JPH08508603A - 電気スイッチに関する改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２ａｍｐ以下のオーダの比較的低い過負荷の電流に応答して回路を開くように設計される熱反応性のスイッチは、第１および第２の単純な銅線の端子をとらえ内部チャンバを有する成形されたプラスチックの本体を含み、非常に薄いスナップ動作するバイメタルブレードはワイヤの端子の一方にスポット溶接され、スイッチング動作において他方のワイヤの端子と協働する銀の接触子を有し、スイッチ本体のチャンバの内部構成は、それにバイメタルブレードが固定されるワイヤ端子のそれぞれ一方によってバイメタルブレードに物理的なサポートを与えるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 電気スイッチに関する改良 発明の分野 この発明は、電気スイッチに関する改良に関連し、より特定的には熱アクチュ エータのようなバイメタルの素子を用いる熱反応性の電気スイッチに関連する。発明の背景 バイメタルのアクチュエータを用いるさまさまな種類の電気スイッチが既知で あり、同様にバイメタルのスイッチアクチュエータの多くの異なる形状が既知で ある。初期のバイメタルスイッチは単に、温度変化に応答して比較的ゆっくりと 動く単純なバイメタルブレードを用い、スイッチにアークの問題を起こしたので 、対向して湾曲した外形の間をスナップ動作で動くことのできる窪んた（dished ）バイメタル素子として構成される、スナップ動作するバイメタルアクチュエー タの開発によって、当該分野は大きく前進した。 たとえばＧＢ６０００５５、ＧＢ６５７４３４、ＧＢ１０６４６４３、ＧＢ１ ５４２２５２、およびＧＢ２１２４４２９に開示されているような、スナップ動 作するバイメタルアクチュエータの種々の形が既知であり、このようなバイメタ ルアクチュエータを用いる電気スイッチの種々の形もまた同様に既知である。た とえは上述のＧＢ２１２４４２９は、電流感度のよいスイッチにおける梨型でス ナップ動作するバイメタルアクチュエータの利用を開示し、そ こを流れる電流によってバイメタルが加熱されると、電流の過負荷状態において スイッチがはずれる（trip）ように設計されている。 バイメタルスイッチにおいてスイッチの接触子と直列にまたはこれと並列にヒ ータ素子を設けることが知られている。スイッチの接触子と直列にヒータ素子が 設けられれば、たとえば小型の電気モータのためのモータ保護スイッチ等の特殊 な要件に合わせてスイッチのスイッチング特性を調整することが可能である。Ｇ Ｂ ２ １３３ ９３１では、スイッチの通常の動作において熱が発生されてス イッチの特性に影響を与えるように、より一般的に用いられる真鍮ではなくニッ ケルクロム合金またはステンレス鋼等の比較的高抵抗の材料で形成された端子部 分を有するバイメタルスイッチが記載されている。大きな電流に対するバイメタ ルの応答は、端子部分で発生された熱がバイメタルまで伝達されるのにかかる時 間よりも迅速であるために、端子部分で発生された熱によって大きな過負荷の電 流に対するスイッチの応答が大きく影響されることはないが、わずかに過負荷の レベルにある電流に対するスイッチの応答は高められる。ヒータ素子がスイッチ の接触子と並列に接続された場合には、スイッチの接触子が閉じている限り、ヒ ータおよびバイメタルの相対的な抵抗に依存した電流をヒータが通し、この状態 でのヒータの電流は無視できる程度のものであるかもしれず、またはそうでない かもしれないが、 バイメタルが動作すると、ヒータはフルの負荷電流を通し、熱を発生してそれが バイメタルに伝達され、そのリセット期間を遅延させるか、または完全にリセッ トするのを防ぐ。 上述のＧＢ ２ １３３ ９３１のように比較的高抵抗の材料で形成されるス イッチ部分を用いるのとともに、導電性のインクから薄膜抵抗器として、および セラミックＰＴＣ材料（すなわち正の温度の抵抗係数を有するセラミック材料） としてスイッチヒータを形成することが知られている。