JP4515995B2

JP4515995B2 - 開閉スイッチ

Info

Publication number: JP4515995B2
Application number: JP2005307952A
Authority: JP
Inventors: 敦澤田; 洋一久森; 丈清川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: JP2007115606A

Description

本発明は、開閉スイッチに係り、特に熱に応答して開閉する開閉スイッチに関するものである。

従来の開閉スイッチの一つであるバイパススイッチとして、圧縮状態にある形状記憶金属棒がダイオード等の加熱素子により加熱されて圧縮されていないときの状態に伸長する。これにより、形状記憶金属棒に係合された可動接点が移動して固定接点と接触して閉路するものがある（例えば、特許文献１参照）。

他のバイパススイッチとして、電池のセルに並列に接続される半導体チップ（ダイオード）に金属製のスプリングが半田付けされており、セルの故障により半導体チップに電流が流れ温度上昇したとき、半田が溶融してスプリングがスナップ動作して円筒金属ケースに接触して半導体チップを短絡し、故障したセルに流れる電流をバイパスしその影響をなくすようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−２０１３６５号公報（段落番号００２２、図２及び図３）米国特許第３２１３３４５号明細書（第１頁右欄第５４行〜第２頁左欄第１４行、図２及び図３）

上記のような形状記憶金属棒の寸法の変化を利用するものにおいては、形状記憶金属棒の伸長によって可動接点を移動させるため、可動接点が固定接点と接触するのに必要な距離よりも形状記憶金属棒の伸長量を大きくする必要があり、形状記憶金属棒の全長が大きくなり、形状記憶金属棒に熱を伝えるための熱伝導基部も大きくなる。このため、形状記憶金属棒、熱伝導基部によって構成された作動機構部が大きくなり、バイパススイッチ全体が大きくなるという問題点があった。
また、半田の溶融により温度を検出するバイパススイッチにあっては、半田の溶融により温度を検出するが、半田の溶融温度の調整が難しいため動作温度の設定が容易でないという問題点があった。さらに、ダイオードに金属製のスプリングを半田付けしているため、スプリングを他のものから絶縁しなければならず、絶縁構造が複雑となるという問題点もあった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小形化が可能であるとともに動作温度の設定を容易に行うことのできる開閉スイッチを得ることを目的とする。

この発明に係る開閉スイッチにおいては、
発熱部材、熱変形部材、接点装置及び弾性部材を備えた開閉スイッチであって、
発熱部材は、電流が流れることにより熱を発生するものであり、
熱変形部材は、熱可塑性樹脂で形成されたものであって所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化するものであり、
接点装置は、可動接点と一対の固定接点とを有し、
発熱部材と固定接点と熱変形部材と可動接点と弾性部材とがほぼ直線上にあるようにして配置され、
熱変形部材は、発熱部材と可動接点との間に介挿され可動接点を介して弾性部材の弾性力を受けて発熱部材に押圧されるとともに可動接点と一対の固定接点との間に所定の間隙を確保し、熱伝導により発熱部材から熱を受けて温度上昇し所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化したとき弾性部材の弾性力により塑性変形して可動接点が直線状に移動して一対の固定接点に接触して一対の固定接点間を短絡して閉路するようにされたものである。

発熱部材、熱変形部材、接点装置及び弾性部材を備えた開閉スイッチであって、
発熱部材は、電流が流れることにより熱を発生するものであり、
熱変形部材は、熱可塑性樹脂で形成されたものであって所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化するものであり、
接点装置は、可動接点と一対の固定接点とを有し、
発熱部材と固定接点と熱変形部材と可動接点と弾性部材とがほぼ直線上にあるようにして配置され、
熱変形部材は、発熱部材と可動接点との間に介挿され可動接点を介して弾性部材の弾性力を受けて発熱部材に押圧されるとともに可動接点と一対の固定接点との間に所定の間隙を確保し、熱伝導により発熱部材から熱を受けて温度上昇し所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化したとき弾性部材の弾性力により塑性変形して可動接点が直線状に移動して一対の固定接点に接触して一対の固定接点間を短絡して閉路するようにされたものであるので、
熱変形部材が弾性部材により発熱部材に押圧されているので、発熱部材の発生熱が熱変形部材へ効果的に伝達される。このため、速やかな動作が可能になる。また、発熱部材と固定接点と熱変形部材と可動接点と弾性部材とがほぼ直線上にあるように配置されており、さらに熱変形部材の所定方向の変形が即可動接点の移動量となるので、接点装置の構成が簡易となる。

