JP2002528874A - 分散式センサー - Google Patents

分散式センサー

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JP2002528874A JP2000578823A JP2000578823A JP2002528874A JP 2002528874 A JP2002528874 A JP 2002528874A JP 2000578823 A JP2000578823 A JP 2000578823A JP 2000578823 A JP2000578823 A JP 2000578823A JP 2002528874 A JP2002528874 A JP 2002528874A
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Abstract

(57)【要約】 層状基材(３５)における変化を検知するための層状センサである。センサは、第１の表面（５）及び反対側の第２の表面（７）を有する層状シート(３)を有しており、導電性ポリマー組成物によって形成されていて、温度依存性抵抗挙動、好ましくはＰＴＣ挙動を示す。複数の検知エレメント(１２)は、センサ上で電気的に接続されており、好ましくは直列に接続されている。各検知エレメントは、第１の電極及び第２の電極を有する電極対として形成されている。第１及び第２の電極（９、１１）は、層状シートの同じ表面に存在するか、又は、シートの反対側の表面に存在してよい。２つの電気リード（１７、１９）検知エレメントを回路に接続するために存在しており、検知エレメントが高温にさらされるか、圧力の変化にさらされるか、又は溶媒にさらされるかした場合に、生じる抵抗の変化を検知するために用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 本発明は、温度センサを含むセンサに関する。
【０００２】 発明の関連する技術 多くの電気部品及び他の物品は、高温にさらされた場合に、損傷を受ける。従
って、部品がそのような温度にさらされた場合に、そのことを検出（又は検知）
し得ることが重要であることがしばしばある。種々の検知技術、例えば、特定の
温度にさらされた場合に色が変化するというサーミクロミック（thermochromic
）材料がこの用途に提案されている。そのような技術は、色の変化を検知するた
めに、物品が目に見えることが必要であるという要求を受ける。従って、物品が
包まれているような場合には有効ではない。高温によって生じる電気的変化を識
別するように設計されている種々の電気的検知装置もこれまでに提案されている
。そのような検知装置は、表面全体の平均に依存するので、物品の特定の部分が
高温にさらされたかどうかを測定することはできない。さらに、基材が平坦でな
い場合であっても、基材と直接的な接触を保持できるセンサが望まれている。そ
のようなセンサは、広い面積にわたって２次元的検知（sensing）を行うことが
でき、エッジの部分で曲げられて３次元的検知を行うこともできる、十分な可撓
性を有するものである。
【０００３】 正温度係数の抵抗効果（ＰＴＣ）を示す導電性ポリマー組成物は、よく知られ
ている。そのような組成物は、ポリマー成分を含んでおり、その中に粒状導電性
充填剤が分散されている。低い温度では、組成物は比較的低い抵抗を示す。しか
し、組成物が高温にさらされると、例えば高電流状態のために、組成物の抵抗は
数桁の大きさで増大し又は「スイッチ（switch）」する。ＰＴＣ組成物において
低抵抗から高抵抗への遷移状態が生じるこのような温度がスイッチング温度Ｔs
である。Ｔsは、組成物から調製されたエレメントの抵抗を、温度の関数として
対数目盛にてプロットし、傾きがシャープな変化を示す曲線のいずれかの部分に
存在する、実質的に直線的な部分の延長における交点として規定される。同様に
、抵抗の負温度係数（ＮＴＣ）を示す組成物は、抵抗が高い値から低い値へ変化
する領域に、スイッチング温度Ｔsを示す。
【０００４】 ＰＴＣ導電性ポリマーを含むセンサを過温度(overtemperature)状態を検知す
るために用いることは、知られている。例えば、１９９８年４月７日に出願され
た日本国特許出願第１０−９５０１９号（K.K.Raychem）は、電池における過温
度を検知するために用いることができる長尺状の温度センサを開示しており、そ
の開示内容は参照することによって本願明細書に包含するものとする。過熱(ove
rheat)する電池は損傷を受けやすく、更に、その周囲のパッケージ及びそれと接
触している部品に損傷を与え得る。過熱は、例えば二次電池、即ち再充電可能な
電池についての外部の環境の状態によることもあるが、そのような過熱は過剰な
充電の結果としても生じ得る。過熱は電池内部の部品に損傷を与え、ガスを発生
させ、極端な状況では電池を破裂させることもあり得る。例えば、ニッケル金属
水素化物電池の場合、水素の発生を防止するため、１００℃以下の温度を保持す
ることが望ましい。従って、損傷が起こり得る前に、過熱されている電池を識別
することが重要である。日本国特許出願第１０−９５０１９号では、複数の電池
にセンサが取り付けられている。ＰＴＣ導電性ポリマーからなる長いテープであ
って、間隔をおいて設けられている検知部品(sensing component)及び接続部品(
