(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正端子および負端子ならびに一対の内部極（アノードおよびカソード）を有する電気化学的電池（１００）に適用するためのエンドキャップ組み立て体（１０、１１０）であって、前記エンドキャップ組み立て体はハウジング（３０）と電池端子として働くエンドキャッププレート（２０）とを備えると共に、該エンドキャップ組み立て体（１０、１１０）が電池に適用されたときにそれを貫く導電路を有し、該エンドキャッププレートを電池極（８８）と電気的に接続することを可能にしており、
さらに前記エンドキャップ組み立て体（１０、１１０）が、
ａ）前記導電路を通って流れる電流を防ぐための熱感応手段（４０、５０、１７５、１５０）であって、該エンドキャップ組み立て体内の温度が予め決められたレベルに達したときに作動可能である、バイメタル部材を有する熱感応手段と、
ｂ）該エンドキャッププレート（２０）と向き合う前記エンドキャップ組み立て体（１０、１１０）の端部に配置される、破断可能な部材（７０）を有する圧力感応手段であって、該エンドキャッププレート（２０）から最も遠い面に作用するガス圧が予め決められたレベルに達したときに前記破断可能な部材（７０）が破断し、該破断可能な部材に破断を生じ、ガスがそこを通り抜けるのを可能にした圧力感応手段と、
を備えたエンドキャップ組み立て体。
【請求項２】
前記電池が円筒状のケースを有し、前記ケースの開口端部に前記エンドキャップ組み立て体を挿入し、該エンドキャップ組み立て体を前記ケースに溶接することにより前記エンドキャップ組み立て体を前記電池に適用するようにした請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項３】
前記熱感応手段が該エンドキャップ組み立て体内にチャンバを有し、前記バイメタル部材および導電性弾性部材を備え、前記弾性部材が該導電路の一部を形成しており、該エンドキャップ組み立て体内の電池温度が予め決められたレベルに達したときに前記バイメタル部材が変形し、これにより該弾性部材を押して該導電路内に遮断を引き起こすようにした請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項４】
前記バイメタル部材が該エンドキャップ組み立て体内の電気的絶縁部材の面上に自由な状態で載るようにした請求の範囲第３項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項５】
前記弾性部材の一部が前記エンドキャッププレートの一部と前記絶縁部材の一部との間に挟持されると共に、前記エンドキャップ組み立て体が前記導電路の一部分を形成する、接触プレートを備え、前記弾性部材が前記接触プレートと電気的接触を保持するようにした請求の範囲第４項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項６】
さらに、前記エンドキャップ組み立て体の内側幅を横切り、該エンドキャッププレートと前記破断可能な部材との間に配置される、隔離部材を備え、前記隔離部材が前記熱感応手段を前記圧力感応手段から隔てるようにした請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項７】
前記隔離部材が少なくとも１個の透孔を有する金属プレートを備え、前記破断可能な部材が破断したとき、ガスが前記透孔を通って前記エンドキャップ組み立て体内の該チャンバに流出するようにした請求の範囲第６項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項８】
前記エンドキャッププレートが少なくとも１個の透孔を備え、前記破断可能な部材が破断したとき、前記チャンバから集められたガスが前記エンドキャッププレートの該透孔を通って外部環境に流出するようにした請求の範囲第７項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項９】
前記破断可能な部材が破断可能なダイアフラムからなる請求の範囲第６項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項１０】
前記バイメタル部材が予め決められた温度に達したときに該バイメタル部材が変形し、前記弾性部材をもって接触プレートとの電気的接続を切り離させ、これにより前記導電路内に遮断を引き起こすようにした請求の範囲第５項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項１１】
さらに、前記エンドキャッププレートの外周縁および前記ダイアフラムの外周縁と接して電気的に絶縁する絶縁環を備え、前記エンドキャップ組み立て体が、さらに機械的な圧縮を与えて前記ダイアフラムと前記エンドキャッププレートとを保持するために前記絶縁環を囲み機械的に圧着される、金属部材（圧着部材）を有する請求の範囲第９項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項１２】
