WO2016039305A1 - 保護素子 - Google Patents

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Abstract

 本発明は、(i)厚さ方向に沿って貫通する開口部を有するPTC要素と、(ii)PTC要素の両主表面上に位置する第1電極および第2電極とを含んで成る保護素子であって、第1電極が、PTC要素の主表面上からその縁を越えて、開口部の内に向かって延在することを特徴とする保護素子を提供する。本発明の保護素子は、ネジ、かしめ等により固定した場合であっても、PTC要素の膨張が妨げられない、

Description

保護素子
 本発明は、保護素子に関する。
 電子・電気機器に異常が生じた場合、例えば、そのような機器に過剰電流が流れた場合またはそのような機器が異常高温になった場合、その電子・電気機器に流れる電流を遮断する保護素子として、種々の保護素子、例えば、バイメタル素子、温度ヒューズ素子、PTC(positive temperature coefficient)素子等が用いられている。
 近年、電子・電気機器の性能・機能は向上し、それに伴って使用する電力が増加しており、供給電力も大きくなってきている。例えば、車載のシガーライターソケットはパワーソケットとして使用される機会が多くなり、上記のように電子・電気機器が使用する電力が増加していることから、その供給電力は、120Wになりつつある。
特開2009-074795号公報 特開2011-152895号公報
 従来、シガーライターソケットにおける過電流保護は、主にバイメタル素子(例えば、特許文献1)または温度ヒューズ素子(例えば、特許文献2)により行われていた。しかしながら、バイメタル素子は、供給電力が大きくなったことより頻繁に動作してしまい、この頻繁な動作によりバイメタル素子の接点が劣化してしまい、本来の機能を発揮できなくなる虞があることに気づいた。一方、温度ヒューズ素子は、供給電力が大きくなったことより、容易に溶断してしまうことに加え、温度ヒューズエレメントの融点が、シガーライターソケットを構成する樹脂の融点よりも高く、温度ヒューズが溶断する前にシガーライターソケット周辺の樹脂が溶けてしまう虞があることに気づいた。
 上記のような問題を回避するために、本発明者らは、ディスク状のポリマーPTC素子をシガーライターソケットの保護素子として用いることを検討した。ポリマーPTC素子は、バイメタル素子のような機械的な接点を有しないので、動作(トリップ)を繰り返しても、機能の劣化が生じにくい。また、抵抗温度特性を比較的自由に変えることができるので、シガーライターソケットを構成する樹脂の融点よりも低い温度で動作させることができる。
 しかしながら、ディスク状のポリマーPTC素子をネジ(ボルト)またはかしめによりシガーライターソケットに固定した場合、ポリマーPTC要素に圧力がかかり、PTC素子の膨張が妨げられ、本来の機能を発揮できない、あるいは破損する等の不具合があることに更に気づいた。
 従って、本発明の目的は、ネジ、かしめ等により固定した場合であっても、PTC要素の膨張が妨げられない保護素子を提供することにある。
 本発明者らは、さらに鋭意検討を続けた結果、PTC要素の一方の主表面上に位置する電極を、PTC要素が存在しない領域にまで延在させ、この延在部を対象物(例えば、基板、より詳しくはシガーライターソケット)に取り付けることによってポリマーPTC素子全体を対象物に固定することにより、上記の問題点を解消できることを見出し、本発明に至った。
 本発明の第1の要旨において、
 (i)厚さ方向に沿って貫通する開口部を有するPTC要素と、
 (ii)PTC要素の両主表面上に位置する第1電極および第2電極と
を含んで成る保護素子であって、
 第1電極が、PTC要素の主表面上からその縁を越えて、開口部の内に向かって延在する
ことを特徴とする、保護素子が提供される。
 本発明の第2の要旨において、上記の保護素子を含んで成る、電気・電子機器、例えばシガーライターソケットのようなソケットが提供される。
