专利名称：高电压负荷用开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电开关装置，特别涉及搭载于新一代的42V直流电压汽车、电动汽车、混合型汽车以控制36V直流电压以上的高电压负荷的开关装置。
背景技术：
用于机械开关电路的开关装置一般具备被称为接点元件(有时简称为接点)的电接点。该电接点是要求金属和金属接触时流过该接点元件的电流和信号能够无障碍地传递、且在断开时能够无障碍地分离的元件。此外，众所周知，该接点元件虽然本身的结构简单，但在该接点表面会发生各种物理化学现象。例如，吸附、氧化、硫化、有机化合物的合成，还有伴随电弧放电的熔融、蒸发、消耗和转移等，这种现象非常复杂，在学术上有很多未解的部分。
如果因电弧放电而出现消耗和转移等上述现象，则接点元件的接触性能被破坏，有时会引起导通不良和锁定现象，使开关部件不能够正常工作，对安装了这种开关装置的电子·电器产品等造成很大的损害。这说明所装入的开关装置是决定电子·电器产品等的寿命和性能的重要零部件之一。
近年，随着电子·电工学的快速发展，开关装置的使用范围从电信电话和各种电子产品等弱电领域扩展到阻断大电流的电器等强电领域。因此，所要求的性能也千差万别，对具有满足各种不同使用目的的特性的开关部件进行了开发，具备这些新开发的开关部件的开关装置正大量投放市场。
众所周知，关于汽车领域的开关装置，即控制汽车搭载负荷的开关装置中具备使用了通过熔解、铸造法制得的Ag-Cu系(1～40重量％的Cu和余分的Ag形成的合金)，通过内部氧化法制得的Ag-SnO2系(5～15重量％的SnO2和余分的Ag形成的合金)，以及Ag-SnO2-In2O3系等电接点材料的接点元件(参考专利文献1和2)。
日本专利特开2000-309834号公报[专利文献2]国际公开第01/04368号小册子但是，新一代的汽车，例如混合型汽车和电动汽车中，预先将搭载于汽车的电子·电器控制为42V直流电压(或48V直流)，必须控制最高电压值达300～400V的非常高的电压负荷。这样，对于与以往的直流负荷无法相比的高电压负荷，即36V以上的直流电荷，采用了以往公知的电接点材料的接点元件已无法适应目前的开关部件。
要以这样的高电压负荷切实阻断电弧就必须充分确保接点间隙，但目前的开关部件中所用的单键断开结构在扩大接点间隙方面有极限，在36V以上的高电压负荷下，有时不能够阻断在断开时产生的电弧。在最坏的情况下会引起烧坏所控制的电子·电器产品的事故。
阻断这种电弧，众所周知的是采用利用了磁力的消弧方法的开关装置，但开关部件较复杂。即，以往的汽车搭载用开关装置不能够控制36V以上的高直流负荷，强烈希望开发出具有目前所不能够达到的要求特性的新的开关装置。
发明内容
本发明是以上述情况为背景完成的发明，其目的是提供具备能够适用于混合型汽车和电动汽车等新一代汽车的高电压负荷的开关部件的开关装置，更具体是提供可控制36V以上的直流的高电压负荷的高电压负荷用开关装置。
为了完成上述课题，本发明者进行认真反复的研究后发现，使用由MgO分散于Ag基体中的电接点材料形成的接点元件而构成的开关部件，在36V以上的高电压负荷下，能够明显缩短在接点元件产生的电弧的持续时间，从而完成了本发明。
本发明涉及高电压负荷用开关装置，该装置的特征是，具有单键断开结构的开关部件，该部件具备由2.0～20.0重量％的MgO粒子和余分的Ag形成、Ag基体中分散有MgO粒子的电接点材料构成的接点元件，控制直流电压36～400V、额定电流0.01～15A的高电压负荷。
本发明者对由Ag基体中分散了各种氧化物的Ag-氧化物系电接点材料形成的接点元件构成单键断开结构的开关部件进行研究后发现，在研究范围内，发现了仅有MgO与未添加任何氧化物的纯Ag接点以较大差别缩短了电弧持续时间的现象。即，仅有具备使用了在Ag基体中分散了MgO的Ag-氧化物系的电接点材料的接点元件的开关装置，也能够在36V以上的高电压负荷下，阻断断开时产生的电弧，维持正常的开关操作。根据本发明者的研究，确认由在Ag基体中分散了MgO粒子的电接点材料形成的接点元件在直流高电压负荷下的电弧消减现象受到Ag基体中分散的MgO的粒子量、分散状态、粒径的影响。
