JP2011081924A - 合金型温度ヒューズ及び温度ヒューズ用リード導体付き低融点合金片の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合金型温度ヒューズにおいて、低融点合金片両側の空間を排除するにもかかわらず良好な作動性を保証し、充分に小サイズ化を図る。
【解決手段】低融点合金片２両端のそれぞれに隣接するリード導体１の表面部分にリード導体表面のねれ性に対し濡れ性の悪い濡れ拡がり防止層ｓを設けて前記の凝固低融点合金片２の各端を前記濡れ拡がり防止層ｓの先端に終端させた。
【選択図】図４−２

Description

本発明は、合金型温度ヒューズに関するものである。

二次電池、例えばリチウムイオン電池の過熱保護に使用される合金型温度ヒューズにおいては、小サイズ化が要求され、その小サイズ温度ヒューズとして、帯状リード導体間に低融点合金片を接続し、低融点合金片にフラックスを塗布し、該フラックス塗布低融点合金片を上下の絶縁フィルムで封止したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

合金型温度ヒューズの動作機構は、温度ヒューズが取り付けられた被保護機器の過熱で低融点合金片が溶融され、その溶融合金が各リード線端部に濡れ拡がり、中央が分断され、フラックスの活性作用のバックアップのもとで表面張力により球状化が促進され、分断間の距離が増大されて通電が遮断されることにある。

而るに、前記の温度ヒューズでは、低融点合金片の両側に空間を設け、その空間のリード導体部分に溶融合金を濡れ拡げさせることが必要であり、それらの空間による温度ヒューズ本体部のサイズアップが避けられない。

本発明の目的は、合金型温度ヒューズにおいて、低融点合金片両側の空間を排除するにもかかわらず良好な作動性を保証し、充分に小サイズ化を図ることにある。

請求項１に係る合金型温度ヒューズは、扁平リード導体の表面端部間に所定の接触角で凸曲面状に凝固形成させ、かつリード導体の端部に溶接させた低融点合金片上にフラックスを塗布し、このフラックス塗布低融点合金片をフィルムで挾み、これらの間を接着剤で埋めた温度ヒューズであり、低融点合金片両端のそれぞれに隣接するリード導体表面部分にリード導体表面のねれ性に対し濡れ性の悪い濡れ拡がり防止層を設けて前記の凝固低融点合金片の各端を前記濡れ拡がり防止層の先端に終端させたことを特徴とする。
請求項２に係る合金型温度ヒューズは、請求項１記載の合金型温度ヒューズにおいて、低融点合金の組成がＳｎ、ＩｎまたはＢｉを主成分とし、濡れ拡がり防止層の材質がＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉの何れかであることを特徴とする。
請求項３に係る合金型温度ヒューズは、請求項１記載の合金型温度ヒューズにおいて、濡れ拡がり防止層がリード導体の酸化膜であることを特徴とする。
請求項４に係る合金型温度ヒューズは、請求項１〜３何れかの合金型温度ヒューズにおいて、両リード導体先端の端面間のスペースに低融点合金の一部を入り込ませ、この入り込み合金の裏面にもフラックスを塗布したことを特徴とする。
請求項５に係る合金型温度ヒューズは、請求項１〜４何れかの合金型温度ヒューズにおいて、低融点合金片の各端と接着剤層の各内端との間の距離が０または±０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。
請求項６に係る合金型温度ヒューズは、リード導体の表面端部間に低融点合金の溶湯を配給し、その溶湯の表面張力とリード導体表面の表面張力とが平衡するまえの段階で冷却凝固させて再溶融に対し不平衡力を保有させた低融点合金片をヒューズエレメントとすることを特徴とする。
請求項７に係る合金型温度ヒューズは、リード導体の表面端部間に低融点合金の溶湯を配給し、開放冷却のもとで濡れ拡げさせ凝固させた低融点合金片をヒューズエレメントとすることを特徴とする。
請求項８に係る温度ヒューズ用のリード導体付き低融点合金片の製作方法は、請求項１〜５何れかの合金型温度ヒューズにおいて使用するリード導体付き低融点合金片を製作する方法であり、先端から所定の距離を隔てた位置を先端として濡れ拡がり防止層を設けた扁平リード導体基材を所定のギャップ間隔を隔てて作業台上に配設し、前記ギャップ及び両リード導体端部にわたって低融点合金の溶湯を供給し、この溶湯を濡れ拡がり防止層の先端乃至は先端直前まで濡れ拡がらせて凝固させると共に各リード導体の端部と凝固合金との間を溶接させ、次いで短冊状に切断することを特徴とする。

