WO2015037112A1 - レールボンド - Google Patents

Abstract

　列車の走行による振動に対応して高い耐久性と信頼性を実現するレールボンドを提供する。　本発明のレールボンド（１）は、分離して隣接するレール同士を電気的に接続する導電体（２）と、導電体（２）と電気的に接続して、レールの側面に溶着される端子（３）と、導電体（２）が端子（３）に接続される終端（４）と、を備え、端子（３）は、レールの側面に溶着される溶着領域（５）を有し、レールの側面と略垂直方向において、溶着領域（５）、端子（３）、終端（４）および導電体（２）のそれぞれが、位置、相互形状、積層関係および積層構造の少なくとも一つにおいて、所定の関係を有する。

Description

レールボンド

　本発明は、分離しているレール同士を電気的に接続するレールボンドであって、列車通過により発生する振動に対しても高い耐久性を発揮できるレールボンドに関する。

　線路上には、複数の分離したレールが、連続的に敷設されている。列車はこの連続的に敷設されたレール上を走行する。連続するレール同士は、走行可能な程度に連結しているものの、物理的には分離しており、当然ながら電気的に接続していない。

　ここで、線路上に踏切が設けられている場合には、踏切が自動で反応して動作するように、列車の近接を、レールを通じて踏切が認知することが好ましい。このため一般的に、踏切から所定距離のレールに電流を流し或いは電圧をかけ、列車の車輪が到達しレール電流を遮断或いは通電することで、踏切が列車を検出する方法が採られている。ここで、一本のレールの長さは有限であり、列車検出区間内の前後何本かのレールで、列車の到達による電流の遮断或いは通電の検出が必要である。このため、踏切の前後において、複数のレール同士は、電気的に接続される必要がある。

　また、電化区間にあっては、電車はトロリー線から受電し、レールを介して変電所に帰電している。すなわち、レールが電車電流の帰線電流回路を構成するため、レールには電車駆動に要する大きな電車電流が流れる。このため、給電区間内の複数のレール同士は、電気的に接続される必要がある。

　レールボンドは、このような目的を実現するために、レール同士を電気的に接続するデバイスである。レールボンドは、素線の集合体である導電線と、導電線に接続する一対の端子と、を備える。一対の端子のそれぞれが、走行方向に隣接する２つのレールのそれぞれに溶着や接着される。一対の端子同士は、導電線によって接続されているので、レールボンドで接続された２つのレール同士は、電気的に接続される。これが、踏切の前後の所定数のレールにおいて実施されることで、踏切前後の一定の距離においては、列車が到達するとレール間を越えて電流を遮断或いは通電することにより列車を検知できるようになる。

　この結果、踏切まで一定の距離に列車が到達すると、レールおよびレールボンドを介して、踏切は電流の遮断或いは通電状態を検出できる。電流の遮断状態を検出したことで、踏切は自動反応して、踏切は、遮断機を自動で下ろす。逆に、列車が踏切を一定の距離過ぎた場合には、踏切は電流の通電状態を検出し、遮断機を自動で上げる。

　このように、レールボンドは、鉄道事業における重要なキーデバイスである。レールボンドのレールへの接着状態が悪ければ、踏切が検出する電流遮断状態或いは通電状態が不十分となって踏切の遮断機が下りなかったり、降りた遮断機が上がらなかったりする問題を生じさせる。もちろん、レールボンドがレールから脱落すると、レール同士の電気的接続が失われてしまい、踏切が正しい動作を行えなくなってしまう。同じく電化区間では、レールによる帰線電流回路に不平衡電流を生じさせてしまい、或いは帰線電流回路を遮断させてしまい、電車への給電が止まり列車の運行ができなくなってしまう。このように、踏切での動作に問題が生じたり、列車運行に支障が生じたりすれば事故などの重大な問題を引き起こしかねないからである。

　このため、鉄道事業における重要なキーデバイスであるレールボンドは、高い使用耐久性や信頼性を必要とする。

　このため、レールボンドについて、いくつかの技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平７－３２０８３９号公報 特開２００４－２７３４０３号公報

　特許文献１は、鉄道レ－ルの接続部において、レ－ル単体の長手端側縁部に表層清浄部を形成する工程と、表層清浄部の表面にハンダ電着層を形成する工程と、ハンダ電着層の表面にレ－ルボンド電線の端子を当接する工程と、端子とハンダ電着層の間隙にハンダを接合させる工程の結合からなることを特徴とするレールボンドの接着方法を開示する。特許文献１は、レールボンドをレールに接着する接着方法を開示しており、特に、レールボンドを効率的かつ低負担で接着する方法を開示している。

　しかしながら、特許文献１は、レールボンドの接着強度や耐久性についての開示をしていない。このため、特許文献１の技術は、レールボンドの使用耐久性や信頼性を向上させることができない問題を有している。

　特許文献２は、レール底部の上面に固着させる平面部を有し、この平面部に単数または複数の孔を穿設したことを特徴とするレールボンド端子を開示する。特許文献２は、レールボンド端子の接着面に孔を設け、この孔によって接着力を高める技術を開示する。例えば、接着面が半田付けされる場合には、余分な半田が孔に逃げたりすることでの接着力低下を防止する技術を、特許文献２の技術は考慮している。

　しかしながら、レールボンドは、接着面を有する端子だけではなく、端子同士を結ぶ導電線も備えている。この導電線は、レールボンドの構造上、レールの側面に接着される端子から突出して隣接するレールまで延伸する。このため、端子と導電線との接続部分は、レールの側面から浮いた状態とならざるを得ない。このため、この接続部分は、何らかの支持を受けることができず、外的負荷に弱い場所となる。レールボンドは、レール上を走行する列車からの振動を恒常的に受けており、この振動は、外的負荷に弱いこの接続部分に恒常的に加わる。この結果、レールの側面から浮いている導電線および接続部分が振動することで、端子の接着面に交差する方向に強い負荷が生じる。この結果、接着面が次第にはがれていく問題を生じさせる。

　特許文献２の技術は、接着面の一部の改良によって端子の接着力を上げているが、このような導電線や接続部分に加えられる振動や負荷に対応することができない問題を有している。