さらに、前記圧着部材を取り囲む金属カバーを備える請求の範囲第１１項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項１３】
前記エンドキャップ組み立て体を電池のための円筒状のケースの開口端部に挿入し、前記カバーの外面を前記ケースの内面に溶接し、その結果、該電池の端子を構成する前記エンドキャッププレートが該外部環境に露出し、前記エンドキャップ組み立て体が前記ケース内に堅く密封されるようにした請求の範囲第１２項記載のエンドキャップ組み立て体。
【請求項１４】
前記熱感応手段が前記エンドキャッププレートと電気的接続状態を保っている導電性弾性部材および前記エンドキャッププレートと該エンドキャップ組み立て体の他の導電部との間の電気的接続状態を保って前記弾性部材を保持する１塊の溶融可能な材料を備え、前記エンドキャップ組み立て体が電池に適用されたとき、他の前記導電部が電池極と電気的に接続されるように適応され、これにより前記電池が作動する間、前記エンドキャッププレートと前記電池極との間の電気的接続を与え、前記電池の温度が予め決められたレベルに達したときに前記溶融可能な材料が溶融し、これにより前記エンドキャッププレートと前記電池極との間の電気的接続を切り離すように前記弾性部材を移動させ、これにより前記電池の作動を防ぐようにした請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て体。
【発明の詳細な説明】
本発明は電池内の温度が過度に上昇したときに電池を通って電流が流れるのを安全に防ぐ、電気化学的電池のための熱感応型電流遮断器に係るものである。
また、本発明は電池内に蓄えられたガス圧が過度に上昇したときに電池を安全に休止する、電池のための圧力感応型電流遮断器に係るものである。
電気化学的電池、特にリチウムが活物質であるような高エネルギ密度の電池はその電池によって働く装置あるいは周囲の環境に害をもたらす漏洩ないし破裂を引き起こす。充電式電池の場合、過充電から電池の内部温度が上昇する。温度上昇が望ましくない状態ではしばしば内部ガス圧の上昇が付随して発生する。これは外部で短絡状態に陥る事故を引き起こす可能性がある。望ましいのは製造コストの上昇、サイズないし電池群の寸法増大を伴わずに電池に安全装置を組み込むことである。
このような電池、特に活物質としてリチウムを用いる充電式電池は同時にしばしば圧力の上昇を伴う、内部の温度上昇によって漏洩ないし破裂を引き起こす。これは過充電、あるいは短絡状態のような誤った使用状態によって引き起こされる。また、重要なことは電解液の流出および外部環境からの湿分の流入を防ぐためにこれらの電池を密封状態で封じることである。
上述したように、電池は充電され、自己発熱を生じる。充電における速度があまりに早いとき、あるいは過充電になったとき、電池の温度が上昇する。電池の化学的性質ないし構造により変わる、ある値を超える温度になったとき、望ましくない制御不可能で、手に負えない状態が始まる。これに加えて、過熱のために内部に蓄えられた圧力および電解液が突然電池から放出されることがある。好ましいのは、このようなことが起こる前に、制御した状態でこれらを外に逃がすようにすることである。
従来の方法で設計される電池においては電池アノードおよびカソード活物質ならびに適当なセパレータ材料および電解液を円筒状のケースに収容した後に、このケースの開口端部に挿入する、エンドキャップが用いられている。このエンドキャップはアノードないしカソード材料の１つと電気的に接続し、露出させたエンドキャップの反対側の部分が電池端子の１つを形成している。この電池ケースの露出させた部分は他の端子を形成している。従来技術は電池のエンドキャップと一体に形成される、圧力感応型手段を開示している。
本発明は単一のエンドキャップ組み立て体内に一体に組み込まれる、１個ないし数個の電流遮断機構を備えるもので、このエンドキャップ組み立て体は、たとえば電池ケースの開口端部にエンドキャップ組み立て体を挿入する方法により一時電池あるいは二次（充電式）電池に適用することが可能である。
本発明によるエンドキャップ組み立て体は電池が高温にさらされ、過剰ないし不適当な充電状態におかれ、短絡状態に陥る間、過熱および内部に蓄えられた圧力によりもたらされる危険を克服するために、たとえば、リチウム−イオン、ニッケル金属水素化物、ニッケルカドニウム、または他の充電式電池のような充電式電池に特に適した用途を有する。
１つの様相では本発明は電池内部が予め決められた温度を超えて過熱状態に陥ったとき、導電路を遮断し、電池を通って流れる電流を防ぐように働く、熱感応型電流遮断機構が組み込まれる、エンドキャップ組み立て体を備える、電気化学的電池のためのエンドキャップ組み立て体に関する。このエンドキャップ組み立て体は電池の端子として働く、露出させたエンドキャッププレートを有する。この組み立て体が電池に適用されるとき、電池は正常に作動し、エンドキャッププレートが電池極（アノードないしカソード）と電気的接続を保っている。エンドキャップ組み立て体内に一体に組み込まれる熱作動型電流遮断機構は予め決められた値を超える温度にさらされたとき、反りを生じるバイメタル部材を備えている。このバイメタル部材の反りにより電池極とエンドキャッププレートとの間の電気的接触を切り離すように可動金属部材が押され、このため電池を通って流れる電流を防ぐことが可能になる。
