JPWO2012141047A1 - サーマルプロテクタ及びこれを用いたバッテリー - Google Patents

Abstract

固定接点（２０）を有する固定片（２）及び可動接点（３０）を有する可動片（３）を備え、前記可動片（３）が前記固定接点（２０）の側に伸びて前記可動接点（３０）が前記固定接点（２０）と接触又は離反するように前記可動片（３）を配置し、前記可動接点（３０）を前記固定接点と接触又は離反させる機構として熱応動部材（４）を前記可動片（３）の近傍に配置したサーマルプロテクタにおいて、前記可動片（３）は、９３．００重量％以上のＣｕと、０．０５〜１．００重量％のＭｇ及び０．０５〜２．００重量％のＳｎのうち少なくとも１つを含む第１成分と、０．０５〜１．００重量％のＦｅ、０．１０〜３．５０重量％のＮｉ及び０．１０〜２．５０重量％のＺｎのうち少なくとも１つを含む第２成分と、を含む合金で構成される。

Description

本発明は、電気機器における過熱（オーバーヒート）を防止するために用いられるサーマルプロテクタおよび当該サーマルプロテクタを用いたバッテリーに関する。

バイメタル等の熱応動部材を用いたサーマルプロテクタは、発動機、家電製品等における過電流、過電圧、過充電、その他、異常加熱の発生に際して、回路の電流を遮断し、回路の保全及び機器の安全性を維持する保護部品として用いられる。

近年、例えば、携帯電話、ノートパソコン等、携帯型の電子機器に搭載される二次電池に用いられるサーマルプロテクタの需要が増大している。昨今の電子機器では、高度の信号処理や画像処理等、高機能化により、電子機器の使用時に必要となる電流量が増加傾向にあることから、高容量の二次電池が用いられており、これに伴ってサーマルプロテクタにも高容量化が望まれている。

従来、一般に、携帯機器に用いられるサーマルプロテクタにおいては、遮断動作温度（電流値の保持された条件下で当該電流の遮断される温度）が約６０℃以上で、許容電流（ある温度において導通しうる最大の電流）が通常５Ａ未満であり、大きくとも８Ａ程度であった。しかし、この程度の電流容量では、上記のような高容量の二次電池用に不十分であり、同じ動作温度範囲で、従来のプロテクタと比較して１．５倍以上の定格電流を有するものが要求されていた。また、常温付近の温度域においても、許容電流を超えたときは確実に切断可能な性能が求められていた。なお、定格電流は、製造者又は使用者の取決めにより設定され、通常の使用条件における許容電流の７０〜８０％程度の大きさに設定されることが多く、一般的には、許容電流まで２Ａ程度の余裕を持たせている。

上記のような機器の高機能化に対応して許容電流及び定格電流の値を増大し、一層大きな電流でもサーマルプロテクタを作動させずに使用するためには、サーマルプロテクタの綿密な低抵抗設計を行うことで可能になることが知られている。

一方で、動作時間の短縮も、サーマルプロテクタの設計上の重要課題であった。すなわち、過電流が流れた際、サーマルプロテクタの電流遮断までの応答時間を短くすることが期待されている。一般に、動作時間の短縮は、熱応動部材の近傍への抵抗部品の追加等でサーマルプロテクタの電気的抵抗を増加させることによって、熱応動部材の加熱を短時間で行うことにより実現可能である。

これらの高容量化及び動作時間の短縮という２つの特性は、サーマルプロテクタの設計上相反する要求となっており、サーマルプロテクタの設計において、その両立が設計上の問題となっていた。

これらの要求に応じて、特許文献１には、熱応動部材近傍に設けられた電気抵抗を高めるための手段と熱応動手段以外の部分に設けられた電気抵抗を下げる手段とを備えるサーマルプロテクタが提案されている。特許文献１においては、可動片を低抵抗にする手段として、純銅、リン青銅、黄銅が用いられており、一方で、可動片を高抵抗手段としてＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０１，６ｍａｓｓ％Ａｌ−４ｍａｓｓ％Ｖ−Ｔｉ等の他、Ｃｕ-Ｎｉ-ＭｎとＮｉ−Ｆｅの組合せやＮｉ-Ｃｒ-ＦｅとＮｉ-Ｆｅの組合せ等が例示されている。

