(57)【要約】【課題】  簡易な構造で、小型化できながら短時間で直流を遮断できる直流リレーを提供する。【解決手段】  本発明リレーは、第１・第２・第３の３つの接点対を具える。第１接点対A,Bは、直流電源と負荷とがつながれる回路を開閉する。この第１接点対と並列に蓄電手段が配される。第２接点対B,Cは、蓄電手段と直列に配されると共に、第１接点対における導通と遮断の移行期に直流電源から蓄電手段を介して負荷へつながる閉回路を形成し、蓄電手段を充電させる。第３接点対E,Fは、第１及び第２接点対の開放時に、蓄電手段と直列に接続されて、蓄電手段に蓄積された電荷を放電する。【選択図】  図１
2004335436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷とがつながれる回路を開閉する第１接点対と、
この第１接点対と並列に配される蓄電手段と、
蓄電手段と直列に配されると共に、第１接点対における導通と遮断の移行期に直流電源から蓄電手段を介して負荷へつながる閉回路を形成し、蓄電手段を充電させる第２接点対と、
第１及び第２接点対の開放時に、蓄電手段と直列に接続されて、蓄電手段に蓄積された電荷を放電する第３接点対とを有することを特徴とする直流リレー。
【請求項２】
第１及び第２接点対の開放時に、蓄電手段および第３接点対と閉回路を形成して蓄電手段に蓄電された電荷を消費する抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
【請求項３】
第１、第２、第３接点対は順次配列され、
第１及び第２接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第１中間接点と、
第２及び第３接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第２中間接点と、
導通時と遮断時の移行時には第２接点対のみを閉じるよう、第１中間接点を第２接点対側に付勢する第１弾性材と、第２中間接点を第２接点対側に付勢する第２弾性材とを有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
【請求項４】
第１、第２、第３接点対は順次配列され、
第１及び第２接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第１中間接点と、
第２及び第３接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第２中間接点と、
導通時と遮断時の移行時には第２接点対のみを閉じるよう、第１中間接点を第２接点対側に付勢する第１弾性材と、第１中間接点と第２中間接点とを近接する方向に付勢する第３弾性材とを有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
【請求項５】
第１、第２、第３接点対は順次配列され、
第１及び第２接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第１中間接点と、
第２及び第３接点対の間に介在されて両接点対の開閉を行う第２中間接点と、
導通時と遮断時の移行時には第２接点対のみを閉じるよう、第２中間接点を第２接点対側に付勢する第２弾性材と、第１中間接点と第２中間接点とを離反する方向に付勢する第４弾性材とを有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
【請求項６】
接点の接触部は、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内にあることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の直流リレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流のリレーに関するものである。特に、簡易な構造にてアークの発生を抑制し、確実に直流電流を遮断できる直流リレーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題からハイブリッド自動車や燃料電池自動車のような高電圧（約３００Ｖ）の自動車が開発されてきている。これらの自動車は、直流高電圧の主電池と高電圧回路からなる制御回路を具えている。また、主電池は直流高電圧であるので、事故時などには電池を制御回路から切り離す必要があり、電池と制御回路との間にはメカニカル接点の直流リレーを具える。
【０００３】
これらリレーは、直流高電圧を遮断するときに発生するアークが非常に大きくなることから、遮断速度が非常に遅く、短時間で遮断するのは非常に難しい。
【０００４】
そこで、従来では、アーク発生部に磁石を設置してローレンツ力によりアークを引き伸ばす構造（例えば特許文献1参照。）がある。また、水素などの冷却効果の大きい気体をアーク発生部に封入してアークの発生を抑える構造（例えば特許文献２参照。）もある。さらに、磁石とアークの発生を抑える気体とを併用する場合もある（例えば特許文献1参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２０３３６８号公報（図１）
