JP4318923B2 - 回路保護アレンジメント - Google Patents

Description

技術分野
本発明は導電性ポリマーデバイスを含む回路保護アレンジメントに関し、およびそのようなアレンジメントを含む回路およびアセンブリに関する。

発明へのイントロダクション
抵抗に関して正の温度係数（ＰＴＣ挙動）を示す電気デバイスは回路保護デバイスとして用いられることはよく知られている。そのようなデバイスは一般に、粒状導電性フィラーが結晶性のポリマー成分中に分散した導電性ポリマー組成物から成るＰＴＣ要素（または素子）を含む。例えば金属シートの形態の第１および第２の電極が導電性ポリマーに取り付けられ、回路におけるデバイスへの電気的接続を可能にしている。通常のオペレーションの間、ＰＴＣデバイスは低抵抗、低温状態にある。例えば回路のショートなどに起因して非常に大きな電流状態が生じ、あるいは、例えばバッテリ用途における過度の充電の間などで非常に高い温度状態が生じたときに、デバイスは高抵抗、高温状態へと「スイッチ」または「トリップ」し、これにより、回路に流れる電流を減少させて低レベルとし、回路にある電気部品を保護する。

低抵抗から高抵抗へのこの遷移が生じる温度はスイッチング温度Ｔ_ｓである。Ｔ_ｓはＰＴＣ要素の抵抗のｌｏｇを温度関数としたプロットの実質的に直線状の部分の伸長部（これらは傾きが急激に変化する曲線部分の両側にある）の交点における温度として定義される。スイッチング温度はデバイスに使用した導電性ポリマー組成物のタイプに依存する。概してＴ_ｓはポリマー成分の融点Ｔ_ｍよりわずかに低い。ここで、Ｔ_ｍは示差走査熱量計の吸熱ピークとして定義される。１つより多いピークが存在する場合、Ｔ_ｍは最大量、即ち、組成物中の主成分のピーク温度として定義される。従って、用途および想定される温度環境に応じて、特定のＴ_ｓを有する特定の組成をベースとするＰＴＣデバイスが選択される。

ＰＴＣデバイスは、故障することなく電圧および電流の所定の組合せに耐えるよう、その性能に基づいて等級分け（または分類）される。よって、ＰＴＣデバイスは、所定の周囲条件下にてデバイスが高抵抗状態にトリップするのを招くことなくデバイスをパスさせ得る最大の定常状態電流である保持電流Ｉ_Ｈと、デバイスをパスさせるとデバイスのトリップをもたらす最小の定常状態電流であるトリップ電流Ｉ_Ｔと、所定条件下にてデバイスをトリップさせるために安全に用いることができる最大故障電流である最大遮断電流Ｉ_ｍａｘとを有する。保持電流およびトリップ電流は温度の関数であり、温度上昇につれて減少する。

発明の簡単な要旨

複数のバッテリ（即ちセル）が存在するバッテリパックは通常、例えばカメラ、ビデオレコーダー、ツール、携帯型コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）および携帯電話などの電気機器と共に使用される。バッテリパックを可能な限り小型化および軽量化しつつも、回路がショートし、暴走充電故障、誤った電圧での充電および／または逆充電が起こったときに適切な保護を提供することが望ましい。ＰＴＣデバイスは通常はバッテリパックのセルと直列に用いられ、および、過剰温度（または過熱）条件に敏感な比較的長い放電時間を有するバッテリ（例えばニッケル金属水素化物バッテリおよびリチウムイオンバッテリ）がバッテリ自身またはその周囲のケースの損傷を防止するのに十分に低い温度でスイッチするように、低抵抗および低スイッチング温度（例えば１００℃以下および好ましくは９０℃以下）を有することが好ましい。

本発明者らは、例えばスイッチング温度または保持電流などの特性の異なる２つのＰＴＣデバイスを用いて、第１条件組の下ではリセット可能であるが、第２条件組の下ではリセット可能でない、例えば複合電気デバイスなどの回路保護アレンジメントを作製できることを見出した。この結果、この回路保護アレンジメントは通常のオペレーション条件下では繰り返し使用できるが、例えば非常に大きな過電流または過剰温度などの極端な状態に曝された場合には、アレンジメントは超高抵抗状態（または非常に高い抵抗状態）に移って、安全かつ確実な方法で「オープン」になる。このような回路保護アレンジメントは、ある周囲環境（例えば非常に高い温度に曝されるなど）がバッテリアセンブリに対して存在し、その後は連続使用を防止するためにバッテリパックを永久的に不能にすることが好ましいバッテリアセンブリにおいて用いるのに特に適する。

