JPWO2009125458A1 - 外部操作型サーマルプロテクタ - Google Patents

Abstract

本発明は発熱時の熱膨張による体積膨張でもホットスポットが発生しない安全な状態でポリマＰＴＣを組み込んだ外部操作型サーマルプロテクタに係わり、第１のポリマＰＴＣ２を有する第１の抵抗素子モジュールと、第２のポリマＰＴＣ３２を有する第２の抵抗素子モジュールの、それぞれ一方の端子板４及び３３は、支柱３７の上下で加締められて、バイメタル１４に連動する可動板１５の固定端部及び第２の端子１７と共に本体筐体１３に固定される。第１の抵抗素子モジュールと、第２の抵抗素子モジュールの、それぞれ他方の端子板５及び３４は、本体筐体１３の内壁との間に、それぞれのポリマＰＴＣが発熱したときの体積膨張を吸収する間隙を持って配置される。第２の端子１７と第３の端子５−１に外部から通電することにより第１の端子３４−２と第２の端子１７間の外部負荷用の電流が遮断される。遮断後は第２のポリマＰＴＣ３２の発熱で電流遮断が自己保持される。

Description

本発明は、電気製品などの温度過昇防止用のサーマルプロテクタに係わり、より詳しくは、自動動作のみならず外部からの強制操作でも動作可能で且つホットスポットが発生しない安全な状態でポリマＰＴＣを組み込んだサーマルプロテクタに関する。

従来、電源回路の中での保護素子は、自動復帰型のバイメタル式プロテクタや、温度ヒューズや電流ヒューズのような可溶体を用いた非自動復帰型が多かったが、ヒューズやプロテクタと発熱抵抗体を組み合わせたものも多用されている。

抵抗を主体とするものは、セメント抵抗に内蔵したもの、ヒューズを主体とする場合は板状のなかに可溶体と抵抗体を内蔵し、これをプリント基板に実装するものなどが実用化されている。

これらの保護素子は、異常電流を遮断したり検出する目的の他に、抵抗に通電して強制的に電流を遮断することにも使用されている。
一般的なプロテクタに代表される保護装置は、周囲の温度異常、過大な電流が流れることによる過熱等の過熱状態により部材が溶断するような危険を回避するため、これらの温度や電流の変化に応じて自動的に作動するように条件設定がなされている。

たとえば１５０℃以上が危険である場合の過熱保護や、たとえば２０Ａ以上の電流では遮断が必要と言うような過負荷保護等を対象に条件が設定される。これらの異常が一時的な異常の場合は、プロテクタとしては自動復帰型であることが必要なことである。

これに対し、電源回路の中で、電源の外部要因での不具合、たとえば過負荷、短絡、放熱不足での過熱のような自動復帰型の保護素子でも危険な状態が継続したり、状態が進行するような場合がある。

そのような場合に対処できるプロテクタとして従来のようにヒューズのような非自動復帰型の保護素子を動作させると、保護回路の再使用が不可能になってしまうことが起こりうる。そのような場合には、プロテクタとして、手動リセット型や自己保持型が使用される。

しかし、そのような危険が確認された場合、電子回路やソフトウェアにより意図的に保護素子を作動させて危険を回避することが行われるようになると、安全性に対してより進んだ対応がとれることになる。

内部部品が故障を起こす前に機能を停止させ、危険が回避された後、再使用が可能となることは、プロテクトを必要とするシステムが高価になり、さらには高い信頼性が要求されるようになるほど必要とされる条件となる。

上記のように意図的に保護素子を作動させて危険を回避し、安全確認ののち再使用が可能な状態にシステムを復帰させることができるプロテクタとしては、外部操作型のサーマルプロテクタが適している。

一般に、プロテクタに使用される発熱抵抗体としてはＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）が用いられる。ＰＴＣには大別してセラミックＰＴＣとポリマＰＴＣがあり、セラミックＰＴＣは高価であるが、熱の変化に対して形状が安定しているので、部品としてプロテクタ本体に組み込み易いという利点がある。

発熱抵抗体の形状に熱による変化が無く安定しているということは、プロテクタ本体に組み込む際に、熱伝導を有効に利用するために、発熱抵抗体を上下から強固に押さえつけるように固定して組み込むことができる。

例えば、特許第３８２５５８３号のように、電池パックにおける操作型サーマルプロテクタの従来例としては、バイメタルと発熱抵抗体を組み合わせたバイメタル式のプロテクタの例が提案されており、このプロテクタでは、ＰＴＣを加締めで圧着して組立を行うことが示されている。つまり、この場合セラミックＰＴＣが想定されている。

他方、例えば、商用電源電圧以下の電圧の回路の温度過昇防止を目的するサーマルプロテクタには、使用電流量が小さいのと回路構成が低価格である場合が多いので、高価なセラミックＰＴＣよりも、低抵抗で動作する安価なポリマＰＴＣを用いることが出来れば都合がよい。

