JP2018166097A - Thermal protector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、瞬断保護機能を有するサーマルプロテクターに関する。 The present invention relates to a thermal protector having an instantaneous interruption protection function.
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、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。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。 2. Description of the Related Art Thermal protectors that use bimetal have been conventionally used in power circuit protection devices such as electric motors and secondary batteries. For such a protection device, a contact open / close type thermal protector is used because of the advantages that high-precision operation setting is possible, the operation temperature can be set relatively freely, and the return operation can be repeatedly performed. As a basic configuration of the thermal protector, a first lead terminal having a fixed contact, a movable contact, a movable arm that presses the movable contact against the fixed contact, and a second electrically connected to the movable arm. Lead terminals, a bimetal that operates the movable arm so as to open and close the fixed contact and the movable contact in accordance with a temperature change, and a housing that houses these members. For example, Patent Document 1 discloses that in a thermal protector (breaker 1) in which a fixed piece 3, a movable piece 2, an inversion-type thermal response element 4, and a PTC element (positive characteristic thermistor 5) are accommodated in a flat case 6. The characteristic thermistor 5 and the thermal responsive element 4 are sandwiched between the fixed piece 3 and the movable piece 2, the thermal responsive element 4 covers the upper surface 53 of the positive characteristic thermistor 5, and one side of the thermal responsive element 4 is reversed. There is disclosed a technique for realizing miniaturization by arranging each member in a stacked manner in a state where it contacts the positive characteristic thermistor 5 and the other surface contacts the movable piece 2.
サーマルプロテクターは、固定接点を有する第1リードを設けた筐体容器内に、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リードに接続され可動接点と固定接点が開離した時に第2リードと接触し通電されて熱応動素子の復帰動作を制御するPTC素子などの発熱素子を収容し、蓋体で筐体容器の開口部を封口して構成される。ところが、サーマルプロテクターの搭載機器が稼働中に落下した場合などに、落下の衝撃によってバイメタルやPTC素子が跳躍し、バイメタルやPTC素子が可動アームに衝突する際の衝撃力が可動アームの弾発力を上回ったときに瞬間的に接点開離し、電源からの電力供給が極短い時間(数マイクロ秒から数百マイクロ秒)絶たれてしまう瞬断の惧れがあった。例えば、小型PCやスマートフォンなどにおいて、使用中に落下した場合などに衝撃により瞬停が発生し易い。瞬断は、小型PCやスマートフォンなどの携帯機器において、以下のような悪影響を及ぼす。例えば、コンピュータ上で動作しているプログラムは、通電中のみ記憶しつづける揮発メモリにデータを保持している。そのため、電力の瞬断が発生するとデータを消失してしまう可能性がある。また、ハードディスクなどは不揮発性の補助記憶装置であるが、精密に出来ているため読み書き時に瞬断が発生すると、アームが記録媒体に接触するなどの理由により記録媒体を破損してしまう可能性がある。通信中の瞬断の場合、その時点である二点間のコネクションが切断され、通信を再開するためには再びハンドシェイク手続きから接続をやり直さなければならないことが多い。自動でそのような再接続処理を行わないシステムの場合、瞬断の時点でコネクションが切れたまま再接続が行われないため、データ交換などに大きな影響が出る。 The thermal protector has a movable contact in a casing container provided with a first lead having a fixed contact, a movable arm that presses the movable contact against the fixed contact, and a first electrically connected to the movable arm. Two leads, a thermally responsive element such as a bimetal that operates the movable arm so as to open and close the fixed contact and the movable contact with temperature change, and the second when connected to the first lead and the movable contact and the fixed contact are separated. A heating element such as a PTC element that is energized in contact with the lead to control the return operation of the thermally responsive element is accommodated, and the opening of the housing container is sealed with a lid. However, when a device equipped with a thermal protector falls during operation, the impact force when the bimetal or PTC element collides with the movable arm due to the impact of the fall, and the impact force of the movable arm is the elastic force of the movable arm. There was a fear of instantaneous interruption that the contact point was instantaneously released when the value exceeded the value, and the power supply from the power source was cut off for a very short time (several microseconds to several hundred microseconds). For example, in a small PC or a smart phone, an instantaneous power failure is likely to occur due to an impact when it is dropped during use. The instantaneous interruption has the following adverse effects in portable devices such as small PCs and smartphones. For example, a program running on a computer holds data in a volatile memory that keeps storing only during energization. Therefore, there is a possibility that data may be lost if a power interruption occurs. In addition, although hard disks are non-volatile auxiliary storage devices, they are made precisely so if a momentary interruption occurs during reading or writing, there is a possibility that the recording medium may be damaged due to the arm contacting the recording medium. is there. In the case of a momentary interruption during communication, the connection between the two points at that time is disconnected, and it is often necessary to restart the connection from the handshake procedure in order to resume communication. In the case of a system that does not automatically perform such reconnection processing, the connection is disconnected at the time of the momentary disconnection, and reconnection is not performed, which greatly affects data exchange and the like.