用于本发明的高电压负荷用开关装置的接点元件的电接点材料中，如果MgO未满2.0重量％，则缩短电弧持续时间的效果不明显，如果超过20.0重量％，则接触电阻增加明显，材料的加工性有明显劣化的倾向。在实际使用时更理想的组成是含有8.1～15重量％的MgO。如果在此范围内，则能够形成在电弧持续时间的缩短效果、低接触电阻性、材料加工性等所有方面都具有良好特性的接点元件，可获得适用于高电压负荷的开关装置。
此外，本发明者对电接点材料中的MgO粒子的分散状态进行考察后发现，由MgO粒子以层状分散的电接点材料形成接点元件，MgO粒子在直流高电压负荷下的电弧抑制效果变小。
本发明的Ag-MgO电接点材料也可通过所谓的内部氧化法制得(参考专利文献3)。但是，本发明者尝试利用作为现有技术的内部氧化法制作Ag-MgO电接点材料后确认，只能够获得氧化物以层状分散或出现非常严重的凝胶状态的电接点材料，采用由这种电接点材料制造的接点元件，不能够充分抑制直流高电压负荷下的电弧。
日本专利特开2002-363666号公报这里，例示组织截面照片对Ag-MgO的电接点材料的组织状态进行具体说明。首先，在采用内部氧化法的情况下，熔解Mg和Ag使Mg达到3.0重量％，余分为Ag，铸造成板型。其后对板进行轧制，加工成厚度为1.5mm的板型后切出10mm见方的角。然后，在氧压为5个气压、温度为750℃的条件下对接点片进行内部氧化，确认所得Ag-MgO的电接点材料中的MgO粒子的分散状态。图1表示采用内部氧化法时的MgO粒子的分散状态。由此判断，MgO在Ag基体中以层状分散。图2表示内部氧化条件变成氧压为0.2个气压、温度为750℃时的MgO粒子的分散状态。这种情况下，MgO粒子凝集，形成较大的块状，以此状态存在于Ag基体中。
另一方面，本发明者以规定的配比混合规定粒径的Ag粉末和MgO粉末，压缩加工后进行烧结处理，制得Ag-MgO电接点材料，确认获得了Ag基体中MgO以粒状分散的材料(图3)。图3所示的电接点材料的组成与以上的3.0重量％(金属换算)Mg和余分的Ag的合金通过内部氧化制得的材料的组成相同，即混合4.9重量％的MgO粉末和余分的Ag粉末而获得的Ag-MgO电接点材料。
将利用内部氧化法获得的材料及利用粉末冶金法获得的材料用于直流高电压负荷后发现，利用内部氧化法获得的材料无法充分抑制断开时产生的电弧。
本发明的Ag-MgO电接点材料也可通过采用了所谓的机械合金法的制造方法获得(参考专利文献4)。但是，本发明者进行作为现有技术的基于专利文献4的机械合金化后发现，无法充分抑制断开时的电弧。
日本专利特开平09-111367号公报从以上对Ag-MgO电接点材料中的组织状态进行的研究结果判断，本发明的汽车搭载高电压负荷用开关装置中，较好的是混合Ag粉末和MgO粉末，使平均粒径1.1～6.0μm的MgO粒子分散于Ag基体中所形成的材料。用于作为本发明的对象的直流电压36V以上的高电压负荷的开关装置中，形成接点材料的Ag-MgO电接点材料中的MgO必须以粒子状态存在于Ag基体中。例如，MgO以与Ag合金化的状态存在于Ag基体中的电接点材料，不能够充分抑制直流高电压负荷的电弧。
用于本发明的开关装置的电接点材料中，MgO粒子的平均粒径如果未满1.1μm，则直流高电压负荷下的电弧抑制效果有下降的倾向。如果超过6.0μm，则易导致电弧集中，引发局部消耗。更好的是MgO粒子的平均粒径为1.5～3.0μm，这是最实用的范围。
如果利用上述Ag-MgO电接点材料形成接点元件，获得由该接点元件构成单键断开结构的开关部件的开关装置，则能够控制直流电压36～400V、额定电流0.01～15A的汽车搭载的高电压负荷。图4表示单键断开结构的模拟图，但这是开关部件的最普通的结构，该结构利用2个接点元件的开关通电控制高电压负荷。
