CN104603903B - 保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种保护元件，具备：由PTC组成物形成、具有至少1个贯通开口部的PTC层状要素；位于层状要素的各主表面上的导电性金属薄层；以及位于规定该贯通开口部的至少1个的侧面上、将各主表面上的导电性金属薄层电连接的熔断器层。本发明的保护元件在能流过更大的电流的同时能提供针对过剩电流的保护。

Description

保护元件
技术领域
本发明涉及保护电气装置的保护元件，更详细地，涉及保护包含在电气装置中的电气要素或电路的保护元件。例如涉及在二次电池这样的电气装置内流过过剩的电流的情况下切断该电流的流动的保护元件，即，涉及过电流保护元件。
背景技术
作为在圆筒型锂离子二次电池的充电或放电时流过过剩电流的情况下切断该电流的流动的保护元件，使用温度熔断器元件、电流熔断器元件、聚合物PTC元件等。这当中，聚合物PTC元件由于能装入二次电池的封口板而配置，因此特别在使由众多二次电池构成的电池包变得紧凑这一点上是有用的。但是，市售的PTC元件由于与金属比较电阻值更大，因此与使用由金属构成的熔断器元件的情况相比，在流通大的电流的情况下不利。
考虑这样的问题点，而提出在圆筒型锂离子二次电池单元中，在例如封口板的内侧取代PTC元件而使用隔板的方案(参考下述非专利文献1)。但是，在使用隔板的情况下，有不能确保针对过剩电流的保护的问题点。
另外，作为用在二次电池中的保护元件的熔断器元件，在电阻值低、能流过大的电流的点上是有利的。但是，由于熔断器元件未直接配置在单元内部，而是配置在电池侧面或电池彼此的连接部，因此在电池包变大的点上不利。另外，熔断器元件虽然通过在电路中流过过剩电流的情况下进行熔断(blow)来切断过剩电流的流动，从而保护电路，但一旦进行熔断，作为单元就不能再使用，在这点上也不利。
先行技术文献
专利文献
非专利文献1：Matsushita Technical Journal Vol.52No.4Aug.2006pp31-35
发明内容
发明的概要
发明要解决的课题
为此，本发明要解决的课题在于，提供在能流过更大的电流的同时能提供针对过剩电流的保护、进而具有除去过剩电流的原因后的恢复性的保护元件。
用于解决课题的手段
在第1要旨中，本发明提供一种保护元件，具有：由PTC组成物形成、具有至少1个贯通开口部的PTC层状要素；位于PTC层状要素的各主表面上的导电性金属薄层；和位于规定该贯通开口部的至少1个的侧面上、将各主表面上的导电性金属薄层电连接的熔断器层。
在第2要旨中，本发明提供具有上述以及后述那样的本发明的保护元件的电气装置，例如二次电池。
本发明的保护元件具有由PTC组成物形成的PTC层状要素而构成，该PTC层状要素具有至少1个贯通开口部。该开口部沿PTC层状要素的厚度方向延伸并贯通PTC层状要素，与该厚度方向垂直的方向的截面形状并没有特别的限定，但优选例如是圆形。但是，也可以是其它形状，例如正方形、菱形、长方形、椭圆形。贯通开口部的数量是至少1个。即，可以是1个或2个以上，例如2个、3个、4个、5个，能对应于保护元件所要求的保护的程度来适宜选择。在具有1个贯通开口部的情况下，贯通开口部优选位于PTC层状要素的中心部，即位于与厚度方向垂直的方向的截面形状的中心部。
构成PTC层状要素的PTC组成物例如是包含导电性填料的聚合物材料(例如以分散状态包含碳黑粒状物质的高密度聚乙烯)，将示出PTC特性的聚合物组成物形成为层状，例如若进行挤压成形，则自身可以是已知的材料，只要是能用在本发明的保护元件中的材料即可，没有特别的限定。具体地，例如可以是使用在特表平10-501374号公报所记载的器件中的示出PTC特性的聚合物组成物。
上述PTC层状要素的厚度并没有特别的限定，例如是0.1～0.7mm，优选是0.2～0.6mm。在PTC层状要素的厚度超过0.7mm的情况下，难以装入已有的二次电池内。另外，在PTC层状要素的厚度不足0.1mm的情况下，挤压成形下的制造变得困难，从稳定性以及成本的观点来看不利。
