JP2011018888A - 太陽電池用の電気機械コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの平面又は構造を互いに接続し、両者の間で送電を行うためのコネクタ組立体を提供する。
【解決手段】コネクタは、少なくとも２つのハウジング部分を備え、その内部に斜め巻コイルスプリング等のバネを受けるための溝が形成される。バネは、複数の部品間で一定の機械的及び電気的接続を設けるように構成され、部品間の微動を可能にする。接続された部品間の動きを許容することで、熱変化及び／又は振動の際において適正な接続が維持される。これは、コネクタ組立体と接続部品との間のバネ接触界面によって起こり得るものであり、これにより、バネと接続部品間の相対運動が可能となる。
【選択図】図１

Description

本明細書では、一般に、２以上の部品又はパネルを互いに接続する機械的コネクタについて議論する。具体的な議論は、電気的応用（電気を付加する事）の為に２以上の部品又はパネルを接続するためのコネクタを含み、ここでは一方から他方へ電流を流すことを可能にするために導電性部品が用いられる。開示されるコネクタは、異なるパネル間に電気を流すための導線管として見なされる、又は考えられることができる。

本願は、２００９年５月２９日に提出された仮出願第６１／１８２、７２３号に基づく通常出願であり、その内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる。

光起電力ソーラーアレイ（以下、ソーラーアレイを「太陽電池」ともいう）は太陽熱放射を電気に返還するための手段であり、これは当業者に良く知られている。太陽電池は、構造的サポートシステム、環境保全システム及び電気エネルギー供給システムと融合された太陽電池セルの集合により典型的には構成されている。ある例では、集光型光学部品及びポインティングシステム等のようなサブシステムがある。そのシステムは、地上用途又は宇宙用途に用いられる。太陽電池を用いる上での共通の問題は、電気エネルギー供給システムと太陽電池セルとの間の接続の信頼性である。太陽電池セル又は太陽電池（アレイ）を対象とする先行する特許文献としては、米国特許第４，２９６，２７０号、第４，３５０，８３６号、第４，６８５，６０８号、第６，０９３，８８４号及び第６，８７０，０８７号などが含まれ、これらのそれぞれの内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる。

当技術分野の現況は、室温加硫（ＲＴＶ）接着剤等のような柔軟な接着剤を用いて構造的に支持するために太陽電池セルを接合し、太陽電池セル上の接続パッドに対して薄い箔状の導体を溶接する。太陽電池セル間を接合することを開示する先行する例示的な特許文献としては、Ｂｏｇｏｒａｄらの米国特許第５，９１９，３１６号があり、この内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる。

米国特許第４，２９６，２７０号明細書 米国特許第４，３５０，８３６号明細書 米国特許第４，６８５，６０８号明細書 米国特許第６，０９３，８８４号明細書 米国特許第６，８７０，０８７号明細書 米国特許第５，９１９，３１６号明細書

太陽電池セルは、薄くて脆い多結晶の半導体構造を有しており、シリコンコンピュータチップの構造的特性と類似している。セルへの導電性箔又はワイヤの取り付けは、通常は溶接又ははんだ付けによる異なる材料間の接合を含み、これが弱くなった部分を生じさせる。周期的な熱的変化による繰り返し応力が、接合部分での疲労クラックの増大をしばしばもたらす場合があり、それが最終的には接合不良へと繋がる場合がある。太陽電池セルへの電気的接続が破壊されると、セルからエネルギーが流れなくなり、そのセルが他のセルと直列である場合には、セルの全ての列が使用不能となり、その結果、システム全体の効率を低下させてしまう。

改良は、従来のジョイントと比べて、電流パスへの繰り返し応力を小さくするか又は繰り返し応力を無くした状態で、太陽電池セルをお互いに微動させることを可能にする、電線用導管のような相互接続システムであろう。付加的な利益は、相互接続システムが、個々の太陽電池セルを、例えば修理及び／又は交換等の間に、取り除く又は置き換えることを可能にすることであろう。

本実施形態では、複数のハウジングと、接続部品を機械的に互いに保持するために接続部品を連結するバネとを備え、両者の間にコネクタを介して電流を流すことを可能にする電気機械コネクタが提供される。ハウジングとバネは、両者とも導電性を有し、接続部品間の熱サイクル、振動及び微動の下における機械的接続とともに、一定の電気接続を提供するものである。同様なコネクタが、アプリケーション（適用対象物）を保持、ロック又はラッチするのに用いられる。

