JP2004311352A - サーマルプロテクタ - Google Patents

Abstract

【課題】保護装置としての信頼性や使用形態の汎用性が高いサーマルプロテクタを提供すること。
【解決手段】合成樹脂製のハウジング３から第１ないし第４の端子４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂを導出すると共に、ハウジング３の内部にトリメタル片８を変位可能（揺動可能）に配設し、このトリメタル片８の固定端を第１の端子４ｂに導通させる。また、トリメタル片８の固定端側に形成した狭小部１０の先端を第２の端子５ｂに導通させることにより、第１の端子４ｂと第２の端子５ｂとの間に電流ヒューズを形成する。そして、トリメタル片８の自由端側に設けた可動接点部材９を第３の端子６ｂに設けた第１の固定接点６ａと第４の端子７ｂに設けた第２の固定接点７ａとの間に位置させ、トリメタル片８が所定温度で反転することにより、可動接点部材９と第１および第２の固定接点６ａ，７ａとの導通状態が切り替わるように構成した。
【選択図】 図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリ装置の二次電池等の異常発熱を検知して給電を遮断するサーマルプロテクタに係り、特に、熱応動スイッチと電流ヒューズを備えたサーマルプロテクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池は放電状態の電池を充電することによって繰り返し使用できる電池であり、このような二次電池を直列または並列に接続した電池群を備えたバッテリ装置は、ノート型パソコンやビデオカメラ等の携帯機器の電源として広く用いられている。
【０００３】
従来より、この種のバッテリ装置において、直列接続された複数の二次電池にノーマルクローズ型の熱応動スイッチを直列に接続することにより、二次電池が異常発熱した時にこの熱応動スイッチをオフ動作させて給電を停止するようにしたサーマルプロテクタが知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、熱応動スイッチは、熱膨張係数の異なる金属板を複数枚接合してなるバイメタル片等の熱応動素子を備え、このバイメタル片を片持ち梁状にハウジングに取り付けると共に、バイメタル片の自由端部に固設された可動接点をハウジングに固設された固定接点と接離可能に対向させたものである。
【０００４】
上記特許文献１に開示されたバッテリ装置では、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチが直列接続された一対の二次電池間に介設されており、各二次電池が正常に機能して所定温度以下のとき、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチはバイメタル片によって可動接点が固定接点に押し付けられことによりスイッチオン状態に保たれているので、この熱応動スイッチを介して各二次電池から携帯機器等へ給電することができる。また、いずれかの二次電池が劣化等の要因で異常発熱して所定温度を超えると、バイメタル片が反転して可動接点が固定接点から離れ、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチがスイッチオフ状態に切り替わるため、各二次電池から給電が遮断されて携帯機器等を保護することができる。
【０００５】
また、他の従来例として、熱応動スイッチの内部に電流ヒューズを直列接続したサーマルプロテクタが知られている（例えば、特許文献２参照）。このサーマルプロテクタは、熱応動スイッチの固定側端子部材の一部に幅狭な狭小部を形成し、可動接点と固定接点が溶着した場合に、固定側端子部材を流れる電流によって狭小部を溶断するようにしたものであり、狭小部を電流ヒューズとして機能させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２６３６６１５号公報（第２−３頁、図２−図４）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−１２０８５３号公報（第４−５頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術のうち、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチを電池群に直列接続した前者のサーマルプロテクタにあっては、許容電流以上の大電流により熱応動スイッチの接点間の切り替えが行われる等の不所望な事態に起因して、熱応動スイッチの接点同士が溶着してしまう虞があった。そして、このような不具合が起きた場合には、異常発熱時に給電を遮断するというサーマルプロテクタの本来の機能が発揮されないという問題が発生する。