本発明の別の様相ではバイメタル部材に代えて、熱溶融ペレットが用いられる。この熱ペレットは電池の温度が予め決められた値を超えたとき、電池極とエンドキャッププレートとの間の導電路を切り離すように熱ペレットの一方の面に支持される、金属部材を十分に変位させるために溶融する。熱感応型電流遮断機構に加えて、エンドキャップ組み立て体には破断プレートないし薄膜が一体に組み込まれる。電池内に蓄えられた圧力が予め決められた値を超えたとき、破断プレートないし薄膜はガスを電池の内部から外部環境に放出する。
他の様相では本発明はエンドキャップ組み立て体が一つは熱感応型で、他は圧力感応型である、２つの電流遮断機構を一体に組み込む電池、特に充電式電池のためのエンドキャップ組み立て体に関する。この熱感応型電流遮断機構は、好ましくは電池内部が予め決められた温度を超えて過熱状態に陥ったとき、導電路を遮断し、電池を通って流れる電流を防ぐように働く、バイメタル部材ないし熱溶融ペレットを使用する。
圧力感応型電流遮断機構は電池の内部に蓄えられた圧力が予め決められた値を超えて上昇したとき、電流を遮断するように働く。この場合、圧力感応型電流遮断機構はエンドキャップ組み立て体内で金属ダイアフラムを反らせるように働き、これによりエンドキャッププレートと電池極との間の電気的接続を切り離し、電池を通って流れる電流を防ぐことが可能になる。蓄えられたガス圧が頂点に達した場合、金属膜または破断プレートが電池内のガスをエンドキャップ組み立て体内にある、チャンバに逃がし、さらに一続きのベント孔を通して外部環境まで導く。
本発明の他の様相は本発明のエンドキャップ組み立て体のための密封機構に関する。この密封機構はエンドキャップから外部環境への電解液、液体ないしガスの漏洩を防止し、外部から電池内への湿分の流入を防ぐ。
本発明の特徴は図面を参照してより正確に理解することができる。図面において、
図１、図２および図３は図６のエンドキャップ組み立て体の１−１線に沿う縦断面図であり、
図１は回路接続モードである熱作動型電流遮断機構および圧力作動型電流遮断機構を示しており、
図２は回路遮断モードにある熱作動型電流遮断機構を示しており、
図３は回路遮断モードにある圧力作動型電流遮断機構を示しており、
図４は回路を開くように熱感応部材が弾性部材を解き放すように柔らかくなる、圧力作動型電流遮断機構および熱作動型電流遮断機構を有するエンドキャップ組み立て体の他の実施例に係る縦断面図であり、
図５は図１の実施例に示される、本発明のエンドキャップ組み立て体の構成要素の分解組み立て図であり、
図６は抗圧プレートおよびそれを貫く透孔を示す、エンドキャップ組み立て体の斜視図であり、
図７は電池の円筒状のケースの開口端部に挿入されている、本発明のエンドキャップ組み立て体を示す斜視図であり、
図８は電池の端子を形成するエンドキャップ組み立て体用エンドキャッププレートを有する、電池の円筒ケースの開口端部に挿入された状態の本発明によるエンドキャップ組み立て体を備えた完成電池を示す斜視図である。
本発明のエンドキャップ組み立て体１０（図１参照）は１次電池および２次（充電式）電池に適用することが可能である。好ましい実施例において、エンドキャップ組み立て体１０は典型的には電池の円筒状のケース９０の開口端部９５（図７参照）に挿入可能である。この電池は陽極（放電中、カソード）、陰極（放電中、アノード）セパレータおよび電解液ならびに陽、陰極と電気的な接続を保持する、正、負の外部端子を有する。
図面の図１を参照すると、電池ケースの開口端部に挿入することを意図したエンドキャップ組み立て体１０は熱作動可能な電流遮断器組み立て体３８およびそこに一体に組み込まれた圧力逃がし機構組み立て体４８を備えている。電流遮断器組み立て体３８と圧力逃がし機構組み立て体４８とは共通の支持プレート６０によって隔てられている。双方の組み立て体３８、４８はエンドキャップ組み立て体１０の外壁を形成する、カバー３０内に保持されている。
電流遮断器組み立て体３８はカップ状のエンドキャッププレート２０によってそれの天上面が形成され、支持プレート６０に溶接で固定される、接触プレート１５によってそれの底面が形成される。支持プレート６０は電流遮断器組み立て体３８内のチャンバ６８を圧力逃がし機構組み立て体４８内のチャンバ７８から隔てている。接触プレート１５はエンドキャップ組み立て体１０が電池に適用されたとき、電池極（アノードないしカソード）と電気的に接続される、支持プレート６０と電気的に接続される。接触プレート１５とエンドキャッププレート２０との回路を完備するために熱感応型回路遮断機構（４０、５０）が備えられる。
