特開 2024-35051 微小負荷開閉接点用の接点材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024035051

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】微小負荷開閉接点用の接点材

(51)【国際特許分類】

   C22C 5/02 20060101AFI20240306BHJP

   C23C 14/14 20060101ALI20240306BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20240306BHJP

   H01H 1/023 20060101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

C22C5/02

C23C14/14 D

C23C14/34 Z

H01H1/023 B

H01H1/023 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023068933

(22)【出願日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】P 2022137422

(32)【優先日】2022-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】509352945

【氏名又は名称】田中貴金属工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000268

【氏名又は名称】オリジネイト弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 翼

【テーマコード（参考）】

4K029

5G050

【Ｆターム（参考）】

4K029AA02

4K029BA22

4K029CA05

4K029DC04

4K029DC12

4K029EA01

4K029EA03

4K029EA09

5G050AA01

5G050AA03

5G050AA11

5G050AA12

5G050AA13

5G050AA14

5G050AA24

5G050AA29

5G050AA53

5G050DA01

5G050EA09

(57)【要約】

【課題】微小負荷接点に適用される接点材であって、接点材料からなる薄膜を表面接点層として備えるものについて、耐環境性及び低接触抵抗性に優れると共に、薄膜として要求される耐摩耗性・耐粘着性が確保されたものを提供する。
【解決手段】本発明は、基材上にＡｕ合金の薄膜からなる表面接点層が形成されてなる微小負荷開閉接点用の接点材に関する。表面接点層を構成するＡｕ合金薄膜は、１５質量％以上３０質量％以下のＡｇよりなる第１添加金属と、０．５質量％以上３質量％以下のＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのいずれか１種以上よりなる第２添加金属と、残部Ａｕ及び不可避不純物と、からなる。そして、このＡｕ合金からなる薄膜の硬度は、ビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上４００Ｈｖ以下である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材上にＡｕ合金の薄膜からなる表面接点層が形成されてなる微小負荷開閉接点用の接点材であって、
前記Ａｕ合金は、１５質量％以上３０質量％以下のＡｇよりなる第１添加金属と、０．５質量％以上３質量％以下のＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのいずれか１種以上よりなる第２添加金属と、残部Ａｕ及び不可避不純物と、からなり
前記Ａｕ合金からなる薄膜の硬度がビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上４００Ｈｖ以下である接点材。

【請求項2】

表面接点層は、前記Ａｕ合金のスパッタ膜である請求項１記載の微小負荷開閉接点用の接点材。

【請求項3】

表面接点層の膜厚が、０．１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１又は請求項２記載の微小負荷開閉接点用の接点材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ミニチュアリレー等の微小負荷領域で作動する開閉接点の接点部で使用される接点材に関する。特に、適宜の基材にＡｕ系合金薄膜からなる表面接点層が形成された接点材であって、耐硫化性に優れ低接触抵抗であると共に、耐粘着性・耐摩耗性のバランスにも優れた接点材に関する。

【背景技術】

【0002】

各種の電気・電子回路に搭載されるミニチュアリレー、マイクロリレー等の微小負荷用の開閉接点（リレー、スイッチ等の接点部（固定接点及び可動接点）には、従来からＡｕを主成分（およそ９０質量％以上）とするＡｕ合金が使用されている。Ａｕは、化学的に安定で耐環境性に優れる金属であり、微小負荷のもとでも安定して低接触抵抗を示す金属である。他方、Ａｕは、硬度が低く塑性変形能に富む金属であるので、接点部における微摺動や接触・離反の繰り返しによって変形し易い。この変形は、素材の清浄面が露出させて接点の粘着を生じさせることとなる。そのため、微小負荷開閉接点用の接点材料には、低接触抵抗と耐粘着性とを両立させるため、ＡｕにＡｇ、Ｎｉ等を添加したＡｕ合金が採用されている。例えば、特許文献１では、Ａｕ又はＡｕ－１０質量％Ａｇ合金に、微量添加元素としてＭｏ、Ｗ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉを添加したＡｕ合金からなるテープ状の接点材料をベース材料にクラッドした表面接点層を有する微小負荷用の接点材が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２８７７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年では、微小負荷開閉接点を含む各種リレー、スイッチに対するコストダウンの要求に応えるため、上記特許文献１のような接点材料のバルク材を基材（ベース材料）クラッドした接点材から、接点材料の薄膜を表面接点層として基材上に形成した接点材への変更が検討されている。接点材料の薄膜化は、材料の使用量の減少によるコストダウンに寄与する。微小負荷開閉接点で使用される接点材料は、上記のとおりＡｕを主成分とすることから、特にコストダウンの効果が大きい。しかし、接点材料を薄膜にするとしても耐久期間は従来と同様にすることが求められていることから、薄膜となる接点材料に従来以上の耐摩耗性を付与する必要がある。

