JP2005079018A - 形状記憶合金を用いたスイッチおよびこれを用いた二次電池用保護装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 新規な構造を有し、安定した動作により信頼性の高いスイッチを提供する。
【解決手段】 固定接点116を含む第1の金属端子110と、固定接点116に対して一定の接圧で接触可能な可動接点126を含む第2の金属端子120と、第1および第2の金具144、146とこの金具の間に接続された形状記憶合金からなる導電線142を含み、第1の金具144が第2の金属端子120と結合されたアクチュエータ140と、アクチュエータ140に接続された第3の金属端子130とを有する。アクチュエータ140の導電線142は、第3の金属端子130から供給される電流に応じてその軸方向に変位可能であり、その変位があったとき可動接点126は固定接点116から隔離される。
【選択図】 図3
【解決手段】 固定接点116を含む第1の金属端子110と、固定接点116に対して一定の接圧で接触可能な可動接点126を含む第2の金属端子120と、第1および第2の金具144、146とこの金具の間に接続された形状記憶合金からなる導電線142を含み、第1の金具144が第2の金属端子120と結合されたアクチュエータ140と、アクチュエータ140に接続された第3の金属端子130とを有する。アクチュエータ140の導電線142は、第3の金属端子130から供給される電流に応じてその軸方向に変位可能であり、その変位があったとき可動接点126は固定接点116から隔離される。
【選択図】 図3
Description
本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を過充電電圧等から保護するための保護装置に関し、特に形状記憶合金を利用したスイッチを含む保護装置に関する。
携帯電話、ディジタルカメラおよび携帯用電子機器(PDA)等を初めとする電子機器の二次電池にリチウムイオン電池が利用されている。リチウムイオン電池は、非水溶性アルカリであり、可燃性電解液を使用している。このため、充電中に落雷等による高電圧を受けて充電制御回路が破壊されて規定電圧以上の電圧が印加されたり、あるいは誤って仕様外の充電器により充電されると、電池セルは過充電となり、電解液や電極内部の活性物質が化学反応を起こし発熱が生じる。この発熱に伴い最終的にガスの発生により内圧が上昇し、ガス噴出や発火に至るおそれがある。
こうした事態を防止するため、半導体保護回路を搭載したフィルム基板が電池パックに実装されている。半導体保護回路は、電池電圧を監視し、その異常を検知したとき、充電回路を遮断する機能を有している。さらに、半導体保護回路が破壊されたときのバックアップのために、二次保護装置として、温度異常を検知したときに回路を遮断するサーマル保護装置、例えばバイメタルプロテクタ、温度ヒューズまたは正特性サーミスタ素子(PTC)等が用いられている。
温度や熱を検知するスイッチには、例えば特許文献1および特許文献2に示すような形状記憶合金をアクチュエータに利用するものが報告されている。特許文献1は、コイル形状の形状記憶合金をアクチュエータに用い、常温のときと高温のときでアクチュエータの伸縮の差によってスイッチを開閉させている。
特許文献2は、火災報知器に利用される熱センサのおいて、心棒に形状記憶合金製のバネとリセット用のバネを用い、形状記憶合金が設定温度になると、リセットバネの張力に勝り心棒を作用させてスイッチのオン・オフを行うものである。
しかしながら、従来の二次電池用保護装置には次のような課題がある。半導体保護回路により二次電池の監視・保護を行う場合、フィルム基板に実装されるICの部品点数が多くなり、信頼性および誤動作等の問題がある。また半導体保護回路のスイッチングに用いられるMOSFETは、その導通抵抗が大きいため、大電流の通電時に電圧降下が大きくなる。このため、スイッチ回路を並列にして抵抗を下げるが、この場合、充電用と放電用の合計2個のMOSFETが必要となり、半導体保護回路の小型化が容易ではない。
さらに二次保護装置として用いられるバイメタルプロテクタは、必要とするギャップ幅が大きく、小型化すると接点間の接圧を十分にとるのが難しいという課題がある。他方、上記特許文献1および2に開示されるようなコイル形状の形状記憶合金を利用したスイッチは、構造的に薄型化することが難しく、また周囲の熱にのみ応答するものであり、二次電池用保護装置に適用することは難しい。
