(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を、密閉空間内に配置されたＡｇ系接点素子により制御する密閉形交流負荷用リレーにおいて、
鉄の酸化物を４．０〜２０．０重量％含有し、残部がＡｇからなるＡｇ系接点素子を用いたことを特徴とする密閉形交流負荷用リレー。
【請求項２】
交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を制御する密閉形交流負荷用リレーの耐久寿命を向上させる方法において、
鉄の酸化物を４．０〜２０．０重量％含有し、残部がＡｇからなるＡｇ系接点素子を密閉空間内に配置して前記抵抗負荷を制御することを特徴とする密閉形交流負荷用リレーの耐久寿命の向上方法。
【請求項３】
交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を、密閉空間内に配置されたＡｇ系接点素子により制御する密閉形交流負荷用リレーに用いるＡｇ系接点素子材料において、
鉄の酸化物を４．０〜２０．０重量％含有し、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ランタン、セリウム、サマリウムから選ばれる一種または二種以上の酸化物を０．１〜２．５重量％含有し、残部がＡｇからなることを特徴とするＡｇ系接点素子材料。
【請求項４】
交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を、密閉空間内に配置されたＡｇ系接点素子により制御する密閉形交流負荷用リレーにおいて、
請求項３に記載のＡｇ系接点素子材料からなるＡｇ系接点素子を用いたことを特徴とする密閉形交流負荷用リレー。
【請求項５】
交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を制御する密閉形交流負荷用リレーの耐久寿命を向上させる方法において、
請求項３に記載のＡｇ系接点素子材料からなるＡｇ系接点素子を密閉空間内に配置して前記抵抗負荷を制御することを特徴とする密閉形交流負荷用リレーの耐久寿命の向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流負荷を制御するための密閉形リレーに関し、特に高温雰囲気下において、交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷に対して画期的な耐久性を実現した密閉形交流負荷用リレーに関する。
【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加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。その中で、一般的な交流負荷用のリレーは、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いる。近年では、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、構成部品の小型化が急激に進められており、これら製品に組み込まれるリレーも例外ではない。リレーの小型化を図ると、電気接点自体も小さくすることになり、結果的に接点接触力が非常に小さくなることから、接点材料が曝される環境は、接点特性を維持するためには極めて厳しいものとなる。【０００５】
また、交流負荷用リレーは、一般的にはプリント基板（ＰＣＢ）に実装されて使用されることが非常に多い。これはＰＣＢリレーと呼ばれ、プリント基板に実装された後、フラックス洗浄のために丸洗いされることが通常である。その際、リレー内部への洗浄液等の進入を防ぐために、プラスチックケースなどを用いて、リレー全体をシ−ル剤等で密封した密閉形リレーが多く使われている。【０００６】
これら密閉形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。しかしながら、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。また、Ｃｄ系の材料はこのような電気接点材料のうち、本発明に関連する交流負荷のリレーについて、２００６年７月より欧州での使用が禁止されることになっている。そのため、この交流負荷用リレーにおいてもＣｄを含有しない電気接点材料の開発が、今後求められることになる。このＣｄを含有しない従来技術としては次に示すようなものがある。【０００７】
