ＰＴＣ素子および電池保護システム
【課題】電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できると共に、クラッド板を用いることなく、電極板と端子板とを容易に接続でき、素子本来の機能を有効に発揮することができるＰＴＣ素子を提供すること。
【解決手段】所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体４と、前記素子本体４の表裏面に接合された一対の第１電極板１０および第２電極板１２と、を有するＰＴＣ素子２であって、前記第１電極板１０における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜１４が形成してある。
【解決手段】所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体４と、前記素子本体４の表裏面に接合された一対の第１電極板１０および第２電極板１２と、を有するＰＴＣ素子２であって、前記第１電極板１０における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜１４が形成してある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池や電子回路を過電流から保護すること等を目的として使用されるＰＴＣ素子と、そのＰＴＣ素子を有する電池保護システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子は、所定の温度領域において、素子の温度が上昇すると、素子の抵抗値が増加する特性を有する。特に、ＰＴＣ素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗が急激に増加する。このような性質はＰＴＣ特性と呼ばれる。
【０００３】
ＰＴＣ素子は、電子機器等の電気回路に組み込まれる。電子機器の使用中に、何らかの理由によって回路に過剰電流が流れた場合、電子機器の温度が上昇し、それに伴いＰＴＣ素子自体の温度も上昇する。そして、ＰＴＣ素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗値が急激に増加する。その結果、電気回路において、ＰＴＣ素子が過剰電流を遮断する。よって、電気機器が過剰電流によって故障することを未然に防止できる。
【０００４】
このように、ＰＴＣ素子は、過熱、過剰電流に対する安全保護装置として使用される。具体的には、ＰＴＣ素子は、携帯電話の電源である２次電池を過電流から保護するための回路（保護回路）に組み込まれたりする。２次電池の充電中または放電中に過剰電流が流れた場合、ＰＴＣ素子は電流を遮断して２次電池を保護する。
【０００５】
このようなＰＴＣ素子の一例としては、ポリマー材料（結晶性重合体）に導電性粒子を分散させた素子本体（重合体正温度係数抵抗体）を、電極板（あるいは金属箔）で挟んだ構造を有するポリマーＰＴＣ素子が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
ポリマーＰＴＣ素子は、従来、以下のような方法によって製造される。まず、金属粒子、カーボンブラック等の導電性フィラーを含む高分子（高密度ポリエチレン等）を押出成形し、素子本体を形成する。次に、素子本体の表裏面に、電極板を熱圧着することによって、ポリマーＰＴＣ素子が完成する。
【０００７】
このポリマーＰＴＣ素子を所定の保護回路に組み込む際は、通常、その電極板と、電池用電極端子との間に、クラッド板を介して、接合する。この接合は、ハンダ付け、溶接等により実施される。
【０００８】
クラッド板とは、異種金属同士を接合したものであり、上記の場合においては、素子の電極板を構成するニッケルまたはニッケル合金と、端子板を構成するアルミニウム材とを接合したものである。このようなクラッド板を用いると、クラッド板と、素子の電極板および電池用電極端子との接合が、同種の金属同士で実施できるため、接合が容易となる。
【０００９】
しかしながら、ハンダ付け、溶接等を行う場合、クラッド板、素子の電極板および電池用電極端子の少なくとも一部分を高温に加熱する必要がある。ポリマーＰＴＣ素子の電極板（あるいは金属箔）は非常に薄いため、ハンダ付け、溶接の際に素子の電極板へ加わる熱が、直ちに素子本体に伝導する。その結果、素子本体が高温となり、熱劣化（軟化または溶融）することがある。素子本体が軟化または溶融すると、ポリマー中の導電性粒子の分散性が局所的に不均一となる。このような熱履歴を経たポリマーＰＴＣ素子においては、室温での抵抗値（室温抵抗値）がこの熱履歴前に比べて大きく増大してしまう。
【００１０】
さらには、このようなポリマーＰＴＣ素子に対して、温度の上昇、下降を繰り返すと、ポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値がますます高くなってしまう。このように室温抵抗値の高くなったポリマーＰＴＣ素子においては、消費電力が増加してしまう。
【００１１】
このように、素子の電極板と電池用電極端子とを接合する際の加熱に起因するポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値の増大は、携帯電話などの小型機器に搭載する場合に、電池の短寿命化などの問題につながる。
【００１２】
また、素子の電極板と電池用電極端子とを接合するためにクラッド板を介しているため、回路全体として、薄型化や軽量化を実現するのが困難であった。
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３４９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できると共に、クラッド板を用いることなく、電極板と端子板とを容易に接続でき、素子本来の機能を有効に発揮することができるＰＴＣ素子を提供することである。また、本発明の別の目的は、保護回路全体として薄型化および軽量化を実現することができる電池保護システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係るＰＴＣ素子は、
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記第１電極板における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜が形成してあることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである。
【００１６】
本発明に係るＰＴＣ素子では、第１電極板に対して、アルミニウムを含む第１端子接合膜が直接形成してある。このようにすることで、第１電極板にクラッド板を接合することなく、スポット溶接等を用いて、第１電極板と、他の電極端子（たとえば、２次電池用端子）とを容易に接続することができる。
【００１７】
クラッド板を用いることなく、ＰＴＣ素子の第１端子接合膜が形成された電極板と、２次電池等の電極端子と容易に接合することができるため、保護回路全体の薄型化および軽量化を実現することができる。
【００１８】
第１端子接合膜の形成方法は、特に制限されず、たとえば、種々の薄膜形成法を用いることができる。具体的には、スパッタによる蒸着、プラズマによる溶射、超音波による接合等を用いることができる。
【００１９】
好ましくは、前記第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片と一体に成形される第１端子接合片と、を有し、
前記第１端子接合片の表面に前記第１端子接合膜が形成してある。
【００２０】
第１端子接合膜が、第１端子接合片に形成されており、第１端子接合膜と素子本体とが離れているため、第１電極板と、電極端子との接合において、スポット溶接等により発生した熱が、素子本体に伝導しにくい。そのため、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００２１】
その結果、本発明に係るＰＴＣ素子では、高感度を維持でき、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して電子機器を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００２２】
さらに、使用時においてＰＴＣ素子全体に熱が掛かると、第１端子接合片を構成する金属（ニッケルまたはニッケル合金）と、第１端子接合膜を構成する金属（アルミニウムを含む金属）と、が異なるため、熱膨張の差による歪みを生じることがある。このような場合であっても、第１端子接合膜は、第１素子接合片に形成されていないため、上記の歪みに起因する第１電極板と素子本体との剥離を有効に防止することができる。
【００２３】
