JP5864207B2 - ブレーカー - Google Patents

Description

本発明は、回路断続器に関し、特に小型のリチウムイン電池等、二次電池の安全装置に搭載され、熱応動素子の反転動作により可動接点と固定接点とを接触離反させるブレーカーに関する。

携帯電話、ノートパソコン、タブレットコンピュータ等の携帯機器に搭載される二次電池等、バッテリーパックは、過充電や過負荷、短絡による過熱を防止するため安全装置を必要とする。このような安全装置には、動作温度の帯域幅が広く精密な温度設定の可能である機械動作式の小型ブレーカーが、繰り返し使用可能で全数検査が可能であり且つ電流変化が不連続で階段的である点で、有用である。

この種のブレーカーは、一般に小型化のために図４のように、絶縁性の樹脂からなるケース６と一体的に成形され、固定接点３１及び外部に突出する固定側端子３２の形成された固定片３、可動接点２１及び外部に突出する可動側端子２２の形成された可動片２、並びに固定片３と可動片２とに挟まれ、押さえられた状態で保持された熱応動素子４及び正特性サーミスター５とで構成されている。尚、正特性サーミスターとは、電流の導通により温度及び電気抵抗を急激に増大させる発熱素子のことである。

次に、動作機序について説明する。電源を切っている無通電状態又は正常に充放電が行われているときは、電流は可動片２から可動接点２１及び固定接点３１を介して固定片３へと流れ、熱応動素子４は図４（ａ）に示す通常時の状態を維持する。この状態で、熱応動素子４が反転動作を行う温度に上昇しない通常時であれば、図４（ａ）に示す状態を維持し、可動接点２１は固定接点３１に接触し続ける。電流は、低抵抗の両接点を介して可動片２及び固定片３を導通し、電気抵抗のはるかに大きい正特性サーミスター５には実質的に流れない。

一方、過充電、短絡等によって、ブレーカー１内部に蓄積する熱が過大になり、熱応動素子４が反転動作を行う温度に上昇する過熱時には、図４（ｂ）に示すように、熱応動素子４が反転すると同時に該熱応動素子４の端部４１が可動片２を押し上げることにより、可動接点２１が固定接点３１から離れ、電流は遮断する。このように両接点が離反すると、可動側端子２２と固定側端子３２との間の電圧が正特性サーミスター５に印加され、正特性サーミスター５は抵抗の増大と共に発熱する。したがって、熱応動素子４を元の状態に戻さない限り、正特性サーミスター５の自己発熱で熱応動素子４は反転し続け、可動片２は押し上げられ、ブレーカー１は自己保持的に電流を遮断する状態を保つ。

尚、両接点の離反する状態から接触する状態へ復帰させる場合は、ブレーカー１を電源から切り離すか、負荷を軽減し冷却する。熱応動素子４の温度を充分に降下させれば、熱応動素子４が原形に復帰し、両接点は可動片２のバネ作用により再び接触する。

近年、ブレーカーは、携帯機器及びこれに搭載されるバッテリーパックの小型化に伴って、同様に寸法縮小を要求されている。しかし、このような機械動作式の製品には、寸法を縮小してゆくにつれて、構造上の脆弱性も増してゆくという問題がある。例えば、二次電池の安全装置にブレーカーを組み付ける作業者がブレーカーを乱暴に取り扱うと、ブレーカーの可動接点と固定接点との接触箇所が変位し、接触抵抗が不安定となり、結果としてブレーカーの動作温度が所期のものと違ってしまうという不具合を呈することとなる。

とりわけ、端子と可動片とが一体化された形態は、外力に対して脆弱であり、当該端子の捻転を伴う作用によって可動接点と固定接点との接触箇所が変位しやすい。さらに、可動接点及び固定接点は、銀を主成分とする塊状の合金を溶接によりそれぞれ可動片及び固定片に付して形成されるのが一般的であるが、この方式では、寸法縮小に限界がある。

かかる問題に対応して、可動接点に傾斜を形成することにより、可動接点と固定接点との接触箇所を可動接点の揺れの支点として不動点にする技術（特許文献１）又は可動片を複数の材料層で構成し、その最外の材料層において表面の一部分を可動接点とする技術（特許文献２）が提案されている。

特開２００６−１６４７６３号公報 特開２００５−２６７９３２号公報

しかしながら、ブレーカー製品の寸法が高々数ｍｍと極めて小さく、同製品を構成する部材にサブミリメートルオーダーの精度が求められるときには、次のような原因により上記の従来技術では、小型化・低背化と同時に接触抵抗の安定を保障するのが難しくなる。

