JP2019512146A - 貫通デバイス - Google Patents
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Abstract
貫通デバイスは、本体であって、長手方向に離間した第１及び第２の端面と、本体を貫通して長手方向に延びる開口部を定める内面とを有する本体と、本体の開口部内に延びる導体と、本体の開口部内で、導体と本体の内面との間に横断方向に介在して延びて、本体から導体を絶縁する絶縁体とを備え、導体は、絶縁体によって囲まれた内部と、絶縁体を越えて延びる外部とを含み、外部の直径は、内部の直径よりも大きい。【選択図】図１
Description
（関連特許出願との相互参照）
本出願は、２０１６年１月８日出願の米国特許出願第６２／２７６、６４９号の優先権を主張し、その開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１３年３月１２日出願の米国特許出願第６１／７７７、７７７号の優先権を主張する、２０１４年２月２７日出願の米国特許出願第１４／１９２、５５８号に関連し、これらの開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１６年１月８日出願の米国特許出願第６２／２７６、６４９号の優先権を主張し、その開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１３年３月１２日出願の米国特許出願第６１／７７７、７７７号の優先権を主張する、２０１４年２月２７日出願の米国特許出願第１４／１９２、５５８号に関連し、これらの開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
（技術分野）
本発明は、一般的には貫通デバイスに関し、より詳細には密閉式電気貫通デバイスに関する。
本発明は、一般的には貫通デバイスに関し、より詳細には密閉式電気貫通デバイスに関する。
貫通デバイスは、電気デバイスであり、壁を、一般的には密封されたハウジングの壁を通って電気を送るために使用される。例えば、いくつかの例では、貫通デバイスは、電気化学ハウジングの壁（例えば、電池内に延びる端子）、加熱ハウジングの壁（例えば、炉内に延びる熱電対）、加圧ハウジングの壁（例えば、水中容器内に延びる通信リンク）などを通って電気を送るために利用することができる。そのため、いくつかの用途では、貫通デバイスは、それが貫通して延びる壁の少なくとも一側で厳しい環境に遭遇する場合がある（例えば、貫通デバイスは、密封されたハウジングの内側の腐食物質、高圧、及び／又は高温にさらされることがある）。また、貫通デバイスは、熱貫通デバイスとしても使用することができ、熱貫通デバイスは、熱伝達に適した導体によって壁を通ってエネルギーを送るために使用される。
従って、ハウジングの壁を通って電気を伝送することができ、ハウジング内の厳しい環境に効果的に耐えて、製造時間及びコストを最小限に抑えながらハウジングの中への又はハウジングから外への他の物質の移動を防止する貫通デバイスに対するニーズがある。
本発明の１つ実施形態は貫通デバイスに関し、貫通デバイスは、本体であって、長手方向に離間した第１及び第２の端面と、本体を貫通して長手方向に延びる開口部を定める内面とを有する本体と、本体の開口部内に延びる導体と、本体の開口部内に、導体と本体の内面との間に横断方向に介在して延び、本体から導体を絶縁する絶縁体とを備え、導体は、絶縁体によって囲まれた内部と、絶縁体を越えて延びる外部とを含み、外部の直径は、内部の直径よりも大きい。
本発明の別の実施形態は貫通デバイスに関し、貫通デバイスは、本体であって、長手方向に離間した第１及び第２の端面と、本体を貫通して長手方向に延びる開口部を定める内面とを有する本体と、本体の開口部内に延びる導体と、本体の開口部内に、導体と本体の内面との間に横断方向に介在して延び、本体から導体を絶縁する絶縁体とを備え、導体は、絶縁体によって囲まれた内部と、絶縁体を越えて延びている外部とを備え、外部は平坦部を備える。
一部の実施形態では、本体の第１の端面と第２の端面との間の距離は、導体の内部の直径の少なくとも３倍である。
一部の実施形態では、本体の外径は、導体の内部の直径の４倍よりも大きい。
一部の実施形態では、貫通デバイスは、各貫通デバイスが他の貫通デバイスから絶縁される、複数の貫通デバイスのうちの１つである。
一部の実施形態では、導体の圧縮降伏強度は絶縁体の圧縮降伏強度よりも大きく、本体の圧縮降伏強度は絶縁体の圧縮降伏強度よりも大きい。
一部の実施形態では、絶縁体は少なくとも５％圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は少なくとも１０％圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は少なくとも１５％圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は少なくとも２５％圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は少なくとも５０％圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は８５％未満に圧縮される。一部の実施形態では、絶縁体は８０％未満に圧縮される。一部の実施形態では、導体は１％を超えて圧縮される。一部の実施形態では、導体は５％を超えて圧縮される。一部の実施形態では、導体は１０％を超えて圧縮される。一部の実施形態では、導体は１５％を超えて圧縮される。一部の実施形態では、導体は２０％を超えて圧縮される。一部の実施形態では、導体は２５％を超えて圧縮される。
