(57)【要約】【課題】  毒性の問題が無いCdフリーの接点材料を用い、耐溶着特性と温度特性とを適正に制御できる直流リレーを提供する。【解決手段】  本発明直流リレーは、互いに開閉する接点接触部を有する接点対を備えた直流リレーである。この接点接触部は、Snを1〜9質量％含み、不純物としてのCdが1質量％未満であるAg合金からなる。この接点接触部の表面部において中央層と該中央層より硬度が高い外周層とが形成される。そして、中央層の平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で135mHv以上であり、且つ表面部の全表面積に対する外周層の表面積が32.7〜96.0％の範囲にある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに開閉する接点接触部を有する接点対を備えた直流リレーであって、
前記接点接触部は、Snを1〜9質量％含み、不純物としてのCdが1質量％未満であるAg合金からなり、
この接点接触部の表面部において中央層と該中央層より硬度が高い外周層とが形成され、
中央層の平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で135mHv以上であり、且つ表面部の全表面積に対する外周層の表面積が32.7〜96.0％の範囲にあることを特徴とする直流リレー。
【請求項２】
前記接点対は複数設けられ、さらに複数の磁石も有し、
これら複数の磁石を一本の直線上に配置させるとともに、同じ線上となるようにこれら磁石の間に接点対を配置させ、
磁石は、リレー遮断時に接点接触部の間に発生するアークを前記線と交差する方向に歪曲させるように設けてい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】
接点接触部の表面は、その前記直線方向の長さがこの直線と直交する方向の長さよりも短くなるように形成してい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】
前記各接点対は、直列に接続可能に構成されていることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の直流リレー。
【請求項５】
前記各接点対は、並列に接続可能に構成されていることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の直流リレー。
【請求項６】
前記外周層の平均硬度が170mHv以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の直流リレー。
【請求項７】
前記外周層の平均硬度が190mHv以上であることを特徴とする請求項6に記載の直流リレー。
【請求項８】
前記中央層の平均硬度が160mHv以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の直流リレー。
【請求項９】
前記外周層の厚みが平均で5μm以上であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の直流リレー。
【請求項１０】
前記接点接触部がビス形状をしたCu又はCu合金の台金上に形成されていることを特徴とする請求項1〜9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、毒性の問題が無いCdフリーの接点材料を用い、耐溶着特性と温度特性とを適正に制御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。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。
【０００４】
特許文献１の直流リレーは、二つの接点対を具え、これら接点対を結ぶ線と直交するように、それぞれの接点対に対して接点対を挟むように一対の磁石を配置させている。特許文献１のリレーでは、一対の磁石は、向き合う磁極面が異なるように配置されている。さらに、特許文献１では、これらの接点対は、接続時に直列に電流が流れるように接点を設けている。
【０００５】
そのため、特許文献1では、各接点対が非接触状態となったとき、接点の間に発生するアークが、二つの接点対を結ぶ線上で、かつ、隣の接点対とは反対側（外側）に延びて歪曲するようになっている。
【０００６】
一方、ブレーカーなどの電気接点材料として、Cd、Sn、Inなどの酸化物が分散したAg合金や、Sn、Inなどの酸化物が分散したCdフリーのAg合金が利用されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３３２１９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の特許文献１に示すリレーでは、それぞれの接点対に一対の磁石を設置し、しかも、磁界の作用によりアークを二つの接点対を結ぶ線上で、これら接点対の外方に引き伸ばすようにしているので、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空間が必要となる。
【０００９】
また、そのアーク引き伸ばし量に見合った磁力を有する一対の磁石を接点対ごとに配設するため、磁石の個数が多くなる。その結果、リレー全体が大型化してしまう問題がある。
【００１０】
さらに、接点対ごとに一対の磁石を配設するため、磁石の数が多くなるとともに、組立工程に手間がかかることから高コスト化となる。
【００１１】
また、ハイブリッド自動車などは、減速時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、バッテリーを充電するようなシステムを採用しているため、リレーには、逆電流（回生電流）が生ずる場合がある。そのため、過大に逆電流が流れた際もリレーを遮断する必要がある。
【００１２】