ポリマＰＴＣは、絶縁性の合成樹脂に導電性粒子たとえば炭素粒子を分散させて作られており、その電流遮断の原理は良く知られている。すなわち、常温では導電性粒子を介して形成されている導電経路を伝って電気が流れるが、高温になると合成樹脂の融点付近での熱膨張により体積膨張を引き起こし、これによって、導電性粒子間の電気的接続が切れ、内部抵抗が急激に上昇して、電流を大幅に減少させるというものである。

ところで、ポリマＰＴＣの電流の遮断動作に関しては、上記のように熱による体積膨張が重要であり、この体積膨張が拘束されたり、電流遮断状態でも強い圧力でポリマＰＴＣ本体に圧縮変形が起きた場合、局部的に電流集中が発生し、熱暴走（ホットスポット）が発生する。

したがって、プロテクタへのポリマＰＴＣの組み付けでは、セラミックＰＴＣのように固定できるところであれば何処にでも組み付けるという安易な組み付け方はできない。

本発明は、上記従来の実情に鑑み、ポリマＰＴＣを、その体積膨張を拘束しないように安全に組み込む方法と、そのようにポリマＰＴＣをプロテクタに組み込むことにより、小型で、より安全で、復帰可能な、操作性の良い外部操作型サーマルプロテクタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、先ず、第１の発明の外部操作型サーマルプロテクタは、周囲温度に反応して反り返り方向を所定温度で反転するバイメタル素子により電気回路を遮断するプロテクタにおいて、本体筐体と、一端に固定接点を備える固定導体と、該固定導体の端部に形成され上記本体筐体の外部において外部回路に接続するための第１の端子と、自由端側の上記固定接点と対向する位置に可動接点を備え、該可動接点に所定の接点接触圧を発揮させるバネ性を有し、上記自由端側とは反対側端部を絶縁部材を介して上記本体筐体に固定され、上記バイメタル素子の反転により上記自由端側が変位する可動板と、該可動板に接続される外部接続のための第２の端子と、抵抗素子モジュールであって、内部抵抗体と該内部抵抗体の両面にそれぞれ電極を有するポリマＰＴＣと、該ポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第１及び第２の端子板と、該第１及び第２の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第１及び第２の接続部を備え、上記第１の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第１の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された抵抗素子モジュールと、該抵抗素子モジュールの上記第２の接続部により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、を備え、上記第２の端子板は、上記本体筐体の内壁との間に上記ポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、上記ポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素子の反転動作温度よりも高く設定され、上記第２と第３の端子に電流が通電されたとき上記ポリマＰＴＣが強制的にトリップ状態になって上記バイメタル素子を加熱して動作させ、上記第１と第２の端子間の通電が遮断されるように構成される。

この外部操作型サーマルプロテクタは、例えば、上記第１と第２の端子間の電流を遮断した後、上記第２と第３の端子への通電を維持して上記ポリマＰＴＣを一定温度で発熱させ、上記第１と第２の端子間の電流遮断動作を維持し続けるように構成される。

また、この外部操作型サーマルプロテクタは、例えば、上記ポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度を上記バイメタル素子の動作温度よりも低く設定し、上記第２と第３の端子に電流を通電しポリマＰＴＣを強制的にトリップ状態として上記バイメタル素子を一定温度で加熱させることにより、上記第１と第２の端子間に流れる過電流で遮断動作させるように低温の雰囲気における過負荷保護のための電流と時間の特性を補正するように構成することができる。

更に、この外部操作型サーマルプロテクタは、例えば、上記第１の端子と第３の端子を上記本体筐体の外部で接続することにより、上記第１と第２の端子間の内部の接点回路と並列な上記ポリマＰＴＣの接続を追加構成し、上記第１と第２の端子間が過熱又は過電流で遮断動作したとき自己保持動作を行うように構成してもよい。

次に、第２の発明の外部操作型サーマルプロテクタは、本体筐体と、周囲温度に反応して反り返り方向を所定温度で反転するバイメタル素子と、該バイメタル素子の上記本体筐体の長手方向に対応する両端部で係合し、自由端側に可動接点を備え、該可動接点に所定の接点接触圧を発揮させるバネ性を有し、上記自由端側とは反対側端部を絶縁部材を介して上記本体筐体に固定され、上記バイメタル素子の反転により上記自由端側が変位する可動板と、該可動板に接続された外部接続のための第２の端子と、第１の抵抗素子モジュールであって、内部抵抗体と該内部抵抗体の両面にそれぞれ電極を有する第１のポリマＰＴＣと、該第１のポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第１及び第２の端子板と、該第１及び第２の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第１及び第２の接続部を備え、上記第１の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第１の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された第１の抵抗素子モジュールと、該第１の抵抗素子モジュールの上記第２の接続部により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、第２の抵抗素子モジュールであって、内部抵抗体と該内部抵抗体の両面にそれぞれ電極を有する第２のポリマＰＴＣと、該第２のポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第３及び第４の端子板と、該第３及び第４の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第３及び第４の接続部を備え、上記第３の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第３の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された第２の抵抗素子モジュールと、該第２の抵抗素子モジュールの上記第４の接続部上に上記本体筐体の内部において上記可動接点に対応する位置に形成された固定接点と、上記第４の接続部の上記固定接点が形成された位置より延長する部分により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、を備え、上記第２の端子板は、上記本体筐体の内壁面との間に上記第１のポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、上記第４の端子板は、上記本体筐体の上記内壁面と対向する内壁面との間に上記第２のポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、上記第１のポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素子の反転動作温度よりも高く設定され、上記第２のポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素手の復帰温度よりも高く設定され、上記第２と第３の端子に電流が通電されたとき上記第１のポリマＰＴＣが強制的にトリップ状態になって上記バイメタル素子を加熱して動作させ、上記第１と第２の端子間の通電が遮断し、該電流の遮断後は上記第２のポリマＰＴＣの発熱温度で上記バイメタル素子の復帰を妨げて遮断状態を維持するように構成される。

