JP2006269380A - 電気接点とその製造方法、及びサーマルプロテクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 最終の故障モードを確実に不導通にすることができ、溶着することのない電気接点及びそれを用いた信頼性・安全性が大幅に向上したサーマルプロテクタを提供する。
【解決手段】 第１の導電層１２と、第１の導電層１２の表面に埋設された絶縁層１３と、絶縁層１３が埋設された側の第１の導電層１２と絶縁層１３とを覆って配置された第２の導電層１４とを含み、絶縁層１３は、その厚さ方向に形成された空孔１６を有し、空孔１６内には、第１の導電層１２ａが配置され、第１の導電層１２と第２の導電層１４とは、空孔１６内に配置された第１の導電層１２ａを介して導通している電気接点とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フェールセーフタイプの電気接点とその製造方法、及びその電気接点を用いたサーマルプロテクタに関する。

従来、小型モータなどの電気機器の異常時に生じる熱的変化を検知して接点を開閉することにより電気機器を保護する装置としてサーマルプロテクタが使用されている。このサーマルプロテクタは、例えば小型モータなどの電気機器に使用され、機器異常時の過電流による自己発熱及び雰囲気温度の上昇により、熱応動素子の反転復帰動作で固定側接点と可動側接点との開閉を行って電流を遮断することにより機器を保護している。

電気機器の異常により一旦作動したサーマルプロテクタは、その異常要因が解除されるまで一定周期で接点の開閉を繰り返す。このため、電気接点は、使用期間が長くなり、開閉頻度が高くなるにつれて周辺部材が劣化し、電気機器の異常時においても動作不能となって接点同士が接触状態となる場合がある。この接点同士の接触状態が発生すると、電流の遮断ができなくなり、電気機器を保護することが困難となる。

また、本来、電気接点は、開閉頻度が高くなるにつれてアーク放電による表面損傷が進み、表面が消耗することにより最終的には互いに溶着するという危険がある。この接点の溶着が発生すると、上記と同様に電流の遮断ができなくなり、電気機器を保護することが困難となる。

このため、サーマルプロテクタの最終の故障モードを不導通にして電流を遮断する必要があり、そのために導電部の内部に絶縁部を配置した構成の接点を備えたサーマルプロテクタが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図９は、特許文献１に記載された固定側接点と可動側接点とを説明するための図であり、固定側接点の部分のみを断面図としたものである。図９において、固定側接点５１は、ベース部材５２の上に導電部５３が配置され、導電部５３の溝部５４には絶縁部５５が配置された構成となっている。導電部５３は、絶縁部５５より突出する凸部５３ａを備えている。固定側接点５１は、固定側リード線５６に固定されている。また、可動側接点５７は、バイメタルなどの熱応動素子５８に固定され、熱応動素子５８は、可動側リード線５９に固定されている。

上記構成の接点を備えたサーマルプロテクタは、その接点が開閉を繰り返すと導電部５３の凸部５３ａが摩耗し、最終的には可動側接点５７が絶縁層５５に接触し、不導通となって電流を遮断することにより、電気機器を保護するものである。不導通となるまでの寿命期間は、凸部５３ａの高さｔによって決定される。従って、最終の故障モードを確実に不導通にするためには、周辺部材が劣化して接点同士の接触状態が発生するまでの劣化期間を予め予想して、この劣化期間よりも上記寿命期間を短くする必要がある。
特開２００４−２８１２２２号公報

しかし、上記構成の接点では、凸部５３ａの高ｔさの制御が困難であるため、不導通に至るまでの寿命期間を精度よく制御できない。このため、周辺部材が劣化して接点同士の接触状態が発生するまでの劣化期間が、接点の摩耗などにより不導通となるまでの寿命期間より短くなる場合がある。この場合には、接点が不導通となる前に、接点同士の接触が発生し、電流の遮断ができなくなり、電気機器を保護することができなくなる。