connecting component)を有するテープ状のものが個々の電池のセルに接触して
いる。検知部品は、センサの抵抗が個々の検知部品の抵抗の総和となるように、
電気的に直列に接続されている。センサは、検知部品が電池の外側表面と接触し
、好ましくは各電池は異なる検知部品と接触するように配される。電池が通常の
低温状態にある場合には、センサの抵抗は低い状態にある。しかしながら、１つ
の電池がＴsを越える温度へ過熱すると、電池に接続されている検知部品の抵抗
が増大し、従って、センサ全体の抵抗が増大して、少なくとも１つの電池が過熱
されたことが示される。
【０００５】 日本国特許出願第１０−９５０１９号において採用されている方法は、電池全
体が、ＰＴＣ導電性ポリマー組成物がスイッチするのに十分な温度へ加熱される
ことを必要とする。このことは、電池の内部に、電池の小さな領域に損傷を与え
るのに十分であるが、電池全体を過熱させるのに十分ではない、比較的小さなホ
ットスポット(hot spot)が存在する場合に、そのようなホットスポットが検出さ
れないことを意味する。リチウムイオンポリマー電池などの多くの電池はシート
が積層された構造を有しており、その中でアノードとカソードとはセパレータに
よって隔てられており、更に電解質を含んでいる。実際には、積層されたシート
は筒状に巻かれて、電池を形成する外側ケース(can)の中に入れられている。例
えば、筒の中央部におけるホットスポットは、アノード、カソード又はセパレー
タが均等でないために、溶媒系の電解質に損傷をもたらし得る。従って、電池全
体の温度だけでなく、電池の中の個々のスポットの温度を検知することができる
センサが望まれている。 もう１つの用途では、筒状に巻かれるのではなく、薄い平らな構成で用いられ
るリチウムイオンポリマー電池を、ラップトップ型コンピュータのスクリーンの
背部に位置させて、温度変化を検知することができる。この用途には、スクリー
ンの１つの部分に適用されるポイントセンサとしての検知エレメント(sensing e
lement)のアレイを有することが必要とされるが、スクリーン上における他の位
置への変化は反映しなくてよい。
【０００６】 基材上の個々のスポットを検知することは、電池以外の物品にとっても重要で
ある。個々の部品、例えばプリント回路基板上の個々のエレメントがセンサと接
触できるように、検知エレメントのパターンを特定の形状に構成することができ
るようなセンサが望ましい。そのようなセンサは、１つのスポットにおける温度
が表面全体を示すのではなく、検知している部分を示すことが必要とされるよう
な場合に用いることができる。更に、広い領域にわたって、２次元的にホットス
ポットを検知するのに用いることができるセンサが望まれている。複数の検知エ
レメント及び導電性ポリマー組成物を有する積層シートを有する層状センサは、
一定の又は不規則な構造の基材に接触するのに十分な可撓性を有しており、広い
範囲にわたる温度変化を検知することができるということを見出した。更に、セ
ンサは、圧力又は液体にさらされたことによって生じる抵抗の変化を検知するた
めに用いることもできる。従って、第１の要旨において、本発明は、層状基材に
おける変化、例えば温度変化を検知するための層状センサであって、２０℃にて
抵抗ＲTを有し、 （１）層状シートであって、（ａ）第１の表面及び反対側の第２の表面を有し
、（ｂ)(ｉ）温度依存挙動を示し、（ii）スイッチング温度Ｔsを有する導電性
ポリマー組成物を含んでなる層状シート； （２）複数の検知エレメントであって、（ａ）個々のエレメントは第１の電極
及び第２の電極を有する一組の電極対を有し、電極どうしはそれぞれ層状シート
に接触して層状シートによって互いに隔てられており、（ｂ）抵抗ネットワーク
（resistive network）に電気的に接続され、検知エレメントの少なくとも一部
は直列に接続されている複数の検知エレメント；並びに （３）各検知エレメントを回路に接続する２つの電気リード を有してなる層状センサを提供する。
【０００７】 もう１つの要旨において、本発明は、 （Ａ）絶縁材料によって包囲され、（１）第１及び第２の電池電極、（２）ア
ノード、（３）セパレータ、（４）カソード、及び（５）電解質を有する電池エ
レメント；並びに （Ｂ）絶縁材料に直接的に接触して配され、絶縁材料の１つの層状表面の少な
くとも７５％を被覆する、本発明の第１の要旨に係る層状温度センサ を有してなるリチウムイオンポリマー電池を提供する。 ３つ目の要旨において、本発明は、 （Ａ）本発明の第１の要旨に係る層状センサ；並びに （Ｂ）電気リードに電気的に接続され、センサの変化を検知する検知装置 を有してなる電気回路を提供する。
【０００８】 本発明のセンサは、導電性ポリマー組成物を含んでなる層状シートを有してお
り、その導電性ポリマー組成物は温度依存性抵抗挙動を示す。組成物はＰＴＣ挙
動を示すことが好ましいが、用途によっては、ＮＴＣ挙動、即ち温度上昇に伴っ
て高抵抗から低抵抗へと変化する挙動を示す組成物を用いることもできる。導電
性ポリマー組成物は、ポリマー成分、及びその中に分散される粒状導電性フィラ
ーを含んでいる。ポリマー成分は１種又はそれ以上のポリマーを含んでおり、そ
の１種はフィラーを含まない状態で、示差走査熱分析（differential scanning
calorimetry）によって測定して、少なくとも１０％結晶化度を有する結晶性ポ
リマーであることが好ましい。好適な結晶性ポリマーには、１種又はそれ以上の