この外部操作型サーマルプロテクタは、例えば、上記第２のポリマＰＴＣの、定格電圧を少なくとも４８Ｖ、公称抵抗値を負荷抵抗と同等若しくは１／２以下、上記電流遮断後の両端電圧を３０Ｖ以下好ましくは２４Ｖ以下とし、上記第１のポリマＰＴＣの、定格電圧を上記第２のポリマＰＴＣを超えない範囲で設定し、上記第２と第３の端子に電流を通電して上記第１のポリマＰＴＣを強制的にトリップ状態として上記バイメタル素子を反転動作させて上記第１と第２の端子間の直流電流を遮断動作させ、該遮断後に上記第２のポリマＰＴＣの発熱温度で上記バイメタル素子が復帰することを妨げて遮断状態を維持するように構成することもできる。

また、この外部操作型サーマルプロテクタは、例えば、上記第１の端子と上記第３の端子を上記本体筐体の外部で接続することにより上記第２のポリマＰＴＣを上記第１のポリマＰＴＣと並列に接続し、上記第１及び第２のポリマＰＴＣの合成抵抗を下げることにより、より大きな直流高電圧で電流を遮断する自己保持型としても機能するように構成してもよい。

本発明によれば、ポリマＰＴＣを、その抵抗体が熱暴走しないように安全に内蔵させ、抵抗体の熱でバイメタル式のプロテクタを作動させ、一定温度で動作状態の保持を続けられる安全性が大きく改善された外部操作型サーマルプロテクタを提供することが可能となる。

実施例１の外部操作型サーマルプロテクタに用いられる抵抗素子モジュールを示す斜視図である。 図１Ａの平面図である。

図１ＢのＡ−Ａ´断面矢視図である。 本体筐体内に抵抗素子モジュールが組み込まれて完成した実施例１の外部操作型サーマルプロテクタを示す透視的平面図である。

図２Ａの側断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂに示す外部操作型サーマルプロテクタの回路配線図である。 実施例２の外部操作型サーマルプロテクタに用いられる第１の抵抗素子モジュールを示す斜視図である。

図３Ａの側断面図である。 第２の抵抗素子モジュールを示す斜視図である。 図３ＣのＢ−Ｂ´断面矢視図である。

本体筐体内に２個の抵抗素子モジュールが組み込まれて完成した実施例２の外部操作型サーマルプロテクタを示す透視的平面図である。 図４Ａの側断面図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示す外部操作型サーマルプロテクタの回路配線図である。

符号の説明

１ 抵抗素子モジュール
２ 抵抗素子（ポリマＰＴＣ）
３ 内部抵抗体
３ａ、３ｂ 電極箔
４ 第１の端子板
４−１ 第１の接続部
４−２ 小径の孔の周囲部
５ 第２の端子板
５−１ 第２の接続部（第３の端子）
６ 孔
７ 小径の孔
８ 同径以上の孔
１０ 外部操作型サーマルプロテクタ
１１ 箱状のケース
１２ 絶縁性充填材
１３ 本体筐体
１４ バイメタル
１５ 可動板
１５−１ 爪部
１６ 可動接点
１７ 第２の端子
１７−１ 固定部
１８ 固定接点
１９ 絶縁支柱部材
１９−１ 上部の加締め部
２１ 外部接続配線
２２ 固定導体
２３ 第１の端子
２４ 外部接続配線
２５ 配線
２９ 外部操作型サーマルプロテクタ（プロテクタ）
３０ 第２の抵抗素子モジュール
３１ 内部抵抗体
３１ａ、３１ｂ 電極箔
３２ 第２のポリマＰＴＣ
３３ 第３の端子板
３３−１ 第３の接続部
３３−２ 小径の孔の周囲部
３４ 第４の端子板
３４−１ 第４の接続部
３４−２ 第１の端子
３５ 孔
３５ｂ 孔
３６ 直方形の孔
３７ 支柱
３７−１ 下部
３８ 固定接点
３９ 外部配線

