JP2004319487A - スィッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動接触子をもったスィッチ装置では、接触子を開閉する電圧が接触子を構成している材質固有のアーク電圧を超えた場合、アーク放電を起す問題がある。アーク放電は接触子部分の劣化の原因となる。
【解決手段】可動の接触子(7)と、固定の接触子(8)、(9)と、可動と固定の両接触子の間に設けられた可変抵抗素子(20）とからなり、可変抵抗素子(20)は、移動する可動接触子(7)により押圧力を受けることにより電気抵抗を減じて接触子(7)、(8)、(9)が接触状態になる前にスイッチ装置内に導通路を形成することを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、接触により電気的接点を形成する1個または複数の電気的接触子をもったスィッチ装置に関する。

可動接触子をもったスィッチ装置では、接触子を開閉する電圧が接触子を構成している材質固有のアーク電圧を超えた場合、アーク放電を起す問題がある。アーク放電は接触子部分の劣化の原因となる。

この問題は、スイッチ電力が蓄積電荷(capacitative loads)を上げてくるとより深刻である。この場合、接触子が接触し合った瞬間に突発的に大電流が流れて強力なアークを発生し、それにより接触部は損傷し、スィッチ装置の寿命を著しく短めることになる。

電磁スイッチに代わるものとしてソリッド・ステート・スイッチ装置が開発された。ソリッド・ステート・スイッチ装置ではスイッチの抵抗が指数関数的に(exponentially)減少するため、突発的な大電流の負荷は防止される。加えて、電気エネルギーはスイッチ装置の母体素子に吸収されるのでアーク放電を起すことはない。

しかし、現時点においてこのソリッド・ステート・スイッチ装置は電磁スイッチが特徴としている軽い接触圧が実現できない。さらに、ソリッド・ステート・スイッチ装置内に発生する熱エネルギーの放散が容易ではない。加えて、ソリッド・ステート・スイッチ装置用の高電流接触子の製造が困難である。

QTC(quantum tunnelling composite)または可変性抵抗素子は広く知られている。こうした素子は、圧縮力、捻りなどの機械的力の掛け方によって電気的に不導体から良導体に、またはその逆であったり千差万別である。QTC素子の抵抗は、機械的力の付加とともに低下し、軽減とともに増大する。

國際出願WO 01/88935 A1号はQTC素子を使った可撓性スイッチ装置を開示している。このスィッチ装置は、2枚の繊維素子層間にQTCシートをサンドイッチ状に介在させている。繊維層は電極となり、外部回路に接続されている。二層の圧接によりその繊維電極に対する圧力はQTC素子に対する加圧となり、それによりQTC素子の電気抵抗は減り繊維層電極間を電流が流れることになる。加圧が解除されるとQTC素子の電気抵抗は増し、やがて電気の流れは止まる。

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するために、接触し合う1個または複数の電気接触子をもったスィッチ装置を提供する。

本発明の第１の態様によるスィッチ装置は、少なくとも一方が他方に対し可動に構成されて相接触することにより電気的接点を形成する第1、第２の電気的接触子からなる一組の接触子と、両接触子の間に設けられた可変抵抗素子とからなり、可動接触子は両接触子が非接触の「開」位置と、接触した「閉」位置の間を移動し、可変抵抗素子は、移動する可動接触子により押圧力を受けることにより電気抵抗を減じて第１と第２の両接触子が接触するに前にスイッチ装置内に導通路を形成することを特徴としている。

可変抵抗素子の素子は、機械的力を受けると電気抵抗が低下する性質のものであれば特に制約はない。一例として國際出願PCT/GB99/00205に開示されたものがあり、同文献を本明細書に参考文献として合体する。

可変抵抗素子の形は問わない。接触部分だけにコーティングを施したものでもよいが、好ましくは、立体的形状(form of a body)がよい。

可変抵抗素子は直接または間接に第１または第２の電気接触子に接続されても、または、接触子の一つまたは両方と離してもよい。さらに、接触子に接続したものと、接触子と離したものの両方を併用してもよい。可変抵抗素子は、一つまたはそれ以上の接触子の動きによって機械的力がかかるように設けられる。これにより可変抵抗素子は、スィッチ装置に電通路を形成する上で第１と第２の接触子の橋渡し的機能を果たすことになる。

