JP2010272387A - 保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流に対し適確に保護し得る保護素子を提供する。
【解決手段】一対のピン電極１，１を有し、これらのピン電極１，１にガイド軸６が並設され、過電流の通電により発熱される過電流発熱性片２がガイド軸８０ａに挿通された状態で前記一対のピン電極１，１間にまたがって配設され、各ピン電極１，１と過電流発熱性片２との間及び前記ガイド軸６と過電流発熱性片２との間が低融点可溶材３で接合され、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されて発生するバネ上端の振動の最初の振幅の下端位置が、ピン電極先端とガイド軸先端側ケース内面との間隔をｈとしてガイド軸先端からピン電極方向に０．８ｈ以内の高さに位置するようにバネの圧縮反力が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は高容量二次電池、例えば高容量リチウムイオン二次電池に対し過電流を遮断し、過充電時や過放電時に充電や放電を停止するのに有用な保護素子に関するものである。

二次電池、例えばリチウムイオン二次電池においては、過電流や過充電または過放電に対し、二次電池を負荷または充電電源から遮断することが要求され、かかる要求を満たす保護素子として、低融点合金型温度ヒューズと抵抗器とを熱的に近接させて一括したものが知られている。
図５は二次電池保護回路の一例を示している。
図５において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池の過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示し、過電流が流れると、保護素子Ａ’の低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池Ｅの過放電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の抵抗器８’を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断している。
更に、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の抵抗器８’を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で保護素子Ａ’の低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断している。

本発明者等においては、Ｂｉ系低融点合金やＳｂ系低融点合金等の低融点合金ヒューズに長時間、直流電流を流すと、そのヒューズ両端の電極のうち、陽極側の電極と低融点合金ヒューズとの界面の合金にマイグレーションが発生し、クラックが生じて低融点合金ヒューズが本来の動作をするに至るまえに、破断する事実を確認している。

この低融点合金ヒューズのマイグレーションの発生理由は、次のように推定できる。
低融点合金には、共晶型合金、固溶体型合金、金属間化合物型合金があり、これらはミクロ的に見ると、二種以上の金属原子が混合して新しい原子配列の結晶格子を造り、格子点のイオン化原子が平衡状態にあると言える。しかしながら、Ｂｉ原子やＳｂ原子は平衡位置から飛び出し易く課電によリエネルギーを与えられて格子点から飛び出し、転位原子となって結晶格子内を放浪し、直流の場合は、その転位原子が陰極側に移動し、陰極界面に析出していく。転位原子が飛び出した跡の空孔においては、あたかも、満員の観覧席で或る席が空いたとすると、その空席の隣の客が一人づつ移動して新たな空席をうめていくようにして、移動して陽極界面に至り、その界面で空孔同士が合体してクラックを発生するに至ると推定できる。

Ｂｉ系低融点合金ヒューズやＳｂ系低融点合金ヒューズのマイグレーションの例を示せば次の通りである。
５７重量％Ｂｉ−残部Ｓｎ，直径１ｍｍφ，長さ５ｍｍの低融点合金片の両端に直径１ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流１５アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２００μｍのＢｉ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約３０μｍの空隙が形成された。
また、５重量％Ｓｂ−残部Ｓｎ，直径２ｍｍφ，長さ７ｍｍの低融点合金片の両端に直径２ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流６０アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約５０μｍのＳｂ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２０μｍの空隙が形成された。

図５において、符合Ａ’で示した「低融点合金ヒューズと抵抗器とを一括した保護素子」は周知である（例えば、特許文献１、特許文献２等）

而るに、図５において、低融点合金ヒューズ３０’の両端電極の極性が、充電時、放電時の度に変わるが、急速充電を想定すると、時間当たりに掛かる電力量は充電時の方が放電時よりも多くなるから、前記低融点合金ヒューズ３０’のマイグレーションは避け難い。

本発明の目的は、直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流に対し適確に保護し得る抵抗器付き保護素子を提供することにある。
本発明の更なる目的は、直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流以外の異常に対し適確に保護し得る抵抗器付き保護素子を提供することにある。

