JP2016062742A - サーマルプロテクター - Google Patents

Abstract

【課題】バイメタルによる電流遮断機構を有するサーマルプロテクターにおいて、狭隘な筐体内で接点解離に伴うアーク放電に対して十分な保安距離を確保する。
【解決手段】固定接点１１を有する第１リード１２と、可動接点１０３を有し可動接点１０３を固定接点１１に押圧して接触させる可動アーム１０４と、この可動アーム１０４に電気接続した第２リード１５と、温度変化に伴って固定接点１１および可動接点１０３を開閉するように可動アーム１０４を作動させるバイメタルなどの熱応動素子１０６と、第１リード１２および第２リード１５を挿着し、可動アーム１０４および熱応動素子１０６を収容する筐体１８と、筐体１８の開口を覆った蓋体１９とを備え、可動アーム１０４は、少なくとも表面が低電気抵抗材からなる一文字形の突起を設けて熱応動素子１０６の両端部を押圧できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイメタルによる電流遮断機構を有するサーマルプロテクターに関する。

バイメタルを用いるサーマルプロテクターは、従来から電動器、二次電池などの電源回路の保護装置に利用されている。このような保護装置には、高精度な動作設定が可能であり、動作温度も比較的自由に設定でき、かつ繰り返し復帰動作できるという利点から、接点開閉式のサーマルプロテクターが用いられる。サーマルプロテクターの基本構成としては、固定接点を有する第１のリード端子と、可動接点を有し、この可動接点を固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２のリード端子と、温度変化に伴って固定接点と可動接点を開閉するように可動アームを作動させるバイメタルと、これら部材を収容する筐体からなる。近年では、特許文献１や特許文献２に記載されたサーマルプロテクターのように、前述の基本構成に加えて、可動接点と固定接点が開離した時に通電されバイメタルの復帰動作をセルフコントロールするヒーターとしてＰＴＣ（正特性サーミスター）を搭載するものがある。サーマルプロテクターは、各種電子機器の電源ユニットなど狭隘なスペースに実装されることもあり、出来るだけ小型かつ薄型のパッケージサイズのものが望ましい。特に近年は、一段と小型化した携帯型電子機器に対応してサーマルプロテクターのパッケージサイズも極限に近い小型・薄型サイズのものが求められている。

例えば、特許文献１には、固定片３、可動片２、反転型の熱応動素子４、ＰＴＣ素子（正特性サーミスター５）を扁平なケース６に収容したサーマルプロテクター（ブレーカー１）において、正特性サーミスター５及び熱応動素子４は固定片３と可動片２との間に挟まれ、熱応動素子４は正特性サーミスター５の上面５３に被さり、かつ熱応動素子４の片面が反転時に正特性サーミスター５に接触し、もう片面が可動片２に接触する状態で各部材を積層的に配置することで、小型化を実現する技術が開示されている。さらに、同文献には、可動片２上の熱応動素子４と接触する箇所に熱応動素子４に向かって突き出した小突起（ダボ２５）を設けることによって、熱応動素子４の反転動作による可動片２の反応動作を、ひいては電流遮断を迅速にする技術も開示されている。なお、熱応動素子４には、例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金による高熱膨張金属材料と、Ｎｉ−Ｆｅ合金による低熱膨張金属材料とを積層させたものが使用される。

特開２００５−１２９４７１号公報 特開２０１３−２３９４０５号公報

ところで、高膨張側に高Ｍｎ合金あるいは黄銅を用いたバイメタルは、腐食雰囲気中で使用した場合、動作不良を起こしやすいことが知られており、特に応力が加わった状態で腐食雰囲気にさらされると、著しい場合は応力腐食割れにより折損することもある。また、接着剤、有機物質から発生する含硫黄ガスがＭｎ合金の腐食を促進することや、めっきなどの前処理で酸洗などを行うと反応して腐食するなどの欠点があるため、高信頼性を要求されるサーマルプロテクターには、Ｍｎフリーのバイメタルが使用されるようになっている。しかしながら、Ｍｎフリー・バイメタルは、前述した含Ｍｎバイメタル材に比べて温度膨張が小さく温度変位量も少なくなるため、従来の含Ｍｎ材を使用したときに比べて開離距離が狭くなってしまい、特に小型薄型製品においてＭｎフリー・バイメタルを用いるとアーク放電に対して十分な保安距離が確保し難くなると言う課題があった。

本発明は、上述の課題を解消するために提案されたものであり、バイメタルによる電流遮断機構を有するサーマルプロテクターにおいて、狭隘な筐体内で接点解離に伴うアーク放電に対して十分な保安距離を確保する。特にＭｎを含まないＭｎフリーのバイメタルを用いながら開離距離を大きく採ることが可能なサーマルプロテクターを提供することを目的とする。