特開２００６−３３１６９３号公報

しかし、上記特許文献１に記載のサーマルプロテクタは、熱応動部材近傍に高抵抗手段を設けるため、過電流が流れたときの確実な回路の切断と短い動作時間とは実現できるものの、構造が複雑になる上、サーマルプロテクタ全体の許容電流を大きくするには限界があり、高容量化の要望を満足するものではなかった。すなわち、高抵抗手段によってサーマルプロテクタ全体の許容電流が不足し、電子機器に必要な電流が十分確保できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、従来と同様に精密な動作温度範囲を呈しながら、常温時に許容電流が一層大きく、過電流が流れたときの動作時間が充分短くかつ確実に遮断することができるサーマルプロテクタを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。本発明の第１態様によれば、固定接点を有する固定片及び可動接点を有する可動片を備え、前記可動片が前記固定接点の側に伸びて前記可動接点が前記固定接点と接触又は離反するように前記可動片を配置し、前記可動接点を前記固定接点と接触又は離反させる機構として熱応動部材を前記可動片の近傍に配置したサーマルプロテクタにおいて、
前記可動片は、
９３．００重量％以上のＣｕと、
０．０５〜１．００重量％のＭｇ及び０．０５〜２．００重量％のＳｎのうち少なくとも１つを含む第１成分と、
０．０５〜１．００重量％のＦｅ、０．１０〜３．５０重量％のＮｉ及び０．１０〜２．５０重量％のＺｎのうち少なくとも１つを含む第２成分と、
を含む合金で構成されていることを特徴とするサーマルプロテクタを提供する。

本発明において、Ｃｕは、望ましくは９３．３重量％以上、更に望ましくは９９．０〜９９．６重量％である。また、前記第１成分に含まれるＳｎ等は、０．０５〜１．００重量％であることが好ましい。また、さらに、前記第２成分に含まれるＮｉ等は、０．１０〜３．２０重量％であることが好ましい。

また、前記可動片は、さらに、０．０１〜０．８０重量％のＳｉ又は０．０１〜０．６０重量％のＰを配合してもよい。また、０．１０〜０．３５重量％のＣｒを含ませることもできる。

また、本発明は、前記可動片が厚み０．０５〜０．１５ｍｍに構成され、導電率３５％ＩＡＣＳ以上８５％ＩＡＣＳ以下であることを特徴とする、上記態様のサーマルプロテクタを提供する。

また、前記可動接点は、ＮｉとＣｕの合金で構成され、前記可動片の表面に設けられる第１層と、Ｎｉが５〜１５重量％で残部がＡｇの合金で構成され、前記第１層に積層して設けられる第２層とを含むことを特徴とする、上記各態様のサーマルプロテクタを提供する。第１層を構成する合金としては、Ｎｉが１０〜４０重量％の銅合金、例えば、Ｎｉが３０重量％、残部がＣｕである合金等が例示できる。第２層を構成する合金としては、Ｎｉが１０重量％、残部がＡｇである合金等が例示できる。

本発明にかかるサーマルプロテクタは、高容量化と動作速度の短縮を可能とするものであり、これを用いたバッテリー、特に二次電池は過放電の問題が解消され電子機器に安全に使用することができる。

本発明によれば、過電流発生時に短い動作時間でサーマルプロテクタを作動させ、従来のサーマルプロテクタと比較して電流容量を高めることが可能となり、近年の電気機器の小型化、高性能化及びモバイル化に対応できる高性能のサーマルプロテクタを提供することができる。

すなわち、可動片は、導電性を確保するためのＣｕに対して、機械的強度及びバネ性を与えるＳｎ等の第１成分と、材料強度と共に電気抵抗、耐熱効果、保熱効果等を与えるＮｉ等の第２成分との配合比率を適正なものとすることにより、低抵抗でありながら、発熱性に優れ、また、成形性、耐用性等の点からも、種々の優れた特徴を有する。そのため、過電流発生時の動作時間を長くすることなく、常温下における許容電流が最大で約２０Ａのサーマルプロテクタを実現することができる。

また、適正量のＳｉ又はＰを配合することで、機械的強度に優れ成形性を向上させた可動片とすることができる。このため、可動片の厚みを薄くすることができ、サーマルプロテクタの小型化、薄型化を実現することができる。さらに、適正量のＣｒを配合することで、可動片の材料強度と共に発熱性を高めることができ、作動時間の短縮を図ることができる。

また、可動接点を構成する材料に、Ｃｕ−Ｎｉ合金とＡｇ−Ｎｉ合金とを積層して用いることにより、可動片に対する可動接点の溶接強度を弱めることなく、低抵抗の可動片とすることができる。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
本発明の第１実施形態にかかるサーマルプロテクタの分解断面図である。 図１のサーマルプロテクタの遮断動作前の状態における断面図である。 図１のサーマルプロテクタの遮断動作後の状態における断面図である。 図１のサーマルプロテクタの可動接点近傍部分の拡大断面図である。 サーマルプロテクタの動作電流−温度特性試験の結果を示すグラフである。 図１のサーマルプロテクタを使用したバッテリーの構成例を示す図である。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態にかかるサーマルプロテクタの分解断面図である。図２は、サーマルプロテクタにおける遮断前の状態の断面図である。図３は、サーマルプロテクタにおける遮断後の状態の断面図である。

