JPH0687384B2 - 改質接点材料の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、電気的特性に優れた信頼性の高い改質接点
材料の製法に関する。

〔背景技術〕

電力用，自動制御用，情報伝達用の開閉器などに広く用
いられる電気接点は、電気回路中の数少ない可動部分で
あり、その電気的特性の高精度、高信頼性が強く要求さ
れている。すなわち、電気機器の障害の多くはこの部分
に生じており、接点材料の良し悪しが機器の寿命を決定
しているとも言われるからである。

一般に、接点材料の電気的特性は、その表面状態に大き
く影響される。たとえば、リレーなどの接点は、銀合金
の表面に、接触抵抗を低くするため金めっきまたは金ク
ラッド層を設けたものが多く用いられている。しかし、
めっきあるいはクラッド（合せ圧延）といった製法で
は、その表面に微小なピンホールが生じ、これの発生を
避けることができない。このような表面欠陥を有する接
点は、塩素系ガス、硫黄系ガスなどの腐食性ガスを含む
雰囲気下では、ピンホールを通じて下層の銀との腐食反
応が進行し、その表面に塩化銀、硫化銀などを生成し
て、接触抵抗の増加ひいては導通不良の原因となる。こ
のような接点を用いた場合、機器の信頼性は損われ、そ
の寿命も短くなる。

そのため、接点部分の改善を求める要求は、依然として
強いものがあった。

一方、接点の表面状態を微視的に観察すると微小な凹凸
があり、このため、接点の接触状態での密着度合は、接
点のみかけの表面の1/1000程度となっている。これでは
接点材料のもつ電気的特性を十分発揮することができ
ず、高精度，高信頼性の点で不十分であるという問題が
ある。しかし、表面を完全に平滑にすることも困難であ
る。

そこで、接点材料として電気的特性の優れた金属または
これらの合金が開発されてきたが、いずれも、金，銀，
白金，ロジウムといった高価な貴金属が主体である。よ
り安価にするため、省貴金属化が進められているが、性
能とのかね合いで、未だ十分な材料は実現していないの
が現状である。

他方、マグネットスイッチなどに使用される高電流型接
点には、銀合金材料が多く使用されているが、接点の開
閉動作時に接点間に生ずるアークにより、或いは接触点
に生ずるジュール熱により、接点材料の一部が溶けだす
場合が生ずる。このように、従来の銀合金では、耐アー
ク性，耐溶着性の点で未だ不十分という問題があった。

〔発明の目的〕

この発明は、従来技術のもつ以上のような問題点を改良
し、電気特性に優れ、信頼性が高くかつ安価な改質接点
材料の製法を提供することを目的とする。

〔発明の開示〕

発明者らは、これまで鋭意研究の結果、イオン注入法を
用いることにより、あらゆる問題点が解決されることを
見出した。この発明は、このような知見に基づいて完成
された。

したがって第１の発明は、接点材料にイオンを注入する
ことにより、その改質を行う方法であって、接点材料と
して基地表面にその特性を改善するための金属層がコー
ティングされているものを用いることとし、この表面金
属層に不活性ガスのイオンを注入することを特徴とする
改質接点材料の製法を要旨とし、第２の発明は、接点材
料にイオンを注入することにより、その改質を行う方法
であって、接点材料として安価な導電材料を用いるもの
とし、これに貴金属およびその合金のうちの少なくとも
１種のもののイオンを注入することを特徴とする改質接
点材料の製法を要旨とし、第３の発明は、接点材料にイ
オンを注入することにより、その改質を行う方法であっ
て、接点材料に対し、これより融点の高い材料のイオン
を注入することを特徴とする改質接点材料の製法を要旨
とする。

