JP4050098B2 - 直流電流遮断スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電流遮断スイッチに係わり、更に詳しくは高圧直流電流回路の接点開放アークの発生時間をなくし又は短く抑えて接点の溶融や損傷を防止し且つ高圧直流電流を完全に遮断する直流電流遮断スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば自動車の電装品、或いは充電電池で駆動する電子製品等において直流電源の電流回路の通電と遮断に使用されるスイッチがある。このようなスイッチが使用される従来の自動車の電装品を駆動する電源は、ＤＣ１２ＶかＤＣ２４Ｖのものが主流であり、また充電電池を使用する携帯型の電子機器も、その電源はＤＣ１２Ｖ程度が主流であった。
【０００３】
また、高い出力が要求される例えば電動工具のようなものでさえ、ＤＣ１８Ｖか２４Ｖ程度の電力で十分駆動が可能なものばかりであり、このような電源のスイッチとしては、従来からあるスイッチが何等の支障もなく、そのまま使用されてきた。
【０００４】
ところが、近年、自動車電装品の高電圧化や、充電電池を使用する機器における製品分野の拡大、あるいは性能の強力化された電気掃除機のような家電製品、更には電動自転車等の新製品の開発等により、それらの電動部の電源に強い出力が要求されるようになってきた。そして、そのような電源のより強い出力が要求されることに対応して、電源の高電圧化が必要となっている。
【０００５】
現在、このような製品に使用される電源の電圧として、一般に高電圧といわれる電圧は３０Ｖ以上を指しており、世界的な規格において安全性の点で上限とされる電圧は４２Ｖである。この点から、上述した各種の電気製品において要求される強い駆動出力を実現するために必要な安全な電源の電圧は３０〜４２Ｖの範囲の高電圧と考えられている。また、機器内部で使用される商用電源電圧を整流して得られる直流は更に高く、１４０Ｖから３００Ｖにも及ぶ。
【０００６】
そして、電流回路のスイッチにおいても、上記のような高電圧の電源の通電と遮断に使用可能なように、高電圧大電流への対応が必要となってきている。
ところが、直流の場合、大電流の遮断時には、開放されるスイッチの接点間に発生するアークの影響が、電源の電圧が高くなるにつれ大きくなることが知られている。例えば、電源電圧がＤＣ４２Ｖの場合、電流が１０Ａ程度であっても、従来のスイッチで電源を遮断すると、一般に通電時の電圧より接点開放時の電圧が高くなってアークか発生しやすくなる。またアークが発生しやすいばかりでなく、アークの継続時間も長くなることが知られている。
【０００７】
これは、電圧が３０Ｖ近傍の電圧の場合であっても、例えば５０Ａの大電流が使用されている場合、または、例えばモータやリレーのようなコイルを使用した誘導性の高い負荷が駆動されている揚合に、これらの電流回路を従来のスイッチで遮断した場合も同様にアークが発生しやすく、且つその継続時間が長くなる。これは、そのような高電圧大電流を遮断すると大きなサージ電圧が発生するためである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような現象は、電流遮断時に開放される接点間の間隔が小さかったり、接点間のアークが一定以上大きくなったりすると、特にはなはだしくなり、一旦接点間で発生したアークは瞬時に切れることがなく、数十ミリ秒もの間、継続する場合か多い。このようにアークが数十ミリ秒も継続すると、アークは高熱を発生するものであるから、接点を溶融させて接点間に溶着を起こし回路を短絡させたり、また、うまく接点間が解放状態で停止しても、周囲の絶縁部材がアークの熱で溶融、発煙、発火等の不具合を引き起こす虞が多分にあるという問題が発生してきた。
【０００９】
勿論、スイッチの接点間の開放間隔を大きく採るようにすれば、少なくとも接点間の溶着の問題は解消する。また、アークの発生継続時間も短縮される。しかし発生継続時間が短縮されるとはいえ接点間の開放直後のアークは発生しているのであるから、接点の溶融の問題は解消しない。つまり電流遮断の度に接点の溶融が発生して接点が変形し、スイッチの寿命が短縮される。
【００１０】
また、スイッチの接点間の開放間隔を大きくするということは、スイッチ本体の構造を大型化することに直結する。近年、全ての電子機器において電動部分の小型化が推進されている風潮の中で、スイッチの大型化は第１に避けねばならぬ事柄である。
【００１１】
もっとも、接点間のスパークを解消または低減させる方法として、接点間に抵抗を接続する方法が知られている。しかし、スパークを解消または低減させるほどの電流を通じさせる抵抗の抵抗値はかなり低いといわざるを得ない。このように低い抵抗値の抵抗が接点が開いた後も接点間に接続されたままであると、漏れ電流の累積量が無視できないほど大きく不経済である。
【００１２】
また、サージ電圧（又はサージ電流）を吸収するサージ電圧吸収素子も種々知られている。例えば、バリスタ、シリコンサージアブソーバ、あるいは放電を利用したガスアレスタ等が知られている。しかし、これらは、いずれも使用電圧とは異なる異常時の大きな値のサージ電圧をサージ制限電圧まで吸収して、上記の使用電圧で駆動される回路を異常なサージ電圧から保護するためのものであり、元来、スイッチ開閉時のような使用電圧と大差のない値のサージ電圧を吸収するものではない。
【００１３】
このようなサージ電圧吸収素子の使用上の目的から、サージ電圧吸収素子の機能上の特性としては、サージ制限電圧に対して使用電圧の範囲を狭くし、この狭い使用電圧の範囲とサージ制限電圧までの差を安全上のマージンとして設定されている。
【００１４】
したがって、使用電圧とは異なる異常時の大きな電圧を吸収するように且つ使用電圧とサージ制限電圧との間に安全上のマージンが設定されている特性を有するサージ電圧吸収素子を、通常のスイッチの接点間に使用しても、スイッチ開閉時のサージ電圧は使用電圧と大差のない値の電圧であるから、サージ電圧吸収素子は動作することがなく、つまり、サージ電圧を吸収するという機能を果たすことができない。
【００１５】
