(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードスイッチに具えるリード片の素材に用いられるリードスイッチ用線材であって、
質量％で、
Ｆｅを１％以上１０％以下、
Ｎｉを１０％以上３５％以下含有し、
残部がＣｏ及び不純物からなる鉄族合金によって構成され、
前記鉄族合金は、立方晶組織を有し、
キュリー温度が９００℃以上であり、
常温での比抵抗が１５μΩ・ｃｍ以下であり、
線径が１ｍｍ以下であるリードスイッチ用線材。
【請求項２】
質量％で、
Ｆｅを３％以上５％以下、
Ｎｉを２０％以上３０％以下含有し、
残部がＣｏ及び不純物からなる鉄族合金によって構成されている請求項１に記載のリードスイッチ用線材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のリードスイッチ用線材から製造され、一端側に塑性加工によって成形された接点部を具えるリードスイッチ用リード片。
【請求項４】
筒状のガラス管と、接点部を有する一端側が前記ガラス管に挿入された状態で前記ガラス管に固定された複数のリード片とを具えるリードスイッチであって、
前記リード片は、請求項３に記載のリードスイッチ用リード片であるリードスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リードスイッチに具えるリード片の素材に適したリードスイッチ用線材、リードスイッチ用リード片、及びリードスイッチに関するものである。特に、キュリー温度が高く、低抵抗で、加工性にも優れるリードスイッチ用線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リレーといったスイッチング部品や種々のセンサ部品に、永久磁石や電磁石といった磁石と、鉄や鉄合金といった磁性材料からなるリード片とを組み合せたリードスイッチが利用されている。リードスイッチは、封入ガスなどが充填された円筒状のガラス管の各端部にそれぞれリード片の一端側が挿入され、これらリード片の一端部が、ガラス管の長手方向にみたときに重なり合うように、かつガラス管の径方向にみたときに離れた状態となるようにガラス管に一対のリード片が固定されたものである。上述のように離間して配置された両リード片の一端部は、ガラス管外に配置した磁石によって、非接触(開)又は接触(閉)するように動作して、接点に利用される。
【０００３】
リード片の構成材料は、Fe-50質量％〜52質量％Ni合金が代表的である(特許文献1)。特許文献2では、Fe-52質量％Ni合金よりも磁束密度が高く加工性に優れるFe-15％〜59％Co-1％〜40％Ni合金(重量比)を提案している(Fe:30％〜40％程度)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平05-320842号公報
【特許文献２】特開平03-179622号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のリードスイッチでは、3A以上、更に5A以上といった大電流を通電する用途に不向きである。
【０００６】
上述のFe-52質量％Ni合金は、比抵抗が高いため、大電流を流すと、ジュール熱によって温度が上昇し、高温となる。そして、Fe-52質量％Ni合金は、キュリー温度が低いため、温度の上昇に伴って磁気特性が劣化する。そのため、Fe-52質量％Ni合金からなるリード片は、大電流用途では磁気特性の劣化によって適切に開閉動作が行えない恐れがある。また、温度の上昇に伴って電気特性や熱膨張係数が変化する恐れもある。一般に、高温になると、比抵抗や熱膨張係数が増大する。例えば、熱膨張係数が大きくなると、熱伸縮量が大きくなることから、リード片とガラス管との接合箇所に歪みが加わり、経時的に両者の密着が壊され、両者間に隙間が生じてガラス管内の封入ガスが漏洩したり、開閉動作を繰り返し行うことで、最終的にはリード片がガラス管から脱落したりする恐れがある。
【０００７】