　以上のように、従来技術は次の問題に対応できていなかった。
　（問題１）レールボンドに加わる振動によって、端子と導電線との接続部分への負荷への対応が困難である。
　（問題２）接続部分に起因する接着面の剥離への対応が困難である。
　（問題３）問題１、問題２に基づく、レールボンドの耐久性劣化を防止できない。

　本発明は、これらの課題に鑑み、列車の走行による振動に対応して高い耐久性と信頼性を実現するレールボンドを提供する。

　上記課題に鑑み、本発明のレールボンドは、分離して隣接するレール同士を電気的に接続する導電体と、導電体と電気的に接続して、レールの側面に溶着される端子と、導電体が端子に接続される終端と、を備え、端子は、レールの側面に溶着される溶着領域を有し、レールの側面と略垂直方向において、溶着領域、端子、終端および導電体のそれぞれが、位置、相互形状、積層関係および積層構造の少なくとも一つにおいて、所定の関係を有する。

　本発明のレールボンドは、レールボンドを構成する導電線、終端、端子および溶着層のそれぞれが、所定の関係で積層されることで、振動の影響が最もシビアである終端（導電線と端子の接続部分）での問題発生を最小化できる。特に、終端への振動応力が強くても、溶着層の剥離に繋がりにくい。

　また、終端の底面に溶着層が設けられないことで、終端に振動が加わって終端が振動しても、終端の振動が溶着層に直接的に影響しにくい。この結果、溶着層が剥離しにくい。

　また、終端と端子の面積や長さの比率が所定の条件を満たすことで、終端の振動が強くても、溶着層が剥離しにくい。

　更に、導電線と端子との間に空隙が存在することで、端子端面における終端の振動による溶着面への応力が低減され、溶着層が剥離しにくくなる。

参考例のレールボンドの問題点を説明する模式図である。 本発明の従来技術でのレールボンドの脱落メカニズムの説明図である。 本発明の実施の形態１におけるレールボンドの側面図である。 本発明の実施の形態１におけるレールボンドが装着されたレールの写真である。 本発明の実施の形態１におけるレールボンドの側面図である。 端子の長さと幅との比率と端子に加わる応力との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１における端子長と終端長および端子面積と終端面積の比率を変えたレールボンドの試作品の試作結果を示す表である。 本発明の実施の形態２におけるレールボンドの正面図である。 本発明の実施の形態２におけるレールボンドの側面図である。 本発明の実施の形態２における空隙の効果を静的解析した結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態３におけるレールボンドの底面図である。 本発明の実施の形態３におけるレールボンドの底面図である。

　本発明の第１の発明に係るレールボンドは、分離して隣接するレール同士を電気的に接続する導電体と、導電体と電気的に接続して、レールの側面に溶着される端子と、導電体が端子に接続される終端と、を備え、端子は、レールの側面に溶着される溶着領域を有し、レールの側面と略垂直方向において、溶着領域、端子、終端および導電体のそれぞれが、位置、相互形状、積層関係および積層構造の少なくとも一つにおいて、所定の関係を有する。

　この構成により、レールボンドは、使用耐久性を高めることができる。

　本発明の第２の発明に係るレールボンドでは、第１の発明に加えて、端子は、レールの側面に対向する底面を有し、溶着領域は、該底面に含まれ、導電体は、素線の集合体であり、終端は、端子の表面に設けられると共に導電体を挿入して圧着する孔を有する。

　この構成により、レールボンドは、分離するレール同士を電気的に接続できる。

　本発明の第３の発明に係るレールボンドでは、第１又は第２の発明に加えて、レールの側面から、溶着領域、端子、終端、導電体の順で重なる。

　この構成により、レールボンドは、レールを通過する列車からの振動に対して、高い耐久性を示すことができる。

　本発明の第４の発明に係るレールボンドでは、第１から第３のいずれかの発明に加えて、溶着領域は、端子がレールの側面に溶着されることで、溶着剤による溶着層を形成する。

　この構成により、レールボンドは、溶着領域に対応する溶着層で、レールの側面に装着される。この結果、開放領域では溶着がなく、端子の端面からの剥離進行を低減できる。

　本発明の第５の発明に係るレールボンドでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、終端とレールの側面とが対向する終端領域は、溶着領域を含まない開放領域を有する。

　この構成により、端子の端面からの剥離の進行がされにくく、レールボンドの剥離や脱落が防止されやすくなる。

　本発明の第６の発明に係るレールボンドでは、第５の発明に加えて、開放領域の面積は、終端領域の面積の５０％以上を占めている。
　この構成により、端子は、剥離しにくくなる。

　本発明の第７の発明に係るレールボンドでは、第１から第６のいずれかの発明に加えて、前記レールの側面方向に沿った前記端子の長さである端子長は、前記レールの高さ方向に沿った前記端子の幅である端子幅の２倍以上であり、好ましくは２．３倍以上である。

　この構成により、端子は、振動に対する応力に強くなる。

　本発明の第８の発明に係るレールボンドでは、第１から第７のいずれかの発明に加えて、レールの側面方向に沿った端子の長さである端子長は、レールの側面方向に沿った終端の長さである終端長の３倍以上であり、好ましくは４倍以上である。

　この構成により、レールボンドは、剥離や脱落に対して強い耐久性を有する。

　本発明の第９の発明に係るレールボンドでは、第５から第８のいずれかの発明に加えて、レールの側面と対向する端子の底面の面積である端子面積は、終端が終端領域の面積の４倍以上であり、好ましくは５倍以上である。

　この構成により、レールボンドは、高い使用耐久性を実現する。

　本発明の第１０の発明に係るレールボンドでは、第１から第９のいずれかの発明に加えて、溶着領域の面積は、端子面積の８０％以下である。

　この構成により、端子は、溶着領域による溶着力と開放領域による応力対応とのバランスを最適化できる。

　本発明の第１１の発明に係るレールボンドでは、第１から第１０のいずれかの発明に加えて、終端は、端子の一方の端部に設けられ、終端で固着された導電体は、端子の延伸方向と反対方向に延伸する。

　この構成により、レールボンドは、隣接するレール同士を電気的に接続しつつ、振動応力に対する高い耐久性を有する。

　本発明の第１２の発明に係るレールボンドでは、第１から第１１のいずれかの発明に加えて、端子において、レールの側面に溶着される底面の底面積が、底面と逆側の表面の表面積よりも大きい。