第１の要旨において本発明は
（１）（ｉ）第１スイッチング温度Ｔ_ｓ１を有し、（ｉｉ）２０℃での抵抗Ｒ_１を有し、（ｉｉｉ）第１特定温度での保持電流Ｉ_Ｈ１を有し、および（ｉｖ）
（ａ）ポリマー成分およびその内部で分散した粒状導電性フィラーを含む第１導電性ポリマー組成物で構成された第１ＰＴＣ抵抗要素と、
（ｂ）第１ＰＴＣ要素に取り付けられた第１および第２電極と
を含む第１ＰＴＣデバイスと、
（２）（ｉ）第１ＰＴＣデバイスと直列に電気的に接続され、（ｉｉ）Ｔ_ｓ１より低い第２スイッチング温度Ｔ_ｓ２を有し、（ｉｉｉ）Ｒ_１より小さい２０℃での抵抗Ｒ_２を有し、（ｉｖ）Ｉ_Ｈ１より大きい第１特定温度での保持電流Ｉ_Ｈ２を有し、および（ｖ）
（ａ）ポリマー成分およびその内部で分散した粒状導電性フィラーを含む第２導電性ポリマー組成物で構成された第２ＰＴＣ抵抗要素と、
（ｂ）第２ＰＴＣ要素に取り付けられた第３および第４電極と
を含む第２ＰＴＣデバイスと
を含み、
Ｉ_Ｈ１は臨界温度Ｔ_ｃｒｉｔにてＩ_Ｈ２と等しく、Ｔ_ｃｒｉｔは
（Ａ）Ｔ_ｃｒｉｔ未満の温度では、第１ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチし、および回路保護アレンジメントはリセット可能であり、ならびに
（Ｂ）Ｔ_ｃｒｉｔより高い温度では、第２ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチし、および回路保護アレンジメントを永久的にオープンにさせる動作を起こす
ように、第１特定温度よりも大きい、回路保護アレンジメントを提供する。

本発明の第１の要旨の回路保護アレンジメントはバッテリアセンブリにおいて特に有用である。従って、第２の要旨において本発明は
（Ｉ）バッテリと、
（ＩＩ）第１および第２ＰＴＣデバイスがバッテリと電気接触する本発明の第１の要旨の回路保護アレンジメントと
を含む、バッテリアセンブリを提供する。

発明の詳細な説明

本発明の回路保護アレンジメントは、互いに電気的に直列であるが、好ましくは互いに熱的に分離（または分断）された第１および第２ＰＴＣデバイスを含む。第１および第２ＰＴＣデバイスは、用途および組込みに利用可能な空間にもよるが、同様の概略形状を有することが好ましく、これらは異なっていてもよい。一般に、第１および第２ＰＴＣデバイスはいずれも、導電性ポリマー組成物から構成されるＰＴＣ抵抗要素（または素子）を含む。このような組成物はポリマー成分およびその内部で分散した粒状導電性フィラー（例えばカーボンブラックまたは金属）を含む。導電性ポリマー組成物は米国特許第４，２３７，４４１号（van Konynenburgら）、同第４，５４５，９２６号（Foutsら）、同第４，７７４，０２４号（Deepら）、同第４，９３５，１５６号（van Konynenburgら）、同第５，０４９，８５０号（Evansら）、同第５，３７８，４０７号（Chandlerら）、同第５，４５１，９１９号（Chuら）、同第５，５８２，７７０号（Chuら）、同第５，７４７，１４７号（Wartenbergら）、同第５，８０１，６１２号（Chandlerら）、同第６，１３０，５９７号（Tothら）、同第６，３５８，４３８号（Isozakiら）および同第６，３６２，７２１号（Chenら）に記載されている。これら特許の各開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。第１ＰＴＣデバイスは第１導電性ポリマー組成物から構成される第１抵抗要素を含み、他方、第２ＰＴＣデバイスは第２導電性ポリマー組成物から構成される第２抵抗要素を含む。第１ＰＴＣデバイスのスイッチング温度Ｔ_ｓ１は第２ＰＴＣデバイスのスイッチング温度Ｔ_ｓ２より高く、よって、第１導電性ポリマー組成物のポリマー成分は概して、第２ポリマー組成物のポリマー成分の融点よりも高い（例えば少なくとも１０℃高い）融点を有する。

