JP2005183094A - 導電性薄膜及び金属層を設けた熱応動部材及びサーマルプロテクタ - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルプロテクタにおいて、スナップ動作を繰り返すうちに導電性薄膜の一部が積層材から剥離してしまい導通不良を起こすという問題に鑑み、電気抵抗が小さく、非常に小型の熱応動素子に加工した場合でも、初期の作動ストロークを減ずることなく多数回、正確に繰り返し、更に導電性薄膜の剥離も起こさず長寿命な熱応動部材とサーマルプロテクタを提供する。
【解決手段】熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、前記積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流経路を有する導電性熱応動部材およびこの熱応動部材を用いたサーマルプロテクタに関するものである。

電流経路を有する導電性熱応動部材は、回路に過剰電流が流れた場合や回路が過熱した場合において、回路を保全するために回路を遮断する働きを示すサーマルプロテクタ、温度により電流のオンオフを行う温度スイッチなどの温度を動作因子とする熱応動素子として広く用いられている。

特に、サーマルプロテクタは、各種モーターや機器類の電源に使用されている二次電池において、過剰電流の発生時や過熱などの異常発生時に、その破壊を防ぐために回路を遮断する保護部品として使用されている。例えば、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどの電源に用いられるリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池安全回路用サーマルプロテクタ、自動車車載モーターなどの直流モーター保護回路用サーマルプロテクタ、およびエアコンファン、電気洗濯機などで使用される汎用モーターを保護する交流回路用サーマルプロテクタなどがある。

導電性を有する熱応動素子を利用したサーマルプロテクタは、例えば図６で示されるような構成である。同図はサーマルプロテクタの断面図で、本体２２を蓋２３で密閉したケース２１の内底側の一端部に、ケース２１の外部に延び出した固定端子２５と接続する固定接点２４を設けている。ケース２１内には、ほぼ山形状ないし凸球面状に形成され、所定の作動温度でスナップ動作する熱応動素子を兼ねる熱応動可動片１ｂが収容されている。この熱応動可動片１ｂの先端部には、前記固定接点２４と接触する可動接点２が設けられ、その基端部はケース２１の他端部側から外部に延び出している保持端子２７に設けられた保持部２６で保持端子２７と接合されている。

図６のサーマルプロテクタは、固定端子２５や保持端子２７を例えば図示されていない電池や電子基板等における他の端子と接続した状態で所要箇所に設置される。設置状態において、過充電や過剰電流による過熱により電池本体又はサーマルプロテクタ自体の温度が上昇し、その結果サーマルプロテクタ設置部位の当該温度が熱応動可動片１ｂの作動温度以上に達すると、当該熱応動可動片１ｂが、そのスナップ動作により各可動接点２を対応する固定接点２４から離反させる状態に反転し、当該部分で回路を遮断するように動作する。
このサーマルプロテクタの熱応動可動片１ｂを構成する熱応動部材は、電気抵抗を小さくするため、図７で拡大して示すように、熱膨張係数の異なる２種の部材、一方は高熱膨張係数部材１０で、他方は低熱膨張係数部材１１の間に、Ｃｕなどの高導電性の金属元素からなる導電性薄膜１４をサンドイッチ状に挟んで積層した部材である。

図７のような従来の熱応動部材を、例えば縦４ｍｍ，幅３ｍｍ，厚み０．０７ｍｍ程度の極小型に成形したものを凸球面状に加工して熱応動可動片を形成し、これをその作動温度以上に加熱してスナップ動作を含む熱変形の状態を観察した。その結果、初回はサーマルプロテクタの作動に必要なスナップ動作が認められたが、二回目からは導電性薄膜１４が塑性変形し、この導電性薄膜１４と高熱膨張係数部材１０との界面がスリップすることにより、熱応動素子の全体としての凸球面形状が変形してサーマルプロテクタの作動に必要なスナップ動作をしなくなる傾向を示した。

そこで、特許文献１に示されるように、本発明者らは図８に示す高熱膨張係数部材１０と低熱膨張係数部材１１との積層材１２表面に、導電性薄膜１４を被着した熱応動部材を提案した。その結果、熱応動可動片を非常に小型に成形した場合でも、所定の作動温度以上の温度により初期の作動ストロークを減ずることなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことを見出した。

特開２００３−１６２９４７号公報

しかしながら、特許文献１に係るサーマルプロテクタは、所定の作動温度以上の温度により初期の作動ストロークを減ずることなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことができたが、スナップ動作を繰り返すうちに導電性薄膜の一部が積層材から剥離してしまい導通不良を起こすという問題が起こっている。

このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、電気抵抗が小さく、非常に小型の熱応動素子に加工した場合でも、初期の作動ストロークを減ずることなく多数回、正確に繰り返し、更に導電性薄膜の剥離も起こさず長寿命な熱応動部材を提供するものである。

請求項１記載の発明は、熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、該積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材である。

前記金属層が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎｉ合金、Ｆｅ合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の熱応動部材である。

請求項３記載の発明は、前記金属層の厚みが、０．０５μｍから５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の熱応動部材である。

請求項４記載の発明は、前記金属層が２層以上からなり、各層厚みの最小値が０．０５μｍで、各層厚みの合計値が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の熱応動部材である。

請求項５記載の発明は、前記導電性薄膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の熱応動部材である。

請求項６記載の発明は、前記導電性薄膜の厚みが０．５μｍから１０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項５記載の熱応動部材である。

請求項７記載の発明は、前記積層材の一方が、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金又はＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金であって、他方がＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の熱応動部材である。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７いずれかに記載の熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用熱応動可動片である。

請求項９記載の発明は、熱応動素子を兼ねる可動片を備える構造のサーマルプロテクタにおいて、前記可動片が請求項８記載の熱応動可動片であって、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されていることを特徴とするサーマルプロテクタである。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子機器である。

本発明に係る熱応動部材によれば、熱変形を担う高熱膨張係数部材と低熱膨張係数部材からなる積層材と、電流の流路を担う導電性薄膜との間に金属層を設けることにより、スナップ動作のような繰り返し変形が加えられても積層材と導電性薄膜とが剥離することがなく、且つ熱応動素子と可動片を兼ねる熱応動可動片に用い、それを非常に小型に成形した場合でも、所定の動作量を損なうことなくスナップ動作を正確に多数回繰り返すことができるものである。
更に、本発明に係る熱応動部材から作られた熱応動可動片を組込んだサーマルプロテクタは、小型化した場合でも特性を減ずることなく繰り返しの使用に耐えうるものである。

図１〜図５を参照して本発明に係る熱応動部材と、この熱応動部材による熱応動可動片、及びこの熱応動可動片を用いたサーマルプロテクタの実施形態を説明する。
図１は本発明に係る熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用の熱応動可動片の平面図、図２は図１の熱応動可動片を構成する熱応動部材の部分拡大断面図である。
図１、図２に示される熱応動部材を加工した熱応動可動片１ａは、長さＬ＝４．７ｍｍ、幅Ｗ＝３．５ｍｍ、肉厚ｔ＝０．０７ｍｍ、スナップ動作温度８０℃、山形状若しくは上に凸球面状（又は上に凸円弧状）に成形されている。この熱応動可動片１ａの長手方向の一端の面に、例えば銀合金からな可動接点２が溶接されている。

このような熱応動部材は、スナップ動作温度に調節した組み合わせの異なる熱膨張係数を有する２種の部材（一方を高熱膨張係数部材１０、他方を低熱膨張係数部材１１とする）からなる積層材１２と、その積層材１２の高熱膨張係数部材１０側の表面に、例えばＮｉからなる厚みが０．０５μｍから５μｍの金属層１３を設け、更に、その金属層１３の外層に、例えばＣｕや他の高導電性の元素からなる厚み０．５μｍから１０μｍの導電性薄膜１４を被覆して構成されている。なお、金属層１３や導電性薄膜１４は、高熱膨張係数部材１０側の表面でなく、図３のような低熱膨張係数部材１１側の表面に設けても、或いは図４のように積層材１２の両側に設けても良い。

前記積層材１２を構成する高熱膨張係数部材１０及び低熱膨張係数部材１１は、スナップ動作を多数回行っても、へたりを生じないばね性を有する材料の中から、設計基準に基づいた部材の組み合わせを選択し、クラッド圧延法を用いて積層材化する。特に、高熱膨張係数部材１０にＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金又はＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金を用い、低熱膨張係数部材１１にはインバー合金などのＦｅ−Ｎｉ合金を組み合わせると良好なスナップ動作を示す積層材が得られる。

前記金属層１３は、Ｎｉ以外にＦｅも使用することができる。この金属層１３を設けることにより、積層材１２と導電性薄膜１４との密着性が極めて良好となる。その金属層が１層からなる場合には、厚みが０．０５μｍから５μｍの時に良好な密着性を提供するが、０．０５μｍ未満では密着性への寄与が不十分で、積層材１２と導電性薄膜１４の剥離を抑えられない。又、５μｍを超えて設けられると密着性は良好であるが、この金属層１３自体がスナップ動作を繰り返し行ううちに塑性変形を生じてスナップ動作が緩慢になり接点の損傷を招いてその寿命を低下させてしまう。

