WO2017061456A1 - スイッチ素子、及び保護素子 - Google Patents

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WO2017061456A1
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liquid
conductor
switch element
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external circuit
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裕治 古内
吉弘 米田
幸市 向
和征 榊原
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デクセリアルズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a switch element that opens or short-circuits an electric circuit in response to liquid intrusion and a protection element that opens an electric circuit in response to liquid intrusion.
  • a battery pack In recent years, lithium ion secondary batteries have been adopted in many mobile phones, notebook PCs, and the like. Lithium ion secondary batteries have a high energy density, so in order to ensure the safety of users and electronic devices, a battery pack generally includes a number of protection circuits such as overcharge protection and overdischarge protection. In this case, the battery pack has a function of shutting off input / output of the battery pack.
  • the positive / negative electrode insulation fitting portion of the battery corrodes due to water wetting, the pressure inside the battery leaks, and there is a risk of causing a fire accident without the safety valve functioning properly.
  • Attaching a sticker that detects wet traces against water wetting and issuing a warning does not limit the use of the battery, so migration due to water on the circuit board There is a risk of circuit malfunction due to (insulation deterioration) or a short circuit. Moreover, there is a possibility that the same defect as described above may occur even when the electrolyte leaks due to battery abnormality.
  • a sensor that detects a liquid such as water is provided, and a protection circuit is activated by a signal transmitted from the sensor that detects water wetting.
  • a water leak sensor has been proposed that includes a detection unit composed of a pair of electrodes arranged opposite to each other on an insulating substrate (see, for example, Patent Document 2).
  • this water leak sensor when the electrodes of the detection unit become wet, a signal is input to the control circuit due to leakage between the terminal units, and the operation of the device is controlled.
  • this water wetting sensor has an operating condition for the inflow of liquid to the detection unit. It is also necessary to ensure the reliability as a sensor by preventing malfunctions except in a wet state where it is not necessary to operate the circuit.
  • the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and a switch element capable of safely and surely short-circuiting an external circuit against an abnormality such as water wetting or leakage from a battery, and the like. It is an object of the present invention to provide a protective element that can open an external circuit safely and reliably against abnormalities such as water wetting and liquid leakage from a battery.
  • the switch element according to the present invention dissolves when a conductor connected to an external circuit, the conductor and the external circuit are opened, and contacted with liquid that has entered the element. By this, it has the reaction part provided with the liquid soluble material which makes the said conductor and the said external circuit conduct
  • the protection element according to the present invention includes an insulating substrate, first and second electrodes provided on the insulating substrate, a heating element provided on the insulating substrate, and a gap between the first and second electrodes.
  • a fusible conductor that is melted by the heat generated by the heating element, and a switch part provided on a power supply path of the heating element, and the switch part is connected to a power supply circuit of the heating element.
  • a reaction portion including a conductor, a liquid-soluble material that opens the conductor and the power supply circuit, and dissolves when contacted with liquid that has entered the element, thereby electrically connecting the conductor and the power supply circuit; It is what has.
  • the reaction part provided with the liquid-soluble material is dissolved in the liquid-soluble material by the liquid when there is an abnormality such as water wetting or liquid leakage from the battery, and the open end of the conductor and the external circuit is connected.
  • the external circuit can be energized by making contact.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a switch element to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram showing a switch element using a stranded wire as a conductor.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a switch element using sponge metal as a conductor.
  • FIG. 4A is an external perspective view showing an aggregate of conductive particles coated with a liquid-soluble material, and FIG. 4B shows a switch element using the aggregate shown in FIG. It is sectional drawing shown.
  • FIG. 5 is an external perspective view showing an example in which a cylindrical outer conductor and an inner conductor made of a conductive material are used as a conductor.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a state in which an insulating coat layer made of a liquid-soluble material is formed on the inner surface of the outer conductor
  • FIG. 6B shows an insulation made of a liquid-soluble material on the outer surface of the inner conductor. It is sectional drawing which shows the state in which the coat layer was formed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which an insulating film made of a liquid-soluble material is interposed between the outer conductor and the inner conductor.
  • 8A and 8B are perspective views showing a casing of the switch element, in which FIG. 8A shows a state in which an introduction port is formed on the top surface, FIG.
  • FIG. 8B shows a state in which a plurality of introduction ports are formed on the top surface
  • FIG. ) Shows a state where inlets are formed on the top and side surfaces
  • (D) shows a state where a plurality of inlets are formed on the top and side surfaces.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a switch element using a cylindrical casing.
  • 10A and 10B are perspective views showing a switch element using a casing in which a discharge port is formed.
  • FIG. 10A is a diagram in which one introduction port is formed on the top surface of the casing, and FIG. The thing in which the several inlet was formed in the surface is shown.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a switch element having a discharge port provided at the same height as or above the position where the reaction unit is provided.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a switch element using a housing in which a slit-shaped inlet and a slit-shaped outlet are formed.
  • 13A and 13B are diagrams showing a switch element using a casing in which an introduction groove is formed, in which FIG. 13A is a cross-sectional view and FIG. 13B is an external perspective view.
  • 14A and 14B are diagrams showing a switch element using a housing in which a plurality of introduction ports and introduction grooves are formed, in which FIG. 14A is a cross-sectional view and FIG. 14B is an external perspective view.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view and FIG. 14B is an external perspective view.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a switch element using a housing in which an introduction groove that gradually narrows toward the inside where the reaction portion is provided.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a switch element using a housing in which an introduction port is formed at a height corresponding to the position of the conductor and the reaction part. It is a perspective view which shows the switch element using the housing
  • FIG. 18 is a perspective view showing a switch element using a casing in which the introduction port is sealed with a water-soluble sealing material.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a switch element using a housing in which the introduction groove is closed with a water-soluble sealing material.
  • FIG. 20A and 20B are diagrams showing a switch element in which a wiring groove for arranging a stranded wire is formed on a half-butting surface of the housing.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view
  • FIG. FIG. FIG. 21 is a perspective view showing a state in which the stranded wire is drawn out from the lead-out recess of the wiring groove.
  • 22A and 22B are diagrams showing a switch element in which a wiring groove for arranging a stranded wire is formed on a half-butting surface of the housing
  • FIG. 22A is a sectional view
  • FIG. 22B is a drawing of the stranded wire into the housing. It is a perspective view which shows an extraction
  • FIG. 23 is a circuit diagram of a switch element connected to an external circuit, where (A) shows before operation of the switch element and (B) shows after operation of the switch element.
  • FIG. 24 is a circuit diagram showing a state in which the switch element is connected to the protection element.
  • FIG. 24A shows a case where the protection element in which the energization path of the heating element and the fuse element are separate circuits is used.
  • B) shows a case where a protective element having a heating element connected to a fuse element is used.
  • FIG. 25 is a circuit diagram of a battery pack incorporating a switch element and a protection element.
  • FIG. 26 is a circuit diagram showing a protection element having a built-in switch element.
  • FIG. 26A shows a protection element in which a current-carrying path of the heating element and the fuse element are separate circuits, and FIG. The protection element connected with the fuse element is shown.
  • the switch element to which the present invention is applied is incorporated in an external circuit such as a battery circuit or an alarm circuit, and when a water wet state such as submergence or liquid leakage occurs, the battery circuit is shut off, or the alarm circuit or protection circuit Energize.
  • the switch element 1 is formed by opening the external circuit by covering the conductor 2 connected to the external circuit and the conductor 2, and dissolving when contacting the liquid that has entered the element.
  • the reaction part 3 is provided with a liquid-soluble material 3 a for conducting an external circuit, and the conductor 2 and the reaction part 3 are built in a housing 4.
  • the conductor 2 is a member that conducts the external circuit by being connected between the open ends of the external circuit in which the switch element 1 is incorporated.
  • a known conductive member such as a lead wire or sponge metal can be used. .
  • the switch element 1 has a connection end of the conductor 2 drawn out of the housing 4 and can be connected to a terminal portion of an external circuit.
  • the switch element 1 may be formed on an insulating substrate provided in the housing 4 and connected to the external circuit by connecting the conductor 2 on the electrode connected to the open terminal of the external circuit. .
  • the switch element 1 is insulated from an external circuit by covering the conductor 2 with a liquid-soluble material 3a constituting the reaction part 3 in a normal state.
  • the conductor 2 Is dissolved, and the external circuit is conducted through the conductor 2.
  • a stranded wire 10 in which a pair of conducting wires 11A and 11B each connected to an external circuit is twisted can be used.
  • the conducting wires 11A and 11B are insulated from each other by being covered with the liquid-soluble material 3a.
