JP2023046692A - 保護デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】新規なメカニズムを有する保護デバイスを提供する。【解決手段】保護デバイスは、可動アーム(12)、固定端子(14)およびバイメタル部材(16)ならびにこれらを収容するケーシング(18)を有し、バイメタル部材(16)は可動アーム(12)の上方および下方の一方に位置し、バイメタル部材(16)の一方の端部(36)は、可動アーム(12)の一方の端部(34)に力を加え、それによって可動アームの該一方の端部(34)と固定端子(14)とが接触した状態で保持されている。【選択図】図1
Description
本発明は、保護デバイス、詳しくは、電気回路の保護、電気装置の保護等に用いるデバイスに関する。例えば、そのようなデバイスは、電気装置の電気回路に組み込んで、電気装置の故障等によって電気回路に異常電流が流れた場合に、電流の流れを遮断して下流の全ての電気負荷を保護する、いわゆるサーキットブレーカーとしての機能を果たす。別の態様では、個々の電気負荷への異常電流を遮断して電気負荷を保護する、いわゆるサーキットプロテクタ―としての機能を果たす。
異常電流が流れることによって生じる熱によってバイメタル部材が加熱されて反転変形することを利用して電気回路を開き、異常電流を遮断するように構成された保護デバイスが知られている(例えば下記特許文献1参照)。この保護デバイスは、電流が流入するターミナルの可動アームに設けた接点と流出するターミナルの固定端子に設けた接点とが接触する状態において、可動アームの下方にバイメタル部材を有する。可動アームは、金属弾性を利用してその接点を固定端子の接点に押し付けて(即ち、付勢して)、接点同士が接触した状態を維持するように構成されている。
この保護デバイスが配置された電気装置の電気回路において、正常電流が流れている場合、双方の接点が接触して回路が閉じた状態にあり、バイメタル部材は可動アームの下方に位置する。電気回路に異常電流が流れた場合、その電流によって可動アーム、固定端子等が加熱されると、その熱によってバイメタル部材が加熱されて反転変形する。その結果、バイメタル部材が可動アームを押し上げて、可動アームの接点が上方に移動して、接触していた接点同士が離間して電気回路が開いた状態になる。
電気装置においてこのような保護デバイスを使用する場合、例えば異常電流が発生する装置の異常の発生およびその後の異常の解消によって、保護デバイスの接点が離間して、その後接触することになる。このような離間・接触を繰り返すと、接点同士の開閉によってアーク発生のために接点が摩耗する場合がある。この摩耗によって、可動アームはより下方に向かって押し付けることが必要となるが、可動アームの押圧力の経時変化(いわゆる「ヘタリ」)のために固定端子への押圧力が不十分となり得ることも相俟って、接点同士の接触力が低下し得る。また、摩耗によって摩耗粉が生じて、接点の表面に微細な凹凸が生じる場合がある。このような状況下で接点が開閉する場合、アーク放電が一層発生し易い。
上述のように発生するアーク放電は、最終的には接点同士を溶着する場合がある。接点同士が溶着すると、異常電流が流れても、接点は接触したままとなって開かない(従って、電気回路がクローズ状態のままでオープン状態とならない)ため、異常電流を遮断できず、保護デバイスはその機能を果たさない故障状態となり、電気装置、電気回路等を保護できないことになり得る。
本発明が解決しようとする課題は、上述の保護デバイスにおいて、接点を開閉する新たなメカニズムを提供することである。
第1の要旨において、本発明は、固定端子、その上方に位置する可動アームおよびバイメタル部材、ならびにこれらを収容するケーシングを有して成る保護デバイスを提供し、この保護デバイスでは、
バイメタル部材は可動アームの上方および下方の一方に位置し、
バイメタル部材の一方の端部は、可動アームの一方の端部に力を加え、それによって可動アームの該一方に端部と固定端子とが接触した状態で保持されている。
バイメタル部材は可動アームの上方および下方の一方に位置し、
バイメタル部材の一方の端部は、可動アームの一方の端部に力を加え、それによって可動アームの該一方に端部と固定端子とが接触した状態で保持されている。
このような本発明の保護デバイスにおいて、可動アームおよびバイメタル部材は、いずれも固定端子の上方に位置し、バイメタル部材の該一方の端部によって力が加えられていない状態では、可動アームの該一方の端部は、固定端子から離間した本来的な状態にあるが、バイメタル部材の該一方の端部によって力が加えられることによって、バイメタル部材の該一方の端部は、可動アームの弾性力に抗した状態で、可動アーム該端部と固定端子とを接触した状態で保持している。
従って、バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部に加える力が減少して、好ましくは実質的に無くなって、その力より可動アームの弾性力が大きくなると、可動アームの該一方の端部が上方に移動することが許容され、その結果、固定端子から離間して、これらの間に空隙が形成される。上述のバイメタル部材の該一方の端部が加える力の減少は、バイメタル部材の反転によって生じる。
バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部に加える力は、1つの態様では、バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部を固定端子に向かって押し付ける(または押し下げる)ことによって押圧力として加えることができる。別の態様では、バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部を固定端子に向かって引き寄せる(または引き下げる)ことによって引っ張り力として加えることができる。
第1の好ましい態様において、本発明の保護デバイスでは、バイメタル部材は可動アームの上方に位置し、バイメタル部材の該一方の端部は、可動アームの該一方の端部に力、即ち、押圧力を加え、それによって、可動アームの該一方の端部を固定端子に向かって押し付けてこれらを接触させた状態で保持する(その結果、可動アームと固定端子との間の電気的導通を提供する)。