また、上記外に過大電流防止用の素子の一つとして、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）も知られている。ＰＴＣは初期時に大電流が流れ、その後減衰して微小電流に抑えれれるという特性を有している。したがって、過大電流防止用のみらなず、温度上昇の早い発熱体としても使用されており、また、初期にのみ大電流を必要とする機器、例えばカラーテレビの消磁用コイルへの通電用、あるいはモータ起動用の無接点スイッチとしても使用されている。いずれにしても、電流遮断時のサージ電流吸収素子として使用されたことはないし、また、そのように考慮されたこともない。
【００１６】
一般に、サージ電圧吸収素子は、より高い電圧で自己発熱により抵抗値を下げてサージ電圧を吸収する性質のものであるため、更なる過電圧に対しては最悪の場合熱暴走して自己破壊を起こし、このため、保護すべき回路が短絡状態となる危険性を持っている。したがって、この点からも、従来のサージ電圧吸収素子は、スイッチの接点に発生する電源電圧より遥かに高いサージ電圧を吸収する素子としては考慮の対象にならなかったものである。
【００１７】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、手動操作型、リレー型、サーマルプロテクタ型を問わず、小型の構成であって、高電圧での直流大電流を、接点を溶融させたり損傷することなく安全に且つ完全に遮断するスイッチを提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わる直流電流遮断スイッチの構成を述べる。
本発明の直流電流遮断スイッチは、内部の所定の位置に配置して形成され、外部回路に接続する為の端子部に連結された第１の固定接点と、内部の他の所定の位置に配置して形成され、外部回路に接続する為の端子部に連結された第２の固定接点と、上記第１及び第２の固定接点に対向する位置にそれぞれ配置された第１及び第２の可動接点を電気導通性を有して支持する可動部と、該可動部の上記第１及び第２の可動接点を上記第１及び第２の固定接点にそれぞれ押圧させて上記第１の可動接点、上記可動部、及び上記第２の可動接点を介して上記第１及び第２の固定接点間に直流電流を導通させる接点押圧手段と、最初に上記第１の固定接点に押圧されている上記第１の可動接点を上記第１の固定接点から開成させ、続いて上記第２の固定接点に押圧されている上記第２の可動接点を上記第２の固定接点から開成させる接点開成手段と、上記可動部と上記第１の固定接点との間に接続された非線形抵抗素子と、を有し、該非線形抵抗素子は、上記接点開成手段により上記第１の可動接点が上記第１の固定接点から開成されて該両接点間の直流大電流を遮断するとき該両接点間の電圧が０Ｖから電源電圧に移行する間に最小抵抗値を示す領域を有し、上記第２の可動接点が上記第２の固定接点から開成されて上記第１及び第２の固定接点間の上記直流電流の遮断が完了した時点で接点回路に対し電気的に切り離されるように構成される。
【００１９】
この直流電流遮断スイッチにおいては、例えば請求項２記載のように、上記非線形抵抗素子は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）であり、上記第１の可動接点の開成による上記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は、２８Ｖから４８Ｖの範囲であるように構成される。
【００２０】
上記ＰＴＣは、例えば請求項３記載のように、熱暴走しない範囲の上限電圧又は極小点が８０Ｖ以上の範囲にある電圧・電流特性を有して構成され、また、例えば請求項４記載のように、熱暴走しない範囲の電圧に対するピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有して構成される。
【００２１】
また、上記外部回路は、例えば請求項５記載のように、直流４２Ｖ定格の回路又は誘導負荷を駆動する回路であることが好ましい。
また、上記可動部材は、例えば請求項６記載のように、バイメタルによって駆動されるように構成して良く、この場合、上記外部回路は２８Ｖを越える２次電池パックの充電側回路又は充放電回路であり且つ充電時又は充放電時の上記可動接点の開成による開放電圧が５０Ｖを越えない範囲の定格回路であるように構成されていることが好ましく、更にこの場合、上記ＰＴＣは、例えば請求項７記載のように、Ｔｃ（キューリー温度）が上記バイメタルの動作温度より高い値に設定されて構成されることが好ましい。
【００２２】
また、上記可動部材は、例えば請求項８記載のように、電磁コイルによって駆動されるように構成してもよい。
また、上記非線形抵抗素子は、例えば請求項９記載のように、上記第１の可動接点の開成時に該第１の可動接点と上記第１の固定接点間に発生するアークが２ミリ秒以上継続することを防止するように構成され、また、例えば請求項１０記載のように、上記第１の可動接点が開成した後の電流をアークが発生しない好ましくは１Ａ以下の電流に制限する抵抗値を示すように構成される。
【００２３】
また、上記非線形抵抗素子をＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）で構成し、例えば請求項１０記載のように、上記可動接点の開成による上記直流大電流の遮断時における接点開放電圧を１３０Ｖから３１０Ｖの範囲であるように設定することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。尚、本発明の直流電流遮断スイッチは、特別な特性を有して構成されたＰＴＣを内蔵するが、このＰＴＣの特性については後述する。
【００２５】
図１(a) は、第１の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしての押しボタン型の手動操作型スイッチの構成を示す断面図であり、同図(b),(c) は、同図(a) と共にこの手動操作型スイッチの動作状態を示す図である。
図２(a),(b),(c) は、図１(a),(b),(c) にそれぞれ対応する手動操作型スイッチの回路構成を、外部回路構成と共に模式的に示す図である。
【００２６】
