JP5734067B2 - 真空バルブ用接点材料の製造方法及び真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空バルブに用いられる接点を構成する接点材料の製造方法、及びその製造方法により製造した接点材料を備えた真空バルブに関するものである。

一般に、真空バルブ用接点は、粉末焼結法によって製作される場合、数種類の金属あるいは金属化合物などの粉末を原料として、これを機械的方法で十分混合した後、所定成形圧にて型押し、一定の密度に保たれた成形体とし、次にこの成形体を高温非酸化雰囲気で焼結することにより製造される。この接点材料を所定の形状に加工して、銅などの導電性の良い材料からなる電極棒に、ろう付け等によって接合固定して使用される。接点材料によっては電極棒とのろう付け性が悪い場合があるので、電極棒とのろう付け性を改善する技術が提案されている。

このような従来の開閉器用接点の技術として、例えば、図６の側面断面図に示すように、導電性が高く十分な強度を有し、ろう付け性の良好なＣｕやＡｇのような材料からなる円盤状をした台金３１に、複数種の金属粉末を混合してなる接点部材３２の原料を載置して型押し、これを焼結によって台金３１と一体に形成した後、機械加工によって接点形状に仕上げる接点の製造方法が開示されている。台金３１の外周下部には、台金３１に対して同心状につば部３１ａを設け、焼結までの過程で、矢印Ａ方向の外部からの衝撃を受けたときに、接点部材３２が台金３１との接合面３１ｂから剥離するのを防止している（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９―１０１７２１号公報（第２頁、第２図）

接点を台金と接点部材の二層構造とすることにより、接点の構造強度とろう付け性の向上を確保することができるが、台金の上に接点部材の粉末材料を載せて圧縮した成形体は、成形体を焼結治具に設置するときの衝撃などにより、接点材料に図６の矢印Ａ方向に機械的衝撃が加わると、接点部材と台金の接合面に微小な隙間が発生することがあった。この隙間がある状態で焼結を実施すると、台金と接点材料が密着していないため、接点材料と台金の接触反応が進まず、十分に接合されない場合があり、これが、焼結後に機械加工を施した後に発見されるというような事象があった。
上記特許文献１のように、台金３１につば部３１ａを設けることで、成形体が焼結作業時に治具等に接触した場合、接点部材３２に与えるＡ方向の機械的衝撃を緩和することができる。しかしながら、接合面３１ｂ付近に発生する隙間は、治具等との接触時の機械的衝撃のみでなく、輸送運搬時の振動等に起因する衝撃でも発生する場合があり、つば部３１ａのみで二層間の剥離を完全に防ぎきることは困難であるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、焼結時に接点部材と台金との接合面に隙間が生じるのを防止して、密着性を向上させた真空バルブ用接点材料の製造方法を提供し、それを用いた真空バルブを得ることを目的とする。

この発明に係る真空バルブ用接点材料の製造方法は、導電性金属又は導電性金属合金からなり電極棒にろう付けされる円盤状の台金と、複数種の金属粉末からなり台金のろう付け面の反対側の接合面に設けられる接点部材とを、焼結により一体に形成する真空バルブ用接点材料の製造方法において、台金の外周側面に、ろう付け面側の外径が接合面側の外径より小さくなるようなテーパ面を設け、テーパ面がろう付け面に対してなす角度を、５０度から８７度の範囲に形成し、接点部材を構成する複数種の金属粉末の混合材料で台金の接合面と外周側面とを覆って型押した後、焼結により台金と接点部材とを密着させて一体化するものである。
また、この発明に係る真空バルブは、上記の真空バルブ用接点材料の製造方法により製造された真空バルブ用接点を備えたものである。