一部の実施形態では、本体は、第１及び第２の端面内少なくとも一方に長手方向に形成された少なくとも１つの窪みを有し、本体の内面の一部は、少なくとも１つの長手方向の窪みに対応して絶縁体に抗して横断方向に変位され、本体の開口部内において絶縁体及び導体をクリンピングし、貫通デバイスにわたる密閉シールを維持する。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の少なくとも２０％である。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の少なくとも２５％である。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の少なくとも３０％である。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の４０％未満である。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の３５％未満である。一部の実施形態では、少なくとも１つの窪みの長手方向の深さは、本体の第１の端面と第２の端部との間の距離の３０％未満である。
一部の実施形態では、外部は、溶接接続に適した表面を含む。
一部の実施形態では、本体及び導体は同じ金属材料から製作され、絶縁体はポリマー材料から製作されている。
一部の実施形態では、導体は導電体である。
一部の実施形態では、導体は熱導体である。
対応する参照符号は、図面の複数の図を通じて対応する要素を示す。
ここで図面、特に図１から図３を参照すると、１つの実施形態による貫通デバイスが、参照番号１００によって概略的に示されている。貫通デバイス１００は、導体１０２と、導体１０２の少なくとも一部を囲む絶縁体１０４と、絶縁体１０４の少なくとも一部を囲む本体１０６とを含む。一部の実施形態では、導体１０２は導電体である。一部の実施形態では、導体１０２は熱導体である。
例示の実施形態では、本体１０６は、例えば、リチウム電池ハウジングの端壁のような、密封ハウジングの壁の全部又は一部である。本体１０６は、本明細書では第１の面１０８（例えば、電池ハウジングの外面）と呼ぶ長手方向の端面と、第１の面１０８から長手方向に離間した第２の面１１０（例えば電池ハウジングの内面）とを有する。第１の面１０８と第２の面１１０との間には、第３の面１１２（例えば、横断方向外面）が長手方向に延び、本体の外面を大まかに定める。また、本体１０６は、これを貫通して長手方向に延び、本体の内面並びに本体の長手方向軸線Ｌ（図４）を定める開口部１１４を有する。
導体１０２、絶縁体１０４、及び開口部１１４によって定まる本体の内面は、断面形状が実質的に円形である（図３）。しかしながら、他の実施形態では、導体１０２（並びに絶縁体１０４、及び本体１０６の内面）は、例えば、正方形、長方形、五角形、六角形、八角形、又は他の適切な形状のような、何らかの断面形状とすることができる。開口部１１４は、例示の実施形態では本体１０６上の実質的に中心に位置しているが、開口部１１４は、本発明の範囲から逸脱することなく、本体１０６の他の場所に位置することができる。
本明細書で用いる場合、「内側の」、「内部の」という用語、又はそのあらゆる変形形態は、長手方向軸Ｌに比較的近い配置を指す方向の修飾語であり、「外側の」、「外部の」という用語又はそのあらゆる変形形態は、参照した位置又は構成部品から比較的離れた配置を指す方向の修飾語である。さらに、本明細書で用いる場合、「長さ」という用語又はそのあらゆる変形形態は、長手方向軸線Ｌによって定まる寸法を指し、「幅」という用語又はそのあらゆる変形形態は、長手方向軸線Ｌと垂直に延びている寸法を指す。「横断方向」という用語は、長手方向軸線Ｌに略直角な方向を指す。
ここで図４を参照すると、導体１０２及び絶縁体１０４は、本体１０６の開口部１１４内に収容され、開口部１１４を貫通して延びる。第１の窪み１１６が第１の面１０８に形成され、第２の窪み１１８が第２の面１１０に形成され、各々の窪み１１６、１１８は、開口部１１４（従って長手方向軸Ｌ）の周りに環状である。他の実施形態では、本体１０６は、他の適切なサイズ及び形状とすることができる（例えば、本体１０６は、例えば正方形又は長方形のような多角形とすることができる）。
同様に、窪み１１６、１１８は、他の実施形態では環状でなくても良い（例えば、環状の窪み１１６、１１８の少なくとも一方は、代わりに、途切れた、外見的に切れ目を入れた環体を形成する複数の円弧状の窪みセクションとすること、又は窪み１１６、１１８の一方は、開口部１１４の周りに配置された複数の直線又は非直線セグメントを有することができる）。代替的に、本体１０６は、貫通デバイス１００が本明細書に説明したように機能することが可能になる、何らかの適切な構成を有することができる。本明細書で用いる場合、「円周方向に延びる」という表現又はそのあらゆる変形形態は、何らかの適切な形状（例えば、正方形、長方形、三角形など）の物体の外周の周りに延びることを指し、円形物体の外周の周りに延びることに限定されない。
例示の第１の窪み１１６は、略長手方向に延びて本体１０６の第１の面１０８内に及び、より詳細にはＶ字形の輪郭であり、このＶ字形の輪郭は、第１の頂点１２４で互いに結合した第１の内側セクション１２０及び第１の外側セクション１２２によって少なくとも部分的に規定される。第１の内側セクション１２０は、略直線状の輪郭であり、長手方向軸線Ｌに対して斜めに向いている。