该PTC层状要素具有配置在其两侧的主表面上的导电性金属薄层而构成。该导电性金属薄层只要是有导电性的金属的薄的层(例如厚度0.1μm～100μm程度)即可，没有特别的限定，例如能由铜、镍、铝、金等的金属构成，也可以由多个金属薄层形成。
将构成PTC层状要素的PTC组成物和构成金属薄层的金属薄片(或金属箔)一起同时挤压，从而得到在金属薄片(或金属箔)间夹着PTC组成物的状态的挤压物，能由此制造导电性金属薄层位于各主表面上的PTC层状要素。在另外方式中，还能通过例如挤压PTC组成物的层状物，将该层状物夹在金属薄片(或金属箔)间，将它们一体热压接来得到压接物，能由此制造PTC层状要素。这样的挤压物(或压接物)是在两侧的主表面具有导电性金属薄层、且PTC层状要素众多相邻而集合的状态，能将挤压物(或压接物)切出成给定的形状、尺寸来得到单一的具有导电性薄层的PTC层状要素。
进而，在另外方式中，也可以通过对PTC层状要素施予导电性金属的镀来在两侧的主表面上形成导电性金属薄层。这种情况下，得到上述的集合状态的PTC层状要素，之后分割成个别的PTC层状要素。
如此，在进行镀的情况下，PTC层状要素特别优选在其主表面例如与上述同样地通过挤压或热压接将另外金属层、特别优选金属箔预先作为另外金属层紧贴在PTC层状要素。这种情况下，优选在该另外金属层上通过镀来形成导电性金属薄层。在通过镀形成该导电性金属薄层的情况下，在作为导电性金属薄层的镀层能紧贴在与PTC层状要素紧贴的另外金属层这一点上有利。例如，本发明的保护元件在PTC层状要素的两侧主表面作为另外金属层具有镍箔或镍镀铜箔，具有通过镍镀、优选通过镍镀以及锡镀形成的导电性金属薄层以及熔断器层。
PTC层状要素的形态，只要是厚度方向的量纲小于其它量纲，优选相当小(例如薄片状形态)即可，没有特别的限定。优选PTC层状要素的平面形状(从正上方观察层状要素的情况下的图形，例如图2所示的保护元件的轮廓形状)或者与PTC层状要素的厚度方向垂直的方向的截面形状在几何学上是线对称以及/或者点对称的形状，例如具有圆形、正方形、长方形、菱形、环状(特别是圆环状、所谓的圈饼状)等的形状的主表面。
这当中，PTC层状要素优选是环状，特别优选是圆环状。在环状的情况下，中央的开口部、例如圆环状的情况下的中央的圆形开口部，可以是本发明的贯通开口部。另外，PTC层状要素在规定环形状的内侧周与外侧周间的部分(例如其中间部)具有1个或这以上的追加的贯通开口部，例如截面为圆形的贯通开口部。
本发明的保护元件具有位于规定这样的贯通开口部的至少1个的侧面上、且将位于PTC层状要素的两侧主表面的导电性金属薄层电连接的熔断器层。
作为形成上述熔断器的金属，只要有导电性即可没有特别的限定，例如能举出Ni、Cu、Ag、Au、Al、Zn、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Ni-P合金、Ni-B合金、Sn、Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Bi合金、Sn-Ag-Cu-Bi-In合金、Sn-Ag-Bi-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Sb合金、Sn-Cu-Ni-P-Ge合金、Sn-Cu-Ni合金、Sn-Ag-Ni-Co合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni合金、Su-Bi-Ag合金Sn-Zn合金、Sn-In合金、Sn-Cu-Sb合金、Sn-Fe合金、Zn-Ni合金、Zn-Fe合金、Zn-Co合金、Zn-Co-Fe合金、Sn-Zn合金、Ni-Au合金、Pd-Ni合金以及Sn-Bi合金。
上述熔断器层的厚度并没有特别的限定，例如优选是0.001～0.02mm，更优选是0.002～0.015mm。在熔断器层的厚度不足0.001mm的情况下，难以成形均匀的镀层，会产生针孔等。另一方面，在熔断器层的厚度超过0.02mm的情况下，镀成形的时间和成本会变大。在这样的情况下，优选通过增加贯通开口部的数量来调整元件特性。