請求項１に係る保護素子は、一対のピン電極を有し、これらのピン電極にガイド軸が並設され、過電流の通電により発熱される過電流発熱性片がガイド軸に挿通された状態で前記一対のピン電極の先端間にまたがって配設され、各ピン電極と過電流発熱性片との間及び前記ガイド軸と過電流発熱性片との間が低融点可溶材で接合され、前記過電流発熱性片を前記ピン電極から離隔させる圧縮反力を保持させたバネが設けられ、ピン電極脚部を導出してケースで覆われており、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されて発生するバネ上端の振動の最初の振幅の下端位置が、ピン電極先端とガイド軸先端側ケース内面との間隔をｈとしてガイド軸先端からピン電極方向に０．８ｈ以内の高さに位置するようにバネの圧縮反力が設定されていることを特徴とする。
請求項２に係る保護素子は、請求項１の保護素子において、抵抗器本体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器が付加され、該抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮コイルバネが抵抗器本体と過電流発熱性片との間において前記ガイド軸に挿通され、抵抗器の一方のリード導体と両ピン電極の何れかとの間に被保護機器の異常時に前記抵抗器を通電発熱させて前記の低融点可溶材を溶融させる抵抗発熱回路が接続されることを特徴とする。
請求項３に係る保護素子では、請求項１または２の保護素子において、バネの上端がケース内上面に衝突してから束の間接触したままとなるために、振幅の上端が飽和されて直線化されていることを特徴とする。
請求項４に係る保護素子は、一対のピン電極を有し、これらのピン電極にガイド軸が並設され、過電流の通電により発熱される過電流発熱性片がガイド軸に挿通された状態で前記一対のピン電極の先端間にまたがって配設され、各ピン電極と過電流発熱性片との間及び前記ガイド軸と過電流発熱性片との間が低融点可溶材で接合され、前記過電流発熱性片を前記ピン電極から離隔させる圧縮反力を保持させたバネが設けられ、ピン電極脚部を導出してケースで覆われ、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されてガイド軸の上端部に移動された過電流発熱性片をその上端部に留める手段が設けられていることを特徴とする。
請求項５に係る保護素子は、請求項４の保護素子において、抵抗器本体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器が付加され、該抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮コイルバネが抵抗器本体と過電流発熱性片との間において前記ガイド軸に挿通され、ケースより導出される抵抗器の一方のリード導体と両ピン電極の何れかとの間に被保護機器の異常時に前記抵抗器を通電発熱させて前記の低融点可溶材を溶融させる抵抗発熱回路が接続されることを特徴とする。
請求項６に係る保護素子は、請求項５または６何れかの保護素子において、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されてガイド軸の上端部に移動された過電流発熱性片をその上端部に留める手段がガイド軸上端部に設けられたテーパ部またはねじれ部であることを特徴とする。
請求項７に係る保護素子は、請求項２、３、５、６何れかの保護素子において、過電流発熱性片が円板、小判形、若しくは両端部円弧の扁平形とされ、ピン電極が円形過電流発熱性片外周に適合する外側面の断面円弧形とされ、円形過電流発熱性片外周に臨む箇所に低融点可溶材によるピン電極先端の接合がおこなわれ、各ピン電極の内側面と抵抗器本体との間隙に、熱良伝導性電気絶縁材が充填や抵抗器本体への塗布、または成形品配置などによって介在していることを特徴とする。
請求項８に係る保護素子は、請求項１〜７何れかの保護素子において、ケースが相互に係止される左右または上下の２分割以上とされていることを特徴とする。
請求項９に係る保護素子は、請求項１〜８何れかの保護素子において、低融点可溶材が鉛、カドミウム、水銀を含まない合金であることを特徴とする。
請求項１０に係る保護素子は、請求項１〜９何れかの保護素子において、低融点可溶材が過電流発熱性片に定量搭載され、リフローにより過電流発熱性片とピン電極及びガイド軸との接合が行われていることを特徴とする。
請求項１１に係る保護素子は、請求項２、３、５〜１０何れかの保護素子において、二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする。

