JP6444252B2

JP6444252B2 - 電気接触子及びその製造方法

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Publication number: JP6444252B2
Application number: JP2015085980A
Authority: JP
Inventors: 宏幸千葉原; 荒木　健; 健荒木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-04-20
Also published as: JP2016207380A

Description

本発明は、気中遮断器、開閉器、リレーなどに用いられる電気接触子及びその製造方法に関する。

気中遮断器、開閉器、リレーなどに用いられる電気接触子として、台金に接点を固定した電気接触子が広く用いられている。台金に接点を固定する方法としては、かしめ、溶接、ろう付けなどの方法が一般に知られている。溶接及びろう付けは、台金と接点との接合強度が高いものの、台金と接合する際に加熱が必要であるため、処理に時間がかかり、電気接触子の生産性が低い。そのため、特に、定格電流が１００Ａ以下の低容量の電気接触子では、常温で固定することが可能なかしめ工法が多く用いられている。かしめ工法では、リベット型接点を用い、台金の接点取付穴にリベット型接点の脚部を挿入してかしめることにより、台金にリベット型接点が固定される。

リベット型接点は、一般に、鍔部及び脚部を有するリベット部を有し、リベット部の頭部に接点が設けられる。このリベット型接点は、リベット部を与えるベース材料と接点材料とを冷間圧接によって一体化させ、所定の形状に成形加工することによって形成される。接点材料としては、導電性及び耐溶着性などの観点から、Ａｇに、ＣｄＯ（酸化カドミウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＩｎＯ（酸化インジウム）、ＳｎＯ（酸化スズ）などを組み合わせたＡｇ系の酸化物合金が用いられる。また、ベース材料としては、リベット型接点の脚部をかしめ時に変形させることができるように、硬度が低く（例えば、ビッカース硬さが６０〜１００ＨＶ）、加工し易いタフピッチ銅、無酸素銅などが用いられる。

しかしながら、リベット型接点を台金に固定した電気接触子は、使用に伴い、通電時のアークによる接点表面の溶融及び凝固に起因する応力、並びに微溶着した接点の開極時の強制的な引き剥がしによる応力などによって、台金に固定されていたリベット型接点の鍔部が徐々に変形して反り上がる。そして、リベット型接点の鍔部が反り上がると、接点の消耗が加速してしまうため、電気接触子の寿命が短くなる。また、接点の消耗によって露出した台金が溶着し易くなる。

そこで、様々な応力によるリベット型接点の鍔部の反り上がりを防止する方法として、特許文献１には、ビッカース硬さが１２５ＨＶ〜１８５ＨＶの析出硬化型銅合金をベース材料として用い、リベット型接点の鍔部及び脚部を形成する方法が提案されている。また、特許文献２には、タフピッチ銅よりも硬いＣｕ−Ｃｒ合金をベース材料として用い、リベット型接点の鍔部及び脚部を形成する方法が提案されている。

特開２０１２−２２１６３１号公報特開平６−７３４６７号公報

しかしながら、引用文献１及び２で用いられている銅合金は、硬度が高いため、かしめ時に脚部が十分に変形しなかったり、クラックが入ってしまったりすることがある。その結果、台金とリベット型接点との接合が不十分となり、電気接触子の寿命が短くなることがある。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、リベット型接点と台金との接合が良好であり、リベット型接点の鍔部の反り上がりを抑制することが可能な電気接触子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、リベット型接点の鍔部と台金との間に、電気接触子の使用に伴いリベット型接点の鍔部と台金との間の接合強度を増大させる接合材を設けることにより、リベット型接点の鍔部の反り上がりを抑制し得ることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、台金の接点取付穴にリベット型接点の脚部を挿入してかしめてなる電気接触子であって、前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間に、前記電気接触子の使用に伴い前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間の接合強度を増大させる接合材が設けられており、前記接合材が金属薄膜シートであり、前記金属薄膜シートが、厚さが１０μｍ以下のＳｎシートであることを特徴とする電気接触子である。
また、本発明は、接点取付穴を有する台金とリベット型接点の鍔部との間に、電気接触子の使用に伴い前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間の接合強度を増大させる接合材を配置した後、前記台金の前記接点取付穴に前記リベット型接点の前記脚部を挿入してかしめ、前記接合材が金属薄膜シートであり、前記金属薄膜シートが、厚さが１０μｍ以下のＳｎシートであることを特徴とする電気接触子の製造方法である。

