JP2003086069A - 温度スイッチ及び温度スイッチ付き回路板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バイメタルを用いた小型で、かつ長期作動安定
性に優れた復帰型の温度スイッチを提供する。 【解決手段】絶縁基板１上に第１電極２１と第２電極２
２を設け、バイメタル３の一端を一方の電極２１に溶接
等で固定し、該バイメタル３の他端と他方の電極２２の
それぞれに接点５，５を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバイメタルを用いた
温度スイッチ及び温度スイッチ付き回路板に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、バイメタルを用いた復帰型の温度
スイッチとして、図５の（イ）に示すように、固定導体
板１’の一端とバイメタル３’の一端とを絶縁スペーサ
４’を介して共締めし、固定導体板１’の他端とバイメ
タル３’の他端に接点５’，５’を設けたものや、図５
の（ロ）に示すように、可動導体板３０’の一端と固定
導体板１’の一端とを絶縁スペーサ４’を介して共締め
すると共にバイメタル３’の一端を可動導体板３０’の
一端に固定し、固定導体板１’の他端と可動導体板３
０’の他端に接点５’，５’を設けたもの等が知られて
いる。

【０００３】こられの温度スイッチ中、図５の（イ）に
示す温度スイッチでは、温度上昇に伴うバイメタル３’
の湾曲変形により所定の温度で接点５’，５’間がたと
えば閉じられ、所定温度以下への降下で接点が開かれ
る。而して、バイメタル自体が可動導体板の役目を兼備
している。他方、図５の（ロ）に示す温度スイッチで
は、温度上昇に伴うバイメタル３’の湾曲変形により可
動導体板３０’が弾性的に曲げ変形されて所定の温度で
接点５’，５’間がたとえば閉じられ、温度降下に伴う
バイメタル３’の復帰変形に追従して可動導体板３０’
が弾性的に復帰変形されて所定温度以下への降下で接点
５’，５’間が開かれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図５の（イ）におい
て、バイメタルの平温時での曲げ半径を∞、すなわち平
温時で一直線状とすれば、昇温ｔでの曲げ半径ｒは

【数１】１／ｒ＝Ｋｔ （１） で与えられる。ここで、Ｋはバイメタルにおける両金属
間の熱膨張係数差や各金属のヤング率や断面２次モーメ
ントにより定まる定数であり、たとえば、バイメタルに
おける両金属の厚みが等しい場合、各金属の熱膨張係数
をαｍ，αｓ（αｍ＞αｓ）、各金属のヤング率をＥ
ｍ，Ｅｓ、バイメタルの厚みをｈ、巾をｂとすると、

【数２】 ｛４（ＥｓＩｓ＋ＥｍＩｍ）（Ｅｓ＋Ｅｍ）/（ｂｈ^２ＥｓＥｍ)＋ｈ/２｝／ｒ ＝（αｍ−αｓ）ｔ ――――（２） で与えられる。式（２）において、Ｉｓ、Ｉｍは各金属
の断面２次モーメントであり、両金属の厚みが共にｈ／
２であるから、

【数３】 Ｉｓ＝Ｉｍ＝ｂ（ｈ／２）3／１２＝ｂｈ^３／９６ であり、従って、式（２）より

【数４】１／ｒ＝（αｍ−αｓ）ｔ／ｈ｛（Ｅｓ＋Ｅ
ｍ）^２／（２４ＥｓＥｍ）＋１／２｝ が成立する。

【０００５】而るに、図５の（イ）に示す温度スイッチ
において、接点間のギャップ距離をＨ、昇温作動温度
（作動温度と平温との差）をＴとすれば、バイメタルの
長さＬ（最小長さ）は

【数５】 Ｌ＝｛２Ｈ／（ＫＴ）｝^１／２ （３） で与えられ、昇温作動温度Ｔが同一値のもとで、ギャッ
プ距離Ｈを小さくするほど、バイメタル長さＬを短くで
きる。また、