（１）低融点可溶材にバネ反力が作用する箇所が、過電流発熱性片両端の各端部と各ピン電極とを接合する２ヵ所及び過電流発熱性片の中間部とガイド軸とを接合する１ヵ所の合計３ヵ所に分散されているから、１〜２ヵ所の場合に較べ、低融点可溶材に作用する応力を小さくできる。従って、低融点可溶材のクリープを低減でき、保護素子の適格な作動を保障できる。
（２）直流加電下で過電流が流れると、過電流発熱性片が発熱し、過電流発熱性片と電極とを接合している低融点可溶材がその発生熱で溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片がピン電極間から脱離して過電流が遮断される。従って、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が旧来の線状ヒューズエレメント使用のものに較べ実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーション及び前記クリープに基づく誤動作を排除して過電流を適確に遮断できる。
（３）被保護機器の前記過電流以外の異常が発生すると、抵抗器が通電発熱され、低融点可溶材がその発生熱で溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片がピン電極間から脱離されて被保護機器への給電が停止される。而るに（１）で説明した通り、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーション及び前記クリープに基づく誤動作を排除して被保護機器異常時の給電遮断を適確に行い得る。
（４）低融点可溶材の溶融でバネが圧縮反力から解放されて伸び、過電流発熱性片がガイド軸に沿って移動してケース内上面に衝突し、バネが圧縮反力を受けるためにバネ上端が振動する。この振動は減衰振動であり、過電流発熱性片は最終的にケース内天井の位置で静止する。この天井位置は、溶融した低融点可溶材を糸曳き連がりなく切断し得るように設定されいる。振幅はバネの保有歪エネルギー、従ってバネの初期圧縮反力により定まり、最初の振幅の下端位置が、ピン電極先端とガイド軸先端側ケース内面との間隔をｈとしてガイド軸先端からピン電極方向に０．８ｈ以内の高さに位置するようにバネの圧縮反力が充分に高く設定されているから、低融点可溶材の溶融時に過電流発熱性片をピン電極から迅速に脱離させ得、かつ過電流発熱性片とピン電極先端の溶融低融点可溶材との再接触を確実に防止できる。従って、確実・迅速な通電遮断を保証できる。

本発明に係る保護素子の一実施例を示す図面である。 図１に示す保護素子における応力状態を示す図面である。 図１に示す保護素子の低融点可溶材の溶融に基づくバネ上端の振動状態を示す説明図である。 本発明に係る保護素子の別実施例を示す縦断面図である。 図３−２の（イ）は図３−１におけるバネの装着状態を示す図面、図３−２の（ロ）は図３−１におけるロ−ロ断面図、図３−２の（ハ）は図３−１におけるハ−ハ断面図である。 本発明に係る保護素子の上記とは別のバネの装着状態を示す図面である。 本発明において使用する分割ケースの一例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の使用状態を示す図面である。 二次電池保護回路を示す図面である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明に係る保護素子の一実施例を示す縦断面図、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図１において、１０は耐熱性の絶縁基台、例えばフェノール樹脂板である。１，１は一対の並行なピン電極であり、絶縁基台１０に挿通固定してある。このピン電極は銅製や錫めっき真鍮等とすることができる。６はガイド軸であり、金属体を使用でき、前記ピン電極１，１に並行に配設し、基台１に固定してある。２は過電流発熱性片であり、ピン電極１の断面に較べて薄い金属板やピン電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。２１は過電流発熱性片２に設けた孔であり、ガイド軸６に挿通してある。
３は過電流発熱性片２と各ピン電極１，１との間及び過電流発熱性片２とガイド軸６との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。
７はコイルバネであり、例えばステンレスバネを使用でき、このバネ７と過電流発熱性片２をガイド軸６に順次に挿通し、過電流発熱性片２の両端部を各ピン電極１，１の先端面に接触させると共にコイルバネ７を圧縮し、この状態で各ピン電極１，１の先端面と過電流発熱性片２の各端部との間及び過電流発熱性片２とガイド軸６との間を低融点可溶材３により接合してある。
５は絶縁体ケースであり、ケース内天井にガイド軸６の先端が終端している。

