WO2007004422A1

WO2007004422A1 - Ａｇ－酸化物系電気接点材料及びそれを用いた継電器、交流汎用リレー、自動車用リレー

Info

Publication number: WO2007004422A1
Application number: PCT/JP2006/312391
Authority: WO
Inventors: Tomokazu Satoh; Koya Takahashi; Osamu Sakaguchi
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2007-01-11
Also published as: JP2007012570A; CN101208762A

Description

明細書

Ag -酸化物系電気接点材料及びそれを用レ、た継電器、交流汎用リレー、自動車用リレー

技術分野

[0001] 本発明は、 Ag—酸ィ匕物系電気接点材料に関し、特に、交流汎用リレー或いは自動車搭載用リレーに好適な電気接点材料に関する。

背景技術

[0002] 電気回路を機械的に開閉する電気接触子は一般に電気接点と呼ばれ、この電気接点は、金属と金属とが接触することで、接点に流れる電流'信号を支障なく伝える特性や、切り離した際に支障なく開離できる特性を満足する必要がある。そして、この電気接点は構造的に簡単ではあるが、その接点表面では物理的或いは化学的な種々の現象を生じることが知られ、例えば、吸着、酸化、硫化、有機化合物の合成、さらには、放電を伴う溶融、蒸発、消耗、転移等の非常に複雑な現象を伴い、学問的にも未解明な点が多い。これらの現象が生じると、電気接点の接触機能が阻害され、場合によっては接触機能が停止 (例えば、溶着)してしまい、電気接点を組み込んだ電気製品等の性能や寿命を決定する。これは、電気接点が電気製品等の寿命や性能を決定する重要な部品の一つであることを意味する。

[0003] この電気接点を用いた電気製品の代表例であるリレーは、その使用範囲が電信電話や各種電子機器などの弱電分野から、大電流を遮断する電気機器などの強電分野に至るまで広範囲にわたっている。そのため、リレーに要求される機能も千差万別で、使用目的にあわせた特性を実現できる電気接点及びそれを使用したリレーの開発が進められ、非常に多くの種類が市場に供給されている。

[0004] この電気接点が使用されるリレーとは、直流、交流、インパルスなどの形でカ卩えた電気信号によりコイル磁束を発生させ、その磁気力で可動鉄片を吸引することで、可動鉄片の動きに応じて電気接点が開閉する継電器である。これらリレーは、家電、空調、音響、通信機器等に組み込まれ、様々な負荷条件および環境下で、安定した開閉動作を保証できることが要求されて、る。 [0005] 近年、家電、空調、音響、通信機器等の高機能 ·高性能化および低消費電力化に伴い、これらを構成する部品の小型化が急激に進められている。リレーも例外ではなぐこのリレーの小型化に伴い、接点の接触力および開離力が非常に小さくなることから、接点材料自体が曝される環境は極めて厳し、ものとなって、る。

[0006] 一般的な交流負荷で使用されるリレーの中に組み込まれる電気接点材料としては、 Ag— CdO系電気接点材料が古くから知られている。この Ag— CdO系接点材料は、電気接点材料が具備すべき特性である耐溶着性、耐消耗性および接触抵抗安定性を高い次元でバランス良く満足したものである。し力しながら、 Cdは人体に有毒な元素であり、昨今の環境問題等も考慮して、その製造および使用は好まれない。そのため、 Cdを含有しない電気接点材料の開発が求められ、このような従来技術としては次に示すようなものがある。

[0007] 交流負荷の交流汎用リレーなどに用いられ、 Cdを含有しない材料としては、 Ag— SnO系（5〜15重量％の Sn02と残部 Agとからなる合金）、 Ag— SnO— In O系

2 2 2 3 などの Ag—酸ィ匕物系電気接点材料が古くから知られている（特許文献 1、 2)。この中でも、 Ag-SnO

2系の電気接点材料は、突入電流が発生する容量性負荷において、特に優れた耐溶着性を示すことが従来より知られている。ところが、誘導性負荷においては、従来の Ag— CdO系電気接点材料に比べると、 Ag-SnO系電気接点

2 材料では耐消耗特性がやや劣るため、 Ag— CdO系電気接点材料と同等或いはそれ以上の耐久性を確保することが困難であった。また、 Ag— SnO系電気接点材料