しかしながら、前記特許文献１のリレーの構造では、逆電流が発生した際にリレーを遮断すると、前記磁石によるローレンツ力で、接点間に生じるアークは、二つの接点対の間に向けて歪曲する。この場合、それぞれのアークは、隣の接点対に向かって引き伸ばされることとなり、アーク同士が繋がってしまい、即時遮断ができないという問題が生ずる。
【００１３】
さらに、接点材料に関しては、Cd化合物を含有するAg合金は、電気接点に最適な特性を備えているが、接点材料中に含まれるCd化合物には毒性の問題がある。一方、CdフリーのAg合金は、Cdを含まないため毒性の問題はないものの、Cdを含む材料に比べて非常に低い特性しか持っていない。例えば、動作のごく初期の段階において溶着が起こりやすく、接点そのものの耐消耗性も悪いため接点の消耗も進行しやすい欠点があった。
【００１４】
従って、本発明の主目的は、毒性の問題が無いCdフリーの接点材料を用い、耐溶着特性と温度特性とを適正に制御できる直流リレーを提供することにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、さらに磁石の数をできるだけ少なくし、かつ、簡易な構造で小型化できながら、逆電流時でも短時間で直流高電圧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】
【００１６】
本発明は、接点表面部を硬度が異なる中央層と外周層で構成し、この外周層の占める面積率を特定することで上記の目的を達成する。
【００１７】
本発明直流リレーは、互いに開閉する接点接触部を有する接点対を備えた直流リレーである。この接点接触部は、Snを1〜9質量％含み、不純物としてのCdが1質量％未満であるAg合金からなる。この接点接触部の表面部において中央層と該中央層より硬度が高い外周層とが形成される。そして、中央層の平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で135mHv以上であり、且つ表面部の全表面積に対する外周層の表面積が32.7〜96.0％の範囲にあることを特徴とする。
【００１８】
CdフリーのAg合金からなる材料について、接点材料として要求される特性を満たす条件を細かく調査分析した。通常では、耐溶着特性の改善のためにSn濃度を高くするが、その場合にはトレードオフの関係にある温度特性を劣化させてしまう。そこで、本発明者らは、他の因子について詳しくその影響を調べた。その結果、接点接触部における表面部の平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で135mHv以上と高いこと、特に表面部における外周部の硬度が高く、中央部は外周部よりも硬度を低く設定することにより、接点に要求される耐溶着特性と、望ましい温度特性とを同時に満たし得ることが判明した。この表面部における中央部と外周部の硬度の制御によって、通常はトレードオフの関係にある耐溶着特性と温度特性が同時に改善される。
【００１９】
（接点材料と構成）
本発明リレーに用いる接点接触部の化学組成は、Snを1〜9質量％含むAg合金からなる。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劣化し、9質量％を超えると接点の製造が困難になるからである。Snの含有量は、好ましくは2〜7質量％である。また、Cdは不可避不純物として含まれる場合でも、その含有量は1質量％未満である。Cdフリーの観点から、Cdの含有量は0.5質量％以下が好ましく、0.1質量％以下が更に好ましい。また、実質的にCdを含まなくても良い。
【００２０】
この接点接触部は、上記基本成分のAgとSnに加え、In、Sb、Ca、Bi、Ni、Co、Zn、Te、CrおよびPbよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含むことができる。特にInは、1〜9質量％含有させると接点接触部の製造が行いやすくなるが、この範囲を外れた組成では接点接触部の製造が困難になる。さらに9質量％を超えると、Snの含有量にもよるが、耐溶着特性が劣化する。Inの含有量は、好ましくは3〜7質量％である。尚、これらのSnやInなどの成分は、後述する成分も含めて、通常はAgマトリックス中に化合物として、特に酸化物の形態で分散される。
【００２１】
その他の添加成分の望ましい含有量は、質量％単位で、Sbは0.05〜2％、Caは0.03〜0.3％、Biは0.01〜1％、Niは0.02〜1.5％、Coは0.02〜0.5％、Znは0.02〜8.5％、およびPb、Te、Crは何れも0.05〜5％である。これらの各成分元素を含む場合、その含有量が上記の範囲外になると、耐溶着特性や温度特性が低下することがあり、また上記範囲の上限を超えると生産性が低下することがある。
【００２２】
上記した以外の元素であっても、本発明の目的の範囲内であれば、微量含むことができる。このような元素として、例えば、同じく質量％単位で、Ce、Li、Cr、Sr、Ti、Te、Mn、AlF3、CrF3、CaF2はいずれも5％以下、GeおよびGaは3％以下、Siは0.5％以下、FeおよびMgは0.8％以下の範囲で、それぞれ含むことができる。
【００２３】
上記接点接触部は、その表面部に外周層と中央層とを有し、その中央層の平均硬度はJISに規定されるマイクロビッカース基準で135mHv以上であり、この中央層の硬度よりも外周層の硬度が高く制御されている必要がある。表面部における平均硬度をマイクロビッカース基準で少なくとも135mHvとするのは、これ未満の硬度レベルでは接点の耐溶着特性や温度特性が低下するからである。また、表面部の硬度は、高ければ高い程好ましい。具体的には、外周層の平均硬度は170mHv以上が好ましく、190mHv以上が更に好ましい。中央層の平均硬度に関しては、160mHv以上であることが好ましい。このマイクロビッカース硬度は、10g又は25gの荷重で測定することが望ましい。なお、この外周層と中央層は、接点接触部の少なくとも表面部に形成されていればよく、接点接触部の表面から裏面にわたる厚さ方向の全ての位置で形成されていなくても良い。
【００２４】
