JPWO2015019424A1 - 接触子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術では、剥離消耗を防ぐために、接点開閉時に発生するアークを、アークホーン等で誘導することで接点や台材の消耗を防いだり、あるいは、アークが駆動する方向の接点端部において、台材の凸部分を設けることで、接点が溶融しにくくしたりする工夫が知られている。しかし、これらの方法は、消弧室のスペースが十分に確保できることや、台材の寸法が十分に確保できる場合にのみ実現可能な方法であり、機器が小型化される場合には、これらの方法が必ずしも採用できるとは限らない。【解決手段】本発明は、剥離消耗が進行しやすい接点裏面の純銀層の面に、導電性、熱伝導性、機械的強度に優れた銅もしくは銅合金を機能層として張り合わすことにより、機能層に、電気接点開閉時に生じる熱を台材に伝達する機能、チャタリング継続時間を短縮する機能や、台材との接合強度を維持することで剥離消耗などを防ぐ機能を請け負わせることで、電気接点の消耗量を軽減させ、耐消耗性能を向上させた電気接点および接触子とすることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーカやマグネットスイッチ等の有接点制御機器に用いることができる電気接点および接触子に関する。

マグネットスイッチ等の開閉機器において、機器の長寿命化を実現するためには電気接点材料自体の耐消耗性能を向上させ、長寿命化させることが一番の近道であり、電気接点材料自体の耐消耗性能の向上に関する様々な研究開発が行われている。

その中でも、特にマグネットスイッチやリレー等のように開閉頻度が高く、その使用条件から長寿命化が強く求められる場合においては、電気接点材料と接触子の台材の接合方法と、その接合状態の良否が電気接点材料自体の寿命に大きな影響を与えることが知られている。

しかしながら近年、マグネットスイッチやリレー等の開閉機器においては、機器の小型化が進むとともに、コストダウンの要請から使用される貴金属量の削減を目的として、電気接点の形状自体を小さく設計する傾向にあり、かえって電気接点材料の使用状況が過酷となり、電気接点の寿命を短くしてしまう状況になっているのが現状である。

このような状況から、電気接点材料に対しては従来以上に長寿命化が求められており、耐消耗性能の向上が期待されるが、それを実現するのが困難な状況にある。

さらに、開極状態の電気接点対を閉極する際、電気接点間で非常に速く微細に機械的振動が起こり、微小ギャップにアークが間欠的に発生する、チャタリング現象が起こる場合がある。

このチャタリング現象が発生すると、電気接点間のアーク発生数が増大するため、電気接点材料の消耗量が増加してしまう問題がある。また、チャタリングの継続時間が長い場合は、電気接点材料が溶着しやすくなるため、このチャタリングの継続時間をできる限り短くすることが望まれている。

特開２００８−１５２９７１号公報 特開２０１２−２２１７５９号公報

ここで、本発明が対象としている課題とその解決方法について、電気接点および接触子の構成と、その消耗形態に関する説明を通して解説する。

マグネットスイッチやリレー等の開閉機器に用いられる電気接点の構成で一般的に用いられるものとして、Ａｇ−ＳｎＯ₂−Ｉｎ₂Ｏ₃等の銀酸化物系電気接点材料の片面に純銀を張り合わせ、その純銀面を接触子の台材との接合面に用いるものがある(例えば、特許文献１)。

電気接点材料の片面に純銀を張り合わせるのは、銀酸化物系電気接点材料を直接接触子の台材に接合すると、銀酸化物系電気接点材料自体が溶着しにくいように作られているため、台材との接合界面において機械的強度が得られないためである。

しかし、純銀層を張り合わせ、純銀層の面を接触子の台材との接合面に用いて接触子の台材と接合した場合においても、その純銀層が電気的寿命試験における開閉回数を重ねていくと、剥離消耗の起点となる場合があり、結果として接点消耗の増加につながってしまうことがある。

このような剥離消耗を防ぐために、従来技術では、接点開閉時に発生するアークを、アークホーン等で誘導することで電気接点材料や接触子の台材の消耗を防いだり、あるいは、アークが駆動する方向の接点端部において、接触子の台材の凸部分を設けることで、電気接点が溶融しにくくしたりする工夫が知られている(例えば、特許文献２)。

しかしながら、これらの方法は消弧室のスペースが十分に確保できる場合や、接触子の台材のボリュームが十分に確保できる場合にのみ実現可能な方法であるため、機器が小型化される場合には、これらの方法が必ずしも採用できるとは限らないのが現状である。

そこで本発明は、電気接点の消耗形態の中で、特に、電気接点材料と接触子の台材の接合部近傍の剥離消耗に着目し、剥離消耗が進行しやすい電気接点材料の片面の純銀層の面に、導電性、熱伝導性、及び銀との接合強度に優れた銅もしくは銅合金からなる機能層を張り合わせ、その機能層に、電気接点材料が電気的開閉にさらされたときに生じる熱を接触子の台材に伝達する機能や、電気接点材料と接触子の台材との接合強度を維持することで剥離消耗などを防ぐ機能を請け負わせることで、電気接点材料の消耗量を軽減させ、耐消耗性能を向上させることを可能とした電気接点および接触子を提供するものである。