この態様において、可動アーム(12)、固定端子(14)およびバイメタル部材(16)ならびにこれらを収容するケーシング(18)を有して成る保護デバイス(10)は、固定端子(14)を可動アーム(12)の下方に有し、バイメタル部材(16)を可動アーム(12)の上方に有する。バイメタル部材は、反転すると、可動アームの該一方の端部が上方に移動することを許容し、それによって、可動アームの該一方の端部が固定端子から離間して可動アームの該一方の端部と固定端子との間に空隙が形成される(その結果、これらの間の電気的導通を遮断できる)。
第2の好ましい態様において、本発明の保護デバイスでは、バイメタル部材は可動アームの下方に位置し、バイメタル部材の該一方の端部は、可動アームの該一方の端部に力、即ち、引っ張り力を加え、それによって、可動アームの該一方の端部を固定端子に向かって押し付けてこれらを接触させた状態で保持する(その結果、可動アームと固定端子との間の電気的導通を提供する)。
この態様では、可動アーム(12)、固定端子(14)およびバイメタル部材(16)ならびにこれらを収容するケーシング(18)を有して成る保護デバイス(10)は、固定端子(14)を可動アーム(12)の下方に有し、バイメタル部材(16)を固定端子と可動アーム(12)との間に有する。バイメタル部材は、反転すると、可動アームの該一方の端部が上方に移動することを許容し、それによって、可動アームの該一方の端部が固定端子から離間して可動アームの該一方の端部と固定端子との間に空隙が形成される(その結果、これらの間の電気的導通を遮断できる)。
いずれの態様においても、バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部に力を加えて強制的に固定端子に近づけてこれらが接触した状態を維持できるように、バイメタル部材の剛性を利用している。また、バイメタル部材が閾温度に達すると反転すると、バイメタル部材の該一方の端部が固定端子から離れる方向に変位することを利用して、可動アームの該一方の端子に加えられていた力を減らす、好ましくはゼロにして、可動アームの該一方の端部が固定端子から離れることを許容する。
本発明の保護デバイスにおいて、可動アームおよびバイメタル部材は、上述のそれぞれの該一方の端部が自由端であり、他方の端部が固定端(または支点)である、いわゆる片持ち梁の構造であってよい。他方の端部は、例えば一体となってケーシング内で保持されている。可動アームおよび固定端子は、保護デバイスが配置される電気回路の一部を形成する必要性から、同じまたは異なる種類の電気伝導性の材料、例えば銅、リン青銅、ベリリウム銅、洋白、真鍮、ステンレスのような材料で構成されていてよい。また、別の態様では、このような材料の種々のクラッド材で構成されていてもよい。
尚、本発明の保護デバイスにおいて、上述のように可動アームと固定端子との間の電気的導通を提供する状態を「クローズ(close)状態(回路を閉じる動作および閉じている状態を含む)」とも呼び、また、上述のように可動アームと固定端子との間の電気的導通を遮断する状態を「オープン(open)状態(回路を開く動作および開いている状態を含む)」」とも呼ぶ。本発明の保護デバイスは、クローズ状態にある製品として製造・供給され、その状態で所定の電気回路または電気装置に組み込むことができる。
通常、保護デバイスが配置されている電気回路を有する電気装置内で正常電流が流れている場合は、保護デバイスはクローズ状態にある。異常電流が流れると、異常電流によって生じた熱によってバイメタル部材は、所定の閾温度以上に加熱されると、反転して保護デバイスはオープン状態へと変わり、電流の流れを遮断できる。電流の遮断によって加熱されなくなったバイメタル部材の温度が閾温度より低くなると、バイメタル部材が元の形状に戻って(即ち、回復して)保護デバイスはクローズ状態に戻り、電気回路に再び異常電流を流すことになってしまう。
本発明の好ましい1つの態様では、可動アームは該一方の端部に接点を有し、この接点が固定端子に接触する。この接点は、電気伝導性の材料で形成された突出部であってよい。
本発明の好ましい1つの態様では、固定端子が接点を有し、この接点に可動アームの端部が、好ましくはそれに設けた接点に接触する。特に好ましい態様では、保護デバイスのクローズ状態では、可動アームに設けた接点が固定端子の接点に当接する。
本発明の保護デバイスでは、正常電流が流れている状態では、バイメタルの押圧力または引っ張り力により可動アームが固定端子に接触しているクローズ状態にある。異常電流時にバイメタル部材の反転に際して、可動アームに力を加えるバイメタル部材の端部が上方に移動し、押圧力が減少して、好ましくは実質的に無くなり、その結果、可動アームがその弾性に基づいて元の本来的な形状に向かって戻ろうとして可動アームの該一方の端部も上方に移動する。
保護デバイスがクローズ状態にある場合、バイメタル部材の該一方の端部は可動アームの該一方の端部に押圧力または引っ張り力を加えて、それによって可動アームの弾性に抗して弾性変形させて、可動アームの該一方の端部を固定端子に向かって下向きに押し付けて保持している。詳しくは、可動アームの該一方の端部がその弾性故の上方に移動しようとする上向きの力(上向きの弾性力)よりも大きい下向きの力である力を、バイメタル部材の該一方の端部が可動アームの該一方の端部に加えることによって、可動アームを固定端子に接触させてその状態を保持する。この状態は、保護デバイスが配置されている電気装置が正常に稼働して電気回路に正常電流が流れるクローズ状態に相当する。
尚、バイメタル部材は周知の部材であり、熱膨張率が異なる金属を貼り合わせたバイメタル材料から形成されている。バイメタル材料は、例えば、リレー、スイッチ等に使用されている。周知のように、バイメタル部材が加熱されて所定の閾温度を越えると急激に変形する。このような変形は、周知のように「反転」とも呼ばれて、本明細書においても「反転」なる用語を使用する。
このようにバイメタル部材が反転して形態を変えることは、スナップアクションとしても知られている。本発明の保護デバイスにおいて、上述のようにバイメタル部材の反転を利用して力が作用しているクローズ状態からその力が減少し、好ましくはゼロとなってオープン状態へと状態変化できる限り、バイメタル部材は、いずれの適切な形態であってもよい。
本発明の保護デバイスにおいて、バイメタル部材は、例えば平坦なプレート形状から急に変形して、下向きに凸状のプレート形状に反転し、その結果、固定端子に接触しているバイメタル部材の端部が上向きに移動し、オープン状態となる。別の態様では、バイメタル部材は、下向きに凹状のプレート形状から平坦なプレート形状または下向きに凸状のプレート形状に反転し、この場合でも、固定端子に接触しているバイメタル部材の端部が上向きに移動し、オープン状態となる。