図１(a) 及び図２(a) に示す手動操作型スイッチ１は、図１(a) に示すハウジング２の所定の位置（図では中央よりも右側）に配置して形成され図２(a) に示す外部回路１０の接続端子１１−１に接続するための接続部３−１に連結された第１の固定接点４−１と、同じくハウジング２の他の所定の位置（図では中央よりも左側）に配置して形成され図２(a) に示す外部回路１０の接続端子１１−２に接続するための接続部３−２に連結された第２の固定接点４−２とを備えている。
【００２７】
また、上記第１の固定接点４−１及び第２の固定接点４−２に対向する位置にそれぞれ配置された第１の可動接点５−１及び第２の可動接点５−２と、これら第１の可動接点５−１及び第２の可動接点５−２を電気導通性を有して支持する可動部６を備えている。
【００２８】
この可動部６の上方には、同図(a) に示すように、接点押圧手段としての上に凸状のばね板７が、中央部に穿設された孔をハウジング２の天井（ここでは図の上方に位置するので天井と言うが実際にはこのスイッチの取り付け面ともなるべき面であり実用面では横又は下向きになる場合が多い、以下同様に上下左右の位置は図で見る位置による）に突設された位置き決め突起部２−１に嵌入させて位置決めされて配設される。このばね板７は、その両端部を可動部６の両端に上から圧接させて、可動部６の両端をつまり可動部６の両端下面に支持されている上記第１の可動接点５−１及び第２の可動接点５−２を下方に付勢している。
【００２９】
これにより、ばね板７は、常には、上記第１の可動接点５−１及び第２の可動接点５−２を、上記第１の固定接点４−１及び第２の固定接点４−２にそれぞれ圧接させて、上記電気導通性を有する可動部６を介して、つまり第１の可動接点５−１及び第２の可動接点５−２を介して、第１の固定接点４−１び第２の固定接点４−２間に直流電流を導通させている。
【００３０】
他方、可動部６の下方には、昇降部８−１、ラチェット部８−２、及び押しボタン８−３からなる接点開成手段としての接点操作部８が設けられている。接点操作部８の昇降部８−１は、ラチェット部８−２において、中央よりも上記第１の可動接点５−１寄りに配置されており、この昇降部８−１の上部に突設されている係合突部８−１−１が、可動部６の中央よりも第１の可動接点５−１寄りに形成されている係合孔６−１に挿通されて、可動部６と接点操作部８とが係合している。
【００３１】
また、ハウジング２の外部から内部に挿通されて配置されている外部接続端子３−１の下面とハウジング２の底面との間に挟まれて、非線形抵抗素子としての四角柱形のＰＴＣ９が配設される。尚、このＰＴＣ９の形状は、四角柱形に限るものではなく、三角柱、あるいは五角以上の多角柱、あるいは円柱等の任意の柱形であってよい。
【００３２】
このＰＴＣ９の上面と下面は、それぞれ電極面となっており、上面の電極９−１は外部接続端子３−１の下面に接続され、ＰＴＣ９の下面の電極９−２には、可動部６から引き出されている接続線６ａが接続されている。これにより、ＰＴＣ９は、図２(a) に示すように、第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１から成る接点回路に並列に接続されている。
【００３３】
上記の構成において、接点操作部８の押しボタン８−３をハウジング２の内部に押し込む（図では押し上げる）と、この押し込み操作がラチェット部８−２を介して昇降部８−１に伝達され、昇降部８−１が上昇する。この昇降部８−１の上昇により、したから押されて可動部６が上に移動しようとする。
【００３４】
前述したように、昇降部８−１と可動部６との係合部は、中央よりも第１の可動接点５−１寄りに位置しているため、この係合部を支点としてみると、ばね板７から可動部６の両端に加えられている付勢トルクは、支点からの距離が長い第２の可動接点５−２の方が強く、これよりも支点からの距離が短い第１の可動接点５−１への付勢トルクは弱い。
【００３５】
したがって、図１(b) 及び図２(b) に示すように、昇降部８−１の上昇により下から押されて上に移動しようとする可動部６は、上から押さえ付けられる付勢トルクの比較的弱い第１の可動接点５−１側が最初に上方に移動する。すなわち、最初に第１の可動接点５−１が第１の固定接点４−１から開成され、これらの接点間に流れていた電流が遮断される。
【００３６】
ここで、上記の第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１から成る接点回路に並列に接続されているＰＴＣ９の機能について説明する。この非線形抵抗素子としてのＰＴＣ９は、図１(a) 及び図２(a) に示すように、第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１のスイッチが閉じているときは、上面電極９−１と下面電極９−２間の電圧はほぼ「０」であり、したがって、２５℃を基準とする所定の抵抗値を有するＰＴＣ９には電流は流れない。
【００３７】
ここで、第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１のスイッチが、図１(b) 及び図２(b) に示すように開いても、第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１間にはＰＴＣ９が並列に接続されているので全体としての回路は閉回路となっており、サージが発生しにくい構成になっている。
【００３８】
そして、接点開放後は、ＰＴＣ９に電源電圧が印加されるので、ＰＴＣ９は瞬時に発熱し、その発熱によりＰＴＣ９の特性に基づく所定のピーク電流が流れる抵抗値までその抵抗値を下げるので、サージ電圧を発生しにくくさせる。
これにより、開いた第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１間には、サージ電圧による電流が流れることがなく、すなわち、開いた第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１間にアークが発生することはない。
【００３９】
ＰＴＣ９には、そのまま電流が流れることにより更に発熱して、今度は抵抗値が上昇し、電源電圧では、極めて僅かの無視し得る程度の電流が流れるのみとなる。