　この構成により、端子は、その端面からの剥離を低減できる。

　本発明の第１３の発明に係るレールボンドでは、第１２の発明に加えて、端子の外周の少なくとも一部は、端子の表面から底面に向けた切り欠きを有し、好ましくは、端子の外周であって、導電体の下方となる部分に、切り欠きを有する。

　この構成により、端子の表面積は底面積よりも小さくなると共に、端子の端面からの剥離が低減される。

　本発明の第１４の発明に係るレールボンドでは、第１から第１３のいずれか記載の発明に加えて、終端は、端子の長手方向の端部の一方に接合され、接合部分において、端子の端面は、終端の端面よりも外側に到達する。

　この構成により、終端で最大となる振動の応力によって、端子が終端側から剥離されるのが低減される。

　本発明の第１５の発明に係るレールボンドでは、第１４の発明に加えて、接合部分は、導電体と端子との間に、終端が到達しない空隙を有する。

　この構成により、終端や導電体に加わる振動による応力に、端子は対応できるようになる。

　本発明の第１６の発明に係るレールボンドでは、第１から第１５のいずれかの発明に加えて、端子の底面は、所定パターンの溝を有している。

　本発明の第１７の発明に係るレールボンドでは、第１６の発明に加えて、所定パターンの溝は、格子溝もしくは升目溝である。

　これらの構成により、溶着層に生じる気泡が抜けやすくなり、溶着層は高い強度を実現できる。

　本発明の第１８の発明に係るレールボンドでは、第１から第１７のいずれかの発明に加えて、端子の表面は、レールの方向に沿った単数又は複数の溝を有する。

　この構成により、端子の溶着力を向上させ、端子の破断を最小限に抑えられる。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

　（参考）
　まず、レールボンドの溶着面が振動などの外的負荷によって剥離するメカニズムを説明する。図１は、参考例のレールボンドの問題点を説明する模式図である。図１は、従来技術のレールボンドが、レールに溶着されている状態を示している。
　レールボンド１００は、レール１１０の側面に溶着されて取り付けられる。レールボンド１００は、導電体１０１、端子１０２、終端１０３および溶着領域１０４を備えている。導電体１０１は、複数の素線の集合体である。端子１０２は、レール１１０の側面に溶着される。端子１０２は、導電体１０１が挿入される穴を有しており、この穴に導電体１０１が挿入されて固着される。この固着によって、終端１０３が形成される。端子１０２は、レール１１０の側面と対向する面に、レール１１０の側面と溶着される溶着領域１０４を有している。この溶着領域１０４に半田などが設置され、加熱されることで半田が、溶着領域１０４を溶着する。この結果、レールボンド１００が、レール１１０の側面に溶着されて取り付けられる。

　ここで、このような従来技術レールボンドの一般的な溶着には、図１に示すようにいくつかの問題がある。

　（問題１）終端１０３の底面に位置する溶着領域１０４の半田への加熱が行われる際に、導電体１０１を介して熱が逃げる。このため、半田への十分な加熱が行われず、終端１０３の底面における溶着度が低下する。
　（問題２）問題１に起因して、溶着領域１０４に、溶着ムラが生じる。
　（問題３）線路からの振動は、導電体１０１に集中する。特に、導電体１０１の構造上、導電体１０１がレール１１０の側面に対して往復運動するように、振動が集中する。
　（問題４）問題３に起因して、端子１０２の終端１０３側の端部（溶着領域１０４の終端１０３側の端部）に最大の負荷が加わってしまう。

　このような問題１～問題４が相まってしまうことで、レールボンド１００は、端子１０２の終端１０３側の端部から剥離が進行して、脱落してしまう。

　図２は、本発明の従来技術でのレールボンドの脱落メカニズムの説明図である。図２は、レールボンド１００の溶着領域１０４側から見た状態を示している。問題３、問題４に記載のように、レールボンド１００には、列車の通過による振動が付与される。このとき、特に、終端１０３に振動による応力が集中する傾向がある。この結果、図２の一番上に示されるように、終端１０３側の溶着層１０５が一気に剥離する。次いで、図２の中段に示されるように、溶着層１０５の剥離は、終端１０３と逆側に徐々に進むようになる。剥離の進行が進むと、図２の下段に示されるように、溶着層１０５が減少して、レールボンド１００が脱落してしまう。

　以上、図２で説明するように、従来技術のレールボンド１００は、問題１～４によって、線路を通過する列車からの振動により早期に脱落してしまう。脱落しないまでも、溶着層の剥離が進行することで、レールボンド１００の電気抵抗の増加が生じて、列車の検知ができなくなる問題も生じていた。

　このように、レールボンドにおいては、この端部での熱の逃避や振動による負荷の最大化が、剥離や脱落の原因となっており、これを解決することが、レールボンドの使用耐久性（結果として生じる列車の検出精度向上）を実現する。

　（実施の形態１）

　（全体概要）
　まず、本発明の実施の形態１におけるレールボンドの全体概要について説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるレールボンドの側面図である。図３は、レールボンドを側面から見た状態を示しており、導電体を途中まで現している。

　レールボンド１は、導電体２、端子３、終端４を備えている。導電体２は、レールボンド１がレールに装着されることで、分離して隣接するレール同士を電気的に接続する。導電体２は、素線の集合体であることで、柔軟性を生じさせる。この柔軟性によって、導電体２は、隣接するレール同士を接続するための湾曲を生じさせることができる。

　端子３は、導電体２と電気的に接続して、レールの側面に溶着される。終端４は、端子３に接合して設けられる部材であり、導電体２を接続する。終端４は、孔４１（図３では、既に導電体２が挿入された後を示す）を有しており、この孔４１に導電体２が挿入された後で圧着されて、導電体２は、終端４に固着される。結果として、端子３に導電体２が接続される。

　端子３は、レールの側面に溶着される面となる底面３２と、逆側の面であり終端４が接合される面となる表面３１を有する。この底面３２は、レールの側面に溶着される溶着領域５と、溶着剤が設けられないことで溶着領域とならない開放領域６とを、有する。溶着領域５は、半田などの溶着剤が設けられて溶着されて溶着層となる。このような構成を有することで、レールボンド１は、レールの側面から、溶着領域５、端子３、終端４、導電体２の順で重なる。