  • the conducting wire 11A is connected to one free end of the energization path of the external circuit connected to the switch element 1, and the conducting wire 11B is connected to the other free end of the energization path.
  • the external circuit is normally opened.
  • the reaction unit 3 is for irreversibly conducting the conductor 2 by coming into contact with the liquid, and includes a liquid-soluble material 3 a that covers the conductor 2.
  • a liquid-soluble material 3 a any material that has insulating properties and can be dissolved by contact with a liquid can be used.
  • natural polymers such as agar and gelatin, semisynthetic polymers such as cellulose and starch, polyvinyl Synthetic polymers such as alcohol can be used.
  • liquid-soluble material 3a in the case of a switch element that operates in response to electrolyte leakage assuming an electrolyte such as ethylene carbonate filled in the battery cell as a liquid, ABS, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride are used as the liquid-soluble material 3a.
  • an electrolyte such as ethylene carbonate filled in the battery cell as a liquid
  • ABS, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride are used as the liquid-soluble material 3a.
  • saturated polyesters such as PET, PTT, and PEN can be used. Since these liquid-soluble materials 3a also have a high molecular weight, the dissolution rate decreases and the reaction rate of the switch element 1 may decrease. Therefore, when giving priority to the reaction rate, it is preferable to adjust the polymerization degree. .
  • the liquid-soluble material 3 a covering the conductor 2 constitutes the reaction unit 3 in the housing 4.
  • the liquid-soluble material 3 a is dissolved by the liquid that has entered the housing 4 in the event of an abnormality such as water wetting or leakage from the battery, and the conductor 2 and the open end of the external circuit are brought into contact with each other.
  • the circuit can be energized.
  • the reaction unit 3 covers the pair of conductive wires 11A and 11B described above with the liquid-soluble material 3a, and normally insulates to open the external circuit. And the reaction part 3 connects a pair of conducting wire 11A, 11B by the liquid which infiltrated in the housing
  • the external circuit can be energized.
  • the switch element 1 may use a sponge metal 12 as the conductor 2.
  • the sponge metal 12 is covered with the liquid-soluble material 3a, and is mounted on the housing 4 and is mounted between the pair of external connection terminals 13a and 13b connected to the open end of the external circuit.
  • the external connection terminals 13 a and 13 b are formed by, for example, metal terminals provided in the housing 4 or electrode patterns formed on the housing 4 or an insulating substrate provided in the housing 4.
  • the switch element 1 normally has an external circuit opened by mounting the sponge metal 12 on the external connection terminals 13a and 13b via the liquid-soluble material 3a covering the surface.
  • the switch element 1 has a sponge metal 12 and an external connection terminal 13a when the liquid that has entered the casing 4 comes into contact with and dissolves the liquid-soluble material 3a in the event of an abnormality such as water wetting or liquid leakage from the battery. , 13b can be connected to energize the external circuit.
  • a woven fabric using a conductive fiber, a nonwoven fabric, a porous body such as a metal mesh, or a metal sheet such as a metal foil is covered with a liquid-soluble material 3a. You may let them.
  • the switch element 1 may use an aggregate 15 of conductive particles 14 covered with a liquid-soluble material 3a as the conductor 2.
  • the aggregate 15 maintains a substantially sheet shape or a substantially film shape by the liquid-soluble material 3a that covers the individual conductive particles 14, and as shown in FIG. 4B, a metal provided in the housing 4 It is mounted across the terminals and the external connection terminals 13a and 13b formed by electrode patterns formed on the casing 4 or an insulating substrate disposed in the casing 4.
  • the aggregate 15 of the conductive particles 14 is mounted on the external connection terminals 13a and 13b via the liquid-soluble material 3a covering the surface, so that the external circuit is normally opened. ing.
  • the switch element 1 is in an abnormal state such as water wetting or liquid leakage from the battery, the liquid that has entered the housing 4 comes into contact with the liquid-soluble material 3a and dissolves, thereby extending between the external connection terminals 13a and 13b. Both terminals can be connected via the continuous conductive particles 14, thereby energizing the external circuit.
  • the switch element 1 uses, as the conductor 2, a cylindrical outer conductor 17 made of a conductive material and an inner conductor 18 made of a conductive material provided inside the outer conductor 17. May be.
  • the external conductor 17 is connected to one open end of the external circuit, and the internal conductor 18 is connected to the other open end of the external circuit.
  • the external conductor 17 is, for example, a cylindrical conductor, and one or a plurality of openings 17a through which liquid enters the outer peripheral surface are formed.
  • the outer conductor 17 may have any shape other than a cylindrical shape as long as it can accommodate the inner conductor 18.
  • the inner conductor 18 may take any form disposed inside the outer conductor 17, and may be a prismatic shape, a sheet winding shape, a block shape, or the like in addition to the columnar shape shown in FIG.
  • the inner conductor 18 is movably held inside the outer conductor 17.
  • the switch element 1 has an insulating coat layer 17b formed of a liquid-soluble material 3a on the inner surface of the outer conductor 17, so that the outer conductor 17 and the inner conductor 18 are normally insulated.
  • the external circuit is opened.
  • the switch element 1 allows the liquid that has entered the housing 4 to enter the opening 17a of the external conductor 17 and contact the liquid-soluble material 3a when there is an abnormality such as water wetting or leakage from the battery.
  • the insulating coat layer 17b is melted, and the external conductor 17 and the internal conductor 18 are electrically connected to each other, whereby the external circuit can be energized.
  • the switch element 1 may form the insulating coat layer 18a by applying the liquid-soluble material 3a to the outer surface of the internal conductor 18.
  • the insulating coat layer 18a is dissolved by coming into contact with the liquid that has entered through the opening 17a of the external conductor 17, and the external conductor 17 and the internal conductor 18 can be electrically connected.
  • the switch element 1 may have an insulating film 19 made of the liquid-soluble material 3 a interposed between the outer conductor 17 and the inner conductor 18.
  • the insulating film 19 has a size and shape that shields at least the inner conductor 18 from the inner surface of the outer conductor 17, and insulates the outer conductor 17 from the inner conductor 18 in a normal state.
  • the insulating film 19 is dissolved by contact with the liquid that has entered through the housing 4 and the opening 17a of the external conductor 17 in the event of an abnormality such as water wetting or liquid leakage from the battery.
  • the conductor 18 can be electrically connected.
  • the casing 4 of the switch element 1 can be formed of an insulating member such as various engineering plastics and ceramics.
  • the switch element 1 can protect the conductor 2 and the reaction part 3 by providing the housing 4.
  • the housing 4 is provided with an introduction port 5 that guides the liquid to the reaction unit 3.
  • the switch element 1 makes the conductor 2 irreversibly conductive when the liquid flows into the reaction portion 3 through the introduction port 5 provided in the housing 4.
  • the housing 4 is formed of a polyhedron, for example, as shown in FIG. 8A, and one introduction port 5 is provided on one surface.
  • the introduction port 5 is preferably provided on the top surface 4a opposite to the mounting surface of the housing 4.
  • the housing 4 may have the introduction port 5 formed on a surface other than the top surface 4a, for example, the side surface 4b. Further, as shown in FIG.
  • the housing 4 may have a plurality of inlets 5 formed on the top surface 4a or a plurality of inlets 5 formed on the side surface 4b.
  • the housing 4 can make it easier to introduce the liquid into the reaction unit 3 by providing a plurality of inlets 5.
  • casing 4 consists of a polyhedron as shown, for example in FIG.8 (C), and you may provide the inlet 5 in several surfaces, for example, the top
  • the casing 4 may be formed in a columnar shape or a prismatic shape, and an arbitrary number of introduction ports 5 may be formed at arbitrary positions.
  • FIG. 9 is an external perspective view of the switch element 1 in which the casing 4 is formed in a columnar shape and a plurality of inlets 5 are formed over the entire circumference.
  • FIG. 10 is an external perspective view showing the switch element 1 in which the introduction port 5 is formed in the top surface 4a of the polyhedral casing 4 and the discharge port 6 for discharging the liquid is formed in the side surface 4b.
  • discharge port 6 is preferably formed smaller than the introduction port 5. By making the discharge port 6 relatively small, it is possible to prevent the liquid that has entered the housing 4 from being excessively discharged and prevent the action of the reaction unit 3 and the conduction of the conductor 2 from being delayed.
  • the discharge port 6 is provided at the same height as the position where the reaction part 3 of the housing 4 is provided or above the position where the reaction part 3 is provided.
  • the discharge port 6 is connected to the reaction portion 3 on the side surface 4 b of the housing 4. It is preferable to be provided at the same height as or above the provided position.