本例では、上記に続いて、更に押しボタン８−３が押し込まれることにより昇降部８−１が更に上昇して、これにより、図１(c) 及び図２(c) に示すように、可動部６の第２の可動接点５−２側も上に移動する。すなわち、最初に第１の可動接点５−１が第１の固定接点４−１から開成した後、これに続いて、第２の可動接点５−２が第２の固定接点４−２から開成する。
【００４０】
これにより、第１の可動接点５−１、可動部６、及び第２の可動接点５−２を介して第１の固定接点４−１と第２の固定接点４−２間に流れていた直流大電流が完全に遮断される。この電流遮断が完了した時点で、これらの接点回路に対しＰＴＣ９は電気的に切り離された状態に維持される。
【００４１】
このように、この手動操作型スイッチ１は、完全に高圧直流電流を遮断する。しかも、上記のように３０Ｖ〜４２Ｖ（場合により５０Ｖ）の高圧の直流電流を迅速に且つ完全に遮断しながら、接点間にアークが発生せず、したがって接点が溶融することもない。
【００４２】
図３は、上記のような特性を有するＰＴＣ９を得るために、電圧・電流特性の異なる種々のＰＴＣを試料として試作し、実験により、それらの電圧と電流の関係を調査し、調査結果をプロットして得られた電圧・電流特性図である。同図は横軸に電圧（Ｖ）を示し、縦軸に電流（Ａ）を示している。また、同図は横軸、縦軸ともに目盛りを対数で示している。
【００４３】
同図に示す電圧・電流特性図の各特性曲線の左端に示す抵抗値は、２５℃のときの抵抗値を示している。この２５℃という環境温度条件における抵抗値は、非線形抵抗素子であるＰＴＣを特化して識別するための基準とされている。
図４は、上記の電圧・電流特性図から得られる各ＰＴＣの主要な特性を分かりやすく数値で示した図表である。同図に示す図表１２の試料番号欄１２−１と２５℃の抵抗値欄１２−２との対応関係に示すように、図３の電圧・電流特性図の各特性曲線の左端に示す抵抗値７Ω、１５Ω、３０Ω、５０Ω、３０Ω、５０Ω、１００Ω、２００Ω、３００Ω、５Ｋ（５０００）Ω、及び１０（１００００）Ωの抵抗値のＰＴＣには、それぞれＮｏ．１からＮｏ．１１までの試料番号が付与されている。
【００４４】
ここでＰＴＣの熱暴走を含む特性に関して説明する。ＰＴＣの特性については電源電圧が１００Ｖや２００Ｖの場合、初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のものが使用され、この場合の電圧・電流持性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置は５０Ｖ以上の特性のＰＴＣとなる。このようなＰＴＣを直流の高電圧（３０〜４２Ｖ）に使用した揚合、遮断時に発生するアークに対しては抵抗の低下を伴わず、固定抵抗か接続されているのとほぼ同じ状況となり、負荷抵抗とで分圧されるサーモスタット両端の電圧があまり低下しないため、アークを小さくすることかできない。
【００４５】
これに対しＰＴＣの設定を、電圧・電流特性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置を直流の上記電圧すなわら５０Ｖより低い値に設定すると、スイッチの端子間を開いた電流遮断時のＰＴＣの最小抵抗値を発生する電圧を超えて、より高い電圧が印加される。この接点間は、ＰＴＣが並列に接続されており、スイッチの端子間の電圧は０Ｖから負荷での降下分を除いた電圧までごく短時間に変化して行く。
【００４６】
つまり、スイッチの端子間がＰＴＣによりクランプされ、回路として遮断が行われても、開放部分の無い閉回路のままであり、過渡的なサージ電圧が発生しにくくなる。しかもＰＴＣはその間に最小抵抗値の区間があり、ＰＴＣに流れる電流もピークを有している。
【００４７】
抵抗の比較的大さな３００Ωの例でも、電圧・電流特性のピークは１０Ｖ付近にあり、この静特性で見る限り４２Ｖでの電流は０．０１５Ａであるが、その間に０．０４５Ａのピークを経てくることになる。図３のグラフより計算上は２２２Ω程度の最小抵抗になるが、遮断過程で、アークと並列にこの抵抗が接続され、しかもその抵抗値が最小値を有する為、サージ電圧を生じにくく、アークの継続をも抑止することとなり、遮断過程で消弧される。
【００４８】
一方、１２Ｖ系の電池の２個直列の最大電圧は２８Ｖであり、３個直列の最大電圧は４２Ｖになる。この２８Ｖから、という電圧を下限として考慮すると上記ピーク電流は２８Ｖよりも低い電圧、具体的には２０Ｖまでの範囲で設定すると効果がある。この能力は抵抗値を小さくすれば大きくなるが、ＰＴＣは過大な電圧を印加された場合、すなわら自己制御の能力限界を超える電圧が印加されると、電流が急増して熱暴走の領域に入る。
【００４９】
すなわち、図３の電圧・電流特性図において、電圧に対して抵抗が増大する領域（右下）に対し、過大な電圧が印加されるとカーブが上昇に転じる点（高電圧側の変曲部、図ではほぼ水平に見えるが実際には右端がやや上昇している）がある。この点は、極小点とも耐圧限界点ともいい、この点を越えるとＰＴＣは上述した熱暴走の領域に入って、やがては自己破壊を引き起こすので、熱暴走発生点ともいう。
【００５０】
従って、ＰＴＣには電圧に対する上限の条件が存在し、この上限の条件が上記の曲線の極小点（熱暴走発生点）になる。そして、少なくともこの曲線の極小点の位置する電圧を通常使用する電圧の２倍に設定して安全性を確保する必要があり、８０Ｖがその目安になる。この条件を、電圧・電流特性のピーク電流値で規定すると、２Ｖよりも低い低電圧側にある特性では、高電圧側の耐圧特性が十分でなくなるため、ほぼ２Ｖから２０Ｖの範囲と限定することができる。
【００５１】
図４のＮｏ．１とＮｏ．２の試料は、図表１２の極小点の位置欄１２−５に示すように、極小点の位置が２Ｖよりも低く、上記のように高電圧側の耐圧特性が十分でなく、使用電圧での安全性が確保できないので、これらＮｏ．１とＮｏ．２の試料は採用対象から除外することになる。
【００５２】
次に、ピーク電流の位置欄１２−４に示すピーク電流の位置（Ｖ）は、ＰＣＴを流れる初期時の電流が最大になる電圧の位置を示すものである。図１(b) 及び図２(b) に示すスイッチ開放直後にＰＣＴ９に流れる電流は最大である方が良いから、そのようにスイッチ開放直後に流れる電流を最大にするには、図１(a) 及び図２(a) に示すスイッチ開放直前のＰＣＴ９にかかる電圧がほぼ「０」であることを考えると、ピーク電流の位置（Ｖ）は、小さいほど良いことになる。
