CN100458982C - 电路保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种电路保护装置(51)，其适于焊接于电池端子(45)或其它基板，无焊接溅泼所导致的负面效应。该装置包括夹于第一与第二电极(9，11)间的薄片PTC电阻元件(3)，例如由传导性聚合物成分制成。第一电导线(21)具有一第一附接部分(23)，其具有附接到所述第一电极的附接表面(24)；一第一连接部分(25)，其能够连接到一电路上，并与PTC元件隔开，以及一第一屏障部分(27)。所述第一屏障部分位于第一附接部分与第一连接部分之间的第一导线上，并向第二电极延伸。在电阻焊接期间，所述屏障部分可避免溅泼而与PTC电阻元件接触。

Description

电路保护装置

技术领域

本发明涉及一种电路保护装置，尤其涉及一种包括适于焊接到电池或其它基板的导电聚合物的电路保护装置。

背景技术

显示电阻正温度系数(PTC性能)的电路保护装置是众所周知的。该装置一般包括由导电聚合物成分组成的PTC电阻元件。第一与第二电极，如为金属片或箔片，附接于导电聚合物上，以允许与装置电连接。使用电路保护装置来避免电池的过电流和过温度状况也是众所周知的。其实例可见于美国专利US4255698(Simon)、US4973936(Dimpault-Darcy等)、US5801612(Chandler等)和US6114942(Kitamoto等)，以及日本实用新型申请No.4-75287(1992.10.29提出)，兹以引用的方式将其所披露的内容结合到本申请中。在这些申请案中，PTC装置与电池端子串联。在正常的工作期间，PTC装置处于低电阻、低温状况(取决于电路状况，例如自室温至40℃)。如暴露于可能发生的例如因短路造成非常大的电流下，或暴露于可能发生的例如因过充电引起的高温下，并且产生的温度为60至130℃，那么装置将切换到高电阻、高温状况，因而将通过电池的电流降至低水平，从而保护与电池接触的任何元件。

常规的电路保护装置具有用于电池保护的较佳结构，如图1和图2所示。在此通常称为带状装置的结构中，PTC元件3位于电极9、11之间而形成“芯片”，且该“芯片”例如通过锡焊附接到自芯片相对侧延伸的第一和第二平坦金属电导线21、31上。位于该装置一端上的导线可与电池单元电连接，而位于另一端的导线则可与第二电池单元或另一元件如电路板或电池封装端电连接。在此方式下，该装置能够用作保护装置和连接装置。

该装置经常通过电阻焊或点焊焊接到电池的金属罐或元件上的金属片上而附接到电池单元或其他元件上。在电阻焊期间，极高电流通过两片金属间。此高电流导致金属-金属界面的局部加热，其足以导致两片金属表面熔化并使之结合，也就是“焊接”。伴随电阻焊的问题之一是焊接过程的高能量会导致少量熔融金属自焊接处排出。该现象一般称为焊接溅泼。

在将带状装置附接到电池单元时焊接溅泼尤为严重，因为如果熔融金属若与芯片相接，它将严重影响干扰PTC装置的性能。当该金属碰到至PTC元件边缘时会固化，并维持与第一及第二电极相接，从而使芯片短路。由于当故障发生时装置通过进入高电阻状态而运行，所以跨经其上的低电阻短路将阻止其正常运行。或者，非常高温的熔融金属可能会燃烧、烧焦或损坏装置的导电聚合物并使之产生故障。

如图3所示，带状装置一般为一片聚合物带所包裹。该带具有几种功能，包括环境保护，并提供免于焊接溅泼的一些保护。然而，如果来自焊接溅泼的一些熔融金属足够热，那么就可烧穿该带。焊接溅泼也能够通过进入该带和电导线之间的间隙而直接侵袭PTC元件。

