(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱応動素子のスナップ作動により電気回路を開閉するサーマルプロテクタであって、
一方の端部に可動接点が取り付けられ、その反対側の端部に端子が取り付けられた可動板と、
前記可動板の前記可動接点が取り付けられた端部と前記端子が取り付けられた端部において、前記可動板に接合されたバイパス部材と、
スナップ作動により前記可動板の可動接点を移動して、電気回路の開閉を行う熱応動素子と
を備えており、前記バイパス部材は、前記可動板を構成する金属材料よりも導電性が高い異なる金属材料で構成されており、且つ前記可動板と前記バイパス部材は、前記接合した後、熱処理して、前記可動板の金属材料を析出硬化するとともに、前記バイパス部材の金属材料を軟化したものであり、
前記可動板と前記バイパス部材とが、前記可動接点が取り付けられた端部と前記端子が取り付けられた端部との間において、同一の平面形状を有する板材であるサーマルプロテクタ。
【請求項２】
前記可動板の金属材料がステンレス鋼であり、前記バイパス部材の金属材料がアルミニウムである請求項１に記載のサーマルプロテクタ。
【請求項３】
前記バイパス部材と前記可動板とは、前記可動接点が取り付けられた端部及び前記端子が取り付けられた端部以外で接触していない請求項１又は２に記載のサーマルプロテクタ。
【請求項４】
前記バイパス部材の厚さは、前記可動板の厚さの４倍以内である請求項１〜３のいずれか一項に記載のサーマルプロテクタ。
【請求項５】
前記熱応動素子のスナップ作動が１回の単一動作型である請求項１〜４のいずれか一項に記載のサーマルプロテクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーマルプロテクタに関し、さらに詳細には、高温、特に２００℃を超える動作温度で且つ比較的大きな電流定格をもつ温度スイッチとして好適なサーマルプロテクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイメタル素子を熱応動素子として使用し、この素子の所定温度で反転する動作を用いて電気回路を開閉するサーマルプロテクタが知られている。このようなサーマルプロテクタとして、特許文献１には、先端部に可動接点を有し、バネ材からなる可動板と、反転動作する板状の熱応動素子とを端子部で固定し、熱応動素子の先端部によって可動板の可動接点を固定接点に押圧する構成が開示されている。
【０００３】
なお、リレーの構造に関するものであるが、特許文献２には、短絡電流が流れた際の可動板の溶断を防止するため、接点部と可動板取付部の間を可撓性の編組導線で接続することが記載されている。また、特許文献３には、バイメタルに直列に抵抗と接点を持たせた電源スイッチの構造において、バイメタルと抵抗の両端を別のスイッチで短絡することが記載されている。これにより電流による発熱でバイメタルが反転した際、スイッチを閉じる構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８４４０２６号公報
【特許文献２】特開平５−８１９８３号公報
【特許文献３】特開２００４−１３３５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高温用のサーマルプロテクタにおける使用材料の選定は、材料自体の耐熱温度による制限と、これと関連する安全規格での温度上限値による制限がある。サーマルプロテクタの可動板の素材としては、従来、低抵抗材料の代表である銅合金が一般的に使用されているが、銅合金は、高温におけるバネ性の劣化が大きい。具体的には、銅合金は２３０℃に制限されており、バネ用のベリリウム銅もこのような高温域では使用できないという問題がある。
【０００６】
そのため、銅合金の制限領域では、温度制限が４００℃である鉄鋼（鉄及びその合金）が一般的に使用されている。鉄鋼の中でも、バネ材としては、特にステンレス鋼がよく使用され、合金の種類も多く、多様である。しかしながら、ステンレス鋼は共通して固有抵抗が大きく、大電流を流すサーマルプロテクタの可動板に使用すると、通電でのジュール熱の発生が大きく、サーマルプロテクタの作動温度が著しく低下するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、可動板の高温におけるバネ性の劣化を防ぎ、高温においても接点の接触圧力を維持できるとともに、内部抵抗を低く抑え、作動温度の低下を防ぐことができるサーマルプロテクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、熱応動素子のスナップ作動により電気回路を開閉するサーマルプロテクタであって、一方の端部に可動接点が取り付けられ、その反対側の端