【００５３】
そうすると、試料Ｎｏ．１とＮｏ．２は既に除外してあるので、残る試料Ｎｏ．３からＮｏ．１１までを見ると、試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９がピーク電流の位置（Ｖ）が１桁台であり、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１がピーク電流の位置（Ｖ）が使用電圧（本例では４８Ｖ以下）より高いので、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１を採用対象から除外する。したがって、採用対象として残る試料は、試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料である。
【００５４】
このようにして残された試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料が、対象電圧（４８Ｖ以下）で熱暴走せず、安全に使用できるＰＣＴということになる。そして、このようなＰＴＣは、ピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有していることになる。
【００５５】
図４の図表１２の極小点の位置欄１２−５の数値を見ると、試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料の極小点の位置は、いずれも６０〜１７０Ｖの間であって、４２Ｖ以上である。特に試料Ｎｏ．３からＮｏ．５までのＰＴＣは、極小点の位置が、上述した電源の定格電圧４２Ｖのほぼ２倍の８０Ｖ以上あるので、好ましい特性のＰＴＣといえる。すなわち、これらは外部回路１０に接続される手動操作型スイッチ１の第１の可動接点と第１の固定接点間に図２(a),(b),(c) に示すように並列接続すべきＰＴＣ９として適合するものであることが判明する。
【００５６】
また、同図でみると、特に試料Ｎｏ．３とＮｏ．４は、極小点の位置が１１０Ｖと１７０Ｖであるので、電源の定格電圧が５０Ｖであっても、適合できることが判明する。
尚、ＰＴＣには、抵抗値が急激に増加する温度領域の始点があり、この温度をキュリー温度（Ｔｃ）といっている。また、この温度は、最小抵抗値の２倍の抵抗値に対応した温度と定義されている。最小抵抗値は、図５に示すピーク電流の位置（Ｖ）である。
【００５７】
したがって、上記の試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料からは、動作して接点が開くまでに最小抵抗域を通過するように、キュリー温度が動作温度より高い値に設定されているものを選択して採用する必要がある。この選択では、ＰＴＣの特性を、上述した電圧・電流特性ばかりでなく温度特性を種々変えることにより、所望のＰＴＣを得ることができる。
【００５８】
図５(a) は、比較のためにＰＴＣを配設しない従来型のスイッチ構成で４２Ｖの電流を遮断したときの電流の変化の過程を示す図であり、同図(b) は、ＰＴＣを配設した本発明のスイッチ構成で４２Ｖの電流を遮断したときの電流の変化の過程を示す図である。
【００５９】
尚、同図(a),(b) は、横軸に時間を示し、縦軸に電圧を示している。また同図(a) の横軸の時間目盛りは２０ミリ秒毎の目盛りであり、同図(b) の横軸の時間目盛りは２ミリ秒毎の目盛りである。
同図(a) では時刻ｔ０でスイッチ（第１の可動接点５−１と第１の固定接点４−１のスイッチ、以下同様）の接点を開いて電圧４２Ｖの電流を遮断して接点間の電流が完全に遮断されて電圧が０Ｖ（この場合は電流が０の意味、以下同様）になるまでの時刻ｔ１までに、７０ミリ秒強の時間が経過している。すなわち、この間アーク１３が接点間に発生しており、そのアーク１３の発生が７０ミリ秒強継続していたことを意味している。このようにアークが７０ミリ秒以上も継続して発生すると、接点が容易に溶融し、接点間が融着するなどして短絡を起こし、スイッチが破壊される。
【００６０】
これに対して、同図(b) に示す実例では、時刻Ｔ１でスイッチの接点を開いて電圧４２Ｖの電流を遮断して接点間の電流が完全に遮断されて電圧が０Ｖになる時刻Ｔ２までの時間の経過は１ミリ秒弱である。つまり従来型のスイッチのおよそ１／７０以下の速さで高圧直流電流を遮断することができる。そして、アークが発生しないため接点が溶融することもなく、スイッチの寿命が格段に長期化する。
【００６１】
上記の実施の形態では手動操作型スイッチを例にとって説明したが、スイッチとしては手動操作型スイッチに限ることなく、例えば電磁リレーを用いてもよい。これを他の実施の形態として以下に説明する。
図６(a),(b),(c) は、第２の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしての電磁リレーの構成を示す図である。同図(a) は、上に同図(b) のＡ−Ａ′断面矢視図を示し、下に底面図を示している。また、同図(b) は、上に同図(a) のＢ−Ｂ′断面矢視図を示し、下に底面図を示している。そして、同図(c) は、スイッチ開成後の断面図を示している。
【００６２】
同図(a),(b) に示すように、電磁リレー１５は、ハウジング１６の内部を大きく占める支持部材１７に支持されて、コイル１８−１とコア１８−２からなる電磁石１８が配設されている。
そして、コア１８−２の吸着端の近傍には、断面が鉤型に形成された可動部材１９の鉤方の長軸方向の一端が対向して配置される。尚、同図(b) は、その可動部材１９の鉤方の長軸方向の一端がコア１８−２の吸着端に吸着されている状態を示している。
【００６３】
可動部材１９の鉤方の短軸方向の他端には、ばね板２１が固設されている。このばね板２１の二股に分かれた一方の先端２１−１の下面には第１の可動接点２２−１が固設され、他方の先端２１−２の下面には第２の可動接点２２−２が固設されている。
【００６４】
第１の可動接点２２−１の下方には、この第１の可動接点２２−１に対向する位置に第１の固定接点２５−１が配設されている。この第１の固定接点２５−１は、外部回路に接続する為にハウジング１６の底部を貫通して外部に突設されている端子部２３−１に、連結部材２４により連結されている。
