JP2019194971A - パイロテクニック式切断機能一体型接触器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護機能付き接触器装置を提供する。【解決手段】接触器装置１００は、スイッチング要素として利用することができ、互いに電気的に分離された固定接触子１０４、１０６と、固定接触子１０４、１０６間を電気的に接続させるために、固定接触子１０４、１０６と電気的に接触するように構成された１つまたはそれ以上の可動接触子１０８とを備える装置である。固定接触子１０４が別の固定接触子１０６と電気的に接触または非接触するように移動することで、装置を通る電気の流れが制御される。接触器装置１００は、さらに過電流から保護するためのサーキットブレーカまたはヒューズ様要素として機能するパイロテクニック式切断要素も含む。接触器装置１００を通る電流が閾値レベルに達すると、パイロテクニックチャージ２０２が作動し、可動接触子１０８の固定接触子１０４、１０６との電気的接続を永久的に不可能にする。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１８年２月６日に出願された、マレー ステファン マクティーグ他による米国出願第１５／８８９，５１６号「機械式ヒューズ装置」の一部継続出願であり、米国出願第１５／８８９，５１６号に基づく優先権を主張するものである。

米国出願第１５／８８９，５１６号は、２０１６年５月４日に出願された、マレー ステファン マクティーグ他による米国出願第１５／１４６，３００号「機械式ヒューズ装置」の一部継続出願であり、米国出願第１５／１４６，３００号に基づく優先権を主張するものであり、米国出願第１５／１４６，３００号は、２０１５年５月１８日に出願された、マレー Ｓ マクティーグ他による米国仮出願第６２／１６３，２５７号「機械式ヒューズ装置」に基づく優先権を主張するものである。

さらに、米国出願第１５／８８９，５１６号および本出願は、いずれも２０１８年１月２日に出願された、ダニエル サリバン他による米国仮出願６２／６１２，９８８号「パイロテクニック式切断器一体型接触器装置」に基づく優先権を主張するものであり、米国出願第１５／８８９，５１６号および米国仮出願６２／６１２，９８８号それぞれの全内容を本出願に参照により援用する。

発明の詳細な説明

［背景技術］
［発明分野］
本明細書では、電気機器や電気システムとともに使用する電気接触器に関する装置について記載する。また、本明細書に記載する装置は、過電流保護用のヒューズ状犠牲装置として機能するように構成された、電気式切断器にも関する。

関連技術

電気回路の接続および切断は、電気回路そのものと同じくらい古く、回路に接続された電気機器への電力を、「オン」の状態と「オフ」の状態との間で切替える方法としてよく用いられている。回路の接続および切断のために一般的に用いられる装置の一例は、接触器である。接触器は、１つ以上の装置または電源に電気的に接続される。接触器は、装置へ入力される、または装置から出力される電力を制御するために、回路を中断または完成できるように構成されている。従来型の接触器のひとつが、密閉型接触器である。

装置の通常運転中に電気回路を接続および切断する目的を果たす接触器に加えて、過電流保護を提供するために、種々の付加的装置を採用することが可能である。これらの装置は、電気系統または、装置に接続された電気機器における短絡、過負荷、および永久的な損傷を防ぐことができる。これらの装置は、回路を素早く永久的に遮断することができる切断装置を備え、当該切断装置が修理、交換、またはリセットされるまで回路が遮断されたままになるようにされている。このような切断装置のひとつが、ヒューズである。従来型のヒューズは、犠牲装置として働く低抵抗器の一種である。一般的なヒューズは、過剰な電流が流れると溶けて接続されている回路を中断する、金属線または金属帯板を備える。

社会の発展とともに、電気系統や電気機器における種々のイノベーションはますますありふれたものになってきている。このようなイノベーションの一例が、昨今の電気自動車の進歩である。いずれは電気自動車が省エネルギーの標準となって、在来の石油燃料で動く車両に取って代わるかもしれない。このように高価で日常的に使用される電気機器にとっては、装置の故障や永久的な損傷を防ぐために、過電流保護は特に適切である。さらに、過電流保護によって、電気火災などの安全上の問題を防ぐこともできる。

従来の接触器および従来の切断装置を使用するうえでの問題のひとつに、回路設計上、接触器と切断装置との両方が必要な場合、例えば、通常運転用のスイッチと過電流保護要素との両方を提供するために、少なくとも２つの別々の装置を使用しなければならないという問題がある。特に、電気自動車などの高価な最新の電気機器では、複数の装置を収容するために貴重なスペースが追加で必要となるうえに、複数の装置を当該電気機器へ繋がる回路に接続するために、設計のさらなる検討が必要となる。
［発明の概要］
本明細書では、接続する回路を中断または完結させるように構成された接触器について記載する。当該回路は、接続された回路を永久的に遮断することにより過電流保護を提供し、当該切断要素が修理、交換、またはリセットされるまで回路が遮断されたままにするように構成された、少なくとも１つの切断要素を備える。切断要素がパイロテクニック機能を備える実施形態もある。このパイロテクニック機能が作動すると、結果として起きる爆発は、接触器の内部機能間の配向に移動または変更を生じさせる十分な力を発生させ、その結果、永久的な回路遮断が生じる。

一実施形態において、接触器装置はハウジングと、ハウジング内の内部部品とを備え、当該内部部品は入力に応じて接触器装置の状態を閉状態から開状態へ、またはその反対へと変更するように構成される。閉状態では当該装置に電流を流すことができ、開状態では当該装置を流れる電流が中断される。接触器装置はさらに、外部回路およびパイロテクニック要素へ接続するために当該内部部品に電気的に接続された接触構造を備える。当該接触器装置は、閾値電流レベルの電流が当該内部部品を流れると、当該パイロテクニック機能が作動するように構成されている。これにより、当該内部部品は、接触器装置を開状態に移行させるように構成されている。

