JP4874189B2 - 可動導体およびそれを備える開閉装置 - Google Patents

Description

この発明は、外力が加わると変形し且つ大きな電流が流れる可動導体およびそれを備える開閉装置に関するものである。

従来の開閉装置は、例えば、開閉操作時に可動導体の一部を操作機構で押下および引外しをすることで対向しあう可動接点と固定接点とを投入または引外し操作を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２６７３８８号公報

上述の構造では可動接触子側に撓みが生じやすく可動接点と固定接点との間に所定の遮断距離が確保できない場合があり、確実な遮断距離を確保することが容易ではないという問題がある。
また、可動導体の応力が集中している箇所においては繰り返し操作による破断の可能性がある。
一方、これに対し可動導体の機械強度を向上させることで撓み防止は可能だが、一般に機械強度を向上させると電気抵抗も増大するので通電時のジュール発熱も増大する。
従って開閉装置の通電部においては遮断距離の確保とジュール発熱の低減の両立が容易でないという問題がある。

この発明の目的は、機械的特性に大きな影響を与えずに低電気抵抗な可動導体およびそれを備える開閉装置を提供することである。

この発明に係る可動導体は、第１固定導体に固定される固定接点に対向する可動接点が一端部に固定され且つ他端部が第２固定導体に固定される片持ち梁構造の可動導体において、一端部が上記第２固定導体に固定され且つ高剛性を有する第１可動導体と、上記第１可動導体の上記第２固定導体が固定された一端部を除く部位に接合された高電気伝導性を有する第２可動導体と、を備え、上記第１可動導体または上記第２可動導体に上記可動接点が固定された可動導体において、上記第１可動導体は、上記第２固定導体から離れた端の中央から上記第２固定導体に向かう方向に切り込みが設けられ、上記第２可動導体は、上記切り込みに嵌合される。

この発明に係る可動導体の効果は、第２固定導体に一端が固定された片持ち梁構造の第１可動導体のばね性に大きな影響を与えない第１可動導体の位置に第２可動導体を接合するので、可動導体のばね性が大きく変化しないとともに電気抵抗が大きく低減する。その結果、確実な遮断距離を確保しおよび導体破断を防止し、導体発熱を抑制できるということである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。
この発明の実施の形態１に係る可動導体１を備える開閉機構は、絶縁材からなるベース２に構成される。この開閉機構は、固定接触子３と可動接触子４とを備える。
固定接触子３は、ベース２を貫通し且つベース２に固定される第１固定導体５および第１固定導体５に固定される固定接点６を備える。
可動接触子４は、ベース２を貫通し且つベース２に固定される第２固定導体７、第２固定導体７に一端部が固定され且つ他端部が自由に上下移動できる可動導体１、可動導体１の他端部に固定され且つ固定接点６に対して対向する可動接点８を備える。
この発明の実施の形態１に係る可動導体１は、第２固定導体７に一端部が固定され且つ可動接点８が固定される他端部が上下方向に移動できる第１可動導体１０および第１可動導体１０の可動接点８が固定された面に対して反対の面の他端部から第２固定導体７の手前の間に亘って接合される第２可動導体１１を備える。

第１固定導体５、固定接点６、第２固定導体７、および可動接点８は、一般的なものであり説明は省略する。
第１可動導体１０は、例えばベリリウム銅合金のような高剛性の材料から作製され、断面が四角形の板である。そして、板の一端から第２固定導体７の幅に亘って第２固定導体７に接合されている。なお、第１可動導体１０の断面形状は四角形に限るものではなく、半円や三角形など適宜選択し得る。
第２可動導体１１は、例えば純銅のような良導電性の材料から作製され、断面が四角形の板である。そして、板は第１可動導体１０の他端と板の一端が揃えられて第１可動導体１０に接合されている。なお、第２可動導体１１の断面形状は四角形に限るものではなく、半円や三角形など適宜選択し得る。

次に、この発明の実施の形態１に係る開閉機構の動作について説明する。
第２可動導体１１の押下点Ａに押下力Ｆ_ｏｎを第１可動導体１０の他端が図１上の下向きに移動するよう加えることにより、可動接点８が図１上の下向きに移動して固定接点６に当接することにより固定接触子３と可動接触子４とが電気的に接続する。このとき押下点Ａに押下力Ｆ_ｏｎが加わったとき押下点Ａの移動する距離ｙは、式（１）で表されるバネ定数ｋを用いて、ｙ＝Ｆ_ｏｎ／ｋとなる。ここで、Ｅは可動導体１のヤング率、Ｉは式（２）で示される可動導体１の断面二次モーメント、ｌは押下点Ａから第２固定導体７までの距離である。また、ｂは可動導体１の幅、ｈは可動導体１の厚みである。