【００６５】
また、第２の可動接点２２−２の下方には、この第２の可動接点２２−２に対向する位置に、第２の固定接点２５−２が配設されている。この第２の固定接点２５−２は、外部回路に接続する為にハウジング１６の底部を貫通して外部に突設されている端子部２３−２の内端部に直接連結されている。
【００６６】
上記のばね板２１が固設されている可動部材１９の短軸方向の他端には、断面がＵ字形のばね部材２６が取り付けられている。ばね部材２６は、Ｕ字形の開口部を接点方向に向けてその横Ｕ字形の上部の面を可動部材１９の短軸方向の他端下面に固着され、その横Ｕ字形の下部の面と、第１の固定接点２５−１の連結部材２４との間には、非線形抵抗素子としてのＰＴＣ２７が介装されている。ＰＴＣ２７は、その上面の電極面を横Ｕ字形のばね部材２６の下面に接続され、下面の電極面が接続板２９に接続されている。
【００６７】
この電磁リレーは、電磁石１８が通電駆動されているときは、同図(a),(b) に示すように、可動部材１９の長軸方向の一端がコア１８−２の吸着端に吸着されていることにより長軸と短軸の境界部を支点にして、ばね部材２６の付勢力に抗して反時計回り方向に回動して、第１の可動接点２２−１がばね板２１の一方の先端２１−１の付勢力により第１の固定接点２５−１に押圧され、第２の可動接点２２−２がばね板２１の他方の先端２１−１の付勢力により第２の固定接点２５−２に押圧される。
【００６８】
この状態で、上記の接続端子２３−１及び２３−２を、図２(a) に示した外部回路１０の接続端子１１−１及び１１−２に接続することにより、同図(a) に示した回路と同一の回路が構成される。
図６(a) に示すように、第１の可動接点２２−１と第１の固定接点２５−１との圧接面は、第２の可動接点２２−２と第２の固定接点２５−２との圧接面よりも高さａだけ低く設定されている。これらの圧接面に押圧力を発生させているばね板２１の先端２１−１、２１−２は同じ付勢力を持ちながら、同図(b) に示すように、上記の高さａの差だけ、第１の可動接点２２−１を保持する一方の先端２１−１の方が沈み込んでいる。
【００６９】
したがって、電磁石１８への通電が遮断されると、図６(c) に示すように、可動部材１９は、ばね部材２６により長軸と短軸の境界部を支点にして時計回り方向に付勢されていることにより、まず、高さａだけ深く沈みこんでいる第１の可動接点２２−１と第１の固定接点２５−１とが離隔して、両接点間が開放される。このとき図２(b) に示した回路の状態と同一の回路状態となる。
【００７０】
そして、第１の可動接点２２−１と第１の固定接点２５−１とからなる接点回路に並列にＰＴＣ２７が接続されていることにより、この場合も、接点回路は閉回路を構成し、第１の可動接点２２−１と第１の固定接点２５−１間にサージ電圧は発生しにくく、つまりこの場合も図５(b) に示したように、アークは発生せず、少なくとも２ミリ秒以内で、電流が遮断される。
【００７１】
更に続いて第２の可動接点２１−２も第２の固定接点２５−２から開成される。これにより、電流遮断が完了し、この時点で、これらの接点回路に対しＰＴＣ２７は電気的に切り離された状態に維持される。
このように、この電磁リレー１５は、完全に高圧直流電流を遮断する。しかも、上記のように３０Ｖ〜４２Ｖ（場合により５０Ｖ）の高圧の直流電流を迅速に且つ完全に遮断しながら、接点間にアークが発生せず、したがって接点が溶融することもないから、接点間を比較的狭く構成できる小型の電磁リレーで構成することができる。
【００７２】
図７(a),(b),(c) は、第３の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしてのサーモスタットの構成を示す図である。同図(a) は、ハウジング上部を透視的に見た平面図であり、同図(b) は同図(a) のＡ−Ａ′断面矢視図、同図(c) は、同図(a) のＢ−Ｂ′断面矢視図である。
【００７３】
同図(a),(b),(c) に示すように、サーモスタット３０は、外部回路に接続するための２本の端子部３１−１及び３１−２が、ハウジング３２の内部から外に突出して設けられている。端子部３１−１及び３１−２にはハウジング３２内における端部上面に、第１の固定端子３３−１及び第２の固定端子３３−２がそれぞれ形成されている。
【００７４】
ハウジング３２内には、バイメタル３４と、このバイメタル３４の反りの反転に応じて、バイメタル係止爪３６−１を支点にして他端が上下に揺動する可動板３６が配設されている。この上下に揺動する可動板３６の他端は二股に分かれており、二股に分かれた端部下面の上記第１の固定端子３３−１及び第２の固定端子３３−２に対向する位置に、第１の可動端子３７−１及び第２の可動端子３７−２が形成されている。
【００７５】
バイメタル３４は、常に反りを有する二枚重ねの金属片からなり、所定の温度を界目として反りが反転するようになっている。このサーモスタット３０の通常の使用温度内では、バイメタル３４の反りは上に凸状であり、その一端が可動板３６のバイメタル係止爪３６−１に係止し、他端が同じく可動板３６の他のバイメタル係止爪３６−２に係止している。
【００７６】
可動板３６のバイメタル係止爪３６−１側の端部は、導電性の固定部３８に固定されており、この固定部３８と、第１の固定端子３３−１を備えた端子部３１−１の内端部３１−１−１との間に、ＰＴＣ３９が介装されている。
これにより、このサーモスタット３０の端子部３１−１と端子部３１−２とがそれぞれ図２(a) に示す外部回路の接続端子１１−１及び１１−２に接続されることにより、図２(a) に示したと同様の全体回路が構成される。
【００７７】
この状態で上述したようにサーモスタット３０の通常の使用温度内ではバイメタル３４の反りは上に凸状であることにより、図７(b),(c) に示すように、可動板３６のバイメタル係止爪３６−２側の端部は、バイメタル３４によって下方に付勢され、これにより可動板３６の当該端部の第１の可動接点３７−１及び第２の可動接点３７−２は、それぞれ第１の固定接点３３−１及び第２の固定接点３３−２に押圧されて接触している。すなわち、スイッチとしてのサーモスタット３０は閉じている。
【００７８】
