JPS5912518A - 電気接触子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電気接触子、特に複合接点の製造方法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

電気接触子（接点）に要求される最も重要な特性として
、導電性（低接触抵抗特性）、耐溶着性、耐消耗性等が
ある。このため接点材料としては、Ａｇ、Ｃｕのようガ
高導電性材料に加えて、ｗ、ｗｅのような高融点材料、
ｃａｏ　％　Ｓ　ｎｏ　　ＺｎＯ％　Ｉ　ｎ　２０３．
２＼ ５ｂ２０３のような酸化物からなる耐アーク性材料を包
含する合金接点が用いられている。例えば（イ）〜７０
チ程度のＡｇを含有するＡｇ−ＷＣ系、Ａｇ−Ｗ系合金
、８０〜９０％程度のＡｇを含有するＡｇ−ＣｄＯ系、
Ａｇ−８ｎＯ２系、Ａｇ−ＺｎＯ系、Ａｇ　−Ｉ　ｎ　
２０３系、Ａｇ−８ｂ２０３系合金あるいは加〜５０％
程度のＣｕを含有するＣｕ−Ｗ系、Ｃｕ−ＷＣ系合金が
知られている。

これら材料からなる合金接点は、通常、銀ロウにより合
金に接合固定される。

一方、上述したような接点に要求される緒特性を単一合
金材料で満すことは必ずしも容易ではない。

たとえば、Ａｇ系の接点は、接触抵抗が低くかつ安定し
ているため、中負荷程度の開閉器のアーク接点兼主接点
として使用されている。しかし、これらＡｇ系接点は、
耐アーク性、耐溶着性が必ずしも充分でなく、特に短絡
責務（すなわち、短絡時に定格゛電流の１０〜１００倍
又はそれ以」二の負荷がかかるとき−に、これに耐える
要求）を満足しない場合がある。

一方、Ｃｕ系接点は、低価格であるうえ、Ｃｕの沸点や
融点がＡｇより高く、かつ機械的強さも大きいため、す
ぐれた耐アーク性や耐溶着性を有する。従って、例えば
油中しゃ断器のアーキング接点として使用され、所要の
短絡責務も果しうる。

しかし、このＣｕ系接点は、高温で酸化が著しく、又常
温でも酸化が進行するなど接触抵抗の安定性が劣るとい
う欠点がある。

このよう々単一材料接点の使用に伴なう不都合を解決す
るために、Ｃｕ−ＷＳＣｕ−ＷＣなどのＣｕ系接点を下
層とし、安定性を考慮してＡｇ−Ｗ、　Ａ、ｇ−ＣｄＯ
なとのＡｇ系接点を上層（接触面）とした二層型（複合
型）の接点が開発されている。これらＡｇ系接点および
Ｃｕ系接点も、通常、銀ロウにより台金に接合されて複
合接点を与える。

しかしながら、上述したような、耐アーク性材料を含有
する合金接点の銀ロウによる接合には一つの問題がある
。これは、耐アーク性材料と高導電性材料との相溶性が
必ずしも充分でないため、銀ロウの成分であるＡｇおよ
びＣｕが接触面へと拡散し、接触抵抗の不安定化を招く
。これは、特に良好な接触抵抗安定性を要求されるＡｇ
系接点を銀ロウを用いてＣｕの合金に接合するとき、ａ
５びに上記のようなＡｇ系接点とＣｕ系接点とを銀ロウ
を用いて接合して複合接点を得る場合に問題となる。

これに対し、銀ロウを用いないで、Ａｇ系接点とＣｕ台
金、あるいはＡｇ系接点とＣｕ系接点とを加熱接合する
ことも考えられないではない。しかしながら、この場合
も、加熱接合に比較的に長時間を要し、その間のＣｕ又
はＡｇの拡散による接触抵抗の不安定化は避けられず、
捷だ、Ｃｕ−Ａｇ共晶合金の形成による接点の形崩れ等
の不都合も起りがちである。