又、金属層１３が２層以上から構成される場合には、各層の厚みが少なくとも０．０５μｍ以上の時に良好な密着性を提供するが、逆に各層の厚みの合計が大きくなると金属層が塑性変形するためにスナップ動作が不安定になることから、金属層の厚みは金属層が２層以上で構成された場合でも、５μｍ超えないようにする必要がある。

導電性薄膜１４に用いるのは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金で、単独若しくは複数の金属又は合金を選択して使用することができる。なお、金属層１３および導電性薄膜１４を設けるには、湿式めっき法、蒸着法及びスパッタ法などで行われる。
導電性薄膜の厚みは０．５μｍ〜１０μｍであることが望ましい。その理由は、導電性薄膜の厚みが０．５μｍ未満では導電性薄膜が薄いため、熱応動部材の電気抵抗が大きくなって好ましくなく、その値が１０μｍを超えると、電気抵抗は小さいが、作動による導電性薄膜の塑性変形の部材全体に及ぼす影響が大きくなり、熱応動可動片としての作動を切り返すと、スナップ作動が緩慢になったり、導電性薄膜が剥離したりして、接点の寿命が低下したりする。また、導電性薄膜が厚くなるとコストアップの要因ともなるために、その厚みの上限を１０μｍとした。

図５は、本発明に係るサーマルプロテクタの一実施形態を示すもので、図１に示した熱応動可動片１ａを用いたサーマルプロテクタの断面図である。
このサーマルプロテクタ２０のケース２１は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＢＴ）又はその他の耐熱性に優れる樹脂を用いて成形した本体２２と該本体２２を密閉する蓋２３とで構成されている。

本体２２の底部の一端部には固定接点２４を備える固定端子２５が設けられ、ケース２１の外部に延び出して外部と接続される。他端部には熱応動可動片１ａの保持部２６が備えられている保持端子２７が設けられ、ケース２１の外部に延び出されている。
本体２２内には、図１のような熱応動可動片１ａが収容され、その一端部に設けられる可動接点２は、対応する固定接点２４と接触し、他端部は保持部２６と接合されている。
サーマルプロテクタの作製は、本体２２を固定端子２４や保持端子２７などの部品が埋め込み状態になるようにインサート成形によって作製した後、蓋２３を超音波溶接法などにより本体２２に接合して行われる。

図５は熱応動可動片１ａにより可動接点２が対応する固定接点２４へ押し付けられた状態に接触し、接点間に正常に電流が流れている状態を示している。接点間に異常電流が流れるか、他の原因によりケース２１内の温度が上昇し、ケース２１内の温度が熱応動可動片１ａの作動温度以上になるとそのスナップ動作により上方に凹球面状を呈するようにスナップ動作する。この熱応動可動片１ａの前記スナップ動作によりアーム接点２が対応する固定接点２４から離反し接点間に流れている電流を遮断する。

表１の組み合わせになる積層材を圧接法によりクラッドして板材を作製した。この板材のいずれか一方の表面に、表２に示す金属層厚みと導電性薄膜厚みの組み合わせで、湿式めっき法によりＮｉ又はＦｅからなる金属層を厚み０．０１μｍから１層被覆、２層被覆ともに６μｍまでの間で被覆し、更にその表面にＣｕからなる導電性薄膜を同じく湿式めっき法を用いて０．５μｍから１２μｍの厚みで被覆した表２に示す各熱応動部材試料を各４０個作製した。金属層が２層の場合は、積層材とＮｉの間にＦeの金属層を設け、積層材上にＦｅ金属層、Ｎｉ金属層を順に被覆した。
なお、導電性薄膜のみを備えるものを４０個作製して従来例とした。
これらの試料を図１の形態の熱応動可動片（長さＬ＝４．７ｍｍ、幅Ｗ＝３．５ｍｍ、肉厚ｔ＝０．０７ｍｍ）に成形し、一端部にＡｇ合金（Ａｇ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）の可動接点を溶接して設けた。
この熱応動可動片を図５に示すサーマルプロテクタに組み込み、通電し、１００００回のスナップ動作をＸ線透過装置内での観察下で行い、動作状況を観察した。又、試験終了後、その表面観察を行い導電性薄膜の剥離具合を観察した。その結果を表２に示す。なお、固定接点の材質は可動接点と同じＡｇ合金を用いている。

