計測自動制御学会東北支部第 279回研究集会ο013.
3の資料番号 279・
9電気接点のダークブリッジの研究 (11)ー鉄、カ}ボン接点におけるダークブリッジの研究.
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キーワード:電気接点(electri
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協同、ダークブリッジ(由rkbridge)、非線形、ι
I特性(non‑lin
伺 rV‑
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同isti岱)連絡先:干981・8550宮城県仙台市青葉区国見六丁目東北文化学園大学大学院健康社会システム研究科
生活環境情報専攻石田研究室久保田啓義 Tel:(022)233・ 1 ∞O.E・mail: 詑 13btfc3stâ~email.∞m1. はじめに筆者らは前報(1)ーダークブリッジの生成ーにおいて電気接点のブリッジ現象に関する従来の研究を慨観し、筆者らのグルー
Darkプによって得られたダークブリッジ(ridge)とは開閉電気接点に於いて開隊速度が極めて遅く、熱平衡状態が保たれる速度(数 μm/s以下)のとき、接点聞にできる光らない橋絡(ブリッジ) 1)を意味することを述べ、このブリッジを生成するための精密な片持ち梁を用いた装置、及びダークブリッジの生成メカニズムと得られた電気的特性(電圧 Vー電流1)を示し、この平I特性は Vが小さいところでは通常の直線関係(平I比例関係:一定の抵抗)が成立するが、ある大きさの電圧から非線形特性となるという極めて不可解な特性となったことを述べた(図 1参照)へ
本文ではダークブリッジの平I特性の解析を行った結果を述べる。解析は鉄の実験と引き続き行ったカーボンの実験結果について行い、両者を比較検討する。なおこの解析は多くの実験をもとにしなければならないが、装置の改修を要することから、今後の実験結果によっては本文の数値的結果を変更すべきものが出ると考えられる。しかし、大局的見地からの変更の要はないものと考えて本文を作成している。
本文での検討結果を要約すれば以下のごとくである。

1) 電圧 V の低い範囲では通常の導電=GV;Gはコンダク体の特性を示す:Iタンスで一定値を取り (G:電気抵抗 Rの逆数) Vが小さい場合 G (R)は一定。
いわゆるオームの線形法則が成立する)
2) Vがある大きさに達するとドI特性は非線形になる。この非線形平I特性

表 1 ギャップと接触抵抗接触抵抗(mn)gap(μm)
材料
カーボン
鉄

は指数関数関係、で表される (1=11esv、1V=1 の時の~ s:定数(材料定1 :s数だが内容は明らかではなし、)。
3) 鉄では V‑l特性が一定にならない不安定領域が出た(この内容は目下検討中で次回以降の重要な話題)。

*40
3759.
540
19.
562.
5100.
7500
104.
5650
*ほぽ接触カ 0の接触状態(感覚的)tialIni以下上記 1、) 2)について説明することとする。 3) についてはあとにゆずる。
*この平I特性実験で変数パラメータは電流 Iであることを断っておかなければならない a つまり、電流をある値に設定してその時のブリッジ両端の電圧を測定してこれを V・I特性としてプロットしたのが以下のグラフである。

2.
2. 非線形特性の解析
2.
2.
1 図 1 (鉄)のカーブ A までの解析
図 1(鉄)と図 4 (カーボン)の非線形特性を解析する。図中 Aまでと A‑Bの聞の特性の性質を調べる。
鉄接点のV‑I特 性

2.鉄、カーボンのダークブリッジ特性2.
1 微小ギャップでの接触抵抗(直線群)
図 1は前報(1)の図 5 である。本文図 4がこの度測定したカーボンのダークブリッジの V‑I特性である。
図 1と図 4を比較すると、まず両者のマクロ的な形はよく似ていることに気づく。両者の違いを眺めれば

.
E'︑

•.••.
•.••.