オレフィン、特にポリエチレン、例えば高密度ポリエチレン；少なくとも１種の
オレフィン及びそれと共重合可能な少なくとも１種のモノマーのコポリマー、例
えばエチレン／アクリル酸、エチレン／エチルアクリレート、エチレン／酢酸ビ
ニル、及びエチレン／ブチルアクリレートコポリマー；溶融成形可能なフルオロ
ポリマー、例えばポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）及びエチレン／テトラ
フルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ、ターポリマーを含む）；並びにそのよ
うなポリマーの２種又はそれ以上のものの配合物が含まれる。用途によっては、
特定の物理的又は熱的特性、例えば可撓性又は最高露出温度(maximum exposure
temperature)を達成するため、１種の結晶性ポリマーを他の種類のポリマー、例
えばエラストマー又は無定形熱可塑性ポリマーに配合することが望ましい場合も
ある。ポリマー成分は組成物の体積全体を基準として、４０〜９０体積％、好ま
しくは４５〜８０体積％、特に５０〜７５体積％を占めるのが一般的である。
【０００９】 ポリマー成分中に分散される粒状導電性フィラーは、カーボンブラック、グラ
ファイト、金属、金属酸化物、導電性被覆ガラス若しくはセラミックビーズ、粒
状充填剤導電性ポリマー、又はこれらの組合せのいずれかの好適な物質であって
よい。フィラーは、粉末、ビーズ、フレーク若しくはファイバーの形態又はその
他の好適な形態であってよい。必要とされる導電性フィラーの量は、必要とされ
る組成物の抵抗率及び導電性フィラー重合体の抵抗率に基づく。多くの組成物の
場合、導電性フィラーは、組成物の体積全体を基準として、１０〜６０体積％、
好ましくは２０〜５５体積％、特に２５〜５０体積％を占める。
【００１０】 導電性ポリマー組成物は、追加の成分、例えば酸化防止剤、不活性フィラー、
非導電性フィラー、照射線架橋剤（しばしば、プロラド(prorads)又は架橋エン
ハンサー(crosslinking enhancers)と称される。例えばトリアリルイソシアヌレ
ートなど）、安定剤、分散剤、カップリング剤、酸捕集剤（例えば、ＣaＣＯ3）
、又は他の成分を含むこともできる。これらの成分は、多くとも組成物全体の２
０体積％を占めることが一般的である。
【００１１】 層状シートに用いられる組成物は正温度係数挙動（ＰＴＣ(positive temperat
ure coefficient)）を示すこと、即ち、比較的狭い温度範囲にて、温度に伴って
抵抗率のシャープな上昇を示すことが好ましい。この用途において、「ＰＴＣ」
という用語は、少なくとも２.５のＲ14値及び／又は少なくとも１０のＲ100値を
有する組成物を意味しており、組成物が少なくとも６のＲ30値を有することが好
ましく、ここで、Ｒ14値は１４℃範囲での最後と最初との抵抗率の比であり、Ｒ 100 値は１００℃範囲での最後と最初との抵抗率の比であり、Ｒ30値は３０℃範
囲での最後と最初との抵抗率の比である。一般に、本発明のデバイスにおいて用
いる組成物は、抵抗率においてそれらの最小値よりもはるかに大きな上昇を示す
。２０℃から（Ｔn＋５℃）の範囲にわたる少なくとも１つの温度にて、少なく
とも１０1、好ましくは１０2、特に１０3、とりわけ１０4のＰＴＣ偏差（ＰＴＣ
anomaly）を有すること、即ち、log[(Ｔn＋５℃）における抵抗／２０℃におけ
る抵抗］の値が少なくとも１.０、好ましくは少なくとも２.０、特に少なくとも
３.０、とりわけ少なくとも４.０であることが好ましい。ここで、Ｔmは示差走
査熱分析（ＤＳＣ）トレースの吸熱のピークにて測定した場合のポリマー成分の
溶融温度（melting temperature）である。例えば、ポリマーの混合物の場合の
ように、１を越える数のピークが存在する場合には、Ｔmは最も高いピークの温
度として規定される。
【００１２】 ＰＴＣ挙動を示す好適な導電性ポリマー組成物は、米国特許第４,２３７,４４
１号（van Konynenburgら）、同第４,５４５,９２６号（Foutsら）、同第４,７
２４,４１７号（Auら）、同第４,７７４,０２４号（Deepら）、同第４,９３５,
１５６号(van Konynenburgら)、同第５,０４９,８５０号(Evansら)、同第５,２
５０,２２８号(Baigrieら)、同第５,３７８,４０７号(Chandlerら)、同第５,４
５１,９１９号(Chuら)、同第５,５８２,７７０号(Chuら)、及び同第５,７４７,
１４７号(Wartenbergら)、並びに同時継続中であって本願と同様に譲渡された米
国特許出願第０８/７９８,８８７号(Tothら、１９９７年２月１０日付け出願、
この出願に対応する国際出願は、１９９６年９月２６日付けの国際公開ＷＯ９７
／２９７１１号により公開されている。)などに開示されている。これらの各特
許及び出願の開示内容は、参照することによって本明細書に包含するものとする
。
【００１３】 層状シートは、第１の表面と反対側の第２の表面を有している。シートは種々
の厚さとすることができるが、センサが可撓性を有することが望まれる多くの用
途については、シートは比較的薄く、例えばたかだか１.０ｍｍ（０.０４０イン
チ）、好ましくはたかだか０.７６ｍｍ（０.０３０インチ）、特にたかだか０.
