JP2006179388A - サーマルプロテクタ - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルプロテクタの温度上昇により、可動片が徐々に動いて可動片の反転前にサーマルプロテクタの可動片先端の可動接点が固定接点から離反する現象がり、これが原因でサーマルプロテクタの電流遮断温度が変動する。
【解決手段】本発明に係るサーマルプロテクタは、可動片が徐動現象を伴なわずに反転動作する位置より、より高い位置に固定接点の位置を配置する構造とすることで、可動片の徐動現象による可動接点と固定接点の離反を防止することができ、部品寸法や組み立て時の位置あわせなどでのばらつきによる動作温度の変動を抑制するもので工業上顕著な効果を奏するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種モータや機器類で、電気回路を遮断して過電流や過熱による破損および破壊を未然に防ぐ保護部品として用いられるもので、携帯電話機やノート型パソコン等の二次電池、小型モータ、自動車用モータ，充電器の直流回路、エアコンのファン，電気洗濯機等の汎用モータの交流回路等で使用されているサーマルプロテクタに関するものであり、さらにはこのサーマルプロテクタを用いた携帯電話機やノート型パソコンに関するものである。

近年、携帯電話、ノートＰＣ、情報端末等の携帯電子機器の電源として、体積エネルギー密度の大なる二次電池、例えばリチウムイオン二次電池が多用されている。この二次電池は、過充電および過放電を防止する保護回路と電池をパッケージした電池パックの形態で使用される。
前記二次電池では、短絡時の異常が発生すると電池自体が大きなエネルギーを内蔵しているために、激しく発熱し、極端な場合は電池容器の爆発に至る。そこで、従来、過電流防止としてヒューズ、サーミスタ等の部品が使用されていたが、近年は遮断装置の高機能化に伴い、機械式ブレーカー（以下、サーマルプロテクタと称す）が採用されてきている。

図４に示すサーマルプロテクタは絶縁性の筐体本体（以下筐体と称する）と、その筐体内に、接点部として、一端に固定接点３と接触離反する機能を有する可動接点２を備え、筐体本体１０の高所側に片持ち梁式に動作するように他端を固定して設けられる高熱膨張係数と低熱膨張係数の部材を張り合わせた金属部材で構成された熱応動素子を兼ねる可動片１と、可動接点２と対をなす固定接点３を筐体本体１０内の他端部底面側に備える固定端子４と、接点部を保護する絶縁性の筐体蓋部１１とで構成されている。通常、可動接点２と固定接点３は常時接触する状態（接点閉）で用いられる。そして、電池パック等に過電流が流れた場合には、バイメタルが反転して、可動接点２と固定接点３が離反して電流が遮断され、接点開の状態になる。例えば、このような典型的な構造としては、図４の例の他に、特願２００４−２０８９３８号に記載のものがあり、これを図８に示す。

次に、図５に過電流が流れた場合に離反した接点を接点開の状態に、持続させる機能を有するサーマルプロテクタの構造の例を示す。二次電池から流れる電流は、可動片１、可動接点２、固定接点３を介し、電気負荷部に印加される。しかし電池パックに過電流が流れた場合には、可動片１が発熱することで可動片１の温度が上昇して反転動作を起し、可動接点と固定接点を離反させて通電を遮断する。

この時、図５のように、可動接点と固定接点が離反している状態である接点開時を持続させる機能（自己保持）を付加したサーマルプロテクタとして、筐体本体１０と可動片１の間に正特性サーミスタ１３（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）を設置し、接点開時に可動片から正特性サーミスタに電流が流れ、正特性サーミスタの電気抵抗値上昇による発熱を利用して可動片に熱を享受させ、接点開時を持続させる。
なお、可動接点と固定接点が閉から開状態に移行する温度を動作温度、逆に開から閉に移行する温度を復帰温度とよぶ。