また、リードスイッチ用のリード片は、長尺な線材を所定の長さに切断して棒片とし、棒片の一端側(接点となる側)にプレス加工などの塑性加工を施して所望の形状に成形することで製造される。そのため、リード片用素材には、加工性に優れることが望まれる。特許文献2に記載される合金は、加工性に優れるものの、Feの含有量が多く、キュリー温度が低く、磁気特性に劣る。
【０００８】
上述のように特に大電流用途のリードスイッチ用リード片の素材には、キュリー温度が高く、かつ低抵抗であり、更に加工性にも優れることが望まれる。
【０００９】
そこで、本発明の目的の一つは、キュリー温度が高く、かつ低抵抗で加工性にも優れるリードスイッチ用線材を提供することにある。また、本発明の他の目的は、キュリー温度が高く、低抵抗なリードスイッチ用リード片を提供することにある。更に、本発明の他の目的は、大電流用途に好適なリードスイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特定の組成からなるCo,Fe,Niの三元合金とすると共に、特定の組織とすることで、上記目的を達成する。
【００１１】
本発明のリードスイッチ用線材は、リードスイッチに具えるリード片の素材に用いられるものであり、質量％で、Feを1％以上10％以下、Niを10％以上35％以下含有し、残部がCo及び不純物からなる鉄族合金によって構成されている。上記鉄族合金は、立方晶組織を有する。また、この線材は、キュリー温度が900℃以上であり、線径が1mm以下である。
【００１２】
本発明のリードスイッチ用線材は、上述のように特定の組成の鉄族合金、特に、Feの含有量が少なく(Fe:10質量％以下)、かつCoが多い合金(Co:55質量％以上)であり、磁気特性に優れる。具体的には、キュリー温度が高く、900℃以上である。また、特定の組成の鉄族合金であることで、比抵抗も低い。従って、本発明のリードスイッチ用線材に大電流が通電された場合にも、高温になり難い上に、上述のようにキュリー温度が高いことで、温度上昇に伴う磁気特性の低下も抑制できる。更に、本発明のリードスイッチ用線材は、立方晶組織(γ型組織)を有することで、塑性加工性にも優れ、1mm以下といった細線にするための伸線加工や、所望の形状に成形するためのプレス加工といった種々の塑性加工を良好に行える。加えて、本発明のリードスイッチ用線材は、線径が小さいことで、小型なリードスイッチ用リード片を形成可能であり、リードスイッチの小型化に寄与することができる。
【００１３】
本発明の一形態として、質量％で、Feを3％以上5％以下、Niを20％以上30％以下含有し、残部がCo及び不純物とからなる鉄族合金によって構成された形態が挙げられる。
【００１４】
上記形態は、キュリー温度が高いCoをより多く含有するため(Co:65質量％以上)、キュリー温度がより高い(例えば、1000℃以上)。
【００１５】
本発明の一形態として、常温での比抵抗が15μΩ・cm以下である形態が挙げられる。
【００１６】
上記形態は、比抵抗(電気抵抗率)が十分に小さく、大電流が通電された場合でも、ジュール熱によって温度が上昇し難く、高温になり難い。従って、上記形態は、温度上昇に伴う特性の劣化(磁気特性や電気特性の低下、熱膨張係数の増大など)をより低減できる。
【００１７】
本発明のリードスイッチ用線材に適宜塑性加工を施すことで、リードスイッチ用リード片が得られる。本発明のリードスイッチ用リード片は、本発明のリードスイッチ用線材から製造され、一端側に塑性加工によって成形された接点部を具える。
【００１８】
上述のようにキュリー温度が高く、低抵抗な本発明のリードスイッチ用線材に塑性加工を施して得られた本発明のリードスイッチ用リード片は、本発明のリードスイッチ用線材の組成を実質的に維持することから、キュリー温度が高く、低抵抗である。また、塑性加工性に優れる本発明のリードスイッチ用線材は、複雑な形状であっても良好に塑性加工を行えて、所望の形状のリード片が得られることから、本発明のリードスイッチ用リード片は、生産性にも優れる。
【００１９】
本発明のリードスイッチ用リード片をガラス管に取り付けることで、リードスイッチが得られる。本発明のリードスイッチは筒状のガラス管と、接点部を有する一端側が上記ガラス管に挿入された状態で上記ガラス管に固定された複数のリード片とを具え、上記リード片が本発明のリードスイッチ用リード片である。
