JPWO2019181511A1 - 接触子及び接触子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

可動接触子(12)は、第2台金(32)と、第2台金(32)に固定される第2接点(42)とを備える。可動接触子(12)は、第2台金(32)と第2接点(42)との間に設けられ、硬度が第2接点(42)の硬度より低く塑性流動が可能な導電性部材である第2中間部材(62)を備える。第2台金(32)の外周面には、第2台金(32)と第2中間部材(62)と第2接点(42)との配列方向に垂直な方向に窪み、超音波溶接機の可動部に設けられるジグが嵌る凹部が形成される。

Description

本発明は、遮断器、開閉器などの接触器が備える接触子及び接触子の製造方法に関する。
遮断器、開閉器などの接触器は、可動接触子及び固定接触子を備える。可動接触子及び固定接触子のそれぞれは、接点と、接点が設けられる台金とにより構成される。
台金への接点の接合方法には、ろう付け法、抵抗溶接法などが存在する。ただしこれらの接合方法では、金属の界面を活性化するためのフラックスが必要であり、また台金への接点の接合後の洗浄工程が必要である。さらにこれらの接合方法では、台金への接点の接合時に接点が高温となるため、接点及び台金が軟化するおそれがある。
これらの対策として、近年では台金への接点の接合方法に超音波接合法が多く採用される。特許文献1には、超音波接合法を利用した接触子の製造方法が開示されている。
特許文献1では、超音波溶接機のホーンと超音波溶接機のアンビルとによって台金及び接点が挟み込まれた後、ホーンから台金及び接点へ圧力が加えられた状態で超音波振動が加えられる。ホーンは、接点へ振動エネルギーを伝達する共振体である。アンビルは、台金を位置決めすると共に、台金を固定するための治具である。接点に超音波振動が加えられることにより、台金と接点との接触面に超音波溶接が行われる。
特公平03−38033号公報
しかしながら、特許文献1に開示される技術では、超音波振動が加えられるときに接点と台金との間で生じる滑りを防ぐため、台金の接点側の面に複数の溝が設けられ、また超音波振動が加えられるときに台金とアンビルとの間で生じる滑りを防ぐため、アンビルの台金側の端部に凹凸状のローレット加工が施されている。さらに、特許文献1に開示される技術では、超音波振動が加えられるときにホーンと接点との間で生じる滑りを防ぐため、ホーンの接点側の端部に凹凸状のローレット加工が施されている。台金及び接点に圧力が加えられると、台金のアンビル側の端面の内、ホーンと接触する部分に、微小な突起が複数形成される。このような台金が接触器に使用された場合、接触器が遮断動作する際、本来であれば、互いに向き合う2つの接点間に生じるべきアークが、台金に形成された複数の溝の内、接点と台金が向き合う領域以外の部分に形成される溝との間にも生じる。また前述したアークは、一方の接点に形成された微小な突起の先端と他方の接点に形成された微小な突起の先端との間で集中して発生する。そのため接点及び台金がアークに曝される時間が長くなり、接点及び台金の消耗の進行が早くなるという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波溶接によって台金に接続される接点の消耗の進行を抑制できる接触子を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の接触子は、台金と、台金に固定される接点とを備える。接触子は、台金と接点との間に設けられ、硬度が接点の硬度より低く塑性流動が可能な導電性部材を備える。台金の外周面には、台金と導電性部材と接点との配列方向に垂直な方向に窪み、超音波溶接機の可動部に設けられるジグが嵌る凹部が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、超音波溶接によって台金に接続される接点の消耗の進行を抑制できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る接触子の構成を示す図 図1に示す可動接触子の構成の詳細を示す図 図2に示す可動接触子の製造工程を示す図 図2に示す可動接触子の製造工程で利用される超音波溶接機を示す図 本発明の実施の形態の変形例に係る第2台金の構成図