ＰＴＣ材料ヒータの利点 は、スイッチの接触子と並列に接続されると、スイッチの接触子が開いていると きにＰＴＣ材料における貫通電流によっておこる自己加熱がスイッチのバイメタ ル素子に熱を与えるだけでなく、ＰＴＣ材料の抵抗をも増大して、それによって スイッチの負荷に与えられる電流を効果的に低減することである。ＰＴＣ材料の ヒータを組み込むバイメタルスイッチの例は、ＧＢ ２ ２５２ ６７４に記載 されている。 ＰＴＣ材料の抵抗は、それら自体によって電気モータのための過負荷防止装置 としても用いられており、たとえばＧＢ １ ６０４ １１１は、モータの巻線 と直列に接続され、モータの過負荷によってＰＴＣ装置の抵抗が著しく増大する ような場合にはモータを通る電流を安全なレベルに低減するように動作するＰＴ Ｃ材料の抵抗の利用を開示している。このような装置はまた、電気モータのため の始動回路内の熱継電器としても有用であり、たとえばＧＢ ２ ０１５ ８２３は、ＰＴＣ抵抗器を電気モータの始動巻線と直列に設けて、 モータを始動させるために大きな初期電流が流れることをＰＴＣ抵抗器が許容し 、その後その抵抗を増大して、これに対応して始動巻線の電流を低減させること を開示している。ＰＴＣ特性を有するプラスチック材料もまた既知であり、たと えば、ＷＯ ９１／０７８０４では、たとえばこのようなＰＴＣサーミスタが、 小型ＤＣモータの電機子の巻線と直列に接続され、モータ保護機能を果たす。 上述のことより、当該分野においてはバイメタルスイッチ、加熱素子を組み込 みＰＴＣ材料の加熱素子を含むバイメタルスイッチ、およびＰＴＣ材料の保護装 置に対する数多くの提案があることがわかるだろう。モータ保護の応用例では、 小型化がさらに進み動力がより大きくなってきている自動車の窓の開閉モータ等 の小型ＤＣモータの保護に関しては特に、単純なバイメタルスイッチを用いるこ とによって、スイッチのサイクリングが断続的に加熱および冷却する際に敏感な ギアの列におけるギアの軋みを引き起こす可能性があり、スイッチの寿命を制限 し、停止したモータが、保護されて制限された温度に確実に保持されるように注 意深く制御される必要があるという問題を起こす。さらに、状況によっては、停 止したモータの内部抵抗が急速に増大し、それによって貫通電流が急激に低下し 、電流感度のよいバイメタルスイッチでモータを保護することの難 しさを助長し、スイッチの設計および製造に厳しい要件を課す。バイメタルスイ ッチにＰＴＣ抵抗器を組み込むと、バイメタル特性とＰＴＣ装置の特性との組合 せによって十分なさらなるスイッチの変数を与え、設計をさらに多様化させ、特 定の応用例の要件を満たすことが可能になる点においてある程度これらの問題を 克服するが、これはスイッチをより複雑にすることを伴なう。ＰＴＣ装置自体は 単純であるという利点を有するが、特定の応用に適合するように個々に設計され なくてはならず、時間的に特に安定しているわけでもなく、温度および電流の両 方に依存する動作特性を示す。発明の目的および概要 本発明の目的は、上述の問題を克服する、または少なくとも実質的に軽減する ことができる熱反応性のバイメタルスイッチを提供することであり、このスイッ チはさらに、好ましくは安価で、複雑でない構造を有する。 本発明のある局面に従えば、成形プラスチックスイッチ本体内に収容されるバ イメタルスイッチが提供され、成形プラスチックスイッチ本体は、重合ＰＴＣ材 料で形成される。 本発明のより特定的な局面に従えば、そこに第１および第２の端子導体を収容 する成形プラスチック本体部分と、この導体の一方に固定されてスイッチの可動 接触子を構成する接触子を支持するスナップ動作するバイメタルアクチ ュエータとを含み、このような接触子は２つの導体のうちの他方とスイッチング 動作の際に協働するように構成され、成形プラスチック本体部分は重合ＰＴＣ材 料で形成されるスイッチが提供される。 