〔発明の目的〕

本発明は、上述した従来の接合方法による複合接点の製
造方法の欠点を除き、接触抵抗、耐溶着性、耐消耗性等
の基本的特性に悪影響を与えることなく、強固な接合構
造を有する複合接点を製造する方法を提供することを目
的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明者らの研究により、従来より局部的で且つ速やか
な金属接合の可能なことが知られている超音波接合法の
適用が、上述の目的の達成のために極めて有効であるこ
とが見出された。しかし、耐アーク性材料を含有する合
金接点は、高導電性材料単独よりなる接点に比べて接合
性が劣るので、これを直接、合金あるいけ他の合金接点
と超音波接合すると充分な接合強度が得られず、接合に
時間も要するだめこの間のＣｕあるいはＡｇの拡散の悪
影響も免れない。この問題を避けるためには、接合すべ
き両材料間に、高導電性材料単独よりなる薄板を挿入し
て超音波接合を行うことも考えられる。しかし、この場
合にも、この薄板と耐アーク性材料を予め含む合金接点
との間での接合には時間がかかり、この間での成分拡散
による悪影響をより小さくするためには、更に超音波接
合時間を短縮することが望ましい。本発明者らの研究に
よれば、このためには、高導電性材料と耐アーク性材料
とを含有する接点合金層と高導電性材料の層とを予め接
合一体化した部材を得ておいて、これを他の高導電性材
料を含む合金あるいは同様な構成を有する他の部材およ
び合金と超音波接合することが有効であることが見出さ
れた。すなわち、上記した部材を得るだめの接点合金層
と高導電性材料層との接合一体化に際しては、要求され
る高導電性材料層の厚みが小でないため蒸着等の悪影響
を与えるような加熱を伴わない形成法が採用でき、また
、接点合金に含寸れる高導電性材料と接合すべき高導電
性材料とが同一材料であれば接合に多少、時間がかかつ
ても成分拡散による悪影響は殆んど問題とならない。

本発明の複合接点の製造方法は、上述の知見に基づくも
のであり、より詳しくはその第１の方法は、 高導電性材料と耐アーク性材料とを含有する合金層と、
その片面に予め接合一体化した高導電性材料層とよりな
る第１の部材を形成する工程と、前記第１の部材をその
高導電性材料層を介して合金と積層する工程と、 前記第１の部材と、合金とを超音波接合により一体化す
る工程と、 を包含することを特徴とするものである。

また、本発明の複合接点の製造方法の第２は、高導電性
材料と耐アーク性材料とを含有する合金層と、その片面
に予め接合一体化した高導電性材料層とよりなる第１の
部材を形成する工程と、高導電性材料と耐アーク性材料
とを含有する合金層と、その両面にそれぞれ予め接合一
体化した一対の高導電性材料層とより々る第２の部材を
形成する工程と、 前記第１の部材、前記第２の部材および合金をこの順序
で積層し且つ第１の部材はその高導電性材料層により第
２の部材に接触させる工程と、前記第１の部材、第２の
部材および合金を、超音波接合により一体化する工程と
、 を包含することを特徴とするものである。

以下、本発明について、図面を参照しつつ更に詳細に説
明する。

第１図および第２図は、本発明の第１の方法にしたがう
、複合接点の製造の態様を示すものであり、第１図は接
合前の各部の斜視図であり、第２図は、超音波接合状態
を示す模式側面図である。

本発明の第１の方法では、第１図に示すように、まず高
導電性材料と耐アーク性材料とを含有する接点合金属１
とその片面に接合一体化された高導電性材料層２とより
なる第１の部材３を形成し、この第１の部材３をその高
導電性材料ｆ＠２が台金４と対向するように台金４に積
層し、更に第２図に示すような態様で超音波接合を行う
。第２図にしたがい超音波接合の何様を説明すると、超
音波発振器１１から発生する高周波電流を振動子１２に
より超音波振動に変換し、この超音波振動をホーン１３
を介してチップ１４に伝え、チップ１４に横撮動を起す
。一方、このチップ１４とアンビル１５との間には、前
述した第１の部材３と台金４との積層体を挿入し、荷重
１６をかけつつ部材３と台金４間での接合を行う。