2

に In Oを更に含有した Ag— SnO -In O系電気接点材料では、 Ag— SnO系電

2 3 2 2 3 2 気接点材料の抵抗負荷または誘導性負荷に対する耐消耗性が著しく改善されており、 Ag— CdO系電気接点材料と同様に、様々な負荷に対してバランスの良い耐久特性を備えていることが知られており、 Cdフリーの電気接点材料として広く使用されている。

特許文献 1 :特開昭 54— 110124号公報

特許文献 2：特公昭 55— 4825号公報

[0008] ところが、この Ag— SnO—In O系電気接点材料の原料である Inは、地球皮部（

2 2 3

地球全質量の約 0. 7%)を構成する元素の割合を算出したクレーク数が全元素中の 68位という希少金属である。また、昨今の液晶やプラズマなどの表示装置における I TO透明電極の原料として多く使用されていることから、今後の使用量を検討すると、 2010年には地球上に存在する In資源の枯渴が懸念されているという問題がある。このようなことから、現在 In価格の高騰が生じており、電気接点材料の製造価格へも重大な影響を与えている状況である。この In資源の枯渴及び高コストの問題から、 Inフリーの電気接点材料の開発も急務となっているのが現状である。

[0009] この Inフリーの電気接点材料としては、 Ag— ZnO— SnO系電気接点材料が知ら

2

れている (特許文献 3)。この電気接点材料は、接点の接触力や開離力を大きく取れる比較的大型のリレーにあっては、 Ag— CdO系電気接点材料に匹敵する良好な耐久性を備えている力昨今の小型リレーにおいては、その耐溶着性の問題から、開閉動作の初期段階において、極めて容易に溶着故障を引き起こす傾向がある。そのため、この Ag— ZnO— SnO系電気接点材料が交流汎用リレーに使用される例は

2

殆ど見られな、のが現状である。

特許文献 3：特公昭 56 - 22086号公報

[0010] また、自動車搭載用リレーに関しては、自動車に搭載される電装品や駆動系部品の制御に多く使用されている。例えば、 2. 0Lクラスの自動車では、およそ 50個ものリレーが使用され、これらリレーの負荷としては、ヘッドライトに代表される容量性負荷、リアデフォッガーに代表される抵抗負荷、ブロアモータに代表される誘導性負荷というように、多種多様の負荷が存在する。そして、この自動車搭載用リレーについては、一つの電気接点材料により全ての負荷に対して開閉動作を実現できるリレーであることを要求される。

[0011] このような自動車搭載用リレーには、現在、上述した Ag— SnO系電気接点材料、

2

Ag— SnO -In O系電気接点材料が多く使用されている。 Ag— SnO系電気接点

2 2 3 2 材料は、自動車搭載用リレーとして古くから使用されている力上述した交流汎用リレ一と同様に、直流の誘導性負荷に対する耐消耗性に劣るため、特定の負荷に限定して使用されている。そして、 Ag— SnO -In O系電気接点材料は、容量性負荷、抵

2 2 3

抗負荷、誘導性負荷の全てを満足できる汎用特性を備えるものとして、自動車搭載用リレーに好適であることが知られている。しかし、上述したように、 In資源の枯渴ゃ I n価格の高騰の問題があり、自動車搭載用リレーにおいても Inフリーの電気接点材料の開発が要請されているのが現状である。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] 以上のような事情を背景として本発明はなされたものであり、 Cdや Inを含まず、交流汎用リレーや自動車搭載用リレーなどの様々な負荷を制御できる汎用性を備え、従来よりもさらに小型化したリレーであっても優れた耐久特性を有する電気接点材料を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0013] 上記課題を解決するために、本発明者らは、 Ag-ZnO-SnO系電気接点材料

2

に関する組成及び添加元素について種々の実験、研究を重ねた結果、本発明に係る電気接点材料を見出すに至った。本発明は、 5. 1〜8. 0重量％の Zn、 0. 01〜5 . 0重量⁰ /₀の Sn、0. 01〜： L 5重量⁰ /₀の Te、残部が Agからなる Ag— Zn— Sn— Te 合金を内部酸化した Ag—酸化物系電気接点材料であり、或いは、 0. 01〜5. 0重量⁰ /₀の Zn、 5. 1〜8. 0重量％の Sn、 0. 01〜： L 5重量％の Te、残部が Agからなる Ag— Zn— Sn— Te合金を内部酸ィ匕した Ag—酸ィ匕物系電気接点材料である。

[0014] 本発明に係る Ag—酸化物系電気接点材料では、耐溶着性と耐消耗性に関し、 Ag 素地中に均一に分散した ZnOと SnOとが主に役割を果たすものである力カロえて T

