JP6674282B2 - 携帯端末 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器内の二次電池等に設けられるブレーカーに関するものである。

例えば小型の電気機器においてバッテリーに過電流が供給されたり、バッテリーが高温状態となったりすることを防ぐために温度保護素子が用いられる。前記温度保護素子には、固定接点を有する固定片と、可動接点が形成された可動片と、例えばバイメタルで形成された熱応動素子とを備えたブレーカーがある。前記熱応動素子は、高温の動作温度になると変形し、前記固定片に対して前記可動片を持ち上げて、前記固定接点と前記可動接点とが物理的に接触していない状態にし、常温において元の状態に復帰するよう構成されている。

ところで、使用者が不注意等により前記電気機器を所定の高さ以上から落としてしまうと、その衝撃によって前記可動片が動いてしまい、前記固定接点と前記可動接点が瞬間的に離間してしまうことがある。

このため１セル又は複数のセルが直列に接続されたバッテリーに対して、前述したブレーカーを用いると、衝撃によって電気機器に電力が供給されない瞬断が生じる可能性がある。このため、復帰型で迅速な動作が可能ながら、熱応動素子を用いたバッテリーは上述したような用途には取扱が容易でない。

一方、電気機器に衝撃が加わっても瞬断が生じない復帰型の温度保護素子としては、特許文献１に示されるように導電性フィラーがポリマー内に封入されたポリマーＰＴＣで回路基板上のランドとランドとの間を接続したものがある。このようなものであれば、接点の離間を利用しないので、衝撃により瞬断が生じることはない。

しかしながら、電気機器内部の空間的余裕に限界があり、さらにポリマー組成物が熱により変性しやすいので、ポリマーＰＴＣはブレーカーと比較して流すことのできる許容電流の最大値が小さく、例えば３０００ｍＡ〜４０００ｍＡ又はそれ以上の電流を流すことはポリマー組成物の性質上できないと言ってよく、また動作も格段に遅い。近年携帯できる小型の電気機器に用いられるバッテリーであっても上述したような電流値を設定したいという要望が現れつつあり、ポリマーＰＴＣを用いた温度保護素子ではこのような要望に応えることが難しい。

特開２０１５−０４６３９０号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、衝撃に対する耐性があり瞬断が起こりにくく、かつ、大きな電流を流すことができるブレーカーを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係るブレーカーは、固定接点を有する固定片と、先端側に可動接点が形成されており、基端側から先端側へと電流が流される可動片と、温度に応じて変形することによって前記固定接点に対して前記可動接点を接離させるように前記可動片を動作させる熱応動素子と、を備え、前記可動片の少なくとも先端側が第１アームと第２アームに分かれており、前記第１アーム及び前記第２アームのそれぞれに前記可動接点が分割して形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記可動片が前記第１アームと前記第２アームを有しており、かつ、それぞれに前記可動接点が分割して形成されているので、衝撃によって前記第１アームに形成された前記可動接点が前記固定接点から離れてしまったとしても、前記第２アームに形成された前記可動接点を前記固定接点と接触させることが可能となる。

言い換えると、本願発明は前記可動片から前記固定接点へと電流が流れる経路が前記第１アームを経由する経路と前記第２アームを経由する経路の複数系統で並列に形成することができる。したがって、複数系統の全てで前記固定接点と前記可動接点とが同時に離れてしまわない限り瞬断が発生しない。このため、従来の１系統しか電流の流れる経路の無いブレーカーと比較して、衝撃に対する耐性が高く瞬断が起こりにくくなる。

さらに、本発明に係るブレーカーは前記可動接点と前記固定接点を接離させる熱応動素子を用いているので、通常時には前記可動接点と前記固定接点を直接接触させることができ、３０００ｍＡ〜４０００ｍＡといった大電流であっても電流を流すことが可能となる。また、前記熱応動素子を用いているので復帰型の温度保護素子でありながら、ポリマーＰＴＣと比較して過熱状態となった場合には迅速な動作を実現できる。