发明内容

我们已经发现，能够以这样的方式形成带状装置的金属导线从而避免焊接溅泼接触与可能损害PTC元件，一个障碍或屏障可形成在或加入到点焊和PTC元件之间区域的导线上。该障碍可充当避免焊接溅泼碰到PTC元件边缘并损坏它的屏障。在回流附接到PTC芯片之前该屏障可形成在或加入到单个的导线中，或在组装后可形成在或加入到最终装置中。

在第一方面，本发明提供了一个电路保护装置，其包括：

(1)一薄片PTC电阻元件，其具有第一和第二主表面和厚度t；

(2)一第一电极，其附接到所述PTC元件的第一表面上；

(3)一第二电极，其附接到所述PTC元件的第二表面上；

(4)一第一电导线，其包括：

(a)一第一附接部分，其具有一连接到所述第一电极的附接表面，

(b)一第一连接部分，其能够连接到一电路上并与PTC元件相间隔，

(c)一第一屏障部分，其(i)位于所述第一附接部分和所述第一连接部分之间的所述第一导线上，(ii)向所述第二电极延伸，和(iii)具有一高度x。

在第二方面，本发明提供了根据本发明第一方面的电路保护装置，其还包括：

(5)一第二电导线，其包括：

(a)一第二附接部分，其具有一连接到所述第二电极的附接表面，

(b)一第二连接部分，其能够连接到一电路上并与PTC元件相间隔，

(c)一第二屏障部分，其(i)位于所述第二附接部分和所述第二连接部分之间的所述第二导线上，(ii)向所述第一电极延伸，

所述第一屏障部分被设计成阻挡所述第一连接部分和所述PTC元件之间的焊接溅泼，且所述第二屏障部分被设计成阻挡所述第二连接部分和所述PTC元件之间的焊接溅泼。

在第三方面，本发明提供了一个电池组件，其包括：

(A)一个根据本发明第一方面的电路保护装置；和

(B)一个电池，其包括一个端子，所述端子被焊接到所述第一连接部分。

附图说明

图1示出了常规电路保护装置的透视图；

图2是沿图1中II-II线的剖面图；

图3是另一常规电路保护装置的透视图；

图4是沿图3中IV-IV线的剖面图；

图5是本发明电路保护装置的透视图；

图6是沿图5中VI-VI线的剖面图；

图7是本发明另一电路保护装置的透视图；

图8是沿图7中VIII-VIII线的剖面图，也示出了本发明的一个电池组件；

图9是本发明另一电路保护装置的透视图；

图10是沿图9中X-X线的剖面图；

图11和12是本发明其它电路保护装置的透视图；

图13是沿图12中XIII-XIII线的剖面图；

图14是本发明电路保护装置的透视图；

图15是沿图14中XV-XV线的剖面图；

图16是本发明另一电路保护装置的透视图；和

图17是沿图16中XVII-XVII线的剖面图。

具体实施方式

本发明的电路保护装置包括一个由PTC材料例如导电聚合物成分或陶瓷组成的薄片电阻元件。这样的导电聚合物成分包括一种聚合性组分，以及散布其间的颗粒状导电填充物如炭黑或金属。导电聚合物成分在美国专利4237441(van Konynenburg等)、4304987(vanKonynenburg)、4514620(Cheng等)、4534889(van Konynenburg等)、4545926(Fouts等)、4724417(Au等)、4774024(Deep等)、4935156(van Konynenburg等)、5049850(Evans等)、5378407(Chandler等)、5451919(Chu等)、5582770(Chu等)、5747147(Wartenberg等)和5801612(Chandler等)、6358438(Isozaki等)和6362721(Chen等)。兹将这些专利所披露的内容以引用的方式结合在本申请中。由于较低的电阻率和比陶瓷成分易于制造，导电聚合物成分较佳。

该装置中所使用的成分表现出正温度系数(PTC)性能，也就是其在相当小的温度范围内表现出电阻率随温度的急剧增加。这里所使用的术语“PTC”是指其具有R14值至少为2.5和/或R100值至少为10的成分或装置，且优选的是成分或装置的R30值至少为6，这里R14是在14℃范围末端和起始端的电阻率比，R100是在100℃范围末端和起始端的电阻率比，而R30是在30℃范围末端和起始端的电阻率比。