第１および第２ＰＴＣデバイスは正の温度係数（positive temperature coefficient：ＰＴＣ）挙動を示し、即ち、これは比較的狭い温度範囲において温度に対し急峻な抵抗率増加を示す。用語「ＰＴＣ」は少なくとも２．５のＲ_１４値および／または少なくとも１０のＲ_１００値を有する組成物またはデバイスを意味するものとして用い、組成物またはデバイスは少なくとも６のＲ_３０値を有すべきことが好ましい。ここで、Ｒ_１４とは１４℃の範囲の最後と最初における抵抗率の比であり、Ｒ_１００とは１００℃の範囲の最後と最初における抵抗率の比であり、Ｒ_３０とは３０℃の範囲の最後と最初における抵抗率の比である。本発明のデバイスに用いる組成物は、２０℃から（Ｔ_ｍ＋５℃）までの範囲の少なくとも１つの温度において少なくとも１０^３．０、好ましくは少なくとも１０^３．５、特に少なくとも１０^４．０のＰＴＣ特異性（anomaly：または変則性）を示すこと、即ち、ｌｏｇ［（Ｔ_ｍ＋５℃）における抵抗／２０℃における抵抗］が少なくとも３．０、好ましくは少なくとも３．５、特に少なくとも４．０であることが好ましい。最大抵抗が（Ｔ_ｍ＋５℃）より低い温度Ｔ_ｘにて得られるならば、ＰＴＣ特異性はｌｏｇ［（Ｔ_ｘにおける抵抗）／２０℃における抵抗］によって定義される。第１ＰＴＣデバイスが第２ＰＴＣデバイスよりも大きいＰＴＣ特異性を有することが特に好ましい。

ＰＴＣ抵抗要素は、この要素を電力源に接続するのに適当な少なくとも１つの電極と物理的および電気的に接触している。電極のタイプは、この要素の形状にもよるが、例えば単線または撚り線、金属箔、金属メッシュ、または金属インク層であってよい。特に有用なデバイスは、導電性ポリマー抵抗要素を間に挟持した２枚の層状電極、好ましくは金属箔電極を含む。第１ＰＴＣ要素は第１および第２電極に取り付けられ（または付着させられ）、他方、第２ＰＴＣ要素は第３および第４電極に取り付けられる。

ＰＴＣ要素（または素子）に対して良好な接着性が必要である場合、特に適当な箔電極は、好ましくは電着による微細な凹凸のある（microrough）少なくとも１つの表面（または少なくとも１つのミクロ粗面）を有し、例えば米国特許第４，６８９，４７５号（Matthiesen）および同第４，８００，２５３号（Kleinerら）ならびに同一出願人による同時継続米国特許出願第０８／８１６，４７１号（Chandlerら、１９９７年３月１３日出願）に開示されるような電着ニッケルまたは銅電極であり、これらの各開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。電極は圧縮成形、ニップ・ラミネーションまたは任意の他の適当な技術によって抵抗要素に取り付けられ得る。しかしながら、本発明の１つの要旨においては、第２ＰＴＣデバイスが第２ＰＴＣ要素と第３および第４電極の少なくとも一方との間で比較的弱い接着性を有することが好ましい。この適用のため、比較的平坦な金属箔を用いてよい。

第１ＰＴＣデバイスは２０℃での抵抗Ｒ_１を有し、これは第２ＰＴＣデバイスの２０℃での抵抗Ｒ_２より一般的に高く、例えば少なくとも１０％高く、および１００％またはそれ以上高い程度である。バッテリアセンブリ用途では、第１および第２ＰＴＣデバイスはいずれも低い抵抗、即ち高くとも１．０オーム、好ましくは高くとも０．５オーム、特に高くとも０．１オーム、および多くの場合それより小さい抵抗を有する。

第１および第２ＰＴＣデバイスに対して保持電流の関係が重要である。第１ＰＴＣデバイスは第１所定温度での保持電流Ｉ_Ｈ１を有する。また、第２ＰＴＣデバイスは第１所定温度での保持電流Ｉ_Ｈ２を有し、これはＩ_Ｈ１より大きい。しかしながら、デバイスのサーマルディレーティングにより、第１所定温度より大きい臨界温度Ｔ_ｃｒｉｔではＩ_Ｈ１はＩ_Ｈ２に等しい。オペレーションにおいて、Ｔ_ｃｒｉｔ未満の温度では、回路保護アレンジメントが過電流または過剰温度状態に曝されると、第１ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチする。故障を取り除き、回路への電力を回復させると、第１ＰＴＣデバイスは低抵抗状態に戻る。これは回路保護アレンジメントがリセット可能であることを意味する。しかしながら、Ｔ_ｃｒｉｔより高い温度では、過電流または過剰温度状態が生じると、第２ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチし、動作を起こす。この動作は回路保護アレンジメントを永久的にオープンにし、バッテリアセンブリの場合には好都合にバッテリパックを不能にする。