衝撃により前記第１アームに生じる振動と、前記第２アームに生じる振動が同期しないようにして、前記第１アームと前記第２アームのそれぞれに分割して形成された可動接点が衝撃発生時にすべて同時に前記固定接点から離れてしまうのを防げるようにするには、前記可動接点が、前記第１アームに形成された第１接点と、前記第２アームに形成された第２接点と、からなり、前記第１アーム及び第１接点からなる系の固有振動数と、前記第２アーム及び第２接点からなる系の固有振動数とが異なっていればよい。

衝撃発生時に前記第１接点及び前記第２接点のいずれかが前記固定接点と接触している状態を実現しやすくするために互いに異なるべき固有振動数としては、前記可動接点が前記固定接点に対して接離する方向の振動の固有振動数を挙げることができる。

瞬断を起こりにくくするための前記第１アームと前記第２アームの具体的な配置としては、前記第１アームと前記第２アームが前記可動片の延伸する方向に対して直交する方向にそれぞれ離間させて並列に設けられているものが挙げられる。

衝撃発生時における前記第１アームと前記第２アームの振動状態をそれぞれ異ならせて、前記可動接点が前記固定接点から全て離れてしまうのを防ぐには、前記第１アームの幅寸法と前記第２アームの幅寸法とがそれぞれ異なっていればよい。

また、前記第１アームの長手方向寸法と前記第２アームの長手方向寸法とがそれぞれ異なっていれば、例えば前記第１アーム及び前記第２アームの幅寸法を共通にしつつ、それぞれの固有振動数を異ならせて瞬断を起こりにくくすることができる。

さらに前記第１アームの形状と前記第２アームの形状とがそれぞれ異なっていてもそれぞれの固有振動数を異ならせることができる。

また、前記第１アームの厚み寸法と前記第２アームの厚み寸法とがそれぞれ異なっていてもよい。このようなものであれば、前記第１アーム及び前記第２アームの重量を異ならせて衝撃発生時におけるそれぞれの振動状態を異ならせて、前記固定接点から全ての可動接点が離間してしまうことを防ぐことができる。

前記第１アームにおける前記第１接点の形成されている位置と、前記第２アームにおける前記第２接点の形成されている位置が、長手方向に対してずれていれば、各アームにおいて振動の節又は腹となる場所が変わるので、衝撃発生時における各可動接点が前記固定接点から離れてしまうタイミングをずらすことができ、瞬断を防ぐことができる。

例えば前記第１アーム及び前記第２アームの大きさを揃えて小型に形成した場合でもそれぞれの系における固有振動数を異ならせることができるようにするには、前記第１接点及び前記第２接点の質量が異なっていればよい。

本発明に係るブレーカーを備えた電気機器用の安全回路であれば、衝撃による瞬断を防ぎつつ、過電流が流れて過熱状態になった場合には電流を遮断でき、電気機器を適切に保護できる。

また、本発明に係るブレーカーと、前記ブレーカーが接続された１セル又は複数セルが直列に接続されたバッテリーと、を備えた二次電池パックであれば、衝撃による瞬断を発生させないようにしながら、過電流時における安全保護機能を両立させることができる。さらに前記ブレーカーは前記可動接点と前記固定接点が直接接触するものなので、前記バッテリーの容量を大きくし、大電圧かつ大電力であっても十分に安全保護機能を動作させることが可能である。

また、本発明に係る二次電池パックを備えた携帯端末であれば、過電流が流れた際の安全機能を実現しながら、衝撃による瞬断が発生しにくく、３０００ｍＡ〜４０００ｍＡ又はそれ以上の大電流を流すことも可能である。したがって、例えばスマートフォンのような使用者に携帯され、二次電池パックへの負荷が大きいものにも適している。

このように本発明に係るブレーカーによれば、衝撃が発生した場合でも前記固定接点と前記可動接点との間で少なくとも一部は物理的な接触を保たせることができ、瞬断を発生しにくくできる。また、通常時においては前記固定接点と前記可動接点は機械的に直接接触しているので、３０００ｍＡ〜４０００ｍＡといった大電流を前記ブレーカーに流し、過熱状態には迅速に動作することも可能である。

本発明の一実施形態に係るブレーカーについて示す分解斜視図。 同実施形態におけるブレーカーの動作及び内部構造を示す模式的断面図。 本発明のその他の実施形態に係るブレーカーの可動片の構造について示す模式図。