接点合金層１を構成する高導電性材料は、Ａ、ｇ又はＣ
ｕあるいはこれらを主成分とする合金であるが、低接触
抵抗を与えるためには、Ａｇ又はＡｇを主成分とする合
金が特に好ましく用いられる。

また耐アーク性材料としては、Ｗ、　Ｍｏ、　ＴＩ、　
Ｃｒ。

Ｔａ、Ｎｂまたはこれらの炭化物；　Ｃｄ　ＯＮ　Ｚ　
ｎ　Ｏ％Ｓ　ｎ　Ｏ２、Ｉ　ｎ　２０３または５ｂ２０
３等の酸化Ｉ吻；あるい性材料の接点合金１中での含有
量は、その種類によって異なるが、酸化物については２
〜３０％（重ｔ％、以下、同様とする）の範囲が適当で
ある。

２チ未満では、数十へ程度の中電流の定格開閉でも耐消
耗性に問題を生じ、また３０％を超えて添加すると表面
荒れが著しく、接触抵抗の安定性も劣る場合が認められ
る。また、Ｗ、Ｍｏ等あるいはこれらの炭化物の場合に
は、加〜６０％の範囲が好ましく用いられる。２０％未
満では一般に耐溶着性が問題となり易＜、６０％を超え
て添加すると接触安定性が劣る。またＣ（カーボン）の
場合Ｋｉ−，１：、１〜３０％の範囲が適当である。１
チ未満では十分々耐溶着性を維持することができず、ま
た、３０チを越えると機械的強さが不足し接点材料とし
て不適当である。

一般に、接触安定性を主体とする機器では、酸化物系の
耐アーク性材料の使用が好ましく、一方、定格電流が比
較的大きく、かつ厳しい短絡責務を要求される機器につ
いては、Ｗ、Ｍｏ・・・甲等あるいはこれらの炭化物か
らなる耐アーク性材料の使用が望捷しい。

捷た高導電性材料層２を構成する高導電性材料は、接点
合金層１に金線れるものと同様のものが用いられ、特に
全く同一材料であることが好ましい。これにより、接点
合金層１と高導電性材料層２間での接合に時間がかかつ
ても、異種高導電性材料元素の拡散に伴なう悪影響が避
けられる。

接点合金層１と高導電性材料層２との接合一体化は、接
点合金１に含壕れる耐アーク性材料の種類によって、多
様な方法が採用可能である。たとえば、耐アーク性材料
がＷ、　Ｍｏ、　ＴＩ　、　Ｃｒ　、　Ｔａ。

Ｎｂまたはこれらの炭化物あるいはＣ（カーボン）のよ
うに高導電性材料よりも高融点の材料の場合には、一旦
高導電性材料と耐アーク性材料の混合粉末を還元性ない
し非酸化性雰囲気中で加熱焼結して接点合金の多孔質成
形体くスケルトン）を得て、この多孔質成形体の下又は
上に高導電性材料を置き、高導電性材料の融点以上に加
熱して、高導電性材料の溶湯を多孔質成形体に溶浸させ
る。

その後、過剰な高導電性材料を機械加工して除き高導電
性材料層２を形成する。また、Ａｇ−Ｃｄ０゜Ａｇ　Ｚ
ｎＯＳＡｇ　−Ｉｎ　２０３　、Ａｇ　−５ｎ０２　、
Ａｇ−Ｓｂ　２０３等の酸化Ｉ吻系耐アーク性材料を含
有する接点合金１にＡｇ系高導電性材料層２を接合する
場合には、所定組成のＡｇ−Ｃｄ等接点合金層とＡｇ層
とを圧延し加熱一体化した複合体を得、これを酸化性雰
囲気中で加熱して、Ａｇ−Ｃｄ０等の接点合金層とＡｇ
導電材料層との複合体を得る方法も用いられる。

捷だ接点合金層１と接合一体化した高導電性材料層２を
得る他の方法としては、メッキ法、蒸着法等も１吏用可
能であるが、このようにして形成した高導電性材料層に
ついては、比較的低温度での熱処理を行うことにより両
相を確実に一体化しておくことが望ましい。