PTC电阻元件具有一个厚度t，其根据具体的应用和矿点聚合物成分的电阻率而变化。一般地，t为0.051至2.5mm(0.002至0.100英寸)，优选为0.08至2.0mm(0.003至0.080英寸)，特别是0.13至0.51mm(0.005至0.020英寸)，例如0.13mm或0.25mm(0.005英寸或0.010英寸)。

本发明的装置包括第一和第二薄片电极，优选为金属箔片电极，其带有夹于其间的薄片导电聚合物元件，以便第一电极固定到所述薄片元件的第一表面也就是第一主表面上，而第二电极固定到薄片元件的第二表面也就是第二主表面上。特别合适的箔片电极具有至少一个表面，其是稍微粗糙的，例如经过电解沉积，优选地电解沉积镍或铜。适当的电极披露在美国专利4689475(Matthiesen)、4800253(Kleiner等)、5874885(Chandler等)、以及国际公开WO95/34081(RaychemCorporation)上，这些文件所公开的内容在此以引用的方式结合在本申请中。电极可通过压缩成型、挤压层叠或任何其他适当的技术附接到电阻元件上。电极可直接固定到电阻元件或通过粘接剂或复合薄膜粘接层(tie layer)附接到电阻元件上。对于一些装置，优选的是第一和第二薄片电极包括通过直接将金属沉积到PTC电阻元件上形成的金属层，例如通过镀覆、溅射或化学沉积。

本发明的电路保护装置包括一第一电导线以及最好也包括一第二电导线，其可以与所述第一电导线相同或不同。使用这样的导线将装置连接到基板例如电池上，并一般延伸超过带状的PTC元件的边缘部分。通过任何适当的方式例如锡焊或导电粘接剂，将所述第一导线附接到所述第一电极上，第二导线附接到第二电极上。根据应用、附接的容易度、或热控制，该导线可以这样定位，以便覆盖其所接触的较小或基本上所有电极。

所述第一电导线包括三个部分：一第一附接部分、一第一连接部分和一位于所述第一附接部分和第一连接部分之间第一导线上的第一屏障部分。第一附接部分是通过一个附接表面附接到第一电极上的部分，其至少部分覆盖第一电极。第一连接部分与PTC元件相间隔，并用于例如通过焊接与基板电连接。第一屏障部分是提供焊接溅泼保护的部分。其包括一个从第一导线的平面向第二电极延伸的屏障，也就是，其伸入焊接溅泼要接触PTC元件需穿过的空间。第一屏障部分具有一高度x，其足以防止焊接溅泼接触PTC元件。一般地，x为0.05至0.51mm(.002至0.02英寸)，但是其也可充分大，例如1mm(0.04英寸)。第一屏障部分x的高度优选为至少0.5t、特别地至少为0.8t、最好至少1t。

所述第一导线一般包括一个通常为平坦金属的单片，例如厚度为0.13mm(0.005英寸)镍。屏障可由单个金属片形成或为其一部分，或可将其加入金属的表面上。一个优选的屏障部分是一个具有凹陷形状或用导线弯曲例如其具有半圆形状或三角形(切口)。或者，第一导线可以弯曲超出其原始平面而形成不连续处，其可保护PTC元件的边缘免于焊接溅泼。一般地，这样设计该弯曲，即第一导线的第一连接部分大约与第二导线(如存在的话)共面。另一方法是通过切割、冲压、蚀刻或以其它方式将一小部分移出到第一导线平面之外从而形成一个凸起的切除部分，其弯曲以保护PTC元件的边缘。加入到形成第一导线的金属片中的屏障可以是墙壁或梯坝形式，其从第一导线的表面突出。这些可以是焊接、锡焊或附接到导线上的金属片；位于导线上的聚合物如环氧树脂，其附接或固化以形成所述屏障；或附接到导线上的陶瓷、玻璃或纸。所述屏障可延伸导线宽度，但不是必须的，且根据焊接的位置，其可以位于导线的中心或偏离中心处。在附接到PTC芯片之前屏障可以形成或加入单个的导线中，或可在组装之后形成或加入到最终装置中。

