JP4056239B2 - 過電流又は加熱制限素子及びこの素子を用いた電池 - Google Patents
過電流又は加熱制限素子及びこの素子を用いた電池 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、例えばVTR等の電気機器に使用されるニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等の電池を保護するための小型サーキットブレーカーは、数A以上の電流が流れると作動し、回路を遮断する機能を有するものである。
【0003】
図18(a)(b)は、このような小型サーキットブレーカーの従来例を示す断面図であり、樹脂50・51から成る樹脂ケース(筐体)54からは2つのリード56・57が延出されており、これらリード56・57のうち一方のリード56には可動アーム55が一体的に(電気的に接続された状態で)形成されている。この可動アーム55の先端には接点板52が固定されており、また、可動アーム55は、上記樹脂51に固定され反転湾曲可能なバイメタル58により変形可能な構造となっている。上記リード56・57のうち他方のリード57には接点53が取り付けられている。上記構造の小型サーキットブレーカーにおいて、通常時には、図18(a)に示すように、接点板52と接点53とが接触して、上記両リード56・57間に電流経路が設けられる一方、異常時には、図18(b)に示すように、バイメタル58が反転湾曲し、接点板52と接点53とが離れた状態となって、上記電流経路が遮断される。
【0004】
しかしながら、上記従来の小型サーキットブレーカーを用いた場合には、一方のリード56と電池の封口体とを接続する一方、他方のリード57を基板等に接続する必要があるため、小型サーキットブレーカーと電池本体部とを備えた電池パックとした場合に、少なくとも小型サーキットブレーカーの分だけ電池パックが大きくなるため、電池パック中に占める電池の割合が少なくなって、体積効率が悪くなるという課題を有していた。
また、リード56・57を折り曲げる等して基板或いは電池本体部に接続する必要が生じるときもあるため、製造工程が煩雑化して、製造コストが上昇するという課題も有していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、電池パック中に占める電池の割合が多くすることにより、体積効率を向上させ、且つ製造工程が煩雑化するのを防止して、製造コストを低減することができる過電流又は加熱制限素子及びこの素子を用いた電池を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項1記載の発明は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子において、上記筐体における一面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上記電流供給側端子が設けられ面以外の面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
つまり、上記筐体における下面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上面に電流取出側端子が設けられている。
【0007】
上記構成であれば、電流供給側端子を直接電池等の部品に固定し、且つ電流取出側端子を電池の一方の極の外部端子等として用いることができるので、従来例の如くリードを折り曲げる等して基板或いは電池に接続する必要が生じない。したがって、製造工程の煩雑化を防止することができるので、過電流又は加熱制限素子を用いた部品(電池パック等)の製造コストを低減することができる。
加えて、電流取出側端子を電池の一方の極の外部端子等として用いることができるので、例えば本発明の過電流又は加熱制限素子を電池に用いた場合、従来の如く小型サーキットブレーカー(過電流又は加熱制限素子)の分だけ電池パックが大きくなるのを抑制することができる。したがって、電池パック中に占める電池の割合が多くなるので、体積効率を向上させることができる。
【0008】
また、上記筐体における上記電流供給側端子が設けられた面と対向する面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
電流供給側端子が設けられた面と対向する面に電流取出側端子が設けられていれば、プリント基板等の基板上に電流取出側端子を直接載置することができるので、リフロー法等により簡単に実装することができるので、過電流又は加熱制限素子を用いた部品(電池パック等)の製造コストを一層低減することができる。
【0009】
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられることを特徴とする。
このような通電方式のものを用いれば、下記無通電方式のものを用いた場合に比べて、部品点数を削減することができるので、製造コストをより一層低減することができる。
【0010】
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられることを特徴とする。
上記通電方式のものでは、バイメタルに直接電流を流すことになるので、可動アームであるバイメタル自体が発熱する。したがって、可動アームに流す電流を低く規制しておく必要がある。これに対して、上記無通電方式の如くバイメタルを別途設けていれば、可動アームには熱が伝わり難くなるので、可動アームに流す電流が高くなるように設定することが可能となる。
【0011】