電池内の温度が予め決められたしきい値を超えたとき、その回路遮断機構はエンドキャッププレート２０と接触プレート１５との間の電気的接続を切り離すように作動し、これにより電池を通って流れる電流を防ぐ。
圧力逃がし機構組み立て体４８は抗圧プレート８０と接合された金属製のダイアフラム７０を備えている。この抗圧プレート８０はそこに溶接で固定される、導電性タブ８７を介して電池極８８と電気的に接続されている。（抗圧プレート８０は電気的伝導性を有し、かつ少なくとも約６００psi（４．１４×１０6パスカル）の圧力で変形しない十分な厚さの材料からなる。）電池内に蓄えられたガス圧が予め決められたしきい値を超えたならば、ダイアフラム７０は抗圧プレート８０との電気的な接続を切り離すように外側にふくらみ、これにより電池にかけて流れ、あるいは電池から流れ出る電流を防ぐ。また、好ましくは、抗圧プレート８０および支持プレート６０はそれぞれ電池の内部のガスを放出し、蓄えられた圧力を逃がすための透孔７３および６３を有する。
図１に示される好ましい実施例において、エンドキャップ組み立て体１０は充電式電池、たとえばリチウム−イオン充電式電池において使用される。リチウム−イオン充電式電池は、電池放電中、陰極から陽極にリチウム−イオンが移動し、電池充電中、リチウム−イオンが陽極から陰極にかけて移動することに特徴がある。この電池の典型的なものは酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ2）ないしスピネル結晶構造の酸化リチウムマンガン（ＬｉＭｎ2Ｏ4）からなる、陽極と、炭素陰極とを有する。この陰極は、放電中、電池のアノードを、また充電中、電池のカソードを構成し、陽極は、放電中、電池のカソードを、また充電中、電池のアノードを構成する。この電池に適した電解液は非水性溶剤の混合液に溶かしたリチウム塩を含む。この塩はＬｉＰＦ6であり、溶剤はジメチル炭酸塩（ＤＭＣ）、エチレン炭酸塩（ＥＣ）、プロピレン炭酸塩（ＰＣ）およびこれらの混合物を含む。本発明は他の充電式電池、たとえばニッケル金属水素化物電池およびニッケルカドミウム電池にも同様に適用することができる。
エンドキャップ組み立て体１０は充電式電池の正端子である、エンドキャップ端子２０、エンドキャッププレート２０の下側の支持ベースを形成する、金属製の支持プレート６０、エンドキャッププレート２０と支持プレート６０との間に配置される、絶縁ディスク３５を有する。
また、エンドキャップ組み立て体１０は図１に示されるように、支持プレート６０の下側に圧力逃がし用ダイアフラム７０を備えている。ダイアフラム７０は下側にある抗圧プレート８０に溶接で固定されている。これは下側にある抗圧プレート８０の隆起部８２にダイアフラム７０のベース７２を溶接することにより固定される。
ダイアフラム７０は電気的伝導性を有し、ダイアフラムが圧力に依存して作動する、約０．１から０．５ミリメートルの間の最小厚さを有する材料で構成する必要がある。このダイアフラム７０は、好ましくは、アルミニウムからなる。ダイアフラム７０は予め決められた圧力で破断するように加工される。すなわち、ダイアフラム表面はその表面部が残りの部分よりも厚さが薄くなるようにスタンプ加工ないしエッチング加工で形成される。
本発明において使用されるのに好ましいダイアフラム７０の一例はその表面に半円状ないし“Ｃ”字状の溝７０ａを置くように加工される。この溝の形状はダイアフラム７０の外周縁の主要な部分の形状と同一か、それに類似した形状であり、外周縁に接近した位置に置かれる。材料の硬さと共に、たとえば溝の深さ、位置、あるいは形状のような、設計条件を変えることによりガス放出が起こる特定の圧力を制御することができる。圧力が過度に上昇したとき、ダイアフラムはその溝線に沿って破断する。
エンドキャッププレート２０および支持プレート６０は熱作動型電流遮断器組み立て体３８がその間に配置される、チャンバ６８を形成している。絶縁ディスク３５は外周部分のベース部３５ａおよびベース部３５ａから延びる下に傾斜している、アーム３５ｂから形成される。このアーム３５ｂはチャンバ６８にかけて延びている。ダイアフラム７０は電池内に蓄えられた圧力が予め決められたしきい値レベルに達したとき、破断するように設計される。支持プレート６０とダイアフラム７０との間の領域はダイアフラム７０の破断時、電池内に蓄えられたガスが逃げる、チャンバ７８を形成している。
電流遮断器組み立て体３８は熱を感知して働くバイメタルディスク４０およびばねのような弾性部材５０と電気的接続を保っている金属製の接触プレート１５を備えている。図１および図５に示されるように、弾性部材５０は単一の可撓性を備えた部材から形成され、そこからディスク保持部５０ｃが半径方向内側に延びる、環状の外周部５０ａを有する。この弾性部材５０は電池の向きがどのようであっても、ディスク保持部の撥ねる動きを拘束せずに自由にバイメタルディスク４０を保持することが可能である。
弾性部材は外周部５０ａのある区域においてエンドキャッププレート２０に溶接で固定され、中心にある溶接部５０ｂが接触プレート１５と接触した状態に取り付けられる。この接触部５０ｂは力の動揺する状態を抑えるために分解可能な連合リンクとして働くように寸法を減少させた断面積を持たせて設計することができる。
