JP2013157324A - 高出力電気スイッチ素子用の接点配列 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子において少なくとも２つの並列に配置された接触子対を有する接触子配列に対して、高さを補償する自己調整的な接触子構造に対する要望があるとの課題を解決する。
【解決手段】高出力スイッチング素子用の接点配列において、少なくとも２対の円形の接触子を、凸面／平坦面又は凸面／凸面の接触子対の形で有し、これらは、回路内で機械的に且つ電気的に並列に接続されている。その直径が最大でも接触子の接触面全直径の凡そ１／５である中央部凹みが、接触子対の少なくとも１対の接触子の接触面に備えられている。しかしながら、凸面／凹面又は平坦面／凹面の接触子対においては、接触子パートナーの凹状接触表面の中央部に突起が配置され、その直径は最大でも接触子の接触表面全直径の凡そ１／５である。
【選択図】図３

Description

本発明は、少なくとも２つの並列接触子対を有する高出力電気スイッチ素子用の接点配列に関する。

接点特性とバーンオフに関する耐性を改善するために、大容量の電気スイッチ素子では、しばしば電流経路が２つ又はそれ以上の並列した接点に分割される。このために、それぞれの設計に応じて、可動な接触子キャリアが、２つ又はそれ以上の大抵は円形の並んだ接触子を一端又は両端で支え、指定された大抵は円形の対向する接点と協働する。それに応じて、可動接触子キャリアは電流の出口側で旋回して自動バネ動作でしっかりと固定されるか、又はブリッジ接触子キャリアとしてデザインされる。ブリッジ接触子キャリアの両端部は、適当な対向接触子に対をなして対応する並列した接触子となっている。可動接触子キャリアはまた、縦方向に取り付けられてもよいし、あるいは機械的には分離されるが電気的には分離されない形態でもよい。その場合、接触子キャリアのそれぞれの部分が、少なくとも１つの接触子を持つ。接触子対に対してその対応する対向接触子は通常、固定された接触子キャリアとして配置される。高性能スイッチ素子用接触子対の接触子の隣接する接触表面には、好ましくは平坦面／凸面、凸面／凸面、そしてごく稀に凸面／凹面という組み合わせが見られる。接触子は一般的に高級な接点材料で作られるか、又はそれほど高級でない支持材料を高級な接点材料でメッキすることで作られる。それらは接触子キャリアにリベット止めされるか、又は半田付けされる。最後に述べた形状を除けば、それらすべてが本発明により実現される。

欧州特許第１５７５０７５号Ａ２は、電磁リレー接点の信頼性向上のために、可撓性の露出端上に２つの並列接触子を支持する一体型で片側固定の接点バネを備えており、２つの対応する対向接触子が交互配置で固定接触子キャリア上に配置されている構成の、２つの並列接触子対を有する公知の接点配列を開示する。跳ね返りが低減された、プレ接点及び主接点を有する動作モードでの閉成が、接点バネ又は固定接点キャリアを傾斜させることにより達成される。最初に閉じて最後に開くプレ接点は負荷接点となり、より早期に磨耗するので、他接点より大きい寸法であるがそれほど高級でない接点材料から作られる。

他の接点対は、最大負荷でのスイッチングにより影響を受けるとしても、双子接点では接点対はいつでも機能を損なわないという認識に基づいて、同様に連続的に開閉する可動接触子を有する、類似しない材料から作られる電気双子接点配列が、独国特許第１１７５８０７号Ｂから公知である。これら２つのクラウン部を有する接触子が、可撓性端部にフォーク状にスロット切り込みされたアーム部の各々に配置されており、他方では、異なる高さの平坦な固定接触子が、共通の固定接触子キャリアに取り付けられている。

独国特許第１９９３９９６６号Ｃ１によれば、電気ロッカースイッチの製造時に生じる接点バネの接触子部品の高さの不揃いは、接点バネの長さ方向軸回りの大きな規定されたねじり運動によって補償されることになる。

