JP4869553B2 - 回路保護デバイス - Google Patents

Description

技術分野
本発明は回路保護デバイス、特に、バッテリまたは他の基材上に溶接するのに適当な導電性ポリマーを含む回路保護デバイスに関する。

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）を示す回路保護デバイスはよく知られている。そのようなデバイスは一般に、導電性ポリマー組成物で構成されるＰＴＣ抵抗要素（または素子）を含む。例えば金属シートまたは箔の形態の第１および第２の電極が導電性ポリマーに取り付けられ、デバイスへの電気的接続を可能にしている。また、過電流および過熱状態からバッテリを保護するために回路保護デバイスを使用することもよく知られている。例えば、米国特許第４，２５５，６９８号（Simon）、同第４，９７３，９３６号（Dimpault-Darcyら）、同第５，８０１，６１２号（Chandlerら）および同第６，１１４，９４２号（Kitamotoら）および日本国実願平４−７５２８７（１９９２年１０月２９日出願）を参照のこと。これらの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。これらの出願において、ＰＴＣデバイスはバッテリターミナルと直列に接続される。通常のオペレーションの間、ＰＴＣデバイスは（例えば室温〜４０℃の回路状態に依存して）低抵抗、低温状態にある。例えば回路のショートなどにより起こり得る非常に大きな電流に曝され、あるいは、例えば過充電により起こり得る６０〜１３０℃の温度などの高い温度に曝されたときに、デバイスは高抵抗、高温状態へとスイッチし、これにより、バッテリに流れる電流を減少させて低レベルとし、バッテリと接触している部品を保護する。

バッテリを保護するための１つの好ましい構造を有する従来の回路保護デバイスを図１および２に示す。一般的にはストラップデバイスとして知られているこの構造においては、ＰＴＣ要素３は２つの電極９、１１の間に挟持されて「チップ」を形成し、このチップは、例えばはんだで第１および第２の面状金属電気リード２１、３１に取り付けられ、これらリードはチップの対向する端部から延びている。このデバイスの一方の端部にあるリードはバッテリセルに電気接続でき、また、他方の端部にあるリードは第２のバッテリセルまたはもう１つの部品、例えば回路基板またはバッテリパックターミナルに電気接続できる。このようにして、このデバイスは保護デバイスおよび相互接続デバイスの双方として機能し得る。

このデバイスは通常、バッテリの金属カン（can）または部品の金属タブに抵抗溶接またはスポット溶接することによってバッテリセルまたは他の部品に取り付けられる。抵抗溶接の間、極めて大きい電流が２つの金属ピースの間を流れる。この大電流によって、両金属ピースの表面を溶かしてこれらを結合、すなわち「溶接」するのに十分な局所加熱が金属−金属界面にて起こる。抵抗溶接に関する１つの問題は、プロセスが高エネルギーであるために、溶融金属の小さな粒が溶接部位から排出されることである。この現象は一般的に溶接飛散（weld splatter）として知られている。

溶接飛散はストラップデバイスをセルに取り付ける場合に特に問題となり得る。溶融金属は、チップと接触するようになるとＰＴＣデバイスの性能を著しく阻害し得るからである。金属は、ＰＴＣ要素の縁部に衝突すると凝固し得、そして第１および第２電極と接触した状態で残ってチップを事実上ショートさせ得る。デバイスは故障が生じると高抵抗状態になることによって機能するので、デバイスを横切る低抵抗のショートは通常の機能を妨げる。あるいは、極めて高温の溶融金属がデバイスの導電性ポリマー部を焼き、焦がし、または他の方法で損傷させて、故障させることがある。

ストラップデバイスは、典型的には、図３に示すように１枚のポリマー性テープで巻かれている。このテープは、環境的保護を含むいくつかの機能を果たし、また、溶接飛散に対する幾分かの保護を提供し得る。しかしながら、溶接飛散による溶融金属の粒が十分に熱い場合、これらはテープを溶かし得ることが知られている。また、溶接飛沫（weld splatter）はテープと電気リードとの間の隙間に入り込むことによって直接にＰＴＣ要素と衝突する（または打撃を与える）こともある。

発明の簡単な要旨

本発明者らは、溶接飛沫がＰＴＣ要素と接触して損傷させ得るのを防止するように、ストラップデバイスの金属リードを形成できることを見出した。障害物またはバリア（または障壁）をスポット溶接とＰＴＣ要素との間の領域にてリードに形成または取り付け（もしくは付加）し得る。この障害物はシールドとして機能して、溶接飛沫がＰＴＣ要素の縁部と衝突してこれを損傷させるのを防止する。障害物は、ＰＴＣチップへのリフロー取付の前に個々のリードに形成または取り付けしてよく、あるいは、組立て（またはアセンブリ）後に最終のデバイスに形成または取り付けしてよい。

