JP7425710B2

JP7425710B2 - ブレーカー及びそれを備えた安全回路、２次電池パック

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Publication number: JP7425710B2
Application number: JP2020175316A
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Inventors: 勝史浪川
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Filing date: 2020-10-19
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Description

本発明は、電気機器に内蔵される小型のブレーカー等に関する。

従来、各種電気機器の２次電池やモーター等の保護装置（安全回路）としてブレーカーが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－３１９１７号公報

近年、電気機器の高出力化が進展し、より導通抵抗の小さい（すなわち、電流容量が大きい）ブレーカーが要望されている。このようなブレーカーは、例えば、弾性力が大きい可動片を用いることにより実現できる。しかしながら、このような可動片を適用した場合、限られたサイズの熱応動素子によって可動片を押し上げることが困難となる。このため、ブレーカーのサイズ及び機器の安全性を維持した上で、導通抵抗を十分に低下させるのは、困難を伴っていた。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、導通抵抗が小さいブレーカーを提供することを主たる目的としている。

本発明は、固定接点が形成される第１端子片と、可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点から離隔するように前記可動片を作動させる熱応動素子と、前記可動片と電気的に接続される第２端子片とを備えたブレーカーであって、前記可動片は、前記第２端子片に接触する接触領域の内側に、前記熱応動素子の側に突出する凸部を有する。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記可動片は、前記第２端子片よりも前記熱応動素子の側に配されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記第１端子片の一部が埋設され、前記熱応動素子が収容される第１ケースと、前記第２端子片の一部が埋設され、前記可動片が収容される第２ケースとを備え、前記第１ケースと前記第２ケースとが、固着されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記可動片は、前記接触領域で前記第２端子片と溶接されており、前記可動片と前記第２端子片との溶接箇所は、前記可動片の長手方向で前記凸部と重複している、ことが望ましい。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記溶接箇所の中心は、前記凸部の中心よりも前記可動接点の側に位置ずれとしている、ことが望ましい。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記可動片は、前記可動接点が前記固定接点に接近するように曲げられる曲げ部を有する、ことが望ましい。

本発明に係る前記ブレーカーにおいて、前記可動片の厚さ方向から見て、前記熱応動素子の端縁は、前記接触領域と重複としている、ことが望ましい。

本発明は、前記ブレーカーを備えた、電気機器用の安全回路である。

本発明は、前記ブレーカーを備えた、２次電池パックである。

本発明の前記ブレーカーによれば、前記可動片が、前記第２端子片に接触する前記接触領域の内側に、前記熱応動素子の側に突出し、前記熱応動素子と接触する凸部を有するので、前記接触領域まで前記熱応動素子の端縁を延長できる。従って、前記ブレーカーのサイズを維持しつつ、大型の前記熱応動素子を適用可能となり、熱変形時に前記可動片を押し上げる力を容易に確保できるようになる。これにより、弾性力が大きい前記可動片を適用し、前記固定接点と前記可動接点との間の接触抵抗を減少させ、容易にブレーカーの高容量化を図ることが可能となる。また、このような前記可動片は、それ自体の導通抵抗が小さいので、ブレーカーの高容量化に寄与する。

本発明の一実施形態によるブレーカーの概略構成を示す組み立て前の斜視図。通常の充電又は放電状態における上記ブレーカーを示す断面図。過充電状態又は異常時などにおける上記ブレーカーを示す断面図。第２端子片及び可動片が一体化された蓋部材を示す斜視図。第２端子片の接合部及び可動片の接合部の周辺を拡大して示す断面図。第２端子片及び可動片が一体化された蓋部材を示す平面図。本発明の上記ブレーカーを備えた２次電池パックの構成を示す平面図。本発明の上記ブレーカーを備えた安全回路の回路図。

本発明の一実施形態によるブレーカーについて図面を参照して説明する。図１乃至図３は、ブレーカーの構成を示している。

図１に示されるように、ブレーカー１は、固定接点２１が形成される第１端子片２と、可動接点４１を有する可動片４と、可動片４と電気的に接続される第２端子片３と、温度変化に伴って変形する熱応動素子５と、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスター６等によって構成されている。第１端子片２及び第２端子片３が外部回路と接続されることにより、ブレーカー１は、電気機器の安全回路の主要部を構成する