 本発明によれば、ポリマーPTC要素の一方の主表面上に位置する電極が、ポリマーPTC要素が存在しない領域を有するように電極を開口部内にまで延在させ、この延在領域を利用して、PTC要素に圧力をかけることなく、ネジまたはかしめ等で保護素子を固定することが可能になる。このようにPTC要素が存在しない領域で保護素子を取り付けると、PTC要素には取り付けによる力が実質的に作用しないので、トリップ時のPTC要素の膨張が妨げられず、PTC要素は本来の機能を発揮することができる。
図1は、本発明の一の実施態様の保護素子1を第2電極6側から見た平面図を模式的に示す。 図2は、図1の保護素子1の直線x-xに沿った保護素子の厚さ方向の断面図を模式的に示す。 図3(a)は、図1の保護素子1を他の電気要素14に固定した状態の断面図を模式的に示し、図3(b)および図3(c)は、別法により固定した状態の断面図を模式的に示す。 図4(a)~(c)は、それぞれ、切欠部を有するPTC要素の態様の平面図を模式的に示す。 図5は、本発明の一の実施態様のソケット31の斜視図を模式的に示す。 図6は、図5のソケット31を、それを構成する要素に仮に分解したとした場合に得られる分解斜視図を模式的に示す。 図7は、図5のソケット31の絶縁性スペーサー44を斜め下から見た場合の斜視図を模式的に示す。
 本発明の保護素子の一の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
 本発明の一の実施形態である保護素子1は、概略的には、図1および2に示すような構造を有する。具体的には、保護素子1は、PTC要素2、第1電極4および第2電極6を有し、これらは層状かつ円環状であり、即ち、厚さ方向に貫通する開口部を有し、第1電極4および第2電極6の円形の開口部の中心が、PTC要素2の開口部の中心軸上に位置するように、第1電極4、PTC要素2、第2電極6の順に重ねられている。換言すれば、図1において、3つの円形開口部が同心円状に存在する。
 第1電極4の内径は、PTC要素2および第2電極6の内径よりも小さい(尚、内径とは、円環の内側の円形開口部の直径を意味する)。従って、保護素子1において、第1電極4は、PTC要素2の主表面の縁を越えてPTC要素2の開口部8の内に向かって延在している領域(延在部)10を有する。また、第2電極6は、PTC要素の縁を越えて開口部8の内に向かって延在しない。その結果、図1に示されるように、保護素子1を第2電極6側から見た場合、PTC要素2の開口部内に第1電極4の延在部10を見ることができる。
 保護素子1は、図3(a)に示されるように、ネジ(またはボルト)12のような固定部材により、対象物としての他の部材、例えば基板、電気要素等14に固定することができる。この場合、第1電極4と、PTC要素2の内壁面および第2電極6のいずれもが、ネジを介して電気的に接続されないように、ネジ12とPTC要素2および第2電極6とが接触しないように固定する。従って、第1電極の内径は、ネジ径より大きく、かつ、ネジの頭部の径より小さく、また、PTC要素2および第2電極6の内径は、ネジの頭部の径より大きい。また、絶縁性材料(例えば、樹脂)から構成されたネジを用いることにより、第1電極4とPTC要素2の内壁面および第2電極6との電気的接続を防止してもよい。このように固定することにより、固定の為の圧力は、第1電極4のみに作用し、PTC要素2には作用しない。
 別法として、図3(b)に示されるように、円筒状の絶縁要素16を絶縁性スペーサー(ネジが貫通する開口部を有する)として、PTC要素2および第2電極6の開口部に設置し、絶縁要素16を介して保護素子1を固定することにより、第1電極4とPTC要素2の内壁面および第2電極6との電気的接続を防止しながら、PTC素子1を固定することができる。このように固定する場合も、固定の為の圧力は、第1電極4のみに作用し、PTC要素2には作用しない。
 別法として、図3(c)に示されるように、他の電気要素14側から挿入したボルト(ネジ)12と、PTC要素2および第2電極6の開口部に設置したナット20により固定してもよい。この場合も、図3(a)の態様と同様に、第1電極4とPTC要素2の内壁面および第2電極6との、ナット20を介した電気的な接続を防止するために、ナット20をPTC要素2および第2電極6と接触しないように設置するか、または絶縁性材料から構成されたナットを用いる。また、図3(b)の態様と同様に、絶縁性スペーサーを介して固定してもよい。このように固定する場合も、固定の為の圧力は、第1電極4のみに作用し、PTC要素2には作用しない。