導電性の極めて良い銀は、同時に放熱性も大きいため、溶接して基材に固定させるには、相当の熱量を被溶接物（塊状の銀）に与えなければならないが、ブレーカーの寸法縮小に合わせて接点が小さくなると、被溶接物の質量も限られて必要な溶接熱に不足する。

点接触、面接触、又は可動接点の回動する平面と直行した線接触では、例えば図１におけるような可動接点２１の回動する平面Ｒが捻転するような外力Ｔに対向できない。このような力でブレーカー製品又は端子を変形させると、可動接点と固定接点との接触箇所が大きく変位し、接触抵抗は不安定となる。

本発明は、小型で、且つブレーカーや端子を捻転するような外力が加わっても、接触抵抗を安定して維持できるブレーカーを提供することを目的とする。

本発明者らは、上述のような不具合を解消すべく鋭意検討した結果、可動接点及び固定接点の形状を規定することにより耐衝撃性を有する設計を見出し、本発明に到達した。

本発明は、固定接点を有する固定片と、可動接点を有する可動片と、温度変化により可動接点が固定接点と接触又は離反するように可動片を作動させる熱応動素子とを備えるブレーカーであって、可動接点又は固定接点の一つが可動片の伸長するのと垂直方向に傾斜する斜面を有し、好ましくはそれぞれ可動片又は固定片と同質の材料からなる凸部であり、可動接点及び固定接点の表面が銀、金、白金、パラジウム、スズ又はこれら金属を母材とする合金によるメッキであり、前記の可動接点又は固定接点と対となるものが平面状であることを特徴とする。

本発明は、さらに、可動接点と固定接点とが可動片の伸長方向と平行な線接触を呈することを特徴とする。

本発明は、さらに、可動接点又は固定接点が梨地にされたことを特徴とする。

本発明は、さらに、可動接点の形状が円筒又は多角柱の側面の一部を呈し、固定接点の形状が平面状であることを特徴とする。

本発明は、さらに、固定接点の形状が円筒又は多角柱の側面の一部を呈し、可動接点の形状が平面状であることを特徴とする。

本発明は、また、ブレーカーの製造方法において、金属板の一部分を粗面加工する工程、粗面加工された金属板の一部分にメッキを施す工程、粗面加工された金属板をプレス加工により可動片又は固定片に成形する工程、粗面加工された金属板にプレス加工により、可動片が伸長するのと垂直方向に傾斜する斜面を有する可動接点又は固定接点を設ける工程、上記の可動接点又は固定接点と対となる平面状の接点を有する可動片又は固定片を成形する工程、前記の可動片と固定片とを組み合わせて、温度変化により可動接点が固定接点と接触又は離反するように可動片を作動させる熱応動素子を配置する工程を備えることを特徴とする。

本発明のブレーカーによれば、端子を捻る外力によっても接触抵抗の変化のない耐衝撃性のブレーカーを設計できる。さらに、ブレーカーの小型化を更に進めることが容易となる。

本発明のブレーカーの製造方法によれば、小型で耐用性と耐衝撃性のあるブレーカーを容易に製造できる。

本発明の実施形態における接点の斜視図兼透視図である。 本発明の実施形態における接点と従来品のものとを比較した断面図である。 本発明の実施形態における各種の変形例である。 本発明及び従来技術のブレーカーの動作機序を現す断面図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態であるブレーカーの可動片及び固定片の先端に設けられた接点を示す斜視図であり、一部は透視図となっている。この図中の金属片２，３いずれが可動片又は固定片となるかは特に限定されないが、以下、特にことわりのない限り、便宜的に可動接点は、角柱状であり、固定接点は、平面状であるものとして説明する。

図１の中で、可動接点２は、回転運動の軌跡の一部を振り子様に動き、固定接点３と接触又は離反する。可動接点２１は、可動片２から隆起した凸部２５であり、可動接点２１の回動する平面Ｒを捻るような外力Ｔの影響を抑制するために、次のような斜面２５ｂを有する。斜面２５ｂは、可動片２の伸長方向Ｅに沿って凸部２５に形成され、且つ可動片２の伸長するのと垂直方向Ｐに傾斜する。可動接点２の凸部２５において斜面２５ｂは、さらに、全体として可動片２と凸部２５との接合面２５ｃと鋭角をなす。ブレーカー１の他の部分は図４に示すように、従来型のブレーカーと同様に構成できる。部材の材質等も従来技術と同様のものを使用できる。