実施の形態１．
図１、図２は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１はバイパススイッチの構成を示す構成図、図２はバッテリに並列接続されたバイパススイッチを示す回路図である。図２に示すように、バッテリ５０を構成する４つの直列に接続されたセル５１にそれぞれ並列に開閉スイッチとしてのバイパススイッチ１０が接続される。次に、バイパススイッチ１０の構成を説明する。図１において、対向接点あるいは固定接点としての一対の対称な形状をした固定導体１１、１２は、対向する断面矩形の板材の端部が斜めに加工されており、絶縁物で形成されたケース１にモールドにより一体に固着されている。可動接点としての可動導体１３は、短い長さの台形柱状の形状を有し、固定導体１１、１２と図１の上下方向に所定の間隙を設けて対向配置されている。

なお、固定導体１１、１２、可動導体１３は電気伝導度の良好な銅または銅合金で製作されている。固定導体１１，１２の断面積と比較して十分に小さい断面積の板状の接続導体２１、２２は、ねじ止めや蝋付け等の接続手段によってそれぞれ固定導体１１、１２に電気的に接続されている。また、１つもしくは複数個で構成され、電流が流れることによって発熱する半導体素子あるいは一方向導通素子あるいは発熱素子としてのダイオード３１を接続導体２１、２２によって挟み込むようにしてダイオード３１の両端子（図示せず）に電気的に接続している。なお、図１においては接続導体２１，２２は固定導体１１、１２と別部品として構成されているが、一体物であってもよい。

可動導体１３と接続導体２１との間に熱変形部材としてのシャフト２が介挿されるとともに、可動導体１３とケース１との間に図１に示すように可動導体１３を下方に押圧する弾性部材としてのコイル状のばね４１が圧縮された状態で配設されている。これにより、可動導体１３は、常時は固定導体１１及び固定導体１２と所定の間隙を設けて対向し、バイパス動作前の状態（初期状態）である接点装置１５の開状態を維持する。シャフト２は、所定の温度で所定値以下の圧縮強度に低下する熱可塑性樹脂で形成されており、その端部が常時ばね４１により接続導体２１に所定の押圧力で押圧されて、シャフト２と接続導体２１との間の熱伝導抵抗が低くダイオード３１で発生した熱が接続導体２１を介してシャフト２に効果的に伝導する状態にされている。なお、ばね４１、可動導体１３、固定導体１１，１２、及びシャフト２にてこの発明における接点装置１５を構成している。

バッテリ５０を構成するセル５１が故障等を引き起こした場合、ダイオード３１の順方向に電流が流れるようになるのでダイオード３１はジュール発熱し、発生した熱はシャフト２に伝わっていく。シャフト２は接続導体２１と接触している部分から温度上昇し、所定の温度に達すると溶融状態になる。以下、この発明においては、シャフト２が所定値以下の圧縮強度に低下することを溶融と表現することがある。なお、この場合には接続導体２１、２２の断面積が十分に小さいため、ダイオード３１から接続導体２１、２２への熱流は十分に小さく、またケース１も絶縁物で構成されているため、ダイオード３１で発生した熱は大部分シャフト２へ伝えられる。このため、発生した熱は効果的にシャフト２を加熱し、溶融状態にすることができる。

シャフト２の一部が溶融して全長が短くなると、ばね４１に押された可動導体１３は所定方向である固定導体１１、１２の方向へ移動して固定導体１１、１２と接触し、接点装置１５が閉路して故障セルを短絡することになる。シャフト２に使用する熱可塑性樹脂は、融点もしくはばね４１の荷重に対する塑性変形温度特性等から決定すればよい。なお、ケース１の材料はダイオード３１の温度上昇に充分耐える熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、セラミック等の絶縁物の中から選定する。

このように、ダイオード３１の発生熱はシャフト２へ効果的に伝達され、かつ溶融部分としてのシャフト２の質量も小さいため、シャフト２を溶融させるために要するダイオード３１の発生熱は少なくてよい。このため、セル５１の故障時に速やかなバイパス動作が可能になる。また、ばね４１、可動電極１３、シャフト２、及びダイオード３１が、一直線上に配置されており、さらにシャフト２の図１における上下方向の変形が即可動導体１３すなわち可動接点の移動量となるので、接点装置１５の構成が簡易となる。