表２から明らかなように、金属層がない従来例Ｎｏ．２０では導電性薄膜の剥離が発生したが、金属層の厚みが０．０５μｍ以上の本発明例Ｎｏ．１からＮｏ．６では、剥離の発生が見られなかった。更に、金属層が２層からなる本発明例のＮｏ．７からＮｏ．９では、各金属層の厚みがそれぞれ０．０５μｍ以上で、金属層の厚み合計が５μｍ以下の場合を示すが、これらでは、剥離の発生は認められず、動作状況も良好であった。
しかしながら、金属層の厚みが０．０５μｍ未満と薄い比較例Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１では、スナップ動作は良好であったが、導電性薄膜の剥離が顕著となっていた。金属層が２層からなり各金属層の厚みがそれぞれ０．０５μｍに満たない比較例Ｎｏ．１４は金属層が１層のＮｏ．１０，Ｎｏ１１の場合と同様に導電性薄膜の剥離が発生した。又、金属層が１層、２層の場合ともに金属層の合計の厚みが５μｍを超えると、比較例Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３のように、スナップ動作による金属層の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になってしまった。導電性薄膜の厚みが１０μｍを超える比較例Ｎｏ．１５では、スナップ動作による導電性薄膜の塑性変形が熱応動可動片全体に及ぼす影響が大きくなり、スナップ動作が緩慢になり、作動不良を起こした。尚、導電性薄膜はコストを考慮すると、通常は５μｍで充分であるため、好ましくは５μ以下で充分であるが、１００μｍまでは塑性変形の影響が殆ど無いために許容される。
なお、積層材の低熱膨張係数部材側および両側に、金属層および導電性薄膜を被覆した熱応動部材についても、先の実施例に記した動作状況観察と剥離具合観察を行い、高熱膨張係数部材側に金属層及び導電性薄膜を被覆した場合と同じように金属層の厚みが０．０５μｍから５μｍの範囲、且つ導電性薄膜の範囲が０．５μｍから１０μｍで好ましい結果が得られた。

本発明記載内容を満足する熱応動素子を兼ねる可動片を備え、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されているサーマルプロテクタを用いて携帯電話、ノートパソコン等の携帯用通信機器の過熱や過電流を所望の条件にて防止することができる。

本発明に係る熱応動部材からなるサーマルプロテクタ用熱応動素子の平面図である。 図１の熱応動素子を構成する熱応動部材の部分拡大図で、高熱膨張係数部材側に金属層及び導電性薄膜を設けられている。 本発明に係る熱応動部材における他の実施形態を示す部分拡大図で、高熱膨張係数部材側に金属層及び導電性薄膜が設けられている。 本発明に係る熱応動部材における他の実施形態を示す部分拡大図で、積層材の両面に金属層及び導電性薄膜が設けられている。 本発明に係るサーマルプロテクタの一実施形態の断面図である。 従来のサーマルプロテクタで使用されている熱応動素子の部分拡大図である。 他の従来のサーマルプロテクタで使用されている熱応動素子の部分拡大図である。 従来の熱応動部材による熱応動素子を利用したサーマルプロテクタの断面図である。

符号の説明

１ａ 熱応動可動片（本発明品）
１ｂ 熱応動可動片（従来品）
２ 可動接点
１０ 高熱膨張係数部材
１１ 低熱膨張係数部材
１２ 積層材
１３ 金属層
１４ 導電性薄膜
２０ サーマルプロテクタ
２１ ケース
２２ ケース本体
２３ ケース蓋
２４ 固定接点
２５ 固定端子
２６ 保持部
２７ 保持端子

Claims (10)

1. 熱膨張係数の異なる二種の材料からなる積層材と、前記積層材の片面若しくは両面に金属層を設け、前記片面もしくは両面に設けた金属層の面上に導電性薄膜を設けたことを特徴とする熱応動部材。
2. 前記金属層が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎｉ合金、Ｆｅ合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の熱応動部材。
3. 前記金属層の厚みが、０．０５μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の熱応動部材。
4. 前記金属層が２層以上からなり、各層厚みの最小値が０．０５μｍで、各層厚みの合計値が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の熱応動部材。
5. 前記導電性薄膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕからなる群より選ばれる一種又は二種以上の元素を含む金属または合金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の熱応動部材。
6. 前記導電性薄膜の厚みが０．５μｍから１０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項５記載の熱応動部材。
7. 前記積層材の一方が、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金又はＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金であって、他方がＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の熱応動部材。
8. 請求項１乃至請求項７記載のいずれかの熱応動部材を用いたサーマルプロテクタ用熱応動可動片。
9. 熱応動素子を兼ねる可動片を備えた構造のサーマルプロテクタにおいて、前記可動片が請求項８記載の熱応動可動片であって、その片端部又は両端部に設ける可動接点が所定温度に到達した時若しくは所定温度を超えた時に、前記熱応動可動片の変形により可動接点が固定接点から離反するように構成されていることを特徴とするサーマルプロテクタ。
10. 請求項９記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子機器。

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