2

eOが存在すると、さらに耐溶着性を向上させることができるのである。この Ag—酸ィ匕

2

物系電気接点材料における耐溶着性は、 Ag素地中の酸ィ匕物の粒径、分散度に大きく依存することから、酸ィ匕物を均一且つ微細に分散させるほど耐熱性を向上させることができ、その結果、耐溶着性の向上が図れることとなる。ところが、酸化物が微細になると材料自体の加工性が悪くなるため、酸化物の粒径は 0. 5 μ m〜2. 0 μ m程度であることが望ましい。

[0015] 耐溶着性の重要なファクタ一となる電気接点材料の耐熱性は、 Ag素地中に分散した酸ィ匕物の熱安定性に大きく影響されるもので、 ZnO、 SnOともに、大気中 1500°C

2

まで安定なため、耐熱性を向上させる作用を備えている。ところが、熱安定性の高い酸化物は、一般に溶融 Agとの濡れ性が悪いとされており、リレーの開閉動作時に発生するアーク放電により接点表面の一部が溶解した場合、接点を構成する Agと酸ィ匕物とが分離する現象が生じ、 Agリッチ部と酸ィ匕物凝集部とが形成される。このような分離現象が生じると、 Agリッチ部同士、或いは酸ィ匕物凝集部同士とが接触する可能性が非常に高くなり、耐溶着性や接触抵抗の安定性を著しく劣化させることになる。しかしながら、本発明の Ag—酸化物系電気接点材料では、添加された Teが、溶融 Agとの濡れ性が悪い ZnOや SnOの接触界面に作用し、濡れ性を改善する効果を

2

有するものと考えられる。そのため、本発明の Ag—酸化物系電気接点材料であると、アーク等により接点表面の一部が一時的に溶解した状態となった場合であっても、

Agと酸ィ匕物との分離を最小限に抑制でき、その後の開閉動作において、良好な耐溶着性、接触抵抗の安定性を維持することができるものとなる。

[0016] 本発明に係る Ag—酸化物系電気接点材料は、内部酸ィ匕により Ag素地中に形成される酸化物が、即ち ZnO、 SnO、 TeOが均一且つ微細に分散していることが望ま

2 2

しい。そして、これらの酸化物量は、耐溶着性、加工性の点より、次のような組成量であることが望ましい。まず、 ZnOを形成する Zn量は、 5. 1〜8. 0重量％であることが好ましぐこの Zn量の場合は、 SnOを形成する Sn量が 0. 01〜5. 0重量％であるこ

2

とが好ましい。そして、 TeOを形成する Te量は 0. 01-1. 5重量％であることが好ま

2

しい。 Zn量が 5. 1重量％未満であると、実用的なレベルの耐溶着性を実現できなくなり、 8. 0重量％を超えると、内部酸化した際に酸化物の厚い層（酸化バンド）が形成される傾向があり加工性が劣化する。 Sn量が 0. 01重量％未満であると、 ZnOとの相乗効果による耐溶着性の向上が得られなくなり、 5. 0重量％を超えると、 Znと同様に内部酸ィ匕した際に酸ィ匕バンドが形成される傾向となり、加工性が低下する。また、 Te量が 0. 01重量％未満であると、良好な耐溶着性を維持できなくなり、 1. 5重量％を超えると加工性と耐消耗性が劣化し、実用的でなくなる。

[0017] また、本発明の Ag—酸化物系電気接点材料は、 Znと Snとの組成量が上記した場合の逆であってもよい。つまり、 ZnOを形成する Zn量は 0. 01〜5. 0重量％であること力子ましく、この Zn量の場合、 SnOを形成する Sn量が 5. 1〜8. 0重量％であるこ

2

とが好ましい。 TeOを形成する Te量は上記の場合と同様に 0. 01〜： L 5重量％で

2

あることが好ましい。 ZnOと SnOとは電気接点材料の特性を決めるための作用がほぼ同等であると考えられるため、 Zn量と Sn量とが上記と逆転する糸且成量であっても、良好な耐溶着性や力卩ェ性を備えたものとなるのである。 Zn量が 0. 01重量％未満であると、実用的なレベルの耐溶着性を実現できなくなり、 5. 0重量％を超えると、内部酸ィ匕した際に酸ィ匕物の厚い層（酸ィ匕バンド）が形成される傾向があり加工性が劣化する。 Sn量が 5. 1重量％未満であると、 ZnOとの相乗効果による耐溶着性の向上が得られなくなり、 8. 0重量％を超えると、内部酸ィヒした際に酸ィ匕バンドが形成される傾向となり、加工性が低下する。 Te量については、上述した理由と同様である。

