JP2005120427A

JP2005120427A - 電気接点用材料及び電気接点

Info

Publication number: JP2005120427A
Application number: JP2003356663A
Authority: JP
Inventors: Shinji Takayama; 晋治高山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】母材である銀より高融点で、粒子径がｎｍレベルの微細な炭素粒子体或いは炭素繊維体を添加することにより、高い微細分散効果を得ることができ、消耗し難く、且つ、接触信頼性が高い電気接点用材料、及び、かかる電気接点用材料を使用する電気接点を提供する。
【解決手段】本発明の電気接点用材料では、銀を主成分とし、フラーレン、或いは、カーボンナノチューブを含有し、銀粉とかかるフラーレン等の混合粉をかき混ぜ、プレス機で押し固め、伸線加工等する工程を繰り返して製造するので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、本発明の電気接点用材料を使用して形成した接点は、硬く、消耗し難い接点となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気中で使用する開閉器、遮断器の電気接点に使用する電気接点用材料及びかかる電気接点用材料を使用する電気接点に関するものである。

従来より、気中で使用する開閉器の電気接点に使用する電気接点用材料としては、接触信頼性を確保するため、通常、電気伝導性の高い銀を主成分とする材料が用いられている。このとき、接触信頼性のみを考慮した場合、接点材料としては純銀を使用することが望ましい。しかし、純銀は、高温で軟化し易いという欠点がある。通常、接点投入時（接点をＯＮした時）には、接点バウンスが生じ、バウンスアークが発生する。このとき、接点材料は、バウンスアークが原因で溶融、軟化する。かかるバウンス発生直後においては、接点は接触状態であるため、接触力により接点表面は押圧される結果、軟化した接点は、周辺部に広がり、接点の高さが減少する。これを解決するために、通常、接点材料母材（銀）に、母材より高融点の金属や、金属酸化物、金属炭化物等の無機粒子を均一に分散させた材料が使用される。

ここでは、母材より高融点の金属として、ニッケル、タングステン等、金属酸化物として、酸化カドミウム、酸化錫、酸化インジウム等、金属炭化物として、タングステンカーバイト等が一般的に用いられる。かかる母材に混入する無機粒子の粒子径は通常、０．１μｍ〜数十μｍ程度のものである。粒子の径が小さいほど、また均一に分散されているほど材料は硬くなり、消耗し難くなることとなる（この効果は、微細分散効果と呼ばれる。）。

しかしながら、従来、使用可能な高融点の無機粒子の粒子径は、上記したように、０．１μｍ〜数十μｍ程度のものが限界で、これより微細な粒子径の小さいものを得ることが困難であった。その結果、現状を超える微細分散効果を得ることができず、電気接点のかかる微細分散効果による耐消耗性の改良にも限界があった。その一方で、従来は、その粒子径が、０．１μｍ〜数十μｍ程度の無機粒子を添加して、所定の微細分散効果を得るために、高融点無機粒子成分を数質量％〜十数質量％程度と、比較的多量に添加することが必要とされる上に、かかる高融点無機粒子成分は、母材（銀）よりも一般に電気抵抗が高いため、接触信頼性が不充分となり易い傾向があった。

一方、銀‐炭素系接点材料についても、例えば、特開平９−１４３５９４号公報、特開平１０−１９５５５６号公報等に開示されるように、従来、多くの検討がなされているが、特に、微細分散効果による耐消耗性の改良という観点からは、充分な検討がなされたとは言い難い。
特開平９−１４３５９４号公報特開平１０−１９５５５６号公報

本発明は、上記事由に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、母材より高融点で、その粒子径がｎｍレベルの微細な炭素粒子体或いは炭素繊維体を添加することにより、従来より少量の添加量で、高い微細分散効果を得ることができ、消耗し難く、且つ、接触信頼性が高い電気接点用材料、及び、かかる電気接点用材料を使用する電気接点を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の電気接点用材料にあっては、銀を主成分とし、フラーレンを含有することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項１記載の電気接点用材料において、前記フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項１または請求項２記載の電気接点用材料において、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項３記載の電気接点用材料において、前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明の電気接点用材料にあっては、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含有することを特徴とするものである。

請求項６に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項５記載の電気接点用材料において、前記カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とするものである。

請求項７に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項５または請求項６記載の電気接点用材料において、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とするものである。

請求項８に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項７記載の電気接点用材料において、前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とするものである。

請求項９に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の電気接点用材料において、フラーレンを含有することを特徴とするものである。