同様に、例示の第２の窪み１１８は、略長手方向に延びて第２の面に及び、略Ｖ字形の輪郭であり、このＶ字形の輪郭は、第２の頂点１３０で互いに接合した第２の内側セクション１２６及び第２の外側セクション１２８によって少なくとも部分的に規定される。特に、例示の実施形態では、第１の内側セクション１２０及び第２の内側セクション１２６が長手方向軸線Ｌに対して斜めに向いていることにより、本体１０６の材料の移動、より具体的には開口部１１４において本体の内面が長手方向軸線Ｌに向かって横断方向内側に移動するのが助長される。
より詳細には、以下により詳細に説明するように、Ｖ字形のクリンピング工具が第１及び第２の面１０８、１１０の各々に押し込まれて窪み１１６、１１８が形成される。さらに、第１の窪み１１６及び第２の窪み１１８の各々は、開口部での第１の面１０８から第２の面１１０まで測定した場合の（例えば、本体の内面の長さ）、本体１０６の長さの約４分の１の長さ（例えば、そのそれぞれの面１０８、１１０からそのそれぞれの頂点１２４、１３０までの長さ）となる大きさである。他の実施形態では、窪み１１６、１１８は、本体１０６が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する、何らかの適切な輪郭及び／又は長さとすることができる。
例示の導体１０２及び絶縁体１０４は、絶縁体１０４が導体１０２の少なくとも一部を囲んで（例えば、円周方向に延びて）、本体１０６の開口部１１４を貫通して延び、結果として絶縁体１０４が導体１０２と本体１０６との間に配置されて本体を導体から絶縁する。絶縁体１０４は、第１の端部１３２及び第２の端部１３４を有し、絶縁体の第１及び第２の端部１３２、１３４は、開口部１１４の反対端において本体１０６の長手方向外向きに延びている。また、例示の導体１０２は、第１及び第２の端部１３６、１３８を有し、両端部は、開口部１１４において本体１０６の長手方向外向きに延び、より詳細には絶縁体１０４の端部１３２、１３４を越えて長手方向外向きに延びている。一部の実施形態では、例示の本体１０６は、導体１０２を変形させる何らかのクリンピング工程の前に測定した場合に、導体１０２の幅の少なくとも約２倍から３倍の長さ（第１の面１０８から第２の面１１０まで）を有する。
そのため、絶縁体１０４は、本体１０６の第１の面１０８から第２の面１１０まで（例えば、開口部１１４によって規定される内面に沿って）長手方向に延びる環状の外側接触区域１４０に沿って本体１０６に接触する。絶縁体１０４は、第１の端部１３２から第２の端部１３４まで延びる環状の内側接触区域１４２に沿って導体１０２に接触する。例示の実施形態では、絶縁体１０４と本体１０６の内面との間の外側接触区域１４０は、その長さに沿って波状の輪郭を有し、この輪郭は、本体１０６の第１の面１０８に隣接する第１の外側谷セクション１４４と、本体１０６の第２の面１１０に隣接する第２の外側谷セクション１４６と、軸方向で第１の外側谷セクション１４４と第２の外側谷セクション１４６との間に配置された外側山セクション１４８とを含む。
同様に、例示の内側接触区域１４２は、その長さに沿って波状の輪郭を有し、この輪郭は、本体１０６の第１の面１０８に隣接する第１の内側谷セクション１５０と、本体１０６の第２の面１１０に隣接する第２の内側谷セクション１５２と、軸方向で第１の内側谷セクション１５０と第２の内側谷セクション１５２との間に配置された内側山セクション１５４とを含む。他の実施形態では、外側接触区域１４０及び／又は内側接触区域１４２は、何らかの適切な輪郭（例えば、山及び谷の何らかの適切な配置）とすることができ、これは、絶縁体１０４が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する。
波状の接触区域１４０、１４２を有する絶縁体１０４に加えて、内側接触区域１４２から外側接触区域１４０まで測定した場合の絶縁体１０４の幅は、その長さに沿って絶縁体１０４の第１の端部１３２から第２の端部１３４まで変わる。より具体的には、絶縁体１０４の幅は、絶縁体１０４の第１の端部１３２から第２の端部１３４まで長手方向に順番に以下のように変わる、すなわち第１のより広い領域１５６、第１のより狭い領域１５８、中間のより広い領域１６０、第２のより狭い領域１６２、及び第２のより広い領域１６４である。第１のより狭い領域１５８及び第２のより狭い領域１６２は、第１のより広い領域１５６、中間のより広い領域１６０、及び第２のより広い領域１６４よりも狭い。
例示の実施形態では、絶縁体１０４の第１のより広い領域１５６は、絶縁体１０４の第１の端部１３２から本体１０６の第１の面１０８まで延びており、絶縁体１０４の第２のより広い領域１６４は、絶縁体１０４の第２の端部１３４から本体１０６の第２の面１１０まで延びている（すなわち、絶縁体１０４は、本体１０６の第１及び第２の面１０８、１１０よりも本体１０６のチャネル１１４の外側でより広い）。加えて、絶縁体１０４の中間のより広い領域１６０は、その軸方向延長部において、窪み１１６、１１８の頂点１２４、１３０の間の領域の範囲内にあるので、それぞれ外側接触セクション１４０及び内側接触セクション１４２の外側山セクション１４８及び内側山セクション１５４を通って延びている。