別の実施形態では、接触器装置はハウジングと内部部品とを備え、当該内部部品は、電気的に互いに隔離され少なくとも部分的にハウジングに包囲された複数の固定接触子と、１つまたは１つ以上の可動接触子であって、当該可動接触子が固定接触子に接触しているときに固定接触子間に電流が流れることを可能にする可動接触子と、可動接触子に接続されたシャフト構造と、外部回路との接続のために内部部品に電気的に接続される複数の接触構造とを備える。接触器装置はパイロテクニック機能をさらに備え、当該パイロテクニック機能は、閾値電流レベルの電流が内部部品を流れると作動して、シャフト構造と相互作用するように構成され、それによりシャフト構造が構成を変更し、それにより可動接触子が固定接触子から離れるように構成されている。

さらに別の実施形態では、接触器装置は、ハウジングと内部部品とを備える。当該内部部品は、電気的に互いに隔離され少なくとも部分的にハウジングに包囲された複数の固定接触子と、当該可動接触子が固定接触子に接触しているときに固定接触子間に電流が流れることを可能にする１つまたは１つ以上の可動接触子と、可動接触子に接続されたシャフト構造と、シャフト構造に接続されたプランジャ構造と、外部回路との接続のために内部部品に電気的に接続される複数の接触構造と、プランジャ構造の動作を制御するように構成されたソレノイドとを備える。接触器装置はパイロテクニック機能をさらに備え、当該パイロテクニック機能は、閾値電流レベルの電流が内部部品を流れると作動して、シャフト構造と相互作用するように構成され、それによりシャフト構造が構成を変更し、それにより可動接触子が固定接触子から離れるように構成されている。

本発明の、上述のおよびその他のさらなる特徴や利点は、以下に述べる詳細な説明および添付の図面の参照により、当業者に明白なものとなるであろう。なお、図面では、類似する参照番号は図中の対応する部分を示す

図１は、本発明の特徴を備える接触器の実施形態の正面断面図であり、装置内に電気が流れることを可能にする「閉」配向の状態を示す。 図２は、図１に示す接触器装置の実施形態の正面断面図であり、装置内に電気が流れることを防ぐ「開」または「切断」配向の状態を示す。 図３は、図１に示す接触器装置の実施形態の異なる配向を示す正面断面図であり、切断要素が「トリガ」された状態を示す。 図４は、図１に示す接触器装置の実施形態の上面斜視図である。

以下に、本開示の種々の実施形態を詳細に説明する。以下に説明する実施形態では、内部部品を収納するハウジングを備える接触器装置であって、当該内部部品は、当該装置の状態を、装置を電流が流れることができる状態と、装置を電流が流れることができない状態とを切替えるよう構成されている接触器装置について明記する。

上述した２つの状態は、受信可能な種々の形態の入力に応じて切り替えられ得る。入力には例えば、使用者が接触器装置を作動させる「スイッチング」機能を実行させるためにボタンを押す等する、手動入力がある。そのほかにも、例えば自動入力もあり得る。自動入力には例えば、センサや、プロセッサによって実行される、非一過性の記録媒体に保存されたコンピュータコマンド一式があり、例えば、電流センサ、電圧センサ、または温度センサ等の、切断装置と通信しているセンサによって検知されたタイミング情報またはシステム情報に応じて、内部部品に状態を切り替えさせる。内部部品は、この入力に応じて、例えばソレノイドまたは手動機構を作動させる等して、本明細書に記載のように作動し、２つの状態間を移行するように構成を変更することができる。

いくつかの実施形態では、本発明の特徴を備える接触器装置の内部部品は、電気的に互いに隔離された複数の固定接触子と、当該固定接触子に電気的に接触するように構成され、固定接触子間に電流が流れることを可能にする１つまたは１つ以上の可動接触子とを備える。また、いくつかの実施形態では、可動接触子がシャフト構造と接続されて、使用者による入力によりシャフトの動作が制御され、それに伴って可動接触子が制御され、装置に電気が流れないように可動接触子を選択的に固定接触子から離すことができる。同様に、可動接触子は、装置に電気が流れるように選択的に固定接触子と接触するように設けられることができる。

上述した通常運転に加えて、本発明の特徴を備える装置は、例えばヒューズまたはサーキットブレーカと同様の方法で過電流保護として機能するパイロテクニック式切断機能を備えることもでき、結果として、例えば犠牲装置として機能する等、装置が永久に操作不可能となる。接続されている高価な電気機器に永久的な損害を与え得る危険なレベルの電流を意味する、または電気火災を引き起こすような危険なレベルの電流を意味する、十分なレベルの電流が装置に流れることをきっかけとして、装置内のパイロテクニックチャージが作動する。その結果として起きるパイロテクニック爆発により、内部部品を相互に作用させるのに十分な力が発生し、可動接触子が固定接触子から永久的に離されることになる。

いくつかの実施形態では、本発明の特徴を備える装置は、パイロテクニックチャージの近くまたは周りに設けることができるピストン構造を備えることができる。パイロテクニックチャージが作動すると、結果として生じる力がピストン構造を押してパイロテクニックチャージから遠ざけ、ピストン構造を可動接触子のアセンブリ上へと動かし、可動接触子を押して固定接触子から遠ざける。

