JP2007502005A - 回路遮断装置 - Google Patents

Abstract

遮断素子（１１２）およびヒューズ素子（１１４）が電気的に並列に構成された回路遮断装置（１１０）が提供される。この遮断素子は、電気導体とその通電容量をなくすためにその電気導体を切断することができる電流遮断器とを含む。回路遮断装置の例示的な実施形態は、遮断制御信号を検出しその信号に応答して作動することができる。

Description

本発明は、回路保護装置に関し、より詳細には、バッテリの負荷回路を保護する装置に関する。

本出願は、２００３年８月８日に出願された米国特許仮出願第６０／４９３４９９号の優先権の利益を主張するものである。同特許仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

自動車、船舶、貨物自動車などのモータビークルは、大電流を導通する始動電動機用ケーブルおよびその他のケーブルをほとんど例外なく含んでいる。たとえば、多くのモータビークルに普及している典型的な１２ボルトの電気系統では、始動電動機用ケーブルを通る電流は、最初に９００アンペアという高いレベルにまで急上昇することがあり、場合によっては１５００アンペアまで急上昇することもある。さらに、この始動機用ケーブルを流れる電流は、２００〜６００アンペアの定常レベルで安定化し、最長で６秒以上の間このレベルで継続することがある。したがって、車両用始動電動機のような大電流装置に電流を供給する回路全体は、高レベルの定常状態にも高レベルの過渡電流にも対応した設計を必要とすることがある。

しかし、残念ながら、たとえばバッテリケーブルを含み得るかかる大電流回路の構成要素はどれも、重度の車両衝突などの様々な形で地絡し得る。このため、これらの回路に付随したヒューズ保護があると有利である。しかし、多くの場合、始動電動機用ケーブルなどの構成要素は回路保護のためにヒューズを内蔵しないことが知られている。このヒューズ保護がない理由の１つは、始動電動機または他の大電流装置の回路に電力供給するのに必要な電流をサポートするために必要なヒューズサイズが比較的大ききことである。これらの大電流回路内にあるバッテリケーブルなどいくつかの構成要素は、小電流の装置もサポートしなければならないので、ヒューズ保護は、実現困難であることが分かっている。たとえば、車両の始動電動機回路内の初期電流サージに必要な電流を導通するのに十分な大きさのヒューズは、電流が電動機を動かす必要のない期間中に、保護をあまり提供しないまたは保護を提供しない。

バッテリ回路に使用される、回路を開放するための装置が開示されている。たとえば、米国特許第６１４４１１１号、第６１７１１２１号、および第５７８３９８７号は、この種の回路遮断装置を開示している。一般に、この種の装置の作動は、簡単に逆にはならない。この種の装置は一般に、それにつながっている回路を無効にする働きをし、作動した装置は、通常、回路を復旧させるために交換する必要がある。したがって、保護回路を内蔵する装置のユーザは、不便に感じるかもしれない。たとえば、モータビークルの場合、車両を移動させるために牽引またはジャンプスタートが必要になることがあり、その車両が動作可能状態に復旧されるまで遅れが生じることがある。

バッテリ回路の車両内で短絡が起きたとき、バッテリケーブルから電圧を除去することが望ましい。このような短絡は、車両衝突が原因となり得ることも知られている。しかし、減速度の閾レベルを超え得る衝突や衝突表示の誘因となり得る衝突など、エアバッグ展開を引き起こし得るような多くの衝突は、バッテリケーブルのような大電流の構成要素内では短絡の原因にならないかもしれない。そのような状況では、車両が再始動できるようにすることおよび／または選択された電気負荷に電力を供給することが望ましいことがある。残念ながら、車両衝突が起こるたびに被保護回路を無効にすることを含む大電流回路を保護する方法および装置は、たとえ短絡が起きていなくても被保護回路の不必要な遮断をもたらすかもしれない。このような過剰な保護手段は、さらなる問題を引き起こすかもしれない。

本発明は、遮断素子およびヒューズ素子（ｆｕｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）が電気的に並列に構成される回路遮断装置を提供する。例示的な実施形態では、遮断素子は、ヒューズ素子と並列に結合される電気導体を含む。

