JP5852859B2 - ブレーカー - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に内蔵される小型のブレーカーに関する。

スマートフォン、ノートパソコン、タブレットコンピュータのような携帯機器の電源は、主にリチウムイオン電池等の二次電池である。これらの電池パックに不可欠である安全装置には、安全回路が作動しなかった場合を想定して、高温状態を感知する熱的遮断機が搭載される。そのような熱的遮断機の中でブレーカーは、動作温度の設定が正確で、繰返し使用可能である点で優位にある。

近年、上述のような携帯機器は、薄型になり、リチウムイオン電池のパックも同様に薄く、小さいことが望まれている。しかし上述のような繰返し使用及び正確な動作温度設定という優位点を保ちながらブレーカーの寸法縮小を図ることは困難である。なぜなら、ブレーカーの構造上、その厚みを小さくすると、接点ギャップを小さくすることとなるからである。また、自己保持回路を要する場合には、自己保持に不可欠なＰＴＣ（正温度特性）サーミスターの低背化を代償にそのＰＴＣサーミスターの電気特性の自由度を小さくすること、及びブレーカーの外装を薄肉にすれば、機械的強度を小さくすることも同じく理由となる。接点ギャップが不十分であると、接点間にスパークが頻発し、接点を損傷してブレーカーの寿命を短くすることになる。

上記のような難点を克服するための方法として、例えば、特許文献１は、固定接点を有する固定片、可動接点を有する可動片、所定の温度で可動接点が固定接点から離反するように可動片を作動させる熱応動素子、固定片と接続されたＰＴＣサーミスター及びこれらを収容する絶縁性の扁平なケースを備えた小型ブレーカーを開示する。特許文献２は、特許文献１と同様のブレーカーにおいて、ＰＴＣサーミスターの上面に突起を設けることにより、接点ギャップを大きくする技術を提案する。しかしながらこれら技術では、前記のような機械的強度等を損なわずに接点ギャップを大きくできるものの、ＰＴＣサーミスターの諸々の特性が不十分となる可能性がある。低背化されたＰＴＣサーミスターの薄さ又はＰＴＣサーミスターの呈する形状の複雑さから、その材料、製法が限定されるため、ＰＴＣサーミスターの電気特性、物理特性等における自由度が小さく、しかも理由を同じくして工費がかさむ虞がある。

特開２００５−１２９４７１号公報 特開２０１１−１９８６４５号公報

本発明の課題は、ブレーカーを小型化し、低背化したときに生ずる接点ギャップの不足を補い、且つ接点の離反を迅速にしてアーク放電の虞を軽減することである。くわえて、縮小されたＰＴＣサーミスター（ＰＴＣ素子）における電気特性、物理特性等の制限、その他ブレーカーにおいて特性の損なわれる懸念を解消することである。

本発明は、可動接点を有する可動片、可動片と固定片との間に保持され、湾曲形状を有する熱応動部材、平板状のＰＴＣサーミスター及び固定接点を有する固定片が上から順に積み重ねられた構造を備え、熱応動部材が可動片を作動させるスナップ動作により可動接点と固定接点とが接触又は離反し、ＰＴＣサーミスターが熱応動部材の下に配置され可動接点と固定接点との離反時に可動片と固定片とを導通させる開閉機構を有するブレーカーにおいて、可動接点と固定接点との接触時に熱応動部材の湾曲形状とＰＴＣサーミスターの上面とにより生ずる間隙に中間片が配置されることを最も主要な特徴とする。

本発明のブレーカーは、ブレーカーを小型化し低背化した設計においても、接点ギャップを大きく保ち、しかもＰＴＣサーミスターを縮小したことで損なわれる電気特性、物理特性等を保証することができるという利点がある。

図１は本発明のブレーカーの実施形態（実施例１）を示した説明図である。 図２はブレーカーの外観を示した説明図である。 図３は先行技術のブレーカーと比較した説明図である。 図４はブレーカーの別の実施形態（実施例２）を示した説明図である。 図５はブレーカーの別の実施形態（実施例３）を示した説明図である。 図６は本発明のブレーカーの一般的な形態を示した説明図である。