以下にこれら３つの発明について、詳しく説明する。

なお、貴金属とは原子番号44ないし47（Ru、Rh、Pd、A
g）および76ないし79（Os、Ir、Pt、Au）の金属元素を
いう。

第１図は、接点材料の表面に、所定の元素をイオン化し
て注入する装置の概略を示している。試料室６に被イオ
ン注入接点材料７を配置し、真空ポンプによって排気口
８よりイオン注入装置本体１の内部を排気する。所定の
真空（10^-5Torr以下）に達したところで、ガス導入口９
より窒素，アルゴンなどの不活性ガスを一定量流入さ
せ、イオン発生電源３を投入してイオン発生部２でイオ
ンを発生させる。固体元素、たとえば金属，銀などの貴
金属元素、タングステン，モリブデンなどの高融点金属
元素の場合は、たとえば、それら元素の金属粒子または
化合物を蒸発室10に挿入し、ヒーター（抵抗加熱器）11
などによって加熱しながら、この金属を蒸発させ、イオ
ン発生電源３を投入してイオン発生部２でイオンを発生
させる。ついで、イオン加速電源４を投入し、加速器５
によりイオンを加速し、接点材料７に注入する。加速電
圧は、50〜500keVがよく用いられるが、一般に加速電圧
を大きくすると、イオンの注入深さが深くなる性質を有
しているので、目的に応じて適宜選択することができ
る。この場合、加速器５から加速されたイオンのうち、
途中に質量分離器を配置することによって、所定のイオ
ンのみを選択し、純度の高いイオンを接点材料に注入す
ることが望ましいが、目的とする注入イオンの純度が当
初より高いことが期待できる場合（純度の高い物質を用
いる場合など）は、これに拘泥されるものではない。

以下に、３つの発明の具体例を、図面を参照しつつ詳し
く説明する。

（第１の発明） 第２図（ａ）に、イオン注入前の接点材料を、第２図
（ｂ）に、イオン注入後の接点材料をそれぞれ示す。第
２図（ａ），（ｂ）にみるように、基材12上の接点材料
の基地13が銀合金であり、その上に電気的特性を良くす
るため金めっき（または、金クラッド）14が施されてい
る。しかし、金めっき層14には不可避のピンホール状の
微小欠陥15が存在する。このような接点にイオンを注入
すると、イオン注入層14′が形成され、接点材料表面の
微小欠陥15が消滅する。図示のごとく、金めっき層14の
表面側の一部だけイオン注入される場合もあれば、図示
されないが金めっき層14の全体にわたってイオン注入さ
れて内部の微少欠陥も消滅することもある。

イオン注入により、そのような微小欠陥が修復される過
程をつぎに説明する。

第３図（ａ），（ｂ）は、イオン注入前、後の金めっき
層（または金クラッド層）14の変化の概念を示し、第３
図（ｃ）は、金めっき層14内部の注入イオンの分布曲線
を示す。注入前（ａ）は、金原子16が規則正しく配列し
た結晶構造をしており、その間に微小欠陥15を含んでい
る。これにイオン（たとえば、Ｎイオン,Arイオンな
ど）17を注入すると、原子との衝突が起こり、格子間原
子と空孔のいわゆるフレンケル欠陥を多数生ずる。この
うち、空孔は常温において大部分が回復し消滅するが、
格子間原子は注入するイオン量の増加とともに増大す
る。そのため、部分的に体積膨脹を起こし、微小欠陥15
が消滅するに至る。注入されたイオン１個に対し、金属
層の原子（この場合、金原子16）を約1000個を動かせる
ため、金属層の原子の配列が乱されアモルファス化され
ることにより、表面にイオン注入層14′が形成され、か
つ、ピンホール状の微少欠陥15が消滅する。また、注入
されたイオン17は、原子16とつぎつぎと衝突し、やがて
そのエネルギーを失い、停止する。したがって、イオン
を注入されためっき層14′内でのイオンの分布は、第３
図（ｃ）に示す如く、ほぼ約鐘状の濃度曲線を描く。注
入されたイオンの最大侵入深さｌは、イオンの原子量，
イオンを注入されるめっき層の結晶構造にも左右される
が、加速電圧の大きさに比例するので、比較的コントロ
ールは容易である。

つぎに不活性ガスが窒素ガスである場合の１例を示す。

第２図（ａ）に示すような構成の接点材料７を、第１図
のイオン注入装置１の試料室６に配置し、排気後、ガス
導入口９より窒素ガスを導入し、イオン発生電源３を投
入することによりイオン発生部２にて窒素イオンを発生
させ、イオン加速電源４を投入して100keVでイオンを加
速する。所定のイオン注入量を装置本体のモニターで確
認後、接点材料を取り出す。この接点材料の表面には、
ピンホールなどの微小欠陥が認められなかった。

注入された窒素イオンの金めっき層14′における最大侵
入深さｌはおおよそ0.1μｍであった。このため、塩素
系ガス，硫黄系ガスなどの腐食性ガスを含む雰囲気下で
も、接点の耐食性が向上し、高信頼性が得られる。ま
た、高度がイオン注入前Hv70からイオン注入後のHv250
と向上していることにより、耐摩耗性にすぐれるように
なり、接点の摩耗量が少なくなる。窒素ガスイオンを注
入した場合、イオン注入層は硬化層となる。