一例は、図１に示されるような、２つのハウジング、接続ピン及び３つのバネを備える電気機械コネクタであり得る。他の実施形態では、３以上のバネを用いることができ、ハウジングは互いに連結された複数のハウジング部品又は部品から形成してもよい。

本装置、デバイス、システム及び方法は、従来の接着（ボンディング）及び溶接の組み合わせと比して、太陽電池セル及び支持構造の間で柔軟な機械的及び電気的接触を可能にする。硬くて脆い構造を有する太陽電池セルは、コネクタ又は電気導体等の支持構造なしでも熱歪みにより膨張又は収縮することが可能となり、結晶構造にストレスを吸収させる。２つの隣接するセルが、両者が電気的接続を維持する間に、お互いに動くことを可能にするコネクタによって、ストレスが低減するか又はゼロになるため、本装置、システム及び方法によって長寿命の太陽電池セルが期待される。

ある実施形態では、必要に応じて（例えば損傷の場合等）１の太陽電池セルを取り替えることを可能にするために、ハウジングの上部が取り外し可能である。

本装置、システム及び方法は、接続されるパネル又は表面上の斜め巻コイルスプリングにより与えられる接触力が、種々のレベルに応じて調整されるように、即ち、適切な力が付与されることを確実にするように、調整することができる。

したがって、本装置及びシステムの一側面は、平面部を有する２つの要素を接続するためのコネクタを含むことが理解されよう。コネクタは、第１ハウジング部及び第２ハウジング部を備え、その第１ハウジング部及び第２ハウジング部は、導電性材料をそれぞれ備える。コネクタは更に、第１及び第２ハウジング部を機械的に連結する接続部を備え、その接続部の少なくとも一部が第１ハウジング部分に向けて突出している。ここで第１及び第２ハウジング部のそれぞれは、少なくとも１の溝を備え、溝の内部に斜め巻コイルスプリングを備える。

本方法の一側面は、平面部を有する２つの要素を互いに接続する方法を含むことができる。方法は、各ステップ：第１要素に対して第１ハウジング部を配置することであって、第１ハウジング部内の溝に配置されたバネが第１要素の平面と接触するように配置し；第１要素及び第２要素に対して第２ハウジング部を配置することであって、第２ハウジング部内の溝に配置されたバネが第２要素の平面と接触するように配置し；第１ハウジング部のギャップ中に接続部を突出させ；第１要素と第２要素とに対してバネ力が付勢されるように、第１ハウジング部と接続部を固定することを含む。

本コネクタ、システム及び関連する方法の様々な実施形態について、有利な特徴を際だたせる強調を含ませながら詳細に説明する。これらの実施形態は、添付する図面に示された新規且つ非自明なコネクタを描写するものであり、図面は具体化を目的とするのみである。これらの図面は以下の図を含み、図中で類似する数字は類似する部分を示している。

図１は、２つの太陽電池セル間に電流を流すことを可能にするために、２つの太陽電池セルを機械的及び電気的に接続するための、２つのハウジング、接続ピン及び３つのバネを有する電気機械コネクタの斜視図を示す。 図２は、図１の装置の断面図を示す。

以下に、図面を参照して本実施形態を詳細に説明する。図面において、本実施形態の構成要素には参照番号を付している。これらの参照番号は、対応する図面の特徴に関する説明と関連して与えられている。

本実施形態に係るコネクタ、システム及び関連する方法は、図面を参照して以下に説明される。これらの図面及び明細書は、装置の特定の構成要素が一体化して形成され、特定の他の構成要素が独立した部品となることを表す。本明細書において一体化して形成されたものとして示され、説明された構成要素は、代替的な実施形態では独立した部品として形成することができることは、当業者であれば理解可能であろう。本明細書において独立した部品として形成されたものとして示され、説明された構成要素は、代替的な実施形態では一体化して形成することができることは、当業者であれば理解可能であろう。更に、本明細書において、一体化という用語は、単一のユニット又は単位部品を表し、ここで単位部品とは、単一（一体）モールド又は鋳造形成される等の、単独で一体成形されることを意味する。