 本発明で用いられるPTC要素としては、セラミックPTC要素またはポリマーPTC要素のいずれであってもよいが、ポリマーPTC要素を使用するのが好ましい。ポリマーPTC要素は、セラミックPTC要素と比較して、加工が容易であり、素子自体の抵抗値が低く、一定以上の温度になっても自己破壊が生じにくいという点で有利である。
 上記ポリマーPTC要素は、周知のものを用いることができ、一般的に、導電性充填剤(例えばカーボンブラック、ニッケル合金等)が分散しているポリマー(例えばポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等)を含んで成る導電性組成物を押出して所定のサイズに分割することによって得られる。1つの態様では、PTC要素は、その主表面の少なくとも一方に、薄い層状電極(例えば、箔電極)を有する、いわゆるポリマーPTC素子であってもよい。
 上記PTC要素2の外径は、特に限定されず、用途に応じて適宜選択することができ、例えば、5mm~100mm、10mm~50mm、または15mm~25mmであり得る。
 上記PTC要素2の内径は、第1電極の内径よりも大きければ特に限定されず、例えば、1mm~10mm、好ましくは3mm~8mmであり得る。
 上記PTC要素2の厚みは、特に限定されないが、例えば、0.01mm~5mm、好ましくは0.05mm~3mm、より好ましくは0.1mm~1mmであり得る。
 図1および2に示したPTC要素2は円環状であるが、本発明で用いられるPTC要素は、円環状に限定されず、本発明の目的を達成し得る限り、いずれの形状であってもよい。例えば、図示した態様では、PTC要素の外側輪郭および内側輪郭(即ち、開口部)の形状は円状であるが、これらは、他の形状、例えば、三角形、四角形、五角形などの多角形、楕円、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。また、PTC要素の開口部は、必ずしもPTC要素の中心部に存在する必要はなく、例えば、PTC要素の周辺部にあってよい。
 本発明において、PTC要素の開口部は切欠部を包含する概念として使用している。即ち、別の態様において、開口部は切欠部であってもよい。切欠部の形状および大きさは、本発明の目的を達成し得る限り、特に限定されない。例えば、切欠部は、図4(a)~(c)に示すような形状(図4の符号22)であり得る。PTC要素の平面図において、図1に示す態様では、PTC要素は、輪郭が閉じた開口部を有し、図4に示す態様では、PTC要素は、輪郭が開いた開口部(切欠部)を有する。開口部が切欠部である場合、本発明の保護素子の取り外しを、ネジを完全に外すことなく、緩めるだけで行うことができる点で有利である。
 図示した態様において、PTC要素の開口部は1つであるが、これらは複数、例えば2、3または4つ存在してもよい。
 上記第1電極4の外径は、特に限定されず、例えば、5mm~100mm、10mm~50mm、または15mm~25mmであり得る。好ましくは、第1電極4の外径は、上記PTC要素2と同じ径である。
 第1電極4の内径は、PTC要素2の内径よりも小さければ特に限定されず、例えば、0.8mm~8mm、好ましくは2mm~6mmであり得る。
 第1電極4は、本発明の保護素子を固定するのに十分な剛性を有する厚みを有しており、例えばプレート状、リード状であり得る。第1電極4の厚みは、特に限定されないが、例えば0.1mm~2mm、好ましくは0.2mm~1mmであり得る。
 図1および2に示した第1電極4は円環状であるが、本発明で用いられる第1電極は、円環状に限定されず、本発明の目的を達成し得る限り、いずれの形状であってもよい。例えば、第1電極の外側輪郭および内側輪郭(即ち、開口部)の形状は、他の形状、例えば、三角形、四角形、五角形などの多角形、楕円、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。第1電極の形状は、PTC要素と同様の形状であっても、異なっていてもよく、好ましくは、同様の形状、例えば開口部または切欠部が小さいこと以外は同じ形状である。