図7および図8に、このような中央層110と外周層120を有する接点接触部の代表例を示す。図7の接点接触部では、中央層110の周りを取り囲むように、接点の表面部から反対側の裏面部まで外周層120が設けてある。また、図8は、接点の表面部側にのみリング状の外周層120が存在する例である。図7および図8の電気接点とも、中央層110の硬度よりも外周層120の硬度が高く設定される。
【００２５】
中央層と外周層の硬度を制御する方法としては、中央層と外周層の化学組成を変える方法がある。例えば、外周層中のSnの含有量を中央層よりも多くすることが最も簡単であり、これにより外周層の硬度を中央層よりも確実に高くすることができる。ただし、中央層と外周層の化学組成が同じであって、外周層の硬度が中央層よりも高い場合でも構わない。このように、中層層と外周層の化学組成が同一でありながら硬度レベルが異なるのは、それぞれの微細組織が制御されているからである。このような微細組織の制御による硬度の制御方法については、後述する接点の製造方法に関連して詳しく説明する。
【００２６】
また、上記の接点接触部は、優れた耐溶着特性や温度特性を得るために、接点接触部の表面部における全表面積に対する外周層の表面積が32.7〜96.0％の範囲内にあることが必要である。例えば、接点接触部を表面側からみた図9を用いて具体的に説明すると、外周層120の表面積（点々を付した部分）をS2および中央層110の表面積をS1としたとき、全表面積S1＋S2に対する外周層120の表面積S2の割合、即ちS2／（S1＋S2）を32.7〜96.0％の範囲内に制御する。
【００２７】
この接点表面での外周層120の表面積S2が全表面積の32.7％未満では外周層120の硬度を中央層110よりも高く制御したとしても、耐溶着特性や温度特性などの優れた特性を得ることができない。逆に、外周層120の表面積S2が全表面積の96.0％を超えると、中央層を接点の中央に形成しにくいことが多く、量産技術上の問題となることが多くなるため好ましくない。
【００２８】
また、2重構造をなす中央層と外周層のうち、外周層の厚みは平均で5μm以上とすることが好ましい。外周層の厚みが5μm未満では、中央層よりも硬度を高めた外周層の効果が低減し、耐溶着特性や温度特性などの優れた特性を得ることが難しくなるからである。
【００２９】
本発明リレーに上記の接点接触部を組み込む場合、接点接触部を台金等の他の部材と接続する必要がある。その場合には、台金等の他の部材との接続を容易にするため、例えば図10および図11に示すように、図7および図8の接点接触部の表面部側とは反対側の裏面に、純Ag、ロウ材などの金属からなる薄い接続層130を設けることができる。尚、この接続層130は、通常この種の目的で配設される金属層と同じような形態であればよい。
【００３０】
接点接触部と台金等の他の部材との接合は、通常は上記のごとく接続層を介して行うが、接点接触部となるAg合金を台金等の上に直接生成させるか、若しくは台金と一体に成形することもできる。直流リレーに組み込むための台金は、通常のCu又はCu合金の台金であってよいが、特にビス形状をしたCu又はCu合金の台金が好ましい。
【００３１】
直流リレー用の接点接触部を台金に接合した例を図12〜図15に示す。図12は図7の接点を台金140に直接接合した例であり、図13は接続層130を介して図7の接点を台金140に接合した例である。また、図14は図8の接点を台金140に直接接合した例であり、図15は接続層130を介して図8の接点を台金140に接続した例である。
【００３２】
次に、上記接点接触部の製造方法について説明する。外周層と中央層を複合させる方法について種々検討した結果、蒸着法、減圧中での溶射法、粉末の焼結法、酸洗浄・焼鈍後の嵌め合わせ法、外周層となるべき板と中央層となるべき板を打ち抜きにより成形する方法、HIP、押出方法、押出と酸化とを組合わせた方法、外周層と中央層を別個に作製した後鍛造で接点形状に成形する方法のいずれも、採用し得ることが判った。この外にも、外周層と中央層を別個に作製した後、ミクロな溶接で接合する方法、焼き嵌め、冷やし嵌め、メッキ等の方法によっても同様に製造可能である。
【００３３】
中央層と外周層の硬度の制御については、既に述べたように化学組成を変える方法があるが、同じ化学組成であっても、製造方法やその条件を変えることによって硬度の制御が可能である。例えば、中央層を溶解法で形成し、外周層を溶射法や蒸着法で形成すれば、結晶粒の大きさ、合金元素の分布状態や拡散速度が変わるため、これに応じて酸化した際の酸化物の大きさや分布が変化し、同じ化学組成でも外周層の硬度が高くなる。また、硬度は加工と熱処理の条件によっても変化する。例えば、押出加工すると線材の表面にのみ変形加工歪みが集中する傾向があり、これを適切な条件で熱処理又は酸化すると、外周部のみが硬い線材となる。従って、このようにして得た線材を円盤状に切断したり、ヘッダーと呼ばれる方法で切断した後、Cuと一体成形することにより、中央層より外周層の硬度が高い接点材料を得ることができる。
【００３４】
製造方法の如何にかかわらず、既に述べてきたように硬度と配置形態を管理した外周層と中央層を有し、化学組成を最適化することによって、初めて本発明の意図する性能を有する直流リレー用接点接触部が得られる。従って、単に中層層と外周層の2層を組合わせれば良いと言うものではない。例えば、導電性の良い層と、硬度の高い層を組合わせた接点（特開昭62-97213号公報参照）や、耐消耗性と耐溶着性を有する導電体と、短絡電流においてアークの切れが良好な導電体を組合わせた接点（特開昭58-189913号公報参照）等では、本発明の目的を達成することはできない。
【００３５】
尚、一般に、内部酸化した接点には表面から内部に向かっての緩やかな濃度勾配が見られるが、中央層と外周層の2層構造は、この内部酸化に見られる一般的な濃度勾配を示すものだけではない。例えば、接点接触部の表面部近くにおいてのみ外周層を形成する場合において、外周層と中央層との境界面に数μm幅の連続的な硬度や組織の変化が認められることがある。しかし、外周層と中央層とは、このような境界部だけでなく、例えば光学顕微鏡等による組織観察において明らかに異なる組織と、マイクロビッカースにおける硬度の違いを呈するものである。