本発明によるブレーカーの実施形態について以下に図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるブレーカーの実施例１の組図及び断面図である。ブレーカー１は、可動片（以下、アーム２）、固定片３、熱応動部材（以下、ディスク４）、ＰＴＣサーミスター（以下、ＰＴＣ５）及び中間片（以下、スペーサー６）並びに以上の部材を収容するケース７等によって構成される。アーム２及び固定片３は、ブレーカー１の電気抵抗を安定させるため、それぞれ可動接点２１及び固定接点３１を持つ。ケース７は、カバー７１及びベース７２等によって構成される。以上の部品を組み立てると図２のような外観のブレーカーが完成する。

アーム２、固定片３、ディスク４、ＰＴＣ５及びケース７の形状、寸法、材質、加工法等は、既存のものを適用することができる。実施例１においては、アーム２の一部がケース７の外部に延長されて端子２２となっており、固定片３が同じくケース７の外部に端子３２を持つ。固定片３の端子３２が、アーム２、可動接点２１及び固定接点３１を介して、端子３２のようなケース７の外部にある別の端子と安定して電気的に接続しうる限り、アーム２及び固定片３の形態は、特に限定されない。カバー７１及びベース７２は、気密性及び機械的強度を得るために、樹脂中にそれぞれ金属製のカバープレート７１ｂ及び固定片３をインサート成形して構成される。

ディスク４は、通常、バイメタルで構成された金属部材であり、ほぼ球面の切片をなす湾曲形状４ａを有する。尚、接点ギャップＧを大きくできることからディスク４の全体は、矩形であるのが望ましいが、これに限るものではない。湾曲形状４ａは、その２層の金属の熱膨張率の違いによって一定の温度でスナップ動作を起こして反転する。具体的には、スナップ動作が、湾曲形状４ａの表裏の配置を同一に保ちながら、湾曲形状４ａのなす凹凸を相互に転換させる。

ＰＴＣ５は、温度上昇とともに電気抵抗を急上昇させる材質で、平板状であり、少なくともその上面５１は、平坦になっている。特に指定のない限り、ＰＴＣ５の立体的形状は、対称性の大きさゆえブレーカー１の組立て時に方向性にそれほど配慮を要さないという扱いやすさの観点から、角柱、円柱等の柱体であるのが望ましく、特に円盤状が好ましい。ＰＴＣ５の配置は、アーム２と固定片３とを導通させられるようにディスク４の下であり、可動接点２１と固定接点３１とが離反した時には、微小な漏れ電流がアーム２からディスク４及びＰＴＣ５を流れる。ＰＴＣ５を流れるこの漏れ電流のジュール熱により、ディスク４の反転した状態が続き、自己保持回路がブレーカー１に成される。

ディスク４及びＰＴＣ５の位置関係は、アーム２を作動させるべくアーム２と固定片３との間にあって、さらに、上記のような自己保持回路を構成すべくディスク４は、ＰＴＣ５の上面５１を部分的又は全体的に覆うのが好ましい。アーム２を作動させることは、スナップ動作で反転したディスク４がアーム２を、可動接点２１と固定接点３１とを接触又は離反させるべく押し上げて行われる。ベース７２内部の底面は、固定片３が露出してＰＴＣ５と当接しており、漏れ電流の経路となる。

図３は、図２に示されるブレーカー１のＡ−Ａにより切り取られる断面図である。ブレーカー１が平常時にあれば、ディスク４は、ＰＴＣ５の上面５１を覆って、湾曲形状４ａが上面５１から上に凸の円弧を呈する。この時、可動接点２１と固定接点３１は、アーム２の弾性力（バネ力）により接触している（図３（ａ））。過熱、過電流、過充電等の異常時になると、ディスク４は、反転してその端でアーム２を上に押し上げて、可動接点２１と固定接点３１を離反させる（図３（ｂ））。

平常時において、湾曲形状４ａとＰＴＣ５の上面５１とは、間隙Ｓを形作っている（図３（ａ））。従来品のブレーカーにおいてこのような間隙は、どの部材にも占有されていない空間である（図３（ｃ））。実施例１のブレーカーにあっては、湾曲形状４ａと上面５１との間にある間隙Ｓにスペーサー６が挿入されている。本発明のブレーカーの遮断状態においては、反転したディスク４の湾曲形状４ａとＰＴＣ５の上面５１との間にスペーサー６の厚みが追加され、接点ギャップＧの増大に貢献できる（図３（ｂ））。一方で従来品のブレーカーの遮断状態においては、反転したディスク４の湾曲形状４ａとＰＴＣ５の上面５１が当接して、間隙Ｓが活用されず、間隙Ｓの高さの全てが死に領域（無駄な領域）となる（図３（ｄ））。そのため接点ギャップＧは、本発明に及ばない。