また、上記構成の接点では、可動側接点５７は、固定側接点５１の凸部５３ａの一部とのみ接触しているため、電気機器の正常時においても、一部の凸部５３ａに大きな電流が流れ、常に溶着のおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するもので、寿命末期を精度良く制御できるともに、溶着することのないフェールセイフタイプの電気接点とその製造方法、及びその電気接点を用いたサーマルプロテクタを提供するものである。

本発明の電気接点は、第１の導電層と、前記第１の導電層の表面に埋設された絶縁層と、前記絶縁層が埋設された側の前記第１の導電層と前記絶縁層とを覆って配置された第２の導電層とを含む電気接点であって、前記絶縁層は、その厚さ方向に形成された空孔を有し、前記空孔内には、前記第１の導電層が配置され、前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、前記空孔内に配置された前記第１の導電層を介して導通していることを特徴とする。

また、本発明の電気接点の製造方法は、上記本発明の電気接点の製造方法であって、（ａ）厚さ方向に空孔を有する絶縁層の片側及び前記空孔内に第１の導電層を形成する工程と、（ｂ）前記第１の導電層を形成した前記絶縁層の他の片側に第２の導電層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明のサーマルプロテクタは、先端に電気接点を備えた導体部と、先端に電気接点を備えた熱応動素子とを含み、前記導体部の電気接点と、前記熱応動素子の電気接点とが接離可能に配置されたサーマルプロテクタであって、前記導体部の電気接点及び前記熱応動素子の電気接点から選ばれた少なくとも一方に、上記本発明の電気接点を用いたことを特徴とする。

本発明は、最終の故障モードを確実に不導通にすることができ、溶着することのない電気接点及びそれを用いた信頼性・安全性が大幅に向上したサーマルプロテクタを提供することができる。

＜電気接点の実施の形態＞
本発明の電気接点の一例は、第１の導電層と、第１の導電層の表面に埋設された絶縁層と、絶縁層が埋設された側の第１の導電層と絶縁層とを覆って配置された第２の導電層とを備えた電気接点である。絶縁層は、その厚さ方向に形成された空孔を有し、空孔内には第１の導電層が配置され、第１の導電層と第２の導電層とは、空孔内に配置された第１の導電層を介して導通している。

絶縁層を第１の導電層の表面に埋設し、第２の導電層が第１の導電層と絶縁層とを覆うことにより、接点間が不導通となるまでの寿命期間の制御が精度良く行えるため、最終の故障モードを確実に不導通とすることができる。即ち、第２の導電層の表面を接点面として使用する場合、寿命期間は第２の導電層の厚さによって決定されるが、第２の導電層は絶縁層を覆って配置されているので、第２の導電層の厚さの制御は、前述の従来の突出した導電部の高さの制御よりも精度良くかつ均一に行える。

また、第２の導電層が絶縁層を覆って配置され、第１の導電層と第２の導電層とを絶縁層の空孔内に配置された第１の導電層を介して導通させることにより、第１の導電層と第２の導電層との間に流れる電流を分散できるので、一部に大きな電流が流れることがなく、正常時の使用においても溶着のおそれがない。

上記絶縁層は、セラミックメッシュから形成されていることが好ましい。セラミックを用いるのは、耐熱性が高いからであり、メッシュを用いるのは、空孔の配置を絶縁層全体で均一にできるからである。

上記セラミックメッシュの厚さは、５０μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上がより好ましい。この範囲内であれば、最終の故障モードを確実に不導通にすることができるからである。セラミックメッシュの厚さの上限は特に限定されないが、第１の導電層の厚さ以下である。

上記第２の導電層の厚さは、５０ｎｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上がより好ましい。この範囲内であれば、正常時の導通を確保して接点として確実に機能させることができるからである。第２の導電層の厚さの上限は、希望する接点の寿命期間の長短に応じて適宜設定できる。但し、第２の導電層の厚さが厚くなりすぎると可動接点と溶着のおそれがあるので、第１の導電層の厚さの１０％〜３０％の厚さが好ましい。

