JP6423376B2 - 瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクター - Google Patents

Description

本発明は、熱応動素子の反転を利用した電流遮断機構を有するサーマルプロテクターの瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターに関する。

バイメタルを用いるサーマルプロテクターは、従来から電動器、二次電池などの電源回路の保護装置に利用されている。このような保護装置には、高精度な動作設定が可能で、動作温度も比較的自由に設定でき、かつ繰り返し復帰動作できるという利点から、接点開閉式のサーマルプロテクターが用いられる。サーマルプロテクターの基本構成としては、固定接点を有する第１のリード端子と、可動接点を有し、この可動接点を固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２のリード端子と、温度変化に伴って固定接点と可動接点を開閉するように可動アームを作動させるバイメタルと、これら部材を収容する筐体からなる。近年では、特許文献１に記載されたサーマルプロテクターのように、前述の基本構成に加えて、可動接点と固定接点が開離した時に通電されバイメタルの復帰動作を制御するヒーターとしてＰＴＣ（正特性サーミスター）を搭載するものがある。サーマルプロテクターは、各種電子機器の電源ユニットなど狭隘なスペースに実装されることもあり、出来るだけ小型かつ薄型のパッケージサイズのものが望ましい。特に近年は、一段と小型化した携帯型電子機器に対応してサーマルプロテクターのパッケージサイズも極限に近い小型・薄型サイズのものが求められている。

例えば、特許文献１には、固定片３、可動片２、反転型の熱応動素子４、ＰＴＣ素子（正特性サーミスター５）を扁平なケース６に収容したサーマルプロテクター（ブレーカー１）において、正特性サーミスター５及び熱応動素子４は固定片３と可動片２との間に挟まれ、熱応動素子４は正特性サーミスター５の上面５３に被さり、かつ熱応動素子４の片面が反転時に正特性サーミスター５に接触し、もう片面が可動片２に接触する状態で各部材を積層的に配置することで、小型化を実現する技術が開示されている。

特開２００５−１２９４７１号公報

サーマルプロテクターは、固定接点を有する第１リードを設けた筐体容器内に、可動接点を有し、この可動接点を固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２リードと、温度変化に伴って固定接点および可動接点を開閉するように可動アームを作動させるバイメタルなどの熱応動素子と、第１リードに接続され可動接点と固定接点が開離した時に第２リードと接触し通電されて熱応動素子の復帰動作を制御するＰＴＣ素子などの発熱素子を収容し、蓋体で筐体容器の開口部を封口して構成される。ところが、サーマルプロテクターの搭載機器が稼働中に落下した場合などに、落下の衝撃によってバイメタルやＰＴＣ素子が跳躍し、バイメタルやＰＴＣ素子が可動アームに衝突する際の衝撃力が可動アームの弾発力を上回ったときに瞬間的に接点開離し、電源からの電力供給が極短い時間（数マイクロ秒から数百マイクロ秒）絶たれてしまう瞬断の惧れがあった。例えば、小型ＰＣやスマート・フォンなどにおいて、使用中に落下した場合などに衝撃により瞬停が発生し易い。瞬断は、小型ＰＣやスマート・フォンなどの携帯機器において、以下のような悪影響を及ぼす。例えば、コンピュータ上で動作しているプログラムは、通電中のみ記憶しつづける揮発メモリにデータを保持している。そのため、電力の瞬断が発生するとデータを消失してしまう可能性がある。また、ハードディスクなどは不揮発性の補助記憶装置であるが、精密に出来ているため読み書き時に瞬断が発生すると、アームが記録媒体に接触するなどの理由により記録媒体を破損してしまう可能性がある。通信中の瞬断の場合、その時点である二点間のコネクションが切断され、通信を再開するためには再びハンドシェイク手続きから接続をやり直さなければならないことが多い。自動でそのような再接続処理を行わないシステムの場合、瞬断の時点でコネクションが切れたまま再接続が行われないため、データ交換などに大きな影響が出る。