本実施形態に係るサーマルプロテクタ１００は、絶縁性のケース１に第１端子２２及び第２端子３２が設けられており、当該第１端子２２及び第２端子３２間に流れる電流が所定値以上になった場合、後述する内部機構が作動して、第１端子２２及び第２端子３２間の通電を遮断する保護部品である。

ケース１は、全体としてほぼ直方体形状である扁平な形状であり、ケース本体１０と当該ケース本体１０へ密閉状に接合された蓋体１１とから構成されている。

ケース１内に収容される内部機構としては、上面の一部に固定接点２０がめっき又はクラッドされている板状の固定片２と、先端部に可動接点３０が設けられたバネ作用を有する板状の可動片３と、所定の温度で反転することにより可動片３を動作させる熱応動部材４と、固定片２及び可動片３に挟まれて配置されるＰＴＣ素子５とが封入されている。

固定片２０はケース本体１０の底部１２へ埋め込まれて配置され、その一端部はケース本体１０の片端部から延び出した第１端子２２となっている。なお、第１端子２２は、本実施形態のように固定片２と一体に構成されていてもよいし、別部材として構成されていてもよい。

ケース本体１０内部の底部には、収容穴１３が形成され、ＰＴＣ素子５が内部に収容される。この収容穴１３の形状は、ＰＴＣ素子５の平面輪郭とほぼ適合する。収容穴１３の周りには熱応動部材４の平面形状と相似形でそれよりも僅かに大きい平面形状の位置決め壁１４が形成されている。

なお、この位置決め壁１４は、熱応動部材４の位置決めのためのものであるから、後述のように熱応動部材４をＰＴＣ素子５の上に置いたときに当該熱応動部材４が水平方向に所定以上ずれないように位置決めされるものであれば、その形状は問わない。

ケース本体１０と蓋体１１は、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）その他の耐熱性に優れた樹脂を材質として成形される。特にバッテリーのセルが１００度以上の高温となるおそれのある電池パックにサーマルプロテクタを適用する場合には、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。

略平面四角形状の熱応動部材４は、通常時には上方に向けてやや凸球面状の曲面を呈するように成形され、所定の温度で反転する時に他の部材と緩衝しない範囲で、できる限り広い平面積を有するように設計されている。

熱応動部材４には、例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金による高熱膨張金属材料と、Ｎｉ−Ｆｅ合金による低熱膨張金属材料とを積層させたバイメタル板が好適に使用される。その他、高膨張金属材料にはステンレス（例えばＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）等の材料等が例示されるが、特に限定されるものではない。バイメタル板の製造には、使用条件を考慮してバイメタルの各層の厚さ、上記の凸曲面の曲率等を設定して成形した後、残留応力を緩和する熱処理等を行う。これにより所期の熱特性を有するサーマルプロテクタを製造することができる。

熱応動部材４は、温度上昇により６０〜１００℃で反転する（反転動作温度）。熱応動部材４の反転動作温度は、既述のように熱応動部材４の材質、各種寸法、熱処理等により調整される。後述のように、熱応動部材４が温度上昇すると、熱応動部材４が反転することによって、可動片３が固定片２から離間してサーマルプロテクタ１００が確実に遮断される。サーマルプロテクタ１００の遮断動作温度は、応動部材４の反転動作温度と近いものとなるため、二次電池のセル、電池パック等の使用条件に応じて、６０〜１００℃のいずれかで反転動作温度を呈する熱応動部材４を適宜に採用することにより調整することができる。常温から約６０度までの温度域で使用する条件の下、サーマルプロテクタ１００の許容電流を大きくするには、６０〜１００℃のうちで高い反転動作温度を有する熱応動部材を選定すればよい。

ケース１の蓋体１１には、主として補強のために金属板６が埋設されており、この金属板６の一端部は蓋体１１の片端部から外部に延び出している。金属板６は、インサート成形により蓋体１１と一体化されている。

本実施形態において、固定接点２０を有する固定片２は、インサート成形によりケース本体１０と一体化されている。

平面視長方形でやや凸円弧状を呈するように形成された可動片３には、先端部に下向きに可動接点３０が形成されている。可動接点３０は、図２に示すように、可動片３のバネ性により、通常時は固定接点２０と接触した状態となっている。可動片３のバネ性が十分ではない場合は、固定接点２０と可動接点３０との接触圧が不十分となり、内部回路内に適切に通電が行われない。

本実施形態にかかるサーマルプロテクタは、前述のようにそれぞれの部品が一体化されるようにケース本体１０と蓋体１１とをそれぞれ成形した後、収容穴１３内に円盤状のＰＴＣ素子５を収容してその下面側電極部を固定片２に接触させる。