可変抵抗素子に加わる機械的力の種類は問わないが、加圧に応じて電気抵抗が小さくなるものでなければならない。それは、素子の組成や構成による。たとえば、圧縮力(compression force)、伸張力(stretching force)、捻り力(twisting force)が適しており適宜抵抗素子に加えられる。

接触子が開かれているとき（「開」状態）では、可変抵抗素子にはほとんど力が加わらないのが望ましいが、両接触子との接触自体は差し支えない。または、「開」状態で抵抗素子が第１、第２接触子の少なくとも一つと離れていてもよい。「開」状態で抵抗素子が両接触子に接触しているときは、接触圧があり過ぎて抵抗素子の電気抵抗を減らしその結果電極に電流が流れるようなことがないようにする必要がある。第１、第２の両接触子は一方が他方に対し移動可能である。

本発明の第２の態様によるスィッチ装置は、第１、第２、第３の３個またはそれ以上の接触子を有している。第３の接触子を、開き状態から閉状態に移動できるようにする。開き状態では第３の接触子は第１、第２の接触子のいずれとも接触することはなく、閉状態ではいずれかと接触する。または、同スイッチ装置を、接触子が閉位置にあるとき一つのスイッチ装置が、他の二つのスイッチ装置の架橋となるように配置する。この場合、架橋接触子、他の二つの接触子、または、三個全部の接触子のいずれかが移動可能としてもよい。

もし、スィッチ装置が３個以上を含むとき、可変抵抗素子は接触子の一つだけの接触点に対応して設置し、他の２以上の接点には適当に設置する。好ましくは、可変抵抗素子は、接触子の各接点に対応して設置する。

本発明によるスイッチ装置の利用範囲は広い。特に、段階的スイッチングが望ましいスィッチ装置、たとえば、トリップ・スイッチ、バッテリ遮断スイッチ、光開閉スイッチ、電気ソッケト・スイッチ、電動ドリルなどの電気機械的スイッチの応用に適している。

本発明によるスイッチ装置は、いかなる電圧にも対応できるように設置される。一例として、500Vまで（500Vを含む）のいかなる電圧にも対応できる。

接触子の形状は問わない。従来から種々のタイプの接触子が知られている。接触子については以下に述べる本発明の第２の態様のものをその一部に、または全部に使ってもよい。

上記第１実施例の作用を説明する。スイッチ装置が入力されると、可動接触子は他方接触子方向に動いて「開」状態から「閉」状態になる。可動接触子の動きに伴って可変抵抗素子は可動接触子と固定接触子の間にあって徐々に押圧力を受ける。押圧力が加わると抵抗素子固有の抵抗は指数関数的に低下する。その結果スイッチ装置を流れる電流の量は大きくなる。両接触子が完全に接触状態になると、スイッチ装置内の電通路は完成する。スイッチ装置の通電を切ると可動接触子は固定接触子から離れ、抵抗素子は押圧力から解放される。その結果、抵抗素子の電気抵抗が指数関数的に増大し、電気の流れは止まる。

第１の態様の利点は、スイッチ装置を流れる電気が、接触子が「開」から「閉」状態に移動するに伴い徐々に増大し、「閉」から「開」状態に移動するに伴いスイッチ装置の電流は弱くなる。したがって、スイッチ装置内のアーク放電は皆無でないまでも、かなり低減される。

第２の態様について述べる。ここでは一組の接触子があり、これらは少なくとも一つの接触面をもった第１の固定接触子と、第２の接触子で第１の固定接触子に対し移動自在で、第１と第２の接触子が相接触した状態の「閉」の状態と、第１と第２の接触子が離脱した状態の「開」の間で接触子は移動する。第２の接触子は、凸状の曲面をもった接触面を有し、第２の接触子は第１の接触子の電気的接触面の横軸周りに回転できるようになっている。第１の接触子の電気的接触面は平面または凸面に形成される。

第２の態様によるスイッチ装置において一対の接触子はスイッチ装置内における唯一の接点を形成する。または、一対の接触子によって分岐スイッチ(multi-point switch)の一つまたはそれ以上の接点を形成するようにしてもよい。

第２の態様において、第１、第２の接触子の片方または両方の電気的接触面は、接触子の表面そのものでよい。

上記第２の態様の変形として、第１、第２の接触子の少なくとも一方の電気的接触面を立体状の接触体(contact body)上に設けた別体の素子(element)で形成する。接触体は少なくとも一つの接触面を有している。接触面は直接または間接に接触体に設けられる。各接触面は接触体に対し固定しても、移動自在に取り付けてもよい。