　レールの側面と略垂直方向において、溶着領域５、端子３、終端４および導電体２のそれぞれが、位置、相互形状、積層関係および積層構造の少なくとも一つにおいて、所定の関係を有する。レールボンド１は、レールボンド１を構成する要素であるこれらのそれぞれが、レールの側面に対して、所定の関係を有することで、列車の通過による振動に対応できる耐久性を有することができる。

　レールボンド１は、その導電体２の両端に一対の端子３を備えて、レール同士の接続に用いられる。図４は、本発明の実施の形態１におけるレールボンドが装着されたレールの写真である。隣接する一方のレールに、一方の端子３が溶着される。他方のレールに他方の端子３が溶着される。一対の端子３は、導電体２によって電気的に接続されているので、隣接するレール同士は、電気的に接続される。

　終端４は、端子３の一方の端部に設けられ、終端４で固着された導電体２は、端子３の延伸方向と反対方向に延伸する。すなわち、終端４を基点にして、一方の方向へ端子３が延伸し、他方の方向へ導電体２が延伸する。導電体２の他方の端部は、別の端子３（および終端４）に固着されるので、一対の端子３同士を、導電体２が接続する構造上、端子３の一方の端部に終端４が形成されるようになる。この結果、終端４が形成される端部では、導電体２が浮いた状態となり、導電体２に付与される振動が、終端４で高い応力を生じさせる。

　このように、レールを通過する列車からの振動の応力は、終端４に集中し、更に端子３の端子端に強く作用する傾向にある。しかしながら、実施の形態１におけるレールボンド１は、溶着領域５、端子３、終端４および導電体２が、所定の関係にあることで、端子３の端部や終端４などに加わりやすい振動による応力に対応できる。この結果、レールボンド１は、端子３の端子端からの剥離が生じにくくなり、高い耐久性を示す。

　特に、以降に説明する具体的な所定関係のパターンによって、高い耐久性を実現できる。

　　　（溶着領域と開放領域）
　レールボンド１は、溶着領域５と開放領域６との関係によって、高い耐久性を実現できる。端子３の底面３２は、レールの側面に溶着される面となる。底面３２に溶着剤（例えば半田など）が塗布されてレールの側面に端子３が溶着される。この溶着剤が塗布される領域が、底面３２における溶着領域５となる。この溶着領域５は、予め仕様におうじてその部位や面積が定められておいてもよい。端子３の大きさやレールボンド１の種類に応じて、底面３２の所定部分が溶着領域５であると定められておけば良い。

　一方、底面３２において溶着剤が塗布されない領域がある。この領域が開放領域６となる。開放領域６においては、底面３２とレールの側面とが溶着されていない。このため、端子３は、その底面３２において溶着領域５においてのみレールの側面と溶着されている状態となる。この溶着領域５が溶着剤によって溶着されると、レールの側面と端子３の底面３２との間に、溶着層が形成されることになる。

　このとき、開放領域６は、終端４とレールの側面が対向する領域である終端領域の少なくとも一部に形成される。図５は、本発明の実施の形態１におけるレールボンドの側面図である。終端４がレールの側面と対向する終端領域４２の少なくとも一部に、開放領域６が形成されていることがわかる。言い換えれば、終端領域４２は、開放領域６を含む。もちろん、少なくとも一部に開放領域６が形成されるので、終端領域４２の全てに開放領域６が形成されても良い。

　このように、開放領域６は、終端４に対向する終端領域４２に形成される。このため、振動付与による応力の掛かりやすい終端４においては、そもそも溶着剤による溶着層が形成されていないことになる。溶着層が形成されていないことで、応力によって溶着層が破壊されたり剥離されたりすることが減少する。

　このように、終端領域４２において、開放領域６が形成されること（特に、導電体２側の端部から底面３２の内部に掛けての範囲で形成されること）で、もっとも振動による応力の大きな導電体２側の端部（終端４）において、溶着層が破壊されたり剥離したりしにくくなる。また、レールボンド１を加熱処理によりレールに溶着する際、端子の端部での導電体への熱の逃げを低減することができ、加熱処理時間を短くできるとともに施工が簡素化できる。結果として、当然ながらレールボンド１は、脱落しにくくなる。

　また、開放領域６の面積は、終端領域４２の面積の５０％以上であることも好ましい。開放領域６は、終端領域４２に集中しやすい振動による応力に対応できるので、終端領域４２において開放領域６が５０％以上であることで、溶着領域５に形成される溶着層での影響を半減できるからである。図５では、終端領域４２の５０％以上を、開放領域６が占めている状態を示している。

　あるいは、開放領域６は、終端領域４２の全てを含んでもよい。すなわち、終端領域４２の全ては、開放領域６となっていてもよい。終端領域４２の全てが、開放領域６であることで、終端領域４２に加わる応力によって、溶着層が破壊されたり剥離されたりすることが少なくなる。さらに、加熱処理によりレールに溶着する際、端子３の表面３１のみを加熱すれば良く、大きく作業性が向上する。

　また、終端領域４２に対する開放領域６の面積比率ではなく、端子３の底面３２に対する開放領域６の面積比率が調整されることもよい。あるいは、面積ではなく、長さで調整されることでも良い。例えば、底面３２において導電体２側の端部からレールに沿った開放領域６の長さと、溶着領域５の長さの比率が調整されても良い。この長さの比率の調整によっても、終端４（終端領域４２）に集中する振動による応力に対応できる。

　なお、開放領域６の面積と終端領域４２の面積との比率は、レールボンド１の大きさや線路の特性などによって、適宜定められれば良い。

　以上のように、端子３の底面３２に、溶着領域５と開放領域６とが設けられることで、導電体２から加わる振動によって、終端４（終端領域４２）に加わる応力によるレールボンド１の損傷や脱落が防止されやすくなる。特に、応力の集中しやすい終端領域４２における開放領域６の面積比率が調整されることで、応力に更に対応できる。この結果、レールボンド１の使用耐久性が向上する。