尚、バイメタル部材が反転することによって、バイメタル部材の該一方の端部が上方に移動するが、この移動は、バイメタル部材の完全な反転(即ち、反転を阻害するものが無い場合の反転)によって停止してもよい。別の態様では、反転によって上方に移動するバイメタル部材の該一方の端部が、その上方に位置する部材、例えばケーシングの壁面(例えば、ケーシングの天井部を構成する部分の内側表面)に当接することによって、更なる上方への移動ができずに停止してもよい。更に別の態様では、ケーシングの内側に当接部材(例えばケーシングの天井部の内側に配置したプレート)をストッパーとして設けて、それにバイメタル部材の該一方の端部が当接して停止するようにしてもよい。更に別の態様では、バイメタル部材の該一方の端部に代えて、可動アームの該一方の端部の上方への移動を止めてもよい。いずれの場合であっても、可動アームの該一方の端部またはそれに設けた接点が固定端子またはそれに設けた接点から離間することを確保する必要がある。
上述のように、バイメタル部材の該一方の端部が上向きに移動すると、可動アームは、元の形状(即ち、外部から作用する力が無い時の可動アームの形状)に向かって弾性的に戻ろうとして可動アームの該一方の端部が上方に移動する、即ち、可動アームの該一方の端部が固定端子から遠ざかる。その結果、これらの間に空隙が形成され、これらの間の電気的導通が遮断され、オープン状態となる。
本発明の保護デバイスでは、上述のようにバイメタル部材の該一方の端部によって可動アームの該一方の端部が下方に押し付けられて電気的導通を提供している、クローズ状態にある製品として提供され、この保護デバイスを例えば電気装置に配置して運転する。電気装置の運転が正常であり、即ち、電気回路に正常電流が流れている状態では、保護デバイスの固定端子および可動アームの間で電気的導通が提供されているので、正常電流はこれらを通過する。
例えば電気装置のトラブルのために、過大な異常電流が流れると、生じる熱によってバイメタル部材が反転する。その結果、上述のように可動アームの該一方の端部が固定端子から離間してオープン状態となり、電気的導通が遮断されて異常電流から電気装置、電気回路等が保護される。
本発明の保護デバイスでは、可動アームの形状は、本来的には可動アームの端部は、固定端子から上方に離間しているように形成され、また、ケーシング内で他方の端部にてバイメタル部材と一体に固定され、バイメタル部材の該一方の端部により作用する力によって、強制的に弾性的に変形して固定端子に接触するように構成されている。仮に、この構成からバイメタル部材を除去すると、(力が作用しないので)自由端である可動アームの該一方の端部は、元の形状に向かって(即ち、上向きに)弾性的に移動して固定端子から所定のように離間した状態に戻る。
可動アームの材料、形状および寸法等を適宜選択することによって、本来的に可動アームの該一方の端部が所定のように固定端子から離間するように可動アームを形成できる。そのような可動アームに対してバイメタル部材によって下向きに押圧力または引っ張り力を加え、可動アームの該一方の端部を強制的にかつ弾性的に下方に移動させて固定端子に当接させて接触状態を保持するようにバイメタル部材を構成する。
バイメタル部材は、異常電流が可動アーム等に流れて発生する熱によって閾温度以上に加熱されると、上述のように反転するので、バイメタル部材の該一方の端部は上方に移動して(瞬間的に)可動アームの該一方の端部に作用する力を軽減または解放して、それが固定端子に接触している状態を保持できなくなり、可動アームの該一方の端部は上方に移動して固定端子から離隔する。
バイメタル部材が可動アームの下方に配置された従来の保護デバイスでは、本来的には固定端子を自体下向きに押圧している可動アームを、バイメタル部材が反転によって押し上げて固定端子から強制的に離間させる必要がある。そのように押し上げるためには、固定端子に作用する、可動アームの下向きの押圧力より大きい上向きの力を、バイメタル部材が反転によって可動アームに加えるように設計する必要がある。
これに対して、本発明の保護デバイスでは、可動アームを固定端子から離間させるためには、バイメタル部材が反転するだけでよい。即ち、本発明の保護デバイスでは、バイメタル部材は、閾温度にて反転すれば、可動アームは元の形状に向かって自然に(即ち、それ自体の性質によって)弾性的に戻ろうとしてその該一方の端部は固定端子から上方に自動的に離間する。従って、本発明の保護デバイスでは、バイメタル部材は反転するだけでよく、反転によって生じる、可動アームを押し上げる力、即ち、バイメタルの上向きの力を精密に考慮する必要がないと考えられ、従って、保護デバイスにおけるバイメタル部材の反転に関しては、設計を簡素化できると考えられる。少なくとも、可動アームが元の本来的な形態に戻ろうとする性質を利用する点で、従来の保護デバイスとは全く異なる思想に基づく保護デバイスが提供される。
以下、添付図面を参照して、本発明の保護デバイスをより詳細に説明する。尚、例として上述の第1の好ましい態様の保護デバイスを主として説明するが、バイメタル部材が可動アームを引き下げることに関連する説明を除いて、そのような説明は上述の第2の好ましい態様の保護デバイスにも当て嵌まる。尚、第2の好ましい態様の保護デバイスにのみ当て嵌まる特徴については、図7を参照して説明する。
本発明の保護デバイスの第1の好ましい態様を部分的に分解して示す図1の模式的斜視図において、保護デバイス10は、導電性金属製のプレート状の可動アーム12、導電性金属製のプレート状固定端子14およびプレート状のバイメタル部材16を有する。この保護デバイスでは、固定端子14の上方にバイメタル部材16および可動アーム12が位置し、バイメタル部材16は可動アーム12の上方に位置する。図示した態様では、保護デバイス10は、図示するケーシング18およびその前端開口部20に嵌り込むエンド成形部22を更に有する。図1に示す矢印は、本明細書における説明で用いる「前」、「後ろ」、「右」、「左」、「上」および「下」の各方向を模式的に示す。また、図2の保護デバイスの長手方向断面を模式的に図3に示す。
尚、理解を容易にするために、図1に示した状態では、ケーシング18およびエンド成形部22は、図2にて模式的斜視図を示す保護デバイス10の元の状態から、長手方向に沿って移動した状態で示す。詳しくは、ケーシング18を矢印Aの方向(即ち、後ろ方向)に移動した状態で、また、エンド成形部22を矢印Bの方向(即ち、前方向)に移動した状態で示している。