近年のサーマルプロテクターは、モバイル機器の電流容量の増加に伴い、より低抵抗でかつ安定した接点抵抗値(低接触抵抗)のものが求められている。サーマルプロテクターの製造工程においては、例えば、特許文献2や特許文献3に記載されるように、接点に通電させながら振動等の外力を与えて接点を開離させることでスパークを発生させ接点表面の酸化物を除去するなど何らかの接点活性化処理が施される場合が多い。このような接点活性化処理工程のため、これまでのサーマルプロテクターは、接点が常時閉成状態であり、動作時に開放状態となって内蔵のPTC素子に通電される切替作動方式であった。この方式では、接点が閉成状態である正常時に接点の瞬断が発生すると通電が遮断されるため、意図しない機器のシャットダウンなど不具合が起きやすい。 In recent years, thermal protectors having a lower resistance and a stable contact resistance value (low contact resistance) are required as the current capacity of mobile devices increases. In the manufacturing process of the thermal protector, as described in, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3, a spark is generated by applying an external force such as vibration while energizing the contact to open the contact, thereby generating a contact surface. In some cases, some kind of contact activation treatment such as removal of oxide is performed. Due to such a contact activation processing step, the conventional thermal protector has been a switching operation method in which the contact is normally closed and the built-in PTC element is energized by being opened during operation. In this system, since the power supply is cut off when the contact is momentarily disconnected when the contact is in a closed state, troubles such as unintended device shutdown are likely to occur.
本発明は、熱応動素子の反転による接点遮断機構を有するサーマルプロテクターにおいて、瞬断対策用の専用保護回路や専用保護装置を用いることなく、落下衝撃などの外力を受けて接点が瞬間的に開離しても該サーマルプロテクターの被保護デバイスが瞬断しないよう通電補償ができるサーマルプロテクターを提供することを目的とする。 The present invention provides a thermal protector having a contact breaking mechanism by reversing the thermal response element, and the contact is instantaneously opened in response to an external force such as a drop impact without using a dedicated protection circuit or a dedicated protective device for instantaneous interruption. It is an object of the present invention to provide a thermal protector capable of compensating for energization so that the protected device of the thermal protector will not be momentarily interrupted even if released.
