JP4569886B2 - 温度センサーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は温度センサー、特にハイブリッド車搭載二次電池用の温度検知に好適な温度センサーの製造方法に関するものである。

ハイブリッド車に搭載される二次電池には、ニッケル−水素電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン二次電池のほか各種の電池が開発されている。

例えばニッケル−水素電池においては、充電完了間際に電圧が急上昇するため、電池内のセルが高温に発熱するという現象が生ずる。このため、電池内の各セルの温度を監視し、電池の異常発熱を防止する必要がある。これは、ニッケル−金属水素化物電池においても同じである。

ニッケル−金属水素化物電池については、例えば、特許文献１に充電の終了時期をサーミスタで検知する試みが記載されている。特許文献１に記載されたニッケル−金属水素化物電池は、発電素子に対応して電池ケースの内壁に酸素・水素反応用触媒層を取り付け、電池ケースの外壁に、前記触媒層と対抗して温度検知センサーを具備したというものである。

発電素子は、ニッケル極と、金属水素化物極が電解液中のＯＨ⁻の移動を共用するセパレーターを介して組合された電極が複数組積層されて形成されたものであり、電池ケースは、鉄やニッケルなどの金属材料で作られている。また、温度検知センサーには例えばサーミスタが用いられ、サーミスタは接着剤を用い、酸素・水素反応用触媒層に対向して電池ケースの外壁に取り付けられる。上記構成において、発電素子が作動されて充電が開始され、過充電や充電末期に至ると、ニッケル極から酸素ガスが発生し、酸素ガスは水素と反応し、発熱反応を起こす。

すると、電池ケース内の触媒層は温度上昇を起こし、その温度上昇にともなって電池ケースの温度を上昇させる。ここで、サーミスタは電池ケースの温度上昇を検出して、その検出信号を検出部に出力する。検出部は、検出信号に基いて充電動作の終了またはほぼ終了した状態であることを検知し、充電動作を終了させたり、充電電流値を小さくし、酸素ガスの発生を極力抑える充電動作へと移行させたりするのである。

このように、電池の充電完了時期を検知して過充電時の電気特性の低下やケースの破壊などを防止する必要性は、ニッケル−金属水素化物電池だけの問題ではなく、固体高分子型燃料電池などについても同じである。固体高分子型燃料電池では、純水素を燃料に用いられるため、水素の正常供給，ガス漏れを検知するために水素センサーを用いる構想が非特許文献文献１に紹介されている。この試みは、水素ガスとＰｔ触媒との触媒反応から発生する局部的な温度差を熱伝変換材料により電圧に変換するというものである（非特許文献１）。

ところで、固体高分子型燃料電池では、１枚で約０．７Ｖの電圧差が得られるセルを何十、何百枚も直列につないで電池ケース内に配設されるものであり、各セルごとに、その温度を管理する温度センサーが設置される。温度センサーを電池ケースに取り付けるためには、特許文献１に記載されたような触媒層を電池のケース内に設け、電池ケースの外側に接着剤で温度検知センサーとしてサーミスタを接着剤で取り付けるといった方法では、各セルごとに温度検知センサーを設ける場合にはその取り付け作業が厄介であり、また、単に接着剤で固定するのみでは温度検知センサー毎の測定精度にばらつきが生ずるのは避けられない。

このような問題を解決するには、温度センサーとしての、気密性、水密性を確保するのはもとより、温度検知性能を各センサーごとに安定させる必要があり、また、各セルに対応して電池ケースに取り付けるに際しても、その形状、取り付け方法を定型化しなければ実用にはならない。温度センサーを定型に加工する方法は、例えば特許文献２に記載されている。

この方法は、内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程とからなり、サーミスタを２層の合成樹脂層に内包させる温度センサーの製造方法であって、内側合成樹脂層形成工程は、サーミスタを含んでその表面に電気絶縁性液状合成樹脂を付着させ、該液状合成樹脂材料の乾燥凝固により形成された不定形の内側合成樹脂中にサーミスタを内包させる工程であり、外側合成樹脂成形工程は、内側合成樹脂層及び外部に露出するサーミスタの被覆導線の被覆層の一部とを金型の凹所内に挿入し、金型内に形成される外側合成樹脂層中に内側合成樹脂層を内包させ、凹所内に充填された前記液状合成樹脂材料の乾燥を待って脱型する工程であり、外側合成樹脂層は金型の凹所の形状を象った定型のケーシングに加工されるというものである。