バイメタル部材16は可動アーム12の上方に位置し、バイメタル部材16の前方端部36が可動アーム12の前方端部34に下向きの押圧力を加えて可動アーム12を固定端子14に向かって押し付けて、特に図3から理解できるように、前方端部36に設けた接点32が固定端子に設けた接点30に当接した状態で保持する。可動アーム12は、そのような押圧力が作用しない元の本来的な状態では、その端部34は、固定端子14から離隔した状態となるように設計されているが、押圧力によって強制的に弾性変形して図示するように当接状態をもたらしている。
本発明の保護デバイス10は、第1接続ターミナル24および第2接続ターミナル26を有する。第1接続ターミナル24は、固定端子14と電気的に接続されており、1つの好ましい態様では、第1接続ターミナル24と固定端子14は、図示するように単一の部材を構成してよく、それぞれが単一の部材の一部分である。第2接続ターミナル26はその後方に延在部材27を有し、これらも図示するように単一の部材を構成してよい。このように単一の部材に関して、詳しくは後述の図5を参照できる。図示した態様では、延在部材27が可動アーム12の後方端部13と重なった状態で電気的に接続されている。例えば、可動アーム12の後方端部13(「他方の端部」に相当)と延在部材27とが接触して積層状態で一体に例えばカシメ留め50によって締結されている。尚、図示するように、バイメタル部材16も、その後方端部37にて、可動アーム12と、詳しくはその後方端部13と一体に締結されている。
尚、図1には、固定端子14と一体の第1接続ターミナル24および延在部材27と一体の第2接続ターミナルがエンド成形部22の前面に位置する開口部を通過した状態で組み合わされたプレアセンブリ28も図示している。このプレアセンブリ28に可動アーム12およびバイメタル部材16を重ねてカシメ留め50してこれらを一体に組み合わせたアッセンブリを構成し、これをケーシング18の開口部20から挿入することによって、図2に示す本発明の保護デバイスを形成できる。
図示した態様では、固定端子14は、その上側に接点30を有し、また、可動アーム12は、前方端部34の下側に接点32を有する。このような保護デバイスは、クローズ状態では、図3に示すように、接点30と接点32とが相互に当接して接触し、電気的導通を提供する。オープン状態では、後述する図4に示すように、接点32が接点30から離間して、電気的導通を遮断する。
可動アーム12は、もし、その上方にバイメタル部材16が存在しないなら(即ち、バイメタル部材16による押圧力が作用しない場合の可動アーム12の元の本来的な形状(「本来的な形状」とも呼ぶ)の状態であれば)、可動アーム12の端部34が図3に示す位置よりも上方に位置するように形成されている。例えば図3に示すように保護デバイスがクローズ状態にある場合、可動アーム12の端部34の上にバイメタル部材16の端部36が当接して可動アーム12に押圧力を加え、可動アーム12を弾性的に変形してその端部34を、接点32が接点30に接触するように、押し下げている。
このようにバイメタル部材16が可動アーム12を弾性変形させるために、バイメタル部材16は、反転前の元の本来的な形状は、図3に示すように、可動アーム12の前方端部34を下方向に移動して固定端子14に、例えばそれに設けた接点32に当接した状態を維持できる剛性を有するようになっている。
より詳しくは、可動アーム12およびバイメタル部材16をそれぞれの後方端部にて、例えばカシメ50によって、一体に締結することにより、バイメタル部材16は可動アーム12の端部34を下向きに押圧力F1によって押し付けている状態を保持する。この場合、端部34がバイメタル部材16の端部36を上向きに押圧しようとする反力F2(バイメタル部材の押圧力に対する可動アーム12の弾性力に相当)が作用しても、バイメタル部材16は実質的に変形しない程度の剛性を有し、可動アーム12の押圧状態を維持できる。
このように押圧状態を維持するためには、例えばバイメタル部材の形状および寸法(特に長さ、幅および厚さ)、構成材料等を適宜選択することによってバイメタル部材が変形しないようにできる。尚、クローズ状態において、押圧力F1は弾性力F2より実質的に大きく、バイメタル部材16が実質的に変形することなく、可動アーム12を弾性変形させて図3のようにクローズ状態にする。
上述のようにクローズ状態において押圧力を加えているバイメタル部材16は、その温度が所定の閾値(例えば170℃)を越えると、反転する。このようにバイメタル部材16が反転した直後の状態を、図3と同様の模式的断面図にて図4に示す。図3および図4を比較すると、図3に示す実質的に平坦なプレート状または上向きに(やや)凸形状のバイメタル部材16が、図4に示すように反転して下向きに(やや)凸形状になっていることが分る。
このような反転の結果、図3におけるバイメタル部材16の端部36の位置が図4に示すように上方に迅速に移動する。その結果、バイメタル部材16によって押圧されていた可動アーム12が元の本来的な形状に向かって弾性的に変形でき、従って、その端部34が上方に向かって移動できる。図4から明らかなように、可動アーム12の端部34に設けた接点32は固定端子の接点30から離間している。従って、この状態は、可動アーム12と固定端子14との間の電気的導通が遮断されたオープン状態に相当する。
図5に、図3の状態にある保護デバイスの可動アーム12、バイメタル部材16、固定端子14およびそれと一体の第1接続ターミナル24、ならびに第2接続ターミナル26およびそれと一体の延在部材27のみを取り出して上下方向で離間した状態で斜視図にて示す。尚、図5には、バイメタル部材16の後方端部37および可動アームの後方端部13を積層して挟持する(図1参照)、延在部材27の最後端部に設けたカシメタブ50をも図示している。
図1~5に示す本発明の保護デバイスは、図5から理解できるように、その好ましい態様では、可動アーム12の最前端部38は上方に向かって折れ曲がり部分(例えば図示するようなL字状断面の先端部)を有してよい。その最前端部38は、貫通開口部40を有し、バイメタル部材16の最前端部42が貫通開口部40に入り込むようになっている。可動アーム12およびバイメタル部材16をこのように構成することによって、上述のようにバイメタル部材16が反転してその端部36が上方に移動するに際して、貫通開口部40に嵌り込んだバイメタル部材16の最前端部42が可動アーム12の端部34を引き上げることができる。