　　　（端子の長さと幅との関係）
　レールボンド１の使用耐久性を向上させるための、端子３の長さと幅との関係について説明する。

　列車通過によるレールの振動は、レールボンド１の導電体２を振動させ、その振動は終端４に応力として働き、更に終端４に接続される端子３に応力として伝搬される。この端子３に伝搬される応力が溶着領域５の溶着層の破壊を進行させている。端子３に生じる応力は、端子端に対して最も影響を及ぼす傾向にあるが、端子形状により応力を低減させることができる。

　ここで端子３の底面３２の形状が四角形である場合、底面形状は、レールの側面方向に沿った端子３の長さである端子長と、レールの高さ方向の端子幅との比で規定することができる。

　レールボンド１の静的解析結果を図６に示す。図６は、端子の長さと幅との比率と端子に加わる応力との関係を示すグラフである。図６のグラフに基づくと、端子長さと幅の比がある程度までは応力の低下が見られ、それ以上としても応力の低下効果は現れない結果となっている。言い替えれば、一定の端子幅については、端子長さをある程度まで伸ばすことで端子端にかかる応力を低減できることが判る。図６のグラフの縦軸では、応力低減割合で示している。グラフは、端子の長さと幅の比率が２．３倍の時を基準点としているが、端子の長さと幅の比率が大きくなれば応力が低減していくことを示している。一方で、２．３倍以上となると、応力の低減割合が収束し始めており、それ以上では劇的な効果が見られないものの、確実に応力が低減していることが分かる。

　結果として、その比が２倍以上あることが好適であり、さらには２．３倍以上であることが好ましいと考えられる。例えば、レールボンド１は、レール側面に溶着されるが、レール側面の高さ（端子３の幅に対応する）は、レールの形状に基づき一定の大きさに制限される（レールは、規格で決まってしまうからである）。この結果、端子３の幅は、自ずと定まるので、端子３の長さは、上述の通り、２倍以上好ましくは２．３倍以上であることが好ましい。このようにして、端子３の長さは、レールの側面で溶着可能な高さ（端子３の幅）によって、２倍以上好ましくは２．３倍以上の長さを持つことが、好適である。

　　　（端子と終端との関係）
　次に、レールボンド１の使用耐久性を向上させるための端子３と終端４との関係について説明する。

　レールの側面方向に沿った端子３の長さである端子長は、レールの側面方向に沿った終端４の長さである終端長の３倍以上であり、好ましくは４倍以上である。端子３の底面３２が、溶着領域５によってレールの側面に溶着される。このため、端子長は、レールボンド１の溶着力を生じさせる一つの基準である。一方、終端４には、導電体２に加わる振動による応力が集中する。言い換えれば、終端４の終端長は、レールボンド１の脱落性を生じさせる一つの基準である。

　以上より、端子長と終端長との関係が定義されることで、レールボンド１の使用耐久性が向上する。

　端子長が、終端長の３倍以上であれば、端子３による溶着力が十分となって、レールボンド１の使用耐久性が向上する。図７は、本発明の実施の形態１における端子長と終端長および端子面積と終端面積の比率を変えたレールボンドの試作品の試作結果を示す表である。図７から明らかな通り、端子長が終端長の３倍以上であることで、レールボンド１の使用耐久性が高まっていることが分かる。なお、図７の下側の表に示すように、使用耐久性は、所定時間経過後の溶着層の残存率から点数化したものである。

　また、図７から明らかな通り、端子長が終端長の４倍以上であることも、更に好適である。端子長が終端長の３倍以上このましくは４倍以上であることで、当然ながら、端子長による溶着力が、終端長による脱落性を大きく上回るようになる。この結果、レールボンド１の使用耐久性が向上する。

　レールボンド１の構造上、端子３の表面３１に終端４が設けられ、終端４は、端子３の先端と逆側に延伸する導電体２を固着する必要がある。導電体２は、構造上、レール側面から離隔している必要があるので、導電体２が列車の通過に合わせて振動する。このため、どうしても終端４に強い応力が集中する。端子３の端子長は、この終端４に集中する応力に対応する必要がある。

　一方で、端子長を長くしすぎれば、溶着領域５の面積が大きくなりすぎてしまう。溶着領域５の面積が大きくなりすぎると、半田などの溶着剤の量が多くなり、レールボンド１の取り付け作業に不便を来たす。更には、溶着剤の量が多くなることで、却って溶着剤の損傷の可能性が高まって、レールボンド１の使用耐久性が損なわれる。このため、端子長と終端長との長さの比率が、最適化されることが好ましい。図６より明らかな通り、端子長が終端長の３倍以上、好ましくは４倍以上であることが、この最適解である。

　また、端子３の底面３２の面積（端子面積）は、終端４の終端領域４２の面積（終端面積）の４倍以上であり、好ましくは５倍以上である。図７の表から明らかな通り、端子面積は、終端面積の４倍以上もしくは５倍以上である。これらの面積の比率を有している端子３と終端４によって、強い溶着力を示すようになる。

　上述の通り、端子面積は、溶着層を形成するのでレールボンド１の溶着力を発揮させる。一方、終端面積は、振動による応力の影響度の指標となる。このため、端子面積と終端面積との比率が、最適化されることは、溶着層の損傷や剥離を防止し、レールボンド１の脱落を防止する。

　端子３の端子長と終端４の終端長の比率に比較して、面積比率であれば、例えば端子３の形状が、まっすぐに延伸するものではなく、先端に向けて広がったり、湾曲していたりする場合にも対応できる。例えば、端子３が終端４から先端にかけて広がっている形状を有する場合には、長さの比率は上述のように３倍以上もしくは４倍以上とならないこともあるが、面積の比率は、４倍以上もしくは５倍以上となりうるからである。

　このように、端子面積と終端面積の比率を調整することで、レールボンド１の脱落の可能性を低減できる。

　あるいは、端子３の底面３２には、溶着剤が塗布されて溶着層となる溶着領域５と、溶着剤が塗布されない開放領域６との面積比率によって、レールボンド１の使用耐久性を向上させることも好適である。開放領域６は、終端領域４２の少なくとも一部に形成される。終端領域４２には、振動による応力が集中する。このため、終端領域４２に開放領域６が形成されることで、応力による溶着層の損傷や剥離が防止されやすくなる。すなわち、端子３の底面３２の全てが溶着領域とされて溶着層となるよりも、底面３２の一部（特に、終端領域４２）に、開放領域６が形成されるほうが、レールボンド１の使用耐久性にとっては好ましい。