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１Ａは、実施例１の外部操作型サーマルプロテクタに用いられ抵抗素子モジュールを示す斜視図である。図１Ｂは図１Ａの平面図である。図１Ｃは図１ＢのＡ−Ａ´断面矢視図である。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示す抵抗素子モジュール１は、ポリマＰＴＣ２、第１の端子板４、及び第２の端子板５から成る。
本例において、抵抗素子としてのポリマＰＴＣ２は、内部抵抗体３と、その内部抵抗体３の上下の面にそれぞれ貼着された薄層状の電極箔３ａ及び３ｂから成り、全体として板状体に形成されている。

内部抵抗体３の上下両面の電極の一方の電極箔３ｂには、第１の端子板４が半田付けされている。この第１の端子板４には、第１の端子板４と一体で、内部抵抗体３の電極箔３ｂの面と平行に、内部抵抗体３よりも外方に延び出す第１の接続部４−１が形成されている。

また、内部抵抗体３の他方の電極箔３ａには、第２の端子板５が半田付けされている。この第２の端子板５には、第２の端子板５と一体で、内部抵抗体３の電極箔３ａの面と平行に、内部抵抗体３よりも外方に延び出す第２の接続部５−１が形成されている。

上記板状態のポリマＰＴＣ２には、板状体の厚さ方向に内部抵抗体３及び両面の電極箔３ａ及び３ｂを貫通する孔６が形成されている。この孔６は、図ではほぼ直方形をなしているが、孔６は、例えば、丸形でも三角でも四角以上の多角形でもよく、孔６の形状に限定は無い。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃにおいて、第１の端子板４は、孔６に重なる部分に孔６よりも小径の孔７を形成されている。この第１の端子板４は、孔６よりも小径の孔７の周囲部４−２を支柱上部を加締めにより変形させて、加締められることにより、後述する可動板の固定側端部に、外部接続用の第２の端子と共に接続して固定される。

すなわち、この抵抗素子モジュール１が、後述する外部操作型サーマルプロテクタの一要素として、外部操作型サーマルプロテクタの本体筐体内に組み込まれたとき、抵抗素子モジュール１全体が可動板の固定側端部を介して本体筐体により支持されるように構成される。

また、第２の端子板５は、孔６に重なる部分に孔６よりも少なくとも同径以上の孔８を形成されている。また、第２の接続部５−１は、この抵抗素子モジュール１が、後述する外部操作型サーマルプロテクタの一要素として、外部操作型サーマルプロテクタの本体筐体内に組み込まれたとき、外部接続用の第３の端子を形成する。

図２Ａは、ポリマＰＴＣ２、第１の端子板４、及び第２の端子板５から成る抵抗素子モジュール１が、外部操作型サーマルプロテクタの本体筐体内に組み込まれて、本例の外部操作型サーマルプロテクタが完成した状態を示す透視的平面図である。

図２Ｂは図２Ａの側断面図である。図２Ｃは図２Ａ及び図２Ｂに示す外部操作型サーマルプロテクタの回路配線図である。
なお、図２Ａ、図２Ｂには、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示した構成部分と同一の構成部分には図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃと同一の番号を付与して示している。

図２Ａ、図２Ｂに示す外部操作型サーマルプロテクタ１０（以下、単にプロテクタ１０という）は、箱状のケース１１と、このケース１１の開口部（図では右方の端部）を封止する絶縁性充填材１２とで形成される本体筐体１３を備えている。本体筐体１３の内部には、所定温度で反転動作する熱応動素子としてのバイメタル１４と、導電性の可動板１５を備えている。

可動板１５は、自由端側（図の左方）に可動接点１６を保持し、その自由端側端部に爪部１５−１が形成されている。この可動板１５は、可動接点１６に所定の接点接触圧を発揮させるバネ性を有しており、通常の状態では図２Ｂに示すように、可動接点１６を所定の接点接触圧で固定接点１８に押圧させている。

他方のバイメタル１４は、一端（図では右方端部）を可動板１５の固定側端部とともに、第２の端子１７の固定部１７−１と抵抗素子モジュール１（図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ参照）の第１の端子板４とを介して絶縁支柱部材１９の上部の加締め部１９−１を加締めにより変形させて加締められて本体筐体１３の底面に固定されている。

これにより可動板１５の固定側端部と抵抗素子モジュール１の第１の端子板４（つまりポリマＰＴＣ２の下部の電極箔３ｂ）とが、共に第２の端子１７に接続された状態となっている。

そして、バイメタル１４の他端（図では左方端部）は可動板１５の爪部１５−１に係合している。これによりバイメタル１４の反転動作に協働していつでも可動板１５が動作できる状態となっている。

また、バイメタル１４の中央から固定端側となる全体のほぼ１／２の上方には、抵抗素子モジュール１の下方の電極箔３ｂが露出しているポリマＰＴＣ２が近接して配置されている。