回路保護アレンジメントを永久的にオープンにさせるように働く動作には、温度ヒューズ要素が「とぶ（blowing）」ことまたはＰＴＣデバイスから電極が離層（またはデラミネーション）することがある。任意の適切な温度ヒューズ要素を用いてよく、例えば溶融して回路をオープンにするハンダまたは導電性接着剤を用いてよい。温度ヒューズ要素の融点はＴ_ｓ１の温度より高いことが特に好ましい。

第１および第２ＰＴＣデバイスは同一の基材（または基板）、例えば電気接続をも提供する金属リードまたは適当な電気接続部を有するモールド基板の上に配置してよい。別法では、第１および第２ＰＴＣデバイスはハウジング／基板の上またはその内部に配置してよい。

もう１つの態様では、ＰＴＣデバイスの第１および第２電極に取り付けられた金属リードは、例えば破損（rupture）または焼けにより、デバイス故障が起こって導電性ポリマー組成物が最早存在しなくなった場合に金属リードが接触しないように十分に離れていてよい。

本発明を図面により説明する。図１は第１ＰＴＣデバイス３および第２ＰＴＣデバイス５について抵抗を温度の関数としてプロットしたものである。Ｒ（Ｔ）曲線から明らかなように、第１ＰＴＣデバイス３の抵抗は第２ＰＴＣデバイス５の抵抗より大部分の温度において大きいが、第１ＰＴＣデバイス３のスイッチング温度Ｔ_ｓ１は第２ＰＴＣデバイス５のスイッチング温度Ｔ_ｓ２より高い。また、臨界温度Ｔ_ｃｒｉｔも示すように、これは第１および第２ＰＴＣデバイスのＲ（Ｔ）曲線の交点である。

図２は第１および第２ＰＴＣデバイス３、５について保持電流を温度の関数としてグラフ表示したものである。Ｔ_ｃｒｉｔより低い第１所定温度では、第１ＰＴＣデバイス３のＩ_Ｈ値は第２ＰＴＣデバイス５のものより小さいが、２つの曲線はＴ_ｃｒｉｔで交差している。

図３は図４の概略図に示す回路保護アレンジメント１を組み込んだ回路図である。第１ＰＴＣデバイス３および第２ＰＴＣデバイス５は温度ヒューズ要素７およびバッテリ９と電気的に直列になっている。温度ヒューズ要素７は比較的低い融点を有する導電性金属、例えばハンダであってよい。第１および第２ＰＴＣデバイス３、５は、電気絶縁性であるがデバイス間の電気接続が可能なように表面に適当な導電性トレース（または配線）を有するハウジング１１に配置される。このハウジングは、例えば成型液晶ポリマーまたは他の適切な材料であってよい。第１電気リード１３は第１ＰＴＣデバイス３に電気接続されており、第２電気リード１５は第２ＰＴＣデバイス５に電気接続されており、そしてこれら第１および第２リードはバッテリ９または別の電源に接続するために用いられる。電流は第１リード１３から第１ＰＴＣデバイス３、第２ＰＴＣデバイス５、温度ヒューズ要素７、そして第２リード１５を通って順に流れる。温度ヒューズ要素７は第２ＰＴＣデバイス５と直接に物理的に接触していてよい。

図５は図６の概略図に示す回路保護アレンジメント１を組み込んだ回路図である。このアレンジメントにおいて第１および第２ＰＴＣデバイス３、５は、２つのデバイス間を電気接続する金属基板１７上に配置される。第１リード１３は第１ＰＴＣデバイス３に接続され、第２リード１５は第２ＰＴＣデバイス５に接続されている。本発明の１つの態様において、第１ＰＴＣデバイス３はハンダによって基板１７および第１リード１３に接続されており、他方、第２ＰＴＣデバイス５は溶接によって基板１７および第２リード１５に接続されている。溶接は極狭い領域に亘って実施され得、ハンダをリフローするのに必要な上昇した温度にデバイス全体が曝されることを回避できる。