上記電気接点は、導電性のベース部材をさらに含み、ベース部材は、絶縁層が埋設された側とは反対側の第１の導電層を覆って配置されていることが好ましい。これにより、ベース部材にリード線などを溶接により強固に接続できるからである。

上記第１の導電層と上記第２の導電層は、金属材料で形成できるが、それぞれ同一の金属材料で形成してもよく、異なる金属材料で形成してもよい。同一の金属材料で形成した場合には、第１の導電層と第２の導電層とは一体化して、全体として一つの導電層を形成してもよい。但し、この場合でも、本明細書では絶縁層から接点面までの導電層を第２の導電層、それ以外の部分の導電層を第１の導電層と定義する。

次に、本発明の電気接点の一例を図面に基づき説明する。図１は、本発明の電気接点の一例を示す斜視図であり、図２は、図１から第２の導電層を取り除いた状態の斜視図であり、図３は、図１のIII−III線の断面図である。

図１〜図３において、電気接点１１は、第１の導電層１２と、第１の導電層１２の表面に埋設された絶縁層１３と、絶縁層１３が埋設された側の第１の導電層１２と絶縁層１３とを覆って配置された第２の導電層１４と、第１の導電層１２の下部に配置されたベース部材１５とを備えている。また、絶縁層１３は、その厚さ方向に形成された空孔１６を有し、空孔１６内には第１の導電層１２ａが配置され、第１の導電層１２と第２の導電層１４とは、空孔１６内に配置された第１の導電層１２ａを介して導通している。電気接点１１は、第２の導電層１４の主面１４ａを接点面として使用し、ベース部材１５の主面１５ａをリード線（図示せず。）との接合面として使用する。

絶縁層１３は、セラミックメッシュで形成されている。図４は、セラミックメッシュで形成された絶縁層の斜視図である。図４において、絶縁層１３は、その厚さ方向に空孔１６を備えている。このセレミックメッシュの材料成分は特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、窒化珪素などから形成できるが、アルミナが特に好ましい。アルミナは、蒸気圧が高いため接点間のアーク放電に対して最も安定だからである。絶縁層１３の厚さは、電気接点１１の大きさに応じて適宜決定されるが、例えば、電気接点１１の厚さＴ（図３参照）が０．８ｍｍ〜１．０ｍｍの場合には、絶縁層１３の厚さを０．２ｍｍ〜０．４ｍｍとすることができる。また、セラミックメッシュのラインピッチＷ（図２参照）も、電気接点１１の大きさに応じて適宜決定されるが、例えば、０．２ｍｍ〜２ｍｍとすることができる。さらに、絶縁層１３の空孔１６の形状は特に限定されず、正方形、長方形、円形、多角形などとすることができるが、図４に示した正方形、図５に示した円形とすることが好ましい。これらの形状は、作製が合理的に行えるからである。なお、図５において、１３は絶縁層、１６は空孔を示す。

第１の導電層１２及び第２の導電層１４は、ともに金属材料で形成されている。この金属材料としては、例えば、銀、ニッケル、金、白金、又はこれらの金属の合金などを用いることができるが、耐溶着性が高い銀、ニッケル、又はこれらの合金を用いることが好ましい。銀合金としては、例えば、Ａｇ−Ｎｉ、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｗ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｓｎなどの合金が使用できる。前述のとおり、第１の導電層１２と第２の導電層１４とは、同一の金属材料で形成しても、異なる金属材料で形成してもよい。同一の金属材料で形成した場合には、第１の導電層１２と第２の導電層１４とは一体化し、外観上及び成分上の区別は困難となるが、この場合でも本明細書では絶縁層１３から接点面である主面１４ａまでの導電層を第２の導電層１４、それ以外の部分の導電層を第１の導電層１２とする。