これにより、抵抗素子モジュール１のポリマＰＴＣ２が発熱すると、その発熱は、第１の端子板４及び第２の端子１７の固定部１７−１を介してバイメタル１４の固定端に対しては熱伝導により熱が伝達され、更にバイメタル１４の固定端側ほぼ１／２に対しては輻射及び本体筐体１３内の対流により熱が伝達され、全体として効率よくバイメタル１４に熱を伝達することができる。

尚、本例において、ポリマＰＴＣ２の内部抵抗体３の抵抗が急変するトリップ温度は、バイメタル１４の反転動作温度よりも高く設定されている。
抵抗素子モジュール１は、上述したように、下部の第１の端子板４をカシメ付けられて本体筐体１３の底面に固定されている。そして、抵抗素子モジュール１は、上部の第２の端子板５と本体筐体１３の上部内壁面との間にポリマＰＴＣ２の発熱による体積膨張を吸収する間隙ｈを設けて配置されている。

また、上述したように第２の端子板５から延長する第２の接続部５−１は、そのまま本体筐体１３の外部において外部接続部としての第３の端子を形成している。つまり、ポリマＰＴＣ２の上部の電極箔３ａが第３の端子５−１に接続された形態となっている。

図２Ａ、図２Ｂにおいて、×印ａ、ｂ、ｃは、それぞれ可動板接続端子部と第２の端子１７との溶接部、第１の接続部４−１と第２の端子１７との溶接部、第２の端子１７と外部接続配線２１との溶接部を示している。これにより、それぞれの接続を確実にしている。

更に、本体筐体１３の内部には、一端側に上記の固定接点１８を備えた固定導体２２が絶縁支柱部材１９により位置決めされ且つ本体筐体１３の底面に固定されて配置されている。固定導体２２の固定接点１８を備えた端部側は、更に本体筐体１３の外部に伸び出して、外部回路に接続するための第１の端子２３を形成している。

図２Ａ、図２Ｂに示す×印ｄは、第１の端子２３と外部接続配線２４との溶接部を示している。これにより、双方の接続を確実にしている。
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す上記構成のプロテクタ１０において、外部操作により第２の端子５−１と第３の端子１７に外部から十分な電流が通電されると、ポリマＰＴＣ２が強制的に発熱し、やがてトリップ状態となり、以降少ない電流で一定の高い温度を保つことになる。

この温度はバイメタル１４が反転動作する温度よりも高く設定されているので、やがてバイメタル１４が加熱され、反転動作する。この反転動作に協働して可動板１５の自由端側が上方に移動し、可動接点１６が固定接点１８から離れて接点を開放する。これにより第１の端子２３と第２の端子１７間の通電を遮断する遮断動作が完了する。

ポリマＰＴＣ２に継続して通電する場合、バイメタル１４は加熱状態が続くため、遮断状態を維持することになる。この場合、接点回路に並列に抵抗体を接続した自己保持型のプロテクタと異なり、自己保持状態が維持されていても、接点回路への漏れ電流は無く、完全な遮断状態で、この遮断を保持することができる。

尚、ポリマＰＴＣ２の抵抗が急変して発熱する温度が、バイメタル１４の動作温度よりも低く設定した場合は、ポリマＰＴＣ２が外部からの通電で一定温度で発熱していてもプロテクタは動作しない。

また、周囲温度によって、プロテクタによる電流遮断のための時間が変化するため、サーキットブレーカや過負荷保護装置のように、過電流で規定時間内の動作特性が要求される場合は、その特性を規定することは難しい。

周囲温度が低い場合は動作時間が長くなり、危険な状態になる場合も想定される。このような周囲温度が低温の場合には、ポリマＰＴＣ２に通電してプロテクタ内部を一定の高い温度にして、周囲温度が比較的高い場合の動作条件に対応するように動作時間を合わせることが可能となる。

実施例１の変形例
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す構成において、図２Ｃに示すように、第１の端子２３と第３の端子５−１とを配線２５によりプロテクタ外部で接続することにより、接点回路と並列に抵抗体を有する一般的な自己保持型のプロテクタとして使用することもできる。
＜実施例２＞
図３Ａ、図３Ｂは実施例２の外部操作型サーマルプロテクタに用いられる第１の抵抗素子モジュールを示す図であり、図１Ａ及び図１Ｃの再掲である。図３Ｃは同じく実施例２の外部操作型サーマルプロテクタに用いられる第２の抵抗素子モジュールを示す斜視図、図３ＤＤはそのＢ−Ｂ´断面矢視図である。

図４Ａは、本体筐体内に２個の抵抗素子モジュールが組み込まれて完成した実施例２の外部操作型サーマルプロテクタ２９（以下、単にプロテクタ２９という）を示す透視的平面図、図４Ｂはその側断面図、図４Ｃはその回路配線図である。

尚、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃには、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃと同一構成部分には、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃと同一の番号を付与して示している。

また、本例では、図３Ａ、図３Ｂに示すように、図１Ａ、図１Ｂに示した抵抗素子モジュール１を第１のポリマＰＴＣを有する第１の抵抗素子モジュールとして採用する。
したがって、ここでは、第１の抵抗素子モジュール１については、必要な部分についてのみ番号を再掲して説明は省略し、第２のポリマＰＴＣを有する第２の抵抗素子モジュール３０について説明する。

