(57)【要約】【課題】  温度上昇及び過大電流に感応して回路遮断することを可能にする感熱作動素子を提供する。【解決手段】  固定電極２と可動電極３との間にバイメタル８とＰＴＣ素子９とを配設する。温度上昇によりバイメタル８が変形して可動電極３を押し上げると接点３ａが固定電極２から離れるので、可動電極３と固定電極２とを充放電回路と直列に接続した状態に感熱作動素子１を配設しておくと温度上昇により回路遮断することができる。また、回路に過大電流が流れると可動電極３がその電気抵抗により発熱してバイメタル８を加熱変形させるので、可動電極３の接点３ａを固定電極２から引き離して過大電流は遮断される。接点３ａが離れると電流はＰＴＣ素子９に流れるので、その加熱によりバイメタル８の変形が自己保持される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、過大電流が流れたとき発熱する材質によって形成されて一端に設けられた接点により前記固定電極に接触する可動電極との間に形成された間隙内に、温度上昇が生じたとき前記接点を固定電極から引き離すように変形するバイメタルと、このバイメタルを加熱する抵抗素子とが、可動電極と固定電極との間を導通させるように積み重ね配置されてなることを特徴とする感熱作動素子。
【請求項２】
抵抗素子が、ＰＴＣ素子である請求項１に記載の感熱作動素子。
【請求項３】
可動電極の材質が、ＳＵＳ３０４である請求項１に記載の感熱作動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度上昇及び過大電流により作動して回路接続を遮断する感熱作動素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温度上昇に感応して回路遮断する素子としてサーモスタットが知られており、小型のサーモスタットが二次電池を用いた電池パックに適用されている。電池パックにおいては、過充電等の原因によって二次電池が温度上昇したとき、上昇温度に感応したサーモスタットによって充電回路を遮断し、二次電池が過度の温度上昇によって発火に至るような事故を防止する。
【０００３】
しかし、サーモスタットにより充電回路が遮断されると、二次電池の温度は低下し、サーモスタットの温度も低下して充電回路を閉じるので、再び充電電流が流れて過充電状態となる。この課題を解決するために、サーモスタットに加熱抵抗を並列接続し、サーモスタットと加熱抵抗とを一体化した自己保持型のサーモスタットが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
上記自己保持型のサーモスタットでは、二次電池の温度上昇に感応したサーモスタットが充電回路を開くと、並列接続された加熱抵抗に電流が流れるようになり、加熱抵抗が発熱することによる熱でサーモスタットが加熱され、回路遮断した状態が維持される。加熱抵抗の抵抗値は大きく設定されるので、サーモスタットが回路遮断した状態に自己保持させるための電流は小さく、その電流によって二次電池が過充電状態となることはない。
【特許文献１】特許第３４１６２２９号公報（第２〜３頁、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リチウムイオン二次電池を用いた電池パックにおいては、過充電、過放電及び過大電流から二次電池を保護する手段が設けられ、可燃性の有機溶媒を電解液として用いるリチウムイオン二次電池の安全性を確保する構成が採用されている。過充電や過放電に対しては電池保護回路により過充電や過放電を検出して充放電回路を遮断する手段が用いられ、外部短絡等による過大電流に対しては前記電池保護回路と共にＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)素子やサーモスタットを充放電回路と直列に接続した二重の対策が講じられている。この場合、前記ＰＴＣやサーモスタットにより、前記電池保護回路の故障による過充電や、不適切な充電器の接続や外部短絡による過電流が防止されるのは、それらが原因で電池温度が上昇し、その温度で充放電回路を遮断すべく動作するからである。このような構成は、リチウムイオン二次電池を用いて電池パックを構成する上で不可欠且つ有効な手段であるが、電池保護回路を構成した回路基板を二次電池と共にパッケージングし、配線処理する必要があり、電池パックの小型化やコストダウン化を阻害する要因ともなる。