第１端子片２、第２端子片３、可動片４、熱応動素子５及びＰＴＣサーミスター６は、ケース１０に収容されている。ケース１０は、ケース本体（第１ケース）７とケース本体７の上面に装着される蓋部材（第２ケース）８等によって構成されている。

第１端子片２は、例えば、銅等を主成分とする金属板（この他、銅－チタニウム合金、洋白、黄銅などの金属板）をプレス加工することにより板状に形成され、ケース本体７にインサート成形により埋め込まれている。

固定接点２１は、銀、ニッケル、ニッケル－銀合金の他、銅－銀合金、金－銀合金などの導電性の良い材料のクラッド、メッキ又は塗布等により、形成されている。固定接点２１は、第１端子片２のうち、可動接点４１に対向する位置に形成され、ケース本体７の内部に形成されている開口７３ａの一部からケース本体７の収容凹部７３に露出されている。

固定接点２１を挟んで、第１端子片２の一端側には外部回路と電気的に接続される第１端子２２が形成され、他端側には、ＰＴＣサーミスター６を支持する支持部２３が形成されている。第１端子２２は、ケース本体７の側壁から突出し、外部回路の回路基板のランド部とはんだ付け等の手法により接続される。

本出願においては、特に断りのない限り、第１端子片２において、固定接点２１が形成されている側の面（すなわち図１において上側の面）を第１面、その反対側の底面を第２面として説明している。他の部品、例えば、第２端子片３、可動片４及び熱応動素子５、ケース１０等についても同様である。

支持部２３は、ケース本体７の内部に形成されている開口７３ｄの一部からケース本体７の収容凹部７３に露出し、ＰＴＣサーミスター６と電気的に接続される。

図２に示されるように、第１端子片２は、階段状（側面視でクランク状）に曲げられた段曲げ部２５を有する。段曲げ部２５は、固定接点２１と支持部２３とを繋ぎ、固定接点２１と支持部２３とを高さ違いに配置する。これにより、ＰＴＣサーミスター６をコンパクトに収納可能となる。

第２端子片３は、第１端子片２と同様に、銅等を主成分とする金属板をプレス加工することにより板状に形成され、蓋部材８にインサート成形により埋め込まれている。第２端子片３は、可動片４が接合される接合部３１と、外部回路と電気的に接続される第２端子３２とを有している。接合部３１は、第２端子片３の一端側に形成され、第２端子３２は、第２端子片３の他端側に形成されている。

接合部３１は、蓋部材８の収容凹部８２に露出し、可動片４と電気的に接続される。第２端子３２は、蓋部材８の側壁から突出し、第２接続面３２ａが回路基板のランド部とはんだ付け等の手法により接続される。

可動片４は、銅等を主成分とする金属材料をプレス加工することにより板状に形成されている。可動片４は、長手方向の中心線に対して対称なアーム状に形成されている。

可動片４の一端部には、可動接点４１が形成されている。可動接点４１は、固定接点２１と同等の材料によって可動片４の第２面に形成され、溶接の他、クラッド、かしめ（crimping）等の手法によって可動片４の先端部に接合されている。

可動片４の他端部には、第２端子片３の接合部３１と接合される接合部４２が形成されている。第２端子片３の接合部３１の第２面と可動片４の接合部４２の第１面とは、例えば、レーザー溶接によって固着されている。これにより、第２端子片３と可動片４とが電気的に接続される。レーザー溶接とは、レーザー光をワーク（本実施形態では、第２端子片３及び可動片４が相当）に照射し、ワークを局部的に溶融及び凝固させることによってワーク同士を接合する溶接手法である。レーザー光が照射されたワークの表面には、他の溶接手法（例えば、ジュール熱を利用する抵抗溶接）による溶接痕とは異なる形態のレーザー溶接痕が形成される。

