の半製品。
12. 前記主本体の材料として、以下の群から選ばれる先行するいずれかの請求項の半製品。
    （ａ）ＣｕＮｉＳｉ（Ｘ）：例えば、ＣＤＡによるＣ７０２５、Ｃ７０２６と指名の材料；
    （ｂ）ＣｕＦｅＳＰ：例えば、ＣＤＡによるＣ１９４、Ｃ１９２１０と指名の材料；
    （ｃ）ＣｕＳｎ：例えば、ＣＤＡによるＣ５２１、Ｃ５１１、Ｃ１４４１５と指名の材料；
    （ｄ）ＣｕＺｎ：例えば、ＣＤＡによるＣ２７２、Ｃ２３０、Ｃ２６０と指名の材料；
    （ｅ）ＣｕＣｒＳｉＴｉ（Ｘ）：例えば、ＣＤＡによるＣ１８０７０、Ｃ１８０８０、Ｃ１８０９０と指名の材料；
    （ｆ）ＣｕＮｉＳｎ：例えば、ＣＤＡによるＣ７２５００、Ｃ１９０２５と指名の材料；
    （ｇ）ＣｕＳｎＺｎ：例えば、ＣＤＡによるＣ６６３、Ｃ４２５と指名の材料；
    （ｈ）ＣｕＮｉＺｎ：例えば、ＣＤＡによるＣ７５７００、Ｃ７７０００、Ｃ７６４００と指名の材料；
    （ｉ）ＣｕＢｅ：例えば、ＣＤＡによるＣ１７１００、Ｃ１７４１０、Ｃ１７２００と指名の材料；
    （ｊ）ＣｕＴｉ：例えば、ＣＤＡによるＣ１９９００と指名の材料のファミリーの材料；
    （ｋ）ステンレス鋼：以下の指名の材料：
    ＤＩＮ １７２２４による１．４３１０、
    ＤＩＮ １７４４０による１．４３１１、
    ＤＩＮ １７４４０による１．４４０６、
    ＤＩＮ １７４４３による１．４４２８、
    ＤＩＮ １７４４０による１．４４２９、
    ＤＩＮ １７２２４による１．４５６８、
    ＤＩＮ １７２２４による１．４８４１、
    ＤＩＮ １７００６−１００による１．４３１８、１．１２３１、１．１２４８、１．１２６９、１．１２７４、１．５０２９。
13. 製品が薄片である先行するいずれかの請求項の半製品。
14. 薄片が予備‐穴あけされている請求項１３の半製品。
15. コーティングが本質的に、銀と容量で４〜６％のタングステンまたはモリブデンとからなり、厚みが０．５μｍ〜５μｍの範囲で施される先行するいずれかの請求項の半製品。
16. 拡散防止中間層が主本体と接点形成コーティングの間に設けられる先行するいずれかの請求項の半製品。
17. 中間層が本質的に銀またはニッケルからなる請求項１６の半製品。
18. 銀または銀合金コーティングにおける添加剤の濃度が、コーティングの深いところよりもコーティングの表面でより低い濃度である先行するいずれかの請求項の半製品。
19. 先行するいずれかの請求項の半製品から製造される電気差込コネクターの差込接点。
20. アーク放電が発生し得る公称電圧で作動する自動車用の電力系、特に４２ボルト直流電力系における請求項１９の差込接点の使用。
21. 薄片をＰＶＤ法でコーティングして、非貴金属材料の銀または銀合金で添加剤を有するものから本質的になり、それは銀よりも高融点であり、銀または銀合金と合金を形成せず、せいぜい分離合金を形成するに過ぎないものとする請求項１〜１８の半製品の製造方法。
22. コーティングがスパッタリングにより効果的に行なわれる請求項２１の方法。
23. コーティングの各成分が同時にまたは時間的に重なりながら沈積される請求項２１の方法。
24. コーティング成分の分離速度の比が、分離の間に変化する請求項２３の方法。
25. 添加剤の分離速度と銀または銀合金の分離速度との比が分離工程の終了に従って減少する請求項２４の方法。

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