さらに、プラスチック材料を用いたシャフト２が可動電極１３、ばね４１と一直線上に配置されているので、ばね４１のばね力とシャフト２の材料の圧縮クリープ特性と使用温度を考慮すれば、材料選定が容易にできる。なお、（常用最高温度）＜（シャフト２の所定値以下の圧縮強度に低下する温度）＜（ダイオード３１のジュール発熱による最大温度）≪（ケース１の耐熱温度）となるように材料選定を行う。また、シャフト２は絶縁材料であるので、接続導体２１と可動導体１３とが自動的に絶縁され、構成を簡易にできる。従って、構成する部品点数が少なく、小形化、軽量化が容易であり、さらには低コスト化も可能である。

なお、固定導体１１、１２と可動導体１３は、同じ導電材料を使用し、可動導体１３が固定導体１１及び固定導体１２と直接接触するものを示したが、別の接点用金属材料を固定導体１１、固定導体１２、可動導体１３に蝋付け等によって接合して当該接点用金属材料を介して接離するようにしてもよい。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２であるバイパススイッチの要部を示す要部構成図、図４は図３のバイパススイッチの変形例の要部を示す要部構成図である。図３において、バイパススイッチ１００は次のように構成されている。可動導体１１３とシャフト１０２との係合部において、シャフト１０２にずれ止め係合部としてのＶ形の端部１０２ａを設け、可動導体１１３に同じくずれ止め係合部としてのＶ字型の凹設部１１３ａを設け、両者を係合させている。なお、可動導体１１３、固定導体１１，１２にて、接点装置１１５を構成している。図３の変形例である図４においては、バイパススイッチ２００は次のように構成されている。シャフト２０２にずれ止め係合部としてのＵ形の端部２０２ａを設け、可動導体２１３にずれ止め係合部としてのＵ字型の凹設部２１３ａを設け、両者を係合させている。なお、可動導体２１３、固定導体１１，１２にて、接点装置２１５を構成している。

図３のようなバイパススイッチにおいては、ダイオード３１に電流が流れて発熱し、シャフト１０２の接続導体２１側が溶融し始めた場合に、シャフト１０２と可動導体１１３は互いにずれることなく図３における下方向へ移動することができる。その結果、可動導体１１３と固定導体１１、１２が片当たりすることなく安定して接触することができる。これによって、可動導体１１３と固定導体１１及び可動導体１１３と固定導体１２の両接触部に加わる圧力を均等にすることができるため、接触抵抗を小さくすることが可能になり、接点装置１１５の信頼性が向上する。図４のシャフト２０２と可動導体２１３についても同様である。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３であるバイパススイッチの要部を示す要部構成図である。図５において、バイパススイッチ３００は次のように構成されている。ケース３０１に可動部である可動導体１３と摺動する可動接点摺動案内手段としての可動導体摺動部３０１ａ及びシャフト２と摺動する熱変形部材摺動案内手段としてのシャフト摺動部３０１ｂを設けている。なお、円滑な摺動のためには、可動導体１３と可動導体摺動部３０１ａとの間隙及びシャフト２とシャフト摺動部３０１ｂとの間隙は、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