【特許文献２】特開平９−３２０４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の直流リレーにおいて、特許文献１に示すように、アーク発生部に磁石を設置して、磁界の作用によりアークを引き伸ばす場合、リレーの即時遮断に必要なアークの引き伸ばし量を確保する必要がある。そのため、アークを引き伸ばす空間を確保するとともに、そのアーク引き伸ばし量に見合った磁力を有する磁石を配置しなければならない。その結果、リレー全体が大型化してしまう問題がある。
【０００７】
さらに、リレーの接点を固定接点と可動接点とする場合、可動接点は、接点開閉方向に直線的に移動させるようにしているため、可動接点の移動量も確保する必要がある。
【０００８】
また、特許文献２に示すように、水素などの気体でアークの発生を抑制する構造とする場合には、気体をケース内に完全に密閉できるケース構造を必要とする。この場合、ケースはアークによる耐熱性が必要となって高価なもの（例えばセラミックなど）となる。気密性および耐熱性を上げるためには、ケースの厚みを大きくとる必要があり、ケースの形状が大きくなる問題もある。また、耐熱性が得られない場合には、廃車までメンテナンスをせずに気密性を維持することは非常に困難となる。
【０００９】
このように、水素などの気体を封入する場合には、気体が封入された状態を長期間保持するために大型化が要求され、さらに構造も複雑となる。その結果、自動車という限られたスペースに搭載する機器において性能を落とすことなく小型化を実現することは非常に困難であった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、簡易な構造で、小型化できながら短時間で直流を遮断できる直流リレーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、３つの接点対を具えると共に、導通と遮断との移行期に電荷を蓄える蓄電手段を用いることで上記の目的を達成する。
【００１２】
即ち、本発明の直流リレーは、３つの接点対を具える。一つ目の接点対は、直流電源と負荷とがつながれる回路を開閉する第１接点対である。この第１接点対と並列に蓄電手段が配される。二つ目の接点対は、蓄電手段と直列に配されると共に、第１接点対における導通と遮断の移行期に直流電源から蓄電手段を介して負荷へつながる閉回路を形成し、蓄電手段を充電させる第２接点対である。そして、三つ目の接点対として、第１及び第２接点対の開放時に、蓄電手段と直列に接続されて、蓄電手段に蓄積された電荷を放電する第３接点対を有することを特徴とする。
【００１３】
このように、３つの接点対を用い、導通と遮断との移行期に電荷を蓄える蓄電手段を用いることで第１接点対の間に高い電位差が生じることを防止し、遮断時に第１接点対間にアークが生じることを抑制することができる。また、第３接点対を用いることで、蓄電手段に蓄積された電荷を放電することができる。
【００１４】
ここで、第１接点対は、直流電源と負荷とが接続される回路の導通・遮断を行う最も基本的な機能を果たす。
【００１５】
第２接点対は、第１接点対における開放と閉鎖との移行期に閉じた状態に構成される。つまり、第１接点対の開放から閉鎖への移行期と、同接点対の閉鎖から開放への移行期において、第２接点対のみが閉じた状態に構成されるように各接点対の開閉が制御される。
【００１６】
蓄電手段にはコンデンサを用いることが好ましい。蓄電手段の放電を行うための第３接点対は、遮断時、つまり第１及び第２接点対の開放時に蓄電手段に蓄電された電荷を放電する。この第３接点対の一方の接点は、抵抗に接続されることが好ましい。この構成により、蓄電手段、第３接点対および抵抗とで閉回路を形成して蓄電手段に蓄電された電荷を消費することができる。
【００１７】
このような直流リレーの各接点対は、導通時に第１及び第２接点対のみを閉じ、遮断時には第３接点対のみを閉じ、導通時と遮断時との間である移行期には第２接点対のみが閉じるように制御される。このような接点対の開閉制御は、例えば、第１、第２、第３接点対を順次配列し、中間接点と弾性材とを組み合わせて、中間接点を可動させることで容易に実現できる。中間接点には、第１接点対と第２接点対との間で第１接点対の開閉を行う第１中間接点と、第２接点対と第３接点対との間で両接点対の開閉を行う第２中間接点とを用いる。中間接点の可動にはソレノイドやモータを用いることが好ましい。その具体的な構成には、各中間接点に対して組み合わせる弾性材の配置個所や付勢方向などにより、次の３つの構成が挙げられる。
【００１８】
(1)：第１中間接点を第２接点対側に付勢する第１弾性材と、第２中間接点を第２接点対側に付勢する第２弾性材とを用いる。ここで、第１、第２弾性材はいずれも圧縮に対して反発するものを用いる。その際、第１弾性材は、第２弾性材よりも強い反発力を有することが好ましい。そして、第１中間接点は、第１弾性材の反発力に抗して駆動できるように制御される。
【００１９】
(2)：第１中間接点を第２接点対側に付勢する第１弾性材と、第１中間接点と第２中間接点とを近接する方向に付勢する第３弾性材とを用いる。ここで、第１弾性材は圧縮に対して反発力を有するものを、第３弾性材には引張に対して収縮力を有するものを用いることが好適である。そして、第１中間接点は、第１弾性材の反発力に抗して駆動できるように制御される。
【００２０】