この方法によるときには、内側合成樹脂層が保護層として機能してサーミスタを固定保持でき、外側合成樹脂層は、内側合成樹脂層及びサーミスタの被覆線に気密に密着して固化し、定型のケーシングとしての機能が得られるものである。この方法によって得られた温度センサーは、定型でピンホールなどの気泡がなく、サーミスタへの熱伝達性に優れており、ハイブリッド車搭載二次電池の温度検知に用いる温度センサーの製造に活用できる。

しかしながら、単に内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程とを行うのみでは、得られた各センサーについて、それぞれ樹脂層内でのサーミスタの位置、姿勢が必ずしも統一することができない。
特開平１０−１６２８６３号公報 特公平７−１１１３８２号公報 熱電素子を用いた新しい水素センサーの開発 申 ウソク セラミックス３８ （２００３）Ｎｏ．６

解決しようとする問題点は、温度センサーの製造方法に特許文献２に記載の方法を利用するが、特許文献２に記載されているように単に内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程とを行うのみでは、樹脂層内でのサーミスタの位置、姿勢が必ずしも一定にならないという点である。

本発明は、内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程によって形成された温度センサーの定型の外套内にサーミスタを偏りなく埋設し、さらにサーミスタと測温面との関係位置を管理して温度感知の安定性を確保した点を最も主要な特徴とする。

サーミスタ、リード線及び引き出し線とこれらの接続部分は、内側合成樹脂層で完全に覆われて気密、水密に保たれ、内側合成樹脂層は、断面円形で定型の外套をなす外側合成樹脂層内の中心線上で一定の位置に埋設されるため、安定な測温を行うことができ、外側合成樹脂層には、さらに、合成樹脂の弾力性を利用したクランプを一体に備えるため、このクランプを利用して電池の上蓋などに、安定して確実に取り付けることができる。

内側合成樹脂成形工程によって、成形された内側合成樹脂を外側合成樹脂成形工程で注入樹脂中に埋設するに際し、成形型内で、内側合成樹脂層の位置、姿勢を管理して外側合成樹層の中心線上に保持し、また、外側合成樹層に形成する測温面に対するサーミスタの位置を規制する。

図１は、本発明による温度センサーＳの一実施例を示す断面図である。図において本発明の温度センサーＳは、外側合成樹脂層１と、内側合成樹脂層２との内外２重層からなり、サーミスタ３及びそのリード線４類は、内側合成樹脂層２中に埋め込まれている。外側合成樹脂層１は、図２に示すように断面形状が円形をなす定型の外套であり、先端に測温面５を有し、円形の胴部６の基部には対のクランプ７が一体に形成されている。

測温面５は、外側合成樹脂層１の円形胴部６の長手方向に直交する平坦面であり、図３に示すように、セル８を収容する電池ケース９の上蓋１０の筒１１内に差し込んでセル８によって加熱された筒底の温度を測温する面である。対のクランプ７，７は、外側合成樹脂層１を筒１１内に差し込んだ状態で、上蓋１０の止め具１２に係止させて外側合成樹脂層１を一定位置に固定保持させるものであり、外側合成樹脂層１の樹脂が有する弾力性により変形可能である。対のクランプ７、７の変形並びに復元動作によって前記止め具１２の穴に係止させる。

内側合成樹脂層２は、図４に示すように、サーミスタ３及びサーミスタ３の電極に接続して一方向に引き出された対のリード線４およびこのリード線４に接続された引き出し線１３の被覆の一部を覆ってコーティングされた不定形の合成樹脂層であるが、サーミスタおよびそのリード線、引き出し線の外形形状を倣ってほぼ一定の形態になっており、外側合成樹脂層１の中心線Ｏ−Ｏ上に埋設されたものである。サーミスタ３は、測温面５によって感知された温度を検知してその検知信号は、引き出し線１３を通じて外部回路に出力される。

本発明による温度センサーは以下に説明する内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程とによって製造される。

（１）内側合成樹脂成形工程
内側合成樹脂成形工程は、サーミスタ３及びサーミスタ３の電極に接続して一方向に引き出された対のリード線４およびこのリード線４に接続された引き出し線１３の被覆の一部を覆って電気絶縁性液状合成樹脂を付着させ、該液状合成樹脂材料を固化させる工程である。該液状合成樹脂材料の固化によって不定形の内側合成樹脂層２が形成され、内側合成樹脂層２中にサーミスタ３が内包される。

合成樹脂を付着させる手段は特に限定されるものではないが、例えばサーミスタ３を下向きの姿勢に保持し、槽内に収容された液状合成樹脂（エポキシ樹脂）の液中にサーミスタ３を一定時間、一定の深さに浸漬して予備モールドを行い、次に仕上げモールドを行って一定の厚みを確保し、リード線４およびこのリード線４に接続された引き出し線１３の被覆の一部を覆って電気絶縁性液状合成樹脂を付着させる。これによって、サーミスタ３の表面およびリード線４の全表面、引き出し線１３の一部が合成樹脂によってその表面が均一にコーティングされ、樹脂のコーティング膜によって、サーミスタの電気配線系に気密性、水密性が確保される。

