JP2014232617A - 遮断器用電気接触子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気接触子の異種金属材料の接合において、フラックス等の活性剤や形状の制約がないとともに、被接合材に工具形状の転写のおそれや被接合体の形状や延性の有無に影響されない接合構造をもつ遮断器用電気接触子およびその製造方法を提供する。【解決手段】接点１Ａと接点１Ａに比べ硬度が低い台金２Ａとの間に塑性流動可能な中間金属層３を介在して形成された接合部１０Ａ−ａと、この接合部１０Ａ−ａを支持するとともに包囲する支持包囲部２Ａ−ａの支持包囲部表面２Ａ−ｂから接合部１０Ａ−ａが所定の深さｉだけ窪み込ませて設けられるとともに、支持包囲部２Ａ−ａの幅方向寸法Ｂが接合部１０Ａ−ａの幅Ｗより大きい。【選択図】図２

Description

この発明は、遮断器用電気接触子（以後、電気接触子と称呼する）およびその製造方法に関するもので、特に電気接触子の接合構造とその製造方法に係るものである。

従来の遮断器に用いられる電気接触子は、接点と台金をろう付けや抵抗溶接、かしめ等によって接合する例が多い。ここで、ろう付けにおいては金属の界面活性のための活性剤が必要で、接合後の洗浄工程を必要とすることや、接合時に高温となるため金属が軟化する恐れがある。
これらの対策として、摩擦圧接、超音波接合、冷間圧接により接合する例が従来より示されている（例えば、特許文献１から特許文献４、非特許文献１）。

上記特許文献１では電力用遮断器の固定側と可動側アーク接触子において、接触子の接点部に銅−タングステン合金を、接点部以外に銅−クロム合金を使用し摩擦圧接により接合することが示されており、その接合の際に接合面端部で自由縁となす角度を、銅−クロム合金と銅−タングステン合金材共に９０度未満、またはどちらか一方が９０度の場合は、残りの材料の接合面端部で自由縁となす角度を９０度未満にする構成が示されている。
特許文献２では開閉器や遮断器に用いられる電気接触子において、接点と台金を超音波接合によって製造することが示されており、接合の際に予め接点もしくは台金のいずれか一方に錫の皮膜を形成する構成が示されている。
特許文献３では接点材料の接合方法において、接点側に凹み部を設け、その凹み部に金属板を機械的にこすりながら圧入して密着し、さらにレーザや抵抗溶接等などにより溶融接合することが示されている。
特許文献４では接点と台金の接合方法として、予め銀層が接合された接点を使用するとともに、接合時に界面活性剤を接合部周辺に供給した後、電極間に通電して接合することが示されている。
非特許文献１では固相接合に必要な両金属の密着のためには、降伏応力の約３．６倍以上の加圧が必要であることが示されている。

特開平１１−１７６２６８号公報 特公平４−３５８５０号公報 特公第２７９１６８３号公報 特公平１−４３４１５号公報

溶接・接合便覧（１９９０）、丸善１８４頁）

上記のような電気接触子の接合構造および製造方法では、被接合材の形状の制約や被接合材に接合工具形状が転写される場合がある。
例えば、摩擦圧接においては、どちらか一方が棒などの回転対象形状である必要があり、超音波接合では、接合用固定治具の凹凸が金属表面に転写されて、電気接触子としての機能が低下する場合がある。冷間圧接では形状の制約等はないか、高い接合応力を必要とし、被接合金属は硬度が高く延性がほとんどない材料の場合、接合時の加圧により破壊する恐れがあるという問題点がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、フラックス等の活性剤を用いることなく、被接合体の形状や延性の有無に影響されない接合構造をもつ遮断器用電気接触子およびその製造方法を提供することを目的としている。

第１の発明に係る遮断器用電気接触子は、
接点と、該接点に比べ硬度が低い台金とを備えるとともに、接点と台金との間に塑性流動可能な中間金属層を介在して形成された接合部と、該接合部を支持するとともに包囲するよう台金に形成された支持包囲部表面から所定の深さを有する窪み部に接合部が設けられるとともに、支持包囲部の幅が接合部の幅より大きいものである。