本明細書中では、好ましい実施形態および実施例は、本発明における限定としてではなく、一例として見なされるべきである。明細書中で使われる表現である「発明」、「装置」、「本発明」、または「本装置」とは、本明細書中に記載された実施形態および実施形態に相当するもののうちのいずれかを指す。さらに、本明細書中では「発明」、「装置」、「本発明」、または「本装置」の種々の特徴に関する言及があるが、言及された特徴が請求項に記載の実施形態または方法のすべてに含まれなければならないという意味ではない。

また、要素または特徴が別の要素または特徴の「上に（ｏｎ）」ある、または「隣接して（ａｄｊａｃｅｎｔ）」いると言及されている場合は、その要素または特徴は別の要素または特徴の上に直接あっても、直接隣接していてもよいし、介在する要素が存在していてもよいと理解される。要素が別の要素に「取り付けられる（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、または「接続される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」と言及されている場合は、その要素は別の要素に直接取り付けられても、直接接続されてもよいし、介在する要素が存在していてもよいと理解される。反対に、要素が別の要素に「直接取り付けられる（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、または「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」と言及されている場合は、介在する要素はないものと理解される。

本明細書では、ある特徴と別の特徴との関係性を説明するために「外に（ｏｕｔｅｒ）」、「上に（ａｂｏｖｅ）」、「下の（ｌｏｗｅｒ）」、「下に（ｂｅｌｏｗ）」、「水平な（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直な（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」などの相対する表現および同様の表現が用いられることもある。これらの表現は図面に描写されている位置関係に加えて、異なる位置関係を包含することを意図するものと理解される。

本明細書では、種々の要素や部品を説明するために、第１の、第２のなどの表現を用いることもあるが、これらの表現によって要素や部品が限定されるべきではない。これらの表現はある要素または部品と別の要素または部品とを区別するためだけの目的で用いられる。したがって、後述する第１の要素または部品は、第２の要素または部品と呼ばれても、本発明の開示内容から離れることはない。

本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためだけに用いられるものであり、本発明を限定するために用いられるものではない。本発明における単数の表現「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」には、文章から明確に複数を除外する意図が読める場合を除き、複数の表現も含まれる。さらに、本明細書中で用いられる「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という表現は、記載される特徴、整数、工程、作業、要素、および／または部品の存在を述べるものであるが、１つまたは複数の別の特徴、整数、工程、作業、要素、部品、および／またはこれらの群の存在あるいは追加を除外するものではないと理解される。

本発明の実施形態を、本発明の理想的な実施形態の概要を解説する種々の図面および図解を参照して説明する。したがって、例えば製造技術および／または許容誤差などから生じる、図示する形状からの変形が想定される。本発明の実施形態は、本明細書において図示される部分の特定の形状に限定して解釈されるべきではなく、例えば製造時に生じる形状のずれを包含するものである。

第１の要素が２つまたはそれ以上の別の要素の「間にある（ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「挟まれている（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ）」、または「間に挟まれている（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ）」と言及されるときは、第１の要素は２つまたはそれ以上の別の要素の間に直接存在することもできるし、介在する要素を介して存在できると理解される。例えば、もし第１の要素が第２の要素と第３の要素との「間にある（ｂｅｔｗｅｅｎ）」または「間に挟まれている（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ）」ならば、第１の要素は第２の要素と第３の要素との間に介在する要素を有さずに直接存在することもできるし、または第１の要素は１つまたはそれ以上の追加要素と隣り合って、共に第２の要素と第３の要素との間に存在することもできる。

図１は、過電流が生じた場合に犠牲切断装置として機能することができる一体型パイロテクニック式切断部品を備える接触器装置１００の一実施例の断面図である。図１では、接触器装置を通る電気の流れが可能になる「閉」回路状態にある接触器装置１００を示す。図１はさらに、接触器装置が「閉」配置および「開」配置の切替え動作をするために正常に機能できるようにする、非トリガメカニカル配向、つまり「セット」メカニカル配向状態にある、接触器装置１００のパイロテクニック式切断装置部分を示す。接触器装置１００の切断装置部分は「トリガ」配向をも有する。トリガ配向では回路が遮断されて、接触器装置が交換されるか、または修理されてリセットされるまで、装置を通る電気の流れが永久的に不能になる。「閉」および「開」接触器モード、ならびに、「セット」および「トリガ」切断モード両方の、より詳細な説明を以下に記す。

図１に示す接触器装置１００は、本体１０２（ハウジング１０２とも呼ぶ）と、接触器装置の内部部品を、例えば電気系統または電気装置などの外部回路と電気的に接続するように構成された、２つまたはそれ以上の固定接触構造１０４，１０６（図示は２つ）とを備える。本体１０２は、本開示の接触器装置１００の構造および機能を支持し得る、あらゆる適切な材料を備えることもできるが、固定接触子１０４，１０６および装置の内部部品を通る電気の流れを妨げることなく接触器装置１００を構造的に支持することができる頑丈な材料が好ましい。いくつかの実施形態では、本体１０２は耐久性プラスチックまたは耐久性ポリマーを備える。本体１０２は、以下に詳細に説明する接触器装置１００の種々の内部部品を、少なくとも部分的に包囲する。