[0018] 尚、本発明に係る—酸化物系電気接点材料では、 Ag素地中に分散した ZnO、 Sn Oの一部、或いはその大部分力 n SnOの複合酸ィ匕物として分散していても、電気

2 2 4

接点材料の特性には大きな差異は生じないものである。

発明を実施するための最良の形態

[0019] 本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する実施例及び従来例に基づいて説明する。実施例 1〜5は、表 1に示す組成の電気接点材料であり、従来例 1〜

3は、実施例との比較のための電気接点材料である。

[0020] [表 1]

(重量％) 実施例 1〜5及び従来例 1〜3の電気接点材料は、通常の高周波溶解炉を用いて製造した。各組成の Ag合金を溶製後インゴットに铸造して、熱間押し出し加工により、 φ 6mmの線材とした。続いて、その線材を焼鈍（700°C)と伸線を繰り返しながら、 φ 2mmまで引き延ばし加工を行い、長さ 2mmに切断することで、 φ 2mm X 2mmL のチップを作成した。そして、このチップを酸素圧 0. 5MPa、温度 750°Cで 48時間、内部酸化処理を行い、内部酸化処理後のチップを集め、圧縮成型して φ 50mmの円柱ビレットを作製した。

[0022] そして、上記のようにして得られた各円柱ビレットを、円筒容器に納め、円柱長手方向から圧力を加えることで、円柱ビレットを圧縮加工した。この圧縮加工では、円柱ビレットの側面が円筒容器によって拘束されているため、円柱長手方向における変形は可能とされて、るが、それと垂直方向になる円柱側面方向への変形はできな、ようにした。この圧縮加工に続き、 900°C、 4時間の焼結処理を行った。この圧縮加工及び焼結処理は、 4回繰り返して行った。

[0023] このような圧縮カ卩ェ及び焼結処理を施したビレットは、熱間押し出しカ卩ェにより、 φ 7mmの線材に形成した (押出面積比約 51 : 1)。続いて、線引き加工にて直径 2. 3m mの線材とし、ヘッダーマシンによって、頭径 3. 2mm、頭厚 lmmのリベット接点を作製した。

[0024] 作製したリベット接点（実施例 1, 2, 4, 5,従来例 1〜3)については、フレクシヤータイプのリレーに組み込み、表 2及び表 4に示す交流負荷条件により耐久試験を行つた。この耐久試験は、 5台以上のリレーを使用して各リレーが故障するまで開閉回数を測定した。その耐久試験の結果を表 3 (表 2の試験条件の結果)および表 5 (表 4の試験条件の結果）に示す。尚、このフレクシヤータイプのリレーは、通常市販されているリレーよりも ONバウンスが大きくでるために、本耐久試験が加速試験的な意味合いが強いものと考えられる。過去の経験から、このフレクシヤータイプのリレーと巿販リレ一との耐久性能については整合性が取れていることから、巿販リレーの耐久性を満足するために必要な、フレクシヤータイプのリレーにおいて要求される目標耐久回数を要求寿命とし、各リベット接点の耐久性を調査した。各耐久試験における要求寿命としての耐久回数を表 2及び表 4に示す。後述する表 6、表 8に関する耐久試験につ Vヽても同様に要求寿命を示して、る。

[0025] [表 2] M AC25 OV

定格電流 1 OA

負荷電力抵抗

開閉頻度 1. 0秒 ONZl. 0秒 OFF 試験雰囲気温度 2 O

要求寿命 25万回

[0026] [表 3]

[0027] [表 4]

[0028] [表 5] 耐久回数

実施例 1 6 9 , 3 8 4

実施例 2 6 6， 5 8 2

実施例 4 5 5， 6 8 7

実施例 5 4 6， 6 0 0

従来例 1 3 5， 2 5 8

従来例 2 1 2， 3 0 6

従来例 3 1 0 , 0 5 1

[0029] 表 3及び表 5に示す耐久試験結果より、交流負荷においては、従来例 1の Ag— Sn O系電気接点材料と、従来例 2の Ag— SnO -In O系電気接点材料とが、実用的