特願２００４−２０８９３８号

しかしながら、従来のサーマルプロテクタでは以下のような問題を抱えていた。
サーマルプロテクタの温度上昇により、可動片が徐々に動いて可動片の反転前にサーマルプロテクタの可動片先端の可動接点が固定接点から離反する現象があることを発見した。これが原因でサーマルプロテクタの電流遮断温度が変動してしまうことがある。この徐動現象の問題点は、特に徐動温度領域があると、接点が動作温度に到達する前に既に徐動領域で接点が離反してしまうことから、動作温度が変動してしまうことである。ここで、サーマルプロテクタの設計は、バイメタルの昇温時の反転温度、降温時の復帰温度を基にして設計されるが、徐動による接点の反転温度（離反温度）のずれに対する十分な対策はこれまで見出されていないことから、徐動現象を防止することはサーマルプロテクタの設計上重要な課題である。また、徐動現象は復帰時にも認められるが、復帰時の徐動現象は、サーマルプロテクタの作動に対する影響は小さい。従って、サーマルプロテクタの作動に対する影響に関しては、反転温度が重要なことから、以下は反転温度に対する徐動温度の影響について述べる。

このような問題に対し、可動片を湾曲形状とし、可動片先端の可動接点の固定接点に対する接触圧力を高めることにより可動片の接触抵抗を高める工夫がなされていたが、徐動現象を抑え所定の温度に達したときにスムーズに反転動作するような工夫は十分ではなかった。
そこで、可動接点の固定部を固定接点より高く設定し、可動片のばね力により可動片先端の可動接点の固定接点に対する接触圧力を高める方法を用いたサーマルプロテクタを本発明者等が観察した。その結果、絶縁ケース内の雰囲気温度を徐々に昇温させていったところ、可動片の可動接点側が徐々に徐動し、湾曲部が平坦面に近くなり、その後に反転動作現象起こるものが観察され、その徐動領域のばらつきも非常に大きいものであった。以上より、可動接点と固定接点の位置関係によっては可動片が反転動作する前に可動接点と固定接点が離反する場合があることがわかった。

図６には、絶縁性筐体の蓋部に突起部１５を設けて、その突起部に可動片が押しつけられる構造としたものを示す。この徐動現象を抑制するには、図６に示すような絶縁性筐体の蓋部に突起部１５を設けて、可動片がその突起部１５に押しつけられるようにすることで可動片と固定接点の接触圧力を調整することにより解決を図る場合がある。
しかし、このような突起部１５を有するサーマルプロテクタの場合、可動片を押す突起部１５の形状寸法の違いにより、可動片の固定接点に対する押し付け圧力が大きく変化し、その結果として動作温度が大きく変化することが判った。その結果を図７に突起部高さとディスクの反転復帰温度の関係で示す。ここで、図７において、横軸の突起部高さの数値０は、突起部１５と可動片１が精度良く接触し、押し付け圧力が零の場合を指す。突起部高さが負の場合は、突起部１５が可動片１を押しつける方向、突起部高さが正の場合は、突起部１５と可動片１が離れる方向を示す。図７より、突起部１５の形状寸法が設計値と数１０μｍの差があるだけで、動作温度が十数℃変化する恐れがあることが判る。

また、図６のような突起部１５を有するサーマルプロテクタの組み立てにおける絶縁性の筐体本体と絶縁性の筐体蓋部の組み立て工程、例えば超音波溶着工程では、両者を組み付ける時の位置合わせなどでのばらつきにより、可動片１と突起部１５の位置関係が変化し、可動片１と固定接点３の接触圧力がばらつく恐れがある。その結果、前記サーマルプロテクタを構成する部品の寸法公差のばらつきの他、上記の組立時のばらつきなどによっても反転温度が大きくばらついてしまうという第２の問題がある。上記第１、第２の問題により、サーマルプロテクタの温度特性にばらつきが生じ、歩留まりに悪影響を与える課題があった。

このような、第１、第２の問題を解決するために、鋭意検討した結果、発明者等は、反転時の徐動現象を防止することを可能とし、本発明をなすに至ったので、以下にその内容を記載する。

請求項１記載の発明は、筐体本体内の一端側の固定接点と、固定接点側に伸び先端に可動接点を有する熱応動素子からなる他端側に固定部を設けた可動片とを有し、前記可動片のバネ作用と温度変化による反転作用により可動接点を固定接点に対して接触離反させる機構のサーマルプロテクタで、前記可動片の反転動作前の徐動状態中に、接触状態にある固定接点と可動接点とが離反しないことを特徴とするサーマルプロテクタである。このようにすることにより、サーマルプロテクタの可動片が反転動作する前に可動接点と固定接点が離反することを防止することにより、動作温度の安定性を確保できる。

請求項２記載の発明は、固定接点と可動接点が接触状態で、可動片先端部の可動接点下面位置を可動片の徐動を防止するのに必要な最少高さより、上側に位置するように構成したことを特徴とする請求項1記載のサーマルプロテクタである。このような配置に構成することにより、サーマルプロテクタの徐動現象を防止できる。