第２の発明に係る遮断器用電気接触子の製造方法は、
接点と、該接点に比べ硬度が低い台金とを備えるとともに、接点と台金との間に塑性流動可能な中間金属層を介在させ、台金の降伏応力の３．６倍以上の荷重を生じるように接点と台金に押圧し、中間金属層と台金の塑性変形によって接点を台金に窪み込ませて接合部を形成するとともに、該接合部を支持包囲するように台金に支持包囲部を形成して、接合部を固定するようにしたものである。

第１の発明によれば、前記のような構成を採用しているので、加圧接合のみによる接合を可能としたばかりでなく、合金と接点両者間の接触面積増大による接合の信頼性や電気伝導性の向上という優れた効果を奏する。

第２の発明によれば、前記のような製造方法を採用しているので上記第１の発明と同様の効果を奏する。

実施の形態１による一対の電気接触子の配置を示す概念図である。 実施の形態１による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態２の第１の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態２の第１の実施例による荷重の印加方向を説明する図である。 実施の形態２の第２の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態２の第３の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態２の第４の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態２の第５の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態３の第１の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態３の第２の実施例による電気接触子の接合構造を示す正面図および側面図である。 実施の形態４による電気接触子を製造用の専用工具を用いた製造時の状態を示す正面図である。

実施の形態１．
以下、この発明による電気接触子の接合構造について説明する。
図１は、一対の下電極１０Ａと上電極１０Ｂとを備えた電気接触子２０の配置を示す概念図であり、下電極１０Ａは固定側で上電極１０Ｂは可動側である。上電極１０Ｂ、下電極１０Ａの接点１Ｂ、１Ａが押圧接触すると通電が行われる。上電極１０Ｂは、矢印に示すように軸７を中心として回動されることにより、接点１Ａ、１Ｂが離れて電流が遮断される。
図２は、実施の形態１による電気接触子２０の内、下電極１０Ａをもって実施の形態１を説明する図である。
図２（ａ）は、正面断面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は上図面である。下電極１０Ａは、接点１Ａ、台金２Ａ、中間金属層３より構成されている。
下電極１０Ａは、接点１Ａと台金２Ａが接合されており、両者は異種金属である。すなわち、遮断器に使用される電気接触子２０の場合、一般的に遮断電圧が高くなるほど接点１Ａには硬度が高い金属が用いられるが、このような材料は塑性流動しにくく脆い場合が多く、大きな衝撃荷重をかけない接点構造および接合方法を採用する必要がある。
図２（ａ）に示す接点１Ａは、Ａｇ−ＷＣ焼結材を用い、厚さＴ１、幅Ｗ、長さｌの平板状をなす。台金２Ａは、Ａｇ−ＷＣ焼結材よりも硬度が低く接点１Ａの界面に沿って塑性流動可能な無酸素銅で板厚ｔ、高さＨ、長さＬの平板が用いられている。この接点１Ａと台金２Ａの接合界面にはＡｇからなる厚さＴ２の中間金属層３が存在している。
図２（ａ）は、接点１Ａを台金２Ａに押し付けた状態を示しており、中間金属層３を含む接点１Ａと台金２Ａの接合部１０Ａ−ａを支持するとともに包囲する支持包囲部２Ａ−ａの幅方向寸法をＢ、すなわち台金２Ａが押し付けられることで板厚ｔが膨らんだ幅をＢとし、この支持包囲部２Ａ−ａの厚さをｈ１、支持包囲部２Ａ−ａの下部２Ａ−ｃの高さｈ２、接点１Ａが台金２Ａの支持包囲部表面２Ａ−ｂから所定の深さ入り込む窪み部１０Ａ−ｂの深さをｉとすると、Ｂ＞Ｗ、Ｂ＞ｔ、Ｗ＞ｔ、ｈ２≧０、ｉ＞０となるような接合構造を設定する。尚、前記幅方向寸法Ｂの定義はｉ＞０の場合には台金２Ａの構造として許容される最大幅とする。