 本発明の第1電極は、好ましくはPTC要素の主表面を完全に覆っているが、一部のみを覆っていてもよく、また、PTC要素の主要面上に複数箇所、例えば2、3または4カ所に分かれて設置されていてもよい。また、PTC要素からの延在部は、PTC要素の開口部または切欠部の外縁部全体に存在してもよく、一部にのみ存在してもよい。例えば、図1のように、PTC要素の開口部の外縁部全体に環状に存在してもよいが、一部のみ、例えば弧状に存在してもよい。また、延在部は、PTC要素の開口部に2つ以上、例えば2、3または4つ存在してもよい。
 上記第2電極6の外径は、特に限定されず、例えば、5mm~100mm、10mm~50mm、または15mm~25mmであり得る。好ましくは、第2電極6の外径は、上記PTC要素2と同じ径である。
 上記第2電極4の内径は、上記第1電極4の内径よりも大きければ特に限定されず、好ましくは、上記PTC要素2の内径と同じ径、例えば、1mm~10mm、好ましくは3mm~8mmであり得る。
 図1および2に示した第2電極6は円環状であるが、本発明で用いられる第2電極は、円環状に限定されず、本発明の目的を達成し得る限り、いずれの形状であってもよい。例えば、第2電極の外側輪郭および内側輪郭(即ち、開口部)の形状は、他の形状、例えば、三角形、四角形、五角形などの多角形、楕円、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。第2電極の形状は、PTC要素と同じであっても、異なっていてもよく、好ましくは、同じ形状である。
 本発明の第2電極は、好ましくはPTC要素の主表面を完全に覆っているが、一部のみを覆っていてもよく、また、PTC要素の主要面上に複数箇所、例えば2、3または4カ所に分かれて設置されていてもよい。また、第2電極は、保護素子1を第2電極6側から見た場合に、PTC要素2の開口部内に第1電極4の延在部10を見ることができればよく、一部がPTC要素の縁から延在していてもよい。好ましくは、第2電極の全体は、PTC要素の主表面上に存在する。
 本発明で用いられる第1電極および第2電極は、他の電気要素に接続するための接続部、例えばリードまたは端子、および/または位置決め用の突起または窪みもしくは孔などを有していてもよい。別の態様では、第1および第2電極の少なくとも一方がPTC要素の外側輪郭から外向きに延在する領域を更に有していてもよく、この領域は、端子またはリードとして使用できる。
 本発明において、第1電極および第2電極を構成する材料は、同じであってもよく、または異なっていてもよい。第1電極および第2電極を構成する材料としては、導電性材料であれば特に限定されないが、例えば、導電性金属材料、具体的にはニッケル、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、スズ、チタン、あるいはそれら金属の合金が挙げられる。
 また、本発明において、第1電極および第2電極は、例えば2つ以上の導電性材料層、例えば導電性金属層から構成されていてもよい。
 PTC要素と、第1電極および第2電極との接続方法は、特に限定されず、例えば、圧着、導電性接着材による接着等が挙げられる。また、圧着、メッキなどによりPTC要素の表面に金属層を形成し、この金属層上に別の金属層を溶接(例えば、アーク溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等)または半田付け等により接続して、第1電極または第2電極を形成してもよい。
 本発明の保護素子は、ネジ、かしめ等により電子・電気機器に取り付けることができ、溶接、はんだ、接着剤等を用いる場合と比較して、取り付け、取り外しが容易になる。また、接続に際して、接続部を加熱する必要がないことから、熱に弱い部材に対しても設置することが可能になる。従って、種々の電子・電気機器、例えばシガーライターソケット、掃除機、冷蔵庫などの保護素子として用いることができる。
 従って、本発明は、第2の態様において、上記した本発明の保護素子を含んで成るソケットを提供する。
 以下、本発明のソケットの一の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
 本発明の一の実施形態であるソケット31は、概略的には、図5および6に示すような構造を有する。具体的には、ソケット31は、
 ソケット本体部32と、