バイメタル部材16の反転時の可動アーム12の端部36の上方への移動は、本来的には、可動アーム12がその元の形状に向かって弾性的に戻ろうとする(即ち、回復変形する)ことによって可能である。しかしながら、何等かの理由(例えばクリープ現象)で、弾性的な戻りが不十分となる場合であっても、バイメタル部材16による可動アーム12の端部34の引き上げが、可動アーム12の弾性的な戻りを助長できる。その結果、可動アーム12の端部34の上方への十分な移動を達成でき、電気的導通の遮断を一層確保できる。
このような態様の保護デバイスでは、バイメタル部材16が反転するに際して、バイメタル部材および可動アーム(詳しくはこれらの端部34)の上方への移動は、図4から理解できるように、ケーシング18の前端開口部20に嵌まり込むエンド成形部22に設けたストリップ状のストッパー44に可動アーム12の最前端部38が当接することによって停止するようになっている。
本発明の保護デバイスにおいて、可動アームの最前端部38に貫通開口部40を設ける必要は必ずしもなく、この態様では、可動アーム12の最前端部38は、バイメタル部材の最前端部42の下方に位置する。この場合、可動アームの端部34の上方への移動は、バイメタル部材16の反転により可動アームに対する押圧力が解放されて可動アームが元の形状に向かって戻ろうとすることに起こる。この態様では、ストッパー44にバイメタル部材16の端部36が当接することによって、その上方への移動が停止し、また、端部36に可動アーム12の端部34が当接することによって、可動アーム12の上方への移動が停止する。
尚、図示した保護デバイスには、ストッパー44を設けているが、本発明の1つの態様では、ストッパーを省略して、ケーシングの上面を規定する壁の前端部の内側に、可動アームの先端部またはバイメタル部材の先端部が当接して上向きの移動が止まるように構成する。これにより、保護デバイスを構成するパーツの数を減らすことができる。
本発明の保護デバイスは、例えば、図1に示すように固定端子14およびそれと一体の第1接続ターミナル24、ならびに第2接続ターミナル26およびそれと一体の延在部材27がエンド成形部22によって固定されたプレアセンブリ28を形成し、その後、延在部材27の後方端部にて可動アーム12、バイメタル部材16を例えばカシメ、挟持手段等によって一体に締結したアセンブリを組み立て、それを第1接続ターミナルおよび第2接続ターミナルが開口部20から突出するようにケーシング18に挿入して固定することによって製造することができる。このようにアセンブリを組み立てるに際して、図1の保護デバイスの場合、可動アーム12の貫通開口部40にバイメタル部材16の最前端部42を予め挿入した状態で締結することが好ましい。
尚、ケーシング18およびエンド成形部22を樹脂製として、後方端部が閉じたケーシング18へのアセンブリの挿入に際して、例えば樹脂製のケーシング18の底部に設けた突起部(図示せず)を固定端子14および延在部材27に設けた凹部(図示せず)にスナップフィットまたはプレスフィットで嵌め込んで固定してよい。同様に、スナップフィットまたはプレスフィットによってエンド成形部22を開口部20に嵌め込むことができる。
本明細書において本発明に関連して特に説明している事項を除いて、本発明の保護デバイスを構成する部材(例えば可動アーム、バイメタル部材、固定端子等)、特にその形状、材料等は、いずれも、従来から保護デバイスに用いられている部材と同様のものを採用できる。また、保護デバイスの製造についても同様である。
本発明の保護デバイスの1つの態様では、バイメタル部材は弱化部分を更に有して成る。保護デバイスが電気装置において使用される場合、クローズ状態の保護デバイスが異常電流によってオープン状態となり、その後、バイメタルが冷えて再びクローズ状態となり、更にその後、再び異常電流の継続によってオープン状態となり、その後に、バイメタルが冷えてクローズ状態となり、・・・・というように、クローズ状態とオープン状態が繰り返し生じる場合がある。即ち、電気装置の異常電流が解消されない間は、組み込まれた保護デバイスにおいて『クローズ状態→オープン状態→クローズ状態→オープン状態→・・・・・・・→オープン状態→クローズ状態』という状態変化が起こる場合がある。
保護デバイスは、このような状態変化を永久的に繰り返すことができるのが理想的である。しかしながら、従来の保護デバイスを用いる電気装置において、例えば保護デバイスの使用期間が長期化すると、可動アームのクリープ現象によってそれが固定端子に本来的に加える押圧力が減少してこれらの間の接触抵抗が増加する可能性がある。
更に、繰り返す状態変化によって生じるアークにより接点が摩耗する(従って、接点の厚さが減少する)ことによって、可動アームを更に下方に押し下げる必要が生じる。この場合、可動アーム(具体的にはその接点)が固定端子(具体的にはその接点)に接触する状態を確保している押圧力の余裕(接触状態を確保するために必要な最小限の押圧力を越えた分)が減少するために接触抵抗が増える可能性がある。
このような可能性の結果、最終的にはアーク発生によって接点溶着が生じて(即ち、クローズ状態となって)保護デバイス自体が故障状態となる場合がある。このように従来の保護デバイスがクローズ状態で故障する場合、異常電流が生じても、溶着接点同士は導通状態であるため電流を遮断することができず、保護デバイスは、その機能を果たすことができないという問題がある。
このような問題を考慮すると、状態変化の回数(便宜的に「クローズ状態→オープン状態→クローズ状態」の1サイクルの状態変化を1回とする)が所定回数を上回ると、保護デバイスが意図的にオープン状態となってその状態を維持して接点同士の導通状態の発生を予防できる(即ち、接点同士の離間状態を維持する)ように、従って、オープン状態で故障するように保護デバイスを構成するのが好ましい場合がある。
そのような保護デバイスを使用する場合、1つの態様では、状態変化回数が所定回数またはそれに近い回数(例えば所定回数の±20%、好ましくは所定回数の±5%)に達した場合に、バイメタル部材が可動アームを押圧している力を弱化部分によって減らし、可動アームの端部が上方に移動して固定端子から離隔した状態を保持して、固定端子に当接することを不可能にできる。
そのような保護デバイスを使用する場合、別の態様では、状態変化回数が所定回数また