上記におけるバネ反力に基づく力学的状態を簡易化すれば、図２の（イ）〔断面図〕及び図２の（ロ）〔図２の（イ）に対する上面図〕のように、圧縮バネ７の圧縮反力のために、各ピン電極と過電流発熱性片とを接合している低融点合可溶材の断面Ｓ−Ｓにおいて剪断応力Ｆが作用し、過電流発熱性片とガイド軸とを接合している低融点可溶材の界面ｓ−ｓに剪断応力ｆが作用している状態とすることができる。
図２において、断面Ｓ−Ｓの面積をＳ、界面ｓ−ｓの面積をｓ、圧縮バネ７の圧縮反力をＴ、過電流発熱性片２とガイド軸６との間を低融点可溶材３での剪断力が作用する箇所の厚みをｔ、高さをｂ、低融点可溶材の剪断ヤング率をＧとすると、
２ＳＦ＋ｓｆ＝Ｔ
Ｆ／Ｇ＝ｆｔ／Ｇ
が成立する。
前記界面ｓ−ｓの面積ｓは、ガイド軸の半径をｒとすれば、ｓ≒２πｒｂであるから、前記応力Ｆは
［式１］ Ｆ≒０．５Ｔ／［Ｓ＋（πｒｂ）／（ｔ）］
で与えられる。

式１において、ガイド軸の半径ｒが応力Ｆの減少に寄与するのは、過電流発熱性片２とガイド軸３との間を低融点可溶材で接合したためであり、ピン電極１と過電流発熱性片２とを接合する低融点可溶材箇所Ｓ−Ｓに作用する剪断応力Ｆを前記半径ｒを増大することにより減少でき、その低融点可溶材箇所Ｓ−Ｓでのクリープをよく防止できるから、ピン電極１，１と過電流発熱性片２との電気的接触状態を安定に維持できる。

図１において、低融点可溶材３が溶融されると、バネ７の初期圧縮反力に基づく歪エネルギーが解放され、過電流発熱性片２が最終的にケース内天井の位置に伸びたバネの相当の圧縮応力で押し付け固定される。この固定された過電流発熱性片の位置とピン電極１先端との間隔ｈは、溶融した低融点可溶合金を糸曳き連がりなく切断し得るように独自に設定されており、過電流発熱性片がケース内天井に当接する時点でも、バネは相当の圧縮状態にある。従って、低融点可溶材の溶融により過電流発熱性片がケース内天井に衝突し、この衝突でバネに圧縮反力が作用し、バネの先端が図２−２に示す経時状態で変位する。バネが伸びて過電流発熱性片がケース内天井に接しても、バネは弾性のために瞬時に収縮に移るのではなく、バネ先端の過電流発熱性片がケース内天井に接してからバネ収縮に移るまでに束の間ではあるが、時間Δｔが経過し、振幅の上端が飽和の直線となる。図１において、バネ先端の初期位置とケース内天井との間隔が前記の通り独自に設定されるから、バネ振動の振幅は、バネの初期歪エネルギー、従って初期圧縮反力によって定まる。而るに、最初の振幅の下端位置が、ピン電極先端とガイド軸先端側ケース内面との間隔をｈとしてガイド軸先端からピン電極方向に０．８ｈ以内の高さに位置するようにバネの圧縮反力が充分に高く設定されており、溶融した低融点可溶合金をバネ力で迅速に遮断でき、且つ過電流発熱性片とピン電極先端の溶融低融点可溶材との再接触を確実に防止できる。従って、過電流発熱性片離脱による迅速で確実な通電遮断を保証できる。
また、遮断時にアークが発生するような条件で使用する場合、消弧剤を付加することもできる。