請求項１０に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項９記載の電気接点用材料において、前記カーボンナノチューブ及び前記フラーレンを両者合計して０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とするものである。

請求項１１に係る発明の電気接点にあっては、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の電気接点用材料を使用することを特徴とするものである。

請求項１２に係る発明の電気接点にあっては、接点表面側に、銀を主成分とし、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

請求項１３に係る発明の電気接点にあっては、接点表面側に、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

請求項１に係る発明の電気接点用材料にあっては、銀を主成分とし、フラーレンを含有することを特徴とするので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項２に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項１記載の電気接点用材料において、前記フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とするので、請求項１記載の電気接点用材料の効果に加えて、添加物であるフラーレンが最大でも０．５質量％しか混入されないので、接触信頼性が高く、接触抵抗が低い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項３に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項１または請求項２記載の電気接点用材料において、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とするので、請求項１または請求項２記載の電気接点用材料の効果に加えて、高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、より少量のフラーレンを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、高価なフラーレンの使用量を少なくすることができるという優れた効果を奏する。

請求項４に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項３記載の電気接点用材料において、前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とするので、請求項３記載の電気接点用材料の効果に加えて、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項５に係る発明の電気接点用材料にあっては、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含有することを特徴とするので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項６に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項５記載の電気接点用材料において、前記カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とするので、請求項５記載の電気接点用材料の効果に加えて、添加物であるカーボンナノチューブが最大でも０．５質量％しか混入されないので、接触信頼性が高く、接触抵抗が低い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項７に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項５または請求項６記載の電気接点用材料において、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とするので、請求項５または請求項６記載の電気接点用材料の効果に加えて、高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、より少量のカーボンナノチューブを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、高価なカーボンナノチューブの使用量を少なくすることができるという優れた効果を奏する。

請求項８に係る発明の電気接点用材料にあっては、請求項７記載の電気接点用材料において、前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とするので、請求項７記載の電気接点用材料の効果に加えて、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることができるという優れた効果を奏する。

請求項９〜請求項１０の発明の電気接点用材料にあっては、請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の電気接点用材料において、フラーレンを含有することを特徴とするので、請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の電気接点用材料の効果に加えて、硬く、消耗し難い接点材料の材料設計をより高い自由度で行うことができるという優れた効果を奏する。

請求項１１に係る発明の電気接点にあっては、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の電気接点用材料を使用することを特徴とするので、硬く、消耗し難い接点を提供できるという優れた効果を奏する。

請求項１２に係る発明の電気接点にあっては、接点表面側に、銀を主成分とし、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とするので、開閉による層の剥離が少なく、消耗し難く、且つ、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供することができるという優れた効果を奏する。

請求項１３に係る発明の電気接点にあっては、接点表面側に、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とするので、開閉による層の剥離が少なく、消耗し難く、且つ、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施形態を実施例を交えて説明する。なお、本発明の電気接点用材料、及び電気接点は、下記の実施形態或いは実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。すなわち、本発明の電気接点用材料は、銀を主成分とし、フラーレンあるいは、カーボンナノチューブ等のいわゆるカーボンナノチューブ類と呼ばれる一連の分子性炭素を含有することを特徴とするものであり、本発明の電気接点は、かかる電気接点用材料を使用するものである。

以下、その製造工程を図に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である銀を主成分とし、フラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

すなわち、まず、銀粉とフラーレンの混合粉は、混合粉中にフラーレンが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、フラーレンの混入量は、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。また、使用する銀粉の粒子径は、数μｍ〜数百μｍ程度が好適である。

次に、混合した粉は、プレス機により例えば、直径１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度の略円柱形状体３に押し固める。〔工程２〕
このとき、室温中で押し固めても良いし、３００℃〜９００℃程度の高温下で押し固めても良い。

押し固めた材料は、伸線加工することにより、徐々に細長くする。〔工程３〕
伸線加工は材料を塑性変形させることにより行う。材料は、塑性変形させると、硬くなり、断線し易くなる。従って，伸線加工途中では、適宜、アニール（焼鈍）を行う。

材料が、細くなり（例えば、直径１〜５ｍｍ程度）、所定の太さの細線形状体４となったら、材料を長さ数ｍｍ程度の所定の間隔で細断し、材料片５とする。〔工程４〕
材料片５は、再び、プレスし、例えば、直径１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度の略円柱形状体３に押し固める。この工程は、フラーレンの分散をより均一にするためのものである。従って、この工程が無く、工程３から直接、後述する工程５を行うものも、本発明に含まれる。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
なお、ここでいう冷間圧接とは、常温下で、接点材料を、台金（銅などの金属）に、直接強く押し当てることにより、接合することをいう。