例示的な実施形態は、電気導体を切断してその通電容量をなくすことができる電流遮断器をさらに含む。遮断素子は、初期状態および作動状態を有する。遮断素子が初期状態にあるとき、電気導体は、ヒューズ素子の回路経路と並列に構成される導電経路を提供する。遮断素子が作動状態にあるとき、電流遮断器によって電気導体内に作られたギャップは、電気導体に電流が流れるのを阻止する。

本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態は、この装置がエアバッグ展開やバッテリ回路内の短絡などの異常事象の発生を示す信号を受け取ったとき、バッテリと装置との間のバッテリケーブルの通電容量を遮断することができる。例示的な実施形態により、短絡がバッテリ回路内に存在しない場合、衝突後に自動車エンジンの正常な再始動が可能になる。

本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態は、遮断制御信号を検出するように構成された電流遮断器を含む。この電流遮断器はさらに、信号の検出に応答して作動するように構成される。

本発明の上述の特徴は、同じ番号は同じ要素を示す添付図面に関連して考察する以下の詳細説明からより明確に理解されることができる。

図１を参照すると、本発明の電気回路用安全装置すなわち回路遮断装置１１０は、並列結合された遮断素子１１２およびヒューズ素子１１４を含む。遮断素子１１２およびヒューズ素子１１４は、それぞれの端部で、第１のノード１１６および第２のノード１１８と規定された位置に接続されている。

次に図２ａを参照すると、回路遮断装置２１０の例示的な実施形態は、並列結合された遮断素子２１２およびヒューズ素子２１４を含む。遮断素子２１２およびヒューズ素子２１４は、それぞれの端部で、第１のノード２１６および第２のノード２１８と規定された位置に接続されている。遮断素子２１２は、ヒューズ素子２１４と並列に結合される電気導体２２０を含む。電気導体２２０は、狭い接合部２２２を含む。電気導体２２０は、電気負荷に必要な電流の大部分を伝えるように適切な材料、断面および長さで設計されている。例示的な実施形態では、電気導体２２０は、ヒューズ素子２１４が通常使用下で溶融または開放するほどの電流は導通しないようにするように構成されている。

例示的な実施形態では、遮断素子２１２は、第１のノード２１６と第２のノード２１８との間の電気導体２２０の通電容量をなくすために、電気導体２２０を切断することができる電流遮断器２２４も含む。電流遮断器２２４は、ヒューズ素子２２４を介して延びる電流路をそのまま残しながら電流が電気導体２２０に流れるのを阻止するために、電気導体２２０を切断するように構成されることができる。例示的な実施形態では、電流遮断器２２４は、火工品成分（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）２２８で部分的に充填された燃焼室２２６を含む。電流遮断器２２４は、電線２３２を介して遮断制御信号を受け取ったときに火工品成分２２８を起爆するように構成された着火素子２３０をさらに含むことができる。回路遮断装置２１０は、電流遮断器２２４を制御するために必要な適切な相互接続および従属部品を含むこともできる。

代替として、遮断素子２１２は、電気導体２２０を介して延びる電流路を開放または遮断するための他の適切な手段を含むことができる。たとえば、電流遮断器２２４は、ナイフ（図示せず）を含むことができる。または、電気導体２２０はスイッチ（図示せず）を含むことができ、電流遮断器２２４はスイッチアクチュエータを含むことができる。代替として、電気導体２２０は、ヒューズ（図示せず）を含むことができ、電流遮断器２２４は、制御モジュール（図３に示す）またはセンサ（図３に示す）から受け取った遮断制御信号に応答してヒューズ（図示せず）を溶融するように構成された加熱素子（図示せず）を含むことができる。

図２ａは、初期状態にある遮断素子２１２を示す。初期状態では、電気導体２２０は、第１のノード２１６と第２のノード２１８との間にヒューズ素子２１４と並列な導電経路を提供する。

図２ｂは、電流遮断器２２４が電気導体２２０を切断して第１のノード２１６と第２のノード２１８との間の電気導体２２０の通電容量を遮断した後の作動状態にある遮断素子２１２を示す。作動状態では、電流遮断器２２４によって作られた電気導体２２０のギャップ２３４は、第１のノード２１６と第２のノード２１８との間の電気導体２２０に電流が流れるのを阻止する。

