制御機器の基礎知識マイクロスイッチ編【株式会社山武】

制御機器の基礎知識～マイクロスイッチ編～

第四章マイクロスイッチ・・・正しい選び方

	1.機械的性能とスイッチの選定
	2.電気的性能とスイッチの選定
	3.耐久環境性能とスイッチの選定

マイクロスイッチを選定する場合、機器の使用目的に合った機械的性能、電気的性能及び耐環境性能を十分に吟味して、使用条件に適合することを確認の上、選定しなければならない。以下にその主な項目について説明する。

■ 1. 機械的性能とスイッチの選択

機械的特性及び性能面からスイッチを選定する場合、表23の「形による選び方」、「接点間隔による選び方」及び「アクチュエータによる選び方」に示す概念的な選定を行った上、より具体的に動作特性、動作精度、操作速度、開閉頻度、作動体、寿命など、その特徴をよく検討し選定しなければならない。

図23　マイクロスイッチの選び方

(1)形による選び方

基本機構	定格通電電流 (A)	動作までの動き	精度及び寿命	大きさ	主な特徴
Z形	0.1、1、5、10、15	小	優	大	高精度・長寿命、アクチュエータが豊富
R形	1、5、10、15	中	可	大	Z形の維持接触形
Y形	10	中	良	大	固定端子が二つに分割され、接続により直流・並列使用できる。
D形	5、10	大	良	大	Z形と同じ大きさで双極形
A形	20、25	中	良	大	突入電流の大きい負荷用
V形	0.1、1、5、10、15	大	可	中	小形の割に高容量で汎用性大
W形	5、10	大	可	中	双断形の接点構成で押ボタンが本体の中央部にある。
T形	5、10	大	良	大	W形の機構を用いた封入形マクロスイッチ用
C形K形	0.1、1、5	大	優	中	線レバーとともに用いる動作に必要な力が最小
S形	0.1、1、5	小	良	小	小形で精度がよい。
J形	0.1、1、5	小	可	極小	極小形で定格5A

(2)接点間隔による選び方

接点間隔 (mm)	直流定格遮断	動作までの動き	精度及び寿命	振動衝撃	主な特徴
0.25	可	極小	秀	可	高精度・長寿命
0.5	良	小	優	良	最も一般的で利用範囲が広い。
1.0	優	中	良	優	0.5と1.8の中間的特性
1.8	秀	大	可	良	直流・低圧・大電流の遮断、振動・衝撃に対して有利

(3)アクチュエータによる選び方

記号	動作に必要な力	動作までの動き	動作後の動き	精度	振動衝撃	主な特徴
ピン押ボタン形	大	小	小	秀/優	秀	動きの少ない場合
スプリング細押ボタン形	大	小	中	良	優	動作位置が正確に制御できないとき使用
パネル取付形	大	小	大	良	良	動作後の動きが大きい及びパネル取付
ローラパネル取付形	大	小	大	良	良	高速のカム開閉及びパネル取付
リーフスプリング形	中	中	中	可	優	カムの動きの面に向かって使用
ローラリーフスプリング形	中	中	中	可	良	小勢力のカムなどに適用
ヒンジレバー形	小	大	中	可	可	小勢力での動作に適用
ヒンジローラレバー形	小	大	中	可	可	低速のカムなどに適用
ヒンジ短レバー形	中	中	中	可	可	高速のカムなどに適用
ヒンジローラ短レバー形	中	中	中	可	可	急なカーブのカムなどに適用
スプリング短押ボタン形	大	小	中	良	良	低速のカムに適用
スプリング押ボタン形	大	小	中	良	良	低速のカムに適用
回転軸形	小	大	大	良	可	特に小勢力の動作に適用

■ 1.1. 動作特性

動作特性は、マイクロスイッチの定義の重要な構成要素の一つであるが、一般的に動作特性と呼称する場合、荷重特性(OF・RF)、ストローク特性(PT・MD・OT・TT)、位置特性(FP・OP・RP・TTP)の三つの特性をいう。これらの動作特性のうち、OF・RF・PT・MD・OT・OPなどについては、メーカのカタログ、仕様書に明記されているが、一般的に動作特性は、「最大」または「最小」という表現で示されている。ここでいう「最大」とは、例えばOF最大の場合、押ボタンまたはアクチュエータに加わる力が、これ以上になると必ず動作するという意味であり、「最小」とは、例えばRF最小の場合、押ボタンまたはアクチュエータに加わる力が、これ以下になると必ず復帰するという意味である。

