JP4396951B2

JP4396951B2 - 回路保護デバイス

Info

Publication number: JP4396951B2
Application number: JP52189998A
Authority: JP
Inventors: チャンドラー，ダニエル・エイ; ラム，ジョニー
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1996-11-04
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2017-11-03
Also published as: US5856773A; AU5259598A; JP2001503561A; WO1998020567A1; TW406460B

Description

発明の背景
発明の分野
この発明はバッテリ保護のために使用される回路保護デバイスに関する。
発明の序説
過電流及び温度上昇からバッテリを保護するためにＰＴＣ回路保護デバイスを使用することはよく知られている。例えば、米国特許第４，２５５，６９８号（サイモン：Simon）及び第４，９７３，９３６号（ディムポールト-ダーシーら：Dimpault-Darcy）、日本の実用新案出願第４-７５２８７号（１９９２年１０月２９日に出願）、国際出願第ＰＣＴ／ＪＰ９６／０２２０５号（１９９６年８月６日に出願）を参照のこと。これらの出願においては、正の抵抗温度係数（ＰＴＣ挙動）を示すデバイスがバッテリ端子と直列に接続されている。正常作動中は、ＰＴＣデバイスは低抵抗、低温条件下にある。例えば、短絡により非常に高い電流に暴露されたり、例えば過放電により非常に高い温度に暴露されたりすると、デバイスは高抵抗、高温条件にスイッチし、これにより、バッテリに流れる電流が低レベルまで減少し、バッテリと電気的に接触している素子はすべて保護される。
ＰＴＣデバイスは一般に、複数のバッテリを含むバッテリパック内に設けられる。そのようなバッテリパックはカメラ、ビデオレコーダー、ツール、及び携帯用コンピュータなどの電気機器と共に使用するように設計される。バッテリパックは可能な限り小さく、軽量で、かつ、短絡などが起きたときに十分な保護機能を発揮するように製造するのが望ましい。バッテリパック内の空間を最大限利用するための１つの技術は、ＰＴＣデバイスを直接バッテリのボタン端子（すなわち正端子）上に配置するものである。デバイスが中央に開口があるディスクあるいは他の素子形状である場合、その開口はボタン端子上に配置することができるようなサイズとすることが可能である。こうすることにより、ディスクの１つの面上の一電極からボタン端子まで、及びディスの反対面上の一電極から第２のバッテリまで、電気的に接続させることができる。日本の実用新案出願第４-７５２８７号において説明されている設計では、キャップがボタン端子上にはめられ、電気的接触が確保されている。ＰＴＣデバイスはそのキャップ上にはめられる。第２の接続はＰＴＣデバイスの上面から第２のバッテリまで形成させる。この設計では、キャップとＰＴＣデバイスの中央の開口の内側の面との間で起きる可能性のある短絡を避けることが必要であり、そのため絶縁材が挿入されなければならない。さらに、ボタン端子上に容易にはめることができるようにキャップを十分大きなものとすると、大きすぎて、実際問題、バッテリパックの寿命が終わるまでしっかりとはめておくことができない。国際出願第ＰＣＴ／ＪＰ９６／０２２０５号で説明されている設計では、ディスク形状のＰＴＣデバイスが第１及び第２の導電性のリードに取り付けられている。リードの１つは本質的には、ディスクの開口を含むＰＴＣの全面を覆い、第２のリードはディスクの反対側の一部を多い、ディスクの外周から外に延びている。第２のリードを曲げて、第２のバッテリと電気的接触を形成することができる。この設計では、ＰＴＣデバイスの内周を絶縁層で覆い、ボタン端子によるデバイスの短絡が起きないようにする必要がある。絶縁層を設けるには、ディスクの開口を所望の大きさよりも大きくしなければならないかもしれない。さらに、様々な型のバッテリ用に、様々なサイズの開口を有するＰＴＣデバイスが必要となる。