本体１０２は、上述した種々の内部部品を収容するのに適した、すべての正多角形または正多角形以外の多角形を含む、あらゆる形状で構成され得る。本体１０２は、連続的な構造であっても、例えば、基体である「カップ」と上面である「ヘッダ」部分とをエポキシ材料で密封したものなどの、連結された複数の部品のパーツを有してもよい。本体の構成例には、米国特許第７，３２１，２８１号、７，９４４，３３３号、８，４４６，２４０号、９，０１３，２５４号に記載の構成を含み、これらの特許は全て本願の譲受人であるギガヴァック インコーポレーテッドに譲渡されたものであり、これらの特許の全内容は参照により本願に援用される。

固定接触子１０４，１０６は、本体１０２に収容される接触器装置１００の種々の内部部品が、外部の電気系統または電気装置と電気的に接続することができるように構成され、それにより接触器装置１００は、本明細書に記載のように、電気回路を遮断または完成するためのスイッチとして機能できる。固定接触子１０４，１０６は、接触器装置の内部部品に電気接触を提供するのに適した、例えば、当該技術分野において周知の種々の金属および金属製材料、或いは、あらゆる電気接触材料または電気接触構造などの、あらゆる導電性材料を備えることができる。固定接触子１０４，１０６は、単一の連続的な接触構造（図示のとおり）を備えることができ、または、複数の電気的に接続された構造を備えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、固定接触子１０４，１０６は、２つの部分を備えることができる。本明細書に記載のように、２つの部分のうちの第１の部分は本体１０２から延出し、本体１０２の内部にあり、本体内部の別の部品と相互に作用するように構成された第２の部分と、電気的に接続できる。

本体１０２は、接触器装置１００の種々の内部部品を収容する本体１０２の内部空間が密閉されるように構成され得る。この密閉された構成は、電気的負性ガスの使用と併用すると、隣接する導電性要素間の電気アークの軽減または防止を促進することができ、いくつかの実施形態では、空間的に離間する接触子間の電気的分離を促進する。いくつかの実施形態では、本体１０２は真空状態であり得る。本体１０２は、電気機器を密閉型にするあらゆる周知の方法を使って密閉することができる。密閉型機器の例には、米国特許第７，３２１，２８１号、７，９４４，３３３号、８，４４６，２４０号、９，０１３，２５４号に記載のものを含み、これらの特許は全て本願の譲受人であるギガヴァック インコーポレーテッドに譲渡されたものであり、これらの特許の全内容は参照により本願に援用される。

いくつかの実施形態では、本体１０２には少なくとも部分的に、例えば、六フッ化硫黄、または窒素と六フッ化硫黄との混合物などの、電気的負性ガスが充填され得る。いくつかの実施形態では、本体１０２は、ハウジングに導入されるガスに対する通気性が低いか、または通気性がほぼない材料で構成される。いくつかの実施形態では、本体は、機器の性能を向上させる種々の気体、液体、または固体から構成され得る。
過電流保護に用いられる接触器装置１００のパイロテクニック式切断部品について説明する前に、まず接触器装置１００が通常のスイッチとして使用されている際に利用される接触器部品について説明する。本体１０２内部の別の部品のいずれとも相互作用していないとき、固定接触子１０４，１０６は、互いの間を電気が自由に流れることができないように、互いに電気的に分離されている。固定接触子１０４，１０６は、電気的分離のあらゆる周知の構造または方法によって、互いに電気的に分離され得る。

図１に示すように、接触器装置１００が「閉」状態であるとき、電気的に分離されていた固定接触子１０４，１０６両方に可動接触子１０８が接触し、可動接触子１０８は、例えば、第１の固定接触子１０４から可動接触子１０８へ、次いで第２の固定接触構造１０６へ、またはその逆方向へと、装置に電気信号が流れることを可能にするブリッジとして機能する。したがって、接触器装置１００は電気回路、電気系統、または電気機器に接続され、可動接触子が固定接触子と電気的に接触している間、回路を完結させることができる。

可動接触子１０８は、固定接触子１０４，１０６との関係において、本明細書に記載したすべての材料を含む、あらゆる適切な導電性材料から構成され得る。固定接触子１０４，１０６と同様に、可動接触子１０８も、電気的に分離された固定接触子１０４，１０６間の接触ブリッジとして機能して、接触器装置１００に電気が流れることを可能にするために、単一の連続的な構造（図示のとおり）を備えることができ、または、互いに電気的に接続された複数の構成部品を備えることができる。

可動接触子１０８は、固定接触子１０４，１０６と電気的に接触または非接触するように移動可能に構成され得る。固定接触子１０４，１０６は可動接触子１０８と接触していないときには互いに電気的に分離されているため、上記の構成により、可動接触子が固定接触子１０４，１０６と電気的に接触しているときは回路を「閉」つまり完結させ、可動接触子１０８が固定接触子１０４，１０６と電気的に非接触であるときは回路を「開」にする、つまり、遮断する。図１に示す実施形態を含むいくつかの実施形態では、可動接触子１０８は、接触器装置１００内において所定の距離を移動するように構成されたシャフト構造１１０と、物理的に接続している。可動接触子１０８がシャフト１１０とともに移動できるように、シャフト１１０は、可動接触子１０８と物理的に接続する内部可動部品としての機能に適したあらゆる材料または形状で構成され得る。

本明細書に記載のように、シャフト１１０の運動は可動接触子１０８の運動を制御し、それにより固定接触子１０４，１０６に対する可動接触子１０８の位置が制御され、それにより、接触器装置１００を通る電気の流れが制御される。シャフトの運動は、電気的および電子的な、磁性的および電磁性的な、ならびに手動的な構成を含む種々の構成によって制御され得るが、これらに限定はされない。可動接触子に接続されたシャフトを制御する手動的構成の例は、本願の譲受人であるギガヴァック インコーポレーテッドに付与された米国特許第９，０１３，２５４号に記載されており、当該特許の全内容は参照により本願に援用される。例示された手動制御機能には、磁性的構成、ダイヤフラム的構成、およびベローズ（ｂｅｌｌｏｗｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）構成を含む。