【0005】

Ａｕ合金の硬度及び耐摩耗性を向上する手段としては、添加元素の含有量を増大することが挙げられる。上記した特許文献１記載の接点材料に関してみると、ＡｇやＭｏ、Ｎｉ等の含有量を増大させることで、接点材料の硬度は上昇する。しかしながら、添加元素濃度の増大は、硬度上昇と引き換えに耐環境性に影響を及ぼすおそれがある。例えば、Ａｇは硫化し易い金属であるので、Ａｇ含有量の安易な増大は、接点材料の耐硫化性を低下させて低接触抵抗性の悪化に繋がる。上記特許文献１のＡｕ合金のＡｇの含有量が１０質量％に止まっているのは、耐粘着性と耐硫化性とのバランスを重視した結果と考えられる。

【0006】

また、表面接点層となる薄膜の形成方法としては、真空蒸着やスパッタリング等の薄膜形成プロセスが適用される。こうした薄膜形成プロセスによる薄膜には、基材に対する密着性も重要な特性となる。この点、微小負荷用接点へ薄膜材料を適用した検討例は、まだ十分にはなされていないので、薄膜による表面接点層の密着性についての検討も必要といえる。

【0007】

本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、微小負荷接点に適用され、接点材料からなる薄膜を表面接点層とする接点材について、耐環境性及び低接触抵抗性に優れると共に、薄膜として要求される耐摩耗性・耐粘着性が確保されたものを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者等は、上記課題を解決するため、表面接点層となる接点材料としてＡｕ合金を基礎にしつつ、薄膜化したときに好適に作用し得る添加金属及びその組成範囲を検討することとした。具体的には、Ａｕ合金の硬度を向上させる必須の添加金属としてＡｇを選択すると共にその含有量の好適化を行った。そして、Ａｇ含有量が好適化されたＡｕＡｇ合金に対し、薄膜化したときに不足する特性を補完し得る第２の添加金属の種類及びその含有量について検討することとした。

【0009】

図１は、Ａｇ含有量を変化させたＡｕＡｇ合金について行った、初期状態（製造後）の接触抵抗と、硫化雰囲気（６０℃のＨ_２Ｓ（９０ｍｍＨｇ））への暴露試験後の接触抵抗の測定結果を示す。この予備的試験の結果を参照すると、初期状態のＡｕＡｇ合金は、Ａｇ含有量が増加しても接触抵抗の変動は少ない。そして、Ａｇ含有量の増加によってＡｕＡｇ合金の接触抵抗が上昇するのは、硫化試験後であることからＡｕＡｇ合金に耐硫化性の課題があることが確認される。もっとも、本発明者等はこの予備的試験の結果から、上記従来技術（特許文献１）のようにＡｇ含有量を１０質量％以下に制限しなくとも、ＡｕＡｇ合金の耐硫化性を確保できると考えた。図１によると、Ａｇ含有量が１０質量％を超えても２０質量％以下の範囲では、合金の初期状態と硫化試験後との間での接触抵抗の差は少ない。また、本発明者等は、Ａｇ含有量が２０質量％を超える合金も、Ａｇ含有量が比較的低い領域では接触抵抗の差は許容範囲にあると考えた。このように判断したのは、ＡｕＡｇ合金の耐硫化性を向上できる第２の添加元素があれば、初期状態と硫化試験後との接触抵抗の差を解消できると考察したからである。