好ましくは、前記第１端子接合膜の厚みが、３〜１００μｍ、より好ましくは５〜５０μｍである。第１端子接合膜の厚みが薄すぎると、スパッタ等の薄膜形成が困難となり、さらにスポット溶接等も困難となるおそれがある。また、第１端子接合膜の厚みが厚すぎると、上記の薄膜形成を効率的に行うことが困難となる傾向にある。
【００２４】
好ましくは、前記第１素子接合片の素子接合面が、前記素子本体の表面に直接接触し、前記素子接合面には素子接合用凹凸部が形成されており、
前記第１端子接合膜が形成される前記第１電極板の表面には膜接合用凹凸部が形成されている。
【００２５】
素子接合面に凹凸を形成することで、第１電極板と素子本体との接合強度が向上し、第１端子接合膜が形成される面に凹凸を形成することで、第１電極板と第１端子接合膜との接合強度が向上する。また、第１素子接合片の素子接合面が素子本体の表面に直接に接触することで、ロウ付けなどの作業が不要になり、製造コストの低減を図ることもできる。
【００２６】
好ましくは、前記素子接合用凹凸部と、前記膜接合用凹凸部とが、前記第１電極板の片面に同時に形成してある。素子接合用凹凸部と、膜接合用凹凸部とが、第１電極板の片面に形成されることで、凹凸部を形成する処理を効率的に行うことができる。
【００２７】
好ましくは、前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある。保護膜は、酸素バリア性を有することが好ましい。保護膜を構成することで、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２８】
本発明では、前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してあっても良い。
【００２９】
本発明に係る電池保護システムは、
上記のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される電池と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される保護回路と、を有する。
【００３０】
本発明に係る電池保護システムでは、クラッド板を用いていないため、保護システム全体として薄型化および軽量化を実現をできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図２は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図、
図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
【００３２】
まず、本発明に係るＰＴＣ素子の一実施形態として、携帯電話の電源として用いられる２次電池セルを保護するためのポリマーＰＴＣ素子について説明する。
【００３３】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である２次電池セル３２と、その２次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０によっても制御しきれない過電流が２次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と２次電池セル３２との間の電流を遮断して２次電池セル３２を保護する。
以下では、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３４】
図１および図２に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する導電性ポリマーで構成してある素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向する第１面６および第２面８）を有する。第１面６および第２面８には、それぞれ第１電極板１０と、第２電極板１２とが接合されている。その結果、素子本体４は、第１電極板１０と第２電極板１２との間に挟まれるように配置される。
【００３５】
第１電極板１０の外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜１４が厚みｔ０で形成してある。好ましくは、厚みｔ０は、３〜１００μｍ、より好ましくは、５〜５０μｍ、さらに好ましくは、１０〜５０μｍである。第１端子接合膜１４の形成方法は、特に制限されないが、本実施形態では、第１端子接合膜１４は、スパッタ法により形成される。
【００３６】
第１端子接合膜１４は、アルミニウムを含む金属で構成されているため、スポット溶接等によりアルミニウム材で構成される電極端子３４との接続を容易に行うことができる。また、クラッド板を用いることなく、素子本体の電極板と電池の電極端子とを接続できるため、システム全体として薄型化および軽量化を実現することができる。
【００３７】
本実施形態では、第１電極板１０は、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、この第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してある第１端子接合片１０ｂとを有している。
【００３８】
図２に示すように、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａよりも幅が狭く形成されている。第１素子接合片１０ａの幅をＷ２、第１端子接合片１０ｂの幅をＷ１とすると、好ましくは、Ｗ１／Ｗ２＝０．５〜１．０、さらに好ましくは、０．７６〜１．０である。
【００３９】
第１端子接合膜１４は、第１素子接合片１０ａに形成されていてもよいが、第１端子接合片１０ｂのみに形成されていることが好ましく、しかも、第１端子接合片１０ｂの先端側に形成されていることが好ましい。第１端子接合膜１４の幅をＷ０としたときに、さらに好ましくは、Ｗ０／Ｗ１＝０．５〜１．０、特に好ましくは、０．５６〜１．０である。また、第１端子接合膜１４の長さをＬ０とし、第１端子接合片１０ｂの長さをＬ１としたときに、さらに好ましくは、Ｌ０／Ｌ１が、０．４１〜１．０、特に好ましくは、０．５９〜１．０である。
【００４０】
また、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃが素子本体４の第１面６に直接に接触しており、素子接合面１０ｃには凹凸が形成してある。また、第１端子接合片１０ｂにおける第１端子接合膜１４との端子接合面１０ｄは、素子接合面１０ｃよりも平坦面にしてある。
【００４１】
素子接合面１０ｃに形成してある凹凸は、素子本体４との熱圧着を強固にするためのものであり、その形成方法は、特に限定されないが、たとえばメッキ膜形成による粗面化処理が好ましい。メッキ膜形成による粗面化処理により、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃには、節瘤状の突起が多数形成できる。この節瘤状の突起は、凹凸差が５〜１５μｍ程度で頭部に対して中間部または基部がくびれている凸部であり、素子本体４と素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００４２】
なお、素子接合面１０ｃに形成してある凹凸の形成方法としては、メッキ膜形成による粗面化処理以外に、酸による表面処理、エッチング処理、ブラスト処理、切削などの機械加工による粗面化処理、その他の処理が例示される。第１電極板１０における端子接合面１０ｄは、第１電極板１０の片面全面に対して凹凸を形成した後に、プレス加工などにより平坦化処理することにより形成しても良い。あるいは、素子接合面１０ｃ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｃのみに凹凸を形成しても良い。
【００４３】
第１端子接合膜１４が形成された第１端子接合片１０ｂは、図１に示す電極端子に対してスポット溶接され、電極端子は、電池に対して電気的に接続される。
【００４４】
第２電極板１２は、特に限定されないが、本実施形態では、第２電極板１２は、図２に示すような第１電極板と同一の形状であり、第２素子接合片１２ａと、第２端子接合片１２ｂと、を有している。また、第２電極板１２は、第１電極板１０と同様にニッケルまたはニッケル合金で構成してあり、第２端子接合片１２ｂには、端子板１６が接続してある。端子板１６の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４５】
また、第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃには、素子接合面１０ｃと同様な凹凸が形成してあり、素子本体の第２面８と直接接触している。
