JP2004014434A - 直流電流遮断スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】小型の構成で、接点を溶融させたり損傷することなく高電圧での直流大電流を安全に遮断するスイッチを提供する。
【解決手段】直流電流遮断スイッチ１は固定接点４−２と可動接点８−２とで形成される接点回路に、非線形抵抗素子としてのＰＴＣ５がその電極５−１により並列に接続されている。２５℃を基準とする所定の抵抗値を有するＰＴＣ５にはスイッチが閉じているときは両電極５−１間の電圧はほぼ「０」であり電流は流れない。接点間の電流を遮断するためにスイッチを開いたとき、固定接点４−２と可動接点８−２間に並列に接続されているＰＴＣ５により接点部は閉開路となっていてサージ電圧は発生しにくく、開放された両接点間にアークは殆ど発生しない。ＰＴＣ５は、通過する電流で瞬時に発熱して抵抗値を下げ、ピーク電流を流した後、抵抗値を上昇させ、定格電圧である４２Ｖでは無視できる程度の微弱な電流を通す高い抵抗値で安定し、実質的に電流は遮断される。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電流遮断スイッチに係わり、更に詳しくは高圧電流回路の接点開放アークの発生時間を短く抑えて接点の溶融を防止し且つ損傷を低減させる直流電流遮断スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば自動車の電装品、或いは充電電池で駆動する電子製品等において直流電源の電流回路の通電と遮断に使用されるスイッチがある。このようなスイッチが使用される従来の自動車の電装品を駆動する電源は、ＤＣ１２ＶかＤＣ２４Ｖのものが主流であり、また充電電池を使用する携帯型の電子機器も、その電源はＤＣ１２Ｖ程度が主流であった。
【０００３】
また、高い出力が要求される例えば電動工具のようなものでさえ、ＤＣ１８Ｖか２４Ｖ程度の電力で十分駆動が可能なものばかりであり、このような電源のスイッチとしては、従来からあるスイッチが何等の支障もなく、そのまま使用されてきた。
【０００４】
ところが、近年、自動車電装品の高電圧化や、充電電池を使用する機器における製品分野の拡大、あるいは性能の強力化された電気掃除機のような家電製品、更には電動自転車等の新製品の開発等により、それらの電動部の電源に強い出力が要求されるようになってきた。そして、そのような電源のより強い出力が要求されることに対応して、電源の高電圧化が必要となっている。
【０００５】
現在、このような製品に使用される電源の電圧として、一般に高電圧といわれる電圧は３０Ｖ以上を指しており、世界的な規格において安全性の点で上限とされる電圧は４２Ｖである。この点から、上述した各種の電気製品において要求される強い駆動出力を実現するために必要な安全な電源の電圧は３０〜４２Ｖの範囲の高電圧と考えられている。また、機器内部で使用される商用電源電圧を整流して得られる直流は更に高く、１４０Ｖから３００Ｖにも及ぶ。
【０００６】
そして、電流回路のスイッチにおいても、上記のような高電圧の電源の通電と遮断に使用可能なように、高電圧大電流への対応が必要となってきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直流の場合、大電流の遮断時には、開放されるスイッチの接点間に発生するアークの影響が、電源の電圧が高くなるにつれ大きくなることが知られている。例えば、電源電圧がＤＣ４２Ｖの場合、電流が１０Ａ程度であっても、従来のスイッチで電源を遮断すると、一般に通電時の電圧より接点開放時の電圧が高くなってアークが発生しやすくなる。またアークが発生しやすいばかりでなく、アークの継続時間も長くなることが知られている。
【０００８】
これは、電圧が３０Ｖ近傍の電圧の場合であっても、例えば５０Ａの大電流が使用されている場合、または、例えばモータやリレーのようなコイルを使用した誘導性の高い負荷が駆動されている揚合に、これらの電流回路を従来のスイッチで遮断した場合も同様にアークが発生しやすく、且つその継続時間が長くなる。これは、そのような高電圧大電流を遮断すると大きなサージ電圧が発生するためである。
【０００９】
このような現象は、電流遮断時に開放される接点間の間隔が小さかったり、接点間のアークが一定以上大きくなったりすると、特にはなはだしくなり、一旦接点間で発生したアークは瞬時に切れることがなく、数十ミリ秒もの間、継続する場合か多い。このようにアークが数十ミリ秒も継続すると、アークは高熱を発生するものであるから、接点を溶融させて接点間に溶着を起こし回路を短絡させたり、また、うまく接点間が解放状態で停止しても、周囲の絶縁部材がアークの熱で溶融、発煙、発火等の不具合を引き起こす虞が多分にあるという問題が発生してきた。
【００１０】