本発明を実施する際にいかなる適切な重合ＰＴＣ材料が用いられてもよいが、 １以上の導電性充填剤を組込み、好ましくはさらにファイバ等の非導電性充填剤 を組込むポリプロピレン等のポリオレフィン材料を用いて、安定性および再現性 を与えるのが好ましい。カーボンブラックが好ましい導電性の充填剤であり、比 較的低い割合（０ないし５％）の導電性の高いカーボンブラック（たとえばアク ゾ（Akzo）からのケットジェンブラック（Ketjenblack）ＥＣ６００）と比較的 高い割合（０ないし３０％）のＰＴＣ効果に実質的に寄与するようなカーボンブ ラック（たとえばカボット社（Cabot Coportation）からのエルフレックス（Elf lex）１２０）とを用いるのが好ましいであろう。非導電性の充填剤は、たとえ ば０ないし４０％のガラスファイバであってもよい。ここで挙げた割合は重量％ である。 スイッチのバイメタルアクチュエータは、有利には補助的な熱源を与える必要 なく、２ａｍｐ以下という低い貫通電流にも応答することができるような薄さで あり、たとえばバイメタル素子は０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）のオーダ の厚さであり、スイッチの本体部分は、好ましくはスイッチング動作の間バイメ タル素子に物理的なサポー トを与える。 以下に詳細に説明する例示的な実施例において、バイメタルアクチュエータは 、間隔をあけられた脚部の間で舌部を規定する一般的にＵ字型のカットアウトを 有する類のものであり、脚部は舌部の自由端近傍でブリッジされている。端子導 体は単純なワイヤとして形成され、バイメタルの舌部は、たとえば溶接によって 、端子導体の一方に固定され、ブリッジ部分は他方の導体と協働する接触子を有 する。他方の導体には別個の接触子は与えられないが、これはたとえばＷＯ ９ ２／１４２８２に説明されるような銀アンチモンの被覆等の、銀または銀の合金 の被覆を含む。スイッチの成形されたプラスチックのＰＣＴ材料の本体部分は、 バイメタルアクチュエータのエンクロージャを規定し、以下に説明するようにバ イメタルに構造的なサポートを与える部分を組入れる。結果としてできるスイッ チは単純で簡単に製造できる構造であり、小型にできるので非常に低い過負荷電 流にも感度を増すことができる。さらに、ＰＴＣ材料の特性が多彩であるため、 特定の応用に合わせて容易にスイッチをあつらえることができる。 スイッチの電流感度をさらに高めるために、それが所望であれば、スイッチが 閉じた状態にあるときにバイメタルアクチュエータに熱を送り込むように直列に 接続された加熱素子が設けられてもよく、特に好都合な構成では、このような直 列の加熱素子は抵抗加熱素子として形成されるス イッチの２つの端子導体の一方または他方または両方の一部によって構成されて もよい。このような構成によって、電流の過負荷状態に対して直列の加熱素子が 設けられない時に得られるであろうよりも速いスイッチの反応を得るように構成 できる。それに代わる構成では、高抵抗の加熱素子がスイッチの導体に並列に、 たとえばスイッチの本体部分にプリントされる導電性インクの形で設けられても よく、このような構成の効果は、スイッチへのおよびそれを介する電源がオフに され、それによりバイメタルアクチュエータが冷まされてスイッチをリセットす るようなときまではスイッチのリセットを抑制するというものである。 この発明の上述のおよびさらなる特徴は、添付の請求の範囲において特定的に 述べられ、添付の図面を参照して与えられる例示的な実施例の以下の詳細な説明 を考慮することによって、最もよく解されるであろう。図面の簡単な説明 図１は、図２の線Ｉ…Ｉに沿った主題のスイッチの側面断面図であり、 図２はトップカバーを外した図１のスイッチを示す平面図であり、 図３は所望であれば図１のスイッチに用いられ得る、スイッチ内に直列接続さ れるヒータを設ける代替的な導体の構成を示す。