本発明によれば、リベット型接点と台金との接合が良好であり、リベット型接点の鍔部の反り上がりを抑制することが可能な電気接触子及びその製造方法を提供することができる。

実施の形態１の電気接触子の断面図である。実施の形態１の電気接触子に用いられるリベット型接点の断面図である。実施の形態１の電気接触子に用いられる台金の断面図である。実施の形態１の電気接触子の断面図である。実施の形態１の電気接触子の断面図である。従来の電気接触子１（一定期間使用後）の断面図である。実施の形態１の電気接触子の断面図である。溝部が形成された台金の上面図である。溝部が形成された台金の上面図である。溝部が形成された台金の上面図である。溝部が形成された台金の断面図である。溝部が形成された台金の断面図である。溝部が形成された台金の上面図である。溝部が形成された台金の上面図である。溝部が形成された台金の上面図である。金属微粒子を供給することが可能な分配装置の断面図である。台金とリベット型接点との間の接合部周辺の拡大断面図である。電気接触子の使用時間と、台金とリベット型接点との間の接合強度との関係を示す図である。

以下、本発明の電気接触子及びその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
本実施の形態の電気接触子は、台金の接点取付穴にリベット型接点の脚部を挿入してかしめることによって形成される。
図１は、本実施の形態の電気接触子の断面図を示す。図２は、かしめる前のリベット型接点の断面図である。図３は台金の断面図である。
図１において、電気接触子１は、台金２と、台金２にかしめられたリベット型接点３と、リベット型接点３の鍔部と台金２との間に設けられた接合材４とを備える。このような構成を有する電気接触子１は、図２に示すような台金２と図３に示すようなリベット型接点３を用いて形成される。リベット型接点３は、鍔部５ａ及び脚部５ｂを有するリベット部５と、リベット部５の頭部に設けられた接点６とを備える。台金２は、リベット型接点３の脚部５ｂを挿入可能な接点取付穴７を有する。電気接触子１は、台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間に接合材４を配置した後、台金２の接点取付穴７にリベット型接点３の脚部５ｂを挿入してかしめることによって製造される。

台金２及びリベット型接点３としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
リベット型接点３のリベット部５は、硬度が高いと、図４に示すように、かしめ時に脚部５ｂが十分に変形せず、台金２とリベット型接点３との間の接合が不十分な部分８が生じることがある。また、場合によっては、図５に示すように、かしめられた脚部５ｂにクラック９が入ることもある。したがって、リベット部５は、硬度が低い銅材料を用いることが好ましい。具体的には、ビッカース硬度が６０ＨＶ〜１００ＨＶの銅材料、例えば、タフピッチ銅、無酸素銅などを用いることが好ましい。

リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に設けられる接合材４は、電気接触子１の使用に伴いリベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間の接合強度を増大させる機能を有する。このような機能を有する接合材４を設けることにより、電気接触子１の使用に伴い生じる鍔部５ａの反り上がりを防止することができる。

ここで、図６に、接合材４が設けられていない従来の電気接触子１（一定期間使用後）の断面図を示す。図６に示すように、従来の電気接触子１では、通電時のアークによる接点表面の溶融及び凝固に起因する応力、並びに微溶着した接点の開極時の強制的な引き剥がしによる応力などによって、台金２に固定されていたリベット型接点３の鍔部５ａが徐々に変形して反り上がる。リベット型接点３の鍔部５ａが反り上がると、接点６の消耗が加速してしまうため、電気接触子１の寿命が短くなると共に、露出した台金２が溶着し易くなる。