勿論、スイッチの接点間の開放間隔を大きく採るようにすれば、少なくとも接点間の溶着の問題は解消する。また、アークの発生継続時間も短縮される。しかし発生継続時間が短縮されるとはいえ接点間の開放直後のアークは発生しているのであるから、接点の溶融の問題は解消しない。つまり電流遮断の度に接点の溶融が発生して接点が変形し、スイッチの寿命が短縮される。
【００１１】
また、スイッチの接点間の開放間隔を大きくするということは、スイッチ本体の構造を大型化することに直結する。近年、全ての電子機器において電動部分の小型化が推進されている風潮の中で、スイッチの大型化は第１に避けねばならぬ事柄である。
【００１２】
もっとも、接点間のスパークを解消または低減させる方法として、接点間に抵抗を接続する方法が知られている。しかし、スパークを解消または低減させるほどの電流を通じさせる抵抗の抵抗値はかなり低いといわざるを得ない。このように低い抵抗値の抵抗が接点が開いた後も接点間に接続されたままであると、漏れ電流の累積量が無視できないほど大きく不経済である。
【００１３】
また、サージ電圧（又はサージ電流）を吸収するサージ電圧吸収素子も種々知られている。例えば、バリスタ、シリコンサージアブソーバ、あるいは放電を利用したガスアレスタ等が知られている。しかし、これらは、いずれも使用電圧とは異なる異常時の大きな値のサージ電圧をサージ制限電圧まで吸収して、上記の使用電圧で駆動される回路を異常なサージ電圧から保護するためのものであり、元来、スイッチ開閉時のような使用電圧と大差のない値のサージ電圧を吸収するものではない。
【００１４】
このようなサージ電圧吸収素子の使用上の目的から、サージ電圧吸収素子の機能上の特性としては、サージ制限電圧に対して使用電圧の範囲を狭くし、この狭い使用電圧の範囲とサージ制限電圧までの差を安全上のマージンとして設定されている。
【００１５】
したがって、使用電圧とは異なる異常時の大きな電圧を吸収するように且つ使用電圧とサージ制限電圧との間に安全上のマージンが設定されている特性を有するサージ電圧吸収素子を、通常のスイッチの接点間に使用しても、スイッチ開閉時のサージ電圧は使用電圧と大差のない値の電圧であるから、サージ電圧吸収素子は動作することがなく、つまり、サージ電圧を吸収するという機能を果たすことができない。
【００１６】
また、上記外に過大電流防止用の素子の一つとして、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が知られている。ＰＴＣは初期時に大電流が流れ、その後減衰して微小電流に抑えれれるという特性を有している。したがって、過大電流防止用のみらなず、温度上昇の早い発熱体としても使用されており、また、初期にのみ大電流を必要とする機器、例えばカラーテレビの消磁用コイルへの通電用、あるいはモータ起動用の無接点スイッチとしても使用されている。いずれにしても、ＰＴＣは、電流遮断時のサージ電流吸収素子として使用されたことはないし、また、そのように考慮されたこともない。
【００１７】
一般に、サージ電圧吸収素子は、より高い電圧で自己発熱により抵抗値を下げてサージ電圧を吸収する性質のものであるため、更なる過電圧に対しては最悪の場合熱暴走して自己破壊を起こし、このため、保護すべき回路が短絡状態となる危険性を持っている。したがって、この点からも、従来のサージ電圧吸収素子は、スイッチの接点に発生する電源電圧より遥かに高いサージ電圧を吸収する素子としてしか考慮の対象にならなかったものである。
【００１８】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、リレー型、サーマルプロテクタ型を問わず、小型の構成であって、高電圧での直流大電流を、接点を溶融させたり損傷することなく安全に遮断するスイッチを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わる直流電流遮断スイッチの構成を述べる。
本発明の直流電流遮断スイッチは、絶縁部材を介在させて設けられた導電性の固定部材と可動部材とを有し、上記固定部材は所定の位置に形成された固定接点を有し、外部回路の接続に接続する為の端子部に連結され、上記可動部材は上記固定接点に対向する位置に形成された可動接点を有し、上記外部回路に接続する為の端子部に連結され且つ上記固定接点に対し上記可動接点を押圧又は開成すべく動作可能に構成され、上記固定接点に接触中の上記可動接点を上記固定接点から開成させるよう上記可動部材を動作させることにより上記外部回路に接続する端子間を流通する直流電流を遮断する直流電源遮断スイッチであって、任意の柱形を成し該柱形の対抗面に電極をそれぞれ有しこれらの電極により上記固定接点と上記可動接点とで形成される接点回路と並列に接続された非線形抵抗素子を有し、該非線形抵抗素子は上記可動接点の開成により上記直流電流が遮断されるとき接点間電圧が０Ｖから電源電圧に移行する間に最小抵抗値を示す抵抗値変動領域を有する特性を備えて構成される。