本発明によると、固定接点を有する第１リードと、可動接点を有し、この可動接点を固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２リードと、温度変化に伴って固定接点および可動接点を開閉するように可動アームを作動させるバイメタルなどの熱応動素子と、第１リードおよび第２リードを挿着し可動アームおよびバイメタルを収容する筐体と、この筐体の開口を覆った蓋体とを備え、可動アームは、一文字形（半長球形、直方体形、蒲鉾形のものを含む）の突起を設けて反転したバイメタルの両端部を押圧できるようにしたサーマルプロテクターが提供される。このサーマルプロテクターは、さらに、筐体に可動接点と固定接点が開離した時に通電されバイメタルの復帰動作をセルフコントロールするヒーターとして機能するＰＴＣなどの発熱素子を設けてもよい。

本発明に係るサーマルプロテクターの可動アームに設けた一文字形突起は、少なくともその表面が接点材などの低電気抵抗材からなり、バイメタルが反転動作したときに、突起の両端部でバイメタルの両端を押圧して可動接点と固定接点を開離させる。バイメタルの弾性を長辺方向のみならず短辺方向からも受けることができるので、バイメタルの弾性を最大限利用して可動アームを押圧できる。一方、従来は可動アームの短辺中央に設けた半球状突起で、反転したバイメタルの凹面底部を押圧する形状となるので、バイメタルの短辺方向の弾性をほとんど利用することができなかった。

本発明によって、従来は十分に利用できていなかったバイメタルの短辺方向の弾性応力を、バイメタルの長辺方向の弾性応力に重畳させて可動アームの接点開離に用いることができ、より強い力で接点開離が可能になる。しかも、一文字形の突起の両端と接する反転バイメタルの円弧の高さ分（すなわち、反転バイメタル横幅方向の反りの深さ分）可動アームを嵩上げして支える構造となるので接点の開離距離をより大きくする。

本発明に係るサーマルプロテクターは、バイメタルが反転動作した時に、より強い力で接点を開離することが可能となるので接点融着を防止できる。また、一文字形の突起の両端と接した反転バイメタルの円弧の高さ分、可動アームを嵩上げして支えるので、より長い安全な開離距離が確保でき、狭く限られた筐体内で接点がアーク放電の影響を受けないようになる。

本発明に係るサーマルプロテクター１０の分解図を示す。 本発明に係るサーマルプロテクターの可動アームを示し、（ａ）は可動接点を設けた面を上にした側面図を示し、（ｂ）はその平面図を示す。 図２のＤ−Ｄに沿って可動アームとバイメタルを切断した断面図を示し、（ｃ）はバイメタルが反転動作する前の配置形状、（ｄ）はバイメタルが反転動作したときの配置形状を示す。 本発明に係るサーマルプロテクター４０の分解図を示す。 本発明に係るサーマルプロテクター４０を切断した断面図を示し、（ｅ）はバイメタルが反転動作する前の状態、（ｆ）はバイメタルが反転動作したときの状態を示す。 従来のサーマルプロテクターの可動アームを示し、（ａ）は可動接点を設けた面を上にした側面図を示し、（ｂ）はその平面図を示す。 図６のＤ−Ｄに沿って従来の可動アームとバイメタルを切断した断面図を示し、（ｃ）はバイメタルが反転動作する前の配置形状、（ｄ）はバイメタルが反転動作したときの配置形状を示す。

本発明に係るサーマルプロテクター１０は、図１に示すように、固定接点１１を有する第１リード１２と、可動接点１０３を有し可動接点１０３を固定接点１１に押圧して接触させる可動アーム１０４と、この可動アーム１０４に電気接続した第２リード１５と、温度変化に伴って固定接点１１および可動接点１０３を開閉するように可動アーム１０４を作動させるバイメタルなどの熱応動素子１０６と、第１リード１２および第２リード１５を挿着し、可動アーム１０４および熱応動素子１０６を収容する筐体１８と、筐体１８の開口を覆った蓋体１９とを備え、可動アーム１０４は、図２および図３に示すように、少なくとも表面が低電気抵抗材からなる一文字形の突起１０２を設けて熱応動素子１０６の両端部を押圧できるようにしたことを特徴とする。蓋体１９は、筐体１８の開口を密閉できればよく、形状、材質は特に限定されない。従って、蓋体１９は、例えば、プラスチックやセラミック等の絶縁材、金属材、または絶縁材と金属材の複合材など何れの材質でもよく、その形状は、キャップ状、板状、フィルム状など何れの形状でもよい。筐体１８と蓋体１９の固定には、エポキシ系熱硬化性樹脂やアクリル系ＵＶ硬化性樹脂などの接着剤を用いることができる。

