(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を配設し、筐体１０内に不活性ガスを封入する。ガス封入により接触部位の酸化や汚れが防止でき、温度上昇によりバイメタル８が変形すると可動電極３を押し上げるので接点３ａが固定電極２から離れ、可動電極３と固定電極２とを回路と直列に接続した状態に感熱作動素子１を配設すると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３がその電気抵抗によって発熱してバイメタル８を加熱変形させるので接点３ａが固定電極２から離れて過大電流は遮断される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に少なくとも、固定電極と、可動接点が前記固定電極に接触する状態と離隔する状態とに変形する可動電極と、温度上昇により前記可動接点が固定電極に接触した状態から離隔した状態に可動電極に変形作用を及ぼすバイメタルとを収容し、固定電極及び可動電極につながるリード部分を外部に引き出し、不活性ガスを封入して前記筐体内が封止されてなることを特徴とする感熱作動素子。
【請求項２】
可動電極は、バイメタルによって形成されてなる請求項１に記載の感熱作動素子。
【請求項３】
可動電極は、過大電流が流れることにより発熱する材料によって形成されてなる請求項１に記載の感熱作動素子。
【請求項４】
可動電極の材質が、ＳＵＳ３０４である請求項３に記載の感熱作動素子。
【請求項５】
少なくとも筐体内の封止が、不活性ガスの雰囲気下でなされる請求項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】
このような電池パックにサーモスタットを適用した従来技術として、スイッチ構造を形成する可動板にバイメタルを取り付け、温度上昇によりバイメタルが変形することにより可動板が固定板から離れるようにしたサーマルプロテクタが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
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するのでサーモスタットは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。この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２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２６０２２０号公報（第２〜３頁、図２）
【特許文献２】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】
しかしながら、サーモスタットは接点部分の開閉により回路を開閉する素子であるため、経時変化により接点に酸化物や汚れなどの不導体層が形成されると接触抵抗が増加する。電池パックに適用されるサーモスタットは充放電回路と直列に接続されるため、充放電電流が接点部分を流れ、電流量が大きくなると接触抵抗の増加は無駄な熱エネルギーの増加に伴う電力損失をまねき、電池パックの内部抵抗を増加させる問題があった。
【０００６】
本発明が目的とするところは、接点部分に経時変化が発生することを抑制する構造を備えた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】
【０００７】
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、筐体内に少なくとも、固定電極と、可動接点が前記固定電極に接触する状態と離隔する状態とに変形する可動電極と、温度上昇により前記可動接点が固定電極に接触した状態から離隔した状態に可動電極に変形作用を及ぼすバイメタルとを収容し、固定電極及び可動電極につながるリード部分を外部に引き出し、不活性ガスを封入して前記筐体内が封止されてなることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、温度上昇を検知する対象物に感熱作動素子を取り付けると、対象物からの伝熱によりバイメタルが加熱されて変形し、可動電極に変形を及ぼすので、可動接点が固定電極から離隔した状態になり、固定電極及び可動電極の各リードを回路と直列に接続しておくと、温度上昇により回路が遮断される。可動電極に変形が及ばない温度状態では可動接点と固定電極との間の接続は、回路接続に損失が生じない接触抵抗に維持されることが要求されるが、大気に曝された状態では各接点に酸化物や汚れが生じて接触抵抗が増加する経時変化が生じることになるので、本構成のように筐体内に不活性ガスが封入されていると、各接点に経時変化が生じる状態とはならない。
【０００９】
上記構成において、可動電極をバイメタルによって形成することができ、自らの熱変形により可動接点を固定電極から離隔させて回路遮断することができる。
【００１０】
また、可動電極は過大電流が流れることにより発熱する材料によって形成することにより、短絡等による過大電流によって発熱してバイメタルを加熱することができるので、温度上昇に加えて過大電流によってもバイメタルの変形により回路遮断する感熱作動素子とすることができる。過大電流にも対応できる可動電極の材質として、ＳＵＳ３０４が好適なものとなる。
【００１１】
また、筐体内への不活性ガスの封止は、少なくとも筐体内の封止を不活性ガスの雰囲気下で行うことにより可能となり、感熱作動素子を不活性ガスの雰囲気下で組み立てることによっても可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度上昇あるいは過大電流に感応して回路遮断する感熱作動素子の経時変化が抑制され、平常時には回路接続に損失を生じさせない接触抵抗で回路接続をなし、温度上昇が発生したときや過大電流が流れたときに回路遮断する感熱作動に変化が生じず、電池パック等の安全対策を確実に講じることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１、図２に示すように、感熱作動素子１の筐体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部材収容室１１が形成されている。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が形成されており、この中に円盤状に形成した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を配設する。可動電極３に設けられた固定翼部３ｂは台ケース５上に形成された一対の位置決め枠１２に嵌り合うので、可動電極３は位置決め配置され、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に蓋ケース６を接合した筐体１０の部材収容室１１に構成部材を封止して感熱作動素子１が形成される。
【００１５】
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可動接点３ａが固定電極２に接触した状態となる。
【００１６】
上記感熱作動素子１の組み立て工程は、不活性ガスが満たされたチャンバ内で行うことにより、完成した感熱作動素子１の筐体１０内に不活性ガスが封入された状態が得られる。また、構成要素を配した台ケース５に蓋ケース６を接合する工程のみを不活性ガスを満たしたチャンバ内で行っても筐体１０内に不活性ガスを封入することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、先端に設けられた可動接点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の可動接点３ａが固定電極２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。
【００２０】
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可動接点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が繰り返されることにならない。
【００２１】
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。
【００２２】
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、先端に設けられた可動接点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。可動接点３ａが固定電極２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。
【００２３】
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可動接点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。
【００２４】
尚、上記構成においては、可動電極３の可動接点３ａが固定電極２から離隔した状態を維持するためにＰＴＣ素子９を適用しているが、これに代えて所定抵抗値を有する抵抗器を用いても同様の効果が得られる。また、可動接点３ａが接触する固定電極２上に固定接点を設けると、より接触抵抗が小さく安定した接触が得られるように構成することができる。
【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】
また、より簡易な構成でよい場合には、可動電極３そのものをバイメタル材料により形成することができる。この構成では感熱作動素子１が温度上昇すると、バイメタル材料によって形成された可動電極３が変形し、先端に設けられた可動接点３ａが固定電極２から離れて回路遮断する。
【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、温度上昇及び／又は過大電流によって作動する構成部材を収容した筐体の内部空間に不活性ガスが封入されているので、接点部分に酸化物や汚れが発生することが抑制され、経年変化が少ない感熱作動素子を構成することができる。
【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。
【符号の説明】
【００３０】
１  感熱作動素子
２  固定電極
３  可動電極
３ａ  可動接点
５  台ケース
６  蓋ケース
８  バイメタル
１０  筐体
１１  部材収容室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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