【００２０】
上述のようにキュリー温度が高く、低抵抗な本発明のリードスイッチ用リード片を具えることで、本発明のリードスイッチは、大電流が通電された場合でも高温になり難く、温度上昇に伴う特性の劣化(磁気特性や電気特性の低下、熱膨張係数の増大など)を抑制できる。従って、本発明のリードスイッチは、低電流用途(通電電流値:1A以下)は勿論、大電流用途のスイッチ部品やセンサ部品の構成部材にも好適に利用できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のリードスイッチ用線材は、キュリー温度が高く、低抵抗であり、加工性にも優れる。本発明のリードスイッチ用リード片、及び本発明のリードスイッチは、キュリー温度が高く、低抵抗である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】リードスイッチの概略説明図であり、(A)は、開状態、(B)は、閉状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。組成において元素の含有量は、質量割合(質量％)とする。
【００２４】
[リードスイッチ用線材]
(組成)
本発明のリードスイッチ用線材を構成する鉄族合金は、Fe,Ni,Coの3元素を主成分(必須元素)とする三元合金であり、Coを最も多く含み、Feを最も少なく含む。具体的には、Feを1％以上10％以下、Niを10％以上35％以下含有し、残部がCo及び不純物からなる鉄族合金とする。
【００２５】
Feを1％以上かつNiを10％以上含有することで、三元状態図(図示せず)に示すように塑性加工性がよい立方晶組織(γ型組織)となる領域が大きく、伸線加工やプレス加工などの種々の塑性加工の加工性に優れる組成を得易い。Fe及びNiのいずれも、含有量が多いほど、立方晶組織となり易く、加工性に優れる。しかし、Fe及びNiのいずれも多過ぎると、耐食性及び耐酸化性の双方が低下する上に、比抵抗が増大するため、Feの含有量は10％以下、Niの含有量は35％以下とする。
【００２６】
鉄族合金の残部が、不純物を除いてキュリー温度が高いCoであることで、この鉄族合金は、キュリー温度が高い。Coの含有量は、多いほど鉄族合金のキュリー温度が高くなり、60％以上、更に65％以上、特に70％以上が好ましい。但し、Co自体は、塑性加工性に劣る六方晶であることから、Coが多過ぎると加工性に劣るため、Coの含有量は80％以下が好ましい。
【００２７】
特に、本発明のリードスイッチ用線材を構成する鉄族合金は、Fe:3％以上5％以下、Ni:20％以上30％以下、残部がCo及び不純物であると、Coがより多いことで(65％以上)、キュリー温度がより高い線材となる。具体的には、キュリー温度が950℃以上、更に1000℃以上を満たすことができる。
【００２８】
鉄族合金中の不純物は、製造工程において意図的に添加していない元素:不可避不純物のみからなる形態が挙げられる。不可避不純物にはC(炭素)などが挙げられる。Cが多いと、加工性が低下するため、Cの含有量は、0.01％以下が好ましい。又は、鉄族合金中の不純物は、上記不可避不純物に加えて、脱酸などの目的で意図的に添加する元素(以下、添加元素と呼ぶ)を含むことを許容する。この添加元素には、Cr,Mn,Si,Al,Tiなどが挙げられる。Cr,Mn,Si,Al,Tiは、脱酸剤として機能するが、これらの元素が多いと電気抵抗の増加や磁気特性の低下を招き、リードスイッチとしての特性が低下する。従って、Cr,Mn,Si,Al,Tiの合計含有量は0.9％以下が好ましい。この添加元素は、溶解時に精錬などすると低減できる。鉄族合金中の不純物の合計含有量は1％以下が好ましい。
【００２９】
(組織)
本発明のリードスイッチ用線材を構成する鉄族合金は、立方晶組織である点を特徴の一つとする。立方晶組織であることで塑性加工性に優れ、1mm以下といった細線とするための伸線加工や、複雑な形状のプレス加工といった種々の塑性加工を良好に行える。立方晶組織は、主としてFe,Ni,Coの含有量に依存する。従って、立方晶(γ型)となるように、上述の特定の含有範囲内でFe,Ni,Coの含有量を選択するとよい。