本発明は、新規な構造を有し、小型化および薄型化が可能なスイッチを提供することを目的とする。
さらに本発明は、安定した動作により信頼性が高い二次電池用保護装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、安定した動作により信頼性が高い二次電池用保護装置を提供することを目的とする。
本発明に係るスイッチは、固定接点を含む第1の金属端子と、固定接点に対して一定の接圧で接触可能な可動接点を含む弾性変形可能な第2の金属端子と、第1および第2の端部とこれらの端部間に接続された形状記憶合金からなる導電線を含み、第1の端部が第2の金属端子に結合されたアクチュエータと、アクチュエータの第2の端部に電気的に接続された第3の金属端子とを有する。アクチュエータの導電線は、第3の金属端子から供給される電流に応じてその軸方向に変位可能であり、導電線が軸方向に変位したとき可動接点が固定接点から隔離される。
好ましくは、第2の金属端子は、端子部と、端子部に接続された弾性変形部と、弾性変形部から延在する前記可動接点および力点部とを含み、力点部にはアクチュエータの第1の端部と係合する第1の係合部が形成され、第3の金属端子にはアクチュエータの第2の端部と係合する第2の係合部が形成されている。アクチュエータの第1および第2の端部は、導電線と固定された第1および第2の金具であり、第1および第2の係合部は第1および第2の金具を収容する溝を含む。好ましくは第1および第2の金具と第1および第2の溝とがハトメされる。
好ましくは、第1、第2および第3の金属端子は板状の金属プレートから打ち抜き加工されるものである。これによりスイッチの小型化および薄型化が図れる。また、これらの金属端子をハウジング内において実質的に同一平面となるように並置させるようにすることが可能である。
好ましくは、アクチュエータから力点部に対して力が与えられたとき、弾性変形部が実質的に支点として機能し、支点から可動接点までの距離をL1、支点から力点部までの距離をL2とするとき、距離L1>距離L2の関係にある。これにより、アクチュエータによる変位が小さくても、可動接点の変位を大きくすることができ、信頼性の高い接点間の開閉を実現することが可能である。
本発明に係る二次電池用の保護装置は、二次電池の一方の電極と充電端子との間に直列に接続されるスイッチと、スイッチの第3の金属端子に電気的に接続されたスイッチ駆動制御回路とを有し、スイッチの第1または第2の金属端子が二次電池の一方の電極に接続され、第2または第1の金属端子が充電端子に接続され、スイッチ駆動制御回路は、第3の金属端子の電圧が一定値以上であることを検出する電圧検出回路と、第3の金属端子の電圧が一定値以上であることが検出されたとき第3の金属端子に一定の大きさの電流を流させる電流供給回路とを含んで構成される。
好ましくは、スイッチの第3の金属端子に一定の大きさの電流が流されたとき、アクチュエータの導電線が軸方向に縮小して可動接点が固定接点から隔離される。また、好ましくはスイッチとスイッチ駆動制御回路は、単一のハウジング内に収容されるようにしてもよい。
本発明によれば、形状記憶合金によるアクチュエータを用いて接点間の開閉を行う機構を用いたことにより、少ない部品点数で低コストのスイッチを得ることができる。また、第1ないし第3の金属端子を並置させることで、薄型化、小型化が可能なスイッチを提供することができる。さらに、アクチュエータと弾性変形可能な第2の金属端子を組み合わせることで、接点間の開閉等において信頼性の高いスイッチを得ることできる。
本発明に係る新規な構成を有するスイッチは、二次電池用の保護装置に用いられる。以下、図面を参照して実施例を説明する。
図1は本発明の実施例に係るリチウムイオン二次電池用の保護装置を説明する図である。リチウムイオン電池10は、充電端子12、14を介して充電回路または負荷回路に接続される。リチウムイオン電池10の正極と充電端子12との間には保護装置20が接続される。保護装置20は、後述する新規な構成を有するスイッチ30と、スイッチ30の駆動を制御するスイッチ駆動制御回路40とを含んで構成される。スイッチ駆動制御回路40は、リチウムイオン電池10に過充電電圧が印加されたとき、正極と充電端子12間の電流通路を開くようにスイッチ30を制御する。