(3)：第２中間接点を第２接点対側に付勢する第２弾性材と、第１中間接点と第２中間接点とを離反する方向に付勢する第４弾性材とを用いる。ここで、第２・第４弾性材は、いずれも圧縮に対して反発力を有するものを用いる。その際、第２弾性材は、第４弾性材よりも強い反発力を有することが好ましい。そして、第１中間接点は第４弾性材の反発力に抗して駆動するように制御される。
【００２１】
いずれの構成においても、弾性材にはコイルばねが好適である。その他、ゴムを利用することも考えられる。
【００２２】
さらに、接点対や中間接点は、その接触部を、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内にあるように形成することが好ましい。
【００２３】
Snの含有量を1〜9質量％とするのは、1質量％未満では、接点の耐溶着特性が低下し、9質量％を超えると接点の温度特性が低下するからである。好ましくは、2〜7質量％である。
【００２４】
ここで、耐溶着特性とは、接点が切れない状態、特に接点がくっついたまま離れない溶着の起こりにくさをいう。また、温度特性とは、通電時の接点の温度上昇の度合いをいい、温度特性が良いとは、通電により接点の温度が上昇しにくく、リレーに接続されるケーブルや機器に熱的な影響を与えにくいことをいう。
【００２５】
また、Inの含有量を1〜9質量％とするのは、この範囲外の含有量の場合には接点の温度特性が低下するからであり、さらに、9質量％を超えると、Snの含有量にもよるが、耐溶着特性が低下するからである。好ましくは、3〜7質量％である。
【００２６】
第一層の硬度（通常5g荷重負荷）をマイクロビッカース硬度で190以上にするのは、このレベル未満になると、耐溶着特性や温度特性が低下するからであり、第二層の硬度をマイクロビッカース硬度で130以下にするのは、このレベルを超えると、接点が脆弱化して耐摩耗性が低下するからである。
【００２７】
第一層の硬度は240以上、第二層のそれは120以下であるのが望ましい。なお、本発明での硬度は、接点の表面に垂直な断面上の第一層および第二層のそれぞれの域内における任意の地点でマイクロビッカース硬度にて確認したものである。本発明における接点では、第一層、第二層それぞれの層内に硬度分布があっても構わない。
【００２８】
また、通常第一層から第二層にかけて境目に硬度落差（マイクロビッカース硬度で60以上）があり、この境目には両層の中間の硬度を有する（すなわちその硬度が、第一層の下限硬度未満かつ第二層の上限硬度を超える範囲内にある）領域（以下中間部という。）がある。
【００２９】
第一層の厚みは、10〜360μmとする。下限未満では、耐溶着特性や温度特性が低下し、上限を超えると接点の温度特性が低下するからである。好ましくは30〜120μmである。また、第一層と第二層を有する接点部は、中間部のあるものも含まれるが、その場合の中間部の厚みは200μm以下であるのが望ましい。200μmを超えると接点の温度特性が低下しやすくなる。好ましくは100μm以下である。
【００３０】
前記接点部には、上記基本成分に加え、さらに、Sb、Ca、Bi、Ni、Co、ZnおよびPbの群から選ばれた少なくとも1種の元素が、従成分として含まれていてもよい。通常、これらの成分の大部分は、Agマトリックス中に化合物、特に酸化物の形態で分散される。
【００３１】
但し、個々の成分によって望ましい分散量範囲が異なる。例えば、いずれも元素換算された質量％単位で0.05〜2(Sb)、0.03〜0.3(Ca)、0.01〜1(Bi)、0.02〜1.5(Ni)、0.02〜0.5(Co)、0.02〜8.5(Zn)、0.05〜5(Pb)である。なお、括弧内は対象元素である。以上の各成分種において、その量が上記の範囲外になると、直流リレーの種類によっては温度特性が低下することがあり、特に上限を超えるとリレーの種類によっては同時に耐溶着特性も低下することがある。
【００３２】
通常は、以上の従成分が接点の性能に若干影響を及ぼすが、これ以外の成分としては、例えば以下のものが挙げられる。これらはいずれも本発明の目的の範囲内で微量に含まれても構わない。なお成分によって望ましい含有量が異なるが、括弧内数値のうち元素記号で表示されたものは、元素換算された質量％単位で、分子式で表示のものは、同分子換算された質量％単位で表したその許容上限値である。Ce(5)、Li(5)、Cr(5)、Sr(5)、Ti(5)、Te(5)、Mn(5)、AlF3(5)、CrF3(5)およびCaF2(5)、Ge(3)およびGa(3)、Si(0.5)、Fe(0.1)およびMg(0.1)。
【００３３】
第一層および第二層を有する接点部を作製する方法としては、溶解・鋳造法、粉末冶金法などが挙げられる。
【００３４】
例えば、溶解・鋳造法では、以下の手順がある。まず第一層および第二層それぞれの化学組成となるように溶解・鋳造されたインゴットを作り、これらを粗く圧延した後、二種の圧延材を熱間圧着する。その際、またはその後、必要により上記した純Agなどの薄い接続層を圧着する。
【００３５】
これをさらに圧延して所定の厚みの板状に形成した後、打ち抜き、またはさらに成形し、最終形状に近いサイズのAg合金素材とし、さらに、この素材を内部酸化（後酸化法）してSn、Inなどの金属成分を酸化物に転換する。
【００３６】
なお、溶解・鋳造に先立ち成分元素の酸化物以外の化合物を含ませることもできる。また、必要に応じて、圧延以降に適宜熱処理や形状を調整する工程などを入れる。この場合、熱処理条件の工夫によって、各層の微細組織を意識的に制御して材料特性やそのレベルなどを変えることができる。