本明細書において、「第１」、「第２」、「上部」及び「下部」は、異なる構成要素間を区別するための相対語であり、文脈が別の事を意味しない限りにおいて、これらの構成要素の範囲又は特徴を限定するものではない。

図１は、本装置、システム及び方法の一側面において提供される接続ピン１４によって接合される２つのハウジング１０、１２を示している。一例では、ピン（接続ピン１４）は断面が一般的に円形である。しかしながら、ピンは、四角形（矩形断面）、三角形断面、楕円形断面、多角形断面（例えば正五角形、正六角形又は不規則な多角形）の形態を取り得る。他の実施の形態では、接続ピンは、台形断面、テーパー断面、又は複雑な形状断面（例えば突起状のリッジ又は星形を有する断面が四角形のもの）であってもよい。

ハウジング１０、１２は、上部ハウジング部分１０にある２つの溝３０、３２及び複数のバネ３８を受ける下部ハウジング部分１２にある１つの溝３４を含んだ複数のバネ溝を有している。垂直リブ（vertical standing rib）１６と上部ハウジング部分１０との一部に形成されたピン溝３６は、ロックピン１４を挿入するためのギャップを定義している。ピン１４は、ロックバネ３５によって垂直リブ１６に対して与えられる力とともに、ピン溝３６の幾何学的形状によって保持されている。図示するように、下部ハウジング部分１２は、下部ハウジングブロック６０及び垂直リブ１６による単一構造で形成され（つまり１つに形成され）ており、これはその中にバネ溝３４と部分ピン溝６２を有する逆向きの「Ｌ」に似ている。他の実施の形態では、下部ハウジングブロック６０及び垂直リブ１６は別々に形成され、溶接、干渉、ねじ切り等によって互いに取り付けられる。このようにして、垂直リブ１６は、下部ハウジングブロック６０と上部ハウジング部分１０に対する接続部品のように働く。

コネクタ８を組み立てるために、下部ハウジング部１２が太陽電池基板４０の下に配置されている。太陽電池セルは、基板４０の下側に配置された導電性タブ４２がバネ３８と接触するように基板４０上に配置される。他の実施形態では、下部ハウジング部１２が太陽電池基板４０に接着される。各溝３０、３２内に位置する２つのバネ３５、３８を有する上部ハウジング部１０はその後、下部ハウジング部１２の中心リブ１６の上方及び２つの隣接する太陽電池セル４０、４４の上方に配置される。一方のバネ３５は、垂直リブ１６と接し、他のバネ３８は、第２太陽電池セル４４の上部コンタクトパッド４６と接する。上部ハウジング１０は、下方に押しつけられ、ピン溝３６が円筒状の穴又はギャップを形成するまでバネ３８を圧迫し、そこにロックピン１４が挿入される。１つの例においては、２以上のコネクタ８が隣接する１組の太陽電池セル４０、４４毎に用いられる。その他の例では、複数の溝の列及びバネが、各ソーラーパネルと接触するように組み込まれる。バネは、バネの向かい合う端部である２つのバネ端により引き延ばされていることが理解され、ガーター型のように（その端部が）接続されてはいない。更に他の実施形態では、ソーラーパネルに対する各ハウジング接触表面に対して複数のガーター型のバネを収容するために、複数の円形の溝が、ハウジング部の中に組み込まれる。この代替的な実施形態は、各ハウジング部分の接触表面上に間隔を置いて配置される円形バネの列に似ている。

このように、本コネクタの特徴は、２つのバネ溝３０、３２を備える第１（又は頂部）直方体（rectangular prism）６４を含むことであることが理解されよう。そして２つのバネ溝は、一方の底表面に対して他方の底表面が角度を有する溝底表面６６を有している。図示するように、溝３０、３２は、互いに直交する平坦な底溝表面を有する。しかしながら、溝の内部に配置されるバネが太陽電池に対して圧迫される際にある回転角度で回転するように、溝は水平部分から先細り（即ち、太陽電池セルの平面に関して先細り）していてもよい。

本コネクタの更なる特徴は、第１（又は頂部）直方体６４が少なくとも２つ以上のバネ溝３０、３２を備え、少なくとも１以上のバネ溝が、接続ピン１４を受けるための延長経路６８を備え、更にシャフト又はロッドを含むことができることである。具体的な例では、延長経路６８は垂直リブ１６を受け、垂直リブ１６は接続ピン１４を受けるための部分ピン溝６２を有する。