バイメタルディスク４０はそのディスク４０のための座として働く、絶縁ディスク３５の傾斜しているアーム３５ｂと自由に係合するように位置決めされている。また、バイメタルディスク４０は、好ましくは、接触プレート１５の隆起させた接触部を受け入れるための中心孔を備える。好ましくは、接触プレート１５は支持プレート６０に溶接で固定され、図１に示されるように、弾性部材５０がそこに載る平面部を有する。
エンドキャッププレート２０の外周縁を覆い、かつダイアフラム７０の底面外周縁に沿って延びるように電気的に絶縁する絶縁環２５が設けられる。また、この絶縁環２５は、図１に示されるように、電流遮断器組み立て体３８の外周縁と接している。エンドキャップ組み立て体の内部構成要素を封じるために絶縁環２５の上面端部を覆って圧着され、しかもダイアフラム７０と向き合う側を圧着される、金属製の圧着リング５５が設けられる。絶縁環２５は圧着リング５５からエンドキャッププレート２０を電気的に絶縁し、また、支持プレート６０と圧着リング５５との間を密封するのに役立つ。
エンドキャップ組み立て体１０のカバー３０は図５に最もよく示されるように、端を切り取った円筒部材から形成される。完成した電池組み立て体（図８参照）において、カバー３０の外面は電池ケース９０の内面と接している。支持プレート６０は電流遮断器組み立て体３８の構成要素がそこに載るベースを備え、好ましくは、絶縁環２５の内面に当てて半径方向に作用する圧縮力を支えるために弓形に形成される。支持プレート６０はダイアフラム７０が破断したとき、ガスを上部にあるチャンバ６８に逃がすためにそれの面を貫く透孔６３を備えている。チャンバ６８に流れたガスはエンドキャッププレート２０に形成される主ベント孔６７を通って外部環境に流出する。
カバー３０は典型的にはリチウム−イオン充電式電池の場合に負端子である、正反対の端子と電気的接触を保っている、電池ケース９０と接している。したがって、絶縁環２５はエンドキャッププレート２０とカバー３０の外壁との間、すなわち、電池の２つの端子間の電気的絶縁を与えることになる。図１に示されるように、追加の絶縁リング、すなわち、カバー３０の外壁の頂部と抗圧プレート８０との間を遠ざける、絶縁リング４２が設けられる。また、この絶縁リング４２により電池の正、負端子間で短絡が起こるのを確実に回避することが可能である。
好ましくは、ダイアフラム７０は約３milから１０milまでの厚さを有する、アルミニウムからカップ状に形成される。この厚さにおいて、電池の内部でガス圧が少なくとも約１００psiから２００psi（６．８９４×１０5から１３．５８９×１０5パスカル）のしきい値に上昇したとき、ダイアフラムベース７２と抗圧プレート８０との間で溶接がこわれ、ダイアフラムベース７２がふくらみ、抗圧プレート８０から離れる（図３参照）。（この圧力は、たとえば、電池が推奨される電圧よりも高い電圧で充電されるような場合、または電池が短絡し、あるいは誤用されるような場合に生じることがある。）
しかしながら、望まれるならば、ダイアフラムベース７２の厚さは他の圧力レベルでふくらませるために調節することが可能である。抗圧プレート８０からダイアフラムベース７２を分離することによりダイアフラム７０と抗圧プレート８０との間のすべての電気的接触が断たれる。また、この分離によりエンドキャッププレート２０と抗圧プレート８０と接している電池極８８との間の導電路が切り離され、この結果、電流はもはや電池に流れず、あるいは電池から流れ出ず、実際上、電池を休止させる。
電流が遮断されたにもかかわらず、もし、電池内の圧力が、たとえばオーブンにおける加熱のように、他の理由により上昇し続けるならば、ダイアフラム７０は、好ましくは電池の破裂を防ぐために少なくとも約２５０から４００psi（１７．２×１０5から２７．６×１０5パスカル）のしきい圧力で破断する。この極限状況ではダイアフラム７０の破断により電池の内部からガスが抗圧プレート８０の透孔７３（図１および図６参照）を通って流出し、チャンバ７８（図１参照）に入る。この後、このガスはチャンバ７８から支持プレート６０の透孔６３を通り、もし必要であれば、絶縁ディスク３５の透孔（図示せず）を通ってチャンバ６８に流れる。チャンバ６８に集められたガスはエンドキャッププレート２０の主ベント孔６７を通って外部環境に流出する。
本発明の電流遮断動作の特徴が図１ないし図３を参照して説明される。注目すべきは、ここに示された特定の実施例ではエンドキャップ組み立て体１０が電池に適用されたとき、電池極の一方がタブ８７を介して抗圧プレート８０と接触することである。正常に電池が作動する間、抗圧プレート８０はエンドキャッププレート２０と電気的に接続される。リチウム−イオン電池では抗圧プレート８０と接する極８８が陽極になる。この極は電池ケース９０から絶縁される。陰極（図示せず）は電池ケース９０と接続される。