実施例の詳細な説明 以下に説明するスイッチは多くの点でＷＯ ９２／２００８６に記載されるス イッチと同一であるが、主に、スイッチの成形プラスチック本体部分１が重合Ｐ ＴＣ材料で形成される点においてこれとは異なっている。添付の図面はＷＯ ９ ２／２００８６と同一である。 図面の図はスイッチの拡大図であり、示される寸法はスイッチの実際の寸法を ミリメートルで表している。スイッチの成形されたプラスチックの本体部分はし たがって、１０．５ｍｍ×６．０ｍｍ×２．７ｍｍの寸法の概ね方形であり、端 子導体２、３はさらに７．０ｍｍだけ外に突出している。スイッチのトップカバ ーの厚さは０．５ｍｍである。したがって、スイッチ全体は小型なので、自動部 品挿入装置によって使用するのに適当な小型容器（bandolier）内に入れて供給 するのが好都合であろう。 本発明を実施する際に本体部分１の形成に、ＰＴＣ特性を示すいかなる適切な プラスチック材料を用いてもよいが、１以上の導電性の充填剤を組込み、好まし くはさらにファイバ等の非導電性の充填剤を組込むポリプロピレン等のポリオレ フィン材料を用いて、安定性およひ再現性を与えるのが好ましい。カーボンブラ ックが好ましい導電性の充填剤であり、比較的低い割合（０ないし５％）の導電 性の高いカーボンブラック（たとえばアクゾからのケットジェンブラックＥＣ６ ００）と比較的高い割合（０ないし３０％）のＰＴＣ効果に実質的に寄与するよ うなカーボンブラ ック（たとえばカボット社からのエルフレックス１２０）とを用いるのが好まし いであろう。非導電性の充填剤は、たとえば０ないし４０％のガラスファイバで あってもよい。ここで挙げた割合は重量％である。 スイッチの本体部分１内に、８．０ｍｍ×５．０ｍｍ×１．７ｍｍのオーダの 寸法のチャンバ４が規定され、アップスタンド５がこのチャンバの一部を占める 。単純な銅線の導体２は断面が四角形または方形であって、その一方端で本体部 分１に成形され、その前部はアップスタンド５の上表面の凹所で受けられ、単純 な銅線の導体３は断面が円形であるが、これも四角形または方形の断面を有して もよく、チャンバ４内の７で露出するように本体部分１の対向端に成形される。 バイメタルアクチュエータ６は導体２の前部に溶接される。導体３の部分７は主 題のスイッチのスイッチング接触子を構成し、したがって導体３は、好ましくは 銀めっきされた銅線、またはより好ましくはＷＯ ９２／１４２８２に記載され るような銀−アンチモンめっきされた銅線で形成される。導体２も同様に形成さ れてもよいが、必須ではない。 上述のＷＯ ９２／１４２８２の教示に従って、優れた磨耗特性とともに卓越 した電気的特性を与える導線の好ましい形は、銅線、または少なくとも銅の９０ ％の熱伝導性、より好ましくは純度９９．９５％の銅の９５％ないし９９％の熱 伝導性を有する銅の合金から形成され、銀およびア ンチモンの厚いめっき層を設けたワイヤを含み、上述の導線３は有利にこの構成 を有してもよい。純度の高い銀（純度９９．９％）およびごく少量、典型的には 約１％で特定的には０．３％ないし０．７％のアンチモンを含む厚いめっき（た とえば、少なくとも３０ミクロン、好ましくは４０ミクロンの厚さ）を、銅また は熱伝導性の高い銅の合金で形成される導体上に用いることによって、スイッチ ング動作の間の銀の粉末の形成が抑制され、約７０，０００のスイッチングサイ クルの寿命が得られるかもしれない。 バイメタルアクチュエータ６はオッター・コントロールズ（otter controls） 型であり、ブリッジ部分１１によってブリッジされる脚部１０の間の舌部９を規 定する、概ねＵ字型のカットアウト８を有するバイメタル材料の窪んだブレード を含む。スイッチの可動接触子は、図１に最もよく示されるようにブリッジ部分 １１の下側に溶接される銀の接触子１２によって構成される。アクチュエータ６ は、そこに溶接される舌部９によって端子導体２に固定される。