【００４６】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃ以外の表面１２ｄには、素子接合面１２ｃに形成してある凹凸が形成されず、平坦面となっていることが好ましい。第２電極板１２において素子接合面１２ｃに凹凸を形成するための方法と、素子接合面１２ｃ以外の表面１２ｄを平坦化する方法は、第１電極板１０において部分的に凹凸面を形成するための方法と同様である。
【００４７】
図１に示すように、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない側面には、必要に応じて保護膜３が形成されている。保護膜３を形成することで、大気中の酸素による素子本体４の酸化を抑制し、素子本体４の劣化を防止することができる。保護膜３の種類としては、酸素を遮蔽する機能を有するものであれば特に限定されないが、エポキシ樹脂、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等が例示される。
【００４８】
素子本体４の形状は、特に限定されず、直方体型、円柱型等が例示される。素子本体４の形状が直方体の場合、素子本体４の寸法は、縦３〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍ×厚さ０．５〜１．０ｍｍ程度である。
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
【００４９】
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
（１）素子本体４
素子本体４は、通常、主成分である重合体（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の高分子化合物）および導電性粒子を含む樹脂組成物（導電性ポリマー）から構成される。なお、素子本体４は、重合体として、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００５０】
まず、高分子化合物（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）、導電性粒子（金属粉、カーボンブラック等）、低分子有機化合物および、高分子化合物同士を架橋反応させるための反応開始剤等を秤量、混練し、ＰＴＣ組成物を調整する。混練の方法としては、特に限定されないが、ニーダ、押出機、ミル等が例示される。また、ＰＴＣ組成物に含有させる導電性粒子としては、ふるい機等によって所定の粒径をもつ導電性粒子のみを分級し、これを用いる。次に、このＰＴＣ組成物を成形し、素子本体４（図１）を得る。
【００５１】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。好ましくは、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子が、十分な抵抗変化量及び耐熱性を有することができる。熱硬化性樹脂の分子量は、通常、重量平均分子量Ｍｗが３００〜１００００程度である。上記の熱硬化性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱硬化性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００５２】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、好ましくは、結晶性ポリマーをを用いる。熱可塑性樹脂の融点は、特に限定されないが、好ましくは、７０〜２００℃程度である。融点がこの範囲にある樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子動作時における熱可塑性樹脂の融解、流動、素子本体の変形を防止することができる。
【００５３】
具体的な熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニルコポリマ−等のコポリマ−、ポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド等のハロゲン化ビニルおよびビニリデンポリマ−、１２−ナイロン等のポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマ−、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタ−ル、熱可塑性変性セルロ−ス、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられる。
【００５４】
熱可塑性樹脂の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、好ましくは、１００００〜５００００００である。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱可塑性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００５５】
素子本体４に含まれる導電性粒子としては、特に限定されないが、金属粉、カーボンブラック等が例示される。好ましくは、導電性粒子として金属粉を用いる。この金属粉としては、好ましくは、ニッケルを主成分とするものを用いる。金属粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．５〜４．０μｍ程度である。
【００５６】
素子本体４において、樹脂組成物中の導電性粒子の含有量は、樹脂組成物全体に対して、好ましくは、２０〜８０質量％である。導電性粒子の含有量をこの範囲内とすることによって、非動作時の室温抵抗値を十分に低くすることができ、また、大きな抵抗変化量を得ることができる。さらには、素子抵抗のバラツキを十分に減少させることができる。
【００５７】
素子本体４を構成する樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および導電性粒子以外に、例えば、ワックス、油脂、脂肪酸、高級アルコ−ル等の低分子有機化合物を更に含んでもよい。その結果、素子本体４の温度上昇に伴う抵抗変化量を増大させることができる。
【００５８】
素子本体４は、内部に空隙を有し、この空隙に上記樹脂組成物を充填することが可能な基材を含んでもよい。このような基材としては、上記の役割を果たすことが可能なものであれば特に制限されず、織布、不織布、連続多孔質体等が例示される。
【００５９】
素子本体４には、必要に応じて、電子線照射を行う。この電子線照射によって、反応開始剤が機能し、高分子同士の架橋反応が促進される。架橋反応のエネルギー源としては、電子線に限定されず、ガンマ線、紫外線、熱等も用いられる。照射する電子線の加速電圧及び電子線照射量は、素子本体４に含まれる高分子化合物の種類、あるいは素子本体の寸法等に応じて、適宜調整すればよい。なお、電子線照射は、電極板１０および１２の接合後であっても良い。
【００６０】
（２）第１金属板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着
第１金属板１０および第２金属板１２は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板を打ち抜き成型して形成される。第１金属板１０における素子接合面１０ｃと、第２金属板１２における素子接合面１２ｃには、前述した方法により、素子本体４との熱圧着を強固にするための凹凸が形成してある。
【００６１】
次に、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）それぞれに、第１電極板１０および第２電極板１２を、熱プレス機等により、熱圧着する。熱圧着時の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜１８０°Ｃ程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは１×１０６〜３×１０６Ｐａ程度である。
【００６２】
なお、熱圧着時には、圧力により素子本体４が厚み方向に多少潰れて、電極板１０および１２の側方に多少はみ出すこともあるが、不要部分は、容易に除去することができる。
【００６３】
（３）第１端子接合膜１４の形成
次に、あるいは、その前後に、第１端子接合片１０ｂに、アルミニウムからなる第１端子接合膜１４を、スパッタ法により形成する。条件は、バックグラウンド真空度：１Ｅ−３Ｐａ、プロセスガス：Ａｒ、スパッタ中ガス圧：０．５〜２Ｐａ、ＤＣスパッタ、電圧３００〜８００Ｖである。
【００６４】
（４）保護膜３の形成
次に、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない露出側面に、必要に応じて保護膜３を形成する。保護膜３の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