ここで、周囲に何らかの異常が発生し、サーモスタット３０の通常の使用温度を超える温度がバイメタル３４に伝達されると、バイメタル３４は反りを反転させて上に凹状に形態を変化させる。これにより可動板３６のバイメタル係止爪３６−２側の端部が上方に持ち上げられる。
【００７９】
このとき、図７(b) に示すよいうに、第１の可動接点３７−１と第１の固定接点３３−１との圧接面は、第２の可動接点３７−２と第２の固定接点３３−２との圧接面よりも高さｂだけ低く設定されていて、その高さｂの差だけ第１の可動接点３７−１の方が沈み込んでいることにより、可動板３６のバイメタル係止爪３６−２側の端部が上方に持ち上げられたとき、第１の可動接点３７−１の方が先に第１の固定接点３３−１から離隔して、図２(b) に示した回路の状態と同一の回路状態となる。
【００８０】
そして、第１の可動接点３７−１と第１の固定接点３３−１とからなる接点回路に並列にＰＴＣ３９が接続されていることにより、この場合も、接点回路は閉回路を構成し、第１の可動接点３７−１と第１の固定接点３３−１間にサージ電圧は発生しにくく、つまりこの場合も図５(b) に示したように、アークは発生せず、少なくとも２ミリ秒以内で、電流が遮断される。
【００８１】
更に続いて第２の可動接点３７−２も第２の固定接点３３−２から離隔する。これにより、電流遮断が完了し、この時点で、これらの接点回路に対しＰＴＣ３９は電気的に切り離された状態に維持される。
このように、このサーモスタット３０は、完全に高圧直流電流を遮断する。しかも、高圧の直流電流を迅速に且つ完全に遮断しながら、接点間にアークが発生せず、したがって接点が溶融することもないから、接点間を比較的狭く構成できる小型の電磁リレーで構成することができる。
【００８２】
図８(a),(b),(c) は、ＰＴＣ接続の他の例を示す図である。この接続ではアークを制限する効果は小さい。すなわち、同図(b) に示すように、第１の可動接点４１−１が第１の固定接点４２−１から開成されたとき、ＰＴＣ４３により電源側回路が閉回路となるので、この場合もサージ電圧は発生しにくいが、ＰＴＣはすでに通電状態となっており、抵抗値が上昇している。このため、図２の場合よりも効果は小さくなる。また、同図(a) に示すように、スイッチが閉じているときは、無視できる程度ではあるがＰＴＣ４３に漏れ電流が流れる。これでも、電源電圧と共に接続する対象機器を吟味すれば十分に適用が可能である。
【００８３】
なお、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１に示した初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のＰＴＣは、電圧・電流持性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置が５０Ｖ以上であるので、３０〜４２Ｖの高電圧に使用した揚合、遮断時に発生するアークに対して抵抗の低下を伴わないため固定抵抗が接続されているのとほぼ同じ状況となり、スイッチ部の電圧があまり低下せずアークを小さくすることかできないと説明したが、これはあくまでも３０〜４２Ｖの高電圧に使用した場合のことである。
【００８４】
上記の試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１として示した初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のＰＴＣは、ピーク電流の位置が４０Ｖ〜６０Ｖの範囲であり、極小点が２５０Ｖ〜３５０Ｖ以上であるので、機器内部で使用される商用電源電圧を整流して得られる１４０Ｖから３００Ｖの直流高電圧に対しては、３０〜４２Ｖの高電圧に対する試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９まで（好ましくはＮｏ．５まで）のＰＴＣの場合と同様にスイッチ部に並列に接続して用いることができ、上述したと同様の効果が得られる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電圧・電流特性と温度特性を特別に設定されたＰＴＣを、前後して開くスイッチの最初に開くスイッチの接点回路に並列に接続するので、最初のスイッチの接点を開いて高圧電流を遮断しても閉回路が形成されていてサージ電圧が発生しにくく、その後ＰＴＣが最小抵抗域を通過して電流をほぼ遮断し、更に後から開く接点により電流遮断動作が完了すると共に接点回路からＰＴＣを電気的に切り離すので、これにより、開放される接点間の間隙を広く設定することなく例えば３０〜５０Ｖ、更には１３０Ｖから３１０Ｖの高圧の直流電流を急速且つ確実に遮断することができ、これにより、スイッチ機構の小型化が実現でき、近年の電子機器の小型化に容易に対処することができ、用途が拡大して便利である。
【００８６】
また、サージ電圧が発生しにくいため接点間にアークが発生しないので、接点が溶融する不具合を防止でき、これにより、信頼性の高い長寿命の高圧用の直流電流遮断スイッチを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a) は第１の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしての押しボタン型の手動操作型スイッチの構成を示す断面図、(b),(c) は(a) と共にこの手動操作型スイッチの動作状態を示す図である。
【図２】 (a),(b),(c) は図１(a),(b),(c) にそれぞれ対応する手動操作型スイッチの回路構成を外部回路構成と共に模式的に示す図である。
【図３】種々のＰＴＣを試料として試作し実験によりそれらの電圧と電流の関係を調査して得られた電圧・電流特性図である。
【図４】電圧・電流特性図から得られる各ＰＴＣの主要な特性を分かりやすく数値で示した図表である。
【図５】 (a) は比較のためにＰＴＣを配設しない従来型のサーモスタットで４２Ｖの電流を遮断したときの変化の過程を示す図、(b) はＰＴＣを配設した本発明のサーモスタットで４２Ｖの電流を遮断したときの変化の過程を示す図である。
【図６】 (a),(b),(c) は第２の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしての電磁リレーの構成を示す図である。
