JPS6043616B2 - スナツプ作動型バイメタルアクチユエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は切替え装置、遮断器、サーモスタットのよう
な熱惑応電気スイッチの開閉接点を駆動するのに使用す
るためのスナップ作動の熱感応バイメタルアクチュエー
タに関するものである。

バイメタルアクチュエータのよく知られた形状として
は、温度変化に伴つてスナップ作動で反対側に隆起され
るドーム形状に動くようなドーム形状のバイメタル円板
がある。円板の構造の単純さと製造の容易性、および所
望のドーム形状にスチールダイスの間で平面円板を押圧
するという基本的な操作は、以下に述べるような重大な
欠点があるにもかかわらず広範囲な使用に供されている
。 第１の欠点は、特に、幅広い差動円板について、周
囲からの非常に大きい応力集中が反転の際に生じ、その
結果、円板がスナップする操作温度が経年変化し、その
寿命が疲労破壊によつて制限されるということで、これ
により約１Ｏ、００（＠の操作の後に円板は疲労破壊し
、その間操作温度は２０℃だけ変化する。この結果、使
用する際に、このような円板はその寿命の間を通じて操
作温度を正確に一定温度に維持できないということにな
る。 円板の他の欠点は、その円板が組み込まれている
スイッチの他の関連部品の不正確さによつてスナップ作
動が左右されるため、使用可能な作動領域が非常に小さ
いということである。

円板の広範囲の用途に鑑み、その性質について広範囲に
わたる研究がなされてきた。

過去４＠．間程の間に円板の作動を増大させ、かつ、そ
の操作温度の正確性を向上させるための種々の提案がな
された。例えば、放射状の波形が円板に刻印され、応力
除去開口が円板の中心に導入され、そして円板の有効な
作動を伝達し、かつ、増大させる機械的な装置が提供さ
れた（例えば、英国特許願第１０３１８２７号明細書）
。円板の性質を利用しようとした非常に多くの研究にも
かかわらず、種々の提案のいずれもバイメタル円板にお
ける固有の欠点を十分に解決するものとはならなかつた
。円板の欠点を最もよく取り除いているスナップ作動バ
イメタルアクチュエータの他の一形式が、英国特許願第
６５７４３４号明細書に示されている。

その好ましい態様においては、アクチュエータは、舌状
体の自由端に隣接している末端が渡し部によつて連結さ
れている２つの外部脚の間から解放された中心舌状体を
有する矩形のシートあるいはブレード状のバイメタルか
らなるものである。渡し部は、バイメタルブレードがス
ナップ作動によつて相対する凹形状の間を温度変化に基
ついて動くように、バイメタルブレードに凹形状をはめ
こむために機械的に一定の形に曲げられている。このよ
うなアクチュエータは、円板よりもずつと大きいスナッ
プ動作を有する。また、操作温度を正確にセットするこ
とも可能であり、その操作温度も円板の場合よりも反復
使用下においてより安定している。このようなアクチュ
エータの一つの欠点は、一定形状に曲げることによつて
ブレードを変形させる方法の結果、厳密に決められた操
作温度を有するものを大量生産することができないとい
うことで、更に、このアクチュエータの寿命は、円板の
一寿命よりは長いけれども、中心舌状体と外部脚との接
合点で極大になる応力集中領域を有する破壊によつて短
くなる傾向にあるという欠点を有するこのように、種々
のスナップ作動バイメタルアクチュエータの広範囲な研
究と広範囲な利用にも−かかわらず、スナップ作動に対
して十分な範囲の有効動作を実現し、その作動寿命の間
を通じて実用上十分に安定な作動温度を有し、かつ、疲
労破壊によつて早められて寿命を終えることのない長い
作動寿命を有するような熱感応スナップ作動バイメタル
アクチュエータに対する必要性が要望されている。

本発明は、一般に自由端を有する舌状体を形成するよう
に全体としてＵ字形に形成された開口を有するシート状
バイメタル部材からなり、その部材の一部は前記舌状体
を中心において取り囲み、全体としてドーム形状を形成
するように型ブレス操作によつて変形されており、前記
ドーム状領域・が温度変化に基づいてスナップ作動でそ
の彎曲を反転するようにされていることを特徴とするス
ナップ作動の熱感応アクチュエータを提供するものであ
る。