可動片４は、可動接点４１と接合部４２との間に、弾性部４３を有している。弾性部４３は、接合部４２から可動接点４１の側に延出されている。これにより、接合部４２は、弾性部４３を挟んで可動接点４１とは反対側に設けられる。

接合部４２において第２端子片３の接合部３１と固着されることにより可動片４が固定され、弾性部４３が弾性変形することにより、その先端に形成されている可動接点４１が固定接点２１の側に押圧されて接触し、第１端子片２と可動片４とが通電可能となる。可動片４と第２端子片３とは、接合部３１及び接合部４２において電気的に接続されているので、第１端子片２と第２端子片３とが通電可能となる。

可動片４は、弾性部４３において、プレス加工により湾曲又は屈曲されている。湾曲又は屈曲の度合いは、熱応動素子５を収納できる限り特に限定はなく、作動温度及び復帰温度における弾性力、接点の押圧力などを考慮して適宜設定すればよい。また、弾性部４３の第２面には、熱応動素子５に対向して一対の凸部（接触部）４４ａ，４４ｂが形成されている。凸部４４ａ，４４ｂと熱応動素子５とは接触して、凸部４４ａ，４４ｂを介して熱応動素子５の変形が弾性部４３に伝達される（図１及び図３参照）。

熱応動素子５は、可動片４の状態を可動接点４１が固定接点２１に接触する導通状態から可動接点４１が固定接点２１から離隔する遮断状態に移行させる。熱応動素子５は、円弧状に湾曲した初期形状をなし、熱膨張率の異なる薄板材を積層することにより形成される。過熱により作動温度に達すると、熱応動素子５の湾曲形状は、スナップモーションを伴って逆反りし、冷却により復帰温度を下回ると復元する。熱応動素子５の初期形状は、プレス加工により形成することができる。所期の温度で熱応動素子５の逆反り動作により可動片４の弾性部４３が押し上げられ、かつ弾性部４３の弾性力により元に戻る限り、熱応動素子５の材質及び形状は特に限定されるものでないが、生産性及び逆反り動作の効率性の観点から矩形状が望ましく、小型でありながら弾性部４３を効率的に押し上げるために正方形に近い長方形であるのが望ましい。なお、熱応動素子５の材料としては、例えば、高膨脹側に銅－ニッケル－マンガン合金又はニッケル－クロム－鉄合金、低膨脹側に鉄－ニッケル合金をはじめとする、洋白、黄銅、ステンレス鋼など各種の合金からなる熱膨張率の異なる２種類の材料を積層したものが、所要条件に応じて組み合わせて使用される。

ＰＴＣサーミスター６は、可動片４が遮断状態にあるとき、第１端子片２と第２端子片３及び可動片４とを導通させる。ＰＴＣサーミスター６は、第１端子片２の支持部２３と熱応動素子５との間に配設されている。熱応動素子５の逆反り動作により第１端子片２と可動片４との通電が遮断されたとき、ＰＴＣサーミスター６に流れる電流が増大する。ＰＴＣサーミスター６は、温度上昇と共に抵抗値が増大して電流を制限する正特性サーミスターであれば、作動電流、作動電圧、作動温度、復帰温度などの必要に応じて種類を選択でき、その材料及び形状はこれらの諸特性を損なわない限り特に限定されるものではない。本実施形態では、チタニウム酸バリウム、チタニウム酸ストロンチウム又はチタニウム酸カルシウムを含むセラミック焼結体が用いられる。セラミック焼結体の他、ポリマーにカーボン等の導電性粒子を含有させたいわゆるポリマーＰＴＣを用いてもよい。

ケース１０を構成するケース本体７及び蓋部材８は、難燃性のポリアミド、耐熱性に優れたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの熱可塑性樹脂により成形されている。上述した樹脂と同等以上の特性が得られるのであれば、樹脂以外の絶縁材料を適用してもよい。