【図７】 (a),(b),(c) は、第３の実施の形態における直流電流遮断スイッチとしてのサーモスタットの構成を示す図である。
【図８】ＰＣＴを接点回路に含む他の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 手動操作型スイッチ
２ ハウジング
２−１ 位置き決め突起部
３−１、３−２ 外部接続端子
４−１ 第１の固定接点
４−２ 第２の固定接点
５−１ 第１の可動接点
５−２ 第２の可動接点
６ 可動部
６−１ 係合孔
６ａ 接続線
７ ばね板
８ 接点操作部
８−１ 昇降部
８−１−１ 係合突部
８−２ ラチェット部
８−３ 押しボタン
９ ＰＴＣ
９−１ 上面の電極
９−２ 下面の電極
１０ 外部回路
１１−１ 接続端子
１１−２ 接続端子
１２ 図表
１２−１ 試料番号欄
１２−２ ２５℃の抵抗値欄
１２−３ ２５℃の電流欄
１２−４ ピーク電流の位置欄
１２−５ 極小点の位置欄
１３ アーク
１５ 電磁リレー
１６ ハウジング
１７ 支持部材
１８ 電磁石
１８−１ コイル
１８−２ コア
１９ 可動部材
２１ ばね板
２１−１ 一方の先端
２１−２ 他方の先端
２２−１ 第１の可動接点
２２−２ 第２の可動接点
２３−１、２３−２ 端子部
２４ 連結部材
２５−１ 第１の固定接点
２５−２ 第２の固定接点
２６ ばね部材
２７ ＰＴＣ
３０ サーモスタット
３１−１、３１−２ 端子部
３１−１−１ 内端部
３２ ハウジング
３３−１ 第１の固定端子
３３−２ 第２の固定端子
３４ バイメタル
３６−１、３６−２ バイメタル係止爪
３６ 可動板
３７−１ 第１の可動端子
３７−２ 第２の可動端子
３８ 固定部
３９ ＰＴＣ
４１−１ 第１の可動端子
４１−２ 第２の可動端子
４２ ＰＴＣ

Claims (11)

1. 内部の所定の位置に配置して形成され、外部回路に接続する為の端子部に連結された第１の固定接点と、
   内部の他の所定の位置に配置して形成され、外部回路に接続する為の端子部に連結された第２の固定接点と、
   前記第１及び第２の固定接点に対向する位置にそれぞれ配置された第１及び第２の可動接点を電気導通性を有して支持する可動部と、
   該可動部の前記第１及び第２の可動接点を前記第１及び第２の固定接点にそれぞれ押圧させて前記第１の可動接点、前記可動部、及び前記第２の可動接点を介して前記第１及び第２の固定接点間に直流電流を導通させる接点押圧手段と、
   最初に前記第１の固定接点に押圧されている前記第１の可動接点を前記第１の固定接点から開成させ、続いて前記第２の固定接点に押圧されている前記第２の可動接点を前記第２の固定接点から開成させる接点開成手段と、
   前記可動部と前記第１の固定接点との間に接続された非線形抵抗素子と、
   を有し、
   該非線形抵抗素子は、前記接点開成手段により前記第１の可動接点が前記第１の固定接点から開成されて該両接点間の直流大電流を遮断するとき該両接点間の電圧が０Ｖから電源電圧に移行する間に最小抵抗値を示す領域を有し、前記第２の可動接点が前記第２の固定接点から開成されて前記第１及び第２の固定接点間の前記直流電流の遮断が完了した時点で接点回路に対し電気的に切り離される、
   ことを特徴とする直流電流遮断スイッチ。
2. 前記非線形抵抗素子はＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）であり、前記第１の可動接点の開成による前記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は２８Ｖから４８Ｖの範囲であることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。
3. 前記ＰＴＣは、熱暴走しない範囲の上限電圧又は極小点が８０Ｖ以上の範囲にある電圧・電流特性を有することを持徴とする請求項１又は２記載の直流電流遮断スイッチ。
4. 前記ＰＴＣは、熱暴走しない範囲の電圧に対するピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有することを特徴とする請求項３記載の直流電流遮断スイッチ。
5. 前記外部回路は、直流４２Ｖ定格の回路又は誘導負荷を駆動する回路であることを特徴とする請求項３又は４記載の直流電流遮断スイッチ。
6. 前記可動部材はバイメタルによって駆動され、前記外部回路は２８Ｖを越える２次電池パックの充電側回路又は充放電回路であり且つ充電時又は充放電時の前記可動接点の開成による開放電圧が５０Ｖを越えない範囲の定格回路であることを特徴とする請求項４記載の直流電流遮断スイッチ。
7. 前記ＰＴＣは、Ｔｃ（キュリー温度）が前記バイメタルの動作温度より高い値に設定されていることを特徴とする請求項６記載の直流電流遮断スイッチ。
8. 前記可動部材は、電磁コイルによって駆動されることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。
9. 前記非線形抵抗素子は、前記第１の可動接点の開成時に該第１の可動接点と前記第１の固定接点間に発生するアークが２ミリ秒以上継続することを防止することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の直流電流遮断スイッチ。
10. 前記非線形抵抗素子は、前記第１の可動接点が開成した後の電流をアークが発生しない好ましくは１Ａ以下の電流に制限する抵抗値を示す、ことを持徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の直流電流遮断スイッチ。
11. 前記非線形抵抗素子はＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）であり、前記可動接点の開成による前記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は１３０Ｖから３１０Ｖの範囲であることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。

Images