この発明の真空バルブ用接点材料の製造方法によれば、台金の外周側面に、ろう付け面側の外径が接合面側の外径より小さくなるようなテーパ面を設け、テーパ面がろう付け面に対してなす角度を、５０度から８７度の範囲に形成し、接点部材を構成する複数種の金属粉末の混合材料で台金の接合面と外周側面とを覆って型押した後、焼結により台金と接点部材とを密着させて一体化したので、製造過程において接点部材と台金の剥離を防ぎ、接点部材と台金との密着性を向上させた真空バルブ用接点材料を得ることができる。
また、この発明の真空バルブによれば、上記の真空バルブ用接点材料の製造方法により製造され接点材料を備えたので、接点部材と台金との密着性を向上させた真空バルブを得ることができる。

この発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料を構成する台金のテーパ面がろう付け面に対してなす角度と、二層剥離との関係を示す図表である。 この発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料の他の例を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料を使用した真空バルブを示す側面断面図である。 この発明の実施の形態２による真空バルブ用接点材料を示す側面断面図である。 従来の開閉器用接点を示す側面断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による真空バルブ用接点材料を示す側面断面図であり、図４は、その接点材料を使用した真空バルブを示す側面断面図である。図１の接点材料を説明する前に、まず図４により、真空バルブの構成について説明する。
図４において、真空バルブは、例えばアルミナセラミックスなどからなる円筒状の絶縁容器１１の両端面に、固定側端板１２と、可動側端板１３がろう付等により同軸上に固着されて、真空容器が形成されている。固定側端板１２には固定側電極棒１４が、可動側端板１３にはベローズ１５を介して可動側電極棒１６がろう付接合されている。両電極棒１４，１６の対向側の、固定側電極棒１４には固定側接点１７が、可動側電極棒１６には可動側接点１８が、それぞれろう付接合されて互いに対向配置されている。

ベローズ１５は、薄いステンレスで蛇腹状に製作されており、真空気密を保ちながら可動側電極棒１６が動くことを可能にしている。絶縁容器１１の内面及びベローズ１５がアークにより発生する金属蒸気で汚染されるのを防ぐために、絶縁容器１１の内面にはシールド１９が、ベローズ１５の上部側にはベローズシールド２０が配設されている。また、可動側電極棒１６の軸方向の移動を案内する樹脂ガイド２１が、可動側端板１３に固着さ
れたガイド取付板２２にネジ等によって取り付けられている。

本願発明は、図４のような真空バルブの固定側及び可動側接点１７，１８の接点材料に関するものである。そこで、次に、図１により、実施の形態１による真空バルブ用接点材料の構成とその製造方法について説明する。なお、以下で説明する「接点材料」とは、図４の固定側及び可動側接点１７，１８のような真空バルブを構成する製品となる前の、機械加工等がなされていない素材の段階ものを指す。

先ず接点材料の形状から説明すると、接点材料は、複数種の金属粉末を混合してなる円盤状の接点部材１と、接点部材１より小径で導電性金属又は導電性金属合金からなる円盤状の台金２とが接合されて構成されている。接点部材１と台金２の外径の差分により、接点部材１の外周側において形成される側部１ａで、台金２の外周側面２ｃを覆っている。
図示の方向に見て、接点部材１の上面側は、図４で説明したような固定側接点１７又は可動側接点１８となったとき両接点が接触する面となるので、便宜上、接触面と呼ぶことにし、以下、接触面１ｂとする。台金２の下面側は、一点鎖線で示すように、製品となったとき固定側電極棒１４又は可動側電極棒１６がろう付けされる面となるので、便宜上、ろう付け面２ａと呼ぶことにする。また、台金２のろう付け面２ａの反対側の平面部は、接点部材１と接合されるので、接合面２ｂと呼ぶことにする。そして、台金２の外周側の側面を外周側面２ｃと呼ぶことにする。

接点部材１の側部１ａの外周側は、接触面１ｂに対して垂直であるが、側部１ａの内周側と台金２の外周側面２ｃとの接触面は、図のように、台金２のろう付け面２ａの方が小さくなるように傾斜させている。
すなわち、台金２の外周側面２ｃを、接合面２ｂ側の外径よりろう付け面２ａ側の外径が小さくなるようにして、外周側面２ｃ全体をテーパ面に形成している。テーパ面の外面側がろう付け面２ａに対してなす角度θは、９０°より小さい角度である。角度θの具体的な数値については後述する。