另外，上述熔断器层可以包含熔点相互不同的2个金属层、即包含由高熔点金属形成的第1金属层、和由低熔点金属形成的第2金属层。在层叠上述金属层的情况下，层叠顺序并没有限定，能根据产品要求等适宜设定。例如，在要求腐蚀耐性的情况下，能将形成最外层的金属设为Ni等。另外，该金属层虽然优选层叠，但并不限定于此，只要各个金属层将位于PTC层状要素的两侧主表面的导电性金属薄层电连接即可，也能分开单独形成。例如，能在贯通开口部的半周形成1个层，在剩下的半周形成另外的层。
作为上述高熔点金属，并没有限定，例如能举出Ni、Cu、Ag、Au、Al、Zn、Sn、Ni-Au合金、Ni-P合金、Ni-B合金。上述第1金属层优选通过无电解镀形成该高熔点金属，但并不限定于此。
作为上述低熔点金属并没有限定，例如能举出Sn、Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Bi合金、Sn-Ag-Cu-Bi-In合金、Sn-Ag-Bi-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Sb合金、Sn-Cu-Ni-P-Ge合金、Sn-Cu-Ni合金、Sn-Ag-Ni-Co合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni合金、Su-Bi-Ag合金以及Sn-Bi合金，但优选Sn、Sn-Cu合金以及Sn-Bi合金，更优选Sn。上述低熔点金属优选是具有低于构成PTC层状要素的PTC组成物的聚合物材料的分解温度的熔点的导电性金属。通过使用具有低于构成PTC层状要素的PTC组成物的聚合物材料的分解温度的熔点的导电性金属，在流过过剩电流的情况下，在熔断器层达到聚合物材料的分解温度前切断，能防止聚合物材料的分解。绝缘性树脂的分解温度是指绝缘性树脂热分解的温度例如能用差热/热重同时测定装置(TG-DTA)测定。例如，在绝缘性树脂是高密度聚乙烯的情况下，在空气中，在300～550℃之间可看到阶段性的重量减少，特别在400℃以上产生急剧的重量减少。即，400℃是分解温度。上述第2金属层优选通过电解镀将上述低熔点金属形成在上述第1金属层上，但并不限定于此。
上述熔断器层中的第1金属层与第2金属层的比率(厚度比)只要能得到所期望的特性即可，没有特别的限定，例如是1∶100～5∶1，优选1∶25～3∶5，更优选1∶25～3∶10。
另外，熔断器层也可以除了第1金属层以及第2金属层以外还包含1个以上的另外金属层。形成该另外金属层的金属的熔点与形成第1金属层的金属以及形成第2金属层的金属的熔点既可以相同，也可以不同，优选另外金属层的熔点是第2金属层的熔点以上的温度，更优选是第1金属层的熔点以下且第2金属层的熔点以上的温度。
本发明并不受到任何理论拘束，但本发明的保护元件认为是如下述那样切断过剩电流。在从一方的主表面上的导电性金属薄层向另一方的主表面上的导电性金属薄层流过过剩电流的情况下，过剩电流优先流向与PTC要素相比电阻更低的熔断器层，结果，由所产生的焦耳热使熔断器层熔断。其结果，虽然流向熔断器层的过剩电流会流到PTC层状要素，但由于因焦耳热而成为高温的PTC层状要素的电阻值激增(以下将相关的状态称作跳闸)，而将过剩电流切断。另外，本发明的保护元件由于在熔断器层熔断时，电流换流到PTC层状要素，因此抑制了与熔断器层的熔断相伴的电弧的产生，从而耐电压卓越。进而，本发明的保护元件即使在熔断器层熔断后，也具有恢复性，在消除过剩电流的原因并且温度下降时，PTC层状要素的电阻值降低，保护元件的电阻值返回接近于初始的值。
另外，本发明并不受到任何理论的拘束，但在熔断器层包含第1金属层以及第2金属层的情况下，在从一方的主表面上的导电性金属薄层向另一方的主表面上的导电性金属薄层流过过剩电流时，过剩电流优先流向与PTC层状要素相比电阻值更低的熔断器层，结果，首先由低熔点金属构成的第2金属层因所阐述的焦耳热而熔断，在第2金属层流过的电流换流到第1金属层，流过第1金属层的电流增大从而第1金属层迅速熔断。在熔断器层包含3层以上的金属层的情况下，也与上述同样，最初熔点最低的金属层熔断，从而电流换流到剩余的金属层，流过这些金属层的电流增大。然后，通过依次反复这样的熔断和换流，熔断器层迅速熔断，迅速且确实地切断了过剩电流。