【００３６】
ただし、電気接点は工業製品であり、またどの様な接点も化学組成や組織、硬度等に多少のバラツキや変化は見られるものであるから、本発明リレーに用いる接点接触部においても、外周層および中央層のそれぞれに化学組成、組織、硬度等の若干のバラツキがあってもかまわない。例えば、中央層内のごく一部分に硬度が135mHv未満の部分が若干混在していたとしても、中央層の平均硬度が135mHv以上であれば良い。また、外周層の硬度についても、同様に平均硬度として本発明の要件を満たしていれば良い。尚、平均硬度とは、中央層又は外周層の表面の複数箇所、例えば30点で測定した値の算術平均値である。
【００３７】
（リレー構造）
以上の接点接触部は、互いに開閉する接点対のうち接触面近傍に配される。この接点接触部が適用される直流リレーの構造は、開閉することで電流の遮断・導通を行なうことができる接点対を有するものであれば、特に限定されない。この接点対の数も、少なくとも一対あればよく、複数対ある構成でも良い。
【００３８】
好適な直流リレーの構成としては、次のものが挙げられる。すなわち、少なくとも一方が可動接点で、互いに開閉する接点対を複数対備える。各接点対は一対の接点接触部を有する。そして、複数の磁石を一本の直線上に配置させるとともに、同じ線上となるようにこれら磁石の間に前記接点対を配置させる。磁石は、対向する磁極面が全て異なる磁極となるように配置させる。このように磁石を配置することにより、リレー遮断時に接点の間に発生するアークを前記直線と交差する方向に歪曲させることができる。
【００３９】
上記の直流リレーは、接点対を二対以上設けることができる。例えば、二対の接点対を設け、接点対を直列に接続可能にする場合は、接点対の開閉方向一方側を、入力接点と出力接点とし、接点対の開閉方向他方側は、導通時に、入力接点、出力接点を直列につなぐ連結接点とする。
【００４０】
入力接点と出力接点には、それぞれ接点接触部を有し、また、これら接点には外部端子が接続される。連結接点は、例えば、Ｕ字状や、］状や、平板状に形成することができる。Ｕ字状や］状の場合には、突出状の両端面が入力接点または出力接点と接触される接触部となる。平板状とする場合には、平板の平面に入力接点および出力接点を接触させる。
【００４１】
この場合、入力接点の接触部と連結接点の一方の接触部で一対の接点対が構成され、出力接点の接触部と連結接点の他方の接触部で一対の接点対が構成される。
【００４２】
そして、連結接点は、接点接触時（導通時）において、入力接点と出力接点を連結接点で連結することにより、入力接点と連結接点と出力接点とが、導通時に直列に接続される。
【００４３】
さらに、入力接点と出力接点を結ぶ線上に、入力接点と出力接点とを挟むように３つの磁石を配置させる。これら磁石は、対向する磁極面が異なる磁極となるように配置させる。
【００４４】
接点対を直列に接続可能とする場合には、各接点を接触させた状態のときには、入力接点から電流が流れると、連結接点を介して電流が出力接点まで流れる。そして、各接点を離隔させると、全ての接点が非接触状態となり、対向している接点の間にアークが発生するが、各接点を直列に接続させているので、遮断電圧を分圧して、アークの消弧が行える。
【００４５】
しかも、本発明では、接点の遮断を行う際、磁石の磁界により接点間に生じるアークを前記線と交差する方向に歪曲させるように吹き飛ばす。このとき、例えば図１に示すように、各接点を直列に接続可能とする場合、電流は図1に示すように流れる。そして、磁力線は常に同一方向に向かって生じる。その結果、フレミングの左手の法則により、ローレンツ力によってアークは、図２に示すように、接点対および磁石を結ぶ線と直交する方向に伸びるように歪曲する。
【００４６】
このように磁石を設けることにより、遮断電圧を分圧させるとともに、磁石によるアークの吹き飛ばしで、アークの電圧をさらに短時間で上昇させて、短時間でリレーを遮断させることが可能となる。
【００４７】
また、多接点による電圧遮断を行いながら、磁石によるアークの引き伸ばしでアークエネルギーを消費させるので、本発明では、従来のような電圧遮断に必要な所定のアーク引き伸ばし量を確保する必要はなく、さらに、使用する磁石の磁力も従来よりも小さくでき磁石も小型化できる。
【００４８】
さらに、本発明では、アークの引き伸ばし方向が、接点対を結ぶ直線と交差する方向となるので、回生エネルギーなどの逆電流が生じても、アーク同士が繋がってしまうことがなく、逆電流にも十分対応することができる。
【００４９】
また、複数の磁石の間に接点対を設けるようにしているので、一つの接点対に一対の磁石を設ける必要がないので、用いる磁石の数を従来の特許文献１に比べて少なくすることができ、コストの低廉化が図れる。
【００５０】
なお、本発明の直流リレーは、前記各接点対を、直列に接続できるように構成してもよいし、または、前記各接点対を、並列に接続できるように構成してもよい。
【００５１】
接点対を、直列に接続可能に構成する場合には、遮断時に接点間の電圧を分圧することにより、さらに短時間で電圧を遮断することができる。その結果、接点間にかかる電圧を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。
【００５２】
また、接点対を、並列に接続可能に構成する場合には、電流を分流することができ、一つの接点に流れる電流を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。
【００５３】
さらに、本発明では、接点接触部の表面は、その前記直線方向の長さがこの直線と直交する方向の長さよりも短くなるように形成することが好ましい。
【００５４】
例えば、前記したように、入力接点、出力接点を同一直線上に配置するとともに、この線上で、入力接点、出力接点と上下に重なるように連結接点を配置して、平面視同一線上となるようにする。
【００５５】