【００３７】
また、粉末冶金法で接触部を作る場合は、例えば、予めSnやInなどの粉末とAgの粉末とを二種の所定組成にて配合・混合した後、熱処理して内部酸化（前酸化法）させ、得られた二種の粉末を型内に積層・充填して圧縮成形しプリフォームとする。なお、SnやInなどの粉末とAgの粉末とは、他の化合物も一緒に混合してもよい。
【００３８】
そして、このプリフォームには熱間押し出し、熱間・冷間ロール圧延、熱間鍛造など各種の塑性加工が適用できる。さらに上記した鋳造法と同様に、必要に応じて圧延以降に熱処理や形状を調整する工程などを入れる。熱処理条件の工夫によって各層の所望の特性制御が可能になる。
【００３９】
また、第二層の素材のみを上記に準じた溶解・鋳造法や粉末冶金法の手順で作成した後、第一層を、溶射、CVDなどによる厚膜形成、スクリーン印刷などによる厚膜印刷、塗布後焼付けなど様々な手段によって形成してもよい。さらに、第一層を構成する合金板と第二層を構成する合金板との接合には、例えば熱間静水圧成形法による拡散接合、熱間押し出しなど種々の手段が適用できる。また、熱処理を施すことによって、各層の微細組織を意識的に制御して、所望の特性を得ることもできる。
【００４０】
さらに、本発明リレーでは、接点部を形成するAg合金素材を上記の条件の範囲内にあり、第一層と第二層とが同じ化学組成であるものも含まれる。第一層と第二層とを同じ化学組成にする場合、後述する手段により両層の硬度レベルを異なるようにする。
【００４１】
例えば第一層だけを急熱・急冷し、第一層の残留応力を第二層のそれより大きくする方法、表面の第一層だけにショットブラスト加工を施して加工硬化する方法がある。
【００４２】
また、Ag合金板に熱間圧延や冷間圧延に加え熱処理を施す、いわゆるサーモメカニカルプロセッシング（熱加工処理）を行った後、内部酸化を行って、第一層に第二層より微細な針状の酸化物粒子を析出させ、表面の硬度を高める方法がある。また、第一層および第二層のAg合金板を圧延加工や熱間圧着する際に第一層と第二層の鍛錬加工比を変えて行う方法もある。
【００４３】
さらに、接触部の素材は、上記条件の範囲内にあり、しかも第一層中のSnの含有量が第二層のそれと同じか、またはそれよりも多いものも含まれる。これによって、第二層の硬度よりも第一層の硬度の方が、ほぼ確実に高くなる。
【００４４】
前記接触部は、溶解・鋳造法や、粉末冶金法などにより形成するが、このとき、第一層および第二層を内部酸化させることが好ましい。内部酸化法には、後酸化法と前酸化法とがある。後酸化法とは、合金の状態で最終接点形状に仕上げるか、その近くまで成形した後に、内部酸化をする方法である。前酸化法とは、合金の粉末または粒を内部酸化させておいて、これらを成形、圧縮・焼結する方法である。
【発明の効果】
【００４５】
以上説明したように、本発明直流リレーによれば、３つの接点対を用い、かつ負荷への電力供給を導通遮断する第１接点対と並列に蓄電手段を用いることで、遮断時に第１接点対に大きな電位差が生じることを回避し、アークの発生を抑制する。
【００４６】
また、遮断時には、第３接点対を介して蓄電手段の放電を行うことで、アークの発生を抑制することができる。
【００４７】
さらに、接点の接触部を耐溶着特性に優れた材料で形成することにより、リレーの短絡時に大電流が流れても接点が溶着せずに確実に遮断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
＜実施形態１＞
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明リレーの概略構成図で、(A)は遮断時、(B)は移行期、(C)は導通時を示している。図２〜図４は本発明リレーを用いた回路図で、図２は遮断時、図３は移行期、図４は導通時を示している。
【００４９】
（直流リレーの構成）
図１に示すように、本発明リレーは、上から順に第１接点対A,B、第２接点対C,D、第３接点対E,Fを具えている。そのうち、第１・第２接点対の間には第１中間接点10が配され、第２・第３接点対の間には第２中間接点15が配されている。
【００５０】
第１中間接点10は円盤状で、ソレノイド20の駆動軸21に固定されて、ソレノイド20の駆動により、その上面が第１接点対A,Bに接触離反するように構成されている。駆動軸21は、その根元側に絶縁部材22を有し、駆動軸の根元側と先端側とを電気的に絶縁している。
【００５１】
また、第１中間接点10の下面には、ソレノイドの駆動軸21に貫通されると共に、円筒状の絶縁スペーサ11が固定されている。この絶縁スペーサ11は、第１中間接点10の駆動に伴って次述する第２中間接点15を押圧して駆動する。その際、このスペーサ11は、第１接点対A,Bを閉じる場合には第２中間接点15に接触せず、第３接点対E,Fを閉じる場合には第２中間接点15に接触するような長さに形成されている。
【００５２】
一方、第２中間接点15は、ソレノイドの駆動軸21に貫通される環状板で、その上面が第２接点対C,Dに、その下面が第３接点対E,Fに接触離反するように構成されている。また、第２中間接点15は、上述したスペーサ11が第２中間接点15の内周縁部を押圧できるような内径を有している。さらに、この第２中間接点15は、後述する第２圧縮ばね32の上端に支持されている。