本発明のアクチュエータの利点は、多くの応用において
、スナップ作動の有効動作の範囲が実質的に等価の円板
（Ｕ字形開口と舌状体は有しない）からなるアクチュエ
ータよりも大きいということである。

アクチュエータの有効動作の大きさは、 ５０ｇｗｔ１の力に対してアクチュエータの周囲からア
クチュエータの片側に測定されるスナップ作動における
前記舌状体の自由端の動作の大きさによつて表わされる
。

この有効動作は多くの典型的な電気的スイッチに普通に
使用され得るものである。上記測定を使用して、本発明
に係るアクチュエータの有効動作は等価の円板の有効動
作の２〜３倍であることがわかつた。しかしながら、有
効動作を大きくすればする程、周囲温度の増減に対する
操作温度のずれが大きくなるという問題があるが、これ
は多くの応用において重要ではない。この有効動作の増
大は、円板自体は単に小さい有効動作を有するものの、
典型的なスイッチ接点を開くのに要求されるよりもずつ
と大きい、比較的大きなり（〜２００ｇｗｔ．）を生じ
、これにより、前記Ｕ字形開口を設けることによつてア
クチュエータの中心において応力が解放されることによ
つて力が減少しても、舌状体の自由端にはアクチュエー
タの拡大された有効な動作を生ぜしめるということで説
明し得る。この増大された有効動作のため、通常円板に
おいて用いられているようなマンガン含有量の高いより
高価なタイプのものよりも安価なバイメタル板（例えば
Ｎｉ−Ｃｒ／Ｎｉ−Ｆｅ薄板）のタイプのものを使用す
ることができる。

特別なスイッチに応用するために本発明のアクチュエー
タを設計する際、舌状体がスナップ作動でスイッチ接点
を開くために充分なりと動作を発現し得ることを確保す
るのに必要なこと以外に、局所的な応力集中を最少限に
し、かつ、アクチュエータの作動寿命を最大にするよう
にＵ字形開口を配置し、かつ形成することは望ましいこ
とである。

この設計により、アクチュエータの好ましい幾何学的形
状を得ることができる。従つて、本発明は、その好まし
い形状において、一端に舌状体の自由端を形成するよう
に全体としてＵ字形開口を有するシート状バイメタル部
材と、前記舌状体を取り囲んでいる前記部材の領域がド
ーム形状を形成するように型ブレス操作において変形さ
れており、前記ドーム状領域が温度変化に基づいてスナ
ップ作動でその彎曲を反転するようにされており、そし
て、舌状体がその根部からその自由端に向けてテーパ状
にされていて、舌状体の根部に隣接してＵ字形開口の両
端がめぐらされており、かつ、舌状体の根部の範囲内の
ドーム状領域の部分の、ドーム状領域の中心から放射状
に測定された幅が、前記舌状体をめぐる前記領域の他の
部分の幅よりも大きいことを特徴とするものからなるス
ナップ作動の熱感応アクチュエータを提供するものてあ
る。

