JP5976336B2 - 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。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占められることで、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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