交流負荷用リレー等に用いられているもので、Ａｇ−ＳｎＯ２系（５〜１５重量％のＳｎＯ２と残部Ａｇとからなる合金）、Ａｇ−ＳｎＯ２−Ｉｎ２Ｏ３系、Ａｇ−ＺｎＯ系などの電気接点材料が古くから知られている。（特許文献１、２）これらＡｇ−酸化物系接点材料は、その酸化物の高い熱安定性から、大きな投入電流が発生する負荷条件においては、Ｃｄフリーの電気接点材料として交流負荷用リレーに広く使用されている。
【特許文献１】特公昭５５−４８２５号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ００／６５６２３号パンフレット
【０００８】
しかし、この従来提案されたＣｄフリーの電気接点材料は、開放形リレーにおいてはＡｇ−ＣｄＯ系接点材料と同等の耐久性能を示すことがあるが、密閉形のリレーにおいては、耐久寿命が著しく低下することが知られている。そして、この傾向は、特に高温雰囲気下において顕著に見られる。つまり、リレーが用いられる電子・電気機器等が使用される環境或いはリレーの自己発熱により、高温雰囲気下に電気接点材料が曝された場合、リレーの耐久寿命はさらに低下する傾向になる。一方、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Ａｇ−ＣｄＯ系接点材料については、密閉形のリレーで使用すると、上記Ｃｄフリーの電気接点材料のように耐久寿命は低下しないことも知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように交流負荷の密閉形リレーにおいて、耐久寿命が低下する理由は不可解な点が多く、この現象に対する明確な対策も提案されていない。そのため、例えばＰＣＢリレーでは、プリント基板の洗浄後にわざわざリレー上部に穴を開け、密閉形から開放形のリレーに変更して使用されている場合がある。また、プリント基板の実装ラインにおいてＰＣＢリレー上部への穴開けが困難な場合は、そのまま密閉形リレーとして使用されることになるが、その際は交流負荷用リレー本来の保証開閉回数を大きく低下する状態を認識した上で使用しなければならない。【００１０】
また、電子・電気機器等が屋外に設置される場合においては、当該機器内に入り込む塵埃や虫等がリレーの開口した穴から侵入し、接点表面にそれらが付着したり、或いは腐食性ガスがリレー内に進入したりすることにより、接点表面が汚染や腐食されて、リレーの安定動作を妨げる事例が多く発生している。開口面積が大きな交流負荷用の開放形リレーを用いると、上記汚染や腐食問題の発生率が大きくなることは避けられないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を重ね、本発明に係る密閉形交流負荷用リレーを見出すに至った。本発明は、交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷を、密閉空間内に配置されたＡｇ系接点素子により制御する密閉形交流負荷用リレーにおいて、鉄の酸化物を４．０〜２０．０重量％含有し、残部がＡｇからなるＡｇ系接点素子を用いたことを特徴とするものである。【００１２】
本発明に係る密閉形交流負荷用リレーは、金属状態でＡｇよりも融点が高く、且つ金属状態でＡｇと固溶体を作らない、鉄の酸化物、即ち、酸化鉄を所定量含有したＡｇ系接点材料を密閉空間内で使用することで、その耐久寿命を向上させたのである。そして、この本発明に係る密閉形交流負荷用リレーを小型にしても、接触信頼性、耐久性等のリレー特性に優れるものであることを確認した。さらに、本発明の密閉形交流負荷用リレーでは、高温雰囲気下においてその耐久寿命の向上効果が著しいことが判明した。【００１３】
本発明者らの研究によると、交流負荷用リレーにおいて、耐久寿命の長短を決定しうる要因が、接点表面における現象にあることを突き止めたのである。一般に、交流負荷用の開放形リレーは、開閉動作において、接点開離時にア−クが発生し、このア−クにより接点表面が溶融状態となる。Ａｇ−酸化物系材料の場合、ア−クにより接点表面が溶融状態になると、一部分ではＡｇと酸化物とが分離を起こし、その接点最表面は、初期状態と比較して酸化物が粗大化した組織となる。ところが、このような粗大化した状態においても、Ａｇマトリックス中には酸化物が分散した状態を保っており、接点消耗による接触力の大幅な低下がない限り、溶着故障を引き起こすことはないのである。一方、交流負荷用の密閉形リレーにおいては、開閉動作をさせた後のＡｇ系接点材料の接点最表面には、酸化物がほとんど存在しない状態となっていることが確認されたのである。そして、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のである。【００１４】