本発明の一実施形態に係るブレーカー１について各図を参照しながら説明する。

図１に示すブレーカー１は例えばモバイルパソコン、タブレット端末、スマートフォン等の小型の電気機器に用いられる二次電池（バッテリー）パックにおいて過度の温度上昇が発生した場合や過度の電流が流れた場合にその温度変化に基づいて電流を遮断する安全回路の一部を構成するものである。また、このブレーカー１の保護対象は上述した各電気機器に限られるものではなく、例えば小型モータ等の保護回路としても用いられる。本実実施形態ではバッテリー１は例えば１セル又は複数のセルが直列に接続されたものであり、バッテリー１つに対して本実施形態のブレーカーを１つ設けることで安全回路を構成してある。

図１及び図２に示すように、本実施形態のブレーカー１は、概略扁平直方体形状のケース７内に所定条件時に電流を遮断するためのスイッチング機構Ｓを収容したものである。前記スイッチング機構Ｓを他の電気素子や回路と接続するための２つの端子は、ケース７のそれぞれ対向する面から外部へと露出させてある。

図１の分解斜視図及び図２の断面図に示すように、前記ケース７は概略箱状に形成されたベース７１と、前記ベース７１の開口の蓋をする板状のカバー７２とから構成してある。前記ベース７１と前記カバー７２との間には前記スイッチング機構Ｓを構成する固定接点２３が形成された固定片２、セラミックＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ６、バイメタルで形成された温度変化に伴って変形する熱応動素子５、先端側に可動接点４３が形成された可動片４が順番に収容してある。なお、前記可動片４の形状等の詳細については後述する。

前記固定片２は、先端部２１が前記ケース７内で前記ベース７１に固定され、基端部２２が前記ケース７外に露出する金属片である。本実施形態では、前記固定片２の先端部２１の下面及び周囲を覆うようにインサート成型により前記ベース７１が形成されて一体化してある。前記固定片２の先端部２１において前記ケース７内において露出している部分に固定接点２３が形成してある。

前記可動片４は、基端側にバッテリーと接続される端子部４２が形成され、先端側に前記固定接点２３に対して接離する可動接点４３が形成されたものである。より具体的には前記可動片４は板状の金属を概略弓状に湾曲させた本体４Ｂと、前記本体４Ｂの先端側に形成された前記可動接点４３と、を具備するものである。前記本体４Ｂは、可動片４において先端側であり、前記ケース７内に収容される可動部４１と、前記可動片４において基端側であり、前記ケース７外に露出される端子部４２と、からなる。本実施形態では、前記可動片４の前記端子部４２が例えばバッテリーの正極に溶接され、前記固定片２の基端部２２にバッテリーの負極が溶接される。したがって、前記可動片４における電気の流れは基端側から先端側への流れとなる。なお、バッテリーに対する接続が逆向きになった場合には、前記可動片４において流れる電流の向きは先端側から基端側へと反対向きになるが、ブレーカーとしての機能は同様に発揮される。

前記可動部４１は、図１に示すように先端側で二股に分岐させてある。より具体的には可動部４１において湾曲している部分内において前記可動片４の長手方向に延びるスリット４Ｓにより第１アーム４１ａと第２アーム４１ｂが形成してある。前記第１アーム４１ａと前記第２アーム４１ｂのそれぞれには前記可動接点４３を分割してそれぞれ第１接点４３ａと、第２接点部４３ｂが形成してある。前記第１アーム４１ａ及び前記第２アーム４１ｂは、前記ケース７の幅方向、すなわち、前記固定接点２３の幅方向に並列させて配置してある。なお、第１アーム４１ａ及び第２アーム４１ｂは前記可動片４において湾曲している部分に限られず、前記熱応動素子５の動作により可動する部分に形成されるものであればよい。