以下に、本発明の実施の形態に係る接触子及び接触子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
図1は本発明の実施の形態に係る接触子の構成を示す図である。図2は図1に示す可動接触子の構成の詳細を示す図である。
図1には、本発明の実施の形態に係る接触子1を備える接触器100が示される。接触器100は、配電線に過電流が発生したときに接点を開極する機能を有する低電圧用又は高電圧用の遮断器又は開閉器などである。
接触子1は、固定接触子11、可動接触子12及び引き剥がし機構2を備える。
可動接触子12は、接触器100が設けられる電路に一定以上の電流が流れたとき、引き剥がし機構2によって固定接触子11から物理的に引き離される。これにより接触子1が接続される電路に流れる電流が遮断される。
固定接触子11は、接触器100を構成する不図示の筐体に固定される導電性の固定片である方形状の第1台金31と、固定接点である第1接点41と、第1台金31と第1接点41との間に設けられる導電性部材である第1中間部材61とを備える。
以下では、左手系のXYZ座標において、第1台金31、第1中間部材61及び第1接点41の配列方向をX軸方向とし、X軸方向と直交する方向をY軸方向とし、X軸方向とY軸方向の双方に直交する方向をZ軸方向とする。
第1台金31の材料には、電気銅又は無酸素銅を例示できる。
図1には、第1台金31が備える6つの端面の内、第1端面3A、第2端面3B、第3端面3C、第4端面3D及び第6端面3Fが示される。
第1台金31の第1端面3Aは、第1台金31の可動接触子12側の端面である。第1台金31の第2端面3Bは、第1台金31の可動接触子12側とは逆側の端面である。
第1台金31の第3端面3Cは、Y軸方向の2つの端面の内、一方の端面である。第1台金31の第4端面3Dは、Y軸方向の2つの端面の内、他方の端面である。
第1台金31の第6端面3Fは、第1接点41、第1中間部材61及び第1台金31を含む面に直角な法線が伸びる方向の第1面である。法線が伸びる方向はZ軸方向に等しい。第1台金31の第1面側とは逆側に第5端面が形成される。
第1台金31の第6端面3Fには、第6端面3Fから第5端面に向かって窪む凹部301が設けられている。第1台金31の第5端面側には、凹部301と同様の凹部が設けられている。
第1台金31の第1端面3Aには第1中間部材61が接している。第1中間部材61の材料には、硬度が第1接点41の硬度より低く、かつ塑性流動が可能な導電性材料が用いられる。この導電性材料には、銀を例示できる。
第1中間部材61は、例えば、第1接点41の製造時に、第1接点41を構成する複数の材料の比重差によって分離されたものが、第1接点41の第1台金31側の面に固まって形成されたものである。第1中間部材61は、比重差による分離以外にも、真空蒸着法、めっき法などによって、第1接点41の第1台金31側の面に形成可能である。第1中間部材61を用いることにより、第1台金31への第1接点41の超音波溶接の際、第1台金31から第1接点41へ圧縮応力が作用したとき、第1接点41が塑性流動する前に第1中間部材61が塑性流動し始める。従って、第1接点41に加わる荷重が緩和されて第1接点41の脆性破壊が抑制される。また固相状態での第1台金31への第1接点41の接合強度が向上する。
第1接点41は、第1中間部材61を介して第1台金31に固定される。第1接点41の材料には、硬度が第1中間部材61の硬度より高い焼結金属が用いられる。この焼結金属には、銀タングステン合金と、タングステンカーバイドと、銀及び銅の複合合金と、銀グラファイトとを例示できる。
可動接触子12は、引き剥がし機構2によって動作する導電性の可動片である方形状の第2台金32と、可動接点である第2接点42と、第2台金32と第2接点42との間に設けられる導電性部材である第2中間部材62とを備える。
第2台金32の材料には、第1台金31の材料と同様の材料が用いられる。
図1には、第2台金32が備える6つの端面の内、第1端面3A、第2端面3B、第3端面3C、第4端面3D及び第5端面3Eが示される。