図３は、自動車用バッテリ回路の一部として接続された安全装置すなわち回路遮断装置３１０の例示的な実施形態を示す。回路遮断装置３１０は、直流電源すなわち蓄電池３６４の正極３６２と車両の電気負荷との間に一次回路３６０と直列に接続されている。始動電動機３６６、発電機３６８、電気的中心３７０などの典型的な車両の電気負荷は、図３に示されている。センサ３８０は、遮断素子３１２の通電容量をなくす必要のある異常状態を検出する。この異常状態は、（おそらくはエアバッグを展開させるのに十分な力の）車両衝突と同様な急減速や急加速などの事象の検出を含むことができる。センサ３８０は、被保護回路（３６０に示す）内の過電流状態など他の異常状態を検出するように構成されることもできる。センサ３８０は、これによって出力された信号を検出し処理するようになされた制御モジュール３８２と通信する。制御モジュール３８２は、センサ３８０によって出力された信号を処理し、電線３３２を介して遮断素子３１２に送られる遮断制御信号を生成する。

このような構成では、回路遮断装置３１０は、以下のように動作する。負荷電流が、接続点３３６と接続点３３８との間を遮断素子３１２および並列のヒューズ素子３１４を経由して導通される。センサ３８０は、遮断素子３１２の通電能力をなくすことが望ましいことを示す異常状態を検出する。制御モジュール３８２は、好ましくは衝突によって引き起こされる保護対象の（３６０に示すような）バッテリケーブルや（３６６、３６８、３７０に示すような）電気負荷の短絡が発生する前に、遮断素子３１２に信号を送り遮断素子３１２を経由する電流路を作動させ開放する。その後バッテリケーブルの短絡が起きた場合、ヒューズ素子３１４が、残る並列回路を開放し短絡を取り除く。この場合、被保護回路３６０は、回路をリセットまたは閉路する手段を用いずに（そうすると電気的／熱的事象を招くので）、バッテリの正極３６２から恒久的に遮断される。一方、バッテリケーブルの短絡が衝突事象で発生しない場合、ヒューズ素子３１４は並列回路を開放しない。したがって、ヒューズ素子３１４は、車両用エンジンの再始動など被保護回路に必要な大電流の使用を可能にする十分な通電容量を提供するように有利に構成されることができる。そのような必要性は、車両用エンジンが衝突の結果として失速した場合またはエンジンが衝突後に停止した場合に存在し得ることを留意されたい。この２つ目のケースでは、衝突後に（限られたサイクル数の間）エンジンの再始動に対応するために要求され得るヒューズのサイズまたは定格は、車両の寿命のために、ヒューズが始動回路の一部として電気的に直列に構成される場合に要求されるヒューズのサイズまたは定格よりも著しく小さくすることができる。

例示的な実施形態では、回路遮断装置３１０が図３に示すような自動車用バッテリ回路を保護するように構成されている場合、回路遮断装置３１０は、１００マイクロオーム未満の抵抗を有する電気導体（図２ａの２２０に示す）と１２５アンペアの定格を有するヒューズ素子３１４とを含む。

上述のいずれの場合も（衝突によって引き起こされるバッテリケーブルでの電気短絡の有無にかかわらず）、回路遮断装置３１０は最終的に、衝突後に実施される車両の修理サービスの一環として取り外され交換される。これらの修理は、車両を通常使用に戻す前に、必要に応じてバッテリケーブルを修理および／または交換する際に、衝突によって損傷した保護対象のバッテリケーブルを点検することを含むことができる。

次に図４を参照すると、回路遮断装置の例示的な実施形態の一態様が開示されている。４１０に全体を示したこの態様では、単一のプレス加工品（ｓｔａｍｐｉｎｇ）４１２が、電気導体４１４もヒューズ素子（可溶性部分）４１６も含む。電気導体４１４およびヒューズ素子４１６は、第１のノード４１８および第２のノード４２０と規定されたプレス加工品４１２上の位置で接続されている。プレス加工品４１２は、図３の３３６および３３８に示したような負荷回路の接続点に接続するために、プレス加工品４１２をスタッド（図示せず）上にボルト締めするための孔４２２、４２４を両端部に有する。プレス加工品４１２の電気導体４１４は、狭い接合部４２８を形成するために切欠きが設けられたまたはその他の方法で脆弱化された全体が長方形の第１の母線４２６に組み込まれており、したがって（図２ａの２２４に示すような）電流遮断器による遮断が容易になる。プレス加工品４１２のヒューズ素子４１６は、接合部４２８の両側に位置する第１のノード４１８と第２のノード４２０との間に電流を伝えるために、並列電流路であるより小さい第２の母線４３０によって設けられている。第２の母線４３０は、ヒューズ素子４１６を含む。

