密封式交流負荷用繼電器以及其中使用的Ag系接點元件材料的製作方法

2023-09-19 06:39:00 1

專利名稱：密封式交流負荷用繼電器以及其中使用的Ag系接點元件材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於控制交流負荷的密封式繼電器，特別涉及在高溫氣氛下，對於交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷可實現非常優良的耐久性的密封式交流負荷用繼電器。
背景技術：
機械地開關電路的電觸點一般稱為電接點，該電接點必須具有通過金屬和金屬接觸在接點無障礙地傳遞流通的電流·信號的特性以及在斷開金屬時能無障礙的切斷的特性。因此，雖然該電接點在結構上簡單，但是已知在其接觸表面上發生各種物理的或化學的現象，例如伴隨有吸附、氧化、硫化、有機化合物的合成還有伴隨放電的熔融、蒸發、消耗、轉移等非常複雜的現象，在學術上無法被解釋的方面很多。如果發生這些現象，則電接點的接觸功能被阻礙，根據情況有可能喪失接觸功能(例如，熔敷)，這決定著安裝有電接點的電氣製品等的性能和壽命。這意味著，電接點是決定電氣製品等的壽命和性能的重要零件之一。
作為使用該電接點的電氣製品的代表例的繼電器，其使用範圍可涉及從電信電話、各種電子機器等弱電領域到阻斷強電流的電氣設備等強電領域。因此對繼電器功能的要求也千差萬別，逐漸開發出並向市場供給很多種類的能實現適合使用目的的特性的電接點以及使用其的繼電器。
使用該電接點的繼電器是通過以直流、交流脈衝等形式負加電信號產生線圈磁通，通過該磁力吸引可動鐵片，從而使電接點對應於可動鐵片的活動而開關的繼電器。其中，一般的交流負荷用的繼電器被安裝於家電、空調、音響、通信機器等各種負荷條件以及環境下，需要保證穩定的開關動作。近年來，伴隨著家電、空調、音響、通信機器等的高功能·高性能化以及低耗電化，構成零件被迅速小型化，安裝在這些製品中的繼電器也不例外。為達到繼電器的小型化，電接點自身也變得較小，結果導致接點接觸力非常小，因此接點材料暴露的環境對於維持接點特性是非常苛刻的。
另外，交流負荷用繼電器一般較多安裝在印製電路基板(PCB)上使用。這稱為PCB繼電器，被安裝在印製電路基板上後，通常為了清洗焊劑而進行整體浸沒清洗。這時，為了防止清洗液等進入到繼電器內部，多使用採用塑料外殼等、用密封劑等來密封繼電器整體的密封式繼電器。
從很早就知道Ag-CdO系電接點材料可作為裝配在這些密封式繼電器中的電接點材料，該Ag-CdO系接點材料在作為電接點材料應該具備的特性的耐熔敷性、耐損蝕性以及接觸電阻穩定性上達到了良好的平衡。但是，Cd是對人體有毒的元素，考慮到當前以及以後的環境問題等，最好不製造及使用。另外，在歐洲預定從2006年7月開始禁止在本發明相關的交流負荷繼電器中使用Cd系材料這樣的電接點材料。因此，今後需要開發出用於該交流負荷用繼電器的不含Cd的電接點材料。作為這種不含Cd的目前技術如下所示。
從很早就知道Ag-SnO2系(包括5～15重量％的SnO2和餘分為Ag的合金)、Ag-SnO2-In2O3系和Ag-ZnO系等電接點材料可用於交流負荷用繼電器。(專利文獻1、2)這些Ag-氧化物系接點材料，由於其氧化物的高熱穩定性，因此在產生較大接通電流的負荷條件下，在交流負荷用繼電器中作為不含Cd的電接點材料而廣泛使用。
專利文獻1日本專利特公昭55-4825號公報專利文獻2國際公開WO00/65623號小冊子但是，目前公開的不含Cd的電接點材料雖然在開放式繼電器中顯示了與Ag-CdO系接點材料同樣的耐久性，但是在密封式繼電器中耐久壽命卻顯著降低。而且，這種趨勢特別是在高溫氣氛下尤其顯著。也就是說，由於使用繼電器的電子·電氣機器等所處的在使用環境或者通過繼電器的自身發熱而使電接點材料暴露於高溫氣氛下時，繼電器的耐久壽命有進一步降低的趨勢。另一方面，已知如果將耐熔敷性、耐損蝕性以及接觸電阻穩定性達到良好的平衡的Ag-CdO系接點材料用於密封式繼電器中，耐久壽命與上述不含Cd的電接點材料不同，不會降低。
發明的揭示發明要解決的課題對於這樣的交流負荷的密封式繼電器，耐久壽命降低的理由有很多不清楚的地方，也沒有對該現象的明確對策。因此，例如PCB繼電器中，有在印製基板的清洗之後特意在繼電器的上部開孔，將其由密封式變為開放式來使用的情況。另外，對於印製基板的安裝生產線上較難在PCB繼電器的上部開孔的情況，將其直接作為密封式來使用，但此時必須在認可大大低於交流負荷用繼電器原保證開關次數的狀態的前提下使用。
另外，電子·電氣機器等設置在屋外時，由於在接點表面會附著從繼電器開口的孔進入該機器中的灰塵或蟲子，或者腐蝕性的氣體進入到繼電器內，使接點表面汙染或腐蝕，從而影響繼電器的穩定性的事例多有發生。如果使用開口面積較大的交流負荷用繼電器，不可避免上述汙染或腐蝕問題的發生率將變大。
解決課題的方法為了解決上述課題，本發明人經過反覆的認真研究，終於發現了本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器。本發明是通過在密封空間中配置的Ag系接點元件控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25V的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器，其特徵在於，使用含有4.0～20.0重量％的鐵的氧化物且餘分為Ag的Ag系接點元件。