【０００９】
これに対し、熱応動スイッチの内部に電流ヒューズを直列接続した後者のサーマルプロテクタでは、接点同士が溶着した場合でも電流ヒューズを溶断することができるため、熱応動スイッチの接点切り替え動作と電流ヒューズの溶断動作という二重の安全性を有し、保護装置としての信頼性を高めることができる。しかしながら、熱応動スイッチを流れる電流回路に電流ヒューズが直列接続されたサーマルプロテクタであるため、熱応動スイッチと電流ヒューズを並列接続する保護回路に適用することはできず、使用形態の汎用性が低いという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、保護装置としての信頼性や使用形態の汎用性が高いサーマルプロテクタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明のサーマルプロテクタでは、ハウジングと、このハウジングから導出する第１、第２、第３の端子と、前記第１の端子から前記第２の端子までの導通経路内に形成された電流ヒューズと、前記ハウジングの内部に一端側を固定端として変位可能に配設された熱応動素子と、この熱応動素子の自由端側に設けられた可動接点と、この可動接点と対向するように前記第３の端子に設けられた固定接点とを備え、前記熱応動素子の固定端側を前記第１の端子に電気的に接続し、この熱応動素子が所定温度で反転することにより、前記可動接点と前記固定接点との導通状態が切り替わるように構成した。
【００１２】
このように構成されたサーマルプロテクタにあっては、可動接点と固定接点が溶着した場合でも、第１の端子から第２の端子までの間に形成した電流ヒューズを溶断することができるため、保護装置としての信頼性を大幅に高めることができ、しかも、電流ヒューズを有する第１および第２の端子のいずれか一方の端子と固定接点を有する第３の端子とを保護回路として使用した場合は、熱応動スイッチと電流ヒューズが直列接続された形態となり、第１ないし第３の端子の全てを保護回路に用いた場合は、熱応動スイッチと電流ヒューズが並列接続された形態とすることができるため、使用形態の汎用性を高めて使い勝手が向上する。
【００１３】
上記の構成において、ハウジングから導出する第４の端子を備えると共に、この第４の端子に熱応動素子の可動接点を介して第３の端子の固定接点と対向する別の固定接点を設け、熱応動素子が所定温度で反転することにより、可動接点が第３および第４の端子に設けられた固定接点のいずれか一方から離反していずれか他方に接触するように構成すると、第３の端子と第４の端子を保護回路に選択的に用いることで熱応動スイッチがノーマルクローズ型にもノーマルオープン型にもなり、使用形態の汎用性をより一層高めることができる。
【００１４】
また、上記の構成において、電流ヒューズは第１の端子や第２の端子に形成することも可能であるが、熱応動素子の固定端側から延出するリード片に幅狭な狭小部を形成して電流ヒューズとなし、このリード片の前記狭小部よりも先端側を第２の端子に固定することが好ましい。すなわち、熱応動素子は熱膨張係数の異なる金属板を複数枚接合してなるバイメタル片やトリメタル片であるが、第１および第２の端子よりも板厚が薄く比抵抗の高い材料であるため、このような熱応動素子に狭小部を形成して電流ヒューズとなすと、電流ヒューズの溶断電流値を規定する狭小部の寸法を簡単かつ高精度に設定することができる。