舌状体の根部の範囲のデザインは、高い応力集中が発現
されるところがここであることから、アクチュエータの
寿命に関して重要である。

この領域における隅部を鋭くすることは非常に高い応力
集中の局在化された領域を与える傾向となるが、これら
は舌状体の根部に隣接して丸くされた両端を有する開口
を設けることによつて回避される。舌状体の根部の範囲
内で、アクチュエータのドーム状にされた領域の半径方
向の幅を最大にすることが有利なことであるほか、反転
の際に必要なりを供給し得ないような点にアクチュエー
タの全ての機械的な強さを与えるようにドーム状領域の
幅を減少させることも重要である。同様に、舌状体はそ
れ自体所望の力を供給するのに充分な機１，．′的な強
さを有しなければならない。テーパ状にされた形状の舌
状体は、アクチュエータのスナップ作動て舌状体の自由
端の有効動作を減少する傾向にある横に反転するという
舌状体自体の傾向を最少にしてこの要求に応えるもので
ある。舌状体の横幅はその根部で舌状体の根部の範囲内
のドーム状領域の幅と同じ程度の大きさであることが望
ましく、さらに、好ましくはそれよりもむしろ小さく形
成される。舌状体の長さは好ましくは舌状体の根部の横
幅の約１〜１ｂ茗であり、舌状体のテーパ角度は１５約
から３００の間が望ましい。舌状体の自由端の形状は重
要ではない。自由端はアクチュエータの動作の基準平面
を変更するために折曲されてもよい。前記舌状体を形成
するＵ字形開口は、好ましくは、ドーム状領域の対称軸
となる直径について対称に形成されており、舌状体の縦
軸が前記対称軸と一致せしめられる。好ましくは、製造
の際における都合のために本発明に係るアクチュエータ
のバイメタル部材はその全表面にわたつてドーム状に形
成されているが、もし望むなら、舌状体のある部分ある
いは全ての部分が型ブレス操作の際に変形されないよう
にしてもよい。

しかしながら、バイメタル部材の他の領域が平面のまま
で変形されないで設けられていてもよく、例えば、取付
けの目的のための平面耳部がドーム状領域から延長して
設けられていてもよい。アクチュエータは好ましくは２
つの型間て成形するのに都合がよいように円形てあるが
、それは他の形状、例えば矩形あるいは楕円形であつて
もよい。型ブレス操作によつて本発明に係るアクチュエ
ータを形成することにより、特に、単純て効果的な方法
でもつてアクチュエータを大量生産することが可能てあ
る。

本発明に係るアクチュエータはより正確に決定された操
作温度を有し、かつ操作温度における安定性が円板の場
合よりよいだけでなく英国特許第６５７４３４号明細書
に記載されているようなバイメタルアクチュエータの場
合よりもずつと優れているような、より優れた安定性を
有するものを大量生産において製造し得るということが
わかつた。この安定性は、前記Ｕ字形開口によつて与え
られた前記ドーム形状領域内における応力解放により、
また望ましくない局所的な応力集中をほとんど生ぜしめ
ないようなアクチュエータを型ブレスによつて形成する
ことにより大きくされている。このような応力集中のな
いことは、操作温度を正確に維持することにも寄与して
いる。このように、本発明に係るアクチュエータは、種
々の利点、特に、有効動作の大きな範囲と正確な安定し
た操作温度を有する。高い電流に対する廉価な切換え装
置のために、充分な操作を確保する大きい有効動作の範
囲が要求される。しかしながら、大きな動作範囲は、増
減する温度に対してアクチュエータの操作温度が大きく
ずれることを意味するもので、これは小さいずれが要求
される、例えばサーモスタットの形式においては望まし
くない。更に、例えば、回路内で過剰の電流に対して感
応する回路ブレーカーのためには、有効動作の大きな範
囲も正確に予め決定された操作温度もどちらも要求され
す、単に過剰の電流が確実に検出され得るように操作温
度において十分な再現性と安定性と共に充分な範囲に亘
る動作が要求されるにすぎない。ある応用においては、
アクチュエータは緩く据え付けられ、また、他の応用に
おいては、アクチュエータは取付ボスに溶接されるかビ
スで固着され、そして、電気接点を備えているものもあ
る。

アクチュエータは応力に対する効果が最小となる舌状体
の自由端で取付けられていてもよく、あるいは舌状体の
自由端に対向するアクチュエータの周囲で取付けられて
いてもよい。電流域応スイッチに組込まれたアクチュエ
ータに対しては、電流がアクチュエータを通過できるよ
うに電気接点がアクチュエータに取付けられ、このアク
チュエータは過剰の電流によりその操作温度を越えて加
熱される。