接点１Ａと台金２Ａとの接合時には、両者の界面に電気抵抗値が低く、台金２Ａ接合し易い中間金属層３としてのＡｇを設け、接点１Ａと台金２Ａとを後述する図１１に示す専用工具によって加圧する。この加圧によって、中間金属層３を含む接点１Ａと台金２Ａにより形成される接合部１０Ａ−ａが支持包囲部表面２Ａ−ｂより所定の深さｉだけ窪んでいるので、台金２Ａから接点１Ａ方向に圧縮応力が作用する。接点１Ａの材質Ａｇ−ＷＣ焼結材の硬度が中間金属層３の材質Ａｇより高いため、加圧接合時に中間金属層３のＡｇが優先的に塑性流動をおこし、接点１Ａにかかる荷重を緩和して接点１Ａの脆性破壊を抑制し、接点１Ａに大きな垂直荷重がかかるのを緩和し、かつ、固相状態での金属接合性を上昇させることができる。
さらに、支持包囲部２Ａ−ａの高さであるｈ２をｈ２＞０のような形状にすれば、接点１Ａと台金２Ａとの支持包囲部２Ａ−ａの高さ方向寸法を決定するとともに接合時に接合面の塑性流動を促進し、接合面積を増大させることができる。
また、支持包囲部２Ａ−ａの幅方向寸法Ｂを接合部１０Ａ−ａの幅Ｗより大きく設定しているので摩擦力も増大し、その結果、接点１Ａと台金２Ａとの接合面積増大による接合信頼性および電気伝導性の向上が可能となり、双方の金属を引き剥がすような外力が付加されるような場合が生じたとしても、摩擦力が増大しているので接点１Ａの固定性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。前述した実施の形態１の接点１Ａの形状を平板形状としたが、この実施の形態２では接点１Ａの形状を台金２Ａの塑性流動をより促進させるような形状を採用し、台金２Ａの新生面の創出を促進させ、さらに接合信頼性が向上させたものである。すなわち、台金２Ａに対面する接点１Ａの形状を選択することによって接合信頼性を向上させるものである。
以下、この実施の形態２の第１の実施例を図３に基づき説明する。
図３に示すように頂辺幅Ｗ１、底辺幅Ｗ２、傾斜角θを有する逆台形状接点１Ａ−ａとする。ここでＷ１＞Ｗ２、かつ、４５°≦θ＜９０°とする。このような傾斜角θを有する逆台形状接点１Ａ−ａが台金２Ａに加圧されると図４に示すように接点１Ａ−ａの逆台形状に沿って台金２Ａの塑性変形を促進され、従って垂直方向の荷重Ｆがかかった時に、その荷重Ｆの接点方向分力が大きくなり、金属接合性を上昇させる。
また、第２の実施例として図５に示すような逆正５角形状接点１Ａ−ｂとしてもよい。突起部１Ａ−ｈの高さがｈ３、頂辺幅Ｗ１であるので、幾何学的関係から接合面長さは、√（４（ｈ３）^２＋（Ｗ１）^２）であり、この接合面長さが平板状の接点よりも大きく取れる。
次に、第３の実施例として図６に示すように台金２Ａに対向する面に円弧部曲率Ｒを有する円弧状接点１Ａ−ｃとしてもよい。ここで、幾何学的関係よりＲ≦Ｗとすると、接合面長さが平板の場合に比較して長くすることができ、接合信頼性が向上する。さらに、第４の実施例として図７に示すように、接点１Ａ−ｄが台金２Ａに対向する側であって幅Ｗ方向に２個以上の凸部１２を設けた凸部付接点１Ａ−ｄとすることや、第５の実施例として図８に示すように接点１Ａ−ｄの長さｌ方向に２個以上の凸部１２を設けると、さらに接合面長さが増加するとともに、この凸部１２に沿って台金２Ａの塑性流動が促進され接合信頼性がさらに向上する。尚、ここで凸部１２は、図７、図８ではのこ歯状を示したが、これに限らず凹凸があればよい。
このように、この実施の形態２では、台金２Ａから受ける圧縮応力の応力勾配が緩和され、長期信頼性が向上する。また、接合時に円弧状接点１Ａ−ｃの曲率や、凸部付接点１Ａ−ｄの突起部の形状に沿って台金２Ａおよび中間金属層３が接合界面上に沿って塑性流動がし易くなることで、接合面積が増大し、接合信頼性や電気伝達性の向上が可能となるという効果がある。