【数６】 Ｔ＝２Ｈ／（ＫＬ^２） （４） が成立し、接点間のギャップ距離Ｈの変動ΔＨに対し、
昇温作動温度Ｔが

【数７】 ΔＴ＝２ΔＨ／（ＫＬ^２） （５） だけ、ずれることになる。

【０００６】而るに、前記図５の（イ）に示した温度ス
イッチでは、バイメタル３’の一端と固定導体板１’の
一端とを絶縁スペーサ４’を介して共締めしてあり、絶
縁スペーサ側面の鉛直方向ｙの沿面絶縁強度上、そのス
ペーサ４’の高さ（厚み）を所定の厚み以上に設定する
必要があるから、前記接点のギャップ距離Ｈをある程度
大きくせざるを得ず、式（３）から明らかなように、バ
イメタル長さＬの相当の長尺化が余儀なくされる。ま
た、絶縁スペーサ、たとえばプラスチックスペーサで
は、内部歪（結晶化歪や成形歪）や大きな熱膨張による
寸法の不安定性が避け難く、接点間のギャップ距離の変
動ΔＨを無視し得ず、式（５）から明らかなように、接
点のギャップ距離の変動ΔＨによる作動温度のずれΔＴ
の発生が懸念される。

【０００７】前記図５の（ロ）に示した温度スイッチで
は、温度上昇によりバイメタル３’に発生する曲げモー
メントで可動導体板３０’を弾性的に曲げ変形させてお
り、力学的には、図５の（イ）に示した温度スイッチに
対し、前記の断面２次モーメントＩｍまたはＩｓが増大
されて式（１）における定数Ｋが小さくされたものと見
做すことができるから、可動導体板３０’の一端と固定
導体板１’の一端とを絶縁スペーサ４’を介して共締め
している以上、前記と同様の事由で、可動導体板長さの
相当の長尺化や接点のギャップ距離の変動ΔＨによる作
動温度のずれΔＴの発生が避けられない。

【０００８】本発明の目的は、バイメタルを用いた小型
で、かつ長期作動安定性に優れた復帰型の温度スイッチ
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る温度スイッ
チは、絶縁基板上に第１電極と第２電極を設け、バイメ
タルの一端を一方の電極に固定し、該バイメタルの他端
と他方の電極のそれぞれに接点を設けたことを特徴とす
る構成である。

【００１０】本発明に係る他の温度スイッチは、絶縁基
板上に第１電極と第２電極を設け、バイメタルの一端
と、バイメタルにより曲げ変形される可動導体板の一端
を一方の電極に固定し、前記可動導体板の他端と他方の
電極のそれぞれに接点を設けたことを特徴とする構成で
ある。

【００１１】何れの温度スイッチにおいても、バイメタ
ル一端の一方の電極への固定を溶接またはろう接により
行なうこと、絶縁基板にセラミックス板または繊維強化
樹脂板を用いること、電極を導電性ペースト、金属箔、
めっき、蒸着等により設けること、接点を耐食性の導電
性金属のめっきで設けること、バイメタルに代え、所定
温度で曲げ変形する形状記憶合金を用いることができ
る。

【００１２】本発明に係る温度スイッチ付き回路板は、
回路板の導体パターン中に第１電極と第２電極を設け、
バイメタルの一端を一方の電極に固定し、該バイメタル
の他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けたことを特
徴とする構成である。

【００１３】本発明に係る他の温度スイッチ付き回路板
は、回路板の導体パターン中に第１電極と第２電極を設
け、バイメタルの一端と、バイメタルにより曲げ変形さ
れる可動導体板の一端を一方の電極に固定し、前記可動
導体板の他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けたこ
とを特徴とする構成である。

【００１４】これら何れの温度スイッチ付き回路板にお
いても、バイメタル一端の一方の電極への固定を溶接ま
たはろう接により行なうこと、絶縁基板にセラミックス
板または繊維強化樹脂板を用いること、電極を導電性ペ
ースト、金属箔、めっき、蒸着等により設けること、接
点を耐食性の導電性金属のめっきで設けること、バイメ
タルに代え、所定温度で曲げ変形する形状記憶合金を用
いことができる。

