JP2006100054A

JP2006100054A - 耐圧力性を有するバッテリープロテクタ

Info

Publication number: JP2006100054A
Application number: JP2004283088A
Authority: JP
Inventors: Akitsugu Sugiyama; 彰嗣杉山
Original assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Current assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】リチウム・イオン等の二次電池を適切に保護することができるプロテクタを提供する。
【解決手段】プロテクタ１００は、絶縁樹脂から形成されるケース１１０と、ケース１１０に取り付けられる第１、第２の導電リード１３０、１４０と、第１、第２の導電リード１３０、１４０間を電気的に接続するバイメタル素子１７０と、ケース１１０上に取り付けられる絶縁樹脂から形成されるカバー１２０と、カバー１２０の少なくとも一部に含まれ、カバー１２０と異なる材質で形成された金属プレート１６０とを有し、金属プレート１６０には突出した主面１６２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱応動素子を備えたプロテクタに関し、特に、リチウム・イオン等の小型二次電池に搭載されるバッテリープロテクタに関する。

携帯電話、ディジタルカメラおよび携帯用電子機器（ＰＤＡ）などの電子機器にリチウム・イオン等の二次電池が利用されている。リチウム・イオン電池は、非水溶性アルカリであり、可燃性電解液を使用している。誤って仕様外の充電器により充電されると、電池セルは過充電となり、電解液や電極内部の活性物質が化学反応を起こし発熱が生じる。この発熱に伴い最終的にガスの発生により内圧が上昇し、ガス噴出や発火に至るおそれがある。

こうした事態を防止するため、温度異常を検知したときに回路を遮断するサーマル保護装置、例えばバイメタルプロテクタ、温度ヒューズまたは正特性サーミスタ素子（ＰＴＣ）等が用いられている。

特許文献１は、リチウム・イオン電池に適用されるサーマルプロテクタを開示している。サーマルプロテクは、第１導電板である下板と、これに対向する第２導電板である上板と、上板の端部を第１導電板に固定する枠と、上板、下板および枠によって囲まれた空間内に配されるバイメタル片とを含んでいる。第１導電板が電池の端子台に接続され、第２導電板が電池の端子として機能することで、占有面積が小さな保護素子付き電池を提供している。

特許文献２は、電池ケースの上端に形成された負極端子が、導電性ベース部と、その上面を覆うように配置された接触端子部との間にサーマルプロテクタを備えている。サーマルプロテクタを介して導電性ベース部と接触端子部とが電気的に接続されることにより小型化を図っている。

特開２００３−７７４５６号特化意２００３−２８２０４６号

しかしながら従来のバッテリープロテクタには次のような課題がある。リチウム・イオン電池などの電池本体にプロテクタを搭載するとき、図５（ａ）に示すように、電池本体１０の上端部にインサート成形部２０が形成され、そのインサート成形部２０内にプロテクタが固定される。図５（ｂ）は、Ａ部を拡大した図である。電池本体１０の上端部には負極端子１２が形成され、負極端子１２にプロテクタ３０の第１の導電リード３２が溶接等により接続される。プロテクタ３０の第２の導電リード３４は、ほぼ垂直方向に折り曲げられ、プロテクタ３０の上側に配されるプリント配線基板４０の電極部４２に溶接等により接続される。プリント配線基板４０には、例えばリチウム・イオン電池の充放電等を制御する回路素子４４が実装されている。

プロテクタ３０は、図６に示すように、絶縁樹脂から成るケース３６と、ケース３６に超音波溶接等により接続されるカバー３８とを有し、これらの内部に形成された空間内にバイメタル素子５０が配されている。バイメタル素子５０は、第１の導電リード３２に溶接等によって接続された基部５２と、バイメタル素子５０の先端に形成された可動接点５４とを含む。通常動作時は、可動接点５４が第２の導電リード３４の固定接点５６に所定の接圧で接触され、バイメタル素子５０を介して第１、第２の導電リード３２、３４間に電流通路が形成されるが、所定温度以上になると、バイメタル素子５０が反転し、可動接点５４が固定接点５６から離れ、電流通路が遮断される。