図１に示す実施形態において、シャフト１１０の運動は電磁性的構成の使用によって制御される。プランジャ構造１１１は、シャフト１１０の一部分に接続されているか、または、シャフト１１０を少なくとも部分的に包囲する。本体１０２には、ソレノイド１１２も収容される。多くの異なるソレノイドが使用され得るが、適切なソレノイドの一例としては、低電圧で、且つ比較的強い力で作動するソレノイドが挙げられる。ほかに多くのソレノイドが使用可能だが、適切なソレノイドの一例は、ビクロン インコーポレーテッドから市販されている、型番ＳＤ１５６４ Ｎ１２００のソレノイドである。図に示す実施形態においては、プランジャ構造１１１は、ソレノイド１１２によって運動し、制御される金属材料で構成され得る。プランジャ構造１１１の運動は、接続されているシャフト１１０の運動を制御し、それにより、接続されている可動接触子１０８の運動が制御される。

シャフト１１０の移動距離は、種々の機能を利用して制御される。種々の機能とは、例えば、移動／過移動距離を制御するバネや、シャフト１１０の移動距離を妨害または制限することが可能な本体１０２の種々の部分などが挙げられる。図１に示す実施形態では、シャフト１１０の移動距離は、ハードストップ１１３によって部分的に制御される。ハードストップ１１３は、シャフト１１０の翼部１１４に当接するように構成され、シャフト１１０が固定接触子１０４，１０６から十分な距離を移動すると、シャフト１１０の移動距離を制限する。ハードストップ１１３は、シャフト１１０の運動または移動距離を制限するためにシャフト１１０と接する面を提供するのに適した、あらゆる材料または形状で構成され得る。図１に示す実施形態では、ハードストップ１１３はプラスチック材で構成される。詳細は後述するが、いつくかの実施形態では、ハードストップ１１３は、パイロテクニック式切断要素がトリガされると破断または切除されるように構成される。

以上、接触器装置１１０の基本的なスイッチ機能を説明したが、ここからはパイロテクニック式切断要素について説明する。接触器装置１００は、パイロテクニックチャージ２０２およびピストン構造２０４など、過電流保護として機能できるいくつかの要素を備えることができる。ピストン構造２０４は、例えば図に示すシャフト１１０などの、１つまたはそれ以上の内部部品の近く、または少なくともその一部分の周りに配置され得る。そうすると、ピストンの静止位置からの運動によって内部部品の構成が、例えば、本明細書に記載のようにシャフト１００に対して押し付ける、またはそうでなければシャフト１００を移動させるなどして変化し、装置を通る電気の流れを中断することができる。パイロテクニックチャージ２０２は、装置に接続された電気機器の永久的な損傷、または電気火災などの安全上の問題を防ぐために、電流が所定の閾値レベルを超えると作動するように構成され得る。

接触器装置１００は、種々のセンサ機能であって、装置を流れる電流が危険なレベルに達したことを検知することができ、この閾値レベルが検知されるとパイロテクニックチャージをトリガすることができる、種々のセンサ機能を備え得る。いくつかの実施形態では、接触器装置１００は、装置を流れる電流のレベルを検知するように構成された、専用の電流センサを備え得る。電流センサは、電流が閾値に達すると、パイロテクニックチャージを直接的または非直接的に作動させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、電流センサは、閾値電流レベルが検知されたときにパイロテクニックチャージを作動するために、検知された電流に比例した信号を送信することができる。いくつかの実施形態では、電流センサはホール効果センサ、変圧器または電流クランプメータ、抵抗器、光ファイバー電流センサ、あるいは干渉計を備え得る。

いくつかの実施形態では、パイロテクニックチャージは、最新の車両で使用されているものと同様に、電気パルスによって作動され、複数の要素を検知するように構成されたエアバッグシステムによって駆動されるように構成されている。いくつかの実施形態では、接触器装置１００は、１つまたはそれ以上のパイロテクニックピン２０３を備え得る。パイロテクニックピン２０３は、作動信号を受信すると、パイロテクニックチャージ２０２をトリガするように構成され得る。いくつかの実施形態では、パイロテクニックチャージは、すでに電流の監視をしている別の機能と接続されることができる。この別の機能は、例えば、バッテリ管理部品であり、閾値電流レベルが検知されるとパイロテクニックチャージを作動させる信号を送信するように構成され得る。

パイロテクニックチャージ２０２は、単一のチャージ構造とすることも、複数のチャージ構造とすることもできる。いくつかの実施形態では、パイロテクニックチャージ２０２は二重チャージ構造を備え、まず第１にイニシエータチャージを備え、そして第２にガス生成チャージを備える。本明細書に記載のように、接触器装置１００の回路を永久的に遮断するようにピストン構造２０４を運動させるのに十分な力を供給するのに十分なものであれば、多くの異なる型式のパイロテクニックチャージを利用することができる。いくつかの実施形態では、パイロテクニックチャージ２０２は、イニシエータチャージおよびガス生成チャージの両方としての利用に適しているという利点を持つ、ジルコニウム・過塩素酸カリウムを含む。いくつかの実施形態では、イニシエータチャージは、ジルコニウム・過塩素酸カリウム、ジルコニウム・タングステン・過塩素酸カリウム、チタン・過塩素酸カリウム、ジルコニウム水素化物・過塩素酸カリウム、またはチタン水素化物・過塩素酸カリウムなどの急速燃焼材料を備える。いくつかの実施形態では、ガス生成チャージは、ホウ素・硝酸カリウム、つまり黒色火薬、などの緩慢燃焼材料を備える。