前記第１アーム４１ａと前記第２アーム４１ｂは長手方向の寸法は共通にしつつ、幅方向の寸法はそれぞれ異ならせてある。すなわち、前記第１アーム４１ａよりも前記第２アーム４１ｂのほうが幅方向の寸法を大きく設定してある。言い換えると、前記スリット４Ｓは前記可動片４の長手方向に延びる中心基準線に対して若干前記第１アーム４１ａ側へとずらして形成してある。また、前記第１接点４３ａ及び前記第２接点部４３ｂは同じ金属材で前記第１アーム４１ａ及び前記第２アーム４１ｂの先端部下側面に幅方向いっぱいまで形成してある。したがって、前記第１接点４３ａよりも前記第２接点部４３ｂのほうが質量は大きい。

このように前記第１アーム４１ａと前記第２アーム４１ｂの幅寸法を異ならせるとともに、第１接点４３ａ及び第２接点部４３ｂについてもその質量を異ならせているので、前記第１アーム４１ａ及び前記第１アーム４１ａからなる系の固有振動数と、前記第２アーム４１ｂ及び前記第２接点部４３ｂからなる系の固有振動数は異なっている。より具体的には少なくとも前記固定接点２３と前記可動接点４３とが接離する方向、すなわち、ケース７の高さ方向の固有振動数は前記第１アーム４１ａ及び前記第１接点４３ａからなる系と前記第２アーム４１ｂ及び前記第２接点部４３ｂからなる系とでそれぞれ異ならせてある。

また、前記固定片２の基端部２２と前記可動片４の端子部４２はそれぞれが前記ケース７の対向面から外部へ露出するように配置してある。前記固定片２の基端部２２又は前記可動片４の端子部４２は、例えば他の電気素子や回路基板の端子、電池のタブリードと溶接等により接続される。さらに、前記可動片４は可動部４１において前記可動接点４３の近傍に配置された第１の凸部４４と、ベース７１の内壁近傍に配置される第２の凸部４５とを備えている。

前記熱応動素子５は、熱膨張率の異なる２種類の金属が積層された板材であるバイメタルをプレスによって曲げ加工を施しつつ、一部押し出し加工を施して形成したものである。この板材の高膨張側の金属には、例えばニッケル−クロム−鉄合金（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）を用いて、低膨張側の金属にはニッケル−鉄合金（Ｎｉ−Ｆｅ）を用いることにより防錆性を向上させたものを挙げることができる。

図２（ａ）は通常の通電時におけるブレーカー１を示すものであって、前記熱応動素子５は初期形状を維持し、前記カバー７２側へ凸となるように湾曲した形状となっている。より具体的には、前記熱応動素子５は、前記可動片４の基端側と、前記第１アーム４１ａ及び前記第２アーム４１ｂの中央部とで３点で接触させてある。この状態では、前記固定片２の先端部２１に形成された固定接点２３と、前記可動片４における前記第１アーム４１ａの先端部にある第１接点４３ａと前記第２アーム４１ｂの先端部にある第２接点部４３ｂの両方とが接触して前記可動片４から前記固定片２を通ってほとんどの電流が流れることになる。より具体的には、通常の通電時においては前記第１接点４３ａ及び前記第２接点部４３ｂは両方とも前記固定接点２３に対して接触している。また、通常の通電時において前記ケース７に対して衝撃が加わった場合でも前記第１接点４３ａ又は前記第２接点部４３ｂの少なくとも一方は、前記固定接点２３に対して直接接触している状態が保たれる。

一方、図２（ｂ）は過電流状態や異常時におけるブレーカー１を示すものである。過電流又は高温状態となると動作温度に達した前記熱応動素子５は逆反りして前記ベース７１側へ凸となるように湾曲した形状へ変形する。この状態では前記熱応動素子５は前記第１アーム４１ａ及び前記第２アーム４１ｂを上側へ持ち上げるので、固定接点２３と、前記可動接点４３をなす第１接点４３ａ及び第２接点部４３ｂとは離間した状態となり、電流は前記可動片４から前記固定片２へと直接流れないように遮断される。すなわち、可動片４、熱応動素子５、ＰＴＣサーミスタ６、固定片２を介して微小な漏れ電流しか流れず、実質的に電流が遮断されることになる。漏れ電流は、ＰＴＣサーミスタ６の発熱、続いて熱応動素子５への熱移動及び反転動作の継続を引き起こし、自己保持回路が構成される。このようにＰＴＣサーミスタ６によって、実質的な電流の遮断状態が構成されていないと、電流が遮断された後、熱応動素子５が冷却されて復帰温度以下となると元の順反りの形状に戻り、電流が再開されると再び過熱によって逆反りの形状になるといった動作が際限なく繰り返されてしまう。すなわち、本実施形態では前記ＰＴＣサーミスタ６が設けてあるので、過熱と冷却が際限なく繰り返されるのを防ぐことができる。