上記目的を達成するために、本発明の他の発明は、内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた過電流又は加熱制限部とを有し、この過電流又は加熱制限部により、通常時には上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられる一方、異常時には上記電流経路が遮断され或いは上記電流経路の電流を規制する構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、上記筐体における一面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上記電流供給側端子が設けられた面以外の面に電流取出側端子が設けられており、上記電流供給側端子が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続された上記封口体又は外装缶に固定されていることを特徴とする。
上記構成であれば、前記請求項1に記載した作用効果を得ることができる。
特に、電流供給側端子を、他極の外部端子が設けられた封口体に固定し、且つ電流取出側端子と他極の外部端子の先端面が略面一となるように規制すれば、電池パック中に占める電池の割合がより多くなるので、体積効率を一層向上させることができる。
【0012】
上記目的を達成するために、本発明のうちで更に他の発明は、内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた過電流又は加熱制限部とを有し、この過電流又は加熱制限部により、通常時には上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられる一方、異常時には上記電流経路が遮断され或いは上記電流経路の電流を規制する構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、上記封口体又は上記外装缶が上記電流供給側端子を構成し、且つ上記筐体における何れかの面に電流取出側端子が設けられており、上記封口体又は外装缶が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
このように、封口体又は外装缶が電流供給側端子を構成していれば、別途電流供給側端子を設ける必要がないので、電池の製造コストが低くなる。
【0013】
上記筐体における上記電流供給側端子が設けられ面と対向する面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
【0014】
上記過電流又は加熱制限部が可動アームから成り、この可動アームの一端は上記両端子のうち一方の端子に固定される一方、上記可動アームの他端である自由端は、通常時には上記両端子のうち他方の端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記両端子のうち他方の端子とが非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造のサーキットブレーカーにより過電流又は加熱制限素子が構成されることを特徴とする。
【0015】
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
【0016】
また、上記封口体に設けられた注液口を、上記過電流又は加熱制限素子が塞ぐ構成とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図1〜図17に基づいて、以下に説明する。
図1は小型サーキットブレーカーにおける通常状態を示す断面図、図2は小型サーキットブレーカーにおける異常状態を示す断面図、図3は図1及び図2の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図、図4は図1及び図2の小型サーキットブレーカーを用いたリチウムイオン電池の断面図、図5は小型サーキットブレーカーの変形例における通常状態を示す断面図、図6は小型サーキットブレーカーの変形例における異常状態を示す断面図、図7は図5及び図6の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図、図8は小型サーキットブレーカーの変形例における作動状態を示す概念図、図9は小型サーキットブレーカーの他の変形例における作動状態を示す概念図、図10は小型サーキットブレーカーによって電解液の注液口を封止する場合の状態を示す断面図、図11は小型サーキットブレーカーの固定位置を変えた場合の状態を示す断面図、図12は電池の端子を変形して電流取出位置を変える場合の状態を示す断面図、図13は図12の電池における電流取出位置を示す平面図、図14は過電流又は加熱制限素子としてPTC素子を用いた場合の断面図、図15は小型サーキットブレーカーの更に他の変形例における作動状態を示す概念図、図16は薄型電池の正面図、図17は図16の薄型電池を電池パックとしたときの断面図である。
【0018】
図4に示すように、本発明のリチウムイオン電池は、筒状の外装缶8を有しており、この外装缶8内には、アルミニウム合金から成る芯体にLiCoO2 を主体とする活物質層が形成された正極と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻き状の電極体7が収納される。また、上記外装缶8内には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とが体積比で4:6の割合で混合された混合溶媒に、LiPF6 が1M(モル/リットル)の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶8の開放孔にはアルミニウム合金から成る封口体6(厚さ:1mm)がレーザー溶接されており、これによって電池が封口される。
【0019】
上記封口体6は、ガスケット11、絶縁板12及び導電板14と共に、注液孔18を有する挟持部材16により挟持されており、この挟持部材16上には負極端子キャップ10が固定されている。また、上記負極から延設される負極タブ15は、上記導電板14と挟持部材16とを介して、上記負極端子キャップ10と電気的に接続される一方、上記正極は正極タブ17を介して、上記外装缶8と電気的に接続されている。
尚、図4中の2は樹脂であり、この樹脂2の剥がれを防止すると共に外部短絡を防止するためのラベルが、上記外装缶8の側面に設けられている。