５１ｍｍ（０.０２０インチ）、例えば０.０８〜０.２５ｍｍ（０.００３〜０.
０１０インチ）の厚さであることが好ましい。シートは固体の層であることが好
ましいが、基材に対する取り付け機構を収容するため、又は可撓性を向上させ又
は基材へ取り付けるため、スリット又は開口部を有することもできる。シートは
、例えば照射線又は化学的手段によって架橋されていてよい。シートは単一の導
電性ポリマー組成物を用いて形成することもできるし、或いは異なる熱的又は電
気的性能を付与するために、シートの異なる部分に異なる種類の導電性ポリマー
組成物を用いることもできる。
【００１４】 層状シートへは複数の検知エレメントが取り付けられる。好ましい態様におけ
る各検知エレメントは一組の電極対を有しており、第１の電極はシートの第１の
表面へ取り付けられており、第２の電極はシートの第２の表面へ取り付けられて
いる。この態様では、シートの厚みの中を電流が流れることになる。電極は、導
電性材料、例えば金属箔、導電性インク、又はメッキ若しくは他の手段によって
適用される金属層を有している。シートの表面へ電極を取り付けることは、例え
ばシートに金属箔若しくは導電性インクを直接的に接触させること等の直接的手
段、又は例えば接着剤若しくは接続層(tie layer)等を介して金属層を適用する
こと等の間接的手段のいずれによって行うこともできる。もう１つの態様では、
電流が第１の表面と平行に流れるように、第１の電極及び第２の電極を第１の表
面に配することもできる。第１の電極と第２の電極とは、一般に、互いに物理的
に（例えば、空間的に）離れている。
【００１５】 検知エレメントは抵抗ネットワークに電気的に接続されており、抵抗ネットワ
ークにおける検知エレメントの少なくとも一部は電気的に直列に接続されている
。第１の接続部品（connecting component）は２つの第１の電極を接続し、第２
の接続部品は２つの第２の電極を接続することが好ましい。第１及び第２の電極
がシートの反対側の表面に配されており、２つの第１の電極の間において、２つ
の電極の対向する表面に第２の接続部品が配されていることによって、２つの第
２の電極の片方は、接続されている２つの第１の電極の片方とオーバーラップし
ている。態様によっては、センサは、整列している検知エレメントの群を複数、
例えば少なくとも２つ有することもできる。そのような整列したアレイにおいて
は、各群の中の各検知エレメントは直列に接続されているが、各群は他の群の一
部又は全体と電気的に接続されていない。そのような群はラインの形態又はその
他の種々のパターンの形態であってよいし、また、群は例えばグリッドの形態に
配列されていてもよいし、平行に接続されていてもよい。各群は、少なくとも２
つの検知エレメントを有しているが、通常はそれより数が多い。例えばセンサが
種々の領域において種々の配置密度で検知エレメントを有することを意図する場
合、例えば、基材の特定の領域がその他の領域よりもオーバーヒートする傾向が
大きく、いくつかの領域においてより高い精度が望まれる場合には、この構成は
特に有用である。さらに、この構成によって、センサは多重化モードにて使用す
ることができるようになる。このプロセスでは、検知エレメントの異なる群、例
えばラインの抵抗は、例えばラインごとにＸ方向及びＹ方向の両方向へライン毎
に走査されたり、各走査毎の抵抗値がその直前の走査の抵抗値と比較されたりす
る。ホット・スポット(hot spot)を確認し、その位置を特定するために、数学的
アルゴリズムを用いることができる。
【００１６】 抵抗ネットワークは、他の回路要素、例えば、キャパシタ、ダイオード、スイ
ッチ及び固定抵抗等の部品を含むこともできる。そのような部品は、特定の条件
、例えば最大感度、空間的精度、最適時間応答、及び最も低い電力消費などを達
成すべく、電気的応答性を調整するために用いることができる。
【００１７】 検知エレメントのライン又は群が１つだけのセンサについては、第１の電極の
表面積の総和は、第１の表面の表面積の総和の少なくとも１０％であり、好まし
くは少なくとも２０％であって、並びに、第１の表面の表面積の総和のせいぜい
８０％、好ましくはせいぜい７０％であることが好ましい。
【００１８】 検知エレメントを回路に接続するのに好適な２つの電気リードも存在する。回
路は、抵抗変化を検知するための検知装置を有していてもよいし、又は常套の部
品、例えば電源又は負荷抵抗を有していてもよい。これらのリードは、電極と同
様の材料の、シート上の金属パッドの形態であってもよいし、ワイヤ摸式的に他
の導電性エレメントであってもよい。
【００１９】 第１及び第２の電極、並びに第１及び第２の接続部品は同じ材料からなること
が好ましい。電極及び接続部品として特に好ましいものは、シートに積層するこ