このように、本実施形態の電気接点用材料では、銀を主成分とし、フラーレンを含有するので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができることとなる。さらには、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有するようにすることにより、添加物であるフラーレンが最大でも０．５質量％しか混入されないので、相対的に、母材である銀の純度を高く維持できることとなり、接触信頼性が高く、接触抵抗が低い接点材料を得ることができることとなる。

また、本実施形態の上記電気接点用材料を使用して、上記工程５により形成した接点は、本実施形態の電気接点用材料を使用しているので、硬く、消耗し難い接点を提供できることとなる。

一方、図２は、本発明の第２の実施形態である銀を主成分とし、銀よりも高融点の無機粒子である金属を含有し、且つ、フラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

ここでは、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉と、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは数μｍ〜数十μｍ程度で銀より高融点の金属の粉と、フラーレンを混合した混合粉とする。銀より高融点の金属としては、ニッケル、タングステン等が例示可能である。以下、上記の実施形態と略同様にして、銀を主成分とし、高融点金属を含有し、且つ、フラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点が得られる。

すなわち、まず、かかる混合粉を、混合粉中にフラーレンが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、フラーレンの混入量は、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
このように、本実施形態の電気接点用材料では、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子である金属を１質量％〜２０質量％分散せしめるので、かかる高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、そのため、より少量のフラーレンを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、結果的に、高価なフラーレンの使用量を少なくすることができることとなる。さらに、添加する高融点無機粒子が金属であるので、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることが可能となる。

さらに、図３は、本発明の第３の実施形態である銀を主成分とし、銀よりも高融点の無機粒子である金属酸化物を含有し、且つ、フラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

ここでは、先ず、銀に十数質量％の銀以外の金属、例えば、カドミウム、錫、インジウム、亜鉛、銅等を含んだ合金（以下、銀を主成分とする合金と呼ぶ）を形成する。この合金の形状については、特に、限定はないものの、粒状、あるいは直径及び長さが数ｍｍ程度の円柱状、もしくは直径数ミリ程度の円盤状のものが、好適に使用可能である。

次に、かかる銀を主成分とする合金を、数百℃、数気圧の酸素雰囲気中で数日間酸化する〔工程Ａ〕。これにより、銀以外の金属が酸化され、銀に金属酸化物が混入した形態（以下、「銀−金属酸化物複合物」という。）が形成される。

かかる銀−金属酸化物複合物に、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉とフラーレンを混合する。以下、上記第１の実施形態と略同様にして、銀を主成分とし、金属酸化物を含有し、且つ、フラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点が得られる。

すなわち、まず、かかる混合粉を、混合粉中にフラーレンが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、フラーレンの混入量は、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。また、使用する銀粉の粒子径は、数μｍ〜数百μｍ程度が好適である。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
このように、本実施形態の電気接点用材では、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子である金属酸化物を１質量％〜２０質量％分散せしめるので、かかる高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、そのため、より少量のフラーレンを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、結果的に、高価なフラーレンの使用量を少なくすることができることとなる。さらに、添加する高融点無機粒子が金属酸化物であるので、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることが可能となる。また、例えば、本実施形態において、上記銀−金属酸化物複合物に、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉とフラーレンを混合する際に、上記金属酸化物の添加量を少なく材料設計し、その減少分を一部、銀よりも高融点の無機粒子である金属の添加で補填する等により、本実施形態、或いは、上記第２の実施形態と同様に、硬く、消耗し難い接点材料をより少量のフラーレンを使用することで得ることが可能となる。

一方、本実施形態の上記電気接点用材料を使用して、上記工程５により形成した接点は、本実施形態の電気接点用材料を使用しているので、硬く、消耗し難い接点を提供できることとなる。

図４は、本発明の第４の実施形態である銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

すなわち、まず、銀粉とカーボンナノチューブの混合粉は、混合粉中にカーボンナノチューブが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、カーボンナノチューブの混入量は、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。

材料が、細くなり（例えば、直径１〜５ｍｍ程度）、所定の太さの細線形状体４となったら、材料を長さ数ｍｍ程度の所定の間隔で細断し、材料片５とする。〔工程４〕
材料片５は、再び、プレスし、例えば、直径１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度の略円柱形状体３に押し固める。この工程は、カーボンナノチューブの分散をより均一にするためのものである。従って、この工程が無く、工程３から直接、後述する工程５を行うものも、本発明に含まれる。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
なお、カーボンナノチューブとは、主に、炭素と炭素がｓｐ²混成軌道により結合した炭素六員環の網目状構造が丸まってチューブ状となっている炭素多面体（その末端は閉口している）構造を有する分子状炭素である。なお、異径のチューブ接合部や末端の閉口部においては、炭素五員環や炭素七員環となっている場合もあり。また、生成条件等により末端が開口しているものも存在する。さらに、カーボンナノチューブ類で球状の構造を取るもの、例えばＣ₆₀、Ｃ₇₀等が、上記したフラーレン類に該当する。