可動接触子の回転は、たとえば、ばねを使うなど適宜方法により行われる。好ましくは、可動接触子は電機子(armature)に搭載し、接触子は、ばねを介して電機子の適所に設ける。電機子は第１、第２の接触子に対し傾斜した面に設けることが好ましい。これによりばねの作用によって可動接触子を強制的に電機子の傾きに対応して傾斜させる。したがって、可動接触子が「開」位置にあるときは固定接触子に対し傾斜することになる。

可動接触子が「閉」の位置に移動するに従い可動接触子と一体となった電機子は固定接触子方向に動き、ばねの作用によって可動接触子を傾斜姿勢に維持する。可動接触子が固定接触子と接触状態になると、電機子は、可動接触子を電機子から離すだけの十分の距離を移動し続ける。ばねの作用により可動接触子は元の非傾斜姿勢に戻る。この場合、可動接触子は固定接触子と略並行になる。この結果、可動接触子は固定接触子に対して揺動する(rocking motion)ことになる。「閉」位置では、可動接触子は、ばねの可動接触子に対する圧力によって非傾斜姿勢をとりつつ安定する。この場合、固定接触子と略平行に維持される。

第２の態様は次のように操作される。「開」位置から開始するとして、第２の可動接触子が第１の固定接触子方向に動いて両接触子の接触面は接触して「閉」状態となる。第１、第２の接触子の接触面が当接すると、第２の接触面は横軸周りに回転して第２接触子の凸的曲状接触面を第１の接触面上を前後に揺動させる(rocking back and forth)。第２接触子の曲状接触面上の揺動による摩擦によって接触面上は清浄される。

本発明の第１の実施態様と第２の実施態様とを組み合わせてもよい。以下、本発明について詳説する。

図１に示すスイッチ装置は、底部と側壁とを有した本体6からなり、側壁は上部で開放されて開放端縁を形成している。第１と第２の固定接触子8、9は夫々が所属する側壁を貫通して設置される。各固定接触子8、9は、円形の透孔を有した本体6の外方に延びた突起と、本体の内方にあって上向きの接触面とを備えている。

蓋１が本体６の開放端縁に被せられる。蓋１の上面に可撓性のある薄膜13がリセット・ボタンとして形成され、また、ラッチング・ソレノイド4（以下、単にソレノイド）が本体６の下方部分に収納されて、後述するように係止機能を果す。ソレノイド4は磁石たとえば永久磁石16、およびソレノイド・コイル17とを有している。プリント基板（以下、PCBという)（図示省略）が設けられる。同プリント基板はマイクロスイッチ（図示省略）と外部に突出した一組のトリガ接触子12とを有している。実施にあたっては、トリガ接触子12は外部装置に電気的に接続されるが、その外部装置はバッテリとの遮断自在なもの、たとえば、短絡検知装置である。本発明のスイッチ装置はいかなる電圧のもとで使うことができる。たとえば、500Vまでの電圧（500Vを含む）で使うことができる。

PCBはソレノイド・コイル17を電源に接続するとともに接地する。支持体2がバッテリ遮断装置の内部に設けられる。支持体2は内部に空間を有し、その大きさはソレノイド4が自由に上下動できる程度である。支持体2の側壁は下部開放端縁15を形成している。

支持体2は水平方向に延びた架橋接触子7を有し、架橋接触子7の第１、第2の端部には凸状の接触面21が設けられる。これら接触面21は機械的、電気的に固定接触子8、9の上向きの接触面に接触できるよう設置されている。

支持体2はさらに、ソレノイド4の上方で支柱(strut)19に保持板（電機子armature)11を垂下した形で設けている。支柱19は、架橋接触子7に形成した透孔を通って、架橋接触子7の上面に立設された板ばね18に支持されている。保持板11は支持体2の磁性部となって、ソレノイド4により発生される磁界（永久または過渡的）に対応する。板ばね18と支柱19とは、保持板11が、板ばね18が偏倚し(biased)、架橋接触子7が固定接触子8、9と接触して「閉」位置のなった時点でソレノイド4の“やや”上方に垂下するように設置される。その“やや上方”とは具体的には、保持板11が永久磁石16の吸引力を受けてその結果保持板11が板ばね18の力に抗して引っ張られる距離である。