図１の実施例は熱感応型電流遮断器用バイメタルディスク４０ないし圧力逃がし機構用ダイアフラム７０のいずれかの作動により電流が遮断される前のエンド・キャップ組み立て体を示している。図１に示された特別の実施例において、抗圧プレート８０はダイアフラム７０と電気的接触状態にあり、ダイアフラム７０は支持プレート６０と電気的接触状態にある。支持プレート６０はエンドキャッププレート２０と電気的接触状態にある弾性部材５０と電気的に接触している接触プレート１５と電気的接触状態にある。図１に示される本発明のエンドキャップの設計において、抗圧プレート８０と接している極８８とエンドキャッププレート２０との間の電気的接触は２つの方法で遮断される。
上述したように、電池内において圧力が予め決められたしきい値に上昇したならば、ダイアフラムベース７２が抗圧プレート８０から離れてふくらみ、ダイアフラム７０と抗圧プレート８０との接触が断たれる。この回路の遮断により電池に流れる電流、あるいはそこから流れ出る電流が止まる。これに代わり、電池が過熱したならば、熱感応型電流遮断器組み立て体３８のバイメタルディスク４０が作動し、アーム３５ｂから上方に押し、これにより弾性部材５０が接触プレート１５から離れる。これは、実際上、電極タブ８７とエンドキャッププレート２０との間の導電路を切り離し、電池に流れる電流、あるいはそこから流れ出る電流が止まる。本発明の利点は電池ケースの開口端部に単一ユニットとして挿入可能なエンドキャップ組み立て体１０に２つの電流遮断機構を組み合わせることができることである。
バイメタルディスク４０は、好ましくは、下側にある絶縁ディスク３５に物理的に固定せずに自由に移動し得る状態、すなわち、図１に示されるように、絶縁ディスクのアーム３５ｂ上に浮動状態で載っている。この設計において、電流は電池が充電であるか、あるいは放電であるかにかかわらず、どのようなときもバイメタルディスク４０を通って流れない。これはバイメタルディスク４０が不作動であるとき、接触プレート１５と電気的接触を生じさせないためである。
しかしながら、電池が予め決められたしきい値を超えて過熱したならば、バイメタルディスク４０が撥ね、あるいは変形し（図２参照）、弾性部材５０を接触プレート１５から離し、電池端子間に電流が流れるのを止めるために調整し得るように設計される。バイメタルディスク４０はあるしきい温度に達したとき、バイメタルディスクが作動することのできる、予め決められた中低の形状を持つように調整される。
上述したように、アーム３５ｂ上に載るバイメタルディスク４０の浮動設計により電池が充電であるか、あるいは放電であるかにかかわらず、どのようなときもそこを通って電流が流れない。これはバイメタルディスク４０を通る電流で生じる加熱効果（Ｉ2Ｒによる加熱）がなくなるので、バイメタルディスク４０の調整を容易にし、かつより精度を高めることができる。
バイメタルディスク４０は異なる熱膨張率を有する相違した２層の金属からなる。バイメタルディスク４０の上層（エンドキャッププレート２０により近い層）は高い熱膨張率の金属、好ましくはニッケル−クロム−鉄合金で構成され、下層ないし底部層は低い熱膨張率の金属、好ましくはニッケル−鉄合金で構成される。この実施例において、バイメタルディスク４０は温度が少なくとも約６０℃から７５℃の間に上昇したとき作動し、接触プレート１５と接触する位置から弾性部材５０を押すように十分に変形させることができる。また、バイメタルディスク４０が大部分の用途において装置を単一動作の自動温度調節装置とする２０℃以下の温度を除いてリセットしないように高、低熱膨張金属層を選択することが可能である。
上述した構成要素のための望ましい材料は以下の通りである。好ましくは、エンドキャッププレート２０は適当な支持、強度および耐食性を与えるために約８から１５mil（０．２から０．３７５mm）の間の厚さのステンレスメッキ鋼あるいはニッケルメッキ鋼からなる。また、エンドキャップ組み立て体１０の外壁３０は、好ましくは約８から１５mil（０．２から０．３７５mm）の間の厚さを有する、ステンレスメッキ鋼あるいはニッケルメッキ鋼からなる。
好ましくは、抗圧プレート８０はダイアフラムベース７２との溶接接触部に合わせて約２から５mil（０．０５から０．１２５mm）の間の厚さの中心部として寸法を減少させる、約１０から２０mil（０．２５から０．５mm）の間の厚さを有する、アルミニウムからなる。絶縁リング４２は強度および耐久性のために高温ポリエステルのような高温熱可塑性材料からなり、商品名ヴァロックス（ＶＡＬＯＸ）のもとにジェネラルエレクトリックプラスチック社から入手することができる。
圧着リング５５は、好ましくは強度および耐食性のために約８から１５mil（０．２から０．３７５mm）の間の厚さを有する、ステンレスメッキ鋼あるいはニッケルメッキ鋼からなる。好ましくは、ダイアフラム７０は約３から１０mil（０．０７５から０．２５mm）の間の厚さを有する、アルミニウムからなる。この厚さにおいてダイアフラムは内部ガス圧が約１００から２５０psi（６．８９×１０5から１７．２×１０5パスカル）の間の圧力を超えたとき、抗圧プレート８０との溶接部分からこわれる。