次いで、熱応動部材４を、ＰＴＣ素子５の上に被せかつ当該熱応動部材４の外周縁部が位置決め壁１４に接触し又は近接する状態に載置し、可動片３の基端部が本体１１の外に突出するように、可動片３を熱応動部材４上の近傍に配置し、ケース本体１０の上に蓋体１１を超音波接合により密に接合する。なお、このとき、可動片３と熱応動部材４は接触していることが好ましく、可動片３のバネ性により熱応動部材４とＰＴＣ素子５は供に固定された状態となっている。

本実施形態のサーマルプロテクタは、二次電池と一体化した状態で例えば携帯機器等の充電回路に接続して使用される。このよう配置された状態において、正常に電流が流れているときは、図２に示すように可動片３のバネ性により可動接点３０が固定接点２０へ押し付けられた状態で接触している。

一方、接点間に異常な電流が流れて可動片３が発熱して高温に達するかあるいは他の原因によりケース１内の温度が上昇し、反転動作温度を超えると、熱応動部材４がスナップ作用により図３に示すように上方へ凹球面状（皿状）に反るように反転する。熱応動部材４は、このような反転により可動片３の先端側を上方に押し上げて可動接点３０を固定接点２０から離反させ、接点間の電流を遮断し機器を保護する。

熱応動部材４が反転すると、可動片３は、熱応動部材４を介してＰＴＣ素子５を所定の圧力で固定片２に押し付ける。熱応動部材４は反転して図３に示すように下方へ凸球面状となり、ＰＴＣ素子５と接する。こうしてＰＴＣ素子５に漏れ電流が流れることによりＰＴＣ素子５が定温発熱し、接点２０，３０間の電流を遮断し続ける。

一方、高温を引き起こした原因が解消することによりサーマルプロテクタが冷却すると、熱応動部材４が元の形状に復帰し、可動片３のバネ性により可動接点３０が固定接点２０に再度接触する。一般に、サーマルプロテクタには、このような動作を数百〜数千回の繰り返すことを可能とする耐用性が求められる。

また、このように作動するサーマルプロテクタにおいては、動作温度範囲で、所定の電流を確実に導通して所定の電圧を維持するため、所定の抵抗値となるような電気特性が必要である。さらに、サーマルプロテクタは、遮断動作温度まで温度上昇すると確実に通電を遮断し、かつ常温下でも過電流及び過電圧を遮断できる熱特性が求められる。

本実施形態にかかるサーマルプロテクタでは、電流一般の遮断動作温度が６０〜１００℃の範囲にあって、通常の使用条件で許容電流が１０〜２０Ａとなること（このとき定格電流はおよそ８〜１５Ａとなる）を目的として、次のとおりの設計とした。

一般に、サーマルプロテクタの電流容量を大きくするためには、内部回路の抵抗を小さく設計ことが好ましい。しかし、内部回路の抵抗を小さくすると、過電流・過電圧が印加されたときに内部回路の発熱が不十分となるため、動作時間が長くなり、過電流を長時間導通させ安全に作動できないという問題がある。よって、過電流・過電圧の印加に対して迅速に応答するために可動片３を部分的に改変するのみの従来技術には限界があった。

さらに、一般に電気抵抗を小さく設計するには、通電材料に高純度の銅、銀等の材料を用いることで実現可能であるが、これらは、可動片３に用いる場合には材料強度等の点から必ずしもその用途目的に適合しない。電流の導通・遮断を行うための可動片３は、接点間で接触圧を発揮して安定した接触抵抗を保持するために硬度、剛直性、復元力等のバネ性、さらに高温下での繰り返し使用によってもバネ性を失わないという耐用性等が求められる。しかし、銅や銀の配合比率を大きくすると、これら材料強度、バネ性等に不足を生じ、上記の特性を持たせることができない。一方で、可動片３は、過電流又は過電圧に際しては内部抵抗により発熱し、熱応動部材４を反転させるような熱特性も同時に担保しなければならない。

このため、本実施形態では、固定片２又は可動片３の材料、特に可動片３を次のとおりの構成とした。

以下、特段の言及のない限り、従来品より定格電流の増大された中容量及び大容量のサーマルプロテクタについて説明する。ここで、常温（２５℃）における定格電流が１２Ａを超え上限１５Ａ程度（許容電流は常温で１５Ａ〜２０Ａ弱）であるものを「大容量」と、常温における定格電流が５Ａ超で特に８〜１２Ａ（許容電流は常温で１０〜１５Ａ）であるサーマルプロテクタを「中容量」とそれぞれ呼称する。