図３Ｃ、図３Ｄ及び図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、第２の抵抗素子モジュール３０は、内部抵抗体３１と、この内部抵抗体３１の両面にそれぞれ電極箔３１ａ、３１ｂを有する第２のポリマＰＴＣ３２を備えている。

更に、この第２の抵抗素子モジュール３０は、上記第２のポリマＰＴＣ３２の両面の電極箔３１ａ、３１ｂにそれぞれ半田付けされた第３の端子板３３及び第４の端子板３４と、これら第３の端子板３３及び第４の端子板３４から一体にそれぞれ電極箔３１ａ、３１ｂの面と平行に引き出されて延在する第３の接続部３３−１及び第４の接続部３４−１を備えている。

この板状態の第２のポリマＰＴＣ３２には、板状体の厚さ方向に内部抵抗体３１及び両面の電極箔３１ａ及び３１ｂを貫通する孔３５が形成されている。この孔３５は、形としては、例えば、直方形でも丸形でも三角でも四角以上の多角形でもよく、形状に限定は無い。

図３Ｃ、図３Ｄにおいて、第４の端子板３４は、孔３５に重なる部分に孔３５と同等以上の径の孔３５ｂを形成されている。また、第３の端子板３３は、孔３５に重なる部分に孔３５よりも小径の直方形の孔３６を形成されている。

この第３の端子板３３は、図４Ｂに示すように、第２の抵抗素子モジュール３０がプロテクタ２９の本体筐体１３内に組み込まれたとき、孔３５よりも小径の孔３６の周囲部３３−２を、支柱３７の下部３７−１を加締めにより変形させて加締められることにより、可動板１５の固定側端部の下側に接続して固定される。

可動板１５の固定側端部は、図２Ｂで既に示したように、抵抗素子モジュール１（本例の第１の抵抗素子モジュール１）の第１の接続部４−１と共に外部接続用の第２の端子１７に接続されている。

したがって、本例の第２の抵抗素子モジュール３０の第３の端子板３３、つまり第２のポリマＰＴＣ３２の電極箔３１ａは、第１の抵抗素子モジュール１の第１の接続部４−１つまり第１のポリマＰＴＣ２の電極箔３ｂと、第２の端子１７とに接続されている。

図４Ｂに示す×印ｅは、第３の端子板３３の引き出し部である第３の接続部３３−１と第２の端子１７との溶接部を示している。これにより、接続部３３−１と第２の端子１７との接続を確実にしている。尚、上記の×印ｅと共に図４Ｂの右側に示す×印ｆ及びｇは、図１Ｂに示した×印ａ、ｂ及びｃと同一の内容を示している。

また、第２の抵抗素子モジュール３０の第４の端子板３４の延長部である第４の接続部３４−１上には、本体筐体１３の内部において可動接点１６に対応する位置に固定接点３８が形成されている。

第４の接続部３４−１の固定接点３８が形成された位置より延長する部分は本体筐体１３の外部において、外部配線３９と外部接続するための第１の端子３４−２を形成している。

図４Ｂの左側に示す×印ｉは、第１の端子３４−２と外部配線３９との溶接部を示している。これにより、第１の端子３４−２と外部配線３９との接続を確実にしている。
図４Ａ、図４Ｂに示す配置構成において、第２の端子板５は、図１Ｂで述べたように、本体筐体１３の内壁面（上部内壁面）との間に第１のポリマＰＴＣ２の発熱による体積膨張を吸収する間隙ｈを設けて配置されている。

そして、第４の端子板３４は、本体筐体１３の上部内壁面と対向する内壁面（下部内壁面）との間に、図では定かに見えないが、第２のポリマＰＴＣ３０の発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置されている。

また、本例おいては、第１のポリマＰＴＣ２の抵抗が急変するトリップ温度はバイメタル１４の反転動作温度よりも高く設定されている。そして、第２のポリマＰＴＣ３０の抵抗が急変するトリップ温度はバイメタル１４の復帰温度よりも高く設定されている。

この構成により、第２の端子１７と第３の端子５−１に外部から強制的に電流が通電されたとき、第１のポリマＰＴＣ２が強制的にトリップ状態になってバイメタル１４を加熱して反転動作させる。

これにより、第１の端子３４−２と第２の端子１７の間の通電が遮断される。そして、この電流の遮断後は、第２のポリマＰＴＣ３２の発熱温度でバイメタル１４の復帰が妨げられて、電流の遮断状態が維持される。

尚、上記の実施例では、抵抗素子モジュールの一方の端子板を可動板の固定端部に固定するために、支柱を用いて加締めによって固定している。このように加締めによって固定する場合は可動板の固定端部に接する側の端子板に孔部が必要であるが、端子板の固定はこれに限るものではない。