発明の概要
従来のデバイスは一般に、バッテリの正端子に装着されるように設計され、バッテリセルの内部設計内に組み入れられる。しかしながら、幾つかの例においては、標準サイズのバッテリ内にはＰＴＣデバイスを挿入するのに十分な空間が無い場合がある。さらに、時として、デバイスをセルの外表面、とりわけバッテリの負端子に取り付けるのが好ましい場合がある。これにより、２つのセルの端間突き合わせ接続、例えば、第１のバッテリの負端と第２のバッテリの正端との直列接続が可能となる。１つのリードを曲げて様々な位置に配置することができる設計においては、第２のバッテリの一端子、しばしばそのバッテリの負端子、上に第２のリードを直接溶接することができ、これにより、形状適合プロファイルのデバイスを取り付ける簡易で、コスト的に有効な手段を提供でき、その際、デバイスの内周を絶縁させるあるいはそのデバイスの周囲を超えて延在するリードを適用する必要がない。第１の観点においては、この発明はバッテリの端子に取り付けるのに適したＰＴＣデバイスを提供する。このデバイスは、（Ａ）（１）（ａ）外周と（ｂ）ＰＴＣ素子の中央の第１の開口を規定する内周とを備える形状と有すると共に、（２）（ｉ）ＰＴＣ導電性ポリマー組成物からなる層状ＰＴＣ抵抗素子と、（ｉｉ）前記抵抗素子の第１の面に取り付けられた第１の層状電極と、（ｉｉｉ）前記抵抗素子の第２の反対面に取り付けられた第２の層状電極とを有するＰＴＣ素子と、（Ｂ）（１）第１の電極に取り付けられた第１の部分と、（２）第１の開口の中まで延在している第２の部分とを有する第１の導電性リードと、（Ｃ）（１）（ａ）第２の電極に取り付けられ、（ｂ）１つの面内でＰＴＣ素子の外周内に存在し、（ｃ）少なくとも一部分は第１の開口上に重なる第２の開口を規定する第１の部分と、（２）（ａ）第２のリードの第１の部分に取り付けられ、（ｂ）ＰＴＣ素子の内周から第１の開口に向かって延在しており、（ｃ）第２のリードの第１の部分の面から第１の導電性リードから離れるように曲げることができる第２の部分とを含む第２の導電性リードと、を含む。
第２の観点においては、この発明は、（Ｉ）第１及び第２の端子を含むバッテリと、（ＩＩ）本発明の第１の観点にかかるＰＴＣデバイスと、を含むバッテリアセンブリであって、前記ＰＴＣデバイスはバッテリの第１の端子に接触するように配置され第１の導電性リードとその端子との間に物理的かつ電気的な接触が形成されるバッテリアセンブリが提供される。
この発明のデバイスは特にバッテリの端子上に直接溶接するのに効果的である。このように、第３の観点においては、この発明はこの発明の第１の観点にかかるＰＴＣデバイスをバッテリ端子に取り付ける方法を提供する。この方法は、（Ｉ）第１の導電性リードをバッテリの第１の端子と接触するように配置する工程と、（ＩＩ）第２の導電性リードの第２の部分を第２のリードの第１の部分の面から第１の導電性リードから離れるように曲げて溶接装置を挿入するのに十分な大きさの空間を作る工程と、（ＩＩＩ）溶接装置を挿入する工程と、（ＩＶ）デバイスを第１の端子に溶接する工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
以下、この発明について図面により説明する。
図１は本発明のＰＴＣデバイスの平面図である。
図２は図１のデバイスの線２-２についての断面図である。
図３は本発明のＰＴＣデバイスの一部であるＰＴＣ素子の平面図である。
図４は本発明のＰＴＣデバイスの一部である第１の導電性リードの平面図である。
図５はバッテリ上に設置するために第２の導電性リードを定位置まで曲げた図１のデバイスの断面図である。
図６は本発明のＰＴＣデバイスがバッテリに接触している本発明のバッテリアセンブリの概略図である。
