JP6173691B2 - 接点構造 - Google Patents

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Description

本発明は、リレー、ブレーカー等のスイッチに用いられるダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造およびそのような接点構造を有する回路保護デバイスに関する。
リレー等のスイッチにおいて種々のタイプの接点が使用されている。そのような接点の中でダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造が広く使用されている。本明細書において、「ダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造」とは、1つの可動部材の可動端子として作用する部分に設けた接点(即ち、可動接点)が、2つの固定部材のそれぞれに固定端子として作用する部分に設けた接点(即ち、固定接点)に機械的に接触することによって2箇所の電気的接続部(即ち、ダブルメーク箇所)が形成され、その結果、可動部材と固定部材との間で電気回路を閉じる機能を有し、また、接点がそのように接触した状態から可動部材の接点が固定部材の接点から離間することによって2箇所の電気的非接続部(即ち、ダブルブレーク箇所)が形成され、その結果、可動部材と固定部材との間で電気回路を開く機能を有する接点構造を意味する。即ち、接触状態または非接触状態を可逆的に取ることができる接点の対が2つ存在する接点構造をダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造と呼ぶ。
尚、そのような接点は、可動部材および固定部材において端子として作用する部分、通常端部に設けられるいずれの適当な形態であってもよく、例えば種々の形態の突出部、平坦なプレートまたはその一部分であってよい。1つの態様では、固定部材に設けた接点が突起、例えば球の一部分(例えば半球突起)であり、可動部材に設けた接点が平坦プレートである。別の態様では、固定部材に設けた接点が平坦プレートであり、可動部材に設けた接点が突起であってもよい。尚、平坦プレートの形態の場合、別にプレートを設けなくてもよく、端子自体が接点の機能を有してもよい。尚、可動部材に設ける接点は、導電性材料によって一体に接続された単一の形態であってもよく、具体的には可動部材に設けた細長く平坦なストリップの形態でよい。更に、そのようなストリップに突起を設けてもよい。
このような「ダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造」は、接点の対が1つしかないシングルブレーク接点構造と比較して、エアーギャップの長さを2倍にする。従って、回路が開く時に生じるアークのエネルギーが2つのエアーギャップに分散されるので、接点が溶着しにくくなる利点があると言われており、広く利用されている。
上述のような「ダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造」を採用した回路保護デバイスが例えばWO2009/128535号において提案されている。このデバイスは、回路開閉要素としてのバイメタル素子および可動接点を有して成る回路開閉素子、ならびにPTC素子を有して成る。この回路保護デバイスでは、2つの可動接点と2つの固定接点とがそれぞれ接触状態(即ち、ダブルメーク状態)にあり、回路に電流が流れている状態から、例えば何等かの異常状態の発生によって過剰の電流が回路に流れてバイメタル素子の温度が閾温度を越えると、バイメタル素子が変形することによって可動接点が変位して固体接点から離れた状態(即ち、ダブルブレーク状態)となり、それによって回路が開き、回路および/または回路に組み込まれている電気装置が保護されるように構成されている。そして、異常状態が解消すると、バイメタル素子の温度が下がって元の形状に戻り、可動接点と固定接点とが2箇所で接触して、回路に電流が再び流れることになる。
このような回路保護デバイスが、回路保護機能を適切に果たすには、バイメタル素子の変形によって、2箇所において接点同士の接触およびその解除が十分かつ確実に起こるようにする必要がある。