第１の要旨において本発明は
（１）第１および第２主面ならびに厚さｔを有する層状ＰＴＣ抵抗要素と、
（２）ＰＴＣ要素の第１面に取り付けられた第１電極と、
（３）ＰＴＣ要素の第２面に取り付けられた第２電極と、
（４）以下を含む第１電気リードと
（ａ）第１電極に取り付けられた取付面を有する第１取付部、
（ｂ）電気回路に接続され得、ＰＴＣ要素から離間している第１接続部、および
（ｃ）（ｉ）第１取付部と第１接続部との間で第１リードに位置し、（ｉｉ）第２電極に向かって延び、および（ｉｉｉ）高さｘを有する、第１バリア部
を含む、回路保護デバイスを提供する。

第２の要旨において本発明は本発明の第１の要旨による回路保護デバイスであって、
（５）以下を含む第２電気リード
（ａ）第２電極に取り付けられた取付面を有する第２取付部、
（ｂ）電気回路に接続され得、ＰＴＣ要素から離間している第２接続部、および
（ｃ）（ｉ）第２取付部と第２接続部との間で第２リードに位置し、（ｉｉ）第１電極に向かって延び、および（ｉｉｉ）高さｙを有する、第２バリア部
を更に含み、
上記第１バリア部は第１接続部とＰＴＣ要素との間で溶接飛散を遮断するように設計され、および上記第２バリア部は第２接続部とＰＴＣ要素との間で溶接飛散を遮断するように設計されている、デバイスを提供する。

第３の要旨において本発明は
（Ａ）本発明の第１の要旨による回路保護デバイスと、
（Ｂ）第１接続部に溶接されるターミナルを含むバッテリと
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

本発明の回路保護デバイスはＰＴＣ材料、例えば導電性ポリマー組成物またはセラミックから構成される層状抵抗要素（または素子）を含む。このような導電性ポリマー組成物はポリマー性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４，３０４，９８７号（van Konynenburg）、同第４，５１４，６２０号（Chengら）、同第４，５３４，８８９号（van Konynenburgら）、同第４，５４５，９２６号（Foutsら）、同第４，７２４，４１７号（Au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）、および同第５，８０１，６１２号（Chandler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。導電性ポリマー組成物はセラミック組成物よりも低抵抗であり、製造が容易であるので好ましい。

デバイスに使用される組成物は正の温度係数（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（または抵抗）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。

ＰＴＣ抵抗要素は厚さｔを有し、これは特定の用途（または適用）および導電性ポリマー組成物の抵抗に依存して様々である。一般的に、ｔは０．０５１〜２．５ｍｍ（０．００２〜０．１００インチ）、好ましくは０．０８〜２．０ｍｍ（０．００３〜０．０８０インチ）、特に０．１３〜０．５１ｍｍ（０．００５〜０．０２０インチ）、例えば０．１３ｍｍまたは０．２５ｍｍ（０．００５インチまたは０．０１０インチ）である。

本発明のデバイスは第１および第２層状電極、好ましくは金属箔電極を含み、層状導電性ポリマー抵抗要素がこれらの間にて、第１電極を層状要素の第１面（即ち第１主面）に固定し、また、第２電極を層状要素の第２面（即ち第２主面）に固定するようにして挟持されている。特に適当な箔電極は、例えば電着による、好ましくは電着ニッケルまたは銅の、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）を有する。適当な電極が米国特許第４，６８９，４７５号（Matthiesen）、同第４，８００，２５３号（Kleinerら）、および同第５，８７４，８８５号（Chandlerら）、ならびに国際公開第ＷＯ９５／３４０８１号（Raychem Corporation）に開示されている。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。電極は抵抗要素に直接に取り付けられていてよく、または接着剤もしくは結着剤層によって取り付けられていてよい。あるデバイスでは、第１および第２層状電極は、ＰＴＣ抵抗要素上に直接に金属を堆積させる（または蒸着する）こと、例えばメッキ、スパッタリングまたは化学堆積（chemical deposition）によって形成された金属層を含むことが好ましい。