本発明に係るサーマルプロテクター４０は、図４に示すように、固定接点４１を有する第１リード４２と、可動接点１０３を有し可動接点１０３を固定接点４１に押圧して接触させる可動アーム１０４と、この可動アーム１０４に電気接続した第２リード４５と、温度変化に伴って固定接点４１および可動接点１０３を開閉するように可動アーム１０４を作動させるバイメタルなどの熱応動素子１０６と、可動接点１０３と固定接点４１が開離した時に通電され熱応動素子１０６の復帰動作をセルフコントロールするヒーターとして機能するＰＴＣなどの発熱素子４７と、第１リード４２および第２リード４５を挿着し、可動アーム１０４、熱応動素子１０６および発熱素子４７を収容する筐体４８と、筐体４８の開口を覆った蓋体４９とを備え、可動アーム１０４は、図２および図３に示すように、少なくとも表面が低電気抵抗材からなる一文字形の突起１０２を設けて熱応動素子１０６の両端部を押圧できるようにしたことを特徴とする。蓋体４９は、筐体４８の開口を密閉できればよく、形状、材質は特に限定されない。従って、蓋体４９は、例えば、プラスチックやセラミック等の絶縁材、金属材、または絶縁材と金属材の複合材など何れの材質でもよく、その形状は、キャップ状、板状、フィルム状など何れの形状でもよい。筐体４８と蓋体４９の固定には、エポキシ系熱硬化性樹脂やアクリル系ＵＶ硬化性樹脂などの接着剤を用いることができる。

本発明のサーマルプロテクターは、何れも可動アーム１０４に一文字形の突起１０２を設ける。一文字形の突起１０２は、半長球形または直方体形ないし蒲鉾形の凸型外形を有し、少なくとも表面が接点材などの低電気抵抗材からなり、可動アーム１０４にその短辺と平行な方向に設けられる。特に熱応動素子１０６にＭｎを含まないＭｎフリーのバイメタルを使用する場合、図３（ｄ）に図示するように、バイメタル１０６が反転動作して可動接点と固定接点が開離したとき、一文字形の突起１０２の両端部が、バイメタル１０６の凹面両端を押圧するので、バイメタル１０６の弾性を長辺方向のみならず短辺方向からも受けることができ、バイメタル１０６の弾性を最大限利用して可動アーム１０４を押圧できるようになる。これにより、バイメタル１０６の短辺方向の弾性応力を、バイメタルの長辺方向の弾性応力に重畳させて可動アーム１０４の接点開離に用いることができ、より強い力で接点開離が可能になる。しかも、一文字形の突起の両端と接する反転バイメタル１０６の円弧の高さ分（すなわち、反転バイメタル横幅方向の反りの深さ分）可動アーム１０４を嵩上げして支える構造となるので接点の開離距離をより大きくする。

なお、従来は、図６および図７のように、可動アーム２０４の短辺中央に設けた半球状突起で、反転したバイメタル２０６の凹面底部を押圧する配置形状であったので、図７（ｄ）に示すようにバイメタル２０６の短辺方向の弾性をほとんど利用することができなかった。

本発明に係る実施例１のサーマルプロテクター４０は、図４および図５に示すように、Ａｇ合金の固定接点４１を有する第１リード４２と、Ａｇ合金の可動接点１０３を有し該可動接点１０３を固定接点４１に押圧して接触させる可動アーム１０４と、この可動アーム１０４に電気接続した第２リード４５と、温度変化に伴って固定接点４１および可動接点１０３を開閉するように可動アーム１０４を作動させる熱応動素子１０６と、可動接点１０３と固定接点４１が開離した時に通電され熱応動素子１０６の復帰動作をセルフコントロールするＰＴＣからなる発熱素子４７と、第１リード４２および第２リード４５を挿着し、可動アーム１０４、熱応動素子１０６および発熱素子４７を収容する筐体４８と、筐体４８の開口を覆った蓋体４９とを備え、熱応動素子１０６は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金による高熱膨張金属材料と、Ｎｉ−Ｆｅ合金による低熱膨張金属材料とを積層させたバイメタルからなり、可動アーム１０４は、図２および図３に示すように、Ａｇ合金からなる一文字形の突起１０２を設けて反転したバイメタルの両端部を押圧できるようにしたことを特徴とする。実施例１のサーマルプロテクター４０において、可動アーム１０４に設けた一文字形の突起１０２は、この突起１０２の長辺と可動アーム１０４の短辺とが略平行となるように設けられ、筐体４８と蓋体４９はエポキシ系樹脂の接着剤５０で固着する。