本発明によると、固定接点を含む第1リードと、可動接点を含む第2リードと、温度によって形状を変化させ固定接点と可動接点とを開離させる熱応動素子と、平常時の電気抵抗が小さく特定温度をこえると電気抵抗が急激に増大して該熱応動素子の動作時の形状を所望の間保持させる発熱素子と、前記両接点と熱応動素子および発熱素子とを収容する絶縁ケースと、この絶縁ケースの開口部を覆った蓋体と備え、発熱素子は、第1リードと第2リードを介して常時通電可能な状態に保持されており、かつ第1リードまたは第2リードの少なくとも一方に導電固着されていることを特徴とする瞬断保護機能付きサーマルプロテクターが提供される。発熱素子を第1リードまたは第2リードに導電固着させる固着手段は、サーマルプロテクターを搭載する機器の落下衝撃に耐えて導通性を失わない程度の固着力を有すれば何れの手段を用いてもよく、例えば、かしめ、溶接、はんだやロウ材による接合、導電接着剤による接着などの手段がある。本発明に係る瞬断保護機能付きサーマルプロテクターは、平常時に接点が閉成状態にあり、かつ同時に発熱素子も第1リードと第2リードから通電可能な状態にある。平常時の状態でサーマルプロテクターを搭載する機器が、万一落下衝撃を受けて閉成状態の接点が瞬間的に開離しても、平常温度において抵抗値が小さい発熱素子が上記接点対と並列に接続されているので、発熱素子を通して通電補償される。また、サーマルプロテクターの熱応動素子が温度過熱を検知して正常に動作し接点が開放状態となっても発熱素子の通電可能な状態は維持されるが、周囲温度の上昇に伴い発熱素子の抵抗値は増大しヒータ機能を発揮するようになる。従って、本発明のサーマルプロテクターの発熱素子は、接点の開閉に関わらず終始通電可能な状態に置かれている。一方、従来のサーマルプロテクターは、平常時に接点が閉成状態にあるが、発熱素子は通電可能な状態に設置されておらず、熱応動素子が温度異常を感知して反転し、接点が開離状態となったときに、熱応動素子を介して第1リードと可動接点を含む第2リードと接続され通電可能な状態に切り替わる構成であった。従来はサーマルプロテクターの発熱素子を常時通電可能な状態に設置する必然性がなく、特にそれを意図したサーマルプロテクターは無かった。本発明の課題は認識されていなかったのである。 According to the present invention, the first lead including the fixed contact, the second lead including the movable contact, the thermally responsive element that changes the shape depending on the temperature and separates the fixed contact and the movable contact, and the normal electric resistance A heat generating element that rapidly increases the electrical resistance when the temperature exceeds a specific temperature and maintains the operating shape of the thermal responsive element for a desired period, and an insulating case that accommodates the two contacts, the thermal responsive element, and the heat generating element; And a cover that covers the opening of the insulating case, and the heating element is held in a state in which current can always be passed through the first lead and the second lead, and at least either the first lead or the second lead. There is provided a thermal protector with a momentary break protection function, characterized in that it is conductively fixed to one side. As the fixing means for conductively fixing the heat generating element to the first lead or the second lead, any means can be used as long as it has a fixing force that can withstand the drop impact of the device equipped with the thermal protector and does not lose continuity. For example, there are means such as caulking, welding, joining with solder or brazing material, adhesion with a conductive adhesive, and the like. In the thermal protector with an instantaneous interruption protection function according to the present invention, the contact is normally closed, and at the same time, the heating element is also energized from the first lead and the second lead. Even if a device equipped with a thermal protector under normal conditions receives a drop impact and momentarily opens a closed contact, a heating element with a small resistance value at the normal temperature is in parallel with the contact pair. Since it is connected, the current supply is compensated through the heating element. In addition, even if the thermal protector of the thermal protector detects the temperature overheat and operates normally and the contact is open, the heating element can be energized, but the resistance of the heating element increases as the ambient temperature increases. The value increases and the heater function is exhibited. Therefore, the heating element of the thermal protector of the present invention is placed in a state in which it can be energized from start to finish regardless of whether the contacts are opened or closed. On the other hand, in the conventional thermal protector, the contact is normally closed, but the heating element is not installed in the energized state, and the thermal actuator detects the temperature abnormality and reverses, and the contact is opened. When the state is reached, the first lead and the second lead including the movable contact are connected via the thermally responsive element, and the state is switched to an energized state. In the past, there was no necessity to install the heating element of the thermal protector so that it could be energized at all times, and there was no thermal protector specifically intended for it. The problem of the present invention was not recognized.