つぎに、不活性ガスがアルゴンガスである場合の１例を
示す。

第４図（ａ）はイオン注入前の接点材料を示す。図にお
いて、基材12上の接点材料の基地13が銀合金であり、そ
の上に電気的特性を良くするため、金めっきまたは金ク
ラッドした層14が設けられている。接点のイオン注入後
における状態は第４図（ｂ）に示すとおりである。第４
図（ａ），（ｂ）とも接点材料の接触状態を模式的に示
している。接点材料の構成としては、金めっき，金クラ
ッド層などがない場合もある。金クラッド層14の表面
は、微視的にみると微小な凹凸が生じており、両接点は
実質的にわずかな接触点のみ共有している。図では金ク
ラッド層中に存在すると思われるピンホール状の微小欠
陥は省略してある。

第４図（ａ）の接点材料に、第１図のイオン注入装置を
用い、ガス導入口９よりアルゴンガスを導入する以外
は、先の例と同様な方法で、アルゴンイオンを注入す
る。イオン注入層14′は、原子配列の無秩序化が進み、
アモルファス化されている。この例では、結晶層に比
べ、アモルファス層は弾性に富んでいるので、両接点を
接触させ押圧すると、第４図（ｂ）の如く互いの表面は
容易に弾性変形し、実質的接触面積（密着面積）が飛躍
的に増大する。イオン注入前の両接点の接触面積は、み
かけの面積のほぼ1/1000であったが、イオン注入後にみ
かけの面積の1/2〜1/3に増大していた。

事実、イオン注入した接点材料は、接触抵抗が極めて小
さく、良好な電気的特性を示した。

このように接点材料の表面金層にアルゴンイオンなどの
希ガスのイオンが注入されていると接触抵抗の極めて小
さい、高信頼性の接点が得られる。

（第２の発明） 第５図は、接点材料の基地13が、接点材料として一般に
用いられる貴金属より安価な導電材料である銅であり、
その表面に金イオンおよび／または銀イオンを注入した
ときの状態を示す。

注入法は第１の発明と同様であるが、第１図のイオン注
入装置において、金イオンの発生は、たとえば、少量の
金粒子などを蒸発室10に挿入して、これを加熱すること
により金蒸気を発生させ、これをイオン発生部２でイオ
ン化することにより行う。また、銀イオンの発生は、金
イオンの発生と同様に、たとえば、塩化銀蒸気を発生さ
せて行う。

その接点の電気的特性は、銀合金に金めっきした従来の
接点材料とほぼ同等であった。このように、イオン注入
法によると、省貴金属化が可能となり、大巾なコスト低
下が実現できる。

接点材料の基地13として、アルミニウムを用いて同様に
金イオンおよび／または銀イオンの注入を試みたが、接
点材料の基地13が銅の場合と同等の結果を得た。

このように、安価な導電材料に，貴金属およびその合金
のうちの少なくとも１種のもののイオンを注入すると、
低コストで高性能（高信頼性および優秀な電気的特性）
の接点が得られる。

（第３の発明） 第６図は、接点材料の基地13が銀合金であり、これに、
いわゆる高融点金属であるタングステンおよび／または
モリブデンをイオンにして注入したときの状態を示す。
注入法は第１の発明と同様であるが、第１図のイオン注
入装置において、タングステンイオンの発生は、たとえ
ば、少量の三酸化タングステン（WO₃）などを蒸発室10
に挿入し、これを加熱した後、質量分離器を用いて、タ
ングステンイオンのみを接点材料に注入するようにす
る。また、モリブデンイオンの注入も、モリブデンを含
む化合物を用いて同様に行える。もちろん、タングステ
ン，モリブデンの各単体を用いてもよい。

この接点は、接点表層の高融点化が実現され、アーク発
生時やジュール熱などによる蒸発量が極めて少なく、溶
着がほとんど認められず、耐アーク性，耐溶着性に優れ
ている。

接点材料の基地13が銀であり、これにタングステンイオ
ンおよび／またはモリブデンイオンを注入した場合も、
基地が銀合金である場合と同様、アーク発生時やジュー
ル熱などによる蒸発量が極めて少ない結果が得られた。

また、接点材料の基地13が金であり、これにタングステ
ンイオンおよび／またはモリブデンイオンを注入した場
合も、アーク発生時やジュール熱などによる蒸発量が極
めて少ない結果を得た。