本発明の回路保護デバイスは第１電気リード、および好ましくは第２電気リード（これは第１電気リードと同じであっても異なっていてもよい）を含む。このようなリードはデバイスを基材（または基板）、例えばバッテリに接続するために使用され、そして、一般的にはＰＴＣ要素の縁部を越えてストラップの形態で延びている。任意の適切な方法、例えばはんだまたは導電性接着剤によって、第１リードは第１電極に取り付けられ、また、第２リードは第２電極に取り付けられる。用途、取付の容易さ、または温度管理に応じて、リードが接触する電極の比較的小さいまたは実質的に全ての部分を覆うようにリードを配置してよい。

第１電気リードは次の３つのセクションを含む：第１取付部、第１接続部、および第１取付部と第１接続部との間で第１リードに位置する第１バリア部。第１取付部は取付面によって第１電極に取り付けられたセクションであり、また、第１電極の少なくとも一部を覆うセクションである。第１接続部はＰＴＣ要素から離間しており、例えば溶接によって基材への電気接続を形成するために使用される。第１バリア部は、溶接飛沫に対する保護を提供するセクションである。第１バリア部は第１リードの面から第２電極に向かって延びるバリアを含み、即ち、これはＰＴＣ要素と接触するために溶接飛沫が移動し得る空間へ突出している。第１バリア部は高さｘを有し、この高さは溶接飛沫がＰＴＣ要素と接触するのを防止するのに十分な大きさである。一般的にｘは０．０５〜０．５１ｍｍ（０．００２〜０．０２インチ）であるが、ｘはこれより相当大きくてもよく、例えば１ｍｍ（０．０４インチ）であってよい。第１バリア部の高さｘは、好ましくは少なくとも０．５ｔ、特に少なくとも０．８ｔ、好ましくは少なくともｔである。

第１リードは一般的に、ほぼ平坦な金属（例えば０．１３ｍｍ（０．００５インチ）の厚さを有するニッケル）の単一ピースを含む。バリアは金属の単体ピースによりおよびその一部として形成されてよく、あるいは、これは金属の表面に取り付けられていてよい。好ましいバリア部は、バリアがリードにおける曲げまたは窪みの形態で、例えば半円または三角形（ノッチ）の形状を有して存在するバリア部である。あるいは、第１リードはＰＴＣ要素のエッジを溶接飛沫から保護する不連続部を形成するようにその元の面から曲がっていてよい。一般的にそのような曲げは、第１リードの第１接続部が、存在する場合には第２リードとほぼ同じ面上に位置するように設計される。もう１つの手法では、ＰＴＣ要素のエッジを保護するための持ち上がった切欠きを形成するように第１リードの面から小さい領域を切断、打抜き、エッチングまたは別の方法で除去する。第１リードを形成する金属ピースに取り付けられたバリアは、第１リードの面から突出する壁または堰（もしくは障害物）の形態であってよい。これらは次のものであってよい：リードに溶接、はんだ付けまたは取り付けられた金属ピース；リード上に配置され、そしてバリアを形成するようにその場に取り付けられ、またはそこで硬化させたポリマー、例えばエポキシ樹脂；あるいは、リードに取り付けられたセラミック、ガラスまたは紙。バリアは、必須ではないが、リードの幅に亘って延在してよく、また、溶接箇所にもよるが、リードの中央部に位置し、または中央から外れて配置されてよい。バリアはＰＴＣチップへの取付の前に個々のリードに形成または取付でき、あるいは、組立て後に最終のデバイスに形成または取付できる。

また、第２電気リードも次の３つのセクションを含む：第２取付部、第２接続部、および第２取付部と第２接続部との間で第２リードに位置する第２バリア部。第２バリア部の高さｙはｘと同じであっても、異なっていてもよいが、一般的には好ましくは少なくとも０．５ｔ、特に少なくとも０．８ｔ、好ましくは少なくともｔである。第２バリア部は第２リードから第１電極に向かって延びる。用途および基材のタイプに応じて、第２バリア部は第１バリア部と同様であっても、異なっていてもよく、例えばこれは同じまたは異なる材料および／または形状および／または位置決め（またはポジショニング）を有してよい。

第１および第２リードは一般的には互いに軸方向に配置されているが、いくつかの用途ではそれらは互いに対して９０°で配置されていてよく、また他の用途では互いに平行であってよい。

第１リードの少なくとも第１取付部（および第１電極が第１リードにより完全に被覆されない場合には第１電極のいずれもの露出セクション）の周りに巻き付けた、または、好ましくは第１リードの少なくとも第１取付部および第１バリア部の一部または全部の周りに巻き付けた電気絶縁層、例えばテープを使用することによって、溶接飛沫に対する更なる保護が得られる。

