JP5976336B2 - ブレーカー - Google Patents

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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。リチウムイオン電池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、ブレーカーの小型化が図られている。しかし、その小型化には、接点ギャップの縮小も伴う。接点ギャップの縮小には、接点間に火花放電(スパーク)を頻発させ、接点の損傷によりブレーカーの寿命を短くする虞がある。かかる問題点を克服するための技術として、正特性(PTC)サーミスタを第1の固定端子と第2の固定端子との間に挟んだ状態で貴台を一体成形して正特性サーミスタを保持することで、第1の固定端子及び第2の固定端子と正特性サーミスタとの接続を容易に行なえるスイッチ装置が提案されている。この従来技術により、スイッチ装置(ブレーカー)の小型化及び生産性向上を成し遂げることができると共に、固定端子と正特性サーミスタとの接続を容易にすることで、平常時から異常時への移行時にブレーカー内部で回路の切り替えに要する時間が短くなり、スパークの発生を抑制することができる。
特開2005−142147号公報
しかしながら、上述の従来技術においては、第1の固定端子及び第2の固定端子が正特性サーミスタと常時接続しているため平常時の回路から異常時の回路への電流の切り替えが加速されるものの、接点ギャップが特に増大されない。そのため、スパークの懸念される時間帯が前記のような電流の切り替えにより短くなっても、接点ギャップの大きさが不十分であるとき、上記の問題点は払拭されない。
本発明の目的は、ブレーカー内部の回路の切り替えを加速し、且つ小型化のなされたブレーカーにおいて接点ギャップを充分大きく拡大する設計の提供である。
前記の目的を達成するために、本発明のブレーカーは、筐体と、板状のPTCサーミスターと、筐体の外部に露出する第1端子部及び第2端子部、並びにPTCサーミスターに接触する第1接触部及び第2接触部をそれぞれ有する第1導電体及び第2導電体と、第1導電体又は第2導電体の少なくとも一方に設けられた固定接点と、固定接点と接触又は離反する可動接点を有し、第1導電体と第2導電体とを電気的に接続する可動アームと、第1接触部の上方に配置され、スナップ作用により反転する湾曲形状が設けられ、固定接点と可動接点とを接触又は離反させる熱応動素子とを備え、第1接触部がPTCサーミスターの上面と接触し、さらに熱応動素子に向かって隆起し且つ熱応動素子の反転により可動接点が固定接点と離反する状態において湾曲形状と接触する突起を有し、第2接触部が、PTCサーミスターの下面と接触することを特徴とする。
また、本発明のブレーカーにおいて、固定接点は、第1導電体又は第2導電体の一つに設けられ、可動アームは、PTCサーミスターを挿んで固定接点と反対側において第1導電体又は第2導電体の他の一つと構造上接続して固定されることを特徴とする。
また、本発明のブレーカーにおいて、固定接点は、並行する第1導電体の一部及び第2導電体の一部に二つ設けられ、可動アームは、PTCサーミスターを挿んで固定接点と反対側において固定され、二つの固定接点は、可動接点と接触する状態において可動アームを介して互いに電気的に接続されることを特徴とする。
また、本発明のブレーカーにおいて、可動アームは、第1導電体及び第2導電体と構造上分離し、可動接点は、PTCサーミスターを挿んで配置されてそれぞれ可動アームの両端に設けられ、固定接点は、PTCサーミスターを挿んで配置されてそれぞれ第1導電体及び第2導電体に設けられることを特徴とする。
本発明のブレーカーにより、接点の離反する動作とブレーカー内部の回路の切り替えを加速し、接点ギャップを大きく拡大する。よって、ブレーカーが過電流、過充電等の負荷により遮断状態に至った時に離反する接点間に発生する火花放電(スパーク)を低減することができる。
さらに、固定接点と可動接点との接触箇所が片端に設けられ、可動アームがPTCサーミスターを挿んで固定接点と反対側において固定されることにより、ブレーカーを小型化できる。