パイロテクニックチャージ２０２が作動されると、作動の結果として生じる力が、ピストン構造２０４を、パイロテクニックチャージ２０２の近くまたは周辺の静止位置から遠ざけるように動かし、それによりピストン構造２０４がシャフト１１０を押して、シャフトが固定接触子１０４，１０６から遠ざかるように動かされる。また、作動の結果として生じる力は、ハードストップ１１３を破断または切除するのにも十分であり、シャフト１１０は、例えば、独立して設けられた本体１０２の内部コンパートメント２０６の内部に押し込まれるなどして、固定接触子１０４，１０６からさらに遠ざけられる。ピストン構造２０４は、例えば、シャフト１１０が、独立した本体１０２の内部コンパートメント２０６のほぼ内部にあるように保持するなど、シャフト１１０を固定接触子１０４，１０６からより離れた位置で保持して、電気が接触器装置を流れることができないような位置または構成で内部部品を保持するのに十分な規模（例えば、形状、寸法、空間的配向、またはほかの構成など）で構成され得る。これにより、シャフト１１０に接続された可動接触子１０８は、固定接触子１０４，１０６から空間的なギャップを一層大きく設けて離され、装置の構成を電気が装置を流れることができない「トリガ」または永久的な「開」構成にする。いくつかの実施形態では、ピストン構造２０４は、ひとたびパイロテクニック機能２０２の作動によって移動すると、容易に動けないように本体１０２の一部分と相互作用する位置に置かれるのに十分な規模で構成される。

固定接触子１０４，１０６と可動接触子１０８との間に急速に形成される大きな空間的ギャップに加えて、さらなる構造も利用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、電気アークをより制御するために、１つまたはそれ以上のアーク吹き消し磁石２０８（図示では２つ）を利用することができる。電流の流れを中断する主たる方法が、本明細書に記載のように、接触子を急速に開放して大きな空隙を形成することである一方で、例えばガス生成チャージを使うなどして、アークに向けて二次的なガス吹付けを行うことで、付加的に得られる性能もあり得る。

図１に示す実施形態を含むいくつかの実施形態では、パイロテクニックチャージ２０２の作動によって急速に蓄積したガスにより生じる危険を防止するのに役立つ、別の任意の設計上の特徴を含み得る。これらの実施形態では、本体１０２は、パイロテクニックチャージ２０２が作動すると、ピストン構造２０４が本体１０２の一部分に穴を開けるのに十分な力でシャフト１１０を動かすように構成され得る。これにより、急速に蓄積したガスを放出できる。これは、いくつかの実施形態では、本体１０２の一部分に、パイロテクニック式切断サイクルの間に、例えばシャフト１１０の先鋭部２１０によって、穴を開けられる膜を備え、本体１０２の接続通気部２１２からのガスの放出を可能にすることで達成される。当該膜は、高温対応フィルター膜であってもよい。高温ガスはこうして本体１０２から排出され得る。圧力の解放によって電気アークが冷却され、接触器ハウジングの破裂を防止するとともに、性能を向上させる可能性がある。

図２および図３に、通常のスイッチ運転中に接触器装置１００に流れる電気の回路を遮断することと、装置が「トリガ」状態にあるときに接触器装置１００に流れる電気の回路を永久的に遮断することの違いが最適に示されている。図２および図３には、図１の接触器装置１００を異なる配向で示す。図１と同様に、図２および図３は、本体１０２、固定接触子１０４，１０６、可動接触子１０８、シャフト１１０、プランジャ構造１１１、ソレノイド１１２、ハードストップ１１３、シャフト１１０の翼部１１４、パイロテクニックチャージ２０２、パイロピン２０３、ピストン構造２０４、本体１０２の独立コンパートメント２０６、アーク吹き消し磁石２０８、シャフト１１０の先鋭部２１０、および本体１０２の通気部２１２を示す。

図２では、接触器装置１００は「開」状態であり、シャフト１１０は、シャフト１１０に接続された可動接触子１０８が切断用空間ギャップ３０２によって固定接触子１０４，１０６から離れるように移動されている。図２に示すように、接触器装置１００はまだ「セット」位置にあり、パイロテクニック機能は作動していない。切断用空間ギャップ３０２によって、可動接触子１０８は、装置を通る電気の流れを中断するために、互いに電気的に分離されている固定接触子１０４，１０６から十分な距離を空けている。対照的に、図３では、接触器装置１００はパイロテクニックチャージ２０２が作動してトリガ状態にあり、ピストン構造２０４によって、シャフト１１０および可動接触子１０８を固定接触子１０４，１０６から一層遠ざかる方向に移動させる。これにより、固定接触子１０４，１０６と可動接触子１０８との間に、より大きな回路遮断用空間ギャップ３５０が急速に形成される。

パイロテクニックチャージ２０２の作動の結果として生じる力、および、これに起因するピストン構造２０４およびシャフト１１０の急な運動は、ハードストップ１１３を破断または切除するのに十分である。図３では、ハードストップ１１３は、本体１１３に接続する初期位置から移動するところが示されている。ハードストップ１１３は、回路の「閉」状態と「開」状態との間の装置の通常運転中に、シャフト１１０のストップとして機能するように、本体１０２と接続または一体化する頑丈な材料によって構成され得る。しかしながら、パイロテクニック式切断機能の作動中には、ハードストップ１１３を意図的にストップ構造として「機能しない」ように設計し、シャフト１１０が本体の独立コンパートメント２０６内へと移動できるように、破断または切除可能なようにすることができる。