【００２０】
この直流電流遮断スイッチは、例えば請求項２記載のように、上記非線形抵抗素子はＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、上記可動接点の開成による上記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は２８Ｖから４８Ｖの範囲であるように構成される。
【００２１】
また、上記ＰＴＣは、例えば請求項３記載のように、熱暴走しない範囲の上限電圧又は極小点が８０Ｖ以上の範囲にある電圧・電流特性を有して構成され、この場合、例えば請求項４記載のように、上記熱暴走しない範囲の電圧に対するピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有して構成される。
【００２２】
また、上記外部回路は、例えば請求項５記載のように、直流４２Ｖ定格の回路又は誘導負荷を駆動する回路であることが好ましい。
また、上記可動部材は、例えば請求項６記載のように、バイメタルによって駆動されるように構成して良く、この場合、上記外部回路は２８Ｖを越える２次電池パックの充電側回路又は充放電回路であり且つ充電時又は充放電時の上記可動接点の開成による開放電圧が５０Ｖを越えない範囲の定格回路であるように構成されていることが好ましく、更にこの場合、上記ＰＴＣは、例えば請求項７記載のように、Ｔｃ（キューリー温度）が上記バイメタルの動作温度より高い値に設定されて構成されることが好ましい。
【００２３】
また、上記可動部材は、例えば請求項８記載のように、電磁コイルによって駆動されるように構成してもよい。
そして、上記非線形抵抗素子は、例えば請求項９記載のように、上記固定接点又は上記可動接点と上記接続端子部との中間部に設けられ、上記可動接点の開成時に接点間に発生するアークが２ミリ秒以上継続することを防止するように構成される。
【００２４】
また、上記非線形抵抗素子をＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）で構成し、例えば請求項１０記載のように、上記可動接点の開成による上記直流大電流の遮断時における接点開放電圧を１３０Ｖから３１０Ｖの範囲であるように設定することもできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。尚、本発明の直流電流遮断スイッチは、特別な特性を有して構成されたＰＴＣを内蔵するが、このＰＴＣの特性については後述する。
【００２６】
図１は、一実施の形態における直流電流遮断スイッチとしてのサーモスタットの側断面図と、このサーモスタットが接続される外部回路を示す図である。
図２は、上記サーモスタットの内部構成を示す分解斜視図である。これらの図１及び図２に示すように、サーモスタット１は、先ず、ハウジング２と、このハウジング２の一内壁面に固定された枠状の支持部材３と、この支持部材３の底部とハウジング２の上記一内壁面との間に介装された導電性の固定部材としての固定板４を備えている。また、支持部材３の枠内には、非線形抵抗素子としての四角柱形のＰＴＣ５が収容されている。
【００２７】
尚、このＰＴＣ５の形状は、四角柱形に限ることなく、三角柱、あるいは五角以上の多角柱、あるいは円柱等の任意の柱形であってよい。
上記の固定板４は、外部回路６の接続端子７（７−１、７−２）の一方の端子７−１に連結されるべく形成された接続端子部４−１と、所定の位置（同図に示す例では接続端子部４−１とは反対側の端部近傍）に形成された固定接点４−２とを備えている。また、固定板４は、枠状の支持部材３の下部開口部に露出する接続面４−３を備えている。この接続面４−３は、ＰＴＣ５の一方（下面）の電極面５−１と接続している。
【００２８】
支持部材３の枠の両側（固定板４の接続端子部４−１と固定接点４−２とを結ぶ線に直交する方向の両側）上面には、中程から固定接点４−２側に下向きに傾斜する斜面３−１が形成され、これら斜面３−１の終端に連結する枠端の上面中央にはバイメタル支点突起３−２が形成され、上記両側の傾斜していない面には後述する可動板と押え板とに係合してこれらを位置き決めする係合突起３−３が形成されている。
【００２９】
図２に示すように、これら固定板４、支持部材３、及びＰＴＣ５の上に重ねて導電性の可動部材としての可動板８が配置される。可動板８には、上記の外部回路６の接続端子７の他方の端子７−２に連結されるべく形成された接続端子部８−１と、固定板４の固定接点４−２に対向する位置に形成された可動接点８−２を備えている。
【００３０】
この可動板８は、支持部材３の係合突起３−３に係合する係合切り込み８−３によって位置決めされて固定される固定部８−４と、この固定部８−４に２つの折り目８−５を介して連結する二股状連結部８−６を有する可動部８−７からなる。
【００３１】