図2はスイッチ駆動制御回路の内部構成を示す図である。スイッチ駆動制御回路40は、好ましくは基準電圧発生部42からの基準電圧に基づきスイッチ30に印加される電圧を監視する電圧監視部44と、電圧監視部44により一定の電圧値が検出されたとき、スイッチ30に一定の大きさの電流を供給する定電流供給部46とを有する。好ましくは、電圧監視部44は、リチウムイオン電池10への充電電圧が最大充電電圧、例えば4.3ボルトを超えるか否かを監視し、充電電圧がその値を超えると、定電流供給部46に対して検出信号44aを出力する。定電流供給部46は、検出信号44aの入力があったとき、スイッチ30に定電流を供給する。これにより、スイッチ30のアクチュエータが駆動され、正極と充電端子12間の導通が遮断され、リチウムイオン二次電池10への充電が停止される。
図3は、本実施例に係るスイッチ30を示す図であり、ハウジングの上部を切り取ったときの内部の構成を示している。スイッチ30は、ハウジング100と、ハウジング100内にそれぞれの主要部が収容される第1、第2および第3の金属端子110、120、130と、アクチュエータ140とを含んで構成される。
ハウジング100は、絶縁性の樹脂を成型することで内部に矩形状の空間102を含み、この空間102内に第1、第2および第3の金属端子110、120、130が実質的に同一平面となるように並置されている。ハウジング100の下部104からは、第1、第2および第3の金属端子110、120、130の端子部が突出している。第1、第2および第3の金属端子110、120、130は、好ましくは、燐青銅等の板状の金属を打ち抜くことによって形成される。金属端子の厚さは、0.2〜0.3mm程度である。これにより、ハウジングの厚さを非常に薄くすることができる。
第1の金属端子110は、端子部112と、端子部112から延在する幅狭の延在部114と、延在部114に接続された幅広の固定接点116とを有している。端子部112には矩形状の第1の開口112aが形成され、第1の開口112aにはハウジングの底面に形成されたボスが挿入されている。これにより第1の金属端子110が位置決め固定されている。
第2の金属端子120は、端子部122と、端子部122から延在する屈曲部124と、屈曲部124の終端から固定接点116側に向けて水平に延在する可動接点126と、可動接点126とは反対方向に延在する力点部128とを含んでいる。端子部122には第2の開口122aが形成され、第2の開口122a内にボスが挿入されることで第2の金属端子120が位置決め固定されている。
屈曲部124は、端子部122から直立に延在しそこからほぼ180度で折れ曲がる第1の折り曲げ部124aと、第1の折り曲げ部124aの端部からほぼ180度で折れ曲がる第2の折り曲げ部124bとを含み、第2の折り曲げ部124bの端部が可動接点126に接続されている。第1および第2の折り曲げ部124a、124bは、その折れ曲がり部において弾性変形が可能である。接点が閉じている状態のとき、すなわち、可動接点126が固定接点116に対して一定の接圧を生じるように第1および第2の折り曲げ部124a、124bにプリロードが与えられている。力点部128は、可動接点126から遠ざかる方向に延在し、その端部にスリット状の溝128aを有している。溝128aにはアクチュエータ140の金具144が取り付けられる。
アクチュエータ140は、図4に示すように、形状記憶合金からなる導電線142と、導電線142の各端に接続された金具144、146とを含んで構成される。導電線142は、例えばニッケルチタン合金等の形状記憶合金から構成され、直径は58μm、長さは8mmである。形状記憶合金の特性は、公知のように、任意の形状に変形させても、合金の固有の温度以上に加熱すると、変形前の形状に回復するものであるが、本実施例に係る導電線142は、約80度以上の高温になると、軸方向に約5%程度ひずみ、その温度以下になると元の軸方向長さに回復する。導電線142の変形は、金具144、146間に流される約100mAの電流によるジュール熱の加熱で行われる。
金具144、146は、円形状の本体部144a、146aと、本体部の端部に形成された幅広の耳部144b、146bとを有し、耳部144b、146bを内側に向けて折り曲げることで導電線142の端部を固定している。これにより、金具144、146と導電線142との間に電気的接続が形成されている。また、本体部144a、146bの中央には、円形状の開口144c、146cが形成され、開口144c、146cは、第2および第3の金属端子120、130の溝128a、134aに形成された突起を挿入し、好ましくは、金具144、146が溝128a、134aにハトメされる。これにより、第2および第3の金属端子とアクチュエータ140の結合をより強固にし、それらの電気的接続を良好にする。