保持板11は固定接触子8、9に対して傾斜している（傾斜状況の図示は省略）。
保持板11は、図１に示す先端が後端より低め、または高めになるよう傾斜される。図１の架橋接触子7は、架橋接触子7が保持板11と接触した時点で図２における接触子106が示すのと同じになる。接触子7、8、9が「開」位置（図１の状態）にあるとき、架橋接触子7は自身の上のばね18の作用により傾斜した保持板11上に押し上げられて保持板11と同様の傾斜姿勢となる。

保持板11が、接触子7、8、9を「閉」状態にするためソレノイド4方向に押されるにつれ、架橋接触子7は、保持板11が停止する前に固定接触子8、9に接触する。したがって、架橋接触子7は傾斜した保持板11に接触することはない。架橋接触子7の板ばね18の作用によって架橋接触子7は、図２に示すように軸周りに回転し、架橋接触子7の凸的曲状接触面は、固定接触子8、9接触面上を前後方向に揺動する。架橋接触子7は最後には、架橋接触子7の上面の板ばね18による均一な荷重によって固定接触子8、9とほぼ平行の姿勢で安定する。

保持板11は別体として図示されているが、架橋接触子7の中心部がその機能を果たすことができる。その場合、別体の保持板も板ばねも共に省略することができる。

ばね5は、圧縮コイルばねでありソレノイド４と同心に設けられる。コイルばね5の一端は本体6の底部に、他端は支持体2の側壁下部開放端縁15に夫々当接される。こうしてコイルばね5は支持体2を装置の内部空間内において上方に偏倚させ、本体6の底部から離れる。

さらに、架橋接触子７の接触面21に近い両端部分に可変抵抗素子片20が取り付けられる。各抵抗素子片20は、架橋接触子7の図中底面から固定接触子8、9夫々の図中上向き面（接触面）に向いている。図１に示す「開」状態では、各抵抗素子片20は、僅かの加圧で固定接触子8、9の上向き面に接触できるように設置される。各抵抗素子片20は、接触子が「閉」位置になるとき、架橋接触子7の接触面が固定接触子8、9の接触面と事実上接触できる程度の大きさ(size)が必要である。

正常な「閉」状態では架橋接触子7により第1の固定接触子8から第２の固定接触子9に電流を流す。この「閉」状態においては可変抵抗素子20は圧縮されている。この「閉」状態は永久磁石16がコイルばね5の力に抗して保持板11を引き付けることにより保持される。

スィッチ装置が「閉」状態から「開」状態とするときは、プリント回路基板を通じて電気的インパルスを与えることで可能となる。インパルスは、通常外部に突出したトリガー接触子12に通電する外部電源によって発生される。しかし、スイッチ装置は、プリント回路基板に設けた手動のマイクロ・スイッチの作動によって「開」状態とすることができる。

電気的インパルスはソレノイド4のコイル17に伝達され、磁場を形成し、同磁場は永久磁石16の磁場を相殺する(counteract)。コイルばね5の力ば、永久磁石と過渡的磁場の複合純磁力に勝るので支持体2は上方に押し出されソレノイドから離脱して「開」状態となる。この「開」状態においては架橋接触子7は、固定接触子8、9から離脱し、保持板11により支持される。

架橋接触子7が固定接触子8、9から離脱するにつれ可変抵抗素子20にかかる圧縮力は漸減し、これにより同素子20の電気抵抗は増加する。これによりスイッチ装置を流れる電流は接触子が開くにつれ徐々に低減し、やがて抵抗素子20が固定接触子8、9より離脱すると電流は全くスイッチ装置内を流れることはなくなる。

スイッチ装置を手動でリセトする場合は、リセット・ボタン（薄膜）13を押すことで支持体2が押されて保持板11が、コイルばね5の力に抗して永久磁石16により引き付けられ、接触面21および接触子8、9は「閉」状態に保持される。

スイッチ装置がリセットされると、架橋接触子7が固定接触子8、9方向に移動し、各可変抵抗素子20は固定接触子8、9の接触面に接触して架橋接触子7が固定接触子8、9と電気的に接続される。架橋接触子7がそのまま固定接触子8、9方向に移動すると可変抵抗素子20は徐々に圧縮される。圧縮につれてその電気抵抗は減少し、スイッチ装置を流れる電気量は増す。スイッチ装置が完全に閉じられると、架橋接触子7の接触面21は、固定接触子8、9の上向き接触面と接触し、電流は第１固定接触子8から第２固定接触子9に無駄なく流れる。