一方、ここで従来品のサーマルプロテクタとは、常温における許容電流が８Ａ以下であるものをいう。なお、この場合、一般に定格電流は６Ａ以下となる。

上記のような大容量、中容量及び従来品のサーマルプロテクタにおいて、６０℃における許容電流の保証値（６０℃においてサーマルプロテクタが遮断動作しないと保証しうる最大限の電流）は、目安としてそれぞれ、５〜９Ａ、３〜５Ａ及び１〜３Ａとなる。温度定格の上限（通常は５０〜６０℃）を考慮に入れた使用条件によっては、定格電流が６０℃における許容電流と同程度かそれより少し高く設定されることもある。ただし、すべての使用状態がこの基準に限定されるものではない。

可動片３は、導電性及び経済性を確保するためにＣｕを主な成分とする。Ｃｕは、少なくとも９３重量％であり、好ましくは９５重量％以上である。Ｃｕは、９３重量％を下回ると、導電性を悪化させる。

特に大容量のサーマルプロテクタでは、可動片３は、導電性を確保するために次のような組成をとるのが望ましい。Ｃｕは、少なくとも９３．３重量％以上、好ましくは９５重量％以上であり、更に好ましくは９９．０〜９９．６重量％である。Ｃｕは９９．６重量％を超えると材料強度及び保熱の性能を悪化させる。一方、前記の範囲を下回ると、導電性が不足する傾向がある。なお、導電性を向上させるために、０．３５重量％までのＺｒ又は０．２重量％までのＡｇ若しくはＡｕを添加してもよい。特に、Ｃｕの配合量が９５重量％を下回る場合には、添加することで、導通性を与えることができる。

可動片３材料に添加される成分には、バネ性、耐用性、耐熱性等の材料強度及び加工性を付与するための第１成分として、Ｓｎ及び／又はＭｇが必要である。Ｓｎは、０．０５〜２．００重量％であることが好ましい。更に好ましくは、０．０５〜１．００重量％である。添加量がこの範囲より少ない場合はバネ性が不足し、この範囲より多い場合は導電性が悪化するおそれがある。Ｍｇは０．０５〜１．００重量％、好ましくは、０．０５〜０．３０重量％を添加する。これらの範囲から逸脱した場合は、Ｓｎと同様に性能が不足する。なお、Ｓｎ及び／又はＭｇと同様の第１成分として少量のＭｎを添加してもよい。

特に大容量のサーマルプロテクタでは、可動片３においてＳｎの添加量は、好ましくは０．０５〜０．５０重量％であり、更に好ましくは０．２３〜０．２７重量％である。添加量がこの範囲より少ない場合はバネ性が不足し、この範囲より多い場合は導電性が不足する虞がある。Ｍｇは前述と同様に好ましくは０．０５〜０．３０重量％、更に好ましくは０．１０〜０．２０重量％を添加することができる。これらの範囲から逸脱した場合は、Ｓｎと同様に性能が不足する。なお、上述と同様に少量のＭｎを添加して、バネ性を補強してもよい。

また、導通性を損なわずに材料強度、バネ性、発熱性、耐用性等を補強するための第２成分として、Ｆｅ，Ｎｉ，又はＺｎのうち少なくとも１つの成分を添加する。Ｆｅは０．０５〜２．５０重量％、好ましくは０．０５〜１．００重量％である。Ｎｉは０．１０〜３．５０重量％、好ましくは０．１０〜３．２０重量％、更に好ましくは０．１０〜３．００重量％である。Ｚｎは０．１０〜５．００重量％、好ましくは０．０５〜３．５０重量％、更に好ましくは０．１０〜２．００重量％である。これらの成分は任意に組み合わせて配合することができる。添加量がこれらの範囲より少ない場合は、第２成分として充分な材料強度を付与する能力が不足する。一方、これらの範囲を超えた場合は、導電性が不足し、加工性が悪くなるという問題が生じる。特に、Ｎｉは可動片３に通電時の発熱を伴わせることができ、低温環境下における動作時間の短縮という効果を有する。

特に大容量のサーマルプロテクタでは、それぞれの第２成分の添加量は次のように制限される。Ｆｅは好ましくは０．０５〜０．２５重量％である。Ｎｉは好ましくは０．１０〜１．００重量％である。Ｚｎは好ましくは０．１８〜０．２６重量％である。これらの成分は任意に組み合わせて配合することができる。第２成分の添加量がこれらの範囲より少ない場合は充分な材料強度を付与する能力が不足する。一方、これらの範囲を超えた場合は、導電性及び発熱性が不足し、十分な電流容量が得られない、又は所期の電流、電圧、若しくは温度においてサーマルプロテクタが作動しないおそれがある。

なお、可動片３の材料には、０．０１〜０．８０重量％のＳｉ又は０．０１〜０．６０重量％のＰを添加してもよい。これらの成分を添加することにより、脱酸素効果と共に、導電性を損なうことなく、硬度、耐用性等の材料強度及び各種の加工性を向上させる等の効果を得ることができる。特に、Ｆｅ、Ｎｉ又はＺｎと供に用いられた場合、これらの成分との相乗効果により、Ｃｕの配合量を多く維持したまま、材料強度を向上させることができる。これらの範囲を下回ると所期の効果が十分に得られず、一方で、これらの範囲を上回ると導通性を損なうおそれがある。