ベース部材１５は、銅、白銅などで形成できる。また、ベース部材１５の厚さは、電気接点１１の大きさに応じて適宜決定されるが、例えば、電気接点１１の厚さＴ（図３参照）が０．８ｍｍ〜１．０ｍｍの場合には、ベース部材１５の厚さを０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとすることができる。

図６は、本実施形態の電気接点１１と従来の電気接点１７とを組み合わせて使用した場合に想定される最終の故障モードを示した図であり、電気接点１１の部分のみを断面図としたものである。電気接点１１と電気接点１７とが開閉を繰り返すことにより、電気接点１１の第２の導電層１４と第１の導電層１２の一部とが摩耗して消失する。最終的には、電気接点１７と絶縁層１３とが接触するとともに、電気接点１７と第１の導電層１２との間に空間部１８が形成され、電気接点１１と電気接点１７とは不導通となる。第２の導電層１４の厚さを、第１の導電層の厚さより薄くすることにより、電気接点１１と電気接点１７との溶着を効果的に防止できる。なお、従来の電気接点１７は、絶縁層を設けていないこと以外は、本実施形態の電気接点１１と同様の構造、材質で形成できる。

＜電気接点の製造方法の実施の形態＞
以下、本発明の電気接点の製造方法の実施の形態を説明するが、上記電気接点の実施形態と共通する事項の説明は省略することがある。

本発明の電気接点の製造方法の一例は、厚さ方向に空孔を有する絶縁層の片側及びその空孔内に第１の導電層を形成する工程（ａ）と、第１の導電層を形成した絶縁層の他の片側に第２の導電層を形成する工程（ｂ）とを含む電気接点の製造方法である。また、本実施形態の製造方法は、第１の導電層の表面に導電性のベース部材を配置する工程をさらに含むことができる。

上記工程（ａ）において、第１の導電層は、絶縁層に導電性ペーストを塗布した後に硬化させることにより形成することが好ましい。導電性ペーストを用いることにより、第１の導電層を合理的に形成でき、また絶縁層の空孔内にも確実に第１の導電層を形成できるからである。

また、上記（ｂ）工程において、第２の導電層はメッキ法又はスパッタリング法により形成されることが好ましい。これにより、第２の導電層の厚さの制御を精度良く行えるからである。

次に、本発明の電気接点の製造方法の一例を図面に基づき説明する。図７は、本発明の電気接点の製造工程の一例を示す図である。

先ず、図７Ａに示すように、基板２１の上に、空孔２２を有するセラミックメッシュ２３を載置する。次に、図７Ｂに示すように、セラミックメッシュ２３の上から導電性ペースト２４を塗布する。次に、図７Ｃに示すように、導電性ペースト２４の上に導電性のベース部材２５を載置する。その後、加熱することにより、導電性ペースト２４を硬化させて第１の導電層２６を形成するとともに、第１の導電層２６とベース部材２５とを接合する。次に、図７Ｄに示すように、基板２１を除去する。最後に、図７Ｅに示すように、第１の導電層２６と絶縁層２３との上をメッキすることにより、第２の導電層２７を形成する。これにより、電気接点２８が形成される。

上記導電性ペースト２４としては、金属フィラー入りの加熱硬化型のペーストを用いることができ、例えば、銀ペーストなど、熱伝導に優れた導電性金属を含むペーストを使用できる。

上記メッキには、銀メッキ、ニッケルメッキ、銅メッキなどが含まれる。メッキ法としては、無電解メッキが主として用いられるが、電解メッキであってもよい。メッキ法を用いれば、第２の導電層２７の厚さを精度良く制御できとともに、５０ｎｍ〜１２０μｍの厚さの第２の導電層２７を合理的に形成できる。