このように、第１のより狭い領域１５８は、第１の窪み１１６の第１の内側セクション１２０とほぼ対応するので、第１の内側谷セクション１５０及び第１の外側谷セクション１４４を通って延びている。同様に、第２のより狭い領域１６２は、第２の窪み１１８の第２の内側セクション１２６とほぼ対応するので、第２の内側谷セクション１５２及び第２の外側谷セクション１４６を通って延びている。他の実施形態では、絶縁体１０４の幅は、その長さに沿って何らかの適切な方法で配置された、何らかの適切な数のより狭い領域及びより広い領域を有し、かつ互いに適切な幅とすることができ、これは、絶縁体１０４が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する。加えて、後述のクリンピング工程時の導体１０２、絶縁体１０４、及び本体１０６における材料の最適な変形（例えば、圧縮）を助長するために、例示の絶縁体１０４は、クリンピング工程が行われる前に、幅（内側接触区域１４２から外側接触区域１４０まで）が導体１０２の幅の約３分の１から２分の１である。
絶縁体１０４と同様に、導体１０２の幅は、絶縁体１０４の第１の端部１３２から第２の端部１３４まで軸方向に変わる。より具体的には、導体１０２の幅は、絶縁体１０４の第１の端部１３２から第２の端部１３４まで長手方向に順番に以下のように変わる、すなわち絶縁体１０４の第１のより広い領域１５６と長手方向に整列した第１のより広い領域１６６と、絶縁体１０４の第１のより狭い領域１５８と長手方向に整列した第１のより狭い領域１６８と、絶縁体１０４の中間のより広い領域１６０と長手方向に整列した中間のより広い領域１７０と、絶縁体１０４の第２のより狭い領域１６２と長手方向に整列した第２のより狭い領域１７２と、絶縁体１０４の第２のより広い領域１６４と長手方向に整列した第２のより広い領域１７４である。代替的に、導体１０２の幅は、絶縁体１０４の長さに沿って何らかの適切な数のより狭い領域及びより広い領域を有し、何らかの適切な方法で配置することができ、これは、導体１０２が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する。
例示の実施形態では、導体１０２及び／又は本体１０６は、例えば、以下の金属材料の何れか１つ（又はその組み合わせ）の導電性材料から製作される、すなわち、金属合金、鋼合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、金、銀、白金、ニオブ、モリブデン、アルミニウム、錫、銅、真鍮、ブロンズ、亜鉛、及びインバール又は別のニッケル合金（例えば、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌ社から入手可能な「Ｍｏｎｅｌ」材料又は「Ｉｎｃｏｎｅｌ」材料）である。以下でより詳細に説明する目的で、例示の導体１０２及び例示の本体１０６の材料組成は、クリンピング時の材料変形を可能にするように十分に延性があり、さらにクリンピングによる変形後の材料のスプリングバックを抑制するように弾性率が十分に低い。他の実施形態では、導体１０２及び本体１０６は、何らかの適切な材料から製作することができ、これは、導体１０２及び本体１０６が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する。
例示の絶縁体１０４は、例えば、以下のポリマー材料の何れか１つ（又はその組み合わせ）である、機械的、熱的、及び化学的特性に優れた非導電性ポリマー材料組成から製作され、ポリマー材料組成は、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、クロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）及びポリスチレン（ＰＳ）の混合物（Ｓａｂｉｃから入手可能な「Ｎｏｒｙｌ」材料など）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、及びポリイミド（ＰＩ）フィルム（ＤｕＰｏｎｔ社から入手可能な「Ｋａｐｔｏｎ」材料又は「Ｃｉｒｌｅｘ」材料など）である。代替的に、絶縁体１０４は、何らかの適切な材料から製作することができ、これは、絶縁体１０４が本明細書に説明したように機能できるようにするのを助長する。
貫通デバイス１００を組み立てるために、導体１０２及び絶縁体１０４は、本体１０６の開口部１１４を貫通して挿入され、結果として絶縁体１０４は、開口部において本体の内面全体に沿って本体から導体を分離する（すなわち絶縁する）。開口部１１４を通って導体１０２及び絶縁体１０４を最初に挿入するとき、導体１０２及び絶縁体のそれぞれの幅は、少なくとも本体１０６の内面の長さに沿って均一である。換言すると、貫通デバイス１００を、以下に説明するクリンピング工程の前に図４の断面図の視点で見ると、内側及び外側接触区域１４０、１４２は、実質的に直線状であり、本体の内面、従って長手方向軸線Ｌと平行である（すなわち、接触区域１４０、１４２は、図４に例示するように波状ではない）。
導体１０２及び絶縁体１０４が開口部１１４を通って挿入された後、環状の略Ｖ字形の輪郭（第１の窪み１１６の輪郭を反映する）の第１のクリンピング工具（図示せず）が、第１の面１０８に、長手方向軸線Ｌと実質的に平行な第１の方向Ｄ１に（すなわち、長手方向に）押し込まれる。本体１０６の材料組成が十分に延性であるので、第１のクリンピング工具の構成により、第１の面に第１の窪み１１６が形成され、結果的に本体の内面において本体１０６の材料が、長手方向軸線Ｌに向かって横断方向内側に移動する。これにより、本体１０６の内面に第１の横断環状膨出部１７６が形成される。第１の横断環状膨出部１７６は、絶縁体１０４及び導体１０２の材料を変形させ（例えば、圧縮及び／又は移動）、それによって本体１０６の第１の面１０８の近くで貫通デバイス１００をクリンピングする。