図１の（イ）及び（ロ）は本発明において使用するリード導体付き低融点合金片を示している。
図１の（イ）に示すものでは、扁平リード導体１，１の端部間に所定量の低融点合金の溶湯を配給し、表面開放の充分に速い冷却速度のもとで冷却して溶湯の表面張力とリード導体表面の表面張力と溶湯とリード導体表面との間の界面張力とが力学的に平衡していない段階で冷却凝固させて低融点合金片２を形成してあり、不平衡力が蓄えられている。再溶融すると、不平衡力が解放され、溶融合金が拡がろうとする。
図１の（ロ）に示すものでは、リード導体先端から所定の距離の位置を先端とする、濡れ角が９０°以上の濡れ拡がり防止層ｓを設け、溶湯が濡れ拡がり防止層の先端を越えて濡れ拡がるのを防止してあり、他の点は、図１の（イ）に示すものと同じである。
前記「不平衡力が蓄えられた低融点合金片」に代え、リード導体の表面端部間に低融点合金の溶湯を配給し、開放冷却のもとで濡れ拡げさせ凝固させた低融点合金片を使用することもでき、クローズされた後述のフラックス充填空間ａ内での再溶融では、開放冷却に較べて冷却が遅く進行し凝固にそれだけ長い時間を必要とするから、再溶融により拡がろうとする。
図１の（ハ）及び（ニ）は、温度ヒューズ本体部を示し、図１の（イ）及び（ロ）の凝固可溶合金片がフラックス充填空間ａで封じられており、外部からの加熱で可溶合金が溶融されると、前記蓄えられた不平衡力が解放され、→方向に引っ張り力が作用し、中央箇所が分断され、各分断塊が表面張力により球状化され、分断間距離が増大されて温度ヒューズの作動が完結され、良好な作動性を保証できる。
本発明に係る合金型温度ヒューズでは、図１の（ロ）に示すように、低融点合金片両端のそれぞれに隣接するリード導体表面部分にリード導体表面の濡れ性に対し濡れ性の悪い濡れ拡がり防止層ｓを設けて前記低融点合金片２の各端を前記濡れ拡がり防止層ｓの先端に終端させており、低融点合金片２の長さＬを確実に所定長さにできる、低融点合金片両側の空間を排除するにもかかわらず良好な作動性を保証できる、という効果がある。

本発明に係る合金型温度ヒューズの機能を示すための図面である。 本発明において使用するリード導体付き低融点合金片を示す図面である。 前記リード導体付き低融点合金片の中央部を示す図面である。 リード導体付き低融点合金片の前記とは別の例を示す図面である。 本発明において使用するリード導体付き低融点合金片の製作方法を示す図面である。 本発明に係る合金型温度ヒューズを示す斜視図である。 図４−１におけるイ−イ断面図である。 本発明に係る合金型温度ヒューズの作動状態を示す図面である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。
図２は本発明において使用するリード導体付き低融点合金エレメントを示す図面である。
図２−１において、１，１は帯状リード導体であり、例えば、銅導体を使用できる。
２は低融点合金エレメントであり、上面は両端部に至るほど接線角を大きくした曲面とされ、中間部の一部２０を対向するリード導体先端々面１１，１１間に図２−２に示すように入り込ませ、両端部２１，２１のそれぞれが各帯状リード導体端部１０，１０の上面に溶接されている。
低融点合金エレメントの対向するリード導体先端々面間への入り込み体積は低融点合金エレメント全体積の１０〜２０％である。図２−１に示するように、入り込み部分２０の下面と帯状リード導体１，１の下面とをほぼ面一にすることもできる。

前記の温度ヒューズ用リード導体付きエレメントを製造するには、図３に示すように、先端から所定の距離を隔てた位置を先端として濡れ拡がり防止層ｓを設けた扁平リード導体基材１００，１００を所定の定のギャップ間隔を隔てて耐熱性の作業台Ａ、例えばステンレス台上に配設し、この基材１００，１００間に低融点合金線材を供給しつつはんだごてで溶融するか、溶融低合金を走行ノズルで供給することにより、ギャップ及びリード導体基材端部にまたがって低融点合金の溶湯２００を供給する。
溶湯２００は供給と同時にリード導体基材１００，１００の高熱伝導経路を経ての放熱により冷却され、リード導体基材端部に近い部分ほど速い冷却速度で冷却されて凝固が進行していく。