マイクロスイッチの動作特性を応用し、重量、位置及び動きを検出するとき、その特性がどのような表現となっているかを理解し、実際の使用状態において、動作特性は変化するという前提で、「最大」値に対しプラス20%、「最小」値に対してマイナス20%まで特性が変化しても、機能上支障を起こさないよう考慮した機種の選定が必要である。

■ 1.2. 動作精度

作動体の位置及び動きを検出するとき、選定上問題となるのが動作精度である。動作精度には、動作位置繰返し精度と繰返し偏差の二つの特性があり、「動作位置繰返し精度」とは、スイッチを繰返し開閉したときの、そのスイッチの動作位置の最大値と最小値の差で表し、その値はかなり小さくて、目安としては大体スイッチの応差の動き(MD)の値よりも小さい。一定期間開閉後は、普通0.05mm程度である。

「動作位置繰返し偏差」とは、スイッチを所定回数開閉したときの、そのスイッチの初期と所定回数開閉後の動作位置の差をいう。一般的に、繰返し偏差の傾向は、開閉初期はある程度大きく、1万回開閉直後までは多少増加する。それ以後は安定してほとんど変わらない。これはスイッチの開閉初期においては、各構成部品の相互になじみができて安定するためである。

スイッチを各種用途に使用する場合に一番問題となるのは、各動作位置の使用中の変化(変位)である。しばしば動作不良の原因をつきとめてみると、スイッチ各部の磨耗や疲労などによって、動作位置がズレたための不良で、取り外したスイッチの特性を測定してみると諸特性が全て合格するという例が少なくない、

つぎに負荷容量的に見ると、微小負荷など無負荷に近い負荷のときは、あまり問題とならないが、負荷が大きくなるにつれて繰返し偏差の値は大きくなる。標準的な値として、Z基本形マイクロスイッチで100万回開閉後、ピン押ボタンのとき0.1mm以下、レバー形で1mm以下である。負荷電流の大きさが最も影響するのが、無負荷開閉時は上記値の1/5～1/10になる。一般に偏差の傾向は動作位置が低下する方向にある。図22にその例を示す。

従ってスイッチが10～15Aと大きい電流定格を有しているが、直接負荷を開閉せず、補助リレー、電磁開閉器を介在させて、間接的に制御する理由がここにある。

図22　負荷開閉回数と動作位置又は
もどり位置の偏位

■ 1.3. 操作速度

マイクロスイッチは「アクチュエータの操作速度と相対的に関係なく、接点がスナップアクションする」スイッチであるが、特に操作速度が非常に遅い場合(Z形スイッチの場合で0.01mm/秒以下)には、正常なスナップアクション動作が不安定(不導通)状態になり、これがスイッチの負荷寿命の低下や機器の機能に大きな影響を与える要素の一つになる。サーモスタットや圧力スイッチのように微速度動作するものは、それに見合ったスイッチを選ぶか、速断、速投の増速機構を付けるようにすべきである。表24にスイッチの種類とおよその許容操作速度を示す。また、非常に速い場合も正常な応答ができなくなるので注意を要する。機種、機構によっても多少異なるが、1m/秒が限度である。

表24　スイッチの種類による
許容操作速度(準標準品含む)

種類	許容操作速度
Z形、A形	0.01mm～1m/秒
Y形、D形、V形	0.1mm～1m/秒
S形、J形	0.05mm～1m/秒
C形、K形	1～100°/秒

■ 1.4. 開閉頻度

開閉頻度または動作頻度といわれているが、普通1分間の開閉回数で表し、標準形のマイクロスイッチは軽負荷の場合の追従性は850回/分が限度である。定格負荷の内容にもよるが、30回/分以下が安定性があり、これ以上になるとアーク熱により接点部の温度上昇が増し寿命を短くしたり、ケース及びカバーが焼けて絶縁不良などになることがあるので十分注意する必要がある。また、補助アクチュエータなどをつけた場合は、開閉頻度は60回/分以下くらいに下げるべきである。表25に各種スイッチの許容開閉頻度を示す、開閉頻度が極端に少ないとき、これは安全スイッチのように例えば6ヶ月に1回しか開閉しないような場合は、開閉の確実性の検討が選定の重要な要素となる。