その際、第１の端子にハウジングの内底面から突出する座部を設け、この座部に熱応動素子の固定端側を固定することにより、ハウジングの内底面に露出する第２の端子と狭小部とが所定間隔を存して対向するように構成すると、電流ヒューズ（狭小部）の溶断時に熱応動素子と第２の端子との間を確実に遮断できて好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係るサーマルプロテクタを一方向から見た斜視図、図２は該サーマルプロテクタを別方向から見た斜視図、図３は該サーマルプロテクタに備えられる熱応動スイッチのノーマル状態を示す断面図、図４は該熱応動スイッチのトリメタル片が反転した状態を示す断面図、図５は該トリメタル片の斜視図、図６は該サーマルプロテクタに備えられる上ケースの底面図、図７は該サーマルプロテクタに備えられる下ケースの平面図、図８は該下ケースにトリメタル片を組み込んだ状態を示す平面図、図９は該熱応動スイッチと電流ヒューズの接続状態を示す説明図である。
【００１６】
これらの図に示すように、本実施形態例に係るサーマルプロテクタＴは、合成樹脂からなる絶縁性の下ケース１と合成樹脂からなる絶縁性の上ケース２を組み合わせてなる平面視矩形状のハウジング３と、下ケース１の成形時に一体化された良導電性の金属板４，５，６と、上ケース２の成形時に一体化された良導電性の金属板７と、導電性の熱応動素子であるトリメタル片８と、このトリメタル片８の自由端部にかしめ固定された良導電性の可動接点部材９とによって概略構成されており、トリメタル片８には電流ヒューズとして機能する狭小部１０が形成されている。
【００１７】
図７に示すように、金属板４は、下ケース１の内底面に露出する平坦部４ａと、下ケース１の外方へ突出する第１の端子４ｂとを有しており、平坦部４ａには段付き状の座部４ｃが形成されている。金属板５は、下ケース１の内底面に露出する平坦部５ａと、下ケース１の外方へ突出する第２の端子５ｂとを有しており、第２の端子５ｂには段付き状の座部５ｃが形成されている。これら座部４ｃ，５ｃは下ケース１の内底面に露出する平坦部４ａ，５ａから上方へ突出しており、両座部４ｃ，５ｃの上面は同一平面内に位置している。金属板６は、下ケース１の内底面に露出する第１の固定接点６ａと、下ケース１の外方へ突出する第３の端子６ｂとを有している。また、図６に示すように、金属板７は、上ケース２の天井面に露出する第２の固定接点７ａと、上ケース２の外方へ突出する第４の端子７ｂとを有する。金属板４〜７は例えばリン青銅や黄銅等からなり、下ケース１と上ケース２にそれぞれインサート成形により一体化されている。
【００１８】
その際、第１の端子４ｂと第３の端子６ｂとは下ケース１から互いに逆向きに導出されており、第２の端子５ｂはこれら第１および第３の端子４ｂ，６ｂの導出方向に対して直交する方向に下ケース１から導出されている。これにより、３つの端子４ｂ，５ｂ，６ｂが下ケース１から全て異なる向きに導出されることになり、各金属板４〜６をインサート成形により下ケース１と一体化する場合、同じフープ材からなる金属材料を用いて３つの端子４ｂ，５ｂ，６ｂを加工することができ、生産性に優れたものとなっている。また、図１と図２に示すように、下ケース１と上ケース２を接合・一体化してハウジング３を構成した状態において、第４の端子７ｂは第２の端子５ｂの導出方向とは逆向きに上ケース２から導出されており、この第４の端子７ｂにはクランク状の曲げ加工が施されている。これにより、４つの端子４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂがハウジング３から全て異なる向きに導出されることになり、かつ、各端子４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂの下面が全て同一平面上に位置することになり、表面実装対応のサーマルプロテクタＴとなっている。
【００１９】
トリメタル片８は良導電性の中間層を熱膨張係数の異なる２枚の金属板で挟んで積層接合したものであり、このような三層構造のトリメタル片８の代わりに、中間層を省略した二層構造のバイメタル片を熱応動素子として用いても良い。本実施形態例の場合、中間層としての銅板を銅・ニッケル・マンガン合金板とニッケル・鉄合金板で挟んで積層接合したトリメタル片８が使用されている。図５に示すように、トリメタル片８の中央部には反転動作を確実に行わせるためのドーム状の反転部８ａが形成されており、この反転部８ａを挟んでトリメタル片８の長手方向に沿う両端部が自由端と固定端になっている。