このようにして、図２に示すように、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２が完成する。
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法
【００６５】
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２を、図１に示すように接続するために、たとえば、まず、素子２における第１電極板の第１端子接合片１０ｂに形成された第１端子接合膜１４と、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接する。素子２と２次電池セル３２との間に隙間が形成される場合には、スペーサ３６などを、素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００６６】
次に、あるいは、その前後に、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１６をスポット溶接により接合する。
【００６７】
本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１端子接合膜１４は、第１端子接合片１０ｂに形成されている。この第１端子接合片１０ｂは、素子本体４と直接接触する部分を有していない。したがって、第１電極板１０と、２次電池セル３２の電極端子３４とを、スポット溶接等で接合する際に生じる熱は、素子本体４にまで伝わりにくく、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００６８】
素子本体４の熱劣化を防止することができるため、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２は高感度を維持できる。さらに、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して２次電池セル３２を保護すると言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００６９】
また、第１端子接合膜１４が、第１素子接合片１０ａに形成されていないため、異種金属同士が接合された第１端子接合膜１４と第１端子接合片１０ｂとが、熱による歪みを生じたとしても、その影響により第１電極板１０と素子本体４とが剥離することはない。
【００７０】
さらに、本実施形態では、クラッド板を介することなく、ＰＴＣ素子の電極板と電池セルの電極端子とを接合することができるため、回路全体としての薄型化、軽量化等の要求にも応えることが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２と、保護回路３０と、２次電池セル３２とを有する電池保護システムでは、過剰な電流が流れた場合や、衝撃や圧力が作用したとしても、電池を有効に保護することができる。
【００７２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００７３】
たとえば、図３では、本発明に係るＰＴＣ素子の第１電極板１０の片面が全面的に粗面化されている構成となっている。このような構成とすることで、素子接合面１０ｃと素子本体４との熱圧着強度を向上させるだけでなく、第１端子接合面１０ｄが粗面化されているため、第１端子接合膜１４を形成した際の接合強度をも向上させることができる。しかも、第１電極板１０の片面のみを全体的に粗面化処理すればよいため、効率よく処理することができる。
【００７４】
また、図４では、本発明に係るＰＴＣ素子本体４の表裏面には、ニッケルなどの金属箔６０が積層してあり、各金属箔６０に対して、第１金属板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６２を介して接合してあっても良い。金属箔６０は、ニッケルなどの金属または合金で構成してあり、シート状の素子本体４の両面に金属箔を熱プレスした後に、これを所定の寸法に打ち抜くことによって、素子本体４と一体化することができる。金属箔６０の厚みは、電極板１０および１２の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍである。
【００７５】
さらに、第２電極板を図４のような構成とすることで、端子板とのスポット溶接等による接合時に生じる熱が素子本体４に伝わりにくくすることができる。また、第２電極板１２が折り曲げられて配置されていることで、落下などにより、第２電極板１２と端子板１６との間の接合部に衝撃が加わったとしても、第２電極板１２における折曲部１２ｅが衝撃を有効に吸収する。そのため、第２電極板１２と端子板１６との間の接合部が外れることはない。なお、第２電極板１２の折曲部１２ｅは、断面略Ｕ字状、断面略Ｖ字状、断面略コ字状等の形状を有している。
【００７６】
また、２次電池セル３２の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子２に対して圧力が作用したとしても、第２電極板１２における折曲部１２ｅが圧力による変位を有効に吸収し、素子本体４に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００７７】
さらには、第１電極板１０が、第１端子接合片１０ｂを有していない構成であってもよい。すなわち、第１素子接合片１０ａのみに第１端子接合膜１４が形成されていてもよい。
【００７８】
これらの実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２の過電流保護素子としてのみならず、自己制御型発熱体、温度センサー、限流素子、過電流保護素子等としても使用されることが可能である。
【００８０】
また、本発明では、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法は、特に限定されない。たとえば上述した実施形態のように、素子本体４、第１電極板１０、第２電極板１２を、それぞれ単独の状態で互いに接合することなく、以下のようにしてポリマーＰＴＣ素子２を製造しても良い。すなわち、切断後に素子本体４を構成するシート状素子本体と、切断後に第１電極板１０および第２電極板１２をそれぞれ構成することになる一対のシート状電極とを、熱圧着した後に、不要部分をプレスで打ち抜くことによって個別のポリマーＰＴＣ素子２を形成しても良い。その場合には、ポリマーＰＴＣ素子２を構成する部品の集合体同士を、一度に接合することによって、ポリマーＰＴＣ素子２の製造工程の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図２】図２は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図である。
【図３】図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１０ａ… 第１素子接合片
１０ｂ… 第１端子接合片
１０ｃ… 素子接合面
１０ｄ… 端子接合面
１２… 第２電極板
１２ａ… 第２素子接合片
１２ｂ… 第２端子接合片
１２ｃ… 素子接合面
１２ｄ… 素子接合面１２ｃ以外の表面
１２ｅ… 折曲部
１４… 第１端子接合膜
１６… 端子板
３０… 保護回路
３２… ２次電池セル
３４… ２次電池用電極端子
６０… 金属箔
６２… ハンダ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池や電子回路を過電流から保護すること等を目的として使用されるＰＴＣ素子と、そのＰＴＣ素子を有する電池保護システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子は、所定の温度領域において、素子の温度が上昇すると、素子の抵抗値が増加する特性を有する。特に、ＰＴＣ素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗が急激に増加する。このような性質はＰＴＣ特性と呼ばれる。
【０００３】
ＰＴＣ素子は、電子機器等の電気回路に組み込まれる。電子機器の使用中に、何らかの理由によって回路に過剰電流が流れた場合、電子機器の温度が上昇し、それに伴いＰＴＣ素子自体の温度も上昇する。そして、ＰＴＣ素子の温度がポリマーの融解温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗値が急激に増加する。その結果、電気回路において、ＰＴＣ素子が過剰電流を遮断する。よって、電気機器が過剰電流によって故障することを未然に防止できる。
【０００４】
