JP6596212B2 - 外付けｐｔｃ素子および筒型電池 - Google Patents

Description

本発明は電池に外付けされるＰＴＣ素子、および当該外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒型電池に関する。

利用者によって電池交換ができない電子機器では、電池自体が電子部品の一つとしてその電子機器の回路基板に実装されている。そして大電流を扱う電子機器では電池内外の短絡などによって電池の温度が上昇したときに電流を遮断するための安全装置が必要となる。そこでリチウム電池などの大電流放電が可能な電池にはＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子が組み込まれているものがある。周知のごとく、ＰＴＣ素子は通常は低抵抗であるが温度が上昇したときに電気抵抗が増大する板状の高分子材料（ポリマー）やセラミックス材料（以下、ＰＴＣ材料とも言う）の両面に金属箔を配置した積層構造を有するチップ部品である。電池内に組み込まれるＰＴＣ素子は、普通、一方の電極端子を兼ねる封口体内に配置される。

しかしながらＰＴＣ素子を内蔵できない封口構造を備えた電池もある。あるいは電池内に組み込まれたＰＴＣの電流遮断特性が電子機器側で要求される特性と一致しないような場合もある。そこでそのような場合に対応する電子部品として、電池の電極端子に外付けされるＰＴＣ素子（以下、外付けＰＴＣ素子とも言う）がある。そして外付けＰＴＣ素子が取り付けられた電池を電子機器内に組み込むのである。

外付けＰＴＣ素子は、チップ部品である平板状のＰＴＣ素子（以下、ＰＴＣチップ部品とも言う）を金属板で挟持した構造であり、金属板とＰＴＣチップ部品における金属箔とはリフロー半田付けなどによって相互に接合されている。なお以下の特許文献１には板状のＰＴＣチップ部品を２枚の帯状の金属板で狭持した構造の外付けＰＴＣ素子について記載されている。また以下の非特許文献１にはＰＴＣ材料にポリマーを用いた所謂「ポリスイッチ」と呼ばれるＰＴＣチップ部品の構造や特性などについて記載されている。

特開２００２−１５０９１８号公報

タイコエレクトロニクスジャパン合同会社、"「ポリスイッチの概要と選定方法」「ポリスイッチの信頼性」"、[online]、[平成２７年２月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.te.com/japan/bu/circuitprotection/polyswitch/pdf/2011_fundamentals.pdf＞

上述したように外付け用ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ素子を金属板で挟持した構造であり、その外付けＰＴＣ素子は電池の電極端子に直接取り付けられるものである。しかしながら特許文献１などに記載されている外付けＰＴＣ素子では、２枚の帯状の金属板がそれぞれの基端側でＰＴＣ素子を挟持し、金属板のそれぞれの先端は互いに反対方向を向くように延長している。そしてこのような外付けＰＴＣ素子を、例えば円筒形電池などの汎用的な電池に取り付ける場合、ＰＴＣ素子を挟持する２枚の金属板の一方の先端を電池の電極端子に取り付ける。そのため、この一方の金属板は帯状に延長し基端側で他方の金属板と対面し、その対面領域でＰＴＣ素子を挟持し、その他方の金属板がさらに帯状に延長することになる。これでは外付けＰＴＣ素子は電池の外方に大きく突出してしまう。そしてこの外付けＰＴＣ素子が取り付けられた状態の電池を回路基板に実装すれば回路基板の実装面積の多くを占有してしまい、電子機器の小型化を阻害する。譬え帯状の金属板を電池に沿わせるように折り曲げたとしても、外付けＰＴＣ素子を含めた電池のサイズが大型化し、やはり電子機器の小型化が難しくなる。

