(57)【要約】電磁石（１０）は、可動鉄心（２０）と、可動鉄心（２０）に対向して配置された固定鉄心（３０）と、固定鉄心（３０）に巻回された駆動コイル（７０）とを有する電磁石であって、可動鉄心（２０）又は固定鉄心（３０）の一方の鉄心は、他方の鉄心と対向する面に、オーステナイト系ステンレスの単板であって、ＪＩＳ規格の２Ｂ材、又はＪＩＳ規格の２Ｄ材である薄板を加工したスペーサ（２２）を備え、スペーサ（２２）と鉄心（２０，３０）とは、スペーサ（２２）又は鉄心（２０，３０）の少なくとも一方に設けられ、他方に対して凸形状となる溶接部（Ｙ）によって相互に溶接固定されているものである。
2020084829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動鉄心と、
前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、
前記固定鉄心に巻回された駆動コイルとを有する電磁石であって、
前記可動鉄心又は前記固定鉄心の一方の鉄心は、
他方の鉄心と対向する面に、オーステナイト系ステンレスの単板であって、ＪＩＳ規格の２Ｂ材、又はＪＩＳ規格の２Ｄ材である薄板を加工したスペーサを備え、
前記スペーサと前記鉄心とは、前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられ、他方に対して凸形状となる溶接部によって相互に溶接固定されている電磁石。
【請求項２】
前記スペーサは、長方形であり、前記溶接部は、前記長方形の４隅と、前記長方形の長辺側の中点の２箇所の計６箇所に配置されている請求項１に記載の電磁石。
【請求項３】
前記スペーサは、円形状であり、前記溶接部は、前記スペーサの中心点と同じ中心点を有する三角形の頂点となる３箇所の位置に設けられている請求項１に記載の電磁石。
【請求項４】
前記スペーサは、長方形であり、前記スペーサの一方の長辺の縁に隣り合った２箇所の溶接部と、他方の長辺の縁に設けられた、前記２箇所の溶接部と長手方向に同じ側にある２箇所の溶接部と、該４箇所の溶接部を頂点とする４角形の対角線の交点上に配置された、もう１箇所の溶接部を備える請求項１に記載の電磁石。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石と、
前記固定鉄心に絶縁して接続された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心に絶縁して接続された可動接点とを備える電磁開閉器。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石の製造方法であって、
前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられた突起を他方に接触させて、前記スペーサと前記鉄心とを一対の電極で挟んで加圧した状態で前記電極間に通電し、前記溶接部を形成する溶接工程を有する電磁石の製造方法。
【請求項７】
前記スペーサを位置決めジグによって前記鉄心の溶接面に位置決めするスペーサ配置工程を有する請求項６に記載の電磁石の製造方法。
【請求項８】
前記位置決めジグは、前記スペーサを設置する部分を刳り抜いた開口部を有する請求項７に記載の電磁石の製造方法。
【請求項９】
前記スペーサの前記突起を除いた部分の厚みをｈｓ、前記突起の高さをｈｔ、前記位置決めジグの厚みをｈｊとすると、ｈｔ＜ｈｊ≦ｈｓであり、
前記位置決めジグを設置したまま前記溶接工程を行う請求項８に記載の電磁石の製造方法。
【請求項１０】
前記突起は、前記スペーサ及び前記鉄心に、それぞれ３個ずつ配置され、それぞれ３個の前記突起が３角形の頂点となる位置に配置されている請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の電磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁石は、電流の通電によって可動鉄心を固定鉄心に吸着させ、通電の解除によって両鉄心を離間させるものである。そして、特に直流電流駆動もしくは交流を整流した電流によって駆動する電磁石においては、鉄心内に残留磁化が生じ、通電を解除しても両鉄心が離間されない状態が生じ得る。これを避けるため、可動鉄心もしくは固定鉄心の少なくとも一方の接触面に、非磁性金属の薄板を、残留磁気防止スペーサとしてロウ付けによって接合した例が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭５８−４６４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された電磁石においては、開閉すべき電気回路の電流容量が大きくなると、電気回路の接点も大きくなり、電磁石の開閉力も増大する。電磁石の開閉力を大きくするには鉄心を大きくすればよいが、残留磁気防止スペーサをロウ付けする場合は、鉄心の温度がロウ材の融点を超えるまで鉄心を加熱する必要があるため、鉄心が大きくなると加熱時間が長くなり生産性が悪化するという課題があった。【０００５】
また、加熱時間を短くするために低融点の銀ロウを使用すると、ロウ材自体の価格が高く、製品の製造コスト上昇の一因となるという課題があった。【０００６】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、生産性が高く、かつ低コストで生産できる電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される電磁石は、
可動鉄心と、
前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、
前記固定鉄心に巻回された駆動コイルとを有する電磁石であって、
前記可動鉄心又は前記固定鉄心の一方の鉄心は、
他方の鉄心と対向する面に、オーステナイト系ステンレスの単板であって、ＪＩＳ規格の２Ｂ材、又はＪＩＳ規格の２Ｄ材である薄板を加工したスペーサを備え、
前記スペーサと前記鉄心とは、前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられ、他方に対して凸形状となる溶接部によって相互に溶接固定されているものである。【０００８】
また、本願に開示される電磁開閉器は、
前記電磁石と、
前記固定鉄心と一体成形された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心と一体成形された可動接点とを備えるものである。【０００９】
また、本願に開示される電磁石の製造方法は、
前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられた突起を他方に接触させて、前記スペーサと前記鉄心とを一対の電極で挟んで加圧した状態で前記電極間に通電し、前記溶接部を形成する溶接工程を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願に開示される電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法によれば、電磁石への通電の停止後に固定鉄心と可動鉄心とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ又は鉄心の少なくとも一方に複数の突起を設け、この突起に電流を流してスペーサと鉄心を一度に溶接できるので、鉄心とスペーサとの接合工程の大幅な時間短縮が見込まれ生産性が高い。【００１１】
さらに、銀ロウのような接合のための副資材を必要としないため、接合の低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による電磁開閉器の断面図である。
【図２】実施の形態１による電磁石の断面図である。
【図３】実施の形態１による可動鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図４】実施の形態１による溶接前のスペーサの平面図と、その要部断面図である。
【図５】実施の形態２による固定鉄心の２面図である。
【図６】実施の形態３による固定鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図７】実施の形態４による固定鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図８】実施の形態２による可動鉄心の変形例を示す二面図である。
【図９】実施の形態２による他の突起の配置例を示す図である。
【図１０】実施の形態５による位置決めジグを用いて、可動鉄心と、スペーサとを溶接前に位置決めする要領を示す図である。
【図１１】実施の形態５によるスペーサと可動鉄心とを溶接する工程を示すフロー図である。
【図１２】実施の形態５による位置決めジグとスペーサの寸法関係を示す図であり、位置決め完了後、溶接前の状態を示す図である。