【００３０】
(磁気特性)
本発明のリードスイッチ用線材は、キュリー温度が高い点を特徴の一つとする。具体的には、キュリー温度が900℃以上である。キュリー温度が高いほど、温度の上昇に伴う磁気特性の劣化が生じ難く、特に上限は設けない。キュリー温度は、主として組成に依存し、Coの含有量が多いほど高くなり易い。例えば、キュリー温度が950℃以上、970℃以上、1000℃以上、1010℃以上、1020℃以上である形態とすることができる。
【００３１】
(電気特性)
特定の組成の鉄族合金から構成される本発明のリードスイッチ用線材は、低抵抗であり、比抵抗が小さい。例えば、常温における比抵抗が15μΩ・cm以下である形態が挙げられる。比抵抗は、主として組成に依存し、FeやNiが多いほど高くなり易く、Coが多いほど低くなり易い。比抵抗が低いほど、大電流を通電した場合にもジュール熱による発熱を低減でき、温度の上昇を抑制できることから、常温における比抵抗が14μΩ・cm以下、更に13μΩ・cm以下、特に10μΩ・cm以下が好ましい。
【００３２】
(形状)
本発明のリードスイッチ用線材は、代表的には、横断面が円形状の丸線が挙げられる。その他、横断面形状が矩形を含む多角形状の角線、楕円などの異形状などの異形線とすることができる。
【００３３】
(大きさ)
本発明のリードスイッチ用線材は、線径(角線や異形線の場合、包絡円の直径)が1mm以下であることを特徴の一つとする。線径は、リード片の設計値に応じて適宜選択することができ、例えば、0.2mm〜0.8mmとすることができる。所望の線径となるように、伸線加工度を選択するとよい。本発明のリードスイッチ用線材は、このような細径であることで、小型なリード片を製造でき、ひいては小型なリードスイッチを製造できる。
【００３４】
本発明のリードスイッチ用線材の長さは特に問わないが、長いものは、コイル状に巻き取った形態が代表的である。所定の長さ(例えば、リード片の設計長さ)に切断した短尺材とすることもできる。
【００３５】
(リードスイッチ用線材の製造方法)
本発明のリードスイッチ用線材は、代表的には、溶解→鋳造→熱間加工(鍛造や圧延)→冷間伸線及び熱処理により得られる。特に、成分を調整した合金溶湯を真空中で作製し、この溶湯を精錬して、不純物や介在物を除去・低減したり、温度を調整したりすると、不純物や介在物を低減できて好ましい。このような合金溶湯に真空鋳造といった鋳造を行って鋳塊を作製し、鋳塊に熱間加工を施して得られた加工材に冷間伸線と熱処理とを繰り返し行うことで、細径の線材が得られる。最終線径の線材に軟化処理を行うと、伸びといった靭性に優れる線材、換言すれば加工性に優れる線材が得られる。
【００３６】
[リードスイッチ用リード片]
本発明のリードスイッチ用リード片は、線状体であって、少なくとも一端側に塑性加工が施されており、この一端側に接点部を具える。接点部の形状は特に問わないが、十分な接触面積を有するように、平面領域を有する形状が挙げられる。他端側は、塑性加工が施されず、素材に用いた上述の本発明のリードスイッチ用線材の仕様(組成、組織、形状、大きさなど)を実質的に維持する形態が挙げられる。なお、塑性加工が施された領域を構成する鉄族合金の組成及び組織は、素材に用いた本発明のリードスイッチ用線材と実質的に等しい。
【００３７】
本発明のリードスイッチ用リード片は、所定の長さ(設計長さ)にした本発明のリードスイッチ用線材の少なくとも一端側にプレス加工などの塑性加工を施して、所望の形状の接点部を成形することで製造できる。
【００３８】
[リードスイッチ]
図1を参照して、本発明のリードスイッチを説明する。リードスイッチ10は、基本的な構成は従来のリードスイッチと同様であり、少なくとも2本のリード片20と、リード片20の一端側が挿入された状態で固定される筒状のガラス管30とを具える。各リード片20は、接点部22を有する一端側領域がガラス管30内に挿入され、中間領域がガラス管30に固定される固定部21となり、他端側領域がガラス管30から露出される。リード片20においてガラス管30内に挿入された一端側の接点部22は、代表的には、図1(A)に示すように、ガラス管30の長手方向に重複し、ガラス管30の径方向に離間して配置される(開状態)。リードスイッチ10は、ガラス管30外部に配置された磁石(図示せず)による磁気吸引力が作用すると、図1(B)に示すように接点部22が接する(閉状態)。磁気吸引力を除去すると、リード片20の弾性によって、図1(A)に示すように接点部22が非接触の状態に戻る。