はそれに近い回数(例えば所定回数の±20%、好ましくは所定回数の±5%)に達した場合に、バイメタル部材が可動アームを押圧する力を弱化部分によって実質的にゼロにして、可動アームの端部が上方に移動して固定端子から離隔した状態を保持して、固定端子に当接することを不可能にできる。
はそれに近い回数(例えば所定回数の±20%、好ましくは所定回数の±5%)に達した場合に、バイメタル部材が可動アームを押圧する力を弱化部分によって実質的にゼロにして、可動アームの端部が上方に移動して固定端子から離隔した状態を保持して、固定端子に当接することを不可能にできる。
保護デバイスを組み込む実際の電気装置に応じて、許容できる状態変化の上限回数を予め想定し、状態変化が上限回数に到達する時に、オープン状態で故障状態となり、それを維持できるバイメタル部材を、本発明の保護デバイスは有する。例えば、1つの態様では、電気装置における状態変化の回数をカウントし、カウント数が上限回数、好ましくは上限回数の90%の回数、より好ましくは上限回数の80%の回数に達すると、使用中の保護デバイスを新しい保護デバイスに交換する。別の場合では、保護デバイスがオープン状態で故障すると、この場合、必要に応じて使用中の保護デバイスを新しい保護デバイスに交換する。
尚、状態変化の上限回数は、保護デバイスを組み込む電気装置に応じて想定する。1つの態様では、保護デバイスを例えば小・中型モーターのロック時の巻線焼き付き防止の為に用いる場合、保護デバイスは、例えば約15000回の状態変化を繰り返すことができれば十分であり、その後は、オープン状態で故障してよい。この場合、状態変化の所定の上限回数は15000回となり、バイメタル部材は、約15000回目の反転/反転回復の後、弱化部分によってバイメタル部材がもはや可動アームを十分に押圧できなくなり、可動アームの端部が固定端子から離隔したオープン状態で故障する。
保護デバイスが上述のように接点が溶着する可能性が生じる状態変化の回数を予め予測しておき(これを(「予測溶着回数」とも呼ぶ))、本発明の保護デバイスの1つの態様では、上限回数として「予測溶着回数」よりも十分少ない回数を想定する。そのような上限回数の状態変化が生じた場合に、弱化部分によってバイメタル部材が可動アームを押圧する機能を意図的に失わせることができるように、バイメタルを構成するのが好ましい。
尚、「予測溶着回数」は、弱化部分を有さない保護デバイスを想定電気回路に組み込んで、意図的に異常電流を流して状態変化させることを端子が溶着するまで繰り返すことによって求めることができる。後述するように、弱化部分を有するバイメタル部材を設けた本発明の保護デバイスを想定電気回路に組み込んで、意図的に異常電流を流して状態変化させてオープン状態で故障する回数を測定し、その回数を上限回数とする。この上限回数は、弱化部分の特徴(例えば、構成材料、形状、弱化部分の具体的な形態等)を種々変えることによって、試行錯誤によって所定の値に設定できる。
所定の上限回数の状態変化の後、バイメタル部材の端部がもはや可動アームの端部を十分に押圧できないようにする弱化部分は、バイメタル部材が可動アームに加える押圧力が、可動アームが本来的な形状に戻ろうとすることによって生じる上向きの弾性力より小さくなるようにする。具体的には、バイメタル部材が可動アームを押圧する状態から反転して元の形状に戻る(即ち、回復する)ことを繰り返すことによって、即ち、バイメタル部材が変形を繰り返すことによってバイメタル部材に生じる応力が特定の領域に集中し易いようにして、その領域を弱化部分としてバイメタル部材に設ける。
保護デバイスの1つの態様において、図示するようにバイメタル部材および可動アームはそれぞれの端部を例えばカシメ部材によって一体に締結した状態にあり、バイメタル部材はいわゆる片持ち梁の形態である。
従って、本来的には、締結箇所であるバイメタル部材の後方端部の近傍に(即ち、変形に際して支点になり易い箇所)応力が集中し易い。1つの態様において、具体的には、締結部よりやや前方の箇所に応力が集中し易い。よって、そのような箇所に弱化部分を設けてよい。別の態様では、応力が集中し易い箇所を弱化部分としてバイメタル部材に積極的に設ける。
図6に、バイメタル部材16の1つの態様を斜視図にて模式的に示す。図示するように、本来的には後方端部37のやや前方が支点となって状態変化を繰り返す場合、破線52に示す部分に応力が集中し易い。従って、この部分に弱化部分を設けて応力集中を積極的に促進するのが好ましい。このように応力集中を促進すると、金属疲労が進んでバイメタル部材が可動アームの端部を押圧するために必要な力を加えることができなくなる。1つの場合では、金属疲労によって弱化部分でクラックが生じ、場合によっては、弱化部分において破断が生じる。
具体的には、弱化部分は、例えばバイメタル部材の後方端部37の破線52に沿って延在する、金属疲労を促進する手段54、例えば断面がV字形状またはU字形状のノッチ、溝等であってよい。図示するように、破線52で示す弱化部分は、バイメタル部材の長手方向(即ち、前後方向)に対して垂直な左右方向に沿って延在する。
このような弱化部分では、バイメタル部材の厚さ(即ち、上下方向の寸法)を局所的に小さくして、それによって応力を集中させることができる。ノッチ等の深さ、長さおよび幅(それぞれプレート形状のバイメタル部材の上下方向の寸法、左右方向の寸法およびこれらに垂直な前後方向の寸法に対応)、前後方向に沿ったノッチの断面形状を種々変えることによって、更に、バイメタル部材を構成するバイメタル材料を変えることによって、バイメタル部材が可動アームを押圧する機能を失うに到る上限回数をコントロールできる。
別の態様では、弱化部分は、プレート形態のバイメタル部材に(これを平面視する場合)切り欠き部、コーナー部、空隙部およびこれらの種々の組み合わせの形成であってよい。例えば、プレート部材がくびれ部(プレートの幅が狭小な部分)を有してよく、その部分に応力が集中するようにできる。例えば、図6に示すように、切り欠き部56の形状、寸法等を適切に選択することによって弱化部分を構成することができる。
上述の弱化部分は、応力が集中し易い部分に設ける必要は必ずしもなく、別の態様では、バイメタル部材の他の部分に設けてよく、その部分に積極的に応力が集中するように弱化部分を設ける。図6には、バイメタル部材の中央付近に設けた弱化部分58を図示している。この弱化部分は、上述のような左右方向に延在するノッチの形態であってよく、その一部分を拡大してV字形状の断面を模式的に示している。