上記したように、本実施形態の電気接点用材では、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含有するので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができることとなる。さらには、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有するようにすることにより、添加物であるカーボンナノチューブが最大でも０．５質量％しか混入されないので、相対的に、母材である銀の純度を高く維持できることとなり、接触信頼性が高く、接触抵抗が低い接点材料を得ることができることとなる。

一方、図５は、本発明の第５の実施形態である銀を主成分とし、銀よりも高融点の無機粒子である金属を含有し、且つ、カーボンナノチューブを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

ここでは、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉と、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは数μｍ〜数十μｍ程度で銀より高融点の金属の粉と、カーボンナノチューブを混合した混合粉とする。銀より高融点の金属としては、ニッケル、タングツテン等が例示可能である。以下、上記の実施形態と略同様にして、銀を主成分とし、高融点金属を含有し、且つ、カーボンナノチューブを含有する電気接点用材料及び電気接点が得られる。

すなわち、まず、かかる混合粉を、混合粉中にカーボンナノチューブが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、カーボンナノチューブの混入量は、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
このように、本実施形態の電気接点用材料では、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子である金属酸化物を１質量％〜２０質量％分散せしめるので、かかる高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、そのため、より少量のカーボンナノチューブを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、結果的に、高価なカーボンナノチューブの使用量を少なくすることができることとなる。さらに、添加する高融点無機粒子が金属酸化物であるので、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることが可能となる。

図６は、本発明の第６の実施形態である銀を主成分とし、銀よりも高融点の無機粒子である金属酸化物を含有し、且つ、カーボンナノチューブを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

かかる銀−金属酸化物複合物に、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉とカーボンナノチューブを混合する。以下、上記第１の実施形態と略同様にして、銀を主成分とし、金属酸化物を含有し、且つ、カーボンナノチューブを含有する電気接点用材料及び電気接点が得られる。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
このように、本実施形態の電気接点用材料では、粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子である金属酸化物を１質量％〜２０質量％分散せしめるので、かかる高融点無機粒子の添加により、一層硬く、消耗し難い接点材料を得ることができ、また、そのため、より少量のカーボンナノチューブを使用することで、必要な硬さを得ることができるため、結果的に、高価なカーボンナノチューブの使用量を少なくすることができることとなる。さらに、添加する高融点無機粒子が金属酸化物であるので、圧縮成形前の簡単な材料調製により、簡便に、硬く消耗し難い接点材料を得ることが可能となる。また、例えば、本実施形態において、上記銀−金属酸化物複合物に、粒子径が、数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉とカーボンナノチューブを混合する際に、上記金属酸化物の添加量を少なく材料設計し、その減少分を一部、銀よりも高融点の無機粒子である金属の添加で補填する等により、本実施形態、或いは、上記第２の実施形態と同様に、硬く、消耗し難い接点材料をより少量のカーボンナノチューブを使用することで得ることが可能となる。

図７は、本発明の第７の実施形態である銀を主成分とし、カーボンナノチューブ及びフラーレンを含有する電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。

すなわち、まず、銀粉とカーボンナノチューブ及びフラーレンの混合粉は、混合粉中にカーボンナノチューブ及びフラーレンが均一に分散するように、よくかき混ぜる。〔工程１〕
このとき、混合粉の全体量において、カーボンナノチューブ及びフラーレンの混入量は、両者合計して、０．００１質量％〜０．５質量％程度が適当である。混入比率が少ない場合、微細分散効果が得られず、接点が固くならない不具合が生じる。また、混入比率が多い場合、接点が固くなり過ぎて、後の電気接点形成工程（切断、形状付与など）の際に、材料割れが生じる等の不具合が発生し易いからである。

材料が、細くなり（例えば、直径１〜５ｍｍ程度）、所定の太さの細線形状体４となったら、材料を長さ数ｍｍ程度の所定の間隔で細断し、材料片５とする。〔工程４〕
材料片５は、再び、プレスし、例えば、直径１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度の略円柱形状体３に押し固める。この工程は、カーボンナノチューブ及びフラーレンの分散をより均一にするためのものである。従って、この工程が無く、工程３から直接、後述する工程５を行うものも、本発明に含まれる。