第2台金32の第1端面3Aは、第2台金32の固定接触子11側の端面である。第2台金32の第2端面3Bは、第2台金32の固定接触子11側とは逆側の端面である。
第2台金32の第3端面3Cは、Y軸方向の2つの端面の内、一方の端面である。第2台金32の第4端面3Dは、Y軸方向の2つの端面の内、他方の端面である。
第2台金32の第5端面3Eは、第2接点42、第2中間部材62及び第2台金32を含む面に直角な法線が伸びる方向の第1面である。法線が伸びる方向はZ軸方向に等しい。なお第2台金32には、第2台金32の第1面側とは逆側に第6端面が形成される。
第2台金32の第5端面3E側には、第5端面3Eから第6端面に向かって窪む凹部300が設けられている。第2台金32の第6端面側には、凹部300と同様の凹部が設けられている。
第2台金32の第1端面3Aには第2中間部材62が接している。第2中間部材62の材料には、第1中間部材61の材料と同様の材料が用いられる。
第2中間部材62は、例えば、第2接点42の製造時に、第2接点42を構成する複数の材料の比重差によって分離されたものが、第2接点42の第2台金32側の面に固まって形成されたものである。第2中間部材62は、比重差による分離以外にも、真空蒸着法、めっき法などによって、第2接点42の第2台金32側の面に形成可能である。第2中間部材62を用いることにより、第2台金32への第2接点42の超音波溶接の際、第2台金32から第2接点42へ圧縮応力が作用したとき、第2接点42が塑性流動する前に第2中間部材62が塑性流動し始める。従って、第2接点42に加わる荷重が緩和されて第2接点42の脆性破壊が抑制される。また固相状態での第2台金32への第2接点42の接合強度が向上する。
第2接点42は、第2中間部材62を介して第2台金32に固定される。第2接点42の材料には、第1接点41の材料と同様の焼結金属が用いられる。
このように構成された固定接触子11及び可動接触子12は、第1接点41が第2接点42と向き合うように接触器100内に配置される。
なお図1に示す接触器100には、固定接触子11及び可動接触子12がそれぞれ1つ設けられているが、固定接触子11及び可動接触子12のそれぞれの数は、1つに限定されず、接触器100に接続される配電線の本数に合わせて複数であってもよい。
次に凹部300及び凹部301の形状の詳細と、固定接触子11及び可動接触子12の寸法の具体例について説明する。以下では、可動接触子12に関して説明し、固定接触子11に関しては可動接触子12と同様に構成されているものとして説明を省略する。
図2には、第2台金32の第5端面3Eから見た第1側面と、第2接点42、第2中間部材62及び第2台金32の断面と、第2台金32の第6端面3Fから見た第2側面とが示される。断面は、図2に示すA−A矢視断面である。
第2台金32には、段差部300b及び段差部301bが形成される。段差部300bは、凹部300の底面300aと第5端面3Eとの間の境界部に相当する。段差部301bは、凹部301の底面301aと第6端面3Fとの間の境界部に相当する。
可動接触子12の寸法は、t’<0.5t、b≦L’<L、b≦L’’<L、W’<W、W’’<Wを満たすように設定される。
tは、第2台金32のZ軸方向の幅である。t’は、凹部300の底面300aから凹部301の底面301aまでのZ軸方向の幅である。Lは、第2台金32のY軸方向の幅である。L’は、凹部300の底面300aのY軸方向の幅である。L’’は、凹部301の底面301aのY軸方向の幅である。Wは、第2台金32のX軸方向の幅をWである。W’は、凹部300の底面300aのX軸方向の幅である。W’’は、凹部301の底面301aのX軸方向の幅である。bは、第2接点42のY軸方向の幅である。
例えば、t=5mm、W=20mm、L=100mm、b=8mmの場合、可動接触子12の各部の寸法は、t’<2.5mm、8mm≦L’<100mm、8mm≦L’’<100mm、W’<20mm、W’’<20mmとなるように設定される。
次に図2に示す可動接触子12の製造方法を説明する。なお、固定接触子11に関しては可動接触子12と同様に構成されているものとして、その製造方法の説明を省略する。