  • the shape of the inlet 5 for introducing the liquid and the outlet 6 for discharging the liquid are not particularly limited, such as circular and rectangular. Moreover, you may form the inlet 5 and the discharge port 6 in slit shape, as shown in FIG. By forming the introduction port 5 in a slit shape, the liquid can be introduced more extensively, the reaction part 3 can be reacted quickly, and the conductor 2 can be conducted. Further, by forming the discharge port 6 in a slit shape, excess liquid that has entered the housing 4 can be quickly drained, and when a large amount of liquid enters the housing 4, cooling or the like can be performed. It is possible to prevent the dissolution reaction of the liquid-soluble material 3a from being affected.
  • the housing 4 may be provided with a slit-like introduction port 5 on the top surface 4 a and an introduction groove 7 for guiding the liquid to the reaction unit 3.
  • the introduction groove 7 extends from the introduction port 5 in which the groove wall 7a is formed in the top surface 4a to the vicinity of the reaction section 3.
  • the housing 4 can prevent the liquid that has entered the introduction port 5 from escaping into the housing 4 and delaying the conduction of the conductor 2 by the reaction unit 3.
  • the housing 4 may extend the introduction groove 7 to the side surface 4b and be continuous with the discharge port 6 formed on the side surface 4b. As a result, the housing 4 can efficiently guide the liquid that has entered from the inlet 5 to the reaction unit 3 and drain the excess liquid efficiently from the outlet 6.
  • a plurality of introduction ports 5 and introduction grooves 7 may be formed. By forming a plurality of introduction grooves 7, the liquid can be guided over the entire width of the reaction section 3.
  • the switch element 1 may gradually narrow the introduction groove 7 from the opening of the introduction port 5 facing the top surface 4a to the inside where the reaction unit 3 is provided. By narrowing the introduction groove 7 as it approaches the reaction unit 3, the liquid that has entered from the opening of the introduction port 5 can be efficiently guided to the reaction unit 3 by capillary action.
  • the switch element 1 may form the introduction port 5 or the introduction port 5 and the introduction groove 7 in the housing 4 according to the positions of the conductor 2 and the reaction unit 3.
  • the switch element 1 has a sponge metal 12 covered with a liquid-soluble material 3a mounted between the external connection terminals 13a and 13b as shown in the configuration example of the conductor 2 and the reaction unit 3 shown in FIG.
  • the introduction port 5 or the introduction port 5 and the introduction groove 7 may be formed at a height corresponding to the position of the sponge metal 12 of 4b.
  • the switch element 1 can efficiently guide a large amount of liquid from the introduction port 5 to the conductor 2 and the reaction unit 3.
  • the reaction of the part 3 can be performed efficiently and conduction of the conductor 2 can be promoted.
  • the switch element 1 may perform water repellent treatment at a place other than the reaction unit 3 to guide the liquid to the reaction unit 3.
  • the switch element 1 may form the water repellent treatment portion 16 in which the water repellent treatment is performed on the introduction port 5 or the groove wall 7 a of the introduction port 5 and the introduction groove 7. Accordingly, the switch element 1 can efficiently guide the liquid that has entered through the introduction port 5 to the reaction unit 3.
  • a malfunction is not caused because a small amount of liquid is repelled and not entered into the housing 4 except in a wet state where the switch element 1 should be operated. It is possible to prevent and secure the reliability as a sensor.
  • the switch element 1 may perform a water repellent treatment on the inner wall of the housing 4. Also by applying a water repellent treatment to the inner wall of the housing 4, the liquid that has entered the housing 4 can be efficiently guided to the reaction unit 3, and the reaction unit 3 can be operated quickly.
  • the switch element 1 may block the introduction port 5 with a sheet-like water-soluble sealing material 9 that dissolves with a liquid.
  • the water-soluble sealing material 9 can be formed using, for example, natural polymers such as agar and gelatin, semi-synthetic polymers such as cellulose and starch, synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, and the like, similar to the liquid-soluble material 3a. it can. Then, as shown in FIG. 18, the water-soluble sealing material 9 is molded into a sheet shape and stuck on the top surface of the housing 4, thereby closing the introduction port 5. By closing the introduction port 5 with the water-soluble sealing material 9, a malfunction is prevented because a small amount of liquid is repelled and not entered into the housing 4 except in a wet state where the switch element 1 should be operated. The reliability as a sensor can be secured.
  • the switch element 1 may block the introduction groove 7 with a water-soluble sealing material 9 that dissolves with a liquid. Even by closing the introduction groove 7 with the water-soluble sealing material 9, it is possible to prevent a malfunction by preventing a small amount of liquid from being repelled and entering the housing 4.
  • the switch element 1 includes the casing 4 formed by abutting and coupling the upper and lower halves 4 a and 4 b, and butting one or both side walls of the upper and lower halves 4 a and 4 b.
  • a wiring groove 20 for arranging the stranded wire 10 may be formed on the surface.
  • the wiring groove 20 is formed on the entire circumference or a part of the abutting surface along one or both side walls of the upper and lower halves 4a and 4b.
  • the wiring groove 20 may form a first lead recess 20 a that pulls the stranded wire 10 into the housing 4.
  • the stranded wire 10 is drawn out from the first lead-out recess 20a and connected to, for example, external connection terminals 13a and 13b provided in the case 4, or in the case 4 at protective elements 23 and 24 described later. It is connected to a heating element 28 provided.
  • the wiring groove 20 flows in and stores through the first extraction recess 20 a, so that the liquid covering the conductive wires 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B constituting the stranded wire 10.
  • the soluble material 3a is melted, and the conducting wires 11A and 11B are electrically connected.
  • the wiring groove 20 may draw out the stranded wire 10 to the outside of the housing and form a second lead-out recess 20b that also serves as a liquid inlet.
  • the stranded wire 10 is drawn out from the second lead-out recess 20b and connected to a connection terminal of an external circuit.
  • the wiring groove 20 becomes wet, the liquid flows in and stores through the second lead-out recess 20b, so that the liquid-soluble material 3a covering the conducting wires 11A and 11B constituting the stranded wire 10 is formed. It melt
  • the switch element 1 may use a casing of various electronic devices such as a personal computer, a smartphone, a tablet terminal, and a battery pack in which the switch element 1 is used as the casing 4. Also in this case, as shown in FIG. 22 (A), the switch element 1 may form a wiring groove 20 in which the stranded wire 10 is arranged on the abutting surface of one or both side walls of the upper and lower halves 4a and 4b. . At this time, as shown in FIG. 22B, it is sufficient that the wiring groove 20 is formed with only the first lead recess 20a for drawing the stranded wire 10 into the housing 4.
  • the conducting wires 11A and 11B constituting the stranded wire 10 are connected to an external circuit 22 such as a protection circuit provided in the housing 4 and normally shut off the external circuit 22. And when water infiltrates into the housing 4 due to submergence or the like and also enters the wiring groove 20 from the first lead-out recess 20a, the liquid-soluble material 3a covering the conductive wires 11A and 11B is dissolved, The conducting wires 11A and 11B are electrically connected, the external circuit 22 is activated, and a protective operation is started. At this time, the amount of water entering the wiring groove 20, that is, the amount of water starting the operation of the external circuit 22 is adjusted by adjusting the position of the wiring groove 20 to be formed below the housing 4. can do.
  • an external circuit 22 such as a protection circuit provided in the housing 4 and normally shut off the external circuit 22.
  • FIG. 23 shows a circuit configuration of the switch element 1. That is, in the switch element 1, the conductor 2 is connected to one open end 22a and the other open end 22b of the external circuit 22, and the external circuit 22 is opened by the reaction unit 3 made of the liquid-soluble material 3a. (FIG. 23A). When the liquid enters the casing 4 in the wet state, the switch element 1 dissolves the liquid-soluble material 3a of the reaction unit 3 and the conductor 2 is turned on, whereby each open end of the external circuit 22 is connected. 22a and 22b are made conductive (FIG. 23B).
  • FIGS. 24A and 24B are diagrams showing a circuit configuration in which the switch element 1 is connected to the protection elements 23 and 24 that shut off the external circuit when an abnormality such as a water wet state occurs.
  • the protection element 23 includes a first electrode 25 connected to one open end of the external circuit, and a second electrode 26 connected to the other open end of the external circuit.
  • the fuse element 27 mounted between the first and second electrodes 25 and 26 and electrically connected between the first and second electrodes 25 and 26 generates heat when energized, and the fuse element 27 is blown out.
  • the heating element 28 is provided.
  • the protective element 23 energizes an external circuit by electrically connecting the first and second electrodes 25 and 26 via the fuse element 27 in a normal state.