WO2009/128535号
上述のような「ダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造」において、通常、可動接点は可動部材としての金属ストリップの、可動端子として作用する端部に設けられている。回路保護デバイスをよりコンパクトにしようとする場合、固定端子(または固定接点)同士の距離をより短くすることが望ましいことになる。この場合、可動部材の幅も同時に短くなるが、その結果、接点同士の接触が2箇所で確実かつ十分に行われないことが生じ得る、即ち、いわゆる「片当たり」なる状態が生じ得る。この場合、一方の箇所においては接点同士の接触抵抗が大きくなり得るという問題がある。
従って、本発明が解決しようとする課題は、「ダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造」において、接点同士の接触が2箇所において可及的に同じ状態で生じる手段を提供することに存する。
第1の要旨において、本発明は、(回路保護デバイスに用いることができる、)それぞれが固定接点を有する2つの固定部材、およびそれぞれの固定部材の固定接点に接触する、またはそれぞれの固定部材の固定接点から離間する可動接点を有する1つの可動部材を有して成る接点構造(詳しくはダブルブレーク(またはダブルメイク)接点構造)であって、
可動部材は、全体としてはストリップの形態であり、その一方の端部は、可動部材の上記接触および離間を可能ならしめるように支持され、可動部材の他方の端部は、可動接点を有して成り、
可動部材は、その両端部の間にくびれ部分を有することを特徴とする接点構造を提供する。
本明細書において、「ストリップの形態」とは、矩形の形状、好ましくは細長い矩形の形状であって、厚さは、他のディメンション(長さおよび幅)に比べて小さく、通常、無視できる形態を意味する。よって、本明細書において、本発明の説明に関して、可動部材その厚さについては無視している。ストリップの形態は、例えば細長い長方形の形状を意味するが、この形状を形成する線が必ずしも直線である必要はなく、マクロ的に見た場合に細長い長方形であればよく、これらを構成する辺は、例えば直線および曲線の組み合わせであってよい。尚、細長い矩形の形状とは、長方形の短辺に対する長辺の比が少なくとも2である形状を意味する。
また、「全体としてはストリップの形態」であるとは、くびれ部分を無視する、あるいはくびれ部分が存在しないと仮定するなら、可動部材は上述のストリップの形態であることを意味する。また、「くびれ部分」とは、そのように仮定した場合のストリップを規定する長辺に対して垂直な方向のディメンション(即ち、ストリップの短辺)が、従って、幅が、より小さい部分を意味する。但し、くびれ部分は、ストリップ形態の端部には存在せず、端部と端部との間に存在する。このようなくびれ部分は、ストリップの幅がその長さ方向の所定の箇所において両縁(即ち、長辺)から同じ距離で引っ込む(または窪んでいる)ように形成されているのが好ましい。
図1に本発明の接点構造を構成する可動部材10の一例をその平面図にて模式的に示す。図示するように、可動部材の両端部12,14の間にくびれ部分16が存在する。この可動部材10は、くびれ部分16が存在しないとするなら、即ち、点線18,20で示す部分も可動部材の外縁であると考えるなら、可動部材10は細長い形状、例えば細長い長方形または矩形の形態を有する。従って、可動部材10は全体としてはストリップの形態を有する。
また、くびれ部分16は、ストリップの長辺22に対して垂直な方向のディメンション(即ち、ストリップの短辺24の方向のディメンション)、即ち、幅aを有し、その幅aは、くびれ部分以外の部分の幅bより小さい。換言すれば、くびれ部分は、ストリップ形態の対向する長辺がその一部分で内側に窪む、従って、凹部26を形成することによって形成されている。凹部26の形状(ここでは、点線部分も含めた形状)は、いずれの適当な形態であってもよく、図示するように矩形または正方形であってもよい。別の形態では三角形、半円形または台形であってもよく、これらの形状を形成する線が図示するように直線であっても、あるいは曲線であってもよい。更に、別の態様では、凹部26の形状は、先に例示した種々の形状のいずれかの組み合わせであってもよい。本発明の1つの態様では、凹部の形状は、矩形、台形、三角形、または半円形であるのが好ましい。