在熔断器层由高熔点金属、例如Ni构成的情况下，易于使保护元件的额定容量较大，该熔断器层能在流过超过额定容量的2倍、例如超过4倍的过剩电流时切断过剩电流。另外，在熔断器层包含第1金属层以及第2金属层的情况下，由于即使在流过保护元件的额定容量的1.2～4倍、优选1.5～2.0倍这样比较的低倍率的过剩电流的情况下，也是最初第2金属层熔断，在熔断器层整体中流过的电流集中到第1金属层，其结果迅速切断第1金属层，因此能抑制电弧的产生，能迅速且确实地切断过剩电流。
在本发明的保护元件中，直到熔断器层熔断为止，通常从一方的主表面上的导电性金属薄层向另一方的主表面上的导电性金属薄层的电流，主要经由与PTC要素相比电阻比较低的熔断器层流动。在熔断器层熔断后，该电流经由PTC要素流动，本发明的保护元件作为PTC元件能反复使用。
在设置1个侧面上具有熔断器层的贯通开口部的情况下，PTC层状要素优选是圆形或其它适当的原本无孔的平板形状，在其中心部(如平面形状为圆形(即圆板状)的PTC层状要素那样存在这样的中心部的情况下)设置贯通开口部(也称作“中心贯通开口部”)。其结果，PTC层状要素严格来说具有环状的形状。在具有这样的环状的形状的PTC层状要素的一方的主表面的导电性金属薄层中流过的电流，朝向贯通开口部的一方的端部流动，之后通过熔断器层并从贯通开口部的另一方的端部辐射状地流向PTC层状要素的另一主表面的导电性金属薄层上。
在如此在PTC层状要素设置1个贯通开口部的方式中，优选在环状要素的中心部设置与后面详细说明的设置多个贯通开口部的方式相比更大的贯通开口部作为中心贯通开口部，在该贯通开口部的侧面上设置熔断器层。这样的保护元件由于能使电阻值较小，因此能适于在流过大容量的电流(优选大于20A的电流，例如30～40A或比这更大的电流，例如50A)的情况下使用。另外，由于仅设置1个贯通开口部，因此保护元件的制造变得简单。
在优选的方式中，PTC层状要素如图2或图5所示那样，是由内侧周30以及外侧周34规定的圆环状。优选规定PTC层状要素的内侧周的圆的直径为例如6～16mm，规定其外侧周的圆的直径为例如13～24mm。作为流过30～40A的电流的情况下的保护元件，优选内侧周的圆的直径例如为6.5mm，熔断器层的厚度为例如0.01mm。
在设置多个贯通开口部的情况下，优选按照使得在PTC层状要素中通过的电流尽可能均等地在各贯通开口部的熔断器层流过的方式配置贯通开口部。例如，在具有中心贯通开口部的圆环状的PTC层状要素的周状部分(即由内侧周和外侧周规定的PTC层状要素的主体部分)设置多个具有相同截面形状以及尺寸的贯通开口部(也称作“周边贯通开口部”)，这种情况下，优选关于规定圆环的内侧周的圆的中心等角度地设置贯通开口部。例如每180°设置、设置2个，每120°设置、设置3个，每90°设置、设置4个，每60°设置、设置6个贯通开口部。其中，对应于保护元件的使用的条件，PTC层状要素也可以仅有1个周边贯通开口部。因此，周状贯通开口部的数量可以是1～6。
在规定圆环状的PTC层状要素的内侧周的圆、即中心贯通开口部的截面圆的直径与其它贯通开口部、即周边贯通开口部的直径相同或小于其的情况下，可以在规定这样的中心贯通开口部的侧面也设置熔断器层。反之，在中心贯通开口部的截面圆的直径大于周边贯通开口部的截面圆的直径的情况下，优选不在中心贯通开口部设置熔断器层。
是否如此地在中心贯通开口部设置熔断器层，取决于在设于保护元件的各贯通开口部的熔断器层中流过的电流是否实质等量来判断。简单说，在中心贯通开口部具有大于周边贯通开口部的圆形截面的情况下，若在中心贯通开口部设置熔断器层，在保护元件中流过的电流就易于在熔断器层中流动，电流的大部分在该熔断器层中流动，电流难以在设于具有更小的圆形截面的其它贯通开口部的熔断器层中流动，因此削弱了在其它贯通开口部设置熔断器层的意义。