内側合成樹脂層２の形状は、成形加工された温度センサーごとに異なり、その形状は不安定で、必ずしも一定の形状にはならないが、サーミスタ及びサーミスタ３の電極に接続して一方向に引き出された対のリード線４およびこのリード線４に接続された引き出し線１３の外形を象った形状となる。

（２）外側合成樹脂成形工程
外側合成樹脂成形工程は、内側合成樹脂層２及び内側合成樹脂層２から外部に露出する引き出し線１３の被覆の一部とを含めて成形型のキャビティ内に挿入し、成形型内に形成される外側合成樹脂層１中に内側合成樹脂層２を内包させ、キャビティ内に充填された前記液状合成樹脂材料の固化を待って、成形型より脱型する工程である。

外側合成樹脂成形工程は、保形処理と、注入処理と、脱型処理とによって行われる。保形処理は、サーミスタ３を埋め込んだ内側合成樹脂層２を成形型１４にセットし、図５（ａ）のように一定間隔を置いて互いに直交する方向の第１方向から対の第１ピン１５を突き出し、図５（ｂ）のように第２方向から対の第２ピン１６とを突き出して互いに直交する２方向から内側合成樹脂層２を支え、さらに図６に示すように内側合成樹脂層２の先端部分をガイド１７の突当面１８で支える。

図６において、ガイド１７は、突当面１８と、その上方に測温面形成面１９とを有する板であり、ばね２０で支えて成形型１４の固定型１４ａの型面に上下動可能に組み込まれたものである。図６（ａ）に示す型開き状態では、ガイド１７は、ばね２０に押し上げられて固定型１４ａの型面に突当面１８が位置している。この状態で、内側合成樹脂層２の先端をガイドの突当面１８に突き当ててこれを固定型１４ａの型面上に設置し、次に、図６（ｂ）のように成形型の可動型１４ｂを固定型１４ａ上に下降させて型締めする。

可動型１４ｂの下降によって、第１ピン１５と、第２ピン１６とが型面に押し出され、内側合成樹脂層２は、対の第１ピン１５の先端間と、対の第２ピン１６の胴部間で支えられて成形型のキャビティの中心線上に導かれてその位置に保持され、同時にガイド１７は可動型１４ｂに押し下げられ、内側合成樹脂層２の先端部分の正面に、ガイド１７の測温面形成面１９が位置するようになる。測温面形成面１９は、ガイド１７に形成した切欠きであり、突当面１８より後退した面である。

注入処理は、成形型１４を閉じ、型内に溶融合成樹脂を注入する処理である。注入樹脂によって、内側合成樹脂層２を埋め込み、測温面形成面１９の切欠きを含めて成形型１４のキャビティの形状を象った定型の外側合成樹脂層１が形成される。注入樹脂は、たとえばエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、弾力性に富み、対のクランプを弾性変形可能に成形し、かつ内側合成樹脂ともなじみが良く、内外合成樹脂が一体となって固化する。脱型処理は、成形型１４を開き、内側合成樹脂層２と一体となった外側合成樹脂層１を成形型１４内から脱型する処理である。

脱型処理によって、得られた外側合成樹脂層１は、温度センサーＳの外套である。外套は断面円形で、成形型のキャビティの形状を象ってその先端面に測温面５が形成され、円形胴部６の基部に対のクランプ７が一体に形成されるほか、周面要所には、図２に示すように、第１ピンの抜け穴２１と、第２ピンの抜け跡２２の凹所が形成され、外側合成樹脂層１の中心線Ｏ−Ｏ上に位置して内側合成樹脂層２が埋め込まれた温度センサーＳが得られる。

本発明において、サーミスタから測温面までの距離は、外側合成樹脂成形工程によって形成された外側合成樹脂層の先端の合成樹脂層の厚みの設定によって管理でき、測温面とサーミスタとの距離の管理は、温度センサーの使用の態様や、センサーの感度、応答性（熱時定数）を参酌して決定される。

また、外側合成樹脂成形工程においては、内側合成樹脂層の長手方向に対し、互いに直交する第１方向と第２方向から成形型のキャビティ内に突き出した対の第１ピンと、対の第２ピンとによって内側合成樹脂層をキャビティの中心線上に支えるため、偏肉が生ぜず、均等な製品が得られ、温度センサーとして温度測定精度の均一化を図ることができる。

