JP6146764B2 - 温度保護素子 - Google Patents

Description

本発明は、バイメタルに代表される熱応動体とＰＴＣ素子とを併用して電気回路を開閉する温度保護素子、特に製品の厚みを薄くでき、小型でも大電流に対応可能な温度保護素子に関する。

バイメタルとＰＴＣ素子とを併用する保護素子は、従来から二次電池などを含めた電源回路の保護装置に利用されている。例えば、特許文献１に記載された安全装置は、ベースターミナル、ＰＴＣ、バイメタル、アームターミナルに接続された可動アーム、カバー端子がベースとカバーで構成される樹脂ケースに内蔵された安全装置が提案されている。該安全装置のカバー端子は樹脂ケースのカバーと一体化することで、樹脂ケースのカバーと可動アームとの空間を可能な限り、狭くすることができるとしている。樹脂ケースのカバーとカバー端子は別々の部品であってもよいが、インサート成形により、樹脂ケースのカバーとカバー端子とが一体化されている方が好ましいとされる。カバー端子の組込みにより可動アームの動き幅が小さくても電流遮断を助け、また樹脂ケースのカバーとの空間を狭くして、安全装置の小型化、薄型化を図っている。

さらに、特許文献２には、導電性アームの一端、バイメタルの一端及びケース体の端子が溶着されて一体化された構造とし、単に周囲の雰囲気の温度上昇によってバイメタルが反転作動するだけでなく、導電性アームおよび端子に流れる電流により誘起された該導電性アームおよび端子の発熱を効率的に受けて、回路内の素子に過負荷が加えられて電流量が増加した場合に、バイメタルの温度が迅速に上昇して非反転状態から反転状態に遷移するようにして、反転作動を高速化したプロテクタが提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載された安全装置は、樹脂ケースの開口部はカバー端子を含む樹脂製カバーで覆って封止するため、キャップ状の樹脂製カバーに中間抑えやストッパーの凹凸を有するカバー端子を薄型化に有利なように一体成形してもインサート成形品の低背化に限界があり、製品のより一層の薄型化が困難であった。また、樹脂ケースを樹脂製カバーのみで覆って封止する場合にも封止パッケージ強度を確保する上で樹脂の厚さを低背化するのに限界がある。さらに、樹脂ケースおよびその開口部を覆うカバー材の表面が樹脂で覆われている構成のため、パッケージの熱伝導性や放熱性が悪く、過熱時の迅速な熱応動や、外部温度が低下したときの迅速な復帰作動を妨げていた。

ところで、特許文献２に記載されるプロテクタのように、従来のバイメタルとＰＴＣを併用した回路保護素子は、雰囲気温度の上昇によってバイメタルが反転作動するだけでなく、導電性アームや端子に流れる電流によるジュール熱を利用した過電流動作も同時に考えられていた。しかしながら、このような構成を採る以上、電流定格の大きな電源回路の保護にバイメタルとＰＴＣとを併用した保護素子は用いることができない欠点があった。そして、この特許文献２の構成においてもケース体のベースおよびそのカバーは絶縁材で構成され、特許文献１の構成と同様にパッケージの熱伝導性や放熱性に劣り、過熱時の迅速な熱応動や、外部温度が低下したときの迅速な復帰作動を妨げ不利である。

特開２００５−２０３２７７号公報 特開２００６−２６９１８０号公報

従って、本発明は、熱応動体とＰＴＣ素子とを併用して電気回路を開閉する温度保護素子において、製品の厚みを薄くでき、パッケージの熱伝導性や放熱性を高めて温度感応性を向上し、かつ省電力化し、小型でも大電流に対応可能な温度保護素子を提供することを目的とする。