本実施の形態の電気接触子１に用いられる接合材４としては、上記の機能を有するものであれば特に限定されない。
本実施の形態の電気接触子１に用いるのに好ましい接合材４は、Ａｇ（銀）微粒子、Ｃｕ（銅）微粒子などの金属微粒子である。
ここで、本明細書において微粒子とは、平均粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍのナノ粒子のことを意味する。平均粒径とは、市販のレーザー回折散乱法などによって測定された値、又は金属微粒子をＳＥＭで撮影し、その画像データに基づいて測定された値のことを意味する。
Ａｇ、Ｃｕなどの金属それ自体の融点は高い（例えば、Ａｇの融点は約９６２℃、Ｃｕの融点は約１０８３℃である）ものの、金属を微粒子化することにより、表面活性を高め、溶融温度を２５０℃〜４００℃程度にすることができる。したがって、接合材４として金属微粒子を用いることにより、電気接触子１の使用時の発熱によって金属微粒子が溶融し、溶融した金属微粒子によって台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間が拡散接合される。そして、拡散接合によって形成された接合部は、再溶融温度が金属の融点まで上昇するため、耐熱性が高くなる。そのため、電気接触子１の使用に伴いリベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間の接合強度が増大する。

リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に接合材４を配置するために、リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に接合材４を保持する手段を台金２に設けることが好ましい。当該手段としては、特に限定されないが、図７に示すように、台金２に溝部１０を形成し、溝部１０に接合材４を配置することが好ましい。台金２に溝部１０を形成することにより、接合材４として金属微粒子を用いる場合に、リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に保持することができる。

溝部１０の形状としては、特に限定されず、各種形状とすることができる。例えば、溝部１０を上方から見た上面図で表すと、図８に示すような台金２の接点取付穴７に対して同心円状に形成された溝部１０、図９に示すような台金２の接点取付穴７に対して放射状に形成された溝部１０、図１０に示すような台金２の接点取付穴７に対して同心円状及び放射状に形成された溝部１０などにすることができる。
また、溝部１０の断面形状も同様に、特に限定されないが、図１１に示すような円弧状、図１２に示すような角丸四角状などが好ましい。図１３に示すような三角状、図１４に示すような四角状とすることも可能であるものの、溝部１０の底部に角部が存在すると、加熱時にクラックが入り易く、台金２が破壊される恐れがある。

上記のような構造を有する溝部１０の形成方法としては、特に限定されないが、溝部１０の形状に対応する金具を用い、平板状の台金２にプレス加工を施すことによって形成することができる。このとき、図１５に示すように、溝部１０の縁に隆起部１１が形成されることがある。隆起部１１は、機械加工によって除去してもよいが、除去しない方が好ましい。溝部１０共に隆起部１１が形成された台金２は、かしめ時にリベット型接点３の鍔部５ａに食い込むため、リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間の接合強度を増大させることができる。ただし、隆起部１１の高さが大きすぎると、リベット型接点３が変形してしまう恐れがあるため、隆起部１１の高さは溝部１０の深さの半分以下であることが好ましい。また、台金２の強度を確保する観点から、溝部１０の深さは、台金２の厚さの１／３以下であることが好ましい。

台金２の溝部１０に金属微粒子を配置する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いて行うことができる。例えば、当該技術分野において公知の分配装置を用いて台金２の溝部１０に金属微粒子を直接供給すればよい。図１６に、金属微粒子を供給することが可能な分配装置の断面図を示す。図１６において、分配装置１２は、ノズルの先端に第１シャッター１３及び第２シャッター１４を備えており、内部に金属微粒子１５を収容している。この分配装置１２では、第２シャッター１４が閉じた状態で第１シャッター１３を開け、ノズルの先端まで金属微粒子１５を供給する。その後、第１シャッター１３を閉じ、第１シャッター１３と第２シャッター１４との間の空間に金属微粒子１５を貯める。そして、当該空間に溜められた金属微粒子１５を、第２シャッター１４を開けることにより、台金２の溝部１０に供給することができる。このような構造を有する分配装置１２を用いれば、常に一定量の金属微粒子１５を供給することができる。
なお、上記の分配装置１２の他に、乾燥空気、窒素などを用いて、金属微粒子１５を供給し得る噴霧装置などを用いてもよい。