部に端子が取り付けられた可動板と、前記可動板の前記可動接点が取り付けられた端部と前記端子が取り付けられた端部において、前記可動板に接合されたバイパス部材と、スナップ作動により前記可動板の可動接点を移動して、電気回路の開閉を行う熱応動素子とを備えており、前記バイパス部材は、前記可動板を構成する金属材料よりも導電性が高い異なる金属材料で構成されており、且つ前記可動板と前記バイパス部材は、前記接合した後、熱処理して、前記可動板の金属材料を析出硬化するとともに、前記バイパス部材の金属材料を軟化したものであり、前記可動板と前記バイパス部材とは、前記可動接点が取り付けられた端部と前記端子が取り付けられた端部との間において、同一の平面形状を有する板材である。
【０００９】
前記可動板の金属材料はステンレス鋼が好ましく、前記バイパス部材の金属材料はアルミニウムが好ましい。前記バイパス部材と前記可動板とは、前記可動接点が取り付けられた端部及び前記端子が取り付けられた端部以外で接触しないことが好ましい。前記バイパス部材の厚さは、前記可動板の厚さの４倍以内であることが好ましい。前記熱応動素子のスナップ作動が１回の単一動作型であるサーマルプロテクタとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
このように本発明によれば、可動板とバイパス部材とを所定の端部で接合した後、可動板の金属材料が析出硬化するように熱処理することで、可動板の金属材料の硬度が増加して、サーマルプロテクタが高温となってもバネ性の劣化を防ぎ、接点の接触圧力を維持することができるとともに、導電性の高いバイパス部材を可動板に接合したことで、サーマルプロテクタの内部抵抗が下がり、通電電流によるジュール熱の発生を抑えてサーマルプロテクタの作動温度の低下を防ぐことができる。また、可動板の金属材料を析出硬化する熱処理を行う前に、可動板とバイパス部材とを接合しておくことで、可動板の金属材料は強固な皮膜が無いため、また、バイパス部材の金属材料も形状安定性が良いため、抵抗溶接により容易に接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るサーマルプロテクタの一実施の形態を示す平面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すサーマルプロテクタのバイパス部材（ａ）を示す平面図であり、（ｂ）は図１に示すサーマルプロテクタの可動板を示す平面図である。
【図３】図１に示すサーマルプロテクタの側断面図であり、可動接点が接触している状態を示す図である。
【図４】図１に示すサーマルプロテクタの側断面図であり、可動接点が離反している状態を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るサーマルプロテクタの一実施の形態について説明する。図１〜図４に示すように、本実施の形態のサーマルプロテクタ１は、ベース１０と、熱応動素子であるバイメタル素子２０と、可動板３０と、バイパス部材４０とを主に備えている。
【００１３】
ベース１０は、絶縁性の板状部材であり、表面にバイメタル素子２０、可動板３０およびバイパス部材４０が取り付けられ、裏面にリード線１２が取り付けられている。また、可動板３０およびバイパス部材４０とリード線１２とを電気的に接続するために、ベース１０には、表面から裏面まで貫通する孔１１が設けられている。
【００１４】
バイメタル素子２０は、熱膨張率が異なる２枚の金属板を貼り合わせたものであり、所定の反転温度まで温度が上昇すると、湾曲方向が瞬時に反転する、いわゆるスナップ作動型の熱応動素子である。バイメタル素子２０の反転温度は、１５０℃以上が好ましく、２００℃以上がより好ましい。また、反転温度の上限は、３５０℃以下が好ましく、３００℃以下がより好ましい。バイメタル素子２０は円形の外形を有しており、その中央部分に中心穴２２が設けられている。
【００１５】
また、バイメタル素子２０は動作温度と復帰温度との差が大きい程、出力が大きくなるため、復帰温度を通常の環境では復帰しない温度にして、バイメタル素子２０の動作が１回の単一動作型のサーマルプロテクタ１とすることが好ましい（いわゆる、シングルオペレーションデバイス（ＳＯＤ））。この場合の復帰温度としては、例えば、−３５℃以下が好ましい。ＳＯＤとすることで、異なる金属材料からなる可動板３０とバイパス部材４０との接合部の金属疲労の影響を無視することもできる。
【００１６】
可動板３０は、その先端部に、可動接点３２がベース１０側の面に取り付けられている。また、可動板３０は、その反対側（以下、「端子側」ともいう）の端部に、ベース１０に固定される端子部３１を有している。この端子部３１には、端子側のリード線１２と電気的に接続するための貫通孔３３が設けられている。
【００１７】
