(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１接点を有する第１ターミナルと、第１ターミナルに接続したＰＴＣと、第２接点を有し前記ＰＴＣに接続した第２ターミナルと、接点材からなる導電体を有し第２ターミナルに固定したバイメタルと、バイメタルとＰＴＣを収納する絶縁ケースおよびカバーとを備え、前記バイメタルの前記導電体により、前記第１接点と第２接点の間を架橋接続し、前記バイメタルの反転作用によって第１接点と第２接点の間の接続を開離して、前記ＰＴＣに通電する通電発熱回路と前記導電体を経て両ターミナル間に通電する主回路を切り替える温度保護素子であって、前記導電体は、前記バイメタル材より電気抵抗が小さいＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金の群の何れかから選択された金属材料であることを特徴とする温度保護素子。
【請求項２】
前記バイメタルに設ける前記導電体は、前記バイメタルとの境界面に、低抵抗導電材の組成分とバイメタル材質とが互いに拡散などにより混ざり合うことがないよう、Ｎｉのバリア層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の温度保護素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイメタルを利用して回路接点間をオン−オフする温度保護素子、特に、通電加熱素子の発熱によって、バイメタル動作時のオフ状態を異常解消まで維持する温度保護素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、バイメタルを回路遮断素子として利用することはよく知られている。例えば、充電による温度上昇時に充電を停止させるために、バイメタルサーモスタットをオフにすると同時にこれと並列に加熱素子を設けてサーモスタットの復帰を阻止する過充電防止用回路保護素子があり、この過充電防止用回路保護素子を用いるパック電池が知られている。特許文献１に開示されるパック電池は、感熱遮断素子のバイメタルサーモスタットと並列に遮断状態の感熱遮断素子を加熱する加熱抵抗を同一ケース内に内蔵させたもので、加熱抵抗のジュール熱が一緒に内蔵した感熱遮断素子を加熱して復帰を防止する。
【０００３】
感熱遮断素子と加熱抵抗を内蔵するパック電池の安全装置の改良案として、特許文献２は、ターミナル間に可動アームを設け、この可動アームをバイメタルで作動させると同時に加熱素子にＰＴＣを併用し、遮断中のオフ状態時に可動アーム、バイメタル、およびＰＴＣをベース側ターミナルと導通状態にする安全装置を開示する。このバイメタルを用いた安全装置は、正常時には、可動アームがターミナル間の通電路となって、バイメタルおよびＰＴＣは電気回路上接続されていない状態にされている。一方、周辺温度が上昇してバイメタルが反転する作動時に可動アームを押し上げ、接点を開放し、同時に反転状態のバイメタルを介してＰＴＣに通電する電気回路に切り替え、電源電圧が低下するまでＰＴＣの発熱によってバイメタルの反転状態を保持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許文献１：特開平０７−１５３４９９号公報
特許文献２：特開２００５−２０３２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２が開示する安全装置は、可動アームを用いるために回路構成を複雑化させるとともに、バイメタル作動時にＰＴＣの発熱に加えて、バイメタル自体の比較的高抵抗による通電熱、および可動アームとバイメタルの間の接触抵抗による通電熱とが生じる。それゆえ、所望しない発熱が可動アームに伝熱されて過熱状態となる。また、可動アームの過熱は、これらの構成部品を収容する絶縁ケースを熱変形させる。特に、可動アーム上に被せたプラッチック製カバーの熱変形を防止するために、予め金属薄板等をカバー内面に成形加工して組み込む必要が生じ、ケースカバーを可動アームの熱から遮蔽する必要があった。