このように本実施形態のブレーカーであれば、前記可動片４において前記可動接点４３が形成されている先端側に前記スリット４Ｓが形成されて二股に分岐させ、それぞれ幅寸法や質量の異なる前記第１アーム４１ａと前記第２アーム４１ｂを構成してあるので、衝撃発生時において前記第１アーム４１ａ及び前記第２アーム４１ｂに発生する振動状態を異ならせることができる。

したがって、衝撃発生時においては前記第１アーム４１ａの先端部にある前記第１接点４３ａが前記固定接点２３から離間している時間と、前記第２アーム４１ｂの先端部にある前記第２接点部４３ｂが前記固定接点２３から離間している時間とが一致しないようにできる。したがって、衝撃発生時においても前記第１アーム４１ａ又は前記第２アーム４１ｂのいずれか一方を経由して、前記固定片２へと電流を流し続けることができ、瞬断の発生を防ぐことができる。

また、通電時においては前記可動接点４３と前記固定接点２３は金属同士で直接接触させてあるので、例えば３０００ｍＡ〜４０００ｍＡの大電流を流すことができる。

前記実施形態の変形例について説明する。なお、前記実施形態で説明した部材に対応する部材については同じ符号を付すこととする。

可動片４の形状については前記実施形態で示したものに限られない。すなわち、前可動片４の先端部が複数に分岐しており、各分岐先に可動接点４３が分割して形成されたものであれば、瞬断に対する耐性を発揮させることが可能である。より好ましくは可動片４が複数のアームを有し、各アーム及び各アームの先端部に設けられた接点部からなる系がそれぞれに異なる固有振動数を有していればよい。また、固有振動数については前記固定接点２３と前記可動接点４３の離間方向の振動成分に関するものだけでなく、その他の方向における振動成分の固有振動数が異なっていてもよい。例えば前記ケース７の幅方向や長手方向の固有振動数が異なっていてもよい。また、前記実施形態では可動片４は１つの金属片で構成してあるが、可動片４の各部を別々の金属片で形成しておき、溶接等により金属片を接続することで可動片４としての機能を発揮するようにしてもよい。例えば、可動片４の端子部４２だけをケース７に対してインサート成型し、可動部４１を前記端子部４２に対して溶接するようにしてもよい。

次に可動片４の変形例の具体的構成例について図３を参照しながら説明する。例えば図３（ａ）に示すようにスリット４Ｓが可動片４の長手方向に延びる中心線に沿って形成されており、第１アーム４１ａ及び第２アーム４１ｂが同じ形状及び寸法を有するように形成しても構わない。このようなものであって、可動片４の先端部が分岐していない場合と比較して瞬断を起こりにくくすることができる。

また、図３（ｂ）に示すように第１アーム４１ａと第２アーム４１ｂについては同じ形状と寸法にしつつ、第１接点４３ａ及び第２接点部４３ｂの形成される位置を長手方向に対してずらしてもよい。さらに、図３（ｃ）に示すように第１アーム４１ａと第２アーム４１ｂの長手方向の長さをそれぞれ異ならせてもよい。加えて、図３（ｄ）に示すように例えば第１アーム４１ａ又は第２アーム４１ｂのいずれかに切り欠き等を形成してそれぞれの形状を異ならせてもよい。これらのようにしても振動のモードや固有振動数を第１アーム４１ａ及び第２アーム４１ｂにおいて異ならせることができる。切り欠きのみならず、穴、凸部、曲げ等により幅寸法、厚さ寸法、曲率等の違いで異ならせることも可能である。したがって、衝撃発生時における振動状態を異ならせて第１接点４３ａ及び第２接点部４３ｂが同時に固定接点２３から離れてしまうのを防ぐことができる。