【0020】
ここで、上記封口体6の一部には凹部3が形成されており、この凹部3には小型サーキットブレーカー1が固定されている。この小型サーキットブレーカー1における通常状態での構成は、図1に示すように、上記封口体6とスポット溶接法により固定される長尺の電流供給側端子20を有しており、この電流供給側端子20上には、反転湾曲可能なバイメタル22がフレーム21を介して固定されている。また、上記電流供給側端子20上には電流供給側端子20と電気的に接続された接点23が設けられている。一方、上記電流供給側端子20と対向する面には、電池の正極端子を兼用する電流取出側端子25が設けられており、この電流取出側端子25の一端近傍には可動アーム24が取り付けられている。この可動アーム24の先端には、上記接点23と対向して、接点板24aが設けられている。上記構成により、電池内の正極と電気的に接続された封口体6と電流取出側端子25とは、接点23、可動アーム24を介して電気的に接続されて電流経路が設けられる。この状態の理解を容易とするため、図3に概念図を示す。図3において、可動アーム24とバイメタル22とが実線で示されているのが、通常状態である。尚、図1中、26、27、28は樹脂であり、筐体の一部を構成している。
【0021】
一方、上記小型サーキットブレーカー1における異常状態(電池温度が約70℃以上となった状態)での構成は、図2に示すように、バイメタル22が反転湾曲して、可動アーム24の接点板24aと接点23とが離れた状態となっている。これにより、電流供給側端子20と電流取出側端子25との間の電流経路が遮断される。上記図3において、可動アーム24とバイメタル22とが二点鎖線で示されているのが、異常状態である。
【0022】
上記構造のリチウムイオン電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのLiCoO2 を90質量%と、導電剤としてのカーボンブラックを5質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを5質量%と、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム合金製の正極集電タブを溶接した。
【0023】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を95質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを5質量%と、溶剤としてのNMP溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを負極集電体としての銅箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブを溶接した。
【0024】
次に、上記正極と負極とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータを介して巻回して偏平渦巻き状の電極体7を作製した後、この電極体7を外装缶8内に挿入した後、封口体6、ガスケット11、絶縁板12及び導電板14を挟持部材16により挟持した。
【0025】
しかる後、外装缶8と封口体6とをレーザー溶接した後、注液孔18から外装缶8内に電解液を注入し、更に挟持部材16上に負極端子キャップ10を固定した。
この後、インサート成形法により作製された小型サーキットブレーカー1を封口体6の凹部3にスポット溶接法により固定した後、外部端子を除き、樹脂2にて封口体6の上面を覆うことによりリチウムイオン電池を作製した。
【0026】
〔その他の形態〕
(1)小型サーキットブレーカー1としては上記無通電方式のものに限定するものではなく、図5〜図7に示すように、上記の如くバイメタルを別途設けるのではなく、可動アーム24自体がバイメタルから成るような通電方式であっても良い。
【0027】
(2)小型サーキットブレーカー1の可動アーム24は、電流取出側端子25に固定される構造に限定するものではなく、図8に示すように、内部端子29を介して(或いは、直接に)電流供給側端子20と固定される構造であっても良い。
(3)小型サーキットブレーカー1の可動アーム24の自由端に設けられる接点板24aは1つに限定するものではなく、図9に示すように、電流取出側端子25から突出した凸部25aと樹脂30から突出した凸部30aとの間に可動アーム24を挟持し、この可動アーム24の両端に接点板24aをそれぞれ設けるような構造であっても良い。
【0028】
(4)図10に示すように、負極キャップ10内に電解液の注液口18を設けないで、封口体6に別途注液口18を形成するような場合には、小型サーキットブレーカー1の下面に設けられ電解液の漏れを防止するゴム32を注液口18上に配置するようにして、小型サーキットブレーカー1により注液孔18を塞ぐ構成としても良い。
(5)小型サーキットブレーカー1の固定位置は封口体6に限定するものではなく、図11に示すように、外装缶8における封口体6と対向する面であっても良い。
【0029】
(6)図12に示すように、小型サーキットブレーカー1以外の端子を延設すれば、樹脂2のモールド状態を変えることにより、電流取出位置を変えることが可能となる。具体的には、図12の実線のように樹脂2をモールドすると、図13(a)に示すような電流取出位置34・35となり、図12の二点鎖線のように樹脂2をモールドすると、図13(b)に示すような電流取出位置34・35となる。加えて、樹脂2をモールドすることにより、電池が落下等して電池に外力が加えられた場合であっても、出力端子が保護される。
【0030】
(7)過電流又は加熱制限素子としては小型サーキットブレーカー1に限定するものではなく、図14に示すように、電流取出側端子25と電流供給側端子20との間にPTC樹脂層36が形成されたPTC素子であっても良いし、また、図示はしないがヒューズであっても良い。
