JP5348422B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、過電圧印加時のショートを防止可能な温度センサに関する。

一般に、ノート型パーソナルコンピュータ等に搭載されるバッテリーパックのセル（円柱状の単電池）について、充放電温度管理及び電池容量管理を行うためにサーミスタセンサ等の温度センサが用いられている。すなわち、上記バッテリーパックでは、複数並列状態に並べられたセルの表面などに温度センサが取り付けられて、温度管理が行われている。

このような温度センサにおいて、サーミスタ素子に過電圧が印加された場合、サーミスタ素子が熱暴走して発熱すること、およびハンダが溶融してリード線が接触してショートモードになり電流が流れ続け、最終的に発火、焼損に至ることが問題となっていた。このため、過電圧印加時の故障モードは、オープンモードになり、電流が止まることが望まれている。

これらの対策として、従来、例えば特許文献１には、両側面にそれぞれ電極を形成してなるセラミック素子と、上端を両電極の一方に高溶融ハンダにより接続した一方のリード線端子と、上端を両電極の他方に低溶融ハンダにより接続したリン青銅のような弾性をもつ金属条板の両端に電線をそれぞれ溶着してなる他方のリード線端子と、２個の端子挿入孔をもつ難燃性絶縁材料よりなる支持板とよりなり、一方のリード線端子の下端を支持板の一方の端子挿入孔に挿入固定すると共に他方のリード線端子の下端をその弾性に抗して支持板の他方の端子挿入孔に挿入固定してなるセラミックス電子部品が提案されている。
このセラミック電子部品は、定格を上回る過負荷が印加されたとき、大きなジュール熱の発生により低溶融ハンダが溶融してリード線端子の上端が弾性金属条板の弾性により電極から離れて、電子部品を接続した回路を遮断することで電子部品を保護している。

また、特許文献２には、両主面にリード線を半田付けした正特性サーミスタの一方の電極と基板とをエポキシ樹脂等の接着剤で接着し、両リード線を基板に半田付けし、基板側と反対側のリード線と基板との間にバネ材を介した過電圧・過電流保護装置が提案されている。
この過電圧・過電流保護装置は、正特性サーミスタに過電流・過電圧が印加された場合、正特性サーミスタの自己発熱で半田を融解させることにより、予め付勢したバネ力によりリードと正特性サーミスタとを離間させ、過電圧及び過電流から機器を保護している。

実開昭５１−５９４２号公報 特開平９−３０６３１８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１および２に記載の技術では、過電圧が印加された際に、サーミスタ素子の電極からリード線が弾性やバネ力によって離間することでショートを防止しているが、サーミスタ素子から外れて開放されたリード線が隣接する他の電子部品や回路等に接触してしまうおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、過電圧印加時においてショートモードを防止可能であると共に、その際にリード線が他の電子部品や回路等と接触することも防止可能な温度センサ温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の温度センサは、一対の電極を有するサーミスタ素子と、前記一対の電極に一端が半田材で接続され弾性力を有した一対のリード線と、前記一対のリード線に設けられこれらの間隔を保持する支持手段と、前記一対のリード線の一端と前記サーミスタ素子とを封止すると共に前記半田材の融点温度以下で軟化する熱可塑性樹脂で形成された樹脂封止部と、を備え、前記一対のリード線のうち少なくとも一方の一端側が、前記一対のリード線の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されていることを特徴とする。

この温度センサでは、熱可塑性の樹脂封止部により封止されている一対のリード線のうち少なくとも一方の一端側が、一対のリード線の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されているので、過電圧印加時にサーミスタ素子が熱暴走に至り発熱すると、サーミスタ素子の破壊およびモールドした樹脂封止部の溶融（軟化）が生じ、さらに半田材が溶融してリード線が上記付勢力による弾性で互いに離間する方向に開いてサーミスタ素子から少なくとも一方が外れてオープン破壊となる。このとき、サーミスタ素子から外れたリード線の一端は、軟化または溶融状態の樹脂封止部内で移動するが、樹脂封止部に覆われているため、隣接する他の電子部品や回路等に接触することがない。さらに、リード線がサーミスタ素子から外れるとオープン状態となってサーミスタ素子の発熱が止まり、軟化または溶融していた樹脂封止部が冷えて再び硬化するため、リード線が外れた状態で固定される。したがって、過電圧印加時に赤熱や燃焼が生じずにリード線が外れてオープン破壊すると共に外れたリード線が樹脂で覆われているため、隣接する他の電子部品や回路等と接触することが防止される。

