JP4756607B2 - 電気コネクタ - Google Patents

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Description

本発明は電気コネクタに関し、より特定すると導電板に接続する電気コネクタに関する。
1枚以上の導電板を有する電気システムがあり、診断、試験及び監視の目的のための外部機器に導電板を電気的に接続することが望ましいことがある。このような構造は既存の及び新興の技術において使用され、電気コネクタの新たな需要を引き起こす。例えば、燃料電池技術は積層配置された(arranged in stack)多数の導電板を使用し、作動中に個々の導電板の電圧を監視することが望ましい。しかし、導電板に対して信頼性高く電気的及び機械的に接続することは困難であることが判明した。
例えば、このような目的に使用されるコネクタ内の電気コンタクトは、導電板への取付を容易にするよう低接触抵抗であるべきだが、導電板に取り付けられる際には機械的に安定でありながら、使用時に導電板から分離しない傾向があるべきである。また、コネクタ及びコンタクトは、所望の電気的接続及び機械的安定性を与えながら、必要に応じ、或いは要望どおりに、導電板と信頼性高く接続及び接続解除されるべきである。公知のコンタクト及びコネクタは、これらの目的に適していない。
さらに、或る電気システムにおいて、導電板は、従来からの金属材料ではなく、複合材料から製造される。複合材料は、電気システムにとって有利であるが、導電板及びコネクタ間の機械的及び電気的接続を複雑にする傾向がある。従来のコネクタは、このような複合材料での使用にあまり適していない。
さらにまた、燃料電池等の積層された電気部品を有するシステムにおいて、異なる作動温度での導電板の膨張及び収縮は、導電板に接続される電気コンタクト及びコネクタに機械的負荷及びストレスを与える結果となる。熱的ストレスはコンタクトを導電板から外そうとする傾向があり、導電板用の適正な診断、試験及び監視作業を妨げるおそれがある。発明が解決しようとする課題は、上述の問題が無く、システムのニーズに合う接続を提供することである。
本発明の解決策は、導電板と嵌合するための電気コネクタにより提供される。導電板は、板実装縁と、板実装縁から延びる第1及び第2の表面とを有する。コネクタはコンタクトを具備し、コンタクトは、コンタクト実装縁と、コンタクト実装縁とは反対側のリード接続縁とを有する。第1コンタクトビーム及び第2コンタクトビームがコンタクト実装縁から延びており、第1コンタクトビームは、板実装縁を横切る際に導電板の第1表面と係合するよう構成される。第2コンタクトビームは、板実装縁を横切る際に導電板の第2表面と係合するよう構成される。第1及び第2コンタクトビームは、コンタクト実装縁に沿って互いに横方向にずれている。少なくとも1個のリードコンタクトはリード接続縁から延びており、相手コネクタと嵌合するよう構成されている。
以下、添付図面を参照して、本発明を例示により説明する。
図1は、典型的なコネクタ組立体102を有する典型的な電気システム100の一部を示す斜視図である。コネクタ組立体102は電気システム100内で導電板に機械的及び電気的に信頼性高く接続でき、このようなシステムに使用される際に公知のコネクタの上述した問題点及び困難を克服する。
典型的な一実施形態において、コネクタ組立体102は、以下に説明する接続(インタフェース)リンク(図1に図示せず)を介して燃料電池104を監視デバイス(図1に図示せず)に接続する。接続リンクは、コネクタ組立体102及び接続リンクを通って燃料電池104から送信される信号を処理する監視モジュール(図1に図示せず)に接続される。このため、監視モジュールは、監視、試験、診断の目的で燃料電池の作動を監視するために使用できる。コネクタ組立体102は監視モジュールに燃料電池104を接続するということで本明細書において説明及び図示されているが、本発明の利点はコネクタ組立体102の他の応用でも得られると考えられ、燃料電池104は、本発明の利点が実現する典型的な一装置に過ぎない。この結果、本明細書に記載された説明は例示目的のためのみであり、本発明を特定の末端使用又は用途に限定することを意図したものではない。