例示的な実施形態では、ヒューズ素子４１６は、所定のレベルを超える電流がヒューズ素子４１６を通過したときに溶融するように構成されている。ヒューズ素子４１６が溶融する所定のレベルは、その特定のヒューズ素子４１６の材料、表面積および／または断面積に依存する。

例示的な実施形態では、プレス加工品４１２は、約１〜２ｍｍの厚みを有する銅材料でできている。電気導体４１４は、ヒューズ素子４１６の通電容量よりも大きな通電容量を提供する。例示的な実施形態では、電気導体４１４およびヒューズ素子４１６のサイズ、形状および材料組成は、電気導体４１４がプレス加工品４１２に流れる電流の約７５％以上を伝えることが可能になるように選択される。

プレス加工品４１２を含む回路遮断装置は、上述の回路遮断装置１１０、２１０、３１０とおおむね同じように動作する。さらに、回路遮断装置２１０によって実証したように、ヒューズ素子および遮断素子を単一のプレス加工品に組み込むのではなく、遮断素子およびこれと電気的に並列接続される別個のヒューズ素子を使用することが可能である。これらおよびその他の実施形態はいずれも、この装置を自動車用回路（図３に示す）内に容易に組み込めるようにするとともに安価な交換サービスをもたらするように、バッテリ端子クランプまたはその他の接続部と共にハウジング内に容易に配設されることができることを留意されたい。

次に図５−ａを参照すると、本発明の回路遮断装置５１０の例示的な実施形態は、導電性プレス加工品５１２、ヒューズ５１４、および火工品成分を含んだ電流遮断器５１６を含む。プレス加工品５１２は、電気導体５１８、およびこの両端部に第１の電気接続部５２０および第２の電気接続部５２２を有する。ヒューズ５１４は、第１の電気接続部５２０と第２の電気接続部５２２との間に電気導体５１８と平行に延在する。電流遮断器５１６は、これに作動するよう命令する信号を検出したときに電気導体５１８を介して延びる回路経路を開放するように配置され適応される。

図５−ｂは、図５−ａに示す回路遮断装置５１０の一態様を示す。５４０に全体を示すこの態様では、プレス加工品５１２は、図５−ａにも示したように、電気導体５１８と、第１の電気接続部５２０および第２の電気接続部５２２とを有する。電気接続部５２０および５２２はそれぞれ、図３の３３６および３３８に示したような負荷回路の接続点に接続するために、スタッド（図示せず）上にプレス加工品５１２をボルト締めするための孔５４２および５４４を有する。電気導体５１８は、狭い接合部５４６を形成するように切欠きが設けられておりまたはその他の方法で脆弱化されており、したがって電流遮断器５１６（図５−ａに示す）による遮断が容易になる。

例示的な実施形態５４０はさらに、第１の電気接続部５２０と第２の電気接続部５２２との間に電気導体５１８と平行に延在するヒューズ５１４を含む。ヒューズ５１４は、第１の電気接触部５４８および第２の電気接触部５５０を有し、第１の電気接触部５４８および第２の電気接触部５５０はそれぞれ、プレス加工品５１２の第１の電気接続部５２０および第２の電気接続部５２２にボルト締め接続するための孔５５２および５５４を有する。

図６−ａを参照すると、本発明の回路遮断装置６１０の他の例示的な実施形態は、導電性プレス加工品６１２、ヒューズ６１４、および火工品成分を含んだ電流遮断器６１６を含む。プレス加工品６１２は、電気導体６１８、第１の電気接続部６２０、および第２の電気接続部６２２を有する。電気導体６１８は、第１の電気接続部６２０と第２の電気接続部６２２との間に延在する。ヒューズ６１４は、第１の電気接続部６２０と第２の電気接続部６２２との間に電気導体６１８と電気的に並列に配置される。電流遮断器６１６は、これに作動するよう命令する信号を検出したときに電気導体６１８を介して延びる回路経路を開放するように配置され適応される。