【００１５】本発明において、バイメタルには、異なる
熱膨張係数の二層の金属を備え、温度変化に応じその熱
膨張係数の差に基づき湾曲するものが全て包含され、例
えば、二枚の金属板の間に、両金属の中間の熱膨張係数
の導電性金属を付加した、所謂、トリメタルも含まれ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１の（イ）は本発明の
一実施例を示す平面図、図１の（ロ）は図１の（イ）に
おけるロ−ロ断面図である。図１において、１は絶縁基
板であり、たとえば、セラミックス板、繊維強化樹脂板
（たとえば、ガラスエポキシ樹脂板）を用いることがで
きる。２１及び２２は絶縁基板１上に設けた第１電極及
び第２電極であり、焼成型導電性ペースト（通常、粒状
導電材料とガラスフリットと有機溶剤とからなる）の印
刷・焼成、ポリマー型導電性ペースト（通常、粒状導電
材料と合成樹脂と有機溶剤とからなる）の印刷・焼付
け、金属箔の張付け・エッチング、金属のマスキングめ
っきや蒸着等により設けることができる。この焼成型導
電性ペーストとしては焼成型銀ペーストを、ポリマー型
導電性ペーストとしてはエポキシ樹脂銀ペーストやはエ
ポキシ樹脂銅ペーストを例示できる。３はバイメタルで
あり、一端を何れか一方の電極、たとえば第１電極２１
に金属スペーサ４を介してスポット溶接等により溶接固
定してある。この溶接に代え、ろう接することもできる
（勿論、ろう材には、温度スイッチの使用温度範囲より
も充分に高い融点のものが使用される）。電極２１をポ
リマー型導電性ペーストで形成する場合、電極２１に金
属スペーサをポリマー型導電性ペーストで固定し、つい
で、金属スペーサにバイメタルの一端を溶接またはろう
接することができる。５，５は、バイメタル３の他端側
及び他方の電極例えば第２電極２２に設けた接点であ
り、耐食性の導電性金属の被着、たとえば金めっきによ
り設けることができる。上記電極の材質の如何によって
は、金めっきに対する下地処理が施される。例えば、電
極を導電性ペーストの印刷・焼成若しくは焼き付けによ
り設け、電極２２上の接点５を無電解金めっきにより設
ける場合は、下地処理として、ニッケルの無電解めっき
を施すことができる。６，６は各電極に溶接またはろう
接等により接合したリード導体である。

【００１７】上記温度スイッチにおいては、使用条件の
如何によっては、絶縁カバーで保護することができる。
例えば、リード導体の上面を平温時のバイメタル上面に
等しいか、やや高くし、バイメタル付き絶縁基板に図２
の（イ）（平面図）及び図２の（ロ）（側面図）に示す
ように、熱収縮性プラスチックチューブを挿通のうえ熱
収縮させて緊張状態で包囲させることができる。この場
合、プラスチックフィルムによるバイメタル上面の加圧
を排除でき、接点間のギャップ距離を所定値に安定に保
持できる。

【００１８】上記温度スイッチにおいて、平温時、すな
わちバイメタルが一直線状にある時の接点間のギャップ
距離Ｈｏは、気中（空気中）絶縁強度と使用電圧との協
調より設定される。而るに、温度上昇ｔでのバイメタル
の曲げ半径をｒが、前記式（１）の通り、１／ｒ＝Ｋｔ
で与えられ、温度スイッチの昇温閉作動温度をＴとすれ
ば、バイメタルの必要長さＬｏは、前記の式（３）によ
り、

【数８】 Ｌｏ＝｛２Ｈｏ／（ＫＴ）｝^１／２ （６） で与えられる。ここで、空気の気中絶縁強度が、図５の
（イ）に示す従来の温度スイッチでの絶縁スペーサ側面
の鉛直方向ｙに沿っての沿面絶縁強度に較べて相当に高
く、Ｈ＞Ｈｏであるから、Ｌ＞Ｌｏになり、本発明に係
る接点間のギャップ距離Ｈｏの温度スイッチでは、図５
の（イ）に示す、接点５’，５’間のギャップ距離がＨ
の従来の温度スイッチに較べ、バイメタルの長さを短く
できる。また、本発明に係る温度スイッチでは、バイメ
タル３の一端を絶縁基板１上の固着電極２１に金属スペ
ーサ４を介し溶接等で固定することにより上記接点での
ギャップ距離Ｈｏを保持しており、図５の（イ）に示す
温度スイッチのように、プラスチック等の絶縁スペーサ
４’を介して接点間５’，５’でのギャップ距離Ｈを保
持する場合に較べ、絶縁スペーサの内部歪や熱膨張収縮
歪をよく排除して安定固定により接点間ギャップ距離の
不変性を充分に保証できるから、式（５）におけるΔＨ
を僅小に抑えて昇温作動温度誤差ΔＴの発生を効果的に
防止できる。