【０００６】
二次電池の性能向上に伴って前述のような電池保護構成は過剰構成ともなりかねず、徒にコストアップをまねくので、より簡易に電池保護がなし得る構成が要求されている。二次電池に悪影響を与える温度上昇や過大電流を検出して速やかに充放電回路を遮断することができれば、通常構成になる電池パックにおいては電池保護を果たせることになる。
【０００７】
サーモスタットを用いることにより、所定値以上の電池温度及び所定値以上の充放電電流の両者に対して充放電回路を遮断する場合、サーモスタットはそれを構成するバイメタルが温度上昇により変形して回路を閉じる接点を開くように作用するものであるから、バイメタルに電流が流れるようにしておけば、過大電流が流れたときに発生するバイメタルの電気抵抗による所定値以上のジュール熱と、所定値以上の電池温度の何れに対しても前記接点を開くように構成することが出来ると考えられる。
【０００８】
しかしながら、所定値以上の電流による発熱によって変形する動作と、所定値以上の周囲温度によって変形する動作のそれぞれを同時に満足させるバイメタルの材料を選ぶのは困難であり、１つのサーモスタットによって電池の温度上昇と過大電流の両者に対応させることができなかった。
【０００９】
本発明が目的とするところは、温度上昇及び過大電流に感応して回路遮断することを可能にする感熱作動素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係る感熱作動素子は、固定電極と、過大電流が流れたとき発熱する材質によって形成されて一端に設けられた接点により前記固定電極に接触する可動電極との間に形成された間隙内に、温度上昇が生じたとき前記接点を固定電極から引き離すように変形するバイメタルと、このバイメタルを加熱する抵抗素子とが、可動電極と固定電極との間を導通させるように積み重ね配置されてなることを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、温度上昇によりバイメタルが変形すると、変形が可動電極に及んで可動電極の一端に設けられた接点が固定電極から離れるように作用する。可動電極と固定電極とを充放電回路と直列に接続した状態に感熱作動素子を配設しておくと、バイメタルに変形が生じる温度に温度上昇したとき、回路を遮断することができる。また、回路に過大電流が流れると可動電極がその電気抵抗によって発熱し、発熱は一部が接するバイメタルに伝熱するので、バイメタルが変形する温度になったとき、変形により可動電極をその接点が固定電極から引き離すように作用するので、回路に流れる過大電流は遮断される。固定電極から可動電極の接点が離れると、電流は固定電極と可動電極との間に配設されたバイメタル及び抵抗素子を通じて流れ、抵抗素子はジュール熱を発生させてバイメタルを加熱し、変形した状態が維持されるので、回路遮断した状態が自己保持される。
【００１２】
上記構成において、抵抗素子はＰＴＣ素子によって構成するのが好適で、温度が低い状態では低い抵抗値であるが、周囲温度の上昇や過大電流による自己発熱により温度上昇すると急激に抵抗値を増加させるので、小さい電流値で発熱が維持され、バイメタルの加熱状態が継続されて変形を維持することができる。
【００１３】
また、可動電極が過大電流によって発熱するためには、可動電極が所要の電気抵抗を有し、その電気抵抗は平常時には回路抵抗として無視できる程度のものである必要がある。これを実現する可動電極の材質として、ＳＵＳ３０４が好適であり、スイッチ構造を形成する弾性を兼ね備えたものが得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度上昇と過大電流とに感応して回路遮断する感熱作動素子が構成され、電池パックのように二次電池に過充電がなされたような場合の温度上昇に対して充放電回路を遮断して過充電を停止させ、外部短絡や不適切な充電器の接続によって過大電流が流れたとき充放電回路を遮断して過大電流の流れを阻止するために、それぞれ個別の保護手段を設けていた従来構成は、１つの感熱作動素子によって実現することが可能になり、電池パックを簡易に構成して小型化とコストダウン化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１（ａ）は、本実施形態に係る感熱作動素子１の構成を示すもので、図２に分解して示す構成要素を用いて組み立てられたものである。この感熱作動素子１は、リチウムイオン二次電池を用いた電池パックに適用するのに好適な構造に構成したもので、二次電池が異常温度上昇したとき、あるいは充放電回路に外部短絡等による過大電流が流れたとき、充放電回路を遮断して二次電池を保護する目的に使用される。以下、図１及び図２を参照して詳細な構造及び動作について説明する。