本発明者等は、上述した現象に着目し、開放形と密閉形との耐久寿命の相違を接点表面における変質現象の差異によるものと推測した。開放形では、接点の開閉に伴い発生するアークの熱により、接点表面の酸化物は分解され易く、その後に再酸化されるという、還元・酸化のサイクル現象が接点表面において繰り返されていると考えられる。【００１５】
これに対し、密閉形では、電気接点を密閉するために用いられるパッケージ材である樹脂から発生する有機ガスが、アークの熱によりリレーの密閉空間内で酸化分解され、リレー内部に閉じ込められた酸素が消費されてしまうことが考えられる。そのため、密閉形のリレーにおいて、その接点表面の酸化物が分解されても、有機ガスの酸化分解による酸素の消費により、リレー内部の酸素分圧が著しく低下して、上記した開放形のような、接点表面における酸化物の還元・酸化のサイクル現象は生じなくなると推測される。【００１６】
このように密閉形のリレーでは、接点表面の酸化物が還元された状態が維持されることになり、もし、その酸化物を形成していた金属元素がＡｇと固溶体を形成し易い元素であれば、接点表面における材料融点を著しく低下させ、溶着故障を開閉早期に引き起こしてしまうと考えられるのである。従来のＡｇ-ＳｎＯ２系およびＡｇ−ＳｎＯ２−Ｉｎ２Ｏ３系接点材料は、まさしくこの現象の典型例に該当し、交流負荷用の密閉形リレーの耐久寿命を制限したものと考えられた。【００１７】
このような本発明者らの研究結果に基づくと、本発明に係る密閉形交流負荷用リレーにおいては、鉄の酸化物を所定量含有したＡｇ系接点材料を密閉空間内で使用しているので、接点表面で鉄の酸化物が還元された状態となったとしても、鉄は金属状態でＡｇよりも融点が高く、且つ金属状態でＡｇと固溶体を作らない結果、その接点表面における材料融点を低下させない。したがって、早期に起こっていた溶着故障がなくなり、その耐久寿命を大幅に向上できるのである。【００１８】
そして、本発明者らは、本発明に係る密閉形交流負荷用リレーが特に高温雰囲気下における耐久寿命を大幅に向上させる効果があることを見出したのである。本発明に係る密閉形交流負荷用リレーは、温度５０℃〜１５０℃までの雰囲気温度において、従来の接点材料では実現できなかった、実用的な耐久寿命を実現できる。本発明者らの研究によると、例えば、従来のＡｇ８８％−ＳｎＯ２１２％の接点材料を交流負荷用の密閉形リレーに使用した場合、５０℃を超える雰囲気温度では１０万回以下で故障する傾向があり、実用的な耐久寿命を実現できなかったが、本発明によれば、５０℃〜１５０℃の高温雰囲気においても、従来の接点材料使用した場合に比べ約８倍もの耐久寿命を実現できることを確認したのである。【００１９】
本発明に係る密閉形交流負荷用リレーでは、そのＡｇ系接点材料における鉄の酸化物含有量は４．０〜２０．０重量％であることが好ましい。４．０重量％未満では、接点材料への突入電流が生じる抵抗負荷においては実用的な耐溶着性を維持することが難しくなる傾向があり、２０．０重量％を越えると、加工性の点で良好でなくなる。本発明者らの研究では、６．０〜１６．０重量％の範囲が最適な含有量であることを確認している。【００２０】
また、本発明者等のさらなる研究の結果、本発明に係る密閉形交流負荷用リレーに用いるＡｇ系接点素子の材料としては、鉄の酸化物を４．０〜２０．０重量％含有し、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ランタン、セリウム、サマリウムから選ばれる一種または二種以上の酸化物を０．１〜２．５重量％含有し、残部がＡｇからなるものが有効であることを見出した。この本発明に係るＡｇ系接点素子材料では、酸化物生成の標準自由エネルギーが低く、酸素分圧の低い雰囲気においても還元されにくい酸化物、即ち、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ランタン、セリウム、サマリウムから選ばれる一種または二種以上の酸化物を添加することにより、密閉形交流負荷用リレーの耐久寿命をさらに向上させることができるのである。これらの酸化物は、その含有量が０．１重量％未満では耐久寿命のさらなる向上効果が得られなくなる傾向があり、２．５重量％を超えると、加工性の点で良好でなくなる。本発明者らの研究では、０．５〜２．０重量％の範囲が最適な含有量であることを確認している。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、交流電圧８０Ｖ〜３００Ｖ、定格電流５〜２５Ａの抵抗負荷に対して画期的な耐久性を実現した密閉形交流負荷用リレーとすることができ、特に、高温雰囲気下において、非常に好適な密閉形交流負荷用リレーとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】開放形リレー耐久試験条件１の結果を示すグラフ。