片側が固定された、２つの機械的且つ電気的に並列な接点バネを有し、それぞれの接点バネが片側で１つの接触子を支持し、２つの同じように機械的且つ電気的に並列な固定接触子上で動作するようにされた、高電圧リレー用の接点配列は、例えば独国特許第１０２４９６９７号Ｂ３から自明である。スイッチング機構は、接点バネを作動させるために、接触子を越えて伸びる接点バネ端部と係合する。接点が同時に閉じない時には、先行する接点バネがそのリレー接点に対して平らになると直ちに、積層されたアーマチュアバネが回転し、遅れた接点バネが、さらに強くその閉位置に作動させられる。この結果、接触力は可能な限りに同程度となり、跳ね返りが低減されることになる。

負荷変動中にアーク放電により生ずる燃焼生成物に起因する電圧降下を避けるための接点配列が、独国特許第１９６０１８３３号Ｂ４により公知であり、この接点配列は、ただ１対の接触子から成り、これら対における接触子はほぼクラウン状あるいは球状に設計され、それぞれの接触子キャリアに取り付けられる。該接触子キャリアの一方が、閉成行程中にその接触子を他の接触子の上に移動させ、さらに、移動させた後においても、半径方向の微小な動きを行わせて、自己調整を実行する。この目的のために、固定側の接触子は、可動側の接触子を外側へ動かすための大きな円柱型の凹みを有しており、その縁部は、２つの接触子の閉位置において、可動側のクラウン状接触子に対する環状肩部の形態で拡がった接触表面を形成する。この調整動作と関連して摩擦行程が生じ、これがバーンオフすなわち接触子表面に付着した磨耗屑を除去し、それを凹みに移送することにより接触面の汚れを最小にする。

カムスイッチ用の単一対の接触子による組を形成する過程において対の接触子が互いに溶着するのを低減させるために、対の接触子のうちの第２の接触子を精確に嵌合させて取り付けることは、独国特許第１８０４３７３号Ｕに従って、ベアリング間隙を利用することにより可能となる。この位置において、１方又は両方の接触子が、リベット止め、溶着及び同様な手法を使って取り付け可能となる。

独国特許第１０６２８４３号Ｂは、単一対の接触子における接触面に、凹み又は隆起部を形成し、その背面側に接触表面までは達しない１又はそれ以上の溝を接触子材料に形成して該接触子を冷却するようにした構造を開示している。

スイッチ素子用の単一対の接触子を焼結により、又は押出しより形成し、接触子が、有機金属化合物又は重金属の受け部として役に立つ穴を有する形状とすることが、独国特許第３５２８８９０号Ａ１に記載されている。

独国特許第１８０３６６２号Ｃでは、接触面、特にプッシュ型スイッチ用の接触面が、接触は３点でなされ、それによって１つの振動する接触ピンの中心軸がその他の接触ピンとの関係で自動的にセンタリングされるように設計されている。

独国特許第３７１４８３号Ａは、接点対の平坦な接点どうしを精確に合わせて設置することに伴う困難さを前提として記載している。ここで述べられた困難さの主なものは、バーンインのような長時間に亘る管理の下で接触子対が作動させられ、接触面が相互に押し当てられることにより成形されるようになるか、或いは、放電の結果としての微塵化により形状が調節されてしまうまで、最終仕上げのためにバーンインが必要であることのように見受けられる。