【図１３】実施の形態５による溶接のための通電が終わって、溶接は完了しているが、電極がまだ加圧を続けている状態を示す図である。
【図１４】実施の形態５による位置決めジグの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、実施の形態１による電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法を、図を用いて説明する。
【００１４】
図１は、電磁開閉器１００の断面図である。
電磁開閉器１００は、電磁石１０と固定接点４０と、可動接点５０とからなる。
電磁開閉器１００は、電磁石１０の動作によって、固定接点４０に対して、可動接点５０を開閉させる。
【００１５】
図２は、電磁石１０の断面図である。
電磁石１０は、可動鉄心２０と、固定鉄心３０ａ、３０ｂと、固定鉄心３０ａ、３０ｂに巻回され、可動鉄心２０を、固定鉄心３０ａ、３０ｂに対して接離可能に駆動する駆動コイル７０ａ、７０ｂとを備える。以下の説明で、単に固定鉄心３０というときは、固定鉄心３０ａと固定鉄心３０ｂの双方を指し、同様に、駆動コイル７０というときは、駆動コイル７０ａと駆動コイル７０ｂの双方を指すものとする。
【００１６】
可動鉄心２０の、固定鉄心３０と対向する面には、電磁石１０への通電が停止された後に固定鉄心３０と可動鉄心２０に残留する磁気を防止するスペーサ２２ａ、２２ｂが装着されている。以下の説明で、単にスペーサ２２というときは、スペーサ２２ａとスペーサ２２ｂの双方を指すものとする。固定鉄心３０は、駆動コイル７０を装着された状態のものが２個セットで、ベース板３３に固定されている。
【００１７】
駆動コイル７０に電流が印加されると、２個の駆動コイル７０には逆向きの磁界が発生する。すなわち、左側の固定鉄心３０ａに装着された駆動コイル７０ａが、固定鉄心３０ａに紙面上向きに磁界を発生させる場合は、右側の固定鉄心３０ｂに装着された駆動コイル７０ｂは、固定鉄心３０ｂに紙面下向きの磁界を発生させる。
【００１８】
そして、左側の固定鉄心３０ａに、上向きに発生した磁束は、可動鉄心２０の左側に設置されたスペーサ２２ａを通過して可動鉄心２０に達し、その磁束は可動鉄心２０の内部を左側から右側に向かって流れる。可動鉄心２０の右側に達した磁束は、スペーサ２２ｂを通過して右側の固定鉄心３０ｂに達し、さらに右側の固定鉄心３０ｂの上から下に磁束が流れる。
【００１９】
そして、右側の固定鉄心３０ｂの下部に達した磁束は、これも磁性材料にて構成されたベース板３３の右側に流れ、ベース板３３の右側から左側に向かって磁束が流れる。そしてベース板３３の左側に達した磁束は、固定鉄心３０ａの下部へと流れ、元へと戻る。このような磁路が形成されると、可動鉄心２０が、固定鉄心３０に吸引されることになる。
そして、図１に示すように、可動鉄心２０と樹脂成型品２５（絶縁物）を介して一体に成形もしくは保持された可動接点５０が、可動鉄心２０の駆動に連動して上ハウジング５５（絶縁物）に固定された固定接点４０と接触することで、電気回路が閉じられる。
【００２０】
その後、駆動コイル７０の電流が遮断されると、駆動コイル７０から発生される磁束がなくなる。ここで、可動鉄心２０と、固定鉄心３０の間にエアギャップがない場合には、可動鉄心２０及び固定鉄心３０の素材が持つ保磁力によって、両鉄心に残留磁気が生じ、樹脂成型品２５と、下ハウジング３４との間に設けられたばね２７の反発力が、固定鉄心３０と可動鉄心２０に残留する磁気による吸引力に打ち勝つことができず開動作ができない。
【００２１】
一方、本願のように非磁性材の残留磁気を防止するスペーサ２２を設けることによって、スペーサ２２が存在する部分は、磁気回路上では、エアギャップと同等とみなされるため、両鉄心素材の保磁力を超えて両鉄心に逆磁界が印加され、残留磁束がほぼゼロになる効果が得られる。
【００２２】
そして、可動鉄心２０に一体化されたばね２７が、吸引力を失った可動鉄心２０を押し上げることによって、可動鉄心２０と樹脂成型品２５を介して一体化された可動接点５０が、固定接点４０から離れることになり、電気回路が開かれる。
【００２３】
このように、駆動コイル７０への電流のＯＮ／ＯＦＦによって、可動鉄心２０の動きを介して可動接点５０が開閉し、電気回路が開閉される。
【００２４】
図３は、可動鉄心２０をスペーサ２２側から見た図であり、可動鉄心２０に、スペーサ２２が溶接、固定された状態を示している。
スペーサ２２は、非磁性の金属材料からなり、例えば、板材から切り出される。長方形のスペーサ２２が、可動鉄心２０の長手方向両端に各１枚、計２枚、可動鉄心２０の固定鉄心３０に対向する面に溶接、固定されている。
【００２５】
スペーサ２２としては、薄板が用いられるが、更に好適には、可動鉄心の鉄系材料と溶接における相性が良い非磁性のステンレス材、特にＳＵＳ３０４（ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ  ＵＳＥＤ  ＳＴＥＥＬ）などのオーステナイト系ステンレス材の薄板を、プレス打ち抜きなどで長方形に加工したものを用いるのが良い。
【００２６】
なお、プレス加工では、一般的にバリが発生し、バリが大きいと、製品となった後に開閉動作の衝撃でバリが剥がれ、異物として可動鉄心と固定鉄心の間に挟まるなどして電磁石としての動作に支障をきたす恐れがある。そのため、バリの出ないプレス加工法として半抜き平打ち法を用いる。また、プレス加工以外の加工法として、例えば、レーザ加工などを用いることも可能である。
【００２７】
ここで、スペーサ２２の機能として、次の点が重要となる。すなわち、電磁石１０の開動作が正常に行えるために必要な程度の非磁性材であることはもちろんのこと、電磁石１０の閉動作時に、可動鉄心２０と固定鉄心３０がぶつかる際の衝撃が繰り返されても、可動鉄心２０から剥がれ落ちない程度の強度を有することである。
【００２８】
図３に示すように、接合強度を確保するために、スペーサ２２は、１枚あたり６箇所の、直径３ｍｍ〜５ｍｍ程度の円形、かつ、可動鉄心２０の方向に凸形状の溶接部Ｙによって、可動鉄心２０に溶接固定されている。６箇所の溶接部Ｙの配置は、４箇所がスペーサ２２のコーナー近くに配置され、残りの２箇所が、スペーサ２２の長辺の両端に設けられたそれぞれ２箇所の溶接部Ｙの中点に配置されている。
【００２９】
可動鉄心２０と固定鉄心３０が閉動作する際に、可動鉄心２０と固定鉄心３０との間に配置されたスペーサ２２は、両者の衝突による衝撃を受ける。しかし、上述のように、溶接部Ｙを多数配置することによって、衝撃が６箇所の溶接部Ｙに分散され、電磁開閉器１００の長期の使用によって、開閉回数が５００万回から１０００万回まで達するような場合であっても、溶接部Ｙの近傍で疲労破壊を起こしてスペーサ２２が、可動鉄心２０から剥がれ落ちないように考慮されている。
【００３０】
なお、我々の研究によると、溶接部Ｙの強度に関して、溶接でいったん溶けた部分と、元の部分との強度差が大きい場合に、電磁石１０の閉動作時の衝撃によって、強度が変化した部分に応力が集中し、疲労破壊が生じ易いことを確認している。
【００３１】
すなわち、ＳＵＳ３０４材でも、硬度を調質したＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）規格の１／２Ｈ材、或いは、それ以上の硬度に調質された材料では、開閉頻度が５００万回以下で溶接部Ｙの疲労破壊によるスペーサ２２の剥離が確認された。
【００３２】
一方、硬度の調質が施されていないＪＩＳ規格の２Ｂ材を用いると、５００万回〜１０００万回の開閉試験に耐え得ることが確認できた。すなわち、２Ｂ材と同等以下の硬度を持つ、ＪＩＳ規格の２Ｄ材、或いは、熱間圧延材などであれば、疲労強度が高く、ＪＩＳ規格の１／４Ｈ調質材と同等か、それ以上の硬度に調質された材料は、疲労強度が劣り、今回の用途には適していないことがわかった。
【００３３】
一方、非磁性材としての働きについて、ＳＵＳ３０４材のようなオーステナイト系ステンレス材は、冷間加工によって結晶構造がオーステナイトからマルテンサイトに変化し、さらに不純物の配置が変化するなどして、非磁性材から、弱いながらも磁性材へと変化することが知られている。
【００３４】
スペーサ２２が磁性を帯びれば、当初の目的である、可動鉄心２０と固定鉄心３０の残留磁化を抑制する効果が半減し、可動鉄心２０の開放動作に支障をきたす恐れがある。その意味でも、ＳＵＳ３０４の硬度を上昇させる調質を施した材料を用いることは避けるべきである。
【００３５】
同様に、オーステナイト系ステンレス材は、溶接でいったん溶融した部分が冷却されて固体に戻る際、結晶構造がオーステナイトからマルテンサイトに変化し、さらに不純物の配置が変化するなどして、非磁性材から、弱いながらも磁性材へと変化することが知られている。そのため、溶接部位はできるだけ小さいことが望ましく、本実施の形態１のように、小さな溶接部Ｙを、分散して複数箇所に設けることで、全体としての溶接強度と非磁性材の磁気特性とを両立させることが可能となる。