　一方で、開放領域６が大きくなりすぎると、溶着層が形成される面積が小さくなってしまい、溶着力が当然に低下する。底面３２の面積である端子面積の多くの場所が、開放領域６となってしまうと、溶着層が減少してしまい、溶着力が減少するからである。

　このため、端子面積における溶着領域５と開放領域６の面積比率が、最適値に調整されることが、溶着度と振動対応性の両立の点で好ましい。一例として、溶着領域５は、端子面積の８０％以下であることが好ましい。開放領域６が端子面積の２０％を確保できることで、振動応力への対応が強くなる。あるいは、開放領域６は、端子面積の１０％以上２０％以下程度であってもよい。言い換えると、溶着領域５は、端子面積の７０％～９０％程度を有することも好適である。

　このように、端子面積に対する溶着領域５と開放領域６の面積比率を調整することも、レールボンド１の脱落を防止して、使用耐久性を向上させる。

　なお、ここで説明する長さや面積の比率は、一例である。例えば、端子３や終端４の構造や材質、装着されるレールの構造や材質によって、他の比率が選択されることを除外するものではない。

　例えば、端子３の終端４付近の幅よりも、端子３の先端付近の幅が広いなどの構成を有していれば、端子３と終端４の長さは、他の比率が選択されても良い。あるいは、端子３の材質や溶着剤の材質によっては、面積の比率として他の比率が選択されることもありえる。

　以上のように、実施の形態１におけるレールボンド１は、溶着領域５、端子３、終端４および導電体２が所定の関係を有し、特に、溶着領域５や開放領域６の形成や関係によって、振動応力に対応して、高い使用耐久性を実現できる。

　（実施の形態２）
　次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２では、端子３や終端４の形状、あるいは端子３と終端４との構造関係によって、高い使用耐久性を有するレールボンド１を説明する。

　　　（端子の底面積と表面積）
　図８は、本発明の実施の形態２におけるレールボンドの正面図である。図８は、レールボンド１を上から見た状態を示している。レールボンド１は、レールの側面に取り付けられるので、取り付け後にレールの外から見た場合には、図８に示されるような態様となる。

　端子３は、表面３１と底面３２を有している。図８では、底面３２は隠されているが、図３などに示されるように、レールの側面に溶着される面が、底面３２である。表面３１は、レールの側面に取り付けられた後でも、図８のように可視状態である。また、表面３１には、終端４が取り付けられている。

　ここで、端子３の底面３２の面積である底面積は、端子３の表面３１の面積である表面積よりも大きいことが好適である。図８では、端子３の外周の少なくとも一部に切り欠き３３を有している。切り欠き３３は、端子３の表面３１から底面３２に向けて形成されている。具体的には、端子３の表面３１から底面３２に向けて広がっていくように下っている。このとき、表面３１は硬度を高くし、切り欠き３３は硬度が低いことが好適である。すなわち、底面３２は、硬度が高い表面３１に対応する領域と硬度が低い切り欠き３３に対応する領域により構成される。

　端子３の外周が、切り欠き３３によって、表面３１から底面３２に向けて下っていく構造を有していることで（底面積が表面積よりも大きい）、端子３に加わる振動による底面３２の剥離が低減される。

　端子３の表面３１は、振動の応力が最大化するのに対して、端子３の底面３２は、溶着領域５の溶着による溶着力を発揮する。これは、底面３２の表面３１に対応する領域に対して、切り欠き３３に対応する領域は硬度が低く振動の応力が吸収されことによると考えられる。振動の応力が最大化する表面３１の表面積よりも溶着力を発揮する底面積が大きいことで、溶着力が応力を上回りやすくなる。この結果、端子３は、剥離しにくくなりやすい。

　なお、図８では、端子３の外周の全てに切り欠き３３が設けられているが（導電体２の下は、図示の都合上、隠れている）、端子３の外周の一部のみに、切り欠き３３が設けられても良い。また、端子３の表面３１から底面３２にかけて広がっていく形状を、ここでは「切り欠き」として表現しているが、製造工程で、切り落としたり切り取ったりすることを必須とするものではない。成形加工、切削など、種々の手段で、表面３１から底面３２へ広がる形状が形成されれば良い。

　また、ここでは、端子３の外周に切り欠き３３が設けられることで、端子３の表面積より底面積が大きいことを実現した。しかし、他の手段によって表面積と底面積との差分が実現されても良い。

　　　（導電体の下方）
　また、切り欠き３３は、端子３の外周の少なくとも一部に設けられるが、導電体２の下方となる部分に、切り欠き３３が設けられることが好適である。図９は、本発明の実施の形態２におけるレールボンドの側面図である。図９のレールボンド１では、端子３の外周に切り欠き３３が設けられている。ここで、切り欠き３３は、導電体２の下方となる部分で設けられている（他の部分に設けられるか設けられないかは任意である。図９では、他の部分にも切り欠き３３が設けられている）。

　導電体２は、一対の端子３を接続するので、レールおよび端子３から浮いた状態となる。このため、レール上を列車が通過する度に、導電体２は、強い振動で揺れるようになる。この揺れによって、導電体２が接合されている終端４に強い応力が付与されてしまう。終端４は、端子３の表面３１であって端子３の一方の端部に接合されている。このため、終端４に加わる応力は、端子３の終端４側の端部に強く加わりやすい。

　図９に示されるように、導電体２の下方となる部分において、端子３が切り欠き３３を有することで、端子３が終端４側の端部から剥離を開始しやすくなることが防止される。上述の通り、溶着力を示す底面３２が応力の影響を受ける表面３１よりも大きいからである。これは、終端４がもちろん、底面３２から表面３１にかけて斜めになっていることで、終端４に加わる応力によって、剥離しにくい構造であることにもよる。これらの結果、端子３は、終端４に加わる応力に対して、強い耐久性を示す。