いくつかの実施形態では、ピストン構造２０４は、パイロテクニックチャージ２０２が作動したあと、本体１０２のピストンストップ部３５２と相互作用できるように構成されることができる。例えば、ピストンストップ部３５２がピストン構造２０４の位置と影響し合うことによって、例えば、ピストンストップ部３５２の一部分がピストン構造２０４の別の一部分と接触または結合するように構成されることによって、相互作用できる。いくつかの実施形態では、ピストン構造２０４は、パイロテクニックチャージ２０２の作動によって移動されるまで、ピストンストップ部３５２と接触する位置に置かれない。これにより、パイロテクニックチャージ２０２が作動され、ピストン構造２０４が静止位置から動かされると、ピストン構造２０４は、ピストンストップ部３５２と可動接触子１０８との間に保持される。図３に示すように、この構成により、ピストン構造２０４は、可動接触子１０８に対して保持または固定される位置に置かれる。ピストン構造２０４は可動接触子１０８を所定の位置に保持し、固定接触子１０４，１０６と可動接触子１０８とが逆戻りして互いに接触し、接触器装置１００が操作不能になることがないように、回路遮断用空間ギャップ３５０を維持するのに役立つ。

いくつかの実施形態では、本体１０２のピストンストップ部３５２に代えて、またはこれに加えて、本体１０２の独立コンパートメント２０６が、パイロテクニックチャージ２０２の作動によって独立コンパートメント２０６内に移動されたシャフト１１０の一部分と相互作用できるように、例えば寸法および形状などの、十分な規模を備え得る。いくつかの実施形態では、独立コンパートメントは、切除されたハードストップ１１３と、またはパイロテクニックチャージ２０２の作動によって独立コンパートメント２０６内に移動させられたシャフト１１０に接続された別の構造と、相互作用するように構成され得る。上述したシャフト１１０の一部分、またはシャフト１１０に接続された構造は、装置の通常運転中には独立コンパートメント２０６内に位置していなかったが、過電流保護運転中のパイロテクニックサイクルの間に、独立コンパートメント２０６内に移動させられる。独立コンパートメント２０６は、シャフト１１０に接続された可動接触子１０８が逆戻りして固定接触子１０４，１０６と接触することがないように、シャフト１１０を所定の位置に保持するのに十分な寸法、形状、または付加的な特徴を備え、付加的な特徴とは、例えば、シャフト１１０が有する、またはシャフト１１０に接続された構造が有する対応する特徴と、相互作用または結合するように構成された特徴などである。

図４に、装置の外観の特徴を最適に示す。図４は、本体１０２と、本体１０２から延在して、本体の内部部品と外部の電気機器または電気系統との外部接続を可能にする固定接触子１０４，１０６とを備える接触器装置１００を示す。さらに図４には、内部のソレノイド（図１ないし図３のソレノイド１１２）に電力を供給するように構成されたリードワイヤ４００、および、例えばパイロテクニックピンなどの、内部のパイロテクニックチャージと相互作用するためのセンサ機能または作動機能を収容するように構成され得る、任意のパイロテニック機能コンパートメント４０２を示す。

本発明を、その好適な構成をいくつか参照して詳細に説明したが、構成の別の変形も可能である。本発明の実施形態は、様々な図面に示す互換性のある特徴のあらゆる組み合わせによって構成されてもよく、これらの実施形態は明確に図示および議論したものに限定されるべきではない。したがって、本発明の趣旨および範囲は、上述したものに限定されるべきではない。

上述したものは、本発明の趣旨および範囲に収まる全ての変形例および代替構成を含むことを意図するものであり、本開示の内容は全て、明示的にまたは非明示的に請求の範囲に記載されていないとしても、公に提供するよう意図されたものではない。

Claims (26)