本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器，通過在密封空間使用如下的Ag系接點材料而提高其耐久壽命，該Ag系接點材料含有規定量的在金屬狀態比Ag的熔點高且在金屬狀態不與Ag形成固溶體的鐵的氧化物，即氧化鐵。另外，即使小型化本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器，也已確認接觸可靠性、耐久性等繼電器特性均優良。另外也已明確，本發明的密封式交流負荷用繼電器即使在高溫氣氛下其耐久壽命也顯著提高。
本發明人的研究顯示，對於交流負荷用繼電器，可決定耐久壽命的長短的主要因素是在接點表面發生的現象。一般，交流負荷用的開放式繼電器中，在開關動作中，在接點斷開時產生電弧，由於該電弧接點表面成為熔融狀態。對於Ag-氧化物系材料的情況，當由於電弧接點表面成為熔融狀態時，在一部分發生Ag與氧化物的分離，該接點的最表面與初期狀態相比較成為氧化物粗大化的結構。但是，即使在這樣粗大化的狀態，也能保證氧化物在Ag基質中的分散的狀態，只要沒有接點損蝕造成的接觸力的大幅降低，就不會引起熔敷故障。另一方面，對於交流負荷用的密封式繼電器，已經確認在進行開關動作之後的Ag-系接點材料的接點最表面，氧化物基本不存在。因此，在開關動作的初期階段極易引起熔敷故障。
本發明人著眼於上述現象，推測開放式和密封式的耐久壽命的差異是由於在接點表面的變質現象的不同而引起的。認為在開放式中，通過伴隨接點開關產生的電弧的熱，容易使接點表面的氧化物分解，之後被再氧化，從而在接點表面反覆進行這樣的還原·氧化的循環現象。
與此相對，認為在密封式中，電弧熱使自作為用於密封電接點的封裝材料的樹脂產生的有機氣體在繼電器的密封空間內氧化分解，從而消耗在繼電器中密封的氧氣。因此，對於密封式繼電器，雖然其接點表面的氧化物分解，但是由於有機氣體的氧化分解來消耗氧氣使繼電器內部的氧氣分壓顯著降低，因此推測不發生如上述開放式的在接點表面的氧化物的還原·氧化的循環現象。
認為，這樣在密封式繼電器中，維持在接點表面的氧化物被還原的狀態，如果形成該氧化物的金屬元素是易與Ag形成固溶體的元素，會使接點表面的材料熔點顯著降低，這樣在開關早期會引起熔敷故障。目前的Ag-SnO2系以及Ag-SnO2-In2O3系接點材料的確可以充當這種現象的典型例，並且被認為是限制交流負荷用的密封式繼電器的耐久壽命的原因。
以本發明人的這些研究結果為基礎，在本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器中，由於在密封空間使用了含有規定量的鐵的氧化物的Ag系接點材料，即使在接點表面呈鐵的氧化物被還原的狀態，但因為鐵在金屬狀態比Ag的熔點高，並且在金屬狀態不與Ag形成固溶體，結果不會使該接點表面的材料熔點降低。因此，早期引起的熔敷故障不再發生，可大幅提高其耐久壽命。
而且，本發明人發現了，本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器特別是具有可大幅提高在高溫氣氛下的耐久壽命的效果。本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器在溫度50℃～150℃範圍的氣氛溫度中可以實現目前接點材料不能實現的實用耐久壽命。根據本發明人的研究，例如在交流負荷用的密封式繼電器中使用目前的Ag88％-SnO212％的接點材料時，如在超過50℃的氣氛溫度下在10萬次以下就有發生故障的趨勢，不能實現實用的耐久壽命，但是確認採用本發明可，即使在50℃～150℃的高溫氣氛下，也可實現約是使用目前的接點材料的約8倍的耐久壽命。
本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器中，該Ag系接點材料中鐵的氧化物的含有量較好在4.0～20.0重量％。如果未滿4.0重量％，在由流向接點材料的衝流產生的電阻負荷下，有很難維持實用的耐熔敷性的趨勢；如果超過20.0重量％，則加工性變差。在本發明人的研究中確認6.0～16.0重量％的範圍為最適含有量。
另外，本發明人進行了進一步的研究結果發現，含有鐵的氧化物4.0～20.0重量％、選自鎂、鋁、銦、鑭、鈰、釤的一種或二種以上的氧化物0.1～2.5重量％且餘分為Ag的材料作為本發明涉及的密封式交流負荷用繼電器中使用的Ag系接點元件的材料是有效的。在本發明涉及的Ag系接點元件材料中，通過添加氧化物生成的標準自由能低，即使在氧分壓低的氣氛下也難以被還原的氧化物，即選自鎂、鋁、銦、鑭、鈰、釤的一種或二種以上的氧化物可進一步提高密封式交流負荷用繼電器的耐久壽命。這些氧化物如果含有量未滿0.1重量％，則有不能進一步提高耐久壽命的趨勢；如果超過2.5重量％，則加工性變差。在本發明人的研究中確認0.5～2.0重量％的範圍為最適含有量。
發明的效果通過本發明，可形成對交流80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷可實現前所未有的非常好的耐久性的密封式交流負荷用繼電器，特別是形成了即使在高溫氣氛下也非常適宜的密封式交流負荷用繼電器。
附圖的簡單說明