由用于上述本发明的开关装置的Ag-MgO电接点材料形成的接点元件如果用于具备所谓的双键断开结构的开关部件的开关装置，则能够控制直流电压36～400V、额定电流5～500A的高电压负荷。图5表示双键断开结构的模拟图，与单键断开结构不同，它是利用4个接点元件的2组开关通电控制高电压负荷，与单键断开结构相比，具有能够扩大接点间隙的特征。
该双键断开结构的开关装置的形成接点元件的Ag-MgO电接点材料中，如果MgO未满2.0重量％，则电弧持续时间缩短的效果不明显，如果超过20.0重量％，则接触电阻的增加明显，材料的加工性有明显劣化的倾向。从实际使用考虑，更理想的组成是包含8.1～15重量％的MgO。如果在此范围内，则能够形成电弧持续时间的缩短效果、低接触电阻性、材料加工性等所有方面都具有良好特性的接点元件，获得适用于高电压负荷的开关装置。此外，与上述单键断开结构的开关装置同样，更好的是混合Ag粉末和MgO粉末，使平均粒径1.1～6.0μm的MgO粒子分散于Ag基体中所形成的电接点材料。
本发明即使在36V～400V以上的直流高电压负荷下，也可极大地缩短电开关部件开闭时的电弧持续时间，使控制搭载于混合型汽车和电动汽车等新一代汽车的电子·电器的开关操作稳定进行。
图1为通过内部氧化法制得的Ag-MgO电接点材料的组织截面照片(倍率400倍)。
图2为通过内部氧化法制得的Ag-MgO电接点材料的组织截面照片(倍率400倍)。
图3为通过粉末冶金法制得的Ag-MgO电接点材料的组织截面照片(倍率400倍)。
图4为单键断开结构的模拟图。
图5为双键断开结构的模拟图。
图6表示以往例1的电接点材料的电压-电流的电弧持续时间的测定结果。
图7表示以往例1、实施例3和4的电接点材料在不同电压下使电流值发生变化时的电弧持续时间的测定结果。
图8表示以往例1的电接点材料的使DC42V时的电感发生变化时的电弧持续时间的测定结果。
图9表示以往例1～3、比较例1、实施例4的电接点材料在DC42V下使电流值发生变化时的电弧持续时间的测定结果。
图10表示以往例4和5、比较例1、实施例4的电接点材料在DC42V下使电流值发生变化时的电弧持续时间的测定结果。
图11表示实施例1～8的电接点材料在DC42V下使电流值发生变化时的MgO添加量和电弧持续时间的关系。
具体实施例方式
基于下述的实施例1～8，对实施本发明的最佳方式进行说明。
表1所示为用于开关装置的接点元件的实施例1～8的电接点材料的组成。表1中记载的以往例1～5、比较例1是为了与实施例进行比较而采用的电接点材料组成。
表1
图3表示实施例2的组织截面照片，由此可确认，平均粒径2.0μm的MgO粒子均匀分散于Ag基体中。
实施例1～8的电接点材料是利用粉末冶金法制得的材料，按照规定的配比计量，将作为原料粉末的平均粒径6μm的Ag粉末和平均粒径2μm的MgO粉末用V型混合机制得混合粉末。然后，将该混合粉末装入φ50mm的圆筒容器中，从圆柱的纵向开始施加压力，压缩加工成圆柱坯。在该压缩加工后，于850℃进行4小时的烧结处理。该压缩加工及烧结处理重复进行4次，最终制得φ50mm的圆柱坯。
以往例1、3～5的电接点材料是利用内部氧化法制得的材料，采用高频熔解炉将各种组成的Ag合金熔制后铸造成坯料，再加工成片状。然后，在氧压为5个气压、温度为750℃对该片状物进行48小时的内部氧化处理，收集内部氧化处理后的片状物，装入φ50mm的圆筒容器中，从圆柱纵向开始施加压力，压缩加工成圆柱坯。在该压缩加工后，于850℃进行4小时的烧结处理。该压缩加工及烧结处理重复进行4次，最终制得φ50mm的圆柱坯。
以往例2是按照日本专利特开昭54-110124号公报记载的Ag-Sn系电接点材料的制造方法制得的φ50mm的圆柱坯。
比较例1是用普通的高频熔解炉进行铸造，最终制得φ50mm的圆柱坯。