少なくとも２つの並列な接触子対を有する電気スイッチ素子用の公知の接点配列では、接触子は不均一に磨耗する傾向を持つ。スイッチングの過程で生ずるアーク放電は、常に、接触子対の１方を先に焼き切ってしまうが、これは、幾何学的な公差のために１方の接触子対が常に他方の接触子対より遅れて開放されることになり、アーク放電を引き起こすためである。電流伝導に関して機械的な原因でしばしば起こることがある非対称性は、また、アーク放電を特定の対の接触子に向けるような電磁場を発生させる。接触子の対の間で比較した時に、不均一な磨耗により種々の不具合を生じる。したがって、スイッチ素子の製品寿命を通して安全なスイッチングを保証するために、通常は銀又は金の合金である接触子材料の必要な割合を、より多量に選定しなければならない。アーク放電は同じ接触子対を当たり続け、該接触子対から付着物を放出するので、磨耗した接触子対のバーンオフにより、多量の付着物が、他方の接触子対に蓄積することになる。磨耗しない方の接触子対の接触抵抗が増大し、この接触この作動不良を生じることになる。その結果、スイッチ素子の全抵抗が、望まれる抵抗値の２倍以上に増大することがある。一方、接触子対の規則的な磨耗を可能な限りに担保する配列は、高度に構造的な、とりわけ製造に関連した努力を要求するものであり、結果として高コストに繋がることになる。

欧州特許第１５７５０７５号明細書 独国特許第１１７５８０７号明細書 独国特許第１９９３９９６６号明細書 独国特許第１０２４９６９７号明細書 独国特許第１９６０１８３３号明細書 独国特許第１０６２８４３号明細書 独国特許第３５２８８９０号明細書 独国特許第１８０３６６２号明細書 独国特許第３７１４８３号明細書

したがって、スイッチ素子において少なくとも２つの並列に配置された接触子対を有する接触子配列に対して、高さを補償する自己調整的な接触子構造に対する要望がある。

そこで、その１つの側面において、本発明は、少なくとも２対の円形の接触子対を、凸面／平坦面又凸面／凸面の接触子対の形で有し、これらが機械的に且つ電気的に並列に接続されており、１つの接触子対の少なくとも１つの接触表面が、少なくとも１つの中央部の凹み又は少なくとも１つの中央部の突起を有するようにされた高出力スイッチ素子用の接点配列を提供する。

好ましくは、接触表面は単一の中央部凹みを有し、その直径は最大でも接触子の接触表面全直径の凡そ１／５である。

好ましくは、中央部凹みは漏斗状の盲穴である。

代替的には、中央部凹みは円柱状の貫通穴でもよい。

代替的には、接触表面は、その中心の周りにいくつかの小さな中央部凹みを持つ平面としてもよい。

好ましくは、接触子対は、スイッチ素子の固定された接触子キャリア上に配置され、少なくとも１つの中央部凹みを有する平坦な接触子を含むものとする。

好ましくは、接触子対の凸状接触子がスイッチ素子の可動接触子キャリア上に配置され、凹みを有しないものとする。

第２の側面によれば、本発明は、少なくとも２対の円形の接触子対を凸面／凹面又は平坦面／凹面の接触子対の形で有し、これらが機械的に且つ電気的に並列に接続され、１つの接触子対の少なくとも１つの接触子の接触表面が、少なくとも１つの中央部突起を有するようにされた高出力スイッチ素子用の接点配列を提供する。

好ましくは、接触表面は単一の中央部凹みを有し、その直径は最大でも接触子の接触表面全直径の凡そ１／５である。

好ましくは、接触表面はその中央部周りに配置された幾つかの小さな突起を有するものとする。

好ましくは、接触子対のうちの凹んだ方の接触子が、スイッチ素子の固定接点キャリア上に配置され、この接触子の相手側のみが少なくとも１つの中央部突起を有するものとする。

第３の側面によれば、本発明は、電気的に並列に接続された少なくとも２対の円形接触子を有し、接触子の第１の対が少なくとも１つの中央部凹みを有し、接触子の第２の対が少なくとも１つの中央部の突起を有するようにされた、高出力スイッチ素子用の接触子配列を提供するものである。