【0010】

ＡｕＡｇ合金への第２の添加元素の添加は、耐硫化性の確保と共に薄膜状態の合金の硬度上昇にも寄与し得る。上記のようにしてＡｇ含有量の上限を従来以上にしたＡｕＡｇ合金は、硬度の上昇がある程度は見込まれるものの、薄膜状の接点材料として利用するには硬度が不足している可能性がある。よって、ＡｕＡｇ合金の耐硫化性の確保と共に硬度上昇の作用を有する添加元素の探索は有用な手段である。そこで本発明者等は、ＡｕＡｇ合金のＡｇ含有量の好適化を図りつつ、耐硫化性の確保と更なる硬度上昇や密着性確保を図ることができる添加元素を検討し、本発明に想到した。

【0011】

即ち、上記課題を解決する本発明は、基材上にＡｕ合金の薄膜からなる表面接点層が形成されてなる微小負荷開閉接点用の接点材であって、前記Ａｕ合金は、１５質量％以上３０質量％以下のＡｇよりなる第１添加金属と、０．５質量％以上３．０質量％以下のＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのいずれか１種以上よりなる第２添加金属と、残部Ａｕ及び不可避不純物と、からなり、前記Ａｕ合金からなる薄膜の硬度がビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上４００Ｈｖ以下である接点材である。以下、本発明に係る微小負荷開閉接点用の接点材について詳細に説明する。

【0012】

（Ａ）本発明に係る微小負荷開閉接点用の接点材の構成
上記のとおり、本発明に係る接点材は、基材と基材上に形成されるＡｕ合金の薄膜からなる表面接点層とで構成される。

【0013】

（Ａ－１）表面接点層
表面接点層を構成する接点材料は、Ａｕに必須の第１添加金属としてＡｇ及び必須の第２添加金属としてＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎの少なくともいずれかを添加したＡｕ合金である。このＡｕ合金の構成元素の技術的意義及び含有量は以下のとおりである。

【0014】

・Ａｇ（第１添加金属）
Ａｇは、表面接点層となるＡｕ合金の接触抵抗の上昇を抑制しつつ、硬度を確保するために添加される必須の添加金属である。単に硬度上昇のみを目的とするのであれば、Ａｇ以外の添加金属であっても良い。しかし、接点材料の低接触抵抗性の確保には、使用過程での硫化・酸化等による接触抵抗の変化を抑制することも必要であるが、初期状態の接点材料自体の接触抵抗値が低いことが前提となる。この点、Ａｇは導電性良好な金属であり、Ａｕに添加しても合金の接触抵抗の上昇は比較的抑制される。硬度上昇作用のあるＡｇ以外の金属は、Ａｕ合金への添加により合金自体の接触抵抗をＡｇ以上に大幅に上昇させる。そのため、Ａｕ合金の低接触抵抗を前提とする硬度上昇のための添加金属としてＡｇが必須となる。

【0015】

本発明のＡｕ合金からなる薄膜のＡｇ含有量は、１５質量％以上３０質量％以下である。１５質量％未満のＡｇでは、硬度確保の観点で不十分である。一方、Ａｇ含有量の増加と共に、合金の耐硫化性は低下して低接触抵抗性を確保し難くなる。本発明者等は、第２添加元素による耐硫化性の向上を考慮しても３０質量％を超えると耐硫化性が大きく低下すると考察し、３０質量％をＡｇ含有量の上限とする。本発明におけるＡｇ含有量は、１８質量％以上２５質量％以下とするのがより好ましい。尚、Ａｇ含有量を１５質量％以上として従来技術（特許文献１）よりも多く添加することでＡｕの割合が減るので、本発明は接点材料のコストダウンにも寄与している。

【0016】

・Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ（第２添加金属）
これらの添加金属は、Ａｕ合金の更なる硬度上昇を図るために添加される。上記のとおり、Ａｇ添加によってＡｕ合金の硬度は上昇するが、その添加量には制限がある。そのため、Ａｇの添加だけで、薄膜である表面接点層の耐摩耗性や耐粘着性を確保し難い。Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎの各金属を微量添加することで、Ａｕ合金の硬度は上昇し、Ａｕ合金薄膜の耐摩耗性等を確保する。