台金２の溝部１０に金属微粒子１５を配置する場合、すり切り金具などを用い、台金２上に供給された金属微粒子１５を溝部１０に配置すると共に、溝部１０に入りきれなかった余剰の金属微粒子１５を除去してもよい。

また、台金２の溝部１０に金属微粒子１５を直接供給する代わりに、金属微粒子１５を有機溶剤に添加したペースト状の接合材４を供給してもよい。ただし、ペースト状の接合材４は、台金２の溝部１０に塗布（供給）後、有機溶剤を揮発させる必要がある。そのため、有機溶剤を揮発させるための乾燥（加熱）工程が必要であり、電気接触子１の生産性が低下する。
なお、ペースト状の接合材４を用いる場合、乾燥工程において有機溶剤の揮発経路を確保する観点から、図９及び図１０に示すような放射状に形成された溝部１０を有する台金２を用いることが好ましい。また、乾燥工程は、使用する有機溶剤の種類に応じて調整する必要があるが、一般に、約２００℃で約１０分間加熱すればよい。また、台金２、リベット型接点３の鍔部５ａ、脚部５ｂなどには銅が用いられることがあり、これらの材料の酸化を防ぐため、加熱は、真空、窒素、アルゴンなどの不活性ガス、水素などの還元性ガスのような酸素を遮断した雰囲気下で行うことが望ましい。

台金２の接点取付穴７にリベット型接点３の脚部５ｂを挿入してかしめる方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。具体的には、台金２の接点取付穴７にリベット型接点３の脚部５ｂを挿入した後、かしめ用金型を用いて加圧すればよい。これにより、リベット型接点３の脚部５ｂを変形させることができ、台金２とリベット型接点３との間を接合材４を介して固定することができる。

本実施の形態の電気接触子１によれば、リベット型接点３と台金２との接合が良好であり、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりを抑制することができる。

実施の形態２．
本実施の形態の電気接触子１は、接合材４として金属薄膜シートを用いることを特徴とする。したがって、本実施の形態の電気接触子１は、台金２に溝部１０を形成しなくても接合材４をリベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に保持することができる。なお、上記の点以外については、実施の形態１の電気接触子１と同じであるため、説明を省略する。

接合材４として用いられる金属薄膜シートとしては、特に限定されないが、Ｓｎシートを用いることが好ましい。Ｓｎは、半田材料として一般的に知られており、安価であり且つ人体に無害な材料であるため、様々な用途で用いられている。Ｓｎの融点は２３２℃であり、Ａｇ微粒子、Ｃｕ微粒子などの金属微粒子１５よりも低い温度で溶解し、台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間を拡散接合させることができる。

金属薄膜シートの厚さは、特に限定されないが、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。金属薄膜シートの厚さが１０μｍを超えると、拡散接合に寄与しないＳｎが残存する。残存したＳｎは、Ｓｎの融点で溶解してしまうため、電気接触子１を使用する際にショートなどが起こる可能性がある。
金属薄膜シートは、台金２の接点取付穴７に対して同心円状とすることにより、リベット型接点３の鍔部５ａと台金２との間に配置することが容易になる。

本実施の形態の電気接触子１によれば、本実施の形態の電気接触子１と同様の作用効果を奏する上、台金２に溝部１０を形成する必要がなく、金属薄膜シートを用いて製造することができるため、生産性が高い。