(8)上記構成の如く電流供給側端子20を別途設ける必要はなく、図15に示すように、封口体6が電流供給側端子20を兼用する構造であっても良く、また図示はしないが、外装缶8が電流供給側端子20を兼用する構造であっても良い。また、この場合、可動アームは、図15に示すように、電流供給側端子20側に固定する構造に限定するものではなく、封口体6又は外装缶8に固定する構造であっても良い。
【0031】
(9)電池としては、上記円筒型の電池に限定するものではなく、図16に示すように、電極体(図示せず)が内部に収納されたラミネート外装体40の一端から、正極集電タブ41と負極集電タブ42とが突出している構造の薄型電池にも適用し得る。このような薄型電池では、図17に示すように、U字状に折り曲げられた負極集電タブ42に小型サーキットブレーカー1がスポット溶接され、この小型サーキットブレーカー1は、出力リード44と電気的に接続された基板43にリフロー半田される構造である。そして、その製造方法は、基板43に小型サーキットブレーカー1をリフロー半田した後、この小型サーキットブレーカー1付き基板43を負極集電タブ42にスポット溶接し、最後に負極集電タブ42をU字状に折り曲げることにより行う。尚、負極集電タブ42に小型サーキットブレーカー1を接続するような構造に限定するものではなく、正極集電タブ41に小型サーキットブレーカー1を接続するような構造であっても良いことは勿論である。
(10)電流取出側端子は電流供給側端子の対向面に設ける構造に限定するものではなく、電流供給側端子が設けられていない面に設ける構造であっても良い。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池パック中に占める電池の割合が多くなるので、体積効率を向上させることができ、且つ製造工程が煩雑化するのが抑制されるので、製造コストを低減することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】小型サーキットブレーカーにおける通常状態を示す断面図。
【図2】小型サーキットブレーカーにおける異常状態を示す断面図。
【図3】図1及び図2の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図。
【図4】図1及び図2の小型サーキットブレーカーを用いたリチウムイオン電池の断面図。
【図5】小型サーキットブレーカーの変形例における通常状態を示す断面図。
【図6】小型サーキットブレーカーの変形例における異常状態を示す断面図。
【図7】図5及び図6の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図。
【図8】小型サーキットブレーカーの変形例における作動状態を示す概念図。
【図9】小型サーキットブレーカーの他の変形例における作動状態を示す概念図。
【図10】小型サーキットブレーカーによって電解液の注液口を封止する場合の状態を示す断面図。
【図11】小型サーキットブレーカーの固定位置を変えた場合の状態を示す断面図。
【図12】電池の端子を変形して電流取出位置を変える場合の状態を示す断面図。
【図13】図12の電池における電流取出位置を示す平面図。
【図14】過電流又は加熱制限素子としてPTC素子を用いた場合の断面図。
【図15】小型サーキットブレーカーの更に他の変形例における作動状態を示す概念図。
【図16】薄型電池の正面図。
【図17】図16の薄型電池を電池パックとしたときの断面図。
【図18】従来の小型サーキットブレーカーの断面図。
【符号の説明】
7:電極体
8:外装缶
6:封口体
20:電流供給側端子
22:バイメタル
24:可動アーム
25:電流取出側端子
Claims (8)
- 電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子。 - 上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられる、請求項1記載の過電流又は加熱制限素子。
- 上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられる、請求項1記載の過電流又は加熱制限素子。
- 内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、
筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されており、上記電流供給側端子が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続された上記封口体又は外装缶に固定されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子を用いた電池。 - 内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、
筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されており、
上記封口体又は上記外装缶が上記電流供給側端子を構成し、上記封口体又は外装缶が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子を用いた電池。 - 上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられる、請求項4又は5記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
- 上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられる、請求項4又は5記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
- 上記封口体に設けられた注液口を、上記過電流又は加熱制限素子が塞ぐ構成とする請求項4記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
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