特に大容量のサーマルプロテクタでは、Ｓｉは導通性の観点から０．０１〜０．０４重量％であることが好ましい。同じくＰは０．０１〜０．１０重量％であることが好ましい。これらの範囲を下回ると十分な効果が得られず、一方で、これらの範囲を上回ると所期の導通性を得られない場合がある。

さらに、可動片３材料には、０．１０〜０．３５重量％のＣｒを添加してもよい。Ｃｒを添加することにより、可動片３に材料強度と共に通電時の発熱を伴わせることができ、低温環境下における動作時間の短縮という効果を有する。

特に大容量のサーマルプロテクタでは、導通性と材料強度とを好適に両立させる観点からＣｒを０．２５〜０．３５重量％とするのが好ましい。

上記の合金で構成された可動片３の弾性率は９０．００ｋＮ／ｍｍ^２以上となり、強いバネ性を示すことから、確実な動作前の通電及び動作後の遮断を実現することができる。

可動片は、上記の合金を用いて形成し、厚み寸法が０．０５〜０．１５ｍｍとなるのが望ましい。可動片を薄く成形することによりサーマルプロテクタを小型化・薄型化することができる。

なお、上記可動片３に設けられる可動接点３０は、図４に示すように、２層構造で構成される。可動片に接触する第１層３０ａは、ＮｉとＣｕの合金、特に、Ｎｉが１０〜４０重量％で残部がＣｕの合金が好ましく、第１層に積層される第２層３０ｂは、Ｎｉが５〜１５重量％で残部がＡｇの合金で構成される。第１層３０ａは、可動片３と第２層３０ｂとの接着のために設けられるものであり、本実施形態では、Ｎｉが３０重量％のものを使用する。また、第２層３０ｂは、可動接点３０の抵抗値を小さくするために低抵抗材料を用いたものであり、本実施例では、Ｎｉが１０重量％のものを使用する。第２層３０ｂの材料は可動片３と溶接されにくいため、第１層３０ａを可動片３との間に介在させて第２層３０ｂを溶接することによって可動接点３０を形成する。具体的には、第１層３０ａ及び第２層３０ｂからなる二層構造の金属線材を可動片３に溶接する。第１層３０ａは、２０μｍ以上、２００μｍ未満の厚みである。第２層３０ｂは、少なくとも５μｍ、好ましくは１０〜１００μｍの厚みである。

上記材料により構成された可動片３を用いることで、サーマルプロテクタの抵抗値を、おおむね２ｍΩ程度とすることができ、大きな電流を流すことができるサーマルプロテクタの高容量化を実現可能とする。また、可動片の導電率は、３５％ＩＡＣＳ以上８５％ＩＡＣＳ以下となる。可動片の導電率は、４０％ＩＡＣＳ以上であるのが好ましい。特に特に大容量のサーマルプロテクタでは、７０％ＩＡＣＳ以上の値となるのが好ましい。これにより、過電流・過電圧が印加されたときに、内部回路の発熱が十分で、回路を遮断する動作時間を短くできる。

また、本実施形態にかかるサーマルプロテクタは、高容量化が可能であり、回路の動作時間を短くすることができるので、バッテリーに使用することで、バッテリーの高容量化が実現可能である。たとえば、図６に示すように、電池本体の一例としての二次電池セル５１とタブ５４をつなぐいずれかの電極線５２に、本実施形態のサーマルプロテクタ１００を直列に接続し、セル５１とサーマルプロテクタ１００を一体として筐体５３内に収納させることで、バッテリー５０を構成することができる。本実施形態にかかるサーマルプロテクタは、薄型に構成することが可能であるため、バッテリーを小型に構成することが可能である。

（可動片材料の物性）
次の表１に示す合金を用いて実施例１〜６及び表２に示す合金を用いて比較例１〜３のサーマルプロテクタを作成した。それぞれの合金の導電率、熱伝導率及び弾性率は表中に示すとおりである。実施例６を除いて可動片３の厚みは０．１０ｍｍ（実施例６は０．１５ｍｍ）として作成し、導電率は、この形状におけるものである。熱伝導率は常温時（２５℃）の値である。弾性率は引張弾性率である。硬さはビッカース硬さを指す。なお、表中の０．００は、ごく微量が混入されていることを示す。