第3の金属端子130は、端子部132とそこから延在する部分134の側部に溝134aを含む。溝134aの延長線上には、力点部128の溝128aが位置している。アクチュエータの一方の金具144は力点部128の溝128aに挿入され、他方の金具146は溝134a内に挿入され、それぞれの部位において電気的に接続される。可動接点126が固定接点116に接しているとき、力点部128の溝128aと第3の金属端子130の溝134間の距離は8mm、つまり導電線142の長さに等しく設定される。
図5は、アクチュエータの特性を示す図である。導電線142の一端に、それぞれ20gと45gの重りを荷重として加えた状態で、導電線142に電流を流したときの変位を示している。なお、横軸が電流[mA]、縦軸が変位[μm]であり、導電線の径は58μm、長さは8mm、破線が20gのおもり、実線が45gのおもりである。
20gの荷重を与えたときは、電流が50mAを超えると、変位が急激に大きくなり、電流が80mAを超えると変位は増加せず一定となる。軸方向の変位は約480μmであり、歪みは6%である。45gの荷重を与えたときは、電流が45mAから変位が大きくなり、100mAを超えると変位が一定となる。軸方向の変位は、約450μmであり、歪みは約5.6%である。こうした結果から、可動接点126と固定接点116間の接圧が30グラム程度となるように第1および第2の折り曲げ部124a、124bのばね定数を調整する。
図6は、アクチュエータによる動作を説明する図である。アクチュエータ140が軸方向に歪むとき、第2の金属端子120は、主として第1の折り曲げ部124aを弾性変形させる。つまり、第1の折り曲げ部124aが支点S1として機能する。支点S1から可動接点126までの直線距離をL1、支点S1から溝128aまでの直線距離をL2としたとき、L1>L2の関係にあり、可動接点126の変位はアクチュエータ140による変位よりも大きくなる。これによりアクチュエータ140の変位が小さくとも、可動接点126が固定接点116から隔離される距離を大きくし、接点間の絶縁距離を十分にし、接点間のスパークやチャタリング等を確実に防止する。また、スイッチ駆動制御回路40がスイッチ30に対して高速に駆動電流を供給することにより、アクチュエータ140が高速に動作し、可動接点126も高速に動作して、接点間のスパークやチャタリング等が確実に防止される。
このように構成されたスイッチにおいて、第1の金属端子110の端子部112はリチウムイオン電池110の正極に電気的に接続され、第2の金属端子の端子部122は充電端子12に電気的に接続され、第3の金属端子130の端子部132はスイッチ駆動制御回路40に電気的に接続される。二次電池が充電回路または負荷回路に接続されているとき、可動接点126は固定接点116に接触され、第1および第2の金属端子110、120間は導通している。他方、リチウムイオン二次電池10への過充電時には、アクチュエータ140が動作して可動接点126が固定接点116から隔離し、第1および第2の金属端子110、120間が非道通となる。
図7は、スイッチ駆動制御回路40の一構成例を示す図である。ツエナーダイオード200のカソードは、抵抗R1を介してノードN1に接続され、ノードN1はスイッチ30の第3の金属端子130に接続される。ツエナーダイオード200のアノードは、NPNトランジスタ210のベースに接続されている。NPNトランジスタ210のベース・エミッタ間には抵抗R3が接続され、コレクターは抵抗R2を介してノードN1に接続される。電池メーカから推奨されるリチウムイオン電池10への許容充電電圧は約4.3Vである。このため、充電電圧が4.3Vを超えるとき、ツエナーダイオード200がオンするようなツエナーダイオードが選択される。
可動接点126が固定接点116に接続されているとき、電流の一部は、力点部128からアクチュエータ140を介して第3の金属端子130へ流れ、これがスイッチ駆動制御回路40のノードN1へ供給される。充電電圧が4.3Vよりも小さいとき、ツエナーダイオード200は非道通であり、僅かな待機電流のみが流れるがNPNトランジスタ210がオンするには至らない。充電電圧が4.3V以上になると、ツエナーダイオード200がオンすることで、NPNトランジスタ210がオンされ、これにより一定のコレクター電流が流れる。
