JP5555024B2 - ブレーカー - Google Patents

Description

本発明は、自己保持型の回路による電流遮断機構を有する二次電池用の安全装置に関する。特に、熱応動素子の反転作用により可動片上の可動接点と固定片上の固定接点とを接触又は離反させるブレーカーに関する。

携帯電話、ノートパソコンなどに載置されるニッケル水素電池、リチウムイオン電池などのバッテリーパックには、過充電や短絡などの異常が発生した場合、速やかに電流を遮断し過熱による危険を回避するための安全装置が必須である。このような安全装置には、設定できる動作温度の帯域幅が広く、且つ高精度な温度設定が可能であり、繰り返し使用できるという利点から、機械動作式のブレーカーが有用である。

例えば、特許文献１には、図４のように固定片３、可動片２、反転型の熱応動素子４、ＰＴＣ素子（正特性サーミスター５）を扁平なケース６に収容したサーマルプロテクター（ブレーカー１）において、正特性サーミスター５及び熱応動素子４は固定片３と可動片２との間に挟まれ、熱応動素子４は正特性サーミスター５の上面５３に被さり、且つ熱応動素子４の片面が反転時に正特性サーミスター５に接触し、もう片面が可動片２に接触する状態で各部材を積層的に配置することで、小型化を実現する技術が開示されている。さらに、同文献には、可動片２上の熱応動素子４と接触する箇所に熱応動素子４に向かって突き出した小突起（ダボ２５）を設けることによって、熱応動素子４の反転動作による可動片２の反応動作を、ひいては電流遮断を迅速にする技術も開示されている。尚、正特性サーミスターとは、電流の導通により温度及び電気抵抗を急激に増大させる発熱素子のことである。

この種のブレーカーの動作機序は、図５に示す従来品の一例を挙げると、次のとおりである。
充放電、無通電などの通常時（図５の（ａ）参照）においては、可動接点２１及び固定接点３１が可動片２のバネ作用により互いに接触している。この時、可動片２、固定片３及び両接点を介して、ブレーカー１の両端子（２４，３３）間に電流が流れ、ブレーカー１は導通状態にある。そして、熱応動素子４及び正特性サーミスター５が固定片３と可動片２とに挟まれ、熱応動素子４は可動片２の下方で正特性サーミスター５の上面５３に接触して、正特性サーミスター５の上面５３は熱応動素子４の湾曲面４１の凹面に覆われて（以下、この状態を熱応動素子の正転状態という。）いる。この導通状態では、電流は正特性サーミスター５に比べて圧倒的に抵抗の小さい可動片２、固定片３及び両接点を流れ、正特性サーミスター５には実質的に電流が流れない。
一方で、過充電、短絡、その他異常などの過熱時（図５の（ｂ）参照）においては、熱応動素子４は通常時と反対向きに反転し、正特性サーミスター５には湾曲面４１の凸面が向くようになるため（以下、熱応動素子の反転状態という。）、熱応動素子４により可動片２は押し上げられ、可動接点２１と固定接点３１とは離反する。ここでブレーカー１を通して充放電する電流は遮断される。そして、可動片２、熱応動素子４及び正特性サーミスター５を介して固定片３に流れる漏れ電流が生じる。正特性サーミスター５は漏れ電流を通しながら自己発熱により電気抵抗を増大させるので、漏れ電流は極めて小さいものに抑えられ、且つ熱応動素子４の温度を一定に保ち、熱応動素子４の反転状態を維持する。このようにブレーカーの遮断状態が自己保持的に作り出される。
過熱の要因が解消され熱応動素子が冷却されれば、熱応動素子４は原形に復帰し、可動接点２１と固定接点３１とは再び接触し、ブレーカー１は導通状態に戻る。尚、過熱とは、熱応動素子４の反転状態となる温度を超えることをいう。

特開２００５−１２９４７１号公報

近年、二次電池の搭載される機器の携帯化やその普及に応ずるため、二次電池に内蔵されるこの種のブレーカーには、更に小型で、衝撃に強く、安定して動作することが要求されている。しかしながら、従来技術によるブレーカーには空間利用率に限界があり、各部材の寸法縮小に伴って、遮断状態における固定接点と可動接点との間の距離（接点ギャップｇ０。図５参照）が過度に小さくなる。そのため接点間に火花放電（スパーク）の生ずる虞がある。このようなスパークは両接点を酸化や熱溶融、汚損により傷付け、ブレーカーの寿命を短くするという問題を引き起こす。
そこで、一層小さい寸法を実現しながら従来と同様の安定性及び耐用性を併せ持つブレーカーが望まれるところであった。

