JP6347952B2 - 保護デバイス - Google Patents

Description

本発明は、保護デバイス、詳しくは、非復帰型接点素子およびＰＴＣ素子を有して成る保護デバイス、ならびにそのような保護デバイスを有する電気回路または電気装置に関する。そのような保護デバイスは、例えば、電気自動車、コードレスクリーナー、電動工具、無線基地局等において用いられる種々の高電圧もしくは高電流のバッテリーを使用する電気回路において、回路自体または回路に配置されている電気要素を保護するデバイスとして使用することができる。従って、本発明は、例えば回路保護デバイスとして作用できる。

種々の電気回路において、定格電圧より大きい電圧が印加された場合および／または定格電流より大きい電流が流れた場合、回路に組み込まれた電気・電子装置および／または電気・電子部品、あるいは電気・電子回路を保護するために保護デバイスが回路に組み込まれている。

そのような保護デバイスとして、バイメタルスイッチとＰＴＣ素子とを並列に接続して用いることが提案されている（下記特許文献参照）。そのような保護デバイスでは、通常の運転条件では、即ち、定格電圧以下の電圧および定格電流以下の電流の条件下では、回路を流れる電流は、その実質的に全てがバイメタルスイッチの接触状態にある接点間を流れ、例えば過電流条件となった時に、バイメタルスイッチのバイメタル部分が高温となってその接点が離間して開き、電流がＰＴＣ素子に転流される。その結果、ＰＴＣ素子は過電流によって高温・高抵抗状態にトリップしてＰＴＣ素子を流れる電流を実質的に遮断する。この時、ＰＴＣ素子の高温がバイメタル部分を高温に維持し、それによってバイメタルスイッチが開いた状態を維持する、即ち、バイメタルスイッチのラッチ状態を維持する。このような保護デバイスでは、電流を切り替える必要がないので、バイメタルスイッチの接点でアークが生じないと言われている。

国際公開第ＷＯ２００８／１１４６５０号

上述のような保護デバイスを用いる保護について検討を種々重ねた結果、ＰＴＣ素子が電流を実質的に遮断することによって、大部分の場合、十分な保護を達成することができることが確認された。しかしながら、保護デバイスを用いる回路または電気装置において、ＰＴＣ素子がトリップして高抵抗状態になることによって実質的に電流の流れを遮断した場合であっても、微小電流が流れている。保護デバイスを配置した回路内に駆動電流で動作する電気要素が含まれている場合、そのような電気要素は微小電流によって動作することがある。そのような動作は、必ずしも好ましいことではなく、微小電流であるといえども、その流れを防止するのが好まし場合があることに気付いた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、トリップしたＰＴＣ素子が許容する微小電流をも遮断できる保護デバイスを提供することである。

第１の要旨において、ＰＴＣ素子およびそれに対して電気的に並列に接続された第１非復帰型接点素子を有して成る保護デバイスを提供し、第２非復帰型接点素子がＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続され、
第１非復帰型接点素子が接点を開くことによって転流する電流によってＰＴＣ素子がトリップした場合、それによって発生する熱によって第２非復帰型接点素子が接点を開くことを特徴とする。

従って、本発明の保護デバイスは、第１非復帰型接点素子としての前者の接点素子および第２非復帰型接点素子としての後者の更に別の接点素子を有して成り、第２非復帰型接点素子は、トリップしたＰＴＣ素子の熱によって第２非復帰型接点素子が接点を開くように、ＰＴＣ素子に近接または接触して配置されている、即ち、ＰＴＣ素子の熱影響下にある。

本明細書において、「非復帰型接点素子」とは、保護デバイスが配置された電気装置または回路が正常に作動している場合は、所定の接点（または端子（例えば電極））の間を電気的に接続して回路に電流を流すように機能し、回路または電気装置を構成する電気要素の異常等の何等かの理由によって、回路を流れている電流（より具体的には非復帰型接点素子を流れる電流）を遮断する必要がある場合に、非復帰型接点素子がその接点（または端子（例えば電極））の間における電気的な接続状態を解除して回路を開いて流れている電流を遮断し、開いた回路が、その後、元の状態に戻って実質的に閉じない、即ち、復帰しないようにならしめる素子を意味する。尚、本明細書では、上述のような「非復帰型接点素子」によって電気的に接続して回路を閉じることを便宜的に「接点を閉じる」と言い、また、そのように閉じた状態から電流が流れない状態にすることを便宜的に「接点を開く」と言う。