図8は、充電電圧の大きさとアクチュエータを流れる電流との関係を示す図である。リチウムイオン電池への充電電圧が4.3Vを越えると、NPNトランジスタ210がターンオンし、約65mAの電流がアクチュエータ140を流れる。4.3Vを越える充電電圧のとき、それに比例した大きさの電流がアクチュエータ140を流れる。上述したように、アクチュエータ140の導電線142に50mA以上の電流が流れると、導電線142が加熱され軸方向に歪む。これにより、第2の金属端子120の力点部128が支点S1を軸として変位し、可動接点126が固定接点116から隔離され、第1および第2の金属端子110、120間が遮断され、リチウムイオン電池110が過充電電圧から保護される。
アクチュエータ140は、導電線142への通電の終了から一定期間の経過した後に低温状態となり、元の形状に回復する。これにより、可動接点126が固定接点116に再び接触し、第1および第2の金属端子110、120間が導通する。このとき、可動接点126は、第1および第2の折り曲げ部124a、124bにより一定の接圧で固定接点116に接触される。
また、リチウムイオン電池10の負荷回路に短絡等が生じたとき、過剰な放電電流が流れることになる。このとき、第2の金属端子120の比較的断面積が小さい第1および第2の折り曲げ部124a、124bがその電流により加熱され、導電線142はその熱により加熱され軸方向に変形するようにすることも可能である。この場合、第1および第2の折り曲げ部124aと124bとが導電線142と熱的に結合するように両者を近接して配置することが望ましい。
本実施例によれば、少ない部品点数で低コストでありながら安定した動作により信頼性の高い新規なスイッチを得ることができる。さらに、第1ないし第3の金属端子を打ち抜きによって成形することで、スイッチの小型化、薄型化が可能となる。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
例えば、スイッチは図3に示すように、ハウジング内に第1ないし第3の金属端子を並置することでスイッチを薄型にしたが、必ずしもそのような配置に限定されるものではない。
さらに、ハウジング内にスイッチの構成部品のみを収容する構成を示したが、これに限らず、ハウジング内にスイッチ駆動制御回路、例えば図7に示すような回路を一緒に収容することも可能である。また、スイッチ駆動制御回路を集積回路化することも可能である。
さらに上記実施例では、リチウムイオン二次電池を例示したが、勿論、これ以外の二次電池の保護装置に適用することも可能である。
本発明に係るスイッチおよびスイッチ駆動制御回路は、リチウムイオンを初めとする種々の二次電池用の保護装置に用いることができる。さらに、二次電池以外であっても、過電圧が印加されることが望ましくない電子機器においても利用することができる。
10:リチウムイオン電池
12、14:充電端子
20:保護装置
30:スイッチ
40:スイッチ駆動制御回路
100:ハウジング
110:第1の金属端子
120:第2の金属端子
130:第3の金属端子
140:アクチュエータ
142:導電線
12、14:充電端子
20:保護装置
30:スイッチ
40:スイッチ駆動制御回路
100:ハウジング
110:第1の金属端子
120:第2の金属端子
130:第3の金属端子
140:アクチュエータ
142:導電線
Claims (12)
- 固定接点を含む第1の金属端子と、
固定接点に対して一定の接圧で接触可能な可動接点を含み弾性変形可能な第2の金属端子と、
第1及び第2の端部と、該第1および第2の端部間に接続された形状記憶合金からなる導電線を含み、第1の端部が第2の金属端子に結合されたアクチュエータと、
アクチュエータの第2の端部に電気的に接続された第3の金属端子とを有し、
アクチュエータの導電線は、第3の金属端子から供給される電流に応じてその軸方向に変位可能であり、導電線が変位したとき可動接点が固定接点から隔離される、スイッチ。 - 第2の金属端子は、端子部と、端子部に接続された弾性変形部と、弾性変形部から延在する前記可動接点および力点部とを含み、力点部にはアクチュエータの第1の端部と係合する第1の係合部が形成され、第3の金属端子にはアクチュエータの第2の端部と係合する第2の係合部が形成されている、請求項1に記載のスイッチ。
- アクチュエータの第1および第2の端部は、導電線に固定された第1および第2の金具であり、第1および第2の係合部は第1および第2の金具を収容する溝を含む、請求項1または2に記載のスイッチ。