上記の固定部８−４には、その外端部に前述した接続端子部８−１が形成されており、これに対向する内端部８−８は、上記可動部８−７の二股状連結部８−６の切り込み部８−９内に突出して形成されている。この内端部８−８の下面はＰＴＣ５の他方（上面）の電極面５−２に接続される。
【００３２】
そして、上記の可動部８−７には、外端部には、上方内側に折り込まれた形でバイメタル係止爪８−１０が形成され、その近傍内側に前述した可動接点８−２が下方に凸状に形成されている。その更に内側つまり固定部８−４寄りに、バイメタル支点突起挿通孔８−１１が形成されている。
【００３３】
バイメタル９は、常に反りを有する二枚重ねの金属片からなり、所定の温度を界目として反りが反転するようになっている。このサーモスタット１の通常の使用温度内では、バイメタル９の反りは上に凸状であり、その一端が可動板８のバイメタル係止爪８−１０に係合して可動板８に係止し、他端は押え板１０により可動板８の固定部８−４上に挟み付けられ、更に押え板１０の２つの係合切込み部１０−１が支持部材３の係合突起３−３にそれぞれ係止することにより、バイメタル９の他端は可動板８の固定部８−４と共に支持部材３の傾斜していない上面部に固定される。
【００３４】
この状態で上述したようにサーモスタット１の通常の使用温度内ではバイメタル９の反りは上に凸状であることにより、図１に示すように、可動板８のバイメタル係止爪８−１０側の端部は、バイメタル９によって下方に付勢され、これにより可動板８端部の可動接点８−２が、固定板４の固定接点４−２に押圧されて接触している。すなわち、スイッチとしてのサーモスタット１は閉じている。
【００３５】
ここで、周囲に何らかの異常が発生し、サーモスタット１の通常の使用温度を超える温度がバイメタル９に伝達されると、バイメタル９は反りを反転させて上に凹状に形態を変化させる。これにより可動板８の可動部６−７がバイメタル係止爪８−１０を介して上方に持ち上げられ、可動接点８−２が固定接点４−２から離隔し、両接点間が開成される。
【００３６】
このように、可動板８は、固定接点４−２に対し可動接点８−２を押圧又は開成すべく動作可能に構成されている。
このサーモスタット１が接続される外部回路６は、図１に模式的に示すように電源１１、負荷１２、電源スイッチ１３からなり、前述した接続端子７（７−１、７−２）を備えている。
【００３７】
図３（ａ）は、図１のサーモスタット１と外部回路６の接続関係を回路図で示す図であり、図３（ｂ）は、サーモスタット１のスイッチが開いた状態を示す図である。尚、図３（ａ）には、図１及び図２と同一の構成部分には図１及び図２と同一の番号を付与して示している。また図３（ｂ）は、スイッチが開いていること以外は、同図（ａ）と同一の構成であるので、説明に必要な構成部分にのみ番号を付与して他の構成部分への番号は図示を省略している。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、ＰＴＣ５は、その電極５−１により、固定接点４−２と可動接点８−２とで形成される接点回路と並列に接続されている。
この非線形抵抗素子としてのＰＴＣ５は、同図（ａ）に示すようにサーモスタット１のスイッチが閉じているときは、両電極５−１間の電圧はほぼ「０」であり、したがって、２５℃を基準とする所定の抵抗値を有するＰＴＣ５には電流は流れない。
【００３９】
ここでサーモスタット１のスイッチが、上述したような周囲の条件の変化によって、同図（ｂ）に示すように開くと、固定接点４−２と可動接点８−２間にはＰＴＣ５が接続されているので、接点が開放しても全体の回路は閉回路であり、したがってサージ電圧を発生しにくい。
【００４０】
また、ＰＴＣ５には電源電圧が印加されるので、ＰＴＣ５は瞬時に発熱し、その発熱によりＰＴＣ５の特性に基づく所定のピーク電流が流れる抵抗値までその抵抗値を下げるので、サージ電流を発生させにくい。
これにより、固定接点４−２と可動接点８−２間にはサージ電圧による電流が流れることがなく、すなわち、固定接点４−２と可動接点８−２間にアークは発生しない。
【００４１】
ＰＴＣ５には、そのまま電流が流れることにより更に発熱して、今度は抵抗値が上昇する。
図４は、上記のような特性（電圧・電流特性）を有するＰＴＣ５を得るために特性の異なる種々のＰＴＣを試料として試作し、実験により、それらの電圧と電流の関係を調査し、調査結果をプロットして得られた電圧・電流特性図である。同図は横軸に電圧（Ｖ）を示し、縦軸に電流（Ａ）を示している。また、同図は横軸、縦軸ともに目盛りを対数で示している。
【００４２】
図５は、上記の電圧・電流特性図から得られる各ＰＴＣの主要な特性を分かりやすく数値で示した図表である。図４に示す電圧・電流特性図の各特性曲線の左端に示す抵抗値は、２５℃のときの抵抗値を示している。この２５℃という環境温度条件における抵抗値は、非線形抵抗素子であるＰＴＣを特化して識別するための基準とされている。