このように、可動アームのほかにアーム過熱対策用金属薄板などの付属部品やその組立構造上の加工処理など、部品点数の増加と組立作業の複雑化に伴うコスト面の欠点があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は上述する欠点を解消するために提案されたものであり、使用部品点数の削減によるローコスト化および感熱遮断素子のバイメタルの作動後のオフ（開離）状態に、所望しない回路上の通電発熱を阻止し、加熱素子のＰＴＣを適切に作動維持させる機能を備える新規かつ改良された温度保護素子の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による温度保護素子は、一対のターミナルに接点を設けた絶縁ケースに感熱遮断素子のバイメタルと加熱素子のＰＴＣを収容し、バイメタルが正常時にはターミナル用接点間を閉接するオン状態に、加熱異常時にはターミナル用接点間を開離するオフ状態に作動し、異常時にＰＴＣに通電するようにしてＰＴＣを発熱させることで、バイメタルのオフ状態を保持する温度保護素子において、バイメタルは先端側に導電体が設けられ、一対のターミナルの２つの接点間をバイメタル先端側に設けた導電体により架橋接続してオン状態に作動させる。すなわち、第１ターミナルに設けた第１接点と、第２ターミナルに設けた第２接点と、第１ターミナルに接続したＰＴＣと、さらに、このＰＴＣにバイメタルを介して接続する第２ターミナルか、またはこのＰＴＣに接続された第２ターミナルに固定したバイメタルか、のいずれかを備え、バイメタルはその先端側に第１および第２接点間を架接する導電路を接点材により形成した導電体を具備し、一対のターミナルの導出部分以外を絶縁ケースと絶縁カバーによりパッケージした温度保護素子である。なお、必要に応じて、第１ターミナルにはＰＴＣの一方の電極端子との接続用に第３接点を設け、第２ターミナルにはバイメタルおよびＰＴＣの他方の電極端子との接続用に分岐を設けて一括固定される。ここで、バイメタルのオン状態には、一対のターミナル間は第１ターミナル−第１接点−導電体−第２接点−第２ターミナルから形成される主回路に通電され、正常のオン状態を維持する。一方、バイメタルのオフ状態には、第１ターミナル−ＰＴＣ−バイメタル−第２ターミナルか、または第１ターミナル−ＰＴＣ−第２ターミナルから形成される通電加熱回路に通電され、ＰＴＣの通電加熱でバイメタルのオフ状態が維持される。バイメタルおよびＰＴＣは絶縁カバー付きケースに収納されて構成部品が保護される。バイメタルは、正常時には導電体で第１接点と第２接点の間を架橋接続し、異常時にバイメタルの反転作用で第１接点と第２接点間が開離される。そして、正常時は導電体を経て両ターミナル間を通電する主回路を形成し、異常時はＰＴＣを経由する通電発熱回路に切り換える温度保護素子となる。
【０００８】
本発明によれば、正常時の電流は、一方のターミナルに設けた第１接点からバイメタルに設けた低抵抗の導電体の架橋接続により、他方のターミナルに設けた第２接点へ通じる主回路に流れ、より抵抗値の高いバイメタルとＰＴＣには通電せず、通電加熱回路による電力損失を最小限に抑える。一方、異常時の温度上昇を検知したときは、バイメタルの反転作動により、第１接点および第２接点が開離して、主にＰＴＣへの通電発熱回路に電流が流れるように切り換わる。このように本発明の温度保護素子は、バイメタル先端側に設けた低抵抗の導電体と、それより高抵抗のバイメタル自体またはＰＴＣとの間の電気抵抗差を利用して高抵抗側に流れる電流を制限して、通常時にターミナルおよびバイメタルとＰＴＣとが接触した状態にあっても、正常に機能させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の温度保護素子は、バイメタルの先端部に一対のターミナル間を架接する導電体を設けたので正常時の主回路の電気抵抗を小さくして消費電力を最小限に抑えることができる。