図1は実施例1を示す組図及び断面図である。 図2は実施例2を示す断面図である。 図3は実施例3を示す斜視図である。 図4は実施例4を示す断面図である。 図5は突起1Aの変形例を示す断面図である。 図6は接触部12の変形例を示す平面図である。
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、本発明の実施例1を示す組図及び断面図である。図1(a)は、組図を、図1(b)及び(c)は、それぞれ平常時及び異常時における断面図を示す。実施例1のブレーカー100は、第1導電体、第2導電体(以下、それぞれ導線1及び導線2)、可動アーム(以下、アーム3)、熱応動素子(以下、ディスク4)及び正特性サーミスター(以下、PTC5)を筐体(以下、ケース6)に収容して構成される。ケース6は、ベース61とカバー62から構成される。これら各部材の形状、寸法、材質等には、特段の限定のない限り従来のブレーカーにおけるものを適用できる。
導線1は、ケース6の外部に露出する端子部11、ケース6の内部でPTC5の上面5aと接触する第1接触部(以下、接触部12)を有する。導線1は、銅を主成分とする金属板をプレス加工することにより形成される。さらに、接触部12には、突起1Aが上方向に向かって形成される。導線1の端子部11と接触部12との間の一部は、ベース61の樹脂中に埋設されている。さらに導線1の端子部11と接触部12との間においてケース6内部に露出するアーム固定部fには、アーム3の片端が固定される。
導線2は、導線1と同じく、銅を主成分とする金属板をプレス加工することにより形成される。導線2は、ケース6の外部に露出する端子部21、ケース6の内部でPTC5の下面5bと接触する第2接触部(以下、接触部22)を有する。さらに、導線2は、接触部22と端子部21の間に、銀等を主成分とする良導体で塗布、メッキ、クラッド等により形成された固定接点c1を有する。固定接点c1は、ケース6の内部空間に露出し、適宜、可動接点c2と接触又は離反する。
アーム3は、導線1及び導線2と同じく、銅を主成分とする金属板をプレス加工することにより形成される。アーム3の先端には、銀等を主成分とする良導体で形成された可動接点c2を有する。アーム3の他端は、導線1のアーム固定部fで固定され、溶接等により導線1と構造的及び電気的に接続される。アーム3の中間は、可動部31であり、ディスク4の上を覆い跨ぎ越えるようにディスク4及びPTC5の上方向に配置され、熱変化によるディスク4の変形を受けて、固定接点c1と可動接点c2とを接触又は離反させる。アーム3は、可動部31において、プレス加工により湾曲又は屈曲した概形を有する。固定接点c1と可動接点c2とが接触しているとき、導線1と導線2とは、アーム3を介して電気的に接続される。このとき電気抵抗は極めて低く無視できる程度である。
ディスク4は、PTC5の上方向で接触部11を覆って配置される。ディスク4は、円弧状に湾曲した初期形状をなし、バイメタル、トリメタルなどの複合材料からなる。ディスク4には、湾曲形状が形成される。この湾曲形状の曲面は、異常時にスナップ作用により反転する。反転は、アーム3に対向するのを上方向として、ディスク4の表裏の位置関係を保持して湾曲の形状を上に凸の曲面から下に凸のものへと変える鏡映操作である。この反転動作により可動部31は、上方向に押し上げられ、可動接点c2と固定接点c1とが離反する。ディスク4の形状は、正常時になると復元し、可動接点c1と固定接点c2とは、再び接触する。ディスク4の形状は、プレス加工により形成することができる。所期の温度で上記の反転と復接触又は離反する限り、ディスク4の材質及び形状は特に限定されるものでないが、生産性及び反転動作の効率性の観点から矩形が好ましい。
PTC5は、円盤状又は角盤状の正特性サーミスターである。PTC5の上面5aと下面5bには、銀等を主成分とする良導体を塗布、メッキ、蒸着等して、二面の電極が設けられる。これら電極に導線1及び導線2に設けられた幾つかの小突起bが接触して、PTC5は、上下に挟まれてケース6内で保持される。異常時には、これらの電極を介して微小な漏れ電流LがPTC5を通るので、PTC5が発熱する。その輻射熱によりディスク4の反転する状態が保持される。