【0017】

そして、これらの添加金属は、Ａｕ合金薄膜の耐硫化性と耐粘着性の向上に寄与する。耐硫化性の向上は、添加金属によって合金表面に極薄の酸化物層が形成され、これが合金への硫黄の侵入を防ぐためと考察される。また、耐粘着性が向上されるのは、上記した硬度上昇により表層の塑性変形が抑制されて接点表面の清浄面が露出し難くなるためと考えられる。

【0018】

Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎは、少なくともいずれかを添加すれば良く、これらの１種のみ添加しても良いし、複数種の金属を添加しても良い。これらの添加金属は、合計で０．５質量％以上３質量％以下である。０．５質量％未満の添加ではＡｕ合金の硬度上昇は期待できず、耐摩耗性や耐粘着性に乏しくなる。一方、３質量％を超える添加は、Ａｕ合金の接触抵抗を初期状態から高くする他、耐硫化性が悪くなる傾向がある。

【0019】

本発明に係る接点材の表面接点層を構成するＡｕ合金は、第１添加金属（Ａｇ）と第２添加金属（Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎの少なくともいずれか）と残部Ａｕとからなる。Ａｕは、微小負荷接点の接点材料として、微小負荷下での接触抵抗の安定性に優れる金属であり、本発明の用途において必須かつ主要な金属成分である。

【0020】

但し、本発明のＡｕ合金は、不可避不純物の含有は許容される。不可避不純物としては、Ｚｎ、Ｃａ、Ａｌ、Ｃｕ等が含まれる可能性がある。これらの不純物は、合計で０．２質量％以下が好ましく、より好ましくは０．１質量％以下とする。

【0021】

尚、本発明のＡｕ合金薄膜の組成は、接点材料からＡｕ合金薄膜を剥離及び溶解した溶液を誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）で分析・測定することができる。また、Ａｕ合金薄膜の表面又は断面について、電子線マイクロプローブ分析（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）等を行うことでも合金組成の分析・測定が可能である。

【0022】

また、Ａｕ合金薄膜からなる表面接点層は、スパッタリング、めっき、真空蒸着、化学蒸着等の薄膜形成プロセスで形成できる。但し、本発明の接点材の表面接点層は、スパッタ膜であることが好ましい。表面接点層であるＡｕ合金薄膜を組成及び膜厚を調整するとき、スパッタリングが特に好適だからである。尚、スパッタリングで形成される本発明のＡｕ合金薄膜は、同一組成のバルク材と対比したとき、（１１１）面の配向性が高くなる傾向がある。

【0023】

本発明のＡｕ合金薄膜で観られる（１１１）面の配向性は、下記のウイルソンの式（式（１））により算出することができる。下記式（１）において、「ＩＦ（ｈｋｌ）」は、本発明のＡｕ合金薄膜をＸ線回折分析したときにおける（ｈｋｌ）面の回折強度の相対強度を示す。また、「ＩＦＲ（ｈｋｌ）」は、標準試料の（ｈｋｌ）面の回折強度の相対強度である。そして、本発明のＡｕ合金薄膜は、下記式（１）により求められる（１１１）面の配向指数Ｎが１．６以上であるものが好ましい。

【0024】

【数1】

【0025】

尚、本発明のＡｕ合金薄膜は、Ａｕ－Ａｇ合金に微量の第２添加金属を含むＡｕ合金で構成されている。Ａｕ合金薄膜をＸ線回折分析して得られる回折パターンで観察される回折ピークの帰属（（ｈｋｌ）面）の同定と、上記式（１）に基づく配向指数Ｎを算出するための標準試料の回折強度の相対強度に関するデータベースとしては、ＩＣＤＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄａｔａｂａｓｅ）のデータベースのＰＤＦカード番号：６０４７７１を利用することができる。

【0026】

そして、本発明の接点材の表面接点層の膜厚は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。０．１μｍ未満では如何に高硬度とした薄膜でも摩耗による耐久性が劣る。一方、膜厚が１００μｍを超えると、開閉接点の小型化に寄与し難くなり、膜厚増大は接点材のコストにも影響がある。本発明は、Ａｕ合金の高硬度化により、１００μｍ以下の薄膜としても信頼性がある接点材とすることを意図することから１００μｍを上限とする。表面接点層の膜厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下がより好ましい。