【００３９】
代表的な形態は、図1に示すように円筒状のガラス管30の各端部にそれぞれ、1本のリード片20が固定された形態、つまり、一対のリード片20を具える形態である。その他、円筒状のガラス管30の一端部に2本のリード片20が離間して固定され、他端部に1本のリード片20が固定され、この1本のリード片20の一端側領域が、上記2本のリード片20の一端側領域間に挿入配置された形態、つまり、3本のリード片を具える形態が挙げられる。
【００４０】
ガラス管は、リード片の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するガラス(例えば、120×10-7/℃〜130×10-7/℃(12ppm/K〜13ppm/K))によって構成されたものが利用できる。ガラス管内は、窒素ガスといった不活性ガスを充填した不活性雰囲気、真空といった酸素の含有量が少ない雰囲気、又は、実質的に酸素を含有しない雰囲気とすることが挙げられる。接点として機能するリード片の一端側領域がガラス管に挿入されているため、接点部の機械的な保護を図ることができ、ガラス管内が上述の雰囲気であるため、外気や水分などによる接点部の腐食を防止できる。
【００４１】
リードスイッチは、基本的には従来の製造方法によって製造できる。代表的には、リード片をガラス管の一端に挿入配置した状態でガラス管の一端を加熱してこのリード片をガラス管に固定した後、所望の雰囲気としたガラス管の他端に別のリード片を挿入配置した状態で他端を加熱して、この別のリード片をガラス管に固定すると共にガラス管を封止することで、リードスイッチが得られる。ガラス管にリード片を固定する前に、リード片におけるガラスとの接触箇所に酸化膜を形成しておくと、リード片とガラス管との接合性に優れる。また、リード片において接点部の表面にロジウム(Rh)やルテニウム(Ru)といった白金族層を具える形態とすると、接触抵抗を低減できる。白金族層は、メッキや溶接などによって形成できる。
【００４２】
[試験例1]
Feを含む合金線材を作製し、磁気特性、電気特性、熱特性を調べた。
【００４３】
合金線材は、溶解→鋳造→表面切削→熱間鍛造→熱間圧延→冷間伸線及び熱処理、という工程で作製した。詳しくは、まず、通常の真空溶解炉を用いて、Co,Fe,Niの含有量が表1に示す量(単位は質量％)となるようにCo-Ni-Fe合金の溶湯(試料No.1)を作製した。また、Fe,Niの含有量が表1に示す量となるようにFe-Ni合金の溶湯(試料No.100)を作製した。不純物などを低減、除去するために溶湯の精錬を行った。作製した溶湯の温度を適宜調整して真空鋳造により鋳塊を得た。得られた鋳塊の表面を切削して酸化層などを除去した後、熱間鍛造及び熱間圧延を順に施し、線径5.5mmφの圧延線材を得た。この圧延線材に冷間伸線及び熱処理を組み合わせて施して、線径(直径)0.6mmφの線材を得た。得られた試料No.1の線材の組成をICP発光分光分析装置を用いて調べたところ、原料に用いたCo,Fe,Niの含有量とほぼ同様であり、不純物として表1に示す各元素が検出された。組成の分析は、ICP発光分光分析法の他、原子吸光光度法などでも行える。
【００４４】
【表１】
0005477598.tif 000002
【００４５】
得られた試料No.1の線材についてX線回折による結晶構造解析を実施して組織を調べたところ、立方晶組織であった。
【００４６】
得られた試料No.1,No.100の線材について、磁気特性としてキュリー温度(℃)、電気特性として比抵抗(μΩ・cm)、熱特性として熱膨張係数(ppm/K)を測定した。その結果を表2に示す。
【００４７】
キュリー温度は、市販の熱量計を用いて測定した。比抵抗は、常温(ここでは20℃程度)における値を四端子法によって測定した。熱膨張係数は、30℃〜500℃の温度範囲についての値を市販の測定器を用いて測定した。
【００４８】