【００５３】
そして、第１接点対A,Bの上部には、第１圧縮ばね31のばね座40が固定されている。
【００５４】
ここで、ばね座40と第１中間接点10との間に第１圧縮ばね31（第１弾性材）が配され、第２中間接点15とソレノイド本体の上面との間に第２圧縮ばね32（第２弾性材）が介在されている。第１圧縮ばね31は、第２圧縮ばね32よりも反発力が強い。すなわち、第１圧縮ばね31の方がばね定数が大きい。これら圧縮ばね31,32はいずれもプラスチックなどの絶縁材料で構成されている。
【００５５】
そして、これら各接点対は、直流電源と負荷とが接続される回路において、図２〜図４に示すように、直流電源の高圧側に接続される。
【００５６】
なお、各接点対、中間接点のそれぞれの接触部は、Snを1〜9質量％含み、Inを1〜9質量％含む化学組成のAg合金からなり、表面部の第一層と内部の第二層とを有し、第一層のマイクロビッカース硬度が190以上、第二層のマイクロビッカース硬度が130以下であり、第一層の厚みが、10〜360μmの範囲内である合金で形成されている。さらに各接触部は、チップ状態で後酸化法により内部酸化させている。例えば、チップを4気圧(405.3kPa)の酸素雰囲気中750℃で170時間保持する。
【００５７】
なお、以下に示す実施形態２および実施形態３も各接点対、中間接点の接触部は、実施形態１と同じ材料で形成している。
【００５８】
まず、直流電源に第１接点対A,Bと、コンデンサC0（蓄電手段）と、抵抗Rとが並列に接続される。このコンデンサC0の下流側には、第２・第３接点対C,D,E,Fが並列に接続される。そして、第２接点対C,Dの下流側接点は負荷側に、第３接点対E,Fの下流側接点は抵抗Rに接続される。
【００５９】
このコンデンサC0の容量は、アークのエネルギーをPとしたとき、P＝1／2・C・V・Vとなるように定めれば良い。アークの発生は1ms程度であり、移行期の維持時間は数msで十分である。
【００６０】
また、抵抗Rの抵抗値は、このリレーの開閉間隔により決めることができる。つまり、遮断されたリレーが次に導通されるまでの間にコンデンサの電荷を放電できる値に設計すれば良い。
【００６１】
（直流リレーの動作）
このような直流リレーの動作を説明する。図２は遮断時の状態を示し、ソレノイド20はオフ（フリーな状態）となっている。その際、第１圧縮ばね31の反発力が第２圧縮ばね32の反発力に打ち勝って第１中間接点10が下降され、それに伴ってスペーサ11が第２中間接点15を押し下げて、第３接点対E,Fが第２中間接点15により閉じた状態に保持されている。つまり、遮断時においては第３接点対E,Fのみが閉じられ、第１・第２接点対A,B,C,Dは開いている。この場合、コンデンサC0、第３接点対E,F、抵抗Rとつながる閉回路が形成され、コンデンサC0が蓄電されていても、その電荷が抵抗Rで消費されることによりコンデンサC0の放電が行われる。
【００６２】
次に、導通へと移行する場合、図３に示すように、ソレノイド20をオンにし、第１圧縮ばね31の反発力に抗して第１中間接点10を上方に駆動する。その際、第２圧縮ばね32の作用により第２中間接点15は第２接点対C,Dに接触される。一方、第１中間接点10は上方に駆動されつつあるが、まだ第１接点対A,Bには接触していない。つまり、移行期では、第２接点対C,Dのみが閉じられ、第１・第３接点対A,B,E,Fは開いた状態となっている。遮断から導通へと移行する際、負荷へは一時的に電流が流れるが、コンデンサC0が充電されるまでの極わずかな間だけであり、負荷へ供給される電力もコンデンサC0で制限されるため、急激に過大な電流が負荷へ供給されることを抑制できる。
【００６３】
さらに、導通時、図４に示すように、ソレノイド20により第１中間接点10を上方に駆動すると、第１中間接点10は第１接点対A,Bに接触する。そのとき、絶縁スペーサ11の下端が第２中間接点15から離れ、第２中間接点15は第２圧縮ばね32に押圧されて第２接点対C,Dに接触された状態となる。つまり、導通時には第１接点対A,Bと第２接点対C,Dが閉じた状態となり、第３接点対E,Fのみが開放した状態となる。第１接点対A,Bが閉じられることで、直流電源から負荷への電力供給が行われる。第２接点対C,Dも閉じた状態に保持されるが、コンデンサC0、第２接点対C,D、第１接点対A,Bをつなぐ閉回路が形成されるため、コンデンサC0の電荷は放電されることになる。
【００６４】
そして、導通から遮断に移行する際は、上述した動作と逆に、図２の状態から図３の移行期を経て図４の状態に移行される。その間、過渡的に図３に示すように、第２接点対C,Dのみが閉じた状態が形成される。その際、直流電源、コンデンサC0、第２接点対C,Dおよび負荷が順次接続される閉回路が形成され、コンデンサの充電が行われるため、その間、第１接点対A,B間に大きな電位差が生じることがなく、第１接点対A,Bの開放に伴うアークの発生を抑制することができる。
【００６５】
さらに、実施形態１にかかる直流リレーでは、各接点対、中間接点の接触部を耐溶着性に優れた材料で形成しているので、短絡時に大電流が流れても、接点が溶着することなく接点を離反させることができる。
【００６６】
＜実施形態２＞