本発明によれば、どの並列な接触子対も単一スイッチング接触子対ほど大きく設計する必要がないので、接触子に使用される接点材料、特に貴金属合金の割合を減らすことができる。さらに、スイッチ素子の部品製造及び組立てに要求される精度を低減させることができる。最終的には、スイッチ素子動作時の接触抵抗を、より小さく、より安定したものとすることができる。

本発明の好ましい実施形態は、例示のみとして、添付図を参照して、ここに記述される。図において、複数の図に現れる同等な構造、要素、又は部品は、一般にすべての図において同じ参照数字が付される。構成部品や特徴部の寸法は、一般に便宜上ならびに表現を明瞭にするために選ばれており、必ずしも一定の縮尺で表示されない。図は以下に列挙される。

先行技術による２つの並列接触子対の断面図である。 本発明の好ましい実施形態による第１接触子の部分断面図である。 負荷状態でスイッチングを繰り返した後の、図２ａの部分断面図である。 好ましい実施形態に基づく２つの並列接触子対の、負荷状態でスイッチングを繰り返した後の断面図である。 本発明の第２の実施形態に基づく接触子の斜視図である。 本発明に基づく、さらに他の実施形態である。 本発明に基づく、さらに他の実施形態である。 本発明に基づく、さらに他の実施形態である。

図１は、先行技術による２つの並列なスイッチング接触子対の断面図を示す。１つのほぼ平坦な接触平面を有する２つの同等な円形接触子２が、低い側の接触子キャリア１にリベット止めされている。両接触子２は固定接触子キャリア１上で互いに電気的且つ機械的に並列な形で接続されている。可動接点配列が、定接点配列の上側に位置している。該可動接点配列は、可動接触子キャリア３から成り、該可動接触子キャリア３は、バネ、たとえば片側で固定された多層バネの張力に逆らって撓むことが可能であり、そのキャリアに対して、僅かにクラウン状の接触子表面を有する２つの同等な円形の接触子４が、固定接触子２に対し対を成して向き合うように、該キャリアの露出した撓み可能な端部にリベット止めされている。従って、２つの可動接触子４もまた、互いに機械的且つ電気的に接続されている。図において、それぞれが対の並列接触子２、４からなる２対の接触子は、互いに接触している。ここでは明示されないスイッチ素子のスイッチング機構が、撓み付与機構５を介して必要な接触圧力を生じ、接触子２，４を開放状態及び閉成状態にする。切り替えられる電流、たとえば１００Ａの電流は、２対の接触子対２，４により分割される。同様に高い接触圧力のもとにある接点対２，４は変形し、スイッチングアーク放電は低レベルになり、その結果として、ある期間の後には、０．１ｍｍより小さい範囲にある製造公差は、その時点までに自己調整により補償され、２対の接触子２，４を流れるスイッチング電流は均一な分布となり、しかも同等な開閉切り替え時間が達成される。しかしながら、切り替えられる２対の接触子間により大きな高さ公差がある場合は、そうではない。

図２ａには、前述の効果を明らかに増強する手助けとなる、本発明による第１段階が示されている。この目的のため、図１の固定接点２には、その接触面中央部に凹み６が備えられる。その凹み６は、図では漏斗状のように描かれているが、盲穴又は貫通穴（図７に示す）の形状でもよい。漏斗状凹み６の最大直径は、接触面の極く僅かの割合、接点リベット２の接触径の凡そ１／５であり、その結果として、十分な接触面とバーンオフ耐性材料が残される。この例では、凹み６は接点材料を貫通していない。

図２ｂは、負荷状態で多数回のスイッチングサイクルを経た後の図２ａによる固定接触子を示す図である。比較的に柔らかい材料、たとえば接点リベット２上の銀合金メッキは、切り替え動作の間に漏斗状凹みの方向に押し出され、それによって全体的に見れば接触面の僅かな低下を生じている。固定接触子２の平坦な接触面において、可動接触子４のクラウン状表面は小さな凹みを作り出し、漏斗状凹み６は押し出された材料を圧縮する。この変形作用は、並列接触子対の接触子２，４の高さが互いに揃うとすぐに進行が遅くなる。