本発明は、部材の寸法が縮小されたブレーカーにおいて、接点ギャップの不足を解消し、接点間に生じうるスパークを回避し、長寿命化を図るための手段を提供するものである。

本発明の第１態様は、前掲の課題を解決するため、固定接点を形成された固定片、端部に形成された可動接点をバネ作用により前記固定接点に接触させる可動片、温度変化に伴う湾曲面の反転により前記可動接点が前記固定接点から接触又は離反するように動作する熱応動素子、前記固定片及び前記可動片と電気的に接続される正特性サーミスターを備えて構成される。さらに、本態様で、正特性サーミスターは突起部を有する板状であり、過熱していない通常時において、前記熱応動素子の湾曲面の凹面が前記正特性サーミスターに覆い被さっている。そして、前記突起部は、前記正特性サーミスターの、前記熱応動素子に対向する面（上面）に形成されて、通常時において、該面及び前記湾曲部に区画された空間を占めている。

従来技術における正特性サーミスターのように、突起のない平板状の形態では、正特性サーミスターの上面と熱応動素子の湾曲面の凹面とで区画される空間が所謂「死に領域」となって、部材の占めるべき余地を排除して嵩高となっていながら、接点ギャップに寄与しない。しかし、本形態において前記突起部は、過熱時の反転状態で熱応動素子の湾曲面の凸面に接触し、従来形態におけるより可動接点を高く押し上げ、接点ギャップを増大する。

本発明の第２態様は、前記課題を解決するため、過熱していない通常時に、正特性サーミスターと熱応動素子とは該正特性サーミスターの上面の外周において接触し、且つ該正特性サーミスターの突起部は、全体が熱応動素子の湾曲面の凹面と正特性サーミスターの上面とで区画される空間に収容されるように設計される。
この形態では突起部は熱応動素子に接触せず、板状の正特性サーミスター上面の外周の一部又は全体が熱応動素子湾曲面の凹面に接触する。

本発明の第３態様は、熱応動素子と一体的になった可動片を有し、過熱時に反転する湾曲面は可動片に形成されている。本態様では、独立した熱応動素子は不要である。

本発明の第４態様は、前記課題を解決するため、可動片に２つの可動接点を各両端に有し、固定片に、前記２つの可動接点のそれぞれと接触又は離反する２つの固定接点を有する。

本発明の第１態様により、正特性サーミスターの上面に隆起した突起部が、正特性サーミスター上面と熱応動素子湾曲面の凹面とで区画された空間を排除し、空間効率を改善する。これにより、既述のような死に領域が減少し或いは実質的に解消され、反転状態において、突起部で補填されるだけ、充分に長い接点間ギャップが確保され、接点間でのスパークを抑制できる。しかも、正特性サーミスターを除き、部材は大きさがほぼ従来のままで使用することができる。

同時に、反転動作中、熱応動素子の湾曲面が直ちに正特性サーミスターの突起部に接触して、押圧力は湾曲面から正特性サーミスター及び可動片に迅速に伝わるので、従来型のブレーカーに比べて、スパークの生じない一定の接点ギャップを得るまでの所要時間が少なくなり、速度的に優位な電流遮断が実現する。さらに、突起部の占める体積によりブレーカー内部の空隙を減少させることで、発生する熱の蓄積速度や蓄積効率を大きくして、従来技術によるブレーカーより低電流又は低電圧においても作動するブレーカーを実現できる。

本発明の第２態様により、突起部の全体が湾曲面と正特性サーミスターの上面とに区画された空間に収容され、正転状態において突起部は熱応動素子に接触しない。正転状態の熱応動素子は、従来技術おけるのと同じ高さにある。よって、従来技術で使用した設計と同様にブレーカーを構成できる。同時に、熱応動素子の高さは突起部の寸法誤差に影響されないので、従来技術と同程度に量産品間のバラツキを抑制できる。

本発明の第３態様により、熱応動素子の占める空間がなくなるため、ブレーカーの一層の小型化が可能となる。さらに、可動片と熱応動素子は一体的に形成されているため、熱応動素子の反転動作は一瞬の遅れもなく可動片の押し上げ動作となって、一層速度的に有利な電流遮断を行うことができる。

本発明の第４態様により、導通及び遮断を行う２つの接触箇所が、正特性サーミスターを中間に位置させて、形成されるので、可動片の一端を固定する構造をケースに形成する必要がなくなる。したがって、簡素で更に小型化及び安定化されたブレーカーを提供できる。