 前記ソケット本体部32の外側底面34上に、第1電極36が外側底面上に電気的に接続されるように配置された上記した本発明の保護素子38と、
 上記保護素子38の第2電極42上に、第2電極42の主表面から離隔するように設置された、突出部40を有する絶縁性スペーサー44と、
 絶縁性スペーサー44上に配置された端子46と、
 ソケット本体部32の内側底面上に配置され絶縁部材48と
を含んで成り、これらが、絶縁部材48側から挿入され、保護素子38に接触しないように端子46側まで貫通したボルト52と、端子46側に位置するナット54により固定されている。
 ソケット31において、端子46-(ナット54)-ボルト52は電気的に接続され、電流経路が形成されており、端子46を電源(図示していない)の正極(または負極)に電気的に接続することにより、ボルト52が、ソケット31の正極(または負極)として機能する。端子46-ボルト52間の電気的接続は直接であってもよく、ナット54を介してもよい。また、第2電極42-PTC要素50-第1電極36-ソケット本体部32は電気的に接続され、電流経路が形成されており、第2電極42の端子56を電源の負極(または正極)に接続することにより、ソケット本体部32が、ソケット31の負極端子(または正極端子)として機能する。第1電極36とソケット本体部32とは、これらが直接接触することにより電気的に接続されてもよく、または、他の導電性部材を介して接続されていてもよい。
 ソケット本体部32の形状は、特に限定されず、用途に応じて適宜変更することができる。
 ソケット本体部32は端子としても機能することから、少なくとも一部、好ましくは全部が導電性材料から構成される。導電性材料は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、スズ、チタン、あるいはそれら金属の合金であり得る。
 第1電極36、第2電極42およびPTC要素50は、保護素子38を構成しており、これは上記した本発明の保護素子である。本実施形態においては、保護素子38は、ソケット31の底面形状に対応した形状、即ち円環状であり得る。また、保護素子38の第1電極36は、保護素子38をソケット31上に位置決めするための突起を有していてもよい。第2電極42は、他の電気要素、例えば電源に接続するための端子56を有していてもよい。
 絶縁性スペーサー44は、保護素子38と端子46とを電気的に離隔するために用いられる。絶縁性スペーサー44は、底面に突出部40(図7)を有しており、この突出部は、第2電極42およびPTC要素50の開口部を通り、第1電極36に達して、第1電極36の延在部に接触している。
 絶縁性スペーサー44は、突出部40により保持されており、絶縁性スペーサー44の底面部は、第2電極42から離隔されている。従って、絶縁性スペーサー44の突出部40の高さは、第2電極42およびPTC要素50の厚みの合計よりも大きい。絶縁性スペーサー44の突出部の高さと、第2電極42およびPTC要素50の厚みの合計との差は、PTC要素50がトリップした場合の厚みの増加分よりも大きければよく、例えば10μm以上、好ましくは100μm以上、より好ましくは500μm以上であり得る。
 絶縁性スペーサー44を構成する材料は、絶縁性であれば特に限定されないが、絶縁性樹脂であることが好ましい。絶縁性樹脂は、特に限定されないが、例えば、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素系樹脂、ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)樹脂、ポリカーボネート-ABSアロイ樹脂、PBT(ポリブチレンテレフタラート)樹脂、エラストマー等の樹脂であってもよい。
 端子46は、他の電気要素、例えば電源に接続する機能を有している限りいずれの形状であってもよい。本実施形態において、端子46は、絶縁性スペーサー44の窪みにより位置決めされている。
 絶縁部材48は、ボルト52とソケット本体部32とを電気的に離隔するために用いられる。