本発明は、上述の課題を解消するために提案されたものであり、熱応動素子の反転による電流遮断機構を有するサーマルプロテクターにおいて、落下衝撃などの外力を受けて接点が瞬間的に開離しても該サーマルプロテクターの被保護デバイスが瞬断しないよう防止する瞬断保護回路、および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターを提供することを目的とする。

本発明によると、熱応動素子を用いて接点を開閉動作させ、付帯した第一のＰＴＣ（正特性サーミスター）素子を用いて熱応動素子の復帰動作の制御を行うサーマルプロテクターと、このサーマルプロテクターと並列に電気接続された第二のＰＴＣ（正特性サーミスター）素子とを備えた瞬断保護回路が提供される。瞬断保護回路を構成する第二のＰＴＣ素子は、該サーマルプロテクターを実装するプリント配線板などの外部基板に実装されても、

また、本発明の別の観点によると、パッケージと、このパッケージに設けた固定接点を有する第１電極と、可動接点を有しこの可動接点を固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２電極と、温度変化に伴って固定接点および可動接点を開閉するように可動アームを作動させる熱応動素子と、第１電極に接続され固定接点と可動接点が開離した時に第２電極と接触し通電されて熱応動素子の復帰動作を制御する第一のＰＴＣ（正特性サーミスター）素子とを備え、さらに該固定接点および該可動接点からなる接点対と並列に電気接続された第二のＰＴＣ（正特性サーミスター）素子を備えた瞬断保護装置付きサーマルプロテクターが提供される。

本発明に係る瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターにおいて、第一のＰＴＣ素子は、温度異常によって可動接点と固定接点から構成される接点対が開離した時に通電され、異常が解消するまで抵抗発熱を利用して熱応動素子の復帰動作を制御する機能を有する。一方、第二のＰＴＣ素子は、装置の落下衝撃などによってサーマルプロテクターの該接点対に瞬断が発生した時の通電補償に用いられる。第二のＰＴＣ素子を可動接点と固定接点からなる接点対に並列に設けたことにより、万一、被保護デバイス落下などの衝撃で該接点対が瞬間的に開離した場合でも、第二のＰＴＣ素子がバイパス経路を形成するので被保護デバイスの通電は保たれる。

本発明に係る瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターは、サーマルプロテクターの固定接点および可動接点の接点対に並列接続された第二のＰＴＣ素子を備えたことで、落下時の衝撃などによりサーマルプロテクターの接点対が一時的に開離しても、その間、第二のＰＴＣ素子がバイパス経路を形成するので、サーマルプロテクターの保護機能を損なうことなく通電を維持することができ瞬断を防止する。しかも、バイパス経路がＰＴＣ素子から構成されているので、サーマルプロテクターの保護素子としての機能に影響を及ぼすことが無い。

本発明に係る瞬断保護回路１０の回路図を示し、（ａ）は平常時の回路を表す、（ｂ）は落下衝撃などの外力を受けて瞬間的に接点が開離した状態の回路を表す、（ｃ）はサーマルプロテクターが保護動作中の回路を表し、サーマルプロテクターが温度異常を検知して、熱応動素子が接点対を開離させ第一のＰＴＣ素子を通電発熱させている状態を示す。 本発明に係る瞬断保護装置付きサーマルプロテクター２０を示し、（ａ）は正面断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のパッケージ２１の蓋体と可動アーム２５および熱応動素子２７を取り除いて俯瞰した平面図を示す。 本発明に係る瞬断保護装置付きサーマルプロテクター３０を示し、（ａ）は正面断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のパッケージ３１の蓋体と可動アーム３５および熱応動素子３７を取り除いて俯瞰した平面図を示す。 本発明に係る瞬断保護装置付きサーマルプロテクター４０を示し、（ａ）は正面断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のパッケージ４１の蓋体と可動アーム４５および熱応動素子４７を取り除いて俯瞰した平面図を示す。