【００３６】
スペーサ２２の溶接が完了した可動鉄心２０は、そのままでは錆が発生するため防錆めっき処理を行う。可動鉄心２０のみの状態であればＺｎ（亜鉛）めっきが望ましいが、ＳＵＳからなるスペーサ２２が一体化されているため、ＳＵＳの表面にはＺｎめっきがうまく生成されない。一方、まず、Ｚｎめっきを施した可動鉄心２０に、ＳＵＳのスペーサ２２を溶接する方法も考えられるが、めっきの影響で溶接強度が低下することが分かっている。
【００３７】
そのため、スペーサ２２を可動鉄心２０に溶接した後、Ｎｉ（ニッケル）ストライクめっき処理を施し、引き続きＺｎクロメートめっき処理を行うことで、Ｚｎめっきの防錆機能を生かしながら、ＳＵＳからなるスペーサ２２の表面にもめっきが乗るため、良好なめっき処理が可能となる。
【００３８】
図４Ａは、溶接前のスペーサ２２の平面図である。
図４Ｂは、図４Ａの要部断面図である
図４Ａは、スペーサ２２に設けられた、溶接前の突起２４の配置を示す図である。図４Ｂは、突起２４とその近傍であるＡ−Ａ部分の断面を示す図である。
突起２４は、溶接部Ｙの配置と同じ位置に設けられている。突起２４の構成を示すＡ−Ａ断面図からわかるように、突起２４は、φＤの範囲で、長さＨ分だけ、板の左側部分に凹部が形成され、板の右側部分に凸部が形成されており、いずれも一定の半径を有する球面形状に形成されている。
【００３９】
この球面形状は、たとえば、プレス装置において、半球状の突起を有するパンチと、半球状のくぼみ形状を有するダイによって、ＳＵＳ３０４の板を挟んで、パンチをダイに押し込むことによって形成される。これらの形状の一例として、板の厚みｔが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲において、φＤが２ｍｍ〜５ｍｍ程度、Ｈが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度が望ましいことを確認した。
【００４０】
ここで、スペーサ２２と可動鉄心２０との溶接方法は、ます、平板状の一対の電極でスペーサ２２と可動鉄心２０とを挟んで、突起２４と可動鉄心２０とを接触させた状態で相互に加圧する。さらに、突起２４を介して電極間に大電流を通電することによって、突起２４の先端に発熱を集中させ、突起２４の先端および、突起２４が接触する可動鉄心２０の一部を溶かすことで、両者を溶接して接合する。
【００４１】
通電回数は、突起２４の個数に拘わらず、１回で済ませることが可能である。このときの加圧力は板厚にもよるが、突起２４の１個あたり０．２ｋＮ〜２ｋＮの範囲である。また、通電電流は、突起１個あたり２ｋＡ〜５ｋＡである。さらに、通電時間は１５ｍｓｅｃ〜６０ｍｓｅｃの範囲である。
【００４２】
なお、突起２４間の距離が近い設計で大電流を流すと、ローレンツ力によって溶融した部分がお互いに引かれて移動し、長い突起状の部分が生じる現象が確認されている。この部分は、溶接強度に関与せず、最悪、開閉の衝撃で取れて異物となる。本実施の形態１の構成では、例えば、スペーサ２２と固定鉄心３０との間にこの異物が挟まると、閉極時の鉄心間の吸引力が減少するなど、電磁石１０の開閉動作に支障をきたす恐れがある。このため、上述の長い突起状の部分を生じないようにするために、突起２４間の距離は１０ｍｍ以上開けておくことが望ましい。
【００４３】
また、一般的には突起を設けずに溶接する抵抗溶接法も多用されるが、数ｍｍ程度の径の細い電極を用いて溶接部を１箇所ずつ挟んで溶接を行う必要がある。今回のように溶接部Ｙを複数設ける場合に適用すると、まず、溶接部の位置合わせをして、次に、電極で挟んで通電するという工程を溶接部の数だけ複数回繰り返すことになる。結果的に、全ての溶接に時間がかかること、および２箇所目以降の溶接部の溶接には、それ以前に溶接した溶接部に電流が回りこみ溶接したい部分の電流が減って溶接が不十分となる恐れがある。
【００４４】
一方、実施の形態１で示した溶接方法によれば、スペーサ２２よりも大きい平板状の一対の電極によってスペーサ２２と、可動鉄心２０とを挟んで通電することによって、電極の位置決めが不要となる。更に、突起２４と可動鉄心２０とを接触させた状態で加圧し、突起２４を介して可動鉄心２０とスペーサ２２本体との間に大電流を通電させる方法を採用するので、１回の通電で複数の溶接部Ｙを生成することが可能となり、生産性の面で有利となる。
【００４５】
なお、本実施の形態１では、突起２４の形状として球面状のものを例示したが、これに限定されるものではなく、たとえば円錐形状のようなものでも良い。また、突起２４の裏側の形状と突起２４の表側の形状とがどちらも球面である例を示したが、必ずしも同一形状である必要はなく、たとえば、表面が球面状で、裏面が円錐形状の組み合わせであっても問題ない。
【００４６】
スペーサ２２に突起２４を形成する際の注意点としては、複数の突起２４の形状と高さが揃うことが望ましい。突起２４の高さが揃っていないと、ある突起２４は可動鉄心２０と接触しているが、他の突起２４は接触していないような状態になり、接触していない突起２４について溶接ができない恐れがあるためである。
【００４７】
溶接に用いる電源にもいくつか種類があるが、特にコンデンサに電荷を溜め込んだ後、電荷を放出する際、インバータ制御によって定電流制御を行うコンデンサ方式の電源が望ましい。この電源によれば、大電流を短時間で流すことが可能となり、溶接に必要なエネルギーを必要最小限に設定することができるため、スパッタ状の異物の発生及び溶接時の爆飛を抑制しながら、安定した溶接が可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態１においては、突起２４をスペーサ２２側に設けた例を示したが、必ずしもスペーサ２２に設ける必要はなく、逆に可動鉄心２０側に突起を設けておいても良い。その場合でも、溶接手順は上述したとおりで変更はない。
【００４９】
実施の形態１による電磁石１０、電磁開閉器１００、および電磁石の製造方法によれば、電磁石１０への通電の停止後に固定鉄心３０と可動鉄心２０とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ２２に複数の突起２４を設け、この突起２４を可動鉄心２０に一度に溶接できるので、接合工程の大幅な時間短縮が見込まれ、生産性が高い。
【００５０】
さらに、銀ロウのような接合のための副資材を必要としないため、接合の低コスト化が可能となる。
【００５１】
実施の形態２．
以下、実施の形態２による電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法を、図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５Ａは、固定鉄心２３０をスペーサ２３２側から見た図である。
図５Ｂは、固定鉄心２３０の側面図である。
【００５２】
実施の形態１では、スペーサ２２を可動鉄心２０に溶接していたが、本実施の形態では、スペーサ２３２を固定鉄心２３０に溶接している。このように、スペーサ２３２は、可動鉄心２０でなく、固定鉄心２３０側に溶接して固定しても、実施の形態１と同様の効果を奏することは言うまでもない。なお、図５Ａ、図５Ｂに示すように、突起を介してスペーサ２３２を鉄心（可動、固定によらず）に溶接した場合、溶接部Ｙに凸形状が残り、スペーサ２３２と鉄心の間には、微小な隙間ｄが残ってしまうことが避けられない。これは、実施の形態１の溶接部Ｙについても同様である。
【００５３】
我々の実験では、スペーサ２３２の厚みが厚いほど隙間ｄも大きくなる傾向が認められた。隙間ｄが大きくなると、電磁石１０の開閉繰り返し試験において、スペーサ２３２が剥がれ易くなる傾向があることを確認した。そのため、できるだけ隙間ｄを小さくすることが望ましく、０．２ｍｍ以下、更に好ましくは０．１ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００５４】
なお、本実施の形態２では、溶接部Ｙの数が５個のものを示した。スペーサ２３２が長方形であって、かつ、長辺と短辺の差が比較的小さいものに対しては、スペーサ２３２の４隅と対角線上に溶接部Ｙを設ける配置が有効となる。さらに、長辺と短辺の差が小さいものに対しては、４隅の４箇所のみに溶接部Ｙを設けても良い。
【００５５】
実施の形態２よる電磁石１０、電磁開閉器１００、および電磁石の製造方法によれば、電磁石１０への通電の停止後に固定鉄心２３０と可動鉄心２０とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ２３２に複数の突起２４を設け、この突起２４を固定鉄心２３０に一度に溶接できるので、接合工程の大幅な時間短縮が見込まれる。
【００５６】
図８Ａ、図８Ｂは、可動鉄心の変形例を示す二面図である。図８Ａは、固定鉄心２３０Ｂを、スペーサを溶接する側から見た図であり、図８Ｂは、固定鉄心２３０Ｂの側面図である。