バイメタルブレ ードの形状は、脚部１０およびブレードの接触子を有する前部における電流密度 を増すことによって通過電流に対する応答性を高めるようなものである。 アップスタンド５は導体２の前部にサポートを与え、次にこれがバイメタルア クチュエータ６の舌部９にサポートを与え、一方バイメタル６の脚部１０および ブリッジ部分１１はチャンバ４内を自由に動ける。この構成によって、 スイッチング動作は実質的にもっぱら導体２上のそのサポートによって舌部９に ついて確立される安定した位置のまわりに脚部１０が屈曲することによってのみ 行なわれるので、スイッチの温度反応特性を予めよりよく定めることができる。 さらに、舌部９をこのようにサポートすることによって、舌部の付け根の応力割 れのリスクが減じられ、バイメタルの作動応力はその長手の脚部１０に向けて集 中する。 ここで説明するスイッチの構成は、導体２および３とバイメタル６とで構成さ れ、スイッチの本体部分１によって構成されるＰＴＣヒータがバイメタルスイッ チと並列に接続される単純なバイメタルスイッチを含む。説明したようなスイッ チの動作において、スイッチの環境からの熱伝導の結果として、またはそこを流 れる電流によるバイメタルの加熱の結果として、またはＰＴＣ材料を流れる電流 によるバイメタルの加熱の結果として、またはこれらの３つの効果の任意の２つ またはそれ以上の組合せによって、バイメタル６の温度がある予め定められたレ ベルまで上昇すると常に、接触子１２がスナップ動作で導体３の部分７から離れ るように動く。バイメタルが十分に冷めると、スイッチが再び閉成される。しか しながら、スイッチ本体部分１を形成する重合ＰＴＣ材料の特性は、スイッチの 特性全体に影響を及ぼし、リセットしてスイッチの接触子が再閉成するような温 度までバイメタルが冷却しないように設計し てもよく、または、スイッチのサイクリングによってモータが高い温度になって 停止することがあってはならないモータ保護の応用等の特定の応用に適合するよ うにスイッチサイクルのオン−オフ時間を調節するような量の熱を接触子が開成 した状況でバイメタル６にもたらすように設計してもよい。スイッチの本体部分 １のＰＴＣ特性をバイメタル６に固有のスイッチング特性と組合せることによっ て特定の応用に合わせて特殊なスイッチを即座に設計することを提供する。本発 明に従うスイッチを特定の応用に適合させるために調整できるさらなる設計上の 変数は、以下に説明するように直列に接続されるヒータをスイッチに含むことに よって得られる。 クロージャ１５は、好都合にはスイッチ本体の一体の部分として成形されても よく、それに蝶番状に結合され、バイメタル６をチャンバ４に組立てて舌部９を 導体２の前部にスポット溶接した後、超音波で溶接されて閉じられる。クロージ ャ１５は、チャンバ４をスイッチの環境から分離するように形成されてもよく、 またその代わりに図示されるように１以上の開口１６を設けられてもよい。 アクチュエータ６のバイメタル材料の厚さは、わずか０．０７６ｍｍ（０．０ ０３インチ）であり、我々が特別に製造しなくてはならなかった。スイッチ本体 がバイメタルに物理的なサポートを与え、かつ重合ＰＴＣ材料で形成されるため にスイッチの動作特性に寄与するようなスイッチの 構成においてこのように薄いバイメタル材料を用いることによって、２ａｍｐｓ を下回る小さい電流のスイッチングで反復可能なスイッチ動作を得ることが可能 となっている。さらに、バイメタルスイッチ素子に並列にＰＴＣスイッチ本体を 設けることによって、接触子が開いている状態でバイメタルスイッチが故障した 場合に、ＰＴＣ材料によって過負荷電流の防止が維持される結果が得られる。 あるスイッチのアプリケーションでは直列接続されたヒータを設けることが望 ましいかもしれず、上述のスイッチはこのようなヒータを組入れるように簡単に 変形され得る。図３は、図１および図２のスイッチにおいて導体２の代わりに用 いられ得る導体の代替的な形状を示す。