なお、接点合金層１の厚さは、使用接点の寿命と経済性
とにより定寸るものであり特に臨界的ではないが、高導
電性材料層２の厚さは、所望の接合強度が超音波接合に
より容易に得られるように１μｍ以上あることが望まし
い。

超音波溶接の条件自体は、通常金属溶接に用いられてい
るものと、特に異なるものではない。たとえば出力ＩＫ
Ｗ〜１０Ｋｗ１周波数１　ｋＨｚ　〜５０ｋＨ，ｚ、荷
重０．５〜１０ｋｇ／ｉの条件が採用される。

接合は０．１〜１０秒程度の短時間で達成される。

次に、第３図および第４図を参照して、本発明の第２の
複合接点の製造方法を説明する。

この第２の方法は、第１図と第３図とを対比して見れば
明らかなように、前記第１の方法において、第１の部材
３と台金４との間に、第２の接点合金層２１の両面く一
体に接合された高導電性材料層２２および墓を有する第
２の部材Ｕを挿入してから超音波接合を行うことに相当
するものであり、このような第２の部材を使用すること
を除いて第１の方法と異るところはない。

この第２の方法は、前記第１の方法により得られる接点
に比べてより厳しい短絡責務に耐える接点を与えるもの
である。す々わち、低接触抵抗である利点は有するが、
耐アーク性、耐溶着性の点では必ずしも充分とは云えな
い第１の部材３が、短絡による大電流通過時に全部又は
大部分飛散したときに、より耐アーク性に優れた第２の
部材２４の接点合金２１が接触面の全部又は一部として
露出して短絡責務を果すように機能する。

したがって、第２の接点合金２１は、第１の接点合金１
と基本的には同様な材料からなるものであるが、第１の
部材の接点合金１に比べて、耐アーク性材料の含量は同
等あるいはそれ以上とする。

たとえば、Ｗ、　Ｍｏ・・・あるいはこれらの炭化物を
耐アーク性材料として用いる場合、その含量は３０〜８
０％の範囲が好ましい。３０％未満では短絡によって露
出したときの耐アーク性に難点があり、８０チを超えて
１吏用すると接点全体としての温度上昇特性に余裕が少
なくなる。またＣｄＯ等の酸化物系材料の場合には、２
〜３０チの範囲が好ましい。その理由は、２チ未満では
耐溶着性が十分でなく、また３０係を越えるものは接合
後の強さの面で、必ずしも十分なものが得られない。更
に高導電性材料としては、ＡｇよりはＣｕを主成分とす
るものが通常用いられる。

高導電性材料層ｎおよび乙の形成法としては、前記第１
の方法について説明したと同様の溶浸法、蒸着法、メッ
キ法等が用いられ、壕だ、その具体的材料は、接点合金
層２１に含まれる高導電性材料と同一のものが用いられ
ることも第１の方法と同様である。

高導電性材料層２２および乙の厚みは１μｍ以上必要で
あり、特に第１の部材３と接する層２２の厚さは、第１
の部材の高導電性材料層２との合計厚きが２〜５００μ
ｍの範囲となることが好オしい。

この合計厚さの下限は、所望の接合強度を速やかに与え
るために必要とされる。一方、上記合計厚さが過大であ
ると、上記した短絡時に第２の部材の接点合金２１の露
出が阻害されて必要な耐アーク性が得られず、また高導
電性材料層２および２２のだめに溶着現象を呈すること
も認められる。

〔発明の実施例〕

以下、実施例、参考例により、本発明を更に具体的に説
明する。以下の例においては、本発明の第２の方法につ
いて例示するが、第１の方法の効果も自ずと理解される
と信する。