尚、くびれ部分の形状、くびれ部分の位置(図1における可動部材の長さLに対するくびれ部分の中央部の位置)、くびれ部分の幅a、くびれ部分の深さc(図1の長さc1,c2、これらは同じであるのが好ましい)、くびれ部分の長さd(図2参照、図1では点線の長さに対応)等は、使用する可動部材に応じて、具体的には可動部材の材料、可動部材の長さLおよび可動部材の幅b等に応じて適宜選択できる。例えば、くびれ部分の幅aは、可動部材の幅bの好ましくは0.3倍〜0.6倍であるのが特に好ましく、また、可動部材の長さLは幅bの好ましくは2〜4倍であるのが特に好ましい。
具体的に好ましい1つの態様では、以下のくびれ部分が好ましい:
可動部材の材料:高強度と優れたバネ性を兼ね備えた材料(例えばベリリウム銅製)
可動部材の長さL:15mm(±10mm)
可動部材の幅b:10mm(±7mm)
くびれ部分の形状:矩形もしくは台形
くびれ部分の位置:可動接点(例えば図2の可動接点106)に近い方が好ましい(例えば可動部材の可動端子として機能する可動部材の端部から例えば0.05L〜0.4L、特に0.1L〜0.3Lの距離の位置)
くびれ部分の幅a:可及的に細いのが好ましい(例えば、a:b=0.5〜2:2〜4、例えばa:b=1:3程度)
凹部の深さc(図1の長さc1(=c2)):くびれ部分が可動部材の幅方向で中央に位置するように選択
くびれ部分の長さd:0.5mm以上(例えば0.5mm〜15mm、好ましくは2mm〜12mm、より好ましくは3〜10mm)
可動部材の板厚:0.15mm(±0.05mm)
更に別の態様では、上記L、aおよびbは以下の寸法を有する:
態様(1)L:16.4mm,b:4.4mm,a:1.5mm
態様(2)L:22.0mm,b:11.0mm,a:8.0mm
態様(3)L:25.0mm,b:11.0mm,a:7.0mm
第2の要旨において、本発明は、上述および後述の本発明の接点構造を有する回路保護デバイスを提供し、このデバイスは、回路開閉要素としてのバイメタル素子および可動接点を有する可動端子を有して成る回路開閉素子、ならびにPTC素子を有して成り、
(1)PTC素子と可動端子とは電気的に並列に接続され、
(2)回路開閉素子は、バイメタル素子の動作温度(Top)における動作によって、電流を流すように位置する可動端子を移動させて可動接点を固定接点から離間させることによって、回路開閉素子を流れる電流を遮断でき、また、バイメタル素子の復帰温度(Tcl)における復帰によって、電流を遮断するように位置している可動端子を移動させて可動接点を固定接点に接触させることによって回路開閉素子に電流を流すことができ、
(3)バイメタル素子は、PTC素子と可動端子との間に配置されていること
を特徴とする回路保護デバイスを提供する。
このような回路保護デバイスにおいて、1つの好ましい態様では、(4)バイメタル素子の動作温度(Top)は復帰温度(Tcl)より少なくとも20℃高く、および/または(5)PTC素子のトリップ温度(Ttr)は、バイメタル素子の動作温度より少なくとも10℃高い。
尚、本発明は、また、このような回路保護デバイスを有して成る電気回路(電子回路をも包含する概念)を提供し、更に、そのような電気回路を有して成る電気装置(電子装置をも包含する概念)をも提供する。
本発明の接点構造では、くびれ部分が存在することによって、くびれ部分の両側に位置する可動部材の各部分が、可動部材の長手方向軸の回りで相対的に反対方向に回転することが容易になり、その結果、可動接点と固定接点の一方の対が接触して、可動接点と固定接点の他方の対が接点しない状態が生じる場合(即ち、「片当たり」状態の場合)、接触している対の固定接点が可動接点を押圧することになり、その押圧力によって、可動接点が配置されている可動部材の部分が上述のように回転し、その結果、未だに接触していない可動接点が固定接点に近づき、最終的に接触することになる。