請求項３記載の発明は、可動接点と当接するものがないフリーな状態で、可動片固定部を固定した場合に、可動片先端部の下面位置が、可動片固定部の下面位置より下方に位置するような特性を有する可動片を、固定接点と可動接点が接触状態では、可動片先端部の下面位置が可動片固定部の下面位置に等しいかまたは上方に配置することにより、徐動中の可動接点と固定接点の離反を防止することを特徴とする請求項1記載のサーマルプロテクタである。このような配置とすることにより、サーマルプロテクタの動作温度の安定性を確保できる。

請求項４記載の発明は、可動片先端部の下面位置を調整するために、可動片先端部と当接する固定接点位置調整機構を有することを特徴とする請求項２乃至請求項３記載のサーマルプロテクタである。このような機構とすることにより、可動接点を有する可動片先端部の下面位置が、可動片固定部の下面位置より上方にあり、且つ接触している固定接点と可動接点が離反する場合に可動接点が動く方向に配置することが可能となり、徐動を防止できる。

請求項５記載の発明は、少なくとも可動接点が固定接点から離反する際に可動片と電気的に接続する正特性サーミスタが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のサーマルプロテクタである。このような構成とすることにより、可動接点が固定接点に電気的に接触している通常の使用状態では、可動片と正極性サーミスタが絶縁し、さらに少なくとも可動片が離反した時に、正特性サーミスタが電気的に接続し、正特性サーミスタを通じて電流が流れて発熱し可動片に受熱される。これにより熱応動素子である可動片は接点が離反した状態でキープ（自己保持）されるため、接点間の絶縁を保つことができる。

請求項６記載の発明は、正特性サーミスタを備える空間を有し、且つ前記空間の周囲を正特性サーミスタの形状に沿う縁部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のサーマルプロテクタである。このような構成とすることにより、正特性サーミスタを筐体本体内に安定して収納することができる。

請求項７記載の発明は、固定接点と可動接点が接触状態にある可動接点が備わる側の可動片端部の下面位置が、可動片固定部の可動片下面位置より上方に位置し、且つ接触した固定接点と可動接点が離反する場合に可動接点が動作する方向に配置することで、サーマルプロテクタの可動片の反転温度のばらつきを抑制するサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法である。このようにすることにより、サーマルプロテクタの反転温度のばらつきを防止することができる。

請求項８記載の発明は、サーマルプロテクタの可動片の反転温度ばらつきが±３℃以内であることを特徴とする請求項７記載のサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法である。本発明の方法を用いることにより、サーマルプロテクタの反転温度ばらつきを±３℃以内に抑えることが可能となる。

請求項９記載の発明は、固定片の高さ位置調整機構を備え、固定片高さを調整することにより、可動片先端部の下面高さを調整して、サーマルプロテクタの可動片の反転温度のばらつきを抑制する請求項７または請求項８記載のサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法である。このように固定片の位置を調節することにより、可動片の徐動を防止し、サーマルプロテクタの動作温度ばらつきを抑制することができる。

請求項１０記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話又はノートパソコンなどの携帯用端末機器である。

本発明に係るサーマルプロテクタは、その構造により可動片の徐動現象による可動接点と固定接点の離反をよく防止することができ、又、部品寸法や組み立て時の位置あわせなどでのばらつきによる動作温度の変動を抑制するもので工業上顕著な効果を奏するものである。

可動接点の固定接点からの徐動現象による離反を抑制するには、可動片が徐動現象を伴なわずに反転動作する位置より高い位置に可動片を押し上げるように固定接点の位置を配置する。そのために、可動接点が備わる側の可動片の端部が、可動片固定部の位置に対して可動接点が離反動作する方向に配置する。このとき、可動接点と固定接点が接触している状態での接圧が徐動を防止するのに必要なレベルに保たれることになる。

上記のような条件を満足するには、固定接点の位置、可動片の形状、可動片の取付け位置などを本発明に係るようにすることが必要で、その方策としては、サーマルプロテクタ筐体本体の形状を先の条件を満足するように設計して固定接点、可動片などの構成部品を組み立てる。及び固定接点の位置を調整する機構をサーマルプロテクタに設けることで成し遂げてもよい。