次に、図５に示す実施形態を説明する。この実施形態は、実施形態１の第２圧縮ばね32を省略し、その代わりに第１中間接点10と第２中間接点15との間に引張ばね33（第３弾性材）を配した構成である。遮断時、移行期、導通時における各接点対A〜Fの開閉状態は実施形態１と同様である。
【００６７】
以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。本実施形態では、第１中間接点10と第２中間接点15とを引張ばね33で連結し、常時は第２中間接点15を上方に付勢するように構成した。引張ばね33は、自由長において各ターン間に隙間を有するものを用いている。
【００６８】
この実施形態においても、実施形態１と同一符号は同一部材を示す。つまり、ばね座40は第１圧縮ばね31の端部を支持している。第１中間接点10は円盤状であり、ばね座40および第２中間接点15はリング状である。また、絶縁スペーサ11、第１圧縮ばね31および引張ばね33は全て絶縁材料で構成されている。
【００６９】
遮断時、ソレノイド20がオフであり、第１圧縮ばね31の作用により、第１中間接点10が押し下げられ、それに伴って第３接点対E,Fが閉じた状態に保持される。この遮断時において、第１圧縮ばね31は自由長で、引張ばね33は自由長より若干縮められた状態となっている。つまり、第１圧縮ばね31の反発力により引張ばね33は縮められている。
【００７０】
移行期は、ソレノイド20がオンとなって第１中間接点10を押し上げ、それに伴って引張ばね33の作用により第２中間接点15も引き上げられ、第２接点対C,Dは閉じた状態に保持される。このとき、第１圧縮ばね31は若干圧縮され、引張ばね33には第２中間接点15を吊り下げた分だけ自由長から伸びが与えられる。
【００７１】
導通時、さらに第１中間接点10が押し上げられ、第１接点対A,Bを閉じた状態に保持する。このとき、第１圧縮ばね31はさらに圧縮され、引張ばね33はさらに引き伸ばされた状態となる。そして、第２接点対C,Dも閉じた状態に保持される。
【００７２】
この実施形態２でも、実施形態１と同様に接点対を開閉することができ、同様の作用効果を実現することができる。
【００７３】
さらに、実施形態２にかかる直流リレーでも、各接点対、中間接点の接触部を耐溶着性に優れた材料で形成しているので、短絡時に大電流が流れても、接点が溶着することなく接点を離反させることができる。
【００７４】
＜実施形態３＞
次に、図６に示す実施形態を説明する。この実施形態は、実施形態１の第１圧縮ばね31を省略し、その代わりに第１中間接点10と第２中間接点15との間に第３圧縮ばね34（第４弾性材）を配した構成である。遮断時、移行期、導通時における各接点対A〜Fの開閉状態は実施形態１と同様である。
【００７５】
以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。本実施形態では、第１中間接点10と第２中間接点15との間に第３圧縮ばね34を配し、常時は第１中間接点10を上方に付勢するように構成した。この第３圧縮ばね34は、第２中間接点15とソレノイド本体の上面との間に配される第２圧縮ばね32よりも反発力が弱い、つまりばね定数が小さいものを用いる。
【００７６】
この実施形態においても、実施形態１と同一符号は同一部材を示す。つまり、第１中間接点10は円盤状であり、ばね座40および第２中間接点15はリング状である。また、絶縁スペーサ11、第２圧縮ばね32および第３圧縮ばね34は全て絶縁材料で構成されている。
【００７７】
遮断時、ソレノイド20がオンであり、第１中間接点10と第２中間接点15は押し下げられて、第３接点対E,Fのみが閉じた状態に保持される。このとき、第２圧縮ばね32、第３圧縮ばね34はいずれも圧縮された状態にある。
【００７８】
移行期には、ソレノイド20がオフになり、第２圧縮ばね32の反発力により第２中間接点15が押し上げられて第２接点対C,Dを閉じた状態に保持する。そのとき、第２圧縮ばね32はほぼ自由長に近い状態となり、第３圧縮ばね34は自由長から若干圧縮された状態にある。そして、第１中間接点10は第３圧縮ばね34の反発力で押し上げられるが、まだ第１接点対A,Bに接触はしていない。
【００７９】
導通時、第１中間接点10は第３圧縮ばね34によりさらに上方に押し上げられて、第１接点対A,Bを閉じた状態に保持する。そのとき、第３圧縮ばね34はほぼ自由長となる。そして、第２中間接点15も第２圧縮ばね32の作用により第２接点対C,Dを閉じた状態に保持している。
【００８０】
この実施形態３でも、実施形態１と同様に接点対を開閉することができ、同様の作用効果を実現することができる。
【００８１】
さらに、実施形態３にかかる直流リレーでも、各接点対、中間接点の接触部を耐溶着性に優れた材料で形成しているので、短絡時に大電流が流れても、接点が溶着することなく接点を離反させることができる。
【００８２】
さらに、前記した実施形態１に係る構造の直流リレーについて、各接点の接触部に表１に示す「化学組成」欄に示す第一層と第二層の二種の化学組成のAg合金を用いたものを作製して耐溶着特性および温度特性を調べてみた。
【実施例１】
【００８３】
これらのAg合金は、まず、第一層と第二層の二種の化学組成のAg合金を溶解・鋳造してインゴットを作製した。これらをそれぞれ粗加工した後、第一層と第二層のインゴットを重ね合わせ、アルゴン雰囲気中850℃で熱間ロールによって熱間圧着し、二層のAg合金からなる複合素材を作製した。