このとき、各接点に他方の接点と接触させる接点接触部を形成し、その接触部の表面の形状を各接点を結ぶ直線方向の長さがこの直線方向と直交する方向の長さよりも短くなるように形成する。
【００５６】
接触部の表面の形状を前記直線方向の長さがこの直線方向と直交する方向の長さよりも短くするとは、表面の形状を例えば楕円状、長円状、長方形状などの扁平状に形成し、表面の短軸方向が前記直線方向となるようにすることをいう。
【００５７】
複数の接点対を同一線上に配置させる場合、接点の数が増えるとリレー全体が前記直線方向に大きくなってしまう可能性がある。特に、直流リレーにおいては、可動接点を動かすためにソレノイドを用いることが多く、このソレノイドの大きさは、既製品を用いる場合には、大きさが決められてしまうことから、接点は、このソレノイドの横断面積からはみ出さないようにすることが好ましい。
【００５８】
そこで、接点接触部の表面の形状を前記直線方向の長さが直線方向と直交する方向の長さよりも短くなるように形成することにより、接点接触部の表面の大きさを十分確保できながら前記直線方向、即ち、リレーの接点配列方向への長さの増大を最小限に抑えることができる。
【００５９】
複数の接点対を一列に配列させた状態でソレノイドを用いる場合には、前記直線方向と直交する方向には、ソレノイドの横断面の面積内に有効スペースが生じる。本発明では、この有効スペースに向けて接触面を伸ばし、配列方向の長さを短くすることにより、リレー全体の体積を減らすことができる。
【００６０】
さらに、リレーに例えばソレノイドを用いる場合には、直線方向と直交する方向には、前記したように有効スペースが生じることから、この有効スペースをアーク引き伸ばし用スペースとして利用することができるので、アークスペースを別途確保する必要も無くなる。
【００６１】
ここで、接点の開閉動作を行うには、種々の駆動源を利用できる。回転系駆動源ではモータが、直動系駆動源ではソレノイドやシリンダが利用できる。回転系駆動源を用いる場合は、回転運動を往復運動に変換する変換機構を介して接点を駆動させる。また、直動系駆動源を用いる場合には、直動系駆動源を接点に連結して接点を駆動させる。
【００６２】
本発明では、開閉する接点対のうち、一方を可動接点、他方を固定接点としても良いし、双方を可動接点として開閉するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００６３】
以上説明したように、本発明直流リレーによれば、次の効果を奏することができる。
【００６４】
CdフリーのAg合金からなる接点接触部を用いることで、毒性の問題を回避することができる。また、この化学成分の材料で接点表面部を硬度が異なる中央層と外周層で構成し、この外周層の占める面積率を特定することでトレードオフの関係にある耐溶着特性と温度特性とが共に優れた直流リレーを提供することができる。
【００６５】
遮断時に接点対の接点の間に発生するアークを磁石および接点対の配列方向となる直線と交差する方向に歪曲させるので、複数の接点対による多接点の電圧遮断と、磁石によるアークの吹き飛ばしで、短時間でリレーを遮断させることが可能となる。しかも、アークの引き伸ばし方向が、接点配列方向となる直線と交差する方向となるため、回生エネルギーなどの逆電流が生じても、アーク同士が繋がってしまうことがなくなり、逆電流にも十分対応することができる。
【００６６】
さらに、接触部の表面は、その接点配列方向（直線方向）の長さがこの直線方向と直交する方向の長さよりも短くなるように形成する場合には、接点の表面の大きさを十分確保できながらリレーの接点配列方向への長さの増大を最小限に抑えることができる。
【００６７】
また、接点対を、通電時に直列に接続可能とする場合には、接点間の電圧を分圧することでアークの発生を抑制して、短時間での遮断を実現することができる。
【００６８】
また、接点対を、通電時に並列に接続可能にする場合には、電流を分流することができ、一つの接点に流れる電流を下げることでアーク電流による接点の損傷を抑制することができる。
【００６９】
特に、本発明リレーを、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、本発明のリレーはコンパクトであるため、限られたスペースの有効利用ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００７１】
図１および図２は本発明の第１実施形態にかかるリレーの基本構成を示す概略構成図であって、図１は、接点が接触の状態を示し、図２は接点が非接触の状態を示す。図３および図４は、第１実施形態に係るリレーの具体的な構成を示す図であって、図３は縦断面図、図４は横断面図である。
【００７２】
また、図５および図６は本発明の第２実施形態に係るリレーの基本構成を示す概略構成図であって、図５は、接点が接触の状態を示し、図６は接点が非接触の状態を示す。
【００７３】
(第１実施形態)
第１実施形態にかかる直流リレーは、図３に示すように、ケーシング1内に、固定接点となる入力接点21と出力接点22、可動接点となる連結接点3、そして、接点駆動機構4を具える。
【００７４】
入力接点21と出力接点22とには、連結接点3と接触させる接触部21a,22aと端子接続部21b,22bとを具えており、端子接続部21b,22bには外部端子が接続される。
【００７５】
連結接点3は、断面Ｕ字状をしており、このＵ字の両端平面部を接触部31としている。連結接点3の接触部31は、入力接点21の接触部21a、出力接点22の接触部22aに接触させる。
【００７６】
また、本実施形態では、入力接点21の接触部21aと連結接点3の一方の接触部31とを一つの接点対とし、出力接点22の接触部22aと連結接点3の他方の接触部31とをもう一つの接点対としている。これら各接触部21a、22a、31は、Snを1〜9質量％含み、不純物としてのCdが1質量％未満であるAg合金からなり、図7〜11に示した前述の構成、つまり中央層と外周層とを有する構造（図3では省略）に形成されている。また、この中央層の平均硬度がマイクロビッカース基準で135mHv以上であり、且つ表面部の全表面積に対する外周層の表面積が32.7〜96.0％の範囲にある。