図３に示されるように、導体２０は抵抗 加熱材料で形成され、スイッチ本体のチャンバ４内で受けられるように適合され る前部２１を有し、一般に螺旋状に形成されて、バイメタルアクチュエータ６の 舌部９がそこにスポット溶接されるパッド２２で終わる。図３に示される寸法は ミリメートルであり、図３はコンダクタの拡大図である。 上述のスイッチは、自動製造および設置によく適しており、最小の部品を含み 、比較的安価であり、電流感度を高めるために小型化することもできる。しかし ながら、このスイッチはこの発明によって達成可能なものの一例にすぎず、この 発明の範囲および精神を逸脱することなく変形および変更が可能である。たとえ ば、バイメタルは、電流感 度を高めるために上述のＧＢ２１２４４２９に説明されるような梨型であっても よく、またはそれに代わる種々の形状もとり得る。さらに、ワイヤ端子２および ３の代わりに適切なシートメタル部品を用いてもよく、これは重合ＰＴＣ材料本 体部分１にインサート成形され、半田付けによって、または極端な温度にスイッ チがさらされることを避けるのが好ましいことを考えればより好ましくは機械的 なスプリング締付機構によって、たとえばプリント回路板へのスイッチの表面装 着のために本体部分の下面でアクセスできる端子パッドを有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フローレンタイン，ビンセント・アンドリ ュー イギリス、エス・ケイ・17 ９・ピィ・ビ ィ、ダービーシャー、バックストン、ケン ドール・クロース、16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 重合ＰＴＣ材料で形成される成形プラスチックスイッチ本体内に収容され るバイメタルスイッチ。 ２．熱反応性のスイッチであって、そこに第１および第２の端子導体をとらえる 成形されたプラスチックの本体部分と、前記導体の一方に固定され、スイッチの 可動接触子を構成しかつスイッチング動作において２つの導体の他方と協働する ように構成される接触子を有するスナップ動作するバイメタルアクチュエータと を含み、成形プラスチック本体部分が重合ＰＴＣ材料で形成される、熱反応性の スイッチ。 ３．第１および第２の端子導体が単純な導電性のワイヤの導体を含む、請求項２ に記載のスイッチ。 ４．２つの導体の少なくとも前記他方が、アンチモンを含む銀でめっきされた銅 を含む、請求項２または３に記載のスイッチ。 ５．前記接触子が銀を含む、請求項４に記載のスイッチ。 ６．第１および第２の導体が成形されたプラスチックの本体の間隔をあけられた 対向端で捕えられる、請求項２ないし５のいずれかに記載のスイッチ。 ７．バイメタルがそれに固定される導体の一方が、四角形または方形の断面を有 し、バイメタルが導体の平坦な表面に溶接される、請求項２ないし６のいずれか に記載のスイッチ。 ８．バイメタルアクチュエータが、１対の外部の脚部に延ひ中央の舌部を規定す る概ねＵ字型のカットアウトを有する窪んだバイメタルブレードを含み、バイメ タルの舌部が導体の前記一方に固定される、請求項２ないし７のいずれかに記載 のスイッチ。 ９．バイメタルブレードの厚さが０．０７６ｍｍである、請求項８に記載のスイ ッチ。 １０．前記導体の一方および／または他方が、バイメタルアクチュエータに熱を 送り込むように適合される抵抗加熱部分を含む、請求項２ないし９の先行請求項 のいずれかに記載のスイッチ。 １１． 重合ＰＴＣ材料が、重合材料にＰＴＣ特性を与える１以上の導電性の充 填剤および非導電性の充填剤を組込む、先行請求項のいずれかに記載のスイッチ 。 １２． 導電性の充填剤がカーボンブラックを含む、請求項１１に記載のスイッ チ。 １３． 非導電性の充填剤がファイバ材料を含む、請求項１１または１２に記載 のスイッチ。 １４． 実質的に、添付の図面を参照してここで説明したような熱反応性スイッ チ。