このように、ＰＴＣ素子は、過熱、過剰電流に対する安全保護装置として使用される。具体的には、ＰＴＣ素子は、携帯電話の電源である２次電池を過電流から保護するための回路（保護回路）に組み込まれたりする。２次電池の充電中または放電中に過剰電流が流れた場合、ＰＴＣ素子は電流を遮断して２次電池を保護する。
【０００５】
このようなＰＴＣ素子の一例としては、ポリマー材料（結晶性重合体）に導電性粒子を分散させた素子本体（重合体正温度係数抵抗体）を、電極板（あるいは金属箔）で挟んだ構造を有するポリマーＰＴＣ素子が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
ポリマーＰＴＣ素子は、従来、以下のような方法によって製造される。まず、金属粒子、カーボンブラック等の導電性フィラーを含む高分子（高密度ポリエチレン等）を押出成形し、素子本体を形成する。次に、素子本体の表裏面に、電極板を熱圧着することによって、ポリマーＰＴＣ素子が完成する。
【０００７】
このポリマーＰＴＣ素子を所定の保護回路に組み込む際は、通常、その電極板と、電池用電極端子との間に、クラッド板を介して、接合する。この接合は、ハンダ付け、溶接等により実施される。
【０００８】
クラッド板とは、異種金属同士を接合したものであり、上記の場合においては、素子の電極板を構成するニッケルまたはニッケル合金と、端子板を構成するアルミニウム材とを接合したものである。このようなクラッド板を用いると、クラッド板と、素子の電極板および電池用電極端子との接合が、同種の金属同士で実施できるため、接合が容易となる。
【０００９】
しかしながら、ハンダ付け、溶接等を行う場合、クラッド板、素子の電極板および電池用電極端子の少なくとも一部分を高温に加熱する必要がある。ポリマーＰＴＣ素子の電極板（あるいは金属箔）は非常に薄いため、ハンダ付け、溶接の際に素子の電極板へ加わる熱が、直ちに素子本体に伝導する。その結果、素子本体が高温となり、熱劣化（軟化または溶融）することがある。素子本体が軟化または溶融すると、ポリマー中の導電性粒子の分散性が局所的に不均一となる。このような熱履歴を経たポリマーＰＴＣ素子においては、室温での抵抗値（室温抵抗値）がこの熱履歴前に比べて大きく増大してしまう。
【００１０】
さらには、このようなポリマーＰＴＣ素子に対して、温度の上昇、下降を繰り返すと、ポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値がますます高くなってしまう。このように室温抵抗値の高くなったポリマーＰＴＣ素子においては、消費電力が増加してしまう。
【００１１】
このように、素子の電極板と電池用電極端子とを接合する際の加熱に起因するポリマーＰＴＣ素子の室温抵抗値の増大は、携帯電話などの小型機器に搭載する場合に、電池の短寿命化などの問題につながる。
【００１２】
また、素子の電極板と電池用電極端子とを接合するためにクラッド板を介しているため、回路全体として、薄型化や軽量化を実現するのが困難であった。
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３４９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、電極板と端子板とを溶接等によって接合する際に、素子本体が熱劣化することを防止できると共に、クラッド板を用いることなく、電極板と端子板とを容易に接続でき、素子本来の機能を有効に発揮することができるＰＴＣ素子を提供することである。また、本発明の別の目的は、保護回路全体として薄型化および軽量化を実現することができる電池保護システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係るＰＴＣ素子は、
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記第１電極板における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜が形成してあることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである。
【００１６】
本発明に係るＰＴＣ素子では、第１電極板に対して、アルミニウムを含む第１端子接合膜が直接形成してある。このようにすることで、第１電極板にクラッド板を接合することなく、スポット溶接等を用いて、第１電極板と、他の電極端子（たとえば、２次電池用端子）とを容易に接続することができる。
【００１７】
クラッド板を用いることなく、ＰＴＣ素子の第１端子接合膜が形成された電極板と、２次電池等の電極端子と容易に接合することができるため、保護回路全体の薄型化および軽量化を実現することができる。
【００１８】
第１端子接合膜の形成方法は、特に制限されず、たとえば、種々の薄膜形成法を用いることができる。具体的には、スパッタによる蒸着、プラズマによる溶射、超音波による接合等を用いることができる。
【００１９】
好ましくは、前記第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片と一体に成形される第１端子接合片と、を有し、
前記第１端子接合片の表面に前記第１端子接合膜が形成してある。
【００２０】
第１端子接合膜が、第１端子接合片に形成されており、第１端子接合膜と素子本体とが離れているため、第１電極板と、電極端子との接合において、スポット溶接等により発生した熱が、素子本体に伝導しにくい。そのため、素子本体の熱劣化を防止することができる。
【００２１】
その結果、本発明に係るＰＴＣ素子では、高感度を維持でき、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して電子機器を保護するという本来の機能を有効に発揮することができる。
【００２２】
さらに、使用時においてＰＴＣ素子全体に熱が掛かると、第１端子接合片を構成する金属（ニッケルまたはニッケル合金）と、第１端子接合膜を構成する金属（アルミニウムを含む金属）と、が異なるため、熱膨張の差による歪みを生じることがある。このような場合であっても、第１端子接合膜は、第１素子接合片に形成されていないため、上記の歪みに起因する第１電極板と素子本体との剥離を有効に防止することができる。
【００２３】
好ましくは、前記第１端子接合膜の厚みが、３〜１００μｍ、より好ましくは５〜５０μｍである。第１端子接合膜の厚みが薄すぎると、スパッタ等の薄膜形成が困難となり、さらにスポット溶接等も困難となるおそれがある。また、第１端子接合膜の厚みが厚すぎると、上記の薄膜形成を効率的に行うことが困難となる傾向にある。
【００２４】
好ましくは、前記第１素子接合片の素子接合面が、前記素子本体の表面に直接接触し、前記素子接合面には素子接合用凹凸部が形成されており、
前記第１端子接合膜が形成される前記第１電極板の表面には膜接合用凹凸部が形成されている。
【００２５】
素子接合面に凹凸を形成することで、第１電極板と素子本体との接合強度が向上し、第１端子接合膜が形成される面に凹凸を形成することで、第１電極板と第１端子接合膜との接合強度が向上する。また、第１素子接合片の素子接合面が素子本体の表面に直接に接触することで、ロウ付けなどの作業が不要になり、製造コストの低減を図ることもできる。
【００２６】
好ましくは、前記素子接合用凹凸部と、前記膜接合用凹凸部とが、前記第１電極板の片面に同時に形成してある。素子接合用凹凸部と、膜接合用凹凸部とが、第１電極板の片面に形成されることで、凹凸部を形成する処理を効率的に行うことができる。
【００２７】
好ましくは、前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある。保護膜は、酸素バリア性を有することが好ましい。保護膜を構成することで、素子本体の劣化を防止することができる。
【００２８】
本発明では、前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してあっても良い。
【００２９】
本発明に係る電池保護システムは、
上記のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される電池と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される保護回路と、を有する。
【００３０】
本発明に係る電池保護システムでは、クラッド板を用いていないため、保護システム全体として薄型化および軽量化を実現をできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図２は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図、
図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図、