本発明によると、前掲の課題を解決するため、固定接点を設けた第１端子リードと、一端に設けた可動接点を弾発力により固定接点に接触させる可動アームと、可動アームに接触させた第２端子リードと、常時可動アームに接触して所定の温度でスナップ反転作動し固定接点と可動接点とを開離させる熱応動体と、この熱応動体と第１端子リードとに接続して通電されるＰＴＣ素子と、これらを収納する開口部を設けた絶縁パッケージと、絶縁パッケージの開口部を覆った金属薄板とを備え、さらに絶縁パッケージは、前記両端子リードを一体成形して含み、パッケージ内部に固定接点、可動アーム、熱応動体、ＰＴＣ素子を収容してパッケージ開口部を金属薄板で覆い、この金属薄板の外縁部に設けた封止樹脂で絶縁パッケージと固着封止した温度保護素子が提供される。さらに、発明に係る温度保護素子の第１および第２端子リードと可動アームは、導電率％ＩＡＣＳが２５以上の高導電性金属材を用いることを特徴とする。ここで、ＩＡＣＳとは、銅材の導電率をみるときに、電気抵抗の基準として国際的に採用されている国際焼鈍軟銅標準（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄｅｒｄ）であり、国際焼鈍軟銅標準の体積抵抗率１．７２４１×１０^−２μΩｍを導電率１００％ＩＡＣＳと規定している。

本発明に係る温度保護素子は、パッケージの開口部を金属薄板で密閉するため、絶縁パッケージをより小型化、薄型化できる。また、金属薄板の外縁部のみに封止樹脂を塗布して絶縁パッケージと金属薄板とを固着封止するので、金属薄板を表面に露出できパッケージに内蔵する熱応動体およびＰＴＣ素子への熱伝導に寄与する。しかも、従来の安全装置のように、予めキャップ状の樹脂製カバーに曲げ加工を施したカバー端子をインサート一体成形または個別組込みする必要が無く、樹脂カバー部材を省略できるので、より経済的な生産が可能となる。さらに、発明に係る温度保護素子は、端子リードに導電率％ＩＡＣＳが２５以上の高導電性金属材を用いることでより省電力化でき、小サイズでありながら保護素子の内部抵抗値を低減しスイッチＯＮ時の突入電流による誤動作を防ぎ、比較的定常電流の大きな電源にも適用できる。

本発明に係る温度保護素子１０であり、（ａ）はその部品部材を分解した斜視図を示し、（ｂ）は組立完成後の平面斜視図を示し、（ｃ）は組立完成後の下面斜視図を示す。 本発明に係る温度保護素子の可動アームの斜視図を示し、（ａ）は片方の先端部を凹型に曲げその下側に可動接点を設けた可動アーム、（ｂ）はその変形例で片方の先端部を凹型に曲げその下側に可動接点を設け、さらに先端部に切れ込みを設けて可動接点を二股にした可動アーム、（ｃ）はさらに別の変形例で片方の先端部に段差と窪みとを設けその下側に可動接点を設けた可動アームである。 本発明に係る温度保護素子３０を示し、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその動作後の正面断面図を示す。 本発明に係る温度保護素子４０を示し、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその動作後の正面断面図を示す。

本発明の実施形態は、図１に示す温度保護素子１０のように、ＡｇまたはＡｇ合金製の固定接点１１−１を設けたＣｕまたはＣｕ合金からなる第１端子リード１１と、一端にＡｇまたはＡｇ合金製の可動接点１２−１を設け弾発力により固定接点１１−１に接触させるＣｕ合金からなる可動アーム１２と、可動アーム１２に電気接続させたＣｕまたはＣｕ合金からなる第２端子リード１３と、常時可動アーム１２に接触して所定の温度でスナップ反転作動し固定接点１１−１と可動接点１２−１とを開離させるバイメタル材からなる熱応動体１４と、この熱応動体１４と第１端子リード１１とに接続して通電される正温度係数サーミスタのＰＴＣ素子１５とを備え、さらに前記両端子リード１１および１３と一体成形し開口部を設けたプラスチック製絶縁パッケージ１６内部に、可動アーム１２、熱応動体１４およびＰＴＣ素子１５とを収容し、熱伝導性や放熱性に優れた金属薄板１７のみで絶縁パッケージ１６の開口部を覆って金属薄板１７の外縁部に設けた封止樹脂１８により絶縁パッケージ１６を固着封止したものである。