この実施の形態によれば、セルの故障によってダイオード３１に電流が流れるとジュール発熱によって、シャフト２が溶融する。このため、シャフト２の全長が短くなり、ばね４１の加圧力によって、シャフト２の変形分だけ可動導体１３は図５における下方へ移動する。このとき、シャフト２の溶融していない部分及び可動導体１３は、摺動部３０１ａ，３０１ｂを設けたことによって、図５中の下方以外の方向の移動は制限されるため、可動導体１３及びシャフト２は傾くことなく円滑に移動でき、動作の信頼性が向上する。これによって、可動導体１３と固定導体１１、１２が片当たりすることなく接触するため、接触部での抵抗を低減することが可能になり、接触の信頼性も向上する。なお、上記では可動導体摺動部３０１ａ及びシャフト摺動部３０１ｂの双方を設けるものを示したが、一方だけを設けるものであってもよい。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４であるバイパススイッチの構成を示す構成図である。図６において、バイパススイッチ４００は、ケース４０１を有し、シャフト２と接続導体２１との間に蓄熱部材としての金属プレート４１１を設け、シャフト２の端部が金属プレート４１１に当接するようにしたものである。なお、金属プレート４１１と接続導体２１との間の熱抵抗は充分に低い値にされている。この実施の形態によれば、セル５１（図２参照）の故障によってバイパススイッチ４００が閉動作を行う場合、シャフト２がダイオード３１の発熱によって溶融し、ばね４１に押されて可動導体１３が固定導体１１、１２と接触して可動導体１３に電流が流れ、ダイオード３１に流れる電流がバイパスされるようになると、ダイオード３１の発熱が殆どなくなるため、シャフト２に伝わる熱量も小さくなる。このため、シャフト２が十分に溶融することができず、ばね４１の加圧力が可動導体１３と固定導体１１、１２との接触圧力として働かず可動導体１３と固定導体１１、１２の接触抵抗が大きくなるおそれもある。

そこで金属プレート４１１を設けることによって、ダイオード３１の熱量をここに蓄積することができるため、ダイオード３１に電流が流れなくなった後でも、金属プレート４１１は高い温度を保つことができる。このため、シャフト２に引き続き熱を供給し完全に溶融させることが可能になり、ばね４１の加圧力が可動導体１３を移動させる力として作用するので、可動導体１３を確実に移動させることができ、動作の信頼性を向上させることができる。その結果、ばね４１が固定導体１１、１２に対して可動導体１３を十分に押圧し接触圧力を確保でき、接触抵抗を小さくすることができる。

なお、図６においては、金属プレート４１１を接続導体２１とは別に設けた例を示したが、接続導体２１と金属プレート４１１を一体化したものを使用しても同様の効果を奏することができる。また、蓄熱部材としての金属プレート４１１の代わりに、セラミック板等を蓄熱部材として用いることもできる。
また、上記各実施の形態では、開閉スイッチを構成する接点装置は熱変形部材が軟化あるいは溶融したとき閉路するものを示したが、開路するものとすることも可能である。この場合はダイオード３１と接点装置は直列に接続する。また、固定導体１１、１２の代わりに、図１における上下方向に移動可能な可動接点として、可動接点１３，１２３，２１３がこの可動接点と接離するものであってもよい。

以上のように、この発明の開閉スイッチによれば、電流が流れることにより熱を発生する発熱部材、熱可塑性樹脂で形成されたものであって発熱部材から熱伝導により熱を受けて温度上昇し所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化する熱変形部材、熱変形部材の軟化により所定方向に移動する可動接点により閉路または開路される接点装置を備えたので、熱変形部材が熱を受けて軟化して可動接点が移動する構成により、小形化が可能であるとともに動作温度の設定を容易に行うことのできる開閉スイッチを得ることができる。

そして、発熱部材と熱変形部材と可動接点と弾性部材とがほぼ直線上にあるように配置され、熱変形部材は可動接点を介して弾性部材の弾性力を受けて発熱部材に押圧され発熱部材から熱伝導により熱を受けるものであり、接点装置は可動接点が一対の固定接点と所定方向に間隙を設けて対向配置され可動接点が熱変形部材の軟化により弾性部材の弾性力により押圧され所定方向に移動して一対の固定接点に接触して一対の固定接点間を短絡して閉路するものであることを特徴とするので、発熱部材と熱変形部材と可動接点と弾性部材とがほぼ直線上にあるように配置することにより接点装置の構成が簡易となる。

さらに、熱変形部材と可動接点とは、それぞれずれ止め係合部を有し、このずれ止め係合部を介して所定方向と直交する方向にずれないように互いに係合するものであることを特徴とするので、可動接点が熱変形部材とずれることなく移動して、固定接点に片当たりするおそれがなく安定して接触することができ、信頼性が向上する。

また、可動接点と摺動して可動接点の移動を案内しうるようにされた可動接点摺動案内手段を設けたものであることを特徴とするので、可動接点が可動接点摺動案内手段と摺動することによって案内されるため、可動接点に傾きが発生せず円滑に移動でき、動作の信頼性が向上する。