トリメタル片８の自由端側には取付孔８ｂが穿設されており、この取付孔８ｂには銅・ニッケル合金や銀酸化錫等からなる可動接点部材９がかしめ固定されるようになっている。また、トリメタル片８の固定端側は接続部８ｃとなっており、この接続部８ｃから側方に向かってリード片８ｄが突出形成され、このリード片８ｄの途中に電流ヒューズとして機能する幅狭な狭小部１０が形成されている。その際、トリメタル片８（バイメタル片を含む）等の熱応動素子には端子材料よりも比抵抗の高い材料が用いられており、その板厚も各金属板４〜７に比べて薄いものが用いられているため、電流ヒューズの溶断電流値を規定する狭小部１０の寸法を簡単かつ高精度に設定することができる。
【００２０】
図８に示すように、このトリメタル片８は下ケース１の内底面に載置された状態で、その固定端の接続部８ｃが金属板４の座部４ｃにスポット溶接等を用いて固定されると共に、下ケース１の外部に突出するリード片８ｄの先端部（狭小部１０よりも先端側）が金属板５の座部５ｃにスポット溶接等を用いて固定される。その際、下ケース１の内部で狭小部１０は金属板５の平坦部５ａと対向することになるが、前述したように、トリメタル片８の接続部８ｃとリード片８ｄが固定される座部４ｃ，５ｃは平坦部４ａ，５ａから上方へ突出しているため、これら狭小部１０と平坦部５ａとの間に両者を離間するのに十分なクリアランスが確保されている。このようにして、トリメタル片８はその固定端を支点としてハウジング３（下ケース１と上ケース２）の内部に変位可能（揺動可能）に支持され、その自由端側に取り付けられた可動接点部材９が第１の固定接点６ａと第２の固定接点７ａとの間を移動可能となっている。
【００２１】
すなわち、図９に示す等価回路から明らかなように、本実施形態例に係るサーマルプロテクタＴでは、第１の端子４ｂと第２の端子５ｂとの間に狭小部１０（電流ヒューズ）が形成されると共に、これら第１の端子４ｂと狭小部１０との間にトリメタル片８（熱応動素子）の固定端が接続され、このトリメタル片８の自由端が第１の固定接点６ａと第２の固定接点７ａに対して接離可能となっている。したがって、第２の端子５ｂと第３の端子６ｂとの間について見ると、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチと電流ヒューズが直列接続された形態になり、第１の端子４ｂと第２の端子５ｂおよび第３の端子６ｂとの間について見ると、ノーマルクローズ型の熱応動スイッチと電流ヒューズが並列接続された形態になる。また、第３の端子６ｂの代わりに第４の端子７ｂを用いた場合はノーマルオープン型の熱応動スイッチとして動作するため、ノーマルオープン型の熱応動スイッチと電流ヒューズが直列または並列接続された形態も可能となり、合計で４種類の使用形態を採用することができる。
【００２２】
なお、上記実施形態例では、熱応動素子（トリメタル片８）に電流ヒューズ（狭小部１０）を一体形成した場合について説明したが、電流ヒューズは熱応動素子が接続される第１の端子から第２の端子に至る導通経路内であればどこに形成しても良く、例えば、第１の端子と熱応動素子の固定端との間や第２の端子自体に形成することも可能である。また、第１の端子と第２の端子とを同一の金属板にて一体に形成し、第１の端子に相当する部分に熱応動素子の固定端を取り付け、第２の端子に相当する部分に狭小部を設けて、この狭小部を電流ヒューズとしても良い。
【００２３】
次に、上記サーマルプロテクタＴのバッテリ装置への適用例を図１０と図１１を参照して説明する。
【００２４】
図１０に示すバッテリ装置は、複数の二次電池１１を直列接続した電池群１２と、この電池群１２に直列に接続された電流ヒューズ１３とノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４とを備えており、上述したサーマルプロテクタＴはノーマルクローズ型の熱応動スイッチと電流ヒューズが直列接続された形態で使用されている。この場合、電池群１２の正極側に第２の端子５ｂが接続されると共に、バッテリ装置の外部端子側に第３の端子６ｂが接続されており、残りの第１の端子４ｂと第４の端子７ｂは回路構成に関与しないダミー端子となっている。
【００２５】