実施の形態３．
次に、実施の形態３を図に基づいて説明する。
この実施の形態３の第１の実施例は、図９に示すように台金２Ａの支持包囲部２Ａ−ａの幅方向寸法Ｂが、平坦部２Ａ−ｆによって形成されている。すなわち、接点１Ａと台金２Ａとの接合時に幅Ｂを規定する専用工具を用いて接合することによって形成されている。また、第２の実施例を図１０に示すように台金２Ａには支持包囲部２Ａ−ｄの幅方向寸法Ｂを底辺とする部分的逆台形状を形成された形状であってもよい。
このような形状を有するように接合成形されると、台金２Ａと中間金属層３の塑性流動が促進されて、接合信頼性、電気伝達性が向上するとともに、接点１Ａの固定性がさらに向上する。

実施の形態４．
次に、上記した実施の形態１から実施の形態３の電極１０Ａの製造方法を図１１に基づいて説明する。
図１１において接点１Ａと台金２Ａとを接合する専用工具１００は、加圧装置８と、台金保持装置４、接点固定装置５、加圧可動部６から構成されている。そして、加圧する前に予め接点１Ａもしくは台金２Ａのどちらか一方もしくは双方に、中間金属層３であるＡｇを蒸着またはメッキによる皮膜を形成しておく。接点１Ａは、接点固定装置５に固定され、台金２Ａを保持する台金保持装置４、加圧可動部６は加圧装置８の起動により、加圧可動部６、台金保持装置４が接点１Ａの方向に移動することにより加圧する。尚、台金保持装置４は、台金２Ａの座屈を防止する機能も有する。
接合の原理は、接点１Ａと台金２Ａを押し付けることによって、台金２Ａが塑性流動をおこし、両金属の酸化皮膜が破断し隙間から新生面が生じ、冶金的に接合が達成される。この新生面は塑性流動量が大きいほど多く現れるが、接点１ＡとしてＡｇ−ＷＣ焼結材のように、硬度は高いがほとんど塑性流動が起きない材料を選定した場合、接点１Ａ側の新生面創出はほとんど期待できない。そこで、予め接点１ＡにＡｇのように塑性流動しやすい金属の皮膜を施すと、Ａｇが新生面を創出することにより接点側の新生面が創出できる。
一般的に金属の降伏応力の約３．６倍以上を負荷すれば両金属を密着させることができ、それが新生面同士であれば金属接合が可能となる。従ってそれ以上の圧力が台金保持装置４を通じて台金２Ａの接合面にかかるようにする。台金２Ａとして接点１Ａの幅Ｗよりも薄い板厚ｔの平板を使用する。例えば、図２に示すように変形前の板厚をｔとするものを使用し、Ｂ＝２ｔまで変形させると、近傍部の面積拡大率は２倍となる。さらに、台金２Ａの接合後の形状がｈ＞０となるように図示省略した成形具を選定すると、接合面近傍部を積極的に変形させることができる。さらに密着性と接合性を高めるために、接点固定装置５を通じて、接点１Ａを加熱や機械的に振動させても良い。また、このような状態で台金保持装置４を通じて通電し接合させてもよい。例えば、台金２Ａとして純銅のような硬度の低く塑性流動しやすい金属の平板を使用し、同時に接点固定装置５を通じて接点１Ａを加熱すると、実施の形態１のような形になるまで台金２Ａを変形させやすく、新生面が創出されやすい。
このような方法をとることで、接合面積を増大させ、接合信頼性を向上させることができ、フラックス等の活性剤や形状の制約がないとともに、被接合材に専用工具形状の転写のおそれや被接合体の形状や延性の有無に影響されない接合構造を得ることができる。さらに、フラックス等余分な材料を使用することなく、省資源、省エネ化、作業性向上した電気接触子が得られる。
尚、実施の形態３の図９、図１０に示したような台金２Ａの形状にする為の幅方向寸法Ｂを規定する工具は、図１１においては図示省略している。