プロテクタ３０の内部空間において、バイメタル素子５０とカバー３８との間隔は、約０．５ｍｍ程度を必要とし、この間隔を利用してバイメタル素子５０が基部５２を支点にスナップアクションをする。しかし、インサート成形部２０内に固定されるプロテクタ３０は、インサート成形の際に、高温に晒され、かつ、カバー３８の上部からは非常に大きな圧力が与えられるため、これが原因となってカバー３８が下方に向けて変形してしまうことがある。カバー３８が変形すると、バイメタル素子５０とカバー３８との間隔が０．５ｍｍよりも小さくなり、バイメタル素子５０が十分にスナップアクションをすることができなくなってしまう。その結果、バイメタル素子５０の動作特性が不安定となり、電池本体１０に過電流が流れたり、異常発熱したときに、本来であればプロテクタ３０により回路が遮断されるべきであるにもかかわらず、回路が遮断されず、電池本体１０の保護を適切に行うことができなくなるおそれがある。

本発明は、上記従来の技術を解決するものであり、リチウム・イオン等の電池を適切に保護することができるプロテクタを提供することを目的とする。
さらに本発明は、小型の電池等に搭載される耐圧力性を有し信頼性の高いバッテリープロテクタを提供することを目的とする。

本発明に係るプロテクタは、絶縁樹脂から形成される第１のケース部材と、第１のケース部材に取り付けられる第１、第２の端子と、第１、第２の端子間を電気的に接続しまたは遮断する熱応動素子であって、所定温度以上になると第１、第２の端子間の接続を遮断する、前記熱応動素子と、第１のケース上に取り付けられる、絶縁樹脂から形成される第２のケース部材と、第２のケース部材の少なくとも一部に含まれ、該第２のケース部材と異なる材質で形成された耐圧部材とを有し、前記耐圧部材は前記熱応動素子に対応する位置に突出した主面を含んでいる。

耐圧部材は、通常の平板と異なり、突出した主面を有することで、剛性または変形に対する耐圧が向上するとともに、突出した主面により形成される空間内に熱応動素子の動作スペースを確保することができる。

好ましくは、主面は、第２のケース部材の少なくとも一つの面とほぼ同一の高さであり、耐圧部材は、第２のケース部材にインサート成形される。耐圧部材の主面が第２のケース部材の少なくとも一つの面と同一の高さに位置合わせされることで、耐圧部材の主面と熱応動素子とのスペース（間隔）の精度を一定にすることができる。

好ましくは、前記耐圧部材は、前記主面と異なる面に少なくとも一つの貫通孔を含み、該貫通孔内に第２のケース部材の絶縁樹脂が充填される。これにより耐圧部材と第２のケース部材の接続を強固にすることができる。

好ましくは、前記耐圧部材は、金属プレートであり、主面は金属プレートを加工することにより形成される。主面によって形成された空間内に反転動作した熱応動素子を収容することができる。さらに好ましくは、第１の端子は、バッテリーの電極に電気的に接続され、第２の端子は回路素子に電気的に接続され、プロテクタはバッテリーの端部において樹脂封止される。

本発明のプロテクタによれば、第２のケース部材内に耐圧部材を含ませるようにしたので、第２のケース部材に圧力が加わったときでも、第２のケース部材が変形するのが抑止され、その結果、熱応動素子が適切に動作するのに必要なスペースを確保することができる。これにより、熱応動素子の動作特性が安定した信頼性の高いプロテクタを提供することができる。

以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施例に係るバッテリープロテクタを示す図、図２はケースを示す図、図３はカバーを示す図である。詳細を分かり易くするため図１のスケールは他の図よりも大きくなっている。

バッテリープロテクタ１００は、図１(ａ)に示すように、中央に凹部を有するケース１１０と、ケース１１０に取り付けられるカバー１２０とを有する。ケース１１０およびカバー１２０は、好ましくは、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの熱可塑性樹脂を用いて射出成形により形成される。ケース１１０とカバー１２０は、それぞれの外周部１２２を超音波溶接され、これにより矩形状の薄型外形を有するプロテクタを構成する。