とができる、電着金属箔、例えばニッケル箔、銅箔又はニッケル−銅箔などであ
る。電極、接続部品又は電気リードとなることを意図しない領域には、その一部
又は全体から金属を除去するために、常套の写真平版プロセスを用いることもで
きる。ある種の金属は、熱放散のため又は補強エレメントとして、センサのあち
こちの領域に残される。そのような金属は、検知エレメントへ電気的に接続され
ない。別法では、電極及び接続部品をスクリーン印刷によって適用することがで
きる。
【００２０】 各検知エレメントの形状は、センサ上で同じであっても異なっていてもよいが
、個々の検知エレメントにおいて第１及び第２の電極の形状が同様のものである
ことが好ましい。それらの形状に応じて、検知エレメントは、２０℃にて、同じ
又は異なる抵抗を有することができる。１つの検知エレメントがトリップし、高
抵抗状態に至る場合に、センサ全体の抵抗が十分な感度でもってこの変化を反映
するように、２０℃における回路ＲTの直列抵抗は十分に低いことが好ましいの
で、検知エレメントの抵抗は十分に低いこと（例えば、検知エレメントが十分に
大きいこと）が重要である。過熱状態、圧力変化、又は溶媒への暴露を示すのに
必要とされる抵抗変化の程度は、使用するセンサ装置の種類の関数である。検知
エレメントの大部分の又は検知エレメントの全体が直列に接続されている好まし
い態様において、少なくとも１つの検知エレメントがＴsよりも高い温度にさら
される場合に、センサの抵抗が少なくとも１.１ＲT、好ましくは少なくとも１.
３ＲT、特に少なくとも１.５ＲTであることが好ましい。センサの感度は検知エ
レメントの数及び抵抗の関数であるので、並びに抵抗がより大きく変化すること
は、検知エレメントがトリップする場合のセンサ抵抗における総変化がより大き
いことを意味するので、一般により高いＰＴＣ偏差を有する組成物が好ましい。
例えば、１００個の検知エレメントを有するセンサにおいて、個々の抵抗が１Ω
であれば、ＲTは１００オームになる。１つの検知エレメントの抵抗が１桁（one
decade）増大し、例えば１０Ωへ増大すると、センサ抵抗は１０９Ω、従って
１.０９ＲTになる。１つの検知エレメントの抵抗が２桁増大し、例えば１００Ω
へ増大すると、センサ抵抗は１９９Ω、従って１.９９ＲTになる。１つの検知エ
レメントの抵抗が３桁増大し、例えば１０００Ωへ増大すると、センサ抵抗は１
０９９Ω、従って１１ＲTになる。
【００２１】 本発明のセンサは、種々の種類の基材における温度変化を検知するために用い
ることができるが、層状基材、例えば電池、ホット・プレート、ヒーティング・
パッド、電気モータケース、又はプリント回路基板等における変化を検知するた
めに特に有用である。層状の構造及び可撓性を有するために、本発明のセンサは
基材に物理的に直接的に接触することができる。センサは基材の一部のみを被覆
してもよいが、センサが基材の実質的な部分を被覆する場合、従ってセンサが基
材の１つの表面の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、特に少なく
とも７５％を被覆する場合に特に有用である。
【００２２】 本発明のセンサは、特定の環境下で、基材上の受動素子として機能することが
主として意図されているが、センサの抵抗が十分に低い場合には、センサの中を
電流が流れることが可能であって、温度変化を検知するため、及び過電流保護デ
バイスとして機能するために用いることができる。この用途のために、センサは
電源、及び、負荷抵抗を提供する他の電気部品と回路において直列に接続され、
検知エレメントはセンサに対して独立した検知回路にて接続される。この用途の
ために、センサ抵抗が低くなるように、検知エレメントの寸法は比較的大きくす
ることが好ましい。検知エレメントの実際の寸法は、最大回路抵抗の関数とする
ことができる。これは、システムにおける最大電圧降下、及び、必要とされる保
持電流、従って電流の最大量によって決められることが多く、デバイスは回路と
してトリップすることなく電流を流れさせることができる。
【００２３】 一般に、センサの抵抗はできるだけ低いことが好ましい。このことは、センサ
が実際に回路の一部であって、過電流保護デバイス及び温度検知デバイスとして
同時に機能する場合に、特に望ましい。このような状況では、測定すべき回路と
比べて、センサの抵抗が低いことが重要である。従って、層状シートの組成物の
２０℃における抵抗は、例えば１００Ω−ｃｍ以下、好ましくは２０Ω−ｃｍ以
下、特に１０Ω−ｃｍ以下、中でも５Ω−ｃｍ以下と低いことが好ましい。
【００２４】 本発明のセンサは、基材が層状形態の電池エレメント、特にリチウムイオンポ
リマー電池エレメントである場合に特に有用である。センサは、リチウムイオン
ポリマー電池エレメントについて一般的に行われているように、円筒の形態に巻