そこで電池の電極端子と同様の平面形状を有する２枚の電極板の間にＰＴＣ素子を挟持し、２枚の金属板の一方を電極端子に取り付けることが考えられる。例えば、円筒形電池用の外付けＰＴＣ素子であれば、円板状のＰＴＣチップ部品を２枚の円板状の電極板で挟持した構造にする。そして一方の円板状の金属板を電極端子にスポット溶接などによって取り付けるのである。しかしながら電池の電極端子の形状に合わせて専用のＰＴＣチップ部品を用意すれば製造コストが増加する可能性がある。したがって可能な限り汎用部品を用いて外付けＰＴＣ素子を構成してコスト増加を抑制することも必要となる。

ところで電池用のＰＴＣ素子としては、電池の封口体内部に組み込まれることを想定して環状に成形されているものがあり、この従前からあるＰＴＣ素子を外付けＰＴＣ素子に転用できれば、専用のＰＴＣ素子を用いる必要が無く、コストダウンが図れる。ところが環状のＰＴＣチップ部品を用いた外付けＰＴＣ素子では二枚の金属板間が短絡するという問題が発生することが判明した。具体的には、外付けＰＴＣ素子は、二枚の金属板でＰＴＣチップ部品を挟持した構造であり、薄いＰＴＣチップ部品と金属板はリフロー半田付けによって一体化される。そのためリフロー半田の塗布位置がずれていたり、塗布量が過剰であったりした場合に、リフロー半田付けの工程に際して半田ボールが発生する可能性がある。外付けＰＴＣ素子を電池の電極端子に溶接する場合は、その溶接時の熱によって固化した半田が溶解して再固化する際に半田ボールが発生する可能性もある。そしてその半田ボールが環状のＰＴＣ素子の内側（以下、内側空洞領域とも言う）に入り込むと、その半田ボールがＰＴＣチップ部品を挟持する２枚の金属板に接触して短絡させる可能性がある。

そこで本発明は、環状のＰＴＣチップ部品を２枚の金属板で挟持した構造としつつ、半田ボールによる短絡を確実に防止できる外付けＰＴＣ素子、およびその外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒型電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、両端面に電極端子を備えた筒形電池の一方の電極端子に取り付けられる外付けＰＴＣ素子であって、
下方に配置された金属板からなる底板の上方に板状のＰＴＣチップ部品と金属板からなる天板がこの順に積層されてなり、
前記ＰＴＣチップ部品は環状に成形され、
前記天板と前記底板の双方が環状に形成されて、上方から見たときに、当該天板の内側空洞領域と、当該底板の内側空洞領域とが、ともに前記ＰＴＣチップ部品の内側空洞領域を包含している、
ことを特徴とする外付けＰＴＣ素子としている。

上方から見たときに、前記ＰＴＣチップ部品の外形平面領域が前記天板の外形平面領域を包含している外付けＰＴＣ素子とすることもできる。

また上記のいずれかに記載の前記外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒形電池も本発明の範囲であって、当該筒型電池は、両端面を電極端子として、一方の端面の電極端子の上面に前記外付けＰＴＣ素子における前記底板の下面が接触した状態で取り付けられていることを特徴としている。

本発明の外付けＰＴＣ素子によれば、汎用的な環状のＰＴＣチップ部品を用いてコストアップを抑制しつつ、半田ボールに起因する短絡を確実に防止することができる。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。またそのＰＴＣ素子が取り付けられてなる本発明に係る筒型電池によれば、熱暴走が確実に防止されて、熱暴走よる筒型電池自体および当該筒型電池が実装される電子回路の破損を確実に保護することができる。

本発明の第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子の一例を示す図である。 上記第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を電池の一方の電極端子に取り付けた状態を示す図である。 上記第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を電池の他方の電極端子に取り付けた状態を示す図である。 上記第１の実施例の変形例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。 上記第１の実施例において問題となる半田ボールの大きさを示す図である。 本発明の第２の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。 外付けＰＴＣ素子の外側にある半田ボールに関わる問題点を説明するための図である。 本発明の第３の実施例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。 上記第３の実施例の変形例に係る外付けＰＴＣ素子を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の実施例として円筒形電池を取付け対象とした外付けＰＴＣ素子を挙げる。図１に本発明の第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子１ａの構造を示した。図１（Ａ）は第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子１ａの分解斜視図であり、図１（Ｂ）は当該外付けＰＴＣ素子１ａを上方から見たときの平面図である。図１（Ｃ）は（Ｂ）におけるａ−ａ矢視断面に対応する縦断面図である。なおこの図１では外付けＰＴＣ素子１ａを構成する各部材を異なるハッチングによって示している。そして第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子１ａは、他の実施例に共通の基本構成を備えている。