圖1是顯示開放式繼電器耐久試驗條件1的結果的圖。
圖2是顯示開放式繼電器耐久試驗條件2的結果的圖。
圖3是顯示密封式繼電器耐久試驗條件3的結果的圖。
圖4是顯示密封式繼電器耐久試驗條件4的結果的圖。
實施發明的最佳方式基於以下所述的第一實施方式以及第二實施方式來說明本發明的較佳實施方式。
第一實施方式在表1中顯示了該第一實施方式中的實施例1～4的交流負荷用繼電器中所用的含氧化鐵(Fe2O3)的Ag系接點材料的組成。另外，表1的以往例1～3中顯示了在目前交流負荷用繼電器中一般採用的Ag系接點材料。另外，作為比較例1，採用Ag-CdO接點。
表1

實施例1～4中的電接點材料是通過粉末冶金法製造的。首先，按照規定的配比計量作為原料粉末的平均粒徑為3μm的Ag粉末和平均粒徑為2μm的氧化鐵粉末，在V型混合機中製成混合粉末。接著，壓縮成形該混合粉末，製成φ50mm的圓柱坯料(billet)。與此相對應，以往例1～3、比較例1的電接點材料是使用普通的高頻熔解爐來製造的。熔制各組成的Ag合金後鑄成錠(ingot)，通過熱擠壓加工，形成直徑為6mm的線材。接著在700℃鍛燒該線材並進行拉制加工直到直徑為2mm，切成長度為2mm，製成直徑2mm×2mmL的小塊(chip)，在氧壓為5大氣壓、溫度為750℃對該小塊進行內部氧化處理48小時，收集內部氧化處理後的小塊，進行壓縮成形製成直徑為50mm的圓柱坯料。
接著，在圓筒容器中收置經上述所得的各圓柱坯料，通過在圓柱的軸方向施加壓力，壓縮加工圓柱坯料。該壓縮加工中，由於圓柱坯料的側面被圓筒容器束縛，因此能在圓柱軸向發生變形，但是在與其垂直方向的圓柱側面方向不能發生變形。該壓縮加工之後進行在850℃的燒結處理6小時。該壓縮加工以及燒結處理反覆進行4次。
進行這樣的壓縮加工以及燒結處理的坯料，通過熱擠壓形成直徑為7mm的線材(擠壓面積比為約51∶1)。接著，經拉絲加工成直徑為2.3mm的線材，經鐓鍛機製成頭徑為3.2mm、頭厚為1mm的鉚釘接點。
開放式繼電器試驗首先，在開放式的交流負荷用繼電器中裝入如上述所得的各鉚釘接點進行耐久試驗。該耐久試驗在表2以及表3所示的2個耐久試驗條件下進行，使用5臺以上的繼電器測定直到各繼電器發生故障的開關次數。該耐久試驗的結果示於圖1(表2的試驗條件的結果)以及圖2(表3的試驗條件的結果)。
表2開放式繼電器耐久試驗的條件1

表3開放式繼電器耐久試驗的條件2

由圖1及圖2所示的結果可確認，在表2以及表3所示的開放式繼電器的耐久試驗中，比較例1的Ag-CdO系(5臺平均開關次數條件1約31.8萬次、條件2約1.4萬次)(以下所示的開關次數為總數5臺的平均開關次數)，以往例1的Ag-SnO2系(條件1約28.3萬次、條件2約3.7萬次)，以往例2的Ag-SnO2-In2O3系(條件1約33.2萬次、條件2約4.3萬次)以及以往例3的Ag-ZnO系(條件1約27.1萬次、條件2約0.2萬次)的接點材料具有在實用上十分滿意的耐久性。