図２は第１の固定接触子100を示す。この固定接触子は、支持体102と電気的接触面104とからなる。可動接触子106は、固定接触子100に対し傾斜しており、固定接触子100に対し接近・離脱自在である。可動接触子106は凸の曲面をなした接触面108を有している。

図２(a)は、「開」位置の固定接触子100および可動接触子106を示す。図２(b)は、第２の接触面108の曲面が第１の接触面104の平坦面と接触して接触子が閉じられた状態を示している。横軸Ａ周りに第２の接触子が回転することで第２の接触面108は第１の接触面104上を前後に揺動する。二つの接触面の接触摩擦によって接触面104、108は清浄される。図２(c)は接触子100、106が「閉」位置に安定した状態を示す。

上記した実施例はいずれも本発明の一例を示すものであり、発明の要旨内において種々の変更は可能であり、これらの実施例に限定されるものではない。

本発明のスイッチ装置の第１、第２実施例の概略断面図。 本発明の第２実施例の作用を説明する概略説明図。

符号の説明

2 支持体
5 コイルばね
6 本体
7 架橋接触子
8、9 固定接触子
11 保持板
12 トリガー・スイッチ
13 薄膜（リセット・スイッチ）
16 永久磁石
18 板ばね
20 可変抵抗素子
100 固定接触子
102 支持体
104 平坦接触面
106 可動接触子
108 円弧状接触面

Claims (14)

1. 少なくとも一方が他方に対し可動に構成されて相接触することにより電気的接点を形成する第１、第２の接触子と、両接触子の間に設けられた可変抵抗素子とからなり、可変抵抗素子は、移動する可動接触子により押圧力を受けることにより電気抵抗を減じて第１と第２の両接触子が接触するに前にスイッチ装置内に導通路を形成するように設定されたことを特徴とするスイッチ装置。
2. 可変抵抗素子は圧力の増加とともに抵抗値を減じる抵抗素材からなる請求項１に記載のスイッチ装置。
3. さらに第３の接触子を有することを特徴とした請求項1または２に記載のスイッチ装置。
4. 第１、第２、第３の接触子の内の一つは、接触子が「閉」位置にあるとき他の２個の接触子に対する架橋接触子となることを特徴とした請求項３に記載のスイッチ装置。
5. 可変抵抗素子は立体的形状として接触子の少なくとも一つに取り付けたことを特徴とする請求項1〜４のいずれかに記載のスイッチ装置。
6. スイッチ装置が「開」状態にあるとき、可変抵抗素子は接触子の一つだけと接触状態となることを特徴とした請求項５に記載のスイッチ装置。
7. 可変抵抗素子は、可動接触子が「開」状態から「閉」状態に移動するにつれその押圧力を受けて電気抵抗を減じることにより接触子同士が接触する前にスィッチ装置内に電流路を形成できる位置に設置されたことを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載のスイッチ装置。
8. 可変抵抗素子は、可動接触子が「開」状態から「閉」状態に移動するにつれて圧縮力を受けるように位置設定された請求項1〜７のいずれかに記載のスイッチ装置。
9. 可変抵抗素子は、スィッチ装置内の接点に対応して設置されたことを特徴とする請求項1〜８のいずれかに記載のスイッチ装置。
10. 第１の接触子は、少なくとも1個の接触子を有した固定接触子であり、第２の接触子は、固定接触子に対し「閉」状態と「開」状態の間を移動することができるとともに、外方に凸の曲面状の接触面を有し、かつ、固定接触子の接触面を横断する軸周りを回転することを特徴とした請求項1〜９のいずれかに記載のスイッチ装置。
11. 固定接触子の接触面はほぼ平面である請求項10に記載のスイッチ装置。
12. 固定接触子の接触面は外方に凸の曲面をなしている請求項11に記載のスイッチ装置。
13. 可動接触子は、接触子が「開」の状態にあるとき固定接触子に対し傾斜しており、固定接触子と接触するや、自身に加わる力によって回転して固定接触子と略平行状態となることを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載のスイッチ装置。
14. 可動接触子を回転させる力が、可動接触子に作用するばねにより与えられることを特徴とした請求項13に記載のスイッチ装置。
    

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