図示の一実施形態において、燃料電池104は、公知の方法で発電するために、空気と、改質された天然ガス等のガス燃料とを反応させる公知のユニットである。燃料電池104は多数の双極導電板110を有し、各導電板は板第1部分111及び互いに接着された板第2部分112を有する。さらに、一実施形態において、導電板(以下単に板という)110は、従来からの金属材料ではなく、公知の導電性高分子材料又は高分子複合体等の複合材料から製造される。しかし、本発明の実施形態は、複合板に加えて又は複合板に代えて、従来の金属板を使用してもよいことが理解されよう。
以下に説明するように、板コンタクト(図1に図示せず)は各板110に取り付けられており、監視モジュールが作動中にコネクタ組立体102を介して燃料電池104の対応する板110の電圧を監視することを可能にする。燃料電池の各板110は所定の公称厚さTを有し、板110はそれらの間に公称間隙値Sを有して積層配置される。公称厚さT及び公称間隙Sの合計は、板110の公称ピッチ値Pと称されることがある。すなわち、板110の積層は、板の厚さにわたって1枚の板の縁から隣接する板の縁まで板110に直交する方向に沿って測定した公称ピッチ値Pを有するように設計される。理論上、設計パラメータに従って、板110は積層燃料電池内で一様な公称ピッチ値Pで繰り返される。実際には、各板厚及び板間の各間隔は製造公差に影響を受けるので、実際の寸法Pは、燃料電池104内の隣接する任意の2枚の板110について公称厚さT及び公称間隙値Sの合計の公称値から若干外れる可能性がある。
コネクタ組立体102は多数の個別のコネクタ114を有し、各コネクタ114は積層状態の各板110に接続されている。板110及びコネクタ114が1対1対応であることにより、互いに対する板110の位置(すなわち、隣接する板間の寸法P)が変化する場合であっても各板110に対する各コネクタ114の位置が保証されるように、コネクタ114は板110に固定することができる。従って、板110の公称ピッチ間隙Pの逸脱にもかかわらず、板110及びコネクタ114間を信頼性が高く安定した機械的及び電気的に接続することができる。
各コネクタ114は絶縁性(すなわち非導電性)のハウジング116を有する。ハウジング116は、板110の厚さTだけ離れた互いに逆向きの側面118,120と、両側面118,120間に延びる嵌合面122とを有する。ハウジング116はさらに、嵌合面122の両端で両側面118,120間を延びる端縁124を有する。側面118,120、嵌合面122及び端縁124は、それらの間に、積層状態の各板110と係合する板コンタクト(図1に図示していないが後述する)を収容するキャビティすなわちリセプタクルを囲む。
典型的な一実施形態において、図1に示されるように、各ハウジング116の一方の側面118はスロット126を有するのに対し、他方の側面120は絶縁フランジ128を有する。板110が積層されると、フランジ128はスロット126内に入り、フランジ128は、コンタクトビームが隣接する板に接触すること及び板が短絡することを防止する。1対の開口すなわちリセプタクル130は各ハウジング116の嵌合面122に設けられ、ハウジング116の板コンタクト及び監視モジュール間を電気的に接続する後述の相手コネクタを受容する。実装脚132は嵌合面122から離れる方向に側面118から下方へ延びる。各実装脚132は、各板110にハウジング116を固定するために保持バー(図1に図示せず)を受容する保持開口134を有する。
図2は、1個のコネクタ114及び1個の板110を示すシステム100(図1参照)の一部の分解斜視図である。板110は、コネクタ114を受容する実装縁150と、実装縁150から延びると共に双極板110を画定する板第1部分111及び板第2部分112の外面に対応する互いに逆向きの両側面すなわち表面152,154とを有する。板第1部分111は、第1及び第2のコンタクトスロット156と、それらスロットの間の案内溝157とを有する。スロット156及び案内溝157の各々は、板実装縁150に隣接して配置されている。窪んだ保持領域158が、スロット156及び案内溝157の下に延びる。
板第2部分112は、板第1部分のスロット156間の案内溝157とは反対側に配置されたコンタクトスロット160を有する。また、窪んだ溝162が、スロット160の両側の板第2部分112内に設けられている。