一方、このように接続した固定接触子３と可動接触子４は、押下点Ａに図１上の上向きの引き剥がし力Ｆ_ｏｆｆを加えることにより電気的に開放される。

次に、固定接触子３と可動接触子４とが電気的に接続しているときに第１可動導体１０に発生するせん断応力について説明する。
第２可動導体１１は第１可動導体１０に接合され且つ第２固定導体７からは離れているので、可動導体１を撓ませたとき発生するせん断応力は、第１可動導体１０の第２固定導体７の端部７ａに位置するところで最大を示す。すなわち、固定接点６と可動接点８とを開閉するための押下力Ｆ_ｏｎおよび引き剥がし力Ｆ_ｏｆｆは主に第１可動導体１０の第２固定導体７の端部７ａに位置するところのせん断応力に依存するので、第２可動導体１１を第１可動導体１０に接合した影響は小さい。

次に、可動導体１の電気抵抗について説明する。
第１可動導体１０のベリリウム銅合金は、導電率が第２可動導体１１の純銅の導電率と比較して１／２〜１／１０である。ゆえに、第１可動導体１０の電気抵抗Ｒ_１は、第２可動導体１１の電気抵抗Ｒ_２に対して２倍〜１０倍となる。例えば、第１可動導体１０の電気抵抗Ｒ_１が第２可動導体１１の電気抵抗Ｒ_２の１０倍とすると、可動導体１の電気抵抗Ｒは、式（３）で表されるので、第１可動導体１０だけの場合に比較して１１分の１になる。このように、第２可動導体１１を第１可動導体１０に接合することにより可動導体１の電気抵抗を低減することができ、通電時のジュール熱を減少することができる。

この発明の実施の形態１に係る可動導体１は、可動導体１を撓ませるに必要な力が依存するせん断応力に大きな影響を与えず且つ電気抵抗を低減することができるよう第１可動導体１０に第２可動導体１１が接合されるので、固定接触子３と可動接触子４とを開閉するに必要な力を増大せずに電気抵抗を低減できる。

なお、この発明の実施の形態１に係る可動導体１では可動接点８が固定された第１可動導体１０の面に対して反対の面に第２可動導体１１を接合しているが、図２に示すように、第１可動導体１０に第２可動導体１１を接合し、その第２可動導体１１に可動接点８を固定しても同様な効果が得られる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。
この発明の実施の形態２に係る可動導体１Ｂは、図３に示すように、この発明の実施の形態１に係る可動導体１と第２可動導体１１Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
第２可動導体１１Ｂは、第１可動導体１０の他端部から所定の距離まで厚さが一定であり、そこから第２固定導体７に近づくに従い直線的に厚さが小さくなる。

この発明の実施の形態１に係る第２可動導体１１のように厚さが一定であると、第２可動導体１１の端部１１ａの近傍の第１可動導体１０に、可動導体１を撓ませたとき応力が集中するが、第２可動導体１１Ｂの端部１１ａから厚さが徐々に大きくなるので、第２可動導体１１Ｂの断面二次モーメントが除々に大きくなり、第２可動導体１１Ｂの端部１１ａの近傍の第１可動導体１０に発生する応力の集中を緩和することができる。

この発明の実施の形態２に係る可動導体１Ｂは、可動導体１Ｂを撓ませるに必要な力が依存するせん断応力に大きな影響を与えず且つ電気抵抗を低減することができるよう第１可動導体１０に第２可動導体１１Ｂが接合されるので、固定接触子３と可動接触子４とを開閉するに必要な力を増大せずに電気抵抗を低減できる。

また、この発明の実施の形態２に係る可動導体１Ｂは、第２可動導体１１の端部１１ａの近傍の第１可動導体１０に発生する応力を緩和するよう第２可動導体１１Ｂの厚さを第２可動導体１１Ｂの端部１１ａに近づくほど薄くしているので、機械強度を向上することができる。