本発明に係る瞬断保護機能付きサーマルプロテクターは、瞬断の通電補償を閉成状態にある接点の抵抗特性を損なうことなく単一の発熱素子で賄うことができる。例えば、発熱用PTC素子と、通電補償用PTC素子の2つをそれぞれ搭載する必要が無いので構成の簡略化が図れる。 The thermal protector with a momentary break protection function according to the present invention can cover the power supply compensation for momentary breakage with a single heating element without impairing the resistance characteristics of the contacts in the closed state. For example, since it is not necessary to mount both the PTC element for heat generation and the PTC element for current supply compensation, the configuration can be simplified.
本発明に係る瞬断保護機能付きサーマルプロテクター10は、図1および図2に示すように、固定接点11を含む第1リード12と、可動接点13を含む第2リード14と、温度によって形状を変化させ固定接点11と可動接点13とを開離させる熱応動素子15と、平常時の電気抵抗が小さく特定温度をこえると電気抵抗が急激に増大して熱応動素子15の動作時の形状を所望の間保持する発熱素子16と、前記固定接点11と可動接点13と熱応動素子15および発熱素子16を収容する絶縁ケース17と、この絶縁ケース17の開口部を覆った蓋体18とを備え、発熱素子16は、第1リード12と第2リード14を介して常時通電可能な状態に保持され、かつ第1リード12または第2リード14の少なくとも一方に導電固着されていることを特徴とする。発熱素子16を第1リード12または第2リード14に導電固着させる固着手段は、サーマルプロテクター10を搭載する機器の落下衝撃に耐えて導通性を失わない程度の固着力を有すれば何れの手段を用いてもよく、例えば、かしめ、溶接、ハンダやロウ材による接合、導電接着剤による接着などの手段がある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
本発明に係る瞬断保護機能付きサーマルプロテクターは、図3の等価回路30に示すように、平常時は接点31が閉成状態にあり、かつ発熱素子36も第1リード32と第2リード34から通電可能な状態にある。そしてサーマルプロテクターの熱応動素子が動作し接点31が開放状態となっても発熱素子36の通電可能な状態は維持される。従って、本発明のサーマルプロテクターの発熱素子36は、接点31の開閉動作に関わらず終始通電可能な状態に置かれている。本発明の発熱素子36は定常温度で抵抗値が低く特定温度を超えると抵抗値が増大する素子であれば何れの素子を用いてもよい。例えば、PTC素子(正特性サーミスタ)が好適に用いられる。発熱素子にPTC素子を用いた本発明のサーマルプロテクターは、動作温度未満のキュリー点を有し、かつキュリー点以下の温度における抵抗値が極めて低抵抗値のものが用いられる。例えば、室温抵抗値が従来比の1/100程度、概ね0.1〜0.9Ωの低抵抗値のものが好適に利用できる。これにより、サーマルプロテクターが動作温度未満の温度にあって接点が閉成状態であるとき、万一、搭載された携帯機器が稼働中に落下し、その衝撃で接点が瞬間的に開離しても室温抵抗の低いPTC素子がバイパス路を形成できるので瞬断することがない。しかも、通電補償は単一の発熱素子で実現するので経済合理性に優れる。そして、熱応動素子が温度異常を感知して反転動作したときには、発熱素子は通電可能な状態に維持されるが、周囲温度の上昇に伴いPTC素子はキュリー点を超えているので抵抗値が大きく増加しており発熱素子としてのヒータ機能を発揮するようになる。
In the thermal protector with an instantaneous interruption protection function according to the present invention, as shown in the
本発明に係る実施例1の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター10は、図1および図2に示すように、Ag合金の固定接点11を含むCu合金製第1リード12と、Ag合金の可動接点13を含むCu合金製第2リード14と、Ni−Cr−Fe合金の高熱膨張金属材料とNi−Fe合金の低熱膨張金属材料を積層したバイメタルからなる熱応動素子15と、PTC素子からなる発熱素子16と、前記固定接点11および可動接点13と熱応動素子15および発熱素子16を収容するプラスチック製絶縁ケース17と、この絶縁ケース17の開口部を覆った金属蓋体18とを備え、発熱素子16は、第1リード12と第2リード14を介して常時通電可能な状態に保持され、かつ第1リード12にハンダ接合で導電固着されている。PTC素子は、室温抵抗0.1Ω、トリップ温度85℃を有し、下面電極に第1リード12がハンダ接合されており、上面電極に熱応動素子15が当接されている。さらに熱応動素子15の上から可動接点13を当接させて、可動接点13と固定接点11は、閉成状態で絶縁ケース17に収容されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