ケース本体７には、可動片４、熱応動素子５及びＰＴＣサーミスター６などを収容するための内部空間である収容凹部７３が形成されている。収容凹部７３は、可動片４を収容するための開口７３ａ，７３ｂ、可動片４及び熱応動素子５を収容するための開口７３ｃ、並びに、ＰＴＣサーミスター６を収容するための開口７３ｄ等を有している。なお、ケース本体７に組み込まれた熱応動素子５の端縁は、収容凹部７３の内部に形成されている枠によって適宜当接され、熱応動素子５の逆反り時に案内される。

蓋部材８には、第２端子片３がインサート成形によって埋め込まれている。第２端子片３は、図２及び図３に示すように、可動片４の第１面と適宜当接し、可動片４の動きを規制すると共に、蓋部材８のひいては筐体としてのケース１０の剛性・強度を高めつつブレーカー１の小型化に貢献する。蓋部材８には、可動片４収容するための内部空間である収容凹部８２が形成されている。第２端子片３は、収容凹部８２に露出されている。

図１に示されるように、固定接点２１、可動片４、熱応動素子５及びＰＴＣサーミスター６等を収容したケース本体７の開口７３ａ、７３ｂ、７３ｃ等を塞ぐように、蓋部材８が、ケース本体７に装着される。ケース本体７と蓋部材８とは、例えば超音波溶着によって接合される。このとき、ケース本体７と蓋部材８とは、それぞれの外縁部の全周にわたって連続的に接合され、ケース１０の気密性が向上する。これにより、収容凹部７３及び収容凹部８２がもたらすケース１０の内部空間は密閉され、可動片４、熱応動素子５及びＰＴＣサーミスター６等の部品がケース１０の外部の雰囲気から遮断され、保護されうる。

図２は、通常の充電又は放電状態におけるブレーカー１の動作を示している。通常の充電又は放電状態においては、熱応動素子５は初期形状を維持（逆反り前）している。弾性部４３の弾性変形によって、可動接点４１が固定接点２１の側に押圧され、接触する。これにより、可動片４の弾性部４３などを通じてブレーカー１の第１端子片２と第２端子片３との間は導通している。可動片４の弾性部４３と熱応動素子５とが接触し、可動片４、熱応動素子５、ＰＴＣサーミスター６及び第１端子片２は、回路として導通していてもよい。

図３は、過充電状態又は異常時などにおけるブレーカー１の動作を示している。過充電又は異常により高温状態となると、作動温度に達した熱応動素子５は逆反りし、可動片４の弾性部４３が押し上げられて固定接点２１と可動接点４１とが離隔する。ブレーカー１の内部で熱応動素子５が変形し、可動片４を押し上げるときの熱応動素子５の作動温度は、例えば、７０℃～９０℃である。このとき、固定接点２１と可動接点４１の間を流れていた電流は遮断され、僅かな漏れ電流が熱応動素子５及びＰＴＣサーミスター６を通して流れることとなる。ＰＴＣサーミスター６は、このような漏れ電流の流れる限り発熱を続け、熱応動素子５を逆反り状態に維持させつつ抵抗値を激増させるので、電流は固定接点２１と可動接点４１の間の経路を流れず、上述の僅かな漏れ電流のみが存在する（自己保持回路を構成する）。この漏れ電流は安全装置の他の機能に充てることができる。

図４は、第２端子片３及び可動片４が一体化された蓋部材８を、第２面の側から示す斜視図である。蓋部材８は、ケース本体７と固着される固着面８１を有している。固着面８１は、ケース本体７の固着面７１と、例えば、超音波溶着によって固着される。

収容凹部８２は、固着面８１から陥没するように蓋部材８の内部に形成されている。蓋部材８にインサート成形された第２端子片３は、収容凹部８２の空間内に露出している。は、可動片４の接合部４２は、収容凹部８２内で第２端子片３の接合部３１と接合される。

可動片４の接合部４２は、第２端子片３に接触する接触領域４５を構成する。図４において、接触領域４５は、ハッチングにて示される領域である。接触領域４５において第２端子片３との電気的な接触が確保される場合、可動片４は、第２端子片３に固着されてなくてもよい。