次に、接点材料の製造方法について説明する。
接点部材１を構成する原材料は、例えば、Ｃｕ又はＡｇ又はそれらの合金等の高導電性金属粉末と、Ｃｒ，Ｗ，ＷＣ等の耐弧性金属粉末とに、耐溶着性能及び低サージ性能改善にすぐれたＢｉ，Ｔｅ，Ｓｂ，Ｓｅ及びその酸化物又は炭化物粉末を１０重量％以上加えたものを混合した混合粉末材料を使用する。
台金２の材料は、例えば、ＣｕやＡｇ等の高導電性材料、又はそれらの合金である。
まず、成形金型の底部に台金２を設置し、その接合面２ｂ及び外周側面２ｃを覆うように、上述した接点部材１の混合粉末材料を充填し、例えば、一般的には１９．６ｋＮ／ｃｍ^２以上の圧力で圧縮する。この型押工程により、接点部材１の混合粉末材料は所定の密度に調整され、また、接点部材１は台金２に密着されて、一体となった成形体が形成される。

次に、この成形体を、例えば銅の融点以下で焼結する。この焼結工程により、接点部材１は高密度化されると同時に、接点部材１と台金２は接触反応により密着され図１のような形状の接点材料が製造される。
その後、この接点材料を、機械加工により図４に示すような、固定側接点１７及び可動側接点１８の形状に成形する。この成形の段階で、接点部材１の側部１ａは削られて取り除かれ図４に示すような接点１７，１８となる。更に、固定側接点１７には固定側電極棒１４を、可動側接点１８には動側電極棒１６をろう付けにより接合して、これを真空バルブに組み込んで使用する。

次に、このように製造した本実施の形態の接点材料の作用について説明する。
上述のように、台金２のろう付け面２ａの外径が、接合面２ｂの外径より小さくなるように、９０°より小さい角度θのテーパ面を外周側面２ｃに形成し、接点部材１と台金２との、軸方向の接触部は、テーパ面で接触するようにしている。角度θを設けることにより、型押した成形体の接点部材１が図で上方に動きにくくなり、接点部材１と台金２の平面接触部分である接合面２ｂに隙間が発生することを抑制することが可能となる。

また、焼結時には接点部材１は焼結の進行により高密度化され、接点部材１の側部１ａは内側に収縮する。このとき、接点部材１は全体的に台金２に引き寄せられる方向に動かされるが、90度より小さい角度θのテーパ面としたことにより、接点部材１の平面部は図で下方向に引っ張られ、台金２に密着する方向に力が働く。これにより、台金２の接合面２ｂとそれに対向する接点部材１の下面とに僅かな隙間があった場合でも、焼結時の接点部材１の収縮により接触し、良好に密着した接点材料を製造することができる。

一方で、接点部材１を構成する混合粉末材料を金型に充填して成形体とする過程において、混合粉末材料は台金２と共に圧縮されるが、上下方向のパンチからのみ加圧されるため、混合粉末材料は主に鉛直方向に圧縮される。このとき図１に示す台金２の角度θが小さすぎると、接点部材１の側部１ａに充填した混合粉末材料は台金２の接合面２ｂの外周部に邪魔をされて所定の密度に圧縮されにくくなり、側部１ａの材料の強度が低くなり、かえってＡ方向の力に弱くなるという事象が発生する。

そこで、角度θの最適な値を得るために、角度θが接合面に及ぼす影響について、発明者らは実験により検証を行った。
図２は、角度θの異なる多数の試料を用いて、接合面２ｂにおける、接点部材１と台金２と密着度合いを検証した結果を示す図表である。
図表中の二層剥離数とは、焼結後に接合面２ｂ部において、接点部材１の裏面と台金２の上面の二層間に剥離が確認された数である。
その結果、図表に示すように、角度θは５０〜８７度の範囲が良好な結果であった。好ましくは７５〜８５度の範囲である。角度θが５０度未満の領域では、成形時の押圧力が接点部材１の側部１ａの内側全体まで伝わらず、側部１ａ部が密度不足により割れてしまうという事象が多発した。