本発明の実施形態の断面図であり、通常時におけるもの（ａ）と過熱時におけるもの（ｂ）とである。 本発明及び従来技術の正特性サーミスターの取る各種形態の断面図である。 両端に２つの接点を設けた本発明の実施形態の断面図であり、通常時におけるものと、過熱時におけるものとである。 先行技術によるブレーカーの分解断面図である。 先行技術によるブレーカーの断面図であり、通常時におけるもの（ａ）と過熱時におけるもの（ｂ）とである。

以下、図を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態の通常時又は過熱時における断面図である。ブレーカー１は、従来品とほぼ同様、直方体状の絶縁性樹脂のケース６内に諸部品を設置、封入することにより構成される。ケース６は、諸部品の封入されるケース本体６１と当該ケース本体６１に接合されるカバー６２とで構成される。

固定片３は金属製の平板で、通常、インサート成形により樹脂製のケース本体６１のに埋め込まれて設けられ、その一端はケース本体６１の片端から延び出して、当該固定片３の本体部分と一体的に形成された固定側端子３３となっている。但し、この固定側端子３３は、固定片３と一体でなくても電気的に接続していれば問題ない。ケース本体６１の底部には、固定片３の一部が上方に露出した領域が存在し、ここに正特性サーミスター５を収容する収容穴が形成され、該収容穴には複数の台座突起３２が形成され、これらに正特性サーミスター５の下面５４が安定的に接触する。固定片３の別の一部には、可動片上の可動接点２１と接触して導通させる固定接点３１が形成される。固定接点３１は、塗布、メッキ又はクラッドなど既知の方法により形成できる。

可動片２は、バネ性に富んだ金属製の平板で、湾曲面４１の反転動作により振り子様に回動する可動部２２、回動運動の中心となる固定部２３及びこれを挟んだ一端に、ケース６から延び出した可動側端子２４などから構成される。可動部先端には、固定接点３１と接触又は離反する可動接点２１の土台となる構造が下向きに突出して設けられる。可動片２及び可動側端子２４は、電気的に接続される限り、一体的に設けられるか否か特に限定されず、最終製品であるブレーカー１の使用形態に従う。可動片２の形状は、上下方向から見て全体としてほぼ長方形で、且つ可動部２２は断面視で上に凸の円弧状又は山折れに特徴付けられる。固定部２３はブレーカー１の全体構成に従い、固定に好適なように上下方向から見て他の部分より幅広になっていることが一般的である。

熱応動素子は通常バイメタルで形成される。よって以下、特に言及のない限り熱応動素子とはバイメタルをいう。バイメタル４は、窪み状に湾曲した金属片で、湾曲面４１及びその周辺に延在する端部４２で構成され、本実施形態のように独立した部品となる場合、望ましい形状は、可動片２を押し上げる能率の観点から矩形である。湾曲面４１は、通常、球面形状の絞りパンチで球面状に浅くプレス加工することにより形成される。端部４２は湾曲面４１を挟むか囲繞して存在し、絞り加工されなかった残部であり、但し、バイメタル４の形状は、円形又は楕円形など他の形状であっても、反転作用と可動片２の押し上げ動作を呈する限り、特に限定はない。

前記可動片２及びバイメタル４の一方又は双方には、バイメタル４が反転した時、可動片２と接触する箇所で、可動片２及びバイメタル４が向かい合うに方向に突出したダボ２５（小突起）が形成されてもよい。このようなダボ２５が形成されるとバイメタル４と可動片２とが接触するまでの時間が短くなり、更に迅速に電流を遮断し、また、接点ギャップを一層大きく取ることが可能になる。

ケース本体６１及びカバー６２は、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、その他の耐熱性や難燃性に優れた樹脂を材質として成形される。特に二次電池と一体化して電池パックを製造する場合には、２００℃以上の耐熱性を有する液晶ポリマーを使用するのが好ましい。カバー６２は、強度を得るために金属片がインサート成形などにより埋設されている。

固定片３、固定側端子３３及びカバー６２の金属部の材料は銅が好ましく、リン青銅、銅−チタン合金、洋白、黄銅、ステンレス鋼などの導電性材料を用いる。可動片２の材料も同様にリン青銅，銅−チタン合金、洋白、黄銅、ステンレス鋼などの導電性を有するバネ性に富んだ材料を用いる。

固定接点３１及び可動接点２１の材料は、導電性の良い銀合金が好ましく、銅−
銀合金、金− 銀合金、炭素−
銀合金、タングステン− 銀合金などの接点材料を用いることができる。これらの接点の固定片３や可動片２への接合は、塗布、クラッド、めっき、カシメなど従来法により行うことができる。