さらに可動接点２１及び固定接点３１の形状は、両接点の接触する箇所が多くなることで導通が安定し上記の捻転に対処できる点から、線接触するものが好ましい。図１では、固定接点３１と接触する部分である可動接点２１の接触部位２５ａが固定片３上の接触箇所３ｃで線接触している。図中、可動片２の伸長方向Ｅは、この線接触をなす部分と平行である。尚、回動する平面Ｒ及び接触部位２５ａは、これが線接触を呈するのであれば、可動接点２１の回動の回転軸と直交する。

例えば図１において、可動接点２１の凸部２５は、台形断面を持つ四角柱であり、可動片２との接合面２５ｃ及び接触部位２５ａを除く二つの側面が可動片２に可動片２の伸長するのと垂直方向Ｐに傾斜する斜面であり、伸長方向Ｅに沿って形成される。さらに、図中の四角柱においては、凸部２５の台形断面において可動片２と接する辺の方が長い。しかしながら、両接点の形状が、一方を凸部としもう一方を実質的に平面形状とする限り、上記に記すような斜面を形成していれば、特に限定はなく奏功する。よって、前記において固定接点が四角柱を呈している実施形態も可能である。

図４に示される形態を一例に挙げて本発明の全体構成を説明する。ブレーカー１は、可動片２、固定片３、熱応動素子４、正特性サーミスター５、及び以上を収容する樹脂製のケース６で構成される。可動片２は、一端に可動接点２１を有して、振り子様の回動をする可動部２３を挟んで、もう一端に回動の中心となる固定部２４及びケース外部に突出する可動側端子２２を有する。固定片３は、可動接点２１と接触又は離反する固定接点３１を有し、諸部材の収容されるケース６にインサート成形等により埋め込まれて構成され、ケース６の外部には、固定片３と一体的に形成された固定側端子３２が突出する。

通常時においては、図４（ａ）のように可動接点２１と固定接点３１とが可動片２のバネ作用により接触する。過熱時においては、図４（ｂ）のように熱応動素子４の温度変化に伴う反転により可動部２３は押し上げられ、可動接点２１は固定接点３１から離反する。この形態では、熱応動素子４は通常時に可動片２の下方で固定片３上にある正特性サーミスター５を掩蓋し、加熱時に反転して端部４１で可動片２を押し上げるが、熱応動素子４が温度変化により可動片２を前記のように作動させられれば、位置関係などは、特に限定しない。

可動片２、固定片３及び熱応動素子４の材質には、ブレーカー１に必要とされる特性に応じて、既知のものを使用すればよい。例えば、固定片３には銅又は銅合金、可動片２にはバネ性と導電性に富んだリン青銅が用いられる。ケース６及を構成する樹脂は、頑丈で耐熱性に富んだポリアミドや液晶ポリマー等が用いられる。熱応動素子４は通常、既存の材料からなるバイメタルが材料に用いられ、プレス加工により湾曲面が形作られ、所定の熱処理を施されて反転動作をする条件が設定されることにより、形成される。正特性サーミスター５は、通常、酸化チタンを主原料にして各種の添加剤と共に円盤状に形成される。熱応動素子４及び正特性サーミスター５の温度特性及び電気特性はブレーカー１に要求される特性に基いて決定される。

上記の通り固定片３とケース６とはインサート成形により一体的に形成される。本実施例のように、さらに、可動片２と可動側端子２２とは、原材料となる金属板から一体的に形成されることもある。可動片がこのような構造を持つと、端子に掛かる外力がケース６内部の接点に及びやすい。とりわけ、図１に図示されるような、可動接点２１の回動する平面Ｒ、すなわち可動接点２１の回動の回転軸と直交する平面Ｒを捻るような外力Ｔは、既述のように接触抵抗に対して影響が大きい。加えて、バッテリーパックへの取り付けの際、このような外力Ｔは容易に起こりうる。

図２は、本発明による両接点の一例の拡大図であり、図１において手前から奥へ、両接点を断面視した図である。ここでは、通常時の接触している状態を図示している。本発明の接点は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に図示されるように、可動接点又は固定接点がその先端を三角柱形状とする五角柱の凸部となって、しかも当該五角柱の側面が可動片２の伸長方向Ｅに沿っているので、端子を捻転する外力Ｔの加わる前の状態（図２（ａ））と、端子を捻転する外力Ｔの加わった後の状態（図２（ｂ））とで、接触箇所３ｃが変異しない。したがって、端子の捻転によっても、ブレーカー１の接触抵抗は変化しない。前記の三角柱形状の先端は、その斜面２５ｂが適切に設定されていれば、断面台形の四角柱であってもよい。