【００１６】
図１、図２に示すように、筐体１０を構成する台ケース５は、樹脂成形により固定電極２及び可動電極リード４をインサートし、中央に構成部材を収容する空間である部材収容室１１を設けて形成されている。この部材収容室１１の中央に固定電極２の表面を露出させた円形凹部１１ａ内に、円盤状に形成されたＰＴＣ素子９を配し、その上に円弧状に湾曲させたバイメタル８を積み重ね、バイメタル８上に可動電極３が配設される。可動電極３に形成された固定翼部３ｂは、台ケース５に形成された位置決め枠１２に嵌り合って位置決めされるので、可動電極３の一端は位置決め枠１２の中に露出する可動電極リード４にスポット溶接される。このように構成部材が取り付けられた台ケース５上に、樹脂形成により押圧板７をインサートして形成された蓋ケース６を被せ、蓋ケース６と台ケース５との間を超音波溶接することにより、台ケース５の内部空間に構成部材を封止して感熱作動素子１が形成される。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、台ケース５内に配設された可動電極３は、蓋ケース６が被せられることにより、その内面にインサートされた押圧板７の突出部により中央部分が押圧され、先端部に設けられた接点３ａが固定電極２に接触した状態となる。
【００１８】
上記構成になる感熱作動素子１は、図３に示すように、電池パックＡ内に二次電池Ｂと直列に接続した状態にして配設される。感熱作動素子１の取り付けは、図４に示すように、二次電池Ｂの表面に絶縁紙Ｃを介して台ケース５の底面が当接するように取り付けられる。
【００１９】
二次電池Ｂが過充電状態になったときや、電池パックＡが高温環境に曝されたとき、二次電池Ｂは温度上昇する。二次電池Ｂの熱は固定電極２及びＰＴＣ素子９を通じてバイメタル８に伝熱するので、バイメタル８が所定温度以上に加熱されたとき、図１（ｂ）に示すように、バイメタル８は膨出方向を反転させるように変形する。バイメタル８は熱膨張率が異なる２種類の金属板を貼り合わせて形成されているため、温度上昇が所定温度以上になると両面の膨張率が異なることから膨出方向が反転する。
【００２０】
バイメタル８の膨出方向が反転すると、跳ね上った周縁部が可動電極３の先端側を押し上げるので、先端に設けられた接点３ａは固定電極２から離れ、充放電回路が遮断され、過充電状態にあるときには過充電が停止され、高温環境に曝されているときには高温状態にある二次電池Ｂに充放電がなされることを防止することができる。可動電極３の接点３ａが固定接点から離れると、可動電極３からバイメタル８、ＰＴＣ素子９を通じて固定電極２につながる電流経路が形成され、ＰＴＣ素子９の抵抗値に対応する電流値の電流が流れる。ＰＴＣ素子９は所定温度（トリップ温度）を越えると抵抗値が急増するトリップ状態となる特性を有しており、いったんトリップ状態になると電流が遮断されるまで抵抗値が高くなった状態が維持される。従って、高い抵抗値に電流が流れることによるジュール熱によってＰＴＣ素子９の温度上昇によりバイメタル８が加熱され、膨出方向が反転した状態が維持される。
【００２１】
このＰＴＣ素子９による加熱でバイメタル８に反転状態が維持されるため、過充電状態が停止されて二次電池Ｂの温度が低下すると、それに伴ってバイメタル８の温度も低下して膨出方向が元の状態に反転し、可動電極３はその弾性により原状復帰して接点３ａが固定電極２に接して図１（ａ）に示す状態となり、充放電回路は導通状態となり、再び充電が開始されて過充電が継続される状態になることが繰り返されることにならない。
【００２２】