既知の電流感応アクチュエータについての大きな問題は
、アクチュエータが不当に機械的に弱められないように
確保しつ一つそれらが比較的低電流に対しても感応する
ように電流の流れに対する電気抵抗を増大させることで
ある。バイメタルの厚さとアクチュエータ全体の大きさ
を減少させることは電気抵抗を増大させるが、それはア
クチュエータを過度に弱くするも．のである。この問題
は、約２アンペアの電流に対する感応性を要求すること
が今日普通であることから特に切実なことである。この
ような低い電流に対する感度を実現するために、英国特
許第１３６３５４１号は、２つの外部の脚，の間に開放
された舌状体を有する可撓性バイメタル材料のシートあ
るいはストリップとからなり、その舌状体が一端でその
シートあるいはストリップに連結されており、かつ、他
端でそのシートあるいはストリップから自由になつてお
り、そのシートあるいはストリップが、スナップ作動に
基づいて中間の不安定な位置の両側の２つの位置の間を
温度変化によつて移動できるように２方向に歪められる
ように、圧迫されており、部材の舌状体および（または
）外部の脚がそこを通つて縦方向に流れる電流に対する
電気抵抗を増大するように貫設孔を持つものであること
を特徴とするスイッチ駆動部材を開示している。

この特許第１３６３５４１”号に特に記載されたアクチ
ュエータの形式は、外部の脚が舌状体の自由端に隣接し
て橋渡しされ、かつ、その橋渡し部が共に両脚の端部を
互いに近づけるように一定の形に折曲されていることを
特徴としている、英国特許願第６５７４３４号名細書に
記載された形式である。本発明に係るアクチュエータは
、必要な機械的な強さと安定性を与えるために幅広い脚
と舌状体を有し、かなり厚いバイメタルで形成されて実
質的な電気抵抗を有しない英国特許願第６５７４３４号
明細書に記載されたアクチュエータよりも、電流感応ス
イッチにおける使用により適したものである。

本発明に係るアクチュエータは、スナップ作動のための
応力集中を本来強く、安定した領域である周囲や舌状体
の根部に有し、薄いバイメタルで作られ、寸法が小さい
ものである。本発明に係るアクチュエータの電気的抵抗
とそれに基づく感度を増大させるために、周囲部分は特
に舌状体の根部に対向する領域において狭くされている
。

あるいは、英国特許第１３６３５４１号のように、貫設
孔がこのような範囲に交互に形成されていてもよい。舌
状体はまた、狭くされているかあるいは舌状体の強さを
維持するために好ましくは縦長貫設孔として形成された
開口あるいは複数の開口を交互に形成されていてもよい
。以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第５図を除いて示された全てのアクチュエータは円形状
を有する。円形形状は大量生産の都合上好ましいもので
あり、周囲の厳密な形状はアクチュエータの操作にとつ
て重要ではなく、例えば第５図のような矩形でもよいも
のであることがわかつた。

第５図に示されたものを別にして、各々のアクチュエー
タはその周囲に半円形位置決め切欠１０を有する。

各々のアクチュエータは普通に弧状に曲つている外周と
普通のＵ字形開口１４とによつて形成された、アクチュ
エータの中心に配置された舌状体１２を有する。アクチ
ュエータは、球面状の曲率がアクチュエータの全表面に
亘つて与えられる型ブレス操作において形成される。

従来の通常の型ブレス操作も利用され得るものてある。
示された種々のアクチュエータの間の違いは、形状や舌
状体１２および開口１４の形状および位置にあるもので
あり、これらの違いは、次表に示されているような異な
る操作特性をもたらす。

上記表に掲げられた数字は、等しい球面曲率半径、即ち
１２ｒｆｒｍの直径で、０．２ｍの厚さのバイメタルに
よつて同一方法によつて形成され、選択されたアクチュ
エータについてのものである。これらのアクチュエータ
はそれらの動作温度や有効動作範囲が比較できるように
１００℃の破壊温度を有するように選択された。表され
た値は種々の形状を代表するものであるが、それらは必
ずしもこれらの特別な形状に作られたアクチュエータに
ついて．のメデイアン値ではない。表に示された値から
、有効動作の範囲は等価の円板のそれよりも明らかに大
きく、最も小さい範囲でも第２図の部材についての０．
３２順であり、即ち、等価の円板のそれの約１．８〜２
．２倍であり、こ．れに対して第４図および第５図の部
材についての最も大きい範囲は０．４５７７０Ｆ！であ
つて等価の円板のそれの約２．５〜３倍であることが分
かる。