実施例１〜５、参考例１〜６ 第５図（、）、（ｂ）にそれぞれ平面および厚み方向ｇ
ｌｌｉ’ｆｆｉ形状ヲ示ｔ、、且ツＡ＝５ｍｔ、Ｂ＝８
ｍｍＳＨ＝１１．５ｍｍ５第１部材厚さＴｓ　＝１　ｍ
’　％第２部材厚さＴ＝１ｍｍ、の寸法を有する複合接
点試験片を作製しだ。第１部材の接点合金１は、Ａｇ　
５５％、箭残部の組成を有し、第２部材の接点合金２１
の組成は、Ｃｕ　２５φ、Ｗ残部とした。また高導電性
材料層２はＡｇ製とし、高導電性材料層２２およびｎは
Ｃｕ製とした。これら高導電性材料層は参考例−２およ
び実施例１については、メッキ法により形成した後４０
０°で２時間熱処理したものであり、それ以外の例につ
いては、それぞれ水素中で１１５０℃で１時間、および
水素中で１２５０℃で１時間の条件でＡｇ−ＷＣ焼結体
およびＣｕ−Ｗ焼結体を得て、これらＫ　１１００°Ｃ
および１２００℃の条件で溶融Ａｇおよび溶融Ｃｕを溶
浸させ、過剰のＡｇおよびＣｕを機械加工によって除去
したものである。

上記のようにして得られた第１の部材および第２の部材
をＣｕ台金と重ね、概略構成が第２図および第４図に示
されるような超音波溶接機を用い、出力２．４　ＫＷ、
周板数１５ｋＨｚ　、約２秒、荷重２ｋｌｉｌ／ｄの条
件で超音波接合を行い、接点試験片を得だ。

上記のようにして、但し、高導電性材料層２゜２２．２
３の厚さを種々変化して得られた接点試験片を、それぞ
れ組立式のノーヒユーズブレーカに装着し、特性評価を
行った。結果を第１表に記す。

第１表より明らかなように、超音波接合に際し、所望の
接合強度を速やかに得るだめには、第１の部材、第２の
部材の双方に、高導電性材料層が存在することが必要で
ある（実施例と参考例１．４〜６との対比）。一方、高
導電性材料層２およびｎの合計厚さ戦、１μでは不充分
であり（参考例２）、２μ程度（実施例１）が必要であ
るとともに、５００μを超え２０００μ（参考例３）と
いう程度に厚くなると、この高導電性材料層における溶
着が起り、１０ｋｌ；１以上の剥離力を要する。

上記各側と同様にして、但し、接点合金および高導電性
材料の厚さを第２表に示すように変化して接点試験片を
得た（実施例６）。一方、本発明による超音波接合法の
代りに、共晶銀ロウ（７２％　Ｃｕ−Ａｇ　）を用い、
水素中８２０″′Ｇ　１０分加熱の条件で部材１、部材
２および台金の接合を行って、別途、接点試験片（参考
例７）を得た。

これら接点試験片を組み込んで５５０Ｖ、２５０Ａの定
格電流で４０００回の開閉を行い、その前後の接触抵抗
を測定した。結果を第２表に示す。

第２表を見れば明らかな通り、従来の銀ロウを使用して
得た複合接点に比べて、本発明の超音波接合法により得
た複合接点は、開閉前後（特に開閉後）に低い接触抵抗
を示す。これは、従来の銀ロウ接合法による場合にはそ
の加熱中に銀ロウ中のＣｕが接触面にまで拡散した結果
、接触特性が劣化したためと考えられる。

まだ参考例７による接点試験片の接合強度は５−２〜１
５ｋｇ／　１１（ｉであり、実施例１〜６の１０〜２７
　ｋｇ　／　ｍｎ；に比べて低く且つばらつきも大きい
。

これは断面の顕微鏡観察により接合部にゾロ−ホールが
ランダムに存在することに原因があると考えられる。こ
れに対し、各実施例による接合層にはブローホールは全
く認められなかった。

実施例７〜１９、参考例８ 接点合金の組成および高導電性材料の種類および厚さを
第３表に記載の通りに変化する以外は実施例１〜５等と
全く同様にして接点試験片を調製し、同様に特性評価を
行った。