本発明は、上述した実施例1の形態に限定されるわけではなく、本発明の趣旨に反しない限りその他種々の変更が可能である。例えば、図4に示す実施例2の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター40ように変形できる。実施例2の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター40は、Ag合金の固定接点41を含むCu合金製第1リード42と、Ag合金の可動接点43を含むCu合金製第2リード44と、Ni−Cr−Fe合金の高熱膨張金属材料とNi−Fe合金の低熱膨張金属材料を積層したバイメタルからなる熱応動素子45と、PTC素子からなる発熱素子46と、前記固定接点41および可動接点43と熱応動素子45および発熱素子46とを収容するプラスチック製絶縁ケース47と、この絶縁ケース47の開口部を覆った金属蓋体48と備え、発熱素子46は、第1リード42と第2リード44を介して常時通電可能な状態に保持され、かつ第1リード42と第2リード44の両方に抵抗溶接で導電固着されている。PTC素子は、底面左右に接続リード49を有し、両接続リード49に第1リード42または第2リード44を抵抗溶接により固着して常時通電可能な状態に保持される。実施例2の発熱素子は水平方向に接続リードを有するので、図4(A)に示すように、接点の活性化処理を施した後、発熱素子のみを後付けできる。
The present invention is not limited to the embodiment 1 described above, and various other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, it can deform | transform like the
ここで、本発明の実施例1の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター10と、従来のサーマルプロテクターの耐瞬断性を比較するため、実施例1の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター10を実装したスマートフォン25台と、従来のサーマルプロテクターを実装したスマートフォン25台を用意し、それぞれ充電した後、電源を入れた状態で1メートルの高さから本体6面及び4角から各1回落下させて、電源OFF(瞬断)が発生した台数を計数した。その結果、従来のサーマルプロテクターを用いたスマートフォンは、250台のうち11台に落下衝撃により瞬断が発生した。これに対し、実施例1の瞬断保護機能付きサーマルプロテクター10を用いたスマートフォンは、何れも瞬断の発生は無かった。
Here, in order to compare the instantaneous protector resistance of the
本発明の瞬断保護機能付きサーマルプロテクターは、各種電源の保護装置、例えば、電源装置や電池パックなど2次電池の保護装置などに利用できる。 The thermal protector with an instantaneous interruption protection function of the present invention can be used for various power supply protection devices, for example, secondary battery protection devices such as power supply devices and battery packs.
10、40・・・・瞬断保護機能付きサーマルプロテクター、
30・・・・等価回路、
31・・・・接点、
11、41・・・・固定接点、
12、32、42・・・・第1リード、
13、43・・・・可動接点、
14、34、44・・・・第2リード、
15、45・・・・熱応動素子、
16、36、46・・・・発熱素子、
17、47・・・・絶縁ケース、
18、48・・・・蓋体、
49・・・・接続リード。
10, 40 ... ・ Thermal protector with instantaneous interruption protection,
30 ... Equivalent circuit,
31 ... Contact,
11, 41... Fixed contact,
12, 32, 42... First lead,
13, 43... Movable contact,
14, 34, 44... Second lead,
15, 45... Thermally responsive element,
16, 36, 46... Heating element,
17, 47... Insulation case,
18, 48... Lid,
49 ··· Connection lead.
Claims (5)
The thermal protector with a momentary break protection function according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat generating element is configured such that only the heat generating element can be retrofitted.
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