ケース１１０の成形の際に、第１の導電リード１３０と第２の導電リード１４０がインサート成形され、第１、第２の導電リード１３０、１４０がケース１１０の樹脂内に固定される。第１の導電リード１３０は、板状の金属部材から形成され、ケース１１０の第１の側面１１２から突出する外部リード部１３２とケース１１０内を延在する内部リード部１３４と含んでいる。外部リード部１３２には、図２に示すように円形状の一対の突起１３２ａ、１３２ｂが形成されている。第１の導電リード１３０が図示しない電極リードに接続されるとき、一対の突起１３２ａ、１３２ｂを介して両者が溶接される。電極リードは、例えば、第１の導電リードを電池の負極端子に接続させるものである。

内部リード部１３４は、ケース１１０内に形成された円筒状の突起１１４に係合するように曲げ加工され、さらにケース内を水平方向に延在し、その途中に一対の孔１３４ａ、１３４ｂが形成されている（図２（ｄ）参照）。一対の孔１３４ａ、１３４ｂは、ケース１１０の保持部１１６ａ内に保持され、これにより第１の導電リード１３０の端部が固定される。

第２の導電リード１４０は、第１の側面１１２と対向する第２の側面１１８から突出する外部リード部１４２とケース１１０内を延在する内部リード部１４４とを含んでいる。外部リード部１４２には、一対の突起１４２ａ、１４２ｂが形成されている。第２の導電リード１４０が図示しない電極リードに接続されるとき、一対の突起１４２ａ、１４２ｂを介して両者が溶接される。電極リードは、例えば第２の導電リード１４０をプリント回路基板の電極部に接続させるものである。

内部リード部１４４は、ケース本体内を延在し、矩形状の肉厚の固定接点１４６を含む。内部リード部１４４の端部には、一対の孔１４４ａ、１４４ｂが形成され、一対の孔１４４ａ、１４４ｂがケースの保持部１１６ｂ内に保持されている。固定接点１４６は、好ましくは銀・ニッケル合金から形成される。

ケース１１０の外周部１２２には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように４つのポスト１５０が形成されている。これらのポスト１５０は、ケース１１０に取り付けられるカバー１２０の孔１２４内に挿入される。

一方、カバー１２０の成形の際に、金属プレート１６０がインサート成形され、カバー１２０の樹脂内に固定される。金属プレート１６０は、例えば、ステンレス等の金属から形成され、好ましくは剛性または変形に対する耐圧を有するように加工される。本実施例では、金属プレート１６０は、中央に楕円形状の平坦な面を突出させた主面１６２と、主面１６２から下方に曲げ加工された周辺部１６４とを有している。主面１６２は、周辺部１６４との間で相対的な空間を形成するが、この空間の大きさは、後述するバイメタル素子がスナップアクションをするのに必要な大きさである。

金属プレート１６０をインサート成形するとき、カバー１２０の表面と主面１６２の高さが一致するように、言い換えれば、カバー１２０から主面１６２が露出するように、金属プレートが金型内に位置決めされる。また、金型による成形が終了したとき、金属プレートの主面１６２にイジェクトピン（図示省略）を押し当て、金型からカバー１２０が排出される。

金属プレート１６０の主面１６２は、カバー１２０の表面と同一の高さを有し、その周辺部１６４がカバー１２０の樹脂内に保持される。好ましくは周辺部１６４は、円形状の貫通孔１６６を含み、この貫通孔１６６内に樹脂を充填させることで金属プレート１６０とカバー１２０との接合が強化される。さらに、周辺部１６４の一部には、幅狭の耳部１６４ａが形成され、これがカバー１２０の側面１２６から突出している。カバー１２０の外周部１２２には、４つの孔１２４が形成されて、また、カバー１２０の裏面に一対の円形状の突起１２８ａ、１２８ｂが形成されている（図３（ｄ）参照）。

図１に示すように、ケース１１０とカバー１２０が接合され、その内部空間には、熱応動素子としてバイメタル素子１７０が配される。バイメタル素子１７０は、カバー１２０をケース１１０に接合する前に、ケース１１０に取り付けられる。

バイメタル素子１７０の基部１７２は、ケース１１０の突起１１４上において、第１の導電リード１３０の内部リード部１３２に溶接される。バイメタル素子１７０の先端には、可動接点１７４が形成され、可動接点１７４が固定接点１４６に一定の接圧で接触される。