さらに、好ましくは、図１（ｃ）に示すように絶縁パッケージ１６の底部は第１端子リードの一部１１−４を露出させ絶縁パッケージ１６の内部への熱伝導を向上させてもよい。この温度保護素子１０の第１端子リード１１および第２端子リード１３と、可動アーム１２は、導電率％ＩＡＣＳが２５以上の高導電性金属材を用い、より好ましくはＣｕ−Ｓｎ合金材、Ｃｕ−Ｔｉ合金材、Ｃｕ−Ｂｅ合金材の群から選択した少なくとも１種の合金材を用いて高導電性を維持しながら所望の弾性反発力を兼備させる。

本発明に係るＰＴＣ素子１５は、正温度係数サーミスタであれば良く、好ましくは酸化物半導体からなるセラミックＰＴＣ素子が使用できる。そして、導電率％ＩＡＣＳが２５以上の高導電性金属材からなる第１および第２端子リードと可動アームを用いて両端子リードと可動アーム自体の電気抵抗値を低減することにより、ＰＴＣ素子１５に施す電極材をオーミック電極のみに簡略化する。すなわち、該ＰＴＣ素子１５の表面電極は、該素子の上に設けたオーミック電極のみで構成して、従来、ＰＴＣ素子の電極材の最表面に施されてきたＡｇなど貴金属良導体層からなるカバー電極を省略する。本発明に係るＰＴＣ素子１５のオーミック電極は、例えばＡｌ材、Ｃｒ材、Ｎｉ材、Ｎｉ−Ｃｒ合金材、Ａｇ−Ｉｎ合金材、Ａｇ−Ｚｎ合金材、Ａｇ−Ｓｂ合金材、Ａｇ−Ｚｎ−Ｓｂ合金材などの金属材が使用でき、特にＡｌ材またはＡｇ−Ｚｎ合金材が好適に利用できる。この場合、ＰＴＣ素子１９は、カバー電極の貴金属電極材を必要としないので必須材料を削減でき製造コストを低減できる。

本発明に係るＰＴＣ素子１５は、前述した酸化物半導体からなるセラミックＰＴＣ素子に替えて正の温度係数の抵抗値を持つ導電性ポリマー（結晶性の有機重合体を含み、さらにその重合体に導電性微粒子フィラーを分散又は散布したもの）からなるポリマーＰＴＣ素子を用いても良い。ポリマーＰＴＣ素子を使用することで、絶縁パッケージ１６の厚みをより一層薄くする。

本発明に係る可動アーム１２の先端形状は、図２に示すように変形しても良い。すなわち、図２（ａ）に示す可動アーム１２は、アーム屈曲点１２−４で鈍角に屈曲され先端部をＵ字形ないしＶ字形に加工することで、可動接点１２−１のバネ押圧を高め、固定接点の水平面に対して接続可能な可動接点１２−１の接触範囲を拡張し、可動接点１２−１の固定接点への電気接続を確実にするが、これを図２（ｂ）に示すように、先端部をＵ字形ないしＶ字形に加工し、さらに先端部に切込み２２−５を設けて独立した複数の可動接点２２−１を形成させた可動アーム２２に変形でき、これにより可動アーム２２の短辺左右の差動や局部磨耗によって生じた固定接点の凹凸によるバラツキを矯正して固定接点への接触信頼性を高める。さらに可動アーム１２は、図２（ｃ）に示すような可動アーム５２に変形できる。この可動アーム５２は、可動アームの端部に段差５２−５と窪み５２−６を設けて可動アームの先端部下面を凸形に加工することで、図２（ａ）と同様に可動接点５２−１のバネ押圧を高め、固定接点の水平面に対して接続可能な可動接点５２−１の接触範囲を拡張し、可動接点５２−１の固定接点への電気接続を確実にする効果を得ることができる。可動アームの先端部下面の凸形部の表面にはＡｇまたはＡｇ合金を固着して可動接点５２−１とする。可動アーム５２のもう一方の端部は、可動アーム５２を絶縁パッケージの所定位置に装着するのを助ける目的でノッチ５２−７を設けてもよい。なお、図２中の１２−２、１２−３、２２−２、２２−３および５２−２、５２−３は、下面に設けた接続突起の位置を示す。