在1个优选的方式中，PTC层状要素是由外侧周以及内侧周规定的环状PTC要素，由内侧周面规定贯通开口部，进而另外的贯通开口部可以在PTC层状要素的内部、即规定PTC层状要素的内侧周与外侧周间(即规定PTC层状要素的PTC组成物的部分)贯通，作为周边贯通开口部而存在。因此，这种情况下，在PTC层状要素存在由内侧周规定的中心贯通开口部(1个)以及贯通PTC层状要素的主体部分中的至少1个贯通开口部(与上述的周边贯通开口部对应)。
在该方式中，熔断器层存在于规定周边贯通开口部的侧面(即壁)上。在中心贯通开口部的直径与周边贯通开口部的直径没有大的差异、在中心贯通开口部存在熔断器层的情况下，在预想为在该熔断器层与周边贯通开口部的熔断器层同等地流过电流的情况下，可以在中心贯通开口部也设置熔断器层。在中心贯通开口部的直径大于周边贯通开口部的直径、且在中心贯通开口部存在熔断器层的情况下，在预想为在该熔断器层会流过远多于周边贯通开口部的熔断器层的电流的情况下，由于在周边贯通开口部设置熔断器层的意义消失，因此不在中心贯通开口部设置熔断器。
因此，在具有有多个贯通开口部的环状的PTC层状要素、例如圆环状的PTC层状要素的保护元件的1个方式中，中心贯通开口部没有熔断器层，具有绕着中心贯通开口部周状配置的多个周边贯通开口部。设置周边贯通开口部的周通常优选是1重，但根据情况不同也可以是多重的周，例如可以是2重的周或3重的周。如此，仅在周边贯通开口部设置熔断器层的方式能按照所设置的周边贯通开口部的数量来调节保护元件的电阻值。因此，与仅在上述的中心贯通开口部设置熔断器层的方式相比，有仅改变所设置的贯通开口部的数量就能容易且精密地改变保护元件的电阻值的好处。
在PTC层状要素为环形状、例如圆环状的情况下，周边贯通开口部优选位于关于PTC层状要素的中心对称的位置。在存在多个周边贯通开口部的情况下，优选在例如环状要素的中心、即规定内侧周的图形例如圆的中心的周围等角度地每180°存在、存在2个，每120°存在、存在3个，每90°存在、存在4个。
在具体的方式中，中心贯通开口部(未设熔断器层)的直径为6～16mm，其周围的周边贯通开口部(设置熔断器层)的截面圆的直径为0.2～1mm。在这样的方式中，PTC层状要素的外径优选例如为13～24mm。作为流过20～30A的电流的情况下的保护元件，优选例如设置8个直径0.6mm的周边贯通开口部，熔断器层的厚度例如是0.008mm。
另外，不管在哪种方式中，贯通开口部都可以具有任意的适当的其它截面形状，通常优选具有圆形截面。在另外的方式中，也可以是正方形、长方形、菱形、三角形等。这种情况下，上述的直径与其它截面形状的相当直径对应。
因此，按照对应于设想的过剩电流量发生熔融的方式，选择贯通开口部的截面形状、贯通开口部的大小(通常是直径)以及其厚度方向的长度、熔断器层的金属材料以及该层的厚度、还有贯通开口部的数量以及配置等各种因子，如给定的那样选择其数值等。只要是本领域技术人员，关于这些就能通过例如试错来实施该选择。
在1个优选的方式中，导电性金属薄层以及熔断器层通过导电性金属的镀、优选通过高熔点金属的镀以及低熔点金属的镀、更优选通过Ni镀以及Sn镀一体形成。在该方式中，熔断器层由第1金属层(Ni镀)以及第2金属层(Sn镀)构成。在如此一体形成导电性金属薄层以及熔断器层的情况下，通过以导电性金属来对具有贯通开口部的PTC层状要素施镀，能同时且一体地形成导电性金属薄层以及熔断器层，因此有利。即，熔断器层和导电性金属薄层以相同种类的金属形成。作为形成熔断器层以及导电性金属薄层的镀法，能使用电解镀或无电解镀法。
在特别优选的方式中，在PTC层状要素与导电性金属薄层间存在预先紧贴于PTC层状要素的金属箔，优选存在镍箔或镍镀铜箔。这种情况下，作为镀层而形成的导电性金属薄层紧贴在金属箔，其结果，有导电性金属薄层隔着金属箔稳固地与PTC层状要素结合的好处。