また、本発明の温度センサは、前記サーミスタ素子が、前記樹脂封止部の一端側近傍に配されていると共に、前記リード線が、前記樹脂封止部の他端側から突出されていることが好ましい。
すなわち、この温度センサでは、サーミスタ素子が、樹脂封止部の一端側（先端側）近傍に配されていると共に、リード線が、樹脂封止部の他端側から突出されているので、過電圧印加時に発熱する一端側のサーミスタ素子とリード線が突出する樹脂封止部の他端側とが離されており、温度差が生じて樹脂封止部の一端側よりも他端側の軟化が弱くなる。したがって、リード線の広がりが他端側で抑制され、リード線が大きくサーミスタ素子から外れてしまうことを防止することができる。また、サーミスタ素子からリード線が突出する樹脂封止部の他端までの距離が長くなるので、リード線のうち樹脂封止部に密着している部分が長くなり、リード線の挿入部を介して水分等が侵入することを抑制して、信頼性を向上させることができる。

また、本発明の温度センサは、前記樹脂封止部から突出した前記一対のリード線に、外方にＶの字型またはＵの字型に突出して曲げられたバネ部が形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、樹脂封止部から突出した一対のリード線に、外方にＶの字型またはＵの字型に突出して曲げられたバネ部が形成されているので、単に一端側を外側にくの字状に曲げて付勢力を付加した場合に比べて、支持手段でリード線の間隔を保持した際に、リード線と樹脂封止部との界面（挿入部）に応力が加わり難く隙間ができ難くなる。したがって、リード線の挿入部の隙間から水分等が侵入し難くなる。また、バネ部が、支持手段として別途用意した支持部材を取り付ける場合に支持部材の位置決めにもなる。

また、本発明の温度センサは、互いに軸線を平行にして隣接状態に配された２つの円柱状測定対象物の間にこれらに接触状態に設置されて温度を測定する温度センサであって、前記一対のリード線の互いに間隔を広げる方向における前記樹脂封止部の両側面が、対向する２つの前記円柱状測定対象物の外周面に沿って互いに傾斜していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、樹脂封止部の両側面が、対向する２つの円柱状測定対象物の外周面に沿って互いに傾斜しているので、セル等の２つの円柱状測定対象物の間に形成される断面略Ｖ字領域に樹脂封止部が嵌り込むようにして収まり、容易に位置決めされる。また、樹脂封止部の両側面が２つ並んだ円柱状測定対象物の外周面にそれぞれ広い接触面積で接触して収まるので、両側面から円柱状測定対象物の熱が伝導されて、高精度に表面温度を測定することができる。さらに、樹脂封止部の両側面では、熱が伝導され易く、発熱するサーミスタ素子が配置された中央部よりも温度が低いため、過電圧印加時において中央部よりも樹脂が軟化し難い。このため、樹脂封止部が軟化または溶融した際に、サーミスタ素子から外れたリード線の一端が中央部よりも硬い両側面からは突き出し難くなる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、熱可塑性の樹脂封止部により封止されている一対のリード線のうち少なくとも一方の一端側が、一対のリード線の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されているので、過電圧印加時に赤熱や燃焼が生じずにリード線が外れてオープン破壊すると共に外れたリード線が樹脂で覆われているため、隣接する他の電子部品や回路等と接触することが防止される。特に、本発明の温度センサは、バッテリーパックに使用されるセル等の温度測定用に好適である。

本発明に係る温度センサの一実施形態において、支持部材を取り付けた状態（ａ）と外した状態（ｂ）とを示す平面図である。 本実施形態において、温度センサを示す正面図である。 本実施形態において、温度センサを２つ並べたセル間に設置した状態を示す平面図である。 本実施形態において、支持部材を示す正面図である。 本実施形態において、過電圧印加時にオープン破壊した温度センサを示す平面図である。

以下、本発明に係る温度センサの一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１から図３に示すように、互いに軸線を平行にして隣接状態に配された２つのセル（円柱状測定対象物）Ｃの間にこれらに接触状態に設置されて温度を測定する温度センサであって、一対の電極２ａを有するサーミスタ素子２と、一対の電極２ａに一端が半田材（図示略）で接続され弾性力を有した一対のリード線３と、一対のリード線３に設けられこれらの間隔を保持する支持手段である絶縁性材料で形成された支持部材４と、一対のリード線３の一端とサーミスタ素子２とを封止すると共に半田材の融点温度以下で軟化する熱可塑性樹脂で形成された樹脂封止部５と、を備えている。