図１（Ａ）に示したように、第１の実施例に係る外付けＰＴＣ素子（以下、第１実施例１ａとも言う）は円環状のＰＴＣチップ部品１０を平板状の２枚の金属板（２０、３０）で狭持した構造であり、金属板（２０、３０）とＰＴＣチップ部品１０とはリフロー半田付けによって接合されている。この例では金属板（２０、３０）としてニッケル板を用い、ＰＴＣチップ部品１０には高温になると電気抵抗が増大する特性を有する導電性ポリマーをアルミ箔などの金属箔で狭持した所謂「ポリスイッチ」を用いている。

ここで第１実施例１ａを含めた以下の各実施例において、ＰＴＣチップ部品１０を狭持する２枚の金属板（２０、３０）のうち、電池の電極端子に直接取り付けられる側の金属板２０を「底板」と言うこととする。ＰＴＣチップ部品１０を介して底板２０と対面する金属板３０については「天板」とも言うこととする。また底板２０を下方として、底板２０の上方にＰＴＣチップ部品１０と天板３０がこの順に積層されていることして上下の各方向を規定することとする。

ここに示した第１実施例１ａでは、天板３０がＰＴＣチップ部品１０と同様に円環状に形成されており、天板３０の外径φ２に対して底板２０の外径φ１が大きく、ＰＴＣチップ部品１０の外径φ３は天板３０の外径φ２にほぼ一致している。さらに天板３０の内径φ４はＰＴＣチップ部品１０の内径φ５よりも大きい。すなわち図１（Ｂ）に示したように、上方から見たときに、円環状の天板３０における円形の内側空洞領域３１がＰＴＣチップ部品１０における内側空洞領域１１を包含している。そして図１（Ｃ）に示したように、ＰＴＣチップ部品１０の内側空洞領域１１では、底板２０の上面２１と天板３０の下面３２が対面せず、ＰＴＣチップ部品１０の内側空洞領域１１の縁端が天板３０の内側空洞領域３１の縁端よりも内方にある。すなわち天板３０の内周縁端３３に対してＰＴＣチップ部品１０の内周縁端１２が内方に突出している。そのためＰＴＣチップ部品１０の内側空洞領域１１に半田ボール４０が存在しても、その半田ボール４０は下方にて底板２０の上面２１に接触し、側方はＰＴＣチップ部品１０の内周縁端１２に当接する。それによって底板２０の上面２１と天板３０の内周縁端３３の双方に半田ボールが接触することによる短絡を防止している。

図２に円筒形電池５０の電極端子５２に図１に示した第１実施例１ａが取り付けられた状態を示した。この例では、円筒形電池（以下、電池５０とも言う）の一方（ここでは下方）の端面には凸状の一方の極の電極端子５１が形成され、他方（上方）の端面は平坦面で、この平坦面が他方の極の電極端子５２となっている。そしてここでは平坦面となっている側の電極端子５２に第１実施例１ａが取り付けられている例を示した。

図２に示したように、第１実施例１ａを電池５０に取り付ける際には、底板２０の上面２１において天板３０の平面領域の外側に露出する領域２２に電極端子５２とスポット溶接やレーザー溶接などの溶接を行う箇所２３を設ければよい。もちろん第１実施例１ａは凸状の電極端子５１に取り付けることもできる。この場合は、例えば図３に示したように、ＰＴＣ素子１０の内側空洞領域１１内に底板２０の上面２１が露出しており、この露出した領域２４に溶接箇所２３を設ければよい。