かかる本実施形態の電気接点用材料は工程３により、直径数ｍｍ程度の伸線状に形成される。この材料を数ｍｍ程度に切断し、プレスなどにより塑性変形させることにより、リベット型接点１を形成する。あるいは、かかる本実施形態の電気接点用材料をリベット状の台金（図示せず）に、冷間圧接して接点２を形成する。〔工程５〕
このように、本実施形態の電気接点用材料では、カーボンナノチューブ及びフラーレンを含有するので、硬く、消耗し難い接点材料の材料設計をより高い自由度で行うことが可能となる。また、本実施形態は、上記第４の実施形態において、添加するカーボンナノチューブを一部フラーレンで置換した実施形態に該当するが、同様にして、上記第４または第５の実施形態においても、添加するカーボンナノチューブを一部フラーレンで置換した実施形態も当然に可能であり、この場合においても、硬く、消耗し難い接点材料の材料設計をより高い自由度で行うことが可能となる。

なお、上記各実施形態の接点を形成する工程（工程５）においては、図８に示すようなものも可能である。図８は、上記各実施形態の接点を形成する上記と異なる工程の概略を示すもので、（ａ）は、電気接点用材料の細線形状体４の斜視図、（ｂ）は、電気接点用材料の材料片６と端子７との嵌合状態を示す斜視図、（ｃ）は、端子７の穴部８に挿入された電気接点用材料の材料片６が、押圧される直前の様子を示す断面図、（ｄ）は、端子７への接続が完了した接点２３を示す断面図である。

すなわち、工程３で細線形状体４に形成された接点材料（図８（ａ））をナイフ等により、短く切断し、材料片６とする。材料片６は、端子７の穴部８に挿入される（図８（ｂ））。端子７は、導電性の材料で形成され、通常は純銅もしくは銅合金が用いられる。穴部８に挿入された材料片６は、ポンチ９、下台１０により挟まれ、押圧される（図８（ｃ））。ポンチ９が材料片６を押す面には、略椀形状の凹部１１が形成されており、押圧するに従って、材料片６は凹部１１に入り込む。穴部８の下台側には、テーパ部１２が設けられており、押圧するに従って、材料片６は変形し、テーパ部１２内に入り込む。ポンチ９の下面１３が端子７に到達したら、押圧を開放する。上記により、接点材料の材料片６は、端子７にかしめられ、接点（電気接点）２３となり、接点形状の付与と共に、端子７への接続が完了することとなる（図８（ｄ））。このような工程によれば、接点材料に接点形状を付与すると同時に、端子７への接点接合を容易に行うことができるので、簡単で経済的に有利な端子部の形成が可能となる。

また、上記各実施形態において、カーボンナノチューブを使用した場合には、伸線加工等により繊維状のカーボンナノチューブが、伸線方向に配向することも期待され、この場合には、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ繊維２４の方向が、例えば、接点１、或いは、接点２の接点表面に対して略垂直になることとなる。その結果、銀より融点が高いカーボンナノチューブが、接点表面に対して略垂直になるような配置が達成され、より耐消耗特性に優れた接点材料が形成され得る。

一方、本発明の電気接点材料は、接点表面層としても使用することができる。以下、これについて説明する。図１０は、本発明の第８の実施形態を示すもので、本発明の電気接点材料を、接点表面層としても使用する実施形態である。すなわち、粒子径が数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉と、フラーレンを混合する。全体の重量に対し、フラーレンの混入比率は、０．００１質量％〜０．５質量％程度とする。〔工程１〕
この混合粉をプレスし、例えば厚さ１０ｍｍの板材を形成する。〔工程２〕
一方、上記第３の実施形態で説明した銀−金属酸化物複合物をプレスし、例えば厚さ１００ｍｍのブロックを形成する。〔工程２〕
次に、上記した銀−フラーレン板材と、銀−金属酸化物複合物ブロックと、純銀板（例えば厚さ１０ｍｍ）を、銀−金属酸化物複合物ブロックが中間になるように重ねる。〔工程Ｂ〕
次に、数百℃の温度雰囲気中での圧延（熱間圧延）や室温中での圧延（冷間圧延）を行う。圧延は、例えば、厚さが１．２ｍｍになるまで繰り返す。〔工程Ｃ〕
この結果、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有する接点表面層の厚さは、０．２ｍｍ程度となる。もちろん、上記工程Ｂにおける銀−フラーレン板材と、銀−金属酸化物複合物ブロックの厚さの比を調整することにより、これより接点表面層の厚さを薄くできることはいうまでもない。