セラミックメッシュ２３は、例えば、アルミナ粉をメッシュ状に成形した後に焼結することより形成できる。その成形方法としては、ＣＩＰ（等方圧加圧）成形、射出成形、鋳込み成形、ゲルキャスティングなどがある。また、その焼結方法としては、真空焼結、水素雰囲気焼結や、ＨＩＰ（高温等方圧加圧）焼結などがある。

上記基板２１については特に限定されないが、例えば、金属板、セラミック板などを使用することができる。

本実施形態の製造方法では、導電性ペースト２４を用いて第１の導電層２６を形成し、メッキ法を用いて第２の導電層２７を形成したが、例えば、セラミックメッシュ２３の周囲に金属粉を配置した後、粉末プレス法により第１の導電層２６と第２の導電層２７を一括して形成することもできる。また、第２の導電層２７は、メッキ法に代えて、スパッタリング法により形成することもできる。スパッタリング法であれば、メッキ法と同様に５０ｎｍ〜１２０μｍの厚さの第２の導電層２７を合理的に形成できる。

＜サーマルプロテクタの実施の形態＞
以下、本発明のサーマルプロテクタの実施の形態を説明するが、前述の電気接点の実施形態と共通する事項の説明は省略することがある。

本発明のサーマルプロテクタの一例は、先端に電気接点を備えた導体部と、先端に電気接点を備えた熱応動素子とを備え、導体部の電気接点と、熱応動素子の電気接点とが接離可能に配置されたサーマルプロテクタである。また、導体部の電気接点及び熱応動素子の電気接点から選ばれた少なくとも一方に、前述の実施形態で説明した電気接点を用い、かつ第２の導電層が接点面側に配置されている。

前述の実施形態で説明した電気接点を用いることにより、最後の故障モードを確実に不導通にすることができるので、サーマルプロテクタの信頼性と安全性を大幅に向上させることができる。

前述の実施形態の電気接点は、サーマルプロテクタの対向する接点の両方に用いてもよいし、又はいずれか一方に用いてもよい。特に、直流電源の機器などでは接点の消耗具合が接点の極性に大きく左右されることがあるため、具体的な配置方法は機器の状況に合わせて決定することが望ましい。

次に、本発明のサーマルプロテクタの一例を図面に基づき説明する。図８は、本発明のサーマルプロテクタの一例を示す一部切欠断面図である。図８に示すように、サーマルプロテクタ３１は、ガラス容器３２内に、先端部に固定側接点３３を備えた固定側内部リード線３４と、先端部に可動側接点３５を備え、他端部に可動側内部リード線３６が接続された熱応動素子３７とが対向して配置され、かつ固定側接点３３と可動側接点３５とが接離可能に配置されている。固定側内部リード線３４及び可動側内部リード線３６はガラスビード３８にて支持され、かつ封止部３２ａ内において固定側内部リード線３４及び可動側内部リード線３６は、固定側外部リード線３９及び可動側外部リード線４０に溶接などによりそれぞれ接続されている。固定側外部リード線３９及び可動側外部リード線４０の一端はガラス容器３２の外部に導出されている。

固定側接点３３には、前述の図１に示した電気接点が用いられ、第２の導電層１４側を接点面とし、ベース部材１５側を固定側内部リード線３４との接合面としている。また、可動側接点３５の接点面は、例えば、従来から用いられているＡｇ−Ｎｉ、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｗ、Ｃｕ−Ｗなどの合金、又は銀などの単独金属などから形成できる。

上記熱応動素子３７には、熱膨張率の異なる金属板を２枚貼り合わせたバイメタル、又は３枚貼り合わせたトリメタルなどが含まれる。一般に、低膨張側の金属としてはＮｉ−Ｆｅ合金などが主に使用できる。また、高膨張側の金属には、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｍｎなどの各種の合金が使用できる。

なお、サーマルプロテクタの使用状況によっては、ガラス容器３２に代えて樹脂容器を用いることもできる。

以上説明したように本発明は、最終の故障モードを確実に不導通にすることができ、溶着することのない電気接点及びそれを用いた信頼性・安全性が大幅に向上したサーマルプロテクタを提供することができ、その工業的価値は大である。