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
ポリマーＰＴＣ素子の全体構成
【００３２】
まず、本発明に係るＰＴＣ素子の一実施形態として、携帯電話の電源として用いられる２次電池セルを保護するためのポリマーＰＴＣ素子について説明する。
【００３３】
図１に示すポリマーＰＴＣ素子２は、携帯電話の電源である２次電池セル３２と、その２次電池セル３２を過電流から保護するための保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２は、保護回路３０によっても制御しきれない過電流が２次電池セル３２の充電中または放電中に流れた場合、保護回路３０と２次電池セル３２との間の電流を遮断して２次電池セル３２を保護する。
以下では、まず、ポリマーＰＴＣ素子の全体構成について説明する。
【００３４】
図１および図２に示すポリマーＰＴＣ素子２は、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する導電性ポリマーで構成してある素子本体４を備えている。この素子本体４は、表裏面（互いに対向する第１面６および第２面８）を有する。第１面６および第２面８には、それぞれ第１電極板１０と、第２電極板１２とが接合されている。その結果、素子本体４は、第１電極板１０と第２電極板１２との間に挟まれるように配置される。
【００３５】
第１電極板１０の外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜１４が厚みｔ０で形成してある。好ましくは、厚みｔ０は、３〜１００μｍ、より好ましくは、５〜５０μｍ、さらに好ましくは、１０〜５０μｍである。第１端子接合膜１４の形成方法は、特に制限されないが、本実施形態では、第１端子接合膜１４は、スパッタ法により形成される。
【００３６】
第１端子接合膜１４は、アルミニウムを含む金属で構成されているため、スポット溶接等によりアルミニウム材で構成される電極端子３４との接続を容易に行うことができる。また、クラッド板を用いることなく、素子本体の電極板と電池の電極端子とを接続できるため、システム全体として薄型化および軽量化を実現することができる。
【００３７】
本実施形態では、第１電極板１０は、素子本体４に対して接合する第１素子接合片１０ａと、この第１素子接合片１０ａに対して一体に成形してある第１端子接合片１０ｂとを有している。
【００３８】
図２に示すように、第１端子接合片１０ｂは、第１素子接合片１０ａよりも幅が狭く形成されている。第１素子接合片１０ａの幅をＷ２、第１端子接合片１０ｂの幅をＷ１とすると、好ましくは、Ｗ１／Ｗ２＝０．５〜１．０、さらに好ましくは、０．７６〜１．０である。
【００３９】
第１端子接合膜１４は、第１素子接合片１０ａに形成されていてもよいが、第１端子接合片１０ｂのみに形成されていることが好ましく、しかも、第１端子接合片１０ｂの先端側に形成されていることが好ましい。第１端子接合膜１４の幅をＷ０としたときに、さらに好ましくは、Ｗ０／Ｗ１＝０．５〜１．０、特に好ましくは、０．５６〜１．０である。また、第１端子接合膜１４の長さをＬ０とし、第１端子接合片１０ｂの長さをＬ１としたときに、さらに好ましくは、Ｌ０／Ｌ１が、０．４１〜１．０、特に好ましくは、０．５９〜１．０である。
【００４０】
また、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃが素子本体４の第１面６に直接に接触しており、素子接合面１０ｃには凹凸が形成してある。また、第１端子接合片１０ｂにおける第１端子接合膜１４との端子接合面１０ｄは、素子接合面１０ｃよりも平坦面にしてある。
【００４１】
素子接合面１０ｃに形成してある凹凸は、素子本体４との熱圧着を強固にするためのものであり、その形成方法は、特に限定されないが、たとえばメッキ膜形成による粗面化処理が好ましい。メッキ膜形成による粗面化処理により、第１素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃには、節瘤状の突起が多数形成できる。この節瘤状の突起は、凹凸差が５〜１５μｍ程度で頭部に対して中間部または基部がくびれている凸部であり、素子本体４と素子接合片１０ａの素子接合面１０ｃとの熱圧着強度を向上させることができる。
【００４２】
なお、素子接合面１０ｃに形成してある凹凸の形成方法としては、メッキ膜形成による粗面化処理以外に、酸による表面処理、エッチング処理、ブラスト処理、切削などの機械加工による粗面化処理、その他の処理が例示される。第１電極板１０における端子接合面１０ｄは、第１電極板１０の片面全面に対して凹凸を形成した後に、プレス加工などにより平坦化処理することにより形成しても良い。あるいは、素子接合面１０ｃ以外の部分をマスクして、素子接合面１０ｃのみに凹凸を形成しても良い。
【００４３】
第１端子接合膜１４が形成された第１端子接合片１０ｂは、図１に示す電極端子に対してスポット溶接され、電極端子は、電池に対して電気的に接続される。
【００４４】
第２電極板１２は、特に限定されないが、本実施形態では、第２電極板１２は、図２に示すような第１電極板と同一の形状であり、第２素子接合片１２ａと、第２端子接合片１２ｂと、を有している。また、第２電極板１２は、第１電極板１０と同様にニッケルまたはニッケル合金で構成してあり、第２端子接合片１２ｂには、端子板１６が接続してある。端子板１６の厚みは、通常１００〜３００μｍ程度である。
【００４５】
また、第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃには、素子接合面１０ｃと同様な凹凸が形成してあり、素子本体の第２面８と直接接触している。
【００４６】
第２電極板１２における第２素子接合片１２ａの素子接合面１２ｃ以外の表面１２ｄには、素子接合面１２ｃに形成してある凹凸が形成されず、平坦面となっていることが好ましい。第２電極板１２において素子接合面１２ｃに凹凸を形成するための方法と、素子接合面１２ｃ以外の表面１２ｄを平坦化する方法は、第１電極板１０において部分的に凹凸面を形成するための方法と同様である。
【００４７】
図１に示すように、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない側面には、必要に応じて保護膜３が形成されている。保護膜３を形成することで、大気中の酸素による素子本体４の酸化を抑制し、素子本体４の劣化を防止することができる。保護膜３の種類としては、酸素を遮蔽する機能を有するものであれば特に限定されないが、エポキシ樹脂、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等が例示される。
【００４８】
素子本体４の形状は、特に限定されず、直方体型、円柱型等が例示される。素子本体４の形状が直方体の場合、素子本体４の寸法は、縦３〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍ×厚さ０．５〜１．０ｍｍ程度である。
ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法
【００４９】
次に、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法について説明する。
（１）素子本体４
素子本体４は、通常、主成分である重合体（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の高分子化合物）および導電性粒子を含む樹脂組成物（導電性ポリマー）から構成される。なお、素子本体４は、重合体として、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００５０】
まず、高分子化合物（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）、導電性粒子（金属粉、カーボンブラック等）、低分子有機化合物および、高分子化合物同士を架橋反応させるための反応開始剤等を秤量、混練し、ＰＴＣ組成物を調整する。混練の方法としては、特に限定されないが、ニーダ、押出機、ミル等が例示される。また、ＰＴＣ組成物に含有させる導電性粒子としては、ふるい機等によって所定の粒径をもつ導電性粒子のみを分級し、これを用いる。次に、このＰＴＣ組成物を成形し、素子本体４（図１）を得る。