圧延が完了したら、例えば５×５ｍｍ角に切り出し、板状接点１４とする。〔工程Ｄ〕
次に、板状接点１４の純銀層である接合層１６の表面と、銅等で形成される端子（図示せず）の間で、ロウ付けや抵抗溶接などで接合を行う〔工程Ｅ〕。
接点材料に純銀層である接合層１６を形成したのは、ロウ付けや抵抗溶接を行い易くするためであり、接合層１６がないものも本発明に含まれる。

銀を主成分とし、フラーレンを含む接点表面層１５は、従来の純銀めっき層に比べ、接触抵抗が同程度で、強度が強く、消耗し難い特徴を有する。従って、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供することができる。また、フレーレンは接点表面層１５のみに含まれるので、高価なフラーレンの使用量を少量に抑え、安価な接点を形成できることとなる。

本実施形態では、接合層１６を純銀層としたが、接合層１６を銀−フラーレン層とする実施形態も当然に可能である。すなわち、この場合、板状接点１４は、銀−フラーレン層、銀−金属酸化物複合物層、銀−フラーレン層のサンドイッチ構造で形成される。従って、この構成では、接合の際、裏表を考慮することなく、接合を行うことができることとなる。

このように、本実施形態の電気接点では、銀を主成分とし、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とするので、開閉による層の剥離が少なく、消耗し難く、且つ、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供しうることとなる。また、フラーレンを接点表面層のみに含有するので、フラーレンは使用量が少量で足り、安価な接点を提供しうることとなる。

なお、上記第８の実施形態と同様に、サンドイッチ構造を有する板状接点１４のさらに異なる実施形態である本発明の第９の実施形態を図１１に示す。この実施形態では、中間層１７が、銀と、銀より高融点の金属が混合した層で構成されるものである。

一方、図１２は、本発明の第１０の実施形態を示すもので、本実施形態も本発明の電気接点材料を、接点表面層としても使用するものである。すなわち、粒子径が数μｍ〜数百μｍ程度の銀の粉と、カーボンナノチューブを混合する。全体の重量に対し、カーボンナノチューブの混入比率は、０．００１質量％〜０．５質量％程度とする。〔工程１〕
この混合粉をプレスし、例えば厚さ１０ｍｍの板材を形成する。〔工程２〕
一方、上記第３の実施形態で説明した銀−金属酸化物複合物をプレスし、例えば厚さ１００ｍｍのブロックを形成する。〔工程２〕
次に、上記した銀−カーボンナノチューブ板材と、銀−金属酸化物複合物ブロックと、純銀板（例えば厚さ１０ｍｍ）を、銀−金属酸化物複合物ブロックが中間になるように重ねる。〔工程Ｂ〕
次に、数百℃の温度雰囲気中での圧延（熱間圧延）や室温中での圧延（冷間圧延）を行う。圧延は、例えば、厚さが１．２ｍｍ程度になるまで繰り返す。〔工程Ｃ〕
この結果、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有する接点表面層の厚さは、０．２ｍｍ程度となる。もちろん、上記工程Ｂにおける銀−カーボンナノチューブ板材と、銀−金属酸化物複合物ブロックの厚さの比を調整することにより、これより接点表面層の厚さを薄くできることはいうまでもない。

銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含む接点表面層１５は、従来の純銀めっき層に比べ、接触抵抗が同程度で、強度が強く、消耗し難い特徴を有する。従って、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供することができる。また、フレーレンは接点表面層１５のみに含まれるので、高価なカーボンナノチューブの使用量を少量に抑え、安価な接点を形成できることとなる。

本実施形態では、接合層１６を純銀層としたが、接合層１６を銀−カーボンナノチューブ層とする実施形態も当然に可能である。すなわち、この場合、板状接点１４は、銀−カーボンナノチューブ層、銀−金属酸化物複合物層、銀−カーボンナノチューブ層のサンドイッチ構造で形成される。従って、この構成では、接合の際、裏表を考慮することなく、接合を行うことができることとなる。

このように、本実施形態の電気接点では、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であるので、開閉による層の剥離が少なく、消耗し難く、且つ、開閉を繰り返して接触信頼性を損なわない電気接点を提供しうることとなる。また、カーボンナノチューブを接点表面層のみに含有するので、カーボンナノチューブは使用量が少量で足り、安価な接点を提供しうることとなる。