【００７７】
そして、入力接点21と連結接点3と出力接点22とを同一直線上に位置されるように配置させる。具体的には、入力接点21の接触部21aに連結接点3の一方の接触部31を接触させた状態にし、出力接点22の接触部22aに連結接点3の他方の接触部31bを接触させた状態にしたとき、これら接触状態の接点対が同一直線上に配置されるようにする。
【００７８】
このように各接点を配置して、図１に示すように、各接点の接触部を接触させることにより、各接点は、入力接点21から連結接点31を介して出力接点22へと直列に接続される。
【００７９】
しかも、入力接点21の接触部21aと出力接点22の接触部22aとは、図１および図２に示すように、連結接点3の接触部と接触させる接触面の形状を長円状に形成している。各接触部21a,22aは、その接触面の長円の短軸方向が各接点の配列方向（前記直線方向）となるように設ける。入力接点21と出力接点22とは、接触部21a,22aの接触面が長円状の円柱金属ブロックを用いている。
【００８０】
そして、連結接点31は、図３に示すように、接点駆動機構4により接点開閉方向に往復移動させるようになっている。接点駆動機構4により接点間を開閉して、連結接点31を、入力接点21と出力接点22に対して、接触または非接触状態にする。
【００８１】
接点駆動機構4について具体的に説明する。接点駆動機構4は、ばね41と、ソレノイド42を具える。ばね41は、連結接点3とソレノイド42との間に配設される。そして、ソレノイド42の駆動軸43にばね41が挿通される。ばね41は、連結接点3を入力接点21および出力接点22から離れる方向に、即ち、接点開方向に付勢する。
【００８２】
ソレノイド42は、連結接点3を接点開閉方向に往復動作させるものであり、連結接点3に一端が固定される駆動軸43と、駆動軸43を接点開閉方向に往復動作させる軸作動部44とを有する。駆動軸43は、連結接点3の中間位置において一端側が固定され、他端側が軸作動部44に設ける挿入穴（図示せず）に挿入される。
【００８３】
軸作動部44は、電流が流れてオン状態のときに、駆動軸43を挿入穴から押し出す方向（接点開方向）に移動させるようになっている。即ち、軸作動部44がオン状態のときには、駆動軸43をばね41のばね力に抗して連結接点3を入力接点21および出力接点22に接触させる方向（接点閉方向）に移動させる。
【００８４】
そして、軸作動部44がオフ状態になると、伸ばされているばね41が戻り、駆動軸43は、ばね41のばね力により入力接点21および出力接点22から離れる方向（接点開方向）に移動する。
【００８５】
そして、ソレノイド42の駆動軸43の動きに伴って連結接点3が往復動作する。連結接点3が接点閉方向に移動したときは、連結接点3の接触部31が入力接点21および出力接点22の接触部21a,22aに同時に接触する。
【００８６】
また、連結接点3が接点開方向に移動したときは、連結接点3の接触部31が入力接点21および出力接点22の接触部21a,22aから同時に離れる。このように接点駆動機構4により、連結接点3を入力接点21と出力接点22に対して開閉するようになっている。
【００８７】
そして、入力接点21の端子接続部21bに端子（図示せず）を介して直流電源が接続されて、各接点が接触・離隔することで通電・遮断を行う。
【００８８】
本実施形態では、ケーシング1内に3つの板状の永久磁石5を具えている。永久磁石5は、入力接点21および出力接点22の間と、入力接点21および出力接点22の外方に配設している。
【００８９】
さらに永久磁石5は、図１および図２に示すように、一方の極（例えばＮ極）が同じ側に位置するように接点対が配置される線と同一直線上に配置される。これら永久磁石5により、入力接点21の接触部21aと連結接点3の一方の接触部31の間、出力接点22の接触部22aと連結接点3の他方の接触部31の間に磁界をかけるようにしている。この永久磁石5の磁界により、接点の遮断時、各接点の間に生じるアーク100が、ローレンツ力を受けて引き伸ばされ歪曲するようになっている。
【００９０】
本実施形態では接点通電時において、入力接点21から電流を流し、連結接点31、出力接点22へと直列に電流が流れる。そして、図２に示す状態では、左から右に磁力線が向かうように永久磁石5を配置している。そのため、フレミングの左手の法則により、ローレンツ力は、図２において前に向かう力と後に向かう力とが交互に生じ、接点遮断時に発生したアーク100が前後に交互に歪曲するようになっている。
【００９１】
次に、接点の通電・遮断について説明する。接点間を閉じて通電させる場合、連結接点3を閉動作させて連結接点3を入力接点21および出力接点22に接触させて導通をとる（図１の状態）。
【００９２】
また、両接点間を開いて遮断する場合は、連結接点3の開動作により、連結接点3と入力接点21および出力接点22との間が離隔されて遮断が行われる（図２の状態）。
【００９３】
この遮断時においては、各接点の間にアーク100が発生するが、このアーク100は、永久磁石5の磁界により前記した方向に歪曲する。
【００９４】
そして、実施形態では、二対の接点対を直列に接続させているので、遮断電圧を分圧してアークの消弧を行うとともに、磁界によりアーク100の引き伸ばしも行ってアークを消弧させることができるので、短時間で電圧を遮断することができる。また、非常にコンパクトな直流リレーを実現できる。さらに、各接点を直列に配置して遮断電圧を分圧するので、接点の耐久性向上を実現できる。
【００９５】
また、アークの引き伸ばし方向が、接点および磁石の配列方向に沿って交互に異なるため、回生エネルギーなどの逆電流が生じても、アーク同士が繋がってしまうことがなくなり、逆電流にも十分対応することができる。
【００９６】
(第２実施形態)
第１実施形態では、通電時において、接点対を直列に接続できる直流リレーについて説明した。本実施形態では、通電時に接点対を並列に接続可能とするものである。