接触部12には、ディスク4に向かって隆起する突起1Aが形成される。高温によるディスク4の反転によりアーム3が持ち上げられ、可動接点c1が固定接点c2と離反する異常時においては、突起1Aと反転したディスク4の湾曲形状とが接触する。一方、平常時においては、突起1Aが、PTC5の上面5aとディスク4の湾曲形状とで区画される空間に全体又は大部分が収容される。本実施例の突起1Aは、中央にPTC5の上面5aにおいて、その中央又は中央付近に設けられるが、PTC5の上面5aにあって、ディスク4のケース6への収容を阻害しない限り、特に限定されるものではない。突起1Aは、導線1の成形時にプレス加工により同時に与えることができる。
ベース61は、導線1、導線2等の金属片がインサート成形により樹脂中に埋め込まれた成形品である。ベース61の樹脂部分は、導線2を底面として上方向に開口を有する周壁を形成する。この開口からは、ディスク4及びアーム3が導入され、ケース内部に収納される。収納されたアーム3及びディスク4の端縁は、周壁の内部に形成されている枠によってそれぞれ反転動作の時に案内される。
カバー62には、カバープレート6aがインサート成形によって埋め込まれている。カバープレート6aは、上述した銅を主成分とする金属板又はステンレス等の金属板をプレス加工することにより形成される。カバープレート6aは、いくつかのカバー小突起6bを介してアーム3の上面と平常時又は異常時に適宜接触し、アーム3の動きを規制すると共に、カバー62のひいてはケース6の剛性、強度等を高める。カバー62の樹脂部分は、ベース61の周壁と接合され、ケース6の内部を密封する。
ケース6を構成するベース61及びカバー62は、難燃性のポリアミド、耐熱性に優れたポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等の樹脂により成形される。ベース61には、導線1、導線2及びPTC5が埋設され、それぞれ上面5a及び下面5bにおいて導線1の接触部12及び導線2の接触部22によりPTC5が挟まれた状態で保持されている。このように導線1、導線2及びPTC5が保持されている状態でインサート成形し、樹脂部分を与えて完成したベース61を得ることができる。
完成したベース61にディスク4を導入しPTC5及び接触部12の上に載置し、続いてアーム3を導入し、可動部31をディスク4の上に配置する。導入されたアーム3は、アーム固定部fにおいて溶接により導線1と接合され固定される。最後に各部材の導入されたベース61にカバー62を載せ開口を塞ぎ、ついで超音波溶着によりベース61とカバー62とを樹脂部分において接合してブレーカー100を完成させる(図1(a))。
ブレーカー100は、リチウムイオン電池等のバッテリーパック上の回路に端子11及び端子21において直列に接続される。異常時にブレーカー100周辺の温度が上がるか、又は過電流によりアーム3が発熱すると、ディスク4は反転し、可動部31を押し上げ、固定接点c1と可動接点c2とが離反する。この時、直接PTC5を介して導線1と導線2との間に漏れ電流が発生し、PTC5の発熱により自己保持回路が構成される(図1(b)及び(c))。
図2は、本発明の実施例2を示す断面図である。実施例2においてアーム3は、導線2のアーム固定部fに固定され、導線2と構造的に接続される。アーム固定部fは、端子21と接触部22間のベース62において導線2のケース6内部空間に露出した部分に設けられる。固定接点c1は、導線1の端子11と接触部12との間に設けられる。アーム3は、このような配置であっても実施例1と同様にブレーカー100を機能させることができる。アーム3の固定端と開放端の位置が違う他は、各部材の構成は同様である。
図3は、本発明の実施例3を示す斜視図である。実施例3においては、固定接点c1及び固定接点c3がそれぞれ導線1と導線2の並列する場所に設けられる。本実施例において、導線1又は導線2の一方は、PTC5を超えて延出して、もう一方の導線と並行する部分をなす。図3では、接触部12において導線1がPTC5を乗り越えている。アーム3は、固定接点c1及び固定接点c3と接触する可動接点c2を片端に有し、別の片端において固定される。図中では、アーム3の固定端が導線1に構造的に接続する形態を示すが、導線2に接続する形態もありうる。接点の位置及び数が違う他は、各部材の構成及び製法は同様である。