より詳細には、このクリンピング作用により、外側接触区域１４０の第１の外側谷セクション１４４及び内側接触区域１４２の第１の内側谷セクション１５０が形成され、結果として第１のより狭い領域１５８は、第１の窪み１１６の第１の内側セクション１２０と長手方向に対応する。他の実施形態では、本体１０６の第１の面１０８に押し込まれる第１のクリンピング工具の輪郭は、環状でなくても良く、むしろ前述したような第１の窪み１１６の他の望ましいパターンに適合するように構成することができる。加えて、第１のクリンピング工具は、第１の面１０８に何らかの適切な方向（例えば、長手方向軸線Ｌと実質的に平行な方向以外の方向）で押し込むことができ、これは、本明細書に説明したような本体１０６の材料の移動を助長する。
第１の窪み１１６を形成することによって貫通デバイス１００をクリンピングする前に、後に、又は同時に、同様に環状で輪郭が略Ｖ字形（第２の窪み１１８の輪郭を反映する）の第２のクリンピング工具（図示せず）が、第２の面１１０に、長手方向軸線Ｌと実質的に平行な第２の方向Ｄ(すなわち、長手方向)に押し込まれる。この場合も、本体１０６の材料組成が十分に延性であるため、第２のクリンピング工具は、第２の面１１０に第２の窪み１１８を形成し、結果的に本体の内面において本体１０６の材料が、長手方向軸線Ｌに向かって横断方向内側に移動する。これにより、本体１０６の内面に第２の横断環状膨出部１７８が形成される。第２の環状膨出部１７８を形成することにより、絶縁体１０４及び導体１０２の材料が変形し（例えば、圧縮及び／又は移動）、それによって本体１０６の第２の面１１０の近くで貫通デバイス１００をクリンピングする。
このクリンピング作用により、外側接触区域１４０の第２の外側谷部分１４６及び内側接触区域１４２の第２の内側谷部分１５２が形成され、結果として第２のより狭い領域１６２は、第２の窪み１１８の第２の内面１２６と長手方向に整列する。他の実施形態では、本体１０６の第２の面１１０に押し込まれる第２のクリンピング工具の輪郭は、環状でなくても良く、むしろ前述したような第２の窪み１１８の他の望ましいパターンに適合するように構成することができる。加えて、第２のクリンピング工具は、第２の面１１０に何らかの適切な方向（すなわち、長手方向軸線Ｌと実質的に平行な方向以外の方向）に押し込むことができ、これは、本明細書に説明したような本体１０６の材料の移動を助長する。
特に、第１のクリンピング工具及び第２のクリンピング工具は、全く同一にすることができる（すなわち、第１の面１０８と第２の面１１０の両方に窪みを付けるために単一のクリンピング工具を使用することができる）。また、一部の代替の実施形態では、第１の面１０８及び第２の面１１０の一方に窪みを付けないことが想定される（すなわち、絶縁体１０４及び導体１０２は、第１の面１０８及び第２の面１０８の一方のみに窪み付けすることでクリンピングされ、これにより開口部１１４内の環状突出部１７６、１７８の一方のみを形成することができる）。さらに、例示の実施形態では、窪み１１６、１１８が環状なので膨出部１７６、１７８が環状であるが、他の実施形態では、膨出部１７６、１７８は環状でなくても良く、むしろ前述した代替の非環状の窪みの形態に適合する構成とすることができることに留意されたい。
本明細書に説明した片側クリンピング工程及び両側クリンピング工程を含むクリンピング工程の結果として、絶縁体１０４の中間のより広い領域１６０は、長手方向で絶縁体１０４の第１及び第２のより狭い領域１５８、１６２の間に配置され、絶縁体１０４の中間のより広い領域１６０の少なくとも一部は、本体１０６の第１の環状膨出部１７６及び第２の環状膨出部１７８によって閉じ込められる。さらに、導体１０２の中間のより広い領域１７０も、長手方向で絶縁体１０４の第１及び第２のより狭い領域１５８、１６２の間に配置され、結果として導体１０２の中間のより広い領域１７０の少なくとも一部は、絶縁体１０４の第１のより狭い領域１５８及び第２のより狭い領域１６２によって囲まれる。
さらに、絶縁体１０４の第１及び第２のより広い領域１５６、１６４（開口部１１４の外部に配置されている）は、クリンピング後には、開口部１１４に嵌合するには幅が広すぎるので（すなわち、少なくとも部分的に、絶縁体１０４の材料が開口部１１４の中から本体１０６の外に長手方向に移動するので）、絶縁体１０４の第１のより広い領域１５６は、第１の面１０８によって本体１０６の外部に維持され、絶縁体１０４の第２のより広い領域１６４は、第２の面１１０によって開口部１０６の外部に維持される。
この構成によれば、導体１０２、絶縁体１０４、及び本体１０６は（例えば、クリープ又は熱膨張による熱サイクルの間に）長手方向軸線Ｌと互いに平行に移動することが抑制され、本体１０６の開口部１１４を貫通する貫通デバイス１００にわたって密閉シールが維持される。それにもかかわらず、絶縁体１０４（例えば、絶縁体１０４の第１のより狭い領域１５８及び絶縁体１０４の第２のより狭い領域１６２）は、依然として膨張及び収縮して、導体１０２の材料組成と本体１０６の材料組成との間に存在し得る熱膨張率の差に適合することができる（すなわち、一部の実施形態では、本体１０６は第１の金属材料から製作でき、導体１０２は、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料から製作できる）。随意的に、外側接触区域１４０に沿った本体１０６の内面及び／又は内側接触区域１４２に沿った導体１０２の表面は粗面化することができ（例えば、サンドブラスト、研磨、ローレット加工、又はピーニングによって）、クリンピング後に、本体１０６、絶縁体１０４、及び導体１０２の長手方向軸線Ｌに沿った相対運動を抑制するのをさらに助けるようになっている。