2.
5230.
5‑‑‑‑‑EF︑‑‑‑a‑‑Ea

両者のブリッジ電圧は同じ電流値に対しでほぼー桁異なる(カーボンのほうが大きし、)微小な電極の関離による直線の傾斜の変化には同様な傾向がある(ギャップが聞と傾斜が緩やかになる)
同一電流時の両者のダークブリッジはカーボンでは鉄に比べてほぼー桁抵抗が大きい。これは本来の材料と抵抗の違いによるものである。表 1に大きさの比較を示す。

V(mV)
図 1 鉄接点の V‑I特性
目視での見当ではおよそ A までは直線的であるように見える。データの数が少ないが
図 1で A までの 3点をつなぐ直線を解析した。この結果が図 2である。図中の重相関係数 (R2) から見てこれはほぼ 1であることから、この結果は明らかに A までの聞に完全に直線関係が存在するとの確信が得られる。図中の式

表 1で initialとは接触カがほぼゼロとみなされる状態をいう。ゆっくりと接点を開離して、それぞれ表 1に示す gap に設定して接触抵抗を測定したものである a なおこの測定は系統的ではない。前報(1)にはいわゆるかspoe)の系統的測定結果がある 2)

1=
O.0044V‑0.0086(1)の係数 0.0044 の逆数が抵抗値を示すからこれを計算すると鉄のこの場合のダークブリッジの抵抗 RFは2

RF=227.
3m Q

2ム3 図 4(カーボン)のカーブ A までの解析(2)である。表 1ではもともと 40‑‑‑65mQ程度で‑‑‑5倍の抵抗になっていあったものが突然 4る。この理由は電流集中による高密度電子の負の電界効果と考えられるが、この議論は次回以降に委ねる
なお(1)式でー0.
0086は明らかに誤差である。
電流ゼロでは電圧はゼロであるからこの項はゼロでなければならない。
D28.5pm①開臨時のV‑I特性(1)0.
5o 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
V[mvl0.
4

図 4 カーボン接点の V・I特性

3

図 5に結果を示す。この場合も極めて高い
相関 (R2=0.9985) でこの聞は直線で近似で
き、

0.
20.
1

1=O.
O
O
O5V‑0.
0149o1002040vbnW6

図 2 28.5μm①開離時の平I特性(
図 1の A までの特性)(3)である。ここでも (3)の第 2項
・0.
0149は誤差である。そしてこの部分の抵抗Rcは V の係数の逆数として求められ、

2ム2図 1の A.
.
.
.
B聞の解析解析結果を図 3に示す。

Rc=200OmQ=2Q

ω(4)28.5pm①開離時のV‑I特性である。表 1と比べて見ると約 3‑‑4倍の抵抗となっている。

0.
9115.9pm開離時のV‑I特性(1)

30.
70.
50.
60.
530.4oV(mV)

0.
32000.
2

図 3 28.5μm①関離時の V‑I特性(
図 1の A‑B聞の特性)

0.
1。
o

ここでは明らかにこのカーブは指数関数で近似されることがわかる。 R2はほぼ 1である a500V<mV)

1000

図 5 115.9μm開離時の V‑I特性(図 4の Aまでの特性)

315002.
2.
4図 4(カーボン)の A‑‑B間の解析‑¥1.
・I指数関数部の発生についてー
本文でも触れたところであるが、この非線形 平I特性は電子の高密度化が強制的になされることから起こることに疑いはない。負の電荷(電子は負(マイナス)の電荷をもっ)は負の電界を持つからプラス電圧(ブリッジ電圧)を打ち消す作用をする a これによって起こる現象が指数関数的であると考えられる。負電荷による負の電圧を 反電圧' と仮に呼ぶこととする a解析結果を図 6~こ示す。この結果は

1=O.
2475eo側 7V(5)となった。 R2=0.
9962である。明らかにここも指数関数的であることがわかる。
115.
9p.m開離時のV‑I特性包}
1.8』・
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B再吾金を 91.2<1'i::'0.
80.
60.
4

し」

d岨戸.O̲OOO7V'，，) A"'~ー鉄とカーボンの違いについて.
表 1に見るように鉄とカーボンのダークブリッジ特性は{直において大きく異なっている。常温での特性値は測定可能であるが、電気接点聞の微小なところでの高温状態(だだし可視光が出る範囲よりは低温)での材料特性は明らかではない。ダークブリッジの温度の計測は今後の重要な課題であるが、本研究で近接場所の温度計測と間接的な温度推定の可能性を追求すべきである。