バイメタル４には、例えば銅−ニッケル−マンガン合金、ニッケル−クロム−鉄合金などによる高熱膨張金属材料と、ニッケル−鉄合金などによる低熱膨張金属材料とを積層させたものなど既存の材料を用いることができる。熱応動素子にトリメタルを使用する場合もバイメタル同様、既存の材料を適宜組み合わせて用いることができる。

正特性サーミスター５は電流により発熱し、電気抵抗を急増させる発熱素子であり、通常の導通時は抵抗が大きいため実質上導通しない。正特性サーミスター５は、例えば図２の（ｅ）のように、板状の主部５１及びその上面５３に形成された突起部５２により構成される。主部５１の形状は、加工の容易性から円盤状又は円柱状であることが望ましく、通常、ブレーカー１全体の小型化及び電気特性のために円盤状を呈する。厚さ、断面積などの寸法は、ブレーカー１に必要とされる寸法、電気特性などに応じて選ばれる。突起部５２は主部上面５３から隆起した構造であり、通常、主部５１と同質の材料で形成され、その数は単数であっても複数も受けてもよい。突起部５２は寸法上、主部５１より小さい構成を取り、平面視でその断面は主部上面５３より小さく、上面５３の外周に包摂される。正特性サーミスター５の材料は、酸化チタンとその他の添加剤を混錬したものなど、既知のものが用いられる。但し、ブレーカーの熱的及び電気的な特性が損なわれないならば、正特性サーミスター５は上記の条件に限定されない。

突起部５２の形状は、具体的には、主部５１の上面５３より断面積の小さい角柱、円柱、半球、球面の一部、円錐若しくは角錐、又はこれらの切頭体が挙げられる。これらの中で、加工の容易性から、図２の（ｅ）のような円柱、図２の（ｃ）のような切頭円錐、図２の（ｂ）のような球面の一部などが望ましい。突起部５２の形成される部位は上面５３の平面視で外周の内部であれば特に指定はなく、図２の（ｄ）のような偏心した形態もありうる。このように偏心した形状によって、反転状態で可動片２は片側に傾き、可動接点２１が更に高く上がり、一層の接点ギャップの増大を図れる。

先述の実施態様２において、上面５３の外周、突起部５２及び主部５１の区別が明瞭で、突起部５２が死に領域ｄに包摂され正転状態にあるバイメタル４に接していないことを望ましいとしたが、上面５３の外周、突起部５２及び主部５１は不明瞭であり、又は突起部５２が若干、正転状態にあるバイメタル４を従来品におけるより押し上げていても、正特性サーミスター５の一部が湾曲面４１の凹面と上面５３とで区画される空間を充填し、図５に現れるような死に領域ｄが解消されていれば、本発明の作用効果は得られる。正特性サーミスターの上面が平面視でバイメタルをはみ出していても同様である。但し、図２の（ａ）のように上面５３の大部分または全部が完全な平板になると死に領域ｄで空間排除ができなくなり、従来型の正特性サーミスターと同様になってしまうため、本発明の効果が得られなくなる。また、バイメタル４を幅広にした方が接点ギャップを大きく取ること及び製品個体ごとのバラツキを抑えることを考慮すると、図1の（ａ）、図３の（ａ）又は図５の（ａ）におけるように、正特性サーミスター５の上面５３の外周でバイメタル４の接触するのが有利である。

〈通常時〉〈従来品との比較〉
図１の（ａ）のように、正常に充放電しているか、無通電の通常時においては、バイメタル４は正転状態にあって、湾曲面４１が正特性サーミスターの上面５３を覆っている。湾曲面４１は、凹面が正特性サーミスター５に接触し、凸面が可動片２に対向している。
一方、従来技術においても図５の（ａ）のように、各部品の位置関係は全く同じであり、唯、突起部５２の存否のみが相違する。これら双方を見ればわかるように、突起部５２は、従来技術のブレーカー内部において元々何も存在しない死に領域ｄを占めているので、ブレーカー１の全体寸法に全く影響しない。つまり、従来品と本発明の製品とで外観寸法は同一にできる。

〈過熱時〉〈従来品との比較〉
過充電状態又は短絡などにより温度が上昇している過熱時には
バイメタル４は反転状態になり、湾曲面４１は正特性サーミスター５に凸面を向けて該凸面で正特性サーミスター５に接触し、一方で可動片２の側は凹面となり端部４２で可動片２を押し上げる。本発明では図１の（ｂ）のように過熱時の湾曲面４１の凸面は突起部５２に接触している。一方で従来技術においては、図５の（ｂ）のように過熱時の湾曲面４１の凸面は正特性サーミスター５の上面５３に接している。これら双方を比べると、本発明の接点ギャップｇ１は、突起部５２の上げしろｒ（上面５３からの高さ）によって、従来技術の接点ギャップｇ０より、大きくなっている。