図７は本発明の他のバッテリアセンブリを示した図である。
本発明の詳細な説明
本発明のＰＴＣデバイスは第１及び第２の導電性リードに取り付けられたＰＴＣ素子を含む。ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ挙動を示す導電性材料からなる層状抵抗ＰＴＣ素子を含む。この適用においては、用語「ＰＴＣ」は正の抵抗温度係数を示し、Ｒ₁₄値が少なくとも２．５及び／またはＲ₁₀₀値が少なくとも１０である組成物またはデバイス、好ましくはＲ₃₀値が少なくとも６である組成物またはデバイスを意味するために使用される。ここでＲ₁₄は１４℃レンジの終わりと最初の抵抗率の比率であり、Ｒ₁₀₀は１００℃レンジの終わりと最初の抵抗率の比率であり、Ｒ₃₀は３０℃レンジの終わりと最初の抵抗率の比率である。一般に、ＰＴＣ挙動を示す本発明のデバイスにおいて使用される組成物では、抵抗率が増加し、その増加量はその負の値よりもずっと大きい。導電性材料としてはセラミック、例えばＢａＴｉＯ₃としてもよいが、導電性ポリマーが好ましい。この導電性ポリマーでは、粒状フィラーがポリマー成分中に分散されている。ポリマー成分は有機結晶ポリマー、例えばポリエチレンやエチレンコポリマーなどのポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデンなどのフルオロポリマー、２以上のポリマーの混合物が好ましい。粒状導電性フィラーはカーボンブラック、グラファイト、金属、金属酸化物、導電性コートガラス、粉末導電性ポリマー、あるいはこれらのフィラーの組み合わせを含んでもよい。他の成分、例えば、酸化防止剤、不活性フィラー、安定化剤が存在してもよい。導電性ポリマーは、例えば照射または化学的手段により架橋させてもよい。ほとんどの適用において、導電性ポリマー組成物の抵抗率は１００Ω・ｃｍ未満、好ましくは２０Ω・ｃｍ未満、特に１０Ω・ｃｍ未満、より特別には５Ω・ｃｍ未満、とりわけ２Ω・ｃｍ未満、例えば１Ω・ｃｍ未満である。
層状抵抗素子は第１及び第２の層状電極に取り付けられ、それらの電極はそれぞれ、抵抗素子の第一面及び第二面に取り付けられる。導電性ポリマー組成物は押し出し成形されるか、あるいは、シート状に成形されるのが好ましく、その上に電極が取り付けられ積層構造が形成される。すなわち、導電性ポリマーは箔の間に挟まれる。第１及び第２の電極は導電性材料を含み、箔形状の金属、例えばニッケル、銅、青銅、ステンレス鋼、あるいはこれらの金属の１つ以上の合金であることが好ましいが、電極の一方あるいは両方は導電性塗層またはグラファイト層を含んでもよい。接続層、例えば導電性接着剤を使用して電極を抵抗素子に取り付けてもよい。第１及び第２の電極は電着金属箔、例えばニッケル、銅、またはニッケルコート銅を含むことが特に好ましい。
ＰＴＣ素子はＰＴＣ素子内の第１の開口、好ましくはＰＴＣ素子の中央の開口を規定する外周と内周を備える形状を有する。ＰＴＣ素子は、バッテリのサイズ制約を満たすために他の適当な形状としてもよい。例えば、ＰＴＣ素子は円形（すなわちディスク形状）でも、正方形でも、長方形でもよい。第１の開口はどのような形状でもよいが、ＰＴＣ素子と概ね同じ形状であることが好ましく、例えば、ディスク形状のＰＴＣ素子では円形の第１の開口を有することが好ましい。組み立てを容易にするために、第１の開口は一般に溶接ツールの先端を入れることができるように十分大きくされる。好ましいプロセスでは、ＰＴＣ素子は穴あけされ、さいの目形状に切断され、切断され、あるいはそうでなければ、積層物から適当な形状に分離される。
第１の導電性リードが第１の電極に取り付けられる。第１の導電性リードは第１の電極に取り付けられる第１の部分と、第１の開口の中まで延在している第２の部分とを含む。第２の部分は第１の開口を横切って延在し、本質的に完全に第１の開口を覆ってもよい。あるいは第１の開口の中まで部分的に延在するあるいは完全に第１の開口を横切って延在する指型としてもよい。