2 2 2 3

な耐久性能を有していることが確認された。そして、本実施例の電気接点材料は、従来例と比較しても、同等或いはそれ以上の耐久性能を備えていることが判明した。

[0030] 次に、上記の各リベット接点に関し、フレクシヤータイプのリレーに組み込んで、自動車搭載用負荷条件における耐久試験を行った。この耐久試験条件は表 6 (実施例 2、 4、 5及び従来例 1、 2)及び表 8 (実施例 3、 4及び従来例 1、 2)に示す。また、耐久試験については、 5台以上のリレーを使用して各リレーが故障するまで開閉回数を測定し、その平均耐久寿命回数を調べた。各耐久試験の結果を表 7 (表 6の耐久試験の結果)および表 9 (表 8の耐久試験の結果）に示す。

[0031] [表 6]

[0032] [表 7] 耐久回数

実施例 2 4 3， 0 8 5

実施例 4 4 2 , 7 3 8

実施例 5 4 1 , 0 0 1

従来例 1 5 1， 3 2 9

従来例 2 4 3， 5 0 7

[0033] [表 8]

[0034] [表 9]

[0035] 表 7に示す耐久試験結果より、容量性負荷であるハロゲンランプ耐久試験では、従来例 1の Ag— SnO系電気接点材料と従来例 2の Ag— SnO -In O系電気接点

2 2 2 3

材料とが、実用的な耐久性を有していることが確認された。そして、本実施例の電気接点材料は、従来例と比較しても、同等の耐久性を備えていることが判明した。表 9 に示す耐久試験結果では、従来例 1の Ag— SnO系電気接点材料が要求寿命を満

2

足しな力つた。従来例 1の Ag— SnO系電気接点材料は、表 6に示す容量性である

2

ハロゲンランプ負荷においては優れた耐久性を示す力表 8に示す誘導性のモータ負荷の耐久性を同時には満足できないため、汎用性が求められる自動車搭載用リレ一への使用が困難であることが確認された。また、従来例 2の Ag— SnO -In O系

2 2 3 電気接点材料が、表 8に示す負荷条件において実用的な耐久性能を示していることから、 In Oの添加が誘導性負荷に対する耐久性向上の効果を有することが確認さ

2 3

れた。つまり、従来例 1の Ag— SnO系電気接点材料は、 In Oの添加がないため、

2 2 3

汎用特性を要求される自動車搭載用リレーの電気接点材料としては好適ではなヽことが示された結果となった。これに対し、これに対して、実施例 3及び実施例 4の電気接点材料は、表 8の誘導性であるモータ負荷における耐久性も実用上何ら問題がないことが判明した。本耐久試験結果より、本発明に係る Ag— ZnO— SnO— TeO系

2 2 電気接点材料は、 In Oを含むことなぐ汎用特性が要求される自動車搭載用リレー

2 3

に好適であることが判明した。

産業上の利用可能性

本発明によれば、 Cdや Inを含まないため、環境問題や In資源枯渴などの影響を受けることがなぐ交流汎用リレーや自動車搭載用リレーなどの様々な負荷を制御できる汎用性を備え、従来よりもさらに小型化したリレーであっても優れた耐久特性を有する電気接点材料を提供できる。

Claims

請求の範囲

[1] 5. 1〜8. 0重量⁰ /₀の Zn、 0. 01〜5. 0重量⁰ /₀の Sn、 0. 01〜： L 5重量⁰ /₀の Te、残部が Agカゝらなる Ag— Zn— Sn— Te合金を内部酸ィ匕したことを特徴とする Ag—酸ィ匕物系電気接点材料。

[2] 0. 01〜5. 0重量⁰ /₀の Zn、 5. 1〜8. 0重量⁰ /₀の Sn、 0. 01〜： L 5重量⁰ /₀の Te、残部が Agカゝらなる Ag— Zn— Sn— Te合金を内部酸ィ匕したことを特徴とする Ag—酸ィ匕物系電気接点材料。

[3] 請求項 1または請求項 2に記載の電気接点材料を構成材料とした電気接触子を備えることを特徴とした継電器。

[4] 請求項 1または請求項 2に記載の電気接点材料を構成材料とした電気接触子を備え

、交流電圧 80V〜300V、定格電流 5〜30Aの抵抗負荷の制御をすることを特徴とする交流汎用リレー。

[5] 請求項 1または請求項 2に記載の電気接点材料を構成材料とした電気接触子を備え、直流電圧 5V〜30V、定格電流 3〜30Aの抵抗負荷の制御をすることを特徴とする自動車搭載用リレー。