内部ガス圧は蓄えられたガス圧で追加の放出を行うためにダイアフラム７０が破断する、約２５０から４００psi（１７．２×１０5から２７．６×１０5パスカル）の間の圧力を超えていなければならない。バイメタルディスク４０が載る絶縁ディスク３５は、好ましくは、圧縮強さが高く、熱的安定性が高く、モールド収縮性が低い材料からなる。絶縁ディスク３５に適した材料は約１０から３０mil（０．２５から０．７５mm）の間の厚さの液晶ポリマーないしそれに類するもので、商品名ヴェクトラ（ＶＥＣＴＲＡ）のもとにセラネース社から入手することができる。支持プレート６０は、好ましくは、約１０から３０mil（０．２５から０．７５mm）の間の厚さで適切な強度および耐食性を与えるためにステンレスメッキ鋼、あるいはニッケルメッキ鋼からなる。弾性部材５０は良好なばね動作および優れた電気的伝導性を有する、ベリリウム−銅合金、ニッケル−銅合金、ステンレス鋼またはこれに類する材料から形成される。
ベリリウム−銅合金またはニッケル−銅合金で形成されるとき、十分な強度および導電性能を与えるために弾性部材５０の厚さは約３から８mil（０．０７５から０．２mm）の間に保たれる。この材料は接触域の電気抵抗を小さくするために当該領域を銀または金を用いてメッキするか、あるいは埋め込む。
接触プレート１５は接触抵抗を下げ、信頼性を向上させるために金または銀のような貴金属でメッキされる、冷間加工用鋼から形成される。また、これはニッケル−銅クラッド合金、ステンレス鋼、あるいはニッケルメッキ鋼から形成してもよい。絶縁環２５はナイロンまたはポリプロピレンのようなポリマー材料から作られる。
エンドキャップ組み立て体の構成要素を封じる密閉は気液両相の電解液がエンドキャップ内のチャンバに入り、電池から流出するのを防ぐために密封でなければならない。エンドキャップ組み立て体１０が完成した後に、図７に示される円筒状の電池ケース９０の開口端部９５にエンドキャップ組み立て体１０を挿入する。電池ケース９０の周縁は開口端部においてエンドキャップ組み立て体１０と電池ケース９０との間を密封するためにエンドキャップ組み立て体１０のカバー３０の外壁に溶接で固定される。絶縁環２５およびダイアフラム７０に圧着リング５５の周壁から半径方向に加えられる圧力によりエンドキャップ組み立て体１０の構成要素を取り囲んで密封が与えられる。
図４にエンドキャップ内に組み合わせて用いる、圧力逃がし機構および熱作動型電流遮断機構の双方を有する、エンドキャップの代替的な実施例が示されている。図４の実施例はバイメタルディスクがばねのような機構を作動させるために使用されない点を除いて図１ないし図３に関して先に説明されたものに類似している。
弾性部材１５０を接触プレート１１５と電気的接触を保って保持するために熱ペレット１７５が備えられる。さらに、接触プレート１１５がエンドキャッププレート２０と電気的接続状態を保っている。弾性部材１５０は一端において支持プレート６０に溶接で固定される、金属製のアーム１５０ａを備えている。支持プレート６０は下側にある抗圧プレート８０の隆起部８２に溶接で固定される、ダイアフラム７０と電気的接続状態を保っている。電極タブ８７は抗圧プレート８０と電気的接続状態を保持している。
好ましくは、弾性部材１５０はその反対側の端部が接触プレート１１５と接する、カップ状ないし凸状部１５０ｂで終わる。支持プレート６０の外周縁６０ａを覆って支持プレート６０と接触プレート１１５との間の接触を防ぐ、絶縁ディスク１２０が設けられる。したがって、弾性部材１５０が接触プレート１１５に当てて保持される限り、支持プレート６０とエンドキャッププレート２０との間の電気的接触が保たれる。
エンドキャップ組み立て体１１０が電池に適用されたとき、支持プレート６０はタブ８７を介して抗圧プレート８０および電池極８８と接触している、ダイアフラム７０と電気的接触を保っている。（エンドキャップ組み立て体１１０は図１に示された実施例を参照して先に述べた方法と同じ方法で円筒状の電池ケース９０の開口端部に挿入することで、電池に用いられる。）したがって、弾性部材１５０が熱ペレットによって接触プレート１１５に当接して保持されるとき、（タブ８７を介して）電池極８８とエンドキャッププレート２０との間の電気的接続状態が保たれ、正常な電池の作動が可能である。
電池が予め決められたしきい温度を超えて過熱したならば、熱ペレット１７５が溶融し、これにより弾性部材１５０に対する支持が除かれる。熱ペレット１７５の溶融により弾性部材１５０が下方に撥ね、接触プレート１１５との電気的接触を断つ。これは、実際上、電極タブ８７とエンドキャッププレート２０との間の導電路を切り離し、この結果、電池に流れる電流が止まり、電池から流れ出る電流が止まる。
電池の内部ガス圧が予め決められた値を超えたならば、ダイアフラム７０が破断し、これにより抗圧プレート８０とダイアフラム７０との間の電気的接触を切り離し、電池内のガスが支持プレート６０およびエンドキャッププレート２０の透孔６３および主ベント孔６７をそれぞれ通って外部環境に流出する。