上記バネの初期圧縮反力の規制に代え、低融点可溶材の溶融によりケース内天井に到来した過電流発熱性片をガイド軸上端部に留める手段を設けることもできる。ケース内天井に到来した過電流発熱性片をガイド軸上端部に留める手段としては、ガイド軸上端部にテーパ凸部を設け、このテーパ凸部を越えた過電流発熱性片の孔をテーパ凸部の段に引っ掛けて過電流発熱性片を支える構成、ガイド軸上端部にねじれを付しねじれ部を越えた過電流発熱性片を落下ないようにする構成、弾性逆止爪、過電流発熱性片に磁性体を取り付けると共にケース内天井に磁石を配設する構成、ケース内天井に粘着材料等を取り付ける構成等を列挙できる。

前記バネの初期圧縮反力Ｔに対し式１のせん断応力Ｆを安全値とするように、はんだ（低融点可溶材）付けの寸法が設定されている。

低融点可溶材には、はんだを好適に使用でき、特に鉛フリーはんだ、例えば、ＳｎもしくはＩｎのうち少なくとも何れか一方を含む鉛フリーはんだ、更にはＢｉも含む鉛フリーはんだ、更にはＳｂも含む鉛フリーはんだを使用できる。低融点可溶材の量が不足すると、所定の接合強度を担保し得ず、量が過剰であると、溶融切断時に糸曳きが生じ易くなるから、低融点可溶材使用量の高精度管理が要求される。而して、低融点可溶合金を過電流発熱性片の所定箇所に高精度治具で定量供給しておき、この過電流発熱性片にピン電極を位置決めし、ガイド軸を挿通し、次いで加熱して低融点可溶合金を溶融させる方法、すなわちリフロー法を使用することが好ましい。

図３−１の（イ）は本発明に係る保護素子の別実施例を示す縦断面図である。 図３−２の（イ）はバネの初期設定状態を、図３−２の（ロ）は図３−１におけるロ−ロ断面図を、図３−２の（ハ）は図３−１におけるハ−ハ断面図をそれぞれ示している。
図３−１において、１０は耐熱性の絶縁基台、例えばフェノール樹脂板である。１，１は一対の並行なピン電極であり、直角折り曲げにより脚部１００を形成し、組み立て式の絶縁基台１０をピン電極脚部１００を抱き込むようにして組み立ててある。このピン電極は銅製とすることができる。８は巻線型抵抗器であり、リード導体付きキャップ電極８０１が耐熱性絶縁コア例えばセラミックスコアの両端に装着され、コアに抵抗線が巻き付けられ、その巻き付け各端が各キャップ電極８０１，８０１に溶接等により接合されてなり、ピン電極１，１間に並設し、一方のリード導体８０ａをガイド軸６として使用している。他方のリード導体８０ｂは絶縁基台１０から引き出してある。他方のリード導体８０は可撓性を有する導体及び絶縁被覆電線とすることもでき、また溶接などの方法で金属板など他の導体に接合して引き出すこともできる。
２は過電流発熱性片であり、孔においてガイド軸６（８０ａ）に挿通しピン電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させた状態で配置してあり、電極１の断面に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３は過電流発熱性片２と各ピン電極１，１との間及び過電流発熱性片２とガイド軸６（８０ａ）との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。７はバネ、例えばステンレスバネであり、過電流発熱性片２と抵抗器本体一端との間において圧縮状態でガイド軸６（８０ａ）に挿通してあり、低融点可溶材３が溶融したときに、過電流発熱性片２をピン電極１，１から脱離させ得る応力エネルギーを保有させてある。バネをガイド軸に同心配置してバネとガイド軸との接触を排除するために、図３−２の（イ）に示すように、バネを密接に装着し得る中央凸部を備えた絶縁スペーサ９００（例えば、セラミックス製）をガイド軸６（８０ａ）に緊密に挿通してある。

過電流発熱性片２を図３−２の（ロ）に示すように円板としたり、小判形若しくは両端部円弧の扁平形とすることができ、ピン電極１の断面形状を外側面が過電流発熱性片の外周に面一乃至は適合する円弧状とすることもできる。