例えば、抵抗溶接やレーザ溶接、さらには超音波溶着のような方法で端子板と可動板の固定端部とを接合する場合は、孔部は不要であり、端子板と可動板の固定端部との位置を合わせるガイド部があれば十分である。このようないくつかの工法によってもプロテクタ１０又は２９の組立加工を行うことができる。

また、上述の実施例２によれば、ポリマＰＴＣのような抵抗体を２つ内蔵するプロテクタは、第２と第３の端子間に所定の電流を通電し、プロテクタを強制動作させた後、その第２と第３の端子間の電流を止めても、第１と第２の端子間の電流遮断の自己保持状態を維持することが可能となる。ただし、そのように電流遮断を維持するためには、第２のポリマＰＴＣの十分な発熱のための電気的条件が前提となる。

この他、特に直流の比較的高い電圧条件においては、機械的接点には遮断アークの問題が生じる。接点回路すなわち第１と第２の端子間に、第２のポリマＰＴＣのような低抵抗の抵抗体が並列に接続されていると、接点解放時に負荷抵抗と抵抗体との並列抵抗で、電圧が分圧され、接点間には並列抵抗両端の電圧に制限されるから、放電開始電圧より低く維持できる場合は、接点間に遮断アークを発生させずに遮断動作を終えることが可能となる。

これらの状態は電源電圧と負荷抵抗で変わるが、電源電圧がＤＣ４８ＶからＤＣ６０Ｖ程度で有れば、そして第１のポリマＰＴＣの抵抗が負荷抵抗と同等又は１／２程度の抵抗で有れば、また、遮断後の第２のポリマＰＴＣ両端の電圧を３０Ｖ以下好まし＜は２４Ｖ以下に制限できれば、十分大きな電流を遮断することが可能となる。

接点遮断後、第２のポリマＰＴＣに直ちに分圧された電流と抵抗値で制限される電流が流れ、瞬時に第２のポリマＰＴＣはトリップ状態に移行することで、遮断動作を完了できる。

また、実施例２の変形例として、第３の端子を第１の端子に接続すると、外部操作機能は使えなくなるが、第１と第２のポリマＰＴＣが並列に接続できるので、実質的な公称抵抗値が小さくなり、より大きな電流を遮断することできるようになる。

これは、ＰＴＣ側の抵抗が小さくなると負荷抵抗が小さい場合のより大きな電流でもＰＴＣ側の分圧をより小さくすることができ、接点間の放電開始電圧以下に維持することが容易になるためである。

以上のように、本発明のプロテクタによれば、ポリマＰＴＣを安全に組み込み、その一方の端子を外部操作用としてプロテクタ外部に取り出すことにより、以下の作用・効果が得られる。

すなわち、第１には、自動動作による安全確保と異なり、回路やソフトウェアによる意図した保護を実現でき、より安全な動作を保証することができる。
第２には、意図した動作後に、動作状態を容易に保持でき、不具合が解消できた段階でシステムの再使用が可能となる。

第３には、直流の比較的高い電圧での大電流遮断の操作を行うことができ、近年の２次電池を応用した動力システムの安全を確保する上で非常に有効である。
第４には、その他、トリップ温度とバイメタルの動作温度で様々な活用方法がある。

第５には、第３の外部接続端子の接続の仕方により、様々な用途に対応することができる。

Claims (7)