上述のような弱化部分は、必要に応じて、種々の組み合わせで用いてよい。例えば、ノッチおよびくびれ部を組み合わせてもよい。
ノッチの形成は、いずれの適当な方法によって実施してもよい。例えばレーザー加工、プレス加工等を用いてバイメタル部材の上面に溝、ノッチ等を形成できる。例えばプレート形状(平面視が略長方形)のバイメタル部材(前後方向(長手方向)の寸法(長さ)10mm、左右方向の寸法(幅)6mm、上下方向の寸法(厚さ)0.13mm)にプレス加工で図6に示すノッチ58を弱化部分として形成した。このバイメタル部材を構成するバイメタル材料として、高膨張側Ni-Cr-Fe、低膨張側 Ni-Fe(日立金属ネオマテリアル製BL-51)であった。また、ノッチの寸法は、前後方向の寸法0.1mm、上下方向の寸法0.05mm、左右方向の寸法1.8mmであった。
この可動アームに電流を流してバイメタル部材を反転・それからの戻りのサイクルを繰り返した(バイメタル部材の端部の上下の移動幅、振幅の2倍に対応)。10000回のサイクルを繰り返した後に、ノッチにて亀裂が生じたことを確認した。この亀裂によって、バイメタル部材が可動アームを押圧する力は大幅に減少するため、可動アームの端部またはそれに設けた接点を、固定端子またはそれに設けた接点に押し付けて接触した状態で保持できないと考えられる。
本発明の保護デバイスの1つの態様では、バイメタル部材16の前報端部36の下方への過度の移動を制限するストッパーをハウジング部材の前端部またはベース成形部22に更に有して成ってよい。例えば、図3に示すように、ベース成形部22がそのような突出部60をストッパーとして有してよい。図示した態様では、突出部60がバイメタル部材の最前端部42の下面から僅かに離間している。尚、このような突出部(またはステップ部)60の説明のために図3においてのみ突出部60を有する態様を図示し、容易に理解できるように、突出部60の付近を拡大して図示している。
接点の繰り返し開閉によって接点の摩耗が進行し、また、大きなアークによる異常摩耗により接点の厚さが小さくなることによって、クローズ時におけるバイメタル部材16の前方端部36および可動アーム12の前方端部34の位置が低くなることがある。その結果、初期状態にあった突出部60とバイメタル端部42の下面との僅かな離間が無くなり得る。この場合、接点摩耗によって接点が溶着する可能性が高まるが、その前に突出部60にバイメタル部材16の最前端部42が当接する。その結果、バイメタル部材16は更に下方に向かって移動できないので、上述のような接点の溶着を未然に防止できる。また、このような当接によってバイメタル部材16の可動アーム12に対する押圧力が弱まる。その結果、可動アーム12が元の本来的な形状に向かって戻ろうとする弾性力が相対的に大きくなり、接点のオープンの状態を保持することができる。
このように突出部を設けると、保護デバイスがオープン状態で故障したとしても、何等かの理由によって可動アーム12が固定端子14に接触する可能性を大幅に減らして、オープン状態での故障を確保できる。尚、突出部60の先端部(図面では最上端)は、クローズ状態において可動アームの端部が固定端子(またはそれに設けた端子)に接触するのを阻害しないことを確保すればよいので、突出部60の先端部は、図3に示す位置よりも下方に位置してもよい。
図示した態様では、突出部60の先端部は可動アーム12から離間してこれらの間には空隙が存在する。バイメタル部材16の反転・戻りのサイクルによって生じる接点の摩耗をある程度許容するには、そのよう空隙が存在するように突出部60を設けるのが好ましい。
図7に、本発明の保護デバイスの第2の好ましい態様(クローズ状態においてバイメタル部材が可動アームを引き下げている態様)を、ケーシングを省略して模式的断面図で示す。尚、図7(a)は、クローズ状態の保護デバイスを示し、その状態からクローズ状態に変化した後の状態を図7(b)に示す。この保護デバイスでは、
図7(a)に示すように、固定端子14の上方にバイメタル部材16および可動アーム(12)が位置し、バイメタル部材16は可動アーム12の下方に位置する。可動アームは、接点32の後方に係合部70を有し、バイメタル部材16の前方端部36が係合部70に係合できる。例えば係合部70は、端部が引っ掛かる鉤状部であってよい。より具体的には、図示した態様では、係合部70は、断面L字形状を有する。
図7(a)に示すように、バイメタル部材16の前方端部36は、係合部70に係合している状態において、元の本来的な形状が図7(b)に示すような形状である可動アーム12を強制的に図7(a)に示す形状で保持している。即ち、バイメタル部材16は、可動アーム16が元の本来的な形状に戻ろうとする弾性力に抗して実質的に変形しない剛性を有し、その結果、バイメタル部材16は、可動アーム12の前方端部34を引き下げる力、即ち、引き下げ力を加えている。それによって、図示した態様では、可動アーム12の前方端部34に位置する接点32が固定端子14の接点30に対して押し付けられて接触した状態で保持されている。
図7(a)の保護デバイスにおいて、バイメタル部材16の温度が閾値を越えると、図7(b)に示すようにバイメタル部材16は反転し、係合部70とバイメタル部材の前方端部36との間の係合関係は解消する。その結果、バイメタル部材16が加えていた引き下げ力は作用しなくなり、可動アーム12は、元の本来的な形状に向かって戻ろうし、前方端部34は、図示した態様では、それに設けた接点32は、固定端子14から、図示した態様では、それに設けた接点30から離れ、保護デバイスは、オープン状態となる。
容易に理解できるように、バイメタル部材が可動アームの下方に位置する態様において、バイメタル部材が可動アームを引き下げることに関連する事項を除いて、先に説明した本発明の保護デバイスの第1の好ましい態様(クローズ状態においてバイメタル部材が可動アームを押し下げている態様)の説明が当て嵌まる。
図8に、本発明の保護デバイスが有するバイメタル部材の別の好ましい態様を、その模式的平面図にて示す。このバイメタル部材16’は部分88および部分90により構成され、先に説明したバイメタル部材16と同様に、実質的にやや長尺の略四角形の平坦なプレート状の形状を有する。