【００５７】
これまで、スペーサに突起２４を設ける例を示したが、図８Ａ、図８Ｂに示すように固定鉄心２３０Ｂ側に突起２４Ｂを設けてもよい。一般的に、スペーサは薄板であるため、鉄心よりも突起加工が容易である。しかしながら、溶接時において、鉄心側の溶け具合が悪い場合などは、鉄心側に突起を設けた方が有利な場合がある。鉄心側に突起を設けても、溶接条件の調整によって溶接が可能となることは言うまでもない。
【００５８】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、他の突起の配置例を示す図である。
図９Ａは、スペーサ２３２Ｃの平面図である。
図９Ｃは、固定鉄心２３０Ｃを、スペーサ２３２Ｃを溶接する側から見た図である。
図９Ｂは、スペーサ２３２Ｃを固定鉄心２３０Ｃに溶接した状態を示す図である。
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、スペーサ２３２Ｃと固定鉄心２３０Ｃの両方に突起２４Ｃ、２４Ｂを設けても同様の溶接が可能となる。
【００５９】
この例では、合計６個の突起のうち３個の突起２４Ｃ１をスペーサ２３２Ｃに設け、残りの３個の突起２４Ｃ２を固定鉄心２３０Ｃ側に、各々３角形の頂点となる位置に配置し、溶接後は、全ての溶接部Ｙが、矩形の配置となっている。なお、突起２４Ｃ１と突起２４Ｃ２の高さを変えることによって、設置時においては、高さの高い方の３点支持となり、溶接前のスペーサ２３２Ｃの設置状態における安定性の向上が期待できる。
【００６０】
実施の形態３．
以下、実施の形態３による電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法を、図を用いて、実施の形態１、２と異なる部分を中心に説明する。
図６は、固定鉄心３３０をスペーサ３３２側から見た図である。
固定鉄心３３０の接触面の外周形状が円形であり、その形状に合わせて、スペーサ３３２は、固定鉄心３３０の外周と同じ中心点Ｏを有する一回り小さい円形状に構成されている。
【００６１】
さらに、溶接部Ｙは、中心点Ｏを中心とする正三角形のそれぞれの頂点となる３箇所の位置に設けられている。溶接部Ｙの数＝溶接前の突起の数を３箇所にすれば、突起２４の高さにばらつきがあった場合でも、固定鉄心３３０とスペーサ３３２との接触が安定するため、各溶接部Ｙの接触抵抗が安定し、安定した通電、溶接が可能となる。なお、固定鉄心の接触面の外周形状が四角形であり、スペーサの形状が円形であっても同一の効果を奏する。
【００６２】
実施の形態４．
以下、実施の形態４による電磁石、電磁開閉器、および電磁石の製造方法を、図を用いて、実施の形態１〜３と異なる部分を中心に説明する。
図７は、固定鉄心４３０をスペーサ４３２側から見た図である。
固定鉄心４３０の接触面の外周形状は長方形であり、短辺に比べて長辺がかなり長い形状をしている。
そして、それぞれの長辺の縁に沿った溶接部Ｙを３箇所に設けている。また、一方の長辺の縁に隣り合った２箇所の溶接部Ｙと、他方の長辺の縁の上記２箇所の溶接部Ｙと長手方向に同じ側にある２箇所の溶接部Ｙとの合計４箇所の溶接部Ｙを頂点とする４角形の対角線の交点上に配置された、もう１箇所の溶接部Ｙを設けている。よって、図７では、対角線の交点上に配置された溶接部Ｙは、２箇所となり、合計８箇所の溶接部Ｙを有する。
【００６３】
この構成によれば、アスペクト比が大きい長方形のスペーサ４３２を採用する場合であっても、固定鉄心４３０とスペーサ４３２の溶接強度を損なうことがなく、スペーサ４３２の固定を確実にできる。
【００６４】
実施の形態５．
以下、実施の形態５による電磁石の製造方法を、図を用いて説明する。
図１０は、位置決めジグ５００を用いて、可動鉄心２０と、ＳＵＳ製のスペーサ２２とを溶接前に位置決めする要領を示す図である。
図１１は、スペーサ２２と可動鉄心２０とを溶接する工程を示すフロー図である。
【００６５】
まず、可動鉄心２０の溶接面２０ｓ上に、スペーサ２２を設置する部分を刳り抜いた開口部２２ｋを有する位置決めジグ５００を乗せる（ステップＳ００１：位置決めジグ装着工程）。次に、開口部２２ｋの縁に沿うように、２枚のスペーサ２２を嵌め込んで配置する。（ステップＳ００２：スペーサ配置工程）。このようにスペーサを配置すると、可動鉄心２０に対するスペーサ２２の位置を精度よく位置決めできる。
【００６６】
図１２は、位置決めジグ５００とスペーサ２２の寸法関係を示す図であり、位置決め完了後、溶接前の状態を示している。
電極６００によってスペーサ２２が加圧されているが、未だ通電はされていない。
図１３は、溶接のための通電（ステップＳ００３：溶接工程）が終わって、溶接は完了しているが、電極６００がまだ加圧を続けている状態を示す図である。
【００６７】
図１２、図１３において、スペーサ２２の円錐状の突起２４Ｂを除いた部分の厚みをｈｓ、スペーサ２２に設けた突起２４Ｂの溶接前の高さをｈｔ、位置決めジグ５００のスペーサ２２と接する部分の厚みをｈｊとすると、３つの寸法関係を、ｈｔ＜ｈｊ≦ｈｓとなるように設定することで、溶接前に位置決めジグ５００とスペーサ２２が接する部分を残しながら（ｈｊ−ｈｔ＞０）、溶接後において、位置決めジグ５００と電極６００が接触しない、もしくは、接触しても加圧されないｇａｐ（ｈｓ＋ｄ−ｈｊ≧０）を確保することが可能となる。これにより、位置決めジグ５００を設置したままの状態で、スペーサ２２と可動鉄心２０の溶接（ステップＳ００３：溶接工程）が可能となり、両者の溶接位置の精度を向上できる。
【００６８】
図１４は、位置決めジグの他の例を示す図である。
位置決めジグ５００Ｂは、上述の位置決めジグ５００の長手方向両端部を、上述の開口部２２ｋの一部を含む部分で切り取って開放したものである。スペーサ２２の位置決め精度を維持しながらスペーサ２２の設置の作業性を向上させることが可能となる。
【００６９】
なお、上述のように、固定鉄心側に突起を設けても良いし、双方に突起を設けた場合であっても、突起の高さをｈｔとすれば同様の効果を得ることができる。
【００７０】
位置決めジグ５００、５００Ｂには、絶縁体を用いることが望ましく、ガラスエポキシ、モノマーキャストナイロンなどの樹脂、或いはセラミックなどの素材が適用可能である。本実施の形態では、スペーサが矩形のものを例示したが、上述の円形など、他の形状でも適用可能なことは言うまでもない。
【００７１】
なお、上記各実施の形態において、スペーサ２２、２３２、３３２、４３２の材料としてＳＵＳ３０４を例示したが、他のオーステナイト系ステンレス材、たとえばＳＵＳ３００番台で、なおかつ硬度を上げる調質を行っていない材料であれば同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００７２】
また、オーステナイト系ステンレス材が加工によって磁化される現象について、材料面では、ニッケルの含有量を増やすことで磁化を抑制できることがわかっており、材料価格は上昇するが、ニッケルの含有量の多いＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６などを選択すれば、加工による磁化を大きく低減させることが可能である。
【００７３】
また、鉄心の素材においては一体形状のものを例示したが、電磁鋼板、或いは冷間圧延鋼板などの磁性鋼板を積層して一体化したものを用いても同様の効果を奏することも言うまでもない。
【００７４】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７５】
１０  電磁石、２０  可動鉄心、２２，２３２，２３２Ｃ，３３２，４３２  スペーサ、２２ｋ  開口部、２４，２４Ｂ，２４Ｃ１，２４Ｃ２  突起、２５  樹脂成型品、３０，３０ａ，３０ｂ，２３０，２３０Ｂ，３３０，４３０  固定鉄心、３３  ベース板、３４  下ハウジング、４０  固定接点、５０  可動接点、５５  上ハウジング、７０，７０ａ，７０ｂ  駆動コイル、１００  電磁開閉器、５００，５００Ｂ  位置決めジグ、６００  電極、Ｏ  中心点、Ｙ  溶接部、ｄ  隙間。
【図１】
2020084829.tif 000003
【図２】
2020084829.tif 000004
【図３】
2020084829.tif 000005
【図４】
2020084829.tif 000006
【図５】
2020084829.tif 000007
【図６】
2020084829.tif 000008
【図７】
2020084829.tif 000009
【図８】
2020084829.tif 000010
【図９】
2020084829.tif 000011
【図１０】
2020084829.tif 000012
【図１１】
2020084829.tif 000013
【図１２】
2020084829.tif 000014
【図１３】