他の実施形態では、コネクタは第２直方体７０を備え、第２直方体７０が下部ハウジングブロック６０を形成しており、下部ハウジングブロック６０が溝底６６を有するバネ溝３４を有する。理解されるように、第２直方体７０は、少なくとも幅が第１直方体６４よりも小さい。他の実施形態では、第２直方体７０は、高さが第１直方体６４よりも小さい。下部ハウジングブロック６０は、垂直リブ１６とともに単一の形成単位として形成されるのが好ましい。しかしながら、他の実施形態では、下部ハウジングブロック６０及び垂直リブ１６は別々に形成され、締め具、随意には隆起部分（トング）及び溝を用いて互いに固定されてもよい。このようにして、垂直リブ１６は２つの直方体６４、７０を接続するための接続部として見なされてもよい。

他の実施形態では、各太陽電池セルが少なくとも１のバネ３８と接触することが理解される。各バネ３８としては、熱変化及び／又は振動の間の適切な接続を２つの太陽電池セル４０、４２とコネクタ８との間で維持するように、太陽電池セルの表面に対して直接付勢（バイアス）する操作偏向範囲を有している。また、バネは太陽電池セルに対して溶接されないので、太陽電池セルはバネに対して横方向に動くことができる。斜め巻コイルスプリングの偏向を操作することは操作又は斜め巻コイルスプリングの偏向範囲を含むことが理解され、この斜め巻コイルスプリングは、操作範囲に対して幾分かの一定のバネ力を有する。このことがひいては、斜め巻コイルスプリングによって吸収される偏向範囲内で振動又は動作することを可能にする。偏向を操作することは、当該技術分野によく知られており、更なる説明は必要ではないと確信する。

１つの例では、電流が、太陽電池セル４０上にある下側の導電性パッド４２からバネ３８を介して下部ハウジング１２へ流れる。電流は上方へ流れて垂直リブ１６に流れ、次いでバネ３８へ流れ、上部ハウジング１０に流れる。上部ハウジングからは、電流が第２上部ハウジングバネ３８を介して、第２太陽電池４４の上面上のコンタクトパッド４６へ流れる。言い換えれば、電気信号又は電流を送るのに用いられる場合、図２の矢印が典型的な信号又は電流パスを示している。しかしながら、システムがどのように構成されるかに応じて、電流は逆の順番、即ち、図示した矢印が示す方向とは逆の方向に流れることができる。

適切な電流パスを保証するために、非導電性絶縁パッド１８が第１太陽電池セル４０の上面上に配置され、上部ハウジング１０の電位から保護する。他の例においては、追加的な絶縁パッド１８（図示せず）が、絶縁パッドを戦略的に配置することにより、電位を、例えば誘導又は阻むこと等によって制御するのに用いられる。

バネ３８は軸方向又は半径方向に傾いたコイルスプリング（斜め巻コイルスプリング）であり得る。ハウジング１０、１２は、銅及びアルミニウムを含む任意の導電性材料で形成されることができる。溝は、テーパー状の、平底の、又はＶ底であってもよい。ハウジング１０、１２は、放電加工法を用いて押し出されるか、機械加工されることができる。バネは、システム（下部システム抵抗）の導電性を高めるために、めっきされてもよい。ハウジングは導電性を高めるために同様なめっきがされてもよい。他の実施形態では、ハウジング及び／又はバネは、高い導電性に加えて更に高温で強度をもたせるために、複数の金属層で形成されることができる。例えば、ハウジング及び／又はバネは、２０１０年４月２６日に提出された同時係属中の（米国）特許出願第１２／７６７４２１号に説明された複数の金属層又ワイヤで形成されることができ、その内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる。

装置８は、２つの独立した物体又はプレート又はハウジングを互いに接続するために用いられ、電気的コンタクト又はコネクタに限定されるように解釈されるべきではない。例えば、２つの太陽電池セルが、単に、金属、木材、プラスチック又は繊維ガラスにより形成されたパネルであってもよい。他の実施形態では、コネクタ８によって保持（グリップ）される物体は、その構成が平面的ではない。言い換えれば、コネクタ８によって保持される部分のみが、平面的な表面部分を持ち、保持される物体の他の部分が必ずしも平面形状を有していなくても良い。