【００８４】
得られた複合素材を熱間圧着と同じ条件下で予備加熱した後、最終的に全体の厚みの1/10の厚みとなるように薄い純Ag板を第一層とは反対側の第二層の面に熱間圧着した。その後、さらに冷間圧延してフープ状素材とし、これを打ち抜いて、幅6mm、長さ8mm、厚み2.5mmの複合接点チップを作製した。
【００８５】
得られたチップを4気圧(405.3kPa)の酸素雰囲気中750℃で170時間保持(内部酸化)して複合接点試片とした。得られた試片の第一層の厚みは表１の通りであり、Ag層の厚みは、各チップ厚みのほぼ1/10であった。
【００８６】
上記第一層の厚みは、接点の中心を通り表面に垂直な断面試片を用いて、例えば、以下のようにして確認することができる。まず、表面付近の試片面上で表面に水平な方向に等間隔に5箇所の起点を設定する。次いで、これら各々の点から表面に垂直な(厚み)方向に表面から順次ほぼ等間隔に硬度を確認し、5本の硬度曲線(折れ線グラフ)をつくる。
【００８７】
そして、ある起点において、硬度レベルが190である水平線とこの曲線との交点をとり、表面からこの交点までの水平距離をその起点での第一層の厚みとする。以下、残り4箇所の起点についてもその起点での第一層の厚みをとり、得られた5つのデータの算術平均値を第一層の厚みとしてもよい。第二層の厚みも同様にして測定することができる。
【００８８】
このとき、硬度レベルが130である水平線との交点をとり、表面からこの交点までの水平距離をある起点における第二層の厚みとするとよい。そして、中間層を具える場合、硬度レベルが190である水平線との交点と、硬度レベルが130である水平線との交点間の水平距離をある起点における中間層の厚みとするとよい。本例では、上記の手順にて第一層の厚みを測定した。
【００８９】
【表１】
2004335436.tif 000003
【００９０】
なお、表中の試料番号に＊を付したものは比較例である。試料11から試料18のその他の成分Sb、Ni、Biの量は、何れも0.2質量％である。また、試料19から試料27の第一層・第二層の化学組成は、何れも同じであり、その他の成分とその量は、両層とも質量％単位でSb、Co、Znが何れも0.2である。
【００９１】
試料28のその他の成分とその量は、質量％単位でSb、Pb、Ni、Bi、Co、Znが何れも0.1、Caが0.2である。試料29のその他の成分とその量は、質量％単位でSb、Ni、Ca、Bi、Co、Znが何れも0.1、Pbが0.5である。試料30から試料32のその他の成分とその量は、質量％単位でNi、Znが何れも0.2である。なお、第一層・第二層の化学組成は、表に記載された成分以外の残部は、Agおよび不可避的不純物からなる。
【００９２】
なお、表１で試料1から試料10は、SnおよびInの量を変化させて各層の硬度を制御した試料群である。試料11から試料18は、SnおよびInの量を変えるとともに、これら以外のその他の成分をさらに添加した試料群である。試料19から試料27は、第一層の厚みを変化させた試料群である。
【００９３】
また試料28から試料34は、第一層・第二層の両層が同じ化学組成のものである。これらのものでは、以下のようにして第一層の硬度を制御した。まず試料28から試料33は、第一層の圧延加工断面積比を第二層の50％増しとするとともに、第一層素材の圧延加工途中において同素材を真空中、450℃で30分間焼鈍を行い、さらに、内部酸化後に♯１２０のアルミナビーズによって第一層表面に投射圧3kgf/cm2(294kPa)で3分間ショットブラスト加工を加えた。
【００９４】
試料34は、圧延加工途中の焼鈍温度と時間をそれぞれ750℃、5時間とした以外は以上の試料と同じ条件で作製したものである。なお、表１には記載しないが、試料33と試料34ではそれぞれ厚みが190μm、230μmの中間部が形成されていた。
【００９５】
なお、試料35は、第一層のSnやInの酸化物の量を第二層よりも少なくして、第一層の硬度を第二層の硬度よりも低くしたものであって、表１に記載の化学組成の第一層と第二層のAg合金を溶解鋳造後、熱間圧着・圧延した後、これを上記と同じ条件にて内部酸化したものである。
【００９６】
また、試料36は、表１に記載の化学組成の第一層と第二層のAg合金を溶解鋳造後、互いの二層の合わせ面上に水平な一方向に１mmピッチで幅１mm、深さ0.5mmの凹凸を形成して、その部分で凹部と凸部とを互いに噛み合わせた状態で熱間圧着し、その後圧延し、さらにそれを上記と同じ条件にて内部酸化したものである。
【００９７】
以上の方法で作製した各試料の硬度の第一層の厚みは、前述の手順にて確認した。以上の結果を表１に示した。なお、表には記載されていないが、試料33、試料34以外の試料の中間部の厚みは、何れも100μm未満であった。
【００９８】
次いで複合接点チップを図１に示す各接点に銀ロウ付けして接触部を形成した。その後、定格AC30Aフレームおよび50Aフレームの二種の直流リレーに固定した。このようなリレーを各試料番号の複合接点チップ対毎に各5台用意した。まず各試料の全てのアッセンブリーを使って、定格電流を100分間通電してこの通電時の温度を測定することにより初期の温度特性を確認した。
【００９９】
次に、220V負荷状態で、30Aフレームの場合は、1.5kAの遮断電流で、50Aフレームの場合は5kAの遮断電流で、各々1台ずつのアッセンブリーを使って遮断試験を行い、耐溶着特性を確認した。