2020084829.tif 000015
【図１４】
2020084829.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月18日(2020.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動鉄心と、
前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、
前記固定鉄心に巻回された駆動コイルとを有する電磁石であって、
前記可動鉄心又は前記固定鉄心の一方の鉄心は、
他方の鉄心と対向する面に、オーステナイト系ステンレスの単板であって、ＪＩＳ規格の２Ｂ材を含むＪＩＳ規格の２Ｂ材と同等以下の硬度を有する薄板を加工したスペーサを備え、
前記スペーサと前記鉄心とは、前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられ、他方に対して凸形状となる溶接部によって相互に溶接固定されている電磁石。
【請求項２】
前記スペーサは、長方形であり、前記溶接部は、前記長方形の４隅と、前記長方形の長辺側の中点の２箇所の計６箇所に配置されている請求項１に記載の電磁石。
【請求項３】
前記スペーサは、円形状であり、前記溶接部は、前記スペーサの中心点と同じ中心点を有する三角形の頂点となる３箇所の位置に設けられている請求項１に記載の電磁石。
【請求項４】
前記スペーサは、長方形であり、前記スペーサの一方の長辺の縁に隣り合った２箇所の溶接部と、他方の長辺の縁に設けられた、前記２箇所の溶接部と長手方向に同じ側にある２箇所の溶接部と、該４箇所の溶接部を頂点とする４角形の対角線の交点上に配置された、もう１箇所の溶接部を備える請求項１に記載の電磁石。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石と、
前記固定鉄心に絶縁して接続された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心に絶縁して接続された可動接点とを備える電磁開閉器。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石の製造方法であって、
前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられた前記凸形状である突起を他方に接触させて、前記スペーサと前記鉄心とを一対の電極で挟んで加圧した状態で前記電極間に通電し、前記溶接部を形成する溶接工程を有する電磁石の製造方法。
【請求項７】
前記溶接工程において、前記スペーサと前記鉄心とを一対の電極で挟んで加圧した状態で前記突起を介して前記電極間に通電し、前記突起の先端および、前記突起が接触する前記スペーサ又は前記鉄心の一部を溶かすことによって前記スペーサと前記鉄心とを溶接して前記溶接部を形成する請求項６に記載の電磁石の製造方法。
【請求項８】
前記スペーサを位置決めジグによって前記鉄心の溶接面に位置決めするスペーサ配置工程を有する請求項６又は請求項７に記載の電磁石の製造方法。
【請求項９】
前記位置決めジグは、前記スペーサを設置する部分を刳り抜いた開口部を有する請求項８に記載の電磁石の製造方法。
【請求項１０】
前記スペーサの前記突起を除いた部分の厚みをｈｓ、前記突起の高さをｈｔ、前記位置決めジグの厚みをｈｊとすると、ｈｔ＜ｈｊ≦ｈｓであり、
前記位置決めジグを設置したまま前記溶接工程を行う請求項９に記載の電磁石の製造方法。
【請求項１１】
前記突起は、前記スペーサ及び前記鉄心に、それぞれ３個ずつ配置され、それぞれ３個の前記突起が３角形の頂点となる位置に配置されている請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の電磁石の製造方法。
【請求項１２】
請求項６から請求項１１のいずれか１項に記載の電磁石の製造方法を用いて製造した電磁石と、
前記固定鉄心に絶縁して接続された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心に絶縁して接続された可動接点とを備える電磁開閉器を製造する電磁開閉器の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁石は、電流の通電によって可動鉄心を固定鉄心に吸着させ、通電の解除によって両鉄心を離間させるものである。そして、特に直流電流駆動もしくは交流を整流した電流によって駆動する電磁石においては、鉄心内に残留磁化が生じ、通電を解除しても両鉄心が離間されない状態が生じ得る。これを避けるため、可動鉄心もしくは固定鉄心の少なくとも一方の接触面に、非磁性金属の薄板を、残留磁気防止スペーサとしてロウ付けによって接合した例が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭５８−４６４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された電磁石においては、開閉すべき電気回路の電流容量が大きくなると、電気回路の接点も大きくなり、電磁石の開閉力も増大する。電磁石の開閉力を大きくするには鉄心を大きくすればよいが、残留磁気防止スペーサをロウ付けする場合は、鉄心の温度がロウ材の融点を超えるまで鉄心を加熱する必要があるため、鉄心が大きくなると加熱時間が長くなり生産性が悪化するという課題があった。
【０００５】
また、加熱時間を短くするために低融点の銀ロウを使用すると、ロウ材自体の価格が高く、製品の製造コスト上昇の一因となるという課題があった。
【０００６】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、生産性が高く、かつ低コストで生産できる電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される電磁石は、
可動鉄心と、
前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、
前記固定鉄心に巻回された駆動コイルとを有する電磁石であって、
前記可動鉄心又は前記固定鉄心の一方の鉄心は、
他方の鉄心と対向する面に、オーステナイト系ステンレスの単板であって、ＪＩＳ規格の２Ｂ材を含むＪＩＳ規格の２Ｂ材と同等以下の硬度を有する薄板を加工したスペーサを備え、
前記スペーサと前記鉄心とは、前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられ、他方に対して凸形状となる溶接部によって相互に溶接固定されているものである。
【０００８】
また、本願に開示される電磁開閉器は、
前記電磁石と、
前記固定鉄心と一体成形された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心と一体成形された可動接点とを備えるものである。
【０００９】
また、本願に開示される電磁石の製造方法は、
前記スペーサ又は前記鉄心の少なくとも一方に設けられた前記凸形状である突起を他方に接触させて、前記スペーサと前記鉄心とを一対の電極で挟んで加圧した状態で前記電極間に通電し、前記溶接部を形成する溶接工程を有するものである。
また、本願に開示される電磁開閉器の製造方法は、
前記電磁石の製造方法を用いて製造した電磁石と、
前記固定鉄心に絶縁して接続された固定接点と、
前記可動鉄心の駆動に連動して前記固定接点に接離する、前記可動鉄心に絶縁して接続された可動接点とを備える電磁開閉器を製造する
【発明の効果】
【００１０】
本願に開示される電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法によれば、電磁石への通電の停止後に固定鉄心と可動鉄心とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ又は鉄心の少なくとも一方に複数の突起を設け、この突起に電流を流してスペーサと鉄心を一度に溶接できるので、鉄心とスペーサとの接合工程の大幅な時間短縮が見込まれ生産性が高い。
【００１１】
さらに、銀ロウのような接合のための副資材を必要としないため、接合の低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による電磁開閉器の断面図である。
【図２】実施の形態１による電磁石の断面図である。
【図３】実施の形態１による可動鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図４】実施の形態１による溶接前のスペーサの平面図と、その要部断面図である。
【図５】実施の形態２による固定鉄心の２面図である。
【図６】実施の形態３による固定鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図７】実施の形態４による固定鉄心をスペーサ側から見た図である。