本発明の実施例１は、図３に示す温度保護素子３０ように、Ａｇ−Ｃｕクラッド材の固定接点３１−１および素子接続電極３１−２を設けたＣｕ−Ｓｎ合金製第１端子リード３１と、先端にＡｇ−Ｃｕクラッド材の可動接点３２−１を設けたＣｕ−Ｓｎ合金製可動アーム３２と、可動アーム３２と接触するアーム接続電極３３−１を設けたＣｕ−Ｓｎ合金製第２端子リード３３と、Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金のバイメタル材からなり固定接点３１−１と可動接点３２−１とを開離させる熱応動体３４と、この熱応動体３４と素子接続電極３１−２に接続して通電されるチタン酸バリウム系酸化物半導体のＰＴＣ素子３５と、これらを収める開口部を設けた液晶ポリマー製絶縁パッケージ３６と、絶縁パッケージ３６の開口部を被覆するステンレス鋼材の金属薄板３７とを備え、さらに絶縁パッケージ３６は、インサート成形により前記両端子リード３１および３３と一体成形され、パッケージ内部に可動アーム３２、熱応動体３４、ＰＴＣ素子３５を収容してパッケージ開口部を金属薄板３７で覆い、金属薄板３７の外縁部に沿って塗布したＵＶ硬化性樹脂３８で絶縁パッケージ３６に固着させ封止したものである。

なお、特に図示しないが、実施例１の温度保護素子３０は、内蔵する熱応動体３４およびＰＴＣ素子３５を電気回路と接続しない状態で設置するように変形できる。すなわち、温度保護素子３０の変形例において熱応動体３４は、初期状態で可動アーム３２と隔離して配置され、過熱を検知し固定接点３１−１と可動接点３２−１とを開離して反転作動したときに可動アーム３２と接触し、同時に熱応動体３４に当接するＰＴＣ素子３５は、熱応動体３４と素子接続電極３１−２とに接続され通電するように変形できる。

実施例１の絶縁パッケージ３６は、開口部を金属薄板３７で覆い、さらに絶縁パッケージ３６の底部に、絶縁パッケージ３６の内側に延在する第１端子リード３１の一部を露出させて設けた端子リード露出面３１−４を形成することで、絶縁パッケージ３６の熱伝導を向上させ、温度感応性をさらに高めている。なお、絶縁パッケージ３６は、開口部周縁に沿って堤状の周壁３９を設けて金属薄板３７の位置決めを補助するとともにＵＶ硬化性樹脂３８のディスペンサー・ニードルのガイド部を形成して液状樹脂の塗布を助け、かつ該周壁内面と金属薄板３７の外縁上面とで断面がＬ字型の塗布代を形成して、該塗布代と封止樹脂との界面張力により樹脂ダレを防止している。