表25　スイッチの基本機構による許容開閉頻度

種類	機械的(回/分)	電気的(定格負荷時)(回/分)
Z形(,A、D、Y形含む)	240～300	20
V形	150～600	20
S形	200～600	20
J形	240～400	20
C形、K形	240～300	20

■ 1.5. 作動体

検出スイッチとして使用されるときの作動体は、回転カム、ソレノイド、エアーシリンダ、油圧シリンダなどが一般的であるが、特殊な操作として、トーションばねを介して衝撃的に開閉する例もある、開閉時スイッチに印加される衝撃値は、開閉頻度が20～300回/分の等速カムでは約19.6～294m/S2と比較的小さいが、ペンソレノイド、エアーシリング、トーションばねを介しての操作は作動体の設定条件にもよるが、標準的な使用方法で約980～4,900m/S2もの過大な衝撃開閉となる場合がある。

各種の作動体に対し、適性な動きのアクチュエータを選定すると共に、作動体の衝撃を軽減する方策をとらなければ、内部機構の破損や誤動作を起こす原因となる。

■ 1.6. 耐久性

マイクロスイッチの耐久性には、普通2種類の表現がある。一つは動作不良(または動作不能)になるまでの開閉回数を示し、ほかの一つはあらかじめ決められた特性より動作中の変化量が、規定より超えたときの開閉回数を示す。これは用途によって異なり、制御機器用として動作特性を重視する場合には後者をとり、単に開閉能力を必要とする場合には、前者をとる、NECA C 4505では、諸特性の規格値の20%以上の変化が生じたとき耐久性の寿命としている。しかし特性の変化量を問題にしないときは、この制限を考慮する必要がないので、実際の使用限界はかなり大きくとることができる。

	耐久性を分類すると、無負荷開閉の機械的耐久性と、負荷をかけたときの電気的耐久性の2種類に分けられる、マイクロスイッチは可動ばねにベリリウム銅合金などの高抗張力合金を用いているため、動作が無理な上裸体であるときとか、小形超小形スイッチのように機械的に小形化するため耐久性を犠牲にした場合を除いては、機械寿命として一般に1000～2000万回を平均的耐久性として期待することができる。機械的耐久性に大きく影響を与える要素の一つに、「動作後の動き(OT)」がある。動作後の動きを小さくすると、機械的耐久性は長くなる。逆に動作後の動きを大きくすると耐久性は短くなる。この原因はスイッチに使用する可動ばねのひずみによるもので、過荷重の少ないほど耐久性が長くなることはいうまでもない。動作後の動きは小さいほど耐久性が長くなり有利であるが、一方電気的にみた場合開閉後の動きを大きくとるほど接点接触力が増大するため、大きな負荷の開閉を行うときは、どちらかというと動作後の動きは大きいほど耐久性は長くなる。図23に動作後の動きと機械的耐久性の関係の一例を示す。		図23　動作後の動きと機械的耐久性

■ 2. 電気的性能とスイッチの選定

電気的条件・性能面からマイクロスイッチを選定する場合、電源、接触構成、負荷の種類とその突入電流特性、微小負荷などの負荷内容をよく理解し選定しなければならない。

■ 2.1. 電源

一般のマイクロスイッチでは、直流の場合、交流に比べて定格電流が非常に小さくなる。これは接点間隔が小さく交流のように回路電圧が零になるところがないのでアークが切れるところがなく、接点消耗が促進され直流特有の接点転移(移転)が起こり、接点間の耐電圧不良あるいはこれによるロッキングなどの接点障害が発生する。また、直流の誘導性負荷を切った場合、数百～数千Vの逆起電圧が発生し、接点に大きなダメージを与え、寿命を著しく短くする恐れがあるので、この対策として、接点保護回路の接続が必要である。表26に接点保護回路の例を示す。