Z

〆0.
2oo

50010001500 2000V(mV>

25003000

図 6 115.9μmmJ離時の平I特性(
図 4の A‑‑B聞の特性)
2ム5 解析結果の考察とまとめ3. 非線形不安定領域 (C)
図1、図 4で Cの領域を示した。まず図4の C部は特筆すべき不安定ではなくブリッジが変形した結果であると考えるべきであろう。ダークブリッジの成長を促すため熱の伝達速度より遅い速度で開離するのであるが、途中でブリッジが瞬間的に切断する現象がある(瞬断という)。図 4の C領域でのデータのズレはこのためと考えるのが至当であろう。カーボンで不安定領域が存在するか否かについては今後の研究に委ねなければならない。
しかし、図 1の C部は明らかに不安定領域である。一定電流を流している状態で電流に変化がないにもかかわらずブリッジ電圧が一定値に留まることが出来ない。この原因は高密度電子による反電圧がブリッジ電圧より高くなってダークブリッジは負性抵抗を持つに至ったものと考えられる。この議論と調査は今後の興味ある課題である。
成果を得た段階で逐次報告したいと考えている。

.接触抵抗との関係ー
以上実験で得た鉄とカーボンについてその電圧一電流 Cv‑I)特性の非線形特性を解析した。この結果はいずれも Vの小さい範囲では直線的関係であることが分かつた。直線関係、は電気抵抗が変化しないことを意味する。ここで注目すべきは 2.
1で考察した接触抵抗部(平I特性が直線関係(線形)であるところ)の接触抵抗の値(表 1) と非線形部の直線部から得られる抵抗値が大きく異なることである。つまり
図 4の V‑I特性の直線部(電圧の小さい範囲)はかspot領域と考えられ、通常の接触抵抗論での解釈が成立すると考えてよい。
ii) これに対して非線形部の初期の線形部は‑spot論に加えてダークブリッジ
通常の a自体の抵抗が加わったものと考えられる。

i)

詳細は今後の観測に委ねなければならないが、当面の解釈を以上の知くして今後の調査の方向とする。

4

4.おわりに

文献

本報告では電気接点聞に生じるダークブリッジの特性解析を中心に述べた。ここで得られた知見は以下のようなものである。
i)ii)

iii)

1) Hi!"oyt止i.JsIùØ~ ̲~sanari Tanigu~lù~ Ia~$u:rakagi: “~~cise Mea!~emen~ o!
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Measurement
T~f!nology Conference，Ottawa，Canada，May2005.
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ダークブリッジの非線形部は直線と指数関数部及び不安定部(負性抵抗部)からなる。
非線形部の中の線形範囲はa‑spot 接触抵抗とダークブリッジ抵抗の和と考えられる。
非 線 形 平I特性における線形部と指数関数部は精度の高い(重相関係数がほぼ 1)近似が成立する。

2) 久保田啓義、佐々木俊介、石田広幸、高木
相: 電気接点のダークブリッジの研究(1)ーダークブリッジの生成一"、計測自動制

77回研究集会
御学会東北支部第 2
12(2012，12)3)R.Holm:Electric Con
旬C也、百1∞ryand，
sn FourthE
ditio，n Springer(2000)，
Applicatiol.
.
.
.
.
16.
p.1などを明らかにすることが出来た。
今後の課題を列挙すれば、i)ii)

iii)

同277‑

非線形手・I特性から電気抵抗の電流(または電圧)特性(I‑R，V‑R特性)の導出
金属材料特性(電気抵抗率、熱伝導率、硬度、など)と非線形特性の関係、の究明。多くの材料での実験。
実際のコネクタ接点でのダークブリッジの生成の可能性(実用コネクタのぱねの疲労劣化でダークブリッジが生成する可能性がある)。
負性抵抗の応用(電気振動回路(発振器))の可能性。などである。

5