　例えば、端子３の先端（終端４と逆側）には、切り欠き３３は設けられないが、終端４側には切り欠き３３が設けられることも好適である。この場合にも、終端４に加わる応力に対応しやすくなる。

　また、終端４は、端子３の表面３１に接合される。この接合される接合部分において、端子３の端面が、終端４の端面よりも外側（導電体２側）に到達することも好適である。図９では、導電体２が固着される終端４の端面よりも、端子３の端面が外側に到達している。すなわち、導電体２と端子３の端部が、終端４を介さずに対向する空隙３４が生じている。

　このように、端子３の端面は、終端４の端面よりも外側に到達する構成を有することができる。この結果、導電体２と端子３との間に、空隙３４が形成される。導電体２は、レールや端子３に対して浮いた状態となる。この結果、導電体２は、レールを通過する列車による振動が加わり、ゆれを生じさせる。この揺れの結果、終端４には、強い応力が加わる。さらに、終端４に生じた応力が端子３に応力を発生させるが、端子３の端面が、終端４の端面よりも外側に到達する構成（空隙３４）により、端子３の端面に生じる応力を低減させると同時に最大応力がかかる点を端面よりも内側（先端側）に移動させることが可能となる。この結果、端子３の端面からの剥離が進みにくくなる。

　この空隙３４の効果について静的解析結果の一例を図１０に示す。図１０は、本発明の実施の形態２における空隙の効果を静的解析した結果を示すグラフである。図１０の縦軸は、レールボンド１に加わる応力の低減割合を最大応力との比として（図１０では、最大応力比として％で示している）示している。一方、図１０の横軸は、空隙３４によって生じる、端子３の端面（導電体２側）から終端４の端面（導電体２側）までの距離を、終端短縮長さとして示している。

　すなわち、横軸が０．０ｍｍとは、端子３と終端４の端面がそろっている状態（空隙３４も斜めの切り欠きも設けられない場合）を示し、それ以外は、切り欠きもしくは空隙３４によって、端子３の端面より、終端４の端面が、導電体２より遠い方向に位置している状態を示している。

　図１０のグラフによれば、終端端面を端子端面より５ｍｍ短縮した場合では、最大応力は１４．３％低減できる。加えて、最大応力点が端子端から端子長の約１７％相当程度導電体２より遠い側にずれる。これにより端子端から始まっていた溶着層の破壊は相当に改善される。また、端子３の端面と終端４の端面の距離が大きくなるにつれて、応力の低減効果も高まっている。このように、空隙３４（あるいは端子３の表面から底面への斜めの切り欠きに）による応力低減の効果が認められる。なお、静的解析の結果のみを示しているが、応力が低減していることから、動的な耐久実験でも、好適な結果が得られると考えられる。

　この空隙３４は、終端４が端子３の端面よりも内部側で接合されることで実現される。あるいは、終端４が端子３の表面３１に接合された後で、終端４の一部が切削されることで、形成されても良い。図９に示されるように、切り欠き３３によって端子３の表面積が底面積よりも小さいことに加えて、空隙３４も設けられることで、導電体２の振動による終端４からの剥離に対して強くなる。この結果、レールボンド１は、更に強い耐久性を実現できる。結果として、レールボンド１の脱落が防止されやすくなる。

　なお、空隙３４の大きさは適宜定められればよい。また、空隙３４は、導電体２の下方であることが好ましいが、導電体２の幅方向全体に渡って設けられても良いし、一部のみで設けられても良い。また、空隙３４に、柔軟性のある素材が充填されてもよい。

　以上、実施の形態２におけるレールボンド１は、種々の工夫によって、更に高い使用耐久性を実現できる。

　（実施の形態３）
　次に、実施の形態３について説明する。

　実施の形態３は、端子３の底面３２や表面３１における種々の工夫により、使用耐久性を向上させるレールボンドについて説明する。

　　　（端子底面の溝）
　図１１は、本発明の実施の形態３におけるレールボンドの底面図である。レールボンド１は、端子３や終端４など、実施の形態１、２で説明したものと同様の構成要素を有する。ここで、端子３の底面３２が、所定パターンのパターン溝３５を有していることも好適である。パターン溝３５は、底面３２における溶着領域５に塗布されて溶着される溶着剤（例えば半田やフラックス）内部に発生する気泡を、外部に逃がしやすくできる。

　例えば、溶着領域５に溶着剤が塗布されて、熱や超音波によって、溶着剤が溶着領域５において端子３をレールの側面に溶着する。このとき、熱処理により溶着剤内部に気泡が生じてしまう。この気泡の逃げ道が無い場合には、このような気泡が生じやすい。半田などの溶着剤内部の気泡は、溶着力を低下させると共に将来的なクラックや損傷の原因となり、端子３の剥離やレールボンド１の脱落の原因となりかねない。

　これに対して、パターン溝３５は、溶着剤と底面３２との間に空間を形成できる。この空間は、特に溶着剤内部に発生する気泡を移動させることができる。この結果、溶着剤が熱処理される際に発生しやすい気泡が、パターン溝３５を介して底面３２から外に逃げることができる。結果として、溶着剤内部に気泡ができにくくなり、溶着層は、気泡を有さない（有しても少ない）ようになる。この結果、溶着層は、クラックや損傷を生じさせにくくなり、レールボンド１は、剥離や脱落しにくくなる。

　パターン溝３５のパターンは、適宜定められれば良い。図１１は、格子状のパターン溝３５を示している。あるいは、パターン溝は、升目状の升目溝であってもよい。図１２は、本発明の実施の形態３におけるレールボンドの底面図である。図１２に示される端子３の底面３２は、升目状のパターン溝３６を有している。パターン溝３６は、升目状であることで、底面３２の四方に等しく気泡を逃がすことができる。もちろん、升目状であるパターン溝３６も、溶着剤に生じやすい気泡を生じさせにくくできる。このため、溶着剤が固化した溶着層は、クラックや損傷を生じさせにくくなる。この結果、レールボンド１の剥離や脱落が防止されやすくなる。さらにパターン溝３６は、パターン溝３５で、端子３に生じる応力による金属疲労により端子３が格子の縦溝に沿って破断する現象を防止しやすくしている。