なお、この発明の実施の形態２に係る可動導体１Ｂでは、第２可動導体１１Ｂの厚さを第２可動導体１１Ｂの端部１１ａに近づくに従い直線的に厚さを薄くしているが、図４に示すように、第２可動導体１１Ｂの厚さを第２可動導体１１Ｂの端部１１ａに近づくに従い曲線的に厚さを薄くしても、機械強度を向上することができる。
また、この発明の実施の形態２に係る可動導体１Ｂでは、可動接点８が固定された第１可動導体１０の面に対して反対の面に第２可動導体１１Ｂを接合しているが、第１可動導体１０に第２可動導体１１Ｂを接合し、その第２可動導体１１Ｂに可動接点８を固定しても同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る可動導体の側面図と平面図である。なお、図５（ａ）では、可動導体１Ｃの側面図、図５（ｂ）では、可動接点８側から見た可動導体１Ｃの平面図である。
この発明の実施の形態３に係る可動導体１Ｃは、図５に示すように、一端部が第２固定導体７に固定され且つ他端部が二股に分かれた音叉状の第１可動導体１０Ｃおよび第１可動導体１０Ｃの二股に分かれた部分に嵌合されてから接合される第２可動導体１１Ｃを備える。
第１可動導体１０Ｃは、他端の中央から一端部に向かって切り込みが設けられ且つ上下方向に移動できる片持ち梁構造である。
第２可動導体１１Ｃは、第１可動導体１０Ｃの切り込みに嵌め込まれ、可動接点８が設けられた面に対して反対の面が第１可動導体１０Ｃの面より突き出ている。

この発明の実施の形態３に係る可動導体１Ｃは、可動導体１Ｃを撓ませるに必要な力が依存するせん断応力に大きな影響を与えず且つ電気抵抗を低減することができるよう第１可動導体１０Ｃに第２可動導体１１Ｃが嵌合されて接合されるので、固定接触子３と可動接触子４とを開閉するに必要な力を増大せずに電気抵抗を低減できる。

この発明の実施の形態３に係る可動導体１Ｃは、第１可動導体１０Ｃに設けられた切り込みに第２可動導体１１Ｃが嵌合されてから接合されるので、接合時の位置決めが容易になる。
なお、この発明の実施の形態３に係る可動導体１Ｃでは可動接点８が固定された第２可動導体１１Ｃの面に対して反対の面が第１可動導体１０Ｃの面から突き出ているが、可動接点８が固定された第２可動導体１１Ｃの面が第１可動導体１０Ｃの面から突き出ていても良い。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。
この発明の実施の形態４に係る可動導体１Ｄは、図６に示すように、この発明の実施の形態１に係る可動導体１に良熱伝導性部材２１と可撓性導体２２とを追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
良熱伝導性部材２１は、窒化アルミニウムやボロンナイトライドなど絶縁性良熱伝導性材料から作製され、ベース２から一部が外側に面している。また、ベース２の周囲が絶縁物で囲まれているなど電気的な導通の危険性がない場合には、良熱伝導性部材２１は銅など導電性良熱伝導性材料で作製しても良い。
可撓性導体２２は、金属の網線などから作製され、一端が第２可動導体１１に機械的に接合され、他端が良熱伝導性部材２１に機械的に接合されている。

第２可動導体１１は純銅から作られており、熱伝導性にも優れているので、第１可動導体１０および第２可動導体１１を電流が流れることにより発生するジュール熱を可撓性導体２２に伝熱する。そして、可撓性導体２２を伝播した熱は良熱伝導性部材２１から外部に放熱されるので、第１可動導体１０および第２可動導体１１の温度上昇を抑えることができる。

この発明の実施の形態４に係る可動導体１Ｄは、可動導体１Ｄを撓ませるに必要な力が依存するせん断応力に大きな影響を与えず且つ電気抵抗を低減することができるよう第１可動導体１０に第２可動導体１１が接合されるので、固定接触子３と可動接触子４とを開閉するに必要な力を増大せずに電気抵抗を低減できる。

なお、この発明の実施の形態４に係る可動導体１Ｄでは可動接点８が固定された第１可動導体１０の面に対して反対の面に第２可動導体１１を接合しているが、第１可動導体１０に第２可動導体１１を接合し、その第２可動導体１１に可動接点８を固定しても同様な効果が得られる。また、このように可動接点８を第２可動導体１１に固定した場合、可撓性導体２２を第１可動導体１０に機械的に接合しても、第１可動導体１０および第２可動導体１１の温度上昇を抑えることができる。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。
この発明の実施の形態５に係る可動導体１Ｅは、図７に示すように、この発明の実施の形態１に係る可動導体１と第１可動導体１０Ｅが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
第１可動導体１０Ｅは、断面積が同等の断面二次モーメントが等しい複数枚の薄板導体２４を積層し接合したものである。