【図８】実施の形態２による可動鉄心の変形例を示す二面図である。
【図９】実施の形態２による他の突起の配置例を示す図である。
【図１０】実施の形態５による位置決めジグを用いて、可動鉄心と、スペーサとを溶接前に位置決めする要領を示す図である。
【図１１】実施の形態５によるスペーサと可動鉄心とを溶接する工程を示すフロー図である。
【図１２】実施の形態５による位置決めジグとスペーサの寸法関係を示す図であり、位置決め完了後、溶接前の状態を示す図である。
【図１３】実施の形態５による溶接のための通電が終わって、溶接は完了しているが、電極がまだ加圧を続けている状態を示す図である。
【図１４】実施の形態５による位置決めジグの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、実施の形態１による電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法を、図を用いて説明する。
【００１４】
図１は、電磁開閉器１００の断面図である。
電磁開閉器１００は、電磁石１０と固定接点４０と、可動接点５０とからなる。
電磁開閉器１００は、電磁石１０の動作によって、固定接点４０に対して、可動接点５０を開閉させる。
【００１５】
図２は、電磁石１０の断面図である。
電磁石１０は、可動鉄心２０と、固定鉄心３０ａ、３０ｂと、固定鉄心３０ａ、３０ｂに巻回され、可動鉄心２０を、固定鉄心３０ａ、３０ｂに対して接離可能に駆動する駆動コイル７０ａ、７０ｂとを備える。以下の説明で、単に固定鉄心３０というときは、固定鉄心３０ａと固定鉄心３０ｂの双方を指し、同様に、駆動コイル７０というときは、駆動コイル７０ａと駆動コイル７０ｂの双方を指すものとする。
【００１６】
可動鉄心２０の、固定鉄心３０と対向する面には、電磁石１０への通電が停止された後に固定鉄心３０と可動鉄心２０に残留する磁気を防止するスペーサ２２ａ、２２ｂが装着されている。以下の説明で、単にスペーサ２２というときは、スペーサ２２ａとスペーサ２２ｂの双方を指すものとする。固定鉄心３０は、駆動コイル７０を装着された状態のものが２個セットで、ベース板３３に固定されている。
【００１７】
駆動コイル７０に電流が印加されると、２個の駆動コイル７０には逆向きの磁界が発生する。すなわち、左側の固定鉄心３０ａに装着された駆動コイル７０ａが、固定鉄心３０ａに紙面上向きに磁界を発生させる場合は、右側の固定鉄心３０ｂに装着された駆動コイル７０ｂは、固定鉄心３０ｂに紙面下向きの磁界を発生させる。
【００１８】
そして、左側の固定鉄心３０ａに、上向きに発生した磁束は、可動鉄心２０の左側に設置されたスペーサ２２ａを通過して可動鉄心２０に達し、その磁束は可動鉄心２０の内部を左側から右側に向かって流れる。可動鉄心２０の右側に達した磁束は、スペーサ２２ｂを通過して右側の固定鉄心３０ｂに達し、さらに右側の固定鉄心３０ｂの上から下に磁束が流れる。
【００１９】
そして、右側の固定鉄心３０ｂの下部に達した磁束は、これも磁性材料にて構成されたベース板３３の右側に流れ、ベース板３３の右側から左側に向かって磁束が流れる。そしてベース板３３の左側に達した磁束は、固定鉄心３０ａの下部へと流れ、元へと戻る。このような磁路が形成されると、可動鉄心２０が、固定鉄心３０に吸引されることになる。
そして、図１に示すように、可動鉄心２０と樹脂成型品２５（絶縁物）を介して一体に成形もしくは保持された可動接点５０が、可動鉄心２０の駆動に連動して上ハウジング５５（絶縁物）に固定された固定接点４０と接触することで、電気回路が閉じられる。
【００２０】
その後、駆動コイル７０の電流が遮断されると、駆動コイル７０から発生される磁束がなくなる。ここで、可動鉄心２０と、固定鉄心３０の間にエアギャップがない場合には、可動鉄心２０及び固定鉄心３０の素材が持つ保磁力によって、両鉄心に残留磁気が生じ、樹脂成型品２５と、下ハウジング３４との間に設けられたばね２７の反発力が、固定鉄心３０と可動鉄心２０に残留する磁気による吸引力に打ち勝つことができず開動作ができない。
【００２１】
一方、本願のように非磁性材の残留磁気を防止するスペーサ２２を設けることによって、スペーサ２２が存在する部分は、磁気回路上では、エアギャップと同等とみなされるため、両鉄心素材の保磁力を超えて両鉄心に逆磁界が印加され、残留磁束がほぼゼロになる効果が得られる。
【００２２】
そして、可動鉄心２０に一体化されたばね２７が、吸引力を失った可動鉄心２０を押し上げることによって、可動鉄心２０と樹脂成型品２５を介して一体化された可動接点５０が、固定接点４０から離れることになり、電気回路が開かれる。
【００２３】
このように、駆動コイル７０への電流のＯＮ／ＯＦＦによって、可動鉄心２０の動きを介して可動接点５０が開閉し、電気回路が開閉される。
【００２４】
図３は、可動鉄心２０をスペーサ２２側から見た図であり、可動鉄心２０に、スペーサ２２が溶接、固定された状態を示している。
スペーサ２２は、非磁性の金属材料からなり、例えば、板材から切り出される。長方形のスペーサ２２が、可動鉄心２０の長手方向両端に各１枚、計２枚、可動鉄心２０の固定鉄心３０に対向する面に溶接、固定されている。
【００２５】
スペーサ２２としては、薄板が用いられるが、更に好適には、可動鉄心の鉄系材料と溶接における相性が良い非磁性のステンレス材、特にＳＵＳ３０４（ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ  ＵＳＥＤ  ＳＴＥＥＬ）などのオーステナイト系ステンレス材の薄板を、プレス打ち抜きなどで長方形に加工したものを用いるのが良い。
【００２６】
なお、プレス加工では、一般的にバリが発生し、バリが大きいと、製品となった後に開閉動作の衝撃でバリが剥がれ、異物として可動鉄心と固定鉄心の間に挟まるなどして電磁石としての動作に支障をきたす恐れがある。そのため、バリの出ないプレス加工法として半抜き平打ち法を用いる。また、プレス加工以外の加工法として、例えば、レーザ加工などを用いることも可能である。
【００２７】
ここで、スペーサ２２の機能として、次の点が重要となる。すなわち、電磁石１０の開動作が正常に行えるために必要な程度の非磁性材であることはもちろんのこと、電磁石１０の閉動作時に、可動鉄心２０と固定鉄心３０がぶつかる際の衝撃が繰り返されても、可動鉄心２０から剥がれ落ちない程度の強度を有することである。
【００２８】
図３に示すように、接合強度を確保するために、スペーサ２２は、１枚あたり６箇所の、直径３ｍｍ〜５ｍｍ程度の円形、かつ、可動鉄心２０の方向に凸形状の溶接部Ｙによって、可動鉄心２０に溶接固定されている。６箇所の溶接部Ｙの配置は、４箇所がスペーサ２２のコーナー近くに配置され、残りの２箇所が、スペーサ２２の長辺の両端に設けられたそれぞれ２箇所の溶接部Ｙの中点に配置されている。
【００２９】
可動鉄心２０と固定鉄心３０が閉動作する際に、可動鉄心２０と固定鉄心３０との間に配置されたスペーサ２２は、両者の衝突による衝撃を受ける。しかし、上述のように、溶接部Ｙを多数配置することによって、衝撃が６箇所の溶接部Ｙに分散され、電磁開閉器１００の長期の使用によって、開閉回数が５００万回から１０００万回まで達するような場合であっても、溶接部Ｙの近傍で疲労破壊を起こしてスペーサ２２が、可動鉄心２０から剥がれ落ちないように考慮されている。
【００３０】
なお、我々の研究によると、溶接部Ｙの強度に関して、溶接でいったん溶けた部分と、元の部分との強度差が大きい場合に、電磁石１０の閉動作時の衝撃によって、強度が変化した部分に応力が集中し、疲労破壊が生じ易いことを確認している。
【００３１】
すなわち、ＳＵＳ３０４材でも、硬度を調質したＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）規格の１／２Ｈ材、或いは、それ以上の硬度に調質された材料では、開閉頻度が５００万回以下で溶接部Ｙの疲労破壊によるスペーサ２２の剥離が確認された。
【００３２】
一方、硬度の調質が施されていないＪＩＳ規格の２Ｂ材を用いると、５００万回〜１０００万回の開閉試験に耐え得ることが確認できた。すなわち、２Ｂ材と同等以下の硬度を持つ、ＪＩＳ規格の２Ｄ材、或いは、熱間圧延材などであれば、疲労強度が高く、ＪＩＳ規格の１／４Ｈ調質材と同等か、それ以上の硬度に調質された材料は、疲労強度が劣り、今回の用途には適していないことがわかった。
【００３３】
一方、非磁性材としての働きについて、ＳＵＳ３０４材のようなオーステナイト系ステンレス材は、冷間加工によって結晶構造がオーステナイトからマルテンサイトに変化し、さらに不純物の配置が変化するなどして、非磁性材から、弱いながらも磁性材へと変化することが知られている。
【００３４】
スペーサ２２が磁性を帯びれば、当初の目的である、可動鉄心２０と固定鉄心３０の残留磁化を抑制する効果が半減し、可動鉄心２０の開放動作に支障をきたす恐れがある。その意味でも、ＳＵＳ３０４の硬度を上昇させる調質を施した材料を用いることは避けるべきである。