本発明に係る瞬断保護回路１０は、図１に示すように、接点を開閉動作させる熱応動素子と、該熱応動素子の復帰動作の制御を行う第一のＰＴＣ素子１１とを有するサーマルプロテクター１２と、このサーマルプロテクター１２と並列に電気接続された第二のＰＴＣ素子１３とを備える。瞬断保護回路１０の熱応動素子は、所定温度で変形または変位して接点を開閉動作できればよく、例えばバイメタル、形状記憶合金などが好適に利用できる。また、本発明に係る第二のＰＴＣ素子１３の実装形態は、図１に示す並列回路を構成できればよく、例えば、プリント配線板などの基板上に並列実装して用いてもよいし、単一部品に組み込んで内蔵させてもよい。

本発明に係る瞬断保護装置付きサーマルプロテクター２０は、例えば図２に示すように、パッケージ２１と、このパッケージ２１に設けた固定接点２２を有する第１電極２３と、可動接点２４を有しこの可動接点２４を固定接点２２に押圧して接触させる可動アーム２５と、この可動アーム２５に電気接続した第２電極２６と、温度変化に伴って固定接点２２および可動接点２４を開閉するように可動アーム２５を作動させるバイメタルまたは形状記憶合金などの熱応動素子２７と、第１電極２３に接続され固定接点２２と可動接点２４が開離した時に第２電極２６と接触し通電されて熱応動素子２７の復帰動作を制御する第一のＰＴＣ素子２８とを備え、さらに該固定接点２２および該可動接点２４からなる接点対と並列に電気接続された第二のＰＴＣ素子２９を備える。なお、本発明の瞬断保護装置付きサーマルプロテクターは、本発明に係る瞬断保護回路を具備した保護素子であればよく、その形状は任意である。

本発明に係る瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターの第二のＰＴＣ素子１２は、第一のＰＴＣ素子のトリップ動作および発熱制御を妨げなければどのようなものでもよい。例えば、第二のＰＴＣ素子の室温抵抗Ｒ２は、第一のＰＴＣ素子の室温抵抗Ｒ１と同等か、より小さい電気抵抗のものが好ましい。さらに第二のＰＴＣ素子のトリップ温度Ｔ２は、第一のＰＴＣ素子のトリップ温度Ｔ１と同等か、より低い温度のものが好ましい。なお、ＰＴＣ素子の室温抵抗とは２５℃における電気抵抗値をいう。

本発明に係る実施例１の瞬断保護回路１０は、図１に示すように、Ａｇ合金の接点を開閉動作させるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金の高熱膨張金属材料とＮｉ−Ｆｅ合金の低熱膨張金属材料とを積層させたバイメタルからなる熱応動素子と、該熱応動素子の復帰動作の制御を行う室温抵抗（Ｒ１）１２Ω±３０％、トリップ温度（Ｔ１）８５℃の第一のＰＴＣ素子１１を有するサーマルプロテクター１２と、このサーマルプロテクター１２と並列に電気接続された室温抵抗（Ｒ２）２．２Ω±２０％、トリップ温度（Ｔ２）８５℃の第二のＰＴＣ素子１３を備える。

本発明に係る実施例２の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター２０は、実施例１の瞬断保護回路１０を実装したサーマルプロテクターであって、図２に示すように、プラスチック製筐体およびその開口を覆って封止した蓋体からなるパッケージ２１と、このパッケージ２１に設けたＡｇ合金の固定接点２２を有するＣｕ合金製第１リード２３と、Ａｇ合金の可動接点２４を有しこの可動接点２４を固定接点２２に押圧して接触させる弾発性Ｃｕ合金からなる可動アーム２５と、この可動アーム２５に電気接続したＣｕ合金製第２リード２６と、温度変化に伴って固定接点２２および可動接点２４を開閉するように可動アーム２５を作動させるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金の高熱膨張金属材料とＮｉ−Ｆｅ合金の低熱膨張金属材料とを積層させたバイメタルからなる熱応動素子２７と、第１リード２３に接続され固定接点２２と可動接点２４が開離した時に第２リード２６と接触し通電されて熱応動素子２７の復帰動作を制御する第一のＰＴＣ素子２８とを備え、さらに該固定接点２２および該可動接点２４からなる接点対と並列に電気接続された第二のＰＴＣ素子２９を備える。