可動片４の弾性部の一部（先端部分）及び可動接点４１は、蓋部材８の固着面８１からケース本体７の側に突出している。これにより、蓋部材８がケース本体７と固着されたとき、弾性部４３が弾性力を発生し、可動接点４１を固定接点２１の側に押圧する。

図５は、第２端子片３の接合部３１及び可動片４の接合部４２の周辺を拡大して示している。弾性部４３の第２面には、熱応動素子５に対向して凸部４４ａが形成されている。凸部４４ａは熱応動素子５の側に突出する。凸部４４ａは、複数個設けられていてもよい。凸部４４ａは、熱応動素子５の第２端子３２側の端縁部５１に対向し、端縁部５１と接触可能に形成されている。そして、本ブレーカー１では、凸部４４ａは、接触領域４５の内側に設けられる。熱応動素子５の端縁部５１は、例えば、端縁５２から内側に向かって熱応動素子５の長さの１５％以内の領域を意図している。

本実施形態のブレーカー１によれば、可動片４が、接触領域４５の内側に、熱応動素子５の側に突出し、熱応動素子５と接触する凸部４４ａを有するので、接触領域４５まで熱応動素子５の端縁部５１を延長できる。従って、ブレーカー１のサイズを維持しつつ、大型の熱応動素子５を適用可能となり、熱変形時に可動片４を押し上げる力を容易に確保できるようになる。これにより、弾性力が大きい可動片４を適用し、固定接点２１と可動接点４１との間の接触抵抗を減少させ、容易にブレーカー１の高容量化を図ることが可能となる。また、このような可動片４は、それ自体の導通抵抗が小さいので、ブレーカー１の高容量化に寄与する。

図４に示されるように、本実施形態の弾性部４３には、凸部４４ａ及び凸部４４ｂが形成されている。しかしながら、可動接点４１に隣接して配される凸部４４ｂは省かれていてもよい。

可動片４は、第２端子片３よりも熱応動素子５の側に配されている、のが望ましい。これにより、ブレーカー１の厚さを削減し、容易に低背化を図ることが可能となる。

可動片４は、接触領域４５で第２端子片３と溶接されている、のが望ましい。これにより、可動片４が第２端子片３に強固に固定され、可動片４と第２端子片３との接触抵抗が低減される。また、可動片４の姿勢が安定するため、可動接点４１と固定接点との接触抵抗が低減される。

図６は、第２端子片３及び可動片４が一体化された蓋部材８を、第２面の側から示す平面図である。図６において、溶接箇所９は、ハッチングにて示される領域である。上記の通り、可動片４と第２端子片３との溶接箇所９は、接触領域４５に配される。溶接箇所９は、可動片４の長手方向、すなわち、で凸部４４ａの少なくとも一部と重複している、のが望ましい。これにより、容易にブレーカー１の小型化を図ることが可能となる。

溶接箇所９の中心９１は、凸部４４ａの中心（頂部）よりも可動接点４１の側に位置ずれとしている、のが望ましい。このような構成によれば、凸部４４ａ及び熱応動素子５の端縁部５１を第２端子３２の側に配することにより、ケース１０のサイズを維持しつつ容易に熱応動素子５を大型化し、熱変形時に可動片４を押し上げる力を容易に確保できるようになる。

図５に示されるように、可動片４は、可動接点４１が固定接点２１に接近するように曲げられる曲げ部４６を有する、のが望ましい。本実施形態では、曲げ部４６は、接合部４２と弾性部４３との境界部に配されている。可動片４に曲げ部４６が形成されることにより、弾性部４３が発生する弾性力が大きくなり、可動接点４１と固定接点２１との間の接触抵抗がより一層低減される。

本実施形態の曲げ部４６は、可動片４の第１面の側に凸な第１曲げ部４６ａと、可動片４の第２面の側に凸な第２曲げ部４６ｂとを含んでいる。第１曲げ部４６ａは、第２曲げ部４６ｂよりも第２端子３２の側に配されている。第１曲げ部４６ａ及び第２曲げ部４６ｂを含む曲げ部４６によれば、可動接点４１と固定接点２１との間の接触抵抗が低減されつつ、第２端子片３と弾性部４３との間に弾性部４３が変形するための空間が生じ、図３に示される遮断時において、可動接点４１と固定接点２１とのギャップが容易に確保される。