表26　接点保護回路の代表例

回路例	適用	金メッキ接点		特徴、その他	素子の選び方
回路例	適用	AC	DC	特徴、その他	素子の選び方
CR方式		* △	○	* AC電圧で使用する場合負荷のインピーダンスがCRのインピーダンスより十分小さいこと	C、Rの目安としては、C:接点電流1Aに対し1～0.5(μF)R:接点電圧1Vに対し0.5～1(Ω)。負荷の性質などにより必ずしも一致しない。 Cは接点解離時の放電抑制効果を受けもち、Rは次回投入時の電流制限の役割ということを考慮し、実験にて確認すること。Cの耐電圧は一般に200～300Vのものを使用すること、AC回路の場合はAC用コンデンサ(極性なし)を使用すること。
CR方式		○	○	負荷がリレー、ソレノイドなどの場合は動作時間が遅れる、電源電圧が24、48Vの場合は負荷間に、100～200Vの場合は接点間のそれぞれに接続すると降下的である。
ダイオード方式		×	○	コイルに貯えられたエネルギーを並列ダイオードによって電流の形でコイルへ流し、誘導負荷の抵抗分でジュール熱として消費させる。この方式はCR方式よりもさらに復帰時間が遅れる。	ダイオードは逆耐電圧が回路電圧の10倍以上のものを使用すること。
ダイオード+ツェナーダイオード方式		×	○	ダイオード方式では復帰時間が遅れすぎる場合に使用すると効果がある。	ツェナーダイオードのツェナー電圧は、環境により負荷が動作しない場合があるため、電源電圧×1.2倍程度のものを使用する。
バリスタ方式		○	○	バリスタの定電圧特性を利用して、接点間にあまり高い電圧が加わらないようにする方式。この方法も復帰時間が多少送れる。電源電圧が24～48Vの時は負荷間に、100～200V時は接点間のそれぞれに接続すると効果的である。	-

■ 2.2. 接点構成

マイクロスイッチの接点構成(接触形式)は、単極単投形(常時開路形、常時閉路形)、単極双投形(双断形も含む)、双極双投形などの種類があるが、接点構成で選定上留意すべきことは、用途上単極単投形でよい場合は、絶縁距離の確保、誤結線の防止という観点から、短投形専用の機種を採用するするのが望ましい。市販されているスイッチの大部分は双投形が基準となっており、特に数量的に需要の多いV形、S形については、単投形専用機種が準備されている。

■ 2.3. 負荷の種類と突入電流特性

負荷の種類によって、定常電流と突入電流に大きい差がある場合がある。図24に突入電流と時間的関係を、図25に代表的な負荷と突入電流を示す。遮断時の突入電流が大きいほど接点の消耗量が増大し、接点の溶着といった支障を生じる。突入電流値を測定し、選定するスイッチの余裕度を検討しておく必要がある。

図24　突入電流		図25　負荷の種類と突入電流

■ 2.4. 微小負荷

最近、ICなどの普及にともない微小負荷で使用する場合がかなり多くなってきた。ここでいう微小負荷回路とは、開閉の際アークを発生しない電圧、電流値以下のものを示す。この具体的な数値は接点材質によって多少異なり、銀または金接点の場合、電圧は8から20V、電流は0.25～1Aの範囲にアーク発生限界電圧、電流が存在する。銀は金属材料中で最も高い電気伝導度を持ち、貴金属としては安価であり、物理的性能は接点材料として適しているため、接点としては一番多く使用されている。しかし、銀は化学的性質が必ずしも満足の行くのもではない。すなわち、大気中で導電性の悪い酸化被膜を生成したり、硫化して黒色の硫化被膜をつくる。通常、酸化被膜にしてもきわめて初期の酸化被膜であれば、マイクロスイッチの特徴の一つである摺動作用(ワイピング)によって接点表面は機械的に洗浄されるし、アークの発生する負荷で使用されていれば、アーク熱により酸化銀は銀に還元され、アークを発生する条件では接点表面のほか高抵抗の被膜も破壊されるため、ある程度接触抵抗は低下する。