実施例１〜６及び比較例１〜６のサーマルプロテクタにおいては、それぞれ可動片と固定片に同一の材料を用いた。サーマルプロテクタの他の部材については、バイメタル（熱応動部材）及び既述の実施例６の可動片の厚みを除いて、全て共通の材質、構造及び寸法を適用した。実施例１〜３のサーマルプロテクタにおいては、同じ可動片の材料を用い、バイメタルの反転動作温度を７２℃、８５℃、９０℃と異ならせた。同様に、実施例４及び実施例５のサーマルプロテクタ、並びに比較例１及び比較例２においては、それぞれ同じ可動片の材料を用い、バイメタルの反転動作温度を７２℃、８５℃と異ならせた。

以下、これらの各実施例及び比較例のサーマルプロテクタを用いて、許容電流試験、耐用試験、動作電流−温度特性、電流−動作時間試験を行なった。なお、バイメタルの反転動作温度には、±５℃以内のバラツキ（製造公差）が伴うので、各実施例及び比較例について、それぞれ５点以上のサンプルを製作し、以下の性能評価の値については、平均値により評価した。結果については、表１及び表２に示すと共に、詳細を後述する。

（許容電流）
表１に示すとおり、実施例１〜６のサーマルプロテクタで使用した材料は、高い導電率を有しており、かつ熱伝導率及び弾性率、硬さ等の材料強度も十分であるため、可動片の材料として好適であった。本実施例においては、表１に示される材料を用いて可動片及び固定片に用いて、常温及び６０℃における許容電流がそれぞれ１０Ａ及び５Ａを超える高容量のサーマルプロテクタを実現することができた。

一方、表２に示すとおり、比較例１〜３の材料は、弾性率等の材料強度又は導電率等の電気特性が不足するので、高容量のサーマルプロテクタとしては不適であるとの結果を得た。比較例１〜３のサーマルプロテクタは、常温時の許容電流が１０Ａを超えず、かつ６０℃における許容電流が５Ａ以下であり、電流容量が不十分であった。また、比較例３のサーマルプロテクタは、可動接点の溶接の強度又は可動片そのものの材料強度が不十分であるため、繰り返し使用に耐えられないサンプルが発生し、チャタリングが多発する等の問題があった。

このことから、Ｃｕを多くして導電性を高める一方、第１成分及び第２成分をともに充足させないと、材料強度、バネ性、電気特性、又は熱特性のいずれかに不足が生じることがわかる。比較例１及び２のように第１成分及び第２成分の比率を大きくし過ぎるとサーマルプロテクタの容量が不十分となるという問題がある。比較例３のように第１成分及び第２成分の不足により導電率が大きすぎると放熱が過多になり、可動接点の可動片への溶接強度が足りなくなるという問題が生じる。さらに、比較例３の可動片は、バネ性が不足するため導通が安定しない。一方で、実施例１〜３の材料であれば、適度な導電率、物理特性及び熱伝導率を呈し、サーマルプロテクタの電流容量を従来品（比較例１及び２）に比べて増大させることができる。

（耐用試験）
サーマルプロテクタに許容電流を超える２５Ａ（９Ｖ）の電流を印加して動作させたのち電源を切って回路を復帰し、温度上昇と温度降下を繰り返した。このような導通と遮断を６０００回行う耐用試験により実施例１〜６及び比較例１〜３を評価した。実施例１〜６いずれのサーマルプロテクタも、遮断実験を繰り返したあとでも、正常に動作して過電流を遮断した。このように、実施例のサーマルプロテクタに用いられている可動片は、バネ性の劣化がなく、耐用性に優れていた。比較例のうち比較例１及び２には、耐用試験において異常はなかったものの、比較例３は、上述のようにバネ性が不足するため接触抵抗が安定しない不良が発生した。

（動作電流−温度特性）
上記のサーマルプロテクタを回路に接続し、２５℃〜７０℃の各温度にて毎分０．１Ａで電流を上げて当該サーマルプロテクタが作動した時の電流値を測定した。結果は、図５に示すとおりである。なお、実施例１、４及び６並びに比較例１に用いられるバイメタルの反転動作温度は７２℃付近であるため、６５℃を超える温度域においては実測値を示さない。

図５に示すとおり、いずれの反転動作温度のバイメタルを用いたサーマルプロテクタも、可動片及び固定片を前述のように構成することにより、常温で１０Ａを超える許容電流を得ることができた。また、６０℃においても、５Ａを超える電流を流すことができることから、電流容量の増大を図ることができた。

（電流−動作時間試験）
過電流に対する動作試験として、次のような測定を行った。２５℃雰囲気において４．２V，３０Aの電流（過電流）を実施例１〜３のサーマルプロテクタに流したときに、導通の開始から電流が遮断されるまでにかかった動作時間を測ったところ、表３に示す結果を得た。なお、表中で倍率とは、サーマルプロテクタに流した電流が実施例１〜３の各サーマルプロテクタの２５℃における許容電流の何倍の大きさであるのかを示す。