  • the heating element 28 has one end connected to a power source (not shown) and the other end connected to the conductor 2 of the switch element 1 to control energization. In normal conditions, the conductor 2 is insulated to restrict energization. Has been.
  • the protective element 23 has a conductor 2 in which the liquid enters the casing 4 of the switch element 1 and the liquid-soluble material 3a of the reaction part 3 dissolves in the event of an abnormality such as water wetting or liquid leakage from the battery. Is energized, the heating element 28 is energized to generate heat. Thereby, the protective element 23 can interrupt
  • the energization of the heating element 28 is stopped after a sufficient time has elapsed for fusing the fuse element 27 with a timer, for example.
  • a sensor for detecting the interruption of the external circuit may be provided, and the energization to the heating element 28 may be stopped after detecting the interruption of the external circuit.
  • FIG. 24B is a diagram showing a circuit configuration of the protection element 24 that electrically connects the heating element 28 to the fuse element 27 and energizes the heating element 28 using a current path of an external circuit.
  • the protection element 24 energizes an external circuit by electrically connecting the first and second electrodes 25 and 26 via the fuse element 27 in a normal state.
  • the heating element 28 has one end connected to the fuse element 27 via the heating element lead electrode and the other end connected to the conductor 2 of the switch element 1 via the heating element feed electrode 29, thereby controlling energization. In a normal state, the conduction is restricted by insulating the conductor 2.
  • the protective element 24 has a conductor 2 in which the liquid infiltrates into the casing 4 of the switch element 1 and the liquid-soluble material 3a of the reaction part 3 dissolves when there is an abnormality such as water wetting or liquid leakage from the battery. Is energized, the heating element 28 is energized to generate heat. As a result, the protection element 24 can shut off the external circuit when the fuse element 27 is melted between the first and second electrodes 25 and 26.
  • the heat generating body 28 is prevented from generating heat because the energization path is interrupted when the fuse element 27 is melted.
  • protection element 24 is used by being incorporated in a circuit in the battery pack 30 of a lithium ion secondary battery, for example.
  • the battery pack 30 has a battery stack 35 including battery cells 31 to 34 of a total of four lithium ion secondary batteries, for example.
  • the battery pack 30 includes a battery stack 35, a charge / discharge control circuit 40 that controls charging / discharging of the battery stack 35, and a switch element 1 that controls the operation of the protection element 24.
  • the battery stack 35 is a series of battery cells 31 to 34 that need to be controlled to protect against overcharge and overdischarge states, and is detachable via the positive terminal 30a and the negative terminal 30b of the battery pack 30.
  • the battery pack 30 charged by the charging device 45 can operate the electronic device by connecting the positive terminal 30a and the negative terminal 30b to the electronic device operated by the battery.
  • the charge / discharge control circuit 40 includes two current control elements 41 and 42 connected in series to a current path flowing from the battery stack 35 to the charging device 45, and a control unit 43 that controls operations of these current control elements 41 and 42. Is provided.
  • the current control elements 41 and 42 are configured by, for example, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs), and the gate voltage is controlled by the control unit 43 so that the current path of the battery stack 35 is charged and / or discharged. Controls continuity and shut-off.
  • the control unit 43 operates by receiving power supply from the charging device 45, and controls the current so as to cut off the current path when the battery stack 35 is overdischarged or overcharged according to the detection result by the detection circuit 36. The operation of the elements 41 and 42 is controlled.
  • the protection element 24 is connected to, for example, a charge / discharge current path between the battery stack 35 and the charge / discharge control circuit 40, and its operation is controlled by the switch element 1.
  • the detection circuit 36 is connected to the battery cells 31 to 34, detects the voltage values of the battery cells 31 to 34, and supplies the voltage values to the control unit 43 of the charge / discharge control circuit 40.
  • the control unit 43 outputs a control signal for controlling the current control elements 41 and 42 when any one of the battery cells 31 to 34 becomes an overcharge voltage or an overdischarge voltage.