さらに、異常時にはバイメタル自体に通電させないか、あるいは通電距離を最小限に抑えることで、バイメタルの過度の抵抗加熱を阻止できる。このため構成部品にバイメタルの通電過熱対策を施す必要がなく、構成部品を簡素化できるので経済的効果も大きい。特に、バイメタルの一対のターミナルを特定構造として両者の接点を互いに近接配置してバイメタルに設けた導電体を架接用の共通接点としたので構成部品の使用点数を減らし、それにより組立を容易にして工数低減に寄与し、ローコストの温度保護素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施例１の温度保護素子の要部構成を示す分解斜視図である。
【図２】同じく図１の温度保護素子を示し、図２（ａ）はカバーを除く絶縁ケース本体側の正面図、図２（ｂ）は正常時のオン状態における断面図および図２（ｃ）は異常時のオフ状態における断面図である。
【図３】本発明に係る実施例１の温度保護素子の変形例を示し、図３（ａ）はカバーを除く絶縁ケース本体側の正面図、図３（ｂ）は正常時のオン状態における断面図および図３（ｃ）は異常時のオフ状態における断面図である。
【図４】本発明に係る実施例２の温度保護素子の要部構成を示す分解斜視図である。
【図５】同じく図４の温度保護素子を示し、図５（ａ）はカバーを除く絶縁ケース本体側の正面図、図５（ｂ）は正常時のオン状態における断面図および図５（ｃ）は異常時のオフ状態における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明を実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の実施例１に係る温度保護素子１０を示し、一対の導出ターミナル１１を設けた絶縁ケース１２からなる。絶縁ケース１２は、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン、液晶ポリマー、フッ素樹脂などのエンジニアリングプラスチックを射出成形により、各ターミナルを内包するプラスチック製筐体に成形加工したものである。絶縁ケース１２には、第１ターミナル１１−１、第２ターミナル１１−２を備え、予め適宜フォーミングされた各ターミナルを絶縁ケースに射出成形により一体成形すると共に、この絶縁ケース内にはターミナルの接続用電極部分を露呈させて設けている。すなわち、図１に示すように、一対のターミナル１１を絶縁ケース１２に一体化した加工部品、このケースの開口を覆う絶縁カバー１９、絶縁ケース１２内に収容するＰＴＣ２２およびバイメタル２５からなる４つの部品から構成される。先端部に導電体２６を設けたバイメタル２５は後端部を第２ターミナル１１−２と接続する電極部１３で接続固定され、ＰＴＣ２２はその下面が第１ターミナルと接続するように、第１ターミナル１１−１に電極部（第３接点）１４を設けている。さらに、主回路を形成するために、第１ターミナル１１−１に電極部１５と接点１７、および第２ターミナル１１−２に電極部１６と接点１８が設けられる。これらの接点１７，１８は、バイメタル２５の導電体２６と接触自在に配置され主回路をオン−オフする。両面に電極を有するＰＴＣ２２は第１ターミナル１１−１の電極部（第３接点）１４およびバイメタル２５と接続するように設置される。それにより、ＰＴＣ２２は第１および第２ターミナル間に配置接続される。ＰＴＣ２２の上下面には、例えばＡｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、カーボンなどの単体または複合体からなる電極を施している。また、図示しないがバイメタルが反転作動した際に、バイメタルと上記ＰＴＣの電極とを圧接させる目的で、バイメタル下面に接触突起を設けることが好ましい。なお、バイメタル２５の架接用通電路となる導電体２６は、バイメタル本体の材料より電気抵抗が小さい導電材であればよく、例えばＣｕ、Ａｇ、ＡｕやＣｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金のような金属材料の中から選定することができ、選ばれた材料を接合固定するか、接点材のクラッドもしくはめっきして形成する。絶縁ケース１２はＰＴＣ２２およびバイメタル２５を組み込み後、その開口部に絶縁カバー１９が掛けられ、絶縁ケース開口部を絶縁カバー１９で被ってパッケージする。実施例１では、図２（ｂ）に示すように絶縁カバー１９の内側に押圧部１９−１を設けることで、バイメタルの初期変形を拘束してバイメタルのチャタリング動作を抑制している。