以下、本発明に係る電気接点用材料及び電気接点の性能評価を実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
〔消耗量に関する実験〕
＜試験条件＞
１．図１３に示すような開閉器１９に、接点１８を組み込み、試験回路２２に通電試験を行なった。
２．負荷２０：ランプ１５００Ｗ、電源２１：電圧１００Ｖとし、開閉頻度は、２秒間ＯＮの後、２０秒間ＯＦＦとし、１００００回の開閉を行なった。
＜開閉器１９の仕様＞
開極距離：約２ｍｍ、ＯＮ時の接点の接触力：１５０ｇｆとした。
＜接点部１８の形状＞
固定接点１８ａ、可動接点１８ｂとも、頭径（φ）：２．５ｍｍ、高さ（ｈ）：０．７ｍｍ、表面球Ｒ３０ｍｍ（図１４）
＜接点の種類＞
・接点Ａ：Ａｇ９０質量％＋Ｎｉ１０質量％
・接点Ｂ：Ａｇ９０質量％＋ＣｄＯ１０質量％
・接点Ｃ：Ａｇ８９．９質量％＋Ｎｉ１０質量％＋フラーレン０．１質量％
・接点Ｄ：Ａｇ８９．９質量％＋ＣｄＯ１０質量％＋フラーレン０．１質量％
・接点Ｅ：Ａｇ８９．９質量％＋Ｎｉ１０質量％＋カーボンナノチューブ０．１質量％
・接点Ｆ：Ａｇ８９．９質量％＋ＣｄＯ１０質量％＋カーボンナノチューブ０．１質量％
・接点Ｇ：Ａｇ８９．８質量％＋Ｎｉ１０質量％＋フラーレン０．１質量％＋カーボンナノチューブ０．１質量％
・接点Ｈ：Ａｇ８９．８質量％＋ＣｄＯ１０質量％＋フラーレン０．１質量％＋カーボンナノチューブ０．１質量％
（２）実験結果
開閉試験前後で、接点をつき合わせた時の高さ〔Ｈ〕（図１４（ｂ））を測定し、その差から高さ消耗量を算出した。結果は、下記のようになった。
・接点Ａ：１．０ｍｍ〜１．２ｍｍ
・接点Ｂ：０．７ｍｍ〜０．８ｍｍ
・接点Ｃ：０．８ｍｍ〜０．９ｍｍ
・接点Ｄ：０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ
・接点Ｅ：０．７ｍｍ〜０．９ｍｍ
・接点Ｆ：０．５ｍｍ〜０．６ｍｍ
・接点Ｇ：０．７ｍｍ〜０．８ｍｍ
・接点Ｈ０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ
（実施例２）
〔接触信頼性に関する実験〕
＜試験条件＞
１．図１３に示すような開閉器１９に、接点１８を組み込み、試験回路２２に通電試験を行なった。
２．負荷２０：ランプ１５００Ｗ、電源２１：電圧１００Ｖとし、開閉頻度は、２秒間ＯＮの後、２０秒間ＯＦＦとし、１００００回の開閉を行なった。１０００回ごとに接触抵抗の測定を行なった。（即ち、接触抵抗の測定は、１０回行なった。）
＜開閉器１９の仕様＞
開極距離：約２ｍｍ、ＯＮ時の接点の接触力：１５０ｇｆとした。
＜接点部１８の形状＞
固定接点１８ａ、可動接点１８ｂとも、頭径（φ）：２．５ｍｍ、高さ（ｈ）：０．７ｍｍ、表面球Ｒ３０ｍｍ（図１４）
＜接点の種類＞
・接点Ｉ：Ａｇ９０質量％＋ＳｎＯ₂ １０質量％（表面に純銀めっき〔めっき厚０．０８ｍｍ〕）
・接点Ｊ：Ａｇ質量９０％＋ＳｎＯ₂ １０質量％（表面にめっき層１〔めっき厚０．０８ｍｍ〕）、めっき層１の成分は、Ａｇ＋フラーレン０．１％
・接点Ｋ：Ａｇ９０質量％＋ＳｎＯ₂ １０質量％（表面にめっき層２〔めっき厚０．０８ｍｍ〕）、めっき層２の成分は、Ａｇ＋カーボンナノチューブ０．１％
（２）実験結果
接触抵抗の測定値は、下記であった。
・接点Ｇ：最小値：１ｍΩ〜最大値：１０ｍΩ〔１０回の平均値：４．３ｍΩ〕
・接点Ｈ：最小値：１ｍΩ〜最大値：５ｍΩ 〔１０回の平均値：２．２ｍΩ〕
・接点Ｉ：最小値：１ｍΩ〜最大値：５ｍΩ 〔１０回の平均値：２．３ｍΩ〕
上記の実施例１の評価結果より、フラーレンを含有するもの（接点Ｃ、接点Ｄ）、カーボンナノチューブを含有するもの（接点Ｅ、接点Ｆ）、フラーレン及びカーボンナノチューブを含有するもの（接点Ｇ、接点Ｈ）は、フラーレン、カーボンナノチューブを含有しないもの（接点Ａ、接点Ｂ）よりも消耗が少ないことが判った。また、実施例２の評価結果より、フラーレンを含有するもの（接点Ｈ）、カーボンナノチューブを含有するもの（接点Ｉ）は、フラーレン、カーボンナノチューブを含有しないもの（接点Ｇ）よりも接触抵抗の測定値が小さく、接触信頼性が高いことが判った。