また、 図３−２の（ハ）に示すように、ピン電極１，１と抵抗器本体８との間の間隙に対のピン電極電極１，１間の隙間から熱良伝導性絶縁材８００、例えば珪砂等の無機粉末フィラーを配合した硬化性樹脂、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を注入充填することができる。この構成により、抵抗器本体８の後述する発生熱をピン電極１，１を経て低融点可溶材に迅速に伝達できる。

図３−１に示す保護素子においては、リード導体４→ピン電極１→過電流発熱性片２→リード導体８０ａ→抵抗器８→リード導体８０ｂを含む抵抗発熱回路が、被保護機器の異常時に通電されて抵抗器８が通電発熱され、その発生熱で低融点可溶材３，３，３が溶融されてピン電極１，１間が遮断される。而るに、バネ７例えばステンレスバネの比抵抗値はリード導体８０ａの比抵抗値に対しそれほど高くなく、抵抗発熱回路のオン後、低融点可溶材が溶融されるまでの間にピン電極１→過電流発熱性片２→バネ７→抵抗器キャップ電極８０１→抵抗器８の経路で電流が流れてバネ７が発熱し、そのバネ特性の低下で保護素子の作動に支障をきたす畏れがあるので、図３−２の（イ）に示すように、スペーサ９００を絶縁体とすると共に過電流発熱性片２とバネ７との間に板状の絶縁スペーサ９０１を介在させてある。また、絶縁スペーサ９０１は低融点可溶材接合時において,バネが過電流発熱性片に接触する位置まで可溶材が流入してくるのを抑制し、バネと可溶材との絶縁距離を確実に確保させる役を果たしている。
図３−３に示すように、バネ７と過電流発熱性片２との間、またはバネ７と抵抗器キャップ電極８０１との間に絶縁スペーサ９０１，９０２を介在させることもできる。これらの絶縁スペーサ９０１，９０２を双方とも介在させることもできる。また、絶縁スペーサ９０２に代え、抵抗器キャップ電極８０１に絶縁膜をコートすることもできる。
更に、バネ７の傾きにより、バネ７の上端内周及び下端内周がリード導体８ａに接触してバネ７に電流がバイパスする畏れもあるから、バネ７の内側とリード導体８ａとの間に絶縁筒９を介在させることがより安全である。

本発明に係る保護素子において、過電流発熱性片の形状は短冊、円形等適宜に設定でき、それに応じてピン電極の断面形状も適宜に設定できる。
ケースは、例えば図３−４に示すように、左右または上下二つ割れとし、両片を雄側爪と雌側溝とにより結合するものを使用でき、材質はプラスチック、例えばホリカーボネート、ＰＰＳ、ＰＢＴとすることができる。また、三分割以上の構成とすることもできる。
低融点可溶材接合部にフラックスを塗布しておけば、可溶材の糸曳き発生の防止に有利である。この場合、ケースは密閉構造とされる。

本発明に係る保護素子は、図４に示す二次電池保護回路の保護素子として好適に使用できる。
図４において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池の過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示している。
Ａは本発明に係る保護素子を示し、電極１，１に接続したリード導体４，４と抵抗器８の他方のリード導体８０ｂとを３端子とする構成である。
放電時に過電流が流れると、保護素子Ａの過電流発熱性片２を発熱させて低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池Ｅの過放電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、抵抗器８を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断させる。
更に、充電時、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、抵抗器８を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極間１，１から脱離させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断させる。