結果を第３表にまとめて記す。

第３表を見れば、本発明の超音波接合を使用する複合接
点の製造方法が、多様な接点合金あるいはその組合せ例
ついて適用可能であり、いずれの場合も良好な特性の複
合接点を与えていることが理解できよう。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明の複合接点の製造方法によれば
、予め、高導電性材料層を接合一体化した接点合金層を
台金息るいは同様な構成の他の接点合金層と接合するこ
とにより、速やかに且つ高導電性材料の接合中の拡散に
よる悪影響を伴なうことなく、ブローホール等の欠陥の
ない安定な接合構造が得られ、これにより、低接触抵抗
特性、耐溶着性および耐消耗性に優れ且つ苛酷な短絡責
務にも耐え得る複合接点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図および第３図〜第４図は、それぞれ本発
明の第１および第２の複合接点の製造方法の製造の態様
を示し、第１図および第３図は接合前の各部の状態を示
す斜視図、第２図および第４図は超音波接合状態を示す
模式側面図、第５図（、）、（ｂ）は本発明の実施例で
製造した接点試験片の平面および厚み方向側面図である
。 １．２１・・・接点合金、２．２２．乙・・・高導車、
性材料層、３・・・第１部材、２４・・・第２部材、４
・・・台金、１１・・・超音波発振器、１２・・・振動
子、１３・・・ホーン、１４・・・チップ、１５・・・
アンビル、１６・・・荷重。 出願人代理人　　猪　　股　　　　　清第１図 ５ 箔２図 １ 第５図 ら 第４図 １ 躬ｂ （ａ） ■ （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高導電性材料と耐アーク性材料とを含有する合金層
   と、その片面に予め接合一体化した高導電性材料層とよ
   りなる第１の部材を形成する工程と、 前記第１の部材をその高導電性材料層を介して合金と積
   層する工程と、 前記第１の部材と、合金とを超音波接合により一体化す
   る工程と、 を包含することを特徴とする複合接点の製造方法。 ２、高導電性材料が、Ｃｕ又はＭｚあるいはこれらを主
   成分とする合金である特許請求の範囲第１項の方法。 ３、耐アーク性材料がＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎ
   ｂまたはこれらの炭化物からなる特許請求の範囲第１項
   または第２項の方法。 ４、耐アーク性材料がＣｄＯ，ＺｎＯ，５ｎ０２、Ｉｎ
   ２Ｏ３，または５ｂ２０３からなる特許請求の範囲第１
   項まだは第２項の方法。 ５、耐アーク性材料がＣ（カーボン）よりなる特許請求
   の範囲第１項または第２項の方法。 ６、高導電性材料と耐アーク性材料とを含有する、合金
   層と、その片面に予め接合一体化した高導電性材料層と
   よりなる第１の部利を形成する工程と、 高導電性材料と耐アーク性材料とを含有する合金層と、
   その両面にそれぞれ予め接合一体化した一対の高導電性
   材料層とよりなる第２の部材を形成する工程と、 前記第１の部材、前記第２の部材および合金をこの順序
   で積層し且つ第１の部材はその高導電性材料層により第
   ２の部材に接触させる工程と、 前記第１の部材、第２の部材および合金を、超音波接合
   により一体化する工程と、 を包含することを特徴とする複合接点の製造方法。 ７、高導電性材料が、Ｃｕ又はＡｇｓあるいはこれらを
   主成分とする合金である特許請求の範囲第６項の方法。 ８、耐アーク性材料がＷＳＭｏ　、　ＴＩ、　Ｃｒ　、
   　Ｔａ５Ｎｂまたはこれらの炭化物からなる特許請求の
   範囲第６項せたは第７項の方法。 ９、耐アーク性材料がＣｄＯ，ＺｎＱ、　　５ｎ０２、
   Ｉｎ２０３１だば５ｂ２０３からなる特許請求の範囲第
   ６項または第７項の方法。 １０、耐アーク性材料がＣ（カーボン）よりなる第６項
   または第７項の方法。 １１、第２の部材の合金層中の耐アーク性材料含有濃度
   が第１の部材の合金層中のそれと同等ないしはそれ以上
   である特許請求の範囲第６〜ｌＯ項のいずれかの方法。 １２互いに接触する第１の部材の高導電性材料層と、第
   ２の部材の高導電性材料層との合計厚さが２〜５００μ
   ｍである特許請求の範囲第６〜１１