  • the protection element 24 is energized via the fuse element 27 connected in series between the first and second electrodes 25 and 26 and the connection point of the fuse element 27.
  • the circuit configuration includes a heating element 28 that melts the fuse element 27 by generating heat.
  • the fuse element 27 is connected in series on the charge / discharge current path of the battery pack 30 via the first and second electrodes 25 and 26, and one end of the heating element 28 is connected to the fuse element 27.
  • the other end of the heating element 28 is connected to the conductor 2 of the switch element 1.
  • the first electrode 25 of the protection element 24 is connected to one open end side of the battery stack 35, and the second electrode 26 is connected to the positive electrode terminal 30 a side of the battery pack 30.
  • the protective element 24 having such a circuit configuration is a switch element 1 in which liquid has entered the housing 4 when it is necessary to block the current path of the battery pack 30 such as water wetting or leakage from the battery.
  • the heating element 28 is energized and heated.
  • the fuse element 27 incorporated on the current path of the battery pack 30 is blown by the heat generated by the heat generating element 28.
  • the protection element 24 can reliably melt the gap between the first electrode 25 and the second electrode 26 and block the current path of the battery pack 30. Further, when the fuse element 27 is blown, power supply to the heating element 28 is also stopped.
  • the switch element 1 functions as a control element that energizes the heating element 28 of the protection element 24 in response to water wetting, liquid leakage from the battery, or the like. Therefore, a control element such as an FET for controlling energization to the heating element 28 becomes unnecessary.
  • the protective elements 23 and 24 may include the switch element 1 as shown in FIGS. 26A and 26B, in addition to being connected to the switch element 1 provided outside. Further, the protective elements 23 and 24 are not limited to use in a battery pack of a lithium ion secondary battery, and can of course be applied to various uses that require interruption of a current path by an electric signal.

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Abstract

水濡れや電池からの液漏れ等の異常に対し、安全に電気回路を開放又は短絡させることができるスイッチ素子を提供する。　外部回路に接続される導電体２と、導電体２と外部回路とを開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより導電体２と外部回路とを導通させる液溶解性材料３ａを備えた反応部３とを有する。

Description

スイッチ素子、及び保護素子
　本発明は、液体の浸入に応じて電気回路を開放又は短絡させるスイッチ素子、及び液体の浸入に応じて電気回路を開放させる保護素子に関する。本出願は、日本国において２０１５年１０月７日に出願された日本出願番号特願２０１５－１９９８１４を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。
　近年、携帯電話、ノートＰＣ等の多くにリチウムイオン二次電池が採用されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いため、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの入出力を遮断する機能を有している。しかしながら、水濡れにより電池の正極／負極絶縁嵌合部が腐食した場合、電池内部の圧力がリークし、安全弁が正しく機能せずに発火事故に繋がるリスクがある。
特開平１１－１４４６９５号公報 特開２０００－１６２０８１号公報
　水濡れに対して濡れた形跡を検知するシールを添付し、警告を発するものがある（例えば、特許文献１参照）が、電池の使用を制限するものではないため、回路基板の水濡れによるマイグレーション（絶縁劣化）やショートによる回路誤動作が発生する虞がある。また、電池の異常に伴う電解液の漏れに対しても、上記と同等の不具合が発生する虞がある。
　また、電子機器の水濡れ対策としては、水等の液体を検知するセンサーを設け、水濡れを検知した当該センサーから発信される信号によって保護回路を作動させるものも用いられている。例えば、絶縁基板上に所定間隔をおいて対向配置された一対の電極からなる検知部を備える水漏れセンサーが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この水漏れセンサーは、検知部の電極間が水濡れ状態になると、端子部間がリークすることで制御回路に信号が入力され、機器の動作が制御される。すなわち、この水濡れセンサーは、検知部への液体の流入が作動条件となっているため、水濡れ状態が起きたときには、積極的に検知部へ液体を流入させる構成が望まれる一方で、制御回路を作動させる必要のない水濡れ状態以外では、誤作動させないようにし、センサーとしての信頼性を確保する必要もある。
　本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、水濡れや電池からの液漏れ等の異常に対し、安全かつ確実に外部回路を短絡させることができるスイッチ素子、及び水濡れや電池からの液漏れ等の異常に対し、安全かつ確実に外部回路を開放させる保護素子を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するために、本発明に係るスイッチ素子は、外部回路に接続される導電体と、上記導電体と上記外部回路とを開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより上記導電体と上記外部回路とを導通させる液溶解性材料を備えた反応部とを有するものである。
　また、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に設けられた第１、第２の電極と、上記絶縁基板に設けられた発熱体と、上記第１、第２の電極間にわたって接続され、上記発熱体の発熱により溶断する可溶導体と、上記発熱体の給電経路上に設けられたスイッチ部とを有し、上記スイッチ部は、上記発熱体の電源回路に接続される導電体と、上記導電体と上記電源回路とを開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより上記導電体と上記電源回路とを導通させる液溶解性材料を備えた反応部とを有するものである。
　本発明によれば、液溶解性材料を備えた反応部は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、当該液体によって液溶解性材料が溶解し、導電体と外部回路の開放端を接触させ、外部回路を通電させることができる。