1. 接触器装置であって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内の内部部品と、
   接触構造と、
   パイロテクニック要素と、を備え、
   前記内部部品は、入力に応じて前記接触器装置の状態を閉状態と開状態との間で切替えるように構成され、
   前記閉状態では前記装置に電流が流れ、前記開状態では前記装置を流れる電流が中断され、
   前記接触構造は、外部回路との接続のために前記内部部品と電気的に接続され、
   前記接触器装置は、閾値電流レベルの電流が前記内部部品を流れ、前記パイロテクニック機能が作動し、それにより前記内部部品が前記接触器装置を前記開状態に切替えるように構成される、接触器装置。
2. 前記ハウジングは密閉されている、請求項１に記載の接触器装置。
3. 前記パイロテクニック要素はパイロテクニックチャージを備え、前記接触器装置は、前記パイロテクニックチャージの近くにピストン構造をさらに備える、請求項１に記載の接触器装置。
4. 前記ピストン構造は前記内部部品の近くに備えられ、前記パイロテクニックチャージの作動によって、前記ピストン構造が移動して、前記内部部品の構成を変更する、請求項３に記載の接触器装置。
5. 前記ピストン構造は、前記内部部品のうちの１つにおける一部分を少なくとも部分的に包囲する、請求項４に記載の接触器装置。
6. 前記ピストン構造は、パイロテクニック要素が作動した後、前記ピストン構造が移動したときに、前記内部部品を前記開状態に保持して、前記内部部品が前記閉状態に切り替わることを防ぐのに十分な規模で構成される、請求項４に記載の接触器装置。
7. 前記パイロテクニックチャージは電気パルスに応じて作動するように構成された、請求項４に記載の接触器装置。
8. 前記パイロテクニックチャージは、ジルコニウム・過塩素酸カリウムを含む、請求項４に記載の接触器装置。
9. 接触器装置であって、
   ハウジングと、
   内部部品と、
   パイロテクニック機能と、を備え、
   前記内部部品は、
   固定接触子と、
   １つまたはそれ以上の可動接触子と、
   前記１つまたはそれ以上の可動接触子と接続されるシャフト構造と、
   外部回路との接続のために前記内部部品と電気的に接続される接触構造と、を備え、
   前記固定接触子は互いに電気的に分離され、前記ハウジングによって少なくとも部分的に包囲され、
   前記１つまたはそれ以上の可動接触子は、前記１つまたはそれ以上の可動接触子が前記固定接触子に接触すると、前記固定接触子間に電流が流れることを可能にし、
   前記パイロテクニック機能は、閾値電流レベルの電流が前記内部部品を流れると、前記パイロテクニック機能が前記シャフト構造を作動させて互いに作用し、それにより前記シャフト構造が構成を変更し、前記可動接触子が前記固定接触子から離れるように構成される、接触器装置。
10. 前記ハウジングは、内部に独立した内部コンパートメントを備える、請求項９に記載の接触器装置。
11. 前記パイロテクニック要素はパイロテクニックチャージを備え、前記接触器装置は、前記パイロテクニックチャージの近くにピストン構造をさらに備える、請求項１０に記載の接触器装置。
12. 前記ピストン構造は、前記シャフト構造の近くに備えられ、前記パイロテクニックチャージの作動によって、前記独立した内部コンパートメントのほぼ内部に前記シャフト構造を押し入れる、請求項１１に記載の接触器装置。
13. 前記ピストン構造は、前記独立した内部コンパートメントのほぼ内部に前記シャフト構造が位置するように、前記シャフト構造を所定の位置に保持するのに十分な規模で構成される、請求項１２に記載の接触器装置。
14. 前記ハウジングは、前記ピストン構造が前記パイロテクニック機能の作動によって静止位置から移動させられると、前記ピストン構造が実質的に動くことができないように、前記ピストン構造を所定の位置に保持するように構成されたピストンストップ部をさらに備える、請求項１３に記載の接触器装置。
15. 前記ハウジングは密閉されている、請求項１３に記載の接触器装置。
16. 前記シャフトは、前記パイロテクニック機能の作動に応じて前記ハウジングの一部分に穴を開けて、装置内部の圧力を解放するように構成された先鋭部を備える、請求項１５に記載の接触器装置。
17. 高温対応フィルター膜を備える通気部をさらに備える、請求項１６に記載の接触器装置。
18. 前記シャフト構造は翼部を備え、前記ハウジングは、前記翼部に当接して、前記シャフト構造が前記独立した内部コンパートメント内部に過移動するのを防ぐように構成されたハードストップ構造を備える、請求項１２に記載の接触器装置。
19. 前記ハードストップ構造は、前記シャフト構造が前記独立した内部コンパートメントのさらに内部に移動できるように、前記パイロテクニック機能が作動すると切除されるように構成された、請求項１５に記載の接触器装置。
20. 接触器装置であって、
    ハウジングと、
    内部部品と、
    パイロテクニック機能と、を備え、
    前記内部部品は、
    固定接触子と、
    １つまたはそれ以上の可動接触子と、
    前記１つまたはそれ以上の可動接触子と接続されるシャフト構造と、
    前記シャフト構造と接続されるプランジャ構造と、
    外部回路との接続のために前記内部部品と電気的に接続される接触構造と、
    前記プランジャ構造の運動を制御するように構成されたソレノイドと、を備え、
    前記固定接触子は互いに電気的に分離され、前記ハウジングによって少なくとも部分的に包囲され、
    前記１つまたはそれ以上の可動接触子は、前記１つまたはそれ以上の可動接触子が前記固定接触子に接触すると、前記固定接触子間に電流が流れることを可能にし、
    前記パイロテクニック機能は、閾値電流レベルの電流が前記内部部品を流れると、前記パイロテクニック機能が前記シャフト構造を作動させて互いに作用し、それにより前記シャフト構造が構成を変更し、前記可動接触子の前記固定接触子から離れるように構成される、接触器装置。
21. アーク吹き消し磁石をさらに備える、請求項２０に記載の接触器装置。
22. 前記接触器装置は、前記パイロテクニック機能と通信するパイロテクニックピンをさらに備え、前記パイロテクニック機能は、前記ピンが受信する電気作動信号に応じて作動するように構成される、請求項２０に記載の接触器装置。
23. 前記パイロテクニック機能は単一のパイロテクニックチャージを備える、請求項２０に記載の接触器装置。
24. 前記パイロテクニック機能は、第１のイニシエータチャージと、第２のガス生成チャージとを備える二重チャージ構造を備える、請求項２０に記載の接触器装置。
25. 前記イニシエータチャージは、急速燃焼材料を備え、前記ガス生成チャージは緩慢燃焼材料を備える、請求項２４に記載の接触器装置。
26. 前記イニシエータチャージは、ジルコニウム・過塩素酸カリウムを備え、前記ガス生成チャージはホウ素・硝酸カリウムを備える、請求項２５に記載の接触器装置。

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