本发明的保护元件为了保护要保护的电路或构成其的电气要素，位于第1电气要素(例如二次电池)与作为另外的电气要素的第2电气要素(例如充电器)之间来将它们直接或间接电连接，其结果，一方的导电性金属薄层与第1电气要素直接或间接接触，另一方的导电性金属薄层与第2电气要素直接或间接接触。因此，本发明还提供具有本发明的保护元件、还有通过其电连接的电路以及/或者电气要素而构成的电气装置。
发明的效果
本发明的保护元件，在由PTC组成物形成的PTC层状要素的两侧的主表面上具有导电性金属薄层、和将它们电连接的熔断器层，能在由低电阻的导电性金属形成的熔断器层流过更大的电流的同时，在流过过剩电流的情况下，电流优先流向熔断器层，其结果，因所产生的焦耳热而熔断器层熔断，在熔断器层中流动的电流流向PTC要素，因焦耳热而成为高温的PTC要素跳闸，由此能切断电流的流动。另外，本发明的保护元件由于在熔断器层熔断时电流换流到PTC要素，因此能抑制与熔断器层的熔断相伴的电弧的产生，从而耐电压卓越。进而，本发明的保护元件具有恢复性，即使在熔断器层熔断之后，在消除过剩电流的原因并且温度下降后，保护元件的电阻值返回接近于初始的值。
附图说明
图1用沿厚度方向的截面图示意表示本发明的保护元件。
图2用俯视图示意表示图1所示的保护元件。
图3用截面图示意表示图1以及图2所示的保护元件的优选的方式下的熔断器层。
图4用沿厚度方向的截面图示意表示本发明的另外方式的保护元件。
图5用俯视图示意表示图4所示的保护元件。
图6用截面图示意表示图4以及图5所示的保护元件的优选的方式下的熔断器层。
具体实施方式
参考附图来更详细地说明本发明的保护元件。在图1用沿厚度方向的截面图示意表示本发明的保护元件的1个方式(用A表示作为切断面呈现的部分)，另外，在图2用俯视图示意表示图1所示的保护元件。进而，在图3用截面图示意表示图1以及图2所示的保护元件的优选的方式下的熔断器层。
图示的保护元件10具有圆环状的PTC层状要素16而构成，该PTC层状要素16由PTC组成物形成，具有至少1个贯通开口部，在图示的方式中，具有截面圆形的中心贯通开口部12以及截面圆形的周边贯通开口部14这2个贯通开口部。具有位于PTC层状要素16的两侧的主表面18以及20上的导电性金属薄层22以及24。另外，在图示的方式中，在PTC层状要素16与导电性金属薄层间存在另外的金属层26以及28。
在图示的方式中，在规定中心贯通开口部的圆环的内侧周30上，即在圆环的内侧的侧面上不存在熔断器层。在图示的方式中，在规定位于圆环的内侧周30与外侧周34间的PTC层状要素的主体部分36的周边贯通开口部14的圆周状侧面38上存在熔断器层40。
在优选的方式中，如图3所示那样，熔断器层40能包含：存在于规定周边贯通开口部14的圆周状侧面38上的第1金属层41；和存在于第1金属层41上的第2金属层42。
在图示的方式中，具有熔断器层40的周边贯通开口部14仅有沿穿过PTC层状要素的中心O的直径(图2中以虚线图示)设置在主体部分36的中间的1个，但也可以沿直径方向在反对侧也设置这样的周边贯通开口部。这种情况下，绕着中心O每180°设置周边贯通开口部。在再另外方式中，也可以以圆的中心O为基准等角度设置具有熔断器层的周边贯通开口部，例如每120°设置，设置3个，每90°设置，设置4个，每60°设置，设置6，或者每45°设置，设置8个。
另外，在图示的方式中，由于中心贯通开口部的直径远大于周边贯通开口部的直径，因此虽然在圆环的内侧周30的侧面上不存在熔断器层，但在中心贯通开口部的直径与周边贯通开口部的直径同等或小于的情况下，也可以根据需要在圆环的内侧周30的侧面上设置熔断器层。另外，在某方式中，有如下情况：若在要配置保护元件的电气装置设置与中心贯通开口部对应的凸部，则通过使这样的凸部嵌入到中心贯通开口部的大的直径部分内，能将保护元件定位在电气装置。例如，在二次电池单元的封口板设置这样的凸部，通过使该凸块嵌入到中心贯通开口部，能将保护元件定位在封口板。
在另外方式中，PTC层状要素16没有中心贯通开口部12(因此PTC层状要素为圆板形状)，仅有至少1个周边贯通开口部14，周边贯通开口部14具有熔断器层40。