図１は、本発明が適用されたスイッチ素子の構成を示す概念図である。 図２は、導電体として撚り線を用いたスイッチ素子を示す図である。 図３は、導電体としてスポンジメタルを用いたスイッチ素子を示す断面図である。 図４（Ａ）は液溶解性材料によって被覆された導電性粒子の凝集体を示す外観斜視図であり、図４（Ｂ）は導電体として（Ａ）に示す凝集体を用いたスイッチ素子を示す断面図である。 図５は、導電体として導電材料からなる筒状の外部導体及び内部導体を用いた例を示す外観斜視図である。 図６（Ａ）は外部導体の内面に液溶解性材料からなる絶縁コート層が形成された状態を示す断面図であり、図６（Ｂ）は内部導体の外面に液溶解性材料からなる絶縁コート層が形成された状態を示す断面図である。 図７は、外部導体と内部導体との間に、液溶解性材料からなる絶縁フィルムが介在されている状態を示す断面図である。 図８は、スイッチ素子の筐体を示す斜視図であり、（Ａ）は天面に導入口が形成された状態、（Ｂ）は天面に複数の導入口が形成された状態、（Ｃ）は天面及び側面に導入口が形成された状態、（Ｄ）は天面及び側面に複数の導入口が形成された状態を示す。 図９は、円筒状の筐体を用いたスイッチ素子を示す斜視図である。 図１０は、排出口が形成された筐体を用いたスイッチ素子を示す斜視図であり、（Ａ）は筐体天面に一つの導入口が形成されたもの、（Ｂ）は筐体天面に複数の導入口が形成されたものを示す。 図１１は、反応部が設けられた位置と同じ高さ又は上方に排出口が設けられたスイッチ素子を示す断面図である。 図１２は、スリット状の導入口及びスリット状の排出口が形成された筐体を用いたスイッチ素子を示す断面図である。 図１３は導入溝が形成された筐体を用いたスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は外観斜視図である。 図１４は、複数の導入口及び導入溝が形成された筐体を用いたスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は外観斜視図である。 図１５は、反応部が設けられた内部にかけて漸次狭小化する導入溝が形成された筐体を用いたスイッチ素子を示す断面図である。 図１６は、導電体及び反応部の位置に応じた高さに導入口を形成した筐体を用いたスイッチ素子を示す斜視図である。 反応部以外の場所に撥水処理部を形成した筐体を用いたスイッチ素子を示す斜視図である。 図１８は、導入口を水溶性封止材でシールした筐体を用いたスイッチ素子を示す斜視図である。 図１９は、導入溝を水溶性封止材で閉塞した筐体を用いたスイッチ素子を示す断面図である。 図２０は、筐体のハーフの突き合わせ面に撚り線を配置する配線溝を形成したスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は撚り線を筐体の内外に引き出す引出凹部を示す斜視図である。 図２１は、撚り線を配線溝の引出凹部から引き出した状態を示す斜視図である。 図２２は、筐体のハーフの突き合わせ面に撚り線を配置する配線溝を形成したスイッチ素子を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は撚り線を筐体内に引き出す引出凹部を示す斜視図である。 図２３は外部回路と接続されたスイッチ素子の回路図であり、（Ａ）はスイッチ素子の作動前、（Ｂ）はスイッチ素子の作動後を示す。 図２４は、スイッチ素子を保護素子に接続した状態を示す回路図であり、（Ａ）は発熱体の通電経路と、ヒューズエレメントとが別回路となった保護素子を用いた場合を示し、（Ｂ）は発熱体がヒューズエレメントと接続された保護素子を用いた場合を示す。 図２５は、スイッチ素子及び保護素子を内蔵したバッテリパックの回路図である。 図２６は、スイッチ素子を内蔵した保護素子を示す回路図であり、（Ａ）は発熱体の通電経路と、ヒューズエレメントとが別回路となった保護素子を示し、（Ｂ）は発熱体がヒューズエレメントと接続された保護素子を示す。
　以下、本発明が適用されたスイッチ素子、及び保護素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　本発明が適用されたスイッチ素子は、バッテリ回路、警報回路等の外部回路に組み込まれ、水没や液漏れ等の水濡れ状態が生じた場合に、バッテリ回路の遮断や、警報回路や保護回路の通電を行うものである。図１に示すように、スイッチ素子１は、外部回路に接続される導電体２と、導電体２を被覆することにより外部回路を開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより外部回路を導通させる液溶解性材料３ａを備えた反応部３と有し、これら導電体２及び反応部３が筐体４内に内蔵されているものである。
　［導電体］
　導電体２は、スイッチ素子１が組み込まれる外部回路の開放端の間に接続されることにより外部回路を導通させる部材であり、例えばリード線やスポンジメタル等、公知の導電部材を用いることができる。
　スイッチ素子１は、導電体２の接続端が、筐体４の外部に引き出され、外部回路の端子部と接続可能とされている。また、スイッチ素子１は、筐体４内に設けられた絶縁基板に形成され、外部回路の開放端子と接続される電極上に導電体２が接続されることにより外部回路と接続されてもよい。
　スイッチ素子１は、導電体２が常態において反応部３を構成する液溶解性材料３ａによって被覆されることにより外部回路と絶縁されており、反応部３に液体が接触することにより、導電体２を被覆していた液溶解性材料３ａが溶解し、導電体２を介して外部回路が導通される。
　例えば導電体２は、図２に示すように、それぞれ外部回路と接続されている一対の導線１１Ａ，１１Ｂが撚り合わされた撚り線１０を用いることができる。導線１１Ａ，１１Ｂは、それぞれ液溶解性材料３ａによって被覆されることにより、互いに絶縁されている。そして、導線１１Ａは、スイッチ素子１と接続された外部回路の通電経路の一方の自由端に接続され、導線１１Ｂは、同通電経路の他方の自由端に接続されている。これにより、当該外部回路は通常時において開放されている。
　［反応部］
　反応部３は、液体と接触することにより導電体２を不可逆的に導通するためのものであり、導電体２を被覆する液溶解性材料３ａを備える。液溶解性材料３ａは、絶縁性を有し、液体と接触することにより溶解する任意の材料を用いることができ、例えば、寒天，ゼラチンなどの天然ポリマー、セルロース，でんぷんなどの半合成ポリマー、ポリビニルアルコールなどの合成ポリマー等を用いることができる。また、液溶解性材料３ａとして液体と接触することにより溶解する角砂糖のような水溶性の固形物を用いてもよい。
　また、液体としてバッテリセルに充填されたエチレンカーボネート等の電解液を想定し、電解液漏れに対応して作動するスイッチ素子の場合、液溶解性材料３ａとしては、ＡＢＳ、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、あるいはＰＥＴ、ＰＴＴ、ＰＥＮ等の飽和ポリエステルなどを用いることができる。これらの液溶解性材料３ａも、高分子量になると溶解速度が落ち、スイッチ素子１として反応速度が低下する場合もあるため、反応速度を優先する場合は、重合度を調整して用いることが好ましい。
　導電体２を被覆している液溶解性材料３ａは、筐体４内において反応部３を構成する。反応部３は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４内に浸入した液体によって液溶解性材料３ａが溶解し、導電体２と外部回路の開放端を接触させ、外部回路を通電させることができる。
　例えば、反応部３は、液溶解性材料３ａによって上述した一対の導線１１Ａ，１１Ｂを被覆することにより、通常時には絶縁することにより外部回路を開放させている。そして、反応部３は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４内に浸入した液体が液溶解性材料３ａと接触、溶解することにより、一対の導線１１Ａ，１１Ｂを接続させ、これにより外部回路を通電させることができる。
　［導電体の変形例］
　また、スイッチ素子１は、図３に示すように、導電体２として、スポンジメタル１２を用いてもよい。スポンジメタル１２は、液溶解性材料３ａに被覆されるとともに、筐体４に設けられ、外部回路の開放端と接続される一対の外部接続端子１３ａ，１３ｂ間にわたって搭載されている。外部接続端子１３ａ，１３ｂは、例えば筐体４内に設けられた金属端子や、筐体４あるいは筐体４内に配設された絶縁基板に形成された電極パターンにより形成される。
　スイッチ素子１は、スポンジメタル１２が、表面を被覆する液溶解性材料３ａを介して外部接続端子１３ａ，１３ｂ上に搭載されることにより、通常時は、外部回路を開放させている。そして、スイッチ素子１は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４内に浸入した液体が液溶解性材料３ａと接触、溶解することにより、スポンジメタル１２と外部接続端子１３ａ，１３ｂを接続させ、これにより外部回路を通電させることができる。
　なお、導電体２として、スポンジメタル１２の他、導電性繊維を用いた織布、不織布や、金属メッシュ等の多孔質体、あるいは金属箔等のメタルシートを用い、液溶解性材料３ａで被覆させてもよい。
　また、スイッチ素子１は、図４（Ａ）に示すように、導電体２として、液溶解性材料３ａによって被覆された導電性粒子１４の凝集体１５を用いてもよい。凝集体１５は、個々の導電性粒子１４を被覆する液溶解性材料３ａによって略シート形状あるいは略フィルム形状を維持し、図４（Ｂ）に示すように、筐体４内に設けられた金属端子や筐体４あるいは筐体４内に配設された絶縁基板に形成された電極パターンにより形成される外部接続端子１３ａ，１３ｂ間にわたって搭載されている。
　スイッチ素子１は、導電性粒子１４の凝集体１５が、表面を被覆する液溶解性材料３ａを介して外部接続端子１３ａ，１３ｂ上に搭載されることにより、通常時は、外部回路を開放させている。そして、スイッチ素子１は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４内に浸入した液体が液溶解性材料３ａと接触、溶解することにより、外部接続端子１３ａ，１３ｂ間にわたって連続する導電性粒子１４を介して両端子間を接続させ、これにより外部回路を通電させることができる。
　また、スイッチ素子１は、図５に示すように、導電体２として、導電材料からなる筒状の外部導体１７と、外部導体１７の内部に設けられた導電材料からなる内部導体１８とを用いてもよい。図５に示す導電体２は、外部導体１７が外部回路の一方の開放端と接続され、内部導体１８が外部回路の他方の開放端と接続されている。外部導体１７は、例えば円筒状導体であり、外周面に液体が浸入する開口部１７ａが一又は複数形成されている。なお、外部導体１７は、円筒状の他、内部導体１８を収納できる中空形状であればどのような形状でもよい。
　内部導体１８は、外部導体１７の内部に配置されるあらゆる形態をとり得、図５に示す円柱状の他、角柱状、シートの巻装体状、ブロック体状等でもよい。また、内部導体１８は、外部導体１７の内部において、移動可能に保持されている。
　スイッチ素子１は、図６（Ａ）に示すように、外部導体１７の内面に液溶解性材料３ａによって絶縁コート層１７ｂが形成され、これにより外部導体１７と内部導体１８とは、常態において絶縁され、外部回路を開放させている。そして、スイッチ素子１は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４内に浸入した液体が外部導体１７の開口部１７ａ内に浸入し、液溶解性材料３ａと接触することにより絶縁コート層１７ｂが溶解し、外部導体１７と内部導体１８とが電気的に接続され、これにより外部回路を通電させることができる。
　なお、スイッチ素子１は、図６（Ｂ）に示すように、内部導体１８の外面に液溶解性材料３ａを塗布することにより絶縁コート層１８ａを形成してもよい。絶縁コート層１８ａは、外部導体１７の開口部１７ａより浸入した液体と接触することにより溶解し、外部導体１７と内部導体１８とが電気的に接続可能となる。
　また、スイッチ素子１は、図７に示すように、外部導体１７と内部導体１８との間に、液溶解性材料３ａからなる絶縁フィルム１９を介在させてもよい。絶縁フィルム１９は、少なくとも内部導体１８を外部導体１７の内面から遮蔽する大きさ、形状を有し、常態において外部導体１７と内部導体１８とを絶縁している。そして、絶縁フィルム１９は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時に、筐体４及び外部導体１７の開口部１７ａを介して浸入した液体と接触することにより溶解し、外部導体１７と内部導体１８とが電気的に接続可能とする。
　［筐体］
　スイッチ素子１の筐体４は、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する部材により形成することができる。スイッチ素子１は、筐体４を設けることにより、導電体２及び反応部３を保護することができる。
