(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、ロウ付け性の安定性や耐消耗性が確保された直流リレーを提供する。【解決手段】  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。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。そして、少なくとも接点接触部の表面における平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で150mHv以上である。この化学成分を有する接点接触部を用いれば、Cdを実質的に含まないため、毒性の問題が回避でき、かつその表面における平均硬度を限定することで物性が安定する。【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、
接点接触部の表面における平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で150mHv以上で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2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2または3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2または3に記載の直流リレー。
【請求項６】
前記接点接触部は、表面の平均硬度が150mHv以上である表面層と、該表面層よりも硬度の低い内部層との2層構造からなり、表面層の厚みが10μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の直流リレー。
【請求項７】
前記表面層中のSn含有量が、前記内部層中のSn含有量と同じか又はそれより多い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】
Sn以外の添加成分として、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を特徴とする請求項6または7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、ロウ付け性や消耗特性の安定性が確保できる接点材料を用いた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、ロウ付け性の安定性が低く、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、ロウ付け性の安定性や耐消耗性が確保された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、互いに接触する接点表面の平均硬度を規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。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。そして、少なくとも接点接触部の表面における平均硬度がJISに規定されるマイクロビッカース基準で150mHv以上であることを特徴とする。
【００１８】
上記の化学成分を有する接点接触部を用いれば、Cdを実質的に含まないため、毒性の問題が回避できる。また、この化学成分の接点接触部とし、その表面における平均硬度を限定することで物性が安定し、上記した接合性等も改善され且つ安定化することができる。
【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％未満では絶縁特性や他の特性のバラツキが大きくなり、またCdフリーの接点接触部として基本的に具備すべき他の特性が劣化するからである。逆に9質量％を超えると接点の製造が困難になる。Snの含有量は、好ましくは2〜7質量％である。尚、Cdフリーの観点から、Cdの含有量は0.01質量％未満が好ましく、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、種々の性能を改善する目的で、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。Inの含有量は、好ましくは3〜8質量％である。これらのSnやInなどの成分元素は、後述する成分元素も含めて、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】
その他の添加成分とそ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％、及び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及びGaは3％以下、Siは0.5％以下、Fe及びMgは0.1％以下の範囲で、それぞれ含むことができる。
【００２３】
上記化学組成を有する接点接触部を用い、その表面の平均硬度をマイクロビッカース基準で150mHv以上にすることで、絶縁特性やバラツキ特性を向上させることができる。絶縁特性はCd含有接点材料では頻繁に問題になり、またCdフリーの接点材料でも若干Cd含有接点材料よりも良い傾向にはあるが問題となっている。本発明により表面の平均硬度を150mHv以上とすることで、このCdフリー接点材料の絶縁特性に関する問題を改善することができる。また、Cdフリー接点材料においては消耗性が悪いことが多く、この点は実用化の大きな妨げとなっているが、この消耗性も接点接触部の表面の平均硬度を高くすることで解決することができる。
【００２４】
また、一般にCdフリーの接点材料は、材料としての物性バラツキが大きいため、例えば接合工程においても接合条件が安定せず、Cu又はその合金からなる台金との接合強度も安定せず、市場において接点とCu台金との脱落の問題があった。場合によっては、この接合強度のバラツキが上記消耗特性のバラツキの原因にもなっていた。また、消耗特性が悪い場合には、接点成分が大電流負荷により周辺に飛び散るために、絶縁特性を劣化させる原因にもなる。