【０１００】
遮断試験後の温度特性は、その後引き続いて定格電流を100分間通電し、この通電時の温度を測定することにより遮断試験後の温度特性を確認した。過負荷試験は、初期温度特性を確認したアッセンブリーを使い、30Aフレーム、50Aフレームとも同定格電流の5倍の電流を流した状態で5秒間隔で開閉を50回繰り返し、その後上記初期確認時と同じ条件で通電時の温度を測定することにより過負荷試験後の温度特性を確認した。
【０１０１】
耐久試験は、初期温度特性を確認したアッセンブリーを使い、30Aフレーム、50Aフレームとも同定格電流を流した状態で、5秒間隔で開閉を6000回繰り返し、その後上記初期確認時と同じ条件で通電時の温度を測定することにより耐久試験後の温度特性を確認した。
【０１０２】
なお、これらの一連の試験での評価は、温度特性については30A・50A両フレームの機種別の結果を総合して5段階評価し、耐溶着特性については、溶着するかしないかで評価した。
【０１０３】
温度特性の5段階評価は、通電時の温度上昇が50℃以下を5、50℃超60℃以下を4、60℃超70℃以下を3、70℃超80℃以下を2、80℃以上を1とした。これらの評価は、表１の試料番号に対応させて表２に示した。なお、表２において、比較例の試料番号には＊を付している。
【０１０４】
【表２】
2004335436.tif 000004
【０１０５】
以上の結果から以下のことがわかる。
(1)第一層、第二層ともSnを1〜9質量％、Inを1〜9質量％の範囲内に制御し、第一層のマイクロビッカース硬度を190以上、第二層のマイクロビッカース硬度を130以下とし、さらに、第一層の厚みを10〜360μmの範囲内に制御した接点を用いたリレーは、上記総合評価において十分実用可能な範囲内にある。一方、上記範囲外の接点を用いたリレーは、総合評価において実用レベルに達していない。
【０１０６】
(2)SnおよびInに加えSbやNiなどの成分を少量含んだ場合でも、同様のことが言える。
(3)比較例となる試料1、試料10、試料18、試料31、試料32、試料35および試料36の接点チップは、硬度レベルが上記範囲外となり、これらの接点チップを組み込んだ直流リレーは、ともに一部の特性を除き総合的に実用レベルの性能が得られなかった。
【実施例２】
【０１０７】
表1の試料24を用いて接点対を構成した模擬的なリレーを作製し、トランスで昇圧してコンデンサに充電し、サイリスタでコンデンサの容量放出と接点を開くタイミングを調整して、短時間大電流が流れる間に接点を開くようにしたときの電圧と電流の状態を調べてみた。その結果を図７に示す。このとき、2600Aの大電流が流れても、接点は溶着せず、接点間の電圧は急激に上昇し確実に遮断できた。
【０１０８】
図７のグラフは、遮断電圧が200Vに達したときに遮断が完了したと判断して、電力供給をやめるようにしているため、電力供給がなくなった時点で、電圧がゼロになっている。このことから、上記特定の材料を接点材料に用いたリレーは、耐溶着性に優れ、高速で遮断できると推測される。
【０１０９】
これに対し、表1の試料27を用いて接点対を構成した場合は、図８に示すように1500Aの大電流が流れたとき、接点が瞬時に溶着してしまい、コンデンサは自然放電し、接点間の電圧の挙動は1msの間しか起こらずしかも10V程度しか変動しないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明リレーは、ハイブリッド自動車などの高電圧(約300V)の自動車における高電圧回路をON・OFFするためのリレーとして利用する場合、限られたスペースの有効利用ができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明リレーの概略構成図で、(A)は遮断時、(B)は移行期、(C)は導通時を示している。
【図２】本発明リレーの遮断時の回路図である。
【図３】本発明リレーの移行期の回路図である。
【図４】本発明リレーの導通時の回路図である。
【図５】本発明実施形態２の概略構成図である。
【図６】本発明実施形態３の概略構成図である。
【図７】実施例１に示す試料24の接点材料を用いたリレー構成の遮断時における電圧と電流の挙動を示すグラフである。
【図８】実施例１に示す試料27の接点材料を用いたリレー構成の遮断時における電圧と電流の挙動を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１２】
10  第１中間接点
11  絶縁スペーサ
15  第２中間接点
20  ソレノイド
21  駆動軸
22  絶縁部材
31  第１圧縮ばね
32  第２圧縮ばね
33  引張ばね
34  第３圧縮ばね
40  ばね座
A、B  第１接点対
C、D  第２接点対
E、F  第３接点対
C0  コンデンサ
R  抵抗
【図１】
2004335436.tif 000005
【図２】
2004335436.tif 000006
【図３】
2004335436.tif 000007
【図４】
2004335436.tif 000008
【図５】
2004335436.tif 000009
【図６】
2004335436.tif 000010
【図７】
2004335436.tif 000011
【図８】
2004335436.tif 000012