本発明のデバイスは、バッテリへのまたは１つもしくはそれ以上のバッテリ（即ちセル）を有するバッテリパックへの取り付けを行ってバッテリアセンブリを形成する場合に特に有用である。このバッテリパックにおいて、１つのバッテリにある第１ターミナルから第２のバッテリにある他の第２ターミナルへデバイスを接合するために第１および第２リードが使用される。ニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル金属水素化物バッテリ、リチウムイオンバッテリ、リチウムポリマーバッテリおよび一次リチウムバッテリを含むあらゆるタイプの電池化学に基づくバッテリを使用できる。別法では、この接合は１つのバッテリおよびもう１つの基材（例えば回路基板）へ、または基材のみへのものであってよい。

本発明のデバイスはしばしばストラップの形態の電気リードを有して「ストラップデバイス」のデザインとされるが、他のタイプのＰＴＣ回路保護デバイスも本発明の利益を得ることができる。例えば、デバイスの熱放散を制御するため、金属ターミナル、例えば鋼鉄、黄銅または銅などがはんだまたは溶接によってチップに取り付けられているデバイスを使用してよい。そのようなデバイスは米国特許第５，０８９，８０１号および同第５，４３６，６０９号（いずれもChanら）に開示され、これらの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。

本発明を図面により説明する。図１は従来の回路保護デバイス１の斜視図を示す。図２は図１のデバイスをII−II線に沿った断面にて示す。ＰＴＣ要素３は第１および第２電極９、１１の間に挟持されている。第１および第２電気リード２１、３１は、はんだまたは導電性接着剤（図示せず）によって第１電極９および第２電極１１にそれぞれ取り付けられている。

図３は斜視図にて、および図４は断面図にて、絶縁層４１（例えばポリマー性テープ）を巻いた従来のデバイス１を示し、これは環境的保護またはマーキングの目的に使用できる。

図５は本発明の回路保護デバイス５１の斜視図を示す。図６はデバイス５１を図５のVI−VI線に沿って示す。ＰＴＣ要素３は第１および第２電極９、１１の間に挟持され、第１電極９は第１主面５に取り付けられ、また第２電極１１は第２主面７に取り付けられている。ＰＴＣ要素３および第１および第２電極９、１１は組み合わさってチップ１３を形成する。第１電気リード２１ははんだ、導電性接着剤または他の適当な材料（図示せず）によって物理的および電気的に第１電極９に接続される。第１リード２１は次の３つのセクションを有する：第１電極９に接続される取付面２４を有する第１取付部２３；例えば溶接によってバッテリターミナルまたは他の基材が取り付けられる第１接続部２５；および第１取付部２３と第１接続部２５との間に在る第１バリア部２７。図５および６に示すように、第１バリア２９は第１リード２１における曲線的な窪みまたは凹みの形態であり、これは第１リード２１の面から離れて第２電極１１に向かって延びる。第２電気リード３１は第１リード２１と対称であり、第２電極１１に接続されている。また、第２リード３１は次の３つのセクションを有する：第２電極１１に接続される取付面３４を有する第２取付部３３；例えば溶接によってバッテリターミナルまたは他の基材が取り付けられる第２接続部３５；および第２取付部３３と第２接続部３５との間に在る第２バリア部３７。図示するように、第２バリア３９は第１バリア２９と同様の形状を有するが、第２リードの面から第１電極９に向かって延びている。

図７〜１２は本発明のデバイスについての別のデザイン（または設計）を示す。図７において、第１および第２バリア部２７、３７はノッチの形態の第１および第２バリア２９、３９を有する。図８はこのデバイスを図７のVIII−VIII線に沿った断面にて示すが、これに加えて、第１バッテリ４３が第１バッテリターミナル４５（これはボタンターミナルである）への第１溶接４４を介して第１接続部２５に接合され、および第２バッテリ４７が第２バッテリターミナル４９（これは平坦なターミナルである）への第２溶接４８を介して第２接続部３５に接合されていることを示す。デバイス５１のバッテリ４３および４７への接合はバッテリアセンブリ５３を形成する。