在图4以及图5与图1以及图2同样地示出本发明的再另外方式的保护元件10’。另外，在图6与图3同样地示出图4以及图5所示的保护元件的优选的方式下的熔断器层32。另外，对与图1～图3形态的要素使用相同的标号。在图示的方式中，PTC层状要素16没有周边贯通开口部14，仅有中心贯通开口部12，中心贯通开口部12具有熔断器层32。在优选的方式中，熔断器层32能包含：存在于规定中心贯通开口部12的内侧周30上的第1金属层43；和存在于第1金属层43上的第2金属层44。
[实施例]
(实施例1)
制造图1以及图2所示的本发明的保护元件。因此，制造仅有熔断器层40、没有熔断器层32的保护元件10。其中，周边贯通开口部14周状地等间隔形成8个。
最初，准备PTC组成物(以分散状态包含碳黑粒状物质的高密度聚乙烯)的薄片(厚度0.3mm、与PTC层状要素16对应)，在其两侧配置镍箔(厚度：22μm、与另外金属层26以及28对应)，在加热下将它们一体按压，从而获得在两主表面贴附镍箔的压接物。
在压接物的给定的部位形成直径0.6mm的贯通孔(与周边贯通开口部14对应)，之后，对压接物实施基于电解法的Ni镀处理。通过镀而形成的镍层(与导电性金属薄层22以及24对应)的厚度为约0.008mm。接下来，从压接物将圆环状要素穿孔，8个贯通孔绕着圆环状要素的中心每45°位于给定的部位，得到这样的本发明的保护元件。
得到的圆环状要素的外侧周圆34的直径为15mm，内侧周圆30的直径(即中心贯通开口部的直径)为6.4mm。该圆环状要素在PTC层状要素16的两侧主表面具有作为另外金属层26以及28发挥功能的镍箔，在圆环状部分的主体部分36的中间部分具有周边贯通开口部14。另外，圆环状要素在镍箔上具有作为导电性金属薄层22以及24的镀层，在规定周边贯通开口部的内侧周面上具有作为熔断器层40发挥功能的镀层。
(实施例2)
通过基于无电解法的Ni镀处理、随后的基于电解法的Sn镀处理来进行形成贯通孔(与周边贯通开口部14对应)后的镀处理，得到厚度约1.5μm的镍层(与第1金属层41对应)以及厚度约6.5μm的Sn层(与第2金属层42对应)，除此以外都与实施例1同样，由此来得到本发明的保护元件。
(试验例1)
从实施例1以及2的保护元件的一方的导电性金属薄层22向另一方导电性金属薄层24分别流过下述表1所示的电流(60Vdc设定)。结果，将实现了10分钟熔断器层不熔断地持续流过电流的最大电流值定义为额定容量。其结果，实施例1的保护元件的额定容量为25A，实施例2的保护元件的额定容量为22.5A。
(试验例2)
从实施例1以及2的保护元件的、一方的导电性金属薄层22向另一方的导电性金属薄层24，对各实施例的样本施加试验例1中定义的额定容量的4倍的电流(设定为60Vdc)，测定电流切断时间。其结果，保护元件的电流切断时间都是1秒以内。
(试验例3)
在试验例2中切断过剩电流后，停止向保护元件的通电，静止10分钟。随后，再度从一方的导电性金属薄层22向另一方的导电性金属薄层24施加100A(60Vdc)的电流6秒钟，确认PTC元件是否动作(跳闸，trip)的跳闸特性。在施加6秒钟电流后，在54秒钟设为电流(电压)无通电，将其作为1个循环，对各个样本进行10个循环。结果确认到都没有发火、发烟，具有PTC特性。
将试验例1～3的结果汇总到下述表1。
[表1]
根据这些结果，本发明的保护元件在能持续流过20～25A这样比较的大的电流的同时确认到能提供针对过剩电流的保护。另外确认到，通过消除过剩电流的原因，能再度持续流过电流。
产业上的利用可能性
本发明的保护元件能作为在二次电池这样的电气装置内流过过剩的电流的情况下切断该电流的流动的保护元件来利用。另外，本发明的保护元件在例如圆筒型锂离子二次电池单元中，还能作为装入封口板的镍垫片、在不锈钢材料施予镍镀的垫片等的代替品来利用。这种情况下，保护元件由于具有由聚合物PTC组成物形成的PTC层状要素，因此通过树脂的弹性提升了作为垫片的功能。因此，本发明的保护元件能作为具有上述的本发明的保护元件的特征的垫片来利用。