- 第1および第2の金具と第1および第2の溝とがハトメされている、請求項3に記載のスイッチ。
- 第1、第2および第3の金属端子は板状の金属プレートから打ち抜き加工される、請求項1、2、3または4に記載のスイッチ。
- アクチュエータから力点部に対して力が与えられたとき、弾性変形部が支点として機能し、支点から可動接点までの距離をL1、支点から力点部までの距離をL2とするとき、距離L1>距離L2の関係にある、請求項1、2、3、4または5に記載のスイッチ。
- 第1、第2および第3の金属端子は、ハウジング内において実質的に同一平面となるように並置されている、請求項1、2、3、4、5または6に記載のスイッチ。
- 導電線は、軸方向と垂直方向の断面が円形であるニッケルチタン合金から構成される、請求項1、2、3、4、5、6または7に記載のスイッチ。
- 二次電池用の保護装置であって、
二次電池の一方の電極と充電端子との間に直列に接続される、請求項1ないし8いずれか1つに記載のスイッチと、
スイッチの第3の金属端子に電気的に接続されたスイッチ駆動制御回路とを有し、
スイッチの第1または第2の金属端子が二次電池の一方の電極に接続され、第2または第1の金属端子が充電端子に接続され、
スイッチ駆動制御回路は、第3の金属端子の電圧が一定値以上であることを検出する電圧検出回路と、
第3の金属端子の電圧が一定値以上であることが検出されたとき第3の金属端子に一定の大きさの電流を流させる電流供給回路とを含む、保護装置。 - スイッチの第3の金属端子に一定の大きさの電流が流されたとき、アクチュエータの導電線が軸方向に縮小し、可動接点が固定接点から隔離される、請求項9に記載の保護装置。
- 二次電池と、
二次電池の一方の電極と充電端子との間に直列に接続される、請求項1ないし8いずれか1つに記載のスイッチと、
スイッチの第3の金属端子に電気的に接続されたスイッチ駆動制御回路とを有し、
スイッチの第1または第2の金属端子が二次電池の一方の電極に接続され、第2または第1の金属端子が充電端子に接続され、
スイッチ駆動制御回路は、第3の金属端子の電圧が一定値以上であることを検出する電圧検出回路と、
第3の金属端子の電圧が一定値以上であることが検出されたとき第3の金属端子に一定の大きさの電流を流させる電流供給回路とを含む、二次電池保護システム。 - 二次電池はリチウムイオン電池である、請求項11に記載の二次電池保護システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003310370A JP2005079018A (ja) | 2003-09-02 | 2003-09-02 | 形状記憶合金を用いたスイッチおよびこれを用いた二次電池用保護装置 |
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---|---|---|---|
JP2003310370A JP2005079018A (ja) | 2003-09-02 | 2003-09-02 | 形状記憶合金を用いたスイッチおよびこれを用いた二次電池用保護装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP (1) | JP2005079018A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013504288A (ja) * | 2009-09-04 | 2013-02-04 | リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー | ガルバニセルのための保護装置 |
-
2003
- 2003-09-02 JP JP2003310370A patent/JP2005079018A/ja active Pending
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JP2013504288A (ja) * | 2009-09-04 | 2013-02-04 | リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー | ガルバニセルのための保護装置 |
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