上記サーミスタ素子２は、チップサーミスタ又は薄膜サーミスタ素子である。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、サーミスタ素子２として、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。
このサーミスタ素子２は、樹脂封止部５の一端側（先端側）近傍に配されていると共に、リード線３が、樹脂封止部５の他端側から突出されている。

上記リード線３は、例えば塩ビ被覆リード線よりも細いポリウレタン被覆リード線等が採用される。すなわち、このリード線３は、接続が行われる一端および他端以外がポリウレタン被覆されている。
そして、一対のリード線３の一端側は、一対のリード線３の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されている。この付勢力を付加するために、樹脂封止部５から突出した一対のリード線３には、外方にＶの字型に突出して曲げられたバネ部３ａが形成されている。なお、バネ部３ａの他の形態としては、外方にＵの字型に突出して曲げられたものでも構わない。

このバネ部３ａは、樹脂封止部５をモールド成形した後に、樹脂封止部５から突出したリード線３を曲げ加工（キンク加工）して形成される。この際、図１の（ｂ）に示すように、一対のリード線３はバネ部３ａの加工によってハの字型に他端側が広げられる。なお、一対のリード線３の広がり度合いは、３０°程度が好ましい。また、バネ部３ａは、一対のリード線３の少なくとも一方にあれば良い。

上記樹脂封止部５は、下部側ほど幅狭に形成された断面台形状とされ、一対のリード線３の互いに間隔を広げる方向における両側面５ａが、対向する２つのセルＣの外周面に沿って互いに傾斜している。なお、この樹脂封止部５の両側面５ａの傾斜角度は、設置されるセルＣの直径やセル間距離等に応じて設定することが好ましい。

また、この樹脂封止部５は、半田材の融点温度以下で軟化するホットメルト樹脂であって当該融点温度では溶け落ちない程度に軟化または溶融する熱可塑性樹脂が採用される。例えば、樹脂封止部５は、ホットメルト樹脂としてポリオレフィン系樹脂であるポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）で形成され、例えば半田材の融点温度が２１７℃とした場合、樹脂封止部５として、軟化点が１４５℃のポリオレフィン系樹脂等が使用される。

なお、樹脂封止部５として使用可能な樹脂としては、半田材の融点温度以下で軟化すると共に当該融点温度では溶け落ちない程度に軟化または溶融する熱可塑性樹脂であれば、ポリオレフィン系樹脂以外にも、ポリアミド樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン系樹脂、シリコン系樹脂、ポリ塩化ビニル、フッ素ゴム、熱可塑性エラストマーなども使用可能である。

この温度センサ１を２つの並んだセルＣの曲面間に設置するには、図２及び図３に示すように、セルＣの間に形成される断面略Ｖ字領域に樹脂封止部５を嵌め込んだ状態で、樹脂封止部５の上面と２つのセルＣの外周面とを固定用テープＴで貼り付けて固定する。

上記支持部材４は、図４に示すように、互いに間隔を空けて一対のリード線３を嵌め込み可能な一対の溝部４ａが形成された樹脂成形品である。この支持部材４の一対の溝部４ａに、図１の（ｂ）のように、バネ部３ａの形成によって他端側がハの字型に広げられた一対のリード線３を揃えるようにして嵌め込むことによって、一対のリード線３の一端側が互いに広がる方向に付勢力が付加された状態で支持される。
なお、支持部材４として、絶縁テープ、ホットメルト樹脂による固定、絶縁性チューブ等を用いて一対のリード線３を支持しても構わない。例えば、一対のリード線３を弾性のある絶縁性チューブに挿通してバネ部３ａで絶縁性チューブを位置決めしても構わない。

このように本実施形態の温度センサ１では、熱可塑性の樹脂封止部５により封止されている一対のリード線３の一端側が、一対のリード線３の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されているので、過電圧印加時にサーミスタ素子２が熱暴走に至り発熱すると、サーミスタ素子２の破壊およびモールドした樹脂封止部５の溶融（軟化）が生じ、図５に示すように、さらに半田材が溶融してリード線３の一端が上記付勢力による弾性で互いに離間する方向に開いてサーミスタ素子２から外れてオープン破壊となる。

このとき、サーミスタ素子２から外れたリード線３の一端は、軟化または溶融状態の樹脂封止部５内で移動するが、樹脂封止部５に覆われているため、隣接する他の電子部品や回路等に接触することがない。さらに、リード線３がサーミスタ素子２から外れるとオープン状態となってサーミスタ素子２の発熱が止まり、軟化または溶融していた樹脂封止部５が冷えて再び硬化するため、リード線３が外れた状態で固定される。したがって、過電圧印加時に赤熱や燃焼が生じずにリード線３が外れてオープン破壊すると共に外れたリード線３が樹脂で覆われているため、隣接する他の電子部品や回路等と接触することが防止される。