典型的な一実施形態において、コネクタ114はハウジング116及び板コンタクト170を有する。板コンタクト170は、本体部172、本体部172から下方に延びる中央コンタクトビーム174、及び中央コンタクトビーム174の両側の本体部172から延びる第1及び第2の外側コンタクトビーム176を有する。コンタクトビーム174,176は、板実装縁150上を横切ると共に板実装縁150上に受容されるよう構成されている。板実装縁150を横切ると、中央コンタクトビーム174は板第2部分のスロット160に受容され、外側コンタクトビーム176は板第1部分のスロット156に受容される。このように、中央コンタクトビーム174は、スロット160により露出されると共に案内溝157に背後に配置された板第1部分111の内面と係合する。外側コンタクトビーム176は、スロット156により露出した板第2部分112の内面180と係合する。
第1及び第2のリードコンタクト182は、本体部172から上方へハウジング116内に延びている。リードコンタクト182は嵌合面122のリセプタクル内に露出する。リードコンタクト182は、コンタクト184が一方のリセプタクル130内に挿入されると、相手コンタクト184と電気的に接続する。典型的な一実施形態において、相手コンタクト184は、電線186の形態の接続リンクに結合される。電線186は、例えば積層燃料電池内の板110の作動電圧を監視するために使用され得る公知の監視モジュール188に接続されている。
ウジング116の絶縁フランジ128は案内溝157内に摺動可能に受容され、実装脚132は窪んだ溝162内にそれぞれ受容される。絶縁フランジ189はハウジング116から垂下すると共にコンタクトビーム176上に配置され、コンタクトビーム176を不用意な接触から保護し、コンタクトビーム176が隣接する板110と短絡することを防止する。実装脚132中の開口134は、板110を貫通する開口190と整列し、保持バー192は板第1部分111の保持領域158内に嵌る。
保持バー192は、開口134を貫通して開口190内に挿入される保持ポスト194,196を有する。図示の実施形態において、保持ポスト194,196は、開口190,134内に挿入されると弾性的に撓み、次に実装脚132を板110に確実に保持するロック位置に弾性的にスナップすなわち戻る、二股のポストである。別の実施形態において、保持ポスト194,196は、開口134より若干大きい寸法を有する中実構造に製造され、圧力嵌めすなわち干渉嵌めでコネクタハウジング116を板110に保持する。
保持バー192は典型的な一実施形態では非導電性材料(例えばプラスチック)で製造され、コネクタハウジング116とは別に供給される。保持バー192は、コネクタ114が板110に一旦係合すると容易に取り付けられ、コネクタハウジング116を板110に確実に係合させながら経済的に製造することができる。異なる実施形態において、保持バー192は、板実装縁150を超えてコネクタハウジング116及び板コンタクト170を取り付ける前又は後に、取り付けることができる。すなわち、保持ポストは、ハウジング116及び板コンタクト170を板110に摺動可能に係合させた後に、実装脚開口134を貫通して取り付けられるか、又は保持バー192が予め取り付けられている場合、保持脚132は板実装縁150を超えて摺動して保持ポスト194,196上にスナップされてもよい。
図3は、図2に示された板コンタクト170の拡大斜視図である。本体部172は、典型的な一実施形態においてほぼ平坦且つ矩形であり、コンタクト実装縁200、リード接続(インタフェース)縁202、及びコンタクト実装縁200及びリード接続縁202間を延びる側縁204を有する。本体部172は、本体部172を貫通して延びると共に側縁204間を複数列に整列した多数の細長開口206を有する。開口206は、隣接する開口206間を延びる薄い連結(web)部208を画定する。連結部208は本体部172の残余部分よりもかなり小さい断面積を有し、その結果、連結部208は、構造的強度及び連結部208の領域の曲げ力に対する抵抗を低減されている。このため、開口206及び連結部208により、本体部172は、連結部208付近で曲げられすなわち撓み、関連する板110からコンタクトビーム174,176を外す傾向があるコンタクトビーム174,176の機械的応力を軽減する。このように、本体部は弾性を有する。