すなわち、本発明の温度センサーは、図３に示したように、電池ケース内に配列された何十枚、何百枚のセルへの充電状態を表す温度測定用に使用したときに、センサーごとのばらつきを最小限度に抑えることができる。しかも、外套には、外側合成樹脂層の一部に形成したクランプを有するため、電池ケースの上蓋に孔と掛止部を設けることによって、外套を孔内に差込み、クランプを掛止部に係止して安定に温度センサーを電池ケースに定着できる。

断面形状が円形をなす定型の外套の先端に測温面を有し、胴部の基部に対のクランプが一体に形成された温度センサーが得られ、外套の形状、クランプの形状を電池ケースの取り付け部に合わせてその形状を適宜設定することによって、形態が異なる各種の電池ケースに適用可能であり、特に、ハイブリッド車搭載二次電池用の温度検知に適用して優れた効果が得られる。

本発明の温度センサーの１実施例を示す断面図である。 外側合成樹脂層の外観を示す図である。 本発明の温度センサーを電池ケースの上蓋に取り付けた状況を示す断面図である。 内側合成樹脂層の外観を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、成形型内で内側合成樹脂層を外側合成樹脂層の中心線直上に保持する要領を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、内側合成樹脂層の位置決めと測温面形成要領を示す図である。

符号の説明

Ｓ 温度センサー
１ 外側合成樹脂層
２ 内側合成樹脂層
３ サーミスタ
４ リード線
５ 測温面
６ 胴部
７ クランプ
８ セル
９ 電池ケース
１０ 上蓋
１１ 筒
１２ 止め具
１３ 引き出し線
１４ 成形型
１５ 第１のピン
１６ 第２のピン
１７ ガイド
１８ 突当面
１９ 測温面形成面
２０ ばね
２１ 第１のピンの抜け穴
２２ 第２のピンの抜け跡

Claims (2)

1. 内側合成樹脂成形工程と外側合成樹脂成形工程とを有する温度センサーの製造方法であって、
   内側合成樹脂成形工程は、サーミスタ及びサーミスタの電極に接続して一方向に引き出された対のリード線およびこのリード線に接続された引き出し線の被覆の一部を覆い、電気絶縁性液状合成樹脂を付着させ、該液状合成樹脂材料の固化により一定の厚みを確保して形成された内側合成樹脂中にサーミスタを内包させる工程であり、
   外側合成樹脂成形工程は、内側合成樹脂層及び外部に露出するサーミスタの引き出し線の被覆の一部を成形型のキャビティ内に挿入し、成形型内に形成される外側合成樹脂層中に内側合成樹脂層を内包させる処理であり、保形処理と、注入処理と、脱型処理とを有し、
   保形処理は、サーミスタを埋め込んだ内側合成樹脂層を成形型内にセットし、型内にセットされた内側合成樹脂層を、一定間隔を置いて互いに直交する方向の第１方向から対の第１ピンを突き出し、第２方向から対の第２ピンを突き出して互いに直交する２方向から成形型のキャビティの中心線上に内側合成樹脂層を支えるとともに、型開き状態で内側合成樹脂層の先端部分を型面に位置させたガイドの突当面に支え、型締め後、ガイドに形成した測温面形成面を内側合成樹脂層の先端部分の正面に位置させ、
   前記測温面形成面は、ガイドに形成された切欠き内で突当面より後退させた面であり、
   注入処理は、測温形成部面の切欠きを含めて型内に溶融合成樹脂を注入する処理であり、
   注入処理によって、成形型のキャビティの形状を象り、内側合成樹脂層と一体となり、内側合成樹脂層内のサーミスタから一定の距離を置いて形成された測温面を先端に有する外側合成樹脂層が形成され、
   脱型処理は、内側合成樹脂層と一体化された外側合成樹脂層を成形型内から脱型する処理であることを特徴とする温度センサーの製造方法。
2. 前記内側合成樹脂成形工程は、サーミスタ及びサーミスタの電極に接続して一方向に引き出された対のリード線およびこのリード線に接続された引き出し線の外形を象った不定形の合成樹脂層を形成する工程であり、
   前記保形処理は、型開き状態で内側合成樹脂層の先端をガイドの突当面に突き当てて内側合成樹脂層を固定型の型面上に設置し、内側合成樹脂層を前記第１ピンおよび第２ピンで支え、型締めとともに、前記ガイドを押し下げて、内側合成樹脂層の先端部分の正面にガイドの測温面形成面となる切欠きを位置させる処理であり、
   前記注入処理は、測温面形成面の切欠き内を含めて成形型のキャビティの形状を象ってその先端面に測温面を有する定型の外側合成樹脂層を形成する処理であることを特徴とする請求項１記載の温度センサーの製造方法。

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