第二导线也包括三部分：一第二附接部分、一第二连接部分和一位于所述第二附接部分和第二连接部分之间第二导线上的第二屏障部分。第二屏障部分的高度y可以与x相同或不同，但一般地，优选为至少0.5t、特别地至少为0.8t、最好至少1t。第二屏障部分从第二导线向第一电极延伸。根据应用和基板的类型，第二屏障部分可以与第一屏障部分相同或不同，例如其可以具有相同或不同的材料和/或形状和/或定位。

第一和第二导线一般互相轴向定位，但对于一些应用，其可以相互以90°定位，而对于其它的应用，其可以相互平行。

通过使用电绝缘层例如一个缠绕在第一导线的至少第一附接部分上(如果没有完全被第一导线覆盖，则是第一电极的任何裸露部分)或最好缠绕至少第一附接部分和第一导线的一些或所有第一屏障部分上的带子，来实现焊接溅泼的附加保护。

当附接到电池或含有一个或多个电池(也就是电池单元)的电池封装上以形成一个电池组件时，本发明的装置特别有用。利用第一和第二导线将装置从封装中电池上的第一端子连接到第二电池的另一端子上。根据可使用的电池化学性质的任何类型，电池包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池和锂原电池。或者，连接可以连到一个电池和另一基板例如电路板，或仅仅是一个基板。

而本发明的装置常常具有带状的电导线，并称为“带状装置”，PTC电路保护装置的其他类型也能从本发明获益。例如，可以使用该装置，为了控制装置的热量耗散，装置中金属端子例如钢、黄铜或铜通过锡焊或焊接附接到芯片上。这样的装置披露在美国专利5089801和5436609(两个均是Chan等)中，其所披露的内容在这里以引用的方式结合在本申请中。

通过附图示出了本发明，图1示出了常规电路保护装置1的透视图。图2示出了图1中装置沿II-II线的剖面图。PTC元件3夹于第一和第二电极9、11之间。第一和第二电导线21、31分别通过锡焊或导电粘接剂附接到第一电极9和第二电极11上(未示出)。

图3以透视图、图4以剖面图示出了常规的装置1，其由绝缘层41例如聚合物带包围，能够用于环境保护或标记目的。

图5示出了本发明电路保护装置51的透视图；图6示出了沿图5中VI-VI线的装置51。PTC元件3夹于第一和第二电极9、11之间，第一电极9附接到第一主表面5上，而第二电极附接到第二主表面7上。PTC元件3和第一和第二电极9、11结合形成芯片13。通过锡焊、导电粘接剂或其他适当的材料(未示出)，第一电导线21物理和电连接到第一电极9上。第一导线21具有三个部分：第一附接部分23，其具有一个连接到第一电极9上的附接表面24；第一连接部分25，电池端子或其它基板例如通过焊接附接到其上；和第一屏障部分27，其位于第一附接部分23和第一连接部分25之间。如图5和6所示，第一屏障29是在第一导线21中以圆形凹陷和凹口形式存在，其从第一导线21的平面向第二电极11延伸。第二导线31与第一电极21对称，并连接至第二电极11上。第二导线31也具有三部分：第二附接部分33，其具有一个附接到第二电极11上的附接表面34；第二连接部分35，电池端子或其它基板例如通过焊接连接到其上；和第二屏障部分37，其位于第二附接部分33和第二连接部分35之间。如图所示，第二屏障39与第一屏障29具有相同的形状，但其从第二导线31的平面向第一电极9延伸。