前記二次電池保護回路においては、両ピン電極の極性が、充電時、放電時の度に交互に変わるが、時間当たりに掛かる電力量は充電時の方が放電時よりも多くなる。しかし、各ピン電極と過電流発熱性片との電気的導通が電気的接触のためによく確保されているから、低融点可溶材への直流電流の流通がかなり少なく、低融点可溶材合金の直流マイグレーションを排除できる。
そして、過電流が流れると、過電流発熱性片がジュール発熱し、その発生熱で低融点可溶材が溶融され、バネが解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離される。従って、直流過電流を適確に遮断できる。
充電時に過充電が生じると、または放電時に過放電が生じると、抵抗器が通電発熱され、その発生熱で低融点可溶材が溶融され、バネが解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離され、二次電池と充電電源との間または二次電池と負荷との間が遮断される。従って、二次電池を過充電または過放電の異常からも適確に保護できる。

上記ピン電極１の材質は銅とし、表面の酸化防止のためにＳｎ若しくはＳｎ基とする合金を被覆することができる。
この銅ピン電極では、前記低融点合金可溶材３との接合界面において銅が低融点合金可溶材３に拡散移行し、低融点合金可溶材３の機械的強度が低下され、かつ溶融温度が変動される惧れがあるので、ピン電極１の少なくとも低融点合金可溶材３に接合される部分、好ましくはピン電極１の全表面に銅移行阻止膜、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ｐのうちの少なくとも一層以上の膜をＳｎ若しくはＳｎを基とする合金被覆層との間に設けることができる。
前記過電流発熱性片２の材質は、銅若しくは銅合金例えば真鍮とし、表面の酸化防止のためにＳｎ若しくはＳｎ基とする合金を被覆することができる。この過電流発熱性片２とピン電極１とを接合する低融点合金可溶材３に過電流発熱性片２から銅が拡散移行するのを阻止するために、過電流発熱性片２の少なくとも低融点合金可溶材３に接合される部分に銅移行阻止膜、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ｐのうちの少なくとも一層以上の膜をＳｎ若しくはＳｎ基とする合金被覆層との間に設けることができる。更に、ガイド軸６または抵抗器のリード導体８０ａ、８０ｂと過電流発熱性片２とを接合する低融点合金可溶材３に過電流発熱性片から銅が拡散移行するのを阻止するために、過電流発熱性片２の少なくともその低融点合金可溶材３に接合される部分に銅移行阻止膜を設けることができる。過電流発熱性片２の全表面に銅移行阻止膜を設けることが好ましい。
前記ガイド軸６または抵抗器のリード導体８０ａ、８０ｂには、抵抗器の抵抗値が高いので、銅線や銅合金線、ニッケル線、鉄線または鋼線上に銅層を被覆した複合線（何においても、最外層上にＳｎ若しくはＳｎ基とする合金を被覆することができる）を使用しても差し支えなく、この場合、ガイド軸６またはリード導体８０ａの少なくとも低融点合金可溶材３に接合される部分、好ましくは過電流発熱性片２の全表面に銅移行阻止膜、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ｐのうちの少なくとも一層以上の膜をＳｎ若しくはＳｎ基とする合金を被覆層との間に設けることもできる。
これらの中間層を設けることにより、リード固定電極の強度が上がるので耐疲労特性が向上する利点もある。また、Ｓｎ若しくはＳｎを基とする合金からＳｎウィスカが成長することを抑制できる利点もある。

本発明に係る保護素子において、過電流発熱性片側に全電流が流れ、低融点可溶材側に電流がバイパスしないことが理想的であるが、数％〜３０％程度のバイパスであれば許容される。この場合、充電時に陽極側となる方のピン電極と過電流発熱性片とを接合する低融点合金可溶材の量を他方のピン電極と過電流発熱性片とを接合する低融点合金可溶材の量よりも多くすることが、前記マイグレーション対策として有効である。
充電時に陽極側となる方のピン電極には、そのことを認識できるマークを付することができる。

１０ 絶縁基台
１ 電極
２ 過電流発熱性片
２１ 孔
３ 低融点可溶材
４ リード線
５ ケース
６ ガイド軸
７ バネ
８ 抵抗器
８０ａ 抵抗器の一方のリード導体（ガイド軸）
８００ 熱良伝導性絶縁材

実開昭６２−０２４４５１号公報 実開昭５８−１５７９４３号公報

Claims (11)