上記の説明は、本コネクタ、システム及び関連する方法及びこれらを製造し使用する順序及びプロセスを、完全に、明確に、簡潔に、適格な用語で、当該技術分野における当業者が、それらのコネクタ、システム及び関連する方法を製造し、使用することができるようなベストモードを提供するものである。しかしながら、これらのコネクタ、システム及び関連する方法は変形可能であり、上記で説明したものと等価な変形及び同等な構成とすることが可能である。したがって、これらのコネクタ、システム及び関連する方法は、記載された特定の実施形態には限定されない。一方、これらのコネクタ、システム及び関連する方法は、コネクタ、システム及び関連する方法の主題を特定し、明確に請求する以下の特許請求の範囲によって一般的に表現された、コネクタ、システム及び関連する方法の精神及び範囲に関する全ての変形例及び代替的な解釈を包含するものである。

１０…上部ハウジング部（上部ハウジング部分）
１２…下部ハウジング部（下部ハウジング部分
１４…接続ピン
１６…垂直リブ
１８…絶縁パッド
３０、３２、３４…バネ溝
４０…基板（太陽電池）
６０…下部ハウジングブロック
６２…部分ピン溝
６６…溝底表面
６８…延長経路

Claims (20)

1. 平面部を有する２つの要素を互いに接続するためのコネクタであって、
   導電性材料をそれぞれ備える第１ハウジング部及び第２ハウジング部と、
   前記第１及び第２ハウジング部を機械的に連結し、少なくとも一部が第１ハウジング部分に向けて突出している接続部と
   を含み、前記第１及び第２ハウジング部のそれぞれが、少なくとも１の溝を備え、前記溝の内部に斜め巻コイルスプリングを備えるコネクタ。
2. 前記導電性材料が、銅又はアルミニウムである請求項１記載のコネクタ。
3. 前記接続部が、前記第２ハウジング部とともに、１つに形成される請求項１記載のコネクタ。
4. 前記第１ハウジング部が、第２バネ溝を備える請求項１記載のコネクタ。
5. 前記接続部が、部分ピン溝を備える請求項３記載のコネクタ。
6. 部分ピン溝に配置された円筒型ピンを更に備える請求項１記載のコネクタ。
7. 多角形断面の接続ピンを更に備える請求項１記載のコネクタ。
8. 矩形断面の接続ピンを更に備える請求項１記載のコネクタ。
9. 台形断面の請求項１記載のコネクタ。
10. 前記少なくとも１の溝が、前記平面部の１の接触表面と垂直な溝側壁を備える請求項１記載のコネクタ。
11. 前記少なくとも１の溝が、前記平面部の１の接触表面と鋭角をなして配置された溝側壁を備える請求項１記載のコネクタ。
12. 前記少なくとも１の溝が、前記平面部の１の接触表面と鈍角をなして配置された溝側壁を備える請求項１記載のコネクタ。
13. 平面部を有する２つの要素を互いに接続する方法であって、
    第１要素に対して第１ハウジング部を配置することであって、前記第１ハウジング部内の溝に配置されたバネが前記第１要素の平面と接触するように配置し、
    前記第１要素及び第２要素に対して第２ハウジング部を配置することであって、前記第２ハウジング部内の溝に配置されたバネが前記第２要素の平面と接触するように配置し、
    前記第１ハウジング部のギャップ中に接続部を突出させ、
    前記第１要素と前記第２要素とに対してバネ力が付勢されるように、前記第１ハウジング部と前記接続部を固定すること
    を含む方法。
14. 接続ピンを前記接続部のギャップに挿入することを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記接続部が、円形断面、テーパー断面、及び多角形断面の少なくとも何れかを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１ハウジング部及び前記第２ハウジング部の少なくとも１つに対して被覆層を配置することを更に含む請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１ハウジング部内に第２溝を更に備え、前記第２溝が斜め巻コイルスプリングを更に備える請求項１３に記載の方法。
18. 前記２つのバネが複数の金属ワイヤで形成される請求項１３に記載の方法。
19. 前記第１ハウジング部のギャップが第２バネ溝まで延び、その中に斜め巻コイルスプリングを有する請求項１３に記載の方法。
20. 前記接続部及び前記第１ハウジング部が単一に形成される請求項１３に記載の方法。