外側コンタクトビーム176はコンタクト実装縁200から延びており、中央コンタクトビーム174が外側コンタクトビーム176の間に配置されるように中央コンタクトビーム174から横方向に離間する。一実施形態において、各外側コンタクトビーム176は1対のコンタクトビームを有する。コンタクトビーム176は弾性本体部172に対して斜めに延びており、板第2部分112(図2参照)の内面180と係合する丸みを帯びた接触面210を有する。接触面210は、板コンタクト170が取り付けられると板110に対してワイピングし、ビーム176の傾斜角度は、ビーム176が板110に係合しビーム176が撓むと、板110に対して法線方向の接触力を生成する。
また、中央コンタクトビーム174は本体部172に対して斜めに延びており、板第1部分111(図2参照)の内面178と係合する丸みを帯びた接触面212を有する。接触面212は、板コンタクト170が取り付けられると板110を拭い、ビーム174の傾斜角度は、ビーム174が板110に係合しビーム174が撓むと、板110に対して法線方向の接触力を生成する。
典型的な一実施形態において、中央コンタクトビーム174及び外側コンタクトビーム176は、コンタクト実装縁200に沿って互いに逆方向に傾斜している。従って、外側コンタクトビーム176の接触面210及び中央コンタクトビーム175の接触面212は互いに逆方向を向いており、ビーム174及びビーム176は、板実装縁150(図2参照)上に挿入されると、逆方向に撓む。このため、異なる方向に傾斜するコンタクトビーム174,176により、ビーム174,176が撓む際に法線方向の接触力が逆方向に提供される。従って、板コンタクト170はクリップとして板110上に取り付けられ、中央コンタクトビーム174に対してコンタクトビーム176の外側対が横方向にオフセットしていることにより、或る程度まで安定して自己保持する。さらに、複数のビーム174,176が与える多数の接触面210,212は冗長な接触点を提供し、板コンタクト170が板110への十分な電気的接続を保証する。5本のコンタクトビーム(1本の中央コンタクトビーム174及び4本の外側コンタクトビーム176)が図3に図示されているが、別の実施形態ではより多い又はより少ない数のコンタクトビームが設けられてもよいことが理解されよう。
1対のリードコンタクト182が本体部172のリード接続縁202から延びており、リードコンタクト182はコネクタハウジング116(図2参照)内のリセプタクル130に対応する。例示する一実施形態において、リードコンタクト182は、互いに対面する1対の可撓性ビーム214を有する音叉状コンタクトである。可撓性ビーム214はその末端に、相手コンタクト184(図2参照)をビーム214に整列させる丸みを帯びた案内突起216を有し、相手コンタクト184が挿入されると、ビーム214が撓み、相手コンタクト184がビーム214間の開放空間217内に受容される。また、リードコンタクト182は、可撓性ビーム214に隣接する保持開口すなわち保持窓218を有する。保持窓218は、後述するように相手コンタクト184を保持するために使用される。音叉状コンタクトがリードコンタクト182として図示されているのに対し、別の実施形態においては、相手コンタクトと接続するために所望の他のタイプのコンタクトが使用されてもよい。
また、ハウジング保持逆刺220がリード接続縁202から延びており、リードコンタクト182間のほぼ中央に位置している。逆刺220の側縁222は粗くされており、コネクタハウジング116(図2参照)の一部を貫通して板コンタクト170をハウジング116内にしっかりと保持する。
本体部172、コンタクトビーム174,176、リードコンタクト182及び保持逆刺182を有する板コンタクト170は、公知の製造プロセス及び製造技法に従って導電材料を使用して打抜き加工、曲げ加工及びめっき加工されてもよい。板コンタクト170が一旦ハウジング116内に組み込まれてコネクタ114が完成すると、コネクタ114は双極板110に挿入され、保持バー192(図2参照)を取り付けることにより、所定位置に確実に保持されてもよい。
図4及び図5は、1枚の板110と係合する板コンタクト170を示す。板コンタクト170のコンタクトビーム174,176は板実装縁150上に挿入され、板110の対向する表面と係合する。外側コンタクトビーム176は板第1部分のスロット156内に受容され、中央コンタクトビーム174は板第2部分のスロット160内に受容される。外側コンタクトビーム176の撓みは板110の一面に法線方向の接触力N1(図4参照)を生成し、中央コンタクトビーム174の撓みは板110の他面に法線方向の接触力N2(図5参照)を生成する。従って、コンタクト170は板110にしっかりと係合する。