くびれ部分が存在すると、上述のように回転するために必要な力が、可動接点を固定接点に近づけようとする力がより小さくて済むので、「片当たり」状態が発生しそうになっても、その発生を容易に防止することができる。その結果、接点構造において固定端子同士間の距離をより小さくしても、片当たりを可及的に抑制できるので、回路保護デバイスをよりコンパクトにできる。
図1は、本発明の接点構造を構成する可動部材の一例をその平面図にて模式的に示す。 図2は、本発明の接点構造の一例をその斜視図にて模式的に示す。 図3は、本発明の接点構造を有して成る、本発明の回路保護デバイスの一例を断面図にて模式的に示す。 図4は、図3に示す本発明の回路保護デバイスをその分解斜視図にて模式的に示す。
図2に本発明の接点構造100を斜視図にて模式的に示す。可動部材102は、その可動端子104として作用する、その一方の端部分に配置された可動接点106を有し、可動端子104の後方にくびれ部分108を有する。尚、可動部材の厚さを無視して図示している。
可動端子104の下方には2つの固定部材110および112が配置され、その固定端子114および116として作用する、それぞれの一方の端部分には固定接点118および120が配置されている。
それぞれの固定接点118および120は、可動部材に作用する力、即ち、可動端子を固定端子に近づけるように作用する力およびその逆の力によって、対向する可動接点106に接触でき、また、接触した状態から離間できるように構成されている。尚、図示した状態では、可動接点は、単一の形態であるが、それぞれの固定接点に対向するように2つの可動接点を可動端子に設けてもよい。
本来的には、図示した可動端子104ならびに固定端子114および116は、これらが相互に近づくように力が作用する(例えば、固定端子114および116に近づくように可動端子104に下向きの力が作用する)と、それぞれに設けた接点同士が相互に十分に接触するように構成されているが、例えば製造過程またはその後の取扱時に作用する力によって、その十分性が必ずしも確保できないことが生じ得る。
本来であれば、固定端子110から可動端子104を経て固定端子112に電流を流そうとする時、両方の接点が相互に接触する状態となるはずであるのに、例えば、図示するように、固定接点120が可動接点106に接触しているにもかかわらず、固定接点118は可動接点106から少し離間する状態になることがある。この場合、電流を流すことはできない。
しかしながら、本発明の接点構造では、固定接点120が可動端子106の右側部分に接触した後に、可動端子104に下向きの力が更に作用すると、矢印Aで示すように可動端子106の右側部分を上向きに押すように力が作用する。この時、くびれ部分108が存在するため、矢印Bで示すように、可動部材の長手方向軸122の回りで可動端子が容易に軸回転することができる。すると、矢印Cで示すように可動端子106の左側部分を下向きに押し下げる力が作用して、その結果、可動接点106の左側部分が固定接点118に接触する。
理解できるように、くびれ部分108の長さdが長いほど、また、くびれ部分の幅aが小さいほど、より小さい力で可動端子104は回転することができる。しかしながら、幅aが過度に小さい場合、および/または、長さdが過度に大きい場合、くびれ部分108がその後方の可動部材と可動端子104とを一体に堅固に接続・保持することができない。よって、上述のように、使用する可動部材の材料、可動部材の長さL、可動部材の幅b、くびれ部分の形状および位置、ならびに可動端子に作用する力(例えば図2の矢印A方向の力)に応じて、くびれ部分の長さdおよび幅aを適宜選択できる。
本発明の接点構造を有して成る回路保護デバイス、従って、本発明の回路保護デバイスの一例の断面図を模式的に図3に、また、その分解斜視図を模式的に図4に示す。図示した本発明の回路保護デバイス200は、回路開閉要素としてのバイメタル素子および可動部材を有して成る回路開閉素子、ならびにPTC素子を有して成り、
(1)PTC素子と回路開閉素子とは電気的に並列に接続され、
(2)回路開閉素子は、バイメタル素子の動作温度(Top)における動作によって、電流を流すように位置する可動端子(詳しくはそこに配置された可動接点)を移動させて固定端子(詳しくはそこに配置された固定接点)から離間させて回路開閉素子を流れる電流を遮断でき、また、バイメタル素子の復帰温度(Tcl)における復帰によって、電流を通電するように構成されているが、遮断するように位置している状態にある可動端子(詳しくはそこに配置された可動接点)を移動させて固定端子(詳しくはそこに配置された固定接点)に接触させて回路開閉素子に電流を流すことができる。