　筐体４には、反応部３に液体を導く導入口５が設けられている。スイッチ素子１は、筐体４に設けられた導入口５を介して液体が反応部３へ流入することにより、導電体２を不可逆的に導通させる。
　筐体４は、例えば図８（Ａ）に示すように、多面体からなり、一の面に、一の導入口５が設けられている。スイッチ素子１は、外部回路が形成された回路基板に実装されるチップ部品として形成された場合、筐体４の実装面と反対側の天面４ａに導入口５が設けられることが好ましい。天面４ａに導入口５が設けられることにより、水濡れ状態になると効率的に液体を筐体４内に取り込むとともに反応部３に保持し、導電体２を導通させることができる。もちろん筐体４は、天面４ａ以外の面、例えば側面４ｂに導入口５を形成してもよい。また、筐体４は、図８（Ｂ）に示すように、天面４ａに複数の導入口５を形成してもよく、あるいは側面４ｂに複数の導入口５を形成してもよい。筐体４は、複数の導入口５を設けることにより、より液体を反応部３に導入しやすくすることができる。
　また、筐体４は、例えば図８（Ｃ）に示すように、多面体からなり、複数の面、例えば天面４ａと側面４ｂに導入口５を設けてもよい。また、筐体４は、図８（Ｄ）に示すように、複数の面にそれぞれ一又は複数の導入口５を形成してもよい。
　また、筐体４は、円柱状又は角柱状に形成し、導入口５を任意の位置に、任意の個数だけ形成してもよい。図９は筐体４を円柱状に形成し、全周にわたって複数の導入口５を形成したスイッチ素子１の外観斜視図である。筐体４を円柱状、角柱状に形成することにより、スイッチ素子１の配置に応じた面や角度、液体の浸入経路等に左右されずに導入口５を形成することができる。
　また、筐体４は、導入口５より浸入した液体を排出する排出口を形成してもよい。図１０は、多面体からなる筐体４の天面４ａに導入口５を形成するとともに、側面４ｂに液体を排出する排出口６を形成したスイッチ素子１を示す外観斜視図である。排出口６を形成することにより、液体が多量に筐体４内に浸入することによって、冷却等の影響で液溶解性材料３ａの溶解反応が低下する事態を防止することができる。
　なお、排出口６は、導入口５よりも小さく形成されることが好ましい。排出口６を相対的に小さくすることで、筐体４内に浸入した液体が過剰に排出され、反応部３の作用や、導電体２の導通が遅延することを防止することができる。
　また、排出口６は、筐体４の反応部３が設けられた位置と同じ高さ、又は反応部３が設けられた位置よりも上方に設けられていることが好ましい。例えば、図１１に示すように、筐体４を多面形状に形成するとともに、回路基板に実装されるチップ部品として形成された場合、排出口６は、筐体４の側面４ｂの反応部３が設けられた位置と同じ高さ又は上方に設けられることが好ましい。これにより、筐体４内に浸入した液体は、反応部３より上方に浸入した分が排水され、反応部３には残留するため、反応部３の作用を確保するとともに、液体が多量に筐体４内に浸入することによって、冷却等の影響で液溶解性材料３ａの溶解反応が低下する事態を防止することができる。
　なお、液体を導入する導入口５及び液体を排出する排出口６は、円形、矩形等、その形状は問わない。また、導入口５及び排出口６は、図１２に示すように、スリット状に形成してもよい。導入口５をスリット状に形成することにより、より広範に液体を導入させ、速やかに反応部３を反応させて導電体２を導通させることができる。また、排出口６をスリット状に形成することにより、筐体４内に浸入した余剰の液体を速やかに排水することができ、液体が多量に筐体４内に浸入することによって、冷却等の影響で液溶解性材料３ａの溶解反応が低下する事態を防止することができる。
　また、筐体４は、天面４ａにスリット状の導入口５を設けるとともに、反応部３へ液体を導く導入溝７を設けてもよい。図１３（Ａ）に示すように、導入溝７は、溝壁７ａが天面４ａに形成された導入口５から反応部３の近傍まで延在される。これにより、筐体４は、導入口５に浸入した液体が反応部３以外の場所に流入することなく、確実に反応部３へ導くことができる。また、筐体４は、導入口５に浸入した液体が筐体４内に散逸し、反応部３による導電体２の導通が遅延することを防止することができる。
　また、筐体４は、図１３（Ｂ）に示すように、導入溝７を側面４ｂまで延ばし、側面４ｂに形成された排出口６と連続させてもよい。これにより、筐体４は、導入口５から浸入した液体を効率よく反応部３に導くとともに、過剰な液体を効率よく排出口６から排水することができる。
　なお、図１４（Ａ）（Ｂ）に示すように、導入口５及び導入溝７は、複数形成してもよい。導入溝７を複数形成することにより、反応部３の全幅にわたって液体を導くことができる。
　また、図１５に示すように、スイッチ素子１は、天面４ａに臨む導入口５の開口部から反応部３が設けられた内部にかけて導入溝７を漸次狭小化させてもよい。導入溝７を反応部３に近づくにつれて狭小化することにより、導入口５の開口部から浸入した液体を、毛細管現象によって効率よく反応部３に導くことができる。
　また、スイッチ素子１は、図１６に示すように、筐体４に導電体２及び反応部３の位置に応じて導入口５、又は導入口５及び導入溝７を形成してもよい。スイッチ素子１は、例えば図３に示す導電体２及び反応部３の構成例のように、液溶解性材料３ａによって被覆されたスポンジメタル１２を外部接続端子１３ａ，１３ｂ間にわたって搭載させるとともに、側面４ｂのスポンジメタル１２の位置に対応した高さに、導入口５、又は導入口５及び導入溝７を形成してもよい。
　導入口５等が反応部３の位置に応じた位置に形成されることにより、スイッチ素子１は、効率良く多量の液体を導入口５から導電体２及び反応部３へ導くことができ、反応部３の反応を効率良く行い、導電体２の導通を促進させることができる。
　また、スイッチ素子１は、反応部３以外の場所に撥水処理を施し、液体を反応部３に誘導してもよい。例えば図１７に示すように、スイッチ素子１は、導入口５、又は導入口５及び導入溝７の溝壁７ａに撥水処理が施された撥水処理部１６を形成してもよい。これによりスイッチ素子１は、導入口５より浸入した液体を効率よく反応部３に導くことができる。また、導入口５や導入溝７に撥水処理を施すことにより、スイッチ素子１を作動させるべき水濡れ状態以外では、少量の液体を弾いて筐体４内に浸入させないことから、誤作動を防止し、センサーとしての信頼性を確保することもできる。
　また、スイッチ素子１は、筐体４の内壁に撥水処理を施してもよい。筐体４の内壁に撥水処理を施すことによっても、筐体４内に浸入した液体を効率良く反応部３に導き、速やかに反応部３を作用させることができる。
　また、スイッチ素子１は、図１８に示すように、導入口５を液体で溶解するシート状の水溶性封止材９で閉塞してもよい。水溶性封止材９は、液溶解性材料３ａと同様に、例えば、寒天，ゼラチンなどの天然ポリマー、セルロース，でんぷんなどの半合成ポリマー、ポリビニルアルコールなどの合成ポリマー等を用いて形成することができる。そして、水溶性封止材９は、図１８に示すように、シート状に成型され、筐体４の天面に貼り付けられることにより、導入口５を閉塞することができる。導入口５を水溶性封止材９で閉塞することにより、スイッチ素子１を作動させるべき水濡れ状態以外では、少量の液体を弾いて筐体４内に浸入させないことから、誤作動を防止し、センサーとしての信頼性を確保することもできる。
　同様に、スイッチ素子１は、図１９に示すように、導入溝７を液体で溶解する水溶性封止材９で閉塞してもよい。導入溝７を水溶性封止材９で閉塞することによっても、少量の液体を弾いて筐体４内に浸入させず、誤作動を防止することができる。
　［筐体嵌合部の溝部］
　また、スイッチ素子１は、図２０、図２１に示すように、筐体４を上下ハーフ４ａ，４ｂを突きあわせ結合することにより構成するとともに、上下ハーフ４ａ，４ｂの一方又は両方の側壁の突き合わせ面に、撚り線１０を配置する配線溝２０を形成してもよい。配線溝２０は、上下ハーフ４ａ，４ｂの一方又は両方の側壁に沿って突き合わせ面の全周又は一部に形成されている。
　配線溝２０は、撚り線１０を筐体４の内部に引き出す第１の引出凹部２０ａを形成してもよい。撚り線１０は、第１の引出凹部２０ａより引き出されて、例えば筐体４内に設けられた外部接続端子１３ａ，１３ｂに接続され、あるいは、後述する保護素子２３，２４において筐体４内に設けられる発熱体２８に接続される。また、配線溝２０は、筐体４内に液体が浸入すると、第１の引出凹部２０ａを介して液体が流入、貯留するため、撚り線１０を構成する導線１１Ａ，１１Ｂを被覆している液溶解性材料３ａが溶解し、導線１１Ａ，１１Ｂが電気的に接続される。
　また、配線溝２０は、図２０（Ｂ）に示すように、撚り線１０を筐体の外部に引き出すとともに、液体の導入口ともなる第２の引出凹部２０ｂを形成してもよい。図２１に示すように、撚り線１０は、第２の引出凹部２０ｂより引き出され、外部回路の接続端子と接続される。また、配線溝２０は、水濡れ状態になると第２の引出凹部２０ｂを介して液体が流入、貯留するため、撚り線１０を構成する導線１１Ａ，１１Ｂを被覆している液溶解性材料３ａが溶解し、導線１１Ａ，１１Ｂが電気的に接続される。
　なお、スイッチ素子１は、筐体４として、スイッチ素子１が用いられるパソコン、スマートフォン、タブレット端末、バッテリパック等の各種電子機器の筐体を用いてもよい。この場合も、スイッチ素子１は、図２２（Ａ）に示すように、上下ハーフ４ａ，４ｂの一方又は両方の側壁の突き合わせ面に、撚り線１０を配置する配線溝２０を形成してもよい。このとき、図２２（Ｂ）に示すように、配線溝２０は、撚り線１０を筐体４の内部に引き出す第１の引出凹部２０ａのみが形成されていれば足りる。
　撚り線１０を構成する導線１１Ａ，１１Ｂは、筐体４内に設けられた保護回路等の外部回路２２と接続され、常態において、当該外部回路２２を遮断させている。そして、水没等により筐体４内に水が浸入するとともに、第１の引出凹部２０ａより配線溝２０内にも浸入すると、導線１１Ａ，１１Ｂを被覆している液溶解性材料３ａが溶解し、導線１１Ａ，１１Ｂが電気的に接続され、外部回路２２が作動し、保護動作を開始する。このとき、配線溝２０の位置を筐体４の下方に形成する等、調整することにより、配線溝２０に浸入する水の浸入量、すなわち外部回路２２の動作を開始する水の浸入量を調整することができる。
　［回路構成］
　図２３に、スイッチ素子１の回路構成を示す。すなわち、スイッチ素子１は、導電体２が外部回路２２の一方の開放端２２ａ及び他方の開放端２２ｂと接続されるとともに、液溶解性材料３ａからなる反応部３によって外部回路２２を開放させている（図２３（Ａ））。そして、スイッチ素子１は、水濡れ状態において筐体４内に液体が浸入すると、反応部３の液溶解性材料３ａが溶解し、導電体２が導通されることにより外部回路２２の各開放端２２ａ，２２ｂを導通させる（図２３（Ｂ））。
　したがって、例えば外部回路２２として、警報を出力する警報回路、バッテリの充放電経路を遮断する保護回路、あるいはバックアップ回路を接続することにより、水濡れや電池からの液漏れ等の異常に対し、これら外部回路を作動させることができる。
　［保護回路］