ＰＴＣデバイスの一部はまた第２の導電性リードであり、このリードは第１の部分と第２の部分とを含む。第１の部分は第２の電極に取り付けられ、一面内のＰＴＣ素子の外周内に存在する。幾つかの適用では、第１の部分もＰＴＣ素子の内周内に存在することが好ましいが、他の適用では、第１の部分はＰＴＣ素子の内周を超えて第１の開口の中まで延在することが可能である。第１の部分は、少なくとも一部が第１の開口と重なる第２の開口を規定し、第２の開口は第１の開口の周囲の少なくとも５０％を超える部分について第１の開口と実質的に同じであることが好ましい。好ましい実施の形態では、第１及び第２の開口は（以下に説明するように、第２の導電性リードの第２の部分が第１の部分の面から曲げられている場合）同じ大きさであり実施的には重なっている。
第２の導電性リードの第２の部分は第２のリードの第１の部分に、溶接、はんだ、リベットあるいは他の手段により取り付けられる。第２のリードの第１及び第２の部分は単一の素子、すなわち、適当な材料から単一ユニットとして切断されあるいは圧断されたものを含むからである。第２の部分はＰＴＣ素子の内周から離れるように延在しており、しばしば完全に外周内に含まれる。すなわち、第２の部分は外周を超えて延在することはない。第２の部分はタブ、指、あるいは第２のリードの第１の部分の面から曲げられ第１の導電性リードから離れるようにすることができる他の素子の形状とすることが好ましい。この曲げは缶上の引っ張りタブの曲がりと同様のものとすることができ、タブは曲げられるとその面から直角に配置される。このように曲げると、第１のリードの第２の部分の少なくとも一部は露出し、溶接ツールを第１のリードに近接させて挿入、配置することができる。幾つかの適用に対しては、第２の部分は外周を超えて延在することが好ましい。これにより、第２の部分を、例えば１８０°曲げ、第１のバッテリに隣接する位置にある第２のバッテリに到達させることができ、電気的な接続を形成することができる。
第１及び第２のリードはどちらも導電性材料、好ましくはニッケル、ステンレス鋼、銅、鋼、または金属合金を含む。リードは、はんだ、溶接、あるいは導電性接着剤あるいは他の手段により個々の電極に取り付けてもよい。場合によっては、適当な電極とリードとを直接または間接的に（例えば、はんだや導電性接着剤により）単に接触させるだけでもよい。はんだを使用する場合、はんだペーストをリードと電極との間に塗布することができ、その後熱空気またはリフローオーブンによりリフローさせることができる。第１及び第２のリードはＰＴＣデバイスがどちらの面上でも挿入できるように同じ形状を有してもよい。
ＰＴＣデバイスは一般に２０℃で１０Ω未満、好ましくは１Ω未満、特に０．５Ω未満、とりわけ０．２５Ω未満、例えば０．００５から０．１５０Ωまでの抵抗を有する。
本発明のＰＴＣデバイスはバッテリアセンブリにおいて使用することができる。アセンブリは第１及び第２の端子を有する少なくとも１つのバッテリを含む。前記第１の端子は正端子または負端子とすることができ、第２の端子はそれとは反対の極性を有する。しばしば、とりわけバッテリパックの場合、複数の（少なくとも２つの、一般に２つ以上の）バッテリが互いに直列に連結されている。アセンブリ内の各バッテリは第１及び第２の端子を有する。アセンブリにおいてはＰＴＣデバイスは第１の端子に接触するように配置され、そのため、第１の導電性リードはその端子と物理的及び電気的に接触している。アセンブリ内に複数のバッテリが存在する場合、各バッテリをＰＴＣデバイスに取り付けてもよく、あるいはアセンブリ全体のための単一のＰＴＣデバイスとしてもよい。しばしば、第１の導電性リードは第１のバッテリの第１の端子と物理的及び電気的に接触し、第２の導電性リードの第２の部分が第２のバッテリの第２の端子と物理的及び電気的に接触する。組み立てを容易にするために、ＰＴＣデバイスはしばしば溶接により第１の端子に取り付けられる。溶接は特に第１の端子が平坦（すなわちボタン端子でない）場合に適しており、第１の導電性リードはこの平坦面上に容易に配置することができる。しばしばこの平坦端子はバッテリの負端子である。