図４に示される実施例で言及されるエンドキャッププレート２０、支持プレート６０、接触プレート１１５およびダイアフラム７０に好ましい材料は図１ないし図３に示される同じ参照符号を有する同一の要素について説明されたものと同じである。好ましくは、接触プレート１１５は接触抵抗を下げるために銀または金でメッキされる、ステンレス鋼ないしニッケルメッキ冷間加工用鋼から形成される。
図４に示される絶縁ディスク１２０は、好ましくは、優れた絶縁性を有する、高温熱可塑性材料から作られる。絶縁ディスク１２０に好ましい材料は商品名カプトン（ＫＡＰＴＯＮ）のもとにイー・アイ・デュポン社から入手することができる、ポリイミド、あるいは商品名ヴァロックス（ＶＡＬＯＸ）のもとにジェネラルエレクトリックプラスチック社から入手することができる、高温ポリエステルである。
弾性部材１５０は接触プレート１１５と接触したときの良好な電気的伝導性を与え、熱ペレット１７５の圧力が除かれるときのばね動作を確実にするために約５から１０mil（０．１２５から０．２５mm）の間の厚さを有する、ベリリウム−銅合金から形成される。
弾性部材１５０は付加的に電気的伝導性を増すために銀または金を用いてメッキしてもよい。熱ペレット１７５は、たとえば約６５℃から１００℃の間の比較的低い溶融点を有する、ポリマーから形成されるが、電池が正常に作動する間、所定の位置に弾性部材１５０を保持するために優れた圧縮強度を持たせる。このような特性を有する熱ペレット１７５に適する材料は商品名ポリワックス（ＰＯＬＹＷＡＸ）のもとにペトロライト社から入手することのできるポリエチレンワックスである。このポリエチレンワックスの熱ペレット１７５は約７５℃から８０℃の間の望ましい温度範囲で溶融する。
図１のエンドキャップ組み立て体１０の分解組み立て図が図５に示されている。このエンドキャップ組み立て体１０は図５に示される構成要素を以下に述べる手順で組み立てることによって作られる。すなわち、構成要素２０、５０、６０、７０、２５および５５を含む組み立て体を形成する。これは、初めに、絶縁環２５を圧着リング５５に挿入し、次に、ダイアフラム７０を絶縁環２５に挿入し、次に、そこに溶接された接触プレート１５と共に支持プレート６０をダイアフラム７０に挿入して成し遂げる。
これに続けて、絶縁ディスク３５を接触プレート１５のまわりに置き、バイメタルディスク４０を絶縁ディスク３５の下方に傾斜しているアーム３５ｂに載るように置く。バイメタルディスク４０は絶縁ディスク３５と結合せず、浮動状態でそこに載っており、絶縁ディスクはバイメタルディスクのための位置決め手段として働く。弾性部材５０の外側端部の上面をエンドキャッププレート２０の周縁に溶接する。次に、弾性部材５０がそこに溶接されたエンドキャッププレート２０を接触プレート１５の中心部が弾性部材５０の内側端部と接触し、かつ弾性部材５０の外側端部の底面が絶縁ディスク３５の周縁と接触するように絶縁ディスク３５を覆って置く。
したがって、弾性部材５０の外側端部がエンドキャッププレート２０と絶縁ディスク３５との間に溶接され、弾性部材５０の反対側ないし内側端部が接触プレート１５と接触した状態になる。
次に、絶縁環２５の上面端部をエンドキャッププレート２０の周縁に堅く密着させるために絶縁環２５の上面端部を覆って圧着リング５５を圧着する。この圧着は圧着リング５５の中心（縦）軸に沿って機械的な力を加えることで、なし遂げる。
次に、第２の圧着工程において、機械的な圧力を圧着リング５５の外面に半径方向から加え、これにより中間エンドキャップ組み立て体が完成する。半径方向の圧着によりエンドキャップ組み立て体の内部構成要素は圧着リング５５内に堅く、しかも密封を保って取り付けることができる。
次に、圧着リング５５の底部下面がカバー３０の内側端部の底面に載るように中間エンドキャップ組み立て体をカバー３０内に挿入する。これに続けて、圧着リング５５の底部下面をカバー３０の内側端部底面に溶接する。次に、抗圧プレート８０を絶縁リング４２の底部に嵌め込み、抗圧プレート８０が取り付けられた絶縁リング４２を抗圧プレート８０の中心部がダイアフラム７０と接触するようにカバー３０の底部外面に当接して置く。次に、抗圧プレート８０とダイアフラム７０との接触点をスポット溶接し、エンドキャップ組み立て体１０として完成させる。
電池への適用では、たとえば、図７に示されるように、電池の円筒状のケース９０の開口端部にエンドキャップ組み立て体１０を挿入し、開口端部９５においてケース９０の内面にカバー３０の底部外面を溶接することによりエンドキャップ組み立て体１０を電池に組み込むことができる。これは結果として、エンドキャップ組み立て体１０がケース９０内に堅く密封され、エンドキャッププレート２０が電池の端子を形成する、図８に示される電池１００を得る。
本発明は好ましい実施例に関連づけて説明されたが、本発明はこの特定の実施例に限定されることなく、請求の範囲ならびにそれと同等なものにより定義される。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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