図３は、公差補償後の状態を示す。２対の接触子２，４は、まったく同時に開閉動作を行い、それゆえ凡そ同じ大きさのアーク放電を引き起こし、スイッチングデバイスの製品寿命を超えて、同じように同期しながら磨耗することとなる。そのような条件設定がなされる前には、遅れて接触する接触子対２，４、それは図３で右側の接触子対であるが、それらは先行技術においては激しいアーク放電による通常の煤付着を生じる。最初に接触する接触子対２，４の部分、それは図３の左側であるが、そこでの熱的且つ機械的な接点材料の押し出しによる高さ方向の補償により、煤や他の付着物が最初は２番目に接触する接触子対で燃焼し、接触子対２，４の両接点ともに輝く接触表面を呈示する。それゆえ、並列スイッチング接触子対２，４の接触子は、本発明を用いない場合より小サイズにすることができる。接触子２，４が、均質では無いが、電気伝導支持層上に貴金属から成る圧延接触層を有するものである場合には、この接触層は、どんな場合でも開閉動作の間に、接触子対２，４の相互の高さ合わせの過程で貫通してしまうことは無い。

１つの接触対における両方の接触子２，４が僅かにクラウン状の接触面を有するものである場合には、両法の接触子２、４がともに中央部凹み６を有するような実施形態もまた可能である。

中央部凹みの代わりに、接触子２，４の接触表面中心の周りに小さな凹みをいくつか配置することもまた可能である。そのような別形態が図５に図解で示されている。

図４には、本発明による固定接触子２の第２の実施形態が図示されている。小さな局所的突起７が固定接触子２の中心に備えられ、それが最初に接触し接触子対２，４のうちの１つのクラウン状対向接触子４により変形させられるように構成されている場合には、並列接触子対の自己調整的高さ補償が相互に生ずるようになるまでは、開閉動作の間、不完全な調整を受けることになる。それ以降は、２対の並列接触子２，４は、同期して兄兵動作を行う。円形の固定接触子２の接触面は、中央部突起７が平坦な凹みから立ち上がるように幾何学的に形成され、その直径が、接触子の接触表面全直径の凡そ１／５とされていることが好ましい。この構成により、接点材料は、円形の可動対向接触子４に係合する間にその凹みに流動し、高さ補償の後には、十分な接触面がバーンオフの備えとして利用できるようになる。

中央部突起７の代わりに、固定接触子２の接触中心の周りに小さな突起をいくつか配置することもまた可能である。また、ここで接触子対２，４における両方の接触子が、１つ又は複数の中央部突起を有していてもよい。これらの別形態が図６に図解で示されている。

接触子対において、１方の接触子が平坦で他方の接触子が僅かにクラウン状であるか、或いは両方の接触子とも僅かにクラウン状であるように設計されることが好ましく、結果として形成される接点及び接触子間相互で生じるシフトが十分に許容されることになる。付加的な特性として、スイッチング時のアーク放電による接点材料の熱的影響と、平坦面／凸面又は凸面／凸面の接点対間の高い表面圧力との組合せにより、対となる接触子の軽度の変形を結果として生ずることが挙げられる。この変形は、最初に開閉動作する接触子対の量的な減少をもたらし、その結果として、もう１つの接触子対もまた係合することが可能となる。接点配列は０．１ｍｍより小さい幾何公差を補償することができ、既にある程度は自己調整特性を有している。これらの特性は、増大する接点材料の擦り切れによって早過ぎる時期に磨耗するような接触子が無ければ、２又はそれ以上の並列接触子対が均一に磨耗するのを助長することができるようにするものであり、それは、１又はそれ以上の中央部凹みが、それぞれの接触子対の１つあるいは両方の接触子に形成されることにより達成される。この結果、開閉動作の過程で、凹みを備えた接触子対の最初に接する接触子において接触状態になる比較的柔らかい材料が凹みの方向に押し出され、高さに関しては２番目の接触子対が閉じるか、或いは付加的な並列接触子対が閉じるまで、実際に接触する面の低下が起こる。すべての接触子対が係合し、したがって、２又はそれ以上の接触子対が統計的に同程度のアーク放電を引き起こすようになり、この作用は進行が送らされ、接触子対は、並列的に同期して機能することになる。