【図２】開放形リレー耐久試験条件２の結果を示すグラフ。
【図３】密閉形リレー耐久試験条件３の結果を示すグラフ。
【図４】密閉形リレー耐久試験条件４の結果を示すグラフ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する第一実施形態及び第二実施形態に基づいて説明する。
第一実施形態：表１には、この第一実施形態における実施例１〜４の交流負荷用リレーに用いた酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を含有するＡｇ系接点材料の組成を示している。また、表１中の従来例１〜３には、従来から交流負荷用リレーに一般的に採用されているＡｇ系接点材料を示している。また比較例１として、Ａｇ−ＣｄＯ接点を取り上げた。【００２４】
【表１】
0004427058.tif 000002
【００２５】
実施例１〜４の電気接点材料は粉末冶金法により製造した。まず、原料粉末として平均粒径３μｍのＡｇ粉末と平均粒径２μｍの酸化鉄粉末とを、所定の配合比に計量し、Ｖ型混合機にて混合粉末を作製した。次に、この混合粉末を圧縮成形して、φ５０ｍｍの円柱ビレットを作製した。これに対して、従来例１〜３、比較例１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鋳造して、熱間押し出し加工により、直径６ｍｍの線材とした。続いて、その線材を７００℃で焼鈍しながら直径２ｍｍまで引き延ばし加工を行い、長さ２ｍｍで切断することで、直径２ｍｍ×２ｍｍＬのチップを作成し、このチップを酸素圧５気圧、温度７５０℃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、圧縮成型して直径５０ｍｍの円柱ビレットを作製した。【００２６】
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いるが、それと垂直方向になる円柱側面方向への変形はできないようにした。この圧縮加工に続き、８５０℃、６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。【００２７】
このような圧縮加工及び焼結処理を施したビレットは、熱間押し出し加工により、直径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２．３ｍｍの線材とし、ヘッダーマシンによって、頭径３．２ｍｍ、頭厚１ｍｍのリベット接点を作製した。【００２８】
開放形リレー試験：まず、上記のようにして得られた各リベット接点を、開放形の交流負荷用リレーに組み込んで耐久試験を行った。この耐久試験は表２および表３に示す２つの耐久試験条件で行い、５台以上のリレーを使用して各リレーが故障するまでの開閉回数を測定した。その耐久試験の結果を図１（表２の試験条件の結果）および図２（表３の試験条件の結果）に示す。【００２９】
【表２】
0004427058.tif 000003
【００３０】
【表３】
0004427058.tif 000004
【００３１】
図１及び図２で示す結果より、表２および表３に示す開放形リレーでの耐久試験では、比較例１のＡｇ−ＣｄＯ系（５台平均開閉回数  条件１：約３１．８万回、条件２：約１．４万回）（以下に示す開閉回数は、総て５台の平均開閉回数である）、従来例１のＡｇ−ＳｎＯ２系（条件１：約２８．３万回、条件２：約３．７万回）、従来例２のＡｇ−ＳｎＯ２−Ｉｎ２Ｏ３系（条件１：約３３．２万回、条件２：約４．３万回）および従来例３のＡｇ−ＺｎＯ系（条件１：約２７．１万回、条件２：約０．２万回）の接点材料が実用上に十分に満足できる耐久性を有していることが確認された。これに対して、本実施例であるＡｇ−酸化鉄接点材料は、これら従来例と比較して、同等、もしくは、それ以上の耐久性を有することが判明した。尚、実施例１の条件１で約３０．３万回、条件２で約２．１万回、実施例２は条件１で約３１．４万回、条件２で約６．５万回、実施例３は条件１で約３１．０万回、条件２で約１２．７万回、実施例４は条件１で約３４．０万回、条件２で約２．４万回であった。【００３２】