この発明の実施の形態１に係る可動導体１のばね係数は、式（２）に示したとおり、可動導体１の厚さの３乗に比例するが、所望のばね係数を有する可動導体１を得るために板の厚さを変化し機械強度の微調整を行うことは、工作精度上困難な場合がある、
一方、この発明の実施の形態５に係る第１可動導体１０Ｅのように、複数枚の薄板導体２４を積層することは、薄板導体２４のばね係数を枚数分直列接続したばね係数になるので、機械強度の微調整が容易になる。

この発明の実施の形態５に係る可動導体１Ｅは、可動導体１Ｅを撓ませるに必要な力が依存するせん断応力に大きな影響を与えず且つ電気抵抗を低減することができるよう第１可動導体１０Ｅに第２可動導体１１が接合されるので、固定接触子３と可動接触子４とを開閉するに必要な力を増大せずに電気抵抗を低減できる。

実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６に係る開閉装置の断面図である。
この発明の実施の形態６に係る開閉装置は、図８に示すように、この発明の実施の形態１の開閉機構、開閉機構の第２可動導体１１の押下点Ａを通る軸上を図１上の上下方向に揺動する鉄心３１、鉄心３１の外周を包む電磁コイル３２、鉄心３１の両端部に近接するヨーク３３を備える。

この発明の実施の形態６に係る開閉装置は、実施の形態１に係る可動導体１が備えられているので、可動導体１を押下点Ａで鉄心３１が押下する押下力が増大しない。そのため、鉄心３１を揺動するために電磁コイル３２に流す電流値を増加しなくても済む。一方、可動導体１の電気抵抗が低減するので、可動導体１を電流が流れるときに発生するジュール熱が少なくなり小型の開閉装置を得ることができる。

なお、この発明の実施の形態６に係る開閉装置は、この発明の実施の形態１に係る可動導体１を備えているが、この発明の実施の形態２乃至５に係る可動導体のいずれか１つを備えても、可動導体の電気抵抗が低減するので、可動導体を電流が流れるときに発生するジュール熱が少なくなり小型の開閉装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る可動導体の他の例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る可動導体の他の例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態３に係る可動導体の側面図と正面図である。 この発明の実施の形態４に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態５に係る可動導体の一例を備える開閉機構の断面図である。 この発明の実施の形態６に係る開閉装置の断面図である。

符号の説明

１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 可動導体、２ ベース、３ 固定接触子、４ 可動接触子、５ 第１固定導体、６ 固定接点、７ 第２固定導体、７ａ （第２固定導体の）端部、８ 可動接点、１０、１０Ｃ、１０Ｅ 第１可動導体、１１、１１Ｂ、１１Ｃ 第２可動導体、１１ａ （第２可動導体の）端部、２１ 良熱伝導性部材、２２ 可撓性導体、２４ 薄板導体、３１ 鉄心、３２ 電磁コイル、３３ ヨーク。

Claims (5)

1. 第１固定導体に固定される固定接点に対向する可動接点が一端部に固定され且つ他端部が第２固定導体に固定される片持ち梁構造の可動導体において、
   一端部が上記第２固定導体に固定され且つ高剛性を有する第１可動導体と、
   上記第１可動導体の上記第２固定導体が固定された一端部を除く部位に接合された高電気伝導性を有する第２可動導体と、
   を備え、
   上記第１可動導体または上記第２可動導体に上記可動接点が固定された可動導体において、
   上記第１可動導体は、上記第２固定導体から離れた端の中央から上記第２固定導体に向かう方向に切り込みが設けられ、
   上記第２可動導体は、上記切り込みに嵌合される
   ことを特徴とする可動導体。
2. 上記第２可動導体は、上記第２固定導体に近い端部に近づくに従って上記第１可動導体と接合される面に鉛直な厚さが薄くなることを特徴とする請求項１に記載の可動導体。
3. 上記第１可動導体または上記第２可動導体は、外気に一部が露出している放熱部材に可撓性部材を介して伝熱的に連結されることを特徴とする請求項１または２に記載の可動導体。
4. 上記第１可動導体は、複数枚の薄板導体が積層されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の可動導体。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可動導体を備えることを特徴とする開閉装置。

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