【0027】

そして、本発明に係る接点材の表面接点層となるＡｕ合金薄膜の硬度は、ビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上４００Ｈｖ以下である。２４０Ｈｖ未満では、薄膜となった表面接点層に十分な耐摩耗性や耐粘着性を付与することができない。また、上記した構成金属の組成において４００Ｈｖを超える硬度の薄膜を製造することは困難である。

【0028】

表面接点層であるＡｕ合金薄膜の硬度は、ナノインデンテーション法により測定することができる。本発明では表面接点層を１～２μｍ程度の極薄の薄膜で形成することがあり、かかる薄膜の硬度を下地（基材）の影響を排除して測定するにはナノインデンテーション法が好適である。ナノインデンテーション法は、特定の測定装置（ナノインデンター）を使用する測定方法であり、当該測定装置に備えられた押し込みヘッド（圧子）を、測定対象に押し込んだときの荷重と押し込み深さから硬度を測定する方法である。ナノインデンターの押し込みヘッドによる荷重は電磁制御により精密に制御され、ヘッドの移動量も電気的に精密に計測されることから、極薄の薄膜の硬度計測にも対応できる。ナノインデンテーション法による硬度測定法は、微小押しこみ試験の国際標準化機構（ＩＳＯ）による規格化がなされている（ＩＳＯ１４５７７）。ナノインデンター測定により、サンプルの接触剛性（スチフネス）から接触深さを求め、これによりナノインデンテーション硬さを算出することができる。本発明においては、ナノインデンテーション硬さ（Ｈ_ＩＴ）の単位は、Ｎ／ｍｍ^２である。そして、ナノインデンテーション硬さ（Ｈ_ＩＴ）は、測定時のナノインデンター及び圧子の種類に応じた換算式によりビッカース硬さ（Ｈｖ）に換算することができる。

【0029】

（Ａ－２）基材
本発明に係る接点材は、上記した表面接点層であるＡｕ合金薄膜を基材に形成することで構成される。基材は、開閉接点に組み込まれる接点材のベース材であり、その寸法・形状についての制限は特にない。基材は、開閉接点における固定電極や可動電極として機能することもある。それらは、搭載されるリレーやスイッチ等の開閉接点の仕様によって設定される。また、基材の構成が本発明の特徴となる表面接点層の特性に影響を及ぼすことはない。

【0030】

また、基材の構成材料についても、従来の微小負荷接点で使用されるベース材と同じ材質が使用できる。基材の構成材料としては、Ａｇ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金、Ｎｉ又はＮｉ合金等が挙げられる。

【0031】

（Ｂ）本発明に係る微小負荷開閉接点用の接点材の製造方法
本発明に係る微小負荷開閉接点用の接点材は、好ましくは、基材にスパッタリング法で上記組成のＡｕ合金薄膜を形成することで製造できる。スパークプラグ法では、減圧・真空雰囲気中で薄膜の前駆材料であるスパッタリングターゲットをスパッタリングして生成するスパッタ粒子（Ａｕ、Ａｇ等の金属粒子）を基材表面に積層することで薄膜を形成する。

【0032】

本発明では、Ａｕ及びＡｇとＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎの少なくともいずれかを上記した組成範囲で含む合金スパッタリングターゲットを使用することで表面接点層を形成する。尚、第２添加金属であるＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎは、上記組成範囲内（合計で０．５質量以上３質量％以下）であれば、いずれもＡｕ、Ａｇと共に固溶体合金を形成することができる。つまり、これらの第２添加金属は、均質な合金スパッタリングターゲットを製造可能であり、ひいては均質なＡｕ合金薄膜を形成する観点においても有用な添加金属である。

【0033】

スパッタリング法によるＡｕ合金薄膜の形成条件については、特に制限されることなく、一般的なスパッタリング装置及びスパッタ条件で成膜ができる。

【0034】

（Ｃ）本発明に係る接点材を備える微小負荷開閉接点
以上説明した本発明に係る接点材は、微小負荷用の開閉接点の接点部に好適に使用される。リレー、スイッチ等の開閉接点は、一対の信号線を電気的に接続・遮断するための機器であり、本発明が対象となるのは定格及び最大接点開閉電流が５Ａ以下の微小負荷用の開閉接点である。例えば、ミニチュアリレー、マイクロリレーといった開閉接点が挙げられる。