このようにして、貫通デバイス１００は、気体、液体、又は固形物質が本体を通って移動するのを防止しながら、本体（例えば、ハウジングの壁）を通る送電が可能になる。クリンピング工具によって形成された窪み１１６、１１８の幾何学的形状と、結果として生じる絶縁体１０４の変形（例えば、圧縮）位置とに起因して、貫通デバイス１００は、熱サイクリング中に密閉性を維持しながら、熱膨張率が異なる導電性材料の使用に適合することができる。また、貫通デバイス１００は、本体１０６及び導体１０２に利用できる多様な金属材料組成物に起因し、さらに絶縁体１０４に利用できる多様なポリマー材料組成物に起因して、改善された耐化学性を示す。貫通デバイス１００を製作するために本明細書に説明した材料及びプロセスは比較的安価であり、結果的に低価格の組立体が得られる。
貫通デバイス１００に関連する付加的な利点は、本体１０６を、それを通って送電が望まれる物体と一体形成できることである（例えば、本体１０６は、それ自体内部に電気が伝送される電池ハウジングのようなハウジングの壁とすることができ、これは、ハウジングの壁とは別体に形成されてこれに結合される本体１０６とは対照的である）。これは以下の理由により可能である。すなわち、本体１０６の第３の面１１２（例えば、外面）に形成された窪み１１６、１１８を有するのとは対照的に（すなわち、クリンピング工具が、本体１０６内に、チャネル１１４の長手方向軸線Ｌと実質的に垂直な方向Ｄ３に横断方向に押し込まれるのとは対照的に）、窪み１１６、１１８は、第１及び第２の面１０８、１１０内へ長手方向に形成されており（すなわち、クリンピング工具が本体１０６内に、チャネル１１４の長手方向軸線Ｌと実質的に平行な方向Ｄ１、Ｄ２に押し込まれており）、これは、導体１０２及び絶縁体１０４が、電気を伝送することが望まれるハウジングの壁を貫通して挿入された後に、クリンピング工程を行い得ることを意味する。従って、例示の実施形態では、本体１０２の第３の面１１２は、導体１０２及び絶縁体１０４をクリンピングする横断方向に窪んでいない（すなわち、第３の面１１２には、絶縁体１０４及び導体１０２のクリンピングをもたらす窪みが存在しない）。このようにして、本明細書に説明した貫通デバイス１００は、クリンピング後にハウジングの壁から分離し、かつこれに結合される本体の必要性を無くすのを助ける。
また、本明細書に説明した貫通デバイス１００は、貫通デバイス内のガラス−金属シール及び密閉エポキシシールに関連する様々な制限を緩和する。より具体的には、ガラス−金属式の貫通デバイスでは、熱サイクル中にシールが損傷するのを防ぐために、ハウジング及び導電性部品の熱膨張係数がガラスの熱膨張係数と厳密に一致する必要がある。結果として、ガラス−金属シールを有する貫通デバイスでは、様々な材料の中で狭い範囲の材料のみが本体の材料組成物として使用でき、材料組成物のうち熱膨張係数が大きいアルミニウム及び他の金属が排除される可能性がある。同様に、本明細書に説明した貫通デバイスと比べた場合、エポキシシールを有する貫通デバイスは、化学的適合性がより狭い温度範囲にわたって制限される。
一部の実施形態では、導体１０２の第１の端部１３６の端面と導体１０２の第２端部１３８の端面との間の距離は、導体１０２の直径の少なくとも３倍である。一部の実施形態では、本体１０６の外径は、導体１０２の直径の少なくとも４倍である。一部の実施形態では、導体１０２及び本体１０６を形成するために使用する材料の圧縮降伏強度は、絶縁体１０４を形成するために使用する材料の圧縮降伏強度よりも大きい。
導体１０２、絶縁体１０４、及び本体１０６を互いに固定するためのクリンピング工程又はコイニング工程（例えば、貫通デバイス１００に関して前述したクリンピング工程）は、導体１０２及び絶縁体１０４を様々な程度に圧縮することができる。導体１０２の圧縮は、クリンピング後の谷セクション１５０又は１５２の最小外径を、クリンピング前の元の非圧縮の導体１０２の外径と比べることによって測定される。種々の実施形態では、導体１０２は、１％を超えて、５％を超えて、１０％を超えて、１５％を超えて、２０％を超えて、及び２５％を超えて圧縮される。絶縁体１０４の圧縮は、クリンピング後の谷セクション１４４又は１４６の最小外径を、圧縮前の元の非圧縮の絶縁体１０４の外径と比べることによって測定される。種々の実施形態では、絶縁体１０４は、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、８５％未満、及び８０％未満で圧縮される。
導体１０２、絶縁体１０４、及び本体１０６を相互に固定するためのクリンピング工程又はコイニング工程（例えば、貫通デバイス１００に関して前述したクリンピング工程）により、様々な深さの窪み１１６、１１８を形成できる。深さは、端面１０８、１１０から窪み１１６、１１８の頂点１２４、１３０まで長手方向に測定される。種々の実施形態では、窪み１１６、１１８の深さは、開口部において第１の面１０８から第２の面１１０まで測定した本体１０６の長さ（例えば、本体の内面の長さ）と比較して、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、４０％未満、３５％未満、及び３０％未満である。
図５は、例示的な実施形態による貫通デバイス２００を示す。貫通デバイス２００は、多くの態様において貫通デバイス１００と同様である。貫通デバイス２００は、導体２０２、導体２０２の少なくとも一部を囲む絶縁体２０４、及び絶縁体２０４の少なくとも一部を囲む本体２０６を含む。