表３に示すように、常温時においても許容電流の１．５倍程度の電流が流れた場合、いずれの実施例においても３０秒以内に電流が遮断されたと評価できる。

なお、サーマルプロテクタを実際使用するときに可能かつ望ましいと言われる動作時間として、普遍的な規制が定められているわけではないが、ここでは、評価基準の一つとして、例えば、許容電流の２倍程度の過電流に対して１〜５秒で作動できることを便宜上の評価基準とした。よって、表３における測定にならって、より大きい電流に対する電流−動作時間試験として、表４に示す条件で測定を行った。結果としては、実施例１〜３について、いずれも、許容電流の２倍程度の電流が流れた場合、従来品同様に数秒以内で遮断できることが分かった。このことから、本実施形態にかかるサーマルプロテクタは、動作時間において、従来のサーマルプロテクタとしての比較例１及び２と比較して、実用上遜色のない動作時間を期待できる。

以上説明したように、本実施形態にかかるサーマルプロテクタは、従来と同様に精密な動作温度範囲を呈しながら、常温時、高温時（６０℃）のいずれにおいても許容電流が一層大きい。それと同時に、過電流が流れたときの動作時間は、充分に短く、かつ常温時における過電流も確実に遮断することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、第２端子３２は、可動片３と一体的に構成されているが、これを別部材とすることも可能である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

１ ケース
２ 固定片
３ 可動片
４ 熱応動部材
５ ＰＴＣ素子
６ 金属板
１０ ケース本体
１１ 蓋体
１２ 底部
１３ 収容穴
１４ 位置決め壁
２０ 固定接点
２２ 第１端子
３０ 可動接点
３０ａ 第１層
３０ｂ 第２層
３２ 第２端子
５０ バッテリー
５１ 二次電池セル
５２ 電極線
５３ バッテリー筐体
５４ タブ
１００ サーマルプロテクタ

本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。本発明の第１態様によれば、固定接点を有する固定片及び可動接点を有する可動片を備え、前記可動片が前記固定接点の側に伸びて前記可動接点が前記固定接点と接触又は離反するように前記可動片を配置し、前記可動接点を前記固定接点と接触又は離反させる機構として熱応動部材を前記可動片の近傍に配置したサーマルプロテクタにおいて、
前記可動片は、
９３．００重量％以上のＣｕと、
０．０５〜１．００重量％のＭｇ及び０．０５〜２．００重量％のＳｎのうち少なくとも１つを含む第１成分と、
０．０５〜１．００重量％のＦｅ、０．１０〜３．５０重量％のＮｉ及び０．１０〜２．５０重量％のＺｎのうち少なくとも１つを含む第２成分と、
を含む合金で構成され、
前記可動接点は、ＮｉとＣｕの合金で構成され前記可動片の表面に設けられる第１層と、Ｎｉが５〜１５重量％で残部がＡｇの合金で構成され前記第１層に積層して設けられる第２層とを含むことを特徴とするサーマルプロテクタを提供する。

Claims (7)

1. 固定接点を有する固定片及び可動接点を有する可動片を備え、前記可動片が前記固定接点の側に伸びて前記可動接点が前記固定接点と接触又は離反するように前記可動片を配置し、前記可動接点を前記固定接点と接触又は離反させる機構として熱応動部材を前記可動片の近傍に配置したサーマルプロテクタにおいて、
   前記可動片は、
   ９３．００重量％以上のＣｕと、
   ０．０５〜１．００重量％のＭｇ及び０．０５〜２．００重量％のＳｎのうち少なくとも１つを含む第１成分と、
   ０．０５〜１．００重量％のＦｅ、０．１０〜３．５０重量％のＮｉ及び０．１０〜２．５０重量％のＺｎのうち少なくとも１つを含む第２成分と、
   を含む合金で構成されているサーマルプロテクタ。
2. 前記可動片は、さらに、０．０１〜０．８０重量％のＳｉ又は０．０１〜０．６０重量％のＰを含んでいる、請求項１に記載のサーマルプロテクタ。
3. 前記可動片は、さらに、０．１０〜０．３５重量％のＣｒを含んでいる、請求項１又は２のいずれか１つに記載のサーマルプロテクタ。
4. 前記可動片は、厚み０．０５〜０．１５ｍｍに構成され、導電率が３５％ＩＡＣＳ以上８５％ＩＡＣＳ以下である、請求項１に記載のサーマルプロテクタ。
5. 前記可動接点は、ＮｉとＣｕの合金で構成され前記可動片の表面に設けられる第１層と、Ｎｉが５〜１５重量％で残部がＡｇの合金で構成され前記第１層に積層して設けられる第２層とを含む、請求項１に記載のサーマルプロテクタ。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載のサーマルプロテクタを電池本体の電極に接続したバッテリー。
7. 前記電池本体は、二次電池である請求項６に記載のバッテリー。

Images