バッテリの型はどのようなものでもよく、例えばニッケル-カドミウム、ニッケル-水素化物、アルカリ、あるいはリチウムなどが挙げられ、特にＰＴＣデバイスは“ＡＡＡ”サイズまたは“ＡＡ”サイズのバッテリまたはプリズムバッテリ、すなわち正方形または長方形形状を有するバッテリと共に使用されるのが好ましい。
本発明のデバイスはまた、バッテリ端子にそのデバイスを取り付けるための方法において使用することができる。この方法は第１の導電性リードをバッテリの第１の端子と接触するように配置する工程と、第２の導電性リードの第２の部分を第２のリードの第１の部分の面から曲げ第１の導電性リードから離れるようにし溶接装置を挿入するのに十分な大きさの空間を形成する工程と、溶接装置をその空間内に挿入する工程と、デバイスを第１の端子に溶接する工程とを含む。曲げる工程はデバイスを端子に接触させて配置する工程の前でも後でもよい。第２のリードの第１の部分を曲げて形成させる空間は第１の開口と同じであることが好ましい。ここで説明した溶接装置は溶接ツールの先端であることが好ましい。この方法はまた、第２の導電性リードの第２の部分を第２のバッテリの１つの端子に取り付ける工程を提供することできる。
この発明を図に示す。図１は本発明のＰＴＣデバイス１の平面図である。図２は図１の線２-２についての断面図である。ここでディスク形状で示されているＰＴＣ素子２は外周３と内周４とを有する。この内周はＰＴＣデバイス１の中央の第１の開口５を規定する。層状抵抗素子６は、一般に導電性ポリマー組成物を含み、第１の面８上で第１の層状電極７に、第２の面１０上で第２の層状電極９に取り付けられる。第１の導電性リード１１は第１の層状電極７に取り付けられる。リードの第１の部分１２は第１の層状電極７に取り付けられ、第２の部分は第１の開口５内まで延在している。図に示したように、第２の部分１３は第１の開口５全体にわたり延在している。第２の導電性リード１４はまた、少なくとも２つの部分を含む。第１の部分は第２の電極９に取り付けられ、外周３内に存在し第２の開口１６を規定する。第２の部分１７は第１の部分１５に取り付けられ、内周４から離れて第２の開口１６に向かって延在している。第２の開口は、図に示したように、完全に第１の開口５に重なるが、幾つかの実施の形態においては、開口１６の周囲は内周４よりも小さくあるいは大きくしてもよい。
図３及び図４はＰＴＣデバイス１の素子の平面図である。ＰＴＣ素子２が図３に、第１の導電性リードが図４に示されている。
図５は図１の線５-５についての断面図であり、第２の導電性リード１４の第２の部分１７が第２の導電性リードの第１の部分１５の面から曲げられている。このように曲げることにより、第２の開口１６の有効サイズが増加し、第１の導電性リード１７に近づくのが容易になる。
図６はこの発明のバッテリアセンブリ２０の概略図である。バッテリ２１は第１の端子２２と第２の端子２３を有し、第２の端子２３でＰＴＣデバイス１と直接接触している。第２の導電性リードの第２の部分１７は元の面から曲げて示してあり、そのためＰＴＣデバイス１の第２の端子２３への付着性が向上する。
図７もまたバッテリアセンブリ２０の概略図である。このアセンブリにおいては、第１のバッテリ２１が第２のバッテリ２４にＰＴＣデバイス１により電気的に接続されている。このＰＴＣデバイスは第１のバッテリ２１の第２の端子２３から第２のバッテリの第１の端子２２’に電気的に接続されている。（第２のバッテリ２４の第２の端子２３’も図示する。）このように電流はＰＴＣデバイス１を介して第１のバッテリ２１から第２のバッテリ２４まで直列に流れる。