以上のように、接点ギャップｇ１が突起部の上げしろｒの分、相対的に長くなるので、本発明のブレーカー１は従来品よりスパークが起きにくく長寿命となる。しかも、本発明は、従来品における死に領域ｄを新たな部位の設置に充てているので、従来品と同じ製品寸法を保つことを可能ならしめる。本発明によると、一定の接点ギャップの保障される限り、部材を縮小して更に小型のブレーカーを提供できる。

〈一体型〉
本発明の実施形態には、可動片の一部又は全体がバイメタル又はトリメタルからなり、所定温度で反転する湾曲面が、可動片上に形成されるもの（図示せず）もある。この場合、熱応動素子が可動片から独立した部材となっている場合に比べて、バイメタルチップが除かれる分、ケース内部で諸部材の占める所要体積が小さくなり、ブレーカーの一層の小型化を図ることができる。

〈両端型〉
次に図３により、本発明の別の実施形態について説明する。この実施形態においては、可動片２の両端において接点の接触又は離反を行い、図３の（ｂ）に見られるようにバイメタル４の反転及び正転を通して、可動片２は羽ばたき様の運動をする。さらにカバー６２には、同図（ａ）ように可動片２中央の上方にカバー凸部６３が形成され、可動片２の中央に接触し、可動片２が下方へ押圧され、可動片２のバネ作用により可動接点２１と固定接点３１とが接触する。この実施形態においても、可動片２をバイメタル又はトリメタルで形成して、熱応動素子と可動片とを一体化することが可能である。さらに、反転状態の可動片２を傾斜させ（図示せず）、片方の可動接点２１を更に大きく離反させるために、正特性サーミスターの突起部５２は例えば、図２の（ｄ）のように偏心していると有利である。
本実施形態の他の構成や作用効果は、既述の実施形態とほぼ同様であるので、説明は省略する。

尚、本発明は上記実施形態に限られることなく、少なくとも固定片３、可動片２、温度変化に伴う湾曲面４１及び正特性サーミスター５を備え、湾曲面４１の反転動作により固定接点３１と可動接点２１とを接触又は離反させる構造を持つブレーカーにおいて、正特性サーミスター５が、その上面５３から隆起して正転状態の湾曲面４１の内部の空間を占有する突起部５２を持つものであればよい。
以上において、熱応動素子の反転動作の時に、それぞれの部材が他部材と緩衝しない限度に広い面積の空間を有するように設計されるのは言うまでもない。

１ ブレーカー
２ 可動片
２１ 可動接点
２２ 可動部
２３ 固定部
２４ 可動側端子
２５ ダボ
３ 固定片
３１ 固定接点
３２ 台座突起
３３ 固定側端子
４ バイメタル
４１ 湾曲面
４２ 端部
５ 正特性サーミスター
５１ 主部
５２ 突起部
５３ 上面
５４ 下面
６ ケース
６１ ケース本体
６２ カバー
６３ カバー凸部
ｄ 死に領域
ｇ０ 接点ギャップ（従来品）
ｇ１ 接点ギャップ（本発明）
ｒ 上げしろ

Claims (4)

1. 固定接点を形成された固定片、端部に形成された可動接点をバネ作用により前記固定接点に接触させる可動片、温度変化に伴う湾曲面の反転により前記可動接点が前記固定接点から接触又は離反するように動作する熱応動素子、前記固定片及び前記可動片と電気的に接続される正特性サーミスターを備えて構成され、
   過熱していない通常時において、前記熱応動素子の湾曲面の凹面が前記正特性サーミスターに覆い被さり、
   該正特性サーミスターは突起部を有する板状であり、
   該突起部は、前記熱応動素子に対向する前記正特性サーミスターの上面に形成され、
   且つ前記突起部の全体が、前記熱応動素子の湾曲面の凹面と、前記正特性サーミスターの上面とに区画された空間に収容されることを特徴とするブレーカー。
2. 前記正特性サーミスターは、過熱していない通常時に、
   前記熱応動素子に対向する前記正特性サーミスターの上面の外周において前記熱応動素子と接触することを特徴とする請求項１に記載のブレーカー。
3. 前記湾曲面が前記可動片に形成されて、熱応動素子が可動片と一体的となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーカー。
4. 前記可動片は、２つの可動接点を各両端に設けられ、
   前記２つの可動接点のそれぞれと接触又は離反する２つの固定接点が前記固定片に設けられることを特徴とする請求項１乃至３に記載のブレーカー。

Images