図6は、コネクタハウジング116内に取り付けられた板コンタクト170(図2ないし図5参照)を有するコネクタ114の組立後を示す図である。板コンタクト170のコンタクトビーム174,176はコンタクトハウジング116の下端に露出する。フランジ128は中央コンタクトビーム174付近のハウジング116から延びており、フランジ189は外側コンタクトビーム176付近のハウジング116から延びている。ハウジング116は、板に直交して計測され板厚T(図1参照)以下である寸法Dを有するよう構成されるので、寸法Dは、板が積層される際に、板間の間隔すなわち隣接する板110間のピッチP(図1参照)と干渉しない。
図7は、板コンタクト170のリードコンタクト182(図2及び図3参照)と嵌合する相手コンタクト184の斜視図である。典型的な一実施形態において、相手コンタクト184は、個別の電線の端部に圧着されたブレードコンタクトである。相手コンタクト184はその末端に可撓性ビーム230を有し、ビーム230はリードコンタクト182の保持窓218(図3参照)と係合する突起232を有する。ビーム230は、相手コンタクト184の挿入時に撓み、リードコンタクト182に対して相手コンタクト184の十分な保持力を保証する残留力を与える。
図8は、板110、板110に取り付けられたコネクタ114、コネクタ114と係合する相手コンタクト184及び電線186を示す。一実施形態において、コネクタ114は、板が積層される前に各板110に結合される。板コンタクト170は図4及び図5に示されるように板110と係合し、コネクタハウジングのフランジ189は板第1部分のスロット156内に受容されてコンタクトビーム176を保護し、隣接する板110を絶縁すると共に板110が積層内で短絡しないようにする。フランジ128は案内溝157内に受容され、実装脚132と共にフランジ128は板110上でハウジング116を支持する。相手コンタクト184はコネクタハウジング116内の1個のリセプタクル130に受容され、監視モジュール188(図2参照)と通信して板110の電圧を監視する。板110が図1に示されるように積層されると、相手コネクタ184は、積層された状態の板を監視するために任意のコネクタリセプタクル130と共に使用することができる。
従って、公知のコネクタシステムに関連する上述の問題を回避しながら、外部機器に対して導電板を信頼性高く接続するコネクタ組立体102が提供される。それ故、長期間にわたり信頼性が高いコンタクトシステムが、既存のコネクタシステムと両立しない例えば積層燃料電池と共に使用するために提供される。板コンタクト170(図3ないし図5参照)を有するコネクタ114(図1、図2、図6及び図8参照)は、単一の板と個々に使用してもよいし、或いは、板コンタクト170及びコネクタ140は複数の板コンタクトと共に使用してもよい。コンタクトビーム174,176には冗長な接触面が設けられ、コンタクトビーム174,176の逆向きの法線方向の接触力N1,N2(図4及び図5参照)は板コンタクト170と板110との機械的及び電気的な接続を保証する。保持逆刺192(図2及び図8参照)は板110に対してコネクタハウジング116を確実に取り付け、実装脚132(図2及び図6参照)に沿ったハウジングフランジ128は板110上でハウジング116を支持し、フランジ128,129は隣接する板110が積層内で互いに短絡することを防止する。板コンタクト170の弾性本体部172はコネクタ114のコンタクトビーム174,176の機械的応力を緩和するので、コンタクトビーム174,176は変化する作動条件及び作動温度の下でも板110と係合した状態を保つ。従って、板110への優れた電気的及び機械的な接続が提供される。
種々の特定実施形態で本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲内の変形しながら本発明を実施できることを理解するであろう。
本発明の典型的な一実施形態に従って形成されたコネクタ組立体を有する典型的な電気システムの部分的な斜視図である。 図1に示されたシステムの一部を示す分解斜視図である。 図2に示されたコネクタ用の典型的なコンタクトの斜視図である。 図1及び図2に示されたシステムの部分的な組立図である。 図1及び図2に示されたシステムの別の部分的な組立図である。 図1及び図2に示されたコネクタの組立後の斜視図である。 図1に示されたシステム用の相手コネクタを示す斜視図である。 図2に示されたシステムの部分的な組立図である。