图7至12示出了本发明装置的可选设计。在图7中，第一和第二屏障部分27、37具有凹口形状的第一和第二屏障29、39。图8示出了该装置沿图7中VIII-VIII线的剖面图，但另外示出了第一电池43经第一焊接处44至第一电池端子45(其为纽扣端子)而与第一连接部分25的连接，和第二电池47经由第二焊接处48至第二电池端子49(其为平坦端子)而与第二连接部分35的连接。装置51与电池43和47的连接形成了电池组件53。

图9是一个装置，其中第一和第二导线21、31上的屏障部分是通过弯曲导线产生的。图10示出了该装置沿图9中X-X线的剖面图。在图11中，第一和第二屏障29、39为以分别施加于第一和第二导线21、31或形成为其一部分的壁或隔墙形式。图12示出了一装置的透视图、图13示出了该装置的剖面图，其中第一和第二屏障29、39通过冲压(stamping)或其它方式切割第一和第二导线制备而是切开部分凸出。

图14和16示出了图5装置51的透视图，图15和17示出了其剖面图，该装置被绝缘层41缠绕。带状形式的绝缘层51可以覆盖除了屏障和连接部分(如图14和15所示)之外的第一和第二导线(以及下面的芯片13)的所有部分，或除了连接部分(如图16和17所示)之外的所有部分。

应该理解的是，本装置的上述配置仅仅是本发明原理应用的示例，在不脱离本发明限定在权利要求中的精神和范围的情况下，可以作出许多其它实施例和修改。

Claims (11)

1、一种采用带状形式的电路保护装置，所述装置包括：

(1)一薄片PTC电阻元件，其具有第一和第二主表面和厚度t；

(2)一第一电极，其附接到所述PTC元件的第一表面上；

(3)一第二电极，其附接到所述PTC元件的第二表面上；

(4)一第一电导线，其包括：

(a)一第一附接部分，其具有一附接到所述第一电极的附接表面，

(b)一第一连接部分，其能够连接到一电路上并与PTC元件相间隔，和

(c)一第一屏障部分，其(i)位于所述第一附接部分和所述第一连接部分之间的所述第一导线上，(ii)包括向所述第二电极延伸的屏障，在附接到第一电极之前所述屏障形成在或加入到第一导线上，且所述屏障包括凹陷、凹口、凸起的切开部分、壁或隔墙，和(iii)具有一高度x。

2、根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：

(5)一第二电导线，其包括：

(a)一第二附接部分，其具有一连接到所述第二电极的附接表面，

(b)一第二连接部分，其能够连接到一电路上并与PTC元件相间隔，

(c)一第二屏障部分，其(i)位于所述第二附接部分和所述第二连接部分之间的所述第二导线上，(ii)包括向所述第一电极延伸的屏障，在附接到第二电极之前所述屏障形成在或加入到第二导线上，且所述屏障包括凹陷、凹口、凸起的切开部分、壁或隔墙，(iii)具有高度y。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一屏障高度x至少与厚度t一样大。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一屏障高度x和第二屏障高度y至少为0.5t。

5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一和第二导线包括金属。

6、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一和第二导线互相沿轴向定位或以90°定位。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PTC元件包括导电聚合物成分。

8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁包括一种金属性或聚合物材料。

9、根据权利要求2所述的装置，该装置进一步包括一个绝缘层，其覆盖所述第一附接部分、所述第二附接部分、延伸超出该第一附接部分之外的第一电极的任何部分，延伸超出该第二附接部分之外的第二电极的任何部分，该绝缘层成带的形式。

10、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一屏障部分设计成阻挡所述第一连接部分和所述PTC元件之间的焊接溅泼，所述第二屏障部分设计成阻挡所述第二连接部分和所述PTC元件之间的焊接溅泼。

11、一种电池组件，其包括：

(A)一根据权利要求1所述的电路保护装置；和

(B)一电池，其包括一个端子，所述端子被焊接到所述第一连接部分。

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