図９は第１および第２リード２１、３１におけるバリア部がリードを曲げることによって形成されているデバイスを示す。図１０はこのデバイスを図９のX-X線に沿った断面にて示す。図１１においては、第１および第２バリア２９、３９は、それぞれ第１および第２リード２１、３１の一部に取り付けられ、または一部として形成された壁または堰（もしくは障害物）の形態である。図１２は斜視図にて、および図１３は断面図にて、第１および第２バリア２９、３９が持ち上がった切欠き（第１および第２リードをプレス加工し、または他の切断法により形成されるもの）であるデバイスを示す。

図１４および１６は絶縁性層４１を巻き付けた図５のデバイス５１の斜視図であり、図１５および１７はその断面図である。絶縁性層５１はテープの形態であり、第１および第２リード（および下方のチップ１３）のバリア部および接続部を除く全ての部分を（図１４および１５に示すように）、または接続部を除く全ての部分を（図１６および１７に示すように）覆うことができる。

上述の装置アレンジメント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ような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は従来の回路保護デバイスの斜視図である。 図２は図１のII−II線に沿った断面図である。 図３はもう１つの従来の回路保護デバイスの斜視図である。 図４は図３のIV−IV線に沿った断面図である。 図５は本発明の回路保護デバイスの斜視図である。 図６は図５のVI−VI線に沿った断面図である。 図７は本発明のもう１つの回路保護デバイスの斜視図である。 図８は図７のVIII−VIII線に沿った断面図であり、また、本発明のバッテリアセンブリを示す図である。 図９は本発明のもう１つの回路保護デバイスの斜視図である。 図１０は図９のX−X線に沿った断面図である。 図１１は本発明の他の回路保護デバイスの斜視図である。 図１２は本発明の他の回路保護デバイスの斜視図である。 図１３は図１２のXIII−XIII線に沿った断面図である。 図１４は本発明の回路保護デバイスの斜視図である。 図１５は図１４のXV−XV線に沿った断面図である。 図１６は本発明のもう１つの回路保護デバイスの斜視図である。 図１７は図１６のXVII−XVII線に沿った断面図である。

Claims (7)

1. （１）第１および第２主面ならびに厚さｔを有する層状ＰＴＣ抵抗要素と、
   （２）ＰＴＣ要素の第１面に取り付けられた第１電極と、
   （３）ＰＴＣ要素の第２面に取り付けられた第２電極と、
   （４）第１電気リードであって、
   （ａ）第１電極に取り付けられた取付面を有する第１取付部と、
   （ｂ）電気回路に接続され得、ＰＴＣ要素から離間している第１接続部と、
   （ｃ）（ｉ）第１取付部と第１接続部との間で第１電気リードに位置し、（ｉｉ）第２電極に向かって延び、および（ｉｉｉ）高さｘを有する、第１バリア部と
   を含む第１電気リードと、
   （５）第２電気リードであって、
   （ａ）第２電極に取り付けられた取付面を有する第２取付部と、
   （ｂ）電気回路に接続され得、ＰＴＣ要素から離間している第２接続部と、
   （ｃ）（ｉ）第２取付部と第２接続部との間で第２電気リードに位置し、（ｉｉ）第１電極に向かって延び、および（ｉｉｉ）高さｙを有する、第２バリア部と
   を含む第２電気リードと
   を含む回路保護デバイスであって、
   前記第１バリア部の高さｘ及び前記第２バリア部の高さｙは、少なくとも厚さｔと同じ大きさであり、
   前記第１バリア部は第１電気リードにおける窪み、ノッチもしくは曲げ；または持ち上がった切欠きを含み、また、前記第２バリア部は第２電気リードにおける窪み、ノッチもしくは曲げ；または持ち上がった切欠きを含み、
   前記第１バリア部は第１接続部とＰＴＣ要素との間で溶接飛散を遮断するように設計され、および前記第２バリア部は第２接続部とＰＴＣ要素との間で溶接飛散を遮断するように設計されている、
   回路保護デバイス。
2. 第１および第２電気リードは金属でできている、請求項１に記載のデバイス。
3. 第１および第２電気リードは軸方向に向き決めされ、または互いに９０°の角度で向き決めされている、請求項１に記載のデバイス。
4. ＰＴＣ要素は導電性ポリマー組成物でできている、請求項１に記載のデバイス。
5. 第１取付部、第２取付部、第１取付部を越えて延びる第１電極のセクション、および第２取付部を越えて延びる第２電極のセクションを覆う絶縁層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記絶縁層はテープ形態の絶縁層である、請求項５に記載のデバイス。
7. （１）請求項１に記載の回路保護デバイスと、
   （２）第１接続部に溶接されるターミナルを含むバッテリと
   を含む、バッテリアセンブリ。

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