尚、本発明の保護デバイスにおいて、ＰＴＣ素子は、セラミックＰＴＣ素子であってもよいが、いわゆるポリマーＰＴＣ素子であるのが好ましい。ポリマーＰＴＣ素子は、例えばポリマー（例えばポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド等）およびその中で分散している導電性充填剤（例えばニッケルフィラー、カーボンフィラー等）を含む導電性ポリマー組成物を押出してＰＴＣ要素としての押出物を得、その両側に金属電極を熱圧着することによって得ることができる。従って、ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ要素、好ましくは層状のＰＴＣ要素、およびその両側に位置する金属電極、好ましくは金属箔電極を有して成る。当業者であれば、本発明の保護デバイスの特徴および用途に応じて適切なＰＴＣ素子を選択できる。

第１非復帰型接点素子は、保護デバイスを配置した回路または電気装置が何等かの理由のために異常状態となることによって高温となる熱源からの熱によって接点を開くように構成されている。即ち、第１非復帰型接点素子は、熱源の熱影響下にある。そのような熱源は、１つの態様では、異常状態の結果、高温となっている、電気装置を構成する電気要素（例えば２次電池パック、コンデンサー）自体である。別の態様では、異常状態（例えば異常高電圧）の種類に応じて選択される異常状態検知手段（電圧計等のセンサー）からの信号によって電流が流れて発熱するように構成されたヒーター（例えばそのような電流によってトリップして高温になるように構成されているポリマーＰＴＣ素子）であってもよい。より具体的には異常状態を感知することによってヒーターに電流が流れて発熱し、それを熱源として使用できる。本発明の保護デバイスは、そのようなヒーターを更に有してよい。

更に別の態様では、別に独立した熱源からの熱を受け取るのではなく、第１非復帰型接点素子を流れる電流が過剰になった場合に、第１非復帰型接点素子自体が発熱し、その結果、第１非復帰型接点素子が接点を開くように第１非復帰型接点素子を選択してもよい。従って、この態様は熱源を必要としない。

上述のような非復帰型接点素子の具体例には、いわゆるヒューズ素子（例えば温度ヒューズ、電流ヒューズ等）、バイメタル素子、形状記憶合金、ヒューズ用途として使用可能な配線およびワイヤーが含まれる。一般的には、バイメタル素子は、所定温度（即ち、動作温度）まで上がると、接点を開き、その後、別の所定温度（即ち、復帰温度）まで下がると、接点を閉じる復帰型接点素子として使用されている。しかしながら、本発明の保護デバイスでは、バイメタル素子は、その復帰温度（バイメタル素子が元の状態に戻って開いた接点を閉じる温度）が本発明の保護デバイスを有する回路または電気装置の使用可能温度範囲より低い、好ましくは１０℃以上低い、より好ましくは２０℃以上低い、例えば４０℃以上低いことを条件とする。従って、本発明の保護デバイスが配置された回路または電気装置において、その使用可能温度の範囲内では、バイメタル素子が回路を一旦開くと、その回路または電気装置がその使用可能温度内の温度で使用される限り、復帰することがなく、接点を開いた状態を維持する。

また、上述のように、熱源を必要としない態様では、第１非復帰型接点素子としてのヒューズ素子またはバイメタル素子は、所定値を越えて電流が流れた時に接点を開放するように構成されている。尚、バイメタル素子は、一般的には熱膨張率の異なる金属を貼り合わせて形成される素子であって、当業者であれば、本発明の保護デバイスの特徴および用途に応じて適切なバイメタル素子を選択できる。

ヒューズ素子は、いわゆるヒューズを構成する金属材料、即ち、所定の融点を持った金属材料で形成された種々の形態の素子であり、ヒューズ素子が接続している接点間でヒューズ素子が一旦溶断して接点間が開くと、開いた接点間は二度と閉じることがない、即ち、復帰しない。当業者であれば、本発明の保護デバイスの特徴に応じて適切なヒューズ素子を選択できる。尚、ヒューズ素子は、通常、接点としての端子または電極間に配置され、これらを電気的に接続し、溶断した後は、端子または電極間にて電気的接続状態を復帰することができないので、上述の非復帰型接点素子の一例である。