アクチュエータの動作温度のずれは３０。

〜４０′Ｃの間である。特定の形状についてのずれの大
きさ・はアクチュエータの動作の大きさにより左右され
るものであり、このずれを減少させるためには、動作の
大きさを減少させることが通常必要である。第１図と第
２図に示したアクチュエータは、半円形末端を有する一
定の幅、２．５噸の舌状体１２を有している。

第１図に示されたアクチュエータは先端から根部まで比
較的長い舌状体１２の長さ４．５顛を有する。開口１４
は舌状体根部１８に隣接して１顛の半径で丸味をつけら
れた端部を有する比較的大きい側方切込部１６と３．５
顛の半径の外周を有する。縁部２０は、舌状体根部１８
の付近で僅かに広がつているが、ほぼ一定の半径方向）
の幅２．５ｗｎを有している。舌状体１２の長さ４．５
顛は舌状体１２の幅２．５７ｗｔの１．８倍であり、縁
部２０の幅は舌状体根部１８において最大となつている
。上記表に示すように、第１図のアクチュエータ．の有
効動作の代表的な値は３ｒＣの動作温度に対して０．３
６１である。

第２図のアクチュエータは先端から根部までが３．５ｗ
＄ｔの舌状体１２と舌状体根部１８に隣接して０．７５
７ｒ１！ｎの半径で丸味をつけられた端部を有する側゛
方切込部１６と３．００Ｗｒ！１ｉの半径の外周とで形
成された開口１４を有する。

縁部２０は、ほぼ一定の幅３．００Ｔ０ｆ＆である。舌
状体１２の長さ３．５瓢はその中央部における幅２．５
ＷｆＬの１．４倍であり、縁部２０の幅は舌状体根部１
８において４．５順と最大になつてい。上記表に示すよ
うに、第２図のアクチュエータの有効動作の代表的な値
は３ｒＣの動作温度に対して０．３２ｒｎである。第１
図と第２図のアクチュエータは一定幅の舌状体１２を有
する。

一定幅の舌状体１２は、機械的な強さのためにはその根
部１８で広げられなければならないが、その中心領域に
おける実質的な広さは、舌状体１２がアクチュエータの
スナップ作動を伴つてその幅を横切つて反転するおそれ
があるので動作範囲を小さくするという点で好ましくな
い。同様に、一定幅の縁部２０も好ましくなく、舌状体
１２の自由端に向かつて幅がだんだん減少し、舌状体根
部１８で最大の幅になるような形状が好ましいことがわ
かつた。従つて、第３図と第４図に示すように、根部１
８から自由端に向かつてテーパ状に形成されている舌状
体１２と、舌状体根部１８の領域における最大から舌状
体１２の自由端に対向する位置における最小まで変化す
るように順次幅が減少する縁部２０とを有するアクチュ
エータが提案される。