【００３５】
同様に、オーステナイト系ステンレス材は、溶接でいったん溶融した部分が冷却されて固体に戻る際、結晶構造がオーステナイトからマルテンサイトに変化し、さらに不純物の配置が変化するなどして、非磁性材から、弱いながらも磁性材へと変化することが知られている。そのため、溶接部位はできるだけ小さいことが望ましく、本実施の形態１のように、小さな溶接部Ｙを、分散して複数箇所に設けることで、全体としての溶接強度と非磁性材の磁気特性とを両立させることが可能となる。
【００３６】
スペーサ２２の溶接が完了した可動鉄心２０は、そのままでは錆が発生するため防錆めっき処理を行う。可動鉄心２０のみの状態であればＺｎ（亜鉛）めっきが望ましいが、ＳＵＳからなるスペーサ２２が一体化されているため、ＳＵＳの表面にはＺｎめっきがうまく生成されない。一方、まず、Ｚｎめっきを施した可動鉄心２０に、ＳＵＳのスペーサ２２を溶接する方法も考えられるが、めっきの影響で溶接強度が低下することが分かっている。
【００３７】
そのため、スペーサ２２を可動鉄心２０に溶接した後、Ｎｉ（ニッケル）ストライクめっき処理を施し、引き続きＺｎクロメートめっき処理を行うことで、Ｚｎめっきの防錆機能を生かしながら、ＳＵＳからなるスペーサ２２の表面にもめっきが乗るため、良好なめっき処理が可能となる。
【００３８】
図４Ａは、溶接前のスペーサ２２の平面図である。
図４Ｂは、図４Ａの要部断面図である
図４Ａは、スペーサ２２に設けられた、溶接前の突起２４の配置を示す図である。図４Ｂは、突起２４とその近傍であるＡ−Ａ部分の断面を示す図である。
突起２４は、溶接部Ｙの配置と同じ位置に設けられている。突起２４の構成を示すＡ−Ａ断面図からわかるように、突起２４は、φＤの範囲で、長さＨ分だけ、板の左側部分に凹部が形成され、板の右側部分に凸部が形成されており、いずれも一定の半径を有する球面形状に形成されている。
【００３９】
この球面形状は、たとえば、プレス装置において、半球状の突起を有するパンチと、半球状のくぼみ形状を有するダイによって、ＳＵＳ３０４の板を挟んで、パンチをダイに押し込むことによって形成される。これらの形状の一例として、板の厚みｔが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲において、φＤが２ｍｍ〜５ｍｍ程度、Ｈが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度が望ましいことを確認した。
【００４０】
ここで、スペーサ２２と可動鉄心２０との溶接方法は、ます、平板状の一対の電極でスペーサ２２と可動鉄心２０とを挟んで、突起２４と可動鉄心２０とを接触させた状態で相互に加圧する。さらに、突起２４を介して電極間に大電流を通電することによって、突起２４の先端に発熱を集中させ、突起２４の先端および、突起２４が接触する可動鉄心２０の一部を溶かすことで、両者を溶接して接合する。
【００４１】
通電回数は、突起２４の個数に拘わらず、１回で済ませることが可能である。このときの加圧力は板厚にもよるが、突起２４の１個あたり０．２ｋＮ〜２ｋＮの範囲である。また、通電電流は、突起１個あたり２ｋＡ〜５ｋＡである。さらに、通電時間は１５ｍｓｅｃ〜６０ｍｓｅｃの範囲である。
【００４２】
なお、突起２４間の距離が近い設計で大電流を流すと、ローレンツ力によって溶融した部分がお互いに引かれて移動し、長い突起状の部分が生じる現象が確認されている。この部分は、溶接強度に関与せず、最悪、開閉の衝撃で取れて異物となる。本実施の形態１の構成では、例えば、スペーサ２２と固定鉄心３０との間にこの異物が挟まると、閉極時の鉄心間の吸引力が減少するなど、電磁石１０の開閉動作に支障をきたす恐れがある。このため、上述の長い突起状の部分を生じないようにするために、突起２４間の距離は１０ｍｍ以上開けておくことが望ましい。
【００４３】
また、一般的には突起を設けずに溶接する抵抗溶接法も多用されるが、数ｍｍ程度の径の細い電極を用いて溶接部を１箇所ずつ挟んで溶接を行う必要がある。今回のように溶接部Ｙを複数設ける場合に適用すると、まず、溶接部の位置合わせをして、次に、電極で挟んで通電するという工程を溶接部の数だけ複数回繰り返すことになる。結果的に、全ての溶接に時間がかかること、および２箇所目以降の溶接部の溶接には、それ以前に溶接した溶接部に電流が回りこみ溶接したい部分の電流が減って溶接が不十分となる恐れがある。
【００４４】
一方、実施の形態１で示した溶接方法によれば、スペーサ２２よりも大きい平板状の一対の電極によってスペーサ２２と、可動鉄心２０とを挟んで通電することによって、電極の位置決めが不要となる。更に、突起２４と可動鉄心２０とを接触させた状態で加圧し、突起２４を介して可動鉄心２０とスペーサ２２本体との間に大電流を通電させる方法を採用するので、１回の通電で複数の溶接部Ｙを生成することが可能となり、生産性の面で有利となる。
【００４５】
なお、本実施の形態１では、突起２４の形状として球面状のものを例示したが、これに限定されるものではなく、たとえば円錐形状のようなものでも良い。また、突起２４の裏側の形状と突起２４の表側の形状とがどちらも球面である例を示したが、必ずしも同一形状である必要はなく、たとえば、表面が球面状で、裏面が円錐形状の組み合わせであっても問題ない。
【００４６】
スペーサ２２に突起２４を形成する際の注意点としては、複数の突起２４の形状と高さが揃うことが望ましい。突起２４の高さが揃っていないと、ある突起２４は可動鉄心２０と接触しているが、他の突起２４は接触していないような状態になり、接触していない突起２４について溶接ができない恐れがあるためである。
【００４７】
溶接に用いる電源にもいくつか種類があるが、特にコンデンサに電荷を溜め込んだ後、電荷を放出する際、インバータ制御によって定電流制御を行うコンデンサ方式の電源が望ましい。この電源によれば、大電流を短時間で流すことが可能となり、溶接に必要なエネルギーを必要最小限に設定することができるため、スパッタ状の異物の発生及び溶接時の爆飛を抑制しながら、安定した溶接が可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態１においては、突起２４をスペーサ２２側に設けた例を示したが、必ずしもスペーサ２２に設ける必要はなく、逆に可動鉄心２０側に突起を設けておいても良い。その場合でも、溶接手順は上述したとおりで変更はない。
【００４９】
実施の形態１による電磁石１０、電磁開閉器１００、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法によれば、電磁石１０への通電の停止後に固定鉄心３０と可動鉄心２０とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ２２に複数の突起２４を設け、この突起２４を可動鉄心２０に一度に溶接できるので、接合工程の大幅な時間短縮が見込まれ、生産性が高い。
【００５０】
さらに、銀ロウのような接合のための副資材を必要としないため、接合の低コスト化が可能となる。
【００５１】
実施の形態２．
以下、実施の形態２による電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法を、図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５Ａは、固定鉄心２３０をスペーサ２３２側から見た図である。
図５Ｂは、固定鉄心２３０の側面図である。
【００５２】
実施の形態１では、スペーサ２２を可動鉄心２０に溶接していたが、本実施の形態では、スペーサ２３２を固定鉄心２３０に溶接している。このように、スペーサ２３２は、可動鉄心２０でなく、固定鉄心２３０側に溶接して固定しても、実施の形態１と同様の効果を奏することは言うまでもない。なお、図５Ａ、図５Ｂに示すように、突起を介してスペーサ２３２を鉄心（可動、固定によらず）に溶接した場合、溶接部Ｙに凸形状が残り、スペーサ２３２と鉄心の間には、微小な隙間ｄが残ってしまうことが避けられない。これは、実施の形態１の溶接部Ｙについても同様である。
【００５３】
我々の実験では、スペーサ２３２の厚みが厚いほど隙間ｄも大きくなる傾向が認められた。隙間ｄが大きくなると、電磁石１０の開閉繰り返し試験において、スペーサ２３２が剥がれ易くなる傾向があることを確認した。そのため、できるだけ隙間ｄを小さくすることが望ましく、０．２ｍｍ以下、更に好ましくは０．１ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００５４】
なお、本実施の形態２では、溶接部Ｙの数が５個のものを示した。スペーサ２３２が長方形であって、かつ、長辺と短辺の差が比較的小さいものに対しては、スペーサ２３２の４隅と対角線上に溶接部Ｙを設ける配置が有効となる。さらに、長辺と短辺の差が小さいものに対しては、４隅の４箇所のみに溶接部Ｙを設けても良い。