このように構成されたバッテリ装置において、サーマルプロテクタＴのトリメタル片８が所定温度以下のノーマル状態（通常の使用状態）では、図３に示すように、可動接点部材９が第１の固定接点６ａに当接しているため、第２の端子５ｂと第３の端子６ｂとの間がトリメタル片８を介して導通されている。すなわち、図１０において、電池群１２の各二次電池１１に何ら異常がない場合、ノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４は閉路されているため、電池群１２の各二次電池１１から外部端子に接続された図示せぬ携帯機器などの外部機器に電流ヒューズ１３とノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４を介して給電することができる。
【００２６】
しかるに、いずれかの二次電池１１に異常が発生し、バッテリパックの温度がノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４の動作温度（例えば８０℃）まで上昇すると、図４に示すように、サーマルプロテクタＴのトリメタル片８が反転し、可動接点部材９が第１の固定接点６ａから離れて第２の固定接点７ａに当接する。つまり、第２の端子５ｂと第３の端子６ｂとが非導通状態となるので、図１０において、電池群１２とバッテリ装置の外部端子との間がオフ動作したノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４によって開路され、各二次電池１１からの給電が停止される。また、サーマルプロテクタＴの可動接点部材９が第１の固定接点６ａに溶着してしまい、ノーマルクローズ型熱応動スイッチ１４が正常にオフ動作しない事態が発生した場合でも、サーマルプロテクタＴの第２の端子５ｂと第３の端子６ｂ間を流れる過電流によって狭小部１０（電流ヒューズ）が溶断する。したがって、図１０において、電池群１２とバッテリ装置の外部端子との間が溶断した電流ヒューズ１３によって開路され、各二次電池１１から外部機器への給電を確実に停止することができる。なお、前述したように、狭小部１０と平坦部５ａとの間に両者を離間するのに十分なクリアランスが確保されているため、狭小部１０の溶断時にリード片８ｄと平坦部５ａが導通してしまうことを防止でき、第２の端子５ｂと第３の端子６ｂとの間を確実に遮断することができる。
【００２７】
図１１に示すバッテリ装置は、並列接続された２個の二次電池１５を直列に複数組接続した電池群１６と、この電池群１６に直列に接続された電流ヒューズ１７と、これら電池群１６と電流ヒューズ１７との直列回路に並列に接続されたノーマルオープン型熱応動スイッチ１８とを備えており、上述したサーマルプロテクタＴはノーマルオープン型の熱応動スイッチと電流ヒューズが並列接続された形態で使用されている。この場合、電池群１６の正極側に第２の端子５ｂが接続され、電池群１６の負極側に第４の端子７ｂが接続され、バッテリ装置の外部端子側に第１の端子４ｂが接続されており、残りの第３の端子６ｂは回路構成に関与しないダミー端子となっている。
【００２８】
このように構成されたバッテリ装置において、サーマルプロテクタＴのトリメタル片８が所定温度以下のノーマル状態（通常の使用状態）では、図３に示すように、可動接点部材９が第１の固定接点６ａに当接して第２の固定接点７ａから離反しているため、第１の端子４ｂと第４の端子７ｂとの間は非導通状態となっている。すなわち、図１１において、電池群１６の各二次電池１５に何ら異常が見られずに使用されている場合、ノーマルオープン型熱応動スイッチ１８は開路されているため、電池群１６に直列に接続された電流ヒューズ１７には規定値よりも十分に小さい電流が流れ、電流ヒューズ１７は溶断することはない。
【００２９】
しかるに、いずれかの二次電池１５に異常が発生し、バッテリパックの温度がノーマルオープン型熱応動スイッチ１８の動作温度まで上昇すると、図４に示すように、サーマルプロテクタＴのトリメタル片８が反転し、可動接点部材９が第１の固定接点６ａから離れて第２の固定接点７ａに当接する。すなわち、第１の端子４ｂと第４の端子７ｂとの間がトリメタル片８を介して導通された状態となると共に、第２の端子５ｂと第４の端子７ｂとの間がトリメタル片８および狭小部１０を介して導通された状態になるので、図１１において、電池群１６と電流ヒューズ１７およびオン動作したノーマルオープン型熱応動スイッチ１８とで閉回路が形成される。その結果、この閉回路を流れる電池群１６からの短絡電流Ｉによって電流ヒューズ１７（サーマルプロテクタＴの狭小部１０）が溶断するため、各二次電池１５から携帯機器等の外部機器への給電を確実に停止することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３１】