第３図のアクチュエータは４醋の広い舌状体根部１８を
有する。舌状体１２は１ｍ半径の半円形の自由端と３０
。のテーパをもつてテーパ状に形成されている。開口１
４は舌状体根部１８で０．７５顛の半径で丸味をつけら
れた側方切込部１６と、その中心がアクチュエータの中
心から１顛ずらされている３．５０Ｔ！ｒｌ！ｔの半径
の弧によつて形成された外周を有している。これは、舌
状体根部１８で３．５？幅で舌状体１２の自由端に対向
する位置で１．５Ｔｎの最小値に順次減少する縁部２０
を形成するものである。したがつて舌状体１２の長さ４
瓢は舌状体中央部の幅２．６１ｗ＆の１．５４倍となる
。上記表に示すように、このアクチュエータの有効動作
の代表的な値は３４℃の動作温度において０．３４Ｔｒ
ｎである。第４図において、舌状体１２は、舌状体根部
１８の３．５順の幅から１Ｔｆ＄ｔの半径で丸味をつけ
られた自由端に向けて１５１でテーパ状に形成されてい
る。開口１４は、舌状体根部１８に隣接する０．７５＝
の半径て丸味をつけられた側方切込部１６を有し、中心
がアクチュエータの中心から１ＴｎＪｎ間隔を置かれて
いる３．５０ｍの半径の弧によつて形成された外周によ
つて仕切られている。縁部２０は舌状体根部１８て３．
５ｗＬの幅を有し、舌状体１２の自由端と対向する位置
で１．５Ｔ！ｒ！Ｆｔの最小値に減少している。この舌
状体１２の長さ４．５ｗｎはその中央部の幅２．３５？
の１．９１倍となつている。上記表から、アクチュエー
タの有効動作の代表的な値は羽℃の動作温度て０．４５
Ｔｎ！ｎである。第４図のアクチュエータはその流線形
状の結果としてその全長において最小の応力集中を示す
。舌状体根部１８での幅広い縁部２０は、スナップ作動
の動作において十分な強さを有し、アクチュエータは非
常に安定した切断温度（１００（４）回操作後で２に〜
３℃）を有することが判明し、かつ、それは破壊が起り
がちである異常に高い局在する応力集中を持たない。第
５図のアクチュエータは、第４図のものと舌状体１２と
開口１４の内部的な形状は同一である。両者の特性は同
じであり、第５図の１２ｗｔ四方の正方形の外周部分は
アクチュエータの操作に重大な影響を及ぼすことがない
ことがわかつた。第６図と第７図のアクチュエータは、
電流感応スイッチ（遮断器）について使用され、舌状体
１２の自由端に対向する位置の縁部２０に溶接された接
点２２を有する。電流は舌状体１２の自由端から、舌状
体根部１８および縁部２０の両部分を通り、接点２２に
流れる。第６図および第７図のアクチュエータはともに
、第４図に示されたものと全体的に同じ形状を有するが
、電流の流れに対する電気的抵抗を増大せしめるために
、より小さくされて直径１０ＷＲであり、かつ、０．１
薗の厚さのバイメタルで形成されている。

これらのアクチュエータには、電気的抵抗を高めるため
に舌状体１２に縦長孔２４を設けてある。第７図のアク
チュエータは、縁部２０の最も狭い場所にある接点２２
の両側に夫々３つの円形貫設孔２８が設けられており、
これは電気的抵抗を相当高める作用をする。第６図のア
クチュエータは、その縁部２０における孔に代えて、第
７図の縁部２０と比較して接点２２の両側の領域２６で
相当に狭くされた縁部２０を有し、なお充分なりを確保
するのに充分な厚さであり、これによりスナップ作動を
実現している。これもまた、電気的抵抗を増大するのに
役立つている。第６図と第７図のアクチュエータは両方
とも、２アンペア以下の電流に感応してスナップ作動の
動作をする。

種々の他の方法が電気抵抗を高めるために可能である。

例えば、舌状体１２は、１つの舌状体根部１８から２つ
の離れた舌状体部分に延びて縦割されていてもよい。電
気接点２２は、必ずしも舌状体１２の自由端に隣接した
周囲に位置される必要はなく、例えば、舌状体１２の上
あるいは他の適当な場所に位置され得るものである。

さらに、２つ以上の接点２２を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図までは本発明に係るアクチュエータの
各種実施例を示す平面図である。 １２・・・・・・舌状体、１４・・・・・・Ｕ字形開口
、１８・・・・・根部、２０・・・・・・ドーム状領域
、２４，２８・・・貫設孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端に自由端を有する舌状体１２を形成する外周と
   内周を有する開口１４を備えたシート状のバイメタル部
   材からなり、前記外周と内周は前記舌状体１２の根部１
   ８に隣接する前記開口１４の丸味をつけられた端部にお
   いて合流しており、前記バイメタル部材の前記舌状体１
   ２を取り囲む縁部２０は型プレス操作によりドーム状に
   形成され、温度変化に伴うスナップ作動によりその彎曲
   を反転させるようになされているスナップ作動型熱感応
   バイメタルアクチュエータにおいて、前記外周と内周が
   前記舌状体１２の両側において前記開口１４の側方切込
   部１６を形成しており、前記舌状体１２を取り囲むドー
   ム状の縁部２０の該縁部２０の中心から半径方向に測つ
   た幅が、前記舌状部根部１８の領域において最大となつ
   ており、前記舌状体１２の長さが該舌状体１２の長さ方
   向の中央における幅よりも大きくされていることを特徴
   とするスナップ作動型バイメタルアクチュエータ。