図3は図2に示す可動接触子12の製造工程を示す図である。図4は図2に示す可動接触子12の製造工程で利用される超音波溶接機を示す図である。図4には、超音波溶接機200の正面図と、超音波溶接機200の側面図とが示される。
ステップ1において、第2台金32と第2接点42とが製造される。このとき第2台金32には、凹部300及び凹部301が形成される。凹部300は、第5端面3Eを切削加工して形成されたものでもよいし、プレス機械によって第2台金32に圧力を加えて第5端面3Eを塑性変形させることで形成したものでもよい。凹部301は、凹部300と同様の方法で形成される。
ステップ2において、第2接点42の第2台金32側の面に第2中間部材62が形成される。
ステップ3において、超音波溶接機200の固定台6に設けられた固定部6bに、ステップ1で製造された第2台金32が設置される。このとき、第2台金32の第1端面3Aが、超音波溶接機200の加圧工具8と向き合うように設置される。
ステップ4において、固定台6に設けられる2つの可動部6aを符号Aで示す矢印方向に動かすことにより、第2台金32が2つの可動部6aの間に挟み込まれる。このとき、一方の可動部6aに設けられた固定ジグ6a1が凹部300に入り込み、他方の可動部6aに設けられた固定ジグ6a2が凹部301に入り込む。
なお、固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2のそれぞれは、例えば先端が先細りのテーパ形状とされる。このように構成することで、段差部300bと第5端面3Eとの間の角部に固定ジグ6a1が接触し、また段差部301bと第6端面3Fとの間の角部に固定ジグ6a1が接するため、第2台金32を強固に固定できる。
ステップ5において、第2台金32の上に第2接点42が設置される。
ステップ6において、超音波溶接機200の加圧工具8が符号Bで示す矢印方向に動くことにより、第2接点42が加圧工具8から鉛直方向に押される。第2接点42に対する圧力が、一定の値を超えたとき、加圧工具8から第2接点42に対して超音波振動が加えられる。
これにより、第2台金32の第1端面3Aと、第2中間部材62の第2台金32側の端面とが擦り合わされ、これらの合わせ面に存在する酸化物が破壊されて新生面が生じる。その結果、第2接点42は、第2中間部材62の塑性流動によって第2台金32に接合される。
本実施の形態に係る接触子の製造方法では、金属界面を活性化するためのフラックスなどの金属活性剤、又はろう材を使用しなくとも、第2接点42を第2台金32へ接合でき、接合後の洗浄工程が不要になる。従って可動接触子12を製造するための材料の使用量が低減され、また接合後の洗浄工程に要する作業時間を省くことができる。
また、ろう材が不要なため、遮断動作によって第1接点41及び第2接点42の周囲温度が、ろう付時の温度にまで上昇した場合でも、接合部のろう材が第2接点42に向かって流れるおそれがないため、可動接触子12の耐温度性が向上する。
また、本実施の形態に係る接触子の製造方法では、凹部300に挿入された固定ジグ6a1が段差部300bに接触し、凹部301に挿入された固定ジグ6a2が段差部301bに接触するため、第2台金32を強固に固定できる。そのため、従来技術のようにローレット加工が施されているアンビルを用いなくとも、第2台金32と固定部6bとの間で滑りが生じることを抑制できる。
従って、第2台金32の第1端面3Aと第2中間部材62の第2台金32側の端面との擦り合わせを、十分に行うことができ、新生面を確実に生成できる。その結果、第2接点42の第2台金32への接合を確実に実施でき、高い接合品質を確保できる。
なお、第2台金32に凹部300及び凹部301が形成されていない場合、固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2によって第2台金32を強固に固定できないため、固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2に振動エネルギーが逃げてしまい、超音波溶接機200の制御方式によっては、当初設定した条件に到達する前に振動動作が停止し、所望の接合強度を確保できない場合がある。