【0035】

開閉接点の接点部は、固定状態にある固定接点と、信号・給電をオンオフするために可動状態にある可動接点との接点対で構成される。本発明の接点材は、固定接点及び可動接点のいずれか一方に使用されても良いし、双方に使用されても良い。また、開閉接点（リレー、スイッチ等）の構成に関しては、公知の開閉接点と同じ構成が適用される。

【発明の効果】

【0036】

本発明に係る接点材は、表面接点層として第１添加金属（Ａｇ）及び第２添加金属（Ｎｉ等）の組成が好適化されたＡｕ合金薄膜を適用する。本発明における表面接点層は、硬度・耐摩耗性に優れると共に、耐硫化性及び耐粘着性との特性バランスが良好となっている。そして、Ａｕ合金薄膜の適用により、コストダウンや接点材の小型化にも寄与する。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】ＡｕＡｇ合金のＡｇ含有量と耐硫化性との関係について予備的試験の結果を示すグラフ。

【図2】実施例２のＡｕ合金薄膜（表面接点層）のＸＲＤ回折パターンを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0038】

本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する実施例に基づいて説明する。本実施形態では、第１添加金属であるＡｇ含有量と第２添加金属であるＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの含有量を調整したＡｕ合金スパッタリングターゲットを製造し、スパッタリングにてＡｕ合金薄膜を成膜して表面接点層を形成して接点材を製造した。

【0039】

Ａｕ合金スパッタリングターゲットについては、各構成金属の地金原料から熔解鋳造して合金インゴットを作製して、合金インゴットを切削加工・圧延加工・外形加工を経てφ１２７ｍｍ、厚さ２ｍｍtの円板形状のスパッタリングターゲットを製造した。

【0040】

そして、上記のＡｕ合金のスパッタリングターゲットを用い、基材にＡｕ合金薄膜を形成して接点材を製造した。本実施形態では、各種評価用のサンプルを製造するために下記の基材を用意した。
・硬度測定用の基材：Ｎｉ板（寸法：３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ２ｍｍ)
・耐硫化性及び接触抵抗測定用の基材：Ａｇ－１０質量％Ｎｉ合金テープ（厚さ０．０８ｍｍ）とＣｕ－３０質量％Ｎｉ合金テープ（厚さ０．１２ｍｍ）とをクラッドした幅０．５ｍｍのクラッドテープ材（ＡｇＮｉ合金面をＡｕ合金薄膜がスパッタされる面とする）
・耐粘着性評価用の基材：上記と同じＡｇＮｉ合金テープとＣｕＮｉ合金テープとをクラッドした幅０．６ｍｍのクラッドテープ材

【0041】

そして、上記基材と上記スパッタリングターゲットをスパッタリング装置（芝浦メカトロニクス株式会社、型式：ＣＦＳ－８ＥＳ）にセットし、スパッタ条件として、到達真空度を５×１０^－３Ｐａとし、その後のＡｒガス圧を０．５Ｐａとして、ＲＦ電力１０００Ｗ、ターゲット－基板間距離を７０ｍｍに設定して、膜厚をモニタリングしながらＡｕ合金薄膜を成膜し接点材とした。本実施形態では、Ａｕ合金薄膜を基材のＮｉ又はＡｇＮｉ合金テープ側の全面に成膜することとし、膜厚を３μｍに設定した。設定膜厚に到達した後に接点材を取り出し、各サンプルのＡｕ合金薄膜の組成をＩＣＰ分析で測定し、その後に各種特性の評価試験を行った。

【0042】

上記で製造した接点材のＡｕ合金薄膜について行ったＸ線回折分析（Ｘ線源：Ｃｕ Ｋα線）により得られたＸ線回折パターンの一例として、後述する実施例２（Ａｕ－２０質量％Ａｇ－１質量％Ｆｅ）のＡｕ合金薄膜の結果を図２に示す。図２から、本実施形態におけるＡｕ合金のスパッタ膜は、（１１１）面に配向性を有することが分かる。これらのＸ線回折パターンから実施例２のＡｕ合金薄膜の（１１１）面の配向指数Ｎを計測した結果、Ｎ＝２．１０であった。一方、参照用のＡｕ合金のバルク材における（１１１）面の配向指数Ｎは、Ｎ＝０．６３であった。他の実施例についても同様のＸＲＤ分析を行った結果、Ａｕ合金薄膜の（１１１）面の配向指数Ｎは、１．６以上であった。