本発明の保護デバイスでは、第２非復帰型接点素子は、ＰＴＣ素子が発する熱によってそれが接続している接点間で回路を開く。従って、第２非復帰型接点素子は、ＰＴＣ素子の熱の影響下にある必要がある。即ち、ＰＴＣ素子と第２非復帰型接点素子は、相互に近接して存在し、必要に応じて相互に接触していてもよい。即ち、近接する場合は、これらの間に空間部が存在し、そこに存在する気体を通じて第２非復帰型接点素子に熱が伝わる。一方これらが接触している場合は、ＰＴＣ素子の熱が直接的に第２非復帰型接点素子に伝わる。尚、第１非復帰型接点素子と第２非復帰型接点素子とは、相互に同じ種類であっても、あるいは異なる種類であってもよい。

即ち、第１非復帰型接点素子と第２非復帰型接点素子とは同じ種類の非復帰型接点素子である必要は必ずしもなく、例えば、１つの態様では、双方がバイメタル素子またはヒューズ素子であってもよく、別の態様では、一方がバイメタル素子であり、他方がヒューズ素子であってもよい。

尚、当然ながら、ＰＴＣ素子および第２非復帰型接点素子は、第１非復帰型接点素子よりも後に動作する必要があるので、熱源の熱影響下、または第１非復帰型接点素子が発熱する場合その熱影響下には位置しない。

第２の要旨において、本発明は、上述および後述の種々の本発明の保護デバイスを有して成る電気回路または電気装置（例えば２次電池パック、特に電気自動車、コードレスクリーナー、電動工具、無線基地局用の種々のバッテリーとして用いるもの、詳しくは高電圧および／または高電流用のもの等）をも提供する。

本発明の保護デバイスでは、保護デバイスが配置されている回路または電気装置において、何らかの異常によって熱を感知した第１非復帰型接点素子が接点を開いた後に、転流される電流によってＰＴＣ素子がトリップして高抵抗となるが、微小な電流が流れることを許容し得る。同時に、ＰＴＣ素子は高温となり、その熱によって第２非復帰型接点素子が接点を開き、第２非復帰型接点素子は接点を開いた後、二度と復帰することが無い。その結果、第２非復帰型接点素子は、ＰＴＣ素子に対して電気的に直列に配置されているので、ＰＴＣ素子を介して微小電流が流れることはない。また、第１非復帰型接点素子が接点を開く際、そこに流れていた電流はＰＴＣ素子に転流されるので、アークの発生を抑制することができ、保護デバイスの耐電圧が向上する。

図１は、本発明の保護デバイスの１つの態様の回路図を模式的に示す。 図２は、本発明の保護デバイスの別の態様の回路図を模式的に示す。 図３は、本発明の保護デバイスの更に別の態様の回路図を模式的に示す。

図１に、本発明の保護デバイスの１つの態様を等価回路にて模式的に示す。本発明の保護デバイスは、ＰＴＣ素子１０およびそれに対して電気的に並列に接続された第１非復帰型接点素子１２を有して成り、また、第２非復帰型接点素子１４がＰＴＣ素子１０に対して電気的に直列に接続されている。熱源１６によって第１非復帰型接点素子１２が接点を開くことによって転流する電流によってＰＴＣ素子１０がトリップした場合、それによって発生する熱によって第２非復帰型接点素子１４が接点を開くように構成されている。尚、図示した態様では、これらの非復帰型接点素子は、例えばバイメタル素子であり、第２非復帰型接点素子１４は、ＰＴＣ素子１０の熱影響下にある。

熱源１６は、１つの態様では、保護デバイスが配置された電気装置内において異常状態にある電気要素である。より具体的には、異常に高い温度に達した電気要素、例えばバッテリーパックである。異常状態に達することが有り得、その状態になると電気要素を流れる電流を遮断する必要がある場合、本発明の保護デバイスをそのような電気要素内に、あるいは電気要素の外部にそれと近接または接触させて配置するのが好ましい。

別の態様では、熱源１６は、異常を感知したセンサーが通電することによって発熱するヒーターであってよい。例えば電池パックの充電に際して、それを構成する所定のセル間の電位差に応じて熱源１６を流れる電流のオン（通電）・オフ（遮断）機能を有するＦＥＴ素子を用いて熱源１６のオン・オフを実施することができる。

何らかの異常状態を感知することによって電流が流れて熱源１６が熱を発生すると、そのような熱源１６に近接または接触して配置された第１非復帰型接点素子１２が接点を開き、それを介して端子２２と端子２４との間で流れていた電流が遮断され、ポリマーＰＴＣ素子１０に転流される。転流された電流によってＰＴＣ素子はトリップし、高温・高抵抗となる。その結果、ＰＴＣ素子の熱影響下にある第２非復帰型接点素子１４が接点を開き、転流された電流を遮断する。