次に、本発明に用いられる可動片の材質は、一般にＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金による高熱膨張金属材料とＮｉ−Ｆｅ合金による低膨張材料とを積層させたバイメタル材が使用されるが、それ以外の材質の組み合わせやトリメタル材のような３種類の合金を積層させたようなものでもかまわない。

固定接点及び可動接点の材質は、Ｎｉ−Ａｇ合金であるのが好ましく、Ｎｉ−１０ｍａｓｓ％Ａｇ合金は特に好ましいが、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ａｕ−Ａｇ合金、Ｃ−Ａｇ合金、Ｗ−Ａｇ合金等の接点材料を用いてもよい。なおこれらの接点と固定端子との接合方法については、クラッド、めっき、カシメ等その他手段は問わない。

サーマルプロテクタ筐体本体と筐体蓋部の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）その他耐熱性に優れた樹脂を用いて成形加工される。特にインサート成形により二次電池と一体化して電池パックを製造する場合には、２００℃以上の耐熱性を有する液晶ポリマーを使用するのが望ましい。

以下に本発明の詳細を図１〜図３により説明する。
図１は本発明の第一の実施態様を示すサーマルプロテクタの構成図である。図２は固定接点の位置と動作温度及び復帰温度の関係を示す図である。図３は本発明の第二の実施態様を示すサーマルプロテクタの構成図で正特性サーミスタである。

(実施例１)
図１に示す本発明に係るサーマルプロテクタは、筐体本体１０の一方の端側に固定接点３を備える固定端子４を設け、筐体本体１０のもう一方の端側には、固定接点３と対をなす可動接点２を有する熱応動素子で構成される可動片１が固定端子４と接続されて可動片固定部６を形成している。

ところで、可動片１には湾曲加工が施され、可動接点２を有する可動片接点部が可動片固定部６より筐体天井部方向で、可動接点２が固定接点３を離反する方向になるように配置されている。このような配置を採用することで可動片１の徐動現象を抑え、又、その弾性と温度変化による反転作用により可動接点を固定接点に対して接触させたり離反させたりすることでサーマルプロテクタとしての機能を果たす。

次に、図４のような従来の機構のサーマルプロテクタの固定接点の位置を変えた場合のサーマルプロテクタの動作温度の変化を図２に示す。
図２は固定接点の位置（可動片先端部の下面位置が可動片固定部下面位置と同じ高さになるような固定接点の位置を基準零とする）と動作温度及び復帰温度の関係を示したものである。なお本実験では筐体蓋部１１に突起部１５を設けることなく、各接点間の接触圧力は可動接点と固定接点の位置関係により、５〜２０ｇｆ程度の荷重で調整した。
図２より、固定接点の位置高さが正の時、サーマルプロテクタの動作温度（ディスク反転温度）はほとんどばらつきが無いことがわかる。動作温度は数度下がる傾向が観られるが、図７（突起部高さのばらつきに起因する動作温度変化量）と図２（固定接点高さのばらつきに起因する動作温度変化量）と比較した場合、図２の方が温度変化量が小さく特性的に安定していることがわかる。また図２より固定接点高さが負の場合、動作温度が可動片の徐動により多少ばらつく事があるため、固定接点高さを正側にした方が特性上有利であることがわかる。

(実施例２)
次に図３は本発明の第二の実施態様を示すサーマルプロテクタの構成図である。図３（ａ）は固定接点と可動接点が接触している状態を示し、図３（ｂ）は可動片が反転して、固定接点と可動接点が離反し、反転した可動片が正特性サーミスタに接触した状態を示す。
この実施態様のサーマルプロテクタは、可動接点２と固定接点３が離反し、可動片１が正特性サーミスタ１３と接触する際に、正特性サーミスタ１３が可動片１と固定端子４を通して電気的に接続するように筐体底面１２に埋め込み状に設置され、可動接点と固定接点が離反した状態では、正特性サーミスタには電流が流れ、ほぼ一定の温度を維持するように発熱して離反した状態を維持する自己保持機能を備えている。