これに対して本実施の形態では、第2台金32が固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2によって強固に固定されるため、固定ジグ6a1及び固定ジグ62a2に振動エネルギーが逃げることがなく、所望の接合強度を確保できる。
また、本実施の形態に係る接触子の製造方法では、ローレット加工が施されているアンビル、ホーンなどを用いる必要がないため、第2台金32の第2端面3Bに微小な突起が形成されることがなく、また第2接点42の第1接点41側の面に微小な突起が形成されることがない。そのため、可動接触子12及び固定接触子11が接触器に使用された場合、接触器が遮断動作する際、可動接触子12の第2接点42と固定接触子11の第1接点41とのそれぞれの向き合う面全体にアークが生じる。従って、特許文献1に開示される従来技術に比べて、第2接点42及び第1接点41の消耗の進行が抑制される。また、本実施の形態に係る接触子の製造方法では、特許文献1に開示されるような台金の接点側の面への溝の形成が不要なため、接点間で生じたアークが、台金の接点側の面に形成される溝との間で生じるということがなく、台金の消耗の進行が抑制される。また、第2台金32の第2端面3Bに微小な突起が形成されないため、引き剥がし機構2との接触面の面積が広くなり、第2台金32を強固に固定することができる。また、第1台金31の第2端面3Bにも微小な突起が形成されないため、第1台金31を固定する筐体等の固定部材との接触面の面積が広くなり、第1台金31を強固に固定することができる。
また、本実施の形態に係る接触子の製造方法では、凹部300に固定ジグ6a1が挿入され、凹部301に固定ジグ6a2が挿入されるため、第2台金32が入れ替えられる度に第2台金32の固定位置を正確に決めることができる。従って、可動接触子12の製造品質のばらつきが低減される。
また、第1接点41及び第2接点42の材料に、硬度が第1中間部材61及び第2中間部材62の硬度より高い焼結金属を使用することで、アークによる第1接点41及び第2接点42の消耗の進行を最小限に抑えることができる。
さらに、第2中間部材62に使用される銀と、第2台金32に使用される電気銅又は無酸素銅とは、塑性流動しやすい金属である。そのため、例えば、超音波接合によって第2接点42を第2台金32へ接合する際、第2中間部材62及び第2台金32が互いに塑性流動することによって、第2中間部材62及び第2台金32の合わせ面に存在する酸化物が破壊され易くなる。さらに、第2中間部材62及び第2台金32の合わせ面が混ざり合うことにより、第2台金32への第2接点42の接合強度が向上する。
図5は本発明の実施の形態の変形例に係る第2台金の構成図である。第2台金32の第5端面3Eに形成される凹部300の数は、1つに限定されず、2つ以上でもよい。図5には、第2台金32の第5端面3Eに、凹部300A及び凹部300Bを形成した例が示される。この場合、固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2のそれぞれの先端形状は、複数の凹部に挿入可能な形状とされる。
なお、第2台金32の第6端面3Fにも凹部300A及び凹部300Bと同様の窪みを形成してもよい。また第1台金31の第5端面3E及び第6端面3Fのそれぞれにも、凹部300A及び凹部300Bと同様の窪みを形成してよい。
このように複数の凹部を設けることにより、複数の凹部を形作る段差部への固定ジグ6a1及び固定ジグ6a2のそれぞれの接触面積が増加し、第2台金32をより一層強固に固定できる。
なお、凹部300を形作る段差部300bの形状は、固定ジグ6a1が入り込む形状であればよく、四角以外の多角形でもよいし、円形でもよい。凹部301を形作る段差部301bの形状も同様である。また、凹部300の形状は凹部301の形状と同じでもよいし異なる形状でもよい。例えば段差部300b及び段差部301bのそれぞれの形状が四角以上の多角形である場合、段差部300b及び段差部301bのそれぞれの形状が四角である場合に比べて、段差部への固定ジグの接触面積が増加し、第1台金31又は第2台金32を強固に固定できる。