【００４３】
図４の電圧・電流特性図の各特性曲線の左端に示す抵抗値７Ω、１５Ω、３０Ω、５０Ω、３０Ω、５０Ω、１００Ω、２００Ω、３００Ω、５Ｋ（５０００）Ω、及び１０（１００００）Ωの抵抗値のＰＴＣには、図５に示すように、それぞれＮｏ．１からＮｏ．１１までの試料番号を付与してある。
【００４４】
ここでＰＴＣの熱暴走を含む特性に関して説明する。ＰＴＣの特性については電源電圧が１００Ｖや２００Ｖの場合、初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のものが使用され、この場合の電圧・電流持性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置は５０Ｖ以上の特性のＰＴＣとなる。このようなＰＴＣを直流の高電圧（３０〜４２Ｖ）に使用した揚合、遮断時に発生するアークに対しては抵抗の低下を伴わず、固定抵抗が接続されているのとほぼ同じ状況となり、負荷抵抗とで分圧されるサーモスタット両端の電圧があまり低下しないため、アークを小さくすることかできない。
【００４５】
これに対しＰＴＣの設定を、電圧・電流特性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置を直流の上記電圧すなわら５０Ｖより低い値に設定すると、サーモスタット遮断時のＰＴＣには最小抵抗値を発生する電圧を超えて、これより高い電源電圧か印加される。電源を遮断する接点間にはＰＴＣが並列に接続されており、サーモスタット端子間の電圧は０Ｖから負荷での降下分を除いた電圧までごく短時間に変化して行く。
【００４６】
つまり、サーモスタット端子間がＰＴＣによりクランプされ、回路として遮断が行われても、開放部分の無い閉回路のままであり、過渡的なサージ電圧が発生しにくくなる。しかもＰＴＣはその両端の電圧変化の間に最小抵抗値の区間があり、ＰＴＣに流れる電流もピークを有している。
【００４７】
抵抗の比較的大さな３００Ωの例でも、電圧・電流特性のピークは１０Ｖ付近にあり、この静特性で見る限り４２Ｖでの電流は０．０１５Ａであるが、その間に０．０４５Ａのピークを経てくることになる。図４のグラフより計算上は２２２Ω程度の最小抵抗になるが、遮断過程で、アークと並列にこの抵抗が接続され、しかもその抵抗値が最小値を有する為、サージ電圧を生じにくく、アークの継続をも抑止することとなり、遮断過程で消弧される。
【００４８】
一方、１２Ｖ系の電池の２個直列の最大電圧は２８Ｖであり、３個直列の最大電圧は４２Ｖになる。この２８Ｖから、という電圧を下限として考慮すると上記ピーク電流は２８Ｖよりも低い電圧、具体的には２０Ｖまでの範囲で設定すると効果がある。この能力は抵抗値を小さくすれば大きくなるが、ＰＴＣは過大な電圧を印加された場合、すなわら自己制御の能力限界を超える電圧が印加されると、電流が急増して熱暴走の領域に入る。
【００４９】
すなわち、図４の電圧・電流特性図において、電圧に対して抵抗が増大する領域（右下）に対し、過大な電圧が印加されるとカーブが上昇に転じる点（高電圧側の変曲部、図ではほぼ水平に見えるが実際には右端がやや上昇している）がある。この点は、極小点とも耐圧限界点ともいい、この点を越えるとＰＴＣは上述した熱暴走の領域に入って、やがては自己破壊を引き起こすので、熱暴走発生点ともいう。
【００５０】
従って、ＰＴＣには電圧に対する上限の条件が存在し、この上限の条件が上記の曲線の極小点（熱暴走発生点）になる。そして、少なくともこの曲線の極小点の位置する電圧を通常使用する電圧の２倍に設定して安全性を確保する必要があり、８０Ｖがその目安になる。この条件を、電圧・電流特性のピーク電流値で規定すると、２Ｖよりも低い低電圧側にある特性では、高電圧側の耐圧特性が十分でなくなるため、ほぼ２Ｖから２０Ｖの範囲と限定することができる。
【００５１】
図５のＮｏ．１とＮｏ．２の試料は、図表１４の極小点の位置欄１４−５に示すように、極小点の位置が２Ｖよりも低く、上記のように高電圧側の耐圧特性が十分でなく、使用電圧での安全性が確保できないので、これらＮｏ．１とＮｏ．２の試料は採用対象から除外することになる。
【００５２】
次に、ピーク電流の位置欄１４−４に示すピーク電流の位置（Ｖ）は、ＰＣＴを流れる初期時の電流が最大になる電圧の位置を示すものである。図３（ｂ）に示すスイッチ開放直後にＰＣＴ５に流れる電流は最大である方が良いから、そのようにスイッチ開放直後に流れる電流を最大にするには、図３（ａ）に示すスイッチ開放直前のＰＣＴ５にかかる電圧がほぼ「０」であることを考えると、ピーク電流の位置（Ｖ）は、小さいほど良いことになる。
【００５３】