例示の実施形態では、本体２０６は、例えば、リチウム電池ハウジングの端壁のような密封ハウジングの壁の全部又は一部である。本体２０６は、本明細書では第１の面２０８（例えば電池ハウジングの外面）と呼ぶ長手方向の端面と、第１の面２０８から長手方向に離間した第２の面２１０（例えば電池ハウジングの内面）とを有する。（例えば、横断方向外側の）第３の面２１２は、第１の面２０８と第２の面２１０との間で長手方向に延び、本体の外面を大まかに定める。また、本体２０６は、これを貫通して本体の内面並びに本体の長手方向軸線Ｌを定める、長手方向に延びる開口部２１４を有する。
導体２０２は、絶縁体２０４によって囲まれた内部２１５と、絶縁体２０４を越えて延びて、本体２０６の外側に位置する外部２１７とを有する。外部２１７の直径（又は幅）２１９は、内部２１５の直径（又は幅）２２１よりも大きい。図示のように、外部２１７の直径２１９は、絶縁体２０４の外径（又は幅）２２５と実質的に同じである。一部の実施形態では、外部２１７の直径２１９は、絶縁体２０４の外径２２５よりも大きいか又は小さい。
外部２１７の大きな直径２１９は、導体２０２の端面２２３上に比較的大きな表面積を与える。この比較的大きな表面積は、溶接接続に特に適しており、貫通デバイス１００と比較して、導体２０２に追加の構成部品を溶接するか又は別の方法で取り付けるのが容易になる。溶接が容易になると、組み立て時間、コスト、及び複雑性を低減できる。図示したように、導体の外部２１７の端面２２３は平坦である。平坦な端面２２３は、導体２０２の内部２１５の長手方向軸線に直交している。一部の実施形態では、貫通デバイス２００は２つの外部２１７を含み、一方は導体２０２の第１の端部２３６に形成され、他方は導体２０２の第２の端部２３８に形成される。
図６〜図７は、例示的な実施形態による貫通デバイス３００を示す。貫通デバイス３００は、多くの態様において、貫通デバイス２００及び１００と同様である。貫通デバイス３００は、導体３０２、導体３０２の少なくとも部分を囲む絶縁体３０４、及び絶縁体３０４の少なくとも部分を囲む本体３０６を含む。
例示の実施形態では、本体３０６は、例えば、リチウム電池ハウジングの端壁のような密封ハウジングの壁の全部又は一部である。本体３０６は、本明細書では第１の面３０８（例えば電池ハウジングの外面）と呼ぶ長手方向の端面と、第１の面３０８から長手方向に離間した第２の面３１０（例えば、電池ハウジングの内面）とを有する。（例えば、横断方向外側の）第３の面３１２は、第１の面３０８と第２の面３１０との間で長手方向に延び、概して本体の外面を定める。また、本体３０６は、これを貫通して延びて本体の内面並びに本体の長手方向軸線Ｌを定める、長手方向に延びる開口部３１４を有する。
導体３０２は、絶縁体３０４によって囲まれた内部３１５と、絶縁体３０４を越えて延び、本体３０６の外側に位置する外部３１７とを有する。外部３１７は、直径（又は幅）３１９が内部３１５の直径（又は幅）３２１よりも大きい平坦部３２７を含む。一部の実施形態では、平坦部３２７の直径３１９は、絶縁体３０４の外径（又は幅）３２５と実質的に同じである。一部の実施形態では、平坦部３２７の直径３１９は、絶縁体３０４の外径３２５よりも大きいか又は小さい。
平坦部３２７により、導体３０２の外部３１７に比較的大きな表面積が得られる。この比較的大きな表面積は、溶接接続に特に適しており、貫通デバイス１００と比較して、導体３０２に追加の構成部品を溶接するか又は他の方法で取り付けるのが容易になる。溶接が容易になると、組み立て時間、コスト、及び複雑性を低減できる。
導体３０２の外部３１７は、平坦部３２７の平坦表面３２９が導体３０２の内部３１５の長手方向軸線と直交するように内部３１５に対して曲げることができる。このような曲げは、導体３０２、絶縁体３０４、及び本体３０６を互いに固定するためのクリンピング工程又はコイニング工程（例えば、貫通デバイス１００に関して前述したクリンピング工程）の後に行うことができる。一部の実施形態では、導体３０２の平坦部３２７は、予め平坦にした部分を形成するために導体３０２を本体３０６に挿入する前に形成される。一部の実施形態では、導体３０２の平坦部３２７は、導体３０２が本体３０６内に挿入された後に形成される。導体３０２の外部３１７は、内部３１５を平坦部３２７に接続する首部３３１を含む。首部３３１の直径（又は幅）３３３は、平坦部の直径３１９よりも小さい。首部３３１の小さな直径３３３により、外部の全体が平坦部である導体に比べて、外部３１７は比較的小さな半径の周りに曲がることができる。比較的小さな曲げ半径は、平坦部３２７を本体３０６の面３０８に比較的近接した状態にするのに役立つ。これは、貫通デバイス３００の全体サイズを小さくするか又は小型にするのに役立ち、これは、より複数の貫通デバイスが互いに隣接して配置される装置（例えば、バッテリパック）を作るのに役立つことができる。当該装置では、個々の貫通デバイスは互いに別々に絶縁することができる。
図８は２つの平坦部３２７を含む貫通デバイス３００の別の実施形態を示し、一方は導体３０２の第１の端部３３６に形成され、他方は導体３０２の第２の端部３３８に形成されている。
本明細書で検討される貫通デバイスの様々な実施形態は、多くの態様において互いに類似しており、１つの実施形態における具体的な教示は、他の実施形態における教示に適用すること又はこれと組み合わせることができる。
本発明又はその好ましい実施形態の要素を説明する場合、冠詞は、１又は複数の要素が存在することを意味することが意図される。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味することが意図される。
上記の構成において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができるので、上記の説明に含まれ又は添付の図面に示された全ての事項は、例示的でありかつ限定的ではないと解釈すべきであることが意図される。