【００２５】
本発明リレーでは、表面の平均硬度を150mHv以上とした接点接触部を用いることによって物性が安定し、上記した接合性等も改善され且つ安定化する。その結果、接点の諸特性は安定するので、異常にロウ付け強度の低い製品も発生しにくい利点がある。このように、絶縁性や消耗性だけでなく、接合性その他の諸特性を改善するためには、表面の平均硬度は高ければ高い程良く、好ましくは160mHv以上、より好ましくは180mHv以上、更に好ましくは190mHv以上である。特に220mHvを超えると、実質上特性のバラツキは殆どない状態になる。尚、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。
【００２６】
本発明リレーに用いる接点接触部においては、表面の平均硬度が150mHv以上であれば良い。従って、表面の平均硬度が150以上で、内部の平均硬度が150mHv未満の場合はもちろん、接点接触部の内部方向全域にわたって同一硬度である場合を含む。また、表面の硬度には、分布があっても構わない。即ち、表面の一部、例えば中央部に、意図せずにSnなどの分散成分の含有量が少ない箇所、即ち硬度の低い部分が生じる場合があるが、そのような場合でも表面の平均硬度が150mHv以上であれば良い。「平均硬度」とは、JISに規定されたマイクロビッカース硬度を接点の表面における任意の点で測定し、これを算術平均したものである。測定点の数は30点以上であることが望ましい。
【００２７】
また、接点接触部の望ましい形態として、平均硬度が150mHv以上である表面層と、この表面層よりも硬度の低い内部層とからなる、2層構造が挙げられる。この場合の表面層の厚みは、10μm以上であることが好ましく、20〜120μmの範囲が更に好ましい。表面層の厚みが10μm未満では上記した諸特性の改善を得ることが難しく、また余りに厚いものは製造コストの面で好ましくない。表面層の厚みとは、個々の接点表面に垂直な断面上において、光学顕微鏡で接点表面に平行な方向に5点で表面層の厚みを確認し、これを算術平均した値である。なお、通常の製法で得られるSn酸化物を分散したAg合金の内部硬度は、高くても145mHvである。
【００２８】
表面層と内部層の硬度を制御する方法として、両者の化学組成を変える方法がある。例えば、表面層中のSnの含有量を内部層よりも多くすることにより、表面層の硬度を内部層よりも確実に高くすることができる。ただし、本発明においては、表面層と内部層の化学組成が同じであって、表面層の硬度が内部層よりも高い場合も含まれる。このように、表面層と内部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、後述する接点接触部の製造方法に関連して詳しく説明する。勿論、例えばSn濃度が表面層の方が反対に低いものも、本発明リレーで用いる接点接触部に含まれる。
【００２９】
上記の接点接触部は、用途に応じて、例えばブレーカーに組み込むために、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、接点接触部の表面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を設けることができる。この接続層は、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。また、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。
【００３０】
図7〜図9に、本発明リレーに用いる接点接触部の代表例を示す。図7の接点接触部は、内部層110と、その表面側にのみ形成された表面層120とからなる典型的な例であり、内部層110の裏面側には接続層130が設けてある。図8の接点接触部では、内部層110の表面側と裏面側及び側面を全て取り囲むように表面層120が設けてある。また、図9の接点接触部では、内部層110の表面側と側面を取り囲むように表面層120が設けてある。尚、図7〜9の接点接触部においても、接点の裏面には接続層130が設けてある。
【００３１】
次に、本発明リレーで用いる接点接触部の製造方法について説明する。硬い表面を持つ接点接触部は、粉末冶金法によって作ることができる。例えば、予めSnやInなどの微細な酸化物や他の化合物、又は加熱によって酸化物又は他の新たな化合物となるSn、Inの化合物と、Ag粉末とを、所定組成にて配合・混合した後、必要により熱処理する。同様にして化学組成、即ち混合比率の異なる混合粉末を作製し、次に作製したこれら2種類の混合粉末を積層し、粉末成形してプリフォームとした後、焼結する。焼結後加工として、熱間押出、熱間又は冷間ロール等の圧延、熱間鍛造など、各種の塑性加工が適用できる。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等を入れることができる。原料粉末の組成や細かさ、焼結後加工や熱処理条件の工夫によって、硬い表面層を有する接点が得られ、接点の諸特性の制御が可能になる。
【００３２】
また、下地となる接点接触部の内部層を粉末冶金法や溶解法で作製した後、その上に表面層を溶射、厚膜蒸着（CVD等）、厚膜印刷・焼付等の冶金的な様々な手段によって形成することもできる。更に、予め別途作製した表面層と内部層を接合することもでき、その場合の接合には、例えば、熱間静水圧成形法による拡散接合、熱間押出法など種々の手段が適用できる。更に、熱処理を施すことにより各層の微細組織を意図的に制御して、それぞれ所望の硬度に変えることもできる。
【００３３】