前述の本発明の詳細な説明には本発明の特別な部分あるいは観点に主にあるいは専ら関連する一節が含まれる。これは明確にするための便宜上のものであり、特別な特徴が関連しているのは開示した一節よりも広く、この中の開示は異なる節において見られる情報の適当な組み合わせを全て含むことを理解すべきである。同様に、様々な図面及びその説明はこの発明の特定の実施の形態に関連するが、特別の図面に関連して開示した特定の特徴は、他の図面の関連において、他の特徴と組み合わせて、あるいは一般にこの発明において、使用され適用を広げることができる。

Claims

バッテリの端子に取り付けるのに適したＰＴＣデバイスであって、
（Ａ）（１）（ａ）外周と、
（ｂ）ＰＴＣ素子の中央の第１の開口を規定する内周と、を備える形状と有すると共に、
（２）（i）ＰＴＣ導電性ポリマー組成物からなる層状ＰＴＣ抵抗素子と、
（ii）前記層状ＰＴＣ抵抗素子の第１の面に取り付けられた第１の層状電極と、
（iii）前記層状ＰＴＣ抵抗素子の第２の反対面に取り付けられた第２の層状電極と、
を有するＰＴＣ素子と、
（Ｂ）（１）前記第１の層状電極に取り付けられた第１の部分と、
（２）前記第１の開口の中まで延在している第２の部分と、
を有する第１の導電性リードと、
（Ｃ）（１）（ａ）前記第２の層状電極に取り付けられ、
（ｂ）１つの面内で前記ＰＴＣ素子の前記外周内に存在し、
（ｃ）少なくとも一部分は前記第１の開口上に重なる第２の開口を規定する第１の部分と、
（２）（ａ）第２の導電性リードの前記第１の部分に取り付けられ、
（ｂ）前記ＰＴＣ素子の前記内周から前記第１の開口に向かって延在しており、
（ｃ）前記第１の導電性リードから離れるように、前記第２の導電性リードの前記第１の部分で規定される面から曲げることができ、
（ｄ）前記ＰＴＣ素子の前記外周より内側に位置している第２の部分と、を含む第２の導電性リードと、
を含む、ＰＴＣデバイス。
前記層状ＰＴＣ抵抗素子と前記第１及び第２の層状電極は、２つの金属箔を含む積層物から切り出され、その箔間に前記ＰＴＣ導電性ポリマー組成物が挟まれている請求項１記載のデバイス。
前記第１及び第２の導電性リードはニッケル、ステンレス鋼、銅、鉄、あるいは合金を含む請求項１または２記載のデバイス。
前記ＰＴＣ素子の形状はディスク形状である請求項１、２または３記載のデバイス。
前記第２の導電性リードの前記第１及び第２の部分は単一の素子を含む請求項１ないし４のいずれか１つに記載のデバイス。
前記第１の導電性リードの前記第２の部分は前記第１の開口を横切って延在している請求項１ないし５のいずれか１つに記載のデバイス。
（I）第１及び第２の端子を含むバッテリと、
（II）請求項１に記載のＰＴＣデバイスと、
を含むバッテリアセンブリであって、
前記第１の導電性リードが前記バッテリの前記第１の端子と物理的及び電気的に接触するように、前記ＰＴＣデバイスが前記第１の端子と接触するように配置されているバッテリアセンブリ。
前記バッテリはニッケル-カドミウムバッテリ、ニッケル-水素化物バッテリ、またはリチウムバッテリである請求項７記載のアセンブリ。
少なくとも２つのバッテリを含み、各バッテリが第１及び第２の端子を有しており、
好ましくは前記第１の導電性リードが、第１のバッテリの前記第１の端子と物理的及び電気的に接触し、
前記第２の導電性リードの前記第２の部分が、第２のバッテリの前記第２の端子と物理的及び電気的に接触する請求項７記載のアセンブリ。
請求項１に記載のＰＴＣデバイスをバッテリの端子に取り付ける方法であって、
（I）前記第１の導電性リードを前記バッテリの第１の端子と接触するように配置する工程と、
（II）前記第２の導電性リードの前記第２の部分を、前記第１の導電性リードから離れるように前記第２の導電性リードの前記第１の部分で規定される面から曲げて、溶接装置を挿入するのに十分な大きさの空間を形成する工程と、
（III）前記溶接装置を前記空間に挿入する工程と、
（IＶ）前記ＰＴＣデバイスを前記第１の端子に溶接する工程と、
を含む方法。