図６−ｂは、回路遮断装置６１０の一態様を示す。６４０に全体を示すこの態様では、プレス加工品６１２は、図６−ａにも示したように、電気導体６１８、第１の電気接続部６２０、および第２の電気接続部６２２を含む。第１の電気接続部６２０は、負荷回路の接続点に接続するために、スタッド（図示せず）上にプレス加工品６１２をボルト締めするための孔６４２を有する。第２の電気接続部６２２は、バッテリ（図６−ｂには示されていない）の正端子に接続するためのクランプ６４４を含む。電気導体６１８は、狭い接合部６４６を形成するように切欠きが設けられておりまたは脆弱化されており、したがって電流遮断器６１６（図６−ａに示す）による遮断が容易になる。

実施形態６４０はさらに、第１の電気接続部６２０と第２の電気接続部６２２との間に電気導体６１８と電気的に並列に配置されるヒューズ６１４を含む。ヒューズ６１４は、プレス加工品６１２にボルト締め接続するための第１の電気接触部６４８および第２の電気接触部６５０を含む。

電気回路の安全性を高める方法の例示的な実施形態は、電気導体を設けるステップと、ヒューズ素子を設けるステップと、ヒューズ素子を電気導体と電気的に並列接続するステップと、電気導体およびヒューズ素子を電気回路と電気的に直列接続するステップと、所定の状態を検出しその状態の発生を示す信号を生成するように構成されるセンサを設けるステップと、その信号を検出することができる電流遮断器を設けるステップとを含み、電流遮断器はさらに、電気導体の通電容量をなくすために、信号に応答して作動して電気導体を切断することもできる。

所定の状態が発生したとき、この方法はさらに、その所定の状態の発生を検出するステップと、電気導体に流れる電流を遮断するために電気導体を切断するステップとを含む。

本明細書で示し説明した例示的な実施形態は、単に例として提供され、本発明の範囲を何ら限定するものではないことを留意されたい。同様に、例示的な寸法、比率、材料および構成技法も例に過ぎず、本発明を実施するために必ずしも必要ではない。本明細書で開示された本発明の範囲は、本明細書で開示された特定の実施形態によって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲を適正に解釈することによってのみ定義されるべきものとする。

当業者なら本明細書を読み理解すれば他の変更形態や改変形態を思いつくであろう。たとえば、制御部を回路遮断素子に接続する電線が示されている。代替として、信号は、無線の手法によって送信されることもできる。代替的に、別の例として、制御部および／またはセンサは、本発明の回路遮断装置と共にひとまとめにされることもできる。本発明の範囲内にある限り、かかる変更形態や改変形態を全て含むものとする。

本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態の概略図である。 図２ａは、初期状態にある本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態の断面図である。

図２ｂは、作動状態にある本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態の断面図である。
自動車用バッテリ回路の一部として接続された本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態を示す概略図である。 本発明の回路遮断装置の例示的な実施形態の一態様の平面図である。 本発明の回路遮断装置の他の例示的な実施形態を示す斜視図である。 図５−ａの回路遮断装置の一態様の斜視図である。 本発明の回路遮断装置のさらなる他の例示的な実施形態を示す斜視図である。 図６−ａの回路遮断装置の一態様の斜視図である。

Claims (21)