 絶縁部材48を構成する材料は、絶縁性であれば特に限定されないが、絶縁性樹脂であることが好ましい。絶縁性樹脂は、特に限定されないが、例えば、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素系樹脂、ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)樹脂、ポリカーボネート-ABSアロイ樹脂、PBT(ポリブチレンテレフタラート)樹脂、エラストマー等の樹脂であってもよい。
 絶縁部材48の形状は、ボルト52とソケット本体部32とを電気的に離隔する機能を発揮し得る限り、特に限定されない。
 ボルト(ネジ)52は、PTC素子38およびソケット本体部32と接触しないように配置され、直接またはナット54を介して、端子46に電気的に接続されている。ボルト52は、他の電気要素に接続するための端子としても機能する。
 ボルト52は端子としても機能することから、導電性材料から構成される。導電性材料は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、スズ、チタン、あるいはそれら金属の合金であってもよい。
 ナット54を構成する材料は、好ましくは導電性材料であり、ボルト52と同じ材料が用いられる。
 以上、本発明を図面を参照しながら説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
 本発明の保護素子は、電子・電気機器に、ねじまたはかしめ等により取り付けることができ、多種多様な電子・電気機器の保護素子として利用できる。
1…保護素子;2…PTC要素;4…第1電極; 
6…第2電極;8…開口部;10…延在部;
12…ネジ;14…他の電気要素;16…絶縁要素;
20…ナット;22…切欠部;31…ソケット;
32…ソケット本体部;34…外側底面;36…第1電極;
38…保護素子;40…突出部;42…第2電極;
44…絶縁性スペーサー;46…端子;48…絶縁部材;
50…PTC要素;52…ボルト;54…ナット;56…端子

Claims (9)

  1.  (i)厚さ方向に沿って貫通する開口部を有するPTC要素と、
     (ii)PTC要素の両主表面上に位置する第1電極および第2電極と
    を含んで成る保護素子であって、
     第1電極が、PTC要素の主表面上からその縁を越えて、開口部の内に向かって延在する
    ことを特徴とする、保護素子。
  2.  第2電極の全体が、PTC要素の主表面上に存在する請求項1に記載の保護素子。
  3.  PTC要素が、ポリマーPTC要素である、請求項1または2に記載の保護素子。
  4.  第1電極が、PTC要素の開口部の外縁部全体に存在することを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の保護素子。
  5.  PTC要素、第1電極および第2電極が、開口部を有することを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の保護素子。
  6.  PTC要素、第1電極および第2電極が、円環状であることを特徴とする、請求項1~5のいずれかに記載の保護素子。
  7.  (i)円環状のPTC要素と、
     (ii)PTC要素の両主表面上に位置する円環状の第1電極および第2電極と
    を含んで成る保護素子であって、
     第1電極の内径が、PTC要素の内径より小さく、
     第2電極の内径が、PTC要素の内径と同じ、またはそれより大きい
    ことを特徴とする、保護素子。
  8.  請求項1~7のいずれかに記載の保護素子を含んで成るソケット。
  9.  ソケット本体部と、
     前記ソケット本体部の外側底面上に、第1電極が外側底面上に電気的に接続されるように配置された請求項1~7のいずれかに記載の保護素子と、
     上記保護素子の第2電極上に、第2電極の主表面から離隔するように設置された、突出部を有する絶縁性スペーサーと、
     絶縁性スペーサー上に配置された端子と、
     ソケット本体部の内側底面上に配置された絶縁部材と
    を含んで成り、これらが、絶縁部材側から挿入され、保護素子およびソケット本体部に接触しないように端子側まで貫通したボルトと、端子側に位置するナットにより固定されている
    ことを特徴とする、請求項8に記載のソケット。
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