　図１１、図１２では、格子状のパターン溝３５および升目状のパターン溝３６を示しているが、これら以外のパターン形状を有するパターン溝を、底面３２が有してもよい。どのようなパターン溝であっても、溶着剤の気泡を逃げやすくできればよい。

　　　（端子表面の溝）
　端子３は、その表面３１にレールの方向に沿った単数又は複数の溝を有することも好適である。

　図８には、端子３の表面３１に設けられた溝３７が示されている。溝３７は、表面３１において、レールの方向に沿って設けられている（図８では、レールは表されていないが、端子３の長手方向に沿って、レールボンド１はレールの側面に溶着される。このため、溝３７は、レールの方向に沿っている）。溝３７は、端子３が形成される際に成形されることが望ましい。特にプレス等により加工されることで端子３の表面３１の硬度を高くすることが好ましい。これは、前述のとおり、端子の底面３２が、表面３１に対応する硬度が高い領域を有することが望ましいからである。

　さらに、レール方向に溝を入れることにより、硬度が高い領域をレール方向に分布させることができる。これにより、端子３に生じる応力に起因する金属疲労により、端子３がレール方向概垂直に破断する現象を防止しやすくしている。端子３が破断すると導電体２は直ちに脱落し、レール同士の電気的接続が遮断され、列車検知に支障をきたし、引いては重大事故に結びつきかねない。

　溝３７は、このように、底面３２の溶着力を高めると共に端子３の破断防止の役割を果たしている。

　なお、図８では、端子３は、３本の溝３７を有しているが、溝３７の数は単数であっても複数であっても良い。

　以上のように、実施の形態３におけるレールボンド１は、端子における工夫によって、レールへの溶着前と溶着後の性能変化や性能劣化を防止できる。

　なお、実施の形態１～３で説明されたレールボンドは、本発明の趣旨を説明する一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形や改造を含む。

　１　　レールボンド
　２　　導電体
　３　　端子
　　３１　　表面
　　３２　　底面
　　３３　　切り欠き
　　３４　　空隙
　　３５　　パターン溝
　　３６　　パターン溝
　　３７　　溝
　　３８　　凹部
　４　　終端
　５　　溶着領域
　６　　開放領域

Claims (19)

1. 　分離して隣接するレール同士を電気的に接続する導電体と、
   　前記導電体と電気的に接続して、前記レールの側面に溶着される端子と、
   　前記導電体が前記端子に接続される終端と、を備え、
   　前記端子は、前記レールの側面に溶着される溶着領域を有し、
   　前記レールの側面と略垂直方向において、前記溶着領域、前記端子、前記終端および前記導電体のそれぞれが、位置、相互形状、積層関係および積層構造の少なくとも一つにおいて、所定の関係を有するレールボンド。
2. 　前記端子は、前記レールの側面に対向する底面を有し、前記溶着領域は、該底面に含まれ、
   　前記導電体は、素線の集合体であり、
   　前記終端は、前記端子の表面に設けられると共に前記導電体を挿入して圧着する孔を有する、請求の範囲第１項記載のレールボンド。
3. 　前記レールの側面から、前記溶着領域、前記端子、前記終端、前記導電体の順で重なる、請求の範囲第１項又は第２項記載のレールボンド。
4. 　前記溶着領域は、前記端子が前記レールの側面に溶着されることで、溶着剤による溶着層を形成する、請求の範囲第１項から第３項のいずれか記載のレールボンド。
5. 　前記終端と前記レールの側面とが対向する終端領域は、前記溶着領域を含まない開放領域を有する、請求の範囲第１項から第４項のいずれか記載のレールボンド。
6. 　前記開放領域の面積は、前記終端領域の面積の５０％以上を占めている、請求の範囲第５項記載のレールボンド。
7. 　前記レールの側面方向に沿った前記端子の長さである端子長は、前記レールの高さ方向に沿った前記端子の幅である端子幅の２倍以上であり、好ましくは２．３倍以上である、請求の範囲第１項から第６項のいずれか記載のレールボンド。
8. 　前記レールの側面方向に沿った前記端子の長さである端子長は、前記レールの側面方向に沿った前記終端の長さである終端長の３倍以上であり、好ましくは４倍以上である、請求の範囲第１項から第７項のいずれか記載のレールボンド。
9. 　前記レールの側面と対向する前記端子の底面の面積である端子面積は、前記終端が前記終端領域の面積の４倍以上であり、好ましくは５倍以上である、請求の範囲第５項から第８項のいずれか記載のレールボンド。
10. 　前記溶着領域の面積は、前記端子面積の８０％以下である、請求の範囲第１項から第９項のいずれか記載のレールボンド。
11. 　前記終端は、前記端子の一方の端部に設けられ、前記終端で固着された前記導電体は、前記端子の延伸方向と反対方向に延伸する、請求の範囲第１項から第１０項のいずれか記載のレールボンド。
12. 　前記端子において、前記レールの側面に溶着される底面の底面積が、前記底面と逆側の表面の表面積よりも大きい、請求の範囲第１項から第１１項のいずれか記載のレールボンド。
13. 　前記端子の外周の少なくとも一部は、前記端子の表面から底面に向けた切り欠きを有し、好ましくは、前記端子の外周であって、前記導電体の下方となる部分に、前記切り欠きを有する、請求の範囲第１２項記載のレールボンド。
14. 　前記終端は、前記端子の長手方向の端部の一方に接合され、前記接合部分において、前記端子の端面は、前記終端の端面よりも外側に到達する、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか記載のレールボンド。
15. 　前記接合部分は、前記導電体と前記端子との間に、前記終端が到達しない空隙を有する、請求の範囲第１４項記載のレールボンド。
16. 　前記端子の底面は、所定パターンの溝を有している、請求の範囲第１項から第１５項のいずれか記載のレールボンド。
17. 　前記所定パターンの溝は、格子溝もしくは升目溝である、請求の範囲第１６項記載のレールボンド。
18. 　前記端子の表面は、前記レールの方向に沿った単数又は複数の溝を有する、請求の範囲第１項から第１７項のいずれか記載のレールボンド。
19. 　請求の範囲第１項から第１７項のいずれか記載のレールボンドの溶着領域が溶着された、レール。

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