開閉頻度が高いために機械的強度が要求される接触子の台材に使用される銅合金は、電気接点材料の銀面と接触子の台材との接合時に、接触子の台材が銅のものと比べて接合強度が落ちる。

そこで、本発明の一例として、銅系である接触子の台材と同系の銅を機能層に用いる構造とすることにより、電気接点および接触子の台材との接合強度は維持しつつ、接触子の台材の機械的強度も維持することが可能となる。

さらに、電気接点材料を従来よりも薄くする代わりに機能層を厚くし、かつ電気接点および接触子の台材よりも軟らかい銅もしくは銅合金を機能層に用いて電気接点を構成することにより、チャタリング時の衝撃を機能層に吸収させてチャタリング継続時間を短くし、電気接点の消耗量を軽減させることを可能とした電気接点および接触子を提供するものである。

そこで、本発明の一例として、機能層には軟らかい銅を、機械的強度が要求される接触子の台材には硬い銅を配置することにより、チャタリング継続時間を短縮することも可能となる。

本発明の電気接点および接触子によると、剥離消耗が進行しやすい電気接点の片面の純銀層の面に、導電性、熱伝導性、銀との接合強度に優れた銅もしくは銅合金からなる機能層を張り合わせ、その銅もしくは銅合金の層に、電気接点が電気的開閉にさらされたときに生じる熱を台材に伝達する機能、チャタリング継続時間を短くする機能や接触子の台材との接合強度を維持することで剥離消耗などを防ぐ機能を請け負わすことにより、電気接点の消耗量を軽減させることが可能になった。

このようにして得られた電気接点および接触子は、電気的寿命試験を実施した際に、従来の電気接点と比較して耐消耗性能を最大で約２０％向上することが可能となった。

また、従来技術では、使用される貴金属量の削減を目的として電気接点材料の厚み等の形状を小さく設計し直すたびに接触子間のギャップが変わるため、接触子の台材の重量や寸法等の変更をする必要があり、これにより開閉機器自体の設計変更も要する問題があった。

しかし、本発明の機能層を有する電気接点を用いることで、電気接点の厚みは変えずに電気接点材料の厚みを小さくすることができるため、接触子間のギャップに変化がなく、開閉機器自体を設計変更する必要がない。これにより、各種仕様変更のコストが低減され、安価な開閉機器が提供することが可能となった。

また、本発明の機能層を有する電気接点は、どのような形状や銅系材質の接触子の台材にも適用可能である。

実施例１における接触子を示す斜視図 実施例２における電気接点の断面を示す説明図 実施例２における電気接点および接触子の断面を示す説明図

１ 電気接点材料
２ 純銀層
３ 機能層
４ 電気接点
５ 接触子の台材
６ リベット形状の台材

本発明の実施例および従来例を表１に示し、これらの電気接点材料１の加工工程を説明する。なお、実施例および比較例は電気接点種類Ｎｏ．で区別し、各電気接点の純銀層が占める割合(%)および機能層が占める割合(％)、各電気接点のＡＣ３級試験（ＪＩＳ Ｃ ８２０１−３およびＪＩＳ Ｃ ８２０１−４−１による）後の消耗量(％)を表１に記載する。

組成が質量％で９１Ａｇ−５．８Ｓｎ−３Ｉｎ−０．２Ｎｉである銀合金材料を溶解法で作製し、圧延、焼鈍を繰り返して所望の板を得る。なお、本発明では、電気接点材料として用いられるＡｇ−Ｎｉ系合金やＡｇ−Ｗ系合金等の銀合金、あるいは後工程で内部酸化処理を施して銀酸化物系電気接点材料とするものであれば、どのような銀合金材料を用いても良い。

その板の片面に純銀層２となる電気接点総厚の３〜３０％の厚さの純銀板を複合した複合材料とする。なお、本発明では、純銀層２が電気接点層厚の３％未満であると、機能層との接合強度が好ましくなく、電気接点層厚の３０％を超えると純銀層を厚くしたわりに接合強度に顕著な効果が見られず、貴金属使用量が増えて材料価格が高くなり、好ましくない。

この複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍ角の四角形状の複合材料を得る。こうして得られた１０ｍｍ角の複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施し、機能層３となる１０ｍｍ角かつ電気接点総厚の１〜５０％の無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ７４）と接合して電気接点４とした。なお、本発明では、機能層３が電気接点層厚の１％未満であると、接触子の台材との接合強度やチャタリング継続時間短縮の効果が顕著に見られず、電気接点層厚の５０％を超えると機能層を厚くした代わりに電気接点材料が薄くなるため、電気接点材料自体の寿命が短くなって好ましくない。また、機能層３に用いる銅もしくは銅合金は、銀酸化物系の電気接点材料１および接触子の台材５よりも軟らかければどのような銅もしくは銅合金でもよい。

このようにして得られた電気接点４を、無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ１１０）からなる接触子の台材５とろう付け接合して接触子（図１）とした(電気接点種類Ｎｏ．１〜５)。