1. 周囲温度に反応して反り返り方向を所定温度で反転するバイメタル素子により電気回路を遮断するプロテクタに於いて、
   本体筐体と、
   一端に固定接点を備える固定導体と、
   該固定導体の端部に形成され上記本体筐体の外部において外部回路に接続するための第１の端子と、
   自由端側の上記固定接点と対向する位置に可動接点を備え、該可動接点に所定の接点接触圧を発揮させるバネ性を有し、上記自由端側とは反対側端部を絶縁部材を介して上記本体筐体に固定され、上記バイメタル素子の反転により上記自由端側が変位する可動板と、
   該可動板に接続される外部接続のための第２の端子と、
   抵抗素子モジュールであって、
   内部抵抗体と、該内部抵抗体の両面にそれぞれ電極を有するポリマＰＴＣと、該ポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第１及び第２の端子板と、該第１及び第２の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第１及び第２の接続部を備え、上記第１の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第１の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された抵抗素子モジュールと、
   該抵抗素子モジュールの上記第２の接続部により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、
   を備え、
   上記第２の端子板は、上記本体筐体の内壁との間に上記ポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、
   上記ポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素子の反転動作温度よりも高く設定され、
   上記第２と第３の端子に電流が通電されたとき上記ポリマＰＴＣが強制的にトリップ状態になって上記バイメタル素子を加熱して動作させ、上記第１と第２の端子間の通電が遮断される、
   ことを特徴とする外部操作型サーマルプロテクタ。
2. 上記第１と第２の端子間の電流を遮断した後、上記第２と第３の端子への通電を維持して上記ポリマＰＴＣを一定温度で発熱させ、上記第１と第２の端子間の電流遮断動作を維持し続ける、
   ことを特徴とする請求項１記載の外部操作型サーマルプロテクタ。
3. 上記ポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度を上記バイメタル素子の動作温度よりも低く設定し、
   上記第２と第３の端子に電流を通電しポリマＰＴＣを強制的にトリップ状態として上記バイメタル素子を一定温度で加熱させることにより、
   上記第１と第２の端子間に流れる過電流で遮断動作させるように低温の雰囲気における過負荷保護のための電流と時間の特性を補正する、
   ことを特徴とする請求項１記載の外部操作型サーマルプロテクタ。
4. 上記第１の端子と第３の端子を上記本体筐体の外部で接続することにより、上記第１と第２の端子間の内部の接点回路と並列な上記ポリマＰＴＣの接続を追加構成し、上記第１と第２の端子間が過熱又は過電流で遮断動作したとき自己保持動作を行う、
   ことを特徴とする請求項１記載の外部操作型サーマルプロテクタ。
5. 本体筐体と、
   周囲温度に反応して反り返り方向を所定温度で反転するバイメタル素子と、
   該バイメタル素子の上記本体筐体の長手方向に対応する両端部で係合し、自由端側に可動接点を備え、該可動接点に所定の接点接触圧を発揮させるバネ性を有し、上記自由端側とは反対側端部を絶縁部材を介して上記本体筐体に固定され、上記バイメタル素子の反転により上記自由端側が変位する可動板と、
   該可動板に接続された外部接続のための第２の端子と、
   第１の抵抗素子モジュールであって、
   内部抵抗体と、該内部抵抗体の両面にそれぞれ電極を有する第１のポリマＰＴＣと、該第１のポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第１及び第２の端子板と、該第１及び第２の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第１及び第２の接続部を備え、上記第１の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第１の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された第１の抵抗素子モジュールと、
   該第１の抵抗素子モジュールの上記第２の接続部により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、
   第２の抵抗素子モジュールであって、
   内部抵抗体と、該内部抵抗体の両面に電極を有する第２のポリマＰＴＣと、該第２のポリマＰＴＣの上記両面の電極にそれぞれ半田付けされた第３及び第４の端子板と、該第３及び第４の端子板から一体にそれぞれ上記電極面と平行に引き出されて延在する第３及び第４の接続部を備え、上記第３の接続部を上記可動板の上記自由端側とは反対側端部で上記第２の端子に接続され、上記第３の端子板を上記可動板及び上記絶縁部材を介して上記本体筐体に固定された第２の抵抗素子モジュールと、
   該第２の抵抗素子モジュールの上記第４の接続部上に上記本体筐体の内部において上記可動接点に対応する位置に形成された固定接点と、
   上記第４の接続部の上記固定接点が形成された位置より延長する部分により形成された上記本体筐体の外部における外部接続のための第３の端子と、
   を備え、
   上記第２の端子板は、上記本体筐体の内壁面との間に上記第１のポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、
   上記第４の端子板は、上記本体筐体の上記内壁面と対向する内壁面との間に上記第２のポリマＰＴＣの発熱による体積膨張を吸収する間隙を設けて配置され、
   上記第１のポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素子の反転動作温度よりも高く設定され、
   上記第２のポリマＰＴＣの抵抗が急変するトリップ温度は上記バイメタル素手の復帰温度よりも高く設定され、
   上記第２と第３の端子に電流が通電されたとき上記第１のポリマＰＴＣが強制的にトリップ状態になって上記バイメタル素子を加熱して動作させ、上記第１と第２の端子間の通電が遮断し、該電流の遮断後は上記第２のポリマＰＴＣの発熱温度で上記バイメタル素子の復帰を妨げて遮断状態を維持する、
   ことを特徴とする外部操作型サーマルプロテクタ。
6. 上記第２のポリマＰＴＣの
   定格電圧を少なくとも４８Ｖ、
   公称抵抗値を負荷抵抗と同等若しくは１／２以下、
   上記電流遮断後の両端電圧を３０Ｖ以下好ましくは２４Ｖ以下とし、
   上記第１のポリマＰＴＣの
   定格電圧を上記第２のポリマＰＴＣを超えない範囲で設定し、
   上記第２と第３の端子に電流を通電して上記第１のポリマＰＴＣを強制的にトリップ状態として上記バイメタル素子を反転動作させて上記第１と第２の端子間の直流電流を遮断動作させ、
   該遮断後に上記第２のポリマＰＴＣの発熱温度で上記バイメタル素子が復帰することを妨げて遮断状態を維持する、
   ことを特徴とする請求項５記載の外部操作型サーマルプロテクタ。
7. 上記第１の端子と上記第３の端子を上記本体筐体の外部で接続することにより上記第２のポリマＰＴＣを上記第１のポリマＰＴＣと並列に接続し、上記第１及び第２のポリマＰＴＣの合成抵抗を下げることにより、より大きな直流高電圧で電流を遮断する自己保持型としても機能する、
   ことを特徴とした請求項５記載の外部操作型サーマルプロテクタ。

Images