本発明の電気接点の一例を示す斜視図である。 図１から第２の導電層を取り除いた状態の斜視図である。 図１のIII−III線の断面図である。 セラミックメッシュで形成された絶縁層の斜視図である。 絶縁層の他の例を示す平面図である。 本発明の電気接点の最終の故障モードを示した図である。 本発明の電気接点の製造工程の一例を示す図である。 本発明のサーマルプロテクタの一例を示す一部切欠断面図である。 従来の固定側接点と可動側接点とを説明するための図である。

符号の説明

１１ 電気接点
１２ 第１の導電層
１３ 絶縁層
１４ 第２の導電層
１４ａ 主面
１５ ベース部材
１５ａ 主面
１６ 空孔
１７ 従来の電気接点
１８ 空間部
２１ 基板
２２ 空孔
２３ セラミックメッシュ
２４ 導電性ペースト
２５ ベース部材
２６ 第１の導電層
２７ 第２の導電層
２８ 電気接点
３１ サーマルプロテクタ
３２ ガラス容器
３２ａ 封止部
３３ 固定側接点
３４ 固定側内部リード線
３５ 可動側接点
３６ 可動側内部リード線
３７ 熱応動素子
３８ ガラスビード
３９ 固定側外部リード線
４０ 可動側外部リード線
５１ 固定側接点
５２ ベース部材
５３ 導電部
５３ａ 凸部
５４ 溝部
５５ 絶縁部
５６ 固定側リード線
５７ 可動側接点
５８ 熱応動素子
５９ 可動側リード線

Claims (11)

1. 第１の導電層と、前記第１の導電層の表面に埋設された絶縁層と、前記絶縁層が埋設された側の前記第１の導電層と前記絶縁層とを覆って配置された第２の導電層とを含む電気接点であって、
   前記絶縁層は、その厚さ方向に形成された空孔を有し、
   前記空孔内には、前記第１の導電層が配置され、
   前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、前記空孔内に配置された前記第１の導電層を介して導通していることを特徴とする電気接点。
2. 前記絶縁層は、セラミックメッシュから形成されている請求項１に記載の電気接点。
3. 前記セラミックメッシュの厚さは、５０μｍ以上である請求項２に記載の電気接点。
4. 前記第２の導電層の厚さは、５０ｎｍ以上である請求項１に記載の電気接点。
5. 前記電気接点は、導電性のベース部材をさらに含み、前記ベース部材は、前記絶縁層が埋設された側とは反対側の前記第１の導電層を覆って配置されている請求項１に記載の電気接点。
6. 前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、一体化している請求項１に記載の電気接点。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気接点の製造方法であって、
   （ａ）厚さ方向に空孔を有する絶縁層の片側及び前記空孔内に第１の導電層を形成する工程と、
   （ｂ）前記第１の導電層を形成した前記絶縁層の他の片側に第２の導電層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする電気接点の製造方法。
8. 前記第１の導電層の表面に導電性のベース部材を配置する工程をさらに含む請求項７に記載の電気接点の製造方法。
9. 前記（ａ）工程において、前記第１の導電層は、前記絶縁層に導電性ペーストを塗布した後に硬化させることにより形成される請求項７に記載の電気接点の製造方法。
10. 前記（ｂ）工程において、前記第２の導電層は、メッキ法又はスパッタリング法により形成される請求項７に記載の電気接点の製造方法。
11. 先端に電気接点を備えた導体部と、先端に電気接点を備えた熱応動素子とを含み、前記導体部の電気接点と、前記熱応動素子の電気接点とが接離可能に配置されたサーマルプロテクタであって、
    前記導体部の電気接点及び前記熱応動素子の電気接点から選ばれた少なくとも一方に、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気接点を用いたことを特徴とするサーマルプロテクタ。

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