ここで正特性サーミスタ１３を筐体本体１０の底面１２に埋め込み状に設置する場合、正特性サーミスタ１３を固定端子４に接合しておらず、且つ固定接点３が請求項１に示す位置関係にある場合には、正特性サーミスタ１３と可動片１の間にスペースができ、サーマルプロテクタに衝撃を与えたり、落下させたりした場合、正特性サーミスタ１３が筐体底面１２に設けた埋め込み空間１４から抜けてしまう恐れがある。そのため、正特性サーミスタ１３を設置する埋め込み空間１４の周囲に縁部８を設けるとよい。
更に正特性サーミスタ１３の可動片との位置関係においてもサーマルプロテクタの動作温度及び復帰温度に大きな影響を与えることから、正特性サーミスタ１３の電極面９を可動片固定部６の可動片下面とほぼ同一面高さとするとサーマルプロテクタの動作及び復帰温度の変動がより抑えられる。

尚、本発明のサーマルプロテクタを用いることにより、サーマルプロテクタの動作温度や復帰温度のばらつきを少なくすることができ、小型で安定なサーマルプロテクタが得られる。また、本発明のサーマルプロテクタを形態電話やノートパソコン等に用いることにより、これらの機器を安全に使用することができるとともに、これらの携帯用電子機器の小型化に役立てることができる。

本発明の第一の実施態様を示すサーマルプロテクタの構成図 固定接点の位置と動作温度及び復帰温度の関係を示す図 本発明の第二の実施態様を示すサーマルプロテクタの構成図 従来の標準的なサーマルプロテクタの構成図 従来の正特性サーミスタを有するサーマルプロテクタの構成図 従来の筐体蓋部に突起部を有するサーマルプロテクタの構成図 突起部高さばらつきとサーマルプロテクタの動作温度の関係を示す図 従来のサーマルプロテクタの構成図

符号の説明

１ 可動片
２ 可動接点
３ 固定接点
４ 固定端子
５ 可動片側端子
６ 可動片固定部
７ 可動片先端部
８ 縁部
９ 電極面
１０ 筐体本体
１１ 筐体蓋部
１２ 筐体本体の底面
１３ 正特性サーミスタ
１４ 埋め込み空間
１５ 筐体蓋部に設けた突起部

Claims (10)

1. 筐体内の一端側の固定接点と、固定接点側に伸び先端に可動接点を有する熱応動素子からなる他端側に固定部を設けた可動片とを有し、前記可動片のバネ作用と温度変化による反転作用により可動接点を固定接点に対して接触離反させる機構のサーマルプロテクタで、前記可動片の反転動作前の徐動状態中に、接触状態にある固定接点と可動接点とが離反しないことを特徴とするサーマルプロテクタ。
   
2. 固定接点と可動接点が接触状態で、可動片先端部の可動接点下面位置を可動片の徐動を防止するのに必要な最少高さより上側に位置するように構成したことを特徴とする請求項1記載のサーマルプロテクタ。
   
3. 可動接点と当接するものがないフリーな状態で、可動片固定部を固定した場合に、可動片先端部の下面位置が、可動片固定部の下面位置より下方に位置するような特性を有する可動片を、固定接点と可動接点が接触状態では、可動片先端部の下面位置が可動片固定部の下面位置に等しいかまたは上方に配置することにより、徐動中の可動接点と固定接点の離反を防止することを特徴とする請求項1記載のサーマルプロテクタ。
   
4. 可動片先端部の下面位置を調整するために、可動片先端部と当接する固定接点位置調整機構を有することを特徴とする請求項２乃至請求項３記載のサーマルプロテクタ。
   
5. 少なくとも可動接点が固定接点から離反する際に可動片と電気的に接続する正特性サーミスタが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のサーマルプロテクタ。
   
6. 正特性サーミスタを備える空間を有し、且つ前記空間の周囲を正特性サーミスタの形状に沿う縁部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のサーマルプロテクタ。
   
7. 固定接点と可動接点が接触状態にある可動接点が備わる側の可動片端部の下面位置が、可動片固定部の可動片下面位置より上方に位置し、且つ接触した固定接点と可動接点が離反する場合に可動接点が離反する方向に配置することで、サーマルプロテクタの可動片の反転温度のばらつきを抑制するサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法。
   
8. サーマルプロテクタの可動片の反転温度ばらつきが±３℃以内であることを特徴とする請求項７記載のサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法。
   
9. 固定片の高さ位置調整機構を備え、固定片高さを調整することにより、可動片先端部の下面高さを調整して、サーマルプロテクタの可動片の反転温度のばらつきを抑制する請求項７または請求項８記載のサーマルプロテクタ動作温度の変動防止方法。
   
10. 請求項１から請求項６のいずれか１項記載のサーマルプロテクタを用いた携帯電話又はノートパソコンなどの携帯用端末機器。

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