なお図１に示した第１実施例１ａでは天板３０が環状であったが底板２０を環状にした変形例も考えられる。図４に当該変形例に係る外付けＰＴＣ素子（以下、変形例１ｂとも言う）の縦断面図を示した。ここではこの変形例１ｂを電池５０における平坦面側の電極端子５２に取り付けた状態を示している。図４に示したように変形例１ｂでは、天板３０が内側空洞領域を持たない平板状で、底板２０が環状となっている。そして上下方向から見たときに底板２０における内側空洞領域２６がＰＴＣチップ部品１０の内側空洞領域１１を包含している。

ところで図４に示した変形例１ｂでは、底板２０の下面２５からＰＴＣチップ部品１０の上面１３までの厚さｔよりも外径が大きな半田ボール４０が発生した場合には電池５０の電極端子５２の上面５３と天板３０の下面３２との間で短絡が生じる可能性があるものの、特殊な状況を除けば、このような大きな半田ボール４０が発生する可能性を考慮する必要は無い。特殊な状況としては、例えば、試作段階の外付けＰＴＣ素子に対し、底板、ＰＴＣチップ部品、および天板のそれぞれの界面に塗布するリフロー半田の印刷位置精度や塗布量の調整を行っているような場合などが考えられる。言い換えれば、少なくとも製品として出荷できる段階にあれば図４に示した変形例１ｂの構成で憂慮されるような大きな半田ボールが発生することは無いと言える。すなわち少なくとも底板と天板の一方が環状で、いずれか一方の内側空洞領域がＰＴＣチップ部品の内側空洞領域を包含するように形成されていれば、外付けＰＴＣ素子の製造過程で発生するほとんどの半田ボールに対しては充分に対応することができる。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
第１実施例やその変形例に係る外付けＰＴＣ素子では半田ボールによる短絡をほぼ確実に防止することができる。しかし上述したように、試作段階での製造工程などでは大きな半田ボールが発生する可能性がゼロではない。すなわち図５に示したように、第１実施例１ａの構造であっても、底板２０と天板３０とを短絡させるような大きな半田ボール４０が発生する可能性がある。そこで本発明の第２の実施例として、環状のＰＴＣチップ部品１０の内側にどのような大きさの半田ボール４０が存在していても、確実に底板２０と天板３０との間の短絡を防止できる外付けＰＴＣ素子を挙げる。図６に第２の実施例に係る外付けＰＴＣ素子（以下、第２実施例１ｃとも言う）の構造を縦断面図にして示した。ここでは第２実施例１ｃを電池５０における平坦面側の電極端子５２に取り付けた状態を示している。図６に示したように底板２０と天板３０の双方が環状であり、底板２０と天板３０の内側空洞領域（２６、３１）の双方がＰＴＣチップ部品１０の内側空洞領域１１を包含している。それによって図中に示したように、環状のＰＴＣチップ部品１０の内側にどのような大きさの半田ボール４０があっても、その半田ボール４０はＰＴＣチップ部品１０の内周縁端１２に当接し、底板２０と天板３０の双方の内周側縁端（２７，３３）同士が接触することがない。もちろん電池５０の電極端子５２と天板３０の下面３２との間での短絡も発生しない。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
上記第１および第２実施例では、環状のＰＴＣチップ部品の内側空洞領域にある半田ボールによる短絡を防止することを目的としていた。これは環状のＰＴＣチップ部品の内側空洞領域は狭く、そこに入り込んだ半田ボールを除去することが容易でないからである。さらには図４に示した変形例１ｂのように天板３０が環状ではなく平板状となっている場合では、外付けＰＴＣ素子１ｂを電池５０に取り付けた後に発生した半田ボール４０を目視することができないからである。