标号的说明
10、10’ 保护元件
12 中心贯通开口部
14 周边贯通开口部
16 PTC层状要素
18、20 主表面
22、24 导电性金属薄层
26、28 另外金属层
30 内侧周
32 熔断器层
34 外侧周
36 主体部分
38 侧面
40 熔断器层
41 第1金属层
42 第2金属层
43 第1金属层
44 第2金属层

Claims (18)

1.一种保护元件，具有：
由PTC组成物形成、具有至少1个贯通开口部的PTC层状要素；
位于PTC层状要素的各主表面上的导电性金属薄层；和
位于规定该贯通开口部的至少1个的侧面上、将各主表面上的导电性金属薄层电连接的熔断器层，
其中所述熔断器层包括第1金属层和第2金属层，所述第1金属层具有第1厚度，所述第2金属层具有大于所述第1厚度的第2厚度，其中所述第2金属层设置在所述第1金属层与所述至少1个贯通开口之间。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
第1金属层由高熔点金属构成，以及第2金属层由低熔点金属构成。
3.根据权利要求2所述的保护元件，其中，
熔断器层由高熔点金属所构成的第1金属层以及低熔点金属所构成的第2金属层构成。
4.根据权利要求2或3所述的保护元件，其中，
高熔点金属是Ni。
5.根据权利要求2或3所述的保护元件，其中，
低熔点金属具有低于PTC组成物的聚合物材料的分解温度的熔点。
6.根据权利要求5所述的保护元件，其中，
低熔点金属是Sn、Sn-Cu合金、或者Sn-Bi合金。
7.根据权利要求2所述的保护元件，其中，
第1金属层通过对高熔点金属进行无电解镀而形成，第2金属层通过在该第1金属层上对低熔点金属进行电解镀而形成。
8.根据权利要求2所述的保护元件，其中，
第1金属层和第2金属层的厚度之比是1∶100～5∶1。
9.根据权利要求2所述的保护元件，其中，
导电性金属薄层以及熔断器层通过对高熔点金属以及低熔点金属施镀而一体形成。
10.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
所述保护元件还具有：位于PTC层状要素与导电性金属薄层间的金属箔。
11.根据权利要求10所述的保护元件，其中，
金属箔是镍箔或者镍镀铜箔。
12.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
PTC层状要素是由内侧周面以及外侧周面规定的环状要素，具有由内侧周面规定的1个贯通开口部。
13.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
PTC层状要素是由内侧周面和外侧周面规定、具有至少2个贯通开口部的环状要素，这些贯通开口部是由内侧周面规定的中心贯通开口部以及位于内侧周面与外侧周面间的至少1个周边贯通开口部，周边贯通开口部具有熔断器层。
14.根据权利要求13所述的保护元件，其中，
在PTC层状要素中，绕着中心贯通开口部每45°地设置周边贯通开口部，设置8个。
15.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
PTC层状要素具有圆环状形状。
16.一种电气装置，其特征在于，具有权利要求1～15中任一项所述的保护元件。
17.一种二次电池单元，其特征在于，具有权利要求1～15中任一项所述的保护元件。
18.一种垫片，具有：
由PTC组成物形成、具有至少1个贯通开口部的PTC层状要素；
位于PTC层状要素的各主表面上的导电性金属薄层；和
位于规定该贯通开口部的至少1个的侧面上、将各主表面上的导电性金属薄层电连接的熔断器层，
其中所述熔断器层包括第1金属层和第2金属层，所述第1金属层具有第1厚度，所述第2金属层具有大于所述第1厚度的第2厚度，其中所述第2金属层设置在所述第1金属层与所述至少1个贯通开口之间。
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