可動板３０には、その中央部において、ベース１０から垂直方向に延びる支持軸３４が設けられている。この支持軸３４の先端が、可動板の本体部３０ａと接触して可動板の動きを妨げないように、可動板本体部３０ａの中央部分には逃げ穴３５が設けられている。また、可動板の本体部３０ａには、ベース１０側に向かって突出する突出部３６、３７が、端子部３１および可動接点３２にそれぞれ隣接して設けられている。
【００１８】
バイパス部材４０は、その一方の端部に、ベース１０及び可動板３０に固定される端子部４１を有している。この端子部４１には、端子側のリード線１２と電気的に接続するための貫通孔４３が設けられている。また、バイパス部材４０は、その反対側の端部に、可動板３０の可動接点３２が取り付けられた部分の反対面に固定される可動部４２を有している。バイパス部材は、この端子部４１と可動部４２の間で、可動板３０とは反対側の方向に凸となるように湾曲する形状の本体部４０ａを有しており、可動板３０と接触するのを防ぐ構造となっている。
【００１９】
なお、図１及び図２に示すように、バイパス部材の本体部４０ａは、可動板の本体部３０ａと同一の平面形状を有しているが、特にこれに限定されず、例えば、バイパス部材の本体部４０ａの幅は、可動板の本体部３０ａの幅よりも大きくしてもよいし、小さくしてもよい。
【００２０】
可動板３０は、析出硬化型の金属材料で形成する。析出硬化とは、金属材料に熱処理を行うことで内部に微細な結晶構造が析出することによって起こる硬化をいう。析出硬化型の金属材料としては、析出硬化型ステンレス鋼が好ましい。析出硬化型ステンレス鋼としては、具体的には、例えばＳＵＳ６３１又はＳＵＳ６３２が好ましい。その中でも、冷間圧延後に、４７５℃±１０℃で熱処理をして析出硬化するＣＨ処理を施したＳＵＳ６３１が特に好ましい（ＪＩＳ  Ｇ４３１３）。なお、加工硬化型のステンレス系合金のバネ材を使用すると、３００℃ないし３７０℃の熱処理を行うとバネ性が劣化する。
【００２１】
可動板３０の厚さは、先端部に取り付けられた可動接点３２が接触および離反するように可動板３０のバネ性を維持できる範囲であれば特に限定されないが、例えば、素材にステンレス鋼を用いる場合、板の幅やバイメタル素子の出力にも関係するが、０．１ｍｍから０．２ｍｍが好ましく、０．１５ｍｍが特に好ましい。
【００２２】
バイパス部材４０は、可動板３０よりも柔軟で導電性が高い金属材料であれば、特に限定されないが、アルミニウム等で形成することが好ましい。アルミニウムとしては、高純度アルミニウムが好ましい。高純度アルミニウムとは、本明細書において、アルミニウムの含有量が９９％以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金をいう。具体的には、ＪＩＳ  Ｈ４０００で規定する合金番号１０８０、１０７０、１０５０、１１００、１２００、１Ｎ００の各アルミニウム合金を用いることが好ましい。
【００２３】
バイパス部材４０の厚さは、可動板３０の動作を妨げないような柔軟性を維持できる範囲であれば特に限定されないが、例えば、素材にアルミニウムを用いる場合、板の幅やバイメタル素子の出力にも関係するが、０．１５ｍｍから０．５ｍｍが好ましく、０．３ｍｍから０．５ｍｍが特に好ましい。よって、目安としては、バイパス部材４０の厚さは、可動板３０の厚さの４倍以内とすることが好ましい。なお、バイパス部材４０は、可動板より薄い板材を複数枚重ねて構成しても良い。例えば、厚さ０．１ｍｍのアルミニウム板を３枚重ねてそれら両端を溶接して可動板３０とすることができる。
【００２４】
サーマルプロテクタ１の組み立て方法について説明する。先ず、可動板３０とバイパス部材４０とを接合する。接合は、高温での接続安定性が必要であるため、溶接を行うことが好ましい。このとき、可動板３０としては、強固な皮膜が無い析出硬化の熱処理を施す前の金属材料を用いるので、抵抗溶接を行うことができる。また、バイパス部材４０も、析出硬化の熱処理が施される前の金属材料であるため、可動板３０との硬度差が小さく、抵抗溶接を行うことができる。溶接は、図２に示すように、可動板３０の表面をバイパス部材４０が覆うように重ね合わせ、３箇所の溶接箇所３９で行う。すなわち、端子側では、可動板の端子部３１とバイパス部材の端子部４１が２箇所の接合箇所３９で溶接され、先端側では、可動板の可動接点３２の裏側面とバイパス部材の可動部４２が１箇所の接合箇所３９で溶接される。なお、可動板の貫通孔３３とバイパス部材の貫通孔４３の位置は一致するようにする。
【００２５】