実施例１のＰＴＣ素子３５に施す表面電極３５−１は、Ａｇ−Ｚｎ合金材のオーミック電極のみで構成され、ＰＴＣ素子３５上部の表面電極は熱応動体３４に当接され、ＰＴＣ素子３５下部の表面電極は素子接続電極３１−２の表面に形成された素子接続突起３１−３と当接される。この素子接続突起３１−３の当接表面は、ＡｇまたはＡｇ合金材の被覆層を設けても良く、特に好ましくはＡｇ−Ｃｕクラッド材としても良い。実施例１の熱応動体３４は、７７℃以上の温度になると図３（ｂ）に示す形状にスナップ反転作動し回路を遮断し、４０℃以下の温度で再び反転して図３（ａ）に示す初期の接続状態に復帰し、温度検知による回路のＯＮ／ＯＦＦ作動を可能とする。図３（ａ）の初期の接続状態において熱応動体３４は、湾曲面頂部で直に可動アーム３２に当接されているが、図３（ｂ）の回路遮断時においては、熱応動体３４の外縁部で可動アーム３２の下部に設けた接続突起３２−２と接続突起３２−３とに当接される。その際、片側の接続突起３２−２の高さをもう一方の接続突起３２−３の高さより低くすることで、可動アーム３２先端部の持上高を増幅して可動接点３２−１が固定接点３１−１から開離する動作を補助する。

本発明の実施例２は、図４に示す温度保護素子４０ように、Ａｇクラッド材の固定接点４１−１と素子接続電極４１−２を設けたＣｕ−Ｓｎ合金製の第１端子リード４１と、先端にＡｇクラッド材からなる可動接点４２−１を設けたＣｕ−Ｂｅ合金製の可動アーム４２と、この可動アーム４２と接触するアーム接続電極４３−１を設けたＣｕ−Ｓｎ合金製の第２端子リード４３と、Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金のバイメタル材からなり固定接点４１−１と可動接点４２−１とを開離させる熱応動体４４と、この熱応動体４４と素子接続電極４１−２とに接続して通電されるポリマーＰＴＣ素子４５（結晶性の有機重合体を含み、さらにその重合体にカーボンブラック導電性フィラーを分散したもの）と、これらを収める開口部を設けたエポキシ樹脂製絶縁パッケージ４６と、絶縁パッケージ４６の開口部を被覆するＮｉめっき銅板の金属薄板４７とを備え、さらに絶縁パッケージ４６は、インサート成形により前記両端子リード４１および４３と一体成形され、パッケージ内に可動アーム４２、熱応動体４４、ポリマーＰＴＣ素子４５を収容してパッケージ開口部を金属薄板４７のみで覆い、金属薄板４７の外縁部に沿って塗布したエポキシ樹脂４８で絶縁パッケージ４６に固着させて封止したものである。

なお、特に図示しないが、実施例２の温度保護素子４０は、内蔵する熱応動体４４およびポリマーＰＴＣ素子４５を電気回路と接続しない状態で設置するように変形してもよい。すなわち、温度保護素子４０の変形例における熱応動体４４は、初期状態で可動アーム４２と隔離して配置され、過熱を検知して反転作動し固定接点４１−１と可動接点４２−１とを開離したときに可動アーム４２と接触し、同時に熱応動体４４に当接するポリマーＰＴＣ素子４５は、熱応動体４４と素子接続電極４１−２とに接続されて通電するように変形できる。

実施例２の絶縁パッケージ４６は、開口部を金属薄板４７で覆い、さらに絶縁パッケージ４６の底部に、絶縁パッケージ４６の内側に延在する第１端子リード４１の一部を露出させて設けた端子リード露出面４１−４を形成することで、絶縁パッケージ３６の熱伝導性や放熱性を向上し、温度感応性をさらに高めている。なお、前記絶縁パッケージ４６は、開口部周縁に沿って堤状の周壁４９を設けて金属薄板４７の位置決めを補助するとともにエポキシ樹脂４８のディスペンサー・ニードルのガイド部を形成して液状樹脂の塗布を助け、かつ該周壁内面と金属薄板４７の外縁上面とで断面がＬ字型の塗布代を形成して、該塗布代と封止樹脂との界面張力により樹脂ダレを防止している。