【0043】

［硬度・初期接触抵抗・耐硫化性・耐粘着性の評価］
各種組成のＡｕ合金薄膜を成膜した各実施例及び比較例の接点材について、硬度及び初期状態の接触抵抗を測定した。硬度測定は、ナノインデンター（株式会社フィッシャーインスツルメンツ製、ナノインデンター
ＨＭ５００）により、ビッカース圧子により最大押込み荷重５ｍＮ、最大押込み荷重までの到達時間２０秒、最大荷重保持時間５秒、除荷時間２０秒の条件で接触深さの測定を行った。得られた接触深さからナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴ(Ｎ／ｍｍ^２)を算出し、下記式によりビッカース硬度換算の硬度（Ｈｖ）を得た。

【0044】

【数2】

【0045】

表面接点層の硬度は、その耐摩耗性に関する評価項目であり、ビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上を合格（〇）と判定した。また、接触抵抗は、４端子測定法により測定した。接触抵抗については、現在、微小負荷接点用の接点材として出荷している製品の許容値が１５ｍΩ以下であることを考慮し、この値より低抵抗のものを合格（〇）と判定した。

【0046】

次に、各接点材について、耐硫化性の評価を行った。この評価試験では、各サンプルを硫化雰囲気（Ｈ_２Ｓ濃度：３ｐｐｍ、温度：４０℃、相対湿度８０％ＲＨ）に２４時間暴露した後に接触抵抗を測定した。耐硫化性の評価については、硫化後の接触抵抗が１５ｍΩ以下を耐硫化性の合格（〇）と判定し、１５ｍΩを超えたものを不合格（×）と判定した。

【0047】

更に、各Ａｕ合金薄膜の耐粘着性の評価試験を行った。この評価試験では、基材にＡｕ合金薄膜を３μｍ成膜したサンプルを一対（２本）作製した。そして、一方のサンプルの上に他方のサンプルをクロスした状態で載置した。このとき、双方のサンプルのＡｕ合金薄膜が接触するようしている。サンプルをセットした後、５．５ｍＡの通電をしつつ一方のサンプルを往復摺動させた。このとき移動距離は０．５ｍｍとし、移動速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃとした。１往復を１回の摺動回数として設定回数となるまで摺動した。本実施形態では、設定回数１００回としつつ、１回の摺動毎に粘着力を測定した。粘着力の測定は、摺動を停止後に一方のサンプルを離反させ、その際の粘着力をロードセルで測定した。そして、最大の粘着力を当該サンプルの粘着力とした。この粘着力が大きい程、耐粘着性に劣ることとなり、本実施形態では粘着力が４．５ｇｆ以下を合格（〇）と判定し、粘着力が４．５ｇｆを超える場合を不合格（×）と判定した。尚、粘着力の基準値である４．５ｇｆは、本願出願人における同一仕様の接点材で粘着による不具合が生じた材料の粘着力を上記評価方法で測定したときの平均を考慮して設定された。

【0048】

本実施形態で製造した接点材（表面接点層）の合金組成と各評価試験の結果を表１に示す。

【0049】

【表1】

【0050】

表１から、初期状態の接触抵抗に関しては、全ての実施例・比較例・従来例が基準値よりも低抵抗であり、初期状態における良好な導電性は確認できた。本発明の課題である薄膜としたときの各特性について確認すると、耐摩耗性に関連する硬度については、まず、硬度上昇にはＡｇ含有量を増大させることが必要であることが分かる。従来例（特許文献１）のＡｕ－１０質量％Ａｇ合金の薄膜は、ビッカース硬度換算が１８０Ｈｖであり明らかに硬度不足である。そして、比較例１のようにＡｇ含有量を２１質量％とすることで硬度は上昇するといえる。もっとも、比較例１のＡｕＡｇ合金薄膜の硬度（ビッカース硬度換算２０５．９Ｈｖ）を参照すると、Ａｇ含有量の増大のみで十分な硬度を得ることはできない。実施例１～実施例１０のように、第２添加金属であるＮｉ等を添加することにより、ビッカース硬度換算で２４０Ｈｖ以上の硬度を得ることができる。この第２添加金属は、０．１質量％程度の添加では硬度上昇の効果に乏しいことから、所定量以上の添加が必要である（比較例２～比較例５）。