【００５１】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。好ましくは、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子が、十分な抵抗変化量及び耐熱性を有することができる。熱硬化性樹脂の分子量は、通常、重量平均分子量Ｍｗが３００〜１００００程度である。上記の熱硬化性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱硬化性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００５２】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、好ましくは、結晶性ポリマーをを用いる。熱可塑性樹脂の融点は、特に限定されないが、好ましくは、７０〜２００℃程度である。融点がこの範囲にある樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子動作時における熱可塑性樹脂の融解、流動、素子本体の変形を防止することができる。
【００５３】
具体的な熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニルコポリマ−等のコポリマ−、ポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド等のハロゲン化ビニルおよびビニリデンポリマ−、１２−ナイロン等のポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマ−、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタ−ル、熱可塑性変性セルロ−ス、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられる。
【００５４】
熱可塑性樹脂の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、好ましくは、１００００〜５００００００である。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱可塑性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００５５】
素子本体４に含まれる導電性粒子としては、特に限定されないが、金属粉、カーボンブラック等が例示される。好ましくは、導電性粒子として金属粉を用いる。この金属粉としては、好ましくは、ニッケルを主成分とするものを用いる。金属粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．５〜４．０μｍ程度である。
【００５６】
素子本体４において、樹脂組成物中の導電性粒子の含有量は、樹脂組成物全体に対して、好ましくは、２０〜８０質量％である。導電性粒子の含有量をこの範囲内とすることによって、非動作時の室温抵抗値を十分に低くすることができ、また、大きな抵抗変化量を得ることができる。さらには、素子抵抗のバラツキを十分に減少させることができる。
【００５７】
素子本体４を構成する樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および導電性粒子以外に、例えば、ワックス、油脂、脂肪酸、高級アルコ−ル等の低分子有機化合物を更に含んでもよい。その結果、素子本体４の温度上昇に伴う抵抗変化量を増大させることができる。
【００５８】
素子本体４は、内部に空隙を有し、この空隙に上記樹脂組成物を充填することが可能な基材を含んでもよい。このような基材としては、上記の役割を果たすことが可能なものであれば特に制限されず、織布、不織布、連続多孔質体等が例示される。
【００５９】
素子本体４には、必要に応じて、電子線照射を行う。この電子線照射によって、反応開始剤が機能し、高分子同士の架橋反応が促進される。架橋反応のエネルギー源としては、電子線に限定されず、ガンマ線、紫外線、熱等も用いられる。照射する電子線の加速電圧及び電子線照射量は、素子本体４に含まれる高分子化合物の種類、あるいは素子本体の寸法等に応じて、適宜調整すればよい。なお、電子線照射は、電極板１０および１２の接合後であっても良い。
【００６０】
（２）第１金属板１０および第２電極板１２の形成および熱圧着
第１金属板１０および第２金属板１２は、所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板を打ち抜き成型して形成される。第１金属板１０における素子接合面１０ｃと、第２金属板１２における素子接合面１２ｃには、前述した方法により、素子本体４との熱圧着を強固にするための凹凸が形成してある。
【００６１】
次に、素子本体４の表裏面（第１面６および第２面８）それぞれに、第１電極板１０および第２電極板１２を、熱プレス機等により、熱圧着する。熱圧着時の加熱温度は、素子本体４の材質にもよるが、好ましくは、１３０〜１８０°Ｃ程度である。また、熱圧着時の圧力は、好ましくは１×１０６〜３×１０６Ｐａ程度である。
【００６２】
なお、熱圧着時には、圧力により素子本体４が厚み方向に多少潰れて、電極板１０および１２の側方に多少はみ出すこともあるが、不要部分は、容易に除去することができる。
【００６３】
（３）第１端子接合膜１４の形成
次に、あるいは、その前後に、第１端子接合片１０ｂに、アルミニウムからなる第１端子接合膜１４を、スパッタ法により形成する。条件は、バックグラウンド真空度：１Ｅ−３Ｐａ、プロセスガス：Ａｒ、スパッタ中ガス圧：０．５〜２Ｐａ、ＤＣスパッタ、電圧３００〜８００Ｖである。
【００６４】
（４）保護膜３の形成
次に、素子本体４の表面のうち、電極板１０および１２で囲まれていない露出側面に、必要に応じて保護膜３を形成する。保護膜３の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、前述した樹脂を塗布して乾燥させる方法が例示される。
このようにして、図２に示すように、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２が完成する。
ポリマーＰＴＣ素子２の組み付け方法
【００６５】
ポリマーＰＴＣ素子２は、図１に示すように、２次電池セル３２と、保護回路３０との間に組み込まれる。ポリマーＰＴＣ素子２を、図１に示すように接続するために、たとえば、まず、素子２における第１電極板の第１端子接合片１０ｂに形成された第１端子接合膜１４と、２次電池セル３２の電極端子３４と接触してスポット溶接する。素子２と２次電池セル３２との間に隙間が形成される場合には、スペーサ３６などを、素子２と２次電池セル３２との間に配置させる。
【００６６】
次に、あるいは、その前後に、第２電極板１２の第２端子接合片１２ｂに対して、保護回路３０に接続してある端子板１６をスポット溶接により接合する。
【００６７】
本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２では、第１端子接合膜１４は、第１端子接合片１０ｂに形成されている。この第１端子接合片１０ｂは、素子本体４と直接接触する部分を有していない。したがって、第１電極板１０と、２次電池セル３２の電極端子３４とを、スポット溶接等で接合する際に生じる熱は、素子本体４にまで伝わりにくく、素子本体４の熱劣化を防止することができる。
【００６８】
素子本体４の熱劣化を防止することができるため、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２は高感度を維持できる。さらに、通常使用時においては、消費電力の低減を図ることができると共に、必要な場合には、電流を遮断して２次電池セル３２を保護すると言う本来の機能を有効に発揮することができる。
【００６９】
また、第１端子接合膜１４が、第１素子接合片１０ａに形成されていないため、異種金属同士が接合された第１端子接合膜１４と第１端子接合片１０ｂとが、熱による歪みを生じたとしても、その影響により第１電極板１０と素子本体４とが剥離することはない。
【００７０】
さらに、本実施形態では、クラッド板を介することなく、ＰＴＣ素子の電極板と電池セルの電極端子とを接合することができるため、回路全体としての薄型化、軽量化等の要求にも応えることが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態に係るポリマーＰＴＣ素子２と、保護回路３０と、２次電池セル３２とを有する電池保護システムでは、過剰な電流が流れた場合や、衝撃や圧力が作用したとしても、電池を有効に保護することができる。
【００７２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００７３】
たとえば、図３では、本発明に係るＰＴＣ素子の第１電極板１０の片面が全面的に粗面化されている構成となっている。このような構成とすることで、素子接合面１０ｃと素子本体４との熱圧着強度を向上させるだけでなく、第１端子接合面１０ｄが粗面化されているため、第１端子接合膜１４を形成した際の接合強度をも向上させることができる。しかも、第１電極板１０の片面のみを全体的に粗面化処理すればよいため、効率よく処理することができる。