符号の説明
100 電気システム
102 電気コネクタ(コネクタ組立体)
110 導電板
114 コネクタ
116 ハウジング
128,189 絶縁フランジ
150 板実装縁
152 第1表面
154 第2表面
170 板コンタクト(コンタクト)
172 本体部
174 第2コンタクトビーム(中央コンタクトビーム)
176 第1コンタクトビーム(外側コンタクトビーム)
182 リードコンタクト
192 保持バー
200 コンタクト実装縁
202 リード接続縁
206 開口
208 連結部

Claims (7)

  1. 板実装縁(150)と、該板実装縁から延びる第1及び第2の表面(152,154)とを有する導電板(110)と嵌合する電気コネクタ(102)において、
    コンタクト実装縁(200)と、該コンタクト実装縁とは反対側のリード接続縁(202)と、前記コンタクト実装縁から延びる第1コンタクトビーム(176)及び第2コンタクトビーム(174)と、前記リード接続縁から延びる少なくとも1個のリードコンタクト(182)とを有するコンタクト(170)を具備し、
    前記第1コンタクトビーム(176)は、前記板実装縁を横切る際に前記導電板の前記第1表面(152)と係合するよう構成され、
    前記第2コンタクトビーム(174)は、前記板実装縁を横切る際に前記導電板の前記第2表面(154)と係合するよう構成され、
    前記第1及び第2コンタクトビームは、前記コンタクト実装縁に沿って互いに横方向にずれており、
    前記リードコンタクトは相手コネクタと嵌合するよう構成され、
    前記電気コネクタはハウジング(116)をさらに具備し、
    該ハウジングは、前記第1及び第2のコンタクトビーム(176,174)の各一に対応する絶縁フランジ(128,189)を有し、
    該絶縁フランジは、複数の前記導電板が電気システム内で積層される際に、前記コンタクトビームが隣接する前記導電板に接触することを防止するよう構成されていることを特徴とする電気コネクタ。
  2. 前記コンタクトは、前記コンタクト実装縁及び前記リード接続縁の間に延びる弾性本体部(172)を有することを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
  3. 前記コンタクトは、ほぼ平坦な本体部(172)と、該本体部を貫通して延びる複数の開口(206)と、隣接する該開口間の弾性連結部(208)とを有し、
    該弾性連結部は、前記本体部が前記弾性連結部付近で撓むと共に前記第1及び第2コンタクトビームの機械的応力を軽減することを許容することを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
  4. 前記第1コンタクトビーム(176)は、前記導電板の前記第1表面(152)と係合するよう構成された1対のコンタクトビームを有し、
    該1対のコンタクトビームは、前記コンタクト実装縁に沿って前記第2コンタクトビームから横方向にずれていることを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
  5. 前記第1コンタクトビーム(176)は、前記導電板の前記第1表面と係合するよう構成された少なくとも2本のコンタクトビームを有し、
    前記第2コンタクトビーム(174)は、前記コンタクト実装縁(200)の前記少なくとも2本のコンタクトビームの間に配置されていることを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
  6. 前記電気コネクタは、ハウジング(116)と、該ハウジングを前記導電板に固定するよう構成された保持バー(192)とをさらに具備し、
    該保持バーは、前記ハウジングとは別に供給されることを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
  7. 前記導電板は積層燃料電池の双極板であり、
    前記コネクタは前記コンタクトの一部を囲むハウジング(116)をさらに有し、
    前記ハウジングは、前記双極板に取り付けるよう構成された少なくとも1本の実装脚(132)を有することを特徴とする請求項1記載の電気コネクタ。
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