図示した回路保護デバイス200において、PTC素子210の下側および上側に、下側リード230および上側リード232がそれぞれ配置されている。これらは、例えばハンダ接合によって電気的に接続されている。更に、これらのリード230および232には、それぞれ固定部材221および220が、例えば抵抗溶接接合、超音波溶接接合によってそれぞれ電気的に接続されている。固定部材220および221の一方の端部(図3において右端部分)は所定の電気回路の端子等に接続され、回路保護デバイスが電気回路に直列に配置される。
尚、回路保護デバイスに用いるPTC素子は、いわゆる回路保護装置として自体用いられている、一般的には層状の導電性PTC要素およびその両側に配置された金属電極を有して成る常套のPTC素子であればよい。導電性PTC要素はセラミックでできていても、あるいはポリマー材料でできていてもよい。特に好ましいPTC素子は、いわゆるポリマーPTC素子と呼ばれるものであり、ポリマー材料(例えばポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等)中に導電性フィラー(例えばカーボン、ニッケル、ニッケル−コバルトフィラー等)が分散している導電性ポリマー要素を有して成るPTC素子を好適に使用できる。
また、PTC素子210上にベースプレート238も配置されている。図示した態様では、ベースプレート238は上向きに突出した部分239を有し、その部分239の上にバイメタル素子214、スペーサー240、可動部材216および上側プレート242がこの順で配置され、これらは、図示すように、ピン244によるかしめによって一体化されている。尚、ベースプレート238とPTC素子210との接続は、何れの適当な方法で実施してもよく、例えばハンダ接続によって実施してよい。
図示した態様では、可動部材216は、全体としてストリップ構造を有し、その一方の端部は可動端子217として機能し、他方の端部は、上述のように可動端子を支持(または固定)するために他の部材と一体にするために機能する。可動部材216は、これらの端部の間にくびれ部分213を有する。バイメタル素子214の形状が温度によって変化して(即ち、湾曲して)その先端部215の位置が上向きまたは下向きに変化することによって、可動部材216が湾曲し、または元の形状に向かって変形し、その結果、可動端子217の位置が上下する。
図3に示した態様では、バイメタル素子214は復帰した状態にあり(即ち、電気回路が正常に機能している状態にあり)、バイメタル素子214の先端部215は、可動部材216から離間している。尚、図示した態様では、可動部材216は元の形状に向かって戻ろうとしている状態にある。その結果、可動部材の、可動端子217として機能する先端部に配置された可動接点218および219が、固定部材220ならびに221の左側端部に位置する、固定端子として機能する部分に配置された接点222および223に接触している。従って、このような状態の回路保護デバイスが電気回路(図示せず)に配置されて、回路に電流が流れる場合、その電流は、固定部材220→固定接点222→可動接点219→可動接点218→固定接点223→固定端子221と順に流れる。
図示した態様では、可動部材216の導電性の金属材料の弾性、ならびに可動部材の元の形状に向かおうとしているが、元の形状とは異なる、図示する形状で保持されている、即ち、拘束されていることによって生じる可動部材217にはそれを下向きに移動させようとする力(図2の矢印Aと反対向きの力)が作用している。もし、図2に示すように、固定接点と可動接点との一方の対のみが接触する場合、そのように接触している箇所において、図2の矢印Aの方向の力が作用し、上述のように他方の接点同士も接触することができる。