密閉形リレー試験：次に、上記の各リベット接点のうち、実施例２、従来例１〜３、比較例１の接点材料を用いて、密閉形の交流負荷用リレーに組み込んで耐久試験を行った。この耐久試験は表４および表５に示す２つの耐久試験条件で行い、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図３（表４の試験条件の結果）および図４（表５の試験条件の結果）に示す。なお、この耐久試験での密閉形リレーは、上記開放形リレーを熱硬化性樹脂でシールすることにより密閉形のリレーに変更したもので、リレー自体の構造および組立て条件等に開放形のそれと差異はないものである。【００３３】
【表４】
0004427058.tif 000005
【００３４】
【表５】
0004427058.tif 000006
【００３５】
表４に示す耐久試験条件の図３の結果により、次のことが判明した。この表１と表４との耐久試験条件は、開放形か密閉形かの相違のみで、その他の条件で同じであるところ、従来例１〜３の接点材料では、開放形のリレーの耐久試験結果に比較して、明らかに密閉形では耐久性が劣っていることが確認された。具体的には、従来例１では、開放形の条件１で約２８．３万回であったところ密閉形の条件３で約７．３万回となり、従来例２では、開放形の条件１で約３３．２万回であったところ密閉形の条件３で約８．４万回となり、従来例３では開放形の条件１で約２７．１万回であったところ密閉形の条件３で約２．３万回となっていた。一方、比較例１では、開放形の条件１で約３４万回であったところ密閉形の条件３では約３６万回となり、従来例とは違う結果が得られた。ただし、現時点ではメカニズムが十分には解明されていないため、この現象を明確に説明することは困難である。【００３６】
ところが、実施例２のＡｇ−酸化鉄系接点材料では、開放形のリレーの場合よりも、密閉形リレーでの耐久性が明らかに向上していることが確認された。具体的には、実施例２では、開放形の条件１で約３１．８万回であったところ密閉形の条件３で約５７．４万回となった。【００３７】
また、表５に示す高温雰囲気下における耐久試験結果では、従来例１〜３の電気接点を組み込んだ密閉形リレーでは、その耐久性能が著しく低下することが確認できた。具体的には、従来例１では、高温雰囲気の密閉形で約２７．１万回となり、従来例１では約８．１万回、従来例２では約２０．１万回、従来例３では約２．０万回となっていた。一方、実施例２のＡｇ−酸化鉄系電気接点材料では、８５℃という過酷な高温雰囲気条件下において、実使用に耐えうる、非常に高い耐久寿命特性を備えていることが判明した。具体的には、実施例２では約１０６万回もの平均開閉回数を示した。この結果は、比較例１では、開放形の条件１で約３４万回であったところ密閉形の条件３で約３６万回となることと比べても、画期的な耐久寿命の向上が認められたことを示している。【００３８】
第二実施形態：表６には、この第二実施形態における実施例５〜１４の交流負荷用リレーに用いた、酸化鉄及びマグネシウムなどの酸化物を含有するＡｇ系接点材料の組成を示している。【００３９】
【表６】
0004427058.tif 000007
【００４０】
実施例５〜１４の電気接点材料についても、第一実施形態と同様に粉末冶金法により製造した。原料粉末としては、平均粒径３μｍのＡｇ粉末と、平均粒径２μｍの酸化鉄粉末と、平均粒径２μｍの各実施例に含有されているマグネシウム酸化物等とを用いて、その他の製造条件は第一実施形態と同様の手順により行った。各実施例の電気接点材料により、第一実施形態と同様条件でリベット接点を作製し、開放型リレー耐久試験、密閉型リレー耐久試験を行った。使用した交流負荷用リレー、耐久試験条件などについては、全て第一実施形態と同じである。この第二実施形態における耐久試験結果を表７に示す。【００４１】
【表７】
0004427058.tif 000008
【００４２】
表７では、各耐久試験においてのリレー故障の平均開閉回数（５台の各リレーの故障した際の開閉回数の平均）を示している。条件１及び条件２における密閉型リレーに比べ、条件３及び条件４における開放型リレーの方が明らかに耐久性に優れることが判明した。また、第一実施形態の実施例１〜４と比較すると、実施例５〜１４のように、酸化鉄に加えて各実施例で含まれているもう一つの酸化物を含有させている方が、耐久寿命をさらに向上させることが判明した。
【図１】
0004427058.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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