なお第1台金31及び第2台金32の形状は方形状に限定されず、凹部300A及び凹部300Bが形成されていればよく、Z軸方向から見て楕円形状でもよいし、Z軸方向から見てL字形状でもよい。
また、本実施の形態では、台金の第5端面と第6端面の双方に凹部が設けられている例を説明したが、台金の第5端面と第6端面の何れか一方に凹部を設けてもよい。このように台金を構成した場合、固定ジグを凹部に嵌め込むことができると共に、台金の第5端面と第6端面の双方に凹部が設けられている場合に比べて、台金の加工に要する時間を短縮することができる。
また、台金の第5端面又は第6端面上における凹部の位置は、図示例に限定されないが、図2に示すように、第2接点42を第2台金32に向かって投影してなる領域と重なり、かつ、固定ジグで台金を固定できる位置に設けることが望ましい。このような位置に凹部を設けることで、第2接点42から固定ジグまでの距離が短くなり、振動が加えられたときの第2台金32の振動を抑制できる。従って、第2中間部材62の塑性流動が短時間で行われ、接合強度を高めることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 接触子、2 剥がし機構、3A 第1端面、3B 第2端面、3C 第3端面、3D 第4端面、3E 第5端面、3F 第6端面、6 固定台、6a 可動部、6a1,6a2 固定ジグ、6b 固定部、8 加圧工具、11 固定接触子、12 可動接触子、31 第1台金、32 第2台金、41 第1接点、42 第2接点、61 第1中間部材、62 第2中間部材、100 接触器、200 超音波溶接機、300,300A,300B,301 凹部、300a,301a 底面、300b,301b 段差部。

Claims (8)

  1. 台金と、
    前記台金に固定される接点と、
    前記台金と前記接点との間に設けられ、硬度が前記接点の硬度より低く塑性流動が可能な導電性部材と、
    を備え、
    前記台金の外周面には、前記台金と前記導電性部材と前記接点との配列方向に垂直な方向に窪み、超音波溶接機の可動部に設けられるジグが嵌る凹部が形成されることを特徴とする接触子。
  2. 前記外周面には前記凹部が複数形成されることを特徴とする請求項1に記載の接触子。
  3. 前記凹部を形作る段差部の形状は四角以上の多角形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の接触子。
  4. 前記接点の材料は焼結金属であり、
    前記台金の材料は電気銅又は無酸素銅であり、
    前記導電性部材は銀であることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の接触子。
  5. 前記凹部は、前記接点を前記台金に向かって投影してなる領域と重なる位置に設けられることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の接触子。
  6. 超音波溶接機の可動部に設けられるジグが嵌る凹部が外周面に形成される台金を製造する工程と、
    前記台金に固定される接点を製造する工程と、
    硬度が前記接点の硬度より低く塑性流動が可能な導電性部材を前記接点に形成する工程と、
    前記超音波溶接機の固定台に前記台金を設置する工程と、
    前記固定台に設置された前記台金に形成される前記凹部に前記ジグを挿入する工程と、
    前記台金に前記接点を設置する工程と、
    前記超音波溶接機の加圧工具から前記接点に超音波振動を加える工程と、
    を含むことを特徴とする接触子の製造方法。
  7. 前記台金を製造する工程では、前記台金の材料に電気銅又は無酸素銅が利用され、
    前記接点を製造する工程では、前記接点の材料に焼結金属が利用され、
    前記導電性部材を前記接点に形成する工程では、前記導電性部材の材料に銀が利用されることを特徴とする請求項6に記載の接触子の製造方法。
  8. 前記台金を製造する工程では、前記接点を前記台金に向かって投影してなる領域と重なる位置に前記凹部が設けられることを特徴とする請求項6又は7に記載の接触子の製造方法。
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