アーク放電を抑制する観点から可動接点２１と固定接点３１との接点ギャップＧは、可能な限り大きいことが望ましい。よって、スペーサー６の厚みも大きいのが望ましい。しかしながら、小型化を考慮に入れれば、一定の限度があり、スペーサー６は、全部又は大部分が湾曲形状４ａの内部に収容されるのが好ましい。スペーサー６が間隙Ｓに完全には収容されない場合、スペーサー６の厚みが間隙Ｓの高さを超える量は、所期の小型化に支障なく且つ平常時における可動接点２１と固定接点３１との良好な接触抵抗を損なわない程度に抑えられる必要がある。つまり平常時スペーサー６によって或程度ディスク４が持ち上げられてもよい。

図４は、本発明のブレーカー１のカバー７１及びアーム２を取り除いた状態の斜視図である。本発明において追加的接点ギャップＧを生み出すのは、上面５１と接触する中間部６１である。中間部６１は、幅広形状６ａを呈している。これにより、ブレーカー１の組立て時に吸引ノズルが微小な当該部品を把持し移動することが容易になる。

スペーサー６は、銅系又は鉄系の金属片であるのが好ましいが、漏れ電流を正常に導通させ、所期の耐電圧をブレーカー１に与えれば、特に材質を金属に限らない。例えば、スペーサー６の材質は、導電性樹脂であってもよい。スペーサー６の材質が樹脂であれば、スペーサー６は、流動性を持った樹脂材料をＰＴＣ５の上で固形化して形成し配置できる。さらに、ＰＴＣ５とスペーサー６との間の接触面に、導電性の接着剤が介在してもよい。

実施例１においてスペーサー６は、平常時ディスク４に覆われＰＴＣ５の上に載置された状態で、これらと共にアーム２により上からベース７２に押さえ付けられている。異常時においては、ディスク４が反転してスペーサー６がディスク４の湾曲形状４ａの外にでるが、ディスク４とＰＴＣ５に挟まれた状態で、アーム２のバネ力により押さえ付けられているので、その位置から動くことはない。よって、スペーサー6の形状は、ブレーカー1の外装が所期の寸法に収まる限り特に限定はなく、矩形、円形等、種々のものを採用することができる。

本発明によれば、接点ギャップＧを拡大して火花放電の虞を低減できるほか、ＰＴＣの形状を対称性の高い簡素な形状にすることができるので、ブレーカー１の組立てに同部材を扱うのに用いる各種の工法を容易化できる。ＰＴＣの形状は、単純なほど強度が上がるので、小型化が更に容易となる。具体的には、ＰＴＣに裏表の方向性がある場合に比べて、配置、移動等が容易となるので、組立て時に要する工費を節減できる。同じくさらに、対称性の高い形状であれば、同部材の加工時に加えられる力、熱等の作用が均質に行き渡りやすくなり、ブレーカー１の組立て時にＰＴＣの破損する虞が低減される。

スペーサー６が反転中のディスク4の湾曲形状4ａに接触することにより、ディスク4の反転がアーム2に更に素早く伝えられ、接点の離反する動作は、従来品におけるより迅速となる。接点ギャプＧの拡大することに加えて、接点ギャプＧが最大となるのに要する時間が短縮されることにより、アーク放電の発生する虞は、一層軽減される。

スペーサー６の存在により、異常時に形成されるアーム２から固定片３へディスク４及びＰＴＣ５を介する回路の経路において界面の数が増える（２面から３面へ）ので、抵抗が大きくなり耐電圧が大きくなる。ここで増えているのは、ＰＴＣ５とスペーサー６との間に生ずる界面である。このように従来品に比べてブレーカー１の耐電圧が向上することで、定格漏れ電流の大きさを小さくすることができる。