公知のように、バイメタル素子１７０は、所定の温度以上になるとスナップアクションにより反転動作をし、これにより可動接点１７４が固定接点１４６から離間し、第１の導電リード１３０と第２の導電リード１４０との間の電気的通路が遮断される。反転温度よりも幾分低い温度まで下がると、バイメタル素子１７０は復帰動作をし、可動接点１７４が固定接点１４６に接触し、第１の導電リード１３０と第２の導電リード１４０が電気的に接続される。ここで注意すべきことは、本実施例では、バイメタル素子１７０自身が電流通路として機能するため、自己通電により加熱された温度が雰囲気温度に重畳される。

ケース１１０にバイメタル素子１７０を固定した状態で、その上からカバー１２０が取り付けられる。カバー１２０をケース１１０に取り付けるとき、ケース１１０の各ポスト１５０が対応する孔１２４内に挿入され、両者が位置決めされる。そして、ケース１１０とカバー１２０の外周部１２２が超音波溶接により接合される。このとき、カバー１２０の裏面に形成された一対の突起１２８ａ、１２８ｂが、突起１１４上のバイメタル素子１７０の基部１７２を押圧する。ケース１１０およびカバー１２０によって形成された空間内においてバイメタル素子１７０が動作可能状態に配される。バイメタル素子１７０の凸状の湾曲面または可動接点１７４から金属プレート１６０の主面１６２の裏面までの直線距離Ｓは、約０．５ｍｍである。金属プレート１６０の主面１６２がカバー１２０の表面と同一の高さになるようにインサート成形されているため、直線距離Ｓの精度を一にすることができる。

次に、プロテクタ１００は、図５に示すように、リチウム・イオン電池の電池本体の上部に取り付けられる。すなわち、第１の導電リード１３０が電極リードを介して負極端子１２に接続され、第２の導電リード１４０がプリント配線板４０の電極部４２に接続される。プロテクタ１００およびプリント配線板４０をインサートした状態で電池本体上にインサート成形部２０が形成される。本実施例のプロテクタ１００は、カバー１２０が剛性のある金属プレート１６０を含んでいるため、インサート成形の際に大きな圧力がプロテクタに加わったとしても、金属プレート１６０がそれに耐え、カバー１２０の変形が防止される。これにより、バイメタル素子１７０とカバー１２０との距離Ｓをほぼ一定に維持することができ、バイメタル素子１７０の動作特性を変化させることなく、信頼性の高いバッテリープロテクタを提供することができる。

リチウム・イオン電池に過電流が流れたり、電池パックが発熱し異常温度に到達すると、プロテクタ１００のバイメタル素子１７０がこれに応答し、スナップアクションにより反転する。可動接点１７４は、固定接点１４６から瞬時に離れ、金属プレート１６０の主面１６２に当接し、回路が遮断される。

次に、本発明の変形例について説明する。上記実施例では、金属プレート１６０の周辺部１６４から中央に突出する楕円形状の主面１６２を形成したが、これに限られるものではない。例えば図４(ａ)に示すように、カバー１２０内に突出した主面２１０を形成するとともに、複数の折り曲げ部２１２を形成することで、金属プレート２００の剛性を大きくしてもよい。複数の折り曲げ部２１２の位置は、図４(ａ)の配置に限らず２次元的に配されてもよい。主面２１０は、バイメタル素子１７０が反転動作をするために十分なスペースを確保できる位置に形成されることが望ましい。

また、図４（ｂ）に示すように、複数の折り曲げ部２２２が下方に突出するように金属プレート２０２を加工してもよい。複数の折り曲げ部２２２は、カバー１２０の裏面と同一高さとなるように成形される。これにより、金属プレート２０２の剛性を大きくするとともに、バイメタル素子１７０の反転動作に必要な直線距離Ｓの精度を保つことができる。

さらに上記実施例では、カバー１２０の耐圧を向上させるために一枚の金属プレートを含ませるようにしたが、金属プレートは複数であってもよい。例えば、図４(ｃ)に示すように、金属プレート２０４は、２枚の金属プレート２３０、２３２が積層されるようにカバー１２０に含まれるようにしてもよい。また、図４（ｄ）に示すように、金属プレート２０６は、並置された複数の金属プレート２４０、２５０を含み、これら金属プレート２４０、２５０がそれぞれ主面２４２、２５２を有するようにしてもよい。