また、得られた試料No.1,No.100の線材について、キュリー温度に到達するのに必要な通電電流を演算により求めた。その結果を表2に示す。演算は以下のように行った。
【００４９】
線材の表面積をS、線材の単位面積単位時間あたりの熱伝達率をν、線材の固有抵抗をR、通電電流値をi、常温をθ0、線材の温度をθとするとき、(θ-θ0)＝R×i2/(S×ν)の関係式が成り立つ。この関係式に、常温θ0＝20℃、線材の温度θ＝表2に示すキュリー温度、固有抵抗R＝ρ×l/(πr2)、表面積S＝0.11m2、熱伝達率ν＝10W/m2/Kを代入して、通電電流値iを求めた。固有抵抗Rについて、ρは表2に示す比抵抗、lは線材長さ60mm、rは線材の半径0.3mmである。
【００５０】
【表２】
0005477598.tif 000003
【００５１】
表2に示すように、特定の組成のCo,Fe,Niの三元合金であって、立方晶組織を有する鉄族合金から構成された試料No.1の線材は、キュリー温度が高く(900℃以上)、かつ低抵抗であること(ここでは常温における比抵抗が9μΩ・cm以下であること)が分かる。また、試料No.1は、キュリー温度が高いことで、キュリー温度に達するまでに通電可能な電流値が高いことが分かる。従って、試料No.1の線材は、大電流を流した場合にも、キュリー温度に達し難く、かつ比抵抗が小さいことで高温になり難く、温度上昇に伴う磁気特性や電気特性の劣化が少ないことから、大電流用途に好適に利用できると期待される。
【００５２】
更に、試料No.1の線材は、Coを多く含みながらも、1mm以下といった細線にまで伸線加工を良好に施すことができ、加工性にも優れることが分かる。試料No.1の線材を所定の長さに切断し、一端側にプレス加工を施した。ここでは、リードスイッチ用リード片の接点部を模擬して、平板形状に成形した。成形後、一端側を目視により確認したところ、縁部に割れなどが生じていなかった。このことからも、試料No.1の線材は、加工性に優れることが分かる。
【００５３】
加えて、試料No.1の線材は、30℃〜500℃といった広い温度範囲において熱膨張係数が小さく、大電流を流した場合に仮に高温になっても、熱伸縮量が小さいといえる。
【００５４】
上述のように特定の組成のCo,Fe,Niの三元合金であって、立方晶組織を有する鉄族合金から構成された線材は、キュリー温度が高く、比抵抗が小さく、塑性加工性にも優れることから、リードスイッチ用リード片や、このリード片を具えるリードスイッチの素材に好適に利用できると期待される。また、この線材は、大電流を流した場合にも温度が上昇し難く、温度上昇に伴う特性の劣化や、リードスイッチ用ガラス管との接合不良などが生じ難く、大電流用途のリードスイッチの素材に好適に利用できると期待される。勿論、この線材は、低電流用途のリードスイッチの素材にも好適に利用できると期待される。更に、この線材は、仮に高温になっても熱伸縮量が少ないことから、リードスイッチ用ガラス管との密着状態も維持し易く、リードスイッチの長寿命化に寄与することができると期待される。
【００５５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能である。例えば、鉄族合金の組成、線径などを変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のリードスイッチ用線材は、リードスイッチに具えるリード片の素材に好適に利用できる。本発明のリードスイッチ用リード片は、リードスイッチの構成部品に好適に利用できる。本発明のリードスイッチは、永久磁石や電磁石と組み合わせて、各種の電気・電子機器におけるスイッチング部品やセンサ部品などに好適に利用できる。具体的なスイッチング部品やセンサ部品としては、車載部品では、リードリレー、スピードセンサや衝撃センサなど、家庭用電気機器の部品では、リードリレー、防犯センサ、ガス流量センサなど、携帯用電気機器の部品では、携帯電話などの近接センサが挙げられる。
【符号の説明】
【００５７】
10  リードスイッチ  20  リード片  21  固定部  22  接点部
30  ガラス管
【図１】
0005477598.tif 000004