一方ＰＴＣ素子の外側にある半田ボールであれば目視しやすいし、譬え半田ボールが付着していたとしても外付けＰＴＣ素子の外側であれば、エアを吹き付けるなどして容易に半田ボールを除去することができる。しかし新入工員など検査に不慣れな人が目視検査を行うような場合では、外付けＰＴＣ素子の外側に付着して底板と天板を短絡させる半田ボールを見逃す可能性がある。図７に第１実施例１ａの外側にある半田ボール４０によって底板２０の上面２１と天板３０の外周縁端３４との間で短絡している状態を示した。そこで本発明の第３の実施例として、半田ボールによる外側での短絡を確実に防止できる外付けＰＴＣ素子を挙げる。

図８は第３の実施例に係る外付けＰＴＣ素子（以下、第３実施例１ｄとも言う）の構造を示す縦断面図である。この図８に示したように、第３実施例１ｄでは、天板３０の外径φ２がＰＴＣチップ部品１０の外径φ３よりも小さくなっている。そのため、外部に半田ボール４０が付着していたとしても、ＰＴＣチップ部品１０の外周縁端１４に半田ボール４０の表面が当接するため、半田ボール４０が底板２０と天板３０の双方に接触することがない。すなわち短絡が発生しない。なお極めて考えにくいことではあるが、常識外の大きさの半田ボールの発生までも考慮するのであれば、図９に示した外付けＰＴＣ素子１ｅのように、底板２０と天板３０の双方の外径（φ１、φ２）をＰＴＣチップ部品１０の外径φ３よりも小さくすれば、底板２０と天板３０の外周縁端（２８，３４）の双方に半田ボール４０の表面が接触することを完全に防止することができる。なおこの図９に示した外付けＰＴＣ素子１ｅのように底板２０が環状で、かつＰＴＣチップ部品１０の平面領域が底板２０の平面領域を包含している場合では、底板２０の上面２１が上方に露出せず、電池５０の電極端子５２に溶接するための領域がなくなる。このような場合には底板２０の下面２５と電極端子の上面（図中では平坦面側の電極端子５２の上面５３）とを導電性接着剤によって接着すればよい。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記各実施例では、外付けＰＴＣ素子を円筒形電池の電極端子に取り付けることを想定し、底板と天板およびＰＴＣチップ部品の外形が円形であった。もちろん外形は円形に限らず、矩形など適宜に変更することができる。いずれにしてもＰＴＣチップ部品は内側空洞領域を有して環状に形成されていればよい。そして底板と天板もＰＴＣチップ部品と同様の外形を有しつつ、少なくとも一方が環状で、その内側空洞領域がＰＴＣ素子の内側空洞領域を包含していればよい。

１ａ〜１ｅ 外付けＰＴＣ素子、１０ ＰＴＣチップ部品、
１１ ＰＴＣチップ部品の内側空洞領域、２０ 底板、２３ 溶接箇所、
２６ 底板の内側空洞領域、３０ 天板、３１ 天板の内側空洞領域、
４０ 半田ボール、５０ 電池、５１，５２ 電極端子

Claims (3)

1. 両端面に電極端子を備えた筒形電池の一方の電極端子に取り付けられる外付けＰＴＣ素子であって、
   下方に配置された金属板からなる底板の上方に板状のＰＴＣチップ部品と金属板からなる天板がこの順に積層されてなり、
   前記ＰＴＣチップ部品は環状に成形され、
   前記天板と前記底板の双方が環状に形成されて、上方から見たときに、当該天板の内側空洞領域と、当該底板の内側空洞領域とが、ともに前記ＰＴＣチップ部品の内側空洞領域を包含している、
   ことを特徴とする外付けＰＴＣ素子。
2. 請求項１において、上方から見たときに、前記ＰＴＣチップ部品の外形平面領域が前記天板の外形平面領域を包含していることを特徴とする外付けＰＴＣ素子。
3. 請求項１または２に記載の前記外付けＰＴＣ素子が取り付けられてなる筒形電池であって、両端面を電極端子として、一方の端面の電極端子の上面に前記外付けＰＴＣ素子における前記底板の下面が接触した状態で取り付けられていることを特徴とする筒形電池。

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