　図２４（Ａ）（Ｂ）は、スイッチ素子１と、水濡れ状態等の異常時に外部回路を遮断する保護素子２３，２４とを接続した回路構成を示す図である。図２４（Ａ）に示すように、保護素子２３は、外部回路の一方の開放端と接続される第１の電極２５と、外部回路の他方の開放端と接続される第２の電極２６と、第１、第２の電極２５，２６間にわたって搭載され、第１、第２の電極２５，２６間を電気的に接続するヒューズエレメント２７と、通電することにより発熱し、ヒューズエレメント２７を溶断する発熱体２８とを備える。
　保護素子２３は、第１、第２の電極２５，２６が常態においてヒューズエレメント２７を介して電気的に接続されることにより、外部回路を通電させている。発熱体２８は、一端を図示しない電源と接続され、他端をスイッチ素子１の導電体２と接続されることにより通電が制御され、常態においては導電体２が絶縁されることにより通電が規制されている。
　保護素子２３は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時において、液体がスイッチ素子１の筐体４内に浸入し、反応部３の液溶解性材料３ａが溶解することにより導電体２が通電すると、発熱体２８が通電し、発熱される。これにより、保護素子２３は、第１、第２の電極２５，２６間においてヒューズエレメント２７が溶断することにより、外部回路を遮断することができる。
　発熱体２８は、例えばタイマーによってヒューズエレメント２７を溶断させるのに十分な時間が経過した後、通電が停止される。あるいは、外部回路の遮断を検知するセンサーを設け、外部回路の遮断を検知した後、発熱体２８への通電を停止してもよい。
　図２４（Ｂ）は、発熱体２８をヒューズエレメント２７と電気的に接続し、外部回路の電流経路を用いて発熱体２８へ通電させる保護素子２４の回路構成を示す図である。保護素子２４は、第１、第２の電極２５，２６が常態においてヒューズエレメント２７を介して電気的に接続されることにより、外部回路を通電させている。発熱体２８は、一端が発熱体引出電極を介してヒューズエレメント２７と接続され、他端が発熱体給電電極２９を介してスイッチ素子１の導電体２と接続されることにより通電が制御され、常態においては導電体２が絶縁されることにより通電が規制されている。
　保護素子２４は、水濡れや電池からの液漏れ等の異常時において、液体がスイッチ素子１の筐体４内に浸入し、反応部３の液溶解性材料３ａが溶解することにより導電体２が通電すると、発熱体２８が通電し、発熱される。これにより、保護素子２４は、第１、第２の電極２５，２６間においてヒューズエレメント２７が溶断することにより、外部回路を遮断することができる。
　発熱体２８は、ヒューズエレメント２７が溶断することにより通電経路が遮断されるため、発熱が停止される。
　［保護素子の使用方法］
　次いで、これら保護素子２３，２４の使用例について説明する。なお、以下では保護素子２４について説明するが、保護素子２３についても同様である。保護素子２４は、図２５に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック３０は、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１～３４からなるバッテリスタック３５を有する。
　バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、保護素子２４の動作を制御するスイッチ素子１とを備える。
　バッテリスタック３５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１～３４が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０は、正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。
　充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１，４２と、これらの電流制御素子４１，４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１，４２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１，４２の動作を制御する。
　保護素子２４は、たとえば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作がスイッチ素子１によって制御される。
　検出回路３６は、各バッテリセル３１～３４と接続され、各バッテリセル３１～３４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路４０の制御部４３に供給する。制御部４３は、いずれか１つのバッテリセル３１～３４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子４１，４２を制御する制御信号を出力する。
　以上のような構成からなるバッテリパック３０において、保護素子２４は、第１、第２の電極２５，２６間にわたって直列接続されたヒューズエレメント２７と、ヒューズエレメント２７の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント２７を溶融する発熱体２８とからなる回路構成である。また、保護素子２４では、たとえば、ヒューズエレメント２７が第１、第２の電極２５，２６を介してバッテリパック３０の充放電電流経路上に直列接続され、発熱体２８の一端がヒューズエレメント２７との接続点と接続され、発熱体２８の他端がスイッチ素子１の導電体２と接続される。保護素子２４の第１の電極２５はバッテリスタック３５の一方の開放端側に接続され、第２の電極２６はバッテリパック３０の正極端子３０ａ側に接続される。
　［溶断工程］
　このような回路構成からなる保護素子２４は、水濡れや電池からの液漏れ等バッテリパック３０の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、筐体４内に液体が浸入されたスイッチ素子１によって発熱体２８が通電、発熱される。そして、保護素子２４は、発熱体２８の発熱により、バッテリパック３０の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント２７が溶断される。これにより、保護素子２４は、確実に第１の電極２５～第２の電極２６の間を溶断させ、バッテリパック３０の電流経路を遮断することができる。また、ヒューズエレメント２７が溶断することにより、発熱体２８への給電も停止される。
　このように、スイッチ素子１は、水濡れや電池からの液漏れ等に応じて保護素子２４の発熱体２８を通電する制御素子として機能する。したがって、発熱体２８への通電を制御するＦＥＴ等の制御素子が不要となる。
　なお、保護素子２３，２４は、外部に設けたスイッチ素子１と接続する以外にも、図２６（Ａ）（Ｂ）に示すように、スイッチ素子１を内蔵してもよい。また、保護素子２３，２４は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。
１　スイッチ素子、２　導電体、３　反応部、３ａ　液溶解性材料、４　筐体、５　導入口、６　排出口、７　導入溝、９　水溶性封止材、１０　撚り線、１１　導線、１２　スポンジメタル、１３　外部接続端子、１４　導電性粒子、１５　凝集体、１６　撥水処理部、１７　外部導体、１７ａ　開口部、１７ｂ　絶縁コート層、１８　内部導体、１８ａ　絶縁コート層、１９　絶縁フィルム、２０　配線溝、２０ａ　第１の引出凹部、２０ｂ　第２の引出凹部、２３　保護素子、２４　保護素子、２５　第１の電極、２６　第２の電極、２７　ヒューズエレメント、２８　発熱体、２９　発熱体給電電極、３０　バッテリパック、３１～３４　バッテリセル、３５　バッテリスタック、３６　検出回路、４０　充放電制御回路、４１　電流制御素子、４２　電流制御素子、４３　制御部、４５　充電装置

Claims (18)

  1. 　外部回路に接続される導電体と、
    　上記導電体と上記外部回路とを開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより上記導電体と上記外部回路とを導通させる液溶解性材料を備えた反応部とを有するスイッチ素子。
  2. 　上記導電体は、それぞれ上記外部回路の開放端と接続されるとともに上記液溶解性材料によって被覆されることにより互いに絶縁された少なくとも２つの導電体であり、
    　上記液溶解性材料が溶解することにより、上記２つの導電体が接続される請求項１記載のスイッチ素子。
  3. 　上記導電体は、上記外部回路の開放端、又は上記外部回路の開放端と接続された電極端子上に、上記液溶解性材料を介して接続され、
    　上記液溶解性材料が溶解することにより、上記外部回路の開放端と接続される請求項１記載のスイッチ素子。
  4. 　上記導電体は、上記液溶解性材料によって被覆された複数の導電性粒子である請求項３記載のスイッチ素子。
  5. 　上記導電体は、それぞれ上記外部回路の開放端、又は上記外部回路の開放端と接続された、筒状の外部導体及び上記外部導体の内部に設けられた内部導体とからなり、
    　上記外部導体と上記内部導体との間に上記液溶解性材料が介在されている請求項１記載のスイッチ素子。
  6. 　筐体を有し、
    　上記筐体には、上記反応部に液体を導く導入口が設けられている請求項１～５の何れか１項に記載のスイッチ素子。
  7. 　上記筐体は多面体からなり、一又は複数の面に、一又は複数の上記導入口が設けられている請求項６記載のスイッチ素子。
  8. 　上記筐体は円筒状に形成され、側面に一又は複数の上記導入口が形成されている請求項６記載のスイッチ素子。
  9. 　上記筐体には、流入した上記液体を排出する排出口が設けられている請求項６に記載のスイッチ素子。
  10. 　上記排出口は、上記反応部が設けられた位置と同じ高さ、又は上記反応部が設けられた位置よりも上方に設けられている請求項９記載のスイッチ素子。
  11. 　上記導入口は、上記反応部へ上記液体を導く導入溝が設けられている請求項６に記載のスイッチ素子。
  12. 　上記導入溝は、上記導入口の開口部から内部にかけて漸次狭小化されている請求項１１記載のスイッチ素子。
  13. 　上記筐体は、上記導入口に撥水処理が施されている請求項６に記載のスイッチ素子。
  14. 　上記筐体は、上記導入溝に撥水処理が施されている請求項１１に記載のスイッチ素子。
  15. 　上記導入口は、上記液体で溶解する水溶性材料で閉塞されている請求項６に記載のスイッチ素子。
  16. 　上記導入溝は、上記液体で溶解する水溶性材料が配置されている請求項１１に記載のスイッチ素子。
  17. 　第１、第２の電極と、
    　発熱体と、
    　上記第１、第２の電極間にわたって接続され、上記発熱体の発熱により溶断する可溶導体と、
    　上記発熱体の給電経路上に設けられたスイッチ部とを有し、
    　上記スイッチ部は、上記発熱体の電源回路に接続される導電体と、上記導電体と上記電源回路とを開放させ、素子内部に浸入した液体と接触すると溶解することにより上記導電体と上記電源回路とを導通させる液溶解性材料を備えた反応部とを有する保護素子。
  18. 　上記発熱体及び上記可溶導体と接続された発熱体引出電極を有し、
    　上記可溶導体は、上記発熱体の上記給電経路を構成する請求項１７記載の保護素子。
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