次に、実施の形態１による真空バルブ用接点材料の他の例について説明する。
図３は、図１の変形例であり、図１と同様に側面断面図を示している。図３に示すように、台金３の接合面３ｂと外周側面３ｃとが交わる角部３ｄ近傍の外周側面３ｃは、接合面３ｂに垂直な円筒部３ｅを有し、円筒部３ｅに続いてテーパ面３ｆを形成たものである。すなわち、外周側面３ｃ全てをテーパ面とするのではなく、ろう付け面３ａに近い側の一部をテーパ面３ｆとしたものである。
角度θは、図１及び図２で説明したものと同様である。また、接点部材１と台金３の接合方法も、図１の場合と同様である。

次に、図３の形状の真空バルブ用接点材料の作用について説明する。
先に説明した図１のような形状では、角度θを小さくすると、当然ながら台金２の接合面２ｂと外周側面２ｃのなす角度も同時に小さくなる。この角度が小さくなり鋭角の度合い大きくなると、成形体にして焼結するときに角部に応力が集中して、接点部材１は、角部を起点として割れが発生し易くなる。
そこで、図３のように、台金３の角部３ｄから少し離れた位置よりテーパ面３ｆを開始することにより、角部３ｄは鋭角にならず、このため、角部３ｂで接点部材１に亀裂が生じるのを抑制しながら、図１の場合と同様の効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態１の真空バルブ用接点材料の製造方法によれば、導電性金属
又は導電性金属合金からなり電極棒にろう付けされる円盤状の台金と、複数種の金属粉末からなり台金のろう付け面の反対側の接合面に設けられる接点部材とを、焼結により一体に形成する真空バルブ用接点材料の製造方法において、台金の外周側面に、ろう付け面側の外径が接合面側の外径より小さくなるようなテーパ面を形成しておき、接点部材を構成する複数種の金属粉末の混合材料で台金の接合面と外周側面とを覆って型押した後、焼結により台金と接点部材とを密着させて一体化したので、製造過程において接点部材を構成する材料と台金の剥離を防ぎ、接点部材と台金との密着性を向上させることができる。

また、テーパ面がろう付け面に対してなす角度を、５０度〜８７度としたので、接点部材と台金の接合面において、剥離の発生を抑制して密着性の優れた真空バルブ用接点材料を得ることができる。

また、台金の接合面と外周側面とが交わる角部近傍の外周側面は、接合面に垂直な円筒部を有し、円筒部に続いてテーパ面を形成したので、角部で生じる接点部材の亀裂を防止して、上記の効果を得ることができる。

また、台金の材料は、Ｃｕ，Ａｇ又はそれらの合金とし、接点部材を構成する複数種の金属粉末には、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂ，Ｓｅ及びその酸化物又は炭化物粉末を１０重量％以上含むようにしたので、接点部材の耐溶着性能及び低サージ性能に優れ、電極棒とのろう付け性に優れた接点材料を得ることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の真空バルブ用接点を示す側面断面図である。接点材料が使用される真空バルブの構成は図４と同様である。また、図３の変形例であるので、図３と同等部分は同一符号で示し説明は省略し、相違点を中心に説明する。図３との相違点は、台金の外周側面部の形状である。

図５に示すように、台金４の外周側面４ｃにおいて、接合面４ｂと外周側面４ｃとが交わる角部４ｄから少しの部分は接触面４ｂに対して垂直な円筒部４ｅとし、円筒部４ｅからろう付け面４ａ側に向かう面を、ろう付け面４ａに対して９０°より小さい角度θの傾斜を有するテーパ面４ｆとしている。ここまでは先の図３と同様であるが、更にそれに続き、台金４の中心線と同心上にあって接点部材１の外径とほぼ同じ外径のつば部４ｇを形成している。つば部４ｇの下面側は、ろう付け面４ａと同一面とする。型押工程と焼結工程を有する製造方法は実施の形態１と同様である。