くことができるような十分な可撓性を有しており、電池エレメントの種々の部位
において生じ、抵抗の変化をもたらす温度又はその他の変化を検知することがで
きる。
【００２５】 本発明のセンサは、抵抗の変化を検知する用途に好適であるが、抵抗の変化率
を検知するために用いることもできる。 他の用途では、検知エレメントの抵抗が圧力に伴って変化する場合に、圧力変
化を検知するために本発明のセンサを用いることもできる。溶媒にさらされた場
合に膨潤し（その結果として抵抗が変化する）ように導電性ポリマー組成物を選
択する場合には、本発明のセンサは溶媒の存在を検知するために用いることもで
きる。
【００２６】 本発明を図面によって説明するが、図１は本発明のセンサの模式的な平面図で
あり、図２は図１の線２−２についての断面を示している。センサ１は、導電性
ポリマー組成物によって形成されている層状シート３を有しており、第１のの表
面５及び第２の表面７を有している。第１の表面５には第１の電極９が取り付け
られている。２つの第１の電極９は、接続部品１３によって電気的に接続されて
いる。第２の表面７へは第２の電極１１が取り付けられている。２つの第２の電
極１１は、接続部品１５によって電気的に接続されている。検知エレメント１２
は電極対によって形成されており、電極対は、１つの第１の電極９と、これとは
反対側にある第２の電極１１とからなる。第１の電気リード１７及び第２の電気
リード１９は第１の表面５に設けられており、検知用電子機器回路又は電源へ接
続する手段を提供している。すべての検知エレメントは直列に接続されているた
め、センサ全体の抵抗を測定するためには一対の電気リード１７、１９のみが必
要とされる。
【００２７】 図３及び４はそれぞれ、以下に記載する実施例１及び２のセンサの摸式的平面
図である。 図５は、実施例２に用いる電気回路を示している。この回路センサ１は、電源
２１及び負荷抵抗２３と電気的に直列に接続されている。検知用電子機器回路(d
etection electronics)２５は、センサの抵抗の変化を検知することができ、独
立した検知回路にてセンサ１と接続されている。 図６は、多数のセンサライン２９が存在する本発明のもう１つのセンサの摸式
的平面図を示している。各ラインは第１及び第２の電気リード１７、１９を有し
ており、各ラインを個々に測定することができ、並びにホット・スポットの位置
又は変化が検知された部位についての測定を行うことができる。
【００２８】 図７は、本発明におけるもう１種のセンサの摸式的平面図を示しており、ホッ
ト・スポット又は変化が検知された部位の測定をより正確に行うことができるよ
うに、複数のセンサラインが存在して、検知エレメントはマトリックス化されて
いる。第３及び第４の電気リード３１、３３が存在して、例えば多重化用途につ
いて追加的な抵抗測定を行うことができるようになっている。 図８は、基材３５、例えば電池の上に位置する本発明のセンサ１の断面図を示
している。第１及び第２の電極９、１１は、層状シート３の第１の表面５側の同
じ表面に取り付けられている。第２の電極１１は、接続部品１３によってもう１
つの第１の電極９に電気的に直列に接続されている。検知エレメント１２は第１
の電極９とこれに隣接する電極１１とから構成されており、電極９と電極１１と
は層状シート３の導電性ポリマーによって隔てられている。
【００２９】 以下の実施例によって本発明を説明する。 実施例１ エチレン／ｎ−ブチルアクリレートコポリマー（Enathene（登録商標）705-00
9、約１０５℃の溶融温度及び約０.９２２ｇ／ｃｃの密度を有する、Quantum Ch
emicalから入手できる）４０重量％、高密度ポリエチレン（Petrothene（登録商
標）LB832、約１３５℃の溶融温度及び約０.９５４ｇ／ｃｃの密度を有する、Qu
antum Chemicalから入手できる）１０重量％、及びカーボンブラック（Raven 43
0、１.８の密度を有する、Columbian Chemicalsから入手できる）５０重量％の
混合物を含んでなる導電性ポリマー組成物を混合して、０.１３ｍｍ（０.００５
インチ）の厚みを有するシートを形成し、０.０４３ｍｍ（０.００１３インチ）
の厚みを有する電着ニッケル−銅箔の両側に積層した。積層体を１０Ｍｒａｄで
照射した後、米国特許第５,８６４,２８１号（Zhangら）に開示されているのと
同様の種類の写真平版及びエッチングプロセスに付した。尚、米国特許第５,８
６４,２８１号（Zhangら）の内容は、参照することによって本明細書に包含する
ものとする。積層体を清浄化し、フォトレジストを用いて、金属箔の検知エレメ
ント及び電気的接続（例えば、接続部品）を形成すべき領域にマスクを形成した
。箔の残りの領域は露出する状態として、それらの領域における金属箔をエッチ
ングした。その後、マスクを除去した。エッチングした積層体は５１×７６ｍｍ