以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
リベット部５としてＣｕ及び接点６としてＡｇ接点を備える、図３に示す構造のリベット型接点３を作製した。このリベット型接点３において、接点６の直径を５ｍｍ、リベット部５の頭部と接点６との合計厚さを１．５ｍｍ、脚部５ｂの高さを５ｍｍ、脚部５ｂの直径を３ｍｍとした。また、台金２の接点取付穴７に対して同心円状の溝部１０を有する図８の台金２を作製した。この台金２において、台金２の厚さを２．４ｍｍ、溝部１０の内径を４ｍｍ、溝部１０の幅を５ｍｍ、溝部１０の深さを０．５ｍｍとした。また、接合材４として平均粒径が１００ｎｍのＡｇ微粒子を用いた。
図１６の分配装置１２を用いてＡｇ微粒子を台金２に供給し、すり切り金具を用いてＡｇ微粒子を溝部１０に充填すると共に、溝部１０に入りきれなかった余剰のＡｇ微粒子を除去した。次に、台金２の接点取付穴７にリベット型接点３の脚部５ｂを挿入してかしめることによって電気接触子１を得た。

得られた電気接触子１を遮断器の固定子側電極に組み込み、開閉回数を６０００回とした開閉耐久試験を行った。この開閉耐久試験において、通電条件は、ＡＣ２００Ｖ、１００Ａとし、１サイクルを７秒としてＯＮ時間１秒／ＯＦＦ時間６秒とした。また、力率は、リアクトルによって０．６５に調整した。
開閉耐久試験後、遮断器を分解して固定子側電極を取り出し、電気接触子１の状態を目視にて観察した。その結果、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりは確認されなかった。また、台金２とリベット型接点３との間の接合部の断面をＳＥＭによって観察した結果、当該接合部によってリベット型接点３と台金２とが良好に接合されていることが確認された。また、接合部では、図１７に示すように、初期の状態のまま存在しているＡｇ微粒子は確認されず、Ａｇ微粒子同士の結合により、Ａｇ微粒子のネットワーク１６が形成されると共に、Ａｇ微粒子間の空隙よりも大きな空隙１７が形成されていることを確認した。これは、開閉耐久試験中に、電気接触子１の温度上昇によって接合材４が高温に曝された結果、台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間を拡散接合したことを示している。

（実施例２）
実施例１と同様にして作製した電気接触子１を遮断器の固定子側電極に組み込み、開閉回数を２０００回及び４０００回とした開閉耐久試験を行った。
開閉耐久試験後、遮断器を分解して固定子側電極を取り出し、電気接触子１の状態を目視にて観察した。その結果、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりは確認されなかった。また、台金２とリベット型接点３との間の接合部の断面をＳＥＭによって観察した結果、開閉回数が多い方（４０００回）が、開閉回数が少ない方（２０００回）に比べて、Ａｇ微粒子間のネットワークが多くなっており、単独で存在しているＡｇ微粒子が少なかった。これは、開閉耐久試験中に、接合材４が高温に曝される時間が長くなるほど、台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間を拡散接合が進行することを示している。

上記の実施例１及び２の結果を基に、電気接触子１の使用時間と、台金２とリベット型接点３との間の接合強度との関係を図１８にまとめる。
図１８に示すように、接合材４による拡散接合及びかしめ接合を行った場合、かしめ接合のみを行った場合（従来の方法）に比べて接合強度が大きくなる。そのため、各種応力が大きくなるポイントＡの使用時間を超えても、リベット型接点３の鍔部５ａが反り上がることを防止することができる。他方、ポイントＡの使用時間までは、かしめ接合のみの場合であっても、リベット型接点３の鍔部５ａが反り上がりは生じないものの、ポイントＡの使用時間を超えると、各種応力によってリベット型接点３の鍔部５ａが反り上がり始める。
本発明の電気接触子１では、初期の接合強度が、かしめ接合のみの場合と同じであるものの、ポイントＡまではリベット型接点３の鍔部５ａにかかる応力が小さいため、リベット型接点３の鍔部５ａが反り上がりは生じない（実施例２参照）。また、リベット型接点３の鍔部５ａにかかる応力が大きくなった場合であっても、使用に伴い接合材４による拡散接合が進行して接合強度が大きくなるため、リベット型接点３の鍔部５ａが反り上がりを防止することができる（実施例１参照）。