【００１９】図３は本発明の別実施例を示す断面図であ
り、図３の（イ）は平温時の接点間閉の状態を、図３の
（ロ）は昇温時の接点間開の状態をそれぞれ示してい
る。図３において、１は絶縁基板であり、前記と同様、
セラミックス板、繊維強化樹脂板等を用いることができ
る。２１及び２２は絶縁基板１上に設けた第１電極及び
第２電極であり、前記と同様に焼成型導電性ペーストの
印刷・焼成、ポリマー型導電性ペーストの印刷・焼付
け、金属箔の張付け・エッチング、金属のマスキングめ
っきや蒸着等により設けることができる。３はバイメタ
ルであり、一端を何れか一方の電極、たとえば第１電極
２１に溶接やろう接により固定してある。５，５は、バ
イメタル３の他端側及び他方の電極例えば第２電極２２
に設けた接点であり、耐食性の導電性金属の被着、たと
えば金めっきにより設けてある。上記電極の材質の如何
によっては、前記と同様に、電極２２に金めっきに対す
る下地処理を施すことができる。図３には現われていな
いが、各電極にはリード導体が溶接またはろう接等によ
り接合されている。上記温度スイッチにおいては、使用
条件の如何によっては、前記と同様に、熱収縮性プラス
チックチューブ等の絶縁カバーで保護することができ
る。

【００２０】図３に示す実施例においては、前記の昇温
作動温度Ｔで、接点間のギャップ距離が実質的に前記Ｈ
ｏになるようにバイメタル３の長さを設定してあり、こ
のバイメタル長さは前記したＬｏに実質的に等しい。ま
た、バイメタル３の一端の固定を溶接等の機械的に安定
な支持機構で行なっているから、この昇温作動温度Ｔで
の接点間のギャップ距離Ｈｏを長期間経過後の多数回開
閉後でも当初のままに保持できる。従って、図３に示す
実施例においても、前記実施例と同様に、温度スイッチ
の小型化と長期作動安定性を保証できる。

【００２１】上記何れの実施例においても、可動体とし
てバイメタルのみを用いているが、図４に示す各実施例
のように、バイメタルとバイメタルにより曲げ変形され
る可動導体板とを用いることもできる。図４に示す実施
例において、１は絶縁基板である。２１及び２２は絶縁
基板１上に設けた第１電極及び第２電極である。３はバ
イメタル、３０はバイメタル３に接触された可動導体板
であり、これら３，３０の一端を何れか一方の電極、た
とえば第１電極２１に金属スペーサ４を介し溶接やろう
接により固定してある。５，５は、可動導体板３０の他
端側及び他方の電極例えば第２電極２２に設けた接点で
あり、耐食性の導電性金属の被着、たとえば金めっきに
より設けてある。図４には現われていないが、各電極に
はリード導体が溶接またはろう接等により接合されてい
る。上記温度スイッチにおいては、使用条件の如何によ
っては、前記と同様に、熱収縮性プラスチックチューブ
等の絶縁カバーで保護することができる。

【００２２】図４に示す実施例では、平温において接点
が前記したギャップ距離Ｈｏで開かれてり、昇温に伴う
バイメタル３の下に凹の湾曲変形により可動導体板３０
が弾性限界内で曲げ変形されて所定の昇温作動温度で接
点５，５間が閉じられる。

【００２３】本発明に係る温度スイッチにおいては、上
記バイメタルに代え昇温作動温度で実質的に前記接点間
のギャップ距離だけ変形する形状記憶合金を用いること
もできる。

【００２４】また、本発明は、温度スイッチが搭載され
る回路板、例えば、２次電池パックに２次電池と共に収
納される２次電池の過充電・過放電防止回路における回
路板の導体パターン中に第１電極と第２電極を設け、バ
イメタルの一端を一方の電極に固定し、該バイメタルの
他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けた形態、また
は回路板の導体パターン中に第１電極と第２電極を設
け、バイメタルの一端と、バイメタルにより曲げ変形さ
れる可動導体板の一端を一方の電極に固定し、前記可動
導体板の他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けた形
態で実施することもできる。

【００２５】

【実施例】〔実施例１〕図１において、平面寸法３ｍｍ
×５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのアルミナセラミック基板を
使用し、焼成型銀ペーストの印刷・焼成により電極を形
成し、接点側の電極、すなわち第２電極側に下地ニッケ
ル無電解めっきのうえ無電解の金めっきを施した。ま
た、バイメタルの一端側に無電解の金めっきを施し、そ
のバイメタルの他端側を第１電極に厚み０．２ｍｍの燐
青銅製スペーサを介してスポット溶接し、更に、各電極
にリード導体を溶接し、図２に示すように、熱収縮性プ
ラスチックチューブを被覆して温度スイッチを製作し
た。この温度スイッチは作動温度１０１℃〜１０２℃に
設計してあり、サンプル数５０箇でエージング試験（オ
ーブン中において、９０℃〜１１０℃の温度範囲で速度
０．５℃／分にて昇温・降温を繰り返す）を行なったと
ころ、１０００サイクル経過後でも、スイッチオン温度
が１０１．６〜１０２．１℃にあり、オフ温度が１０
０．１〜１００．９℃であり、長期作動安定性を確認で
きた。