【００９７】
第２実施形態にかかる直流リレーは、図５および図６に示すように、固定接点となる入力接点6と、可動接点となる出力接点7を具える。入力接点6も出力接点7も断面ほぼＵ字状をしており、このＵ字の両端平面部を接触部61,71としている。これらの接点は、二つの接触部61,71を有しているので、入力接点6の二つの接触部61を、対向する出力接点7の二つ接触部71に接触させる。各接触部61、71も第１実施形態と同様の組成、構造とされている。
【００９８】
本実施形態では、入力接点6の一方の接触部61と出力接点7の一方の接触部71とを一つの接点対とし、入力接点6の他方の接触部61と出力接点7の他方の接触部71とをもう一つの接点対としている。
【００９９】
そして、入力接点6と出力接点7とをそれぞれの接触部61,71が接触状態で同一直線上に位置するように配置させる。このように各接点を配置して、図５に示すように、各接点の接触部を接触させることにより、各接点対は、入力接点6から出力接点7へと並列に接続される。
【０１００】
しかも、第２実施形態においても、入力接点6の各接触部61の接触面の形状を長円状に形成する。各接触部61は、その接触面の長円の短軸方向が各接点の配列方向（前記直線方向）となるように設ける。
【０１０１】
本実施形態においても、入力接点6の接触部61の間と二つの接触部61の外方とに３つの永久磁石5を配設している。永久磁石5は、図５および図６に示すように、一方の極（例えばＮ極）が同じ側に位置するように同一直線上に配置される。これら永久磁石5により、入力接点6の接触部61と出力接点7の接触部71の間に磁界をかけるようにしている。この永久磁石5の磁界により、接点の遮断時、各接点の間に生じるアーク100が、ローレンツ力を受けて引き伸ばされ歪曲するようになっている。
【０１０２】
本実施形態では接点通電時において、二つの接触部を介して入力接点6から出力接点7へと並列に電流が流れる。そして、図６に示す状態では、左から右に磁力線が向かうように永久磁石5を配置している。そのため、フレミングの左手の法則により、ローレンツ力は、図６において前に向かう力が生じ、接点遮断時に発生したアーク100の全てが前方向に歪曲するようになっている。
【０１０３】
各接点対を並列に接続可能にした場合においても、通電時にアークが干渉し合うことはなく、また、逆電流が流れた時もアークの干渉が起こらない。
【０１０４】
（試験例）
次に、上記リレーに用いられる接点接触部の特性を調べるため、以下に示す方法A〜Hのいずれかにより、中央層と外周層の2層構造からなる接点接触部を製造した。ただし、接点接触部の形状は、直径6mm×厚み1.5mmの円盤形、又は縦7mm×横8mm×厚み1.2mmの矩形とした。また、各接点接触部を構成する中央層と外周層は、下記表1に示す組成の中央層と、下記表2に示す組成の外周層とから、それぞれ選択して組合わせた。尚、中央層及び外周層を構成する合金中における不純物元素のCd濃度は0質量％であった。
【０１０５】
【表１】
2005294125.tif 000003
【０１０６】
【表２】
2005294125.tif 000004
【０１０７】
（方法A）
表面部外周に沿って、深さ0.8mmの環状凹部を設けた中央層を溶解法にて作製し、その凹部以外の表面部をマスキングした後、凹部にAr＋H2雰囲気中での減圧プラズマ溶射法により合金粉末を溶射して外周層を形成し、図8の構造の接点接触部を得た。溶射原料にはプレアロイ粉末を用い、粉末粒径はサブミクロンから2μmまでとした。フィード用のキャリアーガスにはArを用いた。また、溶射に際しては、溶射ガンの先端を自動制御にて揺動させて均一溶射層の形成をはかると共に、サブストレイトになる中央層と溶射層（外周層）の密着性を高める目的で、サブストレイトをプラズマ炎に曝して加熱後に溶射を行った。得られた複合接点接触部を酸素雰囲気中で酸化した。
【０１０８】
（方法B）
裏面に10％の厚みを持つ純Ag層を有し、表面部外周に沿って探さ50μmの環状凹部を設けた中央層を溶解法により、溶解、鋳造、純Ag層圧着、及び圧延の工程で作製し、その凹部に、外周層の化学組成を有するターゲットを用いたマグネトロンスパッター法により外周層を蒸着して、図11の構造の接点接触部を得た。
【０１０９】
基材である中央層の温度はSnの再蒸発を防止するために200℃に保持し、Ar雰囲気の圧力は数Torr〜数十Torrに保った。また、基材である中央層と蒸着層である外周層との密着性を良くするために、中央層の表面は高周波により発生したイオンにより予めクリーニングを施した。得られた複合接点接触部を酸素雰囲気中で酸化した。
【０１１０】
（方法C）
Ag合金チップを溶解、圧延、打ち抜き加工にて作製し、酸化して、裏面に厚み10％の純Ag層を有する中央層とした。この中央層の外側に、外周部となる酸化後のAg合金粉を配置し、加圧成形した後、真空雰囲気中にて融点下30Kで焼結した。得られた複合合金チップにコイニングを施し、次に約650℃で焼鈍して、図10の構造の接点接触部を得た。
【０１１１】
（方法D）
中央層となるAg合金部材を酸性溶液に浸け、表面の汚れを除去して清浄にした後、焼鈍して合金部材を軟らかくした。このAg合金部材の周りに、別途作製した外周層を嵌め合わせた後、更に焼鈍して拡散により一体化した後、酸化して、図7の構造の接点接触部を得た。
【０１１２】
（方法E）
酸化したAg合金粉を成形して、中央層となるべき円柱部材を作製した。この円柱部材の周囲に、酸化したAg合金粉を成形して別途作製した外周層となるべき円筒部材を張り合わせ、円柱ビレットを作製した。この円柱ビレットを800℃×2hの条件でAr雰囲気中にて加熱し、熱間での押出加工により円柱とした後、この円柱の長手方向と垂直な方向に切断して、図7の円盤状とした。その裏面に円盤厚みの1／10の純Ag層を張り合わせた後、再度酸化してから、Cuビスと張り合わせて、図13の構造の接点を得た。
【０１１３】
（方法F）
上記方法Eと同様にして作製した円柱ビレットを、押出加工した後、更に伸線及び酸化し、Cu線と共にヘッダー加工して、図12の構造の接点を得た。