そして、熱変形部材と摺動して熱変形部材の移動を案内しうるようにされた熱変形部材摺動案内手段を設けたものであることを特徴とするので、熱変形部材が熱変形部材摺動案内手段と摺動することによって案内されるため、可動接点に傾きが発生せず円滑に移動でき、動作の信頼性が向上する。

さらに、発熱部材と熱変形部材との間に発熱部材の熱を蓄積する蓄熱部材を設けたものであって、熱変形部材は蓄熱部材を介して発熱部材から熱を受けるものであることを特徴とするので、発熱部材の熱を蓄熱部材に蓄積することができるため、接点装置が開閉動作して発熱部材に電流が流れなくなった後でも、蓄熱部材は高い温度を保つことができる。このため、蓄熱部材から熱変形部材に引き続き熱を供給し完全に軟化させて可動接点を確実に移動させて固定接点に接触させることが可能になり、動作の信頼性を向上させることができる。

また、発熱部材は、一方向導通素子であって直列に接続された複数のセルを有するバッテリのセルに並列に接続されるものであり、接点装置が一方向導通素子と並列に接続され可動接点の閉路により一方向導通素子が短絡されるものであることを特徴とするので、小形化が可能であるとともに動作温度の設定を容易に行うことのできるバッテリのセルの開閉スイッチを得ることができる。

この発明の実施の形態１であるバイパススイッチの構成を示す構成図である。バッテリに並列接続された図１のバイパススイッチを示す回路図である。この発明の実施の形態２であるバイパススイッチの要部を示す要部構成図である。図３のバイパススイッチの変形例の要部を示す要部構成図である。この発明の実施の形態３であるバイパススイッチの要部を示す要部構成図である。この発明の実施の形態４であるバイパススイッチの構成を示す構成図である。

符号の説明

１，３０１，４０１ケース、２，１０２，２０２シャフト、
１０２ａ，２０２ａ端部、１１，１２固定導体、１３，１１３，２１３可動導体、
１１３ａ，２１３ａ凹設部、１５，１１５，２１５接点装置、
２１，２２接続導体、３１ダイオード、４１ばね、３０１ａ，３０１ｂ摺動部、
４１１金属プレート。

Claims

発熱部材、熱変形部材、接点装置及び弾性部材を備えた開閉スイッチであって、
上記発熱部材は、電流が流れることにより熱を発生するものであり、
上記熱変形部材は、熱可塑性樹脂で形成されたものであって所定の温度で所定値以下の機械的強度に軟化するものであり、
上記接点装置は、可動接点と一対の固定接点とを有し、
上記発熱部材と上記固定接点と上記熱変形部材と上記可動接点と上記弾性部材とがほぼ直線上にあるようにして配置され、
上記熱変形部材は、上記発熱部材と上記可動接点との間に介挿され上記可動接点を介して上記弾性部材の弾性力を受けて上記発熱部材に押圧されるとともに上記可動接点と上記一対の固定接点との間に所定の間隙を確保し、熱伝導により上記発熱部材から熱を受けて温度上昇し上記所定の温度で上記所定値以下の機械的強度に軟化したとき上記弾性部材の弾性力により塑性変形して上記可動接点が直線状に移動して上記一対の固定接点に接触して上記一対の固定接点間を短絡して閉路するようにされたものである
開閉スイッチ。
上記熱変形部材と上記可動接点とは、それぞれずれ止め係合部を有し、このずれ止め係合部を介して上記可動接点の移動方向と直交する方向にずれないように互いに係合するものであることを特徴とする請求項１に記載の開閉スイッチ。
上記可動接点と摺動して上記可動接点の移動を案内しうるようにされた可動接点摺動案内手段を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の開閉スイッチ。
上記熱変形部材と摺動して上記熱変形部材の移動を案内しうるようにされた熱変形部材摺動案内手段を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の開閉スイッチ。
上記発熱部材と上記熱変形部材との間に上記発熱部材の熱を蓄積する蓄熱部材を設けたものであって、上記熱変形部材は上記蓄熱部材を介して上記発熱部材から上記熱を受けるものであることを特徴とする請求項１に記載の開閉スイッチ。
上記発熱部材は、一方向導通素子であって直列に接続された複数のセルを有するバッテリの上記セルに並列に接続されるものであり、上記接点装置が上記一方向導通素子と並列に接続され上記可動接点の閉路により上記一方向導通素子が短絡されるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の開閉スイッチ。