仮に、溶湯の表面張力とリード導体表面の表面張力と溶湯とリード導体表面との間の界面張力とが力学的に平衡するまで溶融状態を保持し、この状態で冷却凝固させると、再溶融しても濡れ拡がりは生じない。
而るに、この力学的平衡に達する以前に溶湯を冷却凝固させれば、再溶融すると濡れ拡がりが生じる。すなわち、凝固低融点合金エレメントに不平衡力を保有させ得る。
しかしながら、この方法では、凝固低融点合金エレメントの端位置にバラツキが生じ易く、凝固低融点合金エレメントが所定長より長くなり、温度ヒューズにおいてエレメント端が後述の接着剤のシール界面に食い込んでシール性に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、本発明では、扁平リード導体基材に、先端から所定の距離を隔てた位置を先端とする濡れ拡がり防止層ｓを設け、溶湯を濡れ拡がり防止層の先端を越えることなく濡れ拡がらせることを確保して凝固させている。
この供給低融点合金溶湯の凝固の完了をまって短冊状にカットし、「凝固低融点合金エレメントに不平衡力を保有させたリード導体付き低融点合金エレメント」を得ている。

低融点合金溶湯の材質としては、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｎを主成分とする組成、これらの合金に機械的強度の向上や温度特性の調整のためにＣｕ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｚｎ等の元素を０．１〜４．０質量％添加したものを使用できる。

上記リード導体基材の熱伝導経路を得ての放熱による冷却速度を調整するために、ギャップの裏側を保温したり、リード導体基材をエアブローしたり、リード導体基材を熱伝導性の部材で支持したりすることができる。

前記製造方法により得られた温度ヒューズ用リード導体付きエレメントにおいては、図２−２に示すように、対向するリード導体先端々面１１，１１間に低融点合金エレメントの一部２０が入り込んでいる。

低融点合金には、例えば、次ぎの組成[Ａ]（１）４３％Ｓｎ≦７０％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（２）２５％≦Ｓｎ≦４０％，５０％≦Ｉｎ≦５５％，残Ｂｉ、（３）２５％Ｓｎ≦４４％，５５％Ｉｎ≦７４％，１％≦Ｂｉ２０％、（４）４６％Ｓｎ≦７０％，１８％≦Ｉｎ４８％，１％≦Ｂｉ≦１２％、（５）５％≦Ｓｎ≦２８％，１５％≦Ｉｎ≦３７％，残Ｂｉ、（６）１０％≦Ｓｎ≦１８％，３７％≦Ｉｎ≦４３％，残Ｂｉ、（７）２５％Ｓｎ≦６０％，２０％≦Ｉｎ５０％，１２％Ｂｉ≦３３％、（８）（１）〜（７）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（９）３３％≦Ｓｎ≦４３％，０．５％≦Ｉｎ≦１０％，残Ｂｉ、（１０）４７％≦Ｓｎ≦４９％，５１％≦Ｉｎ≦５３％の１００重量部にＢｉを３〜５重量部を添加、（１１）４０％≦Ｓｎ≦４６％，７％≦Ｂｉ≦１２％，残Ｉｎ、（１２）０．３％≦Ｓｎ≦１．５％，５１％≦Ｉｎ≦５４％，残Ｂｉ、（１３）２．５％≦Ｓｎ≦１０％，２５％≦Ｂｉ≦３５％，残Ｉｎ、、（１４）１０％≦Ｓｎ≦２５％，４８％≦Ｉｎ≦６０％，残Ｂｉ等のＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金の組成（１５）（９）〜（１４）の何れか１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、[Ｂ]（１６）３０％≦Ｓｎ≦７０％，０．３％≦Ｓｂ≦２０％，残Ｂｉ、（１７）（１６）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ−Ｓｂ系合金の組成[Ｃ]（１８）５２％≦Ｉｎ≦８５％，残Ｓｎ、（１９）（１８）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＩｎ−Ｓｎ系合金の組成[Ｄ]（２０）４５％≦Ｂｉ≦５５％，残Ｉｎ、（２１）（２０）の組成の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、或いはＳｎを０．０１〜０．０４重量部添加等のＩｎ−Ｂｉ系合金の組成、[Ｅ]（２２）５０％Ｂｉ≦５７％，残Ｓｎ、（２３）（２２）の１００重量部にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、等のＢｉ−Ｓｎ系合金の組成[Ｆ]（２４）Ｉｎの１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２５）９０％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ａｇ≦１０％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加、（２６）９５％≦Ｉｎ≦９９．９％，０．１％≦Ｓｂ≦５％の１００重量部にＡｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐの１種または２種以上を合計０．０１〜７重量部添加等のＩｎ系合金の組成等から温度ヒューズの動作温度に適合した融点の組成を選定することができる。