実施例２は、ポリマーＰＴＣ素子４５を使用することで、より一層絶縁パッケージ４６の厚みを薄くできる。前記ポリマーＰＴＣ素子４５に施す表面電極４５−１は、Ｃｕ母材Ｎｉめっき材で構成する。ポリマーＰＴＣ素子４５上部の表面電極４５−１は熱応動体４４に当接され、ポリマーＰＴＣ素子４５下部の表面電極４５−１は素子接続電極４１−２と当接される。この素子接続電極４１−２の当接表面は、ＡｇまたはＡｇ合金材の被覆層を設けても良く、特に好ましくはＡｇ−Ｃｕクラッド材としても良い。実施例２の熱応動体４４は、７７℃以上の温度になると図４（ｂ）に示す形状にスナップ反転作動し回路を遮断し、４０℃以下の温度で再び反転して図４（ａ）に示す初期の接続状態に復帰し、温度検知による回路のＯＮ／ＯＦＦ作動を可能とする。図４（ａ）の初期の接続状態において熱応動体４４は、湾曲面頂部で直に可動アーム４２に当接されているが、図４（ｂ）の回路遮断時においては、熱応動体４４の外縁部で可動アーム４２の下部に設けた接続突起４２−２と接続突起４２−３とに当接される。その際、片側の接続突起４２−２の高さをもう一方の接続突起４２−３の高さより低くすることで、可動アーム４２先端部の持上高を増幅して可動接点４２−１が固定接点４１−１から開離する動作を補助する。

本発明は、電源装置などの温度保護装置に用いられ、特にＬｉイオン電池などの大容量の２次電池の保護装置に有効である。

１０，３０，４０・・・温度保護素子、
１１，３１，４１・・・第１端子リード、
１１−１，３１−１，４１−１・・・固定接点、
１１−２，３１−２，４１−２・・・素子接続電極、
１１−３，３１−３・・・素子接続突起、
１１−４，２１−４，３１−４・・・端子リード露出面、
１２，２２，３２，４２・・・可動アーム、
１２−１，２２−１，３２−１，４２−１，５２−１・・・可動接点、
１２−２，２２−２，３２−２，４２−２，５２−２・・・接続突起（低）、
１２−３，２２−３，３２−３，４２−３，５２−３・・・接続突起（高）、
１２−４，２２−４， ５２−４・・・アーム屈曲点、 ２２−５・・・切込み、
５２−５・・・段差、 ５２−６・・・窪み、 ５２−７・・・ノッチ、
１３，３３，４３・・・第２端子リード、
１３−１，３３−１，４３−１・・・アーム接続電極、
１４，３４，４４・・・熱応動体、
１５，３５・・・ＰＴＣ素子、 ４５・・・ポリマーＰＴＣ素子
１５−１，３５−１，４５−１・・・表面電極、
１６，３６，４６・・・絶縁パッケージ、 １７，３７，４７・・・金属薄板、
１８，３８，４８・・・封止樹脂、 ３９，４９・・・周壁。

Claims (3)

1. 固定接点を設けた第１端子リードと、一端に可動接点を設け弾発力により前記固定接点に接触させる可動アームと、この可動アームに電気接続させた第２端子リードと、常時前記可動アームに接触して所定の温度でスナップ反転作動し前記固定接点と前記可動接点とを開離させる熱応動体と、この熱応動体と前記第１端子リードとに接続して通電されるＰＴＣ素子とを備え、さらに前記第１端子リードおよび前記第２端子リードと一体成形し開口部を設けた絶縁パッケージの内部に、前記可動アームと、前記熱応動体および前記ＰＴＣ素子とを収容し、前記絶縁パッケージの開口部を蓋体で覆って固着封止した温度保護素子において、前記蓋体は、金属薄板のみからなり、この金属薄板の外縁部のみを周回して設けた封止樹脂により前記絶縁パッケージを固着封止したことを特徴とする温度保護素子。
2. 前記絶縁パッケージは、開口部周縁の全周に堤状の周壁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の温度保護素子。
3. 前記可動アームは、端部に段差と窪みを設けて前記可動アームの先端部下面を一文字状の凸形に加工し、前記可動アームの先端部下面の凸形部の表面に可動接点を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度保護素子。

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