【００１２】
図３は、本発明の実施例１に係る温度保護素子１０の変形例を示す。温度保護素子１０においては、絶縁カバー内側に押圧部を設けているが、変形例では、図３（ｂ）に示すように、絶縁カバーの内側を平坦に成形してある点が異なっている。変形例の温度保護素子は、組立工程でバイメタル表面の一部をレーザー加工することで、チャタリング動作の抑制と反転温度の微調整を行う。上記の変形例では、バイメタルが反転作動した際にバイメタルとＰＴＣとを圧接させる目的で、バイメタル２５の凹面の内側部分に接触突起２５−１を設けてもよい。
【００１３】
図４および図５は、本発明に係る実施例２の温度保護素子３０を示すが、実施例１と同様な構造については詳細な説明を省略する。実施例１においては絶縁ケース本体がターミナル部品と一括して加工されたのに対し、この実施例２では一対のターミナルも構成部品として挙げられ、図４に示すように、６つの部品で構成される。すなわち、絶縁ケース３２と絶縁カバー３３が所定形状に成形加工され、第１ターミナル３１−１と第２ターミナル３１−２が所定形状に板金加工されて用意される。ＰＴＣ４２およびバイメタル４５は、絶縁ケース３２と絶縁カバー３３からなるパッケージの内部に収容される。一対のターミナル３１はそれぞれに接点３７と接点３８が設けられており。これらの接点間のオン−オフがバイメタル４５の先端部に設けた導電体４６の作動により行うのは実施例１と同様である。また、ＰＴＣ４２が一対のターミナル３１間に配置され、互いに接触して通電発熱回路を形成するのも実施例１と同様である。この実施例では、第１ターミナル３１−１およびこれと対峙する第２ターミナル３１−２の各平面部分に方形状ＰＴＣ４２が挟持状態で配置される。また、バイメタル４５の先端側に設けた導電体４６は、第１接点３７および第２接点３８の間を架接して開閉自在に配置し、バイメタル４５の後端側は第２ターミナル３１−２の上面と接合させて固定する。導電体４６は、実施例１と同様にバイメタル材より電気抵抗が小さい導電材であればよく、例えばＣｕ、Ａｇ、ＡｕやＣｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金のような金属材料の中から選ばれる。
【００１４】
上述する実施例において、バイメタルに施す低抵抗の導電体は、めっき等の成膜によってバイメタルの表面全面または電気接触が必要とされる一部に部分的に設けてもよく、特に部分的に導電体を設ける場合は、低抵抗の単一材料やクラッド材等を該当部分に抵抗溶接するのが好ましい。また、方形板状ＰＴＣの上面に対向する部分のターミナルやバイメタルの接触面は全面もしくは一部分をクラッドもしくはめっきにより形成させてもよい。バイメタルに設ける導電体は、バイメタルとの境界面に、低抵抗導電材の組成分とバイメタル材質とが互いに拡散などにより混ざり合うことがないよう、Ｎｉなどのバリア層を設けるのが好ましい。この他に導電体は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金の中から選ばれた少なくとも１つの導電材を導電フィラーに用いた導電塗料をバイメタルアームに塗布し、使用するバイメタルとＰＴＣよりも低抵抗の皮膜を形成させて設けてもよい。
【実施例１】
【００１５】