濡れ拡がり防止層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉの何れかのめっき、真空蒸着により形成できる。濡れ拡がり防止層をリード導体に酸化膜を形成して設けることもできる。

リード導体にＳｎ等のめっき膜を設ける場合、リード導体の先端から所定距離をおいた位置を先端として濡れ拡がり防止層を設け、次いで、拡がり防止層の後端部にラップさせてＳｎ等めっき膜を設けることができる。

図４−１は本発明に係る合金型温度ヒューズの斜視図を、図４−２は図４−１におけるイ−イ断面図をそれぞれ示している。
図４−２において、Ｅはリード導体付き低融点合金エレメントであり、扁平リード導体１，１の表面端部間に所定の接触角で凸曲面状に凝固形成させ、かつリード導体の端部に溶接させた低融点合金片２からなり、低融点合金片両端のそれぞれに隣接するリード導体表面部分にリード導体表面の濡れ性に対し濡れ性の悪い濡れ拡がり防止層ｓを設けて前記低融点合金片２の各端を前記濡れ拡がり防止層ｓの先端に終端させてある。
低融点合金エレメント２の上面側にフラックス３１を塗布し、低融点合金エレメントの入り込み部２０の下面及び該下面に燐在する帯状リード導体下面部分にも符合３２で示すようにフラックスを塗布してある。
上側フラックス３１は、帯状リード導体の端部上面に溶接された低融点合金エレメントを１００％で覆うように塗布されている。上面側フラックス３１の塗布厚みは、帯状リード導体の端部上面に溶接された低融点合金エレメント部分の平均厚みの７０〜１００％とすることが好ましい。
下側フラックス３２の塗布厚みは、温度ヒューズ本体の下面側から低融点合金エレメントへの熱伝達性（感温性）を保証するために、下面側絶縁体厚み（下側フィルムと下側接着剤との総厚み）の５０％以下とすることが好ましい。
フラックスには、ロジン系を主成分とし、活性剤例えばジカルボン酸（例えば、フマル酸、マレイン酸、シュウ酸等）を添加したものを使用できる。

４，４は上下の耐熱フィルム、５は上下フィルム４，４間の空間を埋めた接着剤であり、上側フラックス３１、下側フラックス３２が接着剤に接している。
耐熱フィルムには、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＥＮ等のエンジニアリングプラスチックフィルム、ガラスクロス基材エポキシ樹脂フィルム等を使用できる。一枚物で上下から挾むようにして使用することもできる。
接着剤としては、エポキシ樹脂、紫外線硬化性樹脂、シリコン樹脂等を使用できる。

低融点合金片２の各端と接着剤５の各内端とを一致させて、合金片端部の接着剤界面への食い込みを排除したり、合金片端と接着剤内端との間に間隔が生じるのを排除しているが、不一致でも、その間の距離が±０．３ｍｍ以下であれば、実質上、支障をきたさない。

本発明に係る温度ヒューズを製造するには、（１）作業台上において、リード導体付きフラックス塗布低融点合金エレメントを下側耐熱フィルム上に配置し、下側塗布フラックスの粘着力でその配置位置への固定状態を担保し、次いで未硬化接着剤塗布耐熱フィルムを接着剤面を下側にして前記下側配置耐熱フィルム上に配置し、この上側の配置耐熱フィルムを治具で押えた状態で接着剤を硬化させる方法、または（２）作業台上に、未硬化接着剤塗布耐熱フィルムを接着剤面を上側にして配置し、フラックス塗布低融点合金エレメント接続リード導体を下側耐熱フィルム上に配置し、未硬化接着剤の粘着力でその配置位置への固定状態を担保し、次いで未硬化接着剤塗布耐熱フィルムを接着剤面を下側にして前記下側配置耐熱フィルム上に配置し、この上側の配置耐熱フィルムを治具で押えた状態で接着剤を硬化させる方法を使用できる。