本発明の実施例１のサーマルプロテクター４０と、その比較例として、熱応動素子はＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金／Ｎｉ-Ｆｅ合金のバイメタルからなり、可動アームは図６および図７に示す半球状突起を設けた従来の可動アーム２０４を用いて、熱応動素子と可動アームを除いた他の構成を実施例１と同一とした比較例１のサーマルプロテクターと、さらに別の比較例として、熱応動素子はＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金／Ｎｉ-Ｆｅ合金のＭｎフリー・バイメタルからなり、可動アームは図６および図７に示す半球状突起を設けた従来の可動アーム２０４を用いて、この可動アームを除いた他の構成を実施例１と同一とした比較例２のサーマルプロテクターとをそれぞれ用意し、Ｘ線画像検査装置を用いてバイメタルを加熱反転させた状態で固定接点と可動接点の開離距離を測定した。その結果を表１に示す。

実施例１のサーマルプロテクター４０は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金／Ｎｉ-Ｆｅ合金のバイメタル材に比べて温度膨張が小さく温度変位量も少ないＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金／Ｎｉ-Ｆｅ合金のＭｎフリー・バイメタルを用いながら、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金／Ｎｉ-Ｆｅ合金のバイメタル材を用いた比較例１のサーマルプロテクターと同等の大きな接点開離距離を示した。これに対し、従来の可動アームを有しＭｎフリー・バイメタルを用いた比較例２のサーマルプロテクターは、より狭い接点開離距離であった。

本発明のサーマルプロテクターは各種電源の保護装置、例えば、アダプター電源や電池パックなど２次電池の保護装置などに利用できる。

１０、４０、５０・・・サーマルプロテクター
１１、４１・・・固定接点、
１２、４２・・・第１リード、
１５、４５・・・第２リード、
４７・・・発熱素子、
１８、４８・・・筐体、
１９、４９・・・蓋体、
５０・・・接着剤、
１０２・・・一文字形の突起、
１０３・・・可動接点、
１０４・・・可動アーム、
１０６・・・熱応動素子、
２０２・・・従来の半球状突起、
２０４・・・従来の可動アーム
２０６・・・バイメタル。

Claims (9)

1. 固定接点を有する第１リードと、可動接点を有し該可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２リードと、温度変化に伴って前記固定接点および前記可動接点を開閉するように前記可動アームを作動させる熱応動素子と、前記第１リードおよび前記第２リードを挿着し前記可動アームおよび前記熱応動素子を収容する筐体と、この筐体の開口を覆った蓋体とを備え、前記可動アームは、一文字形の突起を設けて前記熱応動素子の両端部を押圧できるようにしたことを特徴とするサーマルプロテクター。
2. 前記熱応動素子は、Ｍｎを含まないバイメタルであることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプロテクター。
3. 前記一文字形の突起は、半長球形または直方体形ないし蒲鉾形の凸型外形を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルプロテクター。
4. 前記一文字形の突起は、前記可動アームに、その短辺と平行な方向に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一つに記載のサーマルプロテクター。
5. 固定接点を有する第１リードと、可動接点を有し該可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２リードと、温度変化に伴って前記固定接点および前記可動接点を開閉するように前記可動アームを作動させる熱応動素子と、前記可動接点と前記固定接点が開離した時に通電され前記熱応動素子の復帰動作をセルフコントロールするヒーターとして機能する発熱素子と、前記第１リードおよび前記第２リードを挿着し、前記可動アーム、前記熱応動素子および前記発熱素子を収容する筐体と、この筐体の開口を覆った蓋体とを備え、前記可動アームは、一文字形の突起を設けて前記熱応動素子の両端部を押圧できるようにしたことを特徴とするサーマルプロテクター。
6. 前記熱応動素子は、Ｍｎを含まないバイメタルであることを特徴とする請求項５に記載のサーマルプロテクター。
7. 前記一文字形の突起は、半長球形または直方体形ないし蒲鉾形の凸型外形を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のサーマルプロテクター。
8. 前記一文字形の突起は、前記可動アームに、その短辺と平行な方向に設けられることを特徴とする請求項５ないし請求項７の何れか一つに記載のサーマルプロテクター。
9. 前記発熱素子は、ＰＴＣであることを特徴とする請求項５ないし請求項８の何れか一つに記載のサーマルプロテクター。
   

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