【0051】

Ａｕ合金薄膜の耐硫化性についてみると、比較例２～比較例５（Ａｇ含有量２０．９質量％）と、比較例６～比較例９（Ａｇ含有量７質量％）とを対比すると、Ａｇ含有量の増大は、耐硫化性の低下に繋がることがここでも確認される。比較例２～比較例５のようなＡｇ含有量が１５質量％以上のＡｕＡｇ合金に耐硫化性を付与するには、第２添加金属の含有量を０．５質量％以上とする必要がある（実施例１～実施例１０）。また、従来例よりＡｇ含有量を増加させた比較例１（Ａｇ２１質量％）は、耐硫化性が低下しているが、各実施例のようにＮｉ等を添加することで耐硫化性が改善されている。従って、本発明におけるＮｉ等の第２添加金属は、硬度上昇に加えて耐硫化性にも効果があると考えられる。

【0052】

耐粘着性については、粘着の要因の一つが塑性変形による清浄面の露出にあることを考慮すると、耐粘着性は硬度と関連がある特性といえる。そのため、第２添加金属の添加が不十分で硬度が低い比較例１～比較例５は耐粘着性に劣っている。但し、比較例１～比較例５と同等以下の硬度である比較例６～比較例９では耐粘着性が合格であったことから、耐粘着性の良否は硬度のみで定まるものでない。そのため、Ａｇ含有量や第２添加金属の含有量を複合的に好適にする必要がある。

【0053】

また、Ｎｉ含有量が３質量％超となるＡｕ合金薄膜（比較例１０～比較例１２）は、耐硫化性が低下していることから、第２添加金属の添加量には上限があるといえる。第２添加金属は、Ａｕ合金薄膜の硬度・粘着性・耐硫化性のそれぞれに影響を及ぼす必須の添加金属といえるが、添加量は３質量％以下と厳密な制御を要すると考えられる。

【0054】

［薄膜の密着性評価］
次に、実施例１～実施例１０の接点材の表面接点層であるＡｕ合金薄膜について、基材に対する密着性を評価した。この評価試験は、成膜後の接点材を、時計回りに１２０回捻回した後、反時計周りに１２０回の捻回する試験を行い、捻回後に薄膜の剥離の有無を実体顕微鏡にて観察を行った。密着性の評価は、観察した際に薄膜の一部ないしは全面が剥がれていた場合を不合格と判定し、剥離が全く見られなければ合格と判定した。

【0055】

上記の密着性評価試験の結果、実施例１～実施例１０の接点材においては、いずれも捻回後の薄膜の剥離は観察されなかった。従って、これらのＡｕ合金のスパッタ膜からなる表面接点層は、接点材として利用される際の密着性も良好であることが確認された。

【0056】

以上説明した、Ａｕ合金薄膜の構成と、硬度（耐摩耗性）・耐硫化性・耐粘着性・密着性の各特性との関係をまとめると、薄膜とした後に各特性をバランス良好に確保する上で、第１添加金属（Ａｇ）及び第２添加金属（Ｎｉ等）を適切に含有させることが必要であることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明は、微小負荷で駆動するリレー、スイッチ等の開閉接点の接点材として好適である。本発明の接点材は、薄膜状態であっても好適な耐摩耗性、耐環境性、耐粘着性を有する。また、Ａｕ合金薄膜の密着性にも配慮がなされており、薄膜の剥離による故障も抑制されている。本発明は、ミニチュアリレー、マイクロリレー等の微小負荷用の開閉接点として好適であり、接点材料にＡｕ量が低減された合金薄膜を利用することにより、機器のコストダウンにも寄与する。

【図1】

【図2】