1. 並列結合された遮断素子（１１２、２１２、３１２、５１２、６１２）およびヒューズ素子（１１４、２１４、３１４、５１４、６１４）を含む回路遮断装置（１１０、２１０、３１０、５１０、６１０）。
2. 前記遮断素子が電気導体（２２０、５１８、６１８）を含み、前記電気導体が前記ヒューズ素子と並列結合される、請求項１に記載の回路遮断装置。
3. 前記遮断素子が、前記電気導体を切断することができる電流遮断器（２２４、５１６、６１６）をさらに含む、請求項２に記載の回路遮断装置。
4. 前記遮断素子が初期状態および作動状態を有し、前記遮断素子が前記初期状態にあるとき、前記電気導体が前記ヒューズ素子と並列に導電経路を提供し、前記遮断素子が前記作動状態にあるとき、前記電流遮断器の作動によって前記電気導体内に作られたギャップ（２３４）が、電流が前記電気導体に流れるのを阻止する、請求項３に記載の回路遮断装置。
5. 前記遮断素子が前記初期状態にあるとき、前記遮断素子が、前記ヒューズ素子の通電容量よりも大きな通電容量を提供する請求項３に記載の回路遮断装置。
6. 前記電流遮断器が火工品成分（２２８）を含む、請求項３に記載の回路遮断装置。
7. 前記電気導体および前記ヒューズ素子が、プレス加工によって形成される、請求項２に記載の回路遮断装置。
8. 前記遮断素子がセンサ（３８０）と通信し、前記遮断素子が前記センサからの所定の出力信号に応答して作動するように構成される、請求項１に記載の回路遮断装置。
9. 前記センサが、回路内の過電流状態を検出するように構成される、請求項８に記載の回路遮断装置。
10. 前記センサが、車両の減速度を検出するように構成される、請求項８に記載の回路遮断装置。
11. 前記センサが、エアバッグ展開を検出するように構成される、請求項８に記載の回路遮断装置。
12. 前記遮断素子が制御装置（３８２）と通信し、前記制御装置が、前記回路遮断装置に作動するよう命令する信号を出力するように構成される、請求項１に記載の回路遮断装置。
13. 前記回路遮断装置が、電源（３６４）および電気負荷（３６６、３６８、３７０）と電気的に直列接続される、請求項１に記載の回路遮断装置。
14. 電気回路内に接続される安全装置（１１０、２１０、３１０、５１０、６１０）であって、
    電気導体（２２０、４１４、５１８、６１８）と、
    前記電気導体と電気的に並列接続されるヒューズ素子（１１４、２１４、３１４、４１６、５１４、６１４）と、
    前記電気導体を切断することによって前記電気導体に流れる電流を遮断する電流遮断器（２２４）とを含む安全装置。
15. 前記電流遮断器が、遮断制御信号を受け取るようになされ、さらに前記信号を受け取ったのに応答して前記電気導体を切断するように適応される、請求項１４に記載の安全。
16. 前記電気導体が、前記ヒューズ素子の通電容量よりも大きな通電容量を提供する、請求項１４に記載の安全装置。
17. 前記電気導体および前記ヒューズ素子が、互いに一体的に接続される、請求項１４に記載の安全装置。
18. 前記電気導体および前記ヒューズ素子が、電源（３６４）と電気負荷（３６６、３６８、３７０）との間に直列接続される、請求項１４に記載の安全装置。
19. 電気回路（３６０）の安全性を高める方法であって、
    電気導体（２２０、５１８、６１８）を設けるステップと、
    ヒューズ素子（１１４、２１４、３１４、５１４、６１４）を設けるステップと、
    前記ヒューズ素子を前記電気導体と電気的に並列接続するステップと、
    前記電気導体および前記ヒューズ素子を前記電気回路と電気的に直列接続するステップと、
    所定の状態を検出し前記状態の発生を示す信号を生成するように構成されるセンサ（３８０）を設けるステップと、
    前記信号を検出することができる電流遮断器（２２４、５１６、６１６）を設けるステップとを含み、前記電流遮断器がさらに、前記電気導体の通電容量をなくすために、信号に応答して作動して前記電気導体を切断することもできる、方法。
20. 前記所定の状態の発生を検出するステップと、
    前記電気導体に流れる電流を遮断するために前記電気導体を切断するステップとをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 電気回路（３６０）の安全性を高める方法であって、
    電気導体（２２０、５１８、６１８）を設けるステップと、
    ヒューズ素子（１１４、２１４、３１４、５１４、６１４）を設けるステップと、
    前記ヒューズ素子および前記電気導体を電気的に並列接続するステップと、
    前記電気導体および前記ヒューズ素子を前記電気回路と電気的に直列接続するステップと、
    所定の状態を検出するステップと、
    前記電気導体の通電容量をなくすために前記電気導体を切断するステップとを含む方法。

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