（２×３インチ）の寸法のピースに分割したが、各ピースは図３に示すような構
成を有していた。このセンサに、それぞれ約４ｍｍ（０.１８インチ）角で、約
０.１Ωの抵抗を有する５２個の検知エレメントを、電気的に直列に接続して等
間隔に分布した。検知エレメントは、センサの各層状表面の約２８％を被覆した
。エレメントのエッジ部における金属領域は、電気リードとして使用するために
好適であった。組成物の抵抗率は約０.５〜１.０Ω−ｃｍであり、上述のように
して測定した組成物のスイッチング温度Ｔsは約９３℃であった。
【００３０】 ２０℃におけるセンサの抵抗は４.１Ωであった。外部の熱源としてヒートガ
ンを用いて、種々の数の検知エレメントに適用した。熱画像カメラ（thermal im
aging camera）を用いてセンサの温度をモニターし、最高温度及びセンサの抵抗
を記録した。結果を表Ｉに示す。
【表１】 （表Ｉ）
【００３１】 実施例１と同様の組成物及び手順を用いて、図４に示す構成のセンサを形成し
た。センサは５１×７６ｍｍ（２×３インチ）の寸法を有しており、直列に接続
される、それぞれ１０×３０ｍｍ（０.４×１.２インチ）の寸法を有する６個の
検知エレメントを有していた。検知エレメントは、センサの各層状表面の約４８
％を被覆していた。２０℃において、各センサは約０.００７Ωの抵抗を有して
おり、センサの抵抗は０.０４２Ωであった。 センサは、図５に示すように、回路内で、電源と、１８ボルトの電圧が印加さ
れる場合に、センサを通って流れる電流を５Ａに制限する負荷抵抗とに直列に接
続されていた。このような状態で、熱画像カメラによってセンサ上で検知された
最高温度は３３℃であり、センサはトリップしなかった。ヒートガンを用いて１
つの検知エレメントに熱を加え、検知エレメントを少なくとも９５℃へ温度及び
抵抗を上昇させた。さらに、検知エレメントの温度を上昇させることによって影
響を受けたセンサの熱的ディレーティング（derating）によって、センサは５Ａ
の電流を流し続けることが防止され、センサはトリップした。検知エレメントか
らヒートガンを取り除いて、検知エレメントを９５℃にて、及びセンサをトリッ
プした状態で放置した。センサから電源を切り離すと、センサは冷され、リセッ
トされた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明のセンサの平面図を摸式的に示したものである。
【図２】 図２は、図１の線２−２についての断面図である。
【図３】 図３は、本発明のセンサの平面図を摸式的に示したものである。
【図４】 図４は、本発明のセンサの平面図を摸式的に示したものである。
【図５】 図５は、本発明のセンサを含む電気回路を摸式的に示したもので
ある。
【図６】 図６は、本発明の別の態様のセンサについての平面図を摸式的に
示したものである。
【図７】 図７は、本発明の更に別の態様のセンサについての平面図を摸式
的に示したものである。
【図８】 図８は、本発明の更に別の態様のセンサについての断面図を摸式
的に示したものである。
【符号の説明】
１…センサ、 ２…線、 ３…層状シート、 ５、７…表面、 ９
、１１…電極、 １２…検知エレメント、 １３、１５…接続部品、 １７、１
９…電気リード、 ２１…電源、 ２３…負荷抵抗、 ２５…検知用電子機器回
路、 ２９…センサライン、 ３１、３３…電気リード、 ３５…基材、 ＲT
…抵抗、 Ｔs…スイッチング温度。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・トス アメリカ合衆国94070カリフォルニア州サ ン・カルロス、クレストビュー・コート 107番 (72)発明者 ウィリアム・シー・ビードリング アメリカ合衆国95148カリフォルニア州サ ンノゼ、マーテン・アベニュー3174番 Ｆターム(参考） 2F056 QF10 TZ01 5E034 AA09 AC10 DB01 5H029 AJ12 BJ27 HJ07 HJ20 5H030 AA06 FF22 FF64 FF68

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 層状基材における変化を検知するための層状センサであって
    、２０℃にて抵抗ＲTを有し、 （１）層状シートであって、（ａ）第１の表面及び反対側の第２の表面を有し
    、（ｂ)(ｉ）温度依存挙動を示し、（ii）スイッチング温度Ｔsを有する導電性
    ポリマー組成物を含んでなる層状シート； （２）複数の検知エレメントであって、（ａ）個々のエレメントは第１の電極
    及び第２の電極を有する一組の電極対を有し、電極どうしは互いに隔てられて、
    それぞれ層状シートに接触しており、（ｂ）抵抗ネットワークに電気的に接続さ