一方で、従来技術による形態では、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に図示されるように、端子を捻転する外力Ｔの加わる前（図２（ｃ））と後（図２（ｄ））とでは、接触箇所３ｃが移動する。したがって、端子の捻転によってブレーカー１の接触抵抗が変化する。

本発明において、可動接点２１の凸部２５は、溶接によるほか、プレス加工により可動片２を材料の金属板からプレス加工するのと前後して又は同時に形成される。凸部２５は、このような形態により可動片２（また、凸部が固定片３に設けられれば固定片３）と同質の材料からなる。プレス加工の結果できる凸部２５の形態は、エンボス状で凸部２５の内部が密になっていてもよいし、絞り状で凸部２５の内部が中空（可動片2において凸部２５の裏が凹部となっている形態）となっていてもよい。

可動接点２１の表面は、このように形成された凸部２５の表面に銀等でメッキを施して又は可動片の材料である金属板の該当箇所に予め同様のメッキを施して形成する。固定接点３１は、可動接点２１との接触箇所が平面形状に形成される他は、可動片の形成と同様に作成できる。可動接点２１及び固定接点３１の表面をなすメッキは、銀の他に、金、白金、パラジウム、スズ又はこれら金属を母材とする合金でもよい。通常は、可動片２又は固定片３の材料より導通性の良い材料が採用される。

以上のように、可動接点２１又は固定接点３１は、プレス加工により形成すれば、それぞれ可動片２又は固定片３と同質の材料からなる凸部となる。可動接点２１及び固定接点３１の表面が銀、金、白金、パラジウム、スズ又はこれら金属を母材とする合金によるメッキであるので、希少な材料の使用量を小さくして、工費の節減を実現できる。さらに、このようなプレス加工による凸部２５及びメッキによる可動接点２１の形成法によれば、溶接によって可動接点２１を接合するのに比して、寸法縮小を容易に行うことができる。但し、既述の捻転による外力Ｔに対処する効果を得るのに限れば、可動接点２１は、銀、金、白金、パラジウム、スズ又はこれら金属を母材とする合金を溶接などにより接合したものでもよい。

本実施形態では、可動接点２１を四角柱（略三角柱）形状（図１）又は五角柱形状（図２）とした例で説明したが、可動片２の伸長方向Ｅに沿った側面が既述のような斜面であれば、可動接点２１は、断面半円又は断面半楕円の半円筒であってもよい。例えば、可動接点２１の凸部２５の形態には、図３に示すような、各種の変形がありうる。

図３（ａ）乃至（ｊ）は、凸部２５の変形例の側面図（上段）及び可動片２の伸長方向Ｅから見た正面図（下段）である。図３（ａ）は、図１とほぼ同様に凸部２５が四角柱（断面台形）を呈するものである。斜面２５ｂに該当する箇所は、平面により構成されるとは限らず、凹面、凸面等の曲面であってもよい。例えば、図３（ｂ）は、半円筒を呈するものであり、これによっても図３（ａ）の凸部と同様の効果を得ることができる。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、それぞれ四角柱（断面台形）及び半円筒の一部を呈するものであり、線接触の面積を増やすためにテーパー構造を設け、固定接点３１との接触時において接触箇所２５ａを固定接点３１の平面形状と平行としている。線接触の面積を増やすための構造には、図３（ｅ）に示すように複数の半球状の小さい凸部を可動片の伸長方向の直線上に並べた形態もありうる。凸部の形状は、図３（ｆ）のように凸部の斜面２５ｂに該当する箇所の中程に膨らみ（幅広の箇所）があってもよい。接触箇所は、一箇所であるのに限らず、伸長方向Ｅから見て左右で対称的且つ既述の形態に則って適切に配置されていれば、複数箇所に設けても差し支え無い。それぞれ図３（ｇ）及び図３（ｈ）のように、側面から見た断面に角取り又は丸み付けを施すと、可動接点２１の離反する時と接触する時とで接触箇所が変動しにくくなり、電気特性が更に安定化する。線接触の面積を増やすための構造には、さらに、図３（ｉ）及び図３（ｊ）のようにそれぞれ接点の表面を粗し及び粗面処理により梨地にしたものもある。

梨地状の接点は、例えば、次のような工程を経て作成するのが好ましい。まず、金属板の一部分を粗面加工する。次に、粗面加工された金属板の一部分にメッキを施す。続いて、粗面加工され粗された表面上にメッキされた金属板をプレス加工により可動片又は固定片に成形する。これと同時に又は前後して可動片が伸長するのと垂直方向に傾斜する斜面を有する可動接点又は固定接点（凸部）を設ける。粗面処理された後に金属板にメッキを施すのであれば、凸部又は可動片若しくは固定片を形作る工程は、順序を特に限定されない。但し、加工容易性から前述の順序に従うのが好ましい。前記のように作成された可動片又は固定片は、組立工程に付されて、上述のようなブレーカー１が完成する。