可動接点と固定接点が溶着した場合でも、第１の端子から第２の端子までの間に形成した電流ヒューズを溶断することができるため、保護装置としての信頼性を大幅に高めることができ、しかも、電流ヒューズを有する第１および第２の端子のいずれか一方の端子と固定接点を有する第３の端子とを保護回路に使用した場合は、熱応動スイッチと電流ヒューズが直列接続された形態となり、第１ないし第３の端子の全てを保護回路に用いた場合は、熱応動スイッチと電流ヒューズが並列接続された形態とすることができるため、使用形態の汎用性を高めて使い勝手の良いサーマルプロテクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係るサーマルプロテクタを一方向から見た斜視図である。
【図２】該サーマルプロテクタを別方向から見た斜視図である。
【図３】該サーマルプロテクタに備えられる熱応動スイッチのノーマル状態を示す断面図である。
【図４】該熱応動スイッチのトリメタル片が反転した状態を示す断面図である。
【図５】該トリメタル片の斜視図である。
【図６】該サーマルプロテクタに備えられる上ケースの底面図である。
【図７】該サーマルプロテクタに備えられる下ケースの平面図である。
【図８】該下ケースにトリメタル片を組み込んだ状態を示す平面図である。
【図９】該熱応動スイッチと電流ヒューズの接続状態を示す説明図である。
【図１０】該サーマルプロテクタを適用したバッテリ装置の回路図である。
【図１１】該サーマルプロテクタを適用したバッテリ装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 下ケース
２ 上ケース
３ ハウジング
４，５，６，７ 金属板
４ａ 平坦部
４ｂ 第１の端子
４ｃ 座部
５ａ 平坦部
５ｂ 第２の端子
５ｃ 座部
６ａ 第１の固定接点
６ｂ 第３の端子
７ａ 第２の固定接点
７ｂ 第４の端子
８ トリメタル片（熱応動素子）
８ａ 反転部
８ｃ 接続部
８ｄ リード片
９ 可動接点部材（可動接点）
１０ 狭小部（電流ヒューズ）
Ｔ サーマルプロテクタ

Claims (4)

1. ハウジングと、このハウジングから導出する第１、第２、第３の端子と、前記第１の端子から前記第２の端子までの導通経路内に形成された電流ヒューズと、前記ハウジングの内部に一端側を固定端として変位可能に配設された熱応動素子と、この熱応動素子の自由端側に設けられた可動接点と、この可動接点と対向するように前記第３の端子に設けられた固定接点とを備え、前記熱応動素子の固定端側を前記第１の端子に電気的に接続し、この熱応動素子が所定温度で反転することにより、前記可動接点と前記固定接点との導通状態が切り替わるように構成したことを特徴とするサーマルプロテクタ。
2. 請求項１の記載において、前記ハウジングから導出する第４の端子を備えると共に、この第４の端子に前記可動接点を介して前記固定接点と対向する別の固定接点を設け、前記熱応動素子が所定温度で反転することにより、前記可動接点が前記両固定接点のいずれか一方から離反していずれか他方に接触するように構成したことを特徴とするサーマルプロテクタ。
3. 請求項１または２の記載において、前記熱応動素子の固定端側から延出するリード片に幅狭な狭小部を形成して前記電流ヒューズとなし、前記リード片の前記狭小部よりも先端側を前記第２の端子に固定したことを特徴とするサーマルプロテクタ。
4. 請求項３の記載において、前記第１の端子に前記ハウジングの内底面から突出する座部を設け、この座部に前記熱応動素子の固定端側を固定することにより、前記ハウジングの内底面に露出する前記第２の端子と前記狭小部とが所定間隔を存して対向するように構成したことを特徴とするサーマルプロテクタ。

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