1. 一対のピン電極を有し、これらのピン電極にガイド軸が並設され、過電流の通電により発熱される過電流発熱性片がガイド軸に挿通された状態で前記一対のピン電極の先端間にまたがって配設され、各ピン電極と過電流発熱性片との間及び前記ガイド軸と過電流発熱性片との間が低融点可溶材で接合され、前記過電流発熱性片を前記ピン電極から離隔させる圧縮反力を保持させたバネが設けられ、ピン電極脚部を導出してケースで覆われており、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されて発生するバネ上端の振動の最初の振幅の下端位置が、ピン電極先端とガイド軸先端側ケース内面との間隔をｈとしてガイド軸先端からピン電極方向に０．８ｈ以内の高さに位置するようにバネの圧縮反力が設定されていることを特徴とする保護素子。
2. 請求項１記載の保護素子において、抵抗器本体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器が付加され、該抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮コイルバネが抵抗器本体と過電流発熱性片との間において前記ガイド軸に挿通され、ケースより導出される抵抗器の一方のリード導体と両ピン電極の何れかとの間に被保護機器の異常時に通電し、前記抵抗器を通電発熱させて前記の低融点可溶材を溶融させる抵抗発熱回路が接続されることを特徴とする保護素子。
3. バネの上端がケース内上面に衝突してから束の間接触したままとなるために、振幅の上端が飽和されて直線化されている請求項１または２記載の保護素子。
4. 一対のピン電極を有し、これらのピン電極にガイド軸が並設され、過電流の通電により発熱される過電流発熱性片がガイド軸に挿通された状態で前記一対のピン電極の先端間にまたがって配設され、各ピン電極と過電流発熱性片との間及び前記ガイド軸と過電流発熱性片との間が低融点可溶材で接合され、前記過電流発熱性片を前記ピン電極から離隔させる圧縮反力を保持させたバネが設けられ、ピン電極リード部を導出してケースで覆われ、前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されてガイド軸の上端部に移動された過電流発熱性片をその上端部に留める手段が設けられていることを特徴とする保護素子。
5. 請求項４記載の保護素子において、抵抗器本体の両端にリード導体が取付けられてなる抵抗器が付加され、該抵抗器の一方のリード導体がガイド軸として使用され、圧縮コイルバネが抵抗器本体と過電流発熱性片との間において前記ガイド軸に挿通され、ケースより導出される抵抗器の一方のリード導体と両ピン電極の何れかとの間に被保護機器の異常時に通電し、前記抵抗器を通電発熱させて前記の低融点可溶材を溶融させる抵抗発熱回路が接続されることを特徴とする保護素子。
6. 前記圧縮反力に基づくバネ歪エネルギーが低融点可溶材の溶融で解放されてガイド軸の上端部に移動された過電流発熱性片をその上端部に留める手段がガイド軸上端部に設けられたテーパ部またはねじれ部である請求項５記載の保護素子。
7. 過電流発熱性片が円板、小判形若しくは両端部円弧の扁平形とされ、ピン電極が円形過電流発熱性片外周に適合する外側面の断面円弧形とされ、円形過電流発熱性片外周に臨む箇所に低融点可溶材によるピン電極先端の接合がおこなわれ、各ピン電極の内側面と抵抗器本体との間隙に、熱良伝導性電気絶縁材が充填や抵抗器本体への塗布、または成形品配置などによって介在していることを特徴とする請求項２、３、５、６何れか記載の保護素子。
8. ケースが相互に係止される左右または上下の２分割以上とされていることを特徴とする請求項１〜７何れか記載の保護素子。
9. 低融点可溶材が鉛、カドミウム、水銀を含まない合金であることを特徴とする請求項１〜８何れか記載の保護素子。
10. 低融点可溶材が過電流発熱性片に定量搭載され、リフローにより過電流発熱性片とピン電極及びガイド軸との接合が行われていることを特徴とすると請求項１〜９何れか記載の保護素子。
11. 二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする請求項２、３、５〜１０何れか記載の保護素子。

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