前記の合金型温度ヒューズにおいては、ヒートサイクル時に発生する低融点合金エレメントの熱膨張力が、対向するリード導体先端々面間に入り込んだ低融点合金エレメント部分とリード導体先端々面との接触面でも支持されるから、前記熱膨張力に対し、低融点合金エレメントとリード導体先端部との溶接箇所に作用する反力が低減される。従って、低融点合金エレメントとリード導体先端部との溶接箇所の対ヒートサイクル安定性を向上できる。
また、温度ヒューズ本体の下面側からの熱伝達に対し、低融点合金エレメントの入り込み厚みだけ低熱伝達物（フラックス）の厚みを薄くできるから、下面側からの感熱性をそれだけアップできる。
また、図２−３に示すように、分断を生じ易くするために低融点合金エレメント２の中央部両側に切り込み２２，２２を設けても、リード導体先端々面間に入り込んだ低融点合金エレメント部分２０のために低融点合金エレメントの中央部の断面積を充分に確保でき、電流容量をよく確保できる。

図５は本発明に係る合金型温度ヒューズの低融点合金エレメントの分断動作状態を示し、硬化接着剤で確保されたキャビティ５０内に低融点合金エレメントとフラックスとが空き空間なく納められ、この空きのない状態で低融点合金エレメントが分断され、その分断魂２００，２００間に溶融フラックス３０が食い込んで分断間距離が拡大されていく。而るに、低融点合金エレメントの対向するリード導体先端々面間への入り込み部分の下面及びその下面に燐在するリード導体先端部下面にもフラックスを塗布し、前記キャビティ５０の容積を大きくしてあるから、分断間距離を長くでき、分断間絶縁距離を充分に確保し得、確実な電流遮断を保証できる。

１ リード導体
２ 低融点合金片
２０ 低融点合金片の入り込み部
３ フラックス
４ 絶縁フィルム
５ 接着剤
ｓ 濡れ拡がり防止層

特開２００１−５２５８２号公報 特開２００５−２６０３６号公報

Claims (8)

1. 扁平リード導体の表面端部間に所定の接触角で凸曲面状に凝固形成させ、かつリード導体の端部に溶接させた低融点合金片上にフラックスを塗布し、このフラックス塗布低融点合金片をフィルムで挾み、これらの間を接着剤で埋めた温度ヒューズであり、低融点合金片両端のそれぞれに隣接するリード導体表面部分にリード導体表面のねれ性に対し濡れ性の悪い濡れ拡がり防止層を設けて前記の凝固低融点合金片の各端を前記濡れ拡がり防止層の先端に終端させたことを特徴とする合金型温度ヒューズ。
2. 低融点合金の組成がＳｎ、ＩｎまたはＢｉを主成分とし、濡れ拡がり防止層の材質がＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉの何れかであることを特徴とする請求項１記載の合金型温度ヒューズ。
3. 濡れ拡がり防止層が導体の酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の合金型温度ヒューズ。
4. 両リード導体先端の端面間のスペースに低融点合金の一部を入り込ませ、この入り込み合金の裏面にもフラックスを塗布したことを特徴とする請求項１〜３何れか記載の合金型温度ヒューズ。
5. 低融点合金片の各端と接着剤層の各内端との間の距離が０または±０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４何れか記載の合金型温度ヒューズ。
6. リード導体の表面端部間に低融点合金の溶湯を配給し、その溶湯の表面張力とリード導体表面の表面張力とが平衡するまえの段階で冷却凝固させて再溶融に対し表面張力変形性能を保有させた低融点合金片をヒューズエレメントとすることを特徴とする合金型温度ヒューズ。
7. リード導体の表面端部間に低融点合金の溶湯を配給し、開放冷却のもとで濡れ拡げさせ凝固させた低融点合金片をヒューズエレメントとすることを特徴とする合金型温度ヒューズ。
8. 請求項１〜５何れか記載の合金型温度ヒューズにおいて使用するリード導体付き低融点合金片を製作する方法であり、先端から所定の距離を隔てた位置を先端として濡れ拡がり防止層を設けた扁平リード導体基材を所定のギャップ間隔を隔てて作業台上に配設し、前記ギャップ及び両リード導体端部にわたって低融点合金の溶湯を供給し、この溶湯を濡れ拡がり防止層の先端乃至は先端直前まで濡れ拡がらせて凝固させると共に各リード導体の端部と凝固合金との間を溶接させ、次いで短冊状に切断することを特徴とする温度ヒューズ用のリード導体付き低融点合金片の製作方法。

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