図４に示される従来型ブレーカーの構成以外に、正特性サーミスタ５のないブレーカーにも本発明を適用して、耐衝撃性を付与することができる。この形態においては、自己保持回路を形成しない点以外、既述のものと変更はないので、詳細な記述は省略する。熱応動素子と可動片とは、一体的に形成されてもよい。この形態の可動片はバイメタル又はトリメタルから形成され、別個に設けられた部材である熱応動素子を必要としていない。

上掲の実施形態と同じ目的のために、固定接点の平面形状と、可動接点の角柱形状又は半円筒形状の一部とを交換した形態も用いることができる。つまり、固定片の平面形状と可動片の凸部とは、互換である。例えば図１及び図２において、凸部２５が固定片３の側に設けられ動かず、対向する平面状の接点が可動接点となり可動片に従って回動する形態を採用しても同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態は、温度変化により反転する湾曲面を有する熱応動素子により可動接点が振り子様の回動をし固定接点と接触又は離反する回路の断続器において、前記の可動接点又は固定接点の一方の先端が可動片の伸長する方向に沿って形成され、且つ可動接点の伸長するのと垂直方向に傾斜した斜面を有するものであれば、ここで記述される形態に限定されるものではない。例えば、既述の実施形態の他に、可動片が羽ばたき様の運動をし、その両端において可動接点が固定接点と接触離反する形態等も考えられる。この可動片両端に接点を有する形態においても、熱応動素子と可動片とが一体的に形成することができる。

１ ブレーカー
２ 可動片
２１ 可動接点
２２ 可動側端子
２３ 可動部
２４ 固定部
２５ 凸部
２５ｂ 斜面
３ 固定片
３１ 固定接点
３２ 固定側端子
４ 熱応動素子
Ｒ 可動接点２１の回動する平面（可動接点２１の回動の回転軸と直交する平面）
Ｔ 平面Ｒを捻転する外力（端子を捻る外力）

Claims (5)

1. 可動接点を有する可動片と、固定接点を有する固定片と、温度変化により可動接点が固定接点と接触又は離反するように可動片を作動させる熱応動素子とを備え、
   前記可動接点又は前記固定接点の一つは、前記可動片が伸長するのと垂直方向に傾斜する斜面を有し、それぞれ前記可動片又は前記固定片と同質の材料からなる凸部であり、
   該凸部の先端が、前記可動片の伸長方向から見て、断面台形であり、
   前記可動接点及び前記固定接点の表面は、銀、金、白金、パラジウム、スズ又はこれら金属を母材とする合金によるメッキであり、
   前記可動接点又は前記固定接点と対となるものは、平面状であり、
   前記可動接点と前記固定接点とは、前記可動片の伸長方向と平行な線接触を呈することを特徴とするブレーカー。
2. 前記可動接点又は前記固定接点は、梨地にされたことを特徴とする請求項１のブレーカー。
3. 前記可動接点の形状は、円筒又は多角柱の側面の一部を呈し、
   前記固定接点の形状は、平面状であることを特徴とする請求項１又は２のブレーカー。
4. 前記固定接点の形状は、円筒又は多角柱の側面の一部を呈し、
   前記可動接点の形状は、平面状であることを特徴とする請求項１又は２のブレーカー。
5. 金属板の一部分を粗面処理する工程、
   粗面処理された前記金属板の一部分にメッキを施す工程、
   粗面処理された前記金属板をプレス加工により可動片又は固定片に成形する工程、
   粗面処理された前記金属板にプレス加工により、前記可動片が伸長するのと垂直方向に傾斜する斜面を有する可動接点又は固定接点を設ける工程、
   上記の可動接点又は固定接点と対となる平面状の接点を有する可動片又は固定片を成形する工程、
   上記の可動片と固定片とを組み合わせて、温度変化により前記可動接点が前記固定接点と接触又は離反するように前記可動片を作動させる熱応動素子を配置する工程を備え、
   さらに前記斜面を有する可動接点又は固定接点の先端が、前記可動片の伸長方向から見て、断面台形に形成され、
   前記可動接点と前記固定接点とは、前記可動片の伸長方向と平行な線接触を呈することを特徴とするブレーカーの製造方法。

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