そうすると、試料Ｎｏ．１とＮｏ．２は既に除外してあるので、残る試料Ｎｏ．３からＮｏ．１１までを見ると、試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９がピーク電流の位置（Ｖ）が１桁台であり、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１がピーク電流の位置（Ｖ）が使用電圧（本例では４８Ｖ以下）より高いので、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１を採用対象から除外する。したがって、採用対象として残る試料は、試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料である。
【００５４】
このようにして残された試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料が、対象電圧（４８Ｖ以下）で熱暴走せず、安全に使用できるＰＣＴということになる。そして、このようなＰＴＣは、ピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有していることになる。
【００５５】
図５の図表１４の極小点の位置欄１４−５の数値を見ると、試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料の極小点の位置は、いずれも６０〜１７０Ｖの間であって、４２Ｖ以上である。特に試料Ｎｏ．３からＮｏ．５までのＰＴＣは、極小点の位置が、上述した電源の定格電圧４２Ｖのほぼ２倍の８０Ｖ以上あるので、好ましい特性のＰＴＣといえる。これらは外部回路６に接続されるサーモスタット１のスイッチ部に図３（ａ），（ｂ）に示すように並列接続すべきＰＴＣ５として適合するものであることが判明する。
【００５６】
また、同図でみると、特に試料Ｎｏ．３とＮｏ．４は、極小点の位置が１１０Ｖと１７０Ｖであるので、電源の定格電圧が５０Ｖであっても、適合できることが判明する。
尚、ＰＴＣには、抵抗値が急激に増加する温度領域の始点があり、この温度をキュリー温度（Ｔｃ）といっている。また、この温度は、最小抵抗値の２倍の抵抗値に対応した温度と定義されている。最小抵抗値は、図５に示すピーク電流の位置（Ｖ）である。
【００５７】
したがって、上記の試料Ｎｏ．３からＮｏ．９までの試料からは、動作して接点が開くまでに最小抵抗域を通過するように、キュリー温度が動作温度より高い値に設定されているものを選択して採用する必要がある。この選択では、ＰＴＣの特性を、上述した電圧・電流特性ばかりでなく温度特性を種々変えることにより、所望のＰＴＣを得ることができる。
【００５８】
図６（ａ）は、比較のためにＰＴＣを配設しない従来型のサーモスタットで４２Ｖの電流を遮断したときの電流の変化の過程を示す図であり、同図（ｂ）は、ＰＴＣを配設した本発明のサーモスタット１で４２Ｖの電流を遮断したときの電流の変化の過程を示す図である。
【００５９】
尚、同図（ａ），（ｂ）は、横軸に時間を示し、縦軸に電圧を示している。また同図（ａ）の横軸の時間目盛りは２０ミリ秒毎の目盛りであり、同図（ｂ）の横軸の時間目盛りは２ミリ秒毎の目盛りである。
同図（ａ）では時刻ｔ０でスイッチの接点を開いて電圧４２Ｖの電流を遮断して接点間の電流が完全に遮断されて電圧が０Ｖ（この場合は電流が０の意味、以下同様）になるまでの時刻ｔ１までに、７０ミリ秒強の時間が経過している。すなわち、この間アーク１５が接点間に発生しており、そのアーク１５の発生が７０ミリ秒強継続していたことを意味している。このようにアークが７０ミリ秒以上も継続して発生すると、接点が容易に溶融し、接点間が融着するなどして短絡を起こし、スイッチが破壊される。
【００６０】
これに対して、同図（ｂ）に示す実例では、時刻Ｔ１でスイッチの接点を開いて電圧４２Ｖの電流を遮断して接点間の電流が完全に遮断されて電圧が０Ｖになる時刻Ｔ２までの時間の経過は１ミリ秒弱である。つまり従来型のスイッチのおよそ１／７０以下の速さで高圧直流電流を確実に遮断することができる。そして、アークが発生しないため接点が溶融することもなく、スイッチの寿命が格段に長期化する。
【００６１】
上記の実施の形態ではサーモスタットを例にとって説明したが、スイッチとしてはサーモスタットに限ることなく、例えば電磁リレーを用いてもよい。これを他の実施の形態として以下に説明する。
図７（ａ），（ｂ）は、他の実施の形態としての電磁リレーの側断面を示しており、同図（ａ）は接点開状態を示す図、同図（ｂ）は接点閉状態を示す図である。同図（ａ），（ｂ）に示す直流電流遮断スイッチとしての電磁リレー１６は、ハウジング１７の内部を大きく占める支持部材１８に支持されて、コイル１９−１とコア１９−２からなる電磁石１９が配設されている。
【００６２】
そして、コア１９−２の吸着端の近傍には、断面が鉤型に形成された可動部材２０の鉤方の長軸方向の一端が対向して配置される。可動部材２０の鉤方の短軸方向の他端には可動接点２１が支持腕２２を介して配設され、更にこの短軸方向の他端には、ばね部材２３及び接続板２４を介して電気的に連結された接続端子部２５が配設されている。接続端子部２５の接続端子２５−１は、ハウジング１７の底部を貫通して外部に突設されている。