上述の装置アレンジメントおよびこれから得られる方法は本発明の原理の適用の単なる例示に過ぎず、特許請求の範囲に規定する本発明の概念および目的から逸脱することなく多くの他の態様および改変が成され得ることが理解されるであろう。

図１は本発明の回路保護アレンジメントに用いられる第１および第２ＰＴＣデバイスについての温度の関数としての抵抗のグラフ表示である。 図２は本発明の回路保護アレンジメントに用いられる第１および第２ＰＴＣデバイスについての温度の関数としての保持電流のグラフ表示である。 図３は本発明の回路保護アレンジメントについての回路図である。 図４は図３のアレンジメントの概略図である。 図５は本発明の回路保護アレンジメントについての回路図である。 図６は図５のアレンジメントの概略図である。

Claims (12)

1. （１）（ｉ）第１スイッチング温度Ｔ_ｓ１を有し、（ｉｉ）抵抗Ｒ_１を２０℃にて有し、（ｉｉｉ）保持電流Ｉ_Ｈ１を第１特定温度にて有し、および（ｉｖ）
   （ａ）ポリマー成分およびその内部で分散した粒状導電性フィラーを含む第１導電性ポリマー組成物で構成された第１ＰＴＣ抵抗要素と、
   （ｂ）第１ＰＴＣ要素に取り付けられた第１および第２電極と
   を含む第１ＰＴＣデバイスと、
   （２）（ｉ）第１ＰＴＣデバイスと直列に電気的に接続され、かつ、第１ＰＴＣデバイスから熱的に分離されており、（ｉｉ）Ｔ_ｓ１より低い第２スイッチング温度Ｔ_ｓ２を有し、（ｉｉｉ）Ｒ_１より小さい抵抗Ｒ_２を２０℃にて有し、（ｉｖ）Ｉ_Ｈ１より大きい保持電流Ｉ_Ｈ２を第１特定温度にて有し、および（ｖ）
   （ａ）ポリマー成分およびその内部で分散した粒状導電性フィラーを含む第２導電性ポリマー組成物で構成された第２ＰＴＣ抵抗要素と、
   （ｂ）第２ＰＴＣ要素に取り付けられた第３および第４電極と
   を含む第２ＰＴＣデバイスと
   を含み、
   Ｉ_Ｈ１は臨界温度Ｔ_ｃｒｉｔにてＩ_Ｈ２に等しく、Ｔ_ｃｒｉｔは
   （Ａ）Ｔ_ｃｒｉｔ未満の温度では、第１ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチし、および回路保護アレンジメントはリセット可能であり、ならびに
   （Ｂ）Ｔ_ｃｒｉｔより高い温度では、第２ＰＴＣデバイスが高抵抗状態にスイッチし、および回路保護アレンジメントを永久的にオープンにさせる動作を起こす
   ように、第１特定温度よりも大きい、回路保護アレンジメント。
2. 動作は第１および第２デバイスと電気的に直列な温度ヒューズ要素を作動させることである、請求項１に記載の回路保護アレンジメント。
3. 温度ヒューズ要素はＴ_ｃｒｉｔより高い温度にて溶融するハンダまたは導電性接着剤である、請求項２に記載の回路保護アレンジメント。
4. 動作は第３または第４電極を第２ＰＴＣ要素から層間剥離することである、請求項１に記載の回路保護アレンジメント。
5. 第１および第２ＰＴＣデバイスは導電性基材に物理的および電気的に接続される、請求項１に記載の回路保護アレンジメント。
6. Ｔ _ｃｒｉｔ は少なくとも９０℃である、請求項１に記載の回路保護アレンジメント。
7. （Ｉ）バッテリと、
   （ＩＩ）第１および第２ＰＴＣデバイスがバッテリと電気接触する請求項１に記載の回路保護アレンジメントと
   を含む、バッテリアセンブリ。
8. Ｔ _ｃｒｉｔ は少なくとも９０℃である、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 動作は第１および第２デバイスと電気的に直列な温度ヒューズ要素を作動させることである、請求項７に記載のアセンブリ。
10. 温度ヒューズ要素はＴ _ｃｒｉｔ より高い温度にて溶融するハンダまたは導電性接着剤を含んで成る、請求項９に記載のアセンブリ。
11. 温度ヒューズ要素はビスマスを含むハンダである、請求項１０に記載のアセンブリ。
12. バッテリはリチウムイオンバッテリまたはリチウムポリマーバッテリを含む、請求項７に記載のアセンブリ。

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