可動片４の厚さ方向から見て、熱応動素子５の端縁５２は、接触領域４５と重複としている、のが望ましい。このような構成によれば、ケース１０のサイズを維持しつつ容易に熱応動素子５を大型化し、熱変形時に可動片４を押し上げる力を容易に確保できるようになる。

以上、本発明のブレーカー１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、ブレーカー１は、少なくとも、固定接点２１が形成される第１端子片２と、可動接点４１を有し、可動接点４１を固定接点２１に押圧して接触させる可動片４と、温度変化に伴って変形することにより可動接点４１が固定接点２１から離隔するように可動片４を作動させる熱応動素子５と、可動片４と電気的に接続される第２端子片３とを備え、可動片４は、第２端子片３に接触する接触領域４５の内側に、熱応動素子５の側に突出する凸部４４ａを有していればよい。

また、本実施形態では、ＰＴＣサーミスター６による自己保持回路を有しているが、このような構成を省いた形態であっても適用可能であり、ケース１０の小型化を図りつつ容易に熱応動素子５を大型化し、熱変形時に可動片４を押し上げる力を容易に確保できるようになる。

また、本発明のブレーカー１等は、２次電池パック、電気機器用の安全回路等にも広く適用できる。図７は２次電池パック５００を示す。２次電池パック５００は、２次電池５０１と、２次電池５０１の出力端回路中に設けたブレーカー１等とを備える。図８は電気機器用の安全回路５０２を示す。安全回路５０２は２次電池５０１の出力回路中に直列にブレーカー１等を備えている。ブレーカー１等を備えたコネクタを含むケーブルによって安全回路５０２の一部が構成されていてもよい。

１ブレーカー
２第１端子片
３第２端子片
４可動片
５熱応動素子
９溶接箇所
２１固定接点
２２第１端子
３２第２端子
４１可動接点
４４ａ凸部
４４ｂ凸部
４５接触領域
４６曲げ部
５２端縁
９１中心
５００２次電池パック
５０１２次電池
５０２安全回路

Claims

固定接点が形成される第１端子片と、
可動接点を有し、前記可動接点を前記固定接点に押圧して接触させる可動片と、
温度変化に伴って変形することにより前記可動接点が前記固定接点から離隔するように前記可動片を作動させる熱応動素子と、
前記可動片と電気的に接続される第２端子片とを備えたブレーカーであって、
前記可動片は、前記第２端子片に接触する接触領域の内側に、前記熱応動素子の側に突出する凸部を有する、
ブレーカー。
前記可動片は、前記第２端子片よりも前記熱応動素子の側に配されている、請求項１記載のブレーカー。
前記第１端子片の一部が埋設され、前記熱応動素子が収容される第１ケースと、
前記第２端子片の一部が埋設され、前記可動片が収容される第２ケースとを備え、
前記第１ケースと前記第２ケースとが、固着されている、請求項１又は２に記載のブレーカー。
前記可動片は、前記接触領域で前記第２端子片と溶接されており、
前記可動片と前記第２端子片との溶接箇所は、前記可動片の長手方向で前記凸部と重複している、請求項１ないし３のいずれかに記載のブレーカー。
前記溶接箇所の中心は、前記凸部の中心よりも前記可動接点の側に位置ずれとしている、請求項４記載のブレーカー。
前記可動片は、前記可動接点が前記固定接点に接近するように曲げられる曲げ部を有する、請求項１ないし５のいずれかに記載のブレーカー。
前記可動片の厚さ方向から視て、前記熱応動素子の端縁は、前記接触領域と重複としている、請求項１ないし６のいずれかに記載のブレーカー。
請求項１ないし７のいずれかに記載のブレーカーを備えた、電気機器用の安全回路。
請求項１ないし７のいずれかに記載のブレーカーを備えた、２次電池パック。