與此相對，與這些以往例相比較，本實施例的Ag-氧化鐵接點材料具有同等或者以上的耐久性。另外，實施例1在條件中1為約30.3萬次、條件2中為約2.1萬次；實施例2在條件1中為約31.4萬次、條件2中約為6.5萬次；實施例3在條件1中為約31.0萬次，在條件2中為約12.7萬次；實施例4在條件1中為約34.0萬次，在條件2中為約2.4萬次。
密封式繼電器試驗接著，在密封式的交流負荷用繼電器中安裝上述各鉚釘接點中的實施例2、以往例1～3、比較例1的接點材料，進行耐久試驗。該耐久試驗在如表4及表5所示的2個耐久試驗條件下進行，使用5臺以上的繼電器測定直到各繼電器發生故障的開關次數。該耐久試驗的結果示於圖3(表4的試驗條件的結果)以及圖4(表5的試驗條件的結果)。另外，該耐久試驗中密封式繼電器，由於是通過熱固性樹脂密封上述開放式繼電器而形成的密封式的繼電器，因此在繼電器自身的結構和組裝條件等方面與開放式沒有差別。
表4密封式繼電器耐久試驗的條件3

表5密封式繼電器耐久試驗條件4

由表4所示耐久試驗條件的圖3的結果可知，該表1和表4的耐久試驗條件，只是開放式與密封式的不同，其它條件均相同，但是以往例1～3的接點材料，與開放式的繼電器的耐久試驗結果相比較，密封式的耐久性明顯較差。具體地講，以往例1在開放式的條件1下為約28.3萬次而在密封式的條件3下為約7.3萬次；以往例2在開放式的條件1下為約33.2萬次而在密封式的條件3下為約8.4萬次；以往例3在開放式的條件1下為約27.1萬次而在密封式的條件3下為約2.3萬次。另一方面，比較例1在開放式的條件1下為約34萬次而在密封式的條件3下約為36萬次，得到與以往例不同的結果。因為現在對機理並不十分清楚，因此明確說明該現象是很困難的。
但是，對於實施例2的Ag-氧化鐵系接點材料，密封式繼電器的耐久性比開放式的繼電器的明顯提高。具體地講，實施例2在開放式的條件1下為約31.8萬次而在密封式的條件3下為約57.4萬次。
另外，在表5所示的高溫氣氛下的耐久試驗結果中，確認安裝有以往例1～3的電接點的密封式繼電器的耐久性顯著降低。具體地講，以往例1在高溫氣氛的密封式情況下為約27.1萬次、以往例1為約8.1萬次、以往例2為約20.1萬次、以往例3為約2.0萬次。另一方面，實施例2的Ag-氧化鐵系電接點材料在85℃的苛刻的高溫氣氛下，可經得起實際使用，具有非常高的耐久壽命特性。具體地講，實施例2顯示了約為106萬次的平均開關次數。結果顯示，比較例在開放式的條件1下為約34萬次而在密封式的條件3下為約36萬次，確認了耐久壽命明顯提高。
第二實施方式表6中顯示了，該第二實施方式中實施例5～14的交流負荷用繼電器中使用的，含有氧化鐵以及鎂等的氧化物的Ag系接點材料的組成。
表6