尚、上記実施の形態１から実施の形態３では、接点１Ａの材質としてＡｇ−ＷＣ焼結材としたが、これに限定されずＡｇ−ＷＣ−Ｃｒ焼結材、Ａｇ−Ｗ焼結材も適用可能である。
さらに、台金２Ａとして無酸素銅の例を示したが、電気銅など延性の高い銅合金であればよい。

尚、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１Ａ，１Ｂ 接点、１Ａ−ａ 逆台形状接点、１Ａ−ｂ 逆正５角形状接点、
１Ａ−ｃ 円弧状接点、１Ａ−ｄ 凸部付接点、１Ａ−ｈ 突起部、２Ａ，２Ｂ 台金、２Ａ−ａ 支持包囲部、２Ａ−ｂ 支持包囲部表面、２Ａ−ｃ 支持包囲部下部、
２Ａ−ｄ 部分的逆台形状、２Ａ−ｆ 平坦部、３ 中間金属層、１０Ａ 下電極、
１０Ａ−ａ 接合部、１０Ａ−ｂ 窪み部、１０Ｂ 上電極、１２ 凸部、
２０ 電気接触子、Ｂ 支持包囲部の幅方向寸法、Ｗ 接点１Ａの幅、
ｈ１ 支持包囲部の厚さ、Ｗ１ 頂辺幅、Ｗ２ 底辺幅、θ 傾斜角。

Claims (13)

1. 遮断器用電気接触子において、
   接点と、前記接点に比べ硬度が低い台金とを備えるとともに、前記接点と前記台金との間に塑性流動可能な中間金属層を介在して形成された接合部と、前記接合部を支持するとともに包囲するよう前記台金に形成された支持包囲部表面から所定の深さを有する窪み部に前記接合部が設けられるとともに、前記支持包囲部の幅が前記接合部の幅より大きいことを特徴とする遮断器用電気接触子。
2. 前記接点は逆台形状をなし、前記逆台形状の斜面を形成する傾斜角θが４５°≦θ＜９０°とすることを特徴とする請求項１に記載の遮断器用電気接触子。
3. 前記接点は逆正５角形状であることを特徴とする請求項１に記載の遮断器用電気接触子。
4. 前記接点の前記台金に対向する側が円弧部を有する円弧状接点とすることを特徴とする請求項１に記載の遮断器用電気接触子。
5. 前記接点の前記台金に対向する側の幅方向あるいは長手方向のいずれか一方に凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遮断器用電気接触子。
6. 前記支持包囲部の側部は平坦面であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の遮断器用電気接触子。
7. 前記支持包囲部には前記支持包囲部の幅を底辺とする部分的逆台形状が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の遮断器用電気接触子。
8. 前記接点はＡｇ−ＷＣ焼結材あるいはＡｇ−ＷＣ−Ｇｒ焼結材またはＡｇ−Ｗ焼結材のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の遮断器用電気接触子。
9. 前記中間金属層はＡｇであり、前記接点あるいは台金のいずれか一方に蒸着またはメッキによって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の遮断器用電気接触子。
10. 前記台金は無酸素銅あるいは電気銅のいずれかとすることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の遮断器用電気接触子。
11. 遮断器用電気接触子の製造方法であって、
    接点と、前記接点に比べ硬度が低い台金とを備えるとともに、前記接点と前記台金との間に塑性流動可能な中間金属層を介在させ、前記台金の降伏応力の３．６倍以上の荷重を生じるように前記接点と前記台金に押圧し、前記中間金属層と前記台金の塑性変形によって前記接点を前記台金に窪み込ませて接合部を形成するとともに、前記接合部を支持包囲するように前記台金に支持包囲部を形成して、前記接合部を固定するようにした遮断器用電気接触子の製造方法。
12. 前記接点はＡｇ−ＷＣ焼結材あるいはＡｇ−ＷＣ−Ｇｒ焼結材まはたＡｇ−Ｗ焼結材のいずれかが用いられていることを特徴とする請求項１１に記載の遮断器用電気接触子の製造方法。
13. 前記中間金属層はＡｇであり、予め前記接点側あるいは台金側のいずれか一方に蒸着またはメッキによって形成されたものであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の遮断器用電気接触子の製造方法。

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