通过热挤压加工将以上利用不同的制造方法制得的坯料制成φ7mm的线材(挤压面积比约为51∶1)。然后，进行拉丝加工，获得直径2.3mm的线材，再利用镦头机制得头径为3.5mm、头厚为1mm的铆接接点。
用ASTM试验机测定以上加工获得的各铆接接点的电弧持续时间。ASTM试验如表2所示，可自由选择电压和电流。此外，接点的断开速度为80mm/秒。
表2
作为用于汽车搭载用开关装置的电接点材料的最普通的以往例1的各电压、各电流的电弧持续时间如图6所示。在DC14V下，电流值5A～25A的范围内电弧持续时间几乎无变化。但是，如果变为DC42V以上的电压，则与电流的比例关系开始消失，如果超过某一电流值，则出现电弧持续时间急剧增加的现象。由该现象表明，例如，对在DC42V下控制25A以上的电流而言，基于以往的电接点材料的特性，即使要保持其原线性关系都非常困难。
图7表示上述以往例1和实施例3及4的各电压、各电流的电弧持续时间。从图7可判断，在未满30V的电压下，以往例1、实施例3及4的电弧持续时间都几乎无变化。但是如果变为36V以上的电压值，以往例1的电流值增加，则出现电弧持续时间急剧增加的倾向，与此相反，实施例3及4虽然有电弧持续时间略有增加的倾向，但还是稳定的。
图8表示以往例1的接点材料在DC42V时的电感发生变化时的结果。用于汽车的负荷中，与单纯的电阻负荷相比，大多数为马达等具有电感的电感性负荷，这种具有电感的负荷比单纯的电阻负荷的条件更苛刻。
因此，关于图6及图8所示的内容，以比较例1的Ag接点为基准，对添加的氧化物量和电弧持续时间的关系进行研究。其结果示于图9及图10。
由图9及图10可判断，在Ag中添加了SnO2+In2O3、SnO2、CuO的电接点材料与Ag接点相比，存在电弧持续时间延长的倾向。另一方面，在Ag中添加了ZnO、CdO、MgO的电接点材料与Ag接点相比，存在电弧持续时间缩短的倾向，特别是添加MgO时，其缩短电弧持续时间的水平达到了以往例所无法预测的程度。
图11表示改变MgO的添加量时的结果。如果电流值在15A以下，则以13重量％的添加量能够最大限度地缩短电弧持续时间。电流值如果变为25A，则以8重量％的MgO添加量能够最大限度地缩短电弧持续时间。从图11可看出，对在所有电流值可缩短电弧持续时间的组成进行研究后发现，5～15重量％的MgO范围是符合实际使用的组成。可预见的是8.1～10.0重量％的范围能够特别有效地缩短电弧持续时间。
以下，对接点间隙进行考察。为单键断开结构时，一般以开关4mm以下、继电器2mm以下的接点间隙设置机器。因此，该单键断开结构可在直流电压36～400V、额定电流0.01～15A的范围内使用。在额定电流高的区域使用时，必须为双键断开结构。这种开关可在直流电压36～400V、额定电流5～500A时使用。
以下对本发明者考察到的为何仅有MgO具有这样的电弧抑制效果的结果进行说明。本发明者进行研究后推测出的MgO在直流高电压负荷下对电弧的抑制效果的原理如下所述。
本发明者认为，直流高电压负荷下的电弧现象与物质的光电子释放(物质遇到光子能量高于功函数的光时释放电子的现象)和热电子释放(物质的温度如果升高，则电子被激发，一旦具有高于功函数的能量则电子被释放的现象)有关。即，为了把握这些现象，考虑必须测定不同物质的功函数，进行实际测定后的结果如表3所示。该结果显示功函数越低的物质越容易释放光电子和热电子。作为参考，也记载了不同物质的熔点和沸点。由于氧化物中存在具有升华特性时无法显现明确的沸点的物质，所以这种情况用“-”表示。
表3
如表3所示，各种氧化物可被分为具有低于Ag的功函数值的MgO，以及具有高于Ag的功函数值的SnO2、In2O3、CuO、ZnO、CdO这2类。
众所周知，接点断开时产生的电弧一开始是产生持续时间在2ms以下的由金属离子和电子构成的金属相电弧，接着转变为由氮离子和氧离子构成的气相电弧。由图6的42V下的结果可明显看出，直流高电压负荷下的电弧几乎都为气相电弧，如何抑制气相电弧的持续成为达到控制直流高电压负荷的目的的重要途径。