図１に示した態様では、破線によって包囲した部分が本発明の保護デバイス２０であり、端子２２および端子２４を用いて所定の回路に配置できる。尚、熱源１６は他の独立した回路に配置されている。尚、第１非復帰型接点素子１２自体に流れる電流値が過剰に大きい場合に、その接点を開くように第１非復帰型接点素子１２を選択してもよい。その場合、上述のような熱源１６を省略できる。

図２に、本発明の保護デバイスの別の態様を等価回路にて模式的に示す。この態様では、熱源１６が第１非復帰型接点素子１２と電気的に並列に接続され、本発明の保護デバイス２０が熱源１６（例えばＰＴＣ素子１０とは別のＰＴＣ素子）をも内蔵するように構成されている点を除いて、図１の態様と実質的に同じである。従って、図２に示した態様では、本発明の保護デバイス２０は３つの端子、即ち、端子２２、端子２４および端子２６を有する。

図３に、本発明の保護デバイスの更に別態様を模式的に示す。この態様では、非復帰型接点素子としてヒューズ素子を用いることを除いて、図１の態様と実質的に同じである。図示した態様では、第１非復帰型接点素子３２としていわゆる電流ヒューズ素子を使用し、第２非復帰型接点素子３４としていわゆる温度ヒューズ素子を使用して本発明の保護デバイス４０を構成している。

この態様では、第１非復帰型接点素子３２は、それが接続する接点としての例えば電極間で流れる電流が所定値を越えて過剰になった場合に、溶断するように、即ち、接点を開くように機能するものであるのが好ましい。より詳しくは、第１非復帰型接点素子３２は、相対的に大きい電流量が流れることを許容しながらも、所定の値を越えると溶断して接点を開くタイプであるのが好ましい。また、高抵抗となったＰＴＣ素子３０を経て流れる電流は微量であるため、第２非復帰型接点素子３４は、微量の電流が流れることを許容するが、ＰＴＣ素子３０の熱によって第２非復帰型接点素子３４の温度が所定値を越えると溶断して接点を開くタイプであるのが好ましい。

図３の態様では、本発明の保護デバイスを用いて第１非復帰型接点素子の接点を開くために別の熱源を必要としない。この点に関して、熱源を必要とする図１および図２に示す態様とは異なる。

しかしながら、別の態様では、図１と同様に、上述と同様に、異常を感知したセンサーが通電することによって発熱するヒーターを熱源１６として設けて、それから熱によって第１非復帰型接点素子３２が接点を開く、即ち、ヒューズ素子が溶断するように構成してもよい。

１０…ＰＴＣ素子
１２…第１非復帰型接点素子
１４…第２非復帰型接点素子
１６…熱源
２０…保護デバイス
２２，２４，２６…端子
３０…ＰＴＣ素子
３２…第１非復帰型接点素子
３４…第２非復帰型接点素子
３６，３８…端子
４０…保護デバイス

Claims (6)

1. ＰＴＣ素子およびそれに対して電気的に並列に接続された第１非復帰型接点素子を有して成る保護デバイスであって、
   第２非復帰型接点素子がＰＴＣ素子に対して電気的に直列に接続され、かつ、第２非復帰型接点素子が第１非復帰型接点素子に対して並列に接続され、
   第１非復帰型接点素子が接点を開くことによって転流する電流によってＰＴＣ素子がトリップする場合、それにより発生する熱によって第２非復帰型接点素子が接点を開くこと
   を特徴とする保護デバイスであり、
   第１非復帰型接点素子および第２非復帰型接点素子が、ヒューズ素子およびバイメタル素子からなる群より選ばれ、
   バイメタル素子は、その復帰温度が使用可能温度より低く、
   バイメタル素子が回路を一旦開くと、使用可能温度内の温度で使用される限り復帰することなく接点を開いた状態を維持する、保護デバイス。
2. 非復帰型接点素子は、いずれもヒューズ素子であることを特徴とする請求項１に記載の保護デバイス。
3. 非復帰型接点素子は、いずれもバイメタル素子であることを特徴とする請求項１に記載の保護デバイス。
4. 一方の非復帰型接点素子がバイメタル素子であり、他方の非復帰型接点素子がヒューズ素子であることを特徴とする請求項１に記載の保護デバイス。
5. 熱源を更に有して成り、第１非復帰型接点素子は、熱源の熱影響下にある請求項１〜４のいずれかに記載の保護デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の保護デバイスを有する電気装置。

Images