また、本発明リレーに用いる接点接触部を溶解法により製造する場合には、例えば、まず表面層及び内部層それぞれの化学組成となるように溶解・鋳造し、得られたインゴットを粗圧延した後、2種の圧延材を熱間圧着して張り合わせる。その際又はその後、必要に応じて上記した純Agなどの薄い接続層を圧着する。これを更に圧延して所定の厚みのフープ状にした後、同フープを打ち抜き（又は更に成形し）、最終形状に近いサイズのAg合金複合材とし、更にこの素材を内部酸化してSn、Inなどの金属成分を酸化物に転換する。尚、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。
【００３４】
上記のような張り合わせ以外の方法として、1種類の圧延材を用いても、圧延以降に適宜熱処理や形状を調整する工程等を入れることにより、微細組織を意識的に制御して、表面層の硬度を高くしたり、各層の材料特性やそのレベル等を変えたりすることができる。また、熱処理の一環として、酸化初期における酸化温度を600℃程度の低温とし、その低温で例えば2時間保持後に、750℃といった高温で酸化することも方法の一つである。勿論、硬い合金を得るために、より長時間、場合によっては酸化が終了するまで低い温度で保持しても良い。
【００３５】
接点接触部の硬度の制御手段には、上記以外にも、例えば以下の方法がある。上述した方法によって複合接点を準備し、その表面層だけを急熱・急冷し、表面層の残留応力を内部層のそれよりも大きくする方法や、表面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。また、Ag合金板に熱間圧延、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、温度をコントロールして内部酸化を行って、表面層に内部層よりも微細な酸化物粒子を析出させ、表面の硬度を高める方法もある。
【００３６】
更に、上述の圧延加工により表面層と内部層、必要に応じて接合層を張り合わせる方法において、表面層と内部層を同じ化学組成とし、表面層と内部層の鍛錬加工比を異なった条件にしておくことにより、両層を同一化学組成であって異なる硬度とする方法がある。尚、以上の硬度の制御手段は、特に表面層と内部層とが同じ化学組成のものに適用すると有効である。
【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にて接点表面部の表面硬度を特定することで物性を安定させ、絶縁特性や接合性が安定し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、接点接触部の表面は、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、接点接触部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7〜9に示した前述の構成、つまり内部層、表面層、接続層を有する構造（図3では省略）に形成されている。また、この接触部表面の平均硬度がマイクロビッカース基準で150mHv以上である。
【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及び出力接点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及び出力接点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及び出力接点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及び出力接点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、以下に説明する接点接触部を作製した。まず、表1に示す表面層と内部層としての化学組成を有する2種のAg合金を、それぞれ溶解・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、表面層と内部層のインゴットを重ね合わせ、アルゴン雰囲気中にて850℃で熱間ロールによって接合し、2層のAg合金からなる複合素材を作製した。得られた複合素材を、いずれも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の厚みの接合層となるように、薄い純Ag板を表面層と反対側の内部層裏面に熱間圧着した。
【０１０５】
その後、冷間圧延してフープ状素材とし、これを打ち抜いて、幅7.5mm、長さ8mm、厚み2mmの形状Aと、幅と長さが5mm、厚み1.5mmの形状Bとの、2つの形状の複合接点チップを作製した。得られた各チップを15気圧の酸素雰囲気中にて750℃で210時間保持して、表1に示す試料1〜34の各接点を作製した。得られた各試料の接点接触部について、マイクロビッカース基準による表面層の平均硬度と、表面層の厚みを下記表1に示した。尚、内部層の硬度は表1に示していないが、全体が同一硬度の試料27及び内部層の方が高硬度の試料33を除き、内部層の硬度は表面層よりも低くなっている。
【０１０６】
平均硬度の測定は、各試料の接点接触部の表面に垂直な方向の断面上において、表面層と内部層それぞれの域内で、それぞれの厚み方向に各層の上下端付近を含め5点ずつマイクロビッカース硬度を測定し、試料の中央付近においてこの作業を6ヶ所行った。これら30点の測定値の算術平均値を各層の平均硬度とした。尚、表面層の厚みが狭い場合には、接点接触部表面に平行な方向に30点の測定を行った。また、同じ断面上の中央付近にて、チップ表面に平行な方向に5点で表面層の厚みを測定し、それら5点の測定値の算術平均値をもって表面層の厚みとした。
【０１０７】
【表１】
2005294126.tif 000003
【０１０８】
尚、表１に示す各試料の組成において、試料11〜18の他成分Sb、Ni、Biの量は、いずれも0.2質量％である。また、試料19〜32の表面層と内部層は、いずれも化学組成が同じである。そして、試料19〜27の両層の他成分とその量は、Sb、Co、Znがいずれも0.05質量％、Niが0.2質量％である。試料29の両層の他成分とその量は、Sb、Pb、Ni、Bi、Co、Znがいずれも0.1質量％、Caが0.2質量％である。試料29の両層の他成分とその量は、Sb、Ni、Ca、Bi、Co、Znがいずれも0.1質量％、Pbが0.5質量％である。更に、試料30〜32の両層の他成分とその量は、Ni、Znがいずれも0.2質量％である。