【００５５】
実施の形態２よる電磁石１０、電磁開閉器１００、および電磁石の製造方法によれば、電磁石１０への通電の停止後に固定鉄心２３０と可動鉄心２０とに残留する磁気を防止する非磁性の薄板状のスペーサ２３２に複数の突起２４を設け、この突起２４を固定鉄心２３０に一度に溶接できるので、接合工程の大幅な時間短縮が見込まれる。
【００５６】
図８Ａ、図８Ｂは、可動鉄心の変形例を示す二面図である。図８Ａは、固定鉄心２３０Ｂを、スペーサを溶接する側から見た図であり、図８Ｂは、固定鉄心２３０Ｂの側面図である。
【００５７】
これまで、スペーサに突起２４を設ける例を示したが、図８Ａ、図８Ｂに示すように固定鉄心２３０Ｂ側に突起２４Ｂを設けてもよい。一般的に、スペーサは薄板であるため、鉄心よりも突起加工が容易である。しかしながら、溶接時において、鉄心側の溶け具合が悪い場合などは、鉄心側に突起を設けた方が有利な場合がある。鉄心側に突起を設けても、溶接条件の調整によって溶接が可能となることは言うまでもない。
【００５８】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、他の突起の配置例を示す図である。
図９Ａは、スペーサ２３２Ｃの平面図である。
図９Ｃは、固定鉄心２３０Ｃを、スペーサ２３２Ｃを溶接する側から見た図である。
図９Ｂは、スペーサ２３２Ｃを固定鉄心２３０Ｃに溶接した状態を示す図である。
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、スペーサ２３２Ｃと固定鉄心２３０Ｃの両方に突起２４Ｃ、２４Ｂを設けても同様の溶接が可能となる。
【００５９】
この例では、合計６個の突起のうち３個の突起２４Ｃ１をスペーサ２３２Ｃに設け、残りの３個の突起２４Ｃ２を固定鉄心２３０Ｃ側に、各々３角形の頂点となる位置に配置し、溶接後は、全ての溶接部Ｙが、矩形の配置となっている。なお、突起２４Ｃ１と突起２４Ｃ２の高さを変えることによって、設置時においては、高さの高い方の３点支持となり、溶接前のスペーサ２３２Ｃの設置状態における安定性の向上が期待できる。
【００６０】
実施の形態３．
以下、実施の形態３による電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法を、図を用いて、実施の形態１、２と異なる部分を中心に説明する。
図６は、固定鉄心３３０をスペーサ３３２側から見た図である。
固定鉄心３３０の接触面の外周形状が円形であり、その形状に合わせて、スペーサ３３２は、固定鉄心３３０の外周と同じ中心点Ｏを有する一回り小さい円形状に構成されている。
【００６１】
さらに、溶接部Ｙは、中心点Ｏを中心とする正三角形のそれぞれの頂点となる３箇所の位置に設けられている。溶接部Ｙの数＝溶接前の突起の数を３箇所にすれば、突起２４の高さにばらつきがあった場合でも、固定鉄心３３０とスペーサ３３２との接触が安定するため、各溶接部Ｙの接触抵抗が安定し、安定した通電、溶接が可能となる。なお、固定鉄心の接触面の外周形状が四角形であり、スペーサの形状が円形であっても同一の効果を奏する。
【００６２】
実施の形態４．
以下、実施の形態４による電磁石、電磁開閉器、電磁石の製造方法、および電磁開閉器の製造方法を、図を用いて、実施の形態１〜３と異なる部分を中心に説明する。
図７は、固定鉄心４３０をスペーサ４３２側から見た図である。
固定鉄心４３０の接触面の外周形状は長方形であり、短辺に比べて長辺がかなり長い形状をしている。
そして、それぞれの長辺の縁に沿った溶接部Ｙを３箇所に設けている。また、一方の長辺の縁に隣り合った２箇所の溶接部Ｙと、他方の長辺の縁の上記２箇所の溶接部Ｙと長手方向に同じ側にある２箇所の溶接部Ｙとの合計４箇所の溶接部Ｙを頂点とする４角形の対角線の交点上に配置された、もう１箇所の溶接部Ｙを設けている。よって、図７では、対角線の交点上に配置された溶接部Ｙは、２箇所となり、合計８箇所の溶接部Ｙを有する。
【００６３】
この構成によれば、アスペクト比が大きい長方形のスペーサ４３２を採用する場合であっても、固定鉄心４３０とスペーサ４３２の溶接強度を損なうことがなく、スペーサ４３２の固定を確実にできる。
【００６４】
実施の形態５．
以下、実施の形態５による電磁石の製造方法を、図を用いて説明する。
図１０は、位置決めジグ５００を用いて、可動鉄心２０と、ＳＵＳ製のスペーサ２２とを溶接前に位置決めする要領を示す図である。
図１１は、スペーサ２２と可動鉄心２０とを溶接する工程を示すフロー図である。
【００６５】
まず、可動鉄心２０の溶接面２０ｓ上に、スペーサ２２を設置する部分を刳り抜いた開口部２２ｋを有する位置決めジグ５００を乗せる（ステップＳ００１：位置決めジグ装着工程）。次に、開口部２２ｋの縁に沿うように、２枚のスペーサ２２を嵌め込んで配置する。（ステップＳ００２：スペーサ配置工程）。このようにスペーサを配置すると、可動鉄心２０に対するスペーサ２２の位置を精度よく位置決めできる。
【００６６】
図１２は、位置決めジグ５００とスペーサ２２の寸法関係を示す図であり、位置決め完了後、溶接前の状態を示している。
電極６００によってスペーサ２２が加圧されているが、未だ通電はされていない。
図１３は、溶接のための通電（ステップＳ００３：溶接工程）が終わって、溶接は完了しているが、電極６００がまだ加圧を続けている状態を示す図である。
【００６７】
図１２、図１３において、スペーサ２２の円錐状の突起２４Ｂを除いた部分の厚みをｈｓ、スペーサ２２に設けた突起２４Ｂの溶接前の高さをｈｔ、位置決めジグ５００のスペーサ２２と接する部分の厚みをｈｊとすると、３つの寸法関係を、ｈｔ＜ｈｊ≦ｈｓとなるように設定することで、溶接前に位置決めジグ５００とスペーサ２２が接する部分を残しながら（ｈｊ−ｈｔ＞０）、溶接後において、位置決めジグ５００と電極６００が接触しない、もしくは、接触しても加圧されないｇａｐ（ｈｓ＋ｄ−ｈｊ≧０）を確保することが可能となる。これにより、位置決めジグ５００を設置したままの状態で、スペーサ２２と可動鉄心２０の溶接（ステップＳ００３：溶接工程）が可能となり、両者の溶接位置の精度を向上できる。
【００６８】
図１４は、位置決めジグの他の例を示す図である。
位置決めジグ５００Ｂは、上述の位置決めジグ５００の長手方向両端部を、上述の開口部２２ｋの一部を含む部分で切り取って開放したものである。スペーサ２２の位置決め精度を維持しながらスペーサ２２の設置の作業性を向上させることが可能となる。
【００６９】
なお、上述のように、固定鉄心側に突起を設けても良いし、双方に突起を設けた場合であっても、突起の高さをｈｔとすれば同様の効果を得ることができる。
【００７０】
位置決めジグ５００、５００Ｂには、絶縁体を用いることが望ましく、ガラスエポキシ、モノマーキャストナイロンなどの樹脂、或いはセラミックなどの素材が適用可能である。本実施の形態では、スペーサが矩形のものを例示したが、上述の円形など、他の形状でも適用可能なことは言うまでもない。
【００７１】
なお、上記各実施の形態において、スペーサ２２、２３２、３３２、４３２の材料としてＳＵＳ３０４を例示したが、他のオーステナイト系ステンレス材、たとえばＳＵＳ３００番台で、なおかつ硬度を上げる調質を行っていない材料であれば同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００７２】
また、オーステナイト系ステンレス材が加工によって磁化される現象について、材料面では、ニッケルの含有量を増やすことで磁化を抑制できることがわかっており、材料価格は上昇するが、ニッケルの含有量の多いＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６などを選択すれば、加工による磁化を大きく低減させることが可能である。
【００７３】
また、鉄心の素材においては一体形状のものを例示したが、電磁鋼板、或いは冷間圧延鋼板などの磁性鋼板を積層して一体化したものを用いても同様の効果を奏することも言うまでもない。
【００７４】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７５】
１０  電磁石、２０  可動鉄心、
２２，２３２，２３２Ｃ，３３２，４３２  スペーサ、２２ｋ  開口部、
２４，２４Ｂ，２４Ｃ１，２４Ｃ２  突起、２５  樹脂成型品、
３０，３０ａ，３０ｂ，２３０，２３０Ｂ，３３０，４３０  固定鉄心、
３３  ベース板、３４  下ハウジング、４０  固定接点、５０  可動接点、
５５  上ハウジング、７０，７０ａ，７０ｂ  駆動コイル、１００  電磁開閉器、
５００，５００Ｂ  位置決めジグ、６００  電極、Ｏ  中心点、Ｙ  溶接部、ｄ  隙間。
【国際調査報告】
2020084829.tif 000017
2020084829.tif 000018
2020084829.tif 000019
2020084829.tif 000020