實施例5～14的電接點材料與第一實施方式同樣是通過粉末冶金法製造的。作為原料粉末，使用平均粒徑為3μm的Ag粉末、平均粒徑為2μm的氧化鐵粉末和在各實施例中含有的平均粒徑為2μm的鎂氧化物等，其他製造條件是按照與第一實施方式相同的程序進行。由各實施例的電接點材料在與第一實施方式相同的條件下製造鉚釘接點，進行開放式繼電器耐久試驗、密封式繼電器耐久試驗。對於使用的交流負荷用繼電器、耐久試驗條件等完全與第一實施方式相同。在表7中顯示了該第二實施方式的耐久試驗結果。
表7

(單位萬次)表7中顯示了各耐久試驗中繼電器故障的平均開關次數(5臺繼電器各自發生故障時的開關次數的平均)。可知與條件1以及條件2中的密封式繼電器相比，條件3及條件4的開放式繼電器的耐久性明顯優良。另外也可知，與第一實施方式的實施例1～4相比較，如實施例5～14這樣的，除有氧化鐵外還含有在各實施例中添加的又一氧化物的耐久壽命進一步提高。
權利要求
1.密封式交流負荷用繼電器，所述繼電器是通過在密封空間內配置的Ag系接點元件來控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器，其特徵在於，所述繼電器使用含有4.0～20.0重量％鐵的氧化物且餘分為Ag的Ag系接點元件。
2.提高密封式交流負荷用繼電器的耐久壽命的方法，所述方法是控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器的耐久壽命的提高方法，其特徵在於，所述繼電器在密封空間內配置含有4.0～20.0重量％鐵的氧化物且餘分為Ag的Ag系接點元件來控制上述電阻負荷。
3.Ag系接點元件材料，所述材料是用於密封式交流負荷用繼電器的Ag系接點元件材料，所述繼電器是通過在密封空間內配置的Ag系接點元件來控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器，其特徵在於，所述Ag系接點元件材料含有4.0～20.0重量％鐵的氧化物，含有0.1～2.5重量％選自鎂、鋁、銦、鑭、鈰、釤的一種或兩種以上的氧化物，餘分為Ag。
4.密封式交流負荷用繼電器，所述繼電器是通過在密封空間內配置的Ag系接點元件來控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器，其特徵在於，所述繼電器使用了由權利要求3中所述Ag系接點元件材料製得的Ag系接點元件。
5.密封式交流負荷用繼電器的耐久壽命的提高方法，所述方法是提高控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器的耐久壽命的方法，其特徵在於，所述繼電器在密封空間內配置由權利要求3所述的Ag系接點元件材料制的Ag系接點元件來控制上述電阻負荷。
全文摘要
提供了對於交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷，可實現優良的耐久性的密封式交流負荷用繼電器，特別提供了在高溫下耐久性也非常優良的密封式交流負荷用繼電器。本發明是通過在密封空間內配置的Ag系接點元件來控制交流電壓80V～300V、額定電流5～25A的電阻負荷的密封式交流負荷用繼電器，所述繼電器使用了含有鐵的氧化物4.0～20.0重量％的，或者含有選自鎂、鋁、銦、鑭、鈰、釤的一種或兩種以上的氧化物0.1～2.5重量％且餘分為Ag的Ag系接點元件。
文檔編號H01H50/54GK1820335SQ20058000068
公開日2006年8月16日 申請日期2005年6月17日 優先權日2004年6月18日
發明者柳原宣仁, 坂口理, 山本俊哉 申請人:田中貴金屬工業株式會社