１００ 貫通デバイス
１０２ 導体
１０４ 絶縁体
１０６ 本体
１１２ 第３の面
１１４ 開口部
１０２ 導体
１０４ 絶縁体
１０６ 本体
１１２ 第３の面
１１４ 開口部
Claims (22)
- 貫通デバイスであって、
本体であって、長手方向に離間した第１及び第２の端面と、前記本体を貫通して長手方向に延びる開口部を定める内面とを有する本体と、
前記本体の前記開口部内に延びる導体と、
前記本体の前記開口部内で、前記導体と前記本体の前記内面との間に横断方向に介在して延びて、前記本体から前記導体を絶縁する絶縁体とを備え、
前記導体は、前記絶縁体によって囲まれた内部と、前記絶縁体を越えて延びる外部とを含み、前記外部の直径は、前記内部の直径よりも大きい、ことを特徴とする貫通デバイス。 - 前記外部の直径は、前記絶縁体の外径よりも小さい、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記外部は平坦部を備える、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記装置は、壁を含むハウジングを有する電池用であり、前記貫通デバイスの前記本体は、前記電池ハウジングの前記壁の少なくとも一部を成す、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記本体は第１の金属材料から製作され、前記導体は前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料から製作され、前記絶縁体はポリマー材料から製作される、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記絶縁体は、前記導体から前記本体を電気的に絶縁するか熱的に絶縁するかのうちの少なくとも一方である、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記外部は、溶接接続に適する表面を含む、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記本体及び前記導体は同じ金属材料から製作され、前記絶縁体はポリマー材料から製作される、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記導体は導電体を備える、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 前記導体は熱導体を備える、請求項１に記載の貫通デバイス。
- 貫通デバイスであって、
本体であって、長手方向に離間した第１及び第２の端面と、前記本体を貫通して長手方向に延びる開口部を定める内面とを有する本体と、
前記本体の開口部内に延びる導体と、
前記本体の前記開口部内で、前記導体と前記本体の前記内面との間に横断方向に介在して延びて、前記本体から前記導体を絶縁する絶縁体とを備え、
前記導体は、前記絶縁体によって囲まれた内部と、前記絶縁体を越えて延びる外部とを備え、
前記外部は平坦部を備える、ことを特徴とする貫通デバイス。 - 前記平坦部の直径は、前記内部の直径よりも大きい、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記外部は、直径が前記平坦部の直径よりも小さい首部をさらに備え、前記首部は、前記平坦部を前記内部に接続する、請求項１２に記載の貫通デバイス。
- 前記平坦部は、前記内部の長手方向軸線と直交する平坦面を含む、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記平坦部は、前記内部の長手方向軸線に対して傾斜した平坦面を含む、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記平坦部は、前記導体、前記絶縁体、及び前記本体が互いに固定される前に前記導体に形成される、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記平坦部は、前記導体、前記絶縁体、及び前記本体が互いに固定された後に前記導体に形成される、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記装置は、壁を含むハウジングを有する電池用であり、前記貫通デバイスの前記本体は、前記電池ハウジングの前記壁の少なくとも一部を成す、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記本体は第１の金属材料から製作され、前記導体は前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料から製作され、前記絶縁体はポリマー材料から製作される、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記絶縁体は、前記導体から前記本体を電気的に絶縁するか熱的に絶縁するかのうちの少なくとも一方である、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記導体は、前記第１の外部の反対側に第２の外部をさらに備え、前記第２の外部は第２の平坦部を備える、請求項１１に記載の貫通デバイス。
- 前記第２の平坦部の直径は、前記内部の直径よりも大きい、請求項２１に記載の貫通デバイス。
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