図２の実施例１の温度保護素子では、絶縁ケース１２は液晶ポリマーの射出成形により作製された。また、ターミナルのバイメタルやＰＴＣとの接続電極や接点電極の各電極部は筐体内側に銅材を露出させている。具体的に、絶縁ケース１２内の第１ターミナル１１−１には、Ａｇ−Ｎｉ合金材からなる第１接点１７と第３接点１４とを設け、ＰＴＣ装入孔２２−１の中央部に位置する第３接点１４と円盤状のセラミック製ＰＴＣ２２とを接触させている。さらにＰＴＣ２２の上面と接触するバイメタル２５を第２ターミナル１１−２に接合する電極部１３をＡｇ−Ｎｉ合金材により設けている。絶縁ケース開口部を覆う絶縁カバーも液晶ポリマー製である。実施例１で用いる導電体２６は、テープ状のクロスバー型接点材をプロジェクション溶接によってバイメタル端部の所定位置に設ける。この実施例の保護素子が異常温度を検知したときは、図２（ｃ）に示すように、バイメタルの反転による作動でバイメタル２５の端部を動かし、導電体２６が第１接点１７と第２接点１８の架接を開離する。その結果、専らＰＴＣ２２の通電発熱回路に電流が流れるように切り換わる。過電流に対しては、電流値がバイメタル端部に設置した導電体２６の通電容量を超えたときに、導電体の抵抗発熱によってバイメタルが反転作動する。作動による開離よりオフ状態となった後はＰＴＣ２２を経る通電発熱回路が働き、その時点でバイメタルアームの自己発熱は停止する。
【００１６】
実施例１の変形例は、図３（ｂ）に示すように、液晶ポリマー製絶縁カバーの内側を平坦に成形している。また、バイメタル２５の凹面の内側部分に接触突起２５−１を設け、作動時にバイメタルをセラミック製ＰＴＣ２２に圧接させて接触性を向上させている。その他の部分の構成や作動原理については、実施例１と同様であるので省略する。
【実施例２】
【００１７】
図５の実施例２の温度保護素子では、絶縁ケース３２と絶縁カバー３３は液晶ポリマー製絶縁物質で成形加工されている。ケース内部に、フォーミングを施した銅製の一対のターミナル３１間に方形板状のセラミック製ＰＴＣ４２を挟み込んで収め、ＰＴＣ４２を第１ターミナル３１−１と第２ターミナル３１−２とに接触させ、さらに第２ターミナル上部にバイメタル４５を接合している。各ターミナル３１の各接点３７，３８はＡｇ−Ｃｕ合金材からなり、バイメタル４５の先端部に設けた導電体４６もＡｇ−Ｃｕ合金材からなる。絶縁ケース３２の開口部を絶縁カバー３３で被って、両者を融着させてある。実施例２で用いる導電体４６は、テープ状のクロスバー型接点材をプロジェクション溶接によってバイメタル端部の所定位置に設けてある。この実施例２の温度保護素子３０が異常温度を検知したときは、図５（ｃ）に示すように、バイメタルの反転作動により導電体４６が第１接点と第２接点の架接を開離する。その結果、専らＰＴＣ４２に通電する通電発熱回路に電流が流れる。一方、過電流に対しては、電流値がバイメタル端部に設けた導電体の通電容量を超えたときに、導電体の抵抗発熱によってバイメタル４５が反転作動することで両接点を開離し、この作動後はＰＴＣ４２を経る通電発熱回路に切り替わるため、その時点でバイメタルの自己発熱は停止する。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明の温度保護素子は、電気・電子回路の過熱防止に利用され、とりわけ二次電池の過充電防止用保護素子として有用である。
【符号の説明】
【００１９】
１０，３０・・・温度保護素子、  １１，３１・・・ターミナル、
１１−１，３１−１・・・第１ターミナル、
１１−２，３１−２・・・第２ターミナル、
１２，３２・・・絶縁ケース、  １９，３３・・・絶縁カバー、
１３・・・バイメタル用電極部、  １４・・・ＰＴＣ用電極部（第３接点）、
１５・・・第１接点用電極部、  １６・・・第２接点用電極部、
１７，３７・・・第１接点  、  ２２，４２・・・ＰＴＣ、
１８，３８・・・第２接点  、  ２５，４５・・・バイメタル、
２６，４６・・・導電体、  １９−１・・・バイメタル押圧部、
２２−１・・・ＰＴＣ装入孔、  ２５−１・・・接触突起。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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