図8に示すバイメタル部材16’は、右側部分88に略「U」字(または「コ」字)状の貫通開口部80を有し、右側部分88の右端の基部82から舌状部分86が前方に(図面上は左向きに)突出している。図示した態様では、舌状部分86はその端部92に近接して貫通開口部84を有する。このバイメタル部材と締結するアーム部材および第2接続ターミナルの延在部材27に設けた貫通開口部とこの貫通開口部84とを整列した状態でカシメ留めして、バイメタル部材、可動アームおよび延在部材を一体に締結できる。従って、端部92は、あたかもバイメタル部材16の後方端部37に対応する。
図示したバイメタル部材16’は、左側部分90の前方端部94(バイメタル部材16の前方端部36に対応)の下側に接点を有してよく、これが、可動アームに力を加える。このようなバイメタル部材16’の場合、部分90の長さa1および部分88の長さa2に加えて舌状部分86の長さa3の和の長さを有する梁が支点として作用する開口部84におけるカシメ留めされていると考えることができる。即ち、図8に示すバイメタル部材も片持ち梁の一類型である。
バイメタル部材16’は、反転すると、前方端部94が上方に移動して可動アームの前方端部が上向きに移動して、固定端子との間に空隙が形成され、オープン状態となる。このようなバイメタル部材16’を用いる場合、梁の長さとして舌状部分86の長さa3を追加的に含めることができる。従って、バイメタル部材の全長がa1+a2であるにもかかわらず、舌状部分の長さa3をもバイメタル部材の梁の長さに参入できる。即ち、図8の構造のバイメタル部材は、そのコンパクト化に寄与できる。具体的には、例えばオッター(Otter)社の小型サーキットブレーカー(PBAタイプ)にて使用されているバイメタル部材を図8に示すバイメタル部材として使用できる。
上述の説明から理解できるように、本発明の保護デバイスは、クローズ状態からオープン状態に移行するために可動アームの端部を固定端子から離間させるための新規なメカニズムを有し、電気装置、電気回路等の保護に使用できる。
10:保護デバイス
12:可動アーム
13:可動アームの後方端部
14:固定端子
16および16’:バイメタル部材
18:ケーシング
20:開口部
22:エンド成形部
24:第1接続ターミナル
26:第2接続ターミナル
27:延在部材
28:プレアセンブリ
30:固定端子の接点
32:可動アームの接点
34:可動アームの前方端部
36:バイメタル部材の前方端部
37:バイメタル部材の後方端部
38:可動アームの最前端部
40:貫通開口部
42:バイメタル部材の最前端部
44:ストッパー
50:挟持用タブ
52:弱化部分
56:切り欠き部
58:弱化部分(V字形状ノッチ)
60:突出部
70:係合部
80:貫通開口部
82:基部
84:貫通開口部
86:舌状部分
88:右側部分
90:左側部分
92:後方端部
94:前方端部
12:可動アーム
13:可動アームの後方端部
14:固定端子
16および16’:バイメタル部材
18:ケーシング
20:開口部
22:エンド成形部
24:第1接続ターミナル
26:第2接続ターミナル
27:延在部材
28:プレアセンブリ
30:固定端子の接点
32:可動アームの接点
34:可動アームの前方端部
36:バイメタル部材の前方端部
37:バイメタル部材の後方端部
38:可動アームの最前端部
40:貫通開口部
42:バイメタル部材の最前端部
44:ストッパー
50:挟持用タブ
52:弱化部分
56:切り欠き部
58:弱化部分(V字形状ノッチ)
60:突出部
70:係合部
80:貫通開口部
82:基部
84:貫通開口部
86:舌状部分
88:右側部分
90:左側部分
92:後方端部
94:前方端部
Claims (14)
- 固定端子、その上方に位置する可動アームおよびバイメタル部材、ならびにこれらを収容するケーシングを有して成る保護デバイスであって、
バイメタル部材は可動アームの上方および下方の一方に位置し、
バイメタル部材の一方の端部は、可動アームの一方の端部に力を加え、それによって可動アームの該一方の端部と固定端子とが接触した状態で保持されていることを特徴とする保護デバイス。 - バイメタル部材は、可動アームの該一方の端部が固定端子から離れようとする弾性力に抗して、可動アームの該一方の端部と固定端子とが接触した状態で保持されるように、可動アームの該一方の端部に力を加えていることを特徴とする、請求項1に記載の保護デバイス。
- バイメタル部材は、反転すると、可動アームの該一方の端部が上方に移動することを許容し、それによって、可動アームの該一方の端部が固定端子から離間して可動アームと固定端子との間に空隙を形成することを特徴とする、請求項1または2に記載の保護デバイス。
- バイメタル部材は可動アームの上方に位置し、
バイメタル部材の該一方の端部は、可動アームの該一方の端部に押圧力を加えることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の保護デバイス。 - バイメタル部材は可動アームの下方に位置し、
バイメタル部材の該一方の端部は、可動アームの該一方の端部に引き下げ力を加えることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の保護デバイス。 - 可動アームおよびバイメタル部材は、それらの他方の端部にて一体に締結された片持ち梁の形態であることを特徴とする、請求項1~5のいずれかに記載の保護デバイス。
- バイメタル部材は、弱化部分を有することを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載の保護デバイス。
- 弱化部分は、ノッチの形態であることを特徴とする、請求項7に記載の保護デバイス。
- 可動アームは、該一方の端部にて接点を有し、接点が固定端子に向かって押し付けられる、請求項1~8のいずれかに記載の保護デバイス。
- 固定端子は、可動アームの該一方の端部またはそれが有する接点に、接触する接点を有する請求項1~9のいずれかに記載の保護デバイス。
- バイメタル部材は、反転前の状態において、平坦なプレート形状または下向きに凹のプレート形状を有する、請求項1~10のいずれかに記載の保護デバイス。
- バイメタル部材の該一方の端部の下方への過度の移動を制限するストッパーをハウジング部材の前端部に更に有して成る請求項1~11のいずれかに記載の保護デバイス。
- 請求項1~12のいずれかに記載の保護デバイスを有する電気装置。
- 請求項1~12のいずれかに記載の保護デバイスを有する電気回路。
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