次に本発明の実施例２について、図４を用いて説明する。実施例２においてスペーサー６は、中間部６１の両端に差込部６２を有し、同じくベース７２は、差込口７２ｅを有し、差込部６２が挿入されるための形状を取る。差込口７２ｅは、ベース７２の係合凹部７２ａに形成され、係合凹部７２ａには、カバー７１に形成された係合凸部７１ａが嵌入される（図５）。スペーサー６の両端の差込部６２は、係合凹部７２ａにおいて、ベース７２と係合凸部７１ａとに挟み込まれて保持される。

このような差込み構造により、接点ギャップＧの拡大と共に、ＰＴＣ５のベース７２への固定が、更に強固となり、ＰＴＣ５は、振動、衝撃等によっても不動となる。従来のブレーカーにおいては、極めて強い衝撃が加わるとアーム２のバネ力を振り切ってＰＴＣ５がケース７内部で跳ね上がり、同時に可動接点２１と固定接点３１との接触が断絶される瞬間的な断線（瞬断現象）の虞があったところ、本発明のブレーカーにあっては、この瞬断現象の起こる虞を低減できる。係合凹部７２ａと係合凸部７１ａとが互いに相似形状を有することにより、ＰＴＣ５及びスペーサー６の固定は、更に強固となる。

次に本発明の実施例３について、図５を用いて説明する。図５は、図２に示されるブレーカー１ブレーカー１のB−Bにより切り取られる断面図である。実施例３においてスペーサー６は、中間部６１とその両端の差込部６２との間に傾斜形状６ｂを有する。このような傾斜形状６ｂによりスペーサー６の両端は、段構造を取っており、差込部６２が中間部６１より低く配置される。よって、実施例３では、差込み構造を取るためにスペーサー６の両端を延長しても、これがディスク４に干渉するのを低減できる（図５（ａ））。スペーサー６とディスク４とが干渉しない設計は、瞬断現象を抑制できる上に、さらに小型化に有利である。このような段部は、スペーサー６がディスク４に抵触しないように段差が形成されていれば、傾斜形状６ｂの態様は、特に図示されているものに限られない。尚、図５（ｂ）は、異常時にディスク４が反転してアーム２の小突起２ａと接触する状態を示す。小突起２ａによって接点ギャップＧは、一層拡大する。

本発明の実施形態には、可動接点を有するバイメタル、トリメタル等を用いることによりアーム２とディスク４とが一体となった形態もありうる。この場合、ディスク４の湾曲形状４ａとＰＴＣ５の上面５１とが構成する間隙Ｓは、可動アームの湾曲形状とＰＴＣ５の上面５１とが区画する空間に該当する。くわえて、上記の実施例においてアーム２は、端子２２と一体となっているが、本発明は、これら形態に限定されるものではない。また他にも、可動アームの両端に接点が設けられ、可動アームが羽ばたき様に作動し、ベース７２に二箇所設けられた接点とそれぞれ接触離反する形態もありうる。この可動アームが羽ばたき様に作動する形態でも、同じくアーム２とディスク４とが一体となりうる。接点ギャップＧの拡大には、上記のいずれの形態においてもスペーサー６を可動アームとＰＴＣとの間に用いれば、同じく奏功する。また、ディスク４は、必ずしも可動アームの下に配置される必要はなく、反転動作を可動アームの作動に連動させられる限り、可動アームの上に配置されてもよい。

本発明によるブレーカーの組立ては、ベース７２の内部に順にＰＴＣ５，スペーサー６、アーム２を配置した後、カバー７１でベース７２を閉じて所定の方法により溶着することにより行われる（図１）。これ以降の後処理は、従来のブレーカーと同様のものを適用すればよい。さらに、このような組立て方法に加えて、スペーサー６の配置方法には、固定片３をインサート成形によりベース７２に埋設してケース７の一部を形作る際に、固定片３と同時にＰＴＣ５及びスペーサー６をベース７２の樹脂中の所定位置に埋設するものも可能である。