また、サーミスタ素子２が、樹脂封止部５の一端側（先端側）近傍に配されていると共に、リード線３が、樹脂封止部５の他端側から突出されているので、過電圧印加時に発熱する一端側のサーミスタ素子２とリード線３が突出する樹脂封止部５の他端側とが離されており、温度差が生じて樹脂封止部５の一端側よりも他端側の軟化が弱くなる。したがって、リード線３の広がりが他端側で抑制され、リード線３が大きくサーミスタ素子２から外れてしまうことを防止することができる。また、サーミスタ素子２からリード線３が突出する樹脂封止部５の他端までの距離が長くなるので、リード線３のうち樹脂封止部５に密着している部分が長くなり、リード線３の挿入部５ｂを介して水分等が侵入することを抑制して、信頼性を向上させることができる。

さらに、樹脂封止部５から突出した一対のリード線３に、外方にＶの字型に突出して曲げられたバネ部３ａが形成されているので、単に一端側を外側にくの字状に曲げて付勢力を付加した場合に比べて、支持部材４でリード線３を固定した際に、リード線３と樹脂封止部５との界面（挿入部５ｂ）に応力が加わり難く隙間ができ難くなる。したがって、リード線３の挿入部５ｂの隙間から水分等が侵入し難くなる。また、バネ部３ａが、支持部材４の取付時に支持部材４の位置決めにもなる。

また、本実施形態の温度センサ１は、バッテリーパックのセルＣ用の温度センサであり、樹脂封止部５の両側面５ａが、対向する２つのセルＣの外周面に沿って互いに傾斜しているので、２つのセルＣの間に形成される断面略Ｖ字領域に樹脂封止部５が嵌り込むようにして収まり、容易に位置決めされる。また、樹脂封止部５の両側面５ａが２つ並んだセルＣの外周面にそれぞれ広い接触面積で接触して収まるので、両側面５ａからセルＣの熱が伝導されて、高精度に表面温度を測定することができる。

さらに、樹脂封止部５の両側面５ａでは、熱が伝導され易く、発熱するサーミスタ素子２が配置された中央部よりも温度が低いため、過電圧印加時において中央部よりも樹脂が軟化し難い。このため、樹脂封止部５が軟化または溶融した際に、サーミスタ素子２から外れたリード線３の一端が中央部よりも硬い両側面からは突き出し難くなる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、一対のリード線の間隔を保持する支持手段として支持部材を一対のリード線に架設しているが、他の支持手段を採用しても構わない。例えば、一対のリード線を接着剤によって互いに固定してもよい。また、絶縁材で被覆された一対のリード線の途中を互いに捻って曲げ部を設け、該曲げ部同士により互いを固定しても構わない。このように一対のリード線自体を加工してこれらの間隔を保持する部分を途中に支持手段として設けてもよい。

１…温度センサ、２ａ…電極、２…サーミスタ素子、３…リード線、３ａ…バネ部、４…支持部材、５…樹脂封止部、５ａ…樹脂封止部の両側面、Ｃ…セル（円柱状測定対象物）

Claims (4)

1. 一対の電極を有するサーミスタ素子と、
   前記一対の電極に一端が半田材で接続され弾性力を有した一対のリード線と、
   前記一対のリード線に設けられこれらの間隔を保持する支持手段と、
   前記一対のリード線の一端と前記サーミスタ素子とを封止すると共に前記半田材の融点温度以下で軟化する熱可塑性樹脂で形成された樹脂封止部と、を備え、
   前記一対のリード線のうち少なくとも一方の一端側が、前記一対のリード線の互いに間隔を広げる方向に付勢力を付加されていることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記サーミスタ素子が、前記樹脂封止部の一端側近傍に配されていると共に、前記リード線が、前記樹脂封止部の他端側から突出されていることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１または２に記載の温度センサにおいて、
   前記樹脂封止部から突出した前記一対のリード線に、外方にＶの字型またはＵの字型に突出して曲げられたバネ部が形成されていることを特徴とする温度センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
   互いに軸線を平行にして隣接状態に配された２つの円柱状測定対象物の間にこれらに接触状態に設置されて温度を測定する温度センサであって、
   前記一対のリード線の互いに間隔を広げる方向における前記樹脂封止部の両側面が、対向する２つの前記円柱状測定対象物の外周面に沿って互いに傾斜していることを特徴とする温度センサ。

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