溶接加工後、可動板３０の金属材料を析出硬化するための熱処理を行う。このような熱処理として、例えば、ＳＵＳ３６１のステンレス鋼をＣＨ処理する場合、ＪＩＳ  Ｇ４３１３に準拠し、４７５℃±１０℃で１時間の熱処理を行う。可動板３０の金属材料は、析出硬化が完了すると硬度が増加し、弾性の大きなバネ材になる。一方、バイパス部材４０の金属材料は、例えばアルミニウムの場合、圧延加工によって加工硬化されているが、圧延加工で内部に歪みが発生することで硬化していた状態から、このような熱処理で３００℃以上の高温、特に３７０℃以上を経験すると、再結晶化が進み、内部の歪みが消え、焼き鈍し状態になり軟化して可撓性を得る。このように軟化したバイパス部材は形状安定性が悪く、抵抗溶接は困難である。特に、高純度アルミニウムを用いた場合、完全焼き鈍し状態となり、硬度は初期の１／１０程度まで軟化する。なお、高純度アルミニウムであれば、この焼鈍処理後に時効硬化をする必要はない。
【００２６】
このように組立加工で両者を溶接加工した後、析出硬化条件で熱処理を行うことで、析出硬化したステンレス鋼からなる可動板３０によって、サーマルプロテクタ１のスイッチとして機能上必要な接点接触圧力を得ることができるとともに、電気的には、可動板本体部３０ａをバイパスして可動接点３２と端子部３１を結ぶバイパス部材４０によって、内部抵抗を大幅に下げることができる。また、バイパス部材４０の金属材料は、焼き鈍し状態にあるため柔らかく、可動板３０の動き及びバイメタル素子２０の反転をバイパス部材４０が阻害するのを避けることができる。
【００２７】
次に、熱処理を施した可動板３０とバイパス部材４０の組立品を、バイメタル素子２０およびリード線１２とともに、ベース１０に取り付ける。具体的には、バイメタル素子２０は、可動板本体部３０ａに対してバイメタル素子２０の湾曲が凸となる向きに取り付け、バイメタル素子２０の中心穴２２には、可動板３０の支持軸３４を移動可能に嵌める。バイパス部材の貫通孔４３、可動板の貫通孔３３、ベースの端子側の貫通孔１１および端子側のリード線１２の貫通孔（図示省略）には端子ピン１３を挿入して、端子側のリード線１２を取り付ける。また、ベースの可動接点側の貫通孔１１および可動接点側のリード線１２の貫通孔（図示省略）には、固定接点ピン１４を挿入して、可動接点側のリード線１２を取り付ける。
【００２８】
このようにして組み立てられたサーマルプロテクタ１は、図３に示すように、可動板３０の先端部に設けられた可動接点３２は、ベース１０に設けられた固定接点ピン１４の頭部と接触する。可動板３０は析出硬化熱処理によりバネ弾性が強化されていることから、可動板３０の先端部の可動接点３２とベース１０の固定接点１４との接触圧力を大きくできるとともに、サーマルプロテクタ１が高い温度で使用されてもこの接触圧力の低下を防ぐことができる。
【００２９】
また、このサーマルプロテクタ１は、バイパス部材４０により内部抵抗が大幅に下げられている。例えば、バイパス部材４０がアルミニウムの場合、その抵抗率は２．５×１０-8Ωｍであり、可動板３０がステンレス鋼の場合、その抵抗率は１００×１０-8Ωｍである。すなわち、バイパス部材４０は可動板３０に対して１／４０の抵抗差がある。よって、電流はそのほとんどが固有抵抗の小さいバイパス部材４０を流れる。すなわち、可動接点３２を閉じた状態のサーマルプロテクタ１の内部抵抗は小さくなり、その値はバイパス部材４０のアルミニウムの断面積や長さ、および可動接点や端子部の状態にも関係するが、実際に数分の１以下の抵抗値とすることが可能となる。したがって、より大きな電流をサーマルプロテクタ１に通電することが可能となる。
【００３０】
このサーマルプロテクタ１は、図４に示すように、バイメタル素子２０が所定の反転温度に達すると、反転動作して、ベース１０に対して凸となるように湾曲する。この時、バイメタル素子２０の中央部分はベース１０に接触し、バイメタル素子２０の外縁は可動板３０の突出部３６、３７と接触する。よって、可動板３０はバイメタル素子２０によって押し上げられ、可動接点３２が固定接点ピン１４から離反するように移動する。このような可動板３０の動きは、可動板３０の弾性力によるものであり、バイパス部材４０は、上述したように焼き鈍しにより軟化しているため、可動板３０の動作およびバイメタル素子２０の反転を妨げることはない。
【符号の説明】
【００３１】
１  サーマルプロテクタ
１０  ベース
１１  貫通孔
１２  リード線
１３  端子ピン
１４  固定接点ピン
２０  バイメタル素子
２２  中心穴
３０  可動板
３０ａ  可動板本体部
３１  端子部
３２  可動接点
３３  貫通孔
３４  支持軸
３５  逃げ穴
３６、３７  突出部
３９  溶接箇所
４０  バイパス部材
４０ａ  バイパス部材本体部
４１  端子部
４２  可動部
【図１】
0005470101.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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