機能層３および接触子の台材５を９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎからなるＣｕ合金に置き換えた以外は実施例１と同様にし、接触子（図１）とした（電気接点種類Ｎｏ．６〜１０)。なお、機能層のビッカース硬さは９４、接触子の台材のビッカース硬さは１４０であった。

実施例１と同様の方法で得た複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍφの円板状の複合材料を得る。

こうして得られた１０ｍｍφの複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施し、機能層３となる１０ｍｍφでかつ電気接点総厚の１〜５０％の無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ７４）からなる円板を複合材料と接合した後、無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ１１０）からなるリベット形状の台材６とろう付け接合して電気接点（図２）とした。

このようにした電気接点４を、リベット形状の台材６を無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ１１０）からなる接触子の台材５とかしめ接合して接触子（図３）とした（電気接点種類Ｎｏ.１１〜１５）。

機能層３、リベット形状の台材６および接触子の台材５を９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎからなるＣｕ合金に置き換えた以外は実施例３と同様にし、接触子（図３）とした（電気接点種類Ｎｏ．１６〜２０)。なお、機能層のビッカース硬さは９４、リベット形状の台材および接触子の台材のビッカース硬さは１４０であった。

従来例１
実施例１と同様の方法で得た複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍ角の四角形状の複合材料を得る。こうして得られた複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施して電気接点とした後、無酸素Ｃｕ（ビッカース硬さ１１０）からなる接触子の台材とろう付け接合して、機能層の有無以外は実施例１と同様の接触子を作製した(電気接点種類Ｎｏ.２１〜２２)。

従来例２
実施例１と同様の方法で得た複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍ角の四角形状の複合材料を得る。こうして得られた複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施して電気接点とした後、９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎのＣｕ合金（ビッカース硬さ１４０）からなる接触子の台材とろう付け接合して、機能層の有無以外は実施例２と同様の接触子を作製した(電気接点種類Ｎｏ.２３〜２４)。

従来例３
実施例１と同様の方法で得た複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍφの円板状の複合材料を得る。こうして得られた複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施して電気接点とした後、無酸素Ｃｕからなるリベット形状の台材（ビッカース硬さ１１０）とろう付け接合し、無酸素Ｃｕからなる接触子の台材（ビッカース硬さ１１０）とかしめ接合して、機能層の有無以外は実施例３と同様の接触子を作製した(電気接点種類Ｎｏ.２５〜２６)。

従来例４
実施例１と同様の方法で得た複合材料から、プレス打ち抜き加工により、１０ｍｍφの円板状の複合材料を得る。こうして得られた複合材料について、バレル研磨、内部酸化処理を施して電気接点とした後、９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎのＣｕ合金（ビッカース硬さ１４０）からなるリベット形状の台材とろう付け接合し、９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５Ｚｎの接触子の台材（ビッカース硬さ１４０）とかしめ接合して、機能層の有無以外は実施例４と同様の接触子を作製した(電気接点種類Ｎｏ.２７〜２８)。

上記の実施例１〜４と従来例１〜４によって作製された接触子を定格８０Ａのマグネットスイッチに実装し、耐消耗性能について実機評価を行った結果を表１に示す。なお、実機評価の条件については、ＪＩＳ Ｃ ８２０１に定めるところのＡＣ３級試験（４４０Ｖ、８０Ａ）を行うものとし、開閉回数については１００万回まで実施するものとした。

消耗量については、ＡＣ３級試験前後の接触子の重量変化を測定し、ＡＣ３級試験後の質量がＡＣ３級試験前からどの程度減少しているかを１００分率で示した。

この結果、実施例１〜４においては、従来例１〜４と比較して、電気接点の消耗量が約１０〜２０％軽減することが確認され、電気接点の耐消耗性能が向上することが実証された。

また、実施例１の接触子の台材５のみを９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎのＣｕ合金（ビッカース硬さ１４０）に置き換えて同様の試験を行ったが、消耗量は実施例１と同等であった。

また、実施例３のリベット形状の台材６および接触子の台材５を９７Ｃｕ−２．６Ｆｅ−０．１５Ｐ−０．２５ＺｎのＣｕ合金（ビッカース硬さ１４０）に置き換えて同様の試験を行ったが、消耗量は実施例３と同等であった。

Claims (5)

1. 台材に接合することによって接触子を構成することができる銀合金からなる電気接点において、
   銀合金からなる電気接点材料の片面に純銀の層を形成し、この片面に対向する面に、銅もしくは銅合金からなる機能層を張り合わせて多層構造としたことを特徴とする電気接点。
2. 請求項１において、純銀の層の厚さが電気接点全体の厚さの内の３〜３０％からなる電気接点。
3. 請求項１において、銅もしくは銅合金の層の厚さが電気接点全体の厚さの内の１〜５０％の厚さであること特徴とする電気接点。
4. 請求項１の電気接点に設けた機能層を台材に接合することによって構成したことを特徴とする接触子。
5. 請求項４において、台材の形状がリベット形状であることを特徴とする接触子。

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