ここで、本発明の瞬断保護装置付きサーマルプロテクターと、従来のサーマルプロテクターの耐瞬断性を比較するため、実施例２の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター２０を実装したスマート・フォン２０台と、従来のサーマルプロテクターを実装したスマート・フォン２０台を用意し、それぞれ充電した後、電源を入れた状態で１メートルの高さから本体６面及び４角から各１回落下させて、電源ＯＦＦ（瞬断）が発生した台数を計数した。その結果、従来のサーマルプロテクターを用いたスマート・フォンは、２０台のうち８台に落下衝撃により瞬断が発生した。これに対し、実施例２の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター２０を用いたスマート・フォンは、何れも瞬断の発生は無かった。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるわけではなく、本発明の趣旨に反しない限りその他種々の変更が可能である。例えば本発明の瞬断保護装置付きサーマルプロテクターは、図３の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター３０ように、第二のＰＴＣ素子３９を、第２リード３６と、該第２リード３６の下側まで延伸させた第１リード３３との間に取り付けてもよい。また、図４の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター４０ように、第二のＰＴＣ素子４９をパッケージ４１に収容させてもよい。

本発明の瞬断保護回路および瞬断保護装置付きサーマルプロテクターは、各種電源の保護装置、例えば、電源装置や電池パックなど２次電池の保護装置などに利用できる。

１０・・・・瞬断保護回路、
１１・・・・第一のＰＴＣ素子、
１２・・・・サーマルプロテクター、
１３・・・・第二のＰＴＣ素子、
２０、３０、４０・・・・瞬断保護装置付きサーマルプロテクター、
２１、３１、４１・・・・パッケージ、
２２、３２、４２・・・・固定接点、
２３、３３、４３・・・・第１電極（第１リード）、
２４、３４、４４・・・・可動接点、
２５、３５、４５・・・・可動アーム、
２６、３６、４６・・・・第２電極（第２リード）、
２７、３７、４７・・・・熱応動素子、
２８、３８、４８・・・・第一のＰＴＣ素子、
２９、３９、４９・・・・第二のＰＴＣ素子、
Ｒ１・・・・第一のＰＴＣ素子の室温抵抗値、
Ｒ２・・・・第二のＰＴＣ素子の室温抵抗値、
Ｔ１・・・・第一のＰＴＣ素子のトリップ温度、
Ｔ２・・・・第二のＰＴＣ素子のトリップ温度。

Claims (3)

1. パッケージと、このパッケージに設けた固定接点を有する第１電極と、可動接点を有しこの可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続した第２電極と、温度変化に伴って前記固定接点および前記可動接点を開閉するように前記可動アームを作動させる熱応動素子と、前記第１電極に接続され前記固定接点と前記可動接点が開離した時に前記第２電極と接触し通電されて前記熱応動素子の復帰動作を制御する第一のＰＴＣ素子とを備え、さらに前記固定接点および前記可動接点からなる接点対と並列に電気接続された第二のＰＴＣ素子を備えたことを特徴とする瞬断保護装置付きサーマルプロテクター。
2. 前記第二のＰＴＣ素子の室温抵抗は、前記第一のＰＴＣ素子の室温抵抗と同等か、より小さい電気抵抗としたことを特徴とする請求項１に記載の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター。
3. 前記第二のＰＴＣ素子のトリップ温度は、前記第一のＰＴＣ素子のトリップ温度と同等か、より低い温度としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の瞬断保護装置付きサーマルプロテクター。
   

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