つまり、微小電流の接触抵抗計で接触抵抗が高く測定される場合でも、負荷がアークが発生する電圧電流以上であれば使用上問題はまずない。

ところが、微小負荷回路では摺動作用以外に接触抵抗の降下は期待できない、

従って、接点材料としては化学的に安定した貴金属接点として、金、金合金、金-銀-白銀、銀-パラジュウム、などを使用することが必要である。価格的に制約があり、周囲雰囲気、負荷電圧、使用目的などから場合によっては金メッキをした銀接点の使用も可能であるがメッキのときはピンホールなどの問題が生じてくるので使用にあたってはメッキ厚、メッキの方法などを考慮する必要がある、銀接点、金メッキ接点、金接点及び金接点の双子形のマイクロスイッチを6VDC-0.1Aの抵抗負荷で30,00回開閉試験を行い接触抵抗値を測定した結果を表27に示す。また、マイクロスイッチの負荷電圧、電流に対する接点材料の選択の目安を図26に示す。

表27　接点材質と最大接触抵抗値

接点材質	銀接点	金メッキ接点	金接点	金接点(分割形)
最大接触抵抗(mΩ)	500	290	120	25
接触抵抗値の変化状況	変化が大きく開閉回数に応じて漸増傾向にある	比較的変化は小さいが、バラツキが大きい	変化は小さい	開閉回数に関係なく安定している

	この図において金または銀が接点材料として選択できる場合は、具体的な負荷条件、周囲環境条件、動作条件を加味してできるかぎり1ランク上のものを選択することをすすめる。なお、金を合金としてではなく使用した接点では、金がやわらかく、溶融点が低いことから、長寿命を期待する場合は0.4A以下に電流を制限することが望ましい。接触抵抗、接触の安定性は、接点形状と密接な関係があり、接点の接触抵抗は境界抵抗と集中抵抗とから成り立ち、接点接触力が十分高ければ集中抵抗だけの問題となる。従って、接点は接触力を高める接点形状が望ましく、微小負荷回路用として代表的なものにはクロスバー形(図27)がある。また、接点接触力が一定レベル以上とれるならば、2箇所で接触する双子形は、単一接点の場合に比べ、一方の接点が接触不良を発生した場合に、もう一方の接点が接触するという、冗長性をもつために接触安定性に優れている。		図26　負荷電圧、電流に対する接点材質の選択のめやす

			図27　接点形状

■ 3. 耐環境性能とスイッチの選定

マイクロスイッチを常温、常湿の室内で周囲条件の良好な場所で使用する場合は問題ないが、振動や衝撃のひどい場所、温度や湿度の高い場所、水や油のかかる場所など、周囲条件悪いところでの使用が非常に多い。NECA規格及びJISで個々に環境性能については規定してあるが、実際の使用環境は各種の条件が複合されているので、使用条件を十分把握したスイッチの選定が必要である。

■ 3.1. 周囲条件

標準的なマイクロスイッチの反転機構部は、プラスチック製ケースに覆われていてある程度の防塵効果は期待できるが、保護構造区分からはあくまでも開放形である。従って、じんあいの多い場所、水や油などの飛散する場所での使用は不適であり、取付場所によってはスイッチを保護もしくは、防塵・防滴・防水構造のスイッチを選定する必要がある。

硫化水素、二酸化硫黄などの腐食性ガス雰囲気に対しては、腐食性ガスに強い金または金合金系接点を採用するなど、接点材質に対する配慮をしたスイッチの選定が必要であるが、より高い接触信頼性の確保が必要な場合は、完全機密形のマクロス位置あるいは接点がガラス管に封入されているリードスイッチを内蔵したマイクロスイッチを選定すべきである。

■ 3.2. 振動・衝撃

マイクロスイッチには振動、衝撃に強いものと比較的弱いものがあるので選択の上で考慮する必要がある。一般的には、スイッチの動作に必要な力(OF)の低いものほど振動、衝撃には弱い。また補助アクチュエータなどが付いた場合も弱くなり、OFの高いものほど強くなる。

アクチュエータの種類による衝撃許容限界値を表19に示す。衝撃によってはスイッチが破損する限界はこれよりはるかに大きい。

振動の場合は、基本的な考え方は衝撃と同じである。振動を与えるとマイクロスイッチにはいろいろな変化が生じる、第一に問題となるのは開閉寿命であるが、比較的遅い操作速度での開閉では振動により動作の不安定状態が長く続き、接点の消耗をいちじるしく速めることになり、一般には寿命は短くなる。特に軽作動形のスイッチでは振動、衝撃ともに接点の消耗が早く、寿命を短くする。

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