这里，以Ag-MgO电接点材料为例，在金属相电弧中，由功函数低的MgO集中释放电子，同时随之产生离子化的Mg2+。然后，在电弧中大气中的氮和氧离子化，使电弧变为气相电弧，但此时因为金属相电弧产生的Mg2+和O2-结合生成MgO，所以气体离子的浓度明显减少，气相电弧的持续就受到抑制。由此现象能够说明Ag-MgO电接点材料与Ag相比，具备缩短电弧持续时间的特性。
接着，以仅由Ag形成的电接点材料为例，在接点断开时产生的金属相电弧中，Ag离子化转变为Ag+。然后，在转变为气相电弧时，由于Ag+未与N2和O2离子化的产物反应，所以对气相电弧无任何影响，因此不能够显现在直流高电压负荷下对电弧的抑制特性。
Ag-CuO的电接点材料的情况如下所述。在接点断开时产生的金属相电弧中，由于功函数值低的Ag被集中释放，所以Ag离子化转变为Ag+被释放。然后，即使转变为气相电弧，由于Ag+也未与N2和O2离子化的产物反应，所以无任何影响。但是，在CuO因电弧而暴露于高温下的情况下，CuO引发热分解，此时释放的氧离子化，有利于气相电弧的持续。由此可说明为何Ag-CuO比Ag的电弧持续时间长。此外，电流值越高此现象越明显也能够得到理解。
添加了SnO2+In2O3的以往例1和添加了SnO2的以往例2的接点材料的现象与上述Ag-CuO的电接点材料的现象相同。
基于上述理由，推测出只有MgO具有这种特定的抑制直流高电压负荷的电弧的效果。因此，能够推断MgO以外具有同样效果的物质，应该是功函数值低于Ag、与氧的结合力强的物质。
本发明的开关装置能够用于控制搭载于作为新一代汽车的混合型汽车和电动汽车的直流高电压负荷。它对新一代汽车的进一步改良具有重大贡献，有利于今后的新一代汽车的普及。
权利要求
1.高电压负荷用开关装置，其特征在于，具有单键断开结构的开关部件，该部件具备由2.0～20.0重量％的MgO粒子和余分的Ag形成、Ag基体中分散有MgO粒子的电接点材料构成的接点元件，控制直流电压36～400V、额定电流0.01～15A的高电压负荷。
2.如权利要求1所述的高电压负荷用开关装置，其特征还在于，MgO为8.1～15.0重量％。
3.如权利要求1或2所述的高电压负荷用开关装置，其特征还在于，电接点材料是通过混合Ag粉末和MgO粉末而形成的Ag基体中分散有平均粒径1.1～6.0μm的MgO粒子的材料。
4.高电压负荷用开关装置，其特征在于，具有双键断开结构的开关部件，该部件具备由2.0～20.0重量％的MgO粒子和余分的Ag形成、Ag基体中分散有MgO粒子的电接点材料构成的接点元件，控制直流电压36～400V、额定电流5～500A的高电压负荷。
5.如权利要求4所述的高电压负荷用开关装置，其特征还在于，MgO为8.1～15.0重量％。
6.如权利要求4或5所述的高电压负荷用开关装置，其特征还在于，电接点材料是通过混合Ag粉末和MgO粉末而形成的Ag基体中分散有平均粒径1.1～6.0μm的MgO粒子的材料。
全文摘要
本发明提供了可控制混合型汽车和电动汽车等新一代汽车中的36V以上的直流高电压负荷的汽车搭载的高电压负荷用开关装置。该装置的特征是，具有单键断开结构的开关部件，该部件具备由2.0～20.0重量％的MgO粒子和余分的Ag形成、Ag基体中分散有MgO粒子的电接点材料构成的接点元件，控制直流电压36～400V、额定电流0.01～15A的高电压负荷。此外，较好的是MgO为8.1～15.0重量％，电接点材料是通过混合Ag粉末和MgO粉末而形成的Ag基体中分散有平均粒径1.1～6.0μm的MgO粒子的材料。
文档编号C22C1/10GK1606112SQ20041008560
公开日2005年4月13日 申请日期2004年10月9日 优先权日2003年10月10日
发明者栗原健一, 坂口理, 山本俊哉, 稻冈宏弥 申请人:田中贵金属工业株式会社, 丰田自动车株式会社