    れ、検知エレメントの少なくとも一部は直列に接続されている複数の検知エレメ
    ント；並びに （３）各検知エレメントを回路に接続する２つの電気リード を有してなる層状センサ。
  2. 【請求項２】 第１の電極は第１の表面に取り付けられており、第２の電極
    は第２の表面に取り付けられている請求項１記載の層状センサ。
  3. 【請求項３】 第１の電極及び第２の電極はいずれも第１の表面に取り付け
    られている請求項１記載の層状センサ。
  4. 【請求項４】 導電性ポリマーはＰＴＣ挙動を示す請求項１記載の層状セン
    サ。
  5. 【請求項５】 層状シートはたかだか１.０ｍｍ（０.０４０インチ）の厚み
    を有する請求項１記載の層状センサ。
  6. 【請求項６】 導電性ポリマー組成物はたかだか１０Ω−ｃｍの抵抗率を有
    する請求項１記載の層状センサ。
  7. 【請求項７】 検知エレメントの全体が直列に接続されている請求項１記載
    の層状センサ。
  8. 【請求項８】 少なくとも１つの検知エレメントがＴsよりも高い温度にさ
    らされた場合に、センサの抵抗は少なくとも１.１ＲT、又は少なくとも１.３ＲT である請求項１記載の層状センサ。
  9. 【請求項９】 センサは、基材の１つの表面の少なくとも７５％を被覆し、
    基材に直接的に接触するように配される請求項１記載の層状センサ。
  10. 【請求項１０】 基材は層状電池エレメントであって、好ましくはリチウム
    イオンポリマー電池エレメントである請求項１記載の層状センサ。
  11. 【請求項１１】 温度変化を検知する請求項１記載の層状センサ。
  12. 【請求項１２】 第１の電極の全表面積は、第１の表面の全表面積の少なく
    とも１０％であって、第１の表面の全表面積のたかだか７０％である請求項１記
    載の層状センサ。
  13. 【請求項１３】 少なくとも２つの群の検知エレメントを有してなり、好ま
    しくは各群は検知エレメントのラインを有する請求項１記載の層状センサ。
  14. 【請求項１４】 リチウムイオンポリマー電池であって、 （Ａ）絶縁材料によって包囲され、（１）第１及び第２の電池電極、（２）ア
    ノード、（３）セパレータ、（４）カソード、及び（５）電解質を有する電池エ
    レメントを有する層状電池エレメント；並びに （Ｂ）絶縁材料に直接的に接触して配され、絶縁材料の１つの層状表面の少な
    くとも７５％を被覆し、２０℃にて抵抗ＲTを有しており、 （１)(ａ）第１の表面及び反対側の第２の表面を有し、（ｂ）ＰＴＣ挙動を
    示す導電性ポリマー組成物を含んでなる層状シート； （２)(ａ）個々のエレメントは第１の電極及び第２の電極を有する一組の電
    極対を有し、電極どうしはそれぞれ層状シートに接触して層状シートによって互
    いに隔てられており、（ｂ）抵抗ネットワークに電気的に接続され、検知エレメ
    ントの少なくとも一部は直列に接続されている、複数の検知エレメント；並びに （３）各検知エレメントを回路に接続する２つの電気リード を有する層状温度センサ を有してなるリチウムイオンポリマー電池。
  15. 【請求項１５】 （Ａ）２０℃にて抵抗ＲTを有しており、 （１)(ａ）第１の表面及び反対側の第２の表面を有し、並びに（ｂ)(ｉ）温
    度依存挙動を示し、（ii）スイッチング温度Ｔsを有する導電性ポリマー組成物
    を含んでなる層状シート； （２)(ａ）個々のエレメントは第１の電極及び第２の電極を有する一組の電
    極対を有し、電極どうしはそれぞれ層状シートに接触して層状シートによって互
    いに隔てられており、（ｂ）抵抗ネットワークに電気的に接続され、検知エレメ
    ントの少なくとも一部は直列に接続されている複数の検知エレメント；並びに （３）各検知エレメントを回路に接続する２つの電気リード を有してなる、層状基材における変化を検知するための層状センサ；並びに （Ｂ）電気リードに電気的に接続され、センサの変化を検知する検知装置 を有してなる電気回路。
  16. 【請求項１６】 検知装置は、センサの抵抗の変化を検知する請求項１５記
    載の回路。
  17. 【請求項１７】 （Ｃ）温度の変化を検出するために、及び過電流保護デバ
    イスとして作用するセンサに電気的に接続される電源 を更に有してなる請求項１５記載の回路。
  18. 【請求項１８】 請求項１６記載の回路であって、 （１）センサは、少なくとも２つの検知エレメントの群からなるアレイを有し
    、並びに （２）検知装置は、ホットスポットの位置を与えるようにアレイの検知エレメ
    ントの群をモニターする 回路。
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