【００６３】
また、可動接点２１の下方には、可動接点２１に対向する位置に、固定部材２６の上面に設けられた固定接点２７が配置される。固定部材２６は、ハウジング１７の底部を貫通して外部に突出する接続端子部を備えており、更にハウジング１７の内部底面に密着して配置された接続板２９を備えている。この接続板２９と、上記可動接点２１に支持腕２２とばね部材２３を介して電気的に接続する接続板２４との間に、ＰＴＣ３０が介装され、その上面の電極面が接続板２４に接続され、下面の電極面が接続板２９に接続されている。
【００６４】
この電磁リレーは、電磁石１９が通電駆動されているときは、同図（ａ）に示すように、可動部材２０の長軸方向の一端がコア１９−２の吸着端に吸着されることにより長軸と短軸の境界部を支点にして、ばね部材２３の付勢力に抗して反時計回り方向に回動して、可動接点２１が固定接点２７に押圧される。
【００６５】
この状態で、上記の接続端子２８及び２５−１を、図１に示した外部回路６の接続端子７−１及び７−２に接続することにより、図３（ａ）に示した回路と同一の回路が構成される。
電磁石１９への通電が遮断されると、可動部材２０は、ばね部材２３の付勢力により、長軸と短軸の境界部を支点にして、時計回り方向に付勢されていることにより、可動接点２１は固定接点２７から離隔して、両接点間が開放される。このとき図３（ｂ）に示した回路の状態と同一の回路状態となる。
【００６６】
そして、可動接点２１と固定接点２７からなる接点回路に並列にＰＴＣ３０が接続されていることにより、この場合も、開成された可動接点２１と固定接点２７間にアークは発生せず、少なくとも２ミリ秒以内で、電流が遮断される。
なお、試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１に示した初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のＰＴＣは、電圧・電流持性での熱暴走しない範囲での電圧に対する電流ピークの位置が５０Ｖ以上であるので、３０〜４２Ｖの高電圧に使用した揚合、遮断時に発生するアークに対して抵抗の低下を伴わないため固定抵抗が接続されているのとほぼ同じ状況となり、スイッチ部の電圧があまり低下せずアークを小さくすることかできないと説明したが、これはあくまでも３０〜４２Ｖの高電圧に使用した場合のことである。
【００６７】
上記の試料Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１に示した初期抵抗が５ｋΩ〜１０ｋΩ程度のＰＴＣは、ピーク電流の位置が４０Ｖ〜６０Ｖの範囲であり、極小点が２５０Ｖ〜３５０Ｖ以上であるので、機器内部で使用される商用電源電圧を整流して得られる１４０Ｖから３００Ｖの直流高電圧に対しては、３０〜４２Ｖの高電圧に対する試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９まで（好ましくはＮｏ．５まで）のＰＴＣの場合と同様にスイッチ部に並列に接続して用いることができ、上述したと同様の効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電圧・電流特性と温度特性を特別に設定されたＰＴＣをスイッチの接点回路に並列に接続するので、スイッチの接点を開いて高圧電流を遮断しても閉回路が形成されていてサージ電圧が発生しにくく、その後ＰＴＣが最小抵抗域を通過して電流遮断動作を完了するので、これにより、開放される接点間の間隙を広く設定することなく例えば３０〜５０Ｖ、更には１３０Ｖから３１０Ｖの高圧の直流電流を急速且つ確実に遮断することができ、これにより、スイッチ機構の小型化が実現でき、近年の電子機器の小型化に容易に対処することができ、用途が拡大して便利である。
【００６９】
また、接点間にアークが発生しないので、接点が溶融する不具合を防止でき、これにより、信頼性の高い長寿命の高圧用の直流電流遮断スイッチを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態における直流電流遮断スイッチとしてのサーモスタットの側断面図とこのサーモスタットが接続される外部回路を示す図である。
【図２】サーモスタットの内部構成を示す分解斜視図である。
【図３】サーモスタットと外部回路の接続関係を回路図で示す図であり、（ａ）はスイッチが閉じている状態を示す図、（ｂ）はスイッチが開いた状態を示す図である。
【図４】種々のＰＴＣを試料として試作し実験によりそれらの電圧と電流の関係を調査して得られた電圧・電流特性図である。
【図５】電圧・電流特性図から得られる各ＰＴＣの主要な特性を分かりやすく数値で示した図表である。