【０１１４】
（方法G）
中央層となるべき円柱部材を、溶解したAg合金を鋳造して作製した。その後この円柱部材を80O℃×2hの条件でAr雰囲気中にて加熱し、熱間で押出加工を行った後、この線材を更に伸線及び酸化した。この酸化は400℃で行い、2時間後に750℃の高温で酸化を行った。その後、ヘッダー加工によりCuと一体化させ、図14の構造の接点を得た。
【０１１５】
（方法H）
中央層となるべき棒材を作製し、その周囲に外周層となるべき円筒材を張り合わせた後、ミクロ溶接により気密とした。その後、700℃×1800kg／mm2×2hの条件でArガス中にて熱間静水圧成形（HIP）を行い、2層構造の棒材を得た。この棒材を長手方向に垂直な方向に切断した後、裏面に純Ag層を張り合わせて、図13の構造の接点を得た。得られた複合接点を酸素雰囲気中で酸化した。
【０１１６】
上記方法A〜Hのいずれかを用い、上記表1の中央層と表2の外周層をそれぞれ選択して組合わせることによって、下記表3に示す各接点接触部を製造した。得られた各接点接触部について、その特性を下記のごとく評価して、得られた結果を表4に示した。その際、Cuビス部をつけた場合には、接点接触部を加熱・加圧によりCuビス部に直接接合するか、又は厚みの10％の純Agからなる接続層を介してCuビス部に接合した。
【０１１７】
【表３】
2005294125.tif 000005
【０１１８】
接点接触部の特性評価として、短絡試験による耐溶着性、初期温度測定、耐久試験後の温度特性、短絡試験後の温度特性をそれぞれ評価した。尚、短絡試験は、定格100A以下のブレーカーにて、220V、−5kAの遮断電流で実施した。耐久試験は定格電流にて500O回の開閉試験を行い、試験後に端子部の温度を定格電流の通電状態において100分間測定し、その最高温度を求めた。評価結果は最も優れたものを5、使用可能なものを3、最も劣るものを1とし、5段階で評価して表4に示した。
【０１１９】
同様に、400AF定格の電磁開閉器にて、4000Aの遮断試験を行うと共に、2400Aにて閉又は400Aで開の動作で、10万回の開閉試験を行った。遮断試験及び開閉試験のそれぞれにおいて、試験後の接点接触部の消耗状態を観察し、接点接触部の厚みの半分以上が存在する場合には○、1／2未満〜1／3以下の場合には△、1／3未満の場合には×として、表4に表示した。
【０１２０】
【表４】
2005294125.tif 000006
【０１２１】
これらの試験の結果から分るように、試料1〜12の各接点接触部は、Cdフリーでありながら、温度特性と耐溶着特性が共に優れている。しかし、試料13〜15に示す各比較例では、温度特性又は耐溶着特性の評価に2以下のものがあり、実用上使用できないことが分る。尚、試料6と試料7においてCd濃度が0.005質量％、0.1質量％、及び0.7質量％の各接点接触部を作製し、上記と同様の評価を行ったが、いずれも表4に示す試料6及び試料7の特性と同じであった。従って、これらの結果から、上記接点接触部は直流リレーでも好適に利用できることが期待される。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明直流リレーは、エンジンを用いる通常の自動車はもちろん、電気自動車、ハイブリッド自動車など省スペースの要請が厳しい分野で好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明リレーの第１実施形態を示す概略構成図で接点が接触している通電時の状態を示す。
【図２】本発明リレーの第１実施形態を示す概略構成図で接点が非接触の遮断時の状態を示す。
【図３】本発明リレーの第１実施形態に係る具体的な構成を示す図であって、縦断面図を示す。
【図４】本発明リレーの第１実施形態に係る具体的な構成を示す図であって、横断面図を示す。
【図５】本発明リレーの第２実施形態を示す概略構成図で接点が接触している通電時の状態を示す。
【図６】本発明リレーの第２実施形態を示す概略構成図で接点が非接触の遮断時の状態を示す。
【図７】本発明リレーに用いる接点接触部の具体例を示す断面図である。
【図８】図７とは別の接点接触部の具体例を示す断面図である。
【図９】接点接触部の外周部の表面積割合を説明するための概略の正面図である。
【図１０】接続層を設けた接点接触部の具体例を示す断面図である。
【図１１】接続層を設けた他の接点接触部を示す断面図である。
【図１２】台金付の接点接触部の具体例を示す断面図である。
【図１３】台金付の接点接触部の別の具体例を示す断面図である。
【図１４】台金付の接点接触部の別の具体例を示す断面図である。
【図１５】台金付の接点接触部の別の具体例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２４】
1  ケーシング
21,6  入力接点
21a,61  接触部
22,7  出力接点
22a,71  接触部
3  連結接点
31  接触部
4  接点駆動機構
41  ばね
42  ソレノイド
43  駆動軸
44  軸作動部
5  永久磁石
110  中央層
120  外周層
130  接続層
140  台金
【図１】
2005294125.tif 000007
【図２】
2005294125.tif 000008
【図３】
2005294125.tif 000009
【図４】
2005294125.tif 000010
【図５】
2005294125.tif 000011
【図６】
2005294125.tif 000012
【図７】
2005294125.tif 000013
【図８】
2005294125.tif 000014
【図９】
2005294125.tif 000015
【図１０】
2005294125.tif 000016
【図１１】
2005294125.tif 000017
【図１２】
2005294125.tif 000018
【図１３】
2005294125.tif 000019
【図１４】
2005294125.tif 000020
【図１５】
2005294125.tif 000021