【０１０９】
試料1〜10はSnとInの量を変化させて各層の硬度を制御した試料群、試料11〜18はSnとInの量を変えると共に、他成分を更に添加した試料群、試料19〜27は表面層の厚みを変化させた試料群である。尚、試料27では、接点全体が同じ硬度であるため、表面層の厚みを接点厚みと表記とした。また、試料19〜30は表面層と内部層が同一化学組成であり、その内の試料27以外は表面層と内部層の製造過程において表面層の圧延加工比を内部層の50％増しとすると共に、圧延加工の途中において真空中で素材を450℃×30分の比較的低温にて短時間焼鈍することにより作製し、また硬度を更に高くするように酸化後にショット加工を施すことにより、表面層の硬度を制御した試料群である。尚、試料31は硬度が140mHv以下の例であり、試料32はInを含まない例である。
【０１１０】
また、試料33は特開昭61-114417号公報、試料34は特開昭58-189913号公報の記載に基づいて作製した試料である。即ち、試料33の接点接触部は、表1に示す組成の表層面と内部層の各Ag合金を溶解鋳造し、熱間圧着・圧延した後、打ち抜きして作製した材料を、1気圧の酸素雰囲気にて780℃で210時間保持して酸化処理したものである。試料34の接点接触部は、表面層と内部層の各Ag合金を溶解鋳造し、互いの合わせ面上に水平方向に1mmピッチで深さ0.5mmの凹凸を形成し、両層の凹部と凸部を互いに噛み合わせた状態で400℃に加熱しながら2ton／cm2で加圧して熱間圧着した後、冷間圧延し、更に1気圧の酸素雰囲気にて650℃で酸化処理したものである。
【０１１１】
次いで、図10に示す形状の固定側及び可動側の電気銅製台金を準備し、図10(A)に示すように接点チップ11を固定側台金13に、図10(B)に示すように接点チップ10を可動側台金12に、それぞれ銅ロウ付けした。その後、定格AC30〜50Aフレームの漏電遮断器（以下ブレーカーと略記する）に固定した。このようなブレーカーアッセンブリーを、各試料の接点対毎に各3台用意した。試料1〜34の全てのアッセンブリーを使って、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、それぞれ遮断試験を行って絶縁特性を確認した。絶縁特性は、電源負荷間の抵抗値を測定し、その最低値を下記表2に示した。また、元の接点と遮断試験後の接点の消耗状態を比較して、接点の消耗状態のバラツキを10点満点で評価した。
【０１１２】
同様にして、電磁開閉器についても、接点の消耗状態のバラツキ特性を確認した。即ち、試料1〜34の各接点を用いた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で開の動作で開閉を10万回行った。各試験前後の比較において、接点消耗量のバラツキの度合いを目視で確認し、消耗状態のバラツキの大きさを10点満点で評価した。また、これらの各試料を作製する段階で、台金に接点を接合する際の接点の接合性を、ロウ流れ状態、接点表面に発生する割れ等の異常の有無、爆火と呼ばれる接合異常の発生状況により、10点満点で評価した。上記の各評価結果を、下記表2に示した。
【０１１３】
【表２】
2005294126.tif 000004
【０１１４】
以上の結果から、以下のことが分かる。（１）表面層のSn濃度を1〜9質量％の範囲内に制御し、JIS規定のマイクロビッカース基準の硬度を表面層の平均値で150mHv以上とし、更に好ましくは、表面層の厚みを10μm以上に制御した接点接触部を用いたブレーカーや電磁開閉器は、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、上記範囲外の比較例の接点を用いたブレーカーや電磁開閉器は、総合評価において実用レベルに達していない。（２）Sn及びInに加え、他の成分を少量含んだ場合でも同様のことが言える。（３）特開昭61-114417号及び特開昭58-189913号公報の記載基づいて作製した各接点接触部は、特段の硬度を制御する処理を行っていないため、表面の硬度レベルが本発明の規定範囲外となり、共に総合的に実用レベル性能が得られなかった。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】
【０１１５】
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】
【０１１６】
【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一具体例を示す概略断面図である。
【図８】本発明リレーに用いる接点接触部の他の具体例を示す概略断面図である。
【図９】本発明リレーに用いる接点接触部の他の具体例を示す概略断面図である。
【図１０】本発明リレーに用いる接点接触部を台金に取り付けた状態を示す概略斜視図であり、（A）は可動側及び（B）は固定側を示す。
【符号の説明】
【０１１７】
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  内部層
120  表面層
130  接続層
10、11  接点チップ
12  可動側台金
13  固定側台金
【図１】
2005294126.tif 000005
【図２】
2005294126.tif 000006
【図３】
2005294126.tif 000007
【図４】
2005294126.tif 000008
【図５】
2005294126.tif 000009
【図６】
2005294126.tif 000010
【図７】
2005294126.tif 000011
【図８】
2005294126.tif 000012
【図９】
2005294126.tif 000013
【図１０】
2005294126.tif 000014