図6は、実施例１乃至３のいずれか一つ及び従来品の断面図であり、図１と同じく図２においてＡ−Ａ断面を見たものに相当する。図6のいずれの例においても、ブレーカー１は、カバー７１及びアーム２を除外して図示する。尚、アーム２が平常時に占有する仮想的な位置を破線で表す。図6（ａ）及び（ｂ）は、本発明の平常時における状態を示す。アーム２は、ベース７２上のアーム固定部７２ｂに載置及び固定され、平常時に固定部７２ｂの水準を超えることはない。平常時のアームの位置は、本発明と従来品とに差異がない。図6（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ本発明及び従来品の異常時における状態を示す。異常時には、従来品と本発明との差異がある。図6（ｄ）の従来品では、ディスク４の端部４ｂの上げシロ（高さ変位）がベース７２の側壁７２ｃの上限を超えないところ、図6（ｃ）の本発明においては、これを超えている。尚、図6には、図示されていないが、側壁７２ｃは、樹脂よりなり、カバー７１とベース７２とが溶着される部分である。

図6（ｂ）においては、スペーサー６の中間部６１に隆起、突起等の凸状変形６ｃを形成することにより、空隙Ｓの状況の許す限り、スペーサー６以外同じ寸法の部材を用いながら更に空間効率を良くすることができる。図４においてスペーサー６は、矩形の金属板においてその中間部分を幅広にしたものであり、このような形状をプレス加工等により形成する際に、凸状変形６ｃを同時に付与することができる。尚、凸状変形６ｃは、中間部６１の中央から可動接点２１寄りにされることで、接点ギャップＧの拡大を更に有利にする。

ベース７２は、ＰＴＣ５を収容するための円形の穴をケース内部の底面に有し、その穴は、周堤７２ｄにより囲繞されている。周堤７２ｄは、組立て時にＰＴＣ５を案内しやすくするためのものである。スペーサー6の傾斜形状６ｂの形状によっては、スペーサー6が周堤７２ｄと干渉する虞がある。実施例３においては、傾斜形状６ｂを上に凸の曲面として干渉を避けているが（図５）、周堤７２ｄの一部又は全体を低くする又は無くすことによっても同じ効果を得られる。周堤７２ｄを変形して下に凸の曲面にすれば、ディスク４とＰＴＣ５との干渉を一層避けることが可能となり、更なる小型化を期待できる。

また、本発明のスペーサー６の形状は、接点ギャップＧを増大させ（図６（ｃ）及び（ｄ））、且つディスク４への過度の干渉を避けられる限り（図６（ａ）及び（ｂ）））、特に限定なく、幅広形状６ａは、不可欠のものではない。さらに、差込部６２の形状も同様にディスク４へ過度に干渉することがなければ、組立て、ＰＴＣ５のベース７２への固定の態様に応じて、種々の形態を取ることができる。

１ ブレーカー、
２ 可動片（アーム）、
２１ 可動接点、
３ 固定片、
３１ 固定接点、
４ 熱応動部材（ディスク）、
４ａ 湾曲形状、
５ ＰＴＣサーミスター（ＰＴＣ）、
５１ 上面、
６ 中間片（スペーサー）、
７ ケース、

Claims (2)

1. 可動接点を有する可動片、
   固定接点を有する固定片、
   該可動片と該固定片との間に保持され、前記可動片を作動させるスナップ動作により前記可動接点と前記固定接点とを接触又は離反させ、湾曲形状を有する熱応動部材、
   該熱応動部材の下に配置され、前記可動接点と前記固定接点との離反時に前記可動片と前記固定片とを導通させるＰＴＣサーミスター、及び
   前記可動接点と前記固定接点との接触時に前記湾曲形状と該ＰＴＣサーミスターの上面とにより生ずる間隙に配置される中間片を備え、
   さらに前記中間片を収納するケースに、該中間片の形状の一部に相似して該中間片を係合する部位を有することを特徴とするブレーカー。
2. 可動接点を有する可動片、
   固定接点を有する固定片、
   該可動片と該固定片との間に保持され、前記可動片を作動させるスナップ動作により前記可動接点と前記固定接点とを接触又は離反させ、湾曲形状を有する熱応動部材、
   前記可動片の下に配置され、前記可動接点と前記固定接点との離反時に前記可動片と前記固定片とを導通させるＰＴＣサーミスター、及び
   前記可動接点と前記固定接点との接触時に前記可動片と該ＰＴＣサーミスターの上面とにより生ずる間隙に配置される中間片を備え、
   さらに前記中間片を収納するケースに、該中間片の形状の一部に相似して該中間片を係合する部位を有することを特徴とするブレーカー。

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