次に、作用について説明する。
背景技術の項で説明した図６の場合と同様に、台金４に接点部材１の混合粉末材料を型押して成形体にした状態で移動するときや、焼結時に成形体が治具等に接触したとき等に、Ａ方向の力が掛かる場合があるが、図５のようなつば部４ｇを有することにより、接点部材１に直接力が加わらないため、この機械的衝撃を緩和することができ、作業途中において接合面４ｂで剥離が発生しにくいという効果を得られる。
また、成形作業時に台金４を金型に設置するときに、センター出しの必要がなくなるという効果も期待できる。

なお、図５では、台金４の外周側面４ｃを円筒部４ｅとテーパ面４ｆとで構成したものについて説明したが、外周側面４ｃは、実施の形態１の図１の台金２の外周側面２ｃのような形状とし、それに図５のようなつば部を設けたものでも良い。
また、実施の形態１及び２において、台金の角部先端をＲ形状にしたり面取りを行ったりすることにより割れを起こりにくくできることは言うまでもない。同様に、円筒部４ｅからテーパ面４ｆに変わる部位や、テーパ面４ｆからつば部４ｇに変わる部位も、Ｒ形状
にすることにより、接点部材１の材料密度を均一にして、密着性を上げるために有効である。

以上のように、実施の形態２による真空バルブ用接点材料の製造方法によれば、台金のろう付け面側の外周に、接点部材の外径とほぼ同径のつば部を設けたので、つば部により接点部材に直接外力が加わらないため、機械的衝撃を緩和することができ、作業途中において接点部材と台金の接合面の二層間に剥離が発生するのを抑制することができる。
また、成形作業時に台金を金型に設置するときに、センター出しの必要がなくなる効果も得られる。

また、実施の形態１及び２による真空バルブは、実施の形態１及び２の真空バルブ用接点材料の製造方法により製造され接点材料を備えたので、接点部材と台金との密着性を向上させた真空バルブを得ることができる。

１ 接点部材 １ａ 側部
１ｂ 接触面 ２，３，４ 台金
２ａ，３ａ，４ａ ろう付け面 ２ｂ，３ｂ，４ｂ 接合面
２ｃ，３ｃ，４ｃ 外周側面 ３ｄ，４ｄ 角部
３ｅ，４ｅ 円筒部 ３ｆ，４ｆ テーパ面
４ｇ つば部
１１ 絶縁容器 １２ 固定側端板
１３ 可動側端板 １４ 固定側電極棒
１５ ベローズ １６ 可動側電極棒
１７ 固定側接点 １８ 可動側接点
１９ シールド ２０ ベローズシールド
２１ 樹脂ガイド ２２ ガイド取付板。

Claims (5)

1. 導電性金属又は導電性金属合金からなり電極棒にろう付けされる円盤状の台金と、複数種の金属粉末からなり前記台金のろう付け面の反対側の接合面に設けられる接点部材とを、焼結により一体に形成する真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   前記台金の外周側面に、前記ろう付け面側の外径が前記接合面側の外径より小さくなるようなテーパ面を設け、
   前記テーパ面が前記ろう付け面に対してなす角度を、５０度から８７度の範囲に形成し、前記接点部材を構成する前記複数種の金属粉末の混合材料で前記台金の前記接合面と前記外周側面とを覆って型押した後、焼結により前記台金と前記接点部材とを密着させて一体化することを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
2. 請求項１に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   前記台金の前記接合面と前記外周側面とが交わる角部近傍の前記外周側面は、前記接合面に垂直な円筒部を有し、前記円筒部に続いて前記テーパ面を形成したことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   前記台金の前記ろう付け面側の外周に、前記接点部材の外径とほぼ同径のつば部を設けたことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法において、
   前記台金の材料は、Ｃｕ，Ａｇ又はそれらの合金とし、前記接点部材を構成する前記複数種の金属粉末には、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂ，Ｓｅ及びその酸化物又は炭化物粉末を１０重量％以上含むことを特徴とする真空バルブ用接点材料の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法により製造された真空バルブ用接点を備えたことを特徴とする真空バルブ。

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