以上、本発明の電気接点用材料では、銀を主成分とし、フラーレン、或いは、カーボンナノチューブを含有するので、硬く、消耗し難い接点材料を得ることができることが判った。また、本発明の上記電気接点用材料を使用して形成した接点は、硬く、消耗し難い接点となることが判った。

本発明の第１の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第２の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第３の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第４の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第５の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第６の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第７の実施形態である電気接点用材料及び電気接点の製造工程を模式的に示す図である。上記各実施形態の接点を形成する上記と異なる工程の概略を示すもので、（ａ）は、電気接点用材料の細線形状体の斜視図、（ｂ）は、電気接点用材料の材料片と端子との嵌合状態を示す斜視図、（ｃ）は、端子の穴部に挿入された電気接点用材料の材料片が、押圧される直前の様子を示す断面図、（ｄ）は、端子への接続が完了した電気接点を示す断面図である。本発明のカーボンナノチューブを使用した電気接点の内部を模式的に示すもので、（ａ）は、リベット型接点１の断面図、（ｂ）は、接点２の断面図である。本発明の第８の実施形態を示すもので、本発明の電気接点材料を、接点表面層として使用する電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第９の実施形態を示すもので、本発明の電気接点材料を、接点表面層として使用する電気接点の製造工程を模式的に示す図である。本発明の第１０の実施形態を示すもので、本発明の電気接点材料を、接点表面層として使用する電気接点の製造工程を模式的に示す図である。電気接点用材料及び電気接点の性能評価に使用した試験回路２２の概略を示す図である。性能評価に使用した接点１８の概略を示すもので、（ａ）は、接点１８の概略形状を示す断面図、（ｂ）は、開閉器１９の固定接点１８ａと可動接点１８ｂの接触の状態を示す断面図である。

符号の説明

１リベット型接点
２接点
３略円柱形状体
４細線形状体
５材料片
６材料片
７端子
８穴部（端子７）
９ポンチ
１０下台
１１凹部（ポンチ９）
１２テーパ部（穴部８）
１３下面（ポンチ９）
１４板状接点
１５接点表面層（板状接点１４）
１６接合層（板状接点１４）
１７中間層（板状接点１４）
１８接点（開閉器１９）
１８ａ固定接点（開閉器１９）
１８ｂ可動接点（開閉器１９）
１９開閉器（試験回路２２）
２０負荷（試験回路２２）
２１電源（試験回路２２）
２２試験回路
２３接点
２４カーボンナノチューブ繊維

Claims

銀を主成分とし、フラーレンを含有することを特徴とする電気接点用材料。
前記フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項１記載の電気接点用材料。
粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気接点用材料。
前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とする請求項３記載の電気接点用材料。
銀を主成分とし、カーボンナノチューブを含有することを特徴とする電気接点用材料。
前記カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項５記載の電気接点用材料。
粒子径が、０．１μｍ〜１００μｍ程度であって、銀よりも高融点の無機粒子を１質量％〜２０質量％分散せしめたことを特徴とする請求項５または請求項６記載の電気接点用材料。
前記無機粒子が、金属または金属酸化物、或いは、その両者よりなることを特徴とする請求項７記載の電気接点用材料。
フラーレンを含有することを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の電気接点用材料。
前記カーボンナノチューブ及び前記フラーレンを両者合計して０．００１質量％〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項９記載の電気接点用材料。
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の電気接点用材料を使用することを特徴とする電気接点。
接点表面側に、銀を主成分とし、フラーレンを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする電気接点。
接点表面側に、銀を主成分とし、カーボンナノチューブを０．００１質量％〜０．５質量％含有する層を形成し、その層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする電気接点。