また、図３（ｅ）に示すように可動片４が３つ以上に分岐していてもよいし、図３（ｆ）に示すように第１アーム４１ａと第２アーム４１ｂの延びる向きがそれぞれ異なっていてもよい。したがって、スリット４Ｓについても直線状のものに限られない。

その他の実施形態について説明する。

熱応動素子を形成する板材としてバイメタルを用いた例を示したが、さらに複数の金属が積層された板材として例えばトリメタルを用いて本発明の熱応動素子を構成してもよい。また、スナップ要素の形状は部分球殻状に限られるものではなく、概略ドーム状をなす曲板部を構成するものであればよい。

可動片が収容されるケースのカバーに可動片をベース側へと付勢する突起を設けても構わない。このようにすることで、可動接点と固定接点との接触圧力を高めることができる。また、第１アームと第２アームに対してそれぞれ長手方向に異なる位置に前記カバーに別々に形成された突起が接触するようにして、第１アーム及び第２アームにおいて自由端となっている長さを異ならせるようにしてもよい。このようにしても第１アームからなる系、第２アームからなる系の固有振動数がほぼ同じ場合でも第１接点及び第２接点での振動状態を異ならせて、衝撃発生時に同時に固定接点から離間してしまうのを防ぐことができる。すなわち、本発明においては第１アームからなる系が呈する固有振動数と、第２アームからなる系が呈する固有振動数が異なっているようにしてもよい。

また、本発明のブレーカーはバッテリーの安全回路だけでなく、その他の用途に用いても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

１ ・・・ブレーカー
２ ・・・固定片
４ ・・・可動片
４１ ・・・可動部
４１ａ・・・第１アーム
４１ｂ・・・第２アーム
４３ａ・・・第１接点
４３ｂ・・・第２接点
４Ｓ ・・・スリット
５ ・・・熱応動素子
６ ・・・ＰＴＣサーミスタ
７ ・・・ケース

Claims (9)

1. 固定接点を有する固定片と、先端側に可動接点が形成された可動片と、温度に応じて変形することによって前記固定接点に対して前記可動接点を接離させるように前記可動片を動作させる熱応動素子と、を備え、前記可動片の少なくとも先端側が第１アームと第２アームに分かれており、前記第１アーム及び前記第２アームのそれぞれに前記可動接点が分割して形成されており、前記可動接点が、前記第１アームに形成された第１接点と、前記第２アームに形成された第２接点と、からなり、前記第１アーム及び第１接点からなる系の固有振動数と、前記第２アーム及び第２接点からなる系の固有振動数とが異なっていることを特徴とするブレーカーと、
   前記ブレーカーが接続された１セル又は複数セルが直列に接続されたバッテリーと、を備えた二次電池パックを備えた携帯端末。
2. 前記固有振動数が、前記可動接点が前記固定接点に対して接離する方向の振動の固有振動数である請求項１記載の携帯端末。
3. 前記第１アームと前記第２アームが前記可動片の延伸する方向に対して直交する方向にそれぞれ離間させて並列に設けられている請求項１又は２いずれかに記載の携帯端末。
4. 前記第１アームの幅寸法と前記第２アームの幅寸法とがそれぞれ異なっている請求項１乃至３いずれかに記載の携帯端末。
5. 前記第１アームの長手方向寸法と前記第２アームの長手方向寸法とがそれぞれ異なっている請求項１乃至４いずれかに記載の携帯端末。
6. 前記第１アームの形状と前記第２アームの形状とがそれぞれ異なっている請求項１乃至５いずれかに記載の携帯端末。
7. 前記第１アームの厚み寸法と前記第２アームの厚み寸法とがそれぞれ異なっている請求項１乃至６いずれかに記載の携帯端末。
8. 前記第１アームにおける前記第１接点の形成されている位置と、前記第２アームにおける前記第２接点の形成されている位置が、長手方向に対してずれている請求項１乃至７いずれかに記載の携帯端末。
9. 前記第１接点及び前記第２接点の質量が異なっている請求項１乃至８いずれかに記載の携帯端末。