（実施例３）
リベット部５としてＣｕ及び接点６としてＡｇ接点を備える、図３に示す構造のリベット型接点３を作製した。このリベット型接点３において、接点６の直径を５ｍｍ、リベット部５の頭部と接点６との合計厚さを１．５ｍｍ、脚部５ｂの高さを５ｍｍ、脚部５ｂの直径を３ｍｍとした。台金２として接点取付穴７を有する図２の台金２を作製した。この台金２において、台金２の厚さを２．４ｍｍとした。また、接合材４として厚さが４μｍのＳｎシートを用いた。
接点取付穴７を有する台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間に、Ｓｎシートを配置した後、台金２の接点取付穴７にリベット型接点３の脚部５ｂを挿入してかしめることによって電気接触子１を得た。

得られた電気接触子１を遮断器の固定子側電極に組み込み、実施例１と同様に、開閉回数を６０００回とした開閉耐久試験を行った。
開閉耐久試験後、遮断器を分解して固定子側電極を取り出し、電気接触子１の状態を目視にて観察した。その結果、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりは確認されなかった。また、台金２とリベット型接点３との間の接合部の断面をＳＥＭによって観察した結果、当該接合部によってリベット型接点３と台金２とが良好に接合されていることが確認された。また、接合部では、また、接合部では、バルク状態のＳｎは確認されず、Ｓｎが拡散して接合していることを確認した。これは、開閉耐久試験中に、電気接触子１の温度上昇によって接合材４が高温に曝された結果、台金２とリベット型接点３の鍔部５ａとの間を拡散接合したことを示している。

（実施例４）
実施例３と同様にして作製した電気接触子１を遮断器の固定子側電極に組み込み、開閉回数を２０００回及び４０００回とした開閉耐久試験を行った。
開閉耐久試験後、遮断器を分解して固定子側電極を取り出し、電気接触子１の状態を目視にて観察した。その結果、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりは確認されなかった。また、台金２とリベット型接点３との間の接合部の断面をＳＥＭによって観察した結果、開閉回数が２０００回の時は、拡散接合が完了していなかったものの、開閉回数が４０００回の時は、開閉回数が６０００回の時と同様に拡散接合が進んでいることが確認された。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、リベット型接点３と台金２との接合が良好であり、リベット型接点３の鍔部５ａの反り上がりを抑制することが可能な電気接触子１及びその製造方法を提供することができる。

１電気接触子、２台金、３リベット型接点、４接合材、５リベット部、５ａ鍔部、５ｂ脚部、６接点、７接点取付穴、８接合が不十分な部分、９クラック、１０溝部、１１隆起部、１２分配装置、１３第１シャッター、１４第２シャッター、１５金属微粒子、１６Ａｇ微粒子のネットワーク、１７大きな空隙。

Claims

台金の接点取付穴にリベット型接点の脚部を挿入してかしめてなる電気接触子であって、
前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間に、前記電気接触子の使用に伴い前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間の接合強度を増大させる接合材が設けられており、
前記接合材が金属薄膜シートであり、
前記金属薄膜シートが、厚さが１０μｍ以下のＳｎシートであることを特徴とする電気接触子。
接点取付穴を有する台金とリベット型接点の鍔部との間に、電気接触子の使用に伴い前記リベット型接点の鍔部と前記台金との間の接合強度を増大させる接合材を配置した後、前記台金の前記接点取付穴に前記リベット型接点の脚部を挿入してかしめ、
前記接合材が金属薄膜シートであり、
前記金属薄膜シートが、厚さが１０μｍ以下のＳｎシートであることを特徴とする電気接触子の製造方法。