【００２６】〔実施例２〕実施例１に対し、電極を焼成
型金ペーストの印刷・焼成により形成し、バイメタルに
代え、１００℃で急激に湾曲変形する形状記憶合金を使
用した。この形状記憶合金の一端側に無電解の金めっき
を施し、形状記憶合金の他端を第２電極にスポット溶接
して温度スイッチを製作した。この温度スイッチの作動
温度と復帰温度とを大気雰囲気の加熱オーブンを用いて
測定したところ、作動温度１０５℃、復帰温度１００℃
であつた。更に、エージング試験を行なったところ、こ
の温度特性を実質的な変化なく保持できることを確認で
きた。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係るバイメタル使用の温度スイ
ッチにおいては、接点間の絶縁に必要なギャップ距離を
回路電圧と気中絶縁強度との協調から設定でき、そのギ
ャップ距離を充分に小さくできるから、バイメタルの同
一の曲げ半径のもとで（従って、同一の昇温作動温度の
もとで）、バイメタルの長さを短くでき、温度スイッチ
の縮小化を図ることができる。また、バイメタルの一端
を溶接やろう接で固定でき、前記平温時の接点間ギャッ
プ距離を長期にわたり安定に保持できるから、ギャップ
距離の変動に基づく昇温作動温度のずれを排除でき、長
期安定な作動性を保証できる。更に、バイメタルを一直
線状で使用でき、接点間ギャップ距離の調整のためにバ
イメタルを曲げ加工する場合には必要な焼鈍等の熱処理
が不要であり、製作も容易である。特に、請求項２記載
の温度スイッチでは、可動導体板により電導性が保証さ
れ、バイメタルの曲げ特性を電導性にとらわれることな
く所望特性に容易に設定でき、かかる点からも製造上有
利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例を示す図面である。

【図２】図１に示す温度スイッチのカバーによる保護構
造を示す図面である。

【図３】本発明に係る上記とは別の実施例を示す図面で
ある。

【図４】本発明に係る上記とは別の実施例を示す図面で
ある。

【図５】従来例を示す図面である。

【符号の説明】

１ 絶縁基板 ２１ 第１電極 ２２ 第２電極 ３ バイメタル ３０ 可動導体板 ４ 金属スペーサ ５ 接点

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板上に第１電極と第２電極を設け、
   バイメタルの一端を一方の電極に固定し、該バイメタル
   の他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けたことを特
   徴とする温度スイッチ。
2. 【請求項２】絶縁基板上に第１電極と第２電極を設け、
   バイメタルの一端と、バイメタルにより曲げ変形される
   可動導体板の一端を一方の電極に固定し、前記可動導体
   板の他端と他方の電極のそれぞれに接点を設けたことを
   特徴とする温度スイッチ。
3. 【請求項３】一方の電極における固定が溶接またはろう
   接により行なわれている請求項１または２記載の温度ス
   イッチ。
4. 【請求項４】絶縁基板がセラミックス板または繊維強化
   樹脂板である請求項１〜３何れか記載の温度スイッチ。
5. 【請求項５】電極が導電性ペースト、金属箔、めっき、
   蒸着等により設けられている請求項１〜４何れか記載の
   温度スイッチ。
6. 【請求項６】接点が耐食性の導電性金属の固着で設けら
   れている請求項１〜５何れか記載の温度スイッチ。
7. 【請求項７】バイメタルに代え、所定温度で曲げ変形す
   る形状記憶合金が用いられている請求項１〜６何れが記
   載の温度スイッチ。
8. 【請求項８】回路板の導体パターン中に第１電極と第２
   電極を設け、バイメタルの一端を一方の電極に固定し、
   該バイメタルの他端と他方の電極のそれぞれに接点を設
   けたことを特徴とする温度スイッチ付き回路板。
9. 【請求項９】回路板の導体パターン中に第１電極と第２
   電極を設け、バイメタルの一端と、バイメタルにより曲
   げ変形される可動導体板の一端を一方の電極に固定し、
   前記可動導体板の他端と他方の電極のそれぞれに接点を
   設けたことを特徴とする温度スイッチ付き回路板。
10. 【請求項１０】バイメタルに代え、所定温度で曲げ変形
    する形状記憶合金が用いられている請求項８または９記
    載の温度スイッチ付き回路板。