また、電池パックＡの外部入出力端子Ｄの正極、負極間が外部短絡したような場合に、二次電池Ｂから過大電流が流れてあるいは、不適切な充電器が接続されると二次電池Ｂに過大電流が流れ込んで二次電池Ｂは温度上昇する。それ以前に、感熱作動素子１に過大電流が流れると、可動電極３がその電気抵抗によりジュール熱を発して温度上昇する。本構成においては可動電極３の材質として、ＳＵＳ３０４が適用されており、一般にこの種の部材に適用される銅合金の電気抵抗が約７ｍΩなのに対して、ＳＵＳ３０４では電気抵抗が約４０ｍΩとなるため、過大電流が流れたときの発熱量が大きくなる。可動電極３の発熱は、それに一部が接しているバイメタル８に伝熱し、バイメタル８が所定温度以上に加熱されたとき、図１（ｂ）に示すように、バイメタル８は膨出方向を反転させるように変形する。
【００２３】
バイメタル８の膨出方向が反転すると、先と同様に跳ね上った周縁部が可動電極３の先端側を押し上げるので、先端に設けられた接点３ａは固定電極２から離れ、充放電回路に流れる過大電流は遮断される。可動電極３の接点３ａが固定接点から離れると、可動電極３からバイメタル８、ＰＴＣ素子９を通じて固定電極２につながる電流経路が形成され、ＰＴＣ素子９の抵抗値に対応する電流値の電流が流れる。ＰＴＣ素子９は高い抵抗値に電流が流れることによるジュール熱によって温度上昇するのでバイメタル８が加熱され、膨出方向が反転した状態が維持される。
【００２４】
このＰＴＣ素子９による加熱でバイメタル８に反転状態が維持されるため、過大電流が阻止されて二次電池Ｂの温度が低下すると、それに伴ってバイメタル８の温度も低下して膨出方向が元の状態に反転し、可動電極３はその弾性により原状復帰して接点３ａが固定電極２に接して図１（ａ）に示す状態となり、充放電回路は導通状態となり、再び過大電流が流れる状態が繰り返されることにならない。過大電流が流れる外部短絡等の原因が排除されると、充放電回路には電流が流れなくなるので、ＰＴＣ素子９はトリップ状態から解放され、元の低い抵抗値の状態に復帰する。
【００２５】
上記のように可動電極３の材質として、平常使用時において流れる充放電電流によって大きな損失が生じない電気抵抗を有し、適度な弾性を備えているものを選択することにより、温度上昇と過大電流とに感応する感熱作動素子１に構成することができる。
【００２６】
上記構成においてはＰＴＣ素子９を用いているが、図５に示すように、ＰＴＣ素子９に代えて所定抵抗値を有する抵抗素子９ａを用いることもできる。抵抗素子９ａの抵抗値を比較的小さい電流値においてもジュール熱を発生する値に設定することにより、温度上昇や過大電流により可動電極３の接点３ａが固定電極２から離隔する状態になったとき、抵抗素子９ａに電流が流れてバイメタル８を加熱するので、可動電極３の接点３ａが固定電極２から離れた状態が維持されるようにバイメタル８の変形を維持することができる。
【００２７】
以上説明した実施形態は電池パックに適用するのに好適な構成について説明したが、これに限定されるものではなく、温度上昇と過大電流とに感応して回路遮断する用途に広く適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明に係る感熱作動素子は、温度上昇と過大電流とに感応して回路遮断することができるので、二次電池に過充電がなされたような場合の温度上昇に対して充放電回路を遮断して過充電を停止させるための手段と、外部短絡や不適切な充電器が接続されることによって過大電流が流れたとき充放電回路を遮断して過大電流の流れを阻止するための手段とをそれぞれ個別に設けていた従来構成は、１つの感熱作動素子によって実現することが可能となり、電池パック等の構成を簡易にして小型化とコストダウン化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態に係る感熱作動素子の構成を（ａ）の平常時、（ｂ）の作動時の状態で示す断面図。
【図２】同上感熱作動素子の構成要素を分解して示す分解斜視図。
【図３】電池パックに適用した例を示す回路図。
【図４】電池パックに対する取り付け状態を示す側面図。
【図５】電池パックの変形例を示す回路図。
【符号の説明】
【００３０】
１  感熱作動素子
２  固定電極
３  可動電極
３ａ  接点
８  バイメタル
９  ＰＴＣ素子
９ａ  抵抗素子
【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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