図示した態様において、電気回路に異常が生じ、過剰電流が流れる場合、可動部材216の可動端子217付近が高温となり、可動部材216の温度が上昇すると共に、その熱がバイメタル素子214に伝わり、バイメタル素子214が動作する。その結果、バイメタル素子214が反転して、その先端部215が上向きに曲がり、可動端子217を持ち上げ、可動接点218および219と固定接点223および222との接触状態が解除され、即ち、固定接点222と可動接点219との間の電気的接続、および固定接点223と可動接点218との間の電気的接続が断たれる。この時、PTC素子210は未だトリップした状態では無く十分に低抵抗であると、固定部材220→上側リード232→PTC素子210→下側リード230→固定部材221と順に電流が流れて分流されることになる。
電気回路の異常に変化が無い場合、過剰電流は、PTC素子210を流れるので、その後、PTC素子210はトリップし、その結果、電気回路を流れる電流は実質的に遮断され、電気回路を保護できる。尚、先の説明から容易に理解できるように、本発明の回路保護デバイスにおいて、回路開閉素子は、電流が可動端子および/またはそれに設けた可動接点を流れ、バイメタル素子自体には電流が流れることが無い、無通電タイプの回路開閉素子である。
尚、図3および図4に示すように、上述の本発明の回路保護デバイス200は、ケーシング246の開口部248から内部に挿入され、開口部は、絶縁性樹脂250および接着剤252によって封止されている。
10…接点構造を構成する可動部材、12,14…端部
16…くびれ部分、18,20…点線部分
22…長辺、24…短辺、26…凹部
a…くびれ部分の幅、b…可動部材の幅
c…くびれ部分の深さ、d…くびれ部分の長さ
100…接点構造、102…可動部材
104…可動端子、106…可動接点
108…くびれ部分、110,112…固定部材
114,116…固定端子、118,120…固定接点
122…可動部材の長手方向軸、200…回路保護デバイス
210…PTC素子、213…くびれ部分
214…バイメタル素子、215…バイメタル素子の先端部
216…可動部材、217…可動端子
218,219…可動接点、220,221…固定部材
222,223…固定接点、230…下側リード
232…上側リード、238…ベースプレート
240…スペーサー、242…上側プレート
244…ピン、246…ケーシング
248…開口部、250…絶縁材料、252…接着剤

Claims (3)

  1. それぞれが固定接点を有する2つの固定部材、およびそれぞれの固定部材の固定接点に接触する、またはそれぞれの固定部材の固定接点から離間する可動接点を有する可動部材を有して成る接点構造であって、
    接点構造は、ダブルブレークまたはダブルメイク接点構造であり、
    可動部材は、全体としてはストリップの形態であり、その一方の端部は、可動部材の上記接触および離間を可能ならしめるように支持され、可動部材の他方の端部は、可動接点を有して成り、
    可動部材は、その両端部の間にくびれ部分を有し、
    可動部材の長さが、5mm〜20mmであり、
    可動部材の幅が、3mm〜17mmであり、
    くびれ部分の幅が、可動部材の幅の0.3〜0.6倍であり、
    くびれ部分の長さが、0.5mm〜15mmであることを特徴とする接点構造を有し、
    さらに、回路開閉要素としてのバイメタル素子および可動接点を有する可動端子を有して成る回路開閉素子、ならびにPTC素子を有して成る
    回路保護デバイス。
  2. (1)PTC素子と可動端子とは電気的に並列に接続され、
    (2)回路開閉素子は、バイメタル素子の動作温度(Top)における動作によって、電流を流すように位置する可動端子を移動させて可動接点を固定接点から離間させることによって、回路開閉素子を流れる電流を遮断でき、また、バイメタル素子の復帰温度(Tcl)における復帰によって、電流を遮断するように位置する可動端子を移動させて可動接点を固定接点に接触させることによって回路開閉素子に電流を流すことができ、
    (3)バイメタル素子は、PTC素子と可動端子との間に配置されていること
    を特徴とする請求項1に記載の回路保護デバイス。
  3. 請求項1または2に記載の回路保護デバイスを有して成る電気装置。
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