さらにカバーの１２０の耐圧を向上させるために金属部材を用いたが、金属部材以外であっても、強化プラスチック材のような耐圧の高い部材をカバー１２０に含ませることも可能である。さらに、金属プレートに形成される主面の形状は、楕円形状に限らず、円形状、矩形状であってもよく、プロテクタやバイメタル素子の大きさや形状に応じて適宜変更可能である。

さらに金属プレート１６０の耳部１６４ａは、インサート成形後に金属プレートを切断したときの残部として形成されるものであるが、これをノーマルオープン接点として利用することも可能である。この場合、バイメタル素子１７０の可動接点１７４が金属プレート１６０と接触する位置に接点を追加することが望ましい。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明に係るプロテクタは、好ましくは、リチウム・イオンなどのバッテリーを保護するための小型プロテクタとして利用される。

本実施例のバッテリープロテクタを示す図であり、図１(ａ)はＸ−Ｘ線断面図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は側面図である。バッテリープロテクタのケースを示す図であり、図２(ａ)は上面図、図２(ｂ)は側面図、図２(ｃ)はＸ１−Ｘ１線断面図、図２(ｄ)は背面図である。バッテリープロテクタのカバーを示す図であり、図３(ａ)は上面図、図３(ｂ)はＹ−Ｙ線断面図、図３(ｃ)はＸ２−Ｘ２線断面図、図３(ｄ)は背面図、図３(ｅ)は側面図である。本実施例の変形例を示す図である。従来のバッテリープロテクタの構成を示す断面図である。従来のバッテリープロテクタの課題を説明する図である。

符号の説明

１００：プロテクタ
１１０：ケース
１２０：カバー
１３０：第１の導電リード
１３２、１４２：外部リード部
１３４、１４４：内部リード部
１４０：第２の導電リード
１５０：ポスト
１６０、２００、２０２、２０４、２０６：金属プレート
１６２、２１０、２３０、２３２、２４２、２５２：主面
２１２、２２２：折り曲げ部

Claims

絶縁樹脂から形成される第１のケース部材と、
第１のケース部材に取り付けられる第１、第２の端子と、
第１、第２の端子間を電気的に接続または遮断する熱応動素子であって、所定の温度以上になると第１、第２の端子間の接続を遮断する、前記熱応動素子と、
第１のケース上に取り付けられる、絶縁樹脂から形成される第２のケース部材と、
第２のケース部材の少なくとも一部に含まれ、該第２のケース部材と異なる材質で形成された耐圧部材とを有し、
前記耐圧部材は、前記熱応動素子に対応する位置に突出した主面を有している、プロテクタ
前記主面は、第２のケース部材の少なくとも一つの面とほぼ同一の高さである、請求項１に記載のプロテクタ。
前記耐圧部材は、第２のケース部材にインサート成形される、請求項１または２に記載のプロテクタ。
前記耐圧部材は、前記主面と異なる面に少なくとも一つの貫通孔を含み、該貫通孔内に第２のケース部材の絶縁樹脂が充填される、請求項３に記載のプロテクタ。
前記耐圧部材は、金属プレートであり、前記主面によって形成された空間内に反転動作した熱応動素子を収容可能である、請求項１ないし４いずれか１つに記載のプロテクタ。
第１、第２のケース部材は、矩形状の外形を有し、第１、第２のケース部材の外周部が接合されたとき、内部に形成された空間内で前記熱応動素子が動作可能であり、前記熱応動素子は、第１の端子に接続された基部と、該基部と対向する側に形成された可動接点とを備えたバイメタル素子を含み、第２の端子には前記可動接点と接触可能な固定接点が形成されている、請求項１ないし５いずれか１つに記載のプロテクタ。
第１の端子は、バッテリーの電極に電気的に接続され、第２の端子は回路素子に電気的に接続され、プロテクタは、バッテリーの端部において樹脂封止される、請求項１ないし６いずれか１つに記載のバッテリープロテクタ。