このように、接点材料に、これより融点の高い材料のイ
オンを注入すると、高信頼性が得られ、電気的特性の優
れた接点が得られる。

なお、これら３つの発明は、以上に説明したものに限ら
れない。

〔発明の効果〕

第１の発明は、上にみたようであるから、これによれ
ば、接点材料表面に微小なピンホール状の欠陥があって
も、注入イオンによって欠陥が修復される。このため、
接点材料の耐食性が向上し、高信頼性が得られる。ま
た、アルゴンイオンを注入した場合、表面原子が注入イ
オンとの相互作用により、アモルファス化され、表層が
弾性に富んだ層となり、押圧により平滑化し易いため、
表面に存在する微小な凹凸により実質的接触面積の低下
をきたすような場合も、接点表面の接触抵抗を著しく低
減することができる。

第２の発明は、上にみたようであるから、銅，アルミニ
ウムといった安価な導電材料の表面に貴金属イオンを注
入することで、製造コストが安く、かつ電気的特性に優
れた高信頼性接点材料とすることができる。

第３の発明は、耐アーク性の要求される接点材料につい
て、接点表面にタングステンなどの高融点金属イオンを
注入するようにしているため、通電時に溶融，蒸発が少
なく信頼性の高い（耐アーク性，耐溶着性の良い）接点
材料を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、イオン注入装置の概略平面断面図、第２図
（ａ）は欠陥を有する接点材料を示す側断面図、第２図
（ｂ）はこの接点材料を用い、第１の発明の一実施例に
かかるイオン注入後の状態を示す側断面図、第３図
（ａ），（ｂ）は、第１の発明の一実施例にかかり、欠
陥を有する表面にイオンを注入する前（ａ），後（ｂ）
の接点材料表面の断面概念図、第３図（ｃ）は、イオン
を注入したときの材料表面から深さ方向における注入イ
オンの濃度曲線を示し、第４図（ａ），（ｂ）は、第１
の発明の別の実施例にかかり、イオン注入前（ａ），後
（ｂ）における接点の接触状態をあらわす断面図、第５
図は、第２の発明の実施例にかかり、通常の導電材料に
貴金属イオンを注入したときの側断面図、第６図は、貴
金属接点材料に高融点金属イオンを注入したときの側断
面図を示す。 １……イオン注入装置本体、６……試料室、７……被イ
オン注入接点材料、10……蒸発室、13……接点材料の基
地、14……コーティング層、14′……イオン注入層、15
……ピンホールなどの微小欠陥、17……注入イオン

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】接点材料にイオンを注入することにより、
   その改質を行う方法であって、接点材料として基地表面
   にその特性を改善するための金属層がコーティングされ
   ているものを用いることとし、この表面金属層に不活性
   ガスのイオンを注入することを特徴とする改質接点材料
   の製法。
2. 【請求項２】不活性ガスが窒素ガスである特許請求の範
   囲第１項記載の改質接点材料の製法。
3. 【請求項３】不活性ガスがアルゴンガスである特許請求
   の範囲第１項記載の改質接点材料の製法。
4. 【請求項４】基地の材料が銀合金である特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれかに記載の改質接点材料の
   製法。
5. 【請求項５】金属層が金である特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれかに記載の改質接点材料の製法。
6. 【請求項６】コーティング法がめっき法である特許請求
   の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の改質接点
   材料の製法。
7. 【請求項７】コーティング法がクラッド法である特許請
   求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の改質接
   点材料の製法。
8. 【請求項８】接点材料にイオンを注入することにより、
   その改質を行う方法であって、接点材料として安価な導
   電材料を用いるものとし、これに貴金属およびその合金
   のうちの少なくとも１種のもののイオンを注入すること
   を特徴とする改質接点材料の製法。
9. 【請求項９】安価な導電材料が銅である特許請求の範囲
   第８項記載の改質接点材料の製法。
10. 【請求項１０】安価な導電材料がアルミニウムである特
    許請求の範囲第８項記載の改質接点材料の製法。
11. 【請求項１１】貴金属が金および銀のうち少なくとも１
    種のものである特許請求の範囲第８項ないし第10項のい
    ずれかに記載の改質接点材料の製法。
12. 【請求項１２】接点材料にイオンを注入することによ
    り、その改質を行う方法であって、接点材料に対し、こ
    れより融点の高い材料のイオンを注入することを特徴と
    する改質接点材料の製法。
13. 【請求項１３】接点材料が銀である特許請求の範囲第12
    項記載の改質接点材料の製法。
14. 【請求項１４】接点材料が銀合金である特許請求の範囲
    第12項記載の改質接点材料の製法。
15. 【請求項１５】接点材料が金である特許請求の範囲第12
    項記載の改質接点材料の製法。
16. 【請求項１６】融点の高い材料がタングステンおよびモ
    リブデンのうちの少なくとも１種のものである特許請求
    の範囲第12項ないし第15項のいずれかに記載の改質接点
    材料の製法。