図4は、本発明の実施例4を示す断面図である。実施例4のアーム3には、接合、嵌合、係合等により継続的に拘束される固定端が存在しない。アーム3は、ケース6中央においてカバー62とPTC5との間で保持された状態にある。さらに、アーム3の可動部31は、熱応動素子と一体的に形成されている。実施例4では、導線1及び導線2の双方に固定接点c1及び固定接点c3がPTC5を挟んで設けられる。可動接点c2及び可動接点c4がアーム3両端の対応する箇所に設けられる。アーム3は、カバー62の中央において、カバー62に設けられた押さえ部6bによって下方向に押圧される。図示された形態では、アーム3が熱応動素子と一体化されている。各接点では、アーム3の行う羽ばたき様の動作によりそれぞれ接触又は離反が行われる。接点の位置及び数が違う他は、各部材の構成及び製法は同様である。
突起1Aの形状は、上記の実施例にあるようなものに限られず、PTC5上面5aに一つの点状に存在するほか、単数であっても複数であっても或いは線状に設けられてもよい。突起1Aの配置は、PTC5の上面5aにおいて突起1Aが異常時に反転するディスク4と接触する限り、特に限定はない。突起1Aは、ブレーカー100の低背化及び接点ギャップの拡大の観点から、接点寄りであってもよい。
例えば、図5に示されるように突起1Aは、断面半円の形状のほか、図5(a)に示されるような折曲げ状のもの、図5(a)に示されるような段曲げ状のもの、図5(c)におけるように丸め状のもの(カール曲げ)、図5(d)におけるように折り畳み状のもの(ヘミング曲げ)等も同様に奏功する。以上の複数の形状のうち、幾つかを適宜に組み合わせて、或いは同種のものを複数回適用することも可能である。また、図5(e)におけるように別の材料1bを溶接、クラッド、かしめ等により突起1Aを上面5aに付加して形成することも可能である。このような溶接材料には、耐電圧の向上等の観点から、抵抗値の相対的に高い材料を用いることが好ましい。溶接材料は、接触部12を貫通して、PTC5の上面5aに到達し接触してもよい。
ブレーカー100の自己保持は、PTC5の発熱がディスク4に伝わり、ディスク4が可動部31を押し上げ続けることでなされる。したがって、PTC5から接触部12に伝熱し端子部11で放熱が起きるのは、抑制するのが望ましい。PTC5の輻射熱がディスク4に伝わりやすく、接触部12から端子部11への伝熱が抑えられる構造が望まれる。よって、自己保持回路の観点から接触部12には、平面視でPTC5の上面5と重複する領域において穴a1(図6(a))、切欠きa2(図6(b))等を設けるのが好ましい。穴又は切欠きを介して接触部12と導線1の露出部13とをつなぐ架橋部14は、導線1の他の部分と同様、プレス加工により形成することができる。また、導線1の短手方向にPTC5の直径より大きい幅を持たせ、接触部12の形状を上面5をまたぐように(図6(c))導線1の短手方向に細長くしてもよい。図6(c)の接触部12には、さらに、架橋部14との間にPTC5を挟むように段差が設けられ、接触部12がPTC5を更に安定して保持する。
従来品において、アーム3を介しての回路(平常時)からPTC5を介しての回路(異常時)に切り替わるときにタイムラグがあり、接点間にスパークが発生し接点の磨耗を起こす虞があっところ、本発明においては、接触部12及び接触部22がそれぞれ上面5a及び下面5bにおいてPTC5と接触し、常時PTC5を介した回路が構成されており、異常時のディスク4の反転の際、即座に回路が切り替わる。その結果、有害なスパークが発生しにくくなる。
さらに、ディスク4の反転している間、突起1AがPTC5の上面5aから上方向にディスク4を更に上に押し上げるので、接点ギャップが拡大する。加えて、従来品のPTC5の上面5aにディスク4が接触するより早く突起1Aに接触するので、ブレーカー100の遮断動作が更に迅速になる。また、アーム3に、ディスク4に向かって隆起し接触するアーム小突起3bを設けることによっても同様の迅速化が可能である。
また、PTC5を成形樹脂により保護するので、ブレーカー100の加工時及び使用時にPTC5の破損を低減できる。ブレーカー100の組立て時に部品点数が減るので、省工程となる。ディスク4の上に凸なる湾曲形状の内部の空間が突起にめられることで、空間効率が向上し、小型化、低背化に有利となる。PTC5が導線1及び成形樹脂により強固に固定されるのでPTC5がケース6内部で動揺すること無く、振動に対して接点間の接触圧が安定する。