【図６】（ａ）は比較のためにＰＴＣを配設しない従来型のサーモスタットで４２Ｖの電流を遮断したときの変化の過程を示す図、（ｂ）はＰＴＣを配設した本発明のサーモスタットで４２Ｖの電流を遮断したときの変化の過程を示す図である。
【図７】他の実施の形態としての電磁リレーの側断面を示す図であり、（ａ）は接点開状態を示す図、（ｂ）は接点閉状態を示す図である。
【符号の説明】
１　　サーモスタット
２　　ハウジング
３　　支持部材
３−１　斜面
３−２　バイメタル支点突起
３−３、３−３　係合突起
４　　固定板
４−１　接続端子部
４−２　固定接点
４−３　接続面
５　　ＰＴＣ
５−１、５−２　電極面
６　　外部回路
７（７−１、７−２）　接続端子
８　　可動板
８−１　接続端子部
８−２　可動接点
８−３、８−３　係合切り込み
８−４　固定部
８−５　折り目
８−６　二股状連結部
８−７　可動部
８−８　固定部内端部
８−９　連結切り込み部
８−１０　バイメタル係止爪
８−１１　バイメタル支点突起挿通孔
９　　バイメタル
１０　押え板
１０−１、１０−１　係合切り込み
１１　電源
１２　負荷
１３　電源スイッチ
１４　図表
１４−１　試料番号欄
１４−２　２５℃の抵抗値欄
１４−３　２５℃の電流欄
１４−４　ピーク電流の位置欄
１４−５　極小点の位置欄
１５　アーク
１６　電磁リレー

Claims (10)

1. 絶縁部材を介在させて設けられた導電性の固定部材と可動部材とを有し、前記固定部材は所定の位置に形成された固定接点を有し、外部回路に接続するた為の端子部に連結され、前記可動部材は前記固定接点に対向する位置に形成された可動接点を有し、前記外部回路に接続する為の端子部に連結され且つ前記固定接点に対し前記可動接点を押圧又は開成すべく動作可能に構成され、前記固定接点に接触中の前記可動接点を前記固定接点から開成させるよう前記可動部材を動作させることにより前記外部回路に接続する端子間を流通する直流電流を遮断する直流電源遮断スイッチであって、
   任意の柱形を成し該柱形の対抗面に電極をそれぞれ有しこれらの電極により前記固定接点と前記可動接点とで形成される接点回路と並列に接続された非線形抵抗素子を有し、
   該非線形抵抗素子は前記可動接点の開成により前記直流電流が遮断されるとき接点間電圧が０Ｖから電源電圧に移行する間に最小抵抗値を示す抵抗値変動領域を有する特性を備えた
   ことを特徴とする直流電流遮断スイッチ。
2. 前記非線形抵抗素子はＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、前記可動接点の開成による前記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は２８Ｖから４８Ｖの範囲であることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。
3. 前記ＰＴＣは、熱暴走しない範囲の上限電圧又は極小点が８０Ｖ以上の範囲にある電圧・電流特性を有することを持徴とする請求項１又は２記載の直流電流遮断スイッチ。
4. 前記ＰＴＣは、熱暴走しない範囲の電圧に対するピーク電流の位置が２Ｖから２０Ｖの範囲にある電圧・電流特性を有することを特徴とする請求項３記載の直流電流遮断スイッチ。
5. 前記外部回路は、直流４２Ｖ定格の回路又は誘導負荷を駆動する回路であることを特徴とする請求項３又は４記載の直流電流遮断スイッチ。
6. 前記可動部材はバイメタルによって駆動され、前記外部回路は２８Ｖを越える２次電池パックの充電側回路又は充放電回路であり且つ充電時又は充放電時の前記可動接点の開成による開放電圧が５０Ｖを越えない範囲の定格回路であることを特徴とする請求項４記載の直流電流遮断スイッチ。
7. 前記ＰＴＣは、Ｔｃ（キュリー温度）が前記バイメタルの動作温度より高い値に設定されていることを特徴とする請求項６記載の直流電流遮断スイッチ。
8. 前記可動部材は、電磁コイルによって駆動されることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。
9. 前記非線形抵抗素子は、前記固定接点又は前記可動接点と前記接続端子部との中間部に設けられ、前記可動接点の開成時に接点間に発生するアークが２ミリ秒以上継続することを防止することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の直流電流遮断スイッチ。
10. 前記非線形抵抗素子はＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、前記可動接点の開成による前記直流大電流の遮断時における接点開放電圧は１３０Ｖから３１０Ｖの範囲であることを特徴とする請求項１の直流電流遮断スイッチ。

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