【００７４】
また、図４では、本発明に係るＰＴＣ素子本体４の表裏面には、ニッケルなどの金属箔６０が積層してあり、各金属箔６０に対して、第１金属板１０および第２電極板１２が、ハンダ層６２を介して接合してあっても良い。金属箔６０は、ニッケルなどの金属または合金で構成してあり、シート状の素子本体４の両面に金属箔を熱プレスした後に、これを所定の寸法に打ち抜くことによって、素子本体４と一体化することができる。金属箔６０の厚みは、電極板１０および１２の厚みよりも薄く、一般的には、２５〜３０μｍである。
【００７５】
さらに、第２電極板を図４のような構成とすることで、端子板とのスポット溶接等による接合時に生じる熱が素子本体４に伝わりにくくすることができる。また、第２電極板１２が折り曲げられて配置されていることで、落下などにより、第２電極板１２と端子板１６との間の接合部に衝撃が加わったとしても、第２電極板１２における折曲部１２ｅが衝撃を有効に吸収する。そのため、第２電極板１２と端子板１６との間の接合部が外れることはない。なお、第２電極板１２の折曲部１２ｅは、断面略Ｕ字状、断面略Ｖ字状、断面略コ字状等の形状を有している。
【００７６】
また、２次電池セル３２の熱膨張などにより、ポリマーＰＴＣ素子２に対して圧力が作用したとしても、第２電極板１２における折曲部１２ｅが圧力による変位を有効に吸収し、素子本体４に圧力が加わることはなく、過剰電流の遮断機能を有効に発揮することができる。
【００７７】
さらには、第１電極板１０が、第１端子接合片１０ｂを有していない構成であってもよい。すなわち、第１素子接合片１０ａのみに第１端子接合膜１４が形成されていてもよい。
【００７８】
これらの実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、本発明に係るポリマーＰＴＣ素子２は、２次電池セル３２の過電流保護素子としてのみならず、自己制御型発熱体、温度センサー、限流素子、過電流保護素子等としても使用されることが可能である。
【００８０】
また、本発明では、ポリマーＰＴＣ素子２の製造方法は、特に限定されない。たとえば上述した実施形態のように、素子本体４、第１電極板１０、第２電極板１２を、それぞれ単独の状態で互いに接合することなく、以下のようにしてポリマーＰＴＣ素子２を製造しても良い。すなわち、切断後に素子本体４を構成するシート状素子本体と、切断後に第１電極板１０および第２電極板１２をそれぞれ構成することになる一対のシート状電極とを、熱圧着した後に、不要部分をプレスで打ち抜くことによって個別のポリマーＰＴＣ素子２を形成しても良い。その場合には、ポリマーＰＴＣ素子２を構成する部品の集合体同士を、一度に接合することによって、ポリマーＰＴＣ素子２の製造工程の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図２】図２は図１に示すＰＴＣ素子の斜視図である。
【図３】図３は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の使用状態を示す要部断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係るＰＴＣ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
２… ポリマーＰＴＣ素子
３… 保護膜
４… 素子本体
１０… 第１電極板
１０ａ… 第１素子接合片
１０ｂ… 第１端子接合片
１０ｃ… 素子接合面
１０ｄ… 端子接合面
１２… 第２電極板
１２ａ… 第２素子接合片
１２ｂ… 第２端子接合片
１２ｃ… 素子接合面
１２ｄ… 素子接合面１２ｃ以外の表面
１２ｅ… 折曲部
１４… 第１端子接合膜
１６… 端子板
３０… 保護回路
３２… ２次電池セル
３４… ２次電池用電極端子
６０… 金属箔
６２… ハンダ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記第１電極板における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜が形成してあることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
前記第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片と一体に成形される第１端子接合片と、を有し、
前記第１端子接合片の表面に前記第１端子接合膜が形成してある請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第１端子接合膜の厚みが、３〜１００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第１素子接合片の素子接合面が、前記素子本体の表面に直接接触し、前記素子接合面には素子接合用凹凸部が形成されており、
前記第１端子接合膜が形成される前記第１電極板の表面には膜接合用凹凸部が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記素子接合用凹凸部と、前記膜接合用凹凸部とが、前記第１電極板の片面に同時に形成してある請求項５に記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある請求項１〜６のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項８】
前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してある請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される電池と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される保護回路と、を有する電池保護システム。
【請求項１】
所定の温度領域において温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子本体と、
前記素子本体の表裏面に接合された一対の第１および第２電極板と、を有するＰＴＣ素子であって、
前記第１電極板における外部に露出する表面の少なくとも一部に、アルミニウムを含む第１端子接合膜が形成してあることを特徴とするＰＴＣ素子。
【請求項２】
前記素子本体が、正の温度係数を持つ導電性ポリマーである請求項１に記載のＰＴＣ素子。
【請求項３】
前記第１電極板が、前記素子本体に対して接合する第１素子接合片と、前記第１素子接合片と一体に成形される第１端子接合片と、を有し、
前記第１端子接合片の表面に前記第１端子接合膜が形成してある請求項１または２に記載のＰＴＣ素子。
【請求項４】
前記第１端子接合膜の厚みが、３〜１００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項５】
前記第１素子接合片の素子接合面が、前記素子本体の表面に直接接触し、前記素子接合面には素子接合用凹凸部が形成されており、
前記第１端子接合膜が形成される前記第１電極板の表面には膜接合用凹凸部が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項６】
前記素子接合用凹凸部と、前記膜接合用凹凸部とが、前記第１電極板の片面に同時に形成してある請求項５に記載のＰＴＣ素子。
【請求項７】
前記第１および第２電極板で覆われていない前記素子本体の露出面には、保護膜が形成してある請求項１〜６のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項８】
前記素子本体の表裏面には、金属箔が積層してあり、各金属箔に対して、前記第１および第２電極板が接合してある請求項１〜７のいずれかに記載のＰＴＣ素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子の第１電極板に電気的に接続される電池と、
前記ＰＴＣ素子の第２電極板に電気的に接続される保護回路と、を有する電池保護システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−４７６８１（Ｐ２００８−４７６８１Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２１４９２（Ｐ２００６−２２１４９２）
【出願日】平成１８年８月１５日（２００６．８．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１５日（２００６．８．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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