尚、実施例1及び2のように導線1及び導線2が空間的に直列に配置され、両端に端子部が配置される形態では、構造上、小型化と電流容量の拡大を両立するのが容易である。実施例3のような形態では、ブレーカー100の片端に端子を集中するのが容易となる。実施例4のようにアーム3の両端に接点を有する形態では、異常時において電気抵抗を大きく採ることが容易である。
アーム3をバイメタル又はトリメタル等によって形成することにより、アーム3とディスク4を一体的に形成する構成であってもよい。この場合、ブレーカーの構成が簡素化されて、更なる小型化を図ることができる。また、アーム3と導線1又は導線2を一体的に形成することもできる。この場合、アーム3又は導線1の一部を接触部12に充てると部品点数の減少になる。さらに、接触部12及び又は接触部22の形状は、上面5a又は下面5b及びPTC5の側面に沿って形成された段曲げa3によりPTC5を保持するものであってもよく、これにより加工時のPTC5静止状態が更に安定する。
100 ブレーカー、
1 導体(第1導電体)、
12 接触部(第1接触部)、
1A 突起、
2 導体(第2導電体)、
22 接触部(第2接触部)、
3 アーム(可動アーム) 4 ディスク(熱応動素子)、
5 PTC(PTCサーミスター)、
5a 上面、
5b 下面、
6 ケース(筐体)、
61 ベース、
62 カバー、

Claims (5)

  1. 筐体と、
    板状のPTCサーミスターと、
    前記筐体の外部に露出する第1端子部及び第2端子部、並びにPTCサーミスターに接触する第1接触部及び第2接触部をそれぞれ有する第1導電体及び第2導電体と、
    該第1導電体又は該第2導電体の少なくとも一方に設けられた固定接点と、
    該固定接点と接触又は離反する可動接点を有し、前記第1導電体と前記第2導電体とを電気的に接続する可動アームと、
    前記第1接触部の上方に配置され、スナップ作用により反転する湾曲形状が設けられ、前記固定接点と前記可動接点とを接触又は離反させる熱応動素子とを備え、
    前記第1接触部は、前記PTCサーミスターの上面と接触し、前記熱応動素子に向かって隆起し且つ前記熱応動素子の反転により前記可動接点が前記固定接点と離反する状態において前記熱応動素子と接触する突起を有し、
    前記第2接触部は、前記PTCサーミスターの下面と接触し、
    前記の第1導電体、第2導電体及びPTCサーミスターがインサート成形によって樹脂中に保持されている状態で、前記熱応動素子は、前記PTCサーミスターの上方向で前記第1接触部を覆って配置され、
    さらに前記可動アームは湾曲又は屈曲した概形を有し、前記熱応動素子の上を跨ぎ越えるように前記の熱応動素子及びPTCサーミスターの上方向に配置され、前記湾曲形状の内部の空間が前記突起に占められることを特徴とするブレーカー。
  2. 前記第1導電体及び前記第2導電体は、前記PTCサーミスター、前記可動アーム及び前記熱応動素子を収容する前記筐体に埋設されていることを特徴とする請求項1のブレーカー。
  3. 前記固定接点は、前記第1導電体又は前記第2導電体の一つに設けられ、
    前記可動アームは、前記PTCサーミスターを挿んで前記固定接点と反対側において前記第1導電体又は前記第2導電体の他の一つと構造上接続して固定されることを特徴とする請求項1又は2のブレーカー。
  4. 前記固定接点は、並行する前記第1導電体の一部及び前記第2導電体の一部に二つ設けられ、
    前記可動アームは、前記PTCサーミスターを挿んで前記固定接点と反対側において固定され、
    前記二つの固定接点は、前記可動接点と接触する状態において前記可動アームを介して互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項1又は2のブレーカー。
  5. 前記可動アームは、前記第1導電体及び前記第2導電体と構造上分離し、
    前記可動接点は、前記PTCサーミスターを挿んで配置されてそれぞれ前記可動アームの両端に設けられ、
    前記固定接点は、前記PTCサーミスターを挿んで配置されてそれぞれ前記第1導電体及び前記第2導電体に設けられることを特徴とする請求項1又は2のブレーカー。
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