本発明の付加的な実施形態によれば、接触子対における接触子の接触面に１又はそれ以上の中央部突起、又は凹みと突起を形成する並列接触子対の組み合わせは、同じ効果をもたらす。

本発明は、スイッチングリレー、コンタクター、回路ブレーカー又はその他のより高性能な電磁的に作動するスイッチ素子の製造と運用に対して特にふさわしいものである。本発明により、並列的に開閉動作を行う組を構成する接触子の高さ公差は、±０．５ｍｍまで釣り合わせることが可能となる。

本出願の記述と特許請求の範囲の記載において、「からなる」、「含む」、「有する」又はそれらの変形である動詞のそれぞれは、包括的な意味で使われており、述べられた事項の存在を明示するが、付加的な項目の存在を除外するものではない。

本発明は、１又はそれ以上の好ましい実施形態を参照して説明されているが、多様な変形形態が可能であることは、その分野の熟練者により認識されるであろう。したがって、本発明の及ぶ範囲は、以下の特許請求の範囲により決定されることになる。

Claims (12)

1. 高出力スイッチ素子用の接点配列であって、少なくとも２対の円形の接触子を凸面／平坦面又は凸面／凸面の接触子対の形で有し、これらは機械的に且つ電気的に並列に接続され、１つの接触子対における少なくとも１つの接触子の接触面が、少なくとも１つの中央部凹み又は中央部突起を有することを特徴とする接点配列。
2. 前記接触表面は、単一の中央部凹みを有し、その直径は最大でも接触子の接触面全直径の凡そ１／５である、請求項１に記載の接点配列。
3. 前記中央部凹みは、漏斗状の盲穴である、請求項２に記載の接点配列。
4. 前記中央部凹みは円柱状の貫通穴である、請求項１又は２に記載の接点配列。
5. 前記接触面は、その中心の周りにいくつかの小さな中央部凹みを持つ平坦面である、請求項１に記載の接点配列。
6. 前記接触子対は、スイッチ素子の固定接点キャリア上に配置され、少なくとも１つの中央部凹みを有する平坦な接触子を含む、前記請求項１から５までのいずれか１項に記載の接点配列。
7. 前記接触子対における凸状の接触子がスイッチ素子の可動接点キャリア上に配置され、凹みを有しない、請求項６に記載の接点配列。
8. 高出力スイッチ素子用の接点配列であって、少なくとも２対の円形の接触子対を、凸面／凹面又は平坦面／凹面の形で有し、これらは機械的に且つ電気的に並列に接続され、前記接触子対における少なくとも１つの接触子の接触面は、少なくとも１つの中央部の突起を有することを特徴とする接点配列。
9. 前記接触面は、単一の中央部凹みを有し、その直径は最大でも接触子の接触表面全直径の凡そ１／５である、請求項８に記載の接点配列。
10. 前記接触面は、その中央部周りに配置された、いくつかの小さな突起を有する、請求項８に記載の接点配列。
11. 前記接触子対における凹んだ接触子がスイッチ素子の固定接点キャリア上に配置され、この接触子パートナーだけが少なくとも１つの中央部突起を有する、請求項８又は９又は１０に記載の接点配列。
12. 高出力スイッチ素子用の接点配列であって、電気的に並